JP3983435B2 - 動圧型軸受ユニット - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動圧型軸受ユニットに関する。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づ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】
例えば、情報機器の一種であるＨＤＤ（ハードディスクドライブ）の軸受ユニットでは、図５に概略図示するように、軸部材２’をラジアル方向で支持するラジアル軸受部10’、および軸部材２’をスラスト方向で支持するスラスト軸受部11’をそれぞれ動圧型軸受で構成する場合がある。この図示例において、軸部材２’は、軸2a’と軸2a’の先端に固定したスラスト円盤2b’とで構成される。軸部材２’が回転すると、ラジアル軸受部10’の軸受すきまCr’やスラスト軸受部11’の軸受すきまＣS2’、ＣS2’に油や気体等の流体動圧が形成され、軸部材２’がラジアルおよびスラストの両方向で回転自在に非接触支持される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、例えばノート型パソコンへの搭載等を考慮し、上記軸受ユニット１’のさらなるコンパクト化、特に軸方向寸法の短縮化（薄型化）の要求が高まっている。この対策としては、ラジアル軸受部10’の軸方向長さＬ’を短くすることが有効であるが、その場合には軸方向長さＬ’の短縮に伴ってラジアル軸受部10の軸受スパン（軸方向に離隔して設けられた動圧軸受間の距離）が減少するため、モーメント負荷に対する軸受支持力が低下する点が問題となる。
【０００５】
特に従来では、スラスト円盤2b’と軸2a’との間の直角度等の成形誤差が避けられず、この誤差に起因したスラスト円盤2b’とスラスト軸受面11a'，11b'との接触を避けるため、スラスト軸受すきまＣS1’、ＣS2’をかなり大きめに形成している。ところが、この場合にはモーメント荷重によりスピンドル２’が傾いた際に（図５に二点鎖線で示す）、モーメント荷重のほとんどがラジアル軸受部10’（特にその上端）で支持され、スラスト軸受部11’ではほとんどモーメント支持力を生じないため、軸受ユニット全体のモーメント負荷容量が小さくなる。
【０００６】
また、上記のように軸受ユニット１’を薄型化した場合、ラジアル軸受部10’の軸方向長さＬ’よりもスラスト円盤2b’の直径Ｄ’が相対的に大きくなるため、軸受ユニット全体のモーメント負荷容量は、スラスト軸受部11’のモーメント負荷性能によって大きく左右される。これに対して従来ではスラスト軸受部11’のモーメント支持力が十分に生じず、この点がモーメント負荷容量の増大を図る上で大きな障害となっていた。
【０００７】
以上の問題点に鑑み、本発明は、特にスラスト軸受部でのモーメント支持力を増大させ、動圧型軸受ユニット全体でのモーメント負荷容量の増大を図ることを目的とする。
【０００８】
【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型軸受ユニットは、軸およびフランジ部からなる軸部材と、軸の外周面とこれに対向するラジアル軸受面との間のラジアル軸受すきまに生じた動圧で軸部材をラジアル方向で非接触支持するラジアル軸受部と、フランジ部の両端面とこれに対向する二つのスラスト軸受面との間の二つのスラスト軸受すきまに生じた動圧で軸部材を両スラスト方向で非接触支持するスラスト軸受部とを具備するものにおいて、ラジアル軸受すきまの幅δ_Rとスラスト軸受すきまの幅δ_Aが、以下の関係式を満たすものである。
（Ｄδ_R／Ｌ）＋ε≧δ_A≧Ｄδ_R／Ｌ
但し、Ｄはフランジ部の直径、Ｌはラジアル軸受部の軸方向長さＬを表す。εは加工誤差であって、軸とフランジ部の直角度の誤差と、二つのスラスト軸受面の平行度の誤差とにより生じるスラスト軸受隙間の減少量を表す。
【０００９】
これにより、ラジアル軸受部およびスラスト軸受部の双方で実用上十分なモーメント支持力を確保することができる。
【００１０】
この場合、加工誤差εは４μｍとすることができ、また、フランジ部の直径Ｄは１０ｍｍ以下とすることができる。
【００１１】
以上の何れの構成においても、フランジ部の直径は、ラジアル軸受部の軸方向長さよりも大きくするのがよい。
【００１２】
【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に基いて説明する。
【００１３】
図３は、本発明にかかる動圧型軸受ユニット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を回転自在に支持する軸受ユニット１と、軸部材２に取付けられ、磁気ディスクＤ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４およびモータロータ５とを有する。ステータ４は、軸受ユニット１を保持するケーシング９の円筒状外周部に取付けられ、ロータ５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４に通電すると、ステータ４とロータ５との間の励磁力でロータ５が回転し、ディスクハブ３および軸部材２が回転する。
【００１４】
軸受ユニット１は、軸部材２と、有底円筒状のいわゆる袋型ハウジング６と、ハウジング６の内周面に固定された厚肉円筒状の軸受部材７と、軸受部材７の一端側（ハウジング６の開口側）を密封するシールワッシャ等のシール部材８とを主な構成要素とする。軸部材２は、軸2aと軸2aの下端部に設けられ、外径側に突出するスラスト円盤2b（フランジ部）とで構成される。この軸部材２は、軸2aを軸受部材７の内周部に、フランジ部2bを軸受部材７とハウジング６の底部との間に収容して配置される。
【００１５】
軸受部材７は、例えば銅や真鍮等の軟質金属、あるいは焼結金属等で形成される。軸受部材７の内周面には、一あるいは複数（本実施形態では２つ）の動圧発生部を有するラジアル軸受面10ａが形成され、これより軸部材２と軸受部材７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10ａと軸2aの外周面との間のラジアル軸受隙間Ｃｒに動圧が発生し、軸2aをラジアル方向で非接触支持するラジアル軸受部10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）。
【００１６】
軸受部材７を焼結金属で形成した場合の動圧溝は、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10ａの動圧溝形状（図４（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７の素材として焼結金属を用いる場合、軸受部材７に潤滑油や潤滑グリースを含浸させた動圧型含油軸受として使用することができる。
【００１７】
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７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、これに対向するスラスト支持部13の上面との間に形成される。本実施形態は、スラスト支持部13をハウジング６の他端開口を封口する底部とし、かつハウジング６と一体に形成した場合を例示しているが、スラスト支持部13をハウジング６と別体に構成してもよい。一方のスラスト軸受隙間Ｃs1を臨む軸受部材７の下端面、および他方のスラスト軸受隙間Ｃs2を臨むスラスト支持部13の上面には、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は、スラスト軸受隙間Ｃs1、Ｃs2に動圧が発生し、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11が構成される。
【００１８】
上記ラジアル軸受面10ａ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４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（Ａ）はラジアル軸受面10ａを、同図（Ｂ）は、スラスト支持部13のスラスト軸受面11ｂを示す。図示のように、本実施形態のラジアル軸受面10ａは、一方に傾斜する動圧溝14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14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とからなる動圧発生部を２つ備える。各動圧発生部では、平滑部ｎと動圧溝13間の背の部分15とは同一レベルにある。スラスト軸受面11ｂの動圧溝16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。
【００１９】
上記軸受ユニット１は、ハウジング６内にフランジ部2bを下にして軸部材２を挿入し、さらに所定幅（１０〜２０μｍ程度）のスラスト軸受隙間Ｃs1、Ｃs2が形成されるようにハウジング６内周部の所定位置に、軸受部材７を圧入あるいは接着することにより組立てられる。そして、この軸受ユニット１をケーシング９の円筒状内周部に圧入あるいは接着し、さらにロータ５やディスクハブ３からなるアッセンブリ（モータロータ）を軸2aの上端に圧入することにより、図１に示すスピンドルモータが組立てられる。
【００２０】
本発明においては、ラジアル軸受部10とスラスト軸受部11の双方でモーメント荷重を支持できるよう、ラジアル軸受すきまＣｒおよびスラスト軸受すきまＣs1、Ｃs2の幅が設定される。すなわち、図１および図２に概略図示するように、傾斜した軸部材２のうち、軸2aの外周面がこれに対向するラジアル軸受面10ａの軸方向両側で接触すると同時に、フランジ部2bの両端面外径端もそれぞれに対向するスラスト軸受面11ａ、11ｂと接触できるよう各軸受すきまＣｒ、Ｃs1・Ｃs2の幅が設定される。
【００２１】
図１は加工誤差がないと仮定し、ラジアル軸受部10内で軸2aがとり得る可動傾斜角θ₁ とスラスト軸受部11内でフランジ部2bがとり得る可動傾斜角θ₂ とを等しく設定して（θ₁ ＝θ₂ ）、両軸受部10、11内での上記同時接触を実現したものである。この時、フランジ部2bの直径をＤ、ラジアル軸受部10の軸方向長さをＬ、ラジアル軸受すきまＣｒの幅をδ_R とすると、スラスト軸受すきまＣs1、Ｃs2の幅δ_A （すきまＣs1、Ｃs2の幅の和）は、θ₁ 、θ₂ が微小であるから、
δ_A ＝Ｄδ_R ／Ｌ …▲１▼
で表わされる。この関係を満たすように各軸受すきまＣｒ、Ｃs1・Ｃs2を設定すれば、モーメント負荷により軸部材２が傾いたとしても、ラジアル軸受部10およびスラスト軸受部11で同程度のモーメント支持力が生じるため、ラジアル軸受部10のみでモーメント荷重を支持する従来品（図５参照）に比べて軸受ユニット１全体のモーメント負荷容量を増大させることができる。
【００２２】
図２は加工誤差εを考慮したものであり、この場合、上記▲１▼式の右辺に、経験的に見出される加工誤差ε（現状では４μｍ程度）を加算したものをスラスト軸受すきまＣS1、ＣS2の幅δ_A とすればよい（δ_A ＝Ｄδ_R ／Ｌ＋ε …▲２▼）。ここでの加工誤差εは、軸2aとフランジ部2bとの直角度の誤差と、スラスト軸受面11ａ、11ｂの平行度の誤差とにより生じる軸方向すきまの減少量を意味する。
【００２３】
実際の加工誤差εは、加工方法が決まればある分布内で一義的に定まる。上記▲１▼および▲２▼式より、（Ｄδ_R ／Ｌ）＋ε≧δ_A ≧Ｄδ_R ／Ｌの範囲でδ_A を設定しておけば、ラジアル軸受部10とスラスト軸受部11でほぼ同程度のモーメント支持力を確保することができ、実用上十分な効果が得られる。
【００２４】
フランジ部2bの直径Ｄが、ラジアル軸受部10の軸方向長さＬよりも大きい場合（Ｄ＞Ｌ）、軸受ユニット１全体のモーメント負荷容量は、スラスト軸受部11でのモーメント支持力に大きく左右されることになるが、本発明によりスラスト軸受部11で十分なモーメント支持力が確保される結果、かかる条件下でのモーメント負荷容量を大幅に増大させることが可能となる。この場合、フランジ部2bの直径Ｄは１０ｍｍ以下とする。
【００２５】
なお、図１および図２では軸2aおよびフランジ部2bが軸受面10ａ、11ａ・11ｂと接触した状態を図示しているが、実際の軸受運転時には、このような接触状態の発生を回避できるようモーメント負荷容量が決定される。当然ではあるが、動圧溝14、16の形状や深さは、上記の条件から定められたラジアル軸受すきまＣｒおよびスラスト軸受すきまＣS1、ＣS2の幅δ_R 、δ_A に適応して形成される。
【００２６】
【発明の効果】
このように本発明によれば、ラジアル軸受部のみならず、スラスト軸受部でも十分なモーメント支持力を確保することができる。従って、動圧型軸受ユニット全体のモーメント負荷容量を増大させることができ、これより動圧型軸受ユニットのさらなる薄型化も可能となる。
【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概略構造を示す断面図である。
【図２】本発明にかかる動圧型軸受ユニットの概略構造を示す断面図である。
【図３】動圧型軸受ユニットを有するスピンドルモータの断面図である。
【図４】（Ａ）図は軸受部材の断面図、（Ｂ）図はスラスト軸受部の平面図である_。
【図５】従来の動圧型軸受ユニットの概略構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 軸受ユニット
２ 軸部材
2a 軸
2b フランジ部
７ 軸受部材
10 ラジアル軸受部
10ａ ラジアル軸受面
11 スラスト軸受部
11ａ スラスト軸受面
11ｂ スラスト軸受面
Ｃｒ ラジアル軸受すきま
Ｃs1 スラスト軸受すきま
Ｃs2 スラスト軸受すきま

Claims (4)

1. 軸およびフランジ部からなる軸部材と、軸の外周面とこれに対向するラジアル軸受面との間のラジアル軸受すきまに生じた動圧で軸部材をラジアル方向で非接触支持するラジアル軸受部と、フランジ部の両端面とこれに対向する二つのスラスト軸受面との間の二つのスラスト軸受すきまに生じた動圧で軸部材を両スラスト方向で非接触支持するスラスト軸受部とを具備するものにおいて、
   ラジアル軸受すきまの幅δ_Rとスラスト軸受すきまの幅δ_Aが、以下の関係式を満たす動圧型軸受ユニット：
   （Ｄδ_R／Ｌ）＋ε≧δ_A≧Ｄδ_R／Ｌ
   但し、Ｄはフランジ部の直径、Ｌはラジアル軸受部の軸方向長さＬを表す。εは加工誤差であって、軸とフランジ部の直角度の誤差と、二つのスラスト軸受面の平行度の誤差とにより生じるスラスト軸受隙間の減少量を表わす。
2. 加工誤差εを４μｍにした請求項１記載の動圧型軸受ユニット。
3. フランジ部の直径Ｄを１０ｍｍ以下にした請求項２記載の動圧型軸受ユニット。
4. フランジ部の直径が、ラジアル軸受部の軸方向長さよりも大きい請求項１乃至３何れか１項に記載の動圧型軸受ユニット。

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