流体动力轴承装置.pdf

轴部件(2)的光滑表面(2d)被梯级从外圆周表面(2a)隔开以便它的轴向长度尺寸(B)变得比形成在轴承座套(8)的内圆周表面上的液压槽区域(8a)的轴向长度尺寸(A)短，由此不包括液压槽(8b)之间的槽脊(8c)的下部的液压槽区域(8a)与光滑表面(2d)相对。

1.  一种流体动力轴承装置，包括：
液压槽区域，在所述液压槽区域中布置有多个液压槽；
光滑表面，所述光滑表面与所述液压槽区域相对；和
轴承间隙，所述轴承间隙被形成在所述液压槽区域和所述光滑表面之间，并且，通过固定侧面和旋转侧面的相对旋转在所述轴承间隙中产生流体动压；
所述光滑表面由梯级限定以便所述光滑表面的长度变得比所述液压槽区域的长度短。

2.  根据权利要求1所述的流体动力轴承装置，进一步包括：
轴承座套和轴部件，所述轴承间隙形成在所述轴承座套的内圆周表面和所述轴部件的外圆周表面之间。

3.  根据权利要求2所述的流体动力轴承装置，其中：
所述轴部件设置有突出于外直径侧的凸缘部分，并且所述轴承间隙被进一步形成在所述凸缘部分的端面和与所述端面相对的面之间。

4.  根据权利要求1所述的流体动力轴承装置，其中：
通过推挤对应于所述液压槽区域形状的模型，塑性地加工出所述液压槽区域。

5.  一种具有根据权利要求1到4中任意一项的流体动力轴承装置的电机。

流体动力轴承装置
技术领域
本发明涉及一种流体动力轴承装置，该轴承装置利用轴承间隙中产生的流体的流体动力效应，以不接触的方式支撑轴部件。
背景技术
该流体动力轴承装置使用在用于盘装置的主轴电机中、用于激光打印机(LBP)的多边扫描仪电机中和其它小型电机中。这些电机要求提高的速度、减少成本、减少噪音等以及高旋转精度。决定这些所要求的性能的部件之一为支撑所述电机的主轴的轴承。近年来，已考虑使用或实际已经使用具有用于上述要求的性能的极佳特性的流体动力轴承。例如，在诸如HDD的盘驱动单元的主轴电机中使用流体动力轴承装置，所述流体动力轴承装置使用流体动力轴承用于径向轴承部分和推力轴承部分中的每一个，所述径向轴承部分在径向上支撑轴部件，所述推力轴承部分在推力方向上支撑轴部件。在此流体动力轴承装置中，液压槽作为流体压力产生装置被设置在形成径向轴承部分的轴承座套的内圆周表面上或设置在轴部件的外圆周表面上。液压槽也被设置在形成推力轴承部分的轴部件的凸缘部分的两个端面上或设置在与这些端面相对的面上(轴承座套的端面，止推板的端面等)(例如，参照日本未实审专利公开No.2003-239951)。
当形成这些液压槽时，尤其当在轴承座套的内周表面上形成液压槽时，加工液压槽的方法是至关重要的。作为这样的加工方法的实例，以下方法被推荐：该方法包括：插入具有槽模型的模具，所述槽模型对应于轴承座套材料的内周上的液压槽的形状，然后在径向上推压在轴向方向上被约束的轴承座套材料，以朝着模具推挤所述轴承座套材料的内圆周表面并引起塑性变形(例如，参考日本未实审专利公开No.11-190344)。
然而，当液压槽以此方式被模制时，在布置有多个液压槽的区域(液压槽区域)中，在靠近不接触槽模型的部分的部分中，作用在材料上的压缩力很可能逸失，所以难以将大量材料注入槽模型的凹处。因此，如图6B中所示，例如在径向轴承部分的液压槽区域中发生所谓的“滚动(rollover)”，其中，液压槽18b之间的槽脊(land)18c上的生成线(generatingline)的形状变得在轴向上的两端处较低。在此情况下，如图7中所示，在径向轴承间隙两端处的间隙宽度G1大于在轴向中间部分的间隙宽度G2。因此，如果基于径向轴承间隙的间隙宽度在它的轴向方向的整个长度上是一致的这一假设设计轴承，流体动压效果在大间隙宽度的部分中被减小。因此，不能获得所需要的流体动压效果，由此整个轴承的轴承刚度被降低。
例如，通过将轴向上的液压槽区域18a的长度设定得更长，轴承刚度的该减小可被恢复。然而，简单地延伸轴向上的液压槽区域18a、18a的长度扩大了轴向上的狭窄径向轴承间隙，并且因此增加了此轴承间隙中的流体阻力。这导致了旋转扭矩的增加。
相似问题不仅会发生在径向轴承部分中，也会发生在推力轴承部分的液压槽中。例如，使用具有对应于液压槽形状的槽模型，挤压形成推力轴承部分中的液压槽。在该情况下，如上所述，塑性流动在不接触槽模型的区域的附近变得不充分，并且在液压槽区域的生成线形状中产生滚动(roll over)，产生与上述相似的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种流体动力轴承装置，该装置可避免旋转扭矩的增加，并且同时防止基于液压槽区域的生成线形状的滚动的轴承刚度的减小。
为解决所述问题，根据本发明的流体动力轴承装置包括：液压槽区域，在所述液压槽区域中布置有多个液压槽；与液压槽区域相对的光滑表面；以及轴承间隙，所述轴承间隙形成在所述液压槽区域和所述光滑表面之间，并且固定侧面和旋转侧面之间的相对旋转在所述轴承间隙中产生流体动压，并且光滑表面由梯级限定以便它的长度比液压槽区域的长度短。应当注意到此处使用的术语“长度”指的是：当光滑表面和液压槽区域的法线方向与轴承的径向方向(径向轴承部分)重合时，指其光滑表面和液压槽区域在轴向上的长度，当上述法线方向与轴承(推力轴承部分)的推力方向重合时，指其光滑表面和液压槽区域在径向上的长度。
根据此结构，由于使光滑表面的长度短于液压槽区域的长度，所以光滑表面可与具有大致恒定的槽深度的液压槽的中间部分相对，排除滚动显著的液压槽区域的边缘。因此，径向轴承间隙可被设定以具有大致恒定的宽度，通过设计整个液压槽区域的长度，使得在具有该恒定宽度的轴承间隙中可获得预定的流体压力效果，从而可避免轴承刚度的减小。在此情况下，整个液压槽区域的长度变得比在传统液压槽区域中的长度长，但是光滑表面是阶梯式的(stepped)并且被梯级所限定。因此，形成在液压槽区域的边缘的滚动部分被制成与除光滑表面之外的部分相对，并且该部分的间隙宽度可被制成大于上述具有恒定宽度的轴承间隙的宽度。因此，可最小化由于流体阻力而产生的扭矩的增加。
应当注意到，集中在光滑表面和液压槽区域的长度的顺序的发明的实例是日本未实审专利公开No.2002-70842中所说明的发明。在该发明中，光滑表面的长度被设定为长于液压压力槽区域的长度，因而长度的顺序与本发明中的顺序相反。
本申请的发明可应用于由流体动力轴承构成的径向轴承部分。具有径向轴承部分的流体动力轴承装置除上述液压槽区域、光滑表面和轴承之外还包括轴承座套和轴部件。如所述轴承间隙的径向轴承间隙被形成在轴承座套的内圆周表面和轴部件的外圆周表面之间。形成在该径向轴承间隙中的流体动压以不接触的方式在径向方向支撑轴部件。在此情况下，例如液压槽区域可被形成在轴承座套的内周表面上，而光滑表面可被形成在轴部件的外周表面上。
本申请的发明可被应用于具有由流体动力轴承构成的推力轴承部分的流体动力轴承装置。该流体动力轴承装置设置有在轴部件上向外直径侧突出的凸缘部分，并且，除所述径向轴承间隙(推力轴承间隙)，轴承间隙还被形成在凸缘部分的端面和与该端面相对的面之间。轴部件被形成在该推力轴承间隙中的流体动压以不接触方式在推力方向上支撑。在此情况下，液压槽区域被形成在轴部件的凸缘部分的端面上或与该端面相对的面上，而光滑表面被形成在另一面上。
以上液压槽区域适于通过推挤对应于它的形状的模型以执行塑性加工并形成预定形状(人字形、螺旋形等)来形成。由于模型被推挤，所以利用辊压的液压槽模制被排除。另外，由于它被塑性地加工，与材料的塑性变形无关的液压槽模制，例如，树脂的注模也被排除。
用上述流体动力轴承装置构造电机可使电机具有高旋转精度和低扭矩。
如上所述，根据本发明的流体动力轴承装置，可避免旋转扭矩的增加并同时防止基于液压槽区域的生成线的形状的滚动的轴承刚度的减小。
附图说明
图1显示了用于信息设备的主轴电机的横截面视图，所述信息设备包括有根据本申请的发明的一个实施例的流体动力轴承装置；
图2是根据本申请的发明的一个实施例的流体动力轴承装置的横截面视图；
图3A是轴承座套的横截面视图，图3B是轴承座套的内周表面上的液压槽区域的轴向上的生成线(generating line)的形状的放大视图；
图4是示意图，显示了形成径向轴承间隙的液压槽区域和径向上的光滑表面之间的位置关系；
图5是示意图，显示了形成推力轴承间隙的液压槽区域和轴向上的光滑表面之间的位置关系；
图6A是已知的轴承座套的横截面视图，图6B是轴向上在它的内周表面上的液压槽区域的生成线的形状的放大视图；
图7是示意图，显示了形成径向轴承间隙的液压槽区域和径向上的光滑表面之间的传统的位置关系。
具体实施方式
以下将参照附图说明本发明的实施例。
图1概念性地显示了用于信息设备的主轴电机的横截面视图，所述信息设备包括有根据本申请的发明的实施例的流体动力轴承装置。用于信息设备的该主轴电机使用在诸如HDD的盘驱动单元中，并且包括：以不接触方式可旋转地支撑轴部件2的流体动力轴承装置1；连接于轴部件2的盘毂3；以及通过径向上的间隙彼此相对的电机定子4和电机转子5。电机定子4连接于壳体6的外周面，而电机转子5连接于盘毂3的内周面。流体动力轴承装置1的外壳7被连接于壳体6的内周面。诸如磁盘的一个或多个盘D被保持在盘毂3上。当电机定子4被激励时，电机定子4和电机转子5之间的励磁使电机转子5旋转，由此盘毂3和轴部件2一起旋转。
图2显示了流体动力轴承装置1。该流体动力轴承装置1主要由底部的圆柱形外壳7、圆柱形轴承座套8和密封件9构成，其中所述外壳7在一端具有开口部分7a，在另一端具有止推板7c，所述圆柱形轴承座套8固定于所述外壳7的内周面上，轴部件2被插在所述轴承座套8的内周面处，所述密封件9固定在外壳的开口部分7a上。应当注意到，为了便于解释，在以下说明中，外壳7的开口部分7a侧被称为上侧，而外壳7的止推板7c侧被称为下侧。
外壳7例如，由诸如黄铜的软质金属材料形成，并且所述外壳7包括圆柱形侧面部分7b和盘盖状止推板7c，所述盘盖状止推板7c作为独立结构用作外壳7的底部。在止推板7c的内底部表面上，例如，螺旋形液压压力槽区域7c1通过挤压被形成，在所述螺旋形液压压力槽区域7c1中布置有多个液压槽7c2(参照图5)。直径大于其它部分的大直径部分7e被形成在外壳7的侧面部分7b的内圆周表面7d的下端处。止推板7c通过例如卷边(crimping)、粘合或其它方式被固定于该大直径部分7e。
轴承座套8由例如包括烧结金属的多孔体、尤其由包含铜作为主要成分的烧结金属构成的多孔体形成为圆柱形。在轴承座套8的内周面上，例如如图3A中所示，人字形液压槽区域8a、8a被形成在两个轴向分开的位置上，所述人字形液压槽区域8a中的每一个包括布置于其中的多个液压槽8b、8b。例如，螺旋形液压槽区域8e1被形成在轴承座套8的下端面8e上，在所述螺旋形液压槽区域8e1中布置有多个液压槽8e2。
液压槽区域8a和轴承座套内周面的下端面8e的液压槽区域8e1两者均模制形成。其中，形成在轴承座套8的内圆周表面上的液压槽区域8a由以下步骤模制而成：插入芯棒，所述芯棒的槽模型对应于轴承座套材料的内周面处的每一区域8a的液压槽的形状，在径向上挤压在轴向方向上被约束的轴承座套材料，并且朝芯棒推挤它的内圆周表面以利用内圆周表面的塑性变形复制槽模型的形状。利用由挤压力的解除所引起的轴承座套材料的弹回可在该塑性加工之后平滑地将芯棒从模型移除而不彼此防碍。通过形成对应于夹具(fixture)(凸模(punch)等)端面上的液压槽形状的槽模型，可与内圆周表面上的液压槽8a同时地形成在轴承座套8的下端面上形成的液压槽区域8e1，所述夹具在轴向方向上约束轴承座套材料。
轴部件2例如由不锈钢或类似金属材料制成，并且所述轴部件2包括轴部分2a和凸缘部分2b，所述凸缘部分2b整体地或独立地设置在轴部分2c的下端。如放大的图4中所示，轴部分2c为梯级轴形状，在轴部分2c的外圆周表面2a之外，在轴承装置被组装之后，在与轴承座套的内周面的两个液压槽区域8a相对的区域中，形成圆柱形光滑表面2d，所述圆柱形光滑表面2d的直径大于其它部分的直径并且没有不规则。这些光滑表面2d、2d的轴向侧面都被梯级H从除光滑表面2d，2d之外的外圆周表面2a分开。轴向上的两个光滑表面2d的长度尺寸B均小于轴向上的对应的液压槽区域8a的长度尺寸A(参照图3B)，并且每一光滑表面2d、2d的整个区域与液压槽区域8a相对。
应当注意，在图4中为允许更容易的理解，放大地图示说明了梯级H的尺寸。实际上，梯级H适合为10μm或以上。如果梯级H小于10μm，那么稍后说明的减小扭矩效果可能会不充分。虽然液压槽的深度实际上大约为1至20μm，但是在图中被放大说明。
密封件9为环形。如图2中所示，通过挤压安装、粘合或其它方式，密封件9被固定于外壳7的开口部分7a的内圆周表面。在该实施例中，密封件9的内圆周表面被形成为圆柱形，并且密封件9的下端面9a与轴承座套8的上端面8f接触。
在该流体动力轴承装置1被组装之后，轴部件2的轴部分2c被插在轴承座套8的内周面，并且凸缘部分2b被容纳在轴承座套8的下端面8e和外壳7的止推板7c的内底面之间的空间中。此时，直径向外壳7的外部(在同一图中向上)逐渐扩大的锥形密封空间S被形成在密封件9的内圆周表面和轴部分2c的相对锥形外圆周表面之间。被密封件9气密地密封的外壳7的内部空间，包括轴承座套8的内孔，被注入润滑油。润滑油的油平面被保持在密封空间S内。
当在此状态中轴部件2相对于轴承座套8旋转时，润滑油的液压压力产生在轴部件2的光滑表面2d和相对的液压槽区域8a之间的每一径向轴承间隙中，并且以不接触的方式在径向上支撑轴部件2的第一径向轴承部分R1和第二轴承部分R2在轴向方向上分别形成。同时，润滑油的液压压力产生在轴承座套8的下端面8e和轴部件2的凸缘部分2b的上端面2b1之间以及止推板7c的内底面和凸缘部分2b的下端面2b2之间的每一推力轴承间隙中，形成以不接触方式在推力方向上支撑轴部件2的第一推力轴承部分S1和第二推力轴承部分S2。
在径向轴承部分R1、R2的液压压力槽区域8a中，由于它们已经被模制，在轴向方向的生成线的形状的两个轴向端部处，在液压槽8b之间的槽脊(land)部分8c中发生滚动(roll over)，如图3和4所示。然而，在本发明中，光滑表面2d在轴向上的长度尺寸B短于液压槽区域8a在轴向上的长度尺寸A。因此，可将液压槽区域8a的两端处的滚动从与光滑表面2d相对的区域去除，并使得光滑表面2d与具有大致恒定的槽深度的液压槽区域8a的中间部分相对。径向轴承间隙因而可具有大致恒定的宽度，并且通过设定液压槽区域8a在轴向上的长度，以便利用具有如此的恒定宽度的轴承间隙获得预定的流体压力效果，可避免轴承刚度的减小。这意味着液压槽区域在轴向上的长度被设定为长于已知轴承设计中的长度。即使那样的话，通过将仅与流体压力效果有关的滚动部分从与光滑表面2d相对的区域去除，使得光滑表面2d与轴部分的外圆周表面2a相对，所述轴部分的外圆周表面2a的直径小于光滑表面2d的直径，以通过梯级H使该部分的间隙宽度大于恒定宽度的轴承间隙。因而可最小化由于流体阻力而产生的扭矩的增加。所以，可实现两个相冲突的目的，即增强的轴承刚度和减小的扭矩。
应当注意到，液压槽区域8a和光滑表面2d的轴向长度之间的差异决定于产生在液压槽区域8a中的滚动部分的长度。在现有条件下，滚动从液压槽区域8a的两轴端被产生在大约0.2mm的范围内。为此，上述轴向长度上的差异需要至少大于0.2mm的两倍，即至少0.4mm。
在以上说明中，径向轴承部分R1、R2的液压槽区域8a作为例子被显示，但是相似结构也可被应用于推力轴承部分S1、S2的液压槽区域8e1、7c1。通过推挤具有对应于如上所述的液压槽的形状的槽模型以塑性地变形材料，也形成这些液压槽区域8e1、7c1。因此，如图5中示意性所示，滚动发生在液压压力槽区域8e1、7c1的径向的两端处，但是光滑表面2b3、2b4由与这些液压槽区域8e1、7c1相对的凸缘部分的两端面2b1、2b2上的梯级限定，并且这些光滑表面2b3、2b4的径向长度短于相对的液压槽区域8e1、7c1的长度。这既能够实现推力轴承部分S1、S2中的增加的轴承刚度，又能够实现减小的扭矩。应当注意到，在图5中以及在图4中，液压槽8e2、7c2的槽深度被放大地图示说明。
在此实施例中，显示了以下实例，在所述实例中，液压槽区域8e1被形成在轴承座套8的下端面8e上，而第一光滑表面2b3被形成在轴部件2的凸缘部分2b的上端面2b1上。然而，与此实例相反，也可在轴承座套8的下端面8e上形成光滑表面，并在凸缘部分2b的上端面2b1上形成液压槽区域。形成在外壳7的止推板7c的内底面上的液压槽区域7c1和形成在轴部件2的凸缘部分2b的下端面2b2上的第二光滑表面2b4也可相似地由它们的相对的面互换而形成。
工业应用
此流体动力轴承装置适合于使用在信息设备的主轴电机中，例如HDD以及相似的磁盘装置，CD-ROM、CD-R/RW、DVD-ROM/RAM等光盘装置，MD、MO及类似磁光盘装置，用于激光打印机(LBP)的多边扫描仪电机及其它小电机中。