JP2009133361A - 流体軸受装置と、それを用いたスピンドルモータおよび情報装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ハードディスクドライブ等の情報装置に使用されるスピンドルモータ用の軸受の中で、両端支持の構成を持つ流体軸受装置に関し、潤滑流体のシール部における液面高さを精度良くコントロールできる流体軸受装置を提供する。
【解決手段】第１の液面１６ａと第２の液面１６ｂが重力方向に対して潤滑流体１６と大気の位置が同じ位置関係になる構成で、一方の液面位置を基準に他方の液面位置を測定することで液面の差を直接測定する。これにより、相互の液面が影響しあう両端支持の流体軸受装置１においても精度良く潤滑流体１６の液面のコントロールを行うことが出来る。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）等の情報装置に使用されるスピンドルモータ用の軸受の中で、両端支持の構成を持つ流体軸受装置に関し、特に、潤滑流体のシール部における液面位置を精度良くコントロール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高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が使用されている。

従来の流体軸受は、固定部と回転部の間に潤滑流体を充填させて、回転部が回転した時に軸受部に動圧を発生させて潤滑流体を介して回転部を支持する構成となっている。また、製品としての剛性をより高くする必要のあるモデルでは、シャフトの両端をベースとカバーにそれぞれ固定する両端支持の流体軸受が使用されている。

このような流体軸受では、潤滑流体の量が多すぎると、例えば、衝撃を受けたときに潤滑流体がシール部から飛散する可能性がある。また逆に、潤滑流体の量が少なすぎると潤滑流体の蒸発などにより短時間でシール部より液面が下がり軸受部まで気泡が入ってしまい軸受部の焼きつきやモータロックが生じる可能性が生じる。このような問題を避ける為に、潤滑流体の量をシール部の適切な範囲内に保つように液面の位置を精度良くコントロールする必要がある。

特許文献１では、潤滑流体の量をコントロールする方法として、光学レンズを利用してシール部における潤滑流体の液面の位置を測定する技術が開示されている。また、特許文献２には剛性の高い両端支持の流体軸受の構成が開示されている。
特開２００２−２５０３４１号公報 特開２００７−２２５０１４号公報

上記特許文献１に開示されているように、光学レンズを用いて潤滑流体の液面を測定するとベース側とカバー側でそれぞれの基準面からの液面高さは測定することが出来る。

そして、特許文献２に示すような両端支持の軸受では両端の毛細管力により、それぞれの液面位置が相互に影響しあうので、液面の位置を精度良くコントロールするためには両方の液面位置を同条件で確認する必要がある。

しかしながら、前記従来の構成では、測定時に軸受の姿勢を変えて（１８０度ひっくり返して）両方の液面位置を片方ずつ測定せねばならず、測定時の保持姿勢の差により重力方向に対する潤滑流体と大気の圧力の釣り合い条件が両端側で異なるので、安定した液面位置を得ることが困難となっていた。そして、両端側のそれぞれの基準面からそれぞれの液面を測定するので、両端側の液面の差を直接測定できないため、精度の高い測定結果が得られず、液面の位置を精度良くコントロールすることが困難であるという課題があった。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、両端側での潤滑流体の液面位置を一方側から同時に直接測定することで、潤滑流体の液面を精度良くコントロールできる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、シャフトと、そのシャフトに回転可能に支持され、一方の端面に凹部を有するスリーブと、シャフトに固定され、凹部の底面から開口側に向かって、軸線方向に凹部の内周との間で径方向の隙間が広がる第１隙間を形成する第１シール部材と、シャフトに固定され、スリーブの他方の端面から凹部側に向かって、軸線方向にスリーブの外周との間で径方向の隙間が広がる第２隙間を形成する第２シール部材を備え、第１隙間と第２隙間は軸線方向に対して同一方向に開口し、かつ第２隙間はスリーブの最大外周径より外側に設けられている。

以上のように本発明によれば、第１シール部材側の潤滑流体液面と第２シール部材側の潤滑流体液面は、重力方向に対して潤滑流体と大気の圧力の釣り合い条件が測定時の保持姿勢によらないので、液面の位置を測定する時に測定の姿勢が傾いても両方の液面の位置を安定させることができ、さらに、同じ方向から測定が出来るので、一方の液面位置を基準に他方の液面位置を直接に測定することで、両端支持の流体軸受装置においても潤滑流体の液面を精度良くコントロールできる流体軸受装置を提供することができる。

以下に、本発明に係る流体軸受装置及びスピンドルモータの実施の形態を図面に基づき説明する。なお、本実施の形態の説明では、便宜上、図面の上下方向を「軸方向上側」、「軸方向下側」などと表現するが、スピンドルモータの実際の使用状態を限定するものではない。

（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、複数の記録再生ヘッド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、アルミ系合金の鋳造を加工して形成されており、表裏面は電着塗装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するとともに、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、流体軸受装置１が接着や圧入などによって固定され、流体軸受装置１の回転側の部分にはロータハブ９が取付けられている。

ロータハブ９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、流体軸受装置１の円筒状のスリーブ１０の外周上端部に嵌合され、接着や圧入などによって固定されてスリーブ１０と一体となって回転する。また、ロータハブ９は、スリーブ１０の外周上端部が挿入される円形の中央孔９ａ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９ｂ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９ｃとを有している。

そして、ベース６の表面上には、マグネット保持部９ｂに固定されたロータマグネット７と軸線方向に対向して、ロータマグネット７を吸引する薄板リング状の磁性板８が取り付けられている。

また、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１１、ステータコイル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いる。

そして、ロータマグネット７は、ステータコア１１と径方向に一定の隙間を介して、ロータハブ９のマグネット保持部９ｂ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１１は、円周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１２が巻回される。

そして、ステータコア１１は、ステータコイル１２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。

流体軸受装置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。

［流体軸受装置１を構成する各部材の説明］
流体軸受装置１は、図２に示すように、略円筒状のスリーブ１０の両端が開放された両端開放型の流体軸受装置であって、シャフト１３とスリーブ１０とを有している。そして、この流体軸受装置１は、固定されたシャフト１３の周りを回転体であるスリーブ１０が回転するシャフト固定型の流体軸受装置である。

シャフト１３は、流体軸受装置１の固定側に設けられた円柱状の部材であって、スリーブ１０の内周側にスリーブ１０との間に微小隙間を介して配置されている。スリーブ１０の内周もしくはシャフト１３の外周にはヘリングボーン形状のラジアル動圧溝（図示せず。）が形成されている。なお、例えば、シャフトの材料としてはオーステナイト系のステンレス鋼が用いられ、スリーブは銅系合金に無電解ニッケルメッキを形成したものが使用されている。

また、ラジアル動圧溝はヘリングボーン形状に限定されるものではなく、例えばスパイラル形状などであっても良い。

シャフト１３の両端側には、スリーブ１０を挟み込むように環状の第１のシール部材１４と略カップ状の第２のシール部材１５を、例えば、接着圧入により固定している。

スリーブ１０の図２の上側である一方の端面には円形の凹部を設けており第１のシール部材１４が凹部の中に位置する構成となっている。

そして、スリーブ１０の凹部の底面１０ａと第１のシール部材の端面１４ａは微小隙間を介して対向するように配置されている。また、スリーブ１０の凹部の底面１０ａもしくは第１のシール部材の端面１４ａに、例えばエッチング等によってヘリングボーン形状の第１のスラスト動圧発生溝（図示せず。）が形成されている。

ここで、スリーブ１０の凹部の内周１０ｂと第１のシール部材１４の外周１４ｂとの半径方向隙間はスリーブ１０の開放端側（図２の軸方向上側）に向うにつれて隙間が大きくなるテーパ形状となっており、潤滑流体１６の第１の液面１６ａを毛細管力によりテーパ部に保持している。

一方、スリーブ１０の図２の下側である他方の端面１０ｃと第２のシール部材１５の端面１５ａは微小隙間を介して対向するように配置されている。また、スリーブ１０の他方の端面１０ｃもしくは第２のシール部材１５の端面１５ａに、例えばエッチング等によってヘリングボーン形状の第２のスラスト動圧発生溝（図示せず。）が形成されている。

そして、スリーブ１０の外周部１０ｄと第２のシール部材１５の内周部１５ｂとの半径方向隙間は開放端側（図２の軸方向上側）に向うにつれて隙間が大きくなるテーパ形状となっており、潤滑流体１６の第２の液面１６ｂを毛細管力によりテーパ部に保持している。

なお、第１のスラスト動圧発生溝、および第２のスラスト動圧発生溝は、ともにヘリングボーン形状に限定されるものではなく、例えばスパイラル形状などであっても良い。

そして、スリーブ１０において、第１のスラスト動圧発生溝を形成している端面と第２のスラスト動圧発生溝を形成している端面は連通路１８によって連通している。

ここで、第２の液面１６ｂの位置する第２シール部材のテーパ部はスリーブ１０の最大外周径よりテーパ隙間分だけ大きくなっているので、図３に示すように、第１の液面１６ａと第２の液面１６ｂは第１のシール部材１４上方（図３の軸方向上側）から光学装置１７などにより同時に液面の位置を測定できる構成になっている。具体的には、例えば第１シール部材１４の長さＬ１は３ｍｍであり、第２シール部材１５の外周部の長さＬ２は６ｍｍとしている。

さらに、第１シール部材１４の開放端側の最大隙間ｇ１は１ｍｍであり、第２シール部材１５の開放端側の最大隙間ｇ２は０．８ｍｍとなっている。このように、第１のシール部材１４の長さＬ１を第２シール部材１５の長さＬ２より短くし、第１シール部材１４側の最大隙間ｇ１を第２シール部材１５側の最大隙間ｇ２より大きくすることで、ｇ１/Ｌ１>ｇ２/Ｌ２の関係となる。すなわち、第１シール部材１４のテーパ角度が第２のシール部材１５のテーパ角度より大きくなり、潤滑流体の蒸発などで潤滑流体１６が減少しても第１シール部材１４側の第１の液面１６ａ位置の変化量は第２シール部材１５側の第２の液面１６ｂ位置の変化量の１/２以下に抑えることが出来る。これにより、第１のシール部材１４の長さＬ１を更に短くすることができ、ラジアル軸受剛性をより強くすることが出来る。

次に、以上のような構成であるスピンドルモータに搭載されている流体軸受装置において、ラジアル軸受部隙間とスラスト軸受部隙間および、両端開口部がつながっている両端開口型の流体軸受装置の内部に、真空注油工法などの潤滑流体注入方法を用いて潤滑流体を注入する真空注油方法について説明する。

（ ステップ１ ）
まず、図４に示すように、チャンバ２００の壁面にある図示しない開口部から潤滑流体未充填の流体軸受装置１を挿入し、第２シール部材１５のベースとの嵌合部１５ａを受け面としてチャンバ２００内の冶具２０１に流体軸受装置１を設置する。チャンバ２００の開口部およびバルブ２０２を閉じ、バルブ２０３を開いて真空ポンプ２０４を作動させる。そして、真空度１×１０-２Ｐａに達した時点で、真空ポンプ２０４を停止させることにより、流体軸受装置１の軸受部分の中から空気を除去する。

（ ステップ２ ）
次に、真空状態のチャンバ２００内に設置された流体軸受装置１の両方の開放端側から、潤滑流体をチャンバ２００内に設置されているノズル２０５及び２０６を用いて第１のシール部材１４側の最大隙間部および第２のシール部材１５側の最大隙間部に所定量滴下する。すると、図５のように潤滑流体１６は大きな液滴状になり、潤滑流体１６の自重と、第１のシール部材１４側のテ−パ部および第２のシール部材１５側のテ−パ部における隙間の毛細管力によって、潤滑流体１６は流体軸受装置１の内部へと誘導される。

なお、本実施の形態では両方の開放端、すなわち、第１のシール部材１４側の最大隙間部および第２のシール部材１５側の最大隙間部で、どちらも潤滑流体１６に重力がそれぞれのテ−パ部側（図５の軸方向下側）に向かってかかるので、従来のように一方の開放端側において潤滑流体に重力がテ-パ部と逆方向にかかって潤滑流体が流れ出ることがなく、安定した潤滑流体の量で注油を行うことが出来る。

（ ステップ３ ）
その後、潤滑流体１６が注入された流体軸受装置１を、大気圧もしくは前記減圧時よりも高い圧力になるまで流体軸受装置１の外部環境を変化させる。すると、ステップ２において、まだ十分に充填されていなかった潤滑流体１６が大気圧によって流体軸受装置１の内部に押し込まれてさらに充填される。

さらに、図４に示す真空チャンバ２００から図５に示す潤滑流体１６が注入された流体軸受装置１を取り出し、０．５Ｈｒ以上大気圧環境下で放置する。この放置により真空注油では充填しきれていないピンホ−ル部、圧入、接着、溶接などにて固定されている隙間にまで潤滑流体１６を充填することができる。

そして、流体軸受装置１に必要な潤滑流体量を注油し終えた後、流体軸受装置１に注入されている潤滑流体量を開口部の液面位置によって確認する。

次に、その液面確認工程について説明する。

図６に示すように、測定は最初に第１の液面１６ａを測定し、その値を基準とする。次に第２の液面１６ｂを測定することで相互に影響しあう２つの液面の差を直接測定することが出来る。最後に第１シール部材１４の上面１４ｃを測定することによってシール効果の弱い第１の液面１６aの位置を確認することが出来る。

以上のように本実施形態とすることにより、第１の液面１６ａと第２の液面１６ｂは液面が同一方向から同時に潤滑流体の液面が確認できるように構成されているので流体軸受装置１を動かすことなく、両端支持の流体軸受装置の両方の開放端、すなわち、第１のシール部材１４側の最大隙間部および第２のシール部材１５側の最大隙間部におけるシール部の液面位置の差を光学装置１７で直接測定することができるので両端支持の流体軸受装置においても精度良く潤滑流体の液面をコントロールでき、潤滑流体１６の量を流体軸受装置内の適切な範囲内に保つことができる効果を有している。これにより、潤滑流体１６が多い場合に発生する流体軸受装置に衝撃が加わるなどして起こる潤滑流体の飛散を防止し、潤滑流体が少ない場合に発生する潤滑流体の蒸発により軸受寿命が短くなることを防止することが出来る。また、従来のように両端支持の流体軸受装置の両方の開放端における液面の位置を両方向から測定する必要がなくなるので簡易な測定器を使用して容易に測定することが出来る。さらに、第１シール部材１４の長さを短くすることが出来るのでラジアル軸受の剛性をより強くすることも可能となる。

そして、本実施形態の流体軸受装置を用いたスピンドルモータや情報機器は、薄型であり、かつラジアル剛性や耐衝撃性に優れた長寿命の製品とすることができる。

（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のシャフト１３と第１のシール部材１４と第２のシール部材１５を別体として構成しているが、これに限定されるものではない。

例えば、シャフトと第１のシール部材１４やシャフトと第２のシール部材１５を一体で構成しても良い。

この場合も両端の液面を同一方向から同時に測定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。

（Ｂ）
上記実施形態では、図２に示すように第1のシール部材１４と第２のシール部材１５にテーパを形成してスリーブ１０にはテーパを設けていないが、これに限定されるものではない。

図７に示すようにスリーブ１０の凹部の内周１０ｂとスリーブの外周部１０ｄにテーパを設けてもよい。なお、この場合は、第１のシール部材１４の外周１４ｂと第２のシール部材１５の内周部１５ｂにはテーパを設けなくてもよい。

この場合も第１の液面１６ａと第２の液面１６ｂが同一方向から同時に測定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、図２に示すように第１のシール部材１４の外周１４ｂと第２のシール部材１５の内周部１５ｂにはテーパを形成しているが、これに限定されるものではない。

例えば、図８に示すように第１のシール部材１４の外周１４ｂと第２のシール部材１５の内周部１５ｂに階段状のシール形状を形成しても良い。

この場合も第１の液面１６ａと第２の液面１６ｂが同一方向から同時に測定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。

また、第１のシール部材１４の外周１４ｂと第２のシール部材１５の内周部１５ｂに階段状のシール形状は、ともに周方向の壁面が各段でそれぞれ開放端側に拡径するテ−パであっても良い。

（Ｄ）
上記実施の形態では、図２に示すようにスリーブ１０において、第１のスラスト動圧発生溝を形成している端面と第２のスラスト動圧発生溝を形成している端面に連通路１８を設けて連通しているが、これに限定されるものではない。

軸受内部のポンプインとポンプアウトのバランスが取れるならば連通穴はなくても良い。

連通路１８がない構成でも相互に影響を及ぼす第１の液面１６ａと第２の液面１６ｂが同一方向から同時に測定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。

なお、例えば、一方向に潤滑流体１６を強制的に循環させる場合やもしくは、軸受部品の加工精度を緩め、軸受内での循環を許容する設計思想に基づく場合は連通路を付けることが望ましい。

（Ｅ）
上記実施例では、図６に示すように、測定は最初に第１の液面１６ａを測定し、次に第２の液面１６ｂを測定し、最後に、第１シール部材１４の上面１４ｃを測定したが、これに限るものではない。図９に示すように最後に第２シール部材１５の上面１５ｃを測定しても良い。

第１の液面１６ａと２の液面１６ｂは共に、スラスト動圧発生溝（図示せず）より径方向の外側であり第２シール部材１５の上面１５ｃの近傍に位置しているので、光学装置を微小な距離だけ動かすことで測定器の移動による誤差を少なくして測定することが出来る。

これにより、両端の液面を同一方向から同時に精度良く測定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、図１等に示すように、情報装置としてＨＤＤ装置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。

例えば本実施形態の流体軸受装置やスピンドルモータを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、それを用いたスピンドルモータ及び情報装置は、両端支持の流体軸受装置においても精度良く潤滑流体の液面をコントロールでき、ＨＤＤ装置等に代表される情報装置に搭載されるスピンドルモータとして有用である。

本発明の実施の形態１におけるスピンドルモータの断面図 本発明の実施の形態１における流体軸受装置の断面図 本発明の実施の形態１における流体軸受装置の断面図 本発明の実施の形態１における真空注油装置の概略構成を示す図 本発明の実施の形態１における流体軸受装置の注油の状態を示す断面図 本発明の実施の形態１における流体軸受装置の液面測定の状態を示す図 本発明の他の実施の形態におけるスリーブにテーパを設けた流体軸受装置の断面図 本発明の他の実施の形態における階段状のテーパを設けた流体軸受装置の断面図 本発明の他の実施の形態における流体軸受装置の液面測定の状態を示す図

符号の説明

１ 流体軸受装置
１０ スリーブ
１０ｂ スリーブの内周
１０ｄ スリーブの外周部
１３ シャフト
１４ 第１シール部材
１４ｂ 外周
１５ 第２シール部材
１５ｂ 内周部
１６ 潤滑流体
１６ａ 第１の液面
１６ｂ 第２の液面

Claims (6)

1. シャフトと、
   前記シャフトに回転可能に支持され、一方の端面に凹部を有するスリーブと、
   前記シャフトに固定され、前記凹部の底面から開口側に向かって、軸線方向に前記凹部の内周との間で径方向の隙間が広がる第１隙間を形成する第１シール部材と、
   前記シャフトに固定され、前記スリーブの他方の端面から前記凹部側に向かって、軸線方向に前記スリーブの外周との間で径方向の隙間が広がる第２隙間を形成する第２シール部材を備え、
   前記第１隙間と前記第２隙間は軸線方向に対して同一方向に開口し、かつ前記第２隙間は前記スリーブの最大外周径より外側に設けられている流体軸受装置。
2. 前記第1隙間と前記第２隙間は開口側に拡径するテーパ形状である請求項１に記載の流体軸受装置。
3. 少なくとも前記第1隙間と前記第２隙間のいずれか一方の形状は開口側に拡径する階段状である請求項１に記載の流体軸受装置。
4. 前記第１シール部材の開放端側の最大隙間ｇ１と、
   前記第２シール部材の開放端側の最大隙間ｇ２と、
   前記第１隙間の軸方向長さＬ１と、
   前記第２隙間の軸方向長さＬ２とは、
   ｇ１＞ｇ２であり、かつ
   ｇ１/Ｌ１＞ｇ２/Ｌ２の関係である請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の流体軸受装置。
5. 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を用いたスピンドルモータ。
6. 請求項５に記載のスピンドルモータを用いた情報装置。
   

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