JP2006189155A - 流体動圧軸受システム - Google Patents

Abstract

【課題】流体動圧軸受の剛性及び自己共振を最適化する。
【解決手段】本発明は、特に記憶ディスクドライブの一つ又は複数の記憶ディスクを駆動するためのスピンドルモータを回転可能に支持するための流体動圧軸受システムに関する。この軸受システムは、軸受スリーブと、前記軸受スリーブの穴に収容され、前記軸受スリーブに対して回転可能に支持されたシャフトとを備え、前記軸受スリーブ及び前記シャフトの、軸受流体により充填された軸受間隙によって分離された互いに対向する表面が、少なくとも一つの第１のラジアル軸受領域を構成する。本発明によれば、前記シャフトの直径は、軸受間隔即ち前記シャフトのクランプ箇所から第１のラジアル軸受領域の中心部までの間隔と、前記シャフトの直径との間の比率が０．９以下であるように選択されており、前記シャフトの直径は、特に３ｍｍ乃至５．０ｍｍである。このような方策により、軸受の共振周波数が、臨界的でない高い周波数帯域へと移行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体動圧軸受システム、特に、記憶ディスクドライブの記憶ディスクを駆動するためのスピンドルモータ用の軸受システムに関する。

スピンドルモータは、基本的に、ステータと、ロータと、この両方の部品の間に配置された少なくとも一つの軸受システムとによって成り立っている。起電力により駆動されるロータは、軸受システムによってステータに対して回転支持される。軸受システムとしては、近年、流体動圧軸受システムが好んで用いられるようになっている。例えばドイツ実用新案登録第ＤＥ２０１１９７１６Ｕ１号公報（特許文献１）に開示されている流体動圧軸受システムの公知の構成は、定置のシャフトと、このシャフトを収容するための軸方向のスリーブとを備えている。スリーブは、定置のシャフトを中心として自在に回転し、シャフトとともに二つのラジアル軸受と、上側のスラスト軸受とを構成する。相互作用の関係にあるシャフト及びスリーブのそれぞれの軸受表面は、潤滑剤により充填された同心的な薄い軸受間隙によって互いに間隔をおいている。少なくとも一つの軸受表面には、スリーブとシャフトとの間の回転による相対運動の結果、軸受間隙内にある潤滑剤に対して局所的な加速力を及ぼしてラジアル軸受領域を画定する表面構造が刻設されている。このようにして、流体力学上の圧力領域によって安定化される軸受間隙の内部において、均等な厚さの一様な潤滑剤膜の形成につながる一種のポンプ作用が発生する。軸受スリーブは、例えばハードディスクドライブの記憶ディスクの上に配置された鐘形ロータを支持している。上述した構造の回転軸に沿った変位は、対応して構成された少なくとも一つの流体動圧スラスト軸受によって防止される。流体動圧スラスト軸受においては、少なくとも一方が表面構造を備える相互作用の関係にある軸受表面が、回転軸に対して垂直な平面にそれぞれ配置されており、潤滑剤により充填された特に平坦な薄い軸受間隙によって、それぞれ互いに軸方向において間隔をおいている。スラスト軸受は、特に、シャフトの端部に配置されたスラストプレートの両方の端面によって形成され、スラストプレートの一方の端面にはスリーブの対応する端面が付属するとともに、他方の端面にはカバーの内側に位置する端面が付属している。即ち、カバーはスラストプレートに対するカウンターベアリングを形成するとともに、軸受システムの開いている側を封止しており、潤滑剤により充填された軸受間隙に空気が混入するのを防止する。

流体動圧軸受における出力損失は、軸受の半径の３乗と、軸受間隙の幅の逆数とに比例するという事実に基づいて、過去においては、軸受システムの半径を減少させるとともに間隙幅を可能な限り拡大して、出力損失を少なく維持しようとしていた。現代の記憶ディスクドライブにおいて使用されるスピンドルモータは、シャフト直径が数ミリメートルで、例えば２１５ＧＰａの弾性率を有する、例えば鋼材１．４０２８（Ｘ３０Ｃｒ１３＝ＳＵＳ４２０Ｊ２）からなるシャフトを有している。間隙幅はわずか数μｍの範囲内にある。しかし、軸受直径が小さくなればなるほど、又は、間隙幅が広くなればなるほど、軸受システムの剛性は一層低下していき、そのため、前述した構造の軸受システムの自己共振は５００乃至２０００Ｈｚの間の領域へと移ってきている。記憶ディスクの自己共振もこの周波数帯域に存在しており、その結果、軸受の共振が望ましくない形で記憶ディスクに伝播してしまう虞がある。

スピンドルモータの規格は、最大５００Ｈｚの周波数での振動試験を定めている。最近の開発作業では、５００Ｈｚ乃至２０００Ｈｚの間の周波数帯域での振動に関しても試験が行われている。約５００Ｈｚの周波数までは、軸受システムの剛性がスピンドルモータの共振周波数に大きな影響を及ぼす。周波数が５００Ｈｚを超えると、軸受部品及びモータの部品の構造的な剛性が決定的な役割を担う。例えば、シャフトの構造的な剛性は、シャフトの変形を防止するために、軸受からシャフトに及ぼされる軸受力よりもはるかに大きくなければならない。

そこで、スピンドルモータ用の流体動圧軸受システムの開発においては、一方では高い軸受剛性を確保するとともに、他方では妨害となる共振を最低限に抑制しようとする尽力がなされている。
ドイツ実用新案登録第ＤＥ２０１１９７１６Ｕ１号公報

従って、本発明の課題は、流体動圧軸受の剛性及び自己共振を最適化することである。

この課題は、本発明によれば、請求項１の構成要件によって解決される。

本発明のその他の好ましい有利な実施の形態は、従属請求項に記載されている。

本発明によれば、シャフトの直径は、軸受間隔即ちシャフトのクランプ箇所から第１のラジアル軸受領域までの間隔とシャフトの直径との間の比率が０．９以下であるように選択される。

この方策により、軸受の共振周波数は、臨界的でない程度の高い周波数帯域に移行し、特に、２ｋＨｚを明らかに上回る周波数帯域に移行する。シャフトの直径に対する軸受間隔の定義された比率により、第１のラジアル軸受領域の最善の剛性が得られる。それによって、共振の振幅が臨界的でない値にまで減少し、その結果、共振が記憶ディスクに影響を及ぼすことはほとんどなくなる。

スピンドルモータにおいては、多くの場合、設計上の都合で軸受間隔が設定されている。本発明によれば、設定された軸受間隔に係数０．９を乗ずると、最新型のスピンドルモータでは例えば３．５乃至５．０ｍｍの間の最大のシャフト直径が得られる。

軸受システムは、第１のラジアル軸受領域から間隔をおいて第２のラジアル軸受領域を備えているのが好ましい。さらに、シャフトに取り付けられたスラストプレートと、スラストプレートと協働するカウンターベアリングと、軸受スリーブとによって構成されるスラスト軸受領域が設けられているものとするとよい。但し、軸受システムの軸方向の固定は、例えばスラスト玉軸受、スラストニードル軸受、滑り軸受等、これ以外の手段によっても実現することができる。さらに、スラスト軸受を（磁気的な）プレテンション手段により補完することができる。

シャフトの弾性率は、使用する材料によって実質的に規定される。本発明では、シャフトを製作するための材料として、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖのうち少なくとも１種の添加剤を含む鋼合金が用いられる。それにより、２１５ＧＰａを上回る弾性率を実現することができる。例えば弾性率が２３０ＧＰａである名称１．４５３５の鋼合金（Ｘ９０ＣｒＣｏＭｏＶ１７）が適している。鋼材の別案として、例えば次のようなセラミック材料を用いることができる。

弾性率が３００−４００ＧＰａのＡｌ_２Ｏ_３
弾性率が４１０ＧＰａのＳＳｉｃ
弾性率が３５０ＧＰａのＳｉＳｉＣ、又は
弾性率が２８０ＧＰａのＳＳＮ
スピンドルモータの一部としての本発明に係る流体動圧軸受システムでは、シャフトは、クランプ箇所においてスピンドルモータの鐘形ロータと連結される。

次に、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳しく説明する。図面及びその説明から、本発明の上記以外の構成要件、利点及び利用可能性が明らかとなる。

図１は、ハードディスクドライブを駆動するためのスピンドルモータにおいて使用されるような、流体動圧軸受システムの模式的な断面図を示している。

この軸受システムは、シャフト２が回転可能に収容された同心的な軸方向の軸受穴を有する軸受スリーブ１を備えている。軸受スリーブ１の穴の内径は、シャフト２の外径よりもわずかに広くなっており、その結果、シャフト２と軸受スリーブ１との互いに対向する表面の間には、軸受間隙３が形成されている。軸受間隙３は、例えば軸受油や空気等の軸受流体により充填されている。

シャフト２は、一方の端部の部位に、スラスト軸受の一部としてのスラストプレート４を備えている。スラストプレート４は、直径に関してさらに大きい軸受スリーブ１の環状の切欠きに収容されており、その結果、シャフト２とスラストプレート４と軸受スリーブ１との間において軸受間隙３が連通している。スラストプレート４又はシャフト２の端面は、スラストプレート４に対するカウンターベアリングを形成するカバープレート５により被覆されている。

シャフトのもう一方の自由端は、ハードディスクドライブの一つ又は複数の記憶ディスク（図示せず）を支持していてシャフト２とともに回転させることができる鐘形ロータ６と連結されている。

本来の流体動圧軸受構造は、一方では、シャフト２の外側表面及び／又は軸受スリーブ１の内面に配置された表面構造を備えることを特徴とする、二つのラジアル軸受領域７，８によって構成される。シャフト２が回転すると直ちに、ラジアル軸受領域７，８の表面構造に基づいて軸受間隙３に流体力学上の圧力が発生し、その結果、ラジアル軸受が支持能力を有するようになる。

スラストプレート４の端面側の表面、即ち、回転軸に対して垂直方向を向いている表面は、カバープレート５又は軸受スリーブ１の対応する対向する端面側の面とともに、二つのスラスト軸受領域９，１０（流体動圧スラスト軸受）を構成している。スラスト軸受領域９，１０の表面の一部は、軸受流体に対してポンプ作用を及ぼす相応の表面構造を同じく備えている。表面構造の形状や態様は当業者には周知であり、従って、図面には詳しくは示していない。

軸受システムを備えているスピンドルモータの設計寸法をも規定する、軸受システムの設計寸法に応じて、シャフト２が鐘形ロータ６にクランプされている箇所と、第１のラジアル軸受領域７の中心部との間の距離を表す軸受間隔Ａを決定することができる。そして、
軸受間隔Ａ／シャフト直径Ｄ ≦ ０．９
の関係式を用いて、次式により最小のシャフト直径Ｄを算定することができる。
シャフト直径Ｄ ≧ 軸受間隔Ａ／０．９
図２は、一例として、各ラジアル軸受領域におけるスピンドルモータ軸受システムのシャフト剛性のグラフを、シャフト直径に対して示している。曲線２０は、第１のラジアル軸受領域７におけるシャフト２の剛性を示しているのに対して、曲線２１は、第２のラジアル軸受領域８におけるシャフトの剛性を示している。

予想される通り、シャフト２の剛性は、シャフト直径が増加するにつれて高くなる。特に、第１のラジアル軸受領域７におけるシャフト２の剛性は、シャフト直径に強く依存しているのに対して、第２のラジアル軸受領域８におけるシャフトの剛性に及ぼすシャフト直径の影響は比較的小さい。

図３には、一例として、スピンドルモータ軸受システムの動的な共振周波数応答の様子がシャフト直径に対して示されている。横軸は周波数を、縦軸は振動振幅を表す。個々の曲線ａ乃至ｐは、様々なシャフト直径のときの周波数応答を示しており、曲線ａは最小のシャフト直径、曲線ｐは最大のシャフト直径に相当している。

図面から分かるように、シャフト２の直径Ｄを大きく選択すればするほど、共振周波数は高くなる。さらに、シャフト直径Ｄが増加すると振動振幅は大きく低下していく。

ロータが上に載置されているスピンドルモータ用の流体動圧軸受システムを示す模式的な断面図である。 スピンドルモータ軸受システムのラジアル軸受領域の剛性をシャフト直径に対して示すグラフである。 スピンドルモータ軸受システムの動的な共振周波数応答をシャフト直径に対して示すグラフである。

符号の説明

１ 軸受スリーブ
２ シャフト
３ 軸受間隙
４ スラストプレート
５ カバープレート
６ 鐘形ロータ
７ ラジアル軸受領域（第１）
８ ラジアル軸受領域（第２）
９ スラスト軸受領域
１０ スラスト軸受領域
１１ 回転軸
Ｄ シャフト直径
Ａ 軸受間隔
２０ 第１の軸受領域におけるシャフト剛性
２１ 第２の軸受領域におけるシャフト剛性

Claims (7)

1. 軸受スリーブ（１）と、前記軸受スリーブの穴に収容され、前記軸受スリーブに対して回転可能に支持されたシャフト（２）とを備え、前記軸受スリーブ及び前記シャフトの、軸受流体により充填された軸受間隙（３）によって分離された互いに対向する表面が、少なくとも一つの第１のラジアル軸受領域（７）を構成する、特に記憶ディスクドライブの一つ又は複数の記憶ディスクを駆動するためのスピンドルモータを回転可能に支持するための流体動圧軸受システムにおいて、
   前記シャフト（２）の直径（Ｄ）は、軸受間隔（Ａ）即ち前記シャフトのクランプ箇所から第１のラジアル軸受領域（７）の中心部までの間隔と、前記シャフトの直径との間の比率が０．９以下であるように選択されており、前記シャフトの直径（Ｄ）は、特に３ｍｍ乃至５．０ｍｍであることを特徴とする流体動圧軸受システム。
2. 前記第１のラジアル軸受領域（７）から間隔をおいて第２のラジアル軸受領域（８）を備えていることを特徴とする請求項１に記載の流体動圧軸受システム。
3. 前記シャフトに取り付けられたスラストプレート（４）と、前記スラストプレートと協働するカバープレート（５）と、軸受スリーブとによって構成されるスラスト軸受領域（９；１０）を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の流体動圧軸受システム。
4. 前記シャフトは、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖのうち少なくとも１種の添加剤を含む鋼合金からできており、２１５ＧＰａよりも高い弾性率を有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の流体動圧軸受システム。
5. 前記シャフトは、２１５ＧＰａよりも高い弾性率を有するセラミック材料からできていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の流体動圧軸受システム。
6. スピンドルモータの一部であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の流体動圧軸受システム。
7. 前記シャフト（２）は、前記クランプ箇所において前記スピンドルモータの鐘形ロータ（６）と連結されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の流体動圧軸受システム。

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