JP4832736B2 - 動圧型軸受ユニット - Google Patents

Description

本発明は、軸受隙間に生じた流体動圧で軸部材（スピンドル）を非接触支持する動圧型軸受ユニットに関し、特に情報機器用スピンドルモータのスピンドル支持用に好適な軸受ユニットに関する。ここでいう「情報機器用スピンドルモータ」には、例えば、ＣＤ−Ｒ／ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＯＭ／ＲＡＭなどの光ディスク、ＭＯなどの光磁気ディスク、ハードディスクなどの磁気ディスクを駆動するスピンドルモータ、あるいはレーザビームプリンタ（ＬＢＰ）や複写機のポリゴンスキャナモータなどが含まれる。

磁気ディスクドライブに代表される情報機器用スピンドルモータのスピンドルを支持する軸受としては、従来、転がり軸受が一般的であったが、近年ではこれを高回転精度・高減衰性・低騒音性等の優れた特徴を備える動圧型軸受に置き換える事例が多くなっている。この種の動圧型軸受としては、ラジアル軸受部のラジアル軸受隙間、およびスラスト軸受部のスラスト軸受隙間にそれぞれ動圧を発生させることにより、スピンドルとなる軸部材をラジアル方向およびスラスト方向で非接触支持するものが知られている（例えば特開平１２−２２０６３３号公報：特許文献１）。
特開平１２−２２０６３３号公報

このようにラジアル軸受部およびスラスト軸受部の双方を動圧型軸受で構成した軸受ユニットの軸部材としては、図４に示すように、軸部２１の軸端に円盤状のフランジ部２２を圧入固定したものが知られている。

しかし、この構造では、軸部をフランジ部に圧入する関係上、軸部２１とフランジ部２２の間で高精度の直角度を安定して得ることが難しい。そのため、軸受の運転中にフランジ部２２の両端面とこれに対向する面との接触を招き、軸受性能を害するおそれがある。組立後に直角度を測定しようとしても、軸部やフランジ部は既にユニット内に組み込まれているから、その精度測定や確認は一般に困難であり、仮に可能であっても煩雑な作業を要して組立コストの増大等を招く。

そこで、本発明は、軸部とフランジ部との間の直角度を高精度化することができ、かつ低コストに製造できる動圧型軸受ユニットの提供を目的とする。

軸部とフランジ部との間の直角度は、軸部とフランジ部を一体化し、この一体化した軸部材を直角度が所定の精度となるよう管理しながら機械加工することによって高精度化することができる。この種の一体型軸部材の機械加工方法としては旋削が一般的であるが、旋削では加工に長時間を要するために加工コストが高騰する。一方、軸部材の加工後は、仕上げ加工として軸部材の表面に研削加工を施す必要がある。

以上の点を考慮し、本発明は、軸部および軸部の一端に設けられたフランジ部を有する軸部材と、内周に軸部を挿入した、含油焼結金属からなる軸受部材と、軸部の外周面とこれに対向する軸受部材の内周面との間のラジアル軸受隙間に発生した流体動圧により軸部をラジアル方向で非接触支持するラジアル軸受部と、フランジ部の端面とこれに対向する軸受部材との端面との間のスラスト軸受隙間に発生した流体動圧によりフランジ部をスラスト方向で非接触支持するスラスト軸受部とを有する動圧型軸受ユニットにおいて、
軸部材をステンレス鋼で形成し、かつ軸部材を以下の（ａ）〜（ｃ）の構成にしたものである：
a)鍛造により、軸部と一体になったフランジ部、およびフランジ部端面のうち軸部外周近傍を軸方向に塑性変形させた第一ぬすみ部、がそれぞれ形成され、
ｂ）熱処理により表面硬度が５００〜５５０Ｈｖに硬化され、
ｃ）前記第一ぬすみ部を形成した状態で、軸部外周のうちフランジ部の前記端面近傍を転造により半径方向に塑性変形させて第二ぬすみ部を形成し、その後表面が研削加工で仕上げられている。

このように軸部材を鍛造で一体成形することにより、軸部とフランジ部との間で高精度の直角度を得ることができる。また、軸部材が高硬度のステンレス鋼で形成されているから、モータロータを軸部に圧入することができる。軸部材は、表面硬度５００〜５５０Ｈｖに硬化させるのが望ましい。

この場合、軸部とフランジ部との間の角部に、鍛造または転造で形成されたぬすみ部を設けることもできる。ぬすみ部を鍛造や転造で形成することにより、これを旋削で加工する場合に比べてぬすみ部の加工時間を短縮でき、軸部材全体を鍛造成形することと相まって軸部材の加工コストを大幅に低下させることができる。この場合、ぬすみ部が図５に示すような傾斜した特殊形状（例えばα＝２７．５°、β＝２７．５°、θ＝３５°、Ｒｏ＝０．１程度）であると、鍛造や転造による加工が困難となるため、ぬすみ部は傾斜していない非傾斜形状、例えば軸方向や半径方向の凹部で構成するのが好ましい。

また、軸部材を鍛造により一体成形し、フランジ部端面のうち、軸部外周の近傍に軸方向の塑性変形で形成した第一ぬすみ部を設けると共に、軸部外周のうち、フランジ部端面の近傍に半径方向の塑性変形で形成した第二ぬすみ部を設けることもできる。図５に示す傾斜状のぬすみ部２４を塑性加工で形成するには、専用の加工装置を開発する必要があるが、上記のように第一ぬすみ部および第二ぬすみ部を軸方向および半径方向の塑性変形で形成するのであれば、加工装置として汎用品を使用することができ、製造コストの高騰が抑えられる。

この場合、第一ぬすみ部は鍛造により、第二ぬすみ部は転造により形成することができる。これにより旋削でぬすみ部を形成する場合に比べ、加工時間の大幅な短縮化を図ることができる。

このように本発明では、ぬすみ部を含む軸部材の全体を塑性加工（鍛造および転造）することにより、旋削工程を省略して加工コストの低減を図る一方、軸部材を鍛造で一体成形することによって（さらにその後に軸部材全体を研削加工することによって）高精度の仕上げ寸法（直角度等）を実現するものであり、加工コストと加工精度を高いレベルで両立することができる。

以上の構成の動圧型軸受ユニットでスピンドルを回転自在に支持することにより、情報機器用スピンドルモータの高精度化、低コスト化が可能となる。

本発明によれば、軸部材が一体化されているために高精度の直角度を得ることができ、また、軸受ユニットへの組込み前にも直角度を測定することが可能となる。従って、フランジ部と他部材（軸受部材やハウジングの底部）との接触を防止して安定した軸受性能を得ることができ、ＨＤＤ等の情報機器用スピンドルモータのさらなる高精度化が可能となる。また、軸部材が鍛造によって成形されるため、旋削で成形する場合に比べて加工時間を大幅に短縮することができる。従って、軸受ユニット、さらにはこれを組み込んだ情報機器用スピンドルモータの大幅な低コスト化が可能となる。

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、本発明にかかる動圧型軸受ユニット１を備えるＨＤＤスピンドルモータを例示している。このスピンドルモータは、軸部材２を回転自在に支持する軸受ユニット１と、軸部材２に取付けられ、磁気ディスクＤを一又は複数枚保持するディスクハブ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とを有する。ステータ４は、軸受ユニット１を保持するケーシング６の円筒状外周部に取付けられ、ロータ５はディスクハブ３の内周面に取付けられている。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、ディスクハブ３および軸部材２が回転する。

軸受ユニット１を他の情報機器用スピンドルモータ、例えば光ディスクドライブあるいは光磁気ディスクのスピンドルモータに使用する場合は、これらのディスクを支持固定するターンテーブル（図示省略）が軸部材２に固定され、ＬＢＰのポリゴンスキャナモータに使用する場合は、ポリゴンミラー（図示省略）が軸部材２に固定される。

軸受ユニット１は、軸部２ａおよび軸部２ａの外径側に突出するフランジ部２ｂからなる軸部材２と、有底円筒状のいわゆる袋型ハウジング９と、ハウジング９の内周面に固定された厚肉円筒状の軸受部材７と、軸受部材の一端側を密封するシールワッシャ等のシール部材８とを主要な構成要素とする。なお、以下の説明では、軸方向両側のうち、ハウジング９の底部９ａで封口された側（図面下方）を「封口側」、その反対側（図面上方）を「反封口側」と呼ぶ。

軸部材２は、軸部２ａと軸部２ａの封口側端部に設けたフランジ部２ｂとで構成される。軸部材２のうちの軸部２ａは軸受部材７の内周に、フランジ部２ｂは軸受部材７とハウジング９の底部９ａとの間にそれぞれ収容される。軸部材２は金属材料で形成されるが、後述のように軸部２ａにモータロータを圧入することを考えて、高硬度の鉄系材料、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ４２０等）で形成するのが望ましい。

軸受部材７は、例えば銅や真鍮等の軟質金属によって形成される。軸受部材７の内周面には、動圧発生用の複数の溝（動圧溝）を有するラジアル軸受面１０ａが形成され、これより軸部材２と軸受部材７の相対回転時（本実施形態では軸部材２の回転時）には、ラジアル軸受面１０ａと軸２ａの外周との間のラジアル軸受隙間Ｃｒに満たされた流体（潤滑油等）の動圧が発生し、軸部２ａをラジアル方向で非接触支持するラジアル軸受部１０が構成される。軸受部材７を焼結金属で形成してもよく、その場合は潤滑油や潤滑グリースを含浸させて内部に油を保有させた含油焼結金属が上記軸受部材７として使用される。なお、図中のラジアル軸受隙間Ｃｒの幅は誇張して描かれている（後述のスラスト軸受隙間Ｃｔ１、Ｃｔ２についても同様）。

フランジ部２ｂの軸方向両側には、軸方向の隙間であるスラスト軸受隙間Ｃｔ１、Ｃｔ２が設けられる。一方のスラスト軸受隙間Ｃｔ１は、フランジ部２ｂの反封口側端面２ｂ１とこれに対向する軸受部材７の端面７ａとの間に形成され、他方のスラスト軸受隙間Ｃｔ２は、フランジ部２ｂの封口側端面２ｂ２と、これに対向するハウジング９の底部９ａとの間に形成される。フランジ部２ａの両端面２ｂ１、２ｂ２には、それぞれ複数の動圧溝を有するスラスト軸受面１１ａ、１１ｂが形成され、これより上記回転時には、スラスト軸受隙間Ｃｔ１、Ｃｔ２に満たされた潤滑油等の流体が動圧を生じ、フランジ部２ｂをスラスト方向両側から非接触支持するスラスト軸受部１１が構成される。

上記ラジアル軸受面１０ａおよびスラスト軸受面１１ａ、１１ｂの動圧溝形状は任意に選択することができ、公知のへリングボーン型、スパイラル型、ステップ型、多円弧型等の何れかを選択し、あるいはこれらを適宜組み合わせて使用することができる。図１では、軸受部材７の内周面にラジアル軸受面１０ａを形成しているが、これを軸部２ａの外周面に形成することもできる。また、スラスト軸受面１１ａ、１１ｂは、フランジ部２ｂの両端面２ｂ１、２ｂ２に対向する軸受部材７の端面７ａやハウジング９の底部９ａ端面に形成することもできる。

上記軸受ユニット１は、ハウジング９内にフランジ部２ｂを封口側に向けて軸部材２を挿入し、さらに所定幅（１０〜２０μｍ程度）のスラスト軸受隙間Ｃｔ１、Ｃｔ２が形成されるようにハウジング９内周の所定位置に、軸受部材７を圧入あるいは接着することにより組み立てられる。そして、この軸受ユニット１をケーシング６の円筒状内周部に圧入あるいは接着し、さらにロータ５やディスクハブ３からなるアッセンブリ（モータロータ）を軸部２ａの反封口側端部に圧入することにより、図１に示すスピンドルモータが組み立てられる。

本発明では、軸部２ａとフランジ部２ｂからなる軸部材２が鍛造によって一体に形成される。このように軸部材２を一体構造とすれば、その加工中に軸部２ａとフランジ部２ｂ間の直角度を正確に管理することにより、加工後の直角度の精度を容易に高めることができ、しかも軸受ユニットへの組込み前に直角度が測定可能となるので、精度測定やその確認も簡単に行える。鍛造で軸部材２を成形することにより、これを旋削で成形する場合に比べて加工時間を大幅に短縮することができ（１／１０程度）、製造コストを大幅に削減することが可能となる。

鍛造終了後の軸部材２の表面には、仕上げ加工として研削加工が施される。この研削加工中の砥石と被加工面以外の面との干渉を防止するため、図２に示すように、軸部２ａの外周とフランジ部２ｂの反封口側端面２ｂ１との間の角部１３には、ぬすみ部１４が形成される。

ぬすみ部１４は、フランジ部２ｂの反封口側端面２ｂ１に形成された第一ぬすみ部１５と、軸部２ａの外周に形成された第二ぬすみ部１６とで構成される。何れのぬすみ部１５、１６も軸心を中心とする環状溝であり、その底はそれぞれフランジ部端面２ｂ１および軸部２ａの外周面よりも陥没した位置にある。第一ぬすみ部１５はフランジ部２ｂの反封口側端面２ｂ１のうち、軸部２ａ外周の近傍を軸方向に塑性変形させることによって形成され、第二ぬすみ部１６は軸部２ａ外周のうち、フランジ部端面２ｂ１の近傍を半径方向に塑性変形させることによって形成される。第一ぬすみ部１５は鍛造によって、第二ぬすみ部１６は転造によってそれぞれ形成することができ、その場合、第二ぬすみ部１６の転造は第一ぬすみ部１５の鍛造完了後に行う。

図示例では第一ぬすみ部１５の内径端部１５ａを軸部２ａ外周の延長線上に配しているが、これよりも外径側に内径端部１５ａを配置してもよい。また、図示例では、第二ぬすみ部１６の封口側端部１６ａをフランジ部２ｂの端面２ｂ１よりも距離ｅだけ反封口側にずらした位置に設けているが、フランジ部端面２ｂ１の延長線上に封口側端部１６ａを設けてもよい（ｅ＝０）。この距離ｅが大きすぎると、両ぬすみ部１５、１６間の距離が拡大し、ぬすみ部１４としての機能を発揮させることが難しくなるので、距離ｅは０．５ｍｍ以下にするのが望ましい（０≦ｅ≦０．５ｍｍ）。

加工時間の短縮化のため、第一ぬすみ部１５の鍛造加工は、軸部材２全体の鍛造加工と同時に行うのが望ましいが、加工時間がそれほど問題とならないのであれば、軸部材２の鍛造後に別工程で第一ぬすみ部１５を鍛造成形してもよい。図示のように反封口側のスラスト軸受面１１ａをフランジ部２ｂの端面２ｂ１に形成する場合は、動圧溝を有するスラスト軸受面１１ａと第一ぬすみ部１５とをプレス等によって同時成形することもできる。第二ぬすみ部１５の転造加工に伴う金属組織の塑性流動は、主として両ぬすみ部１５、１６間の境界部１７によって吸収される。

第一ぬすみ部１５の半径方向幅ｆは、フランジ部半径ｒに対して０．０３≦ｆ／ｒ≦０．２０程度に設定され、第二ぬすみ部１６の軸方向幅ｇは、軸部材２の軸方向長さｈに対して０．０１≦ｇ／ｈ≦０．０５程度に設定される。また、両ぬすみ部１５、６の深さは０．０５〜０．４ｍｍ程度に設定される（図２は両ぬすみ部１５、１６の大きさを誇張して描いている）。

第二ぬすみ部１６の形成後は、軸部材２に研削処理が施される。研削の完了した軸部材２には、高周波焼入れ等の熱処理が施され、ここで表面硬度５００〜５５０Ｈｖまで硬化される。

上記のように本発明では、ぬすみ部１４を鍛造および転造で形成しているので、これを旋削で形成する場合に比べ、加工時間を大幅に短縮することができる。また、第一および第二ぬすみ部１５、１６が軸方向および半径方向の塑性変形によって形成されるので、図５に示す傾斜状のぬすみ部２４を形成する場合のような専用の加工装置は不要であり、従来の加工装置をそのまま転用することができる。以上から、本発明によれば、軸部材２全体を鍛造成形することと相まって、軸部材２の大幅な低コスト化が可能となる。

軸部材２を旋削で加工する場合は、図４に示すように予め軸部材２の両端にセンタ穴２６、２７を形成する必要があるが、上記のように鍛造で軸部材２を形成するのであれば、この種のセンタ穴が不要となるので、その分だけ加工工数が減少し、さらなる低コスト化が図られる。

図３に本発明の他の実施形態を示す。この軸受ユニット１は、図１におけるハウジング９と軸受部材７とを一体化して単体の軸受部材７’とし、当該軸受部材７’の底部開口を別部材の閉塞部材１９で封口した構造である。スラスト軸受隙間Ｃｔ１、Ｃｓ２のうち、反封口側のスラスト軸受隙間Ｃｔ１はフランジ部２ｂの反封口側端面２ｂ１とこれに対向する軸受部材７’の端面７ａ’との間に形成され、封口側のスラスト軸受隙間Ｃｓ２は、フランジ部２ｂの封口側端面２ｂ２とこれに対向する閉塞部材１９の端面との間に形成される。

この場合も、一体成形された軸部材２の軸部２ａとフランジ部２ｂの間の角部１３に図２と同様のぬすみ部１４を形成することによって、上記と同様の効果が得られる。図３におけるこれ以外の部材・要素は、図１に示すものと同様であるので、共通する部材・要素に共通の参照番号を付して重複説明を省略する。

本発明にかかる動圧型軸受ユニットの軸方向断面図である。 上記動圧型軸受ユニットに使用される軸部材の拡大断面図である。 本発明の他の実施形態を示す断面図である。 軸部材の側面一部断面図である。 ぬすみ部の拡大断面図である。

符号の説明

１ 軸受ユニット
２ 軸部材
２ａ 軸部
２ｂ フランジ部
２ｂ１ 端面（反封口側）
２ｂ１ 端面（封口側）
７、７’軸受部材
８ シール部材
９ ハウジング
１０ ラジアル軸受部
１０ａ ラジアル軸受面
１１ スラスト軸受部
１１ａ スラスト軸受面
１１ｂ スラスト軸受面
１３ 角部
１４ ぬすみ部
１５ 第一ぬすみ部
１６ 第二ぬすみ部
Ｃｒ ラジアル軸受隙間
Ｃｔ１ スラスト軸受隙間
Ｃｔ２ スラスト軸受隙間

Claims (1)

1. 軸部および軸部の一端に設けられたフランジ部を有する軸部材と、内周に軸部を挿入した、含油焼結金属からなる軸受部材と、軸部の外周面とこれに対向する軸受部材の内周面との間のラジアル軸受隙間に発生した流体動圧により軸部をラジアル方向で非接触支持するラジアル軸受部と、フランジ部の端面とこれに対向する軸受部材との端面との間のスラスト軸受隙間に発生した流体動圧によりフランジ部をスラスト方向で非接触支持するスラスト軸受部とを有する動圧型軸受ユニットにおいて、
   軸部材をステンレス鋼で形成し、かつ軸部材を以下の（ａ）〜（ｃ）の構成にしたことを特徴とする動圧型軸受装置：
   a)鍛造により、軸部と一体になったフランジ部、およびフランジ部端面のうち軸部外周近傍を軸方向に塑性変形させた第一ぬすみ部、がそれぞれ形成され、
   ｂ）熱処理により表面硬度が５００〜５５０Ｈｖに硬化され、
   ｃ）前記第一ぬすみ部を形成した状態で、軸部外周のうちフランジ部の前記端面近傍を転造により半径方向に塑性変形させて第二ぬすみ部を形成し、その後表面が研削加工で仕上げられている。