JP2005207464A

JP2005207464A - 動圧軸受装置とその加工方法

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Publication number: JP2005207464A
Application number: JP2004012895A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Takahashi; 高橋　　毅; Kenji Ogimoto; 健治荻本
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 2004-01-21
Filing date: 2004-01-21
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2024-01-21
Also published as: JP4412466B2

Abstract

【課題】メッキや固体潤滑膜等のコーティングを施すことなく、耐摩耗性に優れる長寿命な動圧軸受装置とその加工方法を提供する。
【解決手段】動圧軸受スリーブ１を、摺動特性に優れる黒鉛を主成分とする原料を多孔質に焼成した材料に、樹脂１０を含浸させて形成する。また、樹脂１０の含浸後（ａ）のスリーブ内周面１ａに、予め求めた動圧軸受の使用時におけるスリーブの最高温度を越える温度が加工面に加わる加工条件で切削加工を施し、このスリーブ内周面１ａを所要の寸法に仕上げる（ｂ）。切削加工時の熱により膨張した状態で切削／研削された樹脂部１０ａは、温度の低下とともに黒鉛の露出部よりも凹面となり（ｃ）、動圧軸受装置の作動時の温度上昇によっても、スリーブ内周面１ａから突出することがない。
【選択図】図２

Description

本発明は、焼結材料からなる多孔質軸受スリーブを用いた動圧軸受装置とその加工方法に関する。

近年、磁気ディスクや光ディスクなどに用いられるスピンドルモータ等のような高速回転装置を支持するための軸受装置として、動圧軸受装置（流体軸受装置）が採用されている。動圧軸受装置は、一般に、軸と軸受スリーブ等、相対回転自在に配置された二つの部材における互いの対向面（動圧面）のいずれか一方に、複数条の動圧溝を形成するとともに、その対向面間に潤滑油剤、液体金属等の液体、または種々の気体等の潤滑流体を充填した構成を採る。この構成により、動圧軸受装置は、二つの部材の相対回転時に、動圧溝のポンピング作用等によって潤滑流体に圧力（動圧）を発生させ、その圧力により二つの部材を非接触に支持する。

このような動圧軸受装置には、軸部材を支持する軸受スリーブを、金属紛等を焼成（焼結加工）することによって作製したものがある。また、焼結材料を用いた多孔質軸受スリーブは、形状加工が容易であるという特徴を有することから、特に小型の動圧軸受装置に採用される例が多い。

ところで、ハードディスク装置等、動圧軸受が用いられるスピンドルモータは、断続的に回転と停止を繰り返すこともあり、十分な動圧力が得られない起動・停止時に、軸部材と軸受スリーブとが接触し、摩耗粉が生じてしまう場合があった。

そこで、この接触時の摩耗粉の発生を防止し、動圧軸受の耐久性を高める手段として、これら軸受スリーブと軸部材の対向面の少なくとも一方に、ニッケル等からなるメッキを施す方法や、固体潤滑剤を含む被膜を形成する方法（特許文献１〜２等を参照）、固体潤滑剤を含有する材料からなる軸受スリーブや軸部材を用いる方法（特許文献３〜４等を参照）、あるいは、セラミックス製の軸受スリーブや表面にセラミックスをコーティングした軸受部材を使用する方法（特許文献５〜６等を参照）などが提案されている。

特開平７−２７９９６６号公報特開２０００−２１３５３３号公報特開平１１−３３６７６０号公報特開２００２−１３０２８５号公報特開平８−１５２０２０号公報特開２００２−２１３４５４号公報

しかしながら、動圧軸受の対向面にメッキや固体潤滑膜等を形成する方法は、膜厚を厳密に管理することが難しく、高い加工精度が要求される軸受スリーブの内径寸法（軸部材に対するクリアランス）がばらついて、所要の軸受性能を発揮できない可能性がある。また、固体潤滑剤は、一般的に軸受部材とのなじみが悪いため、この固体潤滑膜を形成する前に、予め部材表面に下地処理を施す必要があるうえ、作動中の部材どうしの接触に起因して、被膜がはく離してしまう恐れもある。

また、セラミックスを用いた軸受部材は、このセラミックスが極めて硬い材料であることから、高精度が要求される動圧溝等の加工が難しく、摺動する相手部材を摩耗させてしまう場合もある。

本発明は、上記する実情を鑑みてなされたものであり、メッキや固体潤滑膜等のコーティングを施すことなく、耐摩耗性に優れる長寿命な動圧軸受装置とその加工方法を提供することを目的としている。

前記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、軸受スリーブと、この軸受スリーブの内周に僅かのすき間を開けて配置された軸部材と、これら軸受スリーブと軸部材の間に充填された潤滑流体とを備え、前記軸受スリーブと軸部材の対向面のどちらか一方に形成された動圧溝で発生する動圧によって、前記軸部材の回転を支持する動圧軸受装置において、前記軸受スリーブが、黒鉛を主成分とする原料を多孔質に焼成した材料に、樹脂および／または金属を含浸させて形成されていることを特徴とする。

本発明は、動圧軸受装置に使用される多孔質軸受スリーブの主原料に、摺動特性に優れた黒鉛を用いることにより、所期の目的を達成しようとするものである。

黒鉛（グラファイト）は、六方晶系に属する積層構造を持った結晶である。また、黒鉛を組成する六角層平面内の炭素原子は、お互い強い共有結合で結ばれているが、六角層間（上下方向）は、弱いファン・デル・ワールス結合で結ばれているのみであり、外力により容易に層間剥離を起こすという特徴を有している。

本発明者らは、摺動特性に優れる黒鉛を、動圧軸受装置のスリーブの材料に応用するにあたり、種々の試行を行なった。その過程で、多孔質に焼成した軸受スリーブに、バインダーとしての樹脂および／または金属を含浸させることにより、黒鉛のもろさを改善できることを確認した。

しかしながら、この樹脂および／または金属を含浸させた黒鉛製軸受スリーブを、実際に動圧軸受装置に組み込んで試験を行なったところ、コーティングを施した軸受スリーブを用いた動圧軸受装置よりも摩耗量が増えてしまうことが判明した。

そこで、本発明者らは、この現象を詳細に観察し、検証を繰り返した結果、以下の知見を得た。すなわち、黒鉛は線膨張係数が小さい物質として知られるが、この黒鉛に比べ、含浸させた樹脂あるいは金属の線膨張係数が大きいため、動圧軸受装置の回転による温度上昇によって、軸受スリーブの内周面からこれら樹脂あるいは金属が突出し、この凸部を起点にして黒鉛層のはく離が発生していることが判った。また、この事実から、使用時に軸受スリーブが曝される最高温度以上の温度が加わるようにして、軸受スリーブの内周面の加工を行なうことにより、黒鉛の層間はく離を防止できることを見出したのである。

請求項２に記載の発明は、以上のような知見を元になされたものであり、黒鉛を主成分とする原料を焼成した後、樹脂および／または金属を含浸させて軸受スリーブを形成するとともに、予め求めた使用時の最高温度を越える温度が加工面に加わる加工条件で、前記軸受スリーブの内周に切削加工あるいは研削加工を施し、この軸受スリーブの内周面を所要の寸法に仕上げたことを特徴とする動圧軸受装置の加工方法である。

すなわち、この加工方法によって、黒鉛の間に含浸された樹脂および／または金属が、加工時の熱により膨張し、軸受スリーブ表面の黒鉛層より突出した状態で削り取られるとともに、加工終了後には、この樹脂および／または金属の部位が、温度の低下によって黒鉛層の表面より若干凹面となることとなる。また、加工時の温度が、軸受スリーブの使用される環境の最高温度より高かったことから、この樹脂および／または金属の部位は、使用時の熱によっても、前記黒鉛層の表面から突出することなく、黒鉛のはく離の原因となることもない。

なお、多孔質軸受スリーブに含浸された樹脂および／または金属は、このスリーブの表面に存在する気孔を封鎖し、動圧溝で発生する動圧がスリーブ内部に逃げてしまうのを防ぐ効果も奏する。

以上のように、本発明の加工方法によれば、耐摩耗性に優れ、かつ、摺動相手部材に対する攻撃性の低い黒鉛を用いた動圧軸受スリーブを備える動圧軸受装置を実現することができる。

また、この軸受スリーブを使用した動圧軸受装置は、軸受スリーブと軸部材との接触による摩耗粉の発生が抑えられ、その性能を長期に渡り維持することができる。

以下、図面を参照しつつこの発明を実施するための形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態における動圧軸受装置の構造を示す要部断面図である。

本実施形態における動圧軸受装置は、動圧溝のポンピング作用によって発生する動圧により、ラジアル方向の荷重を負荷するタイプの動圧軸受であり、外周面２ａにラジアル動圧溝を有するシャフト２と、このシャフト２の周囲に配置された多孔質軸受スリーブ１（以下、単に「スリーブ」とする）とを主体として構成されている。なお、これらシャフト２とスリーブ１の周囲には、図示しない略筒状のハウジングが配置されている。

スリーブ１は、焼結材料（後述）によって形成された円筒状であり、その内周面１ａの直径は、嵌合されるシャフト２の径より僅かに大きく形成されている。また、シャフト２は、例えばステンレス鋼を用いて形成されており、その外周面２ａには、軸方向に距離を隔てた２ヶ所に、ラジアル動圧発生用のＶ字状あるいはヘリングボーン状等の動圧溝が形成されている。

なお、シャフト２とスリーブ１との間の空間には、図示しない潤滑流体（潤滑剤等）が充填されているとともに、これらを収納するハウジング（図示省略）の一端の開口は蓋部材等で密封され、他端の開口はキャピラリシール等によりシールされている。また、シャフト２とスリーブ１との相対回転によってこの潤滑流体に発生する動圧により、シャフト２の回転が非接触に支持される。

本実施形態における動圧軸受装置の特徴は、シャフト２を支持するスリーブ１が、黒鉛を主成分とする原料を多孔質に焼成した焼結材料から形成されている点である。また、このスリーブ１は、樹脂を含浸させることによって、黒鉛粒子の間の気孔が塞がれている。

スリーブ１の製造は、基本的には従来の多孔質動圧軸受スリーブと同様の方法で行なわれる。まず、主成分である黒鉛と焼結剤および焼結助剤等を混合した後、所定の円筒形状に成形し、その後焼成を行なう。得られた多孔質スリーブ１は、例えば熱硬化性樹脂等からなる樹脂溶液に浸漬することで、その表面および内部に存在する気孔に樹脂成分が浸透する。スリーブ１を樹脂溶液から引き上げ、乾燥させた後、内周面１ａを所定の寸法に加工して、本実施形態の動圧軸受スリーブを得る。

本実施形態における軸受スリーブの形状加工の特徴は、前記スリーブ内周面１ａの加工方法にある。従来、このスリーブ内周面１ａは、研磨加工を施すことにより、その寸法精度と面粗度が確保されてきた。しかしながら、この実施形態におけるスリーブ１は、切削加工によりその内周面１ａの仕上げが行なわれている。また、この切削加工は、予め求めた動圧軸受の使用時におけるスリーブの最高温度を越える温度が加工面（スリーブ内周面１ａ）に加わる加工条件、すなわち含浸された樹脂が膨張した状態で行なわれている。

この切削加工前後のスリーブ内周面１ａの状態を図２に示す。この図２における（ａ）は切削加工前（樹脂１０の含浸後）の表面状態、（ｂ）は切削加工直後の表面状態、（ｃ）は放冷後のスリーブ内周面の表面状態を表す模式図である。

樹脂を含浸・乾燥させた後のスリーブ内周面（ａ）は、焼結黒鉛からなるスリーブ内周面１ａが樹脂１０で覆われた状態であるが、切削加工によって加工基準面より上部の部位が取り除かれたことにより、切削加工直後の加工面（ｂ）は、黒鉛の露出部（１ａ）および残存樹脂部（１０ａ）からなる略平坦な面である。その後、切削加工時に与えられた熱により膨張していた樹脂部１０ａは、温度の低下とともに体積を減少させ、放冷後の加工面（ｃ）は、この樹脂部１０ａが黒鉛の露出部（１ａ）より凹面となっている。

ここで、この樹脂部１０ａは、加工による熱で膨張した状態で切削されていることから、動圧軸受装置の回転による温度上昇によっても、スリーブ１の内周面１ａから突出することがない。従って、この動圧軸受装置は、この樹脂部１０ａを起点にした黒鉛層のはく離が防止される。

また、この動圧軸受装置のスリーブ１は、摺動特性に優れた黒鉛を使用していることから、摺動相手部材であるシャフト２に対する攻撃性が低く、起動・停止時におけるシャフト２とスリーブ１の接触に起因する摩耗粉の発生が抑制される。従って、本実施形態における動圧軸受装置は、メッキや固体潤滑膜等のコーティングを施すことなく、耐久性に優れる長寿命な動圧軸受装置とすることができる。

なお、スリーブ内周面１ａの切削加工に用いるバイトのチップは、ダイヤモンド製のものが好ましい。黒鉛と樹脂または金属の境界面における切削能力の差異が出難く、良質な仕上げ面とすることができる。

また、この内周面１ａの加工は、研削加工で行なっても良い。この場合も、本実施形態と同様、予め求めた使用時の最高温度を越える温度が加工面に加わる加工条件で行なうことは勿論である。更に、スリーブ１を加工前に加熱装置等で加温しておけば、その他の加工方法を用いて、スリーブ内周面１ａの仕上げ加工を行なうことも可能である。

また、以上の実施形態においては、黒鉛を主成分とする多孔質軸受スリーブに含浸させる樹脂および／または金属の例として熱硬化性樹脂を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、含浸させる樹脂としては熱可塑性結晶性樹脂等、含浸させる金属としては、銅合金、アルミ合金、鉄系合金あるいはニッケル合金等を挙げることができる。これらの樹脂と金属の含浸は、単独であるいは混合して行なうか、あるいは別の工程で複数回に分けて含浸させても良い。

また、動圧溝は、シャフト側あるいはスリーブ側の対向面のどちらに形成しても良い。

本発明の実施形態における動圧軸受装置の要部断面図である。本発明の実施形態における動圧軸受スリーブの表面状態を説明する模式図である。（ａ）は切削加工前、（ｂ）は切削加工直後、（ｃ）は加工後放冷した状態を表す。

符号の説明

１スリーブ
１ａ内周面（黒鉛の露出部）
２シャフト
２ａ外周面
１０樹脂
１０ａ残存樹脂部

Claims

軸受スリーブと、この軸受スリーブの内周に僅かのすき間を開けて配置された軸部材と、これら軸受スリーブと軸部材の間に充填された潤滑流体とを備え、前記軸受スリーブと軸部材の対向面のどちらか一方に形成された動圧溝で発生する動圧によって、前記軸部材の回転を支持する動圧軸受装置において、
前記軸受スリーブが、黒鉛を主成分とする原料を多孔質に焼成した材料に、樹脂および／または金属を含浸させて形成されていることを特徴とする動圧軸受装置。
黒鉛を主成分とする原料を焼成した後、樹脂および／または金属を含浸させて軸受スリーブを形成するとともに、予め求めた使用時の最高温度を越える温度が加工面に加わる加工条件で、前記軸受スリーブの内周に切削加工あるいは研削加工を施し、この軸受スリーブの内周面を所要の寸法に仕上げたことを特徴とする動圧軸受装置の加工方法。