JPH08295902A - 焼結用複合粉末材料及びそれを用いた焼結軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 環境温度変化に伴う特性変動を良好に減少さ
せつつ加工精度の向上を図る。 【構成】 軸３１より低膨張性を有する材料からなる焼
結軸受２４によって温度環境に伴う軸受クリアランスの
変化と軸受流体の粘性変化とを相殺させるとともに、柔
軟性を有する銅を被覆した鉄系合金粉末によりサイジン
グ圧縮等の工程を通して焼結軸受２４の寸法精度を良好
に得ることによって、環境温度変化に伴う動圧力及び軸
受ロス等の特性変動を低減させ、良好な温度特性を得つ
つ加工性を向上させるように構成したもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鉄系合金粉末を有する
焼結用複合粉末材料及びそれを用いた焼結軸受に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、一の部材を他の部材に近接配置
して用いる場合等において、上記両部材の熱膨張の相違
から環境温度変化に伴う影響を受けることがある。例え
ば、流体の動圧によって軸と軸受とを相対的に回転可能
に支承するようにした動圧軸受装置においては、温度環
境に伴い軸受クリアランスが変化することによって、軸
受流体の動圧力及び粘度が大きく変化してしまい軸受ロ
ス増大等の問題を生じることがある。

【０００３】このような観点から本願発明者は、動圧軸
受装置において、軸よりも低熱膨張性を有する材料、例
えばインバー（３６Ｎｉ−Ｆｅ）により軸受を形成する
ようにした提案を先に出願している。この提案にかかる
動圧軸受装置によれば、軸より低膨張性を有する材料か
らなる軸受によって、軸受クリアランスが高温時には狭
められ低温時には広げられることとなり、その温度環境
に伴う軸受クリアランスの変化が、軸受流体の粘性変化
を相殺するように作用し、その結果良好な温度特性及び
軸受特性が得られるようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら低熱膨張
性を有するインバー（３６Ｎｉ−Ｆｅ）等の材料は、一
般に被削性が良好でないことから、精密加工が難しく寸
法精度が良好でないという問題がある。特に上述したよ
うな動圧軸受装置にあっては、軸受クリアランスを高精
度に仕上げることが重要であるため加工性及び寸法精度
を高める必要がある。

【０００５】なお加工性を向上させるために焼結工法を
採用することが考えられるが、単に焼結を行っただけで
は、焼成温度の高さや材料硬度に起因して、仕上がり精
度は良好でない。

【０００６】そこで本発明は、低熱膨張性を有する材料
を用いて環境温度変化に伴う影響を低減するとともに、
良好な加工性及び寸法精度を得ることができるようにし
た焼結用複合粉末材料及びそれを用いた焼結軸受を提供
することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明にかかる焼結用複合粉末材料は、鉄系合金粉末を
有する焼結用複合粉末材料であって、上記鉄系合金粉末
が、３０乃至５０重量％のニッケルを含有する低熱膨張
性材料からなるとともに、当該鉄系合金粉末の各単一粒
子毎の表面に、全体重量に対して２０乃至９５重量％の
銅を被覆した構成を有している。

【０００８】また本発明にかかる焼結用複合粉末材料を
用いた焼結軸受は、上記構成の焼結用複合粉末材料を成
型し焼結した構成を有している。

【０００９】

【作用】このような本発明の手段における焼結用複合粉
末材料によれば、低熱膨張性を有する鉄系合金粉末によ
って環境温度変化に伴う影響が低減されるとともに、鉄
系合金粉末に柔軟性を有する銅が被覆されることによっ
て、サイジング圧縮等の工程を通して良好な寸法精度が
得られるようになっている。

【００１０】またこのような焼結用複合粉末材料を用い
た焼結軸受によれば、軸より低膨張性を有する材料から
なる軸受によって、軸受クリアランスが高温時には狭め
られ低温時には広げられることとなり、そしてその温度
環境に伴う軸受クリアランスの変化は、軸受流体の粘性
変化を相殺するように作用し、その結果良好な温度特性
及び軸受特性が得られるようになっている。さらに柔軟
性を有する銅を被覆した鉄系合金粉末を焼結することに
よって、サイジング圧縮等の工程を通して軸受クリアラ
ンスが高精度に仕上げられるようになっている。

【００１１】

【実施例】以下、本発明を軸回転型のＨＤＤスピンドル
モータの動圧軸受装置に適用した実施例について図面に
基づき説明する。図１に示されているＨＤＤスピンドル
モータは、フレーム１側に組み付けられた固定部材とし
てのステータ組２と、このステータ組２に対して、図示
上側から積層状に組み付けられた回転部材としてのロー
タ組３とから構成されている。このうちステータ組２を
構成しているステータコア２１は、上記フレーム１の略
中心位置に立設された略円筒状の軸受ホルダー２２の外
周部に嵌着されており、当該ステータコア２１の突極部
に巻線２３が巻回されている。

【００１２】また上記軸受ホルダー２２の内周部には、
一体形成されたラジアル滑り軸受２４，２４が、軸方向
に所定間隔離して設けられており、それら一対のラジア
ル滑り軸受２４，２４によって、回転軸３１が回転自在
に支承されている。すなわち上記両ラジアル滑り軸受２
４，２４の内周面は、回転軸３１の外周面に対して、所
定の潤滑材からなる軸受流体を介して非接触摺動部を構
成している。すなわち上記各ラジアル滑り軸受２４の内
周面と回転軸３１の外周面とによってラジアル方向の動
圧滑り面が構成されているとともに、上記回転軸３１の
外周面に、動圧発生手段として、例えばヘリングボーン
状の動圧発生溝が複数個適所に形成されている。

【００１３】このとき上記回転軸３１は、９〜１２ＰＰ
Ｍ／℃以上の線膨張係数を有する磁性金属材料から形成
されており、より具体的には当該回転軸３１の磁性金属
材料として、例えば９．８ＰＰＭ／℃の線膨張係数を有
する磁性ＳＵＳ材が採用されている。

【００１４】一方上記ラジアル滑り軸受２４は、上述し
た回転軸３１に対して低熱膨張性を有する焼結体からな
るとともに、その焼結体の気孔を充填するように所定の
樹脂が含浸されている。特に本実施例における焼結体
は、軸受の体積磁気歪みが熱膨張を打ち消す磁性の鉄系
合金粉末を有する焼結用複合粉末材料から形成されてお
り、上記鉄系合金粉末として、例えばＦｅ−Ｎｉ（イン
バー）或いはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ（スーパーインバー）が
採用されている。このラジアル滑り軸受２４を構成する
磁性鉄系合金材料は、体積磁気歪みが熱膨張を打ち消す
方向に働く特性を有しており、その実質的な線膨張係数
は、上記回転軸３１の磁性ＳＵＳ材における線膨張係数
より小さい値、例えば０．１〜２ＰＰＭ／℃を有する。

【００１５】またこの焼結用複合粉末材料は、上記鉄系
合金粉末の他に、３０乃至５０重量％のニッケルを含有
している。すなわち上記鉄系合金粉末の含有量は、７０
乃至５０重量％である。さらに上記鉄系合金粉末の各単
一粒子毎の表面には、銅が被覆されている。この被覆用
の銅は、焼結用複合粉末材料の全体重量に対して２０乃
至９５重量％の範囲に設定されている。

【００１６】銅の添加量が２０重量％未満の場合には、
銅の被覆が破れて鉄系合金粉末粉子が露出し易くなり、
焼結性及び寸法精度の低下を招来するからであり、また
銅の添加量が９５重量％を超えた場合には、線膨張係数
が回転軸側のＳＵＳ材よりも大きくなってしまう。

【００１７】さらに前記回転軸３１の先端部（図示下側
部）は、前記軸受ホルダー２２の図示下端側の開口部を
覆うスラスト受板２５に摺動可能に滑り接触されてお
り、これら回転軸３１の先端面とスラスト受板２５の受
面とによって、スラスト方向の動圧滑り面が構成されて
いる。また上記回転軸３１の先端部分には、鍔状の抜止
板３２が固着されており、この抜止板３２によってロー
タ組３の全体がステータ組２側から脱落しないようにな
っている。

【００１８】このとき上記抜止板３２は、環状の磁性リ
ング体から形成されているとともに、当該抜止板３２の
外周面に対面するようにして、前記軸受ホルダー２２の
内周壁面に環状磁石２６が取り付けられており、その環
状磁石２６によって、軸受流体を保持する磁路が形成さ
れている。

【００１９】一方、上記回転軸３１の軸方向外側端（図
示上側端）には、前記ロータ組３を構成するハブ３３が
一体に回転するように固定されている。上記ハブ３３
は、複数体の磁気ディスクを外周部に装着する略円筒形
状の胴部３３ａを有しているとともに、この胴部３３ａ
の図示下端縁に鍔状の取付部３３ｂを有しており、この
取付部３３ｂに、バックヨーク３４を介して駆動マグネ
ット３５が環状に装着されている。上記駆動マグネット
３５は、前記ステータコア２１の外周端面に対して環状
に対向するように近接配置されている。

【００２０】さらに前記巻線２３からは、端末線２３ａ
が導出されており、該端末線２３ａは、上面に導体パタ
ーンが形成されたフレキシブル基板２３ｂの所定位置
（半田付けランド部分）に半田付けされている。フレキ
シブル基板２３ｂの導体パターンの終端には、可撓性リ
ード線２３ｃの一端が接続されており、この可撓性リー
ド線２３ｃの他端は、モータ外に延在して電源供給手段
２３ｄに接続されている。そしてモータ外部の電源供給
手段２３ｄから、可撓性リード線２３ｃ、導体パターン
及び端末線２３ａを介して巻線２３に所定の駆動電圧を
印加することにより、磁気ディスクを装着したハブ３３
の回転駆動が行われるように構成されている。

【００２１】また上記軸受ホルダー２２の図示上端側の
開口部分には、前述した軸受流体の流出を防止するため
の磁性流体シール２７が配置されている。この磁性流体
シール２７は、軸受ホルダー２２の内周壁に対して環状
に取り付けられた２体の磁石体２７ａ，２７ａを有して
いるとともに、各環状磁石体２７ａの軸方向両端面に、
ポールピース２７ｂ，２７ｂ，２７ｂがそれぞれ取り付
けられている。そしてこれらの各ポールピース２７ｂの
内周端縁と、前記回転軸３１の外周面との間に、磁性流
体２７ｃが保持されており、この磁性流体２７ｃによっ
て、前述した軸受流体のシール機能が得られるように構
成されている。

【００２２】このとき上記回転軸３１の外周面には、上
記磁性流体シール２７に対応する位置に磁性リング３６
が装着されており、上述した各磁石体２７ａによる磁路
が、当該磁性リング３６を通して形成されるようになっ
ている。

【００２３】このような実施例においては、磁性の鉄系
合金材料からなるラジアル滑り軸受２４が、体積磁気歪
みにより熱膨張を打ち消す低熱膨張性を有するととも
に、回転軸３１が９〜１２ＰＰＭ／℃の線膨張係数を有
する磁性金属材料からなることによって、軸受側の線膨
張係数が軸側の線膨張係数より実質的に小さくなされ
る。従って軸受クリアランスは、高温時には狭められて
動圧力の低下が殆どなくなり、一方低温時には広げられ
る。そしてこの温度環境変化に伴う軸受クリアランスの
変化は、軸受流体の粘性変化を相殺するように作用する
こととなり、その結果、良好な温度特性及び軸受特性が
得られる。

【００２４】また柔軟性を有する銅を被覆した鉄系合金
粉末を焼結した焼結体により軸受を構成することによっ
て、サイジング圧縮等の工程を通して軸受クリアランス
が高精度に仕上げられ、加工精度が向上されるようにな
っている。

【００２５】例えば、鉄系合金材料（３６Ｎi −Ｆe ）
の線膨張係数αi を１．７ＰＰＭ／℃、比重ρi を８．
１５とし、銅の線膨張係数αc を１６．５ＰＰＭ／℃、
比重ρc を８．９３としたとき、焼結体の線膨張係数α
は、被覆銅の添加量が２０重量％の場合には２．７４Ｐ
ＰＭ／℃となり、被覆銅の添加量が９５重量％の場合に
は１０．８８ＰＰＭ／℃となる。ただしこの値は、銅被
膜の均一性の問題やニッケルの銅への拡散の問題或いは
銅の被覆条件や焼成条件等によって異なるため、実用上
好ましい銅の添加量は、３０乃至７０重量％と考えられ
る。

【００２６】さらに本実施例では、焼結体の気孔が含浸
樹脂で埋められているため、動圧逃げが防止され良好な
動圧力が得られるようになっている。また気孔への樹脂
含浸によって、気孔の影響による軸受流体添加量のバラ
ツキがなくなり、軸受流体の注入量が一定に維持される
ようになっている。このとき含浸樹脂に潤滑性・耐摩耗
性材料を添加して摺動性を向上させれば、軸受を構成す
る焼結体の材質を選択する際に摺動性を考慮する必要が
なくなる。すなわち加工性、材料コストあるいは耐食性
等を選択の基準とすればよく、設計の自由度が向上され
るようになっている。

【００２７】以上本発明者によってなされた発明を実施
例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に
限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で
種々変形可能であるというのはいうまでもない。例えば
本発明は、上述したような軸受部以外の部位、更には軸
受装置以外の各種装置に対しても同様に適用することが
できる。

【００２８】また上述した実施例における軸受側の形成
材は、当該実施例のものに限定されるものではなく、体
積磁気歪みが熱膨張を打ち消す方向に働き、その結果線
膨張係数が軸の線膨張係数より小さくなる鉄系合金であ
れば他のものであっても良い。

【００２９】また上記実施例において軸受側の材質は従
来と同じとしたままで、軸受を保持する軸受ホルダー２
２を、体積磁気歪みが熱膨張を打ち消す方向に働き、そ
の結果線膨張係数が軸の線膨張係数より小さくなる鉄系
合金より形成しても良く、そのように構成しても同様な
作用・効果を得ることができる。また軸受と軸受ホルダ
ーの両方を共に、上記鉄系合金より形成しても上記実施
例と同様な効果を得ることができるというのはいうまで
もない。

【００３０】さらに上記実施例においては、動圧発生手
段としてヘリングボーン状の動圧発生溝を軸側に形成し
た例が述べられているが、動圧発生溝は軸受の内周面に
形成してあっても良く、また動圧発生溝としては、例え
ば特公昭６３−６０２４７号公報記載のようなスパイラ
ル状の溝であっても良い。さらにまた動圧発生手段とし
てはこれら溝に限定されるものではなく、例えば特開平
３−１０７６１２号公報や実開平３−９６４２６号公報
記載のように回転体または非回転体の何れか一方に回転
体支承用の突出部を設け、この突出部との間に楔状の隙
間を形成して動圧効果を生じさせるようにしたものであ
っても良い。

【００３１】一方上記実施例においては、軸回転型のモ
ータに対する適用例が述べられているが、軸固定回転型
のモータに対しても勿論適用可能である。

【００３２】また上記実施例においては、磁気ディスク
駆動用のスピンドルモータに適用された動圧軸受装置の
例が述べられているが、本動圧軸受装置は他のモータに
対しても同様に適用できるというのはいうまでもない。

【００３３】

【発明の効果】以上述べたように本発明にかかる焼結用
複合粉末材料は、低熱膨張性を有する鉄系合金粉末によ
って環境温度変化に伴う影響を低減させるとともに、鉄
系合金粉末に柔軟性を有する銅を被覆することによっ
て、サイジング圧縮等の工程を通して良好な寸法精度を
得られるようにしたものであるから、良好な温度特性を
得つつ加工性を向上させることができ、焼結体の信頼性
を高めることができる。

【００３４】また本発明にかかる焼結用複合粉末材料を
用いた焼結軸受は、軸より低膨張性を有する材料からな
る軸受によって温度環境に伴う軸受クリアランスの変化
と軸受流体の粘性変化とを相殺させるとともに、柔軟性
を有する銅を被覆した鉄系合金粉末により、サイジング
圧縮等の工程を通して良好な寸法精度を得るようにした
ものであるから、環境温度変化に伴う動圧力及び軸受ロ
ス等の特性変動を低減させることができ、良好な温度特
性を得つつ加工性を向上させ、焼結軸受の信頼性を高め
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した動圧軸受装置を有する磁気デ
ィスク駆動用のスピンドルモータを表した半横断面図で
ある。

【符号の説明】

２４ ラジアル滑り軸受 ３１ 回転軸

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鉄系合金粉末を有する焼結用複合粉末材
   料であって、 上記鉄系合金粉末が、３０乃至５０重量％のニッケルを
   含有する低熱膨張性材料からなるとともに、 当該鉄系合金粉末における各単一粒子毎の表面に、全体
   重量に対して２０乃至９５重量％の銅を被覆したことを
   特徴とする焼結用複合粉末材料。
2. 【請求項２】 請求項１記載の焼結用複合粉末材料を成
   型し焼結してなることを特徴とする焼結用複合粉末材料
   を用いた焼結軸受。
3. 【請求項３】 請求項２記載の焼結軸受が、軸受流体の
   動圧によって軸を相対的に回転移動可能に支承する動圧
   軸受であることを特徴とする焼結用複合粉末材料を用い
   た焼結軸受。