JP4092082B2 - セラミック動圧軸受、軸受付きモータ、ハードディスク装置及びポリゴンスキャナ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミック動圧軸受、軸受付きモータ、ハードディスク装置及びポリゴンスキャナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電気機器の駆動源となるモータ軸の軸受としてはボールベアリングが用いられることが多かったが、コンピュータ周辺機器などの精密機器においては、モータの高速回転化が急速に進んでおり、低回転ムラや異音・振動の少ない優れた軸受性能を得るため、あるいは軸受の長寿命化のために、空気等の流体を媒介とした動圧軸受が用いられている。動圧軸受は、例えば主軸とこれを取り囲むように配置される軸受部とが軸線周りに回転する場合には、主軸外周面と軸受部内周面との隙間に発生する流体動圧により回転軸を支持する。また、主軸又は軸受部のスラスト面を動圧支持するようにした軸受もある。
【０００３】
ところで、動圧軸受においては、発生動圧レベルの十分に高い高速回転状態では、動圧隙間を挟んで対向する部材同士の接触は生じないが、回転数の小さい起動時および停止時には十分な動圧が発生しないために、部材同士の接触が生ずる。そして、上記のような動圧軸受の部品構成材料には、ステンレス等の金属もしくはこれらに樹脂等のコーティングを施したものが一般的に用いられてきたが、金属製のものは上記起動時あるいは停止時の部材接触により、摩耗や焼き付きが問題になることがある。これを防止するために、動圧隙間に面する部分に樹脂などの潤滑層をコーティングする試みもなされているが、効果は必ずしも十分ではない。そこで、摩耗や焼き付きに対する耐久性を十分に確保するために、上記主軸ないし軸受部など、動圧隙間を挟んで対向する部材をアルミナ等のセラミックにより構成することが行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、動圧部品にアルミナ質セラミックを使用した従来の動圧軸受では、加工仕上げ精度の観点において、材料設計上の考慮があまり払われていなかった。例えば、ラジアル方向の動圧は、主軸外周面と軸受部内周面とを動圧隙間形成面として、それらの間に形成されるラジアル動圧隙間に発生する形となるが、本発明者らが検討したところによると、単に動圧隙間形成面の加工精度を確保するのみでは、均一で安定な回転状態を確保するのには必ずしも十分でないことが判明した。
【０００５】
本発明の課題は、始動・停止時等において摩耗等が生じにくく、かつ動圧軸受の好適な回転を実現できるセラミック動圧軸受を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決する手段及び作用・効果】
上記課題を解決するために本発明のセラミック動圧軸受は、円筒状の外周面を有する第一部材と、円筒状の挿通孔を有した第二部材とを有し、第二部材の挿通孔に該第一部材が挿通されるとともに、第二部材の挿通孔内面と、これに挿通される第一部材の外周面とをそれぞれラジアル動圧隙間形成面として、それらラジアル動圧隙間形成面の間にラジアル動圧隙間が形成され、それら第一部材と第二部材との非接触による相対回転に伴い、ラジアル動圧隙間に気体を媒体とする動圧を発生させるよう構成され、第一部材及び第二部材とはいずれも、Ａｌ２Ｏ３換算したＡｌ成分の含有率が９０〜９９．５質量％であって、酸化物系焼結助剤成分を酸化物換算にて０．５〜１０質量％含有するアルミナ質セラミックにて構成され、さらに、ハードディスクもしくはポリゴンミラーが第二部材の外周面に直接圧入されるか、又は、第二部材の外周面に圧入された支持部材にハードディスクもしくはポリゴンミラーが取り付けられ、かつ第二部材に圧入されたハードディスクもしくはポリゴンミラー又は支持部材を取り外した際に、第二部材の外周面の軸線方向に測定した算術平均粗さＲａ１及び周方向に測定した算術平均粗さＲａ２が、いずれも０．２μｍ以下に調整されていることを特徴とする。
【０００７】
本発明者が検討したところによると、ラジアル動圧隙間形成面の局所的な摩耗を防止しつつ、均一で安定な気体を媒体とする動圧発生状態ひいては非接触による回転状態を確保するには、単にラジアル動圧隙間形成面の加工仕上げ精度を一定レベル以上に確保するのみならず、ハードディスクやポリゴンミラー等の取付けがなされる第二部材の外周面の加工精度を一定以上に確保すること、具体的には、第二部材の外周面に圧入されているハードディスクやポリゴンミラーあるいはそれらの支持体等を取り外したときに、該外周面の算術平均粗さが上記範囲のものとなっていることが重要であることが判明した。そして、さらに鋭意検討を重ねた結果、それら第一部材及び第二部材をアルミナ質セラミックにて構成する場合、該セラミックのアルミナ含有率を９０〜９９．５質量％に調整することが、上記のような加工精度を確保する上で有効であることを見出し、本発明を完成するに至った。
以 上
【０００８】
上記算術平均粗さＲａ１（軸線方向）及びＲａ２（周方向）の少なくともいずれかが０．２μｍより大きくなっていると、第二部材の外周面に対するハードディスクやポリゴンミラーあるいはそれらの支持体等の圧入による取付精度が、偏心等により損なわれ、起動あるいは停止時のラジアル動圧隙間形成面の局所摩耗や、芯ぶれによる振動等が避けがたくなる。なお、算術平均粗さはＪＩＳ：Ｂ０６０１に従い測定されたものを採用する。
【０００９】
なお、算術平均粗さＲａ１及びＲａ２は、いずれも小さければ小さいほどよいが、加工コストの兼ね合いを考慮すれば、いずれも０．０１μｍ程度を下限とすることが妥当である。
【００１０】
第二部材を構成するアルミナ質セラミックのアルミナ含有率あるいは焼結助剤成分含有率を上記のような範囲に調整するのは、以下のような理由による。すなわち、焼結助剤成分が過度に増加してアルミナ含有率が不足すると、焼成時に発生する液相量が増加して焼結体の結晶粒成長が過度に進行する。このように、焼結助剤成分の含有率が高く、また、結晶粒成長が進みすぎたセラミック組織は硬さが小さく、砥石や砥粒にて加工仕上げする際の研削抵抗が小さくなる。研磨が不必要に急速進行する傾向があり、研磨面の精度を確保しにくくなる欠点がある。すなわち、研磨面の加工精度を高めるには、セラミックの材質が適度な硬さを有していることが重要である。
【００１１】
そこで、セラミックのアルミナ含有率を最低でも９０質量％確保すること、あるいは焼結助剤成分の含有率を１０質量％以下に制限することにより、上記のような過度の結晶粒成長が生じ難くなり、ひいては、第二部材の外周面の加工精度、すなわち算術平均粗さを前記数値範囲内に容易に確保することができるようになる。その結果、回転時の芯ぶれや起動停止時のラジアル動圧隙間形成面の局所的な摩耗が生じ難くなり、ひいては軸受の回転状態を均一で安定なものとすることができる。
【００１２】
他方、焼結助剤成分含有率が減少してアルミナ含有量が過剰になると、焼結時の液相発生量が減少し、結晶粒子の成長が抑制されて平均結晶粒径は相当小さな値となる。その結果、逆にセラミックの研磨や研削に対する抵抗が大きくなりすぎて、加工能率の大幅な低下を招くことにつながる。
【００１３】
以上の観点において、アルミナ含有率は、望ましくは９２〜９８質量％、より望ましくは９３〜９７質量％とするのがよい。さらに、粒界相を構成する酸化物系焼結助剤成分は、酸化物換算にて望ましくは２〜８質量％、より望ましくは３〜７質量％含有させることができる。
【００１４】
酸化物系焼結助剤成分としては、例えばカチオン成分がＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ及びＳｉである酸化物を使用することができる。この場合、アルミナ質セラミックには、上記カチオン成分群から選ばれる１種又は２種以上を酸化物換算した値にて、合計で０．５〜１０質量％（望ましくは２〜８質量％、より望ましくは３〜７質量％）含有させることができる。
【００１５】
これらのうち、Ｓｉ成分は粒界相の骨格を形成して強度を高めるとともに、液相の流動性を改善する効果を有する。また、アルカリ金属であるＬｉ、Ｎａ及びＫの３成分は、焼成時に生ずる液相の融点を下げ、液相の流動性を向上させて焼結体の緻密化を促進する効果がある。このうち、Ｎａは安価であり、また、バイヤー法にて製造された一般的なアルミナ原料粉末中では、本来不純物として存在するＮａも、焼結助剤として流用できる利点がある。なお、これら３成分は、いずれも組成式Ｍ_２Ｏ（ただし、Ｍはカチオン金属元素である）にて酸化物換算する。
【００１６】
他方、アルカリ土類金属であるＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ及びＢａの４成分も、アルカリ金属に次いで焼成時に生ずる液相の融点を下げる効果が大きい。他方、これらの元素は、粒界相中に取り込まれた際にその強度を向上させる効果を有する。その結果、焼結体全体（ひいては動圧隙間形成面）の強度及び耐摩耗性を向上させることができる。該効果は、Ｃａを用いた場合に特に大きい。これら４成分は、いずれも組成式ＭＯ（ただし、Ｍはカチオン金属元素である）にて酸化物換算する。
【００１７】
また、希土類金属であるＳｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕは、粒界相の結晶化を促進し、その強度を向上させる効果を有する。その結果、焼結体全体ひいては動圧隙間形成面の強度及び耐摩耗性を向上させることができる。該効果は、Ｃｅを用いた場合に特に大きい。これら成分は、Ｃｅのみ組成式ＭＯ_２により、他は組成式Ｍ_２Ｏ_３（ただし、Ｍはカチオン金属元素である）にて酸化物換算する。
【００１８】
次に、アルミナ質セラミックの見かけ密度は、３．５〜３．９ｇ／ｃｍ^３であることが望ましい。アルミナ質セラミックの密度を比較的高い値である３．５〜３．９ｇ／ｃｍ^３に調整することにより、動圧隙間発生面を構成するアルミナ質セラミックの強度及び耐摩耗性の絶対値を向上させることができ、ひいては部材間の接触が生じやすい回転の起動・停止時において、動圧隙間形成面の摩耗を効果的に防止することができる。
【００１９】
なお、理想的に緻密化したアルミナ質セラミックの密度は最大で４．０ｇ／ｃｍ^３に到達するが、このように完全に緻密化するまでアルミナ質セラミックを焼結しようとすると、焼結温度をどうしても高温に設定せざるを得なくなり、結晶粒成長が避けがたくなる。このような状態になると、前述の通りラジアル動圧隙間形成面の精度を確保しにくくなる場合がある。しかしながら、アルミナ質セラミックの見かけ密度を３．９ｇ／ｃｍ^３程度までに留めれば、焼結温度をそれほど高温化する必要はなくなり、結晶粒成長も抑制されるので、第二部材の外周面の算術平均粗さ（加工精度）を前記した数値範囲内のものとする上で一層好都合である。他方、見かけ密度が３．５未満になるとアルミナ質セラミックの強度及び耐摩耗性が損なわれ、起動・停止時の動圧隙間形成面の摩耗が却って生じやすくなる場合がある。アルミナ質セラミックの見かけ密度は、より望ましくは３．６〜３．９ｇ／ｃｍ^３の範囲にて調整することが望ましい。
【００２０】
なお、アルミナ質セラミックの見かけ密度は、緻密化の進行状態のみでなく、添加する焼結助剤の種類や含有量の影響も多少は受ける。そして、セラミックの緻密化レベルと結晶粒成長の度合いとの関係を論ずる場合は、相対密度（すなわち、アルミナ及び焼結助剤の組成比から見積もられる真密度により、見かけ密度を除した値）を尺度として用いることもできる。本発明においては、アルミナ質セラミックの相対密度は９０％以上とするのがよく、望ましくは９０〜９８％、より望ましくは９４〜９７％とするのがよい。
【００２１】
上記のような密度範囲に調整されたアルミナ質セラミックは、その曲げ強度レベルとして、２８０〜５５０ＭＰａの比較的高い値が可能となる。また、荷重１５Ｎにて測定したロックウェル硬さは、９２〜９８程度とすることができる。さらに、破壊靭性値は３〜５ＭＰａ・ｍ^１／２程度とすることができる。アルミナ質セラミックの強度、硬さあるいは破壊靭性値がこのような範囲のものとなることで、研磨ないし研削といった加工能率を極端に低下させることなく、十分な加工精度を確保することができる。なお、本明細書において曲げ強度は、ＪＩＳ：Ｒ１６０１（１９８１）に規定された方法に基づいて、室温にて測定した３点曲げ強度を意味する。また、荷重１５Ｎにて測定したロックウェル硬さは、ＪＩＳ：Ｚ２２４５に規定された方法に基づいて、室温にて測定した硬さ値を意味する。さらに、破壊靭性値はＪＩＳ：Ｒ１６０７（１９９０）に規定されたＩＦ法による測定値を意味する。
【００２２】
なお、本発明のセラミック動圧軸受は、回転軸線方向における第二部材の少なくとも一方の端面に対向する形で配置されるスラスト板を有し、第二部材の端面と、これに対向するスラスト板の対向面とをそれぞれスラスト動圧隙間形成面として、それらスラスト動圧隙間形成面の間にスラスト動圧隙間が形成されるものとして構成することができる。
【００２３】
例えば図１に例示する構造の動圧軸受の場合には、ラジアル方向とは、主軸の回転軸線方向（図の上下方向）と垂直な方向（従って径方向）である。図１では、第一部材である固定された主軸の外周面と、筒状回転体として構成された第二部材である軸受部の内周面とが、ラジアル動圧隙間形成面である。回転軸線方向に長い形態の軸受の場合、ラジアル動圧が十分に発生するか否かは、回転軸線を安定に支持する上で重要である。また、スラスト方向とは、主軸の軸方向、すなわち回転軸線の向き（図の上下方向）である。図１では、軸受部の端面と、軸線方向においてその軸受部の端面と対向するスラスト板の板面とが、スラスト動圧隙間形成面となる。なお、スラスト動圧隙間形成面は、回転軸線方向に対する垂直面より僅かに傾斜していてもよい。後述の通り、回転軸線方向に短い形態の軸受の場合、スラスト動圧が十分に発生するか否かは、回転軸線を安定に支持する上で重要である。なお、図１０に示すように、主軸２１２が回転側となり、筒状の軸受部２２１が固定側となる軸受２５１も可能である。なお、以下において、ラジアル動圧隙間（形成面）とスラスト動圧隙間（形成面）とを総称する場合は、単に動圧隙間（形成面）と称する。
【００２４】
また、上記の加工精度確保の観点から、本発明に使用するアルミナ質セラミックの結晶粒子の平均粒径は、１〜７μｍの範囲に調整することが望ましい。アルミナ質セラミック結晶粒子の平均粒径が７μｍよりも大きくなると、研磨加工時に比較的大きなアルミナ結晶粒子が脱落して研磨面を傷つけやすくなり、加工精度低下を招く場合がある。一方、平均粒径を１μｍ未満とすることは焼成温度をそれほど高くできなくなることを意味し、焼結体密度の低下ひいては強度不足等を招く結果につながる。
【００２５】
なお、本明細書において結晶粒子の寸法とは、図１１に示すように、ＳＥＭや光学顕微鏡等による動圧隙間形成面組織の観察面上において、結晶粒子（あるいは表面空孔）の外形線に対し、それらの内部を横切らない外接平行線を、該外形線との位置関係を変えながら各種引いたときに、その平行線の最小間隔ｄmin と、最大間隔ｄmaxとの平均値（すなわち、ｄ＝（ｄmin＋ｄmax）／２）にて表すものとする。
【００２６】
また、本発明の動圧軸受は、動圧軸受の軸方向の長さがスラスト動圧隙間形成面の外径よりも長いか、あるいはスラスト動圧隙間が形成されないものとし、回転体の回転時の傾斜がラジアル動圧隙間に発生する動圧により規制されるように構成できる。これは、例えば図７に示すように、回転軸の長い動圧軸受を規定したものであり、回転体である軸受部３５が傾斜すると、ラジアル動圧隙間３７に発生する圧力により、その傾斜が修正される。他方、動圧軸受の軸方向の長さがスラスト動圧隙間形成面の外径よりも短く、回転体の回転時の傾斜が、主にスラスト動圧隙間に発生する動圧により規制されるように構成することもできる。これは、例えば図３に示すような回転軸が短い動圧軸受を規定したものであり、回転体である軸受部が傾斜すると、スラスト動圧隙間に発生する動圧により、その傾斜が修正される。
【００２７】
なお、動圧隙間形成面には動圧溝を形成することができる。例えば、ラジアル動圧隙間形成面となる回転軸外周面に、周知の動圧溝が形成されていることにより、より一層スムーズな回転が実現できる。この動圧溝としては、図２（ａ）に例示するように、例えば軸受部に挿入される軸外周面（ラジアル動圧隙間形成面）に周方向に所定間隔で複数の動圧溝を形成できる。この実施形態では軸外周面の母線と一定角度をなす形で傾斜した直線状の溝列とされているが、山型（あるいはブーメラン型）の溝パターンを、軸周方向の基準線上に、溝パターンの先端が位置するように、所定の間隔で全周にわたって形成した、いわゆるヘリングボーン形態など、他の公知の形態を採用することもできる。また、図２（ｂ）に例示するように、例えばスラスト板の表面（スラスト動圧隙間形成面）に動圧溝を形成することもできる。この例では、板面周方向において、スラスト板中心位置からの距離が漸減する曲線状の溝部を周方向に所定の間隔で複数形成している。
【００２８】
本発明の動圧軸受は、例えばハードディスク装置のハードディスク回転主軸部分、あるいはＣＤ−ＲＯＭドライブ、ＭＯドライブあるいはＤＶＤドライブなどのコンピュータ用周辺機器のディスク回転主軸部分、さらにはレーザープリンタやコピー機等に使用されるポリゴンスキャナのポリゴンミラー回転主軸部分の軸受として有効に使用することができる。これらの精密機器における回転駆動部の軸受には、例えば８０００ｒｐｍ以上（さらに高速性の要求される場合には、１００００ｒｐｍ以上ないし３００００ｒｐｍ以上）の高速回転が要求されるため、本発明の適用により、発生する流体動圧レベルを高く安定なものとでき、ひいては振動等を低減する効果を特に有効に引き出すことができる。また、本発明は、上記セラミック動圧軸受をモータ回転出力部の軸受として用いた軸受付きモータを提供する。さらに、上記の軸受付きモータと、その軸受付きモータにより回転駆動されるハードディスクとを備えたハードディスク装置、あるいは、上記の軸受付きモータと、その軸受付きモータにより回転駆動されるポリゴンミラーとを備えたポリゴンスキャナも提供する。
【００２９】
なお、アルミナ質セラミックにさらに強靭性を付与するために、ジルコニア質セラミックを配合した複合セラミック材料とすることもできる。このような複合セラミック材料は、最も含有率の高いセラミック成分がアルミナ及びジルコニアの一方であり、二番目に含有率の高いセラミック成分がアルミナ及びジルコニアの他方であるセラミック粉末を用いて、成形・焼成することにより得ることができる。なお、アルミナ質セラミックに対するジルコニア質セラミックの配合量は、５〜６０体積％とするのがよい。
【００３０】
また、アルミナ質セラミックを基質として、これに、金属カチオン成分がＴｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ及びＷの少なくともいずれかである導電性無機化合物相を含有させた複合セラミック材料とすることもできる。このような複合セラミック材料は、基質セラミックの成形用素地粉末に、導電性無機化合物相の形成源となる粉末を配合して、成形・焼成することにより得ることができる。導電性無機化合物相を含有させることにより、セラミック材料に導電性を付与することができ、ひいては該セラミック材料にワイヤーカット等の放電加工を施すことが可能となる。また、導電性の付与により、帯電防止の効果を達成することができる。
【００３１】
導電性無機化合物は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａの少なくともいずれかを金属カチオン成分とする金属窒化物、金属炭化物、金属硼化物、金属炭窒化物、及び炭化タングステンの少なくともいずれかとすることができ、具体的には、窒化チタン、炭化チタン、硼化チタン、炭化タングステン、窒化ジルコニウム、炭窒化チタン及び炭化ニオブ等を例示できる。なお、導電性無機化合物相の含有量は、複合セラミック材料の強度及び破壊靭性値を確保しつつ十分な導電性向上を図るため、２０〜６０体積％とするのがよい。なお、上記のような複合セラミックを使用する場合、すでに説明したアルミナ含有率あるいは焼結助剤の含有率は、複合セラミック全体における含有率ではなく、アルミナ質セラミックからなる基質中での含有率に読み替えるものとする。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例により説明する。
（実施例１）
図３に示すセラミック動圧軸受３は、（以下単に動圧軸受とも記す）は、例えばポリゴンスキャナ１において、ポリゴンミラー８を回転駆動するための動圧軸受付きモータに使用されるものであり、空気を動圧発生用流体として使用するものである。この動圧軸受付きモータ２では、円筒状の軸受部１５（回転体）を回転させるために、軸受部１５の外周面に一体化された支持体７に永久磁石９が取り付けられ、基台１１にはこの永久磁石９と対向するコイル１３が取り付けられている。なお、永久磁石９とコイル１３との配置関係はこれを入れ替えてもよい。
【００３３】
セラミック動圧軸受３は、筒状の軸受部１５（例えば、内径１５ｍｍ、外径２５ｍｍ、軸方向長さ８ｍｍ）の挿通孔１５ａに、筒状の主軸（例えば、内径５ｍｍ、外径１５ｍｍ、軸方向長さ８ｍｍ）１４が挿通されている。図４に示すように、挿通孔１５ａの内周面Ｍ２と、主軸１４の外周面Ｍ１とはいずれも円筒状のラジアル動圧隙間形成面であり、それらの間には、回転軸線Оに関するラジアル方向の動圧を発生させるために、空気にて満たされたラジアル動圧隙間１７が形成されている。なお、ここでは主軸１４が請求項でいう第一部材であり、軸受部１５が同じく第二部材である。
【００３４】
一方、主軸１４の両端面には、円板状のスラスト板（例えば、内径５ｍｍ、外径２５ｍｍ、厚さ２ｍｍ）２１，２３が同軸的に一体化されており、それらスラスト板２１，２３の内側の板面Ｍ４，Ｍ６が、回転体である軸受部１５の両端面Ｍ３，Ｍ５と対向している。本実施例では、スラスト板２１，２３は、図３に示すように、各内孔２１ｂ，２３ｂの内縁部にて主軸１４の端面に重ねられ、主軸１４の中心孔１４ｂに挿通されたボルト２５を基台１１にねじ込むことにより押圧固定されているが、固定形態はこれに限られるものではない。
【００３５】
そして、図４に示すように、スラスト板２１，２３の板面Ｍ４，Ｍ６と、軸受部１５の両端面Ｍ３，Ｍ５とが各々スラスト動圧隙間形成面となり、それらの間には、回転軸線Оに関するスラスト方向の動圧を発生させるために、空気にて満たされたスラスト動圧隙間１８，１８が形成されている。スラスト動圧隙間１８，１８の各大きさは例えば約６μｍ程度である。また、スラスト動圧隙間１８形成の観点から見た場合、スラスト板２１，２３が第一部材であり、軸受部１５が第二部材である。
【００３６】
主軸１４、軸受部１５及びスラスト板２１，２３は、それぞれ全体がアルミナ質セラミックにて構成されており、そのアルミナ含有率は９０〜９９．５質量％、望ましくは９２〜９８質量％であり、残部が酸化物系焼結助剤成分と不可避不純物である。
【００３７】
支持体７（及びポリゴンミラー８）は金属製であり、中心挿通孔７ａにおいて軸受部１５の外周面に圧入されている。そして、支持体７を取り外したときの、軸受部（第二部材）１５の外周面１５ｂは、中心軸線Ｏの向きに測定した算術平均粗さＲａ１及び周方向に測定した算術平均粗さＲａ２がいずれも０．２μｍ以下である。
【００３８】
例えば、第二部材（軸受部１５）の外周面の軸線方向に測定した算術平均粗さＲａ１が０．２μｍより大きくなっていると、図５（ａ）に誇張して示すように、該外周面にハードディスク、ポリゴンミラーもしくはそれらの支持体（以下、これらを総称する場合に、被圧入体ともいう）を圧入した際に、該被圧入体の軸線Ｏ２が第二部材の軸線Ｏ１に対して傾斜しやすくなり、芯ぶれの原因となりうる。また、該被圧入体の挿通孔の両開口縁が、傾斜方向における片側に偏った形にて、第二部材の外周面に押し付けられるので該位置にて応力集中し、第二部材にクラックＣ等が発生しやすくなることもありうる（特に高速回転時）。しかしながら、図５（ｂ）に示すように、算術平均粗さＲａ１を０．２μｍ以下に留めることで、該被圧入体の軸線Ｏ２の傾斜が生じ難くなり、上記不具合を解消することができる。
【００３９】
他方、第二部材（軸受部１５）の外周面の周方向に測定した算術平均粗さＲａ２が０．２μｍより大きくなっていると、図６（ａ）に誇張して示すように、該外周面に被圧入体を圧入した際に、当該外周面の各位置における半径寸法が不均一となるので、該被圧入体の軸線Ｏ２が第二部材の軸線Ｏ１に対して半径方向に偏心しやすくなり、芯ぶれの原因となりうる。しかしながら、図６（ｂ）に示すように、算術平均粗さＲａ２を０．２μｍ以下に留めることで、該被圧入体の、軸線Ｏ２の第二部材の軸線Ｏ１に対する偏心が生じ難くなり、上記不具合を解消することができる。
【００４０】
各部材を構成するアルミナ質セラミックの見かけ密度は３．５〜３．９ｇ／ｃｍ^３、望ましくは３．６〜３．８ｇ／ｃｍ^３であり、相対密度は９０〜９８％、望ましくは９４〜９７％である。さらに、セラミック結晶粒子の平均粒径は１〜７μｍ、望ましくは２〜５μｍである。
【００４１】
ラジアル動圧隙間形成面Ｍ１，Ｍ２の少なくとも一方（例えば主軸１４側のＭ１）には、発生動圧レベルを高めるために、図２（ａ）に示すような周知の動圧溝を形成することができる。また、スラスト動圧隙間形成面Ｍ３〜Ｍ６の少なくともいずれか（例えばスラスト板２１，２３側のＭ４，Ｍ６）にも、図２（ｂ）に示すような周知の動圧溝を形成することができる。
【００４２】
以下、上述したセラミック動圧軸受３の製造方法について説明する。
各セラミック部材すなわち、主軸１４、軸受部１５、及びスラスト板２１，２３は、公知の焼結法により製造できる。すなわち、平均粒径１〜５μｍのアルミナ原料粉末に対し、焼結助剤粉末としてＭｇＯ，ＣａＯ，ＣｅＯ_２，ＳｉＯ_２，Ｎａ_２Ｏ等の酸化物粉末を配合して成形用素地粉末とし、これを金型成形あるいは冷間静水圧プレス等の公知の成形法により対応する形状にプレス成形する。その成形体を温度１４００〜１７００℃にて焼結することにより焼結体を得る。
【００４３】
この焼結体には、動圧隙間形成面の予定面を含む必要な面に研磨加工が施され、所定の寸法に仕上げられる。具体的には、軸受部１５の挿通孔１５ａの内周面及び両端面、主軸１４の外周面、及び両スラスト板２１，２３の軸受部１５端面への対向面に、例えば番手＃１００〜＃２００のダイアモンド砥石により、周速１０００〜１２００ｍ／ｓの高速研磨を施し、さらに仕上げのために、番手＃４０００〜＃６０００のダイアモンド砥粒によりバフ研磨を行なう。各部材を構成するアルミナ質セラミックの材質として、アルミナ含有率が９０〜９９．５質量％、望ましくは９２〜９８質量％のものを使用することで、軸受部１５の外周面１５ｂの算術平均粗さを前記の範囲のものとする上で好都合となる。
【００４４】
加工仕上げが終了すれば、各動圧隙間形成面Ｍに前述の動圧溝がサンドブラストやエッチングなどにより刻設され、最終的な主軸１４、軸受部１５あるいはスラスト板２１，２３が得られる。そして、図３に示すように、支持体７、永久磁石９及びコイル１３を組み付け、さらに、ボルト２５を用いて主軸１４、軸受部１５及びスラスト板２１，２３を組み立てることにより、動圧軸受付きモータが得られる。また、支持体７にポリゴンミラー８を取り付ければ、ポリゴンスキャナ１の組立てが完了する。
【００４５】
ポリゴンスキャナ１は以下のように動作する。すなわち、動圧軸受付きモータ２は交流誘導モータとして構成され、コイル１３への通電によりにポリゴンミラー８が主軸１４を固定軸として、軸受部１５及び支持体７とともに一体的に回転駆動される。その最大回転数は８０００ｒｐｍ以上の高速回転であり、より大きなスキャン速度が要求される場合には、最大回転数にて１００００ｒｐｍ以上、さらには３００００ｒｐｍ以上（例えば５００００ｒｐｍ程度）にも達する場合がある。従って、コイル１３のターン数や励磁用の永久磁石９が発生する外部磁界の値、さらには定格駆動電圧等が、ポリゴンミラー８の回転負荷を考慮して上記最大回転数が実現されるように適宜設定される。ここで、主軸１４と軸受部１５との間のラジアル動圧隙間１７には回転軸線Оに関するラジアル動圧が、スラスト板２１，２３と軸受部１５との間のスラスト動圧隙間１８には同じくスラスト動圧が発生し、ラジアル方向及びスラスト方向の双方において、相対回転する部材間の非接触状態が維持された状態でポリゴンミラー８の回転軸線が支持される。
【００４６】
次に、図７は、ポリゴンスキャナに使用するモータの別例を示すものである（ポリゴンミラーは図示を省略している）。このモータ３１も、図３と類似の構成の、本発明のセラミック動圧軸受３３を含んで構成される。セラミック動圧軸受３３は、円筒状の軸受部３５（例えば、内径１３ｍｍ強、外径２５ｍｍ、軸方向長さ５ｍｍ）と、その挿通孔３７にて軸受部３５の軸方向に嵌挿された主軸３９（直径１３ｍｍ弱、長さ８ｍｍ）とを有し、主軸３９は固定されて回転せず、その周囲の軸受部３５側が回転する構成となっている。軸受部３５の内周面及び主軸３９の外周面をそれぞれラジアル動圧隙間形成面Ｍ２，Ｍ１として、それらの間にはラジアル動圧隙間３８が形成される。なお、図７のセラミック動圧軸受３３では、軸受部３５及び主軸３９の軸線方向寸法が図３のセラミック動圧軸受３よりも大きく、回転軸線Оの支持力としてはラジアル動圧が主体的となることから、スラスト板が省略された構成となっている。
【００４７】
なお、図３のセラミック動圧軸受３と同様に、軸受部３５側を回転させるために、軸受部３５の外周に一体化された環状の支持体４１に永久磁石４３が配置され、この永久磁石４３と対向するコイル４７が基台４５上に取り付けられている。さらに、軸受部３５及び主軸３９の少なくとも一方の動圧隙間形成面Ｍ、例えば主軸３９の外側の動圧隙間形成面（外側ラジアル動圧隙間形成面）Ｍ１には、前記図２（ａ）に示すような動圧溝が形成されている。そして、支持体４１を取り外したときの、軸受部３５の外周面３５ｂの算術平均粗さが、図３と同様の範囲内のもとされている。
【００４８】
図９は、ポリゴンスキャナのさらに具体的な構成例を示すものである。ポリゴンスキャナ９０において基台１００上には、本発明のセラミック動圧軸受１０１を支持固定するための芯軸１０２の一端を垂直に固定してある。この芯軸１０２にはセラミック製の下スラスト板１０３を固定して設けてある。芯軸１０２にはセラミックス製の主軸１０５を貫通して固定してある。さらに、セラミック製の軸受部１０７は、主軸１０５の円筒外周面をなすラジアル動圧隙間形成面１０６と、軸受部１０７の内周面をなすラジアル動圧隙間形成面１０８との間にラジアル動圧隙間９１を有していて、回転自在に設けてある。さらに、セラミック製の上スラスト板１０９は、芯軸１０２に貫通されて固定してある。また、軸受部１０７の上部と下部に形成したスラスト動圧隙間形成面１１０，１１１と、下スラスト板１０３のスラスト動圧隙間形成面１１２、及び上スラスト板１０９のスラスト動圧隙間形成面１１３とのそれぞれの間にスラスト動圧隙間９２，９２が形成される。各セラミック部材の材質は、ここでもアルミナ系セラミックであり、組織的あるいは組成的には図３及び図７のセラミック動圧軸受３ないし３３と同様の構成である。
【００４９】
軸受部１０７の外周面１０７ｂには、別体で形成された支持部１１４を固定し、さらに、多数の反射面１１５が形成されたポリゴンミラー１１６を固定部材１１７で支持部１１４に固定する（回転体と支持部１１４は一体でもよい）。芯軸１０２の他端は保持座板１１８とボルト１１９で固定してある。また、下スラスト板１０３のスラスト動圧隙間形成面１１２に、図２（ｂ）に示すものと同様の動圧溝１２１を形成する。さらに、図示はしていないが、ラジアル動圧隙間形成面１０６をなす、主軸１０５の外周面（以下、外周面１０６とも記す。）にも図２（ａ）に示すものと同様の動圧溝を形成する。
【００５０】
そして基台１００上には、三相ブラシレスモータ１３３の構成として、絶縁部材１２３を介して巻き線１２９を設け、軸受部１０７の支持部１１４の下部には回転方向に対して巻き線１２９に対向したマグネット１２５が設けられる。巻き線１２９に通電することで、軸受部１０７を高速度で誘導回転させる上記ポリゴンミラー１１６の駆動モータとして機能する。該三相ブラシレスモータ１３３の回転により、ラジアル動圧隙間９１に動圧が発生し、円滑な高速度回転が可能となる。
【００５１】
軸受部１０７が停止しているときは、該軸受部１０７の対向面１１０と下スラスト板１０３のスラスト動圧隙間形成面１１２とが接触している。そして、軸受部１０７が主軸１０５を中心に回転を開始すると、スラスト動圧隙間９２にスラスト動圧が発生して接触状態が解除され、高速回転を可能とする。
【００５２】
そして、固定部材１１７及び支持部１１４は、ポリゴンミラー１１６を支持しつつ、軸受部１０７を半径方向に締め付けているが、これらを取り外したときの、軸受部１０７の外周面１０７ｂの算術平均粗さが、図３と同様の範囲内のもとされている。
【００５３】
図１０は、本発明をハードディスク装置に適用した例を示すものである。このハードディスク装置２００は、ハブ２１１の外周に磁気ディスク２０９ａ、２０９ｂが固定され、中央にはモータ回転軸２１２が固設されている。ハブ２１１は、これに固定されたディスク２０９ａ，２０９ｂと共に回転する。モータ回転軸２１２は、アルミナ質セラミックからなる固定軸受部２２１によってラジアル方向に支承され、またアルミナ質セラミックからなるスラスト板２２２でスラスト方向に支承されている。
【００５４】
上記モータ回転軸２１２、固定軸受部２２１及びスラスト板２２２はセラミック材料からなるため、そのモータ回転軸２１２及び固定軸受部２２１は高速で回転するディスク２０９ａ，２０９ｂの負荷及び高速回転に耐えるだけの機械剛性を持つ。
【００５５】
次に、上記モータ回転軸２１２と固定軸受部２２１との間、モータ回転軸２１２とスラスト板２２２との間には空気が充填され、モータ回転軸２１２と固定軸受部２２１との間には周方向にラジアル動圧隙間２４０が形成されており、固定軸受部２２１の内周面２１７には図示しない動圧溝が形成されている。モータ回転軸２１２は、その回転に伴い、ラジアル動圧隙間２４０にラジアル動圧が発生して固定軸受部２２１に対し非接触で回転する。ラジアル動圧隙間形成面をなすモータ回転軸２１２の外周面及び固定軸受部２２１の内周面とは、図３及び図７のセラミック動圧軸受３ないし３３と同様に構成されている（すなわち、本発明のセラミック動圧軸受の構成を有している）。なお、モータ回転軸２１２の軸端２１２ａは球面ピボット形状になっており、スラスト方向の力をスラスト板２２２で支えている。
【００５６】
ハードディスク装置２００においては、ステータコア２２４はブラケット２２３に固定されている。そのステータコア２２４にはステータコイル２２５が巻回されている。図９のポリゴンスキャナ９０と同様に、モータの回転駆動力は、そのステータコイル２２５に電流を流すことにより励磁されたステータコア２２４がつくる回転磁界と、そのステータコア２２４の周囲を取り巻く多極着磁された駆動マグネット２１４とにより発生する。そのマグネット２１４はハブ２１１の内周に固着され、ハブ２１１とともにロータ２１０を構成する。
【００５７】
また、ブラケット２２３は、挿通孔２２３ａにおいて軸受部２２１の外周面に圧入されているが、これを取り外した状態では、軸受部２２１の外周面２３２の算術平均粗さが、図３と同様の範囲内のもとされている。
【００５８】
なお、ハードディスク装置２００においては外側の軸受部２２１側が固定、内側の主軸（回転軸）２１２側が回転となっていたが、図３を援用して説明すれば、ポリゴンミラー８を磁気ディスク４０８にて置き換えることにより、軸受部１５側が回転となり、主軸１４側が固定となるハードディスク装置構成も当然に可能である。
【００５９】
なお、本発明は上記の実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることは言うまでもない。例えば、動圧発生用流体としては、空気以外の気体を用いてもよいし、気体に代えて油や水等の液体を用いてもよい。
【００６０】
【実施例】
本発明の効果を確認するために以下の実験を行なった。
まず、図３に示す軸受部１５、主軸１４及びスラスト板２１，２３の各部材を、アルミナ質セラミック焼結体として以下のように製造した。すなわち、原料として、レーザー回折式粒度計にて測定した平均粒径が１．８μｍのアルミナ粉末（純度：９９．９％）と、ＣａＯ粉末（平均粒径：４μｍ）、ＭｇＯ粉末（平均粒径：４μｍ）及びＳｉＯ_２粉末（平均粒径：４μｍ）を、重量比にて３：１：１に配合した焼結助剤粉末とを用意した。そして、焼結助剤粉末が０．３〜１５質量％、残部アルミナ粉末となるように配合して、水と適量のバインダーとしてのＰＶＡとを加えて湿式混合した後、スプレードライ法にて噴霧乾燥することにより、造粒原料素地粉末を得た。
【００６１】
造粒原料素地粉末は、金型プレス法により各部材形状に成形した後、１４００〜１７００℃の温度にて焼成した。得られた焼結体は、動圧隙間形成面となる軸受部１５の挿通孔１５ａの内周面及び両端面、主軸１４の外周面、さらにスラスト板２１，２３の軸受部１５の端面に対する対向面に、番手＃１００〜２００のダイアモンド砥石により、周速１０００ｍ／分の高速研磨を施し、さらに仕上げのために、番手＃６０００のダイアモンド砥粒によりバフ研磨を行なった。他方、軸受部１５の外周面については、番手＃２０００〜＃６０００の種々のダイアモンド砥粒によりバフ研磨を行なった。次いで、各部材の溝パターンに予定された以外の領域をマスキングしてショットブラスト処理することにより、図２に示す動圧溝を形成した。
【００６２】
そして、各動圧隙間形成面において、動圧溝を形成していない研磨面領域を光学顕微鏡観察し、その観察画像上において公知の手法を用いて画像解析することにより、アルミナ結晶粒子の平均寸法（平均粒径）を求めた。また、各部材の見かけ密度をアルキメデス法により測定し、アルミナ及び焼結助剤の配合比から見積もられる真密度を用いて相対密度の値を算出した。
【００６３】
次に、上記各部材を図３に示す動圧軸受付きモータに組み込み、以下の試験を行なった。
▲１▼回転数３００００ｒｐｍにて連続回転させたときの、回転部分となる軸受部１５の回転振れ量（回転軸線と直交する向きにおける外周面測定位置の最大振れ振幅）を、レーザー干渉式測長器を用いて測定する。そして、振れ量が０．１μｍ未満のものを優（◎）、同じく０．１μｍ以上０．２μｍ未満のものを良（○）、０．２μｍ以上０．３μｍ未満のものを可（△）、０．３μｍを超えるものを不可（×）として評価した。
【００６４】
▲２▼停止状態から回転数３００００ｒｐｍまで加速し、１分保持した後、停止させるサイクルを１０００００回まで繰り返す。そして、動圧隙間形成面の凝着摩耗に関しては、サイクル終了まで、動圧隙間形成面に凝着摩耗の全く見られなかったものを優（◎）、サイクル終了時に凝着摩耗が見られたが極めて僅かであったものを良（○）、サイクル終了時に多少の凝着摩耗が見られたが問題のなかったものを可（△）、サイクル途中で大きな凝着摩耗が発生し、試験続行不能となったものを不可（×）として評価した。さらに、軸受部１５のスラスト動圧隙間形成面を利用して、ＪＩＳ：Ｚ２２４５に規定された方法により荷重１５Ｎにてロックウェル硬さを測定した。
【００６５】
そして、その後、軸受部１５に圧入された支持体７を取り外し、公知の形状プロファイル測定機により、軸受部１５の外周面１５ｂの、中心軸線方向及び周方向の各算術平均粗さＲａ１及びＲａ２をＪＩＳ：Ｂ０６０１に従い測定した。以上の結果を表１及び表２に示す。
【００６６】
【表１】

【００６７】
【表２】

【００６８】
この結果からも明らかな通り、アルミナ質セラミックのアルミナ含有率を９０〜９９．５質量％とすることにより、上記各算術平均粗さＲａ１及びＲａ２をいずれも０．２μｍ以下の範囲に収めることができ、それにより、回転振れや凝着摩耗も生じにくくなることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミック動圧軸受の一構成例を示す断面模式図。
【図２】ラジアル動圧隙間形成面に形成される動圧溝及びスラスト動圧隙間形成面に形成される動圧溝の一例をそれぞれ示す説明図。
【図３】本発明のセラミック動圧軸受が使用されたポリゴンスキャナ用モータユニットの一例を示す正面断面図。
【図４】図３の要部をなすセラミック動圧軸受の正面断面図及び分解斜視図。
【図５】第二部材（軸受部）の外周面の、軸線方向の算術平均粗さ調整によりもたらされる効果を説明する図。
【図６】同じく、周方向の算術平均粗さ調整によりもたらされる効果を説明する図。
【図７】本発明のセラミック動圧軸受が使用されたモータユニットの変形例を示す断面模式図。
【図８】さらに別の変形例の要部を示す斜視図。
【図９】本発明のセラミック動圧軸受を用いたポリゴンスキャナの一例を示す正面断面図。
【図１０】本発明のセラミック動圧軸受を用いたハードディスク装置の一例を示す正面断面図。
【図１１】結晶粒子の寸法の定義を示す説明図。
【符号の説明】
１，９０ ポリゴンスキャナ
３，３３，１０１，２５１ セラミック動圧軸受
１４，３９，１０５，２１２ 主軸
１５，３５，１０７，２２１ 軸受部
１５ａ 挿通孔
１７，３８，９１，２４０ ラジアル動圧隙間
１８，９２ スラスト動圧隙間
２１，２３，１０３，１０９，２２２ スラスト板
Ｍ 動圧隙間形成面
Ｍ１，Ｍ２ ラジアル動圧隙間形成面
Ｍ３〜Ｍ６ スラスト動圧隙間形成面

Claims (14)

1. 円筒状の外周面を有する第一部材と、円筒状の挿通孔を有した第二部材とを有し、前記第二部材の前記挿通孔に該第一部材が挿通されるとともに、前記第二部材の挿通孔内周面と、これに挿通される前記第一部材の外周面とをそれぞれラジアル動圧隙間形成面として、それらラジアル動圧隙間形成面の間にラジアル動圧隙間が形成され、それら第一部材と第二部材との非接触による相対回転に伴い、前記ラジアル動圧隙間に気体を媒体とする動圧を発生させるよう構成され、前記第一部材及び前記第二部材とはいずれも、Ａｌ２Ｏ３換算したＡｌ成分の含有率が９０〜９９．５質量％であって、酸化物系焼結助剤成分を酸化物換算にて０．５〜１０質量％含有するアルミナ質セラミックにて構成され、さらに、ハードディスクもしくはポリゴンミラーが前記第二部材の外周面に直接圧入されるか、又は、前記第二部材の外周面に圧入された支持部材にハードディスクもしくはポリゴンミラーが取り付けられ、かつ前記第二部材に圧入された前記ハードディスクもしくはポリゴンスキャナ又は前記支持部材を取り外した際に、前記第二部材の外周面の軸線方向に測定した算術平均粗さＲａ１及び周方向に測定した算術平均粗さＲａ２がいずれも０．２μｍ以下に調整されていることを特徴とするセラミック動圧軸受。
2. 前記アルミナ質セラミックの見かけ密度が３．５〜３．９ｇ／ｃｍ３である請求項１記載のセラミック動圧軸受。
3. 前記アルミナ質セラミックの相対密度が９０％以上である請求項１又は２に記載のセラミック動圧軸受。
4. 前記アルミナ質セラミック結晶粒子の平均粒径が１〜７μｍである請求項１ないし３のいずれか１項に記載のセラミック動圧軸受。
5. 回転軸線方向における前記第二部材の少なくとも一方の端面に対向する形で配置されるスラスト板を有し、前記第二部材の端面と、これに対向する前記スラスト板の対向面とをそれぞれスラスト動圧隙間形成面として、それらスラスト動圧隙間形成面の間にスラスト動圧隙間が形成されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載のセラミック動圧軸受。
6. 前記ラジアル動圧隙間形成面及び前記スラスト動圧形成面の少なくともいずれかに動圧溝が形成されている請求項１ないし５のいずれか１項に記載のセラミック動圧軸受。
7. ハードディスク装置のハードディスク回転主軸部分の軸受として使用される請求項１ないし６のいずれか１項に記載のセラミック動圧軸受。
8. ポリゴンスキャナのポリゴンミラー回転主軸部分の軸受として使用される請求項１ないし６のいずれか１項に記載のセラミック動圧軸受。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載のセラミック動圧軸受をモータ回転出力部の軸受として用いたことを特徴とする軸受付きモータ。
10. ハードディスク装置のハードディスク回転駆動部に使用される請求項９記載の軸受付きモータ。
11. ポリゴンスキャナのポリゴンミラー駆動部に使用される請求項９記載の軸受付きモータ。
12. 最大回転数が８０００ｒｐｍ以上の高速回転用モータである請求項９ないし１１のいずれか１項に記載の軸受付きモータ。
13. 請求項１０又は１２に記載の軸受付きモータと、その軸受付きモータにより回転駆動されるハードディスクとを備えたことを特徴とするハードディスク装置。
14. 請求項１１又は１２に記載の軸受付きモータと、そのベアリング付きモータにより回転駆動されるポリゴンミラーとを備えたことを特徴とするポリゴンスキャナ。

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