專利名稱：動壓軸承的制作方法
技術領域：
本發明涉及使潤滑油等潤滑用流體產生動壓從而可獲得高的軸承剛性的動壓軸承，尤其是涉及適合于小型·薄型、高速旋轉型的主軸馬達等的動壓軸承。
背景技術：
在例如對磁盤或CD-ROM、DVD-ROM等光盤進行驅動，將信息讀寫到這些盤片中的盤片驅動裝置、和激光束打印機等各種信息設備上，采用主軸馬達作為驅動源。以往用滾珠軸承作為這種主軸馬達的軸承，但是，在旋轉精度、高速性、消音性等方面有限度，作為在這些特性方面優良的軸承，人們開始采用非接觸型動壓軸承。所謂動壓軸承，是指在軸與軸承之間的微小間隙內形成潤滑油的油膜，通過軸旋轉使該油膜高壓化，從而以高的剛性對軸進行支承的軸承，其動壓通過形成于軸或軸承中的某一個上的凹部有效地產生。
這種凹部，主要分為支承徑向載荷的徑向動壓凹部、和支承軸向載荷的軸向動壓凹部。徑向動壓凹部，形成于徑向承載面(軸的外周面或軸承的內周面中的某一個)上，形狀可列舉出人字形的槽、或與外徑不同心的多個(例如3個)圓弧面等。在槽的形狀和深度方面動了許多腦筋，以便油膜隨著軸的旋轉而成為更高壓狀態。另外，圓弧面與軸之間的微小間隙沿著軸的旋轉方向而逐漸變窄，形成截面楔狀。另一方面，支承軸向載荷的軸向動壓凹部，形成于軸向承載面(軸的端面或設在軸上的凸緣狀的止推墊圈、和軸承端面彼此的對置的面中的一個面)上，形狀可為人字狀、或螺旋狀的槽(參照特開2001-53683號公報、特開2002-31223號公報)。
上述槽等形成的徑向動壓凹部和軸向動壓凹部，一般用化學蝕刻或電解放電加工等方法形成，但是，尤其是在軸承由燒結材料制成的情況下，是用塑性加工方法形成。
可是，近年來搭載在筆記本型個人電腦(PC)上的硬盤驅動用的主軸馬達，正在小型化·薄型化，并且轉速高速化的趨勢很明顯。在小型·薄型化方面，硬盤的直徑從3.5英寸到2.5英寸，進而減小到1.8英寸左右，隨之盤驅動裝置的整體厚度從12.5mm左右減薄到5mm左右。隨著這一變化，軸承不得不小型化，內徑從φ5mm減小到φ2mm左右，軸向長度為2mm左右。軸承小型化帶來的問題是，軸承剛性降低、難以用上述方法形成動壓凹部。
另外，關于高速化，軸的轉速從4200rpm增大到5400rpm，進而增大到7200rpm。這樣的高速化造成軸承部分的溫度升高，例如，以往保持在60℃左右，而現在升到超過80℃的高溫。軸承部分的高溫化使得潤滑油的粘度降低，因此，特別是在軸向承載面上軸向動壓所產生的軸浮起量不足，從而導致金屬接觸，成為降低軸承剛性和旋轉精度的主要原因。
由這樣的高溫化和上述的小型化·薄型化引起的軸承剛性降低，會造成NRRO值(無再現性的振動成分)增大，進而有可能妨礙相對于盤片的信息讀寫。另外，從相對于盤片的記錄的高密度化的觀點出發，要求軸偏擺為1μm左右、或該值以下的情況逐漸增多。
發明內容
因此，本發明的目的在于提供一種高性能的動壓軸承，其作為小型·薄型、且高速旋轉型的主軸馬達等的馬達軸承，即使在高溫狀況下，也能發揮優良的軸承剛性。
本發明人對用于小型·薄型、且高速旋轉型的馬達的軸承中的上述徑向動壓凹部和軸向動壓凹部的形狀、數量、尺寸等條件進行了銳意研究，首先發現，作為徑向動壓凹部，上述圓弧面優選，而且其數量為3～6個時，容易形成、且能獲得高的軸承剛性。另外還發現優選地，在這些圓弧面之間，作為用于供給潤滑油的槽，在將周向3～6等分的位置上形成分離槽，該分離槽沿著軸向延伸而在周向上將內周面分離，從而將各圓弧面隔開，其寬度，在以該軸承的軸心為中心的周向上、具有相當于角度為8°～20°的長度，而且，其最大深度為0.05～0.15mm。
本發明是根據上述見解開發成的，其是圓筒狀的動壓軸承，在插入軸的軸孔的內周面上，沿著周向相隔等間隔地形成有多個分離槽，所述分離槽沿著軸向延伸，使該內周面在周向上分離，在這些分離槽之間的內周面上，形成有與外徑不同心、且隨著朝向一周向而向內周側縮徑的圓弧面，其特征在于，分離槽的數量設為3～6個，隨之圓弧面的數量也設為3～6個，進而，分離槽，其寬度如果按沿以該軸承的軸心為中心的周向的角度計，則具有相當于8°～20°的長度，其最大深度設為0.05～0.15mm。
對上述各數值條件的根據加以說明，首先，關于作為徑向動壓凹部的圓弧面的數量，是因為如上述為3～6個時，是容易形成的范圍，而且，可獲得高的軸承剛性的緣故。在上述分離槽內貯留有潤滑油，該潤滑油在軸旋轉時被卷入，且供給到圓弧面與軸之間的微小間隙中，形成油膜，在該油膜上產生動壓。當分離槽的寬度以上述角度計小于8°時，雖動壓升高，但潤滑油難以被卷入、容易造成供油不足。反之，若超過20°，則動壓降低而導致軸承剛性降低。因此，將該角度設定為8°～20°。將分離槽的寬度的上限設在15°以下，由于可得到足夠的軸承剛性，因此更理想。
分離槽的最大深度小于0.05mm時，在分離槽的部分上產生負壓，而且，還有可能卷入空氣而產生氣泡。氣泡的產生不僅使軸承剛性降低，而且容易增大上述NRRO值。另一方面，分離槽的最大深度超過0.15mm時，導致軸承自身的強度降低，例如，將該動壓軸承壓入殼體內時，應力集中到分離槽上而有可能導致變形。因此，將分離槽的最大深度設定為0.05～0.15mm。
本發明的動壓軸承，作為較理想的方式，在端面上形成有數條螺旋槽作為軸向動壓凹部，該螺旋槽隨著朝向上述一周向而一邊向內周側彎曲一邊延伸，進而，將讀螺旋槽的條數規定為8～15條、且最大深度規定為8～15μm。這些規定的理由是，螺旋槽的條數從8條開始就達到表示軸向載荷支承能力的載荷容量符合要求的水平，但超過15條則其載荷容量就會飽和。因此，條數為8～15條較合適。螺旋槽的最大深度，在80℃左右的高溫狀況下潤滑油的粘度降低的情況下，為10μm左右時上述浮起量最大，但在加工上，深度超過15mm則是較困難的。從這些觀點出發，螺旋槽的最大深度為8～15μm較合適。
本發明的動壓軸承的材質，從容易加工各動壓凹部的觀點來看，較理想的是將原料粉末壓縮成形并對該成形體進行燒結所得的燒結材料，從兼顧高加工精度和強度兩者的觀點出發，這種燒結軸承的材料優選為含鐵40～60wt％、銅40～60wt％、錫1～5wt％的材料。
根據本發明的動壓軸承，通過將徑向動壓凹部和軸向動壓凹部的形狀、數量、尺寸等規定成最佳條件，即使在高溫狀況下也能發揮優良的軸承剛性，作為小型·薄型且高速旋轉型的主軸馬達等的馬達軸承，是非常有希望的。
圖1是本發明一實施方式的動壓軸承的縱剖視圖。
圖2是圖1的II-II線剖視圖。
圖3是一實施方式的動壓軸承的俯視圖。
圖4是表示按實施例制作的動壓軸承的圓弧面與軸承剛性(油膜壓力)的關系的線圖。
圖5是表示按實施例制作的動壓軸承的分離槽的寬度與軸承剛性(油膜壓力)的關系的線圖。
圖6是表示按實施例制作的動壓軸承的分離槽的最大深度與軸承剛性(油膜壓力)的關系的線圖。
圖7是表示按實施例制作的動壓軸承的螺旋槽的條數與浮起量的關系的線圖。
圖8是表示按實施例制作的動壓軸承的螺旋槽的深度與軸的浮起量的關系的線圖。
具體實施例方式
以下，參照附圖對本發明的一實施方式進行說明。
圖1表示一實施方式的動壓軸承1的縱剖面，圖2是圖1的II-II線剖視圖。該動壓軸承1如圖所示呈圓筒狀，是外徑為φ6mm左右、軸向長度為5mm左右的小型動壓軸承，旋轉自如地支承著插入中空軸孔11中的φ3mm左右的軸2。
如圖1所示，軸2是在軸主體21上嵌合有止推墊圈22的軸，軸主體21從圖中上方插入到動壓軸承1的軸孔11中，止推墊圈22與動壓軸承1的上端面12對置地配置。軸2的徑向載荷由動壓軸承1的內周面13承載，軸2的軸向載荷由動壓軸承1的上端面12承載。本實施方式的動壓軸承1，用于硬盤驅動裝置用的主軸馬達等，這種情況下，磁盤經由旋翼轂搭載在軸主體21的比止推墊圈22靠上的上方部分上。
在動壓軸承1的軸孔11的內周面13上，如圖2所示，在周向上相隔等間隔地形成有5個分離槽14，這些分離槽截面呈半圓弧狀、在兩端面之間沿著軸向筆直地延伸。而且，在內周面13的各分離槽14之間，形成有相對于動壓軸承1的外徑的軸心P偏心、且隨著朝向箭頭R所示的軸2的旋轉方向而向內周側縮徑的形狀的圓弧面15。即，這些圓弧面15與動壓軸承1的外徑不同心，各圓弧面15的中心沿與該軸心P同心的圓周方向等間隔地存在于軸心P的周圍。這種情況下，在圖示例中分離槽14和圓弧面15各形成有5個，它們的數量以3～6為宜。
根據該圓弧面15的形狀，圓弧面15與軸2的外周面之間的微小間隙，形成為隨著朝向軸心2的旋轉方向而逐漸變窄的截面楔形。這種情況下，分離槽14的寬度如下設置，即如果按沿以圖2所示的動壓軸承的軸心P為中心的周向的角度θ計，則具有相當于8°～20°的長度。其最大深度設成0.05～0.15mm。
在動壓軸承1的上端面12上，如圖3所示，沿著周向相隔等間隔地形成有隨著朝向軸2的旋轉方向R而一邊向內周側彎曲一邊延伸的多個螺旋槽16。這些螺旋槽16的外周側的端部在外周面上開口，但內周側的端部在內周面13上不開口而是閉塞的。這種情況下，在圖示例中形成有12條螺旋槽16，8～15條是比較合適的數量。這些螺旋槽16的最大深度設為8～15μm。
本實施方式中的動壓軸承1，是對將原料粉末壓縮成形所得的成形體進行燒結而成的燒結軸承。由于是燒結軸承，分離槽14、圓弧面15和螺旋槽16，可容易地通過塑性加工形成。例如，內周面13的加工，通過將能形成分離槽14和圓弧面15的陽模的銷壓入燒結軸承的坯料的軸孔11中便可形成。又，螺旋槽16，可通過將沖頭刻印在燒結軸承的坯料的端面上而形成，所述沖頭形成有能形成該螺旋槽16的多個凸部。由于燒結軸承是多孔質的，因此，回彈量小，通過塑性加工能夠以高的尺寸精度形成上述分離槽14、圓弧面15和螺旋槽16。
作為原料粉末，優選地采用例如含鐵40～60wt％、銅40～60wt％、錫1～5wt％的粉末那樣的，含鐵粉和銅粉大致相等且除此之外含有數wt％的錫粉的粉末。根據這種組成，在以加工性良好的銅為主要成分的燒結材料的特性的基礎之上，通過含有較多的鐵而使強度提高，又因含有錫，所以相對于軸2的親和性和塑性加工性進一步提高。因此，如上述那樣，通過塑性加工容易形成分離槽14、圓弧面15以及螺旋槽16，而且，摩擦系數減小，使得耐摩損性提高。
根據上述動壓軸承1，含浸潤滑油而成為含油軸承。插入到軸孔11中的軸2向著圖2和圖3所示的箭頭R方向旋轉時，滲出并貯留在內周面13的各分離槽14中的潤滑油，被軸2有效地被卷入從而進入圓弧面15與軸2之間的楔狀微小間隙內，形成油膜。進入該微小間隙內的潤滑油向微小間隙的狹小側流動，由此，產生楔效果而變成高壓，產生高的徑向動壓。這樣，油膜高壓化的部分便與圓弧面15相應地沿著周向相隔等間隔地產生，因此，軸2的徑向載荷便均衡性良好地、且保持高剛性地得到支承。
另一方面，潤滑油也滲出并貯留在形成于動壓軸承1的上端面12上的螺旋槽16內，該潤滑油的一部分通過軸2的旋轉而從螺旋槽16內流出，在上端面12與止推墊圈22之間形成油膜。另外，保持在螺旋槽16內的潤滑油，從螺旋槽16內的外周側向內周側流動，在內周側的端部產生最高壓化的軸向動壓。由于止推墊圈22承載該軸向動壓，因此，軸2成為稍微浮起的狀態，這樣，軸向載荷便均衡性良好地、且保持高剛性地得到支承。
根據本實施方式的動壓軸承1，在徑向側，圓弧面15的數量在3～6的范圍，用于向這些圓弧面15供給潤滑油的分離槽14的寬度按上述角度θ計則相當于8°～20°，因此，在各圓弧面15與軸2之間產生高的徑向動壓，使軸承剛性大幅度地提高。另一方面，在軸向側，由于螺旋槽16為8～15條(圖示例中為12條)，因此，在上端面12與止推墊圈22之間產生高的軸向動壓。其螺旋槽16最大深度為8～15μm，所以，即使由于軸2的高速旋轉使軸承部分升溫至80℃左右、而導致潤滑油的粘度降低，也可確保支承軸2使其浮起的軸向動壓。
由于分離槽14的最大深度為0.05～0.15mm，因此，不會因該分離槽14而降低動壓軸承1自身的強度，而且，可抑制負壓和氣泡的發生，可如上述那樣有效地向圓弧面15供給潤滑油。
上述動壓軸1，說明了作為含油軸承的動壓軸承的例子。但是，對于含油軸承，有時產生的動壓會從氣孔泄漏，泄漏的量盡管很小但是也存在。為了不產生該動壓的泄漏，在設置上述圓弧面15和螺旋槽16等產生動壓的凹部后，向這些凹部的氣孔含浸樹脂并固化，由此實施封孔處理，這樣也能發揮同樣的作用效果。
下面，說明本發明的實施例，明確本發明的效果。
將表1所示組成的原料粉末壓縮成形，并對其成形體進行燒結，獲得必要數量的真密度比為6.3～7.2％、外徑φ6mm、內徑φ3mm、軸向長度5mm的圓筒狀的燒結軸承的坯料。接著，對該燒結軸承的坯料進行加工，并對以下項目A～E進行了試驗。
表1 (wt％)
A.分離槽及圓弧面的數量制作了將內周面的分離槽和圓弧面的數量設為3～8的6種燒結軸承。分離槽和圓弧面的形成，是通過塑性加工、即將分離槽和圓弧面的陽模的銷壓入燒結軸承的坯料的軸孔中而形成的。將這些燒結軸承壓入鋼制的殼體中，使其含浸作為潤滑油的酯油。然后，將軸插入燒結軸承并使其以4200prm的轉速旋轉，測定這時所產生的燒結軸承與軸之間的油膜壓力(kg/cm2)。該油膜壓力越高，則判斷軸承剛性越高。這里，若油膜壓力為8kg/cm2左右，則認為可確保必要的足夠的軸承剛性。
圖4所示為測定結果，對于測定的油膜壓力，圓弧面的數量為3個的軸承的油膜壓力最高。但是，由于軸承剛性為油膜壓力×圓弧面的數量的值，即，用各圓弧面上的油膜壓力的總和表示，因此，判斷出軸承剛性圓弧數為5個的軸承顯示出最高的軸承剛性。但是，還判斷出分離槽和圓弧面的數量為3個便可確保所需的足夠的軸承剛性。但是，判斷出要設置7個以上的分離槽和圓弧面，則軸承面太小而難以形成，不容易實現實用化。因此，認為分離槽和圓弧面的數量為3～6個較合適，5個最佳。
B.分離槽的寬度關于分離槽的寬度，在圖2所示的角度θ為5°～20°的范圍內，按每相差1°的差異制作16種燒結軸承，用這些燒結軸承同試驗A一樣測定油膜壓力。另外，所形成的分離槽和圓弧各為5個，這一點是相同的。圖5所示為測定結果，根據該結果判斷出，分離槽的寬度越窄則壓力越高。但是，對于表示分離槽寬度的角度θ小于8°的軸承，潤滑油難以被卷入，會造成向圓弧面供給潤滑油不足的現象。另外，角度θ為20°、油膜壓力大致為6kg/cm2，這是實際應用上必要的油膜壓力的下限值，因此，角度θ超過20°時，難以確保必要的足夠的軸承剛性。又，角度θ為15°、油膜壓力為8kg/cm2時，達到足夠的油膜壓力，可確保足夠的軸承剛性。從這些情況來看，認為角度θ為8°～20°較合適，8°～15°則更合適。
C.分離槽的深度在分離槽的最大深度為0.01～0.21mm的范圍內，按每相差0.02mm的差異制作9種燒結軸承，用這些燒結軸承同試驗A一樣測定油膜壓力。另外，所形成的分離槽和圓弧面各為5個、表示分離槽寬度的角度θ為10°這一點是相同的。圖6所示為測定結果，根據該結果可知，分離槽的最大深度為0.05mm以上則油膜壓力為一定，但是，若為0.05mm以下，則油膜壓力稍微下降且變動。這是因為分離槽為0.05mm以下時，在分離槽部分產生負壓而卷入空氣，該空氣流入軸承面，從而產生壓力下降和壓力波動的緣故。但是，超過0.15mm時，在整個燒結軸承上容易產生分離槽變窄這樣的變形。因此，認為分離槽的最大深度為0.05～0.15mm較合適。
D.螺旋槽的條數制作將形成于端面上的螺旋槽的數量設定為6～16條的11種燒結軸承。螺旋槽的形成，是通過將形成有凸部的沖頭刻印在燒結軸承的坯料的端面上而形成的。使這些燒結軸承含浸作為潤滑油的酯油，將具有止推墊圈的軸、使其止推墊圈與螺旋槽對置地插入該燒結軸承中，使該軸以4200rpm的轉速旋轉，調查表示軸向載荷支承能力的軸的浮起量。圖7所示為調查結果，根據該結果可知，具有8條以上的螺旋槽，達到載荷容量符合要求的水平，但是，若超過15條則其載荷容量飽和。
E.螺旋槽的深度在形成于端面上的螺旋槽的最大深度為4～19μm的范圍內，制作每種相差1μm的16種燒結軸承。利用和上述D的試驗一樣的方法形成螺旋槽，條數為10條這一點是相同的。在室溫25℃、和高溫80℃的環境下，和上述D的試驗一樣使軸旋轉，調查止推墊圈的浮起量。圖8所示為其結果，根據此結果可知，在室溫下，螺旋槽的深度越大，則止推墊圈的浮起量也越大，但在80℃的高溫狀況下，深度為10μm時，浮起量為最大值。因此，根據室溫和高溫兩者的溫度狀況，認為螺旋槽的深度為8～15μm較合適。
權利要求
1.一種動壓軸承，其是圓筒狀的動壓軸承，在插入軸的軸孔的內周面上，沿著周向相隔等間隔地形成有多個分離槽，所述分離槽沿著軸向延伸，使該內周面在周向上分離，在這些分離槽之間的內周面上，形成有與外徑不同心、且隨著朝向一周向而向內周側縮徑的圓弧面，其特征在于，上述分離槽的數量設為3～6個，隨之上述圓弧面的數量也設為3～6個，進而，上述分離槽，其寬度如果按沿以該軸承的軸心為中心的周向的角度計，則具有相當于8°～20°的長度，其最大深度設為0.05～0.15mm。
2.根據權利要求1所述的動壓軸承，其特征在于，在上述動壓軸承的端面上，形成有隨著朝向上述一周向而一邊向內周側彎曲一邊延伸的多個螺旋槽，該螺旋槽的條數為8～15條，而且，其最大深度設為8～15μm。
3.根據權利要求1所述的動壓軸承，其特征在于，該動壓軸承是由燒結材料制成的燒結軸承。
4.根據權利要求3所述的動壓軸承，其特征在于，該動壓軸承是由含有鐵40～60wt％、銅40～60wt％、錫1～5wt％的燒結合金制成的。
全文摘要
本發明是一種動壓軸承，其是圓筒狀的動壓軸承，在插入軸的軸孔的內周面上，沿著周向相隔等間隔地形成有多個分離槽，所述分離槽沿著軸向延伸，使該內周面在周向上分離，在這些分離槽之間的內周面上，形成有與外徑不同心、且隨著朝向一周向而向內周側縮徑的圓弧面，其特征在于，分離槽的數量設為3～6個，隨之上述圓弧面的數量也設為3～6個，進而，分離槽，其寬度如果按沿以軸承的軸心為中心的周向的角度計，則具有相當于8°～20°的長度，其最大深度設為0.05～0.15mm。
文檔編號F16C33/12GK1746521SQ200510103608
公開日2006年3月15日 申請日期2005年9月6日 優先權日2004年9月6日
發明者新居勝敏, 四方英雄 申請人:日立粉末冶金株式會社