JPH03159537A - 回転体及びその軸受構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はラジアル軸受及びスラスト軸受が流体動圧軸受
で構成される軸ｆｊ：構造を具備し、回転時の振動が少
なく、高速回転が可能なスピンドルモータ等に好適な回
転体及びその軸受構造に関し、特にレーザスキャナモー
夕やモータの姿勢いかんにかかわらず回転性能の良好な
ハードディスクドライバー（以下、車に’ＨＤＤＪと称
する）等の駆動用のスピンドルモータに好適な回転体及
びその軸受構造に関するものである。

〔従来技術及び発明が解決しようとする課題〕近年、Ｈ
ＤＤの高記憶容量化及び低電力消費化にｆｆい、その駆
動用であるスピンドルモータに対しても、それにより適
した高性能のものが要望されている。

第５図は従来のＨＤＤ用スピンドルモータの一部断面図
を示す図であり、取付台２１の中央部に軸支持筒２２を
設け、該軸支持筒２２の外周にはステータコイル群２３
が固定されており、内周にはボールベアリング２４を介
して回転軸２５が回転自在に支持されている。回転軸２
５の上端には、外周面にハードディスクを載架固定する
支持部材２７が固定されている。支持部材２７の内周面
｛ｉｌｌにはロータマグネット群２８が前記ステータコ
イル群２３と対向して固定されている。

上記軸受に玉軸受を使用したスピンドルモータにおいて
、スピンドルモータの振動の大きさは玉軸受の隙間に依
存し、ラジアル方向の振動は玉軸受のラジアル隙間、ス
ラスト方向の振動は玉軸受のスラスト隙間と同程度であ
り、この隙間を少なくするために玉軸受けにプリロード
をかける等の工夫がなされているが、ラジアル方向のラ
ンアウト（振れ）は非繰り返し成分でＯ．Ｓ　ミクロン
程度であり満足できる値とはなっていない。また、玉軸
受にこのようなプリロードをかけると逆にモータのトル
クを増しＨＤＤの低消費電力化に逆行する。従って、上
記のような玉軸受を使用する限り原理的にスピンドルモ
ータの振動をさらに低減させることは実質上不可能であ
る．また、レーザプリンター等に用いられているスキャ
ナモー夕の回転数は年々高くなる傾向にあり、従来の軸
受として玉軸受を用いる軸受構造では対応出来なくなっ
ている。

そこで、より高い回転性能を実現するものとして、流体
動圧軸受を用いたスピンドルモータが提案されている。

第６図は本出願前に本出願人が特許出願した動圧軸受け
を使用したスピンドルモータの断面図である。取付台３
１の中央部に支持軸３２を立設し、取付台３１に円環状
スラスト板３３を、また支持軸３２と同心円に円筒状ラ
ジアル軸受３４を各々固定する．支持軸３２の円筒状ラ
ジアル軸受３４の上方向には、ステータコイル３５を複
数個等間隔で固定する． 寅、支承部材３６はキ勺ブ形状をしており、上方天蓋部
は支持軸３２の上方に遊嵌されており、下方輸部には断
面Ｌ字型の円環状軸部材３７が固着されている。該軸部
材３７の下端部はスラスト板３３と内周面はラジアル軸
受３４と各々対向して、スバイアル溝動圧スラスト軸受
とへリボーン溝動圧ラジアル軸受を形成している。支承
部材３６の内周ステータコイル３５の対向位置には、複
数個のロータマグネット３８が等間隔で固定されている
。

ステータコイル３５に順次電流が流れるとロータマグネ
ット３８を備えた支承部材３６は回転を開始し、スラス
ト板３３の上面と軸部材３７の下面間空気動圧スラスト
軸受をラジアル軸受３４の外周面と軸部材３７の内周面
で空気動圧ラジアル軸受を構成する。そのため、軸部材
３７は固体接触することなく軸支されるので、スムーズ
にしかも高速回転に対応でき、従来の玉軸受を使用した
ものに比較し、摩擦の問題点及び振動の問題点等が解消
される。

しかしながら、上記スピンドルモータも横姿勢（重力方
向がモータの軸と直角となる方向）で動作させた場合は
、回転邪の重力に起因するラジアル方向ノモーメントが
発生しラジアル軸受に対シてラジアル軸が傾き、ロータ
マグネットとステータコイルのラジアル方向の不釣合い
がより大きくなった状態で回転部分が軸受に対して片当
り状態で押しつけられる。また、軸受側が別ピースで構
成されている為、組立時の直角を出すには困難をｆｆっ
た。

また、上記問題点を含み、一般に従来の動圧軸受を使用
したスピンドルモ〜タを横姿勢で使用した場合下記のよ
うな問題点があった。

■２個の別体の動圧軸受を使用する場合は組み立て時、
同心の調整に困難があり、またラジアル軸受と軸のクリ
アランスはミクロン台であり２つの軸心のクリアランス
を合わせることは製造工程上問題があった．また、スラ
スト軸受が２個の別体の軸受の場合はスラスト間の相対
位置の調整が無しい。また、スラスト軸受のスラストカ
ラー｛ま通常平行度数ミクロン以内で作成してあり、セ
ット時にこれの数分の１程度に抑えることが必要となり
困難なものとなる。

■また、第６図に示すようなラジアルギ勺ブタイブのス
ピンドルモータでは、ロータマグネットとステータコイ
ルのラジアル方向の磁カの不釣り合いによるモーメント
が発生し、主軸に対してラジアル軸が傾き、動圧面が片
当りして起動トルクが大きくなった。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、上記問題点
を除去し、軸受に流体動圧軸受ところがり軸受を用い、
回転性能がよく、使用される姿勢に関係なく起動トルク
が小さくてすむスピンドルモータ等に好適な回転体及び
その軸受構造を提伏することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するため本発明は軸受構造を下記の如く
構成した。

取付基台の中央部に立設した支持軸と、中央部に該支持
軸が貫押される支持軸貫挿穴を有する回転部とを具備し
、回転部はラジアル軸受を介して支持軸に支持されと共
にスラスト軸受を介して取付基台に支持され、ラジアル
軸受及びスラスト軸受はそれぞれ動圧軸受であり、さら
に回転部はころがり軸受を介して支持軸に支持されてい
ることを特徴とする。

また、ラジアル軸受を構成する固定側部材及び可動側部
材、スラスト軸受を構成する固定側部材及び可動側部材
、支持軸の少なくとも１つ又はその一部がセラミックス
材料で作られ、又はスラスト軸受及びラジアルの軸受の
固定側部材と可動側部材の互いに対向する摺動面にセラ
ミック材層又は素地とは異種材料をコーティングした薄
膜又は素地を変質させた表面変質層が設けられたことを
特徴とする。また、セラミックスが炭化ケイ素又はアル
ミナであることを特徴とする。

また、スラスト軸受の動圧発生方向と反対方向に磁力に
よりプリロードすることを特徴とする。

また、スラスト軸受を構成する固定側部材と取付基台の
間にシリコンゴム等からなる弾性パッドを介在させたこ
とを特徴とする。

また、上記いずれか１つに記載の軸受構造を具備する回
転体。

また、回転部にロータマグネット又はロータ磁性体を配
設し、固定側には該ロータマグネット又Ｉまロータ磁性
体に対応してステータフィルを配設し、スピンドルモー
タとしたことを特徴とする。

〔作用〕

上記の如く軸受構造を動圧軸受にころがり軸受を併用す
る構成とすることにより、回転部の停止時と低速回転時
はころがり軸受に支持されて回転するから、起動及び初
期回転トルクが小さくなる。また、高速回転時には動圧
軸受に支持されて回転するから、動圧軸受の特徴である
高性能の回転特性が得られると共に、ラジアル軸受を短
くできることにより、スピンドルモータとして利用した
場合、モータ駆動部の配置スペースを大きく取れる。

また、磁力によるスラスト方向にプリロードをかけるこ
とにより、ラジアル軸受に対するラジアル軸の傾きを矯
正し片当りが無くなり、起動トルクをより低減できる。

また、回転部がスラスト方向の動圧力により飛び出るこ
とがなく安定して回転させることができる。特にスピン
ドルモータに利用した場合、スピンドルモータを横姿勢
で使用してもモータ回転部Ｃま安定して回転ずる。

また、ラジアル軸受を構成する固定側部材及び可動側部
材、スラスト軸受を構或する固定側部材及び可動側部材
及び支持軸の少なくとも１つ又はその一部が耐摩耗性の
優れたセラミ・冫クス材料で作られ、又は固定側部材及
び可動側部材の互いに対向する摺動面に耐摩耗性の優れ
たセラミ・７ク材層又は素地とはタ４種材料をコーティ
ングした薄膜又は素地を変質させた表面変τＫ層を設け
たので、無潤滑又は最小限潤滑で使え起動トルクとｆ′
ｔ荷トルクを低減できる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明に係る軸受構造を利用したスピンドルモ
ータの断面図である。取付基台１の中央部に支持軸２を
立設している。支持軸２の外周から所定寸法離れた取付
基台１の上にはスラスト軸受３を構成する円環状の固定
側部材３ａが弾性体からなる弾性バッド１０を介在させ
て配設されている。また、支持軸２の外周部にはラジア
ル軸受４を構成する円筒状の固定側部材４ａが固定され
ている。支持軸２の可動側部材４ａの上方部にはステー
タコイル５を複数個等間隔で固定する。

一方、支承部材６はキャップ形状をしており、上方天蓋
部は支持軸２に取り付けられたころがり軸受の一種であ
る玉軸受９により受けられており、下方端部には断面Ｌ
字型の円環状Ｉｐｔｈ都材７が固着されている．該軸部
材７の下端部はスラスト軸受３の固定側部材３ａに対向
する可動側郡材３ｂとなっており、その内周面はラジア
ル軸受４の固定側部材４ａに対向する可動側部材４ｂと
なっている．前記固定側部材３ａと可動側部材３ｂで後
に詳述するスバイラル満動圧のスラスト軸受３を構成し
、固定側部材４ａと可動側部材４ｂで後に詳述するヘリ
ングボーン溝動圧のラジアル軸受４を構成する。

また、支承部材６の内周で前記ステータコイル５と対向
する位置には、複数個のロータマグネット８が等間隔で
固定されている．ステータコイル５に順次Ｔｆｔを通電
すると、ロータマグネット８を備えた支承邪材６（モー
タ回転部）は回転を開始し、この支承部材６はスラスト
軸受３の固定側部材３ａと可動側部材３ｂの間に発生す
る空気動圧及びラジアル軸受４の固定側部材４ａと可動
側部材４ｂに発生する空気動圧により固体接触すること
なく軸支されるので、スムーズにしかも高速回転に対応
でき、従来の玉軸受を使用したものに比較し、摩擦の問
題点及び振動の問題点等が解消される。

ラジアル軸受４の固定側部材４ａの円環状軸受部材７（
可動側部材４ｂ）と対向する面には第２図に示すような
ヘリングボーン状の溝Ｃ等の動圧力を発生させる動圧発
生溝が形成されており、スラスト軸受３の固定側部材３
ａの円環状軸受部材７（可動側部材３ｂ）との対向面に
は第３図に示すスバイラル溝Ｃ等の動圧力を発生させる
動圧発生溝が形成されている。

なお、動圧発生溝は円環状軸部材７の内周面（可動側部
材４ｂ）及び下端面（可動側部材３ｂ）に形成し、それ
と対向する固定側部材４ａ及び固定側部材３ａの上面を
平滑としてもよい。

上記構成のスピンドルモータにおいて、ステータコイル
５に順次電流を通電するとロータマグネット８が固定さ
れた支承部材６は玉軸受９の軸受中心で回転を開始し、
同時にスラスト軸受３の固定側部材３ａと可動側部材３
ｂの間に空気動圧が発生する．また、ラジアル軸受４の
固定側部材４ａと可動側部材４ｂとの間に仝気動圧が発
生する．また、支承部材６の回転速度が増し、高速回転
となった時には上記動圧力が増し、動圧軸受けの軸受ク
リアランスが一様となり、支承部材６と支持軸２との同
芯度が高まる。即ち、動圧軸受の軸受クリアランスが一
様でない支承部材６の回転初期には玉軸受で回転し、高
速回転時には円環状軸部材７（可動側部材３ｂ及び可動
側部材４ｂ）は固定側部材３ａ及び固定側部材４ａと固
体接触することなく軸支されるので、スムーズでしかも
高速回転に対応できる．従って、上記従来の軸受に玉軸
受のみを用いたスピンドルモータに摩擦ノ問題、振動の
問題が解消される。

４二記構成のスピンドルモータにおいて、動圧ラジアル
軸受４を構成する固定側部材４ａと可動側部材４ｂ及び
スラスト軸受３を構成する固定側部材３ａと可動側部材
３ｂは、回転時動圧縮仝気を介して、非接触回転するこ
とから、これら軸受を構成する部材の材質は高精度で加
工できる材質であればどんな材料でも良く、一般の金属
材料、有機材料の利用が考えられる．問題は起動時と低
速回転時の摩擦抵抗と摩耗を少なくすることであり、一
般的に使用可能な材質の範囲は軸受構造に依存する。

本実施例では、軸受として、玉軸受９を動圧軸受に併用
する構成としたことにより、起動時の動圧軸受の摩擦抵
抗を低減すると共に、ロータマグネット８の磁力により
、スラスト軸受の動圧力方向と反対方向にプリロードす
るから、片当りしない構成となっている。従って、軸受
に使用できる材料の範囲は広範囲となる。ここでプリロ
ードの方法はロータマグネット８の磁気中心をステータ
コイル５の磁気中心に対して上方、即ちスラスト軸受と
は反対｛ｌｕｌ＋に所定量ｄだけずらすか、モータの駆
動部を図示しないがスラストギャップタイプとすること
によりなされる。スラスト軸受３を構成ずる固定ｆｌｌ
Ｉ１部材３ａと可動側部材３ｂ（円環状軸受部材７）、
ラジアル軸受４を構成する固定側部材４ａと可動側部材
４ｂ（円環状軸受部材７）のいずれか一吉又は双方に例
えばステンレス材を用いれば軸受の接触面に薄く潤滑剤
を塗布することにり、長時間にわたって安定した性能が
得られる。

負荷トルクを小さくする必要もあり、この場合は特に耐
摩耗特性の優れたセラミックス系の材質が好ましい。な
かでも炭素ケイ素又はアルミナが好適である。

また、素地とは異種材料の薄膜をコーティングして形成
するか、素地を変質させた表面変質層が設けられている
．この薄膜は物理的蒸着、化学的蒸着若しくはメッキに
より形成することができる。この薄膜は通常、素地とは
異種の材料が使用される。例えば、素地がステンレスで
コーティング材料がセラミックからなる組合わせである
。しかしながら素地と同種の材料を用いることもある。

例えばある種のニッケルメッキはメッキにより素地より
到密で硬いものとなる。また、平滑度を高めることがで
きる。′素地とは異種材料の」とはこのような場合も含
むものとする。また、表面変質層とは、例えば酸化弛理
、窒化処理若しくはイオン注入にまり形或できる。

また、組立時のラジアル動圧軸受とスラスト動圧軸受の
直角度を確保するために、取付基台１とスラスト軸受３
の固定側部材３ａの間に弾性体からなる弾性パッド１０
を介在させることにより、該弾性パッド１０に調芯機能
をもたせ該直角度を容易に実現できる．この弾性バッド
１０は弾性体であればどんな材料でもかまわないがシリ
コンゴムのような入手が容易な材料が好ましい。

また、上記スピンドルモータは支持軸２の外周に等間隔
に複数のステータコイル５を配設し、支承部材６の内周
に該ステータコイル５に対応するロータマグネット８を
配設した所謂同期電動機型のスピンドルモータとしたが
、スピンドルモータは同期電動機型に限定されるもので
はなく、誘導電動機型であってもよい。その場合はロー
タマグネット８に替えて、ロータ鉄心等のロータ磁性体
を等間隔で複数配設する。

第４図は本発明に係わる軸受構造の概念図である。今、
動圧ラジアル軸受の固定側部材４１の長径をＤｄ、長さ
をＬｄ、固定側部材４１と可動側部材４２とのクリアラ
ンスＣｄ及び玉軸受４３と固定側部材４１の中心の距離
をＢとすると、縦姿勢で使用する時には、例えば、ｃｄ
が数ミクロの ン、Ｂ／Ｌ＝１、Ｌ／Ｄ＝１の時、玉軸受４３飴ラジア
ル隙間ｃｂが５ミクロン程度の軸受けを使えば、起動時
に玉軸受４３に支持されて回転することを確認した。起
動時に玉軸受に支持されて回転ｒるためには、玉軸受け
の径とラジアル方向のクリアランス及び動圧ラジアル軸
受けのラジアル外径、ラジアル方向のクリアランスとラ
ジアル長さ及び２１！Ｉの軸受の相対距離に依存し、本
発明でＣま次の関係式を満たす構成であれば良い。

Ｃｂ＜（２Ｃｄ／Ｌｄ）ＸＢ また、横姿勢で使用する時には磁力によるブリロードを
かけることにより、縦姿勢と同じ条件で使用できる。

上記のように袴通のころがり軸受を併用することにより
容易に起動トルクを低減できるとノ（に、ふたつのベア
リングが使用される構造であるにも関わらず一力がころ
がり軸受であるため組立てが容易となる。

なお、上記実施例では本発明の軸受構造をスピンドルモ
ータに使川した例を示したが、本発明の軸受構造はスピ
ンドルモータに限定されるものではなく、振動が少なく
高速で回転する回転体の軸受構造として広く利用するこ
とが可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば下記のような優れた
効果が得られる。

〈１）軸受構造を決める次のパラメータ；動圧ラジアル
軸受を構成する固定側部材の長径，長さ，クリアランス
，またころがり軸受とラジアル軸受の中心の距離のかな
り広い範聞において、これらのパラメータに対応したラ
ジアル隙間を有するころがり軸受を用いることにより起
動トルクが低減できる． （２）ころがり軸受を使用しているにも関わらず回転時
には動圧軸受の高特性が実現できる。

（３）一方の軸受がころがり軸受であるので組立時の寸
法精度を高くすることが容易となる。

（４）スラスト方向にブリ口一ドをかけることにより、
軸受の片当りを防止でき、起動トルクをより低減できる
。

また、回転時には動圧と拮抗する力が存在する事により
、回転が安定する。特に、横姿勢で使用した時は、モー
タ回転部はスラスト方向の動圧により飛び出ること無く
安定して回転する．（５）ラジアル軸受及びスラスト軸
受を構成部材及び支持軸の少なくとも１つ又はその一部
がセラミックス材料で作るか、又は各構成部材の互いに
対向する摺動面にセラミック材層又は素地とは異種材料
をコーティングした薄膜又は素地を変質させた表面変質
層を設けることにより、無潤滑又は最小限の潤滑で使用
できる。

（６〉スラスト軸受けと固定側の間に弾性パッド介在さ
せたことにより、動圧軸受のラジアルとスラストの直角
度が容易に実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１（５０は本発明に係る軸受構造を利用したスピンド
ルモータの断面図、第２図はラジアル軸受部材に形成さ
れた動圧発生溝の例を示す図、第３図はスラスト軸受部
材に形成された動圧発生溝の例を示す図、第４図は本発
明に係る軸受構造を示す断面図、第５図は従来のＨＤＤ
用スピンドルモータの一部断面を示す図、第６図は本出
願前に特許出願された動圧軸受を使用したスピンドルモ
ータの断面図である。 図中、１・・・・取付基台、２・・・・支持軸、３・・
・・スラスト軸受、４・・・・ラジアル軸受、５・・・
・ステータコイル、６・・・・支承部材、７・・・・円
環状軸部材、８・・・・ロータマグネット、９・・・・
玉軸受、１０・・・・弾性パッド。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）取付基台の中央部に立設した支持軸と、中央部に
   該支持軸が貫挿される支持軸貫挿穴を有する回転部とを
   具備し、前記回転部はラジアル軸受を介して前記支持軸
   に支持されると共に、スラスト軸受を介して取付基台に
   支持され、前記ラジアル軸受及びスラスト軸受はそれぞ
   れ動圧軸受であり、さらに前記回転部はころがり軸受を
   介して前記支持軸に支持されていることを特徴とする軸
   受構造。
2. （２）前記ラジアル軸受を構成する固定側部材及び可動
   側部材、前記スラスト軸受を構成する固定側部材及び可
   動側部材、支持軸の少なくとも１つ又はその一部がセラ
   ミックス材料で作られ、又は前記スラスト軸受及びラジ
   アル軸受固定側部材と可動側部材の互いに対向する摺動
   面にセラミック材層又は素地とは異種材料をコーティン
   グした薄膜又は素地を変質させた表面変質層が設けられ
   たことを特徴とする請求項（１）記載の軸受構造。
3. （３）前記セラミックスが炭化ケイ素又はアルミナであ
   ることを特徴とする請求項（１）又は（２）記載の軸受
   構造。
4. （４）前記スラスト軸受の動圧発生方向と反対方向に磁
   力によりプリロードすることを特徴とする請求項（１）
   乃至（３）のいずれか１つに記載の軸受構造。
5. （５）前記スラスト軸受を構成する固定側部材と取付基
   台の間に弾性パッドを介在させたことを特徴とする請求
   項（１）乃至（４）のいずれか１つに記載の軸受構造。
6. （６）前記弾性パッドがシリコンゴムであることを特徴
   とする請求項（５）記載の軸受構造。
7. （７）前記請求項（１）乃至（６）のいずれか１つに記
   載の軸受構造を具備する回転体。
8. （８）前記回転部にロータマグネット又はロータ磁性体
   を配設し、前記固定側には該ロータマグネット又はロー
   タ磁性体に対応してステータコイルを配設し、スピンド
   ルモータとしたことを特徴とする前記請求項（７）記載
   の軸受構造を具備する回転体。