專利名稱：氣體動壓軸承單元、主軸馬達，硬盤驅動器、多角形掃描器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種氣體動壓軸承系統。本發明還涉及利用所述氣體動壓軸承系統的主軸馬達、數據存儲磁盤驅動器和多角形掃描器(polygonscanner)。
背景技術：
近年來，提高硬盤驅動器或光盤驅動器的信息的存取速度和提高數字復印機和激光打印機的打印質量和速度的要求日益增加。為了滿足這些要求，提高了在所述機器中使用的主軸馬達的旋轉速度和精度。同時還需要精度更高的主軸馬達用于這些機器。
為了提高主軸馬達的旋轉速度和精度，提出了將氣體動壓軸承系統用作主軸馬達的軸承系統。當轉動部件轉動時，所述氣體動壓軸承系統通過在部件之間形成的微小間隙中填充的氣體所產生的動壓以非接觸方式支撐轉動部件。
但是在所述氣體動壓軸承系統中，在轉動開始或停止時，軸承面相互接觸且由于磨損而形成磨損微粒。這樣的磨損微粒積累在推力軸承的間隙中并將最終進入徑向軸承的微小間隙內。徑向軸承的軸承面之間的間隙小于推力軸承的軸承面之間的間隙，且徑向軸承面易于被所述磨損微粒損壞。所述磨損微粒的某些部分可能會離開軸承系統并污染磁盤室(disk chamber)。這種情況會引起磁盤數據的讀取錯誤或寫入錯誤，并且損壞磁盤的記錄面或磁頭。
一些現有技術的軸承系統具有循環通路，用于使潤滑氣體在軸承內循環，該通路包括連接軸承間隙的兩端部分的附加通孔。雖然一部分灰塵微粒在經過通孔的過程中被捕獲，但是由于潤滑氣體的壓力由于所述通孔而減小，因此所述軸承系統的剛性不足。
因此，本技術領域需要一種剛性足夠并具有微粒捕獲機構的氣體動壓軸承系統。
發明內容
本發明的目的是提供一種新式的氣體動壓軸承系統，在該系統中防止由軸承面的滑動運動產生的磨損微粒損壞所述軸承系統的內部，同時保持軸承剛性足夠大。
在本發明的氣體動壓軸承系統中，推力軸承增加朝向徑向軸承的氣體壓力。所述徑向軸承增加朝向所述推力軸承的氣體壓力。通過這兩個作用，在所述推力軸承的間隙與所述徑向軸承的間隙之間的環形微小間隙部分附近的軸承間隙內所填充的氣體被施加高壓。在這種狀態下，通過軸的轉動而產生的動壓較高，從而剛性地支撐所述軸。因此，氣體動壓軸承系統顯示出高剛性而不縮小所述軸承間隙。
在軸承系統開始轉動和停止轉動時，所述軸承面直接接觸，產生磨損微粒。由于軸承面的間隙在徑向軸承間隙處十分小，因此如果磨損微粒進入徑向軸承間隙，就會損壞所述徑向軸承面，且軸承轉動異常。因此，需要某些裝置來防止所述磨損微粒進入所述徑向軸承間隙。
在額定轉動時，所述徑向軸承朝向所述推力軸承作用的油壓大于所述推力軸承朝向所述徑向軸承作用的油壓。因此，在該狀態下，非常少的磨損微粒進入所述的徑向軸承間隙，且所述微粒累積在推力軸承面之間或累積在它們的外周部分。
但是，當所述軸承開始轉動或停止轉動時，由于徑向軸承產生更小的壓力且所述推力軸承面之間的微粒趨于被動壓產生槽排傳送，因此存在磨損微粒進入徑向軸承間隙的危險。
因此，在本發明中，所述推力軸承的一部分動壓產生槽被延伸以形成微粒捕獲孔(particle catching hole)。由于動壓產生槽和用于捕捉微粒的孔連續形成，所以所述磨損微粒極有可能進入所述孔并保留在所述孔中。
由于這樣的構造，所述軸承系統的壽命得以提高，且其可靠性也得到提高。另外，由于微粒被捕獲在所述微粒捕獲孔中，因此該軸承系統適用于要求潔凈的場合中，諸如硬盤驅動器。
用于捕捉所述微粒的孔可以通過在所述軸的外周表面上直接形成孔而形成。
在所述軸上形成孔有多種其他方法。其中一種方法包括兩個步驟。首先，在所述軸的軸向表面上形成一個或多個槽，所述軸在軸向中間部分處的直徑大且在兩端部分處的直徑小，從而在所述端部和中間部分之間形成階梯，所述階梯在徑向方向上延伸。其次，所述階梯上的槽被止推板的表面覆蓋且所述槽變為孔，同時所述止推板上的槽的內端對齊以與階梯上的槽的外端匹配。在所述階梯表面上刻槽的過程可以取消。這樣，止推板上的一個或多個槽向內延伸且延伸的部分被所述階梯表面覆蓋。
當所述軸的材料不易被鉆孔時，這些可選的其他方法是適用的，以減少加工成本。
在本發明的氣體動壓軸承系統中，在高速旋轉時軸承損耗很小。因此，如果該氣體動壓軸承系統使用在用于驅動記錄信號的磁盤(諸如硬盤或高速光盤)的主軸馬達中，則能獲得優選的結果。
同樣，該軸承系統能適用于需要以特別高的速度轉動的多角鏡掃描器(polygon mirror scanner)。
由于從所述軸承系統中漏出的微粒量很少，如果該軸承系統應用于硬盤的主軸馬達，則可以降低磁盤表面被微粒污染的可能性，且提高磁盤的可靠性。
圖1是根據本發明的氣體動壓軸承系統的剖面圖；
圖2是本發明的氣體動壓軸承系統在微粒捕獲孔附近的放大剖面圖1；如3是本發明的氣體動壓軸承系統在微粒捕獲孔附近的放大剖面圖2；圖4是本發明的氣體動壓軸承系統在微粒捕獲孔附近的放大剖面圖3；圖5是在止推板表面上形成的槽結構的平面圖；圖6是在所述止推板表面和外軸端上形成的槽結構的平面圖；圖7是根據本發明的主軸馬達的剖面圖；圖8是根據本發明的數據存儲磁盤驅動器的剖面圖；和圖9是根據本發明的多角形掃描器的剖面圖。
具體實施例方式
(第一實施例)下面參照圖1，2和5來說明本發明的第一實施例。
圖1所示的氣體動壓軸承系統9包括固定部1和轉動部2。徑向軸承3和推力軸承4可轉動地支撐所述轉動部2，使得所述轉動部2能相對于固定部1轉動。
固定部1包括軸14和兩個在軸14的軸向方向上相互分離的兩個止推板15。每個止推板15的一表面徑向擴展，構成固定部的平面，且推力軸承面13形成在該平面上。
軸14包括內軸14a和套在內軸14a上的外軸14b。通過安裝外軸14b，所述軸形成有柱狀擴大部分。擴大部分的外周面為徑向軸承面11。止推板15的下表面為推力軸承面13。
轉動部2包括套筒24和套在套筒24上的轂62。套筒24為中空柱形，具有沿套筒24的軸向穿透套筒24的孔。套筒24的內周表面為徑向軸承面21。套筒的一軸端表面沿其徑向方向擴展構成轉動部的平面，且推力軸承面23形成在該平面上。
固定部1的徑向軸承面11和套筒的徑向軸承面21通過一微小的間隙相互對置。該微小的間隙填充有氣體。在固定部側上的徑向軸承面上形成有徑向動壓產生槽排。在每個槽排中，多個動壓產生槽沿圓周方向排列在所述軸承面上。在如圖1所示的結構的情況下，在軸向方向上形成兩個相互分離的徑向動壓產生槽排32和32。每個槽排構成徑向軸承，且兩個徑向軸承支撐所述轉動部2。
固定部1的推力軸承面13和轉動部2的推力軸承面23通過微小的間隙相互對置(圖2)。該微小的間隙填充有氣體。在固定部1的推力軸承面13上形成有推力動壓產生槽排42。在該槽排中，多個動壓產生槽沿圓周方向排列在所述軸承面上，從而構成所述推力軸承。
在圖2中，雙線32b和42b傾斜到軸承面附近表示該動壓產生槽排在所述軸承面上產生氣壓差，且與該雙線自軸承面的近端相比，在該雙線從軸承面分離的端部處的氣壓增大。
也就是說，在圖2中，推力動壓產生槽排42用于增大朝向在徑向軸承的間隙與推力軸承的間隙之間的環形微小間隙部分102的氣體壓力。同樣，徑向動壓產生槽排32(圖2中未示出)用于增大朝向環形微小間隙部分102的壓力。
這里，徑向軸承的間隙和推力軸承的間隙在軸承的整個周邊上相互連接，且環形微小間隙部分102也形成為環形。填充在微小間隙中的氣體能流動通過環形微小間隙部分。
在額定轉動時，徑向動壓產生槽排產生的壓力差高于推力動壓產生槽排產生的壓力差。因此填充在所述軸承的微小間隙中的氣體趨于從徑向軸承朝向推力軸承移動。但是，如果該趨勢一直保持，則氣體通過夾在兩個徑向動壓產生槽排32和32之間的區域而損失，且存在使氣體動壓軸承系統操作異常的不利的可能性。因此，轉動部形成有流通通路53。即，所述徑向軸承通過該流通通路53補充在其軸承間隙的壓力下降的側邊上的氣體不足(deficiency)。在額定轉動時，從徑向動壓產生槽排之間的空間損失的氣體由流經所述流通通路53b，53c和53a的氣體補充。該流通通路53通過圓周空間連接到軸承間隙壓力下降的推力軸承側。當軸承系統開始轉動和停止轉動時，由推力動壓產生槽排42產生的壓力差變得比由徑向動壓產生槽排32產生的壓力差相對要高。因此，通過所述流通通路53的氣流反向。
在軸承面直接接觸時產生的灰塵主要產生在推力軸承側上。如果微粒進入徑向軸承，則軸承面被損壞且被嚴重影響。這是因為徑向軸承的軸承面之間的微小間隙小于推力軸承的微小間隙。在額定轉動時，軸承中的氣體從徑向軸承流動到推力軸承，且還作用有離心力。因此，在推力軸承中產生的微粒進入徑向軸承的可能性較小。當軸承系統開始轉動和停止轉動時，由于在某些情況下氣體可能從推力軸承流動到徑向軸承，因此需要捕捉所述微粒并減少微粒侵入所述徑向軸承。
為此，提供微粒捕獲孔100。圖5是止推板15的平面圖。圖5表示推力動壓產生槽排42和通過延伸它們的槽而形成的微粒捕獲孔100。但是在圖5中，微粒捕獲孔100是槽而不是孔。由于止推板15沿外軸14b的軸向方向安裝在外軸14b的端面上，因此圖5中的槽結構100的開口被外軸端面封閉并成為微粒捕獲孔100。
由于每個微粒捕獲孔100在推力動壓產生槽的一端101附近開口，因此推力軸承中的微粒被有效地引入孔中并被捕捉。由于固定部1的一側上的軸承總是形成有微粒捕獲孔，因此由轉動而引起的離心力不作用于被捕捉的微粒，且微粒基本不可能返回到軸承中。
根據圖1所示的氣體動壓軸承系統，有效地阻止了推力軸承中的微粒進入徑向軸承，從而提高了軸承系統的壽命和可靠性。由于微粒被捕捉，因此減小了微粒被排放到軸承系統外部的可能性。
(第一實施例的變型)下面參照圖3，4和6來說明第一實施例的變型。
在圖3中，在外軸14b的一端而不是止推板15形成微粒捕獲孔。圖6是微粒捕獲孔的平面圖。在該示例中，微粒捕獲孔100b在止推板15安裝在外軸端上之前還是槽。所述槽的開口被止推板15封閉，因此所述開口成為微粒捕獲孔100b。
根據圖3所示的結構，推力動壓產生槽排42的端部101b朝向外軸14b稍微伸出，且與微粒捕獲孔100b部分重疊。由于這種結構，推力動壓產生槽中的微粒被有效地引入微粒捕獲孔。在構成推力動壓產生槽排42的動壓產生槽中，如果只有與微粒捕獲孔100b重疊的動壓產生槽伸出，就能實現上述效果。
并不總是需要使動壓產生槽42的端部伸出，且所述端部可以不與微粒捕獲孔100b重疊，如圖4所示。只有當所述微粒捕獲孔的開口和推力動壓產生槽排的端部101c相互對置時，才能獲得捕捉微粒的效果。在構成所述推力動壓產生槽排42的動壓產生槽之中，如果只有與微粒捕獲孔100c重疊的動壓產生槽與微粒捕獲孔100b的開口相對，就能實現上述效果。
(第二實施例)下面參照圖7來說明本發明的第二實施例。
圖7是具有本發明的氣體動壓軸承系統9的主軸馬達64的剖面圖。
氣體動壓軸承系統9包括徑向動壓產生槽排32和32，和兩個沿軸的延伸方向相互分開的徑向軸承。氣體動壓軸承系統9還包括設置在兩個相對的止推板上的推力動壓產生槽排42和42，并包括在相反方向產生支撐力的兩個推力軸承。在套筒上示出的雙線與圖2所示的雙線的含義相同。推力軸承上的動壓產生槽增大朝向徑向軸承的氣體壓力，該氣體潤滑所述軸承面。徑向軸承上的動壓產生槽增大朝向推力軸承的氣體壓力，該氣體潤滑所述軸承面。
由于推力和徑向動壓產生槽的作用而產生的兩個徑向軸承之間的氣體與推力軸承外部的氣體之間的壓力差通過提供流通通路53來克服。流通通路53的一端53a在兩個徑向軸承之間開口。這一點與圖1所示的氣體動壓軸承相同。另一方面，流通通路53的其他端53b，53b在止推板的上側和下側開口。流通通路53形成在內軸中。
這種結構便于流通通路的工作。這是因為由于內軸14a的任一部分都不直接滑動，因此所述流通通路可以由普通金屬材料制成。另一方面，外軸、止推板和套筒的軸承面必須由具有良好的抗磨損性能和高硬度的陶瓷制成。根據圖7所示的流通通路的結構，由于離心力作用于在推力軸承中產生的微粒，因此微粒幾乎不可能到達流通通路的開口53b。因此流通通路的內部幾乎不可能被微粒污染。
當力朝向徑向軸承作用于推力軸承中的微粒時，所述微粒被微粒捕獲孔捕捉，該捕獲孔連續地設置在動壓產生槽42中，且阻止所述微粒進入徑向軸承。
在具有所述氣體動壓軸承系統的主軸馬達64中，在套在套筒24上的轂62上放置一記錄盤932。軸14固定在基座63上，且定子60安裝在所述基座上。轉子磁鐵61環形地設置在轂62的下部上。磁鐵的磁極與定子相對。
根據具有上述結構的主軸馬達，在軸承中產生的微粒并沒有從軸承排出，且這些微粒將立刻被微粒捕獲孔100捕捉。因此，該軸承系統的可靠性高且主軸馬達不排出微粒。因此，該主軸馬達尤其適合于需要高速旋轉的硬盤驅動器。
(第三實施例)圖8所示為本發明的第三實施例。
圖8表示具有本發明的主軸馬達的數據存儲磁盤驅動器910。
在數據存儲磁盤驅動器910的殼體911中，記錄盤932安裝在主軸馬達9上，且由擺臂915支撐的磁頭916以一微小距離(微小的間隙)與磁盤932的一表面相對。當微粒進入所述微小間隙時，微粒損壞所述記錄盤表面和磁頭，并造成信息的讀取和寫入錯誤。因此，殼體911內不應存在微粒。
當本發明的主軸馬達用于數據存儲磁盤驅動器時，由于很難將微粒排入殼體911中，因此該主軸馬達能以高速旋轉，并能保證所述數據存儲磁盤驅動器的可靠性。
(第四實施例)
圖9所示為本發明的第四實施例。
圖9表示具有本發明的主軸馬達64的多角形掃描器(polygonscanner)940。
在主軸馬達64中，多角鏡960安裝在轂62上，且主軸馬達以高速旋轉。主軸馬達64和鏡子960容置在殼體950中，且主軸馬達64和鏡子960反射從蓋子950的側面的可透光束的狹縫952進入的光。該狹縫952被透明玻璃蓋953覆蓋。
主軸馬達64包括本發明的氣體動壓軸承系統9，且該主軸馬達的軸承剛性高，但幾乎沒有由于在軸承系統中微粒的產生而引起的問題。微粒捕獲孔100與推力動壓產生槽排42連續地設置且微粒被捕捉在該槽排中。因此，微粒進入徑向軸承面而該軸承面不被損壞。
本發明并不限于上述實施例。例如，雖然附圖所示的動壓產生槽只在構成動壓氣體軸承系統的一個表面上，但是所述槽也可以設置在構成所述動壓氣體軸承系統的另一表面上，或者可以設置在這兩個表面上。圖中所示的動壓產生槽的形狀與相應實施例對應，但是也可以采用其他形狀，且能獲得與本發明相同的效果。如圖2和7所示，每個動壓產生槽增大了沿說明書中示出的方向潤滑軸承的氣體的壓力。雖然空氣用作潤滑軸承的氣體，但是除空氣外的其他氣體也能用作潤滑軸承的氣體，只要該氣體不是腐蝕性氣體。
雖然圖5和6中所示的微粒捕獲孔的數量為四個，但是該數量并不限于四個。孔的數量可以與推力動壓產生槽排中的槽的數量相同，或者為每一個推力動壓產生槽的開口形成兩個微粒捕獲孔。即使微粒捕獲孔的數量超過四個，這也沒有脫離本發明的范圍。
下面將解釋說明書中的術語“間隙”。說明書中的間隙表示在這樣狀態下的軸承面之間的間隙，即氣體動壓軸承系統或主軸馬達轉動，由推力軸承和徑向軸承產生支撐力，且軸承面保持非接觸狀態。因此，當產品被停止以進行檢查時，在某些情況下看不見推力軸承面之間的間隙。即使在這種情況下，軸承系統也具有游隙從而軸本體或套筒能浮動。由于存在所述的游隙，因此軸承能轉動，且在產生足夠支撐力的狀態下軸承面之間的間隙被保持。即使在軸承停止時在視覺上看不見任何間隙的情況下，如果在分子級上觀察軸承，軸承面接觸的部分也非常小。從這一點看，可以認為所述間隙基本上遍布軸承的相對表面的整個區域。
權利要求
1.一種氣體動壓軸承單元，其包括固定部，其具有柱形的外周面和沿該柱形外周面的徑向方向延伸的平面；轉動部，其具有帶有柱形內周面的孔，和沿該柱形內周面的徑向方向延伸的平面，所述的固定部插入所述的軸承孔，從而所述的固定部和轉動部能相互相對轉動；徑向軸承，其包括形成在所述外周面和所述內周面上的徑向軸承面；形成在所述軸承面中的一個或兩個上的徑向動壓產生槽排；形成在這些軸承面之間的徑向微小間隙；和填充所述微小間隙的氣體；和推力軸承，其包括分別形成在所述固定部的所述平面上和所述轉動部的所述平面上的推力軸承面；形成在所述推力軸承面中的一個或兩個上的推力動壓產生槽排，形成在這些推力軸承面之間的軸向微小間隙；和填充所述微小間隙的氣體，其中所述徑向微小間隙通過一環形微小間隙部分與所述軸向微小間隙連接；在所述固定部和所述轉動部相對轉動的過程中，所述推力軸承增大朝向所述環形微小間隙部分的所述氣體的壓力；在所述固定部和所述轉動部相對轉動的過程中，所述徑向軸承增大朝向所述環形微小間隙部分的所述氣體的壓力；與在所述環形微小間隙部分處的氣體壓力相比所述氣體壓力減小的所述徑向微小間隙的一部分與所述軸向微小間隙的一部分連通，其中，與在所述環形微小間隙部分處的氣體壓力相比，該部分軸向微小間隙的氣體壓力減小；和在所述固定部中形成至少一個微粒捕獲孔，該捕獲孔沿所述柱形外周面的徑向延伸，朝向所述環形微小間隙部分開口，所述開口與構成所述動壓產生槽排的其中一個槽的一端相鄰。
2.如權利要求1所述的氣體動壓軸承單元，其特征在于，所述固定部包括軸和止推板，所述柱形外周面為軸的周面，且所述平面為所述止推板的表面；和所述轉動部包括柱形中空套筒，所述軸承孔為該套筒的中空部，所述柱形內周面為套筒的中空部的內周面，且所述轉動部的平面為所述套筒的軸向端部平面。
3.如權利要求2所述的氣體動壓軸承單元，其特征在于，所述軸包括擴大部分，該擴大部分的直徑比軸的其他部分大，所述徑向軸承面為該擴大部分的周面，該擴大部分的一軸向端部具有垂直于該軸的軸線延伸的平面，所述止推板的一側與所述擴大部分的平面進行面接觸且固定到該平面上；在所述平面和所述止推板的一個側面的其中之一上或在兩者上形成沿所述軸的徑向延伸的槽；和所述槽的開口側被所述止推板的所述一個側面和擴大部分的平面之間的面接觸封閉，從而形成所述微粒捕獲孔。
4.如權利要求3所述的氣體動壓軸承單元，其特征在于，所述軸包括內軸和套在所述內軸上的外軸；和所述擴大部分包括所述外軸。
5.如權利要求3所述的氣體動壓軸承單元，其特征在于，所述擴大部分的兩個軸端分別具有所述平面；所述固定部具有兩個止推板，這兩個止推板與所述平面進行面接觸且固定在所述平面上，所述止推板分別包括推力軸承面，所述推力軸承面相互相對設置；所述轉動部的所述套筒在所述套筒的兩個軸向端部分別具有所述平面，所述平面分別包括推力軸承面，所述推力軸承面以背對背的關系相互相對設置；和兩個推力軸承形成在所述套筒的兩個軸向端部。
6.如權利要求4所述的氣體動壓軸承單元，其特征在于，所述擴大部分的兩個軸端分別具有所述平面；所述固定部具有兩個止推板，這兩個止推板與所述平面進行面接觸并固定在該平面上，所述止推板分別具有推力軸承面，所述推力軸承面相互相對設置；所述轉動部的所述套筒在套筒的兩個軸向端部分別具有所述平面，所述平面分別包括推力軸承面，所述推力軸承面以背對背的關系相互相對設置；和兩個推力軸承形成在所述套筒的兩個軸向端部。
7.一種主軸馬達，其包括如權利要求3所述的氣體動壓軸承單元；與所述轉動部一體轉動的轂；固定到所述固定部上的定子；和固定到所述轂上從而與所述定子相對的轉子磁鐵，且該轉子磁鐵與所述定子一起構成磁路。
8.一種主軸馬達，其包括如權利要求5所述的氣體動壓軸承單元；與所述轉動部一體轉動的轂；固定到所述固定部上的定子；和固定到所述轂上從而與所述定子相對的轉子磁鐵，且該轉子磁鐵與所述定子一起構成磁路。
9.一種主軸馬達，其包括如權利要求6所述的氣體動壓軸承單元；與所述轉動部一體轉動的轂；固定到所述固定部上的定子；和固定到所述轂上從而與所述定子相對的轉子磁鐵，且該轉子磁鐵與所述定子一起構成磁路。
10.一種記錄盤驅動器，其包括殼體；如權利要求7所述的主軸馬達，所述主軸馬達固定在所述殼體上；盤狀記錄介質，其固定到所述轂上，所述記錄介質能存儲信息；和用于在所述記錄介質的預定位置上寫入和/或讀取信號的單元。
11.一種記錄盤驅動器，其包括殼體；如權利要求8所述的主軸馬達，所述主軸馬達固定在所述殼體上；盤狀記錄介質，其固定到所述轂上，所述記錄介質能存儲信息；和用于在所述記錄介質的預定位置上寫入和/或讀取信號的單元。
12.一種多角形掃描器，其包括殼體；如權利要求8所述的主軸馬達，所述主軸馬達固定在所述殼體上，和固定在所述轂上的多角鏡。
全文摘要
本發明的目的是提供一種具有高剛度和可靠性的氣體動壓軸承系統。該單元這樣構成，即推力軸承沿徑向方向在壓力作用下發送潤滑氣體，且徑向軸承朝向所述推力軸承發送所述氣體，從而增加軸承剛性。另外，構成所述推力軸承的一個或多個動壓產生槽延伸到在軸中形成的微粒捕獲孔并與該孔連接。通過這樣的構造，灰塵微粒被捕獲在所述捕獲孔內從而與所述軸承間隙隔開。
文檔編號F16C33/10GK1573147SQ200410034779
公開日2005年2月2日 申請日期2004年5月12日 優先權日2003年5月12日
發明者林丈雄 申請人:日本電產株式會社