JP4573349B2 - 動圧軸受の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、記録ディスク駆動装置等に備えられるスピンドルモータの軸受に好適な動圧軸受の製造方法に関する。

上記スピンドルモータは、磁気ディスクあるいはＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ等の光ディスクを駆動してこれらディスクに情報の読み書きを行うディスク駆動装置や、レーザビームプリンタ等の各種情報機器に、駆動源として広く用いられている。この種のスピンドルモータの軸受としてはボールベアリングが多用されていたが、回転精度、高速性、静音性といった面で限界があり、これらの特性に優れた軸受として、非接触タイプの動圧軸受が用いられるようになってきた。

動圧軸受とは、軸と軸受との間の微小隙間に潤滑油による油膜を形成し、その油膜を、軸が回転することにより高圧化させて軸を高い剛性をもって支持する軸受であり、その動圧は、軸または軸受のいずれか一方に形成される主に溝からなる凹所によって効果的に発生する。スピンドルモータ用の軸受は、スラストおよびラジアル双方の荷重を受ける構造となっており、動圧発生用の上記凹所を軸受に形成する場合には、スラスト荷重を受ける軸受の端面（スラスト面）と、ラジアル荷重を受ける軸受の内周面（ラジアル面）とに、それぞれ形成される。そして、このような動圧軸受としては、潤滑油を含有して自己補給することができるとともに、動圧発生用の上記凹所を形成し易く、しかも、量産性に優れることなどの理由から、焼結軸受が好ましく用いられる。

焼結軸受は、金属粉末を圧縮成形した圧粉体を加熱して得られるものであるため、気孔が分散したポーラス体であり、気孔に潤滑油を充填した含油状態で使用される。潤滑油は、焼結軸受からしみ出して、上記のように軸との間の微小隙間に油膜を形成し、動圧凹所内に流入する潤滑油が、軸の回転に応じて高圧化し、高い軸受剛性をもって軸を支持するようになされている。このような動圧凹所は、焼結軸受素材に対する塑性加工によって形成される。

塑性加工によって動圧凹所を形成する方法としては、焼結軸受に限らず行われており、例えば、スラスト動圧凹所は、軸受素材に対するサイジングまたはコイニングといった再圧工程において、スラスト動圧凹所を形成し得る凸部が形成された雄型のパンチのパンチ面をスラスト面に対向させ、このパンチによって軸受素材を軸方向に圧縮し、凸部を刻印することにより形成される。このような方法は、例えば特許文献１により公知である。

特開平５−６０１２７号公報

このような動圧軸受がスピンドルモータに用いられた場合、モータが停止している状態では、スラスト面およびラジアル面と軸との間の、動圧が発生する微小隙間への潤滑油の供給量は、回転時よりも減少する。したがって、モータの起動時や停止時といったモータの回転数が比較的低い場合には、潤滑油の供給量は不足がちになり、このため、軸と軸受との摩擦が比較的大きくなり、金属接触が起こって摩耗が生じ易くなる。特にこの問題は、ラジアル側よりも大きな荷重を受けるスラスト側で顕著に起こり、その結果、モータの回転の立ち上がりが鈍くなるなどの不具合が生じるとともに、動圧軸受の寿命の低下を招く。

よって本発明は、モータの起動時あるいは停止時に生じ易い軸との摩擦が抑えられ、これによってモータの回転の立ち上がりが迅速となり、また、摩耗が抑えられて寿命の長期化が図られる動圧軸受の製造方法を提供することを目的としている。

本発明は、凸部が形成されたパンチのパンチ面を、円筒状の焼結軸受素材の端面に押し当てることにより、該端面の、少なくともスラスト荷重を受けるスラスト領域に前記凸部を刻印してスラスト動圧を発生させるためのスラスト動圧凹所を形成する動圧軸受の製造方法において、パンチのパンチ面における凸部が、放電加工または化学エッチングによって形成され、その際、パンチのパンチ面における凸部の周囲の面に微細な凹凸が形成され、押し当てにより、スラスト領域のうちスラスト動圧凹所以外の領域に油だまりとして機能する微細な凹凸が形成されることを特徴としている。

上記製造方法によれば、パンチのパンチ面の凸部を放電加工または化学エッチングによって形成すると、凸部を残すために除去された部分、すなわち凸部の周囲の面には、多数の微細な凹凸が形成される。このパンチ面を焼結軸受素材の端面に押し当てると、該端面のスラスト領域に凸部が刻印されてスラスト動圧凹所が形成されるとともに、パンチ面の凹凸が転写されて、多数の微細な凹凸が形成される。

上記のような動圧軸受では、該動圧軸受によって回転自在に支持されるスピンドルモータ等の軸のスラスト面に対向する部分に、上記スラスト領域が設定され、両者の間の微小隙間に潤滑油が供給されて軸が回転すると、スラスト動圧凹所に流入する潤滑油が高圧となってスラスト動圧が発生する。

本発明の動圧軸受によれば、上記スラスト領域のスラスト動圧凹所を除く部分は、多数の微細な凹凸が形成されて粗面となっている。そしてこの粗面の凹部には潤滑油が溜まり易く、凹部が油溜まりとして機能する。このため、軸の回転起動時または回転停止時においても、端面のスラスト領域と軸のスラスト面との間には潤滑油が多く介在し、このため、摩擦が生じにくく、摩耗が抑えられる。

スラスト動圧凹所は、スラスト動圧が効果的に得られる形状が望ましく、例えば、端面の一周方向に向かうにしたがってその内周側に湾曲しながら延びる複数のスパイラル溝、または、Ｖ字状で頂点に収束する方向が前記端面の一周方向に沿って配列された複数のヘリングボーン溝が挙げられる。

本発明で用いるパンチは、放電加工または化学エッチングが可能な材質が選ばれ、例えば、冷間金型用合金工具鋼、熱間金型用合金工具鋼等の合金工具鋼、高速度工具鋼、超硬合金等が挙げられる。

本発明に係るパンチを製造する際には、パンチ面への凸部の形成と同時に、その周囲の面に多数の微細な凹凸が形成されるので、工程数を増すことなく凹凸を形成することができる。そしてその凹凸は、動圧軸受の端面のスラスト領域を粗面とする上できわめて好適な微細なものとなる。そして、このパンチにより焼結軸受素材の端面を圧縮することにより、スラスト動圧凹所と同時に、端面のスラスト領域に微細な凹凸を形成することができ、ここでも工程数を増すことなく、動圧軸受の端面に凹凸を形成することができる。

なお、本発明では、パンチのパンチ面の凸部を放電加工または化学エッチングによって形成することにより凸部を形成するが、とりわけ放電加工を採用することは、次の理由から好ましい。すなわち、パンチ面の凸部をシャープなエッジを有するものに形成することができ、したがってこの凸部を刻印して形成される動圧軸受側のスラスト動圧凹所もエッジがシャープとなり、所望通りの形状を得ることができるからである。

本発明の製造方法で用いる焼結軸受素材の成分としては、上記スラスト動圧凹所を塑性加工し易く、また、加工精度と強度の両立が図られることから、鉄：４０〜６０ｗｔ％、銅：４０〜６０ｗｔ％、錫：１〜５ｗｔ％を含有するものが好適な成分とされる。

本発明の動圧軸受によれば、スラスト動圧凹所が形成される端面のスラスト領域に多数の微細な凹凸が形成されて粗面となっており、その凹部が油溜まりとして機能するため、軸の回転起動時または回転停止時においても、端面のスラスト領域と軸のスラスト面との摩擦による摩耗が抑えられる。その結果、モータの回転の立ち上がりが迅速となり、かつ、寿命の長期化が図られるといった効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
図１は、一実施形態に係る円筒状の動圧軸受１を示しており、図２は図１のII部分拡大図、図３は動圧軸受１の上面図、図４は図１のIV−IV線矢視断面図である。図１および図４における符号２は、動圧軸受１によって回転自在に支持される軸である。

動圧軸受１の一端面（図１で上端面）１１の全面には、図２に示すように、多数の微細な凹凸が形成されており、この凹凸によって上端面１１は粗面となっている。その面粗さは、０．５〜３μｍが好適な範囲とされる。

このように微細な凹凸が形成された上端面１１には、図３に示すように、軸２の回転方向Ｒに向かうにしたがって内周側に湾曲しながら延びる複数（この場合１２本）のスパイラル溝１２が、周方向に等間隔をおいて形成されている。これらスパイラル溝１２の外周側の端部は外周面に開口しているが、内周側の端部は軸孔１３の内周面１４に開口しておらず閉塞している。動圧軸受１の上端面１１は、軸２からスラスト荷重を受けるスラスト面であり、スパイラル溝１２は、スラスト動圧発生用のスラスト動圧凹所である。

一方、動圧軸受１の内周面１４には、図４に示すように、断面が半円弧状で、両端面間にわたり軸方向に沿って真っ直ぐに延びる複数（この場合５つ）の分離溝１５が、周方向に等間隔をおいて形成されている。そして、内周面１４の各分離溝１５の間には、動圧軸受１の外径の軸心Ｐに対して偏心し、軸２の回転方向Ｒに向かうにしたがって内周側に縮径していく形状の円弧面１６が形成されている。動圧軸受１の内周面１４は、軸２からラジアル荷重を受けるラジアル面であり、円弧面１６は、ラジアル動圧発生用のラジアル動圧凹所である。

上記各円弧面１６は動圧軸受１の外径と非同心であり、各円弧面１６の中心は、軸心Ｐの周囲に、この軸心Ｐと同心的で周方向に等間隔をおいて存在する。このような円弧面１６の形状により、円弧面１６と軸２の外周面との間の微小隙間は、軸２の回転方向に向かうにしたがってしだいに狭小となる断面クサビ状に形成される。

軸２は、図１に示すように、軸本体２１にスラストワッシャ２２が嵌合されたもので、軸本体２１が動圧軸受１の軸孔１３に図中上から挿入され、スラストワッシャ２２が動圧軸受１の上端面１１に対向して配置される。軸２のラジアル荷重は動圧軸受１の内周面１４で受けられ、軸２のスラスト荷重は動圧軸受１の上端面１１で受けられる。スラストワッシャ２２の外径は動圧軸受１の外径よりも僅かに小さく、実質的に動圧軸受１が軸２のスラスト荷重を受ける部分（スラスト領域）は、上端面１１の、スラストワッシャ２２に対向する部分である。

本実施形態の動圧軸受１は、ハードディスク駆動装置用のスピンドルモータ等に用いられ、その場合には、軸本体２１のスラストワッシャ２２よりも上方部分に、ロータハブを介して磁気ディスクが搭載される。

動圧軸受１は、原料粉末を圧縮成形した成形体を焼結した焼結軸受であり、以下にその製造方法を説明する。

（１）原料粉末の成形〜焼結
鉄粉と銅粉を適宜な組成で混合した混合粉末を、粉末成形用の金型内に充填して圧縮成形し、製造する動圧軸受１に近似した形状の圧粉体を得る。次に、圧粉体を、原料粉末に応じた温度および時間で加熱して焼結し、円筒状の焼結軸受素材を得る。なお、用いる原料粉末としては、鉄：４０〜６０ｗｔ％、銅：４０〜６０ｗｔ％、錫：１〜５ｗｔ％といった組成のように、鉄粉と銅粉がほぼ同量であって、他に数ｗｔ％の錫粉を含有するものが、次の理由で好ましく用いられる。

すなわち、上記によると焼結後、軟質な銅錫合金相と強度が高い鉄合金相の２相からなる合金が得られることにより、なじみ性と耐摩耗性のバランスが優れるとともに、動圧軸受をハウジングに圧入する際に必要な強度、および動圧溝形成に必要な塑性加工性を備えたものとすることができるからである。

（２）焼結軸受素材の加工
図５に示すように、ダイス５１、上下のパンチ５２，５３およびコアロッド５４を備えたサイジングまたはコイニング用の再圧金型５を用意する。上パンチ５２は、下端面のパンチ面５２ｂに、スパイラル溝１２を形成し得る複数のスパイラル状の凸部５２ａが形成された雄型である。凸部５２ａは、パンチ面５２ｂを放電加工または化学エッチングすることによって形成されており、このような凸部５２ａの形成方法によって、凸部５２ａを除いたパンチ面５２ｂには、図６に示すように、多数の微細な凹凸が形成されている。凹凸によって粗面に形成されたこのパンチ面５２ｂの面粗さは、０．５〜３μｍとされる。

図５に示すように、上記のようにして得た焼結軸受素材１Ａを再圧金型５内にセットし、上下のパンチ５２，５３で焼結軸受素材１Ａを軸方向に圧縮する。この再圧工程で、上パンチ５２が焼結軸受素材１Ａの上端面１１を打撃することにより、その上端面１１に凸部５２ａが刻印されてスパイラル溝１２が形成される。また、これと同時に、図６に示すように、粗面であるパンチ面５２ｂが転写されて、上端面１１の凸部（スパイラル溝１２を除いた部分）に、多数の微細な凹凸が形成される。この時、焼結軸受素材１Ａとして上記の組成の焼結合金を用いると、パンチ面５２ｂの面粗さがほぼ同じ面粗さで焼結軸受素材１Ａの上端面１１の凸部に転写されるので好適である。

本発明の動圧軸受においては、内周面（ラジアル面）に動圧凹所を形成してもよく、その動圧凹所として、例えば多円弧形状を採用する場合には次のようにして形成できる。すなわち、図７は、上下のダイス６１，６２、雄型ピン６３を備えた内周面加工装置６を示しており、この内周面加工装置６により、固定状態の下ダイス６２上に上ダイス６１を載置し、上ダイス６１内に、上記のようにしてスパイラル溝１２を形成した焼結軸受素材１Ａを嵌入してセットする。そして、焼結軸受素材１Ａの軸孔１３に、分離溝１５および円弧面１６を形成し得る雄型ピン６３を上から圧入することによって、内周面１４に分離溝１５および円弧面１６を形成する。

この後、焼結軸受素材１Ａから雄型ピン６３を抜き、上ダイス６１から焼結軸受素材１Ａを抜いて、上端面１１にスパイラル溝１２が形成され、内周面１４に分離溝１５および円弧面１６が形成された動圧軸受１を得る。このように、本発明の動圧軸受においては、所望によりラジアル動圧凹所を併用することもできるが、ラジアル動圧凹所としては、上記のような多円弧形状に限らずヘリングボーン形状に形成してもよい。

本実施形態の動圧軸受１では、動圧軸受１に潤滑油が含浸されて含油軸受とされる。そして、軸孔１３に挿入された軸２が、図３および図４に示す矢印Ｒ方向に回転すると、内周面１４の各分離溝１５にしみ出して貯留する潤滑油が、効率よく軸２に巻き込まれて円弧面１６と軸２との間のクサビ状の微小隙間に侵入し、油膜を形成する。この微小隙間に入っていく潤滑油は、微小隙間の狭小側に流動することにより、クサビ効果が生じて高圧となり、高いラジアル動圧が発生する。このように油膜が高圧化する部分は、円弧面１６に応じて周方向に等間隔をおいて発生し、これによって軸２のラジアル荷重は、バランスよく、かつ高い剛性をもって支持される。

一方、潤滑油は、動圧軸受１の上端面１１に形成されたスパイラル溝１２内にもしみ出して貯留され、この潤滑油の一部は、軸２の回転によってスパイラル溝１２内から出て、上端面１１とスラストワッシャ２２との間に油膜を形成する。また、スパイラル溝１２内に保持される潤滑油は、スパイラル溝１２内の外周側から内周側に向かって流動し、内周側の端部で最も高圧化するスラスト動圧が発生する。そして、そのスラスト動圧をスラストワッシャ２２が受けることにより、軸２が僅かに浮上した状態となり、これによってスラスト荷重がバランスよく、かつ高い剛性をもって支持される。

本実施形態の動圧軸受１によれば、スラスト荷重を受ける上端面１１が、多数の微細な凹凸を形成されることにより粗面となっているため、その凹部に潤滑油が溜まり易く、凹部が油溜まりとして機能する。このため、スピンドルモータの起動時または停止時においても、上端面１１と軸２のスラストワッシャ２１との間には潤滑油が多く介在し、このため、両者間に生じる摩擦が抑えられる。その結果、モータの回転の立ち上がりが迅速となり、かつ、摩耗が抑えられて寿命の長期化が図られる。

動圧軸受１の上端面１１を粗面とするには、再圧工程で、上端面１１へのスパイラル溝１２の形成と同時に行われるので、粗面とするための工程を別途設ける必要がなく、効率的である。また、上パンチ５２のパンチ面５２ｂは、凸部５２ａを放電加工または化学エッチングによって形成することにより粗面に形成されるので、上パンチ５２側での粗面化工程も効率的に行うことができ、また、このような方法で形成される上パンチ５２側の凹凸は、動圧軸受１の上端面１を粗面とする上できわめて好適な微細なものとなる。

なお、上記実施形態では、動圧軸受１の上端面１１に形成する凹凸は、スパイラル溝１２を除く上端面１１の全面に形成しているが、少なくとも、軸２のスラストワッシャ２２に対向し、スラストワッシャ２２と摩擦が生じ得るスラスト領域に形成されていれば、本発明の効果は十分に達成される。

また、スラスト動圧凹所としては、図３に示したスパイラル溝１２の他に、図８に示す複数のヘリングボーン溝１７も好適に採用される。このヘリングボーン溝１７は、Ｖ字状であって、その頂点に収束する方向が、軸２の回転方向Ｒに沿って形成されており、周方向に等間隔をおいて配列されている。個々のヘリングボーン溝１７は、全体形状が、軸２の回転方向Ｒに向かうにしたがって内周側に湾曲した形状とされており、上記スパイラル溝１２と同様に、外周側の端部は外周面に開口しているが、内周側の端部は軸孔１３の内周面１４に開口している。

次に、本発明の実施例を説明し、本発明の効果を明らかにする。
銅粉：４９質量％、鉄粉：４９質量％および錫粉：２質量％を配合して混合した原料粉末を圧縮成形し、その成形体を焼結して真密度比６．３〜７．２％、外径φ６ｍｍ、内径φ３ｍｍ、軸方向長さ５ｍｍの円筒状の焼結軸受素材を必要数得た。そして、これら焼結軸受素材に対し、放電加工により、深さが１０μｍで、パンチ面凹部の面粗さを変えて作製した再圧用のパンチを焼結軸受素材の端面に押圧することによって再圧を行い、その再圧工程で、スラスト面である軸受端面に多数の微細な凹凸を形成するとともに、図３に示したようなスパイラル溝を形成した。

次に、これらの動圧軸受によって、図１に示すような状態で軸を回転自在に支持し、軸を回転させる際の起動摩擦トルクを測定した。図９はその結果を示しており、これによると、軸受端面の表面粗さが０．５〜１０μｍの範囲で起動摩擦トルクが低く安定しており、したがって軸受端面に微細な凹凸を形成することは起動摩擦トルクを低減させる効果があることが認められた。一方、別途これらの動圧軸受について動圧効果を確認したところ、定格回転時のスラスト浮上量が５μｍ前後であるのに対し、軸受端面の表面粗さが３μｍを超えると、十分なスラスト浮上量が得られずタッチングが発生するようになった。以上の起動摩擦トルクおよび浮上特性の結果より、動圧軸受端面の面粗さは、０．５〜３μｍがよいことが確認された。

本発明の一実施形態の動圧軸受の縦断面図である。 図１のII部分拡大図である。 一実施形態の動圧軸受の上面図である。 図１のIV−IV線矢視断面図である。 再圧用金型によって焼結軸受素材を圧縮し、その上端面に凹凸およびスパイラル溝を形成している状態を示す側面図である。 再圧用の上パンチと、この上パンチで圧縮された焼結軸受素材の断面図である。 内周面加工装置により焼結軸受素材の内周面に分離溝および円弧面を形成している状態を示す側面図である。 スラスト動圧凹所の別形態（ヘリングボーン溝）を示す動圧軸受の上面図である。 実施例で測定したスラスト面の表面粗さと起動摩擦トルクとの関係を示す線図である。

符号の説明

１…動圧軸受、１Ａ…焼結軸受素材、１２…スパイラル溝（スラスト動圧凹所）、
１１…上端面、１２…スパイラル溝（スラスト動圧凹所）、５２…パンチ、
５２ａ…パンチの凸部、５２ｂ…パンチ面。

Claims (3)

1. 凸部が形成されたパンチのパンチ面を、円筒状の焼結軸受素材の端面に押し当てることにより、該端面の、少なくともスラスト荷重を受けるスラスト領域に前記凸部を刻印してスラスト動圧を発生させるためのスラスト動圧凹所を形成する動圧軸受の製造方法において、
   前記パンチの前記パンチ面における前記凸部が、放電加工または化学エッチングによって形成され、その際、前記パンチの前記パンチ面における前記凸部の周囲の面に微細な凹凸が形成され、前記押し当てにより、前記スラスト領域のうちスラスト動圧凹所以外の領域に油だまりとして機能する微細な凹凸が形成されることを特徴とする動圧軸受の製造方法。
2. 前記焼結軸受素材は、鉄：４０〜６０ｗｔ％、銅：４０〜６０ｗｔ％、錫：１〜５ｗｔ％を含有する焼結合金であることを特徴とする請求項１に記載の動圧軸受の製造方法。
3. 前記スラスト動圧凹所は、前記端面の一周方向に向かうにしたがってその内周側に湾曲しながら延びる複数のスパイラル溝、または、Ｖ字状で頂点に収束する方向が前記端面の一周方向に沿って配列された複数のヘリングボーン溝であることを特徴とする請求項１または２に記載の動圧軸受の製造方法。

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