JP4530781B2 - 摺動部材とこれを用いた動圧軸受及びモータ - Google Patents

Description

本発明は、軸受などの摺動部材に関するものであり、特に、レーザビームプリンタ（以下ＬＢＰと称す）等に用いられるポリゴンミラーや、ハードディスクドライブ（以下ＨＤＤと称す）に使用される動圧軸受やモータ等に関するものである。

従来から、軸受などの摺動部材として、硬度が高く耐摩耗性に優れたセラミックスが用いられている。近年においては上記特性に加え、耐熱性に優れ、高精度な加工が可能な点などから動圧軸受、特に空気動圧軸受に用いられるようになってきている。

図２（ａ）は、本発明の摺動部材を用いた動圧軸受の斜視図を示し、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線での断面図である。

例えば図２に示すように、動圧軸受５１はシャフト５２（（ａ）では不図示）、スリーブ５３、スラスト５４のいずれかの組み合わせで構成したものであり、シャフト５２がスリーブ５３の中空部に配置され、シャフト５２は端部でスラスト５４と連結している。

シャフト５２とスリーブ５３は回転軸と垂直方向の変位を拘束し、スラスト５４は回転軸方向の変位を拘束する。

シャフト５２の表面５２ａには、ラジアル方向の動圧を発生する動圧発生溝５２ｂが形成されており、回転し動圧発生溝５２ｂに空気などの流体が流入し、隙間５５に動圧が発生し、スリーブ５３の内径と一定の距離Ｅを保った状態で回転する。同様に、スラスト５４の表面５４ａにはスラスト方向の動圧を発生する動圧発生溝５４ｂが形成されており、浮上時には隙間５６に動圧が発生し、スリーブ５３の端面と一定の距離Ｆを保った状態で回転する構造である。

回転の駆動力は、シャフト５２、スリーブ５３のいずれかにロータハブ等を介してコイルやマグネットなどのモータ部品を組み付けることにより得られる。

但し、スリーブ５３を浮上する回転部材とし、シャフト５２及びスラスト５４を固定する固定部材とする構成でも構わない。例えば、シャフト５２が回転するものとしてＬＢＰのポリゴンミラーなどがあり、スリーブ５３が回転するものとしてＨＤＤなどがある。

また、スラスト５４はシャフト５２と一体的に形成される場合と、個別の部材として形成し、後で接着剤やネジ等でシャフト５２に固定する場合がある。スラスト５４とシャフト５２を一体的に形成するか、個別の部材として形成するかは、製品形状、加工精度、製造コスト等を考慮して設計する必要がある。

また、隙間５５、５６の距離Ｅ、Ｆは電子機器に用いられる小型の動圧軸受の場合、１〜５μｍ程度としている。これは、隙間５５、５６の距離Ｅ、Ｆを１μｍ以下とした場合、大きな動圧が得られる反面、部材の真円度、円筒度、面粗さなどを極めて高精度に加工する必要が生じて製造コストが高価になるという問題があり、逆に、隙間５５、５６の距離Ｅ、Ｆの間隔を５μｍ以上とした場合には、回転軸がぶれやすくなるという問題が生じるためである。

また、動圧軸受５１は回転の開始時には回転速度が遅く、動圧が小さいため、部材同士は接触した状態で回転するが、回転速度が上昇し動圧が大きくなると、部材は浮上し一定の隙間を保った状態で回転する。回転の停止時には、回転速度が低下し動圧が小さくなり、回転開始時と同様に、部材同士が接触した状態で回転し、摩擦力により停止する。

動圧軸受に用いられる材料に要求される特性の多くは、この回転開始／停止時の摺動環境に対応するものであり、主に耐摩耗性と耐熱性である。

そして、隙間５５、５６に潤滑流体としてオイルが充填されているものは、浮上時には動圧軸受の隙間からオイルが飛散しないよう確実にシールを行い、さらに、オイルが酸化など劣化しないよう発熱や回転速度などの使用環境を考慮した設計をする必要がある。また、潤滑流体に空気を用いる場合は、回転の開始／停止時に部材同士が直接接触するため、耐摩耗性と耐熱性に優れたセラミックスで部材を構成する方法や、摺動面に潤滑層としてＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）コーティングを行う方法などがある。

そして、このような動圧軸受等に用いられる摺動用部材として、例えば、特許文献１〜４に示すようなものがあった。

特許文献１においては、窒化珪素焼結体にＦｅ成分を１０〜６００ｐｐｍの範囲で含有し、電気抵抗値を１〜１０^５Ω・ｍとしたことによって、回転時に発生した静電気を周辺部材に逃がし、更に、粒界相の面積率で９５％以上をガラス相としたことによって、高速摺動特性を高めることを可能とした摺動部材が示されている。

特許文献２においては、軸と軸受の摺動によって生成する摩耗粉などを潤滑材料として用いる動圧空気軸受が示されている。前記潤滑材料として、Ｏ−Ｈ結合やカルボニル基、エーテル結合を有する物質に、軸と軸受の接触によって発生した珪素を含む摩耗粉を取り込ませたコロイダルシリカ（シリコンの酸化物のゲル状物質）が示されている。潤滑材料としてコロイダルシリカを用いることにより、耐摩耗性と低摩擦係数を有しつつ加工性に優れた動圧空気軸受を得ることを可能としている。

特許文献３においては、アルミナ換算したアルミニウム成分の含有率が、９０〜９９．５質量％のアルミナ質セラミックを用いることにより、曲げ強度及び硬さに優れ、耐摩耗性の良好な動圧軸受を形成できることが示されている。アルミナが９０質量％未満になると、焼結助剤の添加量が多すぎ、セラミックスの強度や耐摩耗性が損なわれ、セラミックスの粒成長が過度に進み、他方、アルミナが９９．５質量％を越えると、焼結時に液相が不足して結晶粒の成長が抑制され、後の研磨加工時の粒脱落により形成される表面空孔が小さくなり、動圧発生効果が低下するためである。また、アルミナ質セラミックの焼結助剤成分として、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｓｉから選ばれる１種又は２種以上を、酸化物換算の合計で０．５〜１０質量％含有していることが示されており、焼成時に生じる液相の流動性を改善し、粒界相の結晶化を促進し、その強度を向上させる効果が示されており、さらに、セラミック結晶粒子の平均粒径を１〜７μｍの範囲となるように調整することにより、研磨加工で好ましい大きさの表面空孔を形成し、凝着摩耗や焼き付きなどの不具合を抑制できることが示されている。さらには、寸法２〜２０μｍの表面空孔の形成面積率を１０〜６０％とすることにより、動圧隙間形成面に焼き付きやリンキングを生じにくくする効果が、そして、前記表面空孔は、主に研磨時の粒子脱落により形成されることが示されている。

特許文献４においては、動圧軸受の支持部材と回転部材の少なくとも一方を結晶化ガラスで形成したものが示されている。熱膨張率の小さい結晶化ガラスで動圧軸受の部材を形成することにより、温度変化によるシャフトとスリーブの隙間の変動が小さくなり、さらに、他の部材への熱の伝達を抑制することを可能としている。
特開２００３−６３８７１ 特開１９９６−２１９１４５ 特開２００２−２３５７４６ 特開２００３−１７６８２５

しかしながら、動圧軸受等に用いられる摺動用部材として、特許文献１に示されている窒化珪素焼結体を用いた場合、粒界相の９５％以上がガラス相であることが記載されているが、摺動部材として酸化アルミニウムを用いた場合のガラス相の好ましい形態に関しては記載されておらず、その取り扱いについては不明であった。また、窒化珪素焼結体は加工性が悪いために動圧軸受に加工する時、チッピングが発生しやすいという問題があった。そして、軸受が回転を開始／停止する際、部材同士の接触や衝突により欠けが発生しやすく、その欠片が動圧軸受の隙間に混入すると、回転が不安定となり、噛み込みが生じて回転が停止するという問題があった。さらに、原料が酸化アルミニウムと比較し高価である点や、焼成に雰囲気炉を使用するため設備費用も高価になるというコスト的な問題もあった。

特許文献２に示されている軸と軸受から発生した摩耗粉と溶媒から生成されたコロイダルシリカを潤滑材料として用いた動圧軸受は、コロイダルシリカを生成するための溶媒を必要とし、溶媒が揮発すると潤滑材料としての機能が果たせなくなるという問題があった。さらに、シリカの摩耗粉は、時間を経ると部材同士の摩擦により増加していくため、徐々に潤滑材料の特性が変化し回転特性を一定に保ちにくいという問題もあった。

特許文献３に示されているような高純度のアルミナ質セラミックスを用いた場合は、動圧が発生し軸受部材が浮上した後、部材同士が断続的に接触するような振動や揺れの強い場所に用いると、部材が高速回転状態にあるため欠けや激しい摩耗が発生するという問題があった。また、振動や揺れの少ない場所で用いた場合でも、長期間使用し部材の摩耗が進行すると、回転が不安定となるため、同様の問題が生じていた。すなわち、欠けやすい材料のため動圧軸受として組み付けたとき、全体的なバランスや設計の自由度が低くなっていた。これは、アルミナの純度が高いために摺動部材を構成するアルミナ質セラミックスの組織中に衝撃を緩和する構造が欠落し、摺動性が低下するためである。そして、粒界相の結晶化を促進する効果を有する焼結助剤成分を添加することで欠けやすいという問題をさらに助長する原因ともなっていた。

また、各摺動部材の摺動面間には潤滑流体として空気が介在するだけであるため、摺動面に存在する個々のセラミック結晶粒子には直接的に衝撃が加わり、脱粒や摩耗が進行しやすく、摺動性を向上させることができないという問題があった。

特許文献４に示されている結晶化ガラスを用いた動圧軸受は、部材の耐摩耗性が十分ではないため、特に、空気動圧軸受に用いると部材同士の直接接触により摩耗粉が発生しやすいという問題があった。さらに、特許文献４の動圧軸受は、組成的にはガラス成分から構成されているが、結晶化されているため、ガラス相による摺動特性の改善はできなかった。

かかる問題を解決するため、本発明は、少なくとも摺動面が酸化アルミニウム結晶相とガラス相とを主体とし、前記摺動面に存在する前記ガラス相の占有面積率が３０％以上、７５％以下であるとともに、気孔の占有面積率が５０％以下であり、前記ガラス相が酸化ケイ素を４０質量％以上含有することを特徴とする摺動部材を提供する。

また、本発明の摺動部材は摺動面を対向させて互いに摺動させたとき、前記摺動面の少なくとも一部に前記ガラス相の成分を主体とする潤滑層が、形成されることを特徴とする。

また、本発明は前記酸化アルミニウムの平均結晶粒径が１．０μｍ以上、８μｍ以下であることを特徴とする摺動部材を用いた動圧軸受を提供する。

さらに、本発明の動圧軸受を用いたことを特徴とするモータを提供する。

本発明の摺動部材は、酸化アルミニウム結晶相とガラス相とを主体とし、摺動面に存在するガラス相の専有面積率を３０％以上、７５％以下とすることにより、部材の強度を維持しつつ、振動や揺動の激しい条件で使用しても摺動面に欠けが生じにくくなり、さらに、摺動面に存在する気孔の専有面積率を５０％以下とすることにより、摺動面が傷つきにくく、潤滑層の剥がれを抑制することが可能となる。また、ガラス相の成分を主体とする潤滑層が、摺動面に形成されることにより、特に、高速で接触摺動する摺動面の摩耗を抑制することが可能となる。

また、ガラス相に酸化ケイ素を４０質量％以上含有させることにより、潤滑層を形成するために充分な量のガラス相を供給することが可能となる。

また、酸化アルミニウムの平均結晶粒径を１．０μｍ以上、８μｍ以下とすることにより、潤滑層を酸化アルミニウム結晶相の表面にも途切れなく形成することが可能となる。

また、本発明の動圧軸受を用いることにより、振動や揺動のある環境で使用されるモータが噛み込みにより停止する危険性を低減する。

本発明を実施するための最良の形態を説明する。なお、本説明においては、摺動部材の一例である動圧軸受を用いて説明する。

図１（ａ）は、本発明の摺動部材を用いた動圧軸受の斜視図を示し、（ｂ）は同図（ａ）のＣ−Ｃ線での断面図である。

この動圧軸受１は、シャフト２（（ａ）では不図示）、スリーブ３、スラスト４の組み合わせで構成したものであり、シャフト２をスリーブ３の中空部に配置するとともに、両端部でスラスト４と連結してある。そして、シャフト２の長さ方向を回転軸として、シャフト２とスラスト４またはスリーブ３が回転するように設定してあり、シャフト２とスリーブ３は回転軸と垂直方向の変位を拘束し、スラスト４は回転軸方向の変位を拘束するようにしてある。

また、シャフト２の表面２ａには、ラジアル方向の動圧を発生する動圧発生溝２ｂが形成されており、シャフト２が回転すると動圧発生溝２ｂに空気などの流体が流入し、隙間５に動圧が発生し、スリーブ３の内径と一定の距離Ａを保った状態で回転する。同様に、スラスト４の表面４ａにはスラスト方向の動圧を発生する動圧発生溝４ｂが形成されており、スラスト４が回転すると隙間６に動圧が発生し、スリーブ３の端面と一定の距離Ｂを保った状態で回転する構造としてある。

回転の駆動力は、シャフト２、スリーブ３のいずれかにロータハブ等を介してコイルやマグネット等のモータ部品を組み付けることにより得ることができるが、シャフト２及びスラスト４と、スリーブ３とは、一方を固定とし他の一方を回転させるように設定すればよく、用途に応じて適宜選択すればよい。
例えば、ＬＢＰのポリゴンミラーに用いる場合はシャフト２を回転させるようにすればよく、ＨＤＤの場合はスリーブ３を回転させるように設定すればよい。

なお、シャフト２とスラスト４とは一体的に形成しても、個別に作製して接着剤やネジ等で連結しても構わない。

そして、隙間５、６の距離Ａ，Ｂは電子機器に用いられる小型の動圧軸受の場合、１〜５μｍ程度としている。これは、隙間５，６の距離Ａ，Ｂを１μｍ以下とした場合、大きな動圧が得られる反面、動圧軸受を構成する部材の真円度、円筒度、面粗さなどを極めて高精度に加工する必要が生じて製造コストが高価になるという問題があり、逆に、隙間５，６の距離Ａ，Ｂの間隔を５μｍ以上とした場合には、前記回転軸がぶれやすくなるという問題が生じるためである。

また、動圧軸受１は回転の開始時には回転速度が遅く、動圧が小さいため、シャフト２またはスラスト４と、スリーブ３とは接触した状態でどちらかが回転するが、回転速度が上昇し動圧が大きくなると、スリーブ３はシャフト２またはスラスト４とは一定の隙間を保った状態で回転する。回転の停止時には、回転速度が低下し動圧が小さくなり、回転開始時と同様に、接触した状態で回転し、摩擦力により停止する。

ここで、本発明の摺動部材は上記シャフト２、スリーブ３、スラスト４を構成するものであり、これらシャフト２、スリーブ３、スラスト４の各摺動部材における少なくとも摺動面２ａ、３ａ、４ａが、酸化アルミニウム結晶相とガラス相とを主体とし、この摺動面に存在するガラス相の占有面積率が３０％以上、７５％以下であるとともに、存在する気孔の占有面積率が５０％以下であり、ガラス相が酸化ケイ素を４０質量％以上含有することを特徴とするものである。

これにより、酸化アルミニウム結晶相が摺動部材の強度と耐摩耗性を確保し、さらに摺動時に、ガラス相が摺動部材同士が強く接触摺動する部位において潤滑層としての作用をなすとともに、その供給源としても作用し、強度と耐摩耗性を備えるとともに、優れた摺動特性を発揮し、摺動によって潤滑層が摩耗したとしても適度なガラス相の存在によって、潤滑層が補充されることから耐久性に優れたものとすることができる。このガラス相からなる潤滑層は、オイルなどの液体潤滑剤とは異なり、摺動面２ａ、３ａ、４ａの隙間から飛散するという欠点がないためシールを不要とし、オイルの酸化や蒸発という経時劣化の問題もない。

また、摺動面２ａ、３ａ、４ａにおけるガラス相の占有面積率を３０％以上、７５％以下に特定するため、各摺動部材が接触摺動しても摺動面２ａ、３ａ、４ａを傷つけることなく、長期間にわたって回転速度を保持して極めて円滑に摺動させることができる。

この占有面積率が３０％未満になると、各摺動部材の接触摺動によって生じる欠けによる欠片が摺動面２ａ、３ａ、４ａを傷つけることによって、摺動速度などの摺動特性を低下させたり、動圧軸受等の場合にはシャフト２またはスラスト４と、スリーブ３との噛み込みにより、回転速度などの摺動特性が低下するなど、酷い場合は動圧軸受が破損するという問題が生じるからである。一方、ガラス相の占有面積率が７５％を超えると、硬度の高い酸化アルミニウム結晶相が少ないため、耐摩耗性が著しく低下するという問題が生じる。したがって、摺動面２ａ、３ａ、４ａにおけるガラス相の占有面積率は３０％以上、７５％以下に特定され、好ましくは３５％以上、６５％以下、さらに好ましくは５０％以上、６０％以下とする。

また、本発明の摺動部材では、各摺動部材同士が接触摺動する面、即ち摺動面２ａ、３ａ、４ａのみを上記酸化アルミニウム結晶相とガラス相を主体とする焼結体から形成すればよいが、例えば、シャフト２、スリーブ３、スラスト４のような各摺動部材全体を酸化アルミニウム結晶相とガラス相を主体とする焼結体で構成してもよい。

さらに、本実施形態では、上記動圧軸１において、シャフト２、スリーブ３、スラスト４の各摺動部材の摺動面２ａ、３ａ、４ａ全てを構成したが、各摺動部材のいずれかに本発明の摺動部材を用いてもよく、相対する部材の一方の摺動面を構成する場合でもよい。

ここで、摺動面２ａ、３ａ、４ａに存在するガラス相の占有面積率Ｓｇは、摺動部材をファイヤーエッチングし、酸化アルミニウム結晶相の視認性を改善した後、酸化アルミニウム結晶相の占有面積率Ｓａを同様に画像解析装置で数値化し、
Ｓｇ＝１００−Ｓａ−Ｓｖにより算出して求める。

また、摺動面２ａ、３ａ、４ａにおいては、気孔の存在が重要である。この気孔は、摺動部材同士が接触摺動する摺動面２ａ、３ａ、４ａに空気を導入し、リンキングを抑制する作用をなすため摺動特性に重要な要素となる。摺動面２ａ、３ａ、４ａに存在する気孔の占有面積率は、大きければ大きいほど摺動部材同士の接触部に空気を導入することができるようになるため、摺動特性は向上する。一方で、摺動面２ａ、３ａ、４ａに存在する気孔の開口端は、摺動部材同士が接触摺動すると、気孔の開口端の欠けによる欠片によって、摺動面２ａ、３ａ、４ａを傷つけることになることから、気孔が多すぎると潤滑層が摺動面２ａ、３ａ、４ａに形成されても気孔の開口端の欠けによる欠片が発生して摺動面２ａ、３ａ、４ａを傷つけやすい。したがって、摺動面２ａ、３ａ、４ａにおける気孔の占有面積率は５０％以下に特定され、より好ましくは３０％以下とする。また、ここで述べた気孔は、摺動面２ａ、３ａ、４ａをなす焼結体に内在している気孔が表面に現れたものと、加工時の脱粒により形成されたものを含有している。

さらに、摺動面２ａ、３ａ、４ａにおける気孔は、その平均直径を５０μｍ以下、さらには、８μｍ以下とすることが好ましい。平均直径が５０μｍを越えると、この作用が顕著となり潤滑層の形成が著しく妨げられる。また、気孔の平均直径が小さいと、潤滑層を削り取る作用も減少するため、気孔の占有面積率が多い材料を用いる場合、可能な限り気孔の平均径が小さい材料を用いることが望ましい。

さらに、図１（ｃ）に摺動面２ａの拡大断面図を示す。気孔３０の開口端部近傍における摺動面２ａと気孔３０の内壁面３０ｂとがなす角度θは鈍角であることが好ましく、４５度以上であることがより好適である。また、摺動面３ａ、４ａにおいても同様である。

なお、気孔の占有面積率Ｓｖは、各摺動面２ａ、３ａ、４ａの面積０．９ｍｍ^２の範囲で金属顕微鏡の画像をＣＣＤカメラで取り込み、画像解析装置を用いて倍率１００倍で数値化した。

また、各摺動部材は、ガラス相の成分として酸化ケイ素を４０質量％以上含有することが重要である。

酸化ケイ素は、酸化アルミニウムの焼結助剤として酸化マグネシウムや酸化カルシウムなどと並んで用いられるが、本発明では、酸化ケイ素を酸化アルミニウムの焼結助剤として作用させるとともに、ガラス相の状態で摺動面２ａ、３ａ、４ａを成す焼結体に存在させることが重要である。そして、ガラス相を形成する成分として、酸化リン、酸化ゲルマニウム、酸化ホウ素などもあるが、これらの材料は、融点が低く、酸化アルミニウムと焼成温度が合わない点や、化学的安定性も酸化ケイ素と比較し劣るため実用的ではない。

また、ガラス相に含有する酸化ケイ素を４０質量％以上としたのは、酸化ケイ素が４０質量％未満になると、本来ガラス相となるべき相が、焼結の過程で結晶相になる傾向が強くなり、摺動部材として摺動させた際、摺動面２ａ、３ａ、４ａに潤滑層が形成されにくくなり、たとえ潤滑層が形成されたとしても剥がれやすいものになるためである。また、安定した潤滑層を形成するため、酸化ケイ素の含有量は５４質量％以上であることがより好ましい。

さらに、ガラス相には酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ジルコニウム、酸化チタニウム、酸化鉄、酸化ナトリウム、酸化ホウ素の少なくとも一種以上が含まれていることが好ましい。これらの添加剤は、摺動部材の焼結性やガラス相の特性を改善するために添加する。酸化ナトリウムはガラス相の溶融温度と粘度を低下させることにより、潤滑層の進展を促進する効果があり、酸化カルシウムはガラス相と潤滑層の化学的安定性を高める効果がある。酸化ジルコニウムと酸化チタニウムはガラス相の剛性を高める効果があり、酸化マグネシウムは酸化アルミニウム結晶相の焼結性を改善する効果がある。さらに、酸化アルミニウムは一部がガラス相に含有しており、ガラス相の化学的安定性を高めるとともに、ガラス相の結晶化を抑制することにより潤滑層が形成されやすくする効果がある。酸化ホウ素はホウケイ酸ガラスを形成し、熱膨張率が低いため耐熱衝撃性を改善し、耐食性にも優れるという効果がある。酸化鉄は、着色剤の効果があり、添加するとベージュに発色するため、特に、動圧軸受に用いた場合、部材表面に形成する動圧発生溝の視認性を高める効果がある。

また、各摺動部材における酸化アルミニウム結晶相の平均結晶粒径が１．０〜８μｍであることが好ましい。

酸化アルミニウム結晶相の平均結晶粒径と、気孔の占有面積率とガラス相が使用中に作用する潤滑層の形成過程には密接な関係がある。即ち、摺動部材を成す焼結体の焼結過程において、酸化アルミニウム結晶相の平均結晶粒径を１．０〜８μｍの範囲とすることにより、摺動面２ａ、３ａ、４ａに存在する気孔の占有面積率を５０％以下とし、さらに、潤滑相が摺動面２ａ、３ａ、４ａに固着しやすくなるのである。ここで、酸化アルミニウム結晶相の平均結晶粒径を１．０μｍ以上としたのは、平均結晶粒径が１．０μｍ未満になると、摺動部材の成形体を焼成し焼結体となす過程において、焼結が不十分なためガラス相に気孔が多数残留し、摺動面２ａ、３ａ、４ａにおける気孔の占有面積率を５０％以下にすることが困難となるためである。また、酸化アルミニウムの平均結晶粒径を８μｍ以下としたのは、平均結晶粒径が８μｍを越えると、潤滑層が酸化アルミニウム結晶相の表面に進展し覆う時間が増加し、摺動面２ａ、３ａ、４ａが傷つきやすくなるという問題があるからである。また、より好ましい平均結晶粒径の範囲は６μｍ以下である。

次に、本発明の摺動部材は、摺動面２ａ、３ａ、４ａで摺動させることにより、摺動面２ａ、３ａ、４ａの少なくとも一部に前記ガラス相の成分を主体とする潤滑層が形成されることが好ましい。

すなわち、本発明の摺動部材を摺動させると、硬度の小さいガラス相から摩耗や塑性流動が始まり、この状態が継続するとガラス相の成分を主体とする潤滑層が酸化アルミニウム結晶相の表面にも進展し、潤滑性を有する摺動面の潤滑層となり、摺動部材同士が互いに削り合うアブレシブ摩耗を抑制することができるのである。そして、潤滑層には、酸化アルミニウム結晶相から生じた摩耗粉をその内部に取り込む作用もあり、摩耗粉が摺動面２ａ、３ａ、４ａから外部に飛散することを抑制する効果もある。

また、潤滑層の進展は、摺動面２ａ、３ａ、４ａに加わる圧力に加え、摩擦熱も影響していると考えられる。特に、動圧軸受１のように摺動部材同士が、回転開始／停止、振動、揺動、傾きなどにより、高速で接触摺動する場合、摺動面２ａ、３ａ、４ａは微小な領域で瞬間的に高熱となり、潤滑層を軟化させ進展を促進すると考えられる。

すなわち、本発明の摺動部材に形成される潤滑層は、各摺動部材が浮上している状態では、摺動面２ａ、３ａ、４ａ上に固着しているが、部材同士が高速で接触摺動する際、流動性を発現し、衝撃を吸収して摺動面２ａ、３ａ、４ａを保護する作用も成す。

また、本発明における潤滑層とは、回転数が５０００ｒｐｍ以上（周速度約２．６ｍ／ｓ以上）で５秒以上摺動させた際に摺動面２ａ、３ａ、４ａに形成されているものであり、その組成はガラス相からなる主成分に、酸化アルミニウム結晶相の摩耗粉が混入したものであり、摺動部材の寸法精度を保つという観点から、潤滑層の厚みは２μｍ以下で形成されることが好ましい。

なお、潤滑層の確認は、摺動面を走査電子顕微鏡（以降ＳＥＭと称す）で観察することによって判別することができる。その表面状態は、例えば、潤滑層で覆われることにより、気孔や酸化アルミニウム結晶相が見られない平滑面となる場合や、潤滑層が鱗状の模様を形成している場合などがある。

そして、この潤滑層が形成される過程において、潤滑層成分は接触摺動した個所から供給されるため、摩耗により部材の寸法精度が低下することは殆どなく、安定して動圧を発生させることが可能である。

次に、本発明の摺動部材の製造方法について、摺動部材としてスリーブ３を酸化アルミニウム結晶相とガラス相とを主体とする焼結体で形成する場合について述べる。

先ず、酸化アルミニウムとガラス相成分とを調合し、これをボールミルや振動ミルなどで粉砕して所定の粒度とした後、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、アクリル等からなるバインダーを加えてスプレードライで造粒する。そして、この造粒した原料を用いて、粉末プレス装置で０．８〜１．５ｔｏｎ／ｃｍ^２の圧力を加えて成形体を得る。

その後、電気炉やガス炉などを使用して１５００〜１６５０℃で１〜５時間焼成して焼結体を得、最後に、焼結体を所定の形状に加工する。このとき、内周面にあたる摺動面３ａに存在するガラス相の占有面積率を３０％以上、７５％以下とするためには、酸化アルミニウムを５５質量％以上、９５質量％未満、ガラス相成分となる助剤を５質量％以上、４５質量％未満とすればよく、ガラス相の占有面積率を３５％以上、６５％以下とするためには、酸化アルミニウムを６０質量％以上、９０質量％未満、ガラス相成分を１０質量％以上、４０質量％未満に、さらに、ガラス相の占有面積率を５０％以上、６０％以下とするためには、酸化アルミニウムを６５質量％以上、７５質量％未満、ガラス相成分を２５質量％以上、３５質量％未満にそれぞれ調整すればよい。

なお、内周面にあたる摺動面３ａに存在するガラス相の占有面積率が３０％以上、７５％以下とするために、酸化アルミニウムを５５質量％以上、９５質量％未満、ガラス相成分を５質量％以上、４５質量％以下とすればよく、また、ガラス相の占有面積率を３５％以上、６５％以下とするためには、酸化アルミニウムを６２質量％以上、９０質量％未満、ガラス相成分を１０質量％以上、３８質量％未満に、さらに、ガラス相の占有面積率を５０％以上、６０％以下とするためには、酸化アルミニウムを６５質量％以上、７５質量％未満、ガラス相成分を２５質量％以上、３５質量％未満とすればよい。

なお、摺動面３ａにおけるガラス相の占有面積率は、摺動面３ａを表面粗さＲａ０．３μｍ以下にした場合には上述のような酸化アルミニウムと、ガラス相成分の組成比で調整することができるが、後述する表面粗さ等の表面状態によって影響を受けやすい。そのため、後述するような加工条件によって要求される表面状態に合わせて加工条件を変えることでガラス相の占有面積率を調整する必要がある。

また、前記ガラス相成分に添加する助剤における酸化ケイ素の含有量を４０質量％以上とすればよく、ガラス相の残部を酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ジルコニウム、酸化チタニウム、酸化鉄、酸化ナトリウムの一種以上とするには、前記ガラス相成分にこれらを適宜添加すればよく、酸化ケイ素の含有量を４０質量％以上にするために、助剤における酸化ケイ素の比率も４０質量％以上としておくことが好ましい。

そして、摺動面３ａに存在する気孔の占有面積率を５０％以下とするには、製造の段階でできる限り、気孔を減少させておくことが必要であるが、作製した焼結体の加工の段階で、摺動面３ａに相当する部分の加工は、最終的にラップ加工、センタレス、ホーニング、超仕上げ加工などで加工するのであるが、この時の加工方法によっては、焼結体の表面の結晶粒子が加工の圧力によって脱落して新たな気孔が発生することになるため、加工の方法によって摺動面３ａに存在する気孔の占有面積率は調節することができ、特に加工に用いる砥石は＃１０００〜＃１００００程度のダイヤモンドを用いるとよい。具体的には、砥石の番定を細かく、加工速度を遅くすることにより気孔の占有面積率を小さくし、番定を粗く、加工速度を早くすることにより気孔の占有面積率を大きくできる。スリーブ３を加工する際は、外径をセンタレス加工した後、内径を内径加工機で加工し、その後ホーニング加工で気孔が本発明の範囲内となるように加工すればよい。ホーニング加工の条件は、回転数を１０００〜３０００ｒｐｍとし、砥石の番定は＃１０００〜＃１００００の範囲で調整する。また、酸化セリウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、炭化珪素、炭化硼素、窒化硼素、ダイヤモンドなどを遊離砥粒として研削液に添加し、砥石の代わりにＳＫ鋼を用いることもできる。また、シャフト２を加工する際は、センタレス加工を行った後、超仕上げ加工で摺動面の気孔が本発明の範囲内となるように加工すればよい。超仕上げ加工の条件は、ワークの送り速度を０．５〜２．０ｍ／ｍｉｎ、ワーク周速度を１０〜５０ｍ／ｍｉｎとし、砥石の番定は＃１０００〜＃１００００の範囲で調整する。

すなわち、酸化アルミニウムと助剤の調合比、焼成温度、仕上げ加工の条件を調整する
ことによりガラス相の比率を本発明の範囲内に調整することが可能となるのである。

さらに、気孔の占有面積率を３０％以下とするためには、シャフト２であれば超仕上げ加工で砥石の番定を＃３０００〜＃１００００とすればよく、スリーブ３であればツールにＳＫ鋼などの金属板、遊離砥粒にダイヤモンド、酸化セリウム、酸化ケイ素などを用いるとよい。

そして、これら摺動部材を動圧軸受に用いる場合、材料に要求される特性の多くは、回転開始／停止時の摺動環境に対応するものであり、主に耐摩耗性と耐熱性であり、その為に、隙間５、６に潤滑流体としてオイルを充填してもよいが、動圧軸受の隙間からオイルが飛散しないよう確実にシールを行い、さらに、オイルが酸化して劣化しないよう発熱や回転速度などの使用環境を考慮した設計をする必要がある。また、潤滑流体に空気を用いる場合は、回転の開始／停止時にシャフト２またはスラスト４と、スリーブ３とが直接接触するため、耐摩耗性と耐熱性に優れた焼結体で構成すればよい。また、摺動面２ａ、３ａ、４ａにＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）や二流化モリブデン等の固体潤滑剤でコーティングを行い、潤滑層を形成する方法もあるが、それらのコーティング層は時間が経つにつれて摩耗や剥離が生じるため、素地が露出した場合も考慮した設計をすることが望ましい。

そして、このように製造された各摺動部材は上述の図１に示すような動圧軸受として好適に用いることができ、さらには、この動圧軸受を用いて図３に示すようなモータとして好適に用いることができる。
図３のモータ１０は、本発明の摺動部材を用いたモータの一例を示す縦断面図であり、回転部材であるシャフト１１、ロータハブ１５、スラスト１３と、静止部材であるベース１８、スリーブ１２、スラスト１４を備え、それらはいずれも円筒形状であり、さらに、回転の駆動力を与える手段として、ベース１８に固定されたステータ１７、ロータハブ１５の内壁にＮ極とＳ極が交互に環状に配設されたマグネット１６を具備する。ステータ１７、マグネット１６は、それぞれベース１８、ロートハブ１５に同数で複数個設置されており、回転軸２０に対して同心円状の配置となっている。

この動圧軸受において、シャフト１１、スラスト１３、静止部材のスリーブ１２、スラスト１４を本発明の摺動部材によって構成する。シャフト１１は、上端にロータハブ１５の中央部が固定された状態で、スリーブ１２に回転自在に挿入され、下端にはスラスト１３が固定される。スリーブ１２、スラスト１４は、ベース１８に固定され、それぞれラジアル方向、スラスト方向の動圧を受ける。本発明の摺動部材は、シャフト１１、スリーブ１２、スラスト１３、スラスト１４に用いられており、シャフト摺動面１１ａ、スラスト摺動面１３ａ、１３ｂには動圧発生溝が形成され、回転時には対向する部材との隙間に動圧を発生し、非接触で浮上回転する構造となっている。

動圧発生溝の形状は、一般的なヘリングボーンや、特開平９−１４２５７に示されるようなシャフトの外周に等間隔で軸方向に平行な平坦面を形成したタイプでも構わない。電子機器に用いられる小型モータの場合は、へリングボーンの溝深さは数μｍ程度が望ましく、前記平坦面を溝と見なした場合の溝深さは２０μｍ以下が望ましい。

このように構成されたモータ１０は、ステータ１７に交流電流が流れると磁界が発生し、マグネット１６の磁力と引き合い（反発し）、ロータハブ１２が回転する。ロータハブ１２が回転すると、シャフト１１、スラスト１３も回転し、回転開始時には対向する部材と接触摺動するが、回転数が増加すると、それぞれの部材に形成された動圧発生溝により動圧が発生して部材が浮上し、一定の隙間を保った状態で非接触回転を継続する。

そして、ロータハブ１５の外周部１９にハードディスクやポリゴンミラー等を装着し、ＨＤＤやＬＢＰ等に使用する。

また、本発明のモータは、例えば回転数が１０，０００ｒｐｍ以上のサーバー用ＨＤＤや、回転数が１５，０００ｒｐｍ以上のパソコン用ＨＤＤや、回転数が５０，０００ｒｐｍ以上のＬＢＰや、回転数が１０，０００ｒｐｍ以上のＤＬＰ（デジタルライトプロセッサ）などに用いることができる。これらのモータ回転数は、それぞれの製品で使用されるモータの軸受が、ボールベアリングやオイル動圧軸受では摩耗や焼き付きにより使用できなくなる値であり、本発明の摺動部材を用いて空気動圧軸受を形成することにより、問題を解決することができる。さらに、本発明のモータは車載用ＨＤＤのように振動の激しい環境で用い、軸受部材同士が接触しても潤滑層が摺動面を保護するため、摩耗やカケを抑制し好適に使用することが可能である。

（実施例１）
次に、本発明の摺動部材を用いた実施例として、動圧軸受を構成した場合を例に説明する。

まず、表１に示す組成で、酸化アルミニウムに助剤として酸化ケイ素と添加剤の酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ジルコニウムを加え調合原料とした。なお、この時、酸化ケイ素の質量と添加剤の質量との比率を４：６と一定とした。なお、添加剤は酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ジルコニウムをそれぞれ４：９：７の質量比で調合した。

そして、前記調合原料をボールミルを用いて水で湿式粉砕してスラリーとし、バインダーを加え、スプレードライで噴霧乾燥して粉末原料とした。
その後、この粉末原料の適宜量を秤量し、粉末プレス装置を用いて約１ｔｏｎ／ｃｍ^２の圧力で加圧成形し、図１に示すような動圧軸受１のシャフト２、スリーブ３、スラスト４の成形体を作製した。

次に、前記成形体を電気炉にて１４００〜１７００℃、１〜５時間で焼成し、シャフト２、スリーブ３、スラスト４のセラミックスを得た。

そして、本発明のシャフト２はセンタレス加工を行った後、超仕上げ加工で摺動面の気孔が本発明の範囲内となるように加工した。超仕上げ加工の条件は、ワークの送り速度を０．５〜１．０ｍ／ｍｉｎ、ワーク周速度を３０〜４０ｍ／ｍｉｎとし、砥石の番定は＃２０００〜＃６０００の範囲で調整した。

スリーブ３は外径をセンタレス加工した後、内径を内径加工機で加工し、その後ホーニング加工で気孔が本発明の範囲内となるように加工した。ホーニング加工の条件は、回転数を１２００〜２０００ｒｐｍとし、砥石の番定は＃１０００〜＃３０００の範囲で調整した。また、砥石の代わりにＳＫ鋼を用い、研削液に粒径が２〜４μｍのダイヤモンド砥粒を用いる加工方法も使用した。

具体的には、砥石の番定を細かく、加工速度を遅くすることにより気孔の占有面積率を小さくし、番定を粗く、加工速度を早くすることにより気孔の占有面積率を大きくした。

そして、酸化アルミニウム結晶相とガラス相が摺動面に存在していることを確認するため、Ｘ線回折装置を用いて分析し、酸化アルミニウムの結晶のピークを確認するとともに酸化ケイ素の結晶のピークが検出されないことを確認し、さらに制限視野電子回折像解析の方法でハローパターンを示したことから、ガラス相の存在を確認した。

また、気孔の占有面積率Ｓｖは、摺動面の面積０．９ｍｍ^２の範囲で金属顕微鏡の画像をＣＣＤカメラで取り込み、画像解析装置を用いて倍率１００倍で数値化した。ガラス相の占有面積率Ｓｇは、摺動部材をファイヤーエッチングし、酸化アルミニウム結晶相の視認性を改善した後、酸化アルミニウム結晶相の占有面積率Ｓａを同様に画像解析装置で数値化し、（１）の計算式により求めた。

Ｓｇ＝１００−Ｓａ−Ｓｖ・・・・・・（１）
次に、作製したシャフト２、スリーブ３、スラスト４を用いて図３に示すようなモータを組み付け、回転速度１００００ｒｐｍで５万回のスタート、ストップ試験を行い、摺動面の破損、損耗状態をＳＥＭ、金属顕微鏡を用いて観察し、摺動面に傷や結晶粒脱落がなく破損していないものを◎、線状痕はあるが結晶粒脱落や破損がないものを○として摺動性の優れた良品と判定し、破損や結晶粒脱落があるものを×、として摺動性の悪い不良品と判定した。

さらに、試験終了後に各摺動面をＳＥＭで観察し、潤滑層が形成されているかを調査した。摺動部材同士が接触摺動した部位に、全面的に潤滑層が形成されているものを◎、少なくとも一部に形成されているものを○として良品と判定し、潤滑層が全く形成されていないものを×、として不良品と判定した。

その結果を表１に示す。

表１より、本発明の範囲内となるガラス相の占有面積率が３０〜７５％、気孔の占有面積率が５０％以下である試料（Ｎｏ、２〜６、９〜１６）は、摺動試験後に摺動面には部分的に線状痕が生じるものがあったが、結晶粒脱落、破損がなく摺動性の優れたものであることが判った。

特に、ガラス相の占有面積率が５０〜６０％、気孔の占有面積率が５０％以下である試料（Ｎｏ．４〜６）は、摺動試験後に線状痕もなく、より優れた摺動性を有することが判った。

これに対し、ガラス相の占有面積率が３０％未満の試料（Ｎｏ．１７、１８）は摩耗が大きいため摺動性が悪く、ガラス相の占有面積率が７５％を超える試料（Ｎｏ．１）は、ガラス相が多すぎるため摺動面の強度が低下し破損した。さらに、気孔の占有面積率が５０％を超える試料（Ｎｏ．７、８）は、潤滑層が形成されたものの剥がれてしまい、摺動面に線状痕や結晶粒脱落が生じることが判った。

（実施例２）
次に、表１の試料１３の助剤中における酸化ケイ素と添加剤の比率を変え、実施例１と同様にしてシャフト２、スリーブ３、スラスト４を作製し、同様にモータを組み付け、摺動条件を厳しくするためモータの回転軸を水平とし、回転数を１５０００ｒｐｍで１００回のスタート、ストップ試験を行い、摺動性の評価を行った。摺動性の評価は、試験前後で摩耗により寸法変化していないかを摺動面の状態をＳＥＭで観察して測定し、１．５μｍ以下を◎、２μｍ以下を○、それ以上を×として評価した。また、試験終了後に各摺動面をＳＥＭで観察し、潤滑層が形成されているかを調査した。摺動部材同士が接触摺動した部位に、全面的に潤滑層が形成されているものを◎、少なくとも一部に形成されているものを○として良品と判定し、潤滑層が全く形成されていないものを×、として不良品と判定した。

結果を表２に示す。

表から明らかなように、ガラス相の占有面積率が３０〜７５％、気孔の占有面積率が５０％以下で、さらに添加するガラス成分である助剤の酸化ケイ素の含有量が４０質量％以上の試料（Ｎｏ．１３−１〜１３−４、１３）は、摺動面に均一に潤滑層が形成されており、摺動性も優れていることが判った。また、これらの試料は、厚み変化も２μｍ以下に抑えられており、ＳＥＭで摺動面を観察すると、潤滑層が形成されていることが判った。

これに対し、ガラス相の占有面積率が３０〜７５％、気孔の占有面積率が５０％以下の場合においても、添加するガラス成分である助剤の酸化ケイ素の含有量が４０質量％未満の試料（Ｎｏ．１３−５〜１３−７）は、寸法変化は２μｍ以下に抑えられているものの、
潤滑層が形成されない場合が生じ、酸化ケイ素が４０質量％以上含有されている試料に比較すると、耐摩耗性が低下することが判った。

本発明の摺動部材を用いた動圧軸受の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）はＣ−Ｃ線における断面図である。 従来の動圧軸受を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）はＤ−Ｄ線における断面図である。

（ｃ）は摺動面の拡大断面図である。
本発明の摺動部材を用いたモータの一例を示す断面図である。

符号の説明

１ ：動圧軸受
２ ：シャフト
２ａ：シャフト表面
２ｂ：動圧発生溝
３ ：スリーブ
３ａ：スリーブ摺動面
４ ：スラスト
４ａ：スラスト表面
４ｂ：動圧発生溝
５ ：ラジアル方向の隙間
１０ ：モータ
１１ ：シャフト
１１ａ：シャフト摺動面
１２ ：スリーブ
１３ ：スラスト
１３ａ：スラスト摺動面
１３ｂ：スラスト摺動面
１４ ：スラスト
１５ ：ロータハブ
１６ ：マグネット
１７ ：ステータ
１８ ：ベース
１９ ：外周部
２０ ：回転軸
３０ ：気孔
３０ｂ：内壁面
５１ ：動圧軸受
５２ ：シャフト
５２ａ ：シャフト表面
５２ｂ ：動圧発生溝
５３ ：スリーブ
５４ ：スラスト
５４ａ ：スラスト表面
５４ｂ ：動圧発生溝
５５ ：ラジアル方向の隙間

Claims (5)

1. 少なくとも摺動面が酸化アルミニウム結晶相とガラス相とを主体とし、前記摺動面における前記ガラス相の占有面積率が３０％以上、７５％以下であるとともに、気孔の占有面積率が５０％以下であり、前記ガラス相が酸化ケイ素を４０質量％以上含有することを特徴とする摺動部材。
2. 前記酸化アルミニウムの平均結晶粒径が１．０μｍ以上、８μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
3. 前記摺動面で摺動させることにより、前記摺動面の少なくとも一部に前記ガラス相の成分を主体とする潤滑層が形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の摺動部材。
4. 請求項１〜３の何れかに記載の摺動部材を用いたことを特徴とする動圧軸受。
5. 請求項４に記載の動圧軸受を用いたことを特徴とするモータ。

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