流体轴承装置及电机 【技术领域】
本发明涉及使用动压流体轴承的流体轴承装置及具有该流体轴承装置的电机。
背景技术
作为用于硬盘、多面反射镜、光盘装置等的主轴电机的轴承装置，多代替以往所用的滚珠轴承装置采用比滚珠轴承旋转精度高、且静音性也优良的流体轴承装置。
使用如此的流体轴承装置的硬盘等，多用于便携式电脑即移动产品，在大范围的工作温度区域谋求高的可靠性。在用于这些产品的流体轴承装置中，由于用于轴承的润滑油具有粘度根据温度变化的特性，所以在温度特性方面具有弱点。具体是，在低温下随着润滑油的粘度上升，消耗电流增大，在高温下随着润滑油的粘度降低，润滑油地刚性降低。为了改进如此的温度特性，采用在高温和低温下具有同等的轴承间隙的方法。
为了在高温和低温下具有同等的轴承间隙，例如，在流体轴承装置上的轴和旋转支撑该轴的轴套上，相对于轴套材料的线膨胀系数，轴材料需要具有同等的线膨胀系数。为此，研究了在轴套采用线膨胀系数大的铜系金属材料的情况下，轴采用与以往所用的SUS420J2或SUS440C等马氏体系不锈钢相比其线膨胀系数大的SUS303等奥氏体系不锈钢。但是，如果用奥氏体系不锈钢形成轴使用，则与通常所用的马氏体系不锈钢相比较，由于表面硬度低，所以促进在轴承面的磨损。如果轴承面磨损下去，在旋转异常或最严重的情况下，发生停止轴旋转的轴承锁定状态。因此，在以奥氏体系不锈钢作为轴，直接使用的情况下，存在轴承装置的可靠性大幅度下降的问题。
为解决上述问题，在专利文献1公开的流体轴承装置中，通过对由奥氏体系不锈钢构成的轴部件实施氮化处理，提高表面硬度。例如，在通过切削加工，将奥氏体系不锈钢SUS303形成规定形状后，通过塑性加工形成动压槽，然后，通过研磨进行精加工，最后通过1.盐浴氮化、2.离子氮化、3.气体软氮化等氮化处理，进行表面硬化处理，制作轴。
此外，在专利文献2公开的流体轴承装置中，通过将对由奥氏体系不锈钢构成的轴成部件的冷加工率规定在20％以上，而具有300Hv以上的表面硬度。例如，热轧钢坯(轧条)，然后通过冷轧或冷拉等，进行冷加工率(截面减缩率)规定在20％以上的冷加工，用300Hv以上的奥氏体系不锈钢，形成轴。
专利文献1：特开平10-089345号公报
专利文献2：特开2000-297813号公报
但是，在专利文献1公开的以往的流体轴承装置中，发生伴随氮化处理的表面粗糙，如果在氮化处理后直接使用，则存在清洗不良造成的污染问题或促进轴承面磨损的问题。此外，虽然在氮化处理后再研磨表面，改进表面粗糙，但在此种情况下，需要追加加工工序，存在成本上升的问题。
此外，在专利文献2公开的以往的流体轴承装置中，通过20％以上的冷加工率提高硬度，因加大冷加工率，硬度等性能的偏差增大，所以难保证性能。此外，如此，由于切削部位改变硬度或组织，所以存在被切性变差，加工硬度恶化的问题。
另外，专利文献1及专利文献2，通过提高轴表面的硬度，能够防止轴的磨损，但是由于在可旋转地保持轴的轴套上采用硬度小的铜系金属材料，所以存在轴套侧磨损的问题。此外，由于含在铜系金属材料内的铜，具有促进用于流体轴承的工作流体即润滑油的劣化的作用，所以存在降低流体轴承装置的可靠性的问题。
【发明内容】
本发明的目的在于，解决以往的流体轴承装置的构成中的问题，提供一种高性能、高可靠性的流体轴承装置及具有该流体轴承装置的电机，能够防止轴套和轴的线膨胀系数的差造成的温度特性的恶化，同时防止轴套和轴双方的轴承面磨损。
为达到上述目的，本发明的流体轴承装置，如第1发明所述，是一种流体轴承装置，具备：轴；轴套，具有插入所述轴的插入孔，所述插入孔的内周面，相对于所述轴的外周面，具有微小的间隙；工作流体，保持在所述轴和所述轴套之间；
在所述轴和所述轴套的对向面的至少一方，形成动压发生槽，所述轴为锰合金钢，含有0.2重量％C、0.3重量％Si、8重量％Mn、0.2重量％S、2.5重量％Ni、14重量％Cr，所述轴的主成分由Fe构成。
如此构成的本发明的流体轴承装置，由于轴用锰合金钢形成，所以能够抑制轴的轴承面的磨损，形成高可靠性的轴承。
本发明的流体轴承装置，如第2发明所述，是一种流体轴承装置，具备，轴；轴套，具有插入所述轴的插入孔，所述插入孔的内周面，相对于所述轴的外周面，具有微小的间隙；工作流体，保持在所述轴和所述轴套之间；
在所述轴和所述轴套的对向面的至少一方，形成动压发生槽，所述轴套，用铜系金属材料形成，同时至少对与所述轴的所述对向面实施非电解镀镍，所述轴为锰合金钢，含有0.2重量％C、0.3重量％Si、8重量％Mn、0.2重量％S、2.5重量％Ni、14重量％Cr，所述轴的主成分由Fe构成。
如此构成的本发明的流体轴承装置，由于轴套用铜系金属材料形成，轴采用具有与铜系金属材料或钢同等的线膨胀系数的锰合金钢，所以具有优良的温度特性。
本发明的流体轴承装置，如第3发明所述，是一种流体轴承装置，具备，轴；轴套，具有插入所述轴的插入孔，所述插入孔的内周面，相对于所述轴的外周面，具有微小的间隙；工作流体，保持在所述轴和所述轴套之间；
在所述轴和所述轴套的对向面的至少一方，形成动压发生槽，所述轴套，用铁系金属材料形成，同时，所述轴为锰合金钢，含有0.2重量％C、0.3重量％Si、8重量％Mn、0.2重量％S、2.5重量％Ni、14重量％Cr，所述轴的主成分由Fe构成。
如此构成的本发明的流体轴承装置，由于轴套用铁系金属材料形成，铁系金属材料的线膨胀系数与轴的锰合金钢同等或比其小，所以具有优良的温度特性。此外，如此构成的本发明的流体轴承装置，由于与铜系金属材料相比，用高硬度的铁系金属材料形成轴套，所以能够防止轴套的磨损，同时防止润滑油的劣化。
本发明的流体轴承装置，如第4发明所述，是第1或第3发明所述的流体轴承装置，也可以：在所述轴套，至少对与所述轴的对向面实施非电解镀镍。
如此构成的本发明的流体轴承装置，由于对与所述轴的对向面实施非电解镀镍，所以能够提高表面硬度，还能够防止轴套的磨损，同时由于润滑油和铜不接触，所以能够防止润滑油的劣化。
本发明的流体轴承装置，如第5发明所述，是第1～第4发明中的任何一发明所述的流体轴承装置，也可以：所述锰合金钢，至少局部具有奥氏体组织。
如此构成的本发明的流体轴承装置，由于锰合金钢的硬度高于奥氏体系不锈钢，所以能够防止轴的磨损。
本发明的流体轴承装置，如第6发明所述，是第5发明所述的流体轴承装置，也可以研磨所述轴表面。
如此构成的本发明的流体轴承装置，轴的表面硬化，能够防止轴的磨损。
本发明的电机，具备：如第1～第6发明中任何一发明所述的流体轴承装置、和向所述流体轴承装置的轴和轴套之间提供旋转动力的驱动部。
如此构成的本发明的电机，由于具备第1～第6发明中任何一发明的流体轴承装置，所以形成具有能够防止轴套和轴的线膨胀系数的差造成的温度特性的恶化，同时防止轴套和轴双方的轴承面磨损的流体轴承装置的、高性能、高可靠性的电机。
根据本发明，能够提供一种高性能、高可靠性的流体轴承装置及电机，能够防止轴套和轴的线膨胀系数的差造成的温度特性的恶化，同时防止轴套和轴双方的轴承面磨损。
在本发明的流体轴承装置中，由于通过对铜系金属材料实施高硬度的非电解镀镍形成轴套，能够抑制轴套的磨损，此外，由于轴使用高硬度、线膨胀系数大的锰合金钢，所以也能够抑制轴的磨损。其结果，根据本发明，能够谋求降低加工成本，或提高温度特性。
在本发明的流体轴承装置中，由于与铜系金属材料相比使用高硬度的铁系金属材料形成轴套，所以能够抑制轴套的磨损，由于轴使用高硬度的锰合金钢，所以还能够抑制轴的磨损。
【附图说明】
图1是表示本发明的实施方式1的主轴电机中的轴承部分的剖面图。
图2是表示在以往例和本发明的实施方式1中，轴和轴套所使用的各种材料的表面硬度[Hv]的曲线图。
图3是表示在以往例和本发明的实施方式1中，轴和轴套所使用的各种材料的线膨胀系数[×10-6/℃]的曲线图。
图4是表示在以往例和本发明的实施方式1中，轴和轴套所使用的各种材料的组合制作的轴承的轴损(轴承损失)和刚性(轴承刚性)的曲线图。
图5是表示在以往例和本发明的实施方式2中，轴和轴套所使用的各种材料的表面硬度[Hv]和线膨胀系数[×10-6/℃]的曲线图。
图6是表示在以往例和本发明的实施方式2中，轴和轴套所使用的各种材料的组合制作的轴承的轴损(轴承损失)和刚性(轴承刚性)的曲线图。
图中：1-轴，2-推力凸缘，3-轴套，4-推力板，5-基座，6-润滑油，7-径向动压发生槽，8-推力动压发生槽，9-轴毂，10-转子磁铁，11-定子线圈，12-定子铁心。
【具体实施方式】
以下，参照附图，说明本发明的优选的实施方式的流体轴承装置及具有该流体轴承装置的电机。
《实施方式1》
图1是表示本发明的实施方式1的主轴电机中的轴承部分的剖面图。在图1中，关于中心线，记载主轴电机上的左半部分的构成，右半部分的构成实质上与左半部分的构成相同。如图1所示，实施方式1的主轴电机的流体轴承装置，具备：轴1；推力凸缘2，固定在该轴1的端部(下部)上，向半径方向外侧突出；轴套3，插入在轴1内，与推力凸缘2的外周面具有微小间隙地配置内周面；推力板4，与推力凸缘2的下端面，具有微小间隙地配置在对向的位置上。
如图1所示，轴套3，固定在主轴电机的基座5上，在中央形成插通孔3a。在该插通孔3a内，以具有微小间隙的姿势插入轴1。在轴1和轴套3之间的微小间隙中，充填作为工作流体的润滑油6。在轴1的下端，通过螺栓结合或外嵌结合等方法一体地固定推力凸缘2。在推力凸缘2的下端面即圆形平面部配设对向的推力板4，固定在轴套3上。在推力凸缘2和推力板4之间的间隙中也充填润滑油6。
在实施方式1的主轴电机上，通过滚轧加工，在轴套3的内周面上形成鱼骨状的径向动压发生槽7。在实施方式1中，以在轴套3的内周面，通过滚轧加工形成鱼骨状的径向动压发生槽7的例子说明，但本发明并不局限于如此的构成，例如，也可以利用以往的滚轧、蚀刻、电解加工等加工方法，在轴套3的内周面或轴1的外周面上形成螺旋状或鱼骨状图形的径向动压发生槽7。
在实施方式1中，在轴套3的插入孔3a的内周面上的与轴1的对向面上的、上侧部分和下侧部分2处，分别形成径向动压发生槽7。如此在轴套3的内周面或轴1的外周面形成径向动压发生槽7，构成径向轴承。
此外，在实施方式1中，在与推力凸缘2对向的上下面上，形成鱼骨状的推力动压发生槽8，构成推力轴承。在图1所示的实施方式1的主轴电机中，推力动压发生槽8分别形成在与推力凸缘2对向的轴套3的下向面和推力板4的上向面上。在本发明中，也不如此限定，只要在推力凸缘2的下向面和与该面对向的推力板4的面上的至少一方的面上，形成螺旋状或鱼骨状图形等的推力动压发生槽8，构成推力轴承就可以。此外，只要在推力凸缘2的上向面和与该面对向的轴套3的下向面上的至少一方的面上，形成螺旋状或鱼骨状图形等的推力动压发生槽8，构成推力轴承就可以。
在从轴1上的轴套3的开口部向上方突出的突出侧端部1a上，在其外周，例如以压入状态，外嵌固定磁记录盘的作为旋转部件的轴毂。在实施方式1中，在靠近轴毂9的基座5的外周部分上安装转子磁铁10。此外，在基座5上，与转子磁铁10对向地，安装卷绕定子线圈11的定子铁芯12。通过该转子磁铁10和定子铁芯12，构成对轴1供给旋转驱动力的主轴电机的驱动部。
如果通过该主轴电机的驱动部，旋转驱动轴毂9、轴1、推力凸缘2，径向方向就通过径向动压发生槽7，推力方向就通过推力动压发生槽8，在各自部位上的润滑油6发生动压。结果，通过这些径向方向轴承及推力方向轴承即流体轴承，相对于轴套3及推力板4，以保持微小间隙的非接触状态，旋转支撑轴1和推力凸缘2。
接着，说明实施方式1的主轴电机上的轴1及轴套3的具体的制造方法。
轴套3用铜系金属材料C3604形成，同时对轴套3的内周面(构成插入孔3a的内面)上的至少与轴1的对向面，进行非电解镀镍。另外，用含有0.2重量％C、0.3重量％Si、8重量％Mn、0.2重量％S、2.5重量％Ni、14重量％Cr，主成分为Fe的锰合金钢形成轴1。该锰合金钢，至少局部具有奥氏体组织。另外，轴套3，也可以是BC6C、C3601、C3771等。本发明中只要是铜系金属材料，其种类不限定。另外，非电解镍镀膜的厚度，可以在0.5～20μm的范围内形成，更优选规定在0.5～5μm的范围内。
图2是表示在轴和轴套中所使用的材料的表面硬度。图2(a)表示以往的轴所用的SUS420、SUS303及本发明的实施方式1中的轴1所用的锰合金钢的表面硬度[Hv]。图2(b)表示对以往的轴套3所用的C3604及实施方式1中的轴套3所用的C3604实施非电解镀镍的材料的表面硬度[Hv]。
从图2可以看出，实施方式1的轴1所使用的锰合金钢，是具有与以往所用的马氏体系不锈钢SUS420大致相同的硬度，硬度比存在磨损问题的奥氏体系不锈钢SUS303高的材料。因此，作为轴1的材料，通过采用锰合金钢，能防止轴1的轴承面的磨损造成的可靠性的降低。
此外，实施方式1中的轴套3，是对C3604实施非电解镀镍的轴套，与未实施镀膜的C3604相比硬度高，能防止轴套3的轴承面磨损造成的可靠性的降低。另外，实施方式1中的轴套3，由于实施镀膜，润滑油和铜不接触，所以能够防止润滑油的劣化。
另外，在本发明中，通过对轴表面实施研磨加工，能够进一步谋求通过加工硬化提高硬度。
图3是表示轴和轴套所用的各种材料的线膨胀系数。图3(a)表示作为轴材料使用的SUS420、SUS303及锰合金钢的线膨胀系数[×10-6/℃]。图3(b)表示作为轴套材料使用的C3604及在C3604上实施镀镍的材料的线膨胀系数[×10-6/℃]。
从图3可以看出，实施方式1的轴1所用的锰合金钢线膨胀系数，大于SUS420，与SUS303大致同等。此外，在实施方式1中的轴套3中，即使对C3604实施非电解镀镍，与C3604单体相比，线膨胀系数也几乎不变化。另外，由于锰合金钢和C3604具有大致相同的线膨胀系数，所以温度变化造成的轴承间隙的变化小。因此，在以往的构成中，考虑减小轴承间隙的状态，设定非常高精度的轴承面的加工公差，但在本发明的实施方式1的构成中，由于轴承间隙固定，所以能够缓和加工公差的精度，能够谋求降低成本。
图4是表示通过组合这些材料制作的轴承的轴损(轴承损失)和刚性(轴承刚性)。在图4(a)中，在SUS420的轴和C3604的轴套的组合、SUS303的轴和C3604的轴套的组合、及锰合金钢的轴和C3604的轴套的组合中，表示-20℃的轴损。在图4(a)中，以85℃作为1。在图4(b)中，在SUS420的轴和C3604的轴套的组合、SUS303的轴和C3604的轴套的组合、及锰合金钢的轴和C3604的轴套的组合中，表示85℃的刚性。在图4(b)中，以20℃作为1。
从图4可以看出，使用SUS303或锰合金钢的，与使用以往的SUS420的相比，在低温下的轴损小，能够谋求降低电机电流。此外，也能够抑制高温下的刚性降低，能够提高在高温区域的可靠性。如此，通过本发明的实施方式1的组合，作为用于根据与蓄电池容量的关系谋求低电流、或谋求大范围的工作温度区域下的可靠性的移动产品的电机，能够得到非常有效的性能。
如上所述，在本发明的实施方式1的流体轴承装置中，轴套3，是对铜系金属材料实施高硬度的非电解镀镍的轴套，能够抑制轴套3的磨损。此外，关于轴1，由于使用高硬度、线膨胀系数大的锰合金钢，所以能够抑制轴1的磨损。由此，能够谋求降低成本或提高温度特性。
《实施方式2》
以下，说明具有本发明的实施方式2的流体轴承装置的电机即主轴电机。
实施方式2的主轴电机，具有与所述图1所示的实施方式1的主轴电机相同的结构。在实施方式2中，与实施方式1的不同之处是轴套3的材料。因此，在实施方式2的说明中，只说明与实施方式1不同的部分。
在实施方式2的主轴电机中，轴套3由铁系金属材料SUS420形成。插入到该轴套3中轴1，用含有0.2重量％C、0.3重量％Si、8重量％Mn、0.2重量％S、2.5重量％Ni、14重量％Cr，主成分为Fe的锰合金钢形成。该锰合金钢，至少局部具有奥氏体组织。另外，轴套3，也可以是SUS430、SUS303、S45C等，只要是铁系金属材料，不限定其种类。
此外，优选，对轴套3，至少对与轴1的对向面(插入孔3a的内面)实施非电解镀镍。该非电解镀镍的厚度，可以在0.5～20μm的范围内形成，更优在0.5～5μm的范围内形成。
图5是表示在以往的轴套所用的C3604、本发明的实施方式2中的轴套所用的SUS420及对SUS420实施非电解镀镍的材料的表面硬度[Hv](图5(a))和线膨胀系数[×10-6/℃](图5(b))。
从图5(a)可以看出，轴套3所用的铁系金属材料SUS420，与铜系金属材料C3604相比硬度高，不引起轴套3的轴承面的磨损造成的可靠性的下降。此外，由于能够通过实施非电解镀镍提高表面硬度，所以由采用该材料的轴套3构成的流体轴承装置，能够谋求进一步提高可靠性。
此外，实施方式2的流体轴承装置，由于采用铜系金属材料，所以润滑油和铜不接触，能够防止润滑油的劣化。
另外，通过对轴表面实施研磨加工，能够利用加工硬化进一步提高硬度，能够降低轴的磨损。
从图5(b)可以看出，与C3604相比，对SUS420或对SUS420实施非电解镀镍的材料，线膨胀系数减小。因此，在作为轴套3的材料，采用对SUS420或对SUS420实施非电解镀镍的材料，作为轴1的材料，采用所述锰合金钢的情况下，形成在低温下轴承间隙扩大，在高温下轴承间隙变窄的构成。即，形成在润滑油的粘性大的低温下轴承间隙扩大，在润滑油的粘性减小的高温下轴承间隙变窄的构成。
图6是表示通过组合以往的轴套和轴所用的材料、和实施方式1及实施方式2所用的材料制作的轴承的轴损(轴承损失)和刚性(轴承刚性)。
在图6(a)中，在SUS420的轴和C3604的轴套的组合、锰合金钢的轴和C3604的轴套的组合、及锰合金钢的轴和SUS420的轴套的组合中，表示-20℃的轴损。在图6(a)中，以85℃作为1。在图6(b)中，在SUS420的轴和C3604的轴套的组合、锰合金钢的轴和C3604的轴套的组合、及锰合金钢的轴和SUS420的轴套的组合中，表示85℃的刚性。在图6(b)中，以20℃作为1。
从图6(a)可以看出，在实施方式2的流体轴承装置的构成中，轴1使用锰合金钢、轴套3使用SUS420的结构，在低温下的轴损小，能够谋求降低电机电流。此外，从图6(b)可以看出，还能够抑制高温下的刚性降低，能够提高在高温区域的可靠性。
如上所述，具有实施方式2的流体轴承装置的主轴电机，作为用于根据与蓄电池容量的关系谋求低电流、或谋求大范围的工作温度区域下的可靠性的移动产品的电机，能够发挥非常优异的性能。
如上所述，实施方式2的流体轴承装置，关于轴套，由于采用与铜系金属相比高硬度的铁系金属材料，所以能够抑制磨损，同时关于轴，由于采用高硬度的锰合金钢，所以也能够抑制轴的磨损。此外，在实施方式2的流体轴承装置中，通过对轴套实施非电解镀镍，能够抑制轴的进一步磨损。此外，本发明的流体轴承装置中的轴套所用的铁系金属材料，由于具有与轴的锰合金钢同等或其以下的线膨胀系数，所以能够谋求作为轴承装置的温度特性的提高。
另外，在所述的实施方式中，说明了轴旋转的内齿轮式的流体轴承主轴电机，但本发明的流体轴承装置能够用于轴固定或外齿轮式的等多种轴承或电机形状。此外，在各实施方式中，说明了作为工作流体采用润滑油的流体轴承装置，但本发明也可用于作为工作流体采用空气或其它气体的流体轴承装置。
此外，本发明的流体轴承装置及采用该流体轴承装置的电机，能够用于HDD或多面反射镜、光盘装置等的旋转装置。
本发明的流体轴承装置，由于能够防止轴套和轴的线膨胀系数的差造成的温度特性的恶化，同时防止轴套和轴双方的轴承面磨损，所以作为电机等的旋转装置中的轴承是有用的。