JP3705858B2

JP3705858B2 - デイスク駆動装置

Info

Publication number: JP3705858B2
Application number: JP07485496A
Authority: JP
Inventors: 清志佐藤; デビッド・アルブレヒト; 直根元
Original assignee: ヒタチグローバルストレージテクノロジーズネザーランドビーブイ
Priority date: 1996-03-28
Filing date: 1996-03-28
Publication date: 2005-10-12
Anticipated expiration: 2016-03-28
Also published as: JPH09282787A; US6556374B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、デイスク駆動装置に関し、特にスピンドル・モータ外周へのハブの取付け構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的なディスク装置において、デイスクを回転させる駆動機構としてスピンドル・モータが使用される。デイスクを一体的に保持したハブをスピンドル・モータに固定し、モータの回転をハブに伝達することでデイスクの高速回転（例えば５４００ｒｐｍ）を達成する。デイスク上にはヘッドが所定の間隔を保持して浮上し、所望のトラックに位置決めされトラックに記録されたデータの読み取りまたは書き込みが実行される。デイスクの回転が規則正しく実行されないとヘッドによるトラック追従が困難となり、データの読み取り、または書き込み時にエラーが発生する。従って、デイスク駆動機構に要求される基本性能の一つはデイスク面の回転振れのない規則正しい高速回転を達成することである。
【０００３】
ところで、近年のハード・デイスクにおいてはその記録容量の増加の要請から複数枚のデイスクを組み込んだものが多く見受けられるようになってきている。デイスク枚数の増加により、デイスクを装着するハブにはより広いデイスク固定面が必要となっている。デイスク枚数の増加はモータに対する負荷の増加につながり、この負荷に耐えるためにシャフトの両端を支持した外輪回転型モータが使用されている。これは中心軸であるシャフトを固定し、ベアリング・ボールを介してシャフト外周に装着されたハブを回転させるものである。ハブは固定されたシャフトを中心として回転し、ハブの外周に固定されたデイスクがハブと一体に回転する。
【０００４】
図１に一般的な外輪回転型のモータの断面図を示す。図１に示すように、外輪回転型のモータは、ハブ８１の外周面に広い領域が確保されるため、複数枚のデイスクの装着が可能となる。ハブ８１は固定軸であるシャフト８２の回りにベアリング・ボール８３を介して回転可能に装着される。ハブ８１の回転軸はシヤフト８２の中心軸に正確に一致させなければならない。しかしながらベアリング・ボール８３の取付け、ベアリング・ボール取付け部とハブとの接合、上下のベアリング・ボールの取付けバランス等、様々な誤差の発生要因があり、その制御は非常に困難であった。
【０００５】
ハブの取付けを容易にかつ正確に行うために様々な工夫が加えられている。一つの例がシャフト、ベアリング・ボール、スリーブを一体化したベアリング・カートリッジである。図３に示すものがベアリング・カートリッジの一例である。ベアリング・カートリッジ２０は、シャフト１３、スリーブ１１、複数のベアリング・ボール１２、ベアリング・ボール１２を円周上に等間隔に保持するためのリテーナ１０から構成されている。シャフト１３及びスリーブ１１にはベアリング・ボール１２の固定位置を決めるための溝が形成されており、この溝にベアリング・ボール１２が保持されている。
【０００６】
このベアリング・カートリッジを、デイスクを装着するハブ、モータの構成要素となるステータ、マグネット等とともに組みつけた例を図２に示す。ハブ１４にはマグネット１５およびヨーク１９が固定されている。ハブ１４の内周はベアリング・カートリッジのスリーブ１１の外周に固定されている。フランジ１６にはステータ１７が固定されている。ステータ１７はシャフトとマグネット１５との間に配置される。デイスクの中心孔をハブ１４に挿入することによってデイスクはハブ１４に対して固定される。ハブ１４はスリーブ１１と一体となりシャフト１３回りに回転する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図３に示すようなベアリング・カートリッジの使用により、ハブの取付け作業の困難性は改善された。しかし、ベアリング・カートリッジのスリーブとハブとの接合領域において発生する応力が新たな問題となっている。一般にハブはアルミニウムで構成され、ベアリング・カートリッジのスリーブはステンレスによって構成されている。デイスク装置の使用環境において温度変化が発生すると、熱膨張の差によってハブとスリーブ間に応力が発生する。この応力を原因としてハブにひずみが発生する。
【０００８】
一般的にデイスク装置は約５度から５５度の温度範囲で使用されることを考慮する必要がある。この温度範囲においてハブにひずみが発生するとサーマル・ランナウト（温度変化による振れ）が発生する。これは線膨張係数の差によってハブが変形し、例えば図４に示す点線の用な形状変化を起こすためである。ハブに装着したデイスクを回転させた場合、このようなハブの変形は軸方向のみならずデイスク面方向の振れをも発生させ、データ書き込み、読み取り時にエラーを引き起こすこととなる。
【０００９】
本発明は、このような温度変化によるハブの変形を減少させる構成を提供する。具体的には、ハブとスリーブとの固定構造を改善する。ハブ内周とスリーブ外周の接触領域に発生する応力に着目し、温度変化によって発生する応力を緩和する構成を提供する。本発明の構成によれば、温度変化によるハブのひずみを小さくすることが可能となり、その結果デイスクの回転振れを減少させることが可能となる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明によるディスク駆動装置は、シャフトとスリーブと、このシャフトの外周とスリーブの内周との間に保持されてスリーブをシャフトに対して回転可能にするベアリング・ボールと、スリーブの外周と固定する第１及び第２の接合部分と、これら第１及び第２の接合部分の間に設けられ第１及び第２の接合部分よりも大きい内周径を有しスリーブの外周と固定する第３の接合部分と、これら接合部同士の間に何れの接合部よりも大きな内周径を有する応力緩和領域とを設けたハブとを備えた。
【００１１】
そして好ましくは、ハブの接合部分同士の間に、何れの接合部分よりも大きな内周径を有する応力緩和領域を備える。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明を適用したモータの構造の例を図５に示す。このモータは外輪回転型であり、ベアリング・カートリッジ２０のスリーブ１１に固定されたハブ１４が、シヤフト１３回りに回転する。デイスクはハブ１４の外周に固定される。シャフト１３、ベアリング・ボール１２、スリーブ１１はベアリング・カートリッジとして一体に構成される。ハブ１４にはマグネット１５とヨーク１９が固定されている。ステータ１７がフランジ１６に固定されている。ステータ１７はマグネット１５とシャフト１３の間に配置される。
【００１３】
ハブ１４とベアリング・カートリッジのスリーブ１１との接合領域には応力緩和領域２３が形成されている。図６にハブ１４とスリーブ１１との接合部分の拡大図を示す。図６に示すように、ハブ１４とスリーブ１１は一対のベアリング・ボール１２の保持部２２に挟まれた区間に接合領域３０を有する。応力緩和領域２３が接合領域３０の中央部に形成されている。ハブとスリーブは圧入接着によって相互に固定されるため、接合部分においてはスリーブ１１とハブ１４間に応力が発生する。ベアリング・ボール部分で接合を行うとベアリング・ボール１２へ応力が加わり、ひずみ等の発生によって正常な回転が阻害される恐れがある。従って、接合領域はベアリング・ボールの保持部を避けて選定される。
【００１４】
一般に使用されるスリーブはステンレス製であり、その線膨張係数は、α＝１７×１０^-6（／℃）、ハブ１４はアルミニウム製であり、その線膨張係数は、α＝２３×１０^-6（／℃）である。少量の接着剤を用い、スリーブ１１の外周にハブ１４の内周が圧入されて固定される。ハブ内径（直径）を接合領域において均一として固定した場合、ハブの接合部の上端と下端に係る応力は、図７の左側（Ｖ）に示したように、半径方向応力ベクトルとしてそれぞれＡｒ、Ｂｒ、軸方向応力ベクトルとしてそれぞれＡｔ、Ｂｔが発生する。各端部における半径方向の応力ベクトルの大きさは等しくＡｒ＝Ｂｒとなるが、軸方向応力ベクトルの大きさはハブ１４の形状がベアリングセンタ２１に対して非対称であるため異なり、Ａｔ≠Ｂｔとなる。これら半径方向応力ベクトルと軸方向応力ベクトルとを総合した応力ベクトルは、それぞれ図に示すＡおよびＢのような大きさと向きを持つ。
【００１５】
軸方向と半径方向との応力ベクトルを総合した応力ベクトルの大きさの分布を接合領域全体に渡って示すと図７の右側（Ｆ）に示した分布となる。上述したように応力ベクトルの大きさはベアリングセンタ２１に対して非対称となり、上部よりも下部の応力が大となるように分布する。
【００１６】
温度変化によって図７で示したベクトルＡ、Ｂのような応力がハブの内周全体に発生する。その結果ハブ１４にはスリーブ１１との接合部において不釣り合いを発生し、これを原因として前述のようにハブにひずみが発生し、サーマルランナウト、すなわち温度変化に起因する回転振れが生ずる。その結果、ハブに装着したデイスクにも回転振れが発生する。
【００１７】
発明のハブ１４とスリーブ１１の接合構成を図８に示す。ハブ１４の接合領域の中心部分における内周径（直径）は接合領域中の上下の接合部分２４，２５より大きい。この大きな内径を有する部分が応力緩和領域２３である。なお、この内径差は後述するように微小なものでよい。図においては理解を容易にするため誇張して示してある。図８左部分（Ｖ）は、この場合の接合部分の各点に発生する応力ベクトルを示す。接合部分の上端、下端にはそれぞれＡ'、Ｂ'、応力緩和領域の上端、下端にはそれぞれＡ"、Ｂ"のベクトルが発生する。図７と同様に応力分布を示すと図８右（Ｆ）のようになる。接合部分の上端と下端において応力ベクトルの大きさに違いははあるものの、その差は図７（Ｆ）に比較して小さなものとなっている。これは応力緩和領域ではハブとスリーブ間に線膨張係数の差に起因する応力が発生しないためである。応力ベクトルの不釣り合いの減少により、ハブに発生するひずみは減少し、その結果サーマル・ランナウトが減少する。
【００１８】
次に図９について説明する。ハブとスリーブとの接合部分を分割し、それぞれの接合部分（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の接合条件をタイト（ハブ内周径が小）、ルーズ（ハブ内周径が大）として異ならせたサンプルを作成し、温度を２５℃から６０℃に変化させたときのサーマル・ランナウトを計測した。サーマル・ランナウト計測点は図９に示す点Ｐであり、この点Ｐにおける縦振幅の量をサーマル・ランナウトの値として計測した。図９に示すように接合利用域の全体長さは６ｍｍであり、接合領域の上端からＸ＝１ｍｍ，接着剤リザーバ用溝＝１ｍｍ、Ｙ＝２ｍｍ、接着剤リザーバ用溝＝１ｍｍ、Ｚ＝１ｍｍとした。なお、スリーブ外径は１３ｍｍとし、ハブ内径はタイト部において１３ｍｍ−１０μｍ、ルーズ部において１３ｍｍ＋１０μｍとした。各サンプルにおける測定結果を図１０に示す。接着剤リザーバ用の溝はルーズ領域として計算している。図１０から明らかなように接合条件をタイト、ルーズ、タイトとした構成が最もサーマル・ランナウトが小さく、良好な結果を示している。
【００１９】
図１０に示す結果から、ハブとスリーブとの接合領域の中間に応力緩和領域を形成することにより、サーマル・ランナウトが効果的に防止されることがわかる。タイトな接合部分に挟まれた部分にルーズな接合部分を形成したサンプルが最も小さなサーマル・ランナウトを示している。応力緩和領域の割合は接合部分の上下端の応力バランスを考慮して決定する必要があるが、余りに大きく取り過ぎると、全体にルーズな構成となり図１０のタイプＡに近づく結果と成り好ましくない。しかし、応力緩和領域が少なすぎると応力緩和効果が充分に果たされない。したがって、接合領域の約１／３以上を応力緩和領域として形成することが好ましい。
【００２０】
ハブ内径を決定する際、タイト部とルーズ部の内径の差は、各材料の線膨張係数、使用するモータの動作範囲温度等を考慮して設定する必要がある。例えば以下の様な条件設定があるとする。
ハブ：アルミニウム αＨ＝２３×１０^-6（／℃）
スリーブ：ステンレス αＳ＝１７×１０^-6（／℃）
スリーブ外径：１３ｍｍ
動作範囲温度：５〜５５ ℃ （温度変化：５０℃）
このとき、動作範囲温度でのハブ内径の膨張、スリーブ外径の膨張は以下のように計算される。計算式においてはハブ内径をスリーブ外径と同一と仮定して計算する。
ハブ内径膨張： 13×(23×10^-6)×50=14.96 （μｍ）
スリーブ外径膨張： 13×(17×10^-6)×50=11.06 (μｍ）
タイト部が上記動作温度範囲においてタイト状態を維持するためには、１４．９６−１１．０６＝３．９０（μｍ）であるから、タイト部においては、ハブの内径は１３ｍｍ−３．９０μｍ以下とすることが要求される。同様にルーズ部が動作温度範囲においてルーズ状態を維持するためには１４．９６−１１．０６＝３．９０（μｍ）であるから、ルーズ部におけるハブ内径は１３ｍｍ＋３．９０μｍ以上とすることが要求される。この結果、ハブにおけるタイト部とルーズ部との内径差は３．９０＋３．９０＝７．８０μｍであるので、少なくても７．８０μｍを内径差として設定する必要がある。
【００２１】
接合領域中における応力緩和領域のハブ内周径Ａと応力緩和領域以外の領域のハブ内周径Ｂとの差異を設定する際に、その最小値Ｘを算出する一般式は次のようになる。モータ動作温度範囲をＴ、スリーブ外径をＬ、ハブの線膨張係数をαＨ、スリーブの線膨張係数をαＳとしたとき、Ｘ＝２×（αＨ−αＳ）×Ｌ×Ｔである。実際のハブとスリーブの設計に際しては、加工制度等を考慮してその寸法を決定すべきである。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように本発明の構成によれば、デイスクを装着するハブとベアリング・カートリッジのスリーブとの固定構造において、温度変化に対してひずみの発生が少なく、安定度の高いモータが提供され、デイスク装置の信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のデイスク装置における外輪回転型モータを示す断面図である。
【図２】ベアリング・カートリッジを使用したモータ構造を示す断面図である。
【図３】ベアリング・カートリッジの断面図である。
【図４】温度変化によって発生するハブの変形を説明する図である。
【図５】本発明に係るデイスク装置における外輪回転型モータを示す断面図である。
【図６】本発明に係るモータのハブとスリーブとの接合部分を示す拡大図である。
【図７】ハブとスリーブの接合を全接合領域に渡って均一にした場合の応力ベクトルを示す図である。
【図８】ハブとスリーブの接合を接合領域中に応力緩和領域を設けた場合の応力ベクトルを示す図である。
【図９】ハブとスリーブとの接合条件を説明する図である。
【図１０】ハブとスリーブとの接合条件を変化させた場合のサーマル・ランナウトを比較した図である。
【符号の説明】
１１スリーブ
１２ベアリング・ボール
１３シャフト
１４ハブ
１５マグネット
１７ステータ
１９ヨーク
２０ベアリング・カートリッジ
２３応力緩和領域
３０接合領域

Claims

シャフトとスリーブと、
このシャフトの外周と前記スリーブの内周との間に保持されて前記スリーブを前記シャフトに対して回転可能にするベアリング・ボールと、
前記スリーブの外周と固定する第１及び第２の接合部分と、これら第１及び第２の接合部分の間に設けられ前記第１及び第２の接合部分よりも大きい内周径を有し前記スリーブの外周と固定する第３の接合部分と、これら接合部分同士の間に何れの接合部分よりも大きな内周径を有する応力緩和領域とを設けたハブと、
を備えたディスク駆動装置。
前記接合部分は、その何れもが前記ベアリング・ボールの保持部によって挟まれた区間に形成された請求項１に記載のディスク駆動装置。
前記応力緩和領域は、前記スリーブと前記ハブとの接合領域の３分の１以上を占める請求項１または２に記載のディスク駆動装置。