(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方が軸部材である、互いに対向する対向面を有する回転体と固定体とからなり、互いに対向する前記対向面が、一方に動圧発生溝が形成されているとともに少なくとも一方がセラミックスの研磨面からなる動圧軸受において、前記研磨面に露出した前記セラミックスの結晶粒の粒界に沿って溝状の凹部が形成されているとともに、前記研磨面の断面において、前記溝状の凹部の両側における前記結晶粒の形状が前記溝状の凹部に向かってＲ形状であることを特徴とする動圧軸受。
【請求項２】
前記溝状の凹部の深さが前記研磨面に露出した前記セラミックスの結晶粒の前記研磨面における平均結晶粒径の１／３０〜１／５であることを特徴とする請求項１記載の動圧軸受。
【請求項３】
請求項１または２に記載の動圧軸受を軸受部に用いたことを特徴とするモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動部材、特にレーザビームプリンタ（以下、ＬＢＰと称す。）等に用いられるポリゴンミラーや、ハードディスクドライブ（以下、ＨＤＤと称す。）に使用される動圧軸受およびこの動圧軸受を用いたモータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、硬度が高く耐磨耗性に優れた摺動部材としてセラミックスが用いられている。近年においては上記特性に加え、耐熱性に優れ、高精度な加工や高速摺動が可能な点等の特長を活かしてＬＢＰ等に用いられるポリゴンミラーや、ＨＤＤに使用される動圧軸受やモータに用いられている。
【０００３】
図５（ａ）は、従来の動圧軸受の一例を示す斜視図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）に示すＥ−Ｅ’線での断面図である。
【０００４】
この動圧軸受50は、シャフト51，スリーブ52，スラスト53の組合せにより構成してあり、円柱状のシャフト51が円筒状のスリーブ52の中空部に配置され、シャフト51は円柱の両端部でそれぞれスラスト53と連結している。このときシャフト51とスリーブ52とは、およびスラスト53とスリーブ52とはそれぞれ隙間54，55を設けて配置されている。また、スラスト53はシャフト51と一体に形成される場合と、個別に形成した後で接着剤やネジ等で一体的に固定される場合とがあり、製品形状，加工精度および製造コスト等を考慮して設計されている。
【０００５】
そして、スリーブ52と対向するシャフト51の対向面51ａには、ラジアル方向の動圧を発生する動圧発生溝51ｂが形成されており、スリーブ52と対向するスラスト53の対向面53ａには動圧発生溝53ｂが形成されている。
【０００６】
このような動圧軸受50では、ＬＢＰのポリゴンミラー用の動圧軸受のようにシャフト51およびスラスト53を回転体として、スリーブ52を固定体として用いるものと、ＨＤＤ用の動圧軸受のようにスリーブ52を回転体として、シャフト51およびスラスト53を固定体として用いるものとがある。いずれにおいても、回転を開始すると動圧発生溝51ｂ，53ｂに流体が流入して動圧が発生し、スリーブ52とシャフト51との間に、およびスリーブ52とスラスト53との間に一定の距離Ｆ，Ｇを保ちながら非接触状態で回転する。このように動圧軸受50は、両方の場合に使用することが可能である。なお、回転の駆動力は、シャフト51またはスリーブ52のいずれかにロータハブ等を介してコイルやマグネットなどのモータ部品を組み付けることにより得られる。
【０００７】
しかし、動圧軸受50は回転の開始時には回転速度が遅く、動圧が小さいため、回転体と固定体とが一部接触した状態で回転する。また、回転の停止時には、回転速度が低下すると動圧が小さくなり、回転開始時と同様に回転体と固定体とが一部接触した状態で回転し、磨擦力により停止する。
【０００８】
動圧軸受50には、この回転の開始時や停止時の摺動環境に対応して、高速摺動時にパーティクルを発生させない耐磨耗性が要求される。
【０００９】
また、隙間54，55の距離Ｆ，Ｇは、電子機器に用いられる小型の動圧軸受の場合であれば、１〜５μｍ程度としている。これは、隙間54，55の距離Ｆ，Ｇを１μｍ以下とした場合は、大きな動圧が得られる反面、動圧軸受50を構成する回転体や固定体の部材の真円度，円筒度，面粗さなどを極めて高精度に加工する必要が生じて製造コストが高価になるという問題があり、逆に、隙間54，55の距離Ｆ，Ｇの間隔を５μｍ以上とした場合には、回転軸がぶれやすくなり振動しやすくなるという問題が生じるためである。
【００１０】
そして、このような隙間54，55に流体としてオイルや空気等が充填されるが、オイルを用いているものは、回転体の浮上時には動圧軸受50の隙間54，55からオイルが飛散しないよう確実にシールを行ない、さらに、オイルが酸化して劣化しないよう発熱や回転速度などの使用環境を考慮した設計がなされている。また、流体に空気を用いる場合は、回転の開始・停止時に回転体および固定体の部材同士が直接接触するため、耐磨耗性および耐熱性に優れたセラミックスで部材を構成することや、摺動面に潤滑層としてＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）コーティングを施すことなどが行なわれている。
【００１１】
そして、このような動圧軸受としては、例えば、特許文献１〜３に開示されているものがある。
【００１２】
特許文献１には、軸受面の粘性ポンプ作用で自己潤滑する動圧軸受において、正規回転速度の運転時に生成する油膜の最小厚さより低い高さを有し、且つ、小さい幅を持つ小突起を多数形成することにより、軸受面同士の吸着作用を抑制できることが開示されている。
【００１３】
また、特許文献２には、動圧軸受の動圧発生溝において、溝底面が平滑に形成されるとともに、溝間の丘部表面に多数のディンプル状の凹部が形成され、この凹部以外の丘部表面が平坦に形成されていることにより、相手部材との吸着を防止するとともに、溝底面の洗浄が容易な動圧軸受を形成できることが開示されている。
【００１４】
また、特許文献３には、摺動面の表面の凹凸の最大高低差が0.3μｍ以下である摺動部材を用いることにより、磨耗粉が発生し難くなり磨耗率が低下することが開示されている。
【特許文献１】特開２００１−２９５８３４号公報
【特許文献２】特開平１１−８２４８２号公報
【特許文献３】特開平５−２４８４４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、特許文献１に開示された動圧軸受は、シャドウマスクで軸受材を被覆し、蒸着，スパッタリング，メッキなどの手段で軸受接触面に薄層を固着せしめた後にシャドウマスクを除去するため、小突起が剥離するという問題や、小突起の先端が欠けてパーティクルになり、それが摺動面を傷つけて新たなパーティクルを誘発しやすいという問題があった。
【００１６】
また、特許文献２に示された動圧軸受は、ディンプルの角が欠けてパーティクルになるという問題や、セラミック生成形体に金型で微小なディンプルを形成しても焼成収縮する際にその形状が崩れるという問題や、ディンプルは結晶粒や結晶粒界を区別せずに形成されているため、摺動の際に結晶粒が破壊されてパーティクルが発生するという問題があった。さらに、ディンプルが個々に独立した凹部形状であるため、ディンプル内の流体の流動性が低く、条件によってはディンプル内の流体の圧力が周囲の圧力よりも低下するという吸盤の作用を生じるという問題があった。
【００１７】
また、特許文献３に示された摺動部材は、摺動面の凹凸を可能な限り小さくすることにより摺動部分の磨耗を抑制し高速摺動に対応することが示されているが、平滑な摺動面では摺動面同士が吸着してしまうことにより起動時に過大な起動トルクを必要とし、過大な起動トルクは摺動面の表面を欠損させてパーティクルを発生させるという問題があった。
【００１８】
本発明は、上記のような従来の技術における問題に鑑み、摺動する対向面同士の吸着を抑制し、且つ、パーティクルが発生しにくい耐磨耗性の高い動圧軸受を提供することを目的とする。また、その動圧軸受を用いた、長寿命のモータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の動圧軸受は、一方が軸部材である、互いに対向する対向面を有する回転体と固定体とからなり、互いに対向する前記対向面が、一方に動圧発生溝が形成されているとともに少なくとも一方がセラミックスの研磨面からなる動圧軸受において、前記研磨面に露出した前記セラミックスの結晶粒の粒界に沿って溝状の凹部が形成されているとともに、前記研磨面の断面において、前記溝状の凹部の両側における前記結晶粒の形状が前記溝状の凹部に向かってＲ形状であることを特徴とするものである。
【００２０】
また、本発明の動圧軸受は、上記構成において、前記溝状の凹部の深さが前記研磨面に露出した前記セラミックスの結晶粒の前記研磨面における平均結晶粒径の１／30〜１／５であることを特徴とするものである。
【００２２】
また、本発明のモータは、上記構成のいずれかの本発明の動圧軸受を軸受部に用いたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の動圧軸受によれば、一方が軸部材である、互いに対向する対向面を有する回転体と固定体とからなり、互いに対向する対向面が、一方に動圧発生溝が形成されているとともに少なくとも一方がセラミックスの研磨面からなる動圧軸受において、研磨面に露出したセラミックスの結晶粒の粒界に沿って溝状の凹部を形成したことによって、相対する対向面の間には微細に配置された溝状の凹部によって常に流体が存在して流動性が確保されるので、対向面の直接接触による吸着が抑制され、磨擦抵抗が高くならないので、動圧軸受の回転体が回転開始・停止したときに固定体との対向面同士が吸着することによって対向面が磨耗してパーティクルが発生しやすいという問題を抑制することができるとともに、研磨面の断面において、溝状の凹部の両側における結晶粒の形状が溝状の凹部に向かってＲ形状であるときには、溝状の凹部により存在する流体がさらに流動しやすいため、起動トルクを軽減し、相対する対向面同士が直接接触する時間を短縮することができることから、パーティクル発生をさらに抑制できる。
【００２４】
また、本発明の動圧軸受によれば、溝状の凹部の深さが研磨面に露出した前記セラミックスの結晶粒の研磨面における平均結晶粒径の１／30〜１／５であるときには、溝状の凹部内の流体を保持しつつ、溝状の凹部によってセラミックスの結晶粒を互いに結合する力を阻害することがないので、対向面同士の吸着を防ぎつつ、セラミックスの対向面に存在する結晶粒の脱粒も抑制することができる。
【００２６】
また、本発明の動圧軸受を軸受部に用いた本発明のモータによれば、軸受部の対向面から発生するパーティクルが減少するので、寿命も長くなる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の動圧軸受およびそれを用いた本発明のモータについて図面を参照しつつ説明する。
【００２８】
図１（ａ）は、本発明の動圧軸受の実施の形態の一例を示す斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＡ−Ａ’線での断面図である。
【００２９】
この動圧軸受10は、シャフト１，スリーブ２，スラスト３の組合せにより構成してあり、円柱状のシャフト１が円筒状のスリーブ２の中空部に配置され、シャフト１は円柱の両端部でそれぞれスラスト３と連結してある。このときシャフト１とスリーブ２とは、およびスラスト３とスリーブ２とはそれぞれ隙間４，５を設けて配置されている。また、スラスト３はシャフト１と一体に形成される場合と、個別に形成した後で接着剤やネジ等で一体的に固定される場合とがあるが、製品形状，加工精度および製造コスト等を考慮して設計される。
【００３０】
そして、スリーブ２と対向するシャフト１の対向面１ａには、ラジアル方向の動圧を発生する動圧発生溝１ｂを形成しており、スリーブ２と対向するスラスト３の対向面３ａには動圧発生溝３ｂが形成してある。
【００３１】
このような動圧軸受10では、ＬＢＰのポリゴンミラー用の動圧軸受のようにシャフト１およびスラスト３を回転体として、スリーブ２を固定体として用いるものと、ＨＤＤ用の動圧軸受のようにスリーブ２を回転体として、シャフト１およびスラスト３を固定体として用いるものとがある。いずれにおいても、回転を開始すると動圧発生溝１ｂ，３ｂに流体が流入して動圧が発生し、スリーブ２とシャフト１との間に、およびスリーブ２とスラスト３との間に一定の距離Ｂ，Ｃを保ちながら非接触状態で回転する。このように動圧軸受10は、両方の場合に使用することが可能である。なお、回転の駆動力は、シャフト１またはスリーブ２のいずれかにロータハブ等を介してコイルやマグネットなどのモータ部品を組み付けることにより得られる。
【００３２】
動圧軸受10は回転の開始時には回転速度が遅く、動圧が小さいため、回転体と固定体とが一部接触した状態で回転する。そして、回転速度の上昇とともに動圧発生溝１ｂ，３ｂにより動圧が発生し、対向面２ａ，２ｂと一定の隙間Ｂ，Ｃを保った非接触状態で回転し、回転の停止時には、回転速度が低下すると動圧が小さくなり、回転開始時と同様に回転体と固定体とが一部接触した状態で回転し、磨擦力により停止する。
【００３３】
動圧軸受10には、この回転の開始時や停止時の摺動環境に対応して、高速摺動時にパーティクルを発生させない耐磨耗性が要求される。
【００３４】
そして、本発明の動圧軸受は、一方が軸部材である、互いに対向する対向面を有する回転体と固定体とからなり、互いに対向する前記対向面が、一方に動圧発生溝が形成されているとともに少なくとも一方がセラミックスの研磨面からなる動圧軸受10において、研磨面に露出したセラミックスの結晶粒の粒界に沿って溝状の凹部を形成したことを特徴としており、動圧軸受10を用いて説明すれば、スラスト３と一体的に構成されたシャフト１が軸部材であり、互いに対向する対向面１ａと２ａ，２ｂと３ａが、一方に動圧発生溝１ｂ，３ｂが形成されているとともに少なくとも対向面１ａと２ａ，２ｂと３ａの一方がセラミックスの研磨面から構成してあり、この研磨面に露出したセラミックスの結晶粒の粒界に沿って溝状の凹部を形成しているということである。
【００３５】
次に、この研磨面について図２を用いて説明する。
【００３６】
図２（ａ）は本発明の動圧軸受における研磨面の一例を示す部分断面図であり、図２（ｂ）は研磨面の表面を示す部分拡大図である。
【００３７】
図２（ａ）に示すように、研磨面20はセラミックスの結晶粒12の結晶粒表面16と結晶粒12の粒界に沿った溝状の凹部11から構成されている。
【００３８】
通常のセラミックスの焼成面には結晶粒による微小な凹凸が存在するが、凹凸の高さは不規則であり大きな凹凸も存在するため、焼成面をそのまま摺動部材における対向面として用いると、相手部材との間で激しい磨耗を起こして相手部材または自部材の対向面がすり減り、大量のパーティクルが発生する。また、セラミック生成形体を成形するときやハンドリングするときに生じた生成形体表面の微小な傷も、焼成後に同様に相手部材との間で激しい磨耗を起こす凹凸となり、パーティクルの発生要因となる。したがって、対向面１ａと２ａ，２ｂと３ａの少なくとも一方をセラミックスの研磨面20とするのは、対向面１ａと２ａ，２ｂと３ａにおける磨耗をなくし、パーティクルの発生を抑制するためである。そのため、図２（ａ）に示すように、例えば一成分系の高純度アルミナやジルコニアのように結晶粒12の結晶粒径の大きさが比較的揃う場合には、平均結晶粒径の10倍以上の深さまで研磨して、表面を平滑な研磨面20として用いられる。
【００３９】
次に、図２（ｂ）に研磨面20の表面の部分拡大図で示すように、結晶粒12の粒界に沿って溝状の凹部11を形成する。ここで、それぞれの溝状の凹部11は互いに連結されて研磨面20において網目状に広がっている。このため、溝状の凹部11内に存在する流体（気体・液体）は常に流動性の高い状態にあり、研磨面20の全域には充分な量の気体や液体が供給されるので、例えば対向面１ａと２ａ，２ｂと３ａが吸着することを効果的に防止できる。すなわち、動圧軸受10の停止時に相対する対向面１ａと２ａ，２ｂと３ａの一部が接触している場合でも、起動時の僅かな振動や低速回転の動きにより、流体（気体・液体）が溝状の凹部11を伝わり研磨面20の全域に供給されるため、対向面１ａと２ａ，２ｂと３ａ同士の吸着を速やかに解消し、接触して摺動することによるパーティクルの発生を抑制することができる。
【００４０】
そして、セラミックスの結晶粒12の平均結晶粒径は0.2〜10μｍとすることが好ましい。0.2μｍ以上とするのは、0.2μｍ未満になると結晶粒12の周囲に形成できる溝状の凹部11の深さが小さくなりすぎるため、充分な量の流体（気体・液体）が溝状の凹部11を伝わって流れることが難しくなり、研磨面20の吸着を防止する効果が得られなくなるためであり、10μｍ以下とするのは、10μｍを超えると接触して摺動するときに結晶粒12が研磨面20から脱落しやすくなるためである。
【００４１】
また、本発明の動圧軸受10において結晶粒12の粒界に沿って溝状の凹部11を形成したのは、互いに対向する面が接触し摺動したときに結晶粒12が破損し、パーティクルとなることを防止するためである。研磨面20に単に凹部を研削加工などにより加工した場合は、そのような凹部は結晶粒12や結晶粒界を区別せずに形成されるため、結晶粒12を破壊して凹部を形成することになり好ましくない。
【００４２】
すなわち、セラミックスの結晶粒12の粒界に沿って溝状の凹部11を形成することにより、結晶粒12は本来の強度を保つことができ、相対する対向面１ａと２ａ，２ｂと３ａの間には常に流体が存在して流動性が確保されるので対向面の直接接触による吸着が抑制され、磨擦抵抗が高くならないので、動圧軸受10の回転体が回転開始・停止したときに固定体との間で対向面１ａと２ａ，２ｂと３ａが吸着せず、対向面１ａと２ａ，２ｂと３ａの磨耗によるパーティクルの発生を抑制することができる。
【００４３】
また、本発明の動圧軸受10は、溝状の凹部11の深さが研磨面20に露出したセラミックスの結晶粒12の研磨面20における平均結晶粒径の１／30〜１／５であることが好ましい。
【００４４】
ここで、溝状の凹部11の深さとは、図３（ｂ）に本発明の動圧軸受における研磨面の断面の一例を部分断面図で示すように、結晶粒12の結晶粒表面16から溝状の凹部11の底部までの距離（ｈ）を指している。
【００４５】
溝状の凹部11の深さｈをセラミックスの結晶粒12の研磨面20における平均結晶粒径の１／30以上とするのは、対向面同士の吸着を防止するために必要な量の流体を溝状の凹部11に含むためであり、１／５以下とするのは、結晶粒12が研磨面20から脱落しないための保持力を確保するためである。
【００４６】
逆に、深さｈが平均結晶粒径の１／30未満になると、溝状の凹部11内に研磨面20の吸着を防止するために必要な量の流体を充分に含むことが困難となり対向面同士が吸着するという問題が発生し、１／５を超えると結晶粒12が研磨面20から脱落してパーティクルになるという問題や、脱落したパーティクルが研磨面20を傷つけて新たなパーティクルを発生させるという問題が生じる。
【００４７】
さらに、本発明の動圧軸受10は、研磨面20の断面において、溝状の凹部11の両側における結晶粒12の形状が溝状の凹部11に向かってＲ形状であることが好ましい。
【００４８】
具体的に図３（ｂ）に示す研磨面20の部分断面図を用いて説明する。研磨面20の断面において、溝状の凹部11の両側における結晶粒12の形状が溝状の凹部11に向かってＲ形状であると、流体の動きを乱さなくなってさらに流動しやすくなるために、起動トルクが軽減し、対向面同士が直接接触する時間を短縮することができることから、パーティクル発生を抑制できる。
【００４９】
また、図３（ｂ）に図３（ａ）と同様の部分断面図で示す研磨面20は、図３（ａ）に示す結晶粒表面16が平滑な場合と比較すると、溝状の凹部11の深さｈが同じであっても、相対する研磨面20と直接接触するのはＲ形状の端部であり、研磨面20全体の接触面積は小さくなるので、流体は溝状の凹部11の内部のみならず結晶粒表面16にも存在しやすくなり、このため、対向面同士の磨擦抵抗が増加する要因が減少して対向面同士の吸着をより効果的に防止することができる。そして、このＲ形状は相対する対向面の少なくとも一方の研磨面20に形成すればよい。
【００５０】
以上のようなＲ形状におけるＲの大きさは特に限定されないが、前述したように溝状の凹部11の深さｈが結晶粒12の結晶粒径の１／30〜１／５となるような範囲に調整すればよい。
【００５１】
また、図３（ｃ）に図３（ａ）および（ｂ）と同様の部分断面図で示すように、大きい結晶粒14と小さい結晶粒15とを有する二成分系セラミックスのように大きく異なる結晶粒径が隣接した場合は、小さい結晶粒15の結晶粒径を基準に溝状の凹部11の深さｈを決めることが好ましい。これは、大きい結晶粒14の結晶粒径にあわせて溝状の凹部11の深さｈを決めると小さい結晶粒15が脱落しやすくなるためである。
【００５２】
そして、この動圧軸受10は、上述の図１に示すような構造に用いると、図４に断面図で示すようなモータ40の軸受部の動圧軸受としても好適に使用できる。
【００５３】
図４のモータ40は、本発明の動圧軸受10を用いた本発明のモータの実施の形態の一例を示す断面図である。このモータ40は、回転体であるシャフト41，ロータハブ45，スラスト43と、固定体であるベース48，スリーブ42，スラスト板44とを備えており、回転の駆動力を与える手段として、ベース48に固定されたステータ47、およびロータハブ45の内壁にＮ極とＳ極とが交互に環状に配設されたマグネット46を具備する。ステータ47およびマグネット46は、それぞれベース48およびロータハブ45に同数で複数個設置されており、回転軸Ｄに対して同心円状の配置となっている。
【００５４】
このモータ40において、シャフト41，スラスト43，固定部材のスリーブ42，スラスト板44を本発明の動圧軸受によって構成する。シャフト41は、上端にロータハブ45の中央部が固定された状態で、スリーブ42に回転自在に挿入され、下端にはスラスト43が固定される。スリーブ42およびスラスト板44は、ベース48に固定され、それぞれラジアル方向およびスラスト方向の動圧を受ける。この例では、本発明の動圧軸受10はシャフト41，スリーブ42，スラスト43，スラスト板44に用いられており、対向面41ａ，43ａにはそれぞれ動圧発生溝41ｂ，43ｂが形成され、回転時には対向する部材との隙間に動圧を発生し、非接触で浮上回転する構造となっている。
【００５５】
動圧発生溝41ｂ，43ｂの形状は、一般的なヘリングボーンや、特開平９−14257号公報に開示されているようなシャフト41の外周に等間隔で軸方向に平行な平坦面を形成したタイプでも構わない。電子機器に用いられる小型モータの場合は、動圧発生溝41ｂ，43ｂの深さは数μｍ程度が望ましく、平坦面を溝と見なした場合の動圧発生溝41ｂ，43ｂの深さは20μｍ以下が望ましい。
【００５６】
そして、結晶粒12〜15の周囲に溝状の凹部11が形成された研磨面20は、対向面41ａと42ａ，43ａと42ａ，43ａと44ａのそれぞれ対向面の少なくとも一方に形成されていればよく、特にモータ停止時に対向面同士が吸着しやすい対向面43ａと44ａに形成することが好ましい。
【００５７】
このように構成されたモータ40は、ステータ47に交流電流が流れると磁界が発生し、マグネット46の磁力と引き合いあるいは反発し合い、ロータハブ45が回転する。ロータハブ45が回転すると、シャフト41およびスラスト43も回転し、回転開始時には対向面同士が接触して摺動するが、回転数が増加すると、それぞれの部材に形成された動圧発生溝41ｂ，43ｂにより動圧が発生して回転体が浮上し、一定の隙間を保った状態で非接触回転を継続する。
【００５８】
そして、ロータハブ45の外周部49にハードディスクやポリゴンミラー等を装着し、ＨＤＤやＬＢＰ等に使用する。
【００５９】
また、本発明のモータ40は、例えば回転数が10000ｒｐｍ以上のサーバー用ＨＤＤや、回転数が15000ｒｐｍ以上のパソコン用ＨＤＤや、回転数が50000ｒｐｍ以上のＬＢＰや、回転数が10000ｒｐｍ以上のＤＬＰ（デジタルライトプロセッサ）などに用いることができる。これらのモータ回転数は、従来のボールベアリング軸受では磨耗や焼き付きにより使用できなくなる値であり、本発明のモータ40を用いて空気を流体とする動圧軸受を形成することにより、磨耗や焼き付きという問題を解決することができる。
【００６０】
次に、本発明の動圧軸受の製造方法を説明する。
【００６１】
本発明の動圧軸受10に用いるセラミックスにはアルミナ，ジルコニア，炭化チタン，窒化チタン，炭化珪素，窒化珪素やこれらの複合材料などがあり、それらのセラミックスの製造方法には一般的な方法を用いることができる。それぞれのセラミック原料をボールミルや振動ミルなどで所定の粒度になるまで溶媒と共に粉砕・混合してスラリーとし、スラリーには必要に応じてバインダーを添加し、スプレードライヤーなどを用いてスラリーを乾燥・造粒して成形用原料とする。次に、この成形用原料をメカプレスなどを用いて成形体とし、それぞれのセラミックスに応じた焼成温度・焼成雰囲気で焼成しセラミックスを得る。
【００６２】
そして、セラミックスを前述のシャフト１，スリーブ２，スラスト３など動圧軸受10のそれぞれの部材の形状に加工する。そして、本発明の動圧軸受10の研磨面20は、セラミックスの焼成面から平均結晶粒径の10倍以上の深さまで加工して焼成面に残留する凹凸を取り除いた後、鏡面加工を施して平滑面とし、その後、結晶粒12〜15の周囲に溝状の凹部11を形成する。結晶粒12〜15の周囲に溝状の凹部11を形成する方法は、結晶粒12〜15の周囲を囲む結晶粒界のエッチングレートの差を利用する方法、結晶粒12〜15の表面エネルギーを利用する方法がある。
【００６３】
エッチングレートを利用する方法としては、鏡面加工を施した研磨面20にイオンエッチング，ケミカルエッチング，ファイヤーエッチングを行ない、研磨面20に露出した結晶粒12〜15の周囲を囲む結晶粒界を溝状の凹部11とする方法がある。このとき、セラミックスの組成は、結晶粒界のエッチングレートが結晶粒12〜15よりも大きくなるように調合する必要がある。例えば、アルミナであればマグネシア，カルシア，シリカなどのガラス成分を微量添加すればよく、アルミナ−炭化チタン（以降、アルティックと称す。）であればイットリア，マグネシア，ジルコニアなどを微量添加すれば、結晶粒12〜15よりもエッチングレートの大きな結晶粒界を形成することができる。この方法により形成される動圧軸受10の研磨面20は、図３（ａ）に示すように、結晶粒表面16が平滑でその周囲が溝状の凹部11となる場合が多い。イオンエッチングにはアルゴンイオンなどを、ケミカルエッチングには各種の酸・アルカリを、ファイヤーエッチングには酸化炉・真空炉などをセラミックスの材質に応じて使い分ければよい。
【００６４】
また、表面エネルギーを利用する方法として、鏡面加工を施した研磨面20に熱処理を施し、研磨面20に露出した平滑な結晶粒表面16が自身の表面張力によりＲ形状を形成する現象を利用する方法がある。この方法により形成される動圧軸受10の研磨面20は、図３（ｂ）に示すように、結晶粒13の表面がなだらかなＲ形状でその周囲が溝状の凹部11となる場合が多い。ただし、アルティックなど二成分を有するセラミックスの場合は、結晶粒表面16が平滑なものとなだらかなＲ形状になるものとが混在する場合もあるが、これも本発明の範囲内であることは言うまでもない。また、熱処理温度はセラミックスの組成，粒径，雰囲気などにより様々に異なるが、アルミナであれば1500〜1800℃を、アルティックであれば1600〜1800℃を目安にするとよい。
【００６５】
このように熱処理を施すことにより、図３（ｂ）に示すように、結晶粒13の形状が結晶粒表面16から溝状の凹部11に向かってなだらかなＲ形状とすることができる。
【００６６】
以上、本発明の動圧軸受を用いると、対向面同士の吸着が効果的に防止されるため、モータ起動時および停止時に研磨面が接触して摺動する時間が短くなり、研磨面から発生するパーティクル量が減少するので、動圧軸受の寿命が長くなる。
【実施例１】
【００６７】
以下、本発明の動圧軸受およびそれを用いた本発明のモータの詳細な実施例を説明する。
【００６８】
まず、動圧軸受を用いたモータ40を構成するシャフト41，スリーブ42，スラスト43，スラスト板44を以下の手順により作製した。アルミナを98質量％、焼結助剤としてマグネシア，シリカを合計２質量％の割合で調合した。そして、ボールミルを用いて調合原料を水で湿式粉砕してスラリーとし、スラリーにバインダーを加え、スプレードライで噴霧乾燥して粉末原料とした。
その後、この粉末原料の適宜量を秤量し、粉末プレス装置を用いて約100ｋＰａの圧力で加圧成形し、図４に示すシャフト41，スリーブ42，スラスト43，スラスト板44の成形体を作製した。
【００６９】
次に、この成形体を大気雰囲気の電気炉にて1600〜1700℃で２〜３時間焼成し、シャフト41，スリーブ42，スラスト43，スラスト板44の焼結体を得た。
【００７０】
そして、シャフト41の焼結体はセンタレス加工を行なった後、超仕上げ加工でシャフト41の対向面41ａを表面粗さＲａが0.1〜0.3μｍの鏡面とした。超仕上げ加工の条件は、ワークの送り速度を0.5〜1.0ｍ／ｍｉｎ，ワーク周速度を30〜40ｍ／ｍｉｎとし、砥石の番手は＃2000〜＃6000の範囲で調整した。
【００７１】
スラスト43，スラスト板44の焼結体は、厚み方向をラップ盤で加工した後、外径を円筒研削盤で加工した。ラップ盤では、粗加工に鋳物製の定盤を用い、仕上げ加工に銅製の定盤を用いた。仕上げ加工では、水に粒径が２〜４μｍのダイヤモンドパウダーを攪拌したスラリーを銅製定盤に滴下しながら、スラスト対向面43ａおよびスラスト板対向面44ａを表面粗さＲａが0.1〜0.3μｍとなるまで鏡面加工した。
【００７２】
スリーブ42の焼結体は、外径にセンタレス加工を行なった後、内径を円筒研削盤を用いて粗加工し、次に、内径仕上げ機を用いてスリーブ対向面42ａを研磨した。スリーブ対向面42ａの研磨加工は、研磨液をスリーブ42の内径面に供給し、砥石の番手を＃800〜＃3000の範囲で調整して行なった。
【００７３】
そして、シャフト対向面41ａとスラスト対向面43ａとに所定のパターンが形成された樹脂製マスクを貼り付けて、ブラスト加工により動圧発生溝41ｂ，43ｂを形成した。
【００７４】
次に、シャフト41，スリーブ42，スラスト43，スラスト板44の研磨面20に露出する個々の結晶粒の周囲に溝状の凹部11を形成するため、1300〜1800℃で１〜10時間熱処理し、図３（ａ）に示すように結晶粒表面16が平滑なものや、図３（ｂ）に示すように結晶粒表面16をなだらかなＲ形状としたものを準備し、これらの部材を用いてモータ40を作製した。また、比較例として、熱処理を施していない研磨面の部材を用いたモータも作製した。
【００７５】
また、スラスト対向面43ａの状態を走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと称す。）にて観察した。これにより、本発明の動圧軸受のスラスト対向面43ａには、結晶粒の周囲に溝状の凹部11が形成されていることを確認した。研磨面20に露出した結晶粒の平均結晶粒径は、結晶粒の周囲に溝状の凹部11が形成された研磨面20をＳＥＭや金属顕微鏡を用いて写真撮影し、写真上に３本の直線を引き、直線上に存在する結晶粒の個数を測定して、３本の直線の長さを結晶粒の個数で割ることにより求めた。また、溝状の凹部11の深さは、研磨面20を原子間力顕微鏡を用いて測定することにより求めた。
【００７６】
そして、モータの回転速度を10000ｒｐｍとし、５万回のスタート−ストップ試験を行ない、テスト終了時における、スラスト板44に付着するパーティクル量を評価した。
【００７７】
パーティクル量の測定は、試験終了後にモータ40を分解し、スラスト板44を取り外し、スラスト板44を純水に浸漬して1200Ｗの超音波洗浄を１分間行ない、純水中に拡散したパーティクルをリキッドパーティクルカウンターを用いることにより測定した。そして、パーティクル量が8000以下のものを○、8000を超えるものを×とした。
【００７８】
テストの評価結果を表１に示す。
【表１】
0004693677.tif 000002
【００７９】
表１に示す結果から、本発明の実施例であるＮｏ．１〜５は、パーティクル量が8000以下となり耐磨耗性が優れていることが判る。
【００８０】
なお、本発明の実施例である試料Ｎｏ．１のパーティクル量が他の実施例と比較して若干多いのは、平均結晶粒径が大きく結晶粒の脱落が多いためであることがＳＥＭ観察の結果から判った。実施例である試料Ｎｏ．２とは溝状の凹部の深さは同じであるが、平均結晶粒径の差がパーティクル量の差に影響を及ぼしていると考えられる。すなわち、本発明の動圧軸受に用いるセラミックスの結晶粒径は10μｍ以下が好ましいと考えられる。
【００８１】
また、実施例である試料Ｎｏ．２とＮｏ．３とを比較すると、平均結晶粒径は同じであるが、Ｎｏ．２の方がＮｏ．３よりもパーティクル量が多いことが判る。実施例である試料Ｎｏ．２とＮｏ．３の研磨面をＳＥＭで観察すると、Ｎｏ．２の方が結晶粒の脱落した跡が多く観察された。これは、両試料を比較すると、平均結晶粒径の大きさは同じであるが、溝状の凹部の深さはＮｏ．２の方が大きいことから、Ｎｏ．２の研磨面は結晶粒を保持する力が比較的弱いため、結晶粒が脱落してパーティクル量が増加したと考えられる。すなわち、溝状の凹部の深さは平均結晶粒径の１／５以下が好ましいと考えられる。
【実施例２】
【００８４】
次に、主成分であるアルミナ70質量％，炭化チタン20質量％と、焼結助剤である酸化イッテルビウム１質量％，ジルコニア７質量％，マグネシア２質量％と、不可避不純物とからなるアルティックを用いて、実施例１と同様に、動圧軸受用部材に用いるセラミックスを作製した。アルティックの焼成温度は1600〜1800℃とし、１〜５時間焼成して、焼成後に熱間静水圧プレスで1500〜1600℃，202ＭＰａの処理を行なった。また、研磨面はＲａ0.05〜0.2μｍの鏡面に加工した後、結晶粒の周囲に溝状の凹部を形成するため熱処理を行ない、熱処理温度は真空雰囲気で1200〜1800℃とし、１〜10時間の熱処理を行なった。
【００８５】
そして、実施例１と同様にモータ40を構成し、耐磨耗試験を行ない、スラスト板44に付着するパーティクル量を測定した。また、アルティック製の動圧軸受においては、パーティクル量が4000以下のものを○、4000を超えるものを×とした。
【００８６】
その結果を表２に示す。
【表２】
0004693677.tif 000003
【００８７】
表２に示す結果より、本発明の実施例である試料Ｎｏ．１〜３は、パーティクル量が4000以下となり耐磨耗性が優れていることが判る。
【００８９】
さらに、実施例である試料Ｎｏ．２と比較例であるＮｏ．７とを比較すると、平均結晶粒径は同じであるがＮｏ．７の方がＮｏ．２よりもパーティクル量が多いことが判る。実施例である試料Ｎｏ．２と比較例であるＮｏ．７の研磨面をＳＥＭで観察すると、Ｎｏ．３の方が研磨面に傷が多く見られた。これは、比較例のＮｏ．７には結晶粒の周囲に溝状の凹部が無いため、対向面同士が吸着し接触して摺動する時間が長くなったためと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】（ａ）は本発明の動圧軸受の実施の形態の一例を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ’線での断面図である。
【図２】（ａ）は本発明の動圧軸受における研磨面の一例を示す部分断面図であり、（ｂ）は研磨面の表面を示す部分拡大図である。
【図３】（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ本発明の動圧軸受における研磨面の断面の一例を示す部分断面図であり、（ａ）は比較例の動圧軸受における研磨面の断面の一例を示す部分断面図である。
【図４】本発明の動圧軸受を用いた本発明のモータの実施の形態の一例を示す断面図である。
【図５】（ａ）は従来の動圧軸受の一例を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＥ−Ｅ’線での断面図である。
【符号の説明】
【００９１】
１，41：シャフト
１ａ，41ａ：（スリーブとの）対向面
１ｂ，41ｂ：動圧発生溝
２，42：スリーブ
２ａ，42ａ：（シャフトとの）対向面
２ｂ，42ｂ：（スラストとの）対向面
３，43：スラスト
３ａ，43ａ：（スリーブとの）対向面
３ｂ，43ｂ：動圧発生溝
４，５：隙間
10：動圧軸受
11：溝状の凹部
12，13，14，15：結晶粒
16：結晶粒表面
20：研磨面
40：モータ
44：スラスト板
44ａ：(スラストとの)対向面
45：ロータハブ
46：マグネット
47：ステータ
48：ベース
49：外周部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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