JP2005045924A

JP2005045924A - スピンドルモータ、このスピンドルモータに適用されるロータの製造方法、及びこのスピンドルモータを備えたハードディスク駆動装置

Info

Publication number: JP2005045924A
Application number: JP2003277830A
Authority: JP
Inventors: Taketo Tamaoka; 健人玉岡
Original assignee: Nidec Corp
Current assignee: Nidec Corp
Priority date: 2003-07-22
Filing date: 2003-07-22
Publication date: 2005-02-17
Also published as: CN1321276C; US20050025405A1; US7021829B2; CN1576623A

Abstract

【課題】各動圧軸受部の軸受剛性と、シャフト及びロータハブの直角度等の精度と、テーパシール部の軸方向寸法とを確保すると共に、モータ全体の小型且つ薄型化を実現することである。また、使用環境の変化に関わらず、安定した軸受剛性を確保すると共に、モータ外部へのオイルの流出を防止し、信頼性並びに耐久性を向上させることである。加えて、小型且つ薄型のモータであっても、組立工程でのロータハブの応力変形を排除して信頼性を向上させることである。
【解決手段】フルフィル構造の流体動圧軸受部を有するスピンドルモータであって、シャフト１６及びロータハブ１８を一体に成形すると共に、動圧軸受部の径方向外方にテーパシール部３４を形成する。そして、シャフト１６及びロータハブ１８を軸受保持部材４及びスリーブ１２より熱膨張係数の高い部材によって成形する。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体動圧軸受を用いたスピンドルモータとそのスピンドルモータに適用されるロータの製造方法、及び流体動圧軸受を用いたスピンドルモータを備えたハードディスク駆動装置に関する。

従来から、ハードディスク駆動装置、リムーバブルディスク駆動装置等において、記録ディスクを駆動するモータの軸受として、モータ回転時に、シャフトとスリーブとの間隙に保持されるオイル等の流体に発生させた動圧を利用する動圧軸受が用いられ、種々提案されている。

この従来のモータは、シャフトの外周面とスリーブの内周面との間の間隙に軸方向に離設された一対のラジアル動圧軸受部を形成すると共に、シャフトに固定されたスラストプレートの上下端面とこれと軸方向に対向するスリーブの下面及びカウンタープレートの上面との間隙に、それぞれスラスト動圧軸受部を形成している。更に、この従来のモータは、スリーブの内周面とシャフトの外周面の内、スリーブの内周面を軸受部から離れるに従い漸次拡大させることで、シャフトとロータハブとの嵌合部とラジアル動圧軸受部との間にテーパーシール部を形成しており、テーパシール部に保持されるオイル界面の形成位置によって毛細管力に格差を生じさせ、軸受部で保持するオイルの量が減少した場合には、テーパシール部から軸受部へとオイルを供給し、また温度上昇によって、軸受部内で保持されるオイルの体積が増加した場合には、その増加分を収容する機能を有している。

そして、一対のラジアル動圧軸受部と一対のスラスト動圧軸受部並びにテーパシール部とを形成する微小間隙には、オイルが途切れることなく連続して保持されており（このようなオイル保持構造を、以下「フルフィル構造」と記す）、モータが回転すると、ラジアル動圧軸受部及びスラスト動圧軸受部において動圧が発生し、スリーブがロータを非接触にて回転自在に支持する構成を有している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−２１８４５号公報（第1図）

近年、パソコン等の機器に使用されていたハードディスク駆動装置は、より小型で持ち運べる情報端末への適用が開始されており、スピンドルモータに対しては、これまでの高速且つ高精度な回転に加え、より小型且つ薄型並びに低消費電力化が望まれるようになってきた。

しかしながら、スピンドルモータを小型且つ薄型化しようとした場合、上述の構成では、シャフトとロータハブとの嵌合部、テーパシール部、一対のラジアル動圧軸受部及び一対のスラスト動圧軸受部が軸方向に並列に構成されているため、モータを小型且つ薄型化することは困難である。

即ち、モータの小型且つ薄型化の要求に対し、一対のラジアル動圧軸受部の軸受剛性を確保しようとすると、シャフトとロータハブとの嵌合部及び一対のスラスト動圧軸受部の軸方向寸法の確保が困難となる。シャフトとロータハブとの嵌合部の軸方向寸法が短くなると、シャフトとロータハブとの締結強度が弱まり、モータ回転時にロータハブの平行度が失われロータハブが振れ回ってしまい、安定した回転が得られなくなる。

一方、シャフトとロータハブとの嵌合部の軸方向寸法を確保しようとすると、一対のラジアル動圧軸受部の軸方向寸法が短くなり、軸受剛性が弱まり、安定してシャフトを支持できなくなる。ロータの回転精度やロータの姿勢の保持は、専ら一対のラジアル動圧軸受部に依存するため、一対のラジアル動圧軸受部の軸方向間隔を十分にとる必要があることから、前述のモータでは、要求される回転精度を維持しながらモータ全体を小型且つ薄型化することは非常に困難であるからである。

加えて、一対のラジアル動圧軸受部及びシャフトとロータハブとの嵌合部の軸方向寸法を確保しようとすると、一対のスラスト動圧軸受部の軸受剛性の確保が困難となる。前述のモータではシャフトの端部にスラストプレートが固定されており、このスラストプレートの上下端面に形成されるスラスト動圧軸受部で発生する軸方向の荷重支持力によって、ロータの軸方向の移動が規制されロータの浮上が安定する。ところが、一対のスラスト動圧軸受部を薄型化しようとして、スラストプレートの厚みを薄くすると、スラストプレートとシャフトとの嵌合部の軸方向寸法が短くなり、スラストプレートの直角度が低下してしまう。スラストプレートの直角度が低下すると、一対のスラスト動圧軸受部で安定した軸方向の荷重支持力を得ることができず、一対のスラスト動圧軸受部の軸受剛性が低下してしまうため、ロータの過浮上等が発生して、ロータを安定して支持することが困難となる。

更に、近年ハードディスク駆動装置は、カーナビゲーションシステムに代表される車載用機器にも搭載が開始されてきている。ところが車載用機器の場合、様々な環境下での使用が予想されることから、これに用いられる機器に対しても非常に広い温度範囲で安定して動作することが要求されており、ハードディスク駆動装置に対しては、例えば温度差が１００℃以上の環境下においても使用が可能である、というこれまでに無い厳しい温度環境下での使用が要求される。

周知のとおり、高温環境下ではオイルの粘性が低下するので発生する動圧も低下し、結果的に所定の軸受剛性を得ることが困難になる。このようなオイルの粘性低下を回避するために高粘度のオイルを使用すると、低温環境下では粘性過多となりモータの回転負荷が増大するのでモータの消費電力量が増大してしまう。従って、幅広い温度範囲で動圧軸受を用いたモータを適用可能とするためには、低温環境下でのモータの消費電力量の増加を抑制しながら高温環境下における軸受剛性の低下を防止するという相反する課題を同時に解決する必要がある。また高温環境下では、オイルの粘性が低下すると共に熱膨張によってオイルの体積が増加する。そのため、各軸受部に保持されていたオイルは、体積増加した分だけ各軸受部からテーパシール部へと押し出される。この時、モータの小型且つ薄型化という寸法上の制約から、テーパシール部の軸方向寸法が制限され容積を十分に確保することができない場合、テーパシール部内に流入するオイルを収容しきれずに、オイルがテーパシール部の外部に流出する場合がある。流出したオイルが、駆動装置側のハードディスクやこれに近接配置された磁気ヘッドに付着すると、リード／ライトエラーを引き起こす原因となる。

これに対し、テーパシール部の軸方向寸法を十分に確保して前述の体積増加した分のオイルを保持しようとすると、テーパシール部と軸方向に並列配置されている一対のラジアル動圧軸受部の軸方向寸法が制約され、ラジアル動圧軸受部の軸受剛性の確保が困難となる。加えて、同じくテーパシール部と軸方向に並列配置されているシャフトとロータハブとの嵌合部の軸方向寸法の確保も困難となる。

更に、小型且つ薄型のスピンドルモータの場合、当然にモータを構成する各種部品も小型且つ薄型化されるようになるが、その分各種部品の機械的強度が低下し部品間の圧入や接着等の工程において発生する応力が、部品の表面精度や歪み等に与える影響が大きくなる。

例えば、ロータハブに対してロータマグネットを接着固定しようとした場合、ロータマグネット自体あまり強度の高くない部品であることから、両者の固定において締め代は殆ど設定することができない。従って、ロータハブの内周面にロータマグネットの外周面を接着固定する、いわゆるアウタロータ型のスピンドルモータの場合、ロータハブ内周面の内径とロータマグネット外周面の外径との間には数μｍの隙間が形成されるよう設計されるのが一般的である。しかしながら、この数μｍの隙間が存在するが故に、接着剤の塗布量を全周にわたって均一にすることが困難となり、肉厚の薄いロータハブであれば接着剤の硬化収縮によって生じる応力が周方向で不均一となることで歪みが生じ、ハードディスクを記録面がスピンドルモータの軸心に対して略直交するよう搭載することが困難になるので、ＲＲＯ（繰り返し性振れ成分）が悪化する。

上記従来技術の有していた様々な問題点を鑑み、本発明は、以下の技術的課題を解決することを目的とする。

（１）ラジアル動圧軸受部及びスラスト動圧軸受部の軸受剛性、シャフトとロータハブとの直角度等の精度及びテーパシール部の軸方向寸法を確保し、且つモータ全体の小型且つ薄型化を実現する。

（２）使用環境の変化に関わらず、モータの消費電力量を増大させることなく安定した軸受剛性を確保し、且つ高温環境下でのオイルのモータ外部への流出を防止して信頼性並びに耐久性を向上する。

（３）小型且つ薄型のモータであっても、組立工程でのロータハブの応力変形を排除して信頼性を向上する。

上記課題を解決するために本発明の請求項１記載のスピンドルモータは、シャフトと、該シャフトの一端側に配置されると共に、略円板状の上壁部と該上壁部の外周部から垂下する周壁部とを有し該シャフトと一体に形成されたロータハブと、シャフトが回転自在に遊挿される軸受穴を有するスリーブと、を備え、
スリーブの外周面には、有底円筒状の軸受保持部材が形成され、ロータハブには、上壁部から垂下し軸受保持部材の外周部と径方向に間隙を介し対向する周状突起が形成され、該周状突起の内周面と軸受保持部材の外周面との間に形成される間隙は、上壁部から前記シャフトの他端側に向かって該間隙の半径方向の隙間寸法が拡径することでテーパシール部が構成され、
スリーブの上端面と前記ロータハブの上壁部の下面から、スリーブの内周面とシャフトの外周面、並びにスリーブの下端面と軸受保持部材の上端面との間には、テーパシール部に連続する微小間隙が形成され、該微小間隙内には、全体に渡ってオイルが途切れることなく連続して充填されると共に、オイルはテーパシール部内において気液界面を形成して保持されており、
スリーブの内周面及びシャフトの外周面とのいずれか一方の面には、一対のスパイラル溝を連結してなるヘリングボーン溝が動圧発生溝として設けられたラジアル動圧軸受部が構成され、
軸受保持部材の上端面及びロータハブの上壁部の下面とのいずれか一方の面には、ロータハブの回転時、ロータハブを軸方向一方から支持する動圧発生溝が形成されたスラスト動圧軸受部が構成され、
ロータハブ及びシャフトは、軸受保持部材及びスリーブより熱膨張係数の高い部材によって形成されていることを特徴とする。

請求項２記載のスピンドルモータでは、シャフトの他端側端部には、該シャフトより大径で、スリーブの下端面と軸方向に対向する略円板状の環状部材が固定され、該環状部材の上端面及びスリーブの下端面とのいずれか一方の面には、ロータの回転時、該ロータを軸方向一方から支持する動圧発生溝が形成されたスラスト動圧軸受部が形成されていることを特徴とする。

請求項３記載のスピンドルモータでは、ラジアル動圧軸受部は、軸方向に離間して一対形成されると共に、該一対のラジアル動圧軸受部の内、シャフトの一端側に位置するヘリングボーン溝は、ロータの回転時に前記オイルに対して該シャフトの他端側に向かう圧力が付与されるよう軸方向に非対称な形状のスパイラル溝を連接して形成されており、また、該シャフトの他端側に位置する前記ヘリングボーン溝は、該ロータの回転時に該オイルに対して軸方向に対称となる圧力勾配の流体動圧が付与されるよう実質的に同等な形状のスパイラル形状を有する溝を連接して形成されていることを特徴とする。

請求項４記載のハードディスク駆動装置では、ハウジングと、ハウジングの天面側及び底面側にそれぞれ固定された、請求項１乃至３のいずれかに記載のスピンドルモータと、スピンドルモータのロータ外周部に固定された、情報を読み書きできるハードディスクと、ハードディスクの所要の位置に情報を書き込み又は読み出すための情報アクセス手段とを備えたことを特徴とする。

請求項５記載のロータの製造方法では、シャフトと、該シャフトの一端側に配置され、略円板状の上壁部と該上壁部の外周部から垂下する周壁部と該周壁部から径方向に張り出したフランジ部とを有し該シャフトと一体に形成されたロータハブと、を鍛造によって成形する工程と、強磁性材から成形された略円筒状のヨークの内周面にロータマグネットを接着剤により固定する工程と、ヨークをロータハブの周壁部の内周面又は外周面に固定する工程と、シャフトの中央部に軸方向のネジ穴を成形する工程と、シャフトの外周面と、ロータハブの上壁部の下面及び周壁部の外周面並びにフランジ部の上端面と、に切削仕上げ加工を行う工程と、を備えたことを特徴とする。

請求項６記載のロータの製造方法では、ロータハブは、アルミニウム又はアルミニウム合金から形成されることを特徴とする。

本発明の請求項１記載のスピンドルモータでは、シャフト及びロータハブを一体に形成することにより、シャフトとロータハブとの嵌合部の締結強度の不足に起因するロータハブに対するシャフトの直角度等の組立精度の低下やロータハブからのシャフトの脱落等の発生を防止することができると共に、設計上ロータハブとシャフトとの締結強度に対して配慮する必要がないので、モータの小型且つ薄型化を図れる。また、ラジアル動圧軸受部を構成する軸受部材の径方向外方にテーパシール部を形成することにより、前述の効果に加え、ラジアル動圧軸受部の軸受剛性を低下させることなくテーパシール部の軸方向寸法及び容積を十分に確保することができる。

また、シャフト及びロータハブを軸受保持部材及びスリーブより熱膨張係数の高い部材によって形成することにより、高温環境下では、シャフト及びロータハブは径方向及び軸方向に熱膨張する。この時、熱膨張係数の関係からシャフト及びロータハブの熱膨張量が軸受保持部材及びスリーブの熱膨張量を上回ることとなるので、各動圧軸受部において、シャフト及びロータハブと対向する軸受部材及びスリーブとの間隙寸法が小となり、熱膨張によってオイルの粘性が低下しても、軸受剛性の低下を防止することが可能になる。従って、モータの消費電力量を増大させることなく所定の軸受剛性を確保することができる。

加えて、高温環境下にあっては、オイルは熱膨張によってその粘性が低下すると共に体積が増加する。そのため体積増加した分のオイルは、テーパシール部へと流入することとなり、テーパシール部の容量を十分に確保することができなければオイルはモータ外部へと漏れ出してしまうことになるので、モータの信頼性や耐久性が損なわれる。しかしながら、ロータハブと一体に形成される周状突起の熱膨張係数は、周状突起の径方向内方に位置する軸受保持部材の熱膨張係数よりも大きいので、周状突起の内周面と軸受保持部材の外周面との間で形成されるテーパシール部の径方向の間隙寸法が大となる。従って、高温環境下ではテーパシール部のオイル保持可能な容量を増加させることができ、オイルの体積が増加した分をテーパシール部内で十分に保持することが可能となる。

これにより、オイルのモータ外部への流出を防止することができ、信頼性並びに耐久性に優れたスピンドルモータを提供することができる。

請求項２記載のスピンドルモータでは、シャフトの一端側に形成されたスラスト動圧軸受部に加え、シャフトの他端側であるスリーブの下端面とこれと対向する環状部材の上端面との間隙にスラスト動圧軸受部を構成することにより、両スラスト動圧軸受部で発生する軸支持力が軸方向に相対向する方向から協働して作用することとなるので、ロータハブの回転を安定して支持することができる。

請求項３記載のスピンドルモータでは、ラジアル動圧軸受部を軸線方向に離接して一対構成することでロータハブの振れ回りに対する支持剛性を強化することができると共に、シャフトの一端側に位置するラジアル動圧軸受部に形成されるヘリングボーン溝を、軸方向に非対称な形状のスパイラル形状を有する溝を連接して形成することにより、負圧になりがちなラジアル動圧軸受部間の領域に保持されるオイルの内圧を常に大気圧以上の圧力に維持しておくことができ、オイル内に溶け込んだ空気が気泡化することを阻止することが可能になる。

請求項４記載のハードディスク駆動装置では、十分な機能を確保した上でハードディスク駆動装置の小型且つ薄型化を実現できると共に、信頼性並びに耐久性の高いハードディスク駆動装置を提供することができる。

請求項５及び６記載のロータの製造方法では、ロータマグネットを接着固定したヨークをロータの周壁部に固定して、シャフトの中央部に軸方向のネジ穴を成形した後、ロータの動圧軸受部を構成する端面及び周壁部のフランジ部の端面に仕上げ加工を施すことにより、ロータマグネットをロータハブに接着する場合に発生する、接着剤の硬化収縮応力による周壁部及びフランジ部の変形を矯正することができる。また、ヨークをロータハブの周壁部に固定することにより、薄肉の周壁部の剛性を高めることができる。加えて、シャフト及びロータハブをアルミニウム又はアルミニウム合金によって成形したため、加工性が高く、容易に高精度な加工を行うことが可能になるので、加工コストを低減することができる。

以下、本発明に係るスピンドルモータ、及びこのスピンドルモータを備えたハードディスク駆動装置を図１乃至図４を参照して説明する。尚、本発明の説明の実施形態では便宜上各図面の上下方向を「上下方向」とするが、実際の取付状態における方向を限定するものではない。

図１は本発明の一実施形態を示すスピンドルモータを示す断面図である。図１に示すように、本実施形態に係るスピンドルモータは、基本的には、ブラケット２と、これに固定される軸受保持部材４と、この軸受保持部材４の内周部に固定されるスリーブ１２と、このスリーブ１２によって回転自在に支持されるロータ６とから構成されている。

静止部材を構成するブラケット２の中央部には、軸受保持部材４が嵌合固定される中心孔の周囲に環状のボス部２ａが設けられており、このボス部２ａの外周部には、ステータ８が圧入及び／又は接着等によって固定される円筒部２ｂが形成されている。このボス部２ａの内周には、軸受保持部材４が圧入及び／又は接着によって固定されている。

軸受保持部材４は、中空円筒状の軸受ハウジング１０と、軸受ハウジング１０の軸方向下方を閉塞する板状のカウンタープレート１４とから構成される。軸受ハウジング１０は、後に詳述するロータハブより熱膨張係数の小さい部材から成形可能であり、具体的には、ＳＵＳ３０３（熱膨張係数１７．３×１０^-6／℃）、ＳＵＳ３０４（熱膨張係数１６．３×１０^-6／℃）、及びＳＵＳ４２０Ｊ２（熱膨張係数１０．４×１０^-6／℃）等から成形される。軸受ハウジング１０の内周面には、中心部に軸方向に貫通する軸受穴を有する円筒状のスリーブ１２が接着等の手段によって固定されている。このスリーブ１２は、オイルが含浸された多孔質焼結体から成形され、その材質は特に限定するものではなく、各種金属粉末や金属化合物粉末、非金属粉末を原料として成型、焼結したものが使用される。原料としては、Ｆｅ−Ｃｕ、Ｃｕ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐｂ、Ｆｅ−Ｃなどを含有すると共に、１２．９×１０^-6／℃程度の熱膨張係数を有している。尚、このような軸受ハウジング１０及びスリーブ１２は、後に詳述するロータハブより熱膨張係数の小さい部材からであればよく、例えば銅や銅合金等からも成形可能である。

回転部材であるロータ６は、スリーブ１２の内周面と径方向に間隙を介し対向するシャフト１６と、このシャフト１６と一体に形成される略カップ状のロータハブ１８とから構成されている。ロータハブ１８は、軸受ハウジング１０及びスリーブ１２の上端面と軸方向に対向する上壁部１８ａと、上壁部１８ａの外周部から軸方向に垂下する周壁部１８ｂと、周壁部１８ｂの下方に位置し周壁部１８ｂの外周面より径方向外方に張り出したフランジ部１８ｃとから構成される。周壁部１８ｂの外周面及びフランジ部１８ｃには、ハードディスク（図４において符号４６と図示する）が当接及び載置され、また周壁部１８ｂの内周面には、ロータマグネット２０が接着剤等によって固定される強磁性材のステンレス鋼から成形された環状のヨーク２１が接着により固着されている。このようなロータハブ１８は、スリーブ１２より熱膨張係数が大きい部材から成形可能であり、具体的には、Ａ６０６１（熱膨張係数２３．６×１０^-6／℃）等のアルミニウム又はアルミニウム合金から形成されている。

そして、シャフト１６の軸方向下端部には、環状部材である抜け止め部材２２が固定されている。抜け止め部材２２は、その上下端面は、スリーブ１２の下端面及びカウンタープレート１４の上端面とそれぞれ軸方向に間隙を介し対向し、その外周面は軸受ハウジング１０の内周面と径方向に間隙を介し対向している。なお、抜け止め部材は必要とする機械的強度や寸法安定性などから適宜選択できるが、シャフト１６の端部に固定されシャフト１６と一体に回転することから、シャフト１６と同程度の熱膨張係数を有する材質が好ましい。

このような構成においては、ロータハブ１８の上壁部１８ａの下面と軸受ハウジング１０及びスリーブ１２の上端面との間隙と、スリーブ１２の内周面とシャフト１６の外周面との間隙と、スリーブ１２の下端面及びカウンタープレート１４の上端面と抜け止め部材２２の上下端面との間隙とは連続しており、その連続した間隙には、潤滑流体としてオイルが途切れることなく保持され、フルフィル構造を形成している。

軸受ハウジング１０の上部外周面には、外径が上端面から軸方向に縮径する傾斜面が形成されており、これと径方向に対向する部位には、ロータハブ１８の上壁部１８ａから垂下する周状突起１８ｄが形成されている。軸受ハウジング１０の上部外周面及び上壁部１８ａの周状突起１８ｄとの径方向間隙に規定される間隙寸法は、上壁部１８ａから軸方向下方（ブラケット２側）に離間するに従って漸増しており、すなわち、軸受ハウジング１０の上部外周面と上壁部１８ａの周状突起１８ｄとが協動してテーパシール部３４を構成している。そして、上述した各軸受部の間隙に保持されるオイルは、このテーパシール部３４においてのみ、オイルの表面張力と外気圧とがバランスされ、オイルと空気との界面がメニスカス状に形成される。

次に軸受構造について図２及び図３を用いて説明する。図２は、図１に示すスピンドルモータの動圧軸受部近傍の拡大断面図である。図３は、図１に示すスピンドルモータの軸受ハウジング１０及びスリーブ１２の上端面を示す平面図である。

図２に示すように、スリーブ１２の内周面とシャフト１６の外周面との径方向間隙には、上部ラジアル動圧軸受部２４及び下部ラジアル動圧軸受部２６が軸方向に離間されて設けられている。上部ラジアル動圧軸受部２４及び下部ラジアル動圧軸受部２６は、スリーブ１２の内周面と、シャフト１６の外周面と、径方向に対向する両部材間に保持されているオイルとから構成されている。

スリーブ８の内周面の上部ラジアル動圧軸受部２４を構成する部位には、相反する方向に傾斜する、一対のスパイラル溝部を連結して構成される断面略「く」の字状のヘリングボーン溝１２ａが形成され、ロータ６が回転すると、オイルに上部ラジアル動圧軸受部２４の軸方向両端部から略中央部に向かう圧力が誘起される。この場合、上部ラジアル動圧軸受部２４では、ヘリングボーン溝１２ａを構成するスパイラル溝部の内、軸方向上方のスパイラル溝が軸方向下方のスパイラル溝部よりも軸方向寸法が大であるため、上部ラジアル動圧軸受部２４の中央部より幾分下方にてオイルの動圧が最大圧力となりロータ６を支持すると共に、スパイラル溝部の寸法の不均衡分、そのオイルに対して、軸方向下方側への流動を促す。

また、スリーブ１２の内周面の下部ラジアル動圧軸受部２６を構成する部位には、相反する方向に傾斜する、軸方向同寸法の一対のスパイラル溝部を連結して構成される断面形状略「く」の字状のヘリングボーン溝１２ｂが形成され、ロータ６が回転すると、オイルに下部ラジアル動圧軸受部２６の軸方向両端部から略中央部に向かう圧力が誘起される。この下部ラジアル動圧軸受部２６では軸受部の中央部へと流動したオイルは、上述のようにヘリングボーン溝１２ｂを構成するスパイラル溝部が軸方向に同寸法であるため、下部ラジアル動圧軸受部２６の略中央部にて最大圧力となりロータ６を支持する。

また、軸受ハウジング１０の上端面とロータハブ１８の上壁部１８ａの下面との間隙には、上部スラスト動圧軸受部２８が設けられている。上部スラスト動圧軸受部２８は、軸受ハウジング１０の上端面と、ロータハブ１８の上壁部１８ａの下面と、これらの軸方向に対向する両部材間の間隙に保持されているオイルとから構成され、図３に示すように、軸受ハウジング１０の上端面には、ポンプイン形状のスパイラル溝１０ａが形成されている。従って、モータ回転時には、上部スラスト動圧軸受部２８では、スパイラル溝１０ａにより径方向内方への圧力が誘起され、スパイラル溝１０ａの中心部、即ちシャフト１６の上部外周面付近にて最大圧力となると共に、この圧力によりオイル内圧が高められ、ロータ６が軸方向上方へ浮上するよう作用する流体動圧が発生する。。

また、スリーブ１２の下端面と抜け止め部材２２の上端面との軸方向間隙には、下部スラスト動圧軸受部３０が形成されている。下部スラスト動圧軸受部３０は、スリーブ１２の下端面と、抜け止め部材２２の上端面と、これら軸方向に対向する両部材間に保持されているオイルとから構成されている。スリーブ１２の下端面の下部スラスト動圧軸受部３０を構成する部位には、ポンプイン形状のスパイラル溝１２ｃが形成されている。従って、モータ回転時には、下部スラスト動圧軸受部３０では、スパイラル溝１２ｃにより径方向内方へと向かう圧力が誘起され、スパイラル溝１２ｃの中心部、即ちシャフト１６の下部外周面付近にて最大圧力となるとなると共に、この圧力によってオイル内圧が高められ、ロータ６に対して軸方向下方へと作用する流体動圧が発生する。なお、これら上部及び下部ラジアル動圧軸受部２４，２６、及び下部スラスト動圧軸受部３０に設けられるヘリングボーン溝１２ａ、１２ｂ、及びスパイラル溝１２ｃは、焼結材製のスリーブ１２のプレス加工時に同様にして成形することができる。

従って、上部スラスト動圧軸受部２８と、下部スラスト動圧軸受部３０とにより、ロータ６は上下方向に押圧され、これらの動圧がバランスする位置においてロータ６の回転浮上位置が安定する。なお、本実施形態では、上部及び下部スラスト動圧軸受部２８、３０には、いずれもスパイラル溝が形成されているが、これに限らず、上部及び下部スラスト動圧軸受部２８、３０の一方または両方にヘリングボーン溝を形成することも可能である。

図２及び図３に示すように、スリーブ１２の外周部にはスリーブ１２の軸方向端部を貫通する軸方向溝が、断面略矩形状、或いは半円状となるようプレス加工或いは切削加工によって形成されている。スリーブ１２が軸受ハウジング１０の内周面に取り付けられると、軸受ハウジング１０の内周面と軸方向溝との間に、スリーブ１２の軸方向上端部から軸方向下端部までを貫通する連通孔３２が規定される。連通孔３２内は、上述した一連の軸受間隙内に保持されるオイルに連続するオイルが保持されている。また、連通孔３２内のオイル内圧は、各軸受部に保持されているオイル内圧とバランスしている。

また、上部ラジアル動圧軸受部２４に設けられている動圧発生溝を軸方向に非対称なヘリングボーン溝１２ａとしてオイルに対して軸方向下方側へと押圧する動圧を誘起することで、上部ラジアル動圧軸受部２４と下部ラジアル動圧軸受部２６との間の領域の圧力が大気圧以上の正圧に保たれ、負圧の発生が防止されると共に、ヘリングボーン溝１２ａの発生する押圧力によって、オイルは常に下部ラジアル動圧軸受部２６と、スリーブ１２の下端面とカウンタープレート１４の上端面との間から連通孔３２、更にスリーブ１２の上端面とロータハブ１８の上壁部１８ａの下面との間を経て、シャフト１２の外周面及びスリーブ１２の内周面の軸方向上端側へと流動して、また上部ラジアル動圧軸受部２４へと環流するよう加圧され、一連の連通路が形成される。

これにより、軸受内のオイルが常に一定方向に流動することとなり、圧力の均衡が図れるので、負圧による気泡の発生やロータ６の過浮上の発生が防止されると共に、加工誤差に対する許容範囲が格段に拡大するので、歩留まりが改善される。

なお、連通孔３２の一端が上部スラスト動圧軸受部２８より径方向内方に開口するように配置することにより、大気圧よりも高圧な領域内でオイルの圧力が一定に保たれるようになる。このように、上部スラスト動圧軸受部２８によって、これよりも軸受部の奥側は圧力的に密封された状態となる。

これによりモータの定常回転時に軸受部で所定の動圧が発生している場合は十分な軸受剛性が得られるため、軸受部の接触や摺動が発生する可能性は低い。しかし、モータの停止時等モータの回転速度が低下すると、連通孔３２の一端が圧力的に密閉領域以外の部分、すなわち、オイルの圧力が大気圧と同等若しくはそれ以下の領域に開口していることで軸受部内の高く維持されていたオイルの圧力が、連通孔３２の開口部分のオイルの圧力との差圧によって急激に低下することとなる。

このように軸受内の圧力が急激に低下することで、ロータ６は容易に振れ回ったり偏心したりして、シャフト１６やスリーブ１２等の軸受部を構成する部材に接触や摺動が発生することとなる。これは、ロータハブ１８に載置されるハードディスクを含むロータ６の重量アンバランス、モータを構成する部材の加工や組み立て誤差、或いはステータ８とロータマグネット２０との間に作用する磁気力のアンバランス等が原因と考えられるが、このような軸受部の接触や摺動がモータが停止する度に繰り返されることで、軸受部を構成する部材の摩耗や損傷が顕著となり、モータの信頼性や耐久性を低下させる。

これに対し、連通孔３２を上部スラスト動圧軸受部２８の径方向内方に開口させることで、モータが完全に停止する直前までスパイラル溝１０ａによるポンピングが作用し、オイルには径方向内方側に作用する流体動圧が誘起され続ける。従って、上部スラスト動圧軸受部２８が圧力的な隔壁として働くので、軸受部内の圧力の低下が緩やかになり、軸受部を構成する部材の接触や摺動が緩和され、モータの信頼性や耐久性の低下が抑制される。

本実施形態におけるスピンドルモータは、上記の如き構成を有することにより、シャフト１６及びロータハブ１８を一体に形成することで、シャフトとロータハブとの嵌合部の締結強度の不足に起因するロータハブに対するシャフトの直角度等組立精度の低下やロータハブからのシャフトの脱落等の発生を防止することができると共に、設計上ロータハブとシャフトとの締結強度に対して配慮する必要がないので、モータの小型且つ薄型化を図れる。また、ラジアル動圧軸受部２４，２６を構成する軸受部材の径方向外方にテーパシール部３４を形成することにより、ラジアル動圧軸受部２４．２６の軸受剛性を低下させることなくテーパシール部３４の軸方向寸法及び容積を十分に確保することができる。

また、シャフト１６及びロータハブ１８を軸受ハウジング１０及びスリーブ１２より熱膨張係数の高い部材によって形成することにより、高温環境下では、熱膨張係数の関係からシャフト１６及びロータハブ１８の熱膨張量が軸受ハウジング１０及びスリーブ１２の熱膨張量を上回ることとなるので、各動圧軸受部において、シャフト１６及びロータハブ１８と対向する軸受ハウジング１０及びスリーブ１２との間隙寸法が小となり、熱膨張によってオイルの粘性が低下しても、軸受剛性の低下を防止することが可能になる。従って、モータの消費電力量を増大させることなく所定の軸受剛性を確保することができる。

加えて、高温環境下にあっては、オイルは熱膨張によってその粘性が低下すると共に体積が増加する。そのため体積増加した分のオイルは、テーパシール部３４へと流入することとなり、テーパシール部３４の容量を十分に確保することができなければオイルはモータ外部へと漏れ出してしまうことになるが、ロータハブ１８と一体に形成される周状突起１８ｄの熱膨張係数は、この周状突起１８ｄの径方向内方に位置する軸受ハウジング１０の熱膨張係数よりも大きいので、テーパシール部３４の径方向の間隙寸法が大となる。従って、高温環境下ではテーパシール部３４のオイル保持可能な容量を増加させることができ、オイルの体積が増加した分をテーパシール部３４内で十分に保持することが可能となる。

次に、ロータの製造方法について説明する。まず、アルミニウムの棒材から切り出して成形した円板状部材を、例えばプレス加工などの鍛造によりシャフト１６及びロータハブ１８の形状に成形する。次に内周面に接着固定されたロータマグネット２０を有するヨーク２１をロータハブ１８の周壁部１８ｂの内周面に圧入及び／又は接着剤により固定する。そして、シャフト１６の中央部に貫通孔及びネジ穴をタッピング加工によって成形する。最後にシャフト１６の外周面及びロータハブ１８の上壁部１８ａの下面といった動圧軸受構成面、及びロータハブ１８の周壁部１８ｂのフランジ部１８ｃのディスク搭載面に切削加工を行い、これら各面を高精度に仕上げる。

ここで、ロータ６をアルミニウム材の鍛造によって成形すると、ロータハブを安価に製造できる反面、ロータハブ１８が薄肉となるため、ロータハブ１８の剛性が低下する。上記したとおり、ロータマグネットを周壁部に圧入固定すると、ロータマグネットが欠ける場合があることから、一般にロータマグネットと周壁部との固定には、接着剤を用いた接着固定が行われる。ところが、比較的に強度が高い例えばマルテンサイト系又はオーステナイト系ステンレス鋼によってロータハブを成形し、そのロータの周壁部の内周面にロータマグネットを接着固定した場合であっても、接着剤の周方向塗布量の偏り又は塗布ムラが発生することに起因する接着剤の硬化収縮応力のバラツキによって、特にロータハブのフランジ部が変形してしまう場合がある。フランジ部が変形すると、そのフランジ部に載置されるハードディスクの平行度が失われてＲＲＯが悪化するので、ハードディスクの記録面とこれに近接配置された磁気ヘッドが接触するいわゆるヘッドクラッシュを引き起こす原因となる。

これに対して、本発明では、その内周面にロータマグネット２０を接着固定したステンレス鋼から成形されたヨーク２１をロータ６の周壁部１８ｂの内周面に圧入接着した後、ロータ６のフランジ部１８ｃを切削によって仕上げ加工を行うため、接着剤による周壁部１８ｂへの影響を回避できる。加えて、ヨーク２１をロータハブ１８の周壁部１８ｂの内周面に固定することにより、ロータハブの薄肉の周壁部１８ｂの剛性を高めることができる。従って、モータの回転時、周壁部１８ｂに遠心力等の過度の力が加わったとしても、その力による周壁部１８ｂの撓み及び変形を防ぐことができる。また、シャフト１６及びロータハブ１８をアルミニウム合金によって成形したため、加工性が高く、容易に高精度な加工を行うことが可能になるので、加工コストを低減することができる。なお、上記ロータ６の製造方法を行った後、例えばシャフト１６の外周面やロータハブ１８の上壁部１８ａの下面にメッキ処理、或いは窒化処理等の硬化処理を行うことも可能である。

次に、一般的なハードディスク駆動装置４０の内部構成について、図４を参照して説明する。

ハードディスク駆動装置４０は、矩形状をしたハウジング４２からなり、ハウジング４２の内部は、塵・埃等が極度に少ないクリーンな空間を形成しており、その内部には、情報を記録する円板状のハードディスク４６が装着されたスピンドルモータ４４が配設されている。

また、ハウジング４２の内部には、ハードディスク４６に対して情報を読み書きするヘッド移動機構５４が配置され、このヘッド移動機構５４は、ハードディスク４６上の情報を読み書きする磁気ヘッド５２、この磁気ヘッド５２を支えるアーム５０及び磁気ヘッド５２及びアーム５０をハードディスク４６上の所要の位置に移動させるアクチュエータ部４８により構成される。

このようなハードディスク駆動装置４０のスピンドルモータ４４として、図１乃至図３に図示されるスピンドルモータを適用することで、十分な機能を確保した上でハードディスク駆動装置の小型且つ薄型化を実現できると共に、信頼性並びに耐久性の高いハードディスク駆動装置を提供することができる。

以上、本発明に従うスピンドルモータ、このスピンドルモータに適用されるロータの製造方法、及びこのスピンドルモータを備えたハードディスク駆動装置の一実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である。

例えば、図示の実施形態の動圧軸受の構造に限定されず、溝の形状や個数、位置、さらには潤滑流体の種類も上記実施形態と異なっていてもよい。また、スピンドルモータのブラケットをハードディスク駆動装置のハウジングと一体成形してもよい。

本発明の一実施形態を示す断面図である。本発明の実施形態に係る要部拡大断面図である。本発明の軸受部材及びシャフトの上端面を示す断面図である。本発明のハードディスク駆動装置を示す図である。

符号の説明

１０軸受ハウジング
１２スリーブ
１６シャフト
１８ロータハブ
１８ａ上壁部
１８ｂ周壁部
１８ｃフランジ部
１８ｄ周状突起
２４上部ラジアル動圧軸受部
２６下部ラジアル動圧軸受部
２８上部スラスト動圧軸受部
３０下部スラスト動圧軸受部
３４テーパシール部

Claims

シャフトと、該シャフトの一端側に配置されると共に、略円板状の上壁部と該上壁部の外周部から垂下する周壁部とを有し該シャフトと一体に形成されたロータハブと、
前記シャフトが回転自在に遊挿される軸受穴を有するスリーブと、を備え、
前記スリーブの外周面には、有底円筒状の軸受保持部材が形成され、
前記ロータハブには、前記上壁部から垂下し前記軸受保持部材の外周部と径方向に間隙を介し対向する周状突起が形成され、該周状突起の内周面と前記軸受保持部材の外周面との間に形成される間隙は、前記上壁部から前記シャフトの他端側に向かって該間隙の半径方向の隙間寸法が拡径することでテーパシール部が構成され、
前記スリーブの上端面と前記ロータハブの上壁部の下面から、前記スリーブの内周面と前記シャフトの外周面、並びに前記スリーブの下端面と前記軸受保持部材の上端面との間には、前記テーパシール部に連続する微小間隙が形成され、該微小間隙内には、全体に渡ってオイルが途切れることなく連続して充填されると共に、該オイルは前記テーパシール部内において気液界面を形成して保持されており、
前記スリーブの内周面及び前記シャフトの外周面とのいずれか一方の面には、一対のスパイラル溝を連結してなるヘリングボーン溝が動圧発生溝として設けられたラジアル動圧軸受部が構成され、
前記軸受保持部材の上端面及び前記ロータハブの上壁部の下面とのいずれか一方の面には、前記ロータハブの回転時、該ロータハブを軸方向一方から支持する動圧発生溝が形成されたスラスト動圧軸受部が構成され、
前記ロータハブ及び前記シャフトは、前記軸受保持部材及び前記スリーブより熱膨張係数の高い部材によって形成されていることを特徴とするスピンドルモータ。
前記シャフトの他端側端部には、該シャフトより大径で、前記スリーブの下端面と軸方向に対向する略円板状の環状部材が固定され、該環状部材の上端面及び前記スリーブの下端面とのいずれか一方の面には、前記ロータの回転時、該ロータを軸方向一方から支持する動圧発生溝が形成されたスラスト動圧軸受部が形成されていることを特徴とする請求項１記載のスピンドルモータ。
前記ラジアル動圧軸受部は、軸方向に離間して一対形成されると共に、該一対のラジアル動圧軸受部の内、前記シャフトの一端側に位置する前記ヘリングボーン溝は、前記ロータの回転時に前記オイルに対して該シャフトの他端側に向かう圧力が付与されるよう軸方向に非対称な形状のスパイラル溝を連接して形成されており、また、該シャフトの他端側に位置する前記ヘリングボーン溝は、該ロータの回転時に該オイルに対して軸方向に対称となる圧力勾配の流体動圧が付与されるよう実質的に同等な形状のスパイラル形状を有する溝を連接して形成されていることを特徴とする請求項１記載のスピンドルモータ。
ハウジングと、
該ハウジングの天面側及び底面側にそれぞれ固定された、請求項１乃至３のいずれかに記載のスピンドルモータと、
該スピンドルモータのロータ外周部に固定された、情報を読み書きできるハードディスクと、
該ハードディスクの所要の位置に情報を書き込み又は読み出すための情報アクセス手段とを備えたことを特徴とするハードディスク駆動装置。
ロータの製造方法であって、
シャフトと、該シャフトの一端側に配置され、略円板状の上壁部と該上壁部の外周部から垂下する周壁部と該周壁部から径方向に張り出したフランジ部とを有し該シャフトと一体に形成されたロータハブと、を鍛造によって成形する工程と、
強磁性材から成形された略円筒状のヨークの内周面にロータマグネットを接着剤により固定する工程と、
前記ヨークを前記ロータハブの周壁部の内周面又は外周面に固定する工程と、
前記シャフトの中央部に軸方向のネジ穴を成形する工程と、
前記シャフトの外周面と、前記ロータハブの上壁部の下面及び周壁部の外周面並びにフランジ部の上端面と、に切削仕上げ加工を行う工程と、を備えたことを特徴とするロータの製造方法。
前記ロータハブは、アルミニウム又はアルミニウム合金から形成されることを特徴とする請求項５記載のロータの製造方法。