(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ２Ｏ３を主成分とし２０重量％以上のＴｉＣを含み、ヤング率が３００ＧＰａ以上、体積固有抵抗が１０６Ω・ｃｍ以下であって硬質相の平均粒径が５μｍ以下のＡｌ２Ｏ３−ＴｉＣ系焼結体の表面に動圧発生溝を備えてなる動圧軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は電気モータ等のシャフトの支持に用いられる動圧軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より軸受装置としては、すべり軸受、玉軸受、含油軸受等が一般的に用いられている。例えばフロッピィディスクドライブ（ＦＤＤ）装置等のスピンドルモーターでは、玉軸受けと含油軸受けを積み重ねた構造をとっていた。
【０００３】
しかしながら、従来の軸受では、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。例えば、上記ＦＤＤ装置等のスピンドルモーターの薄型化を図る場合には軸受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、ラジアル軸受及び／又はスラスト軸受の表面に動圧効果を生み出すスパイラル溝を形成した動圧軸受けが開発された。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】
動圧軸受の構成としては、シャフト外周またはスリーブ内面のいずれか一方に溝が形成されラジアル方向の剛性を持つラジアル軸受部と、スパイラル溝によるオイル、気体等の潤滑流体のポンピング作用によりスラスト剛性を持つスラスト軸受部とからなる。そして、シャフト及び軸受部はいずれもステンレス等の金属材で形成されていた。
【０００６】
また、特に動圧スラスト軸受は、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加わることになり、スタート・ストップ時や低速回転時にシャフトと接触回転するため、摩耗が大きい。さらに、動圧スラスト軸受の表面には前述したとおりスパイラル溝が形成され、その深さは極めて高精度に仕上げる必要がある。そこで、この動圧スラスト軸受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６３−１６３０１６号、特開平２−９３１１５号公報等参照）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記金属製の動圧軸受では、金属製シャフトとの接触により摩耗が生じやすく、また発生した摩耗粉が軸受の隙間に入り込んでかじりや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が劣るものであった。
【０００８】
また、大きなスラスト荷重が加わった場合や、取付時にネジ止めの締め付けにより大きな力が加わった場合に、スラスト軸受にたわみが生じるという問題があった。これにより、スパイラル溝を高精度に仕上げても、たわみにより溝深さのばらつきが生じて安定した動圧効果を得ることができないという不都合があった。
【０００９】
一方、スラスト軸受をアルミナ、ジルコニア等のセラミックスで構成した場合、これらのセラミックス部品は絶縁材料であるため、摺動時に発生する静電気が溜まりやすく、この影響で特にＦＤＤ装置等においては誤動作の原因になるという致命的な欠点を有していた。また、上記のセラミックスを用いると摺動する金属シャフトを摩耗させやすく、長期の使用に於て信頼性の低下を引き起こすという問題があった。
【００１０】
本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、軸受の剛性を高めて、大きなスラスト荷重や組み付け時の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、また摺動時に発生する静電気を減少もしくは逃がし得る様な動圧軸受を提供することを目的とする。さらに本発明は、接触回転時に長期間使用しても軸受自身、及び接触する相手部材（シャフト）の摩耗を小さくできる動圧軸受を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、Ａｌ２Ｏ３を主成分とし２０重量％以上のＴｉＣを含み、ヤング率が３００ＧＰａ以上、体積固有抵抗が１０６Ω・ｃｍ以下であって硬質相の平均粒径が５μｍ以下のＡｌ２Ｏ３−ＴｉＣ系焼結体の表面に動圧発生溝を備えてなる動圧軸受を構成したことを特徴とする。
【００１２】
ここで、ヤング率を３００ＧＰａ以上としたのは、３００ＧＰａ未満であると負荷荷重に対する変形量が大きくなって、溝深さ精度±１μｍに仕上がった高精度の溝による動圧効果を充分に安定して引き出すことができなくなるためである。また、体積固有抵抗を１０６  Ω・ｃｍ以下としたのは、１０６  Ω・ｃｍよりも高いと静電気を逃がす効果が低くなるためであり、好ましくは１０４  Ω・ｃｍ以下、さらに好ましくは１０−１Ω・ｃｍ以下とする。
【００１３】
さらに、本発明では動圧軸受を成す焼結体として、Ａｌ２  Ｏ３  を主成分として２０重量％以上のＴｉＣを含むＡｌ２  Ｏ３  −ＴｉＣ系セラミックスを用いる。
【００１４】
このＡｌ２  Ｏ３  −ＴｉＣ系セラミックスは、硬度が高いため耐摩耗性に優れることは勿論のこと、自己潤滑性も優れているために相手部材の摩耗も小さくすることができ、かつ充分に低い体積固有抵抗を有している。また、ＴｉＣの含有量については、２０重量％未満であると１０−１Ω・ｃｍ以下の体積固有抵抗値が得られなくなり、一方８０重量％を超えると焼結性が悪くなるため、２０〜８０重量％の範囲が良い。
【００１５】
さらに、Ａｌ２  Ｏ３  とＴｉＣの合計１００重量部に対して、焼結助剤としてＴｉＯ２  、ＭｇＯ、ＳｉＯ２  、ＣａＯ等を合計５重量部以下含有することが、焼結性を高めるために望ましい。またこれらの他に希土類酸化物や不可避不純物を合計５重量部以下含有してもよい。
【００１６】
次に、本発明の動圧軸受を成す焼結体として、ＴｉＣやＴｉＮ等の硬質相を主成分とし、結合相として鉄族金属を２０重量％以下含むサーメットを用いることもできる。
【００１７】
このサーメットはセラミックの硬質相と金属の結合相からなる複合焼結体であり、導電性を有し、耐摩耗性、摺動性に優れたものである。また、上記硬質相中の金属元素は、Ｔｉを除く４ａ、５ａ、６ａ族金属元素が２０重量％以下、残部がＴｉであり、非金属元素は炭素及び／又は窒素からなるものである。
【００１８】
このサーメット系複合焼結体において、鉄族金属は焼結体中で結合相をなし、固体粒子間の隙間を埋めると同時に、流体流動に従って固体粒子が移動、再配列を行う作用を持つ。鉄族金属の含有量が２０重量％を超えると焼結体の硬度が低下し、また、鉄系金属との摺動の際に焼結体中の金属と相手材との間の反応により耐摩耗性の悪化を招くため、２０重量％以下の含有量とする。
【００１９】
また、硬質相中の金属元素の主成分を成すＴｉは、金属との摺動では特に優れた耐摩耗性、耐溶着性を持つものである。この硬質相中にＴｉを除く４ａ、５ａ、６ａ族金属を添加することにより、焼結性が向上し、靱性や強度の改善に効果があり、特にＣｒ、Ｍｏをそれぞれ１０重量％以下の割合で添加すると優れた効果を生じる。Ｔｉを除く４ａ、５ａ、６ａ族金属の量が過度に多くなると硬度の低下、耐摩耗性の低下を招くため硬質相中の金属元素中の割合は２０重量％以下とする。
【００２０】
硬質相の粒径は、微粒とすることで結合金属相が分散し摺動時に結合金属相と相手材金属との凝着摩耗を少なくすることができる。また、硬質相の粒径が過度に大きくなると焼結体の硬度、耐摩耗性の低下を招くため平均粒径５μｍ以下とすることが好ましい。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明実施例を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。
【００２２】
図１に示す動圧軸受装置は、シャフト１、動圧スラスト軸受２およびスリーブ３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の内周に相当するシャフト１の表面にはヘリングボーン形状の溝４ａが形成されて動圧ラジアル軸受４となっているが、上記溝４ａはスリーブ３の内周面側に形成しても良い。
【００２３】
また、シャフト１の先端は動圧スラスト軸受２と接触しており、回転時には溝２ａの動圧作用によって浮上することになるが、スタート・ストップ時や低速回転時には、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。
【００２４】
そして、上記動圧スラスト軸受２をヤング率３００ＧＰａ以上、体積固有抵抗値１０６  Ω・ｃｍ以下の焼結体で形成してあり、シャフト１はステンレス等の金属で形成してある。
【００２５】
この軸受装置は、ＶＴＲのスピンドルモータに用いる場合は回転数３０００ｒｐｍ程度であり、レーザービームプリンター（ＬＢＰ）のスピンドルモータでは２００００ｒｐｍ程度と非常に高速となる。このとき、シャフト１と動圧スラスト軸受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、動圧スラスト軸受２が耐摩耗性、摺動性に優れた材質からなるため、各部材の摩耗量も少なく長期間にわたって良好に使用することができる。
【００２６】
特に、動圧スラスト軸受２を成す焼結体はヤング率３００ＧＰａ以上と高剛性であることから、負荷荷重に対する変形量が小さく、高精度に形成された溝２ａによる動圧効果を充分に安定して引き出すことができる。また、体積固有抵抗を１０６  Ω・ｃｍ以下としてあるため、静電気を逃がす効果が高く、ＶＴＲ等の電子機器に悪影響を及ぼす恐れはない。
【００２７】
また、上記焼結体としては、特にＡｌ２  Ｏ３  −ＴｉＣ系セラミックスやサーメットが好適であり、これらの焼結体は自己潤滑性が高いため相手部材の摩耗を小さくすることができる。
【００２８】
なお、上記焼結体としては、この他に、体積固有抵抗値が１０３  〜１０６  Ω・ｃｍの炭化珪素質セラミックスや、チタン酸バリウムを還元雰囲気で焼成して体積固有抵抗値を１０４  〜１０６  Ω・ｃｍとしたものを用いてもよい。また、アルミナセラミックスの表面にＮｉＯ膜を形成してその表面抵抗を１０４  Ω・ｃｍ程度としたものや、あるいはアルミナや窒化珪素等の絶縁性セラミックスにＴｉＮ、ＴｉＣ等の導電性付与剤を添加して体積固有抵抗値を１０６  Ω・ｃｍ以下とした導電性セラミックスを用いることもできる。
【００２９】
なお、シャフト１については、ステンレス等の金属材を用いることにより静電気を逃がしやすくできる。
【００３０】
また、上記実施例では動圧スラスト軸受２を導電性を有する焼結体で形成した例を示したが、本発明の動圧軸受はスラスト側のみに限定するものではない。例えば、図１における動圧ラジアル軸受４を成すスリーブ３を上記と同様の焼結体で形成し、その内周面に動圧発生用の溝４ａを形成することもできる。
【００３１】
さらに、上記実施例はＶＴＲ用のスピンドルモータであるが、本発明の動圧軸受は、この他にＬＢＰ用、ＦＤＤ用等のモータに適用することもできる。また、モータに限らず、ポンプや各種加工機、あるいはその他の産業機械用部品にも適用できることは言うまでもない。
【００３２】
実験例
ここで、本発明の動圧軸受を構成する焼結体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試験を行った。
【００３３】
本発明実施例として、表１に示すようにアルミナを主成分とし炭化チタンを重量比で３０％、５０％含む焼結体、及びＴｉＣ系サーメットを用意し、一方比較例としてアルミナ系セラミック、窒化珪素系セラミック、ジルコニア系セラミックを用意した。
【００３４】
各試料を、乾式無潤滑下の状態で、相手材に高炭素クロム軸受け鋼ＳＵＪ２のボールを用いて、荷重０．５ｋｇ、相対摺動速度０．１７ｍ／ｓで摺動試験を行い、両部材の摩耗量を測定した。また、各材質について体積固有抵抗とヤング率を測定した。結果は表１に示す通りである。
【００３５】
【表１】
0003574687.tif 000002
【００３６】
表１から明らかなように、比較例であるＮｏ．１〜３は自材及び相手材の摩耗量が大きいのに対し、本発明実施例であるＮｏ．４〜６は自材だけでなく相手材の摩耗量も極めて小さくなっている。したがって、本発明の焼結体が耐摩耗生、自己潤滑性に優れていることがわかる。
【００３７】
また、表１より、比較例であるＮｏ．１、２は、ヤング率は３００ＧＰａ以上と大きいが体積固有抵抗が１０１２Ω・ｃｍ以上と大きいため、静電気を逃がす効果が低かった。また、。Ｎｏ．３はヤング率が低く、体積固有抵抗も１０１２Ω・ｃｍ以上と大きいため、撓みやすく、静電気も逃がしにくいものであった。
【００３８】
これに対し、本発明実施例であるＮｏ．４〜６は、ヤング率が３００ＧＰａ以上と大きく、また体積固有抵抗が１０−２Ω・ｃｍと極めて小さいことから、ＦＤＤ、ＬＢＰ、ＶＴＲ等の精密機器に用いても、静電気による影響を防止することができた。また、スラスト荷重等による動圧スラスト軸受けの変形等も小さく、安定したシャフトの浮上量を得ることができた。
【００３９】
【発明の効果】
このように、本発明によれば、Ａｌ２Ｏ３を主成分とし２０重量％以上のＴｉＣを含み、ヤング率が３００ＧＰａ以上、体積固有抵抗が１０６Ω・ｃｍ以下であって硬質相の平均粒径が５μｍ以下のＡｌ２Ｏ３−ＴｉＣ系焼結体の表面に動圧発生溝を備えてなる動圧軸受を形成したことによって、撓みが少ないことから安定した動圧特性が得られ、かつ静電気を逃がすことができるため、各種機器に悪影響を及ぼすこともなく、信頼性の高い動圧軸受を得ることができる。
【００４０】
また、上記焼結体として、Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＣ系焼結体を用いれば、特に高硬度で自己潤滑性に優れているため、互いの摩耗量を低減し、起動トルクを低下できることから、高い信頼性と長寿命化をもたらすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例の動圧軸受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
【図１】
0003574687.tif 000003