JP4435614B2 - 動圧軸受装置 - Google Patents

Description

本発明は、動圧軸受装置に関する。ここでの動圧軸受装置は、情報機器、例えばＨＤＤ、ＦＤＤ等の磁気ディスク装置、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ／ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＯＭ／ＲＡＭ等の光ディスク装置、ＭＤ、ＭＯ等の光磁気ディスク装置などのスピンドルモータ用、レーザビームプリンタ（ＬＢＰ）のポリゴンスキャナモータ、プロジェクタのカラーホイール、あるいは電気機器、例えば軸流ファンなどの小型モータ用の軸受装置として好適である。

上記各種モータには、高回転精度の他、高速化、低コスト化、低騒音化などが求められている。これらの要求性能を決定づける構成要素の一つに当該モータのスピンドルを支持する軸受があり、近年では、この種の軸受として、上記要求性能に優れた特性を有する動圧軸受の使用が検討され、あるいは実際に使用されている。

その一例として、例えばＨＤＤ等のディスク駆動装置のスピンドルモータで使用される動圧軸受装置が、特開２０００−２９１６４８号公報に記載されている。この軸受装置は、有底円筒状のハウジングの内周に軸受スリーブを固定すると共に、軸受スリーブの内周に外径側に張り出したフランジ部を有する軸部材を挿入し、回転する軸部材と固定側の部材（軸受スリーブ、ハウジング等）との間に形成したラジアル軸受隙間やスラスト軸受隙間に流体動圧を発生させ、この流体動圧で軸部材を非接触支持するものである。

ところで、この種のスピンドルモータは、マグネットからなるモータロータとコイルからなるモータステータとの間に生じた励磁力で軸部材を回転させるものであり、従来では、モータロータを軸部材と共に回転する部材（ディスクハブ等）に固定する一方、モータステータを動圧軸受装置のハウジング外周に固定した金属製の保持部材、例えばモータブラケットに固定するものが多い。
特開２０００−２９１６４８号公報

モータブラケットとハウジングの固定は、接着によるものが一般的である。従来ではモータブラケットとハウジングの何れもが金属製であり、接着部が金属接着となっているため、必要十分な接着力が得られていた。

しかしながら、近年ではハウジングの樹脂化が検討されている。この場合、樹脂製ハウジングと金属製モータブラケットとの間では十分な接着力が得られず、如何にして両者間で強固な接着力を得るかが問題となる。対策として、嫌気性接着剤を用いると共に、樹脂表面に金属イオンを含むプライマーを塗布することも試みられたが、接着強度は金属同士の場合の１／１０〜１／５程度しか得られず、十分な接着力は得られなかった。

本発明は、かかる実情に鑑み、樹脂成形品からなるハウジングと金属製保持部材との間の接着力の向上を図ることを目的とする。

この目的達成手段として、本発明は、ハウジングと、ハウジングの内部に固定された軸受スリーブと、ハウジング及び軸受スリーブに対して回転する回転部材と、前記軸受スリーブと前記回転部材との間のラジアル軸受隙間に生じる流体の動圧作用で前記回転部材をラジアル方向に非接触支持するラジアル軸受部と、ハウジングを保持する保持部材とを備える動圧軸受装置において、ハウジングが樹脂成形品で油浸漬後に脱脂処理されたものであり、保持部材が金属製であり、かつハウジングの少なくとも接着部に、表面処理としてＵＶ処理を施してから両者を嫌気性接着剤で接着固定したことを特徴とするものである。保持部材として、例えばモータステータの取付け部を有するブラケット（モータブラケット）が考えられる。

このような表面処理を行うことにより、樹脂成形品からなるハウジングと金属製保持部材との間で十分な接着力が得られるため、衝撃荷重等に対しても高い結合強度を確保することができ、軸受装置の耐久性や信頼性の向上を図ることが可能となる。

ハウジングを形成する樹脂は熱可塑性樹脂であれば特に限定されないが、例えば、非晶性樹脂として、ポリサルフォン（ＰＳＦ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリフェニルサルフォン（ＰＰＳＦ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）等、結晶性樹脂として、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等を用いることができる。

また、上記の樹脂には必要に応じて充填材を添加することもできる。充填剤の種類は特に限定されないが、例えばガラス繊維等の繊維状充填材、チタン酸カリウム等のウィスカー状充填材、マイカ等の鱗片状充填材、カーボンファイバー、カーボンブラック、黒鉛、カーボンナノマテリアル、金属粉末等の繊維状又は粉末状の導電性充填材を用いることができる。これらの充填材は、単独で用い、あるいは、二種以上を混合して使用しても良い。

表面処理として、紫外線とオゾンの作用で樹脂表面を活性化させるＵＶ処理を行い、樹脂成形品表面を活性化（イオン化）させているので、接着剤との親和性（なじみ性）を向上させ、接着強度の向上を図ることができる。

ところで、上記情報機器のモータは、高温環境下や低温環境下を問わず使用されるものであり、高い耐熱衝撃性が要求される。本発明者らが検証したところ、接着強度の耐熱衝撃性はハウジングの外周と保持部材の内周の間の接着すきまに依存し、この接着すきまの幅（半径量）が３０μｍを越えると、接着強度の耐熱衝撃性が大きく低下することが判明した。従って、ハウジングと保持部材の間の接着すきまは３０μｍ以下に設定するのが望ましい。

以上に述べた各動圧軸受装置と、ブラケットに取り付けられたモータステータと、回転部材に取り付けられたモータロータとを有するモータは、ハウジングとブラケットとの間で高い接着力が確保されているので、耐久性や信頼性の面で優れた特性を有する。

本発明によれば、ハウジングと保持部材との間で高い接着力を確保することができ、耐久性や信頼性の向上を図ることができる。

以下、本発明の実施形態を図１〜図１０に基づいて説明する。

図１は、この実施形態にかかる動圧軸受装置１を組み込んだ情報機器用スピンドルモータの一構成例を概念的に示している。このスピンドルモータは、ＨＤＤ等のディスク駆動装置に用いられるもので、軸部材２を回転自在に非接触支持する動圧軸受装置１と、軸部材２に装着されたディスクハブ３と、例えば半径方向のギャップを介して対向させたモータステータ４およびモータロータ５とを備えている。モータステータ４は例えばコイルからなり、ブラケット６の外周に取り付けられている。モータロータ５は例えばマグネットからなり、ディスクハブ３の内周に取り付けられている。後述のように動圧軸受装置１のハウジング７は、ブラケット６の内周に接着固定される。ディスクハブ３には、磁気ディスク等のディスクが一又は複数枚保持される。モータステータ４に通電すると、モータステータ４とモータロータ５との間の電磁力でモータロータ５が回転し、それによって、ディスクハブ３および軸部材２が回転部材となり、一体回転する。

図２は、動圧軸受装置１を拡大して示している。この動圧軸受装置１は、ハウジング７と、ハウジング７に固定された軸受スリーブ８と、軸部材２とを構成部品して構成される。

軸受スリーブ８の内周面８ａと軸部材２の外周面２ａとの間に第１ラジアル軸受部Ｒ１と第２ラジアル軸受部Ｒ２とが軸方向に離隔して設けられる。また、ハウジング７の開口側端面（上側端面）７ｄと、これに対向する、軸部材２に固定されたディスクハブ（ロータ）３の下側端面３ａとの間にスラスト軸受部Ｔ１が形成される。尚、説明の便宜上、ハウジング７の底部７ｂの側を下側、底部７ｂと反対の側を上側として説明を進める。

ハウジング７は、例えば、結晶性樹脂としての液晶ポリマー（ＬＣＰ）に、導電性充填材としてのカーボンナノチューブを２〜８ｗｔ％配合した樹脂材料を射出成形して有底円筒状に型成形される。図面では、ハウジング７として、円筒状の側部７ａと側部７ａの下端に一体に設けられた底部７ｂとを備えるものを例示している。

図４に示すように、スラスト軸受部Ｔ１のスラスト軸受面となる上側端面７ｄには、例えばスパイラル形状の動圧溝７ｄ１が形成される。この動圧溝７ｄ１は、ハウジング７の射出成形時に成形されたものである。すなわち、ハウジング７を成形する成形型の所要部位（上側端面７ｄを成形する部位）に、動圧溝７ｄ１を成形する溝型を加工しておき、ハウジング７の射出成形時に上記溝型の形状をハウジング７の上側端面７ｄに転写することにより、動圧溝７ｄ１をハウジング７の成形と同時成形することができる。

また、ハウジング７は、その上方部外周に、上方に向かって漸次拡径するテーパ状外壁７ｅを備える。このテーパ状外壁７ｅと、ディスクハブ３に設けられた鍔部３ｂの内壁３ｂ１との間に、上方に向かって漸次縮小するテーパ状のシール空間Ｓが形成される。このシール空間Ｓは、軸部材２及びディスクハブ３の回転時、スラスト軸受部Ｔ１のスラスト軸受隙間の外径側と連通する。

軸部材２は例えばステンレス鋼等の金属材料で同一径の軸状に形成される。軸部材２には、図示のようなねじ止めの他、圧入や接着等の適宜の手段でディスクハブ３が固定される。

軸受スリーブ８は例えば焼結金属からなる多孔質体、特に銅を主成分とする焼結金属の多孔質体で円筒状に形成され、例えば超音波溶着によってハウジング７の内周面７ｃの所定位置に固定される。

焼結金属で形成された軸受スリーブ８の内周面８ａには、第１ラジアル軸受部Ｒ１と第２ラジアル軸受部Ｒ２の各ラジアル軸受面となる上下２つの領域が軸方向に離隔して設けられ、これら２つの領域には、例えば図３に示すようなヘリングボーン形状（スパイラル形状でもよい）の動圧溝８ａ１、８ａ２がそれぞれ形成される。上側の動圧溝８ａ１は、軸方向中心ｍ（上下の傾斜溝間領域の軸方向中央）に対して軸方向非対称に形成されており、軸方向中心ｍより上側領域の軸方向寸法Ｘ１が下側領域の軸方向寸法Ｘ２よりも大きくなっている。また、軸受スリーブ８の外周面８ｄには、１又は複数本の軸方向溝８ｄ１が軸方向全長に亙って形成される。

軸部材２は軸受スリーブ８の内周面８ａに挿入される。なお、軸部材２及びディスクハブ３の停止時において、軸部材２の下側端面２ｂとハウジング７の内底面７ｂ１との間、軸受スリーブ８の下側端面８ｃとハウジング７の内底面７ｂ１との間にはそれぞれ僅かな隙間が存在する。

ハウジング７の内部空間等は潤滑油で充満される。すなわち、潤滑油は、軸受スリーブ８の内部気孔を含め、軸受スリーブ８の内周面８ａと軸部材２の外周面２ａとの間の隙間部、軸受スリーブ８の下側端面８ｃ及び軸部材２の下側端面２ｂとハウジング７の内底面７ｂ１との間の隙間部、軸受スリーブ８の軸方向溝８ｄ１、軸受スリーブ８の上側端面８ｂとディスクハブ３の下側端面３ａとの間の隙間部、スラスト軸受部Ｔ１、及びシール空間Ｓに充満される。

軸部材２及びディスクハブ３の回転時、軸受スリーブ８の内周面８ａのラジアル軸受面となる領域（上下２箇所の領域）は、それぞれ、軸部材２の外周面２ａとラジアル軸受隙間を介して対向する。また、ハウジング７の上側端面７ｄのスラスト軸受面となる領域は、ディスクハブ３の下側端面３ａとスラスト軸受隙間を介して対向する。そして、軸部材２及びディスクハブ３の回転に伴い、ラジアル軸受隙間に潤滑油の動圧が発生し、軸部材２がラジアル軸受隙間内に形成される潤滑油の油膜によってラジアル方向に回転自在に非接触支持される。これにより、軸部材２及びディスクハブ３をラジアル方向に回転自在に非接触支持する第１ラジアル軸受部Ｒ１と第２ラジアル軸受部Ｒ２とが構成される。同時に、上記スラスト軸受隙間に潤滑油の動圧が発生し、ディスクハブ３が上記スラスト軸受隙間内に形成される潤滑油の油膜によってスラスト方向に回転自在に非接触支持される。これにより、軸部材２及びディスクハブ３をスラスト方向に回転自在に非接触支持するスラスト軸受部Ｔ１が構成される。

前述したように、第１ラジアル軸受部Ｒ１の動圧溝８ａ１は、軸方向中心ｍに対して軸方向非対称に形成されており、軸方向中心より上側領域の軸方向寸法Ｘ１が下側領域の軸方向寸法Ｘ２よりも大きくなっている。そのため、軸部材２およびディスクハブ３の回転時、動圧溝８ａ１による潤滑油の引き込み力（ポンピング力）は上側領域が下側領域に比べて相対的に大きくなる。そして、この引き込み力の差圧によって、軸受スリーブ８の内周面８ａと軸部材１２の外周面２ａとの間の隙間に満たされた潤滑油が下方に流動し、軸受スリーブ８の下側端面８ｃとハウジング７の内底面７ｂ１との間の隙間→軸方向溝８ｄ１→ディスクハブ３の下側端面３ａと軸受スリーブ８の上側端面８ｂとの間の隙間という経路を循環して、第１ラジアル軸受部Ｒ１のラジアル軸受隙間に再び引き込まれる。このように、潤滑油が上記隙間部を流動循環するように構成することで、ハウジング７の内部空間及びスラスト軸受部Ｔ１のスラスト軸受隙間内の潤滑油圧力が局部的に負圧になる現象を防止して、負圧発生に伴う気泡の生成、気泡の生成に起因する潤滑油の漏れや振動の発生等の問題を解消することができる。また、潤滑油の外部への漏れは、シール空間Ｓの毛細管力と、スラスト軸受部Ｔ１の動圧溝７ｄ１による潤滑油の引き込み力（ポンピング力）によって、より効果的に防止される。

図１に示すように、ハウジング７の側部７ａの外周には、金属製、望ましくはアルミ合金等の軽合金からなるブラケット６が接着固定される。このブラケット６は、ハウジング７を規定位置に保持するための保持部材として機能するものであり、接着後は、図５に示すようにハウジング７の外周７ｆ（テーパ状外壁７ｅを除く）とブラケット６の内周６ａとが接着すきま９に満たされた接着剤（散点模様）で強固に結合される（図５では接着すきま９の幅Ｐを誇張して描いている）。接着剤９としては、加熱硬化型接着剤と嫌気性接着剤の何れも使用できるが、接着強度の安定化等の面から嫌気性接着剤を使用するのがより好ましい。

ハウジング７とブラケット６との接着強度を確保するため、本発明では、樹脂成形品であるハウジング７の表面に、アルカリエッチング処理、ＵＶ処理、プラズマエッチング処理、もしくは金属メッキ処理の何れかの表面処理を施している。なお、これらの表面処理は必ずしもハウジング７全体に施す必要はなく、少なくともブラケット６との接着部に施されていれば足りる。

図６は、ＬＣＰ系のハウジング７表面にアルカリエッチング処理、ＵＶ処理、およびプラズマエッチング処理をそれぞれ施し、アルミ合金製のブラケット６を接着固定した後、接着強度を測定した結果を示すものである（なお、図中ではアルカリ処理を「ＡＬ処理」、プラズマエッチング処理を「ＰＬ処理」と表記している）。接着剤としてスリーボンド社製の嫌気性接着剤ＴＢ１３５５を使用し、プライマとして同社製の１３９０Ｆを使用している。アルカリ処理は、６０℃に保持した４％水酸化ナトリウム溶液にハウジングを１時間浸漬することにより行った。また、ＵＶ処理は、装置としてハリソン東芝ライティング（株）製のＴＯＳＣＵＲＥ２５１を使用し、波長３６５［ｎｍ］、照射強度２０［ｍＷ／ｃｍ²］、照射時間１０［ｍｉｎ］の条件下で行った。さらに、プラズマエッチング処理は、装置としてヤマト科学（株）製のＰＲ３１を使用し、Ｏ₂量５０［ｃｃ／ｍｉｎ］、電力１５０［Ｗ］、時間２［ｍｉｎ］の条件下で行った。接着面積は９０［ｍｍ²］である。

また、図６には、比較例として、射出成形後に鏡面加工した樹脂の加工面（平滑面）、この平滑面にサンドペーパーをかけて粗くした面（粗面Ａ）、および成形面をショットブラストで粗くした金型で射出成形した面（粗面Ｂ）をそれぞれアルミ合金と接着し、その接着強度を測定した結果も記載してている。

図６の測定結果が示すとおり、アルカリエッチング処理、ＵＶ処理、およびプラズマエッチング処理の何れの処理でも、比較例の粗面Ａ、Ｂに比べて接着力が大幅に向上しており、これらの処理の有効性が確認された。

ところで、動圧軸受装置１の組立工程においては、ハウジング７内部に潤滑油を供給する際に、予め組み立てたユニット全体を油中に浸漬して真空引きした後、大気圧に復帰させて潤滑油を各隙間に充満させる方法を採用する場合がある。この場合、ハウジング７全体が潤滑油中に浸漬されるため、油浸漬後にハウジング７の脱脂処理を行っても、ブラケットとの接着強度が低下する場合がある。

図７は、上記各処理後のハウジング７を油浸漬し、その脱脂処理後にハウジング７とブラケット６とを接着固定した時の接着力を測定したものである。この測定結果からも明らかなように、油浸漬を行った場合、粗面Ａ、Ｂのみならず、ＵＶ処理やプラズマエッチング処理でも接着力の大きな低下が認められるが、アルカリエッチング処理であれば、油浸漬後も高い接着力が維持される。従って、ハウジング７内部への注油工程でハウジング７を油浸漬する場合、樹脂製ハウジング７の表面処理としてアルカリエッチング処理を行うのが好ましい。

図８は、上記条件下で処理時間を異ならせてアルカリエッチングを行った時の接着力の測定結果を示す。図示のように、処理時間が短いほど接着強度は低下するが、その一方で、処理時間が長くなっても接着強度が低下することが理解できる。以上の検証から、接着強度はアルカリエッチングの処理時間が１時間付近となったところで臨界値に達すると思われる。

ところで、上記各種情報機器用モータは、近年の高速化や高密度化に伴い、ますます高温環境で使用される傾向にある。これに対応するため、動圧軸受装置１にも高い耐熱衝撃性が求められているが、本発明者らが検証したところ、接着強度の耐熱衝撃性はハウジング７とブラケット６との間の接着すきまの幅Ｐに大きく依存することが判明した。図９はその測定結果を示すもので、図中の△は熱衝撃負荷後の接着強度を、●は熱衝撃負荷前の接着強度を示す。図示からも明らかなように、接着すきま９の幅Ｐ（半径量：図５参照）が３０μｍを越えると、熱衝撃負荷後の接着力が大きく低下することが判明した。従って、耐熱衝撃性を確保するため、ハウジング７の外周７ｆとブラケット６の内周６ａの間の接着すきま９は３０μｍ以下（５μｍ以上）に設定するのが望ましい。

以上本発明を一実施形態に基いて説明したが、本発明は図１〜図３に例示した動圧軸受装置に限らず、樹脂製ハウジング７と金属製ブラケット６を有するものであれば、種々のタイプの動圧軸受装置に適用することができる。図１０は、その一例を示すもので、軸部材２を軸部２ｃと外径側に張り出したフランジ部２ｄとで構成し、フランジ部２ｄの一方の端面とこれに対向する軸受スリーブ８の端面の何れか一方、およびフランジ部２ｄの他方の端面とこれに対向するフランジ部２ｄの底部７ｂの何れか一方にスラスト軸受面を形成することにより、第一スラスト軸受部Ｔ１と第二スラスト軸受部Ｔ２を上下に離隔形成したものである（ラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２の図示は省略している）。この実施形態においても同様に樹脂製ハウジング７の外周面が金属製ブラケット６の内周面に接着固定されるが、接着前のハウジング７の外周面にアルカリエッチング等の表面処理を施すことにより、あるいは接着すきまを３０μｍ以下に設定することにより、高い接着強度を得ることができる。スラスト軸受部Ｔ１、Ｔ２として接触型のピボット軸受を使用してもよい。

また、以上の説明では、ブラケット６を金属製としているが、ブラケット６を樹脂成形品とすることもできる。この場合、ハウジング７が軟質金蔵等の金属製であれば、ブラケット６表面の接着部に上記表面処理を施す必要がある。ハウジング７も樹脂製である場合には、双方の部材の接着部に上記表面処理を施すのが望ましいが、十分な接着力が得られるのであれば、何れか一方の部材の接着部にのみ上記表面処理を施しても良い。

本発明にかかる動圧軸受装置を組み込んだ情報機器用スピンドルモータの断面図である。 上記動圧軸受装置の断面図である。 上記動圧軸受装置で使用される軸受スリーブの断面図である。 ハウジングを図２のＢ方向から見た図である。 ハウジングとブラケットの接着部を拡大した半径方向の断面図である。 接着強度の測定結果を示す図である。 油浸漬後における接着強度の測定結果を示す図である。 アルカリエッチング処理の処理時間を異ならせた時の接着強度の測定結果を示す図である。 接着すきまと接着強度の関係の測定結果を示す図である。 他の実施形態にかかる動圧軸受装置を組み込んだ情報機器用スピンドルモータの断面図である。

符号の説明

１ 動圧軸受装置
２ 軸部材
３ ディスクハブ
４ ステータ
５ ロータ
６ ブラケット
７ ハウジング
７ｄ１ 動圧溝
８ 軸受スリーブ
８ａ１、８ａ２ 動圧溝
９ 接着すきま
Ｒ１、Ｒ２ ラジアル軸受部
Ｔ１、Ｔ２ スラスト軸受部

Claims (4)

1. ハウジングと、ハウジングの内部に固定された軸受スリーブと、ハウジング及び軸受スリーブに対して回転する回転部材と、前記軸受スリーブと前記回転部材との間のラジアル軸受隙間に生じる流体の動圧作用で前記回転部材をラジアル方向に非接触支持するラジアル軸受部と、ハウジングを保持する保持部材とを備える動圧軸受装置において、
   ハウジングが樹脂成形品で油浸漬後に脱脂処理されたものであり、保持部材が金属製であり、かつハウジングの少なくとも接着部に、表面処理としてＵＶ処理を施してから両者を嫌気性接着剤で接着固定したことを特徴とする動圧軸受装置。
2. ハウジングと保持部材との間の接着隙間を３０μｍ以下にした請求項１記載の動圧軸受装置。
3. 保持部材が、モータステータの取付け部を有するブラケットである請求項１または２記載の動圧軸受装置。
4. 請求項３に記載した動圧軸受装置と、ブラケットに取り付けられたモータステータと、回転部材に取り付けられたモータロータとを有するモータ。