JP2001054256A - スピンドルモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】スラスト方向の動きを精度良く規制できるとと
もに、消費電流の少ない動圧軸受装置であり、組立性の
良いスラスト受け装置を備えたスピンドルモータとする
とともに、コギングトルクが小さく、磁気音発生が少な
いものとする。 【解決手段】ステータコア１０の内周にハブ１のシャフ
ト２を同心的に重合配置し、シャフト２を軸受けメタル
４を介して軸受け保持手段３に支承してなる。シャフト
２の下端部は曲面形状で、軸受け保持手段３に非磁性の
スペーサ５１とストッパプレート６を介して固着された
スラスト受け５のピボット軸受け部により支承されてい
る。スラスト受け５は磁性体であり、このスラスト受け
５の内部上面に、厚さ方向に着磁した予圧印加用のマグ
ネット１３を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はスピンドルモータに
係り、特に動圧軸受を用いたディスク駆動用モータに好
適なスピンドルモータに関する。

【０００２】

【従来の技術】情報機器等に用いられるスピンドルモー
タでは、例えば特公平6−30554号公報にあるようにシャ
フトの支持に玉軸受け装置を用いたものや、特開平3−2
72318号公報にあるように動圧軸受け装置を用いたもの
が広く知られている。

【０００３】特に後者の動圧軸受け装置に関しては非接
触型の流体軸受け装置であるため、非常に高精度な回転
が可能であり、ロータの高速回転化に適しているととも
に、静音化の点で有効である。

【０００４】この種動圧軸受スピンドルモータにおいて
は、軸固定型と軸回転型の２つに分類することができる
が、軸固定型の場合、軸をベースに固定するためベース
を厚くする必要があり、また、その構造が複雑になるた
めスピンドルモータの薄型化，低コスト化に問題があ
る。

【０００５】軸回転型の場合、軸固定型と比べて軸固定
部が必要なく、その構造が簡単なためスピンドルモータ
の薄型化，低コスト化に適している。しかし、軸回転型
の場合には軸の抜け防止策を施す必要があり、特開平5
−321928 号公報には、軸の端部に軸の直径より大きい
円板状のスラスト板を形成し、スラスト板の上下端面部
にスラスト軸受を設けて軸の抜けを防止する構造が開示
されている。

【０００６】また、動圧軸受の場合、潤滑剤の漏洩が軸
受の潤滑不良を引き起こし、軸受寿命を低下させる。さ
らに例えば、磁気ディスク装置に用いた場合には、漏洩
した潤滑剤が磁気ディスク及び磁気ヘッドを汚染し、ヘ
ッドクラッシュを発生させる可能性がある。したがっ
て、潤滑剤の漏洩を防止する手段が必要となる。潤滑剤
の漏洩を防止するため、特開平3−272318 号公報では、
軸受装置内を潤滑剤である磁性流体で満たし、ラジアル
軸受の両端側に磁性流体シールを設けた構造としてい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前記後者の従来の動圧
軸受スピンドルモータにあっては、スラスト板の下側に
スラスト軸受を形成する場合、スラスト板に対向するプ
レートを厚くする必要があり、スピンドルモータの薄型
化の妨げ要因となる。また、機械的衝撃により軸のスラ
スト方向の動きが大きいと、磁気ディスクと記録読み取
り用ヘッドとの接触により、ヘッドが破壊する恐れがあ
り、その隙間を厳密に設定する必要がある。このため、
各部品の加工精度が厳しくなり、製造コストの上昇を招
く。さらに前記構造では、スラスト方向の荷重をプレー
トと軸受端面との接触で受けるため摩擦抵抗が大きく、
ひいてはモータの消費電流増加を招く問題もある。

【０００８】本発明の目的は、スラスト方向の動きを精
度良く規制できるとともに、消費電流の少ない動圧軸受
装置であり、組立性の良いスラスト受け装置を備えたス
ピンドルモータを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、ステータコア
の内周にハブのシャフトを同心的に重合配置し、該シャ
フトを軸受けメタルを介して軸受け保持手段に支承して
なるスピンドルモータにおいて、前記シャフトの一方の
端部を曲面形状にしてスラスト受けで支承し、かつこの
近傍のシャフトに径方向の溝を形成し、この溝部分に内
径部が非接触で対向し、外径部が軸受け保持部材に固定
されるストッパプレートを有し、前記スラスト受けが磁
性体であり、このスラスト受けの内部端面に、厚さ方向
に着磁したリング状のマグネットを載置するとともに、
このマグネットの上面に前記ストッパプレートを接近も
しくは接触して設けたことを特徴としたスピンドルモー
タによって達成される。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の実施例を図１を参照しな
がら説明する。図１は動圧軸受を用いた磁気ディスク装
置用スピンドルモータの縦断面図である。図において椀
状のハブ１は、その外周部に磁気ディスク載置用フラン
ジ部１ａを一体に形成し、シャフト２はその中心部に前
記磁気ディスクを図示していないクランプ装置と共同し
て固定するための中心ねじ部２ａを設けている。前記シ
ャフト２は前記ハブ１とは別部品で構成され、嵌合部１
ｂに組み付け後一般に知られている塑性変形結合により
同心的に固着されて、軸受（軸受メタル）４を介して円
筒状の軸受ハウジング（軸受け保持手段）３に回転自在
に支承されている。

【００１１】前記シャフト２の下端部は球面或いは曲面
形状で、軸受ハウジング３に緊迫結合された磁性材のス
ラスト受け５のピボット軸受部５ａによって支承されて
いる。また、シャフト２の下端部付近にはスラスト方向
規制用環状のストッパプレート６が溝２ｂに非接触で対
向配置され、その外周部は前記した軸受４の端面に配置
され、スラスト受け５の結合時に、スペーサ５１ととも
に同時に押し付け固定されている。前記軸受ハウジング
３には、上部にシール部材７，前記した２個の軸受（軸
受メタル）４の間に軸方向に着磁されたシールマグネッ
ト８が気密的に装着されている。スラスト受け５によっ
て形成された流体封入室９には潤滑剤として磁性流体が
注入されている。

【００１２】シール部材７の内径には螺旋溝が形成さ
れ、回転時に遠心力で内部の磁性流体が外部に出ないよ
う、シャフト２の回転により内部に引き込まれる方向に
設けてある。

【００１３】積層された珪素鋼板からなるステータコア
１０には、コイル１０ａが巻回され、ベース１１の円筒
部１１ａに接着固定されている。ステータコア１０の外
周部はハブ１の内周部に配置固定されたロータマグネッ
ト１２の内径に所定の空隙をもって対向配置されてい
る。前記ロータマグネット１２はハブ１の内周に接着固
定されている。

【００１４】前記軸受ハウジング３とベース１１の円筒
部１１ａとは両者間に位置する溝３ｂに接着剤を充填し
て固着している。

【００１５】軸受装置の詳細を図２，図３で説明する。
図２はストッパプレート６の形状を示し、図３はスラス
ト方向規制の詳細を示す断面図である。ストッパプレー
ト６は同一回転方向に突出し、外周部にスリット状の逃
部６ａを有する３片の舌片６ｂからなり逃部６ａにより
板厚方向および平面方向に変形し得る。このストッパプ
レート６は、例えば磁性ステンレス鋼板製で、弾性を有
するように適当な熱処理を施す。または熱処理したもの
をプレス加工等で製作するのが一般的である。但しプレ
ス加工の場合には、打ち抜き時のカエリ，ソリ等が発生
するため、金属エッチング加工が好ましい。舌片６ｂの
最小内径部ｄはシャフト２の外径より若干小さく、かつ
シャフト２に設けた溝２ｂの底径より大きい寸法となっ
ている。

【００１６】本実施例では、シャフト２の外径３mmのと
き、ストッパプレート６の材質をＳＵＳ３０１，硬さＨ
ＲＣ４０，板厚０.３mm，外径７mm、ｄ寸法２.８mmで構
成した。

【００１７】図３において、舌片６ｂの下端面はシャフ
ト２の溝２ｂの壁面との間に隙間δをもって対向してい
る。点線２１はシャフト２を上部から挿入し、テーパ状
の一部２Ｒが舌片６ｂのエッジ部に接した状態を示す。
点線２１ａはシャフト２をさらに挿入し、舌片６ｂが外
側に押し広げられた状態を示す。最終的に実線状態まで
挿入すると、図２で示したように舌片６ｂは逃部６ａの
存在により、弾性で溝２ｂに入り込み隙間δを形成する
ことになる。

【００１８】スラスト受け５の上部に非磁性のスペーサ
５１が設けられ、段付き部５１ｂが形成してある。これ
は、シャフト２を挿入し、舌片６ｂが外側に押し広げら
れる際、点線のように下側に押されようとするとき、規
定以上は動かないように僅かな段差、好ましくは０.０
１mm 程度としている。さもないと、舌片６ｂが永久変
形し、ひいては溝２ｂの壁面に接触してシャフト２の回
転時に異音が発生する恐れがある。

【００１９】したがってシャフト２は、スラスト方向に
隙間δ以上には動き得ない。すなわちスラスト方向の規
制ができる。通常使用中は、シャフト２はロータマグネ
ット１２の磁気による下方向のスラスト荷重が作用する
ように、図１のステータコア１５の位置が設定されてお
り、シャフト２は舌片６ｂに対し非接触で回転する。し
かしながら、モータの磁気回路構成上、ステータコア１
５の積層厚さ中心とロータマグネット１２の高さ中心と
が、極力一致していないと、コギングトルク増大，磁気
音発生等の問題がある。それぞれの中心をずらせて下方
向のスラスト荷重を高めようとすると、この問題により
実用化が難しかった。

【００２０】本発明では、磁性材のスラスト受け５の上
側に、厚さ方向に着磁したリング状の予圧マグネット１
３を設置し、この上部に極めて近接、もしくは接触する
ようにストッパプレート６を設ける。この配置構造によ
り、シャフト２の先端球面→スラスト受け５→予圧マグ
ネット１３→ストッパプレート６→軸受メタル４→シャ
フト２の外径部を経由する閉磁気回路が形成されること
になる。

【００２１】スラスト方向隙間δのばらつきを少なくす
るためには、スペーサ５１の厚さ方向の寸法と、シャフ
ト２の球面先端から溝２ｂの側壁まで寸法を精度良く製
作する必要がある。例えばδの要求値を０.０３mm 以下
とした場合、それぞれの寸法誤差を０.０１５mm 以内に
抑えることとなる。本構造において、スペーサ５１をな
くし、その部分に予圧マグネット１３を設置することで
も機能は達せられるが、前記スペーサ５１の段差５ｂを
予圧マグネット１３の端面に形成し、かつ厚さ寸法誤差
０.０１５mm 以下を確保するためには、いわゆるプラス
チックマグネットで構成する場合、生産レベルでは非常
に難しい。

【００２２】本発明の構成では、リング状の予圧マグネ
ット１３の内側に非磁性のリング状スペーサ５１を設け
ており、スペーサ５１を黄銅，非磁性ステンレス鋼等の
金属材料で製作すれば、上記した難点を解決することは
容易である。予圧マグネット１３とスペーサ５１のそれ
ぞれの厚さは製作誤差によるばらつきがあり、予圧マグ
ネット１３の方が厚い場合には、スラスト受け５が軸受
ハウジング３に結合された際、スペーサ５１が固定され
なくなる。したがって厚さのばらつき誤差を考慮して、
予圧マグネット１３の方を薄く設定しておく。この場合
には自身の磁気吸引力によってスラスト受け５の上面に
吸着するため、その問題はなくなる。予圧マグネット１
３の上側とストッパプレート６下面との間には、厚さば
らつき誤差の吸収分だけ隙間ができることになるが、せ
いぜい０.１mm 程度であり、シャフト２の球面先端部が
スラスト受け５に吸着する力は問題ないレベルである。

【００２３】リング状スペーサ５１を非磁性体とした理
由は、シャフト２の球面先端部がスラスト受け５の中央
部で、強い吸引力が働くようにしたものである。これを
スラスト受け５と一体に製作すると、リング状部分で短
絡磁路を形成してしまい、シャフト２の球面先端部付近
の磁束が殆どなくなり、したがってその部分の吸引力が
作用しなくなるため、分割したものである。

【００２４】軸受（軸受メタル）４は磁性流体の循環を
よくするため、金属の焼結材料で構成され、いわゆるポ
ーラス状であり、磁性流体が十分浸透するには長時間か
かるが、上記構造とすることにより、シャフト２を挿入
する前に規定量の磁性流体を注入しておくことができる
利点がある。挿入の際に内部の空気を逃がすために、シ
ールマグネット８と軸受（軸受メタル）４の外周および
端面に適当な溝を設けておく。

【００２５】磁性流体を注入した後に蓋をするために
は、例えば図１の構造では図を反転した状態にし、スラ
スト受け５の下端面に小孔を設け、そこから磁性流体を
注入し、接着剤あるいは接着剤付きテープ等で封鎖する
構成となる。しかしながらこの方法では、残留した空気
を排出できず、温度が上昇した時その膨張によって磁性
流体が漏洩する問題がある。

【００２６】図４はハブ１とシャフト２との結合部を拡
大した断面を示すものである。

【００２７】両者の結合は、上部の全周にＷ溝２ｃを形
成したシャフト２をハブの嵌合部１ｂに嵌合した後、Ｗ
溝の近傍にあるハブ１の材料の一部を垂直に加圧し、前
記Ｗ溝に塑性流動させて両者を一体結合したものであ
る。なおＷ溝によって生じる突起を断続的或いはピラミ
ッド状にすることによって回転方向の結合力が一段と向
上することは周知の通りである。

【００２８】図５はハブ１とシャフト２との塑性結合方
法を示したもので、ハブ１を平面台に反転して配置し、
シャフト２を嵌合部１ｂに嵌めた状態で内周先端に押圧
部３０ａを形成した治具３０を内側から前記シャフトを
ガイドとして挿入，荷重を加えることによりハブの材料
の一部をＷ溝に流動させるものである。

【００２９】例えばシャフト２の材質がステンレス軸受
鋼ＳＵＳ４４０Ｃ，熱処理硬度ＨＲＣ６０，軸径３mm，
Ｗ溝深さ０.０７mm ，ハブ１の材質がＳＵＳ４３０，硬
度ＨＲＣ２０，厚さ１mm，嵌合の隙間が０.００８mmの
場合、凹み深さは約０.１mm，凹み幅が約０.２mmとする
と、５００kgf程度の押圧荷重で、塑性流動により強固
に一体化できた。なお嵌合を圧入とした後、塑性加工結
合してもよい。

【００３０】シャフト２の外径精度は例えば、公差幅１
μｍ，真円度誤差０.１μｍ 程度の高精密度を必要とす
るが、ハブ１とシャフト２とを切削一体物とする製法
は、量産レベルでは不可能に近い。本発明のようにシャ
フト２とハブ１とを別々に製作すれば、夫々の加工精度
を高めることは容易である。

【００３１】図６はスラスト受け５を軸受ハウジング３
に緊迫結合する方法を示す図である。シールマグネット
８を遊嵌、２個の軸受４を軸受ハウジング３に圧入した
サブアッセンブリに、ストッパプレート６を載置した
後、スペーサ５１，予圧マグネット１３，スラスト受け
５を軸受ハウジング３の内径に遊嵌する工程である。緊
迫結合用押し治具５０には、下部に突起５０ａが設けて
あり、上部から荷重Ｐを印加して軸受ハウジング３の内
径エッジ部を潰し、材料の塑性流動によってスラスト受
け５の外周との間を緊迫結合するものである。

【００３２】その詳細を図７に示す。

【００３３】スラスト受け５の外径と軸受ハウジング３
の内径とは遊嵌されているが、押し治具５０の押圧荷重
Ｐにより、軸受ハウジング３の内径エッジ部付近が潰さ
れ、突起５０ａの先端近傍の逃げ場を失った材料が、遊
嵌による隙間を埋める如く塑性流動する。この部分の凹
み深さは押圧荷重Ｐと軸受ハウジング３の材料物性値で
決まる。このとき、スラスト受け５の外周方向に緊迫力
が働くものの、軸方向には僅かの力しか働かない。本構
造では、この点が非常に重要である。

【００３４】すなわち、ストッパプレート６は図２で説
明したように、薄い板でかつ内側に舌片６ｂ，逃げ部６
ａを有しており、圧入方式ではその外周付近に軸方向の
大きな荷重が加わり（軸受メタル４とスペーサ５１との
間ではさみ込まれる形）、軸受メタル４が比較的柔らか
いため（素材がポーラス状）、印加荷重によってストッ
パプレート６が変形するものである。圧入方式では、軸
受ハウジング３の内径公差とスラスト受け５の外径公差
の上下限組み合わせにより、締め代にばらつきが生じる
ため、最大締め代時をカバーできるための大きな圧入力
を印加する必要がある。したがって前記のような過大な
軸方向荷重が作用することになる。

【００３５】舌片６ｂが変形すると、シャフト２の溝２
ｂに接触し、回転中に異音が発生したり、振動が大きく
なる等の不具合が生じる。したがって緊迫結合は非常に
有効な手段である。更には、磁性流体の漏れ防止に対し
ても効果が大きい。

【００３６】圧入方式では前記した欠点の他、圧入部分
の面粗さを非常に厳しくする必要があるが(例えば粗さ
０.４ａ程度）、緊迫結合の場合には材料が塑性変形す
るため、面の凹凸が埋まるようになり、粗さ１２ａ程度
で十分である。

【００３７】本実施例では、スラスト受け５の材質がSU
S420J2，表面硬化処理硬さHRC65，外周の面粗さ１２
ａ，軸受ハウジング３の材質が黄銅Ｃ３６０４，その内
径の面粗さ６ａ，スラスト受け５の外径との嵌合隙間
０.０３mm のとき、下記の条件で好結果を得た。

【００３８】実施例（図７参照） 治具の突起部幅：０.１５mm 押し荷重Ｐ：２００kgf 潰し部の凹み：０.１mm 緊迫部のシール性：温度５５℃、運転３０００時間で漏
れなし 図８は軸受ユニットに磁性流体を注入し、シャフト，ハ
ブ一体部分１００を挿入する工程図である。

【００３９】磁性流体１４を規定量注入した後、シャフ
ト２を軸受４に挿入する。このとき図３で説明したよう
に、ストッパプレート６の舌片６ｂは外側に変形した
後、シャフト２がスラスト受け５の底面に当たると、溝
部２ｂに非接触で対向する。予圧マグネット１３の存在
によって磁性流体１４はシャフト２の下面付近に集ま
り、使用時にはその部分の潤滑が効果的に行われる利点
がある。この組立体を駆動ユニット２００と呼ぶ。

【００４０】図９のように駆動ユニット２００は、回転
部分と固定部分とが一体化された一つの部品として扱う
ことができ、図１のスピンドルモータを構成する際、組
立性が非常に優れたものとなる。更には、組立前に駆動
ユニットとしての性能，寸法精度等を検査でき、組立後
の歩留まりが良くなる利点を有する。

【００４１】前記した組立体のハブ１の外周、フランジ
部１ａの静的回転振れ測定結果の一例は下記に示す如
く、高い精度であった。

【００４２】実施例 振れの規格値：１５μｍ以下 Ｎ＝３０個 外周の振れ 最小値：１μｍ 最大値：１１μｍ 平均値：７.５μｍ フランジ部面振れ 最小値：３μｍ 最大値：１２μｍ 平均値：９μｍ

【００４３】

【発明の効果】本発明は、シャフトのスラスト受けを椀
状にして軸受け取付部に潤滑剤を封入できる構造にした
ため、簡単な構成にて油枯れのない動圧軸受け構造を備
えたスピンドルモータが提供できる。

【００４４】本発明は、スラスト方向規制部材挿入溝を
シャフトに設け、かつシャフト先端を曲面にしてスラス
ト受けに接するようにしたため、軸方向の摩擦抵抗を小
さくして、回転精度が高く、消費電流が少なく、かつス
ラスト受け近傍に予圧マグネットを設置したため、この
部分でシャフトの軸方向吸引力が得られ、モータマグネ
ットとステータコアの位置関係を最適に設定できること
となり、コギングトルクが小さく、磁気音発生が少ない
スピンドルモータとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例におけるスピンドルモータの断
面図。

【図２】同実施例におけるストッパプレートの平面図。

【図３】図１の一部を拡大した断面図。

【図４】同実施例におけるハブとシャフトとの結合部分
を示す要部拡大図。

【図５】同実施例におけるハブとシャフトとの塑性結合
工程図。

【図６】スラスト受けを軸受ハウジングに緊迫結合する
方法を示す図。

【図７】図６の詳細を示す要部拡大図。

【図８】軸受ユニットに磁性流体を注入し、シャフト，
ハブ一体部分を挿入する工程図。

【図９】回転部分と固定部分とを一体化した駆動ユニッ
ト。

【符号の説明】

１…ハブ、２…シャフト、３…軸受ハウジング（軸受け
保持手段）、４…軸受、５…スラスト受け、６…ストッ
パプレート、６ｂ…舌片、８…シールマグネット、９…
流体封入室、１０…ステータコア、１１…ベース、１３
…予圧マグネット、５１…スペーサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０２Ｋ 29/00 Ｈ０２Ｋ 29/00 Ｚ Ｆターム(参考） 3J011 AA07 BA04 BA10 CA02 JA02 KA04 MA03 MA23 5H019 AA06 CC04 DD01 EE14 FF01 FF03 5H607 AA04 BB01 BB09 BB14 CC01 CC05 DD03 DD09 FF12 GG01 GG02 GG09 GG12 5H621 GA01 GA04 GB10 HH01 JK01 JK13

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ステータコアの内周にハブのシャフトを同
   心的に重合配置し、該シャフトを軸受けメタルを介して
   軸受け保持手段に支承してなるスピンドルモータにおい
   て、前記シャフトの一方の端部を曲面形状にしてスラス
   ト受けで支承し、かつこの近傍のシャフトに径方向の溝
   を形成し、この溝部分に内径部が非接触で対向し、外径
   部が軸受け保持部材に固定されるストッパプレートを有
   し、前記スラスト受けが磁性体であり、このスラスト受
   けの内部端面に、厚さ方向に着磁したリング状のマグネ
   ットを載置するとともに、このマグネットの上面に前記
   ストッパプレートを接近もしくは接触して設けたことを
   特徴とするスピンドルモータ。
2. 【請求項２】請求項１において、前記スラスト受けと前
   記ストッパプレートとの間に、非磁性のスペーサを設置
   したことを特徴とするスピンドルモータ。