JP4392112B2

JP4392112B2 - 動圧軸受装置及びこれを備えたスピンドルモータ

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Publication number: JP4392112B2
Application number: JP2000176244A
Authority: JP
Inventors: 義和市山
Original assignee: Nidec Corp
Current assignee: Nidec America Corp
Priority date: 2000-06-13
Filing date: 2000-06-13
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2020-06-13
Also published as: JP2001355631A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動圧軸受装置及びこの動圧軸受装置を備えたスピンドルモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ハードディスクドライブ等において使用されるスピンドルモータでは、振動や騒音の低減並びにＮＲＲＯ（non-repeatable run-out：非繰り返し性振れ）を抑制することを目的として、従来のボールベアリングに代えて相対回転するシャフトとスリーブとを非接触で支持する動圧軸受装置が使用されるようになってきている。
【０００３】
このような動圧軸受装置を備えたスピンドルモータは、例えば特開平９−２１７７３５号公報に開示される。この従来の動圧軸受装置を備えたスピンドルモータにおいては、ロータを回転自在に軸支持するために、シャフトの軸線方向上下部に一対のスラストプレートを配置し、各スラストプレートの軸線方向内方面とそれぞれ軸線方向に微小間隙を介して対向するロータのスラスト面との間に潤滑油を保持し、動圧発生用溝として、スラストプレートの軸線方向内方面にロータの回転時に潤滑油に半径方向内方への移送圧力を発生するスパイラル溝を形成してスラスト軸受部を構成し、また、シャフトとこのシャフトと半径方向に微小間隙を介して対向するロータのラジアル面との間に潤滑油を保持し、動圧発生用溝として、シャフトの表面にロータの回転時に潤滑油にスラスト軸受部方向への移送圧力を発生する軸線方向にアンバランスな形状のヘリングボーン溝を形成してラジアル軸受部を構成している。
【０００４】
この従来の動圧軸受装置を備えたスピンドルモータにおいて、ロータの回転時に各スラスト軸受部のスパイラル溝の外端が潤滑油の半径方向内方への移動により露出するよう構成される、或いはスラストプレートの一方の面とこれに軸線方向に対向するロータとの間に半径方向外方に向かって間隔が漸増するテーパ状シール部を備えた微少間隙を形成し、このテーパ状シール部中に潤滑油と外気との界面が位置して保持されるようスラスト軸受部を構成している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記動圧軸受装置は、スラスト軸受部に動圧発生用溝としてスパイラル溝を用いることでスラスト軸受部に保持された潤滑油はスラスト軸受部の半径方向内方に圧送されると共に、スラスト軸受部の半径方向外端部にテーパ状シール部を配置することで、潤滑油の軸受外部への漏出が防止されることを目的として構成されているが、このような構成においては、テーパ状シール部によって潤滑油をスラスト軸受部内に留めようとする作用が働くが、スピンドルモータの回転時においては、ロータの回転にともない、潤滑油には外周方向への遠心力が常に働くので潤滑油を完全にシールすることは困難となる。
【０００６】
即ち、潤滑油と外気との界面から徐々に潤滑油は微少量毎に半径方向外方へ移動し、その結果、ラジアル軸受部、スラスト軸受部での潤滑油に対する移送圧力を均衡させるために、ラジアル軸受部側からスラスト軸受部側に潤滑油が供給される。このような過程を経てラジアル軸受部では最終的に潤滑油はスラスト軸受部側に潤滑油の移送圧力を生じない程度にヘリングボーン溝のアンバランス部分に潤滑油が存在しなくなり、一方スラスト軸受部でも殆どの潤滑油が外周側に移動してスラスト軸受部では荷重を支持する動圧力の発生が不可能となる。
【０００７】
更に、上記構成のように、回転部材であるロータ側に動圧発生用溝が形成されていない場合には、このロータ面におけるマイグレーション現象を防止する手段が無く、潤滑油のスラストプレート外周部方向への拡散が継続され、その結果、軸受部に保持されるべき潤滑油は枯渇し、軸受としての機能が失われる。
【０００８】
また、上述のような動圧軸受装置を備えたスピンドルモータにおいては、例えばスピンドルモータのステータの発熱によってモータ内部の空間が高温となると、潤滑油の粘度低下や動圧軸受部を構成する各部材の熱膨張係数の差異等による微小間隙の間隙寸法の変化によってロータの回転時に動圧発生用溝によって潤滑油に発生する動圧が低下し、十分な軸受剛性を得ることができず、ロータの回転が不安定になるという問題がある。
【０００９】
潤滑油の粘度低下を防止しようとして粘度指数の高い潤滑油を使用すると、ロータの回転時に動圧発生用溝の潤滑油に対する粘性抵抗が増加し、これが回転負荷として加わることとなるため、スピンドルモータの消費電力が増大する。
【００１０】
また、米国特許第5,664,889号に開示されるように、温度上昇時にラジアル軸受部において規定される間隙を縮小することで動圧の低下が防止されるよう、シャフトをスリーブよりも熱膨張係数の大きな部材から形成した動圧軸受装置も提案されている。しかしながら、ラジアル軸受部は、ロータの回転中の姿勢を保持するためにスラスト軸受部に規定される間隙の寸法よりも小に設定されているため、部材の熱膨張によって間隙寸法を正確に制御するのは困難であり、シャフトとスリーブとの接触による軸受面の損傷や焼付きを来すおそれがある。
【００１１】
本発明は、高温環境下においても十分な軸受剛性を確保することができる動圧流体軸受装置及びこの動圧流体軸受装置を備えたスピンドルモータを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的のために、本発明は、シャフトと、該シャフトの軸線方向に離れた二ヶ所において外周面から半径方向外方に突設される一対の円板状スラストプレートと、前記シャフトと半径方向に微小間隙を介して対向するラジアル面と該ラジアル面の軸線方向両端から半径方向外方に延設され前記一対のスラストプレートの軸線方向内方面とそれぞれ軸線方向に微小間隙を介して対向する一対のスラスト面と該スラスト面の半径方向外端から軸線方向外方に延設され該一対のスラストプレートの外周面とそれぞれ半径方向に間隙を介して対向するスラスト内周面とを有する貫通孔が形成されたスリーブと、該スリーブの貫通孔の両端開口を実質的に閉塞し且つ該一対のスラストプレートの軸線方向外方面と軸線方向に間隙を介して対向する円環状の一対のカウンタプレートと、該シャフトとラジアル面との間に規定される微小間隙及び該一対のスラストプレートと該スラスト面との間に規定される微小間隙に保持されるとともに回転時には少なくとも該一対のスラストプレートの外周面と該スラスト内周面との間に規定される間隙を充たし且つ該一対のスラストプレートの軸線方向外方面と該一対のカウンタプレートとの間に規定される間隙中において外気との界面が形成され、静止時には少なくとも前記一対のスラストプレートの外周面と半径方向に対向する前記スラスト内周面との間に規定される間隙中において外気との界面が形成される潤滑油と、を備えてなる動圧軸受装置であって、前記一対のスラストプレート間における前記シャフトと前記ラジアル面との間に規定される微小間隙の軸線方向略中央部には、軸受外部に連通し外気が保持される気体介在部が形成されるとともに、該気体介在部の軸線方向両端部には前記潤滑油と外気との界面が形成され、前記シャフトと前記ラジアル面の少なくともいずれか一方には前記気体介在部の軸線方向上下部に前記潤滑油に対して作用する動圧発生用溝が形成されて一対のラジアル軸受部が構成され、前記一対のスラストプレートと前記スラスト面の少なくともいずれか一方には前記潤滑油に対して作用する動圧発生用溝が形成されて前記一対のラジアル軸受部の各々に隣接して一対のスラスト軸受部が構成され、隣接して構成される前記ラジアル軸受部と前記スラスト軸受部とは前記気体介在部側界面から前記一対のスラストプレート側界面に至るまで前記潤滑油が連続して保持されるとともに、前記潤滑油に対して各軸受部に形成された動圧発生用溝が相互に相手方軸受部方向への動圧を発生し、前記スリーブは前記シャフトよりも熱膨張係数の大きな部材から形成され、高温環境下において該スリーブが膨張することによって前記ラジアル軸受部における前記微小間隙の径方向寸法が拡大するとともに前記スラスト軸受部における前記微小間隙の軸線方向寸法が縮小し、前記スラスト軸受部で発生する潤滑油の前記ラジアル軸受部側への移動圧力が大きくなり、前記ラジアル軸受部及び前記スラスト軸受部において発生する動圧が平衡することを特徴とする。
【００１３】
この構成において、スラスト軸受部と隣接するラジアル軸受部とに相互に相手方軸受部方向に潤滑油が移動するよう作用する動圧発生用溝が形成され、両軸受部の協働により必要な動圧を発生せしめて負荷を支持する。
【００１４】
潤滑油中に気泡が混入していると、潤滑油よりも熱膨張係数の大きい気泡が、高温環境下では体積が増大することで、潤滑油が軸受外部へと押し出されてしまい潤滑油が不足して軸受の信頼性が著しく低下する。これに対し、各ラジアル軸受部と隣接するスラスト軸受部とは潤滑油が連続して保持され、片方の潤滑油と外気との界面（気体介在部側）から他方の潤滑油と外気との界面（スラストプレート外周部側）に至るまで動圧が極大となるのは１点のみで極小となる点は存在せず、従って、潤滑油中に気泡が含まれていても自動的に圧力が最小となる大気中に排除する構成とすることができる。
【００１５】
更に、回転時において、潤滑油と外気との界面が一対のカウンタプレートと一対のスラストプレートの軸線方向外方面との間に規定される間隙中に形成することで、回転時に潤滑油に作用する遠心力によって、マイグレーション現象で拡散した潤滑油が半径方向外方に向かって押圧され、カウンタプレートとスラストプレートとの間に規定される間隙に保持される潤滑油に環流され、外部への漏出が防止される。即ち、回転時の遠心力がシール機能を強化するよう作用することとなる。
【００１６】
この場合、カウンタプレートとスラストプレートとの間の間隙が半径方向内方に向かって拡大するよう構成すると、潤滑油の表面張力による保持力によってシール効果が向上する。
【００１７】
またこの構成において、ラジアル軸受部とスラスト軸受部とが隣接して構成され、両軸受部に連続して潤滑油が保持されるとともに、各軸受部に形成される動圧発生用溝が相互に相手方軸受部方向に作用する動圧を発生することから、ラジアル軸受部に規定される間隙が高温環境下で拡大し発生する動圧が低下し軸受剛性が低下した場合にも、スラスト軸受部に規定される間隙が縮小することでスラスト軸受部で発生する潤滑油のラジアル軸受部側への移動圧力が大きくなり、これと平衡するためにラジアル軸受部、特にアンバランス部分をカバーする潤滑油が増え、結果としてラジアル軸受部の剛性低下が補償される。
【００１８】
本発明は、スラスト軸受部の間隙の寸法を拡大することで高温時の軸受剛性の低下を補償するものであるため、上記課題に記載するような軸受面の損傷や焼付きといった問題が発生することはない。また、粘度指数の高い潤滑油を使用する必要もないため、潤滑油の粘性過多に起因する消費電力の増大といった問題も生じることはない。
【００１９】
また、上記動圧軸受装置において、前記一対のラジアル軸受部には、動圧発生用溝として前記気体介在部との反対側の前記スラストプレート方向に作用する軸線方向にアンバランスなヘリングボーン溝が形成され、前記一対のスラスト軸受部には、動圧発生用溝として前記シャフト方向に作用するポンプイン型のスパイラル溝が形成されていることを特徴とする。
【００２０】
スラスト軸受部に形成されるポンプイン型のスパイラル溝は、潤滑油を半径方向内方へと圧送するのみであり、スラストプレートの中心部にシャフトが存在する場合、スラスト軸受部のみでは必要な軸受剛性を得ることはできないが、スラスト軸受部に隣接するラジアル軸受部に形成されるヘリングボーン溝が気体介在部との反対側のスラストプレート方向に作用する軸線方向にアンバランスな形状を有することで、スラスト軸受部とラジアル軸受部の協働により両軸受部の境界部付近に圧力ピークが現れ、これにより必要な軸支持力が得られる。
【００２１】
スパイラル溝はヘリングボーン溝に比べて潤滑油の粘性抵抗が小さいため軸受部で発生する損失（回転負荷の増大）が低減される。更に、スラストプレートとスラスト面との間に周方向に構成されるスラスト軸受部の径も小径化されるのでスラスト面に対する相対的な周速が小さくなるが、これも軸受部で発生する損失の低減には効果的であり軸受部での損失が一層低減され、高効率の動圧軸受装置が実現される。
【００２２】
ラジアル軸受部とスラスト軸受部とが協働して必要な軸支持力を得るよう動圧発生用溝を構成することで、高温環境下において、ラジアル軸受部で間隙寸法が常温時よりも拡大し、発生する動圧が低下しても、スラスト軸受部では間隙寸法が常温時よりも縮小し、発生する動圧が増大することから、ラジアル軸受部方向への潤滑油の移動量が増加するため、ラジアル軸受部での動圧の低下が補償されることとなる。
【００２３】
加えて、上記動圧軸受装置において、前記スリーブは、前記シャフトよりも熱膨張係数の大きな部材から形成されることを特徴とする。
【００２４】
シャフトよりもスリーブの熱膨張係数を大きくすることで、スリーブの半径方向外方への伸張に対してシャフトの半径方向外方への伸張が追随することなく、ラジアル軸受部に規定される間隙は一定寸法以上に保たれることとなる。また、一対のスラストプレートを設けたシャフトの熱膨張係数よりもスリーブの熱膨張係数の方が大きくなっているため、スリーブの軸線方向への伸張に対してシャフトの軸線方向への伸張が追随することなく、スラスト軸受部に規定される間隙は縮小することとなり、スラスト軸受部で発生する動圧が大きくなる。
【００２５】
更に、上記動圧軸受装置において、前記スラストプレートは、前記シャフトよりも熱膨張係数の大きな部材から形成されるとともに、前記スラストプレートと前記シャフトとの間に、前記スラスト軸受部側に開口する隙間が周方向に形成されていることを特徴とする。
【００２６】
スラストプレートをシャフトよりも熱膨張係数の大きな部材から構成するとともに、スラストプレートとシャフトとの間にスラスト軸受部側に開口する隙間を周方向に設けることで、高温環境下でスラストプレートがスラスト軸受部方向へと膨張し、スラスト軸受部に規定される間隙が縮小される。これにより、ラジアル軸受部での軸受剛性の低下をスラスト軸受部において補償可能となる。
【００２７】
本発明のスピンドルモータは、上記動圧軸受装置を備える。このスピンドルモータは、ハードディスク等の磁気ディスク、光磁気ディスク、CD-ROM、DVD-ROM等の光ディスクを始めとする記録メディア、特にディスク状の記録メディアを駆動するためのスピンドルモータとして用いることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
各図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。尚、以下の説明においては、ハードディスクドライブにおいて使用されるスピンドルモータを例にとり本発明について説明するが、本発明は図示のスピンドルモータに限定されるものではない。
【００２９】
図１において、このスピンドルモータ２０は、ブラケット２２と、このブラケット２２の中央開口２２ａ内に一方の端部が外嵌固定されるシャフト２４と、このシャフト２４に対して相対的に回転自在なロータ２６とを備える。ロータ２６は、外周部にハードディスク等の記録メディア（図示せず）が載置されるロータハブ２６ａと、ロータハブ２６ａの内周側に位置し、潤滑油が保持される微少間隙を介してシャフト２４に軸支持されるスリーブ部２６ｂとを備えている。ロータハブ２６ａの内周部には接着等の手段によってロータマグネット２８が固着されており、このロータマグネット２８と半径方向に対向してブラケット２２にステータ３０が装着されている。
【００３０】
スリーブ部２６ｂの略中央部には内周面がシャフト２４の外周面との間に潤滑油が保持される微少間隙（ラジアル微小間隙）を形成するようスリーブ部２６ｂを軸線方向に貫通する貫通孔２６ｃが形成されており、この貫通孔２６ｃの内周面がシャフト２４の外周面に対するラジアル面として作用する。シャフト２４の上部及び下部にはシャフト２４の外周面から半径方向外方に突出する円板状の上部スラストプレート２４ａ及び下部スラストプレート２４ｂがそれぞれ取付けられており、貫通孔２６ｃの上部スラストプレート２４ａ及び下部スラストプレート２４ｂに対応する部位には、上部及び下部スラストプレート２４ａ、２４ｂの外径よりも大径な上部開口及び下部開口が形成されている。この上部及び下部開口は、上部スラストプレート２４ａの上面（軸線方向外方面）並びに下部スラストプレート２４ｂの下面（軸線方向外方面）の各々と軸線方向に間隙を介して対向し且つ中央部にシャフト２４が遊嵌状に挿通される開口を有する円環状の上部カウンタプレート２６ｆ及び下部カウンタプレート２６ｈによって実質的に閉塞されている。
【００３１】
貫通孔２６ｃ内周部から上部開口の内周面２６ｄ（スラスト内周面）に至る上部スラスト面２６ｉと、上部スラストプレート２４ａの下面（軸線方向内方面）との間には、潤滑油が保持される微少間隙が形成されており、上部スラストプレート２４ａの下面には、ロータ２６の回転にともない潤滑油中に動圧を発生するためのスパイラル溝３２が形成され上部スラスト軸受部３４が構成されている。また、貫通孔２６ｃ内周部から下部開口の内周面２６ｅ（スラスト内周面）に至る下部スラスト面２６ｊと、下部スラストプレート２４ｂの上面（軸線方向内方面）との間には、潤滑油が保持される微少間隙が形成されており、下部スラストプレート２４ｂの上面には、ロータ２６の回転にともない潤滑油中に動圧を発生するためのスパイラル溝３２が形成され下部スラスト軸受部３６が構成される。尚、上部スラスト軸受部３４に形成されるスパイラル溝３２と下部スラスト軸受部３６に形成されるスパイラル溝３２とは実質上同一の形状を有しており、以下に詳述する。
【００３２】
図２に示すように、これら上部及び下部スラスト軸受部３４、３６に形成されるスパイラル溝３２は、発生する動圧が潤滑油を半径方向内方に向かって圧送する、いわゆるポンプイン型の動圧発生用溝として機能するよう、外周側の端部が回転方向に対して前方に位置する形状を有している。尚、スパイラル溝３２は、上部及び下部スラストプレート２４ａ、２４ｂの軸線方向内側面にかえて、上部及び下部スラスト面２６ｉ、２６ｊに、あるいは上部及び下部スラストプレート２４ａ、２４ｂと上部及び下部スラスト面２６ｉ、２６ｊのそれぞれに形成することも可能である。
【００３３】
このように上部及び下部スラスト軸受部３４、３６の動圧発生手段をスパイラル溝３２とすることで、ヘリングボーン形状の動圧発生用溝を用いる場合に比べて、スラストプレート２４ａ、２４ｂの外径を小径化することができるため、ロータ２６に対する周速を小さくしスラストプレート２４ａ、２４ｂ自体の回転時の抵抗を小さくすることができスピンドルモータ２０の効率を高めることができるとともに、下部スラスト軸受部３６がロータマグネット２８及びステータ３０からなる磁気回路部に与える影響を少なくすることができ、十分な駆動トルクを得ることができる。また、潤滑油の粘性抵抗による上部及び下部スラスト軸受部３４、３６の軸受損を小さくし、スピンドルモータ２０の電気的効率を高め、消費電力を抑制することができる。
【００３４】
上部スラストプレート２４ａの外周面は軸線方向外側に向かって、これと半径方向に対向するスリーブ部２６ｂの上部開口の内周面２６ｄとの間の間隙が拡大するよう、テーパ状に形成されており、上部スラスト軸受部３４に保持される潤滑油は、この上部スラストプレート２４ａの外周面とスリーブ部２６ｂの上部開口の内周面２６ｄとの間の間隙中において、外気との界面がメニスカス状に形成されている。
【００３５】
同様に、下部スラストプレート２４ｂの外周面は軸線方向外側に向かって、これと半径方向に対向するスリーブ部２６ｂの下部開口の内周面２６ｅとの間の間隙が拡大するようテーパ状に形成されており、下部スラスト軸受部３６に保持される潤滑油は、この下部スラストプレート２４ｂの外周面とスリーブ部２６ｂの下部開口の内周面２６ｅとの間の間隙中において、外気との界面がメニスカス状に形成されている。
【００３６】
このように、上部及び下部スラスト軸受部３４、３６に保持される潤滑油を、静止時には上部及び下部スラストプレート２４ａ、２４ｂの外周面とこれと半径方向に対向するスリーブ部２６ｂの内周面２６ｄ、２６ｅとの間に形成される間隙中において外気との界面が形成されるよう保持すると、回転時に遠心力によって潤滑油が半径方向外方に移動した場合でも内周面２６ｄ、２６ｅによってさらなる移動が阻止される。また、マイグレーション現象によって上部及び下部スラストプレート２４ａ、２４ｂ及びスリーブ部２６ｂの表面に拡散した潤滑油は、遠心力の作用で半径方向外方に移動し、上部及び下部スラスト軸受部３４、３６に保持される潤滑油に環流され、外部に漏出することが防止される。
【００３７】
更に、上部カウンタプレート２６ｆの下面及び下部カウンタプレート２６ｈの上面（軸線方向内方面）は、半径方向内方に向かうにつれて上部スラストプレート２４ａの上面及び下部スラストプレート２４ｂの下面との間の軸線方向間隙が拡大するテーパ状に形成されている。この上部及び下部カウンタプレート２６ｆ、２６ｈの軸線方向内方面と上部及び下部スラストプレート２４ａ、２４ｂの軸線方向外方面との間に規定される間隙は、上部及び下部カウンタプレート２６ｆ、２６ｈの開口を規定する内周面とシャフト２４の外周面との間の間隙を通じて外気に連通開放されており、スピンドルモータ２０の回転時において、潤滑油は、上部及び下部カウンタプレート２６ｆ、２６ｈの軸線方向内方面と上部及び下部スラストプレート２４ａ、２４ｂの軸線方向外方面との間に規定される間隙において外気との界面を形成して保持されている。
【００３８】
このように、スピンドルモータ２０の回転時において、潤滑油と外気との界面が半径方向内方を向くテーパ状に形成された上部及び下部カウンタプレート２６ｆ、２６ｈの軸線方向内方面と上部及び下部スラストプレート２４ａ、２４ｂの軸線方向外方面との間に規定される間隙中にあることから、スピンドルモータ２０の回転時に潤滑油に作用する遠心力によって、マイグレーション現象で拡散した潤滑油が半径方向外方に向かって押圧され、上部及び下部カウンタプレート２６ｆ、２６ｈの軸線方向内方面と上部及び下部スラストプレート２４ａ、２４ｂの軸線方向外方面との間に規定される間隙に保持される潤滑油に環流され、スピンドルモータ２０の外部への漏出が防止される。
【００３９】
尚、上部及び下部カウンタプレート２４ａ、２４ｂの開口を規定する内周面とシャフト２４の外周面との間の半径方向の間隙を可能な限り小さく設定することによって、スピンドルモータ２０の回転時に、この半径方向の間隙における外気の流速と上部及び下部カウンタプレート２６ｆ、２６ｈの軸線方向内方面と上部及び下部スラストプレート２４ａ、２４ｂの軸線方向外方面との間に規定される間隙における外気の流速との差が大きくなり、潤滑油が気化することによって生じた蒸気の外部への流出抵抗を大きくして潤滑油の境界面近傍に於ける蒸気圧を高く保てるので、更なる潤滑油の蒸散を防止することができる。この場合、これら各面に例えばフッ素系材料からなる撥油剤を塗布しておくと、上記効果を更に高めることができる。
【００４０】
シャフト２４の外周面の略中央部には、貫通孔２６ｃの内周面との間の間隙の半径方向間隙が拡大するよう、環状の凹部２４ｃが形成されており、この凹部２４ｃにはシャフト２４中に形成された外気と連通する連通孔３８が開口し、この開口部より微少間隙中に取り込まれた外気は凹部２４ｃと貫通孔２６ｃの内周面との間に環状の気体介在部４０を形成する。この凹部２４ｃは、軸線方向外側に向かって両端部がテーパ状に形成されており、シャフト２４の外周面と貫通孔２６ｃの内周面との間の微少間隙中に保持された潤滑油は、凹部２４ｃの軸線方向上下部においてそれぞれ気体介在部４０に保持される外気との界面をメニスカス状に形成して軸線方向上下に分割される。貫通孔２６ｃの内周面のこれら上下に分割されて保持される潤滑油に対応する部位には、ロータ２６の回転にともない潤滑油中に動圧を発生するためのヘリングボーン溝４２が形成され上部ラジアル軸受部４４及び下部ラジアル軸受部４６が構成されている。尚、上部及び下部スラスト軸受部３４、３６とこれらの各々に隣接する上部及び下部ラジアル軸受部４４、４６とはそれぞれ一方の軸受端部から相手方軸受端部に至るまで潤滑油が連続して保持される。尚、ヘリングボーン溝４２については以下に詳述する。
【００４１】
図３に示すとおり、これら上部及び下部ラジアル軸受部４４、４６に形成されるヘリングボーン溝４２は、互いに逆方向のスパイラル形状の動圧発生用溝を連結したものであり、それぞれ発生する動圧が、潤滑油を気体介在部４０とは反対方向である軸線方向外側に向かって、即ち隣接する上部及び下部スラスト軸受部３４、３６に向かって圧送し、発生する動圧の圧力ピークが軸線方向に偏倚するよう、軸線方向外方側（スラストプレート２４ａ、２４ｂ側）に位置するスパイラル状溝が軸線方向内方側（気体介在部４０側）に位置するスパイラル状溝に比べて短くなっている。
【００４２】
上部及び下部ラジアル軸受部４４、４６のヘリングボーン溝４２を、発生する動圧がそれぞれ潤滑油を軸線方向外側に向かって圧送し、動圧の圧力ピークが軸線方向に偏倚して発生する形状とすることで、例えば潤滑油の充填時等にラジアル軸受部４４、４６に保持される潤滑油中に生じた気泡が圧力の高い軸受部から圧力の低い気体介在部４０に保持される外気との境界面側へと移動し、気体介在部４０から連通孔３８を通じて軸受外部に排出される。
【００４３】
この構成において、上部及び下部スラスト軸受部３４、３６には形成される動圧発生手段はスパイラル溝３２であるのでそれのみでは必要な荷重支持圧を発生できないが、上部及び下部スラスト軸受部３４、３６のスパイラル溝３２を、潤滑油を半径方向内方に向かって（上部及び下部ラジアル軸受部４４、４６方向）圧送するポンプイン型の形状とし、またスラスト軸受部３４、３６に隣接するラジアル軸受部４４、４６のヘリングボーン溝４２を、潤滑油を軸線方向外側に向かって（スラスト軸受部３４、３６方向）へ圧送し、動圧の圧力ピークが軸線方向に偏倚して発生するよう軸線方向にアンバランスな形状とすることで、隣接するラジアル軸受部とスラスト軸受部との境界部近傍において圧力ピークが発生することとなる。従って、両軸受部の協働により荷重を支持するに十分な動圧を発生せしめることが可能となる。この場合、ロータ２６の回転時に上部及び下部ラジアル軸受部４４、４６近傍の潤滑油の気体介在部４０側境界面が上部及び下部ラジアル軸受部４４、４６内に移動してアンバランスなヘリングボーン溝４２の一部を外気中に露出せしめてそれぞれに隣接するスラスト軸受部３４、３６の動圧と平衡するよう溝諸元を設定する。
【００４４】
また、上部及び下部ラジアル軸受部４４、４６は、それぞれ隣接するスラスト軸受部３４、３６と潤滑油が連続して保持され、片方の潤滑油の界面から他方の潤滑油の界面に至るまで動圧が極大となるのは１点のみで極小となる点は存在せず、従って、潤滑油中に気泡が含まれていても自動的に圧力が最小となるメニスカス状に形成された各界面から外気中に排出する構成とすることができる。
【００４５】
このように、各軸受部に保持される潤滑油中に生じた気泡は、順次低圧である各端部界面側に移動し、各潤滑油の界面より外気中に排出されるため、気泡が潤滑油中に滞留することがなく、スピンドルモータ２０の温度上昇時あるいは外部気圧の変化等によって気泡が膨張して体積が増加することで、潤滑油が軸受外部に漏出することが防止される。
【００４６】
上記構成のスピンドルモータ２０における高温環境下での軸受剛性の補償について説明する。
【００４７】
シャフト２４並びに上部及び下部スラストプレート２４ａ、２４ｂをSUS420J2（熱膨張係数：約１１×１０^-6）から形成し、スリーブ部２６ｂをBC-6C（熱膨張係数：約１８×１０^-6）から形成する場合、シャフト２４よりもスリーブ部２６ｂの方が熱膨張係数の大きな部材から形成されているため、約２０゜C〜約１００゜C間の温度変化で、スリーブ部２６ｂの半径方向外方への伸張にシャフト２４の半径方向外方への伸張が追随することがなく、上部及び下部ラジアル軸受部４４、４６において規定される半径方向の間隙寸法は拡大するのみで縮小することはない。
【００４８】
これに対し上部及び下部スラスト軸受部３４、３６においては、上部及び下部スラストプレート２４ａ、２４ｂが取付けられたシャフト２４の熱膨張係数よりもスリーブ部２６ｂの熱膨張係数の方が大きくなっているため、スリーブ部２６ｂの軸線方向への伸張に対してシャフト２４の軸線方向への伸張が追随することなく、上部及び下部スラスト軸受部３４、３６に規定される軸線方向の間隙寸法は縮小することとなる。例えば、スリーブ部２６ｂの上部スラストプレート２４ａの軸受部を構成する軸線方向内側面から下部スラストプレート２４ｂの軸受部を構成する軸線方向内側面までの軸線方向寸法が約１５mmであるとき、上記温度変化の範囲において、上部及び下部スラスト軸受部３４、３６に規定される軸線方向の間隙寸法は、計算によると約４．２μｍの減少となりスリーブ部２６ｂが熱膨張する前の約半分となるが、これは十分に制御可能な範囲である。
【００４９】
上記のとおり、上部及び下部ラジアル軸受部４４、４６において規定される半径方向の間隙寸法が拡大し、上部及び下部ラジアル軸受部４４、４６で発生する動圧が低下してラジアル軸受部の負荷容量、剛性等が減少するが、上部及び下部スラスト軸受部３４、３６に形成されるスパイラル溝３２がそれぞれ隣接するラジアル軸受部４４、４６方向に作用する動圧を発生するとともに、上部及び下部スラスト軸受部３４、３６において規定される軸線方向間隙が縮小することで、発生する潤滑油の動圧が高まり且つスパイラル溝３２による潤滑油の圧送能力が大となることで、ラジアル軸受部４４、４６ではこれと平衡するためにラジアル軸受部、特にアンバランス部分を潤滑油がカバーする領域が増えるので低下した分の軸受剛性が補償され、安定した軸支持力が維持される。また、上部及び下部ラジアル軸受部４４、４６においては間隙寸法が拡大するのみで縮小することはないでので、ロータ２６の回転時の姿勢を安定して支持するためにラジアル軸受部４４、４６に規定される半径方向の間隙寸法を小に設定した場合も、部材の熱膨張に起因してラジアル軸受部４４、４６を規定するシャフト２４の外周面とスリーブ部２６ｂの貫通孔２６ｃの内周面とが接触し、軸受面に損傷や焼付き等が発生することはない。
【００５０】
尚、上記構成に代えて、図４に部分的に示すように、シャフト２４の外周面と、これと直交するスラストプレート２４ａ（及び２４ｂ）の軸線方向内側面との境界部付近に、スラスト軸受部３４（及び３６）方向に開口するよう、周状の切欠２４ｄを設けるととももに、スラストプレート２４ａ（及び２４ｂ）をシャフト２４並びにスリーブ部２６ｂよりも熱膨張係数の大きな部材から形成することで、高温時の熱膨張によるスラストプレート２４ａ（及び２４ｂ）の伸張方向をスラスト軸受部３４（及び３６）側に制御することができる。従って、図１〜図３に示す実施形態と同様に、高温時においてラジアル軸受部の間隙寸法を変えることなく、スラスト軸受部の間隙寸法のみ縮小するよう制御し、軸受剛性を補償することが可能となる。
【００５１】
この場合、シャフト２４及びスリーブ部２６ｂをSUS420J2等のステンレス鋼（熱膨張係数：約１１×１０^-6）から形成し、スラストプレート２４ａ（及び２４ｂ）をアルミニウム又はアルミニウム合金（熱膨張係数：約２３．６×１０^-6）から形成するのが好ましい。
【００５２】
以上、本発明に従う動圧軸受装置及びその動圧軸受装置を備えたスピンドルモータの一実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である。
【００５３】
即ち、上記においては、シャフト２４と上部及び下部スラストプレート２４ａ、２４ｂとが別々に形成された動圧流体軸受装置を例にとり説明したが、これらの部材が一体的に形成される場合も同様に本発明を実施することができる。
【００５４】
また、上記において、シャフト２４、上部及び下部スラストプレート２４ａ、２４ｂ並びにスリーブ部２６ｂを構成する部材については好ましい組み合わせを例示するのみであり、同様の特性を得ることのできる他の部材を用いることも可能である。
【００５５】
【発明の効果】
本発明の請求項１の動圧軸受装置では、潤滑油中に気泡が含まれていても自動的に圧力が最小となる大気中に排除することができ、また、マイグレーション現象によってスラストプレート及びスリーブ表面に拡散した潤滑油は、遠心力の作用で半径方向外方に移動し、スラスト軸受部に保持される潤滑油に環流され、外部に漏出することが防止される。
【００５６】
更に、ラジアル軸受部に規定される間隙が高温環境下で拡大し発生する動圧が低下し軸受剛性が低下した場合にも、スラスト軸受部に規定される間隙が縮小することでスラスト軸受部で発生する動圧が大きくなり、ラジアル軸受部方向へより多くの潤滑油が移動することとなるため、ラジアル軸受部の潤滑油の保持量が増加し、ラジアル軸受部での軸受構成の低下が補償される。即ち、高温環境下にあっても軸受剛性が十分に保たれ、安定した軸支持力が発揮される。
【００５７】
本発明の請求項２の動圧軸受装置では、スラスト軸受部で発生する潤滑油の粘性抵抗等に起因する損失を著しく低減することができ、高効率の動圧軸受装置を実現することが可能となる。
【００５８】
本発明の請求項３の動圧軸受装置では、高温環境下にあってもラジアル軸受部に規定される間隙が縮小することなく、スラスト軸受部に規定される間隙のみ縮小して十分な軸受剛性を維持することができるとともに、ラジアル軸受部を構成するシャフトとスリーブとの接触による軸受面の損傷や焼付きが防止される。
【００５９】
本発明の請求項４の動圧軸受装置では、高温環境下でラジアル軸受部に規定される間隙が縮小することなく、スラスト軸受部に規定される間隙のみ縮小して十分な軸受剛性を維持することができるとともに、ラジアル軸受部を構成するシャフトとスリーブの接触による軸受面の損傷や焼付きが防止される。
【００６０】
本発明の請求項５のスピンドルモータでは、高温環境下にあっても動圧軸受装置の軸受剛性が低下することなく、ロータの安定した回転が維持されるとともに、潤滑油の早期の枯渇による信頼性の低下が防止され、また、低消費電力化をはかることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の動圧軸受装置を備えたスピンドルモータの断面図である。
【図２】図１において示すスラストプレートの平面図である。
【図３】図１において示すスリーブの断面図である。
【図４】図１において示す本発明の動圧軸受装置を備えたスピンドルモータの変形例を示す部分断面図である。
【符号の説明】
２０スピンドルモータ
２４シャフト
２４ａ、２４ｂスラストプレート
２６ｂスリーブ部
２４ｃ貫通孔
２６ｄ、２６ｅ内周面（スラスト内周面）
２６ｆ、２６ｈカウンタプレート
２６ｉ、２６ｊスラスト面
３２スパイラル溝
３４、３６スラスト軸受部
４０気体介在部
４２ヘリングボーン溝
４４、４６ラジアル軸受部

Claims

シャフトと、該シャフトの軸線方向に離れた二ヶ所において外周面から半径方向外方に突設される一対の円板状スラストプレートと、前記シャフトと半径方向に微小間隙を介して対向するラジアル面と該ラジアル面の軸線方向両端から半径方向外方に延設され前記一対のスラストプレートの軸線方向内方面とそれぞれ軸線方向に微小間隙を介して対向する一対のスラスト面と該スラスト面の半径方向外端から軸線方向外方に延設され該一対のスラストプレートの外周面とそれぞれ半径方向に間隙を介して対向するスラスト内周面とを有する貫通孔が形成されたスリーブと、該スリーブの貫通孔の両端開口を実質的に閉塞し且つ該一対のスラストプレートの軸線方向外方面と軸線方向に間隙を介して対向する円環状の一対のカウンタプレートと、該シャフトとラジアル面との間に規定される微小間隙及び該一対のスラストプレートと該スラスト面との間に規定される微小間隙に保持されるとともに回転時には少なくとも該一対のスラストプレートの外周面と該スラスト内周面との間に規定される間隙を充たし且つ該一対のスラストプレートの軸線方向外方面と該一対のカウンタプレートとの間に規定される間隙中において外気との界面が形成され、静止時には少なくとも前記一対のスラストプレートの外周面と半径方向に対向する前記スラスト内周面との間に規定される間隙中において外気との界面が形成される潤滑油と、を備えてなる動圧軸受装置であって、前記一対のスラストプレート間における前記シャフトと前記ラジアル面との間に規定される微小間隙の軸線方向略中央部には、軸受外部に連通し外気が保持される気体介在部が形成されるとともに、該気体介在部の軸線方向両端部には前記潤滑油と外気との界面が形成され、前記シャフトと前記ラジアル面の少なくともいずれか一方には前記気体介在部の軸線方向上下部に前記潤滑油に対して作用する動圧発生用溝が形成されて一対のラジアル軸受部が構成され、前記一対のスラストプレートと前記スラスト面の少なくともいずれか一方には前記潤滑油に対して作用する動圧発生用溝が形成されて前記一対のラジアル軸受部の各々に隣接して一対のスラスト軸受部が構成され、隣接して構成される前記ラジアル軸受部と前記スラスト軸受部とは前記気体介在部側界面から前記一対のスラストプレート側界面に至るまで前記潤滑油が連続して保持されるとともに、前記潤滑油に対して各軸受部に形成された動圧発生用溝が相互に相手方軸受部方向への動圧を発生し、前記スリーブは前記シャフトよりも熱膨張係数の大きな部材から形成され、
高温環境下において該スリーブが膨張することによって前記ラジアル軸受部における前記微小間隙の径方向寸法が拡大するとともに前記スラスト軸受部における前記微小間隙の軸線方向寸法が縮小し、前記スラスト軸受部で発生する潤滑油の前記ラジアル軸受部側への移動圧力が大きくなり、前記ラジアル軸受部及び前記スラスト軸受部において発生する動圧が平衡することを特徴とする動圧軸受装置。
前記一対のラジアル軸受部には、動圧発生用溝として前記気体介在部との反対側の前記スラストプレート方向に作用する軸線方向にアンバランスなヘリングボーン溝が形成され、前記一対のスラスト軸受部には、動圧発生用溝として前記シャフト方向に作用するポンプイン型のスパイラル溝が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の動圧軸受装置。
前記スラストプレートは、前記シャフトよりも熱膨張係数の大きな部材から形成されるとともに、前記スラストプレートと前記シャフトとの間に、前記スラスト軸受部側に開口する隙間が周方向に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の動圧軸受装置。
前記請求項１乃至３のいずれかに記載の動圧軸受装置を備えたスピンドルモータ。