JP4583745B2 - 動圧軸受装置 - Google Patents

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Description

本発明は、動圧軸受装置に関する。ここでの動圧軸受装置は、情報機器、例えばHDD、FDD等の磁気ディスク装置、CD−ROM、CD−R/RW、DVD−ROM/RAM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用、レーザビームプリンタ(LBP)のポリゴンスキャナモータ、プロジェクタのカラーホイール、あるいは電気機器、例えば軸流ファンなどの小型モータ用の軸受装置として好適である。
動圧軸受は、軸受隙間で生じた流体動圧により軸部材を非接触状態で支持する軸受である。この動圧軸受を使用した軸受装置(動圧軸受装置)は、ラジアル軸受部を動圧軸受で構成すると共に、スラスト軸受部をピボット軸受で構成する接触タイプと、ラジアル軸受部およびスラスト軸受部の双方を動圧軸受で構成する非接触タイプとに大別され、個々の用途に応じて適宜使い分けられている。
このうち、非接触タイプの動圧軸受装置の一例として、本出願人が提案した特開2000−291648号公報記載のものが知られている。これは、軸部材を軸部とフランジ部とからなるT型構造とし、かつ低コスト化および高精度化の観点から、軸部材を構成する軸部とフランジ部とを一体構成したものである。
特開2000−291648号公報
従来、フランジ部付きの軸部材は耐摩耗性を考慮してステンレス鋼で形成され、ハウジングは加工性を考慮して黄銅で形成される場合が多い。この時、ステンレス鋼と黄銅とでは黄銅の方が線膨張係数が大きいため、昇温時における軸方向の熱膨張量は、黄銅製のハウジングの方がステンレス鋼製フランジ部よりも大きくなる。一般に動圧軸受装置では、高温時に流体(油)の粘度が低下するため、特にスラスト方向での軸受剛性の低下が問題となるのであるが、ハウジングの線膨張係数がフランジ部よりも大きいと、高温時にスラスト軸受隙間の幅が拡大するため、スラスト方向の軸受剛性がさらに低下する。一方、低温時には、流体の粘度上昇によりモータトルクが増大するが、上記線膨張係数の差は、このトルクを増大させる方向に働く。このように従来構造では、フランジ部とハウジングの熱膨張量の差が、高温時および低温時の何れでもそれぞれの不具合を助長する方向に作用する点が問題となっている。
本発明は、かかる実情に鑑み、高温時のスラスト方向の軸受剛性の向上と、低温時のトルクの低減とを図ることを主な目的とする。
上記目的の達成ため、本発明にかかる動圧軸受装置は、軸受スリーブと、軸受スリーブの内周に挿入された軸部、および軸部の外径側に張り出したフランジ部を備える軸部材と、フランジ部の両端面それぞれに面したスラスト軸受隙間に生じる流体の動圧作用で軸部材をスラスト方向に非接触支持するスラスト軸受部とを備える動圧軸受装置において、軸部の外周面が両端を開口した金属材で形成され、該金属材をインサート部品として、軸部の芯部とフランジ部とが樹脂で一体に射出成形され、 前記フランジ部が金属材の一端に設けられ、軸部の芯部が金属材の他端まで樹脂で充足され、かつフランジ部の軸方向の線膨張係数を、ハウジングの、前記フランジ部の外周面と面する部分の軸方向の線膨張係数よりも大きく設定し、昇温時に、スラスト軸受隙間の幅が小さくなると共に、降温時に、スラスト軸受隙間の幅が大きくなることを特徴とする。
このようにフランジ部の軸方向の線膨張係数をハウジングの軸方向の線膨張係数よりも大きくすることにより、高温時には樹脂製フランジ部の熱膨張によりスラスト軸受隙間が小さくなって、高温時におけるスラスト方向の軸受剛性の低下を抑制することが可能となる。反対に低温時には、軸方向の熱膨脹差によってスラスト軸受隙間が大きくなるので、低温時におけるモータトルクの上昇を抑制することが可能となる。
樹脂の線膨張係数は、配合する充填材(炭素繊維等の強化材、導電化剤、その他の添加物を含む)の量を変えることで、自由に変更することが可能である。従って、フランジ部を樹脂製とすることにより、その充填材の配合量を変更することで、ハウジングの素材として異なる材料を使用し、これが異なる線膨張係数を持つ場合でも、容易にフランジ部の軸方向の線膨張係数を上記の条件に適合させることができる。
軸部材の導電性を確保するため、フランジ部は、体積固有抵抗106Ω・cm以下の導電性樹脂で形成するのが望ましい。
具体的には、ハウジングを樹脂製とした場合、フランジ部を形成する樹脂の軸方向の線膨張係数は2〜9×10-5/℃の範囲に設定する。なお、ハウジングを真ちゅう製とした場合、フランジ部を形成する樹脂の軸方向の線膨張係数は2〜5×10-5/℃の範囲に設定する。
ハウジングは側部と、側部と一体又は別体の底部とを有するもので構成することができる。
フランジ部の軸方向と半径方向の成形収縮率の差は0.3%以内にするのが望ましい。
以上の構成において、軸部材は、例えば軸部外周を中空円筒状の金属材で形成すると共に、軸部の芯部およびフランジ部を樹脂で一体成形した構造とすることができる。軸部の外周を金属材で形成することにより、軸部材に求められる強度や剛性を確保できる他、焼結金属等からなる金属製軸受スリーブに対する軸部の耐摩耗性を確保することができる。また、軸部材の多くの部分(軸部の芯部およびフランジ部)が樹脂材で形成されているので、軸部材の軽量化を図ることができ、軸部材が他の軸受構成部材(軸受スリーブやハウジング底部等)と衝突する際の衝撃荷重を減じ、衝突による傷の発生や損傷を回避することが可能となる。また、フランジ部が樹脂製であり、摺動摩擦が小さいので、フランジ部と、これに面する他の軸受構成部材との間で摩擦係数を減じることができる。
以上に記載した動圧軸受装置と、モータロータと、モータステータとで構成したモータは、高温時の高いスラスト軸受剛性と、低温時の低トルク性とを具備し、かつ低コストであるという特徴を備える。
以下、本発明の実施形態を図1〜図5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はブラケット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、ブラケット6の内周に接着等の手段で固定される。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、軸部2aおよびフランジ部2bからなる軸部材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。
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とを一体構造として備えている。
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となる上下2つの動圧溝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、上方のラジアル軸受面はヘリングボーン形状の複数の動圧溝8a1,8a2を備える。このラジアル軸受面において、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。下方のラジアル軸受面も、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、上方のラジアル軸受面の動圧溝8a1,8a2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。上方のラジアル軸受面の軸方向長さ(動圧溝8a1上端と動圧溝8a2下端との間の距離)は、下方のラジアル軸受面の軸方向長さ(動圧溝8a3上端と動圧溝8a4下端との間の距離)よりも大きい。軸受スリーブ8内周の上下のラジアル軸受面と、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。
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、円周方向に連続した油膜を形成する。
この際、上側のラジアル軸受面の非対称性、および上下のラジアル軸受面の軸方向長さの相違から、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る。下向きに押し込まれた油を上方に戻すため、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11が形成されている。この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。
図2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の内周面は上方を拡径させたテーパ面状に形成されている。シール部材10の下側端面の内径側には突出部10aが形成され、この突出部10aの端面が軸受スリーブ8の上側端面8bと当接している。突出部10a以外の下側端面は、軸受スリーブ8の上側端面8bに対して非接触状態にある。
シール部材10のテーパ状の内周面と、これに対向する軸部2aの外周面との間には、ハウジング7の上方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7の内底面7c1(ハウジング底面)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の上下2箇所のラジアル軸受面は、それぞれ軸部2aの外周面とラジアル軸受隙間9a,9bを介して対向し、第一ラジアル軸受部R1および第二ラジアル軸受部R2を構成する。
図2に示すように、軸部材2は樹脂材21と金属材22の複合構造をなし、そのうち、軸部2aの芯部とフランジ部2bの全体とは樹脂材21で一体に成形され、軸部2aの外周はその全長にわたって中空円筒状の金属材22で被覆されている。樹脂材21としては、66ナイロン、LCP、PES等の熱可塑性樹脂が使用可能であり、必要に応じてこれら基材樹脂に強化材等を含む充填材が配合される。また、金属材22としては、耐摩耗性に優れた例えばステンレス鋼等が使用される。なお、モータの用途によっては、必要とされる清浄度との関係でSi元素を含む素材の使用が禁じられる場合があるので、その場合、樹脂材21の材料配合の際には、Si元素を含まない材料を選定する必要がある。例えば強化材として、ガラス繊維ではなく、炭素繊維やその他のSiを含まない強化材を使用する。
樹脂材21と金属材22の分離防止のため、軸部材2の軸部2aの下端(図面左方)では、金属材22の端部がフランジ部2bに埋め込まれ、その上端では、金属材22と樹脂材21とが係合部を介して軸方向で係合状態にある。図示例では、この係合部として、上方側を拡径させたテーパ面22bで互いに係合させた場合を例示している。金属材22の回り止めのため、フランジ部2bに埋め込まれた金属材22の外周あるいは端縁に、ローレット加工等によりフランジ部2bと円周方向で係合可能の凹凸係合部を設けるのが望ましい。
この軸部材2は、例えば金属材22をインサート部品とする樹脂の射出成形(インサート成形)により製作される。インサート成形であれば、型精度を高め、かつ型内でインサート品としての金属材22を精度よく位置決めすることにより、要求精度を確保しつつ低コストに量産可能となる。また、軸部2aとフランジ部2bの組み付けがこれらの成形と同時に完了するので、軸部とフランジ部を金属製の別部品とし、これらを後工程で圧入等により一体化する場合に比べ、工程数を減じてさらなる低コスト化を図ることもできる。なお、成形精度を高めるため、射出成形時における型内では、樹脂の流動方向を軸部材2の軸方向に一致させるのが望ましい。
フランジ部2bの両端面2b1、2b2には、それぞれ動圧を発生するためのスラスト軸受面となる動圧溝領域が形成される。このスラスト軸受面には、図4(a)(b)に示すように、スパイラル形状等をなす複数の動圧溝23,24が形成され、この動圧溝領域はフランジ部2bの射出成形と同時に型形成される。フランジ部2bの上端面2b1に形成したスラスト軸受面は、軸受スリーブ8の下端面8cとスラスト軸受隙間を介して対向し、これによって第一のスラスト軸受部T1が構成される。また、フランジ部2bの下端面2b2に形成したスラスト軸受面は、ハウジング底部7cの内底面7c1とスラスト軸受隙間を介して対向し、これによって第二のスラスト軸受部T2が構成される。ちなみに、フランジ部2bの厚さ(軸方向の幅)は、0.5〜1.0mmであり、二つのスラスト軸受隙間の幅の合計は、18±5μmの範囲内である。
以上の構成から、軸部材2と軸受スリーブ8の相対回転時、本実施形態でいえば軸部材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部R1,R2のラジアル軸受隙間9a,9bに潤滑油の動圧が発生し、軸部材2の軸部2aが各ラジアル軸受隙間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、動圧溝23,24の作用によって両スラスト軸受部T1,T2の各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が各スラスト軸受隙間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。
本発明では、樹脂製フランジ部2bの軸方向(樹脂の流動方向MD)の線膨張係数(以下、軸方向の線膨張係数を単に「線膨張係数」という)が、その外径側に面するハウジング側部7bの線膨張係数以上に設定される。これにより、高温時にはフランジ部2bの軸方向の熱膨張量がハウジング7のそれと等しいか、もしくはそれよりも大きくなるので、スラスト軸受隙間が小さくなる。従って、潤滑油の粘度低下によるスラスト方向の軸受剛性の低下を抑制することが可能となる。反対に低温時には、軸方向の熱膨脹差によってスラスト軸受隙間が大きくなるので、低温時におけるモータトルクの上昇を抑制することができる。
フランジ部2bの線膨張係数の適正範囲は、ハウジング7の素材によって異なる。例えば本実施形態のように真ちゅう製のハウジングを使用する場合、2×10-5/℃以上の線膨張係数であれば、真ちゅうの線膨張係数よりも大きくなるので、この範囲内で樹脂材料を選定する。この場合、樹脂と真ちゅうの線膨張係数の差が大きすぎると、スラスト軸受隙間の幅が過小になる等の不具合が予想されるので、樹脂の線膨張係数は5×10-5/℃以下とするのが望ましい。
この他、ハウジング7は真ちゅう等の軟質金属のみならず、樹脂で形成することもできる。その場合、フランジ部2bを形成する樹脂の線膨張係数は、ハウジングを形成する樹脂の線膨張係数に応じ、これ以上となるように定められる。具体的には、2〜9×10-5/℃の範囲内の線膨張係数を有する樹脂材料でフランジ部2bが成形される。この場合、ハウジング7は、フランジ部2bと同種の樹脂材料で形成する他、異なる樹脂材料で形成することもできる。
このようにフランジ部2bで使用する樹脂の線膨張係数は、ハウジング7の素材に応じて変更する必要があるが、樹脂材料においては配合する充填材の量を変えることにより、任意の値に線膨張率を設定することができる。従って、ハウジング7の素材に応じた最適な線膨張率を有する樹脂材料が容易に入手できる。
フランジ部2bの樹脂材料の選定に際しては、線膨張係数だけでなく、成形収縮率にも配慮する必要がある。成形収縮率の流動方向(MD)と直角方向(TD)の差が大きすぎると、樹脂の硬化後のフランジ部2bに反りを生じ、スラスト軸受部の軸受性能が安定的に得られないからである。本発明者らの検証によれば、流動方向と直角方向の差が0.3%以内であれば、この種の反りの問題が生じず、安定した軸受性能が得られることが明らかになった。本実施形態の軸部材2では、上述のように軸方向が流動方向に一致し、半径方向が直角方向に一致するので、フランジ部2bの軸方向と半径方向の成形収縮率の差が0.3%以内であればよい。
また、この種の動圧軸受装置では、磁気ディスク等に空気との摩擦によって静電気が発生するが、フランジ部2bを絶縁性の樹脂で形成した場合、この静電気が逃げることができず、磁気ディスクと磁気ヘッドの間で電位差を生じたり、静電気の放電により周辺機器が損傷する等の不具合を招くおそれがある。かかる不具合を防止するため、フランジ部2bを形成する樹脂材料には、強化材のほか、カーボン等の導電化剤を配合して体積固有抵抗を106Ω・cm以下にするのが望ましい。ハウジング7を樹脂で形成する場合も同様の導電性樹脂を使用するのが望ましい。
以上に挙げた物性値を満たす樹脂材料としては、例えば基材樹脂としてPES(住友化学工業株式会社、PES−3600P)を62wt%(78.7vol%)、強化材としてホウ酸アルミニウムウィスカ(四国化成工業株式会社、アルボレックスY)を10wt%(5.8vol%)、無機微粒子として炭酸バリウム(堺化学工業株式会社、BW−P)を20wt%(7.7vol%)、導電カーボン(ケッチェンブラック、EC−6)を8wt%(7.7vol%)を配合したものを挙げることができる。
この樹脂材料は、線膨張係数がMD=0.6、TD=2.6[×10-5/℃]であり、かつ体積固有抵抗が2.5×105[Ω・cm]であるので、上記各物性値を満たすことができる。
図5は、本発明の他の実施形態を示すもので、図2に示す実施形態とは、ハウジング7の底部7c’を側部7bと別部材とした点、およびシール手段10’をハウジング7と一体化した点が異なる。ハウジング7の底部7c’を形成する部材は、ハウジング側部7bの下端開口部に圧入、接着等の手段で固定される。この部材7c’の上面外周縁部には、軸方向の突出部7c2が形成されており、この突出部7c2の上端を軸受スリーブ8の下側端面8cに当接させることで、スラスト軸受隙間の幅が規定される。ハウジング側部7bの上端には絞り部7gが形成され、この絞り部7gの内周面と軸部2aの外周面とでシール手段10’が構成される。この実施形態においても、フランジ部2bを形成する樹脂材料の軸方向の線膨張係数を、ハウジング7(特にフランジ部2bの外周に面する底部材7c’の突出部7c2)のそれ以上に設定することにより、図2に示す実施形態と同様の効果が得られる。
なお、これ以外の構成・作用効果については、図2に示す実施形態に準じるので、両実施形態で機能・構成が共通する部材には同一の参照番号を付し、重複説明を省略する。
本発明にかかる動圧軸受装置を組み込んだ情報機器用スピンドルモータの断面図である。 上記動圧軸受装置の断面図である。 軸受スリーブの断面図である。 軸部材のフランジ部を上から見た図(a図)、および下から見た図(b図)である。 本発明にかか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
2a 軸部
2b フランジ部
2b1 上端面
2b2 下端面
3 ディスクハブ
4 モータステータ
5 モータロータ
6 ブラケット
8a1〜8a4 動圧溝
7 ハウジング
7a ハウジング開口部
7b 側部
7c 底部
7c1 内底面(ハウジング底面)
8 軸受スリーブ
9a ラジアル軸受隙間
9b ラジアル軸受隙間
10 シール部材
21 樹脂材
22 金属材
23 動圧溝
24 動圧溝

Claims (9)

  1. 軸受スリーブと、軸受スリーブの内周に挿入された軸部、および軸部の外径側に張り出したフランジ部を備える軸部材と、フランジ部の両端面それぞれに面したスラスト軸受隙間に生じる流体の動圧作用で軸部材をスラスト方向に非接触支持するスラスト軸受部とを備える動圧軸受装置において、
    軸部の外周面が両端を開口した金属材で形成され、該金属材をインサート部品として、軸部の芯部とフランジ部とが樹脂で一体に射出成形され、
    前記フランジ部が金属材の一端に設けられ、軸部の芯部が金属材の他端まで樹脂で充足され、かつ
    フランジ部の軸方向の線膨張係数を、ハウジングの、前記フランジ部の外周面と面する部分の軸方向の線膨張係数よりも大きく設定し、昇温時に、スラスト軸受隙間の幅が小さくなると共に、降温時に、スラスト軸受隙間の幅が大きくなることを特徴とする動圧軸受装置。
  2. 軸部の芯部の樹脂が軸方向に配向されている請求項1記載の動圧軸受装置。
  3. 金属材の一端部をフランジ部に埋め込んだ請求項1または2記載の動圧軸受装置。
  4. フランジ部を、体積固有抵抗106Ω・cm以下の導電性樹脂で形成した請求項1〜3何れか1項に記載の動圧軸受装置。
  5. ハウジングを樹脂製とし、かつフランジ部を形成する樹脂の軸方向の線膨張係数を2〜9×10-5/℃の範囲に設定した請求項1〜4何れか1項に記載の動圧軸受装置。
  6. ハウジングを真ちゅう製とし、かつフランジ部を形成する樹脂の軸方向の線膨張係数を2〜5×10-5/℃の範囲に設定した請求項1〜4何れか1項に記載の動圧軸受装置。
  7. ハウジングが側部と、側部と一体又は別体の底部とを有する請求項1〜何れか1項に記載の動圧軸受装置。
  8. フランジ部の軸方向と半径方向の成形収縮率の差を0.3%以内にした請求項1〜何れか1項に記載の動圧軸受装置。
  9. 請求項1〜の何れか1項に記載した動圧軸受装置と、モータロータと、モータステータとを有するモータ。
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