WO2013014954A1 - ハードディスクアクチュエータ用転がり軸受 - Google Patents

ハードディスクアクチュエータ用転がり軸受 Download PDF

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坂上　賢太郎
直人 堀内
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Definitions

  • the present invention relates to a rolling bearing for a hard disk actuator, and more particularly to a rolling bearing for a hard disk actuator in which the response required for the bearing is improved by suppressing fluctuations in torque hysteresis.
  • the HDD includes a magnetic disk (hard disk) 2 for recording information (data), a spindle motor 4 for rotating the magnetic disk 2, a swing arm 8 as an actuator having a magnetic head 6 attached to the tip, A voice coil 9 is provided at the base end of the swing arm 8 and rotationally drives the swing arm 8.
  • the swing arm 8 is pivotally supported on the base Bs of the HDD via a pivot bearing unit 10 so as to be rotatable.
  • the voice coil 9 When the swing arm 8 is rotationally driven by the voice coil 9, the magnetic head 6 with respect to the rotating magnetic disk 2. Is translated (traced). Thereby, in the HDD, information can be read from the magnetic disk 2 via the magnetic head 6 or information can be written (recorded) to the magnetic disk 2.
  • the pivot bearing unit 10 includes a shaft (shaft member) 12 standing on the base Bs of the HDD, a sleeve 18 on which the swing arm 8 is externally mounted, and a pivot interposed between the shaft 12 and the sleeve 18. Bearings (rolling bearings) 14 and 16 are provided.
  • pivot bearings 14 and 16 are incorporated as a pair of race rings facing each other so as to be relatively rotatable, and are rotatably incorporated between the inner races 14a and 16a and the outer races 14b and 16b and the race rings.
  • Balls 14c and 16c serving as a plurality of rolling elements and retainers 14d and 16d that hold the balls 14c and 16c one by one are rotatably provided.
  • non-contact type shields 14e and 16e as sealing members for sealing the inside of the bearing are interposed, thereby preventing foreign matter (for example, dust) from entering from the outside of the bearing.
  • leakage of the grease composition sealed inside the bearing to the outside of the bearing is prevented.
  • the pivot bearings 14 and 16 are configured so that the inner rings 14 a and 16 a are fitted on the shaft 12 and the outer rings 14 b and 16 b are fitted on the sleeve 18 and the swing arm 8 attached to the sleeve 18. Is pivotally supported.
  • An annular spacer 20 is fitted to the inner peripheral portion of the sleeve 18 so as to be interposed between the pivot bearings 14 and 16.
  • the actuator that supports the data read head of the HDD is required to have a positioning performance for reaching the target track quickly and surely and a control performance for continuously capturing the target track on the disk rotating at high speed.
  • the speed and capacity of HDDs increase, demands for these performances are increasing year by year, and more precise positioning and control performance is required.
  • the miniaturization and power saving of HDDs are rapidly progressing, and accordingly, the power supplied to the voice coil motor for moving the read head is also reduced in voltage and current.
  • Actuator responsiveness is greatly affected by the performance of the pivot bearing unit that supports the arm as the rotation axis of the actuator. For example, since the force required to move the arm varies depending on the rotational torque of the bearing, the response can be improved by reducing the rotational torque of the bearing.
  • Patent Document 1 describes that by setting the rolling element diameter and the cage pocket diameter, the responsiveness by reducing the rotational torque in the minute swing range is improved.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to reduce the fluctuation of torque hysteresis due to the passage of time of the actuator holding force under the HDD driving conditions, and to improve the response of the actuator. It is to provide a rolling bearing for a hard disk actuator.
  • the above object of the present invention can be achieved by the following constitution.
  • the rolling bearing for a hard disk actuator of the present invention by increasing at least one of the hardness of the surface of the inner ring and the outer ring and the hardness of the surface of the rolling element as compared with the conventional one, the holding force of the actuator under the driving conditions of the HDD can be improved. It is possible to reduce the fluctuation of torque hysteresis with time and improve the response of the actuator.
  • the pivot bearing unit 10 includes a shaft member 12 having a flange portion 12 a at one end in the axial direction, and a pair of rolling bearings 14 and 16 arranged in parallel around the shaft member 12. Have.
  • the pair of rolling bearings 14, 16 includes inner rings 14a, 16a, outer rings 14b, 16b, a plurality of balls (rolling elements) 14c, 16c disposed between the inner rings 14a, 16a and outer rings 14b, 16b, and the plurality.
  • Retainers 14d and 16d for holding the balls 14c and 16c, respectively, and non-contact type shields 14e and 16e as sealing members disposed at both axial ends of the outer ring.
  • An annular spacer 20 is interposed between the outer rings 14 b and 16 b of the rolling bearings 14 and 16.
  • stainless steel is used as the material of the inner rings 14a and 16a, the outer rings 14b and 16b, and the balls 14c and 16c.
  • the hardness of the surfaces of the inner rings 14a and 16a and the outer rings 14b and 16b is changed from about Hv700 of the conventional Hv700 to Hv720 to 780 (in this embodiment, Hv720), and the surface hardness of the balls 14c and 16c is changed from about Hv920 of the conventional. Hv945 to 1050 (in this embodiment, Hv1000).
  • the hardness of the surface of each member in addition to changing the material quenching conditions and processing by shot peening of the rolling element surface, changing the steel type, using ceramic material, and surface coating on the member surface Examples include film formation of materials.
  • the hardness of the surfaces of the inner rings 14a and 16a and outer rings 14b and 16b that are the race rings and the balls 14c and 16c that are the rolling elements may be changed, but either one of the race rings or the rolling elements. The surface hardness may be changed.
  • Table 1 shows the relationship between the surface hardness of the races and rolling elements of Conventional Examples 1 to 4 and Examples 1 to 21, and the state of change rate of hysteresis after 16 hours.
  • the rolling bearings 14 and 16 are not particularly limited to the configuration shown in the figure, and can be configured arbitrarily according to the usage purpose or usage conditions of the HDD.
  • the shaft member 12 has a hollow structure in which the shaft center portion penetrates along the extending direction, the shaft member 12 may have a solid structure.
  • the present invention is based on a Japanese patent application filed on July 27, 2011 (Japanese Patent Application No. 2011-164758), the contents of which are incorporated herein by reference.
  • Pivot bearing units 14 16 Rolling bearings 14a, 16a Inner rings 14b, 16b Outer rings 14c, 16c Balls (rolling elements) 14d, 16d Cage 14e, 16e Non-contact type shield (sealing member) 18 sleeve

Landscapes

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

　ＨＤＤの駆動条件でのアクチュエータ保持力の時間経過によるトルクヒステリシスの変動を小さくし、アクチュエータの応答性を高めることができるハードディスクアクチュエータ用転がり軸受を提供する。　ＨＤＤアクチュエータ用転がり軸受１４、１６は、内輪１４ａ、１６ａと、外輪１４ｂ、１６ｂと、該内輪１４ａ、１６ａ及び外輪１４ｂ、１６ｂ間に配置される複数の転動体１４ｃ、１６ｃと、該複数の玉１４ｃ、１６ｃをそれぞれ保持する保持器１４ｄ、１６ｄと、を備え、ハードディスクドライブに設けられたアクチュエータを揺動及び回転自在に支持する。内輪１４ａ、１６ａ及び外輪１４ｂ、１６ｂの表面の硬度をＨｖ７２０～７８０とすると共に、前記転動体の表面の硬度をＨｖ９４５～１０５０とした。

Description

ハードディスクアクチュエータ用転がり軸受
　本発明は、ハードディスクアクチュエータ用転がり軸受に関し、より詳細には、トルクヒステリシスの変動を抑えることで、軸受に要求される応答性を向上させたハードディスクアクチュエータ用転がり軸受に関する。
　図２（ａ）～（ｃ）は、ハードディスクドライブ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｃ　Ｄｒｉｖｅ（以下、ＨＤＤとも言う））の概略構成を一例として示している。当該ＨＤＤは、情報（データ）を記録する磁気ディスク（ハードディスク）２と、当該磁気ディスク２を回転させるスピンドルモータ４と、先端部に磁気ヘッド６が取り付けられたアクチュエータとしてのスイングアーム８と、当該スイングアーム８の基端部に設けられ、スイングアーム８を回転駆動させるボイスコイル９とを備えている。
　スイングアーム８は、ピボット軸受ユニット１０を介してＨＤＤのベースＢｓ上に回動可能に軸支されており、ボイスコイル９によって回転駆動された際、回転状態の磁気ディスク２に対して磁気ヘッド６を平行移動（トレース）させる。これにより、ＨＤＤにおいて、磁気ヘッド６を介して磁気ディスク２から情報を読み取ること、あるいは磁気ディスク２へ情報を書き込むこと（記録すること）ができる。
　ピボット軸受ユニット１０には、ＨＤＤのベースＢｓに立設された軸（軸部材）１２と、スイングアーム８が外装されるスリーブ１８と、これらの軸１２とスリーブ１８との間に介在されたピボット軸受（転がり軸受）１４、１６が備えられている。
　また、ピボット軸受１４、１６には、相対回転可能に対向して配置された一対の軌道輪として、内輪１４ａ、１６ａ及び外輪１４ｂ、１６ｂと、当該軌道輪の間に転動自在に組み込まれた複数の転動体としての玉１４ｃ、１６ｃと、当該玉１４ｃ、１６ｃを１つずつ回転自在に保持する保持器１４ｄ、１６ｄが備えられている。そして、軌道輪の間には、軸受内部を密封するための密封部材としての、非接触型のシールド１４ｅ、１６ｅが介在され、これにより、軸受外部からの異物（例えば、塵埃）の侵入が防止されているとともに、軸受内部へ封入したグリース組成物の軸受外部への漏洩が防止されている。
　そして、かかるピボット軸受１４、１６は、内輪１４ａ、１６ａが軸１２に外嵌されているとともに、外輪１４ｂ、１６ｂがスリーブ１８に内嵌された状態で、当該スリーブ１８に装着されたスイングアーム８を回動自在に軸支している。また、スリーブ１８の内周部には、ピボット軸受１４、１６相互間に介在するように環状の間座２０が嵌合されている。これにより、ピボット軸受１４、１６が所定の予圧を付与された状態で所定位置に位置決め固定され、ガタつくこと無く安定して回動可能な状態となり、スイングアーム８を応答性良くスムーズに回動させることができる。
　ところで、ＨＤＤのデータ読取ヘッドを支えるアクチュエータには、素早く確実に目的のトラックに到達するための位置決め性能、高速で回転するディスク上で目的のトラックを捕捉し続けるための制御性能が要求される。ＨＤＤの高速化、高容量化に伴い、これらの性能に対する要求は年々高まってきており、より精密な位置決め、制御性能が必要とされている。また、近年、ＨＤＤの小型化、省電力化は急速に進められており、それに伴い読取ヘッドを動かすためにボイスコイルモータに供給される電力も、低電圧、低電流化されている。これらのＨＤＤの開発環境を併せて考えると、アクチュエータはより小さな力で、短時間のうちに必要な距離だけ動作できるよう、入力信号に対する応答性を高める必要がある。
　アクチュエータの応答性には、アクチュエータの回転軸としてアームを支持するピボット軸受ユニットの性能が大きく影響する。例えば、軸受の回転トルクによってアームを動かすために必要な力が変わるため、軸受の回転トルクの低減により応答性を改善することができる。特許文献１では、転動体径と保持器ポケット径を設定することで、微小揺動範囲での回転トルクの低減による応答性を改善することが記載されている。
日本国特開２００７－２８５４６３号公報
　ところで、ＨＤＤを一定時間駆動させておくと、読取ヘッドのある目的のトラックに保持するための、アクチュエータのサーボ制御に必要な保持力が変化（減衰）していくという問題がある。保持力が変化すれば、サーボ電流を変化させる必要があるため、保持力は常に一定であることが望ましい。この現象はＨＤＤの駆動テストとして、アクチュエータを高速で往復運動させ、一定時間ごとにアクチュエータの保持力を測定することによって確認される。一定時間の高速揺動により軸受のトルクヒステリシスが変化することが原因と考えられているが、この問題に対する明確な解決方法は現在明らかになっていない。
　本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＨＤＤの駆動条件でのアクチュエータ保持力の時間経過によるトルクヒステリシスの変動を小さくし、アクチュエータの応答性を高めることができるハードディスクアクチュエータ用転がり軸受を提供することにある。
　本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１）　内輪と、外輪と、該内輪及び外輪間に配置される複数の転動体と、該複数の玉をそれぞれ保持する保持器と、を備え、ハードディスクドライブに設けられたアクチュエータを揺動及び回転自在に支持するハードディスクアクチュエータ用転がり軸受であって、
　前記内輪及び外輪の表面の硬度をＨｖ７２０～７８０とすると共に、前記転動体の表面の硬度をＨｖ９４５～１０５０としたことを特徴とするハードディスクアクチュエータ用転がり軸受。
（２）　内輪と、外輪と、該内輪及び外輪間に配置される複数の転動体と、該複数の玉をそれぞれ保持する保持器と、を備え、ハードディスクドライブに設けられたアクチュエータを揺動及び回転自在に支持するハードディスクアクチュエータ用転がり軸受であって、
　前記内輪及び外輪の表面の硬度をＨｖ７２０～７８０としたことを特徴とするハードディスクアクチュエータ用転がり軸受。
（３）　内輪と、外輪と、該内輪及び外輪間に配置される複数の転動体と、該複数の玉をそれぞれ保持する保持器と、を備え、ハードディスクドライブに設けられたアクチュエータを揺動及び回転自在に支持するハードディスクアクチュエータ用転がり軸受であって、
　前記転動体の表面の硬度をＨｖ９４５～１０５０としたことを特徴とするハードディスクアクチュエータ用転がり軸受。
　本発明のハードディスクアクチュエータ用転がり軸受によれば、内輪及び外輪の表面の硬度と、転動体の表面の硬度の少なくとも一方を、従来よりも高くすることで、ＨＤＤの駆動条件でのアクチュエータ保持力の時間経過によるトルクヒステリシスの変動を小さくし、アクチュエータの応答性を高めることができる。
は、本発明の一実施形態に係るＨＤＤアクチュエータ用転がり軸受を有するピボット軸受ユニットを示す断面図である。 （ａ）は、ＨＤＤの全体構成を概略示す断面図、（ｂ）は、ＨＤＤの全体構成を示す平面図、（ｃ）は、ピボット軸受ユニットを示す判断面図である。
　以下、本発明に係るハードディスクアクチュエータ用転がり軸受の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態の転がり軸受が適用されるＨＤＤの概略構成は、図２（ａ）～（ｃ）で示した構成のものと同様であるため、ここでは、ピボット軸受ユニットについてのみ説明する。
　図１に示すように、ピボット軸受ユニット１０は、軸方向一端部にフランジ部１２ａを有する軸部材１２と、軸部材１２の周囲に、並列に配置される一対の転がり軸受１４，１６と、を有する。
　一対の転がり軸受１４，１６は、内輪１４ａ、１６ａと、外輪１４ｂ、１６ｂと、該内輪１４ａ、１６ａ及び外輪１４ｂ、１６ｂ間に配置される複数の玉（転動体）１４ｃ、１６ｃと、該複数の玉１４ｃ、１６ｃをそれぞれ保持する保持器１４ｄ、１６ｄと、該外輪の軸方向両端部に配置される密封部材としての非接触型のシールド１４ｅ、１６ｅと、をそれぞれ備える。また、転がり軸受１４、１６の外輪１４ｂ、１６ｂ間には、環状の間座２０が介在している。
　ここで、本実施形態では、内輪１４ａ、１６ａ、外輪１４ｂ、１６ｂ、及び玉１４ｃ，１６ｃの材質にステンレス鋼を使用しているが、各部材の表面の硬度を向上させることで、ＨＤＤの駆動条件でのアクチュエータ保持力の時間経過によるトルクヒステリシスの変動を小さくし、アクチュエータの応答性を高めている。具体的に、内輪１４ａ、１６ａと外輪１４ｂ、１６ｂの表面の硬度を従来のＨｖ７００前後からＨｖ７２０～７８０（本実施形態では、Ｈｖ７２０）とし、玉１４ｃ、１６ｃの表面の硬度を従来のＨｖ９２０前後からＨｖ９４５～１０５０（本実施形態では、Ｈｖ１０００）としている。
　なお、各部材の表面の硬度の変更方法としては、材料焼き入れ条件の変更や、転動体表面のショットピーニングによる処理の他、鋼種の変更やセラミック材料の使用、また、部材表面への表面被膜材の製膜などが挙げられる。また、軌道輪である内輪１４ａ、１６ａ、及び外輪１４ｂ、１６ｂと、転動体である玉１４ｃ，１６ｃとの両方の表面の硬度を変更してもよいが、軌道輪と転動体のいずれか一方の表面の硬度を変更するようにしてもよい。
　ここで、従来の表面硬度の軌道輪及び転動体を有する軸受（従来例１～４）と、本実施形態の表面硬度の軌道輪と転動体を有する軸受（実施例１～２１）と、を有する各ピボット軸受ユニットをＨＤＤに組み込んで、高速揺動させ、再現試験を行った。試験では、初期状態からのトルクヒステリシスの低下率が５０％を超えるものを×、５０～２５％の範囲のものを△、２５％以下に改善されたものを○とした。なお、従来例１～４と実施例１～２１では、軌道輪または転動体の表面硬度を変更した以外は、同じ条件とした。
　表１は、従来例１～４と実施例１～２１の軌道輪と転動体の表面の硬度と、１６時間後のヒステリシスの変化率の状態との関係を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　従って、表１の結果から、軌道輪と転動体の少なくとも一方の表面硬度を変更することで、アクチュエータ保持力の時間経過によるトルクヒステリシスの変動を小さくできることがわかる。
　尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。
　例えば、転がり軸受１４、１６は、図示構成には特に限定されず、ＨＤＤの使用目的や使用条件などに応じて任意の構成とすることが可能である。また、軸部材１２は、軸心部が延出方向に沿って貫通した中空構造としているが、中実構造とすることも可能である。
　本発明は、２０１１年７月２７日出願の日本特許出願（特願２０１１－１６４７５８）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
１０　ピボット軸受ユニット
１４、１６　転がり軸受
１４ａ、１６ａ　内輪
１４ｂ、１６ｂ　外輪
１４ｃ、１６ｃ　玉（転動体）
１４ｄ、１６ｄ　保持器
１４ｅ、１６ｅ　非接触型のシールド（密封部材）
１８　スリーブ

Claims (3)

  1. 　内輪と、外輪と、該内輪及び外輪間に配置される複数の転動体と、該複数の玉をそれぞれ保持する保持器と、を備え、ハードディスクドライブに設けられたアクチュエータを揺動及び回転自在に支持するハードディスクアクチュエータ用転がり軸受であって、
    　前記内輪及び外輪の表面の硬度をＨｖ７２０～７８０とすると共に、前記転動体の表面の硬度をＨｖ９４５～１０５０としたことを特徴とするハードディスクアクチュエータ用転がり軸受。
  2. 　内輪と、外輪と、該内輪及び外輪間に配置される複数の転動体と、該複数の玉をそれぞれ保持する保持器と、を備え、ハードディスクドライブに設けられたアクチュエータを揺動及び回転自在に支持するハードディスクアクチュエータ用転がり軸受であって、
    　前記内輪及び外輪の表面の硬度をＨｖ７２０～７８０としたことを特徴とするハードディスクアクチュエータ用転がり軸受。
  3. 　内輪と、外輪と、該内輪及び外輪間に配置される複数の転動体と、該複数の玉をそれぞれ保持する保持器と、を備え、ハードディスクドライブに設けられたアクチュエータを揺動及び回転自在に支持するハードディスクアクチュエータ用転がり軸受であって、
    　前記転動体の表面の硬度をＨｖ９４５～１０５０としたことを特徴とするハードディスクアクチュエータ用転がり軸受。
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