JP3700936B2

JP3700936B2 - 動圧軸受及びこの動圧軸受を用いたスピンドルモータ並びにこのスピンドルモータを備えた記録ディスク駆動装置

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Publication number: JP3700936B2
Application number: JP2002010949A
Authority: JP
Inventors: 覚袖岡
Original assignee: Nidec Corp
Current assignee: Nidec America Corp
Priority date: 2002-01-21
Filing date: 2002-01-21
Publication date: 2005-09-28
Anticipated expiration: 2022-01-21
Also published as: JP2003214426A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は作動流体としてオイルを使用する動圧軸受及びこの動圧軸受を用いたスピンドルモータ並びにこのスピンドルモータを備えたディスク駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ハードディスク等のディスク状記録媒体を回転駆動するために使用されるスピンドルモータは、ディスクの記憶容量の増大や記録ヘッドによるデータへのアクセス速度の向上にともない、これまでロータの回転を支持するための軸受手段として主に採用されてきたボールベアリングの限界性能近くにまで回転速度が高速化しつつあり、これに代わって回転時に動圧発生溝のポンピングアクションによってオイル等の作動流体に誘起される動圧を利用し、非接触状態でロータの回転を支持することが可能な動圧軸受が採用されるようになってきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような動圧軸受装置を備えたスピンドルモータにおいては、例えばスピンドルモータのステータの発熱によってモータ内部の空間が高温となると、オイルの粘度低下や動圧軸受部を構成する各部材の熱膨張係数の差異等による微小間隙の間隙寸法の変化が発生し、ロータの回転時に動圧発生用溝によって誘起される動圧が低下し、十分な軸受剛性を得ることができず、ロータの回転が不安定になるという問題がある。
【０００４】
オイルの粘度低下を防止しようとして粘度指数の高いオイルを使用すると、ロータの回転時に、動圧発生用溝のオイルに対する粘性抵抗が増加し、これが回転負荷として加わることとなるため、スピンドルモータの消費電力が増大する。
【０００５】
また、米国特許第5,664,889号に開示されるように、温度上昇時にラジアル軸受部において規定される間隙を縮小することで動圧の低下が防止されるよう、シャフトをスリーブよりも熱膨張係数の大きな部材から形成した動圧軸受装置も提案されている。しかしながら、ラジアル軸受部は、ロータの回転中の姿勢を保持するためにスラスト軸受部に規定される間隙の寸法よりも小に設定されているため、部材の熱膨張によって間隙寸法を正確に制御するのは困難である。従って、ラジアル軸受部側の間隙で、軸受部の構成によって温度変化による軸受特性変化に対する対策を行う場合、シャフトとスリーブとの接触による軸受面の損傷や焼付きを来すおそれがある。
【０００６】
本発明は、高温環境下においても十分な軸受剛性を確保することができると共に、部材の熱膨張による接触を回避することが可能な動圧軸受及びこの動圧軸受を用いたスピンドルモータ並びにこのスピンドルモータを備えたディスク駆動装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、シャフトと、該シャフトの一方の端部外周面から半径方向外方に向かって延設されるフランジ状のスラストプレートと、該シャフトの外周面との間にラジアル軸受部が構成される微小間隙を介して半径方向に対向する内周面と該スラストプレートの一方の面との間に一方のスラスト軸受部が構成される微小間隙を介して軸線方向に対向する一方の端面とを有する円筒状のスリーブと、内周面に該スリーブが嵌合固定される両端開放状の中空孔を規定するハウジングと、該中空孔の一方開口を閉塞し且つ該スラストプレートの他方の面との間に他方のスラスト軸受部が構成される微小間隙を介して軸線方向に対向する封止部材とを備えてなる動圧軸受において、前記シャフトの外周面と前記スリーブの内周面との間の微小間隙及び前記スラストプレートの一方の面と前記スリーブの一方の端面並びに前記スラストプレートの他方の面と前記封止部材との間の微小間隙にはオイルが保持されると共に、前記スラストプレートの一方の面と軸線方向に対向する前記スリーブの一方の端面とは軸線方向反対側に位置する他方の端面に隣接して、前記シャフトの外周面と前記スリーブの内周面との間の微小間隙が該スリーブの他方の端面側に向かって漸次拡大するテーパシール部が設けられており、前記スリーブは、前記テーパシール部の半径方向外方に位置する部位のみにおいて前記ハウジングに嵌合固定されると共に、前記スリーブの外周面と前記ハウジングの中空孔の内周面との間には、該嵌合部を除き隙間が形成されている。
【０００８】
すなわち、スリーブとハウジングとが嵌合部のみにおいて嵌合固定されており、嵌合部以外の領域には隙間が形成されているので、スリーブとハウジングとの嵌合部からスリーブのスラストプレートと対向する側の端面までの部位が、温度上昇時には、軸線方向に膨張することとなる。従って、オイルの粘度が高い低温時にはスラスト軸受部の隙間寸法を比較的に広くして粘性抵抗を抑制すると共に、オイルの粘度が低い高温時には、スラスト軸受部の隙間寸法を比較的に小さくすることで、軸受剛性を維持することが可能な構成となる。
【０００９】
また、スリーブとハウジングとの嵌合位置を、シャフトとスリーブとの間の隙間の半径方向の寸法が軸受部よりも大きいテーパシール部の外周側とすることによって、スリーブとハウジングとの嵌合時に発生する締結応力に起因して発生するスリーブの変形、歪み等の軸受部への悪影響を可能な限り排除する。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、前記シャフト並びに前記スラストプレートと前記スリーブとは熱膨張係数がほぼ同一の材料から形成されると共に、前記ハウジングは、前記シャフト並びに前記スラストプレートと前記スリーブを構成する部材の熱膨張係数よりも、大きな熱膨張係数を有する部材から形成されている。
【００１１】
シャフト並びにスラストプレートとスリーブとを熱膨張係数がほぼ同一の材料から形成することで、温度上昇時にもラジアル軸受部側の隙間寸法の変化量は僅かとなり、隙間寸法の小さなラジアル軸受部であっても部材の熱膨張による接触を回避することが可能となる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、前記シャフトの外周面と前記スリーブの内周面との間には、ラジアル軸受部が一対構成されており、該一対のラジアル軸受部の間には、前記スリーブ並びに前記ハウジングを半径方向に貫通し且つ前記スリーブの外周面と前記中空孔の内周面との間の隙間を介して外気に連通する連通孔が開口されると共に、前記スリーブの外周面と前記中空孔の内周面との間の隙間には、前記スリーブの一方の端面に近接して、前記隙間の半径方向の隙間寸法が前記スリーブの一方の端面から遠離るにしたがって漸次拡大する第２のテーパシール部が設けられているものである。
【００１３】
ハウジングの中空孔とスリーブとの嵌め合い構造によって、両スラスト軸受部の軸受端部から嵌合部に至る隙間が形成されることとなる。よって、一対のラジアル軸受部の間に、この隙間を介して外気に連通する連通孔を設けることによって、一対のラジアル軸受部の軸受端部と両スラスト軸受部の軸受端部とが外気に開放されることとなる。
【００１４】
軸受部へのオイル注入工程等にオイル内に気泡が混入する場合がある。オイル内に混入した気泡は、温度上昇や軸受外部環境の減圧等の要因によって体積膨張し、その結果、オイルが軸受部から外部に押し出され、オイル保持量の不足による軸受剛性の低下及びこれにともなう振れ回り特性の悪化といった問題が発生する。しかしながら、一対のラジアル軸受部の軸受端部と両スラスト軸受部の軸受端部とが外気に開放されることで、気泡がオイル内に滞留しても各軸受端部から排出可能な構成となる。また、スリーブのスラストプレート側端面に近接して第２のテーパシール部を設けることで、このシール部内に保持されるオイルが、軸受部に保持されるオイルの減少にともなって順次供給されることとなる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、ステータを保持するブラケットと、該ブラケットに対して相対回転するロータと、該ロータに固着され該ステータと協働して回転磁界を発生するロータマグネットと、該ロータの回転を支持する動圧軸受とを備えたスピンドルモータにおいて、前記動圧軸受は、請求項１乃至４のいずれかに記載した動圧軸受を用いたものである。
【００１６】
本発明の動圧軸受を軸受手段として用いることで、幅広い温度範囲で安定した軸受剛性が得られると共に、消費電力を抑制することが可能なスピンドルモータとなる。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、情報を記録できる円板状記録媒体が装着されるディスク駆動装置において、ハウジングと、該ハウジングの内部に固定され該記録媒体を回転させるスピンドルモータと、該記録媒体の所要の位置に情報を書き込み又は読み出すための情報アクセス手段とを有するディスク駆動装置であって、前記スピンドルモータとして、請求項５に記載したスピンドルモータを備えたものである。
【００１８】
本発明のスピンドルモータは、幅広い温度範囲で安定した軸受剛性を得ることが可能であると共に、消費電力量を抑制することが可能であることから、例えば外径がハードディスクを駆動するディスク駆動装置において好適に使用可能であるが、これに限定されず、ハードディスク等の固定式又はＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ等の着脱式の記録媒体を駆動するディスク駆動装置においても同様に使用可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態について図面を参照して説明するが、本発明は以下に示す実施例に限定されるものではない。
【００２０】
（第１の実施形態）
図１に図示されるスピンドルモータは、外周部にハードディスク（図５においてディスク板５３として示す）が保持されるロータハブ２と、このロータハブ２に取付けられるシャフト４と、シャフト４の自由端部（ロータハブ２に取付けられる側とは反対側の端部）の外周面から半径方向外方に延伸する円板状のスラストプレート６とから構成されるロータと、ブラケット８に設けられた円筒状ボス部８ａに中空円筒状のハウジング９を介して固定されるスリーブ１０とを有する。ハウジング９の内周面上端部には、半径方向内方に突出する嵌め合い部９ａが設けられており、この嵌め合い部９ａの内周面と、スリーブ１０の外周面上端部とが圧入固定されている。ハウジング９の内周面とスリーブ１０の外周面とは、嵌合部Ａのみにおいて相互に圧入固定されており、この嵌合部Ａ以外の領域では、ハウジング９の内周面とスリーブ１０の外周面との間に隙間Ｃが全周にわたって設けられている。尚、嵌合部Ａにおけるハウジング９とスリーブ１０と嵌合構造については、後に詳細に説明する。また、ロータハブ２の内面側には、ロータマグネット１２が接着等の手段によって取付けられ、ブラケット８にはこのロータマグネット１２と半径方向に対向してステータ１４が配置される。
【００２１】
スリーブ１０には、スリーブ１０を軸線方向に貫通する貫通孔１０ａが形成されており、シャフト４は、この貫通孔１０ａとの間に微小間隙を形成して挿通される。このスリーブ１０とスラストプレート６とはほぼ等しい外径を有しており、スリーブ１０の下端面はスラストプレート６の上側面との間に微小間隙を形成する。また、ハウジング９の下端部内周側には段部９ｂが設けられており、この段部９ｂには、ハウジング９の下端部側の開口を閉塞するスラストブッシュ１６が接着等の手段によって取付けられており、このスラストブッシュ１６は、スラストプレート６の下側面並びにシャフト４の自由端部側端面との間に隙間を形成している。
【００２２】
これら貫通孔１０ａの内周面とシャフト４の外周面との間に形成される微小間隙、スリーブ１０の下端面とスラストプレート６の上側面との間の微小間隙並びにハウジング９の内周面とスラストプレート６の外周面との間の隙間、更には、スラストブッシュ１６とスラストプレート６の下側面との間の隙間は、全て連続しており、これら連続する各隙間内には、オイルが途切れることなく保持されている。また、これら一連の間隙内に保持されるオイルは、毛細管現象によって、隙間Ｃ内にも浸入している。
【００２３】
嵌合部Ａの内周側に位置する貫通孔１０ａの内周面上端部は、シャフト４の外周面との間に形成される微小間隙の半径方向の隙間寸法が、ロータハブ２側に向かって漸次拡大するよう構成されたテーパ面１０ａ１が設けられており、このテーパ面１０ａ１とシャフト４の外周面との間にオイルと外気との界面が形成され、テーパシール部Ｓ１が形成される。尚、図１に図示される実施形態においては、上述のとおりシャフト４並びにスラストプレート６とスリーブ１０、ハウジング９及びスラストブッシュ１６との間に形成される各隙間には、オイルが途切れることなく連続して保持されており、オイルはテーパシール部Ｓ１内においてのみ外気と接している。
【００２４】
スリーブ１０の貫通孔１０ａの内周面には、テーパシール部Ｓ１に隣接して、回転方向に対して相反する方向に傾斜した一対のスパイラル溝を連結して構成される略「く」の字状のヘリングボーングルーブによる周状の動圧発生溝列１８ａが形成されており、シャフト４の外周面との間に上部ラジアル動圧軸受部１８が構成されている。
【００２５】
この動圧発生溝列１８ａにおけるヘリングボーングルーブは、テーパシール部Ｓ１側、つまりオイルの界面側に位置するスパイラル溝部が、スラストプレート６側に位置する他方のスパイラル溝部よりも軸線方向寸法が大に形成されており、他方のスパイラル溝部によるポンピング圧を上回るポンピング圧を発生する。この発生する動圧が軸線方向にアンバランスなヘリングボーングルーブによって、シャフト４の回転に応じて、スパイラル溝の連結部において発生する流体動圧が極大となり、必要な荷重支持圧を発生すると同時に、テーパシール部Ｓ１側のスパイラル溝部と他方のスパイラル溝部とのポンピング力のアンバランス量分、オイルに対して界面側からスラストプレート６側に向かって押し込む押し込み圧が生じる。この押し込み圧によって、上部ラジアル動圧軸受部１８で高められたオイル内圧がスラストプレート６側に伝播される。
【００２６】
また、スリーブ１０の貫通孔１０ａの内周面には、スリーブ１０の下端面に隣接して、ロータ６の回転時にオイルに流体動圧を誘起する、相反する方向に傾斜した一対のスパイラル溝を連結して構成される略「く」の字状のヘリングボーングルーブによる周状の動圧発生溝列２０ａが形成されており、シャフト４の外周面との間で下部ラジアル動圧軸受部２０が構成される。
【００２７】
下部ラジアル動圧軸受部２０に形成される動圧発生溝列２０ａにおけるヘリングボーングルーブは、各スパイラル溝部が実質的に同等のポンピング力を発生するよう、回転軸心に対する傾斜角度、溝深さ、全長及び幅寸法が略同一となる、
つまり、各スパイラル溝が連結部に対して線対称になるよう設定されている。従って、下部ラジアル動圧軸受部２０では、軸受部の軸線方向中央部（スパイラル溝の連結部）において発生する流体動圧が極大となり、オイルに対して軸線方向いずれかの方向に向かう押し込み圧を発生することはない。
【００２８】
スリーブ１０の下端面には、スパイラルグルーブによる動圧発生溝列２２ａがスラストプレート６と同心円状に形成されており、スラストプレート６の上側面との間に上部スラスト動圧軸受部２２が構成されている。この動圧発生溝列２２ａにおけるスパイラルグルーブは、スラストプレート６の回転に応じてオイルを半径方向内方、つまりシャフト４側に作用する動圧が発生するようポンプイン形状を有しており、動圧発生溝列２２ａによって発生した流体動圧によって、スラストプレート６がスリーブ１０の下端面から離間する方向に作用する軸支持力が得られる。
【００２９】
更に、スラストプレート６の下側面と軸線方向に対向する、スラストブッシュ１６の内面には、スパイラルグルーブによる動圧発生溝列２４ａがスラストプレート６と同心円状に形成されており、スラストプレート６の下側面との間に下部スラスト動圧軸受部２４が構成されている。この動圧発生溝列２４ａスパイラルグルーブは、上部スラスト動圧軸受部２２に形成される動圧発生溝列２２ａにおけるスパイラルグルーブと同様に、スラストプレート６の回転に応じてオイルを半径方向内方、つまりスラストプレート６の回転中心部側に作用する動圧が発生するよう、ポンプイン形状を有しており、動圧発生溝列２４ａによって発生した流体動圧によって、スラストプレート６がスラストブッシュ１６に対して浮上する。
【００３０】
各動圧軸受部１８，２０，２２及び２４に設けられる動圧発生溝列１８ａ，２０ａ，２２ａ及び２４ａの溝パターンを上記のとおりとすることによって、スピンドルモータの回転に応じて、上部及び下部ラジアル動圧軸受１８，２０では、動圧発生溝列１８ａ，２０ａによるポンピング力が高まり、ラジアル方向の荷重を支持するために必要な支持圧を発生すると同時に、上部ラジアル動圧軸受部では、軸線方向にアンバランスな形状を有するヘリングボーングルーブのポンピングによって、オイルに対して界面側からスラストプレート６側に作用する押し込み圧が生じる。
【００３１】
この上部ラジアル動圧軸受部１８で発生したオイルに対する押し込み圧によって、上部ラジアル動圧軸受部１８よりもスラストプレート６側に位置する間隙中に保持されるオイルの内圧が大気圧以上となり、連続して保持されるオイルのいずれの領域においても、負圧の発生が防止される。
【００３２】
（第２の実施形態）
次に図２を参照して本発明の第２の実施形態について、軸受部のみを示して説明するが、この図２に示す実施形態も、当然に図１に図示する如きスピンドルモータに適用可能である。また、上記第１の実施形態と実質上同じ構造を有する部位については同じ番号を付し、その説明を省略する。
【００３３】
図２に図示される第２の実施形態において、シャフト４’の外周面には、軸線方向略中央部付近に環状凹部４’ａが設けられている。この環状凹部４’ａは、軸線方向両端部側に向かって外径が漸次増加する一対のテーパ面を有しており、スリーブ１０’の貫通孔１０’ａの内周面との間に、それぞれ軸線方向の相反する方向を向く一対にテーパシール部Ｓ２，Ｓ３が形成される空気保持部２６が規定される。この空気保持部２６によって、シャフト４’の外周面と貫通孔１０’ａとの間に形成される形成される微小間隙に保持されるオイルは、軸線方向に分断されることとなる。尚、貫通孔１０’ａの上端部には、第１の実施形態と同様にテーパ面１０’ａ１が設けられており、シャフト４’の外周面との間にテーパシール部Ｓ１が形成されている。
【００３４】
ハウジング９’の内周面とスリーブ１０’の外周面とは、テーパシール部Ｓ１の外周部に位置する嵌合部Ａ’のみにおいて相互に圧入固定されており、この嵌合部Ａ’以外の領域では、ハウジング９’の内周面とスリーブ１０’の外周面との間に隙間Ｃ’が全周にわたって設けられている。この嵌合部Ａ’では、ハウジング９’の内周面上端部から半径方向内方に突出する嵌め合い部９’ａの内周面と、スリーブ１０’の外周面上端部とが圧入固定されているが、その詳細については、上記第１の実施形態における嵌合構造と併せて後に詳述する。
【００３５】
スリーブ１０’には空気保持部２６に開口するように半径方向の貫通孔２８ａが設けられており、またこのスリーブ１０’が嵌合固定されるハウジング９’にも貫通孔２８ａに連続する貫通孔２８ｂが設けられている。これら貫通孔２８ａ，２８ｂは、空気保持部に保持される空気を隙間Ｃ’を介して外気に連通する連通孔２８を構成している。この連通孔２８によって、テーパシール部Ｓ１とテーパシール部Ｓ２との間に保持されるオイルは、両端界面がともに等しい空気圧に晒されることとなりバランスする。
【００３６】
テーパシールＳ３よりも軸線方向下部側に位置するシャフト４’と貫通孔１０’ａの内周面との間の微小間隙、スリーブ１０’の下端面とスラストプレート６の上側面との間の微小間隙並びにハウジング９’の内周面とスラストプレート６の外周面との間の隙間、更には、ハウジング９’の下端部開口に設けられた段部９’ｂに接着等の手段によって取付けられることでこれを閉塞するスラストブッシュ１６とスラストプレート６の下側面との間の隙間は連続しており、これら連続する各隙間内には、オイルが途切れることなく保持されている。また、これら連続する一連の隙間内に保持されるオイルは、後に説明するとおり隙間Ｃ’の一部にも毛細管現象によって浸入し、保持されている。
【００３７】
スリーブ１０’の外周面には、ハウジング９’の内周面との間に形成される隙間Ｃ’がスリーブ１０’の下端面から遠離るにつれて漸次拡大するよう、テーパ面１０’ａ２が設けられている。尚、このテーパ面１０’ａ２は、スリーブ１０’の下端面に近接して設けられている。
【００３８】
上記したとおり、スリーブ１０’の外周面とハウジング９’の内周面との間に形成される隙間Ｃ’は、空気保持部２６と外気とを連通する連通孔２８を構成する貫通孔２８ａ，２８ｂに連結しており、貫通孔２８ａ，２８ｂ間に介在する隙間Ｃ’内にも空気が保持されている。従って、毛細管現象によって隙間Ｃ’内に浸入したオイルは、テーパ面１０’ａ２において連通孔２８によって取り込まれた空気との界面が形成され保持される。つまり、このテーパ面１０’ａ２とハウジング９’の内周面との間にテーパシール部Ｓ４が形成されることとなる。
【００３９】
すなわち、空気保持部２６の軸線方向下部側に位置するテーパシール部Ｓ３とこのテーパシールＳ４との間に保持されるオイルは、テーパシール部Ｓ３及びＳ４において同じ空気圧に晒されることとなり、バランスする。
【００４０】
テーパシール部Ｓ１及びＳ２間に位置するスリーブ１０’の貫通孔１０’ａの内周面には、回転時にオイルに流体動圧を誘起する、相反する方向に傾斜した一対のスパイラル溝を連結して構成される略「く」の字状のヘリングボーングルーブによる周状の動圧発生溝列１８’ａが形成されており、シャフト４’の外周面との間で上部ラジアル動圧軸受部１８’が構成される。
【００４１】
上部ラジアル動圧軸受部１８’に形成される動圧発生溝列１８’ａにおけるヘリングボーングルーブは、各スパイラル溝部が実質的に同等のポンピング力を発生するよう、回転軸心に対する傾斜角度、溝深さ、全長及び幅寸法が略同一となる、つまり、各スパイラル溝が連結部に対して線対称になるよう設定されている。従って、上部ラジアル動圧軸受部１８’では、軸受部の軸線方向中央部（スパイラル溝の連結部）において発生する流体動圧が極大となる。
【００４２】
また、テーパシール部Ｓ３と下端面との間に位置するスリーブ１０’の貫通孔１０’ａの内周面には、回転方向に対して相反する方向に傾斜した一対のスパイラル溝を連結して構成される略「く」の字状のヘリングボーングルーブによる周状の動圧発生溝列２０’ａが形成されており、シャフト４’の外周面との間に下部ラジアル動圧軸受部２０’が構成されている。
【００４３】
この動圧発生溝列２０’ａにおけるヘリングボーングルーブは、テーパシール部Ｓ３側、つまりオイルの界面側に位置するスパイラル溝部が、スラストプレート６側に位置する他方のスパイラル溝部よりも軸線方向寸法が大に形成されており、他方のスパイラル溝部によるポンピング圧を上回るポンピング圧を発生する。この発生する動圧が軸線方向にアンバランスなヘリングボーングルーブによって、回転時にはスパイラル溝の連結部において発生する流体動圧が極大となり、必要な荷重支持圧を発生すると同時に、テーパシール部Ｓ３側のスパイラル溝部と他方のスパイラル溝部とのポンピング力のアンバランス量分、オイルに対して界面側からスラストプレート６側に向かって押し込む押し込み圧が生じる。この押し込み圧によって、下部ラジアル動圧軸受部２０’で高められたオイル内圧がスラストプレート６側に伝播される。
【００４４】
スリーブ１０’の下端面には、スパイラルグルーブによる動圧発生溝列２２’ａがスラストプレート６と同心円状に形成されており、スラストプレート６の上側面との間に上部スラスト動圧軸受部２２’が構成されている。この動圧発生溝列２２’ａにおけるスパイラルグルーブは、回転時にオイルを半径方向内方、つまりシャフト４’側に圧送する動圧が発生するようポンプイン形状を有している。既に説明したとおり、下部ラジアル動圧軸受部２０’では、軸線方向にアンバランスな形状のヘリングボーングルーブによる動圧発生溝列２０’ａによってスラストプレート６側へと伝播される圧力が誘起されており、この下部ラジアル動圧軸受部２０’側からスラストプレート６側に伝播される圧力と、上部スラスト動圧軸受部２２’の動圧発生溝列２２’ａによって誘起される半径方向内方に向かう動圧とによって、シャフト４’とスラストプレート６との角部、つまり下部ラジアル動圧軸受部２０’と上部スラスト動圧軸受部２２’との境界部において、動圧が極大となり、スラストプレート６がスリーブ１０’の下端面から離間する方向に作用する軸支持力が得られる。
【００４５】
更に、スラストプレート６の下側面と軸線方向に対向する、スラストブッシュ１６の内面には、スパイラルグルーブによる動圧発生溝列２４’ａがスラストプレート６と同心円状に形成されており、スラストプレート６の下側面との間に下部スラスト動圧軸受部２４’が構成されている。この動圧発生溝列２４’ａにおけるスパイラルグルーブは、上部スラスト動圧軸受部２２’に形成される動圧発生溝列２２’ａにおけるスパイラルグルーブと同様に、スラストプレート６の回転に応じてオイルを半径方向内方、つまりスラストプレート６の回転中心部側に作用する動圧が発生するよう、ポンプイン形状を有しており、スラストプレート６の中央部付近にて動圧が極大となる領域が現れる。この動圧発生溝列２４’ａによって発生した流体動圧によって、スラストプレート６がスラストブッシュ１６に対して浮上する。
【００４６】
各動圧軸受部１８’，２０’，２２’及び２４’に設けられる動圧発生溝列１８’ａ，２０’ａ，２２’ａ及び２４’ａの溝パターンを上記のとおりとすることによって、回転時には各軸受部の中央部（協働して軸支持する上部スラスト動圧軸受部２２’と下部ラジアル動圧軸受２０’では、その境界部）において動圧が極大となり、各テーパシール部Ｓ１乃至Ｓ４側に向かうにしたがって、順次低圧となる圧力勾配となる。従って、オイル内に気泡が混入した場合も、気泡は高圧側から低圧側へと移動することから、各各動圧軸受部１８’，２０’，２２’及び２４’から各テーパシール部Ｓ１乃至Ｓ４へと自ら移動して、排出される。
【００４７】
また、上記第２の実施形態においては、テーパシール部Ｓ４がスリーブ１０’の外周面に設けられていることから、各動圧軸受部と干渉することないので容積の確保が容易であり、オイルの体積や内圧の増減による界面の移動に対してテーパシール部Ｓ３とバランスしながら、十分に追随することができると共に、テーパシールＳ３よりも軸線方向下部側に位置するシャフト４’と貫通孔１０’ａの内周面との間の微小間隙、スリーブ１０’の下端面とスラストプレート６の上側面との間の微小間隙並びにハウジング９’の内周面とスラストプレート６の外周面との間の隙間、更には、ハウジング９’の下端部開口を閉塞するスラストブッシュ１６とスラストプレート６の下側面との間の一連の隙間内に保持されるオイルが、長期間の使用による蒸発等で減少した場合も、テーパシール部Ｓ４内に十分な量のオイルが貯えられているので、これがオイルリザーバとして機能し、軸受が長寿命化され、信頼性並びに耐久性が改善される。
【００４８】
（ハウジングとスリーブとの嵌合構造の詳細）
上記第１及び第２の実施形態における動圧軸受のハウジングとスリーブとの嵌合構造について実施例と比較例とを対照して詳細を説明する。尚、重複した記載を防ぐための、以下の説明では第１の実施形態における軸受部の構造を例に上げて説明するが、嵌合部の構造並びにハウジング並びにスリーブを構成する部材等については第２の実施形態もこれに同様である。
【００４９】
（実施例）
図３は、本発明における軸受部の一例である。尚、動圧軸受部の構成等については既に説明済みであるため番号を省略し、ハウジングとスリーブとの嵌合構造とその作用についてのみ説明する。
【００５０】
まず、ハウジング９の内周面の上端部には、内周面が半径方向内方に突出する環状の嵌め合い部９ａが形成されており、この嵌め合い部９ａの内周面と、テーパシール部Ｓ１の外周側に位置するスリーブ１０の外周面とが圧入され、嵌合部Ａ（本発明の第２の実施形態においては、嵌合部Ａ’）が構成される。尚、既に説明したとおり、ハウジング９の内周面とスリーブ１０の外周面との間は、嵌合部Ａよりも軸線方向下側の領域は全て隙間Ｃとなっており、接触していない。
【００５１】
この実施例において、シャフト４及びスラストプレート６をＳＵＳ３０４Ｓｅ等ＳＵＳ３００系の材料から形成する。このＳＵＳ３００系材料の熱膨張係数は、概ね１７．３×１０^-6である。また、スリーブ１０は、Ｃ５１９１等の銅系の材料から形成する。この銅系材料の熱膨張係数は、概ね１７．６×１０^-6である。更に、スリーブ１０が嵌合固定されるハウジング９をＳＵＳ４４０Ｃ等ＳＵＳ４００系の材料から形成する。このＳＵＳ４００系材料の熱膨張係数は、概ね１０．１×１０^-6である。従って、シャフト４並びにスラストプレート６とスリーブ１０とは熱膨張係数がほぼ同一の材料から形成されると共に、ハウジング９は、シャフト４並びにスラストプレート６とスリーブ１０を構成する部材の熱膨張係数よりも大きな熱膨張係数を有する部材から形成されることとなる。尚、ハウジング９とスリーブ１０との嵌合部である嵌合部Ａの下端からスリーブ１０の下端面までの軸線方向寸法、すなわち隙間Ｃの軸線方向寸法は１０ｍｍ、嵌合部Ａの下端からスラストブッシュ１６上面までの軸線方向寸法は１１．０２ｍｍ、スラストプレート６の肉厚（軸線方向の厚み寸法）は１ｍｍに設定されている。すなわち、上下スラスト動圧軸受部における微小間隙を意味する、スラストプレート６が軸線方向に移動可能な隙間として、０．０２ｍｍの隙間が形成されている。
【００５２】
（比較例）
図４に図示する軸受は、ハウジングａとスリーブｂとの嵌合部Ｂが、スリーブｂの軸線方向略中央部に位置する比較例であり、嵌合部Ｂの軸線方向両側には、ハウジングａの内周面とスリーブｂの外周面との間に、それぞれ隙間１及び隙間２が形成されている。尚、比較例における、嵌合構造以外の構成は図３に示す実施例と同様であり、シャフトｃ並びにスラストプレートｄ、スリーブｂ及びハウジングｃも、それぞれシャフト４及びスラストプレート６、スリーブ１０及びハウジング９と同じ材料から形成され、熱膨張係数についても同じ値である。また、各部の寸法関係も同一であるが、嵌合部Ｂの上端からスリーブｂの上端面までの軸線方向寸法、すなわち隙間１の軸線方向寸法と嵌合部Ｂの下端からスリーブｂの下端面までの軸線方向寸法、すなわち隙間２の軸線方向寸法とがそれぞれ５ｍｍづつである点並びに嵌合部Ｂの下端からスラストブッシュｅの上面までの軸線方向寸法が５．０２ｍｍである点のみ図３に示す本発明の実施例と異なる。
【００５３】
（比較）
上記構成の実施例及び比較例について、それぞれ６０゜Cの温度上昇があった場合の各寸法関係の変化を計算によって求めたところ、以下のような結果となった。
【００５４】
【表１】

つまり、実施例は比較例に比べてスラストプレート６が軸線方向に移動可能な隙間寸法が０．００２ｍｍ小さくなった。すなわち、上部及び下部スラスト動圧軸受部の微小間隙の寸法が、それぞれ０．００１ｍｍづつ小さくなったこととなる。
【００５５】
（考察）
上記スラストプレートが軸線方向に移動可能な隙間寸法の差は、ハウジングとスリーブとの嵌合部の位置の違いによるものであることが見て取れる。実施例の場合、嵌合部Ａがスリーブ１０の上端部に位置しているため、ハウジング９とスリーブ１０との熱膨張差によって、嵌合部Ａからスリーブ１０の下端面までの軸線方向寸法１０ｍｍ分の熱膨張が得られるのに対し、比較例では、嵌合部Ｂがスリーブｂの軸線方向中央部に位置しているため、嵌合部Ｂからスリーブｂの下端面までの軸線方向寸法５ｍｍ分の熱膨張しか得られなかったこととなる。実施例と比較例との熱膨張差０．００２ｍｍは、一見すると僅かな差でしかないように思われるが、スラスト動圧軸受部においては、通常０．００５ｍｍから０．００９ｍｍ程度の微小間隙しか形成されていないため、各軸受部で０．００１ｍｍ隙間寸法が小さくなるだけでも軸受剛性やオイルの粘性抵抗が大きく異なる。
【００５６】
また、実施例においては、テーパシール部Ｓ１の外周側に嵌合部Ａが位置するよう構成しているが、これは、テーパシール部では、軸受部を構成するシャフト４の外周面とスリーブ１０の貫通孔１０ａとの間に形成される微小間隙の隙間寸法に対して最大１０倍前後隙間寸法に設定されるためである。嵌合部Ａをテーパシール部Ｓ１の外周側、つまりスリーブ１０の上端部に配置することで、ハウジング９とスリーブ１０との熱膨張差によって、オイルの粘度が高く比較的に高い動圧を得やすい低温時にはスラスト動圧軸受部の微小間隙を比較的に広くし、オイルによる粘性抵抗を低減して軸受としての効率を向上することができると共に、オイルの粘度が低下して軸受剛性も低下する温度上昇時には、スラスト動圧軸受部の微小間隙の隙間寸法を比較的に狭くして、誘起する動圧を大きくして温度上昇による軸受特性の劣化分を補償することが可能になる。加えて、ハウジング９とスリーブ１０との圧入嵌合時に生じる締結応力やスリーブ１０とハウジング９との間の部材の熱膨張差に起因する熱応力により、スリーブ１０の内周面に変形、歪み等が生じた場合も、その変形分を吸収してシャフト４とスリーブ１０との接触を回避するという効果を奏することが可能となる。
【００５７】
更に、シャフト４とスリーブ１０とを熱膨張係数がほぼ同等の材料から形成することで、温度変化によらずラジアル動圧軸受部の微小間隙の隙間寸法を一定に維持し、軸受特性の変化が生じたり、あるいは隙間寸法が小さくなりすぎ、両部材間に接触が生じるといったことが防止される。また、外部衝撃の印加等によって万一シャフト４とスリーブ１０との接触が生じた場合も、両部材を異種金属材料から形成しておけば、焼き付き等が生じる懸念を可及的に小さくすることが可能となる。
【００５８】
尚、上記第２の実施形態の場合、既に説明したとおり、下部ラジアル動圧軸受部２０’に設けられた、テーパシール部Ｓ３側に位置するスパイラル溝部がスラストプレート６側に位置するスパイラル溝部よりも軸線方向寸法が大に設定されたアンバランスなヘリングボーングルーブによる動圧発生溝列２０’ａによって、回転時にオイルはテーパシール部Ｓ３側からスラストプレート６側に押し込まれ、また、上部スラスト動圧軸受部２２’に設けられたポンプイン形状のスパイラルグルーブによる動圧発生溝列２２’ａによって、回転時にオイルはスラストプレート６の外周側から内周側に押し込まれる。その結果、下部ラジアル動圧軸受部２０’と上部スラスト動圧軸受部２２’との境界部において動圧が極大となる。
【００５９】
このとき、下部ラジアル動圧軸受部２０’の動圧発生溝列２０’ａが、上部スラスト動圧軸受部２２’のスパイラルグルーブによる動圧発生溝列２２’ａよりも、ポンピング力の高いヘリングボーングルーブであることから、オイルの界面が下部ラジアル動圧軸受部２０’側に移動し、動圧発生溝列２０’ａのうちテーパシール部Ｓ３側にあるスパイラル溝部の一部は、空気中に露出した状態となる。
【００６０】
上記比較例のように、温度変化によってもスラストプレートが軸線方向に移動可能な隙間寸法、すなわち上下スラスト動圧軸受部の微小間隙の隙間寸法にあまり変化のない場合、オイルの粘度低下と動圧発生溝列の一部が空気中に露出することによって、温度上昇時には発生する動圧が低下し、軸受剛性の不足が懸念されることとなる。しかしながら、実施例のごとく、上部及び下部スラスト動圧軸受部２２’，２４’部に形成される微小間隙の寸法が、低温時には広く、また温度上昇時には狭くなるようスリーブ１０’が熱膨張することによって、上部スラスト動圧軸受部２２’では、温度上昇時には微小間隙が狭くなり、高い動圧を発生するようになる。
【００６１】
従って、温度の上昇とともに動圧発生溝列２０’ａによるオイルに対する押し込み圧が緩和され、オイルの界面の下部ラジアル動圧軸受部２０’側への移動が抑制されるので、動圧発生溝列２０’ａのうち空気中に露出する部分が少なくなり、発生する動圧の低下により軸受剛性が不足することはない。また、低温時には、上部スラスト動圧軸受部２２’の微小間隙が広くなるので、動圧発生溝列２２’ａの発生する動圧が低下し、下部ラジアル動圧軸受部２０’ではオイルに対する押し込み圧がより強く作用するので、テーパシール部Ｓ３側のオイル界面の移動量が大きくなり、動圧発生溝列２０’ａのうち空気中に露出する部分が多くなる。この場合、空気中に露出する部分が多くなることで、動圧発生溝列２０’ａのポンピング力は低下するが、低温時にはオイルの粘度が比較的に高いため、必要以上に発生する動圧が低下することはなく、むしろ、動圧発生溝列２０’ａとオイルとの接触面積が少なくなることから、オイルの粘性抵抗が抑制され、損失が低減されることとなる。
【００６２】
（ディスク駆動装置の構成）
図５に、一般的なディスク駆動装置５０の内部構成を模式図として示す。ハウジング５１の内部は塵・埃等が極度に少ないクリーンな空間を形成しており、その内部に情報を記憶する円板状のディスク板５３が装着されたスピンドルモータ５２が設置されている。加えてハウジング５１の内部には、ディスク板５３に対して情報を読み書きするヘッド移動機構５７が配置され、このヘッド移動機構５７は、ディスク板５３上の情報を読み書きするヘッド５６、このヘッドを支えるアーム５５及びヘッド５６及びアーム５５をディスク板５３上の所要の位置に移動させるアクチュエータ部５４により構成される。
【００６３】
このようなディスク駆動装置５０のスピンドルモータ５２として図１及び図２に示す実施形態の動圧軸受を有するスピンドルモータを使用することで、幅広い温度範囲において安定した回転精度を得つつも、消費電力量を抑制することが可能なディスク駆動装置５０とすることができる。
【００６４】
以上、本発明に従う動圧軸受及びこの動圧軸受を用いたスピンドルモータ並びにこのスピンドルモータを備えたディスク駆動装置の実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である。
【００６５】
例えば、上記各実施形態においては、ハウジング９，９’の内周面に半径方向内方に突出する環状の嵌め合い部９ａ，９’ａを設ける構成について説明したが、嵌め合い部はスリーブ１０，１０’の外周面上端部から半径方向外方に突出する構成とすることも可能である。
【００６６】
また、スリーブ１０，１０’については、シャフト４及びスラストプレート６を構成する部材とほぼ同一で且つハウジング９，９’を構成する部材よりも小さな熱膨張係数を有する部材から形成されていればよく、無垢の金属材だけではなく多孔質の焼結金属材から形成することも可能である。
【００６７】
更に、ブラケット８は、ディスク駆動装置のハウジング（図５において、ハウジング５１として示す）にネジ等の手段で固定されるが、ハウジングとブラケットとを一体化することで、このハウジングをブラケット８として用いることも可能である。
【００６８】
【発明の効果】
本発明の請求項１の動圧軸受では、嵌合時の締結応力に起因するスリーブの変形、歪み等の軸受部への悪影響を可能な限り排除することが可能になる。また、オイルの粘度が高い低温時にはスラスト軸受部の隙間寸法を比較的に広くして粘性抵抗を抑制すると共に、オイルの粘度が低い高温時には、スラスト軸受部の隙間寸法を比較的に小さくすることで、軸受剛性を維持することが可能となる。
【００６９】
本発明の請求項２の動圧軸受では、温度上昇時にもラジアル軸受部側の隙間寸法の変化量は僅かとなり、隙間寸法の小さなラジアル軸受部においても部材の熱膨張による接触を回避することが可能となる。また、シャフト並びにスラストプレートとスリーブとは熱膨張係数がほぼ同一の材料から形成されると共に、ハウジングをスリーブよりも大きな熱膨張係数を有する部材から形成することによる温度上昇時の熱応力に起因するスリーブの変形や歪み等は、ハウジングとスリーブとの嵌合部位をテーパシール部の外周側とすることで吸収され、軸受部に悪影響が生じることはない。
【００７０】
本発明の請求項３の動圧軸受では、オイル内に発生する気泡を各軸受端部から排出可能な構成となる。また、スリーブのスラストプレート側端面に近接して第２のテーパシール部を設けることで、このシール部内に保持されるオイルが、軸受部に保持されるオイルの減少にともなって順次供給されることとなるので、軸受を長寿命化し、信頼性並びに耐久性を改善することが可能となる。
【００７１】
本発明の請求項４のスピンドルモータでは、幅広い温度範囲で安定した軸受剛性が得られると共に、消費電力を抑制することが可能となる。
【００７２】
本発明の請求項５のディスク駆動装置では、幅広い温度範囲において安定した回転精度を得つつも、消費電力量を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にの第１の実施形態にかかる動圧軸受及びこれを用いたスピンドルモータの概略構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態にかかる動圧軸受の概略構成を示す断面図である。
【図３】本発明の実施例を説明するための断面図である。
【図４】本発明の比較例を説明するための断面図である。
【図５】ディスク駆動装置の内部構成を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
４，４’ シャフト
６スラストプレート
９，９’ ハウジング
１０，１０’ スリーブ
１６スラストブッシュ（封止部材）
１８，１８’，２０，２０’ ラジアル動圧軸受部
２２，２２’，２４，２４’ スラスト動圧軸受部
Ｓ１テーパシール部

Claims

シャフトと、該シャフトの一方の端部外周面から半径方向外方に向かって延設されるフランジ状のスラストプレートと、該シャフトの外周面との間にラジアル軸受部が構成される微小間隙を介して半径方向に対向する内周面と該スラストプレートの一方の面との間に一方のスラスト軸受部が構成される微小間隙を介して軸線方向に対向する一方の端面とを有する円筒状のスリーブと、内周面に該スリーブが嵌合固定される両端開放状の中空孔を規定するハウジングと、該中空孔の一方開口を閉塞し且つ該スラストプレートの他方の面との間に他方のスラスト軸受部が構成される微小間隙を介して軸線方向に対向する封止部材とを備えてなる動圧軸受において、
前記シャフトの外周面と前記スリーブの内周面との間の微小間隙及び前記スラストプレートの一方の面と前記スリーブの一方の端面並びに前記スラストプレートの他方の面と前記封止部材との間の微小間隙にはオイルが保持されると共に、前記スラストプレートの一方の面と軸線方向に対向する前記スリーブの一方の端面とは軸線方向反対側に位置する他方の端面に隣接して、前記シャフトの外周面と前記スリーブの内周面との間の微小間隙が該スリーブの他方の端面側に向かって漸次拡大するテーパシール部が設けられており、
前記スリーブは、前記テーパシール部の半径方向外方に位置する部位のみにおいて前記ハウジングに嵌合固定されると共に、前記スリーブの外周面と前記中空孔の内周面との間には、該嵌合部を除き隙間が形成されている、ことを特徴とする動圧軸受。
前記シャフト並びに前記スラストプレートと前記スリーブとは熱膨張係数がほぼ同一の材料から形成されると共に、前記ハウジングは、前記シャフト並びに前記スラストプレートと前記スリーブを構成する部材の熱膨張係数よりも大きな熱膨張係数を有する部材から形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の動圧軸受。
前記シャフトの外周面と前記スリーブの内周面との間には、前記ラジアル軸受部が一対構成されており、該一対のラジアル軸受部の間には、前記スリーブ並びに前記ハウジングを半径方向に貫通し且つ前記スリーブの外周面と前記中空孔の内周面との間の隙間を介して外気に連通する連通孔が開口されると共に、前記スリーブの外周面と前記中空孔の内周面との間の隙間には、前記スリーブの一方の端面に近接して、前記隙間の半径方向の隙間寸法が前記スリーブの一方の端面から遠離るにしたがって漸次拡大する第２のテーパシール部が設けられている、ことを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の動圧軸受。
ステータを保持するブラケットと、該ブラケットに対して相対回転するロータと、該ロータに固着され該ステータと協働して回転磁界を発生するロータマグネットと、該ロータの回転を支持する動圧軸受とを備えたスピンドルモータにおいて、
前記動圧軸受は、請求項１乃至３のいずれかに記載した動圧軸受であることを特徴とするスピンドルモータ。
情報を記録できる円板状記録媒体が装着されるディスク駆動装置において、ハウジングと、該ハウジングの内部に固定され該記録媒体を回転させるスピンドルモータと、該記録媒体の所要の位置に情報を書き込み又は読み出すための情報アクセス手段とを有するディスク駆動装置であって、
前記スピンドルモータは、請求項４に記載したスピンドルモータであることを特徴とするディスク駆動装置。