專利名稱：動壓軸承及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適于備有記錄盤驅(qū)動裝置等的主軸電動機的軸承的動壓軸承及其制造方法。
背景技術(shù)：
上述主軸電動機作為驅(qū)動源廣泛使用于驅(qū)動磁盤或者CD、DVD等光盤并在這些盤上進行信息的讀寫的盤驅(qū)動裝置等各種信息機器上。又，上述主軸電動機作為驅(qū)動源也廣泛使用于激光打印機等鏡面驅(qū)動裝置上。作為這種主軸電動機的軸承多采用球軸承，但其在旋轉(zhuǎn)精度、高速性、消音性方面有界限，作為這些特性優(yōu)良的軸承而使用非接觸型的動壓軸承。
所謂動壓軸承是在軸與軸承之間的微小間隙上形成由潤滑油形成的油膜、通過軸的旋轉(zhuǎn)而使該油膜高壓化從而高剛性地支承軸的軸承，該動壓通過形成在軸或軸承的某一方上的、主要由槽形成的凹部而有效地發(fā)生。主軸電動機用的軸承承受軸向及徑向雙方的載荷，在動壓發(fā)生用的上述凹部形成在軸承上的情況下，分別形成在承受軸向載荷的軸承的端面(軸向面)與承受徑向載荷的軸承內(nèi)周面(徑向面)上。作為這樣的動壓軸承，基于可含有潤滑油而自補給、并且容易形成動壓發(fā)生用的上述凹部且批量生產(chǎn)率高等理由，所以優(yōu)選地使用燒結(jié)軸承。
燒結(jié)軸承是向?qū)⒔饘俜勰嚎s成形的壓粉體燒結(jié)而得到的燒結(jié)體(多孔質(zhì)體)的氣孔中填充潤滑油，在含油狀態(tài)下使用。潤滑油從燒結(jié)軸承滲出，在上述那樣的與軸之間的微小間隙上形成油膜，流入到動壓凹部內(nèi)的潤滑油與軸的旋轉(zhuǎn)相對應(yīng)而高壓化從而高軸承剛性地支承軸。這種動壓凹部是對燒結(jié)軸承原材料通過塑性加工而形成的。
作為通過塑性加工形成動壓凹部的方法并不僅限于對燒結(jié)軸承進行，例如軸向動壓凹部是通過以下方式形成的，即在對軸承原材料進行精壓或壓花的再壓工序中使陽模的沖頭的沖頭面與軸向面對置，通過該沖頭對軸承原材料在軸方向上進行壓縮而刻印凸部。所述陽模形成有可形成軸向動壓凹部的凸部。這種方法通過例如特開平5-60127號公報而被公開。
在這樣的動壓軸承用于主軸電動機的情況下，在電動機停止的狀態(tài)下，在軸向面及徑向面與軸之間、向發(fā)生動壓的微小間隙供給潤滑油的量比旋轉(zhuǎn)時還要減少。因此，在電動機起動時或停止時即電動機的轉(zhuǎn)速比較低的情況下，潤滑油的供給量容易產(chǎn)生不足，由此，軸與軸承之間的摩擦比較大，發(fā)生金屬接觸而容易產(chǎn)生磨耗。這個問題特別在與徑向側(cè)相比承受更大載荷的軸向側(cè)顯著發(fā)生，其結(jié)果產(chǎn)生電動機的轉(zhuǎn)速上升緩慢等問題并且導(dǎo)致動壓軸承的壽命降低。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種可抑制電動機起動時或者停止時易產(chǎn)生的與軸之間的摩擦，由此使電動機的轉(zhuǎn)速上升迅速、并可抑制磨耗從而實現(xiàn)壽命的長期化的動壓軸承及其制造方法。
本發(fā)明的動壓軸承，其特征在于，由圓筒狀的燒結(jié)體構(gòu)成，在其端面的、至少承受軸向載荷的軸向區(qū)域上形成有多個細微的凹凸，并且在該軸向區(qū)域上形成有用于產(chǎn)生軸向動壓的軸向動壓凹部。作為形成有端面的凹凸的軸向區(qū)域的表面粗糙度優(yōu)選地為0.5～3um的范圍。
在本發(fā)明的動壓軸承中，在與通過該動壓軸承旋轉(zhuǎn)自如地支承的主軸電動機等的軸的軸向面對置的部分上設(shè)定有上述軸向區(qū)域。由此，若向兩者間的微小間隙中供給了潤滑油并且軸旋轉(zhuǎn)時，則流入到軸向動壓凹部上的潤滑油成為高壓并產(chǎn)生軸向動壓。
根據(jù)本發(fā)明的動壓軸承，上述軸向區(qū)域的除軸向動壓凹部之外的部分為形成有多個細微的凹凸的粗糙面。在該粗糙面的凹部上潤滑油容易滯留，凹部起到貯油的功能。由此，即使在軸旋轉(zhuǎn)起動時或者旋轉(zhuǎn)停止時也會在端面的軸向區(qū)域與軸的軸向面之間存有較多潤滑油，所以不易產(chǎn)生摩擦而抑制磨耗。
本發(fā)明的軸向動壓凹部優(yōu)選地為可有效地得到軸向動壓的形狀，例如，列舉了隨著朝向端面的一圓周方向一邊向其內(nèi)周側(cè)彎曲一邊延伸的多個螺旋槽，或者呈V字狀且收斂于頂點的方向沿著前述端面的一圓周方向排列的多個人字槽。
接著，本發(fā)明的動壓軸承的制造方法是適于制造上述本發(fā)明的動壓軸承的方法，其特征在于，通過將形成有凸部的沖頭的沖頭面按壓到圓筒狀的燒結(jié)軸承原材料的端面上，在該端面的、至少承受軸向載荷的軸向區(qū)域上刻印凸部，形成用于產(chǎn)生軸向動壓的軸向動壓凹部，其中，沖壓的沖壓面上的凸部是通過電火花加工或化學(xué)蝕刻形成的。
根據(jù)上述制造方法，可通過對沖頭的沖頭面的凸部進行電火花加工或者化學(xué)蝕刻，而在為了留下凸部而除去的部分、即凹部(凸部的周圍的表面)上形成多個細微的凹凸。若如這樣將在凹部上形成了多個細微的凹凸的沖頭面按壓到燒結(jié)軸承原材料的端面上，則在該端面的軸向區(qū)域上刻印凸部而形成軸向動壓凹部，并且復(fù)制沖頭表面凹部的細微的凹凸，在燒結(jié)軸承的軸向區(qū)域上形成多個細微的凹凸。
由此，在本發(fā)明中，由于使用了多孔質(zhì)體、即燒結(jié)軸承原材料(燒結(jié)體)而容易發(fā)生塑性變形。因此，與使用松散材料的軸承原材料的情況相比，可容易地進行沖頭面凹部的細微的凹凸的復(fù)制。
在本發(fā)明中使用的沖頭選擇可進行電火花加工或者化學(xué)蝕刻的材質(zhì)，列舉了例如冷軋金屬模用合金工具鋼、熱軋金屬模用合金工具鋼等合金工具鋼、高速工具鋼、超硬合金等。
在制造本發(fā)明的沖頭時，由于可將向沖頭面形成凸部與在其周圍的表面(凹部)上形成多個細微的凹凸同時進行，所以不以增加工序數(shù)即可在沖頭面的凹部上形成凹凸。該凹凸在使動壓軸承的端面的軸向區(qū)域作成粗糙面上成為極其適合的細微的凹凸?？赏ㄟ^利用該沖頭對燒結(jié)軸承原材料的端面進行壓縮，而使軸向動壓凹部的形成與在端面的軸向區(qū)域上細微的凹凸的形成同時進行，在此也不必增加工序數(shù)即可在動壓軸承的端面上形成凹凸。
另外，在本發(fā)明中，通過電火花加工或者化學(xué)蝕刻形成沖頭的沖頭面凸部，從而形成凸部，但是特別優(yōu)選地采用電火花加工。若通過電火花加工形成凸部，則由于可將沖頭面的凸部形成為具有鋒利的刃口的凸部，所以可將刻印該凸部而形成的動壓軸承側(cè)的軸向動壓凹部的刃口鋒利地形成，可得到希望的形狀。
作為在本發(fā)明的制造方法中使用的燒結(jié)軸承原材料的成分，為了可容易地對上述軸向動壓凹部進行塑性加工，又，同時兼顧加工精度與強度，所以優(yōu)選地成分為含有鐵40～60wt％、銅40～60wt％、錫1～5wt％。
根據(jù)本發(fā)明的動壓軸承，在形成軸向動壓凹部的端面的軸向區(qū)域上形成多個細微的凹凸而成為粗糙面，由于該凹部起到貯油的功能，所以，即使在軸旋轉(zhuǎn)起動時或者旋轉(zhuǎn)停止時，也可抑制由于在端面的軸向區(qū)域與軸的軸向面之間的摩擦而產(chǎn)生的磨耗。其結(jié)果起到如下效果，即使電動機的轉(zhuǎn)速上升迅速，并且實現(xiàn)壽命的長期化。


圖1是本發(fā)明的一實施方式的動壓軸承的縱剖視圖。
圖2是圖1的II部分放大圖。
圖3是一實施方式的動壓軸承的俯視圖。
圖4是圖1的IV-IV線的箭頭方向觀察的剖視圖。
圖5是表示通過再壓用金屬模對燒結(jié)軸承原材料進行壓縮并在其上端面上形成凹凸及螺旋槽的狀態(tài)的側(cè)視圖。
圖6是再壓用的上沖頭與用該上沖頭壓縮的燒結(jié)軸承原材料的剖視圖。
圖7是表示通過內(nèi)周面加工裝置在燒結(jié)軸承原材料的內(nèi)周面上形成有分離槽及圓弧面的狀態(tài)的側(cè)視圖。
圖8是表示軸向動壓凹部的其他方式(人字槽)的動壓軸承的俯視圖。
圖9是表示在實施例中測定的軸向面的表面粗糙度與起動摩擦轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系的線圖。
具體實施例方式
以下，參照附圖對本發(fā)明的一實施方式進行說明。
圖1表示一實施方式的圓筒狀的動壓軸承1，圖2是圖1的II部分放大圖，圖3是動壓軸承1的俯視圖，圖4是圖1的IV-IV線的箭頭方向觀察的剖視圖。圖1及圖4中的附圖標(biāo)記2是通過動壓軸承1而旋轉(zhuǎn)自如地支承的軸。
在動壓軸承1的一端面(圖1中上端面)11的整個表面上形成有如圖2所示的多個細微的凹凸，由于該凹凸而上端面11成為粗糙面。該表面粗糙度優(yōu)選的范圍為0.5～3um。
如這樣在形成有細微的凹凸的上端面11上如圖3所示在圓周方向上隔開等間隔地形成有多個(這種情況下12根)螺旋槽12，該螺旋槽12隨著朝向軸2的旋轉(zhuǎn)方向R而一邊向內(nèi)周側(cè)彎曲一邊延伸。這些螺旋槽12的外周側(cè)的端部在外周面開口，而內(nèi)周側(cè)的端部在軸孔13的內(nèi)周面14上不開口而封閉。動壓軸承1的上端面11是承受來自軸2的軸向載荷的軸向面，螺旋槽12是軸向動壓發(fā)生用的軸向動壓凹部。
另一方面，在動壓軸承1的內(nèi)周面14上如圖4所示在圓周方向上隔開等間隔地形成有多個(這種情況下5個)分離槽15，該分離槽15剖面呈半圓弧狀且貫穿兩端面間沿著軸方向筆直地延伸。在內(nèi)周面14的各分離槽15之間形成有圓弧面16，該圓弧面16的形狀為相對于動壓軸承1的外徑的軸心P偏心并隨著朝向軸2的旋轉(zhuǎn)方向R而向內(nèi)周側(cè)縮徑。動壓軸承1的內(nèi)周面14是承受來自軸2的徑向載荷的徑向面，圓弧面16是產(chǎn)生徑向動壓用的徑向動壓凹部。
上述各圓弧面16與動壓軸承1的外徑不同心，各圓弧面16的中心隔開等間隔地存在于軸心P的周圍、即與該軸心P同心的圓周方向上。圓弧面16與軸2的外周面之間的微小間隙通過這樣的圓弧面16的形狀形成為隨著朝向軸2的旋轉(zhuǎn)方向而逐漸狹小的剖面楔狀。
軸2如圖1所示，軸向墊圈22嵌合到軸主體21上，軸主體21從圖中上方插入到動壓軸承1的軸孔13中，軸向墊圈22配置在與動壓軸承1的上端面11對置的位置上。軸2的徑向載荷由動壓軸承1的內(nèi)周面14承受，軸2的軸向載荷由由動壓軸承1的上端面11承受。軸向墊圈22的外徑比動壓軸承1的外徑稍小，實質(zhì)上動壓軸承1承受軸2的軸向荷重的部分(軸向區(qū)域)是上端面11的與軸向墊圈22對置的部分。
本實施方式的動壓軸承1用于硬盤驅(qū)動裝置用的主軸電動機等，在這種情況下，在比軸主體21的軸向墊圈22位于上方部分上經(jīng)由轉(zhuǎn)動軸搭載有磁盤。
動壓軸承1是將原料粉末壓縮成形的成形體燒結(jié)的燒結(jié)軸承，以下對其制造方法進行說明。
(1)原料粉末的成形～燒結(jié)將鐵粉與銅粉等原料粉末以適當(dāng)?shù)慕M成混合的混合粉末填充到粉末成形用的金屬模內(nèi)進行壓縮成形，從而得到與制造的動壓軸承1近似形狀的壓粉體。接著，以對應(yīng)于原料粉末的溫度及時間對壓粉體進行加熱燒結(jié)，得到圓筒狀的燒結(jié)軸承原材料。另外，作為使用的原料粉末，優(yōu)選地采用如鐵40～60wt％、銅40～60wt％、錫1～5wt％這種組成的鐵粉與銅粉大致同質(zhì)量，其余含有幾wt％的錫粉。
將上述組成燒結(jié)后，通過得到由軟質(zhì)的銅錫合金相與強度高的鐵合金相的2相形成的合金而可使磨合性與耐磨性的平衡良好，并且備有將動壓軸承壓入到殼體中時必要的強度及對動壓槽形成來說必要的塑性加工性。
(2)燒結(jié)軸承原材料的加工如圖5所示，準(zhǔn)備備有模51、上下沖頭52、53及心棒54的精壓或壓花用的再壓金屬模5。上沖頭52是在下端面的沖頭面52b上形成有多個螺旋狀的凸部52a的陽模，所述凸部52a用于形成得到螺旋槽12。凸部52a是通過對沖頭面52b進行電火花加工或化學(xué)蝕刻而形成的，利用這樣的凸部52a的形成方法，在除去凸部52a的沖頭面52b上如圖6所示形成多個細微的凹凸。由凹凸形成為粗糙面的該沖頭52b的表面粗糙度為0.5～3um。
如圖5所示，將上述那樣得到的燒結(jié)軸承原材料1A安置到再壓金屬模5內(nèi)，用上下沖頭52、53對燒結(jié)軸承原材料1A在軸方向上進行壓縮。在該再壓工序中，通過上沖頭52對燒結(jié)軸承原材料1A的上端面11進行沖擊，從而在該上端面11上刻印凸部52a而形成螺旋槽12。又，與此同時，如圖6所示，粗糙面、即沖頭面52b被復(fù)制、在上端面11的凸部(除去螺旋槽12的部分)上形成多個細微的凹凸。此時，如果采用上述組成的燒結(jié)合金。作為燒結(jié)軸承原材料1A，則由于沖頭面52b的表面粗糙度被以大致相同的表面粗糙度復(fù)制到燒結(jié)軸承原材料1A的上端面11的凸部上，所以是適合的。
本發(fā)明的動壓軸承中，也可在內(nèi)周面(徑向面)上形成動壓凹部，作為該動壓凹部，在采用例如多圓弧形狀的情況下可如以下那樣形成。即，圖7表示備有上下模61、62、陽模銷63的內(nèi)周面加工裝置6，利用該內(nèi)周面加工裝置6在固定狀態(tài)的下模62上載置上模61，將上述那樣形成螺旋槽12的燒結(jié)軸承原材料1A嵌入并安置到上模61內(nèi)。通過將可形成分離槽15及圓弧面16的陽模銷63從上方壓入到燒結(jié)軸承原材料1A的軸孔13中，在內(nèi)周面14上形成分離槽15及圓弧面16。
此后，將陽模銷63從燒結(jié)軸承原材料1A中拔出，并將燒結(jié)軸承原材料1A從上模61中拔出，得到在上端面11上形成有螺旋槽12、在內(nèi)周面14上形成有分離槽15及圓弧面16的動壓軸承1。如這樣本發(fā)明的動壓軸承中，根據(jù)希望也可兼作徑向動壓凹部使用，但是作為徑向動壓凹部并不僅限于上述那樣的多圓弧形狀，也可形成為人字狀。
本實施方式的動壓軸承1是向動壓軸承1上滲透潤滑油的含油軸承。若插入到軸孔13中的軸2朝如圖3及圖4所示的箭頭R方向旋轉(zhuǎn)，則滲入并貯存在內(nèi)周面14的各分離槽15中的潤滑油高效地卷入到軸2上并進入圓弧面16與軸2之間的楔狀的微小間隙中，從而形成油膜。進入到該微小間隙的潤滑油通過流動到微小間隙的狹小側(cè)而產(chǎn)生楔子效果，形成高壓，從而產(chǎn)生高的徑向動壓。如這樣油膜產(chǎn)生高壓化的部分與圓弧面16相應(yīng)地在圓周方向上隔開等間隔地產(chǎn)生，由此軸2的徑向載荷以良好的平衡、高的剛性得到支承。
另一方面，潤滑油也滲出貯存到在動壓軸承1的上端面11上形成的螺旋槽12內(nèi)，該潤滑油的一部分通過軸2的旋轉(zhuǎn)而從螺旋槽12內(nèi)流出、在上端面11與軸向墊圈22之間形成油膜。又，保持于螺旋槽12內(nèi)的潤滑油從螺旋槽12內(nèi)的外周側(cè)向內(nèi)周側(cè)流動，在內(nèi)周側(cè)的端部上發(fā)生最高壓化的軸向動壓。該軸向動壓由軸向墊圈22承受，從而軸2處于稍微浮上的狀態(tài)，由此軸向載荷以良好的平衡、高的剛性得到支承。
根據(jù)本實施方式的動壓軸承1，由于承受軸向載荷的上端面11通過形成多個細微的凹凸而成為粗糙面，所以在該凹部上潤滑油容易滯留，凹部起到貯油的功能。由此，即使主軸電動機在起動時或者停止時，也會在上端面11與軸2的軸向墊圈21之間存有較多潤滑油，由此抑制兩者間產(chǎn)生的摩擦。其結(jié)果，電動機的轉(zhuǎn)速上升迅速，并抑制磨耗而實現(xiàn)了壽命的長期化。
將動壓軸承1的上端面11作成粗糙面由于是在再壓工序中與向上端面11上形成螺旋槽12同時進行的，所以不需要另外設(shè)置用于形成粗糙面的工序，效率高。又，上沖頭52的沖頭面52b是通過利用電火花加工或化學(xué)蝕刻形成凸部52a而形成為粗糙面，所以在上沖頭52側(cè)的粗糙化工序也可高效率地進行，又，用這樣的方法形成的上沖頭52側(cè)的凹凸在使動壓軸承1的上端面11作成粗糙面上成為極其適合的細微的凹凸。
另外，上述實施方式中形成于動壓軸承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的整個表面上，但是若至少形成在與軸2的軸向墊圈22對置，并與軸向墊圈22之間可產(chǎn)生摩擦的軸向區(qū)域上，則可充分實現(xiàn)本發(fā)明的效果。
又，作為軸向動壓凹部，除了圖3所示的螺旋槽12外，也可采用圖8所示的多個人字槽17。該人字槽17呈V字狀在圓周方向上隔開等間隔地排列著，收斂于其頂點的方向是沿著軸2的旋轉(zhuǎn)方向R形成的。每個人字槽17整體是隨著朝向軸2的旋轉(zhuǎn)方向R向內(nèi)周側(cè)彎曲的形狀，與上述螺旋槽12同樣，外周側(cè)的端部在外周面開口，內(nèi)周側(cè)的端部在軸孔13的內(nèi)周面14上開口。
實施例接著，對本發(fā)明的實施例進行說明，從而明了本發(fā)明的效果。
將銅粉49質(zhì)量％、鐵粉49質(zhì)量％及錫粉2質(zhì)量％配合而混合的原料粉末壓縮成形，燒結(jié)其成形體而得到所需數(shù)量的密度為6.3～7.2Mg/m3、外徑為φ6nm、內(nèi)徑為φ3mn、軸方向長度為5mn的圓筒狀的燒結(jié)軸承原材料。對這些燒結(jié)軸承原材料，通過將再壓用的沖頭以深度為10um按壓到燒結(jié)軸承原材料的端面上而進行再壓，在該再壓工序中，在軸向面、即軸承端面上形成多個細微的凹凸，并且形成了圖3所示的螺旋槽，所述再壓用的沖頭是利用電火花加工、以10um的深度改變沖頭面凹部的表面粗糙度而制作的。
接著，利用這些動壓軸承，以圖1所示的狀態(tài)旋轉(zhuǎn)自如地支承軸，并測定使軸旋轉(zhuǎn)時的起動摩擦轉(zhuǎn)矩。圖9表示其結(jié)果，由此，軸承端面的表面粗糙度在0.5～10um的范圍內(nèi)起動摩擦轉(zhuǎn)矩較低地穩(wěn)定，因此，確認(rèn)在軸承端面上形成細微的凹凸會使起動摩擦轉(zhuǎn)矩降低的效果。另一方面，另外，在對這些動壓軸承確認(rèn)動壓效果時，額定旋轉(zhuǎn)時的軸向浮上量為5um左右，若軸承端面的表面粗糙度超過3un，則不能得到充分的軸向浮上量而發(fā)生梭結(jié)。根據(jù)以上的起動摩擦轉(zhuǎn)矩及浮上特性的結(jié)果，確認(rèn)了動壓軸承端面的表面粗糙度優(yōu)選地為0.5～3um。
權(quán)利要求
1.一種動壓軸承，其特征在于，由圓筒狀的燒結(jié)體構(gòu)成，在其端面的、至少承受軸向載荷的軸向區(qū)域上形成有多個細微的凹凸，并且在該軸向區(qū)域上形成有用于產(chǎn)生軸向動壓的軸向動壓凹部。
2.如權(quán)利要求1所述的動壓軸承，其特征在于，因前述凹凸形成的前述軸向區(qū)域的表面粗糙度為0.5～3um。
3.如權(quán)利要求1所述的動壓軸承，其特征在于，前述軸向動壓凹部是隨著朝向前述端面的一圓周方向一邊向內(nèi)周側(cè)彎曲一邊延伸的多個螺旋槽，或者是呈V字狀收斂于頂點的方向沿著前述端面的一圓周方向排列的多個人字槽。
4.一種動壓軸承的制造方法，通過將形成有凸部的沖頭的沖頭面按壓到圓筒狀的燒結(jié)軸承原材料的端面上，在該端面的、至少承受軸向載荷的軸向區(qū)域上刻印前述凸部，形成用于產(chǎn)生軸向動壓的軸向動壓凹部，其特征在于，前述沖頭的前述沖壓面上的前述凸部是通過電火花加工或化學(xué)蝕刻形成的，并且在凸部周圍的表面上形成多個細微的凹凸。
5.如權(quán)利要求4所述的動壓軸承的制造方法，其特征在于，前述燒結(jié)軸承原材料是含有鐵40～60wt％、銅40～60wt％、錫1～5wt％的燒結(jié)合金。
全文摘要
本發(fā)明的動壓軸承的特征在于，由圓筒狀的燒結(jié)體構(gòu)成，在其端面的、至少承受軸向載荷的軸向區(qū)域上形成有多個細微的凹凸，并且在該軸向區(qū)域上形成有用于產(chǎn)生軸向動壓的軸向動壓凹部。
文檔編號F16C17/10GK1763388SQ20051011385
公開日2006年4月26日 申請日期2005年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月21日
發(fā)明者新居勝敏, 四方英雄 申請人:日立粉末冶金株式會社