JP2004232681A

JP2004232681A - 気体動圧軸受け装置及びこれを備えたモータ並びにそのモータを備えた情報機器

Info

Publication number: JP2004232681A
Application number: JP2003019674A
Authority: JP
Inventors: Yoshiki Okayama; 佳樹岡山
Original assignee: Nidec Corp
Current assignee: Nidec Corp
Priority date: 2003-01-29
Filing date: 2003-01-29
Publication date: 2004-08-19

Abstract

【課題】静止側と回転側の材料の選択肢を拡げるとともに、温度変化による間隙の大きさの変化を低減させることもできる気体動圧軸受け装置及びこれを備えたモータを提供する。
【解決手段】シャフト２２，２３と、気体動圧軸受けとなる微小間隙３２ｂを介して内周面がシャフト２３の外周面と対向するスリーブ３２と、スリーブ３２の外側に面圧が作用して嵌合されたほぼ円筒状のハブ３１とを備え、シャフト２３の外周面及びスリーブ３２の内周面の少なくとも一方に動圧発生用の溝２３ａ、２３ｂが形成されている気体動圧軸受け装置において、
シャフト２３、スリーブ３２及びハブ３１の線膨張係数をそれぞれα_０、α_１及びα_２とするとき、α_１＜α_０＜α_２の関係にあることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、気体動圧軸受け装置及びこれを備えたモータ並びにそのモータを備えた情報機器に属し、ハードディスク、ＤＶＤなどの磁気ディスクを回転させるモータやこれを搭載したディスク装置並びにレーザープリンタに好適に利用されうる。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開平１０−８９３４５号公報
【特許文献２】特開平１１−１５９５２４号公報
【特許文献３】特開２００１−３３７２５号公報
高速で高精度回転が要求されるモータとして、例えばハードディスクのような磁気ディスクを回転させるモータがある。この磁気ディスクを回転させるモータの軸受け手段として、安定した回転運動が得られる流体動圧軸受け装置が普及し始めている。これは、一般的に、円柱状のシャフトの一端又は両端に円板状のスラスト板を配置してなる第１の部材と、シャフトの外周面及びスラスト板の平面に各々ラジアル間隙及びスラスト間隙を介して対向して配置してなる円筒状のスリーブ等の第２の部材とからなり、それら間隙を形成する面（軸受面という）にヘリングボーン状やスパイラル状の動圧発生用溝が形成され、それら間隙には空気や油などの潤滑流体が介在したものである。そして、第１及び第２の部材の何れか一方が他方に対して相対的に回転すると、上記潤滑流体が動圧発生用溝のポンプ作用でラジアル間隙とスラスト間隙のそれぞれにおいて流体圧力を増し、それとともに第１及び第２の部材の回転側が静止側に対して浮上し、回転中に両者の非接触状態が保たれる。
【０００３】
潤滑流体に気体が使用される気体動圧軸受け装置は、潤滑流体に油などが使用される液体動圧軸受け装置のように潤滑流体の漏洩の問題がないといった利点を活かして適用されるが、温度変化に伴う静止側と回転側との熱膨張差によって上記の間隙の大きさが変化すると、所望の流体圧力が過大に或いは過小になるなどして回転に支障を生じる可能性がある。そこで、この変化を未然に防止するために、種々の提案がなされている。その一つは、スリーブに使用される材料として銅合金、シャフトに使用される材料としてオーステナイト系ステンレスを選択することにより両者の熱膨張係数をほぼ一致させるというものである（特許文献１）。他の一つは、スラスト間隙を形成する軸受面の一方の材料がステンレス等の金属である場合に、他方の材料をジルコニア等のセラミックスで形成することにより両者の熱膨張係数をほぼ一致させると同時に相手材の摩耗量を減らすというものである（特許文献２）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、いずれの従来技術も静止側と回転側とで熱膨張係数をほぼ一致させるという制約の範囲で選択された材料であることから、加工性、価格、潤滑性などの他の観点からすると、必ずしも適切な組み合わせではない。
それ故、この発明の課題は、静止側と回転側の材料の選択肢を拡げるとともに、温度変化による間隙の大きさの変化を低減させることもできる気体動圧軸受け装置及びこれを備えたモータ並びに情報機器を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するために、この発明の気体動圧軸受け装置は、
シャフトと、気体動圧軸受けとなる微小間隙を介して内周面がシャフトの外周面と対向するスリーブと、スリーブの外側に面圧が作用して嵌合されたほぼ円筒状のハブとを備え、シャフトの外周面及びスリーブの内周面の少なくとも一方に動圧発生用の溝が形成されている気体動圧軸受け装置（以下、軸受け装置という。）において、
シャフト、スリーブ及びハブの線膨張係数をそれぞれα_０、α_１及びα_２とするとき、α_１＜α_０＜α_２の関係にあることを特徴とする。
【０００６】
この発明の軸受け装置では、常温（２０℃）時、スリーブはハブと嵌合することにより内径側に圧縮され固定される。温度が上昇するとα_１＜α_０の関係からシャフトとスリーブとのラジアル間隙が狭くなろうとする（この間隙変化量をＡとする）。しかし、α_１＜α_２の関係からスリーブ／ハブ間の締め代が小さくなり、それによってスリーブ／ハブ間の面圧が緩和されてスリーブが膨張しようとする（この膨張量をＢとする）。その結果、膨張量Ｂが間隙変化量Ａを吸収し、実際のラジアル間隙の変化を低減あるいは抑制する。しかも上記の不等式を充足するだけで足りるから、加工性、価格、潤滑性などの点で最適の材料を各部材に適用することができる。
【０００７】
前記スリーブとハブとの締め代をδ、嵌合半径をＲ_２、最高使用温度と２０℃との差をΔＴとするとき、下記の関係式（１）を充足し、
スリーブの肉厚をｔ_１、ハブの肉厚をｔ_２とするとき、下記の関係式（２）を充足すると好ましい。
２Ｒ_２ΔＴ（α_２−α_１）≦δ・・・（１）
ｔ_２／ｔ_１≧０．２５・・・（２）
【０００８】
関係式（１）を充足することにより、当該軸受け装置の使用温度範囲においてスリーブが膨張したとしても締め代が確保されるからである。一方、このように締め代が確保されてもハブの肉厚がスリーブに比べて薄すぎると、焼きばめ、圧入等の嵌合時にハブのみが膨張する方向に変形し、スリーブに所定の面圧がかからなくなる。そこで、関係式（２）を充足するように設定する。これにより、関係式（１）を充足する締め代でスリーブとハブを嵌合したときに両者の間に所定の面圧がかかる。その結果、上記のようにラジアル間隙の変化を低減しつつ、嵌合部の緩みが防止される。
【０００９】
そして、以上の条件を充足する材料にてシャフト、スリーブ及びハブを構成した際のラジアル間隙の変化量は、以下の計算式にて求めることができる。
先ず、シャフトの外半径、スリーブの内半径、スリーブとハブとの嵌合半径及びハブの外半径を各々順にＲ_０、Ｒ_１、Ｒ_２及びＲ_３とし、スリーブ材及びハブ材の縦弾性係数を各々Ｅ_１及びＥ_２とし、スリーブ材及びハブ材のポアソン比を各々ν_１及びν_２とする。ハブ・スリーブ間の圧入又は焼きばめにより締結面に生じる面圧Ｐｍは、常温において下記式（３）
【数１】

で表すことができる。
【００１０】
Ｐｍによって、スリーブ内径は下記式（４）で表されるｕだけ収縮する。
【数２】

したがって、常温におけるラジアル隙間Ｃｒは
Ｃｒ＝Ｒ_１−Ｒ_０−ｕ・・・（５）
となる。
【００１１】
次に温度がΔＴだけ上昇したとすると、面圧Ｐｍ及びスリーブ内径の収縮量は下記式（６）及び（８）となる。
【数３】

【数４】

【数５】

【００１２】
また、温度上昇後のラジアル間隙Ｃｒ’は
Ｃｒ’＝Ｒ_１’−Ｒ_０’−ｕ’
＝（Ｒ_１α_１−Ｒ_０α_０）ΔＴ−ｕ’・・・（９）
となる。従って、ラジアル間隙の変化量は、
【数６】

で求められる。但し、ｕ’は、式（６）及び式（８）に式群（７）の各式を代入して定まる値である。
【００１３】
この発明の軸受け装置は上記の作用を生じることから、この軸受け装置と、前記シャフトを固定するブラケットと、ブラケットに取り付けられたステータと、ステータと対向するようにハブに取り付けられたマグネットとを備えたモータは、安定して動作する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
この発明の実施形態を図面と共に説明する。図１は、実施形態に係るハードディスク装置（情報機器に相当）を模式的に示す回転中心軸方向（以下、軸方向という。）断面図である。ハードディスク装置１０は、内部が清浄に保たれたハウジング１１と、ハウジング１１内に設置された動圧軸受けモータ（以下、単にモータという。）１及びアクチュエータ１２を備えている。モータ１には複数枚（図示では４枚）の磁気ディスク６が軸方向に搭載されている。磁気ディスク６はモータ１の駆動によって所定方向に回転する。他方、アクチュエータ１２には、磁気ディスク６に対して磁気ヘッド１３を有するアーム１４が径方向に延びるように取り付けられている。磁気ヘッド１３は、この装置の非使用時はアーム１４とともに磁気ディスク６から離れた位置に退避しており、モータ１の駆動とともにアクチュエータ１２の作動によって旋回し、磁気ディスク６に接近して情報を読み書きする。
【００１５】
図２は、そのハードディスク装置１０に用いられているモータ１を示す軸方向断面図である。但し、破断線Ｘ−Ｘを境として一部は正面図で示す。モータ１は、ハウジング１１の内面に固定された静止部材２と、後述の気体動圧軸受けを介して静止部材２に対して回転可能に支持されている回転部材３と、ステータ４と、マグネット５とを備えている。
【００１６】
静止部材２は、凹部を有するほぼ円盤状のブラケット２１、インナーシャフト２２、アウターシャフト２３、上スラスト板２４及び下スラスト板２５から主になる。ブラケット２１の中央には図略の貫通孔が形成され、その孔の周縁が肉厚となってボス２１ａを形成している。また、ブラケット２１は、周縁に肉厚の壁２１ｂを有し、その壁２１ｂの内面にステータ４が取り付けられている。ステータ４のコイルは、ブラケット２１の所定部に設けられたフレキシブル回路基板（図示省略）を通じて外部電源から電流が供給される。インナーシャフト２２は、円柱状で、下端が上記貫通孔に嵌合されてボス２１ａによって支持されている。アウターシャフト２３は、円筒状で、ボス２１ａより露出したインナーシャフト２２の外周に嵌合されている。下スラスト板２５は、アウターシャフト２３よりも径方向に張り出しており、アウターシャフト２３の下端面とボス２１ａとで挟持するようにインナーシャフト２２に嵌合されている。上スラスト板２４もアウターシャフト２３よりも径方向に張り出しており、アウターシャフト２３の上端面に接してインナーシャフト２２に嵌合されている。
【００１７】
回転部材３は、貫通孔３１ｂを有する以外は上端が閉じたほぼ円筒状のハブ３１、ハブ３１の内周面に焼きばめされた円筒状のスリーブ３２、クランパ３３ａ及び複数（図示では４個）のスペーサ３３からなる。スリーブ３２は、その上下端面が微小間隙（以下、スラスト間隙という。）３２ａ，３２ｃを介して上下のスラスト板２４，２５と対向するように挟まれるとともに、その内周面が微小間隙（以下、ラジアル間隙という。）３２ｂを介してアウターシャフト２３の外周面と対向している。ハブ３１は、スリーブ３２の上下に露出する内周面にて上下のスラスト板２４，２５及びボス２１ａを包囲し、下端付近の外周面に鍔３１ａを有し、その鍔３１ａより下の外周面にてマグネット５を保持している。ハブ３１は、鍔３１ａより上位において一様な外径を有する。上記インナーシャフト２２の上端付近は、貫通孔３１ｂを通ってハブ３１の外部に露出している。マグネット５はステータ４と対向している。スペーサ３３は、ハブ３１の鍔３１ａより上位の外周面に各々張り出して磁気ディスク６同士の軸方向間隔を定めるものである。クランパ３３ａは、ハブ３１に対して複数（図示では４枚）の磁気ディスク６およびスペーサ３３を固定するための固定手段である。
【００１８】
上スラスト板２４の下面及び下スラスト板２５の上面には、各々内側から外側に向かって湾曲した円弧状で深さ数μｍの多数の溝２４ａ，２５ａが周方向に同一間隔をあけて形成されている。これらの溝２４ａ，２５ａは、回転部材３の回転時にスラスト間隙３２ａに存在する空気を内側に向かって送るポンプ作用を生じ、それによってスラスト間隙３２ａ，３２ｃの動圧を発生させ、静止部材２と回転部材３との軸方向における非接触状態を保つ。また、アウターシャフト２３の外周面の上半分及び下半分には、各々「く」の字状で深さ数μｍの多数の溝２３ａ，２３ｂが周方向に同一間隔をあけて形成されている。これらの溝２３ａ，２３ｂは、回転部材３の回転時にラジアル間隙３２ｂに存在する空気を各溝の折り返し点に向かって送るポンプ作用を生じ、それによってラジアル間隙３２ｂの動圧を発生させ、静止部材２と回転部材３との径方向における非接触状態を保つ。こうしてスラスト間隙３２ａ，３２ｃ及びラジアル間隙３２ｂを構成する部位が、動圧気体軸受けとして機能する。
【００１９】
次にモータ１の動作について説明する。
ステータ４のコイルに給電すると、ステータ４とマグネット５との間で磁力が発生し、この磁力によりハブ３１がスリーブ３２とともに回転し始める。すると上記の通りスラスト間隙３２ａ，３２ｃ及びラジアル間隙３２ｂに動圧が発生し、回転部材３が静止部材２に対して非接触状態を保って回転し続ける。
【００２０】
静止部材２及び回転部材３は、回転部材３の回転に伴い、給電によるコイルからの発熱、あるいは環境温度の上昇によって、各部材の熱膨張係数に応じて膨張しようとする。この実施形態では、アウターシャフト２３が熱膨張係数α_０＝６．２×１０^−６／℃のＡｌ_２Ｏ_３−ＴｉＣ系セラミックからなる。スリーブ３２及びハブ３１は各々熱膨張係数α１＝５．１×１０^−６／℃のＡｌ_２Ｏ_３及び熱膨張係数α_２＝１０．１×１０^−６／℃のフェライト系ステンレス鋼からなる。そして、スリーブ３２と対向する部分におけるアウターシャフト２３の外径２Ｒ_０を９．９９４ｍｍ、スリーブ３２の内径２Ｒ_１を１０ｍｍ、スリーブ３２とハブ３１との嵌合径２Ｒ_２を１７．５ｍｍ、鍔３１ａより上位におけるハブ３１の外径２Ｒ_３を２０ｍｍとし、ハブ３１とスリーブ３２との嵌合部の締め代δを１０μｍと設定した。この仕様で温度２０℃の状態と８０℃の状態のラジアル間隙の径方向変化量を上記式（１０）に従って求めると、０．０２μｍ以下であった。また、上記式（１）の左辺の値を求めると５．２５μｍとなり、ハブ３１の肉厚ｔ_２とスリーブ３２の肉厚ｔ_１の比ｔ_２／ｔ_１＝０．３３となり、上記式（１）及び（２）を充足するとともに、嵌合部に必要な面圧がかかっていた。
【００２１】
比較のために、スリーブ３２の材料をアウターシャフト２３と同一にすると、ラジアル間隙の径方向変化量は、０．３μｍとなった。
尚、上記の各寸法及び物性は一例であって、この発明はこれらに限定されるものではない。
【００２２】
【発明の効果】
以上の通り、この発明によれば、軸受面近傍の部材の熱膨張係数を所定の不等関係に設定するだけで、ラジアル間隙の変化量を低減するとともに、スリーブとハブとの嵌合部の面圧を確保することができるから、部材の選択肢を拡げることができる。このため、気体動圧軸受け装置を適用する種々の機器に有益である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係るハードディスク装置を模式的に示す回転中心軸方向断面図である。
【図２】上記ハードディスク装置に用いられているモータを示す軸方向断面図である。
【符号の説明】
１モータ
２静止部材
３回転部材
４ステータ
５マグネット
６磁気ディスク
２２インナーシャフト
２３アウターシャフト
３１ハブ
３２スリーブ

Claims

シャフトと、気体動圧軸受けとなる微小間隙を介して内周面がシャフトの外周面と対向するスリーブと、スリーブの外側に面圧が作用して嵌合されたほぼ円筒状のハブとを備え、シャフトの外周面及びスリーブの内周面の少なくとも一方に動圧発生用の溝が形成されている気体動圧軸受け装置において、
シャフト、スリーブ及びハブの線膨張係数をそれぞれα_０、α_１及びα_２とするとき、α_１＜α_０＜α_２の関係にあることを特徴とする気体動圧軸受け装置。
前記スリーブとハブとの締め代をδ、嵌合半径をＲ_２、最高使用温度と２０℃との差をΔＴとするとき、下記の関係式（１）を充足し、
スリーブの肉厚をｔ_１、ハブの肉厚をｔ_２とするとき、下記の関係式（２）を充足する請求項１に記載の気体動圧軸受け装置。
２Ｒ_２ΔＴ（α_２−α_１）≦δ・・・（１）
ｔ_２／ｔ_１≧０．２５・・・（２）
請求項１又は２に記載の気体動圧軸受け装置と、前記シャフトを固定するブラケットと、ブラケットに取り付けられたステータと、ステータと対向するようにハブに取り付けられたマグネットとを備えたモータ。
請求項３に記載のモータを備えた情報機器。