JP4616632B2

JP4616632B2 - 磁気ディスク装置

Info

Publication number: JP4616632B2
Application number: JP2004364296A
Authority: JP
Inventors: 光裕中宮; 健彦江口; 敬河野; 仁進藤
Original assignee: ヒタチグローバルストレージテクノロジーズネザーランドビーブイ
Priority date: 2004-12-16
Filing date: 2004-12-16
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2024-12-16
Also published as: US7520674B2; JP2006170338A; US20060133705A1

Description

本発明は、磁気ディスク装置に係り、特にシャフトを含む回転部を流体軸受を介して支持する磁気ディスク装置に好適なものである。

データを記録・再生する磁気ディスク装置では、記録データの大容量化に加えてそのデータを記録・再生する作業を高速に行うことでデータ転送速度をあげることが必要とされている。そのためには磁気ディスクの回転数を上げてデータ保管場所へのアクセス時間を減らすことが有効である。サーバ用途の磁気ディスク装置では磁気ディスクが毎分１万回転する機種が主流であるが、近年では毎分１万５千回転する高速回転機も登場しており、磁気ディスクの高速回転化は市場のトレンドとなっている。

しかしながら磁気ディスクを高速に回転させると、風損と呼ばれる磁気ディスクと空気の間の摩擦トルクや軸損と呼ばれる軸受部の摩擦トルクが増大する。このため、スピンドルモータにはより多くのトルクを供給する必要があり、消費電力が増加する。消費電力の増加は大電流と装置内の温度上昇を招くが、装置部品のスペックから決まる許容値があり、従来以上に消費電力を増やすことが難しくなっている。例えば磁気ディスクが毎分１万５千回転する高速回転機では、その直径を従来の８４ｍｍから６５ｍｍと小さくして風損を減らし、消費電力の増加を抑えるようになっている。磁気ディスクを小さくすると、その記録容量が減るので、今後のさらなる高速回転化には磁気ディスクの小径化以外の低消費電力化手法が求められる。

一方、近年の磁気ディスク装置では低振動と低騒音の要求から玉軸受に変わって作動流体に油を用いた油動圧流体軸受がスピンドルモータの軸受として使用され始めている（例えば、特開２０００−３０６３１９号公報（特許文献１））。流体軸受では油と金属などでできたスリーブとの間に軸損と呼ばれる摩擦損失が発生するので、磁気ディスクを高速に回転させるには軸損を減らすことも重要である。特に磁気ディスクを小さくして風損を減らすと全消費電力に占める軸損の割合が増えるため、軸損を低減することは消費電力の低減に大きく貢献する。

軸損を減らすには軸受の直径を小さくして摩擦面を減らすことが有効である。これには軸受を設置するスピンドルモータの回転軸であるシャフトの直径を小さくすることが効果的である。しかしながら、シャフトの直径はその剛性に４乗で効くので、小径化によりシャフトの剛性は大きく低下し、シャフトが弾性変形してシャフトが倒れる振動が大きくなるデメリットがある。シャフトが倒れると、ヘッドの位置決め精度が悪化して高記録密度化が難しくなるので、軸倒れ振動の抑制は重要である。近年では低コスト化の要求から構造が簡単なローテーティングシャフト構造が用いられる傾向にあり、この場合はシャフトの片端のみが固定される片持ち梁の構造となるためその剛性は低く軸が倒れる振動はより大きなものとなる。

特開２０００−３０６３１９号公報

そこで、スピンドルモータのシャフトが倒れる振動（軸倒れ振動）を抑制するために、スラスト流体軸受の径を大きくすることが考えられる。しかし、単にスラスト流体軸受の径を大きくすると、高剛性化を図ることができるが、軸損が増加して消費電力の増大を招くという問題が生ずる。

本発明の目的は、磁気ディスクの高速回転化と消費電力の増加の抑制と軸倒れ振動の抑制とを併立させることが可能な磁気ディスク装置を提供することにある。

前述の目的を達成するために、本発明は、情報を記録する磁気ディスクと、シャフトを中心にして前記磁気ディスクを回転する駆動部とを備え、前記駆動部は、前記磁気ディスクを保持する回転部と、前記回転部を流体軸受を介して支持する固定部とを備え、前記流体軸受は、軸方向に垂直な方向の荷重を支持するラジアル流体軸受と、軸方向の荷重を支持するスラスト流体軸受とを備え、前記スラスト流体軸受は、小径で浅い隙間を有する第１のスラスト流体軸受と、前記シャフトの外周より外方に位置して前記第１のスラスト流体軸受より大径で深い隙間を有する第２のスラスト流体軸受とを備え、前記固定部は、回転中心となるシャフトと、前記シャフトの外周に固定された第１のスリーブと、モータ固定子とを備え、前記回転部は、前記シャフトの外周に配置された第２のスリーブと、前記第２のスリーブに固定され且つ前記磁気ディスクを保持したハブと、前記ハブを回転するモータ回転子とを備え、前記ラジアル流体軸受は前記シャフトと前記第２のスリーブとの間に形成され、前記第１のスリーブは前記第２のスリーブの上下に配置され、前記第１のスラスト流体軸受及び前記第２のスラスト流体軸受は前記第２のスリーブの上下面と前記各第１のスリーブとの間に形成されている構成にしたことにある。

係る本発明のより好ましい具体的な構成例は次の通りである。
（１）前記ラジアル流体軸受は上下に２つ形成されていること。
（２）前記第２のスリーブの上面と上部に配置された前記第１のスリーブの下面との間に、上部の前記第１のスラスト流体軸受が内周側に、上部の前記第２のスラスト流体軸受がその外周側に並置されていると共に、前記第２のスリーブの上面と下部に配置された前記第１のスリーブの上面との間に、下部の前記第１のスラスト流体軸受が内周側に、下部の前記第２のスラスト流体軸受がその外周側に並置されていること。
（３）前記第２のスリーブの上面に形成された前記上部の第１スラスト流体軸受及び前記上部の第２スラスト流体軸受と前記第２のスリーブの下面に形成された前記下部の第１スラスト軸受及び前記下部の第２スラスト流体軸受とが対称に形成されていること。

本発明によれば、磁気ディスクの高速回転化と消費電力の増加の抑制と軸倒れ振動の抑制とを併立させることが可能な磁気ディスク装置を実現できる。

以下、本発明の複数の実施例について図を用いて説明する。各実施例の図における同一符号は同一物または相当物を示す。

まず、本発明の第１実施例の磁気ディスク装置を図１から図１２を用いて説明する。

本実施例の磁気ディスク装置５０に関して図１を参照しながら説明する。図１は本実施例の磁気ディスク装置の駆動部を縦断面した図である。

磁気ディスク装置５０は、密閉された筐体２０の中に、情報を記録する磁気ディスク１と、この情報を記録、再生するためにキャリッジの先端に設けられた磁気ヘッドと、シャフト５を中心にして磁気ディスク１を回転する駆動部３０とからなる構成要素を設置して構成されている。筐体２０は、ベース２１と、ベース２１を覆うカバー２２と、ベース２１とカバー２２との間をシールするシール部材２３とから構成されている。

駆動部３０は、クランプ２、スペーサ３、ハブ４、シャフト５及びモータ回転子１３などからなる回転部と、スリーブ９、ブラケット１１及びモータ固定子１４などからなる固定部とからなっている。なお、円筒状のモータ回転子１３とその内側に配置されたモータ固定子１４とでスピンドルモータが構成されている。モータ固定子１４に通電することによりモータ回転子１３が回転され、上述した回転部が回転される。

従来一般の磁気ディスク装置における駆動部は、シャフトが回転するローテーティングシャフト構造と、回転しないフィックスシャフト構造とがある。本実施例の磁気ディスク装置５０は前者のローテーティングシャフト構造を採用している。後者のフィックスシャフト構造を採用した磁気ディスク装置５０については後述する第２実施例で説明する。

ハブ４の下部内周にはモータ回転子１３が固定しており、モータ回転子１３の回転に伴ってハブ４が回転される。ハブ４の外周にはスペーサ３を介して磁気ディスク１が複数枚固定されており、ハブ４の回転に伴って磁気ディスク１が回転される。ハブ４の外周の最上段のスペーサ３はクランプ２によりクランプされ、これによりスペーサ３及び磁気ディスク１が保持されている。ハブ４の上部内周にはシャフト５が固定されており、ハブ４の回転に伴ってシャフト５が回転される。

次に、シャフト５及びハブ４を支持する流体軸受６〜８に関して、図１及び図２を参照しながら説明する。図２は図１の流体軸受部分を示す拡大図である。

ハブ４及びシャフト５は、ラジアル流体軸受６と、複数のスラスト流体軸受７、８と、を介してスリーブ９に支持されている。換言すれば、ハブ４及びシャフト５とスリーブ９との間には、流体が充填され、ラジアル流体軸受６と第１のスラスト流体軸受７と第２のスラスト流体軸受８とが形成されている。かかる構成によって、シャフト５と垂直な方向の荷重はラジアル流体軸受６で、シャフト５の軸方向の荷重はスラスト流体軸受７、８で支持されるので、ハブ４を玉軸受で支持されるものと比較して、低振動で低騒音を実現することができる。

ラジアル流体軸受６は、シャフト５と垂直な方向に対する回転剛性をだすために、上下に２個設置される。第１のスラスト流体軸受７も軸方向上下の力の釣り合いを取るために、上下に２個のスラスト流体軸受７Ａ、７Ｂ設置されるが、１個はストッパで代用することもあり、その場合にはスラスト流体軸受７は１個となる。スラスト流体軸受７Ａはシャフト５の下面とスリーブ９の下面との間に形成され、スラスト流体軸受７Ｂはシャフト５の外周外方に位置してスリーブ９の上面とハブ４の下面との間に形成されている。

第２のスラスト流体軸受８は、スラスト流体軸受７Ａよりも外周外方に位置してスリーブ９の上面とハブ４の下面との間に形成され、スラスト流体軸受７Ａを形成する隙間より深い隙間を有している。換言すれば、スラスト流体軸受８は、第１のスラスト流体軸受７よりも大径で且つ深い隙間を有して形成されている。係るスラスト流体軸受８を設けることによって、簡単な構成で安価に軸倒れ振動を低減することができる。なお、スラスト流体軸受８を形成する隙間は、スリーブ９の上面（スラスト流体軸受７Ａを形成する面）に全周にわたって形成された断面四角形の凹部で形成されている。

スリーブ９はベース１０に固定されたブラケット１１に固定されている。従って、スリーブ９及びモータ固定子１４はブラケット１１を介してベース１０に固定されることとなる。なお、スリーブ９またはロータ固定子をベース１０に直接固定するようにしてもよい。

次に、シャフト５の軸倒れ振動モードについて図３を参照しながら説明する。図３はスラスト流体軸受８を用いない場合の軸倒れ振動モード図である。但し、図３では変形倍率を大きくして強調して示してある。

磁気ディスク１の高速回転化による消費電力の増加を抑制するために、シャフト５の直径を小さくすると、シャフト５の剛性が低下して、シャフト５が弾性変形する軸倒れ振動が大きくなる。この軸倒れ振動状態を回転部に影をつけて図３の示す。これに対して、本実施例では、スラスト流体軸受８をスラスト流体軸受７より外側でハブ４とスリーブ９の間に設置するように構成している。これによって、シャフト５の直径が見かけ上大きくなり、支持剛性が増え、且つスラスト流体軸受８の減衰が利用できるので、軸倒れ振動を低減することができる。

この軸倒れ振動の低減効果に関して図４から図７を参照しながら具体的に説明する。図４は従来の軸受に係るばねマスダッシュポット系の簡易振動モデル図、図５は図４の周波数応答特性図、図６は本実施例の軸受に係るばねマスダッシュポット系の簡易振動モデル図、図７は図６の周波数応答特性図、図８は本実施例の軸受の剛性・減衰の比率と軸倒れ振動量の関係図、図９は本実施例の軸受の剛性・減衰の比率と軸損の関係図である。

図４において、回転部の慣性モーメントをＩ、軸受剛性をｋ、軸受直径をｌ、軸受減衰をｃ、シャフトの剛性をＫ、シャフトの減衰をＣとおく。この系と等価な１個のばねとダッシュポットを考えたとき、実効的剛性Ｋ_ｅは式（１）、実効的減衰Ｃ_ｅは式（２）となり、変位加振時のマスの相対変位応答Ｘ_ａ／Ｙ_ａは式（３）となり、この式（３）におけるω_ｎは式（４）、ζは式（５）である。

係る従来における式（１）から式（５）に次の値を用いて計算すると、その周波数応答は図５のようになる。なお、周波数応答は、加振変位の大きさをＹ_ａとし、出力変位の大きさをＸ_ａとした。また、その図５の縦軸はピーク値で正規化した。

Ｉ＝３．６４×１０^−６[ｋｇ・ｍ^２]
Ｋ＝２３[Ｎ／ｍ]
Ｃ＝９．１５×１０^−４[Ｎｓ／ｍ]
ｌ＝０．０１６[ｍ]
ｋ＝１．５７×１０^−６[Ｎ／ｍ]
ｃ＝１．５８×１０^３[Ｎｓ／ｍ]
これに対し、スラスト流体軸受８を追加した場合の軸受のモデルを図６に示す。新たに追加したスラスト流体軸受８の直径をＬ、軸受剛性をｋ_ｎ、軸受減衰をｃ_ｎとおき、さらにこのスラスト流体軸受８を介して回転部を支持するスリーブ９の剛性をＫ_２、減衰をＣ_２とおく。このときの実効的剛性Ｋ_ｅ２は式（６）、実効的減衰Ｃ_ｅ２は式（７）となり、この式（６）及び（７）におけるｋ_ｎは式（８）、ｃ_ｎは式（９）である。

係る本実施例の式（６）から式（９）に次の値を用いて計算すると、変位加振時のマスの周波数応答は図７になる。なお、図７の縦軸は図５に示したスラスト流体軸受８を追加しない場合の周波数応答のピーク値で正規化してある。

クランプ２＝４６９[Ｎ／ｍ]
Ｃ_２＝４．１３×１０^−３[Ｎｓ／ｍ]
Ｌ＝０．０３２[ｍ]
ｋ_ｎ＝ｋ＝ｃ
スラスト流体軸受８を追加することにより実効的剛性Ｋ_ｅ２が増加して軸倒れの振動量が約２０％低減されることが図７から明らかである。

追加するスラスト流体軸受８の軸受剛性ｋ_ｎと軸受減衰ｃ_ｎを変化させた場合の応答のピーク値の変化を図８に示す。軸受減衰ｃ_ｎと軸受剛性ｋ_ｎは式（８）及び（９）のように係数αに比例して増減すると仮定し、図８の横軸にはその係数αをとっている。図８の縦軸には周波数応答のピーク値を示し、その値はスラスト流体軸受８を追加しない場合のピーク値で正規化してある。

図８から、係数αを小さくすると係数αが１の場合に比べて振動量が低減することが分かる。これは、追加するスラスト流体軸受８の軸受減衰ｃ_ｎがその動剛性の低下により有効に使われるようになったためである。一方、係数αを０に近づけるとスラスト流体軸受８を追加しないことと等価になり振動量は一転して増加する。本計算例の場合には０．１周辺に係数αの最適値があり、そのピーク値は軸受を追加しない場合のわずか１５％である。従って、係数αを０．１５〜０．００１の範囲とすることにより応答のピーク値を適切な範囲に低減することができる。

次に、スラスト流体軸受８を追加することによる軸損の増加について述べる。流体動圧軸受の剛性に比例する負荷容量Ｐと軸受隙間ｃ、軸受直径Ｒなどの軸受諸元との間には式（１０）の関係があり、軸損Ｈと軸受諸元との間には式（１１）の関係がある。

追加するスラスト流体軸受８は従来の内側にあるスラスト流体軸受７より軸受剛性ｋ_ｎと軸受減衰ｃ_ｎが低いことが特徴であるが、これは主に軸受隙間ｃを増やして軸受剛性ｋ_ｎと軸受減衰ｃ_ｎを下げることを想定している。式（１０）と式（１１）を見ると、負荷容量Ｐは軸受隙間ｃの２乗に反比例し、軸損Ｈは軸受隙間ｃに反比例している。従って、軸受隙間ｃを広げて軸受剛性ｋ_ｎと軸受減衰ｃ_ｎを小さくすると軸損低減に０．５乗で効く。

この効果を計算した結果を図９に示す。図９では、横軸に式（８）及び式（９）で定義される軸受剛性ｋ_ｎと軸受減衰ｃ_ｎの比例係数αをとり、縦軸に軸損をとっている。軸損はスラスト流体軸受８を追加しない場合で正規化した。結果を見ると、スラスト流体軸受８を追加することにより軸損が増加し、始めからある軸受と同じ剛性と減衰を持つスラスト流体軸受８とした場合には軸損が４倍近くになることが分かる。一方で、追加するスラスト流体軸受８の剛性と減衰を抑えた場合には軸損の増加も少なくて済む。例えば、軸倒れ振動の低減の観点から最適であった係数αが０．１近傍では、軸損はわずか１．３倍にしかならない。従って、追加するスラスト流体軸受８の剛性と減衰は小さくても十分であり、消費電力低減の観点からはその方が好ましいことが分かる。このことから、本実施例のスラスト流体軸受８の構成による有効性が確認できた。

本実施例のスラスト流体軸受８の変形例１〜変形例３を図１０〜図１２に示す。

図１０の変形例１は、内側にあるスラスト軸受７Ａと外側にあるスラスト軸受８とを形成するスリーブ９の軸方向の高さが同じ、即ち、流体軸受を形成するスラスト軸受７Ａとあるスラスト軸受８との隙間が同じであり、スラスト流体軸受７Ｂよりもスラスト流体軸受８が大径で且つ隙間も大きく構成されている。この変形例１によれば、スリーブ９の形状を簡略化できる。

また、図１１の変形例２は、内側にあるスラスト軸受７Ａと外側にあるスラスト軸受８との軸方向の高さが同じでなく、スラスト流体軸受７Ａよりスラスト流体軸受８の隙間の方が大きくしたものであって、スラスト流体軸受７Ａとスラスト流体軸受８との間にシール１２を設けて内側のスラスト流体軸受７Ａと外側のスラスト流体軸受８とを分離したものである。この変形例２によれば、スラスト流体軸受７Ａの軸受機能とスラスト流体軸受８の軸受機能とを独立して確実に発揮させることができ、両者の流体軸受機能の緩衝を抑制することができる。

また、図１２の変形例３は、スラスト流体軸受８がスラスト流体軸受７Ａから半径方向に隙間が大きくなるように傾斜させたものである。この変形例３によれば、スラスト流体軸受７Ａからスラスト流体軸受８への軸受剛性を滑らかに変化させることができる。

係る変形例１〜変形例３においても本発明の基本的な効果を奏することができると共に、それぞれの構成における特有の効果を有する。

次に、本発明の第２実施例について図１３を用いて説明する。図１３は本発明の第２実施例の磁気ディスク装置の駆動部を縦断面した図である。この第２実施例は、次に述べる点で第１実施例と相違するものであり、その他の点については第１実施例と基本的には同一である。

第１実施例はシャフト５が片持ち構造となるローテーティングシャフト構造の例であったが、第２実施例はシャフト５が両持ち構造となるフィックスシャフト構造の例である。この第２実施例では、ハブ４に固定されて回転する第２のスリーブ９とシャフト５に固定されて回転しない第１のスリーブ９ａとの間にスラスト流体軸受７とスラスト流体軸受８とが形成され、そのスラスト流体軸受８が第１のスラスト流体軸受７よりも大径で且つ深い隙間を有して形成されている。また、スラスト流体軸受７とスラスト流体軸受８は、スリーブ９の上下の面に対称に形成されている。第２実施例によれば、フィックスシャフト構造において確実に軸倒れ振動を低減することができる。

本発明の第１実施例の磁気ディスク装置の縦断面図である。図１の流体軸受部分を示す拡大図である。第２のスラスト流体軸受を用いない磁気ディスク装置の軸倒れ振動モード図である。従来の軸受のばねマスダッシュポット系の簡易振動モデル図である。図４の周波数応答特性図である。第１実施例の軸受に係るばねマスダッシュポット系の簡易振動モデル図である。図６の周波数応答特性図である。第１実施例の軸受の剛性・減衰の比率と軸倒れ振動量の関係図である。第１実施例の軸受の剛性・減衰の比率と軸損の関係図である。第１実施例の変形例１の軸受部の拡大図である。第１実施例の変形例２の軸受部の拡大図である。第１実施例の変形例３の軸受部の拡大図である。本発明の第２実施例の磁気ディスク装置の駆動部の縦断面図である。

符号の説明

１…磁気ディスク、２…クランプ、３…スペーサ、４…ハブ、５…シャフト、６…ラジアル流体軸受、７…スラスト流体軸受（第１のスラスト流体軸受）、７Ａ，７Ｂ…スラスト流体軸受、８…スラスト流体軸受（第２のスラスト流体軸受）、９…スリーブ（第２のスリーブ）、９ａ…第１のスリーブ、１０…ベース、１１…ブラケット、１２…シール、１３…モータ回転子、１４…モータ固定子、２０…筐体、２１…ベース、２２…カバー、２３…シール材、３０…駆動部、５０…磁気ディスク装置。

Claims

情報を記録する磁気ディスクと、シャフトを中心にして前記磁気ディスクを回転する駆動部とを備え、
前記駆動部は、前記磁気ディスクを保持する回転部と、前記回転部を流体軸受を介して支持する固定部とを備え、
前記流体軸受は、軸方向に垂直な方向の荷重を支持するラジアル流体軸受と、軸方向の荷重を支持するスラスト流体軸受とを備え、
前記スラスト流体軸受は、小径で浅い隙間を有する第１のスラスト流体軸受と、前記シャフトの外周より外方に位置して前記第１のスラスト流体軸受より大径で深い隙間を有する第２のスラスト流体軸受とを備え、
前記固定部は、回転中心となるシャフトと、前記シャフトの外周に固定された第１のスリーブと、モータ固定子とを備え、
前記回転部は、前記シャフトの外周に配置された第２のスリーブと、前記第２のスリーブに固定され且つ前記磁気ディスクを保持したハブと、前記ハブを回転するモータ回転子とを備え、
前記ラジアル流体軸受は前記シャフトと前記第２のスリーブとの間に形成され、
前記第１のスリーブは前記第２のスリーブの上下に配置され、
前記第１のスラスト流体軸受及び前記第２のスラスト流体軸受は前記第２のスリーブの上下面と前記各第１のスリーブとの間に形成されている
ことを特徴とする磁気ディスク装置。
請求項１に記載の磁気ディスク装置において、前記ラジアル流体軸受は上下に２つ形成されていることを特徴とする磁気ディスク装置。
請求項１または２に記載の磁気ディスク装置において、前記第２のスリーブの上面と上部に配置された前記第１のスリーブの下面との間に、上部の前記第１のスラスト流体軸受が内周側に、上部の前記第２のスラスト流体軸受がその外周側に並置されていると共に、前記第２のスリーブの上面と下部に配置された前記第１のスリーブの上面との間に、下部の前記第１のスラスト流体軸受が内周側に、下部の前記第２のスラスト流体軸受がその外周側に並置されていることを特徴とする磁気ディスク装置。
請求項３に記載の磁気ディスク装置において、前記第２のスリーブの上面に形成された前記上部の第１スラスト流体軸受及び前記上部の第２スラスト流体軸受と前記第２のスリーブの下面に形成された前記下部の第１スラスト軸受及び前記下部の第２スラスト流体軸受とが対称に形成されていることを特徴とする磁気ディスク装置。