KR20160058765A

KR20160058765A - 소결 금속 베어링, 및 이 베어링을 구비한 유체 동압 베어링 장치

Info

Publication number: KR20160058765A
Application number: KR1020167005646A
Authority: KR
Inventors: 신지 코마츠바라
Original assignee: 엔티엔 가부시키가이샤
Priority date: 2013-09-24
Filing date: 2014-09-05
Publication date: 2016-05-25
Also published as: EP3051156A1; JP2015064019A; KR102206759B1; EP3051156A4; JP6199675B2; US20160230769A1; CN105579720B; EP3051156B1; US10415573B2; WO2015045813A1; CN105579720A

Abstract

원료 분말을 압축 성형한 것을 소결함으로써 형성된 다공질체로서, 내주면(8a)에 동압 발생부를 설치한 소결 금속 베어링(8)에 있어서, 동압 발생부로서 원주 방향에 대하여 경사지게 한 복수의 동압 홈(8a1)을 배열해서 이루어지는 동압 홈 배열 영역(A1, A2)이 축 방향으로 연속해서 형성되고, 축 방향 치수(L)가 6㎜ 이하로 됨과 아울러, 밀도비가 80% 이상이며 또한 95% 이하로 되어 있다.

Description

소결 금속 베어링, 및 이 베어링을 구비한 유체 동압 베어링 장치{SINTERED METAL BEARING AND FLUID-DYNAMIC BEARING DEVICE PROVIDED WITH SAID BEARING}

본 발명은 소결 금속 베어링, 및 이 베어링을 구비한 유체 동압 베어링 장치에 관한 것이다.

소결 금속 베어링은 내부 기공에 윤활유를 함침시켜서 사용되는 것으로서, 내주에 삽입된 축의 상대 회전에 따라 내부에 함침된 윤활유가 축과의 슬라이딩부에 스미기 시작해서 유막을 형성하고, 이 유막을 통해서 축을 회전 지지하는 것이다. 이러한 소결 금속 베어링은 그 뛰어난 회전 정밀도 및 정숙성으로부터, 정보 기기를 비롯하여 여러 가지 전기 기기에 탑재되는 모터용의 베어링 장치로서, 보다 구체적으로는 HDD나, CD, DVD, 블루레이 디스크용의 디스크 구동 장치에 있어서의 스핀들 모터의 베어링 용도로서, 또는 레이저빔 프린터(LBP)의 폴리곤 스캐너 모터, 팬 모터 등의 베어링 용도로서 바람직하게 이용되고 있다.

이러한 종류의 소결 금속 베어링에 있어서는, 더 나은 정음성(靜音性) 향상 및 고수명화를 노리고, 상기 베어링의 내주면 및/또는 끝면에 동압 발생부로서의 동압 홈을 소정의 형태로 배열한 것이 알려져 있다. 이 경우, 동압 홈을 성형하는 방법으로서, 소위 동압 홈 사이징이 제안되어 있다. 이 사이징은, 예를 들면 소결체를 다이의 내주에 압입함과 아울러, 상하 펀치로 축 방향으로 압박함으로써 미리 소결체의 내주에 삽입해 둔 사이징 핀 외주의 성형틀에 소결체를 물리게 한다. 이에 따라, 소결체의 내주면에 성형틀의 형상, 즉 동압 홈에 대응한 형상이 전사되어 동압 홈이 소정의 형상으로 성형된다(예를 들면, 특허문헌 1을 참조).

상술한 동압 홈의 배열 형태로서는, 예를 들면 복수의 동압 홈을 배열한 영역을 축 방향으로 격리해서 베어링 내주면의 2개소에 형성한 것이 있다. 이 동압 홈 배열 영역에 있어서는 각 동압 홈 배열 영역의 축 방향 중앙을 향해서 윤활유의 인입을 발생시키는 방향으로 동압 홈이 배열되어 있기 때문에, 배열 영역간에서의 부압의 발생을 방지하는 목적으로 내주면 또는 이것에 대향하는 축의 외주면에 윤활유 고임부로서의 오목부(베어링측이라면 대경부, 축측이라면 소경부)를 형성한 것이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 2를 참조).

일본 특허 제 3607492호 공보 일본 특허 제 4006810호 공보

그런데, 최근에는 정보 기기의 소형화, 박육화에 따라, 정보 기기에 탑재되는 각종 모터에 대해서도 소형화가 요구되고 있다. 예를 들면, 노트북 등에 사용되는 냉각용 팬 모터는 박형화하고 있고, 이 모터에 사용되는 베어링 장치에도 박형화가 요구되고 있다. 그 한편으로, 냉각 성능은 종래와 동등한 레벨이 요구되기 때문에 임펠러(팬)의 사이즈를 크게 하거나 하여 대응할 필요가 있다. 그런데, 이렇게 팬을 거대화하면 그만큼 회전체 중량이 증가하기 때문에, 베어링에 작용하는 부하는 오히려 증가한다. 부하의 증가에 대응하기 위해서는 베어링 강성을 높이는 것이 좋고, 그러기 위해서는 예를 들면 동압 홈의 길이(길이 방향 치수)를 증가시키는 방법이 생각된다.

그러나, 특허문헌 2에 기재된 바와 같이 동압 홈 배열 영역을 내주면의 2개소에 형성한 소결 금속 베어링에서는 동압 홈의 길이를 증가시키려고 해도 모터 및 이것에 장착되는 유체 동압 베어링 장치에 대해서도 박육화의 요청이 있기 때문에, 소결 금속 베어링의 축 방향 치수 자체는 오히려 축소의 방향에 있다. 그 때문에, 동압 홈의 길이를 신장시키는 것은 어렵다. 이것을 억지로 신장시키려고 하면, 필연적으로 배열 영역간의 영역(예를 들면, 베어링 내주면에 형성한 윤활유 고임부로서의 오목부)의 축 방향 치수를 축소하게 되기 때문에, 이 오목부에서 유지할 수 있는 윤활유의 체적도 감소한다. 이래서는 상기 영역에 부압이 발생함으로써 기포가 발생하고, 베어링 간극으로의 침입에 의한 베어링 성능의 저하나, 기포의 팽창에 의한 윤활유의 버퍼 용적의 감소가 염려된다.

이상의 사정을 감안하여, 유체 동압 베어링 장치의 소형화를 도모하면서도 베어링 내부 공간에서의 부압의 발생을 방지하고, 필요 충분한 베어링 강성을 발휘할 수 있는 소결 금속 베어링을 제공하는 것을 본 발명에 의해 해결해야 할 기술적 과제로 한다.

상기 과제의 해결은 본 발명에 의한 소결 금속 베어링에 의해 달성된다. 즉, 이 베어링은 원료 분말을 압축 성형한 것을 소결함으로써 형성된 다공질체로서, 내주면에 동압 발생부를 설치한 소결 금속 베어링에 있어서, 동압 발생부로서 원주 방향에 대하여 경사지게 한 복수의 동압 홈을 배열해서 이루어지는 동압 홈 배열 영역이 축 방향으로 연속해서 형성되고, 축 방향 치수가 6㎜ 이하로 됨과 아울러, 베어링 전체의 밀도비가 80% 이상이며 또한 95% 이하로 되는 점으로 특징지어진다. 또한, 여기에서 말하는 「밀도비」란 소결 금속 베어링을 이루는 다공질체의 밀도를, 그 다공질체에 기공이 없다고 하여 가정했을 경우의 밀도로 나눈 값(백분율)을 의미한다.

본 발명은 소결 금속 베어링의 축 방향 치수를 6㎜ 이하로 하고, 또한 베어링 전체의 밀도비를 80% 이상이며 또한 95% 이하의 범위로 설정했을 경우에, 상기 밀도비가 종래에 비해서 균일화되는 점을 감안하여 이루어진 것이다. 즉, 이러한 종류의 베어링의 압분 성형 공정에서는 성형틀에 충전된 원료 분말을 성형해야 할 압분 성형체의 축 방향을 따라서 가압함으로써 소정의 형상(통상은 통 형상)으로 성형하는 것이 일반적이다. 그 때문에, 종래와 같이 6㎜를 초과하는 축 방향 치수로 원료 분말을 압축 성형할 경우, 직접적인 가압측(예를 들면, 축 방향 상측) 또는 직접 성형틀과 접촉하는 표층부가 빽빽해지기 쉽고, 가압측이나 성형틀로부터 멀리 떨어진 측(예를 들면, 축 방향 하측이나 압분 성형체의 심부)일수록 성기게 되기 쉽다. 한편으로, 본 발명과 같이 6㎜ 이하까지 축 방향 치수를 축소하고, 또한 그 밀도비가 80% 이상이며 또한 95% 이하가 되도록 설정(예를 들면, 원료 분말의 축 방향의 압축량을 조정)함으로써 표층측과 심측, 축 방향 일방측과 타방측에서 밀도비의 차가 매우 작아지는 것이 판명되었다. 이에 따라, 동압 홈 배열 영역을 축 방향으로 연속해서 형성하고, 예를 들면 특허문헌 2에 기재된 바와 같은 오목부를 생략해도 베어링면(동압 홈 배열 영역)을 통해서 베어링 내부와 베어링 간극 사이에서 적당한 윤활 유체의 유통을 도모할 수 있다. 따라서, 윤활 유체 고임부(오목부)가 없어도 동압 홈 배열 영역간의 영역에 부압이 발생하는 사태를 가급적으로 회피할 수 있고, 또한 충분한 동압 작용을 발휘시켜서 높은 베어링 강성을 얻는 것이 가능해진다. 또한, 축 방향 치수와의 균형에 따라서는 동압 홈 배열 영역간의 영역을 생략한 만큼 동압 홈을 종래에 비해서 길게 할 수 있으므로, 더 나은 동압 작용의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 소결 금속 베어링은 베어링 내부에 있어서의 밀도비의 편차가 3% 이하로 억제되어 있는 것이라도 좋다. 베어링 전체의 밀도비를 상술한 범위로 설정함과 아울러 베어링 내부에 있어서의 밀도비의 편차를 상기 범위로 함으로써, 표층부의 밀도비를 베어링 표면으로부터의 동압의 도피를 막으면서도 베어링 간극으로의 윤활유 등이 스미기 시작하는 것을 적절하게 행할 수 있을 정도로 설정할 수 있다. 또한, 표층부를 제외한 영역(표층부보다 내측의 영역)의 밀도비를 상기 내측 영역에 의한 윤활유 등의 함침량이 적당량이 되도록 설정하는 것이 가능해진다.

또한, 본 발명에 의한 소결 금속 베어링은 축 방향으로 연속하는 동압 홈 배열 영역이 모두 헤링본 형상을 이루고, 각 동압 홈 배열 영역을 구성하는 동압 홈이 그 축 방향 중앙측에서 연속하고 있는 것이라도 좋다.

또한, 본 발명에 의한 소결 금속 베어링은 내경 치수가 3㎜ 이하이며 또한 외경 치수가 6㎜ 이하로 되는 것이라도 좋다. 본 발명에서는 축 방향 치수와 그 밀도비로 베어링 강성 대책을 가능하게 했으므로, 지름 방향에 대해서는 그 치수를 종래와 동등한 레벨로 유지할 수 있다. 구체적으로는, 내경 치수 및 외경 치수가 상기 범위로 되어 있으면 지름 방향으로의 상응한 스프링 백량을 얻을 수 있다. 따라서, 소정 깊이(수 ㎛ 레벨)의 동압 홈을 성형할 수 있고, 소요의 동압 효과를 기대할 수 있다.

이상의 설명에 의한 소결 금속 베어링은, 예를 들면 이 소결 금속 베어링과, 소결 금속 베어링의 내주에 삽통되는 축부와, 소결 금속 베어링을 포함하는 고정측과 축부를 포함하는 회전측 사이에 형성되는 밀봉 공간과, 소결 금속 베어링의 내부를 포함하는 베어링 내부 공간에 충전되는 윤활유를 구비한 유체 동압 베어링 장치로서 바람직하게 제공하는 것도 가능하다.

또한, 이 경우 본 발명에 의한 유체 동압 베어링 장치는 윤활유가 40℃에서의 동점도가 20cSt 이상이며 또한 170cSt 이하를 나타내고, 100℃에서의 동점도가 2cSt 이상이며 또한 50cSt 이하를 나타내는 것이라도 좋다. 이와 같이, 소결 금속 베어링의 밀도비를 조정해서 그 내부 구조의 최적화를 도모함과 아울러, 윤활유에 대해서도 용도에 따라서 비교적 고점도인 것을 사용함으로써 베어링 성능의 더 나은 향상에 기여하고, 또한 윤활유의 열화를 억제할 수 있다. 따라서, 박형화를 도모했을 경우라도 고성능이며 또한 신뢰성이 높은 유체 동압 베어링 장치를 제공하는 것이 가능해진다.

또한, 이상의 설명에 의한 유체 동압 베어링 장치는 회전체의 중량 증가에 의해서도 장기에 걸쳐서 적당하고 또한 안정된 베어링 강성을 발휘할 수 있기 때문에, 상기 유체 동압 베어링 장치와, 상기 축부에 부착되는 팬을 구비한 팬 모터로서 바람직하게 제공하는 것도 가능하다.

(발명의 효과)

이상과 같이, 본 발명에 의하면 유체 동압 베어링 장치의 소형화를 도모하면서도 베어링 내부 공간에서의 부압의 발생을 방지하고, 필요 충분한 베어링 강성을 발휘할 수 있는 소결 금속 베어링을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시형태에 의한 팬 모터의 개념도이다.
도 2는 도 1의 모터를 구성하는 유체 동압 베어링 장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시형태에 의한 소결 금속 베어링의 단면도이다.
도 4a는 도 3에 나타내는 소결 금속 베어링의 상측 끝면을 축 방향 상측으로부터 본 도면이다.
도 4b는 도 3에 나타내는 소결 금속 베어링의 하측 끝면을 축 방향 하측으로부터 본 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시형태에 의한 소결 금속 베어링의 단면도이다.

이하, 본 발명의 일실시형태를 도면에 의거하여 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서는 소결 금속 베어링으로부터 보았을 때, 허브부의 원반부측을 「상측」, 덮개 부재측을 「하측」으로서 취급한다. 물론, 이 상하 방향은 실제 제품의 설치 형태, 사용 형태를 한정하는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 의한 유체 동압 베어링 장치(1)를 구비한 팬 모터(2), 및 이 팬 모터(2)를 탑재한 정보 기기(3)의 개략 단면도를 나타내고 있다. 이 팬 모터(2)는 소위 원심 타입의 팬 모터(2)이며, 냉각시켜야 할 부품[정보 기기(3)]의 베이스(4)에 부착된다.

이 팬 모터(2)는 유체 동압 베어링 장치(1)와, 유체 동압 베어링 장치(1)의 회전 부재(9)에 설치된 복수매의 팬(5)과, 이들 팬(5)을 회전 부재(9)와 일체로 회전시키기 위한 구동부(6)를 구비한다. 구동부(6)는, 예를 들면 반경 방향의 갭을 통해서 대향시킨 코일(6a) 및 마그넷(6b)으로 이루어지고, 본 실시형태에서는 코일(6a)이 고정측[베이스(4)]에, 마그넷(6b)이 회전측[회전 부재(9)를 구성하는 허브부(10)]에 각각 고정된다.

코일(6a)에 통전하면 코일(6a)과 마그넷(6b) 사이의 여자력에 의해 마그넷(6b)이 회전하고, 그것에 의하여 회전 부재(9)[본 실시형태에서는 허브부(10)]의 외주 가장자리에 세워서 설치된 복수매의 팬(5)이 회전 부재(9)와 일체로 회전한다. 이 회전에 의해, 각 팬(5)은 외경 방향 외측으로의 기류를 발생시키고, 이 기류에 끌어들여지는 형태로 팬 모터(2)의 축 방향 상측에 형성한 베이스(4)의 구멍(4a)으로부터 흡기류가 축 방향 하측을 향해서 발생한다. 이렇게 하여 정보 기기(3)의 내부에 기류를 발생시킴으로써, 정보 기기(3)의 내부에 발생한 열을 외부로 방출(냉각) 가능하게 하고 있다.

도 2는 팬 모터(2)에 장착된 유체 동압 베어링 장치(1)의 단면도를 나타내고 있다. 이 유체 동압 베어링 장치(1)는 주로 하우징(7)과, 하우징(7)의 내주에 고정되는 소결 금속 베어링(8), 및 소결 금속 베어링(8)에 대하여 상대 회전하는 회전 부재(9)를 구비하고 있다.

회전 부재(9)는 하우징(7)의 상단 개구측에 배치되는 허브부(10)와, 소결 금속 베어링(8)의 내주에 삽입되는 축부(11)를 갖는다.

허브부(10)는 하우징(7)의 상단 개구측을 덮는 원반부(10a)와, 원반부(10a)로부터 축 방향 하측으로 신장되는 제 1 통 형상부(10b)와, 제 1 통 형상부(10b)보다 외경측에 위치하고 원반부(10a)로부터 축 방향 하측으로 신장되는 제 2 통 형상부(10c)와, 제 2 통 형상부(10c)의 축 방향 하단으로부터 더욱 외경측에 신장되는 날밑부(10d)로 구성된다. 원반부(10a)는 하우징(7)의 내주에 고정된 소결 금속 베어링(8)의 한쪽 끝면[상단면(8b)]과 대향하고 있다. 또한, 복수매의 팬(5)은 날밑부(10d)의 외주 가장자리로부터 세워서 설치하는 형태로 허브부(10)와 일체적으로 설치되어 있다.

축부(11)는 이 실시형태에서는 허브부(10)와 일체로 형성되고, 그 하단에 플랜지부(12)를 별개로 갖는다. 이 경우, 플랜지부(12)의 상단면(12a)은 소결 금속 베어링(8)의 다른쪽 끝면[하단면(8c)]과 대향한다. 물론, 축부(11)를 허브부(10)와 별개로 형성할 수도 있고, 그때에는 축부(11)의 상단을 허브부(10)의 중앙에 형성한 구멍에 압입, 접착 등의 수단에 의해 고정하는 것도 가능하다. 또는 이재료로 형성되는 축부(11)와 허브부(10)의 한쪽을 인서트 부품으로 하고 다른쪽을 금속이나 수지의 사출 성형으로 형성할 수도 있다.

하우징(7)은 그 축 방향 양단을 개구한 통 형상을 이루고, 그 하단 개구측을 덮개 부재(13)로 폐쇄하고 있다. 또한, 하우징(7)의 내주면(7a)은 소결 금속 베어링(8)에 고정됨과 아울러, 그 외주면(7b)은 정보 기기(3)의 베이스(4)에 고정되어 있다. 하우징(7)의 상단면(7c)과, 허브부(10)의 원반부(10a)의 하단면(10a1)의 축 방향의 대향 간격은 소결 금속 베어링(8)의 상단면(8b)과 원반부(10a)의 하단면(10a1)의 대향 간격보다 크고, 여기에서는 회전 구동시의 로스 토크 증가에 실질적으로 영향을 주지 않는다고 간주할 수 있을 정도의 크기로 설정되어 있다.

하우징(7)의 외주 상측에는 상방을 향함에 따라서 외경 치수가 증가하는 테이퍼 형상의 밀봉면(7d)이 형성된다. 이 테이퍼 형상의 밀봉면(7d)은 제 1 통 형상부(10b)의 내주면(10b1)과의 사이에, 하우징(7)의 폐쇄측(하방)으로부터 개구측(상방)을 향해서 반경 방향 치수를 점차 축소시킨 환상의 밀봉 공간(S)을 형성한다. 이 밀봉 공간(S)은 축부(11) 및 허브부(10)의 회전시, 후술하는 제 1 스러스트 베어링부(T1)의 스러스트 베어링 간극의 외경측과 연통되어 있고, 각 베어링 간극을 포함하는 베어링 내부 공간과의 사이에서 윤활유의 유통을 가능하게 하고 있다. 또한, 윤활유를 베어링 내부 공간에 충전한 상태에서는 윤활유의 유면(기액 계면)은 항상 밀봉 공간(S) 내에 유지되도록 윤활유의 충전량이 조정된다(도 2를 참조).

소결 금속 베어링(8)은, 예를 들면 동(순동뿐만 아니라 동 합금을 포함함)이나 철(순철뿐만 아니라 스테인리스 등의 철 합금을 포함함) 등의 금속을 주성분으로 하는 원료 분말을 압축 성형하고, 소결해서 이루어지는 소결 금속의 다공질체이며, 대체로 원통형상을 이룬다. 소결 금속 베어링(8)의 내주면(8a)의 전면 또는 일부에는 동압 발생부로서 복수의 동압 홈(8a1)을 배열한 영역이 형성된다. 본 실시형태에서는 이 동압 홈 배열 영역은, 도 3에 나타내는 바와 같이 원주 방향에 대하여 소정 각 경사지게 한 복수의 동압 홈(8a1)과, 이들 동압 홈(8a1)을 원주 방향으로 구획하는 경사 언덕부(8a2)와, 원주 방향으로 신장되어서 각 동압 홈(8a1)을 축 방향으로 구획하는 띠부(8a3)[경사 언덕부(8a2), 띠부(8a3) 모두 도 3에서 크로스 해칭을 첨부한 부분]를 헤링본 형상으로 배열하여 이루어지는 것이며, 축 방향으로 연속해서 2개소에 형성된다. 이 경우, 상측의 동압 홈 배열 영역(A1)과 하측의 동압 홈 배열 영역(A2)은 모두 축 방향 중심선[띠부(8a3)의 축 방향 중앙을 원주 방향으로 연결하는 가상선]에 대하여 축 방향 대칭으로 형성되어 있고, 그 축 방향 치수는 서로 동일하다.

소결 금속 베어링(8)의 상단면(8b)의 전면 또는 일부에는 동압 발생부로서의 복수의 동압 홈(8b1)을 배열한 영역이 형성된다. 이 실시형태에서는, 예를 들면 도 4a에 나타내는 바와 같이 스파이럴상으로 신장되는 복수의 동압 홈(8b1)을 원주 방향으로 나열하여 배열한 영역이 형성되어 있다. 이때, 동압 홈(8b1)의 스파이럴의 방향은 회전 부재(9)의 회전 방향에 대응한 방향으로 설정된다. 상기 구성의 동압 홈 배열 영역은 도 2에 나타내는 유체 동압 베어링 장치(1)를 회전 구동시킨 상태에서는 대향하는 허브부(10)의 원반부(10a)의 하단면(10a1)과의 사이에 후술하는 제 1 스러스트 베어링부(T1)의 스러스트 베어링 간극을 형성한다.

또한, 소결 금속 베어링(8)의 하단면(8c)의 전면 또는 일부에는 동압 발생부로서의 복수의 동압 홈(8c1)을 배열한 영역이 형성된다. 이 실시형태에서는, 예를 들면 도 4b에 나타내는 바와 같이 스파이럴상으로 신장되는 복수의 동압 홈(8c1)을 원주 방향으로 열거하여 배열한 영역이 형성되어 있다. 이때, 동압 홈(8c1)의 스파이럴의 방향은 회전 부재(9)의 회전 방향에 대응한 방향으로 설정된다. 즉, 도 2에 나타내는 설치 형태에서는 회전 부재(9)의 플랜지부(12)의 회전 방향에 대응한 방향[플랜지부(12)와의 사이에 동압을 발생 가능한 방향]이 된다. 따라서, 상기 구성의 동압 홈 배열 영역은 도 2에 나타내는 유체 동압 베어링 장치(1)를 회전 구동시킨 상태에서는, 대향하는 플랜지부(12)의 상단면(12a)과의 사이에 후술하는 제 2 스러스트 베어링부(T2)의 스러스트 베어링 간극을 형성한다(도 2를 참조).

스러스트 베어링 간극은 유체 동압 베어링 장치(1)를 조립한 시점에서 자동적으로 설정된다. 즉, 유체 동압 베어링 장치(1)를 도 2와 같이 조립한 상태에서는 하우징(7)에 고정한 소결 금속 베어링(8)을 축 방향으로 끼우는 위치에, 플랜지부(12)와 허브부(10)의 원반부(10a)가 배치된다. 따라서, 허브부(10)의 하단면(10a1)과 플랜지부(12)의 상단면(12a)의 대향 간격으로부터, 소결 금속 베어링(8)의 축 방향 치수를 감한 값이 쌍방의 스러스트 베어링 간극의 총 합계로 설정된다.

소결 금속 베어링(8)의 외주면(8d)에는 1개 또는 복수개(본 실시형태에서는 3개)의 축 방향 홈(8d1)이 형성된다. 이 축 방향 홈(8d1)은 하우징(7)에 소결 금속 베어링(8)을 고정한 상태에서는 하우징(7)의 내주면(7a)과의 사이에 윤활유의 유로를 형성한다(도 2를 참조).

또한, 소결 금속 베어링(8)의 각종 치수에 대해서 설명하면, 그 축 방향 치수(L)[양단면(8b, 8c)의 축 방향 이간 거리]는 6㎜ 이하로 설정된다. 내경 치수(D1)[정확하게는 내주면(8a) 중 경사 언덕부(8a2)와 함께 최소 경부가 되는 띠부(8a3)의 내경 치수]는 3㎜ 이하, 외경 치수(D2)는 6㎜ 이하로 각각 설정된다.

이어서, 소결 금속 베어링(8)의 밀도비에 대해서 설명한다. 이 소결 금속 베어링(8)은 그 베어링 전체의 밀도비[소결 금속 베어링(8)을 이루는 다공질체의 밀도/상기 다공질체에 기공이 없다고 하여 가정했을 경우의 밀도]가 80% 이상이며 또한 95%가 되도록 설정된다. 또한, 이 소결 금속 베어링(8)에 있어서는 베어링 내부에 있어서의 밀도비의 편차가 종래에 비해서 작게 되어(균일화되어) 있다. 구체적으로는, 상기 베어링 내부에 있어서의 밀도비의 편차가 3% 이하로 억제되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 이때의 밀도비의 편차는 밀도비와 일정한 상간이 확인되는 세공률을 이용하여 평가할 수 있다. 여기에서, 세공률이란 상기 베어링의 단위 체적당에 차지하는 세공의 체적 비율(백분율)로 나타내어지고, 경험칙상 밀도비와는 거의 부의 상간(-1의 상관계수)을 나타낸다.

또한, 내주면(8a), 특히 레이디얼 베어링면이 되는 경사 언덕부(8a2) 및 띠부(8a3)의 내주면의 표면 개공률은, 예를 들면 2% 이상이며 또한 15% 이하로 조정된다.

상기 구성의 소결 금속 베어링(8)은, 예를 들면 이하에 나타내는 공정을 거쳐서 제조된다.

즉, 상기 구성의 소결 금속 베어링(8)은 원료 분말을 압축 성형해서 압분 성형체를 얻는 압분 성형 공정(S1)과, 압분 성형체를 소결해서 소결체를 얻는 소결 공정(S2)과, 소결체에 사이징을 실시하고 소결체의 적어도 내주면(8a)에 동압 발생부로서의 동압 홈(8a1)을 성형하는 동압 홈 사이징 공정(S3)을 주로 구비한다. 본 실시형태에서는 소결 공정(S2) 후이며 동압 홈 사이징 공정(S3) 전에, 소결체에 치수 사이징을 실시하는 치수 사이징 공정(S031)과, 소결체의 내주면(8a)에 회전 사이징을 실시하는 회전 사이징 공정(S032)을 더 구비한다. 동압 홈 사이징 공정(S3)을 중심으로 각 공정 (S1)∼(S3)을 설명한다.

(S1) 압분 성형 공정

우선, 최종적인 제품이 되는 소결 금속 베어링(8)의 재료가 되는 원료 분말을 준비하고, 이것을 금형 프레스 성형에 의해 소정의 형상으로 압축 성형한다. 구체적으로는, 도시는 생략하지만 다이와, 다이의 구멍 내에 삽입 배치되는 코어 핀과, 다이와 코어 핀 사이에 설치되어 다이에 대하여 승강 가능하게 구성된 하측 펀치, 및 다이와 하측 펀치 중 어느 것에 대해서나 상대 변위(승강) 가능하게 구성된 상측 펀치로 구성되는 성형 금형을 이용하여 원료 분말의 압축 성형을 행한다. 이 경우, 다이의 내주면과 코어 핀의 외주면, 및 하측 펀치의 상단면으로 구획 형성되는 공간에 원료 분말을 충전하고, 그 후에 하측 펀치를 고정한 상태에서 상측 펀치를 하강시켜 충전 상태의 원료 분말을 축 방향으로 가압한다. 그리고, 가압하면서 소정의 위치까지 상측 펀치를 하강시켜 원료 분말을 소정의 축 방향 치수까지 압축함으로써 압분 성형체가 성형된다. 이때, 압분 성형체의 축 방향 치수는 상측 펀치의 하단면과 하측 펀치의 상단면의 거리, 보다 구체적으로는 상측 펀치의 하사점을 목표로 해야 할 축 방향 치수(이 후의 소결, 각종 사이징에 의한 치수 변화를 고려해서 설정)에 따라서 제어함으로써 적절한 범위로 설정 가능하게 된다.

(S2) 소결 공정

상술한 바와 같이 하여 압분 성형체를 얻은 후, 이 압분 성형체를 원료 분말에 따른 온도에서 소결함으로써 소결체를 얻는다.

(S031) 치수 사이징 공정, 및 (S032) 회전 사이징 공정

그리고, 소결체에 대하여 치수 사이징을 실시하여 소결체의 외경 치수나 내경 치수, 및 축 방향 치수를 최종 제품에 준한 치수로 교정함과 아울러, 내주면(8a)의 표면 개공률을 동압 베어링으로서 바람직한 비율로 조정한다. 이 단계에서는 소결체의 내주면(8a)에 소정의 동압 홈 배열 영역(A1, A2)은 아직 형성되지 않는다. 마찬가지로, 도시는 생략하지만 소결체의 양단면(8b, 8c)에 소정의 동압 홈(8b1, 8c1) 배열 영역은 아직 형성되어 있지 않다.

(S3) 동압 홈 사이징 공정

상기 일련의 공정을 거쳐서 얻어진 소결체에 대하여 소정의 동압 홈 사이징을 실시함으로써 소결체의 내주면(8a)에 동압 홈 배열 영역(A1, A2)을 성형한다. 여기에서 사용하는 성형 장치는 도시는 생략하지만, 소결체의 압입 구멍을 갖는 다이와, 다이의 압입 구멍에 삽입 가능하게 배치되는 사이징 핀과, 다이와 사이징 핀 사이에 설치되어 다이에 대하여 상대적으로 승강 가능하게 구성된 하측 펀치, 및 다이와 하측 펀치 중 어느 것에 대해서나 승강 가능하게 구성된 상측 펀치를 갖는다. 이 경우, 다이의 압입 구멍의 내경 치수는 사이징해야 할 소결체의 압입값에 따라서 적당하게 설정된다. 또한, 사이징 핀의 외주면에는 성형해야 할 내주면(8a)의 동압 홈 배열 영역(A1, A2)(도 3)에 대응하는 형상의 성형틀이 설치됨과 아울러, 상측 펀치의 하단면 및 하측 펀치의 상단면에는 각각 성형해야 할 상단면(8b)의 동압 홈(8b1) 배열 영역, 하단면(8c)의 동압 홈(8c1) 배열 영역(도 4a, 도 4b)에 대응하는 형상의 성형틀이 각각 설치된다.

이어서, 상기 성형 장치를 사용한 동압 홈 사이징의 일형태를 설명한다. 우선, 다이(21)의 상단면(21b)에 소결체를 배치한 상태에서, 그 상방으로부터 상측 펀치과 사이징 핀을 하강시킨다. 이에 따라, 소결체의 내주에 사이징 핀을 삽입하고, 사이징 핀의 외주에 설치해 둔 성형틀을 소결체의 내주면과 반경 방향으로 대향시킨다. 그리고, 이 성형틀이 내주면의 축 방향 소정 위치까지 도달하면, 상측 펀치만을 계속해서 하강시켜서 소결체의 상단면을 압박한다. 이에 따라, 소결체가 다이의 압입 구멍에 밀어넣어져 소결체의 외주면이 압박됨과 아울러, 미리 내주에 삽입한 사이징 핀의 성형틀에 소결체의 내주면이 물린다. 또한, 이 상태로부터 상측 펀치를 더욱 하강시켜서 소결체를 상측 펀치와 하측 펀치로 협지하고, 외경 방향으로의 변형을 다이에 의해 구속된 상태의 소결체를 축 방향으로 압박함으로써 내주면이 성형틀에 더욱 물린다. 이렇게 하여, 성형틀의 형상이 소결체의 내주면에 전사되고, 이 내주면에 동압 홈 배열 영역(A1, A2)이 성형된다. 또한, 이때 상측 펀치의 하단면 및 하측 펀치의 상단면에 설치한 성형틀이 각각 소결체의 상단면 및 하단면에 물림으로써 이들 상단면과 하단면에 각 성형틀의 형상이 전사되고, 대응하는 동압 홈(8b1, 8c1)의 배열 영역이 성형된다.

이렇게 하여 소결체의 내주면 및 양단면에 소정의 동압 홈 배열 영역(A1, A2), 및 동압 홈(8b1, 8c1) 배열 영역을 성형한 후, 다이를 하측 펀치에 대하여 상대적으로 하강시켜서 다이에 의한 소결체의 구속 상태를 해제한다. 이에 따라, 소결체는 외경 방향으로의 스프링 백을 발생시키고, 사이징 핀으로부터 소결체를 분리하는 것이 가능해진다. 이때, 요구되는 스프링 백량은 사이징 핀에 설치한 성형틀이 사이징 후의 소결체 내주면(특히, 동압 홈 배열 영역)과 축 방향에서 걸림을 발생시키지 않을 정도의 크기로 되기 때문에, 성형해야 할 동압 홈(8a1)의 홈 깊이(수 ㎛)를 고려하여 소결체의 두께, 즉 완성품으로서의 소결 금속 베어링(8)의 두께[외경 치수(D2)-내경 치수(D1)]가 설정된다. 본 실시형태에서는 내경 치수(D1)를 3㎜ 이하, 외경 치수(D2)를 6㎜ 이하로 함으로써 필요한 깊이의 동압 홈(8a1)을 성형하면서, 성형에 제공한 사이징 핀을 사이징 후의 소결체로부터 걸림 없이 뽑아낼 수 있다.

상기 구성의 유체 동압 베어링 장치(1)의 내부(베어링 내부 공간)에는 윤활 유체로서의 윤활유가 충전된다. 여기에서, 윤활유로서는 여러 가지의 것이 사용 가능하고, 예를 들면 증발률이 작고 또한 저온시의 점도 저하가 적은 에스테르계의 윤활유나, 에스테르계보다 내성이 뛰어난 불소계의 윤활유 등이 바람직하게 사용된다. 또한, 동점도의 관점으로부터는 예를 들면 40℃에서의 동점도가 20cSt 이상이며 또한 170cSt 이하를 나타내고, 100℃에서의 동점도가 2cSt 이상이며 또한 50cSt 이하를 나타내는 윤활유가 바람직하게 사용된다.

상기 구성의 유체 동압 베어링 장치(1)에 있어서, 축부(11)[회전 부재(9)]의 회전시, 소결 금속 베어링(8)의 내주면(8a)의 레이디얼 베어링면이 되는 영역[상하 2개소의 동압 홈 배열 영역(A1, A2)]은 축부(11)의 외주면과 레이디얼 베어링 간극을 통해서 대향한다. 그리고, 축부(11)의 회전에 따라 상기 레이디얼 베어링 간극의 윤활유가 각 동압 홈 배열 영역(A1, A2)의 축 방향 중심측으로 밀어넣어져 축 방향 중심측의 영역[여기에서는 띠부(8a3)]에 있어서 윤활유의 압력이 상승한다. 이러한 동압 홈(8a1)의 동압 작용에 의해, 축부(11)를 레이디얼 방향으로 회전 가능하게 비접촉 지지하는 제 1 레이디얼 베어링부(R1)와 제 2 레이디얼 베어링부(R2)가 축 방향으로 격리되어서 각각 구성된다.

또한, 소결 금속 베어링(8)의 상단면(8b)[동압 홈(8b1)을 배열한 영역]과 이것에 대향하는 허브부(10)의 하단면(10a1) 사이의 스러스트 베어링 간극에, 동압 홈(8b1)의 동압 작용에 의해 윤활유의 유막이 형성된다. 또한, 소결 금속 베어링(8)의 하단면(8c)[동압 홈(8c1)을 배열한 영역]과 이것에 대향하는 플랜지부(12)의 상단면(12a) 사이의 스러스트 베어링 간극에 동압 홈(8c1)의 동압 작용에 의해 윤활유의 유막이 형성된다. 그리고, 이들 유막의 압력에 의해 회전 부재(9)를 스러스트 쌍방향으로 비접촉 지지하는 제 1 스러스트 베어링부(T1) 및 제 2 스러스트 베어링부(T2)가 구성된다.

이와 같이, 본 발명에서는 소결 금속 베어링(8)의 축 방향 치수를 6㎜ 이하로 하고, 또한 베어링 전체의 밀도비를 80% 이상이며 또한 95% 이하의 범위로 설정했으므로, 표층부의 측과 심부의 측, 축 방향 상측과 하측에서 밀도비의 차를 매우 작게 할 수 있다. 이에 따라, 동압 홈 배열 영역(A1, A2)을 축 방향으로 연속된 구성으로 했을 경우라도 동압 홈 배열 영역(A1, A2)[특히, 동압 홈(8a1)의 저면]을 통해서 소결 금속 베어링(8)의 내부와 베어링 간극 사이에서 적당한 윤활유의 유통을 도모할 수 있다. 따라서, 특허문헌 2와 같은 윤활 유체 고임부(오목부)가 없어도 동압 홈 배열 영역(A1, A2)간의 영역에 부압이 발생하는 사태를 가급적으로 회피하면서도 충분한 동압 작용을 발휘시켜서 높은 베어링 강성을 얻는 것이 가능해진다.

또한, 이때 소결 금속 베어링(8)의 내부에 있어서의 밀도비의 편차가 3% 이하가 되도록 사이즈나 성형 조건을 조정함으로써, 소결 금속 베어링(8)의 표층부의 밀도비를 베어링 표면으로부터의 동압의 도피를 막으면서도 베어링 간극으로의 윤활유 등이 스미기 시작하는 것을 적절하게 행할 수 있을 정도로 설정할 수 있다. 또한, 표층부를 제외한 영역(표층부보다 심부에 가까운 내측의 영역)의 밀도비를 상기 내측 영역에 의한 윤활유 등의 함침량이 적당량이 되도록 설정하는 것이 가능해진다. 이에 따라, 온도 변화에 의한 버퍼 성능을 고려한 밀봉 공간(S)의 설계가 성립한다.

또한, 본 실시형태에서는 소결 금속 베어링(8)의 내부 기공을 포함하는 베어링 내부 공간에 함침시키는 윤활유로서, 40℃에서의 동점도가 20cSt 이상이며 또한 170cSt 이하를 나타내고, 100℃에서의 동점도가 2cSt 이상이며 또한 50cSt 이하를 나타내는 것을 사용했다. 이와 같이, 소결 금속 베어링(8)의 밀도비를 조정해서 그 내부 구조의 최적화를 도모함과 아울러, 윤활유에 대해서도 용도에 따라서 비교적 고점도인 것을 사용함으로써 베어링 성능의 더 나은 향상에 기여하고 또한 윤활유의 열화를 억제할 수 있다. 따라서, 박형화를 도모했을 경우라도 고성능이며 또한 신뢰성이 높은 유체 동압 베어링 장치(1)를 제공하는 것이 가능해진다.

이상, 본 발명의 일실시형태를 설명했지만 본 발명에 의한 소결 금속 베어링(8) 및 그 제조 방법은 상기 형태에는 한정되지 않고, 본 발명의 범위 내에 있어서 여러 가지 변형, 변경이 가능한 것은 물론이다.

예를 들면, 상기 실시형태에서는 동압 홈 사이징 공정에 있어서 다이에 소결체를 압입함과 아울러, 상측 펀치 및 하측 펀치로 소결체를 축 방향으로 압축함으로써 소결체 내주면으로의 동압 홈 배열 영역(A1, A2)의 성형을 행할 경우를 예시했지만, 가능하면 다이로의 압입 없이 축 방향으로의 압입만으로 소결체의 내주면에 동압 홈 배열 영역(A1, A2)을 형성해도 상관없다. 또한, 축 방향 압축시에 있어서 상측 펀치 및 하측 펀치의 이동 형태에 대해서도 상기 예시의 형태에는 한정되지 않는다. 예를 들면, 상측 펀치를 하강시켜서 하측 펀치와의 사이에서 소결체를 축 방향으로 어느 정도 압축한 상태로부터 하측 펀치를 상승시켜서 소결체를 더욱 압축하는 등, 다른 압박 형태를 채용하는 것도 가능하다.

또한, 상기 실시형태에서는 내주면(8a)의 동압 발생부로서 헤링본 형상을 이루는 동압 홈 배열 영역(A1, A2)을 형성할 경우를 예시했지만, 물론 이것 이외의 형상을 이루는 동압 홈 배열 영역을 형성하는 것도 가능하다. 예를 들면, 도 5에 나타내는 바와 같이 동압 홈 배열 영역(A1, A2)에 있어서 각 동압 홈 배열 영역(A1, A2) 중의 띠부(8a3)를 없애고, 띠부(8a3)를 통해서 상하에 배치되어 있었던 동압 홈(8a1)과 경사 언덕부(8a2)를 각각 연속시킨 형태를 채용하는 것도 가능하다. 또한, 각 동압 홈 배열 영역(A1, A2)에 대하여 그 축 방향 중앙 위치를 경계로 해서 반드시 대칭적인 형상을 이루는 것이라도 좋고 아니라도 좋다. 또한, 축 방향으로 연속되는 동압 홈 배열 영역(A1, A2)에 대해서도 그 경계에 대하여 대칭적인 형상을 이루는 것이라도 좋고 아니라도 좋다. 요는 각 동압 홈 배열 영역(A1, A2)이 그 축 방향 중앙측을 향해서 윤활유의 인입을 발생시키는 방향으로 동압 홈이 배열되어 있는 한에 있어서 그 형상은 임의이다. 더 말하자면, 동압 홈 배열 영역(A1, A2)의 경계 위치로부터 각각 각 끝면(8b, 8c)측으로 멀어지는 방향으로 윤활유의 인입을 발생시키는 형태를 이루는 한에 있어서 임의의 형태를 채용하는 것이 가능하다.

또한, 상기 실시형태에서는 상단면(8b)과 하단면(8c)에 동압 홈(8b1, 8c1)을 각각 형성했을 경우를 예시했지만, 상단면(8b)과 하단면(8c)의 한쪽에만 동압 홈을 성형해도 좋고, 또는 어느 끝면(8b, 8c)에도 동압 홈을 형성하지 않고 두는 구성을 취해도 상관없다.

또한, 상기 실시형태에서는 소결 금속 베어링(8)을 하우징(7)에 고정하고 나서[유체 동압 베어링 장치(1)를 조립하고 나서] 소결 금속 베어링(8)의 내부 기공을 포함한 베어링 내부 공간에 윤활유를 함침시키는 방법을 예시했지만, 물론 베어링 완성 시점(장착 전의 시점)에서 소결 금속 베어링(8)에 윤활유를 함침시켜도 상관없다.

또한, 이상의 설명에 의한 소결 금속 베어링(8)은 상기 예시와 같은 박형 타입[밀봉 공간(S)을 레이디얼 베어링부(R1, R2)의 외경측에 배치한 형태]의 유체 동압 베어링 장치(1)뿐만 아니라, 다른 타입의 유체 동압 베어링 장치에도 적용 가능한 것은 물론이다.

또한, 본 발명에 의한 유체 동압 베어링 장치(1)는 상기 예시와 같은 원심 타입의 팬 모터(2)뿐만 아니라, 축류 타입 등 다른 타입의 팬 모터(2)에도 적용 가능하다. 물론, 팬 모터(2)에 한정하지 않고, HDD 등의 디스크 구동 장치에 사용되는 스핀들 모터나, 광 디스크의 광 자기 디스크 구동용의 스핀들 모터 등, 고속 회전 하에서 사용되는 정보 기기(3)용의 소형 모터, 레이저빔 프린터의 폴리곤 스캐너 모터 등, 여러 가지 모터 구동용 베어링 장치로서 바람직하게 사용하는 것이 가능하다.

1 : 유체 동압 베어링 장치 2 : 팬 모터
3 : 정보 기기 4 : 베이스
5 : 팬 6 : 구동부
7 : 하우징 7a : 내주면
8 : 소결 금속 베어링 8a : 내주면
8a1 : 동압 홈(내주면) 8a2 : 경사 언덕부
8a3 : 띠부 8b : 상단면
8b1 : 동압 홈(상단면) 8c : 하단면
8c1 : 동압 홈(하단면) 9 : 회전 부재
10 : 허브부 10a : 원반부
10a1 : 하단면 12 : 플랜지부
13 : 덮개 부재 A1, A2 : 동압 홈 배열 영역
R1, R2 : 레이디얼 베어링부 T1, T2 : 스러스트 베어링부
S : 밀봉 공간

Claims

원료 분말을 압축 성형한 것을 소결함으로써 형성된 다공질체로서, 내주면에 동압 발생부를 설치한 소결 금속 베어링에 있어서,
동압 발생부로서 원주 방향에 대하여 경사지게 한 복수의 동압 홈을 배열해서 이루어지는 동압 홈 배열 영역이 축 방향으로 연속해서 형성되고, 축 방향 치수가 6㎜ 이하로 됨과 아울러, 밀도비가 80% 이상이며 또한 95% 이하로 되는 것을 특징으로 하는 소결 금속 베어링.
제 1 항에 있어서,
베어링 내부에 있어서의 밀도비의 편차가 3% 이하로 억제되어 있는 소결 금속 베어링.
제 1 항에 있어서,
축 방향으로 연속하는 동압 홈 배열 영역은 모두 헤링본 형상을 이루고, 각 동압 홈 배열 영역을 구성하는 동압 홈이 그 축 방향 중앙측에서 연속하고 있는 소결 금속 베어링.
제 1 항에 있어서,
내경 치수가 3㎜ 이하이며 또한 외경 치수가 6㎜ 이하로 되는 소결 금속 베어링.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 소결 금속 베어링과, 소결 금속 베어링의 내주에 삽통되는 축부와, 소결 금속 베어링을 포함하는 고정측과 축부를 포함하는 회전측 사이에 형성되는 밀봉 공간과, 소결 금속 베어링의 내부를 포함하는 베어링 내부 공간에 충전되는 윤활유를 구비한 유체 동압 베어링 장치.
제 5 항에 있어서,
윤활유는 40℃에서의 동점도가 20cSt 이상이며 또한 170cSt 이하를 나타내고, 100℃에서의 동점도가 2cSt 이상이며 또한 50cSt 이하를 나타내는 것인 유체 동압 베어링 장치.
제 5 항 또는 제 6 항에 기재된 유체 동압 베어링 장치와, 축부에 부착되는 팬을 구비한 팬 모터.