JP3684317B2 - 磁気ディスク装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転型アクチュエータを備える磁気ディスク装置に係り、特に熱膨張による影響を低減して高密度記録を行うことができる回転型アクチュエータを備える磁気ディスク装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に磁気ディスク装置は、図１に示す如く、データが記録再生される磁気ディスク５と、ピボットベアリング２を中心に揺動するキャリッジ３の先端に設けられた磁気ヘッド４と、ローレンツ力をコイル７に流す電流を用いて制御することによりキャリッジ３を回動するＶＣＭ（ボイス・コイル・モータ）６とを備え、該ＶＣＭ６がキャリッジ３を回動することにより磁気ヘッド４を磁気ディスク５上の任意のトラックに位置づけた状態でデータの記録再生を行う様に構成されている。
【０００３】
このＶＣＭ６の制御性は、アクチュエータの構造によって固有の共振周波数に影響を受け、制御方向である揺動方向の最も低い共振周波数（主共振周波数）が高ければ高いほど制御性能が向上することが知られている。
【０００４】
このアクチュエータの構造は、図２（ａ）に示す如く、回転中心となる円柱状のシャフト２３と、円筒状のスリーブ２１と、該シャフト２３の上下位置に内輪２２１が嵌合され、ベアリング玉２２３を介した外輪２２２がスリーブ２１の内側に嵌合される一対のベアリング２２と、前記スリーブ２１と嵌合し且つ一端に磁気ヘッド、多端にコイルを持つキャリッジ３とから構成される。 また前記ベアリング２２は、図２（ａ）のＡ部を拡大した図２（ｂ）に示す如く、ベアリング外輪２２２とベアリング内輪２２１の内側に設けられた両凹部にベアリング玉２２３が填められ、前記ベアリング外輪２２２が図中の上側向かう力が加えられた与圧が掛けられた状態で取り付けられている。
【０００５】
この様に構成されたアクチュエータでの揺動方向は、ベアリング２２の剛性が最も低くなるため、ベアリング２２の剛性をバネ及びアクチュエータの可動部の質量をマスとした、バネ−マス系が持つ固有振動数が主共振振動となり、これは図３に示すモデルとして表すことができる。
【０００６】
図３中に示す如くバネのバネ定数をｋ、マスの質量をｍとした場合、バネと固定部を繋ぐシャフトの剛性が十分高いときは、固有振動数ｆはｆ＝１／２／π×√（ｋ／ｍ）となる。従って、このアクチュエータは、質量ｍ、即ちアクチュエータの可動部の質量を低減することにより、制御性を向上することができることが判る。またシャフトの剛性が低いときは、シャフトの剛性も主共振周波数に影響する。
【０００７】
ここで一般に磁気ディスク装置用に使用されるベアリング２２の部品（軌道輪、転動体）は、剛性の高さや耐食性からステンレスを用いることが多いが、従来は、スリーブ２１とベアリング２２及びシャフト２３の線膨張係数の差異により生じるピボットベアリングの温度変化による与圧変化を避けるため、スリーブ２１とシャフト２３にはベアリング２２と同一の材料が多く用いられている。
【０００８】
このアクチュエータの構造は、前記与圧が低下するとベアリング２２の剛性（内外輪とベアリング玉の押圧力）が低下して主共振周波数が低下し、他方与圧が上昇するとベアリング２２の寿命が（内外輪とベアリング玉の押圧力が高くなる為）低下する特性を持ち、このためベアリング２２の与圧変化はアクチュエータの性能を低下させることが知られている。従って従来のアクチュエータは、アクチュエータの可動部の一部であるスリーブ２１の材質をステンレスより比重の軽いものにすることができないものであった。
【０００９】
尚、前述の回転型アクチュエータに関する技術が記載された文献としては、特開平８−９３７５８号公報が挙げられ、この公報には、スリーブの線膨張係数をシャフトの線膨張係数より積極的に大きくして温度上昇時にベアリングの与圧を上げることが記載されている。しかしながら当該技術は、温度変化時のベアリングのグリース粘性変化による回転トルクの減少を相殺する効果はあるものの、主共振周波数の低下、ベアリング寿命の低下に対しては考慮していないものであった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
前述の様に回転型アクチュエータは、ピボットベアリングのスリーブの材料とシャフトの材料を異種にした場合、材質の違いによる線膨張係数差から発生する温度変化時のベアリングの与圧変化が生じ、例えば与圧が低下して剛性が低下することによる制御性が低下することや、与圧が上昇してベアリングの寿命が低下すると言う不具合があった。このため従来の回転型アクチュエータは、スリーブの材質をステンレスより比重の軽いものにすることができず、全体を軽量化して制御性を向上することが困難であると言う不具合があった。
【００１１】
本発明の目的は、前記従来技術による不具合を除去することであり、アクチュエータ揺動部の軽量化によりヘッド位置決め制御性を向上させ、高精度、大容量の磁気ディスクを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明は、磁気ディスクと、該磁気ディスクにデータの書込読出を行う磁気ヘッドと、該磁気ヘッドを一端に保持してピボットベアリングを回転中心として揺動するキャリッジとを備え、前記ピボットベアリングが、円筒状のスリーブと、該スリーブの内側に嵌合する外輪とベアリング玉と内輪とから成るベアリングと、該ベアリングの内輪と外側が嵌合し、固定軸となるシャフトとから構成される磁気ディスク装置において、前記ベアリングの内輪及び外輪との間にシャフトの軸方向の与圧を与えると共に、スリーブの比重をシャフトの比重より低くしたことを第１の特徴とする。
【００１３】
また本発明は、磁気ディスク装置において、ベアリングの内輪及び外輪との間にシャフトの軸方向の与圧を与えると共に、前記シャフトとスリーブの軸方向の熱膨張差による前記与圧の変化量と、シャフトとスリーブの半径方向の熱膨張差による前記与圧の変化量とが相殺される様に構成したことを第２の特徴とする。
【００１４】
更に本発明は、前記特徴の磁気ディスク装置において、前記ピボットベアリングのシャフトのヤング率を、スリーブのヤング率より大きくしたことを第３の特徴とし、更に前記ピボットベアリングのシャフトの材質がステンレス、且つスリーブの材質がアルミニウムであることを第４の特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に本発明の一実施形態による磁気ディスク装置を説明するものであるが、まず、本発明の原理を図４に示すモデルを参照して説明する。図４は、回転型アクチュエータにおけるシャフト２３／外輪２２２、ベアリング玉２２３、内輪２２１から成るベアリング２２／スリーブ２１の関係を示す図である。
【００１６】
このピボットベアリングを構成するシャフト２３／ベアリング２２／スリーブ２１が全て同一の材質で線膨張係数が等しく、温度が上昇した場合を考えると、本構造では、軸方向に発生するシャフトの熱膨張量ΔＡとスリーブの熱膨張量ΔＢの量が等しいため、ベアリングの内輪２２１と外輪２２２との相対位置差が発生しないと共に、半径方向に発生するシャフトの熱膨張量Δａとスリーブの熱膨張量Δｂの差も変わらないため、与圧がほぼ変化しないことが判る。
【００１７】
ここで、シャフト２３とスリーブ２１の材質が異り、且つスリーブ２１の線膨張係数がシャフト２３の線膨張係数より高く、ベアリング玉２２３の接触角度αが正（つまり内輪に対して外輪が軸の外側に向かうＰの方向に与圧がかかっているとき）、且つ温度が上昇した場合を考える。
【００１８】
この条件における構造では、軸方向に対してはシャフト熱膨張量ΔＡがスリーブの熱膨張量ΔＢより大きくなるため与圧が低下し、反対に半径方向に対してはシャフトの熱膨張量Δａがスリーブの熱膨張量Δｂより大きくなるため与圧が上昇し、これら与圧変化は相殺される傾向になる。換言すれば、シャフト２３とスリーブ２１の熱膨張量差によりシャフト２３がスリーブ２１に比べて伸び、これによりベアリング玉２２３と内輪２２１との接触角度αが少なくなることにより外輪とベアリング玉との押圧力が減って与圧Ｐが低減する方向に働くものの、半径方向に対してはシャフトがスリーブと比して大きく伸びて与圧する方向に働き、これら両与圧変化が相殺される傾向になる。
【００１９】
具体的に説明すると、ベアリング玉２２３の内外輪への接触角度α、シャフト２３とスリーブ２１の線膨張係数、ベアリングのサイズ、ピッチおよび、シャフト、スリーブの構造を考慮すると、（ΔＡ−ΔＢ）ｔａｎα−（Δａ−Δｂ）の値が、使用温度範囲と必要な与圧変化量から決まる値より充分小さくなるようにすれば温度変化による与圧変化を吸収することができ、これによりシャフトとスリーブので異なった材料を使用することが可能となる。
【００２０】
上記構成及び条件によりシャフトの剛性を保持しつつスリーブの軽量化が可能となり、制御性に最も影響を与える主共振周波数は図３のモデルに示される系の固有振動数であり、固有振動数ｆはベアリングのバネ定数をｋ、アクチュエータ可動部の質量をｍとすると、ｆ＝１／２／π×√（ｋ／ｍ）で表すことができる。
【００２１】
この式は、アクチュエータの可動部質量の平方根に反比例して主共振振動数が上昇することを表している。例えば、従来の材質が、比重７．８×１０−６［ｇ／ｍｍ２］のステンレスＳＵＳ４３０Ｆ製のスリーブであり、該スリーブの質量が全体の４５％を占め、主共振周波数が３.４ｋＨｚであったとすると、スリーブの比重と主共振振動数の関係は図５に示す如く、スリーブの材質を比重２.７×１０−６［ｇ／ｍｍ２］のアルミニウムに変えた場合、主共振振動数は４ｋＨｚに向上する。
【００２２】
この様に本発明においては、ピボットベアリングのスリーブの比重をシャフトの比重より低くすること、具体的にはピボットベアリングのシャフトの軸方向の熱膨張量をΔＡ、半径方向の熱膨張量をΔａ、スリーブの軸方向の熱膨張量をΔＢ、半径方向の熱膨張量をΔｂ、ベアリング玉の接触角度をαとした場合、（ΔＡ−ΔＢ）ｔａｎα≒（Δａ−Δｂ）の関係にすることにより、主共振振動数を高くしてヘッドの位置決め制御の周波数帯域を上げ、位置決め精度を向上することができる。また本発明によれば、前記位置決め精度の向上により、シーク性能および記録密度を向上し、アクチュエータ可動部の慣性モーメントも低減されるのでシークタイムも短縮することができる。更に、与圧の変化を抑えるピボットベアリングの構造により、スリーブにシャフトより比重の軽い異種の材料を使用することが可能になり、アクチュエータ揺動部の質量を低減し、かつシャフトの剛性を高くすることができる。
【００２３】
以下、本発明の一実施形態による磁気ディスク装置のアクチユエータ構造を図面を参照して説明する。本実施形態によるアクチュエータ構造の概略は、図２（ａ）に示した如く、磁気ヘッド４を一端に支持し且つ他端にコイル７を持つキャリッジ３と、該キャリッジ３を回転的に支持するピボットベアリング２とにより構成される。このピボットベアリング２は、回転中心となる円柱状のシャフト２３と、円筒状のスリーブ２１と、該シャフト２３の上下位置に内輪２２１が嵌合され、ベアリング玉２２３を介した外輪２２２がスリーブ２１の内側に嵌合される一対のベアリング２２と、前記スリーブ２１と止めネジ９により固定され且つ一端に磁気ヘッド、他端にコイルを持つキャリッジ３とから構成される。
【００２４】
また前記ベアリング２２は、図２（ｂ）に示す如く、ベアリング外輪２２２とベアリング内輪２２１の内側に設けられた両凹部にベアリング玉２２３が填められ、前記ベアリング外輪２２２が図中の上側に向かう力の与圧Ｐが掛けられた状態で取り付けられている。即ち、ベアリング２２は、製造段階において、内輪２２１の間隔が外輪２２２の間隔に対して広くなる方向に力をかけた状態で内輪２２１とシャフト２３を、また外輪２２２とスリーブ２１を接着固定し、初期的に与圧Ｐが掛けられている。
【００２５】
特に本実施形態におけるシャフト２３の材質は、ステンレスＳＵＳ３０３、スリーブ２１の材質は、アルミニュウムＡ６０６１−Ｔ６となっている。尚、この材質はこれらに限定されるものではない。またピボットベアリング２は、止めネジ９によりキャリッジ３に押し付けられ固定されているが、ネジは頭付きネジ等によりピボットベアリングを引き込んで固定しても、接着により固定しても、圧入により固定しても良い。
【００２６】
このシャフト２３の線膨張係数は１７.３×１０−６［１／℃］、ヤング率は１９,７００［ｋｇｆ／ｍｍ２］、スリーブ２１の線膨張係数は２３.６×１０−６［１／℃］、ヤング率は７,０００［ｋｇｆ／ｍｍ２］であり、線膨張係数はスリーブ２１の方が大きく、ヤング率はシャフト２３の方が大きい材質を選定している。この様に本実施形態は、キャリッジを磁気ディスクの半径方向に移動可能にするシャフトと、１対のベアリング、スリーブの４部材からなるピボットベアリングにて構成される磁気ディスク装置において、前記ピボットベアリングのスリーブの比重をシャフトの比重より低くすると共に、ピボットベアリングのシャフトの軸方向の熱膨張量をΔＡ、半径方向の熱膨張量をΔａ、スリーブの軸方向の熱膨張量をΔＢ、半径方向の熱膨張量をΔｂ、またベアリング玉の接触角度をαとした場合、下記式を満足する構成した。
【００２７】
（ΔＡ−ΔＢ）ｔａｎα≒（Δａ−Δｂ）
この様に構成した磁気ディスク装置のアクチユエータ構造は、温度が上昇した場合、初期の与圧Ｐの方向から軸方向の与圧が上昇し、半径方向の与圧が低下する。また、温度が低下したときは反対に初期の与圧Ｐの方向から軸方向の与圧が低下し、半径方向の与圧が上昇する。これにより与圧変化は軸方向と半径方向で相殺され、全体の与圧変化は小さく抑えることができる。即ち、ピボットベアリングのスリーブの比重をシャフトの比重より低くすること、具体的にはピボットベアリングのシャフトの軸方向の熱膨張量をΔＡ、半径方向の熱膨張量をΔａ、スリーブの軸方向の熱膨張量をΔＢ、半径方向の熱膨張量をΔｂ、ベアリング玉の接触角度をαとした場合、（ΔＡ−ΔＢ）ｔａｎα≒（Δａ−Δｂ）の関係にすることにより、主共振振動数を高くしてヘッドの位置決め制御の周波数帯域を上げ、位置決め精度を向上することができる。
【００２８】
また、本実施形態によれば、スリーブの材質にアルミニウムを採用したことで、アクチュエータ可動部の質量を低減してシークタイムも短縮することができる。またシャフトにステンレスを採用したことでシャフトの剛性を従来と同等に保つことができると共に、スリーブとキャリッジの線膨張係数をほぼ等しくでき、スリーブとキャリッジの熱膨張の違いによる変形も抑えることができる。
【００２９】
尚、本発明は次に挙げる実施形態としても表すことができる。
＜実施形態１＞ 磁気ディスクを搭載するスピンドルと、回転する該スピンドルを支持するハウジングと、前記磁気ディスクに対する情報の書き込み及び読み出し動作を行う磁気ヘッドと、該磁気ヘッドを支持するキャリッジと、前記キャリッジを前記磁気ディスクの半径方向に移動可能にするシャフト、１対のベアリング、スリーブの４部材からなるピボットベアリングにて構成される磁気ディスク装置において、前記ピボットベアリングのスリーブの比重がシャフトの比重より低いことを特徴とする磁気ディスク装置。
【００３０】
＜実施形態２＞ 前記実施形態１に記載の磁気ディスク装置において、前記ピボットベアリングのシャフトの軸方向の熱膨張量をΔＡ、半径方向の熱膨張量をΔａ、スリーブの軸方向の熱膨張量をΔＢ、半径方向の熱膨張量をΔｂ、またベアリング玉の接触角度をαとした場合、
（ΔＡ−ΔＢ）ｔａｎα≒（Δａ−Δｂ）であることを特徴とする磁気ディスク装置。
＜実施形態３＞ 前記実施形態１或いは２に記載の磁気ディスク装置において、前記ピボットベアリングのシャフトの材質のヤング率がスリーブの材質のヤング率より大きいことを特徴とする磁気ディスク装置。
＜実施形態４＞ 前記実施形態１或いは２或いは３に記載の磁気ディスク装置において、前記ピボットベアリングのシャフトの材質がステンレスでスリーブの材質がアルミニウムであることを特徴とする磁気ディスク装置。
【００３１】
【発明の効果】
以上述べた如く本発明によれば、与圧の変化を抑えるピボットベアリング構造において、ピボットベアリングのスリーブの比重をシャフトの比重より低くすることにより、アクチュエータ揺動部の質量を低減し、かつシャフトの剛性を高くすることができる。従って、アクチュエータ揺動部の軽量化によりヘッド位置決め制御性を向上させ、高精度、大容量の磁気ディスクを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の対象となる磁気ディスク装置の構造を説明するための図。
【図２】本発明の一実施形態による磁気ディスク装置のアクチュエータを説明するための図。
【図３】本実施形態によるバネ−質量系モデルを説明するめたの図。
【図４】本実施形態によるピボットベアリングの温度変化による与圧変化を説明するための図。
【図５】本実施形態によるスリーブの比重と主共振周波数の関係を示す図。
【符号の説明】
１：磁気ディスク装置、２：ピボットベアリング、３：キャリッジ、４：磁気ヘッド、５：磁気ディスク、６：ＶＣＭ、７：コイル、２１：シャフト、２２：ベアリング、２３：スリーブ、２２１：ベアリング内輪、２２２：ベアリング外輪、２２３：ベアリング玉。

Claims (3)

1. 磁気ディスクと、該磁気ディスクにデータの書込読出を行う磁気ヘッドと、該磁気ヘッドを一端に保持してピボットベアリングを回転中心として揺動するキャリッジとを備え、前記ピボットベアリングが、円筒状のスリーブと、該スリーブの内側に嵌合する外輪とベアリング玉と内輪とから成るベアリングと、該ベアリングの内輪と外側が嵌合し、固定軸となるシャフトとから構成される磁気ディスク装置において、
   前記シャフトの軸方向の熱膨張量をΔＡ、半径方向の熱膨張量をΔａ、前記スリーブの軸方向の熱膨張量をΔＢ、半径方向の熱膨張量をΔｂ、前記ベアリング玉の接触角度をαとした場合、（ΔＡ−ΔＢ）ｔａｎα≒（Δａ−Δｂ）の関係を満たすよう、前記ベアリングの内輪及び外輪との間に前記シャフトの軸方向の与圧を与えると共に、前記スリーブの比重を前記シャフトの比重より低くしたことを特徴とする磁気ディスク装置。
2. 前記シャフトのヤング率を、前記スリーブのヤング率より大きくしたことを特徴とする請求項１記載の磁気ディスク装置。
3. 前記シャフトの材質がステンレス、且つ前記スリーブの材質がアルミニウムであることを特徴とする請求項１記載の磁気ディスク装置。

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