JP2006046540A - 動圧流体軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで信頼性の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。
【解決手段】スリーブを、鉄、鉄合金、銅、銅合金、もしくはこれらを混合した焼結材料を焼結した焼結金属で作る。この焼結金属では、所望の焼結体を形成するための条件である、焼結金属の材料の金属粉末の粒径、成形体を成形するときの成形圧力、焼結工程における焼結温度及び焼結時間の内の少なくとも１つの条件を所定の範囲に設定することにより、気孔がすべて独立気孔となり、互に連通していない。気孔が独立しているのでオイルがスリーブの中に入ることがない。また気孔を動圧発生溝の幅より小さくしているので、動圧発生溝に気孔が存在しても悪影響を与えるおそれはない。
【選択図】図１

Description

本発明は、動圧を利用する動圧流体軸受装置とその製造方法に関するものである。

近年ディスク等を用いた記録装置等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。このような記録装置に用いられるスピンドルモータでは、高速かつ高精度の回転が必要であるので、その回転主軸部には動圧流体軸受装置が用いられている。以下図９及び図１０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９は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である。図において、軸受孔１０１ａを有するスリーブ１０１は、銅合金等の金属粉末を焼結した焼結体である焼結金属で作られている。スリーブ１０１を焼結金属で作る理由は主として製造コストを低減するためである。スリーブ１０１を金属の棒材等から切削加工で作ると、多くの切りくずが出て材料の無駄が生じる。しかし焼結金属ではそのような切りくずが生じない。また焼結金属のスリーブの製作に要する時間は、同じものを切削加工で作る場合の数分の１であり、焼結金属による製作はローコスト大量生産に向いている。
スリーブ１０１の外周には焼結金属ではない金属のスリーブカバー１１４が設けられている。軸１０２はスリーブ１０１の軸受孔１０１ａに回転可能に挿入されており、軸１０２の下端部にはスラストフランジ１０３が固定されている。スラストフランジ１０３は、スリーブ１０１、スリーブカバー１１４及びスラスト板１０４で囲まれた空間に収納されており、スラストフランジ１０３の図において下面はスラスト板１０４に対向し、上面はスリーブ１０１の下端面に対向している。

軸１０２の上端部にはロータハブ１０５が固定され、ロータハブ１０５の内周面にはロータ磁石１０６が固定されている。ロータ磁石１０６には、ベース１０８に取り付けられたモータステータ１０７が対向している。スリーブ１０１の軸受孔１０１ａの内周面に当技術分野では周知のラジアル方向の動圧発生溝１０９ａ、１０９ｂが形成されている。またスラストフランジ１０３に対向するスラスト板１０４の面には同様に周知のスラスト方向の動圧発生溝１１０ａが形成されている。必要に応じてスラストフランジ１０３とスリーブ１０１との対向面の少なくとも一方に動圧発生溝１１０ｂを形成してもよい。動圧発生溝１０９ａ、１０９ｂ、１１０ａ及び１１０ｂを含む、軸１０２とスリーブ１０１との間、スラストフランジ１０３とスリーブ１０１との間及びスラストフランジ１０３とスラスト板１０４との間には作動流体としてオイル１１１を有している。

前記従来の動圧流体軸受装置の動作を図９を参照して説明する。モータステータ１０７に通電するとロータ磁石１０６に回転力が発生し、ロータハブ１０５、軸１０２及びスラストフランジ１０３は一体となって回転する。回転により、動圧発生溝１０９ａ、１０９ｂ、１１０ａ、１１０ｂはそれぞれの部位のオイル１１１にポンピング圧力を与え、動圧発生溝１０９ａ、１０９ｂの領域には軸１０２をラジアル方向に支持するラジアル軸受が形成され、動圧発生溝１１０ａ、１１０ｂの領域にはフランジ１０３をスラスト方向に支持するスラスト軸受が形成される。これにより軸１０２及びフランジ１０３は軸受孔１０１ａ及びスラスト板１０４に非接触で回転する。

スリーブ１０１は焼結金属で形成されているので、容積の２％から１５％程度の気孔（焼結体に存在する多数の小さな空間）を有している。気孔には、「組織気孔」と呼ばれる焼結体の内部の気孔と、「表面気孔」と呼ばれる焼結体の表面に開口している気孔がある。通常の焼結金属では、表面気孔と組織気孔は連通している。焼結金属のスリーブ１０１には大気圧以下の圧力下であらかじめオイルを含浸させているが、オイルは気孔を通ってスリーブ１０１を通り抜けることができる。本従来例ではこのようなスリーブ１０１をスリーブカバー１１４で囲むことによって、オイルが気孔を通り抜けて外部へ漏れるのを防止している。
特開２００３−３２２１４５号公報

図９に示す従来の動圧流体軸受装置の構成では、組立時にスリーブカバー１１４内にスリーブ１０１を挿入するという作業が必要となり、加工工数が多い。スリーブ１０１とスリーブカバー１１１が個別の部品であるので、部品点数が多くコストが高くなる。またスリーブ１０１をスリーブカバー１１４に挿入する工程で、図１０に示すようにスリーブ１０１が傾いた状態で挿入された場合には、軸受孔１０１ａの軸心とスラスト板１０４の面とが直角に保たれない。このような状態では図９におけるスラスト軸受やラジアル軸受の隙間が不均一となって軸１０２を安定して支持できなくなる。隙間の不均一が大きい場合は軸１０２がスリーブ１０１の軸受孔１０１ａに接触して、軸受が焼きついてしまうおそれがある。スリーブ１０１の軸受孔１０１ａの軸心と軸１０２に取り付けられたスラストフランジ１０３との対向面との直角精度が悪い場合にも同じ問題が発生する。
前記従来例の動圧流体軸受において、軸１０２が回転すると、ラジアル動圧発生溝１０９ａ、１０９ｂによって２から５気圧のオイル圧が発生する。このオイル圧によりスリーブ１０１の気孔にオイルが流入すると、オイル圧は上記の約７０％に低下してしまう。その結果ラジアル軸受の剛性も約７０％に低下する。スリーブ１０１の気孔にオイルが入るのを防ぐために、スリーブ１０１全体を非透油性の被覆層で覆う方法が特開２００３−３２２１４５号公報に示されている。この方法は被覆層を形成する工程を有するので製造工程が多くコストが高くなる。

本発明はオイル等の作動流体の外部への流出を防止できるとともに、ラジアル軸受の剛性の低下が防止でき、かつスラスト軸受やラジアル軸受の軸受隙間を良好に維持できて安定した非接触回転ができる、焼結金属のスリーブを有する動圧流体軸受装置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、軸受孔を有するスリーブ、前記スリーブの前記軸受孔に相対的に回転可能に挿入された軸、前記軸の一方の端部に設けられたスラストフランジ、前記スラストフランジに対向するスラスト部材を備え、前記軸受孔の内周面に、ラジアル軸受として働くラジアル動圧発生溝を有し、前記スラストフランジとスラスト部材のそれぞれの対向面のいずれか一方に、スラスト軸受として働くスラスト動圧発生溝を有し、前記軸及び前記スラストフランジと、前記軸受孔及びスラスト部材との間の隙間に作動流体を有する動圧流体軸受装置において、前記スリーブは、鉄、鉄の合金、銅、銅の合金から選択した少なくとも１つを含有する焼結材料を焼結した焼結体であり、前記焼結体の気孔は、隣り合う気孔が互に独立している独立気孔であり、前記独立気孔の大きさが、前記ラジアル動圧発生溝の山部の幅及び高いことを特徴とする。

本発明によれば、焼結体で作られたスリーブの気孔が独立気孔であるので、スリーブ中に作動流体が浸入することはなく、従ってスリーブを透過して作動流体が漏出することはない。また独立気孔の大きさがラジアル動圧発生溝の山部の幅及び高さより小さくなされているので、山部に独立気孔が存在してもラジアル動圧発生溝の機能を損なうことはほとんどない。

本発明の他の観点の動圧流体軸受装置は、軸受孔を有するスリーブ、前記スリーブの前記軸受孔に相対的に回転可能に挿入された軸、前記軸の一方の端部に設けられたスラストフランジ、前記スラストフランジに対向するスラスト部材を備え、前記軸受孔の内周面に、ラジアル軸受として働くラジアル動圧発生溝を有し、前記スラストフランジとスラスト部材のそれぞれの対向面のいずれか一方に、スラスト軸受として働くのスラスト動圧発生溝を有し、前記軸及び前記スラストフランジと、前記軸受孔及びスラスト部材との間の隙間に作動流体を有する動圧流体軸受装置において、前記スリーブは、鉄、鉄の合金、銅、銅の合金から選択した少なくとも１つを含有する焼結材料を焼結した焼結体であり、前記焼結体の成形圧力、焼結条件である焼結温度、焼結時間及び焼結材料の金属粒子の平均粒子径、の各焼結体形成条件の少なくとも１つを、前記焼結体の隣り合う気孔が互に独立している独立気孔であり、前記独立気孔の大きさが、前記ラジアル動圧発生溝の山部の幅及び高さより小さくなるように選定したことを特徴とする。

本発明によれば、焼結体で作られたスリーブの焼結体形成条件である、焼結体の成形圧力、焼結温度、焼結時間及び焼結材料の金属粒子の平均粒子径の少なくとも１つを、焼結体の隣り合う気孔が互いに独立した独立気孔となり、かつ前記独立気孔の大きさがラジアル動圧発生溝の山部の幅及び高さより小さくなるように選定する。これによりスリーブの気孔は独立気孔となるので、スリーブ中に作動流体が浸入することはなく、従ってスリーブを透過して、作動流体が漏出することはない。また独立気孔の大きさがラジアル動圧発生溝の山部の幅及び高さより小さくなされているので、山部に独立気孔が存在してもラジアル動圧発生溝の機能を損なうことはほとんどない。

本発明の動圧流体軸受装置の製造方法は、軸受孔を有するスリーブ、前記スリーブの前記軸受孔に相対的に回転可能に挿入された軸、前記軸の一方の端部に設けられたスラストフランジ、前記スラストフランジに対向するスラスト部材を備え、前記軸受孔の内周面に、ラジアル軸受として働くラジアル動圧発生溝を有し、前記スラストフランジとスラスト部材のそれぞれの対向面のいずれか一方に、スラスト軸受として働くスラスト動圧発生溝を有し、前記軸及び前記スラストフランジと、前記軸受孔及びスラスト部材との間の隙間に作動流体を有する動圧流体軸受装置において、前記スリーブは、鉄、鉄の合金、銅、銅の合金から選択した少なくとも１つを含有する焼結材料を焼結した焼結体であり、前記焼結体の成形圧力、焼結条件である焼結温度、焼結時間及び焼結材料の金属粒子の平均粒子径の各焼結体形成条件の少なくとも１つを、前記焼結体の隣り合う気孔が互に独立している独立気孔であり、前記独立気孔の大きさが、前記ラジアル動圧発生溝の山部の幅及び高さより小さくなるように選定することを特徴とする。

本発明によれば、スリーブの焼結体を形成するときの成形及び焼結工程において、焼結体の成形圧力、焼結温度、焼結時間及び焼結材料の金属粒子の平均粒子径の少なくとも１つを、焼結体の隣り合う気孔が互いに独立した独立気孔となり、かつ前記独立気孔の大きさがラジアル動圧発生溝の山部の幅及び高さより小さくなるように選定する。これによりスリーブの気孔は独立気孔となるのでスリーブ中に作動流体が浸入することはなく、従ってスリーブを透過して作動流体が漏出することはない。また独立気孔の大きさがラジアル動圧発生溝の山部の幅及び高さより小さくなされているので、山部に独立気孔が存在してもラジアル動圧発生溝の機能を損なうことはほとんどない。

本発明によれば、スリーブを構成する焼結体の外周面に存在するすべての気孔が独立気孔であるので作動流体がスリーブ内に流入することはない。従って作動流体が焼結体のスリーブを透過して外部へ漏れることはない。
前記独立気孔の大きさが、ラジアル動圧発生溝及びスラスト動圧発生溝の山部の幅及び高さより小さいので、これらの動圧発生溝が独立気孔によって大きく欠落することはなく、動圧発生溝の機能に大きな悪影響を与えることはない。

以下、本発明の動圧流体軸受装置の好適な実施の形態について図１から図８を参照して説明する。

《実施の形態１》
以下、本発明の実施の形態１における動圧流体軸受装置について、図１から図４を参照して説明する。

図１は本発明の実施の形態１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である。図１において、軸受孔１ａを有するスリーブ１は、鉄、鉄合金、銅、銅合金の内の少なくとも１つを含有する金属粉末を焼結した焼結体（焼結金属ともいう）で形成され、ベース８に固定されている。軸２は、焼結体ではない金属材料で構成され、軸受孔１ａに回転可能に挿入されている。軸２は一体に構成されたスラストフランジ３を有し、スラストフランジ３はスリーブ１の段部１ｂとスラスト軸受部材であるスラスト板４とで囲まれた空間に収納されている。スラストフランジ３の下面はスラスト板４に対向し、上面の周辺部はスリーブ１の段部１ｂに対向している。

軸２の上端部２ａにはロータハブ５が固定され、ロータハブ５にはスピンドルモータのロータ磁石６が取り付けられている。ロータ磁石６に対向するモータステータ７がベース８に取り付けられている。スリーブ１の軸受孔１ａの内周面及び軸２の外周面の少なくても一方（図１では軸受孔１ａの内周面）には当技術分野では周知のラジアル動圧発生溝９ａ、９ｂが形成されている。スラストフランジ３の下面に対向するスラスト板４の面には第１のスラスト動圧発生溝１０ａが形成されている。またスラストフランジ３の上面に対向するスリーブ１の段部１ｂの面には第２のスラスト動圧発生溝１０ｂが形成されている。ラジアル動圧発生溝９ａ、９ｂ及びスラスト動圧発生溝１０ａ、１０ｂを含む軸２とスリーブ１の軸受孔１ａとの間、及びスラストフランジ３とスリーブ１との間およびスラストフランジ３とスラスト板４との間には作動流体としてオイル１１が入っている。

本実施の形態１の動圧流体軸受装置の動作を図１を参照して説明する。モータステータ７に通電するとロータ磁石６に回転磁界が発生し、軸２及びスラストフランジ３がロータハブ５と一体で回転する。ラジアル動圧発生溝９ａ、９ｂ及びスラスト動圧発生溝１０ａ、１０ｂにより、オイル１１に当技術分野で周知のポンピング圧力が発生し、軸２及びスラストフランジ３はスリーブ１及びスラスト板４に非接触で回転する。すなわち、ラジアル動圧発生溝９ａ、９ｂにより軸２をラジアル方向で軸受孔１ａに非接触で支持するラジアル軸受が形成され、スラスト動圧発生溝１０ａ、１０ｂによりスラストフランジ３をスラスト方向でスリーブ１及びスラスト板４に非接触で支持するスラスト軸受が形成される。

図２を用いて、焼結金属の材料からスリーブ１を作る一般的な製造工程を説明する。図２の工程Ｓ１において、金属粉末を用意する。焼結金属の材料となる、鉄、鉄の合金、銅、銅の合金等の金属粉末（粉体）は、通常粒径が０．１ｍｍ前後大きさであり、前記の鉄、鉄の合金、銅、銅の合金の内の１種又は複数のものを混合したものである。金属粉末に工程Ｓ２で用意した潤滑材を加え均一に混合する（工程Ｓ３）。潤滑材は金属粉末を成形する時の離型材として働く。混合した材料をスリーブ１の形状に作られた金型に入れ、プレス等を用いて所定の成形圧力で圧縮することによりスリーブ１の形状に成形して成形体を作る（工程Ｓ４）。成形後の成形体では金属粉末同士は点接触に近い状態で連結されている。スリーブ１の金型に、スリーブ１の軸受孔１ａの内周面に形成されるラジアル動圧発生溝９ａ、９ｂ及び段部１ｂに形成されるスラスト動圧発生溝１０ｂの型を形成することも可能である。このようにすれば、各動圧発生溝が成形の工程Ｓ４で、スリーブ１の成形と同時に形成されるので極めて能率的である。現状ではラジアル動圧発生溝９ａ、９ｂ及びスラスト動圧発生溝１０ｂはスリーブ１の焼結後に機械加工により形成している。

次に成形体を所定の温度に加熱して焼結し、焼結体にする（工程Ｓ５）。加熱により金属粉末間の接触部が広がって面接触となるので成形体は収縮し体積が減少する。その結果焼結体は密度が上がり強度も向上する。焼結工程に伴なう収縮は部品精度の低下を招く場合が多いので、あらかじめ若干大きく作り、必要に応じて機械加工を行って所望の寸法に仕上加工をすることによりスリーブ１が完成する（工程Ｓ６）。

金属粉末を金型で成形した成形体を焼結して焼結体を得る工程において、焼結体に存在する多数の小さな空間である「気孔」の状態は、金属粉末を成形するときの成形圧力、成形体を加熱して焼結するときの焼結条件である焼結温度及び焼結時間によって変わる。また焼結材料の金属粒子の平均粒子径によっても焼結体の気孔の状態は変わる。成形圧力及び焼結温度を高くし、焼結時間を長くすると気孔が小さくなり、最終的には隣り合う気孔が連通せずに互に独立した「独立気孔」となる。金属粒子の平均粒子径を小さくするほど気孔は小さくなり、独立気孔が形成されやすくなる。成形体の「成形圧力」、「焼結温度」、「焼結時間」及び「金属粒子の平均粒子径」を「焼結体形成条件」という。焼結体の表面（外面）の気孔の状態を図３（ａ）、図３（ｂ）及び図３（ｃ）を参照して説明する。
図３（ａ）は、直径０．１ｍｍ前後の球状の金属粉末１２ａを金型を用いて成形した成形体３０ａの部分拡大図である。金属粉末１２ａは隣り合うもの同士がほぼ点接触で接して固まり、所定の形状の成形体３０ａとなっている。この状態では、隣り合う球状の金属粉末１２ａ間に気孔１３ａが存在するので、各気孔１３ａは前後左右の隣り合う他の気孔に互に連通している。

図３（ｂ）は、図３（ａ）の成形体３０ａを焼結工程で焼結した後の焼結体３０ｂの部分拡大図を示す。焼結工程では、成形体３０ａを所定の温度で所定の時間加熱する。加熱温度及び加熱時間を適宜選択することにより、気孔をほぼ所望の大きさにすることができる。図３（ｂ）において、隣り合う球状の金属粉末１２ｂは焼結工程によって点状の接触部がつぶれて面で接し、その結果として気孔１３ｂは小さくなっている。この状態で焼結体３０ｂの密度は、焼結体３０ｂを構成する材料金属の真密度の７０から９０％である。例えば、真密度が約８の金属（鉄や銅など）の焼結体の場合、密度は約５．６〜７．２である。この状態では隣接する気孔はまだ連通しており、このような密度の焼結体は一般に含油焼結軸受として用いられている。

図３（ｃ）は、成形体３０ａを、図３（ｂ）の場合よりも高い温度（例えば８００℃）でより長い時間（例えば３時間）をかけて焼結した焼結体３０ｃの表面を示す。各金属粉末１２ｃは大きくつぶれてほぼ六角形に変形している。その結果気孔１３ｃは極めて小さくなり、隣り合う気孔１３ｃはほとんど連通しない状態の独立気孔となる。このときの焼結体３０ｃの密度は、材料金属の真密度の９０％を超える値となる。例えば、真密度が約８の金属の焼結体の場合その密度は７．３以上である。焼結体の密度を材料金属の真密度に近くなるように焼結することにより気孔のほとんどが独立気孔となる。このような焼結体で作ったスリーブ１では、ほとんどすべての気孔が独立気孔となる。一般に加熱温度を高くしかつ加熱時間を長くするほど気孔は小さくなり、最終的に焼結体は金属塊と同様の状態になり、その密度は材料金属の真密度とほとんど同じになる。焼結体の気孔を独立気孔にするための金属粉末の平均粒子径の選定、及び焼結温度と焼結時間の設定には無限の組合せがある。焼結金属の材料金属によっても気孔の状態は変化する。

本発明では、各焼結体形成条件の少なくとも１つを、使用する材料金属に応じて変化させつつ試作を行うことによって、気孔を独立気孔にするとともに、図４を参照して詳細に説明するように、独立気孔の大きさがラジアル動圧発生溝９ａ、９ｂの山部の幅（Ｗ）及び深さ（Ｄ）より小さくなるような焼結体形成条件を選定する。スリーブ１の気孔がすべて独立気孔であればオイルがスリーブ１を浸透して外部へ漏れることはないので、図９に示す従来例のようにスリーブ１０１の外周をスリーブカバー１１４で覆う必要はなく、簡単な構成で信頼性の高い動圧流体軸受を実現することができる。

図４はスリーブ１の軸受孔１ａの内周面の部分拡大断面の例を示す図であり、内周面に山部１４ａ、１４ｂ及び１４ｃと、動圧発生溝１８ａ、１８ｂ、１８ｃ及び１８ｄが形成されている。動圧発生溝１８ａ〜１８ｄの幅及び山部１４ａ〜１４ｃの幅Ｗはともに約０．２ｍｍであり、深さＤは約０．０１ｍｍである。図４に図示されている幅Ｗと深さＤの寸法は実際の寸法に比例していない。
図４の左端の山部１４ａは、幅Ｗより大きな気孔１７ａが山部１４ａの部分に存在する例である。この気孔１７ａにより、動圧発生溝１８ａと１８ｂは連続した広い幅（３×Ｗ）の溝となり、この気孔１７ａの近傍ではその機能を十分もっていない。

図４の中央の山部１４ｂは、左右の幅は山部１４ｂの幅Ｗより小さいが、深さが深い気孔１７ｂが存在する例である。この場合には、気孔１７ｂの中にオイルが入り、この部分の軸受剛性が低下する。
図４の右端の山部１４ｃは、幅Ｗよりはるかに小さく深さＤより浅い気孔１７ｃが存在する例である。この場合動圧発生溝１８ｃ、１８ｄは気孔１７ｃの影響をほとんどうけない。以上の点から、独立気孔の大きさが動圧発生溝１８ａ〜１８ｄを形成する山部の幅Ｗより小さく、深さＤより浅ければ、動圧発生溝１８ａ〜１８ｄの機能をほとんど損なうことはない。

独立気孔を得る他の方法としては、焼結工程の後、焼結体に仕上げ工程を行なう方法が知られている。仕上げ工程では、焼結工程の終った焼結体のスリーブ１を、前記成形体を作るときの金型とほぼ相似の形状を有し、各部の寸法が少し小さくなされた別の金型に入れて加圧する。加圧により金属粉末１２ａは変形して互に密着するので気孔が小さくなる。また、焼結工程の後に、プレス機によりスリーブ１の表面に圧力を加えるコイニング加工や、表面を加圧しつつこするシェービング加工等の冷間塑性加工を施してもよい。これらの冷間塑性加工によりスリーブ１の表面の気孔を潰して独立気孔にすることができるが、本実施の形態の方法に比べると加工工程が多く製造コストが高い。スリーブ１を成形するとき成形用の金型内で加圧しながら加熱しても良い。金属粉末の粒径を小さくしたり、２種類以上の粒径の金属粉末を混合した焼結材料を用いることで、焼結前の成形体の気孔の大きさをできるだけ小さくしておくことも有効である。コストは高くなるが金属粉末の表面に特殊なコーティングを行うことで気孔を気密にする方法もある。さらにスリープ１の全面にメッキを施すことで、防錆や耐摩耗性の改善と、気孔１３を独立気孔１４にする補助手段にしてもよい。

以上のように本発明の実施の形態１の動圧流体軸受装置によれば、スリーブ１を焼結金属で形成するので、コストが安く、生産性が高い。スリーブ１の動圧発生溝は別工程の転造工程により形成する。
従来の焼結金属では連通する気孔が存在するため、このような焼結金属でスリーブを作るとオイルがスリーブを浸透して漏れてしまう。本実施の形態の焼結金属は気孔が独立気孔であるので、オイルがスリーブを浸透することはなく従って外部へ漏れ出ることがない。
前記の独立気孔の大きさは、動圧発生溝の幅及び深さよりも小さいので、動圧発生溝を形成する山部に気孔が存在する場合でも、動圧発生溝の機能に支障を及ぼすことはない。これにより低コストで信頼性の高い動圧流体軸受装置が実現できることになる。

《実施の形態２》
本発明の実施の形態２の動圧流体軸受装置を図５、図６及び図７を参照して説明する。図５は実施の形態２の動圧流体軸受装置の断面図である。図において、軸受孔４０ａを有するスリーブ４０は円筒状の焼結体であり、軸受孔４０ａの内周面にはラジアル動圧発生溝９ａ、９ｂが冷間塑性加工法（転造法）等により形成されている。スリーブ４０の図において下端面にはスラスト動圧発生溝１０ｂが形成されている。スリーブ４０は、前記実施の形態１のスリーブ１と同様の独立気孔を有している。

スラスト軸受部を構成するスラスト部材４４は、焼結金属又は焼結金属ではない金属材料で作られた皿状の部材であり、中央部に円形の凹部４４ａを有する。凹部４４ａの直径と深さは、軸２の下端部に取付けられているスラストフランジ３が微小な隙間を保って収容されるような寸法になされている。凹部４４ａの底面には動圧発生溝１０ｃが形成されている。スラスト部材４４を焼結金属で作る場合は、スリーブ４０と同様の独立気孔を有する焼結体により構成する。

軸２は前記実施の形態１のもとの同じ構成を有し、下端部のスラストフランジ３が前記スラスト動圧発生溝１０ｂに対向するように軸２を軸受孔４０ａに挿入して、スラスト部材４４をスリーブ４０に取り付ける。スラスト動圧発生溝１０ｂ及び１０ｃと、スラストフランジ３とによりスラスト軸受部が形成される。
本実施の形態２の動圧流体軸受装置に図１に示すものと同様のハブ５及びベース８等を取り付けることによりスピンドルモータが構成される。

本実施の形態２のスリーブ４０は筒状のシンプルな形状であるので、前記実施の形態１のスリーブ１に比べると、焼結後の各部の寸法精度が高いという特徴がある。以下スリーブ４０とスリーブ１のそれぞれの成形工程を対比し、スリーブ４０の寸法精度をスリーブ１に比べて高くすることができる理由を説明する。
スリーブ４０は焼結体であるので焼結工程で若干収縮する。収縮量は成形体の密度分布の不均一、焼結工程の温度の上昇時における温度分布の不均一、焼結温度のばらつき等によって変わる。焼結体の寸法精度を高くするには、金型の精度を高くするとともに、成形体の密度分布を出来るだけ均一にする必要がある。成形体の密度分布は、成形体の形状がシンプルであるほど均一になりやすい。

焼結材料の金属粉末を金型に入れてプレスし、スリーブの成形体を得る工程について図６及び図７を参照して説明する。図６は本実施の形態２のスリーブ４０を成形する金型５０の要部の断面図であり、図７は前記実施の形態１のスリーブ１を成形する金型５２の要部の断面図である。

図６において、円筒状の外形型２１の中に、外形型２１と同心を保って棒状の内形型２０が固定されている。外形型２１の内径は図５に示すスリーブ４０の外径に対応し、内径型２０の外径は軸受孔４０ａの内径に対応している。外形型２１内には上型２２と下型２３が設けられており、それぞれ矢印２２ａ、２３ａの方向に外形型２１内を移動可能になされている。図中の寸法Ｌは、この金型５０によって得られる成形体の厚みであり、図５におけるスリーブ４０の長さＬに対応している。寸法３Ｌは上型２２と下型２３が開いたときの間隔を示している。

図２に示す工程Ｓ３で得られた焼結材料を寸法３Ｌの間隔に開いた上型２２と下型２３との間に充填する。充填時には上型２２又は下型２３のいずれか一方を取り外す。次に上型２２を矢印２２ａの方向に移動させるとともに、下型２３を矢印２３ａの方向に移動させる。すなわち上型２２及び下型２３はそれぞれの方向に共に同じ距離だけ移動させて焼結材料を圧縮する。上型２２及び下型２３を寸法Ｌの間隔になるまで移動させることによって成形体１９ａが得られる。図６は成形が完了して金型２２、２３がそれぞれの位置に戻った状態を示している。成形体１９ａに、図５に示すスリーブ４０と同様のラジアル動圧発生溝９ａ及び９ｂ、スラスト動圧発生溝１０Ｂを別工程の転造工程で形成することによりスリーブ４０が完成する。

図６に示す成形工程では、寸法３Ｌの上型２２と下型２３の間に入れた焼結材料を厚さＬの環状の成形体１９ａに圧縮成形する。すなわち単純な形状である環状に成形するので、得られた成形体１９ａの部分的な密度の変化は小さく極めて均一な密度分布を有するものが得られる。また複数の成形体１９ａを作製したときの各成形体毎の密度のばらつきも比較的小さくなる。

成形体１９ａの孔１９ｂの軸心と底面１９ｃとがなす角の直角からのずれ（以下、直角度という）は内形型２０の軸心と下型２３の加圧面２３ａとの直角度と、下型２３と内形型２０との間の隙間の大小及び下型２３と外形型２１との間の隙間の大小によって決まる。内形型２０、外形型２１、上型２２及び下型２３はともに単純な形状であるので、前記各隙間は所望の精度が得られるように最適な値に設定することができる。従って前記の孔１９ｂの軸心と底面１９ｃとの直角度も所望の値にすることができる。これにより所望の高い精度を有する成形体１９ａを得ることができる。

図６の成形工程では上型２２と下型２３を共に移動させているが、仮に下型２３を固定して上型２２だけを矢印２２ａのように動かした場合には、上型２２で押される焼結材料内の圧力分布と、下型２３の上にある焼結材料内の圧力分布とは同じではない。すなわち上型２２の加圧力は内形型２０と外形型２１に分散して下型２３に伝わると想定され、成形の過程で上型２２から成形体１９ａに加わる力と、下型２３から成形体１９ａに加わる力とは同じにならない。そのため成形体１９ａの上面１９ｄと下面１９ｃとでは密度に違いが生じることが知られている。このように上面１９ｄを下面１９ｃで密度の異なる成形体１９ａを焼結すると、密度の低い部分が縮み、そりが発生することがある。従って上型２２と下型２３のいずれか一方を固定し他方を移動させる成形法では所望の精度を有するスリーブ４０を得ることはできない。本実施の形態２では上型２２と下型２３を共に移動させて成形することにより所望の精度を有するスリーブ４０を得ることができる。

図７を参照して前記実施の形態１のスリーブ１を成形する金型について説明する。スリーブ１は段部１ｂ及び１ｃを有するので、金型５２の下型３３は、独立して移動する外型３３ａ、内型３３ｂ及び中型３３ｃを有する。その他の構成は図６に示すものと同じである。
成形工程では、金型５２の上型２２と、下型３３の外型３３ａ、内型３３ｂ及び中型３３ｃとの間を寸法３Ｌになるよう開いて（図示省略）その空間に焼結材料を充填する。次に上型２２、外型３３ａ、内型３３ａ及び中型３３ｃを、それぞれの矢印２２ａと３３ｅの方向に共に同じ距離だけ移動させて焼結材料を圧縮する。焼結材料を寸法Ｌの厚みまで圧縮した後、内型３３ｂ及び中型３３ｃを更に矢印３３ｅの方向に移動させて成形体２９ａの中央部２９ｂを寸法Ｍになるように圧縮する。その結果、成形体２９ａが得られる。成形体２９ａは、中央部２９ｂの密度が外周部２９ｃの密度より高い。また中央部２９ｂの下面と上面では密度が異なる。その原因は、中央部２９ｂの成形時に上型２２が静止した状態で、内型３３ｂを矢印３３ｅの方向に移動して中央部２９ｂを圧縮するからである。このように各部で密度の不均一な成形体２９ａを焼結すると、密度の不均一に基づく歪が生じる。そのため成形体２９ａを焼結した焼結体から各部の寸法が所望の値を有するスリーブ１を得るためには図８に示すように例えば旋盤加工を行う。すなわち、焼結体２９ｄを、旋盤のエアチャック４５に固定して、バイト４６で軸受孔４７を所望の寸法に切削する。焼結体２９ｄは上記の切削加工を見込んで少し大きめに作っておくのが望ましい。以上の成形工程の比較から判るように、本実施の形態２のスリーブ４０は焼結後の寸法精度が高いので、仕上加工が簡単になりその結果として、コストが低減される。

本発明は低コスト及び高信頼性を有するスピンドルモータに利用可能である。

本発明の実施の形態１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 本実施の形態１のスリーブの製造工程を示す説明図 （ａ）は連通する大きな気孔を有する成形体の表面の拡大図、図３（ｂ）は連通する小さな気孔を有する焼結金属の表面の拡大図、図３（ｃ）は独立気孔を有する焼結金属の表面の拡大図 独立気孔が存在する動圧発生溝の部分拡大図 本発明の実施の形態２の動圧流体軸受の断面図 本発明の実施の形態２のスリーブを成形する金型の要部断面図 本発明の実施の形態１のスリーブを成形する金型の要部断面図 スリーブの旋盤加工工程を示す断面図 従来例における動圧流体軸受を有するスピンドルモータの断面図 従来例における組立状態を説明する動圧流体軸受の要部断面図

符号の説明

１、４０、１０１ スリーブ
１ａ、４０ａ、１０１ａ 軸受孔
２、１０２ 軸
３、１０３ スラストフランジ
４、１０４ スラスト板
４４ スラスト部材
５、１０５ ロータハブ
６、１０６ ロータ磁石
７、１０７ モータステータ
８、１０８ ベース
９ａ、９ｂ、１０９ａ、１０９ｂ ラジアル動圧発生溝
１０ａ、１０ｂ、１１０ａ、１１０ｂ スラスト動圧発生溝
１１、１１１ オイル
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ 金属粉末
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ 気孔
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ 山部
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ 気孔
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ 動圧発生溝
４４ａ 凹部

Claims (6)

1. 軸受孔を有するスリーブ、
   前記スリーブの前記軸受孔に相対的に回転可能に挿入された軸、
   前記軸の一方の端部に設けられたスラストフランジ、及び
   前記スラストフランジに対向するスラスト部材を備え、
   前記軸受孔の内周面に、ラジアル軸受として働くラジアル動圧発生溝を有し、
   前記スラストフランジとスラスト部材のそれぞれの対向面のいずれか一方に、スラスト軸受として働くスラスト動圧発生溝を有し、
   前記軸及び前記スラストフランジと、前記軸受孔及びスラスト部材との間の隙間に作動流体を有する動圧流体軸受装置において、
   前記スリーブは、鉄、鉄の合金、銅、銅の合金から選択した少なくとも１つを含有する焼結材料を焼結した焼結体であり、前記焼結体の気孔は隣り合う気孔が互に独立している独立気孔であり、前記独立気孔の大きさが、前記ラジアル動圧発生溝の山部の幅及び高さより小さいことを特徴とする動圧流体軸受装置。
2. 軸受孔を有するスリーブ、
   前記スリーブの前記軸受孔に相対的に回転可能に挿入された軸、
   前記軸の一方の端部に設けられたスラストフランジ、及び
   前記スラストフランジに対向するスラスト部材を備え、
   前記軸受孔の内周面に、ラジアル軸受として働くラジアル動圧発生溝を有し、
   前記スラストフランジとスラスト部材のそれぞれの対向面のいずれか一方に、スラスト軸受として働くスラスト動圧発生溝を有し、
   前記軸及び前記スラストフランジと、前記軸受孔及びスラスト部材との間の隙間に作動流体を有する動圧流体軸受装置において、
   前記スリーブは、鉄、鉄の合金、銅、銅の合金から選択した少なくとも１つを含有する焼結材料を焼結した焼結体であり、前記焼結体の気孔は隣り合う気孔が互に独立している独立気孔であり、前記焼結体の成形時の成形圧力、焼結条件である焼結温度、焼結時間、及び焼結材料の金属粒子の平均粒子径、の各焼結体形成条件の少なくとも１つを、前記独立気孔の大きさが、前記ラジアル動圧発生溝の山部の幅及び高さより小さくなるように選定したことを特徴とする動圧流体軸受装置。
3. 前記スリーブは一方の端部に、前記軸受孔に同心でかつ前記軸受孔の直径より大きい直径の段部を有し、前記段部と前記スラスト部材で形成された空間に前記フランジが収納されていることを特徴とする請求項１記載の動圧流体軸受装置。
4. 前記スリーブは軸受孔を有する環状の焼結金属部材であり、前記スラスト部材は、前記スラスト部材を前記スリーブに取り付けたとき、前記スラストフランジが収納される空間を形成する凹部を有し、前記凹部の底面及び対向するスラストフランジの面のいずれか一方にスラスト動圧発生溝を形成したことを特徴とする請求項１又は２記載の動圧流体軸受装置。
5. 軸受孔を有するスリーブ、
   前記スリーブの前記軸受孔に相対的に回転可能に挿入された軸、
   前記軸の一方の端部に設けられたスラストフランジ、及び
   前記スラストフランジに対向するスラスト部材を備え、
   前記軸受孔の内周面に、ラジアル軸受として働くラジアル動圧発生溝を有し、
   前記スラストフランジとスラスト部材のそれぞれの対向面のいずれか一方に、スラスト軸受として働くスラスト動圧発生溝を有し、
   前記軸及び前記スラストフランジと、前記軸受孔及びスラスト部材との間の隙間に作動流体を有する動圧流体軸受装置において、
   前記スリーブは、鉄、鉄の合金、銅、銅の合金から選択した少なくとも１つを含有する焼結材料を焼結した焼結体であり、前記焼結体の気孔は隣り合う気孔が互に独立している独立気孔であり、前記焼結体の成形時の成形圧力、焼結条件である焼結温度、焼結時間、及び焼結材料の金属粒子の平均粒子径、の各焼結体形成条件の少なくとも１つを、前記独立気孔の大きさが、前記ラジアル動圧発生溝の山部の幅及び高さより小さくなるように選定する動圧流体軸受装置の製造方法。
6. 前記スリーブは、焼結材料を金型により圧縮して成形した成形体から作られ、 前記金型は、前記焼結材料を圧縮する少なくとも２つの型を備え、前記２つの型は前記焼結材料を圧縮する方向に共に同じ距離だけ移動して前記焼結材料を圧縮することを特徴とする請求項５記載の動圧流体軸受装置の製造方法。

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