JP3475497B2 - 小型玉軸受 - Google Patents

小型玉軸受

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JP3475497B2
JP3475497B2 JP15226694A JP15226694A JP3475497B2 JP 3475497 B2 JP3475497 B2 JP 3475497B2 JP 15226694 A JP15226694 A JP 15226694A JP 15226694 A JP15226694 A JP 15226694A JP 3475497 B2 JP3475497 B2 JP 3475497B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明に係る小型玉軸受は、例
えばハードディスクドライブ装置(HDD)やビデオテ
ープレコーダ(VTR)、ディジタルオーディオテープ
レコーダ(DAT)等に組み込まれ、高速で回転するス
ピンドルを支承する。
【0002】
【従来の技術】例えばコンピュータに組み込まれるHD
Dには、図1に示す様なスピンドルモータを組み込ん
で、ハードディスク駆動用の軸1を高速で回転駆動す
る。この軸1の外周面とハウジング2の内周面との間に
は、1対の小型玉軸受3、3を設けて、上記軸1をハウ
ジング2の内側に、回転自在に支承している。各小型玉
軸受3、3は、それぞれ外周面に内輪軌道4、4を有す
る鋼製の内輪5、5と、内周面に外輪軌道6、6を有す
る鋼製の外輪7、7と、上記内輪軌道4、4と外輪軌道
6、6との間にそれぞれ複数個ずつ、転動自在に設けら
れた鋼製の玉8、8とから構成される。各玉8、8には
予圧を付与して、上記軸1の回転時に、がたつきが生じ
ない様にしている。
【0003】又、HDD用のスピンドルモータとして
は、上述した図1に示した構造のものの他、図2〜3に
示す様な構造のものも知られている。このうち、図2に
示したものは、内周面に複列の外輪軌道6、6を有する
外輪7aとハブとを一体にすると共に、内輪軌道4、4
を軸1の外周面とこの軸1に外嵌した内輪5の外周面と
に形成したものである。又、図3に示したものは、軸1
の外周面に複列の内輪軌道4、4を形成すると共に外輪
7bの内周面に複列の外輪軌道6、6を形成したもので
ある。
【0004】何れの構造の場合も、内輪軌道4、4及び
外輪軌道6、6を設けた各部材、即ち、図1の構造に於
ける内輪5、5及び外輪7、7、図2の構造に於ける外
輪7a、軸1、及び内輪5、図3の構造に於ける軸1及
び外輪7bは、従来、高炭素クロム軸受鋼2種であるS
UJ2(JIS G 4805)により造り、820〜860℃で
焼き入れした後、160〜200℃で焼き戻しする、所
謂標準熱処理を施していた。これらの熱処理の結果得ら
れる軌道輪の硬度(ロックウェル硬度)はHRC58〜
64、残留オーステナイト量(γR )は8〜14容量%
とされていた。
【0005】又、耐食性を要求される部分に使用する
型玉軸受用の軌道輪は、ステンレス鋼により造る場合も
あった。この様な場合に使用するステンレス鋼として
は、SUS440C(JIS G 4303)、或は13Cr系マ
ルテンサイトステンレス鋼を使用し、この様なステンレ
ス鋼を、1050℃前後の温度で焼き入れした後、深冷
処理(サブゼロ)を施し、150〜200℃程度で焼き
戻ししていた。この様なステンレス鋼により造られる軌
道輪の硬度はHRC57〜62、残留オーステナイト量
(γR )は8〜12容量%とされていた。
【0006】従来から、この様な小型玉軸受を構成する
軌道輪の軌道面(内輪軌道4、4及び外輪軌道6、6)
の永久変形(塑性変形)に就いては、基本静定格荷重C
O で定義されている。そしてこの基本静定格荷重CO
は、上記軌道面と玉8、8の転動面との最大接触面圧が
4000MPa を越えると、軌道面に有害な永久変形が生
じるとされている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】一方、HDDやVTR
に使用される高精度の小型玉軸受、即ち、寸法精度或は
回転精度がJISの5級以上であり、低トルクを要求さ
れる小型玉軸受の場合、要求される音響並びに騒音性能
が厳しい。この様な高精度の小型玉軸受では、上記基本
静定格荷重CO により規定された荷重(最大接触面圧、
4000MPa )よりも遥かに小さな荷重や衝撃荷重によ
って、軌道面に極めて小さな永久変形を生じ、この永久
変形によって音響劣化(騒音上昇)が生じると言う問題
が発生した。
【0008】上述の様な高精度の小型玉軸受としては一
般的に、内輪軌道と外輪軌道との間に組み込まれる複数
の玉8、8の径DW (図1)が3mm以下で、且つ、これ
ら複数の玉8、8が配列されるピッチ円直径DPW(図
1)が11mm以下である小型玉軸受3、3を使用してい
る。ところが、近年に於けるHDDやVTR等の小型化
に伴って、これらに組み込まれる小型玉軸受3、3とし
てより小型のものが使用される様になっており、上述の
様な小さな衝撃荷重等に基づいて生じる音響劣化が大き
な問題となっている。
【0009】本発明の小型玉軸受は、上述の様な事情に
鑑みて発明したものであって、軌道輪の耐荷重性及び耐
衝撃性(耐圧痕性)を向上させる事により、軌道面に有
害な永久変形を生じにくくするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明の小型玉軸受は、
前述した様にHDD等に組み込まれる従来の小型玉軸受
と同様に、外周面に内輪軌道を有する内輪又は軸と、内
周面に外輪軌道を有する外輪と、上記内輪軌道と外輪軌
道との間に転動自在に設けられた複数の玉とを備え、こ
の玉の径が3mm以下で、且つ、これら複数の玉が配列さ
れるピッチ円直径が11mm以下であり、JISの5級以
上の高精度のものである。特に、本発明の小型玉軸受
於いては、上記内輪軌道と外輪軌道との少なくとも一方
を構成する軸受鋼、ステンレス鋼等の鋼中の残留オース
テナイト量を2容量%以下とした事を特徴としている。
【0011】
【作用】上述の様に構成される本発明の小型玉軸受の場
合には、前述した荷重や衝撃荷重によって軌道面に有害
な永久変形を生じにくくなる。即ち、オーステナイトは
マルテンサイトに比べて降伏応力が低い為、残留オース
テナイト量が8〜14容量%と、比較的多い従来の小型
玉軸受の場合には、小さな荷重等によって有害な永久変
形を生じる。これに対して、残留オーステナイト量が2
容量%以下と少ない本発明の小型玉軸受の場合には、軌
道面の耐圧痕性が向上し(降伏応力が高くなり)、上記
小さな荷重等によっては、有害な永久変形を生じにくく
なる。
【0012】又、本発明の小型玉軸受の場合、残留オー
ステナイト量を少なく抑える事で、軌道面の耐圧痕性を
向上させる効果の他、この軌道面の表面精度が経時的に
劣化する事を防止する事もできる。即ち、軌道面部分に
存在する残留オーステナイトの量が多いと、小型玉軸受
の使用に伴ってこの軌道面に繰り返し加わる転がり応力
により、この残留オーステナイトが分解する。そして、
分解に伴って上記軌道面の表面精度が劣化する。これに
対して本発明の場合には、従来の小型玉軸受に比べて残
留オーステナイト量が少ない為、残留オーステナイトの
分解に伴う音響特性の劣化、並びにこの様な表面精度の
劣化に伴う音響特性の劣化が少なくなる。特に、残留オ
ーステナイト量を2容量%以下に抑える事で、上述の様
な残留オーステナイトの分解に伴う音響特性の劣化を殆
どなくす事ができる。
【0013】更に、残留オーステナイト量は、焼き戻し
温度を高くしたり、或は焼き戻しを繰り返し行なう等、
焼き戻し処理を工夫する事により減らす事ができる。そ
して、この様な工夫した焼き戻し処理によって、上述の
様に残留オーステナイトの分解に伴う音響特性の劣化を
防止できると共に、基地のマルテンサイトを安定化でき
る。この為、マルテンサイトの経時的な変化による表面
精度の劣化も防止できる。この為、深冷処理と通常のテ
ンパー(焼き戻し)を行なった場合に比べても、音響特
性の劣化を小さくできる。
【0014】
【実施例】次に、本発明の効果を確認する為に、本発明
者が行なった実験に就いて説明する。最初に、耐荷重
性、耐衝撃性の向上に関する第一の実験を行なった。こ
の第一の実験は、下表に示す様に、その軌道輪をSUJ
2、或はSUS440Cにより造り、軌道輪の残留オー
ステナイト量或は熱処理条件を異ならせた10種類の供
試体に就いて行なった。残留オーステナイト量の調整
は、軌道輪に施す熱処理の相違により調整した。尚、特
に温度を記載していない焼き入れは、標準熱処理の焼き
入れ温度(820〜860℃)で行なった。
【0015】先ず、SUJ2により造った、軌道輪の残
留オーステナイト量が10容量%或は8容量%である従
来品1、2は、上記軌道輪に、前述した様な、通常行な
われる標準熱処理のみを施した。表面硬度はそれぞれH
RC62.5、HRC63であった。
【0016】又、SUS440Cにより造った、軌道輪
の残留オーステナイト量が8容量%である従来品3は、
上記軌道輪に、1050℃で焼き入れした後、−80℃
で深冷処理(サブゼロ)を行ない、更に160℃で焼き
戻しした。表面硬度はHRC61であった。
【0017】又、SUJ2により造った、軌道輪の残留
オーステナイト量が6容量%である比較品1は、上記標
準熱処理に加えて、−20℃での深冷処理を施した。得
られた軌道輪の表面硬度はHRC63.5であった。
【0018】又、SUJ2により造った、軌道輪の残留
オーステナイト量が4容量%である比較品2は、焼き入
れ後、220℃で焼き戻しを行なう熱処理を施した。得
られた軌道輪の表面硬度はHRC61であった。
【0019】又、SUJ2により造った、軌道輪の残留
オーステナイト量が4容量%である比較品3は、上記標
準熱処理に加えて、−196℃での深冷処理を施した。
得られた軌道輪の表面硬度はHRC64.5であった。
【0020】又、SUJ2により造った、軌道輪の残留
オーステナイト量が0%である本発明品1は、焼き入れ
後、240℃で焼き戻しを行なう熱処理を施した。得ら
れた軌道輪の表面硬度はHRC59.5であった。
【0021】又、SUJ2により造った、軌道輪の残留
オーステナイト量がやはり0%である本発明品2は、焼
き入れ後、−80℃での深冷処理を施した後、240℃
で焼き戻しを行なった。得られた軌道輪の表面硬度はH
RC61であった。
【0022】又、SUS440Cにより造った、軌道輪
の残留オーステナイト量がやはり0%である本発明品3
は、1050℃での焼き入れ後、−80℃での深冷処理
を施した後、520℃で焼き戻しを行なった。得られた
軌道輪の表面硬度はHRC54であった。
【0023】更に、SUJ2により造った、軌道輪の残
留オーステナイト量が2容量%である本発明品4は、焼
き入れ後、220℃で2回焼き戻しを行なう熱処理を施
した。得られた軌道輪の表面硬度はHRC60.5であ
った。
【0024】
【表1】
【0025】上述の様に、SUJ2或はSUS440C
により造られ、残留オーステナイト量或は熱処理条件が
異なる各軌道輪は、図1に示す様なスピンドルモータに
玉8、8に予圧を加えた状態で組み込み、このスピンド
ルモータごと落下させる事で、衝撃荷重を加えた。衝撃
荷重としては、10、12、15、20、22、25
(kgf )の6通りを加え、この衝撃荷重を加える前後に
於ける、上記スピンドルモータの音響特性の劣化度合い
(騒音の上昇)を測定した。この試験の結果を図4に示
す。
【0026】この図4に記載した曲線イ〜ヌは、高精度
小型玉軸受(JIS等級=P5)に於ける残留オーステ
ナイト量と音響劣化度合いとの関係を示している。これ
ら各曲線イ〜ヌのうち、実線イは残留オーステナイト量
を10容量%とした場合(従来品1)に於ける衝撃荷重
の大きさと音響特性の劣化度合いとの関係を、二点鎖線
ロは、SUJ2製の軌道輪に標準熱処理を施し、残留オ
ーステナイト量を8容量%とした場合(従来品2)に於
ける衝撃荷重の大きさと音響特性の劣化度合いとの関係
を、それぞれ表している。又、二点鎖線ハは、SUS4
40C製の軌道輪に焼き入れ、サブゼロ、焼き戻し処理
を施し、残留オーステナイト量を、やはり8容量%とし
た場合(従来品3)に於ける衝撃荷重の大きさと音響特
性の劣化度合いとの関係を表している。又、破線ニは残
留オーステナイト量を6容量%とした場合(比較品1)
に於ける衝撃荷重の大きさと音響特性の劣化度合いとの
関係を表している。又、破線ホは、220℃の焼き戻し
処理によって残留オーステナイト量を4容量%とした場
合(比較品2)に於ける衝撃荷重の大きさと音響特性の
劣化度合いとの関係を表している。又、一点鎖線ヌは、
220℃で2回の焼き戻し処理を施す事で残留オーステ
ナイト量を2容量%とした場合(本発明品4)に於ける
衝撃荷重の大きさと音響特性の劣化度合いとの関係を表
している。又、破線トは、240℃の焼き戻し処理によ
って、残留オーステナイト量を0%とした場合(本発明
品1)に於ける衝撃荷重の大きさと音響特性の劣化度合
いとの関係を表している。尚、SUJ2製の軌道輪に焼
き入れ、サブゼロ、焼き戻し処理を施し、残留オーステ
ナイト量をやはり0%とした場合(本発明品2)、並び
にSUS440C製の軌道輪に焼き入れ、サブゼロ、焼
き戻し処理を施し、残留オーステナイト量をやはり0%
とした場合(本発明品3)に於いても、衝撃荷重の大き
さと音響特性の劣化度合いとの関係は、上記本発明品1
の場合とほぼ同様の結果となった。従って、上記本発明
品2、3に於ける衝撃荷重の大きさと音響特性の劣化度
合いとの関係は、図4の曲線トとほぼ等しい為、この曲
線トが本発明品2、3の場合の曲線チ、リをも表す。同
様に、曲線ホは、比較品3の場合の曲線ヘをも表す。
【0027】一方、曲線ル〜ワは、一般用並級小型玉軸
(JIS等級=P0)での、各種残留オーステナイト
量に対する衝撃荷重の大きさと音響特性の劣化度合いと
の関係を表している。このうち、実線ルは前記従来品1
と同様の条件により軌道輪を形成した場合に於ける衝撃
荷重の大きさと音響特性の劣化度合いとの関係を表して
いる。又、二点鎖線ヲは、前記従来品3と同様の条件に
より軌道輪を形成した場合に於ける衝撃荷重の大きさと
音響特性の劣化度合いとの関係を表している。更に、破
線ワは、前記比較品1と同様の条件により軌道輪を形成
した場合に於ける衝撃荷重の大きさと音響特性の劣化度
合いとの関係を表している。
【0028】この図4の記載から明らかな通り、音響要
求が厳しく、且つJISの5級以上の高精度小型玉軸受
に於いては、軌道輪の残留オーステナイト量を2容量%
以下に規制すれば、残留オーステナイト量が8容量%以
上である従来品に比べて衝撃荷重に伴う音響特性の劣化
度合いを少なく抑える事ができる。即ち、本発明の小型
玉軸受は耐荷重性、耐衝撃性に優れ、有害な永久変形を
生じ難い事が分る。有害な永久変形を生じ難い事によ
り、上記衝撃荷重に伴う音響特性の劣化度合いが少なく
抑えられる。一方、従来使用されていた並級小型玉軸受
では、初期の音響レベルが高い為、衝撃荷重による音響
劣化が顕著に表れる事はない。
【0029】更に、本発明の小型玉軸受の場合、表面形
状の経時劣化に伴う音響特性の劣化が減少する。即ち、
軌道輪の表面精度は、転がり応力の繰り返しに伴い経時
劣化し、この様な表面形状の経時劣化に伴って音響特性
が劣化する。上記表面形状の経時劣化は、転がり面の表
面層に存在する残留オーステナイトが分解する事に、大
きく起因する。本発明の小型玉軸受に於いては、上記表
面精度の経時劣化の原因となる残留オーステナイトの量
を2容量%以下と低く抑えている為、上記表面形状の経
時劣化が抑えられる。従って、表面形状の経時劣化に伴
う音響特性の劣化が減少する。更に、工夫した焼き戻し
処理により残留オーステナイト量を減らすと同時にマル
テンサイトの安定化を進める事ができる為、表面形状の
経時変化を更に小さく抑える事ができる。この為、深冷
処理と通常のテンパーを行なった場合よりも、表面形状
の経時的劣化に伴う音響特性の劣化を小さくできる。以
下に、この点に関して、本発明者が行なった第二の実験
に就いて説明する。
【0030】第二の実験は、前記表1に記載した従来品
1、比較品1、比較品2、比較品3、本発明品1、本発
明品4を、それぞれ前記図1に示すスピンドルモータに
組み込み、軌道輪の表面精度、並びにアンデロン値を測
定する事で行なった。尚、表面精度は、軌道輪表面の凹
凸程度(うねり)を表したもので、凹凸による段差の積
算値で表わされ、単位はμmRmsである。この形状精度
は、比較的細かい凹凸の程度を表わすHIGH BAND と、粗
い凹凸の程度を表わすLOW BANDとがあるが、音響特性に
影響を及ぼすのはこのうちのHIGH BAND である。そこ
で、上記表面精度のうちのHIGH BAND の測定値を、図5
に示した。又、音響特性に影響を与える数値として、ア
ンデロン値が広く知られている。このアンデロン値に
も、周波数によってLOW BANDとMEDIUM BAND とHIGH BAN
D とがあるが、図6(A)にこのうちのMEDIUM BAND の
測定値を、同図(B)にHIGH BAND の測定値を、それぞ
れ記載している。これら図5、6に於いて、実線イが従
来品1を、実線ニが比較品1を、実線ホが比較品2を、
実線ヘが比較品3を、実線トが本発明品1を、実線ヌが
本発明品4を、それぞれ表している。
【0031】この図5〜6の記載から明らかな通り、本
発明の小型玉軸受の軌道輪は、その表面精度が経時的に
劣化する度合いが小さい。即ち、残留オーステナイト量
が2容量%である為、経時的に劣化する事が殆どない。
従って、表面精度の経時劣化に伴う音響特性も殆ど劣化
しない。これは、転がり面の表面層に存在する残留オー
ステナイトの量が少なく、この残留オーステナイトの分
解に基づく表面性状の劣化が少ない為である。
【0032】
【発明の効果】本発明の小型玉軸受は、以上に述べた通
り構成され作用するので、小型玉軸受を組み込んだHD
D、VTR等の音響性能を向上させて、これらHDD、
VTR等の性能向上を図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の対象となる小型玉軸受を組み込んだH
DD用スピンドルモータの第1例を示す断面図。
【図2】同第2例を示す断面図。
【図3】同第3例を示す断面図。
【図4】軌道輪の残留オーステナイト量に対する、衝撃
荷重の大きさと音響特性の劣化度合いとの関係を示す線
図。
【図5】軌道輪の表面精度が経時的に変化する状態を示
す線図。
【図6】同じくアンデロン値が経時的に変化する状態を
示しており、(A)はMEDIUM BAND の測定値を、(B)
はHIGH BAND の測定値を、それぞれ記載している。
【符号の説明】
1 軸 2 ハウジング 3 小型玉軸受 4 内輪軌道 5 内輪 6 外輪軌道 7、7a、7b 外輪 8 玉
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−163244(JP,A) 特開 昭64−83625(JP,A) 特開 昭63−308218(JP,A) 特開 昭62−218542(JP,A) 特開 平2−294453(JP,A) 特開 平1−276465(JP,A) 実開 平5−22846(JP,U) 実開 平6−1835(JP,U) 喜熨斗政夫,転がり軸受と残留オース テナイト,熱処理,日本,日本熱処理技 術協会,1977年 8月,17巻4号,231 −235 小型モータ用転がり軸受,第12次モー タ技術フォーラム第3回(7月度)資 料,日本,社団法人日本能率協会,1993 年 7月14日 転がり軸受の静定格荷重の諸問題 (7),ベアリング,日本,社団法人日 本ベアリング工業会,1983年,第26巻、 第3号 ミニアチュア玉軸受の音響と振動,N TN TECHNICAL REVIE W,日本,NTN株式会社,1991年 6 月29日,No.59 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F16C 19/00 - 19/56 F16C 33/58 - 33/64 G11B 19/20

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 外周面に内輪軌道を有する内輪又は軸
    と、内周面に外輪軌道を有する外輪と、上記内輪軌道と
    外輪軌道との間に転動自在に設けられた複数の玉とを備
    え、この玉の径が3mm以下で、且つ、これら複数の玉が
    配列されるピッチ円直径が11mm以下であり、JISの
    5級以上の高精度の小型玉軸受に於いて、上記内輪軌道
    と外輪軌道との少なくとも一方を構成する鋼中の残留オ
    ーステナイト量を2容量%以下とした事を特徴とする
    型玉軸受
  2. 【請求項2】 ハードディスクドライブ装置とビデオテ
    ープレコーダとディジタルオーディオテープレコーダと
    のうちの何れかに組み込まれる、請求項1に記載した
    型玉軸受
  3. 【請求項3】 残留オーステナイト量を0容量%とし
    た、請求項1〜2の何れかに記載した小型玉軸受。
  4. 【請求項4】 残留オ−ステナイト量を2容量%以下と
    する鋼を軸受鋼とした、請求項1〜3の何れかに記載し
    た小型玉軸受。
  5. 【請求項5】 残留オ−ステナイト量を2容量%以下と
    する鋼をステンレス鋼とした、請求項1〜3の何れかに
    記載した小型玉軸受。
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