JP4481475B2 - 動圧型軸受ユニット - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高回転精度、高速安定性、高耐久性、低騒音性等に優れた特性を有する動圧型軸受ユニットに関し、特に情報機器用スピンドルモータのスピンドル支持用に好適な軸受ユニットに関する。ここでいう「情報機器用スピンドルモータ」には、例えば、ＣＤ−Ｒ／ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＯＭ／ＲＡＭなどの光ディスク、ＭＯなどの光磁気ディスク、ＨＤＤなどの磁気ディスクを駆動するスピンドルモータ、あるいはレーザビームプリンタ（ＬＢＰ）や複写機のポリゴンスキャナモータなどが含まれる。
【０００２】
【従来の技術】
近年、上記各種情報機器用スピンドルモータやポリゴンスキャナモータのスピンドル支持用の軸受として、動圧型軸受が注目されている。この動圧型軸受は、軸受隙間に生じた潤滑油の動圧効果で軸を非接触支持するものであるが、その中でも、図７に示すように、軸受部材５２として潤滑油や潤滑グリースを含浸させた焼結金属を使用する動圧型焼結含油軸受は、コスト面などに優れた利点を備えるため、上記スピンドルモータやポリゴンスキャナモータ用の軸受としてさらに広範な利用が期待されている。
【０００３】
この動圧型の焼結含油軸受は、潤滑油が軸受隙間Ｃと軸受部材５２の内部とを循環する点に特色がある。つまり、軸受ユニットの昇温や軸５１の回転に伴う圧力発生により軸受部材５２の内部から滲み出した油は、傾斜した動圧溝５５の作用によって軸受面に引き込まれて動圧作用を呈し、軸受面の正圧によって軸受面の細孔から軸受部材５２の内部に還流し、その後、再び軸受部材５２の表面から滲み出すというサイクルを繰り返す。
【０００４】
ところで、潤滑油の滲み出しは、軸受部材５２の内周面のみならず、それ以外の表面、例えば軸受部材５２のハウジング開口側端面５２ａでも生じる（この場合の滲み出しは、油の熱膨張が主要因となる）。そのため、軸受の運転中には当該端面５２ａ付近に潤滑油が溜まる場合がある。特に組立時のエア抜き用として、ハウジング５３の内周と軸受部材５２の外周との間に通気路５９を設けた場合、軸受部材５２のハウジング底部側のチャンファ５２ｃや通気路５９の表面に滲み出た油もこの通気路５９を通って上方に移動する。そのため、上記ハウジング開口側端面５２ａ付近に溜まる油量が増大する傾向にあり、場合によってはハウジング５３の開口部に取付けたシール部材６１と軸受部材５２の端面５２ａとの間の隙間６２（保油隙間）が潤滑油で満たされ、この潤滑油がシール部材６１の内周と軸５１の外周との間のシール隙間を通って軸受ユニット外に漏洩するおそれがある。
【０００５】
この漏洩を防止するためには、保油隙間６２に溜まった油をシール部材６１に接触させないことが重要となる。一般にこの種の軸受では、軸受の運転条件が定まれば運転中の軸受温度も定まるため、熱膨張による油の容積増加量を予め把握し、この容積増加量に対応した容積に保油隙間６２を設定することにより、油面とシール部材６１との接触を回避することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、保油隙間６２に溜まる油量が予想レベルであったとしても、種々の要因によって油面とシール部材の接触が起こり得る。例えば軸の挿入後に通気路５９に気泡が残留していた場合、図８（ａ）に示すように、軸受運転時には上述のような潤滑油の挙動によって気泡Ｂは通気路５９を通ってハウジング開口側へ押し出され、保油隙間６２に開放される。この開放は気泡がはじける形で行なわれるが、その際に図８（ｂ）に示すように気泡Ｂがシール部材６１と接触し、潤滑油がハウジング５３の内周面を介してシール部材６１の端面に接触することも起こり得る。また、モータの駆動姿勢（傾斜状態や横置き状態で使用する場合等）によっては、図９に示すように潤滑油の偏りが生じる場合があり、その際には溜まった潤滑油が流動してシール部材６１と接触する。さらに注油量のばらつき等も上記接触を招く要因となり得る。
【０００７】
これらを考慮すると、油の漏洩対策としては、単に保油隙間６２の幅を適性値に設定するだけでは不充分であり、上記複合要因に対しても油面とシール部材との接触を確実に防止し得る構造の提供が望まれる。
【０００８】
そこで、本発明は、ハウジング内での油とシール部材との接触を確実に防止することにより、油漏れを防止することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、含油焼結金属からなり、支持すべき軸との間に軸受隙間を有し、軸との相対回転で軸受隙間に生じた油の動圧により軸を非接触支持する軸受部材と、軸受部材が収容され、一端が開口で他端が閉じられたハウジングと、ハウジングの開口部をシールし、軸受部材のハウジング開口側端面と対向する面が空気と接触するシール部材と、ハウジング内周と軸受部材の外周との間に形成された第一通路を備え、軸、軸受部材、およびハウジングの底部で囲まれた密閉空間を外気に開放する通気路とを具備する動圧型軸受ユニットにおいて、ハウジングの内周と軸受部材の外周間のハウジング開口側端部に、上記通気路の第一通路と連通する油溜まり部を設け、油溜り部における軸受運転中の油面を軸受部材のハウジング開口側端面よりもハウジング反開口側に位置させた。
【００１０】
油溜まり部を設けることにより、軸受の運転中に通気路を介してハウジングの開口側に押し上げられた油や軸受部材から滲み出した油は油溜まり部に溜まる。この油溜まり部は、ハウジングの内周と軸受部材の外周間のハウジング開口側端部、つまり軸受部材のハウジング開口側の端面からその反開口側の領域にかけて形成されるため、油溜まり部の油面レベルを従来品よりもハウジング反開口側に後退させることができる。これにより、シール部材と油面との間の距離が拡大するので、気泡の開放やモータ駆動姿勢の傾き、あるいは注油量のバラツキに基づくシール部材と油面との接触を回避することができる。
【００１１】
この場合、油溜まり部の容積は軸受運転中の油の容積増大量よりも大きく設定するのが望ましく、これにより油溜まり部の油面レベルを軸受部材のハウジング開口側端面よりも反開口側に後退させることができる。
【００１２】
具体的に通気路は、さらに軸受部材のハウジング反開口側端面とこれに対向するハウジングとの間に形成された第二通路とで構成することができる。かかる構成から、組立時において軸を軸受部材に挿入する際には、軸、軸受部材、およびハウジングで囲まれたハウジング底部の密閉空間の空気が第二通路および第一通路を経て外気に開放されるため、軸の挿入が容易に行なえるようになる。この場合、上記通気路のうちの第一通路を油溜まり部に開口させる。
【００１３】
軸受部材のハウジング開口側端面とシール部材との間に軸方向の隙間を設けることにより、油溜まり部の油面とシール部材との間の距離がさらに拡大するため、油面とシール部材との接触防止により有効となる。
【００１４】
上記動圧型軸受ユニットは、ハウジング内に、軸をスラスト方向で支持するスラスト軸受部を有するものとすることができ、これにより軸にスラスト荷重が負荷される用途でも安定して軸を支持することができる。
【００１５】
上記動圧型軸受ユニットは、軸と軸受部材との相対回転により光ディスク、光磁気ディスク、あるいは磁気ディスクの何れかを回転させるスピンドルモータ、または軸と軸受部材との相対回転によりポリゴンミラーを回転させるポリゴンスキャナモータのスピンドル支持用として使用することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。
【００１７】
図１は、情報機器の一種であるレーザビームプリンタ（ＬＢＰ）に装備されるポリゴンスキャナモータの断面図である。このモータは、垂直姿勢の軸１を回転自在に支持する軸受部材２を有する軸受ユニットＵと、軸１の上端に取付けられたポリゴンミラーＰと、軸方向のギャップを介して対向させたステータｍ_Sおよびロータｍ_Rを主体とするモータ部Ｍとで構成される。軸受部材２はベース４に取付けたハウジング３の内周に固定される。６はロータハブ、７はポリゴンミラーＰをロータハブ６に押付けるための予圧バネである。ステータｍ_Sに通電すると、ロータハブ６に取付けられたロータｍ_Rとの間の励磁力でロータｍ_Rが回転し、この回転に伴って軸１およびポリゴンミラーＰが回転する。レーザ光源から所定の光学系を経てポリゴンミラーＰに入射したレーザ光は、ポリゴンミラーＰにより反射されて図示しない感光ドラム面を走査する。
【００１８】
軸受ユニットUを他の情報機器用スピンドルモータ、例えばディスク装置のスピンドルモータに用いる場合は、ディスク（光ディスク、磁気ディスク、あるいは光磁気ディスク等）が軸１に支持される。
【００１９】
図２に示すように、軸受ユニットUは、軸１と、軸１を支持する軸受部材２と、軸受部材２を内周に固定したハウジング３とを主要構成要素とする。
【００２０】
ハウジング３は一端を開口すると共に、他端を閉じた有底円筒型をなし、一端側の開口部を上にしてベース４（図１参照）に固定されている［以下の説明では、ハウジングの開口側（図面上方）を「開口側」と称し、その軸方向反対側（図面下方）を反開口側と称する］。ハウジング３の他端側には底部３ａが設けられる。この底部３ａは図示のようにハウジング３の筒状部分と一体形成する他、別部材で製作してから筒状部分の他端開口部に固定してもよい。
【００２１】
ハウジング３内部の反開口側には、軸１をスラスト方向で支持するスラスト軸受部１１が設けられる。スラスト軸受部１１は、例えば底部３ａに装着したスラストワッシャ１２に球面状の軸端を接触させて構成することができるが、その構造は任意である。スラスト軸受部１１よりもハウジング開口側には、内径側に張出した係止部３ｂが形成される。この係止部３ｂは、軸受部材２のハウジング反開口側の端面２ｂと軸方向で係合してその位置決めを行なう。
【００２２】
軸受部材２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円筒状に形成される。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。軸受部材２の内周には、軸１の外周面と微小な軸受隙間Ｃを介して対向する軸受面１４が軸方向に離隔して二箇所に形成される。双方の軸受面１４には、軸方向に対して傾斜した複数の動圧溝１５（へリングボーン型）が円周方向に配列形成される。動圧溝１５は軸方向に対して傾斜して形成されていれば足り、この条件を満たす限りへリングボーン型以外の他の形状、例えばスパイラル型でもよい。動圧溝１５の溝深さは２〜１０μｍ程度が適当で、例えば３μｍに設定される。
【００２３】
図３（ａ）に示すように、両軸受面１４は、一方に傾斜する動圧溝１５が配列された第１の溝領域m1と、第１の溝領域m1から軸方向に離隔し、他方に傾斜する動圧溝１５が配列された第２の溝領域m2と、２つの溝領域m1、m2の間に位置する環状の平滑部ｎとを備えており、２つの溝領域m1、m2の動圧溝１５は平滑部ｎで区画されて非連続になっている。平滑部ｎと動圧溝１５間の背の部分１６とは同一レベルにある。
【００２４】
この動圧型軸受ユニットでは、軸１の回転に伴う圧力（負圧）の発生と昇温による油の熱膨張によって軸受部材２の内部の油（潤滑油、または潤滑グリースの基油）が軸受部材２の表面からからにじみ出し、動圧溝１５の作用により軸受面１４と軸１の外周面との間の軸受隙間Cに引き込まれる。軸受隙間Cに引き込まれた油は軸受面１４で潤滑油膜を形成して軸１を非接触支持する。軸受面１４に正圧が発生すると、軸受面１４の表面に孔（開孔部：多孔質体組織の細孔が外表面に開口した部分をいう）があるため、油は軸受部材２の内部に還流するが、次々と新たな油が軸受面１４に押し込まれ続けるので油膜力および剛性は高い状態で維持される。この場合、連続して安定した油膜が形成されるので、高回転精度が得られ、軸振れやＮＲＲＯ、ジッタ等が低減される。また、軸１と軸受部材２が非接触で回転するために低騒音であり、しかも低コストである。
【００２５】
上記動圧型軸受ユニットＵの組立に際し、通常、軸１はハウジング３に軸受部材２を装着した状態で軸受部材２の内径部に挿入される。軸１の挿入前には、潤滑性向上のために予めハウジング３内に注油する場合があるが、軸受部材２と軸１との間の軸受隙間Ｃは数μｍ程度しかないため、軸端と注油した油の上面との間に閉じ込められた空気の逃げ場がなくなり、軸１の挿入が難しくなる。
【００２６】
この対策として本発明の軸受ユニットＵには、図１および図２に示すように、ハウジング３の反開口側で軸１、軸受部材２、およびハウジング３によって囲まれた密閉空間１８を外気に開放する通気路１９が形成される。通気路１９は、軸受部材２の両端面２ａ、２ｂに開口する第一通路１９ａと、第一通路１９ａと密閉空間１８とを連通する第二通路１９ｂとで構成される。第一通路１９ａは、軸受部材２の外周面とハウジング３の内周面との間に、第二通路１９ｂは、軸受部材２のハウジング反開口側の端面２ｂとこれに対向するハウジング３（係止部３ｂ）との間にそれぞれ形成される。本実施形態では、図３（ａ）（ｂ）に示すように、第一通路１９ａを軸受部材２の外周面に設けた二つの軸方向溝で形成し、第二通路１９ｂを軸受部材２のハウジング反開口側端面２ｂに設けた二つの半径方向溝で形成した場合を例示している。なお、これらは例示に過ぎず、例えば第一通路１９ａをハウジング３の内周面に、第二通路１９ｂを係止部３ｂの端面に形成することもできる。図３（ｂ）に示すように、第一通路１９ａと第二通路１９ｂの位相は９０°ずれているが、その場合でも両通気路１９ａ、１９ｂは軸受部材端面２ｂの外径側チャンファ部２ｃを介して互いに連通状態にある。
【００２７】
図１および図２に示すように、ハウジング３の一端開口部は、リング状のシール部材２１でシールされる。このシール部材２１は、例えば樹脂材料（例えばポリアミドなど）や金属材料（焼結金属も含む）で形成され、接着や圧入等の手段でハウジング３の一端開口部に固定される。シール部材２１は、その内周面と軸１の外周面との間に微小なシール隙間を介在させた非接触シールで、シール隙間での毛細管現象によりハウジング３内部からの油漏れが防止される。この際、軸１の外周面の少なくともシール部材２１の内周面との対向領域に撥油剤を塗布しておけば、油漏れ対策としてより有効である。シール部材２１としては、トルクの増大・変動を回避するためにも非接触シールを使用するのが望ましいが、これらが特に問題とならないのであれば接触シールを使用することもできる。シール部材２１は、軸受部材２のハウジング開口側端面２ａとの間に軸方向の隙間２２（保油隙間）を介在させて配置されている。
【００２８】
図１および図２に示すように、軸受部材２の開口側端面２ａの外径側から反開口側にかけての領域、つまりハウジング３内周と軸受部材２外周間のハウジング開口側端部には、環状の油溜まり部２３が設けられる。この油溜まり部２３は、ハウジング３の内周あるいは軸受部材２の外周のうち、何れか一方または双方を部分的に除去することにより形成され、本実施形態ではハウジング３の内周を切除して形成した油溜まり部２３を例示している。油溜まり部２３のハウジング開口側は保油隙間２２に開口しており、また油溜まり部２３の内径側には第一通路１９ａが開口している。
【００２９】
軸受の運転中は、軸受部材２から滲み出した油が通気路１９を通じてハウジング開口側に押し上げられ、油溜まり部２３に溜まる。この際、従来品に比べて油面が油溜まり部２３の容積分だけハウジング反開口側に後退するため、油面とシール部材２１の端面との間の距離を拡大させることができる。従って、予め油溜まり部２３の容積を軸受運転中の油の容積増大量（軸受停止中から軸受運転後、安定状態に至るまでの軸受部材２外に存在する油量の差）よりも大きく設定しておけば、軸受運転中の油面を軸受部材２の端面２ａよりもハウジング反開口側に位置させることができる。この際、油溜まり部２３の油は、ハウジング３の内周と軸受部材端面２ａの外径側チャンファ部２ｄとの間の毛細管力によって保持されるので、保油隙間２２側には流出しにくく、仮に一時的に流出したとしても軸受部材端面２ａとシール部材２１との間に十分な距離が確保されているので、油とシール部材２１との接触が確実に防止される。
【００３０】
この場合、通気路１９中に残存した気泡の開放は、軸受部材２の端面２ａよりもハウジング反開口側で行なわれるため、気泡とシール部材２１との接触を防止することができる。また、図４に示すようにモータの駆動姿勢に傾きがある場合でも油の偏りによる油とシール部材２１との接触が防止可能となり、さらに注油量にバラツキがある場合でも油とシール部材２１の接触を防止することができる。運転を停止すると、ユニットの温度低下に伴って軸受部材２外の潤滑油が軸受部材２の内部に回収されるが、油溜まり部２３の存在により、潤滑油と軸受部材２との接触面積が十分に確保されるので、油の回収も迅速に行なわれる。
【００３１】
以上から、本発明によれば、油の熱膨張以外の種々の要因に対しても油とシール部材２１との接触を確実に防止でき、シール隙間からの油漏れを防止して長期間安定して軸受機能を維持することができる。
【００３２】
油溜まり部２３を有しない従来品で油とシール部材２１との接触を回避するには、保油隙間２２の軸方向幅を大きくする他なく、軸受ユニットの軸方向寸法が大型化が避けられないが、本発明によれば、このような不具合はなく軸受ユニットの小型化が可能となる。また、従来では、潤滑油中に混在した気泡を除去するため、軸の挿入工程前に脱泡作業等が必要となっていたが、本発明によれば気泡は通気路１９を介し油溜まり部２３に押し上げられて開放され、しかもその開放に際して気泡がシール部材２１と接触することはないので、脱泡作業等が不要となり、組立コストの低減を図ることができる。
【００３３】
図５は、従来品（図７参照）と本発明品（図２参照）との間で、運転時間の経過に伴う潤滑油の漏洩の有無を試験した結果を示すものである。試験条件は以下の通りである。
回転速度：３００００ｒｐｍ
雰囲気温度：６０℃
モータ姿勢：４０°傾斜
試験時間：３０万サイクル
運転条件：ＯＮ／ＯＦＦ（１サイクル３６秒）
測定項目：電流値、面振れ
潤滑油が漏洩すると、軸受ユニットＵ内の攪拌抵抗が減るためにモータ電流が一次的に低下し、それに伴って面振れ特性が劣化する。従って、時間経過に伴う電流値と面振れを測定すれば、間接的に潤滑油の漏洩の有無を評価できると考えられる。図５（ａ）（ｂ）より従来構造の場合、２０万サイクルで電流値が急激に低下し、面振れ量も上昇している。この時点でロータを抜いたところ、ロータ内周面に潤滑油が飛散した跡があり、油漏れが確認された。一方、本特許発明の構造では、３０万サイクル経過後も電流値や面触れ値の変化は見られず、良好な潤滑性が維持されることが確認された。
【００３４】
図６は、本発明の他の実施形態を示すもので、シール部材２１と軸受部材端面２ａとを密着させて保油隙間２２を省略したものを示している。この場合もハウジング３の内周面と軸受部材２の外周面間のハウジング開口側端部に通気路１９と連通する油溜まり部２３を設けることにより、油漏れ防止を図ることができる。これ以外の構成は、図１および図２に示す実施形態と同一であるので、対応する部材・部分に同一参照番号を付し、重複説明を省略する。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ハウジングの開口側に溜まった油とシール部材との接触を回避し、これにより油漏れを確実に防止できるので、長期間安定した軸受機能が得られる。また、シール部材と軸受部材の端面との間の隙間を小さくできるので、軸方向寸法のコンパクト化が容易であり、しかも組立コストの抑制も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる動圧型軸受ユニットを用いたＬＢＰポリゴンスキャナモータの断面図である。
【図２】上記動圧型軸受ユニットの断面図である。
【図３】上記動圧型軸受ユニットで使用される軸受部材の断面図（Ａ図）、および底面図（Ｂ図）である。
【図４】運転姿勢を傾けた動圧型軸受ユニットの要部拡大断面図である。
【図５】実験結果を示す図である。
【図６】本発明の他の実施形態を示す断面図である。
【図７】従来の動圧型軸受ユニットの断面図である。
【図８】気泡の開放過程を示す動圧型軸受ユニットの要部拡大断面図である。
【図９】運転姿勢を傾けた従来の動圧型軸受ユニットの要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１ 軸
２ 軸受部材
２ａ 端面（ハウジング開口側）
２ｂ 端面（ハウジング反開口側）
３ ハウジング
１１ スラスト軸受部
１４ 軸受面
１８ 密閉空間
１９ 通気路
１９ａ 第一通路
１９ｂ 第二通路
２１ シール部材
２２ 隙間（保油隙間）
２３ 油溜まり部
Ｃ 軸受隙間

Claims (8)

1. 含油焼結金属からなり、支持すべき軸との間に軸受隙間を有し、軸との相対回転で軸受隙間に生じた油の動圧により軸を非接触支持する軸受部材と、軸受部材が収容され、一端が開口で他端が閉じられたハウジングと、ハウジングの開口部をシールし、軸受部材のハウジング開口側端面と対向する面が空気と接触するシール部材と、ハウジング内周と軸受部材の外周との間に形成された第一通路を備え、軸、軸受部材、およびハウジングの底部で囲まれた密閉空間を外気に開放する通気路とを具備する動圧型軸受ユニットにおいて、
   ハウジングの内周と軸受部材の外周間のハウジング開口側端部に、上記通気路の第一通路と連通する油溜まり部を設け、油溜り部における軸受運転中の油面を軸受部材のハウジング開口側端面よりもハウジング反開口側に位置させたことを特徴とする動圧型軸受ユニット。
2. 油溜まり部の容積を軸受運転中の油の容積増大量よりも大きく設定した請求項１記載の動圧型軸受ユニット。
3. 通気路が、さらに軸受部材のハウジング反開口側端面とこれに対向するハウジングとの間に形成された第二通路とを具備する請求項１または２記載の動圧型軸受ユニット。
4. 第一通路を油溜まり部に開口させた請求項３記載の動圧型軸受ユニット。
5. 軸受部材のハウジング開口側端面とシール部材との間に軸方向の隙間を有する請求項１〜４何れか記載の動圧型軸受ユニット。
6. ハウジング内に、軸をスラスト方向で支持するスラスト軸受部を有する請求項１〜５何れか記載の動圧型軸受ユニット。
7. 軸と軸受部材との相対回転により光ディスク、光磁気ディスク、あるいは磁気ディスクの何れかを回転させる、請求項１〜６の何れかに記載した動圧型軸受ユニットを備えるスピンドルモータ。
8. 軸と軸受部材との相対回転によりポリゴンミラーを回転させる、請求項１〜６の何れかに記載した動圧型軸受ユニットを備えるポリゴンスキャナモータ。

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