JP3829300B2

JP3829300B2 - 動圧溝の加工方法

Info

Publication number: JP3829300B2
Application number: JP2001393737A
Authority: JP
Inventors: 康裕小林
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2001-12-26
Publication date: 2006-10-04
Anticipated expiration: 2021-12-26
Also published as: JP2003191133A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定の加工精度を長期間維持することができる動圧溝の加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ハードディスク装置等の高速および高精度の回転が要求される機構に用いられる軸受装置として、近年、動圧軸受装置が多用されている。動圧軸受は、一般に、軸と軸受の間に作動流体を注入するとともに、軸および軸受のいずれか一方に動圧溝を形成し、軸と軸受の相対回転により生じるポンピング作用等によって作動流体の圧力を上昇させ、その動圧力によって軸受に対して軸を相対回転自在に支持する。
【０００３】
動圧軸受に形成される動圧溝は、例えばスパイラルパターン、Ｖパターン、あるいはヘリングボーンパターン等が採用されており、その溝深さを±０．５μｍ程度の高精度のものとするには、従来、主として電解加工法が採用されている。
【０００４】
図４は、動圧溝を形成するのに用いられる電解加工装置の全体構成を模式的に表した図である。
動圧溝が形成されるべき被加工物１１は、所定の加工対象面に、電極（以下、電極工具と記述する）２を所定の距離をおいて対向させた状態で加工槽２１内に配置される。加工槽２１には、電解液槽２２と通じる液流入管２２ａと液排出管２２ｂが配置されており、ポンプ２３の駆動により、被加工物１１と電極工具２の間（加工すき間３０）に電解液が流れるようになっている。被加工物１１には加工用電源２４の正極が接続される一方、電極工具２には同じく加工用電源２４の負極が接続され、これらの被加工物１１と電極工具２の間に電解液を流した状態で、例えばパルス状の電流が流される。電極工具２の被加工物１１との対向面には、所定の加工パターン（導電部１０ａ）が形成されており、電解液を介在させた状態で、加工用電源２４からの電流が、導電部１０ａと被加工物１１との間に流れることで、電気化学反応により導電部１０ａに対向する部位の被加工物１１が溶出し、被加工物１１の表面に電極工具２の導電パターンと同等のパターンの動圧溝が転写形成されることになる。
【０００５】
このような動圧溝の電解加工に用いられる電極工具としては、一般に、金属製の基体の表面に、加工パターンで金属部分が露出するように、そのパターンを除く領域を隠蔽すべく非導電性材料（絶縁体）で被覆した構造のものが用いられている。
【０００６】
図５に、動圧溝の電解加工に用いられる従来の電極工具の構成例を模式的に示す。
電極工具の構成としては、図５（ａ）に示すような、金属製の基体１０の表面に非導電性材料からなる一様なレジスト膜を形成した後、フォトリソグラフィの技術を用いて加工パターン部分を除去して絶縁体１２を形成し、基体１０の露出面を導電部１０ａとして用いる構造の電極工具２、あるいは、図５（ｂ）に示すような、基体１０の表面の加工パターンを除く領域をエッチング等によって削り落とし、形成された凹部１０ｂに非導電性材料を埋め込んで絶縁体１３を形成し、基体１０の露出面を導電部１０ａとして用いる構造の電極工具３、が主に用いられている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、以上のような動圧溝の電解加工に用いられる電極（電極工具）においては、加工パターン以外の領域の被覆に用いられる非導電性材料（絶縁体）の基体に対する密着力が弱く、電解加工中に加工すき間に流される電解液の影響により、この絶縁体が剥離してしまうという問題があった。
【０００８】
動圧溝の形成に用いられる電解加工は、加工すべき形状が微細なため、電極工具と被加工物との加工すき間を狭く設定して行われる。そのため、この加工すき間に流される電解液の流速も速くなり、絶縁体が電解液から受ける流体抵抗が大きくなる。従来例で示した電極工具２のように、絶縁体１２が表面より突出したタイプの電極工具の場合は、加工パターンが微細になるほど基体１０と絶縁体１２との密着力が弱くなり、絶縁体の剥離の発生率が高くなる。また、電極工具３のように、削り落とされた凹部１０ｂに絶縁体１３が埋め込まれ、表面が略平坦であるタイプの電極工具の場合も、電極工具２に比べ電解液からの影響は受けにくいものの、最終的には絶縁体１３が剥離するという問題は避けられない。
【０００９】
このような絶縁体の剥離が発生すると、正確な加工パターンを被加工物に転写することができなくなるうえ、絶縁体の剥離片が電極工具と被加工物との加工すき間を詰まらせてしまうという問題も発生する。この剥離片の詰まりは、電解液の流れを部分的に阻害し、その部分の加工形状の不良を発生させるばかりでなく、最悪の場合、何らかの形で電気的短絡を引き起こし、電極工具と被加工物の両者に損傷を生じさせることもある。
【００１０】
本発明は、このような課題に対処するためになされたもので、所定の加工精度を長期にわたって安定して維持することのできる動圧溝の加工方法を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、表面に動圧溝を形成すべき被加工物と、所定パターンの導電部が表面に形成されてなる電極とを、電解液中に対向させて浸漬するとともに、この電解液を被加工物と電極との間に流動させつつ、これら被加工物と電極とを加工用電源の正極および負極にそれぞれ接続して電流を流すことによって、被加工物表面に電極の導電部のパターンに対応した形状の動圧溝を形成する動圧溝の加工方法において、導電性材料のみで構成され、かつ、その表面の上記導電部のパターン以外の領域に深さ０．１ｍｍ以上の凹部が形成された電極を用いて、該電極の導電部と前記被加工物の表面とのすき間を０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ以下に設定した状態で、これら電極と被加工物との間に１５０Ａ／ｃｍ ^２以下の電流を流すことにより、動圧溝が形成された領域以外の被加工物表面に残る微小突起を除去することを特徴とする。
【００１２】
本発明は、電極工具表面における加工パターン以外の領域を非導電性材料（絶縁体）で覆うことに代えて、当該領域に所定の深さの凹部を形成し、この電極工具を用いて電解加工を行うことによって、所期の目的を達成しようとするものである。
【００１３】
すなわち、本発明においては、電極工具表面に、動圧溝形状に対応した加工パターンを形成するため、加工パターン以外の領域に深さ０．１ｍｍ以上の凹部を形成する。一般に、電解加工における時間あたりの加工量は、他の条件を一定のものとした場合、被加工物（陽極）表面の電流密度に比例する。また、この被加工物表面の電流密度は、他の条件を一定のものとした場合、電極工具表面の加工に関与する部分と被加工物表面の距離（加工間隙）と相関があり、その距離とともに逐次低下してゼロに漸近することが知られている。このような電気化学的法則を基に、発明者は鋭意研究した結果、溝深さが数μｍから数十μｍレベルの動圧溝の電解加工を行う場合、その電極工具表面に深さが０．１ｍｍ以上の凹部を形成すると、この凹部に対向する被加工物表面は電解加工による溶出作用（彫り込み加工）をほとんど受けないことを見出した。
【００１４】
そして、電極工具にこの凹部を形成することにより、加工パターン以外の領域を、動圧溝の彫り込み加工にほとんど関与しない距離まで遠ざけ、従来必要とされた電極工具表面の非導電性材料（絶縁体）による被覆を廃止することができる。このことにより、絶縁体の剥離に起因する加工形状の不良や電気的短絡等を完全に無くすことができ、従って所定の加工精度を長期にわたって安定して維持できる電極工具を得ることができる。
【００１５】
また、上記凹部を絶縁体で被覆しないことによって、この凹部に対向する被加工物表面にも、動圧溝の形成に関与しない程度の微弱な電流が流れることになる。このことにより、動圧溝以外の被加工物表面にある微小な突起等が除去されるため、本発明の動圧溝の加工方法は、被加工物表面の面粗度を改善する効果も併せて奏することができる。
【００１６】
一方、本発明の動圧溝の加工方法は、動圧軸受の部材に形成される動圧溝を電解加工によって形成する際に、電極工具の導電部と被加工物の表面とのすき間（加工間隙）を、０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ以下に設定した状態で、これら電極工具と被加工物との間に１５０Ａ／ｃｍ^２以下の電流を流す。
【００１７】
動圧溝の加工に最適な加工間隙が上記の範囲であることを考慮した場合、動圧溝の高い加工精度と動圧溝形状の再現性を維持するためには、１５０Ａ／ｃｍ^２以下の低電流密度でパルス状電流を複数回に分けて印加しながら加工を行う方法が好適である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態における電極工具の構成を示す模式図であり、図２は、そのＰ部拡大図ある。また、図３は、動圧溝を形成するのに用いられる本発明の電解加工装置の全体構成を模式的に表した図である。なお、図４および図５に示した従来例と同様の機能を有する構成部材には、同じ符号を付記する。
【００１９】
図１に示すように、本実施の形態において使用される電極工具１の構成は、金属製の基体１０の表面における加工パターンを除く領域に、深さＤが０．１ｍｍ以上の凹部１０ｂが形成されていることを特徴とする。この凹部１０ｂの形成方法には、電解加工、エッチング、機械加工等の方法を用いることが可能であり、比較的深い溝形状を正確に彫り込みできることから、レーザー加工、放電加工が好適に採用される。また、この凹部１０ｂの形成により、被加工物１１の加工に関与する導電部１０ａを所定の形状にパターニングすることができる。
【００２０】
次に、上記の電極工具１を用いた動圧溝の加工方法について説明する。
図３に示す本発明の電解加工装置も、従来例と同様の基本構成を有する。動圧溝が形成されるべき被加工物１１は、所定の加工対象面に、電極工具１を０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ以下の間隙をおいて対向させた状態で、加工槽２１内に配置される。加工槽２１には電解液槽２２と通じる液流入管２２ａと液排出管２２ｂが配置されており、ポンプ２３の駆動により、被加工物１１と電極工具１の間（加工すき間３０）に電解液が流れるようになっている。使用される電解液の種類は、特に限定されるものではないが、一般に硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ_３）３０重量％以下の水溶液が好適に用いられる。
【００２１】
被加工物１１には、加工用電源２４の正極が接続される一方、電極工具１には同じく加工用電源２４の負極が接続され、これらの被加工物１１と電極工具１の間に電解液を流した状態で電流が流される。加工用電源２４にはパルス電源が好適に採用され、１５０Ａ／ｃｍ^２以下の電流密度のパルス状電流を複数回印加することで、総印加電気量を制御しながら加工が行われる。
【００２２】
ここで、図１に示すように、電極工具１と被加工物１１との加工間隙Ｌを所定の距離（例えば０．１ｍｍ）に設定した状態で電流を流すと、この電流は、主に電極工具１表面の導電部１０ａと、この導電部１０ａに対向する被加工物１１表面との間にだけ流れることになる。そして、電流による電気化学反応により導電部１０ａに対向する部位の被加工物１１のみが溶出し、その表面に導電部１０ａと同等のパターンの動圧溝１１ｂが形成される。また同時に、電極工具１の凹部１０ｂに対向する被加工物１１表面は、丘部１１ａとして電解加工されずに残ることになる。
【００２３】
以上詳述したように、本実施の形態における電極工具１は、その表面の加工パターン以外の領域に、深さＤが０．１ｍｍ以上の凹部１０ｂが形成されていることにより、この凹部１０ｂは動圧溝１１ｂの彫り込み加工にほとんど関与せず、従って従来の電極工具で用いていたような非導電性材料による被覆を形成する必要がない。
【００２４】
また、被加工物１１の丘部１１ａが電解加工されなかったことにより、その表面には、図２に示すような微小突起１１ｄが残存している可能性がある。しかし、本発明の電極工具１は非導電性材料による被覆を行わないため、凹部１０ｂに対向する丘部１１ａにも、動圧溝１１ｂの形成に関与しない程度の微弱な電流が流れ、丘部１１ａ表面にある微小突起１１ｄのみが選択的に除去される。このことにより、本発明の電極工具１は丘部１１ａの表面を滑らかにし、被加工物１１表面の面粗度を向上させることができる。更に、この丘部１１ａに流れる微弱な電流は、導電部１０ａからの電流により比較的大きなＲ形状となっていた丘部１１ａの上縁両側の角隅部１１ｃを、更に滑らかにする効果もある。
【００２５】
そして、本実施の形態における動圧溝の加工方法は、電極工具１の導電部１０ａと被加工物１１表面との加工間隙Ｌを、０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ以下に設定した状態で、これら電極工具１と被加工物１１との間に１５０Ａ／ｃｍ^２以下の電流を流して加工を行うことにより、微細な形状の動圧溝１１ｂを高精度にかつ再現性良く形成することができる。
【００２６】
なお、数μｍ〜数十μｍの溝深さの動圧溝を±０．５μｍ程度の高精度で加工するには、電極工具１と被加工物１１の距離（加工間隙Ｌ）を一定の範囲とし、低電流密度で電流を流しながら加工を行うことが望ましい。すなわち、このような動圧溝加工においては、加工間隙Ｌを０．０５ｍｍ未満とした場合、所要の動圧溝形状以外の被加工物１１表面も彫り込み加工されてしまうため、正確な動圧溝形状を再現することができない。また、加工間隙Ｌが０．２ｍｍを超える場合は、加工するために高い電流密度を必要とし、加工された動圧溝形状が幅広となってしまうため、精密な彫り込み加工には不向きである。そのため、加工間隙Ｌが０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ以下の範囲で動圧溝の形成を行うことが最適範囲となる。
【００２７】
また、この電解加工は表面に非導電性材料による被膜を持たない電極工具１を用いて行われるため、電極工具１に起因するトラブルの発生が少ない。このことにより、用意する予備の電極工具１の個数を削減できるとともに、稼動中の電極工具１の交換回数も削減できることから、上記の効果と併せて電解加工の効率アップを達成することができる。
【００２８】
なお、以上の実施の形態では、パルス状の電流を複数回印加することで電解加工を行ったが、加工用電源２４の種類や総印加電気量の制御方法については特に限定されず、どのようなタイプの電源や制御方法を用いても良い。
【００２９】
また、本発明における動圧溝の電解加工装置の構成については、本実施の形態に限られることなく、他の任意の構成に対しても、全く同様に本発明を適用し得ることは勿論である。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、電極工具表面における加工パターン以外の領域に、深さが０．１ｍｍ以上の凹部を形成することにより、この凹部に対向する被加工物表面は彫り込み加工されることがない。このことにより、電極工具表面に導電部のパターニングのための絶縁体を形成する必要がなく、絶縁体の剥離に起因する加工形状の不良や電気的短絡等の発生もあり得ない。従って、本発明の電極工具は、所定の加工精度を長期にわたって安定して維持することができる。
【００３１】
また、電極工具表面における加工パターン以外の領域を絶縁体で被覆しないことによって、当該領域に対向する被加工物表面にも動圧溝の形成に関与しない程度の微弱な電流が流れる。この微弱な電流は、被加工物表面にある微小な突起等を選択的に除去する作用を持つため、本発明の電極工具は被加工物表面を滑らかにし、面粗度を改善する効果も併せて奏することができる。
【００３２】
そして、本発明の電極工具を用いて、電極工具の導電部と被加工物表面とのすき間を０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ以下に設定した状態で、これら電極工具と被加工物との間に１５０Ａ／ｃｍ^２以下の電流を流して加工を行うことにより、微細な形状の動圧溝を高精度に、かつ、再現性良く形成することができる。また、加工精度低下やトラブルによる電極工具の交換回数も減少することから、上記の効果と併せて、動圧溝の電解加工の効率アップを達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における動圧溝の電解加工用電極工具の構成を示す模式図的断面図である。
【図２】図１のＰ部拡大模式図である。
【図３】本発明の実施の形態における動圧溝の電解加工装置の全体構成を示す模式図である。
【図４】動圧溝の電解加工に用いられる従来の電解加工装置の全体構成を示す模式図である。
【図５】動圧溝の電解加工に用いられる従来の電極工具の構成例を示す模式図的断面図である。
【符号の説明】
１，２，３電極工具
１０基体
１０ａ導電部
１０ｂ凹部
１１被加工物
１１ａ丘部
１１ｂ動圧溝
１１ｃ角隅部
１１ｄ微小突起
１２，１３絶縁体
２１加工槽
２２電解液槽
２２ａ液流入管
２２ｂ配排出管
２３ポンプ
２４加工用電源
３０加工すき間
Ｄ深さ
Ｌ加工間隙

Claims

表面に動圧溝を形成すべき被加工物と、所定パターンの導電部が表面に形成されてなる電極とを、電解液中に対向させて浸漬するとともに、この電解液を被加工物と電極との間に流動させつつ、これら被加工物と電極とを加工用電源の正極および負極にそれぞれ接続して電流を流すことによって、被加工物表面に電極の導電部のパターンに対応した形状の動圧溝を形成する動圧溝の加工方法において、
導電性材料のみで構成され、かつ、その表面の上記導電部のパターン以外の領域に深さ０．１ｍｍ以上の凹部が形成された電極を用いて、該電極の導電部と前記被加工物の表面とのすき間を０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ以下に設定した状態で、これら電極と被加工物との間に１５０Ａ／ｃｍ ^２以下の電流を流すことにより、動圧溝が形成された領域以外の被加工物表面に残る微小突起を除去することを特徴とする動圧溝の加工方法。