JP2001027226A - 円錐型流体動圧軸受及びスピンドルモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 円錐型流体動圧軸受を安く大量に製作できる
ようにすること、才差運動を生じ難くすること、円錐型
シャフト部材がスリーブ部材に嵌めこみ状態で静止しな
いようにすること、広い温度範囲にわたって、軸受剛性
をほぼ一定にすること。 【解決手段】 円錐型流体動圧軸受を、金属心材２に樹
脂層３が施された二重構造とすると共に、その形状を一
対の円錐体を互いの底面を共有して結合した形状、即ち
紡錘体状の円錐型シャフト部材１と、樹脂製の下側スリ
ーブ部材４と樹脂製の上側スリーブ部材５とで構成し
た。円錐型シャフト部材１に環状凸部３ａを設け、且つ
下側スリーブ部材４に設けた環状段部４ａと上側スリー
ブ部材５に設けた環状段部５ａとで環状凹部を形成し、
停止時には環状凸部３ａの下面を前記環状凹部の上面に
着座させるようにした。円錐型シャフト部材１と下側ス
リーブ部材４並びに上側スリーブ部材５を液晶高分子材
料で成形加工して製作した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、円錐型シャフト部
材とこの円錐型シャフト部材が回転自在にして嵌合する
スリーブ部材との２つを主要構成部材とする円錐型流体
動圧軸受及びこの円錐型流体動圧軸受を備えたスピンド
ルモータに関し、特に主要構成部材である円錐型シャフ
ト部材とその受け部となるスリーブ部材の構造に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】円錐型流体動圧軸受は、円錐体状の円錐
型シャフト部材とこれを受けるスリーブ部材を主要構成
部材とし、軸受隙間を形成する前記円錐型シャフト部材
のテーパ状外周面と前記スリーブ部材のテーパ状内周面
のいずれか一方にヘリングボーン溝の如き動圧発生溝が
形成されて構成されたものである。ラジアル動圧成分と
スラスト動圧成分が合成された動圧を発生する円錐型流
体動圧軸受は、言わば、ラジアル動圧軸受とスラスト動
圧軸受とを一つの軸受で兼ね合わさせたものであるの
で、小型モータの軸受に最適である。また、円錐型流体
動圧軸受は、その頂角および動圧発生溝パラメータを適
切に選ぶことによりラジアル負荷とアキシャル負荷とを
任意に設計できるという特長を有している。

【０００３】このような特長を有する円錐型流体動圧軸
受であるが、円錐型シャフト部材とスリーブ部材の製作
が難しいために、これを安く且つ大量に提供することが
困難であった。即ち、円錐型シャフト部材とスリーブ部
材は、円錐頂角を±１’以下、又は望ましくは±３０”
以下の加工精度で加工しなければならない。このため、
円錐型シャフト部材とスリーブ部材を研削や切削加工で
大量に製作することが困難であるからである。、

【０００４】また、円錐型流体動圧軸受において、停止
時には円錐型シャフト部材の円錐面全面即ちテーパ状外
周面がスリーブ部材の受け面即ちテーパ状内周面と接
し、円錐型シャフト部材はスリーブ部材に嵌めこみ状態
で静止する。このため、起動時も停止時も大きな負荷が
発生する。嵌めこみ状態によっては、起動不能になるこ
ともある。更に、従来の円錐型シャフト部材は円錐体状
の部材で構成されたもの、即ち１個の円錐体部材で構成
されたものであるから、回転時に才差運動を起こしやす
いという欠点もある。

【０００５】特開昭６０−２０８６２９号公報に開示の
光偏向装置の駆動モータに採用された円錐型流体動圧軸
受は、図４に示す如く、円錐台状断面の円錐型シャフト
部材１１とこれを回転自在にして嵌合するスリーブ部材
１３を主要構成部材とし、軸受隙間を形成する円錐型シ
ャフト部材１１のテーパ状外周面１１ａにヘリングボー
ン溝の如き動圧発生溝Ｇが形成されて構成されたもので
ある。円錐型シャフト部材１１の上端には固定軸１２が
一体に形成されており、固定軸１２は上側基板１９に固
着されている。スリーブ部材１３は円錐型シャフト部材
１１のテーパ状外周面１１ａと共に軸受隙間を形成する
テーパ状内周面１３ａを有する。スリーブ部材１３は、
永久磁石１４と１５とからなる磁気軸受によって、スラ
スト方向に非接触で支持されている。スリーブ部材１３
の下側に取り付けられたロータ磁石１６と下側基板１８
に取り付けられたステータコイル１７とは、協動して回
転力を発生させる。

【０００６】このように、特開昭６０−２０８６２９号
公報に開示の円錐型流体動圧軸受は磁気軸受を併用する
ことによって、円錐型シャフト部材がスリーブ部材に嵌
めこみ状態で静止しないようにし、また回転時に才差運
動を起こさないようにしている。しかしながら、磁気軸
受を併用することは、その分だけ装置が大きくなり、組
み付け作業は容易でなく、動圧軸受構成部材は樹脂製で
はないので安く大量に製作することは困難である。従っ
て、この円錐型流体動圧軸受を小型スピンドルモータに
は採用することはできない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する第１の課題は、円錐型シャフト部材とスリーブ部材
とを主要構成部材とする円錐型流体動圧軸受、及びこれ
を備えたスピンドルモータを安く大量に製作できるよう
にすることである。解決しようとする第２の課題は、前
記円錐型流体動圧軸受及びこれを備えたスピンドルモー
タにおいて、才差運動を生じ難くすることである。解決
しようとする第３の課題は、前記円錐型流体動圧軸受及
びこれを備えたスピンドルモータにおいて、円錐型シャ
フト部材がスリーブ部材に嵌めこみ状態で静止しないよ
うにすることである。解決しようとする第４の課題は、
前記円錐型流体動圧軸受及びこれを備えたスピンドルモ
ータにおいて、広い温度範囲にわたって、軸受剛性をほ
ぼ一定にすることである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記第１及び第２の課題
を解決するために、円錐型シャフト部材とこのシャフト
部材が回転自在に嵌合するスリーブ部材を主要構成部材
とし、軸受隙間を形成する前記円錐型シャフト部材のテ
ーパ状外周面と前記スリーブ部材のテーパ状内周面のい
ずれか一方に動圧発生溝が形成された流体動圧軸受及び
これを備えたスピンドルモータにおいて、前記円錐型シ
ャフト部材を金属心材に樹脂層が施された二重構造とす
ると共に、その形状を一対の円錐体を互いの底面を共有
して結合した形状、即ち紡錘体状又は樽型の形状とし
た。

【０００９】上記第３の課題を解決するために、前記紡
錘体状の円錐型シャフト部材の最大径部近傍に環状凸部
を設け、且つこれに対向する前記スリーブ部材の部分に
環状凹部を設け、停止時には前記環状凸部の下面を前記
環状凹部の上面に着座させ、前記円錐型シャフト部材の
テーパ状外周面が前記スリーブ部材のテーパ状内周面に
接触しないようにした。

【００１０】上記第１の課題を解決するために、前記円
錐型シャフト部材と前記スリーブ部材は樹脂材料で成形
加工して製作した。また、前記樹脂材料には液晶高分子
材料を用いた。

【００１１】上記第４の課題を解決するために、前記円
錐型シャフト部材の樹脂層の樹脂材料と前記スリーブ部
材の樹脂材料は、その線膨張係数は等しいか又は前者が
後者より大きいにして選定した。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明に係るスピンドルモータの
第１実施例の断面図である図１において、円錐型流体動
圧軸受は、円柱状金属心材２に樹脂層３が施された紡錘
体状の円錐型シャフト部材１と、この円錐型シャフト部
材１が回転自在に嵌合する下側スリーブ部材４並びに上
側スリーブ部材５によって構成されている。この円錐型
流体動圧軸受を備えたスピンドルモータは、円錐型シャ
フト部材１に取り付けられたカップ状ハブ６、カップ状
ハブ６の内周面に取り付けられたロータ磁石７、ロータ
磁石７に対向してスリーブ部材４の外周面に取り付けら
れたステータコイル８、及び下側スリーブ部材４が立設
されるモータ基板９を具備する。

【００１３】微小隙間と動圧発生溝を誇張して示した本
発明にかかる円錐型流体動圧軸受の第１実施例の断面図
である図２において、円錐型シャフト部材１は、円柱状
金属心材２に樹脂３を施して成形加工し、一対の円錐体
を互いの底面を共有して結合した形状、即ち紡錘体状に
成形した樹脂製シャフト部材である。下側スリーブ部材
４は、所定角度で傾斜したテーパ状内周面と底面を有す
る椀状の部材であり、その開口端には環状段部４ａが形
成されている。上側スリーブ部材５は、下側スリーブ部
材４と同様の所定角度で傾斜したテーパ状内周面と頂面
を有する椀状の部材であるが、頂面には円柱状金属心材
２が貫通する貫通孔が形成され、更にその開口端には環
状段部５ａが形成されている。前記所定角度は、円錐型
シャフト部材１の円錐体のテーパ状外周面の傾斜角と同
じである。

【００１４】円錐型シャフト部材１には、下側スリーブ
部材４の環状段部４ａと上側スリーブ部材５の環状段部
５ａで形成された環状凹部に回転自在にして嵌合する環
状凸部３ａが形成されている。環状凸部３ａは、円錐型
シャフト部材１の中心部、従って紡錘体の最大径部近傍
に形成されている。図１及び図２において、環状凸部３
ａは断面四角形の環状帯である。従って、動圧軸受の停
止時には、環状凸部３ａの下面がスリーブ部材の環状凹
部を形成している下側スリーブ部材４の環状段部４ａの
上面に着座することになる。これによって、停止時に円
錐型シャフト部材１の下側の円錐面全面が下側スリーブ
部材４の受け面と接し、嵌めこみ状態で静止することが
確実に防止された。

【００１５】ヘリングボーン溝の如き動圧発生溝Ｇは、
円錐型シャフト部材１の樹脂製円錐体の外周面に形成さ
れている。円錐型シャフト部材１、下側スリーブ部材４
及び上側スリーブ部材５との間には、微小隙間Ｒ１〜Ｒ
４が形成されている。即ちＲ１は円錐型シャフト部材１
の上側円錐体の外周面と上側スリーブ部材５の内周面と
の間の微小隙間、Ｒ２は下側スリーブ部材４の環状段部
４ａと上側スリーブ部材５の環状段部５ａで形成された
環状凹部と環状凸部３ａとの間の微小隙間、Ｒ３は円錐
型シャフト部材１の下側円錐体の外周面と下側スリーブ
部材４の内周面との間の微小隙間、そしてＲ４は円錐型
シャフト部材１の下端面と下側スリーブ部材４の底面４
ｂとの間の微小隙間である。

【００１６】これらの微小隙間は、流体動圧軸受のサイ
ズ、回転数及び潤滑油の粘性係数にもよるが、数μｍか
ら数１００μｍ程度である。Ｆは、これらの微小隙間に
充填された潤滑油である。また、これらの隙間の中でＲ
１とＲ３は軸受隙間として機能し、Ｒ２とＲ４は潤滑油
溜りとして機能する。更に、微小隙間Ｒ１と大気の間を
連通しているテーパ状微小隙間Ｓは、毛細管現象と表面
張力を利用して流体動圧軸受内に充填された潤滑油Ｆが
外部に漏出しないようにするキャピラリーシールとして
機能するものである。

【００１７】ところで、潤滑油が充填された流体動圧軸
受においては、軸受剛性は温度が上昇すると軸受剛性が
低下する。これは、潤滑油の温度が上昇するとその粘性
係数が低下するためである。そこで、本発明において
は、円錐型シャフト部材１の樹脂層３の樹脂材料とスリ
ーブ部材４と５の樹脂材料を、その線膨張係数が等しい
か又は前者が後者より大きいものであるようにして選定
した。これによって、このような手段を採用していない
軸受隙間と比較して、高温域では軸受隙間Ｒ４の間隔の
狭まりかたが大きくなった。

【００１８】このようにして軸受隙間の間隔を従来装置
よりも大きく変化させることができるようになり、本発
明に係る液体動圧軸受においては温度により自動的に調
節できる幅が広がった。従って、この温度による軸受隙
間の間隔の自動的な調節の効果を利用して、軸受剛性を
よりダイナミックに自動的に調節することができる。即
ち高温域では、シャフト部材とスリーブ部材との間に形
成された軸受隙間はその間隔が狭くなり、軸受剛性は増
加する。この軸受剛性の増加は、粘性係数低下による軸
受剛性の減少を補償する大きさであり、従って高温域で
は所定の軸受剛性が保持される。一方、低温域では、シ
ャフト部材とスリーブ部材との間に形成された軸受隙間
はその間隔が広くなり、軸受剛性は低下する。この軸受
剛性の低下は、粘性係数上昇による軸受剛性の増加を補
償する大きさであり、従って低温域でも所定の軸受剛性
が保持される。即ち、広い温度範囲にわたって、潤滑油
の粘性係数による軸受剛性の変化を軸受隙間による軸受
剛性の変化で補償できるようになった。

【００１９】本発明に係る第２実施例の円錐型流体動圧
軸受は、図３に断面図で示す如く、第１実施例の円錐型
流体動圧軸受と基本的には同じ構成のものである。両者
の違いは、環状凹部と環状凸部の形状にある。即ち、停
止時に円錐型シャフト部材１の支持部となる環状凸部３
ａを、第１実施例においては断面四角形の環状帯とした
が、図３の第２実施例においては断面三角形の環状帯と
したものである。そして、これに対応する環状凹部も断
面三角形状のものとなり、これを形成する下側スリーブ
部材４の環状段部４ａと上側スリーブ部材５の環状段部
５ａも断面三角形状のものとなっている。このようにす
ることにより、動圧軸受の停止時には、環状凸部３ａの
下面が第１実施例におけるよりも小さな接触面積で下側
スリーブ部材４の環状段部４ａの上面に着座することに
なる。これによって、停止時に円錐型シャフト部材１の
下側の円錐面全面が下側スリーブ部材４の受け面と接
し、嵌めこみ状態で静止することが確実に防止された。

【００２０】次に、円錐型シャフト部材１を樹脂成形加
工により製作する方法について説明する。製作に使用さ
れる金型は、スラスト動圧発生溝形成用凸条が形成され
た所定の内面形状の下型と、ラジアル動圧発生溝形成用
凸条が形成された所定の内面形状の上型である。先ず金
属心材２を下型に位置づけ且つ上型をその上に配置して
金型に装填した後、計量した液晶高分子材料を上型の充
填口から金型に充填する。次いで、この状態にした金型
をプレス機の上にセットして、加熱加圧して溶融した液
晶高分子材料の樹脂を金型と金属心材２との間隙にプラ
ンジャーにより流し込む。溶融した液晶高分子材料の樹
脂の流し込みが完了した後、上型を開き、製品を金型か
ら取り出す。上型には動圧発生溝形成用凸条が形成され
ているから、金型から取り出された製品は金属心材２に
所定の形状の樹脂部が形成され、且つ動圧発生溝Ｇとが
樹脂部の所定の場所に一体に形成された部材、即ち樹脂
製フランジ付シャフト部材である。スリーブ部材４と５
も、同様に樹脂成形加工により製作される。なお、本発
明に係る樹脂製軸受構成部材の樹脂成形加工は、コンプ
レッション成形に限られず、トランスファー成形、射出
成形、射出圧縮成形のいずれの方法も利用できる。

【００２１】前記液晶高分子材料は、ポリヒドロキシ安
息香酸とビスフェノールとテレフタル酸との重合物を出
発原料とした重合物、ポリヒドロキシ安息香酸と６−ヒ
ドロキシナフトエ酸を出発原料とした重合物、或いはポ
リエチレンテレフタレートとポリヒドロキシ安息香酸を
出発原料とした重合物の中から選定した。これらの液晶
高分子材料の他に使える材料は、全芳香族ポリイミド樹
脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリフタルアミド樹脂、ポ
リエーテルイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ＰＥＥＫ樹
脂、ポリケトン樹脂、フッソ系樹脂等である。また、こ
れらの樹脂単体、又は樹脂マトリックスに、カーボン、
グラファイト、二酸化珪素等の無機フィラー類や、ウィ
スカー類、炭素繊維、ガラス繊維等の強化繊維を含めた
液晶高分子材料も利用可能である。

【００２２】以上詳述した本発明に係る円錐型流体動圧
軸受を３つのサンプルを製作し、その性能を調べたの
で、その結果を次に示す。第1サンプルは最大径部の直
径が７ｍｍで円錐頂角が３５度の円錐型流体動圧軸受、
第２サンプルは最大径部の直径が７ｍｍで円錐頂角が４
５度の円錐型流体動圧軸受、そして第３サンプルは最大
径部の直径が７ｍｍで円錐頂角が６０度の円錐型流体動
圧軸受である。動圧発生溝は、溝角１８度、溝深さ６μ
ｍ、溝幅比０．５のヘリングボーン溝とした。片側クリ
アランス(側面に垂直方向)を３．５μｍとした。円錐型
シャフト部材１はステンレス製の円柱の周りに液晶高分
子材料に直径５μｍの石英ビーズを混合したものを射出
成形によって製作した。尚、潤滑油としてはエステル系
合成油を用いた。上記３つの液体動圧軸受を回転数５０
００ｒｐｍで回転させたところ、アキシャル負荷とラジ
アル負荷は第1サンプルでは９０ｇと８０ｇ、第２サン
プルでは９５ｇと５０ｇ、そして第３サンプルは１０５
ｇと３０ｇであった。このように、本発明によれば、ア
キシャル負荷とラジアル負荷を自由に選択して、様々な
流体動圧軸受を提供できる。

【００２３】

【発明の効果】本発明に係る円錐型流体動圧軸受は、そ
の主要構成部材である円錐型シャフト部材及びそのスリ
ーブ部材は樹脂加工により容易に製作可能な構造である
ので、安く大量に製作することが可能となった。また、
本発明に係る円錐型流体動圧軸受は紡錘体状の円錐型シ
ャフト部材とこの円錐型シャフト部材を受けるスリーブ
部材とを主要構成部材とするものであるから、従来のも
のに比べて才差運動が生じ難くなった。

【００２４】上述の効果を奏するとともに、ラジアル負
荷及びアキシャル負荷の２つを支えることができるとい
う機能上の特徴を有する円錐型流体動圧軸受は小型スピ
ンドルモータの軸受に最適である。従って、本発明に係
る円錐型流体動圧軸受を備えたスピンドルモータは更な
る小型化と薄型化が可能となり、このスピンドルモータ
を回転体の駆動源とするハードディスクドライブ装置の
薄型化も可能となった。

【００２５】また、本発明においては、停止中は円錐型
シャフト部材の最大径部近傍に設けた環状凸部の下面が
スリーブ部材の対向する部分に設けられた環状凹部の上
面に着座するようにしたので、円錐型シャフト部材がス
リーブ部材に嵌めこみ状態で静止することがなくなっ
た。従って、起動時も停止時も大きな負荷が発生するこ
とがなくなり、また起動不能に陥ることもなくなった。
それ故に、本発明に係る円錐型流体動圧軸受を備えたス
ピンドルモータは、モータの起動時もスムーズな回転を
開始し、且つ軸受の摩擦も抑制されたので、長寿命化が
実現できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかるスピンドルモータの一実施例の
断面図である。

【図２】隙間と動圧発生溝を誇張して示した本発明にか
かる円錐型流体動圧軸受の第１実施例の断面図である。

【図３】隙間と動圧発生溝を誇張して示した本発明にか
かる円錐型流体動圧軸受の第２実施例の断面図である。

【図４】従来の円錐型流体動圧軸受の断面図である。

【符号の説明】

１ 円錐型シャフト部材 ２ 金属心材 ３ 樹脂層 ３ａ 環状凸部 ４ 下側スリーブ部材 ４ａ 下側環状段部 ４ｂ 底部 ５ 上側スリーブ部材 ５ａ 上側環状段部 ６ カップ状ハブ ７ ロータ磁石 ８ ステータコイル １１ 円錐型シャフト部材 １１ａ テーパ状外周面 １２ 固定軸 １３ スリーブ １３ａ テーパ状内周面 １４、１５ 永久磁石 １６ ロータ磁石 １７ ステータコイル １８ 下側基板 １９ 上側基板 Ｆ 潤滑油 Ｇ 動圧発生溝 Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４ 微小隙間 Ｓ キャピラリーシール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 兵部 行遠 東京都豊島区西池袋１丁目18番２号 株式 会社柿崎製作所内 Ｆターム(参考） 3J011 AA04 BA11 CA02 SC01 5H607 AA03 BB01 BB17 BB25 DD03 EE10 GG12 KK07

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属心材に樹脂層が施された紡錘体状の円
   錐型シャフト部材とこの円錐型シャフト部材が回転自在
   に嵌合するスリーブ部材によって構成され、且つ軸受隙
   間を形成する前記円錐型シャフト部材のテーパ状外周面
   と前記スリーブ部材のテーパ状内周面のいずれか一方に
   動圧発生溝が形成された円錐型流体動圧軸受。
2. 【請求項２】前記紡錘体状の円錐型シャフト部材の最大
   径部近傍に環状凸部を設け、且つこれに対向する前記ス
   リーブ部材の部分に環状凹部を設け、停止時には前記環
   状凸部の下面を前記環状凹部の上面に着座させるように
   したことを特徴とする請求項１の円錐型流体動圧軸受。
3. 【請求項３】前記円錐型シャフト部材と前記スリーブ部
   材は樹脂材料で成形加工して製作されたものであること
   を特徴とする請求項１の円錐型流体動圧軸受。
4. 【請求項４】前記円錐型シャフト部材の樹脂層の樹脂材
   料と前記スリーブ部材の樹脂材料は、その線膨張係数は
   等しいか又は前者が後者より大きいことを特徴とする請
   求項１の円錐型流体動圧軸受。
5. 【請求項５】前記樹脂層の樹脂材料は液晶高分子材料で
   あることを特徴とする請求項１の円錐型流体動圧軸受。
6. 【請求項６】請求項１の円錐型流体動圧軸受によってロ
   ータをステータに回転自在に支持したスピンドルモー
   タ。