JPH1182485A - 動圧軸受装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】静電気を適度な速度で除去して静電気による装
置の誤動作を防止することができるとともに、耐摩耗
性、摺動性に優れ長期間良好に使用できる動圧軸受装置
を提供する。 【解決手段】軸受部材２とシャフト１の少なくとも一方
を体積固有抵抗値が１０⁵ 〜１０⁹ Ω・ｃｍのジルコニ
アセラミックスで形成するとともに、その表面に動圧発
生溝２ａを形成して動圧軸受装置を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、例えばレーザビー
ムプリンタのポリゴンミラー、フロッピーディスクドラ
イブ（ＦＤＤ）装置、ハードディスクドライブ（ＨＤ
Ｄ）装置、ＶＴＲ、ＣＤ−ＲＯＭドライブ装置等のモー
タに用いられる動圧軸受装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のモータ用軸受装置は、球軸受と含
油軸受を積み重ねた構造をとっている。しかし、この軸
受装置では、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。

【０００３】例えば、ＦＤＤ装置のスピンドルモータの
薄型化を図る場合、軸受装置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、動圧
効果を生み出すスパイラル溝を形成した動圧軸受装置が
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回転軸を浮上させ、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】動圧軸受装置の構成としては、例えば図１
に示すように、固定したシャフト１にてスリーブ３が回
転可能に支持されており、シャフト１の側面にヘリング
ボーン状の動圧発生溝１ａを備え、軸受部材であるスリ
ーブ３の内周面の間でラジアル方向の動圧軸受装置を構
成してある。一方、シャフト１の端面と対向する位置に
はスラスト方向の軸受部材２が備えられ、この軸受部材
２の表面には図２に示すようにスパイラル状の動圧発生
溝２ａを形成し、回転時に油や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方向の動
圧軸受装置が構成されている。

【０００６】ここで、重要な要素はシャフト１の端面と
軸受部材２で構成されるスラスト方向の動圧軸受装置で
ある。即ち、縦型モータでのラジアル方向は、シャフト
１の外径とスリーブ３の内径がほぼ等しい為に、接触に
より傷がついたり、面が剥離することはほとんど無い。
これに対し、スラスト方向は回転部の自重、マグネット
とステータの吸引力等のスラスト力が全てシャフト１の
端面と軸受部材２の接触部にかかることになり、スター
ト・ストップ時や、低速回転時に両者が接触回転するた
め、厳しい条件で使用されることになる。

【０００７】また、軸受部材２の表面に形成されたスパ
イラル状の動圧発生溝２ａの深さは極めて高精度に仕上
がっている。この動圧軸受装置を構成するシャフト１及
び軸受部材２は、いずれも金属材からなり、具体的には
ステンレス等の焼き入れ材を使用していた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、動圧軸
受装置を構成するシャフト１と軸受部材２を金属同志で
構成した場合、金属同志の接触による摩耗が生じたり、
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り、長期の使用において信
頼性の面で問題を有していた。

【０００９】また、動圧軸受装置に大きなスラスト荷重
が加わるような場合、もしくは動圧軸受装置の構造とし
て軸受部材２のネジ止めを必要とするような場合には、
荷重による負荷や、ネジ止め時の締めつけの負荷によ
り、従来の金属材からなる軸受部材２では撓みを生じる
という問題があった。これにより、スパイラル状の溝２
ａを高精度に仕上げても撓みによって溝深さのばらつき
が生じて安定した動圧効果を得られない等の問題があっ
た。

【００１０】上記問題に対し、シャフト１もしくは軸受
部材２のいずれか一方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６０−１４６１５号、特開昭６
３−１６３０１６号公報等参照）が、これらのセラミッ
クスは絶縁材料であるため、摺動時に発生する静電気を
逃がすことができないという問題があった。

【００１１】そのため、セラミックスを用いた動圧発生
軸受装置では、ＨＤＤ装置等において磁気ヘッドの静電
破壊を引き起こすという致命的な問題を発生させてい
た。これは、磁気記録の高密度化のために使用されてい
るＭＲヘッドが静電気に対して非常に弱いためであり、
さらに次世代の磁気ヘッドをとして研究されているＧＭ
Ｒヘッドは、これよりも４０％少ない電流でも破壊する
程弱いものである。

【００１２】本発明は上記課題に鑑みてなされたもの
で、接触回転しても軸受部材自身及び接触する相手の回
転軸の摩耗を小さくし、また荷重に対する変形を小さく
することにより安定した性能を確保し、さらに摺動時に
発生する静電気を逃がし得るような動圧軸受装置を提供
することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、軸受部材とシ
ャフトの少なくとも一方を体積固有抵抗値が１０⁵ 〜１
０⁹ Ω・ｃｍのセラミックスで形成するとともに、その
表面に動圧発生溝を形成して動圧軸受装置を構成したこ
とを特徴とする。

【００１４】また、本発明は、上記セラミックスが、主
成分であるＺｒＯ₂ と安定化剤の合計１００重量％に対
して、導電性付与材としてＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｎ
ｂ，Ｓｎの酸化物の一種以上を１５〜６５重量部含有し
たものであることを特徴とする。

【００１５】即ち、１０⁵ 〜１０⁹ Ω・ｃｍの体積固有
抵抗値をもったジルコニアセラミックスを用いることに
よって、摺動時に発生する静電気を逃がすとともに、剛
性を高めて変形を防止し、かつ耐摩耗性を向上させるこ
とができる。

【００１６】ここで、体積固有抵抗値を上記範囲に設定
したのは、１０⁵ Ω・ｃｍ未満にするとジルコニアセラ
ミックスの機械的特性が低下するとともに、静電気が一
気に除去されて大気摩擦で放電作用を起こす恐れがあ
り、一方１０⁹ Ω・ｃｍを超えると静電気を除去する効
果が乏しくなるためであり、好ましくは１０⁶ 〜１０⁹
Ω・ｃｍの範囲が良い。

【００１７】また、本発明ではジルコニアを主成分とす
るセラミックスを用いることによって、摺動性を向上で
きるとともに、強度、靱性を向上させることができる。
そのため、この動圧軸受装置を備えたモータ等を例えば
携帯型パソコン等に搭載すれば、衝撃が加わっても動圧
軸受装置の破損等を防止できる。

【００１８】ここで、ジルコニアセラミックスの添加成
分の範囲を上述したように限定したのは、各種金属酸化
物の添加量が１５重量％未満では抵抗値を下げる効果が
小さく、６５重量％を超えると焼結体の機械的特性が低
下するためである。この範囲とすれば、体積固有抵抗は
１０⁵ 〜１０⁹ Ω・ｃｍの範囲となり、静電気を除去で
きるとともに、曲げ強度６５０ＭＰａ以上と十分に大き
な機械的強度を維持することができる。

【００１９】なお、据え置き型パソコンに実装する場合
など、特に強度を必要としない場合は、アルミナ、炭化
珪素、窒化珪素などを主成分とするセラミックスや、あ
るいはアルミナを主成分としてジルコニアを添加したセ
ラミックスなどを用いて、各種添加剤を加えて上記体積
固有抵抗値の範囲内としたものを用いることもできる。

【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、固定したシャフト１に
てスリーブ３が回転可能に支持されており、このスリー
ブ３に接続された部材がシャフト１の回りで高精度に回
転できるようになっている。

【００２２】上記シャフト１の側面にヘリングボーン状
の動圧発生溝１ａを備え、軸受部材を成すスリーブ３の
内周面の間でラジアル方向の動圧軸受装置を構成してあ
る。一方、シャフト１の端面と対向する位置にはスラス
ト方向の軸受部材２が備えられ、この軸受部材２の表面
には図２に示すようにスパイラル状の動圧発生溝２ａを
形成し、回転時に油や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方向の動圧軸受装
置が構成されている。

【００２３】そして、上記軸受部材２が体積固有抵抗値
１０⁵ 〜１０⁹ Ω・ｃｍのジルコニアセラミックスから
なり、この軸受部材２とシャフト１の端面の間で本発明
の動圧軸受装置を構成してある。

【００２４】この動圧軸受装置では、スタート・ストッ
プ時や低速回転時にはシャフト１の端面と軸受部材２が
接触回転し、高速回転時には浮上して非接触状態とな
る。そして、上記接触回転する際に静電気が生じても軸
受部材２の体積固有抵抗値が１０⁵ 〜１０⁹ Ω・ｃｍで
あるため、適度な速度で静電気を除去することができ
る。

【００２５】また、上記のように接触回転した場合に、
ジルコニアセラミックス製の軸受部材２は金属材等から
なるシャフト１との摺動性に優れるため、互いの摩耗量
を少なくすることができる。

【００２６】しかも、ジルコニアセラミックス製の軸受
部材２は強度、靱性が高いため、携帯パソコン等に搭載
した場合に衝撃が加わっても破損する恐れを防止でき
る。

【００２７】なお、上記軸受部材２を成すジルコニアセ
ラミックスは、主成分であるＺｒＯ₂ と安定化剤の合計
１００重量％に対して、導電性付与材としてＦｅ，Ｎ
ｉ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｎｂ，Ｓｎの酸化物の一種以上を１５
〜６５重量部含有したものである。

【００２８】ここで、安定化剤としては、Ｙ₂ Ｏ₃ 、Ｍ
ｇＯ、ＣａＯ、ＣｅＯ₂ 、Ｄｙ₂ Ｏ₃ 等の一種以上を含
有することによって、正方晶の結晶を主体とした部分安
定化ジルコニアセラミックスとする。そのためには、例
えば安定化剤としてＹ₂ Ｏ₃を用いる場合は１〜５モル
％の範囲内で含有させれば良い。

【００２９】また、上記ＺｒＯ₂ と安定化剤の合計１０
０重量部に対して、導電性付与剤としてＦｅ，Ｎｉ，Ｃ
ｏ，Ｃｒ，Ｎｂ，Ｓｎの酸化物の一種以上を１５〜６５
重量部添加することによって、ジルコニアセラミックス
本来の機械的特性を維持したまま、上述した体積固有抵
抗値の範囲内とすることができる。

【００３０】このようなジルコニアセラミックスで上記
軸受部材２を製造する場合は、予め上記範囲となるよう
に調合した原料粉末を用いて、所定の板状体に加圧成形
し、大気中１３５０〜１５００℃で焼成する。その後、
表面にサンドブラスト処理等で所定形状の動圧発生溝２
ａを形成すれば良い。

【００３１】なお、他の実施形態として、上記とは逆
に、シャフト１を体積固有抵抗値が１０⁵ 〜１０⁹ Ω・
ｃｍのジルコニアセラミックスで形成してその端面に動
圧発生溝を形成し、金属等からなる軸受部材２と組み合
わせて動圧軸受装置を構成することもできる。

【００３２】あるいは、ラジアル方向についても本発明
の動圧軸受装置を適用することができる。

【００３３】また、本発明の動圧軸受装置は、上述した
ＶＴＲのスピンドルモータに限らず、ＦＤＤ装置、ＨＤ
Ｄ装置、ＬＢＰのスピンドルモータ等さまざまな分野で
使用することができる。例えば、上述したＶＴＲのスピ
ンドルモータに用いる場合は３０００ｒｐｍ程度の回転
数で使用するが、ＨＤＤ装置の場合は７０００ｒｐｍ程
度、ＬＢＰのスピンドルモータでは２００００ｒｐｍ程
度と非常に高速で使用されることになる。

【００３４】この時、シャフト１と軸受部材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、軸受部材２が耐摩耗性、摺動性に優れた
材質からなるため、各部材の摩耗量を少なくし長期間に
わたって良好に使用することができる。

【００３５】なお、他の実施形態として、上記シャフト
１又は軸受部材２を、ジルコニア以外のセラミックスと
して、導電性アルミナセラミックス、炭化珪素質セラミ
ックス、チタニア系セラミックス等で形成することもで
きる。

【００３６】導電性アルミナセラミックスとしては、６
５〜８５重量％のＡｌ₂ Ｏ₃ を主成分とし、導電性付与
剤としてＦｅ₂ Ｏ₃ 、ＮｉＯ、Ｃｏ₃ Ｏ₄ 、Ｃｒ₂ Ｏ₃
のうち一種以上を１５〜３５重量％の範囲で含有し、残
部をＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｉＯ₂ 等の焼結助剤とし、大気
雰囲気中で焼成したものを用いる。

【００３７】炭化珪素質セラミックスとしては、９０〜
９８重量％のＳｉＣを主成分とし、焼結助剤としてＡｌ
₂ Ｏ₃ を１〜７重量％とＹ₂ Ｏ₃ 、ＣｅＯ₂ を合計で１
〜５重量％の範囲でそれぞれ添加し、真空中または不活
性ガス雰囲気中で焼成したものを用いれば良い。このよ
うに、上記範囲で焼結助剤をそれぞれ添加することによ
り焼結性を高め、靱性を向上させることができる。

【００３８】また、チタニア系セラミックスとしては、
ＴｉＯ₂ ５０〜９９重量％で、残部がＢａＯ、ＣａＯ、
ＳｒＯ、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＺｒＯ₂ 、ＳｉＯ₂ 、ＭｇＯのう
ち一種又は二種以上からなるチタニア系セラミックスを
所定形状に成形し、焼成した後、還元雰囲気、不活性雰
囲気または真空中などの非酸化性雰囲気にて９００〜１
２００℃で加熱処理したものを使用すれば良い。

【００３９】これらのセラミックスについても、体積固
有抵抗値を１０⁵ 〜１０⁹ Ω・ｃｍ、好ましくは１０⁶
〜１０⁹ Ω・ｃｍの範囲内とすれば、適度な速度で静電
気を除去することができる。

【００４０】

【実施例】実験例１ 動圧軸受装置を構成するセラミックスとして、表１に示
すように本発明及び比較例の組成からなる各種セラミッ
クスについて、機械的特性と電気的特性の評価を行っ
た。

【００４１】機械的特性としては３点曲げ強度とビッカ
ース硬度の測定を行った。まず、各種セラミックスを３
×４×４０ｍｍの試験片に加工し、ＪＩＳ Ｒ１６０１
に基づき３点曲げ強度を測定した。また、硬度は別の試
料を用いてマイクロビッカース硬度計を用いて測定し
た。

【００４２】次に、電気特性として、体積固有抵抗と静
電記の除去具合を確認した。体積固有抵抗は４端子法で
測定した。また、静電気の除去具合については、２．５
×６×４０ｍｍの試験片を準備し、一方端に１０００Ｖ
の電圧を印加した時の、他方端における電圧値が１００
Ｖになるまでの降下時間を測定した。

【００４３】それぞれの結果は表１に示す通りである。
この結果より、導電性付与剤の含有量が１５重量部未満
のもの（Ｎｏ．１、２）では、体積固有抵抗が１０¹⁰Ω
・ｃｍ以上と高く、静電気の除去降下が得られなかっ
た。また、導電性付与剤が６５重量％よりも多いもの
（Ｎｏ．６）では、曲げ強度が６５０ＭＰａ以下にまで
低下した。

【００４４】これらに対し、本発明の範囲内のもの（Ｎ
ｏ．３〜５、７〜１６）は、体積固有抵抗が１０⁵ 〜１
０⁹ Ω・ｃｍの範囲内であり、静電気の除去具合につい
ても、電圧降下時間が０．１〜２０秒と適度な速度で静
電気を逃がすことができ、しかも曲げ強度も６５０ＭＰ
ａ以上と高かった。

【００４５】

【表１】

【００４６】実験例２ 次に、本発明の動圧軸受装置を構成するシャフト１、軸
受部材２の耐摩耗性と摺動性を調べるために、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。

【００４７】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を用意
し、一方、本発明実施例としてジルコニアを主成分とし
てＦｅ₂ Ｏ₃ を１５重量％、６５重量％添加したものを
用意し、これらのセラミックスをディスク型に加工し
た。

【００４８】一方、摺動相手材としてシャフト１を成す
高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）のボールを用い、この
ボールを上記セラミックスからなるディスクに押しつけ
た状態でディスクを回転させ、摩擦係数、ディスクの摩
耗量、相手材であるボールの摩耗量をそれぞれ測定し
た。

【００４９】試験条件は、乾式無潤滑下の状態で、荷重
は、実際のロータとディスクの重量に相当する０．１ｋ
ｇに設定した。相対摺動速度は１２０００ｒｐｍまでに
相当する０．１〜５ｍ／秒で摺動試験を行った。

【００５０】結果を表２に示す。なお、この結果は、速
度０．１ｍ／秒でのＦｅ₂ Ｏ₃ を１５重量％添加したジ
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とした時の比率で示した。

【００５１】この結果より明らかなように、比較例（Ｎ
ｏ．１〜３）に対し、本発明実施例（Ｎｏ．４，５）で
はディスク自体の摩耗量が極めて小さくなっている。ま
た、相手材摩耗量については、本発明実施例は比較例に
比べて低速領域において極めて小さく、逆に高速領域で
は大きくなっている。しかし、動圧軸受装置で最も重要
なものはシャフトと軸受部材が接触する低速領域での摺
動であり、この低速領域では本発明実施例は相手材摩耗
量が非常に小さいことがわかる。なお、高速領域ではシ
ャフトは非接触状態となるため問題はない。

【００５２】このように、本発明実施例は、動圧軸受装
置に要求される摺動性に最も優れていることがわかる。

【００５３】

【表２】

【００５４】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、軸受部材
とシャフトの少なくとも一方を体積固有抵抗値が１０⁵
〜１０⁹ Ω・ｃｍのジルコニアセラミックスで形成する
とともに、その表面に動圧発生溝を形成して動圧軸受装
置を構成したことによって、静電気を適度な速度で除去
して静電気による装置の誤動作を防止することができる
とともに、溝の変形を防止し、かつ摺動性、耐摩耗性、
強度、靱性に優れ長期間良好に使用することのできる動
圧軸受装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の動圧軸受装置を示す断面図である。

【図２】本発明の動圧軸受装置に用いる軸受部材の平面
図である。

【符号の説明】

１：シャフト ２：軸受部材 ２ａ：動圧発生溝 ３：スリーブ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】軸受部材とシャフトの少なくとも一方を体
   積固有抵抗値が１０⁵ 〜１０⁹ Ω・ｃｍのセラミックス
   で形成するとともに、その表面に動圧発生溝を形成して
   なる動圧軸受装置。
2. 【請求項２】上記セラミックスが、主成分であるＺｒＯ
   ₂ と安定化剤の合計１００重量部に対して、導電性付与
   材としてＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｎｂ，Ｓｎの酸化物
   の一種以上を１５〜６５重量部含有したものであること
   を特徴とする請求項１記載の動圧軸受装置。