JPWO2004072498A1 - 焼結含油軸受 - Google Patents

Abstract

多孔質焼結軸受の気孔に潤滑油を含浸した焼結含油軸受である。潤滑油は、ポリ−α−オレフィンからなる基油と、ヒドロキシステアリン酸２−エチルヘキシルとを含有する。更に、ポリイソブチレン、ポリブテン及びポリアルキルメタクリレートからなる群より選択される少なくとも１種の潤滑性向上剤を配合することができる。

Description

本発明は、高速で摺動する軸を支持する摺動面の摩擦係数が長期間にわたって低く維持される焼結含油軸受に関し、特に、光ディスク装置等に使用されているスピンドルモーター用の軸受として好適な焼結含油軸受に関する。

ＣＤ−ＲＯＭ等のディスクの回転装置に用いられているスピンドルモーター用の軸受には、二つの軸受面を軸方向に間隔を開けて配置した滑り軸受構造のものがある。この二つの軸受面は、ハウジングに２この焼結含油軸受を圧入したり、あるいは、両端側に軸受面が設けられ、その中間部に径が軸より大きい中逃げ部が設けられた１個の焼結含油軸受をハウジングに圧入することによって構成される。スピンドルモーターの回転は毎分数千回転以上の高速であり、このような軸受を使用した時に、ディスク搭載によるアンバランス荷重が加わって、軸受面の周方向に軸が搖れる振れ回りを生じるため、軸受においては、軸受面上の油膜形成が困難になり、摩擦係数が次第に高くなって摩粍の進行が速まる等の問題を生じ易くなる。
従来は、このような問題に対処するために、軸との馴染み性や耐摩耗性に優れた青銅系合金や銅鉄合金等で多孔質焼結軸受を形成し、この軸受に含浸させる潤滑油を下記特許文献１〜４に示されるように種々改良している。
特許文献１では、軸受油の基油がポリオレフィン及びポリオールエステルを含有している。
特許文献２の軸受油は、ポリ−α−オレフィン又はその水素化物を基油とし、−ＯＨ基を有する脂肪酸同士又は−ＯＨ基を有する脂肪酸と−ＯＨ基を有しない脂肪酸とが縮合した２量体以上のオキシ脂肪酸オリゴマーであるエストリド（ｅｓｔｏｌｉｄｅ）とアルコールとのエステルを配合した構成である。
特許文献３は、ポリ−α−オレフィン又はその水素化物を基油とし、この基油に燐酸エステルを配合した構成の潤滑油を開示する。
特許文献４は、本願出願人による先願であり、ポリ−α−オレフィンを基油とし、炭素数１４〜２０の脂肪族１価アルコール（例えばオレイルアルコール）を配合した構成の潤滑油を記載する。
上記文献１〜４によれば、上記の油を含浸した焼結含油軸受は、軸受け面の摩擦係数が低く、低い電流での運転を可能にし、その状態を長期間持続できるとされている。
特許文献１： 特開平９−１２５０８６号公報（第２頁等）
特許文献２： 特開平１０−３６８７０号公報（第２頁等）
特許文献３： 特開平１１−２６９４７５号公報（第２頁等）
特許文献４： 特開２００２−３１０１５６号公報（第２頁等）
しかし、スピンドルモーターの回転数の上昇や消費電力の省力化等の要求に伴って、軸受要素に対して低摩擦化等の摺動特性の向上が更に求められている。

このような背景から、本発明者らは、先願発明（特許文献４）の構成より好ましい知見を得るために、検討を重ねた。本発明は、上記のような要望に応え、軸受の摩擦係数をより一層低減することを可能にし、且つ、低摩擦状態を長期間持続可能な耐久性に優れた焼結含油軸受を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の焼結含油軸受は、多孔質焼結軸受の気孔に潤滑油を含浸した焼結含油軸受であり、潤滑油は、ポリ−α−オレフィンからなる基油と、ヒドロキシステアリン酸２−エチルヘキシルとを含有することを要旨とする。この構成によって、軸受の摺動面の低摩擦を長期間維持でき、例えばスピンドルモーター等の動力源の消費電力がより少なくなる。
上記焼結含油軸受において、上記潤滑油は、０．１〜３質量％の範囲のポリイソブチレン、０．１〜３質量％の範囲のポリブテン、及び、０．５〜３質量％の範囲のポリアルキルメタクリレートのうちの少なくとも１種を含有していることが好ましい。潤滑油は、従来のものと同様に、腐蝕抑制（金属不活性化）剤や酸化防止剤等を含有させることも可能である。

図１は、軸受の性能評価試験に用いられるスピンドルモーターの構造を示す模式断面図である。

以下、本発明の焼結含油軸受の構造を詳細に説明する。
焼結含油軸受は、焼結多孔質金属で形成される焼結軸受と、焼結軸受の気孔に含浸される潤滑油とを有し、潤滑油は、その主成分である基油に、必要に応じて種々の添加剤が配合される。一般的な添加剤には、油性剤、潤滑性向上（粘度指数向上）剤、腐蝕抑制剤、酸化防止剤、極圧剤、清浄分散剤、流動点降下剤等があるが、以下において説明する添加剤は、本発明において特に有効性が高い。焼結軸受及び潤滑油の各成分について以下に説明する。
（１）焼結軸受
本発明において、焼結軸受を構成する軸受材料は、焼結多孔質金属材料であり、その組成としては、青銅系、鉄系、鉄−銅系、青銅−鉄、黄銅−鉄系等のものが適用可能である。スピンドルモーター用軸受としては、特に、鉄系組織中に銅合金が分散した複合材である青銅−鉄系複合材または黄銅−鉄系複合材が好ましい。軸受材料の有効多孔率は、軸受の構造に応じて適宜決定、変更すれば良く、通常、５〜２５％程度（容積百分率）に設定される。焼結含油軸受は、内径全体に連続した１つの平滑な摺動面を構成する形状のものや、内径の軸方向両端に各々摺動面を有し、それらの間に内径が支持する軸より大きい中逃げ形状の中間部が設けられるもの、摺動面に油溝や動圧溝が形成されるもの、内径部と軸方向両端の端面との両方に摺動面を有するもの、等を含む。このような焼結軸受は、原料金属粉末の圧粉成形、非酸化雰囲気中での焼結、サイジング、油含浸の各工程を含む一般的な粉末冶金による製造方法によって作ることができる。摺動面に開口した気孔の量をサイジングによって減少させた軸受が好ましい。但し、気孔が完全に潰されないように、二次加工等で行うサイジングには配慮する必要がある。動圧溝を設ける場合、その形状は、軸方向に平行なもの、ヘリングボーン模様のもの等、種々の形状から適宜選択できるが、溝面の気孔は少ないことが望ましい。
（２）潤滑油
ａ．基油
本発明では、基油としてポリ−α−オレフィンを用いる。ポリ−α−オレフィンは、滑り軸受の潤滑油に必要な潤滑特性、耐熱性、低温特性、熱安定性を備えており、各種鉱油に比べて優れている。使用するポリ−α−オレフィンの組成や性状について特に制限はないが、選択の指標として動粘度を用いるのは非常に有効である。使用するポリ−α−オレフィンの動粘度が低過ぎると、含油軸受の耐荷重性や耐揮発性等が劣る場合があり、動粘度が高過ぎると、潤滑油の流動性が低下して含油軸受の運転初期における摩擦係数が高くなる虞がある。このことから、使用に適したポリ−α−オレフィンの動粘度の範囲を、４０℃において５〜１００ｍｍ^２／秒とすることができる。あるいは、別の指標として粘度指数を用いることもできる。粘度指数が高いものは、潤滑特性及び高温安定性を保持するので好ましく、粘度指数が１１０以上であることを目安として選択することができる。これと関連して、低温域の粘度特性を考慮すると、流動点が−３０℃以下のものを選択して用いることが望ましい。
ｂ．油性剤
本発明の軸受用潤滑油は、油性剤として、ヒドロキシステアリン酸２−エチルヘキシルを含有する。
ヒドロキシステアリン酸２−エチルヘキシルは、ヒドロキシステアリン酸と２−エチルヘキシルアルコールとの縮合反応物であり、産業上において化粧品に添加される油剤として知られているヒドロキシステアリン酸オクチルに属する。ヒドロキシステアリン酸オクチルは、構造異性によって常温で液状のものや半ペースト状のものがあるが、本発明では、常温で液状のヒドロキシステアリン酸２−エチルヘキシルが好適に用いられ、特に好しいものとして、１２−ヒドロキシステアリン酸２−エチルヘキシルが挙げられる。
基油であるポリ−α−オレフィンにヒドロキシステアリン酸２−エチルヘキシルを配合すると、軸受の金属表面への潤滑油の吸着によって滑り特性が向上する。更に、モーターの軸を支持する軸受要素として含油軸受を使用した時の、作動中の摩擦係数の変化が従来の潤滑油に比べて少なくなり、初期の摩擦係数を長期間維持できるという効果が得られる。この効果は含有量の増加に従って増大し、含有割合が潤滑油全体に対して約５質量％以上においては極めて顕著となり、従来の潤滑油の潤滑特性を越える。但し、含有割合が２０質量％を越えた範囲では、含有量の増加に効果が伴わない。従って、経済的な面も考慮すれば、潤滑油全量に対する含有割合が５〜２０質量％であることが好ましい。
ｃ．潤滑性（粘度指数）向上剤
本発明の軸受用潤滑油は、潤滑性を向上させる添加剤として、ポリイソブチレン、ポリブテン、ポリアルキルメタクリレートのうちの少なくとも１種を配合することが好ましい。
ポリイソブチレン及びポリブテン：（−ＣＨ_２Ｃ（ＣＨ_３）_２−）_ｎ、（−ＣＨ_２ＣＨ（Ｃ_２Ｈ_５）−）_ｎ、（−ＣＨ（ＣＨ_３）ＣＨ（ＣＨ_３）−）_ｎは、摩擦係数の低下には寄与しないが、厚みのある潤滑膜を摺動面に形成する効果を奏し、軸受面と軸との金属接触を抑制して軸受の耐摩耗性及び耐久性の向上に寄与する。これらは、分子量によって粘稠液体からゴム状固体までのものがあるが、本発明では、基油に溶解するものを用い、分子量が８００〜２万程度のものが好ましい。分子量の異なるものの混合物を用いてもよく、例えば、分子量が５千程度までと５千程度以上との２種のポリイソブチレンの混合物を好適に使用できる。潤滑油全量に対する割合は、０．１〜３質量％の範囲で配合するのが好ましい。ポリイソブチレン及びポリブテンの両方を添加する場合や、分子量が異なるものを混合して用いる場合には、合計量が上記範囲内となるように調節するのが好ましい。含有割合が０．１質量％未満であると、効果が十分に発揮されず、３質量％を越えると、含有量の増加に効果が伴わない。
ポリアルキルメタクリレートは、金属表面への吸着によって摺動部の金属接触を低減させる。更に、摺動による温度上昇に伴う分子変化によってフリクションポリマーとして作用して、負荷が大きい条件下での摩擦を低下させる効果を奏する。ポリアルキルメタクリレートのアルキル基は、直鎖状飽和炭化水素でも枝鎖を有するものでもよく、好ましくは、例えばポリメチルメタクリレート、ポリエチルメタクリレートなどのようにアルキル基の炭素数が１〜１８で、分子量が１０^４〜１．５×１０^６のものを用いる。潤滑油全量に対する割合が０．５〜３質量％の範囲で配合するのが好ましく、含有割合が０．５質量％未満であると、効果が十分に発揮されず、３質量％を越えると、軸の作動によってスラッジを形成し易くなるため、耐久性を低下させる虞がある。
ｄ．潤滑油に含まれるその他の添加剤
本発明の軸受用潤滑油は、前述の添加剤以外のものを含む必要はないが、焼結軸受の材質や焼結含油軸受の使用環境等に応じて、腐触抑制（金属不活性化）剤や酸化防止剤等の添加剤を配合することができる。
腐触抑制剤としては、例えば、ベンゾトリアゾール及びその誘導体が挙げられ、これらには、金属表面に不活性被膜を形成する作用や酸化防止作用がある。
酸化防止剤としては、例えば、４，４’−メチレン−ビス（２，６−ジ−ｔｅｒｔ−ブチルフェノール）や、２，６−ジ−ｔｅｒｔ−ブチル−４−メチルフェノール等のフェノール化合物；ジ（オクチルフェニル）アミンやフェニル−α−ナフチルアミン等のアミン化合物が挙げられる。
前記腐触抑制剤及び酸化防止剤の添加量は、潤滑油全量に対する割合が０．０５〜２質量％程度になることを目安とすればよい。

以下、実施例を参照して、本発明の焼結含油軸受について更に詳細に説明する。
（焼結軸受）
軸受素材として鉄銅系焼結合金を採用して焼結軸受を製造した。詳細には、鉄、銅、亜鉛及び錫の各単味金属粉末を混合して、組成が質量比でＣｕ：５５％、Ｚｎ：６％、Ｓｎ：２％、Ｆｅ及びその他金属不純物：残部である金属混合粉末を調製した。この金属混合粉末を圧粉成形して、軸受形状を有する密度６．６Ｍｇ／ｍ^３の成形体を得た。この成形体を水素及び窒素の混合ガス雰囲気中で７８０℃の温度で焼結して、多孔質焼結合金からなる焼結体を得た。この焼結体は、鉄（フェライト）マトリクス中に銅合金相が分散した金属組織構造を有し、有効多孔率が２０％であった。得られた焼結体をサイジングして、図１に示すような、軸方向両端部に軸受部があり、それらの間に内径が軸受部より大きい中逃げ形状の中間部が形成された焼結軸受１を得た。
（潤滑油）
表１の配合割合に従って各成分を混合して、実施例１〜９及び比較例１〜２の潤滑油を調製した。表１中、ＰＡＯはポリ−α−オレフィン（ＩＳＯ ＶＧ１８相当の粘度グレードのもの）、ＨＳＥＨは１２−ヒドロキシステアリン酸２−エチルヘキシル、ＰＡＭＡは非分散型ポリアルキルメタクリレート（アルキル炭素数：平均１２、分子量：約７００００）、ＰＩＢはポリイソブチレン（分子量：約１００００）、ＯＡはオレイルアルコールを示し、各成分の配合割合は質量％で表示する。又、「その他」として配合した成分は、酸化防止剤として２，６−ジ−ｔｅｒｔ−ブチル−４−メチルフェノール０．１質量％及び腐触防止剤としてベンゾトリアゾール１．１質量％である。
従って、実施例１〜３の潤滑油は、ポリ−α−オレフィンを基油とし、フェノール系酸化防止剤０．１質量％、ベンゾトリアゾール系腐触防止剤１．１質量％及び５〜２０質量％の範囲のヒドロキシステアリン酸２−エチルヘキシルを含有する。又、実施例４，５の潤滑油は、更に潤滑性向上剤としてポリイソブチレンを含有し、実施例６の潤滑油は、潤滑性向上剤としてポリイソブチレン及びポリアルキルメタクリレートを含有する。実施例７の潤滑油は、実施例６よりポリアルキルメタクリレートを多く含有する。
実施例８の潤滑油は、実施例１よりヒドロキシステアリン酸２−エチルヘキシルの含有量が少ない。実施例９の潤滑油は、実施例３よりヒドロキシステアリン酸２−エチルヘキシルの含有量が多い。比較例１の潤滑油は、ヒドロキシステアリン酸２−エチルヘキシルを含まない。比較例２の潤滑油は、特開２００２−３１０１５６号公報に記載される潤滑油に相当し、ヒドロキシステアリン酸２−エチルヘキシルを含有せず、その代わりにオレイルアルコール１０質量％を含有する。

（油含浸）
前述で製造した焼結軸受に、実施例１〜９及び比較例１〜２の各潤滑油を真空含浸し、実施例１〜９及び比較例１〜２の各焼結含油軸受を得た。
（性能試験）
前述で得た各焼結含油軸受を用いて、図１に示すようなスピンドルモーターの構造を有する試験装置を構成した。
詳細には、上部が開口したカップ状ハウジング２の円筒形状の内径に、焼結含油軸受１を圧入した。この試験装置のハウジング２の内底部は、シャフト４末端の球面をスラスト受けするためのスラスト受け部３を構成している。ハウジング２の外周には、コイル７を巻回したコアが備えられている。シャフト４の直径は３ｍｍであり、シャフト４の上部には、マグネット５を内周に有したロータヨーク６及びロータ８が固定されている。従って、この試験装置は、コイル７に通電することによってロータヨーク６がシャフト４を軸として回転する。
尚、上記試験装置において、試験条件として回転アンバランスが１ｇ・ｃｍとなるように、ロータ８に錘を接着樹脂で固着した。
上記試験装置の回転数が１００００ｒｐｍになるようにコイル７に印加する電圧を調節してロータ８を回転し、回転初期にコイル７に流れる初期電流値（単位：Ａ）を測定した。回転数が変化しないように電圧を調節しながら運転を続けると、装置の運転を初めてから１時間以内に回転は安定化し、電流値は初期電流値より多少低い値で一定になるので、この時の運転条件を保持して運転を継続した。この後、ロータ８の回転数が５００ｒｐｍ以上低下する（９５００ｒｐｍ未満になる）時までの運転時間（単位：ｈ）を測定した。得られた初期電流値及び運転時間を表２に示す。
初期電流値は、焼結含油軸受の摺動面の摺動摩擦が増加するに従って大きくなるので、摺動特性の評価目安となる。又、上記運転時間は、軸受の初期の摺動特性を維持可能な時間に相当し、耐久性の評価目安となる。

（評価）
上記試験装置の運転条件は、焼結含油軸受の実際の使用状況より過酷であり、実用を勘案した評価に十分な条件と言える。
実施例１〜３の焼結含油軸受は、いずれも、初期電流値が比較例１，２のものに比べて低く、摺動摩擦が少ないことを示している。加えて、回転数が低下するまでの運転時間がかなり長く、摺動特性が維持される寿命が長いことが理解される。一方、実施例８においては、初期電流値は実施例１〜３と同様に低いが、運転時間が相対的に短い。これらのことから、潤滑油にヒドロキシステアリン酸２−エチルヘキシルを添加することによって摺動摩擦を低減することができ、その配合割合を５質量％程度以上にすることによって、摺動摩擦が低い初期の摺動特性を維持可能な運転時間を従来の潤滑油より長くすることが可能であることが解る。
又、実施例４〜７の結果から、更に潤滑性向上剤としてポリアルキルメタクリレートやポリイソブチレンを潤滑油に添加することによって、運転時間つまり寿命が更に長くなることが解る。但し、実施例６，７の結果を比較すると、ポリアルキルメタクリレートの添加量が過剰であると、回転数が低下するまでの運転時間がかえって短くなり、潤滑特性の劣化が速くなる。

本発明によれば、多孔質軸受の気孔内に含浸させる潤滑油の組成を工夫することによって、摺動摩擦が小さく、低摩擦状態が長期間にわたって維持可能な摺動特性を備える焼結含油軸受が得られ、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤ−ＲＯＭ等のディスク回転装置に搭載されるスピンドルモーター用として好適な焼結含油軸受を提供することができるので、ディスク回転装置の省電力化及び性能向上に寄与することができる。又、焼結含油軸受の用途が広がる。

Claims (10)

1. 多孔質焼結軸受の気孔に潤滑油を含浸した焼結含油軸受であって、前記潤滑油が、ポリ−α−オレフィンからなる基油と、ヒドロキシステアリン酸２−エチルヘキシルとを含有することを特徴とする焼結含油軸受。
2. 前記ヒドロキシステアリン酸２−エチルヘキシルの含有割合は、前記潤滑油全体に対して５質量％以上である請求の範囲１記載の焼結含油軸受。
3. 前記ヒドロキシステアリン酸２−エチルヘキシルの含有割合は、前記潤滑油全体に対して２０質量％以下である請求の範囲１又は２記載の焼結含油軸受。
4. 前記潤滑油は、更に、ポリイソブチレン、ポリブテン及びポリアルキルメタクリレートからなる群より選択される少なくとも１種の潤滑性向上剤を含有する請求の範囲１〜３のいずれかに記載の焼結含油軸受。
5. 前記ポリイソブチレン及び／又はポリブテンの含有割合は、前記潤滑油全体に対して０．１〜３質量％以上である請求の範囲４記載の焼結含油軸受。
6. 前記ポリアルキルメタクリレートの含有割合は、前記潤滑油全体に対して０．５〜３質量％以上である請求の範囲４又は５記載の焼結含油軸受。
7. 前記多孔質焼結軸受は、青銅、鉄、鉄−銅、青銅−鉄及び黄銅−鉄からなる群より選択される組成の焼結多孔質金属材料で構成され、有効多孔率が５〜２５％である請求の範囲１〜６のいずれかに記載の焼結含油軸受。
8. 前記多孔質焼結軸受は、青銅−鉄複合材又は黄銅−鉄複合材で構成される請求の範囲１〜６のいずれかに記載の焼結含油軸受。
9. 前記ポリ−α−オレフィンは、動粘度が４０℃において５〜１００ｍｍ^２／秒であり、粘度指数が１１０以上であり、流動点が−３０℃以下である請求の範囲１〜８のいずれかに記載の焼結含油軸受。
10. スピンドルモーター用軸受として用いられる請求の範囲１〜９のいずれかに記載の焼結含油軸受。

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