JP4376379B2 - 流体動圧軸受及びこれを用いた電動機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体又は液体を用いる流体動圧軸受及びこれを用いた電動機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空気、潤滑油等を用いる流体動圧軸受は、所定の形状を有する複数の動圧発生溝を潤滑媒体として作用する流体を介して互いに対向する一対の軸受面の少なくとも一方に形成しており、また回転子（軸又は軸受）が固定子（軸受又は軸）に対し回転したときに、回転子を固定子から浮遊させる動圧を発生する。
【０００３】
動圧発生溝が形成された軸受面のうち、隣り合う動圧発生溝の間は丘部分として作用する。流体動圧軸受の動圧発生溝としては、その断面形状が矩形又は台形のものが用いられている。したがって、隣り合う動圧発生溝の間の丘も矩形又は台形を有する。
【０００４】
【解決しようとする課題】
しかし、動圧発生溝及び丘の軸方向の断面形状が矩形又は台形であると、回転子の回転開始時又は停止開始時に丘がこれと対向する軸受面に接触して、大きな摩擦トルクが丘及びこれと対向する軸受面に作用し、それによりこの軸受を用いた電動機の消費電力が増大する、という課題を有していた。軸受け面の摩耗を防止すべく、丘の幅を狭くして、対抗する軸受面との接触面積を小さくすると、大きな動圧を得ることができない。
【０００５】
それゆえに、流体動圧軸受においては、軸受面の摩擦トルクを低下させ、かつ、発生可能の動圧を大きくすることが重要である。
【０００６】
【解決手段、作用及び効果】
本発明に係る流体動圧軸受は、複数の動圧発生溝と、隣り合う動圧発生溝の間の丘と、前記動圧発生溝に連通されかつ動圧が最大となる環状領域とを、互いに対向する一対の軸受面の少なくとも一方に有する。各丘は、前記動圧発生溝の長手方向へ伸びる複数の第１の突部であって、前記丘の幅方向に間隔をおいて設けられた第１の突部と、前記環状領域と反対の側の端部を前記丘の幅方向へ伸びて前記第１の突部に続く第２の突部と、前記第１及び第２の突部が形成されていない残部領域とを有する。前記第１及び第２の突部により囲まれた空間は前記環状領域に開放されている。
【０００７】
回転子が固定子に対して回転されると、軸受の流体は、動圧発生溝内を移動するのみならず、丘及びこれと対向する軸受面間を通って丘を横切る方向へ移動する。しかし、第１の突部は、流体が丘を横切る方向へ円滑に移動することを妨げる。これにより、第１の突部を丘に有する流体動圧軸受は、そのような突部を丘に有していない流体動圧軸受に比べ、大きな動圧を発生することが可能である。
【０００８】
回転子の回転開始時及び停止開始時、第１の突部がこれと対向する軸受面に接触して、摩擦トルクが突部及びこれと対向する軸受面に作用する。しかし、第１の突部の幅寸法が丘のそれより小さいから、突部及びこれと対向する軸受面に作用する摩擦トルクは、そのような突部を丘に有していない流体動圧軸受に比べ、著しく小さい。その結果、第１の突部と、これと対向する軸受面との間のクリアランスを小さくすることにより、第１の突部及びこれと対向する軸受面に作用する摩擦トルクが大きくならないにもかかわらず、より大きな動圧を発生可能の構造とすることができる。
【０００９】
それゆえに、本発明の流体動圧軸受によれば、動圧発生溝の長手方向へ伸びる１以上の第１の突部を丘に有するから、軸受面の摩擦トルクを低下させることができると共に、発生可能の動圧を大きくすることができる。
【００１０】
本発明に係る流体動圧軸受は、前記環状領域と反対の側の端部を前記丘の幅方向へ伸びて前記第１の突部に続く第２の突部を有することができる。このようにすれば、第２の突部が丘及びこれと対向する軸受面間を丘の動圧の小さい側へ移動しようとする流体の妨げになるから、より大きな動圧を発生可能になる。
【００１１】
本発明に係る流体動圧軸受は、前記丘の幅方向に間隔をおいて前記動圧発生溝の長手方向へ伸びる複数の前記第１の突部を有することができる。このようにすれば、各第１の突部が丘をその幅方向へ横切って移動しようとする流体をより確実に妨げるから、より大きな動圧を発生可能になる。
【００１２】
前記軸受面は動圧が最大となる環状領域であって前記残部領域の一端が続く環状領域を有し、前記動圧発生溝からの前記残部領域の高さ寸法は前記動圧発生溝からの前記環状領域の高さ寸法とほぼ同じであってもよい。このようにすれば、従来の動圧発生溝を用いた場合に比べ、丘の残部領域においてより大きな動圧が発生する。
【００１３】
上記の場合、前記動圧発生溝はへリングボーン溝及びスパイラル溝のいずれであってもよい。
【００１４】
好ましい一実施例においては、前記丘は、その幅方向に間隔をおいて前記動圧発生溝の長手方向へ伸びる複数の第１の突部と、動圧が小さい側の端部を前記丘の幅方向へ伸びて前記第１の突部に続く第２の突部と、前記第１及び第２の突部を除く前記丘の残部領域とにより、複数段の構造とされている。
【００１５】
前記第１及び第２の突部により囲まれた空間は動圧が最大となる側に開放されていてもよい。このようにすれば、従来の流体動圧軸受に比べ、その空間が開放する領域において大きな動圧が発生する。
【００１６】
本発明に係る電動機は、回転子及び固定子の一方に配置された永久磁石と、前記回転子及び前記固定子の他方に配置された電機子と、前記回転子及び前記固定子の間に配置された流体動圧軸受であって請求項１から７のいずれか１項に記載の流体動圧軸受とを含む。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１を参照するに、電動機１０は、短い円筒状又はリング状の永久磁石１２と、この永久磁石１２の内側に配置された電機子１４とを用いたスピンドルモータである。永久磁石１２は、回転子１８に配置されており、また回転軸線２０の周りに回転される。電機子１４は、固定子１６に配置されている。
【００１８】
永久磁石１２は、回転子１８の回転半径方向に磁化された複数の磁極部（図示せず）を回転軸線２０の周りに有する。回転子１８の回転方向に隣り合う磁極部は、逆方向に磁化されている。各磁極部の内面は、永久磁石１２の極面として作用する。
【００１９】
電機子１４は、珪素鋼板のような薄い金属板からなる複数のコア部材を積層したコア２２と、コア２２の各磁極部に巻かれた励磁コイル２４とを有する。固定子１６は、皿状の形をしており、また取付ベースとして作用する。
【００２０】
固定子１６は、中央にボス部２６をまた外周部にフランジ部２８をそれぞれ有しており、フランジ部２８において筐体のような適宜な部材にねじ止めされる。ボス部２６は、上方に開放する空間を有する。電機子１４は、ボス部２６の外周に相対的回転不能に組み付けられている。
【００２１】
回転子１８も、皿状の形をしている。回転子１８は、ボス部２６に受け入れられたシャフト３０を中央部に有しており、また上向きの段部３２を外周部に有している。永久磁石１２は、回転子１８の内側に相対的回転不能に装着されている。シャフト３０は、図示の例では回転軸として作用する。
【００２２】
シャフト３０には、リング３４が相対的回転不能に取り付けられている。リング３４は、ほぼ矩形の断面形状を有しており、またボス部２６とボス部２６の上部に配置されたリング状の補助部材３６とにより形成された環状の凹所３８に受け入れられている。補助部材３６は、ボス部２６に相対的回転不能に組み付けられている。
【００２３】
回転軸線２０の方向における凹所３８の両内面（上下面）とリング３４の対応する両面（上下面）との間はスラスト動圧軸受領域４０，４２とされており、凹所３８の奥底面（内周面）とリング３４の外周面との間はラジアル動圧軸受領域４４とされている。このため、電動機１０は、２組のスラスト軸受面と１組のラジアル軸受面とを有する。それらの動圧軸受領域４０，４２，４４には、空気や潤滑油のような動圧発生用の流体が充填されている。
【００２４】
図２から図４に示すように、各組の一方のスラスト軸受面には、複数のスラスト動圧発生溝４６が形成されている。回転子側に形成されている場合のこのスラスト軸受面の回転方向を図２に矢印Ａで示す。
【００２５】
動圧発生溝４６は、へリングボーン溝であり、スラスト動圧軸受面の外側領域と内側領域とに形成されている。周方向に隣り合う動圧発生溝４６の間の領域は、それらの動圧発生溝４６を形成するランドすなわち丘４８であり、動圧発生溝４６の長手方向へ伸びている。
【００２６】
丘４８も、半径方向における中間の環状領域５０を間に外側領域と内側領域とに形成されている。外側及び内側の動圧発生溝４６は、それぞれ、スラスト軸受面の外周領域及び内周領域と環状領域５０とに連通されている。
【００２７】
各丘４８は、その幅方向に間隔をおいて動圧発生溝４６の長手方向へ伸びる複数の第１の突部５２と、動圧が小さい側の端部を丘４８の幅方向へ伸びて第１の突部５２に続く第２の突部５４と、第１及び第２の突部５２，５４を除く丘の残部領域５６とにより、２段の構造とされている。外側領域の各丘４８は第２の突部５４を外周側に有しており、内側領域の各丘４８は第２の突部５４を内周側に有している。
【００２８】
図３に、動圧発生溝４６からの第１及び第２の突部５２，５４の高さ寸法（＝動圧発生溝４６の深さ寸法）をＨ1で示し、残部領域５６からの突部５２，５４の高さ寸法をＨ2で示し、対向する軸受面からの突部５２，５４の高さ寸法（すなわち、クリアランス）をＨ3で示し、溝のピッチをＷ0で示し、溝、丘、残部領域及び突部の幅寸法をそれぞれＷ１，Ｗ2，Ｗ3及びＷ４で示す。
【００２９】
図５に示すように、一方のラジアル軸受面には、複数のラジアル動圧発生溝５８と、複数の丘６０とが周方向に交互に形成されている。回転子側に形成されている場合のこのラジアル軸受面の回転方向を図５に矢印Ａで示す。
【００３０】
動圧発生溝５８も、動圧発生溝４６と同様に、へリングボーン溝であり、また上部と下部とに形成されている。ランドすなわち丘６０も半径方向における中間の環状領域６２を間に上部と下部とに形成されている。上側及び下側の動圧発生溝４６は、それぞれ、ラジアル軸受面の上方領域及び下方領域と環状の領域６２とに連通されている。
【００３１】
丘４８と同様に、各丘６０も、複数の第１の突部６４と、第２の突部６６と、残部領域６８とにより、２段の構造とされている。第１及び第２の突部６４及び６６並びに残部領域６８は、それぞれ、第１及び第２の突部５２及び５４並びに残部領域５６と同様の、形状、構造、寸法及び機能を有する。
【００３２】
上側及び下側の第２の突部６６は、それぞれ、ラジアル軸受面の上端及び下端に形成されている。各残部領域６８は、動圧が最大となる側（図示の例では、環状領域６２）に開放されている。
【００３３】
図４に示す例では、環状領域５０と残部領域５６とは面一に形成されており、また突部５２，５４と残部領域５６とにより形成される凹所は動圧が最大となる環状領域５０に開放されている。同様に図５に示す例では、環状領域６２と残部領域６８とは面一に形成されており、また突部６４，６６と残部領域６８とにより形成される凹所は動圧が最大となる環状領域６２に開放されている。このため、動圧発生溝４６は環状領域５０及び残部領域５６より低く、動圧発生溝５８は環状領域６２及び残部領域６８より低い。
【００３４】
使用時、１以上のハードディスク７０が回転子１８の上向き段部３２に重ねて配置される。所定周波数を有する三相の駆動電流が電機子１４の励磁コイル２４に所定の位相で供給されると、電機子１４により形成される回転磁場と永久磁石１２からの磁場との相互作用により、回転子１８が回転される。
【００３５】
回転子１８が回転されると、動圧発生用の流体は、動圧発生溝４６，５８内を移動するのみならず、丘４８又は６０及びこれと対向する軸受面間を移動する。
【００３６】
しかし、両第１の突部５２は流体が丘４８を横切る方向へ円滑に移動することを２重に妨げ、他の両第１の突部６４は流体が丘６０を横切る方向へ円滑に移動することを２重に妨げる。また、第２の突部５４及び６６は、それぞれ、丘４８及び６０と、これと対向する軸受面との間を動圧が低い側へ移動しようとする流体を妨げる。それらの結果、第１の突部５２及び６４並びに第２の突部５４及び６６を丘４８及び６０にそれぞれ有する流体動圧軸受は、そのような突部を丘に有していない流体動圧軸受に比べ、大きな動圧を発生可能である。
【００３７】
回転子１８の回転開始時及び停止開始時、第１の突部５２及び６４並びに第２の突部５４及び６６は、それぞれ、これらと対向する軸受面に接触して、摩擦トルクが突部５２，５４，６４，６６及びこれらと対向する軸受面に作用する。
【００３８】
しかし、突部５２，５４，６４，６６の幅寸法が丘４８，６０のそれより小さいから、突部５２，５４，６４，６６及びこれと対向する軸受面に作用する摩擦トルクは、そのような突部を丘に有していない流体動圧軸受に比べ、著しく小さい。その結果、丘４８，６０及び突部５２，５４，６４，６６と、これらと対向する軸受面との間のクリアランスを小さくすることにより、突部５２，５４，６４，６６及びこれらと対向する軸受面に作用する摩擦トルクが大きくならないにもかかわらず、より大きな動圧を発生可能の構造とすることができる。
【００３９】
それゆえに、上記のような流体動圧軸受によれば、軸受面の摩擦トルクを低下させることができると共に、発生可能の動圧を大きくすることができる。例えば、対向する軸受面に接触する箇所の面積を３分の１から１０分の１程度に低減させると、回転開始時停止開始時の摩擦トルクは３分の１から１０分の１以下に低減し、回転開始時及び停止開始時の消費電力は低減するが、発生する動圧を３から１０％大きくすることができる。
【００４０】
スラスト動圧発生溝及びラジアル動圧発生溝は、いずれも、へリングボーン溝以外の形状を有する溝、例えばスパイラル溝であってもよい。本発明をスラスト動圧発生溝としてのスパイラル溝に適用した実施例を図６に示す。
【００４１】
図６を参照するに、スラスト軸受面の外周部には、複数のラジアル動圧発生溝７２と複数の丘７４とが中央の環状領域７８の周りに周方向に交互に形成されている。動圧発生溝７２は、スラスト軸受面の外側領域に連通されている。各丘７４は、複数の第１の突部８０と、第２の突部８２と、残部領域８４とにより、２段の構造とされている。
【００４２】
環状領域７８と残部領域８４とは、面一に形成されている。動圧発生溝７２は、動圧が最大となる側において隣り合う丘７４の第１の突部８２を続く第３の突部８６により環状領域７８に対して閉鎖されている。
【００４３】
第１及び第２の突部８０及び８２並びに残部領域８４は、それぞれ、第１及び第２の突部５２及び５４並びに残部領域５６と同様の、形状、構造、寸法及び機能を有する。第２の突部８２は、それぞれ、動圧が最小となる外周側に形成されている。各残部領域８４は、動圧が最大となる側（図示の例では、環状領域７８）に開放されている。第３の突部８６は、第１及び第２の突部８０，８２と同様の、形状、構造及び寸法を有する。
【００４４】
動圧が軸受面の外周側において最大になるスパイラル溝の場合、動圧発生溝が形成されない環状領域は、動圧発生溝及び丘が形成された領域の周りに形成される。この場合、動圧発生溝はスラスト軸受面の内側領域に連通されているが、各丘の第２の突部は内周側に設けられ、隣り合う丘の第１の突部に続く第３の突部は外周側に設けられ、各動圧発生溝は第３の突部により外周側において外周側の環状領域に対し閉じられる。
【００４５】
動圧発生溝として、スパイラル溝を用いた場合も、へリングボーン溝を用いた場合と同様の効果を奏するほか、各動圧発生溝７２が動圧が最大になる側において第３の突起８６により閉鎖されているから、各動圧発生溝７２内における動圧がより高くなる。
【００４６】
ステンレス製のスラスト円板の上に、図３に示すように、溝のピッチＷ0が１８０μｍ、溝の幅寸法Ｗ1及び丘の幅寸法Ｗ2が９０μｍ、溝幅比Ｗ1／Ｗ0が０．５、溝の深さ寸法Ｈ1が５μｍ、溝の角度が１８度のへリングボーン溝をエッチング加工により形成した。そのようにして得た各丘に、深さ寸法Ｈ2が１ｍｍ、寸法Ｗ4が２０μｍの溝をエッチング加工により形成して、図２から図４に示す第１及び第２の突部を形成する修正を行った。
【００４７】
そのように作成したスラスト動圧発生溝は、丘を修正しない従来の動圧発生溝に比べ、溝ピッチＷ0、溝幅比Ｗ1／Ｗ0、溝深さ寸法Ｈ1、及び対向する軸受面までの高さ寸法Ｈ3が同じであるにもかかわらず、負荷容量が１２％向上した。
【００４８】
丘の修正深さ寸法Ｈ2は０．３μｍ以上であることが好ましく、溝の深さ寸法Ｈ1が３〜１０μｍである場合、Ｈ2は２μｍ以下とすることが好ましい。
【００４９】
図７に丘４８を代表して示すように、各丘の頂面に一対の第１の突部を設ける代わりに、（Ａ）に示すように各丘にその幅方向に間隔をおいた３以上の第１の突部５２を設けてもよいし、（Ｂ）に示すように各丘に１つの第１の突部５２を設けてもよく、さらには（Ｃ）に示すように崩れた形状の丘であってもよいし、（Ｄ）に示すように丘の残部領域に１以上の突起８８が存在していてもよい。
【００５０】
図７に示すいずれの実施例の場合も、第１の突部は丘の幅方向における適宜な箇所に設けることができる。また、各丘の頂面を３段以上の複数段構造にしてもよい。（Ｂ）に示す実施例の場合、第１の突部は流体の移動方向下流側（回転子の回転方向後方側）に配置することが好ましい。
【００５１】
へリングボーン溝、スパイラル溝等、いずれの動発発生溝においても、動圧発生溝と環状領域とを面一にしてもよく、また丘の残部領域を、動圧発生溝からの高さ寸法が動圧の高い側の部位ほど大きく又は小さくなる傾斜面としてもよく、さらに第２の突部を設けなくてもよい。
【００５２】
へリングボーン溝において、隣り合う丘の第１の突部を動圧が最大となる環状領域の側において第３の突部により接続することにより、各動圧発生溝を動圧が最大になる側の端部において環状領域から離してもよい。また、隣り合う丘の第１の突部を動圧が最大となる環状領域の側において第３の突部により接続しなくてもよい。
【００５３】
本発明は、上記実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない限り、種々変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電動機の一実施例を示す断面図
【図２】本発明に係る動圧軸受で用いるスラスト動圧発生溝の一実施例を示す図
【図３】図２における３−３線に沿って得た断面図
【図４】図３における４−４線に沿って得た断面図
【図５】本発明に係る動圧軸受で用いるラジアル動圧発生溝の一実施例を示す展開図
【図６】本発明に係る動圧軸受で用いるスラスト動圧発生溝の他の実施例を示す図
【図７】丘の各種の形状の実施例を示す断面図
【符号の説明】
１０ 電動機（スピンドルモータ）
１２ 永久磁石
１４ 電機子
１６ 固定子
１８ 回転子
２０ 回転軸線
２６ ボス部
３０ シャフト
３４ リング
３６ 補助部材
３８ 凹所
４０，４２ スラスト動圧軸受領域
４４ ラジアル動圧軸受領域
４６，５８，７２ 動圧発生溝
４８，６０，７４ 丘
５０，６２，７８ 環状領域
５２，６４，８０ 第１の突部
５４，６６，８２ 第２の突部
５６，６８，８４ 残部領域
８６ 第３の突部

Claims (4)

1. 複数の動圧発生溝と、隣り合う動圧発生溝の間の丘と、前記動圧発生溝に連通されかつ動圧が最大となる環状領域とを、互いに対向する一対の軸受面の少なくとも一方に有する流体動圧軸受であって、各丘は、前記動圧発生溝の長手方向へ伸びる複数の第１の突部であって、前記丘の幅方向に間隔をおいた第１の突部と、前記環状領域と反対の側の端部を前記丘の幅方向へ伸びて前記複数の第１の突部に続く第２の突部と、前記第１及び第２の突部が形成されていない残部領域とを有し、前記第１及び第２の突部により囲まれた空間は前記環状領域に開放されている、流体動圧軸受。
2. 前記残部領域はその一端において前記環状領域に続いており、また前記動圧発生溝の底からの前記残部領域の高さ寸法は前記動圧発生溝からの前記環状領域の高さ寸法とほぼ同じである、請求項１に記載の流体動圧軸受。
3. 前記動圧発生溝はヘリングボーン溝又はスパイラル溝である、請求項２に記載の流体動圧軸受。
4. 回転子及び固定子の一方に配置された永久磁石と、前記回転子及び前記固定子の他方に配置された電機子と、前記回転子及び前記固定子の間に配置された流体動圧軸受であって、請求項１から３のいずれか１項に記載の流体動圧軸受とを含む、電動機。

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