(57)【要約】【課題】機器の高速回転時における安定した摺動性を有し、さらに帯電防止特性を備えることにより、電子機器の信頼性および品質を向上することが可能な転がり軸受およびそれを用いたスピンドルモータを提供する。【解決手段】回転中心に対して同心状に配置された内輪と外輪との間の環状空間に保持器を介して複数の転動体を配設した転がり軸受において、複数の転動体がセラミックス製転動体と導電性材料製転動体とから構成されていることを特徴とする転がり軸受。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転中心に対して同心状に配置された内輪と外輪との間の環状空間に複数の転動体を配設した転がり軸受において、複数の転動体がセラミックス製転動体と導電性材料製転動体とから構成され、導電体材料製転動体の少なくとも一組以上は回転中心に対して点対称の位置に配置されていることを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】
セラミックス製転動体が窒化けい素焼結体で構成されていることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
【請求項３】
導電性材料製転動体の直径が、セラミックス製転動体の直径より０．０３〜０．３μｍ小さく形成されたことを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
【請求項４】
セラミックス製転動体および導電性材料製転動体が球状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
【請求項５】
転がり軸受に配設される転動体の総数に占めるセラミックス製転動体の割合が５０％以上であることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれかに記載の転がり軸受を回転軸の軸受として用いたことを特徴とするスピンドルモータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、転がり軸受およびそれを用いたスピンドルモータに関し、特に安定した摺動性を有し、帯電防止特性に優れた転がり軸受およびそれを用いたスピンドルモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）等の磁気記録装置やＤＶＤ、またはモバイル製品や各種ゲーム機器等の発達は目覚しいものがある。これらの機器は、通常、スピンドルモータ等の回転駆動装置により回転軸を高速回転させることによりディスクドライブを機能させている。
【０００３】
従来、回転軸を支持する転がり軸受の転動体には、軸受鋼等の金属材料で構成した転動体が用いられてきた。
【０００４】
しかしながら、軸受鋼等の金属製転動体は、耐摩耗性が十分でないことから、例えば、前記電子機器のように５０００ｒｐｍ以上の高速回転が要求される機器分野においては、耐久性が低く、また機器ごとの耐久性のばらつきが大きいという問題があった。
【０００５】
また、上記従来の金属製転動体を用いた転がり軸受は、摩耗による摺動性の劣化や、振動による音響特性の低下等の不具合が生じやすく、そのため、信頼性が高い回転駆動機構を提供することが困難な状況であった。
【０００６】
このような不具合を解決するために、近年、転動体を構成する材料として窒化けい素を主成分とするセラミックス焼結体材料を用いる試みが為されている。窒化けい素焼結体は金属と比較して軽量であり、また、各種のセラミックス焼結体材料の中でも特に摺動性に優れ、十分な耐摩耗性を有し、機器の高速回転時における信頼性を向上させることが可能であるため、高機能の回転駆動機構を提供することができる。
【０００７】
従来の転がり軸受としては、転動体の全てがセラミックスである転がり軸受において、転動体を一つ以上の転動体を窒化けい素転動体とジルコニア転動体とからなるものとした転がり軸受がある。（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−３２７７５１号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、窒化けい素製転動体は電気的に絶縁物であるので、機器を高速回転した際に発生する静電気が軸受鋼等の金属部材により作製された回転軸部やボール受け部（転動体以外の転がり軸受の構成要素）に十分に発散されないといった問題が発生することがあった。
【００１０】
このように静電気がうまく発散されず必要以上に帯電してしまうと電子機器、例えばハードディスクドライブ等のように磁気的信号を用いる記録媒体に悪影響を与えてしまう結果、ハードディスク等の電子機器自体を破壊してしまうといった現象が起きることがあった。
【００１１】
例えば、上記特許文献１に記載の転がり軸受の場合、静電気の帯電を防止するために転動体に添加物を混合して電気抵抗値を変化させることにより導電性を制御するが、転動体の材料に添加物を混合することは、強度や破壊靭性を低下させることを招くため、好ましくなかった。また、転動体の強度や破壊靭性を保持しようとすると、添加物の添加量を制限しなければならず、静電気の帯電を防止するために必要な導電性を付与することができないという問題もあった。
【００１２】
さらに、窒化けい素製の転動体は、熱膨張係数が金属の３分の１以下である。そのため、機器を高速回転した際に発生する熱による熱膨張がほとんど無く、軸受鋼等の金属部材により作製された回転軸部やボール受け部（転動体以外の転がり軸受の構成要素）の熱膨張と整合しないという問題も発生していた。
【００１３】
このように部材同士の熱膨張が整合しないと機器に回転振れ等が生じ、その結果、ハードディスク等の電子機器自体が破壊されてしまうといった現象も起きていた。
【００１４】
本発明は、上述した課題を考慮してなされたものであり、機器の高速回転時における安定した摺動性を有し、さらに帯電防止特性を備えることにより、電子機器の信頼性および品質を向上することが可能な転がり軸受およびそれを用いたスピンドルモータを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、機器の高速回転時における安定性に優れ、また軸回転により生じる静電気により電気機器が帯電して静電破壊することを防止するために、静電気の発散性にも優れた転がり軸受について鋭意研究した。その結果、転がり軸受に使用される転動体を、高速回転時において安定した摺動性および耐久性を有するセラミックス製転動体と、導電性に優れた軸受鋼製転動体とを組み合わせて構成することにより、上記課題が効果的に解決されるとの知見を得て、本発明を完成させた。
【００１６】
すなわち、本発明の転がり軸受は、回転中心に対して同心状に配置された内輪と外輪との間の環状空間に複数の転動体を配設した転がり軸受において、複数の転動体がセラミックス製転動体と導電性材料製転動体とから構成され、導電体材料製転動体の少なくとも一組以上は回転中心に対して点対称の位置に配置されていることを特徴とする。
【００１７】
セラミックス製転動体は導電性を持たないが、導電性を有する軸受鋼製転動体と組み合わせて配置することにより、例えば外輪に発生した静電気を軸受鋼製転動体で内輪へ逃がし、更に内輪と電気的に接続された回転軸部分等を介して静電気を発散させて、帯電を防止することが可能である。
【００１８】
一方、転がり軸受の高速回転時の安定性を向上するためには、転動体をバランス良く配置することが必要である。そのため、セラミックスと軸受鋼の物性の差違による摺動性等の特性差を考慮して配置する必要がある。すなわち、この転がり軸受は、同一材料の転動体同士を回転中心に対して点対称位置に配置することにより、転がり軸受の回転バランスが良好になるので、セラミックス製転動体による安定した摺動性と、軸受鋼製転動体による良好な導電性とを併せ持つ転がり軸受を提供することが可能である。
【００１９】
また、転動体に導電性に優れた軸受鋼を使用するので、転動体に静電気の帯電防止を目的とした添加物を混合する必要がなく、製造コストが低減され、従来の転がり軸受に比較して、静電気の帯電をより確実に防止することが可能である。
【００２０】
同一材料製の転動体を回転中心に対して点対称位置に配置せずに、周方向に連続して配置させると、転動体の重量バランスが回転中心に対して点対称にならず、転がり軸受の周方向での摺動性にばらつきが生じるため好ましくない。
【００２１】
さらに、セラミックス製転動体を構成する材料が窒化けい素焼結体であることが好ましい。
【００２２】
転がり軸受に用いられる窒化けい素焼結体は、例えば主成分としての窒化けい素に、主にＭｇ，Ａｌ，Ｙ，Ｓｃ，Ｌａ，Ｃｅ等の金属元素の酸化物や窒化物を焼結助剤として添加して、液相焼結により焼結体を高密度化させて製造される。
【００２３】
一方、導電性材料製転動体の直径は、セラミックス製転動体の直径より０．０３〜０．３μｍ小さいことを特徴とする。
【００２４】
セラミックス製転動体の熱膨張率は内外輪を構成する金属の熱膨張率に比べて低いものである。従って回転時の摩擦熱により軸受鋼製転動体とセラミックス製転動体の外径に差が生じ、転がり軸受の安定性に影響を及ぼす。
【００２５】
そこでこの転がり軸受は、予め、軸受鋼製転動体をセラミックス製転動体よりも小さく構成する。発明者らの知見によれば、軸受鋼製転動体の外径をセラミックス製転動体の外形より０．０３μｍ〜０．３μｍ小さくすることにより、回転時の摩擦熱により生じる外径の差による影響を回避し、回転機器の不安定さを防止することができる。セラミックス製転動体と軸受鋼製転動体の外径の差が０．０３μｍよりも小さいと、高速回転時における熱膨張率の差を解消する効果に乏しく、また、セラミックス製転動体と軸受鋼製転動体の外径の差が０．３μｍを超えると、外径差が大きく、転がり軸受が安定した摺動性能を発揮しない。
【００２６】
また、転がり軸受に使用される転動体の総数に占めるセラミックス製転動体の割合が５０％以上であることが好ましい。
【００２７】
転がり軸受の機器高速回転時の安定性を考慮すると、摺動性および耐久性に優れたセラミックス製転動体を使用することが好ましい。従って、転がり軸受に使用される転動体の総数のうち、軸受鋼製転動体は導電性を確保する目的上必要な最小限の個数とすることが好ましい。
【００２８】
そこで、本発明の転がり軸受は、転動体の総数のうち５０％以上をセラミックス製転動体とし、残りの転動体を軸受鋼製転動体とする構成とした。
【００２９】
また、セラミックス製転動体および導電性材料製転動体は球状に形成されたことを特徴とする。
【００３０】
転がり軸受には、例えば高負荷荷重用の円柱形状の転動体を配設することも可能であるが、通常の軽負荷荷重用転がり軸受においては、各転動体を球状に形成することにより、より回転機器の高速化を図ることができる。従って、ハードディスク等の磁気記憶装置、光磁気記憶装置などの高速回転が要求される電子機器への対応が可能となる。
【００３１】
上記のように構成した転がり軸受をスピンドルモータの回転軸の軸受に使用することにより、機器の高速回転時における信頼性を向上することが可能である。
【００３２】
上記構成に係る転がり軸受は、特に高速回転を要求される電子機器、例えばハードディスクドライブ等の電子機器の回転駆動部に適用する軸受として好適であり、導電性材料製転動体を経由して静電気が効果的に発散されるため、回転駆動に伴って発生する静電気が必要以上に帯留することを効果的に防止することが可能である。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明に係る転がり軸受の実施の形態について、以下の実施例を参照して具体的に説明する。
【００３４】
図１に本発明の転がり軸受の構造図を示す。転がり軸受１０は、外輪１と内輪２との間の環状空間に導電性材料製転動体３および絶縁性材料製転動体４が保持器５を介して回転可能に保持されて構成される。同一材料の転動体は回転中心に対して点対称位置に配置し、絶縁性材料製転動体４の転動体の総数に占める割合は、５０％以上とする。
【００３５】
表１に示すような転動体の構成を有する転がり軸受（実施例１〜実施例３および比較例１〜比較例４）を作製し、これらの転がり軸受をスピンドルモータの軸受部分にそれぞれ使用して、スピンドルモータの音響特性及び静電破壊の有無について評価を行った。
【００３６】
（実施例１）
８個の転動体を使用する転がり軸受を、軸受鋼製転動体４個と窒化けい素製転動体４個とで構成し、同一材料の転動体同士が回転中心に対して点対称位置に配置されるようにして転がり軸受を作製した。
【００３７】
この転がり軸受を用いたスピンドルモータの音響特性を以下の計測方法により計測した。すなわち、転がり軸受の外輪側にて回転速度１００００ｒｐｍで連続１００００時間稼動させた前後における音の強さを、マイクロフォン（ピックアップセンサー）で拾って、そのセンサ出力の増加量（％）を測定した。なお、スピンドルモータの運転時における音の強さの実用上の上限は３０ｄＢである。
【００３８】
また、静電破壊の測定は、スピンドルモータをハードディスクドライブに組込み、回転速度１００００ｒｐｍで連続１００００時間稼動させた後にハードディスクドライブが正常に稼動するかどうかを確認し、２０台のハードディスクドライブが全台稼動した場合は静電破壊「無」とし、１台でも稼動しないものがあれば静電破壊「有」と表記した。
【００３９】
（実施例２）
８個の転動体を使用する転がり軸受を、軸受鋼製転動体２個と窒化けい素製転動体６個とで構成し、同一材料の転動体同士が回転中心に対して点対称位置に配置されるようにして転がり軸受を作製した。
【００４０】
この転がり軸受を用いたスピンドルモータの音響特性を実施例１と同様の計測方法により計測した。また静電破壊の有無について実施例１と同様の評価方法により評価した。
【００４１】
（実施例３）
８個の転動体を使用する転がり軸受を、軸受鋼製転動体６個と窒化けい素製転動体２個とで構成し、同一材料の転動体同士が回転中心に対して点対称位置に配置されるようにして転がり軸受を作製した。
【００４２】
この転がり軸受を用いたスピンドルモータの音響特性を実施例１と同様の計測方法により計測した。また静電破壊の有無について実施例１と同様の評価方法により評価した。
【００４３】
（比較例１）
８個の転動体を使用する転がり軸受の転動体を、全て軸受鋼製転動体で構成し、転がり軸受を作製した。
【００４４】
この転がり軸受を用いたスピンドルモータの音響特性を実施例１と同様の計測方法により計測した。また静電破壊の有無について実施例１と同様の評価方法により評価した。
【００４５】
（比較例２）
８個の転動体を使用する転がり軸受を、軸受鋼製転動体５個と窒化けい素製転動体３個とで構成し、軸受鋼製転動体を除き、同一材料の転動体同士が回転中心に対して点対称位置に配置されるようにして転がり軸受を作製した。
【００４６】
この転がり軸受を用いたスピンドルモータの音響特性を実施例１と同様の計測方法により計測した。また静電破壊の有無について実施例１と同様の評価方法により評価した。
【００４７】
（比較例３）
８個の転動体を使用する転がり軸受を、軸受鋼製転動体１個と窒化けい素製転動体７個とで構成し、軸受鋼製転動体を除き、同一材料の転動体同士が回転中心に対して点対称位置に配置されるようにして転がり軸受を作製した。
【００４８】
この転がり軸受を用いたスピンドルモータの音響特性を実施例１と同様の計測方法により計測した。また静電破壊の有無について実施例１と同様の評価方法により評価した。
【００４９】
（比較例４）
８個の転動体を使用する転がり軸受を、全てセラミックス製転動体で構成し、転がり軸受を作製した。
【００５０】
この転がり軸受を用いたスピンドルモータの音響特性を実施例１と同様の計測方法により計測した。また静電破壊の有無について実施例１と同様の評価方法により評価した。
【００５１】
実施例１〜実施例３および比較例１〜比較例４の転がり軸受についての音響特性試験および静電破壊試験の試験結果を表１に示す。
【００５２】
【表１】
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【００５３】
実施例１〜実施例３および比較例１〜比較例４の転がり軸受を用いたスピンドルモータの音響特性および静電破壊についての試験結果を評価すると、実施例２の転がり軸受を用いたスピンドルモータは、振動（音響）実験結果が４３ｄＢと振動の防止効果が高く、また静電破壊も防止されており、最も高品質の転がり軸受が得られた。
【００５４】
実施例１の転がり軸受を用いたスピンドルモータも、音響特性については、振動（音響）実験結果が４５ｄＢと実施例２の転がり軸受を用いたスピンドルモータに比較してやや低いものの、静電破壊は効果的に防止されており、良好な品質を有する転がり軸受であることが判明した。
【００５５】
また、実施例３の転がり軸受を用いたスピンドルモータも同様に、音響特性については、振動（音響）実験結果が４５ｄＢと実施例２の転がり軸受に比較してやや低いものの、静電破壊は効果的に防止されており、良好な品質を有する転がり軸受が得られた。
【００５６】
一方、転動体を全て軸受鋼製とした比較例１の転がり軸受を用いたスピンドルモータは、良好な導電性を有するため、静電破壊は確実に防止されるが、振動（音響）実験結果が５０ｄＢとセラミックス製転動体に比較して音響特性において劣っており、高速回転機器における安定的な性能を保証することが不可能であった。
【００５７】
また、転動体を全てセラミックス製とした比較例４の転がり軸受を用いたスピンドルモータは、機器の高速回転時における安定性に優れるため、振動（音響）実験結果が４０ｄＢと音響特性は優れているが、導電性を有さないため、静電破壊するハードディスクドライブがあった。
【００５８】
また、比較例２の転がり軸受は、セラミックス製転動体を奇数個（３個）配置したものであるが、このような転動体の配置とした転がり軸受を用いたスピンドルモータは、ハードディスクの静電破壊は防止されるが、振動が多く、振動（音響）実験結果が５３ｄＢと音響特性が低下した。これは、同一材質の転動体が対角に配置されないため、軸受鋼とセラミックスの摺動性および熱膨張率の差異により、機器の高速回転における安定性が低下することによると判断された。
【００５９】
一方、セラミックス製転動体を７個配置した比較例３の転がり軸受を用いたスピンドルモータも同様に、振動が多く、振動（音響）実験結果が５０ｄＢと音響特性が低下した。
【００６０】
上記試験結果より以下の知見を得た。すなわち、転動体の総数に対するセラミックス転動体の割合は、５０％以上とすることが好ましい。また、転動体の構成は、窒化けい素と軸受鋼とは比重および熱膨張率が異なるため、１個または、２個連続する様な配置では、バランスを崩し、音響特性等を低下させる。そのため同一材質の転動体は対角に配置することにより、転がり軸受の安定性が向上される。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明のように、本発明に係る転がり軸受およびそれを用いたスピンドルモータによれば、高速回転時における安定した摺動性を備え、静電気の発散性に優れた構成としたので、ハードディスク等の磁気記憶装置、光磁気記憶装置などの高速回転が要求される電子機器への対応が可能な転がり軸受およびそれを用いたスピンドルモータを提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る転がり軸受の構造を示す模式図。
【符号の説明】
１  外輪
２  内輪
３  導電性転動体
４  絶縁性転動体
５  保持器
１０  転がり軸受
【図１】
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