JP4134058B2 - 情報機器用スピンドルモータ - Google Patents

Description

本発明は、軸受隙間に生じた油の動圧で軸部材を非接触支持する動圧軸受装置を備えた情報機器用スピンドルモータに関する。このスピンドルモータは、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装置などのスピンドルモータ、レーザビームプリンタ（ＬＢＰ）のポリゴンスキャナモータとして好適である。

上記各種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軸受の使用が検討され、あるいは実際に使用されている。

例えば、ＨＤＤ等のディスク装置のスピンドルモータに組み込まれる動圧軸受装置としては、ハウジングの内周に焼結金属製の軸受スリーブを固定すると共に、軸受スリーブの内周に軸部材を配置した構造が知られている。この種の動圧軸受装置では、軸部材の回転により、ラジアル軸受隙間に油の動圧を発生させて、回転側となる軸部材をラジアル方向に非接触状態で支持する。ラジアル軸受隙間に油の動圧を発生させるための溝（動圧溝）は、軸部材の外周、もしくは軸受スリーブの内周の何れか一方に形成されている。

例えば、この種の動圧軸受装置においては、動圧溝を、軸方向に対して傾斜させたヘリングボーン形状に配列する場合が多い。この傾斜状動圧溝は、軸部材の回転に伴って油を軸方向に引き込む力を生じるため、この引き込み力でラジアル軸受隙間の一部領域に油が集められて動圧を生じ、この動圧によって、軸部材が軸受スリーブに対して非接触に支持される。この場合、軸受スリーブとして焼結金属を使用すると、焼結金属の表面から滲み出した油でラジアル軸受隙間に随時油を補給することができるため、油不足を招くことなく、高い油膜剛性が得られる。

しかしながら、何らかの理由、例えば加工誤差等によって設計よりも動圧溝が幅広に形成されている場合には、油に作用する引き込み力が増大し、相対的に油の供給量が不足してラジアル軸受隙間に負圧を生じる場合がある。特にラジアル軸受隙間の外気開放側でこのような負圧を生じると、外部の空気がラジアル軸受隙間に巻き込まれたり、油中に内在していた空気が泡となってラジアル軸受隙間に発生する場合があり、軸受隙間での動圧特性に悪影響を与えることとなる。

このような事態を防止するため、従来では、動圧溝の加工精度をできる限り高める等の対策を講じているが、加工精度の向上には限度があり、またコストアップの要因ともなるので好ましくない。さらに、加工精度を高めても、ラジアル軸受隙間への油の供給量にばらつきがある場合は、負圧が発生する場合があり、品質安定性の面で問題がある。

そこで、本発明は、簡単かつ低コストにラジアル軸受隙間での負圧の発生を防止することのできる動圧軸受装置を備えた情報機器用スピンドルモータの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、軸部材と、軸部材を回転自在に非接触支持する動圧軸受装置と、モータステータ及びモータロータとを備え、モータステータとモータロータとの間の励磁力で軸部材を回転させる情報機器用スピンドルモータにおいて、動圧軸受装置は、一端に開口部、他端に底部を有するハウジングと、焼結金属からなり、ハウジングの内周に固定された軸受スリーブと、軸受スリーブの内周に挿入した軸部材と、軸部材の外周と軸受スリーブの内周との間に軸方向に離隔して形成され、ハウジングの開口部側に位置する外気開放側のラジアル軸受隙間とハウジングの底部側に位置する外気遮断側のラジアル軸受隙間とを有し、かつ、軸部材と軸受スリーブとの相対回転時に上記ラジアル軸受隙間に油の動圧を発生させる複数のラジアル軸受部と、ハウジングの開口部に固定されたシール部材とを備え、シール部材で密封されたハウジングの内部空間には潤滑油が注油されていると共に、軸部材の外周と軸受スリーブの内周との間の隙間に満たされた潤滑油は全体としてハウジングの底部側に押し込まれ、軸受スリーブは、ハウジングの底部側に位置する外気遮断側の軸方向他端側端部の内周面取り部に、その開孔率を軸受スリーブの内周面の開孔率よりも大きくした油導入部を有する構成を提供する。

軸受スリーブの軸方向他端側端部（大気遮断側）の内周面取り部に、その開孔率を軸受スリーブの内周面の開孔率よりも大きくした油導入部を形成すれば、油導入部を介して焼結金属製の軸受スリーブ内に吸収される油の量が増える。吸収された油は、軸受スリーブ内を通って軸受スリーブの軸方向一端側端部（外気開放側）から滲み出し、ラジアル軸受隙間に供給される。この際、上述のように油導入部によって軸受スリーブ内への吸収油量が増えているので、軸受スリーブの軸方向一端側端部からラジアル軸受隙間に供給される油量も増える。従って、当該ラジアル軸受隙間に潤沢な油を供給することができ、このラジアル軸受隙間での負圧の発生を確実に回避することが可能となる。

軸受スリーブを形成する焼結金属としては、例えば、銅、鉄、及びアルミニウムの中から選択される１種以上の金属粉末、若しくは銅被覆鉄粉などの被覆処理を施した金属粉末（合金粉を含む）を主原料とし、必要に応じて、すず、亜鉛、鉛、黒鉛、二硫化モリブデン等の粉末又はこれらの合金粉末を混合し、成形し、焼結して得られたものを用いることができる。このような焼結金属は、内部に多数の気孔（内部組織としての気孔）を備えていると共に、これら気孔が外表面に通じて形成される多数の開孔を備えている（多孔質体）。

ここで、上記の「開孔率」は、単位面積当たりに占める、各開孔の面積の総和（総面積）の比率をいい、以下の条件で測定されるものである。
［測定器具］
金属顕微鏡：Ｎｉｋｏｎ ＥＣＬＩＰＳＳ ＭＥ６００
デジタルカメラ：Ｎｉｋｏｎ ＤＸＭ１２００
写真撮影ソフト：Ｎｉｋｏｎ ＡＣＴ−１ ｖｅｒ．１
画像処理ソフト：イノテック製 ＱＵＩＣＫ ＧＲＡＩＮ
［測定条件］
写真撮影：シャッタースピード０．５秒
２値化しきい値：２３５

さらに、軸受スリーブの軸方向一端側端部（外気開放側）に、その開孔率を軸受スリーブの内周面の開孔率よりも大きくした油排出部を形成すれば、この油排出部から滲み出す油量が増える。従って、ラジアル軸受隙間への油の供給量を増やすことができ、上記油導入部を形成したことの効果と相俟って、ラジアル軸受隙間での負圧の発生をより確実に防止することが可能となる。

以上のように本発明によれば、ラジアル軸受隙間に潤沢な油を供給することができる。したがって、当該ラジアル軸受隙間での負圧の発生を確実に防止し、空気の巻き込みや泡の発生による動圧特性の低下を回避することができる。

以下、本発明の実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。

図１は、この実施形態にかかる動圧軸受装置１を組み込んだ情報機器用スピンドルモータの一構成例を示している。このスピンドルモータは、ＨＤＤ等のディスク駆動装置に用いられるもので、軸部材２を回転自在に非接触支持する動圧軸受装置１と、軸部材２に装着されたディスクハブ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とを備えている。ステータ４はケーシング６の外周に取付けられ、ロータ５はディスクハブ３の内周に取付けられる。動圧軸受装置１のハウジング７は、ケーシング６の内周に装着される。ディスクハブ３には、磁気ディスク等のディスクＤが一又は複数枚保持される。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、それによってディスクハブ３および軸部材２が一体となって回転する。

図２は、動圧軸受装置１の一実施形態を示している。この動圧軸受装置１は、一端に開口部７ａ、他端に底部７ｃを有する有底円筒状のハウジング７と、ハウジング７の内周面に固定された円筒状の軸受スリーブ８と、軸受スリーブ８の内周に挿入された軸部材２と、ハウジング７の開口部７ａに固定されたシール部材１０とを主要な部材として構成される。尚、以下では、説明の便宜上、ハウジング７の開口部７ａ側を上方向、ハウジング７の底部７ｃ側を下方向として説明を進める。

この動圧軸受装置１においては、軸受スリーブ８と軸部材２の軸部２ａとの間に、それぞれ動圧軸受からなる第１ラジアル軸受部Ｒ１と第２動圧軸受部Ｒ２とが軸方向に離隔して設けられる。また、軸受スリーブ８の下側端面８ｃと軸部材２のフランジ部２ｂの上側端面２ｂ１との間に、動圧軸受からなる第１スラスト軸受部Ｔ１が設けられ、ハウジング７の底部７ｃの内底面７ｃ１とフランジ部２ｂの下側端面２ｂ２との間に、同じく動圧軸受からなる第２スラスト軸受部Ｔ２が設けられる。なお、ラジアル軸受部の数は、一つあるいは三つ以上とすることもできる。

軸部材２は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ４２０Ｊ２）等の金属材で形成され、軸部２ａと、軸部２ａの下端に一体又は別体に設けられたフランジ部２ｂとを備えている。

ハウジング７は、例えば真ちゅう等の軟質金属材で形成され、円筒状の側部７ｂと円板状の底部７ｃとを別体構造として備えている。底部７ｃの内側面７ｃ１のうち、動圧を発生するためのスラスト軸受面（第２スラスト軸受部Ｔ２の軸受面）となる領域には、プレス加工等によりスパイラル形状やヘリングボーン形状の動圧溝（図示省略）が形成されている。ハウジング７の内周面７ｄの他端には、他所よりも大径に形成した大径部７ｅが形成され、この大径部７ｅに底部７ｃとなる蓋状部材が例えば加締め、接着、あるいは圧入等の手段で固定されている。

軸受スリーブ８は、焼結金属、より具体的には油を含浸させた含油焼結金属で形成される。軸受スリーブ８の内周面８ａには、動圧を発生するためのラジアル軸受面（第１ラジアル軸受部Ｒ１と第２ラジアル軸受部Ｒ２の各ラジアル軸受面）となる上下２つの領域が軸方向に離隔して設けられている。

図３に示すように、第１ラジアル軸受部Ｒ１のラジアル軸受面となる領域はヘリングボーン形状の複数の動圧溝８ａ１，８ａ２を備える。この実施形態において、図面上方側の動圧溝８ａ１の軸方向長さは、これと反対方向に傾斜した図面下方側の動圧溝８ａ２よりも大きく、軸方向非対称形状になっている。

第２ラジアル軸受部Ｒ２のラジアル軸受面となる領域も、同様に、ヘリングボーン形状の複数の動圧溝８ａ３，８ａ４を備え、軸方向の一方に傾斜した複数の動圧溝８ａ３と、軸方向の他方に傾斜した複数の動圧溝８ａ４とが軸方向に離隔して形成されている。但し、この実施形態では、第１ラジアル軸受部Ｒ１と異なり、両動圧溝８ａ３，８ａ４の軸方向長さは等しく、軸方向対称形状になっている。また、第１ラジアル軸受部Ｒ１の軸方向長さの全長は、第２ラジアル軸受部Ｒ２の軸方向長さの全長よりも大きい。

両軸受部Ｒ１，Ｒ２のラジアル軸受面となる領域と、これに対向する軸部２ａの外周面との間にはラジアル軸受隙間９ａ，９ｂが形成される。ラジアル軸受隙間９ａは上側（ハウジング７の開口部７ａ側：外気開放側）に位置し、ラジアル軸受隙間９ａは下側（ハウジング７の底部７ｃ側：外気遮断側）に位置する。

一般に、へリングボーン形状のように軸方向に対して傾斜した形状の動圧溝では、軸受の運転中に軸方向への油の引き込み作用が生じる。従って、本実施形態においても動圧溝８ａ１〜８ａ４は油の引き込み部となり、この引き込み部８ａ１〜８ａ４によってラジアル軸受隙間９ａ，９ｂに引き込まれた油は、動圧溝８ａ１と８ａ２の間、および動圧溝８ａ３と８ａ４の間の平滑部ｎ１，ｎ２周辺に集められ、油膜を形成する。

上述のように、第１ラジアル軸受部Ｒ１の動圧溝形状を非対称とした場合、第１ラジアル軸受部Ｒ１では下側に向かう油の引き込み力が上側に向かう油の引き込み力に対して勝るため、その圧力差が下向きの油の流れを発生する要因となる。また、第１ラジアル軸受部Ｒ１の軸方向長さが第２ラジアル軸受部Ｒ２のそれよりも長いため、油の引き込み力は、第１ラジアル軸受部Ｒ１の方が第２ラジアル軸受部Ｒ２よりも大きくなる。以上の作用により、軸部２ａの外周面と軸受スリーブ８の内周面８ａとの間の隙間に満たされた油は、全体として下向きに押し込まれ、スラスト軸受部Ｔ１，Ｔ２のスラスト軸受隙間に供給される。下向きに押し込まれた油を第一ラジアル軸受部Ｒ１側に戻すため、軸受スリーブ８の外周面８ｄには、その両端面８ｂ，８ｃに開口した循環溝（図示省略）が形成されている。循環溝はハウジングの内周面７ｄに形成することもできる。

なお、ラジアル軸受部Ｒ１，Ｒ２の各動圧溝８ａ１〜８ａ４は、軸方向に対して傾斜した形状であれば足りる。これに該当する動圧溝形状としては、図示のようなヘリングボーン形の他、スパイラル形に配列したものも考えられる。

軸受スリーブ８の両端面８ｂ、８ｃのうち、下側端面８ｃの、動圧を発生するためのスラスト軸受面（第１スラスト軸受部Ｔ１のスラスト軸受面）となる領域には、図３（ｂ）に示すように、例えばスパイラル形状（へリングボーン形状でもよい）の複数の動圧溝８ｃ１が形成されている。

図１に示すように、シール手段としてのシール部材１０は環状のもので、ハウジング７の開口部７ａの内周面に圧入、接着等の手段で固定される。この実施形態において、シール部材１０の内周面は円筒状に形成され、シール部材１０の下側端面１０ｂは軸受スリーブ８の上側端面８ｂと当接している。

軸部材２の軸部２ａは軸受スリーブ８の内周面８ａに挿入され、フランジ部２ｂは軸受スリーブ８の下側端面８ｃとハウジング７の内底面７ｃ１との間の空間部に収容される。軸受スリーブ８の内周面８ａのラジアル軸受面となる領域（上下２箇所の領域）は、それぞれ、軸部２ａの外周面とラジアル軸受隙間９ａ，９ｂを介して対向する。また、軸受スリーブ８の下側端面８ｃのスラスト軸受面となる領域は、フランジ部２ｂの上側端面２ｂ１とスラスト軸受隙間を介して対向し、ハウジング７の内底面７ｃ１のスラスト軸受面となる領域はフランジ部２ｂの下側端面２ｂ２とスラスト軸受隙間を介して対向する。

シール部材１０の内周面に対向する軸部２ａの外周面にはテーパ面が形成されており、このテーパ面と軸部２ａの外周面との間には、ハウジング７の外部方向（同図で上方向）に向かって漸次拡大するテーパ形状のシール空間Ｓが形成される。シール部材１０で密封されたハウジング７の内部空間には、潤滑油が注油されており、ハウジング内の各隙間、すなわち軸部２ａの外周面と軸受スリーブ８の内周面８ａとの間の隙間（ラジアル軸受隙間９ａ，９ｂを含む）、軸受スリーブ８の下側端面８ｃとフランジ部２ｂの上側端面２ｂ１との間の隙間、フランジ部の下側端面２ｂ２とハウジング底部７ｃの内側面７ｃ１との間の隙間は、潤滑油で満たされている。潤滑油の油面はシール空間Ｓ内にある。

軸部材２と軸受スリーブ８の相対回転時、例えば軸部材２の回転時には、上述のように動圧溝８ａ１〜８ａ４の作用によって両ラジアル軸受隙間９ａ，９ｂに潤滑油の動圧が発生し、軸部材２の軸部２ａがラジアル軸受隙間内に形成される潤滑油の油膜によってラジアル方向に回転自在に非接触支持される。同時に、上記スラスト軸受隙間に潤滑油の動圧が発生し、軸部材２のフランジ部２ｂが上記スラスト軸受隙間内に形成される潤滑油の油膜によって両スラスト方向に回転自在に非接触支持される。

本実施形態では、軸受スリーブ８の下側（ラジアル軸受隙間９ａ，９ｂの外気遮断側となる方向）の端部の内周面取り部８ｅに、上記開孔率を軸受スリーブ８の内周面８ａ（ラジアル軸受面となる領域も含む）よりも大きくした油導入部１１が設けられる。このように表面の開孔率に差を設けることにより、軸部２ａの外周面と軸受スリーブ８の内周面８ａとの間の隙間で下方に押し込まれた油が面取り部８ｅから吸収され易くなる。吸収された油は、軸受スリーブ８内を通って、上側の内周面取り部８ｆから滲み出すが、上述のように軸受スリーブ８内への油の吸収量が増えるため、それに応じて面取り部８ｆからの油の滲み出し量も増える。従って、外気開放側となる上側のラジアル軸受隙間９ａでの負圧の発生を防止し、空気の巻き込み等による動圧特性の低下を回避することができる。

軸受スリーブ８の端部として、内周面取り部８ｅ以外にも、例えば下側端面８ｃに油導入部１１を形成することもできる。但し、図示例のように、下側端面８ｃが動圧を発生するスラスト軸受隙間と面する場合は、下側端面８ｃでの油の吸収量が増えると、スラスト軸受隙間での動圧効果が減じられるので、当該端面８ｃに油導入部１１を形成するのは好ましくない。

また、軸受スリーブ８の上側の端部、例えば上側の内周面取り部８ｆには、表面の開孔率を軸受スリーブ８の内周面８ａよりも大きくした油排出部１２が設けられる。これにより、内周面取り部８ｆからの油の滲み出し量が増えるので、上記油導入部１１による油供給量の増大効果と相俟って、上側のラジアル軸受隙間９ａでの負圧の発生を確実に防止して、空気の巻き込み等を回避することができる。

この実施形態において、軸受スリーブ８の内周面８ａの開孔率（この測定方法は上述の通りである）は例えば０．５〜１０％、好ましくは１〜５％の範囲内に設定される。面取り部８ｅ，８ｆの開孔率はこれよりも大きく設定され、例えば３％〜３０％の範囲、望ましくは５％〜３０％の範囲内に設定される。

図４は、スラスト軸受部Ｔとして、軸部材２の軸端を、ハウジング７の底部７ｃに装着したスラストワッシャ１３で接触支持するピボット軸受を使用した動圧軸受装置の断面図である。この実施形態において、ハウジング７の底部７ｃは円筒状の側部７ｂと一体に形成されている。また、ラジアル軸受部Ｒ１，Ｒ２の動圧溝は、両軸受部Ｒ１，Ｒ２のそれぞれで軸方向で対称に形成され、かつ両軸受部Ｒ１，Ｒ２の軸方向長さが等しくなっている。これ以外の構成は、基本的に図２および図３に示す実施形態と共通するので、共通する機能・作用を有する部材には同一参照番号を付して重複説明を省略する。

このタイプの軸受装置においても、動圧溝の幅が設計と異なる等の場合には、ラジアル軸受隙間に負圧を発生して泡を生じたり、油の下方への押込み力が増大して軸部材２が浮き上がる等の不具合を招く可能性がある。これに対し、上述した油導入部１１および油排出部１２を軸受スリーブの内周面取り部８ｅ，８ｆに形成すれば、これらの不具合を回避することができる。

情報機器用スピンドルモータの断面図である。 動圧軸受装置の断面図である。 図３（ａ）は軸受スリーブの断面図、図３（ｂ）はその底面図である。 動圧軸受装置の他の実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１ 動圧軸受装置
２ 軸部材
７ ハウジング
８ 軸受スリーブ
８ｅ 内周面取り部
９ａ ラジアル軸受隙間
９ｂ ラジアル軸受隙間
１１ 油導入部
Ｒ１ 第１ラジアル軸受部
Ｒ２ 第２ラジアル軸受部

Claims (1)

1. 軸部材と、該軸部材を回転自在に非接触支持する動圧軸受装置と、モータステータ及びモータロータとを備え、モータステータとモータロータとの間の励磁力で前記軸部材を回転させる情報機器用スピンドルモータにおいて、
   前記動圧軸受装置は、一端に開口部、他端に底部を有するハウジングと、焼結金属からなり、ハウジングの内周に固定された軸受スリーブと、軸受スリーブの内周に挿入した軸部材と、軸部材の外周と軸受スリーブの内周との間に軸方向に離隔して形成され、前記ハウジングの開口部側に位置する外気開放側のラジアル軸受隙間と前記ハウジングの底部側に位置する外気遮断側のラジアル軸受隙間とを有し、かつ、軸部材と軸受スリーブとの相対回転時に上記ラジアル軸受隙間に油の動圧を発生させる複数のラジアル軸受部と、前記ハウジングの開口部に固定されたシール部材とを備え、
   前記シール部材で密封された前記ハウジングの内部空間には潤滑油が注油されていると共に、前記軸部材の外周と軸受スリーブの内周との間の隙間に満たされた潤滑油は全体として前記ハウジングの底部側に押し込まれ、
   前記軸受スリーブは、前記ハウジングの底部側に位置する外気遮断側の軸方向他端側端部の内周面取り部に、その開孔率を軸受スリーブの内周面の開孔率よりも大きくした油導入部を有することを特徴とする情報機器用スピンドルモータ。

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