JP2004257510A - 流体軸受装置及び加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】軸受内部に蓄積した空気が軸受隙間のオイルを押し出し油膜切れが発生することを防止する。
【解決手段】軸外周面またはスリーブ内周面の少なくとも一方にパターン状の浅溝からなる動圧発生溝と、少なくとも一本のパターン状の深溝または少なくとも一本の軸方向に略直線状の深溝を有し、軸とスリーブの間の隙間は潤滑剤で充満されており、動圧発生溝の深さより深溝は２倍以上深くなるよう構成することで、潤滑剤を軸受隙間に保持したまま内部に蓄積した空気を深溝から排出して軸受隙間の油膜切れを解決するものである。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
近年、ディスク等を用いた記録装置等はそのメモリー容量が増大し、またデータの転送速度が高速化しているため、この種の記録装置に用いられるディスク回転装置等は高速、高精度回転が必要となり、その回転主軸部には流体軸受装置が用いられている。本発明は、回転部に流体軸受を有する流体軸受装置及びその加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
以下、図１４〜図１６を参照しながら、従来の流体軸受装置の一例について説明する。図１４において、３１は軸であり軸受穴３２Ａを有するスリーブ３２に回転自在にはめ合わされ、軸３１はフランジ３３を一体的に有し、フランジ３３はベース３５またはスリーブ３２の凹所３２Ｄに収納され、スラスト板３４に当接して回転可能に設けられている。軸３１にはロータハブ３６、ロータ磁石３８、ディスク３９、スペーサ４０、クランパー４１が固定され、ロータ磁石３８に対向するモータステータ３７がベース３５に取り付けられ、スリーブ３２の軸受穴３２Ａの内周面には動圧発生溝３２Ｂ、３２Ｃが設けられ、フランジ３３のスリーブ３２との対向面及び、フランジ３３と、スラスト板３４との対抗面には動圧発生溝３３Ａ、３３Ｂを有し、動圧発生溝３２Ｂ、３２Ｃ、３３Ａ、３３Ｂの近傍にはオイル４２が注入されている。
【０００３】
以上のように構成された従来の流体軸受装置について、図１４を用いてその動作について説明する。図１４において、まず、モータステータ３７に通電されると回転磁界が発生し、軸３１、フランジ３３、ロータ磁石３８がハブロータ３６、ディスク３９と共に回転をはじめる。この時動圧発生溝３２Ｂ、３２Ｃ、３３Ａ、３３Ｂはオイル４２にポンピング圧力を発生し、浮上し非接触で回転し、ディスク３９には図示しない磁気ヘッドが当接して電気信号の記録再生を行う。
【０００４】
【特許文献１】
米国特許第５６４７６７２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記のような構成では、次の様な問題点があった。図１４に示すように軸３１はスリーブ３２の軸受穴３２Ａ内をオイル４２により潤滑されながら回転するが、図１５に示すように、長期の回転後にオイル４２中に空気４３が巻き込まれた場合等に、空気４３Ａ，４３Ｂがモータステータ３７の発熱等により体積が膨張し、空気４３Ａ，４３Ｂが動圧発生溝３２Ｂ，３２Ｃを充満していたオイル４２を図中４２Ａ，４２Ｂに示すように軸受外に流出し、動圧発生溝３２Ｂは油膜切れを起こして軸受が擦れるという危険性があった。
【０００６】
また図１６に示す別の従来の流体軸受装置は、軸受の内部の圧力が高まった場合に空気４３を排出できるよう、スリーブ３２に通気穴４４Ａ，４４Ｂが設けてある。しかしながら、通気穴４４Ａ，４４Ｂからは必要なオイル４２が図中４２Ａ，４２Ｂに示すように流出し、動圧発生溝３２Ｃにおいて油膜切れを起こして軸受が擦れるという危険性があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために本発明の流体軸受装置は、軸またはスリーブの少なくともいずれか一方が相対的に回転し、軸外周面またはスリーブ内周面の少なくとも一方にパターン状の浅溝からなる動圧発生溝を有するラジアル軸受面を有し、動圧発生溝の浅溝の内少なくとも一本を深溝にするか、または動圧発生溝とは別に軸外周面またはスリーブ内周面に少なくとも一本の軸方向に略直線状の深溝を設け、軸とスリーブの間の隙間は潤滑剤で充満させ、動圧発生溝の深さよりパターン状または略直線状の深溝は２倍以上深くなるよう構成したものである。
【０００８】
また、本発明の流体軸受装置は軸外周面上にパターン状の浅溝からなる動圧発生溝と略直線状の深溝を有し、上金型と下金型の間に被加工物である軸を挟みこみ、金型間に圧力を加えて軸を両金型間で回転させて、両方の溝を転造により同時に加工するか、または、スリーブ内周面上にパターン状の浅溝からなる動圧発生溝と深溝を有し、両方の溝をボール転造により加工するものである。
【０００９】
本発明は上記した構成によって、軸受に必要なオイルは隙間が小さい軸受内部に残したまま、軸受内部に蓄積した空気だけを深溝を通して軸受外に排出可能とし、動圧発生溝部においてオイルの油膜切れが無く、軸受の信頼性が流体軸受装置の構成とその加工方法を得る。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下本発明の一実施の形態における流体軸受装置及び加工方法について、図１〜図１３を参照しながら説明する。図１〜図３は本発明の一実施の形態における流体軸受装置の断面図を示している。図１において、軸１またはスリーブ２の少なくともいずれか一方が相対的に回転し、軸１の外周面またはスリーブ２の軸受穴２Ａの少なくとも一方にパターン状の浅溝からなる動圧発生溝１Ｂ，１Ｃを有するラジアル軸受面を有し、軸１の外周面またはスリーブ２の内周面には、動圧発生溝１Ｂ，１Ｃのパターン状の浅溝の内少なくとも一本を深溝にするか、または動圧発生溝１Ｂ，１Ｃとは別に少なくとも一本の軸に略平行な略直線状の深溝５を有し、軸１とスリーブ２の間の隙間はオイル等の潤滑剤４で充満されており、動圧発生溝１Ｂ，１Ｃの深さより深溝５は２倍以上深く形成されている。動圧発生溝１Ｂ，１Ｃは二組の魚骨パターン状の浅溝であり、二組の間に隙間大部３を有している。図２は軸１とスリーブ２の断面図であるが、深溝５は少なくとも一本以上、例えば本実施例では２本加工されている。
【００１１】
以上のように構成された流体軸受装置について、図１〜図７を用いてその動作について説明する。図１において図示しないモータ等により軸１またはスリーブ２のいずれかが回転を始めると、動圧発生溝１Ｂ，１Ｃはオイル４を動圧発生溝１Ｂ，１Ｃのポンピング効果によりかき集めて圧力を発生し、軸１は浮上し非接触で高精度に回転する。しかしながら、軸受が長時間回転後にはオイル４の中には図中６に示す空気６が混入している場合がある。混入した空気６は蓄積量が多くなった場合や、周囲の温度が上昇して空気６の内部圧力が上昇した時や、膨張して体積が大きくなった時に、空気６は深溝５の中を通って図３に示すように外部に排出される。こうして空気６が排出されることで、オイル４は軸受外へ押し出されたり、漏れたりしないで、軸１とスリーブ２の間の十分小さい軸受隙間に、オイル自身の表面張力で保持され、軸受は油膜切れを生じないで安定して回転できる。本実施例において軸１の直径は０．５〜２０ミリメートルであり、深溝５の深さは動圧発生溝１Ｂ，１Ｃの深さの２倍以上の場合に、オイル４が軸受隙間に保持され、空気６は良好に排出されることが確認できた。深溝一本あたりの幅は軸円周上の約０．５〜５％を目安とした場合に空気６はスムーズに排出された。
【００１２】
深溝はパターン状の複数浅溝からなる動圧発生溝１Ｂ，１Ｃの内、少なくとも一本の浅溝を他の浅溝より２倍以上深く設ける第１の方法と、動圧発生溝とは別に、軸１に略平行な略直線状な深溝を設ける方法のいずれか一方の方法がとられるが、図４は深溝５が軸１となす角度について表わしている。軸１が図中矢印Ｍ方向に回転する場合、図中θの角度は大きすぎると図４の様にオイル４は深溝に沿って矢印Ｎ方向に移動させられ、動圧発生溝１Ｂの下方部分で油膜切れが生じる場合がある。この角度θは、図５に示すように±３度以内が良好であり、油膜切れが生じないことがわかった。尚深溝５は軸１全体に伸びる連続した一本の溝ではなく、上側の動圧発生溝１Ｂに一本と、下側の動圧発生溝１Ｃに一本というように複数本に分断された溝でもかまわない。図５は実際の軸受を観察して求めたデータである。
【００１３】
図６は図３における略直線状の深溝５の深さと軸受隙間に残留する空気の面積比率を観察して求めたものである。深溝５は、その深さが浅すぎる場合はオイル４がオイル４自身の表面張力により深溝に充満してしまうため空気６は排出されにくい。図６に示すように深溝の深さは２０マイクロメータ以上が必要であり、２０〜７００マイクロメータの場合に排出される。７００マイクロメートルより深い場合は、軸受隙間部のオイル４の保持力に悪影響が出る危険性がある。尚、この観察実験は動圧発生溝１Ｂ，１Ｃの深さは１〜１５マイクロメータとし、その範囲で良好な結果を得た。
【００１４】
図７〜図８は軸１の外周面への動圧発生溝１Ｂ，１Ｃと深溝５の加工方法を示している。上型７と、下型８には共に、深溝を塑性加工するための凸部７Ａ，８Ａと、動圧溝１Ｂ，１Ｃを塑性加工するための凸部７Ｂ，８Ｂが設けられており、上型７と下型８の間に軸１を挟み込み、加圧しながら軸を転ろがせる事で軸１の表面に深溝５と動圧発生溝１Ｂ，１Ｃが同時に加工できる。尚、この転造加工後には研磨加工等で軸１の外周面を仕上げ加工する場合もある。
【００１５】
図９〜図１０はスリーブ２の軸受穴２Ａに動圧発生溝２Ｂ，２Ｃと、深溝５を加工する方法を示している。ボール転造ツール９には、動圧発生溝２Ｂ，２Ｃ加工用の小径ボール９Ａと、深溝５を加工するための大径ボール９Ｂが取り付けられている。ボール転造ツール９に図１０に示す矢印Ｏのようにスクリューモションを与えると小径ボール９Ａが軸受穴２Ａに動圧発生溝２Ｂ，２Ｃを加工することができ、さらに、大径ボール９Ｂに図中Ｐに示す様に軸方向に直線運動を与えると深溝５が加工できる。尚、ボール転造ツール９に大径ボール９Ａと、小径ボール９Ｂを一体に構成される場合は、それらは、スリーブ２の長さと同等以上の距離を離して取り付けられている。尚、小径ボール９Ａと大径ボール９Ｂは別のボール転造ツールに取り付けられても良い。本実施形態においては、大径ボール９Ｂは３個有しており、深溝は３本加工している。このボール転造加工法の場合、大径ボール９Ｂは３個以上であれば、転造加工中にツール９と軸受穴２Ａで自動的に中心が会うので加工性が良好である。
【００１６】
以上のように本実施の形態によれば、流体軸受部に混入した空気が容易に排出され、軸受に生じがちであった油膜切れが防止され、高精度かつ長寿命に回転させる軸受装置の構成が得られる。また高精度に生産性良く、流体軸受装置が量産可能になる。
【００１７】
図１１〜図１３は本発明の第２の実施形態の流体軸受装置の図である。スリーブ１２の軸受穴１２Ａに軸１１が回転自在に挿入され、軸１１の外周面またはスリーブ１２の内周面の少なくとも一方にパターン状の浅溝からなる動圧発生溝１１Ｂ，１１Ｃを有するラジアル軸受面を有し、スリーブ１２には隙間大部１２Ｂが設けられ、軸１１の上部側には径小部１１Ａがありこの径小部１１Ａにはロータ磁石１８を有するロータハブ２２が取り付けられ、ロータハブ２２とスリーブ１２の間はスリーブ側に固定された抜け防止板１３があり、軸１１の他端（図１１において下側）には軸１１に直角なスラスト軸受面１１Ｄを有し、この軸受面１１Ｄはスリーブ１２側に固定され、螺旋状または魚骨状パターンの動圧発生溝１４Ａを有するスラスト板１４に対抗してスラスト軸受面を構成し、スリーブ１２はモータステータ１７と共にベース板１６に固定され、軸１１の外周面またはスリーブ１２の内周面の少なくともいずれか一方には少なくとも一本の軸方向に略直線状の深溝１５を有し、軸１１とスリーブ１２の間の隙間及び軸１１のスラスト軸受面１１Ｄはオイル等の潤滑剤２３で充満されており、動圧発生溝１４Ａの深さより略直線状の深溝１５の深さは２倍以上深く設けられている。ロータハブ２２には、ディスク１９とスペーサ２０がクランパー２１により取り付けられている。
【００１８】
以上のように構成された流体軸受装置について、図１１〜図１３を用いてその動作について説明する。図１１において、まず、ステータ１７に通電されると回転磁界が発生し、ロータ磁石１８がロータハブ２２、軸１１、ディスク１９、クランパー２１、スペーサ２０と共に回転を始める。動圧発生溝１１Ｂ，１１Ｃ、１４Ａ、においてオイル等の潤滑剤２３を回転力によりかき集めポンピング圧力を発生し軸受部は浮上し非接触で高精度に回転する。
【００１９】
図１２において、軸受が長時間回転後にはオイル２４の中には図中１１に示す空気２４が混入している場合がある。混入した空気２４は蓄積量が多くなった場合や、周囲の温度が上昇して空気２４の内部圧力が上昇した時、または膨張して体積が大きくなった時に、空気２４は深溝１５の中を通って図１２中の矢印に示すように外部に排出される。こうして空気２４が排出されることで、オイル２３は軸受外へ押し出されたり、漏れたりしないで、軸１１とスリーブ１２の間の十分小さい軸受隙間に、オイル２３自身の表面張力により保持され、軸受は油膜切れを生じないで安定して回転できる。本実施例において軸１の直径は０．５〜２０ミリメートルであり、深溝１５の深さは動圧発生溝１１Ｂ，１１Ｃの深さの２倍以上の場合に、オイル２３が軸受隙間に良好に保持され、空気２４は良好に排出されることが確認できた。
【００２０】
図１３は軸１１が１万ｒｐｍ以上の高速回転している時のオイル２３の充満状態を示している。抜け防止板１３にはテーパ部１３Ａが設けられており、オイル２３自身の表面張力で保持されると共に、オイル２３に遠心力が図中矢印Ｑの方向に加わり、オイル２３は強固に保持されて流出することがないので、高速回転で大変長寿命に軸受の運転が行える。
【００２１】
以上のように本実施の形態によれば、流体軸受部に混入した空気が容易に排出され、軸受に生じがちであった油膜切れが防止され、ディスクを高精度かつ長寿命に回転させる軸受装置の構成が得られる。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように本発明の流体軸受装置は軸外周面またはスリーブ内周面の少なくとも一方にパターン状の浅溝からなる動圧発生溝と、少なくとも一本の軸方向にパターン状または略直線状の深溝を有し、軸とスリーブの間の隙間は潤滑剤で充満されており、動圧発生溝の深さより略直線状の深溝は２倍以上深くなるよう構成することで、潤滑剤を軸受隙間に保持したまま内部に蓄積した空気を深溝から排出して軸受隙間の油膜切れを解決するものである。また生産性に優れた動圧発生溝および深溝の加工方法を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明第一の実施形態の流体軸受装置断面図
【図２】本発明第一実施形態の深溝の詳細図
【図３】本発明第一実施形態の深溝の詳細図
【図４】本発明第一実施形態の深溝の詳細図
【図５】本発明第一実施形態の深溝の角度説明図
【図６】本発明第一実施形態の深溝の深さ説明図
【図７】本発明の深溝の加工方法説明図
【図８】本発明の深溝の加工方法説明図
【図９】本発明の深溝の加工方法説明図
【図１０】本発明の深溝の加工方法説明図
【図１１】本発明第二実施形態の流体軸受装置断面図
【図１２】本発明第二実施形態の詳細図
【図１３】本発明第二実施形態の詳細図
【図１４】従来の流体軸受装置断面図
【図１５】従来の流体軸受装置説明図
【図１６】従来の流体軸受装置説明図
【符号の説明】
１，１１ 軸
１Ｂ，１Ｃ、２Ｂ，２Ｃ，１１Ｂ，１１Ｃ 動圧発生溝
２，１２ スリーブ
２Ａ，１２Ａ 軸受穴
３ 隙間大部
４，２３ オイル
５，１５ 深溝
６，２４ 空気
７ 上金型
８ 下金型
９ ボール転造ツール
１３ 抜け防止板
１３Ａ テーパ部
１４ スラスト板
１６ ベース
１７ モータステータ
１８ ロータ磁石
１９ ディスク
２０ スペーサ
２１ クランパー
２２ ロータハブ

Claims (8)

1. 軸またはスリーブの少なくともいずれか一方が相対的に回転し、軸外周面またはスリーブ内周面の少なくとも一方にパターン状の浅溝からなる動圧発生溝を有するラジアル軸受面を有し、前記動圧発生溝の浅溝の内、少なくとも一本の溝を深溝とし、軸とスリーブの間の隙間は潤滑剤で充満されており、動圧発生溝の深さより前記深溝の深さは２倍以上深い流体軸受装置。
2. 軸またはスリーブの少なくともいずれか一方が相対的に回転し、軸外周面またはスリーブ内周面の少なくとも一方にパターン状の浅溝からなる動圧発生溝を有するラジアル軸受面を有し、軸外周面またはスリーブ内周面には少なくとも一本の軸方向に略直線状の深溝を有し、軸とスリーブの間の隙間は潤滑剤で充満されており、動圧発生溝の深さより略直線状の深溝の深さは２倍以上深い流体軸受装置。
3. スリーブの軸受穴に軸が回転自在に挿入され、軸外周面またはスリーブ内周面の少なくとも一方にパターン状の浅溝からなる動圧発生溝を有するラジアル軸受面をし、軸の一端には径小部がありこの径小部にはロータ磁石を有するロータハブが取り付けられ、ロータハブとスリーブの間はスリーブ側に固定された抜け防止板があり、軸の他端は軸に直角なスラスト軸受面を有し、この軸受面はスリーブ側に固定されたスラスト板に対向し、スリーブはモータステータと共にベース板側に固定され、軸外周面またはスリーブ内周面の少なくともいずれか一方には少なくとも一本の軸方向に略直線状の深溝を有し、軸とスリーブの間の隙間は潤滑剤で充満されており、動圧発生溝の深さより略直線状の深溝は２倍以上深い流体軸受装置。
4. パターン状の浅溝からなる動圧発生溝は二組の魚骨パターン状であり、二組の動圧溝の間にはラジアル軸受面の隙間より広い部分を有し潤滑剤を保持した請求項１又は２記載の流体軸受装置。
5. 略直線溝は軸線に対し、平行または±３度以内の傾斜を有する請求項１又は２又は３記載の流体軸受装置。
6. 軸の外周面の外径が０．５〜２０ミリメートルであり、動圧発生溝の深さは１〜１５マイクロメータであり、略直線状の深溝の深さは２０〜７００マイクロメータである請求項１又は２又は３記載の流体軸受装置。
7. 軸外周面上にパターン状の浅溝からなる動圧発生溝と略直線状の深溝を有し、上金型と下金型の間に被加工物である軸を挟みこみ、金型間に圧力を加えて軸を両金型間で回転させて、両方の溝を転造により同時に加工する請求項１又は２又は３記載の流体軸受装置の加工方法。
8. スリーブ内周面上にパターン状の浅溝からなる動圧発生溝と略直線状の深溝を有し、両方の溝をボール転造により加工する請求項１又は２又は３記載の流体軸受装置の加工方法。

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