JP2005351377A - 動圧軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 正逆両回転方向に使用可能の動圧軸受を提供する。
【解決手段】 軸受スリーブ３を焼結金属製で形成すると共に、軸受スリーブ３の内周に正回転時に動圧作用を生じる動圧溝領域Ａ１および逆回転時に動圧作用を生じる動圧溝領域Ａ２をそれぞれ同一形状で形成する。軸部材２の回転時には、軸部材２の外周２ａと軸受スリーブ３内周の動圧溝領域Ａ１，Ａ２との間のラジアル軸受隙間に生じた流体の動圧作用で、軸部材２を正逆回転方向でラジアル方向に非接触支持する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、動圧軸受に関するものである。

動圧軸受は、高回転精度、高速回転、低コスト、低騒音等の特徴を有し、近年ではこれらの特徴を活かして、ＨＤＤ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ等のディスク装置のスピンドルモータ、あるいはレーザビームプリンタ（ＬＢＰ）のポリゴンスキャナモータ、ＤＬＰ方式のビデオプロジェクタ、その他軸流ファン等の小型モータ用の軸受として広く使用されている。

この動圧軸受は、軸受スリーブの内周に軸部材を挿入し、軸受スリーブの内周と軸部材の外周との間のラジアル軸受隙間に動圧溝の動圧作用で流体圧力を発生させ、この圧力で軸部材を非接触支持するものである。

この動圧軸受において、動圧溝は軸受スリーブの内周あるいは軸部材の外周に形成されるが、特に軸受スリーブの内周に動圧溝を形成する場合、複雑な形状を有する動圧溝を精度良くかつ能率的に形成することは一般に難しい。従来では、軟質金属製の軸受スリーブの内周に特殊な治具を挿入して動圧溝を転造する方法が主流であり、その一例が特開２０００−３１２９４３号公報（特許文献１）に記載されている。
特開２０００−３１２９４３号公報

ところで、従来の動圧軸受は、軸部材の回転方向が一方向（正回転）に限定されているが、これを逆回転方向でも使用可能とすれば、動圧軸受の用途のさらなる拡大に有益である。また、回転方向が一方向に限定されている場合、軸受スリーブを軸受装置に組み込む際に、回転方向と適合した向きに軸受スリーブを組み込む必要がある。従来では、軸受スリーブの向きを識別できるように軸受スリーブ表面に識別マークを付しているが、それでも組み込み作業の煩雑化は避けられない。

その一方、逆回転でも使用可能とするためには、正回転用の動圧溝とは別に、これとは逆向きに傾斜した動圧溝を新たに形成する必要がある。従来では、動圧溝を転造成形しているため、より複雑な形状となる正逆両回転用の動圧溝を成形することは困難で、上記要請に応えることは難しかった。仮に正逆両回転用の動圧溝を成形できたとしても、軸受スリーブがソリッドな金属材料で形成されている場合には、正回転時に逆回転用の動圧溝から負圧が発生するため、これがホワールの発生や油漏れの要因となるおそれがある。

そこで、本発明は、正逆両回転方向に使用可能の動圧軸受を提供することを目的とする。

上記目的の達成のため、本発明では、内周に、複数の動圧溝を円周方向に配列した動圧溝領域を有する軸受スリーブと、軸受スリーブの内周に挿入された軸部材とを備え、軸部材と軸受スリーブの相対回転時に、軸部材の外周と軸受スリーブの内周との間のラジアル軸受隙間に生じた流体の動圧作用で軸部材をラジアル方向に非接触支持する動圧軸受において、軸受スリーブを焼結金属製とし、軸受スリーブの内周に正回転時の動圧溝領域および逆回転時の動圧溝領域をそれぞれ形成すると共に、両動圧溝領域を同一形状とし、かつこれら動圧溝領域を有する軸受スリーブの内周面を型成形された面とした。

動圧溝領域は、正回転もしくは逆回転時に、回転方向に応じて動圧作用を生じる部分であり、少なくとも動圧溝と、隣接する動圧溝間の背の部分とを含む領域で構成される。正回転時の動圧溝領域と逆回転時の動圧溝領域はそれぞれ独立分離して形成する他（図１参照）、その少なくとも一部を重複させた形で形成することもできる（図５〜図９参照）。

このように軸受スリーブを焼結金属製とすれば、動圧溝領域は、これに対応する凹凸形状を有する溝型を軸受スリーブの内周に配置し、軸受スリーブに圧迫力を付与して軸受スリーブの内周面を溝型に押し付けることにより形成することができる。この場合、軸受スリーブの内周面が塑性変形を起こして溝型の凹凸形状が軸受スリーブの内周面に転写されるため、当該内周面に型成形した動圧溝領域が形成される。この型成形であれば、正回転時と逆回転時の二種類の動圧溝領域を備えた複雑形状の軸受スリーブ内周面を精度良く、かつ能率的に成形することができ、正逆両回転方向に使用可能の動圧軸受が提供可能となる。また、正回転時に逆回転用の動圧溝で負圧が発生した際にも、軸受スリーブ内部から表面開孔を通じてラジアル軸受隙間に油が滲み出でるため、負圧を低減しあるいは相殺することができる。このとき、軸受スリーブの内周面、特に正逆両回転用の動圧溝領域の表面開孔率は２〜２０％の範囲に設定するのが望ましい。２％を下回ると負圧の低減効果が不十分となり、２０％を越えると十分な動圧作用が得られないからである。

特に本発明のように、正回転時の動圧溝領域と逆回転時の動圧溝領域とを同一形状とした場合、動圧作用で生じる流体の圧力が正回転時および逆回転時の何れでも均一化されるため、例えばステッピングモータを支持する軸受のように正回転と逆回転が頻繁に切替えられ、正逆両回転方向で均一な軸受性能が求められる用途にも動圧軸受を使用することが可能となる。

なお、ここでいう「同一形状」とは、正回転時の動圧溝領域および逆回転時の動圧溝領域のうち、何れか一方の形状が他方の形状と鏡像関係にあることを意味する。両領域の一部が重複している場合の同一性は、正回転時に動圧溝領域になる部分と、逆回転時に動圧溝領域になる部分との間で判断される。

正回転時と逆回転時の各動圧溝領域は、その軸方向位置をずらして配置する他、その軸方向位置を同じにして配置することができる。

軸受性能の向上を図るため、正回転時と逆回転時の動圧溝領域はそれぞれ複数列設けるのが望ましい。この場合、正回転時の動圧溝領域の領域間ピッチと、逆回転時の動圧溝領域の領域間ピッチとを同じにすれば、正回転時と逆回転時のモーメント剛性が同程度となるので、正逆両回転時の軸受性能のさらなる均一化を図ることができる。

以上に述べた動圧軸受は、軸部材をモータ（例えばステッピングモータ）の回転軸として使用することにより、モータ用の軸受として用いることができる。

以上から、本発明によれば、正逆両回転を支持することができ、かつ両回転方向で均一な軸受性能を有する動圧軸受を低コストに得ることができ、動圧軸受のさらなる用途拡大に寄与することができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。

図２に示すように本発明にかかる動圧軸受１は、軸部材２と、軸部材２を内周に挿入した円筒状の軸受スリーブ３とを主要構成要素とする。

軸部材２はステンレス鋼等の金属材料で形成され、軸受スリーブ３の内周と対向する外周面２ａは平滑な円筒面状に形成される。軸受スリーブ３は、焼結金属、例えば銅あるいは鉄、もしくは双方を主成分とする焼結金属に潤滑油（又は潤滑グリース）を含浸させた含油焼結金属で形成される。軸受スリーブの内周面には、図１に示すように、複数の動圧溝４を有する円周方向の動圧溝領域Ａ１，Ａ２が軸方向の複数箇所（図示例では４箇所）に形成される。

各動圧溝領域Ａ１，Ａ２は、回転方向に応じて動圧作用を生じる領域であり、軸方向に対して傾斜し、円周方向の複数箇所に配列された動圧溝４と、隣接する動圧溝４の間に形成された背の部分６とを少なくとも含む。図１は、この動圧溝領域の一例として、円周方向の中心線の両側に傾斜方向を逆にして動圧溝４を配列した、いわゆるヘリングボーン形の動圧溝領域を例示している。但し、この配列は例示にすぎず、これ以外の形状の動圧溝領域を形成することもできる。

図１では、軸方向で隣り合う動圧溝４間に背の部分６と同じ高さの環状の平滑部５を設け、この平滑部５で区画することにより、軸方向で隣り合う動圧溝４同士を非連続とした非連続タイプの動圧溝領域Ａ１，Ａ２を例示している。この非連続型では、動圧溝４と背の部分６の他、平滑部５も動圧溝領域Ａ１，Ａ２の構成要素となる。この他、平滑部５を廃し、軸方向で隣り合う動圧溝４同士を連続させた連続型の動圧溝領域Ａ１，Ａ２（図６参照）を使用することもできる。

本発明では、動圧溝領域Ａ１，Ａ２として、正回転時に動圧作用を生じる領域Ａ１（正回転時の動圧溝領域）と逆回転時に動圧作用を生じる領域Ａ２（逆回転時の動圧溝領域）の二種類が設けられ、この点が正回転時の動圧溝領域Ａ１のみを有する従来品（図１０参照）と異なる点となる。本発明において、正回転時の動圧溝領域Ａ１と逆回転時の動圧溝領域Ａ２とは同一形状であり（より詳細には鏡像関係にある）、動圧溝４の傾斜方向が逆になっている以外は、動圧溝４の輪郭、数、さらには溝深さが同じである。

この動圧軸受において、軸部材２と軸受スリーブ３のうち、一方（例えば軸受スリーブ３）を固定して他方（例えば軸部材２）を正方向に回転すると、動圧溝４での動圧作用により、正回転時の動圧溝領域Ａ１とこれに対向する軸部材２の外周面２ａとの間のラジアル軸受隙間に油等の潤滑流体の圧力が発生し、この圧力によって軸部材２と軸受スリーブ３とが非接触に保持される。逆方向に回転させた場合も同様に、逆回転時の動圧溝領域Ａ２とこれに対向する軸部材２の外周面２ａとの間のラジアル軸受隙間に潤滑流体の圧力が発生し、この圧力によって軸部材２と軸受スリーブ３とが非接触に保持される。そのため、一つの動圧軸受１で正逆両方向の回転を支持することが可能となる。特に本発明では、正逆両回転時の動圧溝領域Ａ１，Ａ２が同一形状であるので、軸受性能も正逆両回転方向で均一化することができる。

図示のように正回転時の動圧溝領域Ａ１と逆回転時の動圧溝領域Ａ２の軸方向位置をずらし、それぞれ独立して形成した場合、何れかの方向の回転時における二種類の動圧溝領域Ａ１，Ａ２での動圧作用の相互干渉を抑制できるため、高い回転精度を得ることができる。

また、図示例のように、軸方向で正回転時の動圧溝領域Ａ１と逆回転時の動圧溝領域Ａ２とを交互に配置し、二つの動圧溝領域Ａ１（正回転時）の領域間ピッチＰ１、および二つの動圧溝領域Ａ２（逆回転時）の領域間ピッチＰ２を等しくすれば、軸受のモーメント剛性を正逆両回転方向で等しくすることができ、正逆両回転方向で軸受性能を均一化することができる。

このように動圧軸受１を正逆両回転方向で使用可能とすれば、軸部材の回転方向が何れか一方向に限定される場合でも、軸受スリーブ３を何れの向きに組み込んでも軸部材の回転方向に対応した動圧作用を得ることができるため、組み込み時の作業性を改善することができ、さらに軸受スリーブ３に付する識別マークを不要とすることもできる。

この軸受スリーブ３内周の動圧溝領域Ａ１，Ａ２は、型成形で形成することができる。図３は、この型成形工程の一例を示すものである。この工程は、図示のように、円筒状の焼結金属素材３’の内周に、軸受スリーブ３の内周面形状に対応する形状の溝型１１ａを外周面に形成したコアロッド１１を挿入した状態で、軸受スリーブ３をその軸方向両端面をパンチ１２ａ，１２ｂで拘束してダイス１３に押し入れることにより行われる。ダイス１２内では焼結金属素材３’にパンチ１２ａ，１２ｂおよびダイス１２から圧迫力が付与され、その内周面がコアロッド１１の溝型１１ａに押し付けられる。これにより、焼結金属素材３'の内周面が塑性変形を起こして溝型１１ａの凹凸形状が転写され、各動圧溝領域Ａ１，Ａ２が型成形される。この際、動圧溝領域Ａ１，Ａ２の動圧溝４、背の部分６、さらには平滑部５は溝型１１ａの凹凸によって同時成形される。

成形終了後に焼結金属素材３’をダイス１３から取り出すと、素材３’のスプリングバックによってその内周面が拡径するため、溝型１１ａと成形後の動圧溝領域Ａ１，Ａ２とを干渉させることなく、スムーズに焼結金属素材３’を脱型することができる。脱型した焼結金属素材３’に真空含浸等の手段で潤滑油を含浸させることにより、軸受スリーブ３が得られる。

図４は、以上の動圧軸受１を使用した動圧軸受装置の構成例を示すものである。この動圧軸受装置は、動圧軸受１に加え、さらに底部１５ａを一体または別体に有する有底筒状のハウジング１５を備える構造である。ハウジング３の内周にステッピングモータ１６のシャフトとなる軸部材２が挿入され、軸部材２の外周面２ａと軸受スリーブ３の内周面との間の隙間（ラジアル軸受隙間も含む）に潤滑流体としての油が満たされている。この構成において、ステッピングモータ１６を正逆駆動すると、軸部材２の正逆回転が動圧軸受１によってラジアル方向で非接触支持される。ステッピングモータ１６は、パルス信号が入力されるごとに一定角度ずつ回転するモータであり、正回転と逆回転が頻繁に切替えられるが、本発明にかかる動圧軸受１は、上述のように正回転および逆回転時の軸受性能が均一化されているので、かかる用途にも対応することができる。

以下、図５〜図９に基いて、本発明の他の実施形態を説明する。

図５に示す実施形態は、図１に示す実施形態において、隣接した動圧溝領域Ａ１，Ａ２のうち、軸方向で対向関係にある傾斜方向の等しい動圧溝４および背の部分６を共通化したもので（共通化した部分を符号４’、６’で表す）、これは正回転時の動圧溝領域Ａ１と逆回転時の動圧溝領域Ａ２とを軸方向で一部重複させた形態をなす。この場合、正回転時には、動圧溝４（上側）・４’、平滑部５、および背の部分６（上側）・６’からなる部分が動圧作用を生じる動圧溝領域Ａ１となり、逆回転時には動圧溝４（下側）・４’、平滑部５、および背の部分６（下側）・６’からなる部分が動圧作用を生じる動圧溝領域Ａ２となる。このように回転方向に応じた動圧作用を生じる動圧溝領域Ａ１，Ａ２が同一形状となることから、図１に示す実施形態と同様に、正逆両回転時の軸受性能を均一化することができる。特にこの実施形態では、両動圧溝領域Ａ１，Ａ２を軸方向で一部重複させているので、図１に示す実施形態に比べ、同種の動圧溝領域の領域間ピッチＰ１，Ｐ２を増すことができ、軸受のモーメント剛性をさらに向上させることもできる。

図６は、図５に示す構成において、隣接する正逆両動圧溝領域Ａ１，Ａ２の平滑部５を廃し、その軸方向両側の動圧溝４・４’および背の部分６・６’を連続させた、いわゆる連続タイプの動圧溝形状を示すものである。この場合も正回転時に動圧作用を生じる動圧溝４（上側）・４’および背の部分６（上側）・６’からなる動圧溝領域Ａ１と、逆回転時に動圧作用を生じる動圧溝４（下側）・４’および背の部分６（下側）・６’かならなる動圧溝領域Ａ２とが同一形状となるので、正逆両回転時における軸受性能を共通化することができる。

図７は、図５に示す実施形態において、正回転用の動圧溝領域Ａ１を、軸受スリーブ３の内周面を円周方向等ピッチに分割してできる一部領域であって、円周方向に離隔した複数（望ましくは三以上）の領域に形成したものである。逆回転用の動圧溝領域Ａ２も同様の態様で配置されているが、その円周方向の位相は正回転用の動圧溝領域Ａ１とずらしている。両動圧溝領域Ａ１，Ａ２の円周方向両端では、軸方向で対向する背の部分を共通化している（共通化した背の部分を符号６’で示す）。この場合も動圧溝４、平滑部５、背の部分６・６’からなる正回転時の動圧溝領域Ａ１と、動圧溝４、平滑部５、背の部分６・６’からなる逆回転時の動圧溝領域Ａ２とが同一形状となるので、正逆両回転時における軸受性能を共通化することができる。

以上に述べた図１および図５〜７に示す実施形態は、正回転時における動圧溝領域Ａ１と逆回転時における動圧溝領域Ａ２との軸方向位置を異ならせたものであるのに対し、図８および図９に示す実施形態は、隣接する両動圧溝領域Ａ１，Ａ２の軸方向位置を同じにすることにより、両動圧溝領域Ａ１，Ａ２を軸方向で完全に重複させたものである。何れの場合も、軸方向に離隔した動圧溝領域間の軸方向ピッチＰがさらに増すため、軸受のモーメント剛性をより高めることができる。

このうちの図８は、背の部分６の傾斜方向を円周方向で交互に反転させることにより動圧溝領域Ａ１，Ａ２を合成した例である。一方、図９は正回転用の動圧溝領域Ａ１と逆回転用の動圧溝領域Ａ２とを、図７と同様にその円周方向の位相をずらしてそれぞれ軸受スリーブ３内周面に形成した例である。何れの場合も動圧溝領域Ａ１，Ａ２が同一形状となるので、正逆両回転時における軸受性能を共通化することができる。

本発明の第一の実施形態を示すもので、軸受スリーブの断面図である。 図１に示す軸受スリーブを使用した動圧軸受の断面図である。 動圧溝領域の成形工程を示す断面図である。 図２に示す動圧軸受を使用した動圧軸受装置の断面図である。 本発明の第二の実施形態を示す断面図である。 本発明の第三の実施形態を示す断面図である。 本発明の第四の実施形態を示す断面図である。 本発明の第五の実施形態を示す断面図である。 本発明の第六の実施形態を示す断面図である。 従来の動圧溝領域の形態を示す断面図である。

符号の説明

１ 動圧軸受
２ 軸部材
２ａ 外周面
３ 軸受スリーブ
４ 動圧溝
５ 平滑部
６ 背の部分
１１ コアロッド
１１ａ 溝型
１２ａ，１２ｂ パンチ
１３ ダイス
１５ ハウジング
１５ａ 底部
１６ ステッピングモータ
Ａ１ 動圧溝領域（正回転時）
Ａ２ 動圧溝領域（逆回転時）

Claims (7)

1. 内周に、複数の動圧溝を円周方向に配列した動圧溝領域を有する軸受スリーブと、軸受スリーブの内周に挿入された軸部材とを備え、軸部材と軸受スリーブの相対回転時に、軸部材の外周と軸受スリーブの内周との間のラジアル軸受隙間に生じた流体の動圧作用で軸部材をラジアル方向に非接触支持する動圧軸受において、
   軸受スリーブが焼結金属製で、軸受スリーブの内周に正回転時の動圧溝領域および逆回転時の動圧溝領域がそれぞれ形成されると共に、両動圧溝領域が同一形状をなし、かつこれら動圧溝領域を有する軸受スリーブの内周面が型成形された面であることを特徴とする動圧軸受。
2. 正回転時および逆回転時の各動圧溝領域を、その軸方向位置をずらして配置した請求項１記載の動圧軸受。
3. 正回転時と逆回転時の動圧溝領域をそれぞれ複数列備え、かつ正回転時の動圧溝領域の領域間ピッチと、逆回転時の動圧溝領域の領域間ピッチとを同じにした請求項２記載の動圧軸受。
4. 正回転時と逆回転時の各動圧溝領域を、その軸方向位置を同じにして配置した請求項１記載の動圧軸受。
5. 軸受スリーブの内周面の表面開孔率を２〜２０％にした請求項１記載の動圧軸受装置。
6. 軸部材をモータの回転軸として使用する請求項１〜５何れか記載の動圧軸受装置。
7. モータがステッピングモータである請求項６記載の動圧軸受装置。

Images