(57)【要約】【課題】流体動圧軸受装置における動圧を発生させる軸受構造を改良して、加工精度の不足が原因でポンピング効果及びポンピング方向の流れに与える悪影響を減少させることである。【解決手段】本発明は、流体動圧軸受装置に属しつつ運動方向に沿って互いに相対的に運動できる2個の軸受構成部材の軸受面の少なくとも一方に設けられた流体軸受構造に関する。その軸受構造は、互いに対になっている2つの溝型の区分を有し、各区分が運動方向に対して鋭角を成しつつ推移して軸受構成部材の相対的な動きにおいては、該動圧軸受装置に介在する軸受流体に対して設定されたポンプ作用を発生させる。本発明では、第1の区分が運動方向に対して角度αで、第2の区分が運動方向に対して角度βで配列され、上記2つの角度は異なっている。【選択図】図１
2009068710.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体動圧軸受装置(10; 126)の運動方向(58; 130)に沿って互いに相対的に運動できる少なくとも2個の軸受構成部材(12, 16, 18, 20; 114, 116)の軸受面の少なくとも一方に設けられ、互いに組になっている2つの溝型の区分(62, 64; 72, 74; 128a, 128b)を含み、且つ、各の該区分(62, 64; 72, 74; 128a, 128b)が運動方向(58; 130)に対して鋭角を成しつつ進行して前記軸受構成部材の相対的な運動に対して前記流体動圧軸受装置に介在する軸受流体に対して所定のポンプ作用をもたらす流体動圧軸受構造(60; 70; 128)であって、
前記第1の区分(62; 72; 128b)が、運動方向に対して角度αで、前記第2の区分(64; 74; 128a)が、運動方向に対して角度βで配列され、且つ、α≠βであることを特徴とする流体動圧軸受構造。
【請求項２】
前記第1の区分と前記第2の区分が、頂点線(66; 76)に対して非対称に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の流体動圧軸受構造。
【請求項３】
前記角度βに対する前記角度αの角度比α/βが、3/4以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の流体動圧軸受構造。
【請求項４】
前記第1の区分(62; 72)と前記第2の区分(64; 74)が、１つの点で互いに結ばれ、且つ、互いに干渉し合うことを特徴とする請求項1から3の何れか一項に記載の流体動圧軸受構造。
【請求項５】
前記第1の区分(128b)と前記第2の区分(128a)が、僅かな間隔を置いて近接していることを特徴とする請求項1から3の何れか一項に記載の流体動圧軸受構造。
【請求項６】
前記第1の区分(62; 128b)における前記角度αと前記第2の区分(64; 128a)における前記角度βとの和が、20°から160°の範囲内にあることを特徴とする請求項1から5の何れか一項に記載の流体動圧軸受構造。
【請求項７】
前記第1の区分(62)と前記第2の区分(64)の少なくとも一方が、直線状に形成されていることを特徴とする請求項1から6の何れか一項に記載の流体動圧軸受構造。
【請求項８】
前記第1の区分(128b)と前記第2の区分(128a)の少なくとも一方が、曲線状に形成されていることを特徴とする請求項1から6の何れか一項に記載の流体動圧軸受構造。
【請求項９】
前記第1の区分(128b)と前記第2の区分(128a) の各曲率が、異なっていることを特徴とする請求項8に記載の流体動圧軸受構造。
【請求項１０】
前記第1の区分(62; 128b)と前記第2の区分(64; 128a)の各長さが、異なっていることを特徴とする請求項1から9の何れか一項に記載の流体動圧軸受構造。
【請求項１１】
前記第1の区分(62; 128b)と前記第2の区分(64; 128a)のポンプ作用の方向が、異なっていることを特徴とする請求項1から10の何れか一項に記載の流体動圧軸受構造。
【請求項１２】
前記第1の区分(62; 128b)と前記第2の区分(64; 128a)の溝深さが、異なっていることを特徴とする請求項1から11の何れか一項に記載の流体動圧軸受構造。
【請求項１３】
前記第1の区分(62; 128b)と前記第2の区分(64; 128a)の溝幅が、異なっていることを特徴とする請求項1から12の何れか一項に記載の流体動圧軸受構造。
【請求項１４】
前記第1の区分(62; 72; 128b)と前記第2の区分(64; 74; 128a)が、運動方向(58; 130)に沿って周期的に配列され、前記溝幅の周期長さに対する比が異なっていることを特徴とする請求項1から13の何れか一項に記載の流体動圧軸受構造。
【請求項１５】
運動方向に沿って互いに相対的に動かすことができ、互いに対向する軸受面の間で軸受流体が介在する軸受隙間(22)を形成する少なくとも2つの軸受構成部材(16, 18, 20; 114, 116)を備える流体動圧軸受装置(10; 126)であって、
前記軸受面の少なくとも一方に、請求項1から13の何れか一項に記載の流体動圧軸受構造(60; 128)が形成されていることを特徴とする流体動圧軸受装置。
【請求項１６】
請求項15に記載の流体動圧軸受装置と、一方の軸受構成部材(116, 118)を他方の軸受構成部材(114)と相対的に回転駆動させる電磁駆動装置(112, 120)と、を備えていることを特徴とするスピンドルモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体動圧軸受構造（動圧発生溝）に関し、特に、1個又は複数個のスラスト軸受及び/又はラジアル軸受を含む流体動圧軸受装置の軸受構造に関する。そのような流体動圧軸受装置は、例えば、ファンモータ又はハードディスクドライブを駆動するスピンドルモータを回転支承する目的で起用される。
【背景技術】
【０００２】
通常、流体動圧軸受装置は、互いに相対的に回転し、対向する軸受面との間で軸受流体（例えば、空気又は軸受オイル）が充填された軸受隙間を形成する2個の軸受部材を含む。公知の通り、軸受面に配分されつつ軸受流体に作用する軸受構造が設けられている。流体動圧軸受装置では、軸受構造は、面を一部凹ませる又は面を一部突出させる加工によって、通常は、軸受面の一方又は両方に設けられる。互いに相まって軸受を成す部材における対向する軸受面に配設されたこれらの軸受構造は、軸受部材の相対的回転に伴って軸受流体にポンプ作用を発生させつつ軸受隙間の中で動圧を発生させる。ラジアル軸受では、例えば、正弦状、放物線状又は魚骨状であって、軸受部材の回転軸と垂直に、少なくとも一方の軸受部材の周囲にわたって配された軸受構造が用いられる。スラスト軸受では、魚骨状若しくはスパイラル状の軸受構造が知られている。
【０００３】
現実には、スラスト軸受若しくはラジアル軸受においては定義されたポンピング方向並びにポンピング強さが発揮されることが望まれる。そのようなポンプ作用に係る性質は、図2(a)に示すように、2つ若しくはそれ以上の複数の区分52, 54に分割された非対称の軸受構造50によって得ることができる。2つの区分52, 54は頂点線56に関連付けられつつ対称の位置に角度を形成するようにして配列され、頂点線に対して鋭角を成す。各区分52, 54が、軸受部材が互いに相対的な動きをする運動方向58に対して角度αを有している。軸受構造50は、軸受面上の幅Dに跨り、2つの区分52, 54は、図示された例では、長さが互いに異なるよう形成されている。ここで、区分52は幅D全体のうち、幅d1*を取り、区分54は幅D全体のうち、幅d2*を取る。各区分52, 54が設定されたポンピングの方向並びに強さを生じる。軸受構造50における長い方の区分52は、短い方の区分54より強力なポンプ作用を発生させる。因みに、2つの区分52, 54によるポンプ作用の方向が異なっている。
【０００４】
図6は、図1に示す流体動圧軸受装置に属する中心の第2の軸受板18を上から見た図であって、Dで表わされている軸受面には、従来の技術による軸方向の軸受構造50が設けられている。ここで、頂点線56が軸受面の外側端に非常に近く配され、軸受構造50の短い方の区分が長い方の区分と比べて非常に短く、その作用の度合いが加工精度に大きく左右されることが見出される。
【０００５】
ラジアル流体動圧軸受において、最適とされる軸受構造の形状は一般的に知られている。例えば、軸受構造に見られる角度αは、最適には20°と30°の間である。また、最適とされる溝深さは、軸受隙間幅の約1.5倍である。正弦状に構成された溝では、運動方向と短い方の溝の端部の接線との間で形成される角度で規定される。長い方の溝については、運動方向と、短い方の溝の端部における水平線と溝の縁との交点における接線との間で形成される角度で規定される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
最適化されたこれらの軸受構造は、最適な剛性/摩擦トルク並びに大きな圧力を発生する。利用できる軸受面、特に、軸受面の幅Dがとても小さい（例えば、1ｍｍより小さい）場合、軸受構造を所望のポンピング方向及び圧力が得られるように形成するのは製造技術上とても困難である。多くの場合、軸受構造50に属する短い方の区分54のために確保できる幅d2*は小さ過ぎて、製造時に要求される公差を確実に守ることが困難である。
【０００７】
本発明に係る課題は、流体動圧軸受装置における動圧を発生させる軸受構造を改良して、加工精度の不足が原因でポンピング効果及びポンピング方向の流れに与える悪影響を減少させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題は、本発明の請求項1に記載された流体動圧軸受構造によって解決される。また、本発明の軸受構造を備える流体動圧軸受装置は、請求項15に記載されている。
【０００９】
好適な実施態様並びに本発明の更なる好適な特徴は従属請求項に記載されている。
【００１０】
流体力学的軸受構造は、流体動圧軸受装置に属し、ある運動方向に沿って互いに相対的に動くことができる2個の軸受構成部材が有する軸受面の少なくとも一方に配設されている。その軸受構造は、対になっている2つの溝状の区分を含み、各区分が運動方向に対して鋭角な角度が形成されるように延びている。軸受構成部材の相対運動に伴って、軸受に介在する軸受流体に所定のポンプ作用が発生される。本発明では、軸受構造は、その軸受構造に属する第1の区分が運動方向に対して角度αで、第2の区分が運動方向に対して角度βで配列されることによって特徴付けられている。因みに、角度αと角度βは互いに異なる。これまでは、双方の区分を運動方向に対して同一の角度で配列することが知られていた。このように、各区分の角度を異なるように配列することで、各区分におけるポンプ作用を、その区分の角度や長さを変えることで設定することができ、しかも、加工精度の不足が原因でポンピング効果及びポンピング方向の流れに与える悪影響を減少させるように各区分の角度や長さを最適化できる。
【００１１】
本発明による軸受構造は、角度αや角度βに関して非対称に形成されているだけではなく、各区分の長さや下記で説明するその他のパラメータに関しても非対称に形成されている。
【００１２】
特に、長さや角度が互いに異なることで各区分におけるポンプ作用は、最適に算出された値と比較して悪くなるが、逆に、許容公差範囲が拡大して、加工精度に起因する影響を少なくすることができる。
【００１３】
角度比α/βは、3/4に等しいかこれより小さい。実際に、角度比α/βとして好適な値は、例えば、1/3であることが明らかになった。
【００１４】
本発明の1の観点によれば、線状である軸受構造の2つの区分は1つの点で互いに結ばれており、且つ、互いに干渉し合っている。因みに、上述した区分を互いに結ばずに、僅かな間隔を置いて近接させるようにしても良く、その場合、各区分は運動方向に対して互いに相対的にずらして配列するようにしても良い。
【００１５】
先に述べた2つの区分において、第１の区分の角度αと第２の区分の角度βとの和（α＋β）の角度は、好ましくは0°から180°、好適には20°から160°の角度である。
【００１６】
線状である軸受構造の区分の形状は多様であって良い。その区分の少なくとも一方若しくは両方は、例えば、直線として形成されても良い。これに代えて、上記区分の少なくとも一方が曲線を成す形態も考えられる。それらの区分の両方が曲線を成す場合、各曲線の曲率は異なっていても良い。それらの曲線は、例えば、正弦状、指数線状、放物線状又は双曲線状に推移しても良い。既に説明したように、それら2つの区分の運動方向から見た角度α及びβを互いに異なる角度とするだけではなく、各区分の長さも互いに異なる長さとしても良い。2つの区分の長さ及び角度を互いに異なるものとして、且つ、各形状を運動方向から見て異なるものとすることで、上記区分は2つの異なる方向にポンプ作用を発生する。更に、溝深さや溝幅を変化させるようにしても良く、これによってポンプ作用の強さに影響を与えることができる。
【００１７】
更に、本発明は、運動方向に沿って互いに相対的に運動でき、且つ、互いに対向する軸受面の間に軸受流体が介在する軸受隙間を形成する少なくとも2つの軸受構成部材を具備する流体動圧軸受装置に関する。ここで、上述した軸受面の少なくとも一方には、本発明の軸受構造が配列されている。
【００１８】
そのような流体動圧軸受装置は、スピンドルモータを回転支承する目的で起用されても良く、その場合、その軸受装置に属する軸受構成部材は駆動装置によって直接的又は間接的に回転駆動されても良い。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の流体動圧軸受構造及び流体動圧軸受装置によれば、流体動圧軸受装置における動圧を発生させる軸受構造を改良して、加工精度の不足が原因でポンピング効果及びポンピング方向の流れに与える悪影響を減少させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、本発明の好適な実施態様を図面に基づいて詳しく説明する。
【００２１】
図1は、本発明に係る簡単な構造によって特徴付けられた流体動圧軸受装置の断面図である。
流体動圧軸受装置10は、外側面を成す第1の軸受リング12と、中心孔の方向における内側面を成す第2の軸受リング14を備える。実質的には円筒状に形成された第1の軸受リング12は、その内周に配設された環状の第1の軸受板16に結合されている。第1の軸受リング12には、第1の軸受板16と軸方向に間隔を置いて、第1の軸受リング12の内周に固定された環状の第3の軸受板20が配設されている。第1の軸受リング12の内周面並びに2つの軸受板16，20の間には環状のフリースペースが形成されている。実質的には円筒状である第2の軸受リング14は、その外周面が環状の第2の軸受板18に結合されている。第2の軸受板18は上述した環状のフリースペースに収容されつつ第2の軸受リング14とともに、回転軸28の周りを第1の軸受リング12及び2つの軸受板16，20と相対的に回転できる。軸受流体が充填された軸受隙間22が、互いに回転できる部材の間、それも互いに対向する第1の軸受板16と第2の軸受板18の表面の間と、互いに対向する第1の軸受リング12と第2の軸受板18の表面の間と、互いに対向する第3の軸受板20と第2の軸受板18の表面の間に延びている。軸受隙間22の両側開口端部には、互いに対向する第2の軸受リング14の表面と第1、第3の軸受板16，20の表面の間に半径方向に配設されたシール部24，26が接続される。このシール部24，26は、テーパ状の毛細管シールとして形成されている。
【００２２】
上記軸受装置10は、1つの軸受面、好適には第2の軸受板18の軸受面に配列された軸受構造によって特徴付けられた2つのスラスト軸受30，32及び1つのラジアル軸受34を有している。スラスト軸受30，32の軸受構造は非対称に形成され、各軸受内部、すなわち、ラジアル軸受34の方向に向けた流体の流れ36，38を発生させる。
【００２３】
図2(b)は、本発明による軸受構造を、図2(a)に示す公知の軸受構造と対比して示したものである。本発明による軸受構造60は、従来の軸受構造と同様に、互いに結合されつつ干渉し合う少なくとも2つの区分62，64を備えている。図2(a)に示す軸受構造50と異なる点は、本発明による軸受構造60の形状が、公知の形状から変化している点である。例えば、図2(a)〜(c)に示されたような魚骨状の形状が与えられつつも確保できるスペース或いは確保される軸受面の幅Dが大きく制限されている場合、図2(a)では、軸受構造50の1つの区分が、加工のバラツキが原因で大きく或いは小さくなり過ぎて、それに応じてその区分が発揮する効果も強く或いは弱くなり過ぎることが考えられる。軸受構造60における長い方の区分62を従来の構造と比較して短く形成することで、軸受構造60における長い方の区分62のポンプ作用を弱めた場合、軸受面の全幅Dが一定であると、短い方の区分64をより長く、すなわち、加工精度に左右されずに形成できる。ところが、短い方の区分64のポンプ作用を区分54と比較して同一に保つ目的で、本発明では、この区分が運動方向に対して有する角度βを拡大するようになっている。これによって、短い方の区分64のポンプ作用が小さくなる。これとあわせて、本発明では、一方の区分62が運動方向と相対的に角度αを有し、第2の区分64が角度βを有するようになっている。その場合、角度αは明らかに角度βより小さく、例えば、α/βは3/4に等しいかそれより小さい（α/β＜＝3/4）。長い方の区分62の幅d1が、小さい方の区分64の幅d2と比べて従来より小さいので、頂点線66、すなわち、軸受構造60を構成する2つの区分が出会う線も変位する。これ以外に、各区分におけるポンプ作用を変化させる方法として、溝深さ、溝形状及び溝幅を変化させる方法がある。尚、軸受面に沿って設けられる軸受構造の数を減らすことも１つの方法であることは言うまでもない。
【００２４】
例えば、角度αは20°と30°の間であって、角度βは60°と80°の間である。軸受構造の全幅Dは、およそ0.5mmから1.0mmであって、軸受構造60における短い方の区分64の幅d2は、D=0.5mmでは0.1mmから0.2mmであって、D=1.0mmでは0.2mmから0.4mmの間である。
【００２５】
図2(c)は、本発明に係る別の軸受構造70を示す。その軸受構造が図2(b)に示された軸受構造と異なる点は、2つの区分72，74が正弦状に湾曲している点である。尚、区分72，74は共に頂点線76から延びている。上記区分においては、曲率並びに長さが各異なり、且つ、短い方の区分74の端部高さにおいて、角度が各異なる角度α、βを有している。
【００２６】
図3は、本発明に係る軸方向の軸受構造60が配設された、第2の軸受板18の軸受面を示す。ここで、軸受構造60は異なる角度αと角度βが配設されているが、軸受構造60における短い方の区分64を延長することで、その短い方の区分64の作用の度合いが加工精度に大きく左右されるのを抑えている。
【００２７】
本発明に係る軸受構造のラジアル軸受に適用された例が図4及び図5に示されている。
【００２８】
図4に示すスピンドルモータは、ステータコア及び巻線から成りつつ電磁駆動装置の一部を成すステータ構造112が配設されたベースプレート110を有している。ベースプレート110の凹部には軸受スリーブ114が保持されている。軸受スリーブ114は、軸116を回転自在に収容する軸方向の円筒状の孔を備えている。軸116の自由端部は、ハードディスクドライブに属する1枚又は複数枚の記憶ディスク（図示せず）を配設及び固定できるロータ118を担持している。ロータ118の内方下側の端には複数の磁極対を備える環状の永久磁石120が配されている。それらの磁極対には、駆動隙間を隔てて配置されたステータ構造112を介して交番磁界が印加され、それに伴ってロータ118は軸116とともに回転運動をする。軸116は、スラストプレート122及び軸受スリーブ114と相まって動圧軸受構造を構成する。尚、その動圧軸受構造の作用効果についてはここでは詳しく説明しない。上記動圧軸受構造はカバープレート124によって下方でシールされる。その軸受構造は、公知のとおり、軸116の表面及び/又は軸受スリーブ114の表面に配設された複数の軸受構造128によって特徴付けられた少なくとも1個のラジアル軸受126を備えている。
【００２９】
図5は、図4に示されたスピンドルモータに具備される軸受装置の拡大図である。ここでは、例えば、各が互いに結合されておらず、しかも軸受構成部材114，116の運動方向130に対して互いに相対的にずらして配列された2つの区分128a，128bから成る本発明の軸受構造128を具備する上側のラジアル軸受が配設されている。軸受構造128に配設された2つの区分128a，128bは頂点線132で出会い、ここで軸受構造128に属する長い方の区分128aは運動方向への仮想線と相まって角度αを有する一方で、軸受構造128に属する短い方の区分128bは運動方向130と平行の仮想線と相まって角度βを有している。
【００３０】
角度αは、例えば、20°から30°、特に24°が好ましく、角度βは、例えば、60°から80°、特に、70°が好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】流体動圧軸受装置の一例を示す概略断面図である。
【図２】(a)は従来の軸受構造の一例を示し、(b)は本発明の軸受構造の一例を示し、(c) は本発明の軸受構造の別の例を示す。
【図３】図1の本発明による軸受板18の軸受構造を上から見た平面図である。
【図４】本発明に係る流体動圧軸受装置を具備するスピンドルモータの断面図である。
【図５】図4のスピンドルモータの軸受装置部分の拡大図である。
【図６】図1の軸受板18に従来の軸受構造を設けた状態を上から見た平面図である。
【符号の説明】
【００３２】
10      軸受装置（流体動圧軸受装置）
12      第1の軸受リング
14      第2の軸受リング
16      第1の軸受板
18      第2の軸受板
20      第3の軸受板
22      軸受隙間
24      シール部
26      シール部
28      回転軸
30      スラスト軸受
32      スラスト軸受
34      ラジアル軸受
36      流体の流れ方向
38      流体の流れ方向
50      軸受構造
52      （長い）区分
54      （短い）区分
56      頂点線
58      運動方向
60      軸受構造
62      （長い）区分
64      （短い）区分
66      頂点線（運動方向）
70      軸受構造
72      （長い）区分
74      （短い）区分
76      頂点線（運動方向）
110     ベースプレート
112     ステータ構造（電磁駆動装置）
114     軸受スリーブ（軸受構成部材）
116     軸（軸受構成部材）
118     ロータ（軸受構成部材）
120     永久磁石（電磁駆動装置）
122     スラストプレート
124     カバープレート
126     ラジアル軸受（流体動圧軸受）
128     軸受構造
128a    区分
128b    区分
130     運動方向
132     頂点線
【図１】
2009068710.tif 000003
【図２】
2009068710.tif 000004
【図３】
2009068710.tif 000005
【図４】
2009068710.tif 000006
【図５】
2009068710.tif 000007
【図６】
2009068710.tif 000008