JPH11159524A

JPH11159524A - 動圧軸受

Info

Publication number: JPH11159524A
Application number: JP9329231A
Authority: JP
Inventors: Kuniharu Iwamoto; 邦治岩本; Masahiro Nakahara; 正博中原
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-11-28
Filing date: 1997-11-28
Publication date: 1999-06-15

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】温度変化が生じても熱膨張差による不都合がな
く、しかも、低速回転時に摺動しても相手材の摩耗を少
なくできる動圧軸受を得る。【解決手段】ヤング率２００ＧＰａ以上、熱膨張係数
９．０〜１１．０×１０^-6／℃（４０〜４００℃）、摺
動相手材とのビッカース硬度の差が７ＧＰａ以下の範囲
にあるセラミックスからなり、摺動面に動圧発生溝を備
えて動圧軸受を構成する。上記セラミックとして、曲げ
強度７００ＭＰａ以上、平均結晶粒径４μｍ以下、理論
密度に対する相対密度が９８％以上のジルコニアセラミ
ックスを用いる。また、動圧発生溝の底面の表面粗さ
（Ｒｍａｘ）は１．５μｍ以下である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばレーザービ
ームプリンターのポリゴンミラー、フロッピーディスク
ドライブ（ＦＤＤ）、ハードディスクドライブ（ＨＤ
Ｄ）、ＶＴＲ、ＣＤ−ＲＯＭ等におけるシャフトの軸受
に用いられる動圧軸受に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、シャフトの軸受は、玉軸受けと含
油軸受けを積み重ねた構造をとっていたが、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、ＦＤＤ装置等のスピンドルモーターの薄型化をは
かる場合など軸受け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。

【０００３】このような問題点の解決手段として、スパ
イラル溝等の動圧発生溝を形成した動圧軸受が開発され
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油圧の
上昇を得てシャフトを浮上させ、流体膜を形成して無接
触で回転するものである。さらには、油圧によるセンタ
リング効果を与えることによりシャフトの偏心を著しく
抑えることもできる。

【０００４】動圧軸受の構成としては、シャフトの外周
またはスリーブ内面のいずれか一方に動圧発生溝を形成
し、ラジアル方向の剛性を持つラジアル軸受と、シャフ
トの端面又はスラスト軸受の表面にスパイラル状の動圧
発生溝を形成し、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方向の剛性を持つスラスト軸受と
からなる。

【０００５】ここで、重要な要素はスラスト方向の動圧
軸受である。即ち、縦型モータでのラジアル方向は、シ
ャフトの外径とスリーブ内径がほぼ等しいため、接触に
より傷がついたり、摺動面が剥離することは殆ど無い。

【０００６】これに対し、スラスト方向の軸受は、回転
部の自重とステータの吸引力等のスラスト力が全てシャ
フトとスラスト軸受の摺動面にかかることになり、スタ
ート・ストップ時や、低速回転時に互いの摺動面が接触
回転するため耐久性に対して重要な影響を持っている。
また、この動圧軸受を構成するシャフト及び軸受はいず
れも従来はステンレス等の焼き入れ材を使用していた。

【０００７】しかしながら、金属同志で構成される場
合、金属同志の接触により摩耗が生じたり、また発生し
た摩耗粉が軸受の隙間に入り込んでかじり焼き付きを生
じる等の問題がある。即ち、鋭い断面形状をした溝によ
る起動時の複雑な接触問題（溝エッジによる切削）、潤
滑剤の挙動等により長期の使用において信頼性の面で問
題を有していた。

【０００８】そこで、特開昭６３−１６３０１６号公報
等に示すように、この動圧軸受をセラミックスで形成す
ることが提案されている。これは、動圧軸受を構成する
シャフト又は軸受の一方をセラミックスで形成してその
表面にショットブラスト法等で動圧発生溝を形成し、他
方を金属材で形成したものであった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
にシャフト又は軸受の一方をセラミックスで形成し、他
方を金属で形成した場合、両者の特性の差による不都合
が生じていた。例えば、セラミックスと金属材は熱膨張
係数が異なるため、動圧軸受を用いるモーター等の内部
の温度が１００℃まで上がるような場合、両者の隙間の
大きさが変化してモーターの回転に支障を生じる等の不
都合があった。

【００１０】また、金属材に比べてセラミックスは硬度
が非常に高いため、低速回転時などに両者が摺動する
と、金属材側が大きく摩耗してしまうという問題があっ
た。なお、この問題を解決するために、摺動する両方の
部材をセラミックスで形成することも考えられるが、両
方を同じ材質で形成するとかえって摩耗しやすくなると
いう不都合があった。

【００１１】さらに、一般にセラミックス材は金属材に
比べて強度が低いため、セラミックスを用いた動圧軸受
をノートパソコン等の携帯機器に使用すると、軸受部に
衝撃が加わった場合に破損しやすいという問題があっ
た。

【００１２】また、動圧軸受では、流体膜を安定して保
持させるために、動圧発生溝の底面を滑らかにしておく
必要があるが、セラミックス材にショットブラスト法で
形成した動圧発生溝では、底面の表面粗さを中心線平均
粗さ(Ra)で１μｍ程度、即ち最大高さ(Rmax)で４μｍ程
度にしか加工できなかった。

【００１３】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明は、ヤン
グ率２００ＧＰａ以上、４０〜４００℃の熱膨張係数
９．０〜１１．０×１０^-6／℃、摺動相手材とのビッカ
ース硬度の差が７ＧＰａ以下の範囲にあるセラミックス
からなり、摺動面に動圧発生溝を備えて動圧軸受を構成
したことを特徴とする。

【００１４】即ち、シャフトと軸受の一方を上記セラミ
ックスの動圧軸受で形成し、他方を金属材で形成すれ
ば、動圧軸受の熱膨張係数を上記範囲内とすることによ
り、金属材との熱膨張差を小さくし、温度変化が生じて
も熱膨張差による不都合を解消できる。しかも、摺動相
手の金属材とのビッカース硬度の差を７ＧＰａ以下とす
ることによって、硬度差が比較的小さいために、低速回
転時に摺動しても相手材の摩耗を少なくすることができ
る。

【００１５】また、本発明は、上記セラミックスとし
て、曲げ強度７００ＭＰａ以上、平均結晶粒径４μｍ以
下、理論密度に対する相対密度が９８％以上のジルコニ
アセラミックスを用いたことを特徴とする。

【００１６】ここで、曲げ強度７００ＭＰａ以上のジル
コニアセラミックスを用いたのは、曲げ強度が７００Ｍ
Ｐａ未満であると、外部からの衝撃によりより破損しや
すく、軸受やモーターとしての機能を果たさなくなるた
めである。さらに、加えて、上記ジルコニアセラミック
スは破壊靱性が５．０ＭＰａ√ｍ以上であるものが好ま
しい。これは、破壊靱性が５．０ＭＰａ√ｍ未満である
と、動圧発生溝の周囲等に欠けが生じやすく、欠けた破
片が原因でモーターがストップしたり、安定した動圧効
果が得られないという問題が発生するためである。

【００１７】また、平均結晶粒径を４μｍ以下、相対密
度を９８％以上としたのは、平均結晶粒径が４μｍより
大きいか、又は相対密度が９８％未満であると、動圧発
生溝の底面を滑らかにすることができず、動圧発生溝の
溝深さを高精度に加工できないことから、安定した動圧
効果が得られず回転ふれが大きくなるという問題が発生
するためである。より好ましくは、平均結晶粒径は３μ
ｍ以下、さらには０．５μｍ以下が良い。また相対密度
は９９．０％以上が好ましい。

【００１８】また、本発明は、上記動圧発生溝の底面の
表面粗さ(Rmax)が１．５μｍ以下であることを特徴とす
る。

【００１９】即ち、底面を上記のような滑らかな面とす
ることによって、流体膜を安定して発生させ、シャフト
の回転振れを小さくすることができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を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。

【００２１】図１に示すように、動圧軸受装置は、回転
体を取り付けたシャフト１、動圧スラスト軸受２および
スリーブ３とからなり、該シャフト１を固定軸にしてス
リーブ３が回転するようになっている。また、該スリー
ブ３の内周もしくは該シャフト１の外周いずれかにヘリ
ングボーン形状の溝４が形成されてラジアル方向の動圧
軸受を構成し、動圧スラスト軸受２の摺動面にはスパイ
ラル状の溝２ａが形成されてスラスト方向の動圧軸受を
構成している。

【００２２】そのため、回転時には動圧効果により非接
触状態となるが、スタート・ストップ時や低速回転時に
は、シャフト１の先端が動圧スラスト軸受２と摺動する
ようになっており、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に負荷として加わることになる。

【００２３】そして、このスラスト軸受２が、ヤング率
２００ＧＰａ以上、熱膨張係数９．０〜１１．０×１０
^-6／℃（４０〜４００℃）、摺動相手材とのビッカース
硬度の差が７ＧＰａ以下の範囲にあるセラミックスより
形成されている。また、シャフト１はステンレス等の金
属材で形成されている。

【００２４】そのため、ヤング率２００ＧＰａ以上の高
剛性であることから、溝２ａを高精度に加工することが
できる。また、熱膨張係数が、９．０〜１１．０×１０
^-6／℃であることから、シャフト１を構成するステンレ
ス（熱膨張係数１０．５×１０^-6／℃）との熱膨張差が
小さく、高温時でも隙間の変化を小さくすることができ
る。

【００２５】さらに、このスラスト軸受２を成すセラミ
ックスは、摺動相手であるシャフト１を成す金属とのビ
ッカース硬度の差を７ＧＰａ以下にしておくことによ
り、低速回転時に両者が摺動しても、シャフト１側の摩
耗を小さくすることができる。

【００２６】このようなスラスト軸受２を成すセラミッ
クスとしては、特に曲げ強度７００ＭＰａ以上、さらに
は破壊靱性５．０ＭＰａ√ｍ以上のジルコニアセラミッ
クスが好ましい。

【００２７】このジルコニアセラミックスは、４０〜４
００℃の熱膨張係数が１０．５×１０^-6／℃とステンレ
ス（熱膨張係数１０．５×１０^-6／℃）とほぼ同等であ
る。また、このジルコニアセラミックスは、ビッカース
硬度が１２．３ＧＰａと、シャフト１を成すステンレス
（ビッカース硬度６．４ＧＰａ）との差が５．９ＧＰａ
になり、上述した７ＧＰａ以下の差であることから、シ
ャフト１側の摩耗を小さくできる。

【００２８】また、このように高強度、高靱性のジルコ
ニアセラミックスを用いれば、外部から強い衝撃が加わ
ったり、装置を落下させてしまったりした場合でも、ス
ラスト軸受２が破損する恐れはなく、モーターの回転に
支障を生じることなく、長期にわたって良好に使用する
ことができる。なお、このように強度、靱性が高いこと
から、本発明の動圧軸受は、ＶＴＲのスピンドルモータ
の他、デスクトップ型や持ち運びをするノート型パソコ
ンのＨＤＤやＦＤＤ、ＬＢＰのスピンドルモータ等に用
いることができる。

【００２９】さらに、上記スラスト軸受２を成すジルコ
ニアセラミックスは、平均結晶粒径４μｍ以下、理論密
度に対する相対密度９８％以上としてあることが好まし
く、これにより、ショットブラスト等で溝２ａを加工し
た際に、その底面の表面粗さを最大高さ(Rmax)で１．５
μｍ以下とすることができる。その結果、動圧発生のた
めの流体膜を安定して発生させることができる。その結
果、スピンドルモーターの回転振れを小さくすることが
できる。

【００３０】例えば、磁気記録装置の分野では、記録密
度向上のため１インチあたりのトラック数が年々増えて
きている。そのためにはスピンドルモーターのふれが小
さいことが不可欠であるが、上述した本発明の動圧軸受
を用いれば、動圧発生溝の溝深さを高精度に加工し、溝
底の表面粗さを滑らかにできることから、安定した動圧
効果を得てスピンドルモーターの回転振れが小さくな
り、ハードディスク等の記録密度を向上させることがで
きる。

【００３１】なお、以上の実施形態では、動圧軸受を構
成する動圧スラスト軸受２を上記のジルコニアセラミッ
クスで形成し、シャフト１を金属で形成したが、逆にす
ることもできる。あるいは、ラジアル方向の軸受につい
ても、同様にシャフト１、スリーブ３の一方を上記のジ
ルコニアセラミックスで形成することもできる。

【００３２】例えば、シャフト１を上記ジルコニアセラ
ミックスで形成し、スリーブを上記のステンレス材で形
成した場合、両者の隙間は数μｍ程度と極めて小さく、
また使用時にはモーター内部の温度は１００℃にも達す
るが、上述したように両者の熱膨脹係数が同等であるた
め、シャフト１とスリーブ３との隙間は大きく変化せ
ず、モーターの回転に支障を生じることなく、長期にわ
たって良好に使用することができる。

【００３３】また、上記の例では、ジルコニア製動圧軸
受の摺動相手材としてステンレスを用いたが、相手材と
してその他の金属材やセラミックス等を用いた場合でも
同様である。

【００３４】ところで、本発明で用いるジルコニアセラ
ミックスは、ＺｒＯ₂を主成分とし、安定化剤としてＹ
₂Ｏ₃，ＭｇＯ，ＣａＯ，ＣｅＯ₂，Ｄｙ₂Ｏ₃等の一
種以上を含有し、正方晶の結晶を主体としたものを用い
る。特に、安定化剤としてＹ ₂Ｏ₃を２〜４モル％含有
するもの、ＣｅＯ₂−Ｄｙ₂Ｏ₃を合計で５〜８モル％
含有するもの、ＭｇＯを８〜１５モル％含有するものが
好ましい。

【００３５】そして、上記組成の原料粉末を用いて公知
のプレス成形法等で所定形状に成形し、得られた成形体
を１３００〜１５００℃で焼成し、その表面に動圧発生
溝を加工することによって、本発明の動圧軸受を得るこ
とができる。

【００３６】この時、原料粉末の粒径や、焼成条件を調
整することによって、最終的な焼結体の平均結晶粒径を
４μｍ以下、好ましくは３μｍ以下、さらに好ましくは
０．５μｍ以下とし、かつ理論密度に対する相対密度を
９８％以上、好ましくは９９％以上となるようにする。

【００３７】また、得られた焼結体の表面に動圧発生溝
を形成する場合は、ショットブラスト法を用いる。例え
ば、動圧スラスト軸受２の場合、平板状のジルコニアセ
ラミックスの表面にスパイラル状の溝２ａに合致した形
状のマスキングを形成しておいて、この上からショット
ブラスト加工を施すことによって、所定形状の溝２ａを
形成することができる。また、この時、ジルコニアセラ
ミックスの平均結晶粒径が４μｍ以下であり、かつ相対
密度が９８％以上であることによって、ショットブラス
トによる溝２ａの深さを高精度に加工することができ、
その底面の表面粗さを最大高さ(Rmax)１．５μｍ以下と
滑らかにすることができる。

【００３８】さらに、このようにして形成した溝２ａの
エッジ部に微小なＣ面又はＲ面の面取りを形成すれば、
エッジ部のチッピングを防止することができ、より好適
である。

【００３９】

【実施例】実験例１まず、本発明の動圧軸受を構成する金属製のシャフト１
と、セラミックス製の動圧スラスト軸受２との耐摩耗性
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基礎試験を行った。

【００４０】本発明実施例として表１中ジルコニアセラ
ミックスの試料を用意し、比較例としてアルミナ系セラ
ミックス、窒化珪素系セラミックス、炭化珪素系セラミ
ックスの各試料を用意した。

【００４１】各試料を、乾式無潤滑下の状態で、相手材
にステンレス（ＳＵＳ３０４：ビッカース硬度６．４Ｇ
Ｐａ）のボールを用いて、荷重０．１Ｋｇ、相対摺動速
度０．１〜５ｍ／ｓで摺動試験を行い、摩擦係数、各試
料の摩耗量、相手材の摩耗量を測定した結果を表１に示
す。なお、結果は、速度０．１ｍ／ｓでのジルコニアセ
ラミックスの摩擦係数、摩耗量、相手材摩耗量をそれぞ
れ１とした場合の比率で示した。また、各材質につい
て、ボールを成すステンレスとのビッカース硬度の差も
求めた。

【００４２】表１から明らかなように、比較例であるＮ
ｏ．２〜４は、ビッカース硬度の差が７ＧＰａを超える
ため、相手材（ボール）の摩耗量が大きかった。これに
対し、本発明実施例のＮｏ．１では、ビッカース硬度の
差が７ＧＰａ以下であることから、低速での相手材の摩
耗量が小さく、摩擦係数も低かった。なお、本発明実施
例では、高速領域での相手材の摩耗量が大きかったが、
動圧軸受で最も重要なのはシャフトと軸受が接触する低
速領域での摺動であり、高速領域においては動圧効果に
より既にシャフトは浮上し非接触の状態になるため何等
問題はない。

【００４３】また、各材質の４０〜４００℃の熱膨張係
数を比較したところ、ステンレスの熱膨張係数が１０．
５×１０^-6／℃であるのに対し、アルミナは７．１×１
０^-6／℃、炭化珪素は４．０×１０^-6／℃、窒化珪素は
２．６×１０^-6／℃といずれも熱膨張差が大きかった。
これに対し、ジルコニアセラミックスの熱膨張係数は１
０．５×１０^-6／℃とステンレスとほぼ同等であった。

【００４４】

【表１】

【００４５】実験例２次に、図１に示す動圧スラスト軸受２を様々な材質で形
成し、その耐衝撃性を調べるための衝撃試験と、動圧発
生溝の溝底の表面粗さの違いによるモーターの回転ふれ
量の違いを測定する試験を行った。

【００４６】本発明実施例として、表２のＮｏ．１〜３
に示すように、安定化剤として３モル％のＹ₂Ｏ₃を含
有した部分安定化ジルコニアセラミックスを用い、その
焼成条件を変化させることによって、平均結晶粒径等の
異なるものを用意した。また比較例として、表２のＮ
ｏ．４〜８に示すジルコニア以外の各種材料、及びＮ
ｏ．９〜１１に示すようにジルコニアセラミックスであ
っても相対密度、曲げ強度、平均結晶粒径が本発明の範
囲外であるものを用意した。

【００４７】それぞれ、３ｍｍ×４ｍｍ×５０ｍｍの試
験片を準備し、スパン３０ｍｍで３点曲げにて曲げ強度
を測定した。また、破壊靱性値は圧痕法によるクラック
の大きさより算出し、平均結晶粒径はコード法にて測定
した。さらに、各成分の重量比から理論密度を算出し、
実際に測定した見掛け比重との比により相対密度を算出
した。

【００４８】なお、この実験例では、曲げ強度はＪＩＳ
に規定する試験片で測定したが、最終製品である動圧ス
ラスト軸受２で測定する場合は、この動圧スラスト軸受
２自身又はこれを所定形状に加工したものを用いて同様
の曲げ試験を行い、得られた値を公知の手法によってＪ
ＩＳ試験片での強度に変換すればよい。

【００４９】次に、各種材料を用いて、直径１０ｍｍ、
厚み１ｍｍの動圧スラスト軸受２を形成し、その表面に
ショットブラスト法にて深さ５μｍの溝２ａを形成し
た。この溝２ａの底面を表面粗さ計で測定して最大高さ
(Rmax)を求め、また同じ表面粗さ計で複数の溝２ａの深
さを調べ、そのバラツキ量を求めた。

【００５０】その後、この動圧スラスト軸受２を図１の
装置に組み込んで、３００Ｇの衝撃試験を行った。ま
た、各試料をスピンドルモーターに組み込んで５０００
ｒｐｍで回転させたときのシャフト１の回転振れ量を測
定し、さらにスタート・ストップ試験を１０万サイクル
行った後の状態を調べた。これらの結果を表３に示す。
表２、３から明らかなように、比較例のＮｏ．４〜１０
の曲げ強度が７００ＭＰａ以下のものは、衝撃試験の結
果、変形、割れ、欠け、クラックを発生していた。ま
た、Ｎｏ．４〜７、９のものは、スタート・ストップ試
験の結果、負荷電流が増加したり、モーターがストップ
する等の不都合があった。さらに、比較例のＮｏ．１１
は、平均結晶粒径が４μｍを越えるため溝底面の表面粗
さ(Rmax)が２μｍと大きく、その結果シャフトの回転振
れが０．１５μｍと大きいものであった。

【００５１】これらに対し、本発明実施例であるＮｏ．
１〜３は、曲げ強度７００ＭＰａ以上、破壊靱性５．０
ＭＰａ√ｍ以上であるため、衝撃試験後も異常がなかっ
た。また、平均結晶粒径４μｍ以下、相対密度９８％以
上であるため、溝２ａの深さバラツキを１．０μｍと小
さくでき、溝２ａの底面の表面粗さ(Rmax)を１．５μｍ
と滑らかにすることができた。その結果、シャフトの回
転振れ量を０．１μｍ未満と極めて小さくすることがで
き、スタート・ストップ試験の結果も異常がなかった。

【００５２】特に、Ｎｏ．１、２のように相対密度９９
％以上、平均結晶粒径０．５μｍ以下としたものは、特
に強度、靱性を高くすることができ、好適であった。

【００５３】

【表２】

【００５４】

【表３】

【００５５】

【発明の効果】このように、本発明によれば、ヤング率
２００ＧＰａ以上、熱膨張係数９．０〜１１．０×１０
^-6／℃（４０〜４００℃）、摺動相手材とのビッカース
硬度の差が７ＧＰａ以下の範囲にあるセラミックスから
なり、摺動面に動圧発生溝を備えて動圧軸受を構成した
ことによって、温度変化が生じても熱膨張差による不都
合を解消するこができ、しかも、低速回転時に摺動して
も相手材の摩耗を少なくすることができる。

【００５６】また、本発明によれば、曲げ強度が７００
ＭＰａ以上、平均結晶粒径が４μｍ以下、相対密度９８
％以上のジルコニアセラミックスからなり、表面に動圧
発生溝を備えて動圧軸受を構成したことによって、耐衝
撃性を向上させ、回転振れを小さくし、高い信頼性と長
寿命化をもたらす動圧軸受を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施形態の動圧軸受装置を示す縦断面図
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】ヤング率が２００ＧＰａ以上、４０〜４０
０℃における熱膨張係数が９．０〜１１．０×１０^-6／
℃、摺動相手材とのビッカース硬度の差が７ＧＰａ以下
の範囲にあるセラミックスからなり、摺動面に動圧発生
溝を備えたことを特徴とする動圧軸受。
【請求項２】上記セラミックスが、曲げ強度７００ＭＰ
ａ以上、平均結晶粒径４μｍ以下、理論密度に対する相
対密度が９８％以上のジルコニアセラミックスからなる
ことを特徴とする請求項１記載の動圧軸受。
【請求項３】上記動圧発生溝の底面の表面粗さ(Rmax)が
１．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の
動圧軸受。