(57)【要約】【課題】任意の衝撃に対して内部に充填された潤滑剤が外部へ流出することを防止する流体軸受装置を提供する。【解決手段】軸とこの軸に相対的に回転自在に設けられた軸受穴を有するスリーブを有し、この軸の外周面および軸受穴の内周面の間に少なくとも２組の動圧発生溝が形成され、これらの動圧発生溝が潤滑剤で満たされる。そして、上記軸の直径に対する動圧発生溝に隣接する開放端側スリーブ内径は、大気圧のシール効果が十分得られる気液境界面の維持限界を超えないように設定される。上記直径および内径の設定は、実験結果に基づいて潤滑剤の表面張力とその気液境界面の表面積とから算出可能であり、任意の衝撃時において開放端側からの潤滑剤の流出を防止することができる流体軸受装置の構造を設定することが可能である。【選択図】        図１
2005009600.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸受穴が形成されたスリーブと、
前記スリーブと相対的に回転可能に前記軸受穴に貫装される軸と、
前記スリーブの軸受穴の一端を密封して当該スリーブに固設されるスラスト板とを備え、
前記軸受穴の内周面および前記軸の外周面の少なくとも一方に、潤滑剤で満たされる少なくとも２組の第１の動圧溝と、
前記第１の動圧溝と開放された前記スリーブの軸受穴の他端との間の当該軸受穴の内周面にオイル溜まり部と、
前記スラスト板および前記軸の当該スラスト板と対向する端部の少なくとも一方に、潤滑剤で満たされる第２の動圧溝とが形成され、
前記オイル溜まり部の内径と前記軸の外径とは、前記オイル溜まり部に保持される前記潤滑剤の気液境界面が有する表面張力に基づいて設定されることを特徴とする、流体軸受装置。
【請求項２】
前記潤滑剤の表面張力をγ、前記気液境界面と前記軸との接触角をθ１、前記気液境界面と前記オイル溜まり部内面との接触角をθ２、前記軸の直径をｄ、前記オイル溜まり部の内径をＤ、保証する衝撃をＧ、前記潤滑剤の密度をρ、前記気液境界面から前記スラスト板までの長さをｌとしたとき、
（Ｇ×ρ×ｌ）÷ｆ（Ｇ）＝π・γ・（ｄ・ｃｏｓθ１＋Ｄ・ｃｏｓθ２）
ここで、
ｆ（Ｇ）＝０．９５６９×Ｌｎ（Ｇ）−３．９７３７
の関係式に基づいて、前記オイル溜まり部の内径と前記軸の外径とが設定されることを特徴とする、請求項１に記載の流体軸受装置。
【請求項３】
前記軸は、前記オイル溜まり部と対向する外周面に、前記軸受穴の他端側に向かって漸減的にその直径が細くなるテーパ部が形成されることを特徴とする、請求項１に記載の流体軸受装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の流体軸受装置が組み込まれたスピンドルモータを備える、ディスク記録装置。
【請求項５】
前記軸の外径が３ｍｍであり、前記オイル溜まり部の内径と当該軸の外径との差が６０μｍ以下である請求項２に記載の流体軸受装置を備えた、２．５型ハードディスク装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体軸受装置に関し、さらに、磁気ディスクを回転させながら信号の記録再生を行うディスク記録装置や、高速回転するビデオテープレコーダ用回転ヘッド装置等に用いられる動圧型の流体軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ディスク等を用いた記録装置はそのメモリ容量が増大し、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は高速、高精度回転が必要となり、その回転主軸部に流体軸受装置が用いられている。
【０００３】
以下、図３を参照しながら、上述した従来の流体軸受装置の一例について説明する。図３において、ベース部材２１にはスリーブ２２がそのスラスト板側において固定され、このスリーブ２２に軸２３が回転自在に填め合わされている。軸２３の一方端面にはフランジ２４が固定され、フランジ２４に対向してスラスト板２５がスリーブ２２に固定されている。軸２３の外周面およびスリーブ２２の内周面のいずれか一方には、２組の魚骨状の動圧溝２２Ａおよび２２Ｂが設けられる。スリーブ２２、フランジ２４、およびスラスト板２５の少なくともいずれかには、螺旋状または魚骨状の動圧溝２４Ａおよび２５Ａが設けられる。そして、それぞれの動圧溝２２Ａ、２２Ｂ、２４Ａ、および２５Ａと、潤滑剤または空気の溜まり部である２２Ｃ、２２Ｄ、２２Ｅおよび２２Ｆとには、潤滑剤２６が真空注油されて充満している。オイル溜まり部２２Ｄは、動圧溝２２Ａの開放端側に隣接し、外気と気液境界面２６Ａで接している（例えば、特許文献１参照）。そして、軸２３の他方端部には、ハブ２７が一体的に構成され、ハブ２７にロータ磁石２８が、またベース部材２１にはモータステータ２９が取り付けられている。
【０００４】
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３を用いてその動作について説明する。図３において、モータステータ２９に通電がされ、回転磁界が発生すると、ロータ磁石２８は、ハブ２７、軸２３、およびフランジ２４と共に回転体３０として一体的に回転を始める。このとき、魚骨状の動圧溝２２Ａおよび２２Ｂが潤滑剤２６を掻き集めポンピング作用により圧力を発生せしめ、同じく動圧溝２４Ａおよび２５Ａもそれぞれ潤滑剤２６を掻き集め、これらの発生圧力により回転体３０は、完全非接触状態となり回転する。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２９３７８３３号公報（第１−９頁。第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の流体軸受装置は、以下の問題点がある。長寿命および高精度を要求されるディスク記録装置等においては、安定した軸受性能と長寿命を実現する一手段として真空注油を行い、軸受内部を全て油で満たすようになっている。その結果、図３に示すように、当該流体軸受装置が振動や衝撃を受けたときに、オイル溜まり部２２Ｄと軸２３との半径隙間が大きいためにオイル溜まり部２２Ｄに溜まった潤滑剤２６の気液境界面２６Ａが破裂し、オイル溜まり部２２Ｄが潤滑剤２６を保持できなくなり、潤滑剤２６が溢れ出てスリーブ２２の周辺（つまり、流体軸受の外）に飛散し、他の構成部を汚すことがあった。
【０００７】
それ故に、本発明の目的は、任意の衝撃に対して内部に充填された潤滑剤が外部へ流出することを防止する流体軸受装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、以下に述べるような特徴を有している。
本発明の流体軸受装置は、スリーブ、軸、およびスラスト板を備えている。スリーブは、軸受穴が形成される。軸は、スリーブと相対的に回転可能に軸受穴に貫装される。スラスト板は、スリーブの軸受穴の一端を密封してそのスリーブに固設される。そして、第１および第２の動圧溝と、オイル溜まり部とが形成される。第１の動圧溝は、軸受穴の内周面および軸の外周面の少なくとも一方に、潤滑剤で満たされて少なくとも２組形成される。オイル溜まり部は、第１の動圧溝と開放されたスリーブの軸受穴の他端との間のその軸受穴の内周面に形成される。第２の動圧溝は、スラスト板および軸の当該スラスト板と対向する端部の少なくとも一方に、潤滑剤で満たされて形成される。この場合、オイル溜まり部の内径と軸の外径とは、オイル溜まり部に保持される潤滑剤の気液境界面が有する表面張力に基づいて設定される。
【０００９】
上記本発明の流体軸受装置では、軸の直径に対する動圧溝に隣接する開放端側スリーブ内径（オイル溜まり部内径）は、例えば、潤滑剤の気液境界面が有する表面張力に基づいて、大気圧のシール効果が十分得られる気液境界面の維持限界を超えないように設定される。上記直径および内径の設定は、実験結果（図２）に基づいて潤滑剤の表面張力とその気液境界面の表面積とから算出可能であり、任意の衝撃時において開放端側からの潤滑剤の流出を防止することができる流体軸受装置の構造を設定することが可能である。
【００１０】
上記直径および内径の設定のための関係式は、例えば、潤滑剤の表面張力をγ、気液境界面と軸との接触角をθ１、気液境界面とオイル溜まり部内面との接触角をθ２、軸の直径をｄ、オイル溜まり部の内径をＤ、保証する衝撃をＧ、潤滑剤の密度をρ、気液境界面からスラスト板までの長さをｌとしたとき、
（Ｇ×ρ×ｌ）÷ｆ（Ｇ）＝π・γ・（ｄ・ｃｏｓθ１＋Ｄ・ｃｏｓθ２）
ここで、
ｆ（Ｇ）＝０．９５６９×Ｌｎ（Ｇ）−３．９７３７
である。この関係式を用いて、オイル溜まり部の内径と軸の外径とを設定することができる。これにより、振動および衝撃時に潤滑剤の飛散および流出を防止できる流体軸受装置を得ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図１を参照して、本発明の一実施形態における流体軸受装置について説明する。当該流体軸受装置は、例えば、ディスク記録装置が有するスピンドルモータに組み込まれたり、２．５型ハードディスク装置等に組み込まれて用いることが可能である。なお、図１は、当該流体軸受装置の断面図を示している。
【００１２】
図１において、ベース部材１には軸受穴が形成されたスリーブ２がそのスラスト板側（紙面下側）において固設され、このスリーブ２の軸受穴に軸３が回転自在に貫装されている。スリーブ２の軸受穴の内周面（以下、スリーブ２の内周面と記載する）には、２組の魚骨状の動圧溝２Ａおよび２Ｂ（上記スラスト板側に動圧溝２Ｂ）が形成される。動圧溝２Ａおよび２Ｂの間のスリーブ２の内周面には、潤滑剤または空気の溜まり部（以下、オイル溜まり部と記載する）２Ｃが形成される。そして、動圧溝２Ａの開放端側（紙面上側）に隣接したスリーブ２の内周面には、オイル溜まり部２Ｄが形成されている。なお、動圧溝２Ａおよび２Ｂは、軸３の外周面に形成してもかまわない。このような構造によって、当該流体軸受装置のラジアル軸受が構成される。
【００１３】
軸３の一方端面にはフランジ４が固定される。そして、軸３のフランジ４に対向し、かつスリーブ２の軸受穴を密封するようにスラスト板５がスリーブ２に固定されている。フランジ４およびスラスト板５の少なくとも一方には、螺旋状または魚骨状の動圧溝４Ａおよび５Ａが形成される。軸３およびフランジ４と、スリーブ２およびスラスト板５との間には、オイル溜まり部２Ｅおよび２Ｆが形成される。このような構造によって、当該流体軸受装置のスラスト軸受が構成される。
【００１４】
上記動圧溝２Ａ、２Ｂ、４Ａ、および５Ａと、オイル溜まり部２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ、および２Ｆとには、潤滑剤６が真空注油されて充満している。そして、オイル溜まり部２Ｄに溜まった潤滑剤６は、外気と気液境界面６Ａで接している。また、軸３の他方端部には、ハブ７が一体的に構成され、ハブ７にロータ磁石８が、またベース部材１にはモータステータ９が取り付けられている。
【００１５】
以上のように構成された流体軸受装置について、図１を用いてその動作について説明する。図１において、モータステータ９に通電がされ、回転磁界が発生すると、ロータ磁石２は、ハブ７、軸３、およびフランジ４と共に回転体１０として一体的に回転を始める。このとき、魚骨状の動圧溝２Ａおよび２Ｂが潤滑剤６を掻き集めポンピング作用により圧力を発生せしめ、同じく動圧溝４Ａおよび５Ａもそれぞれ潤滑剤６を掻き集め、これらの発生圧力により回転体１０は、完全非接触状態となり回転する。
【００１６】
以上のように構成された流体軸受装置における、軸３の直径ｄとオイル溜まり部２Ｄの内径Ｄとについて説明する。潤滑剤６の表面張力γ、潤滑剤６の気液境界面６Ａと軸３との接触角θ１、潤滑剤６の気液境界面６Ａとスリーブ２のオイル溜まり部２Ｄ内面との接触角θ２、軸３の直径ｄ、オイル溜まり部２Ｄの内径Ｄ、流体軸受装置が保証する衝撃Ｇ、潤滑剤６の密度ρ、軸受穴長さ（気液境界面６Ａ〜スラスト板５の長さ）ｌとしたとき、以下の関係式が導かれる。
（Ｇ×ρ×ｌ）÷ｆ（Ｇ）＜π・γ・（ｄ・ｃｏｓθ１＋Ｄ・ｃｏｓθ２）
ここで、
ｆ（Ｇ）＝０．９５６９×Ｌｎ（Ｇ）−３．９７３７
である。この関係式は、大気圧のシール効果が十分得られる気液境界面の維持限界を、潤滑剤の負荷および気液境界面の表面張力の比と加えた衝撃力との実験結果（図２参照）に基づいて導き出したものである。
【００１７】
例えば、上記関係式において、
γ＝０．０２８８Ｎ／ｍ、
θ１＝θ２＝０．２２６８ｒａｄ、
ｄ＝０．００２９８７６ｍ
Ｇ＝１０００Ｇ、
ρ＝９２０ｋｇ／ｍ３、
ｌ＝０．００５ｍ、
とすると、オイル溜まり部２Ｄの内径Ｄ＜０．００３０５ｍであれば、上記関係式を満足し、上記流体軸受装置に１０００Ｇの衝撃が加わっても、オイル溜まり部２Ｄから潤滑剤６が流出しない。つまり、軸３の直径ｄとオイル溜まり部２Ｄの内径Ｄとの差Ｄ−ｄ＝６２．４μｍであり、両者の差が６０μｍ以内であれば、オイル溜まり部２Ｄから潤滑剤６が流出しないことがわかる。このように、上記液体軸受装置は、任意の衝撃時において開放端側からの潤滑剤の流出を防止することができ、高い信頼性を有している。
【００１８】
なお、オイル溜まり部２Ｄの内面に対向する軸３の外周面に、テーパ部を形成してもかまわない。例えば、上記外周面にスリーブ２から離れる方向（図１紙面上方向）に対して軸径が漸減的に細くなるようなテーパ部を形成しても、同様に本発明を実現することができる。
【００１９】
【発明の効果】
以上のように本発明の流体軸受装置は、軸とこの軸に相対的に回転自在に設けられた軸受穴を有するスリーブを有し、この軸の外周面および軸受穴の内周面の間に少なくとも２組の動圧発生溝が形成され、これらの動圧発生溝が潤滑剤で満たされる。そして、上記軸の直径に対する動圧発生溝に隣接する開放端側スリーブ内径は、大気圧のシール効果が十分得られる気液境界面の維持限界を超えないように設定される。上記直径および内径の設定は、実験結果に基づいて潤滑剤の表面張力とその気液境界面の表面積とから算出可能であり、任意の衝撃時において開放端側からの潤滑剤の流出を防止することができる流体軸受装置の構造を設定することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る流体軸受装置の断面図である。
【図２】図１の軸３の直径ｄとオイル溜まり部２Ｄの内径Ｄとの関係式を導くための実験結果を示すグラフである。
【図３】従来の流体軸受装置の断面図である。
【符号の説明】
１…ベース部材
２…スリーブ
２Ａ、２Ｂ、４Ａ、５Ａ…動圧溝
２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ、２Ｆ…オイル溜まり部
３…軸
４…フランジ
５…スラスト板
６…潤滑剤
７…ハブ
８…ロータ磁石
９…モータステータ
１０…回転体
【図１】
2005009600.tif 000003
【図２】
2005009600.tif 000004
【図３】
2005009600.tif 000005