JP7467303B2 - 流体動圧軸受装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体動圧軸受装置に関する。

周知のように、流体動圧軸受装置は、高速回転、高回転精度および低騒音等の特長を有する。このため、流体動圧軸受装置は、例えば、ＨＤＤ等のディスク駆動装置に組み込まれるスピンドルモータ、ＰＣ等に組み込まれるファンモータ、あるいはレーザビームプリンタに組み込まれるポリゴンスキャナモータなどのモータ用軸受装置として好適に使用される。

例えば下記の特許文献１に開示されている流体動圧軸受装置は、円筒状の軸受スリーブ（軸受部材）と、軸受部材の内周に配置された軸部材と、軸受部材と軸部材の相対回転に伴って軸受部材の内周面と軸部材の外周面との間に形成されるラジアル軸受隙間と、ラジアル軸受隙間に生じる流体（例えば、潤滑油）の動圧作用で軸部材をラジアル方向に相対回転自在に非接触支持するラジアル軸受部とを備える。この場合、ラジアル軸受隙間を形成する対向二面の何れか一方には動圧発生部（ラジアル動圧発生部）が設けられる。

図６に、特許文献１の図２にも記載されている公知のラジアル動圧発生部を示す。同図に示すラジアル動圧発生部１００は、静止側の軸受部材１１０の内周面に設けられたものであって、軸方向に対して傾斜し、周方向に間隔を空けて設けられた複数の上側動圧溝１０１と、上側動圧溝１０１とは反対方向に傾斜し、周方向に間隔を空けて設けられた複数の下側動圧溝１０２と、両動圧溝１０１，１０２を区画する凸状の丘部（図中クロスハッチングで示す）１０３とで構成され、丘部１０３は全体としてヘリングボーン形状に形成されている。従って、凸状の丘部１０３は、周方向で隣り合う動圧溝間に設けられた傾斜丘部１０４と、上下の動圧溝１０１，１０２間に設けられた環状丘部１０５とからなる。

特開２０１１－１９６５４４号公報

図６に示す従来のラジアル動圧発生部１００でラジアル軸受隙間内の流体に動圧を発生させるためには、軸受部材１１０の内周に挿入された回転側の軸部材１１１が回転するのに伴ってラジアル軸受隙間内の流体を動圧溝１０１，１０２に沿って環状丘部１０５側に流動させ（図６中の黒塗り矢印参照）、環状丘部１０５に衝突させる必要がある。そのため、従来のラジアル動圧発生部１００を採用した場合、軸部材１１１の回転方向が一方向に限定される。従って、流体動圧軸受装置の組立時には、軸受部材１１０の姿勢に注意を払う必要があり、組立作業の作業性等に難がある。

また、ラジアル動圧発生部１００を採用した場合には、上記の理由から、ラジアル軸受隙間のうち環状丘部１０５の対向領域で動圧が発生する（環状丘部１０５の対向領域で油膜の圧力が高まる）ため、軸部材１１１が回転したときには、ラジアル動圧発生部１００のうち環状丘部１０５の形成領域に圧力（面圧）が集中的に負荷される。そのため、環状丘部１０５の摩耗が進展し易いという問題もある。

さらに、ラジアル動圧発生部１００を採用した場合、流体動圧軸受装置の起動・停止時のような低回転速度域では十分な動圧効果を得ることができず、軸部材１１１を精度良く支持することが難しいという問題も指摘されている。

そこで、本発明は、公知のラジアル動圧発生部が有する上記の各種問題点をまとめて解消し、これにより、組立作業性、耐久寿命および低回転速度域での回転精度が良好な流体動圧軸受装置を実現することを目的とする。

上記の目的を達成するために創案された本発明は、円筒状の軸受部材と、軸受部材の内周に配置された軸部材と、軸受部材の内周面および軸部材の外周面の何れか一方に設けられ、軸受部材と軸部材の相対回転に伴って両者間に形成されるラジアル軸受隙間内の流体に動圧作用を発生させるラジアル動圧発生部と、を備えた流体動圧軸受装置において、ラジアル動圧発生部が、周方向に沿って間隔を空けて設けられた複数の多角形丘部と、この多角形丘部を囲饒するように設けられた多角形溝部と、周方向で隣り合う２つの多角形溝部を連結する周方向溝部とからなることを特徴とする。なお、上記の「流体」は、潤滑油等の液体のみならず空気等の気体も含む概念である。

上記の構成を有するラジアル動圧発生部であれば、軸部材の回転方向（軸受部材と軸部材の相対回転方向）が正方向又は逆方向の何れであっても対応することができる。そのため、流体動圧軸受装置の組立時に、ラジアル動圧発生部が設けられた部材（例えば軸受部材）の組み込み方向（姿勢）を考慮する必要がなくなる。これにより、流体動圧軸受装置の組立作業性を高めることができる。

本発明で採用するラジアル動圧発生部は、周方向に間隔を空けて設けられた複数の多角形溝部と、周方向で隣り合う２つの多角形溝部を連結する周方向溝部とで構成された環状形態の溝パターンを有し、軸受部材と軸部材の相対回転時に上記溝パターンに沿って流れる流体は、溝同士の接続箇所（流体の流れ方向が変わる箇所）や複数の溝が合流する箇所において、その圧力が高められることになる。つまり、本発明に係るラジアル動圧発生部を採用した場合、ラジアル軸受隙間内の流体の圧力が高まる箇所（動圧が発生する箇所）は、図６に示す従来のラジアル動圧発生部１００を採用する場合のようにラジアル軸受隙間の軸方向一部領域（環状丘部１０５の対向領域）に限定されるわけではなく、ラジアル軸受隙間の軸方向複数箇所に分散されることになる。これにより、軸受部材と軸部材の相対回転時にラジアル動圧発生部の一部に面圧が集中的に負荷されることに起因したラジアル動圧発生部（特に丘部）の摩耗を可及的に防止することができる他、低回転速度域でも十分な動圧効果を得ることが可能となる。

上記構成のラジアル動圧発生部は、軸方向の一箇所のみに設けても良いし、軸方向に間隔を空けて複数設けても良い。ラジアル動圧発生部を軸方向の複数箇所に設ければ、軸受剛性を高めることができるので、軸受部材と軸部材の相対回転時における両者の接触頻度を減じる上で有利となる。これにより、軸受部材および／または軸部材の摩耗を抑える上で、また、両者の接触に起因した異音の発生を防止する上で一層有利となる。

ラジアル動圧発生部を有する上記一方の部材（軸受部材又は軸部材）は、焼結金属や多孔質樹脂などといった多孔質体で形成することができる。この種の多孔質体は加工性に優れるので、ラジアル動圧発生部の形状精度を高める上で有利となる。また、多孔質体は、その内部気孔に流体を保持することができるので、ラジアル軸受隙間に介在させるべき流体量が不足するのを防止する上で有利となる。このとき、多角形溝部および周方向溝部の表面開孔率を多角形丘部の表面開孔率よりも大きくしておけば、内部気孔に保持させた流体を多角形溝部および周方向溝部に積極的に供給し、多角形溝部および周方向溝部を潤沢な流体で満たすことができるので、所望の軸受性能を安定的に発揮することができる。

以上で説明した本発明に係る流体動圧軸受装置は、ファンモータ、スピンドルモータおよびポリゴンスキャナモータ等の各種モータ用軸受装置として好適に用い得る。

以上より、本発明によれば、図６に示す従来のラジアル動圧発生部１００が有する各種問題点をまとめて解消することができるので、組立作業性、耐久寿命および低回転速度域での回転精度（軸受性能）が良好な流体動圧軸受装置を実現することが可能となる。

ファンモータの一例を概念的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る流体動圧軸受装置の概略断面図である。 図２に示す軸受部材の内周面の部分展開平面図である。 （Ａ）図は、軸部材が正回転する場合の潤滑油の流通態様を説明する図、（Ｂ）図は、軸部材が逆回転する場合の潤滑油の流通態様を説明する図である。 （Ａ）～（Ｃ）図は、ラジアル動圧発生部の変形例を模式的に示す図である。 従来のラジアル動圧発生部が形成された軸受部材の縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１に、本発明の一実施形態に係る流体動圧軸受装置１、より詳細には軸回転型の流体動圧軸受装置１が組み込まれたファンモータの一例を概念的に示す。同図に示すファンモータは、流体動圧軸受装置１と、モータの静止側を構成するモータベース６と、モータベース６に固定されたステータコイル５と、モータの回転側を構成し、ファン（羽根）を有するロータ３と、ロータ３に固定され、ステータコイル５と半径方向のギャップを介して対向するロータマグネット４とを備える。流体動圧軸受装置１はモータベース６の内周に固定され、流体動圧軸受装置１の軸部材２にはロータ３が固定されている。このように構成されたファンモータにおいて、ステータコイル５に通電すると、ステータコイル５とロータマグネット４との間の電磁力でロータマグネット４が回転し、これに伴って軸部材２及びロータ３が一体的に回転する。

軸部材２が回転すると、ロータ３に設けられた羽根の形態に応じて図中上向き又は下向きに風が送られる。このため、軸部材２の回転時にはこの送風作用の反力として、軸部材２に図中下向き又は上向きの推力が作用する。ステータコイル５とロータマグネット４との間には、この推力を打ち消す方向の磁力（斥力）を作用させており、上記推力と磁力の大きさの差により生じたスラスト荷重が流体動圧軸受装置１のスラスト軸受部Ｔで支持される。上記推力を打ち消す方向の磁力は、例えば、ステータコイル５とロータマグネット４とを軸方向にずらして配置することにより発生させることができる（詳細な図示は省略）。また、軸部材２の回転時には、軸部材２にラジアル荷重が作用する。このラジアル荷重は、流体動圧軸受装置１のラジアル軸受部Ｒ１，Ｒ２で支持される。

図２に、図１に示す流体動圧軸受装置１を拡大して示す。以下では、説明の便宜上、図２の紙面下側を「下側」、図２の紙面上側を「上側」と言うが、流体動圧軸受装置１の使用姿勢を限定するわけではない。

図２に示す流体動圧軸受装置１は、回転側を構成する軸部材２と、静止側を構成するハウジング７、軸受部材８およびシール部材９と、ハウジング７の内部空間に充填された流体としての潤滑油（図示省略）とを備えた、いわゆる軸回転型の流体動圧軸受装置である。潤滑油は、ハウジング７の内部空間全域を満たすように充填される場合と、ハウジング７の内部空間の一部に充填される場合とがあるが、後者の場合でも、少なくとも軸部材２の外周面２ａと軸受部材８の内周面８ａの間の径方向隙間（ラジアル軸受部Ｒ１，Ｒ２のラジアル軸受隙間）およびスラスト軸受部Ｔを収容した底空間１０は潤滑油で満たされる。

軸部材２は、例えば、ステンレス鋼等の金属材料で形成され、その外周面２ａは凹凸のない平滑な円筒面に、またその下端面２ｂは凸球面に形成されている。軸部材２の上端には、羽根を有するロータ３（図１参照）が固定される。

ハウジング７は、黄銅等の軟質金属材料、又は樹脂材料により、円筒状の筒部７ａと、筒部７ａの下端開口を閉塞する底部７ｂと、筒部７ａと底部７ｂの境界部内周に設けられた段部７ｃとを一体に有する有底筒状に形成されている。本実施形態のハウジング７の内底面（底部７ｂの上端面）７ｂ１は、流体動圧軸受装置１の運転時に軸部材２をスラスト方向に接触支持するスラスト軸受部Ｔを形成する。そのため、図示は省略しているが、ハウジング７よりも耐摩耗性に優れた材料で形成された板状部材（スラストプレート）をハウジング７の底部７ｂに配置し、このスラストプレートで軸部材２を接触支持するようにしても良い。

シール部材９は、金属材料又は樹脂材料で円筒状に形成され、ハウジング７の筒部７ａの上端部内周に適宜の手段で固定される。シール部材９の内周面９ａは、対向する軸部材２の外周面２ａとの間にシール隙間Ｓを形成する。シール隙間Ｓの隙間幅は、軸部材２の外周面２ａと軸受部材８の内周面８ａとの間に形成される径方向隙間（ラジアル軸受隙間）の隙間幅よりも大きく設定される。

本実施形態の軸受部材８は、無数の内部気孔（多孔質組織）を有する多孔質体、例えば鉄および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、その内部気孔には潤滑油が含浸されている。軸受部材８としては、焼結金属以外の多孔質体（例えば多孔質樹脂）で形成されたものや、中実の軟質金属材料や樹脂材料などといった非多孔質材料で形成されたものを用いても良い。

本実施形態の軸受部材８は、その下端面８ｂをハウジング７の段部７ｃの上端面７ｃ１に当接させた状態でハウジング７の内周に固定されている。軸受部材８は、圧入、接着、又は圧入接着（圧入と接着の併用）等によってハウジング７に固定することができるが、本実施形態では、シール部材９とハウジング７の段部７ｃとで軸受部材８を軸方向両側から挟持することにより軸受部材８をハウジング７の内周に固定している。このような固定方法を採用すれば、ハウジング７に対してシール部材９を固定するのと同時に軸受部材８をハウジング７に固定することができるので、部材同士の組み付けに要する手間を軽減することができる。また、例えば、軸受部材８をハウジング７の筒部７ａの内周に大きな締め代をもって圧入すると、圧入に伴う軸受部材８の変形が軸受部材８の内周面８ａに波及し、ラジアル軸受隙間の幅精度、ひいてはラジアル軸受部Ｒ１，Ｒ２の軸受性能に悪影響が及ぶ可能性がある。本実施形態で採用している上記の固定方法では、このような問題発生を可及的に防止することができる。

図３に、軸受部材８の内周面８ａの部分展開平面図を示す。同図に示すように、軸受部材８の内周面８ａには、対向する軸部材２の外周面２ａとの間にラジアル軸受隙間を形成するラジアル軸受面が上下に離間した二箇所に設けられている。二つのラジアル軸受面には、それぞれ、ラジアル軸受隙間に介在する潤滑油に動圧作用を発生させるためのラジアル動圧発生部２０が設けられている。

各ラジアル動圧発生部２０は、周方向Ｙに沿って間隔を空けて設けられた複数の多角形丘部２１と、多角形丘部２１を囲饒するように設けられた多角形溝部２２と、周方向Ｙに延び、周方向Ｙで隣り合う２つの多角形溝部２２を連結する周方向溝部２３とからなる。図示例の多角形丘部２１は、平面視で八角形をなした丘部（凸状部）である。そのため、多角形丘部２１を囲饒するように設けられた多角形溝部２２は、八本の溝を八角形の形態に連結して構成される。なお、図示例の多角形丘部２１（およびその周囲を囲饒する多角形溝部２２）は、軸方向Ｘに延びる直線を中心とした線対称形状（左右対称形状）であると共に、周方向Ｙに延びる直線を中心とした線対称形状（上下対称形状）である。

以上の構成を有する流体動圧軸受装置１において、軸部材２が回転すると、軸受部材８の内周面８ａ（に軸方向に間隔を空けて設けられた２つのラジアル動圧発生部２０）と、これに対向する軸部材２の外周面２ａとの間にラジアル軸受隙間が形成される。また、軸受部材８を焼結金属の多孔質体で形成している本実施形態においては、軸部材２が回転すると、軸受部材８の内部気孔に含浸させた潤滑油が、軸部材２の回転に伴う圧力（負圧）の発生と昇温による潤滑油の熱膨張により軸受部材８の表面開孔を介して軸受部材８の外部に次々と滲み出し、ラジアル軸受隙間に引き込まれる。ラジアル軸受隙間に予め介在する潤滑油、および軸受部材８から滲み出てラジアル軸受隙間に引きまれた潤滑油は油膜を形成し、この油膜の圧力がラジアル動圧発生部２０の動圧作用によって高められる。これにより、軸部材２をラジアル方向に回転自在に非接触支持するラジアル軸受部Ｒ１，Ｒ２が上下に離間した二箇所に形成される。

また、これと同時に、軸部材２をスラスト方向に接触（点接触）支持するスラスト軸受部Ｔが形成される。前述したとおり、本実施形態においては、軸部材２を下方に押し付けるための外力（磁力）を軸部材２に作用させている。従って、軸部材２の回転に伴って底空間１０内の圧力が高まった場合でも、軸部材２が過浮上するのを可及的に防止することができる。なお、上記外力は必ずしも作用させる必要はなく、必要に応じて作用させれば良い。

以上で説明した流体動圧軸受装置１においては、ラジアル動圧発生部２０が、周方向Ｙに沿って間隔を空けて設けられた複数の多角形丘部２１と、この多角形丘部２１を囲饒するように設けられた多角形溝部２２と、周方向で隣り合う２つの多角形溝部２２を連結する周方向溝部２３とからなる。この場合、軸部材２が図４（Ａ）中に示す方向（正方向）に回転する場合と、軸部材が図４（Ｂ）中に示す方向（逆方向）に回転する場合とで、ラジアル軸受隙間に介在する潤滑油の流れる方向は反対になるものの、潤滑油の流れ方（多角形溝部２２と周方向溝部２３とからなる溝パターンに沿って流れる潤滑油の流れ方）に差が生じない。そのため、軸部材２の回転方向が正方向又は逆方向の何れであっても、ラジアル軸受隙間に形成される油膜圧力を適切に高め、所望の軸受性能を発揮し得るラジアル軸受部Ｒ１，Ｒ２を形成することができる。これにより、流体動圧軸受装置１の組立時に、ラジアル動圧発生部２０が設けられた部材（ここでは軸受部材８）の組み込み方向（姿勢）を考慮する必要がなくなるので、流体動圧軸受装置１の組立作業性を高めることができる。

本実施形態のラジアル動圧発生部２０は、周方向Ｙに間隔を空けて設けられた複数の多角形溝部２２と、周方向Ｙで隣り合う多角形溝部２２を連結する周方向溝部２３とで構成された帯状形態の溝パターンを有し、軸部材２の回転時に溝パターンに沿って流れる潤滑油は、図４（Ａ）（Ｂ）中に符号Ａで示す、溝同士の接続箇所（潤滑油の流れ方向が変わる箇所）や、図４（Ａ）（Ｂ）中に符号Ｂで示す、二本の溝が合流する箇所（溝パターンに沿って流れる潤滑油が合流する箇所）においてその圧力が高められる。

つまり、本実施形態のラジアル動圧発生部２０を採用した場合、ラジアル軸受隙間で油膜圧力が高まる箇所（動圧が発生する箇所）は、図６に示す従来のラジアル動圧発生部１００を採用する場合のようにラジアル軸受隙間の軸方向一部領域（環状丘部１０５の対向領域）に限定されるわけではなく、ラジアル軸受隙間の軸方向複数箇所に分散される。これに加え、ラジアル動圧発生部２０を構成する多角形丘部２１の軸方向幅は、従来のラジアル動圧発生部１００を構成する環状丘部１０５の軸方向幅よりも大きくすることができる。これにより、軸部材２の回転時にラジアル動圧発生部２０の一部に面圧が集中的に負荷されることに起因したラジアル動圧発生部２０（特に丘部としての多角形丘部２１）の摩耗を可及的に防止することができる他、低回転速度域でも十分な動圧効果を得ることが可能となる。

また、本実施形態では、ラジアル動圧発生部２０が形成された軸受部材８を、焼結金属の多孔質体で形成している。この種の多孔質体は加工性に優れるので、ラジアル動圧発生部２０の形状精度を高める上で、ひいてはラジアル軸受部Ｒ１，Ｒ２の軸受性能を高める上で有利となる。また、多孔質体からなる軸受部材８は、その内部気孔に潤滑油を保持することができるので、ラジアル軸受隙間に介在させるべき潤滑油量が不足するのを防止することができる。この点からも、ラジアル軸受部Ｒ１，Ｒ２の軸受性能を高めることができる。

なお、ラジアル動圧発生部２０を有する軸受部材８が多孔質体（焼結金属の多孔質体）で形成された本実施形態においては、多角形溝部２２および周方向溝部２２の表面開孔率を多角形丘部２１の表面開孔率よりも大きくしておくのが好ましい。このようにすれば、軸受部材８の内部気孔に保持させた潤滑油を多角形溝部２２および周方向溝部２３に積極的に供給し、多角形溝部２２および周方向溝部２３を潤沢な潤滑油で満たすことができるので、ラジアル軸受部Ｒ１，Ｒ２の軸受性能を安定的に発揮させる上で有利となる。

以上、本発明の一実施形態に係る流体動圧軸受装置１について説明を行ったが、流体動圧軸受装置１には本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことができる。

例えば、以上で説明した実施形態では、動圧軸受からなるラジアル軸受部を形成するためのラジアル動圧発生部２０を軸方向の二箇所に間隔を空けて配置したが、ラジアル動圧発生部２０は、軸方向の一箇所のみに設けても良いし、軸方向の三箇所以上に間隔を空けて配置しても良い。要するに、本発明は、ラジアル軸受部が軸方向の一箇所のみに設けられる流体動圧軸受装置１や、ラジアル軸受部が軸方向の三箇所以上に設けられる流体動圧軸受装置１にも適用することができる。また、ラジアル動圧発生部２０は、ラジアル軸受隙間を形成する対向二面（軸受部材８の内周面８ａおよび軸部材２の外周面２ａ）の何れか一方に設ければ良い。従って、ラジアル動圧発生部２０は、軸受部材８の内周面８ａに替えて軸部材２の外周面２ａに設けられる場合もある。

また、以上で説明したラジアル動圧発生部２０においては、平面視で八角形状をなした多角形丘部２１（および多角形溝部２２）を採用したが、多角形丘部２１（および多角形溝部２２）は、図５（Ａ）に示すような四角形状、図５（Ｂ）に示すような五角形状、図５（Ｃ）に示すような六角形状等、八角形以外の多角形状に形成しても構わない。

なお、多角形丘部２１を囲饒するように設けられる多角形溝部２２は、軸部材２の回転時にラジアル軸受隙間に介在する潤滑油が流通する油路として機能する。このため、油路上に少なくとも二つの鋭角部が形成されることになる三角形状の多角形溝部２２では、軸部材２の回転時に潤滑油を円滑に流通させることができず、ラジアル軸受部の軸受性能に悪影響が及ぶおそれがある。従って、多角形丘部２１（および多角形溝部２２）は、４個以上の角部を有する多角形状に形成するのが好ましい。

また、以上で説明した実施形態においては、周方向Ｙで隣り合う２つの多角形溝部２２を一本の周方向溝部２３で連結するようにしたが、周方向Ｙで隣り合う２つの多角形溝部２２は、互いに平行な二本以上の周方向溝部２３で連結しても構わない。

また、以上で説明した流体動圧軸受装置１においては、軸部材２を回転側とし、軸受部材８を静止側としたが、軸部材２が静止側を構成すると共に軸受部材８が回転側を構成する場合もある。すなわち、本発明は、いわゆる軸回転型の流体動圧軸受装置１のみならず、いわゆる軸固定型の流体動圧軸受装置１に適用することも可能である。

１ 流体動圧軸受装置
２ 軸部材
８ 軸受部材
２０ ラジアル動圧発生部
２１ 多角形丘部
２２ 多角形溝部
２３ 周方向溝部
Ｒ１，Ｒ２ ラジアル軸受部
Ｔ スラスト軸受部
Ｘ 軸方向
Ｙ 周方向

Claims (3)

1. 円筒状の軸受部材と、該軸受部材の内周に配置された軸部材と、前記軸受部材の内周面および前記軸部材の外周面の何れか一方に設けられ、前記軸受部材と前記軸部材の相対回転に伴って両者間に形成されるラジアル軸受隙間内の流体の動圧作用を発生させるラジアル動圧発生部と、を備えた流体動圧軸受装置において、
   前記ラジアル動圧発生部が、周方向に沿って間隔を空けて設けられた複数の多角形丘部と、該多角形丘部を囲饒するように設けられた多角形溝部と、周方向で隣り合う２つの前記多角形溝部を連結する周方向溝部とからなることを特徴とする流体動圧軸受装置。
2. 複数の前記ラジアル動圧発生部が軸方向に間隔を空けて設けられている請求項１に記載の流体動圧軸受装置。
3. 前記ラジアル動圧発生部を有する前記一方の部材が多孔質体からなり、
   前記多角形溝部および前記周方向溝部の表面開孔率が、前記多角形丘部の表面開孔率よりも大きい請求項１又は２に記載の流体動圧軸受装置。

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