JP2004053004A - Dynamic pressure bearing device and manufacturing method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve shock resistance, to reduce A-RRO (an oscillation motion of a shaft), to reduce changes in bearing rigidity for a temperature change, and to suppress current loss. <P>SOLUTION: This dynamic pressure bearing device is made as a shaft body by integrally forming a circular thrust plate 3 having a diameter larger than that of a shaft 2 and the shaft 2 by stainless steel. A sleeve 11 is formed by an aluminum silicon alloy. A linear expansion coefficient of the shaft body is made -5% not less than 17×10<SP>-6</SP>not more than +5%. A linear expansion coefficient of the sleeve 11 is made -5% not less than of 14×10<SP>-6</SP>not more than +5% in a measurement of a range of 0°C-100°C. Shaft direction thickness of the thrust plate 3 is made as 0.1 to 0.7mm. Hardness of the sleeve 11 is made smaller than that of the shaft 2. Dynamic pressure grooves 21 and 22 for radial bearings are provided in parts facing to the shaft 2. A first thrust dynamic pressure groove 23 is provided at a position facing to the thrust plate 3 of a counter plate 13. A second thrust dynamic pressure groove 24 is provided at the sleeve 11. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動圧軸受装置および動圧軸受装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
動圧軸受装置は、ハードディスクドライブ機構(以下、HDDという。)や、デジタルバーサタイルディスク機構(以下、DVDという。)や、スキャナ装置などに搭載されるもので、ハードディスクやデジタルバーサタイルディスクやミラーを高速回転させる際に使用される。HDDやDVD等に使用される軸受装置は、高速回転、高回転精度、静音、高信頼性などが要求される。
【0003】
軸受装置としては、従来はボールベアリングが使用されてきたが、近年は動圧軸受装置が使用されるようになってきている。動圧軸受装置は、その原理上、基本的に前述の要求に応える特性を有し、HDD等に適したものである。しかし、その優れた特性を発揮するためには、構造上および機器への応用において諸条件を考慮しなければならない。すなわち、動圧軸受装置は、軸(シャフト)と軸支持部は、相対的な回転によって発生する油や空気の圧力によって非接触状態で支持される。このとき、所定の圧力を維持するためには流体力学の理論によって、隙間、油や空気の粘度、さらには直角度などの形状精度などを極めて厳しく管理する必要があると共に、温度変化や径時変化に対する微小変化を防止するための特別な工夫もなされなければならない。
【0004】
以下に、各種の工夫がなされた従来の動圧軸受装置を採用したスピンドルモータの構造を示す。なお、動体軸受装置を採用したスピンドルモータは、特許文献1の図4や特許文献2に示されるような軸が固定される軸固定型と、特許文献1の図1や特許文献3に示されるような軸がロータと共に回転する軸回転型の2種類が知られている。最初に、従来の軸固定型の動圧軸受装置を使用したスピンドルモータ100について図16に基づいて説明する。
【0005】
このスピンドルモータ100では、ベース101にシャフト(軸)102が圧入固定され、このシャフト102の先端側にスラスト板103が圧入固定されている。ベース101の中央の円筒部の外周には、中央の各孔部分がその円筒部に嵌り込む複数の薄板磁性金属板からなるコア104が配置されている。このコア104には、径方向にのびる複数の突極が周方向に所定間隔で配置されており、その突極にはコイル巻線105が施されている。ベース101とコア104とコイル巻線105とで、スピンドルモータ100のステータが構成されている。
【0006】
シャフト102の周囲には、軸受けとなる円筒状のスリーブ111が配置され、そのスリーブ111の中心孔(図16における上方)を塞ぐようにカウンタプレート112がかしめにてスリーブ111に固定されている。スリーブ111の外周には、ハードディスク等のディスク113を載置するための円筒状のハブ114が圧入、焼きバメ、接着などにより固定されている。
【0007】
ハブ114の円筒状部の内周部分には、磁性体となる金属製の円筒状のヨーク115を介して円筒状の磁石116が固定されている。ハブ114には、ディスク113を取り付けたり、取り外したりするためのねじ117が挿通するねじ孔が設けられている。そして、クランパ118とハブ114との間にディスク113をはさみ込んだ後、ねじ117をそのねじ孔に挿通しつつ、ねじ117を締めることによってディスク113をハブ114に固定可能とされている。スリーブ111と、カウンタプレート112と、ハブ114と、ヨーク115と、磁石116とでスピンドルモータ100のロータが構成される。
【0008】
シャフト102(スラスト板103含む)とスリーブ111との間のわずかな隙間には、油が入れられその油がスリーブ111外に漏出しない状態で保持される。スリーブ111の内周面の一端側にはシャフト102のラジアル方向の動きを規制するラジアル動圧溝121が設けられると共に他端側にもラジアル動圧溝122が設けられている。ここで、シャフト102,スリーブ111およびラジアル動圧溝121,122によって、第1の動圧流体軸受が構成されている。
【0009】
スラスト板103のカウンタプレート112と対向する面に、ロータのスラスト方向の動きを規制するスラスト動圧溝が設けられていると共にスラスト板103のスリーブ111の段部123と対向する面に同様のスラスト動圧溝が設けられている。ここで、スラスト板103、スリーブ111、カウンタプレート112およびスラスト板103に設けられる2つのスラスト動圧溝によって、第2の動圧流体軸受が構成されている。
【0010】
次に、図17に基づいて、従来の軸回転型の動圧軸受装置を使用したスピンドルモータ200の構造を示す。
【0011】
このスピンドルモータ200では、ベース201の中央に円筒状のスリーブ202が圧入固定され、このスリーブ202の中央孔を塞ぐようにカウンタプレート203がスリーブ202にかしめ固定されている。スリーブ202の外周には、薄板からなる磁性金属板が積層されたコア204が配置され、そのコア204の突極部分にはコイル巻線205が施されている。ベース201と、スリーブ202(カウンタプレート203含む)と、コア204と、コイル巻線205とでスピンドルモータ200のステータが構成されている。
【0012】
スリーブ202には、ハブ211に接着固定されたシャフト212が挿入され、シャフト212の先端にはスラスト板213が圧入固定されている。ハブ211には円筒状のヨーク214を介して円筒状の磁石215が固定されている。シャフト212には、バーサタイルディスク等のディスク216を取付可能とするねじ217をねじ係合するためのめねじ部となるねじ凹部が設けられている。
【0013】
そして、クランパ218とハブ211との間にディスク216をはさみ込んだ後、ねじ217をねじ凹部にさし込み、ねじ217を締めることによってディスク216をハブ211に取り付け可能とされている。ここで、ハブ211と、シャフト212と、スラスト板213と、ヨーク214と、磁石215とでスピンドルモータ200のロータが構成される。
【0014】
スリーブ202とシャフト212との間のわずかな隙間には油が入れられ、その油がスリーブ202外に漏出しない状態で保持される。スリーブ202の内周面の一端側と他端側にはそれぞれ一対のラジアル動圧溝221,222が設けられている。ここで、スリーブ202、シャフト212およびラジアル動圧溝221,222によって第1の動圧流体軸受が構成されている。スラスト板213のカウンタプレート203と対向する面とスリーブ202の段部223と対向する面の両面にそれぞれスラスト動圧溝が設けられている。ここで、スラスト板213、スリーブ202および2つのスラスト動圧溝によって第2の動圧流体軸受が構成されている。
【0015】
【特許文献1】特開平8−335366号公報(図1、図4)
【特許文献2】特開2000−41359号公報
【特許文献3】特開2000−324753号公報
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
従来の動圧軸受装置を使用した固定型のスピンドルモータ100や、軸回転型の動圧軸受装置を使用したスピンドルモータ200は、次のような大きな5つの欠点を有している。第1の欠点は、従来の動圧軸受装置を使用したスピンドルモータ100,200では、相対回転する部分が別部材の組み合わせで構成されているため、衝撃に弱いことである。
【0017】
第2の欠点は、従来の動圧軸受装置を採用したスピンドルモータ100,200では、シャフト102,212とロータとの間の垂直度が不十分となりやすく、ハブ114,211の部分での回転振れが大きくなることである。この回転振れには、リピータブル ランアウト(Repeatable Runout:繰り返し回転振れで、以下RROという)とノンリピータブル ランアウト(Non Repeatable Runout:非繰り返し回転振れで、以下RROという)とが存在する。また、種類として、軸振れと面振れとがあり、従来のスピンドルモータ100,200では、軸振れのRRO(以下、A−RROという。)が大きいものとなっている。ハブ114,211のA−RROが大きくなると、ディスク113,216の面での面振れのRROが大きくなり、ディスク113,216に対する情報の記録や、ディスク113,216からの情報の読み取りの面でエラーが発生してくる。
【0018】
従来のスピンドルモータ100,200において、A−RROが大きくなるのは次の点が原因と考えられる。すなわち、スピンドルモータ100の場合、スリーブ111とハブ114の固定部100aは、圧入、焼きバメ、接着などにより固定されているが、これらの工法を採用すると、ハブ114はスリーブ111に対して設計精度からのずれがどうしても発生する。このずれは、組み立ての際にも発生するが、さらに固定部100aには取り付け上の応力が残存しており、温度変化や径時変化などによって精度ずれが発生する。この精度ずれは、垂直度の悪化となり、A−RROの悪化に直結する。
【0019】
スピンドルモータ200の場合、シャフト212の径が小さく、かつシャフト212とハブ211の固定部200aの接触幅が小さいので、この固定部200aにおける直角度を高精度に管理するのは極めて困難であり、どうしても直角度(垂直度)が保持できない。また、仮に、組み立て時に直角度が出たとしても、シャフト212とハブ211の固定は圧入や接着などで行われており、スピンドルモータ100のスリーブ111とハブ114の固定と同様に、取り付け上の応力が残存し、温度変化や径時変化などによって直角度が維持されない。直角度が出せないという状態は、A−RROの悪化に直結する。
【0020】
スピンドルモータ100,200のいずれにおいても、シャフト102とスラスト板103の組み立てや、シャフト212とスラスト板213の組み立ての際に、スラスト板103,213がシャフト102,212に対して微小な傾きが発生する。この傾き(垂直度の悪化)は、ハブ114,211のA−RROの悪化をもたらす。
【0021】
第3の欠点は、従来のスピンドルモータ100,200では、温度変化に対する軸受け剛性の変化が大きなものとなることである。軸受け剛性が低下しすぎると、リピータブル ランアウト(RRO)や、ノンリピータブル ランアウト(NRRO)が大きくなり、モータとして使用することができなくなる。
【0022】
従来のスピンドルモータ100,200において、温度変化に対する軸受け剛性の大きな変化(低下)は、次の点が原因と考えられる。すなわち、従来のスピンドルモータ100,200では、シャフト102,212の材質をステンレス鋼の400系(SUS−400系)、たとえばCrを18%含有するSUS430とし、スリーブ111,202の材質を真鍮やステンレス鋼の300系(SUS−300系)、たとえばCrを18%、Niを8%含有するSUS304としている。これらの材質を採用すると、線膨張係数の差による影響で、温度が上昇した時にシャフト102とスリーブ111との隙間や、シャフト212とスリーブ202との隙間が大きくなって、動圧効果が低下し、ラジアル方向の軸受け剛性が低下してしまうのである。また、温度が上昇すると、動圧用の油の粘度が低下してしまい、軸受け剛性が一層低下してしまう。
【0023】
先に示したSUS430とSUS304の場合、より固いSUS430の線膨張係数が10.4×10−6で、よりやわらかいSUS304の線膨張係数が16.4×10−6となり、温度が上昇するとスリーブ111,202の方が大きく膨張し、シャフト102,212との間の隙間が広くなってしまうのである。なお、軸受け剛性の問題は、ラジアル方向のみならず、スラスト方向にも同様な原因によって生じている。
【0024】
この軸受け剛性の問題に対しては、スリーブ111,202の材質をシャフト102,212の材質と同じSUS−400系にすれば改善される(線膨張係数の差による影響は発生しない)が、スリーブ111,202が固くなり、それらに対する溝加工や形状加工等の加工が困難となり、生産性が大幅に悪化すると共に生産コストが上昇してしまう。また、軸受け部分の温度上昇に伴う油の粘度変化に対しては、依然として改善はされず、問題が残ったままとなる。
【0025】
なお、シャフト102,212の材質をスリーブ111,202の材質と同じSUS−300系にするという案も理論上はあり得る。しかし、シャフト102,212がスリーブ111,202と同材質でかつ柔らかい材質となることは、シャフト102,212に傷がつき易くなり、回転の安定性が損なわれ易くなると共に、シャフト102,212とスリーブ111,202との間でロックし易くなってしまい、この構成は採用できない。
【0026】
また、シャフト102,212をSUS−300系とし、スリーブ111,202をSUS−400系としても良いが、スリーブ111,202をSUS−400系にすると、熱膨張の差が大きすぎて、高温時に、シャフト102,212がロックしてしまう。すなわち、SUS−400系は、熱膨張度が小さいため、高温になると、シャフト102,212とスリーブ111,202の間の隙間が零となり、ロックする。また、時には、隙間が小さくなることで、シャフト102,212が堅いSUS−400系のスリーブ111,202にぶつかり、シャフト102,212に傷がついたりする。
【0027】
また、シャフト102,212をSUS−300系とし、スリーブ111,202をSUS−400系とすると、SUS−400系は、その硬度が高いため、内径の寸法出し、真円度化、面相度を細かくすること、高円筒度化などの高精度加工や動圧溝加工が困難となる。内径寸法のバラツキは、適正な隙間が得られないこととなり、測定による選別組み合わせという多大な時間を要する工程を必要とする。これは生産性やコストの面で問題となる。動圧溝加工が困難になるということは、溝深さの均一性や対称性が悪くなることに直結し、軸受け特性が悪化する。また生産性や価格の面にも悪影響を及ぼす。
【0028】
これらの理由により、シャフト102,212をSUS−300系とし、スリーブ111,202をSUS−400系とする組み合わせも、実質的には採用できない。
【0029】
さらに、第4の欠点は、従来のスピンドルモータ100,200では、電流ロスが大きなものとなることである。これには2つの原因が考えられる。1つは、構造的問題である。すなわち、図16に示す軸固定型のスピンドルモータ100のスリーブ111とハブ114との固定部100aにおける強度や効率的な作業性を得るためには、固定部100aの軸方向長さを長くしたり、各部品の径方向の肉厚を十分に大きくしなければならないが、そのためには、コア104やコイル巻線105を収納する空間が狭くなり、結果として電磁特性(Kt)が小さくなるのである。収納空間が狭くなり、電磁特性が小さくなるこの傾向は、軸回転型のスピンドルモータ200でも生じる。
【0030】
電流ロスが大きくなる原因の他の1つは、軸受け構造の問題である。すなわち、軸受け部分の軸損トルクは、シャフト102,212の径を小さくして、かつラジアル隙間を小さくすれば、軸受け剛性を低下させること無く、軸損トルクを低減できる。しかし、スピンドルモータ100の場合、シャフト102の径が小さくなると、シャフト102とベース101との固定部100bでの結合力や直角度が出にくくなる。また、スピンドルモータ200の場合、シャフト212の径が小さくなると、シャフト212とハブ211との固定部200aにおける接触面積がさらに小さくなり、上述したようにA−RROのさらなる悪化が生ずる。また、ラジアル隙間を小さくすると線膨張係数の差の影響が大きく出てしまう。
【0031】
電流ロスが大きくなる原因の中には、スラスト板103,213の厚さの問題がある。現状では、スラスト板103,213の垂直度および各固定部100c,200bでの固定強度を得るために、スラスト板103,213をどうしても厚くせざるを得ない。具体的には、スラスト板103,213の厚さを、1〜1.5mm程度としている。このため、電流ロスがかなり大きくなっている。
【0032】
このように、シャフト102,212の径を小さくしたり、スラスト板103,213を薄くすることは、極めて困難であり、このことによって電流が上昇し、電流ロスが大きくなる。
【0033】
第5の欠点は、従来のスピンドルモータ100,200では、3.5インチハードディスク用への対応は容易に可能であるが、さらに小型で薄型となる2.5インチや1.8インチのハードディスク用への対応が困難なことである。すなわち、従来のスピンドルモータ100,200では、相対回転部分が別部材を組み立てることで得られる組み立て部品となっているため、軸受け部分のギャップである隙間の管理が難しく、どうしても大きな隙間とならざるを得ず、小型化、薄型化がしづらいものとなっている。特に、組み込みの強度や精度を考慮すると、スラスト板103,213やハブ114,211を厚くせざるを得ず、軸方向厚さが大きくなりがちとなっている。
【0034】
従来の動圧軸受装置は、従来のスピンドルモータ100,200が有する5つの欠点の大きな部分を占めている。すなわち、第2の欠点の垂直度の悪化、第3の欠点である軸受け剛性の変化の問題、第4の欠点の電流ロスの問題の原因の1つである軸構造の問題やスラスト板の厚さの問題、第5の欠点の小型化、薄型化がしづらい原因の1つであるスラスト板の厚さの問題等は、従来の動圧軸受装置そのものの問題でもある。
【0035】
本発明は、上述した動圧軸受装置の問題点を解決するためになされたものであり、耐衝撃性を向上させ得、A−RRO(いわゆる軸の揺動運動)を小さくでき、温度変化に対する軸受け剛性の変化を小さくでき、しかも電流ロスを押さえることができると共に小型化、薄型化が可能となる動圧軸受装置を提供することを目的とする。また、他の発明は、温度変化に対する軸受け剛性の変化を小さくでき、安定した性能を長期に渡って維持することができる動圧軸受装置を提供することを目的とする。
【0036】
また、他の発明は、電流ロスを押さえることができると共に、スラスト側の動圧溝の設置位置の自由度が増し、動圧効果を適切なものとすることができる動圧軸受装置を提供することを目的とする。さらに、他の発明は、温度変化に対する軸受け剛性の変化を小さくでき、しかもシャフトがスリーブに衝突してしまうのを防止できる動圧軸受装置を提供することを目的とする。
【0037】
さらに、他の発明は、A−RRO(いわゆる軸の揺動運動)を小さくできると共に薄型化への対応を簡単に行うことができる動圧軸受装置の製造方法を提供することを目的とする。
【0038】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するため、本発明の動圧軸受装置は、ベースと、このベースに固定されるシャフトと、このシャフトの周りに回転可能に配置されるスリーブと、を有する動圧軸受装置において、シャフトのベースとは反対側の端部に設けられ、シャフト部分の径より大径となる円形状のスラスト板とシャフトとをステンレス鋼にて一体形成してシャフト体とし、スリーブを、アルミニウムとシリコンを成分として有するアルミシリコン合金にて形成し、シャフト体の線膨張係数を17×10−6プラス/マイナス5%以内とし、スリーブの線膨張係数を0℃〜100℃の範囲の測定で14×10−6プラス/マイナス5%以内とし、スラスト板部分の軸方向厚さを0.15〜0.35mmとし、スリーブの硬度をシャフトの硬度より小さくし、よりやわらかな部材となるスリーブであってシャフトと対向する部分にラジアル軸受用の動圧溝を設け、スラスト板と対向する位置であってこのスラスト板を覆うと共にスリーブの中心孔を塞ぐようにして設けられたカウンタープレートのスラスト板と対向する位置に、スラスト軸受用の第1のスラスト動圧溝を設け、スラスト板の第1のスラスト動圧溝と対向する面とは反対となる面と対向するスリーブ部分に、第2のスラスト動圧溝を設けている。
【0039】
この発明の動圧軸受装置は、ベースに固定されるシャフトとスラスト板とを一体化し一体部材としているので、耐衝撃性が向上すると共に、垂直度を得やすいものとなる。このため、シャフトに対し相対回転するスリーブのA−RROを小さくできる。また、スリーブとシャフト体の各線膨張係数をシャフト側をより大きくした所定のものとしているので、温度変化に対する軸受け剛性の変化が小さくなる。また、回転側のスリーブをアルミニウムとシリコンを有するアルミシリコン合金としているので、アルミニウムと同程度の質量となり、電流ロスやイナーシャが小さなものとなる。
【0040】
また、この動圧軸受装置は、軸固定型であるため、スラスト板がシャフトの径に比べ大径であったとしても、このシャフト体を組み込むことが可能となる。また、硬度がより柔らかとなるスリーブ側にラジアル軸受用の動圧溝を設けているので、従来の真鍮のスリーブと同様にボール転造でスリーブの内部に動圧溝を簡単に、かつひび割れが生じないように形成することができると共に、動圧用の溝部に設けられる突出部(動圧溝を形成する前に、スリーブの表面に中心側に突出する段部を設けることが多いが、この段部のこと)によってシャフトの表面が傷つくことが防止される。さらに、スリーブをシャフト体より柔らかな材質としているので、シャフト体をスリーブに挿入する際に、両者が接触してもシャフト側は傷がつかず、安定した性能を長期に渡って得ることができる。
【0041】
さらに、スラスト板部分の軸方向厚さを0.15〜0.35mmとしているので、電流ロスが低減されると共に小型化、薄型化が可能となる。また、スラスト軸受用の動圧溝をスラスト板に対向するカウンタプレートとスリーブとに設けているので、スラスト板という面積が小さくなりがちなものに動圧溝を設置する場合に比べ、動圧溝の設置位置や設計の自由度が増し、より適切な動圧効果が得やすいものとなると共にコストの低減化も可能となる。
【0042】
他の発明の動圧軸受装置は、シャフトと、このシャフトに相対回転可能に配置されるスリーブと、シャフトまたはスリーブのいずれか一方を固定するベースを有する動圧軸受装置において、シャフトをステンレス鋼にて形成し、スリーブを、アルミニウムとシリコンを成分として有するアルミシリコン合金にて形成し、シャフトの線膨張係数を17×10−6プラス/マイナス5%以内とし、スリーブの線膨張係数を0℃〜100℃の範囲の測定で11×10−6〜15×10−6とし、スリーブの硬度をシャフトの硬度より小さくし、よりやわらかな部材となるスリーブ側であってシャフトと対向する部分にラジアル軸受用の動圧溝を設けている。
【0043】
この発明の動圧軸受装置は、スリーブとシャフト体の各線膨張係数をシャフト側をより大きくした所定のものとしているので、温度変化に対する軸受け剛性の変化が小さくなる。また、この動圧軸受装置は、硬度がより柔らかとなるスリーブ側にラジアル軸受用の動圧溝を設けているので、従来の真鍮のスリーブと同様にボール転造でスリーブの内部に動圧溝を簡単に、かつひび割れが生じないように形成することができると共に、動圧用の溝部に設けられる突出部(動圧溝を形成する前に、スリーブの表面に中心側に突出する段部を設けることが多いが、この段部のこと)によってシャフトの表面が傷つくことが防止される。さらに、スリーブをシャフトより柔らかな材質としているので、シャフトをスリーブに挿入する際に、両者が接触してもシャフト側は傷がつかず、安定した性能を長期に渡って維持することができる。
【0044】
また、他の発明の動圧軸受装置は、シャフトと、このシャフトに相対回転可能に配置されるスリーブと、シャフトまたはスリーブのいずれか一方を固定するベースを有する動圧軸受装置において、スリーブを、Alが65〜69重量%、Siが28〜32重量%、Cuその他が1〜5重量%で構成されるアルミシリコン合金にて形成し、このスリーブの線膨張係数を0℃〜100℃の範囲の測定でシャフトの線膨張係数に対して1×10−6〜7×10−6だけ小さくし、スリーブの硬度をシャフトの硬度より小さくし、よりやわらかな部材となるスリーブ側であってシャフトと対向する部分にラジアル軸受用の動圧溝を設けている。
【0045】
この発明の動圧軸受装置は、スリーブとシャフトの各線膨張係数をシャフト側をより大きくした所定のものとしているので、温度変化に対する軸受け剛性の変化が小さくなる。また、スリーブをアルミニウムとシリコンでほとんどを占めるアルミシリコン合金としているので、質量はアルミニウムと同程度か若干軽くなり、この動圧軸受装置を使用した装置を軽量化できると共に回転側にこのアルミシリコン合金を使用すると電流ロスやイナーシャが小さくなる。また、この動圧軸受装置は、硬度がよりやわらかとなるスリーブ側にラジアル軸受用の動圧溝を設けているので、従来の真鍮のスリーブと同様にボール転造でスリーブの内部に動圧溝を簡単に、かつひび割れが生じないように形成することができると共に、動圧用の溝部に設けられる突出部によってシャフトの表面が傷つくことが防止される。さらに、スリーブをシャフトより柔らかな材質としているので、シャフトをスリーブに挿入する際に、両者が接触してもシャフト側は傷がつかず、安定した性能を長期に渡って維持することができる。
【0046】
また、他の発明の動圧軸受装置は、シャフトと、このシャフトに相対回転可能に配置されるスリーブと、シャフトまたはスリーブのいずれか一方を固定するベースを有する動圧軸受装置において、シャフトのベースとは反対側の端部にスラスト板を設け、スリーブを、アルミニウムとシリコンを成分として有するアルミシリコン合金にて形成し、シャフトを、Crを10.5〜32重量%、Niを4〜13重量%含有した鉄系合金となるステンレス鋼で形成し、スリーブのシャフトと対向する部分であるスリーブの内面に、ラジアル軸受用の動圧溝を設け、スラスト板と対向する位置であってこのスラスト板を覆うと共にスリーブの中心孔を塞ぐようにして設けられたカウンタープレートのスラスト板と対向する位置に、スラスト軸受用の第1のスラスト動圧溝を設け、スラスト板の第1のスラスト動圧溝と対向する面とは反対となる面と対向するスリーブ部分に、第2のスラスト動圧溝を設けている。
【0047】
この発明の動圧軸受装置は、アルミニウムより軽いシリコンを含んだアルミシリコン合金をスリーブとしているので、このスリーブ部分を回転側とすると、回転部分がステンレス鋼よりはかなり軽くなり、アルミニウムより若干軽くなる。このため、電流ロスが軽減されると共にイナーシャが小さくなる。また、スリーブを固定側とした場合、動圧軸受装置としての重量が小さくなり、この動圧軸受装置を組み込んだ装置の軽量化に貢献できるものとなる。さらに、スラスト軸受用の動圧溝をスラスト板に対向するカウンタプレートとスリーブとに設けているので、スラスト板という面積が小さくなりがちなものに動圧溝を設置する場合に比べ、動圧溝の設置位置や設計の自由度が増し、より適切な動圧効果が得やすいものとなると共にコストの低減化も可能となる。
【0048】
さらに、他の発明の動圧軸受装置は、シャフトと、このシャフトに相対回転可能に配置されるスリーブと、シャフトまたはスリーブのいずれか一方を固定するベースを有する動圧軸受装置において、スリーブを、少なくとも0℃〜100℃の温度範囲で、温度が高くなるほど線膨張係数が大きくなる、アルミニウムとシリコンを成分として有するアルミシリコン合金にて形成し、シャフトの線膨張係数をスリーブの線膨張係数より大きくかつ温度範囲で一定とし、スリーブの硬度をシャフトの硬度より小さくし、よりやわらかな部材となるスリーブ側であってシャフトと対向する部分にラジアル軸受用の動圧溝を設けている。
【0049】
この発明の動圧軸受装置は、スリーブを、少なくとも0℃〜100℃の温度範囲で、温度が高くなるほど線膨張係数が大きくなる、アルミニウムとシリコンを成分として有するアルミシリコン合金とし、シャフトの線膨張係数をその一体部材の線膨張係数より大きくかつ上記温度範囲で一定としているので、温度が高くなると、スリーブ内の動圧溝の間隙が狭くなり、軸受けの剛性力が維持されると共に、スリーブとシャフトとが接触してしまう危険性を大きく軽減することができる。なお、ここで、線膨張係数が一定とは、全く変化しないもののみならず、アルミシリコン合金に比べ、その変化が5分の1程度以下のものを含むものとする。
【0050】
さらに、他の発明は、上述の発明の動圧軸受装置に加え、シャフトをベースに固定すると共にスリーブをシャフトの周りに回転可能に配置している。この動圧軸受装置は、軸固定型であるため、シャフトとスラスト板を一体部材とし、かつスラスト板がシャフトの径に比べ大径であったとしても、このシャフト体を組み込むことが可能となる。このように、この発明では、設計の自由度が増すものとなる。
【0051】
加えて、他の発明は、上述の発明の動圧軸受装置に加え、スリーブと一体回転するディスク保持用のハブをスリーブと共にアルミシリコン合金にて一体形成している。この動圧軸受装置では、スリーブとハブとを一体化し、一体部材としているので、ハブ部分の耐衝撃性が向上すると共に、ハブの垂直度を得やすいものとなる。このため、軸受装置としてのA−RROを非常に小さくできる。しかも、小型化、薄型化も可能となる。
【0052】
また、他の発明の動圧軸受装置は、上述の発明の動圧軸受装置に加え、シャフトのベースとは反対側の端部に、シャフトの径より大径となるスラスト板を設け、このスラスト板とシャフトとをステンレス鋼にて一体形成してシャフト体とし、スラスト板部分の軸方向厚さを0.1〜0.7mmとしている。
【0053】
この発明の動圧軸受装置では、シャフトとスラスト板を一体化し、シャフト体としているので、シャフト体の耐衝撃性が向上すると共に、シャフト部分の垂直度を得やすいものとなる。このため、軸受装置としてのA−RROを小さくすることができる。しかも、小型化、薄型化も可能となる。加えて、スラスト板部分の軸方向厚さを0.1〜0.7mmとしているので、スラスト軸受けの機能を十分満足させつつ、軸方向長さを一層小さくでき、一層の小型化、薄型化が可能となる。また、スラスト板部分を薄くすることで、電流ロスを低減させることができる。
【0054】
また、他の発明は、上述の発明の動圧軸受装置に加え、スリーブと一体回転するロータをスリーブと共にアルミシリコン合金にて一体形成している。この動圧軸受装置では、スリーブとロータとを一体化し、一体部材としているので、ロータ部分の耐衝撃性が向上すると共に、ロータの垂直度を得やすいものとなる。このため、ロータのA−RROを非常に小さくできる。しかも、小型化、薄型化も可能となる。
【0055】
本発明の動圧軸受装置の製造方法は、ベースと、このベースに固定されるシャフトと、このシャフトの周りに回転可能に配置されるスリーブと、を有する動圧軸受装置の製造方法において、シャフトとベースの軸方向厚さを完成状態に比べ厚くしておき、シャフトをベースに組み込んだ後に、シャフトの底側の一部とベースの底側の一部とを、同時にかつ両者の切り取り面が一定の平面となるように切り取り、完成状態の厚さとしている。
【0056】
この製造方法を採用すると、軸固定型の動圧軸受装置であって、軸方向厚さが薄いものでも、ベースに対するシャフトの垂直度を十分出すことができる。すなわち、スリーブのA−PROを小さくできると共に薄型化への対応を簡単に行うことができることとなる。
【0057】
【本発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る動圧軸受装置について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態では、スピンドルモータに使用される動圧軸受装置について説明する。また、動圧軸受装置を搭載したディスク駆動装置に関しては、スピンドルモータおよびその周辺のみを説明し、ディスク情報を読み取ったり、書き込んだりするヘッド部分、スピンドルモータやそのヘッド部分等を制御する制御回路等の回路部分および他の機構部分は、従来のディスク装置と同様であり、その説明を省略する。
【0058】
この実施の形態に係る動圧軸受装置は、スピンドルモータ10に組み込まれている。このスピンドルモータ10は、軸固定型の動圧軸受装置を有するスピンドルモータで、HDDに搭載されているものである。このスピンドルモータ10では、図1に示すように、アルミニウム等の金属や機能性樹脂等の固い樹脂材からなるベース1にシャフト2が圧入、焼きバメ、接着、溶接などの各種の固定方法の1つまたは複数を利用して固定されている。シャフト2の先端側(図1では上側)にスラスト板3がシャフト2と一体的設けられており、スラスト板部とされている。すなわち、シャフト2とスラスト板3は、一部品から構成される一体部材のシャフト体とされている。後述の第2の一体部材との関係から、以下ではこの一体部材をシャフト体の代わりに第1の一体部材と呼ぶこともある。
【0059】
この第1の一体部材(シャフト体)は、18重量%のCrと8重量%のNiを含有した鉄系の合金であるステンレス鋼(SUS−304)から形成されている。第1の一体部材は、この棒状のSUS−304の外周を切削することで、円柱状のシャフト2の部分と円形状(具体的には偏平な円柱状)のスラスト板3の部分が形成されている。このスラスト板3部分の軸方向厚さは、0.3mmとされているが、0.1〜0.7mmの範囲とすれば、強度の面と電流ロス減少の面で好ましいものとなる。なお、この範囲は、0.15〜0.35mmとすれば、さらに好ましいものとなる。
【0060】
この第1の一体部材の線膨張係数は、16.4×10−6とされ、ビッカース(硬度)は約196とされている。なお、第1の一体部材としてはSUS−300系であれば、他のものでも良い。すなわち、Crを10.5〜32重量%、Niを4〜13重量%含有した鉄系合金であれば良い。ただし、線膨張係数としては17×10−6プラス/マイナス5%以内が好ましい。なお、線膨張係数とは、固体における長さの変化に関する線膨張率で、lを長さ、loを0℃における長さ、θを温度としたとき、(dl/dθ)/loの値を指す。なお、第1の一体部材となるシャフト側(SUS−304)の線膨張係数は、0℃〜100℃の範囲で略一定になっている。なお、ここで述べる一定とは、全く変化しないもののみならず、後述する第2の一体部材に比べ、その変化が5分の1程度以下のものも含むものとする。
【0061】
ベース1の中央には円筒状の円筒部1aが設けられ、その円筒部1aの外周には、中央の孔部分が円筒部1aに嵌り込む薄型状の磁性金属板が積層された状態で配置され、コア4を形成している。コア4の固定は、接着、圧入、かしめなどのいずれか1つまたは複数を組み合わせてなされる。このコア4には、径方向にのびる複数の突極が周方向に所定間隔にて形成されており、その各突極にはコイル巻線5が施されている。このコア4とコイル巻線5が収納される収納空間Sは、後述するような理由によって、従来のスピンドルモータに比べ広くすることが可能とされている。なお、ベース1と、コア4とコイル巻線5等によってスピンドルモータ10のステータが構成されている。
【0062】
第1の一体部材の周囲には、軸受けとなる円筒状のスリーブ11部分と円盤状のハブ12部分とが一体形成された第2の一体部材が配置されている。先のベース1と、シャフト2またはシャフト体と、このスリーブ11とで動圧軸受装置の基本構成部材が形成される。
【0063】
この第2の一体部材は、Alが67〜68重量%で、Siが30重量%で、Cuその他が2〜3重量%のアルミシリコン合金とされ、熱処理が施されたものである。その線膨張係数は、0℃〜100℃の範囲の測定で、14×10−6となり、そのうち40℃〜100℃の範囲の測定で、14.7×10−6となり、100℃〜200℃の範囲の測定で、16.0×10−6となり、200℃〜300℃の範囲の測定で、17.6×10−6となり、300℃〜400℃の範囲の測定で、19.0×10−6となる。この測定中、40℃〜400℃の範囲については、示差膨張測定で、室温から400℃の範囲で、昇温速度は毎分10℃で、窒素気流中という条件で行ったものである。
【0064】
このように、この第1の一体部材は、その線膨張係数が、温度が高くなるほど、その値が高くなる(40℃〜400℃の範囲では、平均すると、10℃当たり、約0.15×10−6の割合)ような性質を有するものである。
【0065】
この線膨張係数は、測定誤差や含有金属割合のわずかな変更等を考慮すると、第1の一体部材側との関係では、0℃〜100℃の範囲の測定で、14×10−6とせず、この値のプラス/マイナス5%以内であれば良く、100℃付近で、15.3×10−6のプラス/マイナス5%以内であれば良い。また、その材料配分としては、Alが65〜69重量%で、Siが28〜32重量%で、Cuその他が1〜5重量%の範囲のアルミシリコン合金としても良い。このように、アルミシリコン合金の線膨張係数を、0℃〜100℃の範囲の測定で、14×10−6のプラス/マイナス5%以内とするには、珪素(Si)の含有量によっても調節することができる。
【0066】
第2の一体部材は、上述のような線膨張係数を有する、新たに開発されたアルミシリコン合金とされている。その硬さは、第1の一体部材よりやわらかなものとされ、その硬度はビッカース硬さで約114〜165〔kg/mm〕とされている。なお、硬度は、ビッカース硬さで80以上あれば、第2の一体部材側の回転開始、回転停止時における両一体部材の衝突に際しても、この第2の一体部材側がへこんでしまうことは無い。また、硬度は、熱処理の方法、条件によって変動するもので、装置として求められる値をこの範囲(ビッカース硬さ114〜165〔kg/mm〕)から適宜得ることができる。なお、熱処理を施さない押し出し部材のままの場合は、ビッカース硬さで114〔kg/mm〕で、熱処理を施すことで得られる本第2の一体部材は、ビッカース硬さで165〔kg/mm〕となっている。熱処理の方法を変えることで、さらに若干は硬さを高くすることができる。この第2の一体部材は、押し出し部材を熱間鍛造で所定の形状とし、その後に熱処理を加えている。
【0067】
第2の一体部材のスリーブ11部分には、その中心孔の一端(図1の上方)側を塞ぐように円板状の金属製のカウンタプレート13が固定されている。この固定は、図2に示すように、第2の一体部材のスリーブ11の上端側の上方段部平面部11aにカウンタプレート13を載置した後、スリーブ11側をかしめることによって、このカウンタプレート13を押さえ込む方法によって行われる。かしめ部分を11bとして示す。なお、このかしめ作業の後、そのかしめ部11bに接着剤を塗布するようにしても良い。
【0068】
第2の一体部材のスリーブ11部分には、上述の上方段部平面部11a、かしめ部分11b以外に、カウンタプレート13の外周が係合する大径のスリーブ内径部11cと、スラスト板3部分の外周が対向する小径のスリーブ内径部11dと、スラスト板3部分の外周に突出した部分における図1の下方面が対向する下方段部平面部11eと、シャフト2部分と対向すると共に、最も小径となるシャフト対向内面部11fとが形成されている。
【0069】
アルミシリコン合金で形成された第2の一体部材のハブ12部分には、ハードディスクであるディスク14を載置するためのディスク載置用の段部12aと、円筒状の磁性金属からなるヨーク15やそのヨーク15に固定される円筒状の磁石16を接着、圧入、かしめなどによって同心上に固定保持する大径円筒部12bと、ディスク14を載置するディスク載置部12cと、ディスク14をディスク載置部12cに載置した状態で固定するためのねじ17を挿通するためのねじ孔12dと、ディスク14をディスク載置部12cとの間にはさみ込むためのクランパ18が載置されるクランパ載置部12eと、クランパ18の中央孔が嵌り込むクランパ嵌合段部12fと、コイル巻線5のスペースを十分確保するために凹状にくぼんだコイル対向凹部12gとが形成されている。なお、第2の一体部材と、カウンタプレート13と、ヨーク15と、磁石16等によってスピンドルモータ10のロータが構成される。
【0070】
この第2の一体部材の材料となるアルミシリコン合金は、上述したような材料配分とされるが、この製造方法は、図3に示すとおりである。すなわち、まずアトマイズ法によってアルミ合金の急冷凝固粉末を製造する(ステップS51)。アトマイズ法としては、ガスアトマイズ法、超音波ガスアトマイズ法等が採用される。
【0071】
この急冷凝固粉末は、アルミニウムとケイ素とからなる合金の溶湯をタンディッシュ(底に穴を有する容器)から流出させると同時に、その溶湯流に噴霧媒(気体あるいは液体)のジェットを衝突させ、その溶湯が飛散して微細な液滴となった後に熱を奪われることで凝固して形成される。この粉末粒は、例えば、2μm程度の径の多数のシリコンを含む100μm程度の径のものとされる。
【0072】
その後、セラミックスと特殊合金粉末からなる添加物を添加し(ステップS52)、最終材料が、Alが67〜68重量%で、Siが30重量%で、Cu(銅)その他が2〜3重量%となるように、急冷凝固粉末と混合する。そして、熱間プレスによってビレット状の圧粉体を得る(ステップS53)。その後、真空中あるいは非酸化性雰囲気中で加熱して粉末の各表面に吸着している酸化物や非酸化物を吸着した水分などを除去する脱ガス処理を行う(ステップS54)。次に、熱間押出しを行う(ステップS55)ことで、押出材が得られる。この押出材を加工して第2の一体部材を形成する。この後、適宜、熱処理を行う。
【0073】
得られるアルミシリコン合金の線膨張係数は、珪素(Si)の含有率によって変化する。この実施の形態では、珪素が30重量%含有されており、0℃〜100℃の範囲の測定で、約14×10−6の線膨張係数を有している。珪素の含有率をさらに高めていくと、線膨張係数は、比例的に低下していき、珪素の含有率が約36%となると、約13×10−6の線膨張係数となり、珪素の含有率が約44〜48%となると、10×10−6の線膨張係数(これはSUS−400系の線膨張係数と同程度)となる。なお、珪素のみを変化させるのではなく、珪素にニッケルをまぜ、この珪素とニッケルの合計量を30重量%から徐々に上げていくようにして、線膨張率を下げるようにしても良い。
【0074】
ディスク14は、このスピンドルモータ10がディスク駆動装置に搭載されるに際して取り付けされる。この取り付けは、ディスク14をディスク載置部12cに載置した後、クランパ18をクランパ載置部12eに載置し、ねじ17をねじ孔12dに挿通しつつねじ17を締めることによって取り付けがなされる。この実施の形態のディスク14は、2.5インチハードディスク用のディスクとされている。
【0075】
シャフト2とスラスト板3とが一体形成された第1の一体部材と、スリーブ11とハブ12とが一体形成された第2の一体部材との間のわずかな隙間であって、後述する動圧溝が形成されている部分には、動圧用の油が入れられ、その油がスリーブ11部分から外に漏出しないように保持される。
【0076】
このシャフト2部分の外周面とスリーブ11部分のシャフト対向内面部11fとの間の隙間は2〜4μmとされている。一般的には、シャフト2部分の径が4mmであると、その隙間は4μm、3mmであると、隙間は3μmというように、隙間の大きさはシャフト2部分の径の1000分の1とされている。この実施の形態では、シャフト2部分の径が2.5mmで、シャフト2部分とシャフト対向内面部11fとの間の隙間は2.5μmとされている。また、スラスト板3部分とカウンタプレート13との間の隙間や、スラスト板3部分とスリーブ11部分との間の隙間も同様に2.5μmとされている。
【0077】
シャフト対向内面部11fには、ラジアル軸受用の動圧溝が2つ設けられている。すなわち、シャフト対向内面部11fの一端側(図1で上方側)には、第2の一体部材のラジアル方向の動きを規制する第1のラジアル動圧溝21が設けられ、他端側(図1で下方側)には、同様の機能を有する第2のラジアル動圧溝22が設けられている。
【0078】
また、スラスト板3部分を覆うカウンタプレート13のスラスト板3と対向する位置であってスラスト板3のシャフト2部分から外周方向に突出した部分に対向する位置に、第2の一体部材のスラスト方向の動きを規制する第1のスラスト動圧溝23が設けられている。また、スリーブ11部分の下方段部平面部11e、すなわちスラスト板3部分のシャフト12部分から外周方向に突出した部分の平面部に対向する位置に、同様の機能を有する第2のスラスト動圧溝24が設けられている。
【0079】
第1と第2のラジアル動圧溝21,22は、図1、図2に示すように、複数の>形の溝が周方向に並列して設けられ、シャフト対向内面部11f内を一周するように形成されている。第1と第2のスラスト動圧溝23,24は、共に、多数の>形の溝が円形状に並んで配置されたものとされている。この動圧溝21,22,23,24の各形状は、他の形状としても良い。たとえば、スラスト動圧溝を径が異なる円を同心状に並べたものとしたり渦巻き状のものとしたり、ラジアル動圧溝の各溝を>状とせず単に直線状の斜め線(/)の溝とする構成としても良い。
【0080】
各動圧溝21,22,23,24は、プレス加工、エッチング加工、切削加工、ボール転造などの転造加工、放電加工等によって形成される。動圧用の油は、上述した第1のラジアル動圧溝21、第2のラジアル動圧溝22、第1のスラスト動圧溝23、第2のスラスト動圧溝24の各溝部分に施され、その各溝21,22,23,24が油で満たされるようにされている。
【0081】
以上のように構成される動圧軸受装置およびスピンドルモータ10の組み立て順序について、以下に説明する。
【0082】
まず、ハブ12を有する第2の一体部材に、スラスト板3を一体成形したシャフト(第1の一体部材)を挿入する。次に、大径のスリーブ内径部11cに、その外周が対向するようにかつ上方段部平面部11aに接触するようにカウンタプレート13を配置した後、スリーブ11部分に対してカウンタプレートをかしめ固定する。そして、必要により接着剤をかしめ部分11bに付与する。その後、第1の一体部材と第2の一体部材の間の隙間(この例では、約2.5μm)を、真空装置を利用して、動圧用の油で満たす。なお、第2の一体部材に対しては、ヨーク15や磁石16が、事前に圧入、接着、かしめなどによって同心上に固定されている。
【0083】
一方、ベース1に対してコア4を接着、圧入、かしめなどによって固定し、コイル巻線5を突極に巻くことでステータが形成される。なお、コア4にコイル巻線5を施した後に、ベース1にコア4を固定するようにしても良い。このステータを構成するベース1の中央孔に対して、先ほどのシャフト2が圧入、焼きバメ、接着、溶接などの1つまたは複数を組み合わせた方法で固定される。
【0084】
この組み込み状態では、シャフト2の長さやシャフト2が圧入されるベース1部分の軸方向厚さは、完成状態に比べ、大きくされている。そのため、組み込み後に、ベース1とシャフト2の底側の一部が切削により、切り取られ、完成状態の大きさとされる。これによってスピンドルモータ10が完成する。この組み込み方法を採用しているのは、精度の良い垂直度を得るためである。精度の良い垂直度を得るには、シャフト2の径と同程度の圧入しろが必要とされている。2.5インチハードディスク用のこのスピンドルモータ10のシャフト2の径は、2.5mm程度であることから、ベース1のシャフト2の圧入部分の厚さを一旦、2.5mmとし、垂直度を十分出した後に、1.5mm程度を切り取り、ベース1の底部分の最終形態での厚さを1mmとし、薄型化している。
【0085】
このような組み立て方法を採用することで、ベース1に対するシャフト2の垂直度を維持すると共に、薄型化を達成している。また、ベース1の底側を切り取るので、ベース1の中央孔の外方端に面取りを施す作業が不要となる。なお、この組み立て方法(シャフト2を圧入した後、切り取る方法)は、2.5インチ、1.8インチなど超小型、超薄型のハードディスク用のスピンドルモータに採用すると好ましいものである。
【0086】
このスピンドルモータ10をディスク駆動装置に搭載する際は、ディスク14をディスク載置部12cに載置し、ディスク載置部12cとの間でディスク14をはさみ込むようにしてクランパ18をクランパ載置部12eに載せる。その後、ねじ17によってクランパ18を締めつけ、ディスク14を固定する。この状態のスピンドルモータ10をディスク駆動装置内部に組み込み、他の機構、他の回路等を備えさせることでディスク駆動装置が完成する。
【0087】
次に、この動圧軸受装置の基本動作を説明し、その説明と併せてこの動圧軸受装置を使用したスピンドルモータ10およびスピンドルモータ10を搭載したディスク駆動装置の各特性と従来装置の各特性を比較したものについて説明する。
【0088】
まず、動圧軸受装置の基本動作を説明するが、最初に評価の前提となるもの、すなわち油の粘度の変化、評価用軸受け装置、隙間の変化と軸受けの特性との関係について、図4から図9を参照しながら説明する。
【0089】
図4は、温度に対する油(動圧軸受装置に使用される一般的な油)の動粘度の変化を示す。動粘度とは、粘度(絶対粘度)を密度で除した値で、たとえば、1mPa・s(ミリ・パスカル・セコンド)の粘度で、密度が1g/cmであれば、1mm/s(平方ミリメートル・パー・セコンド)の動粘度となる。なお、従来のセンチストークス(cSt)の単位とは、同数値となる。動粘度も、粘度同様、数値が大きいほど「粘り」があることとなり、硬いものとなる。
【0090】
図4に示すように、油の動粘度は、温度が上昇すると、急激に低下する。粘度の低下は、軸受け剛性、すなわち動圧力の低下をもたらす。このため、温度上昇時には、軸受け剛性を維持するために、シャフトと軸支持部との隙間を小さくする必要が生じる。しかし、隙間が過小であると、軸受け剛性が高くなりすぎ、後述するように、軸損トルクが増加したり、最悪の場合は、シャフトと軸支持部とが接触してロック(回転不能)してしまう場合も生ずる。
【0091】
図5は、評価用の動圧軸受装置を示す。この装置は、シャフト26の径L1が3mmで、上ラジアル動圧溝(上BRG)27の幅L2は、3mmで、下ラジアル動圧溝(下BRG)28の幅L3は、2mmとされ、図5で示される位置、方向に、横方向の外力F1として0.01Kgが加わっている。すなわち、上BRG27と下BRG28との間隔L4は、1mmとされ、その中間の位置から上BRG27側に1.5mm離れた位置に横方向の外力F1が加わるものとされている。また、下方には、径がシャフト26より大きくなるスラスト軸受け部が設けられている。また、シャフト26の回転数は、7200RPMとされている。このような油と評価用の動圧軸受装置を用いて、シャフト2(シャフト26に相当)とスリーブ11(上BRG27と下BRG28に相当)のシャフト対向内面部11fとの間の隙間を、0.5μm単位で変化させた時の軸受け特性(離心率と軸損トルク)を解析した結果を図6から図9に示す。
【0092】
HDDの場合に、最も重要な特性はNRROであり、これには軸受け剛性が大きく影響する。軸受け剛性が小さい(低い)程、隙間が変化し離心率が大きくなるが、離心率の許容値は実験的、経験的に0.01程度である。離心率eとは、楕円がどれくらい偏平となっているかを表す指標で、楕円の中心から長手方向の外周までの長径をa、短手方向の外周までの短径をbとしたとき、次の数式1で定義されるものである。
【0093】
【数式1】

Figure 2004053004
【0094】
この数式1において、離心率eが0のとき真円となる。なお、軸受け剛性とは、Fをロータに作用する力の総和(外力の総和)とし、xをロータの変化量とすると、k=F/xで表されるkを指し、ここではその単位を〔kg・f/μm〕として示す。
【0095】
図6に示される20℃のように温度が低い時は、離心率は比較的余裕があるが、高温では粘度が低下し、軸受け剛性が低くなるので、隙間は2〜3μmにしなけらえば使用に耐えることはできない。すなわち、図8の60℃や図9の80℃の場合のグラフに示されるように、高温となると上ラジアル動圧溝27(図1では、上側の第1のラジアル動圧溝21に相当)の部分での離心率eが3μm程度の隙間のときに0.01を超えてしまう。一方、隙間が過小の場合は、軸損トルクが増加したり、最悪の場合には、シャフト2とスリーブ11とが接触して回転不能となる場合も有り得る。ここで軸損トルクとは、軸(シャフト)が回転する際に、油の粘度等によって失われる軸トルクであり、その値は小さい程良い。ここでは、その単位を〔g・cm〕で示す。
【0096】
次に、動圧軸受装置の基本動作の一つである温度変化による剛性の変化について説明する。
【0097】
隙間は、シャフトやスリーブの熱膨張によっても変化する。シャフトとスリーブの材質の組み合わせによる温度変化に対する隙間の変化を図10に示す。動圧軸受装置は、回転により油に圧力を発生させるが、隙間が小さいほど、また、油の粘度が高いほど、高い圧力を発生させることができる。油の粘度は、低温では高く、高温では低くなる。したがって、シャフトおよびスリーブの材質は、選定時に、シャフトの線膨張係数がスリーブのそれよりも大きくすれば高温にて隙間が減少するので、粘度低下による圧力低下を補うことができる。
【0098】
現在のスピンドルモータに採用されている材料と本発明で使用されるアルミシリコン合金をそれぞれシャフトとし、スリーブとした場合の組み合わせと、その特性は次のように整理される。まず、シャフトとスリーブとを同材質にすると、隙間は温度によって変化しない。隙間の長さが変化しないということは、シャフトの外径もスリーブの内径も共に大きくなりながら隙間が同じということであり、これは隙間部分の体積が増加することを示す。高温になると油の粘性は低下する。このため、隙間部分の体積の増加と油の粘性低下が生じ、軸受け剛性は悪化する。また、シャフトとスリーブとが同材質であると、シャフトとスリーブとが衝突した際にシャフトに傷がつき軸受け特性が悪化する。シャフトとスリーブとを同材質とすることは、このように欠点が多く採用するのは好ましくない。
【0099】
シャフトをSUS−400系とし、スリーブを真鍮(BsBn)あるいは青銅(Bronze)系とする組み合わせは加工性に関しては比較的良好となる。しかし、熱膨張的には高温になると隙間が増加し、油の粘性低下とともに、軸受け剛性は悪化に向かう。特に、1.8インチや2.5インチなどのように小型のHDDに使用されるスピンドルモータの動圧軸受装置は軸受け剛性に余裕が無いため、各動圧溝部の隙間を極めて微小に設計しなければならない。しかし、要求される厳しい公差をクリアすることは困難であり、また、温度(低温)によってはシャフトとスリーブが干渉することが生じ、軸受けとしては機能しなくなる。また、スリーブの材質は、摩耗性に対して十分では無く、表面にニッケル/クロムなどのメッキが必要となる。このため、この組み合わせも問題ありと言える。
【0100】
シャフトをSUS−300系とし、スリーブをSUS−400系とする組み合わせは熱膨張だけを考えると好ましい。すなわち、温度上昇に伴って隙間が減少するので、油の粘度低下による剛性の低下を補う効果を有する。しかし、従来の技術で詳述したように、スリーブをSUS−400系とすることは、その硬度が高いことから種々の問題が発生する。すなわち、高温になると、隙間が小さくなり、シャフトがスリーブに接触したり、ロックしたりする。また、内径の寸法、真円度、面相度、円筒度などの高精度加工や動圧溝加工が困難となる。内径寸法のバラツキが大きくなると、シャフトとの適正な隙間を得ることができず、測定による選別組み合わせをしなければならない。動圧溝加工においても溝深さの均一性や対称性が悪くなり、軸受け特性に悪い影響を及ぼす。このように、シャフトをSUS−300系とし、スリーブをSUS−400系とする組み合わせは、性能面、生産性、価格面などで問題を生ずる。
【0101】
シャフトをSUS−300系とし、スリーブを本発明の第2の一体部材で用いられているアルミシリコン合金とすると、図10に示す表に示されるように、温度が高くなると、隙間が少しずつ狭くなる。具体的に示せば、その隙間は、温度0℃で、0.2μm広くなり、20℃で変化0、40℃で0.2μm狭くなり、60℃で0.4μm狭くなり、80℃で0.6μm狭くなり、100℃で0.8μm狭くなる。この各値は、油の粘度低下による剛性の低下を補う上で最適な値となる。
【0102】
この図10で示す値は、シャフトの径を3mmとしたものであり、シャフトの径を他の値、たとえば、2.5mmや2mmとすると、シャフト側の膨張による増加量の絶対値が小さくなるため、隙間の変化量も小さくなる。しかし、一般的に、シャフトの径が小さい場合、軸受け剛性との関係では、隙間も小さくする必要があり、元々の隙間に対する隙間の変化量の割合は、シャフトの径が小さい場合もそれほどの変化はない。ただし、厳密に言えば、その割合は変化するので、シャフトをSUS−300系とし、スリーブを本発明のアルミシリコン合金とした場合であっても、両者の線膨張係数の差をシャフトの径によって異ならせる必要がある。上述の実施の形態では、両者の線膨張係数の差を、1.5×10−6〜4.5×10−6程度としているが、シャフトの径を2mm程度とすると、隙間は2μm程度となり、両者の差は7×10−6以下は必要とされ、逆に、シャフトの径を4mm程度とすると、隙間は4μm程度となり、両者の差は1×10−6以上あれば良いものとなる。
【0103】
次に、動圧軸受装置の基本動作の説明の最後として、消費電流と剛性の関係について説明する。
【0104】
軸受けの剛性と電流は、相反する条件となる。つまり、軸受けの剛性を大きくするためには、隙間を小さくしたり、油の粘度を高くしなければならない。一方、電流を小さくするため、すなわち損失トルクを小さくするためには、隙間を大きくしたり、油の粘度を低くしなければならない。同じ軸受剛性を維持しながら軸損トルクを小さくさせるためにはシャフトの径を小さくして隙間も小さくすれば良い。しかしながら、スリーブの内径が小さくなり、かつ公差もより厳しくなるので、従来から使用されている材質のように固い部材、たとえば真鍮やSUS−300系を従来よりさらに精度良く加工することは極めて困難となる。従来の材質を使用した場合は、シャフト径とスリーブ内径を全数測定し選別組み合わせをする必要が生ずるが、この方法は生産コストが大きく上昇する。しかも、スリーブ内径が小径となるため、その真円度も精度が悪くなって歩留まりも悪くなる。
【0105】
以上の考察を図11および図12を参照しながら説明する。なお、図11は、シャフトをSUS−400系とし、スリーブを真鍮とした場合を示し、図12は、本発明の構成、すなわち、シャフト2をSUS−304とし、スリーブ11を本発明に使用されるアルミシリコン合金とした場合を示す。
【0106】
図11に示すように、シャフトとしてSUS−400系を採用し、スリーブとして真鍮を採用した場合、温度が58℃当たりを越すと、上ラジアル動圧溝27における離心率eが許容限界値である0.01を越す。また、傾斜角が温度の上昇に伴い急激に大きくなる。ここで傾斜角とは、シャフトのベースに対する傾斜を指し、ベースに対して90度(垂直)の状態を0度としたものである。
【0107】
これに対して、本発明の組み合わせ(シャフト2に相当するシャフト26をSUS−300系とし、スリーブ11に相当する上BRG27および下BRG28を本発明のアルミシリコン合金としたもの)では、図12に示すように、温度が20℃から80℃の間において、離心率eが許容限界値である0.01内に入ることとなる。
【0108】
このように、本実施の形態において使用するアルミシリコン合金は、アルミニウムの基本特性としての加工性、耐食性、軽量、安価、高強度などを悪化させないで、線膨張係数がシャフト2の値よりも小さい値となる。すなわち、アルミニウムに珪素(Si)やその他の添加物を入れていくことにより、線膨張係数が低下していく性質を利用し、線膨張係数が0℃〜100℃の範囲の測定で、14×10−6プラス/マイナス5%以内のアルミシリコン合金としたものである。なお、このアルミシリコン合金の線膨張係数は、SUS−300系とSUS−400系の各線膨張係数の略中間の値、すなわち14×10−6となっている。加えて、このアルミシリコン合金は、0℃〜100℃の温度範囲で、約13.5〜約15.3×10−6となっており、かつその値は温度が高くなる程大きい値となる。なお、0℃〜100℃の温度範囲は、ハードディスク用モータとして必要とされる耐熱条件であり、使用温度環境でもある。
【0109】
本実施の形態で使用されるアルミシリコン合金(Siが30重量%で、Cuその他が2〜3重量%で残りがAl)の他の特性は、次のとおりである。引っ張り強度は46.6kgf/mm、耐力は40.0kgf/mm、ヤング率は9700kgf/mm、硬度は150Hv(ビッカース硬さ)、密度は2.6g/cmである。
【0110】
上述の実施の形態では、シャフト2とスラスト板3とをSUS−300系の一体部材とし、また、スリーブ11とハブ12とを上述のアルミシリコン合金の一体部材としているので、RRO(特にA−RRO)とNRROが共に非常に小さなものとなる。これはスリーブとハブとのはめ合いが無くなると共にシャフトとスラスト板とのはめ合いが無くなるためである。これによってスリーブ11部分とハブ12部分の直角度は完全に維持される。すなわち、スリーブとハブを一体材質とし、ハブ12部分のディスク載置部12cやその他の部分を同時加工すれば各部分の垂直度や水平度を高精度なものとすることができる。シャフト2とスラスト板3の一体部材についても同様である。
【0111】
また、両一体部材は、共にはめ込み構造ではないので、耐衝撃性が向上すると共に、不均一な応力も働かず、時間的(経時的)にも温度的にも安定した精度を維持することが可能となる。また、この実施の形態では、スリーブ11部分とハブ12部分とが一体部材で構成されているので、ハブ12部分のスリーブ11部分に対する固定を考慮する必要がなくなり、コア4やコイル巻線5のための収納空間を十分大きくすることができ、電流ロスを小さくすることができる。また、硬度がよりやわらかとなるスリーブ11側にラジアル軸受用の動圧溝21,22を設けているので、従来の真鍮のスリーブと同様にボール転造でスリーブ11の内部に動圧溝を簡単に、かつひび割れが生じないように形成することができる。
【0112】
また、上述の実施の形態の動圧軸受装置やこの動圧軸受装置が使用されるスピンドルモータ10では、回転部品やシャフト2の垂直度を高精度に維持できるものとなっているので、安定した動圧力が得られ、寿命も長くなる。また、両一体部材は、共にはめ込み構造でないので、耐熱衝撃性も向上する。
【0113】
また、スラスト軸受用の動圧溝23,24をスラスト板3に対向するカウンタプレート13とスリーブ11とに設けているので、スラスト板3という面積が小さくなりがちなものに動圧溝を設置する場合に比べ、動圧溝の設置位置の自由度が増し、より適切な動圧効果が得やすいものとなると共に動圧溝の中心を出しやすいものとなる。
【0114】
また、この実施の形態では、その一体部材を線膨張係数が0℃〜100℃の範囲の測定で、14×10−6プラス/マイナス5%以内のアルミシリコン合金としているので、スリーブ11部分内に動圧溝を形成しやすくなると共に、シャフト2部分としてSUS300系を採用することができる。しかも、ハブ12の根元部分の厚さ(従来のモータのスリーブとハブとの結合部分におけるハブ側)を、載置されるディスク14の厚さの1.3倍としているので、ディスク14との一体回転がスムーズとなると共に、コア4やコイル巻線5の収納空間Sを大きくすることができる。収納空間Sを大きくすることで、電流ロスを抑えることができる。
【0115】
また、シャフト2のスラスト板3部分の軸方向厚さを0.3mmとしているので、すなわち従来に比べ1/3〜1/5としているので、スラスト軸受けの機能を十分満足させつつ、モータの軸方向長さを小さくでき、薄型化が可能になると共に電流ロスが大幅に減少する。
【0116】
また、このディスク駆動装置では、A−RROが小さくなり、軸受け剛性の変化が小さくなり、しかも電流ロスを抑えることができるので、ディスク14からの情報の読み取りやディスク14への情報の書き込みがミスなく行えるものとなると共に電池使用の際の長時間稼働を達成することができる。なお、A−RROの他のRROやNRROも非常に小さくなる。
【0117】
また、スラスト軸受用の動圧溝23,24をスラスト板3部分に対向するカウンタプレート13とスリーブ11とに設けているので、スラスト板3という面積が小さくなりがちなものに動圧溝を設置する場合に比べ、スラスト軸受け用の動圧溝の設置位置や設計の自由度が増し、より適切な動圧効果が得やすいものとなる。このため、ディスク駆動装置として、情報の書き込みミスや読み取りミスが無い高品質な装置とすることができる。さらに、このように、このディスク駆動装置は、内部のスピンドルモータの各種のRROやNRRO(これらの中で少なくともA−RRO)が小さくなり、軸方向長さが小さくなるので、情報の読み取りや書き込みが安定すると共に、モータの薄型化に伴い装置の薄型化が可能となる。
【0118】
上述の実施の形態は、本発明の好適な実施の形態の例であるが、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。たとえば、上述の動圧軸受装置を使用したスピンドルモータとしては、図13に示すスピンドルモータ30のように、ハブ12部分の外径の軸方向長さを延伸させ、ディスク14の搭載数を増すようにしても良い。なお、他の構成は、基本的に図1に示すスピンドルモータ10と同様となっている。
【0119】
また、上述の動圧軸受装置を使用したスピンドルモータとしては、図14に示すスピンドルモータ40のように、ハブ12部分の外形の軸方向長さを延伸させ、その収納空間Sにコア4、コイル巻線5、ヨーク15、磁石16を配するようにしても良い。このスピンドルモータ40もディスク14の搭載数を増すことができる。なお、他の構成は、基本的に図1や図13に示すスピンドルモータ10,30と同様となっている。
【0120】
さらに、図15のスピンドルモータ50のように、2.5インチ以下のHDDに搭載されるのに好ましい形状としても良い。この小型のスピンドルモータ50は、ハブ12部分の上部のカウンタプレート13付近を少し上方に延伸させて図15のようなボス形状部51とし、このボス形状部51の外径に溝52を設けて、ここにクランパ18の内径部をはめ込むことによって、2枚のディスク14,14を固定させるものである。なお、2枚のディスク14,14の間には、ディスク14,14の間隔を形成すると共にその間隔を維持するための円筒形の間隔保持部材53が設けられている。
【0121】
このスピンドルモータ50は、クランパ18の厚さを薄くし、かつディスク14,14を固定するねじがないのでハブ12部分の軸方向高さを短くできる。また、従来のものと同一の高さとした場合には、第1のラジアル動圧溝21を上方に移動することができるので、モーメント剛性を大きくすることが可能となる。また、ハブ12の根本部分54(従来のモータのスリーブとハブとの結合部分におけるハブ側)の厚さをディスク14の厚さと略同一としているため、ディスク14との一体回転がスムーズになると共にコア4、コイル巻線5のための収納空間Sを薄型にも拘わらず大きなものとすることができる。収納空間Sが大きくなるため、電流ロスを抑えることができる。
【0122】
上述の実施の形態の動圧軸受装置を使用した各スピンドルモータ10,30,40,50は、軸固定型の動圧軸受装置を採用しているため、いわゆる軸固定型のスピンドルモータとなっているが、このように軸固定型とすることで、相対回転部分(スリーブ11とシャフト2部分、ハブ12とスラスト板3部分)の垂直度を高精度に維持できるという利点を有する。すなわち、スピンドルモータでは、相対回転部分が2ヶ所あるが、垂直度を得るには、そららの部分を一体部材とするのが好ましい。このような要請に対して、軸固定型のスピンドルモータの場合、相対回転部分を、スラスト板3とシャフト2との一体部材と、ハブ12とスリーブ11の一体部材の両一体部材に分離でき、かつ組み込みが可能となる。これに対し、軸回転型のスピンドルモータの場合、シャフトとスラスト板とを一体部材とすると、ハブ部分を含めたロータ部分(シャフト、スラスト板、ハブが含まれる)を組み込めなくなる。このように、垂直度の精度を上げるためには、軸固定型のスピンドルモータが好ましい。
【0123】
また、上述の各スピンドルモータ10,30,40,50では、回転部品やシャフト2の垂直度を高精度に維持できるものとなっているので、安定した動圧力が得られ、寿命も長くなる。また、両一体部材は、共にはめ込み構造でないので、耐衝撃性や耐熱衝撃性も向上する。このような性質を一部犠牲にしても、従来以上の利点を有するスピンドルモータとすることができる。たとえば、上述の実施の形態では、シャフト2部分とスラスト板3部分を一体部材とすると共にスリーブ11部分とハブ12部分を一体部材とした動圧軸受装置として、2つの一体部材を有するスピンドルモータ10,30,40,50としているが、いずれか一方の一体部材のみを有する動圧軸受装置を備えるスピンドルモータとしても良い。その場合でも従来のスピンドルモータや動圧軸受装置に比べ、A−RRO等の面で有利な効果を有するものとなる。また、本発明で示したアルミシリコン合金をスリーブ11のみに使用し、スリーブ11とハブ12とを一体部材とせず、2部品で構成する場合も、各種の軸受け特性は向上する。
【0124】
また、上述した実施の形態では、いわゆる軸固定型のスピンドルモータについて説明したが、軸回転型のスピンドルモータのスリーブ部分に、またはスリーブ部分とベース部分を一体化し、その一体部材に、本発明の第2の一体部材の材料となるアルミシリコン合金を使用し、シャフトにSUS−300系を使用するようにしても良い。この場合、シャフトとハブとを一体部材とすると、さらに好ましいものとなる。
【0125】
また、第2の一体部材の線膨張係数を、0℃〜100℃で14×10−6プラス/マイナス5%以内としたが、第1の一体部材であるシャフト体の線膨張係数が17×10−6プラス/マイナス5%以内である場合、第2の一体部材の線膨張係数は、0℃〜100℃の温度範囲で、11×10−6〜15×10−6の範囲であれば、従来に比べ、相当な効果を有するものとなる。また、線膨張係数が0℃〜100℃の温度範囲で、17×10−6程度のものとしては、SUS−300系が好ましいが、他の金属部材としたり、表面処理によって表面のみこの値とした金属部材を採用しても良い。
【0126】
さらに、第2の一体部材を所定のアルミ合金とすることで、かなりの硬度と所定の線膨張係数を有するものとし、その線膨張係数をシャフト2の線膨張係数に対して、0℃〜100℃の温度範囲で、1×10−6〜7×10−6だけ小さくすれば、隙間が数ミクロンのものにおける軸受け剛性が安定したものとなる。また、上述の実施の形態では、第2の一体部材は、その線膨張係数が、温度が高くなるほど、その値が高くなる(10℃当たり、約0.15〜0.2×10−6の割合)ような性質を有するものとしたが、その高くなる割合を他の値としたり、温度が高くなるほどその変化値が大きくなるものとしても良い。また、第2の一体部材は、0℃〜100℃の範囲で、線膨張係数が一定値(約11×10−6〜15×10−6の範囲の特定値)となるものとしても良い。
【0127】
さらに、ハブ12の根本部分(従来のモータのスリーブとハブとの結合部分におけるハブ側)の厚さを、ディスク14の厚さと略同一としたり、1.3倍程度としているが、この関係は、載置されるディスク14の厚さの0.5倍以上で2倍以下の範囲であれば、ディスク14との一体回転がスムーズになると共にコア4、コイル巻線5のための収納空間Sを薄型にも拘わらず大きなものとすることができる。収納空間Sを大きくすることで、電流ロスも抑えることができる。
【0128】
また、シャフト2のスラスト板3部分の軸方向厚さを、0.1〜0.7mm、より好ましくは0.15〜0.35mmとするのが良い。このような構成とすると、スラスト軸受けの機能を十分満足させつつ、モータの軸方向長さを小さくでき、薄型化が可能になると共に電流ロスが大幅に減少する。また、上述の実施の形態では、第1の一体部材となるシャフト側を0℃〜100℃の範囲で、線膨張係数が一定となるものにしているが、ここで一定とは、全く変化しないもののみならず、アルミシリコン合金に比べ、その変化が5分の1程度以下のものを含むものとする。
【0129】
また、上述の実施の形態では、HDD用のスピンドルモータを示したが、光走査(スキャナ)装置用のモータ等、他の装置用のスピンドルモータとしても良い。そのような場合、スラスト板3やカウンタプレート13のいずれか一方または両者が不要となることがある。また、ハブ12に相当する部分がなくなる場合もあり得る。また、動圧軸受装置としては、油の代わりに、他の液体を利用したり、空気などの気体を利用するものとしても良い。
【0130】
【発明の効果】
本発明では、耐衝撃性を向上させ得、A−RRO(いわゆる軸の揺動運動)を小さくでき、温度変化に対する軸受け剛性の変化を小さくでき、しかも電流ロスを押さえることができると共に小型化、薄型化が可能となる動圧軸受装置を得ることができる。また、他の発明では、温度変化に対する軸受け剛性の変化を小さくでき、安定した性能を長期に渡って維持することができる動圧軸受装置を得ることができる。
【0131】
また、他の発明では、電流ロスを押さえることができると共にスラスト側の動圧溝の設置位置の自由度が増し、動圧効果を適切なものとすることができる動圧軸受装置を得ることができる。さらに、他の発明では、温度変化に対する軸受け剛性の変化を小さくでき、しかもシャフトがスリーブに衝突してしまうのを防止できる動圧軸受装置を得ることができる。
【0132】
さらに、他の発明では、A−RRO(いわゆる軸の揺動運動)を小さくできると共に、薄型化への対応を簡単に行うことができる動圧軸受装置の製造方法を得ることができる。すなわち、薄型化しても、ベースに対するシャフトの垂直度を維持できるスピンドルモータを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る動圧軸受装置と、その動圧軸受装置を使用したスピンドルモータの構造を示す断面図である。
【図2】図1の動圧軸受装置を使用したスピンドルモータのカウンタプレートおよびその周辺の拡大図で、第1の一体部材を省略した図である。
【図3】図1の動圧軸受装置を使用したスピンドルモータのスリーブ部分とハブ部分を一体化した一体部材の材料となるアルミシリコン合金を得るための製造方法のステップを示す図である。
【図4】図1の動圧軸受装置を使用したスピンドルモータの動圧溝に使用される油の特性(温度に対する油の粘度の変化)を示すグラフである。
【図5】図1の動圧軸受装置を使用したスピンドルモータや従来のスピンドルモータの各種性能を評価するための評価用の動圧軸受装置を示す図である。
【図6】図4に示す特性の油と図5に示す評価用の動圧軸受装置を使用して、シャフトの外径とスリーブの内径との隙間を0.5μm単位で変化させたときの軸受け特性(軸損トルクと離心率)を示すグラフで、温度が20℃のときのグラフである。
【図7】図4に示す特性の油と図5に示す評価用の動圧軸受装置を使用して、シャフトの外径とスリーブの内径との隙間を0.5μm単位で変化させたときの軸受け特性(軸損トルクと離心率)を示すグラフで、温度が40℃のときのグラフである。
【図8】図4に示す特性の油と図5に示す評価用の動圧軸受装置を使用して、シャフトの外径とスリーブの内径との隙間を0.5μm単位で変化させたときの軸受け特性(軸損トルクと離心率)を示すグラフで、温度が60℃のときのグラフである。
【図9】図4に示す特性の油と図5に示す評価用の動圧軸受装置を使用して、シャフトの外径とスリーブの内径との隙間を0.5μm単位で変化させたときの軸受け特性(軸損トルクと離心率)を示すグラフで、温度が80℃のときのグラフである。
【図10】図1の動圧軸受装置を使用したスピンドルモータや従来のスピンドルモータのシャフトやスリーブに使用されている材質の組み合わせによる温度変化に対する隙間の変化を示す表である。
【図11】従来のスピンドルモータに採用されている材質の組み合わせによる温度に対する軸受け特性(軸損トルク、傾斜角、離心率、軸受け剛性)を示すグラフである。
【図12】図1に示す本実施の形態に係る動圧軸受装置を使用したスピンドルモータに採用されている材質の組み合わせによる温度に対する軸受け特性(軸損トルク、傾斜角、離心率、軸受け剛性)を示すグラフである。
【図13】本実施の形態に係る動圧軸受装置を使用したスピンドルモータの第1の変形例の構造を示す断面図である。
【図14】本実施の形態に係る動圧軸受装置を使用したスピンドルモータの第2の変形例の構造を示す断面図である。
【図15】本実施の形態に係る動圧軸受装置を使用したスピンドルモータの第3の変形例の構造を示す断面図である。
【図16】従来の軸固定型の動圧軸受装置を使用したスピンドルモータの構造を示す断面図である。
【図17】従来の軸回転型の動圧軸受装置を使用したスピンドルモータの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
1 ベース(ステータの一部)
2 シャフト(第1の一体部材の一部でシャフト体の一部)
3 スラスト板(第1の一体部材の一部でシャフト体の一部)
4 コア(ステータの一部)
5 コア巻線(ステータの一部)
10 スピンドルモータ
11 スリーブ(第2の一体部材の一部、ロータの一部)
12 ハブ(第2の一体部材の一部、ロータの一部)
12a ディスク載置用の段部
12c ディスク載置部
13 カウンタプレート(ロータの一部)
14 ディスク
15 ヨーク(ロータの一部)
16 磁石(ロータの一部)
21 第1のラジアル動圧溝(ラジアル軸受用の動圧溝)
22 第2のラジアル動圧溝(ラジアル軸受用の動圧溝)
23 第1のスラスト動圧溝
24 第2のスラスト動圧溝[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a dynamic bearing device and a method of manufacturing the dynamic bearing device.
[0002]
[Prior art]
The hydrodynamic bearing device is mounted on a hard disk drive mechanism (hereinafter, referred to as HDD), a digital versatile disk mechanism (hereinafter, referred to as DVD), a scanner device, or the like. Used when rotating. Bearing devices used for HDDs, DVDs, and the like are required to have high-speed rotation, high rotation accuracy, low noise, high reliability, and the like.
[0003]
Conventionally, ball bearings have been used as bearing devices, but in recent years, dynamic pressure bearing devices have been used. The dynamic pressure bearing device basically has characteristics that meet the above-mentioned requirements in principle, and is suitable for an HDD or the like. However, in order to exhibit its excellent characteristics, various conditions must be considered in the structure and application to equipment. That is, in the dynamic pressure bearing device, the shaft and the shaft supporting portion are supported in a non-contact state by oil or air pressure generated by relative rotation. At this time, in order to maintain the predetermined pressure, it is necessary to very strictly control the gap, the viscosity of oil and air, and the shape accuracy such as a right angle, etc., according to the theory of fluid dynamics, and also to change the temperature and the time Special measures must also be taken to prevent small changes to changes.
[0004]
Hereinafter, the structure of a spindle motor employing a conventional hydrodynamic bearing device with various ideas will be described. In addition, a spindle motor adopting a moving body bearing device is shown in FIG. 4 of Patent Document 1 or a shaft fixed type in which a shaft is fixed as shown in Patent Document 2, and shown in FIG. 1 and Patent Document 3 of Patent Document 1. There are known two types of shaft rotation types in which such a shaft rotates together with the rotor. First, a spindle motor 100 using a conventional shaft-fixed type dynamic pressure bearing device will be described with reference to FIG.
[0005]
In the spindle motor 100, a shaft (shaft) 102 is press-fitted and fixed to a base 101, and a thrust plate 103 is press-fitted and fixed to a distal end side of the shaft 102. On the outer periphery of the central cylindrical portion of the base 101, there are arranged cores 104 made of a plurality of thin magnetic metal plates, each of which has a central hole fitted into the cylindrical portion. A plurality of salient poles extending in the radial direction are arranged on the core 104 at predetermined intervals in the circumferential direction, and the salient poles are provided with coil windings 105. The base 101, the core 104, and the coil winding 105 constitute a stator of the spindle motor 100.
[0006]
A cylindrical sleeve 111 serving as a bearing is arranged around the shaft 102, and a counter plate 112 is fixed to the sleeve 111 by swaging so as to close a center hole (upper portion in FIG. 16) of the sleeve 111. A cylindrical hub 114 for mounting a disk 113 such as a hard disk is fixed to the outer periphery of the sleeve 111 by press-fitting, shrink fitting, bonding or the like.
[0007]
A cylindrical magnet 116 is fixed to an inner peripheral portion of the cylindrical portion of the hub 114 via a metal cylindrical yoke 115 serving as a magnetic material. The hub 114 is provided with a screw hole through which a screw 117 for attaching and detaching the disk 113 is inserted. Then, after inserting the disk 113 between the clamper 118 and the hub 114, the disk 113 can be fixed to the hub 114 by tightening the screw 117 while inserting the screw 117 into the screw hole. The sleeve 111, the counter plate 112, the hub 114, the yoke 115, and the magnet 116 constitute a rotor of the spindle motor 100.
[0008]
Oil is filled in a slight gap between the shaft 102 (including the thrust plate 103) and the sleeve 111, and the oil is held in a state where the oil does not leak out of the sleeve 111. A radial dynamic pressure groove 121 for restricting the movement of the shaft 102 in the radial direction is provided at one end of the inner peripheral surface of the sleeve 111, and a radial dynamic pressure groove 122 is provided at the other end. Here, the shaft 102, the sleeve 111, and the radial dynamic pressure grooves 121, 122 constitute a first dynamic pressure fluid bearing.
[0009]
A thrust dynamic pressure groove for restricting the movement of the rotor in the thrust direction is provided on a surface of the thrust plate 103 facing the counter plate 112, and a similar thrust is formed on a surface of the thrust plate 103 facing the step portion 123 of the sleeve 111. A dynamic pressure groove is provided. Here, the thrust plate 103, the sleeve 111, the counter plate 112, and two thrust dynamic pressure grooves provided on the thrust plate 103 constitute a second hydrodynamic bearing.
[0010]
Next, based on FIG. 17, the structure of a spindle motor 200 using a conventional shaft rotating type dynamic pressure bearing device will be described.
[0011]
In this spindle motor 200, a cylindrical sleeve 202 is press-fitted and fixed at the center of a base 201, and a counter plate 203 is swaged and fixed to the sleeve 202 so as to close a central hole of the sleeve 202. A core 204 on which a thin magnetic metal plate is laminated is arranged around the outer periphery of the sleeve 202, and a coil winding 205 is applied to a salient pole portion of the core 204. The base 201, the sleeve 202 (including the counter plate 203), the core 204, and the coil winding 205 constitute the stator of the spindle motor 200.
[0012]
A shaft 212 bonded and fixed to the hub 211 is inserted into the sleeve 202, and a thrust plate 213 is press-fitted and fixed to the tip of the shaft 212. A cylindrical magnet 215 is fixed to the hub 211 via a cylindrical yoke 214. The shaft 212 is provided with a threaded recess serving as a female thread portion for threadingly engaging a screw 217 to which a disc 216 such as a versatile disc can be attached.
[0013]
Then, after inserting the disk 216 between the clamper 218 and the hub 211, the screw 217 is inserted into the screw recess, and the disk 216 can be attached to the hub 211 by tightening the screw 217. Here, the hub 211, the shaft 212, the thrust plate 213, the yoke 214, and the magnet 215 constitute a rotor of the spindle motor 200.
[0014]
Oil is filled in a slight gap between the sleeve 202 and the shaft 212, and the oil is kept in a state where the oil does not leak out of the sleeve 202. A pair of radial dynamic pressure grooves 221 and 222 are provided on one end and the other end of the inner peripheral surface of the sleeve 202, respectively. Here, a first dynamic pressure fluid bearing is constituted by the sleeve 202, the shaft 212, and the radial dynamic pressure grooves 221 and 222. Thrust dynamic pressure grooves are provided on both sides of the surface of the thrust plate 213 facing the counter plate 203 and the surface of the sleeve 202 facing the step portion 223. Here, the second hydrodynamic bearing is constituted by the thrust plate 213, the sleeve 202 and the two thrust dynamic pressure grooves.
[0015]
[Patent Document 1] Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-335366 (FIGS. 1 and 4)
[Patent Document 2] JP-A-2000-41359
[Patent Document 3] JP-A-2000-3244753
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
The fixed spindle motor 100 using the conventional dynamic pressure bearing device and the spindle motor 200 using the shaft rotation type dynamic pressure bearing device have the following five major drawbacks. A first drawback is that the spindle motors 100 and 200 using the conventional hydrodynamic bearing device are vulnerable to impact because the parts that rotate relative to each other are composed of a combination of different members.
[0017]
A second drawback is that in the spindle motors 100 and 200 employing the conventional hydrodynamic bearing device, the verticality between the shafts 102 and 212 and the rotor tends to be insufficient, and the rotational runout at the hubs 114 and 211 parts. Is to increase. The runout includes a repeatable runout (Repeatable Runout: hereinafter referred to as RRO) and a non-repeatable runout (Non-Repeatable Runout: hereinafter referred to as RRO). The types include shaft runout and surface runout, and the conventional spindle motors 100 and 200 have a large shaft runout RRO (hereinafter, referred to as A-RRO). When the A-RRO of the hubs 114 and 211 increases, the RRO of the runout on the surfaces of the disks 113 and 216 increases, and the recording of information on the disks 113 and 216 and the reading of information from the disks 113 and 216 become difficult. An error occurs.
[0018]
In the conventional spindle motors 100 and 200, the reason why the A-RRO becomes large is considered to be as follows. That is, in the case of the spindle motor 100, the fixing portion 100a of the sleeve 111 and the hub 114 is fixed by press-fitting, shrink fitting, bonding, or the like. Inevitably occurs. Although this displacement also occurs at the time of assembling, a stress in the attachment remains in the fixing portion 100a, and a precision displacement occurs due to a change in temperature, a change in diameter, or the like. This deviation in accuracy leads to a deterioration in verticality, which directly leads to a deterioration in A-RRO.
[0019]
In the case of the spindle motor 200, since the diameter of the shaft 212 is small and the contact width between the shaft 212 and the fixed portion 200a of the hub 211 is small, it is extremely difficult to manage the squareness of the fixed portion 200a with high accuracy. The squareness (perpendicularity) cannot be maintained. Further, even if the right angle comes out at the time of assembling, the fixing of the shaft 212 and the hub 211 is performed by press-fitting, bonding, or the like. Stress remains, and the squareness is not maintained due to changes in temperature and time. The state where the right angle cannot be obtained is directly related to the deterioration of A-RRO.
[0020]
In any of the spindle motors 100 and 200, when the shaft 102 and the thrust plate 103 are assembled or the shaft 212 and the thrust plate 213 are assembled, the thrust plates 103 and 213 are slightly inclined with respect to the shafts 102 and 212. I do. This inclination (deterioration of verticality) causes deterioration of A-RRO of the hubs 114 and 211.
[0021]
A third disadvantage is that in the conventional spindle motors 100 and 200, the change in bearing stiffness with respect to the temperature change is large. If the bearing stiffness is too low, the repeatable runout (RRO) and the non-repeatable runout (NRRO) become large and cannot be used as a motor.
[0022]
In the conventional spindle motors 100 and 200, a large change (decrease) in the bearing rigidity with respect to a temperature change is considered to be due to the following points. That is, in the conventional spindle motors 100 and 200, the shafts 102 and 212 are made of stainless steel 400 series (SUS-400 series), for example, SUS430 containing 18% Cr, and the sleeves 111 and 202 are made of brass or stainless steel. The steel is 300 series (SUS-300 series), for example, SUS304 containing 18% of Cr and 8% of Ni. When these materials are employed, the gap between the shaft 102 and the sleeve 111 and the gap between the shaft 212 and the sleeve 202 increase when the temperature rises due to the influence of the difference in linear expansion coefficient, and the dynamic pressure effect decreases. Therefore, the bearing rigidity in the radial direction is reduced. In addition, when the temperature rises, the viscosity of the dynamic pressure oil decreases, and the bearing rigidity further decreases.
[0023]
In the case of SUS430 and SUS304 shown above, the linear expansion coefficient of the harder SUS430 is 10.4 × 10 -6 The softer SUS304 has a linear expansion coefficient of 16.4 × 10 -6 When the temperature rises, the sleeves 111 and 202 expand more, and the gap between the shafts 102 and 212 becomes wider. The problem of bearing stiffness is caused not only in the radial direction but also in the thrust direction by the same cause.
[0024]
The problem of bearing stiffness can be improved if the material of the sleeves 111 and 202 is the same as the material of the shafts 102 and 212, ie, SUS-400 (there is no influence due to the difference in linear expansion coefficient). 111 and 202 are hardened, and it becomes difficult to perform groove processing, shape processing, and the like on them, thereby greatly reducing productivity and increasing production costs. Further, the change in the viscosity of the oil accompanying the rise in the temperature of the bearing portion is not yet improved, and the problem remains.
[0025]
It should be noted that there is theoretically a possibility that the material of the shafts 102 and 212 is the same SUS-300 as the material of the sleeves 111 and 202. However, when the shafts 102 and 212 are made of the same material as the sleeves 111 and 202 and are made of a soft material, the shafts 102 and 212 are easily damaged, and rotation stability is easily deteriorated. Locking between the sleeves 111 and 202 becomes easy, and this configuration cannot be adopted.
[0026]
Further, the shafts 102 and 212 may be made of SUS-300 system, and the sleeves 111 and 202 may be made of SUS-400 system. However, if the sleeves 111 and 202 are made of SUS-400 system, the difference in thermal expansion is too large, so , The shafts 102 and 212 are locked. That is, since the SUS-400 system has a small degree of thermal expansion, when the temperature becomes high, the gap between the shafts 102 and 212 and the sleeves 111 and 202 becomes zero and the SUS-400 is locked. In addition, sometimes the gaps become small, so that the shafts 102 and 212 hit the rigid SUS-400-based sleeves 111 and 202 and damage the shafts 102 and 212.
[0027]
Further, when the shafts 102 and 212 are made of SUS-300 and the sleeves 111 and 202 are made of SUS-400, the SUS-400 has high hardness. It is difficult to perform fine processing, high precision processing such as high cylindricity, and dynamic pressure groove processing. Variations in the inner diameter result in an inability to obtain an appropriate gap, and require a time-consuming step of sorting and combining by measurement. This poses a problem in terms of productivity and cost. The fact that the dynamic pressure groove processing becomes difficult is directly related to the deterioration of the uniformity and symmetry of the groove depth, and the bearing characteristics are deteriorated. It also has an adverse effect on productivity and price.
[0028]
For these reasons, a combination in which the shafts 102 and 212 are made of SUS-300 and the sleeves 111 and 202 are made of SUS-400 cannot be practically adopted.
[0029]
Further, a fourth disadvantage is that current loss is large in the conventional spindle motors 100 and 200. There are two possible causes for this. One is a structural problem. That is, in order to obtain strength and efficient workability at the fixed portion 100a between the sleeve 111 and the hub 114 of the fixed shaft type spindle motor 100 shown in FIG. 16, the axial length of the fixed portion 100a may be increased. However, the radial thickness of each component must be made sufficiently large, but for that purpose, the space for accommodating the core 104 and the coil winding 105 becomes narrow, and as a result, the electromagnetic characteristics (Kt) become small. . This tendency that the storage space becomes narrow and the electromagnetic characteristics become small also occurs in the spindle motor 200 of the rotary shaft type.
[0030]
Another cause of the large current loss is the problem of the bearing structure. That is, the shaft loss torque of the bearing portion can be reduced without reducing the bearing rigidity by reducing the diameters of the shafts 102 and 212 and reducing the radial gap. However, in the case of the spindle motor 100, when the diameter of the shaft 102 is reduced, it becomes difficult to obtain a coupling force and a squareness at the fixed portion 100b between the shaft 102 and the base 101. In the case of the spindle motor 200, when the diameter of the shaft 212 is reduced, the contact area of the fixed portion 200a between the shaft 212 and the hub 211 is further reduced, and the A-RRO is further deteriorated as described above. In addition, when the radial gap is reduced, the effect of the difference in the coefficient of linear expansion becomes large.
[0031]
One of the causes of the large current loss is the thickness of the thrust plates 103 and 213. At present, in order to obtain the verticality of the thrust plates 103 and 213 and the fixing strength at the fixing portions 100c and 200b, the thrust plates 103 and 213 have to be thickened. Specifically, the thickness of the thrust plates 103 and 213 is set to about 1 to 1.5 mm. For this reason, the current loss is considerably large.
[0032]
As described above, it is extremely difficult to reduce the diameters of the shafts 102 and 212 and to reduce the thickness of the thrust plates 103 and 213. As a result, the current increases and the current loss increases.
[0033]
A fifth disadvantage is that the conventional spindle motors 100 and 200 can easily cope with a 3.5-inch hard disk, but are more compact and thinner for a 2.5-inch or 1.8-inch hard disk. It is difficult to deal with. That is, in the conventional spindle motors 100 and 200, since the relative rotation part is an assembled part obtained by assembling separate members, it is difficult to manage the gap, which is the gap of the bearing part, so that a large gap cannot be avoided. This makes it difficult to reduce the size and thickness. In particular, in consideration of the strength and accuracy of assembling, the thrust plates 103 and 213 and the hubs 114 and 211 have to be thickened, and the axial thickness tends to be large.
[0034]
The conventional hydrodynamic bearing device accounts for a large part of the five disadvantages of the conventional spindle motors 100 and 200. That is, the second problem is the deterioration of the verticality, the third problem is the change in bearing rigidity, the fourth problem is the problem of the shaft structure which is one of the problems of the current loss, and the thickness of the thrust plate. The problem of the thickness of the thrust plate, which is one of the factors that make it difficult to reduce the size and thickness of the fifth disadvantage, is also a problem of the conventional hydrodynamic bearing device itself.
[0035]
The present invention has been made in order to solve the problems of the above-described hydrodynamic bearing device, and can improve impact resistance, can reduce A-RRO (so-called rocking motion of a shaft), and can prevent temperature change. It is an object of the present invention to provide a hydrodynamic bearing device that can reduce a change in bearing stiffness, suppress current loss, and can be reduced in size and thickness. Another object of the present invention is to provide a dynamic pressure bearing device capable of reducing a change in bearing rigidity with respect to a temperature change and maintaining stable performance for a long period of time.
[0036]
Another invention provides a dynamic pressure bearing device that can suppress current loss, increase the degree of freedom in the installation position of a thrust-side dynamic pressure groove, and make the dynamic pressure effect appropriate. The purpose is to: Still another object of the present invention is to provide a hydrodynamic bearing device capable of reducing a change in bearing stiffness with respect to a temperature change and preventing a shaft from colliding with a sleeve.
[0037]
Still another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a dynamic pressure bearing device capable of reducing A-RRO (so-called rocking motion of a shaft) and easily responding to a reduction in thickness.
[0038]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-described object, a dynamic pressure bearing device according to the present invention includes a dynamic pressure bearing device including a base, a shaft fixed to the base, and a sleeve rotatably disposed around the shaft. A shaft body is formed by integrally forming a circular thrust plate having a diameter larger than the diameter of the shaft portion and a shaft, which is provided at an end opposite to the base of the shaft and having a diameter larger than that of the shaft portion, to form a shaft body. It is made of an aluminum silicon alloy having silicon as a component, and has a linear expansion coefficient of 17 × 10 -6 Within ± 5%, the coefficient of linear expansion of the sleeve is 14 × 10 -6 It is within ± 5%, the axial thickness of the thrust plate is 0.15 to 0.35 mm, and the hardness of the sleeve is smaller than the hardness of the shaft. A dynamic pressure groove for a radial bearing is provided at the position where the thrust plate is opposed to the thrust plate at a position facing the thrust plate and covering the thrust plate and closing the center hole of the sleeve. A first thrust dynamic pressure groove for a thrust bearing is provided, and a second thrust dynamic pressure groove is formed on a sleeve portion facing a surface of the thrust plate opposite to the surface facing the first thrust dynamic pressure groove. Provided.
[0039]
In the hydrodynamic bearing device of the present invention, the shaft fixed to the base and the thrust plate are integrated into an integral member, so that the impact resistance is improved and the verticality is easily obtained. For this reason, A-RRO of the sleeve that rotates relative to the shaft can be reduced. In addition, since the respective linear expansion coefficients of the sleeve and the shaft body are set to be larger on the shaft side, a change in bearing rigidity with respect to a temperature change is reduced. In addition, since the sleeve on the rotating side is made of an aluminum silicon alloy having aluminum and silicon, the weight is approximately the same as aluminum, and current loss and inertia are small.
[0040]
Further, since this dynamic pressure bearing device is of a fixed shaft type, it is possible to incorporate the shaft body even if the thrust plate has a larger diameter than the shaft. In addition, since the dynamic pressure groove for the radial bearing is provided on the sleeve side where the hardness becomes softer, the dynamic pressure groove is easily formed inside the sleeve by ball rolling like a conventional brass sleeve, and cracks are not generated. It can be formed so as not to occur, and a protrusion provided in the groove for dynamic pressure (a step which projects to the center side on the surface of the sleeve before forming the dynamic pressure groove is often provided. Portion) prevents the surface of the shaft from being damaged. Furthermore, since the sleeve is made of a softer material than the shaft body, the shaft side is not damaged even when both are in contact when the shaft body is inserted into the sleeve, and stable performance can be obtained over a long period of time. .
[0041]
Further, since the axial thickness of the thrust plate portion is set to 0.15 to 0.35 mm, current loss is reduced, and the size and thickness can be reduced. In addition, since the dynamic pressure grooves for the thrust bearing are provided on the counter plate and the sleeve facing the thrust plate, the dynamic pressure grooves are smaller than those in the case where the area of the thrust plate tends to be small. This increases the degree of freedom in the installation position and design of the device, making it easier to obtain a more appropriate dynamic pressure effect, and at the same time, reducing the cost.
[0042]
A hydrodynamic bearing device according to another aspect of the present invention is a hydrodynamic bearing device having a shaft, a sleeve arranged to be relatively rotatable on the shaft, and a base for fixing either the shaft or the sleeve. The sleeve is formed of an aluminum silicon alloy having aluminum and silicon as components, and the linear expansion coefficient of the shaft is 17 × 10 -6 Within ± 5%, the coefficient of linear expansion of the sleeve is 11 × 10 when measured in the range of 0 ° C. to 100 ° C. -6 ~ 15 × 10 -6 The hardness of the sleeve is smaller than the hardness of the shaft, and a dynamic pressure groove for a radial bearing is provided on a portion of the sleeve which is a softer member and facing the shaft.
[0043]
In the hydrodynamic bearing device according to the present invention, since the respective linear expansion coefficients of the sleeve and the shaft body are set to be larger on the shaft side, the change in the bearing rigidity with respect to the temperature change is reduced. Also, this dynamic pressure bearing device has a dynamic pressure groove for the radial bearing on the sleeve side where the hardness becomes softer, so that the dynamic pressure groove is formed inside the sleeve by ball rolling like a conventional brass sleeve. Can be formed easily and without cracks, and a protrusion provided on the groove for dynamic pressure (a step which protrudes to the center side on the surface of the sleeve before forming the dynamic pressure groove is provided. In many cases, this step prevents the surface of the shaft from being damaged. Furthermore, since the sleeve is made of a material softer than the shaft, the shaft side is not damaged even when both are in contact with each other when the shaft is inserted into the sleeve, and stable performance can be maintained for a long period of time.
[0044]
Further, a dynamic pressure bearing device of another invention is a dynamic pressure bearing device having a shaft, a sleeve disposed relatively rotatable on the shaft, and a base for fixing either the shaft or the sleeve. The sleeve is formed of an aluminum silicon alloy composed of 65 to 69% by weight of Al, 28 to 32% by weight of Si, and 1 to 5% by weight of Cu and the like, and has a linear expansion coefficient of 0 to 100 ° C. 1 × 10 with respect to the coefficient of linear expansion of the shaft -6 ~ 7 × 10 -6 Only, the hardness of the sleeve is made smaller than the hardness of the shaft, and a dynamic pressure groove for a radial bearing is provided on a portion of the sleeve which is a softer member and facing the shaft.
[0045]
In the hydrodynamic bearing device according to the present invention, since the linear expansion coefficients of the sleeve and the shaft are set to be larger on the shaft side, a change in bearing rigidity with respect to a temperature change is reduced. Since the sleeve is made of aluminum-silicon alloy, which is mostly made of aluminum and silicon, the weight is about the same as or slightly lighter than aluminum. When used, current loss and inertia are reduced. In addition, this dynamic pressure bearing device has a dynamic pressure groove for the radial bearing on the sleeve side where the hardness becomes softer, so that the dynamic pressure groove is formed inside the sleeve by ball rolling like a conventional brass sleeve. Can be formed easily and without cracks, and the projection of the groove for dynamic pressure prevents the surface of the shaft from being damaged. Furthermore, since the sleeve is made of a material softer than the shaft, the shaft side is not damaged even when both are in contact with each other when the shaft is inserted into the sleeve, and stable performance can be maintained for a long period of time.
[0046]
According to another aspect of the present invention, there is provided a hydrodynamic bearing device including a shaft, a sleeve disposed relatively rotatable on the shaft, and a base for fixing either the shaft or the sleeve. A thrust plate is provided at an end opposite to the above, a sleeve is formed of an aluminum silicon alloy having aluminum and silicon as components, and a shaft is composed of 10.5 to 32% by weight of Cr and 4 to 13% by weight of Ni. % Of a ferrous alloy, and a dynamic pressure groove for a radial bearing is provided on an inner surface of the sleeve, which is a portion facing the shaft of the sleeve. The thrust plate is located at a position facing the thrust plate. And a thrust bearing for the thrust bearing at a position facing the thrust plate of the counter plate provided so as to cover the center hole of the sleeve. Of providing thrust dynamic pressure groove, opposite the surface from facing the sleeve portion and the first thrust dynamic pressure groove and opposing surfaces of the thrust plate is provided with a second thrust dynamic pressure groove.
[0047]
Since the hydrodynamic bearing device of the present invention uses an aluminum silicon alloy containing silicon lighter than aluminum as the sleeve, if the sleeve portion is the rotating side, the rotating portion is considerably lighter than stainless steel and slightly lighter than aluminum. . Therefore, the current loss is reduced and the inertia is reduced. Further, when the sleeve is fixed, the weight of the dynamic pressure bearing device is reduced, which can contribute to the weight reduction of the device incorporating the dynamic pressure bearing device. Furthermore, since the dynamic pressure groove for the thrust bearing is provided on the counter plate and the sleeve facing the thrust plate, the dynamic pressure groove is set in comparison with the case where the dynamic pressure groove is installed on the thrust plate where the area tends to be small. This increases the degree of freedom in the installation position and design of the device, making it easier to obtain a more appropriate dynamic pressure effect, and at the same time, reducing the cost.
[0048]
Further, a dynamic pressure bearing device of another invention is a dynamic pressure bearing device having a shaft, a sleeve disposed relatively rotatable on the shaft, and a base for fixing either the shaft or the sleeve. At least in the temperature range of 0 ° C. to 100 ° C., the coefficient of linear expansion increases as the temperature increases, and is formed of an aluminum-silicon alloy having aluminum and silicon as components. The coefficient of linear expansion of the shaft is larger than the coefficient of linear expansion of the sleeve. The hardness of the sleeve is made smaller than the hardness of the shaft while being kept constant in the temperature range, and a dynamic pressure groove for a radial bearing is provided on a portion of the sleeve which is a softer member and facing the shaft.
[0049]
The dynamic pressure bearing device according to the present invention is characterized in that the sleeve is made of an aluminum-silicon alloy having aluminum and silicon as components, the linear expansion coefficient of which increases as the temperature increases at least in a temperature range of 0 to 100 ° C. Since the coefficient is larger than the linear expansion coefficient of the integral member and is constant in the above temperature range, when the temperature increases, the gap between the dynamic pressure grooves in the sleeve becomes narrower, the rigidity of the bearing is maintained, and the The risk of contact with the shaft can be greatly reduced. Here, the term “constant linear expansion coefficient” includes not only the coefficient that does not change at all but also the coefficient whose change is about one-fifth or less as compared with the aluminum silicon alloy.
[0050]
Further, in another invention, in addition to the above-described hydrodynamic bearing device, the shaft is fixed to the base and the sleeve is rotatably arranged around the shaft. Since this dynamic pressure bearing device is of a fixed shaft type, it is possible to incorporate this shaft body even if the shaft and the thrust plate are formed as an integral member and the thrust plate has a larger diameter than the diameter of the shaft. . As described above, according to the present invention, the degree of freedom in design is increased.
[0051]
In addition, in another invention, in addition to the dynamic pressure bearing device of the above-described invention, a disk holding hub that rotates integrally with the sleeve is formed integrally with the sleeve from an aluminum silicon alloy. In this hydrodynamic bearing device, since the sleeve and the hub are integrated into an integral member, the impact resistance of the hub portion is improved, and the verticality of the hub can be easily obtained. For this reason, A-RRO as a bearing device can be made very small. Moreover, miniaturization and thinning are also possible.
[0052]
According to another aspect of the present invention, in addition to the above-described hydrodynamic bearing device, a thrust plate having a diameter larger than the diameter of the shaft is provided at an end of the shaft opposite to the base. The plate and the shaft are integrally formed of stainless steel to form a shaft body, and the axial thickness of the thrust plate portion is 0.1 to 0.7 mm.
[0053]
In the hydrodynamic bearing device of the present invention, the shaft and the thrust plate are integrated to form a shaft body, so that the impact resistance of the shaft body is improved and the verticality of the shaft portion is easily obtained. For this reason, A-RRO as a bearing device can be reduced. Moreover, miniaturization and thinning are also possible. In addition, since the axial thickness of the thrust plate portion is 0.1 to 0.7 mm, the axial length can be further reduced while sufficiently satisfying the function of the thrust bearing, thereby further reducing the size and thickness. It becomes possible. In addition, current loss can be reduced by making the thrust plate thinner.
[0054]
According to another aspect of the invention, in addition to the above-described hydrodynamic bearing device, the rotor integrally rotating with the sleeve is formed integrally with the sleeve from an aluminum silicon alloy. In this hydrodynamic bearing device, since the sleeve and the rotor are integrated and formed as an integral member, the impact resistance of the rotor portion is improved, and the verticality of the rotor can be easily obtained. Therefore, the A-RRO of the rotor can be made very small. Moreover, miniaturization and thinning are also possible.
[0055]
A method of manufacturing a dynamic bearing device according to the present invention includes a method of manufacturing a dynamic bearing device including a base, a shaft fixed to the base, and a sleeve rotatably disposed around the shaft. After the shaft is assembled into the base, the part of the bottom of the shaft and the part of the bottom of the base are cut at the same time. It is cut out so as to have a constant plane, and has a thickness in a completed state.
[0056]
When this manufacturing method is adopted, even if the shaft-fixed type dynamic pressure bearing device has a small thickness in the axial direction, the shaft can be sufficiently perpendicular to the base. That is, it is possible to reduce the A-PRO of the sleeve and to easily cope with the reduction in thickness.
[0057]
[Embodiment of the present invention]
Hereinafter, a hydrodynamic bearing device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In this embodiment, a dynamic pressure bearing device used for a spindle motor will be described. For a disk drive equipped with a hydrodynamic bearing device, only the spindle motor and its periphery will be described, and a head portion for reading and writing disk information, a control circuit for controlling the spindle motor and its head portion, etc. The circuit part and other mechanical parts are the same as those of the conventional disk device, and the description thereof will be omitted.
[0058]
The dynamic pressure bearing device according to this embodiment is incorporated in a spindle motor 10. The spindle motor 10 is a spindle motor having a fixed shaft type dynamic pressure bearing device, and is mounted on an HDD. In this spindle motor 10, as shown in FIG. 1, a shaft 2 is press-fitted into a base 1 made of a hard resin material such as a metal such as aluminum or a functional resin, etc. One or more are fixed. A thrust plate 3 is provided integrally with the shaft 2 on the tip side (the upper side in FIG. 1) of the shaft 2 and serves as a thrust plate portion. That is, the shaft 2 and the thrust plate 3 are formed as a single-piece shaft body composed of one part. In the following, this integral member may be referred to as a first integral member instead of the shaft body in relation to a second integral member described later.
[0059]
This first integral member (shaft body) is made of stainless steel (SUS-304) which is an iron-based alloy containing 18% by weight of Cr and 8% by weight of Ni. The first integral member cuts the outer periphery of the rod-shaped SUS-304 to form a cylindrical shaft 2 portion and a circular (specifically flat cylindrical) thrust plate 3 portion. ing. The axial thickness of the thrust plate 3 is set to 0.3 mm, but if it is in the range of 0.1 to 0.7 mm, it is preferable in terms of strength and current loss. In addition, this range becomes more preferable if it is set to 0.15 to 0.35 mm.
[0060]
The linear expansion coefficient of this first integral member is 16.4 × 10 -6 Vickers (hardness) is about 196. The first integrated member may be any other SUS-300-based member. That is, an iron-based alloy containing 10.5 to 32% by weight of Cr and 4 to 13% by weight of Ni may be used. However, the linear expansion coefficient is 17 × 10 -6 It is preferably within plus / minus 5%. The coefficient of linear expansion is a coefficient of linear expansion relating to a change in length in a solid. When 1 is a length, lo is a length at 0 ° C., and θ is a temperature, the value of (dl / dθ) / lo is expressed as Point. The linear expansion coefficient of the shaft (SUS-304) serving as the first integral member is substantially constant in the range of 0 ° C to 100 ° C. Note that the term “constant” described herein includes not only a state that does not change at all but also a state that the change is about one-fifth or less compared to a second integrated member described later.
[0061]
A cylindrical cylindrical portion 1a is provided at the center of the base 1, and a thin magnetic metal plate whose central hole portion fits into the cylindrical portion 1a is arranged on the outer periphery of the cylindrical portion 1a in a stacked state. , The core 4. The fixing of the core 4 is performed by combining one or more of adhesion, press fitting, caulking, and the like. A plurality of salient poles extending in the radial direction are formed in the core 4 at predetermined intervals in the circumferential direction, and a coil winding 5 is applied to each of the salient poles. The storage space S in which the core 4 and the coil winding 5 are stored can be made wider than that of a conventional spindle motor for the reasons described below. The base 1, the core 4, the coil winding 5, and the like constitute a stator of the spindle motor 10.
[0062]
Around the first integrated member, a second integrated member in which a cylindrical sleeve 11 portion serving as a bearing and a disk-shaped hub 12 portion are integrally formed is arranged. The base 1, the shaft 2 or the shaft body, and the sleeve 11 form a basic component of the hydrodynamic bearing device.
[0063]
The second integrated member is made of an aluminum silicon alloy containing 67 to 68% by weight of Al, 30% by weight of Si, and 2 to 3% by weight of Cu and the like, and subjected to heat treatment. Its coefficient of linear expansion is 14 × 10 -6 Of which 14.7 × 10 4 was measured in the range of 40 ° C. to 100 ° C. -6 And 16.0 × 10 6 in the measurement in the range of 100 ° C. to 200 ° C. -6 And 17.6 × 10 6 in the measurement in the range of 200 ° C. to 300 ° C. -6 And 19.0 × 10 3 in the measurement in the range of 300 ° C. to 400 ° C. -6 It becomes. During this measurement, in the range of 40 ° C. to 400 ° C., the differential expansion measurement was performed in the range of room temperature to 400 ° C., at a heating rate of 10 ° C. per minute, and in a nitrogen stream.
[0064]
As described above, the first integral member has a coefficient of linear expansion that increases as the temperature increases (in the range of 40 ° C. to 400 ° C., on average, about 0.15 × per 10 ° C.). 10 -6 ).
[0065]
In consideration of the measurement error and the slight change of the contained metal ratio, the linear expansion coefficient is 14 × 10 4 in the range of 0 ° C. to 100 ° C. in relation to the first integrated member side. -6 It is sufficient if the value is within plus / minus 5% of this value. -6 It should be within plus / minus 5%. The material distribution may be an aluminum silicon alloy in the range of 65 to 69% by weight of Al, 28 to 32% by weight of Si, and 1 to 5% by weight of Cu and others. As described above, the linear expansion coefficient of the aluminum silicon alloy was determined to be 14 × 10 -6 Can be adjusted also by the content of silicon (Si) so as to be within ± 5%.
[0066]
The second integral member is a newly developed aluminum silicon alloy having the above-described coefficient of linear expansion. Its hardness is softer than that of the first integral member, and its hardness is about 114 to 165 [kg / mm] in Vickers hardness. If the hardness is 80 or more in terms of Vickers hardness, the second integrated member does not dent when the two integrated members collide with each other when the rotation of the second integrated member starts and stops. The hardness varies depending on the method and conditions of the heat treatment, and the value required for the apparatus can be appropriately obtained from this range (Vickers hardness 114 to 165 [kg / mm]). When the extruded member is not subjected to the heat treatment, the Vickers hardness is 114 [kg / mm], and the second integral member obtained by the heat treatment has a Vickers hardness of 165 [kg / mm]. ]. By changing the method of heat treatment, the hardness can be further increased slightly. In this second integral member, the extruded member is formed into a predetermined shape by hot forging, and then heat-treated.
[0067]
A disc-shaped metal counter plate 13 is fixed to the sleeve 11 of the second integral member so as to close one end (upper side in FIG. 1) of the center hole. As shown in FIG. 2, the counter plate 13 is placed on the upper flat portion 11a on the upper end side of the sleeve 11 of the second integral member, and then the sleeve 11 is swaged to fix the counter. This is performed by a method of holding down the plate 13. The swaged portion is shown as 11b. After the caulking operation, an adhesive may be applied to the caulked portion 11b.
[0068]
The sleeve 11 portion of the second integral member includes a large-diameter sleeve inner diameter portion 11c with which the outer periphery of the counter plate 13 is engaged, and a thrust plate 3 portion other than the upper step flat portion 11a and the caulked portion 11b described above. A small-diameter sleeve inner diameter portion 11d whose outer periphery is opposed, a lower step flat portion 11e whose lower surface in FIG. 1 is opposed to a portion protruding to the outer periphery of the thrust plate 3 portion, and a shaft 2 portion are opposed to the smallest diameter. And a shaft-facing inner surface 11f.
[0069]
A disk mounting step 12a for mounting a disk 14 as a hard disk, a yoke 15 made of a cylindrical magnetic metal, A large-diameter cylindrical portion 12b for concentrically fixing and holding a cylindrical magnet 16 fixed to the yoke 15 by bonding, press fitting, caulking, or the like, a disk mounting portion 12c for mounting the disk 14, and a disk 14 A screw hole 12d for inserting a screw 17 for fixing the device on the mounting portion 12c, and a clamper for mounting a clamper 18 for inserting the disk 14 between the disk mounting portion 12c. A mounting portion 12e, a clamper fitting step portion 12f into which the center hole of the clamper 18 fits, and a coil concaved in a concave shape to secure a sufficient space for the coil winding 5. A countercurrent recess 12g is formed. The rotor of the spindle motor 10 is constituted by the second integral member, the counter plate 13, the yoke 15, the magnet 16, and the like.
[0070]
The aluminum-silicon alloy used as the material of the second integral member is distributed as described above. The manufacturing method is as shown in FIG. That is, first, a rapidly solidified powder of an aluminum alloy is manufactured by an atomizing method (step S51). As the atomizing method, a gas atomizing method, an ultrasonic gas atomizing method, or the like is employed.
[0071]
This rapidly solidified powder causes a molten alloy of aluminum and silicon to flow out of a tundish (a container having a hole at the bottom), and at the same time, causes a jet of a spray medium (gas or liquid) to impinge on the molten metal stream. After the molten metal is scattered into fine droplets, heat is deprived and solidified to form. The powder particles have a diameter of about 100 μm including a large number of silicon having a diameter of about 2 μm, for example.
[0072]
Then, an additive consisting of ceramics and a special alloy powder is added (step S52), and the final material is 67-68% by weight of Al, 30% by weight of Si, and 2-3% by weight of Cu (copper) and others. And rapidly solidified powder. Then, a billet-shaped green compact is obtained by hot pressing (step S53). Thereafter, a degassing process is performed in which the powder is heated in a vacuum or in a non-oxidizing atmosphere to remove the oxide adsorbed on each surface of the powder and the water adsorbing the non-oxide, and the like (step S54). Next, an extruded material is obtained by performing hot extrusion (step S55). The extruded material is processed to form a second integral member. Thereafter, heat treatment is appropriately performed.
[0073]
The linear expansion coefficient of the obtained aluminum silicon alloy changes depending on the content of silicon (Si). In this embodiment, 30% by weight of silicon is contained, and about 14 × 10 -6 Has a linear expansion coefficient of As the silicon content is further increased, the linear expansion coefficient decreases proportionally, and when the silicon content is about 36%, about 13 × 10 -6 When the silicon content becomes about 44 to 48%, 10 × 10 -6 (This is about the same as the linear expansion coefficient of the SUS-400 series). Instead of changing only silicon, nickel may be mixed with silicon, and the linear expansion coefficient may be lowered by gradually increasing the total amount of silicon and nickel from 30% by weight.
[0074]
The disk 14 is mounted when the spindle motor 10 is mounted on a disk drive. This mounting is performed by mounting the disk 14 on the disk mounting portion 12c, mounting the clamper 18 on the clamper mounting portion 12e, and tightening the screw 17 while inserting the screw 17 into the screw hole 12d. You. The disk 14 of this embodiment is a disk for a 2.5-inch hard disk.
[0075]
This is a small gap between a first integral member in which the shaft 2 and the thrust plate 3 are integrally formed and a second integral member in which the sleeve 11 and the hub 12 are integrally formed. Oil for dynamic pressure is put in the portion where the groove is formed, and the oil is held so as not to leak out from the sleeve 11 portion.
[0076]
The gap between the outer peripheral surface of the shaft 2 and the shaft-facing inner surface 11f of the sleeve 11 is 2 to 4 μm. In general, when the diameter of the shaft 2 is 4 mm, the gap is 4 μm, and when the diameter is 3 mm, the gap is 3 μm. The size of the gap is 1/1000 of the diameter of the shaft 2. ing. In this embodiment, the diameter of the shaft 2 portion is 2.5 mm, and the gap between the shaft 2 portion and the shaft-facing inner surface portion 11f is 2.5 μm. The gap between the thrust plate 3 and the counter plate 13 and the gap between the thrust plate 3 and the sleeve 11 are also 2.5 μm.
[0077]
Two dynamic pressure grooves for radial bearings are provided on the shaft-facing inner surface 11f. That is, a first radial dynamic pressure groove 21 for restricting the radial movement of the second integrated member is provided on one end side (upper side in FIG. 1) of the shaft-facing inner surface portion 11f. 1 (on the lower side), a second radial dynamic pressure groove 22 having the same function is provided.
[0078]
The thrust direction of the second integral member is set at a position facing the thrust plate 3 of the counter plate 13 covering the thrust plate 3 and facing a portion of the thrust plate 3 protruding in the outer peripheral direction from the shaft 2 portion. A first thrust dynamic pressure groove 23 for restricting the movement of the first thrust dynamic pressure groove 23 is provided. A second thrust dynamic pressure groove having a similar function is provided at a position facing a lower step flat portion 11e of the sleeve 11, that is, a flat portion of a portion of the thrust plate 3 that protrudes in the outer peripheral direction from the shaft 12 portion. 24 are provided.
[0079]
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the first and second radial dynamic pressure grooves 21 and 22 are provided with a plurality of> -shaped grooves arranged in parallel in the circumferential direction, and make a round in the shaft-facing inner surface portion 11f. It is formed as follows. Each of the first and second thrust dynamic pressure grooves 23 and 24 has a large number of> -shaped grooves arranged in a circular shape. Each of the dynamic pressure grooves 21, 22, 23, and 24 may have another shape. For example, the thrust dynamic pressure grooves may be formed by concentrically arranging circles having different diameters, or may be formed in a spiral shape. May be adopted.
[0080]
Each of the dynamic pressure grooves 21, 22, 23, and 24 is formed by pressing, etching, cutting, rolling such as ball rolling, electric discharge machining, or the like. The oil for dynamic pressure is applied to each of the above-described first radial dynamic pressure groove 21, the second radial dynamic pressure groove 22, the first thrust dynamic pressure groove 23, and the second thrust dynamic pressure groove 24. , Each groove 21, 22, 23, 24 is filled with oil.
[0081]
The order of assembling the hydrodynamic bearing device and the spindle motor 10 configured as described above will be described below.
[0082]
First, a shaft (first integrated member) integrally formed with the thrust plate 3 is inserted into a second integrated member having the hub 12. Next, the counter plate 13 is arranged so that the outer periphery thereof is opposed to the large-diameter sleeve inner diameter portion 11c and is in contact with the upper step flat portion 11a, and then the counter plate is swaged and fixed to the sleeve 11 portion. I do. Then, if necessary, an adhesive is applied to the caulked portion 11b. Thereafter, a gap (about 2.5 μm in this example) between the first integrated member and the second integrated member is filled with dynamic pressure oil using a vacuum device. Note that the yoke 15 and the magnet 16 are concentrically fixed to the second integral member by press-fitting, bonding, caulking, or the like in advance.
[0083]
On the other hand, the core 4 is fixed to the base 1 by bonding, press-fitting, caulking, or the like, and the coil winding 5 is wound around salient poles to form a stator. After applying the coil winding 5 to the core 4, the core 4 may be fixed to the base 1. The shaft 2 is fixed to the center hole of the base 1 constituting the stator by a method combining one or more of press fitting, shrink fitting, bonding, welding and the like.
[0084]
In this assembled state, the length of the shaft 2 and the axial thickness of the portion of the base 1 into which the shaft 2 is press-fitted are larger than in the completed state. Therefore, after assembling, a part of the bottom side of the base 1 and the shaft 2 is cut off by cutting to have a size in a completed state. Thus, the spindle motor 10 is completed. This incorporation method is adopted in order to obtain accurate verticality. In order to obtain an accurate verticality, a press-fitting amount approximately equal to the diameter of the shaft 2 is required. Since the diameter of the shaft 2 of the spindle motor 10 for a 2.5-inch hard disk is about 2.5 mm, the thickness of the press-fit portion of the shaft 2 of the base 1 is once set to 2.5 mm, and the verticality is sufficiently increased. After being taken out, about 1.5 mm is cut out, the thickness of the bottom portion of the base 1 in the final form is 1 mm, and the base 1 is thinned.
[0085]
By adopting such an assembling method, the verticality of the shaft 2 with respect to the base 1 is maintained, and the thickness is reduced. Further, since the bottom side of the base 1 is cut off, the work of chamfering the outer end of the center hole of the base 1 is not required. It is preferable that this assembling method (a method of press-fitting the shaft 2 and then cutting it out) is adopted for a spindle motor for a hard disk having a very small size such as 2.5 inches or 1.8 inches.
[0086]
When the spindle motor 10 is mounted on the disk drive, the disk 14 is mounted on the disk mounting portion 12c, and the disk 14 is sandwiched between the disk mounting portion 12c and the clamper 18 is mounted on the disk mounting portion 12e. Put on. Thereafter, the clamper 18 is tightened with the screw 17 to fix the disk 14. The disk drive is completed by incorporating the spindle motor 10 in this state inside the disk drive and providing other mechanisms, other circuits, and the like.
[0087]
Next, the basic operation of the hydrodynamic bearing device will be described, and the characteristics of the spindle motor 10 using the hydrodynamic bearing device and the characteristics of the disk drive device equipped with the spindle motor 10 and the characteristics of the conventional device will be described together with the description. Will be described.
[0088]
First, the basic operation of the hydrodynamic bearing device will be described. First, the prerequisites for evaluation, that is, the change in oil viscosity, the bearing device for evaluation, and the relationship between the change in clearance and the characteristics of the bearing are shown in FIG. This will be described with reference to FIG.
[0089]
FIG. 4 shows a change in kinematic viscosity of oil (common oil used in a dynamic pressure bearing device) with respect to temperature. The kinematic viscosity is a value obtained by dividing the viscosity (absolute viscosity) by the density. For example, the kinematic viscosity is a viscosity of 1 mPa · s (milli-pascal second) and the density is 1 g / cm. 2 Then 1mm 2 / S (square millimeters per second). The unit of the conventional centistokes (cSt) is the same value. As for the kinematic viscosity, the larger the numerical value is, the higher the value is.
[0090]
As shown in FIG. 4, the kinematic viscosity of the oil rapidly decreases as the temperature increases. A decrease in viscosity results in a decrease in bearing stiffness, ie, dynamic pressure. For this reason, when the temperature rises, it is necessary to reduce the gap between the shaft and the shaft support in order to maintain the bearing rigidity. However, if the clearance is too small, the bearing stiffness becomes too high, and as described later, the shaft loss torque increases, or in the worst case, the shaft and the shaft support come into contact with each other to lock (unrotatable). In some cases, this may occur.
[0091]
FIG. 5 shows an evaluation dynamic pressure bearing device. In this device, the diameter L1 of the shaft 26 is 3 mm, the width L2 of the upper radial dynamic pressure groove (upper BRG) 27 is 3 mm, the width L3 of the lower radial dynamic pressure groove (lower BRG) 28 is 2 mm, In the position and direction shown in FIG. 5, 0.01 kg is applied as a lateral external force F1. That is, the distance L4 between the upper BRG 27 and the lower BRG 28 is 1 mm, and a lateral external force F1 is applied to a position 1.5 mm away from the intermediate position toward the upper BRG 27. A thrust bearing having a diameter larger than that of the shaft 26 is provided below. Further, the rotation speed of the shaft 26 is set to 7200 RPM. Using such an oil and a dynamic pressure bearing device for evaluation, a gap between the shaft 2 (corresponding to the shaft 26) and the shaft-facing inner surface portion 11f of the sleeve 11 (corresponding to the upper BRG 27 and the lower BRG 28) is reduced to 0. FIGS. 6 to 9 show the results of analyzing the bearing characteristics (eccentricity and shaft loss torque) when changed in units of 0.5 μm.
[0092]
In the case of HDD, the most important characteristic is NRRO, which is largely affected by the bearing stiffness. As the bearing stiffness becomes smaller (lower), the gap changes and the eccentricity increases, but the allowable value of the eccentricity is experimentally and empirically about 0.01. The eccentricity e is an index indicating how flat the ellipse is. When the major axis from the center of the ellipse to the outer periphery in the longitudinal direction is a, and the minor axis from the outer periphery in the transverse direction to b, the following is given. This is defined by Expression 1.
[0093]
[Formula 1]
Figure 2004053004
[0094]
In Equation 1, when the eccentricity e is 0, the circle becomes a perfect circle. The bearing stiffness refers to k represented by k = F / x, where F is the sum of forces acting on the rotor (sum of external forces) and x is the amount of change in the rotor. [Kg · f / μm].
[0095]
When the temperature is low, such as 20 ° C. shown in FIG. 6, the eccentricity has a relatively large margin, but at high temperatures, the viscosity decreases and the bearing rigidity decreases. Can not withstand. That is, as shown in the graphs at 60 ° C. in FIG. 8 and at 80 ° C. in FIG. 9, when the temperature becomes high, the upper radial dynamic pressure groove 27 (corresponding to the upper first radial dynamic pressure groove 21 in FIG. 1). When the eccentricity e at the portion is a gap of about 3 μm, it exceeds 0.01. On the other hand, if the gap is too small, the shaft loss torque may increase, or in the worst case, the shaft 2 and the sleeve 11 may come into contact with each other and become unable to rotate. Here, the shaft loss torque is a shaft torque lost due to oil viscosity or the like when the shaft rotates, and the smaller the value, the better. Here, the unit is shown in [g · cm].
[0096]
Next, a change in rigidity due to a temperature change, which is one of the basic operations of the hydrodynamic bearing device, will be described.
[0097]
The gap also changes due to thermal expansion of the shaft or sleeve. FIG. 10 shows the change in the gap with respect to the temperature change due to the combination of the shaft and sleeve materials. The dynamic pressure bearing device generates pressure in the oil by rotation. However, the smaller the gap and the higher the viscosity of the oil, the higher the pressure can be generated. The viscosity of the oil is high at low temperatures and low at high temperatures. Therefore, when the material of the shaft and the sleeve is selected, if the linear expansion coefficient of the shaft is larger than that of the sleeve, the gap decreases at a high temperature, so that the pressure drop due to the viscosity decrease can be compensated.
[0098]
The combination of the material used for the current spindle motor and the aluminum-silicon alloy used in the present invention as a shaft and a sleeve are summarized as follows. First, if the shaft and the sleeve are made of the same material, the gap does not change with temperature. The fact that the length of the gap does not change means that the gap is the same while the outer diameter of the shaft and the inner diameter of the sleeve both increase, which indicates that the volume of the gap increases. At higher temperatures, the viscosity of the oil decreases. For this reason, the volume of the gap increases and the viscosity of the oil decreases, and the bearing rigidity deteriorates. Further, if the shaft and the sleeve are made of the same material, the shaft is damaged when the shaft and the sleeve collide, and the bearing characteristics deteriorate. It is not preferable to use the same material for the shaft and the sleeve because such disadvantages are often employed.
[0099]
A combination of a shaft made of SUS-400 and a sleeve made of brass (BsBn) or bronze (Bronze) provides relatively good workability. However, in terms of thermal expansion, when the temperature becomes high, the gap increases, and as the viscosity of the oil decreases, the bearing rigidity tends to deteriorate. In particular, the dynamic pressure bearing device of a spindle motor used for a small HDD such as 1.8 inches or 2.5 inches has no margin in bearing rigidity. Therefore, the gap between each dynamic pressure groove is designed to be extremely small. There must be. However, it is difficult to meet the required tight tolerances, and depending on the temperature (low temperature), the shaft and the sleeve may interfere with each other, and the bearing will not function. Further, the material of the sleeve is not sufficient for abrasion, and requires plating of nickel / chromium on the surface. Therefore, it can be said that this combination is also problematic.
[0100]
A combination in which the shaft is made of SUS-300 and the sleeve is made of SUS-400 is preferable in consideration of only thermal expansion. That is, since the gap decreases as the temperature rises, it has an effect of compensating for a decrease in rigidity due to a decrease in oil viscosity. However, as described in detail in the related art, when the sleeve is made of SUS-400, various problems occur due to its high hardness. That is, when the temperature becomes high, the gap becomes small, and the shaft comes into contact with the sleeve or locks. In addition, it is difficult to perform high-precision processing such as inner diameter, roundness, surface roughness, cylindricity, and dynamic pressure groove processing. If the variation in the inner diameter becomes large, it is not possible to obtain an appropriate gap with the shaft, and it is necessary to perform a selective combination by measurement. Even in the dynamic pressure groove machining, the uniformity and symmetry of the groove depth are deteriorated, and the bearing characteristics are adversely affected. As described above, the combination of the SUS-300 shaft and the SUS-400 sleeve causes problems in performance, productivity, and price.
[0101]
If the shaft is made of SUS-300 and the sleeve is made of the aluminum silicon alloy used in the second integral member of the present invention, as shown in the table of FIG. 10, when the temperature becomes high, the gap gradually narrows. Become. Specifically, the gap increases by 0.2 μm at a temperature of 0 ° C., changes by 0 ° C. at 20 ° C., narrows by 0.2 μm at 40 ° C., narrows by 0.4 μm at 60 ° C., and decreases by 0.4 μm at 80 ° C. It becomes 6 μm narrower and 0.8 μm narrower at 100 ° C. These values are optimal in compensating for a decrease in rigidity due to a decrease in oil viscosity.
[0102]
The values shown in FIG. 10 are obtained by setting the diameter of the shaft to 3 mm. If the diameter of the shaft is set to another value, for example, 2.5 mm or 2 mm, the absolute value of the increase due to the expansion on the shaft side decreases. Therefore, the amount of change in the gap also becomes small. However, in general, when the diameter of the shaft is small, it is necessary to reduce the gap in relation to the bearing rigidity, and the ratio of the change amount of the gap to the original gap is not so large even when the shaft diameter is small. There is no. However, strictly speaking, the ratio changes, so even if the shaft is made of SUS-300 and the sleeve is made of the aluminum silicon alloy of the present invention, the difference between the linear expansion coefficients of the two is determined by the diameter of the shaft. It needs to be different. In the above embodiment, the difference between the two linear expansion coefficients is 1.5 × 10 -6 ~ 4.5 × 10 -6 However, if the diameter of the shaft is about 2 mm, the gap is about 2 μm, and the difference between the two is 7 × 10 -6 The following is required. Conversely, if the diameter of the shaft is about 4 mm, the gap is about 4 μm, and the difference between them is 1 × 10 -6 Anything above would be good.
[0103]
Next, as the last of the description of the basic operation of the hydrodynamic bearing device, the relationship between the current consumption and the rigidity will be described.
[0104]
Bearing stiffness and current are in conflicting conditions. That is, in order to increase the rigidity of the bearing, it is necessary to reduce the gap or increase the viscosity of the oil. On the other hand, in order to reduce the current, that is, to reduce the torque loss, it is necessary to increase the gap or reduce the viscosity of the oil. In order to reduce the shaft loss torque while maintaining the same bearing rigidity, the diameter of the shaft may be reduced and the clearance may be reduced. However, since the inner diameter of the sleeve becomes smaller and the tolerance becomes tighter, it is extremely difficult to process a hard member such as a conventionally used material, for example, brass or SUS-300 system with higher accuracy than before. Become. When the conventional material is used, it is necessary to measure all the shaft diameters and the sleeve inner diameters and select and combine them. However, this method greatly increases the production cost. In addition, since the inner diameter of the sleeve is small, the roundness and accuracy are poor, and the yield is low.
[0105]
The above consideration will be described with reference to FIGS. 11 shows the case where the shaft is made of SUS-400 and the sleeve is made of brass. FIG. 12 shows the configuration of the present invention, that is, the shaft 2 is made of SUS-304, and the sleeve 11 is used in the present invention. This shows the case where an aluminum silicon alloy is used.
[0106]
As shown in FIG. 11, when SUS-400 is used as the shaft and brass is used as the sleeve, when the temperature exceeds about 58 ° C., the eccentricity e in the upper radial dynamic pressure groove 27 is an allowable limit value. Exceeding 0.01. Further, the inclination angle increases sharply as the temperature rises. Here, the inclination angle refers to the inclination of the shaft with respect to the base, and the angle of 90 degrees (vertical) with respect to the base is defined as 0 degree.
[0107]
On the other hand, in the combination of the present invention (the shaft 26 corresponding to the shaft 2 is a SUS-300 type, and the upper BRG 27 and the lower BRG 28 corresponding to the sleeve 11 are the aluminum silicon alloy of the present invention), as shown in FIG. As shown, when the temperature is between 20 ° C. and 80 ° C., the eccentricity e falls within the allowable limit of 0.01.
[0108]
As described above, the aluminum silicon alloy used in the present embodiment has a linear expansion coefficient smaller than that of the shaft 2 without deteriorating the workability, corrosion resistance, light weight, low cost, high strength, and the like as basic characteristics of aluminum. Value. That is, by using silicon (Si) and other additives in aluminum, the property of decreasing the coefficient of linear expansion is used. 10 -6 Aluminum / silicon alloy within plus / minus 5%. The coefficient of linear expansion of this aluminum silicon alloy is a value approximately intermediate between the coefficients of linear expansion of the SUS-300 series and the SUS-400 series, that is, 14 × 10. -6 It has become. In addition, this aluminum silicon alloy has a temperature range of about 13.5 to about 15.3 × 10 3 at a temperature range of 0 ° C. to 100 ° C. -6 And the value increases as the temperature increases. Note that the temperature range of 0 ° C. to 100 ° C. is a heat-resistant condition required for a hard disk motor, and is also an operating temperature environment.
[0109]
Other characteristics of the aluminum silicon alloy (30% by weight of Si, 2 to 3% by weight of Cu and others and the balance of Al) used in the present embodiment are as follows. Tensile strength is 46.6kgf / mm 2 , Proof stress is 40.0kgf / mm 2 , Young's modulus is 9700kgf / mm 2 , Hardness is 150 Hv (Vickers hardness), density is 2.6 g / cm 3 It is.
[0110]
In the above-described embodiment, the shaft 2 and the thrust plate 3 are formed as an integral member of the SUS-300 system, and the sleeve 11 and the hub 12 are formed as an integral member of the above-mentioned aluminum silicon alloy. RRO) and NRRO are both very small. This is because the fit between the sleeve and the hub is lost, and the fit between the shaft and the thrust plate is lost. As a result, the perpendicularity between the sleeve 11 and the hub 12 is completely maintained. That is, if the sleeve and the hub are made of an integral material and the disk mounting portion 12c and other portions of the hub 12 are simultaneously processed, the verticality and the horizontality of each portion can be made high precision. The same applies to the integral member of the shaft 2 and the thrust plate 3.
[0111]
In addition, since the two integrated members are not of a fitting structure, the impact resistance is improved, and non-uniform stress is not exerted, so that stable accuracy can be maintained both temporally (temporarily) and thermally. It becomes possible. Further, in this embodiment, since the sleeve 11 and the hub 12 are formed as an integral member, it is not necessary to consider fixing the hub 12 to the sleeve 11, and the core 4 and the coil winding 5 are not required to be fixed. Can be made sufficiently large, and the current loss can be reduced. In addition, since the dynamic pressure grooves 21 and 22 for the radial bearing are provided on the sleeve 11 side where the hardness becomes softer, the dynamic pressure grooves are easily formed inside the sleeve 11 by ball rolling similarly to the conventional brass sleeve. And it can be formed so as not to cause cracks.
[0112]
Further, in the dynamic bearing device of the above-described embodiment and the spindle motor 10 in which the dynamic bearing device is used, the verticality of the rotating parts and the shaft 2 can be maintained with high accuracy, so that the stable. Dynamic pressure is obtained, and the life is prolonged. Further, since both of the integral members are not of a fitting structure, the thermal shock resistance is also improved.
[0113]
Further, since the dynamic pressure grooves 23 and 24 for the thrust bearing are provided on the counter plate 13 and the sleeve 11 facing the thrust plate 3, the dynamic pressure grooves are provided on the thrust plate 3 where the area tends to be small. As compared with the case, the degree of freedom of the installation position of the dynamic pressure groove is increased, so that a more appropriate dynamic pressure effect can be easily obtained and the center of the dynamic pressure groove can be easily set.
[0114]
Further, in this embodiment, the integral member was measured at a linear expansion coefficient of 0 ° C. -6 Since it is made of an aluminum silicon alloy within plus / minus 5%, a dynamic pressure groove can be easily formed in the sleeve 11 portion, and SUS300 can be adopted as the shaft 2 portion. In addition, the thickness of the root portion of the hub 12 (the hub side at the joint portion between the conventional motor sleeve and the hub) is 1.3 times the thickness of the disk 14 to be mounted. The integral rotation becomes smooth and the storage space S for the core 4 and the coil winding 5 can be increased. The current loss can be suppressed by enlarging the storage space S.
[0115]
Further, since the axial thickness of the thrust plate 3 portion of the shaft 2 is set to 0.3 mm, that is, 1/3 to 1/5 of the conventional one, the function of the thrust bearing can be sufficiently satisfied and the shaft of the motor can be sufficiently satisfied. The length in the direction can be reduced, the thickness can be reduced, and the current loss is significantly reduced.
[0116]
In addition, in this disk drive device, A-RRO is reduced, the change in bearing stiffness is reduced, and current loss can be suppressed, so that reading of information from the disk 14 and writing of information to the disk 14 are not mistaken. And can be operated for a long time when using a battery. In addition, other RRO and NRRO of A-RRO also become very small.
[0117]
Further, since the dynamic pressure grooves 23 and 24 for the thrust bearing are provided on the counter plate 13 and the sleeve 11 facing the thrust plate 3, the dynamic pressure grooves are provided on the thrust plate 3 where the area tends to be small. As compared with the case where the dynamic pressure groove for the thrust bearing is installed, the degree of freedom in the installation position and design of the dynamic pressure groove for the thrust bearing is increased, and a more appropriate dynamic pressure effect is easily obtained. For this reason, it is possible to provide a high-quality disk drive device without any information writing or reading errors. Further, as described above, in this disk drive device, since various RROs and NRROs (at least A-RROs among them) of the internal spindle motor are reduced and the axial length is reduced, information reading and writing are performed. And the device can be made thinner as the motor becomes thinner.
[0118]
The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but can be variously modified without departing from the gist of the present invention. For example, as a spindle motor using the above-described hydrodynamic bearing device, as in a spindle motor 30 shown in FIG. 13, the axial length of the outer diameter of the hub 12 is extended to increase the number of disks 14 mounted. You may do it. The other configuration is basically the same as that of the spindle motor 10 shown in FIG.
[0119]
In addition, as a spindle motor using the above-described hydrodynamic bearing device, as in a spindle motor 40 shown in FIG. The winding 5, the yoke 15, and the magnet 16 may be provided. This spindle motor 40 can also increase the number of disks 14 mounted. Other configurations are basically the same as those of the spindle motors 10 and 30 shown in FIG. 1 and FIG.
[0120]
Further, as in the case of the spindle motor 50 in FIG. 15, the shape may be a shape suitable for being mounted on an HDD of 2.5 inches or less. This small spindle motor 50 has a boss-shaped portion 51 as shown in FIG. 15 extending slightly upward in the vicinity of the counter plate 13 above the hub 12, and a groove 52 is provided on the outer diameter of the boss-shaped portion 51. The two disks 14 are fixed by fitting the inner diameter of the clamper 18 here. In addition, between the two disks 14, 14, there is provided a cylindrical spacing member 53 for forming an interval between the disks 14, 14 and maintaining the interval.
[0121]
In the spindle motor 50, the thickness of the clamper 18 is reduced, and the axial height of the hub 12 can be shortened because there is no screw for fixing the disks 14, 14. If the height is the same as that of the conventional one, the first radial dynamic pressure groove 21 can be moved upward, so that the moment rigidity can be increased. Further, since the thickness of the root portion 54 of the hub 12 (the hub side at the joint portion between the sleeve and the hub of the conventional motor and the hub) is substantially the same as the thickness of the disk 14, the integral rotation with the disk 14 becomes smoother. The storage space S for the core 4 and the coil winding 5 can be made large even though it is thin. Since the storage space S becomes large, current loss can be suppressed.
[0122]
Each of the spindle motors 10, 30, 40, and 50 using the dynamic pressure bearing device of the above-described embodiment employs a fixed-shaft type dynamic pressure bearing device, and thus is a so-called fixed-shaft type spindle motor. However, by using the fixed shaft as described above, there is an advantage that the verticality of the relative rotation portion (the sleeve 11 and the shaft 2 portion, the hub 12 and the thrust plate 3 portion) can be maintained with high accuracy. That is, in the spindle motor, there are two relative rotation portions, but in order to obtain verticality, it is preferable that those portions be formed as an integral member. In response to such a demand, in the case of a fixed shaft type spindle motor, the relative rotation portion can be separated into an integral member of the thrust plate 3 and the shaft 2 and an integral member of the hub 12 and the sleeve 11, And it can be incorporated. On the other hand, in the case of the shaft rotation type spindle motor, if the shaft and the thrust plate are formed as an integral member, the rotor portion (including the shaft, the thrust plate, and the hub) including the hub portion cannot be incorporated. Thus, in order to increase the accuracy of the verticality, a fixed shaft type spindle motor is preferable.
[0123]
Further, in each of the spindle motors 10, 30, 40, and 50 described above, since the verticality of the rotating parts and the shaft 2 can be maintained with high accuracy, a stable dynamic pressure can be obtained and the life is prolonged. Further, since both of the integrated members are not of a fitting structure, impact resistance and thermal shock resistance are also improved. Even if such a property is partially sacrificed, a spindle motor having more advantages than before can be obtained. For example, in the above-described embodiment, the spindle motor 10 having two integral members is used as a hydrodynamic bearing device in which the shaft 2 and the thrust plate 3 are integral members and the sleeve 11 and the hub 12 are integral members. , 30, 40, and 50, but may be a spindle motor including a hydrodynamic bearing device having only one of the integrated members. Even in such a case, compared to the conventional spindle motor and the dynamic pressure bearing device, it has an advantageous effect in terms of A-RRO and the like. Also, when the aluminum silicon alloy shown in the present invention is used only for the sleeve 11 and the sleeve 11 and the hub 12 are not formed as an integral member but are formed of two parts, various bearing characteristics are improved.
[0124]
Further, in the above-described embodiment, a so-called fixed shaft type spindle motor has been described. However, the sleeve portion of the shaft rotation type spindle motor, or the sleeve portion and the base portion are integrated, and the integrated member of the present invention is provided. An aluminum silicon alloy as a material of the second integral member may be used, and the shaft may be made of SUS-300. In this case, it is more preferable that the shaft and the hub be an integral member.
[0125]
The coefficient of linear expansion of the second integral member is 14 × 10 at 0 ° C. to 100 ° C. -6 Within ± 5%, the linear expansion coefficient of the shaft body as the first integral member is 17 × 10 -6 When it is within plus / minus 5%, the linear expansion coefficient of the second integral member is 11 × 10 in a temperature range of 0 ° C. to 100 ° C. -6 ~ 15 × 10 -6 Within this range, a considerable effect can be obtained as compared with the related art. In a temperature range where the linear expansion coefficient is 0 ° C to 100 ° C, 17 × 10 -6 As the degree, SUS-300 is preferable, but another metal member or a metal member having a surface only with this value by surface treatment may be used.
[0126]
Further, by forming the second integral member from a predetermined aluminum alloy, the second integral member has a considerable hardness and a predetermined linear expansion coefficient. 1 × 10 in the temperature range of ℃ -6 ~ 7 × 10 -6 If it is made smaller, the bearing rigidity in the case where the gap is several microns becomes stable. Further, in the above-described embodiment, the linear expansion coefficient of the second integral member increases as the temperature increases (about 0.15 to 0.2 × 10 5 per 10 ° C.). -6 However, the rate of increase may be set to another value, or the change value may increase as the temperature increases. In addition, the second integral member has a constant linear expansion coefficient (about 11 × 10 -6 ~ 15 × 10 -6 (A specific value in the range of).
[0127]
Further, the thickness of the root portion of the hub 12 (the hub side at the joint portion between the sleeve and the hub of the conventional motor) is substantially the same as the thickness of the disk 14 or about 1.3 times. If the thickness is in the range of 0.5 times to 2 times the thickness of the disk 14 to be mounted, the rotation with the disk 14 becomes smooth and the storage space S for the core 4 and the coil winding 5 is provided. Can be made large despite its thinness. By making the storage space S large, current loss can also be suppressed.
[0128]
The axial thickness of the thrust plate 3 of the shaft 2 is preferably 0.1 to 0.7 mm, more preferably 0.15 to 0.35 mm. With such a configuration, the axial length of the motor can be reduced while sufficiently satisfying the function of the thrust bearing, so that the motor can be made thinner and the current loss is greatly reduced. Further, in the above-described embodiment, the linear expansion coefficient is made constant in the range of 0 ° C. to 100 ° C. on the shaft side serving as the first integral member, but here, the constant does not change at all. Not only those but also those whose change is about 1/5 or less as compared with aluminum silicon alloy.
[0129]
Further, in the above-described embodiment, the spindle motor for the HDD is shown, but a spindle motor for another device such as a motor for an optical scanning (scanner) device may be used. In such a case, one or both of the thrust plate 3 and the counter plate 13 may be unnecessary. Further, there may be a case where a portion corresponding to the hub 12 is omitted. Further, as the dynamic pressure bearing device, instead of oil, another liquid or a gas such as air may be used.
[0130]
【The invention's effect】
In the present invention, impact resistance can be improved, A-RRO (so-called rocking motion of the shaft) can be reduced, change in bearing rigidity with respect to temperature change can be reduced, current loss can be suppressed, and downsizing can be achieved. A dynamic pressure bearing device that can be made thin can be obtained. Further, according to another aspect of the invention, it is possible to obtain a dynamic pressure bearing device capable of reducing a change in bearing rigidity with respect to a temperature change and maintaining stable performance for a long period of time.
[0131]
Further, in another invention, it is possible to obtain a dynamic pressure bearing device that can suppress current loss and increase the degree of freedom of the installation position of a thrust-side dynamic pressure groove, and can make a dynamic pressure effect appropriate. it can. Further, according to another aspect of the present invention, it is possible to obtain a dynamic pressure bearing device that can reduce a change in bearing rigidity with respect to a temperature change and that can prevent a shaft from colliding with a sleeve.
[0132]
Further, in another aspect of the invention, it is possible to obtain a method of manufacturing a dynamic pressure bearing device that can reduce A-RRO (so-called swinging motion of a shaft) and can easily cope with a reduction in thickness. That is, it is possible to manufacture a spindle motor that can maintain the verticality of the shaft with respect to the base even when the thickness is reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a structure of a dynamic bearing device according to an embodiment of the present invention and a spindle motor using the dynamic bearing device.
FIG. 2 is an enlarged view of a counter plate of a spindle motor using the hydrodynamic bearing device of FIG. 1 and a periphery thereof, in which a first integral member is omitted.
3 is a diagram showing steps of a manufacturing method for obtaining an aluminum silicon alloy as a material of an integral member integrating a sleeve portion and a hub portion of a spindle motor using the dynamic pressure bearing device of FIG. 1;
4 is a graph showing characteristics of oil (change in oil viscosity with respect to temperature) used in a dynamic pressure groove of a spindle motor using the dynamic pressure bearing device of FIG.
5 is a diagram showing an evaluation dynamic pressure bearing device for evaluating various performances of a spindle motor using the dynamic pressure bearing device of FIG. 1 and a conventional spindle motor.
FIG. 6 shows a case where the gap between the outer diameter of the shaft and the inner diameter of the sleeve is changed in units of 0.5 μm using the oil having the characteristics shown in FIG. 4 and the dynamic pressure bearing device for evaluation shown in FIG. FIG. 7 is a graph showing bearing characteristics (shaft loss torque and eccentricity) when the temperature is 20 ° C. FIG.
FIG. 7 shows a case where the gap between the outer diameter of the shaft and the inner diameter of the sleeve is changed in units of 0.5 μm using the oil having the characteristics shown in FIG. 4 and the dynamic pressure bearing device for evaluation shown in FIG. 7 is a graph showing bearing characteristics (shaft loss torque and eccentricity) when the temperature is 40 ° C.
8 shows a case where the gap between the outer diameter of the shaft and the inner diameter of the sleeve is changed in units of 0.5 μm using the oil having the characteristics shown in FIG. 4 and the hydrodynamic bearing device for evaluation shown in FIG. 7 is a graph showing bearing characteristics (shaft loss torque and eccentricity) when the temperature is 60 ° C.
FIG. 9 shows a case where the gap between the outer diameter of the shaft and the inner diameter of the sleeve is changed in units of 0.5 μm using the oil having the characteristics shown in FIG. 4 and the hydrodynamic bearing device for evaluation shown in FIG. 6 is a graph showing bearing characteristics (shaft loss torque and eccentricity) when the temperature is 80 ° C.
10 is a table showing a change in a gap with respect to a temperature change due to a combination of materials used for a shaft or a sleeve of a spindle motor using the hydrodynamic bearing device of FIG. 1 or a conventional spindle motor.
FIG. 11 is a graph showing bearing characteristics (shaft loss torque, inclination angle, eccentricity, bearing stiffness) with respect to temperature by a combination of materials used in a conventional spindle motor.
FIG. 12 shows bearing characteristics with respect to temperature (shaft loss torque, inclination angle, eccentricity, bearing stiffness) due to a combination of materials used in a spindle motor using the hydrodynamic bearing device according to the present embodiment shown in FIG. FIG.
FIG. 13 is a sectional view showing a structure of a first modified example of the spindle motor using the dynamic pressure bearing device according to the present embodiment.
FIG. 14 is a sectional view showing a structure of a second modified example of the spindle motor using the hydrodynamic bearing device according to the present embodiment.
FIG. 15 is a sectional view showing a structure of a third modified example of the spindle motor using the dynamic pressure bearing device according to the present embodiment.
FIG. 16 is a sectional view showing a structure of a spindle motor using a conventional shaft-fixed type dynamic pressure bearing device.
FIG. 17 is a cross-sectional view showing a structure of a spindle motor using a conventional shaft rotation type dynamic pressure bearing device.
[Explanation of symbols]
1 Base (part of stator)
2 Shaft (part of the first integral member and part of the shaft body)
3 Thrust plate (part of the first integral member and part of the shaft body)
4 cores (part of stator)
5 core winding (part of stator)
10 Spindle motor
11 sleeve (part of the second integral member, part of the rotor)
12 Hub (part of the second integral member, part of the rotor)
12a Step portion for mounting disk
12c disk mounting part
13 Counter plate (part of rotor)
14 disks
15 Yoke (part of rotor)
16 magnets (part of rotor)
21 1st radial dynamic pressure groove (dynamic pressure groove for radial bearing)
22 Second radial dynamic pressure groove (dynamic pressure groove for radial bearing)
23 1st thrust dynamic pressure groove
24 Second Thrust Dynamic Pressure Groove

Claims (10)

ベースと、このベースに固定されるシャフトと、このシャフトの周りに回転可能に配置されるスリーブと、を有する動圧軸受装置において、
上記シャフトの上記ベースとは反対側の端部に設けられ、上記シャフト部分の径より大径となる円形状のスラスト板と上記シャフトとをステンレス鋼にて一体形成してシャフト体とし、
上記スリーブを、アルミニウムとシリコンを成分として有するアルミシリコン合金にて形成し、
上記シャフト体の線膨張係数を17×10−6プラス/マイナス5%以内とし、
上記スリーブの線膨張係数を0℃〜100℃の範囲の測定で14×10−6プラス/マイナス5%以内とし、
上記スラスト板部分の軸方向厚さを0.15〜0.35mmとし、
上記スリーブの硬度を上記シャフトの硬度より小さくし、よりやわらかな部材となる上記スリーブであって上記シャフトと対向する部分にラジアル軸受用の動圧溝を設け、
上記スラスト板と対向する位置であってこのスラスト板を覆うと共に上記スリーブの中心孔を塞ぐようにして設けられたカウンタープレートの上記スラスト板と対向する位置に、スラスト軸受用の第1のスラスト動圧溝を設け、上記スラスト板の上記第1のスラスト動圧溝と対向する面とは反対となる面と対向する上記スリーブ部分に、第2のスラスト動圧溝を設けた、
ことを特徴とする動圧軸受装置。
In a hydrodynamic bearing device having a base, a shaft fixed to the base, and a sleeve rotatably arranged around the shaft,
A shaft body formed integrally with a circular thrust plate having a diameter greater than the diameter of the shaft portion and the shaft is provided integrally with stainless steel, which is provided at an end of the shaft opposite to the base.
The sleeve is formed of an aluminum silicon alloy having aluminum and silicon as components,
The linear expansion coefficient of the shaft body is within 17 × 10 −6 plus / minus 5%,
The coefficient of linear expansion of the sleeve is set within 14 × 10 −6 plus / minus 5% in a measurement in a range of 0 ° C. to 100 ° C.,
The axial thickness of the thrust plate portion is 0.15 to 0.35 mm,
The hardness of the sleeve is smaller than the hardness of the shaft, and a dynamic pressure groove for a radial bearing is provided in a portion of the sleeve that is a softer member and that faces the shaft.
A first thrust movement for a thrust bearing is provided at a position facing the thrust plate and facing the thrust plate on a counter plate provided to cover the thrust plate and close the center hole of the sleeve. A pressure groove, and a second thrust dynamic pressure groove is provided on the sleeve portion facing a surface of the thrust plate opposite to a surface facing the first thrust dynamic pressure groove,
A dynamic pressure bearing device characterized by the above-mentioned.
シャフトと、このシャフトに相対回転可能に配置されるスリーブと、上記シャフトまたは上記スリーブのいずれか一方を固定するベースを有する動圧軸受装置において、
上記シャフトをステンレス鋼にて形成し、
上記スリーブを、アルミニウムとシリコンを成分として有するアルミシリコン合金にて形成し、
上記シャフトの線膨張係数を17×10−6プラス/マイナス5%以内とし、
上記スリーブの線膨張係数を0℃〜100℃の範囲の測定で11×10−6〜15×10−6とし、
上記スリーブの硬度をシャフトの硬度より小さくし、よりやわらかな部材となる上記スリーブ側であって上記シャフトと対向する部分にラジアル軸受用の動圧溝を設けたことを特徴とする動圧軸受装置。
In a hydrodynamic bearing device having a shaft, a sleeve arranged to be rotatable relative to the shaft, and a base for fixing either the shaft or the sleeve,
The shaft is made of stainless steel,
The sleeve is formed of an aluminum silicon alloy having aluminum and silicon as components,
The linear expansion coefficient of the shaft is within 17 × 10 −6 plus / minus 5%,
The linear expansion coefficient of the sleeve is set to 11 × 10 −6 to 15 × 10 −6 in a measurement in a range of 0 ° C. to 100 ° C.,
A dynamic pressure bearing device wherein the hardness of the sleeve is smaller than the hardness of the shaft, and a dynamic pressure groove for a radial bearing is provided on a portion of the sleeve which is a softer member and facing the shaft. .
シャフトと、このシャフトに相対回転可能に配置されるスリーブと、上記シャフトまたは上記スリーブのいずれか一方を固定するベースを有する動圧軸受装置において、
上記スリーブを、Alが65〜69重量%、Siが28〜32重量%、Cuその他が1〜5重量%で構成されるアルミシリコン合金にて形成し、このスリーブの線膨張係数を0℃〜100℃の範囲の測定で上記シャフトの線膨張係数に対して1×10−6〜7×10−6だけ小さくし、上記スリーブの硬度を上記シャフトの硬度より小さくし、よりやわらかな部材となる上記スリーブ側であって上記シャフトと対向する部分にラジアル軸受用の動圧溝を設けたことを特徴とする動圧軸受装置。
In a hydrodynamic bearing device having a shaft, a sleeve arranged to be rotatable relative to the shaft, and a base for fixing either the shaft or the sleeve,
The sleeve is made of an aluminum-silicon alloy composed of 65 to 69% by weight of Al, 28 to 32% by weight of Si, and 1 to 5% by weight of Cu and the like. In the measurement in the range of 100 ° C., the linear expansion coefficient of the shaft is reduced by 1 × 10 −6 to 7 × 10 −6 , the hardness of the sleeve is smaller than the hardness of the shaft, and a softer member is obtained. A dynamic pressure bearing device, wherein a dynamic pressure groove for a radial bearing is provided on a portion of the sleeve facing the shaft.
シャフトと、このシャフトに相対回転可能に配置されるスリーブと、上記シャフトまたは上記スリーブのいずれか一方を固定するベースを有する動圧軸受装置において、
上記シャフトの上記ベースとは反対側の端部にスラスト板を設け、
上記スリーブを、アルミニウムとシリコンを成分として有するアルミシリコン合金にて形成し、
上記シャフトを、Crを10.5〜32重量%、Niを4〜13重量%含有した鉄系合金となるステンレス鋼で形成し、
上記スリーブの上記シャフトと対向する部分である上記スリーブの内面に、ラジアル軸受用の動圧溝を設け、上記スラスト板と対向する位置であってこのスラスト板を覆うと共に上記スリーブの中心孔を塞ぐようにして設けられたカウンタープレートの上記スラスト板と対向する位置に、スラスト軸受用の第1のスラスト動圧溝を設け、上記スラスト板の上記第1のスラスト動圧溝と対向する面とは反対となる面と対向する上記スリーブ部分に、第2のスラスト動圧溝を設けたことを特徴とする動圧軸受装置。
In a hydrodynamic bearing device having a shaft, a sleeve arranged to be rotatable relative to the shaft, and a base for fixing either the shaft or the sleeve,
A thrust plate is provided at the end of the shaft opposite to the base,
The sleeve is formed of an aluminum silicon alloy having aluminum and silicon as components,
The shaft is made of stainless steel which is an iron-based alloy containing 10.5 to 32% by weight of Cr and 4 to 13% by weight of Ni,
A dynamic pressure groove for a radial bearing is provided on an inner surface of the sleeve, which is a portion of the sleeve facing the shaft, and covers the thrust plate at a position facing the thrust plate and closes a center hole of the sleeve. A first thrust dynamic pressure groove for a thrust bearing is provided at a position facing the thrust plate of the counter plate provided as described above, and a surface of the thrust plate facing the first thrust dynamic pressure groove is A dynamic pressure bearing device, wherein a second thrust dynamic pressure groove is provided in the sleeve portion facing the opposite surface.
シャフトと、このシャフトに相対回転可能に配置されるスリーブと、上記シャフトまたは上記スリーブのいずれか一方を固定するベースを有する動圧軸受装置において、
上記スリーブを、少なくとも0℃〜100℃の温度範囲で、温度が高くなるほど線膨張係数が大きくなる、アルミニウムとシリコンを成分として有するアルミシリコン合金にて形成し、上記シャフトの線膨張係数を上記スリーブの線膨張係数より大きくかつ上記温度範囲で一定とし、上記スリーブの硬度を上記シャフトの硬度より小さくし、よりやわらかな部材となる上記スリーブ側であって上記シャフトと対向する部分にラジアル軸受用の動圧溝を設けたことを特徴とする動圧軸受装置。
In a hydrodynamic bearing device having a shaft, a sleeve arranged to be rotatable relative to the shaft, and a base for fixing either the shaft or the sleeve,
The sleeve is formed of an aluminum-silicon alloy having aluminum and silicon as components, the linear expansion coefficient of which increases as the temperature increases, at least in a temperature range of 0 ° C. to 100 ° C. The coefficient of linear expansion is larger than the coefficient of linear expansion and is constant in the temperature range, the hardness of the sleeve is smaller than the hardness of the shaft, and a portion of the sleeve that is a softer member and is opposed to the shaft is a radial bearing. A hydrodynamic bearing device comprising a hydrodynamic groove.
前記シャフトを前記ベースに固定すると共に前記スリーブを前記シャフトの周りに回転可能に配置したことを特徴とする請求項2から5のいずれか1項記載の動圧軸受装置。The dynamic pressure bearing device according to any one of claims 2 to 5, wherein the shaft is fixed to the base and the sleeve is rotatably arranged around the shaft. 前記スリーブと一体回転するディスク保持用のハブを前記スリーブと共に前記アルミシリコン合金にて一体形成したことを特徴とする請求項6記載の動圧軸受装置。7. The hydrodynamic bearing device according to claim 6, wherein a disk holding hub that rotates integrally with the sleeve is formed integrally with the sleeve from the aluminum silicon alloy. 前記シャフトの前記ベースとは反対側の端部に、前記シャフトの径より大径となるスラスト板を設け、このスラスト板と前記シャフトとをステンレス鋼にて一体形成してシャフト体とし、上記スラスト板部分の軸方向厚さを0.1〜0.7mmとしたことを特徴とする請求項6または7記載の動圧軸受装置。At the end of the shaft opposite to the base, a thrust plate having a diameter larger than the diameter of the shaft is provided, and the thrust plate and the shaft are integrally formed of stainless steel to form a shaft body. 8. The hydrodynamic bearing device according to claim 6, wherein the plate portion has an axial thickness of 0.1 to 0.7 mm. 前記スリーブと一体回転するロータを前記スリーブと共に前記アルミシリコン合金にて一体形成したことを特徴とする請求項6、7または8記載の動圧軸受装置。9. The hydrodynamic bearing device according to claim 6, wherein the rotor that rotates integrally with the sleeve is formed integrally with the sleeve from the aluminum silicon alloy. ベースと、このベースに固定されるシャフトと、このシャフトの周りに回転可能に配置されるスリーブと、を有する動圧軸受装置の製造方法において、
上記シャフトと上記ベースの軸方向厚さを完成状態に比べ厚くしておき、上記シャフトを上記ベースに組み込んだ後に、上記シャフトの底側の一部と上記ベースの底側の一部とを、同時にかつ両者の切り取り面が一定の平面となるように切り取り、完成状態の厚さとしたことを特徴とする動圧軸受装置の製造方法。
In a method for manufacturing a hydrodynamic bearing device having a base, a shaft fixed to the base, and a sleeve rotatably arranged around the shaft,
The axial thickness of the shaft and the base is made thicker than the completed state, and after the shaft is incorporated into the base, a part of the bottom side of the shaft and a part of the bottom side of the base are A method of manufacturing a hydrodynamic bearing device, characterized in that both the cut surfaces are cut at the same time so that the cut surfaces are constant, and the cut surface is in a completed state.
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