JP4408788B2 - ブラシレスモータとその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転速度を広範囲に変化させる必要のある円盤状記録媒体の駆動用などに使用するブラシレスモータに関する。

ブラシレスモータの内部軸受には、従来では、
・ 軸をボールベアリングで支持した玉軸受、
・ 軸を焼結メタルのスリーブを介して支持したすべり軸受、
・ 流体軸受として知られているオイル動圧型の軸受
などが使用されている。円盤状記録媒体を高速回転させる最近のドライブ装置では、オイル動圧型の軸受を持ったブラシレスモータが使用されている。

（特許文献１）には、スリーブに潤滑油を含有する多孔質材料（含油軸受）を用い、軸に動圧用溝部を形成したハードディスク駆動用スピンドルモータが記載されている。
また、（特許文献２）には、スリーブに含油軸受を用い、軸には前記スリーブの出力側にヘリングボーン溝を形成した動圧流体軸受を構成したモータが記載されている。

（特許文献３）には、軸受を焼結多孔質材からなる含油軸受から構成することによって、動圧軸受の利点と含油軸受の利点とを兼ね備えるようにした、いわゆるハイブリッド型軸受が記載されている。これは、軸受を構成する焼結多孔質材に動圧発生用の溝が形成されており、動圧を支持するために動圧発生用溝の底面及び側面に目つぶし加工が施されている。動圧発生用溝以外の部位には目つぶし加工は施されていない。

（特許文献４）には、（特許文献３）の有する問題を課題として、含油軸受機能及び動圧軸受機能の両機能を、長期にわたって良好に両立しようとする動圧軸受装置が記載されている。（特許文献３）の構成では、動圧発生用溝以外の部位には目つぶし加工が施されていないために、数〜十気圧程度にもなる動圧力によって軸受部内の潤滑油が焼結孔を通して外部に逃げてしまい、軸受部の動圧力が次第に低下していく傾向がある。また、温度上昇や減圧などで軸受部内に気泡が発生あるいは気泡が膨張した場合には、動圧力で圧縮された気泡が容易に焼結孔内に入り込んでいき、含油軸受から潤滑油の漏出を促進させる。そこで（特許文献４）では、軸受部における毛細管力が焼結含油軸受の焼結孔よりも大きく設定されている。

また、（特許文献５）などには、含油軸受（前記スリーブ）の内側に開口率が異なる密部と粗部を形成する技術が記載されている。
特開２００３−２３９９４９公報 特開２００１−１２４０５７公報 実開昭５９−１６４８２２号公報 特開平１０−１９６６４６号公報 特許第３４４１６９５号公報

動圧用溝部を形成した軸と、含油軸受とを組み合わせた内部軸受を使用した、いわゆる、ハイブリット軸受構造のモータは（特許文献１）乃至（特許文献４）に記載されており、高速定速運転に適しているが、高速定速運転して頻繁に起動停止を繰り返して回転速度が広範囲にわたり変化する用途には適しておらず、動圧流体軸受の設計が非常に困難である。

（特許文献３）または（特許文献４）のようにラジアル軸受部の潤滑液の動圧を高めるための動圧用溝部を多孔質材料製のスリーブ部の内周面に動圧用溝部を設ける場合には、動圧用溝部の加工面等からスリーブ部の寸法や形状等の設計に制約が発生するので好ましくない。特に（特許文献４）の構成を有するハイブリッド型軸受では、軸受部における毛細管力が焼結含油軸受の焼結孔よりも大きく設定する加工の必要がありさらに制約が多くなる。また、スリーブ部の内周面に設けた動圧用溝部自体が多孔質材料からなるため、耐久性の確保や、更に、スリーブ部の内周面に設けられているため、動圧用溝部の検査や試験の作業性にも配慮が必要である。

（特許文献１）または（特許文献２）のように軸部の外周面部に動圧用溝部を設けることにより多孔質材料製のスリーブに動圧用溝部を設ける上記（特許文献３）もしくは（特許文献４）の構成の課題は解決されるが、回転速度を広範囲に変化させる必要のあるブラシレスモータが直面する新たな課題が残されている。具体的には、図６（ａ）に示すように動圧流体軸受では、スリーブ１と軸２との間に隙間３を形成し、軸２にヘリングボーン溝４ａ，４ｂを形成し、前記隙間３に潤滑油５を充填し、軸２が高速回転することによってヘリングボーン溝４ａ，４ｂによって流動した潤滑油５がヘリングボーン溝４ａ，４ｂとスリーブ１の内周面との間に集まって流体軸受機構６ａ，６ｂを構成し、軸２はスリーブ１の内周面に接触せずに支持されて回転し、高速回転時の軸受性能は良好である。しかし、起動時、停止の際の低速回転時には、図６（ｂ）に示すようにスリーブ１に対して軸２の揺動が発生し、この揺動によって軸２がスリーブ１の端部７ａ，７ｂで接触して低速性能が悪化するだけでなく、スリーブが摩耗して焼き付きを生じる虞がある。

特に（特許文献２）の場合には、軸の出力側の端部にヘリングボーン溝を形成するので、このヘリングボーン溝の対向するスリーブ内周表面は潤滑油がスリーブの内部に押し戻されないように焼結孔をつぶす必要があるため、含油軸受としての機能は失われる。これにより、起動停止を繰り返すとヘリングボーン溝の対向する部分のスリーブの摩耗が生じ易く長時間の稼働に耐えられないという問題がある。

本発明は、頻繁に起動停止を繰り返して回転速度が広範囲にわたり変化する用途において、高速回転時に必要な軸受剛性の確保と、軸受ロスの増大の抑制をしながら長時間の稼働に耐えられる高信頼性のブラシレスモータとその製造方法を提供することを目的とする。

本発明のブラシレスモータは、ディスクを搭載し保持するターンテーブルと、このターンテーブルの中心に固定された軸と、この軸の中央に固定したフレームと、このフレームの内周に固定され円周方向に多極着磁を施された円筒状のロータマグネットと、円筒状の軸受ハウジングを保持する保持部とモータ取り付けの取り付けベース部とを備えるブラケットと前記軸受ハウジングの内部に固定され前記軸をラジアル方向に支承する焼結含油スリーブと、前記ロータマグネットと対向して配置され、絶縁体を介して導線が巻装されたステータとを備え、前記焼結含油スリーブの前記ターンテーブルが取り付けられた負荷装着端側の端面付近の前記軸と対向する内周表面に開口率が大きい第１の粗部を形成し、前記焼結含油スリーブの前記負荷装着端側とは反対側の端面付近の前記軸と対向する内周表面に開口率が大きい第２の粗部を形成し、前記焼結含油スリーブの前記第１，第２の粗部の間の内周表面を前記第１，第２の粗部よりも表面開口率が小である密部に形成し、前記軸には前記焼結含油スリーブの前記密部とのみ対向する位置に表面動圧発生溝を形成し、前記焼結含油スリーブの前記密部と前記軸に形成された前記動圧発生溝との隙間に潤滑油が充填されて前記軸の高速回転に伴って動圧軸受として動作する前記焼結含油スリーブの中央部よりも外側に、前記第１，第２の粗部が配置され、前記軸の前記焼結含油スリーブの前記第１，第２の粗部と対向する表面には動圧発生溝が形成されていないことを特徴とする。

この構成によると、低速回転時は含油軸受として動作し、高速回転時は動圧軸受として動作するので、高速回転時に必要な軸受剛性を確保しながら、軸受ロスの増大を抑制でき、起動停止を繰り返して回転速度が広範囲に変化する光ディスク駆動用モータとして好適である。

以下、本発明のブラシレスモータを、図１〜図５に示す実施の形態に基づいて説明する。
図２は本発明のブラシレスモータを示し、軸２の負荷装着端８ａには円盤状記録媒体９を保持するターンテーブル１０が取り付けられている。なお、ターンテーブル１０に取り付けられたマグネット１１に吸着されてターンテーブル１０とで円盤状記録媒体９を一体に挟持するクランパーは図示されていない。

動圧発生溝としてのヘリングボーン溝４ａ，４ｂを形成した軸２と、含油軸受とを組み合わせた内部軸受を使用したこのブラシレスモータは、図３と図４（ａ）〜（ｆ）の工程で組み立てられている。

先ず、図３（ａ）（ｂ）に示すように、円筒状の軸受ハウジング１２の内側に、焼結含油スリーブ１３を圧入する。
次に図４（ａ）（ｂ）に示すように、図３で組み立てた軸受ハウジング１２を、ブラケット１４の保持部１５に圧入する。１６はモータ取り付けの取り付けベース部である。

図４（ｃ）（ｄ）では、絶縁体を介して導線が巻装されたステータ１７を軸受ハウジング１２の外側に圧入する。
図４（ｅ）（ｆ）では、カップ状のロータフレーム１８が取り付けられた軸２を前記焼結含油スリーブ１３に挿入する。ロータフレーム１８の内周部には前記ステータ１７と対向する環状のマグネット１９が取り付けられている。このマグネット１９の内周面は所定ピッチで着磁されている。

このようにして前記軸２は、軸受ハウジング１２の内部に固定された焼結含油スリーブ１３によってラジアル方向に支承されている。
ここで、焼結含油スリーブ１３の内周の開口率の説明に先立ち、動圧軸受が回転速度が広範囲にわたり変化する用途には適していない理由を説明する。

本来、動圧軸受は回転速度と負荷に応じて設計する必要があり、回転速度が広範囲にわたり変化する光ディスク駆動用スピンドルモータの動圧流体軸受の設計は非常に困難である。

軸受剛性に関係する軸受負荷容量Ｐ、及び軸受部ロスに関係する軸受摩擦トルクＭと軸受部の構成要素寸法、回転速度との関係式を示す。軸受の負荷容量Ｐと軸受摩擦トルクＭは次の要素を含んだ次の式で表される。図５（ａ）（ｂ）は流体軸受の原理図である。

軸受負荷容量：Ｐ＝ｆｒ・υ・ω・Ｒ^２・Ｂ^２・ｅ／ΔＲ^３
軸受摩擦トルク：Ｍ＝２・π・υ・ω・Ｒ^３・Ｂ／Ｃｒ
Ｃｒ＝ΔＲ・（１−α）＋（ΔＲ＋ｈｏ）・α
溝幅比：α＝（ｂｇ／ｂｇ＋ｂｒ）
である。ここで、ｆｒ：溝形状等によって決まる関数、υ：潤滑油の粘度、ω：角速度、Ｒ：シャフト半径、Ｂ：軸受長さ、ｅ：偏心量、ΔＲ：シャフトと軸受スリーブとの半径隙間、ｈｏ：溝深さ、ｂｇ：溝幅、ｂｒ：リッジ幅である。

また、回転体の軸受負荷Ｐ１は、回転体のバランス質量をｍ、バランス半径をｒ、角速度をωとすると、Ｐ１＝ｍ・ｒ・ω^２で表される。
軸受負荷容量Ｐは、アンバランスによる軸受負荷Ｐ１の最大値以上必要であるから、
Ｐ＝ｆｒ・υ・ω・Ｒ^２・Ｂ^２・ｅ／ΔＲ^３ ≧ Ｐ１＝ ｍ・ｒ・ω^２
が成り立つ様に設計ディメンジョンを決定する必要がある。

又、上記式より軸受剛性（Ｐ／ｅ）はシャフトと軸受スリーブと半径隙間の３乗、かつ軸受長さの２乗で影響する。
ここで、モータの消費電流と寿命に影響する軸受負荷容量Ｐ及び軸受摩擦トルクＭによる軸受損失は、半径隙間ΔＲ、軸受長さＢ、潤滑油の粘度υなどで決定され、回転体のイナーシャ、アンバランス量等のモータ負荷と共に回転数が上がると急増し、特にアンバランス量は上記の軸受負荷Ｐ１との関係式に示すように回転数の２乗で効くため、その影響が極めて大きい。従って、軸受の負荷容量Ｐをいかに高めつつ，軸受損失を減らすかがポイントとなる。一方、軸受負荷容量Ｐと軸受摩擦トルクはＭ∝Ｐ・ｎ（ｎは溝形状、潤滑油等によって決まる定数）という関係にある。このように軸受負荷容量の向上と軸受摩擦トルクは比例するため、最大級のアンバランス以内で性能を満たせる軸受剛性と軸受部のロスとのバランスを考慮しながら回転速度に応じた溝形状の設計ならびにオイルの選定もしくは開発をする必要があるので、動圧軸受は回転速度が広範囲にわたり変化する用途には適していない。

光ディスク駆動用スピンドルモータの動圧流体軸受においては、上記の関係式より、高速回転時は光ディスクのアンバランスによる負荷が大きくなるので軸受剛性を大きくする必要があり、低速回転時は光ディスクのアンバランスによる負荷は小さくなるが、発生する動圧も小さくなるので軸受剛性は低下する。

低速回転時における軸受剛性を大きくするためには、軸径を大きくする、軸受長さを長くする、スリーブ１３と軸２との隙間３を小さくする、潤滑油５の粘度を大きくする、等により可能であるが、同時に軸受部のロスが増大する。特に高速回転時の軸受部のロスが非常に大きくなる。軸受剛性は回転速度に比例して大きくなるが、ディスクのアンバランスによる負荷は回転速度の２乗に比例して大きくなる。

従って、低速回転時はディスクのアンバランスによる負荷が軸受剛性の低下以上に減少するので、軸受剛性はさほど必要としない。
そこで、低速回転時は含油軸受として動作し、高速回転時は動圧軸受として動作する本発明の構成とすることにより、高速回転時に必要な軸受剛性を確保しながら、軸受ロスの増大を抑制できる優れた軸受を備える光ディスク駆動用のブラシレスモータが実現できる。

また、前記焼結含油スリーブ１３は、内周の開口率が次のように加工されている。図１に示すように、前記焼結含油スリーブ１３の中央部２１には、前記軸２に形成されたヘリングボーン溝４ａ，４ｂとで流体軸受機構６ａ，６ｂが形成されている。

ここでへリングボーン溝４ａ，４ｂは、焼結含油スリーブ１３の軸心方向中心より負荷装着端側２２の側に長く形成されている。具体的には、焼結含油スリーブ１３の軸心方向に対するへリングボーン溝４ａの長さＬｕは、焼結含油スリーブ１３の軸心方向に対するへリングボーン溝４ｂの長さＬｄに比べて長く形成されている。

さらに、焼結含油スリーブ１３の前記中央部２１の内周表面と、焼結含油スリーブ１３の前記中央部２１よりもスラスト支持端側２３と負荷装着端側２２の内周表面とを比べると、焼結含油スリーブ１３の前記中央部２１の内周表面を流体軸受機構６ａ，６ｂの良好な動作を実現するために目つぶしして空孔をできるだけ無くした開口率が小さい密部に加工し、焼結含油スリーブ１３の前記中央部２１よりもスラスト支持端側２３と負荷装着端側２２の内周表面の開口率が大きい粗部に形成されている。

なお、開口率とは、焼結含油スリーブ１３の単位面積の中に空孔（ポーラス）が占有する割合である。
さらに詳しくは、スラスト支持端側２３と負荷装着端側２２とでは、スラスト支持端側２３の開口率に比べて負荷装着端側２２の開口率が小さくなるように加工されている。

このような焼結含油スリーブ１３の内周面の加工は、例えば（特許文献５）に記載されている従来技術などの公知の加工法等により可能である。さらには、軸受ハウジング１２に焼結含油スリーブ１３を圧入する前に前記密部と粗部を加工し、これを軸受ハウジング１２に圧入した場合には、焼結含油スリーブ１３の内周面の調製した状態が変化して性能が低下する可能性が有るため、焼結含油スリーブ１３が単体の状態で加工せずに、図３（ｂ）に示したように軸受ハウジング１２の内側に焼結含油スリーブ１３を圧入した状態で、前記密部と粗部を加工することが望ましい。焼結含油スリーブ１３及び軸受ハウジング１２の単品精度が良好であり、軸受ハウジング１２の内側に焼結含油スリーブ１３を圧入する際の内周面の開口率の調整を精度良く管理することが可能で有る場合は、予め焼結含油スリーブ１３単体で内周面の加工を行うことも可能である。

さらに、この実施の形態では焼結含油スリーブ１３の内周面の加工が完了した図３（ｂ）の軸受ハウジング１２を図４（ｂ）に示すようにブラケット１４の保持部１５に圧入する工程において、焼結含油スリーブ１３の内周面の調製した状態が変化しないように、焼結含油スリーブ１３の先端部には、図２と図３（ａ）とに示すように、軸受ハウジング１２の前記ブラケット１４の保持部１５に圧入した状態で変形する部分に接触して圧縮力を受けないよう、小径部２４が予め形成されている。

このように構成したブラシレスモータでは、焼結含油スリーブ１３の中央部２１の密部と軸２に形成されたヘリングボーン溝４ａ，４ｂとで良好な流体軸受機構６ａ，６ｂを構成でき良好な高速回転を実現できる。また、焼結含油スリーブ１３の内周面は上記のように均一ではなく粗部が、焼結含油スリーブ１３の前記中央部２１の密部の両端部に形成されているため、起動、停止などの際の低速回転時に軸２が焼結含油スリーブ１３の前記端部７ａ，７ｂで接触しても、この際には焼結含油スリーブ１３から含浸油が滲み出して潤滑され、低速回転時の軸受ロスの増大を抑制して、高速回転性能と低速回転性能の両方に優れたブラシレスモータを実現できる。

また、スラスト支持端側２３に比べて大きな力が作用する負荷装着端側２２の粗部の開口率をスラスト支持端側２３の開口率に比べて小さくしたので、軸２の接触により焼結含油スリーブ１３の前記端部７ａから滲み出した含浸油が再び焼結含油スリーブ１３の開口部の内部に押し込まれて軸２との接触面の油膜切れが生じないよう適切に制限することができ、低速回転時における軸受ロスの増大もしくは金属接触による焼き付きを長期間にわたって抑制することができる。

特に、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−Ｒ等の各種の光ディスク駆動用モータにおいては、ディスク負荷のアンバランスが大きく、起動停止を頻繁に行うので、本発明の好適な用途である。

上記の実施の形態では軸２に動圧発生用溝としてのヘリングボーン溝４ａ，４ｂを形成したが、動圧発生用溝はこれに限定されるものではなく、スパイラル溝などを形成して構成することもできる。

本発明のブラシレスモータは、光ディスクなどの円盤状記録媒体を駆動するモータに好適で、各種のドライブ装置の安定動作に寄与することができる。

本発明のブラシレスモータの内部軸受の要部断面図 同実施の形態のブラシレスモータの断面図 同実施の形態の焼結含油スリーブを軸受ハウジングに圧入する製造工程図 同実施の形態の全体の製造工程図 流体軸受の原理説明図 従来のハイブリッド軸受の高速回転時と低速回転時の動作状態の説明図

符号の説明

２ 軸
４ａ，４ｂ ヘリングボーン溝
６ａ，６ｂ 流体軸受機構
９ 円盤状記録媒体
１０ ターンテーブル
１２ 軸受ハウジング
１３ 焼結含油スリーブ
１４ ブラケット
１５ 保持部
１６ 取り付けベース部
１７ ステータ
１８ ロータフレーム
１９ マグネット
２１ 焼結含油スリーブ１３の中央部
２２ 焼結含油スリーブ１３の軸心方向中心より負荷装着端側
２３ 焼結含油スリーブ１３の中央部２１よりもスラスト支持端側
２４ 隙間を形成するための焼結含油スリーブの小径部

Claims (4)

1. ディスクを搭載し保持するターンテーブルと、
   このターンテーブルの中心に固定された軸と、
   この軸の中央に固定したフレームと、
   このフレームの内周に固定され円周方向に多極着磁を施された円筒状のロータマグネットと、
   円筒状の軸受ハウジングを保持する保持部とモータ取り付けの取り付けベース部とを備えるブラケットと、
   前記軸受ハウジングの内部に固定され前記軸をラジアル方向に支承する焼結含油スリーブと、
   前記ロータマグネットと対向して配置され、絶縁体を介して導線が巻装されたステータとを備え、
   前記焼結含油スリーブの前記ターンテーブルが取り付けられた負荷装着端側の端面付近の前記軸と対向する内周表面に開口率が大きい第１の粗部を形成し、
   前記焼結含油スリーブの前記負荷装着端側とは反対側の端面付近の前記軸と対向する内周表面に開口率が大きい第２の粗部を形成し、
   前記焼結含油スリーブの前記第１，第２の粗部の間の内周表面を前記第１，第２の粗部よりも表面開口率が小である密部に形成し、
   前記軸には前記焼結含油スリーブの前記密部とのみ対向する位置に表面動圧発生溝を形成し、
   前記焼結含油スリーブの前記密部と前記軸に形成された前記動圧発生溝との隙間に潤滑油が充填されて前記軸の高速回転に伴って動圧軸受として動作する前記焼結含油スリーブの中央部よりも外側に、前記第１，第２の粗部が配置され、
   前記軸の前記焼結含油スリーブの前記第１，第２の粗部と対向する表面には動圧発生溝が形成されていない
   ブラシレスモータ。
2. 前記第１の粗部の開口率を前記第２の粗部の開口率より小さく形成したことを特徴とする
   請求項１に記載のブラシレスモータ。
3. 軸受ハウジングのブラケットの保持部に保持される位置に対応する焼結含油スリーブの外周と軸受ハウジング内周面の間に隙間を設けたことを特徴とする
   請求項１または請求項２の何れかに記載のブラシレスモータ。
4. 請求項１〜請求項３の何れかに記載のブラシレスモータを製造するに際し、
   軸受ハウジングに焼結含油スリーブを圧入固定した後に、焼結含油スリーブに粗部と密部を形成する
   ブラシレスモータの製造方法。

Images