JP2002206534A - 動圧型多孔質含油軸受およびその製造方法 - Google Patents
動圧型多孔質含油軸受およびその製造方法Info
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Abstract
簡易な設備で、少ない工数で、かつ、精度良く行うと共
に、軸受本体の内部と軸受隙間との間の適切な油の循環
を確保し、軸受隙間内の油の劣化を抑制して軸受寿命を
向上させる。 【解決手段】 焼結金属素材1’をダイ20に圧入し、
さらに下パンチ23に押し付けて上下方向から加圧す
る。焼結金属素材1’はダイ20と上下パンチ22・2
3から圧迫力を受けて変形を起こし、内周面がコアロッ
ド21の成形型21aに加圧される。これにより、成形
型21aの形状が焼結金属素材1’の内周面に転写さ
れ、軸受面1bが成形される。
Description
質体からなる軸受本体に潤滑油あるいは潤滑グリースを
含浸させて自己潤滑機能を持たせると共に、動圧溝の動
圧作用によって形成される潤滑油膜で軸の摺動面を非接
触支持する動圧型多孔質含油軸受に関し、特にレーザビ
ームプリンタ(LBP)のポリゴンミラー用や磁気ディ
スクドライブ(HDD等)用のスピンドルモータなど、
高速下で高回転精度が要求される機器や、DVD−RO
M用のスピンドルモータのように、ディスクが載ること
によって大きなアンバランス荷重が作用し高速で駆動す
る機器などの軸受に好適である。
ドルモータでは、回転性能のより一層の向上と低コスト
化が求められており、そのための手段として、スピンド
ルの軸受部を転がり軸受から多孔質含油軸受に置き換え
ることが検討されている。しかし、多孔質含油軸受は、
真円軸受の一種であるため、軸の偏心が小さいところで
は、不安定振動が発生しやすく、回転速度の1/2の速
度で振れ回るいわゆるホワールが発生しやすい欠点があ
る。そこで、軸受面にヘリングボーン形やスパイラル形
などの動圧溝を設け、軸の回転に伴う動圧溝の作用によ
って軸受隙間に潤滑油膜を形成させて軸を非接触支持す
ることが従来より試みられている(動圧型多孔質含油軸
受)。
た従来技術としては、実用新案公告昭和63年1962
7号に記載のものがある。同号記載の技術は、軸受面に
おける動圧溝の形成領域に表面目つぶし加工を施して、
動圧溝の形成領域を封孔したものである。また、軸受面
における動圧溝の成形方法として、黄銅やアルミ合金な
どの軟質金属からなる軸受素材よりも硬質の複数個のボ
ールを円周等間隔に配列保持した軸状の治具を軸受素材
の内周面に挿入し、治具の回転と送りによってボールに
螺旋運動を与えながら、ボールを素材内周面に加圧して
動圧溝の形成領域を塑性加工する方法が知られている
(特許2541208号)。
年19627号に記載された構成では、次のような問題
点が生じる。まず、動圧溝の形成領域が完全に封孔され
ているので、その領域では多孔質含油軸受の最大の特徴
である油の循環が阻害される。従って、一旦軸受隙間に
滲み出した油は動圧溝の作用によって軸受面の軸方向中
央部に押し込まれ、そこにとどまることになる。軸受隙
間内では大きな剪断作用が働いているので、その剪断力
と摩擦熱によって軸受隙間内にとどまった油は変性しや
すく、また、温度上昇によって酸化劣化が早まる傾向に
ある。従って、軸受寿命が短くなる。つぎに、表面目つ
ぶし加工を施す他の手段として塑性加工の他、コーティ
ング等を挙げているが、コーティング被膜の厚さは溝深
さよりも薄くする必要があり、数μmのコーティング被
膜を動圧溝の形成領域にのみ施すのは極めて困難であ
る。
方法では、成形時に動圧溝に隣接する領域で素材***が
起こるので、これを旋盤やリーマで除去加工する必要が
ある(特許公開平成8年232958号)。そのため、
製造工数が多くなる。また、治具の回転駆動機構と送り
機構が必要であるため、製造設備が複雑になる。さら
に、軸受素材をチャックで固定する必要があるため、チ
ャック力によって軸受面が変形したり、外周面との同軸
度に狂いが生じたりする。
軸受面の成形加工を簡易な設備で、少ない工数で、か
つ、精度良く行うことができる製造方法を提供すると共
に、軸受本体の内部と軸受隙間との間の適切な油の循環
を確保し、軸受隙間内の油の劣化を抑制して軸受寿命を
向上させることにある。
め、本発明は、軸受本体の内周に傾斜状の動圧溝を有す
る軸受面が形成された動圧型多孔質含油軸受を製造する
ための方法であって、軸受面の形状に対応した成形型を
有するコアロッドを内型とし、ダイを外型として、多孔
質素材の内周面にコアロッドの成形型を加圧して、多孔
質素材の内周面に動圧溝を塑性加工により成形する工程
を含む構成を提供する。上記構成において、コアロッド
の成形型の加圧により、軸受面における動圧溝の領域と
それ以外の領域とを同時成形しても良い。上記の多孔質
素材は、好ましくは焼結金属で形成され、より好ましく
は銅または鉄、あるいは、その両者を主成分とする焼結
金属で形成される。動圧溝を成形した後、コアロッドの
成形型の加圧力を解除することによる多孔質素材のスプ
リングバックを利用して、コアロッドを多孔質素材の内
周面から離型することができる。
説明する。
た動圧型多孔質含油軸受の一形態を例示している。この
多孔質含油軸受1は、例えば、図2に示すようなレーザ
ビームプリンタのスキャナモータにおいて、ロータ2と
ステータとの間の例磁力によって高速回転するスピンド
ル軸4をハウジング5に対して回転自在に非接触支持す
るものである。
aと、潤滑油又は潤滑グリースの含浸によって軸受本体
1aの細孔内に保有された油とで構成される。軸受本体
1aは、例えば銅又は鉄、あるいはその両者を主成分と
する焼結金属で形成され、望ましくは銅を20〜95重
量%含有し、密度が6.4〜7.2g/cm3 となるよ
うに形成される。軸受本体1aの材質として、鋳鉄、合
成樹脂、セラミックスなどを焼結または発泡成形し、多
数の細孔を有する多孔質体としたものを用いても良い。
の外周面と軸受隙間を介して対向する軸受面1bが形成
され、その軸受面1bに傾斜状の動圧溝1cが形成され
ている。この実施形態における軸受面1bは、軸方向に
対して一方に傾斜した複数の動圧溝1cを円周方向に配
列した第1領域m1と、第1領域m1から軸方向に離隔
し、軸方向に対して他方に傾斜した複数の動圧溝1cを
円周方向に配列した第2領域m2と、第1領域m1と第
2領域m2との間に位置する環状の平滑領域nとで構成
される。第1領域m1の背(動圧溝1c間の領域)1d
と第2領域m2の背(動圧溝1c間の領域)1dは、そ
れぞれ平滑領域nに連続している。第1領域m1の動圧
溝1cと第2領域m2の動圧溝1cとは、軸受面1bの
軸方向中心線に対して左右対称になっている。軸受面1
bには、動圧溝1cの形成領域を含む全領域にわたって
表面開孔が分布しており、主に軸受面1bの表面開孔を
介して、軸受本体1aの内部と軸受隙間との間で油を循
環させて、軸の外周面を軸受面1bに対して非接触支持
する構成になっている。例えば、表面開孔率は、第1領
域m1および第2領域m2において5〜40%の範囲、
望ましくは5〜20%の範囲に設定し、平滑領域nにお
いて2〜30%の範囲、望ましくは2〜10%の範囲に
設定することができる。また、平滑領域nの表面開孔率
は、第1領域m1および第2領域m2の表面開孔率より
も小さくすることができる。ここで、「表面開孔」と
は、多孔質体組織の細孔が外表面に開口した部分をい
い、「表面開孔率」とは、外表面の単位面積内に占める
表面開孔の面積割合をいう。
ると、第1領域m1と第2領域m2にそれぞれ逆向きに
傾斜形成された動圧溝1cによって、軸受隙間内の油が
平滑領域nに向けて引き込まれ、油が平滑領域nに集め
られるため、平滑領域nにおける油膜圧力が高められ
る。そのため、潤滑油膜の形成効果が高い。しかも、背
1dに加え、平滑領域nも軸を支持する支持面になるの
で、支持面積が拡大し、軸受剛性が高められる。平滑領
域nの軸方向幅の比率rは、軸受幅を1とした場合、r
=0.1〜0.6の範囲、望ましくは、r=0.2〜
0.4の範囲に設定するのが良い。尚、動圧溝1cは軸
方向に対して傾斜した形状であれば良く、例えば図3に
示すような軸方向の連続形状でも良いし(この場合、環
状の平滑領域は有しない。)、あるいは、スパイラル形
状でも良い。
4を支持する際における、軸方向断面での油Oの流れを
示している。軸4の回転に伴い、軸受本体1aの内部の
細孔内に保有された油Oが軸受面1bの軸方向両側及び
チャンファー部付近から軸受隙間に滲み出し、さらに動
圧溝によって軸受隙間の軸方向中央に向けて引き込まれ
る。その油Oの引き込み作用(動圧作用)によって軸受
隙間に介在する油膜の圧力が高められ、潤滑油膜が形成
される。この軸受隙間に形成される潤滑油膜(動圧溝の
動圧作用によって形成される潤滑油膜)によって、軸4
はホワール等の不安定振動を生じることなく、軸受面1
bに対して非接触支持される。軸受隙間に滲み出した油
Oは、軸4の回転に伴う発生圧力により、主に軸受面1
bの表面開孔から軸受本体1aの内部に戻り、軸受本体
1aの内部を循環して、再び軸受面1b及びチャンファ
ー部付近から軸受隙間に滲み出す。
aは、例えば銅又は鉄、あるいはその両者を主成分とす
る金属粉末を圧縮成形し、さらに焼成して得られた図1
2に示すような円筒形状の焼結金属素材1’に対して、
例えばサイジング→回転サイジング→軸受面成形加工を
施して製造することができる。
周面と内周面のサイジングを行う工程で、焼結金属素材
1’の外周面を円筒状のダイに圧入すると共に、内周面
にサイジングピン(断面円形)を圧入する。回転サイジ
ング工程は、断面略多角形のサイジングピン(断面円形
のピンの外周面を部分的に平坦加工して、円周等配位置
に円弧部分を残したもの)を焼結金属素材1’の内周面
に圧入し、これを回転させながら内周面のサイジングを
行う工程である。軸受面成形工程は、上記のようなサイ
ジング加工を施した焼結金属素材1’の内周面に、完成
品1aの軸受面1bに対応した形状の成形型を加圧する
ことによって、軸受面1bの動圧溝1cの形成領域とそ
れ以外の領域(背1dおよび環状の平滑領域n)とを同
時成形する工程である。この工程は、例えば以下のよう
なものである。
置の概略構造を例示している。この装置は、焼結金属素
材1’の外周面を圧入する円筒状のダイ20、焼結金属
素材1’の内周面を成形するコアロッド21、焼結金属
素材1’の両端面を上下方向から押さえる上下のパンチ
22、23を主要な要素として構成される。図5(b)
に示すように、コアロッド21の外周面には、完成品の
軸受面1bの形状に対応した凹凸状の成形型21aが設
けられている。成形型21aの凸部分21a1は軸受面
1bにおける動圧溝1cの領域を成形し、凹部分21a
2は動圧溝1c以外の領域(背1dおよび環状の平滑領
域n)を成形するものである。成形型21aにおける凸
部分21a1と凹部分21a2との段差(深さH)は、
軸受面1bにおける動圧溝1cの深さと同程度(例えば
2〜5μm程度)で微小なものであるが、図面ではかな
り誇張して図示されている。
金属素材1’の内周面とコアロッド21の成形型21a
(凸部分21a1を基準)との間には内径すきまTがあ
る。内径すきまT(直径量)の大きさは例えば50μm
である。焼結金属素材1’の外周面のダイ20に対する
圧入代(外径しめしろS:直径量)は例えば150μm
である。
合わせして配置した後、図6に示すように、上パンチ2
2およびコアロッド21を降下させ、焼結金属素材1’
をダイ20に圧入し、さらに下パンチ23に押し付けて
上下方向から加圧する。
22・23から圧迫力を受けて変形を起こし、内周面が
コアロッド21の成形型21aに加圧される。内周面の
加圧量は、外径しめしろSと内径すきまTとの差に略等
しく、内周面から所定深さまでの表層部分がコアロッド
21の成形型21aに加圧され、塑性流動を起こして成
形型21aに食い付く。これにより、成形型21aの形
状が焼結金属素材1’の内周面に転写され、軸受面1b
が図1に示す形状および寸法に成形される(同時に焼結
金属素材1’の外周面もサイジングされる。)。
すように、焼結金属素材1’にコアロッド21を挿入し
たままの状態で下パンチ23とコアロッド21を連動し
て上昇させ(図9の状態)、焼結金属素材1’をダイ
20から抜く(図9の状態)。焼結金属素材1’をダ
イ20から抜くと、焼結金属素材1’にスプリングバッ
クが生じ、その内径寸法が拡大するので(図7参照)、
動圧溝1cを崩すことなく、焼結金属素材1’の内周面
からコアロッド21を抜き取ることができる(図9の
状態)。これにより、軸受本体1aが完成する。尚、通
常の真円軸受(軸受面に動圧溝を有しない焼結含油軸
受)の製造工程では、図8に示すように、軸受面(内周
面)のサイジングを行った後、焼結金属素材1”をダイ
20’に圧入したままの状態で、サイジングピン21’
{断面円形:図5(b)に示すような成形型21aは有
しない。)を上昇させて焼結金属素材1”の内周面から
抜き、その後、下パンチ23’で焼結金属素材1”を押
し上げてダイ20’から取出すようにしている。この手
順を、傾斜状の動圧溝を有する軸受面の成形に用いる
と、サイジングピン(コアロッド)を焼結金属素材の内
周面から抜き取る際に、動圧溝の形状を崩してしまう。
の焼結金属素材1’に対して、上述した軸受面成形工程
を行った時の、内径すきまTおよび外径しめしろSとス
プリングバック量との関係を示す。同図に示すように、
内径すきまTおよび外径しめしろSとスプリングバック
量との間には一定の相関関係があり、内径すきまTと外
径しめしろSを特定すれば、その時のスプリングバック
量も特定されることが理解できる。実験によれば、所定
の深さH(2μm〜3μm:成形される動圧溝1cの深
さと略等しい。)において、スプリングバック量を4〜
5μm(直径量)程度に設定すれば、動圧溝1cを崩す
ことなく焼結金属素材1’をコアロッド21から抜き取
ることができたので、この程度のスプリングバック量が
得られるよう内径すきまTと外径しめしろSとを設定す
るのが望ましい。尚、焼結金属素材1’のスプリングバ
ック量の半径量が深さHよりも大きい場合は、成形型2
1aを焼結金属素材1’の内周面に干渉させることなく
離型することができるが、焼結金属素材1’のスプリン
グバック量の半径量が深さHよりも小さく、成形型21
aが焼結金属素材1’の内周面に多少干渉する場合であ
っても、焼結金属素材1’の材料弾性による拡径量(半
径量)を付加して、動圧溝1cを崩すことなく成形型2
1aを焼結金属素材1’の内周面から離型できれば良
い。従って、上記の実験結果に基づく寸法設定は一例で
あり、これによって本発明が限定的に解釈されるもので
はない。
後、軸受面1bを通常のサイジングピン(断面円形)を
用いてサイジングしてもよい。この場合、軸受面1bに
おける背1dおよび平滑領域nがサイジングピンによっ
てサイジングされることにより、それら領域の表面開孔
率は動圧溝1cの形成領域の表面開孔率よりも小さくな
る。また、軸受面の成形工程において、成形型によって
動圧溝の形成領域のみを成形し、その後、動圧溝の形成
領域以外の領域をサイジング(断面円形のサイジングピ
ンを使用)または回転サイジング(断面円形のピンの外
周面を部分的に平坦加工して、円周等配位置に円弧部分
を残したサイジングピンを使用)によって仕上げること
も可能である。
造し、これに潤滑油又は潤滑グリースを含浸させて油を
保有させると、図1に示す形態の動圧型多孔質含油軸受
1が完成する。
含油軸受)と上記方法によって製造した動圧型多孔質含
油軸受(焼結含油軸受)を用いて軸振れ性能の比較実験
を行った。実験は、図13に示すようなCD−ROM実
機モータに試験軸受を組み込み、市販のCDを実装し
て、回転数に対する軸振れを測定したものである。その
結果を図11に示す。同図からも真円軸受に比べ、実施
形態の動圧型多孔質含油軸受が軸振れの抑制に有効であ
ることが理解できる。
して軸受面成形を行うものであるが、この他にフォーミ
ング工程において軸受面成形を行うこともできる。フォ
ーミングは、外型の内側に内型となるフォーミングピン
を挿入し、内型と外型の間に粉末材料を充填した後、軸
方向に加圧圧縮して円筒状に成形する工程である。この
フォーミング工程において、フォーミングピンの外周面
に図5(b)に示すような成形型を形成しておくことに
よって、フォーミングと同時に成形品(圧縮成形体)の
内周面に図1に示すような形状の軸受面を成形すること
ができる。また、加圧圧縮後、圧縮成形力を除去すれば
成形品(圧縮成形体)のスプリングバックを利用して成
形品(圧縮成形体)をフォーミングピンから抜くことが
でき、この時に軸受面の形状が崩れることもない。粉末
材料は金属粉末材料で、例えば銅又は鉄、あるいはその
両者を主成分とするものである。フォーミング後の成形
品は、焼成した後、サイジング工程、油の含浸工程等を
経て製品化される。
体のスプリングバックを利用して軸受面の成形型を離型
する場合を例示しているが、その他に、成形型を弾性的
に縮拡径可能な構造とし(例えば成形型をスリットによ
る分割構造とする。)、軸受面の成形後、成形型を弾性
的に縮径させて離型するようにしても良い。また、軸受
面の形状(動圧溝の形状)に応じて、成形型の形状を変
えることによって、種々の形状の軸受面を同様にして成
形することができる。さらに、1つの軸受本体の内周面
に複数の軸受面を軸方向に離隔して形成する場合も、外
周面に複数の成形型を軸方向に離隔して形成したコアロ
ッドやフォーミングピンを用いることによって、複数の
軸受面を同時成形することができる。
た成形型を有するコアロッドを内型とし、ダイを外型と
して、多孔質素材の内周面にコアロッドの成形型を加圧
して、多孔質素材の内周面に動圧溝を塑性加工により成
形するので、傾斜状の動圧溝を有する軸受面の成形加工
を簡易な設備で、少ない工数で、かつ、精度良く行うこ
とができる。
型多孔質含油軸受は、軸受面の成形精度が高く、しか
も、動圧溝の形成領域を含む軸受面の全領域に表面開孔
が分布し、軸受本体の内部と軸受隙間との間の適切な油
の循環が確保されるので、潤滑油膜の形成効果が高く、
良好かつ安定した軸受機能を有すると同時に、高い耐久
寿命を有する。
多孔質含油軸受の一形態を示す縦断面図である。
示す縦断面図である。
断面図である。
の、軸方向断面での油の流れを模式的に示す図である。
装置の概略を示す縦断面図、図5(b)は軸受面を成形
する成形型を示す側面図である。
す図である。
ク量との関係を示す図である。
油軸受を使用した場合の、軸振れを比較試験した結果を
示す図である。
的に示す縦断面図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 軸受本体の内周に傾斜状の動圧溝を有す
る軸受面が形成された動圧型多孔質含油軸受を製造する
ための方法であって、 上記軸受面の形状に対応した成形型を有するコアロッド
を内型とし、ダイを外型として、多孔質素材の内周面に
上記コアロッドの成形型を加圧して、上記多孔質素材の
内周面に上記動圧溝を塑性加工により成形する工程を含
むことを特徴とする動圧型多孔質含油軸受の製造方法。 - 【請求項2】 上記コアロッドの成形型の加圧により、
上記軸受面における動圧溝の領域とそれ以外の領域とが
同時成形される請求項1記載の動圧型多孔質含油軸受の
製造方法。 - 【請求項3】 上記多孔質素材が焼結金属で形成されて
いる請求項1又は2記載の動圧型多孔質含油軸受の製造
方法。 - 【請求項4】 上記焼結金属が銅または鉄、あるいは、
その両者を主成分とする請求項3記載の動圧型多孔質含
油軸受の製造方法。 - 【請求項5】 上記動圧溝を成形した後、上記コアロッ
ドの成形型の加圧力を解除することによる上記多孔質素
材のスプリングバックを利用して、上記コアロッドを上
記多孔質素材の内周面から離型する請求項1から4の何
れかに記載の動圧型多孔質含油軸受の製造方法。 - 【請求項6】 請求項1から5の何れかに記載の製造方
法によって製造された動圧型多孔質含油軸受。
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