專利名稱：流體軸承裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及需要高速且高精度旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)裝置的主軸部用的流體軸承裝置。
背景技術(shù)：
近年來，在使用磁盤等的旋轉(zhuǎn)型記錄裝置中，隨著其存儲(chǔ)容量的增大，數(shù)據(jù)的傳輸速度正在高速化。因此，用于此類記錄裝置的盤片旋轉(zhuǎn)裝置需要高速且高精度的旋轉(zhuǎn)，故旋轉(zhuǎn)主軸部使用流體軸承裝置。
以下，參照

圖14至圖18b對(duì)以往的流體軸承裝置進(jìn)行說明。在圖14中，軸211可旋轉(zhuǎn)地插入軸套212的軸承孔212A內(nèi)。軸211具有與圖中下端部一體構(gòu)成的凸緣213。凸緣213收放在安裝在基座217上的軸套212的臺(tái)階部?jī)?nèi)，構(gòu)成與推力板214可相對(duì)旋轉(zhuǎn)。固定有轉(zhuǎn)子磁鐵220的轉(zhuǎn)子輪轂218安裝在軸211上。與轉(zhuǎn)子磁鐵220相對(duì)的電機(jī)定子219安裝在基座217上。在軸套212的軸承孔212A的內(nèi)周面設(shè)有動(dòng)壓發(fā)生槽212B、212C。在凸緣213的與軸套212的臺(tái)階部的相對(duì)面上設(shè)有動(dòng)壓發(fā)生槽213A。凸緣213的與推力板214的相對(duì)面上設(shè)有動(dòng)壓發(fā)生槽213B。包含動(dòng)壓發(fā)生槽212B、212C、213A及213B的軸211及凸緣213與軸套212的間隙內(nèi)充填了油。
利用圖14至圖18b對(duì)具有以上結(jié)構(gòu)的以往的流體軸承裝置的動(dòng)作進(jìn)行說明。在圖14中，當(dāng)對(duì)電機(jī)定子219通電，就會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子磁鐵220、轉(zhuǎn)子輪轂218、軸211、凸緣213開始旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，通過動(dòng)壓發(fā)生槽212B、212C、213A、213B，在油中產(chǎn)生泵壓，軸211上浮，與推力板213及軸承孔212A的內(nèi)周面不接觸地進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。
上述傳統(tǒng)的流體軸承裝置中存在以下的問題。如圖14所示，軸211邊由充滿軸套212的軸承孔212A內(nèi)的油潤(rùn)滑邊進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。一般來說、油如圖15所示，若溫度低，則油粘度以指數(shù)函數(shù)增加。因?yàn)檩S211旋轉(zhuǎn)時(shí)的損失扭矩與油的粘度成比例地增加，故低溫下軸211的旋轉(zhuǎn)阻力增加，損失扭矩也增加，導(dǎo)致電機(jī)的消耗電流增加。有時(shí)會(huì)導(dǎo)致軸211無法旋轉(zhuǎn)。相反，在高溫下，存在油的粘度下降，故存在作為流體軸承裝置的軸承的剛性下降、軸211的“軸擺動(dòng)”(旋轉(zhuǎn)中軸211在軸承孔212A內(nèi)擺動(dòng)的現(xiàn)象)增加的缺點(diǎn)。
圖16是表示軸211的軸心與軸承孔212A的中心一致時(shí)的、軸211的外周面與軸套212的軸承孔212A的內(nèi)周面之間的間隙即“半徑間隙”隨溫度的變化。圖中的線IAG表示公差的上限值，線JBH表示公差的下限值。這2根線的間隔相當(dāng)于制造偏差或公差范圍。
該以往的流體軸承裝置中，軸211的材料使用馬氏體系不銹鋼(線膨脹系數(shù)為10.3×10-6)。另外，軸套212使用黃銅(線膨脹系數(shù)為20.5×10-6)。因此，軸套212的熱膨脹比軸211的熱膨脹大。比如，軸21的直徑為3.2mm的場(chǎng)合，當(dāng)溫度從20℃變化至80℃，半徑間隙擴(kuò)大約1微米。同樣，當(dāng)溫度從20℃變化至-40℃，半徑間隙減小約1微米。其結(jié)果，如圖17的曲線“a”所示，在高溫下半徑間隙擴(kuò)大，導(dǎo)致軸承剛性下降，軸擺動(dòng)增加，產(chǎn)生無法得到所需的性能的問題。另外，在低溫下，相反地半徑間隙減小，如曲線“b”所示，旋轉(zhuǎn)的阻力增加，產(chǎn)生損失扭矩增大的問題。
軸承的剛性下降引起的軸擺動(dòng)，理論上講，當(dāng)半徑間隙增大時(shí)，與其3次方成正比地增大，損失扭矩，當(dāng)半徑間隙減小時(shí)，與其成反比地增大。
圖18a是表示-40℃時(shí)的半徑間隙與損失扭矩的關(guān)系的圖，圖18b是表示+80℃時(shí)的半徑間隙與軸擺動(dòng)量的關(guān)系的圖。在各圖中表示了要求性能的范圍。圖18a、圖18b所示的例中，顯示相對(duì)于半徑間隙偏差的損失扭矩和軸擺動(dòng)的范圍不在滿足要求性能的范圍內(nèi)。即，顯示成為不合格品的情況。

發(fā)明內(nèi)容
第1發(fā)明的流體軸承裝置，其特征在于，包括由含有鐵的材料構(gòu)成、表面上至少由含有鎳及磷的材料實(shí)施了電鍍的、具有軸承孔的軸套；可相對(duì)旋轉(zhuǎn)地插入所述軸套的軸承孔內(nèi)、由高錳鉻鋼及奧氏體系不銹鋼中的至少一種材料構(gòu)成的軸；以及固定于所述軸的一端、一方的面與軸套的端面相對(duì)、另一方的面與設(shè)置成對(duì)包含所述軸套的所述端面在內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行密閉的推力板相對(duì)的大致圓板狀的凸緣，在所述軸套的內(nèi)周面及軸的外周面的至少一方，沿所述軸的軸心方向排列設(shè)置第1及第2動(dòng)壓發(fā)生槽，在所述凸緣與推力板的相對(duì)面的任何一方設(shè)置第3動(dòng)壓發(fā)生槽，包括所述第1及第2動(dòng)壓發(fā)生槽在內(nèi)的所述軸套的軸承孔與軸的間隙以及推力板與凸緣的間隙用潤(rùn)滑劑充滿，所述軸套或軸的任何一方安裝在具有電機(jī)的定子的固定基座上，另一方安裝在具有所述電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鐵的旋轉(zhuǎn)體上。
根據(jù)本發(fā)明，流體軸承裝置的半徑間隙在高溫下小，在低溫下增大，故通過潤(rùn)滑劑的粘度隨溫度的變化，可防止流體軸承裝置的特性發(fā)生變化。另外，軸承的耐磨損性和軸套的加工性及動(dòng)壓發(fā)生槽的加工性好，故能得到高精度的流體軸承裝置。
第2發(fā)明的流體軸承裝置，其特征在于，包括由含有鐵的材料構(gòu)成、表面上至少由含有鎳及磷的材料實(shí)施了電鍍的、具有軸承孔的軸套；可相對(duì)旋轉(zhuǎn)地插入所述軸套的軸承孔內(nèi)、由高錳鉻鋼及奧氏體系不銹鋼中的至少一種材料構(gòu)成、在一方的端部具有與軸心垂直的面即軸端面部的軸；以及與所述軸端面部相對(duì)、構(gòu)成推力軸承的推力板，在所述軸套的內(nèi)周面及軸的外周面的至少一方，沿所述軸的軸心方向排列設(shè)置第1及第2動(dòng)壓發(fā)生槽，在所述軸端面部與推力板的各個(gè)相對(duì)面的至少一方設(shè)置第3動(dòng)壓發(fā)生槽，包括所述第1、第2及第3動(dòng)壓發(fā)生槽在內(nèi)的所述軸套的軸承孔與軸的間隙以及所述軸端面部與推力板的間隙用潤(rùn)滑劑充滿，所述軸套或軸的任何一方安裝在具有電機(jī)的定子的固定基座上，另一方安裝在具有所述電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鐵的旋轉(zhuǎn)體上。
根據(jù)本發(fā)明，流體軸承裝置的半徑間隙在高溫下小，在低溫下增大，故通過潤(rùn)滑劑的粘度隨溫度的變化，可防止流體軸承裝置的特性發(fā)生變化。另外，軸承的耐磨損性和軸套的加工性及動(dòng)壓發(fā)生槽的加工性好，故能得到高精度的流體軸承裝置。另外，所述第3動(dòng)壓發(fā)生槽設(shè)置在所述軸端面部與推力板的至少一方上，由此形成推力軸承部，故推力軸承部的面積與軸的端部面積大致相同。因此，推力軸承部的面積小于所述第1發(fā)明的凸緣，故可使旋轉(zhuǎn)阻力小，能將損失扭矩抑制成較小。
附圖的簡(jiǎn)單說明圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施例1的流體軸承裝置的剖視圖。
圖2是表示本發(fā)明的實(shí)施例1的軸套的剖視圖。
圖3是表示軸及軸套的使用材料的線膨脹系數(shù)的比較圖。
圖4是表示本發(fā)明的實(shí)施例1的溫度與半徑間隙的關(guān)系的圖。
圖5a是表示本實(shí)施例的半徑間隙與損失扭矩的關(guān)系的圖。
圖5b是表示本實(shí)施例的半徑間隙與軸擺動(dòng)的關(guān)系的圖。
圖6是表示本實(shí)施例的溫度與損失扭矩及軸擺動(dòng)的關(guān)系的圖。
圖7是表示本實(shí)施例的軸及軸套的各材料的成分表。
圖8是表示本實(shí)施例及傳統(tǒng)例的使用材料的特性比較表。
圖9是本實(shí)施例的使用材料的特性比較圖。
圖10是表示本發(fā)明的實(shí)施例2的流體軸承裝置的剖視圖。
圖11是表示本發(fā)明的實(shí)施例2的流體軸承裝置與傳統(tǒng)例的流體軸承裝置的損失扭矩的比較的圖。
圖12是表示本發(fā)明的實(shí)施例2的軸套102的剖視圖。
圖13是表示本發(fā)明的實(shí)施例2的軸101的主要部分的剖視圖。
圖14是表示傳統(tǒng)的流體軸承裝置的剖視圖。
圖15是表示溫度與油粘度的關(guān)系的圖。
圖16是表示傳統(tǒng)的流體軸承裝置的溫度與半徑間隙的關(guān)系的圖。
圖17是表示傳統(tǒng)的流體軸承裝置的溫度與軸擺動(dòng)及損失扭矩的關(guān)系的圖。
圖18a是表示傳統(tǒng)的流體軸承裝置的半徑間隙與損失扭矩的關(guān)系的圖。
圖18b是表示傳統(tǒng)的流體軸承裝置的半徑間隙與軸擺動(dòng)的關(guān)系的圖。
具體實(shí)施例方式
以下，參照附圖1至圖13對(duì)本發(fā)明的流體軸承裝置的較佳實(shí)施例進(jìn)行說明。
(實(shí)施例1)參照?qǐng)D1至圖9對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例1的流體軸承裝置進(jìn)行說明。圖1是本發(fā)明的實(shí)施例1的流體軸承裝置的剖視圖，圖2是軸套2的放大剖視圖。圖1中，軸套2具有軸承孔2A，軸1可旋轉(zhuǎn)地插入該軸承孔2A內(nèi)。在軸1的外周面或軸套2的軸承孔2A的內(nèi)周面的至少一方形成由人字形圖形的淺槽構(gòu)成的動(dòng)壓發(fā)生槽2C、2D，從而形成徑向軸承部。圖1的例中，動(dòng)壓發(fā)生槽2C、2D形成于軸承孔2A的內(nèi)周面上。動(dòng)壓發(fā)生槽2C、2D都具有魚骨狀(人字形狀)，圖1中，動(dòng)壓發(fā)生槽2C及2D的至少一方，做成彎曲部下側(cè)的槽的長(zhǎng)度比彎曲部上側(cè)的槽的長(zhǎng)度短。具有轉(zhuǎn)子磁鐵10的轉(zhuǎn)子輪轂8安裝在軸1的圖1的上端。軸1的圖1的下端具有與軸1的軸心成直角的面，與其一體地設(shè)有具有比軸1大的直徑的凸緣3。凸緣3的下面的推力軸承面與固定在軸套2上的推力板4相對(duì)。凸緣3的下面或推力板4的上面的任何一方(圖1中是凸緣3的下面)形成螺旋狀或魚骨狀(人字形)圖形的動(dòng)壓發(fā)生槽3B，從而形成推力軸承部。動(dòng)壓發(fā)生槽3A形成于凸緣3的上面的外周部或與上述上面的外周部相對(duì)的軸套2的端面2E的任何一方(圖1中為凸緣3的上面)。軸套2固定于安裝有電機(jī)定子9的基座7上。軸1和軸套2之間的間隙及凸緣3與推力板4之間的間隙充滿了油等的潤(rùn)滑劑5。潤(rùn)滑劑具有一定程度的粘性，故有時(shí)軸1與軸承孔2A之間會(huì)產(chǎn)生氣泡13。
本實(shí)施例中，軸1由含有錳7～9重量％和鉻13～15重量％的高錳鉻鋼、或奧氏體系不銹鋼(含有鎳8～10重量％和鉻17～19重量％)的坯材經(jīng)切削加工等制成。另外，軸套2由硫易切鋼切削加工等制成。對(duì)切削加工后的軸套2的表面實(shí)施以鎳和磷為主要成分的材料的電鍍，如圖2所示形成均勻的厚度的電鍍層2B。電鍍層2B的厚度，在圖2中沒有畫剖面線，而是畫得厚一些，在1～20微米的范圍內(nèi)進(jìn)行適宜的選擇。
利用圖1至圖9對(duì)具有以上結(jié)構(gòu)的流體軸承裝置的動(dòng)作進(jìn)行說明。在圖1中，當(dāng)未圖示的電源對(duì)電機(jī)定子9通電，就會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，安裝有轉(zhuǎn)子磁鐵10的轉(zhuǎn)子輪轂8與軸1一起開始旋轉(zhuǎn)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度增加到一定程度后，通過動(dòng)壓發(fā)生槽2C、2D、3A及3B，在油等潤(rùn)滑劑中產(chǎn)生泵壓，使徑向軸承部及推力軸承部的壓力上升。其結(jié)果，軸1上浮，與推力板4及軸套2不接觸地進(jìn)行高精度旋轉(zhuǎn)。
圖3是對(duì)適合作為軸1及軸套2的材料的各種金屬材料的線膨脹系數(shù)進(jìn)行實(shí)測(cè)得到的圖。框內(nèi)的數(shù)值表示線膨脹系數(shù)。高錳鉻鋼、奧氏體系不銹鋼及馬氏體系不銹鋼的3種是軸1可使用的材料。黃銅、硫易切鋼、鐵素體系不銹鋼的3種是軸套2可使用的材料。本實(shí)施例中，軸1的材料使用線膨脹系數(shù)大的高錳鉻鋼(線膨脹系數(shù)為17～18×10-6)或奧氏體系不銹鋼(線膨脹系數(shù)為17.3×10-6)。另外，軸套2的材料使用線膨脹系數(shù)小且加工性優(yōu)良的硫易切鋼(線膨脹系數(shù)為10～11.5×10-6)。黃銅的線膨脹系數(shù)太大，不適合使用。
圖4是表示軸1的中心軸與軸套2的軸承孔2A的中心軸一致時(shí)的、軸1與軸承孔2A之間的間隙即“半徑間隙”隨溫度的變化。線EAC表示公差的上限值，線FBD表示公差的下限值，這2根線的間隔相當(dāng)于公差幅度。公差幅度是對(duì)本實(shí)施例的多個(gè)流體軸承裝置進(jìn)行測(cè)量求得的結(jié)果。
本實(shí)施例中，由于軸1由線膨脹系數(shù)大的材料制作、軸套2由比軸1的材料線膨脹系數(shù)小的材料制作，在流體軸承裝置的溫度低時(shí)半徑間隙增大、溫度高時(shí)半徑間隙減小。圖4是軸1的直徑為3.2mm的場(chǎng)合的本實(shí)施例的流體軸承裝置的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。如圖4所示，當(dāng)溫度從20℃變化至80℃時(shí)，半徑間隙減小約0.65微米。當(dāng)溫度從20℃變化至-40℃時(shí)，半徑間隙增大約0.65微米。通過半徑間隙對(duì)應(yīng)于溫度發(fā)生上述那樣的變化，能得到以下的效果。在高溫下潤(rùn)滑劑的粘度下降，但因軸1與軸套2的熱膨脹的差異，半徑間隙減小(變窄)。因此，即使?jié)櫥瑒┑恼扯认陆?，也可減輕作為流體軸承裝置的軸承的剛性下降，并得到防止軸擺動(dòng)的效果。相反，在低溫下，潤(rùn)滑劑的粘度增大，但半徑間隙擴(kuò)大。因此，能抑制因粘度上升引起損失扭矩的增加，可防止軸承的旋轉(zhuǎn)阻力的增加。軸承的剛性或軸擺動(dòng)，理論上講，能與半徑間隙的3次方成正比地增大。另一方面，軸承的損失扭矩與半徑間隙成反比地減小。
圖5a是表示-40℃時(shí)的半徑間隙與損失扭矩的關(guān)系的圖。圖5b是表示+80℃時(shí)的半徑間隙與軸擺動(dòng)的關(guān)系的圖。圖5a及圖5b是表示對(duì)多個(gè)本實(shí)施例的流體軸承裝置進(jìn)行測(cè)量得到的半徑間隙的公差。流體軸承裝置的溫度為-40℃時(shí)的半徑間隙如圖5a所示，在大約3μm至4μm的范圍內(nèi)，+80℃時(shí)的半徑間隙如圖5b所示，在大約2μm至3μm的范圍內(nèi)。如圖5a所示，由于-40℃時(shí)的半徑間隙在3μm至4μm之間，故損失扭矩在10g·cm以下，為較小，能滿足性能要求。另外，如圖5b所示，由于+80℃時(shí)的半徑間隙在2μm至3μm之間，故軸擺動(dòng)在足夠小的范圍內(nèi)，能滿足性能要求。因此，發(fā)現(xiàn)只要在流體軸承裝置設(shè)計(jì)時(shí)，在-40℃時(shí)將半徑間隙的下限設(shè)定為3μm、在+80℃時(shí)將半徑間隙的上限設(shè)定為3μm即可。如上所述，本發(fā)明的流體軸承裝置，即使半徑間隙存在一定的公差的場(chǎng)合，也可使產(chǎn)品全部滿足性能要求。即，可使生產(chǎn)量的100％成為合格品，產(chǎn)品合格率可達(dá)到100％。
圖6是本發(fā)明的流體軸承裝置與圖14所示的傳統(tǒng)例的流體軸承裝置在各溫度下的特性的對(duì)比圖。圖中，實(shí)線表示本實(shí)施例的流體軸承裝置的各特性，虛線表示傳統(tǒng)例的流體軸承裝置的各特性。從圖6可見，本實(shí)施例的流體軸承裝置，低溫下的損失扭矩比傳統(tǒng)的裝置小。另外，高溫下的軸擺動(dòng)也比傳統(tǒng)的裝置小。
圖7是本實(shí)施例的流體軸承裝置中軸1和軸套2所使用的材料的成分表，各數(shù)值表示重量％。
圖8是傳統(tǒng)例的流體軸承裝置與本實(shí)施例的流體軸承裝置的、軸1和軸套2所使用的金屬材料的組合、以及對(duì)該組合情況下軸1與軸套2的耐磨損性進(jìn)行比較試驗(yàn)的評(píng)價(jià)結(jié)果的表。本實(shí)施例的流體軸承裝置中，因?yàn)樵谳S套2的軸承孔2A的表面實(shí)施了以鎳和磷為主要成分的材料的電鍍，故耐磨損性能非常優(yōu)秀，流體軸承裝置的長(zhǎng)期可靠性很高。
圖9是表示對(duì)本實(shí)施例的軸套2用的金屬材料的切削加工時(shí)的切削阻力進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果和對(duì)加工性進(jìn)行評(píng)價(jià)的圖。各數(shù)值以黃銅為“100”進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。圖中，黃銅的切削阻力小，為100，故加工性好，但如圖3所示，線膨脹系數(shù)太大而不適合。鐵素體系不銹鋼，切削阻力大，為300且加工性差，在軸套2的軸承孔的加工中，無法進(jìn)行使表面平滑的加工，存在表面粗糙度粗糙的缺點(diǎn)。因此，不適合用作軸套2的材料。本實(shí)施例中，軸套2用硫易切鋼制作，表面通過實(shí)施以鎳和磷為主要成分的材料電鍍，能在溫度特性、加工性、耐磨損性的所有方面得到最佳的結(jié)果。
如圖2所示，為了在軸套2的軸承孔2A的內(nèi)周面高精度地形成動(dòng)壓發(fā)生槽2C、2D，本實(shí)施例中，使用了球滾壓法(日文ボ一ル転造法)這種塑性加工方法。作為動(dòng)壓發(fā)生槽2C、2D的其他加工方法，有電解蝕刻加工法。但是，當(dāng)節(jié)距間隔狹窄時(shí)，則該方法有時(shí)使至槽以外的軸承孔2A的內(nèi)面的平滑面為止受到蝕刻，導(dǎo)致軸承孔2A的精度惡化。本實(shí)施例中，通過使用塑性加工性較好、適合塑性加工法的硫易切鋼，可高精度地加工流體軸承裝置中最為重要的動(dòng)壓發(fā)生槽2C、2D。作為軸套2的材料比如也可使用鐵素體系不銹鋼。但是，鐵素體系不銹鋼的塑性加工性太差，故無法用塑性加工法高精度地加工動(dòng)壓發(fā)生槽2C、2D，無法得到高性能的流體軸承裝置。
圖1所示的本實(shí)施例中，對(duì)軸1旋轉(zhuǎn)、軸套2固定的形式的流體軸承裝置進(jìn)行了說明，但本發(fā)明也可適用于軸套與轉(zhuǎn)子輪轂一起旋轉(zhuǎn)、軸固定在基座上的形式(未圖示)的軸固定形式的流體軸承裝置。
根據(jù)本實(shí)施例，流體軸承裝置的半徑間隙在高溫下減小，在低溫下增大，故通過潤(rùn)滑劑粘度隨溫度的變化，可防止流體軸承裝置特性的變化。另外，軸承的耐磨損性和軸套的加工性及動(dòng)壓發(fā)生槽的加工性良好，故可得到高精度的流體軸承裝置。
(實(shí)施例2)參照?qǐng)D10至圖13對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例2的流體軸承裝置進(jìn)行說明。圖10是本發(fā)明的實(shí)施例2的流體軸承裝置的剖視圖。圖中，軸101可旋轉(zhuǎn)地插入軸套102的軸承孔102A內(nèi)。本實(shí)施例的軸101，如圖13的主要部分的放大剖視圖所示，軸101的本體101D與小直徑部101E之間形成圍住小直徑部101E的槽101A。槽101A的深度在小直徑部101E處最深，朝本體101D的外周部漸漸變淺。
圖10中，在軸套102的上端安裝有用于防止軸101從軸套102脫落的環(huán)狀的防脫件103。防脫件103如圖13的放大圖所示，其內(nèi)徑設(shè)定為大致覆蓋上述槽101A的一半。在軸101的外周面或軸套102的內(nèi)周面的至少一方形成由人字形圖形的淺槽構(gòu)成的動(dòng)壓發(fā)生槽102C、102D，從而構(gòu)成徑向軸承部。具有轉(zhuǎn)子磁鐵110的轉(zhuǎn)子輪轂108安裝在軸101的上端部。軸101的另一端(圖1中為下端部)具有與軸101的軸心成直角的面即軸端面部101B。軸端面部101B與固定在軸套102上的推力板104相對(duì)。軸端面部101B與推力板104的各相對(duì)面的任何一方的面(圖10中是推力板104)上設(shè)置螺旋狀或魚骨狀(人字形)圖形的動(dòng)壓發(fā)生槽104A，從而構(gòu)成推力軸承部。軸套102固定于具有電機(jī)定子109的基座106上。軸101和軸套102之間的間隙及軸端面部101B與推力板104之間的間隙充滿了油等潤(rùn)滑劑105。
軸101由含有錳7～9重量％、鉻13～15重量％的高錳鉻鋼、或奧氏體系不銹鋼(含有鎳8～10重量％和鉻17～19重量％)制成。軸套102由圖7所示的硫易切鋼的A或B、或軟鐵(雜質(zhì)少，接近純鐵)制成。硫易切鋼A含有硫0.2～0.4重量％、碲0.02～0.07重量％，硫易切鋼B進(jìn)一步含有鉍0.05～0.2重量％。圖12表示軸套102的剖視圖。圖中，人字形的動(dòng)壓發(fā)生槽102C及102D沿軸套102的軸心(與構(gòu)成流體軸承裝置時(shí)的軸101的軸心相同)方向排列設(shè)置在軸套102的內(nèi)周面。動(dòng)壓發(fā)生槽102D的彎折部102F的上部的槽102L的長(zhǎng)度(圖中與L對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度)比下部的槽102M的長(zhǎng)度(圖中與M對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度)長(zhǎng)。軸套102的外表面以均勻的厚度實(shí)施了以鎳和磷為主要成分的材料的電鍍102B。電鍍的厚度在1～20微米的范圍內(nèi)適宜地設(shè)定。
以下對(duì)具有以上結(jié)構(gòu)的本實(shí)施例的流體軸承裝置的動(dòng)作進(jìn)行說明。在圖10中，當(dāng)對(duì)電機(jī)定子9通電時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子磁鐵110、轉(zhuǎn)子輪轂108與軸101開始旋轉(zhuǎn)。通過軸101旋轉(zhuǎn)，動(dòng)壓發(fā)生槽102C、102D、104A的油等潤(rùn)滑劑中產(chǎn)生泵壓，使徑向軸承部及推力軸承部的油的壓力上升。其結(jié)果，軸101上浮，與推力板104 軸套102不接觸地進(jìn)行高精度旋轉(zhuǎn)。
圖11是表示本實(shí)施例的流體軸承裝置以規(guī)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)的損失扭矩的內(nèi)容的圖，將本實(shí)施例的流體軸承裝置與圖14所示的傳統(tǒng)例的流體軸承裝置進(jìn)行了比較。圖中，對(duì)于徑向軸承部的損失扭矩來說，本實(shí)施例與傳統(tǒng)例幾乎相同。對(duì)于推力軸承部的損失扭矩來說，本實(shí)施例的流體軸承裝置比傳統(tǒng)例的裝置大幅減少。傳統(tǒng)例的流體軸承裝置中具有比軸211直徑大的凸緣213，而本實(shí)施例的流體軸承裝置中沒有凸緣，與軸101相同直徑的軸端面部101B起到與凸緣相同的功能。這是因?yàn)檩S端面部101B的直徑比凸緣213小，故旋轉(zhuǎn)阻力小的緣故。如上所述，本實(shí)施例的流體軸承裝置的總的損失扭矩比傳統(tǒng)例的裝置小。因此，尤其是可防止低溫下的電機(jī)的電流增加。
本實(shí)施例的流體軸承裝置，在軸套112上設(shè)有軸101的防脫件103，故異常的加速度朝流體軸承裝置101的軸心方向施加的場(chǎng)合等，可防止軸101從軸套102脫落。
作為防脫件103的其他作用，如圖13所示，當(dāng)將防脫件103與軸101的上端面的間隙103A做成大于根據(jù)油等潤(rùn)滑劑105的表面張力確定的尺寸時(shí)，則可防止流體軸承裝置旋轉(zhuǎn)中潤(rùn)滑劑105從軸101的上端部泄漏。這是利用潤(rùn)滑劑105因其表面張力而不會(huì)從規(guī)定的尺寸以上的間隙泄漏這樣的特性。因此，將防脫件103的內(nèi)周部的下面及軸101的本體101D的小直徑部101E附近至少一方形成為大致圓錐面(cone)。本實(shí)施例中，如圖13所示，在本體101D的小直徑部101E附近設(shè)有形成圓錐面的槽101A。因此，防脫件103與軸101的間隙在其內(nèi)周側(cè)寬大，在外周側(cè)狹小。潤(rùn)滑劑105具有因表面張力而僅保持在間隙狹窄的部分的性質(zhì)，故潤(rùn)滑劑105主要保持在間隙狹窄的外周部，不保持在內(nèi)周部。即，潤(rùn)滑劑105不從流體軸承的開口部、即防脫件103與軸101之間的間隙寬大的部分流出。當(dāng)將具有圓錐面的槽101A與防脫件103的前端部的間隙做成上述規(guī)定的尺寸，則潤(rùn)滑劑105不流出，故防脫件103起到防止?jié)櫥瑒?05泄漏的功能。因槽101A傾斜，故即使軸101的上下位置有所移動(dòng)，防脫件103與槽101A的間隙也有成為上述規(guī)定尺寸的位置，故潤(rùn)滑劑105不會(huì)泄漏。
如圖12所示，動(dòng)壓發(fā)生槽102D中槽102L比槽102M長(zhǎng)(L＞M)，故在圖10的構(gòu)成中，軸101在軸套102內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，油被壓入軸端面部101B與推力板104之間。因此，軸端面部101B的壓力上升，在推力方向產(chǎn)生大的上浮力。圖12中，將因動(dòng)壓發(fā)生槽102D產(chǎn)生的推力方向的壓力用Pr表示，將因動(dòng)壓發(fā)生槽4A產(chǎn)生的推力方向的壓力用Pt表示，則在推力方向上、壓力Pr與壓力Pt之和(Pr+Pt)的壓力起作用。曲線N1表示上述壓力(Pr+Pt)的分布。另外，曲線N2表示動(dòng)壓發(fā)生槽102D引起的徑向的壓力分布。
對(duì)本實(shí)施例的軸101及軸套102可使用的各種金屬的線膨脹系數(shù)進(jìn)行實(shí)測(cè)得到的數(shù)據(jù)如圖3所示。本實(shí)施例中，也與上述實(shí)施例1相同，高錳鉻鋼、奧氏體系不銹鋼及馬氏體系不銹鋼的3種材料可用作軸101的材料。黃銅、硫易切鋼及鐵素體系不銹鋼的3種材料可用于軸套102。本實(shí)施例中，軸101使用線膨脹系數(shù)大的高錳鉻鋼(線膨脹系數(shù)為17～18×10-6)或奧氏體系不銹鋼(線膨脹系數(shù)為17.3×10-6)。另外，軸套102使用線膨脹系數(shù)小且加工性優(yōu)良的硫易切鋼(線膨脹系數(shù)為10～11.5×10-6)或軟鐵。以下，利用與上述實(shí)施例1共用的各圖進(jìn)行說明。
圖4表示軸101與軸套102的軸承孔102A的半徑間隙隨溫度的變化。曲線EAC表示公差的上限值，曲線FBD表示公差的下限值，這2根線的間隔相當(dāng)于公差范圍。本實(shí)施例中，軸101和軸套102使用上述材料，故低溫時(shí)半徑間隙增大，高溫時(shí)半徑間隙減小。軸101的直徑為3.2mm的場(chǎng)合如圖4所示，當(dāng)溫度從20℃變化至80℃，半徑間隙減小約0.65微米。當(dāng)溫度從20℃變化至-40℃，半徑間隙增大約0.65微米。通過軸承間隙發(fā)生如此的變化，如圖5b所示，能得到以下的效果。即，即使高溫下潤(rùn)滑劑的粘度下降，但因半徑間隙變窄，可減輕軸承的剛性下降。在低溫下，如圖5a所示，通過半徑間隙擴(kuò)大，能抑制損失扭矩的增加，可防止軸承的旋轉(zhuǎn)阻力的增加。軸承的剛性或軸擺動(dòng)，從理論上講，能與半徑間隙的3次方成正比地增大。另一方面，軸承的損失扭矩與半徑間隙成反比地減小。
圖5a表示-40℃時(shí)半徑間隙擴(kuò)大，減輕了損失扭矩的增加。圖5b表示+80℃時(shí)半徑間隙減小，抑制了軸擺動(dòng)數(shù)值的增加。各圖中表示了要求性能的范圍，但本實(shí)施例中，如半徑間隙在圖4的公差范圍內(nèi)，則即使半徑間隙存在偏差，也可使所有的軸承滿足性能要求。即，可使生產(chǎn)量的100％全部成為合格品。
圖6是本實(shí)施例的流體軸承裝置與圖14所示的傳統(tǒng)例的流體軸承裝置在各溫度下的性能的比較圖。本實(shí)施例的流體軸承裝置，低溫下的損失扭矩小。另外，高溫下的軸擺動(dòng)也小。
圖7是本實(shí)施例的軸101和軸套102所使用的材料的成分表，各數(shù)值表示重量％。
對(duì)傳統(tǒng)的流體軸承裝置與本實(shí)施例的流體軸承裝置的、軸101和軸套102所使用的金屬材料進(jìn)行組合的場(chǎng)合的流體軸承裝置的耐磨損性進(jìn)行比較試驗(yàn)得到的結(jié)果如圖8所示。本實(shí)施例中，如圖12所示，因?yàn)樵谳S套102的表面實(shí)施了以鎳和磷為主要成分的電鍍102B，故耐磨損性能非常優(yōu)秀，軸承裝置的長(zhǎng)期可靠性很高。
圖9是表示對(duì)軸套102可用的金屬材料的切削阻力進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果。黃銅的切削阻力小，故加工性好，但如圖3所示，線膨脹系數(shù)太大而不適合。另一方面，鐵素體系不銹鋼切削阻力大，故加工性差，對(duì)軸套102的軸承孔102A的表面進(jìn)行加工的場(chǎng)合，無法進(jìn)行平滑加工，存在表面粗糙度粗糙的缺點(diǎn)。本實(shí)施例中，軸套102用硫易切鋼制作，表面通過實(shí)施以鎳和磷為主要成分的電鍍這樣的組合所產(chǎn)生的效果，能在溫度特性、加工性、耐磨損性的所有方面得到最佳的結(jié)果。
圖12所示的軸套102的軸承孔102A的內(nèi)周面的動(dòng)壓發(fā)生槽202C、202D，為了高精度地以規(guī)定的節(jié)距間隔加工大量細(xì)微的槽，與上述實(shí)施例1相同采用球滾壓法。如將動(dòng)壓發(fā)生槽202C、202D的節(jié)距間隔做得狹窄時(shí)，則以往的電解蝕刻加工法，使在槽以外的至軸承孔2A的內(nèi)面的平滑面為止受到蝕刻。由此導(dǎo)致軸承面的精度惡化。本實(shí)施例的軸套102的材料的硫易切鋼的塑性加工性較好，可高精度地加工動(dòng)壓流體軸承中尤其重要的動(dòng)壓發(fā)生槽202C、202D。若使用塑性加工性差的鐵素體系不銹鋼加工軸套202時(shí)，則無法高精度地加工動(dòng)壓發(fā)生槽202C、202D，導(dǎo)致流體軸承裝置的性能下降。
本實(shí)施例中，對(duì)軸套102為固定、軸101旋轉(zhuǎn)的構(gòu)成進(jìn)行了說明，但軸套102與轉(zhuǎn)子輪轂108一起旋轉(zhuǎn)、軸101固定在基座107上的軸固定型的構(gòu)成也可得到與本實(shí)施例相同的作用效果。
本實(shí)施例中，推力軸承由軸101的端面和推力板104構(gòu)成，故可將推力軸承的直徑抑制在軸101的直徑以下。另外，徑向軸承的半徑間隙在高溫下減小，在低溫下增大，故通過油的粘度變化，可防止流體軸承裝置特性的變化。另外，如上所述，通過使用加工性好的材料，就能使批量生產(chǎn)上的課題、即軸套的加工性及動(dòng)壓發(fā)生槽的加工性最佳，且能得到耐磨損性優(yōu)良的流體軸承裝置。
產(chǎn)業(yè)上利用的可能性本發(fā)明的流體軸承可作為需要高速且高精度旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)體的軸承加以利用。
權(quán)利要求
1.一種流體軸承裝置，其特征在于，包括由含有鐵的材料構(gòu)成的、具有軸承孔的軸套；可相對(duì)旋轉(zhuǎn)地插入所述軸套的軸承孔內(nèi)、由高錳鉻鋼及奧氏體系不銹鋼中的至少一種材料構(gòu)成的軸；以及固定于所述軸的一端、一方的面與軸套的端面相對(duì)、另一方的面與設(shè)置成對(duì)包含所述軸套的所述端面在內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行密閉的推力板相對(duì)的大致圓板狀的凸緣，在所述軸套的內(nèi)周面及軸的外周面的至少一方，沿所述軸的軸心方向排列設(shè)置第1及第2動(dòng)壓發(fā)生槽，在所述凸緣與推力板的相對(duì)面的任何一方設(shè)置第3動(dòng)壓發(fā)生槽，包括所述第1及第2動(dòng)壓發(fā)生槽在內(nèi)的所述軸套的軸承孔與軸的間隙以及推力板與凸緣的間隙用潤(rùn)滑劑充滿，所述軸套或軸的任何一方安裝在具有電機(jī)的定子的固定基座上，另一方安裝在具有所述電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鐵的旋轉(zhuǎn)體上。
2.如權(quán)利要求1所述的流體軸承裝置，其特征在于，所述第1及第2動(dòng)壓發(fā)生槽中，與所述凸緣近的動(dòng)壓發(fā)生槽以規(guī)定的角度形成彎曲的線狀，從彎曲部朝向所述凸緣的槽的長(zhǎng)度比從所述彎曲部朝向所述凸緣的相反方向的槽的長(zhǎng)度短。
3.如權(quán)利要求1所述的流體軸承裝置，其特征在于，構(gòu)成所述軸套的含有鐵的材料是含有硫0.2～0.4重量％、碲0.02～0.07重量％的硫易切鋼。
4.如權(quán)利要求1所述的流體軸承裝置，其特征在于，構(gòu)成所述軸的高錳鉻鋼，含有錳7～9重量％、鉻13～15重量％。
5.如權(quán)利要求1所述的流體軸承裝置，其特征在于，構(gòu)成所述軸套的硫易切鋼，含有硫0.2～0.4重量％、碲0.02～0.07重量％及鉍0.05～0.2重量％。
6.如權(quán)利要求1所述的流體軸承裝置，其特征在于，所述第1及第2動(dòng)壓發(fā)生槽為人字形的圖形，所述第3動(dòng)壓發(fā)生槽為螺旋狀圖形或人字形圖形。
7.如權(quán)利要求1所述的流體軸承裝置，其特征在于，所述第1及第2動(dòng)壓發(fā)生槽中，與所述軸端面部近的動(dòng)壓發(fā)生槽以規(guī)定的角度形成彎曲的線狀，從彎曲部朝向所述軸端面部的槽的長(zhǎng)度比從所述彎曲部朝向所述軸端面部的相反方向的槽的長(zhǎng)度短。
8.如權(quán)利要求1所述的流體軸承裝置，其特征在于，所述軸套由含有鐵的材料構(gòu)成，對(duì)表面實(shí)施了含有鎳及磷的電鍍。
9.如權(quán)利要求1所述的流體軸承裝置，其特征在于，在所述軸套的開放端設(shè)有防止軸脫落的防脫件。
10.如權(quán)利要求9所述的流體軸承裝置，其特征在于，所述軸的與所述防脫件相對(duì)的面具有朝著軸心深度變深的環(huán)狀槽。
11.一種流體軸承裝置，其特征在于，包括由含有鐵的材料構(gòu)成的、具有軸承孔的軸套；可相對(duì)旋轉(zhuǎn)地插入所述軸套的軸承孔內(nèi)、由高錳鉻鋼及奧氏體系不銹鋼中的至少一種材料構(gòu)成、在一方的端部具有與軸心垂直的面、即軸端面部的軸；以及與所述軸端面部相對(duì)、構(gòu)成推力軸承的推力板，在所述軸套的內(nèi)周面及軸的外周面的至少一方，沿所述軸的軸心方向排列設(shè)置第1及第2動(dòng)壓發(fā)生槽，在所述軸端面部與推力板的各個(gè)相對(duì)面的至少一方設(shè)置第3動(dòng)壓發(fā)生槽，包括所述第1、第2及第3動(dòng)壓發(fā)生槽在內(nèi)的所述軸套的軸承孔與軸的間隙以及所述軸端面部與推力板的間隙用潤(rùn)滑劑充滿，所述軸套或軸的任何一方安裝在具有電機(jī)的定子的固定基座上，另一方安裝在具有所述電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鐵的旋轉(zhuǎn)體上。
12.如權(quán)利要求11所述的流體軸承裝置，其特征在于，構(gòu)成所述軸套的含有鐵的材料，是含有硫0.2～0.4重量％、碲0.02～0.07重量％的硫易切鋼。
13.如權(quán)利要求11所述的流體軸承裝置，其特征在于，構(gòu)成所述軸的高錳鉻鋼，含有錳7～9重量％、鉻13～15重量％。
14.如權(quán)利要求11所述的流體軸承裝置，其特征在于，構(gòu)成所述軸套的硫易切鋼，含有硫0.2～0.4重量％、碲0.02～0.07重量％及鉍0.05～0.2重量％。
15.如權(quán)利要求11所述的流體軸承裝置，其特征在于，所述第1及第2動(dòng)壓發(fā)生槽為人字形的圖形，所述第3動(dòng)壓發(fā)生槽為螺旋狀圖形或人字形圖形。
16.如權(quán)利要求11所述的流體軸承裝置，其特征在于，所述第1及第2動(dòng)壓發(fā)生槽中，與所述軸端面部近的動(dòng)壓發(fā)生槽以規(guī)定的角度形成彎曲的線狀，從彎曲部朝向所述軸端面部的槽的長(zhǎng)度比從所述彎曲部朝向所述軸端面部的相反方向的槽的長(zhǎng)度短。
17.如權(quán)利要求11所述的流體軸承裝置，其特征在于，所述軸套由含有鐵的材料構(gòu)成，對(duì)表面實(shí)施了含有鎳及磷的電鍍。
18.如權(quán)利要求11所述的流體軸承裝置，其特征在于，在所述軸套的開放端設(shè)有防止軸脫落的防脫件。
19.如權(quán)利要求18所述的流體軸承裝置，其特征在于，所述軸的與所述防脫件相對(duì)的面具有朝著軸心深度變深的環(huán)狀槽。
全文摘要
一種流體軸承裝置，為了在低溫下抑制損失扭矩的增加和在高溫下抑制軸擺動(dòng)的增加，同時(shí)改善軸套的加工性，軸的材料使用高錳鉻鋼或奧氏體系不銹鋼，軸套的材料使用硫易切鋼，在其表面實(shí)施以鎳和磷為主要成分的電鍍。采用本發(fā)明，能防止因溫度變化引起潤(rùn)滑劑粘度變化而導(dǎo)致軸承的性能變化，同時(shí)使軸套和動(dòng)壓發(fā)生槽的加工性和軸承的耐磨損性最佳。
文檔編號(hào)F16C33/04GK1697939SQ20048000022
公開日2005年11月16日 申請(qǐng)日期2004年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月13日
發(fā)明者淺田隆文, 濱田力, 大野英明, 日下圭吾 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社