JP4170300B2 - 動圧型焼結含油軸受ユニット - Google Patents

Description

本発明は、高回転精度、高速安定性、高耐久性などに優れた特徴を有する動圧型焼結含油軸受ユニットに関し、特に情報機器におけるスピンドルモータ、例えばＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭなどの光ディスク、ＭＯなどの光磁気ディスク、ＨＤＤなどの磁気ディスクを駆動するモータ、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。

上記情報機器類のスピンドルモータには、高回転精度の他、さらなる高速化、低コスト化、低騒音化などが求められているが、これらの要求性能を決定づける構成要素の一つにモータのスピンドルを支持する軸受がある。従来では、この軸受としてボールベアリングか一般的な真円型の焼結含油軸受が用いられている。

しかしながら、この種のスピンドルモータは８０００〜１００００ｒｐｍ程度、特にＬＢＰに使用されるポリゴンスキャナモータでは、数万ｒｐｍの高速で使用される場合が多く、また、軸振れ、ＮＲＲＯ（非繰り返し回転精度）、ジッタなどの回転精度も考慮する必要があるため、ボールベアリングや焼結含油軸受では上記要求性能を満足することが難しくなっている。

以上の観点から、近年ではこの種の軸受として動圧型の焼結含油軸受を使用することが検討されている。この軸受は、焼結金属製の軸受本体に潤滑油または潤滑グリースを含浸させ、軸受面に設けた動圧溝の動圧効果で軸受隙間に潤滑油膜を形成してスピンドルを非接触支持するもので、低コストでありながら上記要求性能にも十分に対応できる。

一般に動圧軸受の使用時には、軸受隙間に油を充満させることが重要である。上記の焼結含油軸受は、軸受本体の内部に油を含有しているものであるが、回転軸を軸受本体に挿入する際には、これとは別に軸受隙間に注油しておくのが望ましい。これは、組立初期から油が軸受隙間に満たされていれば、駆動時に空気を巻き込みにくくなるので、運転当初から安定した軸受性能を発揮できること、また、注油しない場合は、運転当初にスラスト軸受の摺動部分（球面状の軸端とスラストワッシャとの接触部）が無給油状態となること、等の理由による。

本発明の他の課題は、製造コストの低減を図ることである。

上記課題を解決するため、本発明は、焼結金属で形成され、かつ軸の外周面と軸受隙間を介して対向する軸受面を備えた軸受本体に潤滑油または潤滑グリースを含浸させてなり、軸と軸受本体との相対回転で生じる動圧作用により軸を非接触支持する動圧型焼結含油軸受と、一端が開口され、内径部に前記動圧型焼結含油軸受が内装されたハウジングと、ハウジングの他端側に固定され、軸をスラスト方向で支持するスラスト軸受とを備えた動圧型焼結含油軸受ユニットにおいて、ハウジングの内部に潤滑油が注油され、スラスト軸受は動圧型焼結含油軸受の端面から軸方向に離隔して配置されると共に、軸の端面と対向するスラスト軸受の表面にスパイラル状の動圧溝がプレス加工により形成されている構成を提供する。動圧型焼結含油軸受の軸受面は、軸方向に離隔して複数箇所に設けても良い。

スラスト軸受に動圧溝をプレス加工により形成することにより、該動圧溝の形成工程を簡略化して、製造コストの低減を図ることができる。

以下、本発明の実施形態を図１乃至図11に基いて説明する。

図１は、本発明にかかる動圧型焼結含油軸受ユニット１の一実施形態を示す断面図である。

図示のように、軸受ユニット１は、動圧型の焼結含油軸受1aと、焼結含油軸受1aを内径部に固定したハウジング1bと、ハウジング1bの底部に設けられたスラスト軸受12とで構成される。ハウジング1bは、一端（図面上方）を開口させた略円筒型をなし、その他端側はスラスト軸受12によって密閉されている。スラスト軸受12は、例えば円板状に形成された樹脂製のスラストワッシャ12ａと、これを支持する裏金12ｂとを積層して構成され、軸受1aの内径部に挿入された回転軸２は、球面状の下端をスラスト軸受12のスラストワッシャ12ａにピボット接触させて回転自在に支持されている。

焼結含油軸受1aは、図２に示すように、回転軸２の外周面と軸受隙間を介して対向する軸受面10ｂを有する焼結金属からなる円筒状の軸受本体10に、潤滑油あるいは潤滑グリースを含浸させて構成される。焼結金属からなる軸受本体10は、銅系あるいは鉄系、またはその双方を主成分とする焼結金属で形成され、望ましくは銅を20〜95％使用して成形される。軸受本体10の内周には、軸方向に離隔する２つの軸受面10ｂが形成され、２つの軸受面10ｂの双方に、それぞれ軸方向に対して傾斜した複数の動圧溝10ｃ（へリングボーン型）が円周方向に配列形成される。動圧溝10ｃは軸方向に対して傾斜して形成されていれば足り、この条件を満たす限りへリングボーン型以外の他の形状、例えばスパイラル型でもよい。焼結含油軸受1aの外周には、軸受1aの内径部に軸２を挿入する際の空気抜きとなる一または複数の溝10ｇが軸方向に沿って形成されている。なお、両軸受面10ｂ間の領域10ｆの内径寸法は、軸受面10ｂにおける動圧溝部分を除く凸部（背の部分10ｅ）の内径寸法よりも大きく設定される。

この実施形態では、軸受本体10を１個とし、その内径面の複数箇所（本実施形態では２箇所）に動圧軸受面1bを設けることにより、複数個の軸受１を別体に配置した場合に問題となる精度不良等の弊害を回避している。

上記焼結含油軸受1aでは、回転軸２の回転に伴う圧力発生と昇温による油の熱膨張によって軸受本体10の内部の潤滑剤（潤滑油または潤滑グリースの基油）が軸受本体10の表面からにじみ出し、動圧溝の作用によって軸受隙間に引き込まれる。軸受隙間に引き込まれた油は潤滑油膜を形成して回転軸を非接触支持する。すなわち、軸受面10ｂに、上記傾斜状の動圧溝10ｃを設けると、その動圧作用によってにじみ出した軸受本体10内部の潤滑剤が軸受隙間に引き込まれると共に、軸受面10ｂに潤滑剤が押し込まれ続けるので、油膜力が高まり、軸受の剛性を向上させることができる。

軸受隙間に正圧が発生すると、軸受面10ｂの表面に孔（開孔部：多孔質体組織の細孔が外表面に開口した部分をいう）があるため、潤滑剤は軸受本体の内部に還流するが、次々と新たな潤滑剤が軸受隙間に押し込まれ続けるので油膜力および剛性は高い状態で維持される。この場合、連続しかつ安定した油膜が形成されるので、高回転精度が得られ、軸振れやＮＲＲＯ、ジッタ等が低減される。また、回転軸２と軸受本体10が非接触で回転するために低騒音であり、しかも低コストである。

両軸受面10ｂは、一方に傾斜する動圧溝10ｃが配列された第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10ｃが配列された第２の溝領域m2と、２つの溝領域m1、m2の間に位置する環状の平滑部ｎとを備えており、２つの溝領域m1、m2の動圧溝10ｃは平滑部ｎで区画されて非連続になっている。平滑部ｎと動圧溝10ｃ間の背の部分10ｅは同一レベルにある。この種の非連続型の動圧溝10ｃは、連続型、すなわち平滑部ｎを省略し、動圧溝10ｃを両溝領域m1、m2間で互いに連続するＶ字状に形成した場合に比べ、平滑部ｎを中心として油が集められるために油膜圧力が高く、また溝のない平滑部ｎを有するので軸受剛性が高いという利点を有する。

本発明においては、ハウジング1bの開口部の近傍に当該開口部を密封するためのシール13が配置される。シール13は、繊維材料（フェルト等）や多孔質体（焼結金属や樹脂等で成形される）からなる薄肉リング状の油吸収部材13ａと、樹脂あるいは金属からなる同じく薄肉リング状のシール本体13ｂ（例えばワッシャ）とで構成され、シール本体13ｂをハウジング1bの開口端側に配置してハウジング1bの内径部に組み込まれている。シール13のうち、油吸収部材13ａは、ハウジング1bに固定してもよいし、あるいは、特に固定することなく、軸受本体10の開口側端面上に置くようにしてもよい。油吸収部材13ａの内径側は、軸２の外周面2aに対して僅かな隙間をあけておくのがよいが、フェルト等の繊維状の油吸収部材13ａを使用する場合は、トルク上昇やトルク変動を与えない範囲で軸２に接触させてもよい。一方、シール本体13ｂは、軸２の外周面2aに対して僅かな隙間（直径で０．３mm以下、望ましくは０．２mm以下）をあけてハウジング1bの内周面に固着される。

このように油吸収部材13ａを有するシール13を設けることにより、軸姿勢が縦向き、横向き何れの場合でも、軸受1aの開口側端面（内外径のチャンファ部10ｈ、10ｉも含む）より漏れ出ようとする油Ｏを吸収捕捉し、これを内部に保持することができる。従って、油が流出して遠心力により周囲に飛散するような事態を防止することができる。

また、軸受1aの毛細管力による油の保持力を油吸収部材13ａよりも強く設定すれば、仮に軸受内部に油の存在しない空孔が生じた場合でも、油吸収部材13ａに吸収捕捉された油が軸受1a側に還流するため、油不足になりにくく、軸受の長寿命化が達成される。この観点から、油吸収部材13ａは軸受1aの端面に接触させておくのが好ましい（還流性が問題にならなければ、離して配置してもよい）。

なお、油吸収部材13ａは予め油を含浸させてからハウジング1bに組み込んでもよく、また、油を含浸することなく組み込み、注油された油が軸２の軸受1a内周部への挿入時に空気抜き溝10ｇを通って押し上げれた際にこれを吸収捕捉して含浸させるようにしてもよい。後者の場合、油と共に押し出されてきた空気が抜けやすくなるので、空気が軸受隙間に残留しにくくなる利点がある。

図３は、本発明にかかる軸受ユニットの他の実施形態で、円筒状の油吸収部材13ａを、シール本体13ｂの内径端と対向させて軸２の外周部に固定したものである。油吸収部材13ａは、例えば図４に示すように、軸２に設けた円周溝2bに嵌め込むことにより固定される。この構成であれば、回転する軸２にまとわりついて軸受外に流出しようとする油も吸収捕捉することができ、油の飛散をさらに抑えることができる。この場合、油吸収部材13ａとシール本体13ｂとの間には僅かな隙間をあけておくのが望ましいが、トルク上昇やトルク変動を招かない範囲で両者を接触させてもよい。

油吸収部材13ａは、軸受1aから漏れ出た油を吸収捕捉できる位置、すなわち少なくともその一部がシール本体13ｂよりもハウジング1b底部側の空間を臨むような位置にあれば足り、図１や図３に示す構造には限定されない。

図５および図６は、スラスト軸受12の他の実施形態で、軸２の端面2cを平坦に形成すると共に、この軸端面2cと対向するスラストワッシャ12ａの表面12a1にスパイラル状の動圧溝12cを形成したものである。この動圧溝12ｃは、例えば軟質金属材からなるスラストワッシャ12ａをプレスすることにより形成することができる。なお、動圧溝12ｃは、軸２の平坦な端面2cに形成してもよい。

図７は、スラスト軸受12の他の実施形態で、ハウジング1bの他端側（スラスト軸受側）の軸受面10ｂに軸方向両側で非対称に形成された傾斜状の動圧溝10c1、10c2でスラスト軸受12を構成したものである。この場合、軸２の回転に伴って油が下側に押し込まれるため、軸２を浮上支持することができる。十分な動圧効果を得るため、焼結含油軸受1aの端面とスラストワッシャ12ａとは接触させておくのがよい。

以上の説明では、動圧型焼結含油軸受として傾斜状の動圧溝を有するタイプを例示しているが、本発明はこれに限定されず、他の動圧型軸受、例えばステップ軸受、円弧軸受、テーパ軸受、テーパドランド軸受にも同様に適用可能である。

以下、本発明の効果を確認するために行った試験の概要および試験結果を説明する。

ａ．ポリゴンスキャナモータによる油飛散試験
ポリゴンスキャナモータは、図８に示すように、回転軸２を支持する軸受ユニット１、回転軸２の上端に取り付けられたポリゴンミラー11、ステータ５およびロータ６からなるモータ部Ｍ、ポリゴンミラー11をロータハブ18に押付ける予圧ばね17で構成され、ステータ５への通電により、ロータ６の回転に伴ってポリゴンミラー11を回転させるものである。レーザー光源から所定の光学系を経てポリゴンミラー11に入射したレーザー光は、ポリゴンミラー11により反射されて感光ドラム面を走査する。

このモータを囲うように円筒状の紙片を配置し、実施例１（図１の軸受ユニット）、実施例２（図３の軸受ユニット）、比較例１（シール13なし）、および比較例２（ワッシャ13ｂのみのシール）についてそれぞれ油の飛散状況を調べた。雰囲気は常温常湿、軸径はφ３、軸姿勢は縦向き、回転数は１００００〜３００００ｒｐｍ、試験時間は２０時間である。

図９に示すように、シールなし（比較例１）の場合は、１００００ｒｐｍ（周速1.57m ／s）から油の飛散が認められ、またワッシャのみのシール（比較例２）の場合は、１５０００ｒｐｍ（周速2.36m ／s）以上の高速回転では、実用上不適当であることが判明した。これに対し、実施例１および２の構造であれば、３００００ｒｐｍ（周速4.71m ／s）もの高速回転でも油飛散防止効果が認められた。

ｂ．光ディスク用モータによる耐久試験
光ディスク用モータは、図10に示すように、回転軸２を支持する軸受ユニット１、回転軸２の上端に取り付けられ、光ディスク３を支持固定するターンテーブル４およびクランパ８、ステータ５およびロータ６を有するモータ部Ｍで構成され、ステータ５への通電により、ロータ６と一体になったロータケース７、ターンテーブル４、光ディスク３、クランパ８を一体回転させるものである。

このモータを軸姿勢が横向きになるように固定し、連続運転試験を行って、実施例１、２、および比較例１、２（各軸受ユニットの構造はａと同様）のそれぞれについて連続運転試験を行い、耐久性を比較した。評価は２００時間ごとにモータを恒温槽から取出し、軸振れと電流値を測定し、軸振れが初期の１．５倍以上、あるいは電流値が初期値に対して±２０％の範囲を超えた次点で寿命と判定した。試験結果を示す図11の表には寿命と判定した時点での試験時間を記入してある。また、試験は２０００時間まで実施し、その時点で寿命に至らなかった場合は、「２０００↑」と記録した。雰囲気は５０℃、軸径はφ３、軸姿勢は横向き、回転数は７０００ｒｐｍ一定の連続運転、アンバランス荷重は０．５01cmである。

比較例１、２はともに、軸振れが増大して寿命に至った。何れの場合も、特にシールなしのものについては顕著に、周囲への油漏れが認められた。油膜不足による軸振れ増大が寿命に至った原因と思われる。実施例１、２はともに２０００時間の時点でも軸振れ、電流値に変化はなく、継続使用が可能な状態で、かつ油漏れも全く認められなかった。

本発明にかかる動圧型焼結含油軸受ユニットの断面図である。 上記軸受ユニットに用いられる動圧型焼結含油軸受の断面図である。 他の実施形態を示す縦断面図である。 図３の要部拡大断面図である。 スラスト軸受の他の実施形態を示す断面図である。 スラストワッシャの平面図である。 スラストワッシャの平面図である。 ポリゴンスキャナモータの断面図である。 油飛散試験の結果を示す図である。 光ディスク用モータの断面図である。 耐久試験の結果を示す図である。

符号の説明

１ 動圧型焼結含油軸受ユニット
1a 動圧型焼結含油軸受
1b ハウジング
２ 軸
2a 外周面
10 軸受本体
10ｂ 軸受面
10ｃ 動圧溝
12 スラスト軸受
12ａ スラストワッシャ
12c 動圧溝

Claims (2)

1. 焼結金属で形成され、かつ軸の外周面と軸受隙間を介して対向する軸受面を備えた軸受本体に潤滑油または潤滑グリースを含浸させてなり、軸と軸受本体との相対回転で生じる動圧作用により軸を非接触支持する動圧型焼結含油軸受と、
   一端が開口され、内径部に前記動圧型焼結含油軸受が内装されたハウジングと、
   ハウジングの他端側に固定され、軸をスラスト方向で支持するスラスト軸受とを備えた動圧型焼結含油軸受ユニットにおいて、
   前記ハウジングの内部に潤滑油が注油され、
   前記スラスト軸受は前記動圧型焼結含油軸受の端面から軸方向に離隔して配置されると共に、前記軸の端面と対向する前記スラスト軸受の表面にスパイラル状の動圧溝がプレス加工により形成されていることを特徴とする動圧型焼結含油軸受ユニット。
2. 前記動圧型焼結含油軸受は、軸方向に離隔して設けられた複数の軸受面を有することを特徴とする請求項１記載の動圧型焼結含油軸受ユニット。

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