液动轴承、具有该液动轴承的主轴电动机以及具有该主轴电动机的盘驱动装置.pdf

具体实施方式

以下，参照图1至图3、及图5说明本发明的液动轴承和使用该液动
轴承的主轴电动机以及具有该主轴电动机的盘驱动装置的一个实施方
式。另外，在本发明说明的一个实施方式中，为了方便把各附图的上下
方向设为“上下方向”，但并不用来限定实际安装状态下的方向。

图1所示的主轴电动机具有：支架2；固定在该支架2上的轴4；通
过液动轴承由该轴4支承着并可以相对地自由旋转的转子6。

在作为静止部件的支架2的中央，形成使轴4的一端被嵌合固定的
中心孔2a。

作为旋转部件的转子6具有：通过液动轴承与轴4相对的套筒6b；
和被外嵌固定在套筒6b的外周部的转子毂6a。转子毂6a是由热膨胀系
数小的不锈钢等形成为大致杯状的环状部件。在构成转子毂6a的外壁的
周壁部的外周面，配置硬盘等的记录介质(在图3中图示为盘板53)，并
且在周壁部的内周面通过粘接等固定转子磁体10。转子磁体10与固定在
支架2上的定子12在半径方向通过间隙而相对。套筒6b考虑到加工性，
是由铜、铜合金等较软的金属形成为中空圆筒状的环状部件。在套筒6b
的中央形成贯通插入轴4的轴线方向的轴承孔6c，轴承孔6c由轴4支承
着自由旋转。

另外，在轴4的上部和下部分别安装在半径方向外侧突出的圆盘状
的上部止推板(相当于轴环状部件)14和下部止推板16。在轴承孔6c
的与上部止推板14和下部止推板16对应的部位，形成直径大于上部及
下部止推板14、16的外径的上部阶梯部6d和下部阶梯部6e。在该上部
阶梯部6d和下部阶梯部6e的轴线方向上方和下方安装上部密封盖18和
下部密封盖20，通过上部密封盖18和下部密封盖20堵塞上部阶梯部6d
和下部阶梯部6e。

在轴4的外周面和在半径方向与其相对的套筒6b的内周面之间的微
小间隙(micro gap)、以及上部止推板14的下面(轴线方向内侧面)和
在轴线方向与其相对的套筒6b的上部阶梯部6d的平坦面之间的微小间
隙，填满了不间断的润滑油8。在上部阶梯部6d的平坦面形成伴随转子
6的旋转而使润滑油8中产生动压的动压产生槽22，构成上部止推轴承
部24。

在轴4的外周面和在半径方向与其相对的套筒6b的内周面之间的微
小间隙、以及下部止推板16的上面(轴线方向内侧面)和在轴线方向与
其相对的套筒6b的下部阶梯部6e的平坦面之间的微小间隙，填满了不
间断的润滑油8。在下部阶梯部6e的平坦面形成伴随转子6的旋转而使
润滑油8中产生动压的动压产生槽22，构成下部止推轴承部26。

形成于这些止推轴承部24、26的动压产生槽22使用泵入型(pump in
type)螺旋槽，以便用产生的动压分别向轴4压送润滑油8。另外，动压
产生槽可以形成在上部及下部止推板14、16的上面和下面，或者上部及
下部阶梯部6d、6e的平坦面和上部及下部止推板14、16的上面和下面
的两面。

这样，通过使上部及下部止推轴承部24、26的动压产生槽22形成
螺旋槽，与使用人字槽时相比，可以缩小上部及下部止推板14、16的外
经。因此，可以减少下部止推轴承部26给由转子磁体10和定子12构成
的磁气电路部带来的影响，能够获得充分的驱动转矩。并且，螺旋槽与
人字槽相比，由于主轴电动机旋转时产生的润滑油8的粘性阻力小，所
以能够缩小上部及下部止推轴承部24、26的损耗，提高主轴电动机的电
气效率。其结果，可以抑制主轴电动机的消耗电力。

如图2的部分放大图所示，在上部止推板14的外周面形成第1圆锥
面14a和第2圆锥面14b，其中，第1圆锥面14a从上部止推板14的下
面的外周端部相对旋转轴大致平行地延伸后，朝向半径方向内侧向相对
旋转轴倾斜的方向延伸，第2圆锥面14b与第1圆锥面14a的轴线方向
外侧端部相连续，具有相对旋转轴的倾斜角小于(相对旋转轴更接近平
行)第1圆锥面14a的倾斜角。

另外，在上部阶梯部6d的内周面，通过切除内周面的一部分，形成
小阶梯部6d1，在小阶梯部6d1通过粘接或压入等固定环状的上部环状部
件(相当于筒环状部件)25。

在上部环状部件25的内周面形成倾斜面25a(相当于第1内周面)
和垂壁25b(相当于第2内周面)，其中，倾斜面25a与上部止推板14的
第1圆锥面14a在半径方向相对，同时在从小阶梯部6d1的平坦面朝向
半径方向内侧相对旋转轴倾斜的方向延伸，垂壁25b与倾斜面25a的轴
线方向外侧端部相连续，实质上与从上部止推轴承部24向轴线方向外侧
延伸的旋转轴平行。在上部环状部件25的倾斜面25a和第1圆锥面14a
之间的间隙处形成第1毛细管密封部28a，其间隙尺寸随着从上部止推轴
承部24朝向轴线方向外侧而逐渐扩大。同样，在上部环状部件25的垂
壁25b和第2圆锥面14b之间的间隙处形成第2毛细管密封部28b，其间
隙尺寸随着从上部止推轴承部24朝向轴线方向外侧而逐渐扩大。

由上部止推轴承部24保持的润滑油8经过相对形成于上部止推板14
的外周面和上部阶梯部6d的内周面之间的旋转轴而大致平行的间隙，被
填满在形成于第1圆锥面14a和倾斜面25a之间的第1毛细管密封部28a
内。至少在转子6的旋转停止时(静止状态)，在与第1毛细管密封部28a
的轴线方向外侧端部连接的第2毛细管密封部28b内形成气液界面并被
保持着。即，第1毛细管密封部28a和第2毛细管密封部28b起到上部
毛细管密封部28的作用。

该场合时，上部止推板14的第1圆锥面14a的倾斜角相对旋转轴设
定为约10度至90度，优选设定在约55度至65度的范围内。另外，上
部环状部件25的倾斜面25a的倾斜角相对旋转轴设定为约10度至70度，
优选设定在约50度至55度的范围内。此时，形成于这些第1圆锥面14a
和倾斜面25a之间的第1毛细管密封部28a的倾斜角设定为约小于等于
20度，优选设定在约小于等于10度的范围内。并且，上部止推板的第2
圆锥面14b的倾斜角相对旋转轴设定为约0度至45度，优选设定在约10
度至30度的范围内，上部环状部件25的垂壁25b如果去除公差范围，
实质上不具有倾斜角。此时，形成于这些第2圆锥面14b和垂壁25b之
间的第2毛细管密封部28b的倾斜角定为约小于等于45度，优选设定在
约小于等于15度的范围内。

这样，通过使上部毛细管密封部28相对旋转轴倾斜，例如图4所示，
与在相对旋转轴正交的方向构成毛细管密封部的场合相比，增大了从润
滑油8的气液界面到上部止推轴承部24的端部的距离、即作为毛细管密
封部具有储存润滑油8的功能的间隙尺寸，所以上部毛细管密封部28的
容积扩大。

另外，形成上部毛细管密封部28的第1毛细管密封部28a相对旋转
轴具有从半径方向外侧向内侧增大的倾斜角，与第1毛细管密封部28a
连续的第2毛细管密封部28b相对旋转轴仅具有很小的倾斜角。因此，
在转子6快速旋转时，位于第1毛细管密封部28a内的润滑油8通过离
心力被按压在上部止推轴承部24侧，与此相随，形成于第2毛细管密封
部28b内的润滑油8的气液界面也被引入第1毛细管密封部28a侧，所
以能够强化密封强度。

并且，至少在转子6的非旋转时润滑油8的气液界面所在的第2毛
细管密封部28b，形成为相对旋转轴具有很小的倾斜角，所以在上部止推
轴承部24，上部止推板14的下面和上部阶梯部6d的平坦面之间的间隙
形成于轴线方向，与此相对，在第2毛细管密封部28b形成半径方向的
间隙。因此，在施加外部助振力，转子6产生轴线方向晃动的情况下，
在上部毛细管密封部28，间隙的间隙尺寸随着转子6的晃动而变化，但
第2毛细管密封部28b的间隙尺寸几乎不变化，所以能够防止以这种外
部助振力为起因的气液界面的破坏和随之产生的润滑油8向轴承外部的
飞散，防止主轴电动机内外被污染。

即，通过使上部毛细管密封部28形成具有第1毛细管密封部28a和
第2毛细管密封部28b的两段倾斜角度，可以增大毛细管密封部内的容
积，强化密封强度，同时可以解决防止在非旋转时以外部助振力为起因
的润滑油的飞散这种毛细管密封部具有的各种技术课题。

另外，上部毛细管密封部28的最小间隙尺寸被设定为大于形成于上
部止推板14的外周面和上部阶梯部6d的内周面之间的、与旋转轴大致
平行的间隙的间隙尺寸。并且，上部止推轴承部24的间隙的轴线方向的
间隙尺寸被设定为小于形成于上部止推板14的外周面和上部阶梯部6d
的内周面之间的、与旋转轴大致平行的间隙的间隙尺寸。

即，在上部止推轴承部24的润滑油8的保持量减少的情况下，通过
毛细管力保持在上部毛细管密封部28内的润滑油8经过与形成于上部止
推板14的外周面和上部阶梯部6d的内周面之间的旋转轴大致平行的间
隙，被供给上部止推轴承部24。

反之，因在上部止推轴承部24保持的润滑油8的温度上升等造成体
积膨胀时，润滑油8的界面向上部毛细管密封部28中第2毛细管密封部
28b内的间隙尺寸更加扩大的方向移动，由此，该体积增加部分的润滑油
8被收容在上部毛细管密封部28内。

可是，虽没有特别详细图示，但在下部止推板16的外周部，在半径
方向与其相对的下部环状部件27之间，以和上部止推板14的外周部相
同的结构，形成下部毛细管密封部30。

如上所述，通过使上部及下部止推轴承部24、26的动压产生槽22
形成为利用分别产生的动压把润滑油8朝向半径方向内侧压送的泵入型
螺旋槽，在上部及下部止推轴承部24、26产生的动压形成随着朝向半径
方向内侧而变高的压力斜率。因此，在向轴承部内部填充润滑油8时等，
被上部及下部止推轴承部24、26保持的润滑油8中产生的气泡从压力高
的上部及下部止推轴承部24、26的半径方向内侧向压力低的半径方向外
侧移动。最终，气泡向保持润滑油8的间隙中间隙尺寸最大压力最低的
上部及下部毛细管密封部28、30移动，从润滑油8的气液界面释放到空
气中。

在轴4的外周面的大致中央部形成环状凹部4a，凹部4a具有轴4
的外周面和轴承孔6c的内周面的半径方向之间的间隙随着朝向轴线方向
内侧而倾斜的一对倾斜面。另外，在凹部4a形成与轴4的内部空气连通
的连通孔36的开口。

该连通孔36由以下部分构成：使轴4的中心在轴线方向贯通的纵孔；
在从该纵孔向半径方向延伸设置的凹部4a开口的第1开口部36a；与下
部毛细管密封部30连续，通过由下部密封盖20的内周面和轴4的外周
面之间规定的微小间隙，在连通轴承外部的空间开口的第2开口部36b。

另外，纵孔在轴4的加工及洗净后，通过例如由橡胶等弹性部件构
成的密封部件38、40将开口于轴4的轴线方向两端部的开口部密封。这
样，通过上部及下部密封盖18、20，使轴承的内部侧空间仅通过形成于
上部及下部密封盖18、20的内周面和轴4的外周面之间的微小间隙与空
气连通。

通过该第2开口部36b被取入连通孔36内的空气，在开口有第1开
口部36a的凹部4c和与凹部4c相对的套筒6b的内周面之间形成环状的
气体填充部42。通过该气体填充部42，保持在轴4的外周面和套筒6b
的内周面之间的微小间隙中的润滑油8，在形成于凹部4a的一对倾斜面
和套筒6b的内周面之间的毛细管密封部内形成气液界面，在轴线方向被
分割成上下部分。

在套筒6b的内周面中与被分割成上下部分所保持的润滑油8对应的
部位，形成伴随转子6的旋转使润滑油8中产生动压的动压产生槽44，
构成上部径向轴承部46和下部径向轴承部48。形成于这些上部及下部径
向轴承部46、48的动压产生槽44，采用的是在轴线方向为不平衡形状的
人字槽，以便将分别产生的动压、润滑油8朝向轴线方向外侧、即朝向
邻接的上部及下部止推轴承部24、26压送。

通过使上部及下部径向轴承部46、48的动压产生槽44形成分别将
润滑油8压送到上部及下部止推轴承部24、26侧的形状，在填充润滑油
8时等，被上部及下部径向轴承部46、48保持的润滑油8中产生的气泡
从压力高的轴承部向与压力低的气体填充部42的界面侧移动，从气体填
充部42通过连通孔36释放到轴承外部的空气中。

形成于上部及下部止推轴承部24、26的动压产生槽22是螺旋槽，
仅依靠该螺旋槽不能产生保持转子6所需的充足的载荷支承压力。但是，
如前所述，在与上部及下部止推轴承部24、26邻接的上部及下部径向轴
承部46、48形成在轴线方向不平衡的人字槽的动压产生槽44。所以，在
转子6旋转时，润滑油8通过螺旋槽和人字槽分别被压送到上部止推轴
承部24和上部径向轴承部46的境界附近以及下部止推轴承部26和下部
径向轴承部48的境界附近，因此通过两轴承部的协作动作可以产生支承
施加给转子6的载荷的必要动压，能够稳定支承转子6。

另外，在上部及下部止推轴承部24、26和与它们邻接的上部及下部
径向轴承部46、48连续地保持润滑油8，同时将上部及下部径向轴承部
46、48分离的气体填充部42通过连通孔36与空气连通，所以位于上部
及下部毛细管密封部28、30内的上部及下部止推轴承部24、26的润滑
油8的气液界面、和位于由凹部4a的一对倾斜面和轴承孔6c之间规定
的毛细管密封部内的上部及下部径向轴承部46、48的润滑油8的气液界
面，实质上处于相同的空气压状态。

因此，例如，以离心力或向主轴电动机施加外部助振力等为起因，
上部及下部毛细管密封部28、30内的润滑油8的气液界面或形成于凹部
4a的一对倾斜面和套筒6b的内周面之间的毛细管密封部内的润滑油8的
气液界面的一方向远离轴承部的方向移动时，另一方的气液界面通过向
各气液界面所在的各毛细管密封部内的润滑油8的气液界面的曲率半径
相等的位置移动而达到平衡，可以保持稳定性且不破坏密封效果。

并且，在与上部及下部径向轴承部46、48邻接的上部及下部止推轴
承部24、26不中断地保持润滑油8，从液动轴承部的一方润滑油8的气
液界面到达另一方润滑油8的气液界面期间，只有1点的动压极大，不
存在动压极小的点。因此，即使润滑油8中含有气泡，也能自动把气泡
从位于压力最小的锥状间隙内的气液界面排出到轴承外部的空气中。

这样，被各液动轴承部保持的润滑油8中产生的气泡顺序向低压侧
移动，从各润滑油8的气液界面向空气中释放，所以气泡不会滞留在被
各液动轴承部保持的润滑油8中。并且，不需要排出气泡用的特殊结构，
从而，可以简化主轴电动机的结构。

通过把形成于上部及下部密封盖18、20的内周面和轴4的外周面之
间的间隙的半径方向尺寸设定得尽可能小，在主轴电动机旋转时，在形
成于上部及下部止推板14、16和上部及下部密封盖18、20之间的轴线
方向的间隙以及通过轴4的外周面和上部及下部密封盖18、20形成的半
径方向间隙处，伴随转子6的旋转而产生的空气流的流速产生差异。因
此，对润滑油8气化产生的蒸气(油雾)，增大向主轴电动机外部的流出
阻力并提高润滑油8的气液界面附近的蒸气压力，所以能够进一步防止
润滑油8的蒸发。

另外，在轴4、上部及下部密封盖18、20、上部及下部环状部件25、
27以及上部及下部止推板14、16中的润滑油8的气液界面附近部位，涂
覆例如由氟系列材料构成的拒油剂，在离心力不作用于润滑油8的主轴
电动机的旋转停止时，可以有效防止润滑油8因油移动现象泄漏到主轴
电动机的外部。

下面，参照图3说明一般的盘驱动装置50的内部结构。壳体51的
内部形成尘埃等极少的清洁空间，在其内部设置安装有存储信息的圆板
状盘板53的主轴电动机52。并且，在壳体51的内部配置对盘板53读写
信息的记录头移动机构57，该记录头移动机构57由以下部分构成：读写
盘板53上的信息的记录头部56；支承该记录头的支承臂55；和使记录
头56和支承臂55向盘板53上的必要位置移动的促动器54。

作为这种盘驱动装置50的主轴电动机52，通过使用在图1中所图示
的主轴电动机，可以实现高速且高精度的旋转支承，不仅能够对应盘板
53的大容量化，还可防止因从主轴电动机52的液动轴承部飞散的润滑油
造成的对壳体51内部的污染。因此，可以尽可能地防止盘板53的记录
数据的读写错误的产生，并且可靠性及耐久性良好。

另外，如图5所示，构成本发明的第1毛细管密封部的套筒的第1
内周面相对旋转轴形成第1角度θ₁，θ₁采用0≤θ₁≤90°的角度值。并
且，构成第2毛细管密封部的套筒的第2内周面相对旋转轴形成第2角
度θ₂，θ₂采用0≤θ₂≤90°的角度值。

以上，对本发明的液动轴承及使用该液动轴承的主轴电动机以及具
有该主轴电动机的盘驱动装置的一个实施方式进行了说明，但本发明不
限于该实施方式，不脱离本发明的范围的各种变形乃至修改都是可行的。

例如，形成于上部及下部止推板14、16和上部及下部阶梯部6d、6e
的内周面之间的相对旋转轴大致平行的间隙，是在加工上部及下部止推
板14、16时等，为了使工具保持上部及下部止推板14、16的外周端部，
基于在上部及下部止推板14、16的外周端部形成平面的必要性而设计的。
但是，如果没有这种必要性，也可以不设置上部及下部止推板14、16的
外周端部，而形成与上部及下部止推板14、16的下面及上面的外周端部
连续的圆锥面。

另外，本发明不限于套筒旋转的主轴电动机，也可适用于轴旋转的
主轴电动机。

另外，在前述实施方式中，使用由一对径向轴承部46、48和一对止
推轴承部24、26构成的液动轴承部来支承转子6的旋转。但是，也可以
形成用一个液动轴承部同时支承施加给转子的半径方向载荷和轴线方向
载荷的结构。

例如，本发明也可以适用于美国专利申请公报第2003-30222号公
开的结构。即，该主轴电动机在轴线方向具有一对液动轴承部，该液动
轴承部由以下部分构成：固定在轴的外周面的圆锥部件的倾斜面；在半
径方向与该倾斜面相对的套筒的内周面；和形成于圆锥部件的倾斜面和
套筒内周面之间的微小间隙。在套筒的内周面形成动压产生槽来支承转
子。并且，在固定于套筒的轴线方向上方的盖部件的内周面和与液动轴
承部连续的圆锥部件的外周面之间形成毛细管密封部。针对该主轴电动
机，通过使用本发明的毛细管密封部28、30，可以获得和前述实施方式
相同的作用效果。