JP2006200742A - 流体動圧軸受システムを備えるスピンドルモータ - Google Patents

Abstract

【課題】小型の設計サイズで、特に低い全高で、高い軸受剛性を有する、流体動圧軸受システムを備えるスピンドルモータを提供する。
【解決手段】流体動圧軸受システムを備えるスピンドルモータに関するものであり、円柱状のシャフト、シャフトの一方の端部に配置された第１の軸受円板、及び、第１の軸受円板に対して間隔をおいてシャフトに配置された第２の軸受円板を有し、双方の軸受円板の間に円環状プレートの自由空間が形成されるようになっているロータを備えている。また、ロータによって形成される円環状プレートの自由空間に配置された円環状プレート部品を備え、ステータ及びロータの相互に対向するそれぞれの軸受面が、流体媒体により充填された軸受間隙により分離されているステータが設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体動圧軸受システムを備えるスピンドルモータに係り、特に、記憶ディスク駆動装置の駆動のための小型サイズのスピンドルモータに関するものである。

ハードディスク駆動装置の小型化の進展に伴って、特に小型の駆動用モータや適当な軸受システムの製造に際して、新たな設計上の問題が生じている。これまでは転がり軸受システムが用いられていたが、現在では、設計形態が小さくて精度が高いことから流体動圧軸受システムが普及を続けている。

使用される軸受システムに、二つのラジアル軸受を設けることが知られている。必要な軸受剛性を得るためには、これらのラジアル軸受が軸方向において十分な相互間隔をおいて配置されていなくてはならない。それでも流体動圧式ハードディスク駆動装置用軸受の従来の設計的解決法及びその製造方法は、小型スピンドルモータの設計に際しては適用可能ではなく、又は、問題点を内包した上でしか適用可能でない。軸受システムが小型化すればするほど、従来式の設計形態では耐荷重性能及び剛性が低下する。

米国特許公報第ＵＳ５５３８３４７号（特許文献１）は、定置の円柱状部品を中心として回転する、環状の回転部品を備える空気軸受を開示している。双方の部品の相互に対向する円周面の間に、ラジアル軸受が配置されている。回転部品の端面は、定置の二つの円板状部品とともに、それぞれ一つのスラスト軸受を構成している。それぞれの軸受面は公知の方法により、軸受間隙によって相互に間隔をおいている。軸受間隙内において必要となる動的な空気圧は、軸受面に刻設された表面構造によって生成される。同文献に記載されている動的な空気軸受は、記憶ディスク駆動装置を駆動するためのスピンドルモータ用としては限定的にしか適していない。中央の定置の部品があるために、回転部品への記憶ディスクの取り付けに問題があるからである。
米国特許公報第ＵＳ５５３８３４７号

本発明の課題は、小型の設計サイズで、特に低い全高で、高い耐荷重性能及び高い軸受剛性を有する、流体動圧軸受システムを備えるスピンドルモータを提供することにある。スピンドルモータが記憶ディスク駆動装置の駆動に用いられるときは、記憶ディスクの簡単な組み付けが可能であるのが望ましい。

この課題は、本発明によれば、請求項１の構成要件によって解決される。

本発明の有利な実施の形態及びその他の有利な構成要件は、従属請求項に記載されている。

流体動圧軸受システムを備える本発明に係るスピンドルモータは、円柱状シャフト、シャフトの一方の端部に配置された第１の軸受円板、及び、第１の軸受円板に対して間隔をおいてシャフトに配置された第２の軸受円板を有し、双方の軸受円板の間に円環状プレートの自由空間が形成されるようになっているロータと、ロータにより形成される円環状プレートの自由空間に配置された円環状プレート部品を有し、ステータ及びロータの相互に対向するそれぞれの軸受面が、流体媒体により充填された軸受間隙により分離されているステータと、シャフトの外側円周と円環状プレート部品の内側円周との間に構成されたラジアル軸受と、円環状プレート部品の両方の端面と軸受円板のそれぞれ対向する端面とにより構成された二つのスラスト軸受と、電磁駆動ユニットと、を備えている。

本発明の有利な実施の形態では、ラジアル軸受は、シャフト及び／又は円環状プレート部品の上にある表面構造によって画定され、この構造は、流体媒体に対して、ラジアル軸受の中心の方を向いたポンプ作用を生成する。これに応じて、各々のスラスト軸受も同じく円環状プレート部品及び／又は軸受円板の上にある表面構造によって画定され、この構造は、流体媒体に対して、主に半径方向内側に向かってラジアル軸受の方向を向くポンプ作用を生成する。双方のスラスト軸受のポンプ作用は、相互に反対方向を向いている。

このスピンドルモータは、記憶ディスク駆動装置において使用するように意図されるのが好ましく、モータの回転部品が少なくとも一つの記憶ディスクを駆動する。第１の軸受円板は、記憶ディスク駆動装置の記憶ディスクのための支持体として用いられるのが好ましく、記憶ディスクは、特にクランプによって軸受円板に取り付けられる。軸受円板とともに回転するシャフトに基づいて、クランプは、ネジによりシャフトの中央の穴に簡単な方法により取り付けることができる。

本発明の別の有利な実施の形態は、第１の軸受円板及びシャフトとともにスピンドルモータのロータを構成する第２の軸受円板が、その外側円周において、電磁駆動ユニットの一部としての永久磁石を支持することを意図している。円環状プレート部品は、特に、スピンドルモータのハウジングフレームの中央の開口部に配置される。

ハウジングフレームは、電磁駆動ユニットの一部としてのステータ巻線が中に配置された環状の中空スペースを形成し、このステータ巻線は、第２の軸受円板に配置された永久磁石を包囲し、これと対向する。ステータ巻線に適宜通電することにより、永久磁石に作用してロータを駆動する電磁場が生成される。

駆動ユニットの磁気回路に対する記憶ディスクの磁気的な遮蔽は、ハウジングフレーム又は少なくともステータと連結された別の軟磁性部品が、ステータ巻線と記憶ディスクとの間に配置されることによって実現される。従って、前者の場合には、遮蔽を行う別個の部品を省くことができる。

流体動圧軸受は、本発明による設計では、二つの開いた端部を有しており、軸受流体がモータ空間へ混入しないようにするために、これらの端部は、両方ともシール手段によって封止されなくてはならない。ここで、本発明においては、スラスト軸受の既存の表面構造によって構成されていてもよく、流体媒体に対して軸受の内部に向かうポンプ作用を生成し、それによって軸受間隙の開いた端部の動的な封止を引き起こす、動的なシール手段が用いられる。このシール手段は、軸受システムの内部の方向に向かう独立したポンプ作用を生成する、軸受構造とは異なるシール構造によって構成することもできる。

円環状プレート部品又は軸受円板の軸受間隙の方を向いている端面には、表面構造の半径方向範囲外に、少なくとも部分的に流体媒体により充填され、流体媒体の貯溜部としての機能を有し、軸受間隙を外方に向かって密封する環状の切欠きが設けられているものとするとよい。

各部品の機能を統合したことにより、本発明に係るスピンドルモータは、少ない部品により構成される。これらの部品は、従来式の製造方法により製造可能である。必要となる倒れ剛性が、軸方向に広い間隔をおいたラジアル軸受によってではなく、主としてスラスト軸受によって実現されるので、所要の全高を低く施工することができる。それによって軸方向の剛性が高くなる。尚、必要な半径方向の剛性は、ラジアル軸受によって達成される。

本発明による設計のさらに別の利点は、ステータの配置により、ハウジングフレーム（ベースプレート）に電気接続部を挿通する必要がないという点にある。

全高の低い本発明に係るスピンドルモータは、特に、ハードディスク駆動装置の記憶ディスクを駆動するのに適している。但し、特にモバイル用途向けのハードディスク駆動装置では、最悪の場合、ハウジングカバーが圧縮荷重の作用によって変形する（撓曲する）という危険がある。そのために、回転する記憶ディスク、駆動モータ、又は、ハードディスク記憶装置の書込み／読取りヘッドへの悪影響又は損傷さえ考えられる。

これを避けるために、本発明の別の有利な実施の形態では、シャフトが中空シャフトとして構成されており、中空シャフトの中心に、スピンドルモータを受容するハウジングのそれぞれ対向する側に取り付けられた貫通するピンが配置されることが意図される。このピンは、ハウジングカバーの強度を高め、ハウジングカバーの撓曲を防止し、従って、ハードディスク駆動装置の損傷を防止する。その代替又は追加として、回転する記憶ディスクの直径の範囲外に、さらに別の補強部材が少なくとも一つの貫通するピンの形態で設けられていてもよい。

次に、図面を参照しながら三通りの実施の形態を用いて本発明を詳しく説明する。図面及びその説明から、本発明のその他の構成要件、利点及び用途が明らかとなる。

図１は、本発明に係るスピンドルモータ１の基本的な構造を示している。このスピンドルモータ１は、構造が簡素であるという特徴があり、流体動圧軸受システムを備えている。スピンドルモータ１のロータは、円柱状のシャフト２と、シャフト２の一方の端部に配置された第１の軸受円板３と、第１の軸受円板３に対して間隔をおいてシャフト２に配置された第２の軸受円板４とによって構成され、双方の軸受円板３，４の間に円環状プレートの自由空間が形成されるようになっている。

スピンドルモータ１のステータは、ロータによって形成される円環状プレートの自由空間に収容された円環状プレート部品５の形態の定置の軸受部品を備えている。ステータ及びロータのそれぞれ相互に対向する軸受面は、例えば軸受油や空気等の流体媒体により充填された軸受間隙６により、相互に分離されている。

流体動圧軸受システムは、シャフト２の外側円周と円環状プレート部品５の内側円周との間に構成されたラジアル軸受７を備えている。ラジアル軸受７は、周知の方法により、シャフト２及び／又は円環状プレート部品５の上に配置された表面構造８によって画定される。表面構造８は、シャフト２が回転すると、ラジアル軸受７の中心に向かうポンプ作用が流体媒体に対して及ぼされるように作製されている。図１では、表面構造８は、シャフト２が左に向かって回転するとラジアル軸受７の中心に向かう流体力学上の圧力を生成する、傾斜した、特に相互に左右対称な溝パターンにより形成されている。

さらに、該軸受システムは、円環状プレート部品５の両方の端面と、これらの面にそれぞれ対向する軸受円板３及び４の端面とによって構成される二つのスラスト軸受９，１０を備えている。各々のスラスト軸受９及び１０は、同じく、円環状プレート部品５及び／又は軸受円板３，４の上に配置された表面構造１１及び１１’によって画定される。図２及び図３に見られるように、表面構造１１は、例えば円環状プレート部品５の表面上に配置され、螺旋状に形成されているものとするとよい。この螺旋状の表面構造１１は、第２の軸受円板４が円環状プレート部品５に対して相対的に時計回りと反対方向に回転すると、主に半径方向内側に向かってラジアル軸受７の方向に向いた流体力学上のポンプ作用を流体媒体に対して及ぼす。直径に関して比較的広く、軸受内部に向かって作用（ポンプ作用）を及ぼすスラスト軸受９及び１０は、ラジアル軸受７とともに、軸受の高い軸方向及び半径方向の剛性及び倒れ剛性をもたらす。

図３には別案として、流体力学上の圧力を生成するために環状に配置された魚骨形（ｈｅｒｒｉｎｇｂｏｎｅ）の構造を有する円環状プレート部品５を示している。

ステータの一部としての定置の円環状プレート部品５は、ハウジングフレーム１２の開口部に配置されている。ハウジングフレーム１２は、スピンドルモータ１のベースプレート１３の一部であり、又は、これと堅固に連結されている。ハウジングフレーム１２は、特に成形された金属部品からできており、実質的に軸受部品５の平面よりも下側に環状の中空スペース１４が形成されている。

スピンドルモータ１のロータは、電磁駆動ユニットによって駆動される。この駆動ユニットは、ハウジングフレーム１２の中空スペース１４に配置された相応の積層鉄心の上にステータ巻線１５を備えている。ステータ巻線１５は、第２の軸受円板４を中心とする円形に配分された状態で配置されている。

第２の軸受円板４は、その外側円周において、電磁駆動ユニットのもう一方の部分を形成する永久磁石１６を支持している。永久磁石１６は、ステータ巻線１５に直接対向し、小さな空隙によってのみステータ巻線１５から分離されるように配置されている。ステータ巻線１５に適宜通電することにより、永久磁石１６に作用してロータを駆動する電磁場が生成される。

スピンドルモータ１は、特に、記憶ディスク駆動装置の一つ又は複数の記憶ディスク１７を駆動するのに利用することができる。このとき、第１の軸受円板３は、特に記憶ディスク１７のための支持体として利用される。軸受円板３は、記憶ディスク１７が上に載置される段部を備えている。軸受円板３の上に記憶ディスク１７を取り付けるために、ネジ１９によりシャフト２の中心の穴に取り付けられたクランプ１８が設けられている。

ハウジングフレーム１２は、ステータ巻線１５と記憶ディスク１７とを相互に分離し、それによって記憶ディスク１７に対する磁気的な遮蔽部を形成するように構成されている。

軸受間隙６の両方の開口部の封止は、いわゆる動的シールによって実現される。両方のスラスト軸受９及び１０の表面構造の内方を向いたポンプ作用により、軸受間隙６の中にある流体媒体は軸受内部へと押圧され、それにより、流体媒体（軸受流体）が軸受間隙６から外部へ出てモータ空間に入り込むことが防止される。

あるいは、スラスト軸受９及び１０の一部ではない別個の表面構造（図示せず）によって封止を実現することもできる。動的に封止される流体軸受においては、動作時に、軸受間隙内の圧力差が補償されるカウンターウェイトが発生する。そのため、図示した例においては軸受間隙６の両方の開いた端部の部位に設けられた、軸受流体のための相応の貯溜部２０，２１を必要とする。貯溜部２０，２１は、例えば円環状プレート部品５又は軸受円板３，４の軸受間隙６の方を向いている端面に、表面構造１１，１１’の半径方向範囲外に設けられる。貯溜部２０，２１は、図２によく見ることができるように、環状の切欠き又は溝として構成されていてもよく、少なくとも部分的に流体媒体により充填されており、軸受間隙６を外部に対して仕切っている。

別案として、半径方向外側に向かって拡張するスラスト軸受間隙６のテーパ状の拡張部の形態で軸受円板３及び４、及び／又は円環状プレート５に成形される毛細管シールを用いることもできる。

図４（ａ）及び（ｂ）は、ハードディスク駆動装置の少なくとも一つの記憶ディスクを駆動するための本発明に係るスピンドルモータ１００の、図１に対して改変を加えた実施の形態を示しており、ここでは、図１との関連において行った説明を援用する。図１及び図４（ａ）及び（ｂ）では、同じ部品には同じ符号が付されている。

図１と異なっているのは、図４（ａ）及び（ｂ）に示すスピンドルモータ１００においては、シャフトが中空シャフト２２として構成されていることである。中空シャフト２２の中心を通って貫通するピン２３が延在しており、その外径は、中空シャフト２２の内径よりも明らかに小さいので、ピン２３は、シャフト２２の内壁に接触しないようになっている。記憶ディスク駆動装置の一部としてのモータは閉じたハウジングの中に配置されており、図４（ａ）及び（ｂ）では、上側及び下側のハウジングカバー２４，２５だけが図示されている。

貫通するピン２３は、対向する両方のハウジングカバー２４，２５に取り付けられており、それによってハウジングの剛性がはるかに高くなり、例えば外部からの圧縮荷重や衝撃荷重等によるハウジングカバー２４，２５の撓曲が回避される。

その代替又は追加として、回転する記憶ディスク１７の直径の範囲外に、同じくハウジングの対向するカバー２４，２５の面に取り付けられてハウジング剛性の向上をもたらす、少なくとも一つの（別の）貫通するピン２６が配置されることが意図されていてもよい。

図５は、ハードディスク駆動装置の少なくとも一つの記憶ディスク１７を駆動するための本発明に係るスピンドルモータ１の、図１に対して改変を加えた実施の形態を示しており、ここでは、図１との関連において行った説明を援用する。図１及び図５では、同じ部品には同じ符号が付されている。

図１と異なっているのは、図５に示すスピンドルモータ１では、円環状プレート部品５’が比較的薄く構成されており、直径に関しては双方の軸受円板３及び４よりも大きくなっていることである。円環状プレート部品５’の突出する外側縁部は円筒状に構成されており、この円筒の内径と各軸受円板３及び４の外径との間には、軸受間隙６と連通した軸方向に延在する間隙が残されている。

軸受間隙６の両方の開口部の封止は、一方では、図１との関連において説明したように、両方のスラスト軸受９及び１０の表面構造の内方に向かうポンプ作用により生成される動的シール作用によって実現される。さらに、軸方向の間隙は、間隙のテーパ状の拡張部の形態で軸受円板３及び４の外径に成形された貯溜部２０，２１によって構成される毛細管シールを備えている。

図６及び図７は、スラスト軸受１０の表面構造１１及び１１’の形態に関して異なる、円環状プレート部品５’の考えられる二通りの実施の形態を平面図に示している。図６の表面構造１１は、例えば螺旋状に構成されているのに対して、図７の表面構造１１’は、円形に配置された魚骨形（ｈｅｒｒｉｎｇｂｏｎｅ）の構造からできている。

流体動圧軸受システムを備える本発明に係るスピンドルモータを示す断面図である。 軸受システムの定置の円環状プレート部品を下から見た図である。 円環状プレート部品の別の実施の形態を示す図である。 流体動圧軸受システムを備える本発明に係るスピンドルモータの別の実施の形態を示す断面図である。 流体動圧軸受システムを備える本発明に係るスピンドルモータの別の実施の形態を示す断面図である。 図５の軸受システムの定置の円環状プレート部品を下から見た図である。 円環状プレート部品の別の実施の形態を示す図である。

符号の説明

１ スピンドルモータ
２ シャフト
３ 軸受円板（第１）
４ 軸受円板（第２）
５ 円環状プレート部品
６ 軸受間隙
７ ラジアル軸受
８ 表面構造
９ スラスト軸受
１０ スラスト軸受
１１，１１’ 表面構造
１２ ハウジングフレーム
１３ ベースプレート
１４ 中空スペース
１５ ステータ巻線
１６ 永久磁石
１７ 記憶ディスク
１８ クランプ
１９ ネジ
２０ 貯溜部
２１ 貯溜部
２２ 中空シャフト
２３ ピン
２４ ハウジングカバー（上側）
２５ ハウジングカバー（下側）
２６ ピン
１００ スピンドルモータ

Claims (18)

1. 円柱状シャフト（２）、前記シャフト（２）の一方の端部に配置された第１の軸受円板（３）、及び、前記第１の軸受円板に対して間隔をおいて前記シャフト（２）に配置された第２の軸受円板（４）を有し、双方の軸受円板（３；４）の間に円環状プレートの自由空間が形成されるようになっているロータと、
   前記ロータにより形成される円環状プレートの自由空間に配置された円環状プレート部品（５）を有し、ステータ及び前記ロータの相互に対向するそれぞれの軸受面が、流体媒体により充填された軸受間隙（６）により分離されているステータと、
   前記シャフト（２）の外側円周と前記円環状プレート部品（５）の内側円周との間に構成されたラジアル軸受（７）と、
   前記円環状プレート部品（５）の両方の端面と前記軸受円板（３；４）のそれぞれ対向する端面とにより構成された二つのスラスト軸受（９，１０）と、
   電磁駆動ユニットと、
   を備えていることを特徴とする、流体動圧軸受システムを備えるスピンドルモータ。
2. 前記ラジアル軸受（７）は、前記ラジアル軸受の中心の方を向いたポンプ作用を流体媒体に対して生成する、前記シャフト（２）及び／又は前記円環状プレート部品（５）の上にある表面構造（８）によって画定さ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. 前記各スラスト軸受（９；１０）は、主に半径方向内側に向かって前記ラジアル軸受（７）の方向を向くポンプ作用を流体媒体に対して生成する、前記円環状プレート部品及び／又は前記軸受円板の上に刻設された表面構造（１１，１１’）によって画定されることを特徴とする請求項１又は２に記載のスピンドルモータ。
4. 双方の前記スラスト軸受（９；１０）のポンプ作用は、相互に反対方向を向いていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のスピンドルモータ。
5. 記憶ディスク駆動装置の構成要素であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のスピンドルモータ。
6. 前記第１の軸受円板（３）は、前記記憶ディスク駆動装置の記憶ディスク（１７）のための支持体として構成されており、前記記憶ディスク（１７）は、クランプ（１８）によって前記軸受円板（３）に取り付けられていることを特徴とする請求項５に記載のスピンドルモータ。
7. 前記クランプ（１８）は、ネジ（１９）によって前記シャフト（２）の中央の穴に取り付けられていることを特徴とする請求項６に記載のスピンドルモータ。
8. 前記第２の軸受円板（４）は、その外側円周において、前記電磁駆動ユニットの一部としての永久磁石（１６）を支持していることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のスピンドルモータ。
9. 前記円環状プレート部品（５）は、ハウジングフレーム（１２）の開口部に配置されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のスピンドルモータ。
10. 前記ハウジングフレーム（１２）の環状の中空スペース（１４）に、前記電磁駆動ユニットの一部としてのステータ巻線（１５）が相応のステータ積層鉄心に巻回されており、前記ステータ巻線（１５）は、前記第２の軸受円板（４）に配置された前記永久磁石（１６）を包囲して前記永久磁石（１６）と対向することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載のスピンドルモータ。
11. 前記ハウジングフレーム（１２）は、前記ステータ巻線（１５）と前記記憶ディスク（１７）との間に配置されており、磁気的な遮蔽部を形成することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のスピンドルモータ。
12. 前記軸受間隙（６）の開いた端部の部位に配置され、軸受の内部に向かうポンプ作用を流体媒体に対して生成し、それによって前記軸受間隙（６）の開いた端部の動的な封止を引き起こすように構成された表面構造（１１，１１’）により構成されたシール手段が、前記軸受部品（３；４；５）の少なくとも一つに設けられていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のスピンドルモータ。
13. 前記シール手段は、前記スラスト軸受（９；１０）の前記表面構造（１１，１１’）により構成されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のスピンドルモータ。
14. 前記シール手段は、流体媒体に対するポンプ作用を前記ラジアル軸受（７）の方向へ生成する、前記スラスト軸受（９；１０）の前記表面構造（１１，１１’）とは別個の表面構造により構成されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のスピンドルモータ。
15. 前記円環状プレート部品（５）又は前記軸受円板（３；４）の前記軸受間隙（６）の方を向いている端面には、前記表面構造（１１，１１’）の半径方向範囲外に、少なくとも部分的に流体媒体により充填され、前記流体媒体のための貯溜部としての機能を有し、前記軸受間隙（６）を外部に対して仕切る環状の切欠き（２０，２１）が設けられていることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載のスピンドルモータ。
16. 半径方向外側に向かって拡張し、前記軸受間隙（６）に連通するテーパ状の切欠きが、前記部品３及び４、及び／又は５に形成されていることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか一項に記載のスピンドルモータ。
17. 前記シャフトは、中空シャフト（２２）として構成されており、前記中空シャフト（２２）の中心には、前記スピンドルモータ（１００）を収容するハウジングの対向するハウジングカバー（２４，２５）の面に取り付けられて貫通するピン（２３）が配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のスピンドルモータ。
18. 回転する前記記憶ディスク（１７）の直径の範囲外に、前記スピンドルモータ（１００）を収容するハウジングの対向するハウジングカバー（２４，２５）の面に取り付けられた少なくとも一つの貫通するピン（２６）が配置されていることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか一項に記載のスピンドルモータ。

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