JP2000503101A - 溝付きハイドロダイナミック・スラスト軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 二つのスラスト軸受面が軸受流体によって分離されかつ相対的に回転可能である。軸受面の一方は軸受面の内径１２４から外径１２６まで延在する複数の連続ランド１２２を規定する。隣接するランドはそれらの間に、内側環状部における分割されない部分１３０および軸受面の外側環状部における分割部分１３２を有する。連続溝は、隣接する連続ランド１２２の間に位置する中間ランド１３４によって分割部分１３２に分割される。連続溝の分割部分１３２は、分割されない部分１３０と中断しない形式で連通する。

Description

【発明の詳細な説明】 溝付きハイドロダイナミック・スラスト軸受 技 術 分 野 本発明は、スピンドルモータ装置用のハイドロダイナミック・スラスト軸受（ 流体動圧式スラスト軸受）構造に係り、特に、コンピュータ・ハードディスク駆 動スピンドルモータ装置に使用するハイドロダイナミック・スラスト軸受構造に 関するものである。 発 明 の 背 景 コンピュータ・ハードディスク駆動装置は、一般に、スピンドルモータ装置に 装架された一連の磁気ディスク（ディスク・アレー）を有する。ディスクの間に 延在するアームの端部に設けた読取・書込ヘッドによって、各磁気ディスクにデ ータが書込まれ、またそこからデータが読取られる。アームの位置決めは、ディ スク駆動制御電子装置の制御の下でボイスコイルによって行われる。 一連の磁気ディスクはスピンドルモータ装置のハブに装架される。ハブは、軸 受装置によって、スピンドルモータ装置の基部に対して回転すべく取付けられる 。使用中、電磁モータによってハブが回転せしめられる。 磁気ディスクの間の読取・書込ヘッドの正確な位置決めを容易にするために、 外部負荷の作用の下で、実質的に振動なしに軸受装置が作動するとともに、たわ みの小さいこと（すなわち、大きい軸受こわさを有すること）が必要である。ま た軸受装置は保守不要の長い使用寿命をもつことを期待されている。コンピュー タ産業における継続する小型化への趨勢は、上記機能ができるだけ小さい体積の 軸受装置によって達成されるべきことを意味している。 コンピュータ・ディスク駆動スピンドルモータ装置に使用される軸受装置は、 少なくとも一つのハイドロダイナミック・スラスト軸受を備えたハイドロダイナ ミック・スラスト軸受装置であることが多い。スラスト軸受はスラスト板（推力 板）と向合った対向板を有し、それらはそれぞれ軸受面を形成する。軸受面のい ずれか一方にはパターン溝が形成される。二つの軸受面は、使用の際、潤滑剤フ ィルムによって分離される。軸受面の相対的回転によって発生する圧力は、軸受 面を分離して軸受装置を円滑に回転せしめる。 スラスト軸受の軸線方向負荷軸受容量、および他の静的および動的特性は、潤 滑剤フィルムにおける圧力上昇およびスラスト軸受を横切る圧力分布に依存する 。圧力上昇および分布は、それ自体、溝パターンの構造、たとえば溝角度、溝の ピッチの割合、溝の深さおよびスラスト板または対向板の中心半径に依存する。 在来の溝付きスラスト軸受は、軸受性能を最高にするために設計されている。 この性能の向上は、溝付き軸受面の製造し易さを犠牲にして行われている。特に 、溝の密度および構造は、溝パターンを形成するために使用するパンチとダイの 組合わせの寿命の短縮をもたらした。 したがって、スラスト軸受の製造に悪影響を及ぼすことなく良好なスラスト軸 受性能が得られる溝パターンに対する必要性が存在する。 発 明 の 要 約 本発明は、第１および第２軸受面を有する溝付きハイドロダイナミック・スラ スト軸受を提供するものである。第１および第２軸受面は、相対的に回転可能で ありかつ軸受流体によって分離される。 第１軸受面は、内径から外径まで延在する複数の連続ランド（land）を規定す る。隣接する連続ランドは、それらの間に、ほぼ一定の深さを有しかつ内径と外 径との間に中断しない形式で延在する連続溝を画成する。連続溝は、第１軸受面 の内側環状部における分割されない部分と、第１軸受面の外側環状部における分 割部分とを有し、かつ二つの隣接する連続ランドの間に位置する中間ランドによ って分割部分に分割されている。連続溝の分割部分は、連続溝の分割されない部 分と中断しない形式で連通している。 本発明の他の特徴は、「発明の最適実施形態」の欄に開示されまたはそこから 明らかである。 図 面 の 簡 単 な 説 明 本発明を一層完全に理解するため、下記の発明の最適実施形態の詳細な説明の 欄において、添付図面の参照がなされるべきである。 図１は、本発明によるハイドロダイナミック・スラスト軸受を備えたスピンド ルモータ装置の断面図である。 図２は、先行技術に係わるハイドロダイナミック・スラスト軸受の面の一方の 模式的斜視図である。 図３は、図２のハイドロダイナミック・スラスト軸受面の回転によって軸受流 体内に生じた圧力分布を示す斜視図である。 図４は、ハイドロダイナミック・スラスト軸受面に形成された溝の数、軸受面 の製造の容易さおよび軸受性能の間の一般的関係を示すグラフである。 図５（ａ）、図５（ｂ）および図５（ｃ）は、溝付き面を形成するときパンチ 形状に生じた応力を説明するため、ある負荷条件の下で中実体材料に発生した応 力分布を示す。 図６は、第２の先行技術に係わるハイドロダイナミック・スラスト軸受の面の 一方の模式的斜視図である。 図７は、図６のハイドロダイナミック・スラスト軸受面の回転によって軸受流 体内に生じた圧力分布の斜視図である。 図８は、本発明によるハイドロダイナミック・スラスト軸受の面の一方の模式 的斜視図である。 図９は、本発明によるハイドロダイナミック・スラスト軸受の最適形態に係わ る軸受面の一方の平面図である。 図１０は、図８のハイドロダイナミック・スラスト軸受面の回転によって軸受 流体内に生じた圧力分布の斜視図である。 図１１は、本発明によるハイドロダイナミック・スラスト軸受の溝の角度と軸 受性能の間の関係を示すグラフである。 図１２は、本発明によるハイドロダイナミック・スラスト軸受の溝の割合と軸 受性能との間の関係を示すグラフである。 図１３は、本発明によるハイドロダイナミック・スラスト軸受の溝の深さと軸 受性能との間の関係を示すグラフである。 図１４は、本発明によるハイドロダイナミック・スラスト軸受の中心半径と軸 受性能との間の関係を示すグラフである。 図１５は、本発明によるハイドロダイナミック・スラスト軸受を横切る圧力差 と軸受を横切る流速との間の関係を示すグラフである。 図１６は、図２、図６および図８に示された軸受面によって発生した圧力分布 を示すグラフである。 発明の最適実施形態 ハードディスク駆動装置およびスピンドルモータは、いずれも当該技術分野に おいて公知であるので、混乱を避けるとともにこの技術に通じた人々が請求範囲 に記載された発明を実施し得るようにするため、公知事項に関する多くの細目に ついては説明を省略する。 図１は、本発明によるハイドロダイナミック・スラスト軸受を備えたスピンド ルモータの断面図を示す。全体を符号１０で示すスピンドルモータ装置は、基部 １２およびハブ１３を有する。 軸１４はナット１６によって基部１２に取付けられている。 軸１４の外面およびジャーナル１８の隣接する孔は共にハイドロダイナミック ・スラスト軸受２０を形成している。動液圧ジャーナル軸受２０は、軸１４また はジャーナル１８の孔に設けられて溝を備えている。ジャーナル軸受２０は、ジ ャーナル１８を軸線２２の周りに軸１４に対して回転せしむべく支持している。 スラスト板２４は軸１４の一端に圧入され、軸１４の横断方向に延在している 。スラスト板２４は、ジャーナル１８の隣接するスラスト面とともに第１ハイド ロダイナミック・スラスト軸受２６を規定する第１スラスト面を規定する。 対向板２８は、スラスト板２４に隣接してジャーナル１８に圧入されている。 対向板２８は、スラスト板２４によって規定される第２スラスト面とともに第２ ハイドロダイナミック・スラスト軸受３０を形成する対向板スラスト面を規定す る。対向板２８はオーリング３２によってジャーナル１８に対してシールされる 。 第１および第２ハイドロダイナミック・スラスト軸受２６，３０は、図９を参 照して下記に記載されるように、それぞれ溝付き軸受面を備えている。ハイドロ ダイナミック・スラスト軸受装置の本実施例において、これらの溝付き面はスラ スト板２６に設けられている。しかしながら、代替案として、それらは対向板３ ０およびジャーナル１８の隣接面のいずれか一方または双方に設けることができ る。 ハブ３４はジャーナル２６の周りに嵌装されている。ハブ３４は（図示しない ）磁気ディスクを支持している。 ハブ装置１３は、使用中、電磁モータによって基部１２に対して回転せしめら れる。電磁モータは、基部１２に取付けられたステータ装置３６およびジャーナ ル１８に取付けられた磁石３８を有する。 ハイドロダイナミック・スラスト軸受２６，３０は、軸線２２に沿うジャーナ ル１８の軸１４に対するいかなる実質的直線運動をも阻止する。 ハイドロダイナミック・スラスト軸受の作用は、先行技術に係るハイドロダイ ナミック・スラスト軸受の面の一つの模式的斜視図である図２を参照することに よりもっともよく理解することができる。 全体として符号６０で指示された、図示のハイドロダイナミック・スラスト軸 受面は、一組の交互の溝６２およびランド６４を有する。説明のため、ハイドロ ダイナミック・スラスト軸受面６０および溝６２の深さは著しく誇張されている 。 各溝６２およびランド６４は、ハイドロダイナミック・スラスト軸受面６０の 内径６６から外方に延在する脚部、およびハイドロダイナミック・スラスト軸受 面６０の外径６８から内方に延在する脚部を有する。二つの脚部は、当該技術分 野で中央半径と呼ばれる中間半径７０における点で会合している。複数の溝６２ およびランド６４は、共に、図に示すようなヘリンボーンパターン(herringbone pattern：にしん骨模様）を形成している。 ハイドロダイナミック・スラスト軸受は、軸受面６０が対向する軸受面に隣接 して二つの面の間に潤滑剤のフィルムを備えて設置されるときに形成される。つ いで軸受面６０が符号７２の方向に、すなわち、ヘリンボーンパターンに抗して 回転せしめられるとき、溝６２およびランド６４は潤滑剤を内径６６および外径 ６８から中間半径７０におけるヘリンボーンパターンの各点に向かって引張ろう とする。そこで潤滑剤内にまた軸受面６０を横切って圧力分布が発生し、その圧 力分布は外部負荷の下で二つの軸受面を分離して保持すべく作用する。 ８つの溝を有する、ハイドロダイナミック・スラスト軸受面を備えたハイドロ ダイナミック・スラスト軸受を横切って発生する圧力分布は、図３に示されてい る。この図において、軸受装置は１４．２Ｎの力を負荷され、４２６０ｋＮ／ｍ の軸線方向軸受こわさおよび１４．２７Ｎｍ／ｒａｄの揺れこわさを示す。 軸受面上の溝およびランドの数が増加するとき、軸受性能はある点まで上昇す る。軸受性能と溝の数との関係は、図４に線８０でグラフとして示されている。 図４から分かるように、溝がある数以上になると、実質的な軸受性能の上昇は得 られない。 溝付き軸受面の製造の容易さと溝の数との関係は、図４に線８２で示されてい る。この図から分かるように、製造の容易さは溝のある数以下では最初は変化し ないが、溝数が増加するとき急激に低下する。 軸受面の製造の容易さと溝の数との関係は、図５により最もよく理解し得るで あろう。 図５（ａ）は、球９２が力Ｆで面９０に押付けられたときの平坦面９０を横切 る応力分布を示す。応力分布９４は逆ベル状をなし、ピークは球９２の中心直下 にある。 図５（ｂ）は、球９６が力Ｆでブロック９８の角に押付けられたときの応力分 布を示す。応力分布は符号１００で示されたようなブロックにおける前記逆ベル 状をなす。 溝を形成するため使用されるパンチにおいて、パンチ内の応力分布は図５（ｂ ）の応力分布１０４および１００の二つの鏡像の和と想定される。発生した応力 分布は、図５（ｃ）に符号１０６で示されている。一層狭い溝を形成することが 必要になるときのように、パンチ１０８の幅「ｄ」が減少するとき、パンチを横 切る平均応力は端部応力分布１０４が目立つようになるとき急激に増加する。 したがって、図３に戻ると、一般的に、軸受性能を向上させるため一層多くの 溝が必要になり、そこで各溝の幅が縮小する。狭い溝はそれらを形成するため一 層細いパンチ（またはダイ）形状を必要とする。一層細いパンチ形状は一層大き い応力に遭遇する。このことはそれ自体溝付き軸受面製造の容易さを低下する。 １２の溝を有する別の従来技術による動液圧軸受面は図６に略示され、この軸 受面によって発生される圧力分布は図７に示されている。この図において、軸受 装置も１４．２Ｎで負荷され、図２の構造以上に増加した４５６０ｋＮｍの軸線 方向軸受こわさおよび１４．９５Ｎｍ／ｒａｄの軸受揺れこわさを示す。 図２を図６と、また図３を図７と比較すると、溝６２の数を８から１２に増加 することは、軸受面を横切る圧力分布を一般的に増加させるが、個々の溝の幅が 著しく減少していることが分かる。 本発明による動液圧軸受の軸受面は図８の略斜視図、および図９の平面図に示 されている。便宜上、図８および図９の軸受共通の特徴は同じ指示符号で示され ている。 全体として符号１２０で示された図８に示す軸受面は、複数の連続ランド１２ ２を規定する。連続ランド１２２は軸受面１２０の内径１２４から外径１２６ま で延在している。連続ランド１２２の隣接するものは、それらの間にほぼ一定の 深さを有し、かつ内径１２４と外径１２６の間に中断しないで延在する連続溝１ ２８を有する。 図８から分かるように、各連続溝１２８は軸受面１２０の内側環状部における 分割されない部分１３０、および軸受面１２０の外側環状部における分割部分１ ３２を有する。連続溝は二つの隣接する連続ランド１２２の間に位置する中間ラ ンド１３４によって分割部分１３２に分割されている。 連続溝１２５の分割部分１３２が、連続溝１２８の分割されない部分１３０と 中断しない形式で連通していることに留意すべきである。このことは軸受潤滑剤 が実質的に拘束されないで内径および外径１２４，１２６の間の連続溝に沿って 確実に流れ得るようにするものである。この滑らかな流れが、軸受性能を改善し 、かつ連続ランド１２２または中間ランド１３４が遭遇する応力を増大する、好 ましくない圧力の上昇または軸受面を横切るいかなる位置においてもキャビテー ションの発生が確実に存在しないようにするものと考える。 連続ランド１２２は、それぞれ、軸受面１２０の外側環状部に設置された第１ 脚部１３６、軸受面１２０の内側環状部に設置された第２脚部１３８を有し、第 １および第２脚部は中間半径１４０で会合する。第１および第２脚部１３６，１ ３８は互いに角度をなし、連続ランド１２２は隣接する連続ランド１２２ととも に。図に示すような湾曲したヘリンボーンパターンを規定する。 図８の軸受面で発生する圧力分布が図１０に示されている。この図において、 軸受装置は１３．９１Ｎの力を負荷され、図２ならびに図６以上の、４８１０ ｋＮ／ｍの軸線方向軸受こわさおよび１５．３７Ｎｍ／ｒａｄの軸受揺れこわさ を示す。 特に図９を参照して軸受面１２０の回転方向を考慮すると、連続ランド１２２ の第１および第２脚部１３６，１３８は、それぞれ先端１４４，１４６および後 端１４８，１５０を有する。第１および第２脚部１３６，１３８が中間半径１４ ０の近傍で会合する場合、後端１４８，１５０は滑らかな曲線を形成する。本発 明の図示例において、滑らかな曲線はほぼ５０μｍの半径を有する円弧１５２で ある。 また第２脚部１３８の先端１４６が隣接する第２脚部１３８の後端１５０に内 径１２４で会合する場合、同様に滑らかな曲線が形成される。図示の実施例にお いて、滑らかな曲線はほぼ２５μｍの半径を有する円弧１５４である。 軸受面１２０の製造の容易さの改善は、軸受面１２０を形成するため使用され るパンチを考慮することによってもっともよく認識することができる。そのよう なパンチまたはダイは、図示の軸受面１２０の反対になるであろう。換言すれば 、パンチは連続溝１２８に対応する隆起面、およびランド１２２，１３４に対応 する溝を有するであろう。 図９を見ると、この関係から、パンチの隆起面は内径１２４と外径１２６との 間で中断していない。 またパンチの盛り上がった面は、外径１２６と内径１２４との間で一層均一に 広がっているのが分かる。上記のように望ましくない大きい応力をうける、パン チの隆起面上の狭い区域は、滑らかな曲線１５２，１５４を備えることによって 著しく目立っている。 ハイドロダイナミック・スラスト軸受の性能は溝の角度（α）に依存する。溝 の角度は、溝の切線とその点における円の切線とのなす角度として規定される。 通常、溝の角度は内側溝１３０および外側溝１３２に対して一定に維持される。 軸受流体に対するハイドロダイナミック・スラスト軸受のポンプ作用は溝の角度 に著しく依存し、その作用はそれ自体軸受性能に影響を及ぼす。図９のハイドロ ダイナミック・スラスト軸受面に対して、溝の角度は所要の特殊な軸受特性にし たがって約１９°から約２９°まで変化するが、好適には約２３．５°である。 溝の角度と軸受の性能の関係は図１１に示されている。 同様に、溝の割合は軸受流体に対する動液圧軸受のポンプ作用、したがって軸 受性能に影響を及ぼす。溝の割合はランドの幅に対する溝の幅の比で規定され、 また本発明による溝付き動液圧軸受において、約０．３２から０．６まで変化す る。溝の割合は好適には０．５である。溝の割合と軸受性能との関係は図１２に 示されている。 図９の軸受面における溝１２８の深さも、約９μｍと約１３μｍとの間で変化 するが、好適には１１μｍである。溝の深さと軸受性能との関係は図１３に示さ れている。 軸受性能に影響を及ぼす別のパラメータは中間半径１４０の位置である。内側 および外側溝１３０，１３２が配置される方法のため、それらは軸受流体を相対 的に、すなわち中間半径１４０に向かって給送する。中間半径の位置は、内側お よび外側溝１３０，１３２の相対的長さ、したがってそれらの相対的給送容量を 決定する。軸受性能は、図１４に示されたように中間半径の長さに依存する。 上記パラメータ、特に中間半径１４０の位置を変化させることにより、内径１ ２４における軸受流体と外径１２６における軸受流体との間に圧力差（ΔＰ）を 発生することが可能である。そのような圧力差は軸受面を横切る差引きの軸受流 体流を発生するであろう。軸受面を横切るΔＰを増減することによって、差引流 量およびその軸受を横切る方向は制御可能である。軸受を横切る圧力差および流 量は図１５に示されている。 最後に、図１６は、図２（分割されない溝が８個）、図６（分割されない溝が １２個）および図８（分割された溝が８個）に示された動液圧軸受面による軸受 流体内に発生する圧力の比較を示す。この図から分かるように、本発明のハイド ロダイナミック・スラスト軸受は図２に実施例および三つの軸受面の最高のピー ク圧力以上の改善された最少圧力を有するが、圧力分布全体も改善された。 かくして、本発明の動液圧軸受面は従来技術の軸受装置より性能において改善 されただけでなく、製造するのが一層容易である。 本発明は発明の上記実施例に限定されるものでなく、多くの変形が発明の精神 および範囲から離れることなく可能である。たとえば、付加的中間ランド１３４ を連続溝をさらに分割するため隣接する連続ランド１２８の間に設けることがで きる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロイトルド，ハンス アメリカ合衆国95060 カリフォルニア州 サンタ クルズ，ガールキイ ストリート 849 (72)発明者 クラーク，ウェスレイ アメリカ合衆国95076 カリフォルニア州 ワトソンビル，ペラ ドライブ 128

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. 相対的に回転可能でかつその間に軸受流体を有する第１および第２軸受面 を有する溝付きハイドロダイナミック・スラスト軸受において、 第１軸受面が第１軸受面の内径から第１軸受面の外径まで延在する複数の連続 ランドを規定し、 連続ランドの隣接するものがそれらの間にほぼ一定の深さを有しかつ内径と外 径との間に中断しない形式で延在する連続溝を規定し、 連続溝が第１軸受面の内側環状部に規定された分割されない部分および第１軸 受面の外側環状部に規定された分割部分を有し、連続溝が隣接する連続ランドの 間に位置する中間ランドによって分割部分に分割され、 連続溝の前記分割部分が連続溝の分割されない部分と中断しない形式で連通す る溝付きハイドロダイナミック・スラスト軸受。 2. 連続ランドがそれぞれ外側環状部に位置する第１脚部および内側環状部に 位置する第２脚部を有し、第１および第２脚部が中間半径で会合するとともに互 いに角度をなし、連続ランドが湾曲したヘリンボーンパターンを共に規定する請 求項１に記載された溝付きハイドロダイナミック・スラスト軸受。 3. 連続ランドがそれぞれ作動時の先端部および作動時の後端部を規定し、作 動時の先端部は第１および第２脚部が会合する滑らかな曲線を規定する請求項２ に記載された溝付きハイドロダイナミック・スラスト軸受。 4. 連続ランドの隣接するものの作動時の先端部および作動時の後端部が内径 において滑らかな曲線で会合する請求項３に記載された溝付きハイドロダイナミ ック・スラスト軸受。 5. 作動時の先端部によって規定された滑らかな曲線が円弧である請求項３に 記載された溝付きハイドロダイナミック・スラスト軸受。 6. 第１および第２脚部が会合する作動時の先端部によって規定された滑らか な曲線が約２５μｍの半径を有する請求項５に記載された溝付きハイドロダイナ ミック・スラスト軸受。 7. ジャーナル孔を規定しさらにジャーナル孔の横方向に延在するジャーナル スラスト面を規定するジャーナル、 ジャーナル孔に装架された軸であって、軸およびジャーナル孔が軸およびジャ ーナルの相対的回転を許す溝付き動液圧軸受を共に規定する前記軸、 軸から横方向に延在しかつ第１および第２スラスト面を規定するスラスト板で あって、第１スラスト面およびジャーナルスラスト面が共に第１ハイドロダイナ ミック・スラスト軸受を形成する前記スラスト板、および ジャーナルに取付けられかつ対向スラスト面を形成する対向板であって、対向 スラスト面および第２スラスト面が第２ハイドロダイナミック・スラスト軸受を 共に形成する前記対向板、を有し、 第１および第２ハイドロダイナミック・スラスト軸受のスラスト面の少なくと も一方が溝付きスラスト面で、溝付きスラスト面がその内径からその外径まで延 在する複数の連続ランドを規定する溝付きハイドロダイナミック・スラスト軸受 装置において、 連続ランドの隣接するものがそれらの間にほぼ一定の深さを有しかつ内径と外 径との間に中断しない形式で延在する連続溝を規定し、 連続溝が溝付きスラスト面の内側環状部における分割されない部分および溝付 きスラスト面の外側環状部における分割部分を有し、 連続溝が分割部分において隣接する連続ランドの間に位置する中間ランドによ って分割され、 連続溝の分割部分が連続溝の分割されない部分と中断しない形式で連通する前 記溝付きハイドロダイナミック・スラスト軸受装置。 8. 連続ランドがそれぞれ外側環状部に位置する第１脚部および内側環状部に 位置する第２脚部を有し、第１および第２脚部が中間半径で会合するとともに、 互いに角度をなし、連続ランドが湾曲したヘリンボーンパターンを共に規定する 請求項１に記載された溝付きハイドロダイナミック・スラスト軸受装置。 9. 連続ランドがそれぞれ作動時の先端部および作動時の後端部を規定し、作 動時の先端部は第１および第２脚部が会合する滑らかな曲線を規定する請求項８ に記載された溝付きハイドロダイナミック・スラスト軸受装置。 １0. 連続ランドの隣接するものの作動時の先端部および作動時の後端部が内 径において滑らかな曲線で会合する請求項９に記載された溝付きハイドロダイナ ミック・スラスト軸受装置。 １1. 作動時の先端部によって規定された滑らかな曲線が円弧である請求項 ９に記載された溝付きハイドロダイナミック・スラスト軸受装置。 １2. 第１および第２脚部が会合する作動時の先端部によって規定された滑ら かな曲線が約２５μｍの半径を有する請求項１１に記載された溝付きハイドロダ イナミック・スラスト軸受装置。