JPWO2013015291A1

JPWO2013015291A1 - ハードディスクスイングアーム用転がり軸受

Info

Publication number: JPWO2013015291A1
Application number: JP2012556318A
Authority: JP
Inventors: 透七澤; 坂上　賢太郎; 賢太郎坂上; 直人堀内
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2011-07-27
Filing date: 2012-07-24
Publication date: 2015-02-23
Also published as: US20130170776A1; WO2013015291A1; WO2013014954A1; CN105202015A; CN103026084A; CN103026084B

Abstract

ＨＤＤの駆動条件でのスイングアーム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、スイングアームの応答性を高めることができるハードディスクスイングアーム用転がり軸受を提供する。ＨＤＤスイングアーム用転がり軸受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スイングアーム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Ｈｖ７００以上、８００未満とすると共に、前記転動体の表面の硬度をＨｖ９４５以上、１０６０未満とした。

Description

本発明は、ハードディスクスイングアーム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スイングアーム用転がり軸受に関する。

図３（ａ）〜（ｃ）は、ハードディスクドライブ（ＨａｒｄＤｉｓｃＤｒｉｖｅ（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スイングアームには、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、スイングアームはより小さな力で、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。

スイングアームの応答性には、スイングアーム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。

また、特許文献２では、スイングアームに使用される玉軸受において、フレッチング損傷や騒音抑制、さらに、低トルク及び低トルク変動を目的として、ボールの材料に、高炭素クロム鋼などの金属またはセラミック、超硬合金を用い、表面硬さをＨｖ９００超、好ましくは、Ｈｖ９５０以上とすることが記載されている。

さらに、特許文献３では、ＨＤＤのスピンドルモータに使用される玉軸受において、フレッチング摩耗の発生防止を目的として、内外輪の表面硬さをＨｖ７２０以上、玉の表面硬さをＨｖ９３０以上、且つ、内外輪の表面硬さよりも大きいとすることが記載されている。

日本国特開２００７−２８５４６３号公報日本国特開平１１−１０１２５０号公報日本国特開２００３−２７８７６７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、スイングアーム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、スイングアームを高速で往復運動させ、一定時間ごとにスイングアーム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アクチュエータ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。また、いずれの特許文献においても、アクチュエータのトルクヒステリシスについては記載されていない。

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の駆動条件でのスイングアーム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、スイングアームの応答性を高めることができるハードディスクスイングアーム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スイングアームを揺動及び回転自在に支持するハードディスクスイングアーム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Ｈｖ７００以上、８００未満とすると共に、前記転動体の表面の硬度をＨｖ９４５以上、１０６０未満としたことを特徴とするハードディスクスイングアーム用転がり軸受。
（２）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請求項１に記載のハードディスクスイングアーム用転がり軸受。
（３）前記内輪、外輪、及び転動体はそれぞれ、ステンレス鋼とＳＵＪ鋼のいずれかからなることを特徴とする請求項１または２に記載のハードディスクスイングアーム用転がり軸受。

本発明のハードディスクスイングアーム用転がり軸受によれば、内輪及び外輪の表面の硬度をＨｖ７００以上、８００未満とすると共に、前記転動体の表面の硬度をＨｖ９４５以上、１０６０未満とすることで、ＨＤＤの駆動条件でのスイングアーム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、スイングアームの応答性を高めることができる。

本発明の一実施形態に係るＨＤＤスイングアーム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。従来例及び実施例３，１１，１７のヒステリシス変化率の経時変化を示すグラフである。（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スイングアーム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３（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やＳＵＪ鋼が適用される。例えば、内輪１４ａ、１６ａ、外輪１４ｂ、１６ｂ、及び玉１４ｃ，１６ｃのうち少なくとも一つが、質量％でＣ:０．５％未満、Ｃｒ:８．０％以上２０．０％以下、Ｍｎ:０．１％以上１．５％以下、Ｓｉ:０．１％以上２．０％以下、その他Ｆｅおよび不可避不純物元素からなる合金鋼で形成され、かつ該合金鋼の表層部に０．０５質量％以上のＮと０．５質量％未満のＣとを含有する表面層を有し、前記表面層のＮおよびＣの含有量が質量％で０．４５％≦(Ｃ+Ｎ)≦１．５％の関係を満たす。好ましくは、前記合金鋼のＣ及びＣｒの含有量が質量％で０．０４Ｃｒ％−０．３９≦Ｃ％≦−０．０５Ｃｒ％＋１．４１の関係を満たす。

また、他のステンレス鋼としては、内輪１４ａ、１６ａ、外輪１４ｂ、１６ｂ、及び玉１４ｃ，１６ｃのうち少なくとも一つが、質量％でＣ:０．０４％以上０．８％以下、Ｓｉ:１．０％以下、Ｍｎ:１．０％以下、Ｐ:０．１％以下、Ｓ:０．１％以下、Ｎｉ:０．５％以下、Ｃｒ:１０．０％以上１８．０％以下、その他Ｆｅおよび不可避不純物元素からなる合金鋼で形成される。

さらに、ＳＵＪ鋼としては、内輪１４ａ、１６ａ、外輪１４ｂ、１６ｂ、及び玉１４ｃ，１６ｃのうち少なくとも一つが、質量％でＣ:０．９５％以上１．１０％以下、Ｓｉ:０．１５以上０．３５％以下、Ｍｎ:０．５０％以下、Ｐ:０．０３％以下、Ｓ:０．０３％以下、Ｃｒ:１．２０％以上１．６５％以下、その他Ｆｅおよび不可避不純物元素からなる合金鋼（高炭素クロム軸受鋼）で形成される。

そして、本実施形態では、各部材の表面の硬度を向上させることで、ＨＤＤの駆動条件でのスイングアーム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、スイングアーム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Ｈｖ７００以上８００未満、好ましくは、Ｈｖ７２０〜７８０とし、玉１４ｃ、１６ｃの表面の硬度をＨｖ９４５以上１０６０未満、好ましくは、Ｈｖ９４５〜１０５０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。しかしながら、線膨張係数、弾性係数等の材料物性が変化するとＨＤＤ性能に影響を与える可能性が高いため、現在使用されている上記鋼種に対し、物性への影響がない表面硬度の変更を施した。

ここで、軌道輪及び転動体の表面硬度がそれぞれ異なる転がり軸受（従来例、参考例１〜３、及び実施例１〜２４）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。

試験開始後、１時間の時点でのヒステリシス値を１００％とし、そこからの変化率をヒステリシス低下率としている。なお、ここでいうヒステリシス値とは、ＨＤＤ内部の、ピボット軸受に固定されるスイングアームが、内径側から外径側、および外径側から内径側へ移動する際の、スイングアーム保持に必要な力の、方向性による差異を示すものであり、軸受のトルクヒステリシスそのもののことではない。

ヒステリシス低下率が５０％を超えるような大幅な低下があるとＨＤＤの制御に悪影響を及ぼすため、低下率は低い方が好ましい。下記、表１では、１６時間経過時点で上記低下率が５０％を超えるものを×、５０％以下２５％以上のものを△、２５％以下１０％以上のものを○、１０％以下のものを◎とした。なお、従来例、参考例１〜３と実施例１〜２４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。また、転がり軸受に使用されるグリースとしては、鉱油とポリ−α−オレフィン系合成潤滑油（ＰＡＯ）の基油、及びウレア系増ちょう剤を含むものが使用された。

表１は、従来例、参考例１〜３、及び実施例１〜２４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、寸法安定性、及び両方を加味した総合判定を示す。

例えば、内外輪の硬度をＨｖ７００、玉の硬度をＨｖ９２０とした標準玉軸受（従来例）では、ヒステリシス変化率の経時変動が大きく、その低下率は、５０％を超えた。また、内外輪の硬度をＨｖ７５０、玉の硬度をＨｖ１０５０とした本発明玉軸受（実施例１７）では、ヒステリシス変化率の経時変動が非常に小さく、その低下率は、１０％以内であった。また、内外輪の硬度をＨｖ７５０、玉の硬度をＨｖ９２０とした本発明玉軸受（実施例１１）では、ヒステリシス変化率の経時変動が標準玉軸受より小さく、３０％以内であった。さらに、内外輪の硬度をＨｖ７００、玉の硬度をＨｖ１０５０とした本発明玉軸受（実施例３）では、ヒステリシスの経時変化が標準玉軸受より小さく、２０％以内であった。なお、図２は、これら従来例（ＮｏｒｍａｌＳｐｅｃ）及び実施例３（ＨａｒｄＢａｌｌ），実施例１１（ＨａｒｄＲｉｎｇ），実施例１７（ＨａｒｄＲｉｎｇ＆ＨａｒｄＢａｌｌ）のヒステリシス変化率の経時変化を示すグラフである。

従って、上記の結果から、ピボット軸受をＨＤＤに組込み測定するヒステリシス値について、リング、ボールの表面硬度を変更することで、その経時的な変化を低減できることを確認した。リング、ボールはそれぞれ一方の硬度を変更しても変化率を低減することが出来るが、影響はボールの方が大きく、また両方を変更することでより効果が大きくなることがわかる。

なお、硬度の上昇のためには焼き入れ温度を高く変更する方法があるが、焼き入れ温度を必要以上に上げると、硬度とともに残留オーステナイト（γＲ）が上昇し寸法安定性に悪影響を与えるため、軸受のその他の性能に影響を与えない範囲で硬度上限を設定した。（参考例１〜３参照。）

また、硬度の変更による、ヒステリシスの低下率と軸受の回転トルクの絶対値との相関を確認するため、上述した従来例、及び実施例３，１１、１７を用い、また、実施例１７の玉軸受に対して予圧を変更して確認した。その結果を表２に示す。

従って、表２の結果から、回転トルクの値とヒステリシスの低下率に相関がないことが確認された。

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）、２０１２年１月２７日出願の国際出願（ＰＣＴ／ＪＰ２０１２／０５１８４８）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
１８スリーブ

Claims

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スイングアームを揺動及び回転自在に支持するハードディスクスイングアーム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Ｈｖ７００以上、８００未満とすると共に、前記転動体の表面の硬度をＨｖ９４５以上、１０６０未満としたことを特徴とするハードディスクスイングアーム用転がり軸受。
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請求項１に記載のハードディスクスイングアーム用転がり軸受。
前記内輪、外輪、及び転動体はそれぞれ、ステンレス鋼とＳＵＪ鋼のいずれかからなることを特徴とする請求項１または２に記載のハードディスクスイングアーム用転がり軸受。