(57)【要約】【課題】回転軸と軸受間の隙間量を適正範囲に規定することによって、使用環境温度の変動に伴う潤滑油の粘性摩擦の影響を大きく受けることなく動圧効果が十分に発揮されるとともに回転軸のスムーズな起動性を確保する。【解決手段】回転軸３０のフランジ３２と、フランジ３２に対向し、回転軸３０が回転しないときにはフランジ３２が部分的に当接する軸受２０の上端面２２との間に形成される最大の隙間４２を、２〜６μｍに設定する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円柱状の軸本体にフランジが設けられてなる回転軸と、
この回転軸の前記軸本体が回転自在に挿入され、その状態で前記フランジが対向する端面を有する円筒状の軸受とを備え、
前記フランジと前記軸受端面の互いの対向面のいずれか一方にスラスト動圧溝が形成され、
前記軸受の内周面と、該内周面に対向する前記軸本体の外周面のいずれか一方にラジアル動圧溝が形成され、
前記回転軸と前記軸受との間に形成される隙間に潤滑油が供給され、
前記回転軸が回転すると、前記スラスト動圧溝および前記ラジアル動圧溝に供給された潤滑油に動圧が発生して、回転軸が前記軸受によってスラスト方向およびラジアル方向に非接触状態で支持される動圧軸受ユニットにおいて、
前記フランジと前記軸受端面との間に形成される最大の隙間が、２〜６μｍであることを特徴とする動圧軸受ユニット。
【請求項２】
前記軸受が焼結金属製であることを特徴とする請求項１に記載の動圧軸受ユニット。
【請求項３】
前記スラスト動圧溝および前記ラジアル動圧溝が塑性加工によって形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の動圧軸受ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸受と回転軸間の隙間に供給した潤滑油が、回転軸の回転中に高圧となる動圧が発生して回転軸のラジアル方向とスラスト方向双方の荷重を非接触状態で支持するタイプの動圧軸受ユニットに関する。本発明の動圧軸受ユニットは、磁気ディスクや光ディスクの読み書きを行うディスク駆動装置の駆動源やレーザプリンタのポリゴンモータ等の、各種情報機器の駆動用モータとして用いられるスピンドルモータの軸受ユニットとして好適である。
【背景技術】
【０００２】
この種の情報機器用スピンドルモータにあっては、記録の高密度化やデータの転送速度の高速化を果たすために、高速かつ高精度の回転性能が求められており、これらの特性に優れるモータを作る上で、近年では回転軸を支持する軸受として非接触タイプの動圧軸受が広く採用されている。動圧軸受は、回転軸と軸受との間の微小な隙間に潤滑油を供給して油膜を形成し、その油膜を、回転軸が回転することにより高圧化させて回転軸を高剛性で支持する軸受であり、その動圧は、回転軸と軸受との互いの摺動面の一方に動圧発生用の溝（動圧溝）を形成して効果的に得るようにしている。
【０００３】
スピンドルモータの軸受は、主に回転軸の軸振れを防ぐ目的で、通常のラジアル方向の荷重支持に加えてスラスト方向の荷重を支持する構成となっている。スラスト荷重は、回転軸に一体に設けたフランジを軸受端面に摺接可能に対向させ、回転軸のスラスト荷重がフランジを介して軸受の端面で受けられるように構成される。上記動圧は、スラスト側およびラジアル側の双方で発生するようになされ、すなわち、互いに対向する回転軸のフランジと軸受端面のいずれか一方にスラスト動圧溝が形成され、軸受の内周面と、該内周面に対向する回転軸の外周面のいずれか一方にラジアル動圧溝が形成される。これら動圧溝は、回転軸の回転に伴って油膜が高圧になるように形状や深さが工夫され、例えば回転軸の回転方向に向かうにしたがって幅や深さが狭小となるクサビ形状などが一般的である。
【０００４】
ところで、油膜が形成される回転軸と軸受との間の隙間は、油圧が高圧になりやすく、かつ軸受剛性が向上するという観点からなるべく小さい方が望ましいとされ、換言すると、その隙間を管理あるいは制御することが軸受性能を左右する。例えば特許文献１によると、軸受端面の直角度および平面度を所定値以下に規定し、これによってラジアル側およびスラスト側の軸受隙間を適正化したとされている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１８８７５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
軸受隙間が増大すると、油膜圧力が低下して動圧が十分に大きくならず軸受剛性が低下する傾向を示し、スピンドルモータの継続動作に伴う高温化（例えば６０℃前後）が、潤滑油の粘度低下を促進させて軸受剛性の不足は顕著となる。そこで、上記文献に記載されるように軸受隙間を所定値以下として極力小さくする設計は有効とされるが、反面、軸受隙間が小さすぎると、潤滑油の粘性摩擦が増大することによって、モータが起動し難くなる、すなわち回転軸が静止状態から回転を始動し難くなるといった弊害が生じることになる。特に、回転軸の停止時に重力によってフランジが軸受端面に密着しようとするスラスト側ではこのような起動障害が起こりやすく、また、使用環境温度が例えば０℃以下と低い場合には、潤滑油の粘性摩擦の増大によって起動不能に陥ることも懸念される。また、ノートＰＣ（パーソナルコンピュータ）等のバッテリ電源を併用するタイプの携帯型機器のスピンドルモータは起動トルクが小さいため、起動性の点から軸受隙間の微小化にも限度があった。
【０００７】
よって本発明は、回転軸と軸受間の隙間量を適正範囲に規定することによって、使用環境温度の変動に伴う潤滑油の粘性摩擦の影響を大きく受けることなく動圧効果が十分に発揮されるとともに回転軸のスムーズな起動性を確保することができる動圧軸受ユニットを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、磁気記録ディスク装置等に用いられる動圧軸受ユニットの、特にスラスト荷重を支持する側の軸受隙間の形態および量について鋭意研究を重ねた。ここで言うスラスト側の軸受隙間は、回転軸が有するフランジおよびこのフランジに対向する軸受端面の間の微小な隙間であって、回転軸が回転しておらずフランジが軸受端面に部分的に当接した状態での互いの対向面間に生じる微小隙間である。その隙間は、それら対向面の一方あるいは双方の直角度（軸方向に対して直角であるべき面の傾斜の度合い、零で完全な直角）や平面度（うねりや面荒れ等で生じる平坦性の度合い、零で完全な平面）の“ずれ”で生じてくるものであり、直角度が零、かつ平面度も零である場合には隙間は存在しない。
【０００９】
さて、本発明者の研究によると、スラスト側の軸受隙間が最大で２〜６μｍの精度に構成された場合に、十分な動圧効果と起動性とを共に満足する動圧軸受ユニットが得られることを見出した。この場合の最大とは、回転軸が軸受に対して１回転する間に両者間に生じる最大の隙間であり、これ以上の隙間は両者が離れなければ生じないという意味である。
【００１０】
この数値範囲の根拠は、隙間が２μｍを下回ると、その隙間に存在する潤滑油によって生じる粘性摩擦が著しく増大し、回転軸を回転させるための起動トルクを大きくする必要が生じる。これはすなわち起動性が低下するということであり、特に使用環境温度が０℃以下では顕著であった。起動性が低いと、起動トルクの小さいノートＰＣ等の携帯型機器用スピンドルモータには不適当であり、また、寒冷な使用環境では動作不能のおそれがある。一方、スラスト側の軸受隙間が６μｍを超えると、油膜圧力が低くなりすぎて十分な動圧効果を得ることができず、フランジが軸受端面に接触したままとなって動圧軸受自体の機能が発揮されにくくなる。
【００１１】
本発明の動圧軸受ユニットは上記知見を基になされたものであって、円柱状の軸本体にフランジが設けられてなる回転軸と、この回転軸の軸本体が回転自在に挿入され、その状態でフランジが対向する端面を有する円筒状の軸受とを備え、フランジと軸受端面の互いの対向面のいずれか一方にスラスト動圧溝が形成され、軸受の内周面と、該内周面に対向する軸本体の外周面のいずれか一方にラジアル動圧溝が形成され、回転軸と軸受との間に形成される微小隙間に潤滑油が供給され、回転軸が回転すると、スラスト動圧溝およびラジアル動圧溝に供給された潤滑油に動圧が発生して、回転軸が軸受によってスラスト方向およびラジアル方向に非接触状態で支持される動圧軸受ユニットにおいて、フランジと軸受端面との間に形成される最大の隙間が、２〜６μｍであることを特徴としている。
【００１２】
本発明では、軸受の材質は、スラスト動圧溝やラジアル動圧溝を形成しやすいことから、原料の金属粉末を圧縮成形してできた成形体を焼結した焼結金属が好ましく用いられる。それらの動圧溝は、コイニング等の塑性加工によって容易に形成することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、回転軸のフランジと、回転軸を支持してフランジに対向する軸受端面との間であるスラスト側の軸受隙間を最適な条件に規定したことにより、高温あるいは低温の状況下においても十分な動圧効果と起動性とが共に発揮される動圧軸受ユニットを提供することができるといった効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
図１は、一実施形態に係る動圧軸受ユニット１の縦断面を示しており、図２は軸受の平面図、図３は軸受の横断面図である。この動圧軸受ユニット１は、磁気記録ディスク駆動装置のスピンドルモータに好適な軸受ユニットであり、符号２０で示す円筒状の軸受の外径がφ６ｍｍ程度の小型のもので、軸孔２１に挿入される直径φ３ｍｍ程度の回転軸２を回転自在に支持する。
【００１５】
図１に示す通り、動圧軸受ユニット１は、図中上方に開口する有底円筒状のハウジング１０と、ハウジング１０に収容された軸受２０と、軸受２０に回転自在に支持される回転軸３０とから構成される。ハウジング１０は、円筒状のハウジング本体１１と、ハウジング本体１１の下側の開口内周縁に、電子ビームあるいはレーザ等の溶接手段で固着されてその開口を気密に塞ぐ円盤状の底板１２とから構成されている。軸受２０は、ハウジング本体１１内に圧入するか、もしくは嵌め込んだ状態を溶接、接着等の手段によって、ハウジング１０内に固着されている。
【００１６】
回転軸３０は、軸本体３１に環状のフランジ３２が一体に固着されてなるもので、いずれも黄銅やステンレス等の溶製材から形成されたものである。フランジ３２は、軸方向の位置決めがなされるとともに面方向が軸本体３１の軸方向に対して直角になるように、すなわち直角度が零になるように、軸本体３１の外周面に形成された段部３１ａに係止されている。段部３１ａを境に軸本体３１は大径部３１ｂと小径部３１ｃに分けられ、大径部３１ｂが軸受２０の軸孔２１に図中上から挿入されており、フランジ３２が軸受２０の上端面２２に対向させられる。回転軸３０のラジアル荷重は軸受２０の内周面２３で支持され、回転軸３０のスラスト荷重は軸受２０の上端面２２で支持される。
【００１７】
軸受２０の内周面２３と軸本体３１の外周面との間、および軸受２０の上端面２２とフランジ３２の下面３２ａとの間は、それぞれラジアル側の軸受隙間４１、スラスト側の軸受隙間４２であり、これらの隙間４１，４２には潤滑油が供給される。ラジアル側の軸受隙間４１は１〜３μｍ程度に設定され、スラスト側の軸受隙間４２は後で詳述するように２〜６μｍに設定される。
【００１８】
ハウジング１０の開口端部には、環状の板材からなるカバー部材１３が固着されている。このカバー部材１３によって、上記潤滑油の飛散が抑えられる共に、スラスト動圧によって浮上する回転軸３０のフランジ３２がカバー部材１３に当接して回転軸３０の抜け止めがなされる。
【００１９】
図２に示すように、軸受２０の上端面２２には、回転軸３０の回転方向Ｒに向かうにしたがって内周側に湾曲しながら延びる複数のスパイラル溝２４が、周方向に等間隔をおいて形成されている（図２では上端面２２と区別するため斜線を描いてある）。これらスパイラル溝２４の外周側の端部は外周面に開口しているが、内周側の端部は内周面２３に開口しておらず閉塞している。スパイラル溝２４は１０本前後形成され（図２では１２本）、また、最大深さは１０μｍ前後とされる。
【００２０】
また、図３に示すように、軸受２０の軸孔２１の内周面２３には、断面が半円弧状で、両端面間にわたり軸方向に沿って真っ直ぐに延びる複数の分離溝２５が、周方向に等間隔をおいて形成されている。そして、内周面２３の各分離溝２５の間には、軸受２０の外径の軸心Ｐに対して偏心し、矢印Ｒで示す回転軸３０の回転方向に向かうにしたがって内周側に縮径していく断面形状の偏心溝２６が形成されている。この場合、図示例では分離溝２５および偏心溝２６はそれぞれ５つ形成されているが、これらは３〜６が好適な数とされる。
【００２１】
偏心溝２６の内面と回転軸３０の外周面との間の微小隙間は、回転軸３０の回転方向に向かうにしたがってしだいに狭小となる断面クサビ状となっている。分離溝２５の幅は、図３に示す動圧軸受２０の軸心Ｐを中心とした周方向への角度θで８〜２０°に相当する長さとされ、また、その最大深さは０．１０ｍｍ前後とされる。
【００２２】
本実施形態の軸受２０は、原料の金属粉末を圧縮成形した成形体を焼結した焼結軸受である。焼結軸受であることにより、スパイラル溝２４、分離溝２５および偏心溝２６は塑性加工によって容易に形成することができる。例えば、軸受２０の内周面２３を形成する場合には、分離溝２５および偏心溝２６を形成し得る雄型のピンを、焼結軸受の素材の軸孔に圧入することによって形成することができる。また、スパイラル溝２４は、このスパイラル溝２４を形成し得る複数の凸部が形成されたパンチを焼結軸受２０の素材の端面に刻印することによって形成することができる。焼結軸受は多孔質であるためスプリングバック量が少なく、塑性加工によってスパイラル溝２４、分離溝２５および偏心溝２６を高い寸法精度で形成することができる。
【００２３】
焼結軸受の原料粉末としては、例えば鉄：４０〜６０ｗｔ％、銅：４０〜６０ｗｔ％、錫：１〜５ｗｔ％の合金粉末のように、鉄粉と銅粉がほぼ同量であって、他に数ｗｔ％の錫粉を含有するものが好ましく用いられる。このような組成によれば、加工性の良好な銅を主成分とする焼結材の特性に加えて、鉄量を多く含有することにより強度が向上し、さらに、錫を含有することにより、回転軸３０に対するなじみ性と塑性加工性がより向上する。このため、上記のように塑性加工によってスパイラル溝２４、分離溝２５および偏心溝２６を形成することが容易となり、しかも、摩擦係数が低減して耐摩耗性が向上する。
【００２４】
軸受２０は、潤滑油が含浸されて含油軸受とされる。そして、軸孔２１に挿入された回転軸３０が、図２および図３に示す矢印Ｒ方向に回転すると、内周面２３の各分離溝２５にしみ出して貯留する潤滑油が、効率よく回転軸３０に巻き込まれて偏心溝２６と回転軸３０との間のクサビ状の微小隙間に侵入し、油膜を形成する。この微小隙間に入っていく潤滑油は、微小隙間の狭小側に流動することにより、クサビ効果が生じて高圧となり、高いラジアル動圧が発生する。このように油膜が高圧化する部分は、偏心溝２６に応じて周方向に等間隔をおいて発生し、これによって回転軸３０のラジアル荷重は、バランスよく、かつ高い剛性をもって支持される。
【００２５】
一方、潤滑油は、軸受２０の上端面２２に形成されたスパイラル溝２４内にもしみ出して貯留され、この潤滑油の一部は、回転軸３０の回転によってスパイラル溝２４内から出て、上端面２２とフランジ３２との間に油膜を形成する。また、スパイラル溝２４内に保持される潤滑油は、スパイラル溝２４内の外周側から内周側に向かって流動し、内周側の端部で最も高圧化するスラスト動圧が発生する。そして、そのスラスト動圧をフランジ３２が受けることにより、図４に示すように回転軸３０が僅かに浮上した状態となり、これによってスラスト荷重がバランスよく、かつ高い剛性をもって支持される。
【００２６】
回転軸３０の浮上量は、磁気記録ディスクを回転駆動する場合においては温度が６０℃前後で６μｍ以上が必要とされている。また、ラジアル側の軸受隙間４１は１〜３μｍ程度であると述べたが、この数値は回転軸３０の軸振れをμｍないしはサブμｍ以下に抑えるためである。特に磁気記録ディスクへの記録の高密度化を保証するためには、ＮＲＲＯ値（非繰り返し振動値）を０．０５μｍ以下に抑えることが不可欠であり、そのためには回転軸３０の浮上性や、ラジアル、スラスト双方における軸受剛性が肝要とされている。
【００２７】
さて、本実施形態の動圧軸受ユニット１においては、回転軸３０が回転していない場合には、スラスト動圧が発生しないことによって図１に示すようにフランジ３２が軸受２０の上端面２２に当たるまで回転軸３０が下降している。このとき、両者の互いの対向面（フランジ３２の下面３２ａと軸受２０の上端面２２との間にはスラスト側の軸受隙間４２が存在する。その軸受隙間４２は、対向面のいずれか一方あるいは双方の直角度（軸方向に対して直角であるべき面の傾斜の度合い、零で完全な直角）や平面度（うねりや面荒れ等で生じる平坦性の度合い、零で完全な平面）に起因して生じる。
【００２８】
図５はフランジ３２が軸本体３１の軸方向に対して傾斜していることにより直角度が零でない場合を示しており、フランジ３２の下面の外周縁が軸受２０の上端面２２に部分的に当接することにより隙間４２が形成される。また、図６、図７は軸受２０の上端面２２が軸受２０の軸方向に対して傾斜していることにより直角度が零でない場合を示しており、図６では上端面２２が一定方向に傾斜する斜面になっており、図７は上端面２２が外周に向かうにつれて下り斜面になっている。図６、図７の場合も、フランジ３２の下面３２ａが軸受２０の上端面２２に部分的に当接することにより隙間４２が形成される。ここでの隙間４２は、あくまでフランジ３２の下面３２ａと軸受２０の上端面２２との間に生じるものであり、スパイラル溝２４の底面からフランジ３２の下面３２ａまでの距離とは異なる。
【００２９】
上記スラスト側の軸受隙間４２は、回転軸３０が１回転する間においても一定である場合か、あるいは変動する場合があるが、本実施形態では、いずれにしろ回転軸３０が１回転する間に生じる隙間４２が最大で２〜６μｍの精度で構成されるように、設計ならびに加工が施されている。そのような隙間４２の量は、フランジ３２あるいは軸受２０の上端面２２の直角度を調整したり、互いの対向面の少なくともいずれか一方にうねりを形成したりすることにより設定することができる。直角度は切削等の機械加工によって１μｍ程度まで管理することができるとされている。また、特に塑性加工によって所望寸法および形状に成形が容易な焼結金属製の軸受２０の上端面２２を加工することは、製造上有利である。
【００３０】
このようにスラスト側の軸受隙間４２が２〜６μｍの範囲に設定されることにより、６０℃前後の高温あるいは０℃以下の低温の状況下においても十分な動圧効果と起動性とが共に発揮される。その根拠は、まず、スラスト側の隙間４２が２μｍを下回ると、その隙間４２に存在する潤滑油によって生じる粘性摩擦が著しく増大し、寒冷な使用環境では動作不能のおそれがあるからである。一方、スラスト側の隙間４２が６μｍを超えると、油膜圧力が低くなりすぎて十分な動圧効果を得ることができず、フランジ３２が軸受２０の上端面２２に部分的に接触したままとなって動圧軸受２０自体の機能が発揮されにくくなるからである。本実施形態のようにスラスト側の軸受隙間４２を２〜６μｍの範囲に設定することで、これらの不具合の発生が未然に防がれ、十分な動圧効果および起動性が両立した動圧軸受ユニットを得ることができるのである。
【００３１】
なお、軸受２０は焼結軸受であると述べたが、黄銅やステンレス等の溶製材によって形成されたものでもよく、その場合にはスパイラル溝２４はケミカルエッチングや放電加工といった手段で形成される。
【実施例】
【００３２】
次に、本発明の実施例を説明し、本発明の効果を明らかにする。
表１に示す組成の原料粉末を圧縮成形し、その成形体を焼結して真密度比６．３〜７．２％、外径φ６ｍｍ、内径φ３ｍｍ、軸方向長さ５ｍｍの円筒状の焼結軸受の素材を必要数得た。
【００３３】
【表１】
2007177807.tif 000003
【００３４】
続いて、これら焼結軸受の素材に、図２および図３と同様のスパイラル溝、分離溝および偏心溝を塑性加工によって形成して焼結軸受を作製し、これら焼結軸受を鋼製のハウジングに圧入し、さらに焼結軸受に潤滑油としてエステル油を含浸させた。次に、フランジの直角度を調整した複数の回転軸を、焼結軸受にそれぞれ挿入して、図１に示すものと同一構成であって、フランジと軸受の上端面との間に生じるスラスト側の軸受隙間が異なる複数の動圧軸受ユニットを得た。
【００３５】
これら動圧軸受ユニットにつき回転軸を４２００ｒｐｍで回転させ、そのときの回転軸の浮上量を測定した。図８はその測定結果をグラフで示しており、これによると、スラスト側の軸受隙間が６μｍを超えると急激に回転軸の浮上量が減少していることが判る。磁気記録ディスクを回転駆動する場合においては、回転軸の浮上量は温度が６０℃前後で６μｍ以上が必要とされていることから、この条件を確実に満足させるために軸受隙間は６μｍ以下が必要であることが判る。
【００３６】
次に、図９はスラスト側の軸受隙間と起動トルクとの関係を示すグラフであり、このグラフは、フランジの直角度をみかけの平均隙間としてスラスト側の軸受隙間で発生する粘性摩擦を試算し、直角度が３μｍのときに回転軸を回転させるための起動トルクを１とした場合の摩擦特性を示している。図９で明らかなように、軸受隙間と起動トルクは逆比例の関係にあり、隙間が１μｍ以下になると起動トルクは急激に増大する。このことから、軸受隙間は２μｍ以上確保されている必要があることが判る。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態に係る動圧軸受ユニットの縦断面図である。
【図２】図１に示した動圧軸受ユニットの構成要素である軸受の平面図である。
【図３】同軸受の横断面図である。
【図４】回転軸が浮上している状態の動圧軸受ユニットの縦断面図である。
【図５】スラスト側の軸受隙間が回転軸のフランジの傾斜で生じる場合を示す縦断面図である。
【図６】スラスト側の軸受隙間が軸受の上端面の傾斜で生じる場合を示す縦断面図である。
【図７】スラスト側の軸受隙間が軸受の上端面の他の形態の傾斜で生じる場合を示す縦断面図である。
【図８】実施例で測定した回転軸の浮上量と軸受隙間との関係を示す線図である。
【図９】実施例で測定した回転軸の起動トルクと軸受隙間との関係を示す線図である。
【符号の説明】
【００３８】
１…動圧軸受ユニット、２０…軸受、２２…軸受の上端面（軸受端面、対向面）、２４…スパイラル溝（スラスト動圧溝）、２６…偏心溝（ラジアル動圧溝）、３０…回転軸、３１…軸本体、３２…フランジ、３２ａ…フランジの下面（対向面）、４２…スラスト側の軸受隙間。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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