JP2002349581A - 転動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 衝撃荷重等により軌道面に有害な永久変形が
生じにくい、音響特性に優れた転動装置を提供する。 【解決手段】 内輪１１と、外輪１２と、内輪１１と外
輪１２との間に転動自在に配設された複数の玉１３と、
を備える転がり軸受において、内輪１１と外輪１２とを
残留オーステナイトが０ｖｏｌ％である鋼で構成し、内
部硬さをＨｖ６７４〜７７２とし、さらに、 Nanoinden
tation法で測定した軌道面１１ａ，１２ａのビッカース
相当表面硬さを８００以上とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、音響特性に優れた
転動装置に係り、特に、ハードディスクドライブ装置
（以下、ＨＤＤと記す）、ビデオテープレコーダ（ＶＴ
Ｒ）、デジタルビデオディスク装置（ＤＶＤ）等に組み
込まれていて高速で回転するスピンドルモータ等におけ
る回転支持部分に好適に用いられる転動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＨＤＤ等の情報機器においては厳しい静
粛性が求められているため、該情報機器に組み込まれる
スピンドルモータ等の回転支持部分に使用される転動装
置においても、厳しい音響特性が要求されている。従
来、このような転動装置を構成する軌道輪等の転動部材
は、高炭素クロム軸受鋼２種であるＳＵＪ２（ＪＩＳ
Ｇ ４８０５）により製造されることが多く、焼入れ，
焼戻しにより硬さ及び残留オーステナイト量が適切な値
に調整されていた。

【０００３】転動装置は過大な荷重を受けたり瞬間的に
大きな衝撃荷重を受けると、転動部材の軌道面に局部的
な永久変形が生じることがあり、このような軌道面の永
久変形によって音響劣化（騒音上昇）が生じるおそれが
ある。このことは、厳しい音響特性が要求される高精度
の転動装置においては、大きな問題であった。このよう
な問題に対しては、軌道輪等の転動部材を構成する鋼の
硬さを上昇させたり、前記鋼中の残留オーステナイト量
を低減させたりすることによって、耐衝撃性を向上させ
る試みが従来からなされてきた（例えば、特開平７−１
０３２４１号公報等）。

【０００４】また、残留オーステナイトを完全に消失さ
せた鋼においては、窒素等の侵入型固溶元素を表面から
添加することによって、さらに耐衝撃性を向上可能であ
ることがわかってきた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来、表面の硬さを測
定する場合には、主にマイクロビッカース硬さ試験法が
用いられていた。そして、マイクロビッカース硬さ試験
法によって軸受鋼の表面硬さを測定する場合には、測定
荷重は０．９８Ｎ以上とすることが多く（０．９８Ｎ未
満では読み取り誤差が大きくなるため、実質的に測定不
能）、そのときの押し込み深さは２〜３μｍとなる。

【０００６】ところが、軸受鋼の表面から数μｍの深さ
位置までには、仕上げ加工の際に生成した破砕結晶やベ
イルビー層のような加工によって硬化した加工影響層が
存在する。そして、この加工影響層の硬さ，厚さ等の性
質は、加工の程度によって大きく異なると考えられる。
しかし、マイクロビッカース硬さ試験法によって表面硬
さを測定すると、押し込み深さが２〜３μｍであるた
め、真の表面硬さ（加工影響層の硬さ）が測定できない
ので、表面硬さから軸受鋼の耐衝撃性が評価できないと
いう問題点があった。

【０００７】本発明は、上記のような従来の転動装置が
有する問題点を解決するためになされたものであり、真
の表面硬さと耐衝撃性との相関を明らかにすることによ
り、衝撃荷重等によって軌道面に有害な永久変形が生じ
にくい、音響特性に優れた転動装置を提供することを課
題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発
明の転動装置は、内方部材と、外方部材と、前記内方部
材と前記外方部材との間に転動自在に配設された複数の
転動体と、を備える転動装置において、前記内方部材と
前記外方部材との少なくとも一方を、残留オーステナイ
トが０ｖｏｌ％である鋼で構成し、内部硬さをＨｖ６７
４〜７７２とし、さらに、 Nanoindentation法で測定し
た軌道面のビッカース相当表面硬さを８００以上とした
ことを特徴とする。

【０００９】このような構成であれば、前記内方部材や
前記外方部材の軌道面に衝撃荷重等による有害な永久変
形が生じにくく、したがって音響特性に優れている。本
発明者は Nanoindentation法によって上述の加工影響層
の硬度を測定することを試み、これと耐衝撃性の相関に
ついて鋭意検討した。すなわち、ずぶ焼入れ又は浸炭窒
化処理を施した従来の軸受鋼に種々の条件で仕上げ加工
を施し、その最表面近傍の加工影響層の硬さと耐衝撃性
の関係について鋭意調査を行った。

【００１０】その結果、内方部材や外方部材が有する軌
道面の極表層の硬さ（表面硬さ）は、研磨焼けを起こし
たような場合を除いて、研削等の歪による加工硬化によ
って内部硬さよりも高くなる傾向があって、特に、この
表面硬さがＨｖ８００以上である場合に、極めて耐衝撃
性に優れた転動装置とすることができることを見いだし
た。

【００１１】本発明の転動装置について、さらに詳細に
説明する。オーステナイトはマルテンサイトに比べて降
伏応力が小さいので、残留オーステナイトが残存する鋼
で内方部材や外方部材が構成された転動装置は、小さな
荷重や衝撃荷重等によってその軌道面に有害な永久変形
が生じやすい。したがって、鋼中の残留オーステナイト
を０ｖｏｌ％に抑えれば鋼の降伏応力が上昇するので、
耐衝撃性が向上して音響特性に優れた転動装置とするこ
とができる。

【００１２】また、鋼中の残留オーステナイトが０ｖｏ
ｌ％であると、前記軌道面の耐圧痕性が向上することに
加えて、軌道面の表面精度が経時的に劣化することが防
止される（寸法安定性に優れる）。すなわち、軌道面部
分に残留オーステナイトが存在すると、転動装置の使用
に伴って軌道面に繰り返し加わる転がり応力により、残
留オ−ステナイトが分解する。残留オーステナイトが分
解すると体積膨張が起こるので、軌道面の表面精度が劣
化して、例えば、軸受すきまが減少したり、焼付きや圧
痕を生じるなどの不具合が生じる。これに対して、本発
明の転動装置は、鋼中に残留オーステナイトが存在しな
いので、残留オーステナイトの分解に伴う上記のような
不具合が生じることがなく、よって、音響特性の劣化が
生じにくい。

【００１３】次に、内部硬さと表面硬さについて説明す
る。前記内方部材や前記外方部材の内部硬さを高くする
ことによって表面硬さを高くすることができるが、内部
硬さを高くしすぎると、例えば、靱性の劣化等の諸特性
の劣化を招くおそれがある。したがって、内部硬さは従
来品質と同等のＨｖ６７４〜７７２（ＨＲＣ５９〜６
３）とすることが好ましい。内部硬さがＨｖ７７２を超
えると、上記のように靱性の劣化等が生じるおそれがあ
り、内部硬さがＨｖ６７４未満であると、転動装置とし
て必要な機械的性質（寿命，剛性等）が得られない。内
部硬さを従来と同等とし表面硬さを高くする（極表層の
みを改質する）ことは、他の諸特性の劣化を招くことな
く耐衝撃性を向上させる上で非常に有効な方法である。

【００１４】本発明者が研究を重ねた結果、前記衝撃荷
重等によって発生する圧痕の深さは数十ｎｍであること
がわかった。このような微小圧痕が生成するとき、その
影響が及ぶ（塑性変形する）領域は圧痕の深さの１０倍
程度となる。そのため、耐衝撃性を論ずるためには、軌
道面から深さ数μｍの領域の機械的性質（硬さ）を知る
必要がある。

【００１５】また、軌道面に仕上げ加工を施す際に、研
削加工によって表面に生じる歪の量は、圧延で１０％程
度に相当する歪量であり、仕上げ加工により影響を受け
る領域は深さ２〜３μｍ程度とも言われている。そのた
め、表面から数μｍの深さの領域は芯部と比べて硬化し
ていることも容易に推測される。これらのことから、本
発明者は、軌道面の極表層の硬さが耐衝撃性に大きな影
響を及ぼすことを見出した。転動部材の機械的性質を向
上するために、焼入れにおいて温度を高くしたり窒素を
添加したりすると、軌道面の研削抵抗が上昇するので、
従来品と同等の表面精度に仕上げれば、軌道面の極表層
部は従来品よりも硬化し耐衝撃性が向上することとな
る。

【００１６】ＳＵＪ２にずぶ焼（従来の方法）を施して
残留オーステナイトを０ｖｏｌ％とした場合は、内部硬
さはＨｖ７７２（ＨＲＣ６３）以下であり、表面硬さで
Ｈｖ８００（ＨＲＣ６４）以上のものは得られなかっ
た。しかし、例えばＳＵＪ２に浸炭窒化処理を施して、
従来品と同等の表面精度に仕上げると、その軌道面の極
表層部は窒素添加の効果（研削抵抗の上昇，固溶窒素及
び析出窒素により加工硬化率が増大）により硬化し、表
面硬さＨｖ８００（ＨＲＣ６４）以上まで高めることが
可能となり、耐衝撃性を向上させることが可能となる。

【００１７】なお、本発明においては、表面硬さとは、
Nanoindentation法によって測定した軌道面の極表層の
硬さ（ビッカース相当表面硬さ）を意味する。したがっ
て、浸炭窒化処理等による硬化層の硬さは、本発明にお
いては表面硬さではなく、最表面に存在する仕上げ加工
によって硬化した加工影響層の硬さが、本発明における
表面硬さとなる。

【００１８】また、マイクロビッカース試験法によって
測定した硬さは、押し込み深さが数μｍレベルであるた
め、前記極表層部分とその直下の部分との双方の硬さが
反映された数値となる。本発明においては、このような
硬さを内部硬さとした。さらに、本発明における転動装
置としては、転がり軸受，ボールねじ，リニアガイド装
置等があげられる。

【００１９】さらにまた、本発明における前記内方部材
とは、転動装置が転がり軸受の場合には内輪、同じくリ
ニアガイド装置の場合には案内レール、同じくボールね
じの場合にはねじ軸を、それぞれ意味する。また、本発
明における前記外方部材とは、転動装置が転がり軸受の
場合には外輪、同じくボールねじの場合にはナット、同
じくリニアガイド装置の場合にはスライダを、それぞれ
意味する。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明に係る転動装置の実施の形
態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本
発明に係る転動装置の一実施形態である玉軸受の構造を
示す部分縦断面図である。この玉軸受（内径５ｍｍ、外
径１３ｍｍ、幅４ｍｍ、玉の直径２ｍｍ）は、内輪１１
と、外輪１２と、内輪１１と外輪１２との間に転動自在
に配設された複数の玉１３と、複数の玉１３を保持する
保持器１４と、外輪１２のシールみぞに取り付けられた
シール１５，１５と、で構成されている。

【００２１】内輪１１，外輪１２，及び玉１３はＳＵＪ
２（ＪＩＳ Ｇ４８０５）で構成されており、表１に示
すような焼入れ（浸炭窒化処理），サブゼロ処理，及び
焼戻しからなる熱処理が施されている。そして、浸炭窒
化処理の条件によって、内輪１１，外輪１２，及び玉１
３の内部硬さと表面硬さとが種々調整されている。な
お、比較例１〜６の玉軸受においては、焼入れ（ずぶ焼
き）の温度とサブゼロ処理の有無とによって、内輪１
１，外輪１２，及び玉１３の内部硬さと表面硬さとが種
々調整されている。

【００２２】内輪１１及び外輪１２の軌道面１１ａ，１
２ａと、玉１３の転動面１３ａとには、＃８０００〜＃
１２０００の砥石で超仕上げを施して、すべての供試体
が同レベルの表面精度（ＪＩＳ５級）となるようにし
た。

【００２３】

【表１】

【００２４】これらの玉軸受（実施例１〜６及び比較例
１〜６）の内輪１１の軌道面１１ａ，外輪１２の軌道面
１２ａ，及び玉１３の転動面１３ａについて、残留オー
ステナイト量，内部硬さ，及び表面硬さを測定した結果
を表１に示す。残留オーステナイト量は、Ｘ線回折法に
よって測定した。その結果、すべての供試体において残
留オーステナイト量は０ｖｏｌ％であった。

【００２５】また、表面硬さＨｖ（ビッカース相当表面
硬さ）は、 Nanoindentation法により次のようにして測
定した。すなわち、エリオニクス株式会社製の超微小押
し込み硬さ試験機を用いて、押し込み深さが３００ｎｍ
以下となるように１９．６ｍＮ以下の荷重にて測定し
た。その後、あらかじめマイクロビッカース硬さ標準試
験片を測定して得た換算式にて、ビッカース相当表面硬
さに変換した。

【００２６】Nanoindentation法で求めた硬さは、押し
込み深さが３００ｎｍ以下であるので、表面から３μｍ
以内の硬さを測定できていることになる。ここでは、１
９．６ｍＮ以下の微小荷重にて測定した硬さを表面硬さ
とする。図２は、実施例１と比較例１について、Nanoin
dentation 法による硬さ測定と電解研磨（０．５ｍｍ単
位で研磨した）とを繰り返すことによって深さ方向の硬
さプロファイルを測定した結果を示すものである。な
お、図中に示すように、硬さが、表面（深さ０μｍ）の
硬さと深さ１０μｍの位置の硬さとの平均値となる深さ
をもって、表面層厚さと定義した。

【００２７】また、本実施形態における内部硬さＨｖ
は、上記の１０μｍの深さ位置の硬さ（電解研磨で削り
落とした面のNanoindentation 法による表面硬さ）とし
た。なお、実施例１〜６の内部硬さは従来品質と同等の
Ｈｖ６７４〜７７２（ＨＲＣ５９〜６３）となってい
る。次に、表１の玉軸受の耐衝撃性を、下記のような落
下衝撃試験により評価した。すなわち、与圧を加えた状
態の玉軸受３を図３に示すＨＤＤスピンドルモータユニ
ット１に組み込んで、このＨＤＤスピンドルモータユニ
ット１を落下させて玉軸受３に衝撃荷重を加えるという
方法である。

【００２８】まず、ＨＤＤスピンドルモータユニット１
の構成について説明する。ＨＤＤスピンドルモータユニ
ット１は、円柱状の軸２と、２つの玉軸受３，３を介し
て該軸２を回転可能に支持するハウジング４と、から構
成されている。これらの二つの玉軸受３，３は上記の玉
軸受（実施例１〜６及び比較例１〜６）であり、同種の
物２個が軸方向に間隔をおいて軸２とハウジング４との
間に介装されている。また、軸２の上端には逆カップ状
のハブ５が一体的に取り付けられていて、軸受部分を覆
っている。

【００２９】さらに、軸２の下端にはカップ状のブラケ
ット６が取り付けられていて、ブラケット６の内周面に
はロータ磁石７が固定されている。そして、このロータ
磁石７とハウジング４の下部の外周面に固定されている
ステータ８とが、ギャップを介して周面対向して駆動モ
ータＭを形成しており、軸２とハブ５とブラケット６と
が一体的に回転駆動される。

【００３０】このようなＨＤＤスピンドルモータユニッ
ト１を種々の落下距離にて落下させることにより、玉軸
受３に種々の大きさの衝撃荷重を加えて、その際の衝撃
荷重と音響特性の劣化度合いとの関係を調査した。具体
的には、落下直後にＨＤＤスピンドルモータユニット１
のアキシアル振動加速度（Ｇ値）を測定し、落下後のＧ
値が落下前のＧ値より５以上高くなった場合に音響特性
が劣化したものとし、そのときの衝撃加速度を音響上昇
加速度と定義した。試験結果を表１に示す。

【００３１】まず、内部硬さに着目して考察する。音響
上昇加速度を内部硬さで整理した図４のグラフから分か
るように、内部硬さが大きいほど音響上昇加速度が大き
くなるという傾向が、表面硬さがＨｖ８００以上である
実施例１〜６（図４において○印で示した点）におい
て、より有効に働いている。ただし、ここでの内部硬さ
は従来は表面硬さと呼ばれていたものであるが、前述の
通り真の表面硬さではないから、耐衝撃性と内部硬さに
明確な相関性は見られない。

【００３２】次に、表面硬さに着目して考察する。音響
上昇加速度を表面硬さで整理した図５のグラフから分か
るように、グラフ中に実線で示すような明確な相関関係
が認められる。そして、実施例１〜６はすべて、音響上
昇加速度が９００Ｇ以上となっており、耐衝撃性が大変
優れている。図５のグラフから、音響上昇加速度を好ま
しい範囲である９００Ｇ以上とするためには、表面硬さ
をＨｖ８００（ＨＲＣ６４）以上とする必要があること
がわかる。

【００３３】なお、本実施形態は本発明の一例を示した
ものであって、本発明は本実施形態に限定されるもので
はない。例えば、軌道輪を製造する際の表面の硬化法
は、本実施形態の浸炭窒化処理及び研削処理（仕上げ加
工）に限定されるものではなく、例えばピーニング処理
のような方法で表面を硬化しても差し支えない。表面硬
さをＨｖ８００（ＨＲＣ６４）以上とすれば、硬化法に
かかわらず、耐衝撃性に優れた転動装置とすることがで
きる。

【００３４】また、本実施形態においては、転動装置と
して玉軸受を例示して説明したが、本発明は、他の種類
の転がり軸受に対して適用可能であることは言うまでも
ない。具体的には、アンギュラ玉軸受，円筒ころ軸受，
円すいころ軸受，針状ころ軸受，自動調心ころ軸受等の
ラジアル形の転がり軸受や、スラスト玉軸受，スラスト
ころ軸受等のスラスト形の転がり軸受である。

【００３５】さらに、本発明は、転がり軸受のみならず
他の種類の様々な転動装置に対して適用することができ
る。例えば、ボールねじ，リニアガイド装置等の直動案
内装置にも好適に適用可能である。

【００３６】

【発明の効果】以上のように、本発明の転動装置は耐衝
撃性に優れているので、衝撃荷重等によって軌道面に有
害な永久変形が生じにくく、音響特性に優れている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る転動装置の一実施形態である玉軸
受の構成を示す部分縦断面図である。

【図２】深さ方向の硬さプロファイルを測定した結果を
示す図である。

【図３】玉軸受を組み込んで落下衝撃試験を行うＨＤＤ
スピンドルモータユニットの模式的な断面図である。

【図４】内部硬さと音響上昇加速度との相関を示すグラ
フである。

【図５】表面硬さと音響上昇加速度との相関を示すグラ
フである。

【符号の説明】

１１ 内輪 １１ａ 軌道面 １２ 外輪 １２ａ 軌道面 １３ 玉

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内方部材と、外方部材と、前記内方部材
   と前記外方部材との間に転動自在に配設された複数の転
   動体と、を備える動装置において、 前記内方部材と前記外方部材との少なくとも一方を、残
   留オーステナイトが０ｖｏｌ％である鋼で構成し、内部
   硬さをＨｖ６７４〜７７２とし、さらに、 Nanoindenta
   tion法で測定した軌道面のビッカース相当表面硬さを８
   ００以上としたことを特徴とする転動装置。