JP2002070844A

JP2002070844A - 軸受機構

Info

Publication number: JP2002070844A
Application number: JP2000259750A
Authority: JP
Inventors: Jun Yatazawa; 純谷田沢; Makio Kato; 万規男加藤
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2000-08-29
Filing date: 2000-08-29
Publication date: 2002-03-08

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】比較的低速の領域においても高精度の潤滑効
果を維持して、軸受部における軸体と軸受体との接触等
による損耗を少なくし、一方高速回転領域においても十
分な耐摩耗性を維持して、長寿命化を図れる軸受機構。【解決手段】固定軸（第一部材）２の外周面２ａ’と
これに対向するスリーブ（第二部材）３の挿通孔３ａ’
内周面との少なくとも一方の周面に、気相成膜法によっ
てＤＬＣ被膜２ｂ，３ｂを形成する。このようにして形
成された耐摩耗性固体潤滑被膜は基材から剥れにくく、
低速から高速にわたって十分な耐摩耗性とともに高精度
の潤滑効果を有しており、動圧軸受部として長寿命化を
図ることができる。また、外周面２ａ’とこれに対向す
る挿通孔３ａ’内周面との少なくとも一方の周面に対し
て、散点状の微小な凹凸Ｑを分散形成して面荒らしを施
すことで、比較的低速の領域においても固定軸とスリー
ブとの接触等による損耗を少なくできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は軸受機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、軸受用材料として、滑り軸受
用にはＣｕ−Ｐｂ系合金、鉛青銅合金等が多く用いら
れ、転がり軸受用には高炭素クロム軸受鋼が一般に使用
されてきた。ところで近年パーソナルコンピュータやＯ
Ａ機器の発達はめざましく、記憶装置のハードディスク
駆動機構や、コピー機あるいはレーザープリンタ装置等
のポリゴンミラー駆動機構等に用いられる駆動モータ等
の軸受機構においては、例えば毎分１万回転以上の高速
運転を要求される。そして、このような高速運転でも振
れ回りの少ない回転を実現するために、動圧軸受が採用
されることがある。

【０００３】このような動圧軸受としては、例えば特開
平５−２１５１２８号公報に開示されているように、円
筒状の軸受体の内側に回転軸が挿通されるとともに、そ
の回転軸の外周面に、例えばヘリングボーン状の動圧発
生溝を周方向に形成したものが知られている。該構造に
おいては、回転軸を軸受体内部で高速回転させると、動
圧発生溝への作動流体のポンピング作用によって、回転
軸と軸受体との隙間にラジアル動圧が発生し、例えば振
動その他の外乱により回転軸線にラジアル方向の力が作
用した場合は、該動圧が復元力として作用するので、振
れ回りの少ない安定した回転を実現することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の動圧軸受において採用されたヘリングボーン状の動
圧発生溝を使用する機構では、通常毎分１万〜２万回転
もの高速回転を行わないと十分なラジアル動圧が発生せ
ず、このためかかる高速運転を常時維持する必要があ
る。このとき、軸受用材料の硬度が十分でないと、動圧
軸受部（回転軸、軸受体等）の耐摩耗性が十分に確保さ
れなくなるおそれがあり、軸受機構の寿命に影響を及ぼ
す。一方、回転機構の起動あるいは停止時等の低速回転
状態では、必然的に発生する回転トルクの増大と動圧不
足のため、回転軸と軸受体とが接触し、損耗を起こしや
すくなる。また、作動流体が潤滑油等の液体の場合に
は、高速回転領域でのいわゆる油切れによっても回転軸
と軸受体との接触等の問題が発生しやすくなる。なお、
潤滑油等を使用せず空気圧の形でラジアル動圧を発生さ
せるようにした動圧軸受も提案されているが、空気圧利
用の場合、本発明者らの検討によれば、十分なラジアル
動圧を発生させるにはさらに高速の毎分４〜５万回転以
上が必要となり、上記の問題がさらに助長される形とな
る。

【０００５】本発明の課題は、比較的低速の領域におい
ても高精度の潤滑効果を維持して、軸受部における軸体
と軸受体との接触等による損耗を少なくし、一方高速回
転領域においても十分な耐摩耗性を維持して、長寿命化
を図れる軸受機構を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】上記の課
題を解決するために、本発明の軸受機構の第一の構成
は、軸状の第一部材と、その第一部材が挿通される挿通
孔を有し、該挿通孔における前記第一部材の軸線周りの
相対回転を許容した状態にて、前記挿通孔内面と前記第
一部材の外周面との間に、作動流体にて満たされた所定
量の軸受隙間を形成する第二部材とを備え、前記第一部
材の外周面とこれに対向する前記第二部材の内周面との
少なくとも一方は、ダイス鋼にて構成される基材と、そ
の基材の表面に気相成膜法によって形成される耐摩耗性
固体潤滑被膜とを含み、前記第一部材と前記第二部材と
を相対回転させることにより、前記軸受隙間においてラ
ジアル動圧を発生させるようにしたことを特徴とする。

【０００７】また、本発明の軸受機構の第二の構成は、
軸状の第一部材と、その第一部材が挿通される挿通孔を
有し、該挿通孔における前記第一部材の軸線周りの相対
回転を許容した状態にて、前記挿通孔内面と前記第一部
材の外周面との間に、作動流体にて満たされた所定量の
軸受隙間を形成する第二部材とを備え、前記第一部材と
前記第二部材との少なくとも一方（以下、被選択部材と
いう）の基材がダイス鋼にて構成され、前記第一部材の
外周面とこれに対向する前記第二部材の内周面とのうち
前記被選択部材の周面に対して、散点状の微小な凹凸を
分散形成するとともに、気相成膜法による耐摩耗性固体
潤滑被膜が形成され、前記第一部材と前記第二部材とを
相対回転させることにより、前記軸受隙間においてラジ
アル動圧を発生させるようにしたことを特徴とする。

【０００８】このように、本発明は、第一部材と第二部
材との少なくとも一方の基材がダイス鋼にて構成され、
その表面（具体的には、第一部材の外周面とこれに対向
する第二部材の内周面との少なくとも一方の周面）に、
気相成膜法によって耐摩耗性固体潤滑被膜を形成するこ
とを主要構成要素の一つとしている。この気相成膜法に
よれば、気相原料から硬質高純度の耐摩耗性固体潤滑素
材を高密度で安定的にかつ燒結助剤等を要することなく
厚さを調整して被膜形成される。したがって、第一部材
と第二部材との少なくとも一方（以下、被選択部材とい
う）の基材の硬度が例えばロックウェル硬さ５０ＨＲＣ
以上であり、その基材表面に、耐摩耗性固体潤滑被膜を
厚さ２μｍ以下で容易に形成できる。しかもこのように
して形成された耐摩耗性固体潤滑被膜は基材から剥れに
くく、低速から高速に至る全回転領域にわたって十分な
耐摩耗性とともに高精度の潤滑効果を有しており、動圧
軸受部として長寿命化を図ることができる。なお、ロッ
クウェル硬さＨＲＣは、ＪＩＳＺ２２４５−1998に規
定された方法により測定されたものを意味する。

【０００９】ここで、気相成膜法による耐摩耗性固体潤
滑被膜の形成は、既知の方法、例えば以下のようなコー
ティング法を例示できる；（１）物理的手法（以下、ＰＶＤという）・真空蒸着法・スパッタリング法・イオンプレーティング法（２）化学的手法（以下、ＣＶＤという）・熱分解ＣＶＤ・不均等化反応ＣＶＤ・水素還元ＣＶＤ（３）ハイブリッドＣＶＤ・プラズマＣＶＤ・レーザＣＶＤ

【００１０】このうち、鋼材の表面に耐摩耗性の薄膜
（例えば厚さ１０μｍ以下）をコーティングするような
場合、厚さが均一で基材との密着度が高い被膜が得やす
いので、イオンプレーティング法が用いられることが多
い。この方法は、真空アーク放電を利用し、陰極に取り
付けた被膜材料を蒸気化又はイオン化することによって
基材上に被膜を形成するものである。

【００１１】本発明における耐摩耗性固体潤滑被膜とし
ては、例えば非晶質ダイヤモンド状炭素（Diamond Like
Carbon;以下、ＤＬＣという）被膜、窒化クロム被膜、
窒化チタン被膜等が好適に用いられる。これらの被膜
は、軸受用材料の表面被覆材として用いられたとき、十
分な硬度を有し、鋼材との密着性もよい。耐摩耗性固体
潤滑被膜は、これらの被膜のうちのいずれか１種のみか
ら形成されていても、また２種以上の被膜を複数積層し
て形成されていてもよい。

【００１２】そして、上記被選択部材の基材がダイス鋼
にて構成され、この基材の表面硬度はロックウェル硬さ
で５０〜６４ＨＲＣの範囲が望ましい。基材の表面硬度
がこの範囲にあれば基材表面に固体潤滑被膜がしっかり
と密着固定される。なお、基材の表面硬度が５０ＨＲＣ
未満では、固体潤滑被膜との硬度差が大きすぎて固体潤
滑被膜が剥離するおそれがある。一方、基材の表面硬度
が６４ＨＲＣ超では、基材として硬すぎて割れ等を生じ
やすくなる。

【００１３】ところで、耐摩耗性固体潤滑被膜として、
例えばＤＬＣ被膜、窒化クロム被膜、窒化チタン被膜の
うちのいずれかを選定し、被選択部材の基材として例え
ばダイス鋼を選定するに当たっては、次のような条件を
満足する必要がある。（ａ）被選択部材の基材とその表面にコーティングされ
る耐摩耗性固体潤滑被膜であること（ｂ）基材が焼入れ・焼戻しされた後、耐摩耗性固体潤
滑被膜がコーティングされること（ｃ）基材の焼戻し温度が、耐摩耗性固体潤滑被膜のコ
ーティング処理温度以上であること（ｄ）（ｃ）の焼戻し後の基材表面硬度が焼戻し前の硬
度と同等以上であること

【００１４】軸受用材料のように表面硬度を要する材料
として鋼材を用いる場合、焼戻しによって焼き入れ後よ
りも硬度を増す性質（焼戻し硬化）を利用することがあ
る。例えば、炭素工具鋼（ＳＫ材）を用いる場合に焼戻
し温度はおよそ１５０〜２００℃であり、表面硬度はロ
ックウェル硬さで５０ＨＲＣ以上が得られる。さらに表
面硬度を増すために基材表面に耐摩耗性固体潤滑被膜を
コーティングしようとすると、次のような問題が発生す
る。すなわち、耐摩耗性固体潤滑被膜のコーティング処
理温度が上記焼戻し温度を上回る場合、焼戻し時に基材
に存在した残留オーステナイトが被膜コーティング処理
の際の加熱によってマルテンサイトに変態し、この変態
に伴って基材に寸法変化（体積膨張）が発生する。

【００１５】このように、被膜コーティング処理の際に
寸法変化が発生する原因は、焼戻し時の残留オーステナ
イトの存在と、被膜コーティング処理温度より低い焼戻
し温度とに帰結する。なお、イオンプレーティング法に
よる被膜コーティング処理温度は、例えばＤＬＣ被膜で
約３００℃、窒化クロム被膜で約４００℃、窒化チタン
被膜で約５００℃である。そこで例えば、被選択部材の
基材としてダイス鋼（一例として、ＤＣ５３，ＳＫＤ１
１等）を用い、焼入れ温度を１０００〜１１００℃と
し、焼戻し温度を５００〜５５０℃とすれば、上記２つ
の原因を解消でき、この結果、基材表面硬度５０〜６４
ＨＲＣの被選択部材を得ることができる。なお、耐久性
を増すために焼戻しを２回以上行う場合がある。

【００１６】次に、本発明は、第一部材の外周面とこれ
に対向する第二部材の内周面との少なくとも一方（以
下、荒らし面という）の周面に対して、散点状の微小な
凹凸を分散形成して面荒らしを施すことを主要構成要素
の一つとしている。散点状の微小な凹凸を分散形成して
面荒らしすることで、従来の動圧発生溝を使用する従来
の軸受機構と比べて小さい回転速度で十分なラジアル動
圧を発生させることができるので、回転機構の起動ある
いは停止時等の低速回転状態において動圧不足状態とな
る時間が短くなり、ラジアル動圧軸受部における部材損
耗を起こしにくくすることができる。そして、この荒ら
し面に前述の耐摩耗性固体潤滑被膜を形成することによ
り、荒らし面での高精度かつ高硬度の潤滑効果が得られ
るので、第一部材と第二部材との接触等による部材の損
耗を極力抑えることができる。

【００１７】ところで、荒らし面に形成する散点状の微
小な凹凸は、例えば平均粒子径が５〜１００μｍの範囲
にて調整された打撃粒子を、凹凸の形成面部（上記の荒
らし面の形成部である）に対し５０〜３００ｍ／秒の速
度にて投射することにより形成することができる。該方
法によれば、散点状の微小な凹凸を分散形成する面荒ら
しする加工を簡単に行うことができ、例えばフォトエッ
チング等による溝加工等と比較して加工コストを削減す
ることができる。

【００１８】打撃粒子としては、形成面部を構成する材
質よりも硬質の粒子を使用することにより、凹凸形成を
効率よく行うことができる。例えば、形成面部の材質が
Ｆｅ系材料である場合、硬質粒子の材質としては、炭化
珪素、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素等のセラミック
粒子、ガラス粒子、あるいは高速度工具鋼、ステンレス
鋼（例えば高炭素ステンレス鋼）等の金属粒子を使用す
ることができる。なお、形成面部よりも硬質でない打撃
粒子を用いた場合でも、凹凸形成を行うことができる場
合がある。例えば、形成面部硬さの５０％以上の硬度を
有していれば、形成面部よりも硬質でない打撃粒子（例
えば、高速度工具鋼やステンレス鋼の粒子）を用いて
も、凹凸形成を行える場合が多い。

【００１９】なお、打撃粒子の形状としては、球状の粒
子を使用することが、微小な凹凸を均一に分散形成する
上で特に望ましい。この場合、なるべく大きさの揃った
球状粒子を使用すれば、打撃力を一様化できるのでさら
に有利である。なお、具体的には、使用する打撃粒子の
平均粒径をｄmとし、粒径ｄの標準偏差をσdとしたとき
に、σd／ｄmが０．０５未満であるのがよい。なお、均
一なラジアル動圧を発生させるためには、個々の凹凸形
状や寸法のばらつきを抑制することが望ましいといえる
が、この場合、例えば、形成面部に対し打撃粒子の投射
を複数回繰り返すことにより凹凸形成することが効果的
である。

【００２０】なお、散点状の微小な凹凸の分散形成（面
荒らし）は、耐摩耗性固体潤滑被膜の形成に先立って行
うことが望ましい。潤滑性能を高めるために被膜の硬度
は基材よりも高くなるように調整されるので、被膜の形
成後に面荒らしを行う場合には、打撃粒子の硬度や投射
速度を高レベルに保持する必要があり、実用的ではな
い。

【００２１】本発明において、動圧発生溝を利用する従
来の軸受機構と比べて低速にて動圧発生できる理由とし
ては、第一部材の外周面とこれに対向する第二部材の内
周面との少なくとも一方に上記した微小な凹凸を分散形
成することで、第一部材の外周面と第二部材の内周面の
軸受隙間に存在する作動流体が、凸部によって狭まった
隙間へ誘い込まれたときに発生するくさび膜効果の寄与
が考えられる。くさび膜効果は、第一部材と第二部材と
が相対的に偏心したときの隙間の局所的な狭小化によ
る、いわばマクロ的な要因によっても生ずるが、これに
凹凸形成によるミクロ的なくさび膜効果が相乗的に作用
して、動圧発生効果がさらに高められるものと考えられ
る。また、この凹凸は、従来の動圧発生溝と比較しては
るかに細かく分散して形成されているので、一層均一で
高レベルなくさび膜効果が期待できる。

【００２２】また、例えば円筒状の軸受体の内側に挿通
される回転軸にアンバランスが存在していたり、ラジア
ル方向に外力や振動等の外乱が発生して、回転軸に周期
的、および非周期的な振れ回りが生じる。全ての振れ回
りのうち、周期的な振れ回りであれば、振れ回りによっ
てずれる位置が定形的に把握でき、回転軸に対しての補
正は可能である。しかしながら、非周期的に発生する振
れ回りについては、時期並びに位置がランダムとなるの
で、補正は不可能となる。しかしながら、上記のごとき
本発明の軸受機構においては、挿通孔における第一部材
の軸線回りの非周期振れの偏心率を、２０％以下の小さ
な範囲に収めることが可能となる。例えば、軸受隙間が
３μｍであれば非周期振れは０．６μｍ以下とすること
ができる。

【００２３】第一部材と第二部材とのうち固体潤滑被膜
が形成された周面の表面粗さが、最大高さＲｙで０．５
〜２．５μｍの範囲にて調整されている。このように第
一部材の外周面と第二部材の内周面との少なくとも一方
に形成される荒らし面形成部の表面粗さを最大高さＲｙ
で０．５〜２．５μｍの範囲にて調整してあると、軸受
隙間に満たされた作動流体が、第一部材と第二部材との
相対回転によって乱流状態にて流動できる場合がある。
ただし、最大高さＲｙが上記範囲外になると乱流状態が
維持できないおそれがある。なお、最大高さＲｙは、Ｊ
ＩＳＢ０６０１−1994に規定された方法により測定さ
れたものを意味する。そして、このときの基準長さと評
価長さとは、当該ＪＩＳにおける標準値を採用する。

【００２４】次に、上記表面粗さを有する荒らし面は、
例えば軸状の第一部材の外周面に対しては、硬質粒子投
射等による加工を適用しやすいので、極めて容易に形成
できる。この場合、第二部材の内周面は、少なくとも最
大高さＲｙを２．５μｍ以下に調整することが、摩擦増
大による部材損耗を回避する観点において望ましいとい
える。そして、ラジアル動圧発生による回転軸線の振れ
回り防止効果をさらに高めるためには、第二部材の内周
面も同様の荒らし面とすることが一層望ましい。

【００２５】ここで、平行な２平板間に流体が満たされ
て、一方の板が固定され、他方の板が移動するとき、移
動する流体には慣性力と粘性力が作用している。この２
つの力の比をとったものがレイノルズ数Ｒｅとして知ら
れている。流体の密度をρ、粘性係数をμ、流動速度を
Ｖ、板間距離をＬとしたとき、Ｒｅ＝慣性力／粘性力＝（ρＶ^２Ｌ^２）／（μＶＬ）＝（ＶＬ）／ν （１）と表わされる。ただし、ν＝μ／ρは動粘性係数であ
る。式(１)において、Ｒｅ＝２３２０のとき臨界レイノ
ルズ数と呼び、Ｒｅ＜２３２０で層流、Ｒｅ＞２３２０
で乱流となることもよく知られている。

【００２６】ところで、動圧軸受部の負荷容量を増加さ
せるには、（ａ）動圧軸受部の軸受内径（軸受体の内径）又は軸受
長（軸受体の長さ）を大きくとることにより軸受面積を
増大させる（ｂ）動粘性係数νの大きい流体を使用する（ｃ）回転側部材の回転数を増加させる（ｄ）軸受隙間を減少させる等の方法がある。しかし、軸受機構の構造上の制約（小
型化の要請等）等から、これらの方法の実現には困難を
伴う。そこで、式（１）において、Ｒｅ＝(Ｖ／ν）・Ｌ（１）’ と表わしたとき、板間距離Ｌが一定で、流動速度Ｖが大
になると動粘性係数νが見掛け上大きくなる。すなわ
ち、上記（ｂ）項と同様の効果が得られ、これによって
動圧軸受部の負荷容量を増加させることが可能となる。

【００２７】そのために、軸受隙間を挟んで対向する第
一部材外周面と第二部材内周面との少なくとも一方に、
散点状の微小な凹凸を分散形成して面荒らしし、その表
面粗さを最大高さＲｙで０．５〜２．５μｍの範囲に調
整することで、従来よりも低速回転の領域においても作
動流体の流動速度Ｖが大になり、乱流となって流動する
ことができる。

【００２８】そして、ラジアル動圧軸受部において部材
損耗が起こりにくい十分なラジアル動圧を発生させるた
め、また、軸受隙間に満たされた作動流体を乱流状態に
て流動させるため、第一部材の外周面と第二部材の内周
面との相対回転数は、１００００ｒｐｍ以上に調整する
ことが望ましい。該回転数が１００００ｒｐｍ未満にな
ると、発生する動圧が不足し、接触摩擦増大による部材
損耗を招きやすくなり、かつ、作動流体の流動が層流状
態となって、動圧軸受部の負荷容量が減少する。また本
発明の軸受機構においては、前述の通り、従来の軸受機
構よりも低速回転領域（例えば２０００〜２００００ｒ
ｐｍ程度、あるいはさらに低速の２０００〜１５０００
ｒｐｍ程度）においても、十分な動圧発生が可能であ
り、軸受隙間に満たされた作動流体が乱流状態にて流動
することができる。ただし、該回転数範囲に限定される
ものではなく、例えば上記以上の速度で高速回転する軸
受部に対し適用することも十分に可能であり、このよう
な場合には、動圧による摩擦低減効果により部材の寿命
が延びる効果も期待できる。

【００２９】また、第一部材の外周面とこれに対向する
第二部材の内周面との少なくとも一方に、前記した散点
状の微小な凹凸とともに、ラジアル動圧発生に寄与する
溝部を形成することもできる。このような溝部を付加す
ることにより、ラジアル動圧発生による振れ回り防止効
果を一層高めることができる。

【００３０】次に、本発明においては、ラジアル動圧発
生効果を十分に高める上で、第一部材の外径を２ｒ1、
第二部材の内径を２ｒ2としたときに、ｒ2−ｒ1の値を
０．２〜２０μｍの範囲にて調整することが望ましい。
ｒ2−ｒ1は、いわば軸受隙間の大きさを反映したパラメ
ータであって、これが０．２μｍ未満になると、第一部
材外周面と第二部材内周面とが接触しやすくなり、摩擦
増大による部材損耗を招きやすくなる場合がある。他
方、ｒ2−ｒ1が２０μｍを超えると、隙間のシール性が
損なわれ、発生する動圧が不足する場合がある。ｒ2−
ｒ1の値は、より望ましくは１〜１０μｍとするのがよ
い。なお、ｒ1及びｒ2は、上記外周面あるいは内周面に
対して測定位置を変えながら外径２ｒ1あるいは内径２
ｒ2を測定したときに、２ｒ1の測定最大値を２ｒ1maxと
し、２ｒ2の測定最小値を２ｒ2minとして、それぞれ２
ｒ1max／２及び２ｒ2min／２にて算出されたものを意味
するものとする。

【００３１】次に、第一部材の外径を２ｒ1、第二部材
の内径を２ｒ2、各面の円筒度をＣとしたときに、Ｃ≦
（ｒ2−ｒ1）／２を満足していることが望ましい。Ｃが
（ｒ2−ｒ1）／２を超えると、第一部材外周面と第二部
材内周面とが接触しやすくなり、摩擦増大による部材損
耗を招きやすくなる場合がある。なお、本発明において
円筒度は、ＪＩＳＢ０６２１の５．４に定義されたも
のを採用する。

【００３２】なお、作動流体がオイル等の液体であって
も本発明の効果は十分発揮されるが、気体、とりわけ圧
縮性流体である空気において、ラジアル動圧軸受部の負
荷容量を増加させる効果が顕著であり、液体の場合に必
要な密封シールが不要であることとあいまって、用途の
拡大に寄与するところが大きい。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につ
き、図面に示す実施例を参照して説明する。（実施例１）図１は、本発明の軸受機構を使用したハー
ドディスク駆動機構の一例を示すものである。該ハード
ディスク駆動機構１００は、モータベース部８に対し、
その片面から立ち上がる形態でボルト９により取り付け
られた第一部材としての固定軸２（固定側部材）と、そ
の外側に回転可能に配置された第二部材としてのスリー
ブ３（回転側部材）とを備え、それら固定軸２とスリー
ブ３とは軸受機構１のラジアル動圧軸受部２０を構成し
ている。

【００３４】固定軸２の外周面２ａは円筒状面とされ、
固定軸２の上方の端面には断面円形状の凹部２ｃが軸線
方向に所定深さで形成されている。また、前記したスリ
ーブ３は、軸線方向の挿通孔３ａを有する筒状に形成さ
れ、該挿通孔３ａに対し固定軸２が挿通されるととも
に、スリーブ３の外周面は後述するスラストベース部１
５の内周面に固定されている。そして、挿通孔３ａの内
周面と、固定軸２の外周面２ａとの間には、ラジアル動
圧軸受部２０の軸受隙間Ｇが形成され、この軸受隙間Ｇ
は、空気（すなわち気体）で満たされた状態となってい
る。

【００３５】内周面にスリーブ３の外周面が固定される
スカート部１５ａと、固定軸２の一方の端面（上端面）
と対向する平坦な天頂部１５ｂを有し、全体としてキャ
ップ状に形成されたスラストベース部１５が、固定軸２
と軸線をほぼ一致させて、ラジアル動圧軸受部２０の外
側を覆っている。そして、スカート部１５ａの先端が水
平状のモータベース部８に対して上方側から内側に入り
込み、スラストベース部１５はモータベース部８に対し
て蓋を伏せたように被せられている。

【００３６】スラストベース部１５はハブとしての機能
も有しており、これと固定軸２との間に、メタル軸受で
構成された摩擦スラスト軸受部３０を設けてある。この
摩擦スラスト軸受部３０は、第一部材側接触体としての
固定側接触体３１と、スラストベース部側接触体として
の回転側接触体３２とを有し、固定軸２とスリーブ３と
の相対回転に伴い発生するスラスト力を両接触体３１，
３２間で支持している。円盤状の固定側接触体３１は、
固定軸２の端面に形成した凹部２ｃの内側に挿入され、
その全体が固定軸２の端面よりも内側（下方）に位置す
るように、接着剤等により固定されている。また、スラ
ストベース部１５の天頂部１５ｂの軸中心部には断面円
形状の貫通孔１５ｃが設けられ、この貫通孔１５ｃの内
側にその軸中心部が固定側接触体３１に向けて円柱状に
突出する、回転側接触体３２の円盤状本体部が挿入され
て、接着剤等により固定されている。このように、固定
側接触体３１を固定軸２の端面よりも内側に位置させ、
回転側接触体３２の軸中心部を固定側接触体３１に向け
て突出させると、軸線方向の寸法（高さ）が短くなり、
全体としてコンパクトになる。

【００３７】回転側接触体３２は、全体が硬度５０〜６
０ＨＲＣのダイカスト用金型用鋼材で構成され、その軸
中心部が固定側接触体３１に向けて円柱状に突出し、そ
の先端の固定側接触体３１との接触面３２ａが外向きに
凸の曲面状（ここでは球面状）に形成されている。回転
側接触体３２の曲面状接触面３２ａにより、中立状態へ
の復元力が発生し、振れ回りが少なくなる。また、固定
側接触体３１は、全体が硬度７０〜８０ＨＲＢの青銅又
は硬度５０〜７０ＨＲＢの焼結含油金属で構成され、そ
の接触面３１ａは平面状に形成されている。このよう
に、硬度の大きい回転側接触体３２の接触面３２ａを固
定側接触体３１に向けて突出する曲面状に形成すると、
回転側接触体３２の接触面３２ａによる固定側接触体３
１の接触面３１ａの損傷を防止できる。ところで、回転
側接触体３２の円柱状突出部の軸径Ｄが２〜１０ｍｍ
（例えば３ｍｍ）の場合、球面状接触面３２ａの半径Ｒ
1は１〜２０ｍｍに調整される。

【００３８】なお、１５ｄは、スラストベース部１５の
天頂部１５ｂに傾斜して貫通形成された孔径０．５〜３
ｍｍ（例えば１ｍｍ）の注油孔である。注油孔１５ｄ
は、周方向の複数箇所（実施例では２箇所）に設けら
れ、接触面３１ａ，３２ａの摩擦を軽減するための潤滑
油等を外部から補給するために用いられる。そして、固
定軸２の端面に形成される凹部２ｃの空間は、このとき
の潤滑油溜めとして利用される。

【００３９】次に、リング状のステータコア１１ａと、
そのコア１１ａに対し周方向に所定間隔で巻き付けられ
た複数のコイル１１ｂとからなるコイルユニット１１
（ステータ部）が、モータベース部８に固定的に嵌め込
まれている。このコイルユニット１１は、モータベース
部８の上面側に形成された円環状の空間部８ａに突き出
して位置しており、ラジアル動圧軸受部２０を挟んで摩
擦スラスト軸受部３０とは軸線方向反対側において、軸
受隙間Ｇよりも下方位置で配置されている。

【００４０】また、スラストベース部１５のスカート部
１５ａは、固定軸２の軸線方向においてコイルユニット
１１を覆い、その先端が空間部８ａ内に達する位置まで
スカート状に延びている。スカート部１５ａの外周面に
はスペーサ６ａを介して複数のデータ記録用ハードディ
スク６が取り付けられる。また、その内周面側にはコイ
ルユニット１１に対向する位置で空間部８ａ内に、複数
の永久磁石１２（ロータ部）が周方向に所定の間隔で取
り付けられている。そして、これら永久磁石１２はコイ
ルユニット１１とともに駆動モータ４０（駆動部）を構
成し、永久磁石１２は、スラストベース部１５とこれに
取り付けられたスリーブ３、ハードディスク６及び回転
側接触体３２とを固定軸２の周りに一体的に回転駆動す
る役割を果たす。

【００４１】一方、モータベース部８を介して固定軸２
（及び固定側接触体３１）とコイルユニット１１とが一
体化されている。このとき、コイルユニット１１と永久
磁石１２とをラジアル動圧軸受部２０（軸受隙間Ｇ）よ
りも下方位置に配置して、スリーブ３の内径２ｒ2を大
きくし、ラジアル動圧軸受部２０の負荷容量を増加させ
ている。また、ラジアル動圧軸受部２０の径方向外側に
形成される空間に、ハードディスク６が取り付けられて
いる。

【００４２】次に、軸受機構１のラジアル動圧軸受部２
０の製造工程は、概略以下の通りである（図２参照）。（１）固定軸２及びスリーブ３の機械加工工程（図２の
Ｐ１）（２）熱処理工程（同Ｐ２）（３）研磨工程（同Ｐ３）（４）面荒らし工程（同Ｐ４）（５）被膜コーティング工程（同Ｐ５）

【００４３】（１）固定軸２及びスリーブ３の機械加工
工程固定軸２となるべき基材（以下、固定軸基材という）の
外周面を旋削加工するとともに、スリーブ３となるべき
基材（以下、スリーブ基材という）を中ぐり加工し挿通
孔を形成する。このとき、軸受内径すなわち２ｒ2の寸
法は６〜２５ｍｍ（例えば１７ｍｍ）であり、軸受長す
なわち挿通孔の軸方向長さＭは５〜１５ｍｍ（例えば１
１．８ｍｍ）である。なお、固定軸基材及びスリーブ基
材の材質は、ダイス鋼（例えばＤＣ５３，ＳＫＤ１１
等）を用いる。

【００４４】（２）熱処理工程固定軸基材及びスリーブ基材を１０３０〜１０５０℃で
焼入れし、その後５２０〜５３０℃で焼戻しする。これ
によって、残留オーステナイトのほとんど全部をマルテ
ンサイトに変態させることができ、また、固定軸基材及
びスリーブ基材の表面硬度をロックウェル硬さで５０〜
６４ＨＲＣの範囲（例えば６０ＨＲＣ）になるように調
整することができる。なお、残留オーステナイトの消失
をより確実にするために、５２０〜５３０℃での焼戻し
を複数回（例えば２回）繰り返す場合がある。

【００４５】（３）研磨工程固定軸基材の外周面とスリーブ基材の挿通孔内周面を機
械研磨して、軸受隙間Ｇすなわちｒ2−ｒ1が０．２μｍ
〜２０μｍ（例えば８μｍ）となるように調整する。

【００４６】（４）面荒らし工程次に、前述のスリーブ基材３’の挿通孔３ａ’の内周面
と、前述の固定軸基材２’の外周面２ａ’（例えば、そ
の挿通孔３ａ’の内周面に対向する部分）とは、その少
なくとも一方に、図３（ａ）に模式的に示すように散点
状の微小な凹凸Ｑが分散形成され、面荒らしされてい
る。

【００４７】（５）被膜コーティング工程既知のイオンプレーティング法によって、スリーブ基材
３’の挿通孔３ａ’の内周面に耐摩耗性固体潤滑被膜
（たとえばＤＬＣ被膜）３ｂをコーティングして、スリ
ーブ３の挿通孔３ａを形成する。同様に、固定軸基材
２’の外周面２ａ’に耐摩耗性固体潤滑被膜（たとえば
ＤＬＣ被膜）２ｂをコーティングして、固定軸２の外周
面２ａを形成する（図４参照）。そして、固体潤滑被膜
２ｂ，３ｂの厚さの最大値ｔが０．１〜２μｍの範囲
（例えば１μｍ）となるように調整されている。また、
挿通孔３ａの内周面及び固定軸２の外周面２ａの表面粗
さが、最大高さＲｙで０．５〜２．５μｍの範囲（例え
ば１．４μｍ）となるように調整されている。したがっ
て、図４からも明らかなように、ｔ≦Ｒｙを満足し、荒
らし面が作動流体に作用して、ラジアル動圧を発生す
る。ただし、最大高さＲｙを測定するときの基準長さと
評価長さとは、ＪＩＳＢ０６０１−1994における標準
値を採用する。

【００４８】ここで、面荒らし及び被膜コーティングを
施す場合、図３（ｄ）・図４（ｃ）に示すように、挿通
孔３ａ’の内周面と、固定軸基材２’の外周面２ａ’と
の双方を、０．５μｍ≦Ｒｙ≦２．５μｍとなるように
面荒らし及び被膜コーティングしてもよいし、図３
（ｂ）・図４（ａ）あるいは図３（ｃ）・図４（ｂ）の
ように、一方のみを面荒らしした後、双方を被膜コーテ
ィングする形としてもよい。ただし、他方の面の最大高
さＲｙは２．５μｍ以下とすることが望ましい。

【００４９】次に、挿通孔３ａの内径（第二部材内径）
を２ｒ2、固定軸２の挿通孔３ａ内に挿通される部分の
外径（第一部材外径）を２ｒ1として、軸受隙間Ｇの大
きさに相当するｒ2−ｒ1は、０．２μｍ〜２０μｍ（望
ましくは１〜１０μｍ）に調整されている。また、挿通
孔３ａの内周面及び固定軸２の外周面２ａの各円筒度を
Ｃとしたときに、Ｃ≦（ｒ2−ｒ1）／２となるように調
整されている。ただし、円筒度はＪＩＳＢ０６２１の
５．４に定義されたものを採用する。

【００５０】上記のように構成されたハードディスク駆
動機構１００において、コイルユニット１１のコイル１
１ｂに電流を流して駆動モータ４０を作動させることに
より、例えばスリーブ３を４０００〜２００００ｒｐｍ
の回転速度で回転させる。軸受隙間Ｇを挟んで対向する
各面２ａ，３ａに、図３・図４に模式的に示すような微
小な凹凸を分散形成して、その最大高さＲｙを前記範囲
に調整してあることから、軸受隙間Ｇには固定軸２の半
径方向すなわちラジアル方向の動圧が生じる。そして、
スリーブ３に対し振動等により半径方向の振れ力が作用
しても、上記のラジアル動圧が復元力となって振れ回り
が生じにくくなる。本実施例の構成では、十分なラジア
ル動圧を発生するための回転速度が上記のように比較的
小さいので、固定軸２やスリーブ３に損耗が生じにく
い。

【００５１】（実験例１）上記実施例１に基づいて、固
定軸及びスリーブの基材がともにダイス鋼（材質：ＤＣ
５３）で構成された軸受機構を作成した。そして、固定
軸の外周面及びスリーブの内周面に対するＤＬＣ被膜の
有無と微小凹凸の有無とを組み合わせた計３種の軸受機
構をそれぞれ駆動モータに搭載し、起動−停止の繰り返
し試験を実施した。この試験は、停止状態の駆動モータ
を起動させ、１００００ｒｐｍに達した後に、スイッチ
を切って停止させる操作を繰り返し行い、振れ回りが発
生するまでの繰り返し回数をカウントした。実験結果を
表１に示す。

【００５２】

【表１】

【００５３】表１から、まずＤＬＣ被膜を固定軸の外周
面及びスリーブの内周面に形成することによって軸受機
構の寿命が延び、加えて微小凹凸を固定軸の外周面及び
スリーブの内周面に形成することにより、さらに長寿命
となることがわかる。なお、軸受機構No.１の場合は、
繰り返し回数２５０００回で試験を打ち切った。

【００５４】（実験例２）再び上記実施例１に基づい
て、固定軸及びスリーブの基材がともにダイス鋼（材
質：ＤＣ５３）で構成され、固定軸の外周面及びスリー
ブの内周面にＤＬＣ被膜が形成された軸受機構を作成し
た。そして、基材ダイス鋼の硬度を種々変化させた軸受
機構をそれぞれ駆動モータに搭載し、実験例１と同様に
起動−停止の繰り返し操作を１００００回ずつ行った。
その後軸受機構を分解して、ＤＬＣ被膜の剥離と基材ダ
イス鋼の割れとが発生していないかを調べた。基材ダイ
ス鋼の硬度範囲でみたＤＬＣ被膜の剥離発生率と基材ダ
イス鋼の割れ発生率とを表２に示す。

【００５５】

【表２】

【００５６】表２において、基材ダイス鋼の硬度が５０
ＨＲＣを下回るとＤＬＣ被膜の剥離が発生し始め、基材
ダイス鋼の硬度が６４ＨＲＣを上回ると基材ダイス鋼の
割れが発生し始める。

【００５７】（実施例２）図５は、本発明の軸受機構を
使用したポリゴンミラー駆動機構の一例を示すものであ
る。このポリゴンミラー駆動機構２００の軸受機構１
は、実施例１（図１）と同様の構造、すなわちラジアル
動圧軸受部２０，スラストベース部１５及び摩擦スラス
ト軸受部３０を有している。さらにポリゴンミラー駆動
機構２００に使用される駆動モータ４０（駆動部)も実
施例１と同様の構造を有している。したがって、実施例
１との共通部分には同一符号を付して説明を省略する。

【００５８】ポリゴンミラー５３は、回転軸線の周囲を
取り囲む形態で複数の反射面５３ｃが多面体状に形成さ
れており、スラストベース部１５のスカート部１５ａの
外周面に取り付けられている。また、スカート部１５ａ
の外周面にはドーナツ状のマグネットプレート５９も取
り付けられている。マグネットプレート５９の、ポリゴ
ンミラー５３の反対側の端面に対向する板面には、固定
軸２を取り囲む形態で複数の永久磁石５７が取り付けら
れている。この磁石５７は、その磁力吸引による浮力を
ポリゴンミラー５３に与え、ポリゴンミラー５３が自重
で撓むのを防止している。

【００５９】上記のように構成されたポリゴンミラー駆
動機構２００において、コイルユニット１１のコイル１
１ｂに電流を流して駆動モータ４０を作動させることに
より、例えばスリーブ３を１００００〜４００００ｒｐ
ｍの回転速度で回転させる。軸受隙間Ｇを挟んで対向す
る各面２ａ，３ａに、図３・図４に模式的に示すような
微小な凹凸を分散形成し、その最大高さＲｙを前記範囲
に調整してあることから、軸受隙間Ｇには固定軸２の半
径方向すなわちラジアル方向の動圧が生じる。このラジ
アル動圧がポリゴンミラー５３の振れ回り防止に寄与す
る。

【００６０】（実施例３）本発明の軸受機構において
は、第一部材の外周面とこれに対向する前記第二部材の
内周面との少なくとも一方に、前記散点状の微小な凹凸
とともに、ラジアル動圧発生に寄与する溝部を形成する
ことができる。図６にその一例を示している。この軸受
機構７１においては、第一部材としての固定軸７２（固
定側部材）の外周面７２ａと、その外側に配置される第
二部材としてのスリーブ７３（回転側部材）の挿通孔７
３ａの内周面との間に軸受隙間Ｇが形成されている。図
６（ｂ）に示すように、この固定軸７２の外周面には、
軸線方向の複数箇所（この実施例では２ケ所）に動圧発
生用の溝部７２ｃの列が形成されている。各溝部列は、
固定軸７２の周方向の基準線ＢＬ上に、各溝部７２ｃの
山型（あるいはブーメラン型）のパターンの先端が位置
するように、所定の間隔で全周にわたって形成したもの
である（いわゆるヘリングボーン形態）。なお、各列毎
に、溝部７２ｃの一方の端部側をつなぐ周方向の補助溝
部７２ｄが形成されていてもよい。また、このような溝
パターンの形成工程は、微小凹凸の形成工程の前後いず
れでも実施できる。さらに、この溝部は図６（ｃ）のよ
うに傾斜溝７２ｃ’でもよい。

【００６１】したがって、この実施例における軸受機構
１のラジアル動圧軸受部２０の製造工程は、以下の通り
に変更される（図７参照）。なお、既述の如く（４）と
（５）の工程は入れ替えて実施することができる。（１）固定軸２及びスリーブ３の機械加工工程（図７の
Ｐ１）（２）熱処理工程（同Ｐ２）（３）研磨工程（同Ｐ３）（４）面荒らし工程（同Ｐ４）（５）溝部形成工程（同Ｐ４Ａ）（６）被膜コーティング工程（同Ｐ５）

【００６２】以上で説明した実施例では、軸受隙間Ｇを
満たす作動流体として空気を用いたが、本発明はその他
の気体やオイル等の液体にも適用される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の軸受機構を採用したハードディスク駆
動機構の一例を示す縦断面図。

【図２】図１の軸受機構のラジアル動圧軸受部の製造工
程図。

【図３】ラジアル動圧軸受部の荒らし面の状況を模式的
に示す説明図。

【図４】図３の拡大図。

【図５】本発明の軸受機構を採用したポリゴンミラー駆
動機構の一例を示す縦断面図。

【図６】ラジアル動圧軸受部の荒らし面に微小な凹凸と
ともに溝部を形成する一例を示す説明図。

【図７】図２の変更例を示す製造工程図。

【符号の説明】

１軸受機構２固定軸（第一部材；固定側部材）２ａ外周面２ｂＤＬＣ被膜（耐摩耗性固体潤滑被膜）２ｃ凹部２’ 固定軸基材２ａ’ 固定軸基材の外周面３スリーブ（第二部材；回転側部材）３ａ挿通孔３ｂＤＬＣ被膜（耐摩耗性固体潤滑被膜）３’ スリーブ基材３ａ’ スリーブ基材の挿通孔６ハードディスク８モータベース部１１コイルユニット（ステータ部）１２永久磁石（ロータ部）１５スラストベース部２０ラジアル動圧軸受部３０摩擦スラスト軸受部３１固定側接触体（第一部材側接触体）３１ａ接触面３２回転側接触体（スラストベース部側接触体）３２ａ接触面４０駆動モータ（駆動部）５３ポリゴンミラー７１軸受機構７２固定軸（第一部材；固定側部材）７２ａ外周面７２ｃ溝部７２ｃ’溝部７３スリーブ（第二部材；回転側部材）７３ａ挿通孔１００ハードディスク駆動機構２００ポリゴンミラー駆動機構Ｇ軸受隙間Ｑ微小凹凸２ｒ1 固定軸外径（第一部材外径）２ｒ2 挿通孔内径（第二部材内径）Ｃ円筒度Ｒｙ最大高さ（表面粗さ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考） // Ｇ１１Ｂ 19/20 Ｇ１１Ｂ 19/20 ＥＦターム(参考） 3J011 AA07 BA02 CA03 CA05 CA10 DA02 JA02 KA02 KA03 MA02 PA02 RA03 SE04 5D109 BB01 BB17 BB21 BB22 BB31 5H605 BB05 BB09 BB10 BB14 BB19 CC04 EB03 EB06 EB17 GG09 GG21 5H607 AA12 BB01 BB07 BB09 BB14 BB17 BB25 CC01 DD16 GG01 GG03 GG09 GG12 GG14 GG15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軸状の第一部材と、その第一部材が挿通される挿通孔を有し、該挿通孔にお
ける前記第一部材の軸線周りの相対回転を許容した状態
にて、前記挿通孔内面と前記第一部材の外周面との間
に、作動流体にて満たされた所定量の軸受隙間を形成す
る第二部材とを備え、前記第一部材の外周面とこれに対向する前記第二部材の
内周面との少なくとも一方は、ダイス鋼にて構成される
基材と、その基材の表面に気相成膜法によって形成され
る耐摩耗性固体潤滑被膜とを含み、前記第一部材と前記
第二部材とを相対回転させることにより、前記軸受隙間
においてラジアル動圧を発生させるようにしたことを特
徴とする軸受機構。
【請求項２】軸状の第一部材と、その第一部材が挿通される挿通孔を有し、該挿通孔にお
ける前記第一部材の軸線周りの相対回転を許容した状態
にて、前記挿通孔内面と前記第一部材の外周面との間
に、作動流体にて満たされた所定量の軸受隙間を形成す
る第二部材とを備え、前記第一部材と前記第二部材との少なくとも一方（以
下、被選択部材という）の基材がダイス鋼にて構成さ
れ、前記第一部材の外周面とこれに対向する前記第二部材の
内周面とのうち前記被選択部材の周面に対して、散点状
の微小な凹凸を分散形成するとともに、気相成膜法によ
る耐摩耗性固体潤滑被膜が形成され、前記第一部材と前記第二部材とを相対回転させることに
より、前記軸受隙間においてラジアル動圧を発生させる
ようにしたことを特徴とする軸受機構。
【請求項３】前記固体潤滑被膜が非晶質ダイヤモンド
状炭素被膜、窒化クロム被膜及び窒化チタン被膜のうち
少なくともいずれか１種からなる請求項１又は２記載の
軸受機構。
【請求項４】前記第一部材の基材と前記第二部材の基
材とがともにダイス鋼にて構成され、該基材の表面硬度
がロックウェル硬さで５０〜６４ＨＲＣの範囲にて調整
されている請求項１ないし３のいずれかに記載の軸受機
構。