专利名称：动压轴承及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种适于备有记录盘驱动装置等的主轴电动机的轴承的动压轴承及其制造方法。
背景技术：
上述主轴电动机作为驱动源广泛使用于驱动磁盘或者CD、DVD等光盘并在这些盘上进行信息的读写的盘驱动装置等各种信息机器上。又，上述主轴电动机作为驱动源也广泛使用于激光打印机等镜面驱动装置上。作为这种主轴电动机的轴承多采用球轴承，但其在旋转精度、高速性、消音性方面有界限，作为这些特性优良的轴承而使用非接触型的动压轴承。
所谓动压轴承是在轴与轴承之间的微小间隙上形成由润滑油形成的油膜、通过轴的旋转而使该油膜高压化从而高刚性地支承轴的轴承，该动压通过形成在轴或轴承的某一方上的、主要由槽形成的凹部而有效地发生。主轴电动机用的轴承承受轴向及径向双方的载荷，在动压发生用的上述凹部形成在轴承上的情况下，分别形成在承受轴向载荷的轴承的端面(轴向面)与承受径向载荷的轴承内周面(径向面)上。作为这样的动压轴承，基于可含有润滑油而自补给、并且容易形成动压发生用的上述凹部且批量生产率高等理由，所以优选地使用烧结轴承。
烧结轴承是向将金属粉末压缩成形的压粉体烧结而得到的烧结体(多孔质体)的气孔中填充润滑油，在含油状态下使用。润滑油从烧结轴承渗出，在上述那样的与轴之间的微小间隙上形成油膜，流入到动压凹部内的润滑油与轴的旋转相对应而高压化从而高轴承刚性地支承轴。这种动压凹部是对烧结轴承原材料通过塑性加工而形成的。
作为通过塑性加工形成动压凹部的方法并不仅限于对烧结轴承进行，例如轴向动压凹部是通过以下方式形成的，即在对轴承原材料进行精压或压花的再压工序中使阳模的冲头的冲头面与轴向面对置，通过该冲头对轴承原材料在轴方向上进行压缩而刻印凸部。所述阳模形成有可形成轴向动压凹部的凸部。这种方法通过例如特开平5-60127号公报而被公开。
在这样的动压轴承用于主轴电动机的情况下，在电动机停止的状态下，在轴向面及径向面与轴之间、向发生动压的微小间隙供给润滑油的量比旋转时还要减少。因此，在电动机起动时或停止时即电动机的转速比较低的情况下，润滑油的供给量容易产生不足，由此，轴与轴承之间的摩擦比较大，发生金属接触而容易产生磨耗。这个问题特别在与径向侧相比承受更大载荷的轴向侧显著发生，其结果产生电动机的转速上升缓慢等问题并且导致动压轴承的寿命降低。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种可抑制电动机起动时或者停止时易产生的与轴之间的摩擦，由此使电动机的转速上升迅速、并可抑制磨耗从而实现寿命的长期化的动压轴承及其制造方法。
本发明的动压轴承，其特征在于，由圆筒状的烧结体构成，在其端面的、至少承受轴向载荷的轴向区域上形成有多个细微的凹凸，并且在该轴向区域上形成有用于产生轴向动压的轴向动压凹部。作为形成有端面的凹凸的轴向区域的表面粗糙度优选地为0.5～3um的范围。
在本发明的动压轴承中，在与通过该动压轴承旋转自如地支承的主轴电动机等的轴的轴向面对置的部分上设定有上述轴向区域。由此，若向两者间的微小间隙中供给了润滑油并且轴旋转时，则流入到轴向动压凹部上的润滑油成为高压并产生轴向动压。
根据本发明的动压轴承，上述轴向区域的除轴向动压凹部之外的部分为形成有多个细微的凹凸的粗糙面。在该粗糙面的凹部上润滑油容易滞留，凹部起到贮油的功能。由此，即使在轴旋转起动时或者旋转停止时也会在端面的轴向区域与轴的轴向面之间存有较多润滑油，所以不易产生摩擦而抑制磨耗。
本发明的轴向动压凹部优选地为可有效地得到轴向动压的形状，例如，列举了随着朝向端面的一圆周方向一边向其内周侧弯曲一边延伸的多个螺旋槽，或者呈V字状且收敛于顶点的方向沿着前述端面的一圆周方向排列的多个人字槽。
接着，本发明的动压轴承的制造方法是适于制造上述本发明的动压轴承的方法，其特征在于，通过将形成有凸部的冲头的冲头面按压到圆筒状的烧结轴承原材料的端面上，在该端面的、至少承受轴向载荷的轴向区域上刻印凸部，形成用于产生轴向动压的轴向动压凹部，其中，冲压的冲压面上的凸部是通过电火花加工或化学蚀刻形成的。
根据上述制造方法，可通过对冲头的冲头面的凸部进行电火花加工或者化学蚀刻，而在为了留下凸部而除去的部分、即凹部(凸部的周围的表面)上形成多个细微的凹凸。若如这样将在凹部上形成了多个细微的凹凸的冲头面按压到烧结轴承原材料的端面上，则在该端面的轴向区域上刻印凸部而形成轴向动压凹部，并且复制冲头表面凹部的细微的凹凸，在烧结轴承的轴向区域上形成多个细微的凹凸。
由此，在本发明中，由于使用了多孔质体、即烧结轴承原材料(烧结体)而容易发生塑性变形。因此，与使用松散材料的轴承原材料的情况相比，可容易地进行冲头面凹部的细微的凹凸的复制。
在本发明中使用的冲头选择可进行电火花加工或者化学蚀刻的材质，列举了例如冷轧金属模用合金工具钢、热轧金属模用合金工具钢等合金工具钢、高速工具钢、超硬合金等。
在制造本发明的冲头时，由于可将向冲头面形成凸部与在其周围的表面(凹部)上形成多个细微的凹凸同时进行，所以不以增加工序数即可在冲头面的凹部上形成凹凸。该凹凸在使动压轴承的端面的轴向区域作成粗糙面上成为极其适合的细微的凹凸。可通过利用该冲头对烧结轴承原材料的端面进行压缩，而使轴向动压凹部的形成与在端面的轴向区域上细微的凹凸的形成同时进行，在此也不必增加工序数即可在动压轴承的端面上形成凹凸。
另外，在本发明中，通过电火花加工或者化学蚀刻形成冲头的冲头面凸部，从而形成凸部，但是特别优选地采用电火花加工。若通过电火花加工形成凸部，则由于可将冲头面的凸部形成为具有锋利的刃口的凸部，所以可将刻印该凸部而形成的动压轴承侧的轴向动压凹部的刃口锋利地形成，可得到希望的形状。
作为在本发明的制造方法中使用的烧结轴承原材料的成分，为了可容易地对上述轴向动压凹部进行塑性加工，又，同时兼顾加工精度与强度，所以优选地成分为含有铁40～60wt％、铜40～60wt％、锡1～5wt％。
根据本发明的动压轴承，在形成轴向动压凹部的端面的轴向区域上形成多个细微的凹凸而成为粗糙面，由于该凹部起到贮油的功能，所以，即使在轴旋转起动时或者旋转停止时，也可抑制由于在端面的轴向区域与轴的轴向面之间的摩擦而产生的磨耗。其结果起到如下效果，即使电动机的转速上升迅速，并且实现寿命的长期化。
图1是本发明的一实施方式的动压轴承的纵剖视图。
图2是图1的II部分放大图。
图3是一实施方式的动压轴承的俯视图。
图4是图1的IV-IV线的箭头方向观察的剖视图。
图5是表示通过再压用金属模对烧结轴承原材料进行压缩并在其上端面上形成凹凸及螺旋槽的状态的侧视图。
图6是再压用的上冲头与用该上冲头压缩的烧结轴承原材料的剖视图。
图7是表示通过内周面加工装置在烧结轴承原材料的内周面上形成有分离槽及圆弧面的状态的侧视图。
图8是表示轴向动压凹部的其他方式(人字槽)的动压轴承的俯视图。
图9是表示在实施例中测定的轴向面的表面粗糙度与起动摩擦转矩之间的关系的线图。
具体实施例方式
以下，参照附图对本发明的一实施方式进行说明。
图1表示一实施方式的圆筒状的动压轴承1，图2是图1的II部分放大图，图3是动压轴承1的俯视图，图4是图1的IV-IV线的箭头方向观察的剖视图。图1及图4中的附图标记2是通过动压轴承1而旋转自如地支承的轴。
在动压轴承1的一端面(图1中上端面)11的整个表面上形成有如图2所示的多个细微的凹凸，由于该凹凸而上端面11成为粗糙面。该表面粗糙度优选的范围为0.5～3um。
如这样在形成有细微的凹凸的上端面11上如图3所示在圆周方向上隔开等间隔地形成有多个(这种情况下12根)螺旋槽12，该螺旋槽12随着朝向轴2的旋转方向R而一边向内周侧弯曲一边延伸。这些螺旋槽12的外周侧的端部在外周面开口，而内周侧的端部在轴孔13的内周面14上不开口而封闭。动压轴承1的上端面11是承受来自轴2的轴向载荷的轴向面，螺旋槽12是轴向动压发生用的轴向动压凹部。
另一方面，在动压轴承1的内周面14上如图4所示在圆周方向上隔开等间隔地形成有多个(这种情况下5个)分离槽15，该分离槽15剖面呈半圆弧状且贯穿两端面间沿着轴方向笔直地延伸。在内周面14的各分离槽15之间形成有圆弧面16，该圆弧面16的形状为相对于动压轴承1的外径的轴心P偏心并随着朝向轴2的旋转方向R而向内周侧缩径。动压轴承1的内周面14是承受来自轴2的径向载荷的径向面，圆弧面16是产生径向动压用的径向动压凹部。
上述各圆弧面16与动压轴承1的外径不同心，各圆弧面16的中心隔开等间隔地存在于轴心P的周围、即与该轴心P同心的圆周方向上。圆弧面16与轴2的外周面之间的微小间隙通过这样的圆弧面16的形状形成为随着朝向轴2的旋转方向而逐渐狭小的剖面楔状。
轴2如图1所示，轴向垫圈22嵌合到轴主体21上，轴主体21从图中上方插入到动压轴承1的轴孔13中，轴向垫圈22配置在与动压轴承1的上端面11对置的位置上。轴2的径向载荷由动压轴承1的内周面14承受，轴2的轴向载荷由由动压轴承1的上端面11承受。轴向垫圈22的外径比动压轴承1的外径稍小，实质上动压轴承1承受轴2的轴向荷重的部分(轴向区域)是上端面11的与轴向垫圈22对置的部分。
本实施方式的动压轴承1用于硬盘驱动装置用的主轴电动机等，在这种情况下，在比轴主体21的轴向垫圈22位于上方部分上经由转动轴搭载有磁盘。
动压轴承1是将原料粉末压缩成形的成形体烧结的烧结轴承，以下对其制造方法进行说明。
(1)原料粉末的成形～烧结将铁粉与铜粉等原料粉末以适当的组成混合的混合粉末填充到粉末成形用的金属模内进行压缩成形，从而得到与制造的动压轴承1近似形状的压粉体。接着，以对应于原料粉末的温度及时间对压粉体进行加热烧结，得到圆筒状的烧结轴承原材料。另外，作为使用的原料粉末，优选地采用如铁40～60wt％、铜40～60wt％、锡1～5wt％这种组成的铁粉与铜粉大致同质量，其余含有几wt％的锡粉。
将上述组成烧结后，通过得到由软质的铜锡合金相与强度高的铁合金相的2相形成的合金而可使磨合性与耐磨性的平衡良好，并且备有将动压轴承压入到壳体中时必要的强度及对动压槽形成来说必要的塑性加工性。
(2)烧结轴承原材料的加工如图5所示，准备备有模51、上下冲头52、53及心棒54的精压或压花用的再压金属模5。上冲头52是在下端面的冲头面52b上形成有多个螺旋状的凸部52a的阳模，所述凸部52a用于形成得到螺旋槽12。凸部52a是通过对冲头面52b进行电火花加工或化学蚀刻而形成的，利用这样的凸部52a的形成方法，在除去凸部52a的冲头面52b上如图6所示形成多个细微的凹凸。由凹凸形成为粗糙面的该冲头52b的表面粗糙度为0.5～3um。
如图5所示，将上述那样得到的烧结轴承原材料1A安置到再压金属模5内，用上下冲头52、53对烧结轴承原材料1A在轴方向上进行压缩。在该再压工序中，通过上冲头52对烧结轴承原材料1A的上端面11进行冲击，从而在该上端面11上刻印凸部52a而形成螺旋槽12。又，与此同时，如图6所示，粗糙面、即冲头面52b被复制、在上端面11的凸部(除去螺旋槽12的部分)上形成多个细微的凹凸。此时，如果采用上述组成的烧结合金。作为烧结轴承原材料1A，则由于冲头面52b的表面粗糙度被以大致相同的表面粗糙度复制到烧结轴承原材料1A的上端面11的凸部上，所以是适合的。
本发明的动压轴承中，也可在内周面(径向面)上形成动压凹部，作为该动压凹部，在采用例如多圆弧形状的情况下可如以下那样形成。即，图7表示备有上下模61、62、阳模销63的内周面加工装置6，利用该内周面加工装置6在固定状态的下模62上载置上模61，将上述那样形成螺旋槽12的烧结轴承原材料1A嵌入并安置到上模61内。通过将可形成分离槽15及圆弧面16的阳模销63从上方压入到烧结轴承原材料1A的轴孔13中，在内周面14上形成分离槽15及圆弧面16。
此后，将阳模销63从烧结轴承原材料1A中拔出，并将烧结轴承原材料1A从上模61中拔出，得到在上端面11上形成有螺旋槽12、在内周面14上形成有分离槽15及圆弧面16的动压轴承1。如这样本发明的动压轴承中，根据希望也可兼作径向动压凹部使用，但是作为径向动压凹部并不仅限于上述那样的多圆弧形状，也可形成为人字状。
本实施方式的动压轴承1是向动压轴承1上渗透润滑油的含油轴承。若插入到轴孔13中的轴2朝如图3及图4所示的箭头R方向旋转，则渗入并贮存在内周面14的各分离槽15中的润滑油高效地卷入到轴2上并进入圆弧面16与轴2之间的楔状的微小间隙中，从而形成油膜。进入到该微小间隙的润滑油通过流动到微小间隙的狭小侧而产生楔子效果，形成高压，从而产生高的径向动压。如这样油膜产生高压化的部分与圆弧面16相应地在圆周方向上隔开等间隔地产生，由此轴2的径向载荷以良好的平衡、高的刚性得到支承。
另一方面，润滑油也渗出贮存到在动压轴承1的上端面11上形成的螺旋槽12内，该润滑油的一部分通过轴2的旋转而从螺旋槽12内流出、在上端面11与轴向垫圈22之间形成油膜。又，保持于螺旋槽12内的润滑油从螺旋槽12内的外周侧向内周侧流动，在内周侧的端部上发生最高压化的轴向动压。该轴向动压由轴向垫圈22承受，从而轴2处于稍微浮上的状态，由此轴向载荷以良好的平衡、高的刚性得到支承。
根据本实施方式的动压轴承1，由于承受轴向载荷的上端面11通过形成多个细微的凹凸而成为粗糙面，所以在该凹部上润滑油容易滞留，凹部起到贮油的功能。由此，即使主轴电动机在起动时或者停止时，也会在上端面11与轴2的轴向垫圈21之间存有较多润滑油，由此抑制两者间产生的摩擦。其结果，电动机的转速上升迅速，并抑制磨耗而实现了寿命的长期化。
将动压轴承1的上端面11作成粗糙面由于是在再压工序中与向上端面11上形成螺旋槽12同时进行的，所以不需要另外设置用于形成粗糙面的工序，效率高。又，上冲头52的冲头面52b是通过利用电火花加工或化学蚀刻形成凸部52a而形成为粗糙面，所以在上冲头52侧的粗糙化工序也可高效率地进行，又，用这样的方法形成的上冲头52侧的凹凸在使动压轴承1的上端面11作成粗糙面上成为极其适合的细微的凹凸。
另外，上述实施方式中形成于动压轴承1的上端面11上的凹凸是形成在除去螺旋槽12的上端面11的整个表面上，但是若至少形成在与轴2的轴向垫圈22对置，并与轴向垫圈22之间可产生摩擦的轴向区域上，则可充分实现本发明的效果。
又，作为轴向动压凹部，除了图3所示的螺旋槽12外，也可采用图8所示的多个人字槽17。该人字槽17呈V字状在圆周方向上隔开等间隔地排列着，收敛于其顶点的方向是沿着轴2的旋转方向R形成的。每个人字槽17整体是随着朝向轴2的旋转方向R向内周侧弯曲的形状，与上述螺旋槽12同样，外周侧的端部在外周面开口，内周侧的端部在轴孔13的内周面14上开口。
实施例接着，对本发明的实施例进行说明，从而明了本发明的效果。
将铜粉49质量％、铁粉49质量％及锡粉2质量％配合而混合的原料粉末压缩成形，烧结其成形体而得到所需数量的密度为6.3～7.2Mg/m3、外径为φ6nm、内径为φ3mn、轴方向长度为5mn的圆筒状的烧结轴承原材料。对这些烧结轴承原材料，通过将再压用的冲头以深度为10um按压到烧结轴承原材料的端面上而进行再压，在该再压工序中，在轴向面、即轴承端面上形成多个细微的凹凸，并且形成了图3所示的螺旋槽，所述再压用的冲头是利用电火花加工、以10um的深度改变冲头面凹部的表面粗糙度而制作的。
接着，利用这些动压轴承，以图1所示的状态旋转自如地支承轴，并测定使轴旋转时的起动摩擦转矩。图9表示其结果，由此，轴承端面的表面粗糙度在0.5～10um的范围内起动摩擦转矩较低地稳定，因此，确认在轴承端面上形成细微的凹凸会使起动摩擦转矩降低的效果。另一方面，另外，在对这些动压轴承确认动压效果时，额定旋转时的轴向浮上量为5um左右，若轴承端面的表面粗糙度超过3un，则不能得到充分的轴向浮上量而发生梭结。根据以上的起动摩擦转矩及浮上特性的结果，确认了动压轴承端面的表面粗糙度优选地为0.5～3um。
权利要求
1.一种动压轴承，其特征在于，由圆筒状的烧结体构成，在其端面的、至少承受轴向载荷的轴向区域上形成有多个细微的凹凸，并且在该轴向区域上形成有用于产生轴向动压的轴向动压凹部。
2.如权利要求1所述的动压轴承，其特征在于，因前述凹凸形成的前述轴向区域的表面粗糙度为0.5～3um。
3.如权利要求1所述的动压轴承，其特征在于，前述轴向动压凹部是随着朝向前述端面的一圆周方向一边向内周侧弯曲一边延伸的多个螺旋槽，或者是呈V字状收敛于顶点的方向沿着前述端面的一圆周方向排列的多个人字槽。
4.一种动压轴承的制造方法，通过将形成有凸部的冲头的冲头面按压到圆筒状的烧结轴承原材料的端面上，在该端面的、至少承受轴向载荷的轴向区域上刻印前述凸部，形成用于产生轴向动压的轴向动压凹部，其特征在于，前述冲头的前述冲压面上的前述凸部是通过电火花加工或化学蚀刻形成的，并且在凸部周围的表面上形成多个细微的凹凸。
5.如权利要求4所述的动压轴承的制造方法，其特征在于，前述烧结轴承原材料是含有铁40～60wt％、铜40～60wt％、锡1～5wt％的烧结合金。
全文摘要
本发明的动压轴承的特征在于，由圆筒状的烧结体构成，在其端面的、至少承受轴向载荷的轴向区域上形成有多个细微的凹凸，并且在该轴向区域上形成有用于产生轴向动压的轴向动压凹部。
文档编号F16C17/10GK1763388SQ20051011385
公开日2006年4月26日 申请日期2005年10月21日 优先权日2004年10月21日
发明者新居胜敏, 四方英雄 申请人:日立粉末冶金株式会社