WO2001021969A1

WO2001021969A1 - Palier a pression dynamique dote de caracteristiques de demarrage ameliorees

Info

Publication number: WO2001021969A1
Application number: PCT/JP2000/006297
Authority: WO
Inventors: Hisao Takeuchi; Osamu Komura; Kaoru Murabe; Makoto Otsuki
Original assignee: Sumitomo Electric Industries, Ltd.
Priority date: 1999-09-17
Filing date: 2000-09-14
Publication date: 2001-03-29
Also published as: EP1132633A4; US6702464B1; EP1132633A1; KR20010080462A; US20040156569A1

Description

明細書起動特性を改善した動圧軸受技術分野

本発明は、ハードディスクドライブ (以下、「HD D」という。）のような記憶装置や、バーコ一ド走査装置のポリゴンミラ一駆動などに供されるスピンドルモ一タの動圧軸受に関するものであり、特に、起動特性を改善した動圧軸受に関するものである。

背景技術

H D Dのような記憶機器や、バーコ一ド走査用ポリゴンミラーの駆動などに供されるスピンドルモータで使用される動圧軸受においては、高速 ·高負荷での安定した回転が得られ、外部からの揺動があっても相対回転する軸受部材間が接触しない高い軸受剛性を備え、さらに、起動時のトルクが低く、接触回転による摩耗などが少ない優れた起動特性を備えること、などが求められている。

図 8は、従来技術にかかるスピンドルモータの例を示している。図において、ベース 1 0には、円柱状のシャフト 1と、シャフト 1の一端において軸に垂直に取り付けられた円板状のスラスト板 4とが固定されている。シャフト 1の軸に平行な外周面には、所定の間隙を設けて中空円筒状のスリーブ 3が相対回転可能に嵌装されており、これらの部材間で動圧軸受が構成されている。すなわち、シャフト 1の外周面とスリーブ 3の内周面との間で、軸に垂直な方向であるラジアル方向の動圧を発生させるラジアル軸受部が構成され、そしてスラスト板 4とスラスト板 4に対向するスリーブ 3の一方の端末面との間で、軸に平行な方向であるスラスト方向の動圧を発生させるスラスト軸受部が構成されている。スラスト板 4のスリーブ 3に対向する側の面には、破線で示す動圧発生用の溝 5が設けられている。本明細書では、スラスト板 4に対向する前記スリーブ 3の下端面を、スラスト対向面 1 3と呼ぶものとする。スリーブ 3には、ロータ 1 7が固定され、したがってロータ 1 7は、スリーブ 3と共にシャフト 1を中心として回転可能である。ロータ 1 7の外周面には、図示しない情報メディア（HD Dの場合）ゃポリゴンミラ一（バーコード走査装置の場合）などが搭載される。ロータ 1 7の内周面には、ロータ磁石 1 8が装着されており、このロータ磁石 1 8は、ベース 1 0に装着されたステータコイル 1 9に対向している。

図 9は、前記スラスト板 4に設けられた動圧発生用の溝 5の詳細を示している。図のように、溝 5は、スラスト板 4の表面上に円周方向に対して一定の角度で傾斜した複数のスパイラル状の溝として形成されており、溝の深さは、一般に数 m ( 1— 5 / m) 程である。なお、図 9では、溝 5がスラスト板 4の表面に設けられた例を示しているが、この溝 5をスリーブ 3のスラスト対向面 1 3側に設けることであってもよい。

以上のように構成されたスピンドルモータの動作時は、図 8において、ステータコイル 1 9に通電されることにより、ステ一タコイル 1 9とロータ磁石 1 8との間に吸引 Z反発力が生じる。それによつてロータ磁石 1 8を固着するロータ 1 7に回転駆動力が生じ、ロータ 1 7と、そのロータ 1 7に固定されているスリーブ 3とが共にシャフト 1を中心に回転する。この回転に伴うシャフト 1 とスリーブ 3との相対運動で両者の間に介在する空気などの流体によってラジアル動圧が発生する。同様に、スラスト板 4とスリーブ 3の一方の端面であるスラスト対向面 1 3との間の相対運動によって溝 5の作用によりスラスト動圧が発生する。この両動圧の発生により、スリーブ 3、ロータ 1 7ほかの回転側部材が、固定側部材であるシャフト 1およびスラスト板 4と無接触状態となり、シャフト 1を中心に回転する。

図 1 0は、図 8に示すスピンドルモータの動圧軸受部分のみを拡大して示す斜視図である。図において、シャフト 1の一端に、軸に垂直にスラスト板 4が固定され、また、シャフト 1の外周面には、破線で示すスリーブ 3が回転可能に嵌装されている。上述のように、スピンドルモータに通電されて起動する際には、スリーブ 3ほかの回転側部材は、その自重によりスリーブ 3とスラスト板 4とが接触したままで回転を始める。このときスリーブ 3の矢印 6方向の回転によってスパイラル状に設けられた溝 5の作用により、空気などの流体がスリーブ 3とスラスト板 4との間に導入され、矢印 7に示す方向に沿ってスラスト板 4の内周部に押し込まれる。スラスト板 4表面の溝 5とシャフト 1の外周面との間にはランド部 9があり、前記押し込まれた流体がこのランド部 9と溝 5の縁との間で圧縮されて動圧を発生させ、スリーブ 3を持ち上げる作用をする。従来技術による動圧軸受においては、このように、スラスト動圧は溝 5のランド部 9に近い縁部分に局部的に発生する。

図 1 0に示す例においては、シャフト 1の外周面に、軸方向に対して傾斜した溝 2が設けられ、この溝 2がスリーブ 3の内周面に対向している。ラジアル動圧の発生には、この溝 2は必ずしも必要とはされない。但し、動圧軸受では、回転側部材 (図示の例では、スリーブ 3 )が、固定側部材（同、シャフト 1 )の軸心に対する回転（自転）とは別に、前記軸心から偏心した振れ回り回転（公転）をするハーフホワールと呼ばれる現象を発生させることがある。このハーフホワールが発生すると、ロータ 1 7に搭載された情報メディァゃポリゴンミラーなどの機能部品も振れ回るため、これらを利用する際の障害となる。前記のシャフト 1の外周面に設けられた溝 2は、このようなハーフホワール現象を回避する効果を有することから、溝 2を設けることは有効である。溝 2は、図示のような軸に対して傾斜した溝であっても、軸に平行な溝であっても、あるいはヘリングボーン状の溝であっても、前記ハーフホワール現象の回避に関しては同様の効果が得られる。但し、図示のように傾斜した溝 2とした場合には、図においてスリーブ 3内周面の矢印 8方向の回転により、流体が自身の粘性によって図の上側から下側へ押し込まれ、スラスト軸受部の動圧を更に高める効果を生むことから好ましい。なお、この溝 2は、シャフト 1側でなく、スリーブ 3の内周面に設けられていてもよい。ラジアル軸受部に設けられた溝 2における流体の圧力分布は、先のスラスト軸受部におけるものと同様に、矢印 8で示した溝 2に対向するスリーブ 3の動きにより、溝 2内にある流体自身の有する粘性の作用によって、流体は溝 2をクロスする矢印 8の上手側（図の右側）から下手側（同、左側）へ、矢印 8の方向に沿って溝 2内に押しつけられる。この結果、下手側の溝 2の縁付近での圧力が高くなる不均一な圧力分布が存在すると推定される。

次に、図 1 1は、前記構成にかかる動圧軸受が外部要因によって揺動し、スリーブ 3がシャフト 1及びスラスト板 4に対して相対的に傾いた状態を示している。図において、スリーブ 3が反時計回りに相対的に傾いた結果、シャフト 1とスリーブ 3との間の右上の A部、同じく左下の B部、そしてスラスト板 4とスラスト対向面 1 3との間の左端の C部とがそれぞれ接近する。

ここで、図に示す平行線は、図示の相対的に傾斜した場合における各軸受部に発生する動圧を模式的に示したものである。まず A部において、シャフト 1とスリーブ 3が接近すると、その部分の流体の巻き込みによる動圧の楔効果が高まつて接近するほど動圧が高くなる。これは B部でも同様である。したがつてこの A 部、 B部の高まる動圧によってシャフト 1とスリーブ 3との間においては接近に対する抗力が働き、その抗力が外部からの揺動に打ち勝つ限りにおいて接触を回避する効果を生む。

一方、スラスト板 4とスラスト対向面 1 3との間の C部においては、スラスト板 4の外周部が流体の導入部に当たるため、上述のように動圧が低く、軸受の中心である内周部に向かうほど動圧が高くなる。したがって、本来 C部での動圧の発生は低く、これは両部材が接近しても変りにくい。このため、外部からの揺動など外力が加わった場合、この部分においてスラスト板 4とスラスト対向面 1 3 とが接触する可能性がある。そして一旦両者が接触してしまうと、その間の摩擦力で回転が不安定となり、接触に伴う反発力から回転挙動にも悪影響が出て激しい場合には H D Dにおいて磁気へッドを破壊させるなど、スピンドルモータとしての機能を大いに損なう結果となる。

以上述べたことから、従来技術による動圧軸受には幾つかの問題があることがわかる。第 1に、動圧軸受部に設けられる溝の内部においては、局部的に圧力が高まる箇所があり、例えば導入される流体が空気などの気体である場合には、前記の局部的な圧力の高まりすなわち圧縮作用により、当該部分において空気中に含まれた水蒸気成分が圧縮され、結露に至る恐れがある。結露があっても回転動作中又は気流によりその水分が吹き飛ばされている間は良いが、通電が遮断されて停止状態になると、水分が溜まったままでスリーブ 3とスラスト板 4とが接触して停止する。あるいはシャフト 1とスリーブ 3とが接触したままで停止する。このため、これらの部分が水分の作用で密着した状態となり、次に再起動しょうとしても起動不良の現象が生ずることがある。

第 2に、軸受が外部からの揺動などで軸受部材間の相対的な倒れが起こつた場合、スラスト軸受部（特に外周部付近）においてはこの倒れを支える十分な抗カ

( トノレク）を発生させることができず、したがってスラスト軸受部においてスリ —ブ 3とスラスト板 4とが接触し易い状況となる。これは、上述のスラスト軸受部において発生する動圧が、軸心に近い位置に局部的に集中することにも関連している。

そして、第 3に、スピンドルモータの停止時には、回転側部材が自重により下がり、スリーブ 3の下面であるスラスト対向面 1 3とスラス卜板 4とが接触したままで停止している。この場合、両者共に平坦面であることから全面で接触した状態にあり、次の再起動する時にはこの接触による抵抗に打ち勝つ大きな起動トルクを必要とする。このため、モータ容量を高める必要があり、消費電力が多くなるという問題がある。また、回転側部材が動圧の作用で浮上するまでの間、軸受部材間が接触したままで回転することから、両部材間での摩耗が生じ、摩耗粉が精密機材である軸受部に悪影響を及ぼしたり、摩耗が激しい場合には焼き付きを生じたりして、動圧軸受、あるいはスピンドルモータの耐久性、信頼性を損ねるものとなる。

これらの問題に対して、従来技術においても幾つかの対応がなされている。例えば、スラスト軸受部での倒れによる接触を回避する具体的な対策例として、特開平 1 1— 1 8 3 5 7号公報や、特開平 1 1— 5 5 9 1 8号公報で開示された技術は、コイルとロータ磁石とを偏心して配置することにより、スリーブに対してシャフトを一定方向に押しつけて安定させながら回転させるものである。しかし、この方法でシャフトをスリ一ブに対して平行に押しっけるためにはコイルの位置が軸受中心になくてはならず、設計上の制約のためにこのような配置が実現できな、場合が多レ、という問題があつた。

また、実開昭 5 5— 3 6 4 5 6号公報に開示された内容では、ロータ磁石に対向してハウジング側に固定永久磁石を設け、この両者の吸引力によってロータを一定の方向に傾けて回転させるものである。しカゝし、この方法ではシャフトのェッジ部が片当たりし、このため軸受寿命が短くなるという問題があった。

次に、起動時の摩擦によるトルク問題を解決する具体策として、特開昭 6 0— 2 3 4 1 2 0号公報では、平面形の動圧スラスト軸受において、少なくともそのスラスト軸受を構成する部材の一方の面に、凸面を形成するという内容の発明が開示されている。図 1 2は、そのスラスト軸受を示したもので、図において、スラスト板 3 1に設けられた動圧発生溝 3 2に対向し、シャフト 3 3が矢印の方向に回転する。シャフト 3 3の図面上で下端面にはスラスト部材 3 4が固定されて、前記スラスト板 3 1に対向しており、この両者でスラスト軸受を構成している。前記スラスト部材 3 4には、スラスト板 3 1に対向する面に所定の曲率 Rで形成された球面 3 5が、突出量 Nだけ突出するように形成されている。

上記のように構成されたスラスト軸受では、回転中は動圧による作用で前記スラスト板 3 1 とスラスト部材 3 4とは非接触状態に保たれるが、回転停止中には両部材が接触している。しかし、このときの接触面積はほとんど点接触となるために起動時における過大なトルクを必要とせず、またかじりを生ずることなく、起動及び回転部材の浮上を行うものである。

し力し、この方法によれば、前記スラスト部材 3 4に設けられた球面 3 5の曲率 R及び突出量 N次第では、その中心部がスラスト板 3 1に接触することも考えられ、場合によっては浮上しきれないことになる。又、前記スラスト部材 3 4に前記のような球面部 3 5の加工を追加する必要があり、またその微小な凸形状の形成は困難を伴う、という問題もある。

また、特開平 9 _ 3 2 8 3 8 1号公報においては、スラスト部材摺動面の一方に非晶質硬質炭素膜を形成し、他方の摺動面（セラミックス材で形成）をボイド占有率 6 %以下、最大ボイド径 1 0 μ m以下とし、これによつて両部材間の摩擦係数を低減する内容の発明が開示されている。

しかしながら、この方法によれば、前記固定潤滑膜による摩擦係数の低減に対応したトルクの低下は見られるものの、それ以上の改善は期待できない。すなわち、スラスト部材摺動面間においては引き続きその摺動面の全面で接触することとなり、接触半径が大きい外周部での接触のため、起動トルクを低減する効果は僅かなものとしかならないからである。

発明の開示

以上より、本発明は、前記のような従来技術にある欠点をなくし、動圧発生溝における局部的な高圧力の発生を回避してほぼ均一な圧力分布を実現させ、これによって動圧気体軸受における結露による軸受起動時の機能障害をなくし、同時に、スラスト軸受部における揺動への対抗力が強い動圧軸受を実現することを目的とする。本発明は更に、動圧発生溝内での圧力分布をほぼ均一にすることにより、溝内で発生する最高圧力を低下させ、動圧気体軸受の結露を防止する方法を含む。

さらに本発明は、軸受停止時においてスラスト板とスラスト対向面とが全面で接触することを回避し、従来技術における起動時の摩耗やエネルギロスなどの問題を回避し、僅かな起動トルクで軸受回転側部材を固定側部材から確実に浮上させ、かつ耐揺動性にも優れた動圧軸受を提供することを目的とする。

さらに本発明は、上述のような起動特性を改善し、倒れ剛性にも優れた安定した回転を実現するスピンドルモータを提供すること、並びに該スピンドルモータを備えることにより、耐久性、信頼性の高い記憶装置、並びにバーコード走査装置を提供することを目的とする。

より具体的には、以下の内容を含む。すなわち、本発明にかかる 1つの態様は、軸受の軸に垂直な方向であるラジアル方向、もしくは軸受の軸に平行な方向であるスラスト方向に所定の間隙を設けて対向する対向面をそれぞれ有する回転側部材と固定側部材とからなり、前記両部材の対向面間に流体を介在させて相対回転させることにより前記流体が発生する動圧を利用して前記両部材間を非接触状態に保って回転支承を行なう動圧軸受において、前記ラジアル方向もしくはスラスト方向に相対向する前記両部材の内のいずれか一方の対向面に設けられた溝の深さを前記溝内の場所に応じて変化させ、軸受回転時における前記溝内の圧力がほぼ均一に分布するようにしたことを特徴とする動圧軸受に関する。溝の深さを変化させることにより、発生圧力を分散させ、特にスラスト軸受部においては倒れに対する抗カを高めることができ、また、特に動圧気体軸受においては、ラジアノレ、スラスト両軸受部におけるピーク圧力下での結露の発生を回避するものである。前記溝内での圧力を均一にするには、前記溝の深さの変化が、流れの上流から下流へ、もしくは回転方向の上手から下手へ、連続的に浅くなるよう変化させることが好ましい。

本発明にかかる他の態様は、軸受の軸に垂直な方向に広がる円板状のスラスト板と、前記スラスト板に対向し、軸受の軸に垂直な方向に広がる円形のスラスト対向面とからなり、前記スラスト板もしくはスラスト対向面のいずれか一方に設けられたスパイラル状の動圧発生溝の作用により、前記スラスト板とスラスト対向面との相対回転によって軸受の軸に平行な方向であるスラスト方向の動圧を発生させ、両者間を非接触状態に保って回転支承するスラスト軸受部を有する動圧軸受において、前記スラス卜板及びスラスト対向面のいずれか一方もしくは双方の相対向する面を、前記スラスト軸受部の内周部から半径方向外周部に向かって両対向する面の間隙が広がるよう傾斜させたことを特徴とする動圧軸受に関する。前記傾斜は、スラスト動圧の発生にはあまり影響せず、倒れによる接触を回避するように設けることが好ましい。具体的には、スラスト軸受部で対向するいずれか一方、もしくは双方の面を円錐台状、球面状などに形成し、前記傾斜によるスラス卜軸受部の間隙の変化を約 2 μ m以下とすることが好ましレ、。

本発明にかかる更に他の態様は、円柱状のシャフト、及び前記シャフトの軸に平行な外周面に回転自在に嵌装される中空円筒状のスリーブからなり、前記シャフト及び前記スリーブの相対回転によってラジアル動圧を発生させるラジアル軸受部と、前記シャフトの軸方向の一方の端面に軸と垂直に形成もしくは固定されるスラスト板、及び前記スリーブの軸方向の一方の端面に形成もしくは固定され、前記スラスト板に対向するスラスト対向面からなり、前記スラスト板及びスラスト対向面の相対回転によってスラスト動圧を発生させるスラスト軸受部と、の両軸受部から構成される動圧軸受において、前記スリーブの軸方向の他方の端面にて前記スリーブの中空部を閉塞するよう固定される第 2スラスト板が更に設けられ、前記第 2スラスト板と、この第 2スラスト板に対向する前記シャフトの軸方向の他方の端面との間の軸に平行な方向の間隙を a、前記スラスト板と、これに対向するスラスト対向面との間の軸に平行な方向の隙間を bとしたとき、前記 a と bとの間に、

a < b

の関係が成立することを特徴とする動圧軸受に関する。第 2スラスト板を設けることによって、軸受停止時には、この第 2スラスト板とシャフトの間で回転側部材の荷重を支え、再起動時の接触抵抗のアームを短くして起動性を改善するものである。前記第 2スラスト板、もしくはこれに対向するシャフトの端面のいずれか一方には、球面状、円錐台状などの突出部を形成することが、前記両部材間の接触点をより軸心に近付ける上で好ましい。

本発明にかかる更に他の態様では、軸受部材を構成するシャフト、スリーブ、スラスト板、スラスト対向面、前記第 2スラスト板のいずれか 1つ、もしくは 2 つ以上の少なくとも軸受部で対向する部分が、セラミックス材で形成されていること特徴としている。前記セラミックス材料は、アルミナ、ジルコニァ、炭化ケィ素、窒化ケィ素、サイアロンからなる群の中から選択される。耐摩耗性に優れたセラミックス材を使用することにより、接触回転による摩耗が回避されるほ力 \ 高剛性、高精度の軸受部材を提供することができる。

本発明にかかる更に他の態様は、以上述べた起動特性、高剛性を備えた動圧軸受を有するスピンドルモータ、更には該スピンドルモータを備えたことを特徴とする記憶装置、もしくはバーコード走査装置に関する。安定性、信頼性、耐久性に優れたこれら製品を提供するものである。

図面の簡単な説明

図 1は、スラスト動圧発生溝の形状と圧力分布との関係を示す説明図である。図 2は、従来技術によるスラスト動圧発生溝の圧力分布を示すコンピュータ解析図である。

図 3は、本発明にかかるスラスト動圧発生溝の圧力分布を示すコンピュータ解析図である。

図 4は、本発明にかかる 1つの態様の動圧軸受を示す断面図である。

図 5は、図 4に示す動圧軸受の代替案を示す部分拡大断面図である。

図 6は、本発明にかかる他の態様の動圧軸受を示す断面図である。

図 7は、図 6に示す動圧軸受の代替案を示す断面図である。

図 8は、従来技術による動圧軸受を備えたスピンドルモータの断面図である。図 9は、従来技術によるスラスト動圧発生用溝を設けたスラスト板を示す斜視図である。

図 1 0は、図 8に示す動圧軸受部のみを拡大して示す斜視図である。

図 1 1は、図 8に示す動圧軸受部分の動圧分布状況を示す説明図である。図 1 2は、従来技術による動圧軸受の起動特性を改善する具体案を示す部分断面側面図である。

発明の実施の形態

本発明にかかる第 1の実施の形態の動圧軸受にっき、図面を参照して説明する。上述のように、動圧軸受のスラスト軸受部においては、スパイラル状の溝の作用によって、外部からスラスト軸受部に空気などの流体を導入することによって動圧を発生させる。前記導入される流体は、スラスト軸受部での相対回転に伴うポンプ作用により、順次外周部から内周部（軸受の軸心方向で、シャフトの外周面近傍）に送り込まれる結果、シャフト近傍の内周部の圧力が高まり、この圧力によって軸受浮上力が維持される。この圧力の分布状況は、数値計算によれば、スラス卜板の軸中心に近い位置で高く、またランド部が設けられている場合には、ランド部 9と溝 5 (図 1 0参照）の縁との境界付近で圧力が高く、半径方向外周部に向かって順次圧力が低下している。すなわち、従来技術による動圧軸受においては、スラス卜軸受部での高い動圧発生箇所が局部的に偏在している。

図 1 ( a ) は、従来技術による、スラスト板 4の溝 5が設けられた部分を断面状に示している。図 9を参照して説明したように、実際には溝 5はスパイラル状に設けられているが、図 1 ( a ) では、この溝 5の一つを取り出し、スパイラル状の溝を半径方向に投影して示している。図において、 Xはシャフトの外周面 (スラスト板 4の内周部）、 Yはスラスト板 4の外周面を示す。スラスト板 4には、シャフト外周面 Xから所定距離延びるランド部 9が設けられ、このランド部 9に続いて深さ hの溝 5が設けられている。図の a— aは、スラスト板 4の表面を、 b— bは、溝 5の底面を示している。矢印 7 ' は、この溝 5に導入される流体の流れを示しており、この矢印 7 ' は、図 1 0に示す矢印 7を半径方向に投影したものである。また、図 1 ( a ) に示す溝 5は、その半径方向外側が、外部に開放している形式のものである。従来技術におけるスパイラル状の溝 5は、図に示すように、その深さ hが一定の平坦な溝であった。

次に、図 1 ( b ) に示す点線 Jは、前記のような構成の溝 5が軸受回転時に発生させる動圧の分布を、やはり半径方向に投影して見たものである。図 1 ( a ) に対応して、横軸 Sはスラスト板 4の内周部から外周面に至る距離、縦軸 Pは動圧圧力の大きさを示す。なお、本スラスト軸受部は、ラジアル軸受部とは切り離して単独で動作するものとしたため、内周部も外周部と同様外部に開放されており、この位置における圧力は外部圧力に等しレ、（ゼロ）と仮定した。ラジアル軸受部と結合している場合には、内周部圧力が高くなる他は、圧力分布は同様の傾向を示す。これまで説明したように、従来技術によるスラスト軸受部の圧力分布は、図の点線 Jで示す溝 5の軸中心に近い側の縁付近で局部的に最大圧力 p _aを示し、以下外周部に向かって暫減する傾向を示す。本願発明者らが行なった数値計算によれば、スラスト軸受部直径が 2 Omm、スラスト内径が 1 4mm、溝深さ hが 2〃 m、回転時の軸受クリアランスが 1. 5 μ m、回転数を 1 6， 000 r p m としたとき、前記最大圧力 p_aは、約 1. 5 9 a tmであった。実験によって圧力分布を測定することは困難であるが、浮上高さ（クリアランス）や負荷容量

(回転部質量）等の関係は計算結果とよく一致しており、本圧力も妥当と推定される。

本発明においては、この溝の深さを外周部と内周部との間で変化させることにより、圧力分布を均一化させようとするものである。すなわち、図 1 (c) に示すように、溝 5の底面を b ' -b ' に示すように斜めに傾斜させ、スラスト板 4 の外周部の溝深さから内周部 X方向に移動するに従って溝深さを浅くし、ランド部 9との境界位置で深さ h₂まで減少させるものである。図に示す他の符号は、それぞれ図 1 (a) と同様である。従来技術では、溝 5に導入された流体力ランド部 9と溝 5の境界部分に押し込められて局部的に高圧を発生していたのに対し、本実施の形態のように、内部に進むにしたがって順次深さを浅くする（h l→h 2) ことによって、外周部近傍の入口付近から徐々に圧力を高めるものである。

本発明にかかる軸受においては、前記のように溝深さを調整した結果、図 1 (b) の実線 Kで示すように、動圧の分布はほぼ平均化された。本願発明者らが行なった数値計算によれば、溝 5の深さを、スラスト板 4外周部の流体入口近傍ので 2 μιη、ランド部 9との境界位置の h₂で 0. 4 / mとし、他は前記従来技術と同じ条件で回転させたときの最大圧力 P_cは約 1. 3 1 a tmで、これが半径方向にほぼ均一に観察された。すなわち、最大圧力 p_eは、従来技術の最大圧力 P _aに比較して減少するものの、圧力が均一に分布される結果、軸受の浮上力全体としては変化はない。更なる利点として、軸中心から離れた位置で発生する圧力が高いことから、揺動に対して優れた効力（モーメント）を発揮できることが挙げられる。

図 2と図 3とは、本願発明者らが行なった前記の数値計算結果を示すものである。図 2 (a) は、上に示す従来技術にかかる動圧軸受の溝における圧力分布をコンピュータ解析した結果を、図 2 ( b ) は、それを模式的に再現したものを示している。いずれもスラスト板 4を軸方向から見た図である。図 2 ( b ) に示すように、溝 5のランド部 9との境界部分に最高圧力 1 . 5 9 a t mを示す高圧部分が現れ、その周囲に約 1 . 4 a t mの圧力部分が短く存在し、その後、圧力は暫減している。すなわち、溝 5の形状が全体として定かでないほどに高圧部分が局部的に集中していることを示している。

図 3は、同じ状況を前記数計算結果に示す諸元の本発明にかかる動圧発生溝を備えたスラスト板 4で見たものである。図 2と同様、図 3 ( a ) はコンビユータ解析結果、図 3 ( b ) はその結果を模式的に示している。図 3 ( b ) からも明らかなように、本実施の形態にかかる軸受においては、最高圧力は 1 . 3 1 a t mと、従来のものに比べて低くなつている反面、その高圧部分が溝の形状をはつきり示すほどに均一に分布しており、その周囲には 1 . 2 a t mほどの圧力部分が存在している。すなわち、従来技術によるものが軸又はランド部 9との境界部に近い位置で集中してスラスト荷重を支えているのに対して、本発明にかかる軸受ではスラスト面全体で支えるものであることが看て取れる。

結露に関しては、例えば常温で湿度 6 0 %の空気を流体として使用して動圧軸受を動作させると、従来技術によるものでは 1 . 5 9 a t mまで圧縮される結果、結露を起し易い。しかしながら、本発明にかかる最大圧力 1 . 3 1 a t mでは、結露を生ずることは少なく、したがって結露を含んだままで停止した後の再起動ができなくなるという問題が生じにくくなる。

なお、本実施の形態では、動圧発生流体がスラスト軸受部の外周部から内部に導入されるポンプイン形式のものであった。すなわち、溝 5のスパイラルの傾斜力スリーブ 3の回転によって流体を外部から内部に吸い込む方向に向けられる形式となっている。このスパイラルの傾斜を逆方向とし（もしくはスリーブ 3の回転方向を逆とし）、内部から流体を外部に排出するポンプアウト形式とすることによっても動圧を発生させることができる。この形式の場合には、流体が軸近傍の内部から順次スラス卜板外周部に押し出されることから、スラスト板の外周に向かって圧力が高まることとなる。従って、本発明の実施の当っては、溝 5の深さの傾斜は、図 2 ( c ) に示すものとは逆の傾斜とし、ランド部を設ける場合には外周部に設ける必要がある。

図 1 ( c ) に示す点線 Mは、本実施の形態の代替案を示している。この代替案では、溝 5の深さを連続的に傾斜させるのではなく、段階的に浅くなるよう変化させることを特徴とする。例えば溝 5を形成するのに、マスキングを用いてショットブラスト噴射を行なう場合やレーザビーム照射を行なう場合には、このような段階的な深さ変化を設けて実施する方が簡便である。溝 5をこのような構成で形成しても、前記と同様な効果を得ることができる。ただし、この場合においても、流体の円滑な流れを考慮すれば、この段差をできるだけ多くし、 1つの段差当りの深さの変化をできるだけ小さくすることが好ましい。

なお、本実施の形態における説明では、スラスト動圧発生用の溝 5をスラスト板 4に設けることとしている力この溝はスラスト板 4に対向するスラスト対向板 1 3の面に設けられていてもよレ、。さらに、本実施の形態では、溝深さを直線的に、もしくは等間隔等段差での段階的に変化させるよう図示してあるが、本発明の目的は、溝内部における圧力分布をできるだけ均一にすることにある。従つて、前記溝深さの変化は、例えば滑らかな曲線的な変化であったり、もしくは不等間隔不等段差の段階的な変化であったりしても、それが圧力分布を均一化させるものであればよい。

又、これまでの実施の形態における説明は、スラスト軸受部に関したものであるが、ラジアル軸受部における溝 2に対しても、本発明を同様に適用することができる。この場合の溝の変化は、スラスト軸受部においては外周部から軸中心部に向けて（ポンプイン 'タイプの場合）であったが、ラジアル軸受部においては、相対回転の上手側から下手側に（図 1 0の矢印 8方向に）向けて深さが順次浅くなるよう変化して形成される。これは、同溝 2がシャフト 1の外周面ではなく、スリーブ 3の内周面に設けられる場合においても同様である。

(実施例 1 )

外径 20mm、内径 1 4 mmのスラスト気体軸受の動圧発生部に、図 9に示す形式の最大深さ 2 m、幅 1 5度の溝を 1 2本形成した。内径側の 0. 75 mm 幅の領域には、溝のないランド部を設け、溝の入口部と出口部の角度差は 45度とした。

く試料 A〉溝深さを直線的に変化させたもので、レーザー加工により作製した。溝深さは外径側の気流入口部深さ（図 1 (c) の 1^) がで、内径側のランド部 9との接続部で 0. (同、 h₂) であり、その問は直線的に減少させた。

<試料 B〉図 1 (_C) の点線 Mに示すような溝深さを階段状に変化させた溝を、マスクを取り替えて複数回のブラスト加工を行って作製した。溝深さは、図 1 (c) の点線 Mの様に、外径側の気流入口部（h i) が 2 imで、 3回にわたり、同じ間隔、段差で深さを変化させ、内径側ランド部 9と接続した。

く試料 C〉溝深さが一定である比較例で、 1回のブラスト加工により作製した。溝深さは、全領域 2 / mで、内径側ランド部 9との接続部における段差は 2 /i mでめる。

これらの軸受に、総質量が 200 gとなるよう錘を加え、平板と組み合わせて、回転数 1 6， 000 r pmで 1 0分回転させた後停止させ、停止後直ちに再度回転させることが可能かを試みることによって、水の凝縮の有無を調べた。また、安定回転時の浮上高さを測定した。周囲温度は 25°Cに保ち、湿度を 50〜1 0 0%に変化させた。尚、測定は各湿度で 5回繰り返した。

以上の結果、再現性よく再回転が可能な上限湿度は、試料 Aでは 90%、試料 Bでは 8 5%、試料 Cでは 75%であった。また、安定回転時の浮上高さは、レヽずれも約 1. 5 mであり、数値計算から予想された値と良い一致を示した。次に、本発明にかかる第 2の実施の形態の動圧軸受にっき、図面を参照して説明する。図 4は、本実施の形態にかかる軸受を示している。図において円柱状のシャフト 1の外周面には、スリーブ 3が所定の間隙を設けて回転可能に嵌装され、シャフト 1の一端には軸に垂直な面に沿ってスラスト板 4 aが固定されている。スラスト板 4 aは、スリーブ 3の下面と対向し、その対向する面にはスラスト動圧発生用の溝 5が設けられている。スリーブ 3の下面で、前記スラスト溝 5に対向する面をスラスト対向面 1 3と呼ぶ。

以上のように構成された動圧軸受けの動作時は、図示しないスピンドルモータのステータコイルとロータ磁石との間で発生する回転駆動力によりロータが回転、そのロータに固定されているスリーブ 3が回転することによって、シャフト 1とスリーブ 3との相対運動が生じ、両者の間にラジアル方向の動圧が発生する。同様に、スリーブ 3のスラスト対向面 1 3とスラスト板 4 aとの相対運動によってスラスト溝 5の作用でスラスト方向の動圧が発生し、これによつてスリーブ 3ほかの回転側部材が無接触状態でシャフト 1を中心に回転する。

本実施の形態にかかる動圧軸受では、図 4示すように、スラスト板 4 aのスラスト溝 5が刻まれた側の面が、スラスト軸受部の内周部から半径方向外周部に向けてスラスト対向面 1 3から離れる方向に傾斜していることを特徴とする。この傾斜が設けられていることにより、図の点線で示すスリーブ 3の定常回転状態から、何らかの外部要因によってシャフト 1とスラスト板 4 aに対してスリーブ 3 が相対的に傾斜し、図の実線で示す状態に至ったとしても、スラスト板 4の外周部 Hが傾斜しており、接近するスラスト対向面 1 3からは逃げているため、接触が回避される。

当然ながら、前記回避をするには、このスラスト板 4 aの傾斜面の角度が大きいほど効果がある。し力し、この面にはスラスト溝 5が設けられてスラスト動圧を発生させる軸受構成要素であることから、大きく傾斜させた場合には十分な動圧の発生が期待できなくなる。接触を回避できるに十分大きな傾きを持ち、スラスト動圧を発生させるに十分小さな傾きであることが好ましレ、。

図 4の縦断面図において、スラスト板 4 aに設けられる傾斜は、スラスト軸受部最内周部（スラスト板 4に取り付けられたシャフト 2の外周面）から半径方向ヘスラスト軸受部最外周部（スラスト板 4の外周面）に至る距離であるスラスト幅 sの間に、軸方向の高さ変化量である傾斜量 dだけ傾斜する直線状の傾斜になつているものとする。すなわち、スラスト溝 5が刻まれたスラスト板 4 aの面全体は円錐台状に形成されている。このとき、図の点線で示すスリーブ 3の定常状態におけるシャフト 1の両側面においてスリーブ 3との問に存在するラジアル方向の間隙をそれぞれ f l、 f 2、その合計を F ( F = f 1 + f 2 ) とし、ラジアル軸受部の軸長を Lとすれば、ラジアル部では

F/ L

の傾斜（勾配）が可能である。したがって、スラスト部のコーナ部 Hでの接触を回避するには、スラスト板 4における傾斜（同） 1 前記ラジアル部の傾斜よりも等しいか大きくなればよレ、。すなわち、

F/ L≤ d / s

の関係の成立が、スラスト部の接触を回避する条件となる。

本願発明者らが行なった実験によれば、軸長 L = 1 5 mm、ラジアル間隙 F =

4 m、スラスト板 4の直径 D = 2 0 mmの場合において、傾斜量 = 2 111であれば、スラスト動圧を確保でき、スラスト部での接触を十分回避できる効果が認められた。この傾斜量 dを約 2 μ以下とすることは、 +分なスラスト動圧を確保する上で好ましい条件と考えられる。

本実施の形態にかかる動圧軸受において、他の有利点として、軸受起動時の必要トルクを低下させる効果がある。図 4からも理解できるように、本実施の形態の構成にかかる軸受が停止した状態においては、スリ一ブ 3に固定された回転側部材の全荷重は、スリーブ 3のスラスト対向面 1 3とスラスト板 4とが接触することにより、スラスト板 4の表面にかかる。この際、従来技術においては、スラスト対向面 1 3とスラスト板 4とが平面で、すなわち対向する両面の全面同士が接触していた。本実施の形態にかかる構成によれば、スラスト版が傾斜していることから、両部材の接触面は、スラスト対向面 1 3の内、軸受の軸心に近い内周面端末部のみにリング状に存在することとなる。

したがって、次に再起動する際、これまでは平面全体に荷重が広がっていた場合に比べて、本発明では回転の中心に近い位置に荷重が集中していることから、軸心から荷重点までのアーム長さを小さくすることができ、したがって起動トルクを小さく押さえることができる。このことは、モータ容量を低くでき、したがつて全体が小型化され、電気消費を低減でき、かつ、容易に回転数を上げることができるために接触回転を最小に抑えて接触部材間の摩耗を減らすことができ、結果的に軸受寿命を向上させる効果も生まれる。

図 5は、本実施の形態の代替案にかかる動圧軸受のスラスト軸受部片側のみを示す部分拡大図である。図 4において説明したものと同一部品には同一符号を付している。図の縦断面図に示すように、本代替案では、スラスト板 4の傾斜面を直線状から円弧状に改めたもので、したがって軸受全体で見た場合にこの傾斜面は球面状に現れる。

図のスラスト板 4 bの動圧発生面に描いた平行線は、この面で発生する動圧の分布状況を模式的に描いたものである。先にも説明した通り、スラスト軸受部においては、スラスト板 4 bの外周部近傍は、動圧発生用の気体の吸引部に当り、したがって発生する動圧圧力は低い。逆にシャフト 1外周面近傍のスラスト軸受部内周部に向かうほど動圧が高くなり、スラスト動圧のほとんどの部分がこのシャフト 1に近い場所で発生する。

本代替案の利点は、前記スラスト板 4の傾斜部を円弧状としたことから、軸心に近い位置では前記傾斜が緩やかであり、外周部に近づくにしたがって傾斜が大きくなる。このことは、動圧が発生する部分においては、対向するスリーブ 3のスラスト対向面 1 3に近い距離を維持しているために動圧の低下が避けられ、逆に接触が懸念される外周部付近においては、動圧発生にあまり寄与しない部分でスラスト対向面 1 3から離れている。すなわち、傾斜面をこのような円弧状とすることにより、動圧の確保と接触の回避とを同時に満たし得る好ましい傾斜を設けることができる。

本願発明者らが行なった実験によれば、本代替案においても、スラスト板 4 b の傾斜量 dは、約 2 / m以下としておくことが好ましい。すなわち、このときの曲率は、この 2 mと、スラスト軸受部最内周部（シャフト 1の外周面）から最外周部（スラスト板 4の外周面）までの距離であるスラスト幅 sとから算出が可能である。

なお、ここで傾斜面の形状を断面図で見た場合を「円弧状」、又、全体で見た場合を「球面状」と称しているが、図 5を参照して分る通り、スラスト軸受部最内周部、すなわちスラスト板 4 bの外周面から sの距離にある軸に平行な線上に中心をおいて傾斜面の円弧を描いた場合、軸受全体で見たときの球面状の形状は、実際には真の球面の一部とはならない。真の球面にするには、円弧の中心をシャフト 1の軸心上におく必要があるが、ここではこの両者を合わせて「球面状」と称するものとする。前記スラスト最内周部がシャフト 1の軸に近接する場合には、前記傾斜部の円弧の中心をシャフト 1の軸上に設け、これと前記傾斜量 dの 2つから円弧の曲率を求めて真の球面の一部とするようにしてもよい。更に、前記

「円弧」は、必ずしも真円でなくても、スラスト軸受部の軸に近い内周面で傾斜が少なく、外周部で傾斜が進む形状であれば、楕円や放物線の一部、その他の曲線であっても良い。再起動時の起動トルクを小さくし、電力消費を削減できるなどの効果は、先の第 2の実施の形態と同様である。

なお、上記代替案を含む本実施の形態における説明では、スラスト軸受部での傾斜をスラスト板 4に設けるものとしている力'、この傾斜は、このスラスト板 4 に対向するスリーブ 3のスラスト対向面 1 3に設けるものとしても全く同様の効果を得ることができる。また、形式によってはスリーブ 3ではなく、別部品として構成されるスラスト対向板にこの傾斜を設けることとしてもよい。更には、相互に対向するスラスト板 4 bとスラスト対向面 1 3との両部材ともに傾斜を設けることとしてもよい。この両者に傾斜を設ける場合には、両部材に設けられた傾斜量の合計が、前記説明にかかる傾斜量 dに相当するものとすることが好ましレ、。

(実施例 2 )

図 4に示す形式のスリーブ回転形式の動圧軸受において、ラジアル軸受部は直径 1 5 mm、長さ 1 5 mm、半径方向片側のラジアル間隙 2 μ m、スラスト板は外径 2 0 mm、内径 1 5 mmとし、深さ 5 mのスパイラル動圧発生溝を施した。スパイラル溝は、ショットブラスト、レーザーアブレ一ジョン、プラズマエッチングなどにより作製可能である。

スラスト板は、傾き（スラスト軸受部の最内周部と最外周部の間の軸方向の高さの差）で 0 . 1、 0 . 3、 0 . 5、 1 . 0、 1 . 5、 2 . 0 mの各種のものを準備し、これらをモータに組んで 1 2 Vにて駆動し、回転数 1 0， 0 0 0 r p mにて回転させた。起動電流はモータを起動させて、定常回転に達するまでの最大電流値により評価した。

軸受揺動のためのピッチングは、ステツビングモータを備えた揺動試験機を用いて、回転速度を変化させて ± 6 0。で回転させた。接触の発生は異音を検知することにより行ない、ロータ部分の発生音をマイクロフォンでモニタして異音が発生する回転速度を測定した。異音が発生するときの回転速度が高い程、ピッチングに対して強いと評価する。

以上の結果から、傾きが 0 . 3 / m以上となると起動電流ならびにピッチングに対して、特性が向上することが明らかになった。

次に、本発明にかかる動圧軸受の第 3の実施の形態について、図面を参照して説明する。図 6は、本実施の形態にかかる動圧軸受を示している。図において、円柱状のシャフト 1の外周面には中空円筒状のスリーブ 3が嵌装され、スラスト板 4がシャフト 1と垂直に組み合わされてスリーブ 3の下端面に対向している。本実施の形態にかかる動圧軸受では、これら従来技術にかかる軸受部材に加えて、更に第 2スラスト板 1 1が設けられている。この第 2スラスト板 1 1は、円板状の部材などで形成され、スリーブ 3の軸方向の端面であって前記スラスト板 4に対向している端面とは反対側の端面に、例えば接着手段により固定される。スラスト板 4の表面には、スラスト動圧発生用の溝 5が刻まれており、この溝 5を有する面が、前記スリーブ 3の下端面であるスラスト対向面 1 3と対向している。以上の構成にかかる動圧軸受の回転状態においては、これまでの各実施の形態と同様に、スリーブ 3がシャフト 1及びスラスト板 4との間に相対回転し、スリーブ 3とシャフト 1との間にはラジアル動圧を、また前記スリーブ 3の下端面であるスラスト対向面 1 3とスラスト板 3との間にはスラスト動圧をそれぞれ発生させる。これら動圧の発生により、スリーブ 3がシャフト 1及びスラスト板 4に対して非接触状態で相対回転を行なうものである。

図に示す回転状態において、第 2スラスト板 1 1とこれに対向するシャフト 1 の端面と間の間隙を a、スリーブ 3のスラスト対向面 1 3とスラスト板 4との間 (スラスト軸受部）の間隙を bとした場合、本発明においてはこの aと bとの間 a < b

の関係が成立するよう構成されている。

前記関係が成立する動圧軸受の停止時においては、スピンドルモータへの通電が遮断されるとともに回転側部材の回転数が低下し、軸受部での動圧発生が小さくなつてそれまで浮上していたスリーブ 3ほかの回転側部材が自重により下降する。この下降により、前記の関係式から、間隙の狭い方である aがまず 0となり、すなわち第 2スラスト板 1 1がシャフト 1の端面に接触した状態で停止するに至る。この状態において、上式の関係から 0 < bとなるため、理想的にはスリーブ 3とスラスト板 4とは非接触の状態のままとなり、スリ一ブ 3ほかの軸受回転側部材の全荷重が、第 2スラスト板 1 1とシャフト 1上端との接触面に加わった状態で停止する。

上述のような状態で停止している動圧軸受を再起動する場合には、スピンドルモータの通電により回転側部材が回転を始めると、当初の低い回転数においては十分な動圧が発生しないために、前記第 2スリーブ 1 1とシャフト 1の端面とが接触した状態のままで回転を続け、一定の回転数に至って十分な動圧発生による浮上力が生じ、回転側部材が固定側部材から浮上する。この再起動時における従来技術との相違点は、従来技術においてはスラスト対向面 1 3とスラスト板 4とのスラスト動圧発生部材間が全面で接触しており、接触状態のままで回転するに際して、前記両部材間の摩擦力が回転中心からのアーム長の長い位置で発生するのに対し、本発明にかかる実施の形態では、回転中心に近くアーム長の短い第 2 スラスト板 1 1とシャフト 1端面との間の摩擦であるため、起動トルクをはるかに小さくできる点にある。

更に、前記の接触部のアーム長さの相違により、回転側部材が浮上する際の回転数が従来技術によるものと不変であるとすれば、その回転数における摩擦接触部の回転周速を、本発明では前記アームの長さに比例して小さくすることができる。これによつて接触部における摩擦速度を下げ、摩耗を低減できるほか、当該部分における焼付きの虞を回避することができる。前記摩擦による抵抗力が従来技術に比較して小さく、従って起動時における回転数の上昇が早いために早期に浮上回転数に到達できることから、摩擦を最小限に抑える効果を生む。

ところで、上述のように

a < b

の関係が成り立つていたとしても、 bが aに対して極端に大きな場合には、停止後の再起動時にスリーブ 3の端面にあるスラスト対向面 1 3とスラスト板 4との間隙（b— a ) が広くなりすぎて十分なスラスト動圧が発生しない事態が考えられる。更には、たとえ動圧が発生して回転側部材が浮上していても、軸受に揺動が加わった場合には容易に第 2スラスト板 1 1とシャフト 1の端面とが接触する虞がある。軸受部材間が一旦接触すると軸受の回転が不安定となり、これを使用する H D Dなどの機能を損ねることになりかねない。

力かる事態を避けるには、 aと bとの差をできるだけ小さくすることが必要となる。一般に動圧軸受においては、相対回転する 2部材間の間隙が 2 以下になれば負荷容量（スラスト部における浮上力）が増すことが知られている。すなわち、前記のように揺動によって第 2スラスト板 1 1とシャフト 1の端面とが揺動により接近し、接触する事態が起こる前に、スリーブ 2の端面とスラスト板 3 との間隙 bが 2 μ m以下になって十分な負荷容量が得られれば、前記のような接触を回避できる公算が高い。すなわち、両者の間隙 a、 bの間に、

0 < b - a≤ 2 ^ m

の関係が成り立つていることが好ましい。

前記のような接触による問題をより確実に回避するには、両間隙 a、 bの差を更に小さくし、スリーブ 3の端面とスラスト板 3との間隙 bをより狭くできるようにして負荷容量（スラスト部における浮上力）を高めることである。この際のより好ましい関係としては、

0 < b - a≤0 . 5 m

の関係を成り立たせることである。

更に、揺動時における第 2スラスト板 1 1とシャフト 1の端面との接触を回避する手段として、この両部材間においてもスラスト動圧を発生させることが考えられる。すなわち、第 2スラスト板 1 1とシャフト 1の端面との対向するいずれか一方の面に、スラスト板 4に形成された動圧発生用の溝 5と同様な溝を設けることである。この溝の形成によって両部材間の相対回転に伴う動圧（すなわち両対向面間の接近に対する反発力）が生じ、両部材間の接触を回避する作用を生む。この浮上カは両対向面が接近するほど強くなることから、接触を回避する力として良好な作用を及ぼす。図 7は、本実施の形態にかかる動圧軸受の代替案を示している。図は、動圧軸受の停止状態を示している。図において、シャフト 1 aの上端部 1 2には曲面が形成されている。他の構成は、第 3の実施の形態と同様である。本図のように、シャフト 1 aの上端部 1 2を曲面とすることにより、軸受停止時においては第 2 スラスト板 1 1とシャフト 1 aの上端部 1 2と力ほぼ軸受の中心軸上の点丁で接することとなり、先の実施の形態で説明した再起動回転時の摩擦力のアーム長をほぼ 0に等しくすることができ、駆動トルクを更に低く抑えることができる。なお、シャフト上端部 1 2を球面にしたために回転部側部材全体が前記上端部丄 2上においては安定せず、したがって図に示すようにいずれかに傾斜してスリーブ 3の端面とスラスト板 4との間の一点 Gで接触して安定する傾向になる。このような状況は、先の第 1の実施の形態においても、例えばシャフト 1 aの径が細かったり、もしくはシャフト 1 aの端面の軸に対する直角度が出ていないときなどにも起こり得るものといえる。但し、通常はシャフト 1 aの直径は 1 0— 1 5 mm程度、シャフト 1 aの長さは 1 0— 2 0 mm程度、間隙は直径で 1一 5 μ m程度であるので、シャフト上端面 1 2を若干の球面にしても、スリーブ 3の傾きは僅かである。

スラスト対向面 1 3とスラスト板 4との間で一点でも接触している場合には、軸受再起動時においてこの接触による摩擦抵抗が加わることは避けられなレ、。しかしながら、図からも想定されるように、回転側部材の重心はその回転軸近傍にあることから、回転側部材の荷重のほぼ全てはシャフト上端面 1 2と第 2スラスト板 1 1の接触点 Tにかかっており、前記接触点 Gにおいてスラスト板 4にかかつている荷重は僅かなものといえる。このため接触点 Gにおける起動時の摩擦抵抗があったとしても、荷重が小さいためにその抵抗は僅かなものでしかなレ、。特に、従来技術におけるスリーブ 3端面のスラスト対向面 1 3とスラスト板 4とが全面的に接触している状態と比較すれば、前記接触点 Gにおける摩擦抵抗が加わつたとしても、本発明による起動トルクの低減はなお大幅なものであると言うことができる。

なお、図面においては、前記シャフト 1 aの上端面 1 2を球面状に形成したものを表示しているが、本実施の形態ではこれに限定されるものではなく、たとえば、円錐状、円錐台状など、接触部分の軸心からの距離を短くする効果を生ずる他の幾何学的形状のものであっても、同様な効果を生ずる。更には、このような球面をシャフト 1 aの端面側に形成するのではなく、逆にこれに対向する第 2スラスト板 4の表面に上記のような各種凸状部を設けることであっても良い。次に、本発明にかかる動圧軸受の第 4の実施の形態に付き、説明する。第 3の実施の形態において図 6を用いて説明したように、スラスト動圧を発生させるスリーブ 3のスラスト対向面 1 3とスラスト板 4との間隙をより狭くして負荷容量を高めようとする際、シャフト 1と、シャフト 1に固定されたスラスト板 3との直角度が問題となる。スリーブ 3は、シャフト 1に嵌装されて回転し、スラスト板 4との間の相対回転により動圧を発生させるため、前記直角度が出ていない場合には、スリーブ 3の端面であるスラスト対向面 1 3とスラスト板 3との間の間隙を均一に保つことができず、十分なスラスト動圧が得られないからである。本願発明者らは、実験の結果、例えば直径 2 O mmの円板状のスラスト板を用いた場合、このスラスト板の外周の縁における直角のずれが、 0 . 7 / m以下であればスラスト軸受部における動圧発生が低減することなく、倒れに対する剛性も発揮できることが分かった。通常、スピンドルモータに用いる動圧軸受のスラスト板 4は、直径 2 0 mm内外の円板状のものであるが、スラスト板 4の傾きをこの 2 O mm径において約 0 . 7 μ m以下に抑えることで、第 2スラスト板 1 1 とシャフト 1端面との接触をより確実に回避できるようになる。これを一般化して、本実施の形態では、このシャフト 1 と、シャフト 1に固定されるスラスト板

4との直角度を約 0 . 7 mZ 2 O mm以下と定めるものである。このィ直は、スラスト板の直径が 2 O mm以外のものであっても、あるいは、スラスト板がシャフトの端面に直接固定されず、他の部品を介して間接的に固定される場合においても適用できるものである。

次に、本発明にかかる第 5の実施の形態につき、説明する。本実施の形態にかかる動圧軸受は、軸受構成部品の材料として、耐摩耗性、耐久性に優れ、軽量でかつ高剛性を有するセラミックス材を使用するものである。使用できるセラミックス材としては、アルミナ、ジルコユア、炭化ケィ素、窒化ケィ素、サイアロンなどの各セラミックス材料が考えられる。例えば、アルミナ系セラミックスの場合、ヤング率は約 3 0 0から 4 0 O G p aあり、これは鋼の約 2倍である。一方、アルミナ系セラミックスの比重は 3 . 9と、鋼に比べて約半分である。すなわち、大雑把に言えば、アルミナ系セラミックスは、鋼の約半分の質量で、約 2倍の剛性を得ることができる。従来のステンレス鋼などの材料に代えてセラミックス材を使用することで、動圧軸受を軽量■小型化することができる。更に特筆すべきは、セラミックスの優れた耐摩耗性にある。上述のように、動圧軸受の起動時には、軸受部材間が接触したままで回転するため、その間での摩耗や焼き付きの問題があるが、軸受構成部材の内、少なくとも接触回転する部分にはセラミックス材料を使用することで、このような問題を回避することが容易となる。他の利点としては、セラミックス材は金属材料と比較して塑性変形並びに弾性変形が小さいことから、セラミックス材の使用により、加工時の変形を少なく抑えることができ、高精度の軸受部材を提供することができる点にある。

図 6に示す動圧軸受を例に採れば、図中の全ての軸受構成部材をセラミックス材に置き換えることが可能である。但し、コスト対効果の観点から、各軸受部材の相手側部材と対向する面のみをセラミックス材に置き換え、他の部分を従来のステンレス鋼のままとすることであっても良い。例えば、シャフト 1について言えば、シャフト 1の軸心部分をステンレス鋼で形成し、その周囲に中空円筒状のセラミックスを焼嵌め、冷やし嵌め、接着などにより固定することであっても良レ、。他の軸受部材についても同様である。

次に、本発明にかかる第 6の実施の形態につき、説明する。本実施の形態は、これまでの各実施の形態で説明してきた動圧軸受を使用するスピンドルモータ、さらに、該スピンドルモータを備えた記憶装置、並びにバーコード走査装置に関する。上述のように、本発明にかかる動圧軸受を使用することにより、起動時における接触部材間の抵抗を極力小さくすることができ、大きな起動トルクを必要としないことから、効率的なスピンドルモータの稼動を実現することができる。また、軸受部材間の摩耗を極力排除できることから、耐久性に優れたスピンドルモータを実現することができる。そして、当該スピンドルモータを備えることにより、効率的で信頼性の高い記憶装置、並びにバーコ一ド走查装置を提供することができる。

以上、本発明にかかる各実施の形態につき説明してきたが、参考として図示した例では、シャフト及びスラスト板を固定側部材とし、スリーブを回転側部材とするものであった。本発明は、このような形式に限定されるものではなく、この逆の組合わせ、すなわちシャフトを回転側部材とし、スリーブを固定側部材とするものであっても同様に適用することができる。

発明の効果

本発明にかかる効果を要約すれば、スラスト軸受部に設けられるスパイラル状の溝の深さを外周部から軸中心に向かう従って徐々に浅くし、もしくはラジアル軸受部に設けられるスパイラル状溝の深さを回転の上手方向から下手方向に向かうに従って徐々に浅くして、圧力上昇を緩やかにすることにより、局部的な高圧部分がなくなって広い領域で高い圧力を発生させることができる。これによつて、所定の負荷容量を得るのに必要な最高圧力を低く抑えることが可能になるため、動圧気体軸受においては圧縮に伴って生じる水の凝縮を防止することができ、流体動圧軸受一般においては、スラスト軸受の揺動に対する対抗力を高めることができる。

従来技術における動圧軸受のように、スラスト板と、これに対向するスラスト対向面（もしくはスラスト対向板）が平面同士で対向していれば、外部要因で揺動してこの両者が相対的に倒れた場合、スラスト部が接触する恐れがあった。これに対し、スラスト板の摺動面が内周部から半径方向外周部に向けて傾斜してスラスト軸受部の間隙が外周部に向かうほど広くなる本発明にかかる動圧軸受によれば、スラスト板とスラスト対向面とが相対的に傾いても、この部分における接触を回避することができ、揺動に強い動圧軸受を得ることができる。また、従来技術による動圧軸受では、静止時にスラスト部材同士が全面で接触するため、再起動する場合の起動トルクが大きくなつた。スラスト板の摺動面が内周部から半径方向外周部に向かって傾斜していれば、静止時の接触部が回転中心に近いスラスト軸受内周部に集中するため、回転中心から荷重点までのアーム長が短くなり、起動トルクを小さくすることができる。

また、第 2スラスト板を追加して設け、軸受停止時にはこの第 2スラスト板とシャフトの一方の端面との間で接触して回転側部材の荷重を支える本発明にかかる動圧軸受によれば、スラスト板とスラスト対向面とが全面で接触することが無く、軸受回転部材の荷重は軸心からのアーム長さの短いシャフト端面に加わること力ゝら、再起動時のトルクを小さくすることができる。又、接触部分が軸心に近いことから、浮上に至る回転数における周速を小さくすることができ、接触面の間での摩耗を少なくし、又摩擦による焼付きなどの問題を回避することができる。さらに、軸受部材を、耐摩耗性、剛性に優れたセラミックス材とすることにより、より耐久性の優れた、信頼性の高い軸受を提供することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 軸受の軸に垂直な方向であるラジアル方向、もしくは軸受の軸に平行な方向であるスラスト方向に所定の間隙を設けて対向する対向面をそれぞれ有する回転側部材と固定側部材とからなり、前記両部材の対向面間に流体を介在させて相対回転させることにより前記流体が発生する動圧を利用して前記両部材間を非接触状態に保って回転支承を行なう動圧軸受において、

前記ラジアル方向もしくはスラスト方向に相対向する前記両部材の内のいずれか-一方の対向面に設けられた溝の深さを前記溝内の場所に応じて変化させ、軸受回転時における前記溝内の圧力がほぼ均一に分布するようにしたことを特徴とする動圧軸受。

2 . 前記スラスト方向を非接触状態に保っための相対向する両部材のいずれかの対向面に設けられた溝の深さが、前記溝を通過する流体の流れの上流から下流に向けて順次浅くなるよう形成されていることを特徴とする、請求項 1に記載された動圧軸受。

3 . 前記ラジアル方向を非接触状態に保っための相対向する両部材のいずれかの対向面に設けられた溝の深さが、前記溝を横断する相対回転方向の上手から下手に向けて順次浅くなるよう形成されていることを特徴とする、請求項 1に記載された動圧軸受。

4 . 前記溝の深さの変化が、流れの上流から下流へ、もしくは回転方向の上手から下手へ、連続的に滑らかに浅くなるよう変化することを特徴とする、請求項 1から請求項 3のいずれか一に記載された動圧軸受。

5 . 前記溝の深さの変化が、流れの上流から下流へ、もしくは回転方向の上手から下手へ、段階的に段差を設けて浅くなるよう変化することを特徴とする、請求項 1から請求項 3のいずれか一に記載された動圧軸受。

6 . 軸受の軸に垂直な方向に広がる円板状のスラスト板と、前記スラスト板に対向し、軸受の軸に垂直な方向に広がる円形のスラスト対向面とからなり、前記スラスト板もしくはスラスト対向面のいずれか一方に設けられたスパイラル状の動圧発生溝の作用により、前記スラスト板とスラスト対向面との相対回転によつて軸受の軸に平行な方向であるスラスト方向の動圧を発生させ、両者間を非接触状態に保って回転支承するスラスト軸受部を有する動圧軸受において、

前記スラスト板及びスラスト対向面のいずれか一方もしくは双方の相対向する面を、前記スラスト軸受部の内周部から半径方向外周部に向かって相対向する両面の間隙が広がるよう傾斜させたことを特徴とする動圧軸受。

7 . 前記傾斜した面が、軸受の軸を含む軸に平行な断面で見た場合に直線状に傾斜する円錐台状の傾斜面であることを特徴とする、請求項 6に記載された動圧軸受。

8 . 前記傾斜した面が、軸受の軸を含む軸に平行な断面で見た場合に円弧状に傾斜する球面状の傾斜面であることを特徴とする、請求項 6に記載された動圧軸受。

9 . 前記円弧が、前記軸受の軸を含む軸に平行な断面で見た場合、スラスト軸受部の最内周部から軸に平行に引いた線上に中心を持つ円の円弧であることを特徴とする、請求項 8に記載された動圧軸受。

1 0 . 前記傾斜に伴ぅスラスト軸受部での軸方向の間隙の変化量である傾斜量 1)、約 2 z m以下であることを特徴とする、請求項 6から請求項 9のいずれか一に記載された動圧軸受。

1 1 . 前記動圧軸受が更に、円柱状のシャフトと、前記シャフトの軸に平行な外周面に回転自在に嵌装された中空円筒状のスリーブとからなり、前記シャフト及び前記スリーブの相対回転によって前記軸に垂直な方向であるラジアル方向に動圧を発生させるラジアル軸受部を備え、

前記スラスト軸受部の最内周部から半径方向最外周部までの距離であるスラスト軸受部の半径方向片側の幅を s、前記スラスト軸受部の幅 s全体での軸受の軸方向の間隙の変化量である傾斜量を d、また、前記ラジアル軸受部の軸方向の長さを L、前記シャフトとスリーブとの間の直径方向の合計のラジアル間隙を Fとしたとき、

F / L < d / s

の関係が成り立つことを特徴とする、請求項 6に記載された動圧軸受。

1 2 . 円柱状のシャフト、及び前記シャフトの軸に平行な外周面に回転自在に嵌装される中空円筒状のスリーブからなり、前記シャフト及び前記スリーブの相対回転によってラジアノレ動圧を発生させるラジアル軸受部と、

前記シャフトの軸方向の一方の端面に軸と垂直に形成もしくは固定されるスラスト板、及び前記スリ一ブの軸方向の一方の端面に軸に垂直に形成もしくは固定され、前記スラスト板に対向するスラスト対向面からなり、前記スラスト板及びスラスト対向面の相対回転によってスラスト動圧を発生させるスラスト軸受部と、の両軸受部から構成される動圧軸受において、

前記スリ一ブの軸方向の他方の端面にて前記スリーブの中空部を閉塞するよう固定される第 2スラスト板が更に設けられ、

前記第 2スラスト板と、この第 2スラスト板に対向する前記シャフトの軸方向の他方の端面との間の軸に平行な方向の間隙を a、前記スラスト板と、これに対向するスラスト対向面との間の軸に平行な方向の隙間を bとしたとき、前記 aと bとの間に、

a < b

の関係が成立することを特徴とする動圧軸受。

1 3 . 前記 aと bとの間に、更に、

b— a≤ 2 μ m

の関係が成立することを特徴とする、請求項 1 2に記載された動圧軸受。

1 4 . 前記 aと bとの間に、更に、

b - a≤0 . 5 i m

1 5 . 前記シャフトと、前記シャフトに形成もしくは固定される前記スラスト板との直角度が、約 0 . 7 Ai mZ 2 O mm以下であることを特徴とする、請求項 1 2から請求項 1 4のいずれか一に記載された動圧軸受。

1 6 . 前記第 2スラスト板、もしくは前記シャフトの軸方向の端面であって、互いに対向する面のいずれか一方に、両者間の相対回転によって軸に平行なスラスト方向の動圧を発生させる動圧発生用の溝が設けられていることを特徴とする、請求項 1 2から請求項 1 5のいずれか一に記載された動圧軸受。

1 7 . 前記シャフトの軸方向の端面に対向する前記第 2スラスト板の面、もしくは前記第 2スラスト板に対向する前記シャフトの軸方向の端面のいずれか一方に、球面状、円錐状、もしくは円錐台状の突起部が形成されていることを特徴とする、請求項 1 2から請求項 1 5のいずれか一に記載された動圧軸受。

1 8 . 前記シャフト、前記スリーブ、前記スラスト板、前記スラスト対向面、前記第 2スラスト板のいずれか 1つ、もしくは 2つ以上の少なくとも軸受部で対向する部分がセラミックス材で形成されていること特徴とする、請求項 1から請求項 1 7のいずれか一に記載された動圧軸受。

1 9 . 前記セラミックス材料が、ァノレミナ、ジルコユア、炭化ケィ素、窒化ケィ素、サイアロンからなる群の中から選択されることを特徴とする、請求項 1 8 に記載された動圧軸受。

2 0 . 請求項 1から請求項 1 9のいずれか一に記載された動圧軸受を備えていることを特徴とするスピンドルモータ。

2 1 . 請求項 2 0に記載されたスピンドルモータを備えていることを特徴とする記憶装置、もしくはバーコ一ド走査装置。

2 2 . 軸受の軸に垂直な方向であるラジアル方向、もしくは軸受の軸に平行な方向であるスラスト方向に所定の間隙を設けて対向する対向面をそれぞれ有する回転側部材と固定側部材とからなり、前記両部材の対向面間に気体を介在させて相対回転させることにより前記気体が発生する動圧を利用して前記両部材間を非接触状態に保って回転支承を行なう動圧軸受の軸受部における結露防止方法であつて、

前記回転側部材もしくは固定側部材のいずれか一方の対向面に設けられた溝の深さを場所に応じて変化させることによって、前記溝内の回転時における圧力分布をほぼ均一に保ち、負荷容量を得るために必要な溝内の最高圧力を低く抑えて前記対向面間の圧力上昇により生ずる水の凝固を防ぐことを特徴とする動圧気体軸受の結露防止方法。