JP3712176B2 - スピンドルモータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハードディスクドライブ装置等に用いられるスピンドルモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７を用いて従来の技術に係るハードディスクドライブ用スピンドルモータを説明する。
図７に図示する、従来のスピンドルモータは、コア（６）に巻回したコイル（７）が固定されるとともに、ハードディスクドライブ装置への取付構造（不図示）を有するモータベース（１）を備えたステータと、このモータベース（１）に対して相対的に回転自在なハブ（５）を備えたロータとを有する。
【０００３】
本スピンドルモータは軸受手段として、シャフト（２）の外周に固定されたボールベアリング（３）（４）を使用しており、ハブ（５）の内側にボールベアリング（３）（４）の外輪（３１）（４１）が圧入や焼きばめあるいは圧入接着によって上下に離間して固定されるとともに、内輪（３３）（４３）がシャフト（２）の外周に上下に離間して固定されている。
さらに外輪（３１）（４１）と内輪（３３）（４３）との間には複数のボール（３２）（４２）が回転自在に保持されている。
また、ハブ（５）の外周面には記憶媒体であるハードディスク（不図示）が装着される構成としている。
【０００４】
上記のボ−ルベアリング（３）（４）には、以下に説明するように図７に図示するごとく、「発散型」と呼ばれる方向に予圧が付与されている。
すなわち、ボ−ルベアリング（３）（４）の外輪（３１）（４１）レ−ス面（ボールの走行面）とボ−ル（３２）（４２）の接点と、内輪（３３）（４３）レ−ス面とボ−ル（３２）（４２）の接点を結ぶ直線（以下、接線とも呼ぶ）（１０１）（１０２）（１０３）（１０４）を上下のボ−ルベアリング（３）（４）について引いた時に、図７の断面図においてシャフト（２）に対して同じ側にある２本の接線（（１０１）と（１０３）、（１０２）と（１０４））がシャフトの中心線に向かう方向に発散する（広がる）向きに予圧が付与されている。
すなわち発散型の予圧が付与されたモータは、図７のように断面図における接線が菱形をなしている。
【０００５】
このような発散型の予圧方法は、図示しない収束型（発散型と逆に、中心に近づく方向に２本の接線が接近する）に比べ、軸受け剛性が高くなる特徴がある。
軸受の剛性が低いとディスク（不図示）が振動し、デ−タの読み書きエラ−の原因となるため磁気ディスク装置では上記に説明した発散型の予圧が一般に広く用いられている。
【０００６】
さらに、温度変化に対しても軸受の剛性を安定させる為に、ボ−ルベアリング外輪（３１）（４１）とハブ（５）、ボ−ルベアリング内輪（３３）（４３）とシャフト（２）とは、上記に説明したように圧入、または接着、またはその両方の併用によって強固に固定されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ボールベアリング（３）（４）の外輪（３１）（４１）はボール（３２）（４２）を収容するための断面が円弧をなす溝を構成上有するため、中央部の肉厚が薄くなっている。
また、特に上側のベアリング（３）は、ハブ（５）内周面に強固に圧入されており、しかも相対する圧入部分のハブ（５）の肉厚が厚いために圧入による歪みが外輪（３１）のレ−ス面の真円度を悪化させ、ドライブ装置における非繰返し振れ精度（以下ＮＲＲＯ、Ｎｏｎ Ｒｅｐｅａｔｉｔｉｖｅ Ｒｕｎ Ｏｕｔ）が悪化することにより、ディスクにおけるデ−タの読み書きエラ−が発生する頻度が大きくなる、という課題があった。
【０００８】
本発明は上記の状況に鑑みてなされたものであり、ボールベアリング（３）（４）を軸受手段として有するスピンドルモータにおいて、ボールベアリング（３）（４）の外輪（３１）（４１）をハブ（５）に圧入することにより発生する歪みに起因するボールベアリング（３）（４）の外輪（３１）（４１）レース面の真円度の悪化を低減しＮＲＲＯの悪化を防ぎ、ディスクのデータの読み書きエラーの増大を防止するスピンドルモータ、を提供することを発明の目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、
「シャフトと、内輪及び外輪を有する一対のボールベアリングと、前記外輪と嵌合する内周部を有するハブとを備え、前記シャフトに前記内輪を固定すると共に前記内周部に前記外輪を圧入により固定して前記シャフト及び前記ハブが前記一対のボールベアリングを介して互いに回転自由となるよう構成して成るスピンドルモータであって、
前記内周部において前記外輪の外周面と対向する対向内周面は、前記圧入により前記外輪の外周面と当接する圧入嵌合面部と前記外輪の外周面と隙間を有する隙間嵌合面部とを有し、前記圧入嵌合面部の肉厚を、前記隙間嵌合面部の肉厚よりも薄い薄肉部を有するよう形成して成ることを特徴とするスピンドルモータ。」を提供する。
また、「前記隙間嵌合面部を、前記対向内周面における前記一対のボールベアリングの互いに対向する側に有して成ることを特徴とする請求項１記載のスピンドルモータ。」を提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係わる一実施形態であるハードディスク用のスピンドルモータについて、図１〜６を参照して順に説明する。
尚、説明の便宜上、先に従来技術において示した構成部材と同一構成部材に対しては同一の符号を付して説明する。
【００１１】
以下、その詳細を説明する。
【００１２】
本実施形態のスピンドルモータの断面図である図１において、コア（６）に巻回されたコイル（７）が固定されるとともに、本スピンドルモータをドライブ装置に取り付ける部材であるモータベース（１）からなるステータと、このモータベース（１）に対して相対的に回転自在なアルミニウム系材料で構成されたハブ（５）を備えたロータとを含む構成であることは、先に説明した従来技術と同じである。
【００１３】
次に、本実施形態のスピンドルモータにおけるボールベアリング（３）（４）近傍の要部を拡大した断面図である図２を用いて説明を続ける。
図２において、上側ボールベアリング内輪（３３）をスピンドルモータの軸方向における内側に（図２の図示姿勢において下方に）変位させるように予圧をかけた状態で固定することにより、外輪（３１）、ボール（３２）及び内輪（３３）を、中心軸から半径外側に向かう時に図２図示姿勢における下方に傾斜する第１の傾斜軸（３０）の方向に接触させている。
【００１４】
また下側ボールベアリング内輪（４３）は図２図示姿勢における上方に予圧をかけた状態で固定することにより、外輪（４１）、ボール（４２）および内輪（４３）は中心軸から半径外側に向かう時に上方に傾斜する傾斜軸（４０）の方向に接触させている。
【００１５】
また上側のボールベアリング（３）の外輪（３１）下部に相対して嵌合する位置のハブ（５）内周部に第１の環状凹部（３４）を、また下側ボールベアリング（４）の外輪（４１）上部に相対して嵌合する位置のハブ（５）内周部に第２の環状凹部（４４）を形成し、それぞれの深さ（Ｇ３）（Ｇ４）は５０μｍから２００μｍに設定してある。
上記第１の環状凹部（３４）および第２の環状凹部（４４）を設けたことにより、それぞれの位置におけるハブ（５）内周の内径は相対する外輪（３１）（４１）の外径より大なる寸法となっている。
【００１６】
更に、ハブ（５）において、ボールベアリング（３）（４）の外輪と圧入嵌合するため外輪の外径より小なる内径を有する圧入嵌合部（５２）（５３）が設けられ、それぞれの圧入嵌合部（５２）（５３）の径方向外側には薄肉部（５１）（５４）が形成されており、その径方向の肉厚（Ｌ３）（Ｌ４）は、それぞれ、０．３ｍｍから３ｍｍの範囲に設定し、ハブ（５）における他の部位と比較して薄肉構造として構成してある。
上記肉厚（Ｌ３）（Ｌ４）を上記の０．３ｍｍから３ｍｍとする理由は、後で説明を行なう。
【００１７】
さらに上側ボールベアリング（３）及びハブ（５）の薄肉部（５１）近傍を拡大した断面図である図３を用いて説明を続けると、ボールベアリング（３）の外輪（３１）は、その上側端面から中心部に向かって上端面側には、ハブ（５）の圧入嵌合部（５２）に嵌合する部位、その中心部側（図示姿勢における下方側）は第１の環状凹部（３４）に「すきまばめ」される部位である。
また圧入部分のハブ薄肉部（５１）の厚さ（Ｌ３）が上記０．３ｍｍから３ｍｍとなる様構成されていることは上記の説明の通りである。
【００１８】
尚、上記の上下方向は図１に図示したスピンドルモータの姿勢方向に準じたものであり、以下の説明においても同様である。
また下側ボールベアリング（４）について図３と同様な要部拡大図は示さないものの、その下側端面から中心部に向かって下端面側は圧入嵌合される部位、中心側は「すきまばめ」される部位であり、圧入部分のハブの厚さ（Ｌ４）が上記０．３ｍｍから３ｍｍとなる様構成されていることも同様である。
【００１９】
上記の様に圧入部分のハブ（５）に薄肉部（５１）を設けてその厚さを比較的薄肉で構成することにより、ボールベアリング（３）（４）のレ−ス面の真円度の変化量を５ｎｍ以下に押さえる事が出来ることが本発明人の検討により明らかとなった。この事を以下に説明する。
【００２０】
本発明人は、ボールベアリング（３）（４）が圧入される部分の肉厚を ０．５ｍｍから１０ｍｍまで段階的に異なるように構成した、検討のためのダミ−のハブを複数種類作り、嵌合の相手部品としてボールベアリング（３）の外輪（３１）を用いて以下の検討を行なった。
すなわち部品単品であるボールベアリング外輪（３１）のレース面の真円度を事前に測定しておき、その後上記したダミ−のハブ（５）に圧入した状態で、再度真円度の測定を行ない圧入前の測定値との比較を行なった。
【００２１】
図４は上記の測定結果を図示したものであり、横軸はダミ−のハブの肉厚、縦軸はボールベアリング外輪（３１）のレース面の真円度の圧入前後における変化量で、外輪（３１）サンプル各５台の平均値をプロットしたものである。真円度は、ウェビネスメータで測定した。また圧入代は10μｍとした。
図４が示すように、外輪（３１）が圧入される部位のハブの肉厚は、より薄くすることにより圧入後の外輪（３１）のレース面の真円度悪化を低減することができる。
これはハブ（５）は肉厚が薄いほど外輪（３１）にならった歪み変形が容易となり、外輪の圧入に伴う歪み応力をより吸収し、外輪自身の変形を押さえるためである。
【００２２】
ところで、モ−タのＮＲＲＯはボールベアリングの回転中の振動成分であり、振動の発生源はボールベアリングのレース面の真円度及びボ−ルの真球度の悪化にあることが知られている。
すなわち回転中のハブ（５）の振れを周波数分析することにより、外輪成分、内輪成分、ボ−ル成分に特定する事が可能である。
そして、上記の方法により特定されたＮＲＲＯの成分は、外輪成分、内輪成分、ボ−ル成分の真円度に含まれる各周波数成分値とほぼ同一となる。従って、圧入によって変形した外輪（３１）レ−ス面は、そのままＮＲＲＯの悪化をもたらすことは既に知られている。
【００２３】
１９９９年の時点において、ハードディスクドライブ装置に用いられるディスク１枚あたりのデータ容量は10ギガバイト前後であり、この時、ＮＲＲＯは、100Hz 〜 800Hz の各成分に対して、１０ｎｍ 以下とすることが要求されている。 一方、ボールベアリング自体が最初から５ｎｍ 前後の真円度を部品単品として持っているため、圧入による真円度の変化量は、５ｎｍ以下にする必要がある。
従って図４の実験結果より、上記の条件を満足しハードディスクドライブ装置の仕様を満たすためには、ばらつきを考慮して、ハブ（５）の肉厚は３ｍｍ 以下とすべきであることがわかる。
【００２４】
上記のようにハブ（５）の肉厚は、外輪（３１）の真円度に関しては薄ければ薄いほど有利となるが、一方スピンドルモータの生産に際しては０．３ｍｍ以上としなければ生産性が悪く現実的ではない。
従って外輪（３１）が圧入される部位のハブ（５）の肉厚を０．３ｍｍ以上３ｍｍ以下とすることにより、圧入後の外輪の真円度が１０ｎｍを下回りかつ生産性の良好なスピンドルモータを提供することができる。
上記の効果は下側に位置するボールベアリング（４）についても同様であり、図２の如くハブ（５）の下方に設けた薄肉部（５４）により上記の効果が発揮される。
【００２５】
ところで、上記のようにハブ（５）に薄肉部（５１）（５４）を設けることにより圧入に伴う外輪（３１）（４１）の真円度の悪化を低減することができるものの、圧入に伴う外輪（３１）（４１）の歪み変形を皆無とすることは困難である。
従ってボール（３２）（４２）が圧入によって歪んだ外輪（３１）（４１）と接して回転する構造であっては、圧入によるＮＲＲＯの悪化を完全に免れることは困難である。
【００２６】
しかし本実施の形態では、上記のように発散方向に予圧を付与してボールベアリング（３）（４）を構成してあるので、ボール（３２）（４２）の接線（外輪及び内輪との接点を結ぶ直線）は上記の直接圧入され歪んだ外輪（３１）（４１）の部位を通ることはない。
従って「すきまばめ」された比較的歪み変形の少ない外輪（３１）（４１）のレース面上をボール（３２）（４２）が走行する構造としているので、圧入による外輪（３１）（４１）の歪み変形の影響はより低減される効果がある。
【００２７】
また上記発散型の方向に予圧を付与してボールベアリング（３）（４）を構成することにより、高剛性のスピンドルモータを実現できることを先に説明した。
従って上記のように、図１の図示姿勢におけるボールベアリング（３）（４）の上下端面から中心部に向かって上下端面側は、圧入嵌合される部位、中心部側はすきまばめされる部位とし、圧入部分のハブ（５）の厚さを０．３ｍｍから３ｍｍとして構成し、かつボールベアリング（３）（４）に対して発散型の予圧を付与することにより、高剛性でかつＮＲＲＯの低いモ−タを提供することが可能となる。
【００２８】
次にハブ（５）内周面における、圧入嵌合部（５２）（５３）とすきまばめ部（溝状凹部（３４）（４４）を有して外輪（３１）（４１）に対してすきまばめされる部位）との面積の比率の最適化について、本発明人が検討した結果を説明する。
【００２９】
図５は、外輪と嵌合するハブの部位において、肉厚の厚さが３ｍｍ以下（本実験では１ｍｍ）でありかつ圧入される部分と、３ｍｍ以上（本実験では６ｍｍ）でありかつ「すきまばめ」されるの部分との比率を変化させた時の、外輪レ−ス面の真円度の変化を測定した結果である。
この結果より、上記に説明した同様の必要性により圧入に伴う真円度の変化量を５ｎｍ 以下にするためには、ハブの厚さが３ｍｍ以下の圧入部分の比率は、外輪と嵌合する全面積に対し５０％以下にする必要があることがわかる。
【００３０】
また、従来は圧入による変形を少なくするために圧入代を最小限にし、固定に際して接着剤を併用するのが通常であった。
【００３１】
しかし本発明人の検討によれば、以下に説明する接着剤を用いず外輪を固定する構成とすることにより、従来よりも真円度を向上させることが可能となることが明らかとなった。
【００３２】
すなわち、図１乃至図３を用いて説明した本実施形態の構成を用いて、例えばアルミ製のハブに鉄のベアリングを圧入する構成とし、更に圧入代Ｐを次の条件を満足する構成とすることにより、接着剤を塗布しなくても高温も含めてベアリングとハブの間にクリアランスが生じない様にすることが可能となる。
Ｐ≧ Do×（B1 − B2）× （T1 − T2）
Do ； ボールベアリング外径
B1 ； ハブの線膨張係数
B2 ； ボールベアリングの線膨張係数
T1 ； 磁気ディスク装置使用状態での最大温度
T2 ； 常温 （式１）
【００３３】
上記の条件を満足し、かつ接着剤を塗布せず外輪を固定した場合と、上記の条件を満足する寸法ながら圧入と接着とを併用して外輪を固定した場合とで、外輪レース面の真円度の変化を測定したところ、図６のグラフに示す測定結果が得られた。
【００３４】
図６から明らかなように接着剤を塗布しない方が外輪のレース面の変化を低く押さえることが可能となる。
【００３５】
以上詳述したように本発明によれば、ハブ（５）の環状凹部（すきまばめ部）（３４）（４４）に相対する外輪（３１）（４１）の部位では、基本的にボールベアリング（３）（４）とハブ（５）とが接触することがなく、またハブ（５）の圧入嵌合部（５２）（５３）は、比較的薄い肉厚で構成してあり、硬度の高いステンレス材で精度良く仕上げられたボールベアリング（３）（４）の外輪（３１）（４１）の真円度にならうため、圧入や焼きばめあるいは圧入接着時、あるいはその後の温度変化によって生じる変形がハブ（５）の環状凹部（３４）（４４）およびハブ（５）の薄肉構造（５１）（５４）によって吸収され、騒音、振動、ＮＲＲＯなどを効果的に防止することができる。
【００３６】
なお、上記に説明した本実施形態の構成ではハブ内周面に溝状凹部を設けて外輪とのすきまばめを行なう構成とした。
しかし本発明の実施に際しては上記の構成に限定されることはなく、外輪の外周部に、あるいは外輪とハブとの双方に溝状凹部を形成するなどしてハブと外輪とのすきまばめが行なわれる構成とすることも可能であり、本発明に含まれる。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、ボールベアリングのロータへの圧入に伴う外輪の真円度の悪化に起因するＮＲＲＯの悪化を低減し、ＮＲＲＯの良好なモ−タを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態であるスピンドルモータの断面図である。
【図２】本発明の一実施形態であるスピンドルモータの軸受け部拡大断面図である。
【図３】本発明の一実施形態であるスピンドルモータにおける上側ボールベアリング部近傍の拡大断面図である。
【図４】ダミーハブを用いてボールベアリング圧入部分の厚さを変えた時のボールベアリング外輪部の真円度の圧入前後の変化量を示すグラフである。
【図５】ハブ内周面における圧入部の面積比率を変えた時の、外輪の真円度の変化量を示すグラフである。
【図６】外輪を圧入する際に、接着剤併用および接着剤なしの場合の外輪の真円度の圧入前後の変化量を示すグラフである。
【図７】従来の技術に係るハードディスク用スピンドルモータの断面図である。
【符号の説明】
１ モータベース（ステータ）
２ シャフト
３ 上側ボールベアリング
４ 下側ボールベアリング
５ ハブ（ロータ）
８ 駆動マグネット
９ ロータヨーク
３１ 上側ボールベアリング外輪（外輪）
３２ 上側ボールベアリングボール(ボール)
３３ 上側ボールベアリング内輪（内輪）
３４ 第１の環状凹部（すきまばめ部）
４１ 下側ボールベアリング外輪（外輪）
４２ 下側ボールベアリングボール（ボール）
４３ 下側ボールベアリング内輪（内輪）
４４ 第２の環状凹部（すきまばめ部）
５１ 薄肉部
５２ 圧入嵌合部
５３ 圧入嵌合部
５４ 薄肉部

Claims (2)

1. シャフトと、内輪及び外輪を有する一対のボールベアリングと、前記外輪と嵌合する内周部を有するハブとを備え、
   前記シャフトに前記内輪を固定すると共に前記内周部に前記外輪を圧入により固定して前記シャフト及び前記ハブが前記一対のボールベアリングを介して互いに回転自由となるよう構成して成るスピンドルモータであって、
   前記内周部において前記外輪の外周面と対向する対向内周面は、前記圧入により前記外輪の外周面と当接する圧入嵌合面部と前記外輪の外周面と隙間を有する隙間嵌合面部とを有し、
   前記圧入嵌合面部の肉厚を、前記隙間嵌合面部の肉厚よりも薄い薄肉部を有するよう形成して成ることを特徴とするスピンドルモータ。
2. 前記隙間嵌合面部を、前記対向内周面における前記一対のボールベアリングの互いに対向する側に有して成ることを特徴とする請求項１記載のスピンドルモータ。

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