JP3784580B2

JP3784580B2 - 動圧型軸受ユニットおよびその製造方法

Info

Publication number: JP3784580B2
Application number: JP16580399A
Authority: JP
Inventors: 夏比古森
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1999-06-11
Filing date: 1999-06-11
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2019-06-11
Also published as: JP2000352416A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高回転精度、高速安定性、高耐久性などの優れた特徴を有する動圧型軸受ユニットおよびその製造方法に関する。この軸受ユニットは、特に情報機器、例えばＨＤＤ、ＦＤＤ等の磁気ディスク装置、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ／ＲＡＭ等の光ディスク装置、ＭＤ、ＭＯ等の光磁気ディスク装置などのスピンドルモータ、あるいはレーザビームプリンタ（ＬＢＰ）のポリゴンスキャナモータなどのスピンドル支持用として好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
上記各種情報機器のスピンドルモータには、高回転精度の他、高速化、低コスト化、低騒音化などが求められている。これらの要求性能を決定付ける構成要素の一つに当該モータのスピンドルを支持する軸受があり、近年では、この種の軸受として、上記要求性能に優れた特性を有する動圧型軸受の使用が検討され、あるいは実際に使用されている。
【０００３】
図５は動圧型軸受を用いた軸受ユニットの一例で、有底筒状のハウジング22と、ハウジング22内に固定された厚肉円筒状の軸受本体23と、軸受本体23の内径部に挿入した軸部材21（スピンドル）とで構成される。軸受本体23の内周面には、軸部材21の外周面とラジアル軸受すきまを介して対向する一対の軸受面23ａ、23ｂが軸方向に離隔形成され、両軸受面23ａ、23ｂのそれぞれに、傾斜した動圧溝が形成されている。軸部材21のスラスト荷重は、ハウジング22の底部に設けられたスラスト軸受で支持され、従来では、このスラスト軸受として、球面状の軸端をハウジング底部22ｂに設けた樹脂製のスラストワッシャ24に摺接させる、いわゆるピボット軸受が使用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図５の構造では、スラストワッシャ24の弾性変形や塑性変形、あるいは摩耗による変形によって、軸部材の位置が変化するおそれがある。そのため、例えば軸21の軸方向移動が厳しく制限されたり、あるいは高速回転で使用する機種では、要求性能に十分に応えられない懸念がある。また、軸とスラストワッシャとが摺動する構造であるから回転トルクやトルク変動も大きい。
【０００５】
この対策の一例として、図６に示すように、ハウジング22底部側の軸受面23ｂの動圧溝を非対称化し、この非対称動圧溝により軸部材21の回転に伴ってハウジング22の底部側に潤滑油を押し込むようにした軸受ユニットが考えられる。この構造であれば、ハウジング22の底部側に押し込まれた潤滑油で動圧油膜が形成され、軸部材21がスラスト方向で非接触支持されるため、上記問題点の解消が期待できる。
【０００６】
ところが、この構造では、ハウジング底部に動圧油膜を形成する関係上、ハウジング22の底部22ｂと軸受本体23の端面との間に軸方向のすきまを設けることができない（すきまがあると、動圧が当該すきまから逃げ出して軸のスラスト支持力が低下する）。そのため、このタイプでは、図示のようにハウジングの底部と軸受本体の端面とを密着させておく必要があるが、このような密着状態では、組立時、特に軸受本体23に軸部材21を挿入する際に潤滑油内に混入する気泡の逃げ場がなくなる。そのため、潤滑油中に気泡が残存し、これが軸受運転中にラジアル軸受すきま等に入り込んで油膜剛性を低下させる等の不具合を招くおそれがある。
【０００７】
空気が混入しないよう軸受すきまに潤滑剤を充填する方法としては、特開平8 −270653号や特開平9 −14256 号に記載のものがあるが、何れも特殊な設備や特殊な作業を伴うため、高コストであり、しかも空気の混入を完璧に阻止することは難しい。
【０００８】
そこで、本発明では、軸部材の位置変動がなく、低トルクでかつ潤滑油への気泡の混入を防止できる動圧型軸受ユニットおよびその製造方法の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明にかかる動圧軸受ユニットは、両端を開口した筒状体と、筒状体の一方の開口部を閉塞する閉塞部材とからなるハウジングと、
上記閉塞部材との間にスラスト軸受すきまを介在させた軸部材と、
一方の端面を閉塞部材に接触させて上記ハウジング内に収容され、軸部材の外周面とラジアル軸受すきまを介して対向する軸受面を有し、当該軸受面に、軸部材との相対回転時に潤滑剤を上記スラスト軸受すきまに押し込むスラスト動圧発生部が設けられ、当該軸受面で軸部材をラジアル方向およびスラスト方向で非接触支持する軸受本体と、
軸受本体の外周面とハウジングの内周面との間に設けられ、軸受本体の軸方向両端に開口し、軸受本体の端面に接触した閉塞部材で一端が閉塞された通気路と
を具備する。
【００１０】
この構造であれば、スラスト動圧発生部でのスラスト軸受すきまへの潤滑剤の押し込みにより、軸部材をスラスト方向で非接触支持するから、スラスト軸受部での摩耗等は起こり得ない。従って、軸部材の軸方向位置が変動することもなく、低トルク化やトルク変動の抑制が可能となる。また、軸受本体の一方の端面を閉塞部材に接触させているので、スラスト軸受すきまがラジアル軸受すきまとの連通部分を除いてほぼ密閉され、スラスト軸受すきま内の動圧が逃げることもなく、軸部材のスラスト支持力が安定する。また、ハウジング底部を別部材（閉塞部材）で構成しているから、ハウジング底部の形成は概ね二工程に分けて行うことができる。すなわち、筒状体の開口部を閉塞部材で仮閉塞する工程（この時、閉塞部材と軸受本体の端面との間に気泡の逃げ道となる軸方向すきまを確保しておく）と、閉塞部材と軸受本体との相対的な軸方向移動、例えば閉塞部材のさらなる押し込みにより、軸方向すきまを解消する工程である。ここで、両工程の間に、軸受本体の内径部に潤滑剤を供給し、さらに軸部材を当該内径部に挿入する工程を付加すれば、潤滑剤中の気泡を軸方向すきまを介して排出することができ、さらにスラスト軸受すきまの密閉性も確保することができる。
【００１１】
具体的には、（１）両端を開口した筒状体内に、支持すべき軸部材の外周面とラジアル軸受すきまを介して対向する軸受面を有し、当該軸受面に、軸部材との相対回転時に潤滑剤を軸方向一方側に押し込むスラスト動圧発生部が設けられた軸受本体を収容し、
（２）筒状体の、上記スラスト動圧発生部による潤滑剤の押し込み方向側の開口部を、軸受本体の端面との間に軸方向すきまを残して閉塞部材で閉塞し、
（３）軸受本体の内径部に潤滑剤を供給し、
（４）軸受本体の内径部に軸部材を挿入して、潤滑剤をラジアル軸受すきまに満たすと共に、潤滑剤中の気泡を上記軸方向すきまと、軸受本体の外周面とハウジングの内周面との間に設けられ、軸受本体の軸方向両端に開口する通気路とを介して軸受本体外に排出し、
（５）閉塞部材と軸受本体との相対的な軸方向移動で閉塞部材を軸受本体の一方の端面に接触させて上記軸方向すきまを解消すると共に、通気路の一端を閉塞し、閉塞部材と軸部材との間に、上記スラスト動圧発生部からの潤滑剤が押し込まれるスラスト軸受すきまを形成する、という工程が考えられる。
【００１３】
上記動圧型軸受ユニットにおいては、油漏れ防止のため、ハウジングの筒状体と閉塞部材との接合部に弾性体を介在させておくのが望ましい。また、上記軸受本体は、油を保有する焼結金属で形成することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図１乃至図４に基づいて説明する。
【００１５】
図１に示すように、本発明にかかる軸受ユニットは、軸部材１と、有底筒状のハウジング２と、ハウジング２の内周面に固定された円筒状の軸受本体３と、ハウジング２の開口部を密封するシール部材４とで構成される。
【００１６】
ハウジング２は、円筒状の内周面を有する筒状体2aと、その一端開口部を閉塞する閉塞部材2bとで構成される。筒状体2aの一端開口部には、その内径よりも大径に形成された嵌合部２a1が設けられ、この嵌合部２a1に閉塞部材2bが嵌合される。
【００１７】
軸受本体３は、銅や真鍮などの軟質金属、あるいは焼結金属によって形成され、本実施形態では一例として焼結金属で形成した軸受本体３を例示している。焼結金属からなる軸受本体３は、銅系、あるいは鉄系、またはその双方を主成分とする焼結金属で形成され、例えば銅を20〜95重量％使用して、密度６．８ｇ／cm³以上、望ましくは７．０ｇ／cm³以上に成形される。軸受本体３の表面開孔率は、後述する軸受面3a、3bで10％以下、端面（特にハウジング底部側で、閉塞部材2bと対向する端面3c）で10％以下（望ましくは５％以下）とする。ここでいう表面開孔率は、外表面の単位面積内に占める表面開孔の面積割合を意味する。
【００１８】
軸受本体３の外周面には、軸受本体３の内径部に軸部材１を挿入する際の空気抜きとなる一または複数（本実施形態では一つ）の溝状の通気路５が軸方向に沿って形成される。
【００１９】
軸受本体３の内周面には、動圧溝を有する二種類の軸受面3a、3bが形成される。軸受面3a、3bの動圧溝形状は、各動圧溝が軸方向に対して傾斜している限り任意に選択することができ、公知のへリングボーン型やスパイラル型等が使用可能である。図２はへリングボーン型の軸受面3a、3bを例示するもので、この軸受面3a、3bは、一方に傾斜する動圧溝６が形成された第１の溝領域m1と、第１の溝領域m1から軸方向に離隔し、他方に傾斜する動圧溝６が配列された第２の溝領域m2と、２つの溝領域間m1、m2間に位置する環状の平滑部ｎとを備え、２つの溝領域m1、m2の動圧溝６は平滑部ｎで区画されて非連続になっている。平滑部ｎと動圧溝６間の背の部分７とは同一レベルにある。
【００２０】
軸受面3a、3bのうち、ハウジング開口側の軸受面3a（第一軸受面）は、平滑部ｎの軸方向中心を通る円周方向の中心線に対して軸方向両側で対称に形成され、２つの溝領域m1、m2の軸方向幅は等しくなっている。一方、ハウジング底部側の軸受面3b（第二軸受面）は、上記中心線に対して軸方向両側が非対称に形成され、２つの溝領域m1、m2のうち、ハウジング底部側の溝領域m2の軸方向幅が他方m1のそれよりも短くなっている。第二軸受面3bの平滑部ｎの軸方向幅は、第一軸受面3aの平滑部ｎのそれよりもやや短い。
【００２１】
上記焼結金属製の軸受本体３においては、軸受面3a、3bの動圧溝は、圧縮成形、すなわちコアロッドの外周面に軸受面3a、3bの動圧溝形状に対応した凹凸形状の溝型を形成し、コアロッドの外周に焼結金属を供給して焼結金属を圧迫し、焼結金属の内周部に溝型形状に対応した動圧溝を転写することによって、低コストにかつ高精度に成形することができる。なお、焼結金属の脱型は、圧迫力を解除することによる素材のスプリングバックを利用して簡単に行える。脱型後の軸受本体３に潤滑剤、例えば潤滑油や潤滑グリースを含浸して油を保有させることにより、動圧型焼結含油軸受が構成される。
【００２２】
この動圧型焼結含油軸受では、軸部材１と軸受本体３との相対回転（本実施形態では軸部材１の回転）に伴う圧力発生と昇温による油の熱膨張によって軸受本体３の内部の潤滑剤（潤滑油または潤滑グリースの基油）が表面からにじみ出し、動圧溝６の作用によって軸受すきまに引き込まれる。軸受すきまに引き込まれた油は潤滑油膜を形成して回転する軸部材１を非接触支持する。すなわち、軸受面3a、3bに傾斜した動圧溝６を設けると、その動圧作用によってにじみ出した軸受本体3 内部の潤滑剤が軸受すきまに引き込まれると共に、軸受面3a、3bに潤滑剤が押し込まれ続けるので、油膜力が高まり、軸受の剛性を向上させることができる。軸受すきまに正圧が発生すると、軸受面3a、3bの表面に孔があるため、潤滑剤は軸受本体３の内部に還流するが、次々と新たな潤滑剤が軸受すきまに押し込まれ続けるので油膜力および剛性は高い状態で維持される。
【００２３】
特に本実施形態のように動圧溝を平滑部ｎを有する非連続型とした場合、連続型、すなわち平滑部ｎを省略し、動圧溝６を両溝領域m1、m2間で互いに連続するＶ字状に形成した場合に比べ、平滑部ｎを中心として油が集められるために油膜圧力が高く、また溝のない平滑部ｎを有するので軸受剛性が高くなるというメリットも得られる。
【００２４】
第二軸受面3bでは、油の集まる平滑部ｎがハウジング底部側に偏った位置にあるため、動圧の発生領域もハウジング底部側に移行し、その一部は軸部材１の軸端と閉塞部材2bの端面との間のすきま10（スラスト軸受すきま）にもおよぶ。従って、第二軸受面3bは、ラジアル方向の動圧のみならず、スラスト方向の動圧をも生じるスラスト動圧発生部として機能し、軸部材１をラジアル方向およびスラスト方向で非接触支持する。この場合、軸部材１の端面は平面または僅かな（曲率の大きい）球面とし、上記スラスト軸受すきま10への油の押し込みがスムーズに行えるようにする。スラスト方向の浮上力は、軸部材１に作用する軸方向の外力、例えばモータロータの自重、モータロータとモータステータ間の磁力、あるいは軸部材１に取付けた羽根の揚力（軸流ファンに使用する場合）等を考慮し、これらと平衡するように設定される。
【００２５】
以下、上記軸方向ユニットの組立手順を説明する。
【００２６】
まず、軸受本体３をハウジング２の筒状体2aの内径部に挿入し、筒状体2aの内周面の所定位置に固定する。この場合の固定方法としては圧入や接着が考えられ、また、その固定位置は、軸受本体３の端面3cが嵌合部２a1の半径方向面２a1’と同レベルにあるか、もしくはこれよりも突出する位置とする。次に図３に示すように、筒状体2aの嵌合部２a1に、軸受本体３の端面3cとの間に僅かな軸方向すきま11を残して閉塞部材2bを圧入する（仮圧入工程）。この場合、閉塞部材2bは、筒状体2aから容易に脱落せず、かつ潤滑剤の流出を防止できる程度に固定されていればよい。
【００２７】
次に、ハウジング２の開口部より軸受本体３の内径部に潤滑油を所定量供給して軸受本体３の内径部および軸方向すきま11に潤滑油を溜め、その後、軸受本体３の内径部に軸部材１を挿入する。軸部材１の挿入に伴い、潤滑油はラジアル軸受すきま（軸部材１の外周面と軸受本体３の内周面との間のすきま）を満たす一方で、軸方向すきま11を通って通気路５に押しやられる。そのため、潤滑油中に混入した空気（気泡）は通気路５を通って外気に放出される。軸部材１の挿入後、閉塞部材2bを軸受本体３の端面3cに突き当たるまで再圧入し、さらにハウジング開口部にシール部材４を装着すれば、図１に示す軸受ユニットを得ることができる。この時、相互に対向する軸受本体３の端面3cと閉塞部材2bの端面との平行度は５μｍ以下に設定するのが望ましい。
【００２８】
この軸受ユニットにおいて、軸部材１を回転させると、両軸受面3a、3bで生じる動圧作用により、軸部材１がラジアル方向で非接触支持され、さらにスラスト動圧発生部3bからの潤滑油がスラスト軸受すきま10に押し込まれるため、軸部材１がスラスト方向でも非接触支持される。
【００２９】
このように本発明では、ハウジング底部側の軸受面3bにスラスト動圧発生部を設け、軸受の運転中は潤滑油をスラスト軸受すきま10に押し込むようにしているので、軸部材１をスラスト方向で非接触支持することができる。従って、図５に示す従来品のようにスラスト軸受部で摩耗・変形が生じることはなく、軸部材１の軸方向位置を長期間安定して維持することができ、かつトルク特性の改善も達成される。また、潤滑油中に混入した空気が軸受外に排出されているので、ラジアル軸受すきまなどに気泡が混入することはなく、油膜剛性が安定して維持される。仮に多少気泡が残っても、上記のように軸受本体３の密度や端面3cの表面開孔率を適正値（密度は６．８ｇ／cm³以上、望ましくは７．０ｇ／cm³以上、端面3cの表面開孔率は10％以下、望ましくは５％以下）に設定することにより、気泡が軸受本体３の内部に逃げ込みやすくなる。逃げ込んだ気泡は、軸受本体３内部を通過して軸受本体３のハウジング開口側の端面3dやチャンファ部3e、3fから外気に放出されるので、安定した軸受機能が得られる。
【００３０】
図４は本発明の他の実施形態を示すもので、閉塞部材2bとハウジング２の筒状体2aとの間にゴム、樹脂等からなる弾性体12を介在させ、これをパッキンとして使用することにより、両者の接合部からの油漏れを防止する構造である。図面では閉塞部材2bの端面に弾性体12を配置しているが、閉塞部材2bの外周面に弾性体12を配置してもよい。これ以外の構成や組立手順は図１乃至図３と同様であるので、これらの重複説明は省略する。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、軸受面にスラスト動圧発生部を設け、軸部材をスラスト方向で非接触支持しているので、従来品に比べてスラスト軸受部での摩耗等が生じず、軸部材の軸方向位置を長期間安定して維持することができ、かつトルク特性を安定化して低トルク化を達成することができる。また、潤滑油中に混入した空気も軸受外に排出されるので、安定した動圧効果を得ることができ、その組立手順も極めてシンプルで生産コストが安価であり、量産にも容易に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる動圧型軸受ユニットの断面図である。
【図２】上記動圧型軸受ユニットに使用される軸受本体の断面図である。
【図３】動圧型軸受ユニットの製造工程の一部を示す断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態を示す断面図だある。
【図５】従来の軸受ユニットを示す断面図である。
【図６】軸受ユニットの改良案を示す断面図である。
【符号の説明】
１軸部材
２ハウジング
３軸受本体
3a 軸受面
3b 軸受面（スラスト動圧発生部）
3c 軸受本体端面
10 スラスト軸受すきま
11 軸方向すきま

Claims

両端を開口した筒状体と、筒状体の一方の開口部を閉塞する閉塞部材とからなるハウジングと、
上記閉塞部材との間にスラスト軸受すきまを介在させた軸部材と、
一方の端面を閉塞部材に接触させて上記ハウジング内に収容され、軸部材の外周面とラジアル軸受すきまを介して対向する軸受面を有し、当該軸受面に、軸部材との相対回転時に潤滑剤を上記スラスト軸受すきまに押し込むスラスト動圧発生部が設けられ、当該軸受面で軸部材をラジアル方向およびスラスト方向で非接触支持する軸受本体と、
軸受本体の外周面とハウジングの内周面との間に設けられ、軸受本体の軸方向両端に開口し、軸受本体の端面に接触した閉塞部材で一端が閉塞された通気路と
を具備することを特徴とする動圧型軸受ユニット。
ハウジングの筒状体と閉塞部材との接合部に弾性体を介在させた請求項１記載の動圧型軸受ユニット。
上記軸受本体が油を保有する焼結金属で形成されている請求項１または２記載の動圧型軸受ユニット。
両端を開口した筒状体内に、支持すべき軸部材の外周面とラジアル軸受すきまを介して対向する軸受面を有し、当該軸受面に、軸部材との相対回転時に潤滑剤を軸方向一方側に押し込むスラスト動圧発生部が設けられた軸受本体を収容し、
筒状体の、上記スラスト動圧発生部による潤滑剤の押し込み方向側の開口部を、軸受本体の端面との間に軸方向すきまを残して閉塞部材で閉塞し、
軸受本体の内径部に潤滑剤を供給し、
軸受本体の内径部に軸部材を挿入して、潤滑剤をラジアル軸受すきまに満たすと共に、潤滑剤中の気泡を、上記軸方向すきまと、軸受本体の外周面とハウジングの内周面との間に設けられ、軸受本体の軸方向両端に開口する通気路とを介して軸受本体外に排出し、
閉塞部材と軸受本体との相対的な軸方向移動で閉塞部材を軸受本体の一方の端面に接触させて上記軸方向すきまを解消すると共に、通気路の一端を閉塞し、閉塞部材と軸部材との間に、上記スラスト動圧発生部からの潤滑剤が押し込まれるスラスト軸受すきまを形成することを特徴とする動圧型軸受ユニットの製造方法。