JP2006022930A

JP2006022930A - 動圧流体軸受装置

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Publication number: JP2006022930A
Application number: JP2004203942A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Hamada; 力浜田; Takafumi Asada; 隆文淺田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-07-09
Filing date: 2004-07-09
Publication date: 2006-01-26
Also published as: CN101344118A; CN100425849C; US20060008190A1; CN101344118B; CN1719049A

Abstract

【課題】スリーブの素材として切削性のよいフェライト系ステンレス快削鋼等を用いると、快削元素の結晶が大きいので、平面性が悪くなる。また快削元素の結晶が使用中に脱落することがある。
【解決手段】鉄系の快削鋼、フェライト系ステンレス快削鋼等に添加する快削元素及び快削合金の粒子を０．１〜０．５μｍ程度に細かくする。これにより快削鋼のスリーブの軸受孔の内周面にある快削合金の特に硫化マンガンの結晶が小さくなりスリーブの内周面を滑らかにすることができる。また快削鋼の炭素の含有量を０．１％以下とすることにより、素材の硬度を下げ、動圧発生溝の加工工具の寿命を長くする。
【選択図】図１

Description

本発明は流体の動圧を利用する動圧流体軸受装置に関するものである。

近年磁気ディスク等の回転する記録媒体を用いた記録装置は、そのメモリー容量が増大するとともにデータの転送速度も高速化している。そのためこの種の記録装置に用いられるディスク等の軸受装置には高速かつ高精度の回転が要求されることから軸受には動圧流体軸受装置が用いられている。

以下、図８から図１２を参照して従来の動圧流体軸受装置について説明する。
図８は動圧流体軸受装置を含むスピンドルモータの典型的な従来例を示す断面図であり、中央部に動圧流体軸受装置が図示されており、両端部にスピンドルモータ部が図示されている。図８において、軸１１１はスリーブ１１２の軸受孔１１２ａに回転可能に挿入されている。軸１１１は、図８において下端部に一体に構成されたフランジ１１３を有している。フランジ１１３はベース１１７に取り付けられたスリーブ１１２の段部に収納され、スラスト板１１４に対向して回転可能に構成されている。軸１１１には、ロータ磁石１２０が固定されたロータハブ１１８が取り付けられている。ロータ磁石１２０に対向するモータステータ１１９がベース１１７に取り付けられている。スリーブ１１２の軸受孔１１２ａの内周面には当技術分野ではよく知られている魚骨形状の２組の動圧発生溝１１２ｂが設けられている。フランジ１１３の、スリーブ１１２の段部との対向面には同様によく知られている動圧発生溝１１３ａが設けられており、フランジ１１３の、スラスト板１１４との対向面には動圧発生溝１１３ｂが設けられている。動圧発生溝１１２ｂ、１１３ａ、１１３ｂを含む、軸１１１及びフランジ１１３と、スリーブ１１２との間の隙間にはオイル１３０が充填されている。

以上のように構成された従来の動圧流体軸受装置の動作を以下に説明する。図８において、モータステータ１１９に通電すると回転磁界が発生し、ロータ磁石１２０、ロータハブ１１８、軸１１１、フランジ１１３が所定の方向に回転をはじめる。この時動圧発生溝１１２ｂ、１１３ａ、１１３ｂによりオイル１３０にポンピング圧力が発生して軸１１１は浮上し、スラスト板１１４及び軸受孔１１２ａの内周面に非接触で回転する。

軸１１１はスリーブ１１２の軸受孔１１２ａ内に満たされたオイル１３０により潤滑されながら回転するが、一般にオイルは図９のグラフに示すように、温度が低くなるとオイルの粘度が指数関数的に増加する。軸１１１が回転するときに受ける回転抵抗はオイルの粘度に比例するため、低温では軸１１１の回転抵抗が大きくなり損失トルクが増加してモータの消費電力が増加する。逆に高温ではオイルの粘度が低下して回転抵抗は減少するが、オイルの粘度に比例する動圧流体軸受装置の軸受の剛性は低下し、軸振れ（軸１１１が回転中に軸受孔１１２ａの中で揺れ動く現象）が増大する。スリーブ１１２の軸受孔１１２ａの半径と軸１１１の半径との差で定義される「半径隙間」は、理論的には軸受剛性の３乗に反比例し、かつ損失トルクに反比例する。軸受孔１１２ａと軸１１１の半径隙間は、低温ではオイル粘度の増大に伴う損失トルクの増大を低減するために大きくなるのが好ましい。また高温ではオイル粘度の低下に伴う軸受剛性の低下を低減するために半径隙間が小さくなるのが好ましい。このような条件を満たすためには、スリーブ１１２と軸１１１の各材料を、線膨張係数の観点から以下のように選択すれば良い。すなわちスリーブ１１２は線膨張係数のできるだけ小さい材料で作り、軸１１１は線膨張係数のできるだけ大きい材料で作れば良い。

具体例として、スリーブ１１２に適した線膨張係数を有する一般的な工業材料としては、鉄とその合金、フェライト系ステンレス綱、及びマルテンサイト系ステンレス綱があり、線膨張係数は１０×１０^−６〜１２×１０^−６の範囲にある。また軸１１１に適した材料としては、オーステナイト系ステンレス綱があり、線膨張係数は約１７×１０^−６である。前記のスリーブ１１２の材料として挙げた３種類の材料はいずれも切削性が極めて悪いので、一般には各種快削元素やその合金を添加した、いわゆる鉄系の快削鋼、フェライト系ステンレス快削鋼又はマルテンサイト系ステンレス快削鋼を使うことになる。快削元素としては鉛、硫黄、テルル、セレン等があり、快削元素の合金としては、硫化マンガンなどがある。一般の快削綱は切削性を最大限改善するために、ベースとなる鉄やフェライト系ステンレス綱、マルテンサイト系ステンレス綱にこれらの快削元素や合金を出来るだけ多く添加して含有量を多くし、かつ快削元素やその合金の結晶の大きさも可能な限り大きくなるように製造されている。

これらの快削鋼でスリーブ１１２を作るときには、まず快削鋼の素材を冷間圧延によりスリーブ１１２の最大外径よりわずかに大きな直径の丸棒に成形する。次にこの丸棒を旋盤で切削加工してスリーブ１１２を製作する。動圧発生溝１１２ｂは旋盤加工後に別工程で形成する。
特開Ｈ０５−３１２２１２号公報

上記のようにして製作する従来の動圧流体軸受装置では次の様な問題点があった。第１の問題点は旋盤加工により切削された軸受孔１１２ａ（この時点では動圧発生溝１１２ｂは未加工）の表面には快削元素やその合金の結晶が現れることである。

図１０は日本工業規格（ＪＩＳ）で規格化されているＳＵＭ２４相当の低炭素鋼系快削鋼の素材からスリーブ１１２を製作したときの軸受孔１１２ａの表面の拡大写真である。この写真は表面を約２５０倍のデジタルマイクロスコープで拡大した写真である。図１０の左右方向が軸受孔１１２ａの軸方向であり、矢印１４５の方向が軸受孔１１２ａの加工時のスリーブ１１２の回転方向である。

左右方向に長いやや色の濃い領域１３２、１３３、１３４、１３５は快削元素の硫黄とマンガンが硫化マンガンという合金の形で表面に折出している部分を示す。領域１３２〜１３５は軸方向（左右方向）の長さが０．０７〜０．１５ｍｍ、軸に直交する方向（矢印１４５）の長さが約０．０１ｍｍ程度である。領域１３２〜１３５の形状が左右に細長い理由は、前記のように素材を丸棒の形状に冷間圧延したとき、硫化マンガンの結晶も引き伸ばされるためである。硫化マンガンの結晶の大きさは軸１１１と軸受孔１１２ａの半径隙間の０．００２〜０．００３ｍｍの寸法に比べると極めて大きい。快削鋼は一般に快削合金の金属結晶が大きいのが特徴であり、金属結晶が大きいほど快削性が向上する。硫化マンガンの結晶が折出している領域１３２〜１３５では、軸受孔１１２ａ（図８）の表面粗さが大きくなり、動圧流体軸受として組み立てた後に硫化マンガンの結晶が脱落し回転中に軸受孔１１２ａの内面に焼きつき回転不能に陥る恐れがある。

図１０において、軸受孔１１２ａの面は、旋盤の矢印１４５の方向に通過するバイト（図示省略）により加工される。バイトはベース材である低炭素鋼の領域１３７と、快削合金である硫化マンガン結晶の領域１３２を交互に切削することになる。低炭素鋼は硫化マンガン結晶に比べると強度と靭性が高い。すなわち硫化マンガン結晶は低炭素鋼より強度が低く脆い。従って低炭素鋼の領域１３７をバイトで切削加工すると、バイトで切削加工された跡に、例えば１４０で示すような上下方向の連続的な切削目が生じるが、硫化マンガン結晶の領域１３２には切削目がほとんど生じず破断面となる。このためバイトの切削抵抗は、低炭素鋼の領域１３７では大きく、硫化マンガン結晶の領域１３２〜１３５では小さくなる。その結果バイトが振動し低炭素鋼の領域１３７においても表面粗さが大きくなる。

図１１はスリーブ１１２の材料としてＳＵＭ２４を用い、スリーブ１１２の軸受孔１１２ａを旋盤で加工した時の表面粗さの測定例である。図１１の横軸は軸受孔１１２ａの軸方向であり（２つの矢印間が０．１ｍｍ）、縦軸は粗さを示す凹凸の大きさを表している（２つの矢印間が０．０００２ｍｍ）。図１１は、テーラーホブソン社製のホームタリサーフ２型測定器を用いて測定した結果を示すものである。

一般に、軸１１１と軸受孔１１２ａの半径隙間は０．００２〜０．００３ｍｍである。粗さを零としたときの軸受剛性と、粗さを考慮に入れたときの軸受剛性とを同じに保とうとすると、半径隙間は、凹凸を有する表面の平均位置と軸１１１の外周との隙間となる。図１１の場合、凹凸の最大幅は０．００１ｍｍ程度である。軸受孔１１２ｂと軸１１１との実質的な最小の半径隙間は、凹凸の最大幅０．００１ｍｍの１／２だけ小さい０．００１５〜０．００２５ｍｍとなる。この状態では、軸１１１と軸受孔１１２ａとが凹凸の山部で接触し焼きつく可能性がきわめて高い。従来のスリーブ１１２の軸受孔１１２ａは、旋盤加工後に粗さ（凹凸）を小さくするために研磨などの後加工や後処理を行うことが不可欠であり、そのためにコストが高くなるという問題があった。

硫化マンガン結晶に起因する次の問題点は、軸１１１をスリーブ１１２の軸受孔１１２ａに挿入して動圧流体軸受として組み立てた完成品の動作中に、硫化マンガン結晶の一部が脱落し動圧流体軸受が焼きつくことにある。前記図１０を参照して説明したように、領域１３２〜１３５の硫化マンガンにバイトによる切削目がほとんど無いことは、硫化マンガン結晶はバイトで破断されて除去されたことを示す。すなわち硫化マンガン結晶は、バイトが激突することで硫化マンガン結晶にひび（亀裂）が入り脱落して除去される。１個の硫化マンガン結晶１３２に対しては、低炭素鋼の領域１３７に残るバイトの切削目の数だけひびが発生したと推定され、ひびの発生した小片が脱落することにより切削加工される。このため大きな硫化マンガン結晶の表面には、ひびで孤立した状態になった微小な硫化マンガン結晶が存在し、これらが組み立て完成後の動作中に脱落するおそれがある。

発明者等の種々の実験によると、このようなスリーブ１１２を用いて動圧流体軸受装置を作ると、動作中に微小な硫化マンガン結晶が脱落して軸受の隙間に入り込み軸受が焼きつく確率が極めて高いことが判った。この従来例で用いたＳＵＭ２４材は鉄系であるので、防錆や耐磨耗性の改善を目的に０．００２〜０．００５ｍｍ程度の厚みの無電解ニッケルのメッキを施すことがある。このメッキにより微小な硫化マンガン結晶の脱落をある程度防止することができ、焼きつきの確率を減らすことができるが完全に防止することはできない。硫化マンガン結晶を含む材料を切削加工したときに脱落する可能性がある硫化マンガン結晶はその大きさも大きいため、薄いメッキでは強度的に十分な脱落防止効果が得られない。上記の従来例はスリーブの材料にＳＵＭ２４という炭素鋼系快削鋼を用いた場合について説明したが、フェライト系ステンレス快削鋼やマルテンサイト系ステンレス快削鋼の場合でも通常硫化マンガン結晶が存在するので同様の問題が生じる。

次に第２の問題点を以下に説明する。図８に示すスリーブ１１２の軸受孔１１２ａの内周面に動圧発生溝１１２ｂを加工する方法を図１２に示す。図１２において、スリーブ１１２は断面を示している。動圧発生溝１１２ｂを塑性加工するための既知の溝転造ツール１２２は、シャンク１２３と複数の転造ボール１２４および転造ボール１２４とシャンク１２３を固定するホルダ１２５により構成されている。複数の転造ボール１２４の対角寸法Ｌはスリーブ１１２の軸受孔１１２ａの内径よりも、動圧発生溝１１２ｂの深さに相当する長さだけ大きく設定されている。動圧発生溝１１２ｂを加工するときは、溝転造ツール１２２をスリーブ１１２に対して相対的に矢印Ａ方向に回転させながら矢印Ｚ方向へスリーブ１１２内に挿入する。これにより動圧発生溝１１２ｂの傾斜部１４２ａが加工される。動圧発生溝１１２ｂの頂点につづく傾斜部１４２ｂは、溝転造ツール１２２を矢印Ａとは逆の方向に回転させながら更に矢印Ｚ方向へ挿入していくことで形成される。この動作により動圧発生溝１１２ｂの１個のＶ字形の溝ができる。同様にして２個目以後のＶ字形の溝も加工できる。溝転造ツール１２２をスリーブ１１２から引き抜くときは、挿入時の軌跡をそのままたどって引き抜くか、挿入時に加工した溝の中間部を通ることで転造ボール１２４の２倍の数の動圧発生溝１１２ｂを加工してもよい。

転造ボール１２４は、動圧発生溝１１２ｂを加工するときに常にスリーブ１１２の軸受孔１１２ａの内壁面に擦り付けられるので磨耗が避けられない。転造ボール１２４が磨耗すると動圧発生溝１１２ｂの深さが浅くなるので動圧流体軸受の性能が低下する。磨耗防止のために転造ボール１２４の材料は軸受鋼や一般に超硬と呼ばれている金属材料、セラミックなどの特殊材料の中から最良のものを選定する。しかしスリーブ１１２の材料がＳＵＭ２４の場合、溝転造ツール１２２の転造ボール１２４の寿命は約５０００個のスリーブ１１２の加工が可能な程度である。そのために動圧発生溝１１２ｂの加工コストが高いという問題点があった。転造ボール１２４の寿命が短くなる理由はスリーブ１１２の素材の硬度が高いからである。鉄系の快削鋼、フェライト系ステンレス快削鋼及びマルテンサイト系ステンレス快削鋼は通常０．１〜０．５％の炭素を含有している。このマルテンサイト系ステンレス快削鋼の８０％前後は鉄である。このように鉄に炭素を含ませることで強度及び硬度の高いパーライト組織にできる。しかし硬度が高いので転造ボール１２４の磨耗に対しては不利となる。

本発明は、低コストで信頼性が高い動圧流体軸受装置及びそれを用いたスピンドルモータを提供することを目的とする。

本発明の動圧流体軸受装置は、スリーブ及び前記スリーブの軸受穴に相対的に回転可能に挿入される軸を有し、前記軸の外周面または前記スリーブの内周面の少なくとも一方に動圧発生溝を有するラジアル軸受面を設け、前記軸と前記スリーブの軸受穴との間に作動流体を充填した動圧流体軸受装置において、前記スリーブが、鉄系の快削鋼、フェライト系ステンレス快削鋼及びマルテンサイト系ステンレス快削鋼から選択された少なくとも１種の材料であって、前記各快削鋼に含まれる快削元素または快削元素を含む合金の結晶の前記スリーブの軸受穴の軸方向における寸法（長さ）が０．０３ｍｍ未満、前記軸方向に垂直な方向における寸法（幅）が０．００５ｍｍ未満である材料で作られていることを特徴とする。
本発明によれば、スリーブの材料である各快削鋼に含まれる快削元素及び快削元素を含む合金のそれぞれの結晶の軸受孔の軸方向の長さを０．０３ｍｍ未満、幅を０．００５ｍｍ未満とすることにより、スリーブの軸受孔の内周面を旋盤で切削するとき破断面を生じることがほとんどない。そのため切削後の表面の粗さ（凹凸）が小さくなり良好な切削加工面を得ることができる。その結果動圧流体軸受の動作中に快削元素及び快削合金の結晶が脱落して、動圧流体軸受装置を回転不能にするおそれがなくなる。

本発明の他の観点の動圧流体軸受装置は、スリーブ及び前記スリーブの軸受穴に相対的に回転可能に挿入される軸を有し、前記軸の外周面または前記スリーブの内周面の少なくとも一方に動圧発生溝を有するラジアル軸受面を設け、前記軸と前記スリーブの軸受穴との間に作動流体を充填した動圧流体軸受装置において、前記スリーブが、鉄系の快削鋼、フェライト系ステンレス快削鋼及びマルテンサイト系ステンレス快削鋼から選択された少なくとも１種の材料であって、前記各快削鋼の炭素含有量がそれぞれ重量パーセントで０．１％未満であり、かつこれらの材料から成形した素材の硬度のビッカース硬さＨｖが２３０未満である材料で作られていることを特徴とする。
本発明によれば、スリーブの材料である各快削鋼の炭素含有量を０．１％未満とすることにより、炭素に起因するビッカース硬さＨｖが５００以上の高硬度のパーライト組織が大幅に低減しほとんど存在しなくなる。そのためスリーブの軸受孔に塑性加工で動圧発生溝を形成する転造ボールの摩耗が大幅に低減する。

本発明によれば、スリーブの素材である、快削鋼、フェライト系ステンレス快削鋼又はマルテンサイト系ステンレス快削鋼に含まれている快削元素およびその合金の結晶の大きさを小さくすることにより、スリーブの軸受孔の表面粗さが小さくなる。従って表面粗さを小さくするための後工程が不要になり低コスト化が実現できる。また表面粗さが小さいので、動圧流体軸受装置の組み立て完成後の動作中に発生しやすい快削元素の結晶の脱落の危険性が減少するので信頼性の高い動圧流体軸受装置を実現できる。
また前記快削鋼、フェライト系ステンレス綱、マルテンサイト系ステンレス綱に含まれる炭素含有量を０．１％未満とし、これらの材料の棒材でのビッカース硬さをＨｖ２３０以下にすることにより溝転造ツールの寿命を大幅に延ばすことができるので、製造コストが低減され低コストの動圧流体軸受装置が実現できる。

以下、本発明の動圧流体軸受装置の好適な実施例を図１から図７を参照して説明する。

《第１実施例》
本発明の第１実施例の動圧流体軸受装置を図１から図４を参照して説明する。本発明は動圧流体軸受のスリーブの材質に関するものである。図１は各要素の符号が異なる点を除いて、図８に示す前記従来の動圧流体軸受装置と実質的に同じ構成を有する。図１において、軸１１はスリーブ１２の軸受孔１２ａに回転可能に挿入されている。軸１１は、図１において下端部に一体に構成されたフランジ１３を有している。フランジ１３はベース１７に取り付けられたスリーブ１２の段部に収納され、スラスト板１４に対向して回転可能に構成されている。軸１１にはロータ磁石２０が固定されたロータハブ１８が取り付けられており、ロータ磁石２０に対向するモータステータ１９がベース１７に取り付けられている。スリーブ１２の軸受孔１２ａの内周面には動圧発生溝１２ｂが設けられている。フランジ１３の、スリーブ１２の段部との対向面には動圧発生溝１３ａが設けられており、フランジ１３の、スラスト板１４との対向面には動圧発生溝１３ｂが設けられている。動圧発生溝１２ｂ、１３ａ、１３ｂを含む、軸１１及びフランジ１３とスリーブ１２との隙間には作動流体としてオイル３０が充填されている。
以上のように構成された本発明の動圧流体軸受装置の動作も従来例と全く同じであるが、一応図１を用いて説明する。図１において、モータステータ１９に通電すると回転磁界が発生し、ロータ磁石２０、ロータハブ１８、軸１１及びフランジ１３が回転をはじめる。この時動圧発生溝１２ｂ、１３ａ、１３ｂによりオイル３０にポンピング圧力が発生して軸１１は浮上し、スラスト板１３及び軸受孔１２ａの内周面に非接触で回転する。

軸１１はスリーブ１２の軸受孔１２ａ内に満たされたオイル３０により潤滑されながら回転する。一般にオイルは前記の図９のグラフに示すように温度が低くなると粘度が指数関数的に増加する。軸１１が回転するときに受ける回転抵抗はオイルの粘度に比例するため、低温では軸１１の回転抵抗が大きくなり損失トルクが増加してモータの消費電力が増加する。逆に高温ではオイルの粘度が低下して回転抵抗は減少するが、オイルの粘度に比例する動圧流体軸受装置の軸受の剛性は低下し、軸振れ（軸１１が回転中に軸受孔１２ａ内で揺れ動く現象）が増大する。スリーブ１２の軸受孔１２ａの半径と軸１１の半径との差で定義される半径隙間は理論的には軸受剛性の３乗に反比例しかつ損失トルクに反比例する。

半径隙間は、低温ではオイル粘度の増大に伴う損失トルクの増大を防ぐために大きくなるのが好ましい。また高温ではオイル粘度の低下に伴う軸受剛性の低下を防ぐために、半径隙間は小さくなるのが好ましい。このような条件を満たすように、スリーブ１２は線膨張係数のできるだけ小さい材料で作り、軸１１は線膨張係数のできるだけ大きい材料で作るのが望ましい。スリーブ１２に適した線膨張係数を有する材料としては、鉄とその合金、フェライト系ステンレス綱、マルテンサイト系ステンレス綱があり、線膨張係数は１０×１０^−６〜１２×１０^−６の範囲にある。また軸１１に適した材料としてはオーステナイト系ステンレス綱があり、線膨張係数は１７×１０^−６である。スリーブ１２の材料として挙げた３種類の材料に、快削元素として鉛、硫黄、マンガン等を添加する。更に快削合金である、鉛と硫黄、鉛と硫黄にテルルやセレンなどの快削元素を加えた合金を添加してもよい。その結果、鉄系快削鋼、フェライト系ステンレス快削鋼及びマルテンサイト系ステンレス快削鋼が得られる。

本実施例におけるスリーブ１２の材料としては、例えば鉄系快削鋼の場合、ＪＩＳ規格の鋼材であるＳＵＭ２４とほぼ同じ組成の材料に重量パーセントで１％以下の微量のニオブを加えた材料を用いることができる。ニオブを添加すると、ニオブは鉄系快削鋼の中に均一に分散し、このニオブを核に大きさが抑制された硫化マンガンの結晶が成長する。チタンについても同様の形態で添加され、同様の作用効果を有するものと思われる。なお、鉄系快削鋼にニオブやチタンを添加することは当技術分野では周知の技術である。本発明は快削元素やその合金の結晶の大きさの小さい快削鋼を用いることに関するものであり、このような快削鋼を得る手段としてニオブやチタンの添加のみに限定するものではない。これらの快削鋼の素材は、スリーブ１２の形状に短時間で加工できるように、あらかじめ冷間圧延によりスリーブ１２の最大外径よりわずかに大きな直径の丸棒に成形される。この丸棒を旋盤で切削加工してスリーブ１２を製作する。動圧発生溝１２ｂは旋盤の切削加工後に形成する。

本実施例の動圧流体軸受装置のスリーブ１２の材料である、鉄系の快削鋼、フェライト系ステンレス快削鋼、マルテンサイト系ステンレス快削鋼では、快削元素もしくはその合金の結晶の大きさを、前記のニオブやチタン等を添加した従来のものに比べて小さくしたことを特徴とするものである。図２に示す写真は、本実施例のスリーブに用いるニオブやチタン等を添加した炭素鋼系快削鋼（ＳＵＭ材）を旋盤で切削加工したスリーブ１２の軸受孔１２ａ表面の拡大写真である。図２において、図の左右方向が軸受孔１２ａの軸方向であり、矢印４０の方向がバイトの移動方向である。黒丸１２ｃで示す横長のやや濃度の高い領域が硫化マンガンの結晶である。黒丸１２ｄで示す濃度の低いところはベースとなる低炭素鋼である。黒丸１２ｅはバイトによる切削目を示している。硫化マンガンの領域１２ｃは長さが約０．０１〜０．０３ｍｍ程度、幅が約０．００５ｍｍ未満である。領域１２ｃを、図１０に示す従来例のスリーブ１１２の軸受孔１１２ａの表面拡大写真における領域１３２と比較すると、領域１２ｃは領域１３２よりはるかに小さくなっている。

図２において、軸受孔１２ａの面は、矢印４０の方向に移動するバイト（図示省略）により切削される。バイトはベースである低炭素鋼の領域１２ｄと快削合金である硫化マンガンの領域１２ｃを交互に切削することになる。低炭素鋼の領域１２ｄは硫化マンガンの領域１２ｃに比べて強度と靭性が高く、逆に硫化マンガンの領域１２ｃは低炭素鋼の領域１２ｄに比べ強度が低く脆い。そのためバイトで低炭素鋼の領域１２ｄを切削すると上下方向の連続的な切削目１２ｅが出る。発明者の詳細な観測によると、硫化マンガンの領域１２ｃにおいて、切削目１２ｅが低炭素鋼の領域１２ｄから硫化マンガンの領域１２ｃに連続的につながっている所もあり、従来例に見られたようなはっきりした破断面の形状は見られなかった。以上のことから、本実施例ではバイトが低炭素鋼の領域を切削するときと、硫化マンガンの領域１２ｃを破断するときとのバイトが受けるそれぞれの抵抗の差が極めて少なくバイトの振動も低減した。

図３はスリーブ１２の軸受孔１２ａの内周面の表面粗さ（凹凸）を、図１１の場合と同じ測定器を用いて測定した結果の図である。図３から判るように、凹凸を０．０００５ｍｍ程度にまで低減できた。これは図１０に示す従来のものの凹凸の約１／２である。

図４は快削元素の結晶の長さが異なる４種類の材料を用いてスリーブ１２を作り、軸受孔１２ａの表面を切削したときの表面粗さを測定した結果のグラフであり、横軸は快削元素の結晶の長さ、縦軸は加工後の表面粗さを示す凹凸の寸法である。長円Ａは従来例の、硫化マンガン結晶の長さが７０〜１５０μｍの範囲にあるＳＵＭ材を用いたときの表面粗さの分布を示し、凹凸の寸法は０．７μｍから１．３μｍの範囲にある。同様にして長円Ｂは、所定の熱処理により硫化マンガン結晶の長さを５０μｍ前後にしたＳＵＭ相当材を用いたときの表面粗さの分布を示し、凹凸の寸法は０．７μｍ前後である。長円Ｃは本実施例におけるスリーブ１２の材料である、快削元素の結晶の長さが２０μｍ前後のＳＵＭ相当材を用いたときの表面粗さを示し、凹凸の寸法は０．４μｍから０．６μｍの範囲にある。また長円Ｄは硫化マンガンを含まず鉛のみを含み、快削元素の長さが３μｍ前後の鉛快削鋼を用いたときの表面粗さを示している。各長円の大きさは快削元素又は合金の結晶の大きさのばらつきの範囲及び表面粗さのばらつきの範囲を示す。図４から判るように、快削元素の種類を問わず快削元素もしくはその合金の結晶の長さを３０μｍ未満にすると、表面粗さを示す凹凸が０．６μｍ以下となり良好な切削加工面を得ることができる。これにより切削加工後に粗さを改善するための工程が不要となりスリーブ１２の加工コストを低減できる。

次に動圧流体軸受として組み立てて完成した後の動作中に生じる、硫化マンガン結晶１２ｃの脱落に伴う動圧流体軸受の焼きつきについて説明する。本実施例におけるスリーブ１２では、図２から判るように、硫化マンガン結晶１２ｃの幅（図の上下方向の寸法）は０．００５ｍｍ程度しかない。この幅の硫化マンガンの結晶１２ｃでは、その両側が低炭素鋼の結晶１２ｄでしっかり支持されている。従って切削加工においてバイトによる衝撃が加わってもひびが入りにくく、硫化マンガン結晶１２ｃの脱落の確率は大幅に低減される。万一硫化マンガン結晶１２ｃが脱落したとしても、その大きさが、半径隙間の０．００２〜０．００３ｍｍより大きくなる確率は小さい。

発明者が行った種々の実験によると、硫化マンガン結晶１２ｃの長さが０．０３ｍｍ未満、幅が０．００５ｍｍ未満である素材を用いると、軸受の焼きつきの確率は従来の材料に比べて１／１０以下になることが判った。さらに防錆や耐磨耗性の向上を目的とした無電解ニッケルメッキを施すと、硫化マンガン結晶１２ｃの脱落をより効果的に抑制できることは言うまでもない。本実施例では各種の快削元素やその合金の中でもその結晶の大きさがもっとも大きい硫化マンガンの結晶１２ｃについて説明したが、他の快削元素やその合金を用いた快削鋼でも同様の効果が得られる。上記の説明に用いた鉄系快削鋼以外に、マルテンサイト系ステンレス快削鋼やフェライト系ステンレス快削鋼にも一般に硫化マンガン系の合金が含まれるので本実施例と同様の効果が得られる。

以上の説明から明らかなように本発明によれば、スリーブの素材として鉄系の快削鋼やフェライト系ステンレス快削鋼、マルテンサイト系ステンレス快削鋼を用いるとき、快削元素およびその合金の長さを０．０３ｍｍ以下、幅を０．００５ｍｍ未満とした材料を用いることで、低コストで信頼性の高い動圧流体軸受装置を実現できる。

《第２実施例》
本発明の第２実施例の動圧流体軸受装置を図５から図７を参照して説明する。第２実施例はスリーブ１２の材料に関するものであり、特に材料の硬さに関するものである。
前記の第１実施例のスリーブ１２の軸受孔１２ａの内周面に動圧発生溝１２ｂを形成する工程は、「背景技術」の項で説明した図１２に示す装置と実質的に同じ構成を有する図５に示す装置を用いて行われる。図５において、動圧発生溝１２ｂを塑性加工するための既知の溝転造ツール２２は、シャンク２３と複数の転造ボール２４および転造ボール２４をシャンク２３に保持するホルダ２５により構成されている。複数の転造ボール２４の対角寸法Ｌはスリーブ１２の軸受孔１２ａの内径よりも、動圧発生溝１２ｂの深さに相当する長さだけ大きく設定されている。動圧発生溝１２ｂを加工するときは、溝転造ツール２２をスリーブ１２に対して相対的に矢印Ａ方向に回転させながら矢印Ｚ方向へ動かし軸受孔１２ａに挿入する。これにより動圧発生溝１２ｂの傾斜部４２ａが加工される。動圧発生溝１２ｂの頂点をはさむ傾斜部４２ｂは、溝転造ツール２２を矢印Ａと逆方向に回転させながら矢印Ｚ方向へ挿入していくことにより形成される。この動作により動圧発生溝１２ｂの１個のＶ字形の溝ができる。同様にして２個目以後の複数のＶ字形の溝も加工できる。溝転造ツール２２をスリーブ１２から引き抜くときは、挿入時の軌跡をそのままたどって引き抜くか、挿入時に加工した溝の中間部を通ることで転造ボール２４の２倍の数の動圧発生溝１２ｂを加工してもよい。

転造ボール２４は、動圧発生溝１２ｂを加工するとき常にスリーブ１２の軸受孔１２ａの内周面に擦り付けられるので摩耗が避けられない。転造ボール２４が摩耗すると動圧発生溝１２ｂの深さが浅くなるので動圧流体軸受の性能が低下する。摩耗防止のために転造ボール２４の材料は軸受鋼や超硬、セラミックなどの特殊材料の中から最良のものを選定する。本実施例では、転造ボール２４の磨耗を防止するためにスリーブ１２を可能な限り柔らかい材料で構成する。

鉄系の快削鋼、フェライト系ステンレス快削鋼及びマルテンサイト系ステンレス快削鋼は、その炭素含有量を重量パーセントで０．１％未満にすると柔らかくなり、炭素に起因するパーライト組織が大幅に低減しほとんど存在しなくなる。ビッカース硬さＨｖが５００以上であるパーライト組織が存在しないので転造ボール２４の磨耗が大幅低減する。発明者は３種類の材料、すなわち従来例で示した炭素を約０．１４％含有するＳＵＭ材（材料１）、炭素を約０．１％含有するＳＵＭ相当の材料（材料２）及び、炭素を０．０２％含む純鉄系鉛快削鋼（材料３）を用いてそれぞれ作製したスリーブ１２に対して、図５に示す溝転造ツール２２を用いてそれぞれ１００００個のスリーブ１２の溝加工をする試験を行った。

図６は１００００個のスリーブ１２の溝を加工した後の転造ボール２４の対角寸法Ｌの変化量を測定した結果を示す。図６の横軸は炭素含有量であり、黒丸Ａは材料１、黒丸Ｂは材料２、黒丸Ｃは材料３を示している。図６から判るように、炭素の含有量が少なくなるほど対角寸法Ｌの変化量が小さくなり、転造ボール２４の摩耗が少ないことを示している。炭素の含有量を０．１％未満とすると対角寸法Ｌの変化量は１．５μｍ以下となり、転造ボール２４は実用上十分な寿命をもつことが確認された。スリーブ１２の材料となる鉄系の快削鋼、フェライト系ステンレス快削鋼及びマルテンサイト系ステンレス快削鋼の素材は、スリーブ１２の形状に短時間で加工できるように、あらかじめスリーブ１２の最大外径よりわずかに大きな直径の丸棒に冷間圧延により前加工をする。この冷間圧延加工により素材自体が加工硬化を引起こす。例えば純鉄のビッカース硬さＨｖは１００前後であるが、これを冷間圧延加工すると、ビッカース硬さはＨｖ２００〜Ｈｖ３００程度になることもある。前記材料１、材料２、材料３の３種類の材料で作ったスリーブ１２の軸受孔１２ａ表面の硬度を測定したところ、それぞれのビッカース硬さＨｖは２８０、２３０、２００であった。

図７は軸受孔１２ａの表面のビッカース硬さＨｖと対角寸法Ｌの変化量との関係を示すグラフである。黒丸Ａは材料１、黒丸Ｂは材料２、黒丸３は材料３をそれぞれ示している。図７から判るように、軸受孔１２ａの表面硬度が低いと対角寸法Ｌの変化量も小さく、転造ボール２４の磨耗量が少ないことがわかる。図７から、炭素含有量が０．１％未満の材料を丸棒形状に成形し、ビッカース硬さＨｖを２３０以下にした素材でスリーブ１２を作ると、軸受孔１２ａの動圧発生溝の加工における転造ボール２４（図５）の摩耗を抑制でき、１００００個のスリーブ１２の溝加工を行った後の前記対角寸法Ｌの減少を１．５μｍ以下にすることができる。このことは、従来例における炭素含有量０．１４％、ビッカース硬さがＨｖ２８０のＳＵＭ２４材（材料１）を用いた場合に比べると転造ボール２４の寿命を２倍以上に延ばすことができる。

以上のように本実施例によれば、鉄系の快削鋼やフェライト系ステンレス快削鋼、マルテンサイト系ステンレス快削鋼の炭素含有量を０．１％未満とし、かつこれらの材料で作った丸棒形状のスリーブ１２の素材のビッカース硬さをＨｖ２３０以下にすることで動圧発生溝の加工費が低減され、ひいては低コストの動圧流体軸受装置を実現できる。

本発明にかかる動圧流体軸受装置は、高い信頼性を有するとともに低コストであり、高い信頼性を必要とする装置に利用可能である。

本発明の第１実施例における動圧流体軸受装置を有するスピンドルモータの断面図本発明の第１実施例におけるスリーブの軸受孔表面の拡大写真本発明の第１実施例におけるスリーブの軸受孔表面の荒さの測定結果を示す図快削元素の結晶の長さと表面粗さである凹凸の寸法の関係を示すグラフ本発明の第２実施例における、動圧発生溝の加工工程を示す加工装置の側面図スリーブの材料の炭素含有量と転造ボールの対角寸法Ｌの変化量との関係を示すグラフスリーブの軸受孔の表面硬度と対角寸法Ｌの変化量との関係を示すグラフ従来の動圧流体軸受装置を有するスピンドルモータの断面図温度とオイルの粘度との関係を示すグラフ従来例におけるスリーブの軸受孔表面の拡大写真従来例におけるスリーブの軸受孔表面の粗さの測定結果を示す図従来例における動圧発生溝を塑性加工する工程を説明するための加工装置の側面図

符号の説明

１１、１１１軸
１２、１１２スリーブ
１２ａ、１１２ａ軸受孔
１２ｂ、１１２ｂ動圧発生溝
１２ｃ、１３２〜１３５硫化マンガン結晶
１２ｄ、１３７低炭素鋼
１２ｅ、１４０切削目
１３、１１３フランジ
１４、１１４スラスト板
１７、１１７ベース
１８、１１８ロータハブ
１９、１１９モータステータ
２０、１２０ロータ磁石
２２、１２２溝転造ツール
２３、１２３シャンク
２４、１２４転造ボール
２５、１２５ホルダ

Claims

スリーブ及び前記スリーブの軸受孔に相対的に回転可能に挿入される軸を有し、前記軸の外周面または前記スリーブの内周面の少なくとも一方に動圧発生溝を有するラジアル軸受面を設け、前記軸と前記スリーブの軸受孔との間に作動流体として潤滑剤を充填した動圧流体軸受装置において、
前記スリーブが、鉄系の快削鋼、フェライト系ステンレス快削鋼及びマルテンサイト系ステンレス快削鋼から選択された少なくとも１種の材料であって、前記各快削鋼に含まれる快削元素及び快削元素を含む合金のそれぞれの結晶の前記スリーブの軸受孔の軸方向における寸法（長さ）が０．０３ｍｍ未満、前記軸方向に垂直な方向における寸法（幅）が０．００５ｍｍ未満である材料で作られていることを特徴とする動圧流体軸受装置。
スリーブ及び前記スリーブの軸受孔に相対的に回転可能に挿入される軸を有し、前記軸の外周面または前記スリーブの内周面の少なくとも一方に動圧発生溝を有するラジアル軸受面を設け、前記軸と前記スリーブの軸受孔との間に作動流体を充填した動圧流体軸受装置において、
前記スリーブが、鉄系の快削鋼、フェライト系ステンレス快削鋼及びマルテンサイト系ステンレス快削鋼から選択された少なくとも１種の材料であって、前記各快削鋼の炭素含有量がそれぞれ重量パーセントで０．１％未満であり、かつこれらの材料から成形した素材の硬度のビッカース硬さＨｖが２３０未満である材料で作られており、前記スリーブの軸受孔に塑性加工法で形成された動圧発生溝を有することを特徴とする動圧流体軸受装置。