(57)【要約】【課題】  非対称形状の動圧溝で循環溝に流入した潤滑油をラジアル軸受隙間に再供給する。【解決手段】  含油焼結金属からなる軸受部材１を有底筒状のハウジング９内周に固定し、ラジアル軸受隙間やスラスト軸受隙間に生じた油の動圧で軸部材７を非接触支持する。軸部材に軸受部材の一方の端面と対向するフランジ部を設け、軸受部材の当該端面とフランジ部の端面との間に形成されたスラスト軸受隙間に潤滑油の動圧を発生させ、前記動圧溝を、前記スラスト軸受隙間に潤滑油を押し込むような非対称形状とすることで、潤滑油を前記循環溝に流入させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸部材と、含油焼結金属からなり、軸部材の外周とラジアル軸受隙間を介して対向する軸受部材と、軸受部材を内周に固定したハウジングとを備え、軸部材と軸受部材の相対回転でラジアル軸受隙間に、動圧溝で潤滑油の動圧を発生させて軸部材を非接触支持し、かつ軸受部材の外周に、その両端面に開口させて潤滑油が流れる循環溝を形成した動圧型軸受装置において、
循環溝を三つ以上有し、軸部材に軸受部材の一方の端面と対向するフランジ部を設け、軸受部材の当該端面とフランジ部の端面との間に形成されたスラスト軸受隙間に潤滑油の動圧を発生させ、前記動圧溝を、前記スラスト軸受隙間に潤滑油を押し込むような非対称形状とすることで、潤滑油を前記循環溝に流入させることを特徴とする動圧型軸受装置。
【請求項２】
上記循環溝に流入した潤滑油をラジアル軸受隙間に再供給する請求項1記載の動圧型軸受装置。
【請求項３】
ハウジングの開口部をシール部材によってシールし、軸受部材とシール部材との間に隙間を形成し、この隙間を介して循環溝をシール部材の内周に連通させた請求項１または２記載の動圧型軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸受隙間に生じた流体動圧で軸を非接触支持する動圧型軸受装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
動圧型軸受装置は、非接触で軸を支持することから、高回転精度、高速回転、低騒音、低コスト等の特徴を備えるものであり、近年ではこれらの特徴から、ＨＤＤ等の磁気ディスク、ＤＶＤ等の光ディスク、ＭＯ等の光磁気ディスクのスピンドルモータやレーザビームプリンタのポリゴンスキャナモータ等におけるスピンドル支持用の軸受としての使用が期待され、あるいは実際に使用されている。
【０００３】
この動圧型軸受装置は、スリーブ状の軸受部材を有底筒状のハウジングの内周に固定すると共に、軸受部材の内周に挿入した軸を、ラジアル軸受隙間、もしくはラジアル軸受隙間とスラスト軸受隙間の双方で生じた動圧により支持する構造である。一般にこの種の軸受では、ハウジングの底部に形成されたスラスト受け面とこれに対向する軸受部材の端面とで挟まれた空間が密閉構造となるため、この密閉空間を外気に開放させるべく、軸受部材の外周にはその両端面に開口させて軸方向の溝（循環溝）が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１５２１７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで軸受部材の製造工程では、軸受部材は、スリーブ状の焼結金属をダイに入れてサイジングすることにより、所定寸法に成形される。サイジング後は、脱型に伴ってスプリングバックが生じ、軸受部材の外周が外径側に膨らむが、サイジング中の循環溝部分はダイと接触しておらず、内径側に圧迫されていないため、他所に比べて脱型後のスプリングバック量は小さくなる。そのため、サイジング後は、図８に示すように、軸受部材２１の外周や内周は真円ではなく、循環溝２３付近を小径とする異形断面形状となる。従来では、軸受部材２１の外周二箇所（１８０°対向位置）に循環溝２３を形成することが多く、その場合、サイジング後の断面形状は循環溝２３部分を短軸とする楕円形となる。
【０００６】
しかしながら、このような楕円形状のままでは、軸受部材２１の内周と軸２５外周との間のラジアル軸受隙間に狭い部分（短軸方向）と広い部分（長軸方向）とが形成される。この場合、ラジアル軸受隙間の広い部分で流体動圧による軸の浮上効果が低下するため、楕円長軸方向の軸受剛性が低下して軸の振れ回りを招き、NRRO等に悪影響を及ぼすことが懸念される。
【０００７】
そこで、本発明は、スプリングバック後の変形に起因した各方向における軸受剛性差を解消することにより、高い回転精度を有する動圧型軸受装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的の達成のため、本発明では、軸部材と、含油焼結金属からなり、軸部材の外周とラジアル軸受隙間を介して対向する軸受部材と、軸受部材を内周に固定したハウジングとを備え、軸部材と軸受部材の相対回転でラジアル軸受隙間に、動圧溝で潤滑油の動圧を発生させて軸部材を非接触支持し、かつ軸受部材の外周に、その両端面に開口させて潤滑油が流れる循環溝を形成した動圧型軸受装置において、循環溝を三つ以上有し、軸部材に軸受部材の一方の端面と対向するフランジ部を設け、軸受部材の当該端面とフランジ部の端面との間に形成されたスラスト軸受隙間に潤滑油の動圧を発生させ、前記動圧溝を、前記スラスト軸受隙間に潤滑油を押し込むような非対称形状とすることで、潤滑油を前記循環溝に流入させることとした。
【０００９】
軸部材に軸受部材の一方の端面と対向するフランジ部を設け、軸受部材の当該端面とフランジ部の端面との間に形成されたスラスト軸受隙間に潤滑油の動圧を発生させることにより、軸部材をスラスト方向でも非接触支持することが可能となる。この場合、スラスト軸受隙間の潤滑油が遠心力の影響でより多く溝に流入するようになるが、三つ以上の循環溝があれば、かかる潤滑油も確実に吸収することができる。
【００１０】
軸受面の動圧溝が、上記スラスト軸受隙間に潤滑油を押し込むような非対称形状であるので、循環溝への潤滑油の流入量がさらに増えるが、この場合でも潤滑油を余裕を持って吸収することができる。この場合、ハウジングの開口部をシール部材によってシールし、軸受部材とシール部材との間に隙間を形成し、この隙間を介して循環溝をシール部材の内周に連通させる。
【００１１】
三つ以上の循環溝を設けることにより、各方向における軸受剛性が増すため、軸受の回転精度を高めることが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
このように本発明によれば、非対称形状の動圧溝で循環溝に流入した潤滑油をラジアル軸受隙間に再供給することができる。
また、軸受部材の外周に三つ以上の循環溝を形成しているので、サイジング後の軸受部材のスプリングバック変形に基づく軸受剛性の不安定化を防止することができ、軸受の回転精度をさらに高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明にかかる動圧型軸受装置の縦断面図である。
【図２】軸受部材の斜視図である。
【図３】各種軸受における無次元剛性を示す図である。
【図４】３円弧軸受の横断面図である。
【図５】４円弧軸受の横断面図である。
【図６】偏心率を説明する横断面図である。
【図７】軸方向で非対称のラジアル軸受面を形成した動圧型軸受装置の縦断面図である。
【図８】２円弧軸受の横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図１乃至図８に基づいて説明する。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態における動圧型軸受装置は、スリーブ状の軸受部材１と、軸部材７と、有底筒状のハウジング９とを主要な構成要素とする。
【００１６】
軸受部材１は、焼結金属に潤滑油あるいは潤滑グリースを含浸させて細孔内に油を保有させた含油焼結金属で形成される。焼結金属としては、例えば銅系あるいは鉄系、またはその双方を主成分とするものが使用でき、望ましくは銅を２０〜９５％使用して成形される。この軸受部材１は、従来と同様に、圧粉成形→焼結→サイジング→含油の各工程を経て製造され、このようにして得られた軸受部材１の内周面および一方の端面１ａには、プレス加工等の手段によって後述する動圧発生用の溝３（動圧溝）が形成される。
【００１７】
軸受部材１の内周には、動圧発生手段として複数の動圧溝３を有するラジアル軸受面５ａ，５ｂが形成される。図示例では、軸方向に離隔させて二つのラジアル軸受面５ａ，５ｂを形成した場合を例示しているが、ラジアル軸受面５ａ，５ｂの数は、二つに限られず、一つあるいは三つ以上とすることもできる。ラジアル軸受面５ａ，５ｂの動圧溝３は、軸方向に対して傾斜した形状であれば足り、図示のようなヘリングボーン形に配列する他、スパイラル形に配列することもできる。この他、調和波形等の動圧溝を有しない非真円形のラジアル軸受面を使用することも可能である。
【００１８】
軸部材７は、ステンレス鋼等の金属材で形成され、ストレート状の軸部７ａと軸部７ａの端部に設けられた円板状のフランジ部７ｂとで構成される。軸部７ａとフランジ部７ｂは、圧入した別部品で形成する他、鍛造等の手段で一体成形することもできる。
【００１９】
ハウジング９は一端を開口すると共に、他端を閉じた有底筒状に形成される。軸受部材１は、ハウジング９の内周に圧入や接着等の手段で固定される。この時、軸受部材１の内周に軸部材７の軸部７ａが配置され、ハウジング９の底部９ａと軸受部材１の一方の端面１ａとの間の空間にフランジ部７ｂが配置される。ハウジング底部９ａは、図示のように筒状のハウジング本体９ｂと一体成形する他、ハウジング本体９ｂとは別部品で形成し、これらを嵌合することにより組み立てることもできる。ハウジング本体９ｂの開口部は、潤滑流体としての油の流出を防止するため、シール部材１０によって密封されており、シール部材１０とこれに対向する軸受部材１の端面１ｂとの間には、保油効果を高めるため、軸方向の僅かな隙間が形成されている。
【００２０】
この状態では、フランジ部７ｂの両端面７ｂ１，７ｂ２は、軸受部材１の一方の端面１ａ、およびハウジング底部９ａのスラスト受け面９ａ１とそれぞれ対向している。フランジ部７ｂと対向する軸受部材１の端面１ａおよびスラスト受け面９ａ１には、動圧発生手段として複数の動圧溝（図示省略）を備えたスラスト軸受面１１ａ，１１ｂがそれぞれ形成される。スラスト軸受面１１ａ，１１ｂの動圧溝形状は任意であり、ラジアル軸受面５ａ，５ｂと同様にヘリングボーン形やスパイラル形の動圧溝を形成する他、ステップ形のスラスト軸受面を形成することもできる。動圧溝は、軸受部材端面１ａやスラスト受け面９ａ１に代えてフランジ部７ｂの両端面７ｂ１，７ｂ２に形成することもでき、この場合には、フランジ部７ｂの両端面７ｂ１，７ｂ２に上記スラスト軸受面が形成される。
【００２１】
ラジアル軸受面５ａ，５ｂと軸部７ａの外周面との間の微小隙間（ラジアル軸受隙間）、およびスラスト軸受面１１ａ，１１ｂとこれに対向する面（図示例ではフランジ部７ｂの両端面７ｂ１，７ｂ２）との間の微小隙間（スラスト軸受隙間）には、それぞれ潤滑流体としての油が満たされている。軸部材７と軸受部材１の相対回転時（本実施形態では軸部材７の回転時）には、各軸受面５ａ，５ｂ，１１ａ，１１ｂの作用により、ラジアル軸受隙間およびスラスト軸受隙間に油の動圧が生じ、軸部材７がラジアル方向およびスラスト両方向で軸受部材１に対して非接触支持される。
【００２２】
軸受部材１の外周には、従来と同様に、その両端面１ａ，１ｂに開口した溝、すなわち循環溝１２が軸方向に向けて形成される。この循環溝１２は、ハウジング９の底部９ａと、軸受部材１の端面１ａとの間の密閉空間を軸受外部と連通させるもので、油を軸方向に流動させる通路としての役割を果たす。循環溝１２中の油は軸受部材１に吸収され、さらに軸受部材１表面から滲み出して各軸受隙間に再供給される。本発明では、後述する理由から、この循環溝１２を円周方向等間隔に三つ以上、好ましくは三つ設けることとしている（図２参照）。
【００２３】
このように循環溝１２を三つ形成した場合、サイジング後は、循環溝１２部分と他の部分とのスプリングバック量の相違より、軸受部材１は、図４に示すように、３つの大径円弧１３からなる略三角形状の断面に変形する（以下、このように変形した軸受部材を３円弧軸受と称する）。また、循環溝１２を四つ形成した場合、同様の理由からサイジング後の軸受部材は、図5に示すように四つの大径円弧１３からなる略四角形状の断面に変形する（４円弧軸受と称する）。図示は省略するが、５以上の循環溝１２を設けた場合も、循環溝１２と同数の大径円弧を有する多角形状（５円弧軸受、６円弧軸受等）の断面に変形する。なお、図４および図５は、理解の容易化のため、真円に対する変形度合いを誇張して描いているが、肉眼ではこれほど明確な変形は確認できない。
【００２４】
図３は、従来のジャーナル軸受である２円弧軸受、３円弧軸受、および４円弧軸受における油膜の無次元剛性の解析結果を示すものである。これは、軸受隙間内の流体圧力をレイノルズ方程式という二階の微分方程式で表し、それをコンピュータによって数値的に解いて得られたものである。圧力が負圧になる領域では、圧力境界条件としてレイノルズ条件を用いている。ここでいうレイノズル条件は、油膜破断部で圧力勾配が０となり、流量の連続を満足する条件である。
【００２５】
ここでの２円弧軸受、3円弧軸受、および4円弧軸受は、それぞれ円周方向に１０°の幅の循環溝１２をそれぞれ２つ，３つ，および４つ等間隔に設けた軸受である。また、何れの軸受でも軸受部材１の軸方向長さＬと外径Ｄとの比（Ｌ／Ｄ）を０．５に設定している。また、軸部材７の偏心率εは、ε＝０．１を基準としている（２円弧軸受の場合の偏心率はε＝０．０８６８としている）。なお、ε＝０は図６に破線で示すように軸受部材１と軸部材７の軸心が一致した状態を、ε＝１は同図に二点鎖線で示すように軸部材７が軸受部材１に内接した状態をそれぞれ表す（図６のラジアル軸受隙間の幅は誇張して描かれている）。
【００２６】
図中のＫｘｘ、Ｋｙｙ、Ｋｘｙ、Ｋｙｘは油膜の弾性定数を表すもので、それぞれ数値的に解いた圧力部分布を軸受面で積分し、求めたｘ方向及びｙ方向の荷重をｘ、ｙ方向の変位でそれぞれ数値微分することによって求められる。これらは無次元で表され、四つの無次元剛性をＫijで表すと、有次元の剛性ｋijは、以下の式で表される。
【００２７】
ｋij＝（Ｗ／Ｃｐ）Ｋij
ここでＷは軸受荷重、Ｃｐは軸受半径隙間を表す。
【００２８】
添え字のｘｘはＸ方向（楕円の短軸方向）の力を生じるＸ方向の変位を、ｙｙはＹ方向（楕円の長軸方向）の力を生じるＹ方向の変位を、ｘｙはＸ方向の力を生じるＹ方向の変位を、ｙｘはＹ方向の力を生じるＸ方向の変位をそれぞれを表す。添え字ｘｙおよびｙｘを付したものは、自己ではない他の運動から受ける変位に対して発生する力を示す連成項で、これが大きい場合には軸部材７の振れ回り振動の不安定性が増すこととなる。図３からは、２円弧軸受ではＫｘｘとＫｙｙがバランスされておらず、荷重方向による軸受剛性の差が大きいのに対し、３円弧軸受や４円弧軸受では両値のバランスがとれているためにこのような不都合がないことが理解できる。以上から、スプリングバック後の軸受部材１の断面形状が３円弧軸受や４円弧軸受に近似するよう、循環溝１２の数は三つ以上とするのが好ましい。
【００２９】
その一方、量産化する場合のラジアル軸受隙間の隙間管理を考えた場合、４円弧軸受では、計測方向によって内径寸法の差が大きくなるのに対し（図５の矢印参照）、３円弧軸受では、そのような差が小さい（図４の矢印参照）。そのため、４円弧軸受に比べ、３円弧軸受の方が内径寸法の公差レンジを緩くでき、より低コストに製造できる。また、図３によれば、連成項Ｋｘｙ、Ｋｙｘの絶対値は３円弧軸受の方が小さいので、この点でも３円弧軸受の方が好ましい。一方、５円弧以上の軸受では、スプリングバック変形後の断面形状が真円軸受に近くなるため、軸部材７にホワールと呼ばれる不安定な自励振動が生じる懸念があるし、溝加工のコストも増大する。以上の理由から、スプリングバック変形後の断面形状が３円弧軸受に近似するよう、循環溝は三つ形成するのが最も好ましい。
【００３０】
図７は、二つのラジアル軸受面５ａ，５ｂのうち、ハウジング９の閉じ側の軸受面５ａを軸方向で非対称に形成し、動圧溝３によるハウジング閉じ側（図面下方）への油の押し込み力を強化した構造である。この場合、油膜の形成領域がハウジング閉じ側にずれるため、循環溝１２に流入する油量が増え、従来のような二つの循環溝（２３：図８参照）では油の流動速度を十分に吸収できない懸念があるが、上述のように循環溝１２を三つ以上設けることにより、かかる不具合を回避することができる。循環溝の数は、油の流動に応じて定めることができるが、回転精度を考えると、上述のように三つの循環溝１２を形成するのが最も好ましい。
【符号の説明】
【００３１】
１      軸受部材
１ａ    端面（ハウジング閉じ側）
１ｂ    端面（ハウジング開き側）
３      動圧溝
５ａ    ラジアル軸受面（ハウジング閉じ側）
５ｂ    ラジアル軸受面（ハウジング開き側）
７      軸部材
７ａ    軸部
７ｂ    フランジ部
９      ハウジング
９ａ    ハウジング底部
９ａ１  スラスト受け面
９ｂ    ハウジング本体
１０    シール部材
１１ａ  スラスト軸受面（ハウジング開き側）
１１ｂ  スラスト軸受面（ハウジング閉じ側）
１２    循環溝
１３    大径円弧
【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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