JP2018155292A - 流体動圧軸受およびスピンドルモータ - Google Patents

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Abstract

【課題】気泡の悪影響が抑えられる流体動圧軸受およびそれを用いたスピンドルモータを得る。【解決手段】流体動圧軸受200は、シャフト102にロータ110を回転自在な状態で保持する流体動圧軸受であって、ロータ110を構成する部材との間で第1の隙間211を構成する円錐軸受面を有する円錐軸受部材201を備え、円錐軸受部材201とシャフト102との間には、第1の隙間211の一端につながり、シャフト102との間の全周にわたり設けられた第2の隙間210が設けられ、円錐軸受部材201とロータ110との間には、テーパシール部212が形成されるテーパシール部212が設けられ、円錐軸受部材201には、第2の隙間210とテーパシール部212との間をつなぎ、テーパシール部212の一部を介して第1の隙間211の他端のつながる循環孔205が設けられ、前記テーパシール部212の一部において循環孔205と第1の隙間211の前記他端とは離間している。【選択図】図2

Description

本発明は、潤滑油の循環経路に特徴がある流体動圧軸受およびそれを用いたスピンドルモータに関する。
流体動圧軸受を用いたスピンドルモータが知られている。(例えば、特許文献1を参照)。
特開2005−54990号公報
流体動圧軸受には、長寿命および軸受としての強度が要求される。また、流体動圧軸受は、動作時に潤滑油の中で生じる気泡の影響を極力抑えることが要求される。これらの点に関して、近年益々高いレベルが要求されてきている。しかしながら、これらの要求に対しては、上述した特許文献の技術では十分でない。
このような背景において本発明は、気泡の悪影響が抑えられる流体動圧軸受およびそれを用いたスピンドルモータを得ることを目的とする。
本発明は、シャフトにロータを回転自在な状態で保持する流体動圧軸受であって、内周面の少なくとも一部が前記シャフトの外周面に固定され、外周面として円錐面と円錐軸受面とを少なくとも有する円錐軸受部材を備え、前記円錐軸受面と前記ロータとの間には第1の隙間が設けられ、前記円錐軸受部材と前記シャフトとの間には、周方向で全周にわたり第2の隙間が設けられ、前記円錐面と前記ロータとの間には、テーパシールが形成される空間が設けられ、前記第2の隙間の一端は、前記第1の隙間の一端につながり、前記円錐軸受部材には、一端が、前記第2の隙間の他端に開口するとともに、他端が、前記テーパシールが形成される空間に開口し、前記第2の隙間と、前記テーパシールが形成される空間とを連通する循環孔が形成され、前記循環孔の他端の開口は、前記テーパシールが形成される空間の一部を介して前記第1の隙間の他端につながり、前記テーパシールが形成される空間の一部において、前記循環孔の他端の開口と、前記第1の隙間の他端とは、相互に離間している流体動圧軸受である。
本発明において、前記循環孔の前記他端の開口と前記第1の隙間の前記他端との離間距離をs、前記離間距離sの方向における前記循環孔の前記他端の開口の寸法をdとした場合にs≧d/2とすることは好ましい。また本発明において、d/2≦s≦dとすることは好ましい。
本発明において、前記循環孔は直線状に延在しており、前記円錐軸受面と前記循環孔の延在方向とが平行でない構造は好ましい。また本発明において、軸方向における長さで捉えて、前記円錐軸受部材と前記シャフトとが接触し結合している部分の長さが、前記第2の隙間の長さより長い構造は好ましい。
本発明は、以上述べた構成の流体動圧軸受を備えたスピンドルモータとして把握することもできる。
本発明によれば、気泡の悪影響が抑えられる流体動圧軸受およびそれを用いたスピンドルモータが得られる。
実施形態のスピンドルモータの断面図である。 図1の一部を拡大した拡大図である。 円錐軸受部材の上面図(A)、側断面図(B)および(C)である。 図2の一部を拡大した拡大図である。 図4の一部を拡大した拡大図である。
(概要)
図1は、回転軸を含む面で切断した実施形態のスピンドルモータの断面図である。図1には、発明を利用したスピンドルモータ100が示されている。スピンドルモータ100は、軸部材となるシャフト102が固定された軸固定型であり、軸部材を中心としてロータが回転する。以降の説明では、シャフト102の回転軸に平行な方向を「軸方向」といい、シャフト102の回転軸に垂直な方向を「径方向」という場合がある。また、軸方向における下方を「一端側」、軸方向における上方を「他端側」ということがある。
スピンドルモータ100は、ベース部101を備えている。ベース部101には、シャフト102が固定されている。また、ベース部101には、ステータコア103が固定されている。ステータコア103は、薄板状の軟磁性材料(例えば、電磁鋼板)を軸方向で複数枚積層したものであり、環形状を有し、径外側の方向に突出した複数の極歯を備えている。複数の極歯は、周方向に沿って等間隔に設けられ、それぞれステータコイル104が巻回されている。
シャフト102には、円錐軸受部材201および円錐軸受部材301が固定され、ロータ110は、円錐軸受部材201および円錐軸受部材301により、シャフト102に対して回転自在な状態で支持される。円錐軸受部材201および円錐軸受部材301は、シャフト102の一端側と他端側とに配置される。
ロータ110は、外側円筒部111を有し、外側円筒部111の内周面側には、ロータマグネット112が固定されている。ロータマグネット112は、環形状を有し、周方向に沿ってSNSN・・と隣接する部分が交互に異極性となるように着磁されている。ロータマグネット112の内周は、隙間を有した状態でステータコア103の極歯の外周に対向している。
ステータコイル104に供給する駆動電流の極性を特定のタイミングで切り替えると、ロータマグネット112を回転させようとする駆動力が生じ、ロータ110がシャフト102を軸として、シャフト102およびベース101に対して回転する。この原理は、通常のスピンドルモータと同様である。
(流体軸動圧軸受)
以下、流体動圧軸受200および流体動圧軸受300について説明する。図2には、流体動圧軸受200の部分を拡大した状態が示されている。流体動圧軸受200は、シャフト102に固定された円錐軸受部材201を有し、流体動圧軸受300は、シャフト102に固定された円錐軸受部材301を有する。以降の説明では、流体動圧軸受200を例示して説明する。また、以降の説明では円錐軸受部材201を参照して説明を行うが、円錐軸受部材301についても同じ説明が適用される。
図3には、円錐軸受部材201の上面図(軸方向上面から見た図)(A)と、(A)におけるA−Aで切断した断面図(B)、(A)におけるB−Bで切断した断面図(C)が示されている。円錐軸受部材201の中央には、軸方向に貫通した貫通孔209が形成され、この貫通孔209にシャフト102が圧入されることで、円錐軸受部材201とシャフト102とが結合している。円錐軸受部材201とシャフト102との結合は、接着剤を併用して、あるいは接着剤により行ってもよい。
図3に示すように、円錐軸受部材201は、径方向外側の面として円錐軸受面202とシール円錐面203とを有している。円錐軸受面202は、ロータ110の側に設けられたロータ側円錐面113(図2参照)と微小な隙間211(図4参照)を介して相互に対向する。円錐軸受面202と、ロータ側円錐面113との少なくとも一方には動圧溝が形成され、隙間211は潤滑油で満たされている。
シール円錐面203とロータ110との間には、テーパシール部212が設けられている。テーパシール部212は、周方向に沿って全周にわたり形成され、図2に例示されるように、軸方向における下方から上方に向って、隙間(円錐軸受部材201とロータ110との間の隙間)の寸法が漸次大きくなるようなテーパ形状に形成され、テーパシール部212に液面が位置して毛細管力により潤滑油の漏出が防止される。図1では、テーパシール部212に保持される潤滑油の液面が符号Lで図示されている。
円錐軸受部材201には、後述の隙間210とテーパシール部212とを連通する循環孔205が設けられている。循環孔205は、軸方向上方から見て、周方向に相互に間隔をあけて、2本設けられている。実施形態では、2本の循環孔205が形成された態様を例示しているが、循環孔205の数は、3以上であってもよい。また、複数の循環孔は、周方向で等間隔(例えば、180°等配)に配置されることが好ましい。実施形態では、循環孔205が延在する方向(延在方向)と回転軸との間のなす角度θは25°〜55°であり、円錐軸受面202と回転軸とがなす角度θは15°〜45°であり、角度θが角度θを下回るように(θ<θを満たすように)設定されている。すなわち、円錐軸受面202と循環孔205の延在方向は平行でない。
円錐軸受部材201の貫通孔209(図3参照)は、相対的に、内径の小さい縮径部206と内径が大きい拡径部207と、縮径部206と拡径部207の間にあり、内径が漸次変化する遷移部208とを有している。縮径部206の内径は、シャフト102の外径よりも僅かに小さく、ここにシャフト102が圧入される。この圧入部分で、円錐軸受部材201の内周面とシャフト102の外周面とが密着し、シャフト102に円錐軸受部材201が固定される。
拡径部207の内周とシャフト102の外周との間には、環状の空間となる隙間210(図2参照)が設けられている。また、前述した通り、円錐軸受面202(図3参照)とロータ側円錐面113(図2参照)との間に隙間211(図4,図5参照)が設けられている。隙間211は、一端側が隙間210の一端側に連通し、他端側がテーパシール部212に連通している(潤滑油の移動が可能な状態でつながっている)。隙間210の他端側(遷移部208が位置する側)は、循環孔205に連通している。すなわち、循環孔205の一端側は、遷移部208の部分(隙間210の他端側)に開口し、循環孔205の他端側はテーパシール部212に連通している。図4から理解される通り、循環孔205は、一端側から他端側にかけて、斜め上方向に延在しながら、他端側がテーパシール部212に至る構造となっている。
隙間211、隙間210、循環孔205およびテーパシール部212の循環孔205が開口している部分には、潤滑油が充填されている。潤滑油としては、例えば、PAO(ポリα-オレフィン)、エステル系オイル等を基油とする潤滑油が好適に例示され得るが、以上の例示以外であってもよい。なお、流体動圧軸受200と流体動圧軸受300の間では、シャフト102とロータ110との間に隙間(その一部が図4の符号213)が形成され、流体動圧軸受300および流体動圧軸受200の潤滑油は、当該隙間の一端側と他端側とに、それぞれ液面を形成する。
図5は、図4の一部を更に拡大したものである。テーパシール部212への循環孔205の開口部205a(循環孔205の他端側の開口部)と、隙間211の端部(テーパシール部212側、すなわち他端側の端部)との間には、シール円錐面203の一部をなす周面部214が設けられている。すなわち、周面部214は、テーパシール部212に含まれている。周面部214が存在することで、循環孔205と隙間211とは直接つながらず、テーパシール部212を介して循環孔205と隙間211とがつながる構造になっている。すなわち、周面部214が存在することで、循環孔205と隙間211とは距離を隔てて離間している。
周面部214の幅s、すなわちテーパシール部212における循環孔205と隙間211との離間距離sは、シール円錐面203に平行な方向で捉えた開口部205aの開口寸法dの半分〜開口寸法d程度とすることが好ましい。すなわち、dは、d/2≦s≦dの範囲とすることが好ましい。例えば、開口寸法dを0.2〜0.6mm程度とした場合、離間距離sは、0.1〜0.3mm程度とすることが好ましい。なお、図は略図であり、図におけるsとdの寸法の比率は正確ではない。
以下、離間距離sの範囲に関して、d/2≦s≦dの範囲が好ましい理由について説明する。まず、予備知識として流体動圧軸受200の作用を説明する。ロータ110が回転すると、隙間211の部分で動圧が発生する。動圧は、隙間の延在方向に垂直な方向(隙間間隔の方向)に発生する。この動圧により、円錐軸受部材201とロータ110との接触が生じない状態で、流体を介した軸受構造が実現される。また、上記の動圧により、潤滑油が隙間211→隙間210→循環孔205→テーパシール部212→隙間211と循環する。
この潤滑油の循環において、隙間210に流れ込んだ潤滑油は、循環孔205に流れ込む。そして、循環孔205に流れ込んだ潤滑油は、開口部分205aからテーパシール部212の下部に流出し、隙間211の上部に戻る。こうして、潤滑油の隙間211→隙間210→循環孔205→テーパシール部212→隙間211の循環が発生する。
ここで、動圧が発生する隙間211の部分では、乱流が発生し、そこでは様々な要因により、気泡が発生する可能性がある。例えば、ロータ110に軸方向の振動が加わった場合、微小な間隔である隙間211では、キャビテーションによる気泡の発生が生じやすい。隙間211において発生した気泡は、上述した潤滑油の循環の流れに乗り、循環孔205からテーパシール部212に流れ出る。
循環孔205からテーパシール部212に流れ出た気泡は、なるべく早いタイミングで潤滑油の液面L(潤滑油が露出した液面、すなわち、液面Lと気体との界面)から逃がす必要がある。潤滑油の中に気泡が長く留まると、気泡が集まって大きくなり、それが隙間211に存在すると、潤滑油を介した軸受の機能が損なわれる危険性が増大する。
ここで、テーパシール部212と隙間211との境界付近では、上述した隙間211で生じる乱流の影響、および隙間211で生じる動圧に起因する隙間211に潤滑油を引き込もうとする作用の影響が強い。したがって、周面部214の幅s(循環孔205の開口と隙間211との離間距離)が小さいと、循環孔205からテーパシール部212に流れ出た気泡が再び隙間211に引き込まれる可能性が高くなる。
上述したように、気泡は潤滑油の液面L(液面Lと気体との界面)からなるべく早いタイミングで放出させた方がよいので、上記の循環孔205からテーパシール部212に出た気泡が再び隙間211に引き込まれる状態は好ましくない。
本実施形態では、循環孔205と隙間211との離間距離s(周面部214の幅s)を、シール円錐面203に平行な方向で捉えた開口部205aの開口寸法dの半分(d/2)以上とすることで、循環孔205の開口部205aを隙間211の端部から遠ざけ、隙間211への気泡の吸い込みを抑制している。
ここで、s<d/2となると、循環孔205の開口部205aが隙間211の端部に近づくので、隙間211に気泡が吸い込まれる可能性が増大する。ところで、気泡を排出させる観点から離間距離sは大きい程よいが、離間距離sが大きすぎると別の問題が生じる。
以下、離間距離sが大きい場合のデメリットについて説明する。離間距離sが大きくなると、循環孔205の開口部205aが潤滑油の液面Lに近づく。潤滑油は蒸発等により徐々に失われてゆくので、潤滑油の液面Lは徐々に低下する。循環孔205の開口部205aが潤滑油の液面Lに近いと、上記の液面の低下に伴う循環孔205の潤滑油の液面Lからの露呈のタイミングが早くなり、製品としての寿命が短くなる。この点から、離間距離sの上限は開口寸法d程度とすることが適当となる。
また、この潤滑油の散逸に起因する製品寿命に関連して、図3のθ<θが選択されている。これは以下の理由による。まず、前提条件として、円錐軸受面202は、軸受として荷重を受ける必要性から、相応の強度が要求される。ここで、仮にθ=θであると、上記の強度を確保するために、循環孔205を上方に平行移動させ、循環孔205の開口部205aの位置を液面に近くしなくてはならない。そうすると、潤滑油の散逸に起因する製品寿命の点で不利となる。
また、θ=θであると、循環孔205→テーパシール部212→隙間211における潤滑油の移動において、移動経路の方向が急激に変化する(180°変化する)。この移動経路の急激な変化は、抵抗の増加を招き、潤滑油の循環を阻害する。潤滑油の循環が効果的に行われることは、流体動圧軸受において重要であり、上記の阻害要因は好ましくない。この点でもθ=θは好ましくない。また、急激な流路方向の変更は、気泡の発生要因であるキャビテーションの原因ともなるので、この点でもθ=θは好ましくない。
これに対して、θ<θとすると、循環孔205→テーパシール部212→隙間211における潤滑油の流路の変化が、θ=θの場合に比較して穏やかになり、急激な流路方向の変更に伴う抵抗の増加やキャビテーションの発生が抑えられる。
また、本実施形態では、隙間210は、全周にわたって形成されており、隙間210の部分でシャフト102と円錐軸受部材201とは接触していない。以上の構成により、隙間210を移動する潤滑油の受ける抵抗が抑えられ、潤滑油の隙間211→隙間210→循環孔205→テーパシール部212→隙間211の循環量を多くし、流体動圧軸受としての機能を高めている。
ところが、潤滑油の循環量が多くなると、上述した気泡も頻繁に発生し、また速く移動するので、気泡に係る問題が顕在化する。この点で、周面部214を設け、その幅sを確保することは、上述した気泡の循環を抑える意味で有用となる。
すなわち、潤滑油の循環を良くした場合、気泡の発生および移動も頻繁にそして激しくなる。よって、上述したように、気泡の循環を抑え、なるべく早く潤滑油の液面Lからの気泡の放出を促すために、周面部214を設け、その幅sを確保し、気泡が隙間211に引き込まれ難い状況を作り出している。
ところで、全周に渡る隙間210を設けた結果、この部分におけるシャフト102と円錐軸受部材201の結合強度が期待できない。そこで、図2に示すように、シャフト102と円錐軸受部材201の結合部分の軸方向における長さL1を隙間210の軸方向における長さL2に比較して1.5倍以上の長さとする(1.5L2≦L1)。こうすることで、シャフト102と円錐軸受部材201の結合強度を確保している。
以上述べた周面部214の幅sの確保、隙間210を全周に設けること、θ<θとすること、(1.5L2≦L1)とすることは、相互に関連している。すなわち、隙間210を全周に設け、θ<θとすることで、潤滑油の良好な循環(十分な循環量)を確保している。また、θ<θとすることで、強度の確保と気泡の発生を抑えている。
しかしながら、隙間210を全周に設け、θ<θとすることで潤滑油の循環を良くすると、気泡が繰り返し循環する問題およびシャフト102と円錐軸受部材201の結合強度の問題が顕在化する。これに対して、周面部214を設け、その幅sをd/2≦s≦dの範囲とすることで、気泡の潤滑油の液面Lからの抜けを促す構造とし、他方で(1.5L2≦L1)とすることで、シャフト102と円錐軸受部材201の結合強度を確保している。
こうして、潤滑油の循環が良好に行われ、強度が高く、気泡の発生による悪影響を抑えられた流体動圧軸受200が得られる。
(むすび)
以上述べたように、流体動圧軸受200は、シャフト102にロータ110を回転自在な状態で保持する流体動圧軸受であって、内周面の少なくとも一部がシャフト102の外周面に固定され、外周面としてシール円錐面203と円錐軸受面202とを少なくとも有する円錐軸受部材201を備え、円錐軸受面202とロータ110との間には第1の隙間211が設けられ、円錐軸受部材201とシャフト102との間には、周方向で全周にわたり第2の隙間210が設けられ、シール円錐面203とロータ110との間には、テーパシール部212が形成される空間が設けられ、第2の隙間210の一端は、第1の隙間211の一端につながり、円錐軸受部材201には、一端が、第2の隙間210の他端に開口するとともに、他端が、テーパシール部212が形成される空間に開口し、第2の隙間210と、テーパシール部212が形成される空間とを連通する循環孔205が形成され、循環孔205の他端の開口部205aは、テーパシール部212が形成される空間の一部を介して第1の隙間211の他端につながり、テーパシール部212が形成される空間の一部において、循環孔205の他端の開口部205aと、第1の隙間211の他端とは、距離sを隔てて相互に離間している。
この構造によれば、循環孔205と第1の隙間211とが、周面部214を間に挟んで離間しているので、循環孔205からテーパシール部212に移動する気泡が第1の隙間211に引き込まれ、気泡が外部に抜けずに循環する不都合を避けることができる。
また上記の構成において、テーパシール部212の一部における循環孔205と第1の隙間211の前記他端との離間距離をs、前記テーパシール部212に開口した循環孔205の開口部205aの上記離間距離sの方向における開口寸法をdとすると、s≧d/2とすることは好ましい。この限定によれば、気泡が第1の隙間211に引き込まれる現象を更に効果的に抑えることができる。また、d/2≦s≦dとすることはより好ましい。この限定によれば、循環孔205の開口部205aがテーパシール部212の液面に近づくことによる製品寿命の短縮化を避けることができる。
また、循環孔205は直線状に延在しており、円錐軸受面202と循環孔205の延在方向とが平行でない構造は好ましい。この構造によれば、円錐軸受面202を構成する部材の厚みが循環孔205の部分で薄くなり、強度が低下する問題を回避できる。
また、軸方向における長さで捉えて、円錐軸受部材201とシャフト102とが接触し結合している部分の長さL1が、第2の隙間210の長さL2より長い構造は好ましい。この構造によれば、全周にわたり設けられた第2の隙間210により潤滑油の良好な循環が確保され、且つ、円錐軸受部材201とシャフト102の結合強度を高くできる。
本発明は、流体動圧軸受および流体動圧軸受を用いたスピンドルモータに利用できる。
100…スピンドルモータ、101…ベース部、102…シャフト、103…ステータコア、104…ステータコイル、110…ロータ、111…外側円筒部、112…ロータマグネット、113…ロータ側円錐部、200…流体動圧軸受、201…円錐軸受部材、202…円錐軸受面、203…シール円錐面、205…循環孔、205a…開口部、206…縮径部、207…拡径部、208…遷移部、209…貫通孔、210…隙間、211…隙間、212…テーパシール部、213…隙間、214…周面部、300…流体動圧軸受、301…円錐軸受部材、L…潤滑油の液面。

Claims (6)

  1. シャフトにロータを回転自在な状態で保持する流体動圧軸受であって、
    内周面の少なくとも一部が前記シャフトの外周面に固定され、外周面として円錐面と円錐軸受面とを少なくとも有する円錐軸受部材を備え、
    前記円錐軸受面と前記ロータとの間には第1の隙間が設けられ、
    前記円錐軸受部材と前記シャフトとの間には、周方向で全周にわたり第2の隙間が設けられ、
    前記円錐面と前記ロータとの間には、テーパシールが形成される空間が設けられ、
    前記第2の隙間の一端は、前記第1の隙間の一端につながり、
    前記円錐軸受部材には、一端が、前記第2の隙間の他端に開口するとともに、他端が、前記テーパシールが形成される空間に開口し、前記第2の隙間と、前記テーパシールが形成される空間とを連通する循環孔が形成され、
    前記循環孔の他端の開口は、前記テーパシールが形成される空間の一部を介して前記第1の隙間の他端につながり、前記テーパシールが形成される空間の一部において、前記循環孔の他端の開口と、前記第1の隙間の他端とは、相互に離間している流体動圧軸受。
  2. 前記循環孔の前記他端の開口と前記第1の隙間の前記他端との離間距離をs、
    前記離間距離sの方向における前記循環孔の前記他端の開口の寸法をdとすると、
    s≧d/2である請求項1に記載の流体動圧軸受。
  3. d/2≦s≦dである請求項2に記載の流体動圧軸受。
  4. 前記循環孔は直線状に延在しており、
    前記円錐軸受面と前記循環孔の延在方向とが平行でない請求項1乃至3のいずれか一項に記載の流体動圧軸受。
  5. 軸方向における長さで捉えて、
    前記円錐軸受部材と前記シャフトとが接触し結合している部分の長さが、前記第2の隙間の長さより長い請求項1乃至4のいずれか一項に記載の流体動圧軸受。
  6. 請求項1乃至5のいずれか一項に記載の流体動圧軸受を備えたスピンドルモータ。
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