JP2008275044A - 流体軸受装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で耐衝撃性を向上させ、良好なカシメ固定を可能とする流体軸受装置を提供する。
【解決手段】流体軸受装置を構成する軸受穴を有するスリーブを閉塞しているスラストプレート１２の外周面に対向するスリーブの外周面には、溝部２０が形成されており、スリーブのカシメ部をカシメ変形させて、スラストプレートを固定する際に、スリーブの外周面表面の破断・クラックが生じさせないようにして、耐衝撃性・耐振動性を向上させ、カシメ後による内部応力を均一化することができ、かつスラストプレートへの変形を軽減させた。
【選択図】図３

Description

本発明は、磁気ディスクや光ディスクなどのディスクを回転駆動するスピンドルモータに関するものであり、特に、流体軸受装置を構成している固定部であるスリーブとスラストプレートの締結部の構成及び、製造方法に関する。

ハードディスクドライブ（以下、ＨＤＤとする）は、大量のデータを記録再生できる記憶装置として、パーソナルコンピュータのみならず、オーディオビジュアル製品を含む各種の家電製品においても、ＨＤＤを組み込んだものが普及しはじめている。ＨＤＤを組み込んだ、小型の携帯用音楽記録再生装置やデジタルカメラ用の記録媒体等、小型のデジタル機器の普及にともなって、ＨＤＤは更なる小型化・薄型化が求められている。また、小型化・薄型化されたＨＤＤは、その使用用途が多様化しており、耐振動、耐衝撃に関しては、今まで以上にその性能を向上させることが必要となってきている。

ＨＤＤは、ディスクを高速かつ高精度で回転させる必要があるとともに、耐振動性、耐衝撃性、耐久性（長寿命）を必要とすることから、非接触にて回転する流体軸受装置を用いたスピンドルモータが使用されている。

そのスピンドルモータに使用されている流体軸受装置は、内部に潤滑流体を保持している。潤滑流体が漏洩することにより回転体と固定体の焼き付きを生じることで回転しなくなり、ＨＤＤのデータ書き込み、読み込みが出来なくなってしまう。そのため、流体軸受装置の各構成部品を締結している締結部から潤滑流体が漏洩しないように締結することが重要となってきている。

流体軸受装置の各構成部品を締結する締結部の構造および、締結方法に関して、溶接工法、接着工法、圧入工法、カシメ工法など様々な検討が行われている。その中でも、カシメ工法については、設備費が安価であること、組立工数が少ないことなどの点より、多くの部分で採用されている。

例えば、図６に図示されている流体軸受装置１０１は、軸受穴を有するスリーブ１０２の軸方向外側（図中下側方向）に向かって突出しているカシメ部１０２ａの内周側にスラストプレート１０３が配置されている。また、カシメ部１０２ａの外周部には、外周逃げ部１０４が形成されている。

カシメ部１０２ａを軸方向内側（図中上側方向）に押圧力（加圧力）を加えて、変形後のカシメ部１０２ａａの状態まで変形させることにより、カシメ部１０２ａが変形する際に生じるカシメ変形突出部１０２ｂが外周逃げ部１０４に張り出す。そのため、カシメ部１０２ａの変形力が、スラストプレート１０３の平行度などの寸法精度に影響が現れない。その結果、スラストプレート１０３とスラストフランジ１０５との間に形成されている軸受隙間の寸法が高精度に維持される技術が開示されている。
特開２００２−３１７８１５号公報

しかしながら、外周面形状は、図６に図示しているように、カシメ変形突出部１０２ｂが形成されるために外周面表面に引張応力が集中している状態となっている。つまり、カシメ後のカシメ部１０２ａａの外周面表面は、常に引っ張られている状態であると言える。この外周面表面が引っ張られている状態であるカシメ部１０２ａａに外的な衝撃・振動などが加わることで、外周面表面の引張応力が増大し、微細な部分に破断・クラックなどが生じてしまう。生じた破断部分は、時間が経過するとともに進行してカシメ部１０２ａａを破壊してしまい、スラストプレート１０３をスリーブ１０２に固定することができなくなり、潤滑流体が軸受隙間から漏洩するなどの問題が生じることとなる。

そこで本発明は、簡易な構成で耐衝撃性・耐振動性を向上させるために、スリーブとスラストプレートをカシメ固定する部分において、カシメによる応力集中を均一化させることによりスリーブ外周面の破断などの防止を可能にした流体軸受装置の製造方法を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の流体軸受装置の製造方法は、シャフトと、前記シャフトが回転自在に挿入される軸受穴を有するスリーブと、前記シャフトの端面に対向し、前記スリーブの前記軸受穴を閉塞するスラストプレートを有し、前記スラストプレートを前記スリーブにカシメ工法にて固定する流体軸受装置の製造方法であって、
前記スリーブの閉塞側にカシメ部を形成する第１の工程と、前記カシメ部の外周面に溝部を形成する第２の工程と、前記スラストプレートを前記スリーブの軸受穴に挿入する第３の工程と、前記溝部を基点に前記カシメ部を内周方向に変形させて、前記スラストプレートをカシメ固定する第４の工程とを有することを特徴としたものである。

また、本発明の流体軸受装置は、シャフトと、前記シャフトが回転自在に挿入される軸受穴を有するスリーブと、前記シャフトの端面に対向し、前記スリーブの前記軸受穴を閉塞するスラストプレートと、前記シャフト、前記スリーブと前記スラストプレートにて形成された間隙に介在している潤滑流体と、を有し前記スリーブに形成された前記スラストプレートをカシメ固定するための環状のカシメ部の外周面には、前記スリーブの他の外周面とは異なる面荒さ部分を有することを特徴としたものである。

さらに、流体軸受装置において、異なる面荒さ部分は、スリーブの他の外周面の面荒さの２分の１であることを特徴としたものである。

本発明の流体軸受装置の製造方法によれば、カシメ工法によるスリーブのカシメ部外周面の破断やクラックの発生を抑制することが可能となり、流体軸受装置内部からの潤滑流体の漏洩を防止することができる。また、スラスト軸受部を構成しているスラストプレートの変形を防止でき、軸受性能に大きな影響を及ぼす微小軸受隙間を高精度に確保することができる。

また、カシメ部の外周面の面粗さが、他のスリーブ外周面と異なっている（２分の１である）ことで破断やクラックが発生する限度を目視確認することができるので、経時変化にしか現れないカシメ部の破断を事前に防止することが可能となる。

以下に、本発明の流体軸受装置および、その製造方法の形態を図面とともに詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の製造方法により製造された流体軸受装置２を搭載したスピンドルモータ１の断面図を示す。まず、図１に図示されているスピンドルモータ１の構成について説明する。なお、以下の説明において、図１における上下方向を「軸方向」、上方向を「軸方向上側」（軸方向外側）、下方向を「軸方向下側」（軸方向外側）と表現するが、これらは実際の流体軸受装置２の取り付け方向を限定するものではない。

スピンドルモータ１は、記録ディスク（図示しない）を回転駆動するための装置であって、主として、回転部材４と、静止部材３と、流体軸受装置２とを備えている。

回転部材４は、主に、記録ディスクが装着されるハブ５と、マグネット６とを有している。ハブ５は、例えば、鉄系金属材料であるステンレンス鋼（例えば、マルテンサイト系またはフェライト系のステンレス鋼材であり、例えば、ＤＨＳ１など）で形成されており、シャフト７に対して圧入接着等によって、シャフト７と一体化される。また、ハブ５は、外周部に、記録ディスクを載置するためのディスク載置部５ａを一体的に形成している。

マグネット６は、ハブ５の内周側の面に固定されており、後述するステータ８とともに磁気回路を構成する。そして、マグネット６は、ネオジウム、鉄、ボロン系樹脂マグネット等の高エネルギー積の磁石材料からなり、表面には防錆処理やチッピング防止処理を兼ねてエポキシ樹脂コーティングやニッケルメッキなどが施されている。

記録ディスク（図示しない）は、ディスク載置部５ａの上に載置され、シャフト７の軸方向上側にネジ（図示しない）によって固定されたクランパ（図示しない）によって軸方向下側に押え付けられており、クランパとディスク載置部５ａとの間に狭持されている。

静止部材３は、図１に示すように、主に、ベース９と、ベース９に固定されたステータ８と、から構成されており、アルミ系金属材料または鉄系金属材料で形成されている。ステータ８は、ベース９に固定されており、マグネット６に対向する位置に配置されている。そして、ステータ８のステータコア１０は、厚み０．１５〜０．２０ｍｍの厚みのケイ素鋼板で形成されている。

ベース９は、流体軸受装置２を挿通する開口部を有する環状の保持部９ａを有している。そして、環状の保持部９ａの外周面には、ステータ８が挿入固定されている。更に、環状の保持部９ａの軸方向下側には、流体軸受装置２を閉塞するようにシール１５がベース９に貼付けられている。このシール１５は、外観上、流体軸受装置が見えないようにするためのものであるとともに、流体軸受装置２からのコンタミを外部に漏洩させないために貼られている。

流体軸受装置２は、図１に示すように、ベース９のほぼ中央部分に形成された開口部に固定されており、静止部材３に対して回転部材４を回転可能な状態で支持する。そして、流体軸受装置２は、主として、シャフト７と、スリーブ１１と、スラストプレート１２と、スラストフランジ１３と、潤滑流体としての潤滑流体１４と、を含むように構成されている。なお、このうちスリーブ１１およびスラストプレート１２が静止側の部材を構成し、シャフト７、スラストフランジ１３が回転側の部材を構成する。

シャフト７は、鉄系金属材料であるステンレス鋼（例えば、オーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３０３等や通常のオーステナイト系ステンレス鋼よりもマンガン含有量を高めたＡＳＫ８０００等、マルテンサイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ４２０等）やセラミックスなどで形成された軸方向に延びる円柱状の部材であって、スリーブ１１の軸受穴１１ａに回転可能に挿入されている。具体的には、シャフト７は、スリーブ１１とスラストプレート１２とによって形成された軸受穴１１ａの内周側に対して隙間を介して相対回転可能な状態で配置されている。

そして、シャフト７の軸方向上側には、ハブ５を取付けるために、凸部７ａを有している。凸部７ａは、ハブ５が圧入、接着、レーザ溶接などによって固定されている。一方、シャフト７の軸方向下側には、スラストフランジ１３が、圧入、接着、溶接などの工法により固定されている。また、シャフト７とスラストフランジ１３は、一体に形成されていてもよい。

スリーブ１１は、例えば、純鉄、ステンレス鋼、銅合金および焼結金属等によって形成される軸方向に延びる略円筒状の部材であって、ベース９の環状の保持部９ａに固定されている。

スラストプレート１２は、鉄系金属材料であるステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ４２０）や超硬合金鋼（例えば、ＦＢ１０）で形成されており、スリーブ１１の軸方向下側の端部に形成された略円形の開口部を塞ぐようにカシメにより固定されている。このスラストプレート１２のカシメ固定に関しては後述する。これにより、スリーブ１１とスラストプレート１２とによって軸受穴１１ａが形成される。

軸受穴１１ａの表面、例えばスリーブ１１の内周面には当技術分野では周知の２組のへリングボーン形状のラジアル動圧発生溝が、また、例えばスラストプレート１２の上面（スラストフランジ１３との対向面）には、スパイラル形状のスラスト動圧発生溝が設けられている。

潤滑流体１４は、ラジアル軸受部およびスラスト軸受部を含むシャフト７、スリーブ１１、スラストフランジ１３およびスラストプレート１２の間に形成される隙間に充填されている。そして、潤滑流体１４としては、例えば、低粘度なエステル系オイル等を用いることができる。

以上に述べたように、この流体軸受装置２は、２つのラジアル動圧軸受と１つのスラスト動圧軸受とから構成されるタイプである。

スピンドルモータ１では、ステータ８に通電されると回転磁界が発生し、マグネット６に回転力が付与される。これにより、回転部材４を、シャフト７を回転中心としてシャフト７とともに回転させることができる。シャフト７が回転すると、各動圧発生溝において半径方向および軸方向の支持圧が発生する。これにより、シャフト７がスリーブ１１に対して非接触状態で支持される。すなわち、静止部材３に対して回転部材４が非接触状態で回転可能となり、これにより記録ディスクの高精度な高速回転が実現される。

この流体軸受装置２を搭載しているスピンドルモータ１を構成している部材は、様々な締結方法、例えば、圧入、接着、溶接、カシメなどにて、部材間を固定（締結）している。しかしながら、ＨＤＤなどに用いられるスピンドルモータにおいては、締結強度以外に、低発ガスであること、更に、組立が容易で、安価でなければならない。そこで、これらの項目を満足するためにカシメ工法が用いられることが多くなってきている。

本実施例では、スラストプレート１２とスリーブ１１との締結にカシメ工法が用いられている。そのカシメ工法を用いたスラストプレート１２とスリーブ１１の締結方法について図２〜図３を用いて詳細に説明する。
（第１ステップ）
まず、図２（ａ）に図示されているように、スラストプレート１２をカシメ固定するためにスリーブ１１にカシメ部１１ｂを形成する。カシメ部１１ｂは、棒材、ブランク材などからスリーブ１１を所定の形状に加工する場合は、加工バイトにて形成される。また、焼結材などからスリーブ１１を所定の形状に加工する場合は、金型などでカシメ部１１ｂを形成してもよい。また、図２（ａ）の下側方向に突出しているカシメ部１１ｂの先端形状は、断面尖塔形状となるように形成する。
（第２ステップ）
次に、図２（ｂ）に図示しているように、カシメ部１１ｂの外周面に加工バイト４０にて溝部２０を形成する。この工程は、カシメ部１１ｂを形成する工程と別工程にしてもよいが、溝部２０の位置精度をより向上させるために、同一工程内にて形成してもよい。また、スリーブ１１が、焼結材などの場合は、型で形成してもよい。加えて、溝部２０を形成した後、カシメ部１１ｂおよび、溝部２０を含むスリーブ１１の外周面にメッキ処理などの表面処理を施してもよい。
（第３ステップ）
次に、図２（ｃ）に図示しているように、スリーブ１１の軸受穴１１ａにスラストフランジ１３が固定されているシャフト７を挿入し、カシメ部１１ｂの内周面１１ｃに沿って、スラストプレート１２を挿入する。ここで、スラストプレート１２は、カシメ部１１ｂの内周面１１ｃに径圧入してもよい。
（第４ステップ）
そして、図３（ａ）に図示しているように、断面尖塔形状に突出するように設けられているカシメ部１１ｂを、冶具５０を用いて図３（ａ）の上側方向（矢印方向）に押圧力が加えられる。加えられた押圧力は、図３（ｂ）に図示されているように、溝部２０の頂点２０ａを基点として、カシメ部１１ｂをスラストプレート１２の外周側固定部分１２ａに向かって変形させる。

以上のステップを経て、スラストプレート１２がスリーブ１１にカシメ固定されるのであるが、ここで、更に詳細にカシメ部１１ｂの状態を、図４を用いて説明する。

図４（ａ）は、カシメ変形前のカシメ部１１ｂを図示したものである。カシメ部１１ｂに押圧力が加えられることにより、押圧力により生じるスリーブの内部応力（歪み）が図４（ａ）の上側方向に向かって発生する。カシメ部１１ｂには、溝部２０が形成されており、内部応力は、溝部２０の頂点２０ａ近傍のスリーブ１１ｂに集中する。内部応力は、その応力を均一化するために、カシメ部１１ｂの半径方向外周面および、内周面方向へ伝達する。しかし、図４（ｂ）に図示しているように、カシメ部１１ｂの内周面側にはスラストプレート１２が位置しているので、内部応力が伝達しにくいが、カシメ部１１ｂの外周面には、溝部２０が形成されており、内部応力が伝達しやすくなっている。その結果、押圧力により生じるスリーブの内部応力は、溝部２０に向かって伝達する。

溝部２０に伝達した内部応力は、溝部２０を半径方向外側方向に向かって、押し出すように伝達することとなり、内部応力が均一化され、スリーブ１１ｂ内部の応力分布が安定する。その結果、図４（ｃ）に図示しているように、溝部２０がなくなることで、カシメ部１１ｂの外周面には、押圧力により発生した内部応力が残留することがなくなり、破断やクラックの発生が生じなくなる。加えて、カシメ部１１ｂの内周面側に位置しているスラスト軸受部を構成しているスラストプレート１２の外周面には、内部応力の伝達が殆ど発生しなくなり、スラストプレート１２の変形が生じにくくなるので、スラスト軸受隙間の変形が生じにくくなる。

更に、図４（ａ）に図示しているように、溝部２０の頂点２０ａが、スラストプレート１２の軸方向外側面１２ｂと同じ位置に形成されることで、カシメ部１１ｂの押圧力による生じる内部応力の分布をより効果的に溝部２０の頂点２０ａに集中させることが可能となり、より押圧力により生じるスリーブの内部応力は、溝部２０に向かって伝達するようになる。結果、上述したようにカシメ部１１ｂの外周面には、押圧力により発生した内部応力が残留することがなくなり、破断やクラックの発生が生じなく、スラストプレート１２の変形が生じにくくなる。

また、カシメ工法により変形するスラストプレート１２の反り量とスラストプレート１２とスリーブ１１の取付け強度比率を実験にて確認した。図５は、本発明の図１に示す流体軸受装置におけるスラストプレート１２の反り量（μｍ）と、取り付け強度比率（％）を実験により確認したデータである。

図５のデータにおける各係数は、図４（ａ）に図示しているように、Ｄｏはスラストプレート１２の直径、ｒ１はカシメ部１１ｂの溝部２０の溝底部の厚さ、ｒ１はカシメ部全体の厚さを示している。

図５において、図４（ａ）に示すスラストプレート１２の直径Ｄｏは一定であり、ｒ１に示す厚さも一定の条件での評価結果を示している。一般に、カシメ工法に用いられる部分であるスラストプレート１２の直径Ｄｏは４〜１２ｍｍ程度であり、厚さｒ１は０．５〜３．０ｍｍ程度である。

今回の実験結果によれば、ｒ２／ｒ１の数値が溝部２０の最良の形状を決定する上で重要な指標の一つになることが解った。また、図５（ａ）に示すようにスラストプレート１２の反り量は、ｒ２／ｒ１の数値に対してあまり変化がないが、図５（ｂ）に示すように取り付け強度比率は、ｒ２／ｒ１の数値が１．５以下では強度が小さいが、１．５以上では急激に大きくて必要十分な強度が得られることが解った。これらの結果によれば、ｒ２／ｒ１の数値を１．５以上にすれば、スラストプレート１２のカシメ後の反り量を小さく、かつ、取り付け強度は十分大きい流体軸受装置が得られる。

なお、最良の溝部２０の形状は初期状態がカシメ後形状である解析モデルを逆解析することによっても求めることができる。

更に、カシメ工法を用いてスラストプレート１２をスリーブ１１に固定した後のカシメ部１１ｂの外周面の状態を確認してみた結果、図４（ｃ）に図示されているＡ部の面粗さに変化が生じていることが解った。具体的には、カシメ前のスリーブ外周面の面粗さが６．０μｍであった部分が、３．０μｍと変化していた。これは、カシメにより生じた内部応力を溝部２０にて均一化したことで溝部２０の表面が引張変形したためであると思われる。

この面粗さの変化により、スリーブ１１の外周面の光沢が変化することとなり、目視にて変化を確認することができた。ここで、更に、この面粗さの変化について検討進めた。具体的には、カシメする際の押圧力を変化させて、スリーブ１１の外周面のカシメ後の面粗さを目視確認できるかどかを確認してみた。その結果、目視で確認できるのは、初期の面粗さの半分の面粗さ以下に変化した場合であった。更に、目視確認ができたそれぞれのサンプルについて、振動・衝撃試験および、信頼性試験を行ってみた。結果として、カシメ後の面粗さが、１．０μｍ以下では、信頼性試験実施後、微小なクラック（表面の破断）が確認できた。

以上の結果より、カシメ後の面粗さを初期の状態から約半分の面粗さにすることで、長期の信頼性試験での確認を行わずに、且つ、目視にてカシメによるカシメ部外周面の破断やクラックの発生を事前に抑制でき、より信頼性の高い流体軸受装置が得られる。

本発明にかかる流体軸受装置および、その製造方法は、カシメにより発生する内部応力を均一化され、スリーブのカシメ部外周面の破断・クラックの発生を防止することができる効果を有し、組立工数が少なくかつ、安価で、外的な衝撃・振動に耐えうることが必要な部材間の締結を行うことが必要なスピンドルモータ等に有用である。

本発明の流体軸受装置の製造方法により製造された流体軸受装置および、それを用いたスピンドルモータの断面図 （ａ）スリーブにカシメ部を形成する状態を示す断面図、（ｂ）カシメ部の外周面に溝部を形成する状態を示す断面図、（ｃ）スラストプレートをスリーブの軸受穴に挿入する状態を示す断面図 （ａ）スリーブの溝部を形成する位置を示す断面図、（ｂ）スラストプレートにカシメ固定した状態を示す断面図 （ａ）スリーブの溝部の詳細断面図、（ｂ）スリーブをカシメている状態を示す断面図、（ｃ）スラストプレートにカシメ固定した詳細断面図 （ａ）本発明のスラストプレート反り量を示す図、（ｂ）スラストプレート取り付け強度比の説明図 従来の流体軸受装置断面図

符号の説明

１ スピンドルモータ
２、１０１ 流体軸受装置
３ 静止部材
４ 回転部材
５ ハブ
５ａ ディスク載置部
６ マグネット
７ シャフト
７ａ 凸部
８ ステータ
９ ベース
９ａ 保持部
１０ ステータコア
１１、１０２ スリーブ
１１ａ 軸受穴
１１ｂ、１０２ａ、１０２ａａ カシメ部
１１ｃ 内周面
１２、１０３ スラストプレート
１３、１０５ スラストフランジ
１４ 潤滑流体
１５ シール
２０、２０ｂ 溝部
２０ａ 頂点
２０ｃ カシメ変形後のカシメ部外周面
４０ 加工バイト
５０ 冶具
１０２ｂ カシメ変形突出部
１０４ 外周逃げ部

Claims (6)

1. シャフトと、
   前記シャフトが回転自在に挿入される軸受穴を有するスリーブと、
   前記シャフトの端面に対向し、前記スリーブの前記軸受穴を閉塞するスラストプレートを有し、
   前記スラストプレートを前記スリーブにカシメ工法にて固定する流体軸受装置の製造方法であって、
   前記スリーブの閉塞側にカシメ部を形成する第１の工程と、
   前記カシメ部の外周面に溝部を形成する第２の工程と、
   前記スラストプレートを前記スリーブの軸受穴に挿入する第３の工程と、
   前記溝部を基点に前記カシメ部を内周方向に変形させて、前記スラストプレートをカシメ固定する第４の工程と、
   を有する流体軸受装置の製造方法。
2. 前記２の工程において、前記溝部の半径方向頂点を前記スラストプレートの前記シャフトの対向面の裏側の面よりも軸線方向外側に位置するように前記溝部を形成したことを特徴とした請求項１記載の流体軸受装置の製造方法。
3. 前記第２の工程にて形成された前記溝部が、式（１）を満足することを特徴とした請求項１および請求項２に記載の流体軸受装置の製造方法。
   ｒ２／ｒ１≧１．５・・・（１）
   ｒ１：前記溝部が形成されている部分の半径方向長さ
   ｒ２：前記溝部が形成されていない部分の半径方向長さ
4. シャフトと、
   前記シャフトが回転自在に挿入される軸受穴を有するスリーブと、
   前記シャフトの端面に対向し、前記スリーブの前記軸受穴を閉塞するスラストプレートと、
   前記シャフト、前記スリーブと前記スラストプレートにて形成された間隙に介在している潤滑流体と、を有し
   前記スリーブに形成された前記スラストプレートをカシメ固定するための環状のカシメ部の外周面には、前記スリーブの他の外周面とは異なる面荒さ部分を有することを特徴とする流体軸受装置。
5. 前記異なる面荒さ部分は、前記スリーブの他の外周面の面荒さの２分の１であることを特徴とする請求項４に記載の流体軸受装置。
6. 前記異なる面荒さ部分は、前記スラスト軸受部を形成している前記スラストプレートの面よりも軸線方向外側に位置していることを特徴とした請求項５および、請求項６に記載の流体軸受装置。