JP3705858B2 - デイスク駆動装置 - Google Patents
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Description
【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 (3)
- 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。
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