JP2009108949A - 流体軸受装置と、それを用いたモータ、情報記録再生装置および流体軸受装置に用いるシャフトの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ハードディスクドライブ等に使用されるスピンドルモータ用の流体軸受装置に関し、シャフトと被固定部材の締結強度と締結状態がよい流体軸受装置を提供することを目的とする。
【解決手段】円柱状の主軸部９ａを有するシャフト９と、主軸部９が回転可能な状態で挿入される軸受孔を有するスリーブ１４と、シャフト９に固定される被固定部材であるフランジ１３と、シャフト９の少なくとも一端側に設けられたフランジ１３が固着される主軸部９ａより小径の固定部９ｂを具備し、主軸部９ａには窒化層が形成され、固定部９ｂには酸化被膜層が形成されていることにより、シャフト９と被固定部材の締結強度と締結状態がよい流体軸受装置を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハードディスクドライブ（以下、ＨＤＤと示す。）等に使用されるスピンドルモータ用の流体軸受装置に関し、特に硬度や耐摩耗性を向上するために窒化処理されたシャフトにフランジやハブを固定する技術に関するものである。

近年、ＨＤＤを搭載した各種情報記録再生装置は携帯に便利なように軽薄短小化が図られている。その一方で、小型ながら大記憶容量を維持向上し、耐衝撃性を上げることも必要とされている。このようなＨＤＤに使用されるスピンドルモータの軸受として、回転精度が高く耐衝撃性に優れた流体軸受装置が使用されている。

流体軸受は、モータが薄型になるにつれて、シャフトと被固定部材であるフランジやハブとの固定部の長さが短くなっており、より強度のある締結が必要とされている。固定部の締結方法としては、主に接着と圧入の併用やレーザ溶接などが行なわれている。

また、流体軸受装置に使用されるシャフトは、例えば、線膨張係数がスリーブの材質に近いオーステナイト系ステンレス鋼が用いられており、特許文献１には、シャフトの表面に窒化処理層を形成して硬度と耐磨耗性を向上する技術が開示されている。
特開平１０−８９３４５号公報 特開２００４−２９１８５１号公報 特開平３−２３７２７８号公報

しかしながら、前記従来の構成では、窒化処理がなされたシャフト面で、例えば、被固定部材であるフランジなどとの嵌合部をレーザ溶接すると、窒化処理部は硬く延性が低いため、溶接部で割れが発生して溶接がうまく出来ない問題が生じている。また、接着剤で固定する場合は、線膨張係数の異なる窒化層がシャフトとフランジの間に介在する為に温度変化などで接着性が劣化する問題がある。更に圧入やカシメやネジ止めで固定する場合は、表面が塑性変形されるので表面の窒化層が剥がれる可能性があり汚れや異物付着の要因になりやすい。

そこで、本発明はシャフトと被固定部材の締結強度と締結状態がよい流体軸受装置を提供することを目的とする。

そして、この目的を達成するために、本発明の流体軸受装置は、円柱状の主軸部を有するシャフトと、前記主軸部が回転可能な状態で挿入される軸受孔を有するスリーブと、前記シャフトに固定される被固定部材と、前記シャフトの少なくとも一端側に設けられた前記被固定部材が固着される前記主軸部より小径の固定部を具備し、前記主軸部には窒化層が形成され、前記固定部には窒化層非形成膜が形成されていることを特徴としたものである。

以上のように本発明によれば、軸受孔に挿入されるシャフトの主軸部には窒化層が形成され、被固定部材が固着されるシャフトの固定部には窒化層非形成膜が形成されていることにより、シャフトと被固定部材の締結強度と締結状態がよい流体軸受装置を提供することができる。

以下に、本発明に係る実施の形態を図面に基づき説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における流体軸受装置１を含むスピンドルモータ２が搭載されたＨＤＤ（情報記録再生装置）３を示すものである。

［ＨＤＤ３全体の構成］
本実施形態に係るＨＤＤ３は、図１に示すように、複数の記録再生ヘッド４ａを含むヘッド部４と、スピンドルモータ２とを内部に搭載している。そして、それぞれの記録再生ヘッド４ａによってディスク（記録媒体）５に対する情報の書き込み、あるいは既に書き込まれた情報の再生を行う。

ヘッド部４は、２つの記録再生ヘッド４ａを搭載しており、ディスク５の表裏面に近接するように配置される。

ディスク５は、ＨＤＤ３に取り付けられる直径が、例えば、０．８５インチ、１．０インチ、１．８インチ、２．５インチ、または３．５インチ等の円板状の記録媒体である。

ベース６は、磁性を有するステンレス鋼材または鋼板によって形成されており、表裏面は無電解ニッケルメッキを施して形成されて、スピンドルモータ２の静止側の部分を構成している。なお、ディスクサイズが大きいものは、非磁性材料であるアルミ系合金によって形成され、ロータマグネット７と対向しているベース６の表面上にロータマグネット７を吸引する磁性板（図示せず。）が取り付けられている場合もある。そして、ベース６は、ＨＤＤ３の密閉筐体の一部を構成している。また、ベース６は、その中心部分付近に、軸受部１が接着やカシメなどによって固定されている。

ロータハブ８は、磁性を有するステンレス鋼によって略逆カップ状に形成されており、円柱状のシャフト９の上端部に嵌合され、接着、カシメやネジ止めなどによって固定されてシャフト９と一体となって回転する。また、ロータハブ８は、シャフト９の上端部が挿入される中央孔８ａと、ロータマグネット７が取り付けられる円筒状垂下壁であるマグネット保持部８ｂと、円板状のディスク５が載置される円形段状のディスク載置面８ｃとを有している。

スピンドルモータ２は、ディスク５を回転駆動するための回転駆動源となる装置であって、ロータマグネット７、ステータコア１０、ステータコイル１１、磁気シールド板１２および軸受部（流体軸受装置）１等を備えている。

［スピンドルモータ２を構成する各部材の説明］
ロータマグネット７は、隣接する磁極がＮ極、Ｓ極と交互に配置された、円環状の部材であってＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系樹脂マグネット等によって形成されており、ステータコア１０の内径側に一定の隙間を介して、ロータハブ８のマグネット保持部８ｂに対して装着され、接着やカシメなどによって固着されている。

ステータコア１０は、径方向に沿ってほぼ等角度間隔で配置された複数の突極部を有しており、この突極部に対してそれぞれステータコイル１１が巻回される。そして、ステータコア１０は、ステータコイル１１に電流を流すことで発生する磁場によって、ロータマグネット７に対して、回転力を付与する。

磁気シールド板１２は、ステータコア１０の上方を覆うように取り付けられており、ステータコア１０に発生する磁場に対して、スピンドルモータ２の外部への磁気漏れを防止するための、厚さ約０．１ｍｍの磁性を有する円板状のステンレス鋼材である。

軸受部１は、スピンドルモータ２に含まれる流体軸受装置であって、スピンドルモータ２における中央部付近に配置されている。

［軸受部１を構成する各部材の説明］
軸受部１は、シャフト（回転軸）９、フランジ１３、スリーブ１４、スラストプレート１５、ロータハブ８、ベース６を含むように構成されている。

シャフト９は、軸受部１の回転軸となる部材であって、円柱状の主軸部９ａと、その両端には主軸部９ａよりも小径の円柱状の固定部９ｂおよびハブ固定部９ｃが形成され、下方側の固定部９ｂは、例えば、レーザ溶接などによって被固定部材であるフランジ１３と結合されている。

シャフト９およびフランジ１３は、スリーブ１４に対して相対回転可能な状態で嵌め込まれている。そして、フランジ１３におけるスラストプレート１５との軸方向の対向面には、動圧を発生させる例えば魚骨状のスラスト動圧発生溝（図示せず。）が形成されて、スラスト動圧発生部を構成している。同様に、シャフト９とスリーブ１４との径方向対向面間には、動圧を発生させる例えば魚骨状のラジアル動圧発生溝（図示せず。）が形成されて、ラジアル動圧発生部を構成している。そして、スリーブ１４は、真鍮等の銅合金によって形成されており、表面には無電解ニッケルメッキが施されている。

シャフト９の材質は、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼であるＡＳＫ８０００が用いられている。

ここで、シャフト９の製造方法について図２を用いて説明する。

図２はシャフト９の製造工程を示しており、まず、ブランク加工工程Ｓ１で、棒状のブランク材料を、旋盤加工により、最大外周に軸受部となる円柱状の主軸部９ａと、その一端側に図１に示すフランジ１３を嵌合して固定するための主軸部９ａより小径の固定部９ｂを形成する。ここで、シャフト９の被加工部の硬度は加工硬化などの影響もあり、例えば、Ｈｖ４００〜４５０のような硬度となる。（なお、ここで述べるＨｖ硬度は１００ｇ荷重で測定したビッカース硬度であり以降の硬度はこの測定によるものである。）
次に、酸化被膜形成工程Ｓ２により、シャフト９の全面に窒化層非形成膜である酸化被膜層１６を形成した後、１次センタレス研磨工程Ｓ３を行う。センタレス研磨は、回転する２つの砥石の間にシャフトを通して研削を行う工程で、最大外周の円柱状の主軸部９ａでは片側２０μｍ〜３０μｍの研削が行われ、酸化被膜層１６が取り除かれる。しかし、主軸部９ａより小径の固定部９ｂでは研削が行われず、酸化被膜層１６が形成されたまま残る。

その後、窒化処理工程Ｓ４を行なう。窒化処理は、例えば、約５００℃の窒素ガス雰囲気中において約５時間の処理を行なうことで主軸部９ａに厚さ２２〜５０μｍの窒化被膜層１７を形成する。窒化被膜層１７の硬度は高く、主軸部１ａの硬度はＨｖ１１００〜２０００まで高くなる。ここで、シャフト９において固定部９ｂなどの主軸部９ａ以外の部分には、酸化被膜層１６が形成されており、酸化被膜層１６の上には窒化被膜がほとんど形成されないので、硬度はＨｖ４００〜６５０の低い値を維持している。

最後に、２次センタレス研磨工程Ｓ５で片側１８μｍ〜２０μｍのセンタレス研磨加工によって窒化被膜層１７の研削を行う。これは、精度が要望される軸受部の寸法精度を確保するために窒化処理後の窒化被膜層１７の厚みに対して仕上げ加工を施す必要があるためである。仮に、窒化被膜層１７の厚みが最小の２２μｍの部分を２０μｍの研磨を行った場合でも少なくとも２μｍの窒化被膜層１７は残ることになる。２μｍの窒化被膜層１７があると、硬度としてはＨｖ７５０以上あることが実験的に確認されており、軸受部の強度と耐磨耗性をよくすることが出来る。

なお、図７に比較例のシャフト９の製造工程を示しているが、この工程でも窒化処理前にも精度の高い加工が必要なために窒化処理工程の前に１次センタレス研磨工程を行い、窒化処理後にも窒化処理のバラツキを補正する為に仕上げとして２次センタレス研磨をおこなう工程が必要であった。

次に、図３（ａ）、（ｂ）を用いてシャフト９とフランジ１３の締結について説明する。フランジ１３の材質は、例えば、ＳＵＳ３０４Ｌであり、図３（ａ）のように円板状のフランジ１３の中央に形成された円形孔の内径をシャフト９の固定部９ｂに嵌合して嵌合部にレーザを照射して、シャフト９とフランジ１３を溶接によって締結する。溶接は、例えば、シャフト９の固定部９ｂの円周方向に対して１２０°の等しいピッチ角度の間隔の３箇所から同時にＹＡＧレーザを照射する。照射は０．８Ｋｗの出力で８ショット／秒の間隔で３ショット行う。また、ショット時はシャフト１とフランジ２をレーザ照射部と相対的に回転速度４秒／ｒｅｖで回転させる。その結果、図３（ｂ）のように全周に均一な溶接が行われる。このときに、シャフト９のレーザが照射される固定部９ｂは酸化被膜層１６が形成されているので硬度の高い窒化被膜層１７がなく延性があるので良好な溶接状態を得ることが出来る。

図４はそれぞれ図４（ａ）がシャフト９の固定部９ｂに酸化被膜を形成することにより窒化被膜層が無い場合、そして図４（ｂ）がシャフト９の固定部９ｂに窒化被膜層がある場合の溶接後の状態を表している。図４（ａ）のように酸化被膜により図２に示す窒化被膜層１７が無い場合は溶接部９ｄに割れがなく均一なスポット溶接状態を得ることができる。しかしながら、図４（ｂ）のように窒化被膜層があって、そこを溶接した場合は溶接部９ｄに割れ９ｅが生じるだけでなく、溶接状態も汚れが目立ち、不均一なものとなる。

以上のように、シャフト９に酸化被膜を形成し、センタレス研磨により外周の主軸部９ａだけの酸化被膜層１６を除去してから、窒化処理を行なうことにより、容易に、主軸部９ａに硬度や耐摩耗性のよい窒化被膜層１７を形成しながら、かつ、固定部９ｂは酸化被膜層１６が形成されているので窒化被膜層１７の形成を防止することが出来る。これにより窒化被膜層１７の形成を防止するためにマスキング用のリングなどが不要となるだけでなく、リングの取り付けと取り外しの工程等が不要となるので、生産効率が高い流体軸受装置を提供することができる。そして、主軸部９ａは硬度と耐磨耗性に優れた軸受部となり、固定部９ｂは窒化被膜層１７がなくなっているのでシャフト９と被固定部材であるフランジ１３の締結強度と締結状態がよい流体軸受装置１を提供することが出来る。さらに、この工程で製造されたシャフト９を用いた流体軸受装置１は、起動停止時の耐摩耗性に優れて耐衝撃の強い軸受となる。また、この流体軸受装置１を用いたスピンドルモータ２は耐衝撃性に強く、長寿命のモータとなる。さらに、このスピンドルモータ２を用いたＨＤＤ３としても耐衝撃性に強く製品寿命の長い製品とすることが出来る。

［他の実施の形態］
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

（Ａ）
上記実施形態では、図１に示すようにシャフト９とフランジ１３の締結方法として溶接で固定する構成を開示したが、本発明はこれに限定されるものではない。

例えば、シャフト９とフランジ１３を接着、圧入、カシメ、ネジ止めのいずれかあるいは複数の組み合わせで固定部９ｂに固定したものであってもよい。接着剤で固定する場合は、温度変化による接着性の劣化が改善され接着強度の劣化が防止でき、圧入やカシメやネジ止めで固定する場合も、塑性変形時に窒化被膜層１７が剥がれることがなく汚れや異物付着を防止することができる。

このようにシャフト９とフランジ１３を接着、圧入、カシメ、ネジ止めのいずれかあるいは複数の組み合わせで固定部９ｂに固定したものでも、軸受部である主軸部９ａの硬度や耐摩耗性に優れて、かつ、固定部９ｂの締結強度や締結状態が良好なシャフト９となり、実施の形態１と同様の効果を得ることが出来る。

（Ｂ）
上記実施形態では、図１に示すスリーブ１４の材料として真鍮等の銅合金の表面に無電解ニッケルメッキを施した材料を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。

例えば、スリーブ１４がステンレス鋼や鉄系の材料であってもよい。

この場合も軸受部１の硬度と耐磨耗性を向上させながら、固定部９ｂの締結強度や締結状態をよくすることが出来るので、実施の形態１と同様の効果を得ることが出来る。

（Ｃ）
上記実施形態では、シャフト９とフランジ１３の締結について開示したが、本発明はこれに限定されるものではない。

例えば、被固定部材がロータハブ８や抜止め（図示せず）のようなシャフト９と嵌合する部材であってもよい。

この場合も軸受部の硬度と耐磨耗性を向上させながら、固定部の締結強度や締結状態をよくすることが出来るので、実施の形態１と同様の効果を得ることが出来る。

（Ｄ）
上記実施形態では、図２に示すように最大外周の円柱状の主軸部９ａにセンタレス研磨を行うことで酸化被膜層１６を取り除いたが、これに限定されるものではない。

例えば、主軸部９ａの径より固定部９ｂの径が大きい場合でもシャフト９両端のセンターを支持して回転させて、主軸部９ａのみを砥石で研磨したり、精密切削加工することで酸化被膜層１６を取り除いてもよい。

この場合も主軸部９ａの酸化被膜層１６が取り除かれ、固定部９ｂは酸化被膜層１６が残るので窒化処理を行なった場合に、実施の形態１と同様の効果を得ることが出来る。

（Ｅ）
上記実施形態では、シャフト９とフランジ１３がスリーブ１４に対して回転するシャフト回転の軸受のレーザ溶接の締結を開示したが、これに限定されるものではない。

例えば、図５に示すようにスリーブ１８がシャフト１９に対して回転する軸固定の軸受であってもよい。この場合もシャフト１９に対して上フランジ２０ｂや下フランジ２０ｃをそれぞれ固定する上固定部１９ｂと下固定部１９ｃに酸化被膜層を形成することにより軸受部である円柱状の主軸部１９ａの硬度と耐磨耗性を向上させながら、固定部の締結強度や締結状態をよくすることが出来るので、実施の形態１と同様の効果を得ることが出来る。

（Ｆ）
上記実施形態では、窒化層非形成膜として酸化被膜を形成することで説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。

窒化処理を妨げる効果を有する表面処理であれば、図２に示す外周主軸部９ａに硬度や耐摩耗性のよい窒化被膜層１７を形成しながら、かつ、固定部９ｂは酸化被膜層１６が形成され窒化被膜層１７がなく締結強度や締結状態をよくすることが出来て実施の形態１と同様の効果を得ることが出来る。

（Ｇ）
上記実施形態では、シャフト９の材料としてＡＳＫ８０００について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。

硬度Ｈｖ１８０〜６５０のオーステナイト系ステンレス材料であれば、図２に示す外周主軸部９ａに硬度や耐摩耗性のよい窒化被膜層１７を形成しながら、かつ、固定部９ｂは酸化被膜層１６が形成され窒化被膜層１７がなく締結強度や締結状態をよくすることが出来て実施の形態１と同様の効果を得ることが出来る。

（Ｈ）
上記実施形態では、窒化処理の条件として、約５００℃の窒素ガス雰囲気中において約５時間の処理を行なうことについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。

窒化処理の条件として３００℃〜８００℃の窒素ガス雰囲気中において４〜６時間の処理を行えば酸化被膜層１６の形成されていない固定部９ｂに窒化被膜層１７が形成され軸受の硬度と対磨耗性が確保できるものであり、実施の形態１と同様の効果を得ることが出来る。

（Ｉ）
上記実施形態では、シャフト１の主軸部９ａと固定部９ｂの被膜処理について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。

図６に示す円錐軸受のように、例えば、シャフト２１に取り付ける上軸部材２２の被膜処理であってもよい。上軸部材２２に酸化被膜層（図示せず）を設けて軸受部２２ａの酸化被膜層を取り除いた後に窒化処理を行なうことで固定部２２ｂは窒化被膜層の形成を防止できる。

その為、軸受部２２ａは硬度や耐摩耗性のよい窒化被膜層（図示せず）を形成しながら、かつ、固定部は酸化被膜層が形成され窒化被膜層がなくシャフトとの締結強度や締結状態をよくすることができるという効果を得ることが出来る。

（Ｊ）
上記実施形態では、図１に示すように、情報記録再生装置としてＨＤＤに用いられるスピンドルモータの締結について、本発明を適用した例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。

例えば搭載する装置としては、ＨＤＤ以外にも、光磁気ディスク装置、光ディスク装置、フロッピー（登録商標）ディスク装置、レーザプリンタ装置、レーザスキャナ装置、ビデオカセットレコーダ装置、データストリーマ装置等に対して搭載することが可能である。

本発明に係る流体軸受装置と、それを用いたモータ、情報記録再生装置および流体軸受装置に用いるシャフトの製造方法はシャフトと被固定部材の締結強度と締結状態がよい流体軸受装置を提供することができ、ハードディスク装置等に代表される情報記録再生装置に搭載される流体軸受装置として有用である。

本発明の実施の形態における情報記録再生装置の断面図 本発明の実施の形態におけるシャフトの製造工程図 （ａ）（ｂ）は本発明の実施の形態におけるシャフトとフランジの締結状態の断面図と平面図 （ａ）（ｂ）は本発明の実施の形態におけるシャフト固定部の平面図 本発明の他の実施の形態におけるスピンドルモータの断面図 本発明の他の実施の形態における流体軸受装置の断面図 比較例のシャフトの製造工程図

符号の説明

１ 流体軸受装置
２ スピンドルモータ
３ ＨＤＤ
４ ヘッド部
４ａ 記録再生ヘッド
５ ディスク
６ ベース
７ マグネット
８ ロータハブ
８ａ 中央孔
８ｂ マグネット保持部
８ｃ ディスク載置面
９ シャフト
９ａ 主軸部
９ｂ 固定部
９ｃ ハブ固定部
１０ ステータコア
１１ ステータコイル
１２ 磁気シールド板
１３ フランジ
１４ スリーブ
１５ スラストプレート
１６ 酸化被膜層
１７ 窒化被膜層

Claims (9)

1. 円柱状の主軸部を有するシャフトと、
   前記主軸部が回転可能な状態で挿入される軸受孔を有するスリーブと、
   前記シャフトに固定される被固定部材と、
   前記シャフトの少なくとも一端側に設けられた前記被固定部材が固着される前記主軸部より小径の固定部を具備し、
   前記主軸部には窒化層が形成され、
   前記固定部には窒化層非形成膜が形成されている流体軸受装置。
2. 前記被固定部材は溶接、接着、圧入、カシメ、ネジ止めのいずれかあるいは複数の組み合わせで前記固定部に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の流体軸受装置。
3. シャフトと、
   前記シャフトに嵌合して固定される貫通孔を有する軸部材と、
   前記軸部材の外周に形成され、前記貫通孔の中心軸を回転軸としてなる円錐状の側壁部と、
   前記側壁部が回転可能な状態で挿入される円錐状の凹部を有するスリーブを具備し、
   前記側壁部には窒化層が形成され、
   前記貫通孔には窒化層非形成膜が形成されている流体軸受装置。
4. 前記軸部材は溶接、接着、圧入のいずれか一つ、あるいは複数の組み合わせで前記シャフトに固定されている請求項３に記載の流体軸受装置。
5. 前記窒化層非形成膜は酸化被膜である請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の流体軸受装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の流体軸受装置を搭載するスピンドルモータ。
7. 請求項６に記載のスピンドルモータと、
   前記スピンドルモータに取り付けられる付加部材としての記録媒体とを備えている情報記録再生装置。
8. 請求項１に記載の流体軸受装置に用いるシャフトの製造方法であって、
   まず、前記シャフトに酸化被膜層を設ける酸化被膜形成工程と、
   次に、前記シャフトの軸受部の酸化被膜層を取り除く酸化被膜除去工程と、
   その後、前記シャフトに窒化処理を行なう窒化処理工程と、
   を備えているシャフトの製造方法。
9. 前記酸化被膜除去工程はセンタレス研磨である請求項８に記載のシャフトの製造方法。

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