动压轴承装置.pdf

本发明旨在进一步降低动压轴承装置的成本。在轴部件2中，轴部分2a设置为其外圆周表面通过径向轴承间隙面对轴承套筒的内圆周表面，而凸缘部分2b设置为它的两个端面2b1和2b2分别经过相应的推力轴承间隙面对轴承套筒的一个端面和外壳的底面，并且，轴部件2通过在各个轴承间隙中产生的动压以非接触方式沿推力方向被支撑。在轴部件2中，轴部分2a的芯部和凸缘部分2b均由树脂部件21制成，而轴部分2a的外圆周由金属部件22制成。

1.  一种动压轴承装置，该装置包括：轴承套筒；具有轴部分和凸缘部分的轴部件，所述轴部分沿所述轴承套筒的内圆周插入，所述凸缘部分从所述轴部分径向地向外延伸；径向轴承部分，其通过在径向轴承间隙中产生的流体动压作用以非接触方式在径向上支撑所述轴部件；和推力轴承部分，其通过在推力轴承间隙中产生的流体动压作用以非接触方式在推力方向上支撑所述轴部件，其中
所述轴部件的所述轴部分的外圆周由圆柱形中空金属部件制成，而所述凸缘部分和所述轴部分的芯部均由树脂部件制成。

2.  如权利要求1所述的动压轴承装置，其中所述轴部件通过使用所述金属部件作为插入物在模腔内模制树脂来制成。

3.  如权利要求1所述的动压轴承装置，其中在所述轴部件中，多个动压槽形成在所述凸缘部分的至少一个端面中。

4.  如权利要求3所述的动压轴承装置，其中所述动压槽在模制所述凸缘部分的同时形成在所述凸缘部分的所述端面中。

5.  如权利要求1所述的动压轴承装置，其中用于旋入一分离部件的螺纹形成在所述轴部件的与所述凸缘部分相对的端部中。

6.  如权利要求5所述的动压轴承装置，其中所述螺纹围绕所述金属部件端部的内圆周形成。

7.  如权利要求1-6中任一项所述的动压轴承装置，还包括容纳所述轴承套筒的外壳，其中，所述凸缘部分被设置为它的一个端面面对所述轴承套筒的端面，它的另一个端面面对所述外壳的底面。

动压轴承装置
技术领域
本发明涉及一种动压轴承装置。本发明的动压轴承装置作为用于以下用途的轴承装置是有益的：例如，用于在信息设备中使用的主轴电动机，该信息设备例如是：类似HDD或FDD的磁盘设备、类似CD-ROM、CD-R/RW、或DVD-ROM/RAM驱动器的光盘设备、或者类似MD或MO驱动器的磁-光盘设备；或者用于小型电动机，例如用于激光束印刷机(LBP)中的多边扫描仪电动机，或者用于投影仪彩色转盘或电器设备的电动机，这些电器设备例如是：轴流风扇。
背景技术
动压轴承是一种通过出现在轴承间隙的流体动压以非接触方式来支撑轴部件的轴承。将使用这种动压轴承的轴承装置(动压轴承装置)粗略地分为两种类型：接触式和非接触式。其中接触式中径向轴承部分由动压轴承构成并且推力轴承部分由枢轴承构成，非接触式中径向轴承部分和推力轴承部分都由动压轴承构成，并且根据用途选择任一种或另一种合适的类型来使用。
在这两种类型中，所知道的非接触式的一个例子是在日本未经审查的专利公开号2000-291648中提出的动压轴承装置。在这种轴承装置中，为了降低成本和获得更高的精度，共同组成轴部件的轴部分和凸缘部分作为单一装置整体形成。
然而，近几年，降低成本的需求变得比以前更加强烈，并且为了满足这种需求，有必要进一步降低动压轴承装置的每个单独组件的成本。
发明内容
考虑到上面的情况，本发明的主要目的是进一步降低非接触式动压轴承装置的成本。
为了实现上述目的，本发明提供一种动压轴承装置，该装置包括：轴承套筒；具有轴部分和凸缘部分的轴部件，该轴部分沿轴承套筒的内圆周插入，该凸缘部分从轴部分径向地向外延伸；径向轴承部分，其通过在径向轴承间隙产生的流体动压作用以非接触方式在径向上支撑轴部件；和推力轴承部分，其通过在推力轴承间隙内产生的流体动压作用以非接触方式在推力方向上支撑轴部件，其中，轴部件的轴部分的外圆周由圆柱形中空金属部件制成，而凸缘部分和轴部分的芯部都是由树脂部件制成。
这样，通过用金属部件制成轴部分的外圆周，不仅可以保证轴部件需要的强度和刚性，而且可以保证轴部分对由烧结金属或者类似材料制成的金属轴承套筒的耐磨性。另一方面，由于轴部件的很多部分(例如凸缘部分和轴部分的芯部)都是由树脂制成的，因而可以减轻轴部件的重量，从而减小轴部件的惯性；当轴部件与其他的轴承组件(例如轴承套筒和外壳底部)碰撞时，这用于减小冲击负载，并且因此防止这些部分由于碰撞而被擦伤或割伤。而且，既然凸缘部分是由树脂制成的，那么其滑动摩擦会很小，并且会减小凸缘部分和其他轴承组件之间的摩擦系数。
通常，在非接触式动压轴承中，高温时流体(油等)的粘性降低，并且轴承刚性，特别是在推力方向上的刚性下降成为一个问题。在这种情况下，如上所述，当凸缘部分由树脂部件制成时，由于其他部件的面对凸缘部分端面的表面(例如轴承套筒的端面和外壳的内底面)通常都是由金属制成的，那么由于树脂凸缘部分的轴向热膨胀，推力轴承间隙就会减小，其中树脂凸缘部分的线性膨胀系数(特别是，在轴向的线性膨胀系数)比金属的线性膨胀系数大；这可以抑制由于高温而使得在推力方向轴承刚性的减小。相反地，低温时，流体粘性增大，电动机转矩增加，但是当凸缘部分由树脂部件制成时，由于轴向热膨胀的不同，推力轴承间隙增大，那么就有可能抑制由于低温而增大的电动机转矩。
轴部件可以使用金属部件作为插入物，通过将树脂注模进模腔内制成。这样，通过使用内嵌模(包括外嵌模(outsert molding)，同样适用于下文)，仅仅通过提高模具精度和将作为插入物的金属部件精确地定位在模腔内，就可以以低成本大规模地生产高精度的轴部件。特别是，在非接触式动压轴承装置中，轴部件需要很高的尺寸精度，该尺寸精度包括轴部分和凸缘部分之间的垂直度，而内嵌模可以很好地满足这种需求。
优选地，在轴部件中，多个动压槽形成在凸缘部分的至少一个端面内。在这种情况下，在模具上形成与动压槽图案相对应的槽图案，并且将熔化的树脂填充进模具中和凝固以转移槽图案；这样，可以将高精度的动压槽以低成本制成。这时，由于动压槽可以与凸缘部分的模制同时形成，那么就可以减少制造的步骤，从而可以比凸缘部分的模制和动压槽的形成以分开的步骤进行的情形更进一步降低成本，所述情形例如：金属凸缘由锻造制成，接着动压槽由压制凸缘的两个端面来制成。
如果将使分离部件旋入的螺纹形成在轴部件的与凸缘部分相对的端部中，可以将分离部件(例如，用于固定地保持盘的帽或者类似地部件)精确地和牢固地固定到与设置在轴部件另一端的凸缘部分相对的端部。在这种情况下，如果螺纹围绕金属部件端部的内圆周形成，那么就可以将分离部件旋入金属部件中，从而提高紧固的强度。
上面描述的动压轴承装置还包括：容纳轴承套筒的外壳，并且凸缘部分可以设置为：它的一个端面面对轴承套筒的端面，而另一个端面面对外壳底面。在这种情况下，可以将凸缘部分的一个端面和轴承套筒端面之间的间隙以及凸缘部分的另一个端面和外壳底面之间的间隙用作，例如，推力轴承间隙。
根据本发明，由于可以减轻轴部件的重量，因此可以减小由于轴部件和其他部件之间的碰撞(例如在运输过程中)而产生的冲击，并防止由于冲击负载而产生的刮擦等。而且，不仅在高温时可以保持在推力方向的轴承刚性，而且可以抑制由于低温而增大的电动机转矩。
附图说明
图1是本发明的轴部件的具有部分横截面的侧视图；
图2(a)是凸缘部分的俯视图(沿图1中箭头“a”方向的视图)，和图2(b)是凸缘部分的底视图(沿图1中箭头“b”方向的视图)；
图3是包含动压轴承装置的HDD主轴电动机的横剖面视图；
图4是动压轴承装置的横剖面视图；
图5是轴承套筒的横剖面视图；和
图6是本发明轴部件的替代实施例的横剖面视图。
具体实施方式
下面将参考附图1到6来描述本发明的实施例。
图3示出用于信息设备的主轴电动机结构的一个示例，该电动机包括根据本发明实施例的动压轴承装置1。这种主轴电动机用于磁盘驱动设备例如HDD中，并且包括：以非接触方式可旋转地支撑轴部件2的动压轴承装置1，与轴部件2连接的盘毂3，和穿过径向间隙相对设置的电动机定子4和电动机转子5。定子4安装在壳体6的外圆周上，而转子5与盘毂3的内圆周连接。将动压轴承装置1的外壳7通过胶合或压装配的方式，固定到壳体6的内圆周上。盘毂3在其上支撑一个或多个圆盘D例如磁盘。当使定子4通电时，转子5由于定子4和转子5之间产生的磁力而旋转，并且因此盘毂3和轴部件2一起旋转。
图4示出动压轴承装置1的一个实施例。动压轴承装置1的主要组件有：圆柱形封闭端外壳7，该外壳的一端具有开口7a并且另一端具有底部7c；固定到外壳7的内圆周上的圆柱形轴承套筒8；包括轴部分2a和凸缘部分2b的轴部件2；和固定到外壳7的开口7a上的密封部件10。为了便于说明，下面的描述将外壳7的开口7a侧作为上侧并且将外壳7的底部7c侧作为下侧。
外壳7由软金属材料，例如：黄铜制成，并且包括圆柱形侧部7b，该部分与圆盘形底部7c分别制成。将外壳7内圆周表面7d的下端形成为大直径部分7e，该大直径部分的直径比其他部分的直径大，并且形成底部7c的盖子形部件通过例如模锻、胶合或压装配的方式固定到大直径部分7e内。这里，可以将外壳7的侧部7b和底部7c整体制成。
轴承套筒8由烧结金属制成，具体而言，由浸透油的多孔烧结金属制成。上部和下部两个动压槽区域形成在轴承套筒8的内圆周表面8a上，其中一个与另一个在轴向上相互分开，并且每一个形成径向轴承面以产生动压。
如图5所示，上部径向轴承面包括多个人字形图案的动压槽8a1，8a2。在这个径向轴承面内，图中上部的每个动压槽8a1的轴向长度比设置在下部并且向相反方向倾斜的每个动压槽8a2的轴向长度大；也就是说，图案在轴向上不对称。同样地，下部径向轴承面包括多个人字形图案的动压槽8a3，8a4，在轴向上向上倾斜的多个动压槽8a3与在轴向上向下倾斜的多个动压槽8a4轴向地间隔开。然而，在本实施例中，与设置在上部径向轴承面中的动压槽8a1和8a2不同，动压槽8a3和8a4的轴向长度相同，因此其图案在轴向上对称。上部径向轴承面的轴向长度(动压槽8a1的上端和动压槽8a2的下端之间的距离)比下部径向轴承面的轴向长度(动压槽8a3的上端和动压槽8a4的下端之间的距离)大。
径向轴承间隙9a和9b分别设置在轴承套筒8的内圆周表面上的上部和下部径向轴承面与轴部分2a的外圆周表面上的、面对相应的轴承面的相应的表面之间。径向轴承间隙9a和9b的上端通过密封部件10向外部空气开放，而其下端对外部空气密封。
通常，在以轴向倾斜方式，例如人字形图案设置的动压槽中，在轴承运行期间油从轴向被吸入。因此，在本实施例中，动压槽8a1到8a4也作为吸油槽，通过吸油槽8a1到8a4吸入径向轴承间隙9a和9b的油聚集在动压槽8a1和8a2之间以及动压槽8a3和8a4之间的光滑表面部分n1和n1周围，导致沿着圆周方向形成连续的油膜。
这时，由于上部径向轴承面的不对称以及上部和下部径向轴承面轴向长度的不同，填充到轴部分2a外圆周表面和轴承套筒8内圆周表面8a之间的间隙的油通常被向下推。为了使向下推挤的油可以被向上推回，在轴承套筒8的外圆周表面8d内设置有在轴承套筒8的两个端面8b和8c中打开的循环槽(图中未示出)。该循环槽可以形成在外壳的内圆周表面7d内。
在每个动压槽区域内的动压槽图案可以是这样的图案：动压槽8a1到8a4都在轴向上倾斜设置。除了上述的人字形图案外，还可以考虑用螺旋形图案作为动压槽的图案以满足上述要求。
如图4所示，作为密封装置的密封部件10是环形的，并且通过例如压配合或者胶合的方式被固定到外壳7的开口7a的内圆周表面上。在本实施例中，密封部件10的内圆周形成为圆柱形，并且密封部件10的下端面10b与轴承套筒8的上端面8b接触。
锥形面形成在面对密封部件10的内圆周表面的轴部分2a的外圆周表面上，并且，朝向外壳7的上端逐渐增大的锥形密封空间S形成在锥形表面和密封部件10的内圆周表面之间。润滑油填充在被密封部件10气密密封的外壳7的内部空间中以及形成在外壳内部的间隙中，即，轴部分2a的外圆周表面和轴承套筒8的内圆周表面8a之间的间隙(包括径向轴承间隙9a和9b)、轴承套筒8的下端面8c和凸缘部分2b的上端面2b1之间的间隙，以及凸缘部分的下端面2b2和外壳7的内底面7c1(外壳底部)之间的间隙都填充有润滑油。润滑油的油位位于密封空间S内。
将轴部件2的轴部分2a沿着轴承套筒8的内圆周表面8a插入，并且凸缘部分2b容纳在轴承套筒8的下端面8c和外壳7的内底面7c1之间形成的空间内。轴承套筒8的内圆周表面8a上的上部和下部两个径向轴承面通过各个径向轴承间隙9a和9b面对轴部分2a的外圆周表面，因此分别形成第一径向轴承部分R1和第二径向轴承部分R2。
如图1所示，轴部件2是包括树脂部件21和金属部件22的组合结构，其中，轴部分2a的芯部和凸缘2b的整个部分由树脂部件21整体制成，并且轴部分2a沿着其外圆周的整个长度被圆柱形中空金属部件22覆盖。对于树脂部件21，可以用66号尼龙、LCP、PES等制成，如果需要，可以将例如玻璃纤维作为填充物加入这种树脂中。对于金属部件22，例如可以用具有极好耐磨性的不锈钢制成。
为了防止树脂部件21和金属部件22之间的分离，将金属部件22的一端嵌入设置在轴部件2的轴部分2a下端(在图中的左侧)的凸缘部分2b内，而在其上端，金属部件22通过接合部分与树脂部件21保持轴向接合。在描述的实施例中，上述两个部件通过具有朝向上端逐渐增大的直径的锥形面22b保持相互接合。为了锁住金属部件22以防止其旋转，最好在嵌入凸缘部分2b的金属部件22的外圆周或者边缘部分上设置一接合部分，该接合部分具有由滚压花纹或者类似结构形成的粗糙表面，并且能够沿着圆周方向与凸缘部分2b接合。
例如，以金属部件22作为插入物(内嵌模)，通过注射模塑树脂来制造轴部件2。由于非接触式轴承装置的功能，轴部件2需要很高的尺寸精度，该尺寸精度例如是：轴部分2a和凸缘部分2b之间的垂直度以及凸缘端面2b1和2b2之间的平行度；当使用内嵌模时，通过提高模具的精度和将作为插入物的金属部件22精确地定位在模腔中，可以在满足精度需要的同时，以低成本进行大规模的生产。而且，由于轴部分2a和凸缘部分2b的整体制造在模制完成时完成，可以减少制造的步骤，从而，与将轴部分和凸缘部分作为分离的金属组件制造并且在后面的步骤中通过诸如压配合的方式装配到一起的情形相比，进一步降低了成本。
用于产生动压的作为推力轴承面的动压槽区域形成在凸缘部分2b的各个端面2b1和2b2上。如图2(a)和2(b)所示，多个动压槽23，24以螺旋形或者类似图案形成在各个推力轴承面上。这些动压槽区域与凸缘部分2b的注模同时形成。形成在凸缘部分2b的上端面2b1上的推力轴承面通过推力轴承间隙面对轴承套筒8的下端面8c，从而形成第一推力轴承部分T1。同样地，形成在凸缘部分2b的下端面2b2上的推力轴承面通过推力轴承间隙面对外壳底部7c的内底面7c1，从而形成第二推力轴承部分T2。
在上面的结构中，当轴部件2和轴承套筒8相对旋转时，也就是说，在本实施例中，当轴部件2旋转时，如前所述，通过动压槽8a1到8a4的作用，在径向轴承部分R1和R2的径向轴承间隙9a和9b中的润滑油中产生动压，并且，轴部件2的轴部分2a以非接触方式按照下面的方式被支撑：通过设置在各个径向轴承间隙内的润滑油膜，在径向上可旋转。同时，通过动压槽23和24的作用，在推力轴承部分T1和T2的推力轴承间隙内的润滑油中产生动压，轴部件2的凸缘部分2b以非接触方式按照下面的方式被支撑：通过设置在相应的推力轴承间隙内的润滑油膜，在全部推力方向上可旋转。
在本发明中，由于在轴部件2内只有轴部分2a的外圆周部分由金属部件22制成，并且轴部件2的其他部分都是由树脂部件21制成，那么相对于传统的金属轴，其重量被减小。当轴部件2与轴承套筒8或者外壳底部7c碰撞时，这种结构用于减小冲击，因此防止这些部分由于碰撞而被擦伤或者割伤。而且，由于凸缘部分2b是由树脂制成，那么它提供了相对于金属轴承套筒8的下端面8c和金属外壳底部7c的良好的滑动表面，因此可减小所需的转矩。
而且，与金属套筒8和金属外壳底部7c相比，由树脂制成的凸缘部分2b具有更大的线性轴向膨胀系数；因此，当由于电机驱动等而导致轴承温度升高时，各个推力轴承间隙的宽度减小。这可以弥补由于油粘性降低而导致的油膜刚性的降低，因此可以维持推力方向的轴承刚性。通常，在低温下，例如，刚刚通电后，由于油的粘性很高，需要的转矩增大，但是在本发明中，可以避免这种转矩的增大，因为由于线性膨胀系数的不同会导致推力轴承间隙扩张。
图6是表示轴部件2替代实施例的横剖面视图。这个实施例具有如下结构：分离的部件可以旋入轴部件2的上端；在图示的例子中，为了固定地保持圆盘或者类似的部件，将作为分离部件的帽26通过螺钉27固定到轴部件2上。在轴部分2a中，圆柱形金属部件22的上端在轴向上延伸超出树脂部件21的上端，并且将使螺钉27旋入的内螺纹25设置在延伸部分的内圆周上。树脂部件21的上端位于内螺纹25下面，并且在更下面的位置，树脂部件21和金属部件22通过锥形面22b沿轴向保持接合。通过以这种方式在金属部件22的内圆周表面上形成内螺纹25，与将内螺纹设置在树脂部件21上相比，螺钉紧固部分的强度和耐久性都能得到提高。在其他的方面，如结构、制造方法等都与图1和2所示的轴部件2相同，因此这里就不再重复的描述。
上面作为例子描述了轴部件2，其中，轴部分2a的外圆周由金属部件22制成，但是轴部件2的结构并不局限于这一特殊的例子。例如，尽管图示的例子中由树脂制造凸缘2b的整个部分，但是，其芯部部分可以用金属材料制成。
在所述的实施例中，具有动压槽23和24形成于其中的推力轴承面设置在凸缘部分1b的两个端面上，但是可选择地，可以将任一推力轴承面设置在外壳7的内底面7c1上或者设置在面对凸缘部分2b端面的轴承套筒8的端面8c上。而且，可以将从下部支撑轴部件2的推力轴承部分T2的轴承间隙设置在外壳7的上端面7f(参见图4)和面对它的毂3的下端面之间。而且，例如：多叶轴承、立式止推轴承、锥形轴承或者锥形-平轴承等可被用作各个径向轴承部分R1和R2。