JP4030517B2 - 動圧軸受装置 - Google Patents

Description

本発明は、動圧軸受装置に関する。この軸受装置は、情報機器、例えばＨＤＤ、ＦＤＤ等の磁気ディスク装置、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ等の光ディスク装置、ＭＤ、ＭＯ等の光磁気ディスク装置などのスピンドルモータ、レーザビームプリンタ（ＬＢＰ）のポリゴンスキャナモータ、あるいは電気機器、例えば軸流ファンなどの小型モータ用として好適である。

上記各種モータには、高回転精度の他、高速化、低コスト化、低騒音化などが求められている。これらの要求性能を決定づける構成要素の一つに当該モータのスピンドルを支持する軸受があり、近年では、この種の軸受として、上記要求性能に優れた特性を有する動圧軸受装置の使用が検討され、あるいは実際に使用されている。

この動圧軸受装置の一例として、特開2002−61641号公報（特許文献１）には、有底筒状のハウジングと、ハウジングの内周に固定された軸受部材と、軸受部材の内周面に挿入された軸部材と、軸部材と軸受スリーブの相対回転時に生じる動圧作用で軸部材を回転自在に非接触支持するラジアル軸受部およびスラスト軸受部を備えるものが開示されている。

ラジアル軸受部およびスラスト軸受部のうち、スラスト軸受部は、軸部材のフランジ部両端面とこれに対向するハウジング底面および軸受スリーブの端面との間のスラスト軸受隙間にそれぞれ油の動圧作用で圧力を発生させて、軸部材をスラスト方向に非接触支持するものである。
特開２００２−６１６４１号公報

ところで、この種の動圧軸受装置では、その起動・停止時に回転側の部材と固定側の部材とが高速で摺動することが避けられない。そのため、モータを頻繁に起動・停止させる情報機器、例えばＨＤＤ−ＤＶＤレコーダや携帯電話用の記憶装置をはじめとするコンシューマ機器に使用する動圧軸受装置においては、使用条件等によって繰返しの起動・停止による摺動面の摩耗が問題となる場合があり、耐摩耗性のさらなる向上が望まれる。

そこで、本発明は、スラスト軸受部の摩耗を抑制することのできる動圧軸受装置の提供を目的とする。

上記目的の達成のため、本発明は、軸部材のフランジ部と、これに軸方向で対向する部材とのうち、フランジ部と軸方向で対向する部材に形成され、複数のスパイラル状の動圧溝を配列した動圧溝領域を設けたスラスト軸受面と、フランジ部に設けられ、スラスト軸受面と軸方向で対向するスラスト受け面と、スラスト軸受面とスラスト受け面との間に形成され、回転側部材の回転時に流体の動圧作用で圧力を発生させて、この圧力で軸部材をスラスト方向に非接触支持するスラスト軸受隙間とを備えるものにおいて、
スラスト軸受隙間が、内径部を均一幅とすると共に、その外径側に、外径側ほどその軸方向幅を小さくした縮小部を有し、縮小部がスラスト軸受面に設けた傾斜面で形成され、前記動圧溝領域を傾斜面に設け、フランジ部と軸方向で対向する部材の端面のうち、傾斜面よりも内径側の領域を傾斜面の最内径部よりも凹ませて、この領域で前記スラスト軸受隙間の均一幅部分を形成し、動圧溝の溝深さを均一とし、スパイラル状の動圧溝のポンピング能力が縮小部の最外径側で最も大きくなっており、傾斜面の半径方向幅ｒ、傾斜面の高さをｈとして、ｈ／ｒ≦０．０１に設定したことを特徴とするものである。

これにより、縮小部の最外径部の周速度の大きい箇所が最小幅となるので、動圧溝によるポンピング機能が高まり、モータの起動・停止時におけるスラスト軸受面とスラスト受け面の接触時間を短くすることができる。

この場合、動圧効果の低下等を避けるため、傾斜面の半径方向幅をｒ、傾斜面の高さをｈとし、ｈ／ｒ≦０．０１に設定するのが望ましい。

以上に述べた動圧軸受装置と、回転側部材に取り付けたモータロータと、固定側部材に取り付けたモータステータとを有するモータは、高回転精度でありながらも高い耐久性を有し、情報機器用のモータとして好適なものとなる。

本発明によれば、スラスト軸受部における摩耗を抑制することができるので、動圧軸受装置の耐久性向上を図ることができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。

図１は、動圧軸受装置１を組込んだ情報機器用スピンドルモータの一例として、ＨＤＤ等のディスク駆動装置に用いられるスピンドルモータを示している。このモータは、動圧軸受装置１と、動圧軸受装置１の軸部材２に取り付けられた回転部材３（ディスクハブ）と、例えば半径方向のギャップを介して対向させたモータステータ４およびモータロータ５と、ブラケット６とを備えている。モータステータ４はブラケット６の外周に取り付けられ、モータロータ５は、ディスクハブ３の内周に取り付けられている。ディスクハブ３は、その外周に磁気ディスク等のディスクＤを一枚または複数枚保持する。ブラケット６の内周に動圧軸受装置１のハウジング７が装着されている。モータステータ４に通電すると、モータステータ４とモータロータ５との間に発生する励磁力でモータロータ５が回転し、それに伴ってディスクハブ３、さらには軸部材２が回転する。

図２に上記動圧軸受装置１の一例を示す。この動圧軸受装置１は、軸部材２をラジアル方向で支持するラジアル軸受部Ｒ１・Ｒ２と、軸部材２をスラスト方向で支持するスラスト軸受部Ｔ１・Ｔ２とを具備しており、ラジアル軸受部Ｒ１・Ｒ２、およびスラスト軸受部Ｔ・Ｔ２の何れも動圧軸受で構成されている。動圧軸受は、回転側部材と固定側部材の何れか一方に動圧溝を有する軸受面を形成すると共に、他方に軸受面と対向させて平滑な受け面を形成し、回転側部材の回転時に軸受面と受け面との間の軸受隙間に流体の動圧作用で圧力を発生させ、回転側部材を非接触状態で回転自在に支持する。

以下、この動圧軸受装置１の具体的構成を説明する。

図２に示すように、本実施形態にかかる動圧軸受装置１は、一端に開口部７ａを有する有底円筒状のハウジング７と、ハウジング７の内周面に固定された円筒状の軸受スリーブ８と、軸部材２と、ハウジング７の開口部７ａに固定されたシール部材１０とを主要な軸受構成部材として含む。なお、以下では、説明の便宜上、ハウジング７の開口側を上側、これと軸方向反対側を下側として説明を進める。

ハウジング７は、円筒状の側部７ｂと底部７ｃとを備える有底円筒状に形成される。この実施形態において、底部７ｃは、側部７ｂとは別部材の薄肉円盤状のスラストプレートで構成される。このスラストプレート７ｃを側部７ｂの下側開口部に接着・圧入またはこれらを併用して取り付けることにより、一方の端部を封口したハウジング７が形成される。ハウジング７の底部７ｃは側部７ｂと一体化してもよい。

軸部材２は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ４２０Ｊ２）等の金属材で形成され、軸部２ａと、軸部２ａの下端で外径側に張り出したフランジ部２ｂとを一体に又は別体に有するものである。フランジ部２ｂの下端面２ｂ１は、スラストプレート７ｃの上端面７ｃ１と対向し、フランジ部２ｂの上端面２ｂ２は、軸受スリーブ８の下端面８ｃと対向している。フランジ部２ｂの下端面２ｂ１および上端面２ｂ２は、後述するようにスラスト受け面１１ｂ、１３ｂとして機能する。

本実施形態において、スラストプレート７ｃの上端面７ｃ１のうち、フランジ部２ｂの下端面２ｂ１との対向部分が下側のスラスト軸受部Ｔ１のスラスト軸受面１１ａとなる。このスラスト軸受面１１ａの一部領域、例えば半径方向の中央部付近には、図３に示すように、複数の動圧溝Ｐ１と、動圧溝Ｐ１間で丘を形成する背部Ｐ２とをスパイラル状に配列した環状の動圧溝領域Ｐが形成される。この動圧溝領域Ｐの加工法は任意であるが、低コストに精度よく成形可能なプレス加工が望ましい。この場合、プレス加工時の加工性向上を図るため、スラストプレート７ｃは、金属材料の中でも柔らかくて降伏応力の小さいもの、例えば銅合金（真ちゅう、砲金、鉛青銅、リン青銅等）やアルミ（Ａ２種〜７種）で形成するのが望ましい。

軸受スリーブ８は、例えば多孔質材、特に銅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円筒状に形成される。軸受スリーブ８の内周面８ａには、第一ラジアル軸受部Ｒ１と第二ラジアル軸受部Ｒ２のラジアル軸受面が軸方向に離隔して設けられ、この二つの領域には、例えばヘリングボーン形状の動圧溝がそれぞれ形成される。なお、動圧溝の形状として、スパイラル形状や軸方向溝形状等を採用しても良く、また、動圧溝を有するラジアル軸受面は、軸部材２の軸部２ａ外周面に形成してもよい。さらに軸受スリーブ８は、多孔質材以外にも、例えば真鍮や銅合金等の軟質金属で形成することもできる。

本実施形態において、軸受部材８の下端面８ｃは、上側のスラスト軸受部Ｔ２のスラスト軸受面１３ａとなる。このスラスト軸受面１３ａには複数の動圧溝をスパイラル形状に配列した環状の動圧溝領域（図示省略）が形成される。なお、動圧溝の形状は任意で、へリングボーン形状を採用しても良い。

図２に示すように、シール部材１０は環状のもので、ハウジング７の開口部７ａの内周面に圧入、接着等の手段で固定される。この実施形態において、シール部材１０の内周面１０ａは円筒状に形成され、シール部材１０の下端面は軸受部材８の上端面８ｂと当接している。

軸部材２の軸部２ａは軸受部材８の内周面８ａに挿入され、フランジ部２ｂは軸受部材８の下端面８ｃとスラストプレート７ｃの上端面７ｃ１との間の空間部に収容される。軸部２ａのテーパ面２ａ１はシール部材１０の内周面１０ａと所定の隙間を介して対向し、これにより、両者の間に、ハウジング７の外部方向（同図で上方向）に向かって漸次拡大するテーパ形状のシール空間Ｓが形成される。軸部材２の回転時、軸部２ａのテーパ面２ａ１は、いわゆる遠心力シールとしても機能する。シール部材１０で密封されたハウジング７の内部空間（軸受部材８の内部の気孔も含む）には潤滑油が充満され、その油面はシール空間Ｓ内にある。シール空間Ｓは、このようなテーパ状の空間とする他、軸方向で同径の円筒状の空間とすることもできる。

以上の実施形態においては、モータの回転時に軸部材２が回転側部材となり、ハウジング７、軸受スリーブ８、およびシール部材１０が固定側部材となる。軸部材２が回転すると、ラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２において、軸受スリーブ８内周のラジアル軸受面と、これに対向する軸部２ａ外周面（ラジアル受け面）との間のラジアル軸受隙間に潤滑油の動圧作用によって圧力が発生し、軸部材２の軸部２ａがラジアル方向に回転自在に非接触支持される。また、下側のスラスト軸受部Ｔ１において、スラストプレート７ｃに形成したスラスト軸受面１１ａとこれに対向するスラスト受け面１１ｂ（フランジ部２ｂの下側端面２ｂ１）との間のスラスト軸受隙間に潤滑油の動圧作用によって圧力が発生し、同時に上側のスラスト軸受部Ｔ２において、軸受スリーブ端面８ｃに形成したスラスト軸受面１３ａとこれに対向するスラスト受け面１３ｂ（フランジ部２ｂの上側端面２ｂ２）との間のスラスト軸受隙間に潤滑油の動圧作用によって圧力が発生するため、軸部材２のフランジ部２ｂがスラスト方向に回転自在に非接触支持される。

本発明では、図４に示すように、下側のスラスト軸受部Ｔ１のスラスト軸受隙間Ｃに、その軸方向幅Ｗを外径側ほど縮小させた縮小部１５が形成される（図中のスラスト軸受隙間Ｃの幅は誇張して描かれている）。図４は、スラスト軸受隙間Ｃの内径部を均一幅とする一方、その外径側に縮小部１５を設けた実施形態を示す。この縮小部１５は、例えば図示のように、スラスト受け面１１ｂを軸方向と直交する方向の平坦面とする一方、スラスト軸受面１１ａに外径側ほどスラスト受け面１１ｂ側に接近する傾斜面１７を設けることにより形成することができる。スラスト軸受面１１ａの動圧溝領域Ｐは傾斜面１７に設けるのが望ましい。

このようにスラスト軸受隙間Ｃに縮小部１５を形成することにより、縮小部１５の最外径部がスラスト軸受隙間Ｃの最小幅部Ｗminとなる。軸部材２の回転中は、この縮小部の最外径部の周速が大きいことから、動圧溝のポンピング能力が大きくなる。従って、低回転速度でも十分な動圧作用を得ることができ、軸受装置１の接触開始回転速度を低く抑えることができる。これにより、スラスト軸受面とスラスト受け面との摺動接触によるスラスト軸受部Ｔ１での摩耗を抑制することが可能となり、モータの起動・停止頻度が頻繁に行われる用途に好適な動圧軸受装置１を提供することができる。

ここで、接触開始回転速度とは、それよりも小さい速度ではスラスト軸受面１１ａとスラスト受け面１１ｂが接触し、それよりも大きい速度では両面１１ａ、１１ｂが非接触となる回転速度をいう。接触開始回転速度が低くなれば、モータの起動直後あるいは停止直前のスラスト軸受面１１ａとスラスト受け面１１ｂとの接触時間が短くなるので、スラスト軸受部Ｔ１での摩耗を抑制することができる。

かかる効果は、スラスト軸受隙間Ｃが縮小部１５を有する限り得られるものであり、図示のようにスラスト軸受面１１ａに傾斜面１７を設ける他、スラスト軸受面１１ａを平坦面とする一方、スラスト受け面１１ｂに傾斜面を形成してもよく、あるいはスラスト軸受面１１ａとスラスト受け面１１ｂの双方に傾斜面を形成してもよい。また、傾斜面１７は、図４に示すように断面がストレートなテーパ面とする他、図６に示すように、断面が半径Ｒの円弧である曲面（二以上の半径の円弧を組み合わせた複合曲面も含む）とすることもできる。

また、図４では、下側のスラスト軸受部Ｔ１のスラスト軸受隙間に縮小部１５を設けた場合のみを図示しているが、上側のスラスト軸受部Ｔ２のスラスト軸受隙間に同様の縮小部を形成しても同様の効果が得られる。

以上の効果を確認するため、本発明品と比較品について、接触開始回転速度の理論計算を行った。ここで、本発明品は、図４に示すように縮小部１５を有するスラスト軸受間であり、比較品は、図５に示すように軸方向幅を外径側ほど拡大させた拡大部１５’を有するスラスト軸受隙間である（図５では、図４に示す部材と対応する部材に（’）の符号を付している）。

理論計算は以下の文献を参考に行った。
Jiasheng Zhu and Kyosuke Ono, 1999, "A Comparison Study on the Performance of Four Types of oil Lubricated Hydrodynamic Thrust Bearings for Hard Disk Spindles," Transactions of the ASME, Vol.121,JANUARY 1999, pp. 114-120

また、この理論計算で使用した計算条件（DF法、Sommerfeldの境界条件）は以下のとおりである。

回転部質量Ｗ ６．５ｇ
スラスト軸受部外径Ｄｏ ６．５ｍｍ
スラスト軸受部内径Ｄｉ ２．５ｍｍ
溝深さｈｏ ７μｍ
溝本数ｋ １６
溝角度α ３０ｄｅｇ
丘溝比γ １
潤滑油粘度η ５．９７ｍＰａ・Ｓ
但し、スラスト軸受隙間の最小幅Ｗｍｉｎは０．０５μｍとした。

以上の条件に基く理論計算結果を図７に示す。なお、図中の横軸の「平面度」は、図４および図５に示す傾斜面１７の高さｈを表す。

図示のように本発明品Ａは、比較品Ｂに比べて接触開始回転速度が低く、従って、モータの起動直後あるいは停止直前のスラスト軸受面１１ａとスラスト受け面１１ｂとの接触時間の短縮化に有効であることが判明した。また、図７の結果から、スラスト軸受面１１ａの平面度（傾斜面１７の高さｈ）が大きすぎると、接触開始回転速度が大きくなり、却って動圧効果が低減するので、平面度ｈには上限があると考えられる。この観点から本発明者らが検証したところ、傾斜面１７の高さｈと半径ｒの比（ｈ／ｒ）が０．０１を越えると接触開始回転速度が著しく上昇することが判明した。従って、ｈ／ｒの値は０．０１以下、望ましくは０．００４以下とするのがよい。

なお、図５に示す比較品は、接触開始回転速度については本発明品に劣るものの、スラスト軸受面１１ａ’とスラスト受け面１１ｂ’の接触時の接触面圧が低くなるという利点を有するので、モータの起動・停止の頻度の少ない例えば業務用の情報機器（サーバー用ＨＤＤ、業務用ＬＢＰ等）ではむしろ好結果を得られる場合もある。

本発明は、以上に述べた、フランジ部２ｂの下側端面２ｂ１とハウジング７の底部７ｃとの間にスラスト軸受部Ｔ１を有する動圧軸受装置１に限らず、スラスト軸受部を動圧軸受で構成した動圧軸受装置一般に広く適用することができる。例えば、スラスト軸受部のスラスト軸受面１１ａおよびスラスト受け面１１ｂのうち、一方をハウジング７の開口側端面に形成し、他方をこれに対向する回転部材（例えばディスクハブ３）の端面に形成した動圧軸受装置（図示省略）にも同様に本発明を適用することができる。

また、ラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２として、動圧溝を有する動圧軸受を使用した場合を説明したが、ラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２としては、ラジアル軸受隙間に形成した潤滑油の油膜で軸部材２をラジアル方向に非接触支持するものであれば使用可能であり、例えばラジアル軸受面となる領域が、動圧溝を有しない断面真円状である軸受（真円軸受）を使用することもできる。

本発明にかかる動圧軸受装置を使用したスピンドルモータの断面図である。 上記動圧軸受装置の断面図である。 スラスト軸受面（スラストプレートの上端面）の平面図である。 下側のスラスト軸受部を概略図示する拡大断面図である。 比較品のスラスト軸受部を概略図示する拡大断面図である。 傾斜面の他例を示す断面図である。 接触開始回転速度の理論計算結果を示す図である。

符号の説明

１ 動圧軸受装置
２ 軸部材
2ａ 軸部
2ｂ フランジ部
２ｂ１ 下端面
２ｂ２ 上端面（スラスト面）
３ ディスクハブ
４ モータステータ
５ モータロータ
７ ハウジング
７ｃ 底部（スラストプレート）
７ｃ１ 内底面
８ 軸受スリーブ
８ａ 内周面
８ｃ 端面
１０ シール部材
１０ａ 内周面
１１ａ スラスト軸受面
１１ｂ スラスト受け面
１３ａ スラスト軸受面
１３ｂ スラスト受け面
１５ 縮小部
１７ 傾斜面
Ｐ 動圧溝領域
Ｒ１ 第一ラジアル軸受部
Ｒ２ 第二ラジアル軸受部
Ｔ１ 第一スラスト軸受部
Ｔ２ 第二スラスト軸受部

Claims (2)

1. 軸部材のフランジ部と、これに軸方向で対向する部材とのうち、フランジ部と軸方向で対向する部材に形成され、複数のスパイラル状の動圧溝を配列した動圧溝領域を設けたスラスト軸受面と、フランジ部に設けられ、スラスト軸受面と軸方向で対向するスラスト受け面と、スラスト軸受面とスラスト受け面との間に形成され、回転側部材の回転時に流体の動圧作用で圧力を発生させて、この圧力で軸部材をスラスト方向に非接触支持するスラスト軸受隙間とを備えるものにおいて、
   スラスト軸受隙間が、内径部を均一幅とすると共に、その外径側に、外径側ほどその軸方向幅を小さくした縮小部を有し、縮小部がスラスト軸受面に設けた傾斜面で形成され、前記動圧溝領域を傾斜面に設け、フランジ部と軸方向で対向する部材の端面のうち、傾斜面よりも内径側の領域を傾斜面の最内径部よりも凹ませて、この領域で前記スラスト軸受隙間の均一幅部分を形成し、動圧溝の溝深さを均一とし、スパイラル状の動圧溝のポンピング能力が縮小部の最外径側で最も大きくなっており、傾斜面の半径方向幅ｒ、傾斜面の高さをｈとして、ｈ／ｒ≦０．０１に設定したことを特徴とする動圧軸受装置。
2. 請求項１に記載した動圧軸受装置と、回転側部材に取り付けたモータロータと、固定側部材に取り付けたモータステータとを有するモータ。。