JP2012017815A

JP2012017815A - スピンドルモータ

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Publication number: JP2012017815A
Application number: JP2010156387A
Authority: JP
Inventors: Koji Yanagawa; 厚司柳川; Tadashi Akahori; 忠赤堀
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2010-07-09
Filing date: 2010-07-09
Publication date: 2012-01-26
Anticipated expiration: 2030-07-09
Also published as: JP5537301B2

Abstract

【課題】流体動圧軸受を用いたスピンドルモータの回転をより安定にする。
【解決手段】スピンドルモータＳＭは、軸部材２１０に固定され、円錐外面２２２を有する第１と第２の円錐軸受部材２２０と、外側に向かって内径が拡大する第１と第２の円錐内面３１４とを有するロータ部材３１０と、円錐内面３１４と円錐内面２２２とのいずれかに形成された動圧溝と、円錐内面３１４と円錐外面２２２との間の微小隙間４１０に充填された潤滑油４２０とを備え、軸部材２１０、円錐軸受部材２２０およびロータ部材３１０のそれぞれの線膨張係数α１，α２，α３が、α３≧α２＞α１の関係式を満たし、第１と第２の円錐内面３１４上で内径が同一の第１と第２の点の間の軸方向距離Ｌと、第１の点における内径寸法Ｄと、円錐内面３１４が軸に垂直な面となす傾斜角度θが、L ＞（Ｄ × tanθ）の関係式を満たす。
【選択図】図１

Description

この発明は、スピンドルモータに関し、特に、流体動圧軸受を用いるスピンドルモータに関する。

ハードディスク装置等の記録装置では、記録密度の向上が要請されている。この要請に応えるため、記録トラックの密度の向上と、磁気ヘッドと記録メディア（ディスク）との間の隙間（ヘッドギャップ）の低減が行われている。このような記録トラックの高密度化やヘッドギャップの低減に対応するため、近年では、ディスクを回転させるスピンドルモータの軸受として、流体動圧軸受装置（単に、「流体軸受装置」とも呼ばれる）が採用されるようになってきている。

特許文献１では、ハードディスク装置用スピンドルモータの流体軸受装置として、凸方向が対向する２つの円錐面が設けられた軸と、当該円錐面と平行をなして対向する２つの斜面が設けられたスリーブとを有する流体軸受装置が提案されている。この流体軸受装置は、円錐面と斜面とのいずれかに動圧発生用溝を設けることにより、円錐面と斜面との間の流体軸受すきまに充填されている潤滑油に軸の回転に伴う動圧を発生させ、軸がスリーブに対して回転自在に支承されるように構成されている。

潤滑油に生じる動圧は、潤滑油の動粘度が上昇するに従って高くなり、また、流体軸受すきまが狭くなるに従って高くなる。通常、流体軸受すきまに充填される潤滑油は、温度の上昇とともに動粘度が低下する。そのため、温度の変化に伴い動圧が変動すると、スピンドルモータの回転が安定しない虞がある。そこで、特許文献１では、スリーブの内径寸法に対して全長（高さ）が長い場合に、スリーブを軸よりも線膨張係数が大きい素材で構成することにより、高温時に流体軸受すきまが狭くなるようにすることが提案されている。

特開２００２−１２２１３４号公報特開２００５−６４９３号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたスリーブを軸よりも線膨張係数が大きい素材で構成する方法によっては、必ずしも高温時に流体軸受すきまが狭くならず、温度変化に伴う動圧の変動を確実に抑制することはできなかった。この問題は、ハードディスク装置用スピンドルモータに限らず、一般に、高精度の回転が要求されるスピンドルモータに共通する。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、流体動圧軸受を用いたスピンドルモータにおいて、温度変化に伴う動圧の変動をより確実に抑制し、回転をより安定にする技術を提供することを目的とする。

上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
スピンドルモータであって、モータ基台に一端側が固定されている軸部材と、前記軸部材に固定され、円錐外面を有する第１と第２の円錐軸受部材と、前記軸部材を挿通する貫通孔と、前記貫通孔の両端部に外側に向かって内径が拡大する第１と第２の円錐内面とを有するロータ部材と、前記円錐内面と前記円錐外面とのいずれかに形成された動圧溝と、前記ロータ部材が前記第１と第２の円錐軸受部材に挟み込まれることにより対向する前記円錐内面と前記円錐外面との間の微小隙間に充填された潤滑油とを備え、前記軸部材の線膨張係数α１と、前記円錐軸受部材の線膨張係数α２と、前記ロータ部材の線膨張係数α３とが、α３≧α２＞α１の関係式を満たし、前記第１の円錐内面上の第１の点および前記第１の点と内径が同一の前記第２の円錐内面上の第２の点の間の軸方向距離Ｌと、前記第１の点における内径寸法Ｄと、前記円錐内面が軸に垂直な面となす傾斜角度θとが、L ＞（Ｄ × tanθ）の関係式を満たすスピンドルモータ。この適用例によれば、より確実に、高温時の微小隙間の幅を低温時よりも狭くすることができる。そのため、温度変動に伴う動圧の変動をより確実に抑制し、スピンドルモータの回転をより安定にすることが可能となる。

［適用例２］
前記軸部材は、前記モータ基台と反対側の端部に設けられたネジ部を有する、適用例１記載のスピンドルモータ。ネジ部を設けることにより、モータ基台を覆うカバーに軸部材を固定することができる。そのため、軸部材の剛性をより高くすることができるので、スピンドルモータの回転をより高精度にすることが可能となる。

［適用例３］
前記動圧溝は、前記動圧溝が形成される面に設けられ前記動圧溝の深さよりも厚いニッケルめっき層に形成されている、適用例１または２記載のスピンドルモータ。ニッケルめっき層に動圧溝を形成することにより、動圧溝間の丘部と動圧溝底とのいずれについても面粗さを向上させることができる。面粗さを向上させることにより、潤滑油の流れがより円滑となるので、動圧性能のばらつきを抑制することが可能となる。

［適用例４］
前記円錐形軸受部材および前記ロータ部材の少なくともいずれかは、アルミニウム−シリコン合金からなる、適用例１ないし３のいずれかに記載のスピンドルモータ。硬度の高いアルミニウム−シリコン合金を用いることにより、各部材の耐摩耗性が向上する。そのため、本適用例によれば、スピンドルモータの寿命をより長くすることが可能となる。

スピンドルモータの構成を示す部分断面図。ロータ部材の円錐内面の形状と配置を説明する説明図。温度の上昇により円錐内面の点の位置が変化する様子を示す説明図。比較例のスピンドルモータの構成を示す部分断面図。スピンドルモータの軸受特性の評価結果を示すグラフ。

Ａ．第１実施例：
Ａ１．スピンドルモータの構成：
Ａ２．温度変化の影響：
Ａ３．比較例のスピンドルモータの構成：
Ａ４．スピンドルモータの軸受特性の評価：
Ｂ．第２実施例：

Ａ１．スピンドルモータの構成：
図１は、第１実施例におけるスピンドルモータの構成を示す部分断面図である。スピンドルモータＳＭは、流体動圧軸受（以下、単に「流体軸受」とも呼ぶ）を使用したスピンドルモータであり、ステータユニット１００と、軸ユニット２００と、ロータユニット３００とを備えている。

ステータユニット１００は、ベースプレート１１０と、ステータコア１２０と、複数の巻線１３０とを有している。ベースプレート１１０には、軸部材２１０（後述する）を嵌入するための軸部材嵌入孔１１２と、軸部材嵌入孔１１２と同心の円周壁部１１４とが形成されている。円周壁部１１４の外周面には、ステータコア１２０と巻線１３０からなるステータが固定される。なお、ベースプレート１１０は、スピンドルモータＳＭの基台となる部材であるので、「モータ基台」とも呼ぶことも可能である。

軸ユニット２００は、ベースプレート１１０に固定された軸部材２１０と、軸部材２１０に固定された２つの円錐軸受部材２２０とを有している。軸部材２１０は、マルテンサイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ４４０Ｃで形成された略円筒状の部材であり、ベースプレート１１０側とは反対側の端部にネジ部２１２が設けられている。円錐軸受部材２２０は、それぞれ端部に向かって外径が小さくなる円錐外面２２２と傾斜面２２４とが形成された部材である。２つの円錐軸受部材２２０は、円錐外面２２２側が対向するように、軸部材２１０に固定される。円錐軸受部材２２０は、オーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３０３により形成されている。

軸部材２１０のネジ部２１２は、ベースプレート１１０を覆うカバー（図示しない）のネジ止めに使用される。軸部材２１０とカバーとをネジ止めして固定することにより、軸部材２１０が両端で支持されるので、軸部材２１０の剛性をより高くすることが可能になる。このように、軸部材２１０の剛性を高くすることにより、ロータユニット３００の回転精度をより高くすることが可能となる。但し、軸部材２１０は必ずしも円筒状とする必要はない。また、軸部材２１０をカバーに固定することも必ずしも必要ではない。この場合、軸部材２１０へのネジ部２１２の形成を省略することも可能である。

ロータユニット３００は、ロータ部材３１０と、ヨーク３２０と、永久磁石３３０と、エンドキャップ３５０とを有している。ロータ部材３１０は、アルミニウム合金Ａ６０６１−Ｔ６で形成された部材である。ロータ部材３１０には、軸部材２１０を挿通するための貫通孔３１２と、貫通孔３１２の外部に設けられた２つの動圧溝部３１６と、磁石取付部３１８が設けられている。磁石取付部３１８には、ヨーク３２０を介して環状の永久磁石３３０が固定される。２つの動圧溝部３１６は、外側に向かって内径が大きくなる円錐内面３１４を有している。

動圧溝部３１６には、動圧を発生させるための動圧溝（図示しない）が形成されている。動圧溝は、例えば、円錐内面３１４に電解加工を施すことにより形成することが可能である。円錐内面３１４と、円錐軸受部材２２０の円錐外面２２２とは、微小隙間４１０を隔てて対向する。なお、第１実施例では、ロータ部材３１０に動圧溝部３１６を形成しているが、動圧溝部はロータ部材３１０でなく円錐軸受部材２２０に設けることも可能である。

エンドキャップ３５０は、円錐内面３１４の外端部においてロータ部材３１０に固定される部材であり、微小隙間４１０に充填される潤滑油４２０を注入するための注油孔３５２を有している。エンドキャップ３５０と軸部材２１０との間には、エンドキャップ３５０がロータ部材３１０の回転を妨げないように、隙間が設けられている。エンドキャップ３５０のロータ部材３１０への固定は、接着、あるいは、圧入と接着とにより行われる。エンドキャップ３５０の内周面３５４と、円錐軸受部材２２０の傾斜面２２４とが対向することによって、外側に向かって隙間が拡大する毛細管シール部４３０が形成される。注油孔３５２から注入された潤滑油４２０は、毛細管シール部４３０に蓄えられ、毛細管シール部４３０から微小隙間４１０に供給される。これにより、微小隙間４１０は、常に潤滑油４２０が充填された状態となる。

図１に示すように、ロータユニット３００に固定された永久磁石３３０と、ステータユニット１００に固定されたステータコア１２０とは、微小なギャップを挟んで対向している。ステータユニット１００の複数の巻線１３０に位相の異なる交流電流を流すことにより回転磁界によりが発生する。発生した回転磁界により、永久磁石３３０には回転力が生じ、ロータユニット３００は、ステータユニット１００および軸ユニット２００に対して回転する。

ロータユニット３００が軸ユニット２００に対して回転すると、動圧溝部３１６に設けられた動圧溝により、ロータユニット３００の円錐内面３１４と、軸ユニット２００の円錐外面２２２とを離間させる動圧が発生する。これにより、円錐内面３１４と円錐外面２２２とが非接触状態で支持される。円錐内面３１４と円錐外面２２２とが非接触状態で支持されることにより、ロータユニット３００は、軸ユニット２００および軸ユニット２００が固定されたステータユニット１００に対して自在に回転する。

なお、第１実施例では、ロータ部材３１０に直接電解加工を施して動圧溝を形成しているが、動圧溝の形成に先立って、ロータ部材３１０の円錐内面３１４に動圧溝深さよりも厚いニッケルめっきを施すことも可能である。ニッケルめっきは、動圧溝深さよりも厚ければよい。例えば、動圧溝深さ５μｍとした場合に、ニッケルめっきの厚さを１０μｍとするものとしてもよい。

このように、電解加工による動圧溝の形成に先だって、アルミニウム合金からなるロータ部材３１０に動圧溝深さよりも厚いニッケルめっきを施すことにより、動圧溝を形成した後もニッケルめっきの層が溝全体に残る。一般に、ニッケルめっき層は、電解加工を行った部分の面粗さの悪化（表面粗さ数値の上昇）がアルミニウム合金よりも抑制される。そのため、動圧溝深さよりも厚いニッケルめっきを先に施しておくことにより、形成された動圧溝と動圧溝との間の丘部と、動圧溝の底面とのいずれにおいても面粗さが向上（表面粗さ数値の低下）する。このように、面粗さが向上すると、潤滑油４２０の流れがより円滑となるので、動圧性能のばらつきが抑制される。また、ニッケルめっきは、動圧溝が形成されていない平滑な面に施されるので、ニッケルめっきの厚さを均一にしやすく、また、動圧溝の深さも管理しやすい。そのため、設計で意図したとおりの性能を発揮させることが可能となり、スピンドルモータＳＭの品質および信頼性を向上させることができる。

また、アルミニウム合金からなるロータ部材３１０に動圧溝を形成した後、動圧溝の形成面にニッケルめっき、アルマイト処理およびダイアモンド状カーボン（ＤＬＣ：Diamond Like Carbon）コーティングのいずれかの硬質皮膜処理を施すものとしても良い。この場合、動圧溝は硬質皮膜処理後に適正な深さになるように事前に電解加工で形成される。このように、アルミニウム合金からなるロータ部材３１０の円錐内面３１４に動圧溝を形成した後、硬質皮膜処理を施すことにより、面粗さ、耐食性および耐摩耗性が向上するので、スピンドルモータＳＭの寿命をより長くすることができる。

さらに、動圧溝が形成されていない円錐軸受部材２２０の少なくとも円錐外面２２２にＤＬＣコーティングの硬質皮膜処理を施すものとしても良い。円錐外面２２２に硬質皮膜処理を施すことにより、円錐外面２２２の耐摩耗性が向上するので、スピンドルモータＳＭの寿命をより長くすることができる。なお、ロータ部材３１０に動圧溝を形成せず、動圧溝を円錐軸受部材２２０に動圧溝を形成する場合には、ロータ部材３１０の円錐内面３１４にＤＬＣコーティングを施すものとしても良い。一般に、動圧溝に対向する面（動圧溝対向面）にＤＬＣコーティングを施すことにより、動圧溝対向面の耐摩耗性が向上するので、スピンドルモータＳＭの寿命をより長くすることが可能となる。

Ａ２．温度変化の影響：
微小隙間４１０において生じる動圧は、潤滑油４２０の動粘度とロータユニット３００の回転数が高くなるに従って高くなる。一方、微小隙間４１０が広くなるに従って、動圧は低くなる。通常、潤滑油４２０の動粘度は、温度が高くなるに従って低下する。そのため、微小隙間４１０と回転速度が同一であれば、温度の変化に伴い微小隙間４１０において生じる動圧が変動する。このように動圧が変動すると、ロータユニット３００と軸ユニット２００との位置関係が変化してロータユニット３００の回転が安定しない虞がある。すなわち、停止時に対する回転時のロータユニット３００の移動量（浮上量）が変動する虞がある。特に、スピンドルモータＳＭをハードディスク装置の駆動装置（以下では、「ハードディスク駆動装置」とも呼ぶ）として使用する場合、ハードディスク装置ではディスクとヘッドとの間隔が極めて狭いため、ロータユニット３００の浮上量の変動は十分に抑制されるのが好ましい。

そこで、第１実施例では、ロータ部材３１０に形成される円錐内面３１４の形状と配置、および、軸部材２１０と円錐軸受部材２２０とロータ部材３１０との線膨張係数α１，α２，α３を適切に設定することにより、微小隙間４１０の間隔（すなわち、円錐外面２２２と円錐内面３１４との間隔）が、温度の上昇に従って狭くなるようにしている。上述のように、潤滑油４２０の動粘度が同一である場合、微小隙間４１０の間隔が狭くなると、動圧が上昇する。そのため、微小隙間４１０の間隔が温度の上昇に従って狭くなるようにすることで、温度による動圧の変化を抑制することが可能となる。

図２は、ロータ部材３１０の円錐内面３１４の形状と配置を説明する説明図である。図２に示すように、２つの円錐内面３１４の形状と配置は、２つの円錐内面３１４において内径Ｄが同一な２つの点Ａ，Ｂの内径Ｄおよび軸方向距離Ｌと、円錐内面３１４が軸に垂直な面となす角度θ（以下、「傾斜角度θ」とも呼ぶ）とによって特徴付けられる。

図３（ａ）および図３（ｂ）は、温度の上昇により円錐内面３１４の位置が変化する様子を示す説明図である。図３（ａ）は、ロータ部材３１０の半径方向のみの膨張を考慮した場合の点Ａの位置の変化を示しており、図３（ｂ）は、ロータ部材３１０の軸方向のみの膨張を考慮した場合の点Ａの位置の変化を示している。図３（ａ）および図３（ｂ）において、実線は、膨張前の円錐内面３１４の位置を示し、破線は、膨張後の円錐内面の位置を示している。なお、図３（ａ）および図３（ｂ）においては、説明の便宜上、軸部材２１０（図２）および円錐軸受部材２２０（図２）の膨張については、考慮しないものとする。

図３（ａ）に示すように、半径方向のみの膨張を考慮した場合、点Ａは半径方向に移動量δｒだけ移動する。このとき、微小隙間４１０（図１）の拡大量δｇ１は、移動量δｒと傾斜角度θとを用いて、次の式（１）で与えられる。
δｇ１＝ δｒ × ｓｉｎθ …（１）

一方、図３（ｂ）に示すように、軸方向のみの膨張を考慮した場合、点Ａは軸方向に移動量δｖだけ移動する。このとき、微小隙間４１０（図１）の減少量δｇ２は、移動量δｖと傾斜角度θとを用いて、次の式（２）で与えられる。
δｇ２＝ δｖ × ｃｏｓθ …（２）

従って、温度の上昇に伴ってロータ部材３１０が膨張した際に微小隙間４１０（図１）を狭くするためには、微小隙間４１０の減少量δｇ２と拡大量δｇ１とが、次の式（３）の関係を満たす必要がある。
δｇ２＞ δｇ１ …（３）

式（１）〜（３）より、点Ａの半径方向および軸方向の移動量δｒ，δｖと、円錐内面３１４の傾斜角度θとは、次の式（４）の関係を満たす必要がある。
δｖ × ｃｏｓθ ＞ δｒ × ｓｉｎθ …（４）

点Ａの半径方向の移動量δｒと、点Ａの軸方向の移動量δｖとは、温度変化ΔＴおよびロータ部材３１０の線膨張係数α３と、点Ａの内径Ｄおよび２つの点Ａ，Ｂの軸方向距離Ｌ（図２）と、を用いて、次の式（５）および（６）で表される。
δｒ＝（Ｄ／２） × α３ × ΔＴ …（５）
δｖ＝（Ｌ／２） × α３ × ΔＴ …（６）

従って、式（３）の条件は、式（５）および（６）とを用いて、次の式（７）のように書き換えられる。
Ｌ × ｃｏｓθ ＞Ｄ × ｓｉｎ θ …（７）

式（７）より、温度の上昇に伴ってロータ部材３１０が膨張した際に微小隙間４１０を狭くするためには、次の式（８）を満たす必要があることが判る。なお、円錐内面３１４の一点について式（８）の関係が満たされれば、円錐内面３１４の他の任意の点についても満たされる。
Ｌ＞Ｄ × ｔａｎθ …（８）

そこで、第１実施例では、貫通孔３１２の内径を３ｍｍ、長さを１０ｍｍとし、円錐内面３１４の傾斜角θを６０°とした。そのため、円錐内面３１４の最小内径の点では、内径Ｄが３ｍｍとなり、式（８）の右辺（Ｄ × ｔａｎθ）は、約５．２ｍｍとなる。また、軸方向距離Ｌは１０ｍｍとなるので、第１実施例は、式（８）の関係を満たしている。

以上の説明では、ロータ部材３１０の膨張のみを考慮してきたが、軸ユニット２００の膨張の影響を検討する。軸部材２１０の膨張量がロータ部材の膨張量よりも大きい場合、微小隙間４１０が広がる。そのため、軸部材の２１０の膨張量は、ロータ部材３１０の膨張量よりも小さい方が好ましい。従って、軸部材２１０の線膨張係数α１は、ロータ部材３１０の線膨張係数α３よりも小さいのが好ましい。

円錐軸受部材２２０の膨張は、常に微小隙間４１０を狭くする方向に働く。しかしながら、円錐軸受部材２２０の膨張量が大きすぎると必要以上に微小隙間４１０が狭くなる。一方、円錐軸受部材２２０の膨張量が小さすぎると微小隙間４１０が十分に狭くならない。そのため、円錐軸受部材２２０の線膨張係数α２は、ロータ部材３１０の線膨張係数α３以下で、かつ、軸部材２１０の線膨張係数α１を上回るのが好ましい。すなわち、軸部材２１０と、円錐軸受部材２２０（すなわち、円錐外面２２２が形成されている部材）と、ロータ部材３１０（すなわち、円錐内面３１４が形成されている部材）との線膨張係数α１，α２，α３は、次の式（９）の関係を満たすのが好ましい。
α３ ≧ α２＞ α１ …（９）

上述の通り、第１実施例では、軸部材２１０を線膨張係数α１が１０．２×１０^−６／℃のマルテンサイト系ステンレス鋼ＳＵＳ４４０Ｃで形成し、円錐軸受部材２２０を線膨張係数α２が１７．３×１０^−６／℃のオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３０３で形成している。また、ロータ部材３１０を線膨張係数α３が２３．６×１０^−６／℃のアルミニウム合金で形成している。そのため、これらの部材の線膨張係数α１，α２，α３は、上記式（９）の関係を満たしている。

第１実施例では、上述の構成をとることにより、潤滑油４２０の動粘度が上昇する低温では微小隙間４１０が大きくなり、潤滑油４２０の動粘度が低下する高温では微小隙間４１０が小さくなる。そのため、低温時と高温時とのいずれにおいても安定した動圧が発生する。また、軸部材２１０のベースプレート１１０とは反対側の端部にネジ部２１２を設けている。そのため、カバーを取り付けた際に軸部材２１０の両端が支持されて、軸部材２１０の剛性が高くなる。さらに、軸部材２１０を中空とすることにより、軸部材２１０の剛性がさらに高くなる。このように、第１実施例によれば、軸剛性を十分に高くするとともに、温度変化による動圧の変化が抑制される。そのため、スピンドルモータＳＭの回転を安定させることが可能となる。また、回転が安定したスピンドルモータＳＭを用いることにより、より高精度のハードディスク駆動装置を提供することが可能となる。

Ａ３．比較例のスピンドルモータの構成：
図４は、比較例のスピンドルモータＳＭａの構成を示す部分断面図である。比較例のスピンドルモータＳＭａでは、第１実施例のスピンドルモータＳＭ（図１）で単一部材としたロータ部材３１０が、ロータハブ３６０とスリーブ３７０との２つの部材に分割している。このスリーブ３７０は、フェライト系ステンレス鋼ＳＵＳ４３０Ｆで形成されている。第１実施例の軸ユニット２００では、軸部材２１０の両端側に円錐軸受部材２２０が固定されているのに対し、比較例の軸ユニット２００ａでは、ベースプレート１１０と反対側の円錐外面２１４ａと傾斜面２１６ａとは、軸部材２１０ａに形成されている。また、第１実施例では円錐軸受部材２２０がＳＵＳ３０３で形成されていたのに対し、比較例では、円錐軸受部材２２０ａをＳＵＳ４４０Ｃで形成している。他の点は、第１実施例と同様である。

比較例のスピンドルモータＳＭａの円錐内面３１４の形状および配置は、第１実施例のスピンドルモータＳＭと同一となっている。そのため、比較例のスピンドルモータＳＭａにおいても、上記の式（８）の関係が満たされている。一方、円錐軸受部材２２０ａをＳＵＳ４４０Ｃで構成し、スリーブ３７０を線膨張係数が１０．２×１０^−６／℃のＳＵＳ４３０Ｆで構成している。そのため、軸部材２１０ａと、円錐外面が形成されている部材２１０ａ，２２０ａと、円錐内面３７４が形成されているスリーブ３７０との線膨張係数α１，α２，α３は、いずれも同じであり、上記の式（９）を満たしていない。

なお、比較例では、軸部材２１０ａに円錐外面２１４ａと傾斜面２１６ａとが形成されている。しかしながら、軸部材２１０ａに円錐外面２１４ａ等を形成すると式（９）の条件を満たさない。一方、第１実施例では、軸部材２１０と円錐軸受部材２２０とを別個の部材とすることにより、式（９）の条件を満たすことが可能となる。

Ａ４．スピンドルモータの軸受特性の評価：
図５は、第１実施例と比較例のスピンドルモータＳＭ，ＳＭａの軸受特性が温度によって変化する様子を示すグラフである。図５（ａ）は、第１実施例のスピンドルモータＳＭの軸受特性を示し、図５（ａ）は、第１実施例のスピンドルモータＳＭの軸受特性を示している。軸受特性は、ベースプレート１１０に回転軸に対して横方向に最大加速度１Ｇ（重力加速度：９．８ｍ／ｓ^２）の正弦波振動を与え、その際のロータユニット３００，３００ａの揺れの大きさをシミュレーションを行うことにより評価した。温度は０℃、２５℃および７３℃の３条件とし、正弦波振動の周波数が１０Ｈｚ〜１０００Ｈｚの範囲で評価を行った。図５の各グラフの横軸は、正弦波振動の周波数（Ｈｚ）を示し、縦軸は、揺れの振幅をロータユニット３００，３００ａの質量で除した正規化揺れ振幅（μｉｎ／ｇ：μｉｎは、１０^−６インチ）を示している。なお、正規化揺れ振幅は、その値が大きい方が軸受剛性が低いことを意味する。

図５に示すように、温度が０℃と２５℃では、第１実施例のスピンドルモータＳＭと比較例のスピンドルモータＳＭａとの正規化揺れ振幅に大きな違いがない。しかしながら、温度が７３℃の場合、第１実施例のスピンドルモータＳＭの正規化揺れ振幅は、比較例のスピンドルモータＳＭａの正規化揺れ振幅よりも小さくなった。すなわち、第１実施例のスピンドルモータＳＭでは、比較例のスピンドルモータＳＭａよりも、高温状態における軸受剛性の低下が抑制される。また、第１実施例のスピンドルモータＳＭでは、温度上昇に伴う軸受剛性の低下量が抑えられていることから、温度が変化した場合においてもロータユニット３００の回転が安定するものと考えられる。

このように、第１実施例によれば、上記の式（８）および（９）を満足するように、スピンドルモータＳＭ（図１）のロータ部材３１０に形成される円錐内面３１４の形状と配置、および、軸部材２１０と円錐軸受部材２２０とロータ部材３１０との線膨張係数α１，α２，α３を設定することにより、温度が変化した場合においてもロータユニット３００の回転を安定させることが可能になる。また、軸部材２１０のベースプレート１１０と反対側の端部にネジ部２１２を設け、軸部材２１０の両端支持を可能とすることにより、軸部材２１０の剛性を高めることができる。さらに、軸部材２１０を中空にすることにより、軸部材２１０の剛性をより高くすることが可能となる。そのため、第１実施例のスピンドルモータＳＭを用いることにより、精度の高いハードディスク駆動装置を提供することが可能となる。

また、軸部材２１０と円錐軸受部材２２０とを別個の部材とすることにより、円錐外面２２２の形成が容易となるとともに、組立の際には円錐外面２２２と軸部材２１０との位置関係の調整を個々に行うことが可能となる。さらに、第１実施例では、ロータ部材３１０に円錐内面３１４を有する動圧溝部を形成しているため、スリーブ３７０を用いる場合よりも部品点数が低減できる。そのため、第１実施例は、スピンドルモータＳＭの部品コストと組立コストとの双方を低減することが可能となる点においても、比較例よりも好ましい。

第１実施例では、軸部材２１０と円錐軸受部材２２０とロータ部材３１０とを、それぞれ、マルテンサイト系ステンレス鋼ＳＵＳ４４０Ｃ、オーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３０３およびアルミニウム合金Ａ６０６１−Ｔ６で形成しているが、各部材２１０，２２０，３１０の線膨張係数α１，α２，α３の関係が上記の式（９）の関係を満足していれば、各部材２１０，２２０，３１０を他の材料で形成することも可能である。一般に線膨張係数は、アルミニウム合金、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼の順に小さくなる。そのため、軸部材２１０には、線膨張係数が小さく硬度が高いマルテンサイト系ステンレス鋼もしくはフェライト系ステンレス鋼を用いるのが好ましい。また、円錐軸受部材２２０には、オーテスナイト系ステンレス鋼あるいはアルミニウム合金を用いるのが好ましく、ロータ部材３１０には、アルミニウム合金を用いるのが好ましい。

Ｂ．第２実施例：
第２実施例では、ロータ部材３１０（図１）をアルミニウム−シリコン合金で形成している。他の点は、第１実施例と同一であるので、ここではその説明を省略する。

アルミニウム−シリコン合金からなるロータ部材３１０は、例えば、以下のような製造方法により作ることが可能である。まず、アルミニウム合金のインゴットを溶かし、溶湯とする。その溶湯を垂らしながら気体あるいは液体のジェットを吹き付けると溶湯が飛散して微細な液滴を作り出す。その微細な液滴が急速に熱を奪われて凝固することで急冷凝固粉末が形成される。その後、２０〜３０重量％のシリコンを８０〜７０％の急冷凝固粉末と混合し、熱間プレスによってビレット成形を行う。その後、真空中あるいは非酸化性雰囲気中で加熱してビレットの焼結を行う。次に、熱間押出しを行い、アルミシリコン合金の押出材を得る。この押出材を加工することにより、アルミニウム−シリコン合金からなるロータ部材３１０が形成される。

このように製造されたアルミニウム−シリコン合金の線膨張係数は、シリコンの含有率によって変化する。具体的には、アルミニウム−シリコン合金の線膨張係数は、シリコンの含有率が大きいほど低下する。シリコンが２０重量％含有されているアルミニウム−シリコン合金の線膨張係数は約１８×１０^−６／℃であり、シリコンが３０重量％含有されているアルミニウム−シリコン合金の線膨張係数は約１６×１０^−６／℃である。

そのため、第２実施例では、ロータ部材３１０にシリコンが２０重量％含有されているアルミニウム−シリコン合金を用いている。上述の通り、軸部材２１０には、マルテンサイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ４４０Ｃ（熱膨張係数：１０．２×１０^−６／℃）を用い、円錐軸受部材２２０には、オーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３０３（熱膨張係数：１７．３×１０^−６／℃）を用いている。そのため、第２実施例においても、上記式（９）の関係が満たされている。なお、円錐軸受部材２２０を、ＳＵＳ３０３に換えてシリコンが２０重量％含有されているアルミニウム−シリコン合金で形成することも可能である。このようにしても、式（９）の関係は満たされる。

第２実施例では、ロータ部材３１０にシリコンが２０重量％含有されているアルミニウム−シリコン合金を用いているが、ロータ部材３１０にシリコンが３０重量％含有されているアルミニウム−シリコン合金を用いることも可能である。この場合、式（９）の関係を満足させるため、円錐軸受部材２２０は、例えば、ロータ部材３１０と同一のアルミニウム−シリコン合金もしくはフェライト系ステンレス鋼のＳＵＳ４３０（線形膨張係数：１０．４×１０^−６／℃）を用いて形成すればよい。

一般に、アルミニウム−シリコン合金は、アルミニウム合金よりも硬度が高い。そのため、第２実施例では、ロータ部材３１０の耐摩耗性が高くなり、スピンドルモータＳＭの寿命をより長くすることができる点で、第１実施例よりも好ましい。一方、第１実施例は、ロータ部材３１０の形成がより容易となる点で、第２実施例よりも好ましい。

また、上述のように、ロータ部材３１０をアルミニウム−シリコン合金で形成した場合においても、円錐軸受部材２２０と軸部材２１０との材質を適宜選択することにより、軸部材２１０、円錐軸受部材２２０およびロータ部材３１０の線膨張係数α１，α２，α３に求められる条件（式（９））を充足させることが可能である。そのため、第２実施例においても、温度が変化した場合のロータユニット３００の回転の安定性を十分に維持することができる。

１００…ステータユニット
１１０…ベースプレート
１１２…軸部材嵌入孔
１１４…円周壁部
１２０…ステータコア
１３０…巻線
２００，２００ａ…軸ユニット
２１０，２１０ａ…軸部材
２１２…ネジ部
２１４ａ…円錐外面
２１６ａ…傾斜面
２２０，２２０ａ…円錐軸受部材
２２２…円錐外面
２２４…傾斜面
３００，３００ａ…ロータユニット
３１０…ロータ部材
３１２…貫通孔
３１４…円錐内面
３１６…動圧溝部
３１８…磁石取付部
３２０…ヨーク
３３０…永久磁石
３５０…エンドキャップ
３５２…注油孔
３５４…内周面
３６０…ロータハブ
３７０…スリーブ
３７４…円錐内面
４１０…微小隙間
４２０…潤滑油
４３０…毛細管シール部
ＳＭ，ＳＭａ…スピンドルモータ

Claims

スピンドルモータであって、
モータ基台に一端側が固定されている軸部材と、
前記軸部材に固定され、円錐外面を有する第１と第２の円錐軸受部材と、
前記軸部材を挿通する貫通孔と、前記貫通孔の両端部に外側に向かって内径が拡大する第１と第２の円錐内面とを有するロータ部材と、
前記円錐内面と前記円錐外面とのいずれかに形成された動圧溝と、
前記ロータ部材が前記第１と第２の円錐軸受部材に挟み込まれることにより対向する前記円錐内面と前記円錐外面との間の微小隙間に充填された潤滑油と
を備え、
前記軸部材の線膨張係数α１と、前記円錐軸受部材の線膨張係数α２と、前記ロータ部材の線膨張係数α３とが、α３≧α２＞α１の関係式を満たし、
前記第１の円錐内面上の第１の点および前記第１の点と内径が同一の前記第２の円錐内面上の第２の点の間の軸方向距離Ｌと、前記第１の点における内径寸法Ｄと、前記円錐内面が軸に垂直な面となす傾斜角度θとが、L ＞（Ｄ × tanθ）の関係式を満たす
スピンドルモータ。
前記軸部材は、前記モータ基台と反対側の端部に設けられたネジ部を有する、請求項１記載のスピンドルモータ。
前記動圧溝は、前記動圧溝が形成される面に設けられ前記動圧溝の深さよりも厚いニッケルめっき層に形成されている、請求項１または２記載のスピンドルモータ。
前記円錐形軸受部材および前記ロータ部材の少なくともいずれかは、アルミニウム−シリコン合金からなる、請求項１ないし３のいずれかに記載のスピンドルモータ。