JP4373928B2 - ディスクドライブ用スピンドルモータ - Google Patents

Description

本発明は、ディスクドライブ用スピンドルモータに係り、詳しくは、空気動圧を用いて回転体を軸方向と半径方向に同時に非接触支持することができるベアリングを備えたディスクドライブ用スピンドルモータに関する。

スピンドルモータは、レーザプリンタ用のレーザビームスキャナーモータ、ハードディスクドライブ（Hard Disk Drive：以下、ＨＤＤ）用モータ、ＣＤ（Compact Disk）やＤＶＤ（Digital Versatile Disk）などの光ディスクドライブ用モータなどに広く使用されている。

ＨＤＤは、コンピュータの補助記憶装置中の一つであり、磁気ヘッドにより磁気ディスクに記録された情報を再生する機能および／または磁気ディスクに新しい情報を記録する機能を有する装置である。ＨＤＤ技術は、最近、高速化、高容量化および低振動化が進んでおり、その要求に応ずるための多様な研究開発が進められている。特に、高速化および低振動化のため、スピンドルモータの回転体を非接触式に支持する流体動圧ベアリングについての研究が活発に進められており、ひいては摩擦力および起動トルクを減少させ、温度によるベアリング特性の変化も最小化させることが可能な空気動圧ベアリングをモバイル用または超高速駆動用ＨＤＤに適用するための研究が進められている。

一般的に、ベアリングシステムは、半径方向の荷重を支持するためのラジアルベアリングと軸方向荷重を支持するためのスラストベアリングとから構成される。回転体の振動を抑制するためには、ラジアルベアリングとスラストベアリングの相対位置を適切に調整することが重要である。すなわち、ラジアルベアリングとスラストベアリングが離れている場合には、二つのベアリングの相対位置を望ましい公差内に収まるよう加工する必要がある。

図１に、従来の流体動圧ベアリングを適用したスピンドルモータの一例を示す。図１に示すように、スピンドルモータは、ベース１１とスリーブ１３とを備える。ベース１１の中心部には、シャフト１５が固設され、スリーブ１３には、シャフト１５が挿入される中空部が形成されている。そして、電磁気力を発生させるため、ベース１１には、コイル１２が設けられており、スリーブ１３には、前記コイル１２に対応する磁石１４が設けられている。

シャフト１５の外周面とスリーブ１３の内周面との間には、ベアリング間隙が形成されており、こうしたベアリング間隙には、潤滑油やグリースなどのような流体が充填されている。

スリーブ１３の内周面には、複数のグルーブ（groove）２０がへリングボーン状に形成されている。グルーブ２０は、スリーブ１３が回転する間、流体動圧を発生させて、シャフト１５の半径方向にスリーブ１３を支持するためのものであり、スリーブ１３の内周面の上部と下部とにそれぞれ形成されている。

一方、図面には示されていないが、シャフト１５の上部に形成されたフランジ２５の上面および下面とそれぞれ向き合うスリーブ１３の内面にも複数のグルーブが形成されている。これらのグルーブは、スリーブ１３が回転する間流体動圧を発生させてシャフト１５の軸方向にスリーブ１３を支持するためのものである。

前述のようなスピンドルモータをＨＤＤに適用する場合、ベアリングに使用される流体の漏れを防止するためのシーリング設計により構造が複雑になり、流体の粘性摩擦力による摩擦損失により消費電力および要求される起動トルクが大きくなる。また、流体動圧ベアリングに使用される流体は、熱による粘性変化がはなはだしいので、ベアリング特性が温度により大きく変動してしまう。これは、ＨＤＤの特性が温度変化によって不安定となる原因になっている。実際にＨＤＤ作動時に発生する熱によりＨＤＤの内部温度は、常温から最高８０℃まで上昇する。一方、低温では、流体の粘性が高いため、低温環境では、モータに必要とされる起動トルクが発生せず、モータが起動されない場合も生じる。

また、前述したようなスピンドルモータは、半径方向荷重と軸方向荷重とを支持するためにラジアルベアリングとスラストベアリングとをそれぞれ使用するが、この場合、高精度の回転のためには、ラジアルベアリングとスラストベアリングの相対位置を精密に合わせる必要がある。しかし、このためには、加工と組立に多くの時間が要求されることになり、結果的に生産性が低下する。

このような問題点を解決するためのベアリング構造体の一例を、図２に示す。そして、図３は、図２に示すベアリング構造体の分解図であり、図４Ａないし図４Ｃは、図２に示すベアリング構造体の組立工程を示す図面である。

図２に示すように、ベアリング構造体は、上部円錐形軸３０ａおよび下部円錐形軸３０ｂよりなる回転軸３０と、回転軸３０の側面および下面をそれぞれ取り囲むスリーブ３２ａ，３２ｂとを備える。回転軸は、長手方向の中心から両端に行く程断面が大径となる形態を有する。このような構造のベアリング構造体は、半径方向荷重と軸方向荷重とを同時に支持することができるという長所がある。しかしながら、前述したようなベアリング構造体を組み立てるためには、図３に示すように、スリーブ３２は、最小でも二つの部品３２ａ，３２ｂに、回転軸３０は、最少でも二つの部品３０ａ，３０ｂに加工しなければならず、その組立工程においても、図４Ａないし図４Ｃに示すように、最少でも３段階の組立工程が必要なので、加工性および組立性に問題がある。

本発明が解決しようとする技術的課題は、空気動圧を用いて回転体を軸方向と半径方向に同時に非接触支持することができるベアリングを備えたディスクドライブ用スピンドルモータを提供することである。

前記技術的課題を解決するために、本発明に係るディスクドライブ用スピンドルモータは、ベースと、前記ベースに固設され、中空部が形成されたスリーブと、前記スリーブの中空部内に回転可能に設けられ、長手方向（または軸方向）の中心（軸の両端から略等距離にある点）から両端に行く程小径となる形状を有したシャフトと、を備え、前記シャフトの外周面または前記スリーブの内周面には、前記シャフトの外周面の上部または前記スリーブの内周面の上部に形成されるグルーブと、前記シャフトの外周面の下部または前記スリーブの内周面の下部に形成されるグルーブとが互いに相異なる方向に延びて、上部シャフトと下部シャフトとが結合して形成される結合面の外周または上部スリーブと下部スリーブとが結合して形成される結合面の内周で、上部に形成されるグルーブと下部に形成されるグルーブとが接続されるように複数のグルーブがヘリングボーン状に形成され、前記グルーブの断面状は、側面部と底面部を備え、一方の側面部の一部から傾いて形成されたテーパーフラット状（taper-flat）であることを特徴とする。

前記シャフトは、円錐形傾斜面を有する第１の円錐形シャフトおよび円錐形傾斜面を有する第２の円錐形シャフトが結合されて形成されることが望ましい。また、このとき、前記シャフトは、一体型で形成されることが望ましい。

前記スリーブは、前記第１の円錐形シャフトに対応する形状の第１の中空部が形成された第１のスリーブと、前記第２の円錐形シャフトに対応する形状の第２の中空部が形成された第２のスリーブと、を含むものとすることができる。

前記シャフトの外周面と前記スリーブの内周面との間に形成されるベアリング間隙には空気が充填されることが望ましい。

前記スリーブは、セラミックより成ることが望ましく、このとき、前記セラミックは、アルミナまたはジルコニアが望ましい。

前記シャフトは、セラミックより成ることが望ましく、このとき、前記セラミックは、アルミナまたはジルコニアが望ましい。

本発明に係るディスクドライブ用スピンドルモータによると、次の通りの効果がある。
第１に、シャフトが長手方向の中心から両端に行く程小径となる形状を有することにより、シャフトとスリーブとにより形成されるベアリングが半径方向荷重と軸方向荷重とを同時に支持することができる。

第２に、空気動圧ベアリングを使用することにより、ベアリングの摩擦損失と起動トルクとを低減することができ、温度によるベアリング特性変化を最小化することができる。

第３に、シャフトの外周面にへリングボーン状の複数のグルーブを形成することにより、ＨＤＤの広い運転領域で高い剛性および大きい負荷容量を得ることができ、高い回転安定性を確保することができる。

第４に、シャフトを一体型に形成することができるため、加工性および組立性（加工および組立の容易度）が向上される。

以下、添付した図面に基づき本発明に係る望ましい実施形態を詳細に説明する。以下の図面で同一な参照符号は同一な構成要素を指す。

図５は、本発明の実施形態によるＨＤＤ用スピンドルモータを示す図面である。

図５に示すように、スピンドルモータは、ベース１００と、スリーブ１０２と、シャフト１１０とを備える。ベース１００の両側には、コア（core）とコイル（coil）とから構成された固定子１０４が設けられている。スリーブ１０２は、ベース１００に固設され、その中心部には、シャフト１１０が挿入される中空部２０２が形成されている。このスリーブ１０２は、第１のスリーブ１０２ａおよび第２のスリーブ１０２ｂが上下に結合されて形成されている。ここで、スリーブ１０２は、耐磨耗性と耐衝撃性にすぐれるベアリング用セラミックより成ることが望ましい。そして、こうしたセラミックとしては、アルミナ、ジルコニアなどを使用することができる。

シャフト１１０は、スリーブ１０２の中空部２０２内に回転可能に設けられ、長手方向（図５の上下方向）の中心から両端へ行く程小径となる形状を有する。このようなシャフト１１０は、円錐形傾斜面を有する第１の円錐形シャフト１１０ａおよび第２の円錐形シャフト１１０ｂが上下に結合して形成することができる。また、この際、シャフト１１０は、一体型に形成することができる。ここで、シャフト１１０は、耐磨耗性と耐衝撃性にすぐれるベアリング用セラミックより成るものとすることが望ましく、こうしたセラミックとしては、アルミナ、ジルコニアなどを使用することができる。一方、第１のスリーブ１０２ａの中心部には、第１の円錐形シャフト１１０ａに対応する形状の第１の中空部２０２ａが形成され、第２のスリーブ１０２ｂの中心部には、第２の円錐形シャフト１１０ｂに対応する形状の第２の中空部２０２ｂが形成される。

シャフト１１０の外周面とスリーブ１０２の内周面との間には、シャフト１１０の回転時スリーブ１０２との摩擦を防止するためのベアリング間隙が形成され、このベアリング間隙には、潤滑流体が充填される。ここで、ベアリング間隙のサイズは、ほぼ１〜２μｍとするのが好ましい。潤滑流体は、シャフト１１０とスリーブ１０２との間を分離させて、シャフト１１０をスリーブ１０２に接触せずに回転させる。これにより、ハードディスクの記録および再生に悪影響を与える非再現性ラン−アウト（Non-Repeatable Run Out：ＮＲＲＯ）が発生しない。一方、本実施形態では、潤滑流体として空気が使用されるが、これは摩擦損失および起動トルクを低減することができ、温度によるベアリング特性変化を最小化することができるためである。本発明に適用可能な潤滑流体は、本実施形態で例示した空気に限られず、他の公知の流体が利用可能である。

以上のように、シャフト１１０は、長手方向の中心から両端に行く程小径となる形状を有することにより、シャフト１１０とスリーブ１０２とにより形成される空気動圧ベアリングが半径方向荷重と軸方向荷重とを同時に支持することができる。図６Ｂに、本発明の実施形態によるＨＤＤ用スピンドルモータで、シャフト１１０の外周面の傾斜角度θ（図６Ａ参照）に対する空気動圧ベアリングの半径方向の負荷容量（radial：破線）と軸方向の負荷容量（thrust：実線）の変化を示す。

図５を再び参照して本実施形態のスピンドルモータの構成をさらに説明すると、シャフト１１０の上部には、ディスクが載置されるハブ１２０が結合されており、このハブ１２０の両側下部には、固定子１０４に対応する位置に、磁石とヨークとから構成された回転子１２２が設けられている。前記固定子１０４および前記回転子１２２は、互いの相互作用により電磁気力を発生させてシャフト１１０を回転させる。

シャフト１１０の外周面には、空気動圧を発生させるための複数のグルーブ１３０がへリングボーン状に形成されている。図７には、シャフト１１０の外周面に形成されたグルーブ１３０の断面が示されている。図７を参照すれば、グルーブ１３０は、その断面が長方形（コの字形状）に形成されていることがわかる。このように、シャフト１１０の外周面にグルーブ１３０がへリングボーン状に形成されれば、潤滑流体のポンピング効果（pumping effect）により高速運転領域で高い剛性および大きい負荷容量を得ることができ、回転安定性も確保することができる。一方、図８に示すように、へリングボーン状のグルーブ１３０’は、スリーブ１０２の内周面に形成されることもある。

図９は、シャフト１１０の外周面に図７に示したグルーブ１３０とは違う断面状のグルーブ２３０を示す図面であり、図１０は、図９のＡ部分を拡大して示した図面である。図９および図１０を参照すれば、グルーブ２３０の断面は、一側面が底面部２３０ａから所定角度で傾斜を有するように形成された傾斜部２３０ｂとなるテーパーフラット状に形成されている。このように、グルーブ２３０がテーパーフラット状で形成されれば、へリングボーン状のグルーブ２３０による流体のポンピング効果だけではなく、グルーブ２３０の傾斜部２３０ｂによる楔効果（wedge effect）も得ることができる。これにより、低速から高速までの広い運転領域で高剛性および大きい負荷容量を得ることができ、高い回転安定性を確保することができる。一方、図１１に示すように、テーパーフラット状のグルーブ２３０’は、スリーブ１０２の内周面に形成されることもある。

図１２Ａおよび図１２Ｂは、長方形断面状およびテーパーフラット断面状のグルーブを有する空気動圧ベアリングの偏心率に対する負荷容量を比較した図面であって、それぞれのベアリングについて潤滑方程式であるレイノルズの方程式（Reynolds equation）を有限差分法（Finite Difference Method：ＦＤＭ）で計算した結果を示したものである。ここで、図１２Ａは、回転速度を１０，０００ｒｐｍ、ベアリング間隙を２μｍとした場合を示すグラフであり、図１２Ｂは、回転速度を１５，０００ｒｐｍ、ベアリング間隙を１μｍとした場合を示すグラフである。図１２Ａおよび図１２Ｂを参照すれば、一般的なＨＤＤの運転領域である１５，０００ｒｐｍ以下の全領域で、テーパーフラット断面状を有する空気動圧ベアリングのほうが長方形断面状を有する空気動圧ベアリングよりも大きい負荷容量を有することがわかる。

図１３は、長方形断面状およびテーパーフラット断面状のグルーブを有する空気動圧ベアリングの回転速度に対する剛性を比較した図面であって、それぞれのベアリングについて潤滑方程式であるレイノルズ方程式を有限差分法で計算した結果を示したものである。ここで、ベアリング間隙は、１μｍとした。図１３を参照すれば、テーパーフラット断面状を有する空気動圧ベアリングのほうが長方形断面状を有する空気動圧ベアリングよりも高い剛性を有することがわかる。

表１に、従来の流体動圧ベアリングと本発明によるテーパーフラット断面状のグルーブを有する空気動圧ベアリングの作動温度による半径方向の剛性変化を示す。また、表２に、従来の流体動圧ベアリングと本発明によるテーパーフラット断面状を有する空気動圧ベアリングの作動温度による摩擦損失を示す。表１および表２は、それぞれのベアリングについて潤滑方程式であるレイノルズ方程式を有限差分法で計算した結果である。

まず、表１を参照すれば、作動温度が２０℃から６０℃へ上昇することにより従来の流体動圧ベアリングは、剛性が６７．８％低下したが、本発明による空気動圧ベアリングは、剛性が１１．６％向上した。このように、本発明に係る空気動圧ベアリングは、温度変化により発生する剛性変化が小さいため、温度変化によるモータの固有周波数変化も小さくなる。従って、本発明に係る空気動圧ベアリングを使用したスピンドルモータは、作動温度の変化による回転精度についての信頼性が従来の流体動圧ベアリングを使用したスピンドルモータより高い。

次に、表２を参照すれば、本発明による空気動圧ベアリングの摩擦損失は、２０℃で従来の流体動圧ベアリングの摩擦損失の０．２５２％、６０℃で従来の流体動圧ベアリングの摩擦損失の０．８１０％であった。このように、本発明に係る空気動圧ベアリングは、その摩擦損失が従来の流体動圧ベアリングの摩擦損失に比べて顕著に小さいので、消費電力および起動トルクが非常に小さくなるという長所がある。

図１４は、本発明の実施形態によるＨＤＤ用スピンドルモータのシャフトとスリーブとを分解して示した図面である。

図１４に示すように、シャフト１１０は、円錐形傾斜面を有した第１の円錐形シャフト１１０ａおよび第２の円錐形シャフト１１０ｂが上下に互いに結合されて形成されている。ここで、シャフト１１０は、一体型に加工して形成することができる。そして、シャフト１１０の上部と下部とから、それぞれ第１のスリーブ１０２ａおよび第２のスリーブ１０２ｂが組み付けられる。このとき、第１のスリーブ１０２ａには、第１の円錐形シャフト１１０ａに対応する形状の第１の中空部２０２ａが形成されており、第２のスリーブ１０２ｂには、第２の円錐形シャフト１１０ｂに対応する形状の第２の中空部２０２ｂが形成されている。このように、本発明の実施形態によるＨＤＤ用スピンドルモータでは、スリーブ１０２は最少で二つの部分で、シャフト１１０は最少で一つの部分で加工形成することができる。

図１５Ａおよび図１５Ｂは、本発明の実施形態によるディスクドライブ用スピンドルモータのシャフトとスリーブとを組み立てる過程を説明するための図面である。

シャフト１１０とスリーブ１０２とを組み立てるために、まず、図１５Ａに示すように、シャフト１１０の第１の円錐形シャフト１１０ａを、第１の中空部２０２ａが形成された第１のスリーブ１０２ａに、矢印方向に嵌め込んだ後、図１５Ｂに示すように、第２の中空部２０２ｂに、シャフト１１０の第２の円錐形シャフト１１０ｂが嵌め込まれるように第２のスリーブ１０２ｂを第１のスリーブ１０２ａに矢印方向に組み付ける。このように、本発明の実施形態によるＨＤＤ用スピンドルモータでは、最少で２段階の組立工程によりシャフト１１０とスリーブ１０２とを組み立てることができる。

以上、本発明に係る望ましい実施形態が説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当該技術分野における技術者であれば、多様な変形および均等な他の実施形態が可能である。従って、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲により決められるものである。

本発明のスピンドルモータは、例えばレーザプリンタ、ＨＤＤ、ＣＤやＤＶＤのような光ディスクドライブに効果的に適用可能である。

従来ＨＤＤ用スピンドルモータを示した図面である。 従来ベアリング構造体を示した図面である。 図２に示されたベアリング構造体の分解図である。 図２に示されたベアリング構造体の組立過程を説明するための図面である。 図２に示されたベアリング構造体の組立過程を説明するための図面である。 図２に示されたベアリング構造体の組立過程を説明するための図面である。 本発明の実施形態によるＨＤＤ用スピンドルモータを示した図面である。 シャフト外周面の傾斜角による空気動圧ベアリングの軸方向荷重および半径方向荷重の変化を示すグラフである。 シャフト外周面の傾斜角による空気動圧ベアリングの軸方向荷重および半径方向荷重の変化を示すグラフである。 シャフトの外周面に形成されたグルーブの断面を示した図面である。 スリーブの内周面に形成されたグルーブの断面を示した図面である。 シャフトの外周面に形成された他の断面状のグルーブを示した図面である。 図９のＡ部分を拡大して示した図面である。 スリーブの内周面に形成された他の断面状のグルーブを示した図面である。 長方形断面状およびテーパーフラット断面状を有する空気動圧ベアリングの負荷容量を比較した図面である。 長方形断面状およびテーパーフラット断面状を有する空気動圧ベアリングの負荷容量を比較した図面である。 長方形断面状およびテーパーフラット断面状を有する空気動圧ベアリングの回転速度による剛性を比較した図面である。 本発明の実施形態によるＨＤＤ用スピンドルモータのシャフトとスリーブとを分解して示した図面である。 本発明の実施形態によるＨＤＤ用スピンドルモータのシャフトとスリーブとを組み立てる過程を説明するための図面である。 本発明の実施形態によるＨＤＤ用スピンドルモータのシャフトとスリーブとを組み立てる過程を説明するための図面である。

符号の説明

１００ ベース
１０２ スリーブ
１０２ａ 第１のスリーブ
１０２ｂ 第２のスリーブ
１０４ 固定子
１１０ シャフト
１１０ａ 第１の円錐形シャフト
１１０ｂ 第２の円錐形シャフト
１３０ グルーブ
２０２ 中空部
２０２ａ 第１の中空部
２０２ｂ 第２の中空部

Claims (9)

1. ベースと、
   前記ベースに固設され、中空部が形成されたスリーブと、
   前記スリーブの中空部内に回転可能に設けられ、長手方向の中心から両端に行く程小径となる形状を有するシャフトと、を備え、
   前記シャフトの外周面または前記スリーブの内周面には、前記シャフトの外周面の上部または前記スリーブの内周面の上部に形成されるグルーブと、前記シャフトの外周面の下部または前記スリーブの内周面の下部に形成されるグルーブとが互いに相異なる方向に延びて、上部シャフトと下部シャフトとが結合して形成される結合面の外周または上部スリーブと下部スリーブとが結合して形成される結合面の内周で、上部に形成されるグルーブと下部に形成されるグルーブとが接続されるように複数のグルーブがヘリングボーン状に形成され、
   前記グルーブの断面状は、側面部と底面部を備え、一方の側面部の一部から傾いて形成されたテーパーフラット状であることを特徴とするディスクドライブ用スピンドルモータ。
2. 前記シャフトは、それぞれ円錐形の傾斜面を有する第１の円錐形シャフトおよび第２の円錐形シャフトが結合された形状を有することを特徴とする請求項１に記載のディスクドライブ用スピンドルモータ。
3. 前記シャフトは、一体型で形成されることを特徴とする請求項２に記載のディスクドライブ用スピンドルモータ。
4. 前記スリーブは、
   前記第１の円錐形シャフトに対応する形状の第１の中空部が形成された第１のスリーブと、
   前記第２の円錐形シャフトに対応する形状の第２の中空部が形成された第２のスリーブと、を含むことを特徴とする請求項２に記載のディスクドライブ用スピンドルモータ。
5. 前記シャフトの外周面と前記スリーブの内周面との間に形成されるベアリング間隙には空気が充填されることを特徴とする請求項１に記載のディスクドライブ用スピンドルモータ。
6. 前記スリーブは、セラミックより成ることを特徴とする請求項１に記載のディスクドライブ用スピンドルモータ。
7. 前記セラミックは、アルミナまたはジルコニアであることを特徴とする請求項６に記載のディスクドライブ用スピンドルモータ。
8. 前記シャフトは、セラミックより成ることを特徴とする請求項１に記載のディスクドライブ用スピンドルモータ。
9. 前記セラミックは、アルミナまたはジルコニアであることを特徴とする請求項８に記載のディスクドライブ用スピンドルモータ。
   

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