JP4132996B2

JP4132996B2 - 動圧軸受装置及びこれを備えたスピンドルモータ並びにこのスピンドルモータを用いたディスク駆動装置

Info

Publication number: JP4132996B2
Application number: JP2002163837A
Authority: JP
Inventors: 五雄村田; 博紀逸崎
Original assignee: Nidec Corp
Current assignee: Nidec Corp
Priority date: 2002-06-05
Filing date: 2002-06-05
Publication date: 2008-08-13
Anticipated expiration: 2022-06-05
Also published as: JP2004011704A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動圧軸受装置及び動圧軸受装置を備えたスピンドルモータ並びにこのスピンドルモータを用いて記録ディスクを回転するディスク駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ハードディスク等の記録ディスクを駆動するディスク駆動装置において使用されるスピンドルモータの軸受として、シャフトとスリーブとの間に介在させたオイル等の潤滑流体の流体圧力を利用して両者を相対回転自在に支持する動圧軸受装置が種々提案されている。
【０００３】
このような動圧軸受装置を使用するスピンドルモータの一例を図５に示す。この従来の動圧軸受装置を使用するスピンドルモータは、ロータハブａと一体をなす軸部材ｂの外周面と、この軸部材ｂが回転自在に挿通されるスリーブ部材ｃの内周面との間に、一対のラジアル軸受部ｄ，ｄが軸線方向に離間して構成され、また軸部材ｂの一方の端部外周面から半径方向外方に突出するディスク状のスラストプレート部ｅの上面とスリーブ部材ｃに形成された段部の平坦面との間並びにスラストプレート部ｅの下面とスリーブ部材ｃの一方の開口を閉塞するスラストブッシュ部材ｆとの間に、一対のスラスト軸受部ｇ，ｇが構成されている。
【０００４】
軸部材ｂ並びにスラストプレート部ｅとスリーブ部材ｃ並びにスラストブッシュ部材ｆとの間には、一連の微小間隙が形成され、これら微小間隙中には、潤滑流体としてオイルが途切れることなく連続して保持されており、軸部材ｂの外周面とスリーブ部材ｃの内周面との間に形成される間隙の上端部開口（スリーブ部材ｃの他方の開口）に設けられたテーパシール部ｈ内でのみ空気に露出している（このようなオイル保持構造を、以下「フルフィル構造」と記す）。
【０００５】
また、ラジアル軸受部ｄ，ｄ及びスラスト軸受部ｇ，ｇには、一対のスパイラル溝を連結してなるヘリングボーン溝ｄ１，ｄ１及びｇ１，ｇ１が形成されており、軸部材ｂの回転に応じて、スパイラル溝の連結部が位置する軸受部の中央部で最大動圧を発生させ、軸部材ｂに作用する荷重を支持している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
フルフィル構造の動圧軸受装置では、軸部材ｂが回転を始めると、オイルは動圧発生溝ｄ１，ｄ１及びｇ１，ｇ１によるポンピングで、各ラジアル軸受部ｄ，ｄ及びスラスト軸受部ｇ，ｇの中心部側に引き込まれ、軸受の中心部で流体動圧が極大となる反面、軸受の両端部側ではオイルの内圧が低下する。すなわち、軸部材ｂの外周面とスリーブ部材ｃの内周面との間の領域のうち一対のラジアル軸受部ｄ，ｄ間に保持されるオイル、及びスラストプレート部ｅの周囲の領域のうちスラスト軸受部ｇ，ｇ間に位置するスラストプレート部ｅの外周部付近に保持されるオイルは、動圧発生溝ｄ１，ｄ１及びｇ１，ｇ１のポンピングに応じてオイルの内圧が低下し、やがて大気圧以下まで低下して負圧となる。
【０００７】
オイル内に負圧が生じると、例えばオイルの充填作業時等にオイル内に溶け込んだ空気が気泡化して現れ、やがて温度上昇等によって気泡が体積膨張し、オイルを軸受外部へと漏出させるといったスピンドルモータの耐久性や信頼性に影響する問題、あるいは動圧発生溝が気泡と接触することによる振動の発生や非繰り返し性振れ成分（ＮＲＲＯ；Non Repeatable Run-Out）の悪化といったスピンドルモータの回転精度に影響する問題が発生する。
【０００８】
本発明は、簡略な構成を維持しつつ、負圧に起因する気泡の発生を防止することができる動圧軸受装置及びこの動圧軸受装置を備えたスピンドルモータ並びにこのスピンドルモータを用いて記録ディスクを回転するディスク駆動装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、中空円筒状のスリーブ部材と、このスリーブ部材に対し微小間隙を有して対向する軸部と該軸部から半径方向外方に突出すると共に、その上面が前記スリーブ部材の下端面に対して微小間隙を有して対向するスラストプレート部とを有する軸部材と、このスラストプレート部の下面に対して微小間隙を有して対向する閉塞端面が設けられると共に、前記スリーブ部材を内周面に支持する一方開口のスリーブ支持部材と、前記微小間隙全体に充填された潤滑流体とを備え、前記軸部及びこの軸部と対向する前記スリーブ部材の内周面の少なくとも一方に、ラジアル荷重を支持するためのラジアル動圧発生溝を軸線方向に離間して一対設け、また前記スラストプレート部の下側面及びこの下側面と対向する前記スリーブ支持部材の閉塞端面の少なくとも一方と、前記スリーブ部材の下端面及びこの下端面と対向する前記スラストプレート部の上側面の少なくとも一方とにスラスト荷重を支持するためのスラスト動圧発生溝を設け、前記スリーブ部材と前記軸部材とを相対的に回転可能に支持する動圧軸受装置であって、前記スリーブ部材の外周面にはその下端面から軸線方向長さの略中央部まで延設された縦溝と、前記スリーブ部材の内周面のうち前記一対のラジアル動圧発生溝の間と前記縦溝の上端とに開口する半径方向孔とが形成されていることを特徴とする動圧軸受装置が提供される。
【００１０】
この縦溝及び半径方向孔に微小間隙に充填される潤滑流体に連続して潤滑流体を保持し、また微小間隙に充填される潤滑流体と縦溝及び横溝に保持される潤滑流体とを循環させることで、潤滑流体の内圧が調整され、負圧の発生が防止される。すなわち、簡略な構成のフルフィル構造の動圧軸受装置でありながら、気泡による種々の悪影響が排除されることとなる。
【００１１】
ここで、潤滑流体における負圧の発生を防止するためには、一対のラジアル動圧発生溝のうち、スリーブ支持部材の開口側に近接する側のラジアル動圧発生溝を、軸線方向下方に潤滑流体を押圧するよう、軸線方向に不平衡に形成されたヘリングボーン状溝とするのが望ましい。このように軸線方向に不平衡なラジアル動圧発生溝により潤滑流体を軸線方向下方側へ押圧することによって、微小間隙内に保持される潤滑流体の内圧が確実に正圧に保たれる。
【００１２】
更に、スリーブ部材の開口に隣接して設けられたテーパシール部が、不平衡なラジアル動圧発生溝に隣接することで、テーパシール部内に保持される潤滑流体には、回転時に軸線方向下方側に向かう押圧力が作用するので、潤滑流体の界面が軸線方向下方側に引かれ、遠心力による潤滑流体の飛散が抑制される。
【００１３】
また本発明によれば、前記記載の動圧軸受装置を備えたことを特徴とするスピンドルモータが提供される。
【００１４】
加えて、本発明によれば、前記記載の動圧軸受装置を備えたスピンドルモータによって記録ディスクを回転することを特徴とするディスク駆動装置が提供される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図に基づいて本発明の動圧軸受装置について詳述する。図１は本発明に係る動圧軸受装置の一例を示す縦断面図である。図１の動圧軸受装置では、スリーブ支持部材１３の中心に軸線方向に貫通孔１３１が形成され、スリーブ支持部材１３の下端には貫通孔１３１の内径よりも大径に形成された嵌合溝部１３２が形成されている。そしてこの貫通孔１３１の内周面には、軸線方向長さがスリーブ支持部材１３よりも短い多孔質焼結体からなる中空円筒状のスリーブ部材１２が固着されている。このスリーブ部材１２には、図２に示すように、２つのラジアル動圧発生溝１２１ａ，１２１ｂが軸線方向に離隔して内周面に形成されると共に、スラスト動圧発生溝１２１ｃが下端面に形成されている。また、スリーブ部材１２の外周面には、その下端面から、軸線方向長さの略中央部まで縦溝１２３ａ，１２３ｂが形成されている。また、スリーブ部材１２には、この縦溝１２３ａ，１２３ｂと、スリーブ部材１２の内周面のうち、２つのラジアル動圧発生溝１２１ａ，１２１ｂ間とに開口するよう、スリーブ部材１２を半径方向に貫通する連通孔１２４ａ，１２４ｂが形成されている。尚、これら縦溝及び連通孔の形状や本数については、潤滑流体が円滑に流動できるものであれば特に限定はない。また、その形成位置としては回転軸心を中心として周方向等角度に形成するのが好ましい。
【００１６】
スリーブ部材１２は多孔質焼結体からなり、その材質については特に限定はなく、各種金属粉末や金属化合物粉末、非金属粉末を原料として成形、焼結したものが使用できる。原料としてはＦｅ−ＣｕやＣｕ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐｂ、Ｆｅ−Ｃなどが挙げられる。
【００１７】
このように、スリーブ部材１２を多孔質焼結体から形成することで、スリーブ部材１２の成形型に、予めラジアル動圧発生溝１２１ａ，１２１ｂやスラスト動圧発生溝１２１ｃ並びに縦溝１２３ａ，１２３ｂ及び連通孔１２４ａ，１２４ｂの型を設けておき、この成形型を用いてスリーブ部材１２を圧縮・加熱成形すれば、加工工数が大幅に削減されることとなり、低コスト化が可能になる。
【００１８】
一方、図１において軸部材１１は、軸部１１１と、軸部１１１の下端に形成されたスラストプレート部１１２とからなる。そして、スラストプレート部１１２の上面がスリーブ部材１２の下端面に当接するまで、スリーブ部材１２の中空部に軸部材１１の軸部１１１が一定の間隙を介して挿入され、スリーブ支持部材１３に形成された貫通孔１３１の下側開口を封止するように、特に図示しないが、スリーブ部材１２の下端面に形成されるスパイラル型のスラスト動圧発生溝１２１ｃと実質的に同じ形状を有するスラスト動圧発生溝が上面に形成されたスラストブッシュ部材１４が嵌合溝部１３２に嵌装されている。他方、貫通孔１３１の上側開口には、中央に孔１５１が穿設されたキャップ部材１５が、その孔１５１に軸部１１１を挿通させた状態で、その上面とスリーブ支持部材１３の上端面とが同一面となるように嵌装されている。
【００１９】
そして、スリーブ支持部材１３とスラストブッシュ部材１４、キャップ部材１５とで囲まれた貫通孔１３１の内部は潤滑流体で充填される。充填された潤滑流体は、キャップ部材１５の孔１５１の内周面に形成されたテーパ面と軸部１１１の外周面とで構成されるテーパシール部Ｓで外気圧とバランスし、装置外に漏出しないようにシールされている。
【００２０】
このような構造の動圧軸受装置において、軸部材１１が回転を始めると、スリーブ部材１２の内周面に形成されたヘリングボーン型の２つのラジアル動圧発生溝１２１ａ，１２１ｂで発生する流体動圧により軸部材１１のラジアル荷重が支持され、他方スリーブ部材１２の下端面及びスラストブッシュ部材１４の表面に形成された２つのスパイラル型のスラスト動圧発生溝で発生する流体動圧により軸部材１１のスラスト荷重が支持される。
【００２１】
このとき各動圧発生溝の端部側では潤滑流体の内圧が低下するが、潤滑流体における負圧の発生を防止するためには、ラジアル動圧発生溝１２１ａを軸線方向下方に潤滑流体を押圧するよう、軸線方向に不平衡なヘリングボーン状溝とするのが好ましい。この場合、ラジアル動圧発生溝１２１ａを構成する一対のスパイラル溝部のうち、軸線方向上側に位置する方のスパイラル溝部の軸線方向寸法を、軸線方向下側に位置する方のスパイラル溝部の軸線方向寸法よりも幾分大きく設定することで、軸線方向上側のスパイラル溝部による潤滑流体に対するポンピング力が軸線方向下側のスパイラル溝部のポンピング力を上回り、潤滑流体は軸線方向下側へと押圧する。尚、溝の上下の長さ比や本数など具体的条件は、用いる潤滑流体の種類や微小間隙の幅などを考慮して適宜決定すればよい。
【００２２】
このように、軸線方向に不平衡なラジアル動圧発生溝１２１ａにより潤滑流体を軸線方向下方へと押圧することで、軸線方向下方へと押し込まれた潤滑流体は、連通孔１２４ａ，１２４ｂ及び縦溝１２３ａ，１２３ｂを通じて、スラスト動圧発生溝によるポンピングで潤滑流体の内圧が負圧になりやすいスラストプレート部１１２の外周部へと伝播される。
【００２３】
すなわち、スリーブ部材１２に形成された縦溝１２３ａ，１２３ｂと連通孔１２４ａ，１２４ｂとによって潤滑流体の連通路が形成されているので、潤滑流体全体の圧力バランスが調整され、潤滑流体の内圧は負圧にまで低下することはない。
【００２４】
尚、連通孔１２４ａ，１２４ｂの一端が２つのラジアル動圧発生溝１２１ａ，１２１ｂ間に開口するよう配置することで、大気圧よりも高圧な領域内で潤滑流体の圧力が一定に保たれるようになる。このように、ラジアル動圧発生溝１２１ａによって、これよりも軸受部の奥側は圧力的に密封された状態となる。
【００２５】
例えば、連通孔１２４ａ，１２４ｂの一端を例えば軸受部とテーパシール部との間に開口した場合も、軸受部で所定の動圧が発生している間は十分な支持剛性が得られているため、軸部材１１とスリーブ部材１２との間に接触や摺動が発生する可能性は低い。しかし、軸部材１１の回転速度が低下すると、連通孔１２４ａ，１２４ｂの一端が圧力的に密封された領域以外の部分、すなわち、潤滑流体の内圧が大気圧と同等もしくはそれ以下の領域に開口していることで、軸受部内で高く維持されていた潤滑流体の圧力が、連通孔１２４ａ，１２４ｂの開口部分の潤滑流体の圧力との差圧によって急激に低下することとなる。
【００２６】
このように軸受部内の圧力が急激に低下することで、軸部材１１は容易に触れ回ったり偏心したりして、軸部材１１とスリーブ部材１２との間に接触や摺動が発生することとなる。このような軸部材１１とスリーブ部材１２との接触や摺動が繰り返されることで、スリーブ部材１２の摩耗や損傷が顕著となり、信頼性や耐久性を低下させる。
【００２７】
これに対し、連通孔１２４ａ，１２４ｂを２つのラジアル動圧発生溝１２１ａ，１２１ｂの間に開口させることで、軸部材１１が完全に停止する直前までラジアル動圧発生溝１２１ａによるポンピングが作用し、潤滑流体には軸線方向下方側に作用する流体動圧が誘起され続ける。従って、ラジアル動圧発生溝１２１ａの発生する流体動圧がが圧力的な隔壁として働くので、軸受部内の圧力の低下が緩やかになり、軸部材１１とスリーブ部材１２との接触や摺動が緩和され、信頼性や耐久性の低下が抑制される。
【００２８】
次に、本発明に係るスピンドルモータについて説明する。
【００２９】
図３はフルフィル構造の動圧軸受装置を搭載したＨＤＤスピンドルモータの縦断面図である。ブラケット２は中心部に設けられた基部２１と、この基部２１の外周方向に設けられた周壁２２と、この周壁２２からさらに外方向に延設された鍔部２３とからなり、これらが一体且つ同軸的に形成されている。
【００３０】
基部２１の中心部には環状突部２４が形成され、そこに図１に示した動圧軸受装置１が嵌合固定されている。そして動圧軸受装置１の軸部材１１の上端は、略円筒状のロータハブ３の上面中央部に形成された孔部３１に嵌合固定されている。ロータハブ３の内周面には、周方向に多極着磁されたロータマグネット３２が全周にわたり配設されている。またロータマグネット３２の半径方向内方には、ロータマグネット３２に対向してステータ４がブラケット２の基部２２に形成された環状突部２４に配設されている。ステータ４と環状突部２４との固定は、圧入による嵌合固定の他、接着剤による固定でもよい。
【００３１】
ロータハブ３の外周下側には鍔部３３が形成され、ここにハードディスク（後述する図４においてディスク板５３として図示する）が装着される。具体的にはロータハブ３の外周部３４により位置決めされて、鍔部３３の上に１又は複数のハードディスクが装着された後、クランプ部材（不図示）などによりロータハブ３に対して保持固定される。
【００３２】
次に、本発明に係るディスク駆動装置について説明する。
【００３３】
図４に、一般的なディスク駆動装置５０の内部構成を模式図として示す。ケーシング５１の内部は塵・埃等が極度に少ないクリーンな空間を形成しており、その内部に情報を記憶する円板状のディスク板５３が装着されたスピンドルモータ５２が設置されている。加えてケーシング５１の内部には、ディスク板５３に対して情報を読み書きするヘッド移動機構５７が配置され、このヘッド移動機構５７は、ディスク板５３上の情報を読み書きするヘッド５６、このヘッドを支えるアーム５５及びヘッド５６及びアーム５５をディスク板５３上の所要の位置に移動させるアクチュエータ部５４により構成される。
【００３４】
このようなディスク駆動装置５０のスピンドルモータ５２として上記実施形態のスピンドルモータを使用することで、ディスク駆動装置５０の薄型化並びに低コスト化を可能にすると同時に、スピンドルモータの安定性や信頼性及び耐久性が改善されるので、より信頼性の高いディスク駆動装置とすることができる。
【００３５】
以上、本発明に従うスピンドルモータ及びこれを備えたディスク駆動装置の一実施形態について説明したが、本発明は係る実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である。
【００３６】
例えばスリーブ部材１２は、アルミニウム系の材料、銅系材料、ステンレス綱といった無垢の金属材から形成することも当然に可能である。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の動圧軸受装置ではスリーブ部材の外周面に軸線方向に延設される縦溝を形成すると共に、この縦溝と一対のラジアル動圧発生溝との間に位置する内周面に連通する連通孔を形成して、潤滑流体の連通路を形成したので、簡略な構成のフルフィル構造の動圧軸受装置でありながら、潤滑流体の内圧が負圧にまで低下することはない。
【００３８】
また、一対のラジアル動圧発生溝のうち、スリーブ支持部材の開口側に近接する側のラジアル動圧発生溝を、軸線方向下方に潤滑流体を押圧するよう、軸線方向に不平衡に形成されたヘリングボーン状溝とすことで、潤滑流体に対して軸線方向下方側に作用する押圧力が付与され、微小間隙内に保持される潤滑流体の内圧が確実に正圧に保たれる。
【００３９】
また、不平衡なラジアル動圧発生溝に隣接してテーパシール部を配置することで、潤滑流体の界面が軸線方向下方側に引かれ、遠心力による潤滑流体の飛散が抑制される。
【００４０】
更に、ラジアル動圧発生溝を２つ以上設けると振れ精度を高く維持することができる。更に、軸線方向最も上側のラジアル動圧発生溝を、軸線方向下方に潤滑流体を流動させる、軸線方向に不平衡に形成されたヘリングボーン状溝とすることで、潤滑流体に循環を生じさせ、潤滑流体における負圧の発生や気泡の排除並びに軸部材の過浮上の発生を防止できる。
【００４１】
また、本発明のスピンドルモータでは前記動圧軸受装置を用いるので、優れた耐久性と高い信頼性が得られ、また振動が発生せずＮＲＲＯが悪化しない。
【００４２】
加えて、本発明のディスク駆動装置では、低コスト化を可能にすると同時に、スピンドルモータの安定性や信頼性及び耐久性が改善されるので、より信頼性の高いディスク駆動装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の動圧軸受装置の一例を示す側断面図である。
【図２】本発明に用いるスリーブ部材の一例を示す側断面図である。
【図３】本発明のスピンドルモータの一例を示す側断面図である。
【図４】本発明のディスク駆動装置の一例を示す側断面図である。
【図５】従来のスピンドルモータを示す側断面図である。
【符号の説明】
１動圧軸受装置
１１軸部材
１２スリーブ部材
１３スリーブ支持部材
１１１軸部
１１２スラストプレート部
１２１ａ，１２１ｂラジアル動圧発生溝
１２１ｃ，１４１スラスト動圧発生溝
１２３ａ，１２３ｂ縦溝
１２４ａ，１２４ｂ連通孔

Claims

中空円筒状のスリーブ部材と、
このスリーブ部材に対し微小間隙を有して対向する軸部と該軸部から半径方向外方に突出すると共に、その上面が前記スリーブ部材の下端面に対して微小間隙を有して対向するスラストプレート部とを有する軸部材と、
このスラストプレート部の下面に対して微小間隙を有して対向する閉塞端面が設けられると共に、前記スリーブ部材を内周面に支持する一方開口のスリーブ支持部材と、
前記微小間隙全体に充填された潤滑流体と
を備え、
前記軸部及びこの軸部と対向する前記スリーブ部材の内周面の少なくとも一方に、ラジアル荷重を支持するためのラジアル動圧発生溝を軸線方向に離間して一対設け、
また前記スラストプレート部の下側面及びこの下側面と対向する前記スリーブ支持部材の閉塞端面の少なくとも一方と、前記スリーブ部材の下端面及びこの下端面と対向する前記スラストプレート部の上側面の少なくとも一方とにスラスト荷重を支持するためのスラスト動圧発生溝を設け、
前記スリーブ部材と前記軸部材とを相対的に回転可能に支持する動圧軸受装置であって、
前記スリーブ部材の外周面にはその下端面から軸線方向長さの略中央部まで延設された縦溝と、前記スリーブ部材の内周面のうち前記一対のラジアル動圧発生溝の間と前記縦溝の上端とに開口する半径方向孔とが形成され、
前記縦溝と前記半径方向孔には、前記微小間隙に充填された潤滑流体に連続し且つ循環可能な潤滑流体が保持され、
前記一対のラジアル動圧発生溝のうち、前記スリーブ支持部材の開口端側に近接する側のラジアル動圧発生溝が、軸線方向下方に潤滑流体を流動させる、軸線方向に不平衡に形成されたヘリングボーン状溝である、
ことを特徴とする動圧軸受装置。
前記スリーブ支持部材の開口側端部には、前記軸部を装通させる孔を有するキャップ部材が、前記スリーブ部材の上端面に当接して設けられており、このキャップ部材の内周面と前記軸部との間にはテーパシール部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の動圧軸受装置。
請求項１乃至２のいずれかに記載の動圧軸受装置を備えたことを特徴とするスピンドルモータ。
ハウジングと、該ハウジングの内部に固定され記録ディスクを回転させるスピンドルモータと、該記録ディスクの所要の位置に情報を書き込み又は読み出すための情報アクセス手段とを有するディスク駆動装置であって、
前記スピンドルモータは、請求項３に記載したスピンドルモータである、ことを特徴とするディスク駆動装置。