説明

流体軸受式回転装置

【課題】軸受の内部に空気が滞留して排出されず、軸受が油膜切れを起こしたり、NRROが悪化したりすることを防止する。
【解決手段】軸の下部近傍にフランジを一体的に有し、軸にスリーブが相対的に回転自在にはめ合わされ、軸外周またはスリーブ内周の少なくともいずれか一方には動圧発生溝を有し、フランジはスリーブの下端面の間でスラスト軸受面を構成し、スリーブ下面とフランジの上面の少なくともいずれか一方には動圧発生溝を有し、軸受の回転中に動圧発生溝が潤滑剤を循環させるとともに、潤滑剤循環パス内の各部の毛管圧力に大小関係を設け、毛管圧力が小さい側に空気が移動しやすい原理を活用して空気が軸受の内部に滞留しにくくし、スムーズに排出させる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はディスク回転装置等に用いられる流体軸受式回転装置およびそれを備えた記録再生装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年、回転するディスクを用いた記録装置等はそのメモリー容量が増大し、またデータの転送速度が高速化しているため、これらに使用される記録装置の軸受部は常にディスク負荷を高精度に回転させるため、高い性能と信頼性が要求されている。そこでこれら回転装置には高速回転に適した流体軸受が用いられている。
【0003】
流体軸受式回転装置は、軸とスリーブとの間にオイル等の潤滑剤を介在させ、動圧発生溝によって回転時にポンピング圧力を発生し、これにより軸とスリーブが相対的に非接触で回転するため高速回転に適している。
【0004】
以下、図15を参照しながら、従来の流体軸受式回転装置の一例について説明する。図15において従来の流体軸受式回転装置は、軸21、フランジ22,オイル24、上カバー25、ハブ27、ベース28を備えている。
【0005】
軸21は、フランジ22を一体的に有し、軸21はスリーブ23の軸受穴23Aに隙間G11を介して相対的に回転可能な状態で挿入され(嵌め合わされ)、フランジ22はスリーブ23の下面23Cに対向し隙間S11の軸受面を形成しており、その内周側には隙間S12の逃げ部22Bを有している。軸21の外周面またはスリーブ23の内周面の少なくともいずれか一方には、ラジアル動圧発生溝23Bが形成され、またスリーブ下面23Cまたは、フランジ22の上面の少なくとも一方にはスラスト動圧発生溝22Aが設けられる。また、上カバー25はスリーブ23との間にS13の隙間を有してスリーブ23またはハブ27に固着され、上カバー25内周と軸21外周の間はG13の隙間を有する。またフランジ22の外周とハブ内周面の間にはG12の隙間を有している。
【0006】
フランジ22と上カバー25の隙間S13の間は連通穴23Eで連通され、各動圧発生溝23B、22Aに付近の軸受隙間と連通穴23Eは少なくともオイル24が充満されもしくは保持されている。ハブ27にはディスク29が固定され、また、ベース28に軸21は固定され、ハブ27にはロータ磁石30が取り付けられ、またベース28にはロータ磁石30の外周側に対向するような位置に図示しないモータステータが固定される。ロータ磁石30は、ベース28が磁性材である場合は、漏れ磁束によって軸方向に吸引力を発生し、スリーブ23をフランジ22の方向に約10〜50グラムの力で押し付けている。(ベース28が磁性材でない場合は、リング状の磁性材でできた吸引板を、ベース28のロータ磁石30端面に対向する位置に固着する)
ここで、以上のような構成の従来の流体軸受式回転装置の動作について以下に説明する。図15に示す、上記従来の流体軸受式回転装置において、モータステータとの電磁作用によってロータ磁石30に回転力が付与されると、ハブ27、スリーブ23、上カバー25、ディスク29が回転を開始する。回転により、動圧発生溝23B、22Aはオイル等の潤滑剤24をかき集め、軸21とスリーブ23の間、及びフランジ22とスリーブ23の間にポンピング圧力を発生する。これにより、スリーブ23を含む回転部は、軸21とフランジ22に対して非接触で回転し、図示しない磁気ヘッドまたは光学ヘッドにより、ディスク29上にデータの記録再生を行うことができる。
【特許文献1】特開2004−183772号公報
【特許文献2】特開2004−183865号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら上記従来の流体軸受式回転装置では、図15において隙間S11の近傍に広い隙間S12の逃げ部22Bがある場合に、隙間S12に空気32が蓄積し排出されない場合があった。
【0008】
また、上部開口部G13付近のオイルは、開口部G13から空気32を隙間S13に巻き込み易くしかも排出され難いため、やがてこの空気が軸受隙間に流れ込んで油膜切れを起こして軸受にコスレを発生していた。
【0009】
また図中、上カバー25の上部開口部の直径をd11、下方のハブ27またはスリーブ23の開口部の直径をd12とした時、d12>>d11の場合には高速回転中には上カバー側のオイルに遠心力が加わって下側の開口部(隙間G12)から流出し、動圧発生溝22A、23Bで油膜切れが起こり、軸受に焼け付きを生じることがあった。また、軸受内において空気32が混入して気泡を形成し、内部で凝集した気泡(空気32)が膨張した場合は、軸受隙間内のオイル24を押し出してしまう場合があり、オイル24が一旦流出した後は、やがて動圧発生溝22A、23Bにおいて油膜切れが生じ、所定の性能が得られない場合や、軸受がコスレを生じて故障する場合があった。
【0010】
また、これら空気32の混入と排出の現象を観察した時に、隙間S12が著しく広すぎる場合は、空気32が逃げ部22Bに蓄積しやすい傾向は認められたが、軸受内部の空気の排出に関しては、実際には単に隙間寸法の大きさだけでは説明することはできず、従来は空気32の排出され易さや内部への溜まり易さを予測することは困難であった。
【課題を解決するための手段】
【0011】
上記問題を解決するために、第1の発明に係る流体軸受式回転装置は、軸の下部近傍に略円板状のフランジを一体的に有し、軸に軸受穴を有するスリーブが半径隙間G1を介して相対的に回転自在に嵌め合わされ、軸外周またはスリーブ内周の少なくともいずれか一方には動圧発生溝を有し、フランジはスリーブの下端面の間で隙間S1のスラスト軸受面を構成し、スリーブ下面とフランジの上面の少なくともいずれか一方には動圧発生溝を有し、スリーブの外周にはハブが一体的に固定され、前記フランジの外周面とこれに対向するスリーブまたはハブの内周面の面間には最大G2の半径隙間を有し、また前記スリーブまたはハブには前記フランジとつながる連通路が設けられ、スリーブの上面近傍には隙間G1から連通路につながる循環パスを有し、少なくとも隙間S1、G1、前記循環パス、連通路には潤滑剤が保持され、G1における毛管圧力をPg1、G2における毛管圧力をPg2とすると、Pg1>Pg2の関係を満たすような構成を特徴としたものである。
【0012】
Pg1及びPg2は前記隙間形状(潤滑剤溜り部形状)が略円管状のとき;
(数式1)
Fgo=π×Do×γ×cosθ ・・・(1)
Fgi=π×Di×γ×cosθ ・・・(2)
Di=Do−2×r ・・・(3)
Fg=Fgo+Fgi ・・・・(4)
Ag=π×(Do^2−Di^2)/4 ・・・(5)
Pg=Fg/Ag ・・・・・・・・(6)
γ :潤滑剤の表面張力 [N/m]
θ :オイルの接触角 [ラジアン]
Do:円管の外径 [m]
rg:円管の油膜厚さ [m]
Pg:毛管圧力 [パスカル]
本発明によれば、毛管圧力はフランジ外周部隙間G2よりもラジアル軸受隙間G1の方が大きいので、潤滑剤は軸受内部に移動しようとし、隙間G2から漏出し難くなる。また、気泡は隙間G2から排出されやすくなる。
【0013】
第2の発明に係る流体軸受式回転装置は、軸の下部近傍に略円板状のフランジを一体的に有し、軸に軸受穴を有するスリーブが半径隙間G1を介して相対的に回転自在に嵌め合わされ、軸外周またはスリーブ内周の少なくともいずれか一方には動圧発生溝を有し、フランジはスリーブの下端面の間で隙間S1のスラスト軸受面を構成し、スリーブ下面とフランジの上面の少なくともいずれか一方には動圧発生溝を有し、フランジとスリーブの下端面の間にはスラスト軸受面以外に最大隙間S2の逃げ部を有しスリーブの外周にはハブが一体的に固定され、前記フランジの外周面とこれに対向するスリーブまたはハブの内周面の面間には最大G2の半径隙間を有し、スリーブの上部には、上カバーがスリーブの上端面との面間に最小隙間S3から最大隙間S4の寸法の隙間を隔てて設けられるとともに、前記上カバーはスリーブまたはハブに固定され、上カバーの内径部は軸の上部に形成された径小部に対向する位置に隙間を有し、また前記スリーブまたはハブには前記フランジと上カバーをつなぐ連通路が設けられ、少なくとも隙間S1、S2、G1、S3、連通路には潤滑剤が保持され、G1における毛管圧力をPg1、S2における毛管圧力をPs2,G2における毛管圧力をPg2とすると、Pg1>Ps2>Pg2の関係を満たすような構成を特徴としたものである。
【0014】
Pg1及びPg2は前記隙間形状(潤滑剤溜り部形状)が略円管状のとき;
(数式1)
Fgo=π×Do×γ×cosθ ・・・(1)
Fgi=π×Di×γ×cosθ ・・・(2)
Di=Do−2×r ・・・(3)
Fg=Fgo+Fgi ・・・・(4)
Ag=π×(Do^2−Di^2)/4 ・・・(5)
Pg=Fg/Ag ・・・・・・・・(6)
γ :潤滑剤の表面張力 [N/m]
θ :オイルの接触角 [ラジアン]
Do:円管の外径 [m]
rg:円管の油膜厚さ [m]
Pg:毛管圧力 [パスカル]
Ps2は前記隙間形状(循環溜り部形状)が略薄板円板状のとき;
(数式2)
Fs=2π×Ds×γ×cosθ ・・・・・(7)
As=π×Ds×S1 ・・・(8)
Ps =Fs/As ・・・・・・(9)
Ds:最大隙間S1を有する循環溜り部の内径 [m]
S:スリーブとハブ間の循環溜まり部の最大隙間 [m]
Ps:毛管圧力 [パスカル]
本発明によれば、毛管圧力はフランジ外周部隙間G2よりも逃げ部S2が大きく、さらにラジアル軸受隙間G1の方が大きいので、潤滑剤は軸受内部に移動しようとし、隙間G2から漏出し難くなるとともに、気泡が逃げ部S2に滞留せず隙間G2から排出されやすくなる。
第3の発明に係る流体軸受式回転装置は、軸の下部近傍に略円板状のフランジを一体的に有し、軸に軸受穴を有するスリーブが半径隙間G1を介して相対的に回転自在に嵌め合わされ、軸外周またはスリーブ内周の少なくともいずれか一方には動圧発生溝を有し、フランジはスリーブの下端面の間で隙間S1のスラスト軸受面を構成し、スリーブ下面とフランジの上面の少なくともいずれか一方には動圧発生溝を有し、スリーブの外周にはハブが一体的に固定され、前記フランジの外周面とこれに対向するスリーブまたはハブの内周面の面間には隙間を有し、スリーブの上部には、上カバーがスリーブの上端面と最小隙間S3の隙間を隔てて設けられると共に、その隙間の内周近傍にはS3より大きい隙間S4の逃げ部があり、前記上カバーはスリーブまたはハブに固定され、上カバーの内径部は軸の上部に形成された径小部に対向する位置に最大G3の半径隙間になるように設けられ、
また前記スリーブまたはハブには前記フランジと前記上カバーをつなぐ連通路が設けられ、
少なくとも隙間S1、G1、S3、連通路には潤滑剤が保持され、G1における毛管圧力をPg1、S3における毛管圧力をPs3,S4における毛管圧力をPs4とすると、Pg1>Ps3>Ps4の関係を満たすような構成を特徴としたものである。
【0015】
Pg1は前記隙間形状(潤滑剤溜り部形状)が略円管状のとき;
(数式1)
Fgo=π×Do×γ×cosθ ・・・(1)
Fgi=π×Di×γ×cosθ ・・・(2)
Di=Do−2×r ・・・(3)
Fg=Fgo+Fgi ・・・・(4)
Ag=π×(Do^2−Di^2)/4 ・・・(5)
Pg=Fg/Ag ・・・・・・・・(6)
γ :潤滑剤の表面張力 [N/m]
θ :オイルの接触角 [ラジアン]
Do:円管の外径 [m]
rg:円管の油膜厚さ [m]
Pg:毛管圧力 [パスカル]
Ps3、Ps4は前記隙間形状(循環溜り部形状)が略薄板円板状のとき;
(数式2)
Fs=2π×Ds×γ×cosθ ・・・・・(7)
As=π×Ds×S1 ・・・(8)
Ps =Fs/As ・・・・・・(9)
Ds:最大隙間S1を有する循環溜り部の内径 [m]
S:スリーブとハブ間の循環溜まり部の最大隙間 [m]
Ps:毛管圧力 [パスカル]
本発明によれば、毛管圧力は隙間S4の逃げ部よりも隙間S3が大きく、さらにラジアル軸受隙間G1の方が大きいので、潤滑剤は隙間S3から軸受内部に移動しようとし、隙間S4から漏出し難くなるとともに、気泡が隙間S4から排出されやすくなる。
【0016】
第4の発明に係る流体軸受式回転装置は、軸の下部近傍に略円板状のフランジを一体的に有し、軸に軸受穴を有するスリーブが半径隙間G1を介して相対的に回転自在に嵌め合わされ、軸外周またはスリーブ内周の少なくともいずれか一方には動圧発生溝を有し、
フランジはスリーブの下端面の間で隙間S1のスラスト軸受面を構成し、スリーブ下面とフランジの上面の少なくともいずれか一方には動圧発生溝を有し、スリーブの外周にはハブが一体的に固定され、前記フランジの外周面とこれに対向するスリーブまたはハブの内周面の面間には隙間を有し、スリーブの上部には、上カバーがスリーブの上端面と最小隙間S3の隙間を隔てて設けられ、前記上カバーはスリーブまたはハブに固定され、上カバーの内径部は軸の上部に形成された径小部に対向する位置に最大G3の半径隙間になるように設けられ、また前記スリーブまたはハブには前記フランジと前記上カバーをつなぐ連通路が設けられ、少なくとも隙間S1、S3、G3、連通路には潤滑剤が保持され、G1における毛管圧力をPg1、S3における毛管圧力をPs3,G3における毛管圧力をPg3とすると、Pg1>Ps3>Pg3の関係を満たすような構成を特徴としたものである。
【0017】
Pg1およびPg3は前記隙間形状(潤滑剤溜り部形状)が略円管状のとき;
(数式1)
Fgo=π×Do×γ×cosθ ・・・(1)
Fgi=π×Di×γ×cosθ ・・・(2)
Di=Do−2×r ・・・(3)
Fg=Fgo+Fgi ・・・・(4)
Ag=π×(Do^2−Di^2)/4 ・・・(5)
Pg=Fg/Ag ・・・・・・・・(6)
γ :潤滑剤の表面張力 [N/m]
θ :オイルの接触角 [ラジアン]
Do:円管の外径 [m]
rg:円管の油膜厚さ [m]
Pg:毛管圧力 [パスカル]
Ps3は前記隙間形状(循環溜り部形状)が略薄板円板状のとき;
(数式2)
Fs=2π×Ds×γ×cosθ ・・・・・(7)
As=π×Ds×S1 ・・・(8)
Ps =Fs/As ・・・・・・(9)
Ds:最大隙間S1を有する循環溜り部の内径 [m]
S:スリーブとハブ間の循環溜まり部の最大隙間 [m]
Ps:毛管圧力 [パスカル]
本発明によれば、毛管圧力は隙間G3の逃げ部よりも隙間S3が大きく、さらにラジアル軸受隙間G1の方が大きいので、潤滑剤は隙間S3から軸受内部に移動しようとし、隙間G3から漏出し難くなるとともに、気泡が隙間G3から排出されやすくなる。
【発明の効果】
【0018】
以上のように、本発明によれば、ラジアル軸受隙間部とスラスト軸受部、および各部の毛管圧力に意識的に差異を設け、毛管圧力が大きい側に潤滑剤が移動し易いために毛管圧力が小さい側に空気が移動し易い原理を活用して、空気が軸受の内部に滞留しにくく、スムーズに潤滑剤溜り部の気液境界面から排出させる事で、動圧発生溝において油膜切れを防止し長寿命な流体軸受式回転装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0019】
以下本発明の実施をするための最良の形態を具体的に示した実施の形態について、図面とともに記載する。
【実施例1】
【0020】
図1〜図9を用いて実施例1の流体軸受式回転装置の一例について説明する。本発明の流体軸受式回転装置は、図1に示すように、軸1、フランジ2,スリーブ3、オイル・高流動性グリス・イオン性液体等の潤滑剤4、上カバー5、ハブ7、ベース8を備え、ハブ7にはディスク9とロータ磁石10、ベース8にはステータ11と蓋12が取り付けられている。ディスク9には、図示しない磁気ヘッドまたは光学ヘッドがアクセスし、信号を記録または読み出しを行なう。
【0021】
また、図2は図1の拡大図であるが同様に、軸1は、フランジ2を一体的に有し、(一体加工でもよいし、圧入接着固定、溶接固定等でもよい)軸1はスリーブ3の軸受穴3Aに隙間G1を介して相対的に回転可能な状態で挿入され、フランジ2はスリーブ3の下面3Cに対向し隙間S1の軸受面を形成しており、その内周側には隙間S2の逃げ部2Bをフランジ2またはスリーブ3に有している。(なお、前記逃げ部2Bは、軸受構成上必ずしも必要ではない。)
軸1の外周面またはスリーブ3の内周面の少なくともいずれか一方には、ラジアル動圧発生溝3Bが形成され、またスリーブ下面3Cまたは、フランジ2の上面の少なくとも一方にはスラスト動圧発生溝2Aが設けられる。また、上カバー5はスリーブ3との間にS3の最小隙間を有しており、スリーブ3またはハブ7に固着される。(図1、2においては、ハブ7上端部に段差部を設け上カバー5が嵌るように構成しているが、例えば、スリーブ3の外側に外スリーブを設けて内スリーブと外スリーブの2部品構成としてハブに固定してもよい。この場合は上カバーはスリーブに固定されることになる。その他、上カバー5の外周下面側に段差部を設けて隙間S3を確保する場合も考えられ、その場合も上カバーはスリーブに固定されることになる。)
隙間S3に隣接して隙間S3より大きいS4の隙間を有する部分が上カバー5とスリーブ3の間に設けられ、また、フランジ2の外周面はハブ7またはスリーブ3の内周面に対向してG2の隙間を構成し、フランジ2のスリーブ3との対向面反対側には、軸受装置のオイルシール性能を高める必要性に応じて下カバー6が隙間を隔てて対向しており、下カバー6はハブ7またはスリーブ3に固定され、上カバー5、スリーブ3、ハブ7、下カバー6は一体的に回転可能である。また、上カバー5の内周面と、軸1の第1の細径部外周面との間にはG3の最小隙間を有する。
【0022】
フランジ2とスリーブ3の間の隙間S1と、上カバー5とスリーブ3との間の隙間S3は連通穴3Eで連通され、各動圧発生溝3B、2Aの軸受隙間と連通穴3Eと隙間S3部分は少なくともオイル、流動性グリース、イオン液体等の潤滑剤4が充満されまたは保持されている。また、軸1はベース8に固定され、ハブ7にはディスク9とロータ磁石10が取り付けられる。またベース8にはロータ磁石10の外周面に対向するような位置に図1に示すステータが固定される。ベース8は磁性材で構成されているので、ロータ磁石10は軸方向に吸引力を図中矢印A方向(図1)に発生し、スリーブ3をフランジ2の方向に約10〜50グラムの力で押し付けている。(ベース8が非磁性材で構成される場合は、例えばロータ磁石10の下端面に対向する位置にドーナツ円板状の磁性材で構成される吸引板を固定し、吸引力を発生させる。)
ここで、以上のような構成の本発明流体軸受式回転装置の動作について以下に説明する。図1及び図2に示す、上記本発明の流体軸受式回転装置において、ステータ11に巻回されたコイルに通電すると回転磁界が発生し、ロータ磁石10に回転力が付与されると、ハブ7、スリーブ3、上カバー5、ディスク9、下カバー6が回転を開始する。
回転により、動圧発生溝3B、2Aは軸受隙間に充填されたオイル等の潤滑剤4をかき集め、軸1とスリーブ3の間、及びフランジ2とスリーブ3の間にポンピング圧力を発生する。
【0023】
図1〜図2においてロータ磁石10とステータ11は、ロータ磁石10を図中矢印A方向(図1)に吸引する力を発生し、さらに回転部分の自重が矢印B方向(図1)に力が働く、一方スラスト動圧溝2Aによる動圧力は図中矢印C方向(図1)に働き、A+B=Cの関係になるようにスラスト動圧溝2Aの浮上力は自動的に調整され、浮上高さ(油膜厚さ)は自動的に定まる。
【0024】
図2において、動圧発生溝3Bは例えばヘリングボーンパターンを形成しており、また、スラスト動圧発生溝2Aは図中矢印e(図2)のようにG2の隙間のオイルリザーバ14がある外周側から内周方向に向かって潤滑剤4を移動するようにスパイラルパターン、または非対称なヘリングボーンパターンに設計されており、その結果潤滑剤4はスラスト軸受隙間であるS1の隙間と逃げ部であるS2の隙間を通過し、さらにG1の隙間からなる軸受穴1Aを図中下から上に矢印f(図2)の方向に移動し、さらに隙間S4と隙間S3を通過して連通穴3Eを経てフランジ2外周面に設けられた隙間G2のオイルリザーバ14に還流する。このようにフランジ2外周のオイルリザーバ14から潤滑剤4が常に動圧発生溝3B、2Aの軸受隙間に供給される。
【0025】
図2においてG2、S1、S2、G1の隙間に潤滑剤4が保持されているが、軸1の軸受穴1Aの間の隙間をG1とし、ここに働く毛管圧力をPg1とし、フランジ2と軸1の境界面にできるコーナ部近傍でスリーブ3との間に設けられた逃げ部の最大隙間をS2とし、S2の部分に働く毛管圧力をPs2とし、フランジ外周面(オイルリザーバ14)の最大隙間をG2とし、G2部分に働く毛管圧力をPg2としたとき、図3に示す本発明実施例の管路のイメージ図において、軸受内部にもし空気や気泡13が混入したと仮定した場合に、その空気に体積変化が生じた場合や軸受内部が低圧になって空気の体積が膨張してしまった時は軸受隙間において油膜切れが生じる危険性があったが、図3の様な形状の管路であれば、潤滑剤4は毛管圧力が大きいG1に向けて図中矢印g方向に移動しようとし、結果気泡13はその反対方向(図中矢印h方向)に移動し、空気13は隙間G2の開口部から排気されて内部には堆積しないことを、多くの観察実験を通して見出した。しかしながらこの管路が例えば従来例である図15の管路をイメージ的に示した図5においては途中にあるS2部の毛管圧力が小さいために管路の途中に空気13が堆積したり排出されにくかったりしたことを観察実験により解明した。
【0026】
図2の本発明実施例において、まずフランジ2と軸1の境界面にできるコーナ部近傍のスリーブ3との間に設けられた逃げ部2Bがない場合は、G1、S1、G2の各部の毛管圧力は図4に示す様に
Pg1>Ps1>Pg2
の関係になっており、この条件になるように軸受を設計することで軸受内部の気泡13を溜まりにくく、また混入しにくい安全な軸受が得られる。図7は図2の隙間G1及びG2の部分(式の説明では、潤滑剤溜り部と称する)の形状を示しているが、この場合毛管圧力(Pg1、Pg2)は以下の式1により定義される。
【0027】
また、フランジ2と軸1の境界面にできるコーナ部近傍でスリーブ3との間に設けられた逃げ部2Bがある場合は、
Pg1>Ps2>Pg2
の関係とする。
【0028】
Pg1及びPg2は前記隙間形状(潤滑剤溜り部形状)が略円管状のとき;
(数式2)
Fgo=π×Do×γ×cosθ ・・・(1)
Fgi=π×Di×γ×cosθ ・・・(2)
Di=Do−2×r ・・・(3)
Fg=Fgo+Fgi ・・・・(4)
Ag=π×(Do^2−Di^2)/4 ・・・(5)
Pg=Fg/Ag ・・・・・・・・(6)
γ :潤滑剤の表面張力 [N/m]
θ :オイルの接触角 [ラジアン]
Do:円管の外径 [m]
rg:円管の油膜厚さ [m]
Pg:毛管圧力 [パスカル]
具体的には、γ=0.00288[N/m]、θ=0.2269[ラジアン]、Do=0.00199[m]、rg=0.000002 [m]のとき、Pg1は28000 [パスカル]の圧力になる。さらに、Do=0.005[m]、rg=0.00015 [m]のとき、Pg2は370[パスカル]の圧力になる。
【0029】
図8は、図2のスリーブ3の下面の最大隙間S2の部分(式の説明では、循環溜り部と称する)の形状を示しているが、この場合毛管圧力(Ps2)は次の数式2により定義される。
【0030】
Ps2は前記隙間形状(循環溜り部形状)が略薄板円板状のとき;
(数式2)
Fs2=2π×Ds×γ×cosθ ・・・・・(7)
As2=π×Ds×S1 ・・・(8)
Ps2 =Fs2/As2 ・・・・・・(9)
Ds:最大隙間S2を有する循環溜り部の内径 [m]
S2:スリーブとハブ間の循環溜まり部の最大隙間 [m]
Ps2:毛管圧力 [パスカル]
具体的には、Ds=0.002[m]、S2=0.0001[m]のとき、Ps2の圧力値は560 [パスカル]になる。
【0031】
図2において、少なくとも隙間S1、G1、S3、連通路にはオイル等の潤滑剤が保持され、(G2は、オイルリザーバ14における気液境界面の位置によっては、潤滑剤が存在する場合としない場合がある)G1、G2各所における毛管圧力(Pg1、Pg2)は、
Pg1>Pg2
の関係を満たすように構成されている。これによりオイルリザーバ14の潤滑剤4はスラスト動圧溝2Aの軸受内部に向かうポンピング力と前記毛管圧力により軸受内部に強制的に流入し、その結果、空気は軸受外部に押し出される力を受けるので、軸受内部に侵入しにくい。
【0032】
図10は、気液境界面が上カバー5の下部近傍にある場合を示す。図2および図10において、少なくとも隙間S1、G1、S3、連通路にはオイル等の潤滑剤が保持され、(S4は、図10に示すように気液境界面の位置によっては、潤滑剤が存在する場合とほとんど存在しない場合がある)G1、S3、S4各所における毛管圧力(Pg1、Ps3、Ps4)は、
Pg1>Ps3>Ps4
の関係を満たすように構成されている。これによりスリーブ3の上部近傍の隙間S3とS4からなる循環パスにおいて隙間G1からなるラジアル軸受隙間に空気が混入しにくくなる。
【0033】
図11は、気液境界面が上カバー5の内周面近傍にある場合を示す。図2および図11において、G1、S3、G3各所における毛管圧力(Pg1、Ps3、Pg3)は、
Pg1>Ps3>Pg3
の関係を満たすように構成される。これによりスリーブ3の上部近傍の隙間S3からなる循環パスにおいて、隙間G1からなるラジアル軸受隙間に空気が混入しにくくなり、また隙間G3からなる上部の開口部は毛管圧力が十分に低いので、この部分はオイルが流入し難く、気液境界面の位置によっては空気で覆われるため、仮に隙間G3の循環パスに空気やバブル13が存在してしまった場合も隙間G3から排出されやすい。
ここで図11では、S4の隙間がある場合を示しているが、気液境界面が上カバー5の内周面近傍にあるので、S4の隙間無くても上記説明は成り立つ。
【0034】
尚、図2において、隙間S1、G1、S3と連通路3Eは潤滑剤4の循環パスであり、一方、隙間G2、S4とG3はその循環パスに対して潤滑剤4を供給するためのオイル溜りである。またこれら隙間G2、S4とG3はそれぞれが大気に開放されて構成されており、もし循環パス内にバブルや多くの空気が存在した場合にはその空気やバブルを大気に排出する機能を有している。
このように排出する場合に、これらG2、S4とG3の隙間はオイルの表面張力で循環パスに向って流入しやすくする目的から、大気に向かって隙間が拡大する方向のテーパを有していることが望ましい。
【0035】
以上に述べたように、動圧軸受面に気泡が入らず油膜切れなく運転できるので、軸1をスリーブ3とスラスト板2に対して非接触の状態で安定して回転させることができ、図示しない磁気ヘッドまたは光学ヘッドによって、回転するディスク10に対して安定したデータの記録再生を行うことができる。また油膜切れやNRROの悪化を防止し、性能と信頼性が高い流体軸受式回転装置が得られる。
【0036】
尚、図2において、上カバー5の内周面と軸1の上端近傍の第1の細径部外周面の間の隙間G3部において、軸のラジアル軸受面外径d1、上カバー内径d2、軸1の細径部直径d3の関係は、d1>d2>d3になっている。軸受の寸法をこの関係に保つことで軸受が回転中に潤滑剤4に遠心力が働くために、大気に開口されたG3の隙間からの潤滑剤4の漏れが完全に防止される。なお、オイルが遠心力を受けて隙間G2に強制的に運搬されるため開口部周辺に気泡が存在した場合、潤滑剤4より軽いこれら気泡13は比重分離の効果を受け、G3の隙間から大気に放出される。
【0037】
尚、図2において、軸1の下端部には第2の細径部を有し、この第2の細径部の直径d5と、下カバー6の内径d4と、軸のラジアル軸受面外径d1の関係は、d1>d4>d5になるよう設計している。軸受下端部の寸法をこの関係に保つことで軸受が回転中に潤滑剤4に遠心力が働くために、大気に開口された下カバー6からのオイル漏れが完全に防止される。なお、オイルリザーバ14である隙間G2部では、潤滑剤4は回転中に動圧発生溝2Aのポンピング力により軸受内部に強制的に流入させられるため潤滑剤モレを起こす心配は無いが、軸受の生産工程においての潤滑剤の注入量が異常に多くなってしまった場合は下カバー6とフランジ2の間の隙間に潤滑剤4が蓄えられる可能性があるが、この場合には潤滑剤4が遠心力を受けてモレが防止される構造になっている。
【0038】
ここで、潤滑剤4の循環方向の選定に関して述べる。図2において、回転自在なスリーブ3の内周面に隙間G1のラジアル動圧軸受面を有し、スリーブ3の上端面側に隙間S3の潤滑剤の第1の循環パスを軸受穴3Aとは略直角方向に有し、この第1の循環パスに連通する連通穴3E(第2の循環パス)をスリーブ3の軸受面に略平行に有し、スリーブ3の下端面に隙間S1のスラスト動圧軸受面を有し、軸受穴3Aと第1の循環パスの交点近傍に最大隙間G3の上部開口部と、スラスト動圧軸受面と連通路(第2の循環パス)の交点近傍に最大隙間G2のオイルリザーバ14を有し、上部開口部とオイルリザーバ14は共に大気に開放されるように構成する。そのため、フランジ外周部近傍では、回転中にはスラスト動圧発生溝とラジアル動圧溝の発生圧力の合力が少なくとも軸受内方に向かっており(図12、矢印J)、オイルリザーバ14から潤滑剤4を内周に向けて強制的に運搬する力が働くのでオイルリザーバ14からのオイルモレは発生しない。(図12参照)また一方、第1の循環パス内の潤滑剤4は回転中に遠心力を受けて第2の循環パスへ強制的に移動するよう構成されるので、上部開口部からのオイルモレも防止できる。
【0039】
尚、隙間S3の循環パスは図2の様に薄板リング状である必要はなく、循環穴3Eと同様に溝や穴や切欠き状であっても同じ効果が得られる。(図13参照)この場合断面形状は略矩形であり、この場合、図9に示す計算モデルにおける毛管圧力Pg〔Pa〕は以下の式(13)で表される。
(計算式3)
Fg=2×(u+t)×γg×cosθg ・・・(10)
Ag=u×t ・・・(11)
Pg=Fg/Ag ・・・(12)
=2×γg×cosθg×(u+t)/(u×t) ・・・(13)
u :断面の一辺の寸法 〔m〕
r :断面の他辺の寸法 〔m〕
γg:オイルの表面張力 〔N/m〕
θg:オイルの接触角 〔rad〕
Pg:毛管圧力 〔Pa〕
また、上記のように構成した流体軸受式回転装置を、図14のような記録再生装置に適用することにより、NRRO等の小さい高性能の、また潤滑剤漏れ等の発生しない高信頼性の記録再生装置を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【0040】
本発明は、ハードディスク装置等に用いられる流体軸受式回転装置において、軸の下部近傍にフランジを一体的に有し、軸にスリーブが相対的に回転自在に嵌め合わされ、軸外周またはスリーブ内周の少なくともいずれか一方には動圧発生溝を有し、フランジはスリーブの下端面の間でスラスト軸受面を構成し、スリーブ下面とフランジの上面の少なくともいずれか一方には動圧発生溝を有し、軸受の回転中に動圧発生溝が潤滑剤を循環させるとともに、潤滑剤循環パス内の各部の毛管圧力に大小関係を設け、毛管圧力が小さい側に空気が異動しやすい原理を活用して空気が軸受の内部に滞留しにくくし、スムーズに排出させる事で、油膜切れやNRROの悪化を防止し、性能と信頼性が高い流体軸受式回転装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【0041】
【図1】本発明の第1の実施例1に係る流体軸受式回転装置の断面図
【図2】本発明の流体軸受式回転装置の詳細断面図
【図3】本発明の流体軸受式回転装置の管路のイメージ図
【図4】毛管圧力図
【図5】流体軸受式回転装置の管路のイメージ図
【図6】毛管圧力図
【図7】毛管圧力の定義図
【図8】毛管圧力の定義図
【図9】毛管圧力の定義図
【図10】本発明の隙間S4近傍の気液境界面図
【図11】本発明の隙間G3近傍の気液境界面図
【図12】本発明の潤滑剤循環パス図
【図13】本発明の実施の形態における循環パス形状図
【図14】本発明の流体軸受式回転装置を備えた記録再生装置図
【図15】従来の流体軸受式回転装置の断面図
【符号の説明】
【0042】
1 軸
2 フランジ
2A スラスト動圧溝
2B 逃げ部
3 スリーブ
3A 軸受穴
3B ラジアル動圧溝
3C スリーブ下面
3E 連通路
4 潤滑剤
5 上カバー
6 下カバー
7 ハブ
8 ベース
9 ディスク
10 ロータ磁石
11 ステータ
12 蓋
13 空気または気泡
14 オイルリザーバ
40 記録再生装置
41 流体軸受式回転装置
42 記録再生ヘッド


【特許請求の範囲】
【請求項1】
軸の下部近傍に略円板状のフランジを一体的に有し、
軸に軸受穴を有するスリーブが半径隙間G1を介して相対的に回転自在に嵌め合わされ、
軸外周またはスリーブ内周の少なくともいずれか一方には動圧発生溝を有し、
フランジはスリーブの下端面の間で隙間S1のスラスト軸受面を構成し、
スリーブ下面とフランジの上面の少なくともいずれか一方には動圧発生溝を有し、
スリーブの外周にはハブが一体的に固定され、
前記フランジの外周面とこれに対向するスリーブまたはハブの内周面の面間には最大G2の半径隙間を有し、
また前記スリーブまたはハブには前記フランジとつながる連通路が設けられ、スリーブの上面近傍には隙間G1から連通路につながる循環パスを有し、
少なくとも隙間S1、G1、前記循環パス、連通路には潤滑剤が保持され、
G1における毛管圧力をPg1、G2における毛管圧力をPg2とすると、
Pg1>Pg2
の関係を満たすように構成されている流体軸受式回転装置。
Pg1及びPg2は前記隙間形状(潤滑剤溜り部形状)が略円管状のとき;
Fgo=π×Do×γ×cosθ ・・・(1)
Fgi=π×Di×γ×cosθ ・・・(2)
Di=Do−2×r ・・・(3)
Fg=Fgo+Fgi ・・・・(4)
Ag=π×(Do^2−Di^2)/4 ・・・(5)
Pg=Fg/Ag ・・・・・・・・(6)
γ :潤滑剤の表面張力 [N/m]
θ :オイルの接触角 [ラジアン]
Do:円管の外径 [m]
rg:円管の油膜厚さ [m]
Pg:毛管圧力 [パスカル]
【請求項2】
軸の下部近傍に略円板状のフランジを一体的に有し、
軸に軸受穴を有するスリーブが半径隙間G1を介して相対的に回転自在に嵌め合わされ、
軸外周またはスリーブ内周の少なくともいずれか一方には動圧発生溝を有し、
フランジはスリーブの下端面の間で隙間S1のスラスト軸受面を構成し、
スリーブ下面とフランジの上面の少なくともいずれか一方には動圧発生溝を有し、
フランジとスリーブの下端面の間にはスラスト軸受面以外に最大隙間S2の逃げ部を有し
スリーブの外周にはハブが一体的に固定され、
前記フランジの外周面とこれに対向するスリーブまたはハブの内周面の面間には最大G2の半径隙間を有し、
スリーブの上部には、上カバーがスリーブの上端面との面間に最小隙間S3から最大隙間S4の寸法の隙間を隔てて設けられるとともに、前記上カバーはスリーブまたはハブに固定され、上カバーの内径部は軸の上部に形成された径小部に対向する位置に隙間を有し、
また前記スリーブまたはハブには前記フランジと上カバーをつなぐ連通路が設けられ、
少なくとも隙間S1、S2、G1、S3、連通路には潤滑剤が保持され、
G1における毛管圧力をPg1、S2における毛管圧力をPs2,G2における毛管圧力をPg2とすると、
Pg1>Ps2>Pg2
の関係を満たすように構成されている流体軸受式回転装置。
Pg1及びPg2は前記隙間形状(潤滑剤溜り部形状)が略円管状のとき;
Fgo=π×Do×γ×cosθ ・・・(1)
Fgi=π×Di×γ×cosθ ・・・(2)
Di=Do−2×r ・・・(3)
Fg=Fgo+Fgi ・・・・(4)
Ag=π×(Do^2−Di^2)/4 ・・・(5)
Pg=Fg/Ag ・・・・・・・・(6)
γ :潤滑剤の表面張力 [N/m]
θ :オイルの接触角 [ラジアン]
Do:円管の外径 [m]
rg:円管の油膜厚さ [m]
Pg:毛管圧力 [パスカル]
Ps2は前記隙間形状(循環溜り部形状)が略薄板円板状のとき;
Fs=2π×Ds×γ×cosθ ・・・・・(7)
As=π×Ds×S1 ・・・(8)
Ps =Fs/As ・・・・・・(9)
Ds:最大隙間S1を有する循環溜り部の内径 [m]
S:スリーブとハブ間の循環溜まり部の最大隙間 [m]
Ps:毛管圧力 [パスカル]
【請求項3】
軸の下部近傍に略円板状のフランジを一体的に有し、
軸に軸受穴を有するスリーブが半径隙間G1を介して相対的に回転自在に嵌め合わされ、
軸外周またはスリーブ内周の少なくともいずれか一方には動圧発生溝を有し、
フランジはスリーブの下端面の間で隙間S1のスラスト軸受面を構成し、
スリーブ下面とフランジの上面の少なくともいずれか一方には動圧発生溝を有し、
スリーブの外周にはハブが一体的に固定され、
前記フランジの外周面とこれに対向するスリーブまたはハブの内周面の面間には隙間を有し、
スリーブの上部には、上カバーがスリーブの上端面と最小隙間S3の隙間を隔てて設けられると共に、その隙間の内周近傍にはS3より大きい隙間S4の逃げ部があり、前記上カバーはスリーブまたはハブに固定され、上カバーの内径部は軸の上部に形成された径小部に対向する位置に最大G3の半径隙間になるように設けられ、
また前記スリーブまたはハブには前記フランジと前記上カバーをつなぐ連通路が設けられ、
少なくとも隙間S1、G1、S3、連通路には潤滑剤が注入され、
G1における毛管圧力をPg1、S3における毛管圧力をPs3,S4における毛管圧力をPs4とすると、
Pg1>Ps3>Ps4
の関係を満たすように構成されている流体軸受式回転装置。
Pg1は前記隙間形状(潤滑剤溜り部形状)が略円管状のとき;
Fgo=π×Do×γ×cosθ ・・・(1)
Fgi=π×Di×γ×cosθ ・・・(2)
Di=Do−2×r ・・・(3)
Fg=Fgo+Fgi ・・・・(4)
Ag=π×(Do^2−Di^2)/4 ・・・(5)
Pg=Fg/Ag ・・・・・・・・(6)
γ :潤滑剤の表面張力 [N/m]
θ :オイルの接触角 [ラジアン]
Do:円管の外径 [m]
rg:円管の油膜厚さ [m]
Pg:毛管圧力 [パスカル]
Ps3、Ps4は前記隙間形状(循環溜り部形状)が略薄板円板状のとき;
Fs=2π×Ds×γ×cosθ ・・・・・(7)
As=π×Ds×S1 ・・・(8)
Ps =Fs/As ・・・・・・(9)
Ds:最大隙間S1を有する循環溜り部の内径 [m]
S:スリーブとハブ間の循環溜まり部の最大隙間 [m]
Ps:毛管圧力 [パスカル]
【請求項4】
軸の下部近傍に略円板状のフランジを一体的に有し、
軸に軸受穴を有するスリーブが半径隙間G1を介して相対的に回転自在に嵌め合わされ、
軸外周またはスリーブ内周の少なくともいずれか一方には動圧発生溝を有し、
フランジはスリーブの下端面の間で隙間S1のスラスト軸受面を構成し、
スリーブ下面とフランジの上面の少なくともいずれか一方には動圧発生溝を有し、
スリーブの外周にはハブが一体的に固定され、
前記フランジの外周面とこれに対向するスリーブまたはハブの内周面の面間には隙間を有し、
スリーブの上部には、上カバーがスリーブの上端面と最小隙間S3の隙間を隔てて設けられ、前記上カバーはスリーブまたはハブに固定され、上カバーの内径部は軸の上部に形成された径小部に対向する位置に最大G3の半径隙間になるように設けられ、
また前記スリーブまたはハブには前記フランジと前記上カバーをつなぐ連通路が設けられ、
少なくとも隙間S1、S3、G3、連通路には潤滑剤が注入され、
G1における毛管圧力をPg1、S3における毛管圧力をPs3,G3における毛管圧力をPg3とすると、
Pg1>Ps3>Pg3
の関係を満たすように構成されている流体軸受式回転装置。
Pg1およびPg3は前記隙間形状(潤滑剤溜り部形状)が略円管状のとき;
Fgo=π×Do×γ×cosθ ・・・(1)
Fgi=π×Di×γ×cosθ ・・・(2)
Di=Do−2×r ・・・(3)
Fg=Fgo+Fgi ・・・・(4)
Ag=π×(Do^2−Di^2)/4 ・・・(5)
Pg=Fg/Ag ・・・・・・・・(6)
γ :潤滑剤の表面張力 [N/m]
θ :オイルの接触角 [ラジアン]
Do:円管の外径 [m]
rg:円管の油膜厚さ [m]
Pg:毛管圧力 [パスカル]
Ps3は前記隙間形状(循環溜り部形状)が略薄板円板状のとき;
Fs=2π×Ds×γ×cosθ ・・・・・(7)
As=π×Ds×S1 ・・・(8)
Ps =Fs/As ・・・・・・(9)
Ds:最大隙間S1を有する循環溜り部の内径 [m]
S:スリーブとハブ間の循環溜まり部の最大隙間 [m]
Ps:毛管圧力 [パスカル]
【請求項5】
G1における毛管圧力をPg1、S3における毛管圧力をPs3,G3における毛管圧力をPg3とすると、
Pg1>Ps3>Pg3
の関係を満たすように構成されている請求項3記載の流体軸受式回転装置。
Pg3の隙間形状が略円管状のとき、
Fgo=π×Do×γ×cosθ ・・・(1)
Fgi=π×Di×γ×cosθ ・・・(2)
Di=Do−2×r ・・・(3)
Fg=Fgo+Fgi ・・・・(4)
Ag=π×(Do^2−Di^2)/4 ・・・(5)
Pg=Fg/Ag ・・・・・・・・(6)
γ :潤滑剤の表面張力 [N/m]
θ :オイルの接触角 [ラジアン]
Do:円管の外径 [m]
rg:円管の油膜厚さ [m]
Pg:毛管圧力 [パスカル]
【請求項6】
軸は上部に径小部を有し、上カバーの内周面は軸の小径部の外周面に対向し、上カバーの内径寸法は軸のラジアル軸受面の外径より小さくよりなるように構成した請求項1から5のいずれか1項に記載の流体軸受式回転装置。
【請求項7】
前記軸はフランジの下部に軸の外径より細径の軸下端部が設けられ、下カバーがフランジ下面に隙間を有するようスリーブまたはハブに固定され、下カバーの内径は軸のラジアル軸受面の外径より小さくなるよう構成された請求項1から6のいずれか1項に記載の流体軸受式回転装置。
【請求項8】
回転自在なスリーブの内周面にラジアル動圧軸受面を有し、スリーブの片端面側に潤滑剤の第1の循環パスを軸受穴とは略直角方向に有し、この第1の循環パスに連通する連通路をスリーブの軸受面に略平行に有し、スリーブの他端面にスラスト動圧軸受面を有し、軸受穴と第1の循環パスの交点近傍に最大隙間G3の開口部と、スラスト動圧軸受面と連通路の交点近傍に最大隙間G2のオイルリザーバを有し、軸上部近傍の開口部とオイルリザーバは共に大気に開放されるように構成し、回転中にスラスト動圧発生溝の発生圧力とラジアル動圧溝の発生圧力の合力が、フランジ外周近傍のオイルリザーバから潤滑剤を内周に向けて移動させる方向であり、第1の循環パス内のオイルは遠心力を受けて第2の循環パスへ移動するよう構成された請求項1から7のいずれか1項に記載の流体軸受式回転装置。
【請求項9】
請求項1から8のいずれか1項に記載の流体軸受式回転装置を備えたことを特徴とする記録再生装置。


【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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【図10】
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【図11】
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【図12】
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【図13】
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【図14】
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【図15】
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【公開番号】特開2007−333134(P2007−333134A)
【公開日】平成19年12月27日(2007.12.27)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−167206(P2006−167206)
【出願日】平成18年6月16日(2006.6.16)
【出願人】(000005821)松下電器産業株式会社 (73,050)
【Fターム(参考)】