DE10066340B4

DE10066340B4 - Lagereinrichtung für einen Spindelmotor und magnetische Aufzeichnungsvorrichtung mit einer derartigen Lagereinrichtung

Info

Publication number: DE10066340B4
Application number: DE10066340A
Authority: DE
Inventors: Chuichi Fujisawa Sato; Yuichi Fujisawa Sumita; Shoji Fujisawa Horike; Tsuyoshi Fujisawa Saito; Dai Fujisawa Kinno
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1999-04-14
Filing date: 2000-04-14
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2020-04-15

Abstract

Als Kugel für ein Kugellager wird eine mit einem Keramikmaterial beschichtete Kugel bereitgestellt, die aus einem Stahl besteht, der nahezu den gleichen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie der Lagerring des Kugellagers aufweist und mit einem Keramikmaterial beschichtet ist. Bei dieser Anordnung kann selbst dann, wenn die Temperatur während des Zusammenbaus des Lagers und die Betriebstemperatur voneinander verschieden sind, die Aufhebung einer Vorspannung oder eine übermäßige Vorspannung wie in einer Keramikkugel verhindert werden, weil das Lager und die Kugel sich auf die gleiche Weise ausdehnen oder schrumpfen können. Da die Kugel und der Lagerring über die Keramikschicht miteinander in Kontakt kommen, kann ferner ein Reibverschleiß verhindert werden, wodurch es möglich wird, ausgezeichnete Laufeigenschaften und ausgezeichnete akustische Eigenschaften zu erzielen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Lagereinrichtung für einen Spindelmotor, insbesondere in Verbindung mit einem Festplattenlaufwerk (nachfolgend als „HDD" bezeichnet) oder dergleichen, und auf eine magnetische Aufzeichnungsvorrichtung mit einer derartigen Lagereinrichtung.
Trotz ihrer jungen Geschichte macht die Computerindustrie einen extrem schnellen technischen Fortschritt. Insbesondere die HDD-Industrie hat neue Technologien eingeführt für die Entwicklung neuer kompakter Modelle mit geringeren Energieverlusten, einer hohen Ansprechempfindlichkeit und einer hohen Präzision. Unter diesen Umständen ist ein Lager-Leistungsvermögen erforderlich, das diesen Eigenschaften entspricht.
Als Lager für eine HDD-Vorrichtung wird beispielsweise häufig ein kleines RillenKugellager für einen Spindelmotor, wie in 6 dargestellt, und für einen Schwenkarmmotor, wie in 7 dargestellt, verwendet. Das Kugellager 1 für einen Spindelmotor wird verwendet, um einen becherförmigen Flansch 2 zu ermöglichen, auf dem eine Magnetplatte (nicht dargestellt) montiert ist, die durch einen Motor M um eine Welle 4 herum glatt rotierend angetrieben werden kann, die auf einer Basis 3 stehend vorgesehen ist. Dabei muß das Kugellager 1 ausgezeichnete Laufeigenschaften und ausgezeichnete akustische Eigenschaften aufweisen. Das Kugellager 1 für einen Schwenkarm wird verwendet, um zu ermöglichen, daß ein Schwenkarm 7 glatt um eine Welle 9 herum geschwenkt wird, die auf einer Basis 8 vorgesehen ist. Der Schwenkarm 7 ermöglicht es einem Kopf 6, auf die nutzbare Fläche einer Magnetplatte D aufgesetzt und positioniert zu werden. An diese Kugellager 1 wird bei Raumtemperatur eine Vorspannung angelegt, um die Rigidität des Wellenträgers zu verbessern. Da jedoch der Motor für die HDD-Vorrichtung eine verminderte Größe aufweisen muß, kann kein konstantes Druckvorspannungs-Verfahren, das einen gewissen Raum beansprucht, angewendet werden. Deshalb wird ein konstantes Positions-Vorspannungsverfahren angewendet, bei dem ein innerer Laufring 1n und ein äußerer Laufring 1g von zwei Kugellagern an Wellen 4, 9 fixiert sind und die Innenwand eines Flansches 2 oder einer Muffe (Hülse) 10 jeweils als rotierender Körper mit einem Klebstoff fixiert werden, während sie durch Anwendung einer nach unten gerichteten Kraft unter Druck gesetzt werden.
Als Material des Kugellagers, das in der obengenannten HDD-Vorrichtung verwendet werden soll, wird häufig SUJ2 (JIS), bei dem es sich um einen Chrom-Lagerstahl mit einem hohen Kohlenstoff-Gehalt handelt, SUS440C (JIS), bei dem es sich um einen martensitischen rostfreien Stahl handelt, rostfreier 0,7C-13Cr-Stahl oder dgl. verwendet. Diese Stahl-Materialien werden gehärtet und vergütet, um die gewünschte Härte oder Verschleißfestigkeit zu erzielen. Es werden somit Stahl-Materialien verwendet, deren Härte HRC 58 bis 64 beträgt.
Das Kugellager 1 für die HDD-Vorrichtung ist jedoch durch den Reib- bzw. Schwingungsverschleiß, der durch die Mikrovibration der rotierenden Teile (Flansch 2, Muffe 10) in der Rotationsrichtung während des Transports der Vorrichtung entsteht, einem nachteiligen Einfluß auf die akustischen Eigenschaften oder die Vibrations-Eigenschaften ausgesetzt. Ein Reibverschleiß tritt auf den Kugeln B in dem Lager 1 auf. Als Gegenmaßnahme gegen den Reibverschleiß hat man damit begonnen, Keramikmaterialien für die Lagerkugel B zu verwenden. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Oberflächen-Eigenschaften, die Härte, die mechanische Festigkeit, die chemische Stabilität und die Verschleißfestigkeit einer Kugel aus einem Keramikmaterial besser sind als diejenigen einer Kugel aus Stahl, z.B. Lagerstahl.
Eine aus einem Keramikmaterial hergestellte Kugel weist ausgezeichnete Oberflächen-Eigenschaften auf, sie hat jedoch einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der um 70% kleiner ist als derjenige einer Stahlkugel, und einen Längs-Elastizitätsmodul, der um 50% höher ist als derjenige einer Stahlkugel. Daher sind dann, wenn die Temperatur während der Verwendung der Vorrichtung ansteigt, Kugellager, in denen ein konstantes Positions-Vorspannungsverfahren beispielsweise für den Motor für eine HDD-Vorrichtung verwendet wird, einer starken Änderung der maximalen Kontaktspannung zwischen der Kugel und ihrer Wälzoberfläche ausgesetzt, so daß ein starker Abfall der Lagerrigidität (Vorspannung) verursacht wird. Im Extremfall kann somit der sogenannte Wegfall der Vorspannung, d.h. eine Vorspannung von Null während der Verwendung, auftreten.
Bezüglich der Möglichkeit eines Wegfalls der Vorspannung wird nachstehend der Mechanismus dafür untersucht.
Für die elastische Verformung und Spannung auf der Kontaktfläche, an der die Kugel mit der Wälzoberfläche in einen Wälzkontakt kommt, kann die Herz'sche Theorie über einen elastischen Kontakt angewendet werden. Im allgemeinen liegen, wie in 8A dargestellt, dann, wenn zwei Gegenstände I und II, die elastische Materialien darstellen und eine glatte Oberfläche haben, miteinander in Kontakt kommen, Hauptebenen der Krümmung 1 und 2, die unter rechtem Winkel einander kreuzen, in symmetrischen Ebenen in der Nähe des Kontaktpunktes vor. Wie in 8B dargestellt, hat der Gegenstand I die Radien r_I1 und r_I2 der Hauptkrümmung jeweils im Schnittpunkt der Hauptebenen der Krümmung. Der Gegenstand 2 weist Radien r_II1 und r_II2 der Hauptkrümmung im Schnittpunkt der jeweiligen Hauptebenen der Krümmung auf. Die reziproken Werten dieser Radien r_I1, r_I2, r_II1 und r_II2 der Hauptkrümmung (die durch + und – Vorzeichen voneinander unterschieden sind, was bedeutet, daß die Krümmung konvex bzw. konkav ist) sind jeweils definiert als ρ_I1, ρ_I2, ρ_II1, und ρ_II2.
An der Kontaktfläche wird ein Kontakt-Ellipsoid A mit zwei Radien (größerer Radius a und kleinerer Radius b) gebildet, die einander überkreuzen.
Wenn man annimmt, daß dann, wenn eine vertikale Kraft Q auf das Kontaktellipsoid A einwirken gelassen wird, die maximale Kontaktspannung, die auf das Zentrum des Kontakt-Ellipsoids A einwirkt, σ_max beträgt und die Menge, durch welche die elastischen Gegenstände I und II einander verdrängen (verformen), δ beträgt, können für σ_max und δ jeweils die folgenden Gleichungen angegeben werden:
Eine weitere Untersuchung wird nachstehend vorgenommen durch Anwendung der obengenannten Gleichungen auf den Kontakt der Kugel B mit der Wälzoberfläche in dem äußeren Laufring 1g und der Wälzoberfläche in dem inneren Laufring 1n in einem Rillen-Kugellager 1, wie in 9 dargestellt. Es wird angenommen, daß die Kugel B aus einem Keramikmaterial hergestellt ist und der äußere Laufring 1g und der innere Laufring 1n aus Stahl hergestellt sind.
Das Keramikmaterial weist einen Modul der longitudinalen Elastizität E₁ von 313,6 GPa, ein Poisson-Verhältnis (Querdehnzahl) m₁ von 10/2,7, einen linearen thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten A₁ von 3,2 × 10^–6/°C (der gleiche wie derjenige von Siliciumnitrid Si₃N₄) und eine Wärmeleitfähigkeit B₁ von 10,8 W/(m·k) auf.
Der Stahl weist einen Modul der longitudinalen Elastizität E_II von 207,8 GPa, ein Poisson-Verhältnis (Querdehnzahl) m_II von 10/3, einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten A_II von 11,8 × 10^–6/°C und eine Wärmeleitfähigkeit B_II von 76 W/(m·k) auf Bei dem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten werden ein Durchschnittswert von einem Minimum und einem Maximum von repräsentativen Stahlmaterialien d.h. von martensitischem rostfreiem Stahl (10,1 × 10^–6), Lagerstahl SUJ2 (12,5 × 10^–6), und einem mittleren Stahl mit niedrigem Kohlenstoff-Gehalt (13,5 × 10^–6), verwendet, auf welche die Erfindung angewendet wird.
Die maximale Kontaktspannung σ_max und die Verschiebung (Verdrängung bzw. Verformung) δ werden durch die folgenden Gleichungen dargestellt: σmax = 210 × (1/μν)3√{Σρ)2Q} (1) δ = (1,13/103)(2K/πμ)3√{ΣρQ2Q} (2)worin μν und 2K/πμ eine Funktion von ρ sind.
Wenn man annimmt, daß in der 9 der Durchmesser der Kugel Bd beträgt, beträgt der Krümmungsradius der gekrümmten Oberfläche der Rille im Querschnitt der Laufringrille auf dem äußeren Laufring 1g einschließlich der Lagerachse r₀, der Krümmungsradius der gekrümmten Oberfläche der Rille in dem Überkreuzungs-Querschnitt der Lagerachse unter rechtem Winkel beträgt R₀, der Krümmungsradius der gekrümmten Oberfläche der Rille in dem Querschnitt der Laufringrille auf dem inneren Laufring 1n einschließlich der Lagerachse beträgt r_i und der Krümmungsradius der gekrümmten Oberfläche der Rille in dem Überkreuzungs-Querschnitt der Achse 1 unter rechtem Winkel beträgt R_i, und die Summe der Hauptkrümmungen Σρ = ρ_I1 + ρ_I2 + ρ_II1 + ρ_II2 wird dargestellt durch die folgenden Gleichungen:
Für den Kontakt des inneren Laufrings mit der Kugel: Σρ = 4/d + (1/Ri) – (1/ri) (3)
Für der Kontakt des äußeren Laufrings mit der Kugel Σρ = 4/d + (1/R0) – (1/r0) (4)
Die Hilfsvariable cos_τ = |(ρ_I1 – ρ_I2) + (ρ_II1, – ρ_II2)|/Σρ wird dargestellt durch die folgenden Gleichungen:
Für den Kontakt des inneren Laufrings mit der Kugel: cosτ = {(1/ri) + (1/Ri)}/Σρ (5)
Für den Kontakt des äußeren Laufrings mit der Kugel: cosτ = {(1/r0) + (1/R0)}/Σρ (6)
Da die Federkonstante κ dQ/dδ beträgt, gilt κ = 1/{(1,13/103)(2K/πμ)}·3/2·3√(Q/Σρ) (7)
Wenn man annimmt, daß die Kugel einen Durchmesser von 2 mm bei dem Lager Nr. B5-39 (Innendurchmesser: 5 mm; Außendurchmesser: 13 mm; Breite: 3 mm) hat, bei dem es sich um ein Lager für HDD handelt, das aus einem Keramikmaterial hergestellt ist, werden die numerischen Werte wie folgt errechnet:
d = 2,0 mm
r_i = 1,07 mm; r₀ = 1,07 mm;
R_i = 3,5 mm; R₀ = 5,50 mm + δ_s = 5,508 mm (worin der Zwischenraum δ_s 16 μm beträgt).
Wenn man diese Werte für die Gleichungen (3) bis (6) für die Berechnung von Σρ und cos_τ einsetzt, werden dann die Werte für μ, ν, μν und 2K/πμ bestimmt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1
Wenn die maximale Kontaktspannung σ_max und die Menge der Verschiebung (Verformung) δ des inneren Laufrings und des äußeren Laufrings aus den Gleichungen (1), (2) und (7) bestimmt werden, werden die folgenden Ergebnisse erhalten:
Für den inneren Laufring: σmaxi = 1,78 × 102 3√Q δi = 8,43 × 10–4 3√Q2 |
Für den äußeren Laufring: σmaxo = 1,47 × 102 3√Q δ0 = 8,05 × 10–4 3√Q2 (8)
Aus der Gleichung (8) ergibt sich die Beziehung κ ∞ ₃√Q ∞ σ_maxi
Bezogen auf den Fall, bei dem sowohl die Kugel als auch der äußere und der innere Laufring aus Stahl hergestellt sind, werden die maximale Kontaktspannung σ_max und die Verschiebung (Verformung) δ der Stahlkugel dargestellt durch die folgenden Gleichungen: σmax = 187 × (1/μν)3√{(Σρ)2Q} δ = (1,28/103)(2K/πμ)3√{(ΣρQ2}
Der Vergleich der Belastung (Kraft) Q' und der Verschiebung δ_c' der Stahlkugel mit der Belastung Q und der Verschiebung δ_c einer Keramikkugel in bezug auf die gleiche maximale Kontaktspannung σ'_maxi ergibt die folgenden Ergebnisse: Q' = (210/187)3Q = 1,41Q δc' = (1,28/1,13)3√{(Q'/Q)2 δc} = 1,42 δc (9)worin δ_c = δ_i + δ₀
Daraus ist zu ersehen, daß die Belastung Q' und die Verschiebungsmenge δ_c' einer Stahlkugel jeweils das 1,4-fache derjenigen einer Keramikkugel betragen.
Die Belastung und die Verschiebung (Verformung) der Keramikkugel und der Stahlkugel wurden bestimmt mit einem Wert von σ_maxi von 0,20; 0,39; 0,59; 0,78; 0,98; 1,18 und 1,37 GPa. Die Ergebnisse sind in 10 graphisch dargestellt. Im allgemeinen beträgt dann, wenn eine übliche Vorspannung angelegt wird, der Wert von σ_max 0,98 GPa. Zu diesem Zeitpunkt beträgt die Menge der elastischen Verformung (Verschiebungsmenge) δ_c des Kontaktpunktes der Keramikkugel nur 0,522 μm, wie aus der 10 bestimmt.
Eine Keramikkugel und eine Stahlkugel werden nachstehend in bezug auf den Einfluß einer Temperaturdifferenz auf die Lagervorspannung miteinander verglichen.
Die Differenz ΔA in bezug auf den linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Stahl und Keramik wird dargestellt durch die folgende Gleichung: ΔA = 11,8 × 10–6/°C (Stahl) – 3,2 × 10–6/°C (Keramik) = 8,6 × 10–6/°C.
Die Kontaktrigidität (Festigkeit gegen Formveränderung) der Kugel gegenüber der inneren Laufkanal-Oberfläche ist proportional zu ihrer maximalen Kontaktspannung σ_maxi Wenn die Menge δ_c der elastischen Verformung des Kontaktpunktes 0,2 μm oder weniger beträgt, fällt der Wert für die Kontaktrigidität plötzlich ab. Wenn man annimmt, daß der Durchmesser der Kugel d 2 mm beträgt, so führt die Berechnung der Temperaturänderung ΔT, die der Differenz Δδ_c von 0,2 μm in bezug auf die Menge der elastischen Ver formung (Verschiebungsmenge) zwischen Stahl und Keramik entspricht, zu den folgenden Ergebnissen: ΔT =/Δδc/ΔA. Kugeldurchmesser = 0,2/(8,6 × 10–6 × 2 × 103) = 11,6 (°C).
Dementsprechend entspricht die elastische Verformung δ_c = 0,522 μm einer Keramikkugel (vgl. 10) bei der obengenannten allgemeinen maximalen Kontaktspannung σ_max = 0,98 GPa einer Temperaturdifferenz von 30,3°C. Das heißt mit anderen Worten, wenn die Temperaturdifferenz zwischen der Vorspannung während der vorherigen Einstellung und während der Verwendung des Lagers 30,3°C erreicht, verliert die Keramikkugel die Vorspannung, wobei σ_max auf 0 abnimmt, was zu einer Aufhebung der Vorspannung führt. Im Falle einer Kombination von Keramikkugel und Stahl-Innenlaufring und Stahl-Außenlaufring besteht eine Differenz in bezug auf ihre linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Deshalb führt die Temperaturdifferenz ΔT zu einer Ausdehnungsdifferenz zwischen dem Kugeldurchmesser d und den inneren und äußeren Laufringen, wodurch der Lagerzwischenraum verändert wird. Die Änderung Δd wird dargestellt durch die folgende Gleichung: Δd = ΔA × ΔT × d = 8,6 × 10–6 × ΔT × d (10)
Wenn beispielsweise die maximale Kontaktspannung σ_maxi 0,98 GPa bei d = 2 mm beträgt, beträgt die elastische Verformung einer Keramikkugel 0,52 μm.
Daher gilt, daß

(a) wenn man annimmt, daß die Temperatur während des Zusammenbaus 20°C beträgt und die Betriebstemperatur 80°C beträgt, ΔT = 60°C, wodurch die folgende Änderung erhalten wird: Δd = 8,6 × 10–6 × 60 × 2,0 × 103 μm = –1,032 μm Da die Bedingung, unter der die Aufhebung der Vorspannung erfolgt, Δ = δ_c + Δd < 0 beträgt, wird in diesem Falle die Vorspannung aufgehoben;
(b) wenn man annimmt, daß die Temperatur während des Zusammenbaus 60°C beträgt und die Betriebstemperatur 80°C beträgt, ΔT = 20°C, wodurch die folgende Änderung erhalten wird: Δd = 8,6 × 10–6 × 20 × 2,0 × 103 μm = –0,344 μmda Δ = 0,18 μm, wird die Vorspannung nicht aufgehoben. Da jedoch die maximale Kontaktspannung σ_max etwa 0,59 GPa beträgt, wenn die elastische Verformung δ_c der Keramikkugel etwa 0,18 μm beträgt, wie in 10 dargestellt, nimmt die Rigidität um 40% ab gegenüber derjenigen bei dem anfänglichen σ_max-Wert (= 0,98 GPa);
(c) wenn man annimmt, daß die Temperatur während des Zusammenbaus 60°C beträgt und die Temperatur während des Transports des Lagers nur 0 bis 20°C beträgt, die Temperaturänderung ΔT –60 bis –40°C beträgt, wobei man die folgende Änderung Δd von 0,69 bis 1,0 μm erhält. Daher beträgt Δ (= δ_c + Δd) 1,21 bis 1,52 μm, was zu einer Tendenz in Richtung auf einen Anstieg der Vorspannung führt.

Wenn man annimmt, daß Δ = δ_c, wird die maximale Kontaktspannung σ_max wie folgt bestimmt:
aus der Gleichung (8) ergibt sich die Menge der elastischen Verformung δ_c der Keramikkugel durch die folgende Gleichung: δc = δi + δ0 = (8,05 × 10–4 + 8,43 × 1–4)3 √Q2 = 16,48 × 10–4Q2/3 daher gilt Q1/3 = √(δc·104/16,48) = 24,633√δc in entsprechender Weise ergibt sich aus der Gleichung (8) σmaxi = 1, 78 × 102 3√Q = 1,78 × 102 × 24,633√δc = 43,85 × 102√δc (11)
Das heißt mit anderen Worten, wenn δ_c 1,21 × 10^–3 mm beträgt, beträgt σ_maxi 1,49 GPa, und wenn δ_c 1,52 × 10^–3 mm beträgt, beträgt σ_maxi 1,68 GPa. Wenn somit die Temperatur gegenüber dem Wert während des Zusammenbaus abnimmt, steigt die Vorspannung an, was bewirkt, daß die maximale Kontaktspannung σ_maxi zunimmt.
Wie aus der obigen Berechnung ersichtlich, übersteigt dann, wenn die Differenz in bezug auf den linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Keramik und Stahl bewirkt, daß die Vorspannung zunimmt oder abfällt, die Lager-Betriebstemperatur die Temperatur des Zusammenbaus, was eine Aufhebung der Vorspannung bewirkt oder sie fällt unter die Temperatur des Zusammenbaus, was eine Zunahme der Vorspannung bewirkt. Wenn sich die Lagerrigidität verändert, verändert sich die natürliche Frequenz beispielsweise eines HDD-Spindelmotors, so daß sie mit einer spezifischen Frequenzschwingung zusammenfällt, die durch die Kombination aus einer großen Anzahl von geometrischen Fehlerkomponenten der Kugeln und der Wälzoberflächen auf den inneren und äußeren Laufringen in einem Kugellager erzeugt wird, wodurch die Möglichkeit einer Resonanz zunimmt. Wenn man außerdem eine Änderung mit dem Ablauf der Zeit zwischen dem Beginn der Rotation und der Stabilisierung der Temperatur in Betracht zieht, ist das Auftreten einer Resonanz unvermeidlich.
Da Keramikmaterialien, wie sie üblicherweise in Wälzlagern verwendet werden, z.B. Siliciumnitrid. Zirkoniumdioxid und Aluminiumoxid, außerdem isolierende Materialien sind, ist dies nachteilig insofern, als sie Teilchen elektrostatisch anziehen, so daß ein nachteiliger Effekt auf die akustischen Eigenschaften der Vorrichtung auftritt.

Aus JP 07127644 A , WO 98/44270 A1, DE-Z „Antriebstechnik 30'' (1991), Nr. 12, Seiten 50 bis 53, DE-Z „Tribologie + Schmierungstechnik 44'', Jg. 2/1977, Seiten 70 bis 72, DE-Z „Tribologie + Schmierungstechnik 42'' Jg. 6/1994, Seiten 310 bis 314, DE-Z „Antriebstechnik 35'', (1990), Nr. 4, Seiten 41 bis 44, DE-Z „Industrieanzeiger 7/96", 1996, Seiten 36 bis 37 ist es bekannt, Stahlbauteile eines Wälzlagers mit Keramiken zu beschichten. Die bekannten Beispiele betreffen die Verschleiß- und Notlaufeigenschaften dieser Wälz lager. Ein Zusammenhang zwischen keramikbeschichteten Wälzlagern und der Vorspannung von Lagereinrichtungen ist im Stand der Technik nicht beschrieben.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lagereinrichtung zu schaffen, die es gestattet, eine voreingestellte, feste Vorspannung in dieser Lagereinrichtung verwendeten Wälzlagers auch bei erhöhter Betriebstemperatur aufrechtzuerhalten. Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, eine magnetische Aufzeichnungsvorrichtung mit einer derartigen Lagereinrichtung anzugeben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich der Lagereinrichtung durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 2 und hinsichtlich der magnetischen Aufzeichnungsvorrichtung durch den Gegenstand des Anspruchs 6 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt unter Berücksichtigung der Probleme des verwandten Standes der Technik. Ein Ziel der Erfindung besteht darin, eine Lagereinrichtung, vorzugsweise ein Kugellager bereitzustellen, mit dem die Probleme, wie z.B. in bezug auf den Reib- bzw. Schwingungsverschleiß, die Aufhebung der Varspannung und die Beeinträchtigung der akustischen Eigenschaften, die zurückzuführen sind auf die elektrostatische Aufladung, gleichzeitig gelöst werden können.

Um das obengenannte Ziel der Erfindung zu erreichen wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung eine Lagereinrichtung als Wälzlager bereitgestellt, das umfaßt einen inneren Laufring, einen äußeren Laufring und eine Vielzahl von Wälzkörpern als Bestandteile und das dadurch gekennzeichnet ist, daß der innere Laufring, der äußere Laufring und die Wälzkörper aus einem Stahl mit einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 10,1 × 10^–6 bis 13,5 × 10^–6 (beide Grenzwerte eingeschlossen) hergestellt sind und bei dem die Stahlkugel einen harten Überzugsfilm mit einer Dicke von 0,5 bis 2,5 μm (beide Grenzwerte eingeschlossen) aufweist, der härter ist als das Material der Wälzkörper. Außerdem kann der harte Überzugsfilm aus Keramik, einer elektrisch leitenden Keramik oder diamantartigem Kohlenstoff hergestellt sein. Darüber hinaus ist das Basismaterial des Wälzkörpers ein martensitischer rostfreier Stahl. Außerdem besteht der harte Überzugsfilm aus einer Zwischenschicht und einer Oberflächenschicht.

Erfindungsgemäß wird zusätzlich eine Lagereinrichtung bereitgestellt, die als Bestandteile umfaßt zwei oder mehr Lager mit einem inneren Laufring, der in einen äußeren Laufring so eingepaßt ist, daß sie in axialer Richtung einen Abstand voneinander haben, und ein Gehäuse, in den der äußere Laufring des Lagers eingepaßt ist, wobei der innere Laufring und der äußere Laufring des Lagers mittels der Wälzkörper relativ zueinander rotierbar sind und eine Positionierungs-Vorspannung in axialer Richtung angelegt ist, die dadurch gekennzeichnet ist, daß das obengenannte Wälzlager verwendet wird. Außerdem kann erfindungsgemäß die axiale Richtung die Richtung der Schwerkraft sein.

Erfindungsgemäß wird ferner eine magnetische Aufzeichnungsvorrichtung bereitgestellt, welche die obengenannte Lagereinrichtung umfaßt, in der das genannte Wälzlager aus einer elektrisch leitenden Keramik hergestellt ist.

Vorzugsweise werden in der Lagereinrichtung Kugellager als Wälzlager verwendet. Die Kugeln sind aus Stahl und weisen nahezu den gleichen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die Laufringe auf, wobei die Metallkugeln mit einem Keramikmaterial beschichtet sind. Beispielsweise werden die Kugeln und die Laufringe aus einem Lagerstahl, wie SUJ2, einem einsatzhärtbaren Stahl, wie SUS440C, einem martensitischen, rostbeständigen 0,7C-13Cr-Stahl und aus einem SCr (JIS), verschiedenen Legierungsstählen mit sekundärer Härtbarkeit, Schnellarbeitsdrehstählen, wie SKH (JIS) und einem speziellen abriebsbeständigen, nicht verformbaren Stahl, wie SKD (JIS), hergestellt. Diese Stähle weisen einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 10,1 × 10^–6 bis 13,5 × 10^–6/°C auf.

Die einzelnen Kugeln in dem Kugellager der erfindungsgemäßen Lagereinrichtung weisen einen Oberflächen-Überzugsfilm auf, der aus Keramik hergestellt ist und somit eine hohe Oberflächenhärte und eine hohe mechanische Festigkeit sowie eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit (Chemikalienbeständigkeit) aufweist und keine Legierung bildet, wenn er mit dem Lagerring in Kontakt gebracht wird. Daher weisen die Kugeln die gleiche Reib- bzw. Schwingungsverschleißbeständigkeit auf wie eine Keramikkugel. Außerdem ist der Haupt-Kugelkörper aus einem Metall wie Stahl hergestellt und weist somit den gleichen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die inneren und äußeren Laufringe auf. Der Haupt-Kugelkörper unterliegt somit keiner Änderung der maximalen Spannung an der Kontaktfläche bei einer Erhöhung der Temperatur des gesamten La gers. Bei Anstieg der Betriebstemperatur nimmt daher die Lagersteifigkeit nicht ab, und die Vorspannung wird nicht aufgehoben.

Hinsichtlich des Übergangsphänomens bei einer Temperaturänderung gilt, weisen die beschichteten, einzelnen Kugeln in vorteilhafter Weise einen niedrigeren longitudinalen Elastizitätsmodul und eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf als eine Keramikkugel.

Außerdem umfaßt das Wälzlager der erfindungsgemäßen Lagereinrichtung Wälzkörper, deren Wälzoberfläche aus einer elektrisch leitenden Keramik hergestellt ist. Die Wälzkörper können daher nicht elektrostatisch aufgeladen werden und können keine Teilchen anziehen, wodurch dem Lager ausgezeichnete akustische Eigenschaften verliehen werden.

Darüber hinaus besteht in dem Wälzlager der erfindungsgemäßen Lagereinrichtung mindestens eine Wälzoberfläche der Wälzkörper aus einem diamantartigen Kohlenstoff mit niedrigem Verschleiß (nachstehend als "DLCC" bezeichnet). Bei der Verwendung in einem HDD-Spindelmotor oder Aktuator (Regler bzw. Schalter), kann somit verhindert werden, daß das Wälzlager mit der Laufring-Oberfläche, mit der es in Kontakt kommt, eine Legierung bildet. Die Wälzoberfläche der Wälzkörper erfährt daher einen geringen Verschleiß, so daß eine ausgezeichnete Reib- bzw. Schwingungsverschleißbeständigkeit erhalten wird. Gleichzeitig weist das Wälzlager eine längere Lebensdauer, einen niedrigeren Drehwiderstand und eine geringe Drehmomentschwankung unter den Rotations- und Vibrations-Bedingungen im Betrieb auf.

Die vorliegende Erfindung ist vorzugsweise für einen Spindelmotor eines Festplattenlaufwerkes („HDD") oder dergleichen Einrichtung geeignet und weist einen harten Keramiküberzugsfilm oder einen diametrischen Kohlenstoff-Überzugsfilm auf seiner Oberfläche auf, so daß sie eine verbesserte Reib- bzw. Schwingungsverschleißfestigkeit aufweist und die unbeabsichtigte Aufhebung (Freigabe) einer Vorspannung als Folge einer Temperaturänderung verhindert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen schematischen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
1 ein schematisches Diagramm, das eine physikalische Dampfabscheidungs-Vorrichtung (nachstehend als "PVD"-Vorrichtung bezeichnet) erläutert;
2 ein schematisches Diagramm, das eine Testvorrichtung zur Bewertung des Reibverschleiß-Prozesses in einer hohlen Kathodenentladung (nachstehend als "HCD" bezeichnet) erläutert;
3 eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Dicke des Überzugsfilms auf dem kugelförmigen Körper und den akustischen Eigenschaften vor dem Reibverschleißtest und den Herstellungskosten erläutert;
4 eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Dicke des Überzugsfilms auf dem kugelförmigen Körper und den akustischen Eigenschaften nach dem Reibverschleißtest bei der PVD-Behandlungs-temperatur erläutert
5 ein schematisches Diagramm, das einen Spindelmotor im Staubbildungstest zeigt;
6 einen Querschnitt, der einen HDD Spindelmotor erläutert;
7 eine partiell abgeschnittene perspektivische Ansicht eines HDD-Schwenkarmmotors;
8A und 8B Diagramme, welche die Hauptebene der Krümmung und den Hauptradius der Krümmung an der Kontaktpunktfläche der beiden gekrümmten Oberflächen erläutert, wobei die 8A eine perspektivische Ansicht und die 8B eine Schnittansicht darstellen;
9 einen Teilquerschnitt eines Rillen-Kugellagers und
10 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem berechneten Wert der Belastung Q- Verschiebung (Verformung) δ_c und der maximalen Kontaktspannung σ_maxi einer Keramikkugel und einer Stahlkugel erläutert.
Ausführungsform 1
Bei der ersten Ausführungsform des Gegenstandes der vorliegenden Erfindung wird ein Oberflächen-beschichteter kugelförmiger Körper (Kugel) mit einem Durchmesser von 2 mm verwendet als Wälzkörper für ein Lager B5-39 mit kleinem Durchmesser (Innendurchmesser: 5 mm; Außendurchmesser: 13 mm; Breite: 3 mm), hergestellt von der Firma NSK, Ltd.
Bezüglich der Durchführung des Verfahrens zur Herstellung eines Überzugsfilms auf der Kugel gilt folgendes:

(1) eine Stahlkugel mit einem Durchmesser von 2 mm, die erhalten wurden ist durch Polieren eines wärmebehandelten Stahlmaterials, so daß es eine Präzision aufweist, die kurz vor dem End-Finish erhalten werden soll, wird mit TiN bes einer vorgegebenen Temperatur bis zu einer Dicke von 0,2 bis 3 μm unter Anwendung eines PVD-Verfahrens beschichtet;
(2) anschließend wird die auf diese Weise beschichtete Stahlkugel in einem Vakuumofen gehärtet und vergütet (getempert), so daß der Härteverlust durch die vorhergehende Beschichtungstemperatur ausgeglichen (zurückgewonnen) wird;
(3) anschließend wird die auf diese Weise behandelte Stahlkugel Diamant-geläppt) (feingeschliffen), bis die Überzugsdicke in dem Bereich von 0,2 bis 2,5 μm liegt, um eine Verformung durch die Wärmebehandlung zu beseitigen, so daß die Oberflächenrauheit, die Welligkeit, die runde Form und die Dimensionsgenauigkeit derselben auf die vorgegebenen Werte eingestellt sind.

Der hier verwendete Ausdruck "Überzugsdicke" gibt die Dicke des auf diese Weise behandelten Überzugsfilms an. Deshalb ist die Dicke des Überzugsfilms, der gerade hergestellt worden ist, gelegentlich etwas größer als der obengenannte Wert. Wenn die obengenannte Dimensionsgenauigkeit innerhalb der vorgegebenen Bereiche liegt, muß die Stahlkugel, die gerade beschichtet worden ist, vor der Verwendung nicht behandelt werden.
Die obengenannten Stufen (1) bis (3) werden auf den Fall angewendet, bei dem eine Stahlkugel als Werkstück einer PVD-Behandlung bei einer Temperatur unterworfen wird, die aus einem relativ hohen Temperaturbereich von 200 bis 600°C ausgewählt wird für die Bildung eines Überzugsfilms mit einer verbesserten Festigkeit. Für den Fall, daß diese Stufen weggelassen werden, um die Kosten zu verringern, wird die Stahlkugel als Werkstück einer PVD-Behandlung bei einer Temperatur von nur 160°C unterworfen und dann der unmittelbar darauffolgenden Stufe (3) unterworfen, wobei die Stufe (2) weggelassen wird.
Bei der Ausführungsform 1 wurde die PVD-Behandlung bei einer Temperatur von nur 160°C durchgeführt.
(1) Beispiel für eine PVD-Behandlungsstufe
Es wird eine HCD-Prozeß-PVD-Vorrichtung wie in 1 dargestellt, verwendet. Der obere Deckel 1 der Vorrichtung wird geöffnet und dann wird eine große Anzahl von Stahlkugeln W als Werkstücke in Reihen in eine Kammer 2 eingeführt.

(a) Die Luft in der Kammer wird dann abgezogen zur Erzeugung eines Hochvakuums (10^–5 bis 10^–13 Torr).
(b) Dann wird Ti als filmbildendes Basismetall-Material 3 in einen Schmelztiegel 4 eingeführt.
(c) Das filmbildende Basismetall-Material 3 wird dann mittels einer Elektronenstrahlpistole 5 erhitzt und zum Schmelzen gebracht, so daß es verdampft,
(d) N₂ wird als Reaktionsgas in die Kammer 2 mit Ar als Trägergas eingeführt, so daß der Druck in der Kammer auf einen Bereich von 10^–3 bis 10^–4 Torr eingestellt wird.
(e) In dem Zwischenraum zwischen der Plasma-Elektronenpistole 6 und dem filmbildenden Basismetallmaterial 3 wird eine Glimmentladung erzeugt, so daß das Ti ionisiert wird unter Bildung eines Plasmas, das dann auf der Oberfläche der Werkstücke W einen TiN-Film bildet. Diese Reaktion ist die folgende: 2Ti + N₂ → 2TiN Zur Herstellung von TiC kann C₂H₂ anstelle von N₂ eingeführt werden, wobei man die folgende Reaktionsgleichung erhält: 2Ti + C₂H₂ → 2TiC + H₂)
(f) Während dieses Arbeitsganges wird die Potentialdifferenz zwischen den Werkstücken W und dem filmbildenden Basismetallmaterial 3 vorher eingestellt auf einen Wert von einigen hundert bis einigen tausend Volt.

Die Dicke des Überzugsfilms wird gesteuert durch geeignete Einstellung der Beschichtungszeit, wobei die Filmbildungsrate vorher genau festgelegt wird (auf etwa einige μm/h). Bei der Ausführungsform 1 betrug die Filmbildungsrate 0,5 bis 1 μm/h.
Vorzugsweise werden die Werkstücke W auf eine Temperatur von 100°C oder höher vorerwärmt. Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform wurde die Temperatur der Werkstücke W während der PVD-Filmbildung auf 160°C eingestellt. Die Behandlungstemperatur kann jedoch in geeigneter Weise auf einen Bereich von 200 bis 600°C eingestellt werden. Wie oben angegeben, ist für den Fall, daß zur Verringerung der Kosten Stufen weggelassen werden, die Filmbildung bei einer niedrigen Temperatur bevorzugt. Um die Filmfestigkeit zu verbessern, ist die Filmbildung bei hoher Temperatur bevorzugt.
(2) Test zur Bewertung des Reibverschleißes
Im Falle einer Stahlkugel mit einem Überzugsfilm bis zu einer Dicke von 2,0 μm, welcher der obengenannten PVD-Behandlung bei niedriger Temperatur unterworfen worden war, wurde ein Oberflächen-beschichteter kugelförmiger Körper mit einem Durchmesser von 2 mm mit einem TiN-Film beschichtet bis zu einer Dicke von 2,5 μm. Der Oberflächenbeschichtete kugelförmige Körper wurde einem Diamant-Läppen unterworfen bis die Dicke des Überzugsfilms 2,0 μm erreicht hatte, um die Dimensionsgenauigkeit einzustellen. Mit diesen kugelförmigen Körpern als Wälzelemente wurden vier Sets eines Kugellagers Nr. B5-39 für einen HDD-Vorrichtungs-Spindelmotor zusammengebaut. Diese Lager als Testproben wurden dann unter Verwendung einer Test-Vorrichtung, wie sie in 2 dargestellt ist, einem Reibverschleiß-Haltbarkeitstest unterzogen. Der Reibverschleiß-Test wurde für verschiedene Dicken von bis zu 3,5 μm durchgeführt.
In der 2 steht die Bezugsziffer 10 für eine Unterlegscheibe und eine Vorspannungsfeder, die an einer Welle 11 befestigt ist. Die Welle 11 ist an einem Rotationsstopper 12 befestigt. Ein Gehäuse 16, das von einem Trägerlager 14 am unteren Abschnitt desselben getragen wird, steht mit einem Wechselstrom-Servomotor 17 in Verbindung und wird unter einem vorgegebenen Winkel mit einer vorgegebenen Drehzahl in Vibration und Rotation versetzt. Die Bezugsziffer 20 bezeichnet vier Testlager, welche die obengenannten Oberflächen-beschichteten kugelförmigen Körper als Wälzkörper 20A eingearbeitet enthalten. Die Testlager 20 umfassen jeweils einen äußeren Laufring 20-1, der im Innern des Gehäuses 16 angeordnet ist, einen inneren Laufring 20-2, durch den die Welle 11 hindurchgeführt wird, und Buchsen (Muffen) 21A, 21B, die getrennt von der Welle 11 gebildet und übereinander angeordnet sind Die Welle 11 und der innere Laufring 20-2 drehen sich nicht, während das Gehäuse 16 und der äußere Laufring 20-1 drehbar unterstützt werden. Die Buchsen (Muffen) 21A, 21B werden durch eine Kegelplattenteder 22 der axialen Antriebseinrichtung 10 in axialer Richtung gepreßt, so daß eine axiale Belastung (Kraft) auf den inneren Laufring 20-2, den äußeren Laufring 20-1 und die Wälzkörper 20A des Testlagers 20 einwirkt.
Die Testbedingungen wurde wie folgt eingestellt:
Testlager: B5-39

Oszillations-Frequenz 27 Hz
Oszillations-Winkel 2°
axiale Belastung (Kraft): 14,7 N
Anzahl der Oszillationen: 1 × 10⁵
Fettmenge 12 mg (MULTEMP-SRL, hergestellt von der Firma KYODO YUSHI)

Der Test wurde unter den obengenannten Bedingungen durchgeführt. Die vier Testlager 20 wurden entnommen, um den durchschnittlichen akusten Wert zu bestimmen. Der so erhaltene Wert wurde dann in Beziehung gesetzt zu der Dicke des Überzugsfilms auf dem Oberflächen-beschichteten kugelförmigen Körper als Wälzkörper 20A.
(3) Ergebnisse der Bewertung des Reibverschleißtests
Die 3 zeigt die Beziehung zwischen den akustischen Eigenschaften db (bestimmt durch ein Mikrofon-Schalldruckmeßgerät) vor dem Reibverschleißtest und der Dicke des Überzugsfilms. Durch Beschichten des Wälzkörpers mit einem Keramiküberzugsfilm bis zu einer Dicke von 0,2 μm oder mehr kann verhindert werden, daß der Wälzkörper mit der Laufring-Oberfläche, mit der er in Kontakt kommt, eine Legierung bildet, wodurch es möglich ist, verbesserte Oberflächen-Eigenschaften und damit verbesserte akustische Eigenschaften zu erzielen.
Die 4 zeigt die Beziehung zwischen den akustischen Eigenschaften db nach dem Reibverschleißtest und der Dicke des Überzugsfilms.
In beiden 3 und 4 sind die akustischen Eigenschaften auf der Ordinate angegeben bezogen auf den Schalldruck (db) des Testlagers (B5-39), das mit einem Überzugsfilm bis zu einer Dicke von 2,0 μm beschichtet worden ist, vor dem Test mit einem Wert von 1,0.
Wie in 3 dargestellt, wird dann, wenn die Dicke des fertigen Überzugsfilms auf dem Diamant-geläppten Produkt unter 0,2 μm abnimmt, ein ungleichförmiger Film gebildet, so daß eine unzureichende Oberflächenrauheit, runde Form und Dimensionsgenauigkeit erzielt werden, was zu Schwankungen und einer Beeinträchtigung der akustischen Eigenschaften führt. Was die Beziehung zwischen der Dicke des Überzugsfilms und den Kosten angeht, so sind diese direkt proportional zueinander, weil sie beide proportional zur Zeit sind. Wenn jedoch die Dicke des Überzugsfilms über einen Wert von etwa 2,5 μm hinausgeht, verschwindet diese Proportionalität, wobei eine geringfügige Abnahme der Filmbildungsrate und damit ein Anstieg der Kosten verursacht wird. Daher liegt die Dicke des Überzugsfilms auf dem Oberflächen-beschichteten kugelförmigen Körper im Endzustand als Wälzkörper vorzugsweise bei 0,2 bis 2,5 μm, vom Standpunkt der akustischen Eigenschaften und der Kosten aus betrachtet.
Es wurde bestätigt, daß für den Fall, daß eine Hochtemperatur-Filmbildungsstufe bei einer Bearbeitungs-Temperatur von 400°C selektiv durchgeführt wird bei der PVD-Behandlung für den Test zur Bewertung des Reibverschleißes, in einem TiN-Überzugsfilm, der auf der Oberfläche des kugelförmigen Körpers gebildet worden ist, der anschließend im Vakuum gehärtet und vergütet wurde, eine Rißbildung auftreten kann, die vermutlich auf die Wärme zurückzuführen ist, wenn er eine extrem große Dicke hat. Auch von diesem Standpunkt aus betrachtet ist es erforderlich, daß die Dicke des Überzugsfilms 3 μm oder weniger beträgt und die Dicke des Überzugsfilms auf dem fertigen Oberflächen-beschichteten kugelförmigen Körper als Wälzkörper 2,5 μm oder weniger beträgt. Vom Standpunkt der akustischen Eigenschaften aus betrachtet liegt ferner die Untergrenze der Dicke des Überzugsfilms vorzugsweise bei 0,2 μm, weil die akustischen Eigenschaften stabilisiert werden, wenn die Dicke des Überzugsfilms 0,2 μm oder mehr beträgt, wie in 3 dargestellt.
Die 4 zeigt die Beziehung zwischen den akustischen Eigenschaften db nach dem Reibverschleißtest und der Dicke des Überzugsfilms (Markierung x).
Auch in bezug auf die akustischen Eigenschaften nach dem Oszillationstest tritt dann, wenn die Dicke des Überzugsfilms auf dem fertigen kugelförmigen Körper unter 0,2 μm fällt, eine bemerkenswerte Verschlechterung der akustischen Eigenschaften auf. Wenn die Dicke des Überzugsfilms 2,5 μm übersteigt, tritt außerdem eine teilweise Beschädigung des Überzugsfilms durch Ermüdung und Ablösung auf, wodurch der Überzugsfilm und damit die akustischen Eigenschaften des Lagers beeinträchtigt werden. Von diesem Standpunkt aus betrachtet kann eine ausgezeichnete Reibbeständigkeit erzielt werden, wenn die Dicke des Überzugsfilms innerhalb des Bereiches von 0,2 bis 2,5 μm liegt, wie in 3 dargestellt.
Ausführungsform 2
Die zweite Ausführungsform des Gegenstands der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf den Fall beschrieben, bei dem eine Stahlkugel mit einem Durchmesser von 2 mm, die einem Kugellager B5-39 mit kleinem Durchmesser (Innendurchmesser: 5 mm; Außendurchmesser: 13 mm; Breite: 3 mm), hergestellt von der Firma THE NSK, LTD, einverleibt werden soll, zur Erzeugung eines TiN-Überzugsfilms darauf einer PVD-Behandlung bei 400°C unterworfen worden ist.
Bei der PVD-Behandlung der erfindungsgemäßen Ausführungsform wurde ein TiN-Überzugsfilm erzeugt bis zu einer Dicke von 2,5 μm unter Verwendung einer HCD-Prozeß-PVD-Vorrichtung, wie sie in 1 dargestellt ist, unter den gleichen Bedingungen wie in der Ausführungsform 1, mit Ausnahme der Behandlungstemperatur. Die Stahlkugel wurde einer PVD-Behandlung bei einer Temperatur von 400°C unterworfen, die höher ist als die Vergütungs-Temperatur in der vorhergehenden Härtungs- und Vergütungsstufe und die daher eine geringere Härte aufwies. Die so behandelte Stahlkugel wurde 30 min lang in einem Vakuumofen auf eine Temperatur von 830°C erhitzt und dann der Härtung und Vergütung unterworfen zur Erzielung einer Basismaterialhärte HRC von 60 bis 63 (HV: 680 bis 775). Auf diese Weise wurde die Härteabnahme als Folge der obengenannten Beschichtungs-Temperatur wieder ausgeglichen. Die Härte HV des so erhaltenen Überzugsfilms betrug 1700 bis 2300, die nahezu gleich derjenigen ist, die bei der 160°C-Behandlung der Ausführungsform 1 erhalten wurde. Anschließend wurde die so behandelte Stahlkugel Diamant-geläppt, bis die Überzugsdicke 2,0 μm erreicht hatte, so daß die Oberflächenrauheit, die runde Form und die Dimensionsgenauigkeit derselben auf die vorgegebenen Werte eingestellt waren.
Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform wies die kugelförmige Testkugel, die einer Wärmebehandlung unterzogen worden war, eine starke Verformung auf, wodurch die Bearbeitungskosten erhöht werden. Da jedoch die Haftung zwischen dem filmbildenden Material und der Oberfläche des kugelförmigen Testkörpers höher ist als diejenige im Falle einer 160°C-Behandlung (Ausführungsform 1), bietet das Kugellager gemäß dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform den Vorteil einer hohen Lebensdauer der akustischen Eigenschaften unter strengen Betriebs-Bedingungen. Die 4 zeigt, daß dann, wenn die Dicke des Überzugsfilms innerhalb des Bereiches von 0,2 bis 2,5 μm liegt, die Stahlkugel, die einer PVD-Behandlung bei einer Temperatur von 400°C unterworfen worden ist (Markierung O) eine geringere Schwankung der akustischen Eigenschaften und eine geringere Verschlechterung der akustischen Eigenschaften aufweist als die Stahlkugel, die einer PVD-Behandlung bei einer Temperatur von nur 160°C unterworfen worden ist (Markierung x).
Die obengenannten verschiedenen Ausführungsformen des Gegenstandes der vorliegenden Erfindung wurden unter Bezugnahme auf den Fall beschrieben, daß der harte Überzugsfilm ein TiN-Überzugsfilm ist, die Erfindung ist darauf jedoch nicht beschränkt. Die Erfindung kann auf einen TiC-Überzugsfilm, einen AIN-Überzugsfilm, einen TiAIN-Überzugsfilm, einen ZrN-Überzugsfilm, einen HfN-Überzugsfilm, einen CrN-Überzugsfilm, einen TiCN-Überzugsfilm, einen WC-Überzugsfilm, einen Diamant-Überzugsfilm, einen Al₂O₃-Überzugsfilm und dgl. angewendet werden.
Die obengenannten verschiedenen Ausführungsformen wurden auch unter Bezugnahme auf den Fall beschrieben, bei dem der harte Überzugsfilm nach einem PVD-Verfahren hergestellt worden ist. Das CVD-Verfahren ist aber ebenfalls ein geeignetes Filmbil dungsverfahren. Die Härte des Überzugsfilms hängt von der Art des Überzugsfilms und dem angewendeten Filmbildungsverfahren ab, sie liegt jedoch innerhalb des HV-Bereiches von 1000 bis 3000, so daß er ausgezeichnete Oberflächen-Eigenschaften aufweist. Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des Überzugsfilms ist nahezu der gleiche wie derjenige des Basismaterials des Wälzkörpers (10,1 bis 13,5 × 10^–6/°C), weil die Dicke des Überzugsfilms extrem geringer ist als der Durchmesser der Kugel. Repräsentative Werte für den linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Stählen sind folgende:

Lagerstahl SUJ2. 12,5 × 10^–6/°C
martensitischer rostfreier Stahl: 10,1 × 10^–6/°C
rostfreier 0,7C-13 Cr-Stahl: 11,1 × 10^–6/°C
abriebsbeständiger nicht verformbarer Spezialstahl SKD11: 12 × 10^–6/°C
Schnelldrehstahl SKH4: 12 × 10^–6/°C
Einsatzhärtungsstahl: 13,5 × 10^–6/°C.

Bezüglich des Basismaterials des kugelförmigen Oberflächen-beschichteten Körpers gilt, daß bei verschiedenen Hartmetallen, die eine Sekundärhärtbarkeit aufweisen, bei einem Schnelldrehstahl wie SKH, bei einem abriebsbeständigen nicht verformbaren Spezialstahl wie SKD, bei einem martensitischen rostfreien Stahl wie SUS440C und dgl. auch nach einer Hochtemperatur-Behandlung während der Filmbildung kein Härteabfall auftritt und dieses somit während der Filmbildung nicht gehärtet und vergütet werden muß.
Außerdem kann durch Herstellung des kugelförmigen Körpers in einer hohen Präzision vor der PVD-Behandlung das Diamant-Läppen, das nach der Filmbildung durchgeführt werden soll, weggelassen werden.
Darüber hinaus kann das Diamant-Läppen ersetzt werden durch die Verwendung von Schleifkörnern, z.B. solchen aus CBN und SiC.
Selbst wenn der Durchmesser d der Stahlkugel weiter herabgesetzt wird, beispielsweise auf 1/16 inch (1,588, 1,20 mm), betragen die Verhältnisse von Durchmesser und δ_c zu denjenigen der Kugel mit einem Durchmesser von 2 mm 0,794 bzw. 0,809. Daher ist die resultierende maximale Kontaktspannung (Vorspannungsänderung) nahezu die gleiche wie diejenige einer Kugel mit einem Durchmesser von 2 mm.
Ausführungsform 3:
Die dritte Ausführungsform des Gegenstands der Erfindung wird nachstehend beschrieben unter Bezugnahme auf den Fall, bei dem ein Wälzkörper aus Stahl oder dgl. für ein HDD-Kugellager (Lager Nr. R168, Innendurchmesser: 6,35 mm; Außendurchmesser: 9,525 mm; Breite: 3,175 mm; 13 Wälzkörper: 1,0 mm im Durchmesser) eine elektrisch leitende Keramikschicht auf seiner Wälzoberfläche aufweist.
Zu bevorzugten Beispielen für elektrisch leitende Keramikmaterialien, die erfindungsgemäß verwendbar sind, gehören TiN, TiCN, TiC, CrN, TiAIN und WC. Diese elektrisch leitenden Keramikmaterialien können einzeln oder in Form einer Kombination von zwei oder mehr derselben verwendet werden. Wenn diese elektrisch leitenden Keramikmaterialien in Form einer Kombination von zwei oder mehr derselben verwendet werden, werden zwei oder mehr dieser elektrisch leitenden Keramikschichten aufeinander laminiert zur Bildung einer elektrisch leitenden Keramikschicht.
Zu Beispielen für das Verfahren zur Erzeugung der obengenannten elektrisch leitenden Keramikschicht gehören das Ionenplattierungs-Verfahren, das Plasma-chemische Dampfabscheidungsverfahren (nachstehend als "Plasma-CVD"-Verfahren bezeichnet), das thermische CVD-Verfahren und das Sputtering-Verfahren. Die Härte des Überzugsfilms hängt von der Art des Überzugsfilms und dem angewendeten Filmbildungsverfahren ab, sie liegt jedoch innerhalb des HV-Bereiches von 1000 bis 3000, so daß ausgezeichnete Oberflächeneigenschaften erhalten werden. Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des Überzugsfilms ist nahezu der gleiche wie derjenige des Basismaterials des Wälzkörpers (10,1 bis 13,5 × 10^–6/°C), weil die Dicke des Überzugsfilms extrem kleiner ist als der Durchmesser der Kugel.
Bei dem erfindungsgemäßen Wälzlager kann eine Zwischenschicht aus Ti, Cr, Si und Verbindungen davon zwischen der obengenannten elektrisch leitenden Keramikschicht und dem Basismaterial des obengenannten Wälzlagers vorgesehen sein, um die Haf tung zwischen der obengenannten elektrisch leitenden Keramikschicht und dem Basismaterial des Wälzlagers zu verbessern.
Als Verfahren zur Herstellung der Zwischenschicht kann das gleiche Verfahren angewendet werden, wie es für die Herstellung der obengenannten elektrisch leitenden Keramikschicht angewendet wird, beispielsweise ein Ionenplattierungsverfahren, ein Plasma-CVD-Verfahren, ein thermisches CVD-Verfahren und ein Sputtering-Verfahren (Bedampfungsverfahren).
Die elektrische Leitfähigkeit der Keramikmaterialien, die erfindungsgemäß bevorzugt verwendet werden können, sind in der Tabelle 2 angegeben. Die elektrische Leitfähigkeit von SUJ2, bei dem es sich um ein Metall handelt, und von isolierenden Keramikmaterialien, die in dem konventionellen Wälzlager verwendet werden, sind ebenfalls in der Tabelle 2 angegeben. Tabelle 2
Erfindungsgemäß wurden ein TiCN-Überzugsfilm (Zwischenschicht) mit einer Dicke von 0,5 μm und ein TiC-Überzugsfilm (elektrisch leitende Keramikschicht) mit einer Dicke von 2 μm jeweils auf der Oberfläche des Wälzkörpers 4 erzeugt durch Anwendung eines Ionenplattierungsverfahrens unter Verwendung der Vorrichtung gemäß 1.
Im einzelnen wurde der Druck in der Vorrichtung auf 10^–5 Torr oder weniger herabgesetzt. Das Werkstück (der Wälzkörper 4) wurde dann 2 bis 4 h lang auf eine Temperatur von 300 bis 400°C erhitzt. Danach wurden in die Vorrichtung Methangas (CH₄) und Stickstoffgas (N₂) eingeleitet, während Ti aus einer Ti-Verdampfungsquelle durch eine Lichtbogenentladung verdampft wurde. Dann wurde TiCN in dem Plasma gebildet, so daß der Wälzkörper 4 mit TiCN beschichtet wurde. Wenn der Wälzkörper 4 mit TiCN bis zu der vorgegebenen Dicke beschichtet war und die Einleitung von Stickstoffgas dann gestoppt worden war, wurde TiC in dem Plasma gebildet, so daß der Wälzkörper 4 mit TiC beschichtet wurde.
Die gleiche Schicht wie oben kann auch hergestellt werden durch Anwendung eines Plasma-CVD-Verfahrens. In diesem Fall wird TiCN in dem Plasma nach der folgenden Reaktionsgleichung gebildet. Wenn die Einleitung von Stickstoffgas gestoppt wird, wird TiC gebildet: 2TiCl₄ + 2CH₄ + N₂ → 2TiCN + 8HCl
Nachstehend werden die Ergebnisse verschiedener Tests zur Bestimmung des Leistungsvermögens des Lagers, die mit der erfindungsgemäßen Ausführungsform des Wälzlagers durchgeführt wurden, beschrieben.
Die Art des Basismaterials des Wälzlagers, die Art des zum Beschichten des Wälzkörpers verwendeten Keramikmaterials und die Dicke (μm) des Überzugsfilms sind in der Tabelle 4 angegeben.
Der Ausdruck "TiCN + TiC", der in der Spalte bezüglich der Art des Keramikmaterials in der Tabelle 4 angegeben ist, bedeutet, daß TiCN das Material für die Zwischenschicht und TiC das Material für eine elektrisch leitende Keramikschicht darstellen.
Die Dicke der elektrisch leitenden Keramikschicht beträgt 0,2 bis 2,5 μm, wenn der Überzugsfilm nur aus einer elektrisch leitenden Keramikschicht besteht. Wenn der Überzugsfilm aus einer elektrisch leitenden Schicht und einer Zwischenschicht besteht, beträgt die Dicke der elektrisch leitenden Keramikschicht 0,2 bis 2,5 μm einschließlich derjenigen der Zwischenschicht, die 0,1 bis 0,3 μm beträgt.
Als Wälzlager wurde in den Beispielen und in den Vergleichsbeispielen ein Kugellager mit einem kleinen Durchmesser vom Typ R168 (Innendurchmesser: 6,35 mm; Außendurchmesser: 9,525 mm; Breite: 3,175 mm; 13 Wälzkörper: 1,0 mm im Durchmesser), hergestellt von der Firma THE NSK, LTD, verwendet. Bezüglich des Materials des Kugellagers sei bemerkt, daß die inneren und äußeren Laufringe aus SUJ2 (Härte nach dem Härten und Vergüten: HRC 60-62 (HV 700-750)) hergestellt waren und der Wälzkörper aus SUS440C (Härte nach dem Härten und Vergüten: HRC 58-60 (HV 650-700)) hergestellt waren. Wenn die Oberfläche des Wälzkörpers mit einem elektrisch leitenden Keramikmaterial unter Anwendung eines Ionenplattierungsverfahrens, eines CVD-Verfahrens oder dgl. beschichtet wird, steigt die Temperatur des Wälzkörpers an. Deshalb wurde SUS440C mit einem hohen Cr-Gehalt, der eine hohe Temperaturbeständigkeit aufwies, verwendet. Die Härte des auf diese Weise erhaltenen Überzugsfilms lag innerhalb des HV-Bereiches von 1700 bis 2300.
Das SUJ2, das in dem Wälzkörper der Vergleichsbeispiele verwendet wurde, war das gleiche wie dasjenige, das in den obengenannten inneren und äußeren Laufringen verwendet wurde.
Das Verfahren zur Erzeugung der obengenannten Keramikschicht in dem Wälzlager gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform ist das gleiche wie in dem obengenannten Wälzlager 1.
Die Reaktionsbedingungen, unter denen verschiedene elektrisch leitende Keramikschichten und Zwischenschichten unter Anwendung eines Ionenplattierungsverfahrens oder eines CVD-Verfahrens (Verdampfungsquelle, Reaktionsgas) hergestellt wurden, sind in der Tabelle 3 angegeben. Die WC-Schicht wurde durch Zerstäuben (Sputtern) von WC hergestellt. Tabelle 3
Das Verfahren und die Bedingungen zum Testen der Leistungsfähigkeit des Wälziagers waren wie folgt:
(1) Lautlosigkeit (Laufruhe)
Die Messung der Lautlosigkeit wurde in einem mittleren Band (M.B.) und in einem hohen Band (H.B.) unter Verwendung eines Andelon-Meters 20 mal für jedes Band durchgeführt. Aus den Messungen wurde dann ein Mittelwert gebildet. Diese Werte sind bezogen auf denjenigen des Vergleichsbeispiels 1, der auf den Wert 1 festgesetzt wurde.
(2) Beständigkeit gegen Reibverschleiß
Das Wälzlager wurde auf einer Reibverschleißbeständigkeits-Testvorrichtung, wie sie in 2 dargestellt ist, montiert. Das Wälzlager (n = 4) wurde dann unter den folgenden Bedingungen betrieben. Bei dem Wälzlager wurden dann die Lautlosigkeit in M.B. und H.B. unter Verwendung eines Andelon-Meters bestimmt. Für jedes der Wälzlager sind die Messungen jeweils angegeben in Relation zu dem Wert, der vor der Operation mit 1 bestimmt wurde (der Grad der Verschlechterung der Lautlosigkeit bzw. Laufruhe nach der Operation wurde bewertet).
Testbedingungen

Testlager: R168
Oszillations-Frequenz: 30 Hz
Oszillationswinkel: 8°
axiale Belastung: 14,7 N
Anzahl der Oszillationen: 1 × 10⁵

Die Testergebnisse sind in der Tabelle 4 angegeben. In allen Beispielen wies das Wälzlager eine ausgezeichnete Lautlosigkeit und eine hervorragende Reibverschleiß-Beständigkeit auf, verglichen mit denjenigen der konventionellen Wälzlager der Vergleichsbeispiele 1 und 2. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Beschichtung der Oberfläche des Wälzkörpers mit einem elektrisch leitenden Keramikmaterial es ermöglicht, eine Legierungsbildung mit der Laufring-Oberfläche, mit der er in Kontakt kommt, zu verhindern und dem Wälzkörper ausgezeichnete Oberflächeneigenschaften zu verleihen.
Die Wälzkörper der Vergleichsbeispiele 3 bis 5, die außerhalb des Dickenbereiches des erfindungsgemäßen Überzugsfilms liegen, waren weit schlechter als alle Beispiele sowohl in bezug auf die Lautlosigkeit als auch in Bezug auf die Reibverschleiß-Beständigkeit. Dies entspricht der Tatsache; daß darin, wenn die Dicke des Überzugsfilms unter 0,2 μm fällt, ein uneinheitlicher Überzugsfilm gebildet wird, und daß dann, wenn die Dicke des Überzugsfilms extrem groß ist, eine Rißbildung auftritt, die vermutlich auf das Auftreten von Wärme zurückzuführen ist, so daß eine Beeinträchtigung des Leistungsvermögens auftritt, wie in den 3 und 4 dargestellt. Was die Beziehung zwischen der Dicke des Überzugsfilms auf dem kugelförmigen Körper und den akustischen Eigenschaften angeht, so zeigt die Ausführungsform 3 nahezu die gleiche Tendenz wie in den 3 und 4. Die Dicke des Überzugsfilms beträgt daher vorzugsweise 0,2 bis 2,5 μm.
Die Wälzlager gemäß dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform umfassen Wälzkörper, deren Wälzoberfläche mit einem elektrisch leitenden Keramikmaterial bis zu einer Dicke von 0,2 bis 2,5 μm (beide Grenzwerte eingeschlossen) beschichtet ist und sie weisen daher eine ausgezeichnete Reibverschleiß-Beständigkeit und ausgezeichnete akustische Eigenschaften auf.
Daher beträgt die Dicke der elektrisch leitenden Keramikschicht vorzugsweise 0,2 bis 2,5 μm. Wenn die Dicke der elektrisch leitenden Keramikschicht unter 0,2 μm abfällt, kann die Dicke der Keramikschicht kaum kontrolliert werden und sie kann dadurch variieren, wodurch es schwierig wird, einen Wälzkörper mit einer stabilisierten Reibverschleiß-Beständigkeit und Verschleißfestigkeit zu erhalten. Wenn dagegen die Dicke der elektrisch leitenden Keramikschicht 2,5 μm übersteigt, kann der gewünschte Effekt nicht mehr erzielt werden. Wenn die Dicke der elektrisch leitenden Keramikschicht zu groß ist, weist außerdem die Keramikschicht eine erhöhte Verformung auf, die zu einer Ablösung führen kann. Darüber hinaus dauert es lange, die elektrisch leitende Keramikschicht zu erzeugen, wodurch die Kosten erhöht werden. Tabelle 4
Wenn die obengenannte elektrisch leitende Keramikschicht durch Aufeinanderlaminieren von zwei oder mehr elektrisch leitenden Keramikschichten hergestellt wird, beträgt die Gesamtdicke aller aufeinanderlaminierten Schichten vorzugsweise 0,2 bis 2,5 μm aus dem gleichen Grund wie vorstehend angegeben.
In dem erfindungsgemäßen Wälzlager kann zwischen der obengenannten elektrisch leitenden Keramikschicht und dem Basismaterial des obengenannten Wälzlagers eine Zwischenschicht aus Ti, Cr, Si und Verbindungen davon vorgesehen sein, um die Haftung zwischen der obengenannten elektrisch leitenden Keramikschicht und dem Basismaterial des Wälzlagers zu verbessern. Wenn beispielsweise das Basismaterial des obengenannten Wälzkörpers SUS440C ist, das eine höhere Affinität gegenüber Cr aufweist, kann eine Zwischenschicht aus Cr vorgesehen sein, um die Haftung zwischen der obengenannten elektrisch leitenden Keramikschicht und dem obengenannten Basismaterial zu verbessern.
Für den Fall, daß die obengenannte Zwischenschicht vorgesehen ist, beträgt ihre Dicke vorzugsweise 0,1 bis 0,3 μm und die Gesamtdicke der obengenannten Zwischenschicht und der obengenannten elektrisch leitenden Keramikschicht beträgt vorzugsweise 0,2 bis 2,5 μm. Wenn die Dicke der Zwischenschicht unter 0,1 μm fällt, kann die Dicke der Zwischenschicht schwer kontrolliert werden, wodurch es schwierig wird, eine Schicht mit einer einheitlichen Dicke herzustellen. Wenn dagegen die Dicke der Zwischenschicht 0,3 μm übersteigt, weist die resultierende Zwischenschicht eine erhöhte Verformung auf, die eine Ablösung hervorrufen kann. Der Grund dafür, warum die Gesamtdicke der obengenannten Zwischenschicht und der obengenannten elektrisch leitenden Keramikschicht innerhalb des oben definierten Bereiches liegen soll, ist der gleiche wie vorstehend unter Bezugnahme auf den Fall der elektrisch leitenden Keramikschicht beschrieben.
Als Material (Basismaterial), welches das erfindungsgemäße Wälzlager aufbaut, wird häufig ein metallisches Material, z.B. Lagerstahl, verwendet. Zu Beispielen für ein solches metallisches Material gehören SUJ2, SUS440C, rostfreier 0,7C-13Cr-Stahl, M50- und carburierender Stahl, wie er in JIS G 4805 beschrieben ist. Es können auch übliche Stahlmaterialien, die in einem Lager verwendet werden sollen, eingesetzt werden.
Die inneren und äußeren Laufringe des erfindungsgemäßen Wälzlagers sind aus dem gleichen Material hergestellt wie der Wälzkörper. Das Wälzlager ist jedoch häufig an dem Gehäuse oder an der Welle mit einem Klebstoff befestigt. Deshalb nimmt dann, wenn ein Öl, z.B. ein Rostschutzöl, an dem Innern der Welle haftet, die Haftfestigkeit ab oder das Rostschutzöl unterliegt einer chemischen Reaktion mit der Welle, wodurch ein Rosten hervorgerufen wird. Wenn das Wälzlager in einer Vorrichtung, beispielsweise einer HDD-Vorrichtung, verwendet wird, tritt eine Entgasung auf, wodurch die Zuverlässigkeit der Vorrichtung herabgesetzt wird (im Falle einer HDD-Vorrichtung kontaminiert beispielsweise das auf diese Weise gebildete Gas die Oberfläche einer Magnetplatte). Daher wird das Wälzlager häufig vollständig entfettet. Als Gegenmaßnahme gegen diese Störung werden die inneren und äußeren Laufringe vorzugsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt, der kein Rostschutzöl oder dgl. erfordert.
Wenn das Basismaterial des Wälzkörpers für das erfindungsgemäße Wälzlager ein Stahl ist, wie er vorstehend angegeben wurde, sind der Elastizitätsmodul und der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient (10,1 bis 13,5 × 10^–6/°C) nahezu die gleichen wie diejenigen des Wälzkörpers für ein konventionelles Lager, das nur aus Stahl hergestellt ist. Es kann daher ein Wälzlager erhalten werden, das eine ausgezeichnete Schlagfestigkeit aufweist, keiner Aufhebung der Vorspannung unterliegt und keinen Rigiditätsabfall aufweist, wenn die Temperatur während des Betriebs der Vorrichtung steigt und elektrostatisch ausreichend wenig aufgeladen ist, um die Anziehung von Teilchen zu verhindern und dadurch ausgezeichnete akustische Eigenschaften ergibt. Das erfindungsgemäße Lager weist eine elektrische Leitfähigkeit auf aufgrund des Aufbaus der inneren und äußeren Laufringe und der Wälzkörper und kann somit sogar als Wälzlager für Büromaschinen verwendet werden, die einer elektrostatischen Aufladung unterliegen, wie z.B. HDD, VTR und Drucker.
Ausführungsform 4
Die vierte Ausführungsform des Gegenstandes der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf den Fall beschrieben, bei dem die Wälzoberfläche eines Wälzkörpers aus Stahl für ein Kugellager für HDD (SR1810) hergestellt wird aus diamantartigem Kohlenstoff (nachstehend als "DLC" bezeichnet) und die Dicke des Überzugsfilms 0,2 bis 2,5 μm beträgt.
Beispiele für das Verfahren zur Erzeugung einer DLC-Schicht auf der Wälzoberfläche eines Wälzkörpers aus Stahl oder dgl. umfaßt das Plasma-CVD-Verfahren mit einem Kohlenwasserstoffgas wie Methan (CH₄), Acetylen (C₂H₂) und Benzol (C₆H₆) unter Verwendung der in 1 dargestellten Vorrichtung, ein Ionenplattierungsverfahren und ein Sputtering-Verfahren (Zerstäubungs-Verfahren) mit Kohlenstoff als Target. Im einzelnen werden die Wälzlager-Komponenten, die entfettet worden sind, in eine Vakuumkammer eingeführt, in der die Luft, die sich darin befindet, dann bis auf 10^–3 Pa abgezogen wird. Die Wälzlager-Komponenten werden dann einer Ionenbombardierung ausgesetzt, so daß ihre Oberfläche gereinigt wird. Dann wird eine DLC-Schicht auf der Oberfläche der Komponenten unter Anwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens erzeugt.
Die Dicke der DLC-Schicht, welche die obengenannte Wälzoberfläche bedeckt, beträgt vorzugsweise 0,2 bis 2,5 μm. Wenn die Dicke der DLC-Schicht unter 0,2 μm fällt, ist der resultierende Schmiereffekt unzureichend. Wenn dagegen die Dicke der DLC-Schicht 2,5 μm übersteigt, werden dadurch die Kosten erhöht. Außerdem kann die resultierende innere Spannung dazu führen, daß sich die DLC-Schicht ablöst. Auch die Ausführungsform 4 zeigt nahezu die gleiche Tendenz in bezug auf die Beziehung zwischen der Dicke des Überzugsfilms auf dem kugelförmigen Körper und den akustischen Eigenschaften wie in dem Fall, in dem die Kugel mit einem Keramikmaterial beschichtet ist, wie in den 3 und 4 dargestellt. Daher beträgt die Dicke des Uberzugsfilms vorzugsweise 0,2 bis 2,5 μm.
In dem erfindungsgemäßen Wälzlager ist zwischen der DLC-Schicht und dem Basismaterial aus Stahl vorzugsweise eine Zwischenschicht aus Si, SiC, SiO₂, Si₃N₄, WC, Cr, Ti oder Kombination davon vorgesehen, um die Haftung zwischen der DLC-Schicht und dem Basismaterial des Wälzlagers zu verbessern.
Die Dicke der obengenannten Zwischenschicht beträgt vorzugsweise 0,1 bis 0,3 μm. Wenn die Dicke der Zwischenschicht unter 0,1 μm fällt, kann die Dicke der Zwischenschicht kaum kontrolliert (gesteuert) werden. Wenn die Dicke der Zwischenschicht 0,3 μm übersteigt, kann die resultierende innere Spannung bewirken, daß sich die Zwischenschicht ablöst. Es kann auch eine Vielzahl von Zwischenschichten in Kombination vorgesehen sein.
Als Verfahren zur Herstellung der obengenannten Zwischenschicht kann das gleiche Verfahren angewendet werden, wie es für die Bildung der DLC-Schicht angewendet wird, beispielsweise ein Plasma-CVD-Verfahren, ein Ionenplattierungsverfahren und ein Zerstäubungs-Verfahren (Sputtering-Verfahren). Im einzelnen wird die Oberfläche der Wälzlager-Komponenten ähnlich wie in dem Falle der DLC-Schicht gereinigt. Danach werden die Wälzlager-Komponenten einem Plasma-CVD-Verfahren oder dgl. mit Silan (SiH₄) und einem Kohlenwasserstoffgas oder Tetramethylsilan (Si(CH₃)₄) als Ausgangsmaterial unterworfen zur Bildung einer Zwischenschicht aus SiC oder dgl. darauf. Dann wird eine DLC-Schicht auf der Zwischenschicht unter Anwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens erzeugt.
Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform werden der innere Laufring, der äußere Laufring und der Wälzkörper aus SUS440C hergestellt. Der Wälzkörper weist eine SiC Schicht mit einer Dicke von 0,1 μm und eine DLC-Schicht mit einer Dicke von 1 μm auf, die auf der Oberfläche desselben unter Anwendung eines Plasma-CVD-Verfahrens erzeugt worden sind (die SiC-Schicht ist eine Zwischenschicht und die DLC-Schicht ist eine Oberflächenschicht).
Die Ergebnisse der verschiedenen Leistungstests, die mit dem Wälzlager gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform durchgeführt wurden, werden nachstehend beschrieben.
Als Wälzlager der Beispiele und Vergleichsbeispiele wurde ein Einreihen-Rillen-Kugellager verwendet, hergestellt von der Firma NSK, LTD. (mit einer kontaktfreien Stahldichtung (Z-Typ); Lager Nr. SR1819; Innendurchmesser: 7,94 mm; Außendurchmesser: 12,7 mm; Breite: 3,97 mm; Lager Nr. B5-39; Innendurchmesser: 5 mm; Außendurchmesser: 13 mm; Breite: 3 mm). Das Basismaterial des inneren Laufrings, des äußeren Laufrings und des Wälzkörpers ist SUS440C und die Härte HRC des Stahlmaterials, das gehärtet und vergütet worden ist, beträgt 58 bis 60 (HV 650 bis 700). Das Gehäuse besteht aus einem glasfaserverstärkten Polyamidharz, wenn es kronenförmig ist, oder es besteht aus einem austenitischen rostfreien Stahl SUS304, wenn es ein gepreßtes Produkt ist.
Das Testverfahren, die Testbedingungen und die Kriterien der Test-Ergebnisse waren wie folgt.
(1) Oszillationsbeständigkeitstest
Zur Beurteilung der Oszillationssbeständigkeit wurde das Wälzlager (n = 4) einem Oszillationsbeständigkeitstest unterworfen unter Verwendung einer Reibverschleißbeständigkeitstestvorrichtung, wie sie in 2 dargestellt ist, unter den folgenden Bedingungen. Das Lager wurde dann zerlegt, um die innere Laufring-Oberfläche, die äußere Laufring-Oberfläche und die Wälzoberfläche der Wälzkörper auf Abrieb zu untersuchen. Wenn kein Abrieb auf allen Komponenten auftrat, wurde dies als akzeptabel (O) bewertet. Wenn eine Laufmarkierung auf der inneren Laufring-Oberfläche oder der äußeren Laufring-Oberfläche auftrat, wurde dies als mäßig (Δ) bewertet. Wenn ein Abrieb auf der inneren Laufring-Oberfläche, der äußeren Laufring-Oberfläche oder der Wälzoberfläche der Wälzkörper auftrat, wurde dies als nicht-akzeptabel (x) bewertet.
Testbedingungen

Testlager SR1810
Oszillationswinkel: 8°
axiale Belastung: 29,4 N
Anzahl der Oszillationen: 5 × 10⁶
Atmosphärentemperatur: gewöhnliche Temperatur

(2) Staubbildungstest
Wie in 5 dargestellten, wurde eine HDD-Spindeleinheit, die zwei Kugellager B5-39 aufwies, die darin getragen wurden von einem eingebauten Vorspannungsprozeß, in einem Behälter montiert, der dann versiegelt wurde. Der äußere Laufring wurde dann mit 7200 UpM in Rotation versetzt. Die Anzahl der während dieses Vorganges gebildeten Staubteilchen wurde dann bestimmt durch Auszählen der Teilchen, um die gebildete Staubmenge zu bestimmen. Für die Beurteilung der gebildeten Staubmenge wurde die Anzahl der Staubteilchen mit einem Teilchendurchmesser von 0,1 μm oder mehr pro 0,1 ft³ nach 1-stündiger Rotation ausgezählt.
Bezüglich der Kriterien gilt, daß diejenigen, die weniger als 150 Staubteilchen aufwiesen, als akzeptabel (O) beurteilt wurden. Diejenigen, die 150 Staubteilchen bis weniger als 300 Staubteilchen aufwiesen, wurden als mäßig (Δ) beurteilt. Diejenigen, die 300 oder mehr Staubteilchen aufwiesen, wurden als nicht akzeptabel (x) beurteilt.
(3) Drehmomenttest
Zur Beurteilung des Drehmoments wurde der innere Laufring mittels einer Dreh-Einrichtung unter einer axialen Belastung von 9,8 N mit 2 UpM in Rotation versetzt. Das in der ersten Stufe der Rotation erforderliche Drehmoment und die Drehmomentänderung wurden dann bestimmt.
Als Kriterium wurden diejenigen, die ein Drehmoment von weniger als 1,0 gf.cm aufwiesen, das für das Drehen des inneren Laufringes erforderlich war, und die eine Drehmomentänderung von weniger als 0,2 gf.cm aufwiesen, als akzeptabel (O) beurteilt. Diejenigen, die einen Wert von nicht weniger als dem obengenannten Wert in bezug auf eine der beiden Eigenschaften aufwiesen, wurden als akzeptabel (x) beurteilt.
Das Material für den inneren Laufring, für den äußeren Laufring und die Wälzoberfläche des Wälzkörpers und der Typ des Gehäuses sind in der Tabelle 5 angegeben. In der Tabelle 5 bedeutet DLC(1), daß das Material mit DLC in einer Dicke von 1 μm beschichtet ist, und SiC(0,1) + DLC(1) bedeutet, daß die Zwischenschicht aus SiC mit einer Dicke von 0,1 μm beschichtet ist mit einer DLC-Schicht mit einer Dicke von 1 μm. Die Härte des so erhaltenen Überzugsfilms lag innerhalb des HV-Bereiches von 2000 bis 5000.
Das in dem geschmierten Gehäuse in der Tabelle 5 verwendete Schmiermittel ist ein Öl auf Fluor-Basis vom Typ S-100, hergestellt von der Firma DAIKIN INDUSTRIES, LTD.
Die Testergebnisse sind in der Tabelle 6 angegeben. Alle Beispiele waren für alle drei Tests akzeptabel. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Beschichtung der Oberfläche des Wälzkörpers mit DLC verhindert, daß der Wälzkörper mit der Laufring-Oberfläche, mit der er in Kontakt kommt, eine Legierung bildet, wodurch es ermöglicht wird, ausgezeichnete Oberflächeneigenschaften zu erzielen. Dagegen waren alle Vergleichs-Wälzlager, die außerhalb des erfindungsgemäßen Bereiches lagen, in mindestens einem der drei Tests nicht-akzeptabel. Die Ausführungsform 4 ist dadurch gekennzeichnet, daß der Schmiereffekt des DLC-Überzugsfilms es ermöglicht, allen Anforderungen in bezug auf Haltbarkeit, Verhinderung einer Staubbildung und Herabsetzung des erforderlichen Drehmoments ohne Verwendung eines Schmiermittels zu genügen. Tabelle 5
Tabelle 6
Das erfindungsgemäße Wälzlager erfordert nicht notwendigerweise ein Schmiermittel, weil der DLC-Überzugsfilm Schmiereigenschaften aufweist. Eine geringe Menge eines Schmiermittels kann jedoch ins Innere des Lagers eingeführt werden. Als Schmiermittel, das verwendet werden soll, kann ein Öl auf Fluorbasis oder dgl. verwendet werden.
Für den Fall, daß ein solches Schmiermittel verwendet wird, kann selbst dann, wenn das Mitnehmen der Wälzkörper bewirkt, daß das Schmiermittel von der Fläche abgekratzt wird, mit der der innere Laufring und der äußere Laufring und die Wälzkörper miteinander in Kontakt kommen, d.h. von der Wälzoberfläche, die Wälzoberfläche nicht abgenutzt oder beschädigt werden, weil die Wälzoberfläche von der DLC-Schicht gebildet wird. Das erfindungsgemäße Wälzlager ist somit mit einer verbesserten Haltbarkeit ausgestattet.
Da die Wälzoberfläche der Wälzkörper durch DLC gebildet wird und ein Schmiermittel in das Innere des Lagers injiziert wird, kann in diesem Falle das Schmiermittel nicht an der Außenseite des Lagers haften, wodurch verhindert wird, daß die Außenseite des Lagers klebrig wird. Es ist daher nicht erforderlich, das Schmiermittel von dem Lager abzuwischen, bevor das Wälzlager montiert wird, das einen äußeren Laufring aufweist, der an einer HDD-Spindeleinheit und eine Schwenkarmeinheit gebunden ist, wodurch es möglich wird, die Produktivität des Wälzlagers zu erhöhen und die Kosten zu senken. Da kein Schmiermittel an der Außenseite des Lagers haftet, ist es ferner nicht wahrscheinlich, daß das Aufzeichnungsmedium in HDD durch das Schmiermittel verunreinigt wird.
Das Verfahren zum Injizieren des Schmiermittels in das Innere des Lagers unterliegt keiner spezifischen Beschränkung, soweit es eine Kontrolle über die injizierte Menge Schmiermittel erlaubt. Beispielsweise kann ein Verfahren angewendet werden, das umfaßt das vorherige Einpassen einer Abdichtungsplatte in den unteren Abschnitt des Lagers und das anschließende gleichmäßige Injizieren eines Schmiermittels in das Innere des Lagers an der Oberseite des Lagers durch Düsen, die gleichmäßig aus der Oberseite des Lagers vorstehen, wobei deren Anzahl gleich ist der Anzahl der Lagergehäuse-Taschen. Ein anderes Verfahren umfaßt das Injizieren eines Schmiermittels in einer vorgegebenen Menge durch einen Mengen-Injektor.
Das Material des inneren Laufrings, des äußeren Laufrings und der Wälzkörper des erfindungsgemäßen Wälzlagers ist nicht beschränkt auf SUS440C, wie es in den obengenannten Ausführungsformen angewendet worden ist, sondern kann auch ein Lagerstahl, beispielsweise ein Lagerstahl mit hohem Kohlenstoff-Chrom-Gehalt (z.B. SUJ2) sein. Für den Fall, daß eine Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist, ist ein martensitischer rostfreier Stahl, z.B. SUS440C und ein rostfreier 0,7C-13C-Stahl, ein ausscheidungshärtba rer rostfreier Stahl wie SUS630 oder dgl. bevorzugt. Der Wälzkörper kann aus verschiedenen Hartmetallen mit einer sekundären Härtbarkeit, aus Schnelldrehstahl wie SKH oder aus einem speziellen abriebsbeständigen, nicht-verformbaren Stahl wie SKD hergestellt sein. Die Härte des Überzugsfilms variiert mit der Art des Überzugsfilms und dem Beschichtungsverfahren. Wenn die Härte HV in dem Bereich von 1000 bis 10 000 liegt, werden ausgezeichnete Oberflächeneigenschaften erhalten. Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des Überzugsfilms ist nahezu der gleiche wie derjenige des Basismaterials des Wälzkörpers, der aus Stahl hergestellt ist, weil die Dicke des Überzugsfilms extrem kleiner ist als der Durchmesser der Stahlkugel.
Das Gehäuse für die Wälzkörper, welche das erfindungsgemäße Wälzlager aufbauen, besteht aus einem Kunstharmaterial neben einem weichen Stahl wie SPCC-Material. Als ein solches Kunstharzmaterial kann ein übliches Polyamidharz (Nylon 66) sowie ein Fluoroharz. z.B. ein wärmebeständiges thermoplastisehe Harz PTFE, ETFE, Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS), Polyethersulfon (PES), ein technischer Kunststoff wie Nylon 46 oder dgl., verwendet werden. Zu Beispielen für den Gehäuse-Typ gehören Gehäuse vom welligen und kronenförmigen Typ.
Die vorliegende Erfindung ist besonders wirksam, wenn eine Belastung auf einen vertikalen Motor einwirken gelassen wird, wie in dem Spindellager für ein Magnetplatten-Laufwerk, d.h., wenn das Gewicht einer sich drehenden Einheit als Dauerbelastung aufgrund ihrer Schwerkraft einwirkt, wodurch die axiale Belastung größer wird als die radiale Belastung.
In einem Spindelmotor, wie er beispielsweise in der 6 dargestellt ist, ist die erfindungsgemäße Lagereinrichtung so gestaltet, daß sie die Axialdruckbelastung unterstützt oder Kontaktwinkel β1 und β2 bildet (β1 und β2 können untereinander gleich sein), so daß die Lagerrigidität optimal ist. Wenn jedoch der Lagerzwischenraum mit dem Anstieg der Temperatur zunimmt, ändern sich die Kontaktwinkel entsprechend der Änderung in dem Zwischenraum als Folge einer nach unten gerichteten Kraft, die von dem Gewicht der Rotationseinheit entwickelt wird, und der Kontaktwinkel β1 auf der Oberseite des Lagers und der Kontaktwinkel β2 auf der Unterseite des Lagers ändern sich unterschiedlich voneinander.
Da die Präzision der Drehung des Lagers sich mit der Änderung der Lagerrigidität, d.h. dem Kontaktwinkel, ändert, ändert sich die Präzision der Drehung, die anfänglich auf der Oberseite und der Unterseite des Lagers eingestellt worden war. Ein Magnetplatten-Laufwerk ist ein solches aus Rotationseinheiten, die strengen Anforderungen in bezug auf die Rotation genügt. Daher ist die vorliegende Erfindung vorteilhaft insofern, als die Differenz in bezug auf die Kontaktwinkeländerung zwischen der Oberseite und der Unterseite des Lagers minimiert werden kann.
Wie oben angegeben, kann durch Bildung eines harten Überzugsfilms auf dem Wälzkörper für ein Spindel-Wälzlager oder für ein Schwenkarm-Lager für eine HDD-Vorrichtung für die strenge Anforderungen bestehen in bezug auf die Reibverschleißbeständigkeit, bis zu einer Dicke von 0,2 bis 2,5 μm unter Anwendung eines FVD-Verfahrens, eines CVD-Verfahrens oder eines Ionenplattierungsverfahrens, ein Wälzlager bereitgestellt werden, das keinem Reibverschleiß unterliegt und bei dem keine Aufhebung der Vorspannung als Folge einer Temperaturänderung auftritt, das verbesserte akustische Eigenschaften aufweist und mit verringerten Kosten hergestellt werden kann.
Die vorstehenden Ausführungsformen wurden unter Bezugnahme auf ein Kugellager als Wälzlager beschrieben. Es ist jedoch selbstverständlich, daß die vorliegende Erfindung auch auf andere Arten von Wälzlagern angewendet werden kann, die mit einer Vorspannung betrieben werden (z. B. ein anguläres Kontakt-Kugellager, ein konisches Rollenlager, ein sich selbst ausrichtendes Rollenlager).
Wie oben angegeben, wird erfindungsgemäß ein harter Überzugsfilm, beispielsweise ein Keramik-Überzugsfilm, eine elektrisch leitender Keramik-Überzugsfilm oder ein DLC-Überzugsfilm auf der Oberfläche eines kugelförmigen Körpers bis zu einer Dicke von 0,2 bis 2,5 μm erzeugt, wodurch es möglich wird, einen Oberflächen-beschichteten kugelförmigen Körper mit einer ausgezeichneten Reibverschleißbeständigkeit bei verminderten Kosten herzustellen.
Da die Aufhebung einer Vorspannung verhindert werden kann, kann ferner eine Lagereinrichtung mit einer langen Lebensdauer und mit guten akustischen Eigenschaften unter verminderten Kosten bereitgestellt werden.
Die vorliegende Beschreibung bezieht sich auf den Gegenstand, der in den japanischen Patentanmeldungen Nr. Hei.11-106935, eingereicht am 14. April 1999, Hei.11-045144, eingereicht am 23. Februar 1999 und Hei.11-045145, eingereicht am 23. Februar 1999, enthalten ist und auf deren Inhalt in ihrer Gesamtheit hier ausdrücklich Bezug genommen wird.

Claims

Lagereinrichtung für einen Spindelmotor mit einer Welle (4, 9), einem Gehäuse (2, 10) und wenigstens zwei Wälzlagern (1) mit jeweils – einem inneren Laufring, – einem äußeren Laufring und – einer Mehrzahl von Wälzkörpern wobei der innere Laufring, der äußere Laufring und ein Grundmaterial der Wälzkörper aus einem Stahl mit einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 10,1 × 10^–6 bis 13,5 × 10^–6 hergestellt sind, nur die Wälzkörper einen hraten Überzugsfilm aus Keramiken oder elektrisch leitenden Keramiken oder diamantartigem Kohlenstoff umfassen, dieser harte Überzugsfilm eine Dicke von 0,5 bis 2,5 μm aufweist und härter ist als der Stahlwerkstoff der Wälzkörper und der Laufringe, wobei die jeweiligen inneren Laufringe auf der Welle (4, 9) und die jeweiligen äußeren Laufringe im Gehäuse (2, 10) angeordnet sind, die Wälzlager (1) voneinander beabstandet sind und eine Vorspannung der Wälzlager (1) in fester Position in axialer Richtung angelegt ist und wobei die axiale Richtung der Richtung der Schwerkraft entspricht und eine Axiallast größer als eine Radiallast ist.
Lagereinrichtung für einen Spindelmotor mit einer Welle (4, 9), einem Gehäuse (2, 10) und wenigstens zwei Wälzlagern (1) mit jeweils – einem inneren Laufring, – einem äußeren Laufring und – einer Mehrzahl von Wälzkörpern wobei der innere Laufring, der äußere Laufring und ein Grundmaterial der Wälzkörper aus einem Stahl mit einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 10,1 × 10^–6 bis 13,5 × 10^–6 hergestellt sind, nur die Wälzkörper einen harten Überzugsfilm aus Keramiken oder elektrisch leitenden Keramiken oder diamantartigem Kohlenstoff umfassen, dieser harte Überzugsfilm eine Dicke von 0,5 bis 2,5 μm aufweist und härter ist als der Stahlwerkstoff der Wälzkörper und der Laufringe, wobei die jeweiligen inneren Laufringe auf der Welle (4, 9) und die jeweiligen äußeren Laufringe im Gehäuse (2, 10) angeordnet sind, die Wälzlager (1) voneinander beabstandet sind und eine Vorspannung der Wälzlager (1) in fester Position in axialer Richtung angelegt ist, und wobei die Laufringe und Wälzkörper der Wälzlager jeweils unter einem Kontaktwinkel β₁, β₂ angeordnet sind.
Lagereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Grundmaterial der jeweiligen Wälzkörper ein martensitischer, rostfreier Stahl ist.
Lagereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der harte Überzugsfilm eine Zwischenschicht und eine Oberflächenschicht umfasst.
Lagereinrichtung nach Anspruch 4, wobei die Zwischenschicht eine Dicke von 0,1 bis 0,3 μm aufweist.
Magnetische Aufzeichnungsvorrichtung mit einer Lagereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der harte Überzugsfilm aus einem elektrisch leitenden Keramikmaterial hergestellt ist.