专利名称：气体动压轴承、具有该气体动压轴承的马达以及盘驱动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及气体动压轴承、具有该气体动压轴承的马达以及具有该马达的盘驱动器。本发明应用于这样的马达中，即，该马达可使磁盘(例如硬盘和DVD)、盘设备和具有该马达的激光打印机旋转。
背景技术：
使磁盘(例如硬盘)旋转的马达需要在高速和高精度下旋转。作为使磁盘旋转的马达的支承装置，能够稳定旋转的流体动压轴承正日益普及。通常，流体动压轴承包括两个构件第一和第二构件。第一构件为柱状轴，一个或两个盘状止推板设在该轴的一端或两端上。第二构件通过径向间隙对着所述轴的外圆周面，并通过止推间隙对着止推板的一个或两个平面。在构件上对着这些间隙的两个表面中的至少一个(所述表面和所述间隙组以下称为“轴承表面”)具有动压生成槽，该槽具有人字形或螺旋形状，且润滑流体(例如空气或油)存在于这些间隙中。如果第一和第二构件中的一个相对于另一个旋转，那么润滑流体通过动压生成槽的泵浦效应而增加径向间隙和止推间隙中的流体压力。这样，第一和第二构件的旋转侧相对于其固定侧向上浮动，且在旋转期间保持了第一和第二构件之间的非接触状态。
在气体动压轴承中，将气体用作润滑流体。与将油用作润滑流体的液体动压轴承不同，气体动压轴承并不存在润滑流体泄漏问题。然而，与油相比较气体的粘性阻力值非常小。因此，与油动压轴承相比较，这种气体动压轴承采用了这样的构造，即，增加了在支承表面中旋转侧的速度，并将支承间隙设得小于油动压轴承的支承间隙。通过这样的构造，在气体轴承中产生了足够的旋转支承力。通常，在油动压轴承中，支承间隙为2到5μm，但是在气体动压轴承中支承间隙为2μm或更小。在气体动压轴承的情况下，由于支承间隙较小，1)当支承间隙由于温度升高而变窄时，即，当所述轴的热膨胀系数大于轴套的热膨胀系数时，支承间隙消失从而支承表面相接触，产生称为锁定状态的不能旋转的状态。此外，2)当支承间隙由于温度升高而变宽时，即，当所述轴的热膨胀系数小于轴套的热膨胀系数时，旋转支承力变得不足，且旋转精度变差。已有多种现有技术用来防止支承间隙的变化。根据现有技术之一，将铜合金用作轴套的材料，将奥氏体不锈钢用作轴的材料，且两种材料的热膨胀系数值基本彼此相等。根据另一现有技术，对着止推间隙的支承表面由彼此不同的材料制成。当一种材料为不锈金属时，另一种材料为陶瓷，例如氧化锆。通过这种现有技术，选用一种材料使其具有与另一种材料基本相等的热膨胀系数值，并降低由于轴或止推板和轴套之间的摩擦而产生的磨损量。
发明内容
然而，在任一相关的现有技术中固定侧和旋转侧的材料选为基本彼此相同。由于材料必须从该范围中选择，因此考虑到其他方面，例如可加工性、价格和光滑性，材料的组合不可能得到优化。
本发明的目的是拓宽对固定侧和旋转侧材料的选择范围。
本发明也可降低由于温度的变化而导致的间隙尺寸的变化。
根据本发明的气体动压轴承的一个示例，该轴承包括轴；轴套，它的内圆周面通过微小间隙对着所述轴的外圆周面；以及基本圆柱形的毂，它向所述轴套的外侧施加表面压力，并装配到所述轴套上；动压生成槽形成在轴的外圆周面和轴套的内圆周面的至少一个上，且如果将轴、轴套和毂的线性膨胀系数分别定义为α0、α1、α2，那么满足关系式α1＜α0＜α2。
在这种气体动压轴承中，当温度为20℃时，将轴套装配到毂上，并将轴套压向内径侧固定。如果温度升高，那么轴和轴套之间的径向间隙由于关系式α1＜α0而趋于变窄。将该间隙的变化量定义为A。轴套和毂之间的紧固宽度(fastening width)由于关系式α1＜α2而变小，因此缓和了轴套和毂之间的表面压力，且轴套趋于沿径向膨胀。该膨胀使得轴和轴套之间的径向间隙变宽。将该膨胀量定义为B。结果，膨胀量B与间隙变化量A彼此抵消，从而降低或抑制了由于温度升高而导致的径向间隙的实际变化。此外，由于满足了上述不等式，因此可根据可加工性、价格和润滑性可将最优的材料应用于各种构件中。
优选地，如果将20℃时的轴套和毂之间的紧固宽度定义为δ，轴套和毂之间的装配直径定义为2R2，并将最大使用温度和20℃之间的差值定义为ΔT，那么满足下面的关系式(1)，并且如果将轴套的厚度定义为t1、毂的厚度定义为t2，那么满足下面的关系式(2)2R2ΔT(α2-α1)≤δ …(1)t2/t1≥0.25 …(2)。
如果满足了关系式(1)，就可固定紧固宽度，尽管轴套在气体动压轴承的使用温度范围内膨胀。然而在这种情况下，如果与轴套相比毂的厚度非常薄，那么当通过热压配合或压配合来固定毂时只有毂沿着膨胀方向变形，并且并没有向轴套施加预定的表面压力。这就是设置关系式(2)的原因。这样，当通过满足关系式(1)的紧固宽度使轴套和毂彼此装配时，在它们之间施加了预定的表面压力。结果，降低了径向间隙的变化，并防止了装配部分的松动。
当轴、轴套和毂由满足上述条件的材料制成时，可通过下面等式来获得径向间隙的变化量首先，将轴的外径、轴套的内径、轴套和毂之间的装配直径以及毂的外径分别定义为2R0、2R1、2R2和2R3。轴套材料和毂材料的纵向弹性模量定义为E1和E2，轴套材料和毂材料的泊松比定义为ν1和ν2。通过压配合或热压配合而在毂和轴套之间的紧固表面上产生的表面压力Pm可由下式(3)表示Pm=δ/{2R2(R22+R12E1(R22-R12)+R32+R22E2(R32-R22)-v1E1+v2E2)}---(3)]]>轴套的内径缩小了u，u通过Pm由下式(4)表示u=-2R12R22PmE1(R22-R12)R1---(4)]]>
因此，在常温时径向间隙Cr变为Cr＝R1-R0-u …(5)接着，如果温度升高ΔT，那么表面压力Pm和轴套内径的缩小量可由下式(6)到(8)获得Pm′=δ′/{2R2′(R2′2+R1′2E1(R2′2-R1′2)+R3′2+R2′2E2(R3′2-R2′2)-v1E1+v2E2)}---(6)]]>R0′=R0(1+α0ΔT)R1′=R1(1+α1ΔT)R2′=R2(1+α1ΔT)R3′=R3(1+α2ΔT)δ′=2R2(α1-α2)ΔT+δ...(7)]]>u′=-2R1′2R2′2Pm′E1(R2′2-R1′2)R1′---(8)]]>在温度升高后径向间隙Cr′可表示为下式(9)Cr′＝R1′-R0′-u′＝(R1α1-R0α0)ΔT-u′ …(9)因此，径向间隙变化量可表示为下式Cr-Cr′＝R1-R0-u-(R1α1-R0α0)ΔT+u′…(10)其中，u′为通过将式(7)带入式(6)和式(8)中而获得的值。
由于本发明的气体动压轴承具有上述效果，因此包括有下述构件的马达可稳定地工作，其包括所述气体动压轴承、用于固定轴的支座、安装在支座上的定子和安装在毂上从而与定子相对的磁体。
根据本发明，只有将支承表面附近的构件的线性膨胀系数设为预定的不等式关系，才可以降低径向间隙的变化量。由于可确保轴套和毂之间的装配部分的表面压力，因此构件的选择范围变宽了。这有利于使用气体动压轴承的各种装置。
图1是根据实施例沿着旋转轴向剖取的硬盘驱动器的示意性剖视图；以及图2是用于硬盘驱动器中的马达沿着轴向的剖视图。
具体实施例方式
以下参考附图解释本发明的实施例。图1是根据实施例沿着旋转轴向(以下称为轴向)剖取的硬盘驱动器的示意性剖视图。硬盘驱动器10包括壳体11，它的内部保持清洁；动压轴承马达(以下称为马达)1，设在壳体11中；和致动器12。多个(在图中为四个)磁盘6沿轴向安装在马达1上。如果驱动马达1，那么磁盘6就沿着预定的方向旋转。具有磁头13的臂14相对于磁盘6安装在致动器12上，从而臂14沿着径向延伸。当不使用硬盘驱动器10时，将磁头13与臂14一起退到远离磁盘6的位置处，如果马达1被驱动，那么磁头13由于致动器12的操作而旋转，从而磁头13接近磁盘6以读/写信息。
图2是示出了用于硬盘驱动器10中的马达1沿着轴向的剖视图。图2是沿着截断线X-X剖取的局部正视图。马达1包括固定构件2，它固定到壳体11的内表面上；旋转构件3，通过稍后描述的气体动压轴承支承从而旋转构件3可相对于固定构件2旋转；定子4和磁体5。
固定构件2包括基本凹入的盘状支座21、内轴22、外轴23、上止推板24和下止推板25。在支座21的中央部分处形成有通孔(未示出)，并且该通孔的周缘较厚以形成凸起部分(boss)21a。支座21的周缘设有圆柱形壁21b。定子4安装在壁21b的内表面上。电流从外部电源通过设在支座21的预定部分处的柔性电路基板(未示出)供给定子4的线圈。内轴22具有柱状外形，且其下端装配到通孔中并由凸起部分21a支承。外轴23具有圆柱外形。外轴23装配在内轴22从凸起部分21a露出的外圆周上。下止推板25从外轴23沿轴向延伸。下止推板25装配进内轴22中使得下止推板25夹在外轴23的下端面和凸起部分21a之间。上止推板24也从外轴23沿着径向延伸，与外轴23的上端面接触并装配进内轴22中。
旋转构件3包括基本圆柱形的毂31。毂31的上端围成通孔31b。旋转构件3还包括圆柱形轴套32，轴套32热压配合进毂31的内圆周面中。旋转构件3还包括夹持件33a和多个(图中为四个)隔板33。轴套32的上、下端面通过微小间隙(以下称为止推间隙)32a和32c夹在上、下止推板24和25之间，从而上、下端面分别对着上、下止推板24和25。轴套32的内圆周面通过微小间隙(以下称为径向间隙)32b对着外轴23的外圆周面。从轴套32的上、下端露出的毂31的内圆周面包围上、下止推板24和25以及凸起部分21a。毂31的外圆周面上的下端附近具有凸缘31a。毂31低于凸缘31a的外圆周面保持磁体5。毂31高于凸缘31a的部分具有均匀的外径。内轴22的上端穿过通孔31b并暴露到毂31的外部。磁体5对着定子4。隔板33从毂31的凸缘31a伸向较高的外圆周面，以确定磁盘6之间沿着轴向的距离。夹持件33a是固定装置，用于将多个(图中为四个)磁盘6和隔板33固定到毂31上。
上止推板24的下表面和下止推板25的上表面形成有许多槽24a和25a，槽24a和25a以弧形从内部向外部弯曲。槽24a和25a具有几微米(μm)的深度，且在径向上以彼此相等的距离布置。当旋转构件3旋转时，槽24a和25a产生泵浦效应，即，将存在于止推间隙32a中的空气向内输送。这样，生成了止推间隙32a和32c的动压，并保持了固定构件2和旋转构件3之间沿着轴向的非接触状态。外轴23的外圆周面的上半和下半部分形成有许多L形的槽23a和23b，槽23a和23b具有几微米(μm)的深度。槽23a和23b沿着径向以彼此相等的距离布置。槽23a和23b在旋转构件3旋转时产生泵浦效应，以将存在于径向间隙32b中的空气朝向每个槽的折回点输送。这样，生成了径向间隙32b的动压，并保持了固定构件2和旋转构件3之间沿着径向的非接触状态。如上所述，构成止推间隙32a和32c以及径向间隙32b的部分作为动压气体轴承。
接着，将描述马达1的动作。
如果将电流供给定子4的线圈，那么就会在定子4和磁体5之间产生磁力，毂31与轴套32一起通过该磁力而开始旋转。然后，在上述止推间隙32a和32c以及径向间隙32b中产生动压，且旋转构件3在持续旋转的同时保持了相对于固定构件2的非接触状态。
当旋转构件3旋转时，固定构件2和旋转构件3由于来自线圈的热量而趋于根据其热膨胀系数膨胀，线圈的热量是通过供电和环境温度的升高而引起的。在该实施例中，外轴23由具有热膨胀系数(α0＝6.2×10-6/℃)的Al2O3-TiC(氧化铝-碳化钛)陶瓷制成。轴套32由具有热膨胀系数(α1＝5.1×10-6/℃)的Al2O3制成。毂31由具有热膨胀系数(α2＝10.1×10-6/℃)的铁素不锈钢制成。将外轴23对着轴套32的部分的外径2R0设为9.994mm，轴套32的内径2R1设为10mm，并将轴套32和毂31之间的装配直径2R2设为17.5mm。毂31高于凸缘31a的部分的外径2R3设为20mm，并将毂31和轴套32之间的装配部分的紧固宽度δ设为10μm。在上述条件下，可根据上式(10)获得当温度为20℃和温度为80℃时径向间隙沿径向的变动量，其结果为0.02μm或更小。可获得式(1)左侧的值，其结果为5.25μm。毂31的厚度t2和轴套32的厚度t1之比t2/t1为0.33，这满足了式(1)和(2)，并将必要的表面压力施加到装配部分。
相比较，如果将相同的材料用于轴套32和外轴23，那么径向间隙沿径向的变化量为0.3μm。
尽管前面描述了具有各种尺寸、性能、动压轴承、马达和硬盘驱动器的本发明的单个实施例，但是本发明并不限于这些实施例。在不脱离本发明的范围的情况下，可作各种变化和修改。
权利要求
1.一种气体动压轴承，包括轴；轴套，它的内圆周面通过微小间隙对着所述轴的外圆周面；以及基本圆柱形的毂，它向所述轴套的外侧施加表面压力，并装配到所述轴套上，其中在所述轴的外圆周面和所述轴套的内圆周面的至少一个上形成有动压生成槽，其中如果将所述轴、轴套和毂的线性膨胀系数分别定义为α0、α1、α2，那么满足关系式α1＜α0＜α2。
2.如权利要求1所述的气体动压轴承，其特征在于，如果将20℃时的所述轴套和所述毂之间的紧固宽度定义为δ，轴套和毂之间的装配直径定义为2R2，并将最大使用温度和20℃之间的差值定义为ΔT，那么满足下面关系式(1)，并且如果将轴套的厚度定义为t1、毂的厚度定义为t2，那么满足下面关系式(2)2R2ΔT(α2-α1)≤δ …(1)t2/t1≥0.25 …(2)。
3.一种具有气体动压轴承的马达，包括轴；轴套，它的内圆周面通过微小间隙对着所述轴的外圆周面；以及基本圆柱形的毂，它向所述轴套的外侧施加表面压力，并装配到所述轴套上，其中在所述轴的外圆周面和所述轴套的内圆周面的至少一个上形成有动压生成槽，其中如果将所述轴、轴套和毂的线性膨胀系数分别定义为α0、α1、α2，那么满足关系式α1＜α0＜α2，以及所述马达还包括用于固定所述轴的支座、安装在该支座上的定子以及磁体，该磁体安装在所述毂上从而对着所述定子。
4.如权利要求3所述的马达，其特征在于，在所述气体动压轴承中，如果将20℃时的所述轴套和所述毂之间的紧固宽度定义为δ，轴套和毂之间的装配直径定义为2R2，并将最大使用温度和20℃之间的差值定义为ΔT，那么满足下面关系式(1)，并且如果将轴套的厚度定义为t1、毂的厚度定义为t2，那么满足下面关系式(2)2R2ΔT(α2-α1)≤δ…(1)t2/t1≥0.25 …(2)。
5.一种其上安装有可存储信息的盘状存储介质的磁盘设备，该磁盘设备包括壳体；马达，用于旋转记录磁盘并固定在所述壳体中；以及数据存取装置，用于读/写在所述记录磁盘上的数据，其中所述马达包括轴；轴套，它的内圆周面通过微小间隙对着所述轴的外圆周面；以及基本圆柱形的毂，它安装为向所述轴套的外侧施加表面压力，所述马达还包括气体动压轴承，其中在所述轴的外圆周面和所述轴套的内圆周面的至少一个上形成有动压生成槽，如果将所述轴、轴套和毂的线性膨胀系数分别定义为α0、α1、α2，那么满足关系式α1＜α0＜α2，所述马达还包括用于固定所述轴的支座、安装在该支座上的定子以及磁体，该磁体安装在所述毂中从而对着所述定子。
6.如权利要求5所述的硬盘驱动器，其特征在于，在所述气体动压轴承中，如果将所述轴套和所述毂之间的紧固宽度定义为δ，轴套和毂之间的装配直径定义为2R2，并将最大使用温度和20℃之间的差值定义为ΔT，那么满足下面关系式(1)，以及如果将轴套的厚度定义为t1、毂的厚度定义为t2，那么满足下面关系式(2)2R2ΔT(α2-α1)≤δ …(1)t2/t1≥0.25…(2)。
全文摘要
一种气体动压轴承，包括轴、轴套，它的内圆周面通过微小间隙对着所述轴的外圆周面；以及基本圆柱形的毂，它向所述轴套的外侧施加表面压力，并装配到所述轴套上，在所述轴的外圆周面和所述轴套的内圆周面的至少一个上形成有动压生成槽，并且如果将所述轴、轴套和毂的线性膨胀系数分别定义为α
文档编号H02K5/16GK1727709SQ20041005466
公开日2006年2月1日 申请日期2004年7月27日 优先权日2004年7月27日
发明者冈山佳树 申请人:日本电产株式会社