JP4522869B2 - 動圧軸受装置 - Google Patents

Description

本発明は、軸受隙間に生じる流体（潤滑流体）の動圧作用によって回転部材を非接触支持する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、ＣＤ−Ｒ／ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＯＭ／ＲＡＭ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、低騒音化等が求められている。これらの要求性能を決定づける構成要素の１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、上記要求性能に優れた特性を有する動圧軸受の使用が検討され、あるいは実際に使用されている。

例えば、ＨＤＤ等のディスク装置のスピンドルモータに組込まれる動圧軸受装置では、ハウジングの内周に軸受スリーブを固定すると共に、軸受スリーブの内周に軸部材を配置した構造が知られている（例えば、特許文献１を参照）。この軸受装置では、軸部材の回転により、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流体の動圧作用で圧力を発生させ、この圧力で軸部材をラジアル方向に非接触状態で支持する。
特開２００２−６１６３６号公報

上述のスピンドルモータは、このような動圧軸受装置の他、ステータコイル、ロータマグネット、ブラケットといった多くの部品で構成され、情報機器の益々の高性能化に伴って必要とされる高回転精度を確保すべく、各部品の加工精度や組立て精度を高める努力がなされている。その一方で、情報機器の低価格化・小型化の傾向に伴い、この種のモータに対するコスト低減の要求も益々厳しくなっている。

そこで、本発明は、モータの回転精度の向上を図るとともに、さらなる低コスト化を図ることを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明に係る動圧軸受装置は、フランジ部を有する軸部材と、内周に軸部材が挿入される軸受スリーブと、一端を開口すると共に他端が底部で閉塞され、内部に軸受スリーブを固定したベース部材と、ベース部材の一端開口側をシールし、軸部材の外周面との間にシール空間を形成するシール部材と、軸受スリーブと軸部材との間のラジアル軸受隙間に生じる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ラジアル軸受部と、スラスト軸受隙間に生じる流体の動圧作用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部とを具備し、フランジ部は、軸方向に対向するシール部材の端面と軸受スリーブの端面との間に配設され、ベース部材はステータコイルの取付け部を有すると共に、底部もしくはシール部材の何れか一方を一体に有する動圧軸受装置において、スラスト軸受隙間が、軸受スリーブのハウジング開口側の端面とこれに対向する軸部材のフランジ部の端面との間にのみ形成され、スラスト軸受隙間が零のときに軸受スリーブの端面とフランジ部の端面とが摺接し、軸部材の端面とベース部材の底部との間に隙間が形成され、ベース部材が、ステータコイルの取付け部を含めて樹脂で一体に型成形されることを特徴とする。

従来、ハウジングやブラケットは何れも金属製であるから、両者間の固定は接着剤によって強固に行うことができた。その一方、近年では、低コスト化等の観点から例えばハウジングを樹脂で成形することが検討されている。このような樹脂製ハウジングを使用する場合、樹脂と金属との間の接着強度は、金属同士の場合に比べて著しく劣るため、金属製のブラケットとの間で十分な接着力を得ることが難しく、接着面積を多くするなどの対策が別途必要となる。また、接着力を確保するため、樹脂表面にプライマ処理を行う場合もあるが、これでは接着工数の増加を招く。

これに対し、上述のように、ハウジングとブラケットのうち少なくとも何れか一方を樹脂製とし、ハウジングとブラケットを一体に成形すれば、接着力を増すための対策が不要となり、接着工数および部品点数の削減によるモータの低コスト化を図ることができる。また、かかる樹脂の一体成形品は、型成形によって高精度に成形できるので、成形品の精度を高めてモータの回転精度の向上を図ることも可能となる。

ハウジングとブラケットの一体成形法として、例えばハウジングとブラケットを共に樹脂製とし、両者を一体に型成形する方法が挙げられる。この場合、一体成形品には、ハウジング／ブラケット界面が存在しないため、両者間の接着強度が問題となることはない。従って、適切な機械的強度を有する樹脂材料を選択するだけで、ハウジングおよびブラケットに必要な強度を確保することができる。

その他の一体成形法として、ハウジングとブラケットのうち、何れか一方の部材を樹脂製、他方の部材を金属製とし、樹脂製の部材を、金属製の部材をインサート部品として型成形するインサート成形（アウトサート成形を含む。以下同じ）を挙げることができ、これによっても上記と同様の効果が得られる。

また、ハウジングの内部に満たされた潤滑流体を密封するため、ハウジングの一端開口側に、軸部材との間でシール空間を形成するシール部材を設けることがあるが、その場合には、シール部材を、ハウジングおよびブラケットと共に一体成形することが望ましい。これによれば、シール部材のハウジングへの固定作業を省略して、モータのさらなる低コスト化を図ることができる。

上記構成において、ラジアル軸受部は、ラジアル軸受隙間に複数のくさび状隙間を有する多円弧軸受で構成することができる。

また、スラスト軸受部は、ハウジングの他端閉口側ではなく、一端開口側に設けられる。この場合のスラスト軸受隙間は、例えば軸部材にフランジ部を設け、このフランジ部の端面と、これに対向する軸受スリーブのハウジング開口側の端面との間の隙間で構成することができる。

以上に述べた動圧軸受装置は、例えばディスク装置のスピンドルモータに組込んで使用することができ、これによれば、高回転精度のモータを低コストに提供することが可能となる。

以上のように、本発明に係る動圧軸受装置によれば、高回転精度を有し、かつ低コストのモータを提供することができる。

以下、本発明の一実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る動圧軸受装置１を組込んだ情報機器用スピンドルモータの一構成例を概念的に示している。このスピンドルモータは、ＨＤＤ等のディスク駆動装置に用いられるもので、軸部材２を回転自在に非接触支持する動圧軸受装置１と、軸部材２に装着されたディスクハブ３と、例えば半径方向のギャップを介して対向させたステータコイル４およびロータマグネット５とを備えている。ステータコイル４は動圧軸受装置１の外周に取付けられ、ロータマグネット５は、ディスクハブ３の内周に取付けられている。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状情報記録媒体（以下、単にディスクという。）Ｄを一枚または複数枚保持している。このように構成されたスピンドルモータにおいて、ステータコイル４に通電すると、ステータコイル４とロータマグネット５との間に発生する電磁力でロータマグネット５が回転し、これに伴って、ディスクハブ３およびディスクハブ３に保持されたディスクＤが軸部材２と一体に回転する。

図２は、動圧軸受装置１を示している。この動圧軸受装置１は、軸部材２と、内周に軸部材２を挿入した軸受スリーブ６と、一端を開口し、その内部に軸受スリーブ６を固定したベース部材７と、シール部材８とを主な構成要素として構成されている。この実施形態では、軸部材２が回転側の部材となり、軸受スリーブ６、ベース部材７、およびシール部材８が固定側の部材となる。なお、説明の便宜上、ベース部材７の開口部７ｄの側を上側、開口部７ｄと反対の側を下側として以下説明する。

軸部材２は、例えばステンレス鋼等の金属材料で形成され、軸部２ａと、円盤状のフランジ部２ｂとを備えている。フランジ部２ｂは軸部２ａの下端よりも上方に設けられ、軸部２ａと一体または別体をなす。なお、軸部２ａの芯部あるいはフランジ部２ｂ、もしくはその双方は、樹脂材料で形成することもできる。

軸受スリーブ６は、例えば、銅やアルミ（合金を含む）等の軟質金属材料、あるいは焼結金属材料で形成されている。この実施形態において、軸受スリーブ６は、焼結金属からなる多孔質体、例えば銅を主成分とする焼結金属の多孔質体で円筒状に形成される。

軸受スリーブ６の内周面６ａの上下に離隔した領域には、図３に示すように、第一ラジアル軸受部Ｒ１および第二ラジアル軸受部Ｒ２のラジアル軸受面となる複数の円弧面９がそれぞれ形成される。各円弧面９は、回転軸心Ｏから等距離オフセットした点を中心とする偏心円弧面であり、円周方向で等間隔に形成される。各偏心円弧面９の間には軸方向の分離溝１０が形成される。

軸受スリーブ６の内周面６ａに軸部材２の軸部２ａを挿入することにより、軸受スリーブ６の偏心円弧面９および分離溝１０と軸部２ａの真円状外周面２ａ１との間に、第一および第二ラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２の各ラジアル軸受隙間がそれぞれ形成される。ラジアル軸受隙間のうち、偏心円弧面９と対向する領域は、隙間幅を円周方向の一方で漸次縮小させたくさび状隙間１１となる。くさび状隙間１１の縮小方向は軸部材２の回転方向に一致している。

軸受スリーブ６の上端面６ｂの全面または一部の環状領域には、スラスト動圧発生部として、例えば図示は省略するが、スパイラル形状の動圧溝が形成される。この上端面６ｂの動圧溝形成領域は、フランジ部２ｂの下端面２ｂ２と対向し、軸部材２の回転時には、両面６ｂ、２ｂ２の間にスラスト軸受部Ｔのスラスト軸受隙間が形成される（図２参照）。

ベース部材７は、筒部７ａ１および底部７ａ２を一体に有するハウジング７ａと、ハウジング７ａの下部から外径側に延びるフランジ状のブラケット７ｂとで構成される。このベース部材７は、例えば液晶ポリマー（ＬＣＰ）をベース樹脂とする樹脂組成物を円筒状に射出成形することにより、ハウジング７ａとブラケット７ｂとの間に界面のない、一体品として型成形される。なお、軸受スリーブ６をインサート部品としてベース部材７を型成形（インサート成形）してもよい。

上記樹脂組成物のベース樹脂は、先に例示した樹脂以外にも、例えば、ポリサルフォン（ＰＳＦ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリフェニルサルフォン（ＰＰＳＵ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）等の非結晶性樹脂、あるいはポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等の結晶性樹脂を用いることができる。また、上記樹脂組成物には、例えば、ガラス繊維等の繊維状充填材、チタン酸カリウム等のウィスカ状充填材、マイカ等の鱗片状充填材、カーボン繊維、カーボンブラック、黒鉛、カーボンナノマテリアル、各種金属粉等の繊維状または粉末状の導電性充填材を、目的に応じて適量配合することができる。

ベース部材７を構成するブラケット７ｂには、ステータコイル４の取付け部７ｃが設けられる。この実施形態では、ブラケット７ｂの上端面７ｂ１に取付け部７ｃが設けられ、この取付け部７ｃに、溶着や超音波ステーキング等の固定手段によりステータコイル４が取付けられる。

シール部材８は、例えば黄銅等の金属材料または樹脂材料で円環状に形成される。シール部材８の円筒状の内周面８ａは、ベース部材７（ハウジング７ａ）の開口部７ｄ内周に固定された状態（図２を参照）では、対向する軸部２ａの外周面２ａ１との間に所定のシール空間Ｓを形成する。

シール部材８の下端面８ｂは、フランジ部２ｂの上端面２ｂ１と軸方向の隙間を介して対向している。軸部材２が上方へ変位すると、フランジ部２ｂの上端面２ｂ１がシール部材８の下端面８ｂと軸方向で係合し、軸部材２の抜け止めとして作用する。このように本実施形態におけるシール部材８は、シール機能と、抜け止めの機能を併せ持つものである。

ベース部材７を構成するハウジング７ａの内周に、軸受スリーブ６を挿入し、軸受スリーブ６の下端面６ｃをハウジング７ａの底部７ａ２に当接させる。こうして、ハウジング７ａに対する軸受スリーブ６の軸方向位置を定めた上で、圧入、接着、溶着などの固定手段により軸受スリーブ６をハウジング７ａに固定する。次に、シール部材８をハウジング７ａの開口部７ｄ内周に配し、シール部材８の下端面８ｂと軸受スリーブ６の上端面６ｂとの間にフランジ部２ｂを収容した状態で、上記固定手段によりシール部材８をハウジング７ａに固定する。これにより、図２に示す動圧軸受装置１が完成する。この際、シール部材８で密封されたハウジング７ａの内部空間は、軸受スリーブ６の内部気孔を含め、潤滑油で充満されると共に、潤滑油の油面はシール空間Ｓの範囲内に維持される。

上記構成の動圧軸受装置１において、軸部材２の回転時、軸受スリーブ６の内周面６ａのラジアル軸受面となる領域（上下２箇所の領域）は、軸部２ａの外周面２ａ１とラジアル軸受隙間を介して対向し、それぞれ多円弧軸受（テーパ軸受とも称される）を構成する。軸部材２の回転に伴い、ラジアル軸受隙間内の潤滑油がくさび状隙間１１の縮小側に押し込まれて、その圧力が上昇する。このような潤滑油の動圧作用によって、軸部２ａを非接触支持する第一ラジアル軸受部Ｒ１と第二ラジアル軸受部Ｒ２がそれぞれ構成される。

同時に、フランジ部２ｂの下端面２ｂ２とこれに対向する軸受スリーブ６の上端面６ｂとの間のスラスト軸受隙間にも、動圧溝の動圧作用により潤滑油の油膜が形成され、この油膜の圧力によって、フランジ部２ｂをスラスト方向に回転自在に非接触支持するスラスト軸受部Ｔが構成される。

上述のように、本発明では、軸受スリーブ６を保持するハウジング７ａと、ステータコイル４の取付けベースとなるブラケット７ｂとが射出成形等の型成形により、界面のない一体品として同時成形されるから、ハウジング７ａとブラケット７ｂとを接着固定する必要がなく、また、樹脂製のハウジング７ａを成形した際に必要となる、接着力の低下対策も不要となる。従って、接着工数や部品点数の削減を通じてモータの低コスト化を図ることができる。さらには、ハウジング７ａとブラケット７ｂとの間の接着力は、樹脂材料の機械的強度で評価できるから、軸受設計も容易なものとなる。

また、ベース部材７は、高精度の金型を使用することによって容易に高精度化できるので、振れ回り等の少ない高回転精度のモータを提供することができる。さらには、ハウジング７ａとブラケット７ｂ双方の部材を、金属素材の機械加工等により成形した従来品と比べて軽量化することができ、かつ、加工コストも安価なものとなる。

以上の説明では、ハウジング７ａおよびブラケット７ｂの双方を樹脂製として一体に成形した場合を説明したが、そのほか、両部材のうち何れか一方を黄銅等の金属製とすることもできる。この場合、ハウジング７ａとブラケット７ｂのうち、金属製の部材をインサート部品として他方の部材を樹脂でインサート成形することにより、両部材の一体成形が可能となり、上記と同様の効果を得ることができる。

図４に、動圧軸受装置１の他の実施形態を示す。この動圧軸受装置１は、図２に示す実施形態と異なり、ハウジング７ａ、ブラケット７ｂに加えて、シール部材８を全て樹脂製とし、これら樹脂製の部材を射出成形で一体に成形したものである。この場合、ベース部材７の底部７ａ２を、樹脂の一体成形品とは別部材とし、軸部材２、軸受スリーブ６をその内部に配した後に、ハウジング７ａの筒部７ａ１の下端を閉口する構成となっている。これ以外の構成は、図２に示す実施形態と共通するので、構成および機能が共通する部材には共通の参照番号を付して重複説明を省略する。

この実施形態に示すように、ハウジング７ａとブラケット７ｂのみならず、シール部材８を樹脂で一体品に成形することで、シール部材８の固定作業が省略されると共に、部品点数の削減が可能となる。これにより、モータのさらなる低コスト化を図ることができる。

なお、図４に示す実施形態において、シール部材８は、ハウジング７ａやブラケット７ｂと一体に樹脂で射出成形する他、ハウジング７ａやブラケット７ｂとは別部材として樹脂あるいは金属で成形し、これをインサート部品として射出成形することで、ハウジング７ａとブラケット７ｂと一体化することもできる。これにより、シール部材８のハウジング７ａへの組付け精度が高められ、回転精度のさらなる向上を図ることができる。

また、以上の実施形態では、シール空間Ｓを、シール部材８の円筒状の内周面８ａと、これに対向する軸部２ａの外周面２ａ１との間に形成した場合を例示したが、これ以外の形態を採ることも可能である。例えば図５は、ハウジング７ａ外部側（図５では上側）に向けて径方向隙間幅を漸次拡大させたテーパ状のシール空間Ｓ’を形成した場合を例示したものである。

また、図６には、ベース部材７の軸方向寸法を縮小して、動圧軸受装置１の小サイズ化を図るため、シール部材８の内周面８ａと、フランジ部２ｂの外周面２ｂ３とを対向させ、この対向面間にテーパ状のシール空間Ｓ’を形成したものが例示されている。なお、この図示例のように、対向面間のうち、内径側に位置するフランジ部２ｂの外周面２ｂ３をテーパ面状に形成することにより、毛細間力によるシール効果に加えて、遠心力によるシール効果をシール空間Ｓ’に付与することができる。

さらに、軸部材２の抜止めを考慮したものとして、例えば図７に示すような構成を挙げることができる。同図におけるシール空間Ｓ’は、フランジ部２ｂに設けられた軸方向の段差によって区画形成された外周面のうち、上側の外周面２ｂ３と、これに対向するシール部材８の内周面８ａとの間に形成される。また、段によって区画形成された上端面２ｂ１のうち外径側の端面２ｂ４は、シール部材８の下端面８ｂと対向する。このような構成とすることで、潤滑油の外部への漏れ出しが防止されると共に、軸部材２の上方への変位時、フランジ部２ｂの外径側端面２ｂ４がシール部材８の下端面８ｂと軸方向で係合し、軸部材２の抜止めがなされる。

また、この実施形態では、シール部材８は、その下端面８ｂの、外径側端面２ｂ４と対向しない箇所を下方に向けて突出させた形態をなす。そのため、シール部材８の下方延在部８ｃを軸受スリーブ６の上端面６ｂに当接させることで、シール部材８の軸方向の位置決めが容易になされる。

図８は、第一および第二ラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２を構成する多円弧軸受の他の実施形態を示すものである。この実施形態では、図３に示す構成において、各偏心円弧面９の最小隙間側の所定領域θが、それぞれ回転軸心Ｏを中心とする同心の円弧で構成されている。従って、各所定領域θにおいて、ラジアル軸受隙間（最小隙間）は一定となる。このような構成の多円弧軸受は、テーパ・フラット軸受と称されることもある。

図９では、軸受スリーブ６の内周面６ａのラジアル軸受面となる領域が３つの円弧面９で形成されると共に、３つの円弧面９の中心は、回転軸心Ｏから等距離オフセットされている。３つの偏心円弧面９で区画される各領域において、ラジアル軸受隙間は、円周方向の両方向に対してそれぞれ漸次縮小した形状を有している。

以上に説明した第一および第二ラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２の多円弧軸受は、何れもいわゆる３円弧軸受であるが、これに限らず、いわゆる４円弧軸受、５円弧軸受、さらには６円弧以上の数の円弧面で構成された多円弧軸受を採用してもよい。また、ラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２のように、２つのラジアル軸受部を軸方向に離隔して設けた構成とするほか、軸受スリーブ６の内周面の上下領域に亘って１つのラジアル軸受部を設けた構成としても良い。

また、以上の実施形態では、ラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２として、多円弧軸受を採用した場合を例示しているが、これ以外の軸受で構成することも可能である。ラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２を構成可能な軸受としては、例えば図示は省略するが、軸受スリーブ６の内周面６ａのラジアル軸受隙間に面する領域（ラジアル軸受面となる領域）に、複数の軸方向溝形状の動圧溝を形成したステップ軸受が挙げられる。あるいは、軸方向溝に代えて、へリングボーン形状やスパイラル形状の動圧溝を形成し、これら動圧溝により潤滑流体の動圧作用を発生させる構成を採ることもできる。

また、以上の実施形態では、動圧軸受装置１の内部に充満し、ラジアル軸受隙間や、スラスト軸受隙間に動圧作用を生じる流体として、潤滑油を例示したが、それ以外にも各軸受隙間に動圧作用を生じ得る流体、例えば空気等の気体や、磁性流体等の流動性を有する潤滑剤、あるいは潤滑グリース等を使用することもできる。

本発明の一実施形態に係る動圧軸受装置を組み込んだ情報機器用スピンドルモータの断面図である。 動圧軸受装置の断面図である。 ラジアル軸受部の断面図である。 動圧軸受装置の他の実施形態を示す断面図である。 シール空間の他の構成例を示す拡大断面図である。 シール空間の他の構成例を示す拡大断面図である。 シール空間の他の構成例を示す拡大断面図である。 ラジアル軸受部の他の構成例を示す断面図である。 ラジアル軸受部の他の構成例を示す断面図である。

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
３ ディスクハブ
４ ステータコイル
５ ロータマグネット
６ 軸受スリーブ
７ ベース部材
７ａ ハウジング
７ｂ ブラケット
７ｃ 取付け部
７ｄ 開口部
８ シール部材
Ｓ、Ｓ’ シール空間
Ｒ１、Ｒ２ ラジアル軸受部
Ｔ スラスト軸受部

Claims (3)

1. フランジ部を有する軸部材と、内周に軸部材が挿入される軸受スリーブと、一端を開口すると共に他端が底部で閉塞され、内部に軸受スリーブを固定したベース部材と、ベース部材の一端開口側をシールし、軸部材の外周面との間にシール空間を形成するシール部材と、軸受スリーブと軸部材との間のラジアル軸受隙間に生じる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ラジアル軸受部と、スラスト軸受隙間に生じる流体の動圧作用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部とを具備し、フランジ部は、軸方向に対向するシール部材の端面と軸受スリーブの端面との間に配設され、ベース部材はステータコイルの取付け部を有すると共に、底部もしくはシール部材の何れか一方を一体に有する動圧軸受装置において、
   スラスト軸受隙間が、軸受スリーブのハウジング開口側の端面とこれに対向する軸部材のフランジ部の端面との間にのみ形成され、スラスト軸受隙間が零のときに軸受スリーブの端面とフランジ部の端面とが摺接し、軸部材の端面とベース部材の底部との間に隙間が形成され、
   ベース部材が、ステータコイルの取付け部を含めて樹脂で一体に型成形されることを特徴とする動圧軸受装置。
2. ラジアル軸受部が多円弧軸受で構成されている請求項１記載の動圧軸受装置。
3. 請求項１又は２に記載された動圧軸受装置を有するディスク装置のスピンドルモータ。

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