(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方が他方に対して回転自在に支持された軸と軸受体との間に作動流体を介在させ、軸の外周面と軸受体の内周面との少なくとも何れかの面に動圧発生溝を形成し、軸心方向の軸受長さの異なるラジアル軸受部を複数構成した動圧流体軸受装置であって、
軸受長さの長いラジアル軸受部の溝深さを軸受長さの短いラジアル軸受部の溝深さよりも深くした動圧流体軸受装置。
【請求項２】
一方が他方に対して回転自在に支持された軸と軸受体との間に作動流体を介在させ、軸の外周面と軸受体の内周面との少なくとも何れかの面に動圧発生溝を形成し、軸心方向の軸受長さの異なるラジアル軸受部を複数構成した動圧流体軸受装置であって、
動圧発生溝と軸の径方向とのなす角を溝角度とした場合、
軸受長さの長いラジアル軸受部の溝角度を軸受長さの短いラジアル軸受部の溝角度よりも小さくした動圧流体軸受装置。
【請求項３】
一方が他方に対して回転自在に支持された軸と軸受体との間に作動流体を介在させ、軸の外周面と軸受体の内周面との少なくとも何れかの面に動圧発生溝を形成し、軸心方向の軸受長さの異なるラジアル軸受部を複数構成した動圧流体軸受装置であって、
動圧発生溝の溝幅ａとリッジ幅ｂとの和（ａ＋ｂ）に対する溝幅ａの比［ａ／（ａ+ｂ）］を溝幅比とした場合、軸受長さの長いラジアル軸受部の溝幅比を軸受長さの短いラジアル軸受部の溝幅比よりも大きくした動圧流体軸受装置。
【請求項４】
前記動圧発生溝がヘリングボーン形状である請求項１〜請求項３のいずれかに記載の動圧流体軸受装置。
【請求項５】
前記作動流体が気体である請求項１〜請求項４のいずれかに記載の動圧流体軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動圧流体軸受装置に関し、特に高い回転精度が要求されるハードディスク装置などのスピンドルモータとして使用される動圧流体軸受装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ハードディスク装置では、記録容量の増大を図るために磁気ディスクのトラック密度を高密度化している。このような高トラック密度の磁気ディスクを回転駆動するスピンドルモータにおいては、より高い回転精度が要求される。特に、回転に同期しない振れ（以下、「ＮＲＲＯ」と称す）が大きいとトラッキング時のオフトラックを引き起こすため、ＮＲＲＯをできるだけ小さくする必要がある。そこで、高回転精度に加え、高速回転、静音化を実現できるモータとして、動圧流体軸受装置を採用したスピンドルモータが開発されている。
【０００３】
図５は、動圧流体軸受装置を用いた従来のハードディスク装置を示す。
図５（ａ）に示すように、固定側としてのベース１にはシャフト２の基端部が圧入固定されており、シャフト２の先端部にスラストフランジ３が設けられて軸体１８が構成される。シャフト２の外周部にはスリーブ５が設けられ、スリーブ５にはスラストフランジ３と対向するようにスラストプレート４が設けられて軸受体１７が形成される。
【０００４】
図５（ｂ）に示すように、スリーブ５の内周面には動圧発生溝１５ａ，１５ｂが形成されており、１対のラジアル軸受部１４ａ，１４ｂが構成される。また、スラストフランジ３の両面にも動圧発生溝（図示せず）が形成され、スラスト軸受（図示せず）が構成される。軸体１８と軸受体１７との間隙には、作動流体として非圧縮性のオイル１６が充填され、軸受体１７が回転自在に支持される。
【０００５】
シャフト２の外周部に設けられた壁１ａにはコイル１０が巻線されたステータコア９が設けられている。また、スリーブ５の外周には磁気ディスク１３を載置するためのハブ６が圧入固定されており、ハブ６の外周部の内側にはステータコア９と対向するようにヨーク８を介してマグネット７が取り付けられている。ハブ６の外周にスペーサ１２を介して載置された複数の磁気ディスク１３は、クランプ１１を介してネジ１９の締め付け力にて取り付けられる。
【０００６】
そして、コイル１０に通電が行われると、コイル１０とマグネット７との間に電流磁界が発生してモータの回転駆動力が発生し、軸受体１７が回転駆動するとともに、ラジアル軸受部１４ａ，１４ｂとスラスト軸受部に形成された動圧発生溝のポンピング作用により軸受体１７に浮上力が発生して、軸受体１７が軸体１８とオイル１６を介して非接触で回転する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように構成された磁気ディスク装置では、スリーブ５の内周に形成された一対のラジアル軸受部１４ａ，１４ｂの形成位置と、軸受体１７とこれに取り付けられた磁気ディスク１３、スペーサ１２、クランプ１１等をあわせた回転体の重心位置によって、回転時にラジアル軸受部１４ａ，１４ｂにかかる負荷が異なるため、回転振れが発生していた。
【０００８】
そこで、一般的には、特開平８−３３５３６６号などに示されるように、ラジアル軸受部１４ａ，１４ｂの軸心方向に沿う長さが異なるように形成している。以下、本明細書においては、ラジアル軸受部１４ａ，１４ｂの軸心方向に沿う長さを「軸受長さ」と称す。具体的には、シャフト２の先端側に形成されたラジアル軸受部１４ａの軸受長さＬ１を、シャフト２の基端部側に形成されたラジアル軸受部１４ｂの軸受長さＬ２よりも長くして、ラジアル軸受１４ａ，１４ｂの軸受剛性と回転体の重心位置Ｇとのバランスをとり、回転振れが小さくなるように調整している。
【０００９】
しかし、このような構成では、現在のハードディスク装置では問題はないものの、ハードディスク装置の高速回転化や小型化に伴い、将来的には、より一層の回転精度とＮＲＲＯのさらなる低減が必要となる。ＮＲＲＯの発生は、以下の理由によるものと考えられる。
【００１０】
上記のように軸受長さＬ１，Ｌ２が異なるよう形成されたラジアル軸受部１４ａ，１４ｂにおいて、ヘリングボーン形状の動圧発生溝１５ａ，１５ｂは、いずれも溝深さ、溝角度、溝幅比がそれぞれ等しくなるよう設定されている。そのため、回転時にシャフト２の外周面とスリーブ５の内周面との間隙が最小となる位置と動圧によりスリーブ５に働く力とのなす角である偏心角は、ラジアル軸受部１４ａの偏心角がラジアル軸受部１４ｂの偏心角よりも大きくなる。その結果、シャフト２の中心線とスリーブ５の中心線とが傾いて回転することになり、回転精度が悪く、ＮＲＲＯも大きくなる。
【００１１】
本発明は前記問題点を解決し、回転時におけるシャフトの中心線とスリーブの中心線の傾きを解消して、回転精度が良く、ＮＲＲＯを低減できる動圧流体軸受装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１記載の動圧流体軸受装置は、一方が他方に対して回転自在に支持された軸と軸受体との間に作動流体を介在させ、軸の外周面と軸受体の内周面との少なくとも何れかの面に動圧発生溝を形成し、軸心方向の軸受長さの異なるラジアル軸受部を複数構成した動圧流体軸受装置であって、軸受長さの長いラジアル軸受部の溝深さを軸受長さの短いラジアル軸受部の溝深さよりも深くしたことを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項２記載の動圧流体軸受装置は、一方が他方に対して回転自在に支持された軸と軸受体との間に作動流体を介在させ、軸の外周面と軸受体の内周面との少なくとも何れかの面に動圧発生溝を形成し、軸心方向の軸受長さの異なるラジアル軸受部を複数構成した動圧流体軸受装置であって、動圧発生溝と軸の径方向とのなす角を溝角度とした場合、軸受長さの長いラジアル軸受部の溝角度を軸受長さの短いラジアル軸受部の溝角度よりも小さくしたことを特徴とする。
【００１７】
この構成によると、偏心角に対する寄与率の高い溝深さを変化させているため、ラジアル軸受部の軸受長さの差が大きくても、溝深さをわずかに変化させるだけで容易に偏心角をほぼ一致させることができる。
【００１８】
本発明の請求項３記載の動圧流体軸受装置は、一方が他方に対して回転自在に支持された軸と軸受体との間に作動流体を介在させ、軸の外周面と軸受体の内周面との少なくとも何れかの面に動圧発生溝を形成し、軸心方向の軸受長さの異なるラジアル軸受部を複数構成した動圧流体軸受装置であって、動圧発生溝の溝幅ａとリッジ幅ｂとの和（ａ＋ｂ）に対する溝幅ａの比［ａ／（ａ+ｂ）］を溝幅比とした場合、軸受長さの長いラジアル軸受部の溝幅比を軸受長さの短いラジアル軸受部の溝幅比よりも大きくしたことを特徴とする。
【００１９】
この構成によると、偏心角に対して寄与率の高い溝幅比を変化させるため、ラジアル軸受部の軸受長さの差の大きくても、溝幅比をわずかに変化させるだけで容易に偏心角をほぼ一致させることができる。
【００２０】
本発明の請求項４記載の動圧流体軸受装置は、請求項１〜請求項３の何れかにおいて、前記動圧発生溝がヘリングボーン形状であることを特徴とする。
【００２１】
本発明の請求項５記載の動圧流体軸受装置は、請求項１〜請求項４のいずれかにおいて、前記作動流体が気体であることを特徴とする。
この構成によると、作動流体が圧縮性であっても上記と同様の効果が得られる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図１から図４を用いて本発明の実施の形態を説明する。
なお、従来例を示す図５と同様の構成をなすものには同一の符号を付けて説明する。
【００２３】
図５に示す動圧流体軸受装置では、ラジアル軸受部１４ａの軸受長さＬ１をラジアル軸受部１４ｂの軸受長さＬ２よりも長くして軸受剛性を変化させ、回転体の重心位置Ｇとのバランスを取るよう構成しているが、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、この実施の形態では、さらに加えてラジアル軸受部１４ａ，１４ｂの構成を特殊にしてそれぞれの偏心角が一致またはほぼ一致するようにしている。
【００２４】
ラジアル軸受部１４ａ，１４ｂの偏心角とは、回転時にシャフト２の外周面とスリーブ５の内周面との間隙が最小となる位置と動圧によりスリーブ５に働く力とのなす角度のことであり、以下の▲１▼〜▲３▼の構成のうちのいずれか、あるいは複数を組み合わせることにより、すべてのラジアル軸受部における偏心角をほぼ一致させることができる。
▲１▼ラジアル軸受部１４ａ，１４ｂにおける動圧発生溝１５ａ，１５ｂの溝角度θ１，θ２を異ならせる。ここで溝角度θ１，θ２とは、動圧発生溝１５ａ，１５ｂとシャフト２の径方向とのなす角である。
▲２▼ラジアル軸受部１４ａ，１４ｂにおける動圧発生溝１５ａ，１５ｂの溝深さｄ１，ｄ２を異ならせる。特に、軸受長さの短いラジアル軸受部１４ｂの溝深さｄ２を軸受長さの長いラジアル軸受部１４ａの溝深さｄ１よりも浅くすると好適である。
▲３▼軸受長さの短いラジアル軸受部１４ｂの溝幅比を軸受長さの長いラジアル軸受部１４ａの溝幅比よりも小さくする。ここで、溝幅比とは、溝幅ａとリッジ幅ｂとの和（ａ+ｂ）に対する溝幅ａの比［ａ／（ａ+ｂ）］である。
【００２５】
このように軸受長さの異なる複数のラジアル軸受部において、すべての偏心角がほぼ一致するよう構成することで、シャフト２の中心線とスリーブ５の中心線の傾きが低減でき、回転精度の向上が図れ、ＮＲＲＯの低減が図れる。
【００２６】
以下、具体例を挙げて説明する。
図５と同様に構成された動圧流体軸受装置において、シャフト２の直径を３ｍｍ、ラジアル軸受部１４ａ，１４ｂの形成位置におけるシャフト２とスリーブ５との半径隙間を３μｍとする。また、ラジアル軸受部１４ａ，１４ｂの軸受長さＬ１，Ｌ２は、軸受剛性と回転体の重心位置Ｇとのバランスを考慮して、Ｌ１＝３．０ｍｍ、Ｌ２＝２．５ｍｍとする。
【００２７】
このように設計された動圧流体軸受装置において、従来は、軸受剛性と回転安定性を考慮して、溝角度を３０°、溝深さを３．５ｍｍ、溝幅比を０．５、溝の断面形状を円弧形状としている。
【００２８】
この実施の形態では、ラジアル軸受部１４ａ，１４ｂを構成する動圧発生溝１５ａ，１５ｂの溝形状が同じであると偏心角が一致しないため、以下のように動圧発生溝１５ａ，１５ｂの溝形状を変化させる。
【００２９】
まず、溝角度θ１，θ２をそれぞれ変化させて、溝角度と偏心角との関係を測定した。図２は、非圧縮性のナビエ・ストークス方程式を数値解析した結果である。軸受長さＬ１が長いラジアル軸受部１４ａの溝角度θ１を従来例と同じ３０°とすると、軸受長さＬ２が短いラジアル軸受部１４ｂの溝角度θ２は約４５°にすればよい。この場合、ラジアル軸受部１４ｂの軸受剛性はほとんど変わらないため、軸受長さＬ２は２．５ｍｍのままでよい。
【００３０】
次に、溝深さｄ１，ｄ２のみをそれぞれ変化させて、溝深さと偏心角との関係を測定した。図３は、非圧縮性のナビエ・ストークス方程式を数値解析した結果であり、溝深さが深くなるほど偏心角は小さくなっている。よって、軸受長さの長いラジアル軸受部１４ａの溝深さｄ１を従来例と同じ３．５μｍとすると、軸受長さの短いラジアル軸受部１４ｂの溝深さｄ２を３．５μｍよりも浅くすればよいが、溝深さを浅くすると軸受剛性が高くなるため軸受長さＬ２を短くすることができる。それらを考慮して、軸受長さの短い方のラジアル軸受部１４ｂの軸受長さＬ２を２．４ｍｍ、溝深さを３．０μｍとすることで上下のラジアル軸受部１４ａ，１４ｂの偏心角をほぼ同じにすることができる。
【００３１】
また、溝幅比［ａ／（ａ+ｂ）］のみをそれぞれ変化させて、溝幅比と偏心角との関係を測定した。図４は、非圧縮性のナビエ・ストークス方程式を数値解析した結果であり、溝幅比が大きくなるほど偏心角は小さくなっている。
【００３２】
よって、軸受長さの長い方のラジアル軸受部１４ａの溝幅比〔ａ１／（ａ１＋ｂ１）〕を従来例と同じ０．５とすると、軸受長さの短い方のラジアル軸受部１４ｂの溝幅比〔ａ２／（ａ２＋ｂ２）〕を０．５よりも小さくすればよいが、溝幅比を小さくすると軸受剛性が高くなるため軸受長さＬ２を短くすることができる。それらを考慮して、軸受長さの短い方のラジアル軸受部１４ｂの軸受長さＬ２を２．４ｍｍ、溝幅比を０．４とすることで上下のラジアル軸受部１４ａ，１４ｂの偏心角をほぼ同じにすることができる。
【００３３】
このように、偏心角は予備実験または数値解析によって求めることができるため、ラジアル軸受部１４ａ，１４ｂを構成するヘリングボーン形状の動圧発生溝の詳細寸法を決めることができる。その結果、軸受長さＬ１，Ｌ２の異なるラジアル軸受部１４ａ，１４ｂにおいて、動圧発生溝１５ａ，１５ｂの溝角度θ１，θ２、溝深さｄ１，ｄ２、溝幅比のうちの少なくとも１つが異なるようにしてそれぞれの偏心角をほぼ一致させることで、回転時のシャフト２の中心線とスリーブ５の中心線との傾きを低減して、回転精度の向上が図れる。
【００３４】
なお、上記説明では、スリーブ５の内周面に動圧発生溝１５ａ，１５ｂを形成してラジアル軸受部１４ａ，１４ｂを構成した例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、動圧発生溝はシャフト２の外周面に形成されていてもよく、あるいはスリーブ５の内周面とシャフト２の外周面の両方に形成されていてもよい。
【００３５】
また、上記説明では、ラジアル軸受部を２個設けた例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、２個以上設けられていても良い。
また、上記説明では、ラジアル軸受部に形成された動圧発生溝の形状を、中央屈曲部で上下対称なヘリングボーン形状としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、中央屈曲部に対し非対称なヘリングボーン形状であっても良く、スパイラル形状やハの字型の溝形状であってもよい。
【００３６】
また、上記説明では、作動流体として非圧縮性のオイルを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その他、水などの液体を用いることもでき、さらに、密度変化のある気体、例えば空気などを用いることも可能である。
【００３７】
また、ラジアル軸受部の個数、動圧発生溝の形状などはシャフト２とスリーブ５の形状や大きさによって適宜選択されるものであり、上記実施の形態に限定されるものではない。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように本発明の動圧流体軸受装置によれば、一方が他方に対して回転自在に支持された軸と軸受体との間に作動流体を介在させ、軸の外周面と軸受体の内周面との少なくとも何れかの面に動圧発生溝を形成し、軸心方向の軸受長さの異なるラジアル軸受部を複数構成した動圧流体軸受装置であって、軸受長さの長いラジアル軸受部の溝深さを軸受長さの短いラジアル軸受部の溝深さよりも深くしたことを特徴とする。また、本発明の動圧流体軸受装置は、一方が他方に対して回転自在に支持された軸と軸受体との間に作動流体を介在させ、軸の外周面と軸受体の内周面との少なくとも何れかの面に動圧発生溝を形成し、軸心方向の軸受長さの異なるラジアル軸受部を複数構成した動圧流体軸受装置であって、動圧発生溝と軸の径方向とのなす角を溝角度とした場合、軸受長さの長いラジアル軸受部の溝角度を軸受長さの短いラジアル軸受部の溝角度よりも小さくしたことを特徴とする。また、本発明の動圧流体軸受装置は、一方が他方に対して回転自在に支持された軸と軸受体との間に作動流体を介在させ、軸の外周面と軸受体の内周面との少なくとも何れかの面に動圧発生溝を形成し、軸心方向の軸受長さの異なるラジアル軸受部を複数構成した動圧流体軸受装置であって、動圧発生溝の溝幅ａとリッジ幅ｂとの和（ａ＋ｂ）に対する溝幅ａの比［ａ／（ａ+ｂ）］を溝幅比とした場合、軸受長さの長いラジアル軸受部の溝幅比を軸受長さの短いラジアル軸受部の溝幅比よりも大きくしたことを特徴とする。この各構成によると、回転時に軸の中心線と軸受体の中心線が傾むくことなく回転するため、回転精度の向上が図れ、ＮＲＲＯの低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における動圧流体軸受装置の要部拡大断面図とＡ−Ａ線，Ｂ−Ｂ線に沿うスリーブの要部拡大平面図
【図２】同実施の形態におけるラジアル軸受部の溝角度と偏心角の関係を示す図
【図３】同実施の形態におけるラジアル軸受部の溝深さと偏心角の関係を示す図
【図４】同実施の形態におけるラジアル軸受部の溝幅比と偏心角の関係を示す図
【図５】従来の動圧流体軸受装置を用いたハードディスク装置用スピンドルモータの断面図
【符号の説明】
２    シャフト
５    スリーブ
１４ａ，１４ｂ    ラジアル軸受部
１５ａ，１５ｂ    動圧発生溝
ａ１，ａ２  溝幅
ｂ１，ｂ２  リッジ幅
ｄ１，ｄ２  溝深さ
Ｇ    重心位置
Ｌ１，Ｌ２  軸受長さ
θ１，θ２  溝角度
【図１】
0003727253.tif 000002
【図２】
0003727253.tif 000003
【図３】
0003727253.tif 000004
【図４】
0003727253.tif 000005
【図５】
0003727253.tif 000006