JP2006144864A - 流体軸受装置、スピンドルモータ、および流体軸受装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 非磁性体であるオーステナイト組織を有する鉄系金属を用いて洗浄度を向上すると共に、低硬度による耐磨耗性の悪化問題を解決し、信頼性の高い流体軸受装置およびスピンドルモータを提供する。
【解決手段】 シャフト１をオーステナイト組織を有する鉄系金属で形成するとともに、シャフト１のスリーブ３と対向する面の少なくとも一部が、固体潤滑剤の粉体を噴射することにより固体潤滑剤が分散された表面処理層１３、１４、１５を形成する。非磁性体であるオーステナイト組織を有する鉄系金属でシャフト１を作成しているので、洗浄度が向上する。さらに、軸受面に固体潤滑剤が分散された表面処理層１３、１４、１５を有するので、耐磨耗性が向上し、優れた軸受信頼性が得られる。
【選択図】 図１

Description

本発明は動圧軸受を使用した流体軸受装置、この流体軸受装置を備えたスピンドルモータ、および流体軸受装置の製造方法に関するものである。

ハードディスク、ポリゴンミラー、光ディスク装置などのスピンドルモータに用いられている軸受装置として、従来用いられていた玉軸受装置に代わって、玉軸受よりも回転精度が優れ、しかも静音性にも優れる流体軸受装置が多く用いられつつある。

このような流体軸受装置を使用するハードディスク等では、記録密度や長期信頼性の向上が進んできており、それに伴って部品に求められる洗浄度が格段に厳しくなってきている。しかしながら、現在一般的に使用される軸受部材であるマルテンサイト系ステンレスは磁性材料であるため、ダストが付着しやすくなっており、これ以上の洗浄度の向上が困難になってきている。そこで、非磁性体であるオーステナイト系ステンレスやオーステナイト系高強度鋼などのオーステナイト組織を有する鉄系金属を用いることによって、洗浄度の向上を図る検討がされている。

ところが、従来のマルテンサイト系ステンレスは焼き入れによってＨＲｃ（ロックウェル硬さ）５６程度の硬度が得られるが、オーステナイト組織を有する鉄系金属は焼き入れが出来ないため、ＨＲｃ１０〜２５程度の硬度であり、そのまま使用すると軸受面の磨耗が促進されることになる。軸受面が磨耗すると、回転異常や最悪の場合は軸受のロックが発生することとなり、流体軸受装置の信頼性が大幅に低下するため、オーステナイト系ステンレスをそのまま使用することが出来ない。

これらの問題に対処すべく、特許文献１に開示された流体軸受装置では、オーステナイト系ステンレス鋼からなるシャフトに対して窒化処理を施すことにより、表面硬度を向上させている。たとえば、オーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３０３を切削加工にて所要形状にした後、塑性加工で動圧溝を形成し、その後、研磨にて仕上げ加工を行い、さらに（１）塩浴窒化、（２）イオン窒化、（３）ガス軟窒化等の窒化処理により表面効果処理を行ってシャフトを作製している。

また、特許文献２に開示されたすべり軸受装置では、軸受面にＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）コーティングを形成することにより、優れた耐磨耗性を得ている。
さらに、特許文献３では母相をなす金属の粉体と固体潤滑剤の粉体とを混合した噴射粒体を噴射して、母相中に固体潤滑剤の分散された被膜を形成することにより、潤滑性を向上している。たとえば、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）用スピンドルモータに使用される、耐熱性ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）からなるつば付シャフトに対し、前記噴射粒体を噴射して潤滑性被膜を形成している。
特開２００２−１８８６３８号公報 特開２００２−３５７２２３号公報 特開２００２−１６１３７１号公報

しかしながら、特許文献１に開示された従来構成の流体軸受装置では、窒化処理に伴う表面荒れが発生し、窒化処理後そのまま使用すると洗浄不良による混入（コンタミネーション）問題や、軸受面磨耗の促進が問題となっていた。また、窒化処理は真空装置が必要であるため、製造コストがアップしてしまう欠点もあった。

また、特許文献２に開示された従来構成のすべり軸受装置では、ＤＬＣの剥離強度が低い性質を有するため、瞬間的な高い応力が加わるとＤＬＣが剥離し、このＤＬＣを介して軸受面同士が接触して軸受がロックしてしまう問題があった。さらに、窒化処理と同様に真空装置が必要であるため、製造コストがアップしてしまう欠点もあった。

さらに、特許文献３に開示された従来構成の潤滑被膜は、母相をなす金属が軟質金属であるため、表面の磨耗が促進されやすく、特に軸受に充填される作動流体が液体である場合にはこの磨耗が顕著となるおそれがあった。また、母相をなす軟質金属の粉体と固体潤滑材の粉体とを混合して噴射するので、表面が形成される噴射の後半では、軟質金属層に固体潤滑材が噴射される形となり、表面粗さが粗くなる。この特許文献３に書かれているように、作動流体が気体である流体軸受ではマイクロディンプルが有効である場合があるが、作動流体が液体である流体軸受では洗浄不良による混入（コンタミネーション）問題や、軸受面磨耗の促進が問題となる。

本発明は上記課題や問題を解決するもので、非磁性体であるオーステナイト組織を有する鉄系金属を用いて洗浄度を向上すると共に、低硬度による耐磨耗性の悪化問題を解決し、信頼性の高い流体軸受装置、およびこの流体軸受装置を有するスピンドルモータ、および流体軸受装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題や問題を解決するために本発明の流体軸受装置は、シャフトと、前記シャフトに対して微小隙間を介して外周に配置されたスリーブとが備えられ、前記シャフトと前記スリーブとの対向面の少なくとも一方にラジアル動圧発生溝が形成され、前記シャフトと前記スリーブとの間に液体の作動流体が充填された流体軸受装置であって、前記シャフトがオーステナイト組織を有する鉄系金属で形成され、前記シャフトにおける前記スリーブと対向する面の少なくとも一部に、固体潤滑剤の表面処理層が形成されていることを特徴とする。

また、本発明の流体軸受装置は、オーステナイト組織を有する鉄系金属は、ＨＲｃ３０以上の表面硬度を備えていることを特徴とする。
以上の発明によれば、非磁性体であるオーステナイト組織を有する鉄系金属でシャフトを作成しているので、洗浄度が向上する。さらに、軸受面に固体潤滑剤の表面処理層を有するので、耐磨耗性が向上し、優れた軸受信頼性が得られる。さらにＨＲｃ３０以上の表面硬度のオーステナイト組織を有する鉄系金属に固体潤滑剤の粉体を噴射して表面処理層を得ることにより、マイクロディンプルが小さくなり、さらに洗浄度が向上し、軸受面の磨耗が低減する。

以下、本発明の実施の形態に係る流体軸受装置およびこの流体軸受装置を備えたスピンドルモータについて、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１に示すように、このスピンドルモータの流体軸受装置は、シャフト１と、このシャフト１から半径方向外方に突出するスラストフランジ２と、シャフト１に対して微小隙間を介して外周に配置されたスリーブ３と、スラストフランジ２に対して微小隙間を介して対向する位置に配置されたスラストプレート４とを備えている。

スリーブ３は、スピンドルモータのベース５に固定され、中央部に挿通孔３ａが形成されている。そして、この挿通孔３ａにシャフト１が微小隙間あけた姿勢で挿入され、シャフト１とスリーブ３との間の微小隙間に、作動流体としての液体の潤滑油６を充填させている。また、シャフト１の奥端部にスラストフランジ２がねじや外嵌結合などにより一体的に固定されるように取り付けられ、スラストフランジ２の円形平面部に対向するようにスラストプレート４を配設させてスリーブ３に固定しており、スラストフランジ２とスラストプレート４との間の隙間にかけても液体の潤滑油６を充填させている。また、このシャフト１の外周もしくはスリーブ３の内周面に、螺旋状または魚骨状パターンなどのラジアル動圧発生溝７を、転造、エッチング、電解加工などにより構成している。この実施の形態では、スリーブ３の内周面における奥側寄り領域と開口部寄り領域との２箇所にそれぞれラジアル動圧発生溝７からなるラジアル軸受を設けている。

また、スラストフランジ２とスラストプレート４との対向面における少なくとも一方の面に螺旋状または魚骨状パターンなどのスラスト動圧発生溝８を形成してスラスト軸受を構成している。さらに、シャフト１の奥端部に隣接するスラストフランジ２の面とこの面に対向するスリーブ３の面とにおける少なくとも一方にもスラスト動圧発生溝８を形成してスラスト軸受を構成している。なお、図１においては、スラスト動圧発生溝８をスラストフランジ２に対向するスリーブ３の面とスラストプレート４の面とにそれぞれ形成している場合を示している。

シャフト１におけるスリーブ３の開口部から突出している突出側端部１ａには、その外周に例えば磁気記録ディスクが固定される回転部材としてのハブ９が圧入状態で外嵌されている。この実施の形態では、ハブ９のベース寄り部分外周にロータマグネット１０が取り付けられている。また、ベース５には、ロータマグネット１０に対向するように、ステータコイル１１が巻かれたステータコア１２が取り付けられている。そして、このロータマグネット１０とステータコア１２とにより、シャフト１とスリーブ３との間に回転駆動力を与えるスピンドルモータの駆動部が構成されている。

このスピンドルモータの駆動部によりハブ９やシャフト１、スラストフランジ２が回転駆動されると、ラジアル方向はラジアル動圧発生溝７によって、スラスト方向はスラスト動圧発生溝８によって、それぞれの箇所の潤滑油６に動圧が発生し、これらの流体軸受（ラジアル軸受およびスラスト軸受）によりスリーブ３およびスラストプレート４に対してシャフト１とスラストフランジ２とが微小隙間を保った非接触状態で回転支持される。

ここで、シャフト１及びスラストフランジ２をオーステナイト系ステンレスであるＳＵＳ３０３を用いて形成している。なお、シャフトは直径３ｍｍ、長さ６ｍｍであり、スラストフランジは直径４ｍｍ、厚さ０．５ｍｍで作成している。このＳＵＳ３０３などのオーステナイト組織を有する鉄系金属は、冷間加工を行うことによって表面硬度が向上する特性を有しており、図２に示すような、冷間加工率と硬度の相関がある。この性質を利用して、ＨＲｃを１０、２０、３０、４０に制御したＳＵＳ３０３を作成し、固体潤滑剤の一種である二硫化モリブデンを噴射して、シャフト１の外周面およびスラストフランジ２の上下面に潤滑性被膜１３、１４、１５を形成した。噴射条件は、噴射速度１５０〜２００ｍ／ｓｅｃ、二硫化モリブデンの粒径は５０μｍ以下、噴射時間２０秒である。なお、この潤滑性被膜は二硫化モリブデンがＳＵＳ３０３の表面に分散されて存在する表面処理層となっている。

二硫化モリブデンが噴射されてＳＵＳ３０３と衝突することにより、二硫化モリブデンとＳＵＳ３０３との表面付近で温度上昇が発生する。このとき二硫化モリブデンの元素がＳＵＳ３０３の表面に活性化吸着して拡散・浸透するために、上記潤滑性被膜１３〜１５が形成される。

この条件で作成されたシャフト１およびスラストフランジ２の、表面硬度と表面粗度の相関を図３に示す。なお、噴射前の表面粗度は０．５μｍ程度である。この図３から分かるように、表面硬度が大きくなるにつれて表面粗度が小さくなっているのが分かる。これは、表面硬度が大きいほど粒子の噴射によるエネルギーを小さな塑性変形によって吸収するので、表面の変形が抑えられるためである。このことにより、表面硬度によって表面粗さを制御できることが分かる。

また、同じ表面硬度のシャフトに特許文献３の実施例４の条件（噴射速度２００ｍ／ｓｅｃ、二硫化モリブデンの粒径は５０μｍ以下、母層金属Ｓｎの粒径は４５μｍ、噴射時間１５秒）で噴射を行った結果を図４に示す。この図４から分かるように、表面硬度が変化しても表面粗さに変化はほとんど見られず、図３と比較すると表面荒さが大きいことが分かる。

次に、シャフト１およびフランジ２を、１００ｍｌのビーカーの中に約５０ｍｌのアセトンと共に入れ、超音波洗浄器を用いて洗浄を行った。超音波洗浄器は周波数４０ｋＨｚ、出力２００Ｗ、槽内容量１０リットルのものを用い、洗浄時間１分とした。この洗浄条件での残留粒子を調べるために、新規のアセトンを用い、洗浄時間１０分で再度洗浄を行い、パーティクルカウンタを用いてアセトンに残留した粒子を測定した。この結果を図５に示す。この図５から分かるように、表面粗度１μｍと表面粗度１．４μｍとでは残留粒子が観測されなかったが、表面粗度２．８μｍと表面粗度４μｍとでは残留粒子が観測され、十分な洗浄が出来ていないことが分かる。このように、表面粗度によって洗浄度が違い、表面粗度２．８μｍ以上では洗浄度向上が困難であることが分かる。

さらに、これらの条件で作成されたシャフト１およびスラストフランジ２と、ＳＵＳ３０３の処理なし、窒化及びＤＬＣを施したもの、従来使用されていたマルテンサイト系ステンレスＳＵＳ４２０を用いて、流体軸受を作成し、軸受寿命試験を行った。寿命試験では加速試験を行うために、軸受は潤滑油を充填させず、軸受のラジアルクリアランスは片側４μｍ、スラストクリアランスは２０μｍで作成した。試験条件は、姿勢がシャフト水平、荷重３０ｇ、回転速度５４００ｒｐｍである。この試験結果を図６に示す。この図６から分かるように、処理無しや表面粗度４μｍではすぐに寿命に達し、表面粗度２．８およびＤＬＣ、窒化した物、ＳＵＳ４２０は１０秒程度の時間で寿命に達している。それに対して、表面粗度１μｍ、表面粗度１．４μｍでは寿命が５０秒以上あり、寿命が飛躍的に延びていることが分かる。

これら図２〜図６の結果より、冷間加工により表面硬度を３０ＨＲｃ以上にしたＳＵＳ３０３を用いてシャフトおよびスラストフランジを形成した後に、二硫化モリブデンの粉体を噴射し、潤滑性被膜１３〜１５からなる表面処理層を形成すると、洗浄性及び耐磨耗性に優れた信頼性の高い流体軸受装置を作成することが可能となる。

さらに、シャフト１及びスラストフランジ２を形成するときの仕上げに研磨加工を行うと、加工硬化によって表面硬度がさらに向上するので、二硫化モリブデンの粉体を噴射した時の表面粗度をさらに小さくすることができる。

また、本実施例では二硫化モリブデンの粉体を噴射したが、固体潤滑剤であれば良く、二硫化タングステンや黒鉛でも潤滑性被膜１３〜１５を形成することが可能である。
さらに、噴射した固体潤滑材を回収・再利用する場合はシャフト材の粉体も含まれることになるが、特に表面粗度や洗浄性・寿命に変化は見られず、問題なく再利用することができる。

なお、本実施例ではＳＵＳ３０３を用いたが、ＳＵＳ３０３に限定されるものではなく、ＳＵＳ３０４等のオーステナイト系ステンレスでもよく、さらに、図２に示すオーステナイト系高強度鋼（ＡＫＳ８０００：秋山精鋼製など）を用いれば、５％程度の低い冷間加工でも３０ＨＲｃが得られるとともに、冷間加工率を３０％以上にすれば５０ＨＲｃを超える硬度が得られるので、さらに表面粗度を低下することができ、有効である。

また、本実施例では、スラスト軸受においてはスラストフランジに潤滑性被膜１３〜１５からなる表面処理層を形成したが、スリーブ３およびスラストプレート４をオーステナイト組織を有する鉄系金属で形成し、潤滑性被膜１３〜１５からなる表面処理層を形成しても良い。

さらに、本実施例はシャフト回転でインナーロータタイプの流体軸受スピンドルモータであったが、シャフト固定やアウターロータタイプ、スラスト軸受をスリーブ３とハブ９で形成したものなどのさまざまな軸受やモータ形状に適応することができる。

また、本発明の軸受装置やそれを用いたスピンドルモータは、ＨＤＤやポリゴンミラー、光ディスク装置等に用いることが出来る。

本発明は、ハードディスク装置やその他の装置のスピンドルモータなどに特に適した流体軸受装置に適用できるが、その他の機器にも適用可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る流体軸受装置を備えたスピンドルモータの断面図 各種材料の冷間加工率と表面硬度の相関図 表面硬度と表面粗度の相関図 表面硬度と表面粗度の相関図 表面粗度と残留粒子の相関図 表面粗度と軸受寿命の相関図

符号の説明

１ シャフト
２ スラストフランジ
３ スリーブ
４ スラストプレート
５ ベース
６ 潤滑油
７ ラジアル動圧発生溝
８ スラスト動圧発生溝
９ ハブ
１０ ロータマグネット
１１ ステータコイル
１２ ステータコア
１３、１４、１５ 潤滑性被膜（表面処理層）

Claims (10)

1. シャフトと、前記シャフトに対して微小隙間を介して外周に配置されたスリーブとが備えられ、前記シャフトと前記スリーブとの対向面の少なくとも一方にラジアル動圧発生溝が形成され、前記シャフトと前記スリーブとの間に液体の作動流体が充填された流体軸受装置であって、前記シャフトがオーステナイト組織を有する鉄系金属で形成され、前記シャフトにおける前記スリーブと対向する面の少なくとも一部に、固体潤滑剤が分散された表面処理層が形成されていることを特徴とする流体軸受装置。
2. 平面部を有する固定部材と、前記固定部材の平面部に対して微小隙間を介して対向して配置された平面部を有する回転部材とが備えられ、前記固定部材の前記平面部と前記回転部材の前記平面部の少なくとも一方にスラスト動圧発生溝が形成され、前記固定部材と前記回転部材との間に液体の作動流体が充填された流体軸受装置であって、前記固定部材と前記回転部材との少なくとも一方がオーステナイト組織を有する鉄系金属で形成され、オーステナイト組織を有する鉄系金属で形成された前記固定部材と前記回転部材との少なくとも一方の平面部の少なくとも一部に、固体潤滑剤が分散された表面処理層が形成されていることを特徴とする流体軸受装置。
3. オーステナイト組織を有する鉄系金属は、ＨＲｃ３０以上の表面硬度を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の流体軸受装置。
4. スリーブは、鉄系金属材料もしくは銅系金属材料からなることを特徴とする請求項１に記載の流体軸受装置。
5. 固体潤滑剤は、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、黒鉛のうちの一つであることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の流体軸受装置。
6. 請求項１に記載の流体軸受装置と、シャフトとスリーブとの間に回転駆動力を与える駆動部とが備えられていることを特徴とするスピンドルモータ。
7. 請求項２に記載の流体軸受装置と、固定部材と回転部材との間に回転駆動力を与える駆動部とが備えられていることを特徴とするスピンドルモータ。
8. 請求項１または２に記載の流体軸受装置の製造方法であって、表面処理層が、固体潤滑剤の粉体を噴射することにより形成されていることを特徴とする流体軸受装置の製造方法。
9. オーステナイト組織を有する鉄系金属は、冷間加工率を５％以上としてＨＲｃ３０以上の表面硬度を得ていることを特徴とする請求項８に記載の流体軸受装置の製造方法。
10. 表面処理層は、ＨＲｃ３０以上の表面硬度を備えたオーステナイト組織を有する鉄系金属に対して、研磨加工を行った後に、固体潤滑剤の粉体を噴射することにより形成されていることを特徴とする請求項９記載の流体軸受装置の製造方法。

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