JPWO2004094848A1 - 流体軸受装置及びディスク回転装置 - Google Patents

Abstract

軸又はスリーブの内周に動圧発生溝を有するラジアル軸受面を有し、軸とスリーブ間の隙間が潤滑剤で満たされている流体軸受装置において、流体軸受装置の軸受内部に入った空気によって軸受の隙間のオイルが押し出されるなどオイルの流出により軸受の隙間に油膜切れが発生することを防止するために、スリーブのロータハブ側の端面に円環状の凹部を設け、この凹部を覆うためのカバー板を取り付けて潤滑剤又は空気の溜まり部を構成する。スリーブのロータハブと反対の側には段部を設け、この段部と前記溜まり部との間を連通穴で連結する。流体軸受装置の内部の空気は流体軸受装置の動作中にこの連通穴を通って溜まり部に達し、溜まり部から外部へ排出される。

Description

本発明は、高速かつ高精度の回転が必要な回転装置の主軸部に用いられる流体軸受装置及びこれを備えるディスク回転装置に関する。

近年磁気ディスク等を用いた回転型の記録装置では、そのメモリー容量が増大するとともにデータの転送速度が高速化している。そのため、この種の記録装置に用いられるディスク回転装置は高速かつ高精度の回転を必要とするので、回転主軸部には流体軸受装置が用いられている。
以下図１８及び図１９を参照して従来の流体軸受装置について説明する。図１８において、軸３１は、ベース３５に取り付けられたスリーブ３２の軸受穴３２Ａに回転可能に挿入されている。軸３１は、図において下端部に一体に構成されたフランジ３３を有している。フランジ３３はスリーブ３２の段部３２Ｋに収納され、スラスト板３４に対向して回転可能に構成されている。軸３１には、ロータ磁石３８が固定されたロータハブ３６が取り付けられている。ロータハブ３６には、スペーサ４０とクランパー４１により保持された複数のディスク３９が取り付けられている。ロータ磁石３８に対向するモータステータ３７がベース３５に取り付けられている。スリーブ３２の軸受穴３２Ａの内周面には動圧発生溝３２Ｂ、３２Ｃが設けられている。フランジ３３の、スリーブ３２の段部３２Ｋとの対向面には動圧発生溝３３Ａが設けられている。フランジ３３の、スラスト板３４との対向面には動圧発生溝３３Ｂが設けられている。動圧発生溝３２Ｂ、３２Ｃ、３３Ａ及び３３Ｂを含む、軸３１及びフランジ３３と、スリーブ３２との隙間にはオイル４２が充填されている。スリーブ３２には、スリーブ３２の軸心にほぼ平行に１つ又はそれ以上の通気穴３２Ｅが設けられている。通気穴３２Ｅの図において下端は、スリーブ３２の下端部の、フランジ３３が存在する空間に連通している。通気穴３２Ｅの上端はスリーブ３２の上端面に開放されている。
以上のように構成された従来の流体軸受装置の動作を、図１８及び図１９を用いて説明する。図１８において、モータステータ３７に通電すると回転磁界が発生し、ロータ磁石３８、ロータハブ３６、軸３１及びフランジ３３が回転を始める。この時動圧発生溝３２Ｂ、３２Ｃ、３３Ａ、３３Ｂによりオイルにポンピング圧力が発生する。そのため軸３１は浮上しスラスト板３３及び軸受穴３２Ａの内周面に接触せずにオイル４２により潤滑されつつ回転する。ディスク３９には図示しない磁気ヘッドが当接して電気信号の記録再生を行う。
前記従来例の流体軸受装置では以下に説明する問題があった。
図１９は、図１８の軸３１及びスリーブ３２を含む要部断面図である。図１９に示すように、軸３１はスリーブ３２の軸受穴３２Ａ内においてオイル４２により潤滑されながら回転する。流体軸受装置では、流体軸受装置を組み立てた時、あるいは流体軸受装置の輸送中に、軸受穴３２Ａ内のオイルにループ４３Ａ、４３Ｂで示すように空気塊又は気泡が入ることがある（以下、空気４３Ａ、４３Ｂという）。例えば航空機で輸送中に周囲の気圧が変化した場合などに気泡が入ることがある。二組の動圧発生溝３２Ｂ、３２Ｃの近傍に入った空気４３Ａの体積が温度の上昇や気圧の低下で膨張すると、動圧発生溝３２Ｂの一部分が空気で覆われて油膜切れを生じる。また一部のオイルがオイル４２Ｂで示すように、流体軸受装置の外部に漏れてしまうことがあった。またフランジ３３の近傍に入った空気４３Ｂが膨張すると、通気穴３２Ｅ内のハッチングをしたオイル４２Ａは膨張した空気４３Ｃにより上方に押し上げられ、上部の開放部からオイル４２Ｄで示すように流体軸受装置の外部へ漏れてしまうことがあった。オイル４２が外部に漏れると軸受内部でオイル量の不足が生じる。そのため回転中に軸３１とスリーブ３２が接触して、信頼性を著しく悪化させるおそれがある。
また、図１９に示すように、従来の流体軸受装置にＧ１に示す方向に落下衝撃荷重（加速度）が加わった場合にも、オイル４２がオイル４２Ｂに示すように外部へ漏れるおそれがあった。

本発明は、流体軸受装置内に充填したオイル等の潤滑剤が軸受外に漏れ出すのを防止して、信頼性の高い流体軸受装置及びこれを有するディスク回転装置を提供することを目的とする。
本発明の流体軸受装置は、軸が回転可能に挿入される軸受穴を有するスリーブ、前記軸受穴の一方の端部近傍に潤滑剤及び空気が溜まる空間である溜まり部が形成されるように前記スリーブに設けたカバー板を有する。前記軸の一方の端部に、一方の面が前記スリーブの前記軸受穴の他方の端部近傍の端面に対向する略円板状のフランジが固定されている。前記フランジの他方の面に、前記スリーブの前記端面を含む領域を密閉するように設けたスラスト板が対向している。前記溜まり部と、前記フランジ及び前記スリーブの前記端面を含む前記スラスト板により密閉された領域とを連通するように連通路が形成されている。前記スリーブの前記軸受穴の内周面及び前記軸の外周面の少なくとも一方に、ヘリングボーンパターン形状の第１及び第２の動圧発生溝を前記軸の軸心に沿う方向に並べて設けている。またフランジとスラスト板のそれぞれの対向面の少なくとも一方、及びフランジと前記スリーブの前記端面とのそれぞれの対向面の少なくとも一方にヘリングボーンパターン形状の第３の動圧発生溝を設けている。前記第１、第２及び第３の動圧発生溝を含む前記軸とスリーブの間の隙間、及び前記フランジとスラスト板の間の隙間は潤滑剤で満たされている。前記スリーブ又は軸のいずれか一方が固定ベースに取り付けられ、他方が回転体に取り付けられる。
本発明によれば、潤滑剤及び空気の溜まり部と、フランジ及びスリーブの端面を含む密閉領域を連通路により連通している。そのため、軸とスリーブの軸受穴との間の隙間に充填されている潤滑剤が、流体軸受装置の動作中に前記連通路を通って循環する。潤滑剤の循環により、潤滑剤中に混入している気泡などの空気も潤滑剤と共に循環する。循環中に、潤滑剤に含まれる気泡が溜まり部に達すると、気泡は潤滑剤から分離されて外部に排出される。溜まり部がカバー板で覆われているので、潤滑剤が外部へ漏れることはない。このようにして、潤滑剤中の空気が流体軸受装置の動作中に自動的に除去されるので、流体軸受装置の組立時に潤滑剤に空気が混入していたとしても次第に除去され、流体軸受装置内には潤滑剤のみが存在することになる。潤滑剤は溜まり部から軸とスリーブの隙間に流入するが、このとき外部へ漏れることがないので、軸とスリーブ間において潤滑剤の不足や潤滑剤の膜切れ（油膜切れ）などが生じることはなく、流体軸受装置は安定して動作する。これにより、長期信頼性の高い流体軸受装置を実現することができる。
本発明の他の観点の流体軸受装置は、一方の端部に軸心に垂直なスラスト軸受面を有する軸、前記軸が回転可能に挿入され、ラジアル軸受として働く軸受穴を有するスリーブを有する。前記軸受穴の一方の端部近傍に潤滑剤及び空気が溜まる空間である溜まり部が形成されるように前記スリーブにカバー板が設けられている。前記スリーブの前記軸受穴の他方の端部を密閉し、かつ前記軸のスラスト軸受面に対向するようにスラスト板が設けられている。前記溜まり部と、前記スラスト板により密閉された前記軸受穴の他方の端部の領域を連通する連通路が形成されている。前記スリーブの前記軸受穴の内周面及び軸の外周面の少なくとも一方に、ヘリングボーンパターン形状の第１及び第２の動圧発生溝を前記軸の軸心に沿う方向に並べて設けている。また前記スラスト軸受面とスラスト板の各対向面の少なくとも一方にヘリングボーンパターン形状の第３の動圧発生溝を設けている。前記第１、第２及び第３の動圧発生溝を含む前記軸とスリーブの間の隙間及び前記スラスト軸受面とスラスト板との間の隙間を潤滑剤で満たしている。前記スリーブ又は軸のいずれか一方が固定ベースに取り付けられ、他方が回転体に取り付けられる。
本発明によれば、潤滑剤及び空気の溜まり部と、軸のスラスト軸受面及びスリーブの端面を含む密閉領域を連通路により連通している。従って、流体軸受装置の動作中に、軸とスリーブの軸受穴との間の隙間に充填されている潤滑剤が、前記連通路を通って流体軸受装置内を循環する。潤滑剤の循環により、潤滑剤中に混入している気泡などの空気も潤滑剤と共に循環する。循環中に、潤滑剤に含まれる気泡が溜まり部に達すると、気泡は潤滑剤から分離されて外部に排出される。このようにして、潤滑剤中の空気が流体軸受装置の動作中に自動的に除去されるので、流体軸受装置の組立時に潤滑剤に空気が混入していたとしても次第に除去され、流体軸受装置内には潤滑剤のみが存在することになる。潤滑剤が溜まり部から軸とスリーブの隙間に流入するとき外部へ漏れることがないので、軸とスリーブ間において潤滑剤の不足や潤滑剤の膜切れ（油膜切れ）などが生じることはなく、流体軸受装置は安定して動作する。これにより、長期信頼性の高い流体軸受装置を実現することができる。
本発明では軸のスラスト軸受面に第３の動圧発生溝を設けてスラスト軸受部を形成しているので、フランジを設ける必要がなく、構成が簡単になる。

図１は、本発明の第１実施例の流体軸受装置の断面図である。
図２は、本発明の第１実施例の流体軸受装置の軸及びスリーブを含む要部拡大断面図である。
図３は、本発明の第１実施例の流体軸受装置のフランジ３の平面図である。
図４は、本発明の第１実施例の流体軸受装置のフランジ３の底面図である。
図５は、本発明の第１実施例の流体軸受装置の動作を示す軸及びスリーブを含む要部断面図である。
図６は、本発明の第１実施例の流体軸受装置の他の動作を示す軸及びスリーブを含む要部断面図である。
図７は、本発明の第１実施例の流体軸受装置の他の動作を示す軸及びスリーブを含む要部断面図である。
図８は、本発明の第２実施例の流体軸受装置の軸とスリーブを含む要部断面図である。
図９は、本発明の第３実施例の流体軸受装置の軸とスリーブを含む要部断面図である。
図１０は、本発明の第４実施例の流体軸受装置の軸とスリーブを含む要部断面図である。
図１１は、本発明の第５実施例の流体軸受装置の軸とスリーブを含む要部断面図である。
図１２ａは、本発明の第５実施例の流体軸受装置のカバー板の斜視図である。
図１２ｂは、本発明の第５実施例の流体軸受装置のカバー板の断面図である。
図１３は、本発明の第６実施例の流体軸受装置の軸とスリーブを示す要部断面図である。
図１４ａは、本発明の第６実施例の流体軸受装置のカバー板の斜視図である。
図１４ｂは、本発明の第６実施例の流体軸受装置のカバー板の断面図である。
図１５は、本発明の第６実施例の流体軸受装置の別のカバー板の斜視図である。
図１６は、本発明の第７実施例の流体軸受装置の軸とスリーブを含む要部断面図である。
図１７は、本発明の第７実施例の流体軸受装置のラジアル軸受の隙間を示す断面図である。
図１８は、従来の流体軸受装置の断面図である。
図１９は、従来の流体軸受装置における軸とスリーブを含む要部断面図である。

以下本発明の流体軸受装置及びこれを有するディスク回転装置の好適な実施例について、図１から図１７を参照して説明する。
《第１実施例》
本発明の第１実施例の流体軸受装置について、図１から図７を参照して説明する。図１は本発明の第１実施例の流体軸受装置の断面図であり、図２は軸１及びスリーブ２を拡大して示す要部断面図である。図１において、スリーブ２は軸受穴２Ａを有し、この軸受穴２Ａに円柱状の軸１が回転可能に挿入されている。軸１の外周面とスリーブ２の軸受穴２Ａの内周面との間には微少な隙間がある。軸１の外周面及びスリーブ２の軸受穴２Ａの内周面の少なくとも一方に、溝を屈曲部で折曲げた既知のヘリングボーンパターン形状の動圧発生溝１Ｂ、１Ｃが形成されて「ラジアル軸受部」を形成している。ラジアル軸受部は、軸１の軸心から半径方向（ラジアル方向）において軸１を支持する。図１の例では、動圧発生溝１Ｂ、１Ｃは軸受穴２Ａの内周面に形成されている。動圧発生溝１Ｂ、１Ｃは、いずれも魚骨形状（ヘリングボーンパターン形状）を有している。図１において、動圧発生溝１Ｂ及び１Ｃの少なくとも一方（図１の例では１Ｂ）は、図２に示すように屈曲部１Ｋから下側の溝１Ｍの長さが、屈曲部１Ｋから上側の溝１Ｌの長さより短くなされている。
図１において、軸１の上端にはロータ磁石８を有するロータハブ１２が取り付けられている。軸１の下端には、軸１の軸心に直角な面を有し軸１より大きな直径を有するフランジ３が一体に設けられている。フランジ３の下面のスラスト軸受面３Ｆは、スリーブ２に固定されたスラスト板４に対向している。スラスト板４はフランジ３を含む、スリーブ２の軸受穴２Ａの端部領域を密閉している。フランジ３の下面またはスラスト板４の上面のいずれか一方（図１ではフランジ３の下面）には螺旋状または魚骨状（ヘリングボーンパターン）の動圧発生溝３Ｂが形成されて「スラスト軸受部」が構成されている。フランジ３の上面の外周部又は前記上面の外周部に対向するスリーブ２の段部２Ｄのいずれか一方（図１ではフランジ３の上面）には動圧発生溝３Ａが形成されている。スリーブ２の軸受穴２Ａには、図の上下方向の中間部に、内径を部分的に大きくした既知の隙間大部２Ｂが設けられているが、本発明に直接関係がないので説明は省略する。フランジ３はスリーブ２の段部２Ｄに収納されている。フランジ３の下面にはオイルを溜めるための隙間または凹所３Ｃが設けられている。
スリーブ２の図において上端面には、軸受穴２Ａを囲む円環状の溝である上部凹所２Ｃが設けられている。上部凹所２Ｃを覆うようにリング状のカバー板５がスリーブ２に取り付けられている。カバー板５はその外周部がスリーブ２の外周部に「かしめ」法などで固定されている。カバー板５の内周部は、スリーブ２の軸受穴２Ａの上端部との間に、後で詳しく説明するように、小さな隙間１５Ａを保つように取り付けられている。上部凹所２Ｃとカバー板５で形成される空間（隙間）を「上部溜まり部」１５という。上部溜まり部１５には必要に応じてオイルが蓄えられる。上部溜まり部１５において、カバー板５とスリーブ２で挟まれる隙間の寸法はラジアル方向で一定でない。すなわち軸１の外周面に対向する開口１５Ａ（即ち上部溜まり部１５の内周部分）では充分小さくなされており、溜まり部１５の外周部分では大きくなされている。
スリーブ２には軸受穴２Ａの軸心にほぼ平行に第１連通穴２Ｅが設けられている。第１連通穴２Ｅの上端はスリーブ２の上部溜まり部１５に連通し、下端はスリーブ２の段部２Ｄを含む空間に連通して連通路を形成している。スリーブ２は、モータステータ７が取り付けられたベース６に固定されている。軸１とスリーブ２の間の隙間及びフランジ３とスラスト板４の間の隙間を含む軸１とスリーブ２の軸受穴２Ａの間は、オイル等の潤滑剤１３（以下、オイルという）で満たされている。オイル１３はある程度粘性を有するので、図２に示すように軸１と軸受穴２Ａとの間に気泡１４が入ることがある。第１連通穴２Ｅ及び上部溜まり部１５にもオイルが入るが若干の空気（気泡）１４が存在している。ロータハブ１２には、図１に示すように複数のディスク９がスペーサ１０及びクランパー１１により取り付けられてディスク回転装置が構成される。
以上のように構成された流体軸受装置の動作を、図１から図７を用いて説明する。図１において、開示を省略した電源からモータステータ７に通電すると回転磁界が発生し、ロータ磁石８を取り付けたロータハブ１２が軸１、フランジ３、ディスク９、クランパー１１及びスペーサ１０と共に回転を始める。回転が始まると動圧発生溝１Ｂ、１Ｃ、３Ａ及び３Ｂはオイル１３を所定部位にかき集め既知のポンピング圧力を発生する。そのため軸１は浮上しスリーブ２及びスラスト板４に接触せずに高精度で回転する。図２は、流体軸受装置が回転しているとき、オイル１３の中に空気１４が混入している状態を示す。
図３は、スリーブ２の段部２Ｄに対向するフランジ３の上面に設けられた既知の動圧発生溝３Ａの例を示す平面図である。図４は、フランジ３の下面に設けられた既知の動圧発生溝３Ｂの例を示す平面図である。図３及び図４に示す屈曲した放射状の動圧発生溝３Ａ、３Ｂがオイルをかき集めて軸１の軸心に平行なスラスト方向の力を発生する。
図５は、本実施例の流体軸受装置の軸１とスリーブ２を拡大して示す要部断面図である。図５において、Ｓ１は動圧発生溝１Ｂ部の半径隙間の寸法を示し、Ｓ２は軸１の外周とカバー板５との間の半径隙間の寸法を示す。スリーブ２の軸受穴２Ａの上端部２Ｈは、その直径が軸受穴２Ａの直径より大きくなされている。「半径隙間の寸法」とは、軸１の軸心と、スリーブ２の軸受穴２Ａの中心軸とが一致している時の、軸１の外周と軸受穴２Ａの内周との間の隙間の寸法で定義される。Ｓ３は上部溜まり部１５の軸１に対向する部分、即ち内周部の隙間１５Ａの寸法を示す。Ｓ４は上部溜まり部１５の内部すなわち外周部における隙間の寸法を示す。本実施例では、半径隙間の寸法Ｓ１及びＳ２及び隙間の寸法Ｓ３及びＳ４を以下の関係になるように設定する。
Ｓ１＜Ｓ２、Ｓ１＜Ｓ３及びＳ３＜Ｓ４
このように各隙間を設定することにより、上部溜まり部１５に溜まっているオイルはその表面張力により隙間寸法Ｓ４より小さい隙間寸法Ｓ３の開口１５Ａの近傍に移動する。オイル１３は隙間寸法Ｓ３の開口１５Ａから更に隙間の小さい、半径隙間の寸法Ｓ１の軸１と軸受穴２Ａの間に入り、矢印１３Ａで示すようにラジアル軸受部である動圧発生溝１Ｂのある部分に流入してゆく。
ラジアル軸受の動圧発生溝１Ｂ、１Ｃの内、上部溜まり部１５に近い動圧発生溝１Ｂは、図５に示すように、動圧発生溝１Ｂの屈曲部１Ｋから上部の溝１Ｌの長さ（寸法Ｌに対応する）が、下部の溝１Ｍの長さ（寸法Ｍに対応する）より長くなされ（Ｌ＞Ｍ）、上下非対称のヘリングボーンパターンになされている。そのため、半径隙間の寸法Ｓ２の軸１と軸受穴２Ａの上端部２Ｈとの隙間に流入したオイルは流体軸受装置の起動時及び回転中のポンピング作用により動圧発生溝１Ｂ及びその下方の動圧発生溝１Ｃを含む軸１と軸受穴２Ａとの間のラジアル軸受内に吸引される。このようにして上部溜まり部１５にあるオイルは矢印１３Ａで示すようにラジアル軸受内部に流入してゆく。その結果、軸１と軸受穴２Ａとの間の隙間に矢印１３Ｃで示す方向にオイルの流れが生じる。そのためフランジ３の近傍にあるオイルは押されて連通穴２Ｅに流入し上部溜まり部１５に至る。そしてオイルは再びカバー板５とスリーブ２の間の開口１５Ａから軸１と軸受穴２Ａの間のラジアル軸受部に流入して流体軸受装置内を循環する。オイルの循環によって、オイル中の気泡１４もオイルと共に連通穴２Ｅを通って上部溜まり部１５に到達する。上部溜まり部１５に到達した気泡１４はカバー板５とスリーブ２の隙間から外部へ排出される。
空気の排出について図６を用いて更に詳しく説明する。図６は流体軸受装置内のオイルに入った空気の状態を示す要部断面図である。図において、流体軸受装置内に存在する気泡や空気塊などである空気１４Ａは、その量が多くなったり、周囲の温度が上昇して内部圧力が上昇したり、気圧の低下により膨張すると体積が大きくなる。このような場合空気１４Ａは第１連通穴２Ｅの下部入口２Ｆから第１連通穴２Ｅに入り、その中をオイルの移動とともに空気１４Ｄに示すように下から上へ向かって移動する。第１連通穴２Ｅの上端２Ｇに達した空気１４Ｄは上部溜まり部１５に入り、カバー板５とスリーブ２の間の小さな隙間から矢印Ｃに示すように外部に排出される。第１連通穴２Ｅ内においては、空気１４Ｄと共にオイル１３も一緒に下から上へ移動するが、オイル１３は上部溜まり部１５に運ばれた後その表面張力により上部溜まり部１５内に残る。そのため空気１４Ｄのみが排出される。このようにオイル１３が流体軸受装置の外へ押し出されたり漏れたりしないので、流体軸受装置内でオイル不足が生じて油膜切れを生じることはなく、流体軸受装置は安定して回転する。
図５に示す本実施例の具体例では、軸１の直径は１〜２０ミリメートルである。隙間寸法Ｓ３は３０〜１５０ミクロンメータ、ラジアル軸受の半径隙間の寸法Ｓ１は１〜１０ミクロンメータである。第１連通穴２Ｅの直径は０．３〜１．０ミリメートルの範囲にある。発明者の実験によれば、軸１の直径、隙間寸法Ｓ３、半径隙間の寸法Ｓ１及び第１連通穴２Ｅの直径が前記の範囲にあれば、オイル１３は流体軸受装置内に保持されて外部へ漏れず、空気１４のみが外部へ排出されることが確認された。
図６と類似の図７の要部断面図に示すように、発明者等は矢印Ｇ２の方向に落下衝撃荷重や、振動を加えて種々の試験を行った。その結果上部溜まり部１５に溜まっているオイル１３は表面張力により上部溜まり部１５内に保持されており流体軸受装置の外部へ流出しないことが確認された。この実験では、隙間寸法Ｓ２とＳ３を共に５０ミクロンメータ程度に設定することにより、流体軸受装置に加速度２５００Ｇ（作用時間は１〜１０ミリ秒）を加えた場合においてもオイル１３が流出しないことが確認された。
本実施例によれば、流体軸受装置のオイル中に入った気泡等の空気は、流体軸受装置の動作中に第１連通穴２Ｅを通ってスリーブ２の上部溜まり部１５へ移動し、そこから流体軸受装置の外部へ排出される。しかしオイルは上部溜まり部１５に留まり外部へ漏れることはない。例えば流体軸受装置の製造時にオイルの中に入った空気も流体軸受装置の使用中に除去されるので、流体軸受装置の長期の信頼性が向上する。なお図１では、スリーブ２に１つの第１連通穴２Ｅが図示されているが、スリーブ２に複数の第１連通穴２Ｅを設けてもよい。前記連通穴２Ｅの代わりに、図６に点線で示すようにスリーブ２の外周とベース板６との間に、上部溜まり部１５と段部２Ｄの空間とを連通する連通穴２Ｑを設けてもよい。この場合連通穴２Ｑのスリーブ２の外周部に沿う部分は、スリーブ２の外周に上下方向の溝を設ければよい。
《第２実施例》
図８は本発明における第２実施例の流体軸受装置の軸１とスリーブ２０の要部断面図である。図において、スリーブ２０の中央部分に、第１連通穴２Ｅと隙間大部２０Ｂとを連通する第２連通穴２０Ｊが設けられている。その他の構成は、図１に示す前記第１実施例の流体軸受装置と同じである。
第２連通穴２０Ｊを形成する方法としては、例えば図８に示すように、矢印２０Ｈで示す方向からドリルでスリーブ２０に穴をあける方法がある。穴をあけた後、スリーブ２０の外周の穴２０Ｋを栓１７で封止する。
本実施例の流体軸受装置では、第１連通穴２Ｅが第２連通穴２０Ｊを経てラジアル軸受の２組の動圧発生溝１Ｂ、１Ｃの間の空間に連通している。これにより動圧発生溝１Ｂを有する部分には、矢印１３Ａで示すように上部溜まり部１５からオイル１３が流入するとともに、矢印１３Ｄに示すように第２連通穴２０Ｊからもオイルが流入する。矢印１３Ｄの方向に流入したオイルは、矢印１３Ａの方向に流入したオイルと合流して、動圧発生溝１Ｂ及び１Ｃを含む、軸１と軸受穴２０Ａとの間の隙間を通って、下部入口２０Ｆから第１連通穴２０Ｅに戻る。オイル中に混入している空気は、オイルが矢印１３Ｇに示すように第２連通穴２０Ｊに流入するときオイルから分離される。分離された空気１４は矢印１４Ｆに示す方向に移動して上部溜まり部１５を経て外部へ排出される。
本実施例では、第２連通穴２０Ｊを設けたことによりオイルの移動が盛んになるので、オイル中の空気の除去も効率よく行われる。その結果として、流体軸受装置の信頼性が更に高くなる。また動作中に何らかの理由で流体軸受装置のオイル中に空気が入った場合でも速やかに排出されるので信頼性が高くなる。
《第３実施例》
図９は本発明の第３実施例の流体軸受装置の軸３０とスリーブ２を示す要部断面図である。図において、軸３０の、ロータリーハブ１２に連結される端部近傍に、軸３０の直径より細い直径を有する細径部３０Ａが設けられている。リング状のカバー板２５の内周端２５Ａの直径は、前記細径部３０Ａの直径より大きいが軸３０の直径より小さくなされいる。すなわちカバー板２５は、その内周端５Ａが軸３０とスリーブ２の間の隙間を覆うように構成されている。その他の構成は図１に示す前記第１実施例と同様である。この構成により、軸３０とカバー板２５との隙間から外部へオイル１３が漏れるのを更に確実に防止することができる。また、カバー板２５の内周端２５Ａの直径が軸３０の直径より小さいので、軸３０がスリーブ２の軸受穴２Ａから抜けることはない。すなわちカバー板２５は軸３０の抜け止め効果を有する。
図９において、動圧発生溝１Ｂ近傍の半径隙間の寸法をＳ１とし、軸３０とスリーブ２の上端部との半径隙間の寸法をＳ２とする。スリーブ２の軸受穴２Ａの上端部２Ｈは、その直径が軸受穴２Ａの直径より大きくなされている。カバー板２５と、スリーブ２の上部凹所２Ｃとで形成される上部溜まり部１５において、内周部の隙間の寸法をＳ３、カバー板２５と軸３０の上端との軸方向の隙間の寸法をＳ５とする。軸３０の細径部３０Ａとカバー板２５の内周部２５Ａとの間の半径隙間の寸法をＳ６とする。本実施例では上記の半径隙間の寸法Ｓ１が、各隙間の寸法Ｓ２、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ６より小さくなるように設定する（Ｓ１＜Ｓ２、Ｓ１＜Ｓ３、Ｓ１＜Ｓ５、Ｓ１＜Ｓ６）。オイルはその表面張力により最も隙間が小さい部分に流入する性質を有するので、上記のように設定すると、上部溜まり部１５に溜まっているオイルは、隙間の寸法がＳ１で最も小さい軸３０と軸受穴２Ａとの隙間に流入する。その結果、ラジアル軸受の動圧発生溝１Ｂ、１Ｃの領域にはオイルが十分に流入するので油膜切れが生じることはない。また、各隙間の寸法Ｓ２、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ６の関係を、隙間の寸法Ｓ２が隙間の寸法Ｓ６より小さく（Ｓ２＜Ｓ６）、隙間の寸法Ｓ３が隙間の寸法Ｓ６より小さく（Ｓ３＜Ｓ６）、かつ隙間の寸法Ｓ５が隙間の寸法Ｓ６より小さく（Ｓ５＜Ｓ６）なるように設定する。このように設定すると、最も大きい隙間の寸法Ｓ６を有する細径部３０Ａとカバー板２５の内周端２５Ａとの間からオイルが流れ出すことはない。
本実施例の流体軸受装置では、カバー板２５に排気孔２５Ｂを設けている。排気孔２５Ｂと、第１の連通穴２Ｅの上部溜まり部１５への開口とは、カバー板２５を含む面内でずらしてある（図１では１８０度）。排気孔２５Ｂと第１連通穴２Ｅの開口とが一致していると、第１連通孔２Ｅを通って上昇してきた空気が排気孔２５Ｂから排出されるときオイルも外へ飛び出すことがある。このオイルの飛び出しは、排気孔２５Ｂと第１連通穴２Ｅの開口部とを上記のようにずらすことにより防止することができる。第１の連通穴２Ｅの上端から出た空気は、上部溜まり部１５内をカバー板２５に沿って回り排気孔２５Ｂへ達したとき外部へ出てゆく。
《第４実施例》
図１０は、本発明の第４実施例の流体軸受装置の軸３５とスリーブ２を示す要部断面図である。軸３５は図において下端面３５Ｃに動圧発生溝３５Ｄが形成されている。従って軸３５には、図９に示す前記第３実施例の流体軸受装置のようなフランジ３を備えていない。その他の構成は図９に示すものと実質的に同様である。軸３５はロータハブ１２が取り付けられる軸端部に細径部３５Ａを有している。カバー板２５の内周端２５Ａの内径は前記細径部３５Ａの外径より大きくかつ軸３５の外径より小さくなされている。すなわちカバー板２５は内周端２５Ａが軸３０とスリーブ２の軸受穴２Ａとの間の隙間を覆うように構成している。これによって軸３５とスリーブ２の、図において上部の隙間からのオイル漏れを確実に防止することができる。
軸３５の下端面３５Ｃとスラスト板４の対向面の少なくとも一方に形成された動圧発生溝３５Ｄは（図１０では下端面３５Ｃ）、スラスト板４に対向し、スラスト板４との間でスラスト軸受を構成している。スリーブ２の図において下部に段部２Ｄが形成されている。スリーブ２の段部２Ｄを含む軸受穴２Ａの端部はスラスト板４によって密封されている。段部２Ｄとスラスト板４との間の空間は下部入口２Ｆで第１の連通穴２Ｅに連通している。第１の連通穴２Ｅはこの段部２Ｄと上部溜まり部１５との間を連通する連通路を形成している。
本実施例の流体軸受装置では、軸３５にフランジを設けておらず、軸３５の下端面３５Ｃに動圧発生溝３５Ｄを設けている。そのため前記の各実施例のものに比べて構造が簡単であり従って安価になる。
本実施例の流体軸受装置においても前記の各実施例と同様に、軸３５の外周面またはスリーブ２の内周面の少なくとも一方（図１０ではスリーブ２の内周面）にヘリングパターン状の浅溝からなる動圧発生溝２Ｂ、２Ｃを設け、軸３５とスリーブ２の隙間にはオイルなどの潤滑剤を満たしている。スリーブ２の上端面近傍に上部溜まり部１５を設け、上記溜まり部１５は第１連通穴２Ｅを経て軸３５の下端面３５Ｃの近傍の空間に連通している。これにより、オイル１３は上部溜まり部１５から軸３５とスリーブ２の隙間へ流入し、スリーブ２の下部から第１連通穴２Ｅを経て上部溜まり部１５へ戻る経路で循環する。オイル中に混入している空気はこの流体軸受装置の動作中にカバー板２５に設けられた排気孔２５Ｂから外部へ排出されるので、オイル中の空気はなくなり、軸３５の回りの隙間において油膜切れが生じることはない。これにより本実施例の流体軸受装置は長期間にわたり高信頼性を保つことができる。また本実施例の流体軸受装置を用いたディスク回転装置は長期の高い信頼性を有する。
本実施例の流体軸受装置においても、流体軸受内のオイルに混入した空気は容易に外部へ排出されるので流体軸受装置に生じがちであった油膜切れが防止され、長寿命かつ長期の高信頼性が得られる。
《第５実施例》
図１１は本発明の第５実施例の流体軸受装置の軸３５とスリーブ２を示す要部断面図である。図において、本実施例の流体軸受装置は、カバー板２７が図１０に示す前記第４実施例のカバー板２５と異なっている点を除いて図１０に示す前記第４実施例の流体軸受装置と同様の構成を有する。
本実施例におけるカバー板２７を図１２ａの斜視図及び図１２ｂのＸ１１ｂ−Ｘ１１ｂ断面図に示す。カバー板２７は、図１２ａ及び図１２ｂに示すように、下面に少なくとも１つの凹部２７Ｅを有する。凹部２７Ｅの反対側の上面には凸部２７Ｈが形成される。凹部２７Ｅの略中央部に排気孔２７Ｆを備えている。カバー板２７は、凹部２７Ｅが溜まり部１５に対向するようにスリーブ２に取り付けられている。
本実施例では、カバー板２７の凹部２７Ｅの部分において、カバー板２７と上部溜まり部１５との間の隙間が大きくなる。上部溜まり部１５内のオイルは、その表面張力により凹部２７Ｅの下方の隙間の大きい部分には入りにくいので、凹部２７Ｅ周辺の隙間の小さい部分に留まる。そのため凹部２７Ｅの中央部の排気孔２７Ｆがオイルでふさがれることがなく、溜まり部１５内の空気は排気孔２７Ｆからスムーズに排気される。
本実施例の流体軸受装置では、図１１に示すように、Ｓ１を動圧発生溝１Ｂ部の軸受穴２Ａと軸３５との半径隙間の寸法、Ｓ２を軸１の外周とスリーブ２の上端部２Ｈの内周との間の半径隙間の寸法、Ｓ３をカバー板２７と軸１の端部との隙間の寸法、Ｓ４を溜まり部１５の内部すなわち外周部における隙間の寸法とした場合、半径隙間の寸法Ｓ２及び隙間の寸法Ｓ３を半径隙間の寸法Ｓ１より大きくしている（Ｓ１＜Ｓ２、Ｓ１＜Ｓ３）。また隙間の寸法Ｓ４を隙間の寸法Ｓ３より大きく設定する（Ｓ４＞Ｓ３）。その結果、上部溜まり部１５内のオイルはその表面張力により寸法Ｓ３の小さい隙間の開口２７Ａの近傍に集まり、次に寸法Ｓ１を有する軸３５と軸受穴２Ａとの間のさらに小さい隙間（ラジアル軸受部）に流入する。
動圧発生溝１Ｂは、屈曲部１Ｋから上方の溝１Ｌの長さ（寸法Ｌに対応する）が、下方の溝１Ｍ（寸法Ｍに対応する）より長い（１Ｌ＞１Ｍ）。そのため、隙間寸法Ｓ２のスリーブ２の上端部２Ｈと軸３５の間に流入したオイルは、流体軸受装置の動作開始時及び動作中に動圧発生溝１Ｂのポンピング作用により、半径隙間の寸法Ｓ１の軸３５とスリーブ２の軸受穴２Ａとの隙間に引き込まれる。この動作により、上部溜まり部１５内のオイルは確実にラジアル軸受内に流入する。
スリーブ２と軸３５の間の隙間に充填しているオイル等の潤滑剤には微細な気泡の形で空気が混入している。オイルに混入している空気はその量が多い場合、周囲の温度が上昇して気泡の内部圧力が上昇し膨張した場合及び低圧の環境下で気泡が膨張した場合など体積が増大する。体積が増えた空気は第１連通穴２Ｅの下部入口２Ｆから空気１４で示すように第１連通穴２Ｅの中に入る。空気１４は更に図中の下から上に向かって移動し、上部溜まり部１５内に入る。上部溜まり部１５に入った空気は上部溜まり部１５内を回り、凹部２７Ｅに達すると矢印Ｃに示すように穴２７Ｆから外部に排出される。このとき第１連通穴２Ｅ内においては、空気１４とともにオイル１３も上方に移動する。しかしオイル１３は溜まり部１５に運ばれた後は空気と分離され、オイル１３だけがオイルの表面張力により上部溜まり部１５に残り、空気１４は矢印Ｃのように排気孔２７Ｆから排出される。このためオイル１３が流体軸受装置の外へ押し出されたり、漏れたりすることはない。これにより流体軸受装置は油膜切れを生じる事なく安定して回転できる。
本実施例において、軸１の直径は１〜２０ミリメートルであり、隙間の寸法Ｓ３は３０〜１５０ミクロンメータである。ラジアル軸受の半径隙間の寸法Ｓ１は１〜１０ミクロンメータであり、第１連通穴２Ｅの直径は０．３〜１．０ミリメートルである。上記の各寸法範囲にある流体軸受装置ではオイル１３は流体軸受装置の各隙間に良好に保持されるとともに、空気１４は良好に排出されることが確認された。
図１１において矢印Ｇ２の方向に落下衝撃荷重や振動が加わった場合においても、溜まり部１５に溜まっているオイル１３は表面張力により内部に保持され外部へ流出することはなかった。
発明者等の実験によると、図１１における隙間寸法Ｓ２と隙間寸法Ｓ３を、それぞれ５０マイクロメータ程度に設定すると、軸受は２５００Ｇの加速度（作用時間は１〜１０ミリ秒）が加わった場合においてもオイルの流出が起こらないことが確認され、流体軸受装置は軸３５とスリーブ２が非接触の状態を保ちつつ回転を続けることができた。
《第６実施例》
図１３は本発明の第６実施例の流体軸受装置の軸３５とスリーブ２を示す要部断面図である。本実施例では、カバー板２８が図１２に示す第５実施例の流体軸受装置のカバー板２７と異なる。その他の構成は図１１に示すものと同様である。本実施例のカバー板２８は、図１４ａの斜視図及び図１４ｂの断面図に示すように、リング状の板の内周部の一部分を板の面から盛り上がるように曲げて「盛り上がり部」２８Ｄを形成している。カバー板２８の盛り上がり部２８Ｄの反対面には凹部２８Ｅが形成される。カバー板２８Ｄは、凹部２８Ｅがスリーブ２の端面の直径の大きい上端部２Ｈに対向するようにスリーブ２に取り付けられる。凹部２８Ｅとスリーブ２の端面の対向部では凹部２８Ｅの凹み分だけ隙間が大きくなる。従って、オイルの表面張力により凹部２８Ｅ近傍にはオイルが集まらない。そのため第１の連通穴２Ｅを通って上部溜まり部１５に達した空気は環状の上部溜まり部１５を回り凹部２８Ｅに達するとそこからスムーズに外部へ排出される。オイルは表面張力により隙間の小さい部分に移動し、隙間の広い凹部２８Ｅ近傍には集まらないので、凹部２８Ｅから外部へオイルが漏れることはない。
本実施例によればカバー板２８の内周部を凹ませるという簡単な加工で凹部２８Ｅを形成することができる。
図１５は本実施例の流体軸受装置のカバー板２８の他の例のカバー板４０の斜視図である。カバー板４０を除く他の構成は図１３と同様である。図１５において、リング状のカバー板４０は内周部に切欠き部４０Ｅを有している。スリーブ２の内周部の上端部２Ｈの一部分が切欠き部４０Ｅによって外部につながるので、空気は切欠き部４０Ｅを経てスムーズに排出される。切欠き部４０Ｅは、カバー板４０をプレス加工等により製作するとき同時に形成できるなど、簡単な加工を加えることで出来る。加工が容易なことからコストも低減される。
《第７実施例》
図１６は本発明の第７実施例の流体軸受装置の軸３５とスリーブ２を示す要部断面図である。図１７は図１６のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ断面図である。本実施例ではカバー板４１の構成が、前記第６実施例と異なっており、その他の構成は第６実施例と同様である。
本実施例のカバー板４１は、一体に形成された円板状部４１Ａと円筒状部４１Ｂを有している。円筒状部４１Ｂには、スリーブ２の上部が圧入されるのが望ましい。スリーブ２を円筒状部４１Ｂに挿入し、接着してもよい。
前記各実施例の流体軸受装置では、軸３５は剛性が高い鉄系材料で構成される。またスリーブ２は切削加工性が非常によく、高い加工精度が容易に得られる快削黄銅等の銅系材料で構成される。カバー板４１は少なくともスリーブ２の材料よりも線膨張係数が小さい材料で作られる。一例としてカバー板４１を軸３５と同じような剛性が高い鉄系材料で作るのが望ましい。
しかしながら本実施例の流体軸受装置の軸３５及びスリーブ２をそれぞれ前記の材料で作ると、各材料の線膨張係数の違いから流体軸受装置が高温になると、スリーブ２が膨張する。その結果図１７に示すように、軸３５とスリーブ２との間の半径隙間の寸法Ｓ１が大きくなってしまう。そのため流体軸受の発生圧力が低下するとともに油膜の剛性が低下してしまうことがある。
そこで本実施例では軸１を鉄系材料のフェライト系またはマルテンサイト系ステンレス鋼（線膨張係数は１．０３×１０^−５／℃）で構成する。またスリーブ２を銅合金（線膨張係数は２．０５×１０^−５／℃）で構成する。またカバー板５をマルテンサイト系ステンレス鋼（線膨張係数は１．０３×１０^−５／℃）で構成する。このように各材料を選択すると、流体軸受装置の温度が上昇したとき、カバー板４１の円筒状部４１Ｂの膨張量は少なく内径はあまり広がらない。これに対してスリーブ２はカバー板４１の材料より線膨張係数の大きい材料で作られているので、温度が上昇したときスリーブ２の外径の膨張量はカバー板４１の円筒状部４１Ｂの内径の膨張量より大きい。しかしスリーブ２の外周に膨張量の少ないカバー板４１の円筒状部４１Ｂがあるため、スリーブ２の外周の熱膨張が抑制される。すなわち、スリーブ２に外周から圧力をかけてスリーブ２の内外径の拡大を抑制することができる。
本実施例によれば高温時でもスリーブ２の内外径の熱膨張量が少なく、軸１の膨張量と大差がなくなる。そのためラジアル軸受の半径隙間の寸法Ｓ１が温度変化によって大きく変化しないようにできる。その結果、流体軸受装置の温度による性能変化が抑制される。またカバー板４１の円筒状部４１Ｂをスリーブ２の外周に固定するため、カバー板４１がスリーブ２に強固に取り付けられ、軸１がスリーブ２から抜け出すおそれがなくなる。
本実施例によれば、流体軸受装置のオイルに混入した空気が容易に排出され、従来の軸受に生じがちであった油膜切れが防止されるとともに、流体軸受装置の温度が変化したときの、軸３５とスリーブ２の間の半径隙間の変化を最小限に抑制することができる。これにより温度変化のある使用環境でも高精度かつ長寿命の流体軸受装置を実現でき、この流体軸受装置を用いることで高精度かつ長寿命のディスク回転装置が得られる。

本発明は潤滑剤の漏出を防止し、長寿命かつ高信頼を保つ流体軸受装置及びこの流体軸受装置を有するディスク回転装置に利用可能である。

【書類名】明細書
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速かつ高精度の回転が必要な回転装置の主軸部に用いられる流体軸受装置及びこれを備えるディスク回転装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年磁気ディスク等を用いた回転型の記録装置では、そのメモリー容量が増大するとともにデータの転送速度が高速化している。そのため、この種の記録装置に用いられるディスク回転装置は高速かつ高精度の回転を必要とするので、回転主軸部には流体軸受装置が用いられている。
【０００３】
以下図１８及び図１９を参照して従来の流体軸受装置について説明する。図１８において、軸３１は、ベース３５に取り付けられたスリーブ３２の軸受穴３２Ａに回転可能に挿入されている。軸３１は、図において下端部に一体に構成されたフランジ３３を有している。フランジ３３はスリーブ３２の段部３２Ｋに収納され、スラスト板３４に対向して回転可能に構成されている。軸３１には、ロータ磁石３８が固定されたロータハブ３６が取り付けられている。ロータハブ３６には、スペーサ４０とクランパー４１により保持された複数のディスク３９が取り付けられている。ロータ磁石３８に対向するモータステータ３７がベース３５に取り付けられている。スリーブ３２の軸受穴３２Ａの内周面には動圧発生溝３２Ｂ、３２Ｃが設けられている。フランジ３３の、スリーブ３２の段部３２Ｋとの対向面には動圧発生溝３３Ａが設けられている。フランジ３３の、スラスト板３４との対向面には動圧発生溝３３Ｂが設けられている。動圧発生溝３２Ｂ、３２Ｃ、３３Ａ及び３３Ｂを含む、軸３１及びフランジ３３と、スリーブ３２との隙間にはオイル４２が充填されている。スリーブ３２には、スリーブ３２の軸心にほぼ平行に１つ又はそれ以上の通気穴３２Ｅが設けられている。通気穴３２Ｅの図において下端は、スリーブ３２の下端部の、フランジ３３が存在する空間に連通している。通気穴３２Ｅの上端はスリーブ３２の上端面に開放されている。
【０００４】
以上のように構成された従来の流体軸受装置の動作を、図１８及び図１９を用いて説明する。図１８において、モータステータ３７に通電すると回転磁界が発生し、ロータ磁石３８、ロータハブ３６、軸３１及びフランジ３３が回転を始める。この時動圧発生溝３２Ｂ、３２Ｃ、３３Ａ、３３Ｂによりオイルにポンピング圧力が発生する。そのため軸３１は浮上しスラスト板３３及び軸受穴３２Ａの内周面に接触せずにオイル４２により潤滑されつつ回転する。ディスク３９には図示しない磁気ヘッドが当接して電気信号の記録再生を行う。
【０００５】
前記従来例の流体軸受装置では以下に説明する問題があった。
図１９は、図１８の軸３１及びスリーブ３２を含む要部断面図である。図１９に示すように、軸３１はスリーブ３２の軸受穴３２Ａ内においてオイル４２により潤滑されながら回転する。流体軸受装置では、流体軸受装置を組み立てた時、あるいは流体軸受装置の輸送中に、軸受穴３２Ａ内のオイルにループ４３Ａ、４３Ｂで示すように空気塊又は気泡が入ることがある（以下、空気４３Ａ、４３Ｂという）。例えば航空機で輸送中に周囲の気圧が変化した場合などに気泡が入ることがある。二組の動圧発生溝３２Ｂ、３２Ｃの近傍に入った空気４３Ａの体積が温度の上昇や気圧の低下で膨張すると、動圧発生溝３２Ｂの一部分が空気で覆われて油膜切れを生じる。また一部のオイルがオイル４２Ｂで示すように、流体軸受装置の外部に漏れてしまうことがあった。またフランジ３３の近傍に入った空気４３Ｂが膨張すると、通気穴３２Ｅ内のハッチングをしたオイル４２Ａは膨張した空気４３Ｃにより上方に押し上げられ、上部の開放部からオイル４２Ｄで示すように流体軸受装置の外部へ漏れてしまうことがあった。オイル４２が外部に漏れると軸受内部でオイル量の不足が生じる。そのため回転中に軸３１とスリーブ３２が接触して、信頼性を著しく悪化させるおそれがある。
【０００６】
また、図１９に示すように、従来の流体軸受装置にＧ１に示す方向に落下衝撃荷重（加速度）が加わった場合にも、オイル４２がオイル４２Ｂに示すように外部へ漏れるおそれがあった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、流体軸受装置内に充填したオイル等の潤滑剤が軸受外に漏れ出すのを防止して、信頼性の高い流体軸受装置及びこれを有するディスク回転装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の流体軸受装置は、軸が回転可能に挿入される軸受穴を有するスリーブ、前記軸受穴の一方の端部近傍に潤滑剤及び空気が溜まる空間である溜まり部が形成されるように前記スリーブに設けたカバー板を有する。前記軸の一方の端部に、一方の面が前記スリーブの前記軸受穴の他方の端部近傍の端面に対向する略円板状のフランジが固定されている。前記フランジの他方の面に、前記スリーブの前記端面を含む領域を密閉するように設けたスラスト板が対向している。前記溜まり部と、前記フランジ及び前記スリーブの前記端面を含む前記スラスト板により密閉された領域とを連通するように連通路が形成されている。前記スリーブの前記軸受穴の内周面及び前記軸の外周面の少なくとも一方に、ヘリングボーンパターン形状の第１及び第２の動圧発生溝を前記軸の軸心に沿う方向に並べて設けている。またフランジとスラスト板のそれぞれの対向面の少なくとも一方、及びフランジと前記スリーブの前記端面とのそれぞれの対向面の少なくとも一方にヘリングボーンパターン形状の第３の動圧発生溝を設けている。前記第１、第２及び第３の動圧発生溝を含む前記軸とスリーブの間の隙間、及び前記フランジとスラスト板の間の隙間は潤滑剤で満たされている。前記スリーブ又は軸のいずれか一方が固定ベースに取り付けられ、他方が回転体に取り付けられる。
【０００９】
本発明によれば、潤滑剤及び空気の溜まり部と、フランジ及びスリーブの端面を含む密閉領域を連通路により連通している。そのため、軸とスリーブの軸受穴との間の隙間に充填されている潤滑剤が、流体軸受装置の動作中に前記連通路を通って循環する。潤滑剤の循環により、潤滑剤中に混入している気泡などの空気も潤滑剤と共に循環する。循環中に、潤滑剤に含まれる気泡が溜まり部に達すると、気泡は潤滑剤から分離されて外部に排出される。溜まり部がカバー板で覆われているので、潤滑剤が外部へ漏れることはない。このようにして、潤滑剤中の空気が流体軸受装置の動作中に自動的に除去されるので、流体軸受装置の組立時に潤滑剤に空気が混入していたとしても次第に除去され、流体軸受装置内には潤滑剤のみが存在することになる。潤滑剤は溜まり部から軸とスリーブの隙間に流入するが、このとき外部へ漏れることがないので、軸とスリーブ間において潤滑剤の不足や潤滑剤の膜切れ（油膜切れ）などが生じることはなく、流体軸受装置は安定して動作する。これにより、長期信頼性の高い流体軸受装置を実現することができる。
【００１０】
本発明の他の観点の流体軸受装置は、一方の端部に軸心に垂直なスラスト軸受面を有する軸、前記軸が回転可能に挿入され、ラジアル軸受として働く軸受穴を有するスリーブを有する。前記軸受穴の一方の端部近傍に潤滑剤及び空気が溜まる空間である溜まり部が形成されるように前記スリーブにカバー板が設けられている。前記スリーブの前記軸受穴の他方の端部を密閉し、かつ前記軸のスラスト軸受面に対向するようにスラスト板が設けられている。前記溜まり部と、前記スラスト板により密閉された前記軸受穴の他方の端部の領域を連通する連通路が形成されている。前記スリーブの前記軸受穴の内周面及び軸の外周面の少なくとも一方に、ヘリングボーンパターン形状の第１及び第２の動圧発生溝を前記軸の軸心に沿う方向に並べて設けている。また前記スラスト軸受面とスラスト板の各対向面の少なくとも一方にヘリングボーンパターン形状の第３の動圧発生溝を設けている。前記第１、第２及び第３の動圧発生溝を含む前記軸とスリーブの間の隙間及び前記スラスト軸受面とスラスト板との間の隙間を潤滑剤で満たしている。前記スリーブ又は軸のいずれか一方が固定ベースに取り付けられ、他方が回転体に取り付けられる。
【００１１】
本発明によれば、潤滑剤及び空気の溜まり部と、軸のスラスト軸受面及びスリーブの端面を含む密閉領域を連通路により連通している。従って、流体軸受装置の動作中に、軸とスリーブの軸受穴との間の隙間に充填されている潤滑剤が、前記連通路を通って流体軸受装置内を循環する。潤滑剤の循環により、潤滑剤中に混入している気泡などの空気も潤滑剤と共に循環する。循環中に、潤滑剤に含まれる気泡が溜まり部に達すると、気泡は潤滑剤から分離されて外部に排出される。このようにして、潤滑剤中の空気が流体軸受装置の動作中に自動的に除去されるので、流体軸受装置の組立時に潤滑剤に空気が混入していたとしても次第に除去され、流体軸受装置内には潤滑剤のみが存在することになる。潤滑剤が溜まり部から軸とスリーブの隙間に流入するとき外部へ漏れることがないので、軸とスリーブ間において潤滑剤の不足や潤滑剤の膜切れ（油膜切れ）などが生じることはなく、流体軸受装置は安定して動作する。これにより、長期信頼性の高い流体軸受装置を実現することができる。
【００１２】
本発明では軸のスラスト軸受面に第３の動圧発生溝を設けてスラスト軸受部を形成しているので、フランジを設ける必要がなく、構成が簡単になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下本発明の流体軸受装置及びこれを有するディスク回転装置の好適な実施例について、図１から図１７を参照して説明する。
【００１４】
（第１実施例）
本発明の第１実施例の流体軸受装置について、図１から図７を参照して説明する。図１は本発明の第１実施例の流体軸受装置の断面図であり、図２は軸１及びスリーブ２を拡大して示す要部断面図である。図１において、スリーブ２は軸受穴２Ａを有し、この軸受穴２Ａに円柱状の軸１が回転可能に挿入されている。軸１の外周面とスリーブ２の軸受穴２Ａの内周面との間には微少な隙間がある。軸１の外周面及びスリーブ２の軸受穴２Ａの内周面の少なくとも一方に、溝を屈曲部で折曲げた既知のヘリングボーンパターン形状の動圧発生溝１Ｂ、１Ｃが形成されて「ラジアル軸受部」を形成している。ラジアル軸受部は、軸１の軸心から半径方向（ラジアル方向）において軸１を支持する。図１の例では、動圧発生溝１Ｂ、１Ｃは軸受穴２Ａの内周面に形成されている。動圧発生溝１Ｂ、１Ｃは、いずれも魚骨形状（ヘリングボーンパターン形状）を有している。図１において、動圧発生溝１Ｂ及び１Ｃの少なくとも一方（図１の例では１Ｂ）は、図２に示すように屈曲部１Ｋから下側の溝１Ｍの長さが、屈曲部１Ｋから上側の溝１Ｌの長さより短くなされている。
【００１５】
図１において、軸１の上端にはロータ磁石８を有するロータハブ１２が取り付けられている。軸１の下端には、軸１の軸心に直角な面を有し軸１より大きな直径を有するフランジ３が一体に設けられている。フランジ３の下面のスラスト軸受面３Ｆは、スリーブ２に固定されたスラスト板４に対向している。スラスト板４はフランジ３を含む、スリーブ２の軸受穴２Ａの端部領域を密閉している。フランジ３の下面またはスラスト板４の上面のいずれか一方（図１ではフランジ３の下面）には螺旋状または魚骨状（ヘリングボーンパターン）の動圧発生溝３Ｂが形成されて「スラスト軸受部」が構成されている。フランジ３の上面の外周部又は前記上面の外周部に対向するスリーブ２の段部２Ｄのいずれか一方（図１ではフランジ３の上面）には動圧発生溝３Ａが形成されている。スリーブ２の軸受穴２Ａには、図の上下方向の中間部に、内径を部分的に大きくした既知の隙間大部２Ｂが設けられているが、本発明に直接関係がないので説明は省略する。フランジ３はスリーブ２の段部２Ｄに収納されている。フランジ３の下面にはオイルを溜めるための隙間または凹所３Ｃが設けられている。
【００１６】
スリーブ２の図において上端面には、軸受穴２Ａを囲む円環状の溝である上部凹所２Ｃが設けられている。上部凹所２Ｃを覆うようにリング状のカバー板５がスリーブ２に取り付けられている。カバー板５はその外周部がスリーブ２の外周部に「かしめ」法などで固定されている。カバー板５の内周部は、スリーブ２の軸受穴２Ａの上端部との間に、後で詳しく説明するように、小さな隙間１５Ａを保つように取り付けられている。上部凹所２Ｃとカバー板５で形成される空間（隙間）を「上部溜まり部」１５という。上部溜まり部１５には必要に応じてオイルが蓄えられる。上部溜まり部１５において、カバー板５とスリーブ２で挟まれる隙間の寸法はラジアル方向で一定でない。すなわち軸１の外周面に対向する開口１５Ａ（即ち上部溜まり部１５の内周部分）では充分小さくなされており、溜まり部１５の外周部分では大きくなされている。
【００１７】
スリーブ２には軸受穴２Ａの軸心にほぼ平行に第１連通穴２Ｅが設けられている。第１連通穴２Ｅの上端はスリーブ２の上部溜まり部１５に連通し、下端はスリーブ２の段部２Ｄを含む空間に連通して連通路を形成している。スリーブ２は、モータステータ７が取り付けられたベース６に固定されている。軸１とスリーブ２の間の隙間及びフランジ３とスラスト板４の間の隙間を含む軸１とスリーブ２の軸受穴２Ａの間は、オイル等の潤滑剤１３（以下、オイルという）で満たされている。オイル１３はある程度粘性を有するので、図２に示すように軸１と軸受穴２Ａとの間に気泡１４が入ることがある。第１連通穴２Ｅ及び上部溜まり部１５にもオイルが入るが若干の空気（気泡）１４が存在している。ロータハブ１２には、図１に示すように複数のディスク９がスペーサ１０及びクランパー１１により取り付けられてディスク回転装置が構成される。
【００１８】
以上のように構成された流体軸受装置の動作を、図１から図７を用いて説明する。図１において、開示を省略した電源からモータステータ７に通電すると回転磁界が発生し、ロータ磁石８を取り付けたロータハブ１２が軸１、フランジ３、ディスク９、クランパー１１及びスペーサ１０と共に回転を始める。回転が始まると動圧発生溝１Ｂ、１Ｃ、３Ａ及び３Ｂはオイル１３を所定部位にかき集め既知のポンピング圧力を発生する。そのため軸１は浮上しスリーブ２及びスラスト板４に接触せずに高精度で回転する。図２は、流体軸受装置が回転しているとき、オイル１３の中に空気１４が混入している状態を示す。
図３は、スリーブ２の段部２Ｄに対向するフランジ３の上面に設けられた既知の動圧発生溝３Ａの例を示す平面図である。図４は、フランジ３の下面に設けられた既知の動圧発生溝３Ｂの例を示す平面図である。図３及び図４に示す屈曲した放射状の動圧発生溝３Ａ、３Ｂがオイルをかき集めて軸１の軸心に平行なスラスト方向の力を発生する。
【００１９】
図５は、本実施例の流体軸受装置の軸１とスリーブ２を拡大して示す要部断面図である。図５において、Ｓ１は動圧発生溝１Ｂ部の半径隙間の寸法を示し、Ｓ２は軸１の外周とカバー板５との間の半径隙間の寸法を示す。スリーブ２の軸受穴２Ａの上端部２Ｈは、その直径が軸受穴２Ａの直径より大きくなされている。「半径隙間の寸法」とは、軸１の軸心と、スリーブ２の軸受穴２Ａの中心軸とが一致している時の、軸１の外周と軸受穴２Ａの内周との間の隙間の寸法で定義される。Ｓ３は上部溜まり部１５の軸１に対向する部分、即ち内周部の隙間１５Ａの寸法を示す。Ｓ４は上部溜まり部１５の内部すなわち外周部における隙間の寸法を示す。本実施例では、半径隙間の寸法Ｓ１及びＳ２及び隙間の寸法Ｓ３及びＳ４を以下の関係になるように設定する。
Ｓ１＜Ｓ２、Ｓ１＜Ｓ３及びＳ３＜Ｓ４
【００２０】
このように各隙間を設定することにより、上部溜まり部１５に溜まっているオイルはその表面張力により隙間寸法Ｓ４より小さい隙間寸法Ｓ３の開口１５Ａの近傍に移動する。オイル１３は隙間寸法Ｓ３の開口１５Ａから更に隙間の小さい、半径隙間の寸法Ｓ１の軸１と軸受穴２Ａの間に入り、矢印１３Ａで示すようにラジアル軸受部である動圧発生溝１Ｂのある部分に流入してゆく。
【００２１】
ラジアル軸受の動圧発生溝１Ｂ、１Ｃの内、上部溜まり部１５に近い動圧発生溝１Ｂは、図５に示すように、動圧発生溝１Ｂの屈曲部１Ｋから上部の溝１Ｌの長さ（寸法Ｌに対応する）が、下部の溝１Ｍの長さ（寸法Ｍに対応する）より長くなされ（Ｌ＞Ｍ）、上下非対称のヘリングボーンパターンになされている。そのため、半径隙間の寸法Ｓ２の軸１と軸受穴２Ａの上端部２Ｈとの隙間に流入したオイルは流体軸受装置の起動時及び回転中のポンピング作用により動圧発生溝１Ｂ及びその下方の動圧発生溝１Ｃを含む軸１と軸受穴２Ａとの間のラジアル軸受内に吸引される。このようにして上部溜まり部１５にあるオイルは矢印１３Ａで示すようにラジアル軸受内部に流入してゆく。その結果、軸１と軸受穴２Ａとの間の隙間に矢印１３Ｃで示す方向にオイルの流れが生じる。そのためフランジ３の近傍にあるオイルは押されて連通穴２Ｅに流入し上部溜まり部１５に至る。そしてオイルは再びカバー板５とスリーブ２の間の開口１５Ａから軸１と軸受穴２Ａの間のラジアル軸受部に流入して流体軸受装置内を循環する。オイルの循環によって、オイル中の気泡１４もオイルと共に連通穴２Ｅを通って上部溜まり部１５に到達する。上部溜まり部１５に到達した気泡１４はカバー板５とスリーブ２の隙間から外部へ排出される。
【００２２】
空気の排出について図６を用いて更に詳しく説明する。図６は流体軸受装置内のオイルに入った空気の状態を示す要部断面図である。図において、流体軸受装置内に存在する気泡や空気塊などである空気１４Ａは、その量が多くなったり、周囲の温度が上昇して内部圧力が上昇したり、気圧の低下により膨張すると体積が大きくなる。このような場合空気１４Ａは第１連通穴２Ｅの下部入口２Ｆから第１連通穴２Ｅに入り、その中をオイルの移動とともに空気１４Ｄに示すように下から上へ向かって移動する。第１連通穴２Ｅの上端２Ｇに達した空気１４Ｄは上部溜まり部１５に入り、カバー板５とスリーブ２の間の小さな隙間から矢印Ｃに示すように外部に排出される。第１連通穴２Ｅ内においては、空気１４Ｄと共にオイル１３も一緒に下から上へ移動するが、オイル１３は上部溜まり部１５に運ばれた後その表面張力により上部溜まり部１５内に残る。そのため空気１４Ｄのみが排出される。このようにオイル１３が流体軸受装置の外へ押し出されたり漏れたりしないので、流体軸受装置内でオイル不足が生じて油膜切れを生じることはなく、流体軸受装置は安定して回転する。
【００２３】
図５に示す本実施例の具体例では、軸１の直径は１〜２０ミリメートルである。隙間寸法Ｓ３は３０〜１５０ミクロンメータ、ラジアル軸受の半径隙間の寸法Ｓ１は１〜１０ミクロンメータである。第１連通穴２Ｅの直径は０．３〜１．０ミリメートルの範囲にある。発明者の実験によれば、軸１の直径、隙間寸法Ｓ３、半径隙間の寸法Ｓ１及び第１連通穴２Ｅの直径が前記の範囲にあれば、オイル１３は流体軸受装置内に保持されて外部へ漏れず、空気１４のみが外部へ排出されることが確認された。
【００２４】
図６と類似の図７の要部断面図に示すように、発明者等は矢印Ｇ２の方向に落下衝撃荷重や、振動を加えて種々の試験を行った。その結果上部溜まり部１５に溜まっているオイル１３は表面張力により上部溜まり部１５内に保持されており流体軸受装置の外部へ流出しないことが確認された。この実験では、隙間寸法Ｓ２とＳ３を共に５０ミクロンメータ程度に設定することにより、流体軸受装置に加速度２５００Ｇ（作用時間は１〜１０ミリ秒）を加えた場合においてもオイル１３が流出しないことが確認された。
【００２５】
本実施例によれば、流体軸受装置のオイル中に入った気泡等の空気は、流体軸受装置の動作中に第１連通穴２Ｅを通ってスリーブ２の上部溜まり部１５へ移動し、そこから流体軸受装置の外部へ排出される。しかしオイルは上部溜まり部１５に留まり外部へ漏れることはない。例えば流体軸受装置の製造時にオイルの中に入った空気も流体軸受装置の使用中に除去されるので、流体軸受装置の長期の信頼性が向上する。なお図１では、スリーブ２に１つの第１連通穴２Ｅが図示されているが、スリーブ２に複数の第１連通穴２Ｅを設けてもよい。前記連通穴２Ｅの代わりに、図６に点線で示すようにスリーブ２の外周とベース板６との間に、上部溜まり部１５と段部２Ｄの空間とを連通する連通穴２Ｑを設けてもよい。この場合連通穴２Ｑのスリーブ２の外周部に沿う部分は、スリーブ２の外周に上下方向の溝を設ければよい。
【００２６】
（第２実施例）
図８は本発明における第２実施例の流体軸受装置の軸１とスリーブ２０の要部断面図である。図において、スリーブ２０の中央部分に、第１連通穴２Ｅと隙間大部２０Ｂとを連通する第２連通穴２０Ｊが設けられている。その他の構成は、図１に示す前記第１実施例の流体軸受装置と同じである。
【００２７】
第２連通穴２０Ｊを形成する方法としては、例えば図８に示すように、矢印２０Ｈで示す方向からドリルでスリーブ２０に穴をあける方法がある。穴をあけた後、スリーブ２０の外周の穴２０Ｋを栓１７で封止する。
【００２８】
本実施例の流体軸受装置では、第１連通穴２Ｅが第２連通穴２０Ｊを経てラジアル軸受の２組の動圧発生溝１Ｂ、１Ｃの間の空間に連通している。これにより動圧発生溝１Ｂを有する部分には、矢印１３Ａで示すように上部溜まり部１５からオイル１３が流入するとともに、矢印１３Ｄに示すように第２連通穴２０Ｊからもオイルが流入する。矢印１３Ｄの方向に流入したオイルは、矢印１３Ａの方向に流入したオイルと合流して、動圧発生溝１Ｂ及び１Ｃを含む、軸１と軸受穴２０Ａとの間の隙間を通って、下部入口２０Ｆから第１連通穴２０Ｅに戻る。オイル中に混入している空気は、オイルが矢印１３Ｇに示すように第２連通穴２０Ｊに流入するときオイルから分離される。分離された空気１４は矢印１４Ｆに示す方向に移動して上部溜まり部１５を経て外部へ排出される。
【００２９】
本実施例では、第２連通穴２０Ｊを設けたことによりオイルの移動が盛んになるので、オイル中の空気の除去も効率よく行われる。その結果として、流体軸受装置の信頼性が更に高くなる。また動作中に何らかの理由で流体軸受装置のオイル中に空気が入った場合でも速やかに排出されるので信頼性が高くなる。
【００３０】
（第３実施例）
図９は本発明の第３実施例の流体軸受装置の軸３０とスリーブ２を示す要部断面図である。図において、軸３０の、ロータリーハブ１２に連結される端部近傍に、軸３０の直径より細い直径を有する細径部３０Ａが設けられている。リング状のカバー板２５の内周端２５Ａの直径は、前記細径部３０Ａの直径より大きいが軸３０の直径より小さくなされている。すなわちカバー板２５は、その内周端５Ａが軸３０とスリーブ２の間の隙間を覆うように構成されている。その他の構成は図１に示す前記第１実施例と同様である。この構成により、軸３０とカバー板２５との隙間から外部へオイル１３が漏れるのを更に確実に防止することができる。また、カバー板２５の内周端２５Ａの直径が軸３０の直径より小さいので、軸３０がスリーブ２の軸受穴２Ａから抜けることはない。すなわちカバー板２５は軸３０の抜け止め効果を有する。
【００３１】
図９において、動圧発生溝１Ｂ近傍の半径隙間の寸法をＳ１とし、軸３０とスリーブ２の上端部との半径隙間の寸法をＳ２とする。スリーブ２の軸受穴２Ａの上端部２Ｈは、その直径が軸受穴２Ａの直径より大きくなされている。カバー板２５と、スリーブ２の上部凹所２Ｃとで形成される上部溜まり部１５において、内周部の隙間の寸法をＳ３、カバー板２５と軸３０の上端との軸方向の隙間の寸法をＳ５とする。軸３０の細径部３０Ａとカバー板２５の内周部２５Ａとの間の半径隙間の寸法をＳ６とする。本実施例では上記の半径隙間の寸法Ｓ１が、各隙間の寸法Ｓ２、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ６より小さくなるように設定する（Ｓ１＜Ｓ２、Ｓ１＜Ｓ３、Ｓ１＜Ｓ５、Ｓ１＜Ｓ６）。オイルはその表面張力により最も隙間が小さい部分に流入する性質を有するので、上記のように設定すると、上部溜まり部１５に溜まっているオイルは、隙間の寸法がＳ１で最も小さい軸３０と軸受穴２Ａとの隙間に流入する。その結果、ラジアル軸受の動圧発生溝１Ｂ、１Ｃの領域にはオイルが十分に流入するので油膜切れが生じることはない。また、各隙間の寸法Ｓ２、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ６の関係を、隙間の寸法Ｓ２が隙間の寸法Ｓ６より小さく（Ｓ２＜Ｓ６）、隙間の寸法Ｓ３が隙間の寸法Ｓ６より小さく（Ｓ３＜Ｓ６）、かつ隙間の寸法Ｓ５が隙間の寸法Ｓ６より小さく（Ｓ５＜Ｓ６）なるように設定する。このように設定すると、最も大きい隙間の寸法Ｓ６を有する細径部３０Ａとカバー板２５の内周端２５Ａとの間からオイルが流れ出すことはない。
【００３２】
本実施例の流体軸受装置では、カバー板２５に排気孔２５Ｂを設けている。排気孔２５Ｂと、第１の連通穴２Ｅの上部溜まり部１５への開口とは、カバー板２５を含む面内でずらしてある（図１では１８０度）。排気孔２５Ｂと第１連通穴２Ｅの開口とが一致していると、第１連通孔２Ｅを通って上昇してきた空気が排気孔２５Ｂから排出されるときオイルも外へ飛び出すことがある。このオイルの飛び出しは、排気孔２５Ｂと第１連通穴２Ｅの開口部とを上記のようにずらすことにより防止することができる。第１の連通穴２Ｅの上端から出た空気は、上部溜まり部１５内をカバー板２５に沿って回り排気孔２５Ｂへ達したとき外部へ出てゆく。
【００３３】
（第４実施例）
図１０は、本発明の第４実施例の流体軸受装置の軸３５とスリーブ２を示す要部断面図である。軸３５は図において下端面３５Ｃに動圧発生溝３５Ｄが形成されている。従って軸３５には、図９に示す前記第３実施例の流体軸受装置のようなフランジ３を備えていない。その他の構成は図９に示すものと実質的に同様である。軸３５はロータハブ１２が取り付けられる軸端部に細径部３５Ａを有している。カバー板２５の内周端２５Ａの内径は前記細径部３５Ａの外径より大きくかつ軸３５の外径より小さくなされている。すなわちカバー板２５は内周端２５Ａが軸３０とスリーブ２の軸受穴２Ａとの間の隙間を覆うように構成している。これによって軸３５とスリーブ２の、図において上部の隙間からのオイル漏れを確実に防止することができる。
【００３４】
軸３５の下端面３５Ｃとスラスト板４の対向面の少なくとも一方に形成された動圧発生溝３５Ｄは（図１０では下端面３５Ｃ）、スラスト板４に対向し、スラスト板４との間でスラスト軸受を構成している。スリーブ２の図において下部に段部２Ｄが形成されている。スリーブ２の段部２Ｄを含む軸受穴２Ａの端部はスラスト板４によって密封されている。段部２Ｄとスラスト板４との間の空間は下部入口２Ｆで第１の連通穴２Ｅに連通している。第１の連通穴２Ｅはこの段部２Ｄと上部溜まり部１５との間を連通する連通路を形成している。
【００３５】
本実施例の流体軸受装置では、軸３５にフランジを設けておらず、軸３５の下端面３５Ｃに動圧発生溝３５Ｄを設けている。そのため前記の各実施例のものに比べて構造が簡単であり従って安価になる。
【００３６】
本実施例の流体軸受装置においても前記の各実施例と同様に、軸３５の外周面またはスリーブ２の内周面の少なくとも一方（図１０ではスリーブ２の内周面）にヘリングパターン状の浅溝からなる動圧発生溝２Ｂ、２Ｃを設け、軸３５とスリーブ２の隙間にはオイルなどの潤滑剤を満たしている。スリーブ２の上端面近傍に上部溜まり部１５を設け、上記溜まり部１５は第１連通穴２Ｅを経て軸３５の下端面３５Ｃの近傍の空間に連通している。これにより、オイル１３は上部溜まり部１５から軸３５とスリーブ２の隙間へ流入し、スリーブ２の下部から第１連通穴２Ｅを経て上部溜まり部１５へ戻る経路で循環する。オイル中に混入している空気はこの流体軸受装置の動作中にカバー板２５に設けられた排気孔２５Ｂから外部へ排出されるので、オイル中の空気はなくなり、軸３５の回りの隙間において油膜切れが生じることはない。これにより本実施例の流体軸受装置は長期間にわたり高信頼性を保つことができる。また本実施例の流体軸受装置を用いたディスク回転装置は長期の高い信頼性を有する。
【００３７】
本実施例の流体軸受装置においても、流体軸受内のオイルに混入した空気は容易に外部へ排出されるので流体軸受装置に生じがちであった油膜切れが防止され、長寿命かつ長期の高信頼性が得られる。
【００３８】
（第５実施例）
図１１は本発明の第５実施例の流体軸受装置の軸３５とスリーブ２を示す要部断面図である。図において、本実施例の流体軸受装置は、カバー板２７が図１０に示す前記第４実施例のカバー板２５と異なっている点を除いて図１０に示す前記第４実施例の流体軸受装置と同様の構成を有する。
【００３９】
本実施例におけるカバー板２７を図１２ａの斜視図及び図１２ｂのＸ１１ｂ−Ｘ１１ｂ断面図に示す。カバー板２７は、図１２ａ及び図１２ｂに示すように、下面に少なくとも１つの凹部２７Ｅを有する。凹部２７Ｅの反対側の上面には凸部２７Ｈが形成される。凹部２７Ｅの略中央部に排気孔２７Ｆを備えている。カバー板２７は、凹部２７Ｅが溜まり部１５に対向するようにスリーブ２に取り付けられている。
【００４０】
本実施例では、カバー板２７の凹部２７Ｅの部分において、カバー板２７と上部溜まり部１５との間の隙間が大きくなる。上部溜まり部１５内のオイルは、その表面張力により凹部２７Ｅの下方の隙間の大きい部分には入りにくいので、凹部２７Ｅ周辺の隙間の小さい部分に留まる。そのため凹部２７Ｅの中央部の排気孔２７Ｆがオイルでふさがれることがなく、溜まり部１５内の空気は排気孔２７Ｆからスムーズに排気される。
【００４１】
本実施例の流体軸受装置では、図１１に示すように、Ｓ１を動圧発生溝１Ｂ部の軸受穴２Ａと軸３５との半径隙間の寸法、Ｓ２を軸１の外周とスリーブ２の上端部２Ｈの内周との間の半径隙間の寸法、Ｓ３をカバー板２７と軸１の端部との隙間の寸法、Ｓ４を溜まり部１５の内部すなわち外周部における隙間の寸法とした場合、半径隙間の寸法Ｓ２及び隙間の寸法Ｓ３を半径隙間の寸法Ｓ１より大きくしている（Ｓ１＜Ｓ２、Ｓ１＜Ｓ３）。また隙間の寸法Ｓ４を隙間の寸法Ｓ３より大きく設定する（Ｓ４＞Ｓ３）。その結果、上部溜まり部１５内のオイルはその表面張力により寸法Ｓ３の小さい隙間の開口２７Ａの近傍に集まり、次に寸法Ｓ１を有する軸３５と軸受穴２Ａとの間のさらに小さい隙間（ラジアル軸受部）に流入する。
【００４２】
動圧発生溝１Ｂは、屈曲部１Ｋから上方の溝１Ｌの長さ（寸法Ｌに対応する）が、下方の溝１Ｍ（寸法Ｍに対応する）より長い（１Ｌ＞１Ｍ）。そのため、隙間寸法Ｓ２のスリーブ２の上端部２Ｈと軸３５の間に流入したオイルは、流体軸受装置の動作開始時及び動作中に動圧発生溝１Ｂのポンピング作用により、半径隙間の寸法Ｓ１の軸３５とスリーブ２の軸受穴２Ａとの隙間に引き込まれる。この動作により、上部溜まり部１５内のオイルは確実にラジアル軸受内に流入する。
【００４３】
スリーブ２と軸３５の間の隙間に充填しているオイル等の潤滑剤には微細な気泡の形で空気が混入している。オイルに混入している空気はその量が多い場合、周囲の温度が上昇して気泡の内部圧力が上昇し膨張した場合及び低圧の環境下で気泡が膨張した場合など体積が増大する。体積が増えた空気は第１連通穴２Ｅの下部入口２Ｆから空気１４で示すように第１連通穴２Ｅの中に入る。空気１４は更に図中の下から上に向かって移動し、上部溜まり部１５内に入る。上部溜まり部１５に入った空気は上部溜まり部１５内を回り、凹部２７Ｅに達すると矢印Ｃに示すように穴２７Ｆから外部に排出される。このとき第１連通穴２Ｅ内においては、空気１４とともにオイル１３も上方に移動する。しかしオイル１３は溜まり部１５に運ばれた後は空気と分離され、オイル１３だけがオイルの表面張力により上部溜まり部１５に残り、空気１４は矢印Ｃのように排気孔２７Ｆから排出される。このためオイル１３が流体軸受装置の外へ押し出されたり、漏れたりすることはない。これにより流体軸受装置は油膜切れを生じる事なく安定して回転できる。
【００４４】
本実施例において、軸１の直径は１〜２０ミリメートルであり、隙間の寸法Ｓ３は３０〜１５０ミクロンメータである。ラジアル軸受の半径隙間の寸法Ｓ１は１〜１０ミクロンメータであり、第１連通穴２Ｅの直径は０．３〜１．０ミリメートルである。上記の各寸法範囲にある流体軸受装置ではオイル１３は流体軸受装置の各隙間に良好に保持されるとともに、空気１４は良好に排出されることが確認された。
【００４５】
図１１において矢印Ｇ２の方向に落下衝撃荷重や振動が加わった場合においても、溜まり部１５に溜まっているオイル１３は表面張力により内部に保持され外部へ流出することはなかった。
【００４６】
発明者等の実験によると、図１１における隙間寸法Ｓ２と隙間寸法Ｓ３を、それぞれ５０マイクロメータ程度に設定すると、軸受は２５００Ｇの加速度（作用時間は１〜１０ミリ秒）が加わった場合においてもオイルの流出が起こらないことが確認され、流体軸受装置は軸３５とスリーブ２が非接触の状態を保ちつつ回転を続けることができた。
【００４７】
（第６実施例）
図１３は本発明の第６実施例の流体軸受装置の軸３５とスリーブ２を示す要部断面図である。本実施例では、カバー板２８が図１２に示す第５実施例の流体軸受装置のカバー板２７と異なる。その他の構成は図１１に示すものと同様である。本実施例のカバー板２８は、図１４ａの斜視図及び図１４ｂの断面図に示すように、リング状の板の内周部の一部分を板の面から盛り上がるように曲げて「盛り上がり部」２８Ｄを形成している。カバー板２８の盛り上がり部２８Ｄの反対面には凹部２８Ｅが形成される。カバー板２８Ｄは、凹部２８Ｅがスリーブ２の端面の直径の大きい上端部２Ｈに対向するようにスリーブ２に取り付けられる。凹部２８Ｅとスリーブ２の端面の対向部では凹部２８Ｅの凹み分だけ隙間が大きくなる。従って、オイルの表面張力により凹部２８Ｅ近傍にはオイルが集まらない。そのため第１の連通穴２Ｅを通って上部溜まり部１５に達した空気は環状の上部溜まり部１５を回り凹部２８Ｅに達するとそこからスムーズに外部へ排出される。オイルは表面張力により隙間の小さい部分に移動し、隙間の広い凹部２８Ｅ近傍には集まらないので、凹部２８Ｅから外部へオイルが漏れることはない。
【００４８】
本実施例によればカバー板２８の内周部を凹ませるという簡単な加工で凹部２８Ｅを形成することができる。
【００４９】
図１５は本実施例の流体軸受装置のカバー板２８の他の例のカバー板４０の斜視図である。カバー板４０を除く他の構成は図１３と同様である。図１５において、リング状のカバー板４０は内周部に切欠き部４０Ｅを有している。スリーブ２の内周部の上端部２Ｈの一部分が切欠き部４０Ｅによって外部につながるので、空気は切欠き部４０Ｅを経てスムーズに排出される。切欠き部４０Ｅは、カバー板４０をプレス加工等により製作するとき同時に形成できるなど、簡単な加工を加えることで出来る。加工が容易なことからコストも低減される。
【００５０】
（第７実施例）
図１６は本発明の第７実施例の流体軸受装置の軸３５とスリーブ２を示す要部断面図である。図１７は図１６のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ断面図である。本実施例ではカバー板４１の構成が、前記第６実施例と異なっており、その他の構成は第６実施例と同様である。
【００５１】
本実施例のカバー板４１は、一体に形成された円板状部４１Ａと円筒状部４１Ｂを有している。円筒状部４１Ｂには、スリーブ２の上部が圧入されるのが望ましい。スリーブ２を円筒状部４１Ｂに挿入し、接着してもよい。
【００５２】
前記各実施例の流体軸受装置では、軸３５は剛性が高い鉄系材料で構成される。またスリーブ２は切削加工性が非常によく、高い加工精度が容易に得られる快削黄銅等の銅系材料で構成される。カバー板４１は少なくともスリーブ２の材料よりも線膨張係数が小さい材料で作られる。一例としてカバー板４１を軸３５と同じような剛性が高い鉄系材料で作るのが望ましい。
【００５３】
しかしながら本実施例の流体軸受装置の軸３５及びスリーブ２をそれぞれ前記の材料で作ると、各材料の線膨張係数の違いから流体軸受装置が高温になると、スリーブ２が膨張する。その結果図１７に示すように、軸３５とスリーブ２との間の半径隙間の寸法Ｓ１が大きくなってしまう。そのため流体軸受の発生圧力が低下するとともに油膜の剛性が低下してしまうことがある。
【００５４】
そこで本実施例では軸１を鉄系材料のフェライト系またはマルテンサイト系ステンレス鋼（線膨張係数は１．０３×１０^−５／℃）で構成する。またスリーブ２を銅合金（線膨張係数は２．０５×１０^−５／℃）で構成する。またカバー板５をマルテンサイト系ステンレス鋼（線膨張係数は１．０３×１０^−５／℃）で構成する。このように各材料を選択すると、流体軸受装置の温度が上昇したとき、カバー板４１の円筒状部４１Ｂの膨張量は少なく内径はあまり広がらない。これに対してスリーブ２はカバー板４１の材料より線膨張係数の大きい材料で作られているので、温度が上昇したときスリーブ２の外径の膨張量はカバー板４１の円筒状部４１Ｂの内径の膨張量より大きい。しかしスリーブ２の外周に膨張量の少ないカバー板４１の円筒状部４１Ｂがあるため、スリーブ２の外周の熱膨張が抑制される。すなわち、スリーブ２に外周から圧力をかけてスリーブ２の内外径の拡大を抑制することができる。
【００５５】
本実施例によれば高温時でもスリーブ２の内外径の熱膨張量が少なく、軸１の膨張量と大差がなくなる。そのためラジアル軸受の半径隙間の寸法Ｓ１が温度変化によって大きく変化しないようにできる。その結果、流体軸受装置の温度による性能変化が抑制される。またカバー板４１の円筒状部４１Ｂをスリーブ２の外周に固定するため、カバー板４１がスリーブ２に強固に取り付けられ、軸１がスリーブ２から抜け出すおそれがなくなる。
【００５６】
本実施例によれば、流体軸受装置のオイルに混入した空気が容易に排出され、従来の軸受に生じがちであった油膜切れが防止されるとともに、流体軸受装置の温度が変化したときの、軸３５とスリーブ２の間の半径隙間の変化を最小限に抑制することができる。これにより温度変化のある使用環境でも高精度かつ長寿命の流体軸受装置を実現でき、この流体軸受装置を用いることで高精度かつ長寿命のディスク回転装置が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は潤滑剤の漏出を防止し、長寿命かつ高信頼を保つ流体軸受装置及びこの流体軸受装置を有するディスク回転装置に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【符号の説明】
【図１】本発明の第１実施例の流体軸受装置の断面図である。
【図２】本発明の第１実施例の流体軸受装置の軸及びスリーブを含む要部拡大断面図である。
【図３】本発明の第１実施例の流体軸受装置のフランジ３の平面図である。
【図４】本発明の第１実施例の流体軸受装置のフランジ３の底面図である。
【図５】本発明の第１実施例の流体軸受装置の動作を示す軸及びスリーブを含む要部断面図である。
【図６】本発明の第１実施例の流体軸受装置の他の動作を示す軸及びスリーブを含む要部断面図である。
【図７】本発明の第１実施例の流体軸受装置の他の動作を示す軸及びスリーブを含む要部断面図である。
【図８】本発明の第２実施例の流体軸受装置の軸とスリーブを含む要部断面図である。
【図９】本発明の第３実施例の流体軸受装置の軸とスリーブを含む要部断面図である。
【図１０】本発明の第４実施例の流体軸受装置の軸とスリーブを含む要部断面図である。
【図１１】本発明の第５実施例の流体軸受装置の軸とスリーブを含む要部断面図である。
【図１２ａ】本発明の第５実施例の流体軸受装置のカバー板の斜視図である。
【図１２ｂ】本発明の第５実施例の流体軸受装置のカバー板の断面図である。
【図１３】本発明の第６実施例の流体軸受装置の軸とスリーブを示す要部断面図である。
【図１４ａ】本発明の第６実施例の流体軸受装置のカバー板の斜視図である。
【図１４ｂ】本発明の第６実施例の流体軸受装置のカバー板の断面図である。
【図１５】本発明の第６実施例の流体軸受装置の別のカバー板の斜視図である。
【図１６】本発明の第７実施例の流体軸受装置の軸とスリーブを含む要部断面図である。
【図１７】本発明の第７実施例の流体軸受装置のラジアル軸受の隙間を示す断面図である。
【図１８】従来の流体軸受装置の断面図である。
【図１９】従来の流体軸受装置における軸とスリーブを含む要部断面図である。
【００５９】
１ 軸
２ スリーブ
３ フランジ
４ スラスト板
５ カバー板
６ ベース
７ モータステータ
９ ディスク
１０ スペーサ
１１ クランパー
２０ スリーブ
３０ 軸
３５ 軸

Claims (21)

1. 軸が回転可能に挿入される軸受穴を有するスリーブ、
   前記軸受穴の一方の端部近傍に潤滑剤及び空気が溜まる空間である溜まり部が形成されるように前記スリーブに設けたカバー板、
   前記軸の一方の端部に固定された、一方の面が前記スリーブの前記軸受穴の他方の端部近傍の端面に対向する略円板状のフランジ、
   前記フランジの他方の面に対向し、前記スリーブの前記端面を含む領域を密閉するように設けたスラスト板、及び
   前記溜まり部と、前記フランジ及び前記スリーブの前記端面を含む前記スラスト板により密閉された領域とを連通する連通路を備え、
   前記スリーブの前記軸受穴の内周面及び前記軸の外周面の少なくとも一方に、ヘリングボーンパターン形状の第１及び第２の動圧発生溝を前記軸の軸心に沿う方向に並べて設け、
   フランジとスラスト板のそれぞれの対向面の少なくとも一方にヘリングパターン形状の第３の動圧発生溝を設け、かつフランジと前記スリーブの前記端面とのそれぞれの対向面の少なくとも一方にヘリングボーンパターン形状の第４の動圧発生溝を設け、
   前記第１、第２、第３及び第４の動圧発生溝を含む前記軸とスリーブの間の隙間、及び前記フランジとスラスト板の間の隙間を潤滑剤で満たし、
   前記スリーブ又は軸のいずれか一方が固定ベースに取り付けられ、他方が回転体に取り付けられる
   ことを特徴とする流体軸受装置。
2. 一方の端部に軸心に垂直なスラスト軸受面を有する軸、
   前記軸が回転可能に挿入される軸受穴を有するスリーブ、
   前記軸受穴の一方の端部近傍に潤滑剤及び空気が溜まる空間である溜まり部が形成されるように前記スリーブに設けたカバー板、及び
   前記スリーブの前記軸受穴の他方の端部を密閉し、かつ前記軸のスラスト軸受面に対向するように設けたスラスト板、及び
   前記溜まり部と、前記スラスト板により密閉された前記軸受穴の他方の端部の領域を連通する連通路を備え、
   前記スリーブの前記軸受穴の内周面及び軸の外周面の少なくとも一方に、ヘリングボーンパターン形状の第１及び第２の動圧発生溝を前記軸の軸心に沿う方向に並べて設け、
   前記スラスト軸受面とスラスト板の各対向面の少なくとも一方にヘリングボーンパターン形状の第３の動圧発生溝を設け、
   前記第１、第２及び第３の動圧発生溝を含む前記軸とスリーブの間の隙間及び前記スラスト軸受面とスラスト板との間の隙間を潤滑剤で満たし、
   前記スリーブ又は軸のいずれか一方が固定ベースに取り付けられ、他方が回転体に取り付けられる
   ことを特徴とする流体軸受装置。
3. 前記スリーブは、前記フランジの近傍の前記スリーブの端部に形成した、直径が前記軸受穴の内径より大きい段部、及び
   前記段部を含む空間と、前記溜まり部とを連通する連通路としての連通穴を有する請求項１記載の流体軸受装置。
4. 前記スリーブは、前記軸のスラスト軸受面の近傍の前記スリーブの端部に形成した、直径が前記軸受穴の内径より大きい段部、及び
   前記段部を含む空間と、前記溜まり部とを連通する連通路としての連通穴を有する請求項２記載の流体軸受装置。
5. 前記軸は、他方の端部に前記軸の外径より小さい直径の細径部を有し、前記カバー板はその内径が前記細径部の直径より大きく、かつ前記軸の直径より小さいことを特徴とする請求項１記載の流体軸受装置。
6. 前記軸は、他方の端部に前記軸の外径より小さい直径の細径部を有し、前記カバー板はその内径が前記細径部の直径より大きく、かつ前記軸の直径より小さいことを特徴とする請求項２記載の流体軸受装置。
7. 前記第１及び第２の動圧発生溝のうち、少なくとも前記カバー板に近い方の動圧発生溝は、前記軸と前記軸受穴との間の隙間にある潤滑剤を、前記カバー板から前記フランジに向う方向に移動させるように、前記軸の軸心に垂直な面に対して非対称のヘリングボーンパターン形状になされていることを特徴とする請求項１記載の流体軸受装置。
8. 前記第１及び第２の動圧発生溝のうち、少なくとも前記カバー板に近い方の動圧発生溝は、前記軸と前記軸受穴との間の隙間にある潤滑剤を、前記カバー板から前記スラスト軸受面に向う方向に移動させるように、前記軸の軸心に垂直な面に対して非対称のヘリングボーンパターン形状になされていることを特徴とする請求項２記載の流体軸受装置。
9. 前記軸の軸心と、前記スリーブの軸受穴の中心軸とが一致している状態における前記軸とスリーブとの隙間で定義される半径隙間の寸法をＳ１で表し、前記軸とカバー板の内周との隙間の寸法をＳ２で表し、前記カバー板の内周端と前記スリーブの端面との隙間の寸法をＳ３で表し、及び前記カバー板の内周端を除く部分と前記スリーブの端面との隙間の寸法をＳ４で表すとき、
   隙間の寸法Ｓ１が隙間の寸法Ｓ２及びＳ３より小さく、かつ隙間の寸法Ｓ３が隙間の寸法Ｓ４より小さくなされていることを特徴とする請求項１記載の流体軸受装置。
10. 前記軸の軸心と、前記スリーブの軸受穴の中心軸とが一致している状態における前記軸とスリーブとの隙間で定義される半径隙間の寸法をＳ１で表し、前記軸とカバー板の内周との隙間の寸法をＳ２で表し、前記カバー板の内周端と前記スリーブの端面との隙間の寸法をＳ３で表し、及び前記カバー板の内周端を除く部分と前記スリーブの端面との隙間の寸法をＳ４で表すとき、
    隙間の寸法Ｓ１が隙間の寸法Ｓ２及びＳ３より小さく、かつ隙間の寸法Ｓ３が隙間の寸法Ｓ４より小さくなされていることを特徴とする請求項２記載の流体軸受装置。
11. 前記軸の細径部の外周と前記カバー板の内周との間の隙間の寸法をＳ６で表すとき、前記隙間の寸法Ｓ３が前記隙間の寸法Ｓ６より小さくなされていることを特徴とする請求項１０記載の流体軸受装置。
12. 前記カバー板は、前記潤滑剤及び空気の溜まり部と外部とを連通する少なくとも１つの通気孔を有する請求項１記載の流体軸受装置。
13. 前記通気孔は、前記潤滑剤及び空気の溜まり部となる空間側の面に凹部を有することを特徴とする請求項１２記載の流体軸受装置。
14. 前記通気孔は、前記カバー板の円周の一部分を隆起させて、前記潤滑剤及び空気の溜まり部となる空間側の面に凹部を形成したことを特徴とする請求項１２記載の流体軸受装置。
15. 前記通気孔は、前記カバー板の内周端に設けた切欠き部であることを特徴とする請求項１２記載の流体軸受装置。
16. 前記溜まり部は、前記軸に対向する部分の隙間が、他の部分の隙間より小さくなされていることを特徴とする請求項１記載の流体軸受装置。
17. 前記溜まり部は、前記スリーブの軸受穴の一方の端部の周囲に環状に形成した凹部、及び前記凹部を覆うカバー板により形成されることを特徴とする請求項１記載の流体軸受装置。
18. スリーブの端部とカバー板により形成された溜まり部の前記軸に対向する部分に、空気を排出するための隙間の大きい部分を設けたことを特徴とする請求項１６記載の流体軸受装置。
19. 前記カバー板は、前記スリーブの端面及び側面を覆うように形成され、前記軸が鉄系の材料で構成され、前記スリーブが銅合金材料で構成されるとき、前記カバー板を前記スリーブを構成する銅合金材料より線膨張係数の小さい材料で構成したことを特徴とする請求項１記載の流体軸受装置。
20. 前記連通穴が、スリーブの外周部に設けられた溝を含み、前記溝とスリーブの外周に設けられるベース板とにより前記連通穴が形成されることを特徴とする請求項３記載の流体軸受装置。
21. 請求項１から請求項１７に記載の流体軸受装置の前記軸の一方の端部に、ロータ磁石を有するロータハブを取付け、前記ロータハブに記録再生用の少なくとも１つのディスクをクランパーにより取付けたディスク回転装置。

Images