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JP2007043887A - モータ及びディスク駆動装置 - Google Patents

モータ及びディスク駆動装置 Download PDF

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JP2007043887A JP2006146339A JP2006146339A JP2007043887A JP 2007043887 A JP2007043887 A JP 2007043887A JP 2006146339 A JP2006146339 A JP 2006146339A JP 2006146339 A JP2006146339 A JP 2006146339A JP 2007043887 A JP2007043887 A JP 2007043887A
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Abstract

【課題】振動と騒音が抑制されたモータを提供する。
【解決手段】ロータマグネット31と、ステータ32と軸受機構50とを備えるモータ3において、ロータマグネット31の磁極31aの数とステータのティース32aの数との最大公約数がステータ32への駆動相数よりも大きくする。さらに、ラジアル動圧発生溝またはスラスト動圧発生溝の本数を、ロータマグネットのポール(磁極)数と、ステータのティース数との、いずれの約数でもいずれの倍数とも一致しない本数とする。
【選択図】図4

Description

本発明は、動圧軸受を備えたモータ及びそのモータを用いて記録ディスクを回転させるディスク駆動装置に関する。
近年、ハードディスクをはじめとする記録ディスク駆動装置は、記憶容量が飛躍的に向上するとともに、小型化が進んでいる。記録ディスク駆動装置に用いられ、記録ディスクを回転させるモータ(スピンドルモータ)は、記憶容量の増大に伴って、なお一層の回転精度の向上が求められるとともに、小型化が求められている。
このような分野に用いられるモータは、静音化と回転精度の向上を図って、流体動圧を利用した軸受が採用されている。たとえば特許文献1の精密回転するモータの軸受は、複数のグルーブ(溝)を有する軸受を用いて構成されている。従来は、この溝本数は製造冶具の精度や対称性の観点から、3の倍数がよいとされ、3本、6本、9本又は12本のものが用いられてきた。
一方、スピンドルモータには直流ブラシレスモータが一般に用いられている。たとえば特許文献1に記載された直流ブラシレスモータは、径方向に複数極着磁されたロータマグネットと、それに径方向に対向して設けられた複数のティース(磁極歯)を有するステータとからなる。通電効率を高めるために、コイルへの励磁は3相駆動とされている。ロータマグネットのポール(磁極)数を8、ステータのティース数を6とし、その溝本数を3、5、7、11としている。
しかしながら、モータのポール数とスロット数の選び方によっては、溝の本数によらず振動が発生しやすい場合がある。さらに、特許文献1に開示された溝の本数の溝本数であってもなお、モータの振動と軸受部の振動との重畳共振現象により、大きな振動が発生していた。
特許第3532701号公報
モータは通常、界磁用磁石のポール数とスロット数(=ティース数)との最小公倍数(2極3スロットの場合、6次)がスイッチングの次数となる。ここで次数とは、ピークに該当する振動数を回転数で割った数に最も近似する正の整数である。このスイッチング次数は、モータのトルクの起伏の最小次数である。そのため、このスイッチング次数付近の周波数及びその整数倍の次数で振動が発生しやすいことがよく知られている。
また、界磁用磁石のポール数又は、スロット数(=ティース数)と一致する次数及びその次数と整数倍の次数では、モータの回転の対称性に乱れが生じるために、振動が発生しやすい。さらに、このような周波数帯の振動は、その逆整数比次数の成分(すなわち約数となる次数の成分)の振動を引き起こす可能性がある。上に述べたような、モータの電磁励振力に起因する振動を電磁振動という。
これら電磁振動の周波数が、モータの固有振動数や軸受の固有振動数のような、いわゆる機械的な振動の振動数と一致した場合には、重畳共振が起こる可能性がある。
また、記録ディスクの単位面積当たりに記憶される情報量は増加する一方であり、ディスクの振動が情報の記録性能を左右する大きなファクターとなっている。さらに、携帯機器に搭載される場合には、外部からの振動が加わる可能性がある。そのため、従来に比べて格段に共振によりRRO(Repeatable Run Out:モータの動作時におけるロータ部の同期成分の振れ)やPuretone(ステータとロータとの共振等による異音)を低減することが求められている。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものである。すなわち、流体動圧を利用した軸受機構が設けられる電動式のモータにおいて、いわゆる機械的な振動と、いわゆる電磁振動との重畳共振を抑制することを目的としている。
上述したような課題を解決する本願発明のモータは、回転体と静止部材とを備えている。回転体にはポール(磁極)数Pのロータマグネットが取り付けられる。静止部材には、ポール(磁極)数Pとの最大公約数が、モータの駆動相数以上とされたティース数Sのティースを有し、その各ティースにコイルが巻回されてなるステータが取り付けられる。回転体と静止部材とは、微小な間隙を介して対向して配置されており、その微小な間隙には動圧発生流体が保持される。回転体と静止部材との間の微小な間隙を構成する、回転体又は静止部材の対向する面には本数Cの動圧発生溝が形成される。その本数Cを、ポール数P及びティース数Sに対して、iP≠C且つ、P/j≠C且つ、mS≠C且つ、S/n≠C(但し、i、j、m及び、nはそれぞれ任意な自然数)の関係を満たす本数とする。
電磁振動が起こる次数は実験により様々な次数があることが知られているが、ポール数とティース数とが公約数を持つような場合には、電磁振動が発生する次数が少ないことが確認されている。特にその最大公約数が、モータの駆動相数よりも大きい場合には、電磁振動が発生する次数は特に少ない。
また、ポール数又はティース数の倍数となる次数及び、約数となる次数では、電磁振動が発生しやすいことが実験的、理論的に確認されている。溝の本数を、その次数と一致しない数にすることによって、電磁振動と機械的な振動との振動数を異ならせ、共振が発生することを抑制することができる。
さらに本発明において、さらに溝本数CはiP±1≠C又は、mS±1≠Cの関係を満たすようにするとよい。
ポール数の整数倍の前後の次数または、ティース数の整数倍の前後の次数は、いずれも電磁振動が発生しやすい次数となることが、実験的、理論的に確かめられている。したがって溝の本数を、それら倍数の前後1つ分の次数(回転の自由度分に相当する次数)と一致しない数にすることによって、電磁振動と機械的な振動との振動数を異ならせ、重畳共振が発生することを抑制することができる。
なお、その溝本数はラジアル動圧軸受の動圧発生溝に適用されるとよい。ラジアル動圧軸受は一般にシャフトの外側面と、シャフトの外側面と径方向に微小間隙を介して対向する内側面を有するスリーブの内側面と、その径方向の微小間隙内に保持される動圧発生流体とからなる。ラジアル動圧発生溝は、ラジアル動圧軸受を構成するシャフト外周面又はスリーブの外側面とスリーブの内側面との少なくとも一方に形成される。このラジアル動圧発生溝は略「<」の字形状のヘリングボーン溝、らせん状溝、ステップ溝又は多円弧状溝が、周方向に一定の間隔を隔てて形成される。
ラジアル動圧軸受を構成する部材はいずれも、高い真円度を要求されている。特に溝を形成する際に、プレス、コイニング又は転造を用いる場合には、応力による変形が生じて真円度が低下してしまう可能性がある。その際に本発明の溝本数を用いることによって、真円度がたとえ低下したとしても、それに伴って共振が起こることを避けることができる。
また、本発明の溝本数はスラスト動圧発生溝の本数にも適用されるとよい。スラスト動圧軸受は、回転体と静止部材とのそれぞれに、互いに他に対して軸方向に微小間隙を介して対向する少なくとも一対のスラスト面と、軸方向微小間隙内に保持される動圧発生流体とを備える。スラスト動圧発生溝はそれら互いに対向するスラスト面のうちの少なくとも一方に形成される。スラスト動圧発生溝の形状は、スパイラル形状、又はヘリングボーン形状である。
スラスト動圧軸受の溝本数が上記の関係を満たす場合に、スラスト動圧軸受によって軸方向に浮上力が発生する。上方向の浮上力と下方向の浮上力とが定常状態、すなわちモータの定格回転時において軸方向のいずれか一方に偏っている場合には、その偏りを解消する方向に磁気背圧をかけると良い。スラスト動圧軸受の浮上力が軸方向いずれか一方に偏る場合とは、スラスト動圧軸受が一箇所にのみ設けられて、スラスト動圧軸受による回転体の静止部材に対する浮上力が一方向にのみはたらく場合を含む。また、2以上のスラスト動圧軸受が形成される場合であって、軸方向一方側にはたらく浮上力と、軸方向他方側にはたらく浮上力とが実質的に同一でなく、軸方向のいずれか一方に浮上しすぎる場合も含む。
磁気背圧は、ロータマグネットの磁束が軸方向にもっとも強い部分(ロータマグネットの磁気中心)と、ステータのティースの先端部の軸方向中心部(ステータの磁気中心)とを軸方向にずらすことによって付与することができる。また、静止部材のロータマグネットの軸方向一方側と対向する位置に、強磁性体からなるスラストヨークを配置することによって磁気背圧を付与しても良い。
ロータマグネットを利用した磁気背圧を用いる場合、特にロータマグネットの着磁むらなどに起因する振動が発生する場合がある。本発明を利用することによって、ロータマグネットとティース又はスラストヨークとの間の磁気的な吸引力に起因する振動と、軸受を構成する部材との共振が起こりにくくなる。
本発明のモータは3相駆動の直流ブラシレスモータ又は、交流モータに適用することができ、その場合ティースの数は3の倍数となる。
また、本発明のスリーブは金属焼結多孔質体からなってもよい。金属焼結多孔質体のスリーブの少なくとも軸方向一方側の端面にスラスト動圧発生溝が形成されていてもよい。一般に金属焼結多孔質体でスリーブを形成する場合には、金型内で成形された後、サイジング時にプレスによって動圧発生溝が形成される。このような工程を経る場合、溝の形成時にスリーブの真円度を低下させるような変形が生じる可能性がある。本発明を用いると、その変形によって生じかねない振動と電磁振動とが共振を起こすことを防止することができる。
本発明は、特に高い回転精度と静音性とを要求される記録ディスク駆動装置に適用されるとよい。本発明の実施によって、記録密度を向上させたときにも、データの読取・書込エラーが発生しにくくなる。さらに、そのような振動に起因する騒音も防止される。
本発明を実施することによって、電磁振動の振動周波数と、軸受部の機械的振動の振動周波数とが一致することがなくなるために、それらの共振を起こりにくくすることができる。すなわち、振動や騒音が低減されたモータ及び記録ディスク駆動装置を提供することができる。
本発明の実施の形態について、図面を用いて説明を行なう。なお、実施の形態の説明において、上下左右などの方向をあらわす語句を用いる場合、特記がない限り図面上の方向を表しており、実施に際しての方向を限定するものではない。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係るハードディスクドライブの構成を示す概略断面図である。記録ディスク駆動装置であるハードディスクドライブ1は、スピンドルモータ3と、スピンドルモータ3の回転部に取り付けられて情報が書き込まれるハードディスク11と、ハードディスク11に対して情報の書き込み及び読み出しを行なうアクセス部14と、それらを内部に収容するハウジング12と、を備える。
図2は、第1の実施形態に係るハードディスクドライブ1に用いられるスピンドルモータ3を示す概略断面図である。スピンドルモータ3は、ハードディスク11が載置されるディスク載置面33bを有するロータハブ33と、ロータハブ33に取り付けられたロータマグネット31と、基部をなすベース35と、ロータマグネット31と径方向に対向してベース35に取り付けられたステータ32と、を備える。ロータハブ33及びロータマグネット31は回転体3aを構成し、ベース35及びステータ32は静止部材3bを構成する。スピンドルモータ3はさらに、回転体3aを静止部材3bに対して回転自在に支持する軸受機構50を備える。
軸受機構50は、ロータハブ33の回転中心部に立設され、一体に回転するシャフト53と、シャフト53が挿入されるスリーブ51Aと、スリーブ51Aの外周側を覆ってベース35に取り付けられる略筒状の軸受ハウジング51Bと、からなる。スリーブ51Aは、金属粉末を焼結して形成された金属焼結多孔質体である。金属焼結多孔質体でスリーブを形成する場合には、金型内で成形された後、サイジング時にプレスによって動圧発生溝(もしくは丘)が形成される。このような工程を経る場合、溝の形成時にスリーブの真円度を低下させるような変形が生じる可能性がある。本発明を用いると、その変形によって生じかねない振動と電磁振動との重畳共振発生を回避できるので、量産性、製造コストの改善が可能である。
シャフト下端部53bには、スピンドルモータ3の回転軸と垂直な平面を有するスラストプレート54が取り付けられる。シャフト外周面53aとスリーブ内周面51Aaとは、径方向に微小な間隙(たとえば数〜十数μm)を介して対向する。軸受ハウジング上端面51Baと、ロータハブ下側面33aとは軸方向に微小な間隙(たとえば数〜数十μm)を介して対向する。スリーブ下端面51Abと、スラストプレート54の上側とは軸方向に微小な間隙(たとえば数〜数十μm)を介して対向する。
それらの径方向及び軸方向の微小間隙内には、潤滑流体57が保持される。回転体3aが静止部材3bに対して回転運動をすると、径方向の微小間隙に保持された潤滑流体57に発生する動圧によってラジアル動圧軸受60、61が形成され、また、2箇所の軸方向の微小間隙に保持された潤滑流体57に発生する動圧によって、2箇所にスラスト動圧軸受62、63が形成される。これら2つのスラスト動圧軸受62、63のうち、軸受ハウジング上端面51Baとロータハブ33の下端面との間に形成されるスラスト動圧軸受を、上側スラスト動圧軸受62と呼び、スリーブ下端面51Abとスラストプレートの上側54aとの間に形成されるスラスト動圧軸受を、下側スラスト動圧軸受63と呼ぶ。上側スラスト動圧軸受62は、回転体3aを静止部材3bに対して上向きに浮上させ、逆に、下側スラスト動圧軸受63は、回転体3aを静止部材3bに対して下向きに浮上させる。
上側スラスト動圧軸受62による上向きの浮上力は、下側スラスト動圧軸受63による下向きの浮上力よりも大きい。この浮上力のアンバランスを打ち消すために、ロータマグネット31は、その軸方向中心がステータ32の軸方向中心よりもわずかに上方に来るように配置され、回転体3aには、ロータマグネット31を下向きに引っ張るような磁気背圧が付与されている。
スリーブ内周面51Aaには、ヘリングボーン状のラジアル動圧発生溝60a、61aが形成される。上側スラスト動圧軸受62を構成する軸受ハウジング上端面51Baには、スパイラル状又はヘリングボーン状の上側スラスト動圧発生溝62aが形成される。また、下側スラスト動圧軸受63を構成するスリーブ下端面51Abにも、スパイラル状又はヘリングボーン状の下側スラスト動圧発生溝51Bbが形成される。これらラジアル及びスラスト動圧発生溝のポンピング効果によって高い動圧が発生し、動圧軸受の軸受剛性は高められる。なお、動圧発生溝の詳細な仕様については、後述する。
スピンドルモータ3は、三相駆動の直流ブラシレスモータであり、ステータ32のティース32aの個数は、3またはその正の整数倍である。ロータマグネット31は、径方向に着磁された磁極31aが周方向に複数配列されてなる。
図5(a)は、本実施形態に係るスピンドルモータ3におけるロータマグネット31のポール31a及び、ステータ32のティースの配置を示している。なお、図5(a)において、ロータマグネット31が区切られてN又はSと記載されているのは、ステータと径方向に対向する表面にN極またはS極が現れるように、ロータマグネット31が径方向に着磁されていることを示している。本実施の形態においては、ロータマグネット31のポール(磁極)数を12とし、ステータ32のティース数を9とした。この場合、ポール数とティース数との最大公約数は3であり、スピンドルモータ3の駆動相数と同一である。また、この場合の電磁振動の基本周波数は、ポール数とティース数の最小公倍数である36次である。
ポール数(=極数)とティース数(=スロット数)との最大公約数が相数よりも大きいモータは、その数が相数よりも小さいモータ、たとえば8極9スロット(最大公約数=1)や8極6スロット(最大公約数=2)の組み合わせのモータに比べて、径方向の振動、軸方向の振動及び周方向のコギングともに、振動を引き起こす原因となる次数が少なく、且つその振幅も大きくならないことが、経験及び、シミュレーションの結果として実証されている。
また、界磁用磁石のポール数又は、スロット数(=ティース数)と一致する次数及びその次数と整数倍の次数では、モータの回転の対称性に乱れが生じるために、振動が発生しやすい。さらに、このような周波数帯の振動は、その逆整数比次数の成分(すなわち約数となる次数の成分)の振動を引き起こし、機械的な振動の振動数と一致した場合には、共振が起こる可能性があるので回避する必要がある。そこで、本発明では、動圧発生溝の本数Cを、ポール数P及びティース数Sに対して、iP≠C且つ、P/j≠C且つ、mS≠C且つ、S/n≠C(但し、i、j、m及び、nはそれぞれ任意な自然数)の関係を満たす本数に設定している。
ラジアル動圧軸受を構成する部材はいずれも、高い真円度を要求されている。特に溝を形成する際に、プレス、コイニング又は転造を用いる場合には、応力による変形が生じて真円度が低下してしまう可能性がある。その際に本発明の溝本数を用いることによって、真円度がたとえ低下したとしても、それに伴って共振が起こることを避けることができる。
図6(a)は、本実施形態におけるスリーブ51A及び軸受ハウジング51Bの断面図、図6(b)は、スリーブ内周面51Aaの展開図、図6(c)は、軸受ハウジング上端面51Baを含むスリーブ51A及び軸受ハウジング51Bの上側から見た平面図、そして、図6(d)は、スリーブ下端面51Abを含むスリーブ51A及び軸受ハウジング51Bの下側から見た平面図である。本実施の形態においては、ラジアル動圧発生溝60a及び61aの本数を5本とし、上側スラスト動圧発生溝62aの本数を16本、下側スラスト動圧発生溝63aの本数を14本とした。溝本数を選定した根拠は、以下に示す。なお、図6(a)〜図6(d)においては、溝の形状パターンをより明確に示すために、エッジ部などの詳細な表示や断面を示す斜線の表記を省略している。黒く塗りつぶした部分が溝部を示しており、周囲に比較して相対的に凹形状になっている。
ラジアル動圧発生溝60a、61aの本数は、スリーブ51Aの内径、溝の幅・加工精度、発生させたい動圧の大きさ及び、動圧発生流体の粘度・稠度などによって決定される。1.0インチ以下の小径記録ディスクを回転させるスピンドルモータの場合、シャフト53の直径は1.5〜2.5mm程度であり、加工が可能な溝の幅などを考慮すると、3〜12本程度が実現可能な溝本数である。そこに本発明を適用すると、ポール数12、ティース数9なので、それらの約数又は倍数である3、4、6、9、12が除外され、ラジアル動圧発生溝60a、61aの本数は、5本、7本、8本、10本又は11本が適していることになる。
スラスト動圧発生溝62の本数は、その溝が形成される部分の面積、溝の幅・加工精度、発生させたい動圧の大きさ及び動圧発生流体の粘度・稠度などによって決定される。
上側スラスト動圧軸受62の場合、上側スラスト動圧発生溝62aが形成される部分の外周の直径は3.5〜6.5mmであり、加工が可能な溝の幅などを考慮すると、3〜20本程度が実現可能な溝本数である。そこに本発明を適用すると、3、4、6、9、12、18が除かれるので、上側動圧発生溝62aの本数としては、5本、7本、8本、10本、11本、13本、14本、15本、16本、17本、19本又は20本が適していることになる。特に上側スラスト動圧発生溝62aの本数は、一般にラジアル動圧発生溝60a、61aの本数よりも大きな数とすることが多く、上記の本数の中でも特に10本以上の本数が適している。
下側スラスト動圧軸受63の場合、下側スラスト動圧発生溝63aが形成される部分の外周の直径は4〜7mmであり、溝の本数としては、3〜20本程度が実現可能な溝本数である。本発明を適用すると、下側スラスト動圧発生溝63aの本数としては、5本、7本、8本、10本、11本、13本、14本、15本、16本又は17本が適していることになる。上側スラスト動圧発生溝62aと同様に、上記の本数の中でも特に8本以上の本数が適している。
本発明は、特に高い回転精度と静音性とを要求される記録ディスク駆動装置に適用されるとよい。本発明の実施によって、記録密度を向上させたときにも、データの読取・書込エラーが発生しにくくなる。さらに、そのような振動に起因する騒音も防止される。
<第2の実施形態>
図3は、第2の実施形態に係るスピンドルモータ103の概略断面図である。なお、本実施形態においては、第1の実施形態と同様の機能を有する部材は、第1の実施形態と異なる形態を有する部材であっても、同一の部材名又は符号を用いる。
本実施形態のスピンドルモータ103は、第1の実施形態と同様に、ロータハブ33と、ロータマグネット31と、ベース35と、ステータ32と、軸受機構50と、を備える。
軸受機構50は、ロータハブ33の回転中心部に立設され、一体に回転するシャフト53と、シャフト53が挿入されるスリーブ51と、からなる。スリーブ51はベース35に取り付けられる。シャフトの外周面53aとスリーブの内周面51Aaとは、径方向に微小な間隙(たとえば数〜十数μm)を介して対向する。スリーブ上端面51Baと、ロータハブ1の下側面33aとは軸方向に微小な間隙(たとえば数〜数十μm)を介して対向する。
それらの径方向及び軸方向の微小間隙内には、潤滑流体57が保持される。回転体3aが静止部材3bに対して回転運動をすると、径方向の微小間隙に保持された潤滑流体57に発生する動圧によってラジアル動圧軸受60、61が形成され、また、軸方向の微小間隙に保持された潤滑流体57に発生する動圧によって、スラスト動圧軸受62が形成される。
この軸受機構50においては、スラスト動圧軸受62が、回転体3aを静止部材3bに対して上向きに浮上させる。この状態では回転体3aが浮上するのみであり、軸支持力が不安定になる可能性がある。そのため、ベース35の、ロータマグネット31の下端部と対向する位置には、強磁性体のスラストヨーク36が取り付けられ、回転体3aには、ロータマグネット31を下向きに引っ張るような磁気背圧が付与されている。第1の実施形態の如く、ロータマグネットを利用して磁気背圧を付加する場合、ロータマグネットの着磁むらなどに起因する振動が発生する場合がある。強磁性体のスラストヨーク36によって磁気背圧を付加することによって、磁気的な吸引力に起因する振動と軸受を構成する部材との共振が起こりにくくなる。
スリーブ内周面51Aaには、ヘリングボーン状のラジアル動圧発生溝60a、61aが形成される。スリーブ上端面51Baには、スパイラル状又はヘリングボーン状のスラスト動圧発生溝62aが形成される。これらラジアル動圧発生溝60a、61a及びスラスト動圧発生溝62aのポンピング効果によって高い動圧が発生し、動圧軸受の軸受剛性が高められる。なお、動圧発生溝の詳細な仕様については、後述する。
スピンドルモータ103は、三相駆動の直流ブラシレスモータであり、ステータ32のティース32aの個数は、3またはその正の整数倍である。ロータマグネット31は、径方向に着磁された磁極31aが周方向に複数配列されてなる。
図5(b)は、本実施形態に係るスピンドルモータ203におけるロータマグネット31のポール31a及び、ステータ32のティースの配置を示している。なお、図5(b)において、ロータマグネット31が区切られてN又はSと記載されているのは、ステータと径方向に対向する表面にN極またはS極が現れるように、ロータマグネット31が径方向に着磁されていることを示している。本実施の形態においては、第1の実施形態と同じく、ロータマグネット31のポール数を12とし、ステータ32のティース数を9とした。
図7(a)は、本実施形態におけるスリーブ51の断面図、図7(b)は、スリーブ内周面51Aaの展開図、また図7(c)は、スリーブ上端面51Baを含むスリーブ51の上側から見た平面図である。本実施の形態においては、ラジアル動圧発生溝60a及び61aの本数を5本とし、スラスト動圧発生溝62aの本数を16本とした。溝本数を選定した根拠は、以下に示す。なお、図7(a)〜図7(c)においては、溝の形状パターンをより明確に示すために、エッジ部などの詳細な表示や断面を示す斜線の表記を省略している。黒く塗りつぶした部分が溝部を示しており、周囲に比較して相対的に凹形状になっている。
ラジアル動圧発生溝60a、61aの本数は、スリーブ51の内径、溝の幅・加工精度、発生させたい動圧の大きさ及び動圧発生流体の粘度・稠度などによって決定される。1.8インチや2.5インチ以下の小径記録ディスクを回転させるスピンドルモータの場合、シャフト53の直径は2.5〜3.0mm程度であり、加工が可能な溝の幅などを考慮すると、3〜15本程度が実現可能な溝本数である。そこに、本発明を適用すると、ポール数12、ティース数9なので、それらの約数又は倍数である3、4、6、9、12が除外され、ラジアル動圧発生溝60a、61aの本数は、5本、7本、8本、10本、11本、13本、14本又は15本が適していることになる。
スラスト動圧発生溝62の本数は、その溝が形成される部分の面積、溝の幅・加工精度、発生させたい動圧の大きさ及び動圧発生流体の粘度・稠度などによって決定される。
スラスト動圧軸受62のスラスト動圧発生溝62aが形成される部分の外周の直径は5〜7mmであり、加工が可能な溝の幅などを考慮すると、3〜25本程度が実現可能な溝本数である。そこに本発明を適用すると、3、4、6、9、12、18、24が除かれて、スラスト動圧発生溝62aの本数としては、5本、7本、8本、10本、11本、13本、14本、15本、16本、17本、19本、20本、21本、22本、23本又は25本が適していることになる。特にスラスト動圧発生溝62aの本数は、一般にラジアル動圧発生溝60a、61aの本数よりも大きな数とすることが多く、上記の本数の中でも特に10本以上の本数が適している。
第2の実施形態では、その他の前述の第1実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
<第3の実施形態>
図4は、第3の実施形態に係るスピンドルモータ203の概略断面図である。なお、本実施形態においては、第1の実施形態と同様の機能を有する部材は、第1の実施形態と異なる形態を有する部材であっても、同一の部材名又は符号を用いる。
本実施形態のスピンドルモータ203は、第1の実施形態と同様に、ロータハブ33と、ロータマグネット31と、ベース35と、ステータ32と、軸受機構50と、を備える。
軸受機構50は、ロータハブ33の回転中心部に立設され、一体に回転するシャフト53と、シャフト53が挿入されるスリーブ51と、からなる。スリーブ51はベース35に取り付けられる。シャフトの下端部53bには円環状のスラストリング55が嵌合される。スリーブ251の下端部はシールキャップによって閉塞される。シャフトの外周面53aとスリーブの内周面51Aaとは、径方向に微小な間隙(たとえば数〜十数μm)を介して対向する。また、スラストリング上端面55aは、スリーブの下側面51Baと軸方向に微小な間隙(たとえば数〜数十μm)を介して対向する。スラストリング下端面55bは、シールキャップ上側面56aと軸方向に微小な間隙(たとえば数〜数十μm)を介して対向する。
それらの径方向及び軸方向の微小間隙内には、潤滑流体57が保持される。回転体3aが静止部材3bに対して回転運動をすると、径方向の微小間隙に保持された潤滑流体57に発生する動圧によってラジアル動圧軸受60、61が形成され、2箇所の軸方向の微小間隙に保持された潤滑流体57に発生する動圧によって、2箇所にスラスト動圧軸受62、63が形成される。これら2箇所のスラスト動圧軸受62、63のうち、スラストリングの上端面55a側に形成されるスラスト動圧軸受を上側スラスト動圧軸受62と呼び、スラストリングの下端面55b側に形成されるスラスト動圧軸受を下側スラスト動圧軸受63と呼ぶ。上側スラスト動圧軸受62は、回転体3aを静止部材3bに対して下向きに浮上させ、逆に、下側スラスト動圧軸受63は、回転体3aを静止部材3bに対して上向きに浮上させる。これらのスラスト動圧軸受は、動圧発生部の面積がほぼ同一であり、浮上力の大きさはほぼ同一である。そのため、磁気背圧は付与されていない。
スリーブの内周面51Aaには、ヘリングボーン状のラジアル動圧発生溝60a、61aが形成される。上側スラスト動圧軸受62を構成するスリーブ下側面51Abには、スパイラル状又はヘリングボーン状の上側スラスト動圧発生溝62aが形成される。また、下側スラスト動圧軸受63を構成するシールキャップ上端面56aにも、スパイラル又はヘリングボーン形状の下側スラスト動圧発生溝63aが形成される。これらラジアル及びスラスト動圧発生溝のポンピング効果によって高い動圧が発生し、動圧軸受の軸受剛性は高められる。なお、動圧発生溝の詳細な仕様については、後述する。
スピンドルモータ203は、三相駆動の直流ブラシレスモータであり、ステータ32のティース32aの個数は、3またはその正の整数倍である。ロータマグネット31は、径方向に着磁された磁極31aが周方向に複数配列されてなる。
図5(c)は、本実施形態に係るスピンドルモータ203におけるロータマグネット31のポール31a及び、ステータ32のティースの配置を示している。なお、図5(c)において、ロータマグネット31が区切られてN又はSと記載されているのは、ステータと径方向に対向する表面にN極またはS極が現れるように、ロータマグネット31が径方向に着磁されていることを示している。本実施の形態においては、ロータマグネット31のポール(磁極)数を8とし、ステータ32のティース数を12とした。この場合、ポール数とティース数との最大公約数は4であり、スピンドルモータ203の駆動相数よりも大きい。また、この場合の電磁振動の基本周波数は、ポール数とティース数の最小公倍数である24次である。
なお、ポール数(=極数)とティース数(=スロット数)との最大公約数が大きいモータは、モータの対称性がよく、振動の発生源となる次数が少ない。
図8(a)は、本実施形態におけるスリーブ51及びシールキャップ56の断面図、図8(b)は、スリーブ内周面51Aaの展開図、図8(c)は、スリーブ下側面51Baを含むスリーブ51の下側から見た平面図、そして、図8(d)は、シールキャップ上端面56aを含むシールキャップ56の上側から見た平面図である。本実施の形態においては、ラジアル動圧発生溝60a及び61aの溝本数を9本とし、スラスト動圧発生溝62a、63aの本数を上下とも14本とした。溝本数を選定した根拠は、以下に示す。なお、図8(a)〜図8(d)においては、溝の形状パターンをより明確に示すために、エッジ部などの詳細な表示や断面を示す斜線の表記を省略している。黒く塗りつぶした部分が溝部を示しており、周囲に比較して相対的に凹形状になっている。
ラジアル動圧軸受発生溝60、61の本数は、スリーブ51の内径、溝の幅・加工精度、発生させたい動圧の大きさ及び、動圧発生流体の粘度・稠度などによって決定される。3.5インチなどの記録ディスクを回転させるスピンドルモータの場合、シャフト53の直径は3〜5mm程度であり、加工が可能な溝の幅などを考慮すると、3〜20本程度が実現可能な溝本数である。そこに本発明を適用すると、ポール数8、ティース数12なので、それらの約数又は倍数である3、4、6、8、12、16が除外され、ラジアル動圧発生溝60a、61aの本数は、5本、7本、9本、10本、11本、13本、14本、15本、17本、18本、19本又は20本が適していることになる。
スラスト動圧発生溝62a、63aの本数は、その溝が形成される部分の面積、溝の幅・加工精度、発生させたい動圧の大きさ及び動圧発生流体の粘度・稠度などによって決定される。上下スラスト動圧軸受62、63の場合、スラスト動圧発生溝62a、63aが形成される部分の外周の直径はどちらも6〜9mmであり、加工が可能な溝の幅などを考慮すると、3〜25本程度が実現可能な溝本数である。そこに本発明を適用すると、3、4、6、8、12、16、24が除かれるので、スラスト動圧発生溝62a、63aの本数としては、5本、7本、9本、10本、11本、13本、14本、15本、17本、18本、19本、20本、21本、22本、23本、25本が適していることになる。特にスラスト動圧発生溝62a、63aの本数は、一般にラジアル動圧発生溝60a、61aの本数よりも大きな数とすることが多く、上記の本数の中でも特に10本以上の本数が適している。なお、スラスト動圧軸受62a、63aの溝数を同じ溝数にすることによって、上下軸受部に発生する動圧の大きさををほぼ等しくなるように構成すると、定常回転時に安定した軸受特性が得られやすい。
第3の実施形態では、その他の前述の第1実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
<他の実施形態>
以上、本発明のいくつかの実施形態について説明を行なったが、本発明の実施は係る実施の形態に限られることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。
たとえば、本願発明は、ハードディスク以外の記録ディスク(たとえば、各種リムーバブルディスク、光ディスク、光磁気ディスク、フレキシブルディスクなど)を回転させるモータにも用いることができる。または、本発明のモータを、精密な回転精度が要求されるモータにも用いることができる。また、軸受の形態は、回転側又は固定側のいずれかに動圧発生溝を有する流体動圧軸受であれば、既に知られた様々な形態の軸受に対しても適用することができる。すなわち、シャフトがベースに固定された形態、スリーブが焼結多孔質体で構成された形態、ラジアル軸受のみが動圧軸受であって、スラスト軸受は固体同士の摺動によってなるいわゆるピボット軸受、あるいは、流体として潤滑剤(オイル)ではなく気体、水又はそれら以外の流体を用いるものにも適用することが可能である。また、ラジアル動圧発生溝の形状は、スパイラル状又はヘリングボーン形状の他にも、中央丘付きヘリングボーン形状、ステップ状、多円弧状、たて溝状及びそれらを組み合わせたものを用いることができる。スラスト動圧発生溝についても、ヘリングボーン状、中央丘付きヘリングボーン形状、スパイラル状、ステップ状、多円弧状、又は放射状およびそれらを組み合わせたものを用いることができる。さらに、上記の実施形態において、ラジアル動圧軸受は、動圧発生溝を軸方向に2組配列したが、1組にして軸方向の長さを短くしても良い。
また、モータは、三相駆動のモータに限ることはなく、二相駆動モータ、単相駆動モータ、または五相駆動などの、三相以上の駆動相数のモータに対しても用いることができる。さらに、ポール数及びスロット数(=ティース数)の組み合わせは、三相駆動のモータの場合、ポール数をP極、スロット数をSスロットとするとき、スロット数の少ない順に列記すると、P=6 S=9(最大公約数=3)、P=12 S=9(最大公約数=3)、P=8 S=12(最大公約数=4)、P=16 S=12(最大公約数=4)、P=18 S=12(最大公約数=6)、P=10 S=15(最大公約数=5)、P=12 S=15(最大公約数=3)、P=12 S=18(最大公約数=6)P=24 S=18(最大公約数=6)、P=14 S=21(最大公約数=7)などとするとよい。なお、ポール数又はスロット数がそれぞれ互いの整数倍となる場合(たとえばP=6 S=3)は、死点(起動不可能な位置)ができてしまうために、避けるべきである。
溝本数Cは、iP≠C且つ、P/j≠C且つ、mS≠C且つ、S/n≠C(但し、i、j、m及び、nはそれぞれ独立且つ任意な自然数)となる本数を選択するべきである。スラスト動圧軸受及びラジアル動圧軸受が形成される場合には、それら軸受のうちの少なくともいずれかを構成する面に形成された動圧発生溝の本数が前記Cの関係を満たしていれば、本願発明の効果を得ることができる。
さらに、溝本数Cは、モータの振動が発生する次数を避けた本数とすることが、より一層好ましい。たとえば、iP±1、及び、mS±1(但し、i、mはそれぞれ独立且つ任意な自然数)のような次数は、モータ部品の製造誤差や組み立て誤差が大きい場合にモータの振動の次数として発生しやすいので、できるだけ避ける方が良い。たとえば、第1及び第2の実施形態においては、ポール数Pが12、ティース数Sが9なので、この回避次数は、8、10、11、13、17、19、23、25となり、溝本数の選択肢は、5本、7本、14本、15本、16本、20本、21本、22本、29本となる。第1及び第2の実施形態においては、この中の5本、14本、16本が選定されている。また、第3の実施形態においてはポール数Pが8、ティース数Sが12なので、この回避次数は、7、9、11、13、15、17、23、25となり、溝本数の選択肢は、5本、10本、14本、18本、19本、20本、21本、22本、26本、27本、28本、29本、30本となる。第3の実施形態においては、スラスト軸受の溝本数はこの中の14本が選定されているが、ラジアル軸受の選定溝本数は9本であり、この回避次数に対応している。従って、量産時の製品ばらつきに対する性能のタフさを確保する意味では、ラジアル軸受の溝本数は9本を避け、例えば5本もしくは10本を選定する方がより安全で好ましい。なお、これらの共振が発生する次数については、回転数に対して発生する振動及び振動の周波数成分を解析して調べることができ、第3の実施形態の運転条件の範囲では支障ないことが確認されている。
第1の実施形態に係る記録ディスク駆動装置の概略を示す断面図である。 第1の実施形態に係るスピンドルモータの概略を示す断面図である。 第2の実施形態に係るスピンドルモータの概略を示す断面図である。 第3の実施形態に係るスピンドルモータの概略を示す断面図である。 第1の実施形態に係るロータマグネットの磁極とステータのティースとを模式的にあらわした図である。 第2の実施形態に係るロータマグネットの磁極とステータのティースとを模式的にあらわした図である。 第3の実施形態に係るロータマグネットの磁極とステータのティースとを模式的にあらわした図である。 第1の実施形態に係るスピンドルモータのスリーブ及び軸受ハウジングの断面図である。 第1の実施形態に係るスピンドルモータのスリーブの内周面の展開図である。 第1の実施形態に係るスピンドルモータのスリーブ及び軸受ハウジングの上側から見た平面図である。 第1の実施形態に係るスピンドルモータのスリーブ及び軸受ハウジングの下側から見た平面図である。 第2の実施形態に係るスピンドルモータのスリーブの断面図である。 第2の実施形態に係るスピンドルモータのスリーブの内周面の展開図である。 第2の実施形態に係るスピンドルモータのスリーブの上側から見た平面図である。 第3の実施形態に係るスピンドルモータのスリーブの断面図である。 第3の実施形態に係るスピンドルモータのスリーブの内周面の展開図である。 第3の実施形態に係るスピンドルモータのスリーブ下側面の平面図である。 第3の実施形態に係るスピンドルモータのシールキャップ上端面の平面図である。
符号の説明
1 記録ディスクドライブ(ハードディスクドライブ)
11 ハードディスク
12 ハウジング
14 アクセス部
3 スピンドルモータ
3a 回転体
3b 静止部材
31 ロータマグネット
31a 磁極
32 ステータ
32a ティース
33 ロータハブ
33a ロータハブ下側面
33b ディスク載置面
35 ベース
36 スラストヨーク
50 軸受機構
51 スリーブ
51A スリーブ
51Aa スリーブ内周面
51Ab スリーブ下端面、スリーブ下側面
51B 軸受ハウジング
51Ba 軸受ハウジング上端面、スリーブ上端面
53 シャフト
53a シャフト外周面
53b シャフト下端部
54 スラストプレート
54a スラストプレート上端面
55 スラストリング
55a スラストリング上端面
55b スラストリング下端面
56 シールキャップ
56a シールキャップ上端面
57 潤滑流体
60、61 ラジアル動圧軸受
60a、61aラジアル動圧発生溝
62 上側スラスト動圧軸受、スラスト動圧軸受
63 下側スラスト動圧溝
62a 上側スラスト動圧発生溝、スラスト動圧発生溝
63a 下側スラスト動圧発生溝

Claims (12)

  1. 流体動圧軸受を備えるモータであって、
    回転体と、
    前記回転体を挿入し、微小間隙を介して中心軸回りに回転可能に対向支持する流体動圧軸受を構成する静止部材と、
    前記回転体に前記中心軸と同芯に取り付けられ、ポール(磁極)を周方向に交互に配列してなるロータマグネットと、
    前記中心軸を中心に放射状に配置されたティース(磁極歯)にコイルを巻回されて構成され、前記静止部材に前記中心軸と同芯に取り付けられたステータと、
    前記コイルに界磁用駆動電圧を通電する通電手段と、
    前記流体動圧軸受をなす前記回転体と前記静止部材の対向する面のうち少なくともいずれか一方の面に、周方向に等間隔に配列して形成された動圧発生溝と、
    前記微小間隙に保持された動圧発生流体と、
    を備え、
    前記ポールの数をP、前記ティースの数をS、前記動圧発生溝の数をC、前記コイルに通電する駆動相数をNとし、さらに、i、j、m、nをそれぞれ独立且つ任意な自然数とするとき、
    前記ポール数Pと前記ティース数Sの最大公約数が、前記駆動相数N以上であり、且つ、
    前記ポール数Pと前記ティース数Sと前記動圧発生溝数Cが、
    iP≠C、且つ、P/j≠C、且つ、mS≠C、且つ、S/n≠C
    の関係を満足することを特徴とするモータ。
  2. 前記ポール数P、前記ティース数S、前記動圧発生溝本数Cが、さらに、
    iP±1≠C、且つ、mS±1≠C
    の関係を満足することを特徴とする請求項1に記載されたモータ。
  3. 前記回転体又は前記静止部材のうちいずれか一方に、前記中心軸に同芯に取り付けられて、円筒状の外側面を有するシャフトと、
    前記回転体又は前記静止部材のうちいずれか一方に取り付けられ、前記シャフトの外側面と径方向に前記微小間隙を介して対向する内側面を有するスリーブと、
    前記シャフトの外側面と前記スリーブの内側面のうち少なくともいずれか一方の面に形成され、前記Cが満足する関係と同じ関係を満足するCの本数のラジアル動圧発生溝と、を備え、
    前記シャフトの外側面と前記スリーブの内側面との間の微小間隙内には前記動圧発生流体が保持され、
    前記回転体が前記静止部材に対して相対的に回転運動をすると前記微小間隙内の前記動圧発生流体に動圧が発生し、ラジアル動圧軸受が形成されることを特徴とする、請求項1又は2に記載のモータ。
  4. 前記回転体及び前記静止部材のそれぞれに形成され、互いに他に対して前記中心軸方向に微小間隙を介して対向する少なくとも一対のスラスト面と、
    前記一対のスラスト面のうちの少なくともいずれか一方に形成され、前記Cが満足する関係と同じ関係を満足するCの本数のスラスト動圧発生溝と、を備え
    前記一対のスラスト面間の微小間隙内には前記動圧発生流体が保持され、
    前記回転体が前記静止部材に対して相対的に回転運動をすると前記微小間隙内の前記動圧発生流体に動圧が発生し、スラスト動圧軸受が形成されることを特徴とする、請求項1乃至3のいずれかに記載のモータ。
  5. 前記スラスト動圧軸受が少なくとも1箇所に形成され、
    前記スラスト動圧軸受において発生する前記回転体を前記中心軸方向いずれか一方側に浮上させる浮上力又は、前記中心軸方向他方側に浮上させる浮上力が、モータの定格回転時において前記中心軸方向のいずれか一方に偏っており、
    前記浮上力の偏りを解消する方向に、磁気背圧が付与されていることを特徴とする、請求項4に記載されたモータ。
  6. 前記磁気背圧が、前記ロータマグネットの前記中心軸方向の磁気中心に対して、
    前記ステータの前記中心軸方向の磁気中心位置を前記中心軸方向のいずれか一方に偏らせることによって付与されることを特徴とする、請求項5に記載されたモータ。
  7. 前記磁気背圧が、前記ロータマグネットと、
    前記ロータマグネットに前記中心軸方向に対向して前記静止部材に取付けられた強磁性体製スラストヨーク又はスラストマグネットと、の間で付与されることを特徴とする請求項5に記載されたモータ。
  8. 前記モータは、三相駆動されるモータであって、前記ティース数Sが3の倍数であることを特徴とする、請求項1乃至7のいずれかに記載されたモータ。
  9. 流体動圧軸受を備えるモータであって、
    回転体と、
    静止部材と、
    前記回転体又は前記静止部材のうちのいずれか一方に中心軸と同芯に取り付けられた、円筒状の外側面を有するシャフトと、
    前記回転体又は前記静止部材のうちのいずれか一方に前記中心軸と同芯に取り付けられ、前記シャフトの外側面と径方向に微小間隙を介して対向する内側面を有するスリーブと、
    前記回転体に前記中心軸と同芯に取り付けられ、ポール(磁極)を周方向に交互に配列してなるロータマグネットと、
    前記中心軸を中心に放射状に配置されたティース(磁極歯)にコイルを巻回されて構成され、前記静止部材に前記中心軸と同芯に取り付けられたステータと、
    前記コイルに界磁用駆動電圧を通電する通電手段と、
    前記シャフトの外側面と前記スリーブの内側面のうち少なくともいずれか一方の面に周方向に等間隔に配列して形成されたラジアル動圧発生溝と、
    前記回転体及び前記静止部材のそれぞれに形成され、互いに他に対して前記中心軸方向に微小間隙を介して対向する少なくとも一対のスラスト面と、
    前記一対のスラスト面のうち少なくともいずれか一方の面に周方向に等間隔に配列して形成されたスラスト動圧発生溝と、
    前記シャフトの外側面と前記スリーブの内側面との間及び、前記一対のスラスト面の間に形成された微小間隙内に保持された動圧発生流体と、
    前記回転体が前記静止部材に対して前記中心軸回りに相対的に回転運動をすることによって前記微小間隙内の前記動圧発生流体に動圧を発生させて前記回転体を支持するラジアル動圧軸受及びスラスト軸受と、
    を備え、
    前記ポールの数をP、前記ティースの数をS、前記ラジアル動圧発生溝または前記スラスト動圧溝の数をC、前記コイルに通電する駆動相数をN=3とし、さらに、i、j、m、nをそれぞれ独立且つ任意な自然数とするとき、
    前記ティース数Sは前記駆動相数3の倍数であり、且つ、
    前記ポール数Pと前記ティース数Sの最大公約数が、前記駆動相数3以上であり、且つ、
    前記ポール数Pと前記ティース数Sと前記動圧発生溝数Cが、
    iP≠C、且つ、P/j≠C、且つ、mS≠C、且つ、S/n≠C、
    且つ、iP±1≠C、且つ、mS±1≠C
    の関係を満足することを特徴とするモータ。
  10. 請求項9に記載されたモータであって、
    前記スラスト動圧軸受が少なくとも1箇所に形成され、
    前記スラスト動圧軸受において発生する前記回転体を前記中心軸方向のいずれか一方側に浮上させる浮上力又は、前記中心軸方向他方側に浮上させる浮上力が、モータの定格回転時において前記中心軸方向のいずれか一方に偏っており、
    その浮上力の偏りを解消する方向に、前記ロータマグネットに磁気背圧が付与されていることを特徴とするモータ。
  11. 前記スリーブは金属焼結多孔質体からなり、
    前記動圧発生溝、前記ラジアル動圧発生溝、前記スラスト動圧発生溝の溝は、焼結粉末の加圧成形又は焼結後のサイジングによって形成されることを特徴とする請求項1乃至10のいずれかに記載されたモータ。
  12. 前記回転体に形成され、記録ディスクが搭載されるディスク載置面と、
    前記静止部材が一体又は別体に形成されるベースと、
    前記記録ディスク上に情報を書き込み及び/又は読み込みするヘッドと、
    前記ヘッドを支持する機構と、
    請求項1乃至11のいずれかに記載された前記モータとを備え、
    前記モータによって記録ディスクを回転させて情報の記録/読み込みをすることを特徴とする記録ディスク駆動装置。
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