(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自己潤滑型の流体スピンドルベアリングであって、
外側領域から軸線方向に中心の連結帯域に向かって延び、かつ、円錐形であり、かつ、内方にテーパした面を有する固定シャフトと、
前記固定シャフトを取り囲み、かつ、前記スリーブの中心の領域に向かって軸線方向に内方に広がった面領域を含み、かつ、回転可能に取り付けられたスリーブとを備え、
前記テーパした面領域と、前記広がった面領域は、前記流体ベアリングのためのベアリングギャップを構成しており、
前記スリーブは、前記固定シャフトの前記テーパした面間の前記連結帯域に隣接した連結領域を構成し、前記連結領域は、前記流体ベアリングのスティフネス及びパワー消費を安定させるために前記連結領域の内圧の変化に応答して収縮可能なチューブを備える、
ことを特徴とするベアリング。
【請求項２】
前記チューブは周囲圧力の空気で満たされており、前記ベアリングギャップの端部は外気と連通しており、圧力の変化により、前記チューブを収縮させ、或いは、前記チューブを完全に膨張させて、前記連結領域内の潤滑用流体の体積を変え、それによって、前記ベアリングギャップ内の潤滑用流体の体積を変えるように構成されることを特徴とする請求項１に記載のベアリング。
【請求項３】
前記スリーブの連結領域は、前記固定シャフトに隣接した前記チューブを支持する凸状の領域を含むことを特徴とする請求項２に記載のベアリング。
【請求項４】
前記固定シャフトの前記連結帯域は、前記固定シャフトの軸線と平行に延び、かつ、前記固定シャフトの前記内方にテーパする領域に連結された平らな領域を含むことを特徴とする請求項１に記載のベアリング。
【請求項５】
前記テーパ状の面の各々は、前記固定シャフトの中心線から約６０度の最大角度でテーパになっていることを特徴とする請求項４に記載のベアリング。
【請求項６】
ディスク駆動装置で使用するためのスピンドルモータであって、
前記スピンドルモータは、
一定の速度で回転することができる１以上のディスクを支持するハブと、回転可能に取付けられたスリーブの外面で前記ハブを支持する流体ベアリングとを有しており、前記回転可能に取り付けられたスリーブは、前記固定シャフトを取り囲み、かつ、前記固定シャフトのまわりに回転するように構成され、かつ、前記スリーブの中心の領域に向かって内方に広がった領域を含んでおり、
前記広がった面は、前記固定シャフトのテーパした面と協働して、前記流体ベアリングのためのベアリングギャップを構成し、前記固定シャフトは、前記固定シャフトにそって軸線方向に延びて前記テーパした領域につながる連結帯域を含んでおり、
前記スリーブは、前記広がった面の間で、前記連結帯域に隣接した連結領域を構成し、前記連結領域は、前記流体ベアリングのスティフネス及びパワー消費を安定させるために前記流体ベアリングの通常の作動圧力からの圧力の変化に応答して収縮可能なチューブを有する、
ことを特徴とするスピンドルモータ。
【請求項７】
前記固定シャフトの円錐状で内方にテーパしている部分のうちの少なくとも１つは、前記固定シャフトの外面に設けられた前記内向きのテーパ部分と、前記固定シャフトの内面に設けられた軸線方向の面とを受け入れ、かつ、前記固定シャフトの外面と合わされるインサートを有しており、前記固定シャフトの軸線方向の面は、前記インサートと前記固定シャフトとの間における潤滑用流体の通過を阻止するための手段を支持する溝によって遮断されることを特徴とする請求項６に記載のスピンドルモータ。
【請求項８】
さらに、上部カバーと、前記スピンドルモータおよび前記ディスクのハウジングを構成するベースとを有し、前記スピンドルモータの固定シャフトは、一方の端部が前記ベースにはめ込まれ、前記固定シャフトの反対側の端部は、前記カバーを通りかつ前記固定シャフトの端部に挿入されたリベットによって前記上部カバーに固定されることを特徴とする請求項７に記載のスピンドルモータを有するディスク駆動装置。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は、一般的には、流体ベアリング（ハイドロダイナミックベアリング）に関し、特に、円錐形の設計で低い感温性をもった流体ベアリングに関する。
コンピュータ技術の引き続く発達の一部として、ますます多くのデータをますます高い密度で定速回転磁気ディスクに記憶することが望まれている。磁気ディスク駆動装置は、典型的には、定速かつ高速回転用の普通の精密スピンドルベアリング組立体に支持された１つ以上のスピニング磁気ディスクを含む。それぞれのディスクのすぐ近くを飛ぶように走る少なくとも１つの磁気読み取り／書き込みヘッドが、ディスクのうちのそれぞれの１つに関係する選択された場所に設けられている。このヘッドは、データの流れを、ディスクの表面上の前述の場所にあるトラックから読み出し、或いは、データの流れをトラックに書き込む。トラックの幅は、与えられたディスクに構成することができるトラックの数を決める。与えられたトラックの数が多ければ多いほど、記憶密度は高い。スピンドルベアリングのふれが小さい磁気ディスク駆動組立体が、高いトラック密度を収容することができ、これにより、ディスク当たりの記憶密度の増加をもたらす。
シャフトの部分とハウジングの部分が、それぞれの向かい合ったベアリング面を持ち、これらのベアリング面が、その面の間で相対的な回転運動を支えている流体スピンドルベアリングは知られている。これらのベアリング面によって、一方のベアリング部分は、液体潤滑剤（例えば、油）の膜によって他方の部分に乗る。このようなベアリングは技術的に知られており、一般的には、長所のなかで、特にふれの少ないことが特徴である。しかしながら、このようなベアリングは、連続的に循環する潤滑剤の供給を必要とする。成功する流体ベアリングの設計で非常に重要なことは、それがディスク駆動用であっても、他のいかなる環境用であっても、いずれにしてもこの潤滑剤の問題である。
自給式潤滑剤タイプの流体スピンドルベアリングの開発で、解決すべき主な問題は、ベアリングからの潤滑剤の漏れを防ぐことである。どのような環境においても、このような潤滑剤を失うことにより、ベアリングの性能を落とし、ベアリングの寿命を短くし、ベアリングの傾斜に対するスティフネスまたは抵抗を下げることになる。これらの潤滑剤を失うことにより、ベアリングの性能を落とし、読み取り／書き込みのエラーをおこすことがあるので、これらの問題は、このような流体ベアリングを搭載する磁気ディスク駆動装置には特に重大である。さらに、潤滑剤の漏れにより、磁気ディスク表面を汚し、読み取り／書き込み工程の不具合を引き起こすことがあり、フライングヘッド組立体の破壊的な故障を引きおこすことさえ生じうる。このようなディスク駆動装置は、動作条件の広い変化、特に動作温度の広い変化を受ける。注意深い設計をしなければ、このような温度の変化または圧力の変化により、ベアリングから多大の流動体が失われる結果となる。
米国特許第５，２４６，２９４号に示される、毛管トラップと制限バルブの組み合わせのような、この問題を解決するための他の努力にもかかわらず、相変わらず動作環境の範囲にわたって信頼性のあるレベルのスティフネスを持つ流体ベアリングの必要性を満足させなければならないままである。
発明の概要
従って、本発明の全体的な目的は、温度に比較的鈍感な改良された流体ベアリングを提供することにある。
この発明のさらなる目的は、動作温度環境の広い範囲においてさえも、ベアリングのスティフネスを維持する流体ベアリングを提供することにある。
本発明の他の目的は、厳くかつ困難な動作条件でさえも、過度のパワーを消費しない流体ベアリングを提供することにある。
本発明のさらなる目的は、非常に強固で、傾斜やぐらつきに対して安定であり、特にディスク駆動装置等に有用な流体ベアリングを供給することにある。
本発明のこれらの目的及び他の目的は、固定シャフトと、この固定シャフトに面している面が中心領域に向かって内側に広がっている円錐スリーブとを持ち、この広がった円錐部分は固定シャフトのテーパ領域に内側に向かって面している円錐形の設計の流体ベアリングにおいて達成される。スリーブと固定シャフトは、その軸線中心において連結領域を構成し、この連結領域は形状が凹状であり、好ましくは、凹状の連結領域を構成するために垂れ下がった面に面している。その境界部分は、収縮可能なチューブが、凹状の領域に設けられ、このチューブは、動作環境が変わったときに、増加した圧力のもとで収縮する。チューブの収縮により、円錐ベアリングの向かい合う面の間から潤滑流体の幾らかの回収を生じさせ、ベアリングの間の湿潤した表面領域を減らす。結果として、たとえ、動作温度が変わったとしても、ベアリングのスティフネス（剛性）は安定したままであり、ベアリングのパワーの消費も大きくは変わらない。結果として、ディスク駆動装置、及び他の同様な動作環境において非常に有用な、非常に効率的なベアリングが達成される。
【図面の簡単な説明】
本発明の上記および他の特徴と効果は、添付の図面と関連して以下の詳細な説明を参照することによって、もっと完全に理解される。なお、添付図面において、類似の参照番号は類似の要素に適用される。
図１Ａは、本発明が有用なディスク駆動装置の平面図である。
図１Ｂは、本発明が有用な磁気ディスク駆動装置の部分的に切除した側面図である。
図２は、本発明の実施の形態の部分側断面図である。
好ましい実施の形態の詳細な説明
実例のディスク駆動組立体（アッセンブリ）１０を図１に示し、この図１において、シャフト１１がディスク駆動組立体のハウジング１３に固定して取り付けられている。ハブ１８が、スピンドルシャフトに同心に取り付けられ、回転スピンドルハウジング即ちスリーブ１５によって支持された、少なくとも１つの磁気ディスク、または、典型的には、複数の磁気ディスク１４を支持している。詳細は本発明に関連性がないモータ１６もまた、回転ハウジング１５を駆動し、ディスク１４を回転させるためにフレーム１３に取り付けられている。データをアクセスするための手段を図１Ｂに図式的に示し、この図１Ｂも、ディスク１４のうちの１つを取り付けるシャフト１１を示している。この図に見られるように、ディスクが回転するとき、データへのアクセスは、作動アーム２７に支持され、この技術で良く知られたタイプの音声コイルモータ３０によって位置決めされた変換器２３のサーボ配置によって得られる。この設計の長寿命と有用性は、ディスクを一定の速度、回転そして傾斜やぐらつきのない均一な速度を得るために支持するためのスピンドルモータの能力に直接かかっていることはよく知られている。すなわち、スピンドルモータは、動作期間中、周囲温度を変えるような多くの熱源が近くにあるので、広範囲にわたって変化する環境条件の下において動作しなければならず、さらに重大な衝撃に耐える能力を持たなければならない。
以下に述べるタイプの円錐ベアリングが設計されたことにより、これらの利益を達成することができる。一般的に言えば、図１Ａに示すベアリング組立体１９の実施の形態は、シャフト１１を取り囲み、一対の円錐ベアリング３０、３２を形成するハウジング即ちハブ１５を有しており、この円錐ベアリング３０、３２の頂部は互いの方に向かって差し向けられている。特に、シャフト１１は円錐部分３４、３６を有し、この円錐部分３４、３６は傾斜した壁部分３８、４０と合うが、ベアリングギャップ４２、４４によってそれぞれ壁部分３８、４０から離されている。ベアリングギャップを構成するハウジングの壁の片側、好ましくは外側の壁３８、４０は、内向きのポンピング用らせん溝（図示しないが、この技術で公知のタイプのものである）のような溝が、ハウジングのベアリング表面の大体にわたって付けられている。
さらに、図１Ａと図２の好ましい実施の形態のもっと詳細な図面を参照すると、ハウジング壁部分３８、４０は、横向きの端壁５０、５２から半径方向に内方に広がっていることがわかる。前述したように、これらの表面は、ベアリングのギャップを構成するために内方にテーパになっている壁部分３６、３４に面している。内方にテーパになっている面３４、３６は、この設計の固定シャフトの一部である。ベアリングの中心に向かって外方に広がっている壁部分３８及び４０はシャフトの短くてだいたい垂直な壁部分６０、６２で終わっており、この壁部分６０、６２は、連結領域または移行領域７０を定めるために、シャフトの垂直面６４と協動する。
スリーブの広がった円錐の端部のところの短い垂直な壁部分（垂直面）６０、６２は、連結帯域６４に通じている開口６８、６９を構成する。すなわち、連結領域７０の主要領域はスリーブ１５内の凹状のくぼみ７２によって構成されている。このスリーブ１５は、固定シャフト１１と、固定シャフトの一部であるテーパ状の円錐の回りを取り囲み、それらの回りを回転する。
中空チューブ８０が凹状の領域内に配置され、固定シャフト１１を取り囲んでいる。このチューブ８０は、油又は空気に浸透性でないプラスチック材料で作られている。このチューブに、好ましくは、周囲の圧力で空気を満たすけれども、他のガスそして他の圧力でも可能である。チューブ８０は、十分な圧力がチューブの外側に加えられたときに収縮可能である。即ち、チューブは十分な圧力下で曲がり、そして、収縮さえするように設計されている。すなわち、これにより、シャフトを囲む凹状の連結領域７０の利用可能な体積を増加して、ベアリング面の間にある潤滑用流体の量を変更する。流体ベアリングは、最初に、向かい合う円錐面の間に構成される。ギャップを構成するために円錐面を使用することにより、全ての軸線に沿って揺れ又は傾斜に抗する装置の十分な全体的な安定を与えるくさびタイプの設計を提供する。連結用領域の上下の２つの向かい合う円錐面のうちの少なくとも一方は、ベアリングの中へ潤滑用流体を分配するための溝のパターンを有する。
これらの溝は、ヘリングボン模様（杉綾模様；典型的に流体ベアリングに見られる）ではなく、らせん状であり、全てのポンピング動作が中心に向かって、或いは、連結（コネクタ）領域７０に向かって行くように設計されている。その結果は、収縮性チューブ８０が配置されているこの中心の連結領域において、相当大きな量の圧力が増されることである。この圧力が連結（コネクタ）領域７０で増すときに、周囲の圧力の空気を満たしたチューブは、徐々に収縮して、相対的に回転する２つの円錐面の間から、もっと多くの流体を連結領域７０の中へ引く。連結領域７０が流体を引けば引くほど、流体はベアリング開口で少なくなり、ついには効果的なベアリング面が少なくなりはじめるように、流体は減少する。圧力がそれ以上増加しなくなるときに、装置の圧力と、活動中のまだ湿潤しているベアリング領域で構成されるポンプとの間に平衡が達成される。
今、ベアリングは種々の環境条件のもとで効率的に動作することが可能である。もし、ベアリングが低温環境で動作するならば、潤滑用流体は高い粘性を有し、ベアリングは高い効率レベルで動作し、或いは、ポンピングする。結果として、圧力が連結領域７０内で上がり、チューブ８０を収縮させて、それによって、ベアリングの流体のうちの多量をベアリングから減らし、ベアリングの有効面領域を減らす。
対照的に、高温即ち、低い粘性環境では、ベアリングの流体はほとんど減らされないか、或いは、全く減らされない。これにより、スティフネスを維持し、ベアリングのパワー消費を減らす。全体的に、装置全体の温度平衡に対するパワー及びスティフネスが等しいので、ハブに取り付けられたディスクを傾斜やぐらつきなしに支持するのに必要な装置のスティフネスは維持され、同時に、パワー消費は過度にならない。即ち、動作温度が上がるにつれて、粘性が下がり、ベアリングは効率が悪くなり、パワー消費が増える。このように、ベアリング内の流体の与えられたレベルに対して、高い温度では圧力が少なく、チューブ８０は低い温度においてよりも少なく収縮する。ベアリングが流体で満たされている高い温度では、ベアリング面のもっと多くが油で覆われ、もっと多くのスティフネスがある。従って、この設計は、典型的には温度が上がるにつれて、スティフネスが減るという事実からはずれる。
さらに、流体ベアリングにおいて、温度が上がるにつれて粘性が下がることが良く知られている。従って、ベアリング内の流体の与えられたレベルに対して、圧力が少なく、チューブ８０は低い動作温度においてよりも少なく収縮し、ベアリングの多くは流体で満たされたままになる。これにより、ベアリング面の多くが油で覆われ、結果として、ベアリングのスティフネスが大きくなる。
従って、この設計の改良は、温度が下がるにつれて、流体ベアリングにおいて、スティフネスは上がるが、パワー消費も上がるという事で相殺してしまい、このパワー消費の上昇は、特に利用できるパワーが制限されるスピンドルモータに使用されるようなベアリングカートリッジの使用を維持するのに悪いことである。本発明のこの設計は、動作する最低の温度においてさえ、パワーは過度でなく、その温度で所望のスティフネスが依然としてあるベアリングを達成する利益を提供する。動作圧力と互いに争わせる平衡効果を与えることによって、この設計はまた、高温で装置内で必要なスティフネスを維持しつつも、低温でさえも、適当なパワー消費の範囲にある流体ベアリングを提供する。この設計の第１の利益は、過度のパワー消費が最も起こりそうな低温において、パワー消費を少なくして、同時に、スティフネスが所望の最小レベル以下に最も下がりそうな最高の動作温度でも有効なスティフネスを維持することである。ここに開示された設計は、円錐ベアリングのテーパの広い範囲の角度にわたって作動するけれども、最大の頂上の角度は約６０度であることがわかった。
注目されるべき本発明のさらなる特徴は、中心の固定シャフトの底部近くに配置された密封用ストッパ（シーリングストッパ）１００の存在である。固定シャフトの所望の円錐形状はスリーブ１０２を含み、このスリーブ１０２は、その外面に円錐部分１０４を含み、かつ、軸線方向の平らな内面１０６を有することがわかる。かなりの圧力がベアリングの動作中に生じ、この圧力により、連結領域７０からシャフトの外面の上にスリーブを取り付けるために設けられたくぼみ１０８を通して、そして、シャフトとスリーブの間に、そして外気に向かって外へ潜在的に油が漏れることがある。シャフトの主要部分の端部と、流体ベアリングカートリッジの底部にゆるく挿入されたプラグ１１２との間でつぶされるストッパ１００が設けられていることにより、この現象が起こるのを阻止することができる。ストッパ即ちガスケット１００は、ガスケットの密度を作るときに、これらの２つの部分の間で押されて、面１０６と１０７との間のギャップにそって漏れるいかなる潤滑剤に対してもすきまのない密封を与える。
本発明は、主題となる設計の組立体のシーケンスを考察することによってさらに理解される。この組立体のシーケンスはスリーブ１２０で始まり、磁石１２２とハブ１２４がこのスリーブ１２０に取り付けられる。磁石はスリーブ１２０の外側部分に接着され、ハブは、典型的にはスリーブの外面に取り付けられたシュリンク（ｓｈｒｉｎｋ）である。次に、Ｏリング１２６、１２８はスリーブの上端面と下端面の溝（チャネル）に置かれる。つぎに、収縮することができる中空のプラスチックチューブ８０が凹状のくぼみ７２に配置され、シャフトの主要部分１３０はスリーブの上部の開口を通り、連結領域７０を貫通して、スリーブの底部から外に延びている。これが行われるときに、下方の円錐ベアリング面４０と合う下方の円錐を支える円錐スリーブ１０４は、スリーブの面の上の場所に押される。これは、一般には、シャフト部分１３０を取り付け部材に保持し、スリーブが肩部１３４にぴったりとつくまで、スリーブ１０２をシャフトの外側部分の上に押すことによって容易になり、これらの２つの部品の接合が、シャフト１３０の外面のくぼみ１０８によって容易になる。この時点で、底部カウンタプレート９０Ｂが搭載され、この底部カウンタプレートは、スリーブの底面５２に押され、Ｏリング１２６をスリーブのくぼみ内に捕らえる。底部カウンタプレートは肩部１５０によって正しい位置に保持される。取り外しできるＯリングもまた、底部カウンタプレート９０Ｂのテーパ付き端部１６０と、今では固定シャフトの一部であるスリーブ１０４の外面とに隣接する場所の中にすべり込まされる。図２に点線で示したこのＯリング１５８は、ベアリングを満たしたときは、流体ベアリングの一方の端部からの外気に対する潜在的な開口を密封することができ、この満たす工程が完了後に、Ｏリングは取り外される。
この時点に存在する組立体は、真空オーブンの中へ入れられ、測定された量の油を上面５０に配置し、最後の組み立てが完了したときに上部カウンタプレート９０Ａがこの上面５０に載る。明らかに、部分的に組み立てられたモータ用のこのカートリッジにおいて、上部カウンタプレート９０Ａは油を満たした後まで正しい位置に置かれない。ベアリングを満たすための代わりの方法は十分に可能でけれども、この方法が最も有効であり、テーパのある流体ベアリングの面の外側に油の残りを残す可能性は最も小さいと信じられる。
部分的に組み立てられたベアリングカートリッジは、熱せられた真空チャンバに配置され、全ての空気がこのチャンバから抜かれ、全ての空気はベアリング面と連結領域７０との間から取り去られる結果になる。通常の圧力に戻されるときに、上面５０に残されている油は、空気が存在しないので、連結領域７０と同様に、ベアリング面３６、３８とベアリング面３４、４０との間の領域の中へ引かれる。上面５０に残っているどの油もきれいにされ、上部カウンタプレート９０Ａのテーパ状の端部が固定シャフトの外方へ延びた面１５３の上方にある状態で正しい位置に保持されるように、上部カウンタプレート９０Ａが肩部１５１の内側の場所に押し込められる。この組立体は、キャップ１１２とともにガスケット即ちつぶれたゴムボール１００を底部に乗せ、リベット１７０を頂部に乗せた状態で完了する。この時点で、ゴムボール１００即ちガスケットを正しい位置に置いてもいいし、或いは、ガスケットを接着してもよい。そして、このカートリッジタイプの組立体を、後の使用のためにテストすることもできるし、或いは、この組立体を保管することもできる。
このカートリッジ組立体をディスク駆動装置に組み込むために、この時点のカートリッジ組立体は、ベース１８０の適当な開口に挿入されたスリーブ１０２によって構成されるようなカートリッジ組立体の下方の領域を有し、次に、キャップ１１２は、プラグ即ちガスケット１００の下の場所の中へ押し込まれる。キャップ１１２は、空気がキャップの上に閉じ込められ、流体ベアリングの中へ押し戻される程きつすぎるように取り付けるべきでないことに気付くべきである。ディスクがハブ１２４に配置された後に、上部カバー１８２がスピンドルモーターの上に配置され、固定シャフトの頂部に挿入されたりベヅト即ちねじ１７０によって、正しい位置に保持される。図２において、積層板及び巻線１９０によって表示されるモータの残りの部品は、この分野でよく知られた技術によって達成されるハウジングの内部で支持される。
この設計方法の長所によって、パワー及びスティフネスの両方が、動作温度または環境温度に関して制御される円錐タイプの流体ベアリング組立体が構成される。温度が、油を満たす工程中より動作環境において低い場合には、円錐の間に蓄積された追加の圧力は円錐を圧縮し、ベアリング内の流体のレベルを低くし、円錐ベアリングの外径の方向から円錐ベアリングの内径の方向にベアリング面を減らす。圧力が、より大きいときは、逆の結果が起こる。
本発明の他の特徴及び利点は、上記の開示を検証する当業者にとって明らかになるであろう。
【図１Ａ】
0003835820.tif 000002
【図１Ｂ】
0003835820.tif 000003
【図２】
0003835820.tif 000004