JP2016191459A - Fluid dynamic pressure bearing, spindle motor and hard disc drive device - Google Patents

Fluid dynamic pressure bearing, spindle motor and hard disc drive device Download PDF

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忠久 金井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To efficiently enhance abrasion resistance of a bearing sleeve that pivotally supports a shaft in a fluid dynamic pressure bearing for a spindle motor.SOLUTION: In the spindle motor 1, the bearing sleeve 6 constituting the fluid dynamic pressure bearing 14 pivotally supports the shaft 3 so as to be rotatable, an inner peripheral surface that is a bearing surface of the bearing sleeve 6 is subjected to cutting process, electroless nickel plating process and then heat treatment, furthermore to polishing process, thereby having Vickers hardness of 800 to 900 and arithmetic average roughness of 0.1 μm or less. Thus, the abrasion resistance of the bearing sleeve 6 is efficiently enhanced.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、コンピュータのハードディスクドライブ装置の磁気ディスクを駆動するためのスピンドルモータ等の軸受として使用される流体動圧軸受、この流体動圧軸受を有するスピンドルモータ、及び、このスピンドルモータを有するハードディスクドライブ装置に関するものである。   The present invention relates to a fluid dynamic pressure bearing used as a bearing of a spindle motor or the like for driving a magnetic disk of a hard disk drive device of a computer, a spindle motor having the fluid dynamic pressure bearing, and a hard disk drive having the spindle motor. It relates to the device.

コンピュータのハードディスクドライブ装置においては、磁気ディスクの高密度化、回転速度の高速化にともなって、磁気ディスクを駆動するスピンドルモータの軸受には、高い回転精度、低摩擦、低騒音および長寿命が要求されている。そこで、これらの要求を達成すべく、流体動圧軸受を使用したスピンドルモータが開発されている。   In the hard disk drive of computers, high rotational accuracy, low friction, low noise, and long life are required for spindle motor bearings that drive magnetic disks as the density of magnetic disks increases and the rotational speed increases. Has been. Therefore, in order to achieve these requirements, a spindle motor using a fluid dynamic pressure bearing has been developed.

流体動圧軸受は、シャフトとシャフトを支持する軸受スリーブとの間に潤滑油を介在し、シャフトと軸受スリーブとの軸受面に動圧溝を形成することにより、シャフトの回転によって潤滑油に動圧力を生じさせ、この動圧力によってシャフトを浮動支持するものである。このように、流体動圧軸受はシャフトと軸受スリーブとの間が非接触状態となるため機械的摩擦なしにシャフトを支持することができ、高い回転精度、低摩擦、低騒音および長寿命を達成することができる。   In a fluid dynamic pressure bearing, lubricating oil is interposed between a shaft and a bearing sleeve that supports the shaft, and a dynamic pressure groove is formed on the bearing surface of the shaft and the bearing sleeve, so that the lubricating oil is moved by rotation of the shaft. Pressure is generated, and the shaft is floated and supported by this dynamic pressure. In this way, the hydrodynamic bearing can support the shaft without mechanical friction because the shaft and the bearing sleeve are in a non-contact state, achieving high rotational accuracy, low friction, low noise, and long life. can do.

しかしながら、近年スピンドルモータは、ノートＰＣなどに使われるモバイル用途のハードディスクドライブ装置に広く採用されつつあり、これに伴って流体動圧軸受も耐衝撃性の向上が求められてきている。モバイル用途では持ち運びの際に流体動圧軸受に横揺れが加わるため、シャフトと軸受スリーブとの間の機械的な摩擦接触が避けられず、摩耗の問題が生じる。特に、シャフトのラジアル方向（半径方向）の荷重を支持する軸受スリーブの内周面の摩耗が問題となる。そこで、例えば特許文献１には、ニッケルメッキ処理及び熱処理によって軸受スリーブの軸受面の硬度を高めて、耐摩耗性及び耐焼付性を高めるようにした気体軸受ユニットが記載されている。   However, in recent years, spindle motors are being widely used in mobile hard disk drive devices used for notebook PCs and the like, and fluid dynamic pressure bearings are also required to have improved impact resistance. In mobile applications, rolling is applied to the fluid dynamic pressure bearing during carrying, and therefore mechanical frictional contact between the shaft and the bearing sleeve is unavoidable, resulting in wear problems. In particular, the wear of the inner peripheral surface of the bearing sleeve that supports the load in the radial direction (radial direction) of the shaft becomes a problem. Therefore, for example, Patent Document 1 describes a gas bearing unit in which the hardness of the bearing surface of the bearing sleeve is increased by nickel plating treatment and heat treatment to improve wear resistance and seizure resistance.

特開平９−３２８４７号公報JP-A-9-32847

このように、流体動圧軸受においても、依然として機械的な摩擦接触による摩耗が問題となっている。本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、軸受スリーブの内周面の摩耗を効果的に抑制するようにした流体動圧軸受、これを用いたスピンドルモータ、および、このスピンドルモータを用いてハードディスクドライブ装置を提供することを目的とする。   Thus, even in the fluid dynamic pressure bearing, wear due to mechanical frictional contact still remains a problem. The present invention has been made in view of the above points, and is a fluid dynamic pressure bearing that effectively suppresses wear on the inner peripheral surface of a bearing sleeve, a spindle motor using the fluid dynamic bearing, and the spindle motor. An object of the present invention is to provide a hard disk drive device using the.

上記の課題を解決するために、請求項１に係る発明は、軸受スリーブとシャフトとの間に潤滑油を介在させ、これらの相対回転によって潤滑油に生じる動圧力により、浮動状態で軸支持を行う流体動圧軸受において、
前記軸受スリーブの内周面は、ビッカース硬度が８００〜９００のニッケルメッキ層で覆われていることを特徴とする
請求項２に係る発明の流体動圧軸受は、上記請求項１の構成において、前記軸受スリーブの内周面の算術平均粗さが０．１μｍ以下であることを特徴とする。
請求項３に係る発明の流体動圧軸受は、上記請求項１又は２の構成において、前記ニッケルメッキ層が、無電解ニッケルメッキによって形成されていることを特徴とする。
請求項４に係る発明のスピンドルモータは、上記請求項１から３のいずれか１項に記載の流体動圧軸受を有することを特徴とする。
請求項５に係る発明のハードディスドライブ装置は、上記請求項４に記載のスピンドルモータを有することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the invention according to claim 1 is configured such that lubricating oil is interposed between the bearing sleeve and the shaft, and the shaft is supported in a floating state by dynamic pressure generated in the lubricating oil due to relative rotation between them. In the fluid dynamic bearing to be performed,
The fluid dynamic pressure bearing of the invention according to claim 2 is characterized in that the inner peripheral surface of the bearing sleeve is covered with a nickel plating layer having a Vickers hardness of 800 to 900. The arithmetic average roughness of the inner peripheral surface of the bearing sleeve is 0.1 μm or less.
A fluid dynamic pressure bearing according to a third aspect of the present invention is characterized in that, in the configuration of the first or second aspect, the nickel plating layer is formed by electroless nickel plating.
A spindle motor according to a fourth aspect of the invention includes the fluid dynamic pressure bearing according to any one of the first to third aspects.
According to a fifth aspect of the present invention, a hard disk drive apparatus includes the spindle motor according to the fourth aspect.

請求項１に係る発明によれば、軸受スリーブの内周面の摩耗を効果的かつ安定的に抑制することができる。
請求項２に係る発明によれば、軸受スリーブの内周面の摩耗をより効果的かつ安定的に抑制することができる。
請求項３に係る発明によれば、ニッケルメッキ層を効率よく形成することができる。
請求項４に係る発明によれば、軸受スリーブの内周面の摩耗を効果的に抑制するようにしたスピンドルモータを提供することができる。
請求項５に係る発明によれば、軸受スリーブの内周面の摩耗を効果的に抑制するようにしたハードディスクドライブを提供することができる。 According to the invention which concerns on Claim 1, abrasion of the internal peripheral surface of a bearing sleeve can be suppressed effectively and stably.
According to the invention which concerns on Claim 2, abrasion of the internal peripheral surface of a bearing sleeve can be suppressed more effectively and stably.
According to the invention which concerns on Claim 3, a nickel plating layer can be formed efficiently.
According to the invention which concerns on Claim 4, the spindle motor which can suppress the abrasion of the internal peripheral surface of a bearing sleeve effectively can be provided.
According to the fifth aspect of the present invention, it is possible to provide a hard disk drive that effectively suppresses wear on the inner peripheral surface of the bearing sleeve.

本発明の一実施形態に係る流体動圧軸受を使用したスピンドルモータの縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the spindle motor using the fluid dynamic pressure bearing which concerns on one Embodiment of this invention. 図１の流体動圧軸受の軸受スリーブの内周面に研磨を施さない場合のピンオンディスク摩耗試験の結果におけるビッカース硬度と摩耗深さとの関係を示すグラフ図である。It is a graph which shows the relationship between the Vickers hardness and the abrasion depth in the result of the pin-on-disk abrasion test when not grind | polishing the internal peripheral surface of the bearing sleeve of the fluid dynamic pressure bearing of FIG. 図１の流体動圧軸受の軸受スリーブの内周面に研磨を施した場合のピンオンディスク摩耗試験の結果におけるビッカース硬度と摩耗深さとの関係を示すグラフ図である。It is a graph which shows the relationship between the Vickers hardness and the abrasion depth in the result of the pin on disk abrasion test at the time of grinding | polishing to the internal peripheral surface of the bearing sleeve of the fluid dynamic pressure bearing of FIG.

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
本実施形態に係る流体動圧軸受を使用したスピンドルモータを図１に示す。図1に示すように、本実施形態に係るスピンドルモータ1は、コンピュータ等のハードディスクドライブ装置において、磁気ディスクを駆動するためのシャフト回転方式ものであり、ロータハブ２側に固定されたシャフト３が、ベース４側に固定された円筒状の軸受スリーブ５によって回転可能に支持されている。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
A spindle motor using a fluid dynamic pressure bearing according to the present embodiment is shown in FIG. As shown in FIG. 1, a spindle motor 1 according to this embodiment is a shaft rotation type for driving a magnetic disk in a hard disk drive device such as a computer, and a shaft 3 fixed to the rotor hub 2 side is It is rotatably supported by a cylindrical bearing sleeve 5 fixed to the base 4 side.

ベース４は、中央部に円形の開口部５が形成され、開口部５に、軸受スリーブ６が圧入されて固定されている。ベース４に固定された軸受スリーブ６の外周部には、環状に配置されて放射状に延びるステータコア７が取付けられ、このステータコア７にコイル８が巻装されている。   The base 4 has a circular opening 5 formed at the center, and a bearing sleeve 6 is press-fitted into the opening 5 and fixed. A stator core 7 arranged in an annular shape and extending radially is attached to the outer peripheral portion of the bearing sleeve 6 fixed to the base 4, and a coil 8 is wound around the stator core 7.

ロータハブ２は、ベース４に取付けられた軸受スリーブ６及びステータコア７を覆う天面部とその天面部の外周縁から垂下する外側円筒壁とを有する形状に形成され、天面部の中央の開口にシャフト３の一端部が圧入されて固定されている。ロータハブ２に固定されていないシャフト３の他端部には、フランジ部３Ａが形成されている。ステータコア７を囲むロータハブ２の外側円筒壁の内周部には、ステータコア７の外周部に対向して環状のマグネット１０が取付けられている。ロータハブ２の天面部の内側には、ベース４に固定された軸受スリーブ６の先端外周部を囲む内側円筒壁１１が形成されている。ベース４には、ロータハブ２に取付けられたマグネット１０に対向して磁気吸引板１２が取付けられて、磁力によってロータハブ２をベース４側に付勢している。   The rotor hub 2 is formed in a shape having a top surface portion covering the bearing sleeve 6 and the stator core 7 attached to the base 4 and an outer cylindrical wall depending from the outer peripheral edge of the top surface portion, and the shaft 3 is formed in the central opening of the top surface portion. One end of each is press-fitted and fixed. A flange portion 3 </ b> A is formed at the other end of the shaft 3 that is not fixed to the rotor hub 2. An annular magnet 10 is attached to the inner peripheral portion of the outer cylindrical wall of the rotor hub 2 surrounding the stator core 7 so as to face the outer peripheral portion of the stator core 7. On the inner side of the top surface portion of the rotor hub 2, an inner cylindrical wall 11 surrounding the outer peripheral portion of the tip end of the bearing sleeve 6 fixed to the base 4 is formed. A magnetic attraction plate 12 is attached to the base 4 so as to face the magnet 10 attached to the rotor hub 2, and the rotor hub 2 is urged toward the base 4 by magnetic force.

次に、軸受スリーブ６によってシャフト３を回転可能に軸支持する流体動圧軸受１４について説明する。シャフト３と軸受スリーブ６との間の軸受面には、僅かな隙間が形成されている。また、シャフト３と軸受スリーブ６との軸受面のいずれか一方には、へリングボーン形状又はスパイラル形状等の動圧発生溝（図示せず）が形成されている。シャフト３、軸受スリーブ６及びロータハブ２間の隙間、並びに、軸受スリーブ６に設けられた潤滑油通路１３には、潤滑油が充填、保持されており、シャフト３が回転すると、動圧発生溝のポンピング作用により、シャフト３と軸受スリーブ６との間に介在する潤滑油が加圧されて動圧力を生じ、シャフト３が軸受スリーブ６に対して、ラジアル方向及びスラスト方向に非接触状態で浮動支持される。このとき、潤滑油の動圧力によって生じるスラスト力と、磁気吸引板１２による吸引力とがバランスすることにより、シャフト３が安定的に浮動支持される。   Next, a fluid dynamic pressure bearing 14 that rotatably supports the shaft 3 by the bearing sleeve 6 will be described. A slight gap is formed on the bearing surface between the shaft 3 and the bearing sleeve 6. Further, a dynamic pressure generating groove (not shown) having a herringbone shape or a spiral shape is formed on one of the bearing surfaces of the shaft 3 and the bearing sleeve 6. The clearance between the shaft 3, the bearing sleeve 6 and the rotor hub 2, and the lubricating oil passage 13 provided in the bearing sleeve 6 are filled and held with lubricating oil. When the shaft 3 rotates, the dynamic pressure generating groove Due to the pumping action, the lubricating oil interposed between the shaft 3 and the bearing sleeve 6 is pressurized to generate dynamic pressure, and the shaft 3 floats and supports the bearing sleeve 6 in the radial and thrust directions without contact. Is done. At this time, the thrust force generated by the dynamic pressure of the lubricating oil and the attractive force by the magnetic attraction plate 12 are balanced, so that the shaft 3 is stably floated and supported.

軸受スリーブ６は、例えばステンレス鋼や銅合金等で形成され、軸受スリーブ６のシャフト３に対する軸受面となる内周面は、切削加工後にニッケルメッキが施され、更に、熱処理されて表面硬度がビッカース硬度８００〜９００まで高められる。また、表面の算術平均粗さがＲａ０．１μｍ以下となるように研磨加工によって仕上げられている。本実施形態の軸受スリーブ６の内周面は、精密仕上げ用の適当な砥石を用いたいわゆる超仕上げが施されているが、上述した必要な表面粗さが得られれば、他の仕上げ方法によって仕上げてもよい。軸受スリーブ６の内周面は、切削加工、ニッケルメッキ処理、熱処理、研磨加工の順で仕上げられているが、前述のビッカース硬度及び算術平均粗さＲａが得られれば、切削後に研磨加工を行ってさらに熱処理後に研磨加工を行ってもよいし、あるいは、熱処理後の研磨加工を省略してもよい。   The bearing sleeve 6 is made of, for example, stainless steel or a copper alloy, and the inner peripheral surface serving as a bearing surface for the shaft 3 of the bearing sleeve 6 is subjected to nickel plating after cutting, and further subjected to heat treatment to have a surface hardness of Vickers. The hardness is increased to 800-900. Further, the surface is finished by polishing so that the arithmetic average roughness of the surface is Ra 0.1 μm or less. The inner peripheral surface of the bearing sleeve 6 of the present embodiment is so-called superfinished using an appropriate grinding wheel for precision finishing, but if the necessary surface roughness described above is obtained, other finishing methods can be used. You may finish it. The inner peripheral surface of the bearing sleeve 6 is finished in the order of cutting, nickel plating, heat treatment, and polishing. If the above-mentioned Vickers hardness and arithmetic average roughness Ra are obtained, polishing is performed after cutting. Further, the polishing process may be performed after the heat treatment, or the polishing process after the heat treatment may be omitted.

ニッケルメッキ層は、無電解ニッケルメッキ処理によって形成しているが、所望の膜厚が得られれば、電解メッキ等の他のメッキ方法によって形成してもよい。また、動圧発生溝を軸受スリーブ６の内周面に形成する場合、動圧発生溝の加工は、ニッケルメッキ処理後に行っている。これは以下の理由からである。すなわち、軸受スリーブ６の材質がＰｂ成分を含む場合、電解加工によって動圧発生溝を形成する際に、電解定数が大きいＰｂ成分が他の金属よりも早く溶解して除去されてしまう。その溶解の跡が表面上に凹部として残ってしまい、結果として電解加工面すなわち軸受面の表面粗さが悪化することになる。しかしながら、本実施形態のようにメッキ処理後に動圧発生溝を形成すれば、上記凹部は形成されることはなく、表面粗さを悪化させることは起こらない。したがって、軸受面の摩耗がさらに低減され、スピンドルモータの長寿命化が図られる。   The nickel plating layer is formed by electroless nickel plating, but may be formed by other plating methods such as electrolytic plating as long as a desired film thickness is obtained. When the dynamic pressure generating groove is formed on the inner peripheral surface of the bearing sleeve 6, the dynamic pressure generating groove is processed after nickel plating. This is for the following reason. That is, when the material of the bearing sleeve 6 includes a Pb component, when the dynamic pressure generating groove is formed by electrolytic processing, the Pb component having a large electrolytic constant is dissolved and removed earlier than other metals. The trace of the dissolution remains as a recess on the surface, and as a result, the surface roughness of the electrolytically processed surface, that is, the bearing surface is deteriorated. However, if the dynamic pressure generating groove is formed after the plating process as in the present embodiment, the concave portion is not formed, and the surface roughness does not deteriorate. Therefore, the wear of the bearing surface is further reduced, and the life of the spindle motor is extended.

次に、軸受スリーブ６の内周面に対して潤滑油を用いたピンオンディスク（Ｐｉｎ−ｏｎ−Ｄｉｓｋ）摩耗試験を行った試験結果について、図２及び図３を参照して説明する。
試験条件は、次のとおりである。
荷重：１０００ｇ、ピン直径：１０ｍｍ、回転数：１９０ＲＰＭ、オイル量：２μｌ、試験時間：８．５分 Next, test results of a pin-on-disk wear test using lubricating oil on the inner peripheral surface of the bearing sleeve 6 will be described with reference to FIGS. 2 and 3.
The test conditions are as follows.
Load: 1000 g, pin diameter: 10 mm, rotation speed: 190 RPM, oil amount: 2 μl, test time: 8.5 minutes

図２は、ピンオンディスク摩耗試験において、軸受スリーブ６の内周面の算術平均粗さがＲａ０．１を超える場合（Ｒａ０．６８程度）におけるビッカース硬度と摩耗深さとの関係を示している。図２から、ビッカース硬度８００〜９００の範囲において、摩耗深さが最も小さくなり、安定していることが分かる。したがって、算術平均粗さがＲａ０．１を超える場合でも、ビッカース硬度８００〜９００とすることにより、耐摩耗性を高めることができる。また、ビッカース硬度８００未満のときは、ビッカース硬度が８００〜９００の範囲のときよりも摩耗深さが大きくなっている。そして、ビッカース硬度８００〜９００の範囲で安定して高い耐摩耗性が得られるので、例えば、この中間値であるビッカース硬度８５０を目標値として熱処理条件を設定することにより、効率よく所望するビッカース硬度８００〜９００を得ることができる。   FIG. 2 shows the relationship between the Vickers hardness and the wear depth when the arithmetic average roughness of the inner circumferential surface of the bearing sleeve 6 exceeds Ra 0.1 (about Ra 0.68) in the pin-on-disk wear test. From FIG. 2, it can be seen that the wear depth is the smallest and stable in the range of 800 to 900 Vickers hardness. Therefore, even when the arithmetic average roughness exceeds Ra 0.1, the wear resistance can be improved by setting the Vickers hardness to 800 to 900. Further, when the Vickers hardness is less than 800, the wear depth is larger than when the Vickers hardness is in the range of 800 to 900. And since high abrasion resistance is stably obtained in the range of Vickers hardness 800-900, for example, Vickers hardness desired efficiently is set by setting heat treatment conditions with Vickers hardness 850 which is this intermediate value as a target value. 800-900 can be obtained.

図３は、ピンオンディスク摩耗試験において、軸受スリーブ６の内周面の算術平均粗さをＲａ０．１以下（Ｒａ０．０６程度）とした場合のビッカース硬度と摩耗深さとの関係を示している。図３から、ビッカース硬度８００〜９００の範囲において、摩耗深さが最も小さくなり、さらに安定していることが分かる。ビッカース硬度が８００未満又は９００を超えると、摩耗深さは増加する傾向を示している。したがって、ビッカース硬度を８００〜９００の範囲にして、算術平均粗さＲａ０．１μｍ以下とすることにより、耐摩耗性をより効果的に高めることができる。また、図２と図３との比較により、算術平均粗さＲａを０．１μｍ以下にすれば、摩耗深さを約１／１０に低減させて安定させることができるという顕著な効果があることが分かる。   FIG. 3 shows the relationship between the Vickers hardness and the wear depth in the pin-on-disk wear test when the arithmetic average roughness of the inner peripheral surface of the bearing sleeve 6 is Ra 0.1 or less (about Ra 0.06). . FIG. 3 shows that the wear depth is the smallest and more stable in the range of Vickers hardness 800 to 900. When the Vickers hardness is less than 800 or more than 900, the wear depth tends to increase. Therefore, by setting the Vickers hardness in the range of 800 to 900 and setting the arithmetic average roughness Ra to 0.1 μm or less, the wear resistance can be more effectively enhanced. In addition, by comparing FIG. 2 with FIG. 3, if the arithmetic average roughness Ra is 0.1 μm or less, the wear depth can be reduced to about 1/10 and stabilized. I understand.

１…スピンドルモータ、３…シャフト、６…軸受スリーブ、１４…流体動圧軸受   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Spindle motor, 3 ... Shaft, 6 ... Bearing sleeve, 14 ... Fluid dynamic pressure bearing

Claims (5)

軸受スリーブとシャフトとの間に潤滑油を介在させ、これらの相対回転によって潤滑油に生じる動圧力により、浮動状態で軸支持を行う流体動圧軸受において、
前記軸受スリーブの内周面は、ビッカース硬度が８００〜９００のニッケルメッキ層で覆われていることを特徴とする流体動圧軸受。 In the fluid dynamic pressure bearing that supports the shaft in a floating state by interposing lubricating oil between the bearing sleeve and the shaft, and the dynamic pressure generated in the lubricating oil by the relative rotation thereof,
The fluid dynamic bearing according to claim 1, wherein an inner peripheral surface of the bearing sleeve is covered with a nickel plating layer having a Vickers hardness of 800 to 900. 前記軸受スリーブの内周面の算術平均粗さが０．１μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の流体動圧軸受。   The fluid dynamic pressure bearing according to claim 1, wherein an arithmetic average roughness of an inner peripheral surface of the bearing sleeve is 0.1 μm or less. 前記ニッケルメッキ層は、無電解ニッケルメッキによって形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の流体動圧軸受。   The fluid dynamic pressure bearing according to claim 1, wherein the nickel plating layer is formed by electroless nickel plating. 請求項１から３のいずれか１項に記載の流体動圧軸受を有することを特徴とするスピンドルモータ。   A spindle motor comprising the fluid dynamic pressure bearing according to claim 1. 請求項４に記載のスピンドルモータを有することを特徴とするハードディスドライブ装置。   A hard disk drive apparatus comprising the spindle motor according to claim 4.
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