流體動壓軸承裝置與使用於該裝置的軸承構件以及軸構件的製作方法

2023-12-09 12:11:56

本發明涉及流體動壓軸承裝置與使用於該流體動壓軸承裝置的軸承構件以及軸構件。

背景技術：

流體動壓軸承裝置通過由軸構件的外周面與軸承構件的內周面之間的徑向軸承間隙的流體膜(例如油膜)產生的壓力，將軸構件非接觸支承為相對旋轉自如。流體動壓軸承裝置因其高旋轉精度以及靜肅性，而適用於信息設備(例如，HDD等磁碟驅動裝置、CD-ROM、CD-R/RW、DVD-ROM/RAM、藍光光碟等光碟驅動裝置、MD、MO等光磁碟驅動裝置)的主軸電動機、雷射印表機(LBP)的多邊形掃描儀電動機、投影儀的色輪、或者電氣設備的冷卻風扇等所使用的風扇電動機等小型電動機用。

流體動壓軸承裝置大體分為在軸承構件的內周面或者軸構件的外周面設置有使徑向軸承間隙的流體膜積極地產生動壓的徑向動壓產生部的類型(所謂的動壓軸承)、將軸承構件的內周面以及軸構件的外周面均設為圓筒面並通過軸構件的振擺迴轉而產生動壓的類型(所謂的圓筒形軸承)。例如在下述的專利文獻1中示出動壓軸承的一例。

在先技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本專利第3954695號公報

技術實現要素：

發明要解決的課題

例如筆記本電腦、平板型終端等的可攜式信息設備(所謂的可攜式設備)的輕薄化發展，因此組裝於上述設備的風扇電動機也謀求輕薄化(軸向尺寸的縮小)。另一方面，謀求維持風扇電動機的冷卻特性，因此安裝於旋轉軸的葉輪存在變大的趨勢。因此，對支承風扇電動機的旋轉軸的流體動壓軸承裝置施加的負荷變大。特別是，上述那樣的可攜式設備在各種環境、姿態使用，因此由於移動時的振動等而使施加於流體動壓軸承裝置的負荷進一步變大，存在旋轉軸的旋轉精度降低的可能性。

根據以上這樣的情況，流體動壓軸承裝置謀求負荷容量(特別是徑向上的負荷容量)的進一步提高。例如，若進一步縮小徑向軸承間隙，則能夠提高流體動壓軸承裝置的徑向上的負荷容量。但是，徑向軸承間隙的大小取決於軸構件以及軸承構件的加工精度，特別是徑向動壓產生部的加工精度，因此若繼續減小徑向軸承間隙，則需要非常高精度的加工因此導致加工成本提高。

另外，若提高徑向軸承間隙中充滿的流體(例如油)的粘度，則能夠提高流體動壓軸承裝置的負荷容量。但是，在該情況下，軸構件的旋轉轉矩增大。

鑑於以上的情況，本發明所要解決的課題在於，在不導致加工成本提高、旋轉轉矩增加的情況下，提高流體動壓軸承裝置的徑向上的負荷容量，從而提高旋轉精度。

用於解決課題的手段

在使流體動壓軸承裝置以正常姿態運轉時，在能夠得到徑向動壓產生部產生的壓力提高效果的動壓軸承的情況下，與不具有徑向動壓產生部的圓筒形軸承相比，軸的旋轉精度高。另一方面，在使流體動壓軸承裝置以非正常狀態(例如擺動狀態)運轉的情況下，當軸相對於軸承構件大幅偏心時，在圓筒形軸承的情況下，與動壓軸承相比大多負荷容量變大。認為這是由於以下的理由造成的。即，在軸偏心的狀態下，徑向軸承間隙極小，徑向軸承間隙的流體壓力非常高。在動壓軸承的情況下，在軸承面形成有具有凹凸的徑向動壓產生部，因此在凹部(槽部)的形成區域不形成上述這樣的極小的徑向軸承間隙。這樣，動壓軸承與圓筒形軸承相比，支承面積變小形成有凹部的量，因此軸偏心時的負荷容量也與圓筒形軸承相比變小。

本發明是著眼於上述點而完成的。具體地說，本發明涉及一種流體動壓軸承裝置，其具備：軸承構件；插入所述軸承構件的內周的軸構件；以及設置於所述軸承構件的內周面或者所述軸構件的外周面的徑向動壓產生部，所述徑向動壓產生部具有：沿周向延伸的環狀丘部；從所述環狀丘部向軸向兩側延伸的多個傾斜丘部；以及設置於所述多個傾斜丘部的周向之間的多個傾斜槽部，其中，各傾斜丘部的周向寬度W1與各傾斜槽部的周向寬度W2之比W1/W2為1.2以上，並且，在所述軸承構件的內徑設為D時，各傾斜槽部的周向寬度W2滿足0.2D≤W2≤0.4D。

這樣，通過增大丘部的面積的比例(具體地說，將各傾斜丘部的周向寬度W1與各傾斜槽部的周向寬度W2之比W1/W2設為1.2以上)，從而在軸偏心時發揮接近圓筒形軸承的效果，負荷容量提高。此時，通過將各傾斜槽部的周向寬度W2設定為處於規定範圍內(0.2D≤W2≤0.4D)，從而能夠得到由徑向動壓產生部產生的適當的動壓效果，與如上述那樣增大丘部的比例的效果相結合，在軸偏心時能夠得到比圓筒形軸承高的負荷容量。

如上述那樣，為了發揮接近圓筒形軸承的效果，並且發揮作為動壓軸承的效果，優選的是，所述傾斜丘部以及所述傾斜槽部相對於周向的角度設為處於10°～30°的範圍內。

在所述軸承構件為燒結金屬的情況下，在擺動時形成的極小的徑向軸承間隙的潤滑流體從軸承構件的表面開孔向內部穿過，因此徑向軸承間隙的流體膜的壓力降低。在該情況下，如上述那樣，有效地增大丘部的面積比率，增大極小的徑向軸承間隙的形成區域。

上述這樣的流體動壓軸承裝置優選組裝於例如風扇電動機。

發明效果

如以上那樣，根據本發明，能夠在不導致加工成本提高、旋轉轉矩增加的情況下，提高流體動壓軸承裝置的徑向上的負荷容量，從而提高旋轉精度。

附圖說明

圖1是風扇電動機的剖視圖。

圖2是組裝於上述風扇電動機的流體動壓軸承裝置的剖視圖。

圖3是上述流體動壓軸承裝置的軸承構件的剖視圖。

圖4是另一實施方式所涉及的流體動壓軸承裝置的軸構件的側視圖。

圖5是擺動試驗裝置的側視圖。

具體實施方式

在圖1中示出組裝於信息設備特別是可攜式電話、平板型終端等可攜式設備的冷卻用的風扇電動機。該風扇電動機具備：本發明的一實施方式所涉及的流體動壓軸承裝置1、安裝於流體動壓軸承裝置1的軸構件2的轉子3、安裝於轉子3的外徑端的葉片4、在徑向上隔著間隙而對置的定子線圈6a以及轉子磁體6b、以及收容上述構件的外殼5。定子線圈6a安裝於流體動壓軸承裝置1的外周，轉子磁體6b安裝於轉子3的內周。通過向定子線圈6a通電，轉子3、葉片4、以及軸構件2一體地旋轉，由此產生軸向或者外徑方向上的氣流。

如圖2所示，流體動壓軸承裝置1具備：軸構件2、殼體7、作為軸承構件的軸承套筒8、密封構件9、以及推力承受件10。需要說明的是，以下，為了便於說明，在軸向(圖2的上下方向)上將殼體7的開口側稱作上側，將殼體7的底部7b側稱作下側。

軸部件2由不鏽鋼等金屬材料形成為圓柱狀。軸構件2具有：圓筒面狀的外周面2a、以及設置於下端的球面狀的凸部2b。

殼體7具有：大致圓筒狀的側部7a、以及閉塞側部7a的下方的開口部的底部7b。在圖示例中，側部7a與底部7b由樹脂一體地注射成形。在側部7a的外周面7a2固定有外殼5以及定子線圈6a。在側部7a的內周面7a1固定有軸承套筒8。在底部7b的上側端面7b1的外徑端設置有位於比內徑部靠上方的位置的肩面7b2，軸承套筒8的下側端面8c與該肩面7b2抵接。在肩面7b2形成有徑向槽7b3。在底部7b的上側端面7b1的中央部配置有樹脂制的推力承受件10。需要說明的是，也可以代替在殼體7的肩面7b2設置有徑向槽7b3(或者在此基礎上)，在軸承套筒8的下側端面8c形成有徑向槽。

軸承套筒8呈圓筒狀，通過間隙粘合、壓入、壓入粘合(在夾有粘合劑的基礎下的壓入)等適當的手段而固定於殼體7的側部7a的內周面7a1。在本實施方式中，軸承套筒8的內徑設為以下，外徑設為以下，軸向尺寸設為6mm以下。軸承套筒8例如由金屬構成，具體地說是由燒結金屬，特別是含有銅以及鐵作為主要成分的銅鐵系燒結金屬構成。

在成為徑向軸承面的軸承套筒8的內周面8a形成有徑向動壓產生部G。在本實施方式中，作為徑向動壓產生部G，形成有圖3所示的人字形狀的動壓槽。具體地說，徑向動壓產生部G具有：沿周向延伸的環狀丘部G1、從環狀丘部G1向軸向兩側延伸的多個傾斜丘部G2、以及設置在多個傾斜丘部G2的周向之間的多個傾斜槽部G3(在圖3中，對環狀丘部G1以及傾斜丘部G2標註剖面線而示出)。在圖示例中，徑向動壓產生部G形成在內周面8a的沿軸向鄰接的兩個位置的區域。上下的徑向動壓產生部G呈相同形狀。環狀丘部G1以及傾斜丘部G2的內徑面以在同一筒面上連續的方式設置。各徑向動壓產生部G呈在軸向上對稱的形狀。需要說明的是，也可以將上下的徑向動壓產生部G的一方或者雙方形成為在軸向上非對稱的形狀。在該情況下，通過軸向非對稱形狀的徑向動壓產生部，沿軸向壓入徑向軸承間隙的潤滑流體，強制地使潤滑流體在殼體7的內部循環。

上側的徑向動壓產生部G的下側的傾斜丘部G2與下側的徑向動壓產生部G的上側的傾斜丘部G2連續。同樣地，上側的徑向動壓產生部G的下側的傾斜槽部G3與下側的徑向動壓產生部G的上側的傾斜槽部G3連續。另外，上側的徑向動壓產生部G的上側的傾斜槽部G3到達軸承套筒8的內周面8a的上端，下側的徑向動壓產生部G的下側的傾斜槽部G3到達軸承套筒8的內周面8a的下端。需要說明的是，也可以將上下的徑向動壓產生部G形成為在軸向上分離。在該情況下，在上下的徑向動壓產生部G的軸向之間，設置有與傾斜槽部G3相同直徑且與傾斜槽部G3連續的圓筒面。

各傾斜丘部G2的周向寬度W1與各傾斜槽部G3的周向寬度W2之比W1/W2設為1.2以上。在將軸承套筒8的內徑設為D時，各傾斜槽部G3的周向寬度W2設為0.2D≤W2≤0.4D。例如，在軸承套筒8的內徑為1.5mm的情況下，各傾斜槽G3的周向寬度W2設為0.3mm以上且0.6mm以下。因此，需要將配置在同一圓周上的傾斜槽部G3的個數設為4～8個。在本實施方式中，丘槽比W1/W2為1.4，傾斜槽部G3為五個，其結果是，各傾斜槽部G3的周向寬度W2約為0.39mm。在圖示例中，各傾斜槽部G3的周向寬度W2在軸向整個區域恆定。

傾斜丘部G2以及傾斜槽部G3相對於環狀丘部G1的傾斜角度θ處於10°～30°的範圍內，例如設為20°。環狀丘部G1的軸向尺寸L1與環狀丘部G1的軸向一側的傾斜丘部G2以及傾斜槽部G3的軸向尺寸L2之比L2/L1設為1.2～2.5左右。在本實施方式中，它們之比L2/L1設為1.6。

在軸承套筒8的外周面形成有軸向槽8d1。軸向槽8d1的數量是任意的，例如形成在圓周方向等間隔的三個位置。

密封構件9由樹脂或者金屬形成為環狀，固定於殼體7的側部7a的內周面7a1的上端部。密封構件9與軸承套筒8的上側端面8b抵接。密封構件9的內周面9a與軸構件2的外周面2a在徑向上對置，在它們之間形成有密封空間S。在軸構件2旋轉時，通過密封空間S，防止軸承內部的潤滑油向外部洩漏。在密封構件9的下側端面9b形成有徑向槽9b1。需要說明的是，也可以代替在密封構件9的下側端面9b形成有徑向槽9b1(或者在此基礎上)，在軸承套筒8的上側端面8b形成有徑向槽。

上述的流體動壓軸承裝置1通過以下這樣的步驟而組裝。首先，將推力承受件10固定於殼體7的底部7b的上側端面7b1。然後，將預先在內部氣孔含浸有潤滑油的軸承套筒8插入殼體7的側部7a的內周，以使軸承套筒8的下側端面8c與底部7b的肩面7b2抵接的狀態，將軸承套筒8的外周面8d固定於側部7a的內周面7a1。之後，將密封構件9固定於殼體7的側部7a的內周面7a1的上端。此時，將密封構件9壓入殼體7的側部7a，通過密封構件9與殼體7的底部7b的肩面7b2從軸向兩側夾持軸承套筒8，從而能夠在軸向上約束軸承套筒8。之後，向軸承套筒8的內周滴入潤滑油，並插入軸構件2，從而流體動壓軸承裝置1的組裝結束。此時，在被密封構件9密封的殼體7的內部空間(包括軸承套筒8的內部空孔)充滿有潤滑油，油麵維持在密封空間S的範圍內。

在上述結構的流體動壓軸承裝置1中，當軸構件2旋轉時，在軸承套筒8的內周面8a與軸構件2的外周面2a之間形成徑向軸承間隙。並且，形成於軸承套筒8的內周面8a的徑向動壓產生部G使徑向軸承間隙的潤滑油產生動壓作用。詳細地說，徑向軸承間隙的潤滑油沿著各徑向動壓產生部G的傾斜槽部G3向環狀丘部G1側匯集，在該環狀丘部G1與軸構件2的外周面之間壓力最大。由此，構成在徑向上支承軸構件2的第一徑向軸承部R1和第二徑向軸承部R2。另外，通過軸構件2的下端的凸部2b與推力承受件10接觸滑動，從而構成在推力方向上支承軸構件2的推力軸承部T。此時，經由密封構件9的下側端面9b的徑向槽9b1、軸承套筒8的外周面8d的軸向槽8d1、以及殼體7的肩面7b2的徑向槽7b3，將殼體7的閉塞側的空間P與密封空間S連通，因此能夠防止空間P產生負壓。

具有該流體動壓軸承裝置1的風扇電動機在以正常姿態使用時，通過由徑向動壓產生部G產生的壓力提高效果，軸構件2以及轉子3和葉片4以高旋轉精度旋轉，不易產生因軸構件2與軸承套筒8的接觸而產生異響等。另外，在以非正常狀態(例如擺動狀態)使用該風扇電動機，軸構件2相對於軸承套筒8大幅偏心的情況下，徑向動壓產生部G的各傾斜丘部G2的比例大(W1/W2≥1.2)，從而能夠發揮接近圓筒形軸承的支承力。另外，通過將徑向動壓產生部G的各傾斜槽部G3的周向寬度W2設為0.2D≤W2≤0.4D，從而能夠在不大幅阻礙上述的接近圓筒形軸承的效果的範圍內，得到由徑向動壓產生部G產生的適當的動壓效果。以上這樣的作用相結合，該流體動壓軸承裝置1在軸構件2偏心時，發揮比圓筒形軸承高的支承力，能夠儘可能地防止軸構件2與軸承套筒8的接觸。

本發明不限定於上述的實施方式。例如，也可以如圖4所示，在軸構件2的外周面2a形成徑向動壓產生部G，將軸承套筒8的內周面8a設為圓筒面。在該情況下，與上述的實施方式同樣地，將徑向動壓產生部G的各傾斜丘部G2的周向寬度W1與各傾斜槽部G3的周向寬度W2之比W1/W2設為1.2以上。另外，在將軸構件2的外徑設為D』時，徑向動壓產生部G的各傾斜槽部G3的周向寬度W2處於0.2D』≤W2≤0.4D』的範圍內。其他的流體動壓軸承裝置1的結構、徑向動壓產生部G的詳細情況與上述的實施方式相同，因此省略重複說明。

另外，在上述的實施方式中，推力軸承部T對軸構件2進行接觸支承，但不限於此，也可以將推力軸承部設為，與上述實施方式的徑向軸承部同樣地，通過油膜的壓力對軸構件進行非接觸支承。具體地說，例如，可以在軸構件的下端設置有凸緣部，在該凸緣部的上側端面與軸承套筒的下側端面之間、以及凸緣部的下側端面與殼體的端面之間分別設置推力軸承間隙。在該情況下，也可以在隔著推力軸承間隙對置的面的一方設置推力動壓產生部。

另外，在上述的實施方式中，示出了將軸承構件固定而使軸構件旋轉的、所謂的軸旋轉類型的流體動壓軸承裝置，但不限於此，也可以將本發明應用於將軸構件固定而使軸承構件旋轉的、所謂的軸固定類型的流體動壓軸承裝置。

另外，本發明的流體動壓軸承裝置不限於風扇電動機，也可以用於信息設備(例如，HDD)的主軸電動機、雷射印表機的多邊形掃描儀電動機、或者投影儀的色輪。

[實施例]

為了確認本發明的效果，進行了以下的試驗。首先，製作具有與圖3所示的軸承套筒8大致同樣的形狀，且徑向動壓產生部的諸要素(參照表1)不同的實施例以及比較例1～3所涉及的試驗片。各試驗片的尺寸均是內徑為1.5mm，外徑為3.0mm，軸向寬度為2.5mm。

[表1]

將上述的各試驗片組裝於圖1所示的風扇電動機進行擺動試驗，檢查此時有無發生異響。具體地說，如圖5所示，使風扇電動機一邊以2000r/min旋轉，一邊在軸構件2相對於水平方向在上側成45°的狀態(圖5的上圖)與在下側成45°的狀態(圖5的下圖)之間以旋轉軸10為中心而旋轉(擺動)。其結果是，在比較例1～3中均產生異響，在實施例中未產生異響。根據該結果可知，根據徑向動壓產生部的丘槽比W1/W2為1.2以上、且各傾斜槽部的周向寬度W2為0.2D≤W2≤0.4D(在上述尺寸的試驗片的情況下為0.3mm～0.6mm)的實施例，使流體動壓軸承裝置擺動時的負荷容量高，不易產生軸與軸承的接觸。

附圖標記說明

1 流體動壓軸承裝置

2 軸構件

7 殼體

8 軸承套筒

9 密封構件

G 徑向動壓產生部

G1 環狀丘部

G2 傾斜丘部

G3 傾斜槽部

R1、R2 徑向軸承部

S 密封空間

T 推力軸承部