JP3894648B2 - 流体軸受装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＯＡ機器やＡＶ機器に使用される流体軸受装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
流体軸受装置は、テーブル型ＶＴＲやカメラ一体型ＶＴＲの回転ヘッドシリンダ，レーザー複写機のポリゴンスキャナーモータ、フロッピーディスク装置やハードディスク装置の記録媒体の回転駆動部に採用されている。
【０００３】
具体的には、ハードディスク装置ではそのメモリー容量が増大し、またデータの転送速度が高速化しているため、この種の記録装置に用いられるディスク回転装置は高速、高精度回転が必要となっている。
【０００４】
その回転主軸部には、米国特許第５５０４６３７号公報に開示されるような流体軸受装置が用いられている。
これは図６と図７に示すように構成されている。
【０００５】
固定軸１とこの固定軸１に枢支された回転スリーブ２を有している。固定軸１の基端は下ケース３に固定されている。回転スリーブ２の外周にはハードディスク４が取り付けられている。
【０００６】
固定軸１と回転スリーブ２との間に形成されたラジアル側動圧発生部５は、固定軸１の外周面に動圧発生溝６が形成されている。
固定軸１の先端には、この固定軸１に螺合する雄ねじ部７が形成された延長軸８によって固定スラスト板９が取り付けられている。
【０００７】
回転スリーブ２の側には、固定スラスト板９に対応して凹部１０が形成されている。この凹部１０の開口部は、中心に前記延長軸８の外径より大径の中心孔１１が穿設された回転スラスト板１２によって閉塞してネジ１３で回転スリーブ２に係止されている。
【０００８】
このようにして、回転スリーブ２の側の前記凹部１０と固定スラスト板９と回転スラスト板１２との間に形成されたスラスト側動圧発生部１４は、固定スラスト板９の上面と下面に動圧発生溝１５，１６が形成されている。このスラスト側動圧発生部１４と前記ラジアル側動圧発生部５とには、潤滑流体が充填されている。
【０００９】
下ケース３には固定軸１の基端部の周囲にステータ巻線１７が配置され、回転スリーブ２の内周部には前記ステータ巻線１７に対向してマグネット１８が取り付けられている。また、延長軸８は上ケース１９にネジ２０で固定されている。
【００１０】
このように構成された流体軸受装置は、ステータ巻線１７を励磁すると、回転スリーブ２を介してハードディスク４が、下ケース３と上ケース１９との間に形成された密閉空間で高速回転する。
【００１１】
固定軸１に対して回転スリーブ２が回転することによって、潤滑流体をポンピングして回転スリーブ２が非接触回転している。
スラスト側動圧発生部１４の動圧発生溝１５，１６についてはこの米国特許第５５０４６３７号公報については具体的に記載されていないが、一般的には特公昭５９−４５８４４号公報などに見られるように構成される。これは、図８に示すように動圧発生用グルーブを円周方向のヘリングボーン溝２２で構成し、このヘリングボーンの頂点を結ぶ位置２３を、スラスト側動圧発生部のラジアル方向の１／２の位置になるように設定されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記のような構成では、次の様な問題点がある。
このタイプは極めて高速回転するとともに、スラスト動圧部の上部はオープンになっているため、潤滑流体の使用中の温度上昇や高温下環境での使用による潤滑流体膨張、潤滑流体に含まれる気泡（空気）が温度上昇や高温下環境での使用による温度膨張、潤滑流体の注入時のディスペンサーの注入量のバラツキにより多く注入される、などの諸要因によってスラスト動圧部分の潤滑流体が漏れやすい固有のデメリットを有している。
【００１３】
本発明は、高速回転、高温の環境下で発生する潤滑流体の不足による軸受のロックや焼き付けを防止できる流体軸受装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の流体軸受装置は、スラスト側動圧発生部に形成された動圧発生用グルーブの最大圧力発生部位の位置を、スラスト側動圧発生部のラジアル方向の１／２よりも固定スラスト板の外径側に設定したことを特徴とする。
【００１５】
この構成によると、高速回転、高温の環境下で発生する潤滑流体の不足によるモータのロックや焼き付けを防止できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
請求項１記載の流体軸受装置は、少なくとも一方の端部が固定された固定軸とこの固定軸に回動自在に枢支された回転スリーブとの間に潤滑流体をポンピングして非接触回転する流体軸受装置であって、固定軸の側には固定スラスト板を設け、回転スリーブの側には前記固定スラスト板の下面と上面および前記下面と上面をつなぐ外周面に沿った対向面で構成される凹部を設け、前記固定軸の外周面と前記回転スリーブの中心孔の内周面とで形成されるラジアル側動圧発生部に動圧発生用グルーブを形成し、前記固定スラスト板と回転スリーブの前記凹部の開口部の内周面と前記固定スラスト板との対向面で形成されるスラスト側動圧発生部には固定スラスト板の前記下面と上面に動圧発生用グルーブを形成し、前記ラジアル側動圧発生部および前記スラスト側動圧発生部に潤滑流体を充填し、固定スラスト板の前記下面と上面に形成された動圧発生用グルーブの最大圧力発生部位の位置を、スラスト側動圧発生部のラジアル方向の１／２よりも固定スラスト板の外径側で、この動圧発生用グルーブの最大圧力発生部位の位置で分けられる内周側と外周側とで潤滑流体の量が等しくなる位置に設定し、スラスト側動圧発生部における回転スラスト側の有効内径をｄ１，固定スラスト板の外径をｄ２，スラスト側動圧発生部に形成された動圧発生用グルーブの最大圧力発生部位の径をｄ３とした場合に、ｄ２ 2 − ｄ３ 2 ＝ ｄ３ 2 − ｄ１ 2 としたことを特徴とする。
【００１８】
請求項２記載の流体軸受装置は、請求項１において、スラスト側動圧発生部における動圧発生用グルーブを、円周方向のヘリングボーン溝で構成し、このヘリングボーンの頂点を結ぶ位置を、スラスト側動圧発生部のラジアル方向の１／２よりも固定スラスト板の外径側に設定したことを特徴とする。
【００２０】
本発明の実施の形態を図１〜図５に基づいて説明する。
図１はハードディスク装置に使用した流体軸受装置を示す。
この流体軸受装置は固定軸両持ち構造で図示されているが、固定軸片持ち構造としても使用できる。
【００２１】
図１に示した全体的な構成は図６，図７に示した従来の構成と同一であるが、細部においては異なる。なお、従来例と同様の作用を成すものには同一の符号を付けて説明する。
【００２２】
図１において、固定軸１の基端はネジ２４で下ケース３に固定されている。回転スリーブ２の側には、固定軸１の先端に固定スラスト板９が延長軸８によって取り付けられている。
【００２３】
回転スリーブ２の側には、前記固定スラスト板９の下面と上面および前記下面と上面をつなぐ外周面に沿った対向面で構成される凹部１０を設け、固定軸１と回転スリーブ２との間に形成されたラジアル側動圧発生部５の一端部に、固定スラスト板９と凹部１０とで形成されたスラスト側動圧発生部１４が形成されている。ラジアル側動圧発生部５は固定軸１の外周面に動圧発生溝６が形成されている。スラスト側動圧発生部１４は固定スラスト板９の上面に動圧発生溝１５が形成され、固定スラスト板９の下面に動圧発生溝１６が形成されている。
【００２４】
図２に示すように、固定スラスト板９の厚さをｔとし、凹部１０の開口部の幅をΔＬとした場合に、スラスト側動圧発生部１４の開放端のラジアル方向の隙間Δｄ（図３を参照）を、 Δｄ ＞ ΔＬ − ｔ に設定した。
【００２５】
ラジアル側動圧発生部５からスラスト側動圧発生部１４にわたっては潤滑流体２１を充填した。使用した潤滑流体は、９５パーセント以上がエステル油を用い、残りの５パーセント以下は、鉱油、オレフィン、炭化水素などである。その表面張力は２５ｄｙｎ／ｃｍ（ａｔ２９℃）以上に調製した。
【００２６】
また、図１においてラジアル側動圧発生部５の下端に位置する前記回転スリーブ２と固定軸１との隙間は、固定軸１の径が基端部に向かって次第に細くなるテーパ部１ａを有しており、これに対応する回転スリーブ２の内径もラジアル側動圧発生部５の部分よりも大径に形成されており、表面張力によって潤滑流体が入り込まない区間がこの両者によって形成されている。
【００２７】
回転スリーブ２は材質が銅合金およびアルミ合金で作成されており、磁気の漏洩を低減するために磁性鋼板２５がマグネット１８との間に介装されている。
このように構成したため、ステータ巻線１７を励磁すると、回転スリーブ２を介してハードディスク４が、下ケース３と上ケース１９との間に形成された密閉雰囲気Ｓで高速回転し、固定軸１に対して回転スリーブ２が回転することによって、潤滑流体をポンピングして回転スリーブ２が非接触回転する。
【００２８】
回転中のスラスト側動圧発生部１４における固定スラスト板９の上面と回転スラスト板１２の下面との隙間は５μｍ、固定スラスト板９の下面とこの下面と回転スリーブ２との対向面との隙間は１０μｍの場合に好適な性能が得られた。これは
ΔＬ ＝ ｔ ＋ １５μｍ
と表現できる。
【００２９】
スラスト方向の耐衝撃性能の向上の観点からは、この隙間は小さい方が好ましいが、現実的な加工精度の信頼性からは、下限は
ΔＬ ＝ ｔ ＋ １０μｍ
が限界であった。また、目標値となる５００Ｇ耐衝撃の許容範囲から上限は
ΔＬ ＝ ｔ ＋ ３０μｍ
が限界であった。したがって、許容範囲は、
ΔＬ ＝ ｔ ＋ １０μｍ〜３０μｍ
と表現できる。図４はこの隙間と耐衝撃の測定結果を示す。
【００３０】
加工精度を上げずに、しかも実用的な範囲で目標値となる耐衝撃値を下げた場合には、
ΔＬ ＝ ｔ ＋ ２０μｍ〜４０μｍ
が許容範囲であった。
【００３１】
さらに、図３に示すように、上記のように固定スラスト板９の上面と回転スラスト板１２の下面との隙間が５μｍで、ΔＬ ＝ ｔ ＋ １５μｍ の場合の開放端のラジアル方向の隙間Δｄを、使用している潤滑流体の表面張力によってこの潤滑流体が入り込まない隙間として１５μｍに設定して、運転中のスラスト側動圧発生部の開放端から外部への潤滑流体の飛散を検証すると、潤滑流体の飛散は確認できなかった。ラジアル方向の隙間Δｄの許容範囲は
Δｄ ＞ ΔＬ − ｔ
であった。
【００３２】
スラスト側動圧発生部１４における固定スラスト板９の上面に形成された動圧発生溝１５は、図５に示すように円周方向のヘリングボーン溝２２で構成し、このヘリングボーン溝２２の頂点を結ぶ位置２３を、スラスト側動圧発生部のラジアル方向の１／２よりも固定スラスト板９の外径側に設定されている。
【００３３】
ヘリングボーン溝２２の頂点を結ぶ位置２３は、スラスト側動圧発生部に形成された最大圧力発生部位であって、運転中のスラスト側動圧発生部１４において位置２３で分けられる内周側２６と外周側２７とで表面張力が等しく、潤滑流体の量もその両側で等しくなって、内周側２６から外周側２７へ流出する潤滑流体を無くして、回転スリーブ２の浮上量の低下が無く、高速回転、高温の環境下で発生する潤滑流体の不足によるモータのロックや焼き付けを防止できる。
【００３４】
この位置２３は下記のように表現できる。図２と図３に示すように、スラスト側動圧発生部における回転スラスト側の有効内径ｄ１は、固定スラスト板９の上面の上面に形成された動圧発生溝１５を考える場合には回転スラスト板１２の内径である。固定スラスト板９の外径をｄ２，スラスト側動圧発生部に形成された動圧発生用グルーブの最大圧力発生部位の径をｄ３とした場合に、
ｄ２ 2 − ｄ３ 2 ＝ ｄ３ 2 − ｄ１ 2
と内周側と外周側の面積をほぼ等しく設定することによって実現できる。
【００３７】
なお、上記の各実施の形態では固定スラスト板９の上面の動圧発生溝１５について説明したが、固定スラスト板９の下面の動圧発生溝１６についても同様であり、動圧発生溝１５，１６をプレス加工で作成する場合には、動圧発生溝１５，１６のｄ３の位置を同一に設定することが固定スラスト板９の加工性が良好である。
【００３８】
なお、上記の実施の形態では動圧発生溝１５，１６をヘリングボーン溝で構成したが、これに限定されるものではなく、その他の形状の溝で構成することもできる。したがって、本発明では、スラスト側動圧発生部に形成された動圧発生用グルーブの最大圧力発生部位の位置を基準に技術範囲を限定している。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように本発明の流体軸受装置は、固定スラスト板の前記下面と上面に形成された動圧発生用グルーブの最大圧力発生部位の位置を、スラスト側動圧発生部のラジアル方向の１／２よりも固定スラスト板の外径側で、この動圧発生用グルーブの最大圧力発生部位の位置で分けられる内周側と外周側とで表面張力が等しく、潤滑流体の量もその両側で等しくなる位置に設定したため、スラスト方向の浮上量の低下が無く、高速回転、高温の環境下で発生する潤滑流体の不足によるロックや焼き付けを防止でき、長期間にわたって安定に動作する信頼性の高い装置を実現できるものである。したがって、特にハードディスク装置に好適な流体軸受装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の断面図
【図２】同実施の形態の要部の拡大図
【図３】同実施の形態の要部の拡大図
【図４】同実施の形態のスラストがたの隙間と耐衝撃の測定図
【図５】同実施の形態の固定スラスト板のヘリングボーン溝を示す平面図と断面図
【図６】従来の流体軸受装置の断面図
【図７】図６の要部の拡大図
【図８】一般的な固定スラスト板のヘリングボーン溝を示す平面図
【符号の説明】
１ 固定軸
２ 回転スリーブ
３ 下ケース
４ ハードディスク
５ ラジアル側動圧発生部
６ 動圧発生溝
７ 雄ねじ部
８ 延長軸
９ 固定スラスト板
１０ 回転スリーブの側の凹部
１１ 回転スラスト板の中心孔
１２ 回転スラスト板
１３ ネジ
１４ スラスト側動圧発生部
１５，１６ 固定スラスト板の動圧発生溝
１７ ステータ巻線
１８ マグネット
１９ 上ケース
２０ ネジ
２１ 潤滑流体
２４ ネジ

Claims (3)

  1. 少なくとも一方の端部が固定された固定軸とこの固定軸に回動自在に枢支された回転スリーブとの間に潤滑流体をポンピングして非接触回転する流体軸受装置であって、
    固定軸の側には固定スラスト板を設け、
    回転スリーブの側には前記固定スラスト板の下面と上面および前記下面と上面をつなぐ外周面に沿った対向面で構成される凹部を設け、
    前記固定軸の外周面と前記回転スリーブの中心孔の内周面とで形成されるラジアル側動圧発生部に動圧発生用グルーブを形成し、
    前記固定スラスト板と回転スリーブの前記凹部の開口部の内周面と前記固定スラスト板との対向面で形成されるスラスト側動圧発生部には固定スラスト板の前記下面と上面に動圧発生用グルーブを形成し、
    前記ラジアル側動圧発生部および前記スラスト側動圧発生部に潤滑流体を充填し、
    固定スラスト板の前記下面と上面に形成された動圧発生用グルーブの最大圧力発生部位の位置を、スラスト側動圧発生部のラジアル方向の１／２よりも固定スラスト板の外径側で、この動圧発生用グルーブの最大圧力発生部位の位置で分けられる内周側と外周側とで潤滑流体の量が等しくなる位置に設定し、スラスト側動圧発生部における回転スラスト側の有効内径をｄ１，固定スラスト板の外径をｄ２，スラスト側動圧発生部に形成された動圧発生用グルーブの最大圧力発生部位の径をｄ３とした場合に、
    ｄ２ 2 − ｄ３ 2 ＝ ｄ３ 2 − ｄ１ 2
    とした
    流体軸受装置。
  2. スラスト側動圧発生部における動圧発生用グルーブを、円周方向のヘリングボーン溝で構成し、このヘリングボーンの頂点を結ぶ位置を、スラスト側動圧発生部のラジアル方向の１／２よりも固定スラスト板の外径側に設定した
    請求項１記載の流体軸受装置。
  3. 請求項１〜請求項２の何れかに記載の流体軸受装置を使用したモータ。
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