JP3752263B2

JP3752263B2 - 磁気ディスク装置用のスピンドルユニット

Info

Publication number: JP3752263B2
Application number: JP05397395A
Authority: JP
Inventors: 正昭仲野; 敬河野; 謙二富田; 知昭井上
Original assignee: 株式会社日立グローバルストレージテクノロジーズ
Priority date: 1995-03-14
Filing date: 1995-03-14
Publication date: 2006-03-08
Anticipated expiration: 2021-03-08
Also published as: SG55119A1; KR0175501B1; KR960034780A; JPH08247137A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は磁気ディスク装置，光ディスク装置，レーザビーム用ポリゴンミラーおよびＶＴＲ用シリンダモータ等のスピンドルユニットに係り、特に、スピンドルを小型，高精度に回転させるための軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータのダウンサイジング化に伴い、磁気デイスク装置や光デイスク装置の小型化と高速化が進展している。特に磁気デイスク装置では、記録の高密度化により小型大容量化が進められており、これに伴って記録媒体である磁気ディスクを定速回転させるスピンドルユニットの高性能化とコンパクト化が必要になっている。
【０００３】
従来の磁気ディスク用スピンドルユニットでは、一般に玉軸受で支持されているが、スピンドルが高速化されると、玉軸受方式では回転数に同期しない非同期振動が増加するので、トラックピッチを小さくすることができず、記録の高密度化に限界があった。このため、今後の高速回転スピンドルでは、油膜を介して支持するすべり軸受方式を採用せざるを得ない状況になっている。
【０００４】
しかし、スピンドルをすべり軸受で支持する場合は、半径方向及び軸方向の位置決めをするとともに、振動を防止するための手段が必要であり、それぞれに対応したラジアル及びスラスト軸受が配置される。そして、流体潤滑であるため潤滑剤を軸受部に維持することと、磁気ディスクのコンタミを防止する目的からシール装置が不可欠の構成要素となる。
【０００５】
すべり軸受方式を採用したスピンドルとして特開昭61−201916号公報には、半径，軸方向の振動を防止するための手段として、回転軸とこの回転軸を回転自在に支持するように軸方向及び円周方向に間隙を設けた円筒状のハウジングと、この間隙部に磁性流体を封入し、磁性流体の外部への漏出を防止するためシール装置を両端部に備えるとともに、回転軸の表面及びこの回転軸の両端面に対向するステップ状の動圧溝をもつ軸受力発生部材を備え、回転による動圧作用によって、振動を抑制して回転精度を安定的に維持する方法が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記すべり軸受方式の従来技術では、軸受力発生用溝の動圧効果によって油膜の剛性を高め回転精度の向上を図るものであるが、軸受力発生部材が軸受部とは別体配置と成るため、適正な寸法の精度管理が困難で、動圧力のバランスが崩れると逆に振動を増幅してしまう恐れがあった。また、単にステップ状の溝では動圧が小さく、スピンドルが垂直方向に配置される場合には不十分となる場合があった。
【０００７】
ところで、回転機器が小型化し高速化されてくると、スピンドルユニットで最も問題になるのが軸受部の寸法精度の管理である。中でも、スラスト軸受部の間隙寸法は、直接的に軸受の剛性や損失に大きく影響するため、加工機械の公差精度に頼って必要な寸法精度を確保しているのが現状である。しかし、より高い機械精度が必要とされるにつれ、加工に特別な装置や手数あるいは技術が必要となって、コスト高になるとともに量産性を低下させている。
【０００８】
特に、磁気ディスク装置の小型化では、磁気ディスクの薄板化とともにディスク間隔も大幅に縮小されるので、機械加工あるいは読み違いの誤差等によって、軸受の間隙を過大に設定すると、振動の増幅あるいは外乱などによる衝撃によって、上下の磁気ディスク上にセットされた相互の磁気ヘッドが接触，衝突して情報のリード，ライト不良を生じ、ついにはヘッド破壊などのトラブルに発展する。
【０００９】
また、軸受を型成形によって加工して量産性を上げる方法も提案されている。しかし、成形加工は軸方向の寸法精度管理が難しく、スラスト軸受の適正な間隙の確保あるいはスピンドルの位置決めが隘路となっている。
【００１０】
さらに、スピンドルユニットの小型化と高速化に伴い、磁性流体のシールにも依然問題が残されている。
【００１１】
本発明の目的は、従来技術の問題点を克服し、小型化に対応した必要な回転精度または潤滑性能を確保できるスピンドルユニットを提供することにある。
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明のスピンドルユニットは、ハウジングの内側にすべり軸受で構成したラジアル軸受を設け、磁気ディスクを装着するハブに嵌合したシャフトを前記ラジアル軸受で回転自在に前記シャフトの径方向に支持し、前記ハウジングの外周に固設したステータと前記ステータに対向して前記ハブの内面に固設したロータマグネットによりモータを形成し、前記モータにより前記ハブを回転駆動する磁気ディスク装置用のスピンドルユニットにおいて、
前記ラジアル軸受を構成する部材の前記シャフトの軸方向における一端部に、前記ハブに形成したボス端面と対向してすべり軸受を構成するスラスト軸受と、前記部材の他端部に、前記シャフトの片端部に形成した鍔部と対向してすべり軸受を構成するスラスト軸受とを形成し、前記ラジアル軸受と前記スラスト軸受とからなるすべり軸受部に潤滑剤を封入し、
前記ラジアル軸受の軸受面に軸方向の油溝を複数形成し、前記２つのスラスト軸受の軸受面に半径方向の油溝を複数形成し、前記ラジアル軸受の軸受面に形成した前記油溝と前記スラスト軸受の軸受面に形成した油溝とを連通させ、前記スラスト軸受の前記油溝間の軸受面にランド部を形成し、このランド部を頂点として、回転方向にテーパ形状をなし、前記ハブ及び前記シャフトが回転したときに動圧作用を発揮する動圧溝を形成し、
前記ランド部を前記スラスト軸受の内周と外周とに延長し、テーパ状の前記動圧溝を囲むように設けたことを特徴とする。
【００１３】
【作用】
本発明による磁気ディスク装置用のスピンドルユニットは、スラスト軸受の油溝間の軸受面にランド部を形成し、このランド部を頂点として、回転方向にテーパ形状をなし、ハブ及び前記シャフトが回転したときに動圧作用を発揮する動圧溝を形成し、ランド部をスラスト軸受の内周と外周とに延長し、テーパ状の動圧溝を囲むように設けたことため、油膜圧力分布が改善され軸受剛性を高めることができる。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図１，図２及び図３を用いて説明する。図１は本発明による磁気ディスク装置用スピンドルユニットの縦断面図である。図２は焼結すべり軸受の斜視図である。図３はすべり軸受の軸方向の間隙設定時の状態を示す断面図である。
【００１５】
図１で、磁気ディスク２１を装着するハブ１のボス４部にシャフト５が圧入固定されている。ハブ１の内側に配置されるハウジング１３の内周側にはすべり軸受２が取付けられている。すべり軸受２のラジアル軸受２ａは、シャフト５と所定の間隙を介してハブ１を回転自在に支持している。
【００１６】
ベースプレート３に固持されるハウジング１３の外周部にはステータ７が取付られ、ハブ１のこれに対向する内周面にはロータマグネット８が固着され、ロータマグネット８とステータ７はモータ９を構成してハブ１を回転駆動させる。
【００１７】
また、すべり軸受２の一端部はハブ１に形成されたボス４端面に、他端部はシャフト５の端部に形成された鍔部６と僅かの間隙を介して対向して配置されており、ハブ１の軸方向の位置決めをするとともに、ハブ１及び磁気ディスク２１などの重量を支持するスラスト軸受２ｂを構成している。磁気ディスク２１はスペーサ２３を介してクランプ２２により締結される。
【００１８】
このように、軸受部は軸受２，ハブ１およびシャフト５の３個のパーツのみで構成し、部品数を最小限にとどめシンプル化している。
【００１９】
通常、ラジアル軸受の直径間隙は１〜２・Ｄ／１０００（Ｄ：軸径）の範囲内に、またスラスト軸受の場合は動圧発生用溝の深さとほぼ同程度で、数十ミクロン以下の精度に設定される。
【００２０】
また、ラジアル軸受２ａ，スラスト軸受２ｂを配置した空間部には潤滑剤として磁性流体１１が封入されている。シャフト５の下方部にはキャップ１２が設けられ、ハウジング１３の他端部にねじあるいは接着剤等によって固定されており、磁性流体１１の外部への洩れを防止している。
【００２１】
一方、ハウジング１３の一端部側には磁性流体シール１０が設けられ、ハブ１のボス４外周部との間に磁気回路を形成し、これによって内部に封入された磁性流体１１はキャップ１２，磁性流体シール１０によって保持され、シールと潤滑作用に共用される。また、シャフト５にはラジアル軸受２ａの内周面に対向して油室１４が設けられている。
【００２２】
図２に、すべり軸受２の斜視図を示す。すべり軸受２は、安価な焼結粉末合金あるいはプラスチック系の材料を使用して、型で円筒状に成形すると共に、その内周面及び両端面に、それぞれ回転によって動圧作用を発揮するような動圧溝を成形して、ラジアル軸受２ａとスラスト軸受２ｂを一体形成している。この動圧溝は、ラジアル軸受２ａに非対称３円弧溝１５，スラスト軸受２ｂには可逆回転に対応するように給油溝１７ｂ間にランド部２０を頂点として、テーパ状１８及び逆テーパ状１９に形成する。これらの溝は型成形によって容易に形成できるが、溝を成形する際、まずスラスト軸受２ｂ部のテーパランドをパンチで形成し、軸受２をハウジング１３に圧入した後に、ラジアル軸受２ａ部に非対称３円弧溝１５を形成する。このため、片側のテーパ溝では回転に対する方向性をもつことになり、軸受２をハウジング１３に圧入する際、１個毎に方向性を確認する必要があるが、テーパ状１８及び逆テーパ状１９に形成することにより方向性がなくなるため、軸受２の圧入作業の自動化が容易となり量産性が向上する。
【００２３】
尚、すべり軸受２の外周部は切欠溝１６を形成し、軸受２をハウジング１３に圧入する際の基準にしている。
【００２４】
また、すべり軸受の径方向の精度は、サイジング法によって高精度に仕上ることが可能であり、ラジアル軸受２ａの寸法公差を数ミクロン以下にすることができる。
【００２５】
しかし、軸方向の公差は型成形だけで同等の精度を得ることは不可能であり、スラスト軸受２ｂの間隙の調整方法が問題になる。
【００２６】
本実施例では、スピンドルユニットの組立時に位置決め用の治具２４を用いることで、軸方向の寸法精度に関係なく間隙を一定に設定する。
【００２７】
図３は、すべり軸受の軸方向の間隙設定について、（ａ）圧入前、（ｂ）圧入後、（ｃ）完成状態を示す断面図である。
【００２８】
スピンドルユニットを組み立てる際、ハウジング１３に固定した軸受２にシャフト５を挿入すると共に、軸受２の端部にシャフト鍔部６を内包するような凹部２５を設けた治具２４を装着する。この治具２４の外径は、ハウジング１３の内径に案内され、かつ凹部２５の深さ寸法は、鍔部６の厚みにスラスト軸受２ｂの軸方向間隙（ｅ）をプラスした値に加工される。
【００２９】
次に、シャフト５の上端面にハブ１のボス４孔部をあてがい、ハブ１の上端面の当て板２６を介して、ボス４の端部とスラスト軸受２ｂの一端部が接触するまで圧入する。この際、上下の中心がずれないように、治具２４の外径をハウジング１３の内径に嵌合するとともに、上部の当て板２６の中心を押圧する。これによって、ハブ１が位置決めされて、（ｂ）の状態となる。
【００３０】
圧入後、治具２４，当て板２６を取外し、キヤップ１２を固定すれば完成状態（ｃ）となる。組立時の軸方向間隙（ｅ）はスラスト軸受２ｂの上下の間隙をプラスした値に設定される。
【００３１】
以上のように、本実施例のスピンドルユニットを、磁気ディスク装置に適用すれば、すべり軸受２の間隙を確実に管理できるので、振動や衝撃等による磁気ディスクとヘッドの接触や衝突を防止でき、情報のリード，ライト不良あるいは磁気ヘッド破壊などのトラブルが無くなる。
【００３２】
また、すべり軸受は焼結粉末合金あるいはプラスチック材料によって型成形し、ラジアル、スラスト軸受を一体化できるため、部品数を少なくするとともに、量産性が良くしかも寸法精度の高い位置決めができる。
【００３３】
次に、このように構成される磁気ディスク用スピンドルユニットの動作作用について説明する。ステータ７のコイルに通電すると、ロータマグネット８は回転力を受け、磁気ディスク２１を装着したハブ１、及びシャフト５が回転する。
【００３４】
軸受油室１４内には磁性流体１１が封入されており、シャフト５の回転による動圧効果によって、ラジアル軸受２ａ、及びスラスト軸受２ｂの摺動面には油膜が形成される。この油膜の発生状態を図４、及び図５により説明する。図４はすべり軸受２の平面図、図５は図４のＡ−Ａ断面図である。
【００３５】
図に示すようにラジアル軸受２ａには、回転方向に対し非対称形３円弧溝１５、またスラスト軸受２ｂにはランド部２０を頂点として、回転方向に対しテーパ溝１８及び逆テーパ溝１９がそれぞれ形成されるとともに、これらの溝は給油溝１７ａ，１７ｂ及び切欠溝１６を介して油室１４に連通している。このためシャフト５が矢印の如く回転すると、ラジアル軸受２ａに形成された非対称３円弧溝１５は回転方向に、次第に狭くなる流路となるので、この部に流入した磁性流体１１は昇圧し、円弧溝数に対応した油膜圧力分布Ｐ₁ が発生する。この圧力分布Ｐ₁ は内周の１２０度間隔にピークを生じるが、軸受２の中心がずれるとギャップの狭い部分の圧力が高くなって、中心位置に押し戻すように作用するので、回転中心のバランスが維持される。尚、磁性流体１１は給油溝１７ａ，１７ｂを介して、油室１４から順次給油されるので油膜圧力分布を安定に維持できる。
【００３６】
一方、スラスト軸受２ｂにはテーパ溝１８，逆テーパ溝１９とランド部２０からなるテーパランド溝が、軸受２の両端面に対称的に形成されている。
【００３７】
静止時に、スラスト軸受２ｂの一端面はハブ１のボス４端面と接触しているが、回転とともに浮上して油膜を形成する。正逆いずれの回転でも、動圧作用によって図５に示すように、回転方向（Ａ，Ｂ）に対応した油膜圧力分布Ｐ₂，Ｐ₃が形成されシャフト５を支持する。
【００３８】
両端部のスラスト軸受２ｂは、同一形状に成形されるため、ほぼ同様の油膜圧力分布となる。しかし、油膜の厚みは数ミクロン程度であり、スラスト軸受２ｂに対向して配置されるボス４端面およびシャフト鍔部６の直角度の精度が、正常な油膜を形成するための重要なポイントとなる。
【００３９】
本実施例では、ボス４端面の直角度の精度は図３で説明したように治具２４を用い、シャフト５とボス４の嵌合部長さ寸法を適正化し、またシャフト鍔部６の精度をシャフト５と一体加工することによって、数ミクロン以下の精度が得られることを確認している。
【００４０】
このように、回転中はラジアル軸受２ａとスラスト軸受２ｂとの動圧油膜により回転系が支持されるため、スピンドルユニットの縦，横姿勢に関わらずどのような姿勢でも安定した回転を維持できる。また、スラスト軸受２ｂが両端面に設けられていることにより、モーメント荷重を高めることができるので、シャフト５の倒れに対しても強い構造になっている。
【００４１】
尚、本スピンドルユニットの内部に封入された磁性流体１１は、一方をキヤップ１２で完全に密閉し、他方は磁性流体シール１０装置によって、非接触でシールされるように構成してハウジング１３の内部に保持される。
【００４２】
図６は本発明の第二の実施例におけるスラスト軸受２ｂの平面図である。
【００４３】
本実施例では、動圧発生要素としてのスラスト軸受２ｂの形状に関わり、テーパランドのランド部をスラスト面の内周２７、及び外周２７´にも拡大し設けたことを特徴とする。このため、回転による動圧作用によって、給油溝１７ｂからテーパ溝１８部に導入された磁性流体１１は、内，外周のランド２７，２７´部で堰止められるため昇圧効果が向上して、油膜圧力分布が改善され軸受剛性を高める。
【００４４】
図７は本発明の第三の実施例におけるスピンドルユニットの断面図で、図８は図７におけるシール装置の部分断面図である。第一実施例との構造上の相違点は、ハウジング１３の一端部に配置されたことにある。
【００４５】
ハブ１のボス４外周面に対向して、ポールピース２９，２９´と軸方向にＮ，Ｓ極と着磁したマグネット３０で構成される磁性流体シール１０を配置すると共に、ボス４外周面にねじシール２８を設ける。このねじシール２８はシャフト５の回転によって、流体を矢印の如く軸受２の内側に押し込むように構成される。
【００４６】
また、ねじシール２８のねじ溝部は上端側のポールピース２９の内側に設ける。
【００４７】
このようなシール構造によれば、静止時の磁性流体１１は、ポールピース２９，２９´とマグネット３０および磁性材のボス４とで形成される磁気回路によって、ボス４の端部でシールされる。一方、回転中の磁性流体１１には遠心力が作用するが、ボス４の外周面に設けられたねじシール２８の動圧作用によって内部に押し戻す効果と、磁性流体シール１０との相乗作用でシール性能が向上し、外部に洩れて磁気ディスク２１を汚染することはない。
【００４８】
以上、本発明の動圧軸受スピンドルユニットを磁気ディスク装置に適用した場合について説明したが、光ディスク装置やレーザビーム用ポリゴンミラーおよびＶＴＲシリンダモータなどに用いても同様の作用，効果を得ることができる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、スラスト軸受の油溝間の軸受面にランド部を形成し、このランド部を頂点として、回転方向にテーパ形状をなし、ハブ及び前記シャフトが回転したときに動圧作用を発揮する動圧溝を形成し、ランド部をスラスト軸受の内周と外周とに延長し、テーパ状の動圧溝を囲むように設けたことため、油膜圧力分布が改善され軸受剛性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例によるスピンドルユニットの縦断面図。
【図２】スピンドルユニットのすべり軸受の斜視図。
【図３】すべり軸受の軸方向の間隙設定時の状態遷移を示す断面図。
【図４】平面図で示したすべり軸受のラジアル軸受部の円弧状溝による動圧分布の説明図。
【図５】図４のＡ−Ａ断面図で、スラスト軸受部のテーパランド溝による動圧分布の説明図。
【図６】第二の実施例によるスラスト軸受の平面図。
【図７】第三の実施例によるスピンドルユニットの縦断面図。
【図８】第三の実施例によるシール装置の部分断面図。
【符号の説明】
１…ハブ、２…すべり軸受、２ａ…ラジアル軸受、２ｂ…スラスト軸受、３…ベースプレート、４…ボス、５…シャフト、６…シャフト鍔部、１２…キヤップ、１３…ハウジング、２４…治具、２５…凹部。

Claims

ハウジングの内側にすべり軸受で構成したラジアル軸受を設け、磁気ディスクを装着するハブに嵌合したシャフトを前記ラジアル軸受で回転自在に前記シャフトの径方向に支持し、前記ハウジングの外周に固設したステータと前記ステータに対向して前記ハブの内面に固設したロータマグネットによりモータを形成し、前記モータにより前記ハブを回転駆動する磁気ディスク装置用のスピンドルユニットにおいて、
前記ラジアル軸受を構成する部材の前記シャフトの軸方向における一端部に、前記ハブに形成したボス端面と対向してすべり軸受を構成するスラスト軸受と、前記部材の他端部に、前記シャフトの片端部に形成した鍔部と対向してすべり軸受を構成するスラスト軸受とを形成し、前記ラジアル軸受と前記スラスト軸受とからなるすべり軸受部に潤滑剤を封入し、
前記ラジアル軸受の軸受面に軸方向の油溝を複数形成し、前記２つのスラスト軸受の軸受面に半径方向の油溝を複数形成し、前記ラジアル軸受の軸受面に形成した前記油溝と前記スラスト軸受の軸受面に形成した油溝とを連通させ、前記スラスト軸受の前記油溝間の軸受面にランド部を形成し、このランド部を頂点として、回転方向にテーパ形状をなし、前記ハブ及び前記シャフトが回転したときに動圧作用を発揮する動圧溝を形成し、
前記ランド部を前記スラスト軸受の内周と外周とに延長し、テーパ状の前記動圧溝を囲むように設けたことを特徴とする磁気ディスク装置用のスピンドルユニット。
請求項１に記載の磁気ディスク装置用のスピンドルユニットにおいて、前記ランド部を頂点として、回転方向にテーパ及び逆テーパ形状をなし、前記ハブ及び前記シャフトが回転したときに動圧作用を発揮する動圧溝を形成し、前記ランド部を前記スラスト軸受の内周と外周とに延長し、テーパ及び逆テーパ状の前記動圧溝を囲むように設けたことを特徴とする磁気ディスク装置用のスピンドルユニット。
請求項１に記載の磁気ディスク装置用のスピンドルユニットにおいて、前記シャフトを回転自在に支持するすべり軸受を、前記ラジアル軸受と前記２つのスラスト軸受とを形成した 1 つの部材と、前記ハブと、前記シャフトとの３個のパーツのみで構成したことを特徴とする磁気ディスク装置用のスピンドルユニット。