JP2004190855A - スピンドルモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 スピンドルモータの動圧軸受装置を、振動特性および回転精度を損なうことなしに、低コストで容易に製造することができるように改善する。
【解決手段】 スピンドルモータの動圧軸受装置におけるブッシュは、上部はめ輪部２と下部はめ輪部１０に分離された２分割型のはめ輪部と、上部はめ輪部２と下部はめ輪部１０を軸方向に相互間隔をおかせる環状スペーサ５と、環状スペーサ５によりロータ４に固定され、両はめ輪部２、１０および環状スペーサ５を内周側に固定させる保持止め輪部３とを備え、軸１の長手方向中央領域に配置されるスラストプレート６を収容するために、両はめ輪部２、１０と環状スペーサ５により形成される環状凹部１７とが設けられる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、ハードディスクドライブ装置に用いられるような、軸と、その軸に固定されたスラストプレートと、その軸およびスラストプレートに対して相対的に回転するブッシュを備えた動圧軸受装置を有するスピンドルモータに関する。

ハードディスクドライブ装置用スピンドルモータは、主としてステータ、ロータ、およびその両者の間に配置される少なくとも１つの軸受装置からなっている。ロータは、電磁的に駆動され、軸受装置により、ステータに対して回転自在に支持される。軸受装置としては、転がり軸受と動圧型滑り軸受の何れを用いても良い。

転がり軸受に対する動圧滑り軸受の特有の利点は、回転精度が高い点、衝撃負荷（ショック）に対してあまり敏感ではない点、および、構成部品の数が少ない点である。しかも、定格回転速度において、滑り軸受を構成する滑り部材同士は非接触で動作するので、摩耗が少なく、ほとんど騒音を発生しない。

この種の動圧軸受装置は、例えば、米国特許第５,８４７,４７９号明細書により公知である。この動圧軸受装置では、相対的に互いに回転運動する各部材の各軸受面を分離させる軸受隙間内に流体が介在し、その流体が潤滑剤として用いられる。潤滑剤、好ましくはオイルは、軸受が駆動される間、駆動負荷に耐える潤滑被膜を両軸受面の間に形成する。

上記した公知の動圧軸受装置は、軸受スリーブ（ブッシュ）、および、その軸受スリーブの軸方向に設けられた孔内に配置される軸を含んで構成される。軸は、軸受スリーブ内で自由に回転し、その各部材は協働してラジアル軸受を形成する。軸のほぼ中央にはスラストプレートが配置され、スラストプレートは、軸受スリーブに形成されたスラストプレートに対応する凹部（空洞）内で回転し、カバープレートと共にスラスト軸受を構成する。このスラスト軸受が設けられていることで、軸と軸受スリーブとの間の回転軸方向のずれが防止される。軸および軸受スリーブ、あるいは、スラストプレート及びカバープレートの組み合わせの各軸受面は相互に作用し、各組み合わせにおける少なくとも一方の面には、溝パターンが設けられている。この溝パターンは、回転によって生じる相対運動により潤滑剤にポンプ作用を発生させ、それにより軸受剛性の確保に必要な流体動圧を発生させる。

上述した動圧軸受装置においては、スラスト軸受のスラストプレートは、軸のほぼ中央に位置している。すなわち、このスラスト軸受は、回転軸心に沿って、ラジアル軸受の間に配置されている。
米国特許第５，８４７，４７９号明細書

本発明の課題は、軸に固定されたスラストプレートに対して相対的に回転するブッシュを備える型のスピンドルモータに用いられる動圧軸受装置を、振動特性および回転精度を損なうことなしに、低コストで容易に製造することができ、組み立てを簡略化できる部品を用いることができるように改善することである。

上記した課題を解決するために、本発明のスピンドルモータは、動圧軸受装置と、ステータと、１つまたは複数の記憶ディスクを支持するロータとを備え、動圧軸受装置は、軸と、ブッシュと、軸に固定されたスラストプレートとを含み、ブッシュが、軸およびスラストプレートに対して相対的に回転するスピンドルモータであって、ブッシュは、上部はめ輪部と下部はめ輪部に分離された２分割型のはめ輪部と、上部はめ輪部と下部はめ輪部を軸方向に相互間隔をおかせる環状スペーサと、ロータに固定され、両はめ輪部および環状スペーサを内周側に固定させる保持止め輪部とを備え、軸の長手方向中央領域に配置されるスラストプレートを収容するために、両はめ輪部と環状スペーサにより形成される環状凹部（環状空洞部）が設けられることを特徴とする。

すなわち、本発明による動圧軸受装置は、上部はめ輪部、および、上部はめ輪部とほぼ同一構造を有し環状スペーサによって上部はめ輪部に対し軸方向に相互間隔をおいて配置される下部はめ輪部を有する２分割型のはめ輪部と、ロータに回転不能に固定された保持止め輪部とを備えている。両はめ輪部および環状スペーサは、両はめ輪部と環状スペーサの内周面との間に軸の長手方向中央領域に配置されるスラストプレートを収容するための環状凹部を形成できるように、保持止め輪部の内周面側に保持される。

それ故に、本発明の動圧軸受装置は、互いに間隔をおいて位置する２つのラジアル軸受および両ラジアル軸受間に配置されたスラスト軸受を備えている。

本発明のスピンドルモータの好ましい構成および上記した他の構成例として、動圧軸受装置は、軸方向に互いに間隔をおいて配置された２つのラジアル軸受と、これら両ラジアル軸受の間に配置された少なくとも１つのスラスト軸受とが設けられるようにしてもよく、両はめ輪部は、外径寸法が同一であってもよい。また、軸は、上部はめ輪部の上部開口部、および、下部はめ輪部の下部開口部の少なくとも一方側に、軸の放射（半径）方向にくびれた部位を有しており、その軸のくびれ部位によって、両はめ輪部と軸との間に、潤滑剤用貯留部として機能する凹部（隙間変化部）が形成されるようにしてもよく、さらに軸は、ベースプレート（またはフランジ）内にきつく嵌め込まれ、両はめ輪部は、軸の周りを回転し、且つ、ロータを支持するようにしてもよい。

また、本発明の好ましい構成の例として、スラストプレートは、その内周面部に軸と平行に潤滑剤の流路となる複数の凹溝部（油溝）が設けられるようにしてもよい。すなわち、動圧軸受装置におけるスラストプレートの上部および下部に位置する両領域間の潤滑剤を循環（流動）させるために、軸に固定されるスラストプレートの内周面側の、スラストプレートと軸との間に、潤滑剤の流路として用いられる複数の凹溝部が設けられるようにしてもよい。

本発明のスピンドルモータのブッシュの上下外側末端領域では、その領域に対応する軸にテーパ部（くびれ）が設けられ、各ブッシュの上下外側末端面近くに対応する領域の軸の直径が最小になっている。この軸受構造では、その軸受の内側、つまり軸側の境界面が好ましくはテーパを有する円錐形状とされ、その外側、つまりブッシュ側の境界面、特にブッシュの内側軸受面が好ましくは円筒形状とされて、それにより同心の凹部（隙間変化部）が形成される。この凹部は、潤滑剤用の貯留部として機能し、粘着力および毛細管の力によってその凹部内に潤滑剤を保持する。

本発明では、軸に固定されたスラストプレートに対して相対的に回転するブッシュを備える型のスピンドルモータに用いられる動圧軸受装置を、ほぼ同一構造の２つのはめ輪部、環状スペーサ、および保持止め輪部を組み合わせて使用することにより、振動特性および回転精度を損なうことなしに、低コストで動圧軸受装置の組み立てを可能な限り簡単にできるばかりでなく、ロータおよびスピンドルモータの組み立ても簡単にすることができる。

本発明の動圧軸受装置は、スラストプレートの内周面部に複数の凹溝部（油溝）を備え、軸のくびれ部位とはめ輪部との間に、潤滑剤用貯留部として機能する凹部（隙間変化部）が形成されるので、上記した従来の動圧軸受装置に比較して摩耗損失を増大させることなく、優れた回転精度を維持しつつ、強い剛性および優れた振動特性を有することができる。

本発明の動圧軸受装置は、両ラジアル軸受間にスラスト軸受が配置されているので、ラジアル軸受間の幅を最大限に活用できる。言い換えれば、両ラジアル軸受の間隔を可能な限り広くとることができる。

次に図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図面およびその説明により、本発明の更なる特徴、利点、および適用例を明らかにする。

以下に記載する本発明の実施形態は、ピボット軸受としてスピンドルモータに適用される動圧軸受装置についてのものである。本実施形態では、ロータに接合された複数分割型の軸受スリーブ（はめ輪）が、ベースプレート（またはフランジ）に固定された軸に、回転自在に配置されることが前提となる。但し、本発明は、ベースプレートに固定された軸受スリーブ内に、ロータを支持する軸が回転自在に配置される構造のもの（動圧軸受装置）にも転用可能である。

図１に示されているスピンドルモータは、スピンドルモータに含まれるステータ８を支持するベースプレート（またはフランジ）１１を備えている。ベースプレート１１の中心開口（孔）内に軸１が嵌め込まれ、ベースプレート１１に強固に接合されている。軸１の中央部には、軸１に回転不能に接合されたスラストプレート６が配置されている。

スピンドルモータのロータは、ハードディスクドライブ装置の記憶ディスク（図示省略）を支持するほぼ釣鐘状のハブ４を備えている。

ハブ４は、略円筒形状に窪んだ円筒状凹部（円筒状空洞部）１３を備え、その中に保持止め輪部３が固く圧入されるか、若しくは接着されている。保持止め輪部３の内側には、環状スペーサ５によって、軸方向に互いに間隔がおかれた上部はめ輪部２および下部はめ輪部１０が固定されている。

保持止め輪部３と、はめ輪部２、１０、および、環状スペーサ５は、互いに接合され、さらにハブ４に回転不能に接合されており、これらが合わさってスピンドルモータのロータを形成している。軸１に固定されたスラストプレート６を有する軸１の軸受座は、スラストプレート６の両面に配置されて、環状スペーサ５によって互いの間隔が保たれるはめ輪部２、１０から形成される。その場合、はめ輪部２、１０は、軸１を放射（半径）方向にわずかな間隔をおいて囲んでいる。環状スペーサ５の内径およびその幅（厚さ）は、スラストプレート６の外径ないしは幅（厚さ）よりわずかに大きいので、軸１は、スラストプレート６とともに、その軸受座の内側で自由に回転することができる。同時にスラストプレート６が、両はめ輪部２、１０と放射（半径）方向に部分的にオーバーラップしているため、軸１は、軸方向に安定して位置決めされるようになっている。

軸１は、両はめ輪部２、１０の上下外側の端部領域で円錐形状にテーパを有するようにくびれており、それによりはめ輪部２、１０と軸１との間にそれぞれ、同心であって軸方向の上下外側に向かって拡大する自由空間（凹部：隙間変化部）が形成され、そこが潤滑剤用の貯留部１４、１５として機能する。

ハブ４は、その外側端縁部に、ステータ８と協働するヨーク７および環状永久磁石９を支持している。ロータは、ステータ８によって発生される交番磁界により回転させられる。ステータ８への電力供給は、ケーブル通路に配置された接続リード線１２を介して行われる。

本実施の形態の動圧軸受装置は、ピボット軸受であり、そのピボット軸受は、一方側が、保持止め輪部３内に保持されたはめ輪部２、１０で、他方側が、スラストプレート６と軸１からなり、軸受の相対的に回転する両側の部材が、軸受の駆動中に、軸受隙間内に介在する薄い潤滑剤被膜によって互いに離間される流体動圧軸受として構成される。

この潤滑剤被膜は、高速回転時のロータの「浮き上がり」および定格回転時の無接触回転運動を可能にする。

スラストプレート６には、軸１とスラストプレート６とを固定的に接合させるために、軸１を収容する同心孔が設けられる。この孔のほぼ円筒形状の内周面には、軸と平行な潤滑剤流路となる凹溝部１６が設けられる。この凹溝部１６は、起動時に、スラストプレート６の上下両面側の軸受隙間内における潤滑剤の圧力平衡ないし容量平衡を速やかに実施することができる。

互いに協働して動圧軸受装置を構成する軸１およびはめ輪部２、１０の少なくとも一方（本実施の形態の場合では両方のはめ輪部２、１０）の軸受面は、刻み目模様（動圧溝）が設けられた円筒領域を有している。同様にスラストプレート６の平坦な端面、およびこれに対向する両はめ輪部２、１０の端面の少なくとも一方にも、相応する刻み目模様（動圧溝：図示省略）が設けられている。

動圧溝の領域では、軸受面が回転する相対運動によって、一種のポンプ作用が生じ、それが潤滑剤被膜に流体動圧を発生させる。この動圧がかかる領域における局部的な力成分は、軸受の隙間の幅に反比例するので、回転軸に作用する機能的な障害は、すぐに自己調節されて補償される。そして、ラジアル軸受およびスラスト軸受によって、回転軸の位置および方向が完全に安定する。

この時、スラストプレート６の上方および下方におけるラジアル軸受領域には、はめ輪部２、１０の円筒状軸受面上の動圧溝によって、軸１を同心に取り囲む環状の圧力受が生じる。その圧力受からの、回転するはめ輪部２、１０に作用する環状の全周方向に働く反力は、回転軸の中央領域で交差し、総和としてゼロになる。すなわち、回転軸を共有する軸１、および、はめ輪部２、１０は、安定した力の平衡状態となり、その結果、回転軸が定格位置から逸脱する事態を効果的に阻止することができる。

回転軸の位置が軸方向に安定化することで、はめ輪部２、１０の上下端面に配置された動圧溝により、スラストプレート６の上下両側の潤滑剤被膜に同一平面上となるような圧力ゾーンを発生させ、スラストプレート６の上下両側に機能する流体動圧軸受が形成される。この圧力ゾーンにより、言わば、各軸方向の力成分が同じ大きさで上下逆向きである一対のスラスト軸受が形成される。その一対のスラスト軸受においては、はめ輪部２、１０の各々対応する上下内側端面に作用する力により、安定した力の平衡状態が生じ、それにより回転軸はその軸方向における位置に効果的に安定化（位置決め）される。

このようにしてロータの回転時に生じるポンプ作用によって、スラスト軸受の領域内とラジアル軸受に沿って潤滑剤被膜が切れ目無く繋がるので、軸１に対して相対的にロータを安定して同心回転させる役目を担う動圧軸受装置における動圧ゾーンが形成される。

一般的に、動圧軸受装置全体の剛性および制動は、軸受の隙間の幅および潤滑剤の粘度によって、決定付けられるか、あるいは影響を受ける。

スピンドルモータの組み立ての際には、
（１）まず軸１上に第一にスラストプレート６を固定する。
（２）次に、スラストプレート６を備えた軸１に、一方のはめ輪部２、または、はめ輪部１０を嵌め込む。
（３）環状スペーサ５をスラストプレート６上にかぶせる。
（４）次に、軸１に他方のはめ輪部１０、または、はめ輪部２を嵌め込む。
（５）次いで、保持止め輪部３を用いて、両はめ輪部２、１０および環状スペーサ５が互いに然るべき位置関係となるようにして固定する。
このように組み立てることで、スラストプレート６は、はめ輪部２、１０、および、環状スペーサ５によって形成される環状凹部１７内に存在することになる。
このようにして、動圧軸受装置が完成状態に組み立てられると、次に、
（６）潤滑剤、好ましくはオイルが満たされる。

（７）続いて、ヨーク７および環状永久磁石９を備えたロータのハブ４に設けられた円筒状凹部１３内に、保持止め輪部３を圧入することによって、機能を発揮できる動圧軸受装置の組み立ては最終段階となる。
（８）最後に、軸１の下部軸端を、ベースプレート１１に圧入、接着、あるいは他の手段で固定することにより、ロータをベースプレート１１に組み込む。

このようにして、本実施の形態の動圧軸受装置では、軸に固定されたスラストプレートに対して相対的に回転するブッシュを備える型のスピンドルモータに用いられる動圧軸受装置を、保持止め輪部、ほぼ同一構造の２つのはめ輪部、および環状スペーサを組み合わせて使用することにより、振動特性および回転精度を損なうことなしに、低コストで動圧軸受装置の組み立てを可能な限り簡単にでき、さらに、ロータおよびスピンドルモータの組み立ても簡単にすることができる。

また、本実施の形態の動圧軸受装置は、スラストプレートに複数の凹溝部を備え、軸のくびれ部位と両はめ輪部との間に、潤滑剤用貯留部として機能する凹部が形成されるので、摩耗損失を増大させることなく、優れた回転精度を維持しつつ、強い剛性および優れた振動特性を有することができる。

また、本実施の形態の動圧軸受装置は、両ラジアル軸受間にスラスト軸受が配置されているので、ラジアル軸受間の幅を最大限に活用でき、両ラジアル軸受の間隔を可能な限り広くとることができる。

本発明の実施の形態である動圧軸受装置を備えたスピンドルモータを示す縦断面図である。

符号の説明

１ 軸
２ 上部はめ輪部
３ 保持止め輪部
４ （ロータの）ハブ
５ 環状スペーサ
６ スラストプレート
７ ヨーク
８ ステータ
９ 環状永久磁石
１０ 下部はめ輪部
１１ ベースプレート（またはフランジ）
１２ リード線
１３ （ハブの）円筒状凹部（円筒状空洞部）
１４ 貯留部（自由空間、凹部、隙間変化部）
１５ 貯留部（自由空間、凹部、隙間変化部）
１６ 凹溝部（油溝）
１７ 環状凹部（環状空洞部）

Claims (7)

1. 動圧軸受装置と、ステータと、１つまたは複数の記憶ディスクを支持するロータとを備え、
   前記動圧軸受装置は、軸と、ブッシュと、前記軸に固定されたスラストプレートとを含み、
   前記ブッシュが、前記軸およびスラストプレートに対して相対的に回転する
   スピンドルモータであって、
   前記ブッシュは、
   上部はめ輪部と下部はめ輪部に分離された２分割型のはめ輪部と、
   前記上部はめ輪部と前記下部はめ輪部を軸方向に相互間隔をおかせる環状スペーサと、
   前記ロータに固定され、前記両はめ輪部および環状スペーサを内周側に固定させる保持止め輪部とを備え、
   前記軸の長手方向中央領域に配置される前記スラストプレートを収容するために、前記両はめ輪部と前記環状スペーサにより形成される環状凹部
   が設けられることを特徴とするスピンドルモータ。
2. 前記動圧軸受装置には、
   軸方向に互いに間隔をおいて配置された２つのラジアル軸受と、
   これら両ラジアル軸受の間に配置された少なくとも１つのスラスト軸受と
   が設けられることを特徴とする請求項１に記載のスピンドルモータ。
3. 前記スラストプレートには、
   その内周面部に前記軸と平行に潤滑剤の流路となる複数の凹溝部
   が設けられることを特徴とする請求項１または２に記載のスピンドルモータ。
4. 前記両はめ輪部は、
   外径寸法が同一である
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のスピンドルモータ。
5. 前記軸は、
   前記上部はめ輪部の上部開口部、および、前記下部はめ輪部の下部開口部の少なくとも一方側に、軸の放射方向にくびれた部位を有しており、
   その軸のくびれ部位によって、前記両はめ輪部と前記軸との間に、潤滑剤用貯留部として機能する凹部が形成される
   ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のスピンドルモータ。
6. 前記軸は、
   ベースプレート内にきつく嵌め込まれ、
   前記両はめ輪部は、
   前記軸の周りを回転し、且つ、前記ロータを支持する
   ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のスピンドルモータ。
7. 前記スピンドルモータは、
   ハードディスクドライブ装置を駆動するためのスピンドルモータである
   ことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載のスピンドルモータ。

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