JP3939987B2

JP3939987B2 - スピンドルモータ

Info

Publication number: JP3939987B2
Application number: JP2002006626A
Authority: JP
Inventors: 淳廣瀬; 勝敏新居; 俊一富樫
Original assignee: Minebea Co Ltd; Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd; Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Priority date: 2002-01-15
Filing date: 2002-01-15
Publication date: 2007-07-04
Anticipated expiration: 2022-01-15
Also published as: US7218023B2; JP2003209950A; US20030132676A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、情報機器や音響機器等に搭載されて精密な回転が要求されるスピンドルモータに係り、特に磁気ディスク装置のＨＤＤ（ハードディスクドライブ）用モータとして好適なスピンドルモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のスピンドルモータは、電磁モータによって回転させられるハブが回転軸を介して軸受に回転自在に支持された構成が一般的であり、例えば、特開平１１−２６２２１４号公報…（１）、特開２００１−２８９２４２号公報…（２）、特開平６−３１５２４２号公報…（３）、特開平６−１７３９４３号公報（４）、特開平１０−３３９３１８号公報（５）、特表２０００−５１４１６５号公報（６）等によって公知である。このようなスピンドルモータに適用される軸受は、回転軸のラジアル荷重およびスラスト荷重をそれぞれ支持するラジアル軸受およびスラスト軸受の組み合わせからなり、いずれも潤滑油の動圧作用によって回転軸を高い精度で支持する動圧流体軸受である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、パソコンに搭載されるＨＤＤ用モータには高い回転精度が要求されるが、特にノートパソコン用においては、それに加えて高い静音性や耐衝撃性、さらには製品の特性面から薄型化が要求されている。元来、動圧流体軸受は、静音性および回転精度を確保する上で有効とされている。また、耐衝撃性に関しては、回転軸の軸方向の位置決め並びに抜け止めを講じることにより確保され、とりわけ軸方向の位置決めは、磁気ディスクを軸方向に位置決めすることが求められるＨＤＤ用モータには必須である。ところが、スラスト軸受を備えたスピンドルモータにおいては、スラスト軸受で発生する動圧力によって回転軸がスラスト軸受から離れていくといった軸方向への移動が起こりやすいものであった。そこで、この現象を抑えて回転軸の軸方向の位置決めもしくは抜け止めを行うために、従来、次のような種々の手段が採られていた。
【０００４】
Ａ．ハブを回転させるモータを構成するモータ固定子とモータマグネットの磁気センタをずらし、これによってモータマグネットが固定されているハブをスラスト軸受方向に付勢する。
Ｂ．ハブに固定されているモータマグネットに磁性板を対向配置し、モータマグネットの磁力によってハブをスラスト軸受方向に吸引する。
Ｃ．上記公報（１）に記載されるように、永久磁石によってハブをスラスト軸受方向に吸引する。
Ｄ．上記公報（２）〜（６）に記載されるように、回転軸におけるスラスト軸受側の端部に設けたフランジによってラジアル軸受からの回転軸の抜け止めをなす。また、この構成において、フランジとラジアル軸受との間に動圧力を発生させ、その動圧力によって回転軸をスラスト軸受方向に付勢する。
【０００５】
しかしながら、Ａではモータの電磁音が発生して静音性を損ねてしまうといった欠点がある。Ｂではモータの駆動力のロスを招き、この問題は、ノートパソコンのように消費電力が低い機器においては電流値の制限を受けるので、特に好ましくない。また、Ｃ，Ｄでは部品点数の増加並びに構造の複雑化を招くとともに、薄型化には不利である。
【０００６】
また、回転精度に関しては、ラジアル軸受およびスラスト軸受がともに動圧流体軸受であれば回転精度は十分に確保されてはいたものの、各軸受の軸受剛性と軸受損失の最適化、すなわち高い軸受剛性と少ない軸受損失の両立が図られたＨＤＤ用モータを構成することは困難であった。
【０００７】
よって本発明は、静音性や回転精度が十分に確保されるのは勿論のこと、部品点数が抑えられ、かつ簡素な構造で回転軸の位置決めが達成され、これに伴って耐衝撃性の向上並びに薄型化が達成され、さらに、ラジアル軸受およびスラスト軸受の軸受剛性と軸受損失の最適化が図られるスピンドルモータを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ラジアル動圧軸受およびスラスト動圧軸受によって回転自在に支持される回転軸と、この回転軸に固定される回転体と、この回転体を電磁作用で回転させるモータとを備え、各動圧軸受と回転軸との間に潤滑用流体が供給されるスピンドルモータにおいて、回転軸は、スラスト動圧軸受側に向かって外径がしだいに拡径するコニカル部と、外径が一定のストレート部とを有し、ラジアル動圧軸受は、回転軸のコニカル部およびストレート部に応じたコニカル軸受面およびストレート軸受面を有していることを特徴としている。
【０００９】
本発明によれば、回転軸は、ラジアル動圧軸受からラジアル動圧力を受け、スラスト動圧軸受からスラスト動圧力を受け、これによって静音性と回転精度が得られる。ここで、回転軸のストレート部はラジアル動圧軸受のストレート軸受面から主にラジアル動圧力を受ける一方、コニカル部においては、ラジアル動圧軸受のコニカル軸受面から、コニカル部の外周面に向かって直交する斜め方向の動圧力を受ける。この動圧力は、軸方向に直交する分力：ラジアル動圧力と、軸方向の分力：スラスト動圧力との合成である。すなわち、コニカル軸受面で発生する動圧力はラジアル動圧力のみならず、一部がスラスト動圧力であり、そのスラスト動圧力は、コニカル部がスラスト動圧軸受側に拡がっているため、スラスト動圧軸受側に向かって発生する。
【００１０】
したがって、回転軸は、ラジアル動圧軸受のコニカル軸受面とスラスト動圧軸受とから相対向するスラスト動圧力を受け、これによって軸方向の位置決め並びに抜け止めがなされ、その結果、耐衝撃性が発揮される。このように本発明では、回転軸の位置決めもしくは抜け止めのための部材や動圧構造を別途設けることなく、コニカル部およびコニカル軸受面を形成するのみの簡素な構造で耐衝撃性を確保することができ、したがって、薄型化に有利であるとともに量産性に優れる。また、回転軸の軸方向の位置決めを磁石の作用によらずに達成可能なので、モータの駆動力のロスが抑えられ、低消費電力が達成される。さらに、回転軸の軸方向の位置決めのためにモータ固定子とモータマグネットの磁気センタをずらす構成を不要とすることもできるので、静音性が確保される。
【００１１】
本発明によれば、上述したラジアル動圧軸受およびスラスト動圧軸受による回転軸の支持構造により、各軸受の軸受剛性と軸受損失の最適化、すなわち高い軸受剛性と少ない軸受損失の両立が図られる。コニカル軸受面とストレート軸受面との有効軸方向長さの割合や、回転軸のコニカル部の拡がり角（テーパ角）は、上記作用効果が奏されるべく適宜に設定される。
【００１２】
本発明は、次に挙げる形態が包含もしくは付加される。
ラジアル動圧軸受のコニカル軸受面およびストレート軸受面に形成される動圧発生用の溝を複数のヘリングボーン溝とする。ヘリングボーン溝はＶ字状であり、高い動圧力が得られるように、その先端交叉部が回転軸の回転方向に向かって収束するように形成されていると好ましい。
【００１３】
ラジアル動圧軸受に形成される動圧発生用の溝としては、コニカル軸受面に上記ヘリングボーン溝を形成する一方、ストレート軸受面に形成する溝を、回転軸の回転方向に向かうにしたがって回転軸との間の隙間が小さくなるクサビ状溝としてもよい。
【００１４】
また、スラスト動圧軸受のスラスト軸受面に形成される動圧発生用の溝としては、複数のスパイラル溝、または上記ヘリングボーン溝が挙げられる。スパイラル溝は、高い動圧力が得られるように、回転軸の回転方向に沿って湾曲していきながらスラスト軸受面の中心に向かって収束するように形成されていると好ましい。また、ヘリングボーン溝の場合には、高い動圧力が得られるように、その先端交叉部が回転軸の回転方向に向かって収束するように形成されていると好ましい。
【００１５】
次に、回転軸の外周面におけるコニカル部とストレート部との境界に、油溜まりとして効果的な周溝を形成する。また、ラジアル軸受は、ハウジング内に収容されている形態であってもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明をＨＤＤ用モータに適用した実施の形態を説明する。
（１）第１実施形態：図１〜図６
図１は、第１実施形態のスピンドルモータの断面を示している。このモータは２枚の磁気ディスクＤを回転させるものであり、ケース１０、軸受ユニット２０、回転軸３０、モータ４０、磁気ディスクＤを支持するハブ（回転体）５０から構成されている。ケース１０の中心には図１で上方に突出する円筒状のホルダ部１１が形成されており、このホルダ部１１内に軸受ユニット２０が収容されている。軸受ユニット２０は、ラジアル動圧軸受（以下、ラジアル軸受と略称）６０と、このラジアル軸受６０の下面開口を塞ぐスラスト動圧軸受（以下、スラスト軸受と略称）７０とから構成されている。
【００１７】
回転軸３０は軸受ユニット２０によって回転自在に支持されており、この回転軸３０の上端部であるハブ固定部３１に、ハブ５０が固定されている。このハブ５０は、内側に突出するボス５１が中心に形成された円板部５２と、円板部５２の周縁から垂下する円筒部５３と、円筒部５３の周縁から外側に突出する鍔部５４とを有する断面略ハット状である。回転軸３０のハブ固定部３１がハブ５０のボス５１に貫通して嵌合され、ボス５１の下端内周縁に形成されたリング状の突起５１ａが、回転軸３０に形成された嵌合溝３２（図２参照）に嵌合されることにより、回転軸３０にハブ５０が固定されている。この固定状態で、ハブ５０の円筒部５３の内周面とケース１０のホルダ部１１の外周面とは互いに対向し、これら対向面のケース１０側にはコイル４１が巻かれたモータ固定子４２が固着され、ハブ５０側にはモータマグネット４３が固着されている。これらモータ固定子４２およびモータマグネット４３によりモータ４０が構成されている。
【００１８】
２枚の磁気ディスクＤは、ハブ５０の円筒部５３の外周にリング状のスペーサ８０を挟んで嵌め込まれており、回転軸３０の上端面にねじ８１で固定されるクランパ８２と鍔部５４とによって挟み込まれた状態で、ハブ５０に支持されている。
【００１９】
以上が第１実施形態のスピンドルモータの概略構成であり、このモータによれば、コイル４１に所定の電流を供給するとモータ固定子４２から電流磁界が発生し、この電流磁界とモータマグネット４３との間に発生する電磁相互作用により、ハブ５０が回転軸３０を中心として回転し、磁気ディスクＤが回転する。
【００２０】
次いで、軸受ユニット２０および回転軸３０の構成を詳述する。
まず、回転軸３０から説明すると、図２に示すように、回転軸３０の上端部は上記ハブ固定部３１となっており、上記嵌合溝３２よりも下方の軸方向中間部には、外径がハブ固定部３１よりもやや大きく、その外径が一定のストレート部３３が形成されている。そして、このストレート部３３の下方であって回転軸３０の下端部となる部分には、スラスト軸受７０側に向かって外径がしだいに拡がるテーパ状のコニカル部３４が形成されている。ストレート部３３とコニカル部３４との境には油溜まりないしは油通路となる周溝３５が形成されている。この場合、ハブ固定部３１、ストレート部３３およびコニカル部３４の軸方向長さは、いずれも回転軸３０の軸方向長さの約１／３程度とされている。
【００２１】
軸受ユニット２０は、前述の如くラジアル軸受６０とスラスト軸受７０とから構成されている。ラジアル軸受６０は円筒状であって、図２に示すように、その中心には回転軸３０が挿入される軸孔６１が形成されている。この軸孔６１の内周面には、回転軸３０のストレート部３３およびコニカル部３４に応じたストレート軸受面６３およびコニカル軸受面６４が形成されている。これら軸受面６３，６４には、図３に示すように、ラジアル動圧発生用の溝としてＶ字状の複数のヘリングボーン溝６５が形成されている。ヘリングボーン溝６５は、回転軸３０の回転方向Ｒに向かって先端交叉部が収束するように、かつ周方向に等間隔に形成されている。
【００２２】
図２に示すように、ラジアル軸受６０の下面には、リング状凹所６６，６７が２段の状態で形成されており、１段目の凹所６６に円板状のスラスト軸受７０が嵌合されて固着されている。２段目の凹所６７は軸孔６１に連通し、ここが油溜まり（以下、油溜まり６７）となっている。回転軸３０の端面が摺動するスラスト軸受７０のスラスト軸受面７１には、図４に示すように、スラスト動圧発生用の溝として複数のスパイラル溝７２が形成されている。スパイラル溝７２は、回転軸３０の回転方向Ｒに沿って湾曲していきながらスラスト軸受面７１の中心に向かって収束するように形成されている。なお、この動圧発生用の溝は、Ｖ字状の複数の溝からなるヘリングボーン溝でもよい。
【００２３】
上記軸受ユニット２０は、回転軸３０のハブ固定部３１をラジアル軸受６０の軸孔６１のコニカル部３４側から挿入していくことにより、回転軸３０をラジアル軸受６０に嵌め込み、次いで、スラスト軸受７０をラジアル軸受６０に固着することで構成される。この組立状態で、ラジアル軸受６０の各軸受面６３，６４と回転軸３０の外周面との間には、潤滑油（潤滑用流体）Ｌが供給される微小な隙間が形成される。この軸受ユニット２０は、ラジアル軸受６０をベース１０のホルダ部１１内に圧入するか、もしくは嵌め込んだ状態を溶接、接着等の手段によって固着させることにより、ベース１０に固定される。
【００２４】
なお、軸受ユニット２０と回転軸３０の材質であるが、両者は、例えばステンレス鋼と各種銅合金（青銅、黄銅等）の組み合わせが挙げられ、軸受ユニット２０は多孔質の焼結合金を用いることもできる。例えばラジアル軸受６０およびスラスト軸受７０が銅合金の場合、上記ヘリングボーン溝６５は、化学エッチング、電解エッチングあるいはコイニング等の手法で形成することができる。また、焼結合金の場合、ヘリングボーン溝６５は、圧粉体の成形時あるいは焼結体のサイジング時等に成形することができる。
【００２５】
次に、上記回転軸３０およびこれを支持する上記軸受ユニット２０の作用について説明する。モータ４０の作用で回転軸３０が回転すると、油溜まり６７内の潤滑油Ｌはスラスト軸受７０のスラスト軸受面７１と回転軸３０の下端面３６との間、ラジアル軸受６０の各軸受面６３，６４と回転軸３０の外周面との間に侵入し、油膜を形成する。また、周溝３５を通ることにより潤滑油Ｌは回転軸３０の外周面に効率よく供給される。ラジアル軸受６０にあっては、その内周面に形成されたヘリングボーン溝６５に供給された潤滑油Ｌに動圧が発生する。また、スラスト軸受７０にあっては、スパイラル溝７２に供給された潤滑油Ｌに動圧が発生する。このようにラジアル側およびスラスト側に動圧が発生することにより、回転軸３０は高い剛性をもって支持される。
【００２６】
さらに図５を参照して詳述すると、回転軸３０は、スラスト軸受７０からスラスト動圧力Ｆｗを受けると同時に、これと逆向きのスラスト動圧力Ｆａを、ラジアル軸受６０のコニカル軸受面６４から受ける。回転軸３０のコニカル部３４は、コニカル軸受面６４からコニカル部３４の外周面に直交する斜め方向の動圧力Ｆｔを受けるが、この動圧力Ｆｔは、軸方向に直交する分力：ラジアル動圧力Ｆｒと、軸方向の分力：スラスト動圧力Ｆａとの合成である。スラスト動圧力Ｆａは、コニカル部３４がスラスト軸受７０側に拡がっているため、軸方向におけるスラスト軸受７０側に向いており、したがって、スラスト軸受７０からのスラスト動圧力Ｆｗに対向する。
【００２７】
すなわち、回転軸３０はスラスト軸受７０とラジアル軸受６０のコニカル軸受面６４とから相対向するスラスト動圧力を受け、これによって軸方向の位置決め並びに抜け止めがなされ、その結果、耐衝撃性が発揮される。つまり、回転軸３０の位置決めもしくは抜け止めのための部材や動圧構造を別途設けることなく、コニカル部３４およびコニカル軸受面６４を形成するのみの簡素な構造で耐衝撃性を確保することができる。このため、薄型化に有利であるとともに量産性に優れる。また、回転軸３０の軸方向の位置決めを磁石の作用によらずに達成可能なので、モータ４０の駆動力のロスが抑えられ、低消費電力が達成される。さらに、回転軸３０の軸方向の位置決めのためにモータ固定子４２とモータマグネット４３の磁気センタをずらす構成を不要とすることもできるので、静音性が確保される。
【００２８】
本実施形態によれば、上述したラジアル軸受６０およびスラスト軸受７０による回転軸３０の支持構造により、各軸受６０，７０の軸受剛性と軸受損失の最適化、すなわち高い軸受剛性と少ない軸受損失の両立が図られる。なお、ストレート軸受面６３とコニカル軸受面６４との有効軸方向長さの割合や、回転軸３０のコニカル部３４の拡がり角（テーパ角）θは、上記作用効果が得られるべく適宜に設定される。
【００２９】
なお、上記実施形態では、ラジアル軸受６０のストレート軸受面６３およびコニカル軸受面６４に形成される動圧発生用の溝はヘリングボーン溝６５であるが、動圧発生用の溝としては、図６に示す形態が挙げられる。これは、ラジアル軸受６０の内周面（ストレート軸受面６３および／またはコニカル軸受面６４）に、軸方向に延びる複数の油溜まり溝６８を周方向に等間隔に形成し、これら油溜まり溝６８間に、回転軸３０の回転方向に向かうにしたがって回転軸３０との間の隙間が小さくなるクサビ状溝６９を形成したものである。このようなクサビ状溝６９をストレート軸受面６３に形成し、上記ヘリングボーン溝６５をコニカル軸受面６４に形成する組み合わせや、この逆パターンを採用してもよく、両方の軸受面６３，６４にクサビ状溝６９を形成しても勿論よい。また、潤滑用流体として潤滑油Ｌを用いているが、本発明ではこれに限られず、磁性流体等、他の潤滑用流体を用いることができる。
【００３０】
続いて、本発明に基づく第２〜第４実施形態を説明する。これら実施形態は、いずれも回転軸および軸受ユニットの変更であり、参照する図面において上記第１実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００３１】
（２）第２実施形態：図７
第２実施形態の軸受ユニット２０におけるラジアル軸受６０は、円筒状のハウジング９０内に収容されている。ラジアル軸受６０は、ハウジング９０内に圧入されるか、もしくは嵌め込んだ状態を溶接、接着等の手段によって固着されている。そして、ハウジング９０が、上記ベース１０のホルダ部１１内に同様の手段で収容される。この場合、スラスト軸受７０はハウジング９０の下面の内周縁に形成されたリング状の段部９１に嵌め込まれて固着されている。
【００３２】
（３）第３実施形態：図８
第３実施形態の軸受ユニット２０のラジアル軸受６０は、上記第１実施形態と同様でハウジング９０に収容されないタイプのものである。この場合、回転軸３０の内部に油通路となる縦孔３７および横孔３８が形成されている。縦孔３７はコニカル部３４の軸心に形成されており、その下端がポケット３７ａを経てスラスト軸受７０と摺動する下端面３６に開口している。また、横孔３８は縦孔３７の上端から分岐して周溝３５に連通している。縦孔３７から分岐する横孔３８は互いに直線状となる２つが形成されているが、３つまたはそれ以上の数が円周を等分する放射状に形成されていてもよい。また、ラジアル軸受６０には、上面から油溜まりに連通する複数（図８では１つしか示されない）の透孔６０ｃが形成されている。
【００３３】
第３実施形態では、回転軸３０が回転するに伴い、油溜まり６７から潤滑油Ｌが回転軸３０のスラスト摺動面（回転軸３０とスラスト軸受７０との摺動面）に供給され、さらにその潤滑油は、縦孔３７、横孔３８、周溝３５を経てラジアル摺動面（回転軸３０とラジアル軸受６０との摺動面）に供給される。ラジアル摺動面はストレート部３３とコニカル部３４とに分けられるが、コニカル部３４においては潤滑油Ｌは下降して油溜まり６７に戻り、ストレート部３３においては上昇する。ラジアル軸受６０の上面に潤滑油Ｌがオーバーフローした場合、その潤滑油Ｌは透孔６０ｃを下降して油溜まり６７に戻る。図８の矢印はこのような潤滑油の循環経路を示しており、潤滑油Ｌの円滑な循環が図られる。
【００３４】
（４）第４実施形態：図９
第４実施形態の軸受ユニット２０のラジアル軸受６０は、上記第２実施形態と同様にハウジング９０に収容されるタイプであり、このラジアル軸受６０に、上記第４実施形態の回転軸３０が組み込まれている。この場合、ラジアル軸受６０には、油通路として外周面から下面にわたる溝６０ｄが形成されており、ラジアル軸受６０の上面にオーバーフローした潤滑油Ｌは溝６０ｄを通って油溜まり６７に戻るようになっている。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のスピンドルモータによれば、回転軸のコニカル部によってラジアル動圧軸受に対する回転軸の軸方向位置が規制されるので、静音性や回転精度が十分に確保されるのは勿論のこと、部品点数が抑えられ、かつ簡素な構造で回転軸の位置決めが達成され、これに伴って耐衝撃性の向上並びに薄型化が達成され、さらに、ラジアル軸受およびスラスト軸受の軸受剛性と軸受損失の最適化が図られるといった種々の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るＨＤＤ用スピンドルモータの縦断面図である。
【図２】第１実施形態に係る軸受ユニットの縦断面図である。
【図３】動圧溝が形成されたラジアル軸受の内周面の展開図である。
【図４】動圧溝が形成されたスラスト軸受面の平面図である。
【図５】第１実施形態の回転軸および軸受ユニットの作用を説明するための要部縦断面図である。
【図６】ラジアル軸受の内周面に形成される動圧溝の他の形態を示す横断面図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る軸受ユニットの縦断面図である。
【図８】本発明の第３実施形態に係る軸受ユニットの縦断面図である。
【図９】本発明の第４実施形態に係る軸受ユニットの縦断面図である。
【符号の説明】
２０…軸受ユニット、３０…回転軸、３３…ストレート部、
３４…コニカル部、４０…モータ、５０…ハブ（回転体）、
６０…ラジアル動圧軸受、６３…ストレート軸受面、６４…コニカル軸受面、
７０…スラスト動圧軸受、Ｌ…潤滑油（潤滑用流体）。

Claims

ラジアル動圧軸受およびスラスト動圧軸受によって回転自在に支持される回転軸と、
この回転軸に固定される回転体と、
この回転体を電磁作用で回転させるモータとを備え、
前記各動圧軸受と回転軸との間に潤滑用流体が供給されるスピンドルモータにおいて、
前記回転軸は、前記スラスト動圧軸受側に向かって外径がしだいに拡径するコニカル部と、外径が一定のストレート部とを有し、
前記ラジアル動圧軸受は、回転軸のコニカル部およびストレート部に応じたコニカル軸受面およびストレート軸受面を有していることを特徴とするスピンドルモータ。
前記コニカル軸受面および前記ストレート軸受面に、ヘリングボーン溝が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のスピンドルモータ。
前記コニカル軸受面に、ヘリングボーン溝が形成されており、前記ストレート軸受面に、前記回転軸の回転方向に向かうにしたがって回転軸との間の隙間が小さくなるクサビ状溝が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のスピンドルモータ。
前記スラスト動圧軸受のスラスト軸受面に、スパイラル溝またはヘリングボーン溝が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のスピンドルモータ。
前記回転軸の外周面における前記コニカル部と前記ストレート部との境界に、周溝が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のスピンドルモータ。
前記ラジアル動圧軸受がハウジング内に収容されていることを特徴とする請求項１に記載のスピンドルモータ。