JP4127036B2 - 流体軸受装置及びディスク回転装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
近年、ディスク等を用いた記録装置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り、その回転主軸部には流体軸受装置が用いられている。本発明は、回転部に流体軸受を有する流体軸受装置及びディスク回転装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
以下、図１２を参照しながら、従来の流体軸受装置の一例について説明する。図１２において、３１は軸であり軸受穴３２Ａを有するスリーブ３２に回転自在にはめ合わされ、軸３１はフランジ３３を一体的に有し、フランジ３３はベース３５またはスリーブ３２の凹所に収納され、スラスト板３４に当接して回転可能に設けられている。軸３１にはハブロータ３６、ロータ磁石３８、ディスク３９、スペーサ４０、クランパー４１が固定され、ロータ磁石３８に対抗するモータステータ３７がベース３５に取り付けられ、スリーブ３２の軸受穴３２Ａの内周面には動圧発生溝３２Ｂ、３２Ｃが設けられ、フランジ３３のスリーブ３２との対抗面及び、フランジ３３と、スラスト板３４との対抗面には動圧発生溝３３Ａ、３３Ｂを有し、動圧発生溝３２Ｂ、３２Ｃ、３３Ａ、３３Ｂの近傍にはオイル４２が注入されている。
【０００３】
以上のように構成された従来の流体軸受装置について、図１２を用いてその動作について説明する。図１２において、まず、ステータ３７に通電されると回転磁界が発生し、軸３１、フランジ３３、ロータ磁石３８がハブロータ３６、ディスク３９と共に回転をはじめる。この時動圧発生溝３２Ｂ、３２Ｃ、３３Ａ、３３Ｂは浮上し非接触で回転し、ディスク３９には図示しない磁気ヘッドが当接し電気信号の記録再生を行う。
【０００４】
【特許文献１】
特開平３−１６３２１２号公報
【０００５】
【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った。図１３にフランジ３３の動圧発生溝３３Ａ、図１４にはフランジ３３の動圧発生溝３３Ｂを示している。従来は動圧発生溝３３Ａ、３３Ｂのパターン外径が、Ｄ１ｏ、Ｄ２ｏ、内径がＤ１ｉ、Ｄ１ｉのとき、折り返しの直径Ｄ１ｍとＤ２ｍを充分大きくとり、図中矢印ＥとＨのポンピング圧力を大きくしている。この時、図１５においてフランジ下面中央に示す部分は負圧力となり、油中混入バブルが凝集し一定の大きさの空気４３Ｂが溜る。また図１６においてスリーブ３２の動圧発生溝３２Ｂ、３２Ｃは図中Ｌ１＞Ｌ２、Ｌ４＞Ｌ３、（Ｌ１−Ｌ２）≒（Ｌ４−Ｌ３）の寸法に設計されている。しかしながらオイル４２の量が減少した条件においては、図中ＬＡに示すパターンの上端部分のΔＬの部分でオイルが無くなり、オイルの圧力は図１６のようになり、図中Ｌ４下方部分は負圧力になる。この部分は油中の気泡４３Ａが集まって、軸受内にできた空気で覆われ、即ち油膜切れを起こして軸受が擦れるという危険性があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために本発明の第１の発明のディスク回転装置は、略中央に軸受穴を有するスリーブと、スリーブの軸受穴に回転自在に挿入されたシャフトと、シャフトの一端側に固定され、片面はスリーブの端面部に当接した、略円盤状のフランジと、フランジの他面に当接し、フランジを軸受内部に閉じ込めるように固定して密封するスラスト板と、スリーブ内周又はシャフト外周の少なくともいずれか一方に設けられた略ヘリングボーン状の二組の動圧発生溝とを有し、動圧発生溝のうち、スラスト板側を第２の動圧発生溝とし、他方を第１の動圧発生溝と称したとき第２の動圧発生溝は流線方向に対称の角度と軸方向に対称長さを有し、第１の動圧発生溝は流線方向に対称角度と非対称長さを有し、第１の動圧発生溝はスラスト板側の部分が軸方向に短く（長さＬ２）、その反対側部分が軸方向に長い（長さＬ１）、２組の傾斜溝から成るヘリングボーン形状の動圧発生溝であり、
長さ比（Ｌ１＋Ｌ２）／（２×Ｌ２）＝１．０２〜１．６０の間であり、前記フランジと前記スラスト板の当接面の少なくともいずれか一方には第３の動圧発生溝のヘリングボーンパターンの外径をＤ１ｏ，内径をＤ１ｉ、折り返し部径をＤ１ｍとした時、
Ｄ１ｍ＝Ｄ_ｓｙ−（Ｄ_ｓｙ−Ｄ１ｉ）×（０．０５〜１．０）、
及びＤ_ｓｙ＝（（Ｄ１ｉ^２＋Ｄ１ｏ^２）／２）^１／２の関係を満たし、
フランジとスリーブの当接面の少なくともいずれか一方には第４のヘリングボーン形状溝を有し、このヘリングボーンパターンの外径をＤ２ｏ，内径をＤ２ｉ、折り返し部径をＤ２ｍとした時、
Ｄ２ｍ＝（（Ｄ２ｉ ^２ ＋Ｄ２ｏ ^２ ）／２） ^１／２ の関係を満たし、
第１〜第４の動圧発生溝はオイルまたはグリスの潤滑剤で充満され、オイルまたはグリスの基油は４０℃の粘度が４センチストークス以上であり、前記スリーブの外周及び軸の外周の内、いずれか一方がベースに固定され他方は回転自在なハブロータに固定されたものである。
【０００８】
本発明は上記した構成によって、スラスト軸受部とラジアル軸受部において、動圧発生溝のパターンを最適形状にして軸受内で負圧が発生しないようにすることで気泡の凝集と空気が溜まることを防止し、オイルの油膜切れが無く、軸受の信頼性が高いディスク回転装置の構成を得る。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の一実施の形態における流体軸受装置及びディスク回転装置について、図１を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施の形態におけるディスク回転装置の断面図を示している。図１において、スリーブ１は略中央に軸受穴を有しその内周面には略ヘリングボーン状の動圧発生溝１Ａ，１Ｂと、凹部１Ｃを有している。この軸受穴には軸２が相対的に回転自在に挿入され、軸２の一端には凹部１Ｃに収納されたフランジ３が一体的に固定され、スラスト板４がスリーブ１にレーザ溶接、精密カシメ、接着等の締結方法により、固定され、フランジ３は凹部１Ｃ内に閉じ込められ密封される。スリーブ１と軸２といずれか一方はベースに固定され、他方はハブロータ７に固定される。図１においてはスリーブ１がベース６に固定され、軸２にハブロータ７が固定されている。フランジ３のスラスト板との間の対応面のいずれか一方には動圧発生溝が加工され、図１においては、フランジ３側に動圧発生溝３Ａが加工されている。フランジ３とスリーブ１の間の対応面にも動圧発生溝が加工される場合があり、図１においてはフランジ３の上面に動圧発生溝３Ｂが加工される。動圧発生溝１Ａ，２Ａ，３Ａ，３Ｂはオイルまたはグリス５で充満される。８はステータ、９はロータ磁石、１０はディスク、１１はクランパー、１２はスペーサ、１３は軸２にクランパー１１を取り付けるネジである。
【００１０】
以上のように構成された流体軸受装置について、図１〜図１０を用いてその動作について説明する。図１において、まず、ステータ８に通電されると回転磁界が発生し、ロータ磁石９がハブロータ７、軸２、ディスク１０、クランパー１１、スペーサ１２と共に回転を始める。動圧発生溝１Ａ，１Ｂ、３Ａ、及び図１においては３Ｂがオイル６を回転力によりかき集め圧力を発生し軸受部は浮上し非接触で高精度に回転する。
【００１１】
図２はフランジ３がスラスト板と対応する面の動圧発生溝３Ａを示している。図中溝パターンの外径をＤ１ｏ、内径をＤ１ｉ、折り返し部の径をＤ１ｍとすると、軸受面上を内周から外周に向く圧力Ｈよりも、内周に向く圧力Ｇが大きくなるよう設計しており、数値的に表すと
式１：Ｄ１ｍ＝Ｄ_sy−（Ｄ_sy−Ｄ１ｉ）×Ｙであり、
式２：Ｄ_sy＝（（Ｄ１i²+Ｄ１ｏ²）／２）^1/2
の式においてＹ＝０．０５〜１．０の範囲になるよう設計されている。
【００１２】
図３はフランジの上面に加工された動圧発生溝３Ｂの図である。この場合は内周から外周に向く図中矢印Ｅの力と外周から内周に向くＦの圧力はほぼ釣り合うように設計している。この場合、
式３：Ｄ２ｍ＝（（Ｄ２ｏ²＋Ｄ２ｉ²）／２）^1/2
の関係を保つようそのパターンの寸法が設計されている。
【００１３】
図４は上記Ｙの値によって動圧発生溝３Ａのポンプ圧力を示している。軸受の非対称性が不足すると軸受内のどこかに部分的な負圧部分ができて空気が溜まったり、反面非対称性が大きすぎると内圧が高まり過ぎてキャビテーションやマイクロバブルを発生する危険性がある。しかしながら図示しない透明な流体軸受を製作した我々の実験により、回転中に混入するバブルや凝集する空気の状態は上記のＹの値が０．０５〜１．０の時が最適であり、油中に空気が最も溜まり難いことが判明した。
【００１４】
図５はフランジ３の部分の浮上量（Ｓ１）が充分小さい場合の動圧発生溝３Ａ，３Ｂの発生圧力を示している。本発明によれば、負圧が発生しないため、軸受隙間に空気が溜まることは殆ど発生しない。図６は浮上量（Ｓ２）が充分大きい場合の動圧発生溝３Ａ，３Ｂの圧力を示している。この場合も軸受内部に負圧が発生しない。また、図６においてはフランジ３の上面に動圧発生溝３Ｂを有しているので、この発生圧力がフランジ３とスリーブ１が衝突することを防止する。
【００１５】
図７〜図９はラジアル軸受に関する詳細な動作を示している。図７は軸受の隙間部の全体にオイル５が充満の場合を示している。動圧発生溝１Ａは軸受の開放端部に近い位置に設けられているために、上半分が長い非対称形状に設計され、オイル５を動圧効果で軸受に押しこみ、外部に漏れることを防止している。尚、動圧発生溝の傾斜角度は同じに設計している。図において、ラジアル軸受の非対称性が不足するとオイル漏れを起こし、非対称性が大きすぎると内圧が高まり過ぎてキャビテーションやマイクロバブルを発生する危険性がある。一方、動圧発生溝１Ｂは対称形状に設計している。図７においては動圧発生溝１Ａがその非対称の効果により軸受内部の圧力を高め、図のような圧力になる。この場合も軸受内部に負圧は発生せず、空気が溜まることはほとんど無い。図８は、軸受内のオイル５が減少した場合を示している。この場合も軸受内に負圧は発生しない。
【００１６】
図９は動圧発生溝１Ａの非対称性の最適範囲をしめしており、そのスラスト板側の部分が軸方向に短く（長さＬ２）、その反対側部分が軸方向に長い（長さＬ１）ときに、長さ比は、
式４： （Ｌ１＋Ｌ２）/（２×Ｌ２）＝１．０２〜１．６０
式４に示すのが最適であり、空気の混入やマイクロバブルの混入がほとんど見られなく良好である。
【００１７】
図１０においてオイル粘度または、グリス基油の粘度と軸受隙間へのバブルの混入率の関係を透明な軸受の観察結果から求めたものである。観察結果によれば４０℃での粘度が４センチストークス以上であれば気泡の混入が非常に少なくなることが明らかになった。
【００１８】
以上の構成を有する本発明のディスク回転装置について、図１１を用いてその動作を説明する。まず、モータステータ８に通電されると回転磁界が発生し、ロータ磁石９がハブロータ７、軸２、ディスク１０と共に回転を始める。動圧発生溝１Ａ、１Ｂ、３Ａ、３Ｂはオイル５をポンピング力によりかき集め圧力を発生し軸受部は浮上し非接触で高精度に回転する。回転するディスク１０に対して、ヘッド１５は当接し、電気信号の記録再生を行う。ヘッド１５はヘッド支軸１６に支えられて回動する、１４は上蓋であり、ディスク回転装置内部にゴミが侵入しないよう密封する。
【００１９】
尚、図１において、スラスト板はスリーブに固定されているが、ベースに固定されて密封されても良い。
【００２０】
尚、図２において動圧発生溝３Ａの変形応用例としてはＤ１ｍ＝Ｄ１ｏとし、ヘリングボーン形状に変わって、ヘリカル形状の動圧発生溝でも設計上件によってはほぼ同等の性能が得られる。
【００２１】
以上のように本実施の形態によれば、流体軸受部に空気が混入することが防止され、軸受に生じがちであった油膜切れが防止され、ディスクを高精度かつ長寿命に回転させるディスク回転装置の構成が得られる。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように本発明のディスク回転装置は、回転時に動圧発生溝のポンピング力により軸受内に空気が溜まらないような動圧発生溝の設計条件とオイル粘度の選定条件の組合せ効果により、軸受隙間で油膜切れが生じない高精度かつ長寿命なディスク回転装置の構成が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に流体軸受装置の断面図
【図２】本発明第３の動圧発生溝の詳細図
【図３】本発明第４の動圧発生溝の詳細図
【図４】本発明第３の動圧発生溝の圧力適正範囲説明図
【図５】本発明スラスト軸受部の圧力説明図
【図６】本発明スラスト軸受部の圧力説明図
【図７】本発明第１、第２の動圧発生溝の圧力説明図
【図８】本発明第１、第２の動圧発生溝の圧力説明図
【図９】本発明第１の動圧発生溝のポンプ圧力適正範囲説明図
【図１０】本発明のオイルの粘度説明図
【図１１】本発明のディスク回転装置の断面図
【図１２】従来の流体軸受装置の断面図
【図１３】従来のスラスト軸受溝の説明図
【図１４】従来のスラスト軸受溝の説明図
【図１５】従来のスラスト軸受の説明図
【図１６】従来の流体軸受装置の圧力説明図
【符号の説明】
１ スリーブ
２ 軸
２Ａ、２Ｂ 動圧発生溝
３ フランジ
３Ａ、３Ｂ 動圧発生溝
４ スラスト板
５ オイル
６ ベース
７ ハブロータ
８ ステータ
９ ロータ磁石
１０ ディスク
１１ クランパー
１２ スペーサ

Claims (2)

1. 略中央に軸受穴を有するスリーブと、前記スリーブの軸受穴に回転自在に挿入されたシャフトと、前記シャフトの一端側に固定され、片面は前記スリーブの端面部に当接した、略円盤状のフランジと、前記フランジの他面に当接し、前記フランジを軸受内部に閉じ込めるように固定して密封するスラスト板と、前記スリーブ内周又は前記シャフト外周の少なくともいずれか一方に設けられた略ヘリングボーン状の二組の動圧発生溝とを有し、前記動圧発生溝のうち、前記スラスト板側を第２の動圧発生溝とし、他方を第１の動圧発生溝と称したとき前記第２の動圧発生溝は流線方向に対称の角度と軸方向に対称長さを有し、前記第１の動圧発生溝は流線方向に対称角度と非対称長さを有し、前記第１の動圧発生溝はスラスト板側の部分が軸方向に短く（長さＬ２）、その反対側部分が軸方向に長い（長さＬ１）、２組の傾斜溝から成るヘリングボーン形状の動圧発生溝であり、
   長さ比（Ｌ１＋Ｌ２）／（２×Ｌ２）＝１．０２〜１．６０の間であり、前記フランジと前記スラスト板の当接面の少なくともいずれか一方には第３の動圧発生溝のヘリングボーンパターンの外径をＤ１ｏ，内径をＤ１ｉ、折り返し部径をＤ１ｍとした時、
   Ｄ１ｍ＝Ｄ_ｓｙ−（Ｄ_ｓｙ−Ｄ１ｉ）×（０．０５〜１．０）、
   及びＤ_ｓｙ＝（（Ｄ１ｉ^２＋Ｄ１ｏ^２）／２）^１／２の関係を満たし、
   前記フランジと前記スリーブの当接面の少なくともいずれか一方には第４のヘリングボーン形状溝を有し、このヘリングボーンパターンの外径をＤ２ｏ，内径をＤ２ｉ、折り返し部径をＤ２ｍとした時、
   Ｄ２ｍ＝（（Ｄ２ｉ ^２ ＋Ｄ２ｏ ^２ ）／２） ^１／２ の関係を満たし、
   第１〜第４の動圧発生溝はオイルまたはグリスの潤滑剤で充満され、オイルまたはグリスの基油は４０℃の粘度が４センチストークス以上であり、前記スリーブの外周及び軸の外周の内、いずれか一方がベースに固定され他方は回転自在なハブロータに固定された流体軸受装置。
2. 請求項１に記載の流体軸受装置のハブロータに記録再生用ディスクを同軸上に固定し回転自在に支持し、前記回転するディスク面に磁気ヘッドまたは光学ヘッドを対向して設け、この磁気ヘッドまたは光学ヘッドを前記ディスク面に平行に可動自在に構成し、信号の記録または再生を行うディスク記録装置。

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