JP4599738B2

JP4599738B2 - モータ及びこれを備えたディスク装置

Info

Publication number: JP4599738B2
Application number: JP2001086577A
Authority: JP
Inventors: 啓司松本; 恭子横山
Original assignee: Nidec Corp
Current assignee: Nidec America Corp
Priority date: 2001-03-26
Filing date: 2001-03-26
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2021-03-26
Also published as: JP2002286038A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はモータ及びこれを備えたディスク装置に関し、より詳細には耐摩耗性に優れ、焼き付きの生じにくい流体動圧軸受を有するモータ及びこれを備えたディスク装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ハードディスク等の記録ディスクを回転駆動するディスク装置では、記録ディスクの高容量化に伴い高い振れ精度が要求され、また高速化に伴う音寿命の問題で、ボールベアリングから流体動圧軸受を使用する動きが高まっている。
【０００３】
この流体動圧軸受は相対回転可能なシャフトとスリーブ及びこれらの間に作動流体として介在される潤滑油並びにモータの回転時に潤滑油に動圧を誘起する動圧溝とから成る。尚、動圧溝は一般的にスリーブ側に設けられることが多い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
流体動圧軸受に使用するシャフトは、機械的強度、加工性、線材の入手のし易さ等からステンレス材、特にマルテンサイト系のスレンレス材が多く使用される。これに相対するスリーブ材には同じ理由からステンレス材が適しているが、スリーブにステンレス材を使用すると、同系組成の材料であるために接触・摺動時に凝着による焼き付きを生じ易い。そこでステンレス材に種々のコーティングを施したり、熱処理が施されているが、充分とは言えない。
【０００５】
また、スリーブには加工の容易さから銅系の材料を使用することも多いが、銅系材料を使用した場合には摩耗が大きく、経時的に振れ精度が悪くなったり、摩耗粉により潤滑油粘度が上昇し電流値が大きくなる恐れがある。
【０００６】
こうしたことから溝加工された銅系スリーブの表面にメッキを施すことも提案されているが、溝加工の際に生じる切削粉、バリ等が溝周辺に残留してメッキ表面にムラが生じたり、切削粉そのものがメッキされて突起が生じる。このようにして形成された突起は、硬度がステンレス材よりも高く、シャフトを傷つけたり正常な回転に異常を来したりする恐れがある。また異物や摩耗粉は、モータの回転時に動圧溝によるポンピングアクションで動圧発生部に集中することとなり、咬み込みによる焼き付きを起こしやすくなる。
【０００７】
また、転造等の機械加工による溝形成で生じる切削粉、バリは粘りがあって洗浄では容易に除去できず、溝内部は研磨も技術的に困難で且つ摩耗粉を逆に発生させることとなる。尚、電解加工による溝形成は、銅系材料にはイオン化しにくいことから適さず、シャープな形状の溝を形成することは難しい。
【０００８】
本発明はこのような従来の問題を鑑みてなされたものであり、優れた耐摩耗性を有するとともに、潤滑油中に金属粉等の異物が混入し動圧発生部に集中したとしても、この異物により引き起こされる焼き付きを防止でき、長期間にわたって優れた性能を維持することができる流体動圧軸受を有するモータ及びこれを備えたディスク装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明のモータは、スリーブ部材と、該スリーブ部材に対して相対回転自在である軸部材と、該スリーブ部材と該軸部材との間に充填された潤滑油とから構成される流体動圧軸受を有するモータにおいて、前記スリーブ部材は、銅、アルミニウム、マグネシウム及びこれらを主成分とする合金からなる基材と、該基材表面に、この基材より高い硬度の金属層と、を有し、前記基材の底面が露出するように前記金属層に動圧溝が形成されていることを特徴とするものである。
【００１０】
ここで使用される基材（金属素材）は、ステンレス材よりも硬度の低い、Ｈｖ１８０以下のものであれば良いが、加工性を含めた取り扱い易さ、コストの観点から、銅または銅合金が好ましい。
【００１１】
また基材の表面に設ける金属層は、硬度と加工性の面からニッケルもしくはニッケルを主成分とする合金が好ましく、充分な軸受特性と耐摩耗性並びに耐焼き付き性を得るために、金属層の膜厚は３〜１５μｍ、好ましくは５〜１０μｍの範囲に設定するのが良い。
【００１２】
この金属層は種々の方法で設けることができるが、均一性、コストの点からメッキにより形成することが推奨される。この場合のメッキは、無電解メッキあるいは電解メッキのいずれでも可能である。
【００１３】
さらに溝加工はメッキ層を完全に取り除き、底面に素材が露出するように行う必要があり、加工時に微細な切削粉、バリの発生しない電解加工によって行うのが好ましい。
【００１４】
さらに潤滑油中に切削粉等が混入し、動圧発生部に集中した際に、異物の許容体積を増し局部的な堆積を防止するために、動圧溝を加工した際に、潤滑油の流動方向下流側の端部または最も高い動圧が発生する動圧溝の屈曲部を連通するように、金属層を設ける前の基材に予め周回溝を設けることが好ましい。この周回溝の幅は金属層の形成時に完全に塞がれない範囲で且つ軸受特性に影響しない範囲であれば良い。
【００１５】
さらに本発明のディスク装置では、ハウジングと、このハウジングの内部に固定されるモータと、記録ディスクに情報の書き込み及び／又は読み出しを行う情報アクセス手段とを備えたディスク装置であって、前記記録ディスクを回転駆動するモータとして前記モータを用いることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について各図面を参照しながら説明する。
【００１７】
図１に、流体動圧軸受の一例を示す。図１に示すように、硬度Ｈｖ１８０以下である基材１上に基材１より硬度の高い金属層２を形成し、この金属層２に、基材１の表面が底面に露出するように動圧溝３を設けてスリーブを形成する。モータが回転すると、潤滑油は動圧溝３の流動方向下流側または屈曲部の方向に流動するため、潤滑油中に混入した金属粉等の異物が動圧発生部に集中して堆積する。対向するシャフトとの間の間隔が堆積した異物のために狭くなるあるいはシャフトとの間の間隙よりも大な異物が引っかかるとシャフトとスリーブとの接触や摺動が生じるが、そのような場合でも、動圧溝３の溝底面が軟らかいため異物が表面に埋め込まれるため焼き付きにまで到らない。一方、動圧溝３以外の基材表面には硬度の高い金属層２が形成されているため、長期間の使用によってもスリーブが摩耗することはない。尚、図１において、基材１の表面が露出する深さまで動圧溝３を形成しているが、さらに基材１にも動圧溝３を形成しても構わない。
【００１８】
シャフトの材料としては、機械的強度、加工性、線材の入手のし易さ等からステンレス材が適している。また、スリーブの基材１として使用している硬度Ｈｖ１８０以下の金属材料としては、銅、アルミニウム、マグネシウム等並びにこれらを主成分とする合金が挙げられるが、加工性を含めた取扱易さやコストの観点から銅または銅合金が好ましい。銅を主成分とする合金としては、例えばＺｎ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｐ、Ｂｅ等の元素を１または２以上配合しているものを挙げることができる。
【００１９】
また、スリーブの基材１の表面上に形成している硬度の高い金属層２の材料は特に限定されるものではないが、硬度と加工性の観点からニッケルまたはニッケルを主成分をする合金が好ましい。ニッケルを主成分とする合金にはＦｅ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｐ、Ｂ、Ｗ等のうち１または２以上の元素を配合している。
【００２０】
この金属層２を形成する方法としては、メッキ法、物理蒸着法、ＣＶＤ法等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。ただ、無電解メッキ法はニッケルまたはニッケルを主成分とする合金からなる金属層を形成する場合に、均一な膜が形成可能であるため好ましい形成方法である。
【００２１】
この金属層２の膜厚としては、３〜１５μｍの範囲が好ましい。金属層２の膜厚が３μｍ未満の場合、強力な力がかかると金属層が破れる等の不具合が生じる。他方１５μｍを越える場合、軸受剛性の低下や動圧溝３の底面に基材が露出するまでの加工時間が長くなる等加工性やコストの問題が生じる。膜厚のより好ましい下限値は５μｍであり、上限値は１０μｍである。
【００２２】
この金属層２の硬度をより高くするために、金属層２の形成後アニール処理を行っても良い。アニール処理の条件は金属層２の組成や膜厚等から適宜決定すればよい。尚、アニール処理は動圧溝３の加工前でもよいし、加工後でもよい。
【００２３】
金属層２に動圧溝３を形成する方法としては、電解加工や切削加工、転造加工、プレス加工、レーザー加工等従来公知の加工方法を用いることができるが、特に限定されるものではない。但し、転造やプレス加工では加工による軸受部材の歪みやバリ等が生じ易く、レーザー加工ではパーティクルの問題があるため、電解加工が好ましい。電解加工は溝部分の金属材料を電解溶出させて加工するため、潤滑油中の異物の原因となる微細なバリ、むしれ、切り粉が発生しないことから特に好ましい加工方法である。
【００２４】
動圧溝３の形状としては、ポンピングアクションによって潤滑油を流動させて軸受作用を奏させる形状であれば特に限定されるものではない。例えばヘリングボーン状溝やスパイラル状溝が挙げられる。また焼き付きを効果的に防止する観点から、後に詳述するとおり、動圧溝３の潤滑油の流動方向下流側端部または屈曲部を連通するように周回溝をさらに設けてもよい。
【００２５】
図２に動圧溝及び周回溝の実施形態例を示す。図２（ａ）に示すように、ヘリングボーン状動圧溝３１を形成した場合、潤滑油の流動方向下流側端部、すなわち「く」字状の溝の屈曲部Ｂを連通するように周回溝４を形成する。モータが矢印Ｘの方向に回転すると、潤滑油は逆方向に流動し動圧溝３１に沿って周回溝４へ向かい、周回溝４で２つの流れが衝突して紙面において垂直方向へ流動する。従って、潤滑油中の異物は動圧溝３１及び周回溝４に集積する。
【００２６】
図２（ｂ）に示すように、スパイラル状動圧溝３２を形成した場合、右上がりの傾きのスパイラル状溝３２の上端部に周回溝４を形成する。矢印Ｘ方向にモータが回転すると潤滑油は逆方向に流動するため、スパイラル状溝３２に沿って潤滑油は右上がりに向かい、周回溝４の側壁に衝突して紙面において垂直方向に流動する。従って、潤滑油中の異物は図２（ａ）の場合と同様に動圧溝３２及び周回溝４に集積する。
【００２７】
図２（ｃ）に示すように、スパイラル状動圧溝３３を所定間隔で２つ形成した場合、矢印Ｘ方向にモータが回転すると潤滑油はスパイラル状溝３３に沿って矢印Ｙの方向に向かい、周回溝４の中央部で２つの流れが衝突して紙面において垂直方向へ流動する。
【００２８】
また、図２（ｄ）にスラストプレートに形成したヘリングボーン状動圧溝３４の中央屈曲部Ｂに周回溝４を形成した外観図を示す。
【００２９】
このように動圧溝に周回溝を形成する場合、前述の金属層を基材表面に形成した後、動圧溝と同時に周回溝を形成する。あるいは周回溝を基材表面に直接加工した後、メッキ法により金属層を基材表面に形成し、その後に動圧溝を形成する。この場合、周回溝幅を金属層の膜厚より５〜１０μｍ程度広くしておくと、各溝部分には金属層が形成されないため、溝を形成した基材に金属層をメッキするだけで、金属層にも周回溝が形成される。
【００３０】
図３は、本発明のモータの一実施形態であって、ハードディスク駆動用のモータの概略断面図である。モータ７は、ブラケット７１と、このブラケット７１の中央開口部に一方の端部が外嵌固定されるシャフト７２、このシャフト７２に対して相対的に回転自在に保持されたロータ７３とを備える。ブラケット７１にはステータ７１１が固定され、ロータ７３にはステータ７１１と対向した位置にロータマグネット７３１が設けられ、ステータ７１１とロータマグネット７３１との間で回転駆動力が発生する。
【００３１】
シャフト７２の上端及び下端には半径方向外方に突出する円盤状の上部スラストプレート７２１と下部スラストプレート７２２があり、これらのスラストプレート７２１，７２２間のシャフト７２の外周面には気体介在部７４が形成されている。
【００３２】
一方、ロータ７３は、その外周部に記録ディスクＤが載置されるロータハブ７３２と、ロータ７３の内周側に位置し、潤滑油７５が保持される微小間隙を介してシャフト７２に支持されるスリーブ７３４とを備えている。さらにスリーブ７３４には、上部及び下部スラストプレートの外側に蓋をする形で、上部カウンタプレート７６ａ及び下部カウンタプレート７６ｂが設けられている。
【００３３】
ここで、シャフト７２及び上・下部スラストプレート７２１，７２２が本発明における軸部材、スリーブ７３４が本発明のスリーブ部材に相当する。このスリーブ部材が、銅を主成分とする基材表面にニッケルを主体とするメッキ層を形成したものである。そして後述するように、スリーブ７３４の貫通孔７７の内周面の上部・下部にはヘリングボーン状の動圧溝７８が、また上部スラストプレート７２１の下面及び下部スラストプレート７２２の上面にはスパイラル状の動圧溝７９が、電解加工によりそれぞれ形成されている。
【００３４】
シャフト７２の中央部に設けられた気体介在部７４の上部に隣接するシャフト７２の外周部から、上部スラストプレート７２１の下面、外周面及び上面該謬部に至る部分には、対向するスリーブ７３４の内周部貫通孔７７の上部から上部カウンタプレート７６ａの下面に至る部分との間に微小間隙が形成され、潤滑油７５が保持されている。そして上部スラストプレート７２１の下面及び下部スラストプレート７２２の上面には、ロータ７３の回転に伴い潤滑油７５中に動圧を発生するスパイラル状の動圧溝７９が形成されている。動圧溝７９は、モータの回転時に潤滑油７５を矢印Ａの方向に押圧し、ロータ部を軸線方向に保持する支持力を発生する作用を奏する。さらにスリーブ７３４の貫通孔７７の内周面の上部・下部の潤滑油保持部には、ヘリングボーン状の動圧溝７８が形成されている。動圧溝７８は、モータの回転時に潤滑油７５を矢印Ｂの方向に押圧し、ロータ部を半径方向に保持する支持力を発生する作用を奏する。
【００３５】
これら動圧溝７８，７９により生じる微小間隙内の潤滑油７５の動圧圧力分布は、上部スラストプレートの下面内周部Ｐ付近で最も高くなる。この結果、潤滑油７５内に溶け込んでいた空気が気泡化すると、その気泡は前記内周部Ｐの外側に拡散排除され、下方の気体介在部７４内の空隙部又は上方の上部カウンタプレート７６ａの下面空隙部に至る。そしてこれらの空隙部は、直接又は外気連通孔７０により大気に開放されているので、ここから気泡は外気に解放され、気泡の膨張に起因する潤滑油漏れは防止される。
【００３６】
更に前記潤滑油保持部の端部であるカウンタプレート７６ａの下面と上部スラストプレート７２１の上面との間には、軸方向に向かう程その間隙が徐々に広がるテーパーシール部が形成され、テーパーシール部の端部には撥油剤が塗布されている。同様に、前記潤滑油保持部の他端であるシャフト７２の中央部の気体介在部７４の上部にも、シャフト７２の外周面とスリーブ７３４の内周面との間で、潤滑油保持部から軸方向下方に離れる程その間隙が徐々に広がるテーパシール部が形成され、テーパシール部の端部には撥油剤が塗布されている。これらの両端に形成されたテーパシール部により、潤滑油内部に生じる動圧力、大気圧、テーパシール部の表面張力がバランスした位置に潤滑油の気液界面が形成され保持される。テーパシール部に塗布された撥油剤は、潤滑油がシャフトやスリーブの金属表面を伝って拡散する、いわゆる潤滑油マイグレーションを防止する作用も有する。これらの潤滑油保持構造により、潤滑油漏れが無く且つ負荷支持力の高い流体軸受構造を実現している。
【００３７】
同様の微小間隙、動圧溝、潤滑油保持部の構造が、シャフト７２の中央部に設けられた気体介在部７４の下部から下部スラストプレート７２２及び下部カウンタプレート７６ｂに上下逆配置で形成されており、この下部動圧軸受によりロータ部は一層安定に支持される。
【００３８】
図４に、本発明のディスク装置の一実施形態である概略説明図を示す。ハウジング８１の内部には、情報を高密度に記憶する記録ディスク８３を回転自在に支持したスピンドルモータ８２と、記録ディスク８３に対して情報の読み書きを行う情報アクセス手段８７が配置されている。この情報アクセス手段８７は、記録ディスク８３上の情報を読み書きするヘッド８６と、ヘッド８６を支えるアーム８５と、ヘッド８６及びアーム８５を記録ディスク８３上の所要の位置に移動させるアクチュエータ部８４から少なくとも構成されている。そしてスピンドルモータ８２として前記のモータが用いられている。
【００３９】
尚、記録ディスクに記憶できる情報密度は近年飛躍的に向上し、記録ディスクの設置環境として塵・埃等の極端に少ないクリーンな環境が必須となっている。従って、ハウジング８１の内部を外気から遮断した高度にクリーンな空間とするためには、情報アクセス手段８７及びスピンドルモータ８２として、潤滑油のミスト等が外部に漏れない機構のものを使用するのが望ましい。
【００４０】
【実施例】
以下に本発明の実施例を説明する。図５に下記の評価試験を行った実施例と比較例の概略断面図を示す。
【００４１】
（実施例）
硬度Ｈｖ１００の銅を主成分とする合金（ＢＣ６Ｃ）を基材としてスリーブを作製し、その表面に無電解メッキ法により膜厚５μｍのニッケル層を形成した。その後、電解加工により基材が露出するように動圧溝を加工しサンプルとした。図５（ａ）にサンプルの概略断面図を示す。
【００４２】
（比較例１）
スリーブの基材に硬度Ｈｖ２５０のステンレスを用いた他は実施例と同様に作製してサンプルとした。図５（ｂ）にサンプルの概略断面図を示す。
【００４３】
（比較例２）
動圧溝の深さが金属層の膜厚より浅い、動圧溝の底面に基材が露出していない他は実施例と同様に作製してサンプルとした。図５（ｃ）にサンプルの概略断面図を示す。
【００４４】
（比較例３）
硬度Ｈｖ１００の銅を主成分とする合金（ＢＣ６Ｃ）を基材としてスリーブを作製し、その表面に直接切削加工により動圧溝を加工しサンプルとした。図５（ｄ）にサンプルの概略断面図を示す。
【００４５】
（評価測定方法）
前記作製したスリーブのサンプルとステンレス材のシャフトによりモータを作製した。さらに評価試験前に予めスリーブとシャフトとの間に充填する潤滑油中に粒径約１μｍの粒子を１ｍｇ異物として混入させておく。このようなモータを各サンプル毎に１０台づつ作製し、温度８０℃の環境下で間欠運転（１０秒間運転／１０秒間停止）を積算回転数が３０万回になるまで行い、途中で停止したモータの台数により評価を行った。評価結果は表１に示す。評価後にモータを分解して軸受部の状態を観察した。
【００４６】
【表１】

表１から明らかなように、実施例は３０万回回転で１０台中２台しか停止していないが、比較例１は動圧溝底面の硬度が高いために、異物を吸収できずに焼付きが生じている。比較例２は動圧溝底面の硬度が高い上、溝深さが浅いために十分な軸受剛性が得られず、多くのモータが停止している。比較例３は停止しているモータの数は少ないが、このモータを分解すると摩耗粉により潤滑油は黒くゲル化していることが確認できた。表面の硬度が低いため焼き付くことはないが、摩耗により駆動電流値が増加し停止している。
【００４７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のモータは、優れた耐摩耗性を有し、潤滑油中に金属粉等の異物が混入し動圧発生部に集中したとしても、このような異物により引き起こされる焼き付きを防止することができ、長期間にわたって優れた性能を維持することができる。
【００４８】
本発明のディスク装置では、ハウジング内部に固定され、記録媒体を回転部に装着したモータを備え、このモータとして前記のモータを用いるので、装置の長寿命化を測ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のモータに使用される流体動圧軸受の概略構成を示す部分拡大断面図である。
【図２】周回溝の一実施態様を示す概設図である。
【図３】本発明のモータの概略構成図である。
【図４】本発明のディスク装置の概略構成図である。
【図５】実施例・比較例で作製したサンプルの概略構成図である。
【符号の説明】
１基材
２金属層
３，３１，３２，３３，３４動圧溝
４周回溝
７モータ
８ディスク装置

Claims

スリーブ部材と、該スリーブ部材に対して相対回転自在である軸部材と、該スリーブ部材と該軸部材との間に充填された潤滑油とから構成される流体動圧軸受を有するモータにおいて、
前記スリーブ部材は、銅、アルミニウム、マグネシウム及びこれらを主成分とする合金からなる基材と、表面に、この基材より高い硬度の金属層と、を有し、前記基材の底面が露出するように前記金属層に動圧溝が形成されていることを特徴とするモータ。
前記基材が銅又は銅を主成分とする合金である請求項１記載のモータ。
前記金属層がニッケル又はニッケルを主成分とする合金であり且つ層厚３〜１５μｍの範囲である請求項１又は２記載のモータ。
前記金属層がメッキにより形成されたものである請求項１〜３のいずれかに記載のモータ。
前記動圧溝が電解加工により形成されたものである請求項１〜４のいずれかに記載のモータ。
前記動圧溝の潤滑油の流動方向下流側の端部または屈曲部を連通するように周回溝が形成される請求項１〜５のいずれかに記載のモータ。
ハウジングと、該ハウジングの内に固定されて記録ディスクを回転駆動するモータと、前記記録ディスクに対して情報の書き込み及び／又は読み出しを行う情報アクセス手段とを備えたディスク駆動装置であって、
前記モータとして請求項１〜６のいずれかに記載のモータを用いることを特徴とするディスク装置。