JP5857500B2

JP5857500B2 - ハードディスクドライブスイングアーム用軸受

Info

Publication number: JP5857500B2
Application number: JP2011162856A
Authority: JP
Inventors: 坂上　賢太郎; 賢太郎坂上; 透七澤; 直人堀内
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2011-07-26
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2016-02-10
Anticipated expiration: 2031-07-26
Also published as: JP2013024396A

Description

本発明は、例えばハードディスクドライブ（ＨＤＤ）装置のピボット軸受に用いられ、高速で微小揺動させる部材（例えば、スイングアーム）の微小揺動時の応答性を向上させることを可能にする軸受用保持器に関する。

従来、高速で微小揺動させる部材（例えば、ＨＤＤ装置のスイングアーム）の応答性を向上させる種々の技術思想が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような技術思想では、保持器の各ポケットと、当該各ポケットに１つずつ回転自在に保持される転動体（玉）との接触面積を減少させることで、応答性の向上が図られている。

特開２００７−２８５４６４号公報

ところで、例えばＨＤＤ装置のスイングアームを支持する軸受は、そのコンパクト化が要求されているため、これに適用される保持器は、そのサイズが非常に小さいものとなっている。このような保持器に対して、各ポケットと転動体（玉）との接触面積を減少させる加工を施す場合には、極めて高い加工精度が要求されるため、その加工に要する手間や時間がかかり、その結果、加工コストが上昇して当該保持器の製造コストが上昇してしまうだけでなく、その製造効率を向上させることも一定の限界があった。

この場合、既存の保持器をそのまま利用し、各ポケットと転動体（玉）との接触面積を減少させることができれば、当該保持器の製造において、その低コスト化と効率化とを同時に図りつつ、微小揺動時の応答性を向上させることができる。

そこで、本発明の目的は、既存の保持器をそのまま利用し、各ポケットと転動体との接触面積を減少させることで、製造コストの低減と製造効率の向上とを同時に図りつつ、高速で微小揺動させる部材の微小揺動時の応答性を向上させることを可能にするハードディスクドライブスイングアーム用軸受を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明は、相対回転可能に対向配置された外輪と内輪と、前記外輪と前記内輪とに組み込まれた複数の転動体と、前記転動体を回転可能に保持しつつ、当該各転動体と共に、軌道輪間に沿って公転する中空円環状を成す保持器とを備えたハードディスクドライブスイングアーム用軸受であって、前記保持器は、１本の中心軸回りに同心円状を成す保持器本体を有し、当該保持器本体には、前記複数の転動体を１つずつ回転可能に保持する複数のポケットが、周方向に沿って所定間隔で設けられており、中心軸から前記各ポケットの中心までの距離をポケット中心半径ｒ１、前記中心軸から前記保持器本体の外径面までの距離を保持器外半径ｒ２、前記中心軸から前記保持器本体の内径面までの距離を保持器内半径ｒ３とすると、前記ポケット中心半径ｒ１と前記保持器外半径ｒ２との差Ｍ１＝ｒ２−ｒ１と、前記ポケット中心半径ｒ１と前記保持器内半径ｒ３との差Ｍ２＝ｒ１−ｒ３とが、Ｍ１≦Ｍ２なる関係を満足すると共に、前記各ポケットの中心位置を基準とし、前記各転動体のピッチ円直径が前記各ポケットのピッチ円直径の１００.１％〜１０１.５％の範囲に設定されることで、前記各転動体の中心を前記各ポケットの中心位置から径方向外側へずらしている。
本発明において、前記各転動体のピッチ円直径は、前記各ポケットのピッチ円直径の１００.２％〜１０１.０％の範囲に設定されている。

本発明によれば、既存の保持器をそのまま利用し、各ポケットと転動体との接触面積を減少させることで、製造コストの低減と製造効率の向上とを同時に図りつつ、高速で微小揺動させる部材の微小揺動時の応答性を向上させることを可能にするハードディスクドライブスイングアーム用軸受を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る軸受用保持器の構成を一部拡大して示す図。 (ａ)は、本発明の一実施形態に係る軸受用保持器を適用した軸受のトルクヒステリシス特定を示す図、(ｂ)は、比較例１に係る軸受用保持器を適用した軸受のトルクヒステリシス特定を示す図、(ｃ)は、比較例２に係る軸受用保持器を適用した軸受のトルクヒステリシス特定を示す図。トルクヒステリシス測定装置の構成を概略的に示す図。 (ａ)は、本発明の一実施形態に係る軸受用保持器が組み込まれた軸受を、ハードディスクドライブ装置のスイングアームの支持部に適用した構成例を示す断面図、(ｂ)は、同図(ａ)のハードディスクドライブ装置の平面図、(ｃ)は、同図(ａ)のスイングアームの支持部に適用した軸受の構成例を示す断面図。

以下、本発明の一実施形態に係る軸受用保持器について添付図面を参照して説明する。
本実施形態では、相対回転可能に対向配置された軌道輪間（図示しない内輪と外輪との間）に組み込まれた複数の転動体２を回転可能に保持しつつ、当該各転動体２と共に、軌道輪間に沿って公転する中空円環状を成す軸受用保持器を想定する（図１参照）。なお、転動体２としては、「玉」や「ころ」を適用することができるが、ここでは一例として、玉を想定する。

図１に示すように、本実施形態に係る軸受用保持器は、１本の中心軸Ａｘ回りに同心円状を成す保持器本体４を有しており、当該保持器本体４には、複数の転動体（玉）２を１つずつ回転可能に保持する複数のポケット４ｐが、周方向に沿って所定間隔で設けられている。

軸受用保持器としては、例えば、波形保持器、冠形保持器、かご形保持器、合せ保持器など、既存のラジアル軸受用保持器を適用することができる。また、保持器本体４の材料には、例えば、低炭素鋼、黄銅板、ステンレス鋼板などの金属材料や、熱可塑性プラスチックスであるポリアミドをガラス繊維で強化した樹脂材料を、使用目的や使用環境に応じて適用することができる。

このような軸受用保持器（保持器本体４）において、中心軸Ａｘから各ポケット４ｐの中心Ｐｓまでの径方向距離をポケット中心半径ｒ１、中心軸Ａｘから保持器本体４の外径面４ａまでの径方向距離を保持器外半径ｒ２、中心軸Ａｘから保持器本体４の内径面４ｂまでの径方向距離を保持器内半径ｒ３とすると、ポケット中心半径ｒ１と保持器外半径ｒ２との差Ｍ１＝ｒ２−ｒ１と、ポケット中心半径ｒ１と保持器内半径ｒ３との差Ｍ２＝ｒ１−ｒ３とが、Ｍ１≦Ｍ２なる関係を満足するように構成されている。なお、径方向距離は、中心軸Ａｘに直交する方向に沿った距離を指す。

この場合、各ポケット４ｐに保持された状態における各転動体（玉）２の中心２ｓを周方向に沿って相互に連続させて構成した仮想円２Ｐｃ（ピッチ円）の直径２ＰＣＤ（軸受ＰＣＤともいう）は、各ポケット４ｐの中心Ｐｓを周方向に沿って相互に連続させて構成した仮想円４Ｐｃ（ピッチ円）の直径４ＰＣＤ（保持器ＰＣＤともいう）の１００.１％〜１０１.５％の範囲に設定されている。なお、ピッチ円直径２ＰＣＤ,４ＰＣＤは、中心軸Ａｘを同中心として構成される仮想円２Ｐｃ,４Ｐｃの中心軸Ａｘを通る直径を指す。

ここで、各転動体（玉）２の中心２ｓは、複数の転動体（玉）２を軸受用保持器（保持器本体４）の各ポケット４ｐに回転可能に保持しつつ、軌道輪間（図示しない内輪と外輪との間）に組み込んで所定の予圧をかけた状態（以下、軸受完成状態という）において、各転動体（玉）２の中心（重心）相互を周方向に沿って相互に連続させた軸受ＰＣＤ上の点として規定することができる。また、各ポケット４ｐの中心Ｐｓは、上記した軸受完成状態において、各ポケット４ｐの曲率中心（具体的には、各ポケット４ｐを形成する曲率円の中心）として規定することができる。

なお、軸受ＰＣＤ（ピッチ円直径２ＰＣＤ）が大き過ぎると、軸受用保持器（保持器本体４）の各ポケット４ｐに保持された各転動体（玉）２が、ラジアル方向外側（即ち、保持器本体４の外径面４ａ側）に寄ってしまう場合があり、そうなると、その外径側に寄って位置で各転動体（玉）２が拘束されてしまう虞がある。逆に、軸受ＰＣＤ（ピッチ円直径２ＰＣＤ）が小さ過ぎると、各ポケット４ｐと転動体（玉）２との接触状態の変化が小さくなってしまう場合があり、そうなると、後述する微小揺動時の応答性を向上させることが困難になってしまう虞がある。

そこで、各ポケット４ｐに保持された状態における各転動体（玉）２の中心２ｓを周方向に沿って相互に連続させて構成した仮想円２Ｐｃのピッチ円直径２ＰＣＤ（軸受ＰＣＤともいう）は、各ポケット４ｐの中心Ｐｓを周方向に沿って相互に連続させて構成した仮想円４Ｐｃのピッチ円直径４ＰＣＤ（保持器ＰＣＤともいう）の１００.２％〜１０１.０％の範囲に設定することが好ましい。

以上、本実施形態によれば、転動体仮想円２Ｐｃのピッチ円直径２ＰＣＤを、ポケット仮想円４Ｐｃのピッチ円直径４ＰＣＤの１００.１％〜１０１.５％の範囲（好ましくは、１００.２％〜１０１.０％の範囲）に設定することにより、既存の軸受用保持器をそのまま利用し、各ポケット４ｐと転動体（玉）２との接触面積を減少させることができる。これにより、当該軸受用保持器の製造において、その低コスト化と効率化とを同時に図ることができる。

更に、本実施形態によれば、低コスト化と効率化とを同時に図りつつ、高速で微小揺動させる部材（例えば、ＨＤＤ装置のスイングアーム）の微小揺動時の応答性を向上させることを可能にする軸受用保持器を実現することができる。

ここで、微小揺動時の応答性を実証するために、ＨＤＤ装置のスイングアームを低速揺動させ、その際のトルクヒステリシスを測定した。ヒステリシス測定では、例えば図３に示すようなトルクヒステリシス測定装置に、３種類（実施例１、比較例１、比較例２）の軸受を２個ずつ組み込んで予圧をかけたピボット軸受を構成した。

具体的に説明すると、図３に示すように、トルクヒステリシス測定装置は、ピボット軸受６によって揺動（回転）自在に支持されたスイングアーム８と、スイングアーム８の基端側に設けられ、スイングアーム８を揺動（回転）させるボイスコイル１０とを備えている。なお、ピボット軸受６は、スイングアーム８が固定された中空円筒状のハウジング１２と、ハウジング１２の内側に対向配置されたシャフト１４とを備えており、ハウジング１２とシャフト１４との間に軸受１６が２個複列で組み込まれている。

各軸受１６は、ハウジング１２の内周に嵌合された外輪１６ａと、外輪１６ａの内側に対向し、シャフト１４の外周に嵌合された内輪１６ｂと、内外輪１６ａ,１６ｂ間に転動自在に配列された複数の転動体（玉）２と、各転動体（玉）２を１つずつ回転可能に保持する軸受用保持器（図示しない）とを備えている。この場合、各軸受１６には、後述する予圧が付与される。

このような構成において、波形発生器１８からの交流電圧信号（Tracking Signal）によってボイスコイル駆動ユニット２０からボイスコイル１０に駆動電流（Drive Current）を供給することで、ピボット軸受６を中心にスイングアーム８を揺動（回転）させることができる。

また、ピボット軸受６周りには、非接触型変位測定センサ２２を搭載した回転テーブル２４が回転可能に設けられており、回転テーブル２４は、回転テーブル駆動ユニット２６によって制御されるようになっている。この場合、スイングアーム８を揺動（回転）させている際、スイングアーム８の先端８ｔと非接触型変位測定センサ２２との隙間（Gap）が一定になるように回転テーブル２４をフィードバック制御（Position FeedBack）し、これにより、非接触型変位測定センサ２２をスイングアーム８の先端８ｔの揺動運動に追従（Tracking moton）させる走査制御（Seeking motion）が行われる。

このとき、ボイスコイル１０への駆動電流（Drive Current）、スイングアーム８の先端８ｔの揺動運動に対する非接触型変位測定センサ２２の追従（Tracking moton）、回転テーブル駆動ユニット２６の走査制御（Seeking motion）についての各種情報がコンピュータ２８に入力され、その入力された各種情報に基づいて、スイングアーム８の低速揺動時におけるトルクヒステリシスが測定され、その測定結果がモニタ３０上に表示される。

トルクヒステリシス測定では、スイングアーム８の先端８ｔの揺動範囲を±１２μｍ、揺動速度を０.５Ｈｚとし、また、各軸受１６は、その内径を８ｍｍ、外径を５ｍｍ、幅を２.５ｍｍとし、当該各軸受１６に０.６５ｋｇｆの予圧をかけた。そして、かかる条件のもと、下記の３種類（実施例１、比較例１、比較例２）の軸受１６をピボット軸受６に２個ずつ組み込んで、トルクヒステリシス測定を行った。

実施例１の軸受１６において、軸受ＰＣＤ＝保持器ＰＣＤ×１．００５（１００.５％）
比較例１の軸受１６において、軸受ＰＣＤ＝保持器ＰＣＤ
比較例２の軸受１６において、軸受ＰＣＤ＝保持器ＰＣＤ×０.９９５（９９.５％）

図２(ａ)〜(ｃ)には、上記した３種類（実施例１、比較例１、比較例２）の軸受１６を適用した場合のスイングアーム８の低速揺動時におけるトルクヒステリシスの測定結果が示されている。

この測定結果によれば、実施例１のヒステリシスループ（同図(ａ)）は、比較例１のヒステリシスループ（同図(ｂ)）に比べて、そのループ幅が小さいため、微小揺動時の摺動抵抗が小さいことが分かる。つまり、転動体仮想円２Ｐｃのピッチ円直径２ＰＣＤを、ポケット仮想円４Ｐｃのピッチ円直径４ＰＣＤの１００.１％〜１０１.５％の範囲（好ましくは、１００.２％〜１０１.０％の範囲）に設定することにより、微小揺動時の応答性が向上することが分かる。

また、比較例２のように、軸受ＰＣＤを保持器ＰＣＤよりも小さくすると、当該比較例２のヒステリシスループ（同図(ｃ)）は、実施例１のヒステリシスループ（同図(ａ)）よりも、そのループ幅が大きくなるため、微小揺動時の摺動抵抗が大きくなり、微小揺動時の応答性が悪化することが分かる。

これにより、転動体仮想円２Ｐｃのピッチ円直径２ＰＣＤを、ポケット仮想円４Ｐｃのピッチ円直径４ＰＣＤの１００.１％〜１０１.５％の範囲（好ましくは、１００.２％〜１０１.０％の範囲）に設定することにより、高速で微小揺動させる部材（例えば、ＨＤＤ装置のスイングアーム８）の微小揺動時の応答性を向上させることが実証された。

ここで、転動体仮想円２Ｐｃのピッチ円直径２ＰＣＤを、ポケット仮想円４Ｐｃのピッチ円直径４ＰＣＤの１００.１％〜１０１.５％の範囲（好ましくは、１００.２％〜１０１.０％の範囲）に設定した軸受用保持器が組み込まれた軸受を、スイングアーム８の支持部（ピボット軸受）に適用したハードディスクドライブ（ＨＤＤ）装置について説明する。

図４(ａ),(ｂ)に示すように、ＨＤＤ装置は、磁気ディスク３２を回転させるスピンドルモータ３４と、情報の記録或いは再生用の磁気ヘッド３６とを備えている。磁気ヘッド３６は、支持部（ピボット軸受）３８によって回動自在に支持されたスイングアーム４０の先端４０ｔに取り付けられており、その基端には、当該スイングアーム４０を回転駆動させるボイスコイル４２が設けられている。

スイングアーム４０は、支持部（ピボット軸受）３８を介してＨＤＤ装置の基台４４上に回動自在に支持されており、磁気ディスク３２を回転させた状態でスイングアーム４０を回動させて、磁気ヘッド３６を磁気ディスク３２に対して平行移動させることにより、磁気ディスク３２に情報を記録したり、或いは、磁気ディスク３２から情報を再生したりすることができる。

図４(ｃ)に示すように、スイングアーム４０（図４(ａ),(ｂ)参照）を回動自在に支持する支持部（ピボット軸受）３８は、シャフト４６の外周に嵌合される２つの軸受（一端側玉軸受４８、他端側玉軸受５０）と、これら２つの玉軸受４８,５０の外周に嵌合されるスリーブ５２とを備えている。

シャフト４６は、筒状のシャフト本体４６ａと、シャフト本体４６ａの一端側に形成されたフランジ４６ｂとを備えて構成されている。また、スリーブ５２は、筒状のスリーブ本体５２ａと、スリーブ本体５２ａの一端側に形成されたフランジ５２ｂと、スリーブ本体５２ａの内周に設けられた環状凸部５２ｃとを備えて構成されており、上記したスイングアーム４０は、スリーブ本体５２ａに装着されるようになっている。

ここで、２つの軸受（一端側玉軸受４８、他端側玉軸受５０）をシャフト４６の外周に嵌合させると共に、当該玉軸受４８,５０の外周にスリーブ５２を嵌合させると、一端側玉軸受４８の内輪４８ａ（具体的には、内輪４８ａの端面４８ｓ）が、シャフト本体４６ａのフランジ４６ｂに当接すると共に、２つの玉軸受４８,５０の外輪４８ｂ,５０ｂが、スリーブ本体５２ａの環状凸部５２ｃの軸方向両側に当接する。これにより、当該玉軸受４８,５０は、シャフト４６とスリーブ５２との間に軸方向に沿って位置決めされる。

このとき、例えば、他端側玉軸受５０の内輪５０ａに対して、軸方向に沿って所定の圧力Ｆを付与し、その状態で、２つの玉軸受４８,５０をシャフト４６とスリーブ５２との間に固定させることで（例えば、共振圧入予圧法（特開平６−３４４２３３）参照）、当該玉軸受４８,５０に所定の予圧を付与することができる。なお、大気環境下で嫌気性接着剤を塗布して２つの玉軸受４８,５０をシャフト４６とスリーブ５２に対して仮接着させて組み付けた後、これらの組付体の雰囲気を真空環境に変化させることで、当該真空環境下で嫌気性接着剤を完全硬化させる技術思想（例えば、特開２００９−１９２０１５参照）を適用してもよい。

この場合、スイングアーム４０の支持部（ピボット軸受）３８を構成する２つの玉軸受４８,５０には、上記したような、転動体仮想円２Ｐｃのピッチ円直径２ＰＣＤを、ポケット仮想円４Ｐｃのピッチ円直径４ＰＣＤの１００.１％〜１０１.５％の範囲（好ましくは、１００.２％〜１０１.０％の範囲）に設定した軸受用保持器（保持器本体４：図１参照）が組み込まれており、各軸受用保持器（保持器本体４）には、複数の転動体（玉）２が回転可能に保持されている。

このようなＨＤＤ装置によれば、スイングアーム４０を高速で微小揺動させる際の応答性を向上させることができるため、例えば、記録及び再生トラックピッチが２０万ＴＰＩ（１インチ当りのトラック数が２０万）以上の磁気ディスク３２に対して、高速かつ高精度に、情報を記録したり、或いは、情報を再生したりすることができる。

２転動体
２Ｐｃ各転動体の中心を連続させた仮想円
２ＰＣＤピッチ円直径（軸受ＰＣＤ）
４保持器本体
４Ｐｃ各ポケットの中心を連続させた仮想円
４ＰＣＤピッチ円直径（保持器ＰＣＤ）
４ａ保持器本体の外径面
４ｂ保持器本体の内径面
４ｐポケット
Ｐｓポケットの中心
ｒ１ポケット中心半径
ｒ２保持器外半径
ｒ３保持器内半径

Claims

相対回転可能に対向配置された外輪と内輪と、前記外輪と前記内輪とに組み込まれた複数の転動体と、前記転動体を回転可能に保持しつつ、当該各転動体と共に、軌道輪間に沿って公転する中空円環状を成す保持器とを備えたハードディスクドライブスイングアーム用軸受であって、
前記保持器は、１本の中心軸回りに同心円状を成す保持器本体を有し、当該保持器本体には、前記複数の転動体を１つずつ回転可能に保持する複数のポケットが、周方向に沿って所定間隔で設けられており、
中心軸から前記各ポケットの中心までの距離をポケット中心半径ｒ１、前記中心軸から前記保持器本体の外径面までの距離を保持器外半径ｒ２、前記中心軸から前記保持器本体の内径面までの距離を保持器内半径ｒ３とすると、
前記ポケット中心半径ｒ１と前記保持器外半径ｒ２との差Ｍ１＝ｒ２−ｒ１と、前記ポケット中心半径ｒ１と前記保持器内半径ｒ３との差Ｍ２＝ｒ１−ｒ３とが、Ｍ１≦Ｍ２なる関係を満足すると共に、
前記各ポケットの中心位置を基準とし、前記各転動体のピッチ円直径が前記各ポケットのピッチ円直径の１００.１％〜１０１.５％の範囲に設定されることで、前記各転動体の中心を前記各ポケットの中心位置から径方向外側へずらしていることを特徴とするハードディスクドライブスイングアーム用軸受。
前記各転動体のピッチ円直径が前記各ポケットのピッチ円直径の１００.２％〜１０１.０％の範囲に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のハードディスクドライブスイングアーム用軸受。