JP2003329033A - 磁気ディスク装置用スピンドルユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】磁気ディスク装置などのスピンドルユニットを
小型化し、回転精度を向上させる。 【解決手段】スピンドルユニットは、ハブ１に嵌合した
シャフト５をハウジング１３に内設したすべり軸受２で
回転自在に支持する。すべり軸受２は、その内周面にラ
ジアル軸受部２ａとその両端部にスラスト軸受部２ｂを
一体的に成形され、その一端部をハブ１に形成されたボ
ス４の端面に、他端部をシャフト５の端部の鍔部６と間
隙をもって対向して配置される。間隙の設定は、すべり
軸受２にシャフト５を挿入し、すべり軸受２の他端部
に、シャフト鍔部６を内包しシャフト鍔部６の厚みに所
定の間隙をプラスした凹部を有する治具２４を当接し、
ボス４の端面がすべり軸受２の一端部に接触するまでボ
ス４の孔をシャフト５に圧入し、その後治具２４を取外
す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は磁気ディスク装置，
光ディスク装置，レーザビーム用ポリゴンミラーおよび
ＶＴＲ用シリンダモータ等のスピンドルユニットに係
り、特に、スピンドルを小型，高精度に回転させるため
の軸受装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】コンピュータのダウンサイジング化に伴
い、磁気デイスク装置や光デイスク装置の小型化と高速
化が進展している。特に磁気デイスク装置では、記録の
高密度化により小型大容量化が進められており、これに
伴って記録媒体である磁気ディスクを定速回転させるス
ピンドルユニットの高性能化とコンパクト化が必要にな
っている。

【０００３】従来の磁気ディスク用スピンドルユニット
では、一般に玉軸受で支持されているが、スピンドルが
高速化されると、玉軸受方式では回転数に同期しない非
同期振動が増加するので、トラックピッチを小さくする
ことができず、記録の高密度化に限界があった。このた
め、今後の高速回転スピンドルでは、油膜を介して支持
するすべり軸受方式を採用せざるを得ない状況になって
いる。

【０００４】しかし、スピンドルをすべり軸受で支持す
る場合は、半径方向及び軸方向の位置決めをするととも
に、振動を防止するための手段が必要であり、それぞれ
に対応したラジアル及びスラスト軸受が配置される。そ
して、流体潤滑であるため潤滑剤を軸受部に維持するこ
とと、磁気ディスクのコンタミを防止する目的からシー
ル装置が不可欠の構成要素となる。

【０００５】すべり軸受方式を採用したスピンドルとし
て特開昭61−201916号公報には、半径，軸方向の振動を
防止するための手段として、回転軸とこの回転軸を回転
自在に支持するように軸方向及び円周方向に間隙を設け
た円筒状のハウジングと、この間隙部に磁性流体を封入
し、磁性流体の外部への漏出を防止するためシール装置
を両端部に備えるとともに、回転軸の表面及びこの回転
軸の両端面に対向するステップ状の動圧溝をもつ軸受力
発生部材を備え、回転による動圧作用によって、振動を
抑制して回転精度を安定的に維持する方法が開示されて
いる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記すべり軸受方式の
従来技術では、軸受力発生用溝の動圧効果によって油膜
の剛性を高め回転精度の向上を図るものであるが、軸受
力発生部材が軸受部とは別体配置と成るため、適正な寸
法の精度管理が困難で、動圧力のバランスが崩れると逆
に振動を増幅してしまう恐れがあった。また、単にステ
ップ状の溝では動圧が小さく、スピンドルが垂直方向に
配置される場合には不十分となる場合があった。

【０００７】ところで、回転機器が小型化し高速化され
てくると、スピンドルユニットで最も問題になるのが軸
受部の寸法精度の管理である。中でも、スラスト軸受部
の間隙寸法は、直接的に軸受の剛性や損失に大きく影響
するため、加工機械の公差精度に頼って必要な寸法精度
を確保しているのが現状である。しかし、より高い機械
精度が必要とされるにつれ、加工に特別な装置や手数あ
るいは技術が必要となって、コスト高になるとともに量
産性を低下させている。

【０００８】特に、磁気ディスク装置の小型化では、磁
気ディスクの薄板化とともにディスク間隔も大幅に縮小
されるので、機械加工あるいは読み違いの誤差等によっ
て、軸受の間隙を過大に設定すると、振動の増幅あるい
は外乱などによる衝撃によって、上下の磁気ディスク上
にセットされた相互の磁気ヘッドが接触，衝突して情報
のリード，ライト不良を生じ、ついにはヘッド破壊など
のトラブルに発展する。

【０００９】また、軸受を型成形によって加工して量産
性を上げる方法も提案されている。しかし、成形加工は
軸方向の寸法精度管理が難しく、スラスト軸受の適正な
間隙の確保あるいはスピンドルの位置決めが隘路となっ
ている。

【００１０】さらに、スピンドルユニットの小型化と高
速化に伴い、磁性流体のシールにも依然問題が残されて
いる。

【００１１】本発明の目的は、従来技術の問題点を克服
し、小型化に対応した必要な回転精度または潤滑性能を
確保できるスピンドルユニットを提供することにある。
本発明の第二の目的は、小型化に対応した必要な回転精
度を確保できるスピンドルユニットと、その量産性に優
れた製造方法を提供することにある。本発明の第三の目
的は、回転振動や磁気ヘッドの接触が防止でき、コンパ
クト化と記録の高密度化とが可能な磁気ディスク装置を
提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、ハブに嵌合したシャフトをハウジングに内
設したすべり軸受で回転自在に支持し、前記ハウジング
の外周に固設したステータと前記ステータに対向して前
記ハブの内面に固設したロータマグネットとによりモー
タを形成し、前記モータにより前記ハブを回転駆動する
磁気ディスク装置用スピンドルユニットにおいて、前記
すべり軸受を構成するラジアル軸受とスラスト軸受とを
一つの部材に形成し、前記スラスト軸受を前記ハブに形
成したボス端面に対向させて配置し、前記すべり軸受部
に潤滑剤を保持させたものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図１，
図２及び図３を用いて説明する。図１は本発明による磁
気ディスク装置用スピンドルユニットの縦断面図であ
る。図２は焼結すべり軸受の斜視図である。図３はすべ
り軸受の軸方向の間隙設定時の状態を示す断面図であ
る。

【００１４】図１で、磁気ディスク２１を装着するハブ
１のボス４部にシャフト５が圧入固定されている。ハブ
１の内側に配置されるハウジング１３の内周側にはすべ
り軸受２が取付けられている。すべり軸受２のラジアル
軸受２ａは、シャフト５と所定の間隙を介してハブ１を
回転自在に支持している。

【００１５】ベースプレート３に固持されるハウジング
１３の外周部にはステータ７が取付られ、ハブ１のこれ
に対向する内周面にはロータマグネット８が固着され、
ロータマグネット８とステータ７はモータ９を構成して
ハブ１を回転駆動させる。

【００１６】また、すべり軸受２の一端部はハブ１に形
成されたボス４端面に、他端部はシャフト５の端部に形
成された鍔部６と僅かの間隙を介して対向して配置され
ており、ハブ１の軸方向の位置決めをするとともに、ハ
ブ１及び磁気ディスク２１などの重量を支持するスラス
ト軸受２ｂを構成している。磁気ディスク２１はスペー
サ２３を介してクランプ２２により締結される。

【００１７】このように、軸受部は軸受２，ハブ１およ
びシャフト５の３個のパーツのみで構成し、部品数を最
小限にとどめシンプル化している。

【００１８】通常、ラジアル軸受の直径間隙は１〜２・
Ｄ／１０００（Ｄ：軸径）の範囲内に、またスラスト軸
受の場合は動圧発生用溝の深さとほぼ同程度で、数十ミ
クロン以下の精度に設定される。

【００１９】また、ラジアル軸受２ａ，スラスト軸受２
ｂを配置した空間部には潤滑剤として磁性流体１１が封
入されている。シャフト５の下方部にはキャップ１２が
設けられ、ハウジング１３の他端部にねじあるいは接着
剤等によって固定されており、磁性流体１１の外部への
洩れを防止している。

【００２０】一方、ハウジング１３の一端部側には磁性
流体シール１０が設けられ、ハブ１のボス４外周部との
間に磁気回路を形成し、これによって内部に封入された
磁性流体１１はキャップ１２，磁性流体シール１０によ
って保持され、シールと潤滑作用に共用される。また、
シャフト５にはラジアル軸受２ａの内周面に対向して油
室１４が設けられている。

【００２１】図２に、すべり軸受２の斜視図を示す。す
べり軸受２は、安価な焼結粉末合金あるいはプラスチッ
ク系の材料を使用して、型で円筒状に成形すると共に、
その内周面及び両端面に、それぞれ回転によって動圧作
用を発揮するような動圧溝を成形して、ラジアル軸受２
ａとスラスト軸受２ｂを一体形成している。この動圧溝
は、ラジアル軸受２ａに非対称３円弧溝１５，スラスト
軸受２ｂには可逆回転に対応するように給油溝１７ｂ間
にランド部２０を頂点として、テーパ状１８及び逆テー
パ状１９に形成する。これらの溝は型成形によって容易
に形成できるが、溝を成形する際、まずスラスト軸受２
ｂ部のテーパランドをパンチで形成し、軸受２をハウジ
ング１３に圧入した後に、ラジアル軸受２ａ部に非対称
３円弧溝１５を形成する。このため、片側のテーパ溝で
は回転に対する方向性をもつことになり、軸受２をハウ
ジング１３に圧入する際、１個毎に方向性を確認する必
要があるが、テーパ状１８及び逆テーパ状１９に形成す
ることにより方向性がなくなるため、軸受２の圧入作業
の自動化が容易となり量産性が向上する。

【００２２】尚、すべり軸受２の外周部は切欠溝１６を
形成し、軸受２をハウジング１３に圧入する際の基準に
している。

【００２３】また、すべり軸受の径方向の精度は、サイ
ジング法によって高精度に仕上ることが可能であり、ラ
ジアル軸受２ａの寸法公差を数ミクロン以下にすること
ができる。

【００２４】しかし、軸方向の公差は型成形だけで同等
の精度を得ることは不可能であり、スラスト軸受２ｂの
間隙の調整方法が問題になる。

【００２５】本実施例では、スピンドルユニットの組立
時に位置決め用の治具２４を用いることで、軸方向の寸
法精度に関係なく間隙を一定に設定する。

【００２６】図３は、すべり軸受の軸方向の間隙設定に
ついて、（ａ）圧入前、（ｂ）圧入後、（ｃ）完成状態
を示す断面図である。

【００２７】スピンドルユニットを組み立てる際、ハウ
ジング１３に固定した軸受２にシャフト５を挿入すると
共に、軸受２の端部にシャフト鍔部６を内包するような
凹部２５を設けた治具２４を装着する。この治具２４の
外径は、ハウジング１３の内径に案内され、かつ凹部２
５の深さ寸法は、鍔部６の厚みにスラスト軸受２ｂの軸
方向間隙（ｅ）をプラスした値に加工される。

【００２８】次に、シャフト５の上端面にハブ１のボス
４孔部をあてがい、ハブ１の上端面の当て板２６を介し
て、ボス４の端部とスラスト軸受２ｂの一端部が接触す
るまで圧入する。この際、上下の中心がずれないよう
に、治具２４の外径をハウジング１３の内径に嵌合する
とともに、上部の当て板２６の中心を押圧する。これに
よって、ハブ１が位置決めされて、（ｂ）の状態とな
る。

【００２９】圧入後、治具２４，当て板２６を取外し、
キヤップ１２を固定すれば完成状態（ｃ）となる。組立
時の軸方向間隙（ｅ）はスラスト軸受２ｂの上下の間隙
をプラスした値に設定される。

【００３０】以上のように、本実施例のスピンドルユニ
ットを、磁気ディスク装置に適用すれば、すべり軸受２
の間隙を確実に管理できるので、振動や衝撃等による磁
気ディスクとヘッドの接触や衝突を防止でき、情報のリ
ード，ライト不良あるいは磁気ヘッド破壊などのトラブ
ルが無くなる。

【００３１】また、すべり軸受は焼結粉末合金あるいは
プラスチック材料によって型成形し、ラジアル、スラス
ト軸受を一体化できるため、部品数を少なくするととも
に、量産性が良くしかも寸法精度の高い位置決めができ
る。

【００３２】次に、このように構成される磁気ディスク
用スピンドルユニットの動作作用について説明する。ス
テータ７のコイルに通電すると、ロータマグネット８は
回転力を受け、磁気ディスク２１を装着したハブ１、及
びシャフト５が回転する。

【００３３】軸受油室１４内には磁性流体１１が封入さ
れており、シャフト５の回転による動圧効果によって、
ラジアル軸受２ａ、及びスラスト軸受２ｂの摺動面には
油膜が形成される。この油膜の発生状態を図４、及び図
５により説明する。図４はすべり軸受２の平面図、図５
は図４のＡ−Ａ断面図である。

【００３４】図に示すようにラジアル軸受２ａには、回
転方向に対し非対称形３円弧溝１５、またスラスト軸受
２ｂにはランド部２０を頂点として、回転方向に対しテ
ーパ溝１８及び逆テーパ溝１９がそれぞれ形成されると
ともに、これらの溝は給油溝１７ａ，１７ｂ及び切欠溝
１６を介して油室１４に連通している。このためシャフ
ト５が矢印の如く回転すると、ラジアル軸受２ａに形成
された非対称３円弧溝１５は回転方向に、次第に狭くな
る流路となるので、この部に流入した磁性流体１１は昇
圧し、円弧溝数に対応した油膜圧力分布Ｐ1 が発生す
る。この圧力分布Ｐ1 は内周の１２０度間隔にピークを
生じるが、軸受２の中心がずれるとギャップの狭い部分
の圧力が高くなって、中心位置に押し戻すように作用す
るので、回転中心のバランスが維持される。尚、磁性流
体１１は給油溝１７ａ，１７ｂを介して、油室１４から
順次給油されるので油膜圧力分布を安定に維持できる。

【００３５】一方、スラスト軸受２ｂにはテーパ溝１
８，逆テーパ溝１９とランド部２０からなるテーパラン
ド溝が、軸受２の両端面に対称的に形成されている。

【００３６】静止時に、スラスト軸受２ｂの一端面はハ
ブ１のボス４端面と接触しているが、回転とともに浮上
して油膜を形成する。正逆いずれの回転でも、動圧作用
によって図５に示すように、回転方向（Ａ，Ｂ）に対応
した油膜圧力分布Ｐ2，Ｐ3が形成されシャフト５を支持
する。

【００３７】両端部のスラスト軸受２ｂは、同一形状に
成形されるため、ほぼ同様の油膜圧力分布となる。しか
し、油膜の厚みは数ミクロン程度であり、スラスト軸受
２ｂに対向して配置されるボス４端面およびシャフト鍔
部６の直角度の精度が、正常な油膜を形成するための重
要なポイントとなる。

【００３８】本実施例では、ボス４端面の直角度の精度
は図３で説明したように治具２４を用い、シャフト５と
ボス４の嵌合部長さ寸法を適正化し、またシャフト鍔部
６の精度をシャフト５と一体加工することによって、数
ミクロン以下の精度が得られることを確認している。

【００３９】このように、回転中はラジアル軸受２ａと
スラスト軸受２ｂとの動圧油膜により回転系が支持され
るため、スピンドルユニットの縦，横姿勢に関わらずど
のような姿勢でも安定した回転を維持できる。また、ス
ラスト軸受２ｂが両端面に設けられていることにより、
モーメント荷重を高めることができるので、シャフト５
の倒れに対しても強い構造になっている。

【００４０】尚、本スピンドルユニットの内部に封入さ
れた磁性流体１１は、一方をキヤップ１２で完全に密閉
し、他方は磁性流体シール１０装置によって、非接触で
シールされるように構成してハウジング１３の内部に保
持される。

【００４１】図６は本発明の第二の実施例におけるスラ
スト軸受２ｂの平面図である。

【００４２】本実施例では、動圧発生要素としてのスラ
スト軸受２ｂの形状に関わり、テーパランドのランド部
をスラスト面の内周２７、及び外周２７´にも拡大し設
けたことを特徴とする。このため、回転による動圧作用
によって、給油溝１７ｂからテーパ溝１８部に導入され
た磁性流体１１は、内，外周のランド２７，２７´部で
堰止められるため昇圧効果が向上して、油膜圧力分布が
改善され軸受剛性を高める。

【００４３】図７は本発明の第三の実施例におけるスピ
ンドルユニットの断面図で、図８は図７におけるシール
装置の部分断面図である。第一実施例との構造上の相違
点は、ハウジング１３の一端部に配置されたことにあ
る。

【００４４】ハブ１のボス４外周面に対向して、ポール
ピース２９，２９´と軸方向にＮ，Ｓ極と着磁したマグ
ネット３０で構成される磁性流体シール１０を配置する
と共に、ボス４外周面にねじシール２８を設ける。この
ねじシール２８はシャフト５の回転によって、流体を矢
印の如く軸受２の内側に押し込むように構成される。

【００４５】また、ねじシール２８のねじ溝部は上端側
のポールピース２９の内側に設ける。

【００４６】このようなシール構造によれば、静止時の
磁性流体１１は、ポールピース２９，２９´とマグネッ
ト３０および磁性材のボス４とで形成される磁気回路に
よって、ボス４の端部でシールされる。一方、回転中の
磁性流体１１には遠心力が作用するが、ボス４の外周面
に設けられたねじシール２８の動圧作用によって内部に
押し戻す効果と、磁性流体シール１０との相乗作用でシ
ール性能が向上し、外部に洩れて磁気ディスク２１を汚
染することはない。

【００４７】以上、本発明の動圧軸受スピンドルユニッ
トを磁気ディスク装置に適用した場合について説明した
が、光ディスク装置やレーザビーム用ポリゴンミラーお
よびＶＴＲシリンダモータなどに用いても同様の作用，
効果を得ることができる。

【００４８】上記実施例によるスピンドルユニットは、
ラジアル軸受部に円弧状，スラスト軸受部にテーパラン
ド状の動圧溝を設け、回転による動圧作用で圧力油膜を
発生させスピンドルを支持するため、振動を抑制し回転
精度が高まる。また、スラスト軸受部は可逆回転に対応
したテーパランド状溝なので、軸受を圧入する際、上下
の方向性がなくなるため量産性を向上できる。また、シ
ャフトの圧入に際して、スラスト軸受の間隙に相当する
凹部を有する治具で位置決めしているので、数ミクロン
以下の間隙が容易にかつ確実に設定できる。このため、
スピンドルユニットのコンパクト化が実現できると共
に、ラジアル，スラスト軸受部の一体成形が可能になっ
て、量産性を向上できる。また、磁性流体シールとその
内部にねじシールを設け、静止時は磁性流体シールの磁
気回路でシールし、回転中は磁性流体シールとねじシー
ルの動圧効果による相乗作用でシールするので、小型化
と高速化の中でも磁性流体の漏れを確実に防止できる。
また磁気ディスク装置では、上記実施例のスピンドルユ
ニットで磁気ディスクを支持するので、必要な小型化と
回転精度が確保でき、またディスクやヘッドの損傷を防
止でき、記録密度も向上できる。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、ラジアル軸受とスラス
ト軸受とを一体化し、部品数を少なくでき、量産性が良
いスピンドルユニットを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例によるスピンドルユニッ
トの縦断面図。

【図２】スピンドルユニットのすべり軸受の斜視図。

【図３】すべり軸受の軸方向の間隙設定時の状態遷移を
示す断面図。

【図４】平面図で示したすべり軸受のラジアル軸受部の
円弧状溝による動圧分布の説明図。

【図５】図４のＡ−Ａ断面図で、スラスト軸受部のテー
パランド溝による動圧分布の説明図。

【図６】第二の実施例によるスラスト軸受の平面図。

【図７】第三の実施例によるスピンドルユニットの縦断
面図。

【図８】第三の実施例によるシール装置の部分断面図。

【符号の説明】

１…ハブ、２…すべり軸受、２ａ…ラジアル軸受、２ｂ
…スラスト軸受、３…ベースプレート、４…ボス、５…
シャフト、６…シャフト鍔部、１２…キヤップ、１３…
ハウジング、２４…治具、２５…凹部。

───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｇ１１Ｂ 19/20 Ｇ１１Ｂ 19/20 Ｅ Ｈ０２Ｋ 7/08 Ｈ０２Ｋ 7/08 Ａ 21/22 21/22 Ｍ (72)発明者 富田 謙二 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 井上 知昭 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 Ｆターム(参考） 3J011 AA01 AA07 BA04 CA01 CA04 JA03 KA02 KA03 MA12 PA10 RA04 3J016 AA02 BB14 5D109 BA14 BA17 BA20 BB03 BB12 BB18 BB21 BB22 BC12 5H607 AA04 BB01 BB07 BB09 BB14 BB17 BB25 CC01 DD03 DD14 FF01 GG01 GG02 GG09 GG12 GG15 GG25 5H621 GA01 GA04 HH01 JK19

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ハブに嵌合したシャフトをハウジングに内
   設したすべり軸受で回転自在に支持し、前記ハウジング
   の外周に固設したステータと前記ステータに対向して前
   記ハブの内面に固設したロータマグネットとによりモー
   タを形成し、前記モータにより前記ハブを回転駆動する
   磁気ディスク装置用スピンドルユニットにおいて、 前記すべり軸受を構成するラジアル軸受とスラスト軸受
   とを一つの部材に形成し、前記スラスト軸受を前記ハブ
   に形成したボス端面に対向させて配置し、前記すべり軸
   受部に潤滑剤を保持させたことを特徴とする磁気ディス
   ク装置用スピンドルユニット。
2. 【請求項２】請求項１に記載の磁気ディスク装置用スピ
   ンドルユニットにおいて、前記ボスの外周部に潤滑剤を
   前記すべり軸受部に保持するためのシールを構成したこ
   とを特徴とする磁気ディスク装置用スピンドルユニッ
   ト。