JP4125202B2 - 流体軸受装置 - Google Patents

Description

本発明は、ハードディスク用スピンドルモータなどに使用される流体軸受装置に関する。

近年のハードディスクの高容量化に伴い、ハードディスクのスピンドルモータなどに用いられている軸受装置として、従来用いられた玉軸受装置に代わって、玉軸受装置よりも回転精度が優れ、しかも静音性にも優れている流体軸受装置が多く用いられつつある。この種の流体軸受装置としては、特許文献１などにも開示されているように、片側が密閉された片持ちタイプで、シャフトとこのシャフトが挿入されているスリーブとの間に潤滑油などからなる作動流体を充填した流体軸受装置が近年においては主流である。

この流体軸受装置は、図７に示すように、一方側がスラストプレート１により密閉され、他方側が開口されるスリーブ２内の空間に、固定ねじ１５により円盤形状のスラストフランジ３が取り付けられたシャフト４を、そのスラストフランジ３がスラストプレート１に対向する姿勢で挿入させて配置し、それぞれ互いに対向する、シャフト４とスリーブ２との間、スラストプレート１とスラストフランジ３との間、およびスラストフランジ３とスリーブ２との間にかけて、潤滑油などからなる作動流体５を充填させている。これにより、作動流体５を介してシャフト４とスリーブ２とを互いに相対的に回転自在に配置している。また、シャフト４とスリーブ２とが対向する少なくとも何れかの面（例えばスリーブ２側）に動圧発生溝を形成してラジアル軸受６を設け、スラストプレート１とスラストフランジ３とが対向する少なくとも何れかの面に動圧発生溝を形成してスラストメイン軸受７を設け、スラストフランジ３とスリーブ２とが対向する少なくとも何れかの面に動圧発生溝を形成してスラストサブ軸受８を設けている。

なお、図７に示すように、この流体軸受装置が設けられているスピンドルモータにおいては、所定位置に固定されているベース１１にスリーブ２が嵌合されて固定され、ベース１１にはコア１２が取り付けられている。また、シャフト４にはハブ１３が取り付けられ、このハブ１３には、コア１２と対向するようにマグネット１４が取り付けられている。

ここで、各動圧発生溝は、例えば、図８に示すような、ヘリングボーン形状とされている。また、ラジアル軸受６については、例えば、スリーブ２の開口部９に近い箇所とスラストフランジ３に近い箇所との２箇所に形成されている。さらに、スラストサブ軸受８におけるスラストフランジ３とスリーブ２との対向部分は、図９において簡略的に示すように、各面がシャフト４の軸心Ｏに対してほぼ直交し、これらの間の間隔Ｌ０がほぼ一定となる平面形状に形成されている。また、スラストサブ軸受８におけるヘリングボーン形状の動圧発生溝は、図１０に示すように、内周側溝形状部８ａと外周側溝形状部８ｂとが形状折り返し点８ｃにて屈曲されたような形状の溝の集まりとされ、内周側溝形状部８ａにより作動流体５を内周側から外周側へ移動させる流れと、外周側溝形状部８ｂにより作動流体を外周側から内周側へ移動させる流れとが、ほぼ等しくなるように、その形状折り返し点８ｃ間の直径Ｃに対する位置が設定されている。

シャフト４とスリーブ２との間に充填された作動流体５は、表面張力によってスリーブ２内部に保持されているが、動圧流体軸受装置の回転駆動により作動流体５が開口部９側から飛散したり滲み出したりすると、動圧流体軸受装置の回転不良や外部への汚染を生じるため、好ましくない。

このような不具合を防止する方法として、図８に示すように、開口部９に近い側のラジアル軸受６に形成された動圧発生溝（図８においては、スリーブ２の内面に形成された動圧発生溝の場合を示す）を、作動流体５を開口部９側からスラストプレート１などが配設された閉鎖部１０側へ移動させるように作用する動圧発生溝部６ａの形成寸法Ａを、閉鎖部１０側から開口部９側へ移動させるように作用する動圧発生溝部６ｂの形成寸法Ｂよりも大きくなるように形成することが提案されている。この構造によれば、このラジアル軸受６の動圧発生溝６ａ、６ｂの面積差により、作動流体５を閉鎖部１０側（スラストプレート１側）へ押し込む圧力が作用し（ポンプ作用と称す）、この結果、開口部９からの作動流体５の飛散や滲み出しを防止することができる。

なお、動圧発生溝の形状を工夫する技術としては、例えば特許文献２に、スラスト軸受の動圧発生溝を、中心側から外周側に近づくほど深くなるように形成して、動圧発生溝により発生するポンプ作用を増加させる構成が開示されている。
特開２００１−２７４３６１号公報 特許第２７８１５７３号公報

しかしながら、上記したように、作動流体５を閉鎖部１０側に積極的に送り込む構造を採用すると、開口部９から作動流体５が飛散したり滲み出したりすることを防止できる利点がある一方で、作動流体５が最終的に流れ込む閉鎖部１０、すなわちスラストプレート１とスラストフランジ３との間の箇所での作動流体５の圧力を高める作用があるので、スラストメイン軸受７の浮上量が大きくなり、これによって、逆に、スラストサブ軸受８での浮上量が小さくなるおそれがある。

このように、スラストサブ軸受８での浮上量が小さくなると、スラストフランジ３とスリーブ２とが接触するおそれがある。スラストフランジ３とスリーブ２とが接触した場合には、スリーブ２に対するシャフト４の回転が不安定となる不具合を生じる。

また、上述したように、スラストサブ軸受８におけるスラストフランジ３とスリーブ２との対向部分は、これらの間の間隔Ｌ０がほぼ一定となる平面形状に形成されているが、製造誤差などにより、図１１において誇張して示すように、スラストフランジ３とスリーブ２との対向する面が、スラストフランジ３やスリーブ２の内周側ほど離間距離Ｌ０が小さくなるように傾斜して形成されることがある。この場合には、スラストフランジ３やスリーブ２の内周側の間隔Ｌ１よりも外周側の間隔Ｌ２が広くなるので、このスラストサブ軸受８により、内周側箇所から外周側箇所へ向かう流れが生じてこの流れによる圧力がスラストメイン軸受７に作用し、この圧力によってスラストメイン軸受７での作動流体５の圧力がさらに高くなって浮上量が一層大きくなる。この結果、逆にスラストサブ軸受８での浮上量がさらに小さくなってしまい、この場合には、スラストフランジ３とスリーブ２とが接触する可能性がさらに高くなってしまう。

本発明は上記不具合や課題を解決するもので、スラストサブ軸受での浮上量が小さくなることを抑制できて、スラストフランジとスリーブとが接触することを確実に防止できる流体軸受装置を提供することを目的とする。

上記不具合や課題を解決するために本発明の流体軸受装置は、一方側がスラストプレートにより密閉され、また他方側が開口したスリーブと、前記スリーブ内の空間に挿入されて相対回転自在に配置されたスラストフランジが取り付けられたシャフトと、互いに対向する、前記シャフトと前記スリーブとの間、前記スラストプレートと前記スラストフランジとの間、および前記スラストフランジと前記スリーブとの間に充填された作動流体と、前記シャフトと前記スリーブとの間の対向面の少なくとも何れかに、前記スラストプレートに向かって前記作動流体を押し込む流れを生じる動圧発生溝を形成したラジアル軸受と、前記スラストプレートと前記スラストフランジとの間の対向面の少なくとも何れかに、動圧発生溝を形成したスラストメイン軸受と、前記スラストフランジと前記スリーブとの間の対向面の少なくとも何れかに、動圧発生溝を形成したスラストサブ軸受と、前記スラストサブ軸受の前記スラストフランジと前記スリーブとの間の対向面の少なくとも何れかに形成された、内周側ほど前記スラストフランジと前記スリーブとの離間距離が大きくなるような傾斜面とを備え、前記スラストサブ軸受の動圧発生溝または、前記傾斜面により前記スラストサブ軸受の前記作動流体には外周側から内周側へ向かう流れが形成されるとともに、前記傾斜面において、前記スリーブからの前記スラストフランジの浮上量が小さくなるほど、前記スラストフランジの外周側から内周側へ向かう流れがより大きくなることを特徴とする。

この構成により、スラストサブ軸受において傾斜面が形成されたスラストフランジとスリーブとが対向する箇所の離間間隔が、スラストフランジやスリーブの内周側ほど大きくなるので、この傾斜面が設けられている箇所において、狭い流路となっている外周側から広い流路となっている内周側へ作動流体が流れ込む流れが生じて、作動流体がスラストメイン軸受側からスラストサブ軸受内に流れ込み、この結果、スラストサブ軸受での浮上量が小さくなることを抑制できて、スラストフランジとスリーブとが接触することを防止できる。

また、本発明の他の流体軸受装置は、前記スラストサブ軸受の動圧発生溝を、その内周側溝形状部により前記作動流体を前記スラストフランジ内周側から外周側へ移動させる流れよりも、外周側溝形状部により前記作動流体を前記スラストフランジの外周側から内周側へ移動させる流れが、大きくなる形状に形成したものである。

この構成によっても、スラストサブ軸受における動圧発生溝が設けられている箇所において、作動流体が前記スラストフランジの外周側から内周側へ流れ込む流れが生じて、作動流体がスラストメイン軸受側からスラストサブ軸受内に流れ込み、この結果、スラストサブ軸受での浮上量が小さくなることを抑制できて、スラストフランジとスリーブとが接触することを防止できる。

上記構成によれば、スラストサブ軸受における傾斜面や動圧発生溝が設けられている箇所において、前記スラストフランジの外周側から内周側へ流れ込む流れが生じるので、作動流体がスラストメイン軸受側からスラストサブ軸受内に流れ込み、スラストサブ軸受での浮上量が小さくなることを抑制できて、スラストフランジとスリーブとが接触して損傷することを防止できる。そして特に、スラストフランジにおけるスリーブと対向する面に、スラストフランジの内周側ほどスリーブからの離間距離が大きくなるような傾斜面を形成したり、スリーブにおけるスラストフランジと対向する面に、スリーブの内周側ほどスラストフランジからの離間距離が大きくなるような傾斜面を形成したりすることにより、スラストサブ軸受での浮上量が小さくなるほど、スラストサブ軸受の傾斜面が形成された箇所において、最も外周側位置での通路断面積に対する内周側での通路断面積の比が大きくなり、狭い流路である外周側から広い流路である内周側へ流れ込む流れがより大きくなるので、スラストサブ軸受での浮上量が小さくなることを効果的に抑制できて、スラストフランジとスリーブとが接触することを一層確実に防止できる。これにより、スリーブに対するシャフトの回転が不安定となることがなくなり、信頼性が向上する。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。なお、図１０に示す流体軸受装置の構成要素と同様な機能のものには同符号を付してその説明は省略する。
この実施の形態の流体軸受装置においても、図８に示すように、開口部９に近い側のラジアル軸受６に形成された動圧発生溝が、作動流体５を開口部９側からスラストプレート１が設けられている閉鎖部１０側へ移動させるように作用する動圧発生溝部６ａの形成寸法Ａが、作動流体５をスラストプレート１側から開口部９側へ移動させるように作用する動圧発生溝部６ｂの形成寸法Ｂよりも大きくなるように形成されている。これにより、このラジアル軸受６の動圧発生溝６ａ、６ｂの面積差で、作動流体５を、スラストプレート１などが設けられている閉鎖部１０側へ押し込む圧力（ポンプ作用と称す）が作用し、この結果、開口部９からの作動流体５の飛散や滲み出しが防止されている。このように、この流体軸受装置においても、作動流体５を、外部に開口された開口部９側から、流路が閉じられた閉鎖部１０側に送り込む送り込み手段が、ラジアル軸受６に形成された動圧発生溝により構成されている。

しかしながら、図１０に示すような従来の流体軸受装置とは異なり、この流体軸受装置では、図１および図２において誇張して示すように、スラストサブ軸受８を構成するスラストフランジ３におけるスリーブ２と対向する面に、スラストフランジ３の内周側ほどスリーブ２からの離間距離Ｌが大きくなるような傾斜面３ａを形成している。

また、図３に示すように、スラストフランジ３とスリーブ２とが対向する少なくとも何れかの面（例えばスラストフランジ３側の面）にヘリングボーン形状の動圧発生溝を形成してスラストサブ軸受８を設けているが、その内周側溝形状部８ａにより作動流体５を内周側から外周側へ移動させる流れよりも、外周側溝形状部８ｂにより作動流体を外周側から内周側へ移動させる流れが、大きくなるように、その形状折り返し点８ｃ間の直径Ｄに対する位置が設定されている。すなわち、図１０に示すような、内周側溝形状部８ａにより作動流体５を内周側から外周側へ移動させる流れと、外周側溝形状部８ｂにより作動流体を外周側から内周側へ移動させる流れとが、ほぼ等しくなるように、その形状折り返し点８ｃ間の直径Ｄに対する位置が設定されている場合と比較して、この直径Ｄ（図１０参照）よりも前記直径Ｄ（図３参照）が小さくなるように形成されている。したがって、例えばこの実施の形態では、その内周側溝形状部８ａを形成している溝の長さよりも、外周側溝形状部８ｂを形成している溝の長さが、長くなるように形成されているが、これに限るものではなく、溝が形成される面積やその深さなどを調整してもよい。

ここで、例えば、外周直径約７ｍｍ、内周直径約４．５ｍｍのスラストフランジ３においては、片側の傾斜量を１．５μｍとすれば、極めて良好に内周側への流れを形成できるが、これに限るものではなく、例えば片側の傾斜量を０．５μｍ〜２．５μｍとすればよく、外周直径や内周直径も前記値に限るものではないことはもちろんである。

また、スラストサブ軸受８の動圧発生溝における形状折り返し点８ｃ間の直径Ｄが、前記直径Ｃ（その内周側溝形状部８ａにより作動流体５を内周側から外周側へ移動させる流れと、外周側溝形状部８ｂにより作動流体を外周側から内周側へ移動させる流れとが、ほぼ等しくなる形状折り返し点８ｃ間の直径）よりも例えば、０．２ｍｍ小さくなるように形成すれば、極めて良好に作動流体５の内周側への流れを形成できるが、これに限るものではない。

また、スラストフランジ３の傾斜面３ａの形成手法としては、コイニングなどのプレス成形によればよいが、これに限るものではない。
上記構成によれば、スラストサブ軸受８において傾斜面３ａが形成されたスラストフランジ３とスリーブ２とが対向する箇所の離間間隔Ｌが、スラストフランジ３やスリーブ２の内周側ほど大きくなるので、狭い流路である外周側から広い流路である内周側へ作動流体５が流れ込む流れが生じ、作動流体５がスラストメイン軸受７側からスラストサブ軸受８内に流れ込み、この結果、スラストメイン軸受７での浮上量が縮小しながらスラストサブ軸受８での浮上量が増加し、このようにしてスラストサブ軸受８での浮上量が小さくなることを抑制できる。

また、スラストサブ軸受８における動圧発生溝によっても、作動流体５を外周側から内周側へ移動させる流れが生じているので、これによっても、スラストサブ軸受８での浮上量をさらに拡大できる。

したがって、ラジアル軸受６に形成された動圧発生溝の作用により、作動流体５をスラストプレート１側に押し込んで作動流体５の飛散や滲み出しを積極的に抑える構造を採用することで、スラストプレート１とスラストフランジ３との間の箇所に流れ込む作動流体５の圧力が高くなる傾向を有する場合でも、スラストサブ軸受８での浮上量を良好に確保できる。

そして特に本発明によれば、スラストフランジ３におけるスリーブ２と対向する面に、スラストフランジ３の内周側ほどスリーブ２からの離間距離Ｌが大きくなるような傾斜面３ａを形成したので、スラストサブ軸受８での浮上量が小さくなるほど、最も外周側位置での通路断面積に対する内周側での通路断面積の比が大きくなり、狭い流路である外周側から広い流路である内周側へ流れ込む流れがより大きくなるので、スラストサブ軸受８での浮上量が小さくなることを効果的に抑制できて、スラストフランジ３とスリーブ２とが接触することを一層確実に防止することができる。

この結果、スリーブ２に対するシャフト４の回転が不安定となったり、コア１２への通電量を増加させなければならなかったりすることがなくなり、信頼性が向上する。
次に、図４は、本発明の他の実施の形態にかかる流体軸受装置のスラストフランジ３およびその近傍箇所を概略的に示すものである。この流体軸受装置においては、スラストサブ軸受８を構成するスラストフランジ３におけるスリーブ２と対向する面には傾斜面３ａが形成されず、これに代えて、図４に示すように、スリーブ２におけるスラストフランジ３と対向する面に、スリーブ２の内周側ほどスラストフランジ３からの離間距離Ｌが大きくなるような傾斜面２ａが形成されている。なお、この傾斜面２ａは、上記実施の形態１における傾斜面３ａとほぼ同様の傾斜角度に形成されている。なお、この実施の形態２のスラストサブ軸受８におけるヘリングボーン形状も、上記実施の形態１と同様とされている。

この実施の形態２によっても、スラストサブ軸受８において傾斜面２ａが形成されたスラストフランジ３とスリーブ２とが対向する箇所の離間間隔Ｌが、スラストフランジ３やスリーブ２の内周側ほど大きくなるので、スラストサブ軸受８の箇所において狭い流路である外周側から広い流路である内周側へ作動流体５が流れ込む流れが生じ、この結果、スラストサブ軸受８での浮上量が小さくなることを抑制できる。また、この構成によっても、スラストサブ軸受８での浮上量が小さくなるほど、最も外周側位置での通路断面積に対する内周側での通路断面積の比が大きくなり、外周側から内周側へ流れ込む流れ（狭い流路から広い流路へ流れ込もうとする流れ）がより大きくなるので、スラストサブ軸受８での浮上量が小さくなることを効果的に抑制できて、スラストフランジ３とスリーブ２とが接触することを一層確実に防止することができる。

なお、上記実施の形態１、２では、何れの場合も、スラストサブ軸受８におけるヘリングボーン形状の動圧発生溝を、その内周側溝形状部８ａにより作動流体５を内周側から外周側へ移動させる流れよりも、外周側溝形状部８ｂにより作動流体を外周側から内周側へ移動させる流れが、大きくなるように形成されている場合を述べた。この場合には、傾斜面２ａまたは傾斜面３ａによる作用に加えて、前記動圧発生溝による作用により、スラストサブ軸受８における作動流体５の外周側から内周側への流れを形成できて浮上量を良好に確保できる利点がある。この場合に、傾斜面２ａまたは傾斜面３ａによる作用では、浮上量が少ないほど前記作用（浮上量調整効果）を強めることができる一方、前記動圧発生溝による作用では、浮上量にあまり関わることなく外周側から内周側への流れを一定量増加させるように形成できるので、これらの性質を利用して、適した勾配の傾斜面２ａ、３ａと、適した形状の動圧発生溝とを最適な値で組み合わせて用いると、極めて最適な浮上量に調整できる効果を得ることができる。しかし、これに限るものではなく、傾斜面２ａ、３ａまたは前記動圧発生溝の何れかの構成だけを採用しても効果を有することはもちろんである。

また、図５、図６に示すように、スリーブ２の傾斜面２ａとスラストフランジ３の傾斜面３ａとの両方の構成を採用したり、さらにこれらの構成に加えて前記動圧発生溝の構成を組み合わせたりしてもよい。なお、図５においては、スラストフランジ３とスリーブ２との対向する面それぞれに、シャフト４の軸心０に直交する面Ｍに対して、それぞれ内周側ほど離間するように傾斜する傾斜面２ａ、３ａを形成した場合を示し、この場合には、傾斜角度を、図２や図４に示す場合の傾斜角度と比較してそれぞれほぼ半減させることが望ましい。また、図６においては、シャフト４の軸心Ｏに直交する面Ｎに対して、一方の傾斜面３ａが内周側ほど離間するように大きく傾斜し、他方の傾斜面２ａが外周側ほど離間するように小さく傾斜し、この結果、これらの傾斜面２ａ、３ａ間の離間距離がスラストフランジ３やスリーブ２の内周側ほど大きくなるように形成されている場合を示す。

また、何れの場合も、傾斜面２ａ、３ａは、スラストフランジ３とスリーブ２との対向面の全面に設けなくてもよく、その一部（外周寄り側や内周寄り側や中間部など）に設けるだけでも効果がある。また、傾斜面２ａ、３ａの形状も、一律な勾配の直線断面形状に限るものではなく、湾曲面やその他の形状でもよい。

さらに、上記実施の形態１、２においては、ラジアル軸受６の動圧発生溝６ａ、６ｂの寸法差や面積差で、作動流体５をスラストフランジ３側へ押し込む圧力を作用させて、開口部９からの作動流体５の飛散や滲み出しを防止した場合を述べたが、これに限るものではなく、別途構成により、作動流体５をスラストフランジ３側へ押し込むポンプ作用を生じさせたものにも適用可能である。

本発明の流体軸受装置は、ハードディスク用スピンドルモータに適しているが、この他
、光ディスク駆動装置、ビデオテープレコーダ等の各種のモータなどの軸受けに対して有用である。

本発明の実施の形態にかかる流体軸受装置の断面図 同流体軸受装置のスラストサブ軸受およびその近傍箇所を簡略的に示す断面図 同流体軸受装置のスラストサブ軸受における動圧発生溝を示す平面図 本発明の他の実施の形態にかかる流体軸受装置のスラストサブ軸受およびその近傍箇所を簡略的に示す断面図 本発明のその他の実施の形態にかかる流体軸受装置のスラストサブ軸受およびその近傍箇所を簡略的に示す断面図 本発明のさらに他の実施の形態にかかる流体軸受装置のスラストサブ軸受およびその近傍箇所を簡略的に示す断面図 従来の流体軸受装置の断面図 ラジアル軸受の要部拡大図 従来の流体軸受装置のスラストサブ軸受およびその近傍箇所を簡略的に示す断面図 同従来の流体軸受装置のスラストサブ軸受における動圧発生溝を示す平面図 他の従来の流体軸受装置のスラストサブ軸受およびその近傍箇所を簡略的に示す断面図

符号の説明

１ スラストプレート
２ スリーブ
２ａ、３ａ 傾斜面
３ スラストフランジ
４ シャフト
５ 作動流体
６ ラジアル軸受
６ａ、６ｂ 動圧発生溝部
７ スラストメイン軸受
８ スラストサブ軸受
８ａ 内周側溝形状部
８ｂ 外周側溝形状部
８ｃ 形状折り返し点
９ 開口部
１０ 閉鎖部

Claims (3)

1. 一方側がスラストプレートにより密閉され、また他方側が開口したスリーブと、
   前記スリーブ内の空間に挿入されて相対回転自在に配置されたスラストフランジが取り付けられたシャフトと、
   互いに対向する、前記シャフトと前記スリーブとの間、前記スラストプレートと前記スラストフランジとの間、および前記スラストフランジと前記スリーブとの間に充填された作動流体と、
   前記シャフトと前記スリーブとの間の対向面の少なくとも何れかに、前記スラストプレートに向かって前記作動流体を押し込む流れを生じる動圧発生溝を形成したラジアル軸受と、
   前記スラストプレートと前記スラストフランジとの間の対向面の少なくとも何れかに、動圧発生溝を形成したスラストメイン軸受と、
   前記スラストフランジと前記スリーブとの間の対向面の少なくとも何れかに、動圧発生溝を形成したスラストサブ軸受と、
   前記スラストサブ軸受の前記スラストフランジと前記スリーブとの間の対向面の少なくとも何れかに形成された、内周側ほど前記スラストフランジと前記スリーブとの離間距離が大きくなるような傾斜面とを備え、
   前記スラストサブ軸受の動圧発生溝または、前記傾斜面により前記スラストサブ軸受の前記作動流体には外周側から内周側へ向かう流れが形成されるとともに、
   前記傾斜面において、前記スリーブからの前記スラストフランジの浮上量が小さくなるほど、前記スラストフランジの外周側から内周側へ向かう流れがより大きくなることを特徴とした流体軸受装置。
2. 前記傾斜面の傾斜量は、０．５〜２．５μｍであることを特徴とする請求項１に記載の流体軸受装置。
3. 前記スラストサブ軸受の動圧発生溝を、その内周側溝形状部により前記作動流体を前記スラストフランジ内周側から外周側へ移動させる流れよりも、外周側溝形状部により前記作動流体を前記スラストフランジの外周側から内周側へ移動させる流れが、大きくなる形状に形成した請求項１または２に記載の流体軸受装置。

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