JP2010223377A - 流体動圧軸受、流体動圧軸受の製造方法、回転機器およびディスク駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂化したフランジを一体成形したシャフトを含む流体動圧軸受の回転精度を安定化させることができる流体動圧軸受及びその製造方法を提供する。
【解決手段】流体動圧軸受は、樹脂製のフランジ４０がインサートモールドにて固着されたシャフト３８を含む。フランジ４０をシャフト３８にインサートモールドで固着する工程は、下型５４のシャフト配置部５４ａに配置されたシャフト３８の少なくとも一部が冷却パイプ６０を循環する冷却水で冷却しながら樹脂を上型５６を介して下型５４の充填部５４ｂに注入してシャフト３８に固着形成されたフランジ４０を成形するフランジ形成工程を含む。
【選択図】図４

Description

本発明は、流体動圧軸受、流体動圧軸受の製造方法、回転機器およびディスク駆動装置、特に回転体の回転精度の安定化技術に関する。

近年、ＨＤＤなどのディスク駆動装置は、流体動圧軸受を備えることにより支持する回転体の回転精度を飛躍的に向上させることが可能になった。流体動圧軸受はシャフトなどの回転体の一部に動圧発生用の動圧溝を備え、回転体の回転時に周囲に充填された油などの潤滑剤と相互に作用して動圧を発生させる。流体動圧軸受は、発生した動圧により回転中の回転体を実質的に潤滑剤の中で浮上させて周囲の構造部品と非接触にして軸を受ける。このような流体動圧軸受の軸受精度の向上を背景に、ディスク駆動装置として、記録するデータの高密度・大容量化が一層求められるようになった。例えば磁気的にデータのリード／ライトが可能なディスク駆動装置では、記録トラックが形成された記録ディスクを高速で回転させる。そして、磁気ヘッドは、その記録ディスクの記録トラック上を極めて僅かな隙間を介してトレースしながらデータのリード／ライトを実行する。このようなディスク駆動装置に用いる記録ディスクの大きさには制限があるため、実質的な高密度・大容量化を実現するためには、記録トラックの幅を狭くする必要があった。また、記録トラックの幅に対応して、磁気ヘッドと記録ディスクとの対面する隙間も狭くする必要があった。

また、高密度・大容量化の実現に伴いディスク駆動装置は、あらゆる機器に搭載されるようになり、軽量化も重要な課題となっている。このような軽量化に対応するために、流体動圧軸受を構成する部品の樹脂化も検討されている。例えば特許文献１には、スラスト方向の動圧を発生させるスラスト動圧溝を有するフランジを樹脂化した流体動圧軸受やそのフランジの成形時にシャフトに固着する製造方法などが開示されている。

特開２００１−１０７９４６号公報

しかし、特許文献１に開示された製造方法によりスラスト動圧溝を有する樹脂製のフランジをシャフトに一体成形した場合、フランジとシャフトの直角度が安定しない場合が多かった。つまり、樹脂とは別部材で構成されるシャフトの周囲に高温の溶融した樹脂を充填してフランジを成形しようとする場合、シャフトの温度が室温から例えば百数十度まで上昇してシャフトが熱膨張する。この状態で、フランジが金型の形状に従って形成されると共にシャフトに固定されることになる。その後、シャフトの温度が室温に戻る過程で樹脂との境界面が不均一に収縮してフランジが傾いてしまう場合があった。この場合の収縮は成形品ごとにばらつくため、シャフトとフランジの直角度も個々の成形品でばらつくことになる。このようなシャフトとフランジの直角度のばらつきは、シャフトを基準として回転させたときのフランジの面振れの原因になる。フランジの面振れは即ちスラスト動圧溝を形成した面の傾きである。面の傾きの大きなフランジを有するシャフトを流体動圧軸受に組み込むと、フランジの傾きに応じて軸方向対向面との隙間が偏る。またその偏りは、回転動作により大きく変化する。フランジの回転により発生するスラスト動圧は、スラスト動圧溝を形成したフランジとその軸方向対向面との隙間が広い部分で減少し、狭い部分で増大するのでスラスト動圧の偏りを生じる。このようなスラスト動圧の偏りは、ラジアル軸受部分に偏荷重を生じさせると共にシャフトの回転精度を低下させる原因になる。このような回転精度のばらついた流体動圧軸受を搭載したディスク駆動装置において、記録トラックの幅が狭小化されている場合、回転精度のばらつきがデータのリード／ライトのエラーレートを悪化させることになる。つまり、フランジの面振れ性能は、結果としてディスク駆動装置の高密度・大容量化の障害となってしまうという問題があった。

そこで、本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、樹脂化したフランジを一体成形したシャフトを含む流体動圧軸受の回転精度を安定化させることができる流体動圧軸受及びその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の流体動圧軸受は、シャフトと、シャフトの一端に固着されたフランジと、少なくともシャフトの一部を回転自在に収納するシャフト収納部材と、シャフト収納部材の一端に設けられ、フランジを回転自在に収納するフランジ収納空間部と、フランジの軸方向の端面と対向すると共にフランジ収納空間部を封止するカウンタープレートと、シャフトとシャフト収納部材のラジアル方向の対向面の少なくともいずれか一方に形成されたラジアル動圧溝と、フランジとフランジ収納空間部のスラスト方向の対向面の少なくともいずれか一方、及びフランジとカウンタープレートのスラスト方向の対向面の少なくともいずれか一方に備えられたスラスト動圧溝と、ラジアル動圧溝とスラスト動圧溝に満たされた潤滑剤と、を備える。この流体動圧軸受において、フランジは、回転時の面振れ量が３μｍ以下になるようにシャフトに樹脂をインサートモールドにより固着している。

本発明者らは、スラスト動圧を発生させるフランジを有するシャフトが回転した場合、フランジの上面とその対向面との間隔、及びフランジの下面とその対向面との間隔がそれぞれ５μｍ以上確保すれば、その隙間を構成する部品の寸法誤差に起因する影響を実質的に受けることなく所望のスラスト動圧を発生させることができるという実験結果を得た。つまり、フランジを有するシャフトの回転が停止して非浮上状態のときの隙間（以下、スラスト隙間という）が１０μｍ以上確保できれば、回転時に所望のスラスト動圧が得られるという実験結果を得た。また、スラスト隙間が３０μｍ以上になると、発生する動圧が小さくなり所望の大きさのスラスト動圧が得られ難いという実験結果を得た。そして、スラスト隙間が１０μｍ以上３０μｍ以下の場合に、フランジの面振れを３μｍ以下にすれば、安定したスラスト動圧が得られるという結果を得た。このようにフランジの面振れ量を３μｍ以下に管理することにより流体動圧軸受の安定した回転精度を保証することができる。

本発明の別の態様は、流体動圧軸受の製造方法である。この方法は、シャフトと、シャフトの一端に固着されたフランジと、少なくともシャフトの一部を回転自在に収納するシャフト収納部材と、シャフト収納部材の一端に設けられ、フランジを回転自在に収納するフランジ収納空間部と、フランジの軸方向の端面と対向すると共にフランジ収納空間部を封止するカウンタープレートと、シャフトとシャフト収納部材のラジアル方向の対向面のいずれかに形成されたラジアル動圧溝と、フランジとフランジ収納空間部のスラスト方向の対向面のいずれか、及びフランジとカウンタープレートのスラスト方向の対向面のいずれかに備えられたスラスト動圧溝と、ラジアル動圧溝とスラスト動圧溝に満たされた潤滑剤と、を備えた流体動圧軸受の製造方法である。この流体動圧軸受の製造方法は、シャフトの少なくとも一部を冷却しながら樹脂をシャフトにインサートモールドにて固着形成してフランジを形成するフランジ形成工程を含む。

シャフトの冷却部分は、例えばシャフトとフランジの接合部分以外のシャフト部分とすることができる。シャフトの冷却は、例えば水冷方式や空冷方式、その他の冷却方式を利用することが可能で、シャフトの冷却部分を例えば常温に近い状態を維持することが好ましい。冷却温度は、冷却部分を例えば２０〜７０℃にすることが好ましい。この温度設定は実験等により適宜決定することができる。その結果、高温の樹脂を金型に注入したときのシャフトの熱膨張を抑制できる。つまり、シャフトに樹脂をインサートモールドにて固着したときのシャフト形状とシャフト及びフランジが常温に戻ったときのシャフト形状とで変化を少なくできる。言い換えれば、フランジがインサートモールドされたときの姿勢が収縮により変化してしまうことを抑制し、インサートモールド時の金型の精度に従うシャフトとフランジの接合姿勢が維持され易くなる。例えば、シャフトとフランジの接合部分の直角度を維持し易くなる。その結果、樹脂製のフランジを有するシャフトが回転したときの面振れ量を例えば３μｍ以下に安定的にすることができる。

本発明のさらに別の態様もまた、流体動圧軸受の製造方法である。この方法は、シャフトと、シャフトの一端に固着されたフランジと、少なくともシャフトの一部を回転自在に収納するシャフト収納部材と、シャフト収納部材の一端に設けられ、フランジを回転自在に収納するフランジ収納空間部と、フランジの軸方向の端面と対向すると共にフランジ収納空間部を封止するカウンタープレートと、シャフトとシャフト収納部材のラジアル方向の対向面のいずれかに形成されたラジアル動圧溝と、フランジとフランジ収納空間部のスラスト方向の対向面のいずれか、及びフランジとカウンタープレートのスラスト方向の対向面のいずれかに備えられたスラスト動圧溝と、ラジアル動圧溝とスラスト動圧溝に満たされた潤滑剤と、を備えた流体動圧軸受の製造方法である。この流体動圧軸受の製造方法は、シャフトに樹脂をインサートモールドにて固着形成してフランジを形成するフランジ形成工程と、フランジの固着後に調整型内でプレスして当該フランジの固着姿勢を調整する調整工程と、を含む。

調整工程で、フランジ固着後のシャフトを調整型内でプレスすることでシャフトとフランジの接合姿勢を調整型の形状に倣う所望の姿勢にすることができる。例えばシャフトとフランジの接合部分の姿勢を直角姿勢に調整することができる。その結果、樹脂製のフランジを有するシャフトが回転したときの面振れ量を例えば３μｍ以下に安定的にすることができる。なお、調整工程において、調整型は、例えばフランジを構成する樹脂のガラス転移温度よりやや低い温度に加熱しておくことができる。調整型を加熱した上でフランジ固着後のシャフトを調整型内でプレスすることにより容易に調整型の精度で定まる姿勢にシャフトとフランジの接合姿勢を矯正できる。

本発明によれば、樹脂化したフランジを一体成形したシャフトを含む流体動圧軸受の回転精度を安定化させることができる。

本実施形態の流体動圧軸受を含むディスク駆動装置の一例であるハードディスクドライブ装置の内部構成を説明する概略図である。 本実施形態のディスク駆動装置の固定体部、回転体部、軸受部の詳細を説明する説明図である。 フランジをシャフトにインサートモールドで固着させる場合に接合部の直角度が低下することを説明する説明図である。 本実施形態の流体動圧軸受のフランジをシャフトにインサートモールドして固着するフランジ成形工程の説明図である。 図４とは別の製造方法によりフランジ付きシャフトの直角度を確保する成形方法を説明する説明図である。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態の流体動圧軸受を含むディスク駆動装置の一例であるハードディスクドライブ装置（ＨＤＤ）１０の内部構成を説明する概略図である。なお、図１は、内部構成を露出させるためにカバーを取り外した状態を示している。

ベース部材１２の上面には、ブラシレスモータ１４、アーム軸受部１６、ボイスコイルモータ１８等が載置される。ブラシレスモータ１４は、例えば１２スロット８極着磁のスピンドルモータとすることができる。ブラシレスモータ１４は、例えば磁気的にデータを記録可能な記録ディスク２０を回転駆動する。ブラシレスモータ１４はＵ相、Ｖ相、Ｗ相からなる３相の駆動電流により駆動される。アーム軸受部１６は、スイングアーム２２を可動範囲ＡＢ内でスイング自在に支持する。ボイスコイルモータ１８は外部からの制御データにしたがってスイングアーム２２をスイングさせる。スイングアーム２２の先端には磁気ヘッド２４が取り付けられる。ＨＤＤ１０が稼働状態にある場合、磁気ヘッド２４はスイングアーム２２のスイングに伴って記録ディスク２０の表面を僅かな隙間を介して可動範囲ＡＢ内を移動し、データをリード／ライトする。なお、図１において、点Ａは記録ディスク２０の最外周の記録トラックの位置に対応する点であり、点Ｂは記録ディスク２０の最内周の記録トラックの位置に対応する点である。スイングアーム２２は、ＨＤＤ１０が停止状態にある場合には記録ディスク２０の脇に設けられる待避位置に移動してもよい。

ベース部材１２の略中央からやや長手方向にシフトした位置にブラシレスモータ１４により回転するハブ部材２８が露出している。ＨＤＤ１０は、固定体部と回転体部とこれらを相対的に回転自在に支持する軸受部とを含んで構成されている。なお、本実施形態において、記録ディスク２０、スイングアーム２２、磁気ヘッド２４、ボイスコイルモータ１８等のデータをリード／ライトする構造を全て含むものをＨＤＤ１０と表現する場合もあるし、ディスク駆動装置と表現する場合もある。また、記録ディスク２０を回転駆動する部分のみをディスク駆動装置と表現する場合もある。

図２を用いて、固定体部、回転体部、軸受部の詳細を説明する。なお、図２は、記録ディスク２０を支持するハブ部材２８と後述するシャフト３８が一体となり回転する、いわゆるシャフト回転型のディスク駆動装置の構造である。

固定体部は、ベース部材１２、ステータコア３０、駆動コイル３２とを備える。ベース部材１２は、ＨＤＤ１０のハウジングの機能も兼ねる。ステータコア３０はベース部材１２に形成された円筒部１２ａの外壁面に固着されている。ステータコア３０は、電磁鋼板を積層して構成され、その円周に沿って等間隔で外側に向かって放射状に伸びるティース部を例えば１２個備えている。駆動コイル３２は、ステータコア３０のティース部に巻回された３相のコイルである。駆動コイル３２には所定の駆動回路により３相の略正弦波状の電流が通電され回転磁界を発生する。また、ベース部材１２に形成された収納孔１２ｂには、収納部材として機能する略円筒状のスリーブ３４が固定されている。このスリーブ３４は、シャフト３８の少なくとも一部を回転自在に収納するシャフト収納部材３４ａで構成されている。また、シャフト収納部材３４ａの一端には、シャフト３８の一端に固定されたフランジ４０を回転自在に収納するフランジ収納空間部３４ｂが形成されている。本実施形態の場合、フランジ収納空間部３４ｂはスリーブ３４を構成するシャフト収納部材３４ａの一部として構成されている。スリーブ３４の一方の端部には、円盤状のカウンタープレート３６が固着され、フランジ収納空間部３４ｂを封止すると共に記録ディスク２０等が収納されるベース部材１２の内部側を封止している。

次に、回転体部について説明する。回転体部は回転部材として機能し、ハブ部材２８、シャフト３８、フランジ４０、ヨーク４１、マグネット４２を含んで構成されている。シャフト３８は、ハブ部材２８に形成された中心孔２８ａに一端が固定され、他端には、円盤状のフランジ４０が固定されている。

ハブ部材２８は円盤状の部材であり、外周縁部に円筒部１２ａと同心でシャフト３８の軸方向に伸びるリング状のヨーク４１が固定されている。このヨーク４１の内壁面には、円筒状のマグネット４２が接着剤等により固定されている。マグネット４２は、例えばＮｄ−Ｆｅ−Ｂ（ネオジウム−鉄−ボロン）系の希土類材料で形成され、表面には電着塗装やスプレー塗装などによる防錆処理が施されている。本実施形態において、マグネット４２は、その内周側に円周方向に沿って例えば８極の駆動磁極を有している。このマグネット４２の駆動磁極は、ステータコア３０の駆動コイル３２の駆動により発生する回転磁界との相互作用により回転駆動力を生じ、回転体を回転駆動する。

また、ハブ部材２８は、外筒部２８ｂと、この外筒部２８ｂに結合され径方向外側へ外延する外延部２８ｃを有している。例えば略ドーナツ形状で直径が３．５インチ（約８９ｍｍ）の記録ディスク２０の内周部は外筒部２８ｂに係合され、外延部２ｃに載置される。記録ディスク２０の上には略ドーナツ形状のクランパー４４が載せられ、スクリュー４６によってハブ部材２８に固定される。これによって記録ディスク２０をハブ部材２８に固定している。なお、ハブ部材２８は、アルミニウム、鉄等の金属や、導電性樹脂を型成型や機械加工して形成することができる。

続いて、軸受部について説明する。スリーブ３４の内周にはシャフト３８の軸方向の上下に離間して例えば１組のヘリングボーン形状のラジアル動圧溝ＲＢ１、ＲＢ２で構成されるラジアル動圧発生部が形成されている。ラジアル動圧発生部と後述する潤滑剤とでラジアル流体動圧軸受を構成している。スリーブ３４の開放端に近い側のラジアル動圧溝ＲＢ２は、外延部２８ｃが支持する記録ディスク２０が載置される面の軸方向高さと同等またはそれより上方に配設されている。このような位置にラジアル動圧溝ＲＢ２を配置することにより、回転時のハブ部材２８を安定的に動圧支持する効果がある。スリーブ３４は銅系の金属やステンレスを切削加工して形成することができる。また、例えばカーボン繊維等の導電フェラーを樹脂に練り込んだ導電性樹脂を用いて金型成型してスリーブ３４を形成してもよい。

さらに、カウンタープレート３６とフランジ４０の面４０ａとは第１のスラスト空間を形成している。また、スリーブ３４の端部、つまり、フランジ収納空間部３４ｂのシャフト収納部材３４ａ側の壁面とこれに対向するフランジ４０の面４０ｂとは第２のスラスト空間を形成している。フランジ４０の面４０ａ、４０ｂにはヘリングボーン形状やスパイラル形状のスラスト動圧溝ＳＢ１，ＳＢ２で構成されるスラスト動圧発生部が形成されている。スラスト動圧発生部と後述する潤滑剤でスラスト流体動圧軸受を構成している。

ところで、ディスク駆動装置は、あらゆる機器に搭載されるようになり、軽量化も重要な課題になってる。そのため、本実施形態においては、スラスト動圧を発生させるスラスト動圧溝ＳＢ１，ＳＢ２を有するフランジ４０を樹脂化して軽量化を図っている。

スリーブ３４の開放端側は、スリーブ３４の内周とシャフト３８の外周との隙間が外側に向かって徐々に拡がるようにしたキャピラリーシール部４８を構成している。ラジアル動圧溝ＲＢ１、ＲＢ２、スラスト動圧溝ＳＢ１，ＳＢ２を含む空間、及びキャピラリーシール部４８の途中までには、オイルなどの潤滑剤５０が満たされている。また、ラジアル動圧溝ＲＢ１、ＲＢ２を含むラジアル動圧発生部とスラスト動圧溝ＳＢ１，ＳＢ２を含むスラスト動圧発生部とは、スリーブ３４の一部や内周面等に形成られた循環路（不図示）によって連通し、潤滑剤５０が各動圧発生部を自由に循環できるようになっている。また、フランジ４０の面４０ａ、４０ｂを貫く貫通孔４０ｃが設けられ、ここでも潤滑剤５０が自由に循環できるようになっている。

ところで、潤滑剤５０には軸受構成部材の摩耗粉や軸受構成部材の破片などの異物が浮遊している場合がある。特にフランジ４０を樹脂化した場合、摩耗粉や破片が発生する可能性が増加する。これらの異物が潤滑剤５０の中に存在する場合、軸受構成部材の摩耗を促進したり、シャフト３８の回転ムラや回転不良の原因になる。そこで、本実施形態では潤滑剤５０に浮遊する異物を取り除くために、多孔質フィルタ５２をスリーブ３４に設けている。この多孔質フィルタ５２は、例えば、フランジ４０の外周近傍であるフランジ収納空間部３４ｂに設けることができる。この位置は、フランジ４０の回転時に潤滑剤５０がフランジ４０から半径方向外向きに流れる位置なので、フランジ４０で生じた異物を効果的に除去することができる。

多孔質フィルタ５２は、例えばポリプロピレン不織布からなり、少なくとも第１の部分と第２の部分の２層構造となっていることが望ましい。この場合、第１の部分の多孔質構造の孔の大きさは第２の部分の多孔質構造の孔の大きさよりの大きくしている。発明者らは実験により、ディスク駆動装置の潤滑剤５０に浮遊する異物の大きさは、概ね０．３μｍ未満の小異物、０．３〜１．０μｍの中異物、１．０μｍを越える大異物に分類することができるという結果を得た。そして、小異物は軸受隙間に入っても障害となり難く、中異物と大異物を効率的に捕捉することが望ましいとの実験結果も得ている。このとき、全体の多孔質構造の大きさを０．３μｍ程度とすると、全ての異物は多孔質フィルタ５２の表面に近い部分に捕捉されて貯まるため、早く目詰まりしてしまう。そこで、表面に近い第１の部分の多孔質構造の孔の大きさを例えば０．５〜１．０μｍとすると、中異物は通過し、大異物のみが捕捉され貯まる。さらに、表面から遠い第２の部分の多孔質構造の孔の大きさを例えば０．３〜０．５μｍとしておけば、ここで中異物が捕捉される。つまり、多孔質フィルタ５２の全体を使って異物を捕捉できるようになり、フィルタとして全体を有効に機能させ、多孔質フィルタ５２が目詰まりにより機能低下するまでの寿命を長くすることができる。なお、多孔質フィルタ５２の多孔質構造は２層構造に限られず、３層以上の多層にしたり、孔の大きさが連続変化するように構成することも可能であり、より効果的な異物除去ができる。

また、多孔質フィルタ５２の素材や形状は適宜変更可能であり、同様な効果を得ることができる。また、多孔質フィルタ５２の配設場所は、上述の例に限られず、潤滑剤５０の流れのある場所であれば同様な効果を得ることができる。

ステータコア３０の駆動コイル３２の駆動により発生する回転磁界により回転体部を構成するシャフト３８が回転することにより、ラジアル動圧溝ＲＢ１、ＲＢ２は潤滑剤５０に対してラジアル動圧を発生し、ハブ部材２８を含む回転体をラジアル方向に支持する。また、シャフト３８と共にフランジ４０が回転することにより、スラスト動圧溝ＳＢ１，ＳＢ２は潤滑剤５０に対してスラスト動圧を発生し、ハブ部材２８を含む回転体をスラスト方向に支持する。なお、貫通孔４０ｃはフランジ４０の両面の圧力差を調整してフランジ４０の浮上姿勢や浮上状態を安定させる機能を有する。また、キャピラリーシール部４８は、毛細管現象により潤滑剤５０がハブ部材２８とスリーブ３４とで形成される空間側に過剰に移動して漏れ出してしまうことを防止するシール部材として機能する。

上述したように、本実施形態のフランジ４０は、樹脂化されて軽量化が図られている。このフランジ４０をシャフト３８に固定する場合、例えば、インサートモールド（insert molding）で固着することができる。フランジ４０をインサートモールドを用いて形成することにより、フランジ４０の成形と共に、スラスト動圧溝ＳＢ１，ＳＢ２も同時成形することが可能となり、製造効率の向上に寄与できる。なお、インサートモールドとは、樹脂成形体に埋め込む部品（例えばシャフト３８）をあらかじめ金型内に設置しておいて，そこに樹脂を射出などによって充填する成形法である。

ところで、シャフトに固定されるフランジは、フランジの軸方向に対して直角に固定されることが望ましい。しかし、シャフトとフランジの固定が直角ではなく傾きを有する場合、フランジの回転時にスラスト動圧溝が形成された面がフランジの軸方向に振れる、いわゆる面振れ現象が現れる。その結果、スラスト動圧溝で発生するスラスト動圧が変動してしまう。

図３は、フランジ４０をシャフト３８にインサートモールドで固着させる場合に接合部の直角度が低下することを説明する説明図である。具体的な実験例では、シャフト３８を設置した金型内に４００℃程度で溶融させた樹脂を射出して成形すると、シャフトの温度も上昇する。この場合、シャフト３８の材質をＳＵＳ４２０Ｊ２とし、その直径を約４ｍｍとした。このとき、シャフト３８の温度が室温（２０℃）から１７０℃程度に上昇した。ＳＵＳ４２０Ｊ２の線膨張係数は１０．３×１０^−６／℃なので、温度上昇に伴い直径が６〜５μｍ程度熱膨張していた。このように熱膨張した状態のシャフト３８に樹脂をインサートモールドすると、シャフト３８の温度が室温に戻る過程で樹脂との境界面が不均一に収縮して変形を生じてフランジ４０が、図３（ａ）のように傾いて直角精度を低下させる。このように傾きを含んで固定されたフランジ４０を有するシャフト３８を回転させると、図３（ｂ）に示すようにフランジ４０に面振れが生じる。このときの面振れ量を測定すると面振れ量β＝６〜１０μｍであった。フランジ４０の面振れは即ちスラスト動圧溝ＳＢを形成した面の傾きであり、このように面の傾きの大きなフランジ４０を流体動圧軸受に組み込むと、傾きに応じて軸方向対向面との隙間、この例では片側１０μｍ程度が偏る。また、この偏りは回転により大きく変化する。フランジ４０の回転により発生するスラスト動圧は、スラスト動圧溝を形成したフランジ４０とその軸方向対向面との隙間が広い部分で減少し、狭い部分で増大するからスラスト動圧の偏りを生じる。面振れ量が大きいと、回転に伴う隙間の偏りが大きくなり、スラスト動圧の偏りも大きくなる。即ちフランジ４０の片方でスラスト動圧が大きく、反対側でスラスト動圧が小さい偏った状態で回転することになる。その結果、ラジアル軸受部分に偏荷重を生じさせると共にシャフトの回転精度を低下させる原因になる。

上述したようなスラスト動圧の変動は、図３（ｃ）に示すように、シャフト３８の偏心回転、すなわち記録ディスク２０の偏心回転を招き、データのリード／ライトのエラーレートを悪化させる原因になっていた。

そこで、本実施形態では、インサートモールドによりシャフト３８にフランジ４０を固定する場合のフランジ４０の面振れ量の許容範囲を見いだし、さらに、そのインサートモールドにより成形されるフランジ４０付きのシャフト３８の面振れ量が許容範囲に収まるような製造方法を示す。

まず、面振れ量の許容範囲について説明する。フランジ４０の非回転時には動圧は発生しておらず、フランジ４０は重力により例えばカウンタープレート３６側に移動し、フランジ４０の面４０ａはカウンタープレート３６に接する。即ち第１のスラスト空間の隙間はゼロの状態となる。この状態での第２のスラスト空間の隙間（以下、スラスト隙間という）を２０μｍとした。

フランジ４０が回転するとスラスト動圧溝ＳＢ１，ＳＢ２により動圧が発生するが、動圧の大きさは隙間の狭い方が大きく、広い方が小さい。このため、第１のスラスト空間の動圧の方が大きく、フランジ４は浮上を開始し、フランジ４０の両面の動圧と重力とが釣り合う位置で安定する。この状態で、第１のスラスト空間の隙間と第２スラスト空間の隙間が略等しくなる場合が、スラスト空間を構成する部品の寸法誤差の影響を受け難い点で好ましい。

スラスト隙間が１０μｍを下回ると、回転時の第１及び第２のスラスト空間の隙間は５μｍ程度となり、スラスト空間を構成する部品の寸法誤差の影響を受けて動圧のバラツキが大きくなるという実験結果を発明者らは得た。他方、スラスト隙間が４０μｍ、さらに詳しくは３０μｍを超えると動圧が小さくという実験結果を得た。従って、発明者らは、スラスト隙間は１５〜３０μｍが好ましいという結論に達した。

スラスト隙間が１５〜３０μｍである流体動圧軸受のフランジ４０を樹脂としてシャフト３８にインサートモールドにより固着したものを考える。前述したように、フランジ４０の面振れが６〜１０μｍである構成の場合は、流体動圧軸受としての回転精度が劣る問題があった。発明者らは種々の面振れ量での実験を行った結果、スラスト隙間が１５〜３０μｍのものにおいて、フランジ４０の面振れ量を３μｍ以下にすることにより流体動圧軸受としての回転精度がディスク駆動装置の要求を満たすと共に、面振れに伴うばらつきも許容範囲であるという結果を得た。

従って、スラスト隙間が１５〜３０μｍである流体動圧軸受において、フランジ４０の面振れ量の許容範囲を３μｍ以下に管理することにより流体動圧軸受の安定した回転精度を保証することができる。

次に、上述したような許容範囲に収まる面振れ量となるようにインサートモールドにてシャフト３８とフランジ４０を接合する製造方法を示す。

図４（ａ）〜図４（ｄ）は、本実施形態の流体動圧軸受のフランジ４０をシャフト３８にインサートモールドして固着するフランジ成形工程の説明図である。図４（ａ）は射出成型用の金型を説明する図であり、下型５４と上型５６とで構成されている。下型５４にはシャフト３８を配置する空間であるシャフト配置部５４ａとフランジ４０を成形する樹脂が射出充填される充填部５４ｂとが設けられている。また、充填部５４ｂのシャフト配置部５４ａ側の面には、フランジ４０のスラスト動圧溝ＳＢ１を成形するために凸部５４ｃが複数設けられている。また、下型５４の充填部５４ｂを囲む部分には電気ヒータ５８が埋設されている。

下型５４のシャフト配置部５４ａを囲む部分には冷却手段として冷却媒体が流通する冷却パイプ６０が埋設されている。冷却パイプ６０に、例えば冷却水を循環させることによりシャフト配置部５４ａ及び配置されるシャフト３８の温度上昇を抑制する。なお、冷却媒体としては、冷却水の他例えば冷却ガス等も利用可能である。また、充填部５４ｂを囲む部分とシャフト配置部５４ａを囲む部分との間に断熱層６２が設けられている。断熱層６２は、充填部５４ｂの加熱時の温度を安定させると共に、シャフト配置部５４ａの温度上昇を効果的に抑える機能を有する。

一方、上型５６において、下型５４の充填部５４ｂに接する面にはフランジ４０のスラスト動圧溝ＳＢ２を成形する凸部５６ａが複数設けられている。また、上型５６において、充填部５４ｂに接する面の略中央部に対応する部分には、溶融した樹脂を充填部５４ｂに充填するための射出口５６ｂが設けられている。なお、フランジ４０を成形する場合に使用する樹脂としては、例えば、ポリエーテルイミド樹脂やポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、液晶ポリマ（ＬＣＰ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）などが利用可能である。

図４（ｂ）は、下型５４のシャフト配置部５４ａにシャフト３８を配置して、上型５６を加圧して閉じた状態である。この状態で、電気ヒータ５８に通電することにより下型５４の充填部５４ｂを囲む部分を例えば１７０℃に加熱する。この加熱温度が１５０℃未満の場合、射出された樹脂が急激に冷やされてショートモールドを生じてしまうので好ましくない。また、２２０℃を超えると樹脂が収縮したときの変形が大きくなるので好ましくないという実験結果を発明者らは得ている。つまり、加熱温度は、使用する樹脂のガラス転移点温度より２０℃〜７０℃程度低い温度に設定することが形状安定の点でより好ましいという実験結果を得ている。

この場合、冷却パイプ６０の冷却水と断熱層６２の作用により、下型５４のシャフト配置部５４ａに配置したシャフト３８は温度上昇が抑制され熱膨張も小さく抑えられている。このときの温度上昇は、例えば３０℃である。
シャフト３８の素材に例えばＳＵＳ４２０Ｊ２のようなマルテンサイト系のステンレスを焼き入れして使用している場合は、１８０℃以上にすると焼き戻し現象を生じ硬度が低下する。シャフト３８の硬度が焼き入れ状態でＨＲＣ５２であったものが、２００℃に温度を上げて徐冷するとＨＲＣ４９程度に低下する。このように硬度が低下するとシャフト３８は摩耗に弱くなり寿命が短くなる場合がある。従って、ステンレス等の素材に焼きを入れしたものをシャフト３８として使用する場合には、冷却パイプ６０の冷却水と断熱層６２の作用により、シャフト３８の硬度の低下を軽減できるという別の効果を得ることもできる。

次に、図４（ｃ）に示すように、射出口５６ｂから樹脂６４を射出する。樹脂６４として例えばガラス転移点温度が２１７℃のポリエーテルイミド樹脂を４００℃に加熱して溶融したものを射出口５６ｂから充填部５４ｂに射出する。なお、図４（ｃ）に示すように、シャフト３８においてフランジ４０を固定する側の端部は、凹条の窪みが形成されている。この凹条の窪みが、インサートモールドされたフランジ４０が抜け落ちることを防止する抜け防止部として機能する。その後、上型５６を移動し、下型５４から図４（ｄ）に示すようなフランジ４０が固着したシャフト３８を取り出す。

本実施形態に示したように、冷却パイプ６０や断熱層６２を用いてインサートモールド時にシャフト３８の温度管理を行うことにより、シャフト３８の温度上昇は抑止できる。その結果、シャフト３８の熱膨張に起因する変形でフランジ４０の直角度などの精度が低下することが抑制され、下型５４、上型５６の精度に従う設計許容範囲のフランジ４０付きシャフト３８を成形できる。このように、フランジ４０の直角度を容易に出すことができるので、成形したシャフト３８を回転させたときのフランジ４０の面振れ量は３μｍ以下とすることが容易にできる。

図５（ａ）〜図５（ｄ）は、他の製造方法によるフランジ４０付きシャフト３８の成形方法を説明する説明図である。

まず、図５（ａ）に示すように、ポリエーテルイミド樹脂等でフランジ４０をシャフト３８にインサートモールドにより固着させる。この工程がフランジ成形工程である。なお、このときのインサートモールドでは、上述のようにシャフト３８を冷却する必要はなく、通常の手法によりインサートモールドを実行できるので特殊な下型５４を用いることなく容易かつ効率的にフランジ４０付きシャフト３８を成形できる。ただし、この状態では、上述したようにシャフト３８の熱膨張及びその後の収縮の影響により、フランジ４０とシャフト３８との接合の直角度は低下している可能性があると共に、その低下の度合いは成形品ごとにばらついている。

本実施形態では、上述のように、直角度の低下したフランジ４０付きシャフト３８を図５（ｂ）、図５（ｃ）に示す調整工程でフランジ４０の固着姿勢を調整している。図５（ｂ）に示すように、フランジ成形工程で成形したフランジ４０付きシャフト３８をプレス下型６６の矯正室６６ａに配置する。このとき、プレス下型６６は、フランジ４０を構成する樹脂のガラス転移点温度よりやや低い温度、例えば１６０〜１７０℃程度の温度に加熱しておく。この状態で、図５（ｃ）に示すように、押し型となるプレス上型６８をプレス下型６６の矯正室６６ａに向けて移動させて、例えば、４００ｋｇ／ｃｍ^２程度で加圧してプレスする。プレスした状態で例えば１０秒程度の時間保持した後、プレス下型６６と共に、フランジ４０付きシャフト３８を１２０℃程度まで徐冷し、さらに室温まで急冷する。その後、プレス上型６８を外してフランジ４０付きシャフト３８を取り出す。このようにプレスすることで、図５（ｄ）に示すように、フランジ４０の傾きがプレス下型６６とプレス上型６８の形状に倣い直角度が矯正される。つまり、直角度が向上する。発明者らの実験では、プレス前にシャフト３８を基準として回転させたときのフランジ４０の面振れ量が４μｍ以上であった成形品が、プレスによる調整工程を経ることで３μｍ以下となった。

なお、プレス下型６６とプレス上型６８は、機械的に直角度が出ているので、フランジ４０をプレスする面が平坦であれば、フランジ４０とシャフト３８との直角度を容易に矯正することができる。この場合、矯正前のフランジ４０とシャフト３８の角度を合わせをする必要が無く作業性が高いという利点がある。また、プレス下型６６とプレス上型６８のフランジ４０をプレスする面に、フランジ４０に形成されるスラスト動圧溝ＳＢに対応する凹凸を成形する構造とすることができる。この場合、シャフト３８とフランジ４０との直角度が出た状態でスラスト動圧溝ＳＢを形成できる。その結果、フランジ４０に対するスラスト動圧溝ＳＢの位置精度、及びシャフト３８に対するスラスト動圧溝ＳＢの位置精度を容易に得ることができて、ディスク駆動装置の回転精度の向上にも寄与できる。

なお、発明者らは実験等に基づき、プレス下型６６の温度は、フランジ４０の樹脂のガラス転移点温度を超えると溝部分の変形の問題を生じ、ガラス転移点温度から１００℃以上低いと矯正の効果が小さくなるという結果を得ている。従って、プレス下型６６の温度は、ガラス転移点温度に対して７０℃〜２０℃低い温度範囲が好ましいという結果を得た。また、保持時間は１秒以下では矯正の効果が小さくなり５秒以上が好ましいという結果も得ている。また、プレス上型６８の加圧の圧力は５０〜６００ｋｇ／ｃｍ^２の範囲で実施可能であるが、２００〜５００ｋｇ／ｃｍ^２程度とすると矯正効果が良好で作業性も良いという結果を得ている。

また、上述の矯正の効果は、プレス下型６６の温度、保持時間、加圧の圧力に依存して変化する性質が確認されており、この温度、保持時間及び加圧の圧力を調整しながら、矯正効果と作業効率の最適点を求めることが好ましい。

なお、上述の徐冷や急冷の条件や時間についても上述した実施態様に限らず、成形品の特性の応じて適宜変更が可能である。

ところで、発明者らは実験を通して、流体動圧軸受のフランジ４０を樹脂としてシャフト３８にインサートモールドにより固着したものにおいて、フランジ４０とシャフト３８の相互抜去力が６００Ｎ以下である場合は、流体動圧軸受としての耐衝撃性が劣るという認識を得ている。一方、フランジ４０とシャフト３８の相互抜去力が９００Ｎ以上確保できれば、耐衝撃性に関する問題も解消できるとの実験結果を得た。本実施形態において、フランジ４０とシャフト３８の相互抜去力を９００Ｎ以上に確保する構成は、例えば樹脂の種類や成形条件の調整等で可能であるが、この他、インサートモールド時にシャフト３８の熱膨張を抑えるなど、成形工程との組合せにより良好な結果が得られることも確認している。また、フランジ４０とシャフト３８の相互抜去力を９００Ｎ以上に確保する構成は、フランジ４０をシャフト３８に固着した後に上述したプレス矯正した場合でも維持可能である。

なお、ディスク駆動装置の耐衝撃性を考慮すると、フランジ４０とシャフト３８の相互抜去力は１０００Ｎ以上の構成とすることがより好ましい。

また、流体動圧軸受のフランジ４０を樹脂としてシャフト３８にインサートモールドにより固着したものにおいて、フランジ４０とシャフト３８の線膨張係数が大きく異なる場合は、射出成形時の高温から室温に戻る過程で境界面に隙間やクラックを生じてフランジ４０の面振れの発生などに起因して寸法精度や耐衝撃性が低下する問題がある。そこで、本実施形態では、フランジ４０を構成する樹脂として線膨張係数をシャフト３８とほぼ同等となるように組成を調整したポリエーテルイミド樹脂をしている。例えば、シャフト３８の素材を線膨張係数は１０．３×１０^−６／℃であるＳＵＳ４２０Ｊ２とした場合に、線膨張係数を７〜１４×１０^−６／℃となるように組成を調整したポリエーテルイミド樹脂をインサートモールドにより固着してフランジ４０を成形して、上述の問題を軽減している。

上述の場合に、線膨張係数を９〜１１×１０^−６／℃となるように組成を調整したポリエーテルイミド樹脂を用いてフランジ４０をシャフト３８にインサートモールドすることで、フランジ４０の面振れなどをより一層抑制して、寸法精度向上に寄与できる。

なお、フランジ４０の成形に用いる樹脂である例えばポリエーテルイミド樹脂にカーボンファイバー等の導電材料を混ぜることにより、フランジ４０に導電性を持たせることができる。この場合、ディスク駆動装置に生じた静電気を容易にベース部材１２側に放電できるという効果を得ることができる。

また、本実施形態に示すようなシャフト３８に対して直角度の出た樹脂製のフランジ４０を含む流体動圧軸受をブラシレスモータ１４に採用することで、当該ブラシレスモータ１４の軽量化に寄与できる。また、本実施形態に示す流体動圧軸受は、ブラシレスモータのみならす、種々の回転機器に用いることが可能であり、本実施形態と同様な回転精度の向上効果と軽量化効果を得ることができる。

また、本実施形態に示すモータをディスク駆動装置に搭載することで、エラーレートを小さくすることができるので、ディスク駆動装置の軽量化に加え、データの高密度・大容量化にも寄与できる。

本発明は、上述の実施例に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能である。各図に示す構成は、一例を説明するためのもので、同様な機能を達成できる構成であれば、適宜変更可能であり、同様な効果を得ることができる。

１２ ベース部材、 ２０ 記録ディスク、 ３４ スリーブ、 ３４ａ シャフト収納部材、 ３４ｂ フランジ収納空間部、 ３６ カウンタープレート、 ３８ シャフト、 ４０ フランジ、 ＲＢ ラジアル動圧溝、 ＳＢ スラスト動圧溝、 ５０ 潤滑剤、 ５４ 下型、 ５４ａ シャフト配置部、 ５４ｂ 充填部、 ５４ｃ 凸部、 ５６ 上型、 ５８ 電気ヒータ、 ６０ 冷却パイプ、 ６２ 断熱層、 ６４ 樹脂。

Claims (11)

1. シャフトと、
   前記シャフトの一端に固着されたフランジと、
   少なくとも前記シャフトの一部を回転自在に収納するシャフト収納部材と、
   前記シャフト収納部材の一端に設けられ、前記フランジを回転自在に収納するフランジ収納空間部と、
   前記フランジの軸方向の端面と対向すると共に前記フランジ収納空間部を封止するカウンタープレートと、
   前記シャフトと前記シャフト収納部材のラジアル方向の対向面の少なくともいずれか一方に形成されたラジアル動圧溝と、
   前記フランジと前記フランジ収納空間部のスラスト方向の対向面の少なくともいずれか一方、及び前記フランジと前記カウンタープレートのスラスト方向の対向面の少なくともいずれか一方に備えられたスラスト動圧溝と、
   前記ラジアル動圧溝と前記スラスト動圧溝に満たされた潤滑剤と、
   を備えた流体動圧軸受において、
   前記フランジは、回転時の面振れ量が３μｍ以下になるように前記シャフトに樹脂をインサートモールドにより固着していることを特徴とする流体動圧軸受。
2. シャフトと、
   前記シャフトの一端に固着されたフランジと、
   少なくとも前記シャフトの一部を回転自在に収納するシャフト収納部材と、
   前記シャフト収納部材の一端に設けられ、前記フランジを回転自在に収納するフランジ収納空間部と、
   前記フランジの軸方向の端面と対向すると共に前記フランジ収納空間部を封止するカウンタープレートと、
   前記シャフトと前記シャフト収納部材のラジアル方向の対向面の少なくともいずれか一方に形成されたラジアル動圧溝と、
   前記フランジと前記フランジ収納空間部のスラスト方向の対向面の少なくともいずれか一方、及び前記フランジと前記カウンタープレートのスラスト方向の対向面の少なくともいずれか一方に備えられたスラスト動圧溝と、
   前記ラジアル動圧溝と前記スラスト動圧溝に満たされた潤滑剤と、
   を備えた流体動圧軸受の製造方法において、
   前記シャフトの少なくとも一部を冷却しながら樹脂を前記シャフトにインサートモールドにて固着形成して前記フランジを形成するフランジ形成工程を含むことを特徴とする流体動圧軸受の製造方法。
3. シャフトと、
   前記シャフトの一端に固着されたフランジと、
   少なくとも前記シャフトの一部を回転自在に収納するシャフト収納部材と、
   前記シャフト収納部材の一端に設けられ、前記フランジを回転自在に収納するフランジ収納空間部と、
   前記フランジの軸方向の端面と対向すると共に前記フランジ収納空間部を封止するカウンタープレートと、
   前記シャフトと前記シャフト収納部材のラジアル方向の対向面の少なくともいずれか一方に形成されたラジアル動圧溝と、
   前記フランジと前記フランジ収納空間部のスラスト方向の対向面の少なくともいずれか一方、及び前記フランジと前記カウンタープレートのスラスト方向の対向面の少なくともいずれか一方に備えられたスラスト動圧溝と、
   前記ラジアル動圧溝と前記スラスト動圧溝に満たされた潤滑剤と、
   を備えた流体動圧軸受の製造方法において、
   前記シャフトに樹脂をインサートモールドにて固着形成して前記フランジを形成するフランジ形成工程と、
   前記フランジの固着後に調整型内でプレスして当該フランジの固着姿勢を調整する調整工程と、
   を含むことを特徴とする流体動圧軸受の製造方法。
4. 前記フランジの回転時の面振れ量が３μｍ以下になるように前記シャフトに樹脂をインサートモールドにより固着することを特徴とする請求項２記載の流体動圧軸受の製造方法。
5. 前記フランジの回転時の面振れ量が３μｍ以下になるように前記シャフトに樹脂をインサートモールドにより固着した後、その固着姿勢を調整することを特徴とする請求項３記載の流体動圧軸受の製造方法。
6. 請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の流体動圧軸受の製造方法により製造したことを特徴とする流体動圧軸受。
7. 前記フランジと前記シャフトの相互抜去力が９００Ｎ以上であることを特徴とする請求項１または請求項６に記載の流体動圧軸受。
8. 前記フランジを構成する樹脂材料の線膨張係数は、前記シャフトの線膨張係数と同等であることを特徴とする請求項１または請求項６記載の流体動圧軸受。
9. 前記フランジを構成する樹脂材料の線膨張係数は、前記シャフトの線膨張係数と同等であることを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の流体動圧軸受の製造方法。
10. 請求項１または請求項６から請求項８のいずれか１項に記載の流体動圧軸受を搭載したことを特徴とする回転機器。
11. 請求項１または請求項６から請求項８にいずれか１項に記載の流体動圧軸受を搭載したことを特徴とするディスク駆動装置。

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