JP2000506961A - 改良した流体軸受装置 - Google Patents

改良した流体軸受装置

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JP2000506961A JP9538993A JP53899397A JP2000506961A JP 2000506961 A JP2000506961 A JP 2000506961A JP 9538993 A JP9538993 A JP 9538993A JP 53899397 A JP53899397 A JP 53899397A JP 2000506961 A JP2000506961 A JP 2000506961A
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Abstract

(57)【要約】 封止状態および性能が改善した自給式流体軸受装置が開示される。上ねじの外向きにテーパされた外面と軸受装置の頂部にある環状クランプリングの内向きにテーパされた内面との間およびシールプレートの外向きにテーパされた外面と軸受装置の底部にある環状クランプリングの内向きにテーパされた内面との間に、遠心毛管シールが角度をなして規定される。動作の間、軸受潤滑剤はシールにおける遠心力によって引起こされるポンプ動作によりシール開口から離れて軸受に向かうよう導かれ、動的シールをもたらす。軸受装置が回転していないときには毛管力がシール内に潤滑剤を保持し、潤滑剤が漏れるのを防ぐ。シールがテーパされた形態を有することによりさらに、所与の有効なシール長さに対する縦方向のシール長さが短くなり、それによりジャーナル軸受長さ/スパンを最大化して軸受装置の動的性能を高める。

Description

【発明の詳細な説明】 改良した流体軸受装置 関連出願の参照 この出願は、1995年8月25に出願された同時係属中の出願連続番号第0 8/519,842号の一部継続出願である。 発明の分野 この発明は流体軸受に関する。この発明は特に、軸受潤滑剤の漏れを防ぎかつ ジャーナル軸受の長さおよび/またはスパンを縮めるために部品数および遠心毛 管シールが減らされた、スピンドルモータのための流体軸受装置に関する。 発明の背景 コンピュータハードディスクドライブの開発には常に、益々高いトラック密度 、低音響ノイズおよび衝撃や振動による妨害のもとでの信頼性の向上が必要であ る。幅広く用いられている玉軸受スピンドルの不所望な特性、たとえば軸受の欠 陥による非反復的な振れ、大きな音響ノイズおよび高共振周波数などにより、ド ライブの能力および性能が厳しく制限されている。 流体軸受(“HDB”)などの非接触性軸受を用いると、前述の制限を克服す ることができる。フィルム潤滑剤で満たされた流体軸受では、非反復的な振れお よび音響ノイズがかなり軽減され、その高減衰力により、外部からの衝撃および 振動に対する抵抗が高まる。 ハードディスクドライブ環境におけるHDBシステムの開発には、軸受の性能 の低下やドライブ内の汚染を防ぐために、すべての動作および非動作状況におい て軸受構造の内部に潤滑剤をしっかりと封止することが必要である。同時に、軸 受システムは向上した動的性能を有しかつコスト要件を満たすために容易に製造 可能でなければならない。以下に説明されるようにこれらの要件は互いに矛盾す ることが多く、これまでは妥協したHDBスピンドル設計しか得られなかった。 流体軸受装置用のシールを提供するための先行技術の試みは多い。流体軸受を 封止するためにはOリングおよび表面張力または毛管シールなどの静的シールが 採用されてきた。 「流体軸受およびシール」(“Hydrodynamic Bearing and Seal”)と題され た同一人に譲渡された米国特許第5,423,612号には毛管シールの一例が 開示されており、この開示は引用によって援用される。この米国特許第5,42 3,612号に記載されている試みの1つの欠点は、不均衡なポンプ動作および /または衝撃による負荷などの状況において潤滑剤の再循環能力を実現するため に軸受まわりに再循環ポートを設けることがいくぶん困難であるという点である 。別の欠点は、上部および下部シールがいずれもHDB装置の内径にあるため、 潤滑剤の表面から飛び散った液滴はすべて遠心力によって軸受の外に放り出され るという点である。また、HDB装置の内径で利用できるシール体積が小さいた め、熱膨張および/または充填物の体積変化によって軸受の外に潤滑剤が漏れる おそれがある。さらに、別の欠点は、大きなテーパ角が製造上不可能となるよう に毛管シールが規定されているという点である。すなわち、シールのテーパ角を 増加させるためには、両端におけるシャフトの直径を縮めるか、または軸受の性 能を低下させる点まで直径全体を広げる必要がある。 非限定的な用途および配向において(3.5インチ以下のディスク直径を有す る)小型のディスクドライブが用いられる。したがって、たとえば大きな慣性負 荷が顕著である完全なZ寸法の1.6インチの高さのスピンドルを有するドライ ブのディスクスピンドル用の流体軸受システムは、可能なあらゆる配向で動作可 能でありかつ漏れを生じさせることなく何らかの衝撃および振動レベルに耐え得 るものでなければならない。慣性負荷が大きなディスクドライブ、たとえば6つ 以上の回転ディスクを含むディスクドライブには、カバー固定式または上部固定 式HDBモータが必要である。上部固定式スピンドルに関しては、2つの潤滑剤 シールの要件は重要な困難な問題である。 一般に、上部固定式HDBスピンドル設計には2つのタイプ、すなわち単一ス ラストプレート設計と図1に示される二重スラストプレート設計とがある。 米国特許第5,423,612号に記載されている単一スラストプレート設計 には上述の欠点がある。 図1の二重スラストプレート設計はいくつかの局面で単一スラストプレート設 計を改善したものである。しかしながら、図1に示される二重スラストプレート 設計にもまた、(約10ミクロンである)スラスト軸受クリアランスを規定する スリーブの全長の公差の調整に関する欠点があった。別の欠点は、垂直方向の公 差の調整と、たとえばブロンズスリーブの両端での表面処理が製造上困難である ことに関する。さらに、典型的にスリーブはブロンズで製造されるため、インタ ーバル(interval)の開始および停止時に、ポンプ溝を有する溝付きのスチール スラストプレートと接触すると摩耗しやすい。 米国特許第5,423,612号の単一スラストプレート設計および図1の二 重スラストプレート設計の両方を改良したHDBが、図2に示される同一人に譲 渡された米国特許出願連続番号第08/519,842号に提案されており、そ の開示は引用によって援用される。しかしながら、図2の単一スラストプレート HDBには依然としていくつかの欠点がある。特定的には、上部シールの場所に よって制限される長さを有するスリーブ16上の短いショルダ上で外側スリーブ 16上にスラストブッシング70をプレス嵌めすることによって引起こされ得る 変形により、スラスト軸受のクリアランスが変化するおそれがある。また、上部 シールプレート80の直径は下部シールプレート81の直径よりも大きいため、 遠心力によって単方向のポンプ動作が引起こされ得る。別の欠点は、毛管シール 91の配向により、潤滑剤の封止において遠心力が利用されないことである。軸 受潤滑剤は静的な力、すなわち毛管力によってのみ引戻される。最後に、1イン チの高さのディスクドライブなどの小型のスピンドルの動的性能を低下させるよ うな方法で、長い毛管シール長さの要求によってジャーナル軸受の長さおよび/ またはジャーナル軸受のスパンが縮められるように毛管シールが配向される。 したがって、配向、衝撃および振動に関係なく漏れを生じさせず、かつ適当な 低い製造コストで信頼性高く容易に製造可能である流体軸受システムの必要性が 依然として未解決のままである。 目的を伴う発明の概要 この発明の一般的な目的は、先行技術の制限および欠点を克服する、スピンド ル用の改良した自給式(self-contained)流体軸受を提供することである。 より特定的には、この発明の目的は単方向のポンプ動作を最小にする改良した 流体軸受システムを提供することである。 この発明の別の目的は、製造が簡単であり、いかなる角度に配向されても信頼 性高く動作し、従来技術の流体軸受設計よりも耐用年数の長い軸受を達成する、 簡単な流体軸受設計を提供することである。 上述の目的は、単一スラストプレートと、2つのシールプレートと、スラスト ブッシングと、2つの動的遠心毛管シールとを含む自給式流体軸受装置によって 達成される。各々がシャフトの両端に置かれるシールプレートは同じ外径におい て規定され、これにより遠心力による単方向のポンプ動作による影響が排除され る。上部毛管シールは外径に向かって下向きにテーパされた角において規定され 、潤滑剤の漏れを防ぐよう遠心力を利用する。下部毛管シールはシャフトの対向 端に置かれ、外径に向かって上向きにテーパされた角において規定され、軸受の 底部における漏れを防ぐよう遠心力を利用する。シールのテーパがこのように配 向されていることにより、縦方向のシール長さを最小にしたままで、有効なシー ル長さおよびジャーナル軸受長さ/スパンが最大になる。さらに、シールから漏 れた潤滑剤の液滴がディスク表面を汚染することがないよう、軸受装置の頂部お よび底部には封止リングが接着剤で取付けられる。 この発明のこれらおよび他の目的、利点、局面および特徴は、添付の図面と関 連して提供される好ましい実施例の以下の詳細な説明を考慮すると当業者には十 分に理解および認識されるであろう。 図面の簡単な説明 図面において、 図1は、二重スラストプレートHDBスピンドル装置の右側半分の断面の拡大 立面図である。 図2は、単一スラストプレート二重シールプレートHDBスピンドル装置の拡 大立面図である。 図3は、この発明の原理に従った単一スラストプレート二重シールプレートH DBスピンドル装置の断面の拡大立面図である。 図3Aは、シールがテーパされた角を示す、図3において強調された上部遠心 毛管シールの拡大図である。 図3Bは、シールがテーパされた角を示す、図3において強調された下部遠心 毛管シールの拡大図である。 図4は、図3のHDBスピンドル装置の代替的なHDBの右側半分の断面を示 す拡大立面図である。 好ましい実施例の詳細な説明 図3を参照して、この発明の原理を組込む単一スラストプレート二重シールH DBスピンドル装置600は、ベース112の中にプレス嵌めされかつ図3に示 される配向で上向きに延びる中央シャフト114を含む。回転するブロンズの内 側スリーブ194および外側スリーブ195はシャフト上に同心的に嵌められ、 シャフト114と内側スリーブ194との間には、回転の縦軸101を中心とす る相対的な自由な回転が可能となるよう十分なクリアランスが設けられる。シャ フト114の環状シャフトショルダ部分上にはステンレススチールの環状スラス トプレート184が置かれる。スラストプレート184は縦軸101に垂直であ る平行な2つのラジアル面を含む。外側スリーブ195のショルダ部分上には環 状スラストブッシング186が置かれる。シャフト114の他方端ではシャフト 114の底部上に、スリーブ194の下部ラジアル壁との間にクリアランスを設 けて環状底部シールプレート165がプレス嵌めされる。環状底部クランプリン グ167は底部シールプレート165上に同心的に嵌められ、適切な接着剤19 9によってスリーブの外側スリーブ195に固定される。下部封止リング160 bが適切な接着剤199によって底部クランプリング167に固定され、HDB 装置600の底部を完成する。その後、真空充填などの従来技術によって、適切 な流体潤滑剤が軸受装置に中に導入され得る。 シャフト114はねじ山付きのシャフトボルト185を受けるための、頂部に 配置されたねじ溝付きアキシャル開口119を規定し、このねじ山付きシャフト ボルト185はねじ111を受けるためのねじ山付きボス125を含み、このね じ111はシャフト114を頂部カバー110に固定して構造的な剛性をスピン ドル装置600に与えるためのものである。ねじ山付きシャフトボルト185を 挿入して締めるとスラストプレート184およびスラストブッシング186がさ らに固定される。環状の頂部クランプリング187は外側スリーブ195の上部 ショルダ部分に対してプレス嵌めされかつ(接着剤199によって)接着固定さ れ、シャフトボルト185と同心的である。頂部クランプリング187はスラス トブッシング186を支持し、外側スリーブ195に対してスラストブッシング を固定する。この頂部クランプリング187により、先行技術のHDB装置では 必要であった、外側スリーブに対するプレス嵌めなしでスラストブッシング18 6を挿入することが可能となり、それによりブッシングが変形するおそれがなく なる。その後、上部封止リング160aが適切な接着剤199によって頂部クラ ンプリング187に固定され、HDB装置600が完成する。 外側スリーブ195上には中空シリンダハブ126が嵌められ、一体的な下フ ランジ128から上向きに延びる、積み重ねて配置された1つまたはそれ以上の 回転データ記憶ディスクを支持する。スピンドルモータは固定ステータアセンブ リ130とステータアセンブリ130の外側極面と密に面する回転環状磁石13 2とを含む。環状強磁性リング134により、環状永久磁石132の交番極面へ の磁束リターン経路と、磁石132からの浮遊磁束がデータ記憶ディスクに到達 しないようにするための磁気シールドとがもたらされる。 内側スリーブ194は少なくとも1つの流体ジャーナル軸受を含み、図3は内 側スリーブ194の内面に規定された2つのジャーナル軸受134および136 を示す。シャフト114を中心とするスリーブの回転に伴って流体潤滑剤にポン プ動作を施すよう作用するヘリンボンまたは他のポンプ動作パターンを形成する ポンプ動作溝を規定するために、ジャーナル軸受は適切な機械加工技術によって パターニングされ得る。2つの再循環ポート133を与えるよう、内側スリーブ 194と外側スリーブ195との間には縦方向の2つの穴が規定され得る。再循 環ポートは、衝撃によって負荷が生じた場合に潤滑剤がジャーナル軸受134お よび136、底部スラスト軸受162ならびに内側スリーブ194と底部シール プレート165との間のクリアランスを通って循環するための通路を提供する。 内側スリーブ194および外側スリーブ195が単一部材として設計されている 場合にはポートは掘削またはワイヤ放電加工(EDM)によって形成されてもよ い。これに代えて、部材が2つの場合の実施例では、ポート133は外側スリー ブ195にプレス嵌めされる前に内側スリーブ194の外径上に加工されてもよ い。 スラストプレート184は底部スラスト軸受162を含み、これは、合せ面間 での自由な相対的な回転を可能にするよう十分なクリアランスを設けて、内側ス リーブ194の上部ラジアル面とスラストプレート184の底部ラジアル面との 間に規定される。スラストブッシング186は、上部スラスト軸受160を形成 する合せ面間での相対的な自由な回転を可能にする十分なクリアランスを有して 、スラストプレート184上に固定される。軸受表面のクリアランスは相対的な 自由な回転を可能にしつつ軸方向の振れが最小になるよう選択される。軸受はヘ リンボンパターンなどのポンプパターンを規定するようエッチングまたは打出し などの適切な機械加工技術によってパターニングされる。上部スラスト軸受16 0およびシャフトボルト185aの表面183とスラストブッシング186の上 面との間のクリアランスまわりに再循環ポートをもたらすようスラストブッシン グ186上に穴171が機械加工されてもよい。 シャフトボルト185は一体的に形成された頂部シールプレート185aを含 み、これはシャフトボルトがシャフト開口119の中に固定されるとスラストブ ッシング186に抗して置かれる。シャフトボルト185と頂部シートプレート 185aとが一体的であると、全体的な部品数が減り製造および組立工程が簡単 になる。図3に示されるように、頂部シールプレート185aは、平行な2つの ラジアル面183および182間に角度をなして規定された外面188を含む。 下部ラジアル面183の直径は上部ラジアル面182の直径よりも大きいため、 外面188は(図3Aに示されるように)ラジアル面182からラジアル面18 3まで外向きに角度をなして形成される。1つの好ましい実施例では、外面18 8はラジアル面182からおよそθ1=45°の角度をなして形成される。 頂部クランプリング187は、(図3Aに示される)平行なラジアル面172 および173間に角度をなして規定された内面189を含む。下部ラジアル面1 73は上部ラジアル面172から半径方向にずれて配置されているため、内面1 89は上部ラジアル面172から下部ラジアル面173まで外向きに角度をなし て形成される。1つの好ましい実施例では、内面189は上部ラジアル面172 からおよそθ2=50°の角度をなして形成される。 底部シールプレート165は、平行な2つのラジアル面163および161間 に角度をなして規定された外面164を含む。上部ラジアル面163の直径は底 部ラジアル面161の直径よりも大きいため、外面164は(図3Bに示される ように)底部ラジアル面161から上部ラジアル面163まで外向きに角度をな して形成される。1つの好ましい実施例では、外面164はラジアル面161か らおよそα1=45°の角度をなして形成される。 底部クランプリング167は、(図3Bに示されるように)平行なラジアル面 168および169間に角度をなして規定された内面166を含む。上部ラジア ル面169は下部ラジアル面168から半径方向にずれて形成されているため、 内面166は下部ラジアル面168から上部ラジアル面169まで外向きに角度 をなして形成される。1つの好ましい実施例では、内面166は下部ラジアル面 168からおよそα2=50°の角度をなして形成される。 図3Aおよび図3BはHDB装置600の遠心毛管シールの詳細な拡大図を示 し、これらもまたこの発明の際立った別の特徴である。図3Aに示されるような 上部遠心毛管シール150が頂部シール185aの外面188と頂部クランプリ ング187の内面189との間に規定される。上部封止リング160aは一体的 に形成された下向きのフランジを含み、適切な接着剤199によって頂部クラン プリング187に固定される。上部封止リング160aの回転によって発生した 遠心力は、上部遠心毛管シール150から漏れ出た液滴すべてをHDB600の 外径に向けてポンプ動作して遠心シール150の中に戻し、液滴によってディス ク表面が汚れないようにする。図3Bに示される下部遠心毛管シール151は底 部シールプレート165の外面164と底部クランプリング167の内面166 との間に規定される。下部封止リング160bは一体的に形成された上向きのフ ランジを含み、適切な接着剤199を用いて底部クランプリング167に固定さ れ、上部封止リング160aと同様に、下部毛管シール151から漏れた潤滑剤 の液滴がディスク表面を汚さないようにする。シール150および151は角度 をつけて配向されているため、スピンドルの動作時にスリーブが回転すると潤滑 剤に遠心力がかかり、潤滑剤はポンプ動作により外径に導かれて、軸受システム の方に戻り、漏れが生じないようになる。スピンドルモータが停止してスリーブ の回転が止まると、潤滑剤は毛管力によってシール内に保持され、潤滑剤が軸受 システムから漏れ出ることが防がれる。 この好ましい実施例で示された比較的大きなテーパ角は、以前は不可能であっ た程度まで、封止機構として遠心力を利用する。さらに、上部および下部遠心毛 管シールが角度をなして配向されていることにより、縦方向のシール長さを最小 にしつつ有効なシール長さおよびジャーナル軸受長さ/スパンを最大化すること ができる。この結果、軸受装置の封止性能を改善すると同時にスピンドルモータ の全体的な高さを最小にすることができる。 この発明の改良した構造によりさらに、上部シールプレート185aの外径を 底部シールプレート165の外径と等しくすることが可能になるため、遠心力に よって生じる単方向のポンプ動作による影響を排除することができる。 図4は別のHDB装置700を示し、これはHDB装置700の上部側が下を 向くよう逆向きに配向されるように、上ねじ185をベース112の中に挿入す ることによって図3の実施例600を変形したものである。他の点では、図3の 実施例に関する上述の説明が図4の実施例700に適用される。 ここで用いられているように、「上部」、「下部」、「頂部」、「底部」、「 高さ」などの配向を示す表現は、特定的な動作時などの配向ではなく鉛直方向に 見た図面に関するものとして解される。これらの配向の表示は単に図面の理解を 容易にするために与えられたものであり、限定的なものとして解されるべきでは ない。 この発明の精神から離れることなく好ましい実施例の上述の説明を考慮すると 当業者にはさまざまな変更および修正が容易に明らかとなるであろう。発明の範 囲は、添付の請求の範囲よってより特定的に示される。以上の説明およびその開 示は単に例示的なものであり、添付の請求の範囲より特定的に示されるこの発明 の範囲を制限するものとして解されるべきではない。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハッチ,マイケル・アール アメリカ合衆国、94040 カリフォルニア 州、マウンテン・ビュー、ウッドリーフ・ ウェイ、2163 (72)発明者 水口 信一 愛媛県大洲市東大洲1220番1号 松下寿電 子工業株式会社内

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.自給式流体軸受装置であって、 シャフトを備え、前記シャフトは、その一端にあるねじ溝付きアキシャル開口 と、前記開口に隣接しかつ前記シャフトの縦軸に垂直なシャフトショルダとを規 定し、さらに 前記縦軸を中心とする相対的な回転のために前記シャフトを受ける開口を規定 するシリンダ内側スリーブと、 前記内側スリーブを中心に一体的に同心であるシリンダ外側スリーブと、 前記シャフトと前記内側スリーブとの間に規定された縦方向にスペースを開け られた1対のラジアル流体ジャーナル軸受と、 前記シャフトの前記ねじ溝付きアキシャル開口と噛み合うためのねじ山付き端 部領域を含む上ねじとを備え、前記上ねじはその中に一体的に形成されて外面を 有する頂部シールプレートをさらに含み、さらに 前記シャフトシヨルダ上に嵌まるようにされた平行な2つのラジアル面を有す る環状スラストプレートと、 前記スラストプレートの一方の前記ラジアル面と前記内側スリーブの第1の端 部との間に規定された第1のラジアルスラスト軸受表面と、 平行な2つのラジアル面を有する環状スラストブッシングとを備え、第1の面 は前記外側スリーブ上に配置され、さらに 前記外側スリーブ内にしっかりと嵌められた環状頂部クランプリングを備え、 前記頂部クランプリングは内面を有し、さらに 前記スラストブッシングの前記第1のラジアル面と前記スラストプレートの平 行な他方のラジアル面との間に規定された第2のラジアルスラスト軸受表面と、 遠心力により潤滑剤が前記スラスト軸受の方にポンプ動作により導かれるよう 前記クランプリングの内面と前記頂部シールプレートの外面との間に角度をなし て規定された第1の環状毛管シールと、 前記環状頂部クランプリングに接着剤で取付けられた環状上部封止リングと、 前記ねじ溝付きアキシャル開口とは反対側の端部において前記シャフトを中心に 同心的に取付けられた環状底部シールプレートとを備え、前記底部シールプレ ートは外面を有し、さらに 前記外側スリーブに取付けられた環状底部クランプリングを備え、前記底部ク ランプリングは内面を有し、さらに 前記遠心力により前記潤滑剤が前記ジャーナル軸受の方にポンプ動作により導 かれるよう前記底部クランプリングの内面と前記底部シールプレートの外面との 間に角度をなして規定された第2の環状毛管シールとを備える、自給式流体軸受 装置。 2.前記上ねじの頂部部分の外面が前記平行な2つのラジアル面間に規定され、 前記第1のラジアル面の第1の直径が前記第2のラジアル面の第2の直径よりも 大きい、請求項1に記載の自給式流体軸受装置。 3.前記外面が前記平行な2つのラジアル面間におよそ45°の角度をなして規 定される、請求項2に記載の自給式流体軸受装置。 4.前記環状頂部クランプリングの内面が前記平行な2つのラジアル面の間に規 定され、前記第1のラジアル面が前記第2の面よりも前記縦軸から離れた半径方 向の位置に置かれる、請求項1に記載の自給式流体軸受装置。 5.前記内面が前記平行な2つのラジアル面の間におよそ50°の角度でテーパ される、請求項4に記載の自給式流体軸受装置。 6.前記底部シールプレートの外面が前記平行な2つのラジアル面間に規定され 、前記第1のラジアル面の第1の直径が前記第2のラジアル面の第2の直径より も小さい、請求項1に記載の自給式流体軸受装置。 7.前記底部シールプレートの外面が前記2つのラジアル面間におよそ45°の 角度でテーパされる、請求項6に記載の自給式流体軸受装置。 8.前記環状底部クランプリングの内面が前記平行な2つのラジアル面間に規定 され、前記第1のラジアル面が前記第2の面よりも前記縦軸に近い半径方向の位 置に置かれる、請求項1に記載の自給式流体軸受装置。 9.前記環状封止リングの内面が前記2つのラジアル面間におよそ50°の角度 で規定される、請求項8に記載の自給式流体軸受装置。
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