JP3984091B2 - 流体軸受装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸受隙間に形成した油膜で回転部材を支持する流体軸受装置に関する。この軸受装置は、情報機器のモータ類、例えばＨＤＤ・ＦＤＤ等の磁気ディスク装置、ＣＤ−ＲＯＭ・ＤＶＤ−ＲＯＭ等の光ディスク装置、ＭＤ・ＭＯ等の光磁気ディスク装置などのスピンドルモータ、レーザビームプリンタ（ＬＢＰ）のポリゴンスキャナモータ、あるいは電気機器、例えば軸流ファンなどの小型モータ用として好適である。
【０００２】
【従来の技術】
上記各種モータには、高回転精度の他、高速化、低コスト化、低騒音化などが求められている．これらの要求性能を決定づける構成要素の一つに当該モータのスピンドルを支持する軸受があり、近年ではこの種の軸受として、上記要求性能に優れた特性を有する動圧軸受の使用が検討され、あるいは実際に使用されている。
【０００３】
例えば、ＨＤＤ等のディスク装置のスピンドルモータに組み込まれる動圧軸受装置では、軸部材をラジアル方向に回転自在に支持するラジアル軸受部と、軸部材をスラスト方向に回転自在に支持するスラスト軸受部とが設けられ、少なくともラジアル軸受部に、軸受面に動圧発生用の溝（動圧溝）を有する動圧軸受が用いられる。ラジアル軸受部の動圧溝は、軸受スリーブの内周面または軸部材の外周面のうちの何れか一方に形成される。
【０００４】
通常、軸受スリーブはハウジングの内周に圧入や接着等の手段で固定され、また、ハウジングの内部空間に注油した潤滑油が外部に漏れるのを防止するために、ハウジングの開口部にシール部材を固定する場合が多い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記構成の軸受装置は、ハウジング、軸受スリーブ、軸部材、およびシール部材といった部品で構成されるが、情報機器の益々の高性能化に伴って必要とされる高い軸受性能を確保すべく、各部品の加工精度や組立精度をさらに高める必要がある。また、情報機器の低価格化の傾向に伴い、この種の軸受装置に対するコスト低減の要求も益々厳しくなっている。
【０００６】
このような要求に応えるべく、焼結金属製の軸受スリーブをインサート部品として、ハウジングを樹脂でインサート成形する方法の採用が検討されているが、この方法では、異種材料である樹脂製ハウジングと焼結金属製軸受スリーブとの密着度が不十分となり易く、軸受スリーブ表面から樹脂が剥離する懸念があること、および射出成形時の軸受スリーブの位置決め精度を出しにくいこと等の理由から、十分な軸受精度を確保することが難しいという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、インサート成形した樹脂製ハウジングを使用する場合にも高い軸受精度を確保できる流体軸受、およびその製造方法の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的の達成のため、本発明は、支持すべき軸部材の外周との間でラジアル軸受隙間を形成する焼結金属製の軸受スリーブと、軸受スリーブをインサート部品として樹脂で型成形されたハウジングとを備え、軸部材と軸受スリーブの相対回転時にラジアル軸受隙間に形成した流体膜で軸部材と軸受スリーブとを非接触に保持する流体軸受装置において、ハウジングが、側部と、側部の一端から内径側に延び、シール空間を形成するシール部と、側部の他端を閉塞する底部とを一体に備えると共に、底部端面に面するゲートから射出した樹脂で成形され、軸受スリーブが、シール空間に面して樹脂で被覆されていない部分を有し、軸受スリーブの前記部分を、ハウジングのシール部の内周面を成形する型と係合可能の基準面とし、軸受スリーブの表面近傍の気孔に樹脂を入り込ませたことを特徴とするものである。
【０００９】
軸受スリーブの素材となる焼結金属は、多孔質の金属で、金属粉末を混合し、成形し、焼結して得られる。このような焼結金属は、内部に多数の気孔（内部組織としての気孔）を備えると共に、これら気孔が外表面に通じて形成される多数の開孔を備えている。上記金属粉末としては、例えば、銅、鉄、及びアルミニウムの中から選択される一種以上の粉末を原料とし、必要に応じて、すず、亜鉛、鉛、黒鉛、二硫化モリブデン等の粉末又はこれらの合金粉末を添加したものが考えられる。
【００１０】
このように焼結金属製の軸受スリーブの表面近傍の気孔（表面に開孔したものも含む）に樹脂を入り込ませることにより、気孔に入り込んだ樹脂がアンカー効果を発揮するため、ハウジングと軸受スリーブとを強固に融着し、焼結金属からの樹脂の剥離を確実に防止することができる。
【００１２】
金属製の軸受スリーブは、上記焼結金属の他、通常の金属材（組織的な気孔を有しない金属材、あるいは、組織的に気孔を有していても、その気孔率が小さい金属材）で形成することができる。この金属材としては、例えば、ステンレス、銅合金、真ちゅう等の軟質金属を使用することができる。
【００１３】
軸受スリーブの樹脂で被覆されていない前記部分を、ハウジングのシール部の内周面を成形する型と係合可能の基準面とすることにより、型内で軸受スリーブが精度よく位置決めされるため、軸受スリーブの内周面やハウジングの外周面が精度良く仕上げられ、これにより軸受装置自体の高精度化を図ることができる。
【００１４】
上述のように軸受スリーブを樹脂でモールドする場合、特に軸受スリーブの外周および両端面を樹脂でモールドする場合は、軸受スリーブの基準面を如何にして確保するかが問題となる。この場合、軸受スリーブ内周に形成された面取り部を基準面とすれば、製品化後に基準面を別工程で除去することなく、そのままで使用可能となるので、製造工程を簡略化することができる。この面取り部は、通常はテーパ状や曲面状であるので、型の係合部をこれと面接触する形状とすれば、軸受スリーブの軸方向および半径方向の双方で軸受スリーブを確実に位置決めすることができる。
【００１５】
この流体軸受装置は、型成形時に、軸受スリーブの内周に形成した基準面を、軸受スリーブの内周に挿入した型と係合させて軸受スリーブの位置決めを行い、型成形時の樹脂の射出圧力で、軸受スリーブを上記基準面と型との係合方向に押圧することによって製造することができる。
【００１６】
これにより、樹脂が硬化するまで軸受スリーブの位置決めを確実に行うことができ、軸受装置の精度をより高めることができる。
【００１７】
型成形時に樹脂を射出するゲートを一箇所のみに設ければ、より好ましくはキャビティの中心線（射出成形後に形成される側部７ｂの中心線）上に設ければ樹脂の射出時に巻き込んだエアやガスをキャビティ内で停留させることなく確実に型外に排出することができるので、樹脂の硬化後における巣の発生を確実に回避することができ、軸受スリーブとハウジングとの間で高い密着度を確保することができる。
【００１８】
型成形時に、軸受スリーブを型温以上に加温しておけば、溶融樹脂が軸受スリーブの気孔に入り込みやすくなるので、樹脂を軸受スリーブ表面から奥深く含浸させることができ、ハウジングと軸受スリーブの密着度をさらに高めることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。
【００２０】
図１は、流体軸受装置の一例として、動圧発生用の溝（動圧溝）により軸受隙間に油やエア等の流体（本実施形態では油）の動圧を発生させて軸部材を支持する動圧軸受装置１を示すものである。
【００２１】
この動圧軸受装置１は、一端を開口すると共に、他端を閉塞した有底筒状のハウジング７と、円筒状の軸受スリーブ８と、軸部材２とを主要な構成部品として構成される。この動圧軸受装置は、例えばＨＤＤ等のディスク駆動装置に用いられ、この場合、ハウジング７がケーシング等の静止側の部材に固定され、軸部材２の一端（図示例では上端）が、一または複数のディスクを保持するディスクハブに固定される。なお、以下の説明では、ハウジング７の開口側（シール側）を上方とし、そのハウジング７の閉塞側を下方として説明を進める。
【００２２】
軸部材２は、ステンレス鋼等の金属材で形成される。軸部材２の軸端部（図示例では下端）は球面状に形成され、この軸端部２ａをハウジングの底部７ｃで接触支持することにより、ピボット型のスラスト軸受部Ｔが構成される。
【００２３】
軸受スリーブ８は、ハウジング７の内周面、より詳細には側部７ｂの内周面７ｃ１の所定位置に配設される。この軸受スリーブ８は、例えば焼結金属からなる多孔質体、特に銅を主成分とする焼結金属の多孔質体で形成され、特に潤滑油や潤滑グリースを含浸させて気孔に油を保持させた多孔質体（含油焼結金属）で形成される。軸受スリーブ８の内周面８ａと軸部材２の外周面との間に第一ラジアル軸受部Ｒ１と第２ラジアル軸受部Ｒ２とが軸方向に離隔して設けられる。
【００２４】
この焼結金属で形成された軸受スリーブ８の内周面８ａには、第一ラジアル軸受部Ｒ１および第二ラジアル軸受部Ｒ２のラジアル軸受面となる二つの領域が軸方向に離隔して設けられ、これら二つの領域には、例えばヘリングボーン形状の動圧溝がそれぞれ形成されている。なお、動圧溝の形状として、スパイラル形状や軸方向溝形状等を採用しても良い。軸受スリーブ８の上端面８ｂには、軸受スリーブ８の方向性を識別するための溝８ｅが環状に形成されている。
【００２５】
ハウジング７は、後述するように、焼結金属からなる軸受スリーブ８をインサート部品として、樹脂を射出成形して形成される。このハウジング７は、円筒状の側部７ｂと、側部７ｂの上端から内径側に延びたシール部７ａと、側部７ｂの下端を閉塞する底部７ｃとを一体に備えている。シール部７ａの内周面７ａ１および側部７ｂの内周面７ｂ１は、軸方向にストレートに延びており、シール部７ａの内周面７ａ１は軸部材２に形成されたテーパ状の外周面と所定幅のテーパ状シール空間Ｓを介して対向している。ハウジング７内では、シール部７ａの内側面７ａ１と軸受スリーブ８の上端面８ｂ、側部７ｂの内周面７ｂ１と軸受スリーブ８の外周面、底部７ｃの内側面７ｃ１と軸受スリーブ８の下端面８ｃがそれぞれ密着している。なお、軸受スリーブ８の内周面８ａや上端面８ｂ内周に形成された面取り部８ｄは、樹脂に覆われていない。
【００２６】
軸部材２は、軸受スリーブ８の内周面８ａに挿入され、球面部２ａをハウジングの底部７ｃの内端面７ｃ１に接触させている。シール部５ａで密封されたハウジング７の内部空間には潤滑油が給油され、ラジアル軸受隙間Ｒ１，Ｒ２が潤滑油で満たされる。
【００２７】
軸部材２と軸受スリーブ８が相対回転すると（本実施形態においては軸部材２が回転すると）、軸受スリーブ８の内周面８ａのラジアル軸受面となる領域（上下二箇所の領域）は、それぞれ軸部材２の外周面とラジアル軸受隙間を介して対向する。そして、軸部材の回転に伴い、ラジアル軸受隙間に潤滑油の油膜が形成され、その動圧で軸部材２がラジアル方向に回転自在に非接触指示される。これにより、軸部材２をラジアル方向に回転自在に非接触支持する第一ラジアル軸受部Ｒ１と第二ラジアル軸受部Ｒ２とが構成される。一方、軸部材２は、スラスト方向でピボット形式のスラスト軸受部Ｔによって回転自在に支持される。図示例では、軸部材２の軸端部２ａをハウジング底部７ｃの内側面７ｃ１に直接接触させているが、ハウジング底部７ｃに適宜の材料（低摩擦性の材料等）からなるスラストプレートを配置し、これに軸端部２ａを摺接させることもできる。
【００２８】
図２は、ハウジング７をインサート成形するための射出成形装置を示すものである。この射出成形装置は、内型１０と外型２０とを有するもので、何れか一方を可動型（例えば内型１０）とし、他方を固定型とする。
【００２９】
内型１０は、円筒状のシャフト部１１を有する。シャフト部１１は、軸受スリーブ８の内周に嵌合される嵌合部１２とシール部７ａの内周面７ａ１を成形するシール成形部１３とを有し、シール成形部１３の外径寸法は嵌合部１２の外形寸法よりも大きい。嵌合部１２とシール成形部１３との間には、テーパ状の係合部１４が形成される。この係合部１４は、軸受スリーブ８の上端部内周に形成された面取り部８ｄと面接触して係合可能であり、両者の係合によって型内で軸受スリーブ８の位置決めがなされる。
【００３０】
外型２０は、円筒空洞状の成形部２１を有するもので、内型１０との同軸状態を維持しつつ、その衝合面２２を内型の衝合面１５と衝合させることにより、軸受スリーブ８の周囲にキャビティ３０が形成される。このキャビティ３０にゲート３１から溶融樹脂を射出してキャビティ３０に充填し、その後、樹脂が硬化したところで内型１０と外型２０を衝合面１５，２２で分離して型開きすれば、軸受スリーブ８を樹脂でモールドしたハウジング７が得られる。この成形品は、軸受スリーブ８とハウジング７からなる複合部品であり、両部材８，７は別段の固定工程を経ることなく相互に固定される。
【００３１】
溶融樹脂としては、ポリプロピレン、ポリアセタール、ポリフェニレンサルファイド等の熱可塑性樹脂を使用することができる。この溶融樹脂には、スラスト軸受部Ｔにおける潤滑性、耐摩耗性を向上させるため、ＰＴＦＥ、黒鉛、二硫化モリブデン等の固体潤滑材を配合するのが好ましい。また、ハウジング７の強度を確保して良好なハウジング精度を確保するため、ガラス繊維等の補強材を配合するのが望ましい。
【００３２】
ところで、上述のように軸受スリーブ８の面取り部８ｄを基準面として内型１０の係合部１４と係合させた場合、樹脂が完全に硬化するまでは、両者の係合状態を保持する必要がある。そのためには、ゲート３１をハウジング７の下端面８ｃと対向する部分、特にキャビティ３０の中心軸上の一箇所にのみ設けるのが望ましい。これによりゲート３１から射出された樹脂の圧力が軸受スリーブ８の下端面８ｃに作用し、軸受スリーブ８を上方（ハウジング開口側）に押すので、樹脂が硬化するまで軸受スリーブ８の面取り部８ｄと内型１０の係合部１４との係合状態を確実に保持し、軸受スリーブ８の位置決め精度を高めることができる。
【００３３】
なお、軸受スリーブ８に係合部１４との係合方向へ十分な押圧力が付与されるのであれば、ゲート３１をキャビティ３０の中心軸から偏心させてもよく、あるいは樹脂の射出方向をキャビティ中心軸に対して傾けることもできる。
【００３４】
一般的な射出成形のように、ゲート３１を複数箇所に設けた場合、例えばキャビティ３０の軸心上のゲート３１の他にキャビティ３０の外周近傍二箇所にもゲートを設けた場合（３点ゲート）には、射出に伴って巻き込まれたエアやガス（以下、エア等という）が他のゲートから射出された樹脂の流れと干渉してキャビティ内に残存し、硬化後の巣の発生原因となる場合がある。これに対し、図示のように、ゲート３１を一箇所のみに配置した場合、特にキャビティ３０の中心軸上に配置した場合は、巻き込まれたエア等が樹脂の流れに乗ってキャビティ３０の底部３０ａを外径側に移動し、キャビティ側部３０ｂ内をハウジング開口側に押し出され、さらに型同士の衝合面１５，２２を通ってキャビティ３０外に排出されるので、キャビティ３０内でのエア等の残存を回避することができる。この時のエア等の排出をスムーズに行うため、型同士の衝合面１５，２２に排気通路３２を形成しておくのが望ましい。
【００３５】
型締め時における型の保圧力は、射出圧力の１．２〜２．５倍に設定する。保圧力が１．２倍よりも小さいと、樹脂と焼結金属の密着度が十分に得られず、樹脂が焼結金属から剥がれて樹脂スリーブの固定状態が不安定化する。また、保圧力が２．５倍を超えると、射出成形後にハウジング７を脱型させにくくなる。これに対し、１．２〜２．５倍の範囲であればこれら成形性と脱型性を両立することができる。
【００３６】
ところで、上述のように溶融樹脂に固体潤滑材や補強材を配合した場合、溶融樹脂の粘度が増して流動性が低下する。この場合、樹脂の充填効率を高めるために樹脂の射出圧力を上げる必要があるが、このように高い射出圧力では、キャビティのうち、軸受スリーブ８の外周側のキャビティ側部３０ｂをできるだけ薄肉に形成する必要がある。この部分が厚肉であると、その分だけ高い射出圧力が必要となるため、射出圧力で軸受スリーブ８が変形して動圧溝の精度を低下させるおそれがあるからである。その一方、キャビティ底部３０ｃは、軸部材２との摺動に対する耐摩耗性と、軸部材２を軸受スリーブ８内周に挿入する際の強度を確保するため、できるだけ厚肉に形成するのが好ましいが、その一方でキャビティ底部３０ｃが厚すぎる場合は、巣やひけの発生による樹脂はがれの問題を生じる。
【００３７】
本発明者等が鋭意検討したところ、ハウジング７の側部７ｂの肉厚Ｌ１と底部７ｃの肉厚Ｌ２の比Ｌ１／Ｌ２を０．１５〜１．２の間に設定すれば、樹脂の流動不良、巣や引けの発生による樹脂はがれ、さらには射出圧力による軸受スリーブ８の変形を確実に防止できることが判明した。なお、ここでいうハウジング底部７ｃの肉厚Ｌ２は、軸受スリーブ８のハウジング下端面８ｃとハウジング底部７ｃの外側面７ｃ２との間の距離をいう。
射出成形時においては、軸受スリーブ８を型温（１００℃程度）以上の温度（例えば１５０℃以上）、より好ましくは溶融樹脂の融点以上に加熱しておくのが望ましい。このように射出成形時に軸受スリーブ８を予め加温しておくと、図３に示すように、溶融樹脂７ｄが軸受スリーブ８の表面に開口した気孔８ｆ（表面開孔）を通じて内部に入り込み、表面近傍の気孔を埋めるので、硬化した樹脂７ｄのアンカー効果によってハウジング７と軸受スリーブ８の密着強度を高め、樹脂剥離を起こすことなく、軸受スリーブ８とハウジング７をより強固に融着することができる。
【００３８】
この場合、樹脂との接触部分において、少なくとも軸受スリーブ８の表面開孔８ｆの５０％以上、望ましくは７０％以上が樹脂７ｄで埋められるようにすれば、ハウジング７と軸受スリーブ８の間で実用上十分なレベルの密着強度を確保できる。なお、樹脂の厚さが十分ではない樹脂層の周縁部分ではこの限りではない。樹脂で埋められた表面開孔８ｆの割合は、上記手順でハウジング７をインサート成形した後、樹脂の固化後に樹脂製ハウジング７を軸受スリーブ８から剥がし、その状態で樹脂に埋められた表面開口８ｆの面積割合を測定することによって行うことができる。
【００３９】
なお、本発明は、軸受スリーブをインサート品とし、少なくともハウジングの一端を樹脂で閉塞した有底筒状のハウジングに全て適用できるものであり、ハウジング形状や軸受の構造は図示例のものには限定されない。例えばハウジングの形状が上記条件を満たす限り、スラスト軸受部Ｔを、スラスト軸受隙間に生じた流体動圧で非接触支持する動圧軸受で構成してもよい。
【００４０】
また、上記実施形態では、ラジアル軸受部Ｒ１，Ｒ２として、動圧発生手段として動圧溝を有する動圧軸受を使用した場合を例示しているが、これ以外にもラジアル軸受部Ｒ１，Ｒ２として、動圧溝を有さず、ラジアル軸受面が真円形状である真円軸受を使用する場合にも同様に本発明を適用することができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ハウジングを型成形する際の軸受スリーブの位置決め精度を高めると共に、ハウジング底部での巣や引けの発生を確実に回避でき、しかも型成形時の軸受スリーブの変形を防止することができるので、流体軸受装置の高精度化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる流体軸受装置の断面図である。
【図２】ハウジングのインサート成形工程を示す断面図である。
【図３】樹脂でモールドされた軸受スリーブの表面部分の拡大断面図である。
【符号の説明】
１ 流体軸受装置
２ 軸部材
２ａ 球面部
７ ハウジング
８ 軸受スリーブ
８ｄ 基準面（面取り部）
８ｆ 気孔
１０ 内型
１４ 係合部
２０ 外型
３０ キャビティ
３１ ゲート
Ｒ１ ラジアル軸受部
Ｒ２ ラジアル軸受部
Ｓ スラスト軸受部

Claims (5)

1. 支持すべき軸部材の外周との間でラジアル軸受隙間を形成する焼結金属製の軸受スリーブと、軸受スリーブをインサート部品として樹脂で型成形されたハウジングとを備え、軸部材と軸受スリーブの相対回転時にラジアル軸受隙間に形成した流体膜で軸部材と軸受スリーブとを非接触に保持する流体軸受装置において、
   ハウジングが、側部と、側部の一端から内径側に延び、シール空間を形成するシール部と、側部の他端を閉塞する底部とを一体に備えると共に、底部端面に面するゲートから射出した樹脂で成形され、軸受スリーブが、シール空間に面して樹脂で被覆されていない部分を有し、軸受スリーブの前記部分を、ハウジングのシール部の内周面を成形する型と係合可能の基準面とし、軸受スリーブの表面近傍の気孔に樹脂を入り込ませたことを特徴とする流体軸受装置。
2. 基準面を、軸受スリーブ内周の面取り部に設けた請求項１記載の流体軸受装置。
3. ゲートを一箇所のみに設けた請求項１記載の流体軸受装置。
4. 支持すべき軸部材の外周との間でラジアル軸受隙間を形成する金属製の軸受スリーブと、軸受スリーブをインサート部品として樹脂で型成形されたハウジングとを備え、軸部材と軸受スリーブの相対回転時にラジアル軸受隙間に形成した流体膜で軸部材と軸受スリーブとを非接触に保持する流体軸受装置を製造するための方法であって、
   型成形時に、軸受スリーブの内周に形成した基準面を、軸受スリーブの内周に挿入した型と係合させて軸受スリーブの位置決めを行い、型成形時の樹脂の射出圧力で、軸受スリーブを上記基準面と型との係合方向に押圧することを特徴とする流体軸受装置の製造方法。
5. 型成形時に、軸受スリーブを型温以上に加温する請求項４記載の流体軸受装置の製造方法。

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