TW521127B - Moving-pressing fluid bearing-device - Google Patents

Description

521127 五、發明說明（1 ) 【發明所屬技術領域】 本發明係有關一種動壓流體軸承裝置，特別有關於 一種作爲被要求有高旋轉精度之硬碟裝置等主軸馬達 (spindle motor)所使用之動壓流體軸承裝置者。 【習知技術】 近年來，在硬碟裝置方面，爲達成增大記錄容量之 目的而將磁碟之磁軌密度進行高密度化。而在旋轉驅 動此種高磁軌密度磁碟之主軸馬達中，係要求更高之 旋轉精度。特別是在旋轉中，因未呈同期之震動（以 下，稱之爲「NRRO」）增大而引起有依循軌跡 (dragging )時之偏軌（off-track )，因此，係必須將 NRRO僅可能的減小者。在此，附加於高旋轉精度， 作爲可實現高速旋轉、靜音化之馬達，而開發有採用 動壓流體軸承裝置之主軸馬達。 第5圖所示，係使用動壓流體軸承裝置之習知之硬 碟裝置。 如第5圖（a)所示，在作爲固定側之基底1上係 壓入固定有主軸2之基端部，在主軸2之前端部設有 迫緊突緣3而構成軸體18。在主軸2之外周部上設有 套筒5，而在套筒5上，係以相對於迫緊突緣3般地 設有迫緊板4、形成軸承體1 7。 如第5圖（b)所示，在套筒5之內周面上形成有 動壓發生溝15a、15b構成1對之徑向（radial)軸承

521127 五、發明說明（2) 部14a、14b。此外，在迫緊突緣3之兩面上亦形成有 動壓發生溝（未圖示），而構成迫緊軸承（未圖 示）。在軸體1 8與軸承體1 7之間的間隙中，係充塡 有非壓縮性之油1 6以作爲作動流體，而使呈自由旋轉 地支撐軸承體1 7。 在設於主軸2外周部上之壁部1 a上係設置纏饒有 線圈1 〇之定子核心（stator core) 9。此外，在套筒5 之外周上，係壓入固定有用以載置磁碟1 3之輪軸 (hub ) 1 6，在輪軸6之外周部內側，係用以使與定子 核心9相對向而經由軛（yoke ) 8而安裝有磁鐵7。經 由襯套12而被載置至輪軸6外周之多數磁碟13,係 經由壓板（clamp) 11而以螺絲19之鎖固力量而安 裝。 並且在進行通電至線圈1 0之後，便於線圏1 〇與磁 鐵7之間產生電流磁場、產生馬達之旋轉驅動力，軸 承體1 7在旋轉驅動的同時，藉由被形成在徑向軸承部 14a、14b與迫緊軸承部之動壓發生溝之泵作用而在軸 承體17上產生浮力，軸承體17係經由軸體18與油 1 6而以非接觸之狀態進行旋轉。 在如上述所構成之磁碟裝置中，藉由被形成在套筒 5之內周上之一對徑向軸承部14a、14b的形成位置、 以及組合軸承體1 7與安裝有該軸承體1 7之磁碟1 3、 襯套1 2、壓板1 1等之旋轉體的重心位置，在旋轉

五、發明說明（3) 時，附加於徑向軸承部1 4a、1 4b之負荷係形成相異， 因而產生旋轉震動。 在此，一般係如日本專利特開平8-335366號等所 示，使沿著徑向軸承部1 4a、1 4b之軸心方向之長度形 成爲相異者。以下，在本說明書之中，係將沿著徑向 軸承部14a、14b之軸心方向之長度稱爲「軸承長 度」。具體而言，將形成在主軸2之前端側之徑向軸 承部14a的軸承長度L1，長於形成在主軸2之基端部 側之徑向軸承部1 4b的軸承長度L2，取得徑向軸承部 1 4a、1 4b之軸承剛性與旋轉體之重心位置G之平衡， 爲使減小旋轉震動而進行調整。 然而，在此種構造中，於目前的硬碟裝置方向暫且 不會有問題，不過，伴隨於硬碟裝置之高速旋轉化或 小型化，將來係必須要有更佳之旋轉精度與更爲減低 NRRO之必要。NRRO之產生係可由以下之理由來考 慮。在上述軸承長度LI、L2形成爲相異之徑向軸承 部14a、14b中，魚骨形（herringbone)之動壓產生溝 15a、15b係爲，兩者之呈溝部深度、溝部角度、溝部 寬度度比均被設定爲相等。因此，在旋轉時，藉由主 軸2之外周面與套筒5之內周面之間的間隙形成爲最 小的位置與動壓，形成作動於套筒5之力量的形成角 度之偏心角，係形成爲徑向軸承部1 4a之偏心角爲大 於徑向軸承部14b之偏心角。其結果，主軸2之中心 521127 五、發明說明（4) 線與套筒5之中心線呈傾斜旋轉，旋轉精度惡化 NRRO亦增大。 【發明之開示】 本發明係爲解決前述問題點，其目的係在於提供一 種動壓流體軸承裝置，係解除在旋轉時，主軸之中心 線與套筒之中心線之傾斜’且旋轉精度爲佳、亦可減 低 NRRO。 本發明之申請專利範圍第1項之動壓流體軸承裝置 係爲，使一方對於另一方呈自由旋轉之狀態所支撐之 軸與軸承體之間夾有作動流體，在軸之外周面與軸承 體之內周面之至少一面上形成動壓產生溝，而以多數 構成軸心方向之軸承長度相異之徑向軸承部的動壓流 體軸承裝置中，其特徵在於，使構成前述徑向軸承部 之動壓產生溝之溝部深度、溝與軸之徑向所形成角度 之溝部角度、對於溝部寬度a與脊部（redge)寬度b 之總合（a + b )之溝部寬度a之比的溝部寬度比〔a/ (a+b)〕中之至少任一方，在前述多數之徑向軸承 部中形成爲相異者。 本發明之申請專利範圍第2項之動壓流體軸承裝置 係爲，在申請專利範圍第1項中，其中將軸承長度爲 長之徑向軸承部之溝部深度，深於軸承長度爲短之徑 向軸承部之溝部深度。 藉由此種構造，使相對於偏心角之助益率 521127 五、發明說明（5) (contribution ratio)筒之溝部丨朱度產生變化’因此’ 即使徑向軸承部之軸承長度之差形成爲大’僅使溝部 深度產生些許變化便可簡單地使偏心角略呈一致。 本發明之申請專利範圍第3項之動壓流體軸承裝置 係爲，在申請專利範圍第1項中，其中將軸承長度爲 長之徑向軸承部之溝部寬度比，大於軸承長度爲短之 徑向軸承部之溝部寬度比。 藉由此種構造，使相對於偏心角之助益率高之溝部 寬度比產生變化，因此，即使徑向軸承部之軸承長度 之差形成爲大，僅使溝部寬度比產生些許變化便可簡 單地使偏心角略呈一致。 本發明之申請專利範圍第4項之動壓流體軸承裝置 係爲，在申請專利範圍第1項中，其中前述動壓產生 溝係爲魚骨形者。 本發明之申請專利範圍第5項之動壓流體軸承裝置 係爲，在申請專利範圍第1項中，其中前述作動流體 係爲氣體。 藉由此種構造，即使作動流體具有壓縮性，亦可獲 得與上述相同之效果。 【本發明較佳實施例之詳細說明】 以下，使用第1圖至第4圖說明本發明之實施例。 此外，形成爲與表示習知例之第5圖相同之構造 者，係附加同一符號而進行說明。 521127 五、發明說明（6) 在揭示於第5圖之動壓流體軸承裝置中，係將徑向 軸承部14a之軸承長度L1，長於徑向軸承部14b之軸 承長度L2、變化軸承剛性，而取得與旋轉體之重心位 置G之平衡而構成者，然而’如第1圖（a)至（c) 所示，在此種實施例中，將再附加之徑向軸承部 14a、14b之構成形成爲特殊狀’而將各偏心角形成爲 一致、或是略呈一致。 所謂的徑向軸承部14a、14b之偏心角係爲，藉由 旋轉時之主軸2之外周面與套筒5之內周面之間的間 隙形成最小之位置與動壓，而作動於套筒5之力所形 成之角度者，藉由以下①〜③構成之任一項中、或是將 其進行多數組合之動作，可使全數之徑向軸承部中之 偏心角略呈一致。 ① 使徑向軸承部14a、14b之中之動壓產生溝15a、 1 5b之溝部角度0 1、0 2形成相異。在此，所謂的溝 部角度0 1、0 2係指動壓產生溝15a、15b與主軸2 之徑向之形成角度。 ② 使徑向軸承部14a、14b之中之動壓產生溝15a、 15b之溝dl、d2形成相異。特別係以將軸承長度爲短 之徑向軸承部1 4b之溝部深度d2，短於軸承長度爲長 之徑向軸承部14a之溝部深度dl者爲佳。 ③ 將軸承長度爲短之徑向軸承部1 4b之溝部寬度 比，短於軸承長度爲長之徑向軸承部14a之溝部寬度

521127 五、發明說明（7) 比。在此，所謂的溝部寬度比，係指對於溝部寬度a 與脊部（ridge)寬度b之總合（a + b)，溝部寬度a 之比爲〔a/ ( a + b )〕。 在此種軸長度相異之多數徑向軸承部中，以全數之 偏心角略呈一致之構造，而可減低主軸2之中心線與 套筒5之中心線之傾斜，達到提昇旋轉精度之目的、 達到減低NRRO之目的。 以下，列舉具體例子進行說明。 在構成與第5圖相同之動壓流體軸承裝置中，將 主軸2之直徑設爲3mm、在徑向軸承部14a、14b之形 成位置中之主軸與套筒5之間的半徑間隙設爲3 // m。 此外，徑向軸承部14a、14b之軸承長度LI、L2係 爲，考慮軸承剛性與旋轉體之重心位置G之間的平 衡，而設成 Ll = 3.0mm、L2 = 2.5mm。 如此，在所設計之動壓流體軸承裝置中，習知係爲 考慮軸承剛性與旋轉安定性，而將溝部角度設爲30 度、溝部深度設爲3.5mm、溝部寬度比設爲0.5、溝之 斷面形狀設爲圓弧狀。 在此種實施例中，構成徑向軸承部14a、14b之動 壓產生溝1 5a、1 5b之溝狀在相同時因偏心角非爲呈一 致，而使動壓產生溝1 5a、1 5b之溝狀如下述般地產生 變化。 首先，分別變化溝部角度0 1、0 2，測定溝部角度 五、發明說明（8) 與偏心角之間的關係。第2圖所示爲數値解析非壓縮 性之奈維爾·史托克方程式（Navier-Stokes E q u a t i ο n s )之結果。將軸承長度L 1爲長之徑向軸承 部14a之溝部角度0 1設成與習知例相同爲30°後’ 軸承長度L2爲短之徑向軸承部14b之溝部角度Θ 2亦 可爲約45° 。在此情況下，因徑向軸承部14b之軸承 剛性幾乎沒有變化，因此，軸承長度L2係可維持 2.5mm ° 其此，僅使溝部深度dl、d2分別產生變化，測定 溝部深度與偏心角之關係。第3圖所示爲數値解析非 壓縮性之奈維爾-史托克方程式之結果。藉此，將軸承 長度爲長之徑向軸承部14a之溝部深度dl設成與習知 例相同爲3.5// m後，軸承長度爲短之徑向軸承部14b 之溝部深度d2亦可較3.5// m爲淺，亦可爲，在淺化 溝部深度後，爲提高軸承剛性而縮短軸承長度L2。考 慮於此，以將軸承長度爲短之一方的徑向軸承部14b 之軸承長度L2設爲2.4mm、溝部深度設爲3.0// m， 而可將上下之徑向軸承部1 4a、1 4b之偏心角度略呈相 同。 此外，僅使溝部寬度比〔a/ ( a + b )〕分別產生 變化，測定溝部寬度比與偏心角之間的關係。第4圖 所示爲數値解析非壓縮性之奈維爾-史托克方程式之結 果，溝部寬度比形成越大，則偏心角形成越小。 藉此，將軸承長度爲長一方之徑向軸承部14a之溝 部寬度比〔al/ ( al+bl)〕設成與習知例相同爲0.5 -10- 521127 五、發明說明（9) 後，亦可將軸承長度爲短一方之徑向軸承部1 4b之溝 部寬度比〔a2/ ( a2+ b2)〕設成小於〇.5，然而，在 減少溝部寬度比之後，因軸承剛性增高，故而可縮短 軸承長度L2。考慮於此，以將軸承長度爲短之一方的 徑向軸承部14b之軸承長度L2設爲2.4mm、溝部寬度 比設爲0.4，而可將上下之徑向軸承部14a、14b之偏 心角度略呈相同。 如此，因偏心角係可藉由預備試驗（preexamine) 或數値解析而求得，因此，可決定構成徑向軸承部 14a、14b之魚骨形之動壓產生溝之詳細尺寸。其結 果，在軸承長度LI、L2相異之徑向軸承部14a、14b 中，將動壓產生溝15a、15b之溝部角度0 1、0 2、溝 部深度dl、d2、溝部寬度比中之至少一方形成爲相 異，而使各個偏心角略呈一致，藉此，減低旋轉時之 主軸2之中心線與套筒5之中心線之傾斜、達到提昇 旋轉精度之目的。 此外，在上述說明中，雖舉例將動壓產生溝1 5a、 15b形成於套筒5之內周面、構成徑向軸承部14a、 1 4b之例子來進行說明，不過，本發明係不僅被限定 於此，動壓產生溝亦可被形成在主軸2之外周面上， 或是亦可形成在套筒5之內周面與主軸2之外周面之 雙方上。 此外，在上述說明之中，雖列舉設置2個徑向軸承 -11- 521127 五、發明說明（1〇) 部之例子來進行說明，不過，本發明係不僅被限定於 此，亦可設置2個以上。 此外，在上述說明之中，雖將被形成在徑向軸承部 之動壓產生溝之形狀以中央彎曲部呈上下對稱之魚骨 形之形狀，不過，本發明係不僅被限定於此，亦可爲 對於中央彎曲部呈非對稱性之魚骨形，亦可爲螺旋形 狀或八字型之溝狀。 此外，在上述說明之中，雖列舉將非壓縮性之油作 爲作動流體，不過，本發明係不僅被限定於此，亦可 使用其他如水等之液體，再者，亦可使用具有密度變 化之氣體（例如使用空氣等）。 此外，徑向軸承部之個數、動壓產生溝之形狀等， 係依據主軸2與套筒5之形狀或大小來適當的選擇， 並非被限定在上述實施例之中。 藉由如上所述之本發明之動壓流體軸承裝置，使一 方對於另一方呈自由旋轉之狀態所支撐之軸與軸承體 之間夾有作動流體，在軸之外周面與軸承體之內周面 之至少一面上形成動壓產生溝，而以多數構成軸心方 向之軸承長度相異之徑向軸承部的動壓流體軸承裝置 中，其中，使構成前述徑向軸承部之動壓產生溝之溝 部深度、溝與軸之徑向所形成角度之溝部角度、對於 溝部寬度a與脊部（redge)寬度b之總合（a+ b)之 溝部寬度a之比的溝部寬度比〔a/ ( a + b )〕中之至

-12- 521127 五、發明說明（11) 少任一方，在前述多數之徑向軸承部中形成爲相異， 因此，在旋轉時軸之中心線與軸承體之中心線係無傾 斜而進行旋轉，故而達到提昇旋轉精度之目的、達到 減低NRRO之目的。 圖式簡單說明 第1圖所示係本發明實施例中之動壓流體軸承裝置 之局部擴大斷面圖，以及沿著A-A線、B-B線剖面之 套筒局部擴大平面圖。 第2圖所示係同一實施例中之徑向軸承部之溝部角 度與偏心角之關係示意圖。 第3圖所示係同一實施例中之徑向軸承部之溝部深 度與偏心角之關係示意圖。 第4圖所示係同一實施例中之徑向軸承部之溝部寬 度與偏心角之關係示意圖。 第5圖所示係使用習知動壓流體軸承裝置之硬碟裝 置用主軸馬達之斷面圖。 符號簡單說明： 1… 基底 la··· 壁部 2… 軸 3… 迫緊突緣 /| ••參 迫緊板 5… 套筒 -13- 521127 五、發明說明（12) 6··· 輪軸 7… 磁鐵 9··· 定子核心 10··· 線圈 1卜·· 壓板 12… 襯套 13… 磁碟 14a，14b··· 徑向軸承部 15?15b··· 動壓產生溝 16··· 油 17··· 軸承體 1 8… 軸體 19··· 螺絲 a… 溝部寬度 b… 脊部寬度 dl，d2··· 溝部深度 Ll，L2··· 軸承長度 0 1， Θ 2··· 溝部角度 -14-

Claims (1)

1. 521127 五、發明說明（13) 1. 一種動壓流體軸承裝置，係爲使一方對於另一方呈 自由旋轉之狀態所支撐之軸與軸承體之間夾有作動 流體，在軸之外周面與軸承體之內周面之至少一面 上形成動壓產生溝，而以多數構成軸心方向之軸承 長度相異之徑向軸承部的動壓流體軸承裝置中’其 特徵在於， 使構成前述徑向軸承部之動壓產生溝之溝部深度' 溝與軸之徑向所形成角度之溝部角度、對於溝部寬 度a與脊部（ridge)寬度b之總合（a+b)之溝部 寬度a之比的溝部寬度比〔a/ ( a + b )〕中之至少 任一方，在前述多數之徑向軸承部中形成爲相異 者。 2. 如申請專利範圍第1項之動壓流體軸承裝置’其中 將軸承長度爲長之徑向軸承部之溝部深度，深於軸 承長度爲短之徑向軸承部之溝部深度° 3. 如申請專利範圍第1項之動壓流體軸承裝置’其中 將軸承長度爲長之徑向軸承部之溝部寬度比’大於 軸承長度爲短之徑向軸承部之溝部寬度比。 4. 如申請專利範圍第1項之動壓流體軸承裝置，其中 前述動壓產生溝係爲魚骨形者° 5. 如申請專利範圍第1項之動壓流體軸承裝置’其中 前述作動流體係爲氣體。 -15-