JP4275576B2

JP4275576B2 - 焼結軸受部材の製造方法、並びに流体動圧軸受装置及びスピンドルモータ

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Publication number: JP4275576B2
Application number: JP2004152917A
Authority: JP
Inventors: 勝敏新居; 俊一富樫; 忠赤堀
Original assignee: Minebea Co Ltd; Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd; Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Priority date: 2004-05-24
Filing date: 2004-05-24
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2024-05-24
Also published as: US7251891B2; JP2005337274A; US20050259898A1

Description

本発明は、焼結軸受部材の製造方法、並びに流体動圧軸受装置及びスピンドルモータに係り、特に、情報機器等に用いられる高い精度で回転するスピンドルモータに適用される、焼結軸受の製造技術に関する。

焼結軸受部材を用いた軸受装置は、情報機器分野では光ディスク装置等に内臓されるスピンドルモータや、レーザービームプリンタ等のポリゴンミラーモータに使用されるスピンドルモータの軸受装置として従来より用いられてきたが、近年は、磁気ディスク（ハードディスクドライブ）装置に内臓されるスピンドルモータの軸受装置としても用いられるようになってきた。磁気ディスク装置に内臓されるスピンドルモータの軸受装置は、流体動圧軸受が用いられていて焼結軸受部材を用いた軸受装置の場合でも、高い回転精度、低騒音、耐衝撃性、低軸損トルク等の特性が求められていて、特に、効率の良い動圧力の発生のために焼結軸受部材に関するさまざまな技術が研究されている。

このような流体動圧軸受装置に関する技術としては、以下のものが提案されている。即ち、例えば、摺動部材の摩擦係数を低下させて摺動性の改善を目的として、摺動部材に対して、少なくともその摺動面を含浸剤により封孔処理して摺動時の摩擦係数を減少せしめ、摺動部材の摩擦特性を改善した技術が開示されている（特許文献１参照）。また、低コスト及び高精度化を達成することを目的として、支持すべき軸の外周面と対向する軸受面を設けた焼結合金からなる軸受本体の軸受面に、軸方向に傾斜した動圧溝を形成して、軸と軸受本体との相対回転時に生じる空気の動圧作用で軸を浮上支持する技術が開示されている（特許文献２参照）。さらに、焼結滑り軸受を少ない工程で品質を保って安定して製造可能とすることを目的として、焼結体の気孔に樹脂を含浸して硬化させた後、焼結体を金型に入れ、加圧による塑性加工により樹脂の硬化収縮等に起因して生じる気孔の隙間を縮小又は閉塞する技術が開示されている（特許文献３参照）。

特開平７−２１６４１１号公報（要約書）特開平１１−６２９４８号公報（要約書）特開２００２−３３３０２３号公報（要約書）

上記特許文献１〜３のいずれかの技術を用いて得られる従来の流体動圧軸受装置は、ボールベアリングに比較して、高速性、高回転精度及び静音性に富む。さらに、軸受面に動圧溝を形成する際の工夫によって、高い荷重支承能力を得ることができる。この軸受摺動面に形成する動圧溝を焼結軸受部材に形成する場合には、塑性加工が用いられる。焼結軸受部材は、金属粉末を成形、焼結することにより得られ、通常は２０％前後の気孔率を有する多孔質体であり、気孔に潤滑油を含浸して各種モータに使用することができる。上記した精密な回転を得るためのスピンドルモータに使用される流体動圧軸受装置は、軸受面に動圧力を発生させる動圧溝が形成され、動圧力によって相対回転する回転体を支承するものである。多孔質体である通常の焼結軸受部材には、軸受面に発生した動圧力が気孔から抜け、荷重支承能力が低下するという欠点がある。この動圧力の抜けを防止する手段としては、焼結軸受部材の製造過程において、気孔に樹脂を含浸して封孔する処理が知られている。このような処理を行うと、軸受面に発生した動圧力の低下が防止され、回転体による精度の高い回転動作が得られる。

上記した軸受面への動圧溝の形成に際しては、例えば、図３に示す３円弧溝のような多円弧溝付き焼結軸受部材の場合は、樹脂を含浸した円環状の焼結材料の内周部に、３円弧溝に相当する凸部を有するピンを挿入して引抜き、焼結材料の内周面に３円弧溝を転写する。また、例えば、図４に示すヘリングボーン溝付き焼結軸受部材の場合は、樹脂を含浸した円環状の焼結材料の内径に、ヘリングボーン溝に相当する凸部を有するピンを挿入し、円環状の焼結材料の外周面を加圧して内周面をピンに密着させてヘリングボーン溝を転写する。

このように、樹脂を含浸した円環状の焼結材料に上記した塑性加工によって３円弧溝やヘリングボーン溝の成形を繰り返すと、これらの動圧溝を形状付けしたピンの表面に、焼結材料に含浸した樹脂が移着するおそれがある。動圧溝を形状付けしたピンの表面に樹脂が移着した場合には、焼結材料の内周面に形成する動圧溝の転写性が劣化するのみならず、焼結材料に３円弧溝を形成する際の、ピンの引き抜き時に、焼結材料の内周面に摺動痕を生ずるおそれがあり、ひいては摺動痕の発生によって動圧力が抜けるおそれがある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、焼結材料の内周面に形成する動圧溝の転写性を向上させ、しかも、例えば、３円弧軸溝付き焼結軸受を得る場合に、ピンの引き抜き時の摺動痕の発生を防止して、動圧力の抜けを防止し、ひいては、磁気ディスク装置等の情報機器に好適な信頼性の高い焼結軸受部材の製造方法、並びに流体動圧軸受装置及びスピンドルモータを提供することを目的としている。

本発明の焼結軸受の製造方法は、金属粉末を成形、焼結した焼結材料に、水溶性の樹脂溶液を含浸し、次いで焼結材料に含浸された樹脂が固化する前に、焼結材料に水流を与えて表面を水洗して焼結材料の表面に付着した樹脂溶液を除去し、その後、焼結材料を８０℃〜９０℃に加熱して焼結材料内部の気孔中の樹脂を固化し焼結材料の表層部を焼結生地とするとともに、上記表層部以外は気孔を樹脂で封孔したままとすることを特徴としている。

また、本発明は、上記製造方法により得られた流体動圧軸受装置に関するものでもある。即ち、本発明の流体動圧軸受装置は、金属粉末を成形、焼結した円環状の焼結材料に、水溶性の樹脂溶液を含浸し、次いで焼結材料に含浸された樹脂が固化する前に、焼結材料に水流を与えて表面を水洗して焼結材料の表面に付着した樹脂溶液を除去し、その後、焼結材料を８０℃〜９０℃に加熱して焼結材料内部の気孔中の樹脂を固化し焼結材料の表層部を焼結生地とするとともに、上記表層部以外は気孔を樹脂で封孔したままとし、さらに焼結材料の内周面に動圧溝を形成してなるラジアル焼結軸受部材を備えることを特徴としている。また、本発明の他の流体動圧軸受装置は、金属粉末を成形、焼結した円板状の焼結材料に、水溶性の樹脂溶液を含浸し、次いで焼結材料に含浸された樹脂が固化する前に、焼結材料に水流を与えて表面を水洗して焼結材料の表面に付着した樹脂溶液を除去し、その後、焼結材料を８０℃〜９０℃に加熱して焼結材料内部の気孔中の樹脂を固化し焼結材料の表層部を焼結生地とするとともに、上記表層部以外は気孔を樹脂で封孔したままとし、さらに焼結材料の一方の端面に動圧溝を形成してなるスラスト焼結軸受部材を備えることを特徴としている。

さらに、本発明は、スピンドルモータに関するものでもあり、上記したラジアル焼結軸受部材又はスラスト焼結軸受部材を備える流体動圧軸受装置を用いることで、軸受面に設ける動圧溝の転写性を向上させ、しかも、例えば、３円弧溝付き焼結軸受を製造する場合には、ピンの引き抜き時の摺動痕の発生を防止して、動圧力の抜けを防止することができる。

本発明の焼結軸受部材の製造方法では、上記課題を解決するため、先ず、気孔を有する焼結材料を水溶性の樹脂溶液、例えばメタクリレートエステルモノマーを主成分とする樹脂溶液に浸漬する。このような処理によって樹脂溶液を気孔に含浸させるが、例えば容器内を減圧して規定時間後に大気圧に開放すると、簡単に樹脂溶液が気孔に浸透して封孔が達成される。即ち、焼結材料の気孔内が減圧状態から大気状態となるので、樹脂溶液が気孔に浸透する。しかしながら、この大気状態では、焼結材料の表面全体に樹脂溶液が付着しているため、焼結材料に含浸された樹脂が固化する前に、焼結材料に水流を与えて表面を水洗し、焼結材料の表面に付着した樹脂溶液を除去する。

ここで、焼結材料の動圧溝への成形において、形状及び寸法精度の劣化や動圧力の抜け等の防止上、水洗は、焼結材料の表面から０．１〜０．２ｍｍ程度まで樹脂溶液を除去する処理とすることが好ましい。また、焼結材料の表面に付着した樹脂溶液は、水流を与える時間の制御によって、焼結材料の表面から任意の寸法まで除去することができる。このようにして、焼結材料の表面に付着した樹脂溶液を除去した後、焼結材料を８０℃〜９０℃に加熱して焼結材料内部の気孔中の樹脂を固化する。

従って、本発明の製造方法によれば、焼結材料の表面付近では樹脂溶液が除去されているので、複数の焼結材料に樹脂溶液を含浸させた後、容器から一度に焼結材料を取り出し、加熱、固化させても、焼結材料同士の接着等は起こらないので作業性が良好である。また、本発明の製造方法によれば、同様の理由により、加工面は焼結多孔質面となっているので、塑性加工による動圧溝の転写性が良好である。さらに、加工面が多孔質であることから、成形ピンに樹脂が付着せず、焼結材料の内周面には成形ピンの引き抜きに伴う摺動痕がつかないばかりでなく、動圧溝を転写して得られた焼結軸受部材の寸法精度も安定する。なお、焼結材料内部では気孔内に樹脂が含浸されて固化している。

以上に示す作用により、本発明の製造方法による焼結軸受部材は、焼結材料に樹脂を含浸した後、焼結材料の表面に付着した樹脂を除去しているので、軸受面の動圧溝が精度よく加工できる。また、本発明による焼結軸受部材を用いた流体動圧軸受装置は、軸受部材の気孔が封孔されているので動圧力の抜けが起こらず、荷重支承能力が高められ、軸部材の円滑且つ精密な回転を高いレベルで実現することができる。従って、磁気ディスク装置、光ディスク装置、及びレーザビームプリンター等に使用されるスピンドルモータに、本発明による流体動圧軸受装置を用いた場合には、精度の高い回転が得られ、情報機器の記録の高密度化やデジタル複写機の高速化及び高精度化が実現される。

以下、本発明の好適な実施形態を、磁気ディスク装置用スピンドルモータに用いられる流体動圧軸受装置により詳細に説明する。
図１（ａ），（ｂ）は、磁気ディスク装置用スピンドルモータの断面図である。これらのスピンドルモータは、モータケース１０，２０と、モータケース１０，２０の内側に配置された流体動圧軸受装置３０，４０と、流体動圧軸受装置３０，４０に回転自在に支承されたローター５０，６０とから構成されている。

図１（ａ）に示す流体動圧軸受装置３０は、筒状のケース部材３１と、ケース部材３１に圧入接着又は圧入溶着される動圧溝付き焼結軸受部材３２と、ケース部材３１の下端部を閉塞するとともに、スラスト軸受部材として機能するための動圧溝付き焼結エンドプレート部材３３と、焼結軸受部材３２に挿入される回転軸部材３４と、回転軸部材３４に嵌着されたスラストワッシャ部材３５とから構成され、これらの各部材３１〜３５により形成された空間には、潤滑油３６が供給されている。また、ローター５０は、ステータコア５１に対向して配置されたモータマグネット５２と、ディスクが装着されるハブ５３とからなり、ステータコア５１が励磁されるとローター５０が回転する。

これに対し、図１（ｂ）に示す流体動圧軸受装置４０は、キャップ状の有底筒状部材４１と、有底筒状部材４１に圧入接着又は圧入溶着される動圧溝付き焼結軸受部材４２と、焼結軸受部材４２に挿入される回転軸部材４３と、回転軸部材４３に嵌着されて焼結軸受部材４２の上端面に配置された環状部材４４と、有底筒状部材４１に嵌着される軸受側環状部材４５とから構成されており、焼結軸受部材４２の上端面と対向する環状部材４４の下端面にはスラスト軸受部材として機能するための動圧溝が設けられていて、これらの各部材４２〜４５により形成された空間には、潤滑油４６が供給されている。また、ローター６０は、ステータコア６１に対向して配置されたモータマグネット６２と、ディスクが装着されるハブ６３とからなり、ステータコア６１が励磁されるとローター６０が回転する。

図２は、図１（ａ），（ｂ）にそれぞれ示す、焼結軸受部材３２，４２の製造工程の一例である。これらの焼結軸受部材３２，４２は、先ず、原料である金属粉を配合し、常温で成形される。その後、成形された金属成形体は、高温で焼結される。従って、これら焼結材料は多孔質体であり、気孔率は、軸受部材として使用する場合は、２０％前後程度である。さらに、焼結後には、焼結材料は再加圧することができるが、この工程は、必要に応じて内外径の寸法精度を高めるために行われ、焼結材料の密度調整もこの再加圧工程で行われる。なお、この再加圧工程は、省略することもできる。従って、焼結材料は、焼結工程の後又は再加圧工程の後に、水溶性の樹脂溶液、例えばメタクリレートエステルモノマーを主成分とする樹脂溶液に浸漬される。次いで、焼結材料は、必要な真空圧状態になるまで減圧され、一定時間放置後大気圧状態に開放される。この大気開放の過程で、焼結材料の気孔内に樹脂溶液が含浸される。このような含浸方法は本発明の好適な一例であり、加圧環境下でも同様に含浸を実現することができる。

さらに、焼結材料に樹脂溶液を含浸した後、水流を与えて焼結材料の表面に付着している樹脂を除去する。焼結材料の表面に付着した水溶性の樹脂は、水流を与える時間で除去される量が決定される。実測結果によれば、焼結材料の表面から０．１ｍｍ程度の深さまで樹脂を除去するには、数分程度の時間が必要である。このようにして、焼結材料の表面の樹脂を除去し、８０℃〜９０℃程度の温度に加熱して焼結材料の表面を硬化させる。樹脂が除去された焼結材料の表層部は、本来の焼結地肌となっており、軸受面加工工程において、軸受面に動圧溝を塑性加工により形成することで、図１（ａ），（ｂ）にそれぞれ示す焼結軸受部材３２，４２を得る。

図３及び図４は、上記のようにして得られた焼結軸受部材７０，８０の動圧溝形状の一例をそれぞれ示し、図３は焼結軸受部材の平面図であり、図４は焼結軸受部材の側方断面図である。図３は、３円弧溝付き焼結軸受部材７０の動圧溝形状を示すもので、焼結軸受部材７０の内周面には動圧発生用の円弧溝７１及び分離溝７２が形成されている。焼結軸受部材７０の円弧溝７１の面と、流体動圧軸受７０の内周部で回転する回転軸部材７３の外周面とにより構成される楔状の部分には、潤滑油膜が生じ、回転軸部材７３の回転により動圧力を保持することができる。従って、この動圧力によって回転軸部材７３を精度よく支承することができる。この円弧溝７１は、上記したように軸受面加工工程で塑性加工によって形状付けされる。

図４は、ヘリングボーン溝付き焼結軸受部材８０を示すもので、焼結軸受部材８０の内周面に、ヘリングボーン溝８１を、図３に示す例と同様に塑性加工によって形状付けしたものである。これらの焼結軸受部材７０，８０を用いた流体動圧軸受装置は、以下に説明する樹脂含浸工程及び樹脂除去工程によって、高い寸法精度を維持したまま、動圧力の抜けを好適に防止することができる。このため、この流体動圧軸受装置をスピンドルモータに適用した場合には、流体動圧軸受装置の優れた回転特性を実現することができる。

図５は、図１（ａ），（ｂ）に示す焼結軸受部材３２，４２の拡大断面図である。また、図６〜８は、図５において丸印で囲んだ焼結軸受部材の端面部の焼結状態を詳細に示す模式図である。この焼結軸受部材は、以下のように製造される。即ち、先ず、図６に示す金属粉末９０を成形、焼結し、気孔９１を含む多孔質体の焼結材料を得る。次いで、この焼結材料を上記した方法で樹脂含浸し、図７に示す状態とする。即ち、樹脂溶液は気孔９１に含浸されるとともに、表面には数１０μｍ程度の樹脂溶液層９２が付着する。このように焼結軸受材料の表面に付着した樹脂溶液層９２は、水溶性の樹脂溶液を使用することによって、焼結材料の表面を固化する前に水流を与えて任意の量を除去することができる。例えば、図８に示すように、水流による洗浄時間は、樹脂を除去する寸法ｈ（点線で示す表層部）によって適宜決定することができる。

図３に示す３円弧溝のような多円弧溝付き焼結軸受部材や、図４に示すヘリングボーン溝付き焼結軸受部材を製造する場合には、焼結材料の内周面に加工する動圧溝深さは、通常、数μｍから１０μｍ前後の寸法である。このため、樹脂を除去する寸法ｈは０．１ｍｍ前後とすれば十分である。さらに、再加圧による焼結材料の精度向上には限界があるので、例えば、焼結材料の内外径の同心度の精度や焼結材料の端面の直角度の精度を機械加工によって向上させる場合には、加工代は数十μｍ程度が限度である。従って、焼結材料の内周面に機械加工を施した場合であっても、樹脂の存在しない表面が得られ、図３に示す円弧溝７１や図４に示すヘリングボーン溝８１は容易に形成することができる。

なお、以上に示す焼結軸受部材は、ラジアル焼結軸受部材であるが、以下に、スラスト焼結軸受部材について詳細に説明する。図９及び図１０は、スラスト焼結軸受部材の一例をそれぞれ示す平面図である。このようなスラスト焼結軸受部材を製造する場合には、エンドプレート端面１００，１１０に、スパイラル形状の動圧溝１０１又はヘリングボーン溝１１１を形成することがある。これらの動圧溝１０１及びへリングボーン溝１１１は、前述のラジアル焼結軸受部材の場合と同様の方法で樹脂溶液を含浸し、表面に付着している樹脂を除去した後、転写される動圧溝に相当する凸部を有する型をエンドプレート端面１００，１１０に押し当て、塑性加工によって形成することができる。エンドプレート端面１００，１１０には、ラジアル焼結軸受部材の内径と同様に、表面に樹脂が存在しないので、精度よく溝を成形することができる。

また、図９及び図１０に示すスラスト焼結軸受部材は、従来ステンレス鋼等の溶製材を使用して製造していた。本発明の、樹脂を含浸した焼結軸受部材は、上述したように気孔が封孔され、スラスト焼結軸受部材に使用しても油漏れがないため、溶製材と同じように適用することができる。その上、端面にスパイラル溝やヘリングボーン溝を容易に成形することができ、高い加工精度を実現することができる。

上記の実施例は、樹脂含浸後表層部の樹脂を洗浄によって除去し、表層部を焼結生地とし、軸受面に多円弧形状やスパイラル等の動圧溝を設けたものであるが、本発明の効果は、図２に示す工程で、再加圧工程後、軸受面加工工程、すなわち軸受面に多円弧形状やスパイラル等の動圧溝を設ける工程を行った後に、樹脂含浸工程、洗浄工程および樹脂硬化工程を行っても、同様に表層部を焼結生地とできるため、同様の作用効果が得られることは言うまでもない。

以上に示したように、本発明の焼結軸受部材の製造方法によれば、軸受の内周面に形成する動圧溝の転写性を向上させ、しかも、例えば、３円弧軸受の場合には、ピンの引き抜き時の摺動痕の発生を防止して、動圧力の抜け防止し、ひいては、磁気ディスク装置等の情報機器に好適な信頼性の高い、焼結軸受を提供することができる。よって、本発明は、高いレベルで信頼性が要求される各種情報機器用部品の製造に適用することができる点で、有用である。

（ａ），（ｂ）は、磁気ディスク装置用スピンドルモータをそれぞれ示す断面図である。図１（ａ），（ｂ）にそれぞれ示す焼結軸受部材３２，４２の製造工程の一例である。焼結軸受部材の動圧溝形状の一例を示す平面図である。焼結軸受部材の動圧溝形状の一例を示す側方断面図である。図１及び図２に示す焼結軸受部材３２，４２の拡大断面図である。図５に示す丸印部分の焼結状態を示す模式図である。図５に示す丸印部分の樹脂含浸状態を示す模式図である。図５に示す丸印部分の樹脂除去状態を示す模式図である。スラスト焼結軸受部材の一例を示す平面図である。スラスト焼結軸受部材の他の例を示す平面図である。

符号の説明

１０，２０ …モータケース
３０，４０ …流体動圧軸受装置
３１ …ケース部材
３２，４２ …焼結軸受部材
３３ …焼結エンドプレート部材
３４，４３ …回転軸部材
３５ …スラストワッシャ
３６，４６ …潤滑油
４１ …有底筒状部材
４４ …環状部材
４５ …軸受側環状部材
５０，６０ …ローター
５１，６１ …ステータコア
５２，６２ …モータマグネット
５３，６３ …ハブ
ｈ …樹脂を除去する寸法

Claims

金属粉末を成形、焼結した焼結材料に、水溶性の樹脂溶液を含浸し、次いで焼結材料に含浸された樹脂が固化する前に、焼結材料に水流を与えて表面を水洗して焼結材料の表面に付着した樹脂溶液を除去し、その後、焼結材料を８０℃〜９０℃に加熱して焼結材料内部の気孔中の樹脂を固化し焼結材料の表層部を焼結生地とするとともに、前記表層部以外は気孔を樹脂で封孔したままとすることを特徴とする焼結軸受部材の製造方法。
金属粉末を成形、焼結した円環状の焼結材料に、水溶性の樹脂溶液を含浸し、次いで焼結材料に含浸された樹脂が固化する前に、焼結材料に水流を与えて表面を水洗して焼結材料の表面に付着した樹脂溶液を除去し、その後、焼結材料を８０℃〜９０℃に加熱して焼結材料内部の気孔中の樹脂を固化し焼結材料の表層部を焼結生地とするとともに、前記表層部以外は気孔を樹脂で封孔したままとし、さらに焼結材料の内周面に動圧溝を形成してなるラジアル焼結軸受部材を備えることを特徴とする流体動圧軸受装置。
金属粉末を成形、焼結した円板状の焼結材料に、水溶性の樹脂溶液を含浸し、次いで焼結材料に含浸された樹脂が固化する前に、焼結材料に水流を与えて表面を水洗して焼結材料の表面に付着した樹脂溶液を除去し、その後、焼結材料を８０℃〜９０℃に加熱して焼結材料内部の気孔中の樹脂を固化し焼結材料の表層部を焼結生地とするとともに、前記表層部以外は気孔を樹脂で封孔したままとし、さらに焼結材料の一方の端面に動圧溝を形成してなるスラスト焼結軸受部材を備えることを特徴とする流体動圧軸受装置。
請求項２又は３に記載の流体動圧軸受装置を備えることを特徴とするスピンドルモータ。