JP4481645B2 - 流体力学的軸受の熱補償 - Google Patents

Description

本発明は、高速スピンドル要素を支持しかつ回転させる種類の、流体力学的な軸受組立体の分野に係わり、具体的に言えば、本発明は、温度の関数としてのスピンドルの剛性および電力の変動を低減化するための改良された装置に関するものである。

ディスク駆動記憶装置は、デジタル情報を格納するために長年に亘ってコンピュータで使用されている。情報は磁気ディスク媒体の同心記憶トラック上に記録され、実際の情報は媒体内部に磁気転移の形態で格納されている。ディスク自体は回転自在にスピンドルに装着され、このディスク表面の上方を径方向に移動する旋回アーム上に位置する変換器によって情報にアクセスする。確実に情報の適切な読取および書込みが行われるように、読取／書込みヘッドまたは変換器をディスク上の格納トラックに正確に位置合わせしなければならず、したがってディスクは安定して回転しなければならない。

動作時には、一般にハブの内側またはディスクの下方に位置する電気モーターによって、ディスクは密封されたハウジング内部で極めて高速で回転する。一般に使用されるモーターの１種は、ハブ内モーターまたはスピンドル内モーターとして知られている。このようなスピンドル内モーターは、典型的には、ハブの中心に位置するモーター軸に、２つの玉軸受システムによって装架されたスピンドルを有する。典型的には、一方の軸受がスピンドルの上部付近に位置し、他方が下部付近に位置する。これらの軸受は、軸とハブの間の回転運動を可能にするとともに、スピンドルと軸の正確な位置合わせを維持することができる。通常、軸受自体はグリースまたはオイルによって潤滑されている。

しかし、上に説明した従来の軸受システムは、幾つかの欠点を伴いがちである。１つには、レース上を回転する球によって発生する振動の問題である。ハード・ディスク駆動装置のスピンドルに使用される玉軸受は、軸受オイルまたはグリースが形成する潤滑層にもかかわらず、一般には確実にレースと球が物理的に接触している条件下で動作する。したがって、概ね円滑であるが微視的には凹凸があって粗面のレース上を回転する軸受の球によって、このような表面構造とこれらの球の不完全な球形度が、振動という形態で、回転しているディスクに伝達される。この振動は、データ・トラックと読取／書込み変換器の間の位置合わせ不良をもたらす。このような振動源によって、データ・トラック密度とディスク駆動装置の全体的性能が制限される。

別の問題は、ハード・ディスク駆動装置を携帯用コンピュータ機器に適用するに当り、耐衝撃要件が極度に厳しくなることである。衝撃は、ディスクと駆動装置ハウジングとの間に相対的加速度を生み出し、それは軸受システム全体に及ぶ力として現れる。玉軸受の接触表面は非常に小さいため、生じる接触圧が軸受材料の降伏強度を超える惧れがあり、玉軸受のレースと球に対する長期的な変形および損傷を引き起こす可能性がある。

しかも、機械的な軸受を、容易には、更に小さな寸法に縮小することはできない。ディスク駆動装置業界の趨勢は依然としてディスク駆動装置の物理的な小型化にあるので、これは重大な欠点である。

従来の玉軸受スピンドル・システムの一別法として、研究者達は流体力学的な軸受の開発にその多大な努力を傾注してきた。このような種類のシステムでは、潤滑流体（気体または液体）が、静止基部またはハウジングとモーターの回転スピンドルまたは回転ハブとの間の実際の軸受表面として機能する。例えば、オイルを含有する液体潤滑剤、より複合的な強磁性流体、または空気さえも流体力学的軸受システムに利用されてきた。空気を使用することが望ましい理由は、ヘッド／ディスクハウジングの封止領域中の混入物をガス抜きしなくてもよいことが重要だからである。しかし、空気はオイルほどの潤滑特性がない。オイルの相対的に大きな粘性によって軸受間隙を広げることが可能になり、したがってより緩やかな許容誤差標準で同様の動的性能が実現可能である。

通常の種類の流体力学的軸受は、スリーブまたはハブを貫通して延長する軸を備え、径方向に延長する１枚または複数の板が軸から支持されている。流体力学的軸受にはハブを貫通する軸と穴の間に流体が備わり、この流体は穴の内側表面と軸の外側表面との間の間隙を埋めて剛性を与える。このような剛性がないと、モーターの使用期間を通じて軸が傾斜または揺動しやすくなる。したがって、この軸によって回転支持されているハブまたはディスクがいずれも揺動または傾斜しやすくなる。このようなハブまたはディスクの傾斜または安定不良はいずれも、ディスク表面上のデータの読取または書込みを極めて困難にして、モーターの寿命とそれを使用するディスク駆動装置の寿命を縮める。

しかし、従来の流体力学的軸受の設計は、径方向の剛性を確保しかつ維持するために、軸と周囲穴の間の極めて狭い間隙中に流体を使用することに依存するという事実自体によって、モーターが動作しなければならない実質的な温度域による問題が生じる。このような軸のための既知のジャーナル軸受構造では、装置休止状態の流体温度は、周囲環境の温度に応じて約５℃〜２５℃であろうが、動作時の流体温度は７０℃以上になるかもしれない。流体の密度が低下するにつれて流体の粘性が変化し、軸に対する剛性が実質的に低下することは明らかである。したがって、ジャーナル軸受構造に精巧なシステムが組み込まれない限り、ディスク駆動装置の動作温度域全体にわたって軸に対して望ましい水準の径方向の剛性を維持することは極めて困難である。

温度変化に伴う粘性変化を極小化するために、流体力学的軸受の間隙中に使用する流体を改良する努力がなされてきたが、このような流体は軸受およびモーターのコストを増大させる可能性があり、かつ広い温度域にわたる温度補償の目標を完全に実現することができなかった。

明らかな性能上の利点のためにディスク駆動速度は増大し続ける。通常、高速化はより大きな電力の必要性を意味し、電力供給の制約および過剰な熱発生のために電力の増加を回避するあらゆる努力がなされてきた。このような制約の結果として、高速スピンドルは、とりわけすべての温度で効率的なことが必要である。流体力学的モーターは、オイルの粘性変化のために低い周囲温度では大きな電力を必要とする傾向がある。結果として、低温での必要電力が往々にして過大になり、その必要電力の低減化に多大の関心が向けられている。

したがって、本発明の１つの目的は、構造が簡単で信頼性があり、温度変化を補償する手段を組み込むとともに、システムの径方向の剛性を維持する流体力学的軸受構造を提供することである。

本発明の別の目的は、長時間動作中における電力消費の変動を極小化する流体力学的軸受構造を提供することである。

本発明の別の目的は、高速スピンドルがあらゆる動作温度で非常に効率的である構造を提供することである。

また、本発明は、異なる動作温度において定常状態の動作電流の変動を極小化することを企図するものである。

本発明の前記目的およびその他の目的は、流体力学的軸受を包囲するスリーブまたは軸受座部材の少なくとも一部と、ハブおよび周囲環境（それらの内部で軸受、典型的には、スピンドル・モーターが動作する）との間に断熱領域層を設けることによって達成される。

さらに具体的に言えば、本発明の好適構造によると、ハブおよび軸が設けられ、それらは、この軸に沿って離隔した１対の円錐部と、各円錐部に接する軸受座面とを設けることによって、相対的に回転するように配設されている。流体が、各円錐部とそれに接する軸受座面との間の間隙中に保持され、相対的に回転するように前記円錐部と軸受座部材を支持する。軸受座部材の外表面は、該外表面に沿って、少なくとも一部区間に延在する断熱領域層によってモーターの残りの部分から断熱される。この断熱領域層は、モーターを使用できる比較的低い温度環境中であっても、軸受の保温に効果的である。この断熱領域層は、前記円錐部の外側で軸線方向距離に沿って、少なくとも一部区間に、延在する円筒形セラミック層または同様な低熱伝導性材料層を含む。代替例では、前記１対の円錐部間の少なくとも一部区間に延在する空気空所を軸受座部材の外表面に画成可能である。

前記実施形態は、周囲にあるモーターの残部から軸受を断熱し、低い温度環境中であっても軸受を保温し、さらに熱質量（すなわち、軸受周囲の加熱可能な面積）の減少によって軸受の加熱を迅速に行なわせる手段を有する。

本明細書では、熱質量の減少は有利な効果を有するものと認識されているので、熱質量をさらに減少させるために、軸に装着された１対の雄型円錐部、該円錐部をそれぞれ取り囲む軸受座部材の円錐形軸受座面、および可能性として軸自体に、セラミックを使用することも可能である。

添付図面を見ながら行なう好適例に関する以下の説明を当業者が読めば、本発明のその他の特徴および利点が明らかになるだろう。

本発明の前記特徴が具現化され、かつ、細目を理解できるように、前記で簡単な概要を述べた本発明の具体的な説明を、添付図面に示される本発明の実施例を見ながら行なうことにする。

しかし、本発明は、その他の同様に効果的な実施例にも適用可能であるので、添付図面は、本発明の典型例を示すに過ぎず、したがって、本発明の範囲を限定するものと見なすべきではないことに留意すべきである。

ディスク駆動装置は、駆動電流の変動の増大または使用量の増大に特に敏感であるので、本発明の好適例は、ディスク駆動装置におけるその使用について、以下に説明する。しかしながら、本発明は、他の環境で使用する流体力学的軸受、特に、円錐形流体力学的軸受の動作特性の改善にも有用である。

したがって、図１は、本発明の軸受および／またはモーターが有用なディスク駆動格納装置の分解組立斜視図を示す。図１は、本発明の特徴を含む軸受を装備するモーターを使用する環境の一実施例を例示するために主として供するものであるが、このモーターは、ディスク駆動装置のその他の設計でも、またはディスク駆動装置技術の他に、動作周囲温度に亘る動作電流の変動の極小化、および／または、モーターを始動しかつモーター速度を確実に維持するために必要な電力量の極小化、および／または、広い動作温度域にわたる径方向の安定性に対する軸剛性の維持が重要である他の動作環境でも、同じく適切に使用可能であることは明らかである。

図１の具体例では、格納装置１０が、１枚または複数の格納ディスク１６を回転自在に支持するスピンドル・モーター１４を有するハウジング１２を含む。電機子組立体１８が、ディスク１６の表面全体に亘って変換器２０を動かす。ディスク１６の環境は、シール２２とカバー２４によって密封されている。装置の運転時には、ディスク１６が高速で回転するとともに、変換器２０が、ディスク１６の表面上で径方向に区分された１組のトラックのうちのいずれか１つに位置づけられる。このことによって、ディスク表面上の選択位置における、変換器による、符号化された情報の読取および書込みが可能になる。これらのディスクは、各変換器が、その対応するディスクの表面上での飛揚を維持するために、極めて高速で（毎分数千回転で）回転する。現在の技術では、変換器と回転するディスク表面との間の間隔距離はマイクロインチで測定され、したがって、ディスクは、それが回転するように設計されている平面から、振動または傾斜によって位置ずれしないことが必須である。このような傾斜、変位、または振動は、ディスク表面上の変換器の飛揚を維持している空気流を容易に撹乱し、または、直ちに変換器とディスク表面の間の機械的接触を引き起こすことになるだろう。このような接触によって、恐らくはディスク表面が傷つき、ディスク格納空間が失われることになる。それは、変換器をも傷つけ、ディスク駆動装置を使用できないようにする恐れがある。最小限の電力消費でディスクの回転を一定速度に維持することも重要である。

図２は、図１のディスク駆動装置に有用な種類のスピンドル・モーターの鉛直断面であり、モーターの基本構造または少なくとも本発明の関係部分を示す。一部が示されているモーターは、離間した軸受円錐部４２、４４を支持する静止軸４０を有する。また、モーターは、軸受円錐部４２、４４と接する１対の円錐形軸受座面を有する軸受座部材５６を有する。軸受座部材５６は、相対的に回転するようにハブと軸を支持するために、軸受円錐部４２、４４とともに協働表面を提供し、これらの軸受座面間の間隙５２、５４内に流体５０が適用される。

断熱材料製断熱領域層５８が軸受座部材５６の外面に付設された構造でスリーブが構成される。本発明の好適例では、該断熱材料がセラミックである。この断熱領域層５８は、５℃以下になり得る低温環境中であっても軸受を保温状態に維持するのに効果的なセラミック断熱材を含む。典型的にはアルミニウム製ハブ６０が、断熱領域層５８の外面に隣接し、このハブの外表面は、高速で定回転するように１枚または複数のディスク６４を支持する。この同じハブの外側には、よく知られているように、電流信号に応答して回転させるために、固定電機子７０と位置合わせされている鉄製裏当て６６および磁石６８が支持されている。

モーター抵抗は周囲温度が高くなるにともなって急激に減少するので、断熱領域層５８を有する軸受座部材５６は、周囲温度が上昇しても、相対的に回転する部品の動作に対してほとんど影響がなくなる。これは、高い周囲温度では軸受温度が上昇すると、剛性を必要な剛性よりも低下させるので望ましいことである。しかし、このように断熱領域層５８を有する軸受座部材５６から成るスリーブを使用することによって、軸とスリーブの組合せの剛性に対して最小限の効果を有するものと考えられる。熱質量（軸受周囲の加熱可能な面積）を減少させるか、または周囲から隔離することが可能ないずれの方法でも自己発熱効果が向上する。これは、かかる断熱領域層５８を有するスリーブを使用することによって備わる利点である。

図３は、セラミック製断熱領域層５８を有するスリーブの存在下および非存在下で測定した、図２に示すモーター形式に関する動作電流（Ｉ動作）対時間の変化を例示する。この図は４本の線を含む。すなわち、線３００Ａは、５℃の周囲温度と持続的動作のためにモーターが消費する電流で動作するモーター設計を示し、線３００Ｂは、実質的により低い動作電流、すなわち、２５℃での動作に関して１８．９％減少した動作電流を消費する同じステンレス鋼モーターを示す。

対照的に、図２に示すセラミック製断熱領域層を有するスリーブを使用すると（すなわち、対照的に、セラミック製断熱領域層を有するスリーブが定位置に備わると）、５℃での動作（線３１０Ａ）と２５℃での動作（線３１０Ｂ）の間における動作電流の差は１０．９％に過ぎず、これは周囲温度の差に関する定常状態動作電流の差の非常に有利な減少である。前記問題点の記述で記載したように、これは従来技術による方式に比して、過去に実現された動作電流差の非常に重要な改善であると考えられる。

別法による１つの方式を図４に示すが、図２に較べると、この図では円錐形軸受のオス型コーンと軸が明示されておらず、軸受座のみが明らかである。図４の実施例では、図２に示したセラミック製断熱領域層を有するスリーブを使用せずに、軸受座部材としてのスリーブ４１０の外表面にエア・ギャップ４００が画成されている。このエア・ギャップは径方向に最大空間量を占有するが、このエア・ギャップは、スリーブの構造を弱化することなく使用可能であり、この例示的な実施例では、スリーブの中心線付近からハブ４２０が装着されているスリーブの外縁部にまで達する。また、このエア・ギャップの軸線方向範囲は、構造的完全性を損なわずに可能な限り延びており、この実施例では、スリーブ４１０で規定される２つの雌型円錐座面４３０、４３２間の軸線方向距離の実質的な一部に達する。空気は非常に低い熱伝導性を有することが知られており、したがって、適切に規定されたエア・ギャップ４００を有する本実施例は、セラミック断熱材によって実現可能な断熱の利点も提供する。

以上で説明した幾つかの利点は、図２に示した雄型円錐部、雌型円錐部を形成する軸受座、および／または、軸に、セラミックを使用することによって実現することもできる。さらには、特にセラミック製リングの代わりに、エンジニアリング・プラスチックなどの低熱伝導性を有するその他の材料を使用することもできる。本発明のその他の特徴および利点は、本発明の開示内容を研究する当業者には明らかだろう。したがって、本発明の範囲を以下の特許請求の範囲に見出すべきである。

本発明のモーターが特に有用なディスク駆動装置を示す斜視図。 本発明の特徴を組み込むようになされ得る、相対的に回転するように軸およびハブを支持する２連円錐形軸受を有するモーターを示す鉛直断面図。 本発明の新規な特徴を組み込む、本発明の好適例を示す鉛直断面図。 本発明の代替例を示す鉛直断面図。

Claims (18)

1. 相対的に回転するようにスリーブおよび軸を支持する流体力学的軸受において、
   前記軸が、前記軸に沿って離隔した１対の円錐部を有し、また
   前記スリーブは、
   １対の軸受座面を有する軸受座部材と、該軸受座部材の外表面上の断熱領域層とを含み、
   前記１対の軸受座面のうちの一方が、前記円錐部の各々と協働して前記円錐部と前記軸受座面の間に、相対回転のために前記スリーブと前記軸を支持する流体を包含する間隙を画成しており、
   前記断熱領域層が、前記軸および前記軸受座部材に対する断熱を行なって、低温度環境中であっても前記流体力学的軸受を保温状態に保つためのものである、流体力学的軸受。
2. 前記断熱領域層が、円周方向のセラミック層を含む請求項１に記載された流体力学的軸受。
3. 前記軸受座部材がステンレス鋼を含み、前記軸がステンレス鋼を含む請求項１に記載された流体力学的軸受。
4. 前記断熱領域層が、径方向と、前記軸受座部材の外表面に沿う軸線方向とに延長するエア・ギャップを含む請求項１に記載された流体力学的軸受。
5. 前記エア・ギャップが、前記軸受座面および前記円錐部の間の領域に沿って軸線方向に延長するが、前記軸受座面および前記円錐部の前記領域に径方向で重なり合うことがない請求項４に記載された流体力学的軸受。
6. 前記断熱領域層が、エンジニアリング・プラスチックを含む円筒形シールドを含む請求項１に記載された流体力学的軸受。
7. 前記軸受座部材がステンレス鋼を含み、前記スリーブにハブが付設され、該ハブがアルミニウムを含む請求項４に記載された流体力学的軸受。
8. 前記軸受座部材がステンレス鋼を含み、前記軸がステンレス鋼を含む請求項４に記載された流体力学的軸受。
9. ディスク駆動装置で使用するためのスピンドル・モーターにおいて、
   該スピンドル・モーターが、軸と、スリーブと、該スリーブによって支持されるとともに１枚または複数のディスクを支持するハブとを含み、
   前記軸と前記スリーブが、相対回転のために流体力学的軸受によって支持され、
   前記軸が、前記軸に沿って離隔した１対の円錐部を有し、さらに
   前記スリーブは、
   １対の軸受座面を有する軸受座部材と、該軸受座部材の外表面上の断熱領域層とを含み、
   前記１対の軸受座面のうちの一方が、前記円錐部の各々と協働して前記円錐部と前記軸受座面の間に、相対回転のために前記スリーブと前記軸を支持する流体を包含する間隙を画成しており、
   前記断熱領域層が、前記軸および前記軸受座部材に対する断熱を行なって、低温度環境中であっても前記流体力学的軸受を保温状態に保つためのものである、スピンドル・モーター。
10. 前記断熱領域層が、円周方向のセラミック層を含む請求項９に記載されたスピンドル・モーター。
11. 前記軸受座部材がステンレス鋼を含み、前記軸がステンレス鋼を含む請求項９に記載されたスピンドル・モーター。
12. 前記断熱領域層が、径方向と、前記軸受座部材の外表面に沿って軸線方向とに延長するエア・ギャップを含む請求項９に記載されたスピンドル・モーター。
13. 前記エア・ギャップが、前記軸受座面および前記円錐部の間の領域に沿って軸線方向に延長するが、前記軸受座面および前記円錐部の前記領域に径方向で重なり合うことがない請求項１２に記載されたスピンドル・モーター。
14. 前記断熱領域層が、エンジニアリング・プラスチックを含む円筒形シールドを含む、請求項９に記載されたスピンドル・モーター。
15. 前記軸受座部材がステンレス鋼を含み、前記ハブがアルミニウムを含む請求項１２に記載されたスピンドル・モーター。
16. ハウジングと、基部と、少なくとも１枚のディスクを回転のために支持するスピンドル・モーターとを含むディスク駆動装置において、
    前記スピンドル・モーターが、前記ディスクを回転のために支持する流体を含む流体力学的軸受手段と、周囲環境から前記流体力学的軸受を断熱する手段とを含み、該断熱する手段が、前記流体と前記ハブの間で径方向に介在する円周方向の断熱層を含むディスク駆動装置。
17. 前記断熱手段が、円周方向のセラミック層を含む請求項１６に記載されたディスク駆動装置。
18. 前記断熱手段が、モーター軸を回転のために支持するスリーブと、前記ディスクを回転のために支持するハブとの間のエア・ギャップを含む請求項１６に記載されたディスク駆動装置。

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