JP3784690B2

JP3784690B2 - 動圧型多孔質含油軸受およびその製造方法

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Publication number: JP3784690B2
Application number: JP2001329558A
Authority: JP
Inventors: 一男岡村; 康裕山本; 功古森; 夏比古森; 誠白波
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1997-03-06
Filing date: 2001-10-26
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2018-02-27
Also published as: JP2002178089A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、焼結金属等の多孔質体からなる軸受本体に潤滑油あるいは潤滑グリースを含浸させて自己潤滑機能を持たせると共に、動圧溝の動圧作用によって形成される潤滑油膜で軸の摺動面を非接触支持する動圧型多孔質含油軸受に関し、特にレーザビームプリンタ（ＬＢＰ）のポリゴンミラー用や磁気ディスクドライブ（ＨＤＤ等）用のスピンドルモータなど、高速下で高回転精度が要求される機器や、ＤＶＤ−ＲＯＭ用のスピンドルモータのように、ディスクが載ることによって大きなアンバランス荷重が作用し高速で駆動する機器などの軸受に好適である。
【０００２】
【従来の技術】
上記のような情報機器関連の小型スピンドルモータでは、回転性能のより一層の向上と低コスト化が求められており、そのための手段として、スピンドルの軸受部を転がり軸受から多孔質含油軸受に置き換えることが検討されている。しかし、多孔質含油軸受は、真円軸受の一種であるため、軸の偏心が小さいところでは、不安定振動が発生しやすく、回転速度の１／２の速度で振れ回るいわゆるホワールが発生しやすい欠点がある。そこで、軸受面にヘリングボーン形やスパイラル形などの動圧溝を設け、軸の回転に伴う動圧溝の作用によって軸受隙間に潤滑油膜を形成させて軸を非接触支持することが従来より試みられている（動圧型多孔質含油軸受）。
【０００３】
多孔質含油軸受の軸受面に動圧溝を形成した従来技術としては、実用新案公告昭和６３年１９６２７号に記載のものがある。同号記載の技術は、軸受面における動圧溝の形成領域に表面目つぶし加工を施して、動圧溝の形成領域を封孔したものである。また、軸受面における動圧溝の成形方法として、黄銅やアルミ合金などの軟質金属からなる軸受素材よりも硬質の複数個のボールを円周等間隔に配列保持した軸状の治具を軸受素材の内周面に挿入し、治具の回転と送りによってボールに螺旋運動を与えながら、ボールを素材内周面に加圧して動圧溝の形成領域を塑性加工する方法が知られている（特許２５４１２０８号）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
実用新案公告昭和６３年１９６２７号に記載された構成では、次のような問題点が生じる。まず、動圧溝の形成領域が完全に封孔されているので、その領域では多孔質含油軸受の最大の特徴である油の循環が阻害される。従って、一旦軸受隙間に滲み出した油は動圧溝の作用によって軸受面の軸方向中央部に押し込まれ、そこにとどまることになる。軸受隙間内では大きな剪断作用が働いているので、その剪断力と摩擦熱によって軸受隙間内にとどまった油は変性しやすく、また、温度上昇によって酸化劣化が早まる傾向にある。従って、軸受寿命が短くなる。つぎに、表面目つぶし加工を施す他の手段として塑性加工の他、コーティング等を挙げているが、コーティング被膜の厚さは溝深さよりも薄くする必要があり、数μｍのコーティング被膜を動圧溝の形成領域にのみ施すのは極めて困難である。
【０００５】
また、特許２５４１２０８号に記載された方法では、成形時に動圧溝に隣接する領域で素材隆起が起こるので、これを旋盤やリーマで除去加工する必要がある（特許公開平成８年２３２９５８号）。そのため、製造工数が多くなる。さらに、軸受素材をチャックで固定する必要があるため、チャック力によって軸受面が変形したり、外周面との同軸度に狂いが生じたりする。
【０００６】
本発明の目的は、傾斜状の動圧溝を有する軸受面の成形加工を少ない工数で、かつ、精度良く行うことができる製造方法を提供すると共に、軸受本体の内部と軸受隙間との間の適切な油の循環を確保し、軸受隙間内の油の劣化を抑制して軸受寿命を向上させることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、軸受本体の内周に傾斜状の動圧溝を有する軸受面が形成された動圧型多孔質含油軸受を製造するための方法であって、上記動圧溝の領域を成形するための複数の凸部分を有する成形型を、銅または鉄、あるいは、その両者を主成分とし、銅を２０〜９５重量％含有する焼結金属からなる多孔質素材の内周面に所定の内径すきまを設けて挿入し、上記多孔質素材を上記成形型と伴に下降させて、上記多孔質素材の外周面を所定の外径しめしろでダイに圧入すると共に、上パンチと下パンチによって上下方向から加圧して、上記多孔質素材に圧迫力を加え、上記多孔質素材の内周面を上記外径しめしろと内径すきまとの差に略等しい加圧量で上記成形型に加圧することにより、該内周面に上記動圧溝を塑性加工により成形する工程を含む構成を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１０】
図１は、本発明の製造方法によって製造した動圧型多孔質含油軸受の一形態を例示している。この多孔質含油軸受１は、例えば、図２に示すようなレーザビームプリンタのスキャナモータにおいて、ロータ２とステータとの間の例磁力によって高速回転するスピンドル軸４をハウジング５に対して回転自在に非接触支持するものである。
【００１１】
多孔質含油軸受１は、多孔質の軸受本体１ａと、潤滑油又は潤滑グリースの含浸によって軸受本体１ａの細孔内に保有された油とで構成される。軸受本体１ａは、例えば銅又は鉄、あるいはその両者を主成分とする焼結金属で形成され、望ましくは銅を２０〜９５重量％含有し、密度が６．４〜７．２ｇ／ｃｍ3 となるように形成される。軸受本体１ａの材質として、鋳鉄、合成樹脂、セラミックスなどを焼結または発泡成形し、多数の細孔を有する多孔質体としたものを用いても良い。
【００１２】
軸受本体１ａの内周面には、支持すべき軸の外周面と軸受隙間を介して対向する軸受面１ｂが形成され、その軸受面１ｂに傾斜状の動圧溝１ｃが形成されている。この実施形態における軸受面１ｂは、軸方向に対して一方に傾斜した複数の動圧溝１ｃを円周方向に配列した第１領域ｍ１と、第１領域ｍ１から軸方向に離隔し、軸方向に対して他方に傾斜した複数の動圧溝１ｃを円周方向に配列した第２領域ｍ２と、第１領域ｍ１と第２領域ｍ２との間に位置する環状の平滑領域ｎとで構成される。第１領域ｍ１の背（動圧溝１ｃ間の領域）１ｄと第２領域ｍ２の背（動圧溝１ｃ間の領域）１ｄは、それぞれ平滑領域ｎに連続している。第１領域ｍ１の動圧溝１ｃと第２領域ｍ２の動圧溝１ｃとは、軸受面１ｂの軸方向中心線に対して左右対称になっている。軸受面１ｂには、動圧溝１ｃの形成領域を含む全領域にわたって表面開孔が分布しており、主に軸受面１ｂの表面開孔を介して、軸受本体１ａの内部と軸受隙間との間で油を循環させて、軸の外周面を軸受面１ｂに対して非接触支持する構成になっている。例えば、表面開孔率は、第１領域ｍ１および第２領域ｍ２において５〜４０％の範囲、望ましくは５〜２０％の範囲に設定し、平滑領域ｎにおいて２〜３０％の範囲、望ましくは２〜１０％の範囲に設定することができる。また、平滑領域ｎの表面開孔率は、第１領域ｍ１および第２領域ｍ２の表面開孔率よりも小さくすることができる。ここで、「表面開孔」とは、多孔質体組織の細孔が外表面に開口した部分をいい、「表面開孔率」とは、外表面の単位面積内に占める表面開孔の面積割合をいう。
【００１３】
軸受本体１ａと軸との間に相対回転が生じると、第１領域ｍ１と第２領域ｍ２にそれぞれ逆向きに傾斜形成された動圧溝１ｃによって、軸受隙間内の油が平滑領域ｎに向けて引き込まれ、油が平滑領域ｎに集められるため、平滑領域ｎにおける油膜圧力が高められる。そのため、潤滑油膜の形成効果が高い。しかも、背１ｄに加え、平滑領域ｎも軸を支持する支持面になるので、支持面積が拡大し、軸受剛性が高められる。平滑領域ｎの軸方向幅の比率ｒは、軸受幅を１とした場合、ｒ＝０．１〜０．６の範囲、望ましくは、ｒ＝０．２〜０．４の範囲に設定するのが良い。尚、動圧溝１ｃは軸方向に対して傾斜した形状であれば良く、例えば図３に示すような軸方向の連続形状でも良いし（この場合、環状の平滑領域は有しない。）、あるいは、スパイラル形状でも良い。
【００１４】
図４は、上記構成の多孔質含油軸受１で軸４を支持する際における、軸方向断面での油Ｏの流れを示している。軸４の回転に伴い、軸受本体１ａの内部の細孔内に保有された油Ｏが軸受面１ｂの軸方向両側及びチャンファー部付近から軸受隙間に滲み出し、さらに動圧溝によって軸受隙間の軸方向中央に向けて引き込まれる。その油Ｏの引き込み作用（動圧作用）によって軸受隙間に介在する油膜の圧力が高められ、潤滑油膜が形成される。この軸受隙間に形成される潤滑油膜（動圧溝の動圧作用によって形成される潤滑油膜）によって、軸４はホワール等の不安定振動を生じることなく、軸受面１ｂに対して非接触支持される。軸受隙間に滲み出した油Ｏは、軸４の回転に伴う発生圧力により、主に軸受面１ｂの表面開孔から軸受本体１ａの内部に戻り、軸受本体１ａの内部を循環して、再び軸受面１ｂ及びチャンファー部付近から軸受隙間に滲み出す。
【００１５】
図１に示す多孔質含油軸受１の軸受本体１ａは、例えば銅又は鉄、あるいはその両者を主成分とする金属粉末を圧縮成形し、さらに焼成して得られた図１２に示すような円筒形状の焼結金属素材１’に対して、例えばサイジング→回転サイジング→軸受面成形加工を施して製造することができる。
【００１６】
サイジング工程は、焼結金属素材１’の外周面と内周面のサイジングを行う工程で、焼結金属素材１’の外周面を円筒状のダイに圧入すると共に、内周面にサイジングピン（断面円形）を圧入する。回転サイジング工程は、断面略多角形のサイジングピン（断面円形のピンの外周面を部分的に平坦加工して、円周等配位置に円弧部分を残したもの）を焼結金属素材１’の内周面に圧入し、これを回転させながら内周面のサイジングを行う工程である。軸受面成形工程は、上記のようなサイジング加工を施した焼結金属素材１’の内周面に、完成品１ａの軸受面１ｂに対応した形状の成形型を加圧することによって、軸受面１ｂの動圧溝１ｃの形成領域とそれ以外の領域（背１ｄおよび環状の平滑領域ｎ）とを同時成形する工程である。この工程は、例えば以下のようなものである。
【００１７】
図５は、軸受面成形工程で使用する成形装置の概略構造を例示している。この装置は、焼結金属素材１’の外周面を圧入する円筒状のダイ２０、焼結金属素材１’の内周面を成形するコアロッド２１、焼結金属素材１’の両端面を上下方向から押さえる上下のパンチ２２、２３を主要な要素として構成される。図５（ｂ）に示すように、コアロッド２１の外周面には、完成品の軸受面１ｂの形状に対応した凹凸状の成形型２１ａが設けられている。成形型２１ａの凸部分２１ａ１は軸受面１ｂにおける動圧溝１ｃの領域を成形し、凹部分２１ａ２は動圧溝１ｃ以外の領域（背１ｄおよび環状の平滑領域ｎ）を成形するものである。成形型２１ａにおける凸部分２１ａ１と凹部分２１ａ２との段差（深さＨ）は、軸受面１ｂにおける動圧溝１ｃの深さと同程度（例えば２〜５μｍ程度）で微小なものであるが、図面ではかなり誇張して図示されている。
【００１８】
ダイ２０への圧入前の状態において、焼結金属素材１’の内周面とコアロッド２１の成形型２１ａ（凸部分２１ａ１を基準）との間には内径すきまＴがある。内径すきまＴ（直径量）の大きさは例えば５０μｍである。焼結金属素材１’の外周面のダイ２０に対する圧入代（外径しめしろＳ：直径量）は例えば１５０μｍである。
【００１９】
焼結金属素材１’をダイ２０の上面に位置合わせして配置した後、図６に示すように、上パンチ２２およびコアロッド２１を降下させ、焼結金属素材１’をダイ２０に圧入し、さらに下パンチ２３に押し付けて上下方向から加圧する。
【００２０】
焼結金属素材１’はダイ２０と上下パンチ２２・２３から圧迫力を受けて変形を起こし、内周面がコアロッド２１の成形型２１ａに加圧される。内周面の加圧量は、外径しめしろＳと内径すきまＴとの差に略等しく、内周面から所定深さまでの表層部分がコアロッド２１の成形型２１ａに加圧され、塑性流動を起こして成形型２１ａに食い付く。これにより、成形型２１ａの形状が焼結金属素材１’の内周面に転写され、軸受面１ｂが図１に示す形状および寸法に成形される（同時に焼結金属素材１’の外周面もサイジングされる。）。
【００２１】
軸受面１ｂの成形が完了した後、図９に示すように、焼結金属素材１’にコアロッド２１を挿入したままの状態で下パンチ２３とコアロッド２１を連動して上昇させ（図９▲２▼の状態）、焼結金属素材１’をダイ２０から抜く（図９▲３▼の状態）。焼結金属素材１’をダイ２０から抜くと、焼結金属素材１’にスプリングバックが生じ、その内径寸法が拡大するので（図７参照）、動圧溝１ｃを崩すことなく、焼結金属素材１’の内周面からコアロッド２１を抜き取ることができる（図９▲４▼の状態）。これにより、軸受本体１ａが完成する。尚、通常の真円軸受（軸受面に動圧溝を有しない焼結含油軸受）の製造工程では、図８に示すように、軸受面（内周面）のサイジングを行った後、焼結金属素材１”をダイ２０’に圧入したままの状態で、サイジングピン２１’｛断面円形：図５（ｂ）に示すような成形型２１ａは有しない。）を上昇させて焼結金属素材１”の内周面から抜き、その後、下パンチ２３’で焼結金属素材１”を押し上げてダイ２０’から取出すようにしている。この手順を、傾斜状の動圧溝を有する軸受面の成形に用いると、サイジングピン（コアロッド）を焼結金属素材の内周面から抜き取る際に、動圧溝の形状を崩してしまう。
【００２２】
図１０に、内径φ３、外径φ６、幅３ｍｍの焼結金属素材１’に対して、上述した軸受面成形工程を行った時の、内径すきまＴおよび外径しめしろＳとスプリングバック量との関係を示す。同図に示すように、内径すきまＴおよび外径しめしろＳとスプリングバック量との間には一定の相関関係があり、内径すきまＴと外径しめしろＳを特定すれば、その時のスプリングバック量も特定されることが理解できる。実験によれば、所定の深さＨ（２μｍ〜３μｍ：成形される動圧溝１ｃの深さと略等しい。）において、スプリングバック量を４〜５μｍ（直径量）程度に設定すれば、動圧溝１ｃを崩すことなく焼結金属素材１’をコアロッド２１から抜き取ることができたので、この程度のスプリングバック量が得られるよう内径すきまＴと外径しめしろＳとを設定するのが望ましい。尚、焼結金属素材１’のスプリングバック量の半径量が深さＨよりも大きい場合は、成形型２１ａを焼結金属素材１’の内周面に干渉させることなく離型することができるが、焼結金属素材１’のスプリングバック量の半径量が深さＨよりも小さく、成形型２１ａが焼結金属素材１’の内周面に多少干渉する場合であっても、焼結金属素材１’の材料弾性による拡径量（半径量）を付加して、動圧溝１ｃを崩すことなく成形型２１ａを焼結金属素材１’の内周面から離型できれば良い。従って、上記の実験結果に基づく寸法設定は一例であり、これによって本発明が限定的に解釈されるものではない。
【００２３】
なお、軸受面１ｂの成形工程が完了した後、軸受面１ｂを通常のサイジングピン（断面円形）を用いてサイジングしてもよい。この場合、軸受面１ｂにおける背１ｄおよび平滑領域ｎがサイジングピンによってサイジングされることにより、それら領域の表面開孔率は動圧溝１ｃの形成領域の表面開孔率よりも小さくなる。また、軸受面の成形工程において、成形型によって動圧溝の形成領域のみを成形し、その後、動圧溝の形成領域以外の領域をサイジング（断面円形のサイジングピンを使用）または回転サイジング（断面円形のピンの外周面を部分的に平坦加工して、円周等配位置に円弧部分を残したサイジングピンを使用）によって仕上げることも可能である。
【００２４】
以上のような工程を経て軸受本体１ａを製造し、これに潤滑油又は潤滑グリースを含浸させて油を保有させると、図１に示す形態の動圧型多孔質含油軸受１が完成する。
【００２５】
真円軸受（軸受面に動圧溝を有しない焼結含油軸受）と上記方法によって製造した動圧型多孔質含油軸受（焼結含油軸受）を用いて軸振れ性能の比較実験を行った。実験は、図１３に示すようなＣＤ−ＲＯＭ実機モータに試験軸受を組み込み、市販のＣＤを実装して、回転数に対する軸振れを測定したものである。その結果を図１１に示す。同図からも真円軸受に比べ、実施形態の動圧型多孔質含油軸受が軸振れの抑制に有効であることが理解できる。
【００２６】
上記の実施形態は、焼結金属素材１’に対して軸受面成形を行うものであるが、この他にフォーミング工程において軸受面成形を行うこともできる。フォーミングは、外型の内側に内型となるフォーミングピンを挿入し、内型と外型の間に粉末材料を充填した後、軸方向に加圧圧縮して円筒状に成形する工程である。このフォーミング工程において、フォーミングピンの外周面に図５（ｂ）に示すような成形型を形成しておくことによって、フォーミングと同時に成形品（圧縮成形体）の内周面に図１に示すような形状の軸受面を成形することができる。また、加圧圧縮後、圧縮成形力を除去すれば成形品（圧縮成形体）のスプリングバックを利用して成形品（圧縮成形体）をフォーミングピンから抜くことができ、この時に軸受面の形状が崩れることもない。粉末材料は金属粉末材料で、例えば銅又は鉄、あるいはその両者を主成分とするものである。フォーミング後の成形品は、焼成した後、サイジング工程、油の含浸工程等を経て製品化される。
【００２７】
以上の説明では、多孔質素材又は圧縮成形体のスプリングバックを利用して軸受面の成形型を離型する場合を例示しているが、その他に、成形型を弾性的に縮拡径可能な構造とし（例えば成形型をスリットによる分割構造とする。）、軸受面の成形後、成形型を弾性的に縮径させて離型するようにしても良い。また、軸受面の形状（動圧溝の形状）に応じて、成形型の形状を変えることによって、種々の形状の軸受面を同様にして成形することができる。さらに、１つの軸受本体の内周面に複数の軸受面を軸方向に離隔して形成する場合も、外周面に複数の成形型を軸方向に離隔して形成したコアロッドやフォーミングピンを用いることによって、複数の軸受面を同時成形することができる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、動圧溝の領域を成形するための複数の凸部分を有する成形型を孔質素材の内周面に加圧して、該内周面に動圧溝を塑性加工により成形するので、傾斜状の動圧溝を有する軸受面の成形加工を少ない工数で、かつ、精度良く行うことができると共に、軸受本体の内部と軸受隙間との間の適切な油の循環を確保し、軸受隙間内の油の劣化を抑制して軸受寿命を向上させることができる。
【００２９】
本発明の製造方法によって製造された動圧型多孔質含油軸受は、軸受面の成形精度が高く、しかも、動圧溝の形成領域を含む軸受面の全領域に表面開孔が分布し、軸受本体の内部と軸受隙間との間の適切な油の循環が確保されるので、潤滑油膜の形成効果が高く、良好かつ安定した軸受機能を有すると同時に、高い耐久寿命を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の製造方法によって製造された動圧型多孔質含油軸受の一形態を示す縦断面図である。
【図２】多孔質含油軸受を組み込んだモータを概念的に示す縦断面図である。
【図３】動圧型多孔質含油軸受の他の実施形態を示す縦断面図である。
【図４】動圧型多孔質含油軸受で軸を非接触支持する際の、軸方向断面での油の流れを模式的に示す図である。
【図５】図５（ａ）は軸受面の成形加工に使用する成形装置の概略を示す縦断面図、図５（ｂ）は軸受面を成形する成形型を示す側面図である。
【図６】軸受面の成形工程を示す図である。
【図７】軸受面の成形工程を示す図である。
【図８】従来の真円軸受における軸受面の成形工程を示す図である。
【図９】実施形態の軸受面の成形工程を示す図である。
【図１０】内径すきま及び外径すきまとスプリングバック量との関係を示す図である。
【図１１】従来の真円軸受と実施形態の動圧型多孔質含油軸受を使用した場合の、軸振れを比較試験した結果を示す図である。
【図１２】焼結金属素材を示す縦断面図である。
【図１３】軸振れの比較試験に使用した実験装置を概念的に示す縦断面図である。
【符号の説明】
１動圧型多孔質含油軸受
１ａ軸受本体
１ｂ軸受面
１ｃ動圧溝
２１ａ成形型

Claims

軸受本体の内周に傾斜状の動圧溝を有する軸受面が形成された動圧型多孔質含油軸受を製造するための方法であって、
上記動圧溝の領域を成形するための複数の凸部分を有する成形型を、銅または鉄、あるいは、その両者を主成分とし、銅を２０〜９５重量％含有する焼結金属からなる多孔質素材の内周面に所定の内径すきまを設けて挿入し、
上記多孔質素材を上記成形型と伴に下降させて、上記多孔質素材の外周面を所定の外径しめしろでダイに圧入すると共に、上パンチと下パンチによって上下方向から加圧して、上記多孔質素材に圧迫力を加え、上記多孔質素材の内周面を上記外径しめしろと内径すきまとの差に略等しい加圧量で上記成形型に加圧することにより、該内周面に上記動圧溝を塑性加工により成形する工程を含むことを特徴とする動圧型多孔質含油軸受の製造方法。
請求項１に記載の製造方法によって製造された動圧型多孔質含油軸受。