CN1181466A - 旋转推力轴承装置及使用该轴承装置的电动机 - Google Patents

Abstract

本发明旋转推力轴承装置,及使用该轴承装置的电动机,该轴承装置由端部作为滑动面的旋转轴,具有与该旋转轴滑动面相对滑动、止推支承该滑动面的推力轴承部的轴承部以及在旋转轴与轴承部间的润滑剂所组成,用注入钛、碳离子的钢形成所述旋转轴滑动面,使相对注入面的钛离子注入量为5×10¹⁷ions/cm²以上、碳离子注入量为钛离子注入量的1.6倍以上。该轴承装置具有经长期运转轴向尺寸变化极小等优点,可用于心轴电动机电枢的旋转支承,尤其可用于磁盘装置磁盘的直接驱动,它能抑制磁盘长期旋转引起的轴向移位。

Description

旋转推力轴承装置及使用该轴承装置的电动机

本发明主要涉及用轴承部滑动支承旋转轴顶端型式的旋转推力轴承装置，特别涉及适用于例如磁盘装置等所用的小型、精密心轴电动机等的旋转推力轴承装置，及使用该轴承装置的电动机。

近来，以要求磁盘装置需具有高记录速度、高记录密度为背景，要求提供适用于磁盘装置中的磁盘高精度、高速旋转的心轴电动机。通常将磁盘直接固定在心轴电动机电枢的外周上、用电动机直接驱动。心轴电动机采用固定的推力轴承装置。为了维持磁盘的高精度、高速旋转，需尽量抑制磁盘的轴向移位，因此，需极力控制心轴电动机旋转轴因长期运转而产生沿轴向的移位。旋转轴的移位起因于旋转轴顶端滑动面的磨损引起的轴向尺寸变化。磁盘装置用的电动机旋转轴的移位，成为使磁盘磁面位置沿旋转轴方向变化、从而使磁盘磁面与磁头间的间隙超出容许范围，也就意味着对要求高记录密度形成障碍。

以往，对于此类用途的轴承装置，采用用流体径向轴承支承旋转轴的方式，在此场合，为了抑制旋转轴的轴向长度因长期旋转而发生的变化，如日本专利特许公开6-38442所示，基于润滑油因旋转轴的旋转而产生的流体动压、达到旋转轴与轴承部的非接触状态。

此外，作为能抑制心轴电动机旋转轴因长期运转而产生轴向移位的手段，本发明者们提出一种具备由钢制成，在其表面上，把碳和从周期表的IVa、Va、以及VIa族中选出的金属元素直接地离子化注入在其滑动面上而成的旋转轴、使旋转轴的离子注入面通过润滑油组成物与轴承部滑动接触的轴承装置。(日本专利特许公开7-052133)。

此外，本发明者们还提出以具有维氏硬度Hv500以上的表面的钢作为旋转轴材料，使向该表面的钛离子的注入量为2.5×10¹⁷ions/cm²以上，采用使其滑动面达到维氏硬度Hv500以上的金属或陶瓷构成旋转支承旋转轴的轴承部的轴承装置(日本专利特许公开7-198537)，据此，表明能减少旋转轴沿推力作用方向移位的偏差，以及稳定维持低磨损量。

在这种轴承装置中，理想的润滑状态如上述日本专利特许公开6-38442所示，用因旋转轴的旋转引起的润滑油的流体力产生流体动压，用此动压构成相对轴承部非接触地支承旋转轴。然而，位于固体状的旋转轴与轴承部间的润滑油膜因固体表面粗糙程度而变薄时，将使润滑达到临界润滑状态，成为在滑动面各处引起固体接触，从而与流体润滑时相比，使旋转轴滑动面的磨损量增加。

在实际使用时，存在如磁记录载体那样的被驱动构件沿推力方向的荷重附加在旋转轴滑动面与推力轴承部滑动面间的情况。因此，润滑状态即使是流体轴承，也多数成为以临界润滑状态存在的混合润滑状态，难以得到稳定的非接触状态。

此外，由本发明者们在上述日本专利特许公开7-052133中提出的轴承系统，即如以心轴电动机为例，在使旋转轴通过润滑油与轴承部相滑动的轴承系统中，能使处于混合润滑状态的旋转轴的表面与推力轴承部表面间的滑动达到长时间稳定。

然而，在上述轴承系统中，在混合润滑状态虽已达到使旋转轴滑动面的比磨损量小于10^-11mm²/N，但却存在着在各构件间比磨损量偏差还很大的问题。旋转轴表面钛与碳的注入量以及旋转轴与轴承部的滑动面的硬度对比磨损量的影响已在日本专利特许公开7-198537中阐明，但是，相对于钛注入量的碳的注入量对比磨损量的影响尚不清楚。

本发明的目的在于提供能抑制旋转推力轴承装置的旋转轴沿推力方向的移位，且使此移位偏差减少的旋转推力轴承装置。

此外，本发明目的还在于使采用这种旋转推力轴承装置的电动机达到高速、高精度化和节省电力消耗。

本发明旋转推力轴承装置涉及钢制旋转轴端面的离子注入面，通过分别确保钛离子注入量与相对钛离子注入量的碳离子注入量的比例在一定值以上，形成具备使端面耐磨损性高的表面硬化层的滑动面，使旋转轴的滑动面在轴承部滑动面上长时间滑动接触而产生的磨损量减少，据此能使旋转轴沿推力方向的缩短尽可能地小。

具体说，在本发明中，所述注入面的钛离子注入量为2.5×10¹⁷ions/cm²以上，且碳离子注入量为钛离子注入量的1.6倍以上。

具有碳注入量相对钛注入量的特定比例的旋转轴滑动面，在混合润滑状态的比磨损量可小于10^-11mm²/N，能使旋转轴经长时期使用后的长度变化，即沿推力方向的移位显著减少，且能使标准偏差为最小。

本发明推力轴承装置为能广泛用于在旋转轴滑动面与推力轴承部间存在液态润滑剂的混合润滑状态使用的轴承装置。

这样的推力轴承装置最适于在小型电动机旋转体，特别是磁盘记录装置驱动用电动机、复印机的多面反射镜(旋转多面镜)的旋转驱动用电动机中使用。

对附图的简单说明。

图1为表示可实施本发明旋转推力轴承概念的剖视图。

图2为用本发明旋转推力轴承装置的电动机作为驱动源的磁盘装置的纵剖视图。

图3为表示本发明实施例旋转推力轴承装置的旋转轴顶端滑动面上离子注入量与磨损量关系的图。

图4为表示图3所示实施例中的磨损量标准偏差的图。

图1示意表示作为本发明一例的旋转推力轴承装置的概况，它由旋转轴1a、支承此旋转轴1a的轴承部2，以及位于旋转轴和轴承部间的润滑剂3所组成，在本例中，该轴承部2由分别形成的、用于把旋转轴1a的端面作为滑动面、承受来自推力方向负荷的止推轴承部2a以及用于滑动支承旋转轴1a的外周面的中空筒状或环状的径向轴承部2b结合而成。轴承部2也可以将推力轴承部2a与径向轴承部2b构成整体。

本发明旋转推力轴承装置适合用于电动机上，为此，最好将其形成与电动机电枢1同轴直接相连。可将使用这种旋转推力轴承装置的心转电动机适用于例如磁盘记录装置磁盘的移转驱动。

为使旋转推力轴承装置的旋转轴自身具有所需的机械强度与硬度，该旋转轴可由钢制成，最好采用维氏硬度Hv500以上的硬质钢。尤其是采用马氏体不锈钢、经热处理硬化来制成旋转轴。这样的不锈钢包括例如符合日本工业标准(JIS)规定的SUS420J2钢。

本发明旋转轴具有将其端面形成曲面、经表面研磨的滑动面，该滑动面经热处理硬化后通常达到约Hv400-800的硬度，且通过精加工形成所需的表面光洁度。

在旋转轴的滑动面上通过双重注入钛离子与碳离子形成表面硬化层。本发明中，滑动面上的钛离子注入量为5×10¹⁷ions/cm²以上，且确保碳离子的注入量为钛离子注入量的1.6倍以上。

将钛离子的注入量的下限取为2.5×10¹⁷ions/cm²的理由是：若注入量低于此下限值，旋转轴沿推力方面的移位与偏差的减少就不足。此外，使注入的碳离子的注入量达到钛离子注入量的1.6倍以上是由于为能在注入面的正下方的金属组织中充分形成因碳与钛的反应而使表面硬化的析出物。这硬化相大概为碳化钛TiC的微细析出物，可推知本发明的上述两成分的注入量的比例能使其析出量增加、注入面的硬度提高、摩擦系数减小，滑动面的磨损减低。也就是说，旋转轴的滑动面因其上形成含有析出物的极薄的表面硬化层而使其在与轴承部的滑动面接触时具有高耐磨性，从而能使滑动面的磨损减轻，据此，能抑制旋转轴沿推力作用方向的缩短。

可观察到通过使碳离子相对钛离子注入量的比达到1.6倍以上，可使注入面的滑动特性得到进一步改善的效果。这样确保碳离子的注入量，就能使注入面的滑动特性明显稳定化，使旋转轴在长期运转中沿推力作用方向的移位与偏差进一步减小。

钛离子注入量的最佳范围为2.5×10¹⁷-1×10²⁰ions/cm²。此外，碳离子的注入量范围为4.×10¹⁷-1×10²¹ions/cm²，且为钛离子注入量的1.6倍以上，而选择2.0倍以上的渗入量则更好。

为了在旋转轴上形成离子注入面，首先，对旋转轴端部进行研磨，将其形成所需的曲面形状，例如形成球面形状。而且通过表面研磨使具有所需的表面光洁度，例如精加工直至达到Rmax×0.1-0.5μm。

作为离子注入法，是在高真空中设置离子枪、为将离子加速的栅电极以及注入离子的对象，把在真空中作为必需注入材料的固态的钛和碳作为阴极，使其放电、蒸发达到离子化，用相对阴极已加上负高电压的栅极电极使离子加速，以离子束照射到面对阴极配置的旋转轴的端面上，从金属表面将离子向内部表面相注入。

为进行这样的注入，可利用Brown，I.G.；“The Metal vapor VaccumArc(MEVVA)High Current Ion Source”IEEE Trans.on Nuclear Science.V01.NS-32.N05(1985)上记载的方法与装置。

在离子注入法中，将多根旋转轴捆在一起，使其顶端平齐，将其作为靶配置成面对阴极一侧。使通过栅电极的离子束大致均匀地对各旋转轴的端面照射。离子注入量可由流入靶内的离子电流与注入时间的乘积求出。

作为离子注入的例子，在对将外径2.5mm的不锈钢棒的顶端加工成曲率半径为4mm的球面的端面进行离子注入的场合，使用加速电压70KV(约147KeV)获得钛Ti的注入量5×10¹⁷ions/cm²。使用加速电压40KV(约40KeV)，获得碳的注入量1.2×10¹⁸ions/cm²。

另外，对于支承旋转轴端面的推力轴承部最好用表面硬度高的陶瓷来形成，作为陶瓷，尤其可用氧化物系、碳化物系或氮化物系陶瓷，都必需将其表面进行研磨、加工成具有所需的外形。

用于本发明轴承装置的轴承部，尤其最好采用式(1)的一般式表示的硅铝氧氮化物(a silicon-aluminum exinitride)，(以下称作SIALON)来形成。

Si_6-0.75XAl_0.75XO_xN_B-X……(1)

其中，X为由式(1)表示的1克分子的SIALON中的氧的量，当X≤6，能防止分解成氮化硅相与铝相，X为6以下的化合物能发挥氧化物与氮化物双方的特性，可采用硬度高、机械强度大、化学热稳定的陶瓷。

为了将本发明轴承装置作为流体轴承而使用润滑剂。所述润滑剂是以矿物油、合成油等碳化氢系油为主要成分，且通过适当添加诸如粘度系数提高剂、过压添加剂、氧化防止剂、注入点提高剂、消泡剂等通常轴承油使用的添加剂调制而成。进而，也可同时在这些油中添加润滑脂类，具有层状结构的润滑性微细粉，(例如石墨、二硫化钼、氮化硼等)以及作为金属薄膜的铟、铜、铅等。由这些混合物组成的润滑剂的具体配合，可按照作为使用对象的电动机等旋转机器和轴承装置的结构及其使用与负荷条件来适当决定。

此外，对于本发明旋转轴承装置，如在旋转轴的滑动面与推力轴承部间存在液态润滑剂，能使本发明旋转推力轴承装置可广泛在旋转轴滑动面负荷PV值为60(N/mm²·m/s)以下的混合或非接触状态使用的轴承装置中使用。最好使轴承装置工作在PV值为36.3(N/mm²·m/s)以下(例如P≤750N/mm²、且V≤5.1×10^-2m/s以下)。PV值的意义将后述。

图2为使用于本发明旋转推力轴承装置的磁盘记录装置的剖视图，图中表示设置由固定在基座7上的轴承部2，其转轴1a被旋转支承在轴承部2上的电动机电枢1以及同轴地直接固定在电枢1的外周上的1片以上、作为磁记录载体的磁盘6所组成的心轴电动机。

在磁盘装置中设置为使磁头8b与磁盘6的表面磁性被膜接近、进行移动控制的磁头驱动控制装置。此控制装置具备其顶端具有磁头8b的负载杆Sa以及对负载杆8a进行旋转控制的旋转传动装置8，此外，还具备为用外部指令信号对心轴电动机与旋转传动装置8进行控制的控制回路5。

这种心轴电动机轴承装置，例如其旋转轴用SUS20J2钢制造，其顶端滑动面系半径为4mm的球面。以及作为支承旋转轴的推力轴承部2a可以是上述SIALON的支承平滑面，对于径向轴承部2b的材料不作特别限定，例如可使用铜合金。

在应用中，推力轴承装置的旋转轴在荷重为60gf、转速为5400rpm的条件下，被支承在Hv1000以上的SIALON的平面轴承部上运转，在此条件下，要求经10000小时后沿推力方向的移位在40μm以下。

对这种轴承装置的旋转轴端部滑动面的比磨损量可按以下进行计算。根据Herz的接触理论从上述条件计算出顶端滑动面因弹性变形而与SIALON支承平面接触的接触圆半径为24μm、在轴端面中心的最大接触面压力为45kgf/mm²、旋转轴的陷入为0.11μm。在这种轴承装置中，在存在润滑油条件下，能难成为轴旋转相对推力轴承部为非接触状态，而旋转轴的滑动为混合润滑状态。

在旋转轴的转速为5400rpm、经10000小时旋转后的磨损为40μm的移位条件下，估计旋转轴的最后的滑动面相对SIALON的支承平面的接触圆的半径为540μm，其间的磨损量按体积计算为0.02mm³、平均滑动半径为200μm左右，从而，比磨损量约为1×10^-11mm/N。因此，为要使移位量为40μm以下，需使旋转轴滑动面的比磨损量在1×10^-11mm/N以下。

更具体地来阐述本发明的应用，可用外径3mm的不锈钢棒(SUS420J2钢)形成旋转轴，在将其顶端加工成曲率半径4mm的球面的端面上注入5×10¹⁷ions/cm²的钛离子、注入1.2×10¹⁸ions/cm²的碳离子(注入量比为2.4)，从而形成离子注入面。为使旋转轴的注入面在表面硬度为Hv1350的SIALON的支承盘面上滑动，若用直立、垂直荷重(推力方向荷重)50gf、滑动速度8×10^-3m/s、PV值2.5N/mm²·m/s，在混合润滑条件下使滑动，则其端面的摩擦系数应在0.02-0.03范围。

此处的PV值定义为平均滑动面压P(N/mm²)与平均滑动速度V(m/s)的乘积，平均滑动面压P为有Herz接触理论式求出的接触圆面积除以推力方向荷重的值，平均滑动速度V为由接触理论式求出的接触圆的圆周与转速乘积值的一半。

此外，在使此旋转轴与电动机电枢连接，将SIALON的支承盘作为推力轴承部，将推力轴承装置用于心轴电动机场合，在推力方向荷重为60gf、转速5400rpm的条件下，经300小时旋转后的移位约为1.4μm。

此外，在对淬火硬化的SUS420J2钢制的旋转轴的端面上不进行离子注入、在相同条件下进行测定时，未经处理的滑动面的摩擦系数为0.06左右。此外，将此旋转轴用于推力轴承装置、在相同条件下经300小时驱动旋转后的移位很大，约为14.8μm。

实施例

用马氏体不锈钢(SUS420J2钢)形成直径3mm、表面硬度Hv651的旋转轴，将旋转轴的顶端形成具有半径4mm曲面的端面。将其端面的表面光洁度加工至Rmax在0.1-1.0μm范围。

使用MEVVA型离子束发生装置在旋转轴的上述端面上注入钛(Ti)离子与碳(C)离子，使Ti离子的注入量恒定为5×10¹⁷ions/cm²，使C离子注入量分别为Ti离子注入量的0.8倍(4×10¹⁷ions/cm²)、1.0倍(5×10¹⁷ions/cm²)、1.6倍(8×10¹⁷ions/cm²)、2.4倍(12×10¹⁷ions/cm²)以及3.0倍(15×10¹⁷ions/cm²)共6个水准。

采用由SIALON形成的盘作为支承上述旋转轴端面的推力轴承部，对于盘的滑动面，Rmax＜0.1μm、硬度为Hv1590。

在推力轴承部使用润滑油，润滑油为在癸二酸二-2-乙基乙酯内添加重量百分比为3的硬酯丁酸酯调制而成。

滑动试验按如下进行。使固定在电动机电枢上的上述旋转轴的离子注入端面竖立在推力轴承部的滑动面上、与润滑油接触的同时被支承组装在心轴电动机上。且在推力荷重60gf、转速5400rpm的条件下，在混合润滑状态使电动机转动2500小时，用旋转轴的长度变化测定磨损、试验按碳(C)离子注入量的各水准、用5个试样来进行，从而求出移位平均值及其标准偏差。试验结果示于图3、图4中。

图3表明，在钛离子注入量为一定的条件下，滑动面的推力方向的磨损随碳离子注入量增加而减小，碳离子注入量与钛离子注入量相等时的比磨损低于1×10^-11mm/N，以及碳离子注入量为钛离子注入量的2.4倍以上时的比磨损低于1×10^-12mm/N。

图4表明当碳离子注入量超过钛离子注入量的0.8-1.0倍时，旋转轴移位量的标准偏差开始下降，在碳离子注入量为钛离子注入量的1.6-2.4倍(8-12×10¹⁷ions/cm²)时，移位标准偏差急剧降低，且当碳离子注入量超过2.4倍时，标准偏差非常稳定地下降。

由以上可知，以钛离子注入量的1.6倍以上的注入量进行碳离子注入，就能稳定得到低于1×10^-12mm/N的比磨损，且同时其标准偏差也显著下降。

综上所述，本发明旋转推力轴承装置通过向旋转轴的滑动端面注入钛与碳离子，使滑动面的表面光洁度对滑动面的润滑状态的影响得到缓和，使因滑动面的表面光洁度造成的异常磨损受到抑制，可有效防止电动机在长期工作中的电动机轴的尺寸变化。

Claims (6)

1.旋转推力轴承装置，由将其端部作为滑动面的旋转轴、具有与该旋转轴的滑动面滑动接触，止推支承该滑动面的推力轴承部的轴承部以及位于该旋转轴与轴承部间的润滑剂组成，其特征在于，向由钢材形成所述旋转轴的滑动面上注入钛、碳离子、且使相对注入面的钛离子注入量为2.5×10¹⁷ions/cm²以上、碳离子注入量为所述钛离子注入量的1.6倍以上。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述推力轴承部具有用表示式(1)的一般式所示的硅铝氧、氮化物而形成的滑动面，

Si_6-0.75xAl_0.75xO_xN_B-X……(1)

其中，X≤6。

3.根据权利要求1所述装置，其特征在于在所述轴承装置用于旋转支承心轴电动机的电枢，在所述电动机电枢的顶端含有呈共轴状连接的旋转轴。

4.根据权利要求1或2所述的轴承装置，其特征在于，所述轴承装置用于构成磁盘装置，在设于所述磁盘装置内的心轴电动机电枢的顶端含有呈共轴状连接的所述旋转轴，将1片以上的、作为磁记录载体的磁盘呈共轴状直接固定在所述电枢的外周上。

5.具备如权利要求1或2所述的旋转推力轴承的电动机，其特征在于，在所述电动机电枢的顶端含有呈共轴状连接的所述旋转轴。

6.具备如权利要求1或2所述旋转推力轴承装置的磁盘装置，其特征在于，该磁盘装置系通过使所述旋转轴与电动机电枢结合，且将作为磁记录载体的磁盘呈共轴状直接固定在所述电枢外周上。

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