JP6026123B2 - 焼結金属軸受 - Google Patents

Description

本発明は、焼結金属軸受に関し、特に、銅鉄系の焼結金属軸受に関する。

焼結金属軸受は、内部気孔に潤滑油を含浸させて使用されるものであって、内周に挿入された軸の相対回転に伴い内部に含浸された潤滑油が軸との摺動部に滲み出して油膜を形成し、この油膜を介して軸を回転支持するものである。このような焼結金属軸受は、その優れた回転精度および静粛性から、情報機器をはじめ種々の電気機器に搭載されるモータ用の軸受装置として、より具体的には、ＨＤＤや、ＣＤ、ＤＶＤ、ブルーレイディスク用のディスク駆動装置におけるスピンドルモータ軸受用途として、あるいは、レーザビームプリンタ（ＬＢＰ）のポリゴンスキャナモータ、ファンモータ等の軸受用途として好適に利用されている。

焼結金属軸受には、銅を主成分とした銅系、鉄を主成分とした鉄系、銅及び鉄を主成分とした銅鉄系などがあり（例えば、下記特許文献１を参照）、その中でも、銅鉄系の焼結金属軸受は、銅の優れた圧縮変形性による油膜形成率の向上効果と、鉄が有する高い硬度により得られる軸受面の耐摩耗性向上効果との双方を享受し得る点で、上記軸受用途に好適に利用されている。

すなわち、銅は比較的軟らかい金属であることから、これを主成分として用いた場合、焼結金属軸受の内部気孔が潰れやすく、その結果、通油度（一定の圧力を負荷した状態で潤滑油を焼結金属軸受の内径側から外径側へ送った際の潤滑油の通り易さ）が低くなる。通油度が低いと、潤滑油が焼結金属軸受の内部気孔に逃げにくくなるため、軸受隙間に形成される油膜の圧力が高まり易くなり、油膜による高い支持力を得ることができる。また、鉄は比較的硬度の高い金属であることから、これを主成分として用いた場合、焼結金属軸受の軸受面硬度が高まり、これにより軸受面の耐摩耗性向上を図ることができる。

特開２００２−３４９５７５号公報

このように、銅鉄系の焼結金属軸受は、銅系と鉄系双方の特性を併せ持つことができる反面、以下の不具合を生じることがある。すなわち、銅系組織の比率を増やすと、通油度が低下するというメリットが得られる反面、耐摩耗性が低下するという不具合が生じる。一方、鉄系組織の比率を増やすと、耐摩耗性が向上するというメリットが得られる反面、通油度が高くなるという不具合が生じる。そのため、要求される通油度や耐摩耗性のレベルが高い場合、単に銅系と鉄系との比率を変更するだけの調整では、通油度と耐摩耗性の双方に優れた焼結金属軸受を得ることは難しいことがある。

ここで、例えば、焼結密度（完成品における内部気孔を考慮しない場合の見かけの単位体積当りの質量）を高めるようにすれば、内部気孔が減少することで通油度を小さくできるように思われる。特に、最近の情報機器（ＨＤＤなど）においては、記憶容量の増大化に伴い、焼結金属軸受で支持すべき回転体（スピンドル及びスピンドルと一体的に回転するハブ、ディスクなどを含む）の重量が増大する傾向にある。そのため、焼結密度の増大化は、焼結金属軸受の高強度化（高剛性化）及び耐摩耗性の向上化を図る上でも好適であるように思われる。しかし、焼結密度を高めるべく圧縮量を大きくして内部気孔を潰したのでは、焼結金属軸受の内部に含浸される油量が低減するため、潤滑油の劣化が早期に進行する結果、軸受性能の早期低下を招くおそれがある。このような事情を考慮すると、現行以上の焼結密度の増大化は容易ではない。

また、鉄系組織を形成する鉄系粉末として、ステンレス粉末を使用すれば、焼結密度を高めることなく耐摩耗性を向上させることができるが、ステンレス粉末は、一般的に純鉄粉末に比べて高価なため、コストアップを招くことなく耐摩耗性の向上を図る、との目的に沿わない。

以上の事情に鑑み、銅鉄系の焼結金属軸受において、耐摩耗性の向上と、通油度の低減化とを低コストに図ることで、既存レベル以上の軸受性能を長期にわたって発揮可能とすることを、本発明により解決すべき技術的課題とする。

前記課題の解決は、本発明に係る焼結金属軸受により達成される。すなわち、この軸受は、銅系粉末と鉄系粉末とを主成分とする原料粉末から形成され、内周にラジアル軸受面を有すると共に、銅系粉末と鉄系粉末とでラジアル軸受面が構成される焼結金属軸受において、銅系粉末として、直径４５μｍ未満の粒子の割合が８０ｗｔ％以上である粒度分布を示す微細銅粉が重量比で銅系粉末全体の３分の１以上を占めるものを使用し、かつ、原２０料粉末を圧縮成形してなる圧縮体を、９００℃以上１０００℃以下で焼結した点をもって特徴付けられる（請求項１）。なお、ここでいう「銅系粉末」とは、銅を主成分とする金属粉末のことを言い、純銅粉末のほか、銅を主成分とした合金粉末を含む。同様に、「鉄系粉末」とは、鉄を主成分とする金属粉末のことを言い、純鉄粉末のほか、鉄を主成分とした合金粉末を含む。
また、前記課題の解決は、本発明に係る焼結金属軸受の製造方法によっても達成される。すなわち、この製造方法は、銅系粉末と鉄系粉末とを主成分とする原料粉末から形成され、内周にラジアル軸受面を有すると共に、銅系粉末と鉄系粉末とでラジアル軸受面が構成される焼結金属軸受の製造方法において、銅系粉末として、直径４５μｍ未満の粒子の割合が８０ｗｔ％以上である粒度分布を示す微細銅粉が重量比で前記銅系粉末全体の３分の１以上を占めるものを使用し、かつ、原料粉末を圧縮成形してなる圧縮体を、９００℃以上かつ１０００℃以下で焼結する点をもって特徴付けられる（請求項１１）。

本発明は、上述のように、従来使用していた銅粉末とは粒度分布の異なる銅粉末（微細銅粉）を使用すると共に、この粉末を使用する場合に最適な焼結温度で焼結したことを特徴とするものである。すなわち、本発明者らは、銅系粉末として、従来使用していた銅粉末よりも、微細粒子（直径４５μｍ未満の粒子）の割合が高い（８０ｗｔ％以上）粒度分布を示す銅粉末を使用することで（下記表１を参照）、従来の銅粉末を使用した場合と比べて、通油度が大きく低下することを見出した。特に、銅系粉末として、上記微細銅粉が重量比で銅系粉末全体の３分の１以上を占めるものを用いることで、より好ましくは重量比で銅系粉末全体の２分の１以上を占めるものを用いることで（請求項５）、顕著な通油度低減効果が得られることを見出した（後述の図５を参照）。

このように、通油度を下げるためには、従来、焼結密度を高めるしかなかったところ、銅系粉末として、上記微細銅粉が銅系粉末全体の３分の１以上を占めるものを使用することで、焼結密度を高めることなく通油度を低く抑えることができる。よって、従来と同じ焼結密度であっても、微細銅粉を使用することで通油度を低くして、油膜形成率を向上させることが可能となる。従って、この場合、相対的に鉄系粉末の割合を増やして、耐摩耗性の向上を図ることが可能となる。

一方で、微細銅粉を用いて従来と同じ条件（焼結密度、焼結温度）で焼結した場合、通油度が必要以上に低下することが判明した。すなわち、後述する実験結果から明らかなように、通油度を許容範囲内に収めようとすると、焼結密度を許容される数値範囲よりも小さく設定する必要があり、逆に、焼結密度を許容範囲内に収めようとすると（焼結密度を比較的高めの値に設定しようとすると）、通油度が許容範囲の下限値（０．１ｇ/１０ｍｉｎ）を下回ってしまうために、両者を両立させることができない問題があった（後述する図５を参照）。これは、上述のように、最近のＨＤＤ等の高容量化による回転体の負荷増大に伴い、これを支持する焼結金属軸受にも現行以上の高い機械的特性（強度、耐摩耗性）が要求されるところ、焼結密度が十分でないと、たとえ鉄系粉末の割合を高めたとしても、必要な大きさの強度や耐摩耗性を確保できない問題が生じる。そのため、焼結密度を優先すると、通油度が過小となり、焼結金属軸受が本来有するべき潤滑油の循環効果やフィルタ効果（内部気孔で潤滑油中に混入した異物を補足することで、異物混入による潤滑油の劣化を防止する効果）を得ることができないおそれが生じることが判明した。

本発明は以上の知見に基づき成されたもので、焼結金属軸受の原料粉末を構成する銅系粉末として、微細銅粉が一定の割合を占めるものを用いると共に、焼結温度を従来より高い９００℃以上かつ１０００℃以下としたことを特徴とする。このようにして得られた焼結金属軸受であれば、油膜形成に適した範囲の通油度を得つつも、焼結密度を確保すべき最低限の大きさに設定することができる。すなわち、微細銅粉が銅系粉末全体の３分の１以上を占める銅系粉末を使用しているのであれば、たとえ９００℃以上で焼結したとしても、内部気孔の粗大化が抑制されるので、所要の通油度を確保できる。また、９００℃以上とすることで、焼結作用が進行し、粉末同士の結合がより強固になることで、強度（剛性）や耐摩耗性が向上する。９００℃以上であれば、合金化による耐摩耗性の向上効果も得やすい。また、焼結温度を１０００℃以下に抑えることで、銅が過剰に溶け出し、あるいは鉄と過剰に合金化する事態を回避して、銅系組織を残すことができる。これにより、銅が有する圧縮変形性、言い換えると焼結後の二次加工性を維持して、サイジング後の寸法精度（形状精度）を高めることができる。また、軸受面に銅系組織が残ることで軸との摺動特性（なじみ性）も確保できる。従って、例えば鉄系粉末にステンレス粉末を使用して従来の温度で焼結した場合と同等の高い耐摩耗性を獲得することができる（図６を参照）と共に、潤滑油の循環効果やフィルタ効果を十分に発揮することができる。また、焼結密度を適正な大きさに設定できることで、含油率を適正な油潤滑（循環）が可能な程度の大きさとすることができるので、上述した循環効果やフィルタ効果と併せて、潤滑油の早期劣化を防止することができる。以上より、優れた軸受性能を長期にわたって発揮することが可能となる。

また、本発明に係る焼結金属軸受は、焼結密度を６．７０ｇ／ｃｍ³以上７．２０ｇ／ｃｍ³以下としたものであってもよい（請求項２）。上述のように、本発明によれば、油膜形成に適した範囲の通油度を得つつも、焼結密度を確保すべき最低限の大きさに設定して、既存レベルと同等あるいはそれ以上の機械的特性（剛性、耐摩耗性など）を得ることができる。よって、焼結密度を上述の範囲内に設定した場合でも、通油度を適正な範囲内、具体的には、０．１０ｇ／１０ｍｉｎ以上２．００ｇ／１０ｍｉｎ以下（請求項３）の範囲とすることが可能となる。これにより、油圧の逃げを抑制して、特に、焼結金属軸受のラジアル軸受面や軸方向一方又は双方の端面に動圧発生部を設ける場合（請求項１３，１４）には、動圧の逃げを効果的に抑制して十分な動圧効果を発揮することができるので、高い油膜圧を形成及び維持することができる。よって、高い回転精度を得つつも、内部気孔による潤滑油のフィルタ効果や循環効果を十分に発揮して、潤滑油の劣化を最小限に抑えることが可能となる。

また、上述の範囲で焼結密度を設定できれば、得られる焼結金属軸受の含油率を１０ｖｏｌ％以上１４ｖｏｌ％以下とすることができる（請求項４）。これにより、適度な油循環を図ることができる。なお、ここでいう「含油率」とは、焼結金属に含浸した油量を容積百分率で表したもので、潤滑油を含浸していない焼結金属軸受の重量をＷ１、内部気孔に潤滑油を可能な限り含浸させた焼結金属軸受の重量をＷ２、焼結金属の体積をＷ３、含浸させた潤滑油の密度をρとしたとき、（Ｗ２−Ｗ１）／(Ｗ３×ρ)×１００［ｖｏｌ％］で表されるものを言う（ＪＩＳ Ｚ２５０１）。

また、本発明に係る焼結金属軸受は、鉄系粉末が、純鉄粉末からなるものであってもよい（請求項６）。あるいは、鉄系粉末は、純鉄粉末とステンレス粉末からなるものであってもよい（請求項７）。

また、鉄系粉末が鉄粉末からなるものである場合、銅系粉末の原料粉末に占める割合を１０ｗｔ％以上４０ｗｔ％以下としてもよく、鉄系粉末が鉄粉末とステンレス粉末からなるものである場合、銅系粉末の原料粉末に占める割合を１０ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下としてもよい。

このように、原料粉末を構成する鉄系粉末及び銅系粉末の組成を定めて、上述した焼結条件（焼結温度、焼結密度）で焼結金属軸受を形成することで、上述した範囲の通油度及び含油率を示す焼結金属軸受を得ることができる。

また、本発明に係る焼結金属軸受は、原料粉末に、黒鉛がさらに配合されているものであってもよく（請求項８）、錫粉末がさらに配合されているものであってもよい（請求項９）。

また、本発明に係る焼結金属軸受は、ラジアル軸受面の表面開孔率を２％以上１５％以下としたものであってもよく、２％以上１２％以下としたものであってもよい。このように、ラジアル軸受面の表面開孔率を１５％以下に設定することで、油圧（動圧発生部が設けられている場合には動圧）の軸受内部への逃げを防いで、高い油膜圧を維持することが可能となる。また、表面開孔率を２％以上に設定することで、焼結金属軸受が有するフィルター効果や耐焼付き性を確保することができる。

また、以上の説明に係る焼結金属軸受は、耐摩耗性の向上と、通油度の低減化とを低コストに図ることで、既存レベル以上の軸受性能を長期にわたって発揮し得ることから、例えばこの焼結金属軸受と、焼結金属軸受の内周に配設される軸と、焼結金属軸受に含浸される潤滑油とを具備した流体動圧軸受装置として好適に使用することができる（請求項１０）。

以上のように、本発明によれば、銅鉄系の焼結金属軸受において、耐摩耗性の向上と、通油度の低減化とを低コストに図ることで、既存レベル以上の軸受性能を長期にわたって発揮することができる。

本発明の一実施形態に係る焼結金属軸受が適用されたモータの断面図である。 図１のモータを構成する流体動圧軸受装置の断面図である。 本発明の一実施形態に係る焼結金属軸受の断面図である。 図３に示す焼結金属軸受の底面図である。 焼結金属軸受の焼結密度と通油度との関係を示すグラフである。 焼結金属軸受の焼結温度と摩耗深さとの関係を示すグラフである。 通油度試験装置を概念的に示す側面図である。 焼結温度と内部気孔の大きさとの関係を示す焼結金属軸受の断面拡大写真である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１に示すスピンドルモータは、例えばＨＤＤ等のディスク駆動装置に用いられるもので、軸部材２を回転自在に非接触支持する流体動圧軸受装置１と、軸部材２に装着されたディスクハブ３と、例えば半径方向のギャップを介して対向させたステータコイル４およびロータマグネット５と、モータブラケット６とを備える。ステータコイル４はモータブラケット６の外周に取付けられ、ロータマグネット５は、ディスクハブ３の内周に取付けられる。ディスクハブ３は、その外周にディスクＤを一枚または複数枚（図１では２枚）保持する。このように構成されたスピンドルモータにおいて、ステータコイル４に通電するとロータマグネット５が回転し、これに伴ってディスクハブ３およびディスクハブ３に保持されたディスクＤが軸部材２と一体に回転する。

流体動圧軸受装置１は、図２に示すように、軸部材２と、有底筒状のハウジング７と、本発明の一実施形態に係る焼結金属軸受８と、シール部材９とで構成される。なお、以下の説明では、説明の便宜上、ハウジング７の軸方向閉塞側を下側、開口側を上側とする。

軸部材２は、例えばステンレス鋼等の金属材料で形成され、軸部２ａと、軸部２ａの下端に設けられたフランジ部２ｂとを一体または別体に有する。軸部２ａは、円筒状の外周面２ａ１と、上方へ向けて漸次縮径したテーパ面２ａ２とを有する。軸部２ａの外周面２ａ１は焼結金属軸受８の内周に位置し、テーパ面２ａ２はシール部材９の内周に位置するように軸部材２が配設される。

ハウジング７は、筒状の側部７ａと、側部７ａの下端を閉塞する底部７ｂとを一体に有する。側部７ａの内周には焼結金属軸受８が固定され、ハウジング７の底部７ｂの上側端面７ｂ１には、スラスト軸受隙間の油膜に動圧作用を発生させるためのスラスト動圧発生部として、例えばスパイラル形状の動圧溝が形成される（図示は省略）。

焼結金属軸受８は、銅系粉末と鉄系粉末とを含む原料粉末を圧縮成形した後、この圧縮体を焼結して得られるもので、例えば銅及び鉄を主成分とした、いわゆる銅鉄系の焼結金属からなる。焼結金属軸受８に使用される銅系粉末には、直径４５μｍ未満の粒子の割合が８０ｗｔ％以上である粒度分布を示す微細銅粉が重量比で銅系粉末全体の３分の１以上を占めるものが使用され、例えば、上記粒度分布を示す純銅粉末（微細銅粉）と、例えば上記表１に示すように、直径４５μｍ未満の粒子の割合が７０ｗｔ％未満である粒度分布を示す純銅粉末（従来組成銅粉）とを、重量比で１対２（微細銅粉の銅系粉末全体に占める割合は３分の１）となるように混合してなる銅系粉末が使用される。また、鉄系粉末には、純鉄粉末のみからなるものや、純鉄粉末とステンレスなどの鉄合金粉末とからなるものが使用され、例えば純鉄粉末のみからなる鉄系粉末に使用される。この場合、銅系粉末と鉄系粉末との配合比は、原料粉末全体に対して銅系粉末が１０ｗｔ％以上４０ｗｔ％以下で、かつ鉄系粉末が６０ｗｔ％以上９０ｗｔ％以下となるよう設定される。

また、上記原料粉末には、黒鉛や、錫粉末などが必要に応じて配合される。ここで、黒鉛は、成形段階での金型との摺動性や、完成品における相手材（軸部材）との摺動性向上の目的で配合される。錫粉末は、焼結時に比較的低温で液層化するため、粉末粒子間に入り、他の粉末の結合を補助する目的で配合される。あるいは、高価なステンレス粉末の代用として、耐摩耗性の向上を図る目的で、鉄リン合金粉末を配合してもよい。一例として、原料粉末が、銅系粉末、鉄系粉末（純鉄粉末のみ）、黒鉛、錫粉末で構成される場合、各粉末の配合比は、原料粉末全体に対して銅系粉末が１０ｗｔ％以上４０ｗｔ％以下、鉄系粉末が５０ｗｔ％以上９０ｗｔ％以下、黒鉛が０．５ｗｔ％以上２．０ｗｔ％以下、及び錫粉末が１．０ｗｔ％以上５．０ｗｔ％以下となるよう設定される。

上述のようにして定めた原料粉末を所定の形状（図３に示す完成品に準じた形状）に圧縮成形し、この圧縮体を所定の焼結温度で焼結することにより、焼結体が得られる。そして、この焼結体に対して、必要に応じて寸法サイジング、回転サイジング（内周面の封孔処理）、及び動圧溝サイジングを施すことで、完成品としての焼結金属軸受が得られる。

また、この場合、焼結密度は６．７０ｇ／ｃｍ³以上７．２０ｇ／ｃｍ³以下の範囲内に設定される。焼結温度は、銅の融点以下であって、９００℃〜１０００℃の範囲内に設定され、好ましくは９３０℃以上９７０℃以下の範囲内に設定される。また、完成品における通油度は０．１０ｇ／１０ｍｉｎ以上２．００ｇ／１０ｍｉｎ以下の範囲内とされる。含油率については、１０ｖｏｌ％以上１４ｖｏｌ％以下の範囲内とされる。

このように、銅系粉末として、上記微細銅粉が銅系粉末全体の３分の１以上を占めるものを使用することで、焼結密度を高めることなく通油度を低く抑えることができる。よって、従来と同じ焼結密度であっても、微細銅粉を使用することで通油度を低くして、油膜形成率を向上させることが可能となる。この場合、相対的に鉄系粉末の割合を増やして、耐摩耗性の向上を図ることが可能となる。また、微細銅粉を用いると共に、焼結温度を従来より高い９００℃以上としたので、内部気孔の粗大化を抑制して、油膜形成に適した範囲の通油度を得つつも、焼結密度を確保すべき最低限の大きさに設定して、高い強度（剛性）や耐摩耗性を得ることができる。適度な合金化による耐摩耗性の一層の向上も期待できる。また、焼結温度を１０００℃以下に抑えることで、銅が過剰に溶け出し、あるいは鉄と合金化する事態を回避して、銅系組織を残すことができる。これにより、銅が有する圧縮変形性を維持して、サイジング後の寸法精度を高めることができる。また、軸受面に銅系組織が残ることで軸との摺動特性（なじみ性）も確保できる。従って、例えば鉄系粉末にステンレス粉末を使用して従来の温度で焼結した場合と同等の高い耐摩耗性を獲得することができると共に、潤滑油の循環効果やフィルタ効果を十分に発揮することができる。また、焼結密度を適正な大きさに設定できることで、含油率を適正な油潤滑（循環）が可能な程度の大きさとすることができるので、上述した循環効果やフィルタ効果と併せて、潤滑油の早期劣化を防止することができる。以上より、優れた軸受性能を長期にわたって発揮することが可能となる。

上記の如き粒度分布を示す純銅粉末（微細銅粉）は、例えば様々な粒径の銅粉を篩い分けることで得られ、あるいは、廃棄された回路基板から溶出させた銅を用いて形成することができる。特に後者の如きリサイクル銅粉は、微細な粒子を多く含むため、上記微細銅粉を簡単に得ることができる。

また、銅は鉄と比べてはるかに高価であるため、上記のように銅系粉末の比率を低くして鉄系粉末の比率を高くすることで、低コスト化が図られる。また、上記のようなリサイクル銅粉を用いれば、さらなる低コスト化が図られると共に、環境への負担を軽減することができる。

焼結金属軸受８は略円筒状を成し、内周面８ａはラジアル軸受面として機能する。焼結金属軸受８の内周面８ａには、ラジアル軸受隙間の潤滑油に動圧作用を発生させるためのラジアル動圧発生部が形成される。本実施形態では、図３に示すように、焼結金属軸受８の内周面８ａの軸方向に離隔した２箇所に、ラジアル動圧発生部としてヘリングボーン形状の動圧溝８ａ１，８ａ２が形成される。この場合、丘部の頂面（最も内径側の面）がラジアル軸受面として機能する。この面の表面開孔率は、例えば回転サイジングにより２％以上１５％以下に設定される。上側の動圧溝領域では、動圧溝８ａ１が軸方向非対称形状に形成され、具体的には、丘部の軸方向略中央部に形成された帯状部分に対して、上側の溝の軸方向寸法Ｘ₁が下側の溝の軸方向寸法Ｘ₂よりも大きくなっている（Ｘ₁＞Ｘ₂）。下側の動圧溝領域では、動圧溝８ａ２が軸方向対称形状に形成される。以上に述べた上下動圧溝領域でのポンピング能力のアンバランスにより、軸部材２の回転中は、焼結金属軸受８の内周面８ａと軸部２ａの外周面との間に満たされた油が下方に押し込まれるようになっている。

焼結金属軸受８の下側端面８ｃはスラスト軸受面として機能する。焼結金属軸受８の下側端面８ｃには、スラスト軸受隙間の油膜に動圧作用を発生させるためのスラスト動圧発生部が形成される。本実施形態では、図４に示すように、焼結金属軸受８の下側端面８ｃにスラスト動圧発生部としてスパイラル形状の動圧溝８ｃ１が形成される。焼結金属軸受８の外周面８ｄには、円周方向等間隔の複数箇所（図示例では３箇所）に軸方向溝８ｄ１が形成される。焼結金属軸受８の外周面８ｄとハウジング７の内周面７ｃとを固定した状態で、軸方向溝８ｄ１は油の連通路として機能し、この連通路により軸受内部の圧力バランスを適正な範囲に保つことができる。

シール部材９は、例えば樹脂材料や金属材料で環状に形成され、図２に示すように、ハウジング７の側部７ａの上端部内周に配設される。シール部材９の内周面９ａは、軸部２ａの外周に設けられたテーパ面２ａ２と径方向に対向し、これらの間に下方へ向けて径方向寸法を漸次縮小したシール空間Ｓが形成される。このシール空間Ｓの毛細管力により、潤滑油が軸受内部側に引き込まれ、油の漏れ出しが防止される。本実施形態では、軸部２ａ側にテーパ面２ａ２を形成しているため、シール空間Ｓは遠心力シールとしても機能する。シール部材９で密封されたハウジング７の内部空間に充満した潤滑油の油面は、シール空間Ｓの範囲内に維持される。すなわち、シール空間Ｓは、潤滑油の体積変化を吸収できる容積を有する。

上述の構成部品を、所定の手順および図２に準じる形態に組立てた後、軸受内部空間に潤滑油を充填することで焼結金属軸受８の内部気孔に潤滑油が含浸されると共に、その他の空間（ラジアル軸受隙間など）に潤滑油が満たされる。これにより、完成品としての流体動圧軸受装置１を得る。流体動圧軸受装置１の内部に充満される潤滑油としては、種々の油が使用可能であるが、ＨＤＤ等のディスク駆動装置用の流体動圧軸受装置１に提供される潤滑油には、その使用時あるいは輸送時における温度変化を考慮して、低蒸発率及び低粘度性に優れたエステル系潤滑油、例えばジオクチルセバケート（ＤＯＳ）、ジオクチルアゼレート（ＤＯＺ）等が好適に使用可能である。

上記構成の流体動圧軸受装置１において、軸部材２が回転すると、焼結金属軸受８の内周面８ａ（ラジアル軸受面）と軸部２ａの外周面２ａ１との間にラジアル軸受隙間が形成される。このラジアル軸受隙間に生じた油膜の圧力が、焼結金属軸受８の内周面８ａに形成された動圧溝８ａ１，８ａ２により高められ、この動圧作用により軸部２ａを回転自在に非接触支持する第１ラジアル軸受部Ｒ１および第２ラジアル軸受部Ｒ２が構成される。

これと同時に、フランジ部２ｂの上側端面２ｂ１と焼結金属軸受８の下側端面８ｃ（スラスト軸受面）との間のスラスト軸受隙間、およびフランジ部２ｂの下側端面２ｂ２とハウジング７の底部７ｂの上側端面７ｂ１との間のスラスト軸受隙間に油膜が形成され、動圧溝の動圧作用により油膜の圧力が高められる。この動圧作用により、フランジ部２ｂを両スラスト方向に回転自在に非接触支持する第１スラスト軸受部Ｔ１および第２スラスト軸受部Ｔ２とが構成される。

本発明は上記の実施形態に限られない。例えば、以上の実施形態では、ラジアル動圧発生部として、ヘリングボーン形状の動圧溝が例示されているが、これに限らず、例えば、いわゆるステップ軸受や波型軸受、あるいは多円弧軸受を採用することもできる。また、焼結金属軸受８の内周面８ａ及び軸部材２の外周面２ａ１の双方を円筒面とし、ラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２として、動圧発生部を有しない、いわゆる真円軸受を採用することもできる。

また、以上の実施形態では、スラスト動圧発生部として、スパイラル形状の動圧溝が例示されているが、これに限らず、例えばステップ軸受や波型軸受を採用することもできる。あるいは、スラスト軸受部Ｔ１、Ｔ２として、軸部材の端部を接触支持するピボット軸受を採用することもできる。この場合、焼結金属軸受８の下側端面８ｃはスラスト軸受面として機能しない。

また、以上の実施形態では、ラジアル動圧発生部及びスラスト動圧発生部がそれぞれ焼結金属軸受８の内周面８ａ、下側端面８ｃ、及びハウジング７の内底面（上側端面７ｂ１）に形成されているが、これらの面と軸受隙間を介して対向する面、すなわち軸部２ａの外周面２ａ１、フランジ部２ｂの上側端面２ｂ１及び下側端面２ｂ２に形成してもよい。

また、本発明の動圧軸受装置は、上記のようにＨＤＤ等のディスク駆動装置に用いられるスピンドルモータに限らず、光ディスクの光磁気ディスク駆動用のスピンドルモータ等、高速回転下で使用される情報機器用の小型モータ、レーザビームプリンタのポリゴンスキャナモータ等における回転軸支持用、あるいは電気機器の冷却用のファンモータとしても好適に使用することができる。

本発明の効果を実証するため、微細銅粉が一定以上の割合を占める銅系粉末と鉄系粉末とを主とする原料粉末で形成された焼結金属軸受と、従来組成の原料粉末で形成された焼結金属軸受とについて、摩耗試験及び通油度測定試験を行い、各特性につき比較評価を行った。

ここで、試験材料には、銅系粉末に使用する純銅粉末として福田金属箔粉工業（株）製のＣＥ−１５を、また、鉄系粉末に使用する純鉄粉末としてヘガネス（株）製のＮＣ１００．２４を、ステンレス粉末として大同特殊鋼（株）製のＤＡＰ４１０Ｌをそれぞれ用いた。また、この実験では、黒鉛粉末と、低融点金属としての錫粉末、及びリン粉末を原料粉末に使用し、黒鉛粉末に日本黒鉛工業（株）製のＥＣＢ−２５０を、錫粉末に福田金属箔粉工業（株）製のＳｎ-Ａｔ-Ｗ３５０を、鉄リン合金粉末に（株）ヘガネス製のＰＮＣ６０をそれぞれ用いた。純銅粉末を除く各粉末の粒度分布は表２〜表６に示す通りである。また、摩耗試験の試験片に用いる各原料粉末（配合例Ａ〜Ｄ）の組成は表７に示す通りである。ここでは、微細銅粉の銅系粉末に占める割合を２分の１（微細銅粉：従来銅粉＝１：１）としたものを使用した。

（摩耗試験）
上記表７に示す４種類の配合比を示す原料粉末（配合例Ａ〜Ｄ）を圧縮成形して圧縮体を得ると共に、この圧縮体を焼結温度を異ならせて（８５０℃、９５０℃、１０５０℃）焼結することで得た焼結体に対して摩耗試験の試験片を得た。この場合、各配合例に係る焼結体の焼結密度を異ならせることで、含油率が同じ（１２ｖｏｌ％）になるようにした。具体的には、配合例Ａの場合の焼結密度を７．２０ｇ／ｃｍ³、配合例Ｂの場合の焼結密度を６．９ｇ／ｃｍ³、配合例Ｃの場合の焼結密度を７．２０ｇ／ｃｍ³、配合例Ｄの場合の焼結密度を７．１０ｇ／ｃｍ³とした。また、試験片の完成品寸法は、何れもφ（外径）５．０ｍｍ×φ（内径）２．５ｍｍ×ｔ（軸方向幅）５．０ｍｍとした。摩耗試験は、上記試験片を用いて以下の試験条件で行った。
相手材
材質：ＳＵＳ４２０Ｊ２
寸法：φ（外径）４０ｍｍ×ｔ（軸方向幅）４ｍｍ
周速（回転数）：４００ｒｐｍ
面圧（荷重）：１４．７Ｎ
潤滑油：エステル油（粘度：１２ｍｍ²／ｓ）
試験時間：３ｈｒｓ

（通油度測定試験）
透過油量（通油度）の測定試験には、摩耗試験で使用した試験片のうち、配合例Ｂにおいて微細銅粉を全て従来銅粉に置き換えたもの（従来組織）と、配合例Ｂにおいて微細銅粉の銅系粉末に占める割合を３分の１としたもの（本発明組織１）と、２分の１としたもの（本発明組織２）、及び微細銅粉のみで銅系粉末を構成したもの（本発明組織３）とを使用した。各原料粉末（従来組織、本発明組織１〜３）の組成は表８に示す通りである。各組成に係る原料粉末に対して、焼結密度及び焼結温度を異ならした場合の通油度を測定した。焼結温度は、各組成ともに８５０℃と９５０℃の２種類とした。また、焼結密度は、各組成ともに６．７０、６．９０、７．１０、７．３０、７．５０ｇ／ｃｍ³の５種類とした。試験片の完成品寸法は、何れもφ（外径）５．０ｍｍ×φ（内径）２．５ｍｍ×ｔ（軸方向幅）５．０ｍｍとした。

透過油量（通油度）の測定試験は、図７に示す通油度試験装置１００を用いて実施した。この通油度試験装置１００は、円筒状の試料Ｗ（焼結金属軸受）を軸方向両側から挟持固定する保持部１０１，１０２と、油を貯留するタンク１０３とを備える。試料Ｗの軸方向両端部と保持部１０１，１０２との間は、図示しないゴムワッシャでシールされている。タンク１０３の内部に貯留された油（ジエステル油系潤滑油）は、配管１０４、及び保持部１０１内の連通路１０５を介して、試料Ｗの内周の空間に供給される。このような装置１００を用いて、潤滑油を含浸させていない状態の試料Ｗに対して、室温（２６〜２７℃）環境下で、タンク１０３を０．４ＭＰａでエア加圧し、試料Ｗの内径側から外径側に１０分間通油させ、この間に試料Ｗの外周面から滲み出して滴下した油を、試料Ｗの下方に配した布（あるいは紙）１０６に染み込ませて採取し、試験前後における布１０６の重量差から、通油度を算出することで、通油度（ｇ／１０ｍｉｎ）を測定した。また、潤滑油にはエステル系油（４０℃で１２ｍｍ²／ｓ）を使用した。試験温度は２５℃とした。

図６に摩耗試験の測定結果を、図５に通油度測定試験の測定結果をそれぞれ示す。まず図６に示すように、何れの配合例においても、焼結温度を高めるにつれて摩耗深さが小さくなることが分かる。また、鉄系粉末にステンレス粉末を使用したほうが全体的に摩耗深さが小さくなるが、純鉄粉末のみを使用した場合であっても、銅系粉末に微細銅粉を用いることで鉄系粉末の配合割合を増すことで（配合例Ｂ）、高い耐摩耗特性を示すことが分かった。具体的には、ステンレス粉末を配合し、８５０℃で焼結した場合の摩耗深さと、微細銅粉を用いると共に、鉄系粉末に純鉄粉末のみを使用し、９５０℃で焼結した場合の摩耗深さとが同等の値を示すことが分かった。

次に、通油度測定試験の結果について説明すると、図５に示すように、微細銅粉を用いることで、焼結温度が同じ場合の従来銅粉のみを用いた場合よりも通油度が減少することが分かった。また、通油度を、上記例示した流体動圧軸受装置に用いる場合に通常設定される含油率（１０〜１４ｖｏｌ％）に対応する範囲（０．１０〜２．００ｇ／ｃｍ³）とするために、微細銅粉を用いて従来温度に近い温度（８５０℃）で焼結した場合、焼結密度を相当低いレベルにまで下げる必要があるところ、焼結温度を９５０℃まで上げることで、通油度及び焼結密度をともに許容範囲内に収めることが可能となることが分かった。

１ 流体動圧軸受装置
２ 軸部材
２ａ 軸部
２ａ１ 外周面
２ａ２ テーパ面
２ｂ フランジ部
２ｂ１ 上側端面
２ｂ２ 下側端面
３ ディスクハブ
４ ステータコイル
５ ロータマグネット
６ モータブラケット
７ ハウジング
７ａ 側部
７ｂ 底部
７ｂ１ 上側端面
７ｃ 内周面
８ 焼結金属軸受
８ａ 内周面
８ａ１，８ａ２ 動圧溝
８ｃ 下側端面
８ｃ１ 動圧溝
８ｄ 外周面
８ｄ１ 軸方向溝
９ シール部材
９ａ 内周面
Ｄ ディスク
Ｒ１，Ｒ２ ラジアル軸受部
Ｔ１，Ｔ２ スラスト軸受部
Ｓ シール空間

Claims (11)

1. 銅系粉末と鉄系粉末とを主成分とする原料粉末から形成され、内周にラジアル軸受面を有すると共に、前記銅系粉末と前記鉄系粉末とでラジアル軸受面が構成される焼結金属軸受において、
   前記銅系粉末として、直径４５μｍ未満の粒子の割合が８０ｗｔ％以上である粒度分布を示す微細銅粉が重量比で前記銅系粉末全体の３分の１以上を占めるものを使用し、かつ、
   前記原料粉末を圧縮成形してなる圧縮体を、９００℃以上１０００℃以下で焼結したことを特徴とする焼結金属軸受。
2. 焼結密度を６．７０ｇ／ｃｍ³以上７．２０ｇ／ｃｍ³以下とした請求項１に記載の焼結金属軸受。
3. 通油度を０．１０ｇ／１０ｍｉｎ以上２．００ｇ／１０ｍｉｎ以下とした請求項１又は２に記載の焼結金属軸受。
4. 含油率を１０ｖｏｌ％以上１４ｖｏｌ％以下とした請求項１〜３の何れかに記載の焼結金属軸受。
5. 前記微細銅粉の前記銅系粉末全体に占める割合を２分の１以上とした請求項１〜４の何れかに記載の焼結金属軸受。
6. 前記鉄系粉末は、純鉄粉末からなるもので、前記銅系粉末の前記原料粉末に占める割合を１０ｗｔ％以上４０ｗｔ％以下とした請求項１〜５の何れかに記載の焼結金属軸受。
7. 前記鉄系粉末は、純鉄粉末とステンレス粉末からなるもので、前記銅系粉末の前記原料粉末に占める割合を１０ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下とした請求項１〜５の何れかに記載の焼結金属軸受。
8. 前記原料粉末に、黒鉛がさらに配合されている請求項１〜７の何れかに記載の焼結金属軸受。
9. 前記原料粉末に、錫粉末がさらに配合されている請求項１〜８の何れかに記載の焼結金属軸受。
10. 請求項１〜９の何れかに記載の焼結金属軸受と、該焼結金属軸受の内周に配設される軸と、前記焼結金属軸受に含浸される潤滑油とを具備した流体動圧軸受装置。
11. 銅系粉末と鉄系粉末とを主成分とする原料粉末から形成され、内周にラジアル軸受面を有すると共に、前記銅系粉末と前記鉄系粉末とでラジアル軸受面が構成される焼結金属軸受の製造方法において、
    前記銅系粉末として、直径４５μｍ未満の粒子の割合が８０ｗｔ％以上である粒度分布を示す微細銅粉が重量比で前記銅系粉末全体の３分の１以上を占めるものを使用し、かつ、
    前記原料粉末を圧縮成形してなる圧縮体を、９００℃以上かつ１０００℃以下で焼結することを特徴とする焼結金属軸受の製造方法。