JP4673988B2

JP4673988B2 - 潤滑皮膜の形成方法および動圧軸受部品

Info

Publication number: JP4673988B2
Application number: JP2001054117A
Authority: JP
Inventors: 達也吉田; 真田中
Original assignee: Nidec Corp
Current assignee: Nidec America Corp
Priority date: 2001-02-28
Filing date: 2001-02-28
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2021-02-28
Also published as: JP2002256280A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は潤滑皮膜の形成方法および動圧軸受部品に関し、より詳細には基材の損傷などを防ぐために基材の摺動面に形成される潤滑皮膜の形成方法および潤滑皮膜が形成された動圧軸受部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば流体動圧軸受は、回転側部材と静止側部材との間にオイルなどの作動流体を介在させ、動圧発生溝のポンピングアクションによって回転時に生じる作動流体中の動圧を利用して回転側部材を支持するものである。このような流体動圧軸受では、回転の開始時および停止時などの回転数が低くなる時には回転側部材を支持するための充分な動圧を発生させることができず、軸受を構成する軸受面が摺動することがある。特に、正立状態（モータの軸芯線が重力作用方向と平行な方向となるように設置した状態）の場合には、回転側部材の自重を受け、加えて磁気バイアス時には磁気力の影響を受けるスラスト軸受部では、軸受面の摺動が発生すると軸受面の損傷・摩耗が激しく、場合によっては軸受の焼き付きを引き起こし軸受としての耐久性や信頼性を低下させる原因ともなっていた。
【０００３】
そこで、このような軸受の焼き付きを防止するために軸受面、特にスラスト軸受部を構成する軸受面に二硫化モリブデンなどの固体潤滑剤をスプレー塗布し潤滑皮膜を形成することが従来から行われていた。
【０００４】
図４に、潤滑皮膜のこれまでの一般的な形成方法を示す。まず、回転側部材（ロータハブ）１５を約１４０℃で３０分間予備加熱した後、これを裏返しにて軸受面以外の部分をマスキング治具Ｃ１，Ｃ２で覆う。そして固体潤滑剤である二硫化モリブデンを混合した、粘度が約１，５００ｃＰの潤滑剤溶液を噴射機で中央上部からスプレー塗布して軸受面１５５に潤滑皮膜を形成する。次に、この状態で約１９０℃で１時間加熱して潤滑皮膜を硬化させていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の潤滑皮膜の形成方法では、潤滑溶液中に含まれる二硫化モリブテンなどの固体潤滑剤は比重が大きいため、潤滑剤溶液が基材に塗布されてから加熱し硬化するまでの間に沈殿することがあった。このため硬化した潤滑皮膜が縦断面方向で成分不均一となっていた。また、潤滑皮膜中に含まれる細かな気泡は、加熱硬化の際に膨張して皮膜表面から外へ抜ける。このときの抜け跡が潤滑皮膜表面に凹凸として残る結果、潤滑皮膜の表面粗度が大きくなっていた。
【０００６】
また従来の潤滑皮膜の形成方法では、マスキング部材の装着・脱着に多くの労力と時間がかかっていた。加えて、使用したマスキング部材に付着した潤滑剤の除去をも行わなければならなかった。またスプレー塗装では形成する潤滑皮膜の膜厚を制御することが困難で、また厚くて均一な潤滑皮膜は得られなかった。
【０００７】
本発明はこのような従来の問題に鑑みてなされたものであり、固体潤滑剤が均一に含まれ、表面粗度が小さい潤滑皮膜を形成する方法を提供することをその目的とするものである。
【０００８】
また本発明の目的は、少ない労力と時間で所望の厚さの均一な潤滑皮膜を形成できる方法を提供することにある。
【０００９】
さらに本発明の目的は、高い生産性を有するとともに、軸受面の摺動が発生しても損傷・摩耗することなく、軸受の焼き付きも起こらず優れた耐久性および信頼性を有する動圧軸受部品を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため本発明の潤滑皮膜の形成方法では、固体潤滑剤、熱硬化性樹脂、溶剤を含む潤滑剤溶液を基材上に塗布して潤滑皮膜を形成した後、該基材を所定温度で所定時間保持して、基材側から潤滑皮膜を加熱硬化させ、その後前記潤滑皮膜を外側から加熱し硬化させる構成とした。
【００１１】
ここで基材上に形成された潤滑皮膜中の固体潤滑剤の沈殿をより効果的に防止すると同時に、痕跡を残すことなく皮膜から外気へより効果的に気泡を抜けさすには、潤滑皮膜形成後の基材の保持温度を５０〜６０℃の範囲、保持時間を０．５〜２時間の範囲とするのが好ましい。
【００１２】
少ない労力と時間で所望の厚さの均一な潤滑皮膜を形成するには、潤滑剤溶液の粘度を３，０００ｃＰ以上とするのが好ましい。
【００１３】
このとき潤滑皮膜をより均一に素早く形成するには、基材を回転させてそこに潤滑剤溶液を塗布するのが望ましい。
【００１４】
さらに前記の目的を達成するため本発明の動圧軸受部品では、請求項１〜４のいずれかに記載の形成方法により基材表面の少なくとも一部に潤滑皮膜を形成した構成とした。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について説明する。この発明に係る潤滑皮膜の形成方法の大きな特徴は、潤滑皮膜を基材上に形成した後、この基材を所定温度で所定時間保持する点にある。
【００１６】
従来の方法では、基材上に潤滑皮膜を形成した後、加熱炉などに入れて潤滑皮膜を硬化させていた。この方法によると潤滑皮膜の硬化は外側から内側に向かって進むため、内部が硬化される前に比重の大きい固体潤滑剤が沈殿し均質な皮膜ができず、また皮膜中に存在する気泡が加熱により膨張し表面から抜けるときに、皮膜表面は既に硬化が始まっているため気泡の抜け跡が残り皮膜の表面粗度が大きくなっていた。これに対し、この発明の形成方法では、潤滑皮膜を加熱炉などに入れる前に基材側から加熱を行って潤滑皮膜を下側から硬化させるので、固体潤滑剤の沈殿が防止できる。また、気泡が潤滑皮膜表面から抜けるときに皮膜表面はまだ硬化していないので、気泡の抜け跡は残らず潤滑皮膜の表面粗度は小さく維持できる。
【００１７】
潤滑皮膜形成後の基材の保持温度および保持時間は、熱硬化性樹脂の種類や塗布量などから適宜決定すればよく、例えば保持温度としては５０〜６０℃の範囲が好ましく、保持時間としては０．５〜２時間の範囲が好ましい。
【００１８】
基材を保持するには、例えばホットプレートなどの加熱部材の上に基材を載置すればよい。このようにすれば加熱部材から基材を介して潤滑皮膜へと熱が伝わる。
【００１９】
基材の保持が終了すれば潤滑皮膜を加熱し硬化を行う。潤滑皮膜の硬化条件は、熱硬化性樹脂や基材の種類などから適宜決定すればよく、例えば１５０〜３００℃、０．５〜３時間といった条件が例示できる。
【００２０】
潤滑剤溶液の基材への塗布方法については特に限定はなく、従来公知の方法を用いることができる。例えばスピンコート法、スプレーコート法、フローコート法、ロールコート法、浸漬法などが挙げられる。この中でも生産性や膜厚制御性、マスキング部材を用いずに潤滑皮膜を形成できる点などから、後述するように高い粘度の潤滑剤溶液をスピンコート法で塗布する方法が推奨される。具体的には、基材が数回転（好ましくは３回転以上）する間に潤滑剤溶液が基材上に均一に広がるように、基材の回転数および潤滑剤溶液の塗布量を調整することが推奨される。
【００２１】
図１に、潤滑剤溶液を基材に塗布したときの状態を示す断面図を示す。図１（ａ）は回転するロータハブ（基材）１５の軸受面１５５上に潤滑剤溶液Ｓを滴下した時の状態図である。滴下した潤滑剤溶液Ｓは遠心力により、同図（ｂ）に示すように軸受面上を半径方向外側に広がる。このとき潤滑剤溶液の粘度が従来よりも高いので、軸受面上に均一な潤滑皮膜が形成される。加えて、表面張力により潤滑皮膜の周縁が丸まるため、軸受面以外に潤滑剤溶液が広がることがない。
【００２２】
また軸受面上に隙間なく潤滑皮膜を形成する場合には、例えばロータハブを少し速く回転させて、潤滑剤溶液を少し多めに滴下する。すると、図２（ａ）に示すように、遠心力で潤滑剤溶液は半径方向外側に多く移動し外周壁に行く手を遮られて、潤滑皮膜は半径方向外側が厚くなる。この状態で潤滑皮膜を硬化させた後、同図破線で示すように外周壁の内側面と共に潤滑皮膜の上面を切削加工する。これにより同図（ｂ）に示すように、軸受面に隙間なく潤滑皮膜を形成することができる。
【００２３】
形成する潤滑皮膜の膜厚としては特に限定はなく、潤滑皮膜を形成した基材の使用環境などから適宜決定すればよいが、本発明の形成方法によれば従来では困難であった厚い膜厚も一回の塗布で形成可能となる。一回の塗布で形成できる膜厚は約１〜１００μｍ程度である。
【００２４】
潤滑皮膜を均一且つ迅速に形成するためには、潤滑剤溶液を塗布する前に基材を予備加熱しておくのがよい。この予備加熱の条件としては例えば１００〜１５０℃、０．５〜１時間である。
【００２５】
潤滑剤溶液の粘度としては３，０００ｃＰ以上とするのが好ましい。従来用いられていた潤滑剤溶液は粘度が１，５００ｃＰと低く、潤滑皮膜を形成したい部分以外にも潤滑剤溶液が流動して付くことがあったため、潤滑皮膜を形成する部分以外にマスキング部材を装着する必要があった。そこで本発明者等はマスキング部材を用いずに潤滑皮膜を形成することができないか検討を重ねた結果、潤滑剤溶液の粘度を高くすればよいという知見を得た。
【００２６】
そして、本発明者等がさらに実験を進めた結果、潤滑剤溶液の粘度としては３，０００ｃＰ以上がよいことがわかった。潤滑剤溶液の粘度が３，０００ｃＰ未満であると、溶液塗布時に基材の望まぬ部分にまで潤滑剤溶液が流動することがあるからである。潤滑剤溶液の粘度の好ましい上限値としては１０，０００ｃＰである。より好ましい粘度の下限値は２，０００ｃＰ、より好ましい粘度の上限値は５，０００ｃＰである。
【００２７】
本発明で使用する潤滑剤溶液は、固体潤滑剤、熱硬化性樹脂、溶剤を含むものである。この溶液の具体的な状態は、溶剤に熱硬化性樹脂が溶解し、固体潤滑剤は粉粒体として分散している状態である。潤滑剤溶液の粘度は、例えば使用する溶剤の量や種類などにより調節できる。簡便な方法としては、市販されている潤滑剤溶液の溶剤を揮発させて溶液粘度を高くする方法がある。
【００２８】
ここで使用する固体潤滑剤としては従来公知のものが使用でき、例えば硫化モリブデン、硫化タングステン、グラファイト、窒化ホウ素、三酸化アンチモン、ポリ四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）、セキボク、ウンモ、タルク、セッケン石、亜鉛華などの１種または２種以上を組み合わせて使用できる。この中でも硫化モリブデン、特に二硫化モリブデンが好適に使用できる。熱硬化性樹脂中に均一に分散して摩擦係数を充分に小さくするには、固体潤滑剤の平均粒径としては１５μｍ以下、より好ましくは０．１〜１０μｍの範囲である。また配合量としては熱硬化性樹脂に対して１０〜１５０ｗｔ％の範囲である。
【００２９】
また使用する熱硬化性樹脂としては、耐熱性を有するものであれば特に限定はなく、例えばポリアミドイミド樹脂やエポキシ樹脂、アルキッド樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂などが挙げられ、この中でもポリアミドイミド樹脂が特に好ましい。
【００３０】
本発明で使用する溶剤としては、熱硬化性樹脂を溶解するものであれば特に限定はない。例えば熱硬化性樹脂としてポリアミドイミド樹脂を用いる場合にはＮ−メチル−２−ピロリドンなどの窒素系溶剤；エポキシ樹脂を用いる場合にはメチルエチルケトンなどケトン系溶剤、トルエンやキシレンなど芳香族系溶剤、酢酸ブチルなどエステル系溶剤；アルキッド樹脂を用いる場合には芳香族系溶剤やエステル系溶剤；フェノール樹脂を用いる場合にはエタノールなどアルコール系溶剤やケトン系溶剤、エステル系溶剤；ポリイミド樹脂を用いる場合には窒素系溶剤などが好適に用いられる。
【００３１】
溶剤の配合量は、潤滑剤溶液としての粘度が３，０００ｃＰ以上となるように適宜調整すればよく、一般に固体潤滑剤と熱硬化性樹脂との総量に対して５０〜３００ｖｏｌ％の範囲である。
【００３２】
潤滑皮膜を形成する対象物である基材としては特に限定はなく、例えば、鉄、炭素鋼、その他合金鋼、銅及び銅合金、アルミニウム及びアルミニウム合金、その他各種金属、合金製あるいはＡｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＴｉＯ２，ＺｒＯ２，ＳｉＣ等のセラミックス、ガラス、更には、硬質プラスチック等が挙げられる。
【００３３】
本発明に係る形成方法で潤滑皮膜が形成された基材は、モータやエンジンにおける摺動部品として好適に使用できる。中でもモータの動圧軸受部品としてより好適に使用できる。前記の形成方法で潤滑皮膜が形成された基材がモータの動圧軸受部品（具体的にはロータハブ１５）として用いられている例を以下に示す。
【００３４】
図３は、流体動圧軸受を備えたスピンドルモータの一実施形態を示す断面図である。ブラケット１１は中心部に設けられた基部１１１と、この基部１１１の外周方向に設けられた周壁１１２と、この周壁１１２からさらに外方向に延設された鍔部１１３とからなり、これらが一体且つ同軸的に形成されている。そして、周壁１１２の下部には、ロータハブ１５を軸線方向下側に向かって磁気的に吸引するために、永久磁石または強磁性体から形成される磁気吸引部材Ｍが周設されている。
【００３５】
基部１１１の中心部には環状突部１１４が形成され、そこに固定スリーブ（スリーブ部材）２が例えば圧入により嵌合固定されている。この固定スリーブ２の中心には軸線方向に貫通孔１２１が形成され、そしてその下端には軸線方向下方向に開口した溝部１２２が形成されている。
【００３６】
固定スリーブ２の貫通孔１２１にシャフト（軸部材）１が一定の間隙を介して挿入され、シャフト１の抜けを防止するために、溝部１２２に収まる大きさのリング状の抜け止め１３２がシャフト１の下端に嵌着されている。そして、抜け止め１３２に蓋をする形でカウンタプレート１４が装着されている。
【００３７】
略円筒状のロータハブ１５は、その上面中央部に形成された孔部１５１をシャフト１の上端に嵌合させてシャフト１に固定されている。ロータハブ１５の内周面には、周方向に多極着磁されたロータマグネット１６が全周にわたり配設されている。またロータマグネット１６の半径方向内方には、ロータマグネット１６に対向してステータ１７がブラケット１１の基部１１１に形成された環状突部１１４に配設されている。ステータ１７と環状突部１１４との固定は、圧入による嵌合固定の他、接着剤による固定でもよい。
【００３８】
ロータハブ１５の外周下側には鍔部１５４が形成され、ここにハードディスクが装着される。具体的にはロータハブ１５の外周部１５２により位置決めされて、鍔部１５４の上に１枚又は複数枚のハードディスクが装着された後、クランプ部材などによりネジ止めされて、ハードディスクはロータハブ１５に対して保持固定される。
【００３９】
シャフト１の軸部１３１と固定スリーブ２の内周面との間、およびロータハブ１５の内天井面１５５と固定スリーブ２の上面との間には微小間隙が形成され、潤滑流体（不図示）が保持されている。そして固定スリーブ２の内周面の上部・下部の潤滑流体保持部分には、シャフト１の回転にともない潤滑流体中に動圧を発生するヘリングボーン状の動圧発生溝１２３ａ，１２３ｂが形成されている。動圧発生溝１２３ａ，１２３ｂは、モータ回転時にシャフト１を半径方向に保持する支持力を発生する。また固定スリーブ２の上面にも、シャフト１と共に回転するロータハブ１５の回転にともなって潤滑流体中に動圧を発生する動圧発生溝１２４が形成されている。この動圧発生溝１２４は、モータ回転時にロータハブ１５を軸線方向上方向に支持する力を発生させる。他方、ロータハブ１５は、ブラケット１１の周壁１１２の下部に周設された磁気吸引部材Ｍにより軸線方向下方向に磁気吸引されている。動圧発生溝１２４で発生する動圧と磁気吸引部材Ｍで発生する磁気吸引力とが釣り合うことで、モータ回転時にロータハブ１５を軸線方向に保持する支持力が発生する。
【００４０】
このような構成のスピンドルモータは、ハードドライブディスク装置などに略水平状態で装着されることが多く、この場合、ロータハブ１５には軸線方向下方向に磁気吸引部材Ｍによる引力の他、自重による引力が作用する。このため回転数が低いモータの回転開始時および停止時に固定スリーブ２の上面と摺動し焼き付きが発生しやすいが、固定スリーブ２の上面に形成された動圧発生溝１２４に対向する、ロータハブ１５の内天井面１５５の位置に潤滑皮膜Ｆが本発明の形成方法で形成されているので、焼き付きは有効に防止される。
【００４１】
【発明の効果】
本発明に係る形成方法では、潤滑皮膜を基材上に形成した後、基材を所定温度で所定時間保持して、基材側から潤滑皮膜を加熱硬化させ、その後潤滑皮膜を外側から加熱し硬化させるので、固体潤滑剤が均一に含まれ、表面粗度が小さい潤滑皮膜を形成できる。
【００４２】
また本発明に係る動圧軸受部品では、前記記載の形成方法により基材表面の少なくとも一部に潤滑皮膜を形成したので、高い生産性を有し、また軸受面の摺動が発生しても損傷・摩耗することなく、また軸受の焼き付きも起こらない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る形成方法の一例を示す断面図である。
【図２】本発明に係る形成方法の他の例を示す断面図である。
【図３】本発明の動圧軸受部品を備えたスピンドルモータの一例を示す断面図である。
【図４】潤滑皮膜の従来の形成方法を示す断面図である
【符号の説明】
Ｓ潤滑剤溶液
１５ロータハブ（基材）

Claims

固体潤滑剤、熱硬化性樹脂、溶剤を含む潤滑剤溶液を基材上に塗布して潤滑皮膜を形成した後、該基材を前記塗布時の基材の温度より高い第１の温度に加熱して所定時間保持して、基材側から潤滑皮膜を硬化させ、その後前記潤滑皮膜を前記第１の温度より高い第２の温度で前記潤滑皮膜表面から前記基材側に向けて加熱し硬化させることを特徴とする潤滑皮膜の形成方法。
潤滑皮膜形成後の基材の保持温度が５０〜６０℃の範囲、保持時間が０．５〜２時間の範囲である請求項１記載の潤滑皮膜の形成方法。
前記潤滑剤溶液の粘度が３，０００ｃＰ以上である請求項１又は２記載の潤滑皮膜の形成方法。
回転している基材上に前記潤滑剤溶液を塗布する請求項１〜３のいずれかに記載の潤滑皮膜の形成方法。