(57)【要約】  【課題】  多くの黒鉛を添加しても、回転中の摩耗粉の発生が少なく、摺動特性に優れる長寿命な動圧軸受装置とその加工方法を提供する。  【解決手段】  総重量に対して２〜１５ｗｔ％の黒鉛を含有する多孔質材料を用いて、略円筒状の軸受スリーブ１を形成した後、ボール転造（塑性加工）によって、この軸受スリーブ１の内周面１ａに動圧溝１ｖを形成する。この塑性加工によって、黒鉛粒子Ｋが軸受スリーブ１に強固に埋め込まれ、そのかさ密度が上昇する（黒鉛粒子Ｋ’）。従って、本発明の動圧軸受装置は、回転中の摩耗粉の発生が少なく、軸受スリーブ材料に対して、従来知られている以上の量の黒鉛の添加が可能になる。【選択図】  図３
2005207433.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質材料からなる軸受スリーブと、この軸受スリーブの内周に僅かのすき間を開けて配置された軸部材と、これら軸受スリーブと軸部材の間に充填された潤滑流体とを備え、前記軸受スリーブの内周面に形成された動圧溝で発生する動圧によって、前記軸部材の回転を支持する動圧軸受装置において、
前記軸受スリーブが、総重量に対して２〜１５ｗｔ％の黒鉛を含有する材料を用いて形成されていることを特徴とする動圧軸受装置。
【請求項２】
請求項１に記載の材料からなる軸受スリーブの内周面に、塑性加工によって動圧溝を形成したことを特徴とする動圧軸受装置の加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多孔質軸受スリーブを用いた動圧軸受装置とその加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、磁気ディスクや光ディスクなどに用いられるスピンドルモータ等のような高速回転装置を支持するための軸受装置として、動圧軸受装置（流体軸受装置）が採用されている。動圧軸受装置は、軸と軸受スリーブ等、相対回転自在に配置された二つの部材における互いの対向面（動圧面）のいずれか一方に、複数条の動圧溝を形成するとともに、その対向面間に潤滑油剤等の潤滑流体を充填した構成を採る。この構成により、動圧軸受装置は、二つの部材の相対回転時に、動圧溝のポンピング作用等によって潤滑流体に圧力（動圧）を発生させ、その圧力により二つの部材を非接触に支持する。
【０００３】
このような動圧軸受装置には、軸部材を支持する軸受スリーブを、金属紛等を焼成（焼結加工）することによって作製したものがある。この焼結軸受スリーブは、例えば銅合金あるいはニッケル合金等を多孔質に焼成したもので、形状加工が容易であるという特徴を有することから、ハードディスク装置用スピンドルモータ等、小型の密封型動圧軸受に採用される例も多い（例えば、特許文献１〜３等を参照。）。
【０００４】
ところで、動圧軸受装置が用いられるスピンドルモータ等は、断続的に回転と停止を繰り返すこともあり、十分な動圧力が得られない起動・停止時に、軸部材と軸受スリーブとが接触し、摩耗粉が生じてしまう場合があった。
【０００５】
そこで、この接触時の摩耗粉の発生を防止し、動圧軸受の耐久性を高める手段として、黒鉛（グラファイト）等の固体潤滑剤を含有する原料を焼結し、多孔質に形成した動圧軸受スリーブが提案されている（特許文献４〜５を参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２４９２３５号公報
【特許文献２】特開平８−２９５９０２号公報
【特許文献３】特開平１１−２９４４５８号公報
【特許文献４】特開昭５６−９０６５４号公報
【特許文献５】特開２００１−３１２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、この多孔質動圧軸受スリーブに関し、材料に対する黒鉛（固体潤滑剤）の添加量を増やせば、その摺動特性を改善できることは容易に想像がつく。しかしながら、動圧軸受装置の起動・停止時に発生する軸部材と軸受スリーブの接触を考慮して、黒鉛の添加量を増やした場合、この含有量の増大とともに、回転中にスリーブ表面から脱落するの黒鉛粒子（摩耗粉）の量も増大してしまう。
【０００８】
そのため、潤滑流体を充填して密封し、この流体を循環させながら使用するタイプの動圧軸受装置のスリーブ材料に、多くの黒鉛を添加するのは困難であり、発生した摩耗粉に起因する軸受寿命の低下が懸念される。
【０００９】
本発明は、このような実情を鑑みてなされたものであり、多くの黒鉛を添加しても、回転中の摩耗粉の発生が少なく、摺動特性に優れる長寿命な動圧軸受装置とその加工方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、多孔質材料からなる軸受スリーブと、この軸受スリーブの内周に僅かのすき間を開けて配置された軸部材と、これら軸受スリーブと軸部材の間に充填された潤滑流体とを備え、前記軸受スリーブの内周面に形成された動圧溝で発生する動圧によって、前記軸部材の回転を支持する動圧軸受装置において、前記軸受スリーブが、総重量に対して２〜１５ｗｔ％の黒鉛を含有する材料を用いて形成されていることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、前記黒鉛を含む材料からなる軸受スリーブの内周面に、塑性加工によって動圧溝を形成したことを特徴とする動圧軸受装置の加工方法である。
【００１２】
本発明は、動圧軸受装置に使用される多孔質軸受スリーブの材料に、摺動特性に優れた黒鉛を多量に添加するとともに、この黒鉛を、塑性加工によって軸受スリーブに強固に埋め込むことにより、所期の目的を達成しようとするものである。
【００１３】
黒鉛（グラファイト）は、六方晶系に属する積層構造を持った結晶である。また、黒鉛を組成する六角層平面内の炭素原子は、お互い強い共有結合で結ばれているが、六角層間（上下方向）は、弱いファン・デル・ワールス結合で結ばれているのみであり、その構造はポーラスで、外力により容易に層間剥離を起こすという特徴を有している。
【００１４】
通常、動圧軸受のスリーブは、その内周面にサイジング加工を施したり、樹脂や金属を含浸させたりして、潤滑流体が表面の気孔を通じてスリーブ内部に漏れてしまうのを防止する処理がなされている。ここで、このスリーブ内周面に動圧溝を形成する手段として、エッチングや電解加工、研削加工等を用いると、形成された動圧溝の底部に黒鉛の粒子が露出してしまい、動圧軸受の回転中に、この露出した黒鉛粒子が脱落することが考えられる。
【００１５】
そこで、本発明者らは、黒鉛の添加量を増量するにあたり、種々の試行を行なった過程で、軸受スリーブ内周に形成された動圧溝表面の黒鉛粒子を、塑性加工によって圧縮することにより、この黒鉛粒子の脱落を抑制できること、および、この脱落の抑制により、従来知られている以上の量の黒鉛の添加が可能になることを見出した。
【００１６】
本発明は、以上のような知見を元になされたものであり、多孔質軸受スリーブ内周面の動圧溝の形成を、塑性加工によって行なうことを特徴とする。塑性加工の具体例としては、ボール転造、コイニング等を挙げることができる。これら塑性加工によって動圧溝を形成することにより、動圧溝表面に露出した黒鉛粒子のかさ密度が上昇し、この黒鉛粒子の脱落を防止することができる。
【００１７】
また、この加工方法により、軸受スリーブ材料の総重量に対して２〜１５ｗｔ％もの黒鉛を含有させることが可能になった。なお、黒鉛の添加量が２ｗｔ％未満の場合は、スリーブ表面に露出する黒鉛粒子が少なく、摺動特性があまり向上しない。また、１５ｗｔ％を越える黒鉛を添加しても、それ以上の摺動特性の向上は少なく、むしろ黒鉛粒子の脱落による潤滑流体の汚染が進んでしまう。従って、軸受スリーブ材料に対する黒鉛の添加量としては、２〜１５ｗｔ％が好適である。
【発明の効果】
【００１８】
以上詳述したように、本発明の加工方法によれば、多孔質軸受スリーブの材料に、従来よりも多くの黒鉛を添加することができるとともに、摺動特性の向上と摩耗粉の発生抑制の両立が可能となる。
【００１９】
また、この加工方法により形成された動圧軸受スリーブは、軸部材と軸受スリーブとの相対回転時にも黒鉛粒子の脱落がなく、潤滑流体を充填して密封し、この流体を循環させながら使用するタイプの動圧軸受装置にも好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照しつつこの発明を実施するための形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態における動圧軸受装置の構造を示す要部断面図である。
【００２１】
本実施形態における動圧軸受装置は、動圧溝のポンピング作用によって発生する動圧により、ラジアル方向の荷重を負荷するタイプの動圧軸受であり、例えばステンレス鋼からなる円柱状のシャフト２と、このシャフト２の周囲に配置された多孔質軸受スリーブ１（以下、単に「スリーブ」とする）とを主体として構成されている。なお、これらシャフト２とスリーブ１の周囲には、図示しない略筒状のハウジングが配置されている。
【００２２】
スリーブ１は、焼結材料によって形成された円筒状であり、その内周面１ａの直径は、嵌合されるシャフト２の径より僅かに大きく形成されているとともに、その内周面１ａの軸方向に距離を開けた位置には、後述する方法により、２ヶ所のラジアル動圧溝１ｖ，１ｖが形成されている。
【００２３】
なお、シャフト２とスリーブ１との間の空間には、図示しない潤滑流体（潤滑剤）が充填されているとともに、これらを収納するハウジング（図示省略）の一端の開口は蓋部材等で密封され、他端の開口はキャピラリシール等によりシールされている。また、シャフト２とスリーブ１との相対回転によってこの潤滑流体に発生する動圧により、シャフト２の回転が非接触に支持される。
【００２４】
本実施形態における動圧軸受装置の特徴は、シャフト２を支持するスリーブ１が、リン青銅を主成分とし、総重量に対して１０ｗｔ％の黒鉛を含有する材料を用いて形成されている点である。
【００２５】
スリーブ１の製造は、基本的には従来の多孔質動圧軸受スリーブと同様の方法で行なわれる。まず、主成分であるリン青銅、焼結剤と焼結助剤等、および所定量の黒鉛を混合した後、円筒形状に成形し、その後焼成を行なう。得られた多孔質スリーブ１は、サイジング加工によって内径および外径を所定の寸法に整えた後に、ボール転造によって動圧溝１ｖが形成される。
【００２６】
図２は、ボール転造加工によるラジアル動圧溝の形成方法の概略を示す説明図であり、図３は、そのボール転造の前後における動圧溝部の表面状態を表した模式図である。
【００２７】
円筒状の被加工物（スリーブ１）の内周面１ａに、ラジアル動圧溝１ｖを形成する方法は、まず動圧溝１ｖを形成すべきスリーブ１を、旋盤等（図示省略）のチャック１０に固定して芯出しを行なう。その後、旋盤等の主軸に、先端近傍の外周面に複数のボール１１ａを保持する加工用治具１１を取り付け、この加工治具１１を正逆（左右）回転させながら、スリーブ１に対して軸方向に相対移動させることにより、周方向にＶパターンまたはヘリングボーンパターンの動圧溝１ｖが形成される。
【００２８】
また、このボール転造加工によって、転造加工後（図３（ｂ））の動圧溝１ｖの表面に位置する黒鉛粒子Ｋ’は、転造加工前（図３（ａ））の黒鉛粒子Ｋの状態に比べ、スリーブ表面に強固に埋め込まれ、かつ、かさ密度が増している。
【００２９】
以上の加工方法による効果を検証するため、動圧軸受スリーブの原料に添加する黒鉛の量（含有量）を変えながら、スリーブ内周面の摩擦係数と、動圧軸受内部に充填された潤滑剤中に遊離した黒鉛粒子の個数を測定した。
【００３０】
まず、試料となるスリーブの作成は、前述の製造方法と同様の手順で行なった。
スリーブの寸法：外径φ１０ｍｍ，内径φ５ｍｍ，高さ２０ｍｍ
黒鉛含有量（ｗｔ％）：０．５，  １．０，  １．５，  ２．０，  ５．０，  ７．５，
１０．０，  １５．０，  １７．５，  ２０．０，  ２５．０
【００３１】
次に、これら作成されたスリーブの内周に、所定（５μｍ）の軸受すきまを開けてステンレス製のシャフトを嵌め入れ、すべり軸受を構成するとともに、以下の条件でこのすべり軸受の回転トルクを測定した。図４は、回転トルクの試験装置の概略を示す図である。
（回転トルクの測定条件）
ラジアル荷重：１Ｎ
回転速度：５０ｒｐｍ
回転トルク測定径：φ１０ｍｍ
雰囲気温度：２０℃
そして、この回転トルクの結果を用いて、次式により摩擦係数を算出した。
（摩擦係数の計算式）
摩擦係数（μ）＝回転トルク（Ｎ・ｍ）×（１／φ０．００５ｍ）×（１／１Ｎ）
【００３２】
また、潤滑剤汚染量の測定は、これらスリーブとシャフトとの間に潤滑剤（エステル油０．０２ｍｌ）を充填した状態で、前記回転トルクの試験と同様のラジアル荷重・回転速度下で８時間連続運転を行ない、運転後、前記潤滑剤を１００ｍｌの溶剤にて洗浄して、この溶剤中に存在する粒子径５μｍ以上の異物の濃度（個／ｍｌ）を、液中微粒子測定器にて測定した。
【００３３】
図５は、これらの測定結果をグラフ化したものである。この図から明らかなように、スリーブ表面の摩擦係数は、黒鉛含有量２ｗｔ％程度で急激に低下し、その後２５ｗｔ％まで緩やかなカーブを描く。それに対して、潤滑剤の汚染度合は、黒鉛含有量１５ｗｔ％程度を境に急激に増えており、前記摩擦係数の低減効果を合わせて考えると、最適な黒鉛含有量の範囲は２〜１５ｗｔ％であることが判る。
【００３４】
以上のように、本実施形態における動圧軸受スリーブは、ボール転造加工によって動圧溝１ｖを形成することにより、黒鉛粒子の脱落が少ない。従って、この軸受スリーブは、潤滑流体を充填して循環させながら使用するタイプの動圧軸受装置においても、スリーブ材料に従来より多くの黒鉛を添加することを可能にする。
【００３５】
また、本発明の動圧軸受装置は、回転中の摩耗粉の発生が少ない上、起動・停止時に軸部材と軸受スリーブとが接触した場合でも、良好な摺動特性により、これらの損傷を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態における動圧軸受装置の構造を示す要部断面図である。
【図２】ボール転造加工によるラジアル動圧溝の形成方法の概略を示す図である。
【図３】ボール転造加工による動圧溝部表面の変化を表した模式図であり、（ａ）は加工前、（ｂ）は加工後を表す。
【図４】（ａ）は、スリーブの回転トルクを測定する試験装置の概略を示す図であり、（ｂ）は（ａ）をＡ方向より見た図である。
【図５】軸受スリーブ表面の摩擦係数および動圧軸受内部に充填された潤滑剤の汚染量と、黒鉛の含有量の関係を表すグラフである。
【符号の説明】
【００３７】
１      スリーブ
１ａ    内周面
１ｖ    動圧溝
２      シャフト
１０    チャック
１１    加工治具
１１ａ  ボール
Ｋ，Ｋ’  黒鉛粒子
【図１】
2005207433.tif 000003
【図２】
2005207433.tif 000004
【図３】
2005207433.tif 000005
【図４】
2005207433.tif 000006
【図５】
2005207433.tif 000007