JPH08152020A

JPH08152020A - セラミック製動圧軸受

Info

Publication number: JPH08152020A
Application number: JP29644194A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Nakahara; 正博中原
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1994-11-30
Filing date: 1994-11-30
Publication date: 1996-06-11

Abstract

(57)【要約】【構成】遊離炭素を均一に分散し、体積固有抵抗を１０
⁶Ω・ｃｍ以下とした焼結体でセラミック製動圧スラス
ト軸受２を形成する。【効果】軸受自体が自己潤滑性を有するため摺動性に優
れ、かつ静電気を逃がすことができるため、各種機器に
悪影響を及ぼすこともなく、信頼性の高い動圧軸受を得
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電気モータ等のシャフト
の支持に用いられる動圧軸受に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より軸受装置としては、すべり軸
受、玉軸受、含油軸受等が一般的に用いられている。例
えばフロッピィディスクドライブ（ＦＤＤ）装置等のス
ピンドルモーターでは、玉軸受けと含油軸受けを積み重
ねた構造をとっていた。

【０００３】しかしながら、従来の軸受では、製品の薄
型化、高性能化に伴い、種々の問題点が発生してきた。
例えば、上記ＦＤＤ装置等のスピンドルモーターの薄型
化を図る場合には軸受を短くする必要があるが、短くす
るにつれ軸振れが大きくなってくる。これにより、メデ
ィアの偏心が大きくなり、データ読み書きの信頼性が著
しく低下する問題点が発生した。

【０００４】このような問題点の解決手段として、ラジ
アル軸受及び／又はスラスト軸受の表面に動圧効果を生
み出すスパイラル溝を形成した動圧軸受けが開発され
た。これは、スパイラル溝が潤滑流体に与えるポンピン
グ作用により、スピンドルモーターの回転に伴う流体圧
の上昇を得てシャフトを浮上させ、流体膜を形成して無
接触で回転するようにしたものである。更には流体圧に
よるセンタリング効果を与えることにより偏心を著しく
抑えられるものである。

【０００５】動圧軸受の構成としては、シャフト外周ま
たはスリーブ内面のいずれか一方に溝が形成されラジア
ル方向の剛性を持つラジアル軸受部と、スパイラル溝に
よるオイル、気体等の潤滑流体のポンピング作用により
スラスト剛性を持つスラスト軸受部とからなる。そし
て、シャフト及び軸受部はいずれもステンレス等の金属
材で形成されていた。

【０００６】また、特に動圧スラスト軸受は、回転部の
自重、マグネットとステータの吸引力等のスラスト力が
全て加わることになり、スタート・ストップ時や低速回
転時にシャフトと接触回転するため、摩耗が大きい。さ
らに、動圧スラスト軸受の表面には前述したとおりスパ
イラル溝が形成され、その深さは極めて高精度に仕上げ
る必要がある。そこで、この動圧スラスト軸受をセラミ
ックスで形成することも提案されている（特開昭６３−
１６３０１６号、特開平２−９３１１５号公報等参
照）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記金
属製の動圧軸受では、金属製シャフトとの接触により摩
耗が生じやすく、また発生した摩耗粉が軸受の隙間に入
り込んでかじりや焼き付きを生じる等の問題があり、長
期の使用において信頼性が劣るものであった。

【０００８】また、大きなスラスト荷重が加わった場合
や、取付時にネジ止めの締め付けにより大きな力が加わ
った場合に、スラスト軸受にたわみが生じるという問題
があった。これにより、スパイラル溝を高精度に仕上げ
ても、たわみにより溝深さのばらつきが生じて安定した
動圧効果を得ることができないという不都合があった。

【０００９】一方、スラスト軸受をアルミナ、ジルコニ
ア等のセラミックスで構成した場合、これらのセラミッ
クス部品は絶縁材料であるため、摺動時に発生する静電
気が溜まりやすく、この影響で特にＦＤＤ装置等におい
ては誤動作の原因になるという致命的な欠点を有してい
た。また、上記のセラミックスを用いると摺動相手の金
属シャフトを摩耗させやすく、長期の使用に於て信頼性
の低下を引き起こすという問題があった。

【００１０】本発明は上記課題に鑑みてなされたもの
で、接触回転時に、軸受自体及び軸受と接触する相手材
の摩耗を小さくし、また摺動時に発生する静電気を減少
もしくは逃がし得る様な動圧軸受を提供することを目的
とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、０．１〜２０
重量％の遊離炭素を均一に分散させることによって、、
体積固有抵抗を１０⁶Ω・ｃｍ以下とした焼結体を用い
て動圧軸受を構成したことを特徴とする。

【００１２】ここで、遊離炭素とは、炭素化合物となら
ずに焼結体中で単独で存在する炭素（Ｃ）のことであ
り、遊離炭素が存在することによって焼結体に自己潤滑
性を持たせるとともに適度な導電性を付与して静電気の
帯電を防止することができるのである。また、安定した
特性を示すためには、上記遊離炭素は焼結体中に均一に
分散させる必要がある。

【００１３】さらに、上記遊離炭素の含有量を０．１〜
２０重量％としたのは、０．１重量％未満では自己潤滑
性及び導電性の点で効果に乏しく、一方２０重量％を超
えると焼結体の硬度、強度、靱性が低下するためであ
る。なお、最終焼結体中の遊離炭素の存在は、ＳＥＭに
よる組織写真や、ＥＰＭＡ等の元素分析によって検出す
ることができる。

【００１４】また、体積固有抵抗を１０⁶Ω・ｃｍ以下
としたのは、１０⁶Ω・ｃｍよりも高いと静電気を逃が
す効果が低くなるためであり、好ましくは１０⁴Ω・ｃ
ｍ以下、さらに好ましくは１０^-1Ω・ｃｍ以下とする。

【００１５】さらに、本発明の焼結体はヤング率を３０
０ＧＰａ以上とすることが好ましい。これは、３００Ｇ
Ｐａ未満であると負荷荷重に対する変形量が大きくなっ
て、溝深さ精度±１μｍに仕上がった高精度の溝による
動圧効果を充分に安定して引き出すことができなくなる
ためである。

【００１６】さらに、本発明のセラミック製動圧軸受を
成す母材として、ＳｉＣ及び／又はＳｉ₃Ｎ₄を主成分
とする焼結体を用いる。これは、ＳｉＣ原料粉末中に遊
離炭素を発生させるバインダー等を添加し、成形後、窒
素雰囲気中で焼成することによりＳｉ₃Ｎ₄を生成さ
せ、最終的にＳｉＣ−Ｓｉ₃Ｎ₄−Ｃ（遊離炭素）から
なる複合焼結体としたものであり、最終焼結体中のＳｉ
Ｃ量は１０〜５０重量％、Ｓｉ₃Ｎ₄量は５０〜９０重
量％とすることが好ましい。

【００１７】あるいは、本発明のセラミック製動圧軸受
を成す母材として、ＴｉＣ及び／又はＴｉＮを主成分と
する焼結体を用いる。これは、結合相として鉄族金属を
２０重量％以下と、硬質相としてＴｉを除く４ａ、５
ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の少なくと
も一種を２０重量％以下と、残部がＴｉＣ及び／又はＴ
ｉＮと不可避不純物からなる主原料に、炭素、黒鉛等の
遊離炭素生成物を添加し、成形後、真空中で焼成して得
られた焼結体である。この焼結体は、セラミックの硬質
相と金属の結合相からなる複合焼結体（サーメット）で
あり、強度が５００ＭＰａ以上、硬度が１５ＧＰａ以上
と機械的特性に優れ、導電性を有し、摺動性に優れたも
のである。

【００１８】このサーメット系複合焼結体において、鉄
族金属は焼結体中で結合相をなし、固体粒子間の隙間を
埋めると同時に、流体流動に従って固体粒子が移動、再
配列を行う作用を持つ。鉄族金属の含有量が２０重量％
を超えると焼結体の硬度が低下し、また、鉄系金属との
摺動の際に焼結体中の金属と相手材との間の反応により
耐摩耗性の悪化を招くため、２０重量％以下の含有量と
する。

【００１９】また、硬質相中の金属元素の主成分を成す
Ｔｉは、金属との摺動では特に優れた耐摩耗性、耐溶着
性を持つものである。この硬質相中にＴｉを除く４ａ、
５ａ、６ａ族金属を添加することにより、焼結性が向上
し、靱性や強度の改善に効果があり、特にＣｒ、Ｍｏを
それぞれ１０重量％以下の割合で添加すると優れた効果
を生じる。Ｔｉを除く４ａ、５ａ、６ａ族金属の量が過
度に多くなると硬度の低下、耐摩耗性の低下を招くため
硬質相中の金属元素中の割合は２０重量％以下とする。

【００２０】硬質相の粒径は、微粒とすることで結合金
属相が分散し摺動時に結合金属相と相手材金属との凝着
摩耗を少なくすることができる。また、硬質相の粒径が
過度に大きくなると焼結体の硬度、耐摩耗性の低下を招
くため平均粒径５μｍ以下とすることが好ましい。

【００２１】さらに、本発明のセラミック製動圧軸受を
成す母材として、Ａｌ₂Ｏ₃−ＴｉＣを主成分とする焼
結体を用いることもできる。これは、Ａｌ₂Ｏ₃を主成
分として２０重量％以上のＴｉＣを含み、遊離炭素を含
む焼結体であり、硬度が１３ＧＰａ以上と高いため耐摩
耗性に優れることは勿論のこと、自己潤滑性も優れてい
るために相手部材の摩耗も小さくすることができ、かつ
充分に低い体積固有抵抗を有している。

【００２２】また、ＴｉＣの含有量については、２０重
量％未満であると１０^-1Ω・ｃｍ以下の体積固有抵抗値
が得られなくなり、一方８０重量％を超えると焼結性が
悪くなるため、２０〜８０重量％の範囲が良い。

【００２３】さらに、Ａｌ₂Ｏ₃とＴｉＣの合計１００
重量部に対して、焼結助剤としてＴｉＯ₂、ＭｇＯ、Ｓ
ｉＯ₂、ＣａＯ等を合計５重量部以下含有することが、
焼結性を高めるために望ましい。またこれらの他に希土
類酸化物や不可避不純物を合計５重量部以下含有しても
よい。

【００２４】

【実施例】以下、本発明実施例をＶＴＲ用スピンドルモ
ータの動圧軸受装置を例にして説明する。

【００２５】図１に示す動圧軸受装置は、シャフト１、
動圧スラスト軸受２およびスリーブ３からなり、該スリ
ーブ３内でシャフト１が回転自在に保持されている。ま
た、該スリーブ３の内周に相当するシャフト１の表面に
はヘリングボーン形状の溝４ａが形成されて動圧ラジア
ル軸受４となっているが、上記溝４ａはスリーブ３の内
周面側に形成しても良い。

【００２６】また、シャフト１の先端は動圧スラスト軸
受２と接触しているが、回転時には溝２ａの動圧作用に
よって浮上し、しかもラジアル軸受４の溝４ａの動圧作
用によラジアル方向も非接触で回転することになる。た
だし、スタート・ストップ時や低速回転時には、回転体
の全荷重がシャフト１の先端と動圧スラスト軸受２に負
荷として加わり、摺動することになる。

【００２７】そして、上記動圧スラスト軸受２は、０．
１〜２０重量％の遊離炭素が均一に分散し、体積固有抵
抗値１０⁶Ω・ｃｍ以下の焼結体で形成してあり、シャ
フト１はステンレス等の金属で形成してある。

【００２８】この軸受装置は、ＶＴＲのスピンドルモー
タに用いる場合は回転数３０００ｒｐｍ程度であり、レ
ーザービームプリンター（ＬＢＰ）のスピンドルモータ
では２００００ｒｐｍ程度と非常に高速となる。このと
き、シャフト１と動圧スラスト軸受２は、スタート・ス
トップ時に負荷の加わった状態で激しく摺動することに
なるが、動圧スラスト軸受２が耐摩耗性、摺動性に優れ
た焼結体からなるため、各部材の摩耗量も少なく長期間
にわたって良好に使用することができる。

【００２９】特に、動圧スラスト軸受２を成す焼結体
は、０．１〜２０重量％の遊離炭素を焼結体中に均一に
分散させてあることから摺動性に優れるとともに、体積
固有抵抗を１０⁶Ω・ｃｍ以下としてあるため静電気を
逃がす効果が高く、ＶＴＲ等の電子機器に悪影響を及ぼ
す恐れはない。

【００３０】また、上記焼結体としては、ＳｉＣ及び／
又はＳｉ₃Ｎ₄を主成分とするものや、ＴｉＣ及び／又
はＴｉＮを主成分とするもの、あるいはＡｌ₂Ｏ₃−Ｔ
ｉＣ等を主成分とする焼結体が好適であり、これらの焼
結体はヤング率が３００ＧＰａ以上と高いため変形しに
くく、高精度に形成した溝の性能を安定して引き出すこ
とができる。

【００３１】なお、上記焼結体としては、この他に、Ａ
ｌ₂Ｏ₃やＺｒＯ₂等を主成分とする焼結体を用いるこ
ともできる。

【００３２】また、シャフト１については、ステンレス
等の金属材を用いることにより静電気を逃がしやすくで
きる。

【００３３】さらに、上記実施例では動圧スラスト軸受
２を遊離炭素を含む焼結体で形成した例を示したが、本
発明の動圧軸受はスラスト側のみに限定するものではな
い。例えば、図１における動圧ラジアル軸受４を成すス
リーブ３を上記と同様の焼結体で形成し、その内周面に
動圧発生用の溝４ａを形成することもできる。

【００３４】さらに、上記実施例はＶＴＲ用のスピンド
ルモータであるが、本発明の動圧軸受は、この他にＬＢ
Ｐ用、ＦＤＤ用等のモータに適用することもできる。ま
た、モータに限らず、ポンプや各種加工機、あるいはそ
の他の産業機械用部品にも適用できることは言うまでも
ない。

【００３５】実験例ここで、本発明の動圧軸受を構成する焼結体の耐摩耗性
および摺動性を調べるため、ボール・オン・ディスク型
の摩擦摩耗試験を用いた試験を行った。

【００３６】本発明実施例として、表１に示すようにＳ
ｉＣ及びＳｉ₃Ｎ₄を主成分として遊離炭素を含む焼結
体、及びＴｉＣを主成分とするサーメットで遊離炭素を
含む焼結体を用意した。一方比較例として、アルミナセ
ラミックス、窒化珪素質セラミックス、ジルコニアセラ
ミックス、サーメットを用意した。

【００３７】各試料を、乾式無潤滑下の状態で、相手材
に高炭素クロム軸受け鋼ＳＵＪ２のボールを用いて、荷
重０．５ｋｇ、相対摺動速度０．１７ｍ／ｓで摺動試験
を行い、両部材の摩耗量を測定した。また、各材質につ
いて体積固有抵抗を測定した。結果は表１に示す通りで
ある。

【００３８】

【表１】

【００３９】表１から明らかなように、比較例であるＮ
ｏ．１〜３は自材及び相手材の摩耗量が大きく、またＮ
ｏ．４〜５はやや摩耗量が小さいものの自材及び相手材
を摩耗させやすかった。

【００４０】これらに対し、本発明実施例であるＮｏ．
６〜１０は自材だけでなく相手材の摩耗量も極めて小さ
くなっている。したがって、本発明のセラミック製動圧
軸受が耐摩耗生、摺動性に優れていることがわかる。な
お、Ｎｏ．６〜８、及びＮｏ．９〜１１をそれぞれ比較
してみれば明らかなように、遊離炭素（Ｃ）の含有量を
多くするほど相手材の摩耗量は少なくなるが、自らの摩
耗が大きくなるため、遊離炭素の含有量は２０重量％以
下が好ましいことがわかる。

【００４１】また、本発明実施例のセラミック製動圧軸
受は、体積固有抵抗が１０⁶Ω・ｃｍ以下と低いことか
ら、静電気の帯電を防止し、ＦＤＤ、ＬＢＰ、ＶＴＲ等
の精密機器に用いても、静電気による影響を防止するこ
とができた。

【００４２】また、スラスト荷重等による動圧スラスト
軸受けの変形等も小さく、安定したシャフトの浮上量を
得ることができた。

【００４３】

【発明の効果】このように、本発明によれば、遊離炭素
を均一に分散し、体積固有抵抗を１０⁶Ω・ｃｍ以下と
した焼結体で動圧軸受を形成したことによって、軸受自
体が自己潤滑性を有するため摺動性に優れ、かつ静電気
を逃がすことができるため、各種機器に悪影響を及ぼす
こともなく、信頼性の高い動圧軸受を得ることができ
る。

【００４４】また、上記焼結体として、ＳｉＣ及び／又
はＳｉ₃Ｎ₄を主成分とする焼結体、ＴｉＣ及び／又は
ＴｉＮを主成分とする焼結体、あるいはＡｌ₂Ｏ₃−Ｔ
ｉＣを主成分とする焼結体を用いれば、特に機械的特性
に優れるため、互いの摩耗量を低減し、起動トルクを低
下できることから、高い信頼性と長寿命化をもたらすこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例のセラミック製動圧軸受を示す縦
断面図である。

【符号の説明】

１：シャフト２：動圧スラスト軸受３：スリーブ４：動圧ラジアル軸受

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】０．１〜２０重量％の遊離炭素を含み、体
積固有抵抗が１０⁶Ω・ｃｍ以下の焼結体から成り、表
面に動圧発生溝を備えてなるセラミック製動圧軸受。
【請求項２】上記焼結体が、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｔｉ
Ｃ、ＴｉＮ、及びＡｌ₂Ｏ₃−ＴｉＣの少なくとも一種
以上を主成分とすることを特徴とする請求項１記載のセ
ラミック製動圧軸受。