JP3837272B2 - 動圧型軸受の軸受特性測定方法および測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸受隙間に生じた流体動圧で回転側部材を非接触支持する動圧型軸受の軸受特性、例えば回転精度を測定するための測定方法および測定装置に関する。この動圧型軸受は、例えば、HDD、FDD等の磁気ディスク装置、CD−ROM、DVD−ROM等の光ディスク装置、MD、MO等の光磁気ディスク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、この種の動圧型軸受の一例で、軸２２ａおよび軸２２ａへの装着によりフランジ部となるスラスト円盤２２ｂとで構成される軸部材２２を、軸受部材２４および軸受部材２４の底部側の開口部を封口するバックメタル２６からなる固定側部材で回転自在に支持する構造である。
【０００４】
この動圧型軸受には、軸部材２２をラジアル方向で支持するラジアル軸受部Br'とスラスト円盤２２ｂをスラスト方向で支持するスラスト軸受部Bs'とが設けられ、これらの軸受部Br'、Bs'は何れも軸受面に動圧発生用の溝（動圧溝）を有する動圧型の軸受部とされる。ラジアル軸受部Br'の動圧溝は、例えば軸受部材２４の内周面に形成され、スラスト軸受部Bs'の動圧溝は、例えば軸部材２２の下端に固定されたスラスト円盤２２ｂの両端面にそれぞれ形成される。
【０００５】
軸部材２２が回転すると、ラジアル軸受部Br'の軸受隙間Cr'（軸２２ａの外周面と軸受部材２４の内周面との間の隙間）やスラスト軸受部Bs'の軸受隙間Cs1'、Cs2'（スラスト円盤２２ｂの両端面と、軸受部材２４の端面およびバックメタル２６の端面との間の隙間）に油や空気などの流体動圧が形成され、軸部材２２が非接触状態で回転自在に支持される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記情報機器用の動圧型軸受では、元々高い回転精度が要求されていることに加え、軸受隙間Cr' 、Cs1'、Cs2'や動圧溝の溝深さなどにμｍ単位の精度管理が必要とされる。そのため、各軸受構成部品の製作工程で十分な品質管理を行うことはもちろん、組立完了後に一台ずつ運転試験を行い、回転精度などの軸受性能が基準値を満たしているか否か検査する必要がある。しかしながら、この種の検査には煩雑な作業と大掛かりな検査装置とを必要とし、この点が動圧型軸受の低コスト化を図る上で大きな障害となっている。
【０００７】
そこで、本発明は、回転精度等の動圧型軸受の軸受特性を簡単かつ低コストに測定可能とすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
動圧型軸受では、回転側部材が回転することにより、軸受隙間内の流体圧が高められ、この圧力（動圧）によって回転側の部材が固定側部材に対して浮き上がる。動圧型軸受が所定の軸受性能を満たしているのであれば、設計された回転数で回転側部材と固定側部材とが非接触となるが、軸受隙間に異物が侵入していたり組立不良があると、回転側部材と固定側部材との接触が発生し、両者が非接触となるまでの必要回転数が著しく増大したり、回転数をいかに増しても両者の接触状態が解消されない等の不具合を招くことになる。
【０００９】
これまでの経験から、設計通りの回転精度が得られない主要因として、回転側部材と固定側部材の機械的接触による摩擦力の有無が明らかになっている。よって、高い回転精度を得るためには、機械的接触の発生を完全に回避する必要があり、逆に機械的接触がなければ高回転精度が得られると考えられる。
【００１０】
以上の考察に基づいて、本発明では、固定側部材と回転側部材との間の軸受隙間に満たされた潤滑油に生じる動圧で回転側部材を非接触支持する動圧型軸受の軸受特性を、上記固定側部材と回転側部材との間の電気抵抗に基づいて測定するに際し、固定側部材と回転側部材との間に、直列の抵抗器を介して電圧を印加し、かつ上記抵抗器の抵抗値を、非接触状態の上記軸受隙間の抵抗値よりも小さくして、上記軸受隙間の印加電圧を計測することとした。
【００１１】
固定側部材と回転側部材との間の電気抵抗は、両部材の何れか一方を電源のプラス側、他方をマイナス側に接続し、両部材の印加電圧を計測することで測定可能となる。この測定は、電圧計等の簡単な測定装置を用いて簡易な手順で行うことができるので、動圧型軸受の製造コスト削減を図ることが可能となる。なお、ここでいう「軸受特性」としては、例えば回転側部材の回転精度がある。回転精度は、回転側部材の振れ幅や、トルク特性、負荷容量等によって、あるいはこれらの組み合わせによって評価され得る。本発明は、軸受運転中の軸受隙間の抵抗値からこれらの特性を直接的、あるいは間接的に測定可能とするものである。
【００１２】
固定側部材と回転側部材との間の印加電圧は、任意に選択できるが、少なくとも上記軸受隙間で放電が起きない値以下に設定するのがよい。
【００１４】
この場合、上記抵抗器の抵抗値を、上記軸受隙間の抵抗値よりも小さくすることにより、軸受隙間での機械的接触の有無を明瞭に判別することができる。
【００１５】
上記測定は、固定側部材と回転側部材との接触が最も起こり易い姿勢の下で行うのがよい。
【００１６】
回転側部材に、ウェイト等でアンバランス荷重を付与しておけば、軸受の負荷容量を測定することが可能となる。
【００１７】
上記動圧型軸受には、軸受隙間としてラジアル軸受隙間を有するもの、あるいは、さらに軸受隙間としてスラスト軸受隙間を有するもの（ラジアル軸受隙間とスラスト軸受隙間の双方を有するもの）が含まれる。
【００１８】
本発明にかかる軸受特性測定装置は、固定側部材と回転側部材との間の軸受隙間に満たされた潤滑油に生じる動圧で回転側部材を非接触支持する動圧型軸受の軸受特性を測定するための装置であって、直列の抵抗器を介して固定側部材と回転側部材との間に電圧を印加し、かつ上記抵抗器の抵抗値を、非接触状態の上記軸受隙間の抵抗値よりも小さくして、上記軸受隙間の印加電圧を計測するものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。
【００２０】
図１は動圧型軸受１を備える情報機器用スピンドルモータの断面図で、一例としてHDD（ハードディスクドライブ）スピンドルモータを示している。このスピンドルモータは、軸部材２（スピンドル）を回転自在に支持する動圧型軸受１と、軸部材２に取付けられ、磁気ディスク（図示せず）を一又は複数枚保持するディスクハブ３と、半径方向のギャップを介して対向させたモータステータMｓおよびモータロータMｒとを有する。ステータＭｓは、軸受１を保持するケーシング７の円筒状外周部に取付けられ、ロータＭｒはディスクハブ３の内周面に取付けられている。ステータＭｓに通電すると、ステータＭｓとロータＭｒとの間の励磁力でロータＭｒが回転し、ディスクハブ３および軸部材２が回転する。
【００２１】
図１に示すように、動圧型軸受１は、軸部材２と、ケーシング７の内周面に固定された略円筒状の軸受部材４と、軸受部材４の一端側（図１では上端側）を密封するシール装置（図示省略）とを主な構成要素とする。図１では、ケーシング７にステータＭｓを取り付けているが、軸受部材４に直接ステータＭｓを取り付ける場合もある。
【００２２】
軸受部材４の他端側（図１では下端）には段差が設けられ、この段差部分にバックメタル等の閉塞部材６を嵌合することによって、軸受部材４の他端開口部が閉塞されている。軸部材２は、適当な導電性の金属材料で形成されていて、軸２ａと軸２ａの一方の端部（図１では下端部）に設けられたフランジ部２ｂとを具備する。軸２ａが軸受部材４の内周部に、フランジ部２ｂが軸受部材４の端面と閉塞部材６の端面との間の空間にそれぞれ収容される。
【００２３】
軸受部材４は、導電性の金属材料、好ましくは銅や真鍮等の軟質金属で形成される。軸受部材４の内周面には、動圧溝１３（図２（ａ）参照）を有するラジアル軸受面１０が形成される。軸部材２と軸受部材４の相対回転時（本実施形態では軸部材２の回転時）には、ラジアル軸受面１０と軸２ａの外周面との間のラジアル軸受隙間Ｃｒで当該隙間に満たされた潤滑油による動圧油膜が形成され、これより軸２ａをラジアル方向で非接触支持するラジアル軸受部Ｂｒが構成される。なお、図中のラジアル軸受隙間Ｃｒの幅は誇張して描かれている（後述のスラスト軸受隙間Ｃs1、Ｃs2についても同様）。
【００２４】
フランジ部２ｂの軸方向両側には、軸方向の隙間であるスラスト軸受隙間Ｃs1、Ｃs2が設けられる。スラスト軸受隙間Ｃs1は、フランジ部2bの上端面とこれに対向する軸受部材４の端面との間に形成され、他方のスラスト軸受隙間Ｃs2は、フランジ部2bの下端面と、これに対向する閉塞部材６の上面との間に形成される。一方のスラスト軸受隙間Ｃs1を臨む軸受部材４の端面、および他方のスラスト軸受隙間Ｃs2を臨む閉塞部材６の端面には、それぞれ動圧溝を有するスラスト軸受面１１ａ、１１ｂが形成され、これより上記回転時に、スラスト軸受隙間Ｃs1、Ｃs2で当該隙間に満たされた潤滑油による動圧油膜が形成され、フランジ部2bをスラスト方向両側から非接触支持するスラスト軸受部Ｂｓが構成される。スラスト軸受面１１ａ、１１ｂの何れか一方、または双方は、フランジ部２ｂの一方の端面、あるいは両端面に形成することもできる。
【００２５】
上記ラジアル軸受面１０およびスラスト軸受面１１ａ、１１ｂの動圧溝形状は任意に選択することができ、公知のへリングボーン型、スパイラル型、ステップ型、多円弧型等の何れかを選択し、あるいはこれらを適宜組合わせて使用することができる。図２は動圧溝形状の一例としてへリングボーン型を示すもので、同図２（ａ）はラジアル軸受面１０を、同図（ｂ）はスラスト軸受面１１ａを示す。図示のように、ラジアル軸受面１０は、一方に傾斜する動圧溝１３が形成された第一の溝領域ｍ１と、第一の溝領域ｍ１から軸方向に離隔し、他方に傾斜する動圧溝１３が配列された第二の溝領域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、平滑部ｎと動圧溝１３間の背の部分１４とは同一レベルにある。スラスト軸受面１１ａの動圧溝１５は、半径方向のほぼ中心部に屈曲部分を有するほぼV字状をなしている。
【００２６】
軸受部材４は軟質金属等だけでなく、たとえば焼結金属によっても成形することもできる。その場合の動圧溝は圧縮成形、すなわち、コアロッドの外周面にラジアル軸受面１０の動圧溝形状（図２（ａ）参照）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。この場合、焼結金属の脱型は、圧迫力を解除することによる焼結金属のスプリングバックを利用して簡単に行える。このように軸受部材４の素材として焼結金属を用いる場合、軸受部材４に潤滑油や潤滑グリースを含浸させることによって動圧型焼結含油軸受が構成される。
【００２７】
この動圧型軸受の回転精度の測定は、図１の右側に示す測定装置Aを用いて行われる。なお、この測定は、軸受ユニットをモータ部に組込んだ最終製品の形で行う他、軸受ユニットをモータ部に仮置きした状態で行うこともできる。
【００２８】
上記測定装置Aは、直流電源１６のプラス側を抵抗器１７を介して回転側部材となる軸部材２に接続すると共に、マイナス側を固定側部材となるケーシング７に接続し、軸部材２とケーシング７との間の電圧を電圧計１８で読み取るようにしたものである。電源プラス側にはブラシ等からなる接触子１９が装着されており、この接触子１９を軸部材2側の集電子２０に接触させることによって電源１６と軸部材２とが電気的に接続される。本実施形態では、集電子２０として、導電材料からなる球体を、軸部材2の上端軸芯付近に転動可能に保持した構造を例示しており、これにより、軸部材2の回転時における集電子２０と接触子１９との相対的な滑り速度を大幅に減じ、あるいは０にすることができる。
【００２９】
軸部材２と軸受部材４との間の印加電圧が高いと、軸受隙間Ｃｒ、Ｃs1、Ｃs2内で放電が生じ、軸受面１０、１１ａ、１１ｂを損傷するおそれがある。電源電圧は上記放電が生じない限り任意に設定できるが、測定可能である限り、低電圧（例えば１V程度）に設定するのがよい。一方、印加電圧が低くても、接触時に大電流が流れると同様に軸受面を損傷するおそれがある。上記抵抗器１７は、この種の大電流を制御・抑制する役割を果たす。
【００３０】
作動流体として潤滑油を用いる場合、抵抗器１７の抵抗値は、例えば１０ｋΩに設定することができる。この場合、軸部材２と軸受部材４とが非接触状態、つまりラジアル軸受隙間Ｃｒ、およびスラスト軸受隙間Ｃs1、Ｃs2の何れにおいても両部材２、４の接触が生じていない状態では、両部材２、４間の抵抗が大きくなるため（通常は１０ＭΩ以上）、電圧計１８は電源電圧に等しい値を示す。一方、軸部材２と軸受部材４とが接触した状態では、両部材２、４間の抵抗値が０となり、電圧計１８の値も０となる。これより軸部材２を所定回転数で回転させた状態で電圧計１８の測定値を読み取ることにより、その回転数の下で軸部材2と軸受部材４とが接触しているか否か、すなわち所定の回転精度が得られているか否かを判別することが可能となる。つまり、電圧計１８の読みが０の時は、軸受隙間Ｃｒ、Ｃs1、Ｃs2の回転側と固定側との間に機械的接触が生じており（回転精度は不良）、電圧計１８の読みの平均値が予め設定したしきい値以上であれば、軸受隙間Ｃｒ、Ｃs1、Ｃs2の非接触状態が確保されている（回転精度は良）ことが判明する。
【００３１】
このように本発明は、軸受隙間Ｃｒ、Ｃs1、Ｃs2の抵抗値を測定することで、軸部材２の回転精度の良否を判別するものであり、簡単な方法・装置で精度の良い良否判定が可能となる。従って、動圧型軸受のさらなる製造コストの低減を図ることができる。
【００３２】
図１に示すように、ディスクハブ３上に適当な重さのアンバランスウェイト２１を装着することにより、軸受の負荷容量を測定することが可能となる。
【００３３】
測定時の軸２の姿勢は自由に選択できるが、非接触状態を維持する上で最も厳しい姿勢（固定側部材と回転側部材との接触が最も起こり易い姿勢）で測定を行うのがよい。「最も厳しい姿勢」は、ラジアル軸受部Ｂｒやスラスト軸受部Ｂｓの負荷容量、アンバランス荷重の大きさ、作動流体の種類等に応じて変わるため、一概には言えないが、例えば、図１に示す構造では、図示のようにフランジ部２ｂを下にして軸部材２を垂直にした場合が最も厳しい姿勢となる。
【００３４】
近年のHDDなどで使用されるGMRヘッド（Giant Magneto‐Resistive Head：磁気抵抗効果を使用したもので、MRヘッドよりさらに感度が良い）では、ディスクとヘッドとの摩擦によってディスク面に生じる静電気のため、ＧＭＲヘッドが悪影響を受けるおそれがある。この静電気を逃がすため、潤滑油に導電性を持たせ、潤滑油を介して静電気を放電させる場合があるが、この場合、導電性潤滑油で満たされた非接触状態の軸受隙間Ｃｒ、Ｃs1、Ｃs2が有する抵抗値は通常の潤滑油の場合に比べて小さい（１０ｋΩ程度）ため、抵抗器１７の抵抗値も落とす必要がある。例えば、通常の潤滑油では抵抗器１７の抵抗値が１ＭΩであっても接触状態を判別することが可能であるが、同じ抵抗値のままで導電性潤滑油を使用すると、接触時および非接触時の何れも電圧計は０近くを示し、接触の有無を判別できなくなる。この場合、抵抗器１７の抵抗値を例えば１ｋΩに設定すれば、接触時は０、非接触時は電源電圧の約９割の電圧が得られることになるので、接触の有無を明瞭に判別することが可能となる。従って、抵抗器１７の抵抗値は非接触時の軸受隙間の抵抗値よりも小さな値を選ぶ必要があり、これより軸受性能の良否を精度よく判別することが可能となる。
【００３５】
本発明は、図１に示す動圧型軸受ユニットに限らず、種々の形式のユニットにも同様に適用可能である。図３は円筒状の軸受部材４を有底筒型のハウジング５の内周に固定したもので、潤滑油の漏れ防止等に重点を置いた構造である。また、図４はスラスト軸受部Ｂｓを、軸部材２を閉塞部材６で接触支持するピボット軸受構造としたもので、図１のタイプに比べ、軸方向の位置精度がそれほど重要視されない場合に低コストに製作できるという利点を有する。この場合、軸受部材４と閉塞部材６との間は電気的に絶縁しておく必要がある。図３および図４の実施形態は、上述の点を除いてそれぞれ図１に示す実施形態と同様の構造・作用であるので、共通する部材には図１と同一の参照番号を付して重複説明を省略する。
【００３６】
以上の説明では、動圧発生用の作動流体として潤滑油を例示したが、その他の作動流体（空気等）を使用する場合にも本発明を適用することができる。また、本実施形態では、電源のプラス側を回転側部材に、マイナス側を固定側部材に接続した場合を例示したが、これとは逆に電源プラス側を固定側部材に、マイナス側を回転側部材に接続してもよい。本実施形態は、軸部材２が回転する構造であるから、上記回転側部材には軸２ａやフランジ部２ｂが該当し、固定側部材には軸受部材４、ハウジング５、閉塞部材６等が該当する。
【００３７】
【発明の効果】
本発明方法および装置によれば、動圧溝軸受の回転精度等の軸受性能を低コストに測定することができ、製造コストの低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】動圧型軸受の軸受特性の測定状況を示す断面図である
【図２】（ａ）図は軸受部材の部分拡大断面図、（ｂ）図はスラスト軸受面の平面図である。
【図３】動圧型軸受の断面図である。
【図４】動圧型軸受の断面図である。
【図５】動圧型軸受の断面図である。
【符号の説明】
１ 動圧型軸受
２ 軸部材
３ ディスクハブ
４ 軸受部材
５ ハウジング
６ 閉塞部材
７ ケーシング
１３ 動圧溝
１５ 動圧溝
１６ 電源
１７ 抵抗器
１８ 電圧計
２１ アンバランスウェイト
Ａ 測定装置
Ｃｒ ラジアル軸受隙間
Ｃs1 スラスト軸受隙間
Ｃs2 スラスト軸受隙間

Claims (7)

1. 固定側部材と回転側部材との間の軸受隙間に満たされた潤滑油に生じる動圧で回転側部材を非接触支持する動圧型軸受の軸受特性を、上記固定側部材と回転側部材との間の電気抵抗に基づいて測定する方法であって、
   固定側部材と回転側部材との間に、直列の抵抗器を介して電圧を印加し、かつ上記抵抗器の抵抗値を、非接触状態の上記軸受隙間の抵抗値よりも小さくして、上記軸受隙間の印加電圧を計測することを特徴とする動圧型軸受の軸受特性測定方法。
2. 固定側部材と回転側部材との間の印加電圧を、上記軸受隙間で放電が起きない値以下に設定する請求項１記載の動圧型軸受の軸受特性測定方法。
3. 固定側部材と回転側部材との接触が最も起こり易い姿勢の下で測定を行う請求項１記載の動圧型軸受の軸受特性測定方法。
4. 回転側部材にアンバランス荷重を付与する請求項１記載の動圧型軸受の軸受特性測定方法。
5. 動圧型軸受が、上記軸受隙間としてラジアル軸受隙間を有する請求項1〜４何れか記載の動圧型軸受の軸受特性測定方法。
6. 動圧型軸受が、さらに軸受隙間としてスラスト軸受隙間を有する請求項５記載の動圧型軸受の軸受特性測定方法。
7. 固定側部材と回転側部材との間の軸受隙間に満たされた潤滑油に生じる動圧で回転側部材を非接触支持する動圧型軸受の軸受特性を測定するための装置であって、直列の抵抗器を介して固定側部材と回転側部材との間に電圧を印加し、かつ上記抵抗器の抵抗値を、非接触状態の上記軸受隙間の抵抗値よりも小さくして、上記軸受隙間の印加電圧を計測することを特徴とする動圧型軸受の軸受特性測定装置。

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