JP2505916B2 - 軸受け構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はラジアル軸受け及びスラスト軸受けが流体動
圧軸受けで構成され、回転時の振動が少なく、高速回転
が可能なスピンドルモータの軸受け構造に関する。特
に、レーザスキャナモータやモータの姿勢いかんにかか
わらず回転性能が良好はハードディスクドライバー（以
下、単に［HDD］と称する。）等の駆動に好適なスピン
ドルモータの軸受け構造に関するものである。

［従来技術］ 近年、HDDの高記憶容量化及び低電力消費化に伴い、
その駆動用であるスピンドルモータに対しても、それに
より適した高性能のものが要望されている。

第５図は従来のHDD用スピンドルモータの一部断面図
を示している。取付台21の中央部には軸支持筒22が設け
られ、該軸支持筒22の外周には複数個のステータコイル
群23が固定されており、内周には玉軸受け24を介して回
転軸25が回転自在に支持されている。回転軸25の上端に
は、外周面にハードディスクを載架固定する支持部材27
が固定されている。支持部材27の内周面側には複数個の
ロータマグネット群28が前記ステータコイル群23と対向
して固定されている。

上記玉軸受けを使用したスピンドルモータにおいて、
スピンドルモータの振動の大きさは玉軸受けの隙間に依
存し、ラジアル方向の振動は玉軸受けのラジアル隙間程
度であり、スラスト方向の振動は玉軸受けのスラスト隙
間と同程度である。この隙間を少なくするために玉軸受
けにプリロードをかける等の工夫がなされているが、ラ
ジアル方向のランアウト（振れ）の非繰り返し成分で0.
5ミクロン程度であり、満足できる値とはなっていな
い。また、玉軸受けにこのようなプリロードをかけるこ
とはモータのトルクを増し、HDDの低消費電力化の要請
に逆行する。従って、上記のような玉軸受けを使用する
限り、スピンドルモータの振動をさらに低減することは
実質上不可能である。

又、レーザプリンター等に用いられるスキャナモータ
の回転数は年々高くなる傾向にあり、従来の玉軸受けで
は対応出来なくなっている。

これに対して、より、高精度な回転性能を実現するも
のとして、動圧軸受けを用いたスピンドルモータが提案
されている。第６図は動圧軸受けを使用した従来のスピ
ンドルモータの断面図である。第６図において、取付台
31の中央部に支持軸32を立設し、取付台31に円環状スラ
スト板33を、また支持軸32と同心円状に円筒状ラジアル
軸受け34を各々固定してある。そして、支持軸32の円筒
状ラジアル軸受け34の上方部には、ステータコイル35が
複数個等間隔で固定されている。一方、支承部材36はキ
ヤップ形状をしており、上方の天蓋部は支持軸32の上方
に遊嵌されており、下方の端部には断面Ｌ字型の円環状
軸部材37が固着されている。該軸部材37の下端部はスラ
スト板33と対向し、軸部材37の内周面はラジアル軸受け
34と対向しており、それぞれスパイラル溝による動圧ス
ラスト軸受けとヘリングボーン溝による動圧ラジアル軸
受けを形成している。

支承部材36の内周ステータコイル35の対向位置には、
複数個のロータマグネット38が等間隔で固定されてい
る。ステータコイル35に順次電流が流れると、ロータマ
グネット38を備えた支承部材36は回転を開始し、スラス
ト板33の上面と軸部材37の下面との間の空気動圧スラス
ト軸受けを構成し、ラジアル軸受け34の外周面と軸部材
37の内周面との間で空気動圧ラジアル軸受けを構成す
る。そのため、軸部材37は固定接触することなく軸支さ
れるので、従来の玉軸受けを使用したものに比較して、
スムーズにしかも高速回転に対応できる。

しかしながら、上記スピンドルモータでは、軸受け側
が別部材で構成されている為、組立時の直角度を出すの
が困難であった。

さらに、第６図で示すようなラジアルギャップタイプ
のスピンドルモータでは、ロータマグネットとステータ
コイルのラジアル方向の磁力の不釣り合いによりモーメ
ントが発生し、主軸に対してラジアル軸が傾き、動圧面
が片当りして起動トルクが大きくなる。また、回転時に
はラジアル方向の磁力が動圧力に添加され、該ラジアル
方向の磁力は不安定な力であるので、軸が振れ回り、良
好な運転状態が得られるものではなかった。

特開昭63−266420号公報にはポリゴンミラーの軸受け
構造が開示されている。しかしながら、かかる公知技術
では前記の通り磁力の不釣り合いにより軸の振れ回りが
生じるおそれがある。

また、特開平１−154116号公報に記載されている軸受
け構造では回転体が固定軸に嵌挿されて動力発生溝を有
するベースに支持されているので、やはり磁力との関係
において回転体の支持が不充分である。

さらに、実開昭63−142422号公報にはターボ分子ポン
プの軸受け構造が開示されているが、軸が回転するもの
であり、回転軸に対して回転体を支持するものには適用
できない。かつ、その他特開平１−172619号公報や特開
平１−141220号公報には、動圧軸受けに関する技術が開
示されているが、いずれも磁力の不釣合いが生じた場合
の対策がなされていない。

［発明が解決しようとする課題］ したがって本発明の目的は、回転力を与える磁力と回
転体を支持する動圧軸受けの作用力とのバランスがよく
回転がスムーズに行われる軸受け構造を提供するにあ
る。

［課題を解決するための手段］ 本発明によれば、基台と、該基台の中央部に立設した
主軸と、該主軸が中心部を貫挿しているラジアル円筒部
と、該基台および取り付け部により該円筒部の端面に固
定され、そして、該主軸が中心部を貫挿しているスラス
ト板と、該ラジアル円筒部の外周面および該スラスト板
で回転自在に支持されているラジアルスリーブとを含
み、該ラジアルスリーブと一体にマグネットが設けら
れ、そして該基台と一体にステータが設けられている軸
受け構造において、前記ラジアル円筒部とラジアルスリ
ーブとによりラジアル動圧軸受けが構成され、スラスト
板に設けた動圧発生溝によってラジアル円筒部の端部と
スラスト板とでスラスト動圧軸受けが構成されており、
前記スラスト板は取付け部と反対側のラジアル円筒部の
端面にのみ設けられ、前記スラスト板のスラスト方向の
動圧発生方向は前記マグネットとステータとの磁力によ
る吸引方向とは反対方向であり、磁力によってプリロー
ドされている。

［作用］ したがって、作動に際してラジアルスリーブは取り付
け面と反対側に設けた１つのスラスト板の動圧発生溝に
よりスラスト板から離れた状態で回転するが、マグネッ
トとステータとの作用によりプリロードがかかっている
ので、ラジアルスリーブが安定した平衡状態をとること
ができ、傾きが強制され、その結果起動トルクが低減で
きる。

このようにラジアルスリーブの下側にのみスラスト板
を設け、その動圧発生方向と反対方向に磁力によるプリ
ロードを印加することにより、安定した回転を得ること
ができる。

このように、動圧発生方向と反対方向の磁力とにより
安定した平衡状態を保つことができるので、回転軸の方
向が垂直（動力の方向）でなく水平であっても、安定し
た回転が得られる。したがって、姿勢に関係なく実施で
きる。

また、組立時のスラスト板とラジアル円筒部の直角度
は、スラスト板の平面度、およびラジアル円筒部の端面
と外周面との直角度を正しく作っておけば、両者を取り
付け部材例えば取付ナットで押さえ込むことにより容易
に実現できる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を第１図ないし第４図に基づい
て説明する。

第１図において、符号１は取付基台であり、該取付基
台１の中央部には主軸２が立設されており、該主軸２の
外周には同心円状のラジアル円筒部４が固定されてい
る。

また、スラスト板３は基台１とラジアル円筒部４との
間にのみ設けられ、取り付け基台１と取り付け部５によ
り上下より締め付けられ、ラジアル円筒部４の端面に固
定されている。

また、ラジアルスリーブ６はラジアル円筒部４とスラ
スト板３に対して所定のクリアランスで、ラジアルスリ
ーブ６が回転自在に取り付けられている。

ラジアル円筒部４のラジアルスリーブ６の対向面4Aに
は第２図に示すようなヘリングボーン状の溝C1、のよう
な動圧力を発生させる動圧発生溝が形成されており、ス
ラスト板３のラジアルスリーブ６の対向面3Aには第３図
に示すスパイラル溝C2、等の動圧力を発生させる動圧発
生溝が形成されている。

上記構成の軸受けにおいて、例えばアウターローター
のスピンドルモータを構成した場合は、ラジアルスリー
ブ６が回転し、スラスト板３の上面3Aとこれと対向する
ラジアルスリーブ６の端面6Cの間に空気動圧が発生し、
空気動圧スラスト軸受けが形成される。また、ラジアル
円筒部４の外周面4Aとこれと対向するラジアルスリーブ
６の内周面6Aの間に空気動圧が発生して、空気動圧ラジ
アル軸受けが形成される。

そのためラジアルスリーブ６はスラスト板３及びラジ
アル円筒部４と固体接触することなく軸支されるのでス
ムーズでしかも高速回転に対応できる。従って、上記従
来の玉軸受けによる軸支に比較して摩擦の問題、振動の
問題が解消される。

第４図は本発明に係る軸受け構造を用いたスピンドル
モータを示す断面図である。

第４図において、ハブ７は回転部であり、該ハブ７は
中央部に主軸２が貫挿入される主軸貫挿穴を有するキャ
ップ状であり、その下端には水平方向に拡大した下端部
7aが形成されている。そして、ハブ７の内周面7Aには前
記ラジアルスリーブ６が固定されている。

ハブ７の下端部7aの底面にはマグネット８が固定され
ており、取付基台１にはこのマグネット８に対応するス
テータ９が設けられている。

なお、ハブ７の外周には図示しないディスクが載架で
きるようになっており、該ディスクはハブ７と共にモー
タ回転部を構成している。

全体を符号20で示すスピンドルモータは、所謂スラス
トギャップタイプのスピンドルモータであり、ステータ
９とマグネット８とは駆動部を形成すると共に磁力によ
りモータ回転部をスラスト板３に押しつける。

ラジアル円筒部４におけるラジアルスリーブ６の対向
面4Aには第２図に示すようなヘリングボーン状の溝C1の
ような動圧力を発生させる動圧発生溝が形成されてお
り、スラスト板３におけるラジアルスリーブ６の対向面
3Aには第３図に示すスパイラル溝C2のような動圧力を発
生させる動圧発生溝が形成されている。

スピンドルモータ20において、ステータ９に順次電流
が流れるとマグネット８が固定されているハブ７が回転
を開始し、スラスト板３の上面3Aとこれと対向するラジ
アルスリーブ６の下端面6Cとの間に空気動圧が発生し、
空気動圧スラスト軸受けが形成される。また、ラジアル
円筒部４の外周面4Aとこれと対向するラジアルスリーブ
６の内周面6Aの間に空気動圧が発生して、空気動圧ラジ
アル軸受けが形成される。そのためラジアルスリーブ
６、スラスト板３、及びラジアル円筒部４は固体接触す
ることなく軸支されるので、スムースでしかも高速回転
に対応できる。従って、上記従来の玉軸受けによる軸支
に比較して摩擦の問題、振動の問題が解消される。

スピンドルモータ20は上記のような構造をしており、
ラジアル円筒部４及びラジアルスリーブ６で構成される
ラジアル動圧軸受けの長さはハブ７の高さと略同じとな
り、その全長が比較的長いので、負荷能力に余裕がある
範囲で作動することが可能であり、ラジアル軸受け方向
の振動が小さくなる。また、ラジアル動圧軸受けが片持
ち構造とならず、起動トルクが小さくてすむ。

なお、上記実施例ではラジアル動圧軸受けの長さがハ
ブと同じとなっているが、場合によってはハブ７の高さ
より小さくてもよい。また、ラジアル動圧軸受けの長さ
が長く大きい動圧が発生するので、ラジアル円筒部４及
びラジアルスリーブ６の加工精度を低くすることが出来
る。

上記構造のスピンドルモータを縦姿勢で使用した場
合、マグネット８の磁力によるスラスト方向に加わるプ
リロードの力の範囲は、スラスト板３とラジアルスリー
ブ６の間に発生する動圧力と、スラスト板３に加わるモ
ータ回転部の重量と、スラスト板３及びラジアルスリー
ブ６の加工度とに依存するものであるが、基本的には以
下の関係を満たしておればよい。

Ｐ＞100xS²−Ｗ ………（１） 但し、Ｐはマグネット８によるプリロード力［ｇ］、
Ｓはスラスト軸受けの面積［cm²］、Ｗはモータ回転部
の重量［ｇ］である。また、100xSは動圧軸受けの現在
の経済的な仕上げで固体接触する事なく回転できるため
の必要な動圧力［g/cm²］である。

上記構造のスピンドルモータ横姿勢で使用した場合、
磁力によるスラスト方向のプリロードが加わっていない
とスラスト板３にはモータ回転部６の重量がかからない
ため、ラジアル軸受けに対して主軸が傾き、軸受けが片
当りして、起動トルクが大きくなる。それと共に、回転
時はモータ回転部がスラスト動圧作用方向に飛び出し、
平衡状態が得られず不安定となり、安定して回転しな
い。そのため、動圧力と逆方向の力としてスピンドルモ
ータの駆動部であるマグネット８を利用し、予めスラス
ト板３に動圧と逆方向の力、即ちプリロードをかけてお
くので、安定した平衡状態が得られ回転が安定する。

上記したスピンドルモータ20において、動圧ラジアル
軸受けを構成するラジアル円筒部４と、ラジアルスリー
ブ６、および動圧スラスト軸受けを構成するスラスト板
３とラジアルスリーブ６は、回転時動圧縮空気を介して
非接触回転するので、これら軸受けを構成する部材の材
質に関する制限がなくなり、高精度で加工できる材質で
あればどんな材料でも利用可能で、一般の金属材料、有
機材料の利用が考えられる。ここで、起動時と低速回転
時の摩擦抵抗を少なくすることが望ましい。このよう
に、使用可能な材質の範囲は軸受け構造に依存するので
ある。

図示の実施例では、ラジアル軸受けを構成するラジア
ル円筒部４と、ラジアルスリーブ６とを大きくして、且
つスラスト軸受けを構成するスラスト板３とラジアルス
リーブ６とを大きくすることにより、接触面にかかる面
圧を低減し、そしてマグネット８でプリロードすること
により片当りしない構造としている。その結果、使用で
きる軸受け材料の範囲が広くなる。

例えば軸受けに構成する部材としてステンレス材を用
いた場合、軸受けの接触面に薄い潤滑剤を塗れば、長時
間にわたって安定した性能が得られる。しかしながら、
環境によってスピンドルモータの使用に際して潤滑剤を
使用できない場合、又は最小限に抑えたい場合もあり、
この場合は特に耐摩耗特性の優れたセラミックス系の材
質が好ましい。なかでも炭素ケイ素またはアルミナが好
適である。また、軸受けを構成する部材に高平滑度を
得、また高硬度を得るため、例えばセラミックや、その
素地とは異なる異種材料の薄膜をコーティングして形成
するか、素地に表面処理を施してもよい。薄膜は物理的
蒸着、化学的蒸着若しくはメッキにより形成することが
でき、通常、素地とは異種の材料が使用される。例え
ば、素地がステンレスでコーティング材料がセラミック
スの組合せである。しかしながら素地と同種の材料も用
いることもある。例えば、ある種のニッケルメッキはメ
ッキにより素地より緻密で硬いものとなる。また表面処
理は、例えば酸化処理、窒化処理若しくはイオン注入に
より施すことができる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明の作用効果を以下に列挙す
る。

（ｉ） スラスト板による動圧発生方向と反対方向に磁
力がプリロードされているので、安定した平衡状態が得
られる。

（ii） 安定した平衡状態が得られるので、回転軸線の
触れがなく、かじりが生じない。

（iii） そのため起動トルクが小さくてすむ。

（iv） 任意の姿勢で使用できる。

（ｖ） 組立時にラジアル円筒軸とスラスト板との直角
度を出し易い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施した軸受け構造を示す断面図、第
２図はラジアル軸受け部材に形成された動圧発生溝の例
を示す斜視図、第３図はスラスト軸受け部材に形成され
た動圧発生溝の例を示す平面図、第４図は本発明の軸受
け構造を備えたスピンドルモータの構造を示す断面図、
第５図は従来のHDD用スピンドルモータの一部断面図、
第６図は本出願前に特許出願した動圧軸受けを使用した
スピンドルモータの断面図である。 １……取付基台、２……主軸、３……スラスト板、４…
…ラジアル円筒部、５……取り付け部、６……ラジアル
スリーブ、７……ハブ、９……ステイト、C1……ヘリン
グボーン状の溝、C2……スパイラル溝

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 笠原 一志 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会 社荏原製作所内 (72)発明者 佐藤 良雄 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会 社荏原製作所内 (72)発明者 廣川 一人 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会 社荏原製作所内 (72)発明者 野田 ゆみ子 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会 社荏原製作所内 (56)参考文献 特開 昭63−266420（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−154116（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−172619（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−141220（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−142422（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基台と、該基台の中央部に立設した主軸
   と、該主軸が中心部を貫挿しているラジアル円筒部と、
   該基台および取り付け部により該円筒部の端面に固定さ
   れ、そして、該主軸が中心部を貫挿しているスラスト板
   と、該ラジアル円筒部の外周面および該スラスト板で回
   転自在に支持されているラジアルスリーブとを含み、該
   ラジアルスリーブと一体にマグネットが設けられ、そし
   て該基台と一体にステータが設けられている軸受け構造
   において、前記ラジアル円筒部とラジアルスリーブとに
   よりラジアル動圧軸受けが構成され、スラスト板に設け
   た動圧発生溝によってラジアル円筒部の端部とスラスト
   板とでスラスト動圧軸受けが構成されており、前記スラ
   スト板は取付け部と反対側のラジアル円筒部の端面にの
   み設けられ、前記スラスト板のスラスト方向の動圧発生
   方向は前記マグネットとステータとの磁力による吸引方
   向とは反対方向であり、磁力によってプリロードされて
   いることを特徴とする軸受け構造。