JP2002061654A - 動圧軸受部品およびそれを用いた動圧軸受、スピンドルモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 焼き付きを生じず、しかも長期間にわたって
劣化しない動圧軸受部品を提供する。 【解決手段】 表面硬度Ｈｖが６００以上の基材上にダ
イヤモンドライクカーボン膜を形成する。ここで基材と
して鋼を用い、鋼表面を熱処理することによって表面硬
度Ｈｖを６００以上としてもよい。処理が容易である点
および処理できる鋼の選択幅が広い点から、前記熱処理
としては窒化処理が好ましい。また処理後の表面粗度を
抑えるためには、窒化処理により形成される層の層厚を
１０μｍ以下にするのがよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は動圧軸受部品に関
し、より詳細には、ダイヤモンドライクカーボン（以下
「ＤＬＣ」と記すことがある）膜が表面に形成された動
圧軸受部品に関するものであり、さらにはそれを用いた
動圧軸受、スピンドルモータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＨＤＤや高容量ＦＤＤなどの磁気ディス
ク装置は年々著しく高容量化、小型化が進み、そこで使
用されるスピンドルモータには、高速化に耐えられる寿
命と静寂性、優れた振れ精度が要求される。そこで、ス
ピンドルモータの軸受け構造として玉を使わずに、気体
や液体を介して軸のまわりを回転させる方式の動圧軸受
が開発されてきた。動圧軸受の構造は、大きくはスラス
トプレートを有する軸（シャフト）部材と回転軸を支え
るスリーブ部材とからなる。動圧軸受において、スピン
ドルモータ回転中は軸と回転体の間に普通は流体が介在
しているが、シャフト部材とスリーブ部材との間に接触
が起こらないわけではない。特にスピンドルモータの起
動時と停止時には、シャフト部材とスリーブ部材との間
で接触が起こるのが普通である。したがって、ここで使
用されるシャフト部材の特性として、相対するスリーブ
部材との耐焼き付き性と耐摩耗性を確保することが重要
である。さらに回転部を支えるための機械的強度と硬度
を確保することも重要である。

【０００３】このような軸部材およびスリーブ部材に使
用する材料としては、汎用性及び低コスト、優れた加工
性を有することから、鋼材、中でもステンレス鋼が広く
用いられていた。しかしながら、軸部材およびスリーブ
部材の双方にステンレス鋼を使用した場合、軸部材とス
リーブ部材が何らかの原因で接触すると、接触部での温
度が急激に高くなって、両部材の金属が溶融しやすくな
り焼き付きが生じる。そこで従来は、このような焼き付
きを防止するため、軸部材とスリーブ部材とを異なる材
料にしていた。例えば一方にステンレス鋼を用い、もう
一方に窒化処理により表面硬度を高くしたステンレス鋼
を用いる組み合わせ、あるいは一方にステンレス鋼を用
い、もう一方に硬質なＤＬＣ膜を表面に形成したものを
用いる組み合わせなどが一般的に用いられていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】窒化処理による表面の
高硬度化で焼き付きをある程度抑制することはできる
が、未だ充分とはいえない。また窒化処理後は表面の面
粗度が大きくなるため表面研磨する必要がある。一方、
ＤＬＣ膜によれば焼き付きは有効に防止できるものの、
ＤＬＣ膜を形成する基材が柔らかいと、衝撃に対する変
形度合いの差からＤＬＣ膜にクラックが入ったり、ＤＬ
Ｃ膜が剥離するといった問題があった。

【０００５】本発明は、このような従来の問題に鑑みて
成されたものであり、焼き付きを生じず、しかも長期間
にわたって劣化しない動圧軸受部品を提供することをそ
の目的とするものである。

【０００６】また本発明の目的は、焼き付きが発生せ
ず、長期間安定して使用できる動圧軸受およびスピンド
ルモータを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
本発明の動圧軸受部品は、表面硬度Ｈｖが６００以上の
基材上にダイヤモンドライクカーボン膜を形成する構成
とした。

【０００８】ここで基材として鋼を用い、鋼表面を熱処
理することによって表面硬度Ｈｖを６００以上としても
よい。処理が容易である点および処理できる鋼の選択幅
が広い点から、前記熱処理としては窒化処理が好まし
い。また処理後の表面粗度を抑えるためには、窒化処理
により形成される層の層厚を１０μｍ以下にするのがよ
い。

【０００９】また本発明によれば、軸部材と、該軸部材
に対し微小間隙を有して周設されたスリーブ部材とを備
え、前記スリーブ部材が前記軸部材の回りに相対的に回
転可能にされた動圧軸受において、前記スリーブ部材お
よび前記軸部材の一方に請求項１〜３のいずれかに記載
の動圧軸受部品を用い、他方に表面硬度Ｈｖが３００以
下の金属部品を用いたことを特徴とする動圧軸受が提供
される。

【００１０】さらに本発明によれば、前記の動圧軸受を
備えたことを特徴とするスピンドルモータが提供され
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明者等は、動圧軸受部品の焼
き付きを防止するためにＤＬＣ膜を用いることとし、Ｄ
ＬＣ膜の欠点であるクラックや剥離の発生を防止できな
いか鋭意検討を重ねた結果、ＤＬＣ膜のクラックや剥離
現象は、基材とＤＬＣ膜との硬度の差が大きいことに起
因して生じることを突き止め本発明をなすに至った。

【００１２】すなわち本発明の動圧軸受部品の大きな特
徴は、表面硬度Ｈｖが６００以上の基材上にＤＬＣ膜を
形成した点にある。表面硬度の高い基材を用いること
で、基材とＤＬＣ膜との硬度差を小さくし、ＤＬＣ膜の
クラック及び剥離を防止するのである。

【００１３】本発明では基材の表面硬度Ｈｖを６００以
上とすることが重要である。表面硬度が６００未満の場
合、ＤＬＣ膜との硬度差が大きくなりすぎて、ＤＬＣ膜
にクラックや剥離が生じるからである。より好ましい表
面硬度Ｈｖとしては９００以上である。このような基材
としては特に限定はなく、例えば熱処理により表面硬度
が比較的簡単に挙げられる点で鋼が好ましく、加工性と
汎用性の点からステンレス鋼がより好ましく、さらには
快削性ステンレス鋼が特に好ましい。このようなステン
レス鋼としては例えばSUS303、SUS304Se、SUS304Pbなど
のオーステナイト系ステンレス鋼やSUS416、SUS420F、S
US420Pbなどのマルテンサイト系ステンレス鋼、SUS430F
などのフェライト系ステンレス鋼などを一例として挙げ
ることができる。もちろん本発明で使用できる鋼はこれ
らに限定されるものではない。

【００１４】鋼の表面硬度を上げるために行う熱処理と
しては、一般的な真空焼き入れ、浸炭焼き入れの他、浸
炭窒化、浸硫窒化および窒化処理が挙げられる。これら
の熱処理の中でも窒化処理は、ステンレス鋼の選択肢が
広く、Ｈｖ1,000以上の非常に高い表面硬度が得られる
ことから特に望ましい。ここで窒化処理としては、塩浴
窒化に代表される液体窒化、ガス窒化、イオン窒化など
従来公知の処理方法を用いることができる。

【００１５】ただし、窒化処理は、通常の真空焼き入
れ、浸炭焼き入れに比べ、Ｈｖ1,000以上という高い表
面硬度が得られる反面、窒化処理により材料が膨張して
寸法が大きくなり、また化合物層が形成されるために表
面が荒れて凹凸が生じるので、通常は最表面層を研磨・
除去して使用する必要がある。このような窒化処理後の
表面研磨・除去を回避するためには、窒化処理により形
成される層の層厚を10μｍ以下とすることが推奨され
る。より好ましい層厚としては５μｍ以下である。なお
窒化処理層の層厚の制御は主に処理時間により行えばよ
い。

【００１６】前記基材上に形成するＤＬＣ膜は、膜中の
炭素同士が部分的にダイアモンド結合（ＳＰ₃）をして
いるため硬度が高く傷や摩耗に強い。このようなＤＬＣ
膜は、たとえばプラズマＣＶＤ法やイオンプレーティン
グ法により形成することができる。ＤＬＣ膜の形成方法
の一例を図１に示す。図１は、プラズマＣＶＤ法を用い
てＤＬＣ膜を成膜する場合の概説図である。このプラズ
マＣＶＤ装置においては、高真空容器１０１の中に一端
が開放されたカップ状の反応器１０２が配置されてい
る。この反応器１０２内の底部にはフィラメント１０４
は配設され、このフィラメント１０４の近接上方にはア
ノード１０６が配設されている。また、フィラメント１
０４はフィラメント電源１０３に、アノード１０６はア
ノード電源１０５にそれぞれ接続されている。反応器１
０２の開放端から所定の距離を隔てて対向するようにし
て、基材１０７が配置されている。この基材１０７と、
上記反応器１０２との間に、リフレクタ電源１０８及び
バイアス電源１０９によって所定の電圧が印加されてい
る。

【００１７】このような装置において、エチレンガス等
の炭化水素ガスが反応器１０２の底部から供給される
と、反応器１０２内における２００℃〜５００℃の加熱
下でのアーク放電プラズマによって、上記炭化水素ガス
は分解され、それにより生成されたプラズマ中のイオン
や励起分子が、基材１０７の表面に対して所定の電気的
加速エネルギーをもって衝突し、その結果、ＤＬＣ膜が
基材１０７上に成形される。

【００１８】このようにして成膜されたＤＬＣ膜の厚さ
としては０．５〜２μｍの範囲が好ましい。膜厚が０．
５μｍ未満の場合には、薄すぎて破損するおそれがあ
り、また焼き付き防止作用が充分に得られないおそれが
ある。一方、膜厚が２μｍを超える場合には、膜の形成
に長時間が必要となる割に作用が強化されないので非効
率となる。より好ましい膜厚は０．８〜１．２μｍの範
囲である。

【００１９】次に本発明の動圧軸受について説明する。
本発明の動圧軸受の大きな特徴は、スリーブ部材および
軸部材の一方に、ＤＬＣ膜が形成された前記動圧軸受部
品を用い、他方に表面硬度Ｈｖが３００以下の金属部品
を用いる点にある。このような構成によれば、スリーブ
部材と軸部材との表面硬度の差が大きいので、両者が接
触しても焼き付きが起こりにくく、また接触時の衝撃を
表面硬度Ｈｖ３００以下の金属部品が吸収するので、Ｄ
ＬＣ膜の剥離も起こりにくい。

【００２０】図２に、本発明の動圧軸受の一実施態様を
示す断面図を示す。スリーブ部材であるスリーブ２は、
軸部材の一部であるシャフト１に微小間隙（クリアラン
ス）を隔てて周設されている。そして、シャフト１の表
面にはＤＬＣ膜４が形成されている。クリアランスには
潤滑流体３が保持されている。またスリーブ２には、ヘ
リングボーン状やスパイラル状の動圧発生溝（不図示）
が形成されている。このような構成の流体動圧軸受にお
いて、スリーブ２が回転すると、スリーブ２とシャフト
１とのクリアランスに保持されている潤滑流体３が動圧
発生溝（不図示）の溝パターンに沿って押圧されて潤滑
流体３中に局部的な高圧部分が生じて、スリーブ２のラ
ジアル方向及びスラスト方向の荷重を支持するようにな
る。

【００２１】図２の動圧軸受では、シャフト１にＤＬＣ
膜４が形成されているが、スリーブ２側にＤＬＣ膜を形
成してももちろん構わない。この場合、動圧発生溝はシ
ャフト側に形成するのが望ましい。ＤＬＣ膜は非常に硬
度が高いため、ＤＬＣ膜が形成される側の部材に動圧発
生溝を刻設するのは困難であるばかりでなく、ＤＬＣ膜
が形成された部材と対向する部材の表面の摩耗が動圧発
生溝によって促進されることになるからである。

【００２２】また図２の動圧軸受は、潤滑流体を用いた
流体動圧軸受であるが、本発明の動圧軸受は潤滑流体を
用いない空気動圧軸受であってもよい。

【００２３】本発明で用いる表面硬度Ｈｖが３００以下
の金属部品としては、特に限定はなくステンレス鋼や真
鍮、銅などの金属を所定形状に加工したものが挙げられ
る。加えて、軸部材やスリーブ部材の形状に加工した基
材上に硬度Ｈｖが３００以下である金属層を形成したも
のであってもよい。

【００２４】軸部材やスリーブ部材上に金属層を形成す
る方法としては、電気メッキや無電解メッキ、溶融メッ
キなどのメッキ；真空蒸着やスパッタリングなどの物理
的蒸着（ＰＶＤ）；熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、光ＣＶ
Ｄなどの化学蒸着（ＣＶＤ）など従来公知の方法を用い
ることができる。どの方法により金属層を形成するか
は、部材の材料や用いる金属の種類、金属層厚などを考
慮して適宜決定すればよいが、生産性およびコストの点
からメッキにより金属層を形成することが望ましい。

【００２５】本発明で使用できる潤滑流体としては、特
に限定はなく従来公知のものが使用でき、例えばポリオ
ールエステル系油やジエステル系油、ポリ−α−オレフ
ィン系油、鉱油、フッ素油などが挙げられる。

【００２６】次に本発明のスピンドルモータについて説
明する。本発明のスピンドルモータは、前記説明した動
圧軸受を備えていることが大きな特徴である。以下、図
に沿ってさらに説明する。図３は、本発明の動圧軸受を
備えたスピンドルモータの一実施形態を示す断面図であ
る。ブラケット１１は中心部に設けられた基部１１１
と、この基部１１１の外周方向に設けられた周壁１１２
と、この周壁１１２からさらに外方向に延設された鍔部
１１３とからなり、これらが一体且つ同軸的に形成され
ている。

【００２７】基部１１１の中心部には環状突部１１４が
形成され、そこに固定スリーブ（スリーブ部材）２が例
えば圧入により嵌合固定されている。この固定スリーブ
２の中心には軸線方向に貫通孔１２１が形成され、そし
てその下端には軸線方向下方向に開口したスラスト溝部
１２２が形成されている。

【００２８】シャフト（軸部材）１は、軸部１３１と、
軸部１３１の下端に形成されたスラストプレート１３２
とからなる。そしてその表面にはＤＬＣ膜（不図示）が
形成されている。固定スリーブ２の貫通孔１２１および
スラスト溝部１２２に、シャフト１の軸部１３１および
スラストプレート１３２を一定の間隙を介して挿入し、
スラストプレート１３２の外側に蓋をする形で、カウン
タプレート１４を装着している。

【００２９】シャフト１の上端は、略円筒状のロータハ
ブ１５の上面中央部に形成された孔部１５１に嵌合固定
されている。ロータハブ１５の内周面には、周方向に多
極着磁されたロータマグネット１６が全周にわたり配設
されている。またロータマグネット１６の半径方向内方
には、ロータマグネット１６に対向してステータ１７が
ブラケット１１の基部１１１に形成された環状突部１１
４に配設されている。ステータ１７と環状突部１１４と
の固定は、圧入による嵌合固定の他、接着剤による固定
でもよい。

【００３０】ロータハブ１５の外周下側には鍔部１５１
が形成され、ここにハードディスクが装着される。具体
的にはロータハブ１５の外周部１５２により位置決めさ
れて、鍔部１５１の上に複数のハードディスクが装着さ
れた後、クランプ部材などにより孔部１５３にネジ止め
されて、ハードディスクはロータハブ１５に対して保持
固定される。

【００３１】シャフト１の軸部１３１と固定スリーブ２
の内周面、およびスラストプレート１３２とスラスト溝
部１２２の間には微小間隙が形成され、潤滑流体３が保
持されている。そして固定スリーブ２の内周面の上部・
下部の潤滑流体保持部分には、シャフト１の回転にとも
ない潤滑流体中に動圧を発生するヘリングボーン状の動
圧発生溝１２３ａ，１２３ｂが形成されている。動圧発
生溝１２３ａ，ｂは、モータ回転時にシャフト１を半径
方向に保持する支持力を発生する。またスラストプレー
ト１３２の上面およびカウンタープレート１４の上面に
も、シャフト１の回転にともない潤滑流体中に動圧を発
生するヘリングボーン状の動圧発生溝１３３，１４１が
形成されている。この動圧発生溝１３３，１４１は、モ
ータ回転時にシャフト１を軸線方向に保持する支持力を
発生する。

【００３２】

【実施例】以下、実施例および比較例によって本発明を
さらに詳細に説明するが、本発明はこれらにより何ら限
定されるものではない。

【００３３】（テストピンの作製）ステンレス鋼（SUS4
20J2）を円柱形状に加工し、ガス窒化法により窒化処理
したもの（テストピンＰ１：表面硬度Ｈｖ：９００、窒
化処理による層厚：１０μｍ）、イオン化蒸着法でＤＬ
Ｃ膜を形成したもの（テストピンＰ２：表面硬度Ｈｖ：
３，０００）、ガス窒化法による窒化処理した後、イオ
ン化蒸着法でＤＬＣ膜を形成したもの（テストピンＰ
３：表面硬度Ｈｖ：３，０００、窒化処理による層厚：
１０μｍ）をそれぞれ作成した。なお、表面硬度は施さ
れる加工によって変化するため、この実施例における表
面硬度はすべて加工後の実測した値である。

【００３４】（Ｖブロックの作製）ステンレス鋼（SUS4
20J）をＶブロック（１対）の形状に加工した。これを
ブロックＢ１（表面硬度Ｈｖ：２５０）とした。そして
このＶブロックを焼き入れ処理したものをブロックＢ２
（Ｈｖ：７００）とした。また真鍮（表面硬度Ｈｖ：２
００）、高力黄銅（表面硬度Ｈｖ：３００）、高力黄銅
（表面硬度Ｈｖ：３５０）をＶブロックの形状に加工し
たものを、それぞれブロックＢ３、Ｂ４、Ｂ５とした。

【００３５】（焼き付き評価）図４に示す評価装置を用
いて、前記作製したテストピンＰ１〜Ｐ２及びＶブロッ
クＢ１、Ｂ２による焼き付き評価を行った。評価手順は
次のとおりである。まず、テストピンを回転部材に取り
付ける。そしてテストピンの軸に対して垂直方向から８
８２Ｎの力を加えてＶブロックでテストピンを挟み込
む。次に回転部材を３００ｒｐｍで回転させる。そして
焼き付きが発生するまでの時間を測定した。なお、３分
間のうちに焼き付きが発生しないときは、焼き付きなし
と評価した。測定結果を表１に示す。

【００３６】

【表１】

【００３７】表１から明らかなように、表面硬度Ｈｖが
２５０であるＶブロックＢ１を用いた場合には、本発明
の動圧軸受部品であるテストピンＰ３では焼き付きは発
生しなかったのに対し、テストピンＰ１及びＰ２では３
秒及び７０秒でそれぞれ焼き付きが発生した。一方、表
面硬度Ｈｖが７００であるＶブロックＢ２を用いた場合
には、本発明の動圧軸受部品であるテストピンＰ３では
１３０秒で焼き付きが発生したが、３０秒及び５０秒で
それぞれ焼き付きが発生したテストピンＰ１及びＰ２に
比べれば長時間焼き付きが発生しなかったといえる。

【００３８】（剥離性評価）テストピンＰ２，Ｐ３とＶ
ブロックＢ３〜Ｂ５を用いて、焼き付き評価と同じ評価
装置・条件でテストピンを３分間回転させた後、テスト
ピンの表面を顕微鏡で観察し、ＤＬＣ膜のクラック及び
剥離の有無を調べた。結果を表２に示す。

【００３９】

【表２】

【００４０】表２から明らかなように、本発明の実施例
であるテストピンＰ３では、ＶブロックＢ３，Ｂ４にお
いてはＤＬＣ膜のクラックおよび剥離は見られず、Ｖブ
ロックＢ５においてクラックおよび剥離が一部見られ
た。これに対し、テストピンＰ１，Ｐ２では、Ｖブロッ
クＢ３，Ｂ４においてＤＬＣ膜のクラックおよび剥離が
一部見られ、ＶブロックＢ５においてはＤＬＣ膜の剥離
が見られた。

【００４１】

【発明の効果】本発明の動圧軸受部品では、表面硬度Ｈ
ｖが６００以上の基材上にダイヤモンドライクカーボン
膜を形成した構成としたので、焼き付きを生じず、しか
もＤＬＣ膜のクラックや剥離といった劣化が長期間にわ
たって発生しない。

【００４２】また本発明の動圧軸受では、スリーブ部材
および軸部材の一方に前記の動圧軸受部品を用い、他方
に表面硬度Ｈｖが３００以下の金属部品を用いるので、
焼き付きやＤＬＣ膜の剥離といった劣化がさらに抑制さ
れる。

【００４３】さらに本発明のスピンドルモータでは、前
記の動圧軸受を備えるので、同様の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 ＤＬＣ膜の形成方法の一例を示す図である。

【図２】 本発明の動圧軸受の一実施態様を示す図であ
る。

【図３】 本発明のスピンドルモータの一実施態様を示
す図である。

【図４】 焼き付き評価装置の概説図である。

【符号の説明】

１ シャフト（軸部材） ２ スリーブ（スリーブ部材） ３ 潤滑流体 ４ ＤＬＣ膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3J011 AA04 BA02 CA02 CA05 SE02 5D109 BB01 BB12 BB18 BB21 BB22 BB31 5H605 BB05 BB19 CC02 CC04 CC05 EB01 EB02 EB21 5H607 BB01 BB14 BB17 CC01 CC05 DD03 FF12 GG01 GG02 GG12 GG15 JJ04 JJ06 KK10

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面硬度Ｈｖが６００以上の基材上にダ
   イヤモンドライクカーボン膜を形成したことを特徴とす
   る動圧軸受部品。
2. 【請求項２】 鋼からなる基材表面を熱処理することに
   よって表面硬度Ｈｖを６００以上とした請求項１記載の
   動圧軸受部品。
3. 【請求項３】 前記熱処理が窒化処理である請求項２記
   載の動圧軸受部品。
4. 【請求項４】 前記窒化処理により形成される層の層厚
   が１０μｍ以下である請求項３記載の動圧軸受部品。
5. 【請求項５】 軸部材と、該軸部材に対し微小間隙を有
   して周設されたスリーブ部材とを備え、前記スリーブ部
   材が前記軸部材の回りに相対的に回転可能にされた動圧
   軸受において、 前記スリーブ部材および前記軸部材の一方に請求項１〜
   ４のいずれかに記載の動圧軸受部品を用い、他方に表面
   硬度Ｈｖが３００以下の金属部品を用いたことを特徴と
   する動圧軸受。
6. 【請求項６】 請求項５記載の動圧軸受を備えたことを
   特徴とするスピンドルモータ。