WO2001006621A1 - Spindle motor - Google Patents

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WO2001006621A1 PCT/JP2000/004626 JP0004626W WO0106621A1 WO 2001006621 A1 WO2001006621 A1 WO 2001006621A1 JP 0004626 W JP0004626 W JP 0004626W WO 0106621 A1 WO0106621 A1 WO 0106621A1
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cylinder
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pressure bearing
radial
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Osamu Komura
Hisao Takeuchi
Makoto Otsuki
Kaoru Murabe
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Definitions

  • the present invention relates to a spindle motor provided with an air dynamic pressure bearing having a radial dynamic pressure bearing and a thrust dynamic pressure bearing, wherein the spindle motor is used to drive a rotating body such as a magnetic disk, an optical disk, or a polygon mirror.
  • the present invention relates to a structure for preventing abrasion due to contact sliding of a thrust dynamic pressure bearing surface at the time of startup.
  • a spindle motor having an air dynamic pressure bearing is employed as a drive source of a rotating body in a rotating body device such as a magnetic disk, an optical disk, and a polygon mirror.
  • a rotating body device such as a magnetic disk, an optical disk, and a polygon mirror.
  • the air dynamic pressure bearing has a simple structure and can be miniaturized, and because it rotates in a non-contact manner during steady rotation, there is no vibration or rotational unevenness due to the bearing, and it has excellent high-speed durability
  • oil and grease are not used, there is a feature that there is no contamination due to the scattering of the lubricant.
  • spindle motors equipped with air dynamic pressure bearings have the problem that the dynamic pressure generating surface of the thrust bearing wears due to contact sliding at the beginning of startup because the dynamic pressure generating surface of the thrust bearing is in contact when the motor stops. is there.
  • the dynamic pressure generating surface of the thrust bearing is lifted, and the thrust load is received by the axial center of the cylindrical column of the radial dynamic pressure bearing, which is the fixed member, and the rotational speed of the spindle motor increases.
  • FIG. 10 shows the structure of the fixed shaft type spindle motor 100.
  • Reference numeral 101 denotes a base plate of the base plate 110
  • reference numeral 102 denotes a cylindrical member that also serves as a shaft erected on the base plate 101
  • reference numeral 103 denotes a cylindrical member having a closed end. is there.
  • Cylindrical member 103 is rotatably fitted to the cylindrical member 102 with its closed end facing upward.
  • a donut-shaped thrust member 104 is formed on the outer periphery of the cylindrical member 103, and the thrust member 104 is provided at a position opposite to the thrust member 104 through a cover 105 engaging with the base plate 101.
  • a holding member 106 is provided.
  • a rotor 108 as a rotating body is fixed to a hub 107 formed integrally with the cylindrical member 103.
  • the mouth magnet 109 is provided on the outer peripheral surface of the lower end of the cylindrical member 103, and a motor coil 111 wound on a stay 110 extending from the base plate 101 is provided at an opposite position. Be placed.
  • the spindle motor 100 stops, the closed end of the cylindrical member 103 and the apex of the cylindrical member 102 come into contact with the weight of the mouth 108 including the hub 107, and the thrust member 104 The gap between the thrust holding members 106 is sufficiently ensured.
  • the cylindrical member 103 rotates clockwise when viewed from the mouth 108 side.
  • the present invention provides a spindle motor capable of cutting off the contact between the fixed member and the rotating member even when stopped, in order to solve the above problem. Disclosure of the invention
  • Example 1 As a first embodiment, a cylindrical column of a radial dynamic pressure bearing having a radial dynamic pressure generating groove on an outer peripheral surface at an upper end on an axis of a stay core having a stay coil around which a motor coil is wound, and a thrust on an upper surface
  • a radial load is supported by a radial dynamic pressure bearing, and a load in the thrust direction is used in combination with a magnetic bearing and a thrust dynamic pressure bearing composed of a stay and a mouth magnet. And support.
  • a disk of a thrust dynamic pressure bearing having a hub as a rotating member at an upper end of a motor shaft having a magnet at the outer periphery and a thrust dynamic pressure generating groove on a lower surface
  • a cylinder of a radial dynamic pressure bearing having a radial dynamic pressure generating groove on the outer peripheral surface; a cylinder as a fixed member; a cylinder having a smooth inner surface facing the cylinder of the radial dynamic pressure bearing;
  • a magnetic shaft which comprises a stay for winding a motor coil facing the shaft, supports a radial load by a radial dynamic pressure bearing, and a thrust load by a stay and a rock magnet.
  • the bearing and thrust dynamic pressure bearing are used together.
  • a radial dynamic pressure bearing cylinder having a radial dynamic pressure generation groove on an outer peripheral surface is provided at an upper end on an axis of a stay core provided with a stay for winding a motor coil, and a thrust is provided on an upper surface. It has a thrust dynamic pressure bearing disk with a dynamic pressure generating groove, and a hub as a rotating member is provided with a cylinder having a smooth inner surface facing the cylinder of the radial dynamic pressure bearing, and a rotor magnet facing the motor coil.
  • a ring-shaped first permanent magnet is fixed to the top end of the cylinder, and a ring-shaped second permanent magnet is fixed to the top end of the cylinder so as to surround the first permanent magnet.
  • a secondary magnetic bearing is provided to The load is supported by a radial dynamic pressure bearing, and the load in the thrust direction is supported by a combination of a main magnetic bearing, a sub-magnetic bearing, and a thrust dynamic pressure bearing that are composed of a stationary magnet and a mouth magnet.
  • Embodiment 4 As a fourth embodiment, a disk of a thrust dynamic pressure bearing having a hub as a rotating member at the upper end of a motor shaft having a rotor magnet disposed on the outer periphery, and a thrust dynamic pressure generating groove on a lower surface below, A radial dynamic pressure bearing cylinder with a radial dynamic pressure generating groove on its surface, a case as a fixing member, a cylinder with a smooth inner surface facing the radial dynamic pressure bearing cylinder, and a rhodium magnet facing A first permanent magnet having a ring shape fixed to the lower end surface of the cylinder, and a second ring shape formed on the lower end surface of the cylinder so as to surround the first permanent magnet.
  • a secondary magnetic bearing configured by fixing a permanent magnet of the type is provided, a radial load is supported by the radial dynamic pressure bearing, and a load in the thrust direction is constituted by a stay and a mouth magnet.
  • Magnetic The bearing is supported in combination with the auxiliary magnetic bearing and the thrust dynamic pressure bearing.
  • the radial dynamic pressure 'generating groove existing in each of the embodiments is composed of at least three grooves, and the lead end point of the groove is formed in the developed view so as not to exceed the starting point of the adjacent groove. Is preferred.
  • the same effect can be obtained even if the radial dynamic pressure generating groove existing in any of the embodiments is a herringbone groove having an asymmetrical vertical groove length.
  • FIG. 1 is a sectional view of Embodiment 1 of the spindle motor of the present invention.
  • FIG. 2 is a sectional view of Embodiment 2 of the spindle motor according to the present invention.
  • FIG. 3 is a sectional view of Embodiment 3 of the spindle motor of the present invention.
  • FIG. 4 is a sectional view of Embodiment 4 of the spindle motor according to the present invention.
  • FIG. 5 shows a herringbone groove formed as a thrust dynamic pressure groove in Example 1 of the present invention. This is an example.
  • FIG. 6 is an example in which a herringbone groove is formed as a thrust dynamic pressure groove in Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 7 is an external view of the radial dynamic pressure generating groove of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the spindle motor of Comparative Example 1.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the spindle motor of Comparative Example 2.
  • FIG. 10 is a sectional view of a conventional spindle motor. Explanation of reference numerals
  • 1 is a base plate
  • 2 is a stay core
  • 2a is a stay
  • 3 is a disk
  • 3a is a spiral groove
  • 4 is a cylinder
  • 4a is a groove
  • 5 is a hub
  • 5a is a skirt
  • 6 is a cylinder
  • 7 is a coil
  • 8 is a rotor magnet
  • 9 is a shaft
  • 10 is a case, 1 is a first permanent magnet, 1 is a 2nd permanent magnet (Embodiment 1 )
  • Fig. 1 shows the structure of the first embodiment in which a magnetic bearing is formed between the stay and the roof magnet.
  • Fig. 1 (a) is a state diagram at the time of stoppage
  • Fig. 1 (mouth) is It is a state figure during a steady rotation.
  • reference numeral 1 denotes a base plate for fixing a stay core 2 as a fixing member.
  • a stay 2a made of a silicon steel plate is provided integrally, and a motor coil 7 is wound therearound.
  • the column 4 of the radial dynamic pressure bearing having 4 a is fixed.
  • a cylinder 6 having a smooth inner surface is fixed at a position facing the cylinder 4 inside the hub 5 as a rotating member.
  • a magnet 8 is arranged in a ring shape at a position facing the motor coil of the scar part 5 a of the hub 5.
  • the gap between cylinder 4 and cylinder 6 is set to 5 / zm or less in diameter difference.
  • a rotating body such as a magnetic disk, an optical disk, or a polygon mirror is mounted on the outer periphery of the hub 5.
  • the magnet 8 and the stay 2a constitute a magnetic bearing.
  • Spindle motor When the motor is stopped in the evening, the motor coil 7 is not energized, so the center position (mouth) of the magnet 8 should stay at the center position (a) of the magnet with the strongest magnetic force. However, due to the balance between the weight of the hub 5 and the magnetic force, it stops at a position slightly lower than (a). At this time, the clearance between the upper surface of the disk 3 constituting the thrust dynamic pressure bearing and the lower end surface of the cylinder 6 is A1, and they are not in contact with each other.
  • FIG. 2 shows the structure of a second embodiment in which a magnetic bearing is formed between the stay 2a and the rotor magnet 8 in the same manner as in the first embodiment, using the cylinder 6 as a fixing member.
  • Fig. 2 (a) is a state diagram at the time of stoppage
  • Fig. 2 (mouth) is a state diagram during steady rotation.
  • reference numeral 9 denotes a motor shaft
  • a magnet 8 is provided on the outer periphery
  • a hub 5 as a rotating member is fixed to an upper end.
  • a disk 3 of a thrust hydrodynamic bearing having a spiral groove 3a, etc. which serves as a thrust dynamic pressure generating groove on the lower surface
  • a radial dynamic pressure having a spiral groove 4a serving as a radial dynamic pressure generating groove on the outer peripheral surface.
  • the bearing cylinder 4 is fixed.
  • a cylinder 6 having a smooth inner surface at the position facing the cylinder 4 is fixed to the case 10 as a fixing member, and the motor coil 7 is wound around the mouth 8 at the position facing the magnet 8. Evening 2a is arranged physically.
  • the lower surface of the disk 3 constituting the thrust dynamic pressure bearing and the upper end surface of the cylinder 6 are in non-contact with each other, and the clearance is A1.
  • the coil 7 is energized and an alternating magnetic field is generated at the station 2a, the cylinder 4 rotates counterclockwise and the hub 5 descends when viewed from the hub 5, as shown in Fig. 2 (mouth). I do.
  • the clearance between the lower surface of the disk 3 and the upper end surface of the cylinder 6 is balanced with the repulsion force generated by the spiral groove 3a to be A2, and has the same operation and effect as in the first embodiment.
  • FIG. 3 shows the structure of the third embodiment in which a ring-shaped permanent magnet is fixed on the concentric circle of the upper end surface of each of the cylinder 4 and the cylinder 6 to form a sub-magnetic bearing.
  • Fig. 3 (a) is a state diagram at the time of stoppage
  • Fig. 3 (mouth) is a state diagram during steady rotation.
  • reference numeral 1 denotes a base plate for fixing the stay core 2 as a fixing member.
  • a stay 2 a made of a silicon steel plate is provided integrally, and a motor coil 7 is wound therearound.
  • the cylindrical column 4 of the radial dynamic pressure bearing having 4 a is fixed.
  • a cylinder 6 having a smooth inner surface is fixed at a position facing the cylinder 4 inside the hub 5 as a rotating member.
  • the rotor magnet 8 is arranged in a ring shape at a position facing the motor coil of the skirt portion 5a of the hub 5 to constitute a main magnetic bearing, which is exactly the same as in the first embodiment.
  • the center position (2) of the rotor magnet 8 sinks below the center position (a) of the stay 2a due to the weight of the hub 5, but in the third embodiment, this is to prevent this.
  • a ring-shaped first permanent magnet 11 is fixed to the upper end surface of the cylinder 4, and a ring-shaped second permanent magnet 12 is mounted on the upper end surface of the cylinder 6 so as to surround the first permanent magnet 11.
  • the auxiliary magnetic bearing is fixed. If the outside of the first permanent magnet 11 is set to the south pole and the inside of the second permanent magnet 12 is set to the north pole, or vice versa, the permanent magnets 11 and 12 will attract each other.
  • the center of the magnet 8 (2) rests higher than the center of the stay 2a (8).
  • the outer diameter of the first permanent magnet 11 is slightly smaller than the outer diameter of the cylinder 4, and the inner diameter of the second permanent magnet 12 is a circle. Set slightly larger than the inner diameter of the cylinder 6, and fix it with an anaerobic adhesive that cures with ultraviolet light. In this way, by making the facing gap between the permanent magnets 11 and 12 larger than the facing gap of the radial dynamic pressure bearing, the cylinder 4 comes into contact with the cylinder 6 before the permanent magnets 1 and 1 come into contact with each other. Therefore, the processing of the adhesive bit is also simplified.
  • the clearance between the upper surface of the disk 3 and the lower end surface of the cylinder 6 at the time of stoppage in FIG. 3 (a) is A1 and is maintained in a non-contact state with each other.
  • FIG. 4 shows the structure of the fourth embodiment in which the auxiliary magnetic bearing is formed in the same manner as in the third embodiment using the cylinder 6 as a fixing member.
  • Fig. 4 (a) is a state diagram at the time of stoppage
  • Fig. 4 (mouth) is a state diagram during steady rotation.
  • reference numeral 9 denotes a motor shaft
  • a magnet 8 is provided on the outer periphery
  • a hub 5 as a rotating member is fixed to the upper end.
  • a disk 3 of a thrust hydrodynamic bearing having a spiral groove 3a, etc. which serves as a thrust dynamic pressure generating groove on the lower surface
  • a radial dynamic pressure having a spiral groove 4a serving as a radial dynamic pressure generating groove on the outer peripheral surface.
  • the bearing cylinder 4 is fixed.
  • a cylinder 6 having a smooth inner surface fixed at a position facing the cylinder 4 is fixed to a case 10 as a fixing member, and a stainless steel plate wound with a motor coil 7 wound at a position facing the magnet 8 at the mouth.
  • the second embodiment is exactly the same as the second embodiment in that the second magnetic body 2a is disposed physically and forms the main magnetic bearing.
  • first ring-shaped permanent magnet 11 is fixed to the lower end surface of the cylinder 4, and the second ring-shaped permanent magnet 12 is placed under the cylinder 6 so as to surround the first ring-shaped permanent magnet 11.
  • the configuration of the auxiliary magnetic bearing fixed to the end face is exactly the same as in the third embodiment.
  • the radial dynamic pressure generating groove formed on the outer periphery of the cylinder 4 may be a vertically asymmetric herringbone groove shown in FIGS. Also, at least three grooves 4a are formed on the groove as shown in FIG. 7, that is, on the circumference. Further, it is preferable that the end point Y1 of the groove 4a is formed in a range that does not exceed the start point X2 of the adjacent groove 4a in a developed state.
  • the groove 4a from the start point X1 to the end point Y1 may be a straight line or a spiral curve.
  • the width of the groove 4a is 1 to 3 mm, and the depth may be a shallow groove of several Atm to several tens; formed by a flat surface obtained by cutting a cylinder by applying a grindstone. May be.
  • the above-mentioned groove 4a can reduce the number of processing steps much more than the herringbone groove and exerts the same effect.
  • at least the disk 3, the column 4, and the cylinder 6 are preferably made of a member made of ceramics such as alumina, silicon nitride, and silicon carbide. Among them, alumina is the most economical material.
  • FIG. 8 shows a structural diagram of the comparative example 1 in comparison with the example 1 during steady rotation of the spindle motor.
  • the names, symbols, and functions of the components in FIG. 8 are completely the same as those in the first embodiment, and thus description thereof is omitted. However, the difference is that when stopped, the upper surface of the disk 3 constituting the thrust dynamic pressure bearing and the lower end surface of the cylinder 6 are in contact with each other.
  • FIG. 9 shows a structure diagram of the spindle motor of Comparative Example 2 in comparison with Example 3 during steady rotation.
  • the names, signs, and functions of the components in FIG. 9 are completely the same as those in the third embodiment, and thus description thereof is omitted.
  • the groove 4a formed on the outer periphery of the cylinder 4 may be a vertically uniform herringbone groove or a vertical groove parallel to the axis. The difference is that the disk 3 constituting the thrust dynamic pressure bearing is omitted, and the thrust load is supported only by the main magnetic bearing and the auxiliary magnetic bearing.
  • Table 1 shows the results of observing the vertical movement of the upper surface of the hub 5 with a laser displacement meter, with the specifications of the spindle motor operating at a rated DC of 12 V and a steady rotation speed of 1800 rpm. table 1
  • a starting current approximately 2.3 times as large as that of Comparative Example 2 is required.
  • the optimal zone of the magnetic field lines of the magnet 8 and the center of the motor coil 7 are slightly displaced, so that the motor efficiency tends to decrease and the current value tends to increase slightly. It is a range that does not cause a problem in practical use. Industrial applicability
  • the thrust load of the hub is supported in cooperation with the main magnetic bearing composed of the stay and the rotor magnet, or the auxiliary magnetic bearing composed of a pair of ring-shaped permanent magnets provided on the end surface of the cylinder and cylinder.
  • the disk of the thrust dynamic pressure bearing and the end face of the cylinder are held in non-contact, and when the rotor magnet is activated, the radial dynamic pressure generating groove of the radial dynamic pressure bearing generates a force that reduces the clearance of the thrust dynamic pressure bearing, Since the disk and cylinder of the thrust hydrodynamic bearing approach each other and support the thrust load during steady rotation mainly by the repulsive force of the thrust hydrodynamic bearing, contact with the components of the thrust hydrodynamic bearing is always avoided, A spindle motor that does not have to worry about abrasion of the portion and consumes less power at startup can be provided. As is apparent from FIGS. 1 to 4, since the related members are easily centered, it is easy to maintain the gap of the thrust dynamic pressure bearing at a value of several microns.

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Description

明細書 スピンドルモータ 技術分野
本発明は、 ラジアル動圧軸受とスラスト動圧軸受とを有する空気動圧軸受を備 えたスピンドルモー夕であって、 このスピンドルモー夕を磁気ディスク、 光ディ スク、 ポリゴンミラー等の回転体の駆動源とした回転装置において、 特にその起 動時のスラスト動圧軸受面の接触摺動による磨耗を防止する構造に関する。 背景技術
磁気ディスク、 光ディスク、 ポリゴンミラ一等の回転体装置において、 回転体 の駆動源に、 空気動圧軸受を備えたスピンドルモー夕が採用されていることは公 知である。 これは、 空気動圧軸受は構造が単純で小型化が可能なこと、 定常回転 中は非接触で回転するから、 軸受けに起因する振動や回転むらがなく、 しかも高 速耐久性に優れていること、 更に油やグリース等を用いないから潤滑剤の飛散に よる汚染が全くないこと等の特徴を有するからである。
しかしながら、 空気動圧軸受を備えたスピンドルモータは、 停止時にスラスト 軸受の動圧発生面が接触しているため、 起動初期に接触摺動してスラスト軸受の 動圧発生面が磨耗すると言う問題がある。 この問題を解決するために、 停止時に はスラスト軸受の動圧発生面を浮かせて、 スラスト荷重を固定部材であるラジア ル動圧軸受の円柱の軸心部で受け、 スピンドルモータの回転数の上昇に伴って発 生するラジアル動圧発生溝の推力によって円柱軸心部を離間させ、 スラスト軸受 の隙間を設定値に維持する手段がある。
特開平 1 1一 6 9 7 1 5号公報に、 その実施例が提案されている。 図 1 0は、 そのシャフト固定型スピンドルモータ 1 0 0の構造を示すものである。 1 0 1は ステ一夕 1 1 0のべ一スプレート、 1 0 2はべ一スプレート 1 0 1に立設された シャフト兼用の円柱部材で、 1 0 3は閉塞端を有する円筒部材である。 円筒部材 1 0 3は、 閉塞端を上向きにして円柱部材 1 0 2に回転可能に嵌合されている。 円筒部材 1 0 3の外周には、 ドーナツ盤状のスラスト部材 1 0 4がー体に形成さ れ、 対向する位置に、 ベースプレート 1 0 1に係合するカバ一 1 0 5を介してス ラスト押さえ部材 1 0 6が設けられている。 円筒部材 1 0 3と一体に形成された ハブ 1 0 7に、 回転体としてのロータ 1 0 8が固定される。 口一夕磁石 1 0 9は 、 円筒部材 1 0 3の下端の外周面に設けられ、 対向する位置に、 ベースプレート 1 0 1から伸びるステ一夕 1 1 0に巻かれたモータコイル 1 1 1が配置される。 スピンドルモータ 1 0 0の停止時には、 ハブ 1 0 7を含む口一夕 1 0 8の自重 で円筒部材 1 0 3の閉塞端と円柱部材 1 0 2の頂点は接触し、 スラスト部材 1 0 4とスラスト押さえ部材 1 0 6の隙間は充分確保されている。 モー夕コイル 1 1 1に通電されると、 口一夕 1 0 8側から見て円筒部材 1 0 3が時計廻りに回転す る。 そして、 その回転数が上がるにつれ、 円柱部材 1 0 2の外周面の上部に偏つ て設けるヘリングボーン溝 1 1 2で推力が発生し、 円筒部材 1 0 3の閉塞端と円 柱部材 1 0 2の頂点は離^する。 同時に、 スラス卜部材 1 0 4の上面に設けるス パイラル溝 (図示せず) の発生するスラスト動圧によって、 スラスト押さえ部材 1 0 6との隙間は接近し、 推力とスラスト動圧がバランスする位置にロー夕 1 0 8は浮上する。
上述の如く構成したことにより、 スラスト部材 1 0 4とスラスト押さえ部材 1 0 6が定常回転中に接触摺動することは回避され、 該部で磨耗が全く発生しない と説明されている。 さらに、 口一夕 1 0 8は、 ラジアル動圧軸受のへリングポー ン溝 1 1 2で発生する推力によって上昇するため、 空気動圧軸受以外の余分の追 加手段を省いたコンパク卜なスピンドルモータが得られると説明されている。 しかしながら、 図 1 0のスピンドルモータの構造では、 円筒部材 1 0 3の外周 に設けるスラスト部材 1 0 4にスパイラル溝を加工しなければならず、 形状が複 雑になり、 一体に形成するのは不経済である。 又、 スラスト押さえ部材 1 0 6は 、 浮上してくるスラスト部材 1 0 4の上方に位置するため、 ベースプレート 1 0 1とカバー 1 0 5に芯出しのための加工が必要で形状が複雑になり、 組立てが難 しい。 さらに、 これ等の関係部材の集積誤差によって、 スラスト動圧軸受の隙間 を数ミクロンオーダーで維持することは極めて困難である。 そこで本発明は、 上 記の問題を解決するために、 停止時も固定部材と回転部材との接触を断つことが できるスピンドルモータを提供するものである。 発明の開示
実施例 1として、 モーターコイルを巻装するステ一夕を備えたステ一夕コアの 軸心上の上端に、 外周面にラジアル動圧発生溝を有するラジアル動圧軸受の円柱 と、 上面にスラスト動圧発生溝を有するスラスト動圧軸受の円盤とを備え、 回転 部材としてのハブに、 ラジアル動圧軸受の円柱に対面する内面が平滑である円筒 と、 モ一夕コイルに対面するロー夕マグネットを配設し、 ラジアル方向の荷重を ラジアル動圧軸受によって支持し、 スラス卜方向の荷重をステ一夕と口一夕マグ ネッ卜によって構成されている磁気軸受及び前記スラスト動圧軸受とを併用して 支持する。
実施例 2として、 外周に口一夕マグネットを配置したモー夕軸の上端に回転部 材としてのハブを備え、 下方には、 下面にスラスト動圧発生溝を有するスラスト 動圧軸受の円盤と、 外周面にラジアル動圧発生溝を有するラジアル動圧軸受の円 柱とを備え、 固定部材としてのケースに、 ラジアル動圧軸受の円柱に対面する内 面が平滑である円筒と、 ロー夕マグネッ卜に対面するモーターコイルを巻装する ステ一夕とを備え、 ラジアル方向の荷重をラジアル動圧軸受によって支持し、 ス ラスト方向の荷重をステ一夕とロー夕マグネッ卜によって構成されている磁気軸 受及びスラス卜動圧軸受とを併用して支持する。
実施例 3として、 モーターコイルを巻装するステ一夕を備えたステ一夕コアの 軸心上の上端に、 外周面にラジアル動圧発生溝を有するラジアル動圧軸受の円柱 と、 上面にスラスト動圧発生溝を有するスラスト動圧軸受の円盤とを備え、 回転 部材としてのハブに、 ラジアル動圧軸受の円柱に対面する内面が平滑である円筒 と、 モータコイルに対面するロー夕マグネットを配設し、 円柱の上端面にリング 状の第 1の永久磁石を固定し、 第 1の永久磁石を囲むように円筒の上端面にリン グ状の第 2の永久磁石を固定して構成される副磁気軸受を設け、 ラジアル方向の 荷重をラジアル動圧軸受によって支持し、 スラスト方向の荷重をステ一夕と口一 タマグネットによって構成されている主磁気軸受と副磁気軸受及びスラスト動圧 軸受とを併用して支持する。
実施例 4として、 外周にロータマグネットを配置したモ一夕軸の上端に回転部 材としてのハブを備え、 下方には、 下面にスラスト動圧発生溝を有するスラスト 動圧軸受の円盤と、 外周面にラジアル動圧発生溝を有するラジアル動圧軸受の円 柱とを備え、 固定部材としてのケースに、 ラジアル動圧軸受の円柱に対面する内 面が平滑である円筒と、 ロー夕マグネットに対面するモーターコイルを巻装する ステ一夕とを備え、 円柱の下端面にリング状の第 1の永久磁石を固定し、 第 1の 永久磁石を囲むように円筒の下端面にリング状の第 2の永久磁石を固定して構成 される副磁気軸受を設け、 ラジアル方向の荷重を前記ラジアル動圧軸受によって 支持し、 スラスト方向の荷重をステ一夕と口一夕マグネッ卜によって構成されて いる主磁気軸受と副磁気軸受及び前記スラスト動圧軸受とを併用して支持する。 いずれの実施例にも存在するラジアル動圧'発生溝は、 少なくとも 3本の条溝か ら成り、 条溝のリード終点が展開図において、 隣接する条溝の始点を超えない範 囲に形成されていることが好ましい。
又、 いずれの実施例にも存在するラジアル動圧発生溝は、 上下非対象の溝長さ を有するヘリングボーン溝であっても同様の効果が得られる。
そして、 ラジアル動圧軸受とスラスト動圧軸受を構成する部材には、 軽くて硬 質の窒化珪素系もしくは炭化珪素系、 アルミナ系のセラミックスを用いるのが好 ましい。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明のスピンドルモータの実施例 1の断面図である。
図 2は、 本発明のスピンドルモ一夕の実施例 2の断面図である。
図 3は、 本発明のスピンドルモータの実施例 3の断面図である。
図 4は、 本発明のスピンドルモー夕の実施例 4の断面図である。
図 5は、 本発明の実施例 1にスラスト動圧溝としてヘリングボーン溝を形成し た例である。
図 6は、 本発明の実施例 3にスラスト動圧溝としてへリングポ一ン溝を形成し た例である。
図 7は、 本発明のラジアル動圧発生溝の外観図である。
図 8は、 比較例 1のスピンドルモー夕の断面図である。
図 9は、 比較例 2のスピンドルモータの断面図である。
図 1 0は、 従来例のスピンドルモー夕の断面図である。 符号の説明
1はべ一スプレート、 2はステ一夕コア、 2 aはステ一夕、 3は円盤、 3 aは スパイラル溝、 4は円柱、 4 aは条溝、 5はハブ、 5 aはスカート、 6は円筒、 7はモ一夕コイル、 8はロータマグネット、 9はモ一夕軸、 1 0はケース、 1 1 は第 1の永久磁石、 1 2は第 2の永久磁石 (実施の形態 1 )
以下に、 本発明を具体化した好適な実施例を図面に基づき詳細に説明する。 図 1は、 ステ一夕とロー夕マグネッ卜の間に磁気軸受を構成した実施例 1の構造を 示し、 図 1 (ィ) は、 停止時の状態図であり、 図 1 (口) は、 定常回転中の状態 図である。
図 1 (ィ) において、 1は固定部材としてのステ一夕コア 2を固定するベース プレ一トである。 ステ一夕コア 2の外周には珪素鋼板から成るステ一夕 2 aがー 体的に設けられ、 モー夕コイル 7が巻装されている。 ステ一夕コア 2の軸心上に は、 上面にスラスト動圧発生溝となるスパイラル溝 3 a等を有するスラスト動圧 軸受の円盤 3と、 外周面にラジアル動圧発生溝となる螺旋状溝 4 aを有するラジ アル動圧軸受の円柱 4が固定される。 そして、 回転部材としてのハブ 5の内側の 円柱 4と対面する位置に、 内面が平滑な円筒 6を固定する。 さらに、 ハブ 5のス カート部 5 aのモータコイルと対面する位置に、 口一夕マグネット 8をリング状 に配設する。 因みに、 円柱 4と円筒 6の隙間は、 直径差で 5 /z m以下に設定され る。 図示していないが、 磁気ディスク、 光ディスク、 ポリゴンミラ一等の回転体 は、 ハブ 5の外周に取付けられる。
ロー夕マグネット 8とステ一夕 2 aは磁気軸受を構成している。 スピンドルモ —夕の停止時は、 モー夕コイル 7には通電されないため、 口一夕マグネット 8の 中心位置 (口) は、 磁力の最も強いステ一夕 2 aの中心位置 (ィ) に静止しょう とするが、 ハブ 5の重量と磁力とのバランスにより、 (ィ) よりわずかに沈んだ 位置に静止する。 この時のスラスト動圧軸受を構成する円盤 3の上面と、 円筒 6 の下端面のクリアランスは A 1となって相互に非接触の状態にある。
そして、 図 1 (口) に示すように、 モータコイル 7に通電されステ一夕 2 aに 交番磁界が発生すると、 ハブ 5側から見て円筒 6が反時計廻りに回転する。 その 回転数が上がるにつれて、 ラジアル動圧軸受を構成する円筒 6と円柱 4の外周面 の螺旋状溝 4 aとの動圧によって、 ハブ 5は下降し円盤 3の上面と円筒 6の下端 面のクリアランスは、 スパイラル溝 3 aで発生する反撥力とバランスして A 2と なる。 通常、 ハブ 5の回転数は 1 2 0 0 0〜1 8 0 0 0 r p miこ達し、 A 2は 2 〜3 mのクリアランスに維持される。 定常回転中はハブ 5が螺旋状溝 4 aの動 圧によって下降するので、 口一夕マグネット 8の中心位置 (口) は、 停止時より も沈んで (ィ) から A 3ずれ、 モ一夕効率が僅かに低下する。
図 2は、 円筒 6側を固定部材として、 実施例 1と同様にステ一夕 2 aとロータ マグネット 8の間に磁気軸受を構成した実施例 2の構造を示す。 図 2 (ィ) は、 停止時の状態図であり、 図 2 (口) は、 定常回転中の状態図である。
図 2 (ィ) において、 9はモータ軸であり、 外周に口一夕マグネット 8を設け 、 上端に回転部材としてのハブ 5を固定する。 その下方には、 下面にスラスト動 圧発生溝となるスパイラル溝 3 a等を有するスラスト動圧軸受の円盤 3と、 外周 面にラジアル動圧発生溝となる螺旋状溝 4 aを有するラジアル動圧軸受の円柱 4 が固定される。 固定部材としてのケース 1 0に、 円柱 4に対面する位置で内面が 平滑である円筒 6が固定され、 口一夕マグネット 8に対面する位置でモータコィ ル 7を巻装した珪素鋼板から成るステ一夕 2 aがー体的に配設される。
停止時には、 スラスト動圧軸受を構成する円盤 3の下面と、 円筒 6の上端面と は相互に非接触の状態で、 そのクリアランスは A 1となっている。 モ一夕コイル 7に通電されステ一夕 2 aに交番磁界が発生すると、 図 2 (口) に示すようにハ ブ 5側から見て円柱 4は反時計廻りに回転してハブ 5は下降する。 円盤 3の下面 と円筒 6の上端面のクリアランスは、 スパイラル溝 3 aが発生する反撥力とバラ ンスして A 2となり、 実施例 1と同様の作用効果を奏する。 定常回転中にロー夕 マグネット 8の中心位置 (口) が下方に移動し、 モー夕コイル 7の中心位置 (ィ ) から A 3だけずれ、 モータ効率の僅かに低下する点も実施例 1と同様である。 図 3に、 円柱 4と円筒 6のそれぞれの上端面の同心円上に、 リング状の永久磁 石を固定し、 副磁気軸受を構成した実施例 3の構造を示す。 図 3 (ィ) は、 停止 時の状態図であり、 図 3 (口) は、 定常回転中の状態図である。
図 3 (ィ) において、 1は固定部材としてのステ一夕コア 2を固定するベース プレートである。 ステ一夕コア 2の外周には珪素鋼板から成るステ一夕 2 aがー 体的に設けられ、 モータコイル 7が巻装されている。 ステ一夕コア 2の軸心上に は、 上面にスラスト動圧発生溝となるスパイラル溝 3 aを有するスラスト動圧軸 受の円盤 3と、 外周面にラジアル動圧発生溝となる螺旋状溝 4 aを有するラジア ル動圧軸受の円柱 4が固定される。 そして、 回転部材としてのハブ 5の内側の円 柱 4と対面する位置に、 内面が平滑な円筒 6を固定する。 さらに、 ハブ 5のスカ ―ト部 5 aのモー夕コイルと対面する位置に、 ロータマグネット 8をリング状に 配設して主磁気軸受を構成するところは、 実施例 1と全く同様である。
実施例 1では、 停止時にロータマグネット 8の中心位置 (二) がハブ 5の自重 でステ一夕 2 aの中心位置 (ィ)よりも下方に沈むが、 実施例 3では、 これを防ぐた め、 円柱 4の上端面にリング状の第 1の永久磁石 1 1を固定し、 この第 1の永久 磁石 1 1を囲むように円筒 6の上端面にリング状の第 2の永久磁石 1 2を固定し て副磁気軸受を構成する。 第 1の永久磁石 1 1の外側を S極に、 第 2の永久磁石 1 2の内側を N極に、 或いはその逆に設定すれば、 それぞれの永久磁石 1 1、 1 2は互いに吸引しあってハブ 5の自重を支え、 口一夕マグネット 8の中心位置 ( 二) は、 ステ一夕 2 aの中心位置 (八) より高いところに静止する。 第 1の永久 磁石 1 1の外径は円柱 4の外径より若干小さく、 第 2の永久磁石 1 2の内径は円 筒 6の内径より若干大きく設定し、 紫外線によって硬化する嫌気性の接着剤等に よって固定する。 この様に、 永久磁石 1 1、 1 2の対面隙間をラジアル動圧軸受 の対面隙間より大きくすることにより、 永久磁石 1 1、 1 2どうしが接触する前 に、 円柱 4と円筒 6とが接触するため、 接着剤のビ一卜の処理も簡単になる。 図 3 (ィ) の停止時における円盤 3の上面と円筒 6の下端面のクリアランスは 、 A 1となって相互に非接触の状態に維持される。 モータコイル 7に通電され、 八ブ 5側から見て円筒 6が反時計廻りに回転する円筒 6の定常回転状態に至ると 、 ラジアル動圧軸受を構成する円筒 6と円柱 4の外周面の螺旋状溝 4 aで発生す る動圧によって、 A 2の位置までハブ 5が降下する。 この状態では、 口一タマグ ネット 8の中心 (二) とモ一夕コイル 7の中心 (ハ) は磁力線の最適ゾーンで合 致するからモータ効率の最適化が図れる。
図 4は、 円筒 6側を固定部材として、 実施例 3と同様に副磁気軸受を構成した 実施例 4の構造を示す。 図 4 (ィ) は、 停止時の状態図であり、 図 4 (口) は、 定常回転中の状態図である。
図 4 (ィ) において、 9はモ一夕軸であり、 外周に口一夕マグネット 8を設け 、 上端に回転部材としてのハブ 5を固定する。 その下方には、 下面にスラスト動 圧発生溝となるスパイラル溝 3 a等を有するスラスト動圧軸受の円盤 3と、 外周 面にラジアル動圧発生溝となる螺旋状溝 4 aを有するラジアル動圧軸受の円柱 4 が固定される。 固定部材としてのケース 1 0に、 円柱 4に対面する位置で内面が 平滑である円筒 6が固定され、 口一夕マグネット 8に対面する位置でモータコィ ル 7を巻装した珪素鋼板から成るステ一夕 2 aがー体的に配設され、 主磁気軸受 を構成するところは実施例 2と全く同様である。
また、 リング状の第 1の永久磁石 1 1を円柱 4の下端面に固定し、 この第 1の 永久磁石 1 1を囲むように、 リング状の第 2の永久磁石 1 2を円筒 6の下端面に 固定して副磁気軸受を構成するところは、 実施例 3と全く同様である。
図 4 (ィ) の停止時において、 非接触の状態にある円盤 3と円筒 6のクリアラ ンス A 1は、 モ一夕コイル 7に通電され、 ハブ 5側から見て円筒 6が反時計廻り に回転する定常回転状態に至ると、 図 4 (口) に示すように A 2の位置までハブ 5が降下する。 この状態では、 ロータマグネット 8の中心(ハ) とモータコイル 7の中心 (二) は磁力線の最適ゾーンで合致するから実施例 3と同様にモー夕効 率の最適化が図れる。
実施例 1乃至 4に共通して、 円柱 4の外周に形成するラジアル動圧発生溝は、 図 5、 6に示される上下に非対象のへリングボーン溝であってもよい。 又、 図 7 に示すような溝、 すなわち円周上に少なくとも 3本の条溝 4 aを形成する。 そし て、 条溝 4 aの終点 Y 1は、 展開された状態で隣接する条溝 4 aの始点 X 2を超 えない範囲に形成するのが好ましい。 又、 始点 X 1から終点 Y 1にかけて条溝 4 aは、 直線であっても螺旋状の曲線であってもよい。 通常、 条溝 4 aの幅は 1〜 3 mmであり、 深さは数 At m〜数十; 程度の浅い溝であってもよく、 砥石の当 て方によって円筒を削いだフラット面によって形成してもよい。 上記の条溝 4 a は、 ヘリングボーン溝より遥かに加工工数が低減でき、 同等の効果を発揮する。 実施例 1乃至 4に共通して、 少なくとも円盤 3、 円柱 4及び円筒 6は、 アルミ ナ、 窒化珪素、 炭化珪素等のセラミックスから成る部材にて構成するのが好まし い。 中でもアルミナは、 最も経済的な材料である。
次に、 実施例 3の作用効果を確認するため、 比較例 1、 2を用意し比較し た結果につき説明する。 図 8に、 実施例 1に対比する比較例 1のスピンドルモー 夕の定常回転中の構造図を示す。 図 8における構成部品の名称、 符号、 作用は全 く実施例 1と同一であるため説明を省く。 但し、 停止時には、 スラスト動圧軸受 を構成する円盤 3の上面と円筒 6の下端面は、 互いに接触した状態となる点が異 なる。
図 9に、 実施例 3に対比する比較例 2のスピンドルモー夕の定常回転中の構造 図を示す。 図 9における構成部品の名称、 符号、 作用は全く実施例 3と同一であ るため説明を省く。 但し、 円柱 4の外周に形成する条溝 4 aは、 上下に均等なへ リングボーン溝であっても、 軸芯に平行で直線的な縦溝であってもよい。 そして 、 スラスト動圧軸受を構成する円盤 3を省いて、 スラス卜荷重は、 主磁気軸受と 副磁気軸受のみにて支持した点が異なる。
実施例 1、 3及び比較例 1、 2のスラス卜荷重を 1 5 0 g—定に設定し、 スピ ンドルモー夕の仕様を直流 1 2 V定格で、 定常回転数 = 1 8 0 0 0 r p mにて運 転し、 ハブ 5の上面の上下動をレーザー変位計にて観察した結果を表 1に示す。 表 1
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表 1の結果を考察すると、 定常回転中のハブ 5の上下動は、 実施例 1、 3及び 比較例 1共に 1 i m以下であり、 磁気ディスクの回転体の表面に対して読取装置 の磁気へッドが追随可能な範囲内であるため、 回転体と磁気へッドとが衝突する ことはない。 しかし、 比較例 2はスラスト動圧軸受が省略され磁気軸受のみにて スラスト荷重を支持しているため、 ハブ 5は不安定に浮遊し実用的ではない。 起動時の電流は、 比較例 1については停止時に円盤 3の上面と円筒 6の下端面 が接触しているため、 初期摺動抵抗に勝る回転トルクを発生させるのに、 実施例 1、 3及び比較例 2に比較し約 2 . 3倍の起動電流が必要である。 実施例 1につ いては、 定常回転中は、 口一夕マグネット 8の磁力線の最適ゾーンとモータコィ ル 7の中心が僅かにずれるため、 モータ効率が低下し若干電流値の増加する傾向 にあるが実用的には問題とならない範囲である。 産業上の利用の可能性
停止時には、 ステ一夕とロータマグネットにより構成される主磁気軸受、 或い は円柱と円筒の端面に設ける一対のリング状永久磁石から成る副磁気軸受と共同 してハブのスラスト荷重を支持し、 スラスト動圧軸受の円盤と円筒の端面を非接 触に保持し、 ロータマグネットの作動時には、 ラジアル動圧軸受のラジアル動圧 発生溝によってスラスト動圧軸受のクリアランスを減少させる力を発生させ、 ス ラスト動圧軸受の円盤と円筒が接近して、 定常回転中は主にスラスト動圧軸受の 反撥力によってスラス卜荷重を支持したから、 スラスト動圧軸受の構成部品の接 触は常時回避され、 該部の摩耗の心配がなく、 起動時の電力消費の少ないスピン ドルモータが提供できる。 そして、 図 1乃至 4から明らかなにょうに、 関係部材 の芯出しが容易な構造であるため、 スラスト動圧軸受の隙間を数ミクロンの値に 維持することも容易である。

Claims

請求の範囲
1 . モー夕一コイルを巻装するステ一夕を備えたステ一夕コアの軸心上の上端 に、 外周面にラジアル動圧発生溝を有するラジアル動圧軸受の円柱と、 上面にス ラスト動圧発生溝を有するスラスト動圧軸受の円盤とを備え、 回転部材としての ハブに、 前記ラジアル動圧軸受の円柱に対面する内面が平滑である円筒と、 前記 モータコイルに対面するロータマグネットを配設し、 ラジアル方向の荷重を前記 ラジアル動圧軸受によって支持し、 スラスト方向の荷重を前記ステ一夕と前記口 一夕マグネッ卜によって構成されている磁気軸受及び前記スラスト動圧軸受とを 併用して支持することを特徴とするスピンドルモータ。
2 . 外周にロータマグネットを配置したモータ軸の上端に回転部材としてのハ ブを備え、 下方には、 下面にスラスト動圧発生溝を有するスラスト動圧軸受の円 盤と、 外周面にラジアル動圧発生溝を有するラジアル動圧軸受の円柱とを備え、 固定部材としてのケースに、 前記ラジアル動圧軸受の円柱に対面する内面が平滑 である円筒と、 前記口一夕マグネットに対面するモーターコイルを巻装するステ —夕とを備え、 ラジアル方向の荷重を前記ラジアル動圧軸受によって支持し、 ス ラスト方向の荷重を前記ステ一夕と前記口一夕マグネッ卜によって構成されてい る磁気軸受及び前記スラスト動圧軸受とを併用して支持することを特徴とするス ピンドルモ一夕。
3 . モータ一コイルを巻装するステ一夕を備えたステ一夕コアの軸心上の上端 に、 外周面にラジアル動圧発生溝を有するラジアル動圧軸受の円柱と、 上面にス ラス卜動圧発生溝を有するスラスト動圧軸受の円盤とを備え、 回転部材としての ハブに、 前記ラジアル動圧軸受の円柱に対面する内面が平滑である円筒と、 前記 モー夕コイルに対面する口一夕マグネットを配設し、 前記円柱の上端面にリング 状の第 1の永久磁石を固定し、 前記第 1の永久磁石を囲むように前記円筒の上端 面にリング状の第 2の永久磁石を固定して構成される副磁気軸受を設け、 ラジア ル方向の荷重を前記ラジアル動圧軸受によって支持し、 スラス卜方向の荷重を前 記ステ一夕と前記ロータマグネッ卜によって構成されている主磁気軸受と前記副 磁気軸受及び前記スラスト動圧軸受とを併用して支持することを特徴とするスピ ンドルモ一夕。
4 . 外周に口一夕マグネットを配置したモータ軸の上端に回転部材としてのハブ を備え、 下方には、 下面にスラスト動圧発生溝を有するスラスト動圧軸受の円盤 と、 外周面にラジアル動圧発生溝を有するラジアル動圧軸受の円柱とを備え、 固 定部材としてのケースに、 前記ラジアル動圧軸受の円柱に対面する内面が平滑で ある円筒と、 前記口一夕マグネッ卜に対面するモ一夕一コイルを巻装するステー 夕とを備え、 前記円柱の下端面にリング状の第 1の永久磁石を固定し、 前記第 1 の永久磁石を囲むように前記円筒の下端面にリング状の第 2の永久磁石を固定し て構成される副磁気軸受を設け、 ラジアル方向の荷重を前記ラジアル動圧軸受に よって支持し、 スラスト方向の荷重を前記ステ一夕と前記ロータマグネッ卜によ つて構成されている主磁気軸受と前記副磁気軸受及び前記スラスト動圧軸受とを 併用して支持することを特徴とするスピンドルモー夕。
5 . 前記円柱の外周のラジアル動圧発生溝は、 少なくとも 3本の条溝から成り 、 前記条溝のリードの終点が展開図において、 隣接する前記条溝の始点を超えな い範囲に形成されていることを特徴とする請求項 1乃至 4のいずれかに記載のス ピンドルモー夕。
6 . 前記円柱の外周のラジアル動圧発生溝は、 上下非対称の溝長さを有するへ リングボーン溝によって形成されていることを特徴とする請求項 1乃至 4のいず れかに記載のスピンドルモータ。
7 . 停止時には前記磁気軸受によって前記ハブのスラスト荷重が支持されて、 前記スラスト動圧軸受の円盤と前記円筒の端面が非接触に保持され、 前記ロータ マグネットが回転するのに伴って、 前記ラジアル動圧軸受けのラジアル動圧発生 溝によって前記スラスト動圧軸受のクリアランスを減少させる力が働き、 前記ス ラスト動圧軸受の円盤と前記円筒が接近し、 定常回転中は主に前記スラスト動圧 軸受の反撥力によってスラスト荷重が支持されていることを特徴とする請求項 1 乃至 6のいずれかに記載のスピンドルモータ。
8 . 前記ラジアル動圧軸受と前記スラスト動圧軸受を構成する部材に、 セラミ ックスが用いられていることを特徴とする請求項 1乃至 7のいずれかに記載のス ピンドルモータ。
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