JP5095111B2 - 流体軸受装置 - Google Patents

Description

本発明は、軸受隙間に形成される油膜で軸部材を回転自在に支持する流体軸受装置に関するものである。

流体軸受装置は、情報機器、例えばＨＤＤ等の磁気ディスク駆動装置、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ／ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＯＭ／ＲＡＭ等の光ディスク駆動装置、ＭＤ、ＭＯ等の光磁気ディスク駆動装置等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、あるいは電気機器の冷却ファン等に使用されるファンモータなどの小型モータ用として好適に使用可能である。

このような流体軸受装置として、例えば特許文献１には樹脂製のハウジングが用いられたものが、あるいは、特許文献２には樹脂製の軸受スリーブが用いられたものが示されている。このように、ハウジングや軸受スリーブを樹脂化することにより、材料コストの低減を図っている。

特開２００５−２８２７７９号公報 特開２００５−１６３８５８号公報

しかし、上記のような樹脂製の部材の内周面は、射出成形後、内型を引き抜くことのできる形状、すなわち内型を引き抜く方向に対して縮径する部分（いわゆるアンダーカット）のない形状に限定される。このような制限から、樹脂製の部材は、内周面の形状が円筒面等に限定されるため、使用できる用途が限られていた。

本発明の課題は、多様な用途に使用可能な樹脂製の部材を有する流体軸受装置を、低コストに提供することにある。

前記課題を解決するため、本発明は、軸部材と、金属製の軸受スリーブと、内周面に軸受スリーブの外周面が圧入接着により固定され、樹脂で射出成形されたハウジングと、軸部材の外周面と軸受スリーブの内周面との間に形成され、潤滑流体で満たされたラジアル軸受隙間とを備え、ラジアル軸受隙間に形成された潤滑膜で軸部材を回転自在に支持する流体軸受装置において、ハウジングの内周面のうち、ラジアル軸受隙間の軸方向領域を避けた軸方向位置に、成形面からなる円周方向の凹部を設け、前記凹部が熱硬化性接着剤が充満された接着剤溜りとなることを特徴とする。

このように本発明では、樹脂製のハウジングの内周面に、成形面からなる円周方向の凹部を設けた。これにより、ハウジングの内周面に軸受スリーブが圧入接着により固定される場合、この凹部は接着剤溜りとして作用し、固定力を増大させることができる。

また、この凹部は、外側部材の射出成形時に形成される成形面であるため、別途の工程や装置を要することなく、低コストに形成することができる。

以上のように、本発明によれば、多様な用途に使用可能な樹脂製の部材を有する流体軸受装置が低コストに得られる。

以下、本発明の実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る流体軸受装置（動圧軸受装置）１を組込んだ情報機器用スピンドルモータの一構成例を概念的に示している。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、ディスクハブ３を取付けた軸部材２を回転自在に非接触支持する動圧軸受装置１と、例えば半径方向のギャップを介して対向させたステータコイル４およびロータマグネット５と、モータブラケット６とを備えている。ステータコイル４はモータブラケット６の外周に取付けられ、ロータマグネット５はディスクハブ３の外周に取付けられている。動圧軸受装置１は、モータブラケット６の内周に固定される。ディスクハブ３には、磁気ディスク等のディスク状情報記録媒体（以下、単にディスクという。）Ｄが１又は複数枚（本実施形態では２枚）保持される。このように構成されたスピンドルモータにおいて、ステータコイル４に通電すると、ステータコイル４とロータマグネット５との間に発生する電磁力でロータマグネット５が回転し、これに伴って、ディスクハブ３およびディスクハブ３に保持されたディスクＤが軸部材２と一体に回転する。

図２は、動圧軸受装置１を示している。この動圧軸受装置１は、外側部材Ａとしてのハウジング７と、ハウジング７に固定された中間部材Ｂとしての軸受スリーブ８と、ハウジング７および軸受スリーブ８に対して相対回転する、内側部材Ｃとしての軸部材２とを主な構成要素として構成される。本実施形態でハウジング７は、側部７ａおよび底部７ｂを有するコップ状に形成される。なお、説明の便宜上、ハウジング７の底部７ｂの側を下側、底部７ｂと反対の側を上側として以下説明する。

軸部材２は、例えばＳＵＳ鋼などの金属材料で形成され、軸部２ａと、軸部２ａの下端に一体又は別体に設けられるフランジ部２ｂとを備える。なお、軸部材２はこれに限らず、例えば金属材料と樹脂材料とのハイブリッド構造とすることもできる。

軸受スリーブ８は、例えば銅を主成分とする焼結金属の多孔質体で円筒状に形成される。この他、軸受スリーブ８を他の金属や樹脂、あるいはセラミック等で形成することも可能である。

軸受スリーブ８の内周面８ａの全面又は一部円筒領域には、ラジアル動圧発生部として、例えば図３（ａ）に示すように、複数の動圧溝８ａ１、８ａ２をヘリングボーン形状に配列した領域が軸方向に離隔して２箇所形成される。この動圧溝８ａ１、８ａ２の形成領域は、ラジアル軸受面として軸部２ａの外周面２ａ１と対向し、軸部材２の回転時には、外周面２ａ１との間に後述するラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２のラジアル軸受隙間を形成する（図２を参照）。また、上側の動圧溝８ａ１の形成領域では、動圧溝８ａ１が、軸方向中心ｍ（上下の傾斜溝間領域の軸方向中央）に対して軸方向非対称に形成されており、軸方向中心ｍより上側領域の軸方向寸法Ｘ１が下側領域の軸方向寸法Ｘ２よりも大きくなっている。

軸受スリーブ８の外周面８ｂには、軸方向に延びる溝８ｅが軸方向全長に亘って１又は複数本形成される。この実施形態では、３本の軸方向溝８ｅを円周方向等間隔に形成している。これら軸方向溝８ｅは、軸受スリーブ８をハウジング７の内周に固定した状態では、対向するハウジング７の内周面７ａ１との間に潤滑油の流体流路１０ｂを構成する（図２を参照）。これら軸方向溝８ｅは、例えば軸受スリーブ８本体をなす圧粉体の成形型に予め軸方向溝８ｅに対応する箇所を設けておくことで、軸受スリーブ８本体の圧粉体成形と同時に成形することができる。

軸受スリーブ８の下端面８ｃの全面または一部環状領域には、スラスト動圧発生部として、図３（ｂ）に示すように、複数の動圧溝８ｃ１をスパイラル形状に配列した領域が形成される。この動圧溝８ｃ１の形成領域は、スラスト軸受面としてフランジ部２ｂの上端面２ｂ１と対向し、軸部材２の回転時には、上端面２ｂ１との間に後述する第１スラスト軸受部Ｔ１のスラスト軸受隙間を形成する（図２を参照）。

軸受スリーブ８の上端面８ｄの、径方向の略中央部には、図３（ａ）に示すように、Ｖ字断面の周方向溝８ｄ１が全周に亘って形成される。周方向溝８ｄ１によって区画された上端面８ｄの内径側領域には、１又は複数本の半径方向溝８ｄ２が形成される。軸受スリーブ８にシール部９を当接させた状態で、シール部９の下端面９ｂの外径側領域と軸受スリーブ８の上端面８ｄとの間の隙間、周方向溝８ｄ１、および半径方向溝８ｄ２で、流体流路１０ｃを構成する（図２参照）。

ハウジング７は、側部７ａおよび底部７ｂを有するコップ状に形成される。ハウジング７の内底面７ｂ１の全面又は一部環状領域には、スラスト動圧発生部として、複数の動圧溝をスパイラル形状に配列した領域が形成される（図示省略）。この動圧溝の形成領域は、スラスト軸受面としてフランジ部２ｂの下端面２ｂ２と対向し、軸部材２の回転時には、下端面２ｂ２との間に後述する第２スラスト軸受部Ｔ２のスラスト軸受隙間を形成する（図２を参照）。

ハウジング７の内周面７ａ１には、円周方向の凹部が１又は複数本形成され、それ以外の部分はアンダーカットのない形状に形成される。本実施形態では、環状溝１１が、内周面７ａ１の軸方向およそ中央部に１本形成される。

ハウジング７は、ＬＣＰやＰＰＳ、ＰＥＥＫ等の結晶性樹脂、あるいはＰＳＵ、ＰＥＳ、ＰＥＩ等の非晶性樹脂をベース樹脂とする樹脂組成物で射出成形される。ハウジング７を形成する上記樹脂組成物としては、例えば、ガラス繊維等の繊維状充填材、チタン酸カリウム等のウィスカ状充填材、マイカ等の鱗片状充填材、カーボン繊維、カーボンブラック、黒鉛、カーボンナノマテリアル、各種金属粉等の繊維状または粉末状の導電性充填材を、目的に応じて上記ベース樹脂に適量配合したものが使用可能である。

ハウジング７の成形工程を、図４を用いて説明する。まず、可動型１２に設けられたシャフト部１２ａの外周に、環状溝１１を形成するための環状部材１４（凹部形成部材）を外挿し、シャフト部１２ａの外周面上に例えば圧入により固定する。この状態で可動型１２と固定型１３とを型締めし、キャビティに溶融樹脂を射出することにより、ハウジング７を環状部材１４と一体に成形する（図４（ａ）参照）。環状部材１４に用いられる材料は、特定の溶媒で溶融し、射出成形時の成形温度に耐え得る耐熱性を有するものが使用できる。また、環状部材１４を溶融する溶媒は、ハウジング７の樹脂材料になるべく影響を与えないものが好ましい。このような条件を満たす材料として、例えばポリアクリル酸、ポリアクリルアミド、ポリビニルピロリドン等の水溶性樹脂に、適宜の充填剤を配合した樹脂材料が使用できる。

射出された溶融樹脂が固化した後、型開きと同時にシャフト部１２ａをハウジング７の内周から引き抜き、ハウジング７と環状部材１４との一体成形品を金型から取り出す。このとき、シャフト部１２ａに外挿された環状部材１４はハウジング７に保持されているため、シャフト部１２ａと環状部材１４が分離し、ハウジング７および環状部材１４の一体品が取り出される（図４（ｂ）参照）。その後、特定の溶媒を用いて環状部材１４を溶融させると、ハウジング７の内周面７ａ１に、環状部材１４により成形された成形面からなる環状溝１１が形成される（図４（ｃ）参照）。このように、環状溝１１が成形面で形成されることにより、例えば切削等の機械加工で形成する場合のように別途の工程や装置を必要とせず、簡易に形成することができるため、製造コストの低減が図られる。

こうして形成されたハウジング７の内周面に、軸受スリーブ８の外周面８ｂが、例えば圧入接着により固定される。このとき、環状溝１１が接着剤溜りとして機能するため、ハウジング７と軸受スリーブ８との固定力が向上する。これにより、衝撃荷重等によりハウジング７と軸受スリーブ８との固定がずれる危険性を回避することができる。特に、本実施形態のように、複数枚のディスクが搭載されることにより、装置の重量が増し、衝撃荷重が増大するおそれのある軸受装置には、本発明が好適に適用される。

ハウジング７と軸受スリーブ８との固定に用いられる接着剤として、例えば熱硬化性接着剤が使用できる。この場合、環状溝１１に充満されるように接着剤を塗布し、ハウジング７の内周に軸受スリーブ８を挿入した後、これらを昇温することにより接着剤を硬化させる。この昇温時には、樹脂製のハウジング７と金属製の軸受スリーブ８との線膨張係数の違いより、ハウジング７の内周面７ａの環状溝１１と軸受スリーブ８の外周面８ｂとの間の隙間が径方向で僅かに広がり、この状態で接着剤が硬化する。その後、常温に戻ることで、拡径していたハウジング７の内周面７ａが縮径すると、拡径状態で硬化した接着剤を介して軸受スリーブ８が外周から圧迫され、軸受スリーブ８の内周面８ａが変形するおそれがある。この変形がラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２の軸受隙間に及ばないように、環状溝１１の軸方向位置は、ラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２の形成領域を避け、例えばこれらの軸方向間領域に設けることが好ましい（図２参照）。

また、ハウジング７の内周面７ａ１のうち、軸受スリーブ８が固定される円筒面７ａ１１の面精度が悪いと、軸受スリーブ８の固定精度が低下し、軸部材２の回転精度が低下する恐れがある。本実施形態では、図４（ａ）で示すように、ハウジング７の円筒面７ａ１１は固定型１２のシャフト部１２ａの外周面で成形されるため、金型を精度良く加工することで、高精度に形成することができる。

シール部９は、図２に示すように、例えば金属材料や樹脂材料でハウジング７とは別体に形成され、ハウジング７の側部７ａの上端部内周に圧入、接着、溶着、溶接等の手段で固定される。この実施形態では、シール部９の固定は、シール部９の下端面９ｂを軸受スリーブ８の上端面８ｄに当接させた状態で行われる（図２を参照）。

シール部９の内周面９ａにはテーパ面が形成されており、このテーパ面と、テーパ面に対向する軸部２ａの外周面２ａ１との間には、上方に向けて半径方向寸法が漸次拡大する環状のシール空間Ｓが形成される。シール部９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、ハウジング７内が潤滑油で満たされる（図２中の散点領域）。この状態では、潤滑油の油面はシール空間Ｓの範囲内に維持される。

上記構成の動圧軸受装置１において、軸部材２の回転時、軸受スリーブ８のラジアル軸受面（内周面８ａの動圧溝８ａ１、８ａ２形成領域）は、軸部２ａの外周面２ａ１とラジアル軸受隙間を介して対向する。軸部材２の回転に伴い、上記ラジアル軸受隙間の潤滑油が動圧溝８ａ１、８ａ２の軸方向中心ｍ側に押し込まれ、その圧力が上昇する。このような動圧溝８ａ１、８ａ２の動圧作用によって、軸部材２をラジアル方向に非接触支持する第１ラジアル軸受部Ｒ１と第２ラジアル軸受部Ｒ２とが構成される。

これと同時に、軸受スリーブ８のスラスト軸受面（下端面８ｃの動圧溝８ｃ１形成領域）とこれに対向するフランジ部２ｂの上端面２ｂ１との間のスラスト軸受隙間、およびハウジング７のスラスト軸受面（上端面７ｂ１の動圧溝形成領域）とこれに対向するフランジ部２ｂの下端面２ｂ２との間のスラスト軸受隙間に、各動圧溝の動圧作用により潤滑油の油膜がそれぞれ形成される。そして、これら油膜の圧力によって、軸部材２をスラスト方向に非接触支持する第１スラスト軸受部Ｔ１と、第２スラスト軸受部Ｔ２とが構成される。

また、ハウジング７の下端内部に位置するスラスト軸受部Ｔ１、Ｔ２のスラスト軸受隙間と、ハウジング７の開口側に形成されるシール空間Ｓとの間が、ハウジング７の段部７ｄと軸受スリーブ８の下端面８ｃとで構成された流体流路１０ａ、軸受スリーブ８の外周面８ｂに形成された軸方向溝８ｅで構成された流体流路１０ｂ、およびシール部９の下端面９ｂと軸受スリーブ８の上端面８ｄとで構成された流体流路１０ｃを介して連通状態となる。これによれば、例えば何らかの理由でスラスト軸受部Ｔ１、Ｔ２の側の流体（潤滑油）圧力が過度に高まり、あるいは低下するといった事態を避けて、軸部材２をスラスト方向に安定して非接触支持することが可能となる。

また、この実施形態では、第１ラジアル軸受部Ｒ１の動圧溝８ａ１は、軸方向中心ｍに対して軸方向非対称（Ｘ１＞Ｘ２）に形成されているため（図３参照）、軸部材２の回転時、動圧溝８ａ１による潤滑油の引き込み力（ポンピング力）は上側領域が下側領域に比べて相対的に大きくなる。そして、この引き込み力の差圧によって、軸受スリーブ８の内周面８ａと軸部２ａの外周面２ａ１との間の隙間に満たされた潤滑油が下方に流動し、第１スラスト軸受部Ｔ１のスラスト軸受隙間→流体流路１０ａ→流体流路１０ｂ→流体流路１０ｃという経路を循環して、第１ラジアル軸受部Ｒ１のラジアル軸受隙間に再び引き込まれる。このように、潤滑油がハウジング７の内部空間を流動循環するように構成することで、軸受内部の圧力バランスが適正に保たれる。これにより、潤滑油の負圧発生に伴う気泡の生成を防止し、これに伴う潤滑油の漏れや振動の発生等の問題を解消することができる。

本発明の実施形態は上記に限られない。なお、以下の説明において、上記実施形態と同一の機能を有する箇所には、同一の符合を付し、説明を省略する。

図５に示す参考例としての流体軸受装置２１は、ハウジング７の側部７ａと軸受スリーブ８とが樹脂で一体に成形され、この一体成形品が外側部材Ａとなる。外側部材Ａの下 端開口部は、別体に形成された底部７ｂで閉塞される。内側部材Ｃとしての軸部材２の外周面２ａ１には、ヘリングボーン形状の動圧溝２ｃ１、２ｃ２が軸方向 に離隔した２つの領域に形成される。外側部材Ａの内周面８ａはラジアル軸受隙間に面すると共に、ラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２の軸方向間の領域に面する部分 に、円周方向の凹部となる環状溝１１が形成される。この環状溝１１は、上記実施形態と同様に、外側部材Ａの成形と同時に成形される。軸部材２の回転時に は、環状溝１１が逃げ部として機能し、軸部材２の回転トルクを低減させると同時に、ラジアル軸受隙間に油を供給する油溜りとして機能し、軸部材２と外側部 材Ａとの潤滑性を向上させる。

以上の実施形態では、外側部材Ａの内周面に形成される円周方向の凹部として、断面矩形の環状溝１１が形成される場合を示したが、凹部の形状はこれに限られない。例えば、凹部として、断面半円形の環状溝や、円周方向に離隔した複数の円弧状溝を形成してもよい。

また、以上の実施形態では、特定の溶媒で溶融可能な材料で形成した環状部材１４を用いて円周方向の凹部を形成する凹部形成部材を構成した場合を示したが、これに限らない。例えば、分割可能な複数の金属製の円弧状部材をインサートして外側部材Ａを成形し、一体成形品を金型から取り出したあと、円弧状部材を分割して外側部材Ａから取り外すことで、凹部を形成することができる。あるいは、環状部材１４を弾性変形可能な材料、例えばゴム系の材料で形成し、上記と同様に外側部材Ａのインサート成形後に取り外すことで、凹部を形成することもできる。

また、上記で示した動圧発生部は、各軸受隙間を介して対向する面に設けてもよい。また、動圧発生部の形状も上記に限らず、例えばラジアル軸受部の動圧発生部として、スパイラル形状の動圧溝や、ステップ軸受、多円弧軸受、あるいは円弧軸受等を形成することもできる。また、スラスト軸受部の動圧発生部として、ヘリングボーン形状の動圧溝や、ステップ軸受、波型軸受等を形成することもできる。

また、ラジアル軸受隙間を介して対向する軸部材２の外周面２ａ１および軸受スリーブ８の内周面８ａを何れも円筒面とし、真円軸受を構成することもできる。また、スラスト軸受部として、いわゆるピボット軸受を採用することもできる。

また、軸受内部に充填される潤滑流体として、上記では潤滑油が使用されているが、これに限らず、例えば潤滑グリースや磁性流体等を使用することもできる。

また、以上のような動圧軸受装置１、２１は、スピンドルモータに限らず、ファンモータ等の他のモータにも適用することができる。

動圧軸受装置１を組込んだスピンドルモータの断面図である。 動圧軸受装置１の断面図である。 軸受スリーブ８の（ａ）断面図、および（ｂ）下面図である。 外側部材Ａ（ハウジング７）の成形工程を示す断面図である。 参考例としての動圧軸受装置２１の断面図である。

符号の説明

１ 動圧軸受装置
２ 軸部材
７ ハウジング
８ 軸受スリーブ
９ シール部
１１ 環状溝
１２ 可動型
１３ 固定型
１４ 環状部材
Ａ 外側部材
Ｂ 中間部材
Ｃ 内側部材
Ｒ１、Ｒ２ ラジアル軸受部
Ｔ１、Ｔ２ スラスト軸受部
Ｓ シール空間

Claims (2)

1. 軸部材と、金属製の軸受スリーブと、内周面に軸受スリーブの外周面が圧入接着により固定され、樹脂で射出成形されたハウジングと、軸部材の外周面と軸受スリーブの内周面との間に形成され、潤滑流体で満たされたラジアル軸受隙間とを備え、ラジアル軸受隙間に形成された潤滑膜で軸部材を回転自在に支持する流体軸受装置において、
   ハウジングの内周面のうち、ラジアル軸受隙間の軸方向領域を避けた軸方向位置に、成形面からなる円周方向の凹部を設け、前記凹部が熱硬化性接着剤が充満された接着剤溜りとなることを特徴とする流体軸受装置。
2. 軸部材と、金属製の軸受スリーブと、内周面に軸受スリーブの外周面が圧入接着により固定されたハウジングと、軸部材の外周面と軸受スリーブの内周面との間に形成され、潤滑流体で満たされたラジアル軸受隙間とを備え、ラジアル軸受隙間に形成された潤滑膜で軸部材を回転自在に支持する流体軸受装置の製造方法であって、
   ハウジングを樹脂で射出成形するにあたり、金型のシャフト部の外周に凹部形成部材を配置するステップと、キャビティに溶融樹脂を射出し、ハウジング及び凹部形成部材を一体に成形するステップと、凹部形成部材をハウジングの内周面から除去することにより、ハウジングの内周面のうち、ラジアル軸受隙間の軸方向領域を避けた軸方向位置に、成形面からなる円周方向の凹部を形成するステップとを有し、
   前記凹部に熱硬化性接着剤を充満させた状態で、ハウジングの内周に軸受スリーブを挿入し、これらを昇温することにより、前記熱硬化性接着剤を硬化させる流体軸受装置の製造方法。

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