JP4762757B2 - 流体軸受装置 - Google Patents

Description

本発明は、軸受隙間に形成される潤滑膜で軸部材を回転可能に支持する流体軸受装置に関するものである。

流体軸受装置は、その優れた回転精度、高速回転性、静粛性等を活かして、例えば、ＨＤＤ等の磁気ディスク駆動装置、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ／ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＯＭ／ＲＡＭ等の光ディスク駆動装置、ＭＤ、ＭＯ等の光磁気ディスク駆動装置等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、プロジェクタのカラーホイールモータ、あるいは情報機器等の冷却ファンに用いられるファンモータなどの小型モータ用として使用されている。

例えば特許文献１に示されている流体軸受装置は、軸部材と、内周に軸部材が挿入された軸受部材（軸受スリーブ）と、内周に軸受部材が固定され、一端が開口したハウジングと、ハウジングの開口部に設けられたシール部材とを備える。軸部材が回転すると、軸受部材の内周面に形成されたラジアル軸受面と、軸部材の外周面との間のラジアル軸受隙間に潤滑膜が形成され、これにより軸部材が回転自在に支持される。これと同時に、シール部材の内周面と軸部材の外周面との間にシール空間が形成され、軸受内部に充填された潤滑油の漏れ出しを防止している。このとき、ラジアル軸受面とシール空間とは軸方向に並べて配置される。なお、この流体軸受装置の軸受部材のラジアル軸受面には、動圧発生部として動圧溝が形成されているが、「軸受面」とは軸受隙間と面する部分のことを言い、この面に動圧発生部が形成されるか否かを問わないこととする（以下同様）。
特開２００３−１７２３３６号公報 特開２００５−１５５９１２号公報

ところで、近年では小型の情報機器に対する需要が高まっており、それに応じて、ＨＤＤの駆動装置等、ひいてはこれらに使用される軸受装置に対しても、小型化、薄型化が求められている。しかし、上記のような軸受装置では、シール空間は、潤滑油の温度変化に伴う体積変化を許容する容積を要するため、一定の軸方向寸法を必要とする。また、ラジアル軸受面は、軸受剛性を高めるため、軸方向でできるだけスパンを大きくして設けることが望ましい。このようなシール空間およびラジアル軸受面を軸方向に並べて配置することにより、軸受装置の軸方向の所要スペースが嵩む。

これに対し、例えば特許文献２には、スリーブのハウジング開口側端部に、ラジアル軸受隙間と軸方向に並べて設けられた第一のテーパシール部と、スリーブ側面に設けられた第二のテーパシール部を備えた軸受装置が示されている。この軸受装置では、熱膨張等による潤滑液の体積変化は、スリーブ側面に設けられた第二のテーパシール部で吸収するため、ラジアル軸受隙間と軸方向に並べて設けられた第一のテーパシール部は従来のシール部材のような軸方向寸法を必要とせず、軸受装置の軸方向寸法を縮小することができる。

しかし、特許文献２の軸受装置では、２箇所のテーパシール部で軸受内部の潤滑油が大気に開口するため、テーパシール部が一箇所にのみ設けられている特許文献１の軸受装置に比べ、衝撃荷重等により潤滑油が軸受装置の外部へ漏れ出す危険性が高い。潤滑油の漏れ出しは、周辺環境の汚染や、潤滑油不足による潤滑不良を招く恐れがある。

本発明の課題は、小型化、薄型化が可能であるとともに、潤滑油等の潤滑流体の漏れ出しを確実に防止できる流体軸受装置を提供することである。

前記課題を解決するため、本発明は、内周面にラジアル軸受面を有する軸受部材と、軸受部材の内周に挿入され、軸部及びフランジ部を有する軸部材と、軸部材に固定され、円盤部、及び、円盤部から軸方向他端側に延在した円筒部を有するシール部材と、シール部材の円筒部の外周面で形成されたシール空間と、軸部材の外周面と軸受部材のラジアル軸受面との間に形成されるラジアル軸受隙間と、軸受部材の軸方向一端側の端面とシール部材の円盤部の端面との間に形成される第１のスラスト軸受隙間と、軸受部材の軸方向他端側の端面と軸部材のフランジ部の端面との間に形成される第２のスラスト軸受隙間とを備え、ラジアル軸受隙間、第１のスラスト軸受隙間、及び第２のスラスト軸受隙間に形成される潤滑膜で軸部材を回転自在に支持する流体軸受装置において、シール空間の少なくとも一部を、ラジアル軸受面の外径領域に配したことを特徴とする。

このように本発明の流体軸受装置では、一定の軸方向寸法が必要とされるシール空間の少なくとも一部を、ラジアル軸受面の外径領域に配した。これにより、シール空間の少なくとも一部をラジアル軸受隙間と径方向に重ねて配置することができるため、シール空間を設けることで軸受装置の軸方向の所要スペースが嵩むことを抑え、必要なシール空間容積を保ったまま、軸受装置の小型化、薄型化を図ることができる。

また、シール空間が一箇所のみに形成されるため、シール空間が複数箇所設けられるものと比べ、軸受内部に充填された潤滑油の漏れ出しをより確実に回避できる。

また、上記のように、軸受部材の両端面側にスラスト軸受隙間を設けることにより、二つのスラスト軸受隙間の軸方向スパンを大きくとることが可能であるため、軸受装置のモーメント剛性を向上させることができる。

上記のようなシール空間は、例えば、内周に軸受部材が固定されたハウジングの内周面と、シール部材の外周面との間に形成することができる。

以上のように、本発明によると、小型化、薄型化が可能であるとともに、潤滑流体の漏れ出しを確実に防止できる流体軸受装置を得ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る流体軸受装置の一例として動圧軸受装置１を組み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に装着されたロータ（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を備えている。ステータコイル４はブラケット６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る。動圧軸受装置１のハウジング７は、ブラケット６の内周に装着される。ディスクハブ３には、磁気ディスク等のディスクＤが一枚または複数枚保持される。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との間の電磁力でロータマグネット５が回転し、それによって、ディスクハブ３および軸部材２が一体となって回転する。

図２は、上記スピンドルモータで使用される動圧軸受装置１の一実施形態を示すものである。この動圧軸受装置１は、有底筒状のハウジング７と、ハウジング７の内周に固定される軸受部材８と、軸受部材８の内周に挿入された軸部材２と、ハウジング７の開口部をシールするシール部材９とを主要な構成部品として備える。なお、以下説明の便宜上、ハウジング７の開口側を上側、その軸方向反対側を下側として説明を進める。

軸部材２は、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とを一体または別体に有する。軸部２ａの外周面は概ね円筒面状に形成され、シール部材９が固定される領域には環状溝２ａ１が形成され、ラジアル軸受部Ｒ１およびＲ２に対応する領域の中間部には、他の部分より僅かに小径な逃げ部２ａ２が形成される。この軸部材２は、全体をステンレス鋼等の金属材で形成する他、例えば軸部２ａを金属製、フランジ部２ｂを樹脂製とした金属と樹脂のハイブリッド構造とすることもできる。

軸受部材８は、例えば銅を主成分とする焼結金属で円筒状に形成される。焼結金属には潤滑油が含浸されている。この他、中実の金属材料、例えば黄銅等の軟質金属で軸受部材８を形成することもできる。

軸受部材８の内周面８ａには、ラジアル軸受面となる上下２つの領域が軸方向に離隔して設けられる（図２にクロスハッチングで示す）。これら２つの領域には、図３に示すように、動圧発生部として、例えばヘリングボーン形状に配列した複数の動圧溝Ｇがそれぞれ形成される。上側の領域の動圧溝Ｇは軸方向で非対称に形成されており、該領域内では上側の動圧溝の軸方向長さＸ１が下側の動圧溝の軸方向長さＸ２よりも若干大きくなっている（Ｘ１＞Ｘ２）。一方、下側の領域の動圧溝Ｇは軸方向対象に形成され、該領域内では上下の動圧溝Ｇの軸方向長さがそれぞれ等しい。

軸受部材８の上側端面８ｂおよび下側端面８ｃには、スラスト軸受面となる領域が形成され（図２にクロスハッチングで示す）、該領域には、動圧発生部として、例えば図４、図５に示すようなスパイラル状に配列した複数の動圧溝８ｂ１、８ｃ１が形成される。

軸受部材８の外周面の一箇所もしくは円周方向に等配した複数箇所には、潤滑油を循環させるための循環溝８ｄが軸方向に形成される。循環溝８ｄの両端は軸受部材８の両端面８ｂ、８ｃに開口している。

ハウジング７は、円筒部７ａと、円筒部７ａの下端開口部を封口する底部７ｂとで構成される。円筒部７ａの内周面は、小径内周面７ａ１と、大径内周面７ａ２と、両内周面７ａ１、７ａ２の境界面７ａ３とからなり、境界面７ａ３は軸方向と直交する方向の平坦面状に形成される。円筒部７ａの外周面は、図１に示すブラケット６の内周面に圧入、接着、圧入接着等適宜の手段で固定される。

ハウジング７は、黄銅やアルミニウム合金等の軟質金属材料、あるいはその他の金属材料で形成される。加工方法は、適宜の機械加工が採用できるが、加工性やコストの観点から、鍛造で行うことが好ましい。

ハウジング７と軸受部材８との固定は、圧入や接着、あるいは圧入接着（接着剤の介在の下で圧入する）で行うことができる。ハウジング７と軸受部材８との固定面積は、ハウジング７の内周面に大径内周面７ａ２が形成されている分、内周面が円筒状に形成されるものと比べ狭くなるため、これらはなるべく強い固定力で固定されることが望ましい。上記のように、ハウジング７を金属製とすると、接着剤による接着性に優れているため、接着で固定される場合、金属製のハウジング７は軸受部材８との強固な固定が可能となる。

シール部材９は、円盤部９ａと、円盤部９ａの外径端から軸方向下向きに延在したシール部９ｂとで断面逆Ｌ字形に形成される。本実施形態では、円盤部９ａの内周面９ａ２、シール部９ｂの内周面９ｂ１および外周面９ｂ２は、何れも円筒面状に形成される。

シール部材９は、各種金属材料、あるいは樹脂材料で形成される。金属材料としては、例えば黄銅やアルミニウム合金等の軟質金属材料が使用できる。また、樹脂材料としては、例えば射出成形でシール部材９が形成される場合、射出成形可能な樹脂材料であれば非晶性樹脂・結晶性樹脂を問わず使用可能で、例えば、非晶性樹脂として、ポリサルフォン（ＰＳＵ）、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、結晶性樹脂として、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等を用いることができる。もちろんこれらは一例にすぎず、軸受の用途や使用環境に適したその他の樹脂材料を使用することもできる。また、射出成形以外の加工方法で形成する場合は、その加工方法に適した樹脂材料を使用すればよい。上記の樹脂材料には、必要に応じて強化材（繊維状、粉末上等の形態は問わない）や潤滑剤、導電材等の各種充填材が一種または二種以上配合される。

シール部材９は、例えば、圧入や接着、あるいは圧入接着により、軸部材２の軸部２ａの外周面に固定される。シール部材９が接着剤を介して固定される場合、軸部２ａに形成された環状溝２ａ１が接着剤溜りとして作用することにより、より強い固定力が得られる。なお、シール部材９が接着剤を用いずに固定される場合、軸部２ａの環状溝２ａ１は設けなくてもよい。

動圧軸受装置１の組立は、ハウジング７内に軸部材２を収容した後、ハウジング７の内周面に軸受部材８を固定し、さらに軸部材２の軸部２ａの所定位置にシール部材９を固定することで行われる。その後、ハウジング７の内部空間に潤滑油を充満させれば、図２に示す動圧軸受装置１が得られる。組立後は、シール部材９の円盤部９ａの下側端面９ａ１が軸受部材８の上側端面８ｂと当接し、シール部材９のシール部９ｂの下側端面がハウジング７の内周の境界面７ａ３と軸方向隙間１１を介して対向している。

軸部材２の回転時には、軸受部材８の内周面８ａのラジアル軸受面に形成された上下２箇所の動圧溝領域は、それぞれ軸部２ａの外周面とラジアル軸受隙間を介して対向する。また、軸受部材８の上側端面８ｂのスラスト軸受面に形成された動圧溝領域がシール部材９の円盤部９ａの下側端面９ａ１と第１のスラスト軸受隙間を介して対向し、軸受部材８の下側端面８ｃのスラスト軸受面に形成された動圧溝領域がフランジ部２ｂの上側端面と第２のスラスト軸受隙間を介して対向する。そして、軸部材２の回転に伴い、上記ラジアル軸受隙間に潤滑油の動圧が発生し、軸部材２がラジアル軸受隙間内に形成される潤滑油の油膜によってラジアル方向に回転自在に非接触支持される。これにより、軸部材２をラジアル方向に回転自在に非接触支持する第１ラジアル軸受部Ｒ１と第２ラジアル軸受部Ｒ２とが構成される。同時に、上記スラスト軸受隙間に潤滑油の動圧が発生し、軸部材２が第１および第２のスラスト軸受隙間内に形成される潤滑油の油膜によってスラスト方向に回転自在に非接触支持される。これにより、軸部材２をスラスト方向に回転自在に非接触支持する第１スラスト軸受部Ｔ１と第２スラスト軸受部Ｔ２とが構成される。

シール部材９のシール部９ｂの外周面９ｂ２は、ハウジング７の大径内周面７ａ２との間に所定の容積を持ったシール空間Ｓを形成する。このとき、シール空間Ｓの少なくとも一部は、第１ラジアル軸受部Ｒ１のラジアル軸受面の外径領域に位置する。この実施形態において、ハウジング７の大径内周面７ａ２は、上方に向かって漸次拡径したテーパ面状に形成され、そのためシール空間Ｓは下方に向かって漸次縮小したテーパ形状を呈する。従って、シール空間Ｓ内の潤滑油は毛細管力による引き込み作用により、シール空間Ｓが狭くなる方向に向けて引き込まれ、これによりハウジング７の開口部がシールされる。シール空間Ｓは、ハウジング７の内部空間に充満された潤滑油の温度変化に伴う容積変化量を吸収するバッファ機能をも有し、油面は常時シール空間Ｓ内にある。

このように、シール空間Ｓの少なくとも一部をラジアル軸受面の外径領域に配することにより、シール空間Ｓの少なくとも一部とラジアル軸受面の形成領域とを径方向で重ねることができる。よって、シール空間Ｓを設けることにより、第１のラジアル軸受部Ｒ１の軸方向寸法や、２つのラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２の軸方向間隔が縮小することを抑えることができるため、軸受剛性を低下させることなく、軸受装置の薄型化を図ることができる。これにより、ＨＤＤ装置の小型化・薄型化に対応することができる。

あるいは、上記の構成によると、軸受装置の軸方向寸法を増大させずに、軸受部材８の軸方向寸法を増すことができるため、２つのラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２間の間隔を長くすることにより、軸受剛性（特にモーメント剛性）を向上させることができる。これにより、ＨＤＤ装置でのディスクの複数枚化に対応することが可能となる。

また、軸受内部の潤滑油が大気と接触するシール部が一箇所にのみ形成されるため、例えばシール部が複数形成されるものと比べ、潤滑油の漏れ出しの恐れが少ない。これにより、周辺環境の汚染や、潤滑油不良などを回避できる。

また、第１および第２のスラスト軸受隙間が軸受部材８の両端面側に設けられていることにより、各スラスト軸受隙間の軸方向スパンを大きくとることができるため、軸受装置のモーメント剛性を向上させることができる。

なお、ハウジング７の大径内周面７ａ２を円筒面とする一方、これに対向するシール部材９のシール部９ｂの外周面９ｂ２をテーパ面状に形成してもよく、この場合、さらにシール空間Ｓに遠心力シールとしての機能も付与することができるのでシール効果がより一層高まる。

上述のように、第１ラジアル軸受部Ｒ１の動圧溝Ｇは軸方向非対称に形成されており、上側領域の軸方向寸法Ｘ１が下側領域の軸方向寸法Ｘ２よりも大きくなっている。そのため、軸部材２の回転時、動圧溝Ｇによる潤滑油の引き込み力（ポンピング力）は上側領域が下側領域に比べて相対的に大きくなる。そして、この引き込み力の差圧によって、軸受部材８の内周面８ａと軸部２ａの外周面との間のラジアル軸受隙間に満たされた潤滑油が下方に流動し、第２のスラスト軸受隙間（第２スラスト軸受部Ｔ２）→軸方向の循環溝８ｄ→第１のスラスト軸受隙間（第１スラスト軸受部Ｔ１）という経路を循環して、ラジアル軸受隙間に再び引き込まれる。

このように、潤滑油がハウジング７の内部を流動循環するように構成することで、ハウジング７の内部に満たされた潤滑油の圧力が局所的に負圧になる減少を防止して、負圧発生に伴う気泡の生成、気泡の生成に起因する潤滑油の漏れや振動の発生等の問題を解消することができる。この潤滑油の循環経路には、軸方向隙間１１を介してシール空間Ｓが連通しているので、何らかの理由で潤滑油中に気泡が混入した場合でも、気泡が潤滑油に伴って循環する際にこれらシール空間Ｓの潤滑油の油面（気液界面）から外気に排出され、気泡に悪影響はより一層効果的に防止される。なお、軸方向の循環溝８ｄはハウジング７の内周面に形成することもできる。

このような潤滑油の流動循環は、ラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２の動圧溝の長さを調整することで、上記と逆向きの循環とすることもできる。あるいは、特に動圧溝Ｇによる引き込み力の差圧が必要のない場合は、ラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２の何れの動圧溝も、それぞれの軸方向中心に関して対称な形状としてもよい。

以上の説明では、第１および第２ラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２の動圧発生部を軸受部材８の内周面に形成し、第１および第２スラスト軸受部Ｔ１、Ｔ２の動圧発生部を軸受部材８の上側端面８ｂおよび下側端面８ｃに形成した場合を例示している。このように軸受部材８に動圧発生部を形成するには、例えば、軸受部材８の圧縮成形に用いられる金型に動圧発生部の動圧溝等に対応する形状を成形しておき、この形状を圧縮成形と同時に軸受部材８に転写することにより行われる。この加工法によると、他の機械加工に比べ、比較的容易に、かつ高い精度で動圧発生部を形成することができるため、コストの低減および生産性の向上を図ることができる。

本発明は、上記に限られない。例えば、図６に示すように、シール部材９の円盤部９ａの内径端に、軸方向に延在した固定部９ｃを設けると、シール部材９と軸部材２の軸部２ａとの固定面積が拡大し、これらの固定力を向上させることができる。このとき、軸部２ａの環状溝２ａ１の軸方向寸法を拡大すると、より多くの接着剤を保持することができ、さらなる固定力の向上を図ることができる。

また、第１のスラスト軸受部Ｔ１の位置は上記に限られず、例えばフランジ部２ｂの下端面２ｂ２とハウジング７の内底面７ｂ１とで第１のスラスト軸受部Ｔ１を構成してもよい（図示省略）。このとき、フランジ部２ｂの下端面２ｂ２とハウジング７の内底面７ｂ１との間に形成されたスラスト軸受隙間の油膜の動圧作用で、軸部材２がスラスト方向に支持される。この場合、軸受部材８の上端面８ｂとこれに対向するシール部材９の端面９ａ１との間の隙間は、上述の潤滑油の循環経路を構成する。この隙間の幅が潤滑油の循環を妨げるほど過小である場合は、循環を促すために、軸受部材８の上端面８ｂ、あるいはシール部材９の端面９ａ１に径方向溝を設けてもよい。

以上の実施形態で示した動圧発生部は、それぞれと対向する面、すなわち軸部材２の軸部２ａの外周面やシール部材９の円盤部９ａの下側端面９ａ１、あるいは軸部材２のフランジ部２ｂの上側端面２ｂ１に形成してもよい。

また、ラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２およびスラスト軸受部Ｔ１、Ｔ２の動圧発生部として、ヘリングボーン形状やスパイラル形状の動圧溝を例示しているが、これに限られない。例えば、ラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２として、いわゆるステップ軸受や、波型軸受、あるいは多円弧軸受を採用することができ、スラスト軸受部Ｔ１、Ｔ２として、ステップ軸受や波型軸受を採用することができる。さらには、ラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２として、動圧発生部を有しない、いわゆる真円軸受を採用することもできる。このとき、軸受部材８の円筒状内周面８ａがラジアル軸受面となり、対向する軸部材２の外周面２ａとの間にラジアル軸受隙間を形成する。また、フランジ部を有さず、球面状の下端部を有する軸部材を用いて、スラスト軸受部をいわゆるピボット軸受で構成することもできる。また、スラスト軸受部Ｔ１、Ｔ２の何れかのみを形成、あるいは双方を省略してもよい。

また、以上の説明では、ハウジング７は軸受部材８との固定力を考慮して金属材料で形成されているが、固定力に問題がなければ、ハウジング７を樹脂材料で形成することができる。この場合、金属材料に比べ、低コスト化や軽量化が図られるという利点が得られる。ハウジング７に使用可能な樹脂材料は、上記のシール部材９の樹脂材料として例示したものと重複するため、説明を省略する。

また、以上の説明では、動圧軸受装置１の内部に充満する流体として、潤滑油を例示したが、それ以外にも各軸受隙間に動圧を発生させることができる流体、例えば空気等の気体や、磁性流体等を使用することもできる。

本発明に係る流体軸受装置（動圧軸受装置１）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１の実施形態を示す断面図である。 軸受部材８の断面図である。 シール部材９のＡ−Ａ線（図５参照）での断面図である。 シール部材９のＢ方向（図４参照）から見た平面図である。 動圧軸受装置１の他の実施形態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
７ ハウジング
８ 軸受部材
９ シール部材
９ａ 円盤部
９ｂ シール部
９ｃ 固定部
Ｇ 動圧溝
Ｒ１、Ｒ２ ラジアル軸受部
Ｔ１、Ｔ２ スラスト軸受部
Ｓ シール空間

Claims (2)

1. 内周面にラジアル軸受面を有する軸受部材と、軸受部材の内周に挿入され、軸部及びフランジ部を有する軸部材と、軸部材に固定され、円盤部、及び、円盤部から軸方向他端側に延在した円筒部を有するシール部材と、シール部材の円筒部の外周面で形成されたシール空間と、軸部材の外周面と軸受部材のラジアル軸受面との間に形成されるラジアル軸受隙間と、軸受部材の軸方向一端側の端面とシール部材の円盤部の端面との間に形成される第１のスラスト軸受隙間と、軸受部材の軸方向他端側の端面と軸部材のフランジ部の端面との間に形成される第２のスラスト軸受隙間とを備え、ラジアル軸受隙間、第１のスラスト軸受隙間、及び第２のスラスト軸受隙間に形成される潤滑膜で軸部材を回転自在に支持する流体軸受装置において、
   シール空間の少なくとも一部を、ラジアル軸受面の外径領域に配したことを特徴とする流体軸受装置。
2. 軸受部材をハウジングの内周面に固定し、シール部材の円筒部の外周面とハウジングの内周面との間に前記シール空間を形成した請求項１記載の流体軸受装置。

Images