JP2019157924A - 動圧軸受及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ラミネーションの発生を回避して、実使用に耐え得るだけの強度を具備し、かつ所望の軸受性能を安定的に発揮することのできる動圧軸受を低コストに提供する。【解決手段】本発明に係る動圧軸受８は、酸化物皮膜１２を形成可能な金属粉末を主成分として含む原料粉末Ｍの圧粉体１０と、圧粉体１０の表面のうち被支持部２ａ１との間に軸受隙間を形成する領域８ａに設けられた動圧発生部Ａ１，Ａ２と、金属粉末の粒子１１間に形成された酸化物皮膜１２とを備え、１５０ＭＰａ以上の圧環強度を示す。ここで金属粉末は、金属粉末全体に占める１００μｍ以上の金属粉末の割合が３０ｗｔ％以上で、かつ累積５０％径が５０μｍ以上でかつ１００μｍ以下である粒度分布を示す。【選択図】図７

Description

本発明は、動圧軸受及びその製造方法に関し、特に、金属粉末の圧粉体を母体とする動圧軸受及びその製造方法に関する。

周知のように、動圧軸受は、軸の外周面など被支持部との間に形成される軸受隙間内の潤滑流体（例えば潤滑油）に動圧作用を発生させるための動圧発生部を有する。この種の動圧軸受には、金属の多孔質体で形成されたものがあり、多孔質体の内周面には、例えば被支持部との間に形成されるラジアル軸受隙間に動圧作用を発生させるためのラジアル動圧発生部が形成されている。被支持部との間に形成されるスラスト軸受隙間に動圧作用を発生させるためのスラスト動圧発生部が形成されたものもある。

上述した多孔質構造の動圧軸受は、通常、金属粉末を主成分として含む原料粉末を圧縮成形して得た圧粉体を焼結し、焼結により得た焼結体の内周面に型成形でラジアル動圧発生部を形成することにより製造される（例えば、特許文献１を参照）。あるいは、原料粉末を圧縮して圧粉体を成形するのと同時に圧粉体の内周面にラジアル動圧発生部を型成形し、然る後、この圧粉体を焼結することにより多孔質構造の動圧軸受を製造する方法も提案されている（特許文献２を参照）。

このように、金属粉末から製造される多孔質構造の動圧軸受の製造工程においては、動圧軸受として必要とされる強度を確保する目的で、焼結工程が設けられている。しかしながら、焼結工程では、非常に高温な環境下（通常、８００℃以上）で圧粉体が加熱されるため、焼結後の圧粉体（焼結体）には、焼結後の熱収縮等に起因して許容できない程度の大きさの寸法変化が生じる。従って、動圧軸受として必要とされる寸法精度や形状精度を確保するには、焼結体にサイジング等の寸法矯正加工（整形加工）を施すことが必要不可欠となり、この後加工がコストアップの原因となる。

この問題を解決するため、特許文献３には、焼結工程を経ることなく製造された動圧軸受が提案されている。すなわち、この動圧軸受は、酸化物皮膜を形成可能な金属粉末を含む原料粉末の圧粉体を母体とし、圧粉体表面のうち軸受面となる領域に動圧発生部が型成形で形成された動圧軸受であって、圧粉体を構成する上記金属粉末の粒子間に酸化物皮膜が形成され、この酸化物皮膜が圧粉体の水蒸気処理により形成されるものである。

このように、水蒸気処理により上記金属粉末の粒子間に形成された酸化物皮膜は、粒子同士の結合媒体として機能し、圧粉体を焼結したときに形成されるネッキングの役割を代替するので、圧粉体を、そのまま動圧軸受として使用可能なレベル、例えば圧環強度が１５０ＭＰａ以上を示すレベルにまで高強度化することができる。また、圧粉体に施すべき水蒸気処理において、その処理温度は、圧粉体を焼結する場合の加熱温度よりも格段に低いので、処理後における圧粉体の寸法変化量を小さくすることができる。そのため、上記構成の動圧軸受であれば、焼結工程後の実施が必要不可欠であったサイジング等の整形加工を省略することができ、製造コストの低減化が可能となる。また、処理温度が低ければ、処理時に必要なエネルギーも削減できるので、これによっても低コスト化が可能となる。

特許第３６０７６６１号公報 特開２０００−６５０６５号公報 特開２０１６−１０２５５３号公報

ところで、特許文献３に記載の方法によって動圧軸受を製造する場合、例えば酸化物皮膜を形成可能な金属粉末として鉄粉末を、成形性や軸とのなじみ性（初期摺動性）向上のための金属粉末として銅粉末をそれぞれ混合して使用することがある。ところが、このような材料組成（酸化物皮膜を形成可能な金属粉末とは異種の金属粉末を含む組成）の原料粉末から圧粉体を成形し、この圧粉体に水蒸気処理を施した場合、水蒸気処理後の寸法精度（ないし形状精度）が低下することが判明した。ここで例えば粒子径が全体的に小さい分布（２０〜１００μｍ）を示す鉄粉末を使用すれば、寸法精度の低下を回避することができるが、その一方で、上述のように微細な粉末を使用することで、圧粉体の成形性が低下し、ラミネーションと呼ばれるクラックが圧粉体の外表面に発生することが判明した。この種のクラックは、衝撃や振動が加わった際に進行し、ひいては軸受の破損を招くおそれがある。そのため、ラミネーションの発生は、回避すべき課題である。

以上の実情に鑑み、本発明では、ラミネーションの発生を回避して、実使用に耐え得るだけの強度を具備し、かつ所望の軸受性能を安定的に発揮することのできる動圧軸受を低コストに提供することを、解決すべき技術課題とする。

前記課題の解決は、本発明に係る動圧軸受によって達成される。すなわち、この軸受は、酸化物皮膜を形成可能な金属粉末を主成分として含む原料粉末の圧粉体と、圧粉体の表面のうち被支持部との間に軸受隙間を形成する領域に設けられた動圧発生部と、金属粉末の粒子間に形成された酸化物皮膜とを備え、１５０ＭＰａ以上の圧環強度を示す動圧軸受において、金属粉末は、金属粉末全体に占める１００μｍ以上の金属粉末の割合が３０ｗｔ％以上で、かつ累積５０％径が５０μｍ以上でかつ１００μｍ以下である粒度分布を示す点をもって特徴付けられる。

なお、本発明でいう「累積５０％径」とは、レーザー回折・散乱法を測定原理とする粒度分布測定装置で測定した粒子径の値の累積分布における中央値（メディアン径ともいう）である。また、本発明でいう「酸化物皮膜を形成可能な金属粉末」とは、換言するならばイオン化傾向が水素に比べて大きい金属の粉末であり、例えば鉄、アルミニウム、マグネシウム、クロム等の粉末、あるいは上記金属が含まれる合金粉末である。また、本発明でいう「主成分として含む」とは、原料粉末に複数の物質が含まれる場合、当該複数の物質のうち、原料粉末全体に占める上記金属粉末の割合が最も多いことを意味する。原料粉末に単一の物質のみが含まれる場合、当該単一の物質が酸化物皮膜を形成可能な金属粉末に相当する。また、本発明でいう「圧環強度」とは、ＪＩＳ Ｚ ２５０７に規定された方法に基づいて算出される値である。

このように、本発明に係る動圧軸受では、原料粉末の主成分であり、酸化物皮膜を形成可能な金属粉末として、金属粉末全体に占める１００μｍ以上の金属粉末の割合が３０ｗｔ％以上で、かつ累積５０％径が５０μｍ以上でかつ１００μｍ以下である粒度分布を示す金属粉末を使用した。このように、金属粉末全体に占める１００μｍ以上の金属粉末の割合が３０ｗｔ％以上である粒度分布を示す金属粉末を使用することによって、相対的に微細な粒子径の粉末が混在することに起因するラミネーションの発生を可及的に回避することができる。また、上記分布に加えて、累積５０％径が５０μｍ以上でかつ１００μｍ以下の粒度分布を示す金属粉末を使用することによって、金属粉末の粒子径を全体的に大きくしたことにより圧粉体の内部気孔が大きくなり過ぎる事態を回避することができる。よって、例えばその後の熱処理による酸化物皮膜の形成時、酸化物皮膜の形成により内部気孔を効果的に封孔又は縮小して、軸受内部への動圧の逃げ（軸受隙間に形成される流体膜の剛性低下）を可及的に防止でき、これにより所望の軸受性能を安定的に発揮することが可能となる。

もちろん、本発明に係る動圧軸受であれば、上記金属粉末の粒子間に形成される酸化物皮膜が粒子同士の結合媒体として機能し、圧粉体を焼結したときに形成されるネッキングの役割を代替することにより、１５０ＭＰａ以上の圧環強度を示す。よって、焼結等の処理を施すことなく、そのまま動圧軸受として使用することができ、これにより製造工程を簡略化して製造コストの低減化を図ることが可能となる。

また、本発明に係る動圧軸受においては、金属粉末は還元粉であってもよい。

還元粉は、一般的に、アトマイズ粉に比べて歪な形状（例えば表面の凹凸が大きな形状）をなすことから、還元粉を使用することで、還元粉の粒子同士が圧粉成形時に強く絡み合い、高強度の圧粉体を得ることができる。なお、焼結時における寸法変化は還元粉の方がアトマイズ法で製造された粉末（アトマイズ粉）よりも収縮する傾向を示すが、本発明に係る動圧軸受は、焼結工程を経ることなく製造可能であるから、焼結時の収縮は特に気にしなくてよい。

また、本発明に係る動圧軸受においては、金属粉末は鉄粉末であってもよい。

鉄はイオン化傾向の高い金属であるから、上記金属粉末に鉄粉末を用いることで効果的に酸化物皮膜を圧粉体の鉄粉末粒子間に形成することができる。また、鉄粉末であれば廉価に入手できるので、材料コストの面でも好ましい。

また、本発明に係る動圧軸受においては、原料粉末全体に占める金属粉末の割合が９５ｗｔ％以上であってもよい。

このように酸化物皮膜を形成可能な金属粉末として上述の粒度分布を示す金属粉末を用いると共に、原料粉末全体に占める金属粉末の割合を９５ｗｔ％以上にすることで、ラミネーションの発生を防止しつつ、皮膜形成のための熱処理後の寸法精度（ないし形状精度）の低下をより効果的に抑制することが可能となる。

また、本発明に係る動圧軸受においては、当該動圧軸受が、圧粉体の内部気孔に潤滑油を含浸させてなるものであってもよい。

本発明では上述した粒度分布を示す金属粉末を使用することによって、圧粉体の内部気孔が大きくなり過ぎる事態を回避することができるので、圧粉体に一定の比率で内部気孔を残しつつも、各内部気孔の大きさを抑制することができる。よって、圧粉体の内部気孔に潤滑油を所要量だけ保持しつつも、軸受内部への動圧の逃げを可及的に防止でき、これにより優れた軸受性能を長期にわたって安定的に発揮することが可能となる。

以上の説明に係る動圧軸受は、例えば当該動圧軸受と、被支持部を含む動圧軸受に対して相対回転する軸部材とを備える流体動圧軸受装置として好適に提供可能である。

また、上記構成の流体動圧軸受装置は、例えば当該流体動圧軸受装置を備えたモータとして好適に提供可能である。

また、前記課題の解決は、本発明に係る動圧軸受の製造方法によっても達成される。すなわち、この製造方法は、１５０ＭＰａ以上の圧環強度を示す動圧軸受を製造する方法であって、酸化物皮膜を形成可能な金属粉末を主成分として含む原料粉末を圧縮して圧粉体を成形すると共に、圧粉体の表面のうち被支持部との間に軸受隙間を形成する領域に動圧発生部を型成形する圧縮成形工程と、圧粉体に所定の熱処理を施し、圧粉体を構成する金属粉末の粒子間に酸化物皮膜を形成する皮膜形成工程とを備えた動圧軸受の製造方法において、金属粉末として、金属粉末全体に占める１００μｍ以上の金属粉末の割合が３０ｗｔ％以上で、かつ累積５０％径が５０μｍ以上でかつ１００μｍ以下である粒度分布を示す金属粉末を使用する点をもって特徴付けられる。

このように、本発明に係る動圧軸受の製造方法においても、原料粉末の主成分であり、酸化物皮膜を形成可能な金属粉末として、金属粉末全体に占める１００μｍ以上の割合が３０ｗｔ％以上である粒度分布を示す金属粉末を使用したので、相対的に微細な粒子径の粉末が混在することに起因するラミネーションの発生を可及的に回避することができる。また、上記分布に加えて、累積５０％径が５０μｍ以上でかつ１００μｍ以下の粒度分布を示す金属粉末を使用したので、金属粉末の粒子径を全体的に大きくしたことにより圧粉体の内部気孔が大きくなり過ぎる事態を回避することができる。よって、その後の熱処理による酸化物皮膜の形成時、酸化物皮膜の形成により内部気孔を効果的に封孔して、軸受内部への動圧の逃げ（軸受隙間に形成される流体膜の剛性低下）を可及的に防止でき、これにより所望の軸受性能を安定的に発揮することが可能となる。

また、本発明に係る動圧軸受の製造方法においては、皮膜形成工程において、所定の熱処理として圧粉体に大気雰囲気下で低温加熱処理を施してもよい。また、この場合、低温加熱処理の処理温度を３５０℃以上でかつ６００℃以下に設定してもよい。

このように、所定の熱処理として大気雰囲気下で低温加熱処理を施すことによって、皮膜形成工程時の処理温度を、圧粉体を焼結する場合の加熱温度よりも大幅に下げることができる。よって、熱処理後における圧粉体の寸法変化量を小さくすることができ、サイジング等の整形加工を省略することが可能となる。

以上より、本発明によれば、ラミネーションの発生を回避して、実使用に耐え得るだけの強度を具備し、かつ所望の軸受性能を安定的に発揮することのできる動圧軸受を低コストに提供することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る流体動圧軸受装置の断面図である。 図１に示す動圧軸受の断面図である。 図１に示す動圧軸受の下端面を示す平面図である。 図１に示す動圧軸受の要部拡大断面図である。 動圧軸受の母体となる圧粉体の圧縮成形工程を模式的に示す図であって、（ａ）は同工程の初期段階を示す図、（ｂ）は同工程の途中段階を示す図である。 本発明に係る金属粉末の粒度分布を頻度分布で概念的に表示したグラフである。 本発明に係る金属粉末の粒度分布を累積分布で概念的に表示したグラフである。 通油度の測定装置を概念的に示す図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る流体動圧軸受装置１の断面図を示している。この流体動圧軸受装置１は、動圧軸受８と、動圧軸受８の内周に挿入され、動圧軸受８に対して回転する軸部材２と、動圧軸受８を内周に保持した有底筒状のハウジング７と、ハウジング７の開口部をシールするシール部材９とを備える。ハウジング７の内部空間には、潤滑流体としての潤滑油（密な散点ハッチングで示す）が充填されている。以下の説明においては、便宜上、シール部材９が設けられた側を下上側、その軸方向反対側を下側とする。

ハウジング７は、円筒状の筒部７ａと、筒部７ａの下端開口を閉塞する底部７ｂとを一体に有する有底筒状をなしている。筒部７ａと底部７ｂの境界部には段部７ｃが設けられており、この段部７ｃの上端面に動圧軸受８の下端面８ｂを当接させることにより、ハウジング７に対する動圧軸受８の軸方向位置が設定される。

底部７ｂの内底面７ｂ１には、対向する軸部材２のフランジ部２ｂの下端面２ｂ２との間にスラスト軸受部Ｔ２のスラスト軸受隙間を形成する円環状のスラスト軸受面が設けられている。このスラスト軸受面には、スラスト軸受部Ｔ２のスラスト軸受隙間内の潤滑油に動圧作用を発生させるための動圧発生部（スラスト動圧発生部）が設けられている。図示は省略するが、このスラスト動圧発生部は、後述するスラスト動圧発生部Ｂと同様に、例えば、スパイラル形状の動圧溝と、この動圧溝を区画する凸状の丘部とを円周方向に交互に配して構成される。

シール部材９は円環状に形成され、例えばハウジング７の筒部７ａの内周面７ａ１に適宜の手段で固定される。シール部材９の内周面９ａは、下方に向けて漸次縮径したテーパ面状に形成され、対向する軸部材２の外周面２ａ１との間に下方に向けて径方向寸法を漸次縮小させたシール空間Ｓを形成する。シール空間Ｓは、ハウジング７の内部空間に充填された潤滑油の温度変化に伴う容積変化量を吸収するバッファ機能を有し、想定される温度変化の範囲内で潤滑油の油面を常にシール空間Ｓの軸方向範囲内に保持する。

軸部材２は、軸部２ａと、軸部２ａの下端に一体又は別体に設けられたフランジ部２ｂとを備える。軸部２ａの外周面２ａ１のうち、動圧軸受８の内周面８ａと対向する部分は、相対的に小径な円筒面状の中逃げ部２ｃが設けられている点を除いて凹凸のない平滑な円筒面に形成されている。また、フランジ部２ｂの上端面２ｂ１及び下端面２ｂ２は平滑な平坦面に形成されている。

動圧軸受８は、本実施形態では円筒状をなし、ハウジング７の内周面に適宜の手段で固定される。動圧軸受８の内周面８ａには、対向する軸部２ａの外周面２ａ１との間にラジアル軸受部Ｒ１，Ｒ２のラジアル軸受隙間を形成する円筒状のラジアル軸受面が軸方向の二箇所に離間して設けられている。２つのラジアル軸受面には、図２に示すように、ラジアル軸受隙間内の潤滑油に動圧作用を発生させるためのラジアル動圧発生部Ａ１，Ａ２がそれぞれ形成されている。ラジアル動圧発生部Ａ１，Ａ２はそれぞれ、軸方向に対して傾斜した複数の上側動圧溝Ａａ１と、上側動圧溝Ａａ１とは反対方向に傾斜した複数の下側動圧溝Ａａ２と、動圧溝Ａａ１，Ａａ２を区画する凸状の丘部とで構成され、動圧溝Ａａ１，Ａａ２は全体としてヘリングボーン形状に配列されている。丘部は、周方向で隣り合う動圧溝間に設けられた傾斜丘部Ａｂと、上下の動圧溝Ａａ１，Ａａ２間に設けられ、傾斜丘部Ａｂと略同径の環状丘部Ａｃとからなる。

動圧軸受８の下端面８ｂには、対向するフランジ部２ｂの上端面２ｂ１との間にスラスト軸受部Ｔ１のスラスト軸受隙間を形成する円環状のスラスト軸受面が設けられている。このスラスト軸受面には、図３に示すように、スラスト軸受部Ｔ１のスラスト軸受隙間内の潤滑油に動圧作用を発生させるための動圧発生部（スラスト動圧発生部）Ｂが形成されている。図示例のスラスト動圧発生部Ｂは、スパイラル形状の動圧溝Ｂａと、動圧溝Ｂａを区画する凸状の丘部Ｂｂとを円周方向に交互に配して構成される。

以上の構成を有する流体動圧軸受装置１において、軸部材２と動圧軸受８との相対回転開始前、動圧軸受８の内周面８ａに設けた二つのラジアル軸受面と、これらに対向する軸部２ａの外周面２ａ１との間にはラジアル軸受隙間がそれぞれ形成された状態にある。そして軸部材２と動圧軸受８の相対回転が開始されるのに伴い、両ラジアル軸受隙間に形成される油膜の圧力がラジアル動圧発生部Ａ１，Ａ２（動圧溝Ａａ１，Ａａ２）の動圧作用によって高められ、その結果、軸部材２をラジアル方向に相対回転自在に非接触支持するラジアル軸受部Ｒ１，Ｒ２が軸方向に離間した二箇所に形成される。このとき、軸部２ａの外周面２ａ１に中逃げ部２ｃを設けたことにより、二つのラジアル軸受隙間間には円筒状の潤滑油溜りが形成される。そのため、ラジアル軸受隙間における油膜切れ、すなわちラジアル軸受部Ｒ１，Ｒ２の軸受性能低下を可及的に防止することができる。

軸部材２と動圧軸受８の相対回転開始前、動圧軸受８の下端面８ｂに設けたスラスト軸受面と、スラスト軸受面に対向するフランジ部２ｂの上端面２ｂ１との間、及び、ハウジング７の底部７ｂの内底面７ｂ１と、内底面７ｂ１に対向するフランジ部２ｂの下端面２ｂ２との間にはスラスト軸受隙間がそれぞれ形成された状態にある。そして、軸部材２の相対回転が開始されるのに伴い、両スラスト軸受隙間に形成される油膜の圧力が下端面８のスラスト動圧発生部Ｂ（動圧溝Ｂａ）と内底面７ｂ１のスラスト動圧発生部の動圧作用によってそれぞれ高められ、その結果、軸部材２をスラスト一方向および他方向に相対回転自在に非接触支持するスラスト軸受部Ｔ１，Ｔ２が形成される。

図示は省略するが、以上で説明した流体動圧軸受装置１は、例えば、（１）ＨＤＤをはじめとしたディスク装置用のスピンドルモータ、（２）レーザビームプリンタ（ＬＢＰ）用のポリゴンスキャナモータ、あるいは（３）ＰＣ用のファンモータなどのモータ用軸受装置として用いられる。（１）の場合、例えば、軸部材２にディスク搭載面を有するディスクハブが一体又は別体に設けられ、（２）の場合、例えば、軸部材２にポリゴンミラーが一体又は別体に設けられる。また、（３）の場合、例えば、軸部材２に羽根を有するファンが一体又は別体に設けられる。

以上で説明した流体動圧軸受装置１では、動圧軸受８が特徴的な構成を有する。以下、本発明の一例に係る動圧軸受８の構造および製造方法について詳細に説明する。

動圧軸受８は、酸化物皮膜を形成可能な金属粉末（ここでは鉄粉末）を主成分として含む原料粉末の圧粉体１０を母体として備えるもので、本実施形態では、内周面８ａに設けられたラジアル動圧発生部Ａ１，Ａ２と、下端面８ｂに設けられたスラスト動圧発生部Ｂとをさらに備える。圧粉体１０の相対密度は、例えば８０％以上に設定される。ここで、動圧軸受８は、その要部拡大断面図である図４において模式的に示すように、酸化物皮膜１２を形成可能な金属粉末の粒子１１（例えば鉄粉末の粒子）間に形成された酸化物皮膜１２（より詳細には、各金属粉末の粒子１１の表面に生成され、互いに隣接する粒子１１同士を結合した酸化物皮膜１２）を有しており、流体動圧軸受装置１に組み込んで使用できるだけの強度、具体的には１５０ＭＰａ以上の圧環強度を示す。上記構成の動圧軸受８は、例えば、圧縮成形工程、皮膜形成工程、及び含油工程を順に経て製造される。以下、各工程について詳細に説明する。

［圧縮成形工程］
圧縮成形工程では、酸化物皮膜を形成可能な金属粉末を主成分として含む原料粉末を圧縮することにより、被支持部としての軸部２ａの外周面２ａ１との間に軸受隙間を形成する内周面１０ａにラジアル動圧発生部Ａ１，Ａ２が型成形され、かつ被支持部としてのフランジ部２ｂの上端面２ｂ１との間に軸受隙間を形成する下端面１０ｂにスラスト動圧発生部Ｂが型成形された圧粉体１０を得る。ここで、圧粉体１０の内周面１０ａは動圧軸受８の内周面８ａに対応しており、圧粉体１０の下端面１０ｂは動圧軸受８の下端面８ｂに対応している。また、後述する圧粉体１０の外周面１０ｄは動圧軸受８の外周面８ｄに対応しており、圧粉体１０の上端面１０ｃは動圧軸受８の上端面８ｃに対応している。上記構成の圧粉体１０は、例えば一軸加圧成形法により成形することができ、具体的には図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すような成形金型装置２０を用いて圧粉体１０を得ることができる。この成形金型装置２０は、圧粉体１０の外周面１０ｄを成形する円筒状のダイ２１と、ダイ２１の内周に配され、圧粉体１０の内周面１０ａを成形するコアピン２２と、圧粉体１０の下端面１０ｂ及び上端面１０ｃを成形する一対の下パンチ２３および上パンチ２４とを備え、コアピン２２、下パンチ２３および上パンチ２４はダイ２１に対して軸方向（上下）に相対移動可能とされる。コアピン２２の外周面には、圧粉体１０の内周面１０ａに設けるべきラジアル動圧発生部Ａ１，Ａ２の形状に対応した凹凸状の型部２５，２５が上下に離間して設けられ、下パンチ２３の上端面には、圧粉体１０の下端面１０ｂに設けるべきスラスト動圧発生部Ｂの形状に対応した凹凸状の型部２６が設けられている。なお、型部２５，２６における凹部と凸部間の高低差は実際には数μｍ〜十数μｍ程度であるが、図５（ａ）及び図５（ｂ）では誇張して描いている。

以上の構成を有する成形金型装置２０において、まず、図５（ａ）に示すように、ダイ２１の内周にコアピン２２を配置した状態で下パンチ２３を下降させ、ダイ２１の内周面、コアピン２２の外周面及び下パンチ２３の上端面でキャビティ２７を画成してから、キャビティ２７に原料粉末Ｍを充填する。

ここで、原料粉末Ｍには、酸化物皮膜を形成可能な金属粉末を主成分として含む粉末が使用される。この金属粉末としては、水素よりもイオン化傾向の高い金属の粉末が好ましく、例えば鉄粉末が好適である。また、この金属粉末の配合比は原料粉末の主成分となる限りにおいて任意であり、例えば原料粉末全体に占める金属粉末の割合が９５ｗｔ％以上となるよう、原料粉末Ｍの組成を設定するのがよい。もちろん、原料粉末Ｍには、酸化物皮膜を形成可能な金属粉末以外の物質を配合することもでき、例えば銅粉末など、圧縮成形性に優れた金属粉末や、アミドワックス系の固体潤滑剤粉末を配合してもよい。原料粉末Ｍに固体潤滑剤粉末を含めることにより、圧縮成形時における粉末の粒子同士の摩擦、さらには粉末と金型間の摩擦を低減して圧粉体１０の成形性を高めることができる。

また、金属粉末の形態についても特に問わず、例えば多孔質状をなす金属粉末を使用することができる。例えば金属粉末が鉄粉末の場合、還元法で得られた鉄粉末（還元鉄粉）を使用することができる。

また、粒度分布の観点から、本発明では、金属粉末全体に占める１００μｍ以上の金属粉末の割合が３０ｗｔ％以上で、かつ累積５０％径が５０μｍ以上でかつ１００μｍ以下である粒度分布を示す金属粉末を使用する。よって、圧粉体１０ひいては動圧軸受８中の金属粉末は全体として上述した粒度分布を示す。ここで、図６は、上記金属粉末の粒度分布を頻度分布表示で概念的に描いたグラフを示しており、図７は、上記金属粉末の粒度分布を累積分布表示で概念的に描いたグラフを示している。まず図６に示すように、上記金属粉末の粒度分布を頻度分布で表示した場合、粒子径が１００μｍ以上の金属粉末の集合Ｒは、粒子径１００μｍを境界として図６中の斜線を付した部分に相当する。この場合、粒子径が１００μｍ以上の金属粉末が当該金属粉末全体に占める割合は、図６中の曲線Ｃと横軸とで囲まれた部分の面積に対する上記斜線を付した部分Ｒの面積の比に相当するので、上記斜線を付した部分Ｒの面積の比は３０％以上となる。また、図７に示すように、上記金属粉末の粒度分布を累積分布で表示した場合、累積５０％径は図７中でｄ５０と表示され、粒子径ｄ５０を境として、粒子径ｄ５０以下の粒子径を有する金属粉末の累積量％と、粒子径ｄ５０以上の粒子径を有する金属粉末の累積量％とが同一（５０％ずつ）になる。よって、本発明に係る金属粉末の粒度分布によれば、図７に示す粒子径ｄ５０が５０μｍ以上でかつ１００μｍ以下の範囲に収まる。

上記組成の金属粉末を含む原料粉末Ｍをキャビティ２７に充填した状態で、図５（ｂ）に示すように上パンチ２４を下降させ、原料粉末Ｍを軸方向に圧縮することにより、円筒状の圧粉体１０を成形する。このとき、圧粉体１０の内周面１０ａには型部２５の形状が転写され、圧粉体１０の下端面１０ｂには型部２６の形状が転写される。これにより、円筒状の圧粉体１０が圧縮成形されるのと同時に、圧粉体１０の内周面１０ａにラジアル動圧発生部Ａ１，Ａ２が型成形され、下端面１０ｂにスラスト動圧発生部Ｂが型成形される。このようにして圧粉体１０を成形した後、圧粉体１０がダイ２１から排出されると、いわゆるスプリングバックにより圧粉体１０の内周面１０ａ及び外周面１０ｄが拡径し、圧粉体１０の内周面１０ａとコアピン２２の外周面に設けた型部２５との軸方向における凹凸係合状態が解消される。これにより、圧粉体１０の内周面１０ａに型成形されたラジアル動圧発生部Ａ１，Ａ２の形状を崩すことなく、圧粉体１０の内周からコアピン２２を抜き取ることができる。

動圧軸受８の母体となる圧粉体１０は、その相対密度が８０％以上あれば、動圧軸受８に必要とされる強度（圧環強度１５０ＭＰａ以上）を最終的に確保することができる。そのため、本実施形態で採用した一軸加圧成形法を採用する場合、相対密度が８０％以上となるようにキャビティ２７の軸方向寸法（原料粉末Ｍの充填高さ）と、一軸方向の圧縮量を調整するのがよい。一軸加圧成形法であれば、圧粉体１０を得る際に利用できるその他の加圧成形法（例えば、多軸ＣＮＣプレスを用いた成形、冷間等方圧加圧法、熱間等方圧加圧法等）に比べて圧粉体１０を低コストに得ることができるという利点がある。もちろん、コスト面で問題ないのであれば、一軸加圧成形法に代えて、多軸ＣＮＣプレスを用いた成形、冷間等方圧加圧法、熱間等方圧加圧法等を利用して圧粉体１０を成形してもかまわない。

［皮膜形成工程］
皮膜形成工程では、圧粉体１０に所定の熱処理を施すことにより、圧粉体１０を構成する金属粉末の粒子１１の表面に酸化物皮膜１２（ともに図４を参照）を形成する。本実施形態では、圧粉体１０を大気雰囲気下において比較的低温（焼結温度よりも低い温度であって、例えば３５０℃以上でかつ６００℃以下）で加熱しながら所定時間の間、大気と反応させる（低温加熱処理）。このように圧粉体１０に大気雰囲気下で低温の加熱処理を施すことによって、圧粉体１０を構成する金属粉末の粒子１１（ここでは鉄粉末の粒子）の表面に酸化物皮膜１２としての四酸化三鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）の皮膜が徐々に形成され、この酸化物皮膜１２が成長するのに伴って、隣接する粒子１１同士が酸化性皮膜１２を介して結合した状態の圧粉体１０（実質的に動圧軸受８）を得ることができる。ここで、低温加熱処理の処理時間は１分以上とするのがよい。低温加熱処理を１分以上施すことで、動圧軸受８に必要とされる強度を確保し得るだけの酸化物皮膜１２を圧粉体１０に形成することができる。ただし、処理時間には酸化物皮膜１２の成長限界の観点から上限を設けるのがよく、例えば６０分以下に設定するのがよい。

なお、本実施形態のように、圧粉体１０の原料粉末Ｍに固体潤滑剤粉末を配合する場合、所定の熱処理（低温加熱処理）を実施する前に、圧粉体１０に含まれる固体潤滑剤粉末を除去するための脱脂処理を実施するのが好ましい。これにより、酸化物皮膜１２の成長を促進し、動圧軸受８に必要とされる強度（圧環強度１５０ＭＰａ以上）を確実に得ることが可能となる。なお、脱脂処理の温度は目的（固体潤滑剤の除去）を達成し得る限りにおいて任意に設定可能であり、例えば３００℃以上に設定される。また、熱処理による圧粉体１０の寸法変化を抑制する観点からは、８００℃以下に設定される。この場合、皮膜形成工程後の圧粉体１０（動圧軸受８）は、実質的に酸化物皮膜１２が形成された金属粉末のみで構成されている。

［含油工程］
この含油工程では、いわゆる真空含浸等の手法により、隣接する粒子１１間に酸化物皮膜１２（四酸化三鉄の皮膜）が形成された圧粉体１０の内部気孔に潤滑流体としての潤滑油を含浸させる。なお、この含油工程は、必ずしも実施する必要はなく、動圧軸受８をいわゆる含油動圧軸受として使用する場合にのみ実施すればよい。

以上で説明したように、本発明に係る動圧軸受８では、原料粉末Ｍの主成分であり、酸化物皮膜１２を形成可能な金属粉末として、金属粉末全体に占める１００μｍ以上の金属粉末の割合が３０ｗｔ％以上で、かつ累積５０％径が５０μｍ以上でかつ１００μｍ以下である粒度分布を示す金属粉末を使用した。このように、金属粉末全体に占める１００μｍ以上の金属粉末の割合が３０ｗｔ％以上である粒度分布（図６を参照）を示す金属粉末を使用することによって、相対的に微細な粒子径の粉末が混在することに起因するラミネーションの発生を可及的に回避することができる。また、上記分布に加えて、累積５０％径が５０μｍ以上でかつ１００μｍ以下の粒度分布（図７を参照）を示す金属粉末を使用することによって、金属粉末の粒子径を全体的に大きくしたことにより圧粉体１０の内部気孔１３（図４を参照）が大きくなり過ぎる事態を回避することができる。よって、例えばその後の熱処理による酸化物皮膜１２の形成時、酸化物皮膜１２の形成により内部気孔１３を効果的に封孔あるいは縮小して（図４を参照）、動圧軸受８内部への動圧の逃げ（軸受隙間に形成される流体膜としての潤滑油膜の剛性低下）を可及的に防止でき、これにより所望の軸受性能を安定的に発揮することが可能となる。

また、酸化物皮膜１２が圧粉体１０を構成する金属粉末の粒子１１の表面に形成されることにより、圧粉体１０の内部気孔１３が小さくなって圧粉体１０全体の気孔率が低下する。そのため、本発明に係る動圧軸受８によれば、圧粉体１０の密度（相対密度）を必要以上に上げることなく、また、別途の封孔処理等を施すことなく、ラジアル軸受隙間およびスラスト軸受隙間に形成される油膜の剛性低下を可及的に防止し、所望の軸受性能を安定的に発揮可能な流体動圧軸受装置１を実現することができる。

もちろん、本発明に係る動圧軸受８であれば、上記金属粉末の粒子１１間に形成される酸化物皮膜１２が粒子１１同士の結合媒体として機能し、圧粉体１０を焼結したときに形成されるネッキングの役割を代替することにより、１５０ＭＰａ以上の圧環強度を示す。よって、焼結等の処理を施すことなく、そのまま動圧軸受８として使用することができ、これにより製造工程を簡略化して製造コストの低減化を図ることが可能となる。

また、本実施形態では、原料粉末Ｍの主成分となる金属粉末として還元鉄粉を使用した。還元粉は、一般的に、アトマイズ粉に比べて歪な形状（例えば表面の凹凸が大きな形状）をなすことから、還元粉を使用することで、還元粉である金属粉末の粒子１１同士が圧粉成形時に強く絡み合い、高強度の圧粉体１０を得ることができる。また、鉄はイオン化傾向の高い金属であるから、原料粉末Ｍに鉄粉末を用いることで効果的に酸化物皮膜１２を鉄粉末の粒子１１間に形成することができる。また、鉄粉末であれば廉価に入手できるので、材料コストの面でも好ましい。

また、本実施形態では、酸化物皮膜１２を形成可能な金属粉末として上述の粒度分布を示す金属粉末を用いると共に、原料粉末Ｍ全体に占める金属粉末の割合を９５ｗｔ％以上にすることで、ラミネーションの発生を防止しつつ、皮膜形成のための熱処理後の寸法精度（ないし形状精度）の低下をより効果的に抑制することが可能となる。

また、本実施形態では、酸化物皮膜１２を形成するための所定の熱処理として、低温加熱処理を採用した。このように、圧粉体１０に対して低温加熱処理を施すことにより、上述した粒度分布を示す金属粉末の粒子１１間に酸化物皮膜１２を効果的に形成しつつも、その際の処理温度を、圧粉体１０を焼結する場合の加熱温度（通常、７５０℃〜１０５０℃）よりも大幅に下げることができる。よって、熱処理後における圧粉体１０の寸法変化量を小さくすることができ、サイジング等の整形加工を省略することが可能となる。もちろん、処理温度が低ければ、処理時に必要なエネルギーも削減できるので低コスト化にもつながる。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明に係る流体動圧軸受装置１及びその製造方法は上記例示の形態に限定されることなく、本発明の範囲内において任意の形態を採り得る。

上記実施形態では、酸化物皮膜１２を形成可能な金属粉末として、１種類の金属粉末（例えば鉄粉末）を含む原料粉末Ｍを使用した場合を説明したが、もちろん本発明に係る原料粉末Ｍは、酸化物皮膜１２を形成可能な金属粉末を２種類以上含むものであってもよい。また、この際、少なくとも１種類の金属粉末が主成分として原料粉末Ｍに含まれていればよく、他の種類の金属粉末の配合比は任意である。

また、上記実施形態では、軸部材２をラジアル方向及びスラスト方向（厳密にはスラスト一方向）に支持する動圧軸受８に本発明を適用した場合を説明したが、本発明は、ラジアル方向のみに軸部材２を支持する動圧軸受８や、スラスト方向のみに軸部材２を支持する動圧軸受８にも適用することができる。また、ラジアル動圧発生部Ａ１，Ａ２は、ラジアル軸受隙間内の潤滑油に動圧作用を発生させ得るものであればその形態は特に問わず、例えば多円弧面、ステップ面、波型面など公知の形態を採用することが可能である。もちろん、スラスト動圧発生部Ｂについてもステップ面や波型面など公知の形態を採用することが可能である。

また、上記実施形態では、動圧軸受８をハウジング７の内周面に固定した形態の流体動圧軸受装置１を例示したが、もちろん、本発明に係る動圧軸受８は上記以外の形態をなす流体動圧軸受装置１にも適用可能である。例えば図示は省略するが、シール部材９とハウジング７とで動圧軸受８を軸方向に挟持し、シール部材９をハウジング７の内周に固定することで、動圧軸受８をハウジング７に固定してもよい。

以下、本発明の作用効果を検証するための実施例（検証試験）について詳述する。この検証試験では、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示す成形金型装置２０を用いて圧粉体１０を成形した。また、その際に使用する酸化物皮膜１２を形成可能な金属粉末として、累積５０％径が相互に異なる４種類の還元鉄粉（実施例１，２、比較例１，２）を使用した。累積５０％径（粒度分布）の測定には、レーザー回折・散乱式粒度分布測定装置（株式会社セイシン企業製 ＬＭＳ−３００）を使用した。各種還元鉄粉の累積５０％径の値を表１に示す。なお、これら還元鉄粉の粒度分布を頻度分布表示で見た場合、実施例１，２、及び比較例２については、何れも粒子径が１００μｍ以上の還元鉄粉の割合が３０ｗｔ％以上である粒度分布を示す還元鉄粉を使用し、比較例１については、粒子径が１００μｍ以上の還元鉄粉の割合が２３ｗｔ％である粒度分布を示す還元鉄粉を使用した。各種還元鉄粉の配合比は原料粉末Ｍ全体に対して何れも９５ｗｔ％以上とし、残りは固体潤滑剤粉末とした。上記組成の４種類の原料粉末Ｍを何れも、相対密度が８５％となるように圧縮成形してなる圧粉体１０を作製し、然る後、各圧粉体１０に大気雰囲気下での低温加熱処理を３５０〜６００℃（好ましくは４５０〜６００℃）×１〜６０分（好ましくは１〜３０分）の条件で施して、還元鉄粉の粒子表面及び粒子間に酸化物皮膜１２を形成することで動圧軸受８を得た。この際の試験片（各実施例又は比較例に係る動圧軸受８）のサイズは、内径１．５ｍｍ×外径３ｍｍ×軸方向寸法３．３ｍｍとした。また、圧縮成形時、圧粉体１０の成形と同時に、内周面１０ａにラジアル動圧発生部Ａ１，Ａ２（図２を参照）を型成形した。

上述のように作成した４種類の試験片（動圧軸受８）について、まず各試験片の表面におけるラミネーションの有無を確認した。また、上記４種類の試験片（動圧軸受８）のそれぞれについて通油度を測定・算出した。なお、通油度の値は、試験体のサイズによって左右されるため、算出した通油度を用いて、試験体のサイズに左右されずに油膜形成能力の判断材料として用い得る透過率を算出した。

ここで、上記の「通油度」とは、多孔質構造をなす物体（動圧軸受８）が、その多孔質組織を介してどの程度潤滑油を流通させることができるのかを定量的に示すためのパラメータ［単位：ｇ／１０ｍｉｎ］であり、図８に示すような試験装置１００を用いて測定することができる。図８に示す試験装置１００は、円筒状の試験体Ｗ（ここでは上記の動圧軸受８）を軸方向両側から挟持固定した筒状の保持部１０１，１０２と、油を貯留するタンク１０３と、タンク１０３内に貯留された油を保持部１０１に供給するための配管１０４とを備える。試験体Ｗの軸方向両端部と保持部１０１，１０２との間は、図示しないシール体によりシールされている。以上の構成において、室温（２６〜２７℃）環境下でタンク１０３内に貯留された油（流体動圧軸受装置１の内部空間に充填される潤滑油と同種の潤滑油）に０．４ＭＰａの加圧力を負荷し、潤滑油を、配管１０４の内部流路および保持部１０１の内部流路１０５を介して試験体Ｗの軸方向貫通孔に１０分間供給し続ける。試験体Ｗの下方には、紙製又は布製の吸油体１０６が配されており、上記態様で試験体Ｗに潤滑油が供給されたときに試験体Ｗの外径面に開口した表面開口から滲み出して滴下した油を吸油体１０６で採取する。そして、試験前後における吸油体１０６の重量差から通油度を算出する。

次に、上記の「透過率」は、透過量［単位：ｍ^２］とも言うことができ、下記数式１から算出される。

数式１において、ｋ：透過率［ｍ^２］、μ：潤滑油の絶対粘度［Ｐａ・ｓ］、Ｌ：試験体Ｗの軸方向寸法［ｍ］、ｒ１：試験体Ｗの内径寸法［ｍ］、ｒ２：試験体Ｗの外径寸法［ｍ］、Δｐ：圧力差［Ｐａ］、ｑ：体積流量［ｍ^３／ｓ］である。ただし、ここでいう圧力差Δｐは上述した「通油度」の測定手順に倣ってΔｐ＝０．４ＭＰａであり、また、体積流量ｑは、上記の試験装置１００を用いて算出した「通油度」を換算して得られる。ここでは、上述の手順で得られた通油度の値が０．０１ｇ／１０ｍｉｎより小さい場合を○（良好）、０．０１ｇ／１０ｍｉｎ以上の場合を×（不良）とした。

試験結果を表１に示す。表１に示すように、累積５０％径が５０μｍ未満（比較例１：４８μｍ）の粒度分布を示す還元鉄粉を使用した場合、試験片（動圧軸受８）の表面にラミネーションの存在が確認された。これに対して、累積５０％径が５０μｍ以上でかつ１００μｍ以下（実施例１：９２μｍ、実施例２：８３μｍ）の粒度分布を示す還元鉄粉をそれぞれ使用した場合、試験片（動圧軸受８）の表面にラミネーションの存在は確認されなかった。また、通油度に関して、粒子径が全体的に大きすぎる場合（比較例２）には、酸化物皮膜１２の形成によっても十分に封孔ないし縮小されない内部気孔１３が相当数残り、結果として所要の通油度を得ることができなかった。これに対して、適正なサイズの粒度分布を示す還元鉄粉（実施例１、実施例２）を使用した場合には、酸化物皮膜１２の形成によって内部気孔１３が効果的かつ十分に封孔ないし縮小されるので、所要の通油度を得ることができた。

１ 流体動圧軸受装置
２ 軸部材
２ａ 軸部
２ｂ フランジ部
７ ハウジング
８ 動圧軸受
８ａ 内周面
８ｂ 下端面
９ シール部材
１０ 圧粉体
１１ 酸化物皮膜を形成可能な金属粉末の粒子
１２ 酸化物皮膜
１３ 内部気孔
２０ 成形金型装置
２１ ダイ
２２ コアピン
２３ 下パンチ
２４ 上パンチ
２５，２６ 型部
２７ キャビティ
１００ 試験装置
１０１，１０２ 保持部
１０３ タンク
１０４ 配管
１０５ 内部流路
１０６ 吸油体
Ａ１，Ａ２ ラジアル動圧発生部
Ａａ１，Ａａ２ 動圧溝
Ｂ スラスト動圧発生部
Ｂａ 動圧溝
Ｍ 原料粉末
Ｓ シール空間
Ｒ１，Ｒ２ ラジアル軸受部
Ｔ１，Ｔ２ スラスト軸受部
Ｗ 試験体

Claims (10)

1. 酸化物皮膜を形成可能な金属粉末を主成分として含む原料粉末の圧粉体と、
   前記圧粉体の表面のうち被支持部との間に軸受隙間を形成する領域に設けられた動圧発生部と、
   前記金属粉末の粒子間に形成された酸化物皮膜とを備え、１５０ＭＰａ以上の圧環強度を示す動圧軸受において、
   前記金属粉末は、前記金属粉末全体に占める１００μｍ以上の金属粉末の割合が３０ｗｔ％以上で、かつ累積５０％径が５０μｍ以上でかつ１００μｍ以下である粒度分布を示すことを特徴とする動圧軸受。
2. 前記金属粉末は、還元粉である請求項１に記載の動圧軸受。
3. 前記金属粉末は、鉄粉末である請求項１又は２に記載の動圧軸受。
4. 前記原料粉末全体に占める前記金属粉末の割合が９５ｗｔ％以上である請求項１〜３の何れか一項に記載の動圧軸受。
5. 前記圧粉体の内部気孔に潤滑油を含浸させてなる請求項１〜４の何れか一項に記載の動圧軸受。
6. 請求項１〜５の何れか一項に記載の動圧軸受と、前記被支持部を含み前記動圧軸受に対して相対回転する軸部材とを備える流体動圧軸受装置。
7. 請求項６に記載の流体動圧軸受装置を備えたモータ。
8. １５０ＭＰａ以上の圧環強度を示す動圧軸受を製造する方法であって、
   酸化物皮膜を形成可能な金属粉末を主成分として含む原料粉末を圧縮して圧粉体を成形すると共に、前記圧粉体の表面のうち被支持部との間に軸受隙間を形成する領域に動圧発生部を型成形する圧縮成形工程と、
   前記圧粉体に所定の熱処理を施し、前記圧粉体を構成する前記金属粉末の粒子間に前記酸化物皮膜を形成する皮膜形成工程とを備えた動圧軸受の製造方法において、
   前記金属粉末として、前記金属粉末全体に占める１００μｍ以上の金属粉末の割合が３０ｗｔ％以上で、かつ累積５０％径が５０μｍ以上でかつ１００μｍ以下である粒度分布を示す金属粉末を使用することを特徴とする動圧軸受の製造方法。
   。
9. 前記皮膜形成工程において、前記所定の熱処理として前記圧粉体に大気雰囲気下で低温加熱処理を施す請求項８に記載の動圧軸受の製造方法。
10. 前記低温加熱処理の処理温度を３５０℃以上でかつ６００℃以下に設定する請求項９に記載の動圧軸受の製造方法。
    

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