(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に動圧発生溝を有するセラミック製動圧軸受において、ヤング率が３００ＧＰａ以上、平均結晶粒径が０．５μｍ以上のセラミックスで形成するとともに、動圧発生溝底部の表面粗さ（Ｒａ）を１μｍ以下としたことを特徴とするセラミック製動圧軸受。
【請求項２】
前記セラミックスはアルティックまたはサーメットを用いたことを特徴とする請求項１記載のセラミック製動圧軸受。
【請求項３】
表面に動圧発生溝を有するセラミック製動圧軸受の製造方法において、セラミック体の軸受面にフォトレジスト膜を形成した後、動圧発生溝の形状に合致したマスクを介して露光し、現像を行うことにより動圧発生溝となる部分のフォトレジスト膜を除去し、この表面に平均粒径２〜２０μｍの硬質微粒子を噴射して上記フォトレジスト膜のない部分に動圧発生溝を形成する工程により請求項１又は２に記載のセラミック製動圧軸受を製造してなるセラミック製動圧軸受の製造方法。
【請求項４】
上記動圧発生溝の深さが２〜３０μｍであることを特徴とする請求項３に記載のセラミック製動圧軸受の製造方法。
【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セラミック製動圧軸受及びその製造方法に関する。
【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、含油軸受などが一般的に用いられている。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。
【０００３】
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の薄型化をはかる場合など、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という問題点が発生する。
【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、スピンドルモータの回転に伴い動圧発生溝が潤滑流体に与えるポンピング作用により、流体圧が上昇し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】
動圧軸受の構成は図５に示すように、シャフト２１とこれを支持するスリーブ２３からなり、シャフト２１の外周に動圧発生溝２４ａを形成してラジアル方向の剛性を持つラジアル軸受部２４と成し、一方動圧スラスト軸受２２にはスパイラル状の動圧発生溝２２ａを形成して、オイル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たせるようにしてある。
【０００６】
ここで、重要な部分は動圧スラスト軸受２２である。例えば、縦型モータでのラジアル方向はシャフト２１の外径とスリーブ２３の内径が殆ど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殆ど無い。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動圧スラスト軸受２２とシャフト２１端部との接触部にかかることになり、スタート・ストップ時、低速回転時に接触回転するため耐久性に対して重要な影響を持つことになる。
【０００７】
この動圧軸受を構成するシャフト２１や動圧スラスト軸受２２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。しかしながら、金属同士で構成した場合、金属同士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隙間に入り込むと、かじり焼き付きを生じる等の問題がある。そのため、動圧スラスト軸受２２等をセラミックスで形成することが考えられていた。
【０００８】
また、動圧軸受において重要となるのが、オイル、気体等の潤滑流体をポンピングする為に必要な動圧発生溝の形状とその溝深さに関する要因であり、動圧スラスト軸受２２の場合動圧発生溝２２ａの形状精度と溝深さについて高い加工精度が要求されてくる。このスパイラル形状の動圧発生溝２２ａを形成する方法としては、▲１▼化学エッチング法▲２▼ショットブラスト法▲３▼レーザー加工など種々の方法が提案されている。
【０００９】
ステンレス等の金属からなる動圧スラスト軸受２２の場合には、化学エッチング処理を施すことにより所望のスパイラル形状と溝深さを形成している。しかしながら、この製造方法はエッチング処理後の廃液処理の環境問題、加工時間の問題（量産性）等について改善が求められている。さらには、金属製の動圧スラスト軸受２２は始動・停止時の摺動により摩耗し易いという問題点がある。
【００１０】
そこで、動圧スラスト軸受２２をセラミックスで形成し、スパイラル形状の動圧発生溝２２ａをショットブラスト法で加工することが提案されている（特開昭６３−１６３０１６号、特開平２−９３１１５号公報等参照）。
【００１１】
ショットブラスト法は、セラミック部材の表面に凹溝を形成する製造方法としてよく知られており（特開昭６０−１４６１５号、特開昭６２−２７８３１３号、特開平５−５８７６５号公報等参照）、所望する凹溝形成部分を除いた樹脂マスクや金属マスクを製作し、これをセラミック体の表面に貼り付けた後、ショットブラスト処理を施してマスキングされていない部分に短時間で凹溝を形成するものである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記セラミック製動圧軸受では、流体膜を安定して保持しにくいという問題点があり、相手材と接触して摩耗させやすかった。また、その際に動圧発生溝のエッジにより相手材が切削摩耗しやすいことから、寿命が短いものであった。
【００１３】
さらに、従来のセラミック製動圧軸受の製造方法では所定のスパイラル形状等をもったマスクの作製作業、及び該マスクのセラミック表面への貼り付け作業が極めて煩雑である上、スパイラル形状の細線化及び形状のパターニングを高精度に行えない為、効率よく量産することは困難であるという問題点があった。
【００１４】
さらに、加工精度の面ではセラミック体表面に凹溝を短時間で形成するため、ブラストノズルを被加工材の表面に近接させておく必要があり、また、被加工材の表面に噴射された硬質微粒子は被加工材の表面に衝突し次第に摩滅していく為、均一かつ高精度の凹溝深さを安定して量産することは極めて困難であった。
【００１５】
そこで、ショットブラストの代わりに、レーザー光を用いてセラミックス製動圧軸受の溝加工を行う方法もあるが、この場合動圧発生溝の形状に沿ってレーザ光を照射するため加工時間がかかることは言うまでもなく、加工面への溶融層析出により、所望の表面平滑性が得にくいという問題、熱影響層の増加によるクラックの問題、さらには加工部分と未加工部分の境界に析出する溶融層の除去が必要になる等の問題がある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、表面に動圧発生溝を有するセラミック製動圧軸受において、ヤング率が３００ＧＰａ以上で、平均結晶粒径が０．５μｍ以上のセラミックスで形成するとともに、動圧発生溝底部の表面粗さ（Ｒａ）を１μｍ以下としたことを特徴とするものである。なお、本発明において表面粗さは、ＪＩＳＢ０６０１に規定される中心線平均粗さ（Ｒａ）で示す。
【００１７】
ここで、ヤング率３００ＧＰａ以上のセラミックスを用いたのは、３００ＧＰａ未満であると負荷荷重に対する変形のために、高精度（溝深さ精度±１μｍ程度）に仕上がった動圧発生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いためである。
【００１８】
また、セラミックスの平均結晶粒径を０．５μｍ以上としたのは、０．５μｍ未満であると動圧発生溝のエッジが鋭くなりすぎて相手材の切削摩耗が大きくなるためである。なお、優れた機械的物性を維持するためには、平均結晶粒径は１０μｍ以下とすることが好ましい。
【００１９】
また動圧発生溝溝底部の表面粗さ（Ｒａ）を１μｍ以下としたのは、１μｍを越えると動圧スラスト軸受と相手材の間に介在する潤滑剤等で形成される流体膜の保持力が低下してしまい、動圧軸受と相手材が接触しやすくなって摩耗が進行するためである。さらに、動圧発生溝底部の平坦度は３μｍ以下とすることが好ましい。
【００２０】
また本発明は、表面に動圧発生溝を有するセラミック製動圧軸受の製造方法において、セラミック体の軸受面にフォトレジスト膜を形成した後、動圧発生溝の形状に合致したマスクを介して露光し、現像を行うことにより動圧発生溝となる部分のみのフォトレジスト膜を除去し、この軸受面全面に平均粒径２〜２０μｍの硬質微粒子を噴射して上記フォトレジスト膜のない部分に動圧発生溝を形成するようにしたものである。
【００２１】
ここで、硬質微粒子の平均粒径を２〜２０μｍとしたのは、２μｍ未満であると加工効率が悪く、均一分散のコントロールが困難となるためであり、一方２０μｍを越えると動圧発生溝の底部の表面粗さを１μｍ以下とできないためである。
【００２２】
また、動圧発生溝の深さは２〜３０μｍの範囲が良い。これは２μｍより浅いと寸法精度の制御が難しくなり、また良好な表面平滑性が得られず、逆に３０μｍより深いと溝部がテーパ状になり溝底隅部が大きなＲ面となり、充分な動圧効果を得ることが困難となるためである。なお、好ましくは２〜２０μｍの範囲が良い。
【００２３】
なお、本発明のセラミック製動圧軸受とは、軸及び軸受からなるスラスト方向またはラジアル方向の軸受であって、軸及び／又は軸受をセラミックスで形成し、その軸受面に動圧発生溝を有するものを言う。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明実施例としてＶＴＲ用スピンドルモータの動圧軸受装置に用いる動圧スラスト軸受を例にして説明する。
【００２５】
図５に示すように、動圧軸受装置はシャフト２１、動圧スラスト軸受２２およびスリーブ２３からなり、該シャフト２１を固定軸にしてスリーブ２３が回転するようになっている。該シャフト２１の外周にヘリングボーン形状の動圧発生溝２４ａが形成されて動圧ラジアル軸受部２４となり、また動圧スラスト軸受２２にはスパイラル状の動圧発生溝２２ａを備えていることから、回転時にはこれらの動圧発生溝２２ａ、２４ａによって流体膜が生じ、滑らかな回転を行うことができる。
【００２６】
ただし、スタート・ストップ時、低速回転時にはシャフト２１の先端が動圧スラスト軸受２２と摺動するようになり、回転体の全荷重がシャフト２１の先端と動圧スラスト軸受２２に負荷として加わることになる。
【００２７】
この動圧スラスト軸受２２は、図１に示すように、セラミック体１の表面中央にスパイラル状の動圧発生溝２を有し、該動圧発生溝２中の凸部３と外周部４とは同一平面となっている。そして、シャフト２１の端面をこの動圧スラスト軸受２２で支持して回転させれば、上記動圧発生溝２の動圧作用によりシャフト２１を浮上させることができる。
【００２８】
また、このセラミック体１は、ヤング率３００ＧＰａ以上で平均結晶粒径０．５μｍ以上のセラミックスからなり、動圧発生溝２の底部２ａの表面粗さ（Ｒａ）を１μｍ以下としてある。
【００２９】
本発明の動圧スラスト軸受２２は、セラミックスとしてヤング率３００ＧＰａ以上の高剛性の材料を用いることにより、負荷が加わっても変形しにくく、優れた動圧発生効果を維持できる。また、平均結晶粒径０．５μｍ以上と粒径の大きいセラミックスを用いているため、動圧発生溝２のエッジ部２ｂが鋭くならず、相手材を摩耗させにくい。さらに、動圧発生溝２の底部２ａの表面粗さ（Ｒａ）を１μｍ以下とすることにより、流体膜の保持力を高めて相手材との摺動による摩耗を防止することができる。
【００３０】
なお、動圧発生溝２の底部２ａの表面粗さ（Ｒａ）を１μｍ以下とするためには、後述する製造方法においてサンドブラスト加工時の硬質微粒子を所定の粒径とすれば良い。あるいは、動圧発生溝２の形状を有する金型を用いてプレス成形することもでき、この場合は、金型の表面粗さ（Ｒａ）を１μｍ以下としておいて、プレス成形し焼成すれば良い。
【００３１】
上記動圧軸受装置をＶＴＲのスピンドルモータに用いる場合は３０００ｒｐｍ程度、ＬＢＰ（レーザービームプリンター）のスピンドルモータでは２万ｒｐｍ程度と非常に高速となる。このとき、シャフト２１と動圧スラスト軸受２２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、上記のように平均結晶粒子径を０．５μｍ以上、動圧発生溝２の底部２ａの表面粗さ（Ｒａ）を１μｍ以下とすることにより、潤滑剤の流体膜を均一に介在させ、切削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。
【００３２】
なお、上記実施例では動圧スラスト軸受２２について説明したが、本発明のセラミック製動圧軸受はこれに限るものではない。例えば、シャフト２１の端面をセラミックスで形成して動圧発生溝を形成したり、あるいはラジアル軸受部２４におけるシャフト２１またはスリーブ２３をセラミックスで形成して動圧発生溝を備えて本発明のセラミック製動圧軸受とすることができる。
【００３３】
次に、図１に示す本発明の動圧スラスト軸受の製造方法について説明する。
【００３４】
図２（ａ）に示すように、まずセラミック体１の軸受面１ａを所望の表面状態、好ましくは表面粗度（Ｒａ）０．３μｍ以下に仕上げた後、全面にフィルム状のフォトレジスト膜１１を気泡を巻き込まないように積層する。フォトレジスト膜１１の厚みｔは、後述するショットブラストの衝撃に耐えられるように３０μｍ以上とする。しかし、必要以上に厚くすると加工時に形成される動圧発生溝２の縁部を高精度に形成できない等の問題があるため、厚みｔは２００μｍ以下が好ましい。この厚みｔは加工する溝深さに応じて適宜に変更することができる。
【００３５】
その後、図３に示すようなガラスマスク１２を作製する。このガラスマスク１２は、図１の動圧発生溝２に対応する部分が不透明部１２ａとなり、その他の部分が透明部１２ｂとなったものである。このガラスマスク１２は、ＣＡＤ等を使用して製作した図面をもとに正確に形状を転写すれば良い。
【００３６】
ここで製作したガラスマスク１２を図２（ｂ）に示すように、フォトレジスト膜１１の表面に密着して載置し、その上から紫外線を照射して露光を行う。この時、フォトレジスト膜１１の露光された部分は硬化されることになる。即ち、フォトレジスト膜１１のうち、ガラスマスク１２の透明部１２ｂに対応する部分は露光されて硬化し、一方不透明部１２ａに対応する部分は露光されないため硬化しないことになる。
【００３７】
その後、ガラスマスク１２を外し、セラミック体１を回転させながら現像液を吹き付ければ、図２（ｃ）に示すように、フォトレジスト膜１１のうち硬化していない紫外線未露光部分１１ａのみが除去されることになる。即ち、セラミック基体１の表面のフォトレジスト膜１１は、ガラスマスク１２の不透明部１２ａの形状（動圧発生溝２の形状）の部分が除去され、それ以外の部分のみに被着した状態となり、所望の動圧発生溝２の形状がセラミック体１の表面に正確にマスキングされる。
【００３８】
このように、本発明によれば、フォトレジスト膜１１の露光、現像でマスキングを形成したため、マスキングが分離した形状でも容易に所望の形状を正確に形成することができる。なお、上記実施例ではネガ型のフォトレジストを使用したが、ポジ型のフォトレジストを使用しても同様に所望の動圧発生溝２の形状被膜が可能なことは云うまでもない。
【００３９】
さらに、セラミック体１およびフォトレジスト膜１１を１５０〜２００℃でベイキングし、フォトレジスト膜１１の強度を向上させる。
【００４０】
最後に、図２（ｄ）に示すように、上記にて得られたセラミック体１を装置内にセットした後、噴射ノズル１３よりセラミック体１の軸受面１ａに硬質微粒子１４を噴射してショットブラストを行う。この工程により、セラミック体１の軸受面１ａにおけるフォトレジスト膜１１の除去された部分が削られ、動圧発生溝２が形成されることになる。
【００４１】
ここで、動圧発生溝２を高精度に形成するためには、上記硬質微粒子１４のコントロール方法が重要である。具体的には、硬質微粒子１４を常に一定重量ずつ計量しながら供給して、時間当たりの噴射量が一定となるようにしてある。また、硬質微粒子１４は、高圧エアー源からドライヤーやシリカゲルを経て乾燥され導入されたエアーに均一分散させて噴射する。特に微粒子の場合、非常に凝集しやすいため乾燥したエアーを使用することが重要である。
【００４２】
さらに、硬質微粒子１４としてはＧＣ砥粒の２５００番を使用したが、この他にもセラミックスのショットブラスト加工に一般的に使用されているシリコンカーバイトやアルミナ等で平均粒径２〜２０μｍのものを用いれば良い。ここで、硬質微粒子１４の平均粒径を２〜２０μｍとしたのは、２μｍ未満であると加工効率が悪く、均一分散のコントロールが困難であるためであり、一方２０μｍを越えると動圧発生溝２の底部２ａの表面粗さ（Ｒａ）を１μｍ以下とできないためである。そして、噴射した硬質微粒子１４は回収して再利用するが、この際に砕けたり摩耗して小さくなった硬質微粒子１４は除去し、常に平均粒径が２〜２０μｍの範囲内を維持するようにしておくことが重要である。
【００４３】
このように、硬質微粒子１４を常に計量しながら供給して時間当たりの噴射量を一定にし、かつ再利用時に小さくなった硬質微粒子１４を除去して平均粒径を一定に維持することによって、動圧発生溝２を高精度に加工することができ、底面２ａの平面度を３μｍ以下に加工することができる。
【００４４】
また、このショットブラストの工程は、図４に示すように、台板１５上に複数のセラミック体１を載置し、台板１５とノズル１３を相対的に移動させながら、繰り返しスキャンさせて、徐々に動圧発生溝２を形成すれば、均一かつ高精度の動圧発生溝２を形成することができる。
【００４５】
なお、上記動圧スラスト軸受２２をなすセラミック体１の材質としては、アルミナ（Ａｌ２  Ｏ３  ）、ジルコニア（ＺｒＯ２  ）、チタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ３  ）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３  ）、窒化珪素（Ｓｉ３  Ｎ４  ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、アルティック（Ａｌ２  Ｏ３  −ＴｉＣ）、サーメット（ＴｉＣ−ＴｉＮ系）等を用いるが、摺動時の耐摩耗性を考慮してアルティックまたはサーメットが好ましい。
【００４６】
さらに、以上の実施例では動圧スラスト軸受２２に動圧発生溝を形成したものを説明したが、シャフト２１をセラミックスで形成し、その端面に動圧発生溝を形成することもでき、この場合も本発明の製造方法を適用することができる。また、スラスト軸受に限らず、ラジアル方向のシャフト２１及び／又はスリーブ２３に動圧発生溝を形成する場合にも本発明の製造方法を適用できる。
【００４７】
実験例１
ここで、図１に示す本発明の動圧スラスト軸受を試作し、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。
【００４８】
本発明実施例として、アルミナ系セラミックス、窒化珪素系セラミックス、及びＴｉＣ−ＴｉＮ系サーメットからなる動圧スラスト軸受２２を用意し、一方比較例として、ＳＫＨ材、ジルコニアセラミックスからなるもの、及びアルミナセラミックからなり動圧発生溝の底部の表面粗さを粗くしたものを用意した。
【００４９】
各試料を、湿式潤滑下の状態で、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結果は表１に示す通りである。
【００５０】
表１から明らかなように、相手材に対する摩耗量はＮｏ．４〜６の比較例が大きいのに対し、本発明実施例であるＮｏ．１〜３は何れも相手材摩耗量が極めて小さく、その中でもサーメットが非常に優れていることがわかる。また、Ｎｏ．１とＮｏ．６を比較すると、同じアルミナ系セラミックであるにもかかわらず、動圧発生溝の底部の表面粗さ（Ｒａ）を１μｍより大きくしたＮｏ．６は、相手材の摩耗量が大きかった。さらに、Ｎｏ５に示すジルコニアセラミックスは結晶粒径が０．５μｍ以下と小さすぎるため、動圧発生溝のエッジが鋭くなり、相手材に切削摩耗を発生させた。
【００５１】
したがって、ヤング率３００ＧＰａ以上、平均結晶粒径０．５μｍ以上のセラミックスを用い、動圧発生溝の底部の表面粗さ（Ｒａ）を１μｍ以下とすることによって、相手材を摩耗させにくくできることがわかる。
【００５２】
【表１】
0003580577.tif 000002
【００５３】
実験例２
次に、上記の製造方法により図１に示すスラスト軸受を製造した。セラミック体１はアルティックにより形成し、動圧発生溝２の深さを変化させた時の性能評価を行った。
【００５４】
結果は表２に示す通りである。表１中、Ｎｏ．１においては、溝深さが浅すぎるため加工時間の制御ができずセラミック体１表面に未加工部分が残ってしまい所定の動圧効果を得ることはできなかった。また、Ｎｏ．７では溝深さが深いため動圧発生溝２の断面が奥に向かって幅が狭くなるテーパ形状となり、かつ隅部に大きなＲ面が発生し、性能評価においても所定の動圧効果を得ることはできなかった。
【００５５】
これに対し、溝深さを２〜３０μｍとしたＮｏ．２〜６については、精度的にも性能的にも何等問題はなく、特に溝深さを２〜２０μｍとしたもの（Ｎｏ．２〜５）は優れた動圧効果を示した。
【００５６】
【表２】
0003580577.tif 000003
【００５７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、表面に動圧発生溝を有するセラミック製動圧軸受において、ヤング率が３００ＧＰａ以上、平均結晶粒径が０．５μｍ以上のセラミックスで形成するとともに、動圧発生溝底部の表面粗さ（Ｒａ）を１μｍ以下としたことによって、動圧発生溝のエッジによる相手材の切削摩耗を低減し、かつ潤滑剤を軸受表面に均一に介在させ、摩耗量を低減し、高い信頼性と長寿命化をもたらすことができる。
【００５８】
また本発明によれば、セラミック製動圧軸受の動圧発生溝を形成する際に、フォトレジスト膜の露光・現像を利用してマスキングをすることにより形状の制限を全く受けることなく正確にかつ容易にマスキングを行うことができる。また、この表面にコントロールされた硬質微粒子を噴射することにより、サブミクロンオーダーの加工を実現し、所望の凹溝を有したセラミック製動圧軸受を高精度に量産加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミック製動圧軸受の一例である動圧スラスト軸受けを示し、（ａ）は平面図（ｂ）は（ａ）中のＸ−Ｘ線断面図である。
【図２】本発明のセラミック製動圧軸受の製造方法を説明する図である。
【図３】本発明のセラミック製動圧軸受の製造方法に使用するガラスマスクを示す平面図である。
【図４】本発明のセラミック製動圧軸受の製造方法を説明する図である。
【図５】一般的な動圧軸受装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１：セラミック体
２：動圧発生溝
２ａ：底部
３：凸部
４：外周部
２２：動圧スラスト軸受
【図１】
0003580577.tif 000004
【図２】
0003580577.tif 000005
【図３】
0003580577.tif 000006
【図４】
0003580577.tif 000007
【図５】
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