(57)【要約】【課題】  スラスト軸受部の耐摩耗性を向上させる。【解決手段】  軸部材２のフランジ部２ｂを樹脂で形成し、その端面２ｂ１とハウジング内底面７ｃ１との間のスラスト軸受隙間に流体の動圧作用により圧力を発生させ、この圧力で軸部材２をスラスト方向に非接触支持する。フランジ部２ｂの端面２ｂ１のスラスト軸受隙間Ｃに面する部分に、外径側ほど内底面７ｃ１に接近する傾斜面２４を形成する。【選択図】  図１
2005331033.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸部およびフランジ部を有する軸部材と、フランジ部の端面とこれに対向する面との間のスラスト軸受隙間に流体の動圧作用により圧力を発生させ、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部とを備える動圧軸受装置において、
スラスト軸受隙間に面するフランジ部端面が樹脂で形成されると共に、当該端面の少なくともスラスト軸受隙間に面する部分が外径側を対向面に接近させた傾斜面であることを特徴とする動圧軸受装置。
【請求項２】
スラスト軸受隙間に面するフランジ部端面の内径側を厚肉の樹脂で形成すると共に、その外径側をこれよりも薄肉の樹脂で形成した請求項１記載の動圧軸受装置。
【請求項３】
軸部材が、軸部の外周面を形成する外軸部と、外軸部の内周に配置された内軸部とを備え、外軸部が金属製であると共に、内軸部およびフランジ部が樹脂で一体に形成されている請求項１記載の動圧軸受装置。
【請求項４】
フランジ部端面に形成された前記傾斜面の傾斜角θがθ≦０．６°である請求項１記載の動圧軸受装置。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかに記載した動圧軸受装置と、ロータマグネットと、ステータコイルとを有するモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【特許文献１】特開２００２−６１６４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。特にフランジ部を樹脂で形成した場合には、金属同士を摺動させる場合に比べて摩耗が進行しやすく、摩耗粉の影響により軸受性能が短期間に低下するおそれがある。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的の達成のため、本発明にかかる動圧軸受装置は、軸部およびフランジ部を有する軸部材と、フランジ部の端面とこれに対向する面との間のスラスト軸受隙間に流体の動圧作用により圧力を発生させ、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部とを備える動圧軸受装置において、スラスト軸受隙間に面するフランジ部端面を樹脂で形成すると共に、当該端面の少なくともスラスト軸受隙間に面する部分を、外径側が対向面に接近する傾斜面とした。
【０００８】
これにより、フランジ部の端面のうち、スラスト軸受隙間に面する部分の最外径部がスラスト軸受隙間の最小幅となる。この部分はスラスト軸受隙間のうちで最も周速が早い部分でもある。この場合、この最小幅部で動圧溝等の動圧発生手段によるポンピング機能が高まるので、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、これによりスラスト軸受部での摩耗を抑制することが可能となる。傾斜面は、平坦なテーパ面とする他、曲面状であってもよい。
【０００９】
フランジ部端面の傾斜面は、軸部材の樹脂部分が硬化する際に生じるヒケの差を利用して形成することもできる。例えばスラスト軸受隙間に面するフランジ部端面の内径側を厚肉の樹脂で形成すると共に、その外径側をこれよりも薄肉（厚肉・薄肉は軸方向の肉厚で区別する）の樹脂で形成した場合、樹脂の硬化時には、外径側に比べて内径側で軸方向のヒケ量が大きくなるため、このヒケ量の差によりフランジ部の端面に傾斜面を設けることができる。
【００１０】
軸部材に、軸部の外周面を形成する外軸部と、外軸部の内周に配置された内軸部とを設け、外軸部を金属で形成すると共に、内軸部およびフランジ部を樹脂で一体に形成すれば、フランジ部の内径側は、外径側に比べて内軸部が存在する分だけ厚肉の樹脂で形成されることになる。従って、フランジ部の内径側と外径側でヒケ量の差を生じさせ、これによりフランジ部の端面に傾斜面を形成することができる。
【００１１】
傾斜面の傾斜角θはθ≦０．６°、望ましくはθ≦０．３°に設定するのがよい。これは、本発明者らの検証により、この上限値を越える傾斜角では、接触回転速度が過大となり、却って動圧効果の低下を招くことが判明したからである。
【００１２】
以上に述べた動圧軸受装置と、ロータマグネットと、ステータコイル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。
【発明の効果】
【００１３】
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、動圧軸受装置の軸受性能を長期間安定して保持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１５】
図２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ステータコイル４およびロータマグネット５と、ブラケット６とを備えている。ステータコイル４はブラケット６の外周に取り付けられ、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。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との間に発生する励磁力でロータマグネット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。
【００１６】
図３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。
【００１７】
以下、この動圧軸受装置１の具体的構成を説明する。
【００１８】
図３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。
【００１９】
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。ハウジング７の側部７ｂおよび底部７ｃは、金属材料および樹脂材料の何れでも形成することができる。
【００２０】
軸部材２は、後述するように樹脂と金属の複合品で、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。
【００２１】
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のスラスト軸受面となる。このスラスト軸受面の一部領域、例えば半径方向の中央部付近には、図４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。なお、この動圧溝領域Ｐの動圧溝形状は、動圧を発生するものである限り任意で、例えばへリングボーン形状とすることもできる。
【００２２】
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。軸受部材８の下端面８ｃ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、この動圧溝領域においても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。
【００２３】
図３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。
【００２４】
軸部材２の軸部２ａは軸受スリーブ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（軸受スリーブ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。
【００２５】
以上の実施形態においては、モータの回転によって軸部材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の上端面７ｃ１（スラスト軸受面）に形成した動圧溝領域Ｐと、これに対向するフランジ部２ｂの下端面２ｂ１（スラスト受け面）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（スラスト軸受面）に形成した動圧溝領域（図示省略）と、これに対向するフランジ部２ｂの上側端面２ｂ２（スラスト受け面）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。
【００２６】
動圧溝領域Ｐは、以上に述べたようにスラストプレート７ｃの上端面７ｃ１や軸受スリーブ８の下端面８ｃに形成する他、フランジ部２ｂの両端面２ｂ１、２ｂ２の何れか一方、または双方に形成することもできる。この場合、スラストプレート７ｃの上端面７ｃ１、あるいは軸受スリーブ８の下端面８ｃが動圧溝のないスラスト受け面として機能する。
【００２７】
図１に示すように、軸部材２は樹脂と金属の複合構造をなす。樹脂部分は、軸方向に延びる内軸部２２と、内軸部２２の外径側に張り出したフランジ部２ｂとを一体成形した構成を有する。内軸部２２の外周を被覆する外軸部２２が中空円筒状の金属材、例えば耐摩耗性に優れるステンレス鋼で形成されている。樹脂材には、ＰＥＥＫ、ＰＰＳ、ＬＣＰ、９Ｔナイロン等を用いることが可能であり、必要に応じてこれらベース樹脂にガラス繊維、カーボン繊維、導電化剤等の充填材が配合される。特にカーボン繊維を使用する場合には、ＰＡＮ系のカーボン繊維であって、平均繊維径が１〜１２μｍ、平均繊維長が１００〜５００μｍのものを、配合量５〜３０ｖｏｌ％の割合でベース樹脂に配合して用いるのが好ましい。
【００２８】
金属材で形成された外軸部２１と、樹脂材で形成された内軸部２２およびフランジ部２ｂとの分離防止のため、外軸部２１の下端では、その端部２１ａがフランジ部２ｂに埋め込まれ、外軸部２１の上端では、内軸部２２と例えばテーパ面等からなる係合部を介して軸方向で係合状態にある。外軸部２１の回り止めのため、例えば外軸部２１の内周面やフランジ部２ｂに埋め込まれた外軸部２１の外周面に、内軸部２２やフランジ部２ｂと円周方向で係合可能の凹凸を設けるのが望ましい。
【００２９】
本発明においては、図１に拡大して示すように、フランジ部の２ｂの下端面２ｂ１に、外径側ほどその対向面（本実施形態ではスラストプレート７ｃの上端面７ｃ１）に接近させた曲面状の傾斜面２４が形成される。このように傾斜面２４を形成することにより、動圧溝領域Ｐと傾斜面２４との間のスラスト軸受隙間Ｃは、その軸方向幅（隙間幅）が外径側ほど縮小し、そ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、スラスト軸受隙間Ｃでは、この最小幅部の周速が最も大きくなることから、動圧溝領域Ｐで生じるポンピング能力が増大し、従って、低回転速度でも十分な動圧作用を得ることが可能となる。これにより、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、フランジ部２ｂの端面２ｂ１とスラストプレート７ｃの上端面７ｃ１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る。従って、モータの起動・停止頻度が頻繁に行われる用途でも高い耐久性を確保することができる。
【００３０】
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フランジ部２ｂの端面２ｂ１とこれに対向する面７ｃ１とが接触し、それよりも大きい速度では両面２ｂ１、７ｃ１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両面２ｂ１、７ｃ１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。
【００３１】
なお、図１の拡大図では、スラストプレート７ｃの上端面７ｃ１に動圧溝領域Ｐを形成した場合を示しているが、動圧溝領域Ｐをフランジ部２ｂの下端面２ｂ１に形成した場合も、下端面２ｂ１に傾斜面２４を形成することにより同様の効果が得られる。
【００３２】
傾斜面２４の形成方法は任意であり、研摩等の後加工で傾斜面２４を形成する他、樹脂部分を成形するための金型の成形面に、傾斜面形状に対応した傾斜部を設けることにより、フランジ部２ｂや内軸部２２等の樹脂部分の射出成形と同時に傾斜面２４を形成することもできる。
【００３３】
特に本実施形態のように、軸部２ａの軸芯部に樹脂を配し、これをフランジ部２ｂの樹脂と一体化させた場合、フランジ部２ｂの下端面２ｂ１の内径側では、その外径側に比べて内軸部２２の樹脂分だけ軸方向の樹脂厚さが大きくなる。そのため、樹脂が硬化する際の軸方向のヒケは、下端面２ｂ１の内径側で大きく、外径側でこれよりも小さくなる。従って、このヒケ量の差から樹脂の硬化と同時に傾斜面２４を形成することができ、この場合、上述の後加工や金型成形面の加工が不要となるので、さらに低コスト化を図ることができる。かかる効果は、少なくとも下端面２ｂ１の内径側の樹脂厚さが外径側よりも大きい場合に得られる。従って、図示例のように軸部２ａの全長にわたって樹脂製の内軸部２２を形成する他、内軸部２２を軸部２ａの下側に限定して形成する場合にも同様の効果が期待できる。
【００３４】
図１の拡大図では、フランジ部２ｂの下端面２ｂ１の全体を傾斜面２４とした場合を例示しているが、傾斜面２４は少なくとも動圧作用を生じるスラスト軸受隙間に面する部分（動圧溝領域Ｐと対向する部分）に形成されていれば足り、これ以外の部分を例えば傾斜のない平坦面とすることもできる。また、この拡大図では傾斜面２４を曲面状としているが、断面がストレートなテーパ面状に形成してもよい。曲面状の傾斜面２４は、単一の曲率で形成する他、二以上の曲率を有する複合曲面であってもよい。
【００３５】
また、図１は、フランジ部２ｂの下端面２ｂ１に傾斜面２４を設けた場合を図示しているが、上側のスラスト軸受部Ｔ２を構成する上端面２ｂ２に外径側ほどスラスト軸受隙間の軸方向幅が縮小する同様の傾斜面を形成してもよい。フランジ部２ｂの下端面２ｂ１および上端面２ｂ２の双方に傾斜面を形成することもできる。
【００３６】
以上の効果を確認するため、本発明品について、接触開始回転速度の理論計算を行った。
【００３７】
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
【００３８】
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。
【００３９】
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                  ３０°
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。
【００４０】
以上の条件に基く理論計算を行った結果、傾斜面２４の傾斜角（軸方向と直交する平面に対する傾斜角）θが小さくなるほど、接触開始回転速度が低下し、θが０．６°を越えると、接触開始回転速度が過度に大きくなることが判明した。従って、傾斜面２４の傾斜角度θは０．６°以下、望ましくは０．３°以下に設定するのがよい。
【００４１】
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隙間をハウジング７の開口側端面と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。
【００４２】
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複数の円弧で構成された軸受（円弧軸受）、ステップ軸受の他、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。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明にかかる動圧軸受装置に使用される軸部材の断面図、およびその要部拡大図である。
【図２】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。
【図３】動圧軸受装置の断面図である。
【図４】スラストプレートの内底面の平面図である。
【符号の説明】
【００４４】
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
３      ディスクハブ
４      ステータコイル
５      ロータマグネット
７      ハウジング
７ｃ    底部（スラストプレート）
７ｃ１  上端面（対向する面）
８      軸受スリーブ
８ａ    内周面
８ｃ    端面
１０    シール部材
１０ａ  内周面
２１    内軸部
２２    外軸部
２４    傾斜面
Ｃ      スラスト軸受隙間
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
θ      傾斜角
【図１】
2005331033.tif 000003
【図２】
2005331033.tif 000004
【図３】
2005331033.tif 000005
【図４】
2005331033.tif 000006