動力軸承裝置的製作方法
2024-02-08 20:51:15
專利名稱：動力軸承裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及動力軸承裝置。本發明的動力軸承裝置適於用在例如信息設備用的主軸電動機中，雷射束印表機(LBP)的多邊形掃描儀電動機中，投影儀的色輪中，和諸如軸流式風扇的電子設備用的小電動機中，其中所述信息設備包括諸如HDD或者FDD的磁碟裝置、用於CD-ROM、CD-R/RW或者DVD-ROM/RAM的光碟裝置、以及用於MD或者MO的磁光碟裝置。
背景技術：
動力軸承通過在軸承內的間隙中產生的流體動壓力以非接觸的方式支撐軸向部件。使用這樣的動力軸承的軸承裝置(此後稱為動力軸承裝置)通常分類為接觸類型和非接觸。在接觸類型中，徑向軸承部分由動力軸承形成，而推力軸承部分由樞軸承形成。在非接觸類型中，徑向軸承部分和推力軸承部分都由動力軸承形成。這兩種類型的軸承裝置用於適應它們的應用。
非接觸類型的示例性動力軸承裝置在本申請的申請人提出的日本專利公開No.2000-291648中公開。此動力軸承裝置具有T形軸向部件，T形軸向部件包括軸向部分和凸緣部分，所述軸向部分和凸緣部分集成為一個單元以減小成本和改進精度。
日本專利未審查公開No.2000-291648傳統上，在許多情況下，考慮到耐磨性，具有凸緣部分的軸向部件由不鏽鋼形成，同時考慮到可加工性，殼體由黃銅形成。在這些情況下，當溫度增加時，軸向方向上的熱膨脹量在黃銅形成的殼體內大於在不鏽鋼所形成的凸緣部分內，因為黃銅具有比不鏽鋼更大的線性膨脹係數。在通常的動力軸承裝置中，由於流體(油)的粘性在高溫下降低，特別是在推力方向上軸承剛性的減小是個問題。當殼體的線性膨脹係數大於凸緣部分的線性膨脹係數時，推力方向上的軸承剛性進一步減小。這是因為推力軸承中的間隙的寬度在高溫時變得更大。另一方面，在低溫下，電機扭矩隨著流體粘性的增加而增加。上述詳細膨脹係數之間的差異作用來增加電動機的扭矩。如上所述，傳統的結構的缺點在於凸緣部分和殼體之間的熱膨脹量的差異作用以協助在高溫和低溫時的前述問題。
有鑑於上述的情況，本發明的目的是增加高溫下推力方向上的軸承剛度，減小低溫下的扭矩。
發明內容
為了實現上述目的，根據本發明，動力軸承裝置包括殼體；固定到殼體的內周表面的軸承套筒；軸向部件，所述軸向部件包括插入軸承套筒的內周的軸向部分以及朝向軸向部分的外徑延伸出的凸緣部分；以及推力軸承部分，用於在推力方向上以非接觸的方式通過在推力軸承部分內的間隙中產生的流體動壓力作用支撐軸向部件，所述間隙面向凸緣部分，其中凸緣部分由樹脂形成並且在軸向方向上的線性膨脹係數等於或者大於殼體在軸向方向上的線性膨脹係數。
如上所述，通過將軸向方向上的凸緣部分的線性膨脹係數設置的等於或者大於殼體在軸向方向上的線性膨脹係數，由於樹脂形成的凸緣部分的熱膨脹，推力軸承間隙在高溫下而變得更小。這樣，可以抑制高溫下推力方向上的軸承剛度的減小。另一方面，在低溫下，由於軸向方向上的熱膨脹量的差異，推力軸承間隙而變得更大。這樣，可以抑制低溫下電動機扭矩的增加。
樹脂的線性膨脹係數可以通過改變與樹脂混合的填料(包括諸如碳纖維、導電材料和其它添加劑的增強材料)的量而自由改變。這樣，在凸緣部分由樹脂形成的情況下，即使當具有不同線性膨脹係數的不同材料用作殼體的材料，凸緣部分的軸向方向上的線性膨脹係數可以通過改變與其混合的填料量而適於前述條件。
為了保證軸向部件的傳導性，有利地，用導電樹脂形成凸緣部分，所述導電樹脂具有106Ω·cm或者更小的體積電阻率。
具體而言，在殼體由樹脂形成的情況下，形成凸緣部分的樹脂的線性膨脹係數被設置為落入2×10-5至9×10-5/℃的範圍之內。在殼體由黃銅形成的情況下，形成凸緣部分的樹脂的線性膨脹係數被設置為落入2×10-5至5×10-5/℃的範圍內。
在上述的結構中，軸向部件可以具有其中軸向部分的外周由中空圓柱形金屬材料形成以及軸向部分的芯部和凸緣部分由樹脂彼此一體形成的結構。通過由金屬材料形成軸向部分的外周，就可以保證用於軸向部件需要的強度和剛度，以及軸向部分相對於由燒結金屬等形成的金屬軸承套筒的耐磨性。而且，由於軸向部件的許多部分(軸向部分的芯部和凸緣部分)由樹脂形成，軸向部件的重量可以減小。這樣，當軸向部件與其它軸承部件(軸承套筒、殼體的底部等)碰撞時就可以減小衝擊載荷並避免由於撞擊所導致的破裂或者損壞的產生。此外，由於凸緣部分由樹脂形成並具有較小的滑動摩擦，就可以減小凸緣部分和其它面向凸緣部分的軸承部件之間的摩擦係數。
包括前述動力軸承裝置、轉子磁鐵和定子線圈的電動機在高溫下具有較高的推力支承剛性，在低溫下具有較低的扭矩，以及也具有較低成本的特徵。
圖1是包括根據本發明的動力軸承裝置、用於信息設備的主軸電動機的剖視圖；圖2是動力軸承裝置的剖視圖；圖3是軸承套筒的剖視圖；圖4(a)和(b)分別是軸向部件的凸緣部分的俯視圖和其仰視圖；以及圖5是根據本發明的另一實施例的動力軸承裝置的剖視圖。
具體實施例方式
本發明的實施例將在此後參照圖1-5進行說明。
圖1顯示了用於信息設備的主軸電動機的示例性結構，其中安裝了根據本發明的實施例的動力軸承裝置1。此主軸電動機用於諸如HDD的盤驅動裝置中，並包括以非接觸方式支撐軸向部件2以自由可旋轉的動力軸承裝置1；盤轂3，所述盤轂3連接到軸向部件2；以及定子線圈4和轉子磁鐵5，所述定子線圈4和轉子磁鐵5安置的彼此相對，在徑向方向上其間設有間隙。定子線圈4連接到支架6的外周，轉子磁鐵5連接到盤轂3的內周。動力軸承裝置1的殼體7通過例如粘結固定到支架6的內周。盤轂3保持諸如磁碟的一個或者多個盤D。當電流施加到定子線圈4，轉子磁鐵5通過定子線圈4和轉子磁鐵5之間的激勵力旋轉，這樣盤轂3和軸向部件2作為一個單元旋轉。
圖2顯示了根據本發明的一個實施例的動力軸承裝置1。動力軸承裝置1主要包括在一端具有開口7a以及在另外一端具有底部7c的圓柱形殼體7；固定到殼體7的內周表面的圓柱形軸承套筒8；包括軸向部分2a和凸緣部分2b的軸向部件2；以及固定到殼體7的開口7a的密封部件10。在下述的說明中，朝向殼體7的開口7a的方向稱為向上的方向，同時朝向殼體7的底部7c的方向稱為向下方向。
殼體7例如由黃銅的軟金屬材料形成，並具有圓柱形側部7b和盤狀底部7c，所述圓柱形側部7b和盤狀底部7c彼此成一體。
軸承套筒8由燒結金屬形成，具體而言，所述燒結金屬是用油浸漬的燒結金屬。在軸承套筒8的內周表面8a上，用於產生動壓力、且每個用作徑向軸承表面的兩個動壓力產生槽區域被設置為彼此軸向分離。
如圖3所示，上部徑向軸承表面具有多個箭尾形的動壓力產生槽8a1和8a2。在此徑向軸承表面上，動壓力產生槽8a1(即圖3中的上部動壓力產生槽)在軸向方向上的長度大於動壓力產生槽8a2的長度，所述動壓力產生槽8a2是下部動壓力產生槽並在朝向與動壓力產生槽8a1的傾斜方向相反的方向傾斜。這樣，動壓力產生槽8a1和8a2相對於軸向方向不對稱。相似地，下部徑向軸承表面具有箭尾形的多個動壓力產生槽8a3和8a4。朝向軸向方向的一側傾斜的動壓力產生槽8a3被安置為與在軸向方向上朝著軸向方向的另一側傾斜的動壓力產生槽8a4遠離。但是，在此實施例中，動壓力產生槽8a3和8a4在軸向方向上的長度相同，並因此相對於軸向方向對稱，這與上部徑向軸承表面上的動壓力產生槽8a1和8a2不同。上部徑向軸承表面在軸向方向上的長度(動壓力產生槽8a1的上端和動壓力產生槽8a2的下端之間的距離)大於下部徑向軸承表面(動壓力產生槽8a3的上端和動壓力產生槽8a4的下端之間的距離)在軸向方向上的長度。徑向軸承間隙9a和9b形成在軸承套筒8的內周表面上和與它們相對的軸向部分2a的外周表面上的上部和下部徑向軸承表面之間。
通常，在相對於軸向方向傾斜的諸如箭尾形的槽的動壓力產生槽內，產生了在軸向方向上牽引油的作用，同時操作軸承。這樣，在本實施例中，動壓力產生槽8a1-8a4用作油牽引部分。由這些油牽引部分8a1-8a4牽引到徑向軸承間隙9a、9b內的油在分別布置在動壓力產生槽8a1和8a2之間以及動壓力產生槽8a3和8a4之間的平滑部分n1、n2附近被收集，以形成在周向方向上連續的油層。
此時，已經填充在軸向部分2a的外周表面和軸承套筒8的內周表面8a之間的間隙中的油由於上部徑向軸承表面的非對稱性以及上部徑向軸承表面和下部徑向軸承表面之間的軸向長度的差異而作為整體被向下推動。為了向上帶回已經推下的油，軸承套筒8的外周表面8d設有環形槽兒，所述環形槽11在軸承套筒8的兩端面8b、8c開口。此圓形槽可以形成在殼體的內周表面7d上。
如圖2所示，作為密封裝置的密封部件10是環形部件，並通過壓配合、粘結等緊固到殼體7的開口7a的內周表面。在此實施例中，密封部件10的內周表面以這樣的方式形成為錐形，即其內周表面的直徑向上變大。凸起部分10a在徑向方向上的最內位置形成在密封部件10的下端面上。凸起部分10a的端面與軸承套筒8的上端面8b接觸。除了凸起部分10a之外的密封部件的下端面相對於軸承套筒8的上端面8b處於非接觸狀態。
在密封部件的錐形內周表面和與其相對的軸向部分2a的外周表面之間形成朝向殼體7的上部部分逐漸膨脹的錐形密封空間S。用密封部件10密封的殼體7內的空間填充潤滑油。殼體內的各間隙，即，軸向部分2a的外周表面和軸承套筒8的內周表面8a(包括徑向軸承間隙9a、9b)之間的間隙，軸承套筒8的下端面8c和凸緣部分2b的上端面2b1之間的間隙，以及凸緣部分的下端面2b2和殼體7的內底面7c1(殼體7的底部)之間的間隙，填充潤滑油。油表面位於密封空間S內。
軸向部件2的軸向部分2a插入軸承套筒8的內周表面8a。凸緣部分2b容納在軸承套筒8的下端面8c和殼體7的內底面7c1之間的空間內。軸承套筒8的內周表面8a上的上部和下部徑向軸承表面與軸向部分2a的外周表面相對，其間設置徑向軸承間隙9a、9b，並分別形成第一徑向軸承部分R1和第二徑向軸承部分R2。
如圖2所示，軸向部件2具有樹脂部件21和金屬部件22的組合結構。軸向部分2a的芯部和整個凸緣部分2b通過樹脂部件21形成為一個單元，同時軸向部分2a的外周在其整個長度上由中空圓柱形金屬部件22覆蓋。作為用於樹脂部件21的材料，可以使用諸如尼龍66、LCP和PES的熱塑樹脂。如果必要，容納增強材料等的填料與上述的基樹脂材料混合。作為用於金屬部件22的材料，具有良好耐磨性的金屬、諸如不鏽鋼可以被使用。在電動機的一些應用中，考慮到材料和所需的清潔性之間關係，禁止包含Si元素的材料的使用。這樣，在這樣的情況下，當用於樹脂部件21的材料被製備時，必須選擇不包含Si元素的材料。例如，作為增強材料，不使用玻璃纖維。作為代替，使用碳纖維或者其它類型的不包含Si的增強材料。
為了防止樹脂部件21和金屬部件22彼此分開，在軸向部件的軸向部分2a的下端上(在圖2中的左部內)，金屬部件的端部嵌入凸緣部分2b內。另一方面，在軸向部分2a的上端上，金屬部件22和樹脂部件21通過接合部分軸向接合。在所示的示例中，作為示例性接合部分、具有向上變大的直徑的錐形表面22b用於接合它們。為了防止金屬部件22旋轉，有利地，通過滾花等，在嵌入凸緣部分2b內的金屬部件22的端部的外周或者邊緣上設置在周向方向上與凸緣部分2b接合的半凸半凹的接合部分。
軸向部件2例如通過將金屬部件22作為插入件通過樹脂的注射模塑法(嵌件成型)製造。在嵌件成型的情況下，就可以用較低的成本大規模製造軸向部件2同時通過增加模具的精度和將作為插入件的金屬部件用很高的精度定位在模具之內保證所需的精度。此外，軸向部分2a和凸緣部分2b的組裝與上述的模製同時完成。這樣，與其中軸向部分和凸緣部分由金屬單獨形成、然後通過壓配合等一體形成為一個單元的情況相比，在後者的工藝中，可以減小必要的工藝的數目。這樣，成本可以進一步減小。為了改良模製精度，有利地，在注射模塑法過程中模具中樹脂的流動方向可以與軸向部件2的軸向方向一致。
在凸緣部分2b的兩個端面2b1、2b2上，形成每個都用作產生動壓力的推力軸承表面的動壓力產生槽區域。在推力軸承表面上，例如形成如圖4(a)、(b)中所示的多個螺旋狀的動壓力產生槽23、24。這些動壓力產生槽23、24與凸緣部分2b的注射模塑同時模製。形成在凸緣部分2b的上端面2b1上的推力軸承表面與軸承套筒8的下端面8c相對，其間夾有推力軸承間隙，這樣形成第一推力軸承部分T1。形成在凸緣部分2b的下端面2b2上的推力軸承表面與殼體的底部7c的內底面7c1相對，其間夾有推力軸承間隙，這樣形成第二推力軸承部分T2。凸緣部分2b的厚度(軸向方向上的寬度)是0.5-1.0毫米，以及兩個推力軸承間隙的總的寬度落入18±5微米的範圍內。
根據上述結構，當軸向部件2和軸承套筒8彼此相對旋轉，即，當軸向部件2在本實施例中旋轉時，潤滑油的動壓力在徑向軸承部分R1、R2內通過如上所述的動壓力產生槽8a1-8a4的作用在徑向軸承間隙9a、9b內產生。這樣，軸向部件2的軸向部分2a以非接觸的方式由形成在各徑向軸承間隙內的潤滑油層支撐。同時，潤滑油的動壓力在兩個推力軸承部分T1、T2內通過動壓力產生槽23、24的作用在各推力軸承間隙內產生，這樣軸向部件2的凸緣部分2b以非接觸的方式由形成在各徑向軸承間隙內的各潤滑油層支撐，以在兩個推力方向上可自由旋轉。
在本發明中，樹脂製成的凸緣部分2b的軸向方向(即，樹脂MD的流動方向)上的線性膨脹係數設置的等於或者大於面向凸緣部分2b的外徑的殼體側部7b的線性膨脹係數。(在下述的說明中，徑向方向上的線性膨脹係數簡稱為「線性膨脹係數」)這樣，在高溫下在徑向方向上凸緣部分2b的熱膨脹量變得等於或者大於殼體7的熱膨脹量，這樣推力軸承間隙變小。因此，就可以抑制由於潤滑油的粘性的減小所導致的在推力方向上軸承剛性的減小。相反，在低溫下，推力軸承間隙由於軸向方向上的熱膨脹的差異而變得大。因此，就可以在低溫下抑制電動機扭矩的增加。
凸緣部分2b的適當的線性膨脹係數的合理範圍根據用於殼體7的材料而變化。在本實施例中使用黃銅殼體的情況下，例如，樹脂材料的選擇方式是其線性膨脹係數是2×10-5/℃或者更大，因為該範圍內的線性膨脹係數比黃銅的線性膨脹係數更大。在此情況下，如果樹脂和黃銅之間的線性膨脹係數的差異太大，可能會遇到一些麻煩，例如推力軸承間隙的寬度過分小。這樣，有利地，樹脂的線性膨脹係數是5×10-5/℃或者更小。
殼體7可以由樹脂形成，以代替諸如黃銅的軟金屬。在此情況下，形成凸緣部分2b的樹脂的線性膨脹係數根據形成殼體的樹脂的線性膨脹係數被設置的等於或者大於形成殼體的樹脂的線性膨脹係數。具體而言，凸緣部分2b由具有落入從2×10-5至9×10-5/℃的範圍之內的線性膨脹係數的樹脂材料模製。在這種情況下，殼體7可以由與凸緣部分2b相同類型的樹脂材料，或者與凸緣部分2b不同的樹脂材料所形成。
如上所述，根據用於殼體7的材料，必須變化用於凸緣部分2b的樹脂的線性膨脹係數。但是，對於樹脂材料，其線性膨脹係數可以通過改變與樹脂混合的填料的量設置到給定的值。這樣，根據用於殼體7的材料，可以很容易獲得具有最佳線性膨脹係數的樹脂材料。
當選擇用於凸緣部分2b的樹脂材料時，必須不僅考慮線性膨脹係數而且由於下述原因必須考慮模具收縮係數。在流動方向(MD)和垂直方向(TD)之間的模具收縮係數差異太大的情況下，在固化之後在凸緣部分2b內發生翹曲，因此推力軸承部分的軸承性能不能穩定地實現。根據本發明的發明人的檢查，發現當流動方向和垂直方向之間的模具收縮係數的差異是0.3％或者更小時，這樣的翹曲的問題不會發生，並可以實現穩定的軸承性能。在本實施例的軸向部件2內，軸向方向與流動方向一致，同時徑向方向與垂直方向一致，如上所述。因此，上述條件可以通過將凸緣部分2b的軸向方向和徑向方向之間的模具收縮係數的差異設置為0.3％或者更小來滿足。
此外，在此類型的動壓力軸承裝置中，通過與空氣的摩擦在磁碟等上產生靜電。在凸緣部分2b由絕緣樹脂形成的情況下，此靜電不能逃逸並可能導致諸如在磁碟和磁頭之間產生電勢差或者由於靜電放電所導致的外圍設備的損壞問題。為了防止這樣的問題，有利地，不但增強材料而且諸如碳的導電材料與形成凸緣部分2b的樹脂材料混合，這樣樹脂材料的體積電阻率為106Ω·cm或者更小。在殼體7由樹脂形成的情況下，有利地使用相似的導電樹脂。
滿足前述物理性能的樹脂材料的示例包括通過將作為基材料樹脂的62wt％(重量百分比)(78.7vol％(體積百分比))的PES(Sumitomo ChemicalCo.，Ltd.，PES-3600P)與作為增強材料的10wt％(5.8vol％)的硼酸鋁晶須(Shikoku Kasei Corp.，ALBOREX Y)，作為無機微粒的碳酸鋇20wt％(7.7vol％)(Sakai Chemical Industry Co.，Ltd.，BW-P)，以及8wt％(7.7vol％)的導電碳(KETJENBLACK，EC-6)混合所獲得的複合材料。
對於此樹脂材料，MD和TD上的線性膨脹係數分別是0.6和2.6[×10-5/℃]，體積電阻率是2.5×105[Ω·cm]。這樣，可以滿足前述的物理性能。
圖5顯示了本發明的另一實施例。此實施例與圖2中所示的實施例不同在於殼體7的底部7c』與側部7b形成為單獨的部件，且密封裝置10』與殼體7作為一個單元一體形成。形成殼體7的底部7c』的部件通過壓配合、粘結等被緊固到殼體側部7b的下端上的開口。在此部件7c』上表面的外周邊上，形成軸向凸起部分7c2。通過使凸起部分7c2的上端與軸承套筒8的下端面接觸，限定了推力軸承間隙的寬度。在殼體側部7b的上端上，形成軛流部分7g。軛流部分7g的內周表面和軸向部分2a的外周表面形成密封裝置10』。在此實施例中，與如圖2所示實施例中所獲得的效果相同的效果也可以通過將形成凸緣部分2b的樹脂在軸向方向上的線性膨脹係數設置的等於或者大於殼體7的線性膨脹係數來實現(特別地，面向凸緣部分2b外周的底部部件7c』的凸起部分7c2)。
除了上述之外，本實施例與圖2所示的實施例具有相同或者相似的結構和效果。這樣，在兩個實施例中具有相同的功能/結構的部分用相同的表示表示，並省略冗餘的說明。
權利要求
1.一種動力軸承裝置，包括殼體；固定到殼體的內周表面的軸承套筒；軸向部件，所述軸向部件包括插入軸承套筒的內周的軸向部分和朝向軸向部分的外徑延伸出的凸緣部分；以及推力軸承部分，所述推力軸承部分用於通過在推力軸承部分內的間隙中產生的流體的動壓力的作用在推力方向上以非接觸的方式支撐軸向部件，所述間隙面向凸緣部分，其中凸緣部分由樹脂形成並且凸緣部分在軸向方向上的線性膨脹係數等於或者大於在軸向方向上的殼體的線性膨脹係數。
2.根據權利要求1所述的動力軸承裝置，其中凸緣部分由具有106Ω·cm或者更小的體積電阻率的導電樹脂形成。
3.根據權利要求1或2所述的動力軸承裝置，其中所述殼體由樹脂形成；以及形成凸緣部分的樹脂的線性膨脹係數被設置為落入2×10-5至9×10-5/℃的範圍之內。
4.根據權利要求1或2所述的動力軸承裝置，其中所述殼體由黃銅形成；以及形成凸緣部分的樹脂的線性膨脹係數被設置落入從2×10-5至5×10-5/℃的範圍內。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的動力軸承裝置，其中軸向部件的軸向部分的外周由中空圓柱形金屬材料形成並且軸向部分的芯部和凸緣部分由樹脂彼此一體形成。
6.一種電動機，包括根據權利要求1-5中任一項所述的動力軸承裝置；轉子磁鐵；以及定子線圈。
全文摘要
本發明的目的是提高在高溫下在推動方向上的軸承剛度，以及減小在低溫下的扭矩。軸向部件(2)安置的方式是軸向部分(2a)的外周表面與軸承套筒的內周表面相對，其間設有間隙，凸緣部分(2b)的兩個端面(2b1)和(2b2)與軸承套筒的一個端面和殼體的底面，其間分別設置推力軸承間隙。以這樣的方式，軸向部件(2)以非接觸的方式通過在推力方向上各軸承間隙中所產生的動壓力支撐。軸承部件(2)的凸緣部分由樹脂形成，且其軸向方向上的線性膨脹係數等於或者大於殼體(7)的線性膨脹係數。
文檔編號H02K7/08GK1864009SQ200480029249
公開日2006年11月15日 申請日期2004年10月12日 優先權日2003年10月14日
發明者伊藤健二, 中島良一 申請人:Ntn株式會社