TW202314135A - 動壓軸承以及具備此軸承的流體動壓軸承裝置 - Google Patents

Abstract

於包括在內周面8a成形有動壓槽G1的圓筒狀的燒結體的軸承套筒8（動壓軸承）中，燒結體的內徑D1與外徑D2的比D2/D1為2.5以下，將燒結體在軸向上三等分所得的三個部分8A、8B、8C的相對密度的差為3%以內。

Description

動壓軸承以及具備此軸承的流體動壓軸承裝置

本發明是有關於一種動壓軸承以及具備此軸承的流體動壓軸承裝置。

流體動壓軸承裝置藉由軸承構件與插入至其內周的軸構件的相對旋轉而提高於軸構件的外周面與軸承構件的內周面之間的徑向軸承間隙中產生的流體膜的壓力，並藉由該壓力（動壓作用）而以相對旋轉自如且非接觸的方式對軸構件進行支撐。流體動壓軸承裝置由於具有旋轉精度及靜音性優異的特性，因此可適宜地用於硬磁碟驅動機（hard disk drive，HDD）的磁碟驅動裝置的主軸馬達、雷射光束印表機的多邊形掃描儀馬達、電子設備的冷卻用風扇馬達等的旋轉軸支撐用途。

於流體動壓軸承裝置的軸承構件的內周面有時形成積極地提高徑向軸承間隙的潤滑流體的壓力的動壓槽。作為形成動壓槽的方法，已知有於圓筒狀的燒結體的內周面模具成形動壓槽的所謂的動壓槽整形。於該動壓槽整形中，在將整形銷插入至燒結體的內周的狀態下，利用上沖頭與下沖頭在軸向上壓迫燒結體，同時壓入至模的內周，藉此將燒結體的內周面按壓於整形銷的外周面所形成的成形模具上。藉此，可將成形模具的形狀轉印至燒結體的內周面，從而可形成動壓槽（例如，參照專利文獻1）。 [現有技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開平11-182550號公報

[發明所欲解決之課題]

已知：於具有在內周面形成有動壓槽的軸承構件（以下，稱為「動壓軸承」）的流體動壓軸承裝置中，在動壓槽深度與徑向軸承間隙的寬度為1：1的情況下，最高效地產生動壓。另一方面，若徑向軸承間隙的寬度小，則於軸構件相對於動壓軸承傾斜時，軸構件有可能與動壓軸承的軸向端部接觸。因此，需要在將動壓槽深度與徑向軸承間隙的寬度維持為1：1的同時，儘可能加深動壓槽深度來增大徑向軸承間隙的寬度，藉此減低軸構件與動壓軸承接觸的風險。

但是，於如上所述般將燒結體的內周面按壓於整形芯來成形動壓槽的情況下，若燒結體的回彈量不足，則無法確保充分的動壓槽深度。於圖6中示出燒結體的內徑D1與外徑D2的比D2/D1及此時的動壓槽深度的關係。根據該圖表而得知：燒結體的內外徑比D2/D1越大，即燒結體的半徑方向上的壁厚越大，動壓槽深度越小。因此，於加深動壓槽深度的情況下，較佳為減小燒結體的內外徑比D2/D1。

但是，若減小燒結體的內外徑比，則於動壓槽整形中產生以下的問題。於動壓槽整形中，自軸向兩側及外徑側壓縮燒結體。於燒結體的內外徑比大（即，半徑方向上的壁厚厚）的情況下，由於相對於軸向上的壓縮力的剛性高，因此來自軸向兩側的壓縮力基本上不會傳遞至燒結體的內周面，來自外徑側的壓縮佔支配地位。另一方面，於燒結體的內外徑比小（即，半徑方向上的壁厚薄）的情況下，由於相對於軸向上的壓縮力的剛性低，因此特別是於軸向兩端附近，軸向上的壓縮力容易傳遞至燒結體的內周面。其結果，燒結體的軸向端部的密度高於軸向中央。特別是於將燒結體按入模的內周的上沖頭側，燒結體的密度容易變高（參照圖7）。

如上所述，若燒結體的密度（即壓縮率）根據軸向位置而不同，則於密度高的部位，動壓槽深度變深，於密度低的部位，動壓槽深度變淺。如上所述，動壓槽深度在軸向上產生偏差，藉此有無法獲得所期望的軸承剛性的擔憂。

另外，燒結體的密度（即壓縮率）根據軸向位置而不同，藉此如圖8所示，燒結體的內周面的母線形狀（軸向剖面的輪廓）倒塌，密度低的軸向中央部向內徑側突出。如上所述，若內周面的母線形狀倒塌，則徑向軸承間隙的寬度在軸向上不同，因此有無法獲得所期望的軸承剛性的擔憂。

因此，本發明的目的在於在加深了燒結體的動壓槽深度的動壓軸承中獲得所期望的軸承剛性。 [解決課題之手段]

為了達成所述目的，本發明提供一種動壓軸承，其包括在內周面成形有動壓槽的圓筒狀的燒結體，且所述動壓軸承中，所述燒結體的內徑D1與外徑D2的比D2/D1為2.5以下，將所述燒結體在軸向上三等分所得的三個部分的相對密度的差為3%以內。

如上所述，藉由減小動壓軸承的內外徑比D2/D1（設為2.5以下），即藉由減薄動壓軸承的壁厚，可加深動壓槽深度。藉由使此種薄壁的燒結體的密度在軸向上大致均勻化，具體而言，藉由將使燒結體在軸向上三等分所得的三個部分的相對密度的差控制於3%以內，可抑制因燒結體的軸向上的密度差所引起的動壓槽深度的偏差或內周面的母線形狀的倒塌。

若將所述燒結體的軸向長度抑制為4 mm以下，則成形動壓槽時對燒結體施加的軸向上的壓縮力容易傳遞至內周面的整個軸向區域，因此可抑制由軸向位置引起的燒結體的密度的偏差。

藉由如上所述般使燒結體的密度在軸向上大致均勻，可抑制燒結體的內周面的軸向端部處的塌邊（向外徑側後退）。具體而言，可將動壓軸承的內周面中較所述動壓槽更向內徑側隆起的丘部的內徑面的最小徑部與最大徑部的半徑差抑制為2 μm以下。

由於難以使燒結體的密度在軸向上完全均勻，因此燒結體的軸向中央部的密度稍微低於軸向端部的密度。因此，於密度低的動壓軸承的軸向中央部，每一產品中動壓槽深度容易產生偏差。因此，可省略深度容易產生偏差的軸向中央部的動壓槽。此時，例如考慮藉由將人字形形狀的動壓槽設置於在軸向上分開的兩個部位而於軸向中央部設置無動壓槽的圓筒面，於該情況下，由於動壓軸承的軸向尺寸變大，因此難以使密度在軸向上均勻化。

因此，可藉由省略設置於軸向兩個部位的人字形形狀的動壓槽中軸向中央側的動壓槽，來形成圓筒面。具體而言，可於燒結體的內周面形成設置於在軸向上分開的兩個部位的一對環狀丘部、自各環狀丘部朝向軸向外側延伸的多個傾斜丘部、設置於多個傾斜丘部的周向間的動壓槽、及設置於所述一對環狀丘部的軸向間的整個區域且與環狀丘部的內徑相比為大徑的圓筒面。如上所述，藉由省略燒結體的軸向中央部（一對環狀丘部的軸向間）的傾斜丘部及動壓槽，可抑制每一產品的動壓槽深度的偏差，從而使動壓軸承的性能穩定。

如下的流體動壓軸承裝置，即包括所述動壓軸承、插入至所述動壓軸承的內周的軸構件、以及藉由在所述動壓軸承的內周面與所述軸構件之間的徑向軸承間隙中產生的潤滑膜的動壓作用而以相對旋轉自如且非接觸的方式對所述軸構件進行支撐的徑向軸承部的流體動壓軸承裝置，可穩定地支撐軸構件。 [發明的效果]

如以上所述，藉由減薄燒結體的半徑方向上的壁厚，可加深動壓槽深度，並且使燒結體的密度在軸向上大致均勻，藉此可抑制動壓槽深度的偏差或內周面的母線形狀的倒塌，因此可獲得所期望的軸承剛性。

以下，基於附圖來對本發明的實施方式進行說明。

於圖1中概念性示出風扇馬達的一例。該圖中所示的風扇馬達例如可組裝至筆記本型電腦或平板型終端等可攜式資訊設備中，且產生用於對中央處理單元（central processing unit，CPU）等發熱源進行冷卻的氣流。該風扇馬達包括：流體動壓軸承裝置1、構成馬達的靜止側的馬達基座5、固定於流體動壓軸承裝置1的軸構件2上的轉子3、安裝於轉子3的葉片4、以及隔著徑向上的間隙相向配置的定子6a及磁石6b。定子6a安裝於流體動壓軸承裝置1的殼體7上，磁石6b安裝於轉子3。當對定子6a的線圈通電時，藉由定子6a與磁石6b之間的電磁力而使軸構件2及固定於軸構件2的轉子3一體旋轉。隨著轉子3的旋轉，根據安裝於轉子3的葉片4的形態等而產生軸向或徑向向外的氣流。

如圖2所示，流體動壓軸承裝置1包括軸構件2、殼體7、作為本發明的一實施方式的動壓軸承的軸承套筒8及密封構件9。於殼體7的內部空間填充有潤滑油。再者，以下，為了便於說明，將軸構件2在軸向上自殼體7突出的一側（圖2的上側）稱為「上側」，將其相反側（圖2的下側）稱為「下側」，但並非限定使用流體動壓軸承裝置1時的姿勢的主旨。

軸構件2可利用不鏽鋼等剛性高的金屬材料來製作。於軸構件2的外周面2a形成有無凹凸的平滑的圓筒面。於軸構件2的下端形成有凸球面2b。於軸構件2的上端固定有轉子3。

殼體7具有筒部7a及將筒部7a的下端開口部堵塞的底部7b。於圖示例中，筒部7a與底部7b可利用樹脂或金屬材料來一體地形成。於底部7b的上側端面7b1的外周設置有配置得較上側端面7b1更靠上方的肩面7b2。於筒部7a的外周面7a2固定有定子6a及馬達基座5。

於圖示例中，於殼體7的內底面（底部7b的上端面）7b1上設置有推力板10。推力板10可利用滑動性優於殼體7的形成材料的材料呈圓板狀形成。利用推力板10的上端面以接觸的方式對軸構件2的下端的凸球面2b進行支撐。再者，推力板10亦可省略，於該情況下，利用殼體7的內底面7b1以接觸的方式對軸構件2的凸球面2b進行支撐。

密封構件9可利用樹脂或金屬材料呈環狀形成，且固定於殼體7的筒部7a的內周面7a1的上端部。密封構件9的下端面9b與軸承套筒8的上端面8b抵接。密封構件9的內周面9a在與相向的軸構件2的外周面2a之間形成環狀的密封空間S。

再者，該流體動壓軸承裝置1是於殼體7的內部混合存在有潤滑油與空氣的所謂部分填充類型，但並不限於此，亦可為利用潤滑油將殼體7的整個內部空間區域填滿的所謂全部填充類型。於全部填充類型的情況下，密封空間呈剖面楔形形狀，潤滑油的油面始終保持於密封空間S的軸向範圍內。

軸承套筒8例如可利用以銅及鐵為主成分的多孔質的燒結體呈圓筒狀形成。軸承套筒8於使潤滑油含浸於燒結體的內部氣孔中的含油狀態下固定於殼體7的內周。於圖示例中，軸承套筒8於使下端面8c與殼體7的底部7b的肩面7b2抵接的狀態下固定於殼體7的筒部7a的內周。軸承套筒8可藉由壓入、接著或壓入接著（併用壓入與接著）等固定於筒部7a的內周面7a1。此外，於將軸承套筒8間隙嵌於殼體7的內周後，利用密封構件9與殼體7的肩面7b2自軸向兩側進行夾持，藉此亦可將軸承套筒8固定於筒部7a的內周。

如圖3所示，於軸承套筒8的內周面8a形成有動壓槽G1及較動壓槽G1更向內徑側隆起的丘部（剖面線區域）。於本實施方式中，於在軸向上鄰接的兩個部位形成有人字形形狀的動壓槽G1。具體而言，於燒結體的內周面8a形成有設置於在軸向上分開的兩個部位的環狀丘部G2、自各環狀丘部G2向軸向兩側延伸的多個傾斜丘部G3及設置於多個傾斜丘部G3的周向間的多個動壓槽G1。環狀丘部G2與設置於其軸向兩側的傾斜丘部G3連續，它們的內徑面配置於同一圓筒面上。於圖示例中，設置於一對環狀丘部G2的軸向間的傾斜丘部G3連續，它們的內徑面配置於同一圓筒面上。另外，設置於一對環狀丘部G2的軸向間的動壓槽G1連續，它們的底面配置於同一圓筒面上。軸承套筒8的內周面8a的包含動壓槽G1的底面、環狀丘部G2及傾斜丘部G3的內徑面在內的整個區域為按壓模具而成形的成形面。

於軸承套筒8的外周面8d形成有軸向槽8d1。於軸承套筒8的上端面8b形成有半徑方向槽8b1與環狀槽8b2。於軸承套筒8的下端面8c形成有半徑方向槽8c1。環狀槽8b2是為了在將軸承套筒8組裝至殼體7時識別上下方向（即，旋轉方向）而設置。軸向槽8d1及半徑方向槽8b1、半徑方向槽8c1於流體動壓軸承裝置1中形成將殼體7的底部7b所面向的空間與大氣連通的連通路（參照圖2）。再者，只要無特別需要，則可省略半徑方向槽8b1、半徑方向槽8c1、環狀槽8b2及軸向槽8d1中的任一個或全部。

軸承套筒8的內徑D1例如可設為φ4 mm以下、較佳為φ2 mm以下、更佳為φ1.5 mm以下。軸承套筒8的外徑D2例如可設為φ7 mm以下、較佳為φ4 mm以下。軸承套筒8的內徑D1與外徑D2的比D2/D1可設為2.5以下、較佳為2.0以下、更佳為1.8以下。軸承套筒8的軸向尺寸L可設為4 mm以下、較佳為3 mm以下。

包含燒結體的軸承套筒8的相對密度（相對於真密度的密度比）可設為80%～95%。軸承套筒8的密度可設為在軸向上大致均勻。具體而言，於假設將軸承套筒8在軸向上三等分（參照圖3的虛線）而形成三個部分8A、8B、8C的情況下，該些部分8A、8B、8C的相對密度的差可設為3%以內、較佳為2%以內。另外，軸承套筒8的密度可設為在半徑方向上亦大致均勻。因此，與軸承套筒8的軸向正交的剖面的氣孔率在半徑方向上大致一定。具體而言，於與軸承套筒8的軸向正交的剖面中，當在外周面8d附近、半徑方向中央、內周面8a附近此三處測定氣孔率（表面開口率）時，它們的氣孔率的差為1%以下。再者，軸承套筒8的相對密度是藉由日本工業標準（Japanese Industrial Standards，JIS）Z 2501中所記載的方法而於在內部未含浸油的乾燥狀態下進行測定。另外，關於氣孔率，對欲測定的部位拍攝照片，藉由圖像處理而將該照片二值化（氣孔部以外的部分為白色，氣孔部為黑色），將黑色部分（氣孔）的面積與整個視野的面積的比率設為氣孔率。氣孔率的測定中使用的器材及拍攝條件如以下所述。 [使用器材] ．顯微鏡：尼康（Nikon）ECLIPSE ME600 ．相機頭：尼康（Nikon）DS-Fi2 ．拍攝軟體：NIS-Elemnets D ．分析軟體：QuicK Grain Stand ．曝光調整紙：QP卡101 [拍攝條件] ．曝光時間：10 ms ．類比增益：1.0X ．測定倍率：100倍

軸承套筒8的內周面的母線形狀（軸向剖面形狀）與軸向大致平行。因此，軸承套筒8的內周面8a的丘部（環狀丘部G2及傾斜丘部G3）的內徑面呈大致同一圓筒面狀配置。具體而言，丘部的內徑面的最小徑部與最大徑部的半徑差為2 μm以內，較佳為1 μm以內。

於具有以上結構的流體動壓軸承裝置1中，當軸構件2旋轉時，可在軸構件2的外周面2a與軸承套筒8的內周面8a之間形成徑向軸承間隙。而且，藉由形成於軸承套筒8的內周面8a的動壓槽G1，可提高於徑向軸承間隙中產生的油膜的壓力，可形成藉由該壓力（動壓作用）而在徑向方向上對軸構件2進行支撐的徑向軸承部R。另外，可形成推力軸承部T，所述推力軸承部T藉由軸構件2的下端的凸球面2b與載置於殼體7的底部7b上的推力板10的上端面滑動接觸，而在推力方向上對軸構件2進行支撐（接觸支撐）。

以下，對軸承套筒8的製造方法進行說明。

軸承套筒8可藉由依序經過壓縮成形步驟、燒結步驟及整形步驟來製造。

於壓縮成形步驟中，藉由對以金屬粉末為主原料的原料粉末進行壓縮成形而成形與圖3的軸承套筒8大致相同形狀的圓筒狀的壓粉體。壓粉體的內周面可設為無凹凸的平滑的圓筒面狀。於壓粉體的外周面、上端面及下端面分別成形有軸向槽8d1、半徑方向槽8b1及環狀槽8b2、半徑方向槽8c1。作為原料粉末，可使用以金屬粉末（例如，銅粉末及鐵粉末的混合粉末、或銅鐵系的合金粉末）為主原料，向其中添加成形助劑或固體潤滑劑等各種填充劑並加以混合而成的混合粉末。

於燒結步驟中，藉由在規定的燒結溫度下對壓粉體進行加熱，而獲得鄰接的金屬粉末的粒子彼此藉由固相燒結或液相燒結或者此兩者而結合的燒結體（省略圖示）。

於整形步驟中，利用圖4A、圖4B所示的整形模具30而於燒結體28的內周面28a模具成形動壓槽。具體而言，如圖4A所示，經由極微小的間隙將整形芯31插入至燒結體28的內周，並且利用上下沖頭32、33來約束燒結體28的軸向寬度。於維持該狀態的同時，如圖4B所示般將燒結體28壓入模34的內周，藉此自軸向兩側及外周壓迫燒結體28。藉此，可將燒結體28的內周面28a按壓於整形芯31的外周面所形成的成形模具31a上，並可將成形模具31a的形狀轉印至燒結體28的內周面28a而成形動壓槽G1及丘部G2、丘部G3（參照圖3）。

其後，使燒結體28、整形芯31及上下沖頭32、33上升，自模34的內周取出燒結體28及整形芯31。此時，燒結體28的內周面28a藉由回彈而擴徑，並自整形芯31的外周面的成形模具31a剝離。其後，自於內周面成形有動壓槽G1、環狀丘部G2及傾斜丘部G3的燒結體28（即，軸承套筒8）的內周拔出整形芯31。

本實施方式的燒結體28的半徑方向上的壁厚薄。具體而言，燒結體28的內徑D1與外徑D2的比D2/D1為2.5以下。於該情況下，由模34引起的朝向內徑的壓縮力容易傳遞至燒結體28的內周面，因此能夠將成形於燒結體28的內周面上的動壓槽G1的深度形成得深。

另外，於本實施方式中，由於將燒結體28的軸向尺寸L抑制為4 mm以下，因此由上下沖頭32、33引起的軸向上的壓迫力不僅容易傳遞至燒結體28的軸向兩端，而且亦容易傳遞至軸向中央部。藉此，可在軸向上均勻地壓迫燒結體28，因此可使燒結體28的密度在軸向上均勻化。其結果，可使成形於燒結體28的內周面上的動壓槽G1的深度在軸向上均勻，並且可抑制燒結體28的內周面的母線形狀的倒塌。

利用例如真空含浸等方法將潤滑油含浸於藉由如上所述的程序而製造的軸承套筒8的內部氣孔中。然後，於將軸承套筒8及密封構件9固定於殼體7的內周後，注入規定量的潤滑油，其後，將軸構件2插入至軸承套筒8的內周，藉此完成流體動壓軸承裝置1。

本發明並不限於所述實施方式。以下，對本發明的其他實施方式進行說明，但關於與所述實施方式相同的方面，省略說明。

圖5所示的軸承套筒8與所述實施方式的不同之處在於：省略了一對環狀丘部G2的軸向間的動壓槽G1及傾斜丘部G3。於該軸承套筒8中，在內周面8a中的一對環狀丘部G2的軸向間的整個區域形成有圓筒面8a1。圓筒面8a1的內徑大於環狀丘部G2的內徑，例如與動壓槽G1的底面連續地設置於同一圓筒面上。於整形步驟（參照圖4）中，由上下沖頭32、33引起的軸向上的壓迫力不易傳遞至燒結體28的軸向中央，因此即便抑制燒結體28的軸向尺寸，軸向中央的密度亦稍微低於軸向兩端的密度。因此，藉由省略密度相對低的軸向中央部的動壓槽G1及傾斜丘部G3，雖然動壓作用降低，但是可抑制每一產品的動壓槽深度的偏差、即每一產品的軸承剛性的偏差，因此可提高產品的可靠性。

本發明的動壓軸承並不限於如上所述般於內部含浸有潤滑油的燒結含油軸承，於不含浸潤滑油的乾燥狀態下亦可使用。另外，所述流體動壓軸承裝置1並不限於風扇馬達，亦可應用於HDD的磁碟驅動裝置的主軸馬達、或雷射光束印表機的多邊形掃描儀馬達。

1:流體動壓軸承裝置 2:軸構件 2a:外周面 2b:凸球面 3:轉子 4:葉片 5:馬達基座 6a:定子 6b:磁石 7:殼體 7a:筒部 7a1:內周面 7a2:外周面 7b:底部 7b1:上側端面（內底面） 7b2:肩面 8:軸承套筒（動壓軸承） 8a:內周面 8A、8B、8C:三個部分 8a1:圓筒面 8b:上端面 8b1:半徑方向槽 8b2:環狀槽 8c:下端面 8c1:半徑方向槽 8d:外周面 8d1:軸向槽 9:密封構件 9a:內周面 9b:下端面 10:推力板 28:燒結體 28a:內周面 30:整形模具 31:整形芯 31a:成形模具 32、33:上下沖頭 34:模 D1:內徑 D2:外徑 G1:動壓槽 G2:環狀丘部 G3:傾斜丘部 L:軸向尺寸 R:徑向軸承部 S:密封空間 T:推力軸承部

圖1是風扇馬達的剖面圖。 圖2是流體動壓軸承裝置的剖面圖。 圖3是本發明的一實施方式的動壓軸承的剖面圖。 圖4A是表示整形步驟的剖面圖，且表示將燒結體壓入模之前的狀態。 圖4B是表示整形步驟的剖面圖，且表示將燒結體壓入模中的狀態。 圖5是其他實施方式的動壓軸承的剖面圖。 圖6是表示動壓軸承的內外徑比與動壓槽深度的關係的圖表。 圖7是表示動壓軸承的軸向位置所引起的密度的不同的圖表。 圖8是表示動壓軸承的內周面的母線形狀的圖。

8:軸承套筒(動壓軸承)

8a:內周面

8A、8B、8C:三個部分

8b:上端面

8b1:半徑方向槽

8b2:環狀槽

8c:下端面

8c1:半徑方向槽

8d:外周面

8d1:軸向槽

D1:內徑

D2:外徑

G1:動壓槽

G2:環狀丘部

G3:傾斜丘部

L:軸向尺寸

Claims (5)

1. 一種動壓軸承，包括在內周面成形有動壓槽的圓筒狀的燒結體，且所述動壓軸承中， 所述燒結體的內徑D1與外徑D2的比D2/D1為2.5以下， 將所述燒結體在軸向上三等分所得的三個部分的相對密度的差為3%以內。
2. 如請求項1所述的動壓軸承，其中所述燒結體的軸向長度為4 mm以下。
3. 如請求項1所述的動壓軸承，其中所述燒結體的內周面中，較所述動壓槽更向內徑側隆起的丘部的內徑面的最小徑部與最大徑部的半徑差為2 μm以下。
4. 如請求項1至請求項3中任一項所述的動壓軸承，其中於所述燒結體的內周面形成有設置於在軸向上分開的兩個部位的一對環狀丘部、自各環狀丘部朝向軸向外側延伸的多個傾斜丘部、設置於所述多個傾斜丘部的周向間的所述動壓槽、及設置於所述一對環狀丘部的軸向間的整個區域且與環狀丘部的內徑相比為大徑的圓筒面。
5. 一種流體動壓軸承裝置，包括：如請求項1至請求項4中任一項所述的動壓軸承；軸構件，插入至所述動壓軸承的內周；以及徑向軸承部，藉由在所述動壓軸承的內周面與所述軸構件之間的徑向軸承間隙中產生的潤滑膜的動壓作用而以相對旋轉自如且非接觸的方式對所述軸構件進行支撐。

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