JP4046356B2 - 改良した流体軸受装置 - Google Patents

Description

関連出願の参照
この出願は、１９９５年８月２５日に出願された同時係属中の出願連続番号第０８／５１９，８４２号の一部継続出願である。
発明の分野
この発明は流体軸受に関する。この発明は特に、軸受潤滑剤の漏れを防ぎかつジャーナル軸受の長さおよび／またはスパンを縮めるために部品数および遠心毛管シールが減らされた、スピンドルモータのための流体軸受装置に関する。
発明の背景
コンピュータハードディスクドライブの開発には常に、益々高いトラック密度、低音響ノイズおよび衝撃や振動による妨害のもとでの信頼性の向上が必要である。幅広く用いられている玉軸受スピンドルの不所望な特性、たとえば軸受の欠陥による非反復的な振れ、大きな音響ノイズおよび高共振周波数などにより、ドライブの能力および性能が厳しく制限されている。
流体軸受（“ＨＤＢ”）などの非接触性軸受を用いると、前述の制限を克服することができる。フィルム潤滑剤で満たされた流体軸受では、非反復的な振れおよび音響ノイズがかなり軽減され、その高減衰力により、外部からの衝撃および振動に対する抵抗が高まる。
ハードディスクドライブ環境におけるＨＤＢシステムの開発には、軸受の性能の低下やドライブ内の汚染を防ぐために、すべての動作および非動作状況において軸受構造の内部に潤滑剤をしっかりと封止することが必要である。同時に、軸受システムは向上した動的性能を有しかつコスト要件を満たすために容易に製造可能でなければならない。以下に説明されるようにこれらの要件は互いに矛盾することが多く、これまでは妥協したＨＤＢスピンドル設計しか得られなかった。
流体軸受装置用のシールを提供するための先行技術の試みは多い。流体軸受を封止するためにはＯリングおよび表面張力または毛管シールなどの静的シールが採用されてきた。
「流体軸受およびシール」（“Hydrodynamic Bearing and Seal”)と題された同一人に譲渡された米国特許第５，４２３，６１２号には毛管シールの一例が開示されており、この開示は引用によって援用される。この米国特許第５，４２３，６１２号に記載されている試みの１つの欠点は、不均衡なポンプ動作および／または衝撃による負荷などの状況において潤滑剤の再循環能力を実現するために軸受まわりに再循環ポートを設けることがいくぶん困難であるという点である。別の欠点は、上部および下部シールがいずれもＨＤＢ装置の内径にあるため、潤滑剤の表面から飛び散った液滴はすべて遠心力によって軸受の外に放り出されるという点である。また、ＨＤＢ装置の内径で利用できるシール体積が小さいため、熱膨張および／または充填物の体積変化によって軸受の外に潤滑剤が漏れるおそれがある。さらに、別の欠点は、大きなテーパ角が製造上不可能となるように毛管シールが規定されているという点である。すなわち、シールのテーパ角を増加させるためには、両端におけるシャフトの直径を縮めるか、または軸受の性能を低下させる点まで直径全体を広げる必要がある。
非限定的な用途および配向において（３．５インチ以下のディスク直径を有する）小型のディスクドライブが用いられる。したがって、たとえば大きな慣性負荷が顕著である完全なＺ寸法の１．６インチの高さのスピンドルを有するドライブのディスクスピンドル用の流体軸受システムは、可能なあらゆる配向で動作可能でありかつ漏れを生じさせることなく何らかの衝撃および振動レベルに耐え得るものでなければならない。慣性負荷が大きなディスクドライブ、たとえば６つ以上の回転ディスクを含むディスクドライブには、カバー固定式または上部固定式ＨＤＢモータが必要である。上部固定式スピンドルに関しては、２つの潤滑剤シールの要件は重要な困難な問題である。
一般に、上部固定式ＨＤＢスピンドル設計には２つのタイプ、すなわち単一スラストプレート設計と図１に示される二重スラストプレート設計とがある。
米国特許第５，４２３，６１２号に記載されている単一スラストプレート設計には上述の欠点がある。
図１の二重スラストプレート設計はいくつかの局面で単一スラストプレート設計を改善したものである。しかしながら、図１に示される二重スラストプレート設計にもまた、（約１０ミクロンである）スラスト軸受クリアランスを規定するスリーブの全長の公差の調整に関する欠点があった。別の欠点は、垂直方向の公差の調整と、たとえばブロンズスリーブの両端での表面処理が製造上困難であることに関する。さらに、典型的にスリーブはブロンズで製造されるため、インターバル（interval）の開始および停止時に、ポンプ溝を有する溝付きのスチールスラストプレートと接触すると摩耗しやすい。
米国特許第５，４２３，６１２号の単一スラストプレート設計および図１の二重スラストプレート設計の両方を改良したＨＤＢが、図２に示される同一人に譲渡された米国特許出願連続番号第０８／５１９，８４２号に提案されており、その開示は引用によって援用される。しかしながら、図２の単一スラストプレートＨＤＢには依然としていくつかの欠点がある。特定的には、上部シールの場所によって制限される長さを有するスリーブ１６上の短いショルダ上で外側スリーブ１６上にスラストブッシング７０をプレス嵌めすることによって引起こされ得る変形により、スラスト軸受のクリアランスが変化するおそれがある。また、上部シールプレート８０の直径は下部シールプレート８１の直径よりも大きいため、遠心力によって単方向のポンプ動作が引起こされ得る。別の欠点は、毛管シール９１の配向により、潤滑剤の封止において遠心力が利用されないことである。軸受潤滑剤は静的な力、すなわち毛管力によってのみ引戻される。最後に、１インチの高さのディスクドライブなどの小型のスピンドルの動的性能を低下させるような方法で、長い毛管シール長さの要求によってジャーナル軸受の長さおよび／またはジャーナル軸受のスパンが縮められるように毛管シールが配向される。
したがって、配向、衝撃および振動に関係なく漏れを生じさせず、かつ適当な低い製造コストで信頼性高く容易に製造可能である流体軸受システムの必要性が依然として未解決のままである。
目的を伴う発明の概要
この発明の一般的な目的は、先行技術の制限および欠点を克服する、スピンドル用の改良した自給式（self-contained）流体軸受を提供することである。
より特定的には、この発明の目的は単方向のポンプ動作を最小にする改良した流体軸受システムを提供することである。
この発明の別の目的は、製造が簡単であり、いかなる角度に配向されても信頼性高く動作し、従来技術の流体軸受設計よりも耐用年数の長い軸受を達成する、簡単な流体軸受設計を提供することである。
上述の目的は、単一スラストプレートと、２つのシールプレートと、スラストブッシングと、２つの動的遠心毛管シールとを含む自給式流体軸受装置によって達成される。各々がシャフトの両端に置かれるシールプレートは同じ外径において規定され、これにより遠心力による単方向のポンプ動作による影響が排除される。上部毛管シールは外径に向かって下向きにテーパされた角において規定され、潤滑剤の漏れを防ぐよう遠心力を利用する。下部毛管シールはシャフトの対向端に置かれ、外径に向かって上向きにテーパされた角において規定され、軸受の底部における漏れを防ぐよう遠心力を利用する。シールのテーパがこのように配向されていることにより、縦方向のシール長さを最小にしたままで、有効なシール長さおよびジャーナル軸受長さ／スパンが最大になる。さらに、シールから漏れた潤滑剤の液滴がディスク表面を汚染することがないよう、軸受装置の頂部および底部には封止リングが接着剤で取付けられる。
この発明のこれらおよび他の目的、利点、局面および特徴は、添付の図面と関連して提供される好ましい実施例の以下の詳細な説明を考慮すると当業者には十分に理解および認識されるであろう。
【図面の簡単な説明】
図面において、
図１は、二重スラストプレートＨＤＢスピンドル装置の右側半分の断面の拡大立面図である。
図２は、単一スラストプレート二重シールプレートＨＤＢスピンドル装置の拡大立面図である。
図３は、この発明の原理に従った単一スラストプレート二重シールプレートＨＤＢスピンドル装置の断面の拡大立面図である。
図３Ａは、シールがテーパされた角を示す、図３において強調された上部遠心毛管シールの拡大図である。
図３Ｂは、シールがテーパされた角を示す、図３において強調された下部遠心毛管シールの拡大図である。
図４は、図３のＨＤＢスピンドル装置の代替的なＨＤＢの右側半分の断面を示す拡大立面図である。
好ましい実施例の詳細な説明
図３を参照して、この発明の原理を組込む単一スラストプレート二重シールＨＤＢスピンドル装置６００は、ベース１１２の中にプレス嵌めされかつ図３に示される配向で上向きに延びる中央シャフト１１４を含む。回転するブロンズの内側スリーブ１９４および外側スリーブ１９５はシャフト上に同心的に嵌められ、シャフト１１４と内側スリーブ１９４との間には、回転の縦軸１０１を中心とする相対的な自由な回転が可能となるよう十分なクリアランスが設けられる。シャフト１１４の環状のシャフトショルダ１１４ａ上にはステンレススチールの環状スラストプレート１８４が置かれる。スラストプレート１８４は縦軸１０１に垂直である平行な２つのラジアル面を含む。外側スリーブ１９５のシャフトショルダ１１４ａ上には環状スラストブッシング１８６が置かれる。シャフト１１４の他方端ではシャフト１１４の底部上に、スリーブ１９４の下部ラジアル壁との間にクリアランスを設けて環状底部シールプレート１６５がプレス嵌めされる。環状底部クランプリング１６７は底部シールプレート１６５上に同心的に嵌められ、適切な接着剤１９９によってスリーブの外側スリーブ１９５に固定される。下部封止リング１６０ｂが適切な接着剤１９９によって底部クランプリング１６７に固定され、ＨＤＢ装置６００の底部を完成する。その後、真空充填などの従来技術によって、適切な流体潤滑剤が軸受装置に中に導入され得る。
シャフト１１４はねじ山付きのシャフトボルト１８５を受けるための、頂部に配置されたねじ溝付きアキシャル開口１１９を規定し、このねじ山付きシャフトボルト１８５はねじ１１１を受けるためのねじ山付きボス１２５を含み、このねじ１１１はシャフト１１４を頂部カバー１１０に固定して構造的な剛性をスピンドル装置６００に与えるためのものである。ねじ山付きシャフトボルト１８５を挿入して締めるとスラストプレート１８４およびスラストブッシング１８６がさらに固定される。環状の頂部クランプリング１８７は外側スリーブ１９５の上部ショルダ部分に対してプレス嵌めされかつ（接着剤１９９によって）接着固定され、シャフトボルト１８５と同心的である。頂部クランプリング１８７はスラストブッシング１８６を支持し、外側スリーブ１９５に対してスラストブッシングを固定する。この頂部クランプリング１８７により、先行技術のＨＤＢ装置では必要であった、外側スリーブに対するプレス嵌めなしでスラストブッシング１８６を挿入することが可能となり、それによりブッシングが変形するおそれがなくなる。その後、上部封止リング１６０ａが適切な接着剤１９９によって頂部クランプリング１８７に固定され、ＨＤＢ装置６００が完成する。
外側スリーブ１９５上には中空シリンダハブ１２６が嵌められ、一体的な下フランジ１２８から上向きに延びる、積み重ねて配置された１つまたはそれ以上の回転データ記憶ディスクを支持する。スピンドルモータは固定ステータアセンブリ１３０とステータアセンブリ１３０の外側極面と密に面する回転環状磁石１３２とを含む。環状強磁性リング１３２ａにより、環状永久磁石１３２の交番極面への磁束リターン経路と、磁石１３２からの浮遊磁束がデータ記憶ディスクに到達しないようにするための磁気シールドとがもたらされる。
内側スリーブ１９４は少なくとも１つの流体ジャーナル軸受を含み、図３は内側スリーブ１９４の内面に規定された２つのジャーナル軸受１３４および１３６を示す。シャフト１１４を中心とするスリーブの回転に伴って流体潤滑剤にポンプ動作を施すよう作用するヘリンボンまたは他のポンプ動作パターンを形成するポンプ動作溝を規定するために、ジャーナル軸受は適切な機械加工技術によってパターニングされ得る。２つの再循環ポート１３３を与えるよう、内側スリーブ１９４と外側スリーブ１９５との間には縦方向の２つの穴が規定され得る。再循環ポートは、衝撃によって負荷が生じた場合に潤滑剤がジャーナル軸受１３４および１３６、底部スラスト軸受１６２ならびに内側スリーブ１９４と底部シールプレート１６５との間のクリアランスを通って循環するための通路を提供する。内側スリーブ１９４および外側スリーブ１９５が単一部材として設計されている場合にはポートは掘削またはワイヤ放電加工（ＥＤＭ）によって形成されてもよい。これに代えて、部材が２つの場合の実施例では、ポート１３３は外側スリーブ１９５にプレス嵌めされる前に内側スリーブ１９４の外径上に加工されてもよい。
スラストプレート１８４は底部スラスト軸受１６２を含み、これは、合せ面間での自由な相対的な回転を可能にするよう十分なクリアランスを設けて、内側スリーブ１９４の上部ラジアル面とスラストプレート１８４の底部ラジアル面との間に規定される。スラストブッシング１８６は、上部スラスト軸受１６０を形成する合せ面間での相対的な自由な回転を可能にする十分なクリアランスを有して、スラストプレート１８４上に固定される。軸受表面のクリアランスは相対的な自由な回転を可能にしつつ軸方向の振れが最小になるよう選択される。軸受はヘリンボンパターンなどのポンプパターンを規定するようエッチングまたは打出しなどの適切な機械加工技術によってパターニングされる。上部スラスト軸受１６０および頂部シールプレート１８５ａの表面１８３とスラストブッシング１８６の上面との間のクリアランスまわりに再循環ポートをもたらすようスラストブッシング１８６上に穴１７１が機械加工されてもよい。
シャフトボルト１８５は一体的に形成された頂部シールプレート１８５ａを含み、これはシャフトボルトがシャフト開口１１９の中に固定されるとスラストブッシング１８６に抗して置かれる。シャフトボルト１８５と頂部シールプレート１８５ａとが一体的であると、全体的な部品数が減り製造および組立工程が簡単になる。図３に示されるように、頂部シールプレート１８５ａは、平行な２つのラジアル面１８３および１８２間に角度をなして規定された外面１８８を含む。下部ラジアル面１８３の直径は上部ラジアル面１８２の直径よりも大きいため、外面１８８は（図３Ａに示されるように）ラジアル面１８２からラジアル面１８３まで外向きに角度をなして形成される。１つの好ましい実施例では、外面１８８はラジアル面１８２からおよそθ₁＝４５°の角度をなして形成される。
頂部クランプリング１８７は、（図３Ａに示される）平行なラジアル面１７２および１７３間に角度をなして規定された内面１８９を含む。下部ラジアル面１７３は上部ラジアル面１７２から半径方向にずれて配置されているため、内面１８９は上部ラジアル面１７２から下部ラジアル面１７３まで外向きに角度をなして形成される。１つの好ましい実施例では、内面１８９は上部ラジアル面１７２からおよそθ₂＝５０°の角度をなして形成される。
底部シールプレート１６５は、平行な２つのラジアル面１６３および１６１間に角度をなして規定された外面１６４を含む。上部ラジアル面１６３の直径は底部ラジアル面１６１の直径よりも大きいため、外面１６４は（図３Ｂに示されるように）底部ラジアル面１６１から上部ラジアル面１６３まで外向きに角度をなして形成される。１つの好ましい実施例では、外面１６４はラジアル面１６１からおよそα₁＝４５°の角度をなして形成される。
底部クランプリング１６７は、（図３Ｂに示されるように）平行なラジアル面１６８および１６９間に角度をなして規定された内面１６６を含む。上部ラジアル面１６９は下部ラジアル面１６８から半径方向にずれて形成されているため、内面１６６は下部ラジアル面１６８から上部ラジアル面１６９まで外向きに角度をなして形成される。１つの好ましい実施例では、内面１６６は下部ラジアル面１６８からおよそα₂＝５０°の角度をなして形成される。
図３Ａおよび図３ＢはＨＤＢ装置６００の遠心毛管シールの詳細な拡大図を示し、これらもまたこの発明の際立った別の特徴である。図３Ａに示されるような上部遠心毛管シール１５０が頂部シール１８５ａの外面１８８と頂部クランプリング１８７の内面１８９との間に規定される。上部封止リング１６０ａは一体的に形成された下向きのフランジを含み、適切な接着剤１９９によって頂部クランプリング１８７に固定される。上部封止リング１６０ａの回転によって発生した遠心力は、上部遠心毛管シール１５０から漏れ出た液滴すべてをＨＤＢ６００の外径に向けてポンプ動作して遠心シール１５０の中に戻し、液滴によってディスク表面が汚れないようにする。図３Ｂに示される下部遠心毛管シール１５１は底部シールプレート１６５の外面１６４と底部クランプリング１６７の内面１６６との間に規定される。下部封止リング１６０ｂは一体的に形成された上向きのフランジを含み、適切な接着剤１９９を用いて底部クランプリング１６７に固定され、上部封止リング１６０ａと同様に、下部毛管シール１５１から漏れた潤滑剤の液滴がディスク表面を汚さないようにする。シール１５０および１５１は角度をつけて配向されているため、スピンドルの動作時にスリーブが回転すると潤滑剤に遠心力がかかり、潤滑剤はポンプ動作により外径に導かれて、軸受システムの方に戻り、漏れが生じないようになる。スピンドルモータが停止してスリーブの回転が止まると、潤滑剤は毛管力によってシール内に保持され、潤滑剤が軸受システムから漏れ出ることが防がれる。
この好ましい実施例で示された比較的大きなテーパ角は、以前は不可能であった程度まで、封止機構として遠心力を利用する。さらに、上部および下部遠心毛管シールが角度をなして配向されていることにより、縦方向のシール長さを最小にしつつ有効なシール長さおよびジャーナル軸受長さ／スパンを最大化することができる。この結果、軸受装置の封止性能を改善すると同時にスピンドルモータの全体的な高さを最小にすることができる。
この発明の改良した構造によりさらに、上部シールプレート１８５ａの外径を底部シールプレート１６５の外径と等しくすることが可能になるため、遠心力によって生じる単方向のポンプ動作による影響を排除することができる。
図４は別のＨＤＢ装置７００を示し、これはＨＤＢ装置７００の上部側が下を向くよう逆向きに配向されるように、上ねじ１８５をベース１１２の中に挿入することによって図３の実施例６００を変形したものである。他の点では、図３の実施例に関する上述の説明が図４の実施例７００に適用される。
ここで用いられているように、「上部」、「下部」、「頂部」、「底部」、「高さ」などの配向を示す表現は、特定的な動作時などの配向ではなく鉛直方向に見た図面に関するものとして解される。これらの配向の表示は単に図面の理解を容易にするために与えられたものであり、限定的なものとして解されるべきではない。
この発明の精神から離れることなく好ましい実施例の上述の説明を考慮すると当業者にはさまざまな変更および修正が容易に明らかとなるであろう。発明の範囲は、添付の請求の範囲よってより特定的に示される。以上の説明およびその開示は単に例示的なものであり、添付の請求の範囲より特定的に示されるこの発明の範囲を制限するものとして解されるべきではない。

Claims (8)

1. 自給式流体軸受装置であって、シャフトを備え、前記シャフトは、その一端にあるねじ溝付きアキシャル開口と、前記開口に隣接しかつ前記シャフトの縦軸に垂直なシャフトショルダとを規定し、さらに
   前記縦軸を中心とする相対的な回転のために前記シャフトを受ける開口を規定するシリンダ状の内側スリーブと、
   前記内側スリーブを中心に一体的に同心であるシリンダ状の外側スリーブと、
   前記シャフトと前記内側スリーブとの間に規定された縦方向にスペースを開けられた１対のラジアル流体ジャーナル軸受と、
   前記シャフトの前記ねじ溝付きアキシャル開口と噛み合うためのねじ山付き端部領域を含む上ねじとを備え、前記上ねじはその中に一体的に形成されて外面を有する頂部シールプレートをさらに含み、さらに
   前記シャフトショルダ上に嵌まるようにされた互いに平行に前記縦軸の方向に対向する第１および第２の端面を有する環状のスラストプレートと、
   前記スラストプレートの前記第１の端面と前記内側スリーブの第１の端部との間に規定された第１のスラスト軸受と、
   互いに平行に前記縦軸の方向に対向する第３および第４の端面を有する環状のスラストブッシングとを備え、前記第３の端面は前記外側スリーブ上に配置され、さらに
   前記外側スリーブ内に嵌められた環状の頂部クランプリングを備え、前記頂部クランプリングは内面を有し、さらに
   前記スラストブッシングの前記第３の端面と前記スラストプレートの前記第２の端面との間に規定された第２のスラスト軸受と、
   遠心力により潤滑剤が前記第１のスラスト軸受および前記第２のスラスト軸受の方にポンプ動作により導かれるよう前記頂部クランプリングの内面と前記頂部シールプレートの外面との間に角度をなして規定された第１の環状毛管シールと、
   前記頂部クランプリングに接着剤で取付けられた環状の上部封止リングと、
   前記ねじ溝付きアキシャル開口とは反対側の端部において前記シャフトを中心に同心的に取付けられた環状の底部シールプレートとを備え、前記底部シールプレートは外面を有し、さらに
   前記外側スリーブに取付けられた環状の底部クランプリングを備え、前記底部クランプリングは内面を有し、さらに
   前記遠心力により前記潤滑剤が前記ジャーナル軸受の方にポンプ動作により導かれるよう前記底部クランプリングの内面と前記底部シールプレートの外面との間に角度をなして規定された第２の環状毛管シールとを備える、自給式流体軸受装置。
2. 前記上ねじの前記頂部シールプレートの外面が、互いに平行に前記縦軸の方向に対向する第５および第６の端面の間に規定され、前記第５および第６の端面のうちの一方の直径が他方の直径よりも大きい、請求項１に記載の自給式流体軸受装置。
3. 前記外面が前記第５および第６の端面の間に４５°の角度をなして規定される、請求項２に記載の自給式流体軸受装置。
4. 前記頂部クランプリングの内面が、互いに平行に前記縦軸の方向に対向する第７および第８の端面の間に規定され、前記第７および第８の端面のうちの一方が他方よりも前記縦軸から離れた半径方向の位置に置かれる、請求項１に記載の自給式流体軸受装置。
5. 前記内面が前記第７および第８の端面の間に５０°の角度でテーパされる、請求項４に記載の自給式流体軸受装置。
6. 前記底部シールプレートの外面が、互いに平行に前記縦軸の方向に対向する第９および第１０の端面間に規定され、前記第９および第１０の端面のうちの一方の直径が他方の直径よりも小さい、請求項１に記載の自給式流体軸受装置。
7. 前記底部シールプレートの外面が前記第９および第１０の端面の間に４５°の角度でテーパされる、請求項６に記載の自給式流体軸受装置。
8. 前記底部クランプリングの内面が前記縦軸の方向に対向する第１１および第１２の端面の間に規定され、前記第１１および第１２の端面のうちの一方が他方よりも前記縦軸に近い半径方向の位置に置かれる、請求項１に記載の自給式流体軸受装置。

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