JP4584093B2 - 滑り軸受 - Google Patents

Description

本発明は、金属部をインサートした樹脂の射出成形品である滑り軸受に関するものである。

滑り軸受（以下、単に「軸受」と称する）は、軸部材との間の相対的な回転、摺動、もしくは摺動回転を支持する用途に広く用いられている。特に樹脂製の軸受は、軽量で慣性力が小さいことや大量生産が可能であること等の理由から、産業機器をはじめ、種々の機器で幅広く利用されている。

このような軸受として、例えば特許文献１では、樹脂成形部の軸心に電鋳部をインサートして型成形した軸受部品が提案されている。このように、樹脂成形部の内周に電鋳部を設け、軸受面となる内周面を金属で形成することにより、軸受面の耐摩耗性が向上し、耐久性の高い軸受が得られる。
特開２００３−５６５５２号公報

上記のような軸受では、インサートされた金属部と、金属部を保持する樹脂部との結合力が問題となる。この結合力が不足すると、衝撃荷重等によって金属部と樹脂部とが剥離し、軸受性能に悪影響を及ぼすおそれがある。

本発明の課題は、金属部と樹脂部とが強固に結合され、耐久性に優れた軸受を提供することである。

前記課題を解決するため、本発明は、電鋳加工により形成された金属部と、金属部を内周にインサートして型成形された樹脂部とを備え、金属部の内周面に軸受面を有し、金属部の内周に挿入される軸部材との間の相対的な回転を支持する滑り軸受であって、前記金属部の外周面の一部が除去され、その除去部に前記樹脂部が入り込むことにより、前記金属部と前記樹脂部とを軸方向で係合させ、前記軸受面に、マスター軸の外周面に形成された型により動圧発生部が成形されたことを特徴とする。

このように本発明では、金属部の外周面の一部を除去し、そこに樹脂部が入り込んだことを特徴とする。これにより、アンカー効果が発揮され、金属部と樹脂部とが強固に結合されるため、金属部と樹脂部との剥離、さらにはこれを原因とする種々の不具合を回避できる。

上記の金属部を電鋳加工で形成すると、軸受面となる金属部の内周面を高い表面精度で仕上げることができるため、軸受隙間を精度良く設定することができ、軸受性能の向上が図られる。

また、金属部の除去を、金属部の内周面に達するまで、すなわち、金属部を径方向に貫通するまで行うこともできる。この場合、射出成形時に除去部に入り込んだ樹脂材料は、金属部の内周に挿入された内型（コア）の表面に密着した状態で成形される。内型に成形された面は、固化に伴って成形収縮を生じるが、この成形収縮が外径側への変位として現れ、かつこの変位量が適切となるよう樹脂材料の組成を選択し、あるいは成形条件を設定しておけば、金属部の間に樹脂部を底とする溝を形成することが可能となる。この溝は、例えば、軸受隙間に流体の動圧作用を発生させる動圧溝として利用することができる。この他にも、溝を保油部として使用することも可能である。外径側への成形収縮を生じる樹脂材料の代表例として、液晶ポリマー（ＬＣＰ）をベース樹脂とする樹脂材料を挙げることができる。

レーザ加工により金属部の除去を行うと、金属部の除去が精度よく行えるので、除去部により動圧溝を形成する場合も精度の良い動圧溝が得られる。

上記のような軸受を有する軸受装置を備えたモータは、優れた耐久性を有する。

以上のように、本発明によれば、金属部と樹脂部が強固に結合され、耐久性に優れた軸受を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を図１〜４に基づいて説明する。

図１は、軸受３と、軸受３の内周に挿入された軸部材２とを備えた軸受装置１の断面図である。このうち軸受３は、金属部４と、金属部４を内周に保持する樹脂部５とを備える。

軸受３の内周面に設けられる軸受面３ａは金属部４の内周面４ａで構成される。金属部４の外周面には、複数の除去部６が形成される。樹脂部５は、略円筒状をなし、樹脂を型成形することで形成される。

以下、軸受３の製造工程を説明する。軸受３は、マスター軸７の外表面に電鋳殻である金属部４を析出形成する工程（電鋳加工工程）、金属部４の外周面の一部を除去する工程（除去工程）、金属部４およびマスター軸７をインサート部品として樹脂部５の型成形を行う工程（インサート成形工程）、および金属部４とマスター軸７とを分離する工程を順に経て製作される。

本実施形態で使用するマスター軸７は、例えば焼入処理をしたステンレス鋼で断面輪郭真円状に、かつ軸方向で均一径に形成される。マスター軸７の材料としては、ステンレス鋼以外にも、例えばクロム系合金やニッケル系合金など、マスキング性、導電性、耐薬品性を有するものであれば金属、非金属を問わず任意に選択可能である。マスター軸７を軸部材２として使用する場合には、上記特性の他、軸受３の構成部品として求められる、機械的強度、剛性、摺動性、耐熱性等を満たす材料であることが望ましい。この場合、マスター軸７の外表面の少なくとも金属部４の形成予定領域に、金属部４との間の摩擦力を減じるための表面処理、例えばフッ素系の樹脂コーティングを施すのが望ましい。

マスター軸７は、むく軸（中実軸）の他、中空軸あるいは中空部に他材料（樹脂など）を充填した中実軸であってもよい。また、マスター軸７の外周面精度は、軸受３の軸受面３ａとなる金属部４の内周面４ａの面精度を直接左右するので、なるべく高精度に仕上げておくことが望ましい。

マスター軸７の外表面のうち、金属部４の形成予定領域を除く箇所には、予め非導電性のマスキングが施される（図２散点で示す）。マスキング部８形成用の被覆材としては、非導電性をはじめ、電解質溶液に対する耐食性を有する材料が選択使用される。

電鋳加工工程は、上記処理を施したマスター軸７を電解質溶液に浸漬し、電解質溶液に通電して目的の金属をマスター軸２の表面に析出させることにより行われる。電解質溶液には、金属部４の析出材料となる金属（例えばＮｉやＣｕ等）を含んだものが用いられる。上記析出金属の種類は、軸受面３ａに求められる硬度、あるいは潤滑油に対する耐性（耐油性）など、要求される特性に応じて適宜選択される。また、電解質溶液には、カーボンなどの摺動材、あるいはサッカリン等の応力緩和材を必要に応じて含有させることもできる。こうして、図２のように、マスター軸７の外周面の所定箇所に金属部４が析出形成される。

次いで、図３に示すように、電鋳加工工程で形成された金属部４の外周面４ｂの一部を、レーザ加工、機械加工など適宜の方法により除去し、クロスハッチングで示す除去部６を形成する（除去工程）。図面では、環状の除去部６を軸方向に離間して３箇所に形成した場合を例示しているが、除去部６の形状や数は図示例のものには限定されない。

上記工程を経て製作された金属部４およびマスター軸７からなる部品（以下、電鋳軸９という。）は、樹脂部５をインサート成形する成形型内にインサート部品として供給される。

図４は、樹脂部５のインサート成形工程を概念的に示すもので、固定型１１、および可動型１０からなる金型には、ランナ１２およびゲート１３と、キャビティ１４とが設けられる。ゲート１３は、この実施形態では、点状ゲートであり、成形金型（可動型１０）の、樹脂部５の軸方向一端面に対応する位置に、かつ円周方向等間隔に複数箇所（例えば三箇所）形成される。各ゲート１３のゲート面積は、充填する溶融樹脂の粘度や、成形品の形状に合わせて適切な値に設定される。

上記構成の金型において、電鋳軸９を所定位置に位置決めした状態で可動型１０を固定型１１に接近させて型締めする。次に、型締めした状態で、スプール（図示は省略）、ランナ１２、およびゲート１３を介してキャビティ１４内に溶融樹脂Ｐを射出、充填し、樹脂部５を電鋳軸９と一体に成形する。

なお、溶融樹脂Ｐは熱可塑性樹脂であり、非晶性樹脂として、ポリサルフォン（ＰＳＦ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリフェニルサルフォン（ＰＰＳＵ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）等、結晶性樹脂として、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等を用いることができる。また、上記の樹脂に充填する充填材の種類も特に限定されないが、例えば、充填材として、ガラス繊維等の繊維状充填材、チタン酸カリウム等のウィスカー状充填材、マイカ等の鱗片状充填材、カーボンファイバー、カーボンブラック、黒鉛、カーボンナノマテリアル、金属粉末等の繊維状又は粉末状の導電性充填材を用いることができる。これらの充填材は、単独で用い、あるいは、二種以上を混合して使用しても良い。

型開き後、マスター軸７、金属部４、および樹脂部５が一体となった成形品を金型１０、１１から脱型する。この成形品は、その後の分離工程において金属部４および樹脂部５からなる軸受３（図１を参照）と、マスター軸７とに分離される。

この分離工程では、金属部４に蓄積された内部応力を解放することにより、金属部４の内周面を拡径させ、マスター軸２の外周面から剥離させる。内部応力の解放は、マスター軸７又は軸受３に衝撃を与えることにより、あるいは金属部４の内周面とマスター軸７の外周面との間に軸方向の加圧力を付与することにより行われる。内部応力の解放により、金属部４の内周面を半径方向に拡径させて、金属部４の内周面とマスター軸７の外周面との間に適当な大きさの隙間を形成することにより、金属部４の内周面からマスター軸７を軸方向にスムーズに引き抜くことができる。これにより成形品が金属部４及び樹脂部５からなる軸受３と、マスター軸７とに分離される。なお、金属部４の拡径量は、例えば金属部４の肉厚を変えることによって制御できる。

衝撃の付与だけでは金属部４の内周を十分に拡径さえることができない場合、金属部４とマスター軸７とを加熱又は冷却し、両者間に熱膨張量差を生じさせることによって、マスター軸７と軸受５とを分離することもできる。

これにより、金属部４の内周面４ａを軸受面３ａとする軸受３が得られる。このように、電鋳加工で形成された軸受面３ａは、マスター軸７の外周表面精度に倣った精度を有するため、マスター軸７の外周表面精度を高めておけば、精度の高い軸受面３ａを得ることができる。よって、軸受面３ａと、軸受３の内周に挿入される軸部材２の外周面との間の軸受隙間（ラジアル軸受隙間）を精度良く設定することができ、軸受性能の向上を図ることができる。

この軸受３では、除去部６に樹脂部５が入り込んだ状態で金属部５と樹脂部６とが固定される。これにより、金属部４と樹脂部５との間にアンカー効果が発揮されることで結合力が向上し、樹脂部５に対する金属部４の相対変位、この実施形態では軸方向への抜けに対する抵抗力を大幅に高めることができる。

なお、上記の金属部４と樹脂部５との結合力をより高めるには、除去部６の配置数を増やしたり、除去部６の径方向の深さを深くするとよい。除去部６の径方向の深さは、最大で金属部４の内周面４ａに達するまで、すなわち除去部６が金属部４を径方向に貫通するまで設定することができる。また、金属部４の樹脂部５に対する径方向の回り止めの効果を得るために、軸方向と平行な直線溝状の除去部を径方向に離隔して複数箇所設けたり、除去部６を金属部４の外周面４ｂにらせん状に設けたりすることもできる。

こうして得られた軸受３に、軸部材２を挿入することにより、軸部材２を回転自在に支持する軸受装置１が完成する。軸受装置１の内部に、潤滑流体、例えば潤滑油を充満し、軸受隙間に流体膜を形成することにより、軸受３と軸部材２との間の潤滑をより滑らかにすることができる。潤滑油以外の潤滑流体として、例えば空気等の気体や、磁性流体等の流動性を有する潤滑剤、あるいは潤滑グリース等を使用することもできる。

以上に示した軸受３は、軸部材２の外周面との間の軸受隙間に、流体の動圧作用で圧力を発生させる動圧軸受装置として使用することも可能である。この動圧軸受装置は、例えば軸部材２の外周面に、へリングボーン形状等に形成した動圧溝、多円弧面、あるいはステップ面等の動圧発生部を形成し、この動圧発生部を金属部４の真円状内周面４ａと対向させることで構成することができる。これとは逆に、軸受３の内周面（金属部４の内周面４ａ）に動圧発生部を形成することもでき、この場合、金属部内周面４ａの動圧発生部は、マスター軸７の外周面に動圧発生部の形状に対応した型を形成し、このマスター軸７を用いて電鋳加工を行うことで形成可能である。その後、上記と同様の手法で軸受３とマスター軸７の分離を行い、さらに軸受３の内周面に真円状外周面を有する軸部材を挿入することで、動圧軸受装置が構成される。

軸受３の内周面の動圧発生部は、以下の手順で形成することもできる。

まず、図５に示すように、マスター軸２７の外周面の所定箇所にマスキング部２８を形成し、電鋳加工を施すことにより、軸方向に離隔した２箇所に金属部２４を析出形成する。その後、図６に示すように、金属部２４の外周の所定部分（除去部４６）を内周面に達するまで除去し、例えばへリングボーン形状の金属部４４を形成する。この場合の除去加工では、高い精密性が要求されること、金属部２４の除去量が多く、除去加工中に金属部４とマスター軸２７の界面に作用する力が大きくなるため、金属部４がマスター軸２７の表面から剥離しやすくなること等から、レーザ加工による除去加工を行うのが望ましい。

次いで、上記のマスター軸２７及びヘリングボーン形状の金属部４４をインサート部材として樹脂材料で樹脂部２５を射出成形する。一般に、樹脂材料で樹脂部２５のような略円筒状の部材を射出成形すると、固化時の成形収縮により、部材の内周面は内径側へ縮径する傾向がある。しかし、上記に例示した樹脂の中で、例えば液晶ポリマーをベース樹脂とする樹脂材料は、成形収縮により、部材の内周面が外径側へ拡径する性質を有する。従って、液晶ポリマーをベース樹脂とする樹脂材料で樹脂部２５を射出成形すると、射出時には樹脂材料が金属部４４の内周面４４ａと面一になるまで入り込む（図７に点線で示す）が、固化時には上記性質により、隣接する金属部４４間の樹脂部２５の内周面２５ａ１が成形収縮により拡径し、金属部４４の内周面４４ａよりも大径となる。これにより、軸受２３の内周面に、樹脂部内周面２５ａ１を溝底とする動圧溝４７が形成される。動圧溝４７の深さは、例えば樹脂材料中の充填材の種類や配合量を変更する、樹脂材料の固化速度を調整する、等の手段で樹脂部２５での成形収縮量を調整することにより、任意の値に設定することが可能である。

上記のように形成された軸受２３の内周に軸部材を挿入し、軸受２３の内周面２３ａと軸部材の外周面との間の軸受隙間に潤滑流体、例えば潤滑油を充填することにより、軸受装置（動圧軸受装置）が完成する（図示省略）。この動圧軸受装置において、軸部材が回転すると、動圧溝４７によって軸受隙間の潤滑油に動圧作用が発生し、軸部材がラジアル方向に非接触支持される。

図５〜７に示す工程において、動圧溝パターンとしては任意の形状を選択することができ、図示したヘリングボーン形状の他、例えばスパイラル形状の動圧溝パターンを形成することもできる。また、同様の工程で軸方向の動圧溝４７を円周方向の複数箇所に形成することにより、いわゆるステップ軸受を形成することも可能となる。

以上の実施形態において、軸部材２にはマスター軸７をそのまま使用しても良いし、マスター軸７とは別に製作した軸状の部材を軸部材２として用いることもできる。後者によれば、一度高精度に製作したマスター軸７を繰返し転用することができるので、マスター軸７の製作コストを抑え、軸受装置１のさらなる低コスト化を図ることが可能となる。上述のように、軸部材２の外周面２ａに動圧溝等の動圧発生部を設ける場合には、断面真円状のマスター軸７とは別に製作した軸状部材の外周面に動圧発生部を設けたものを軸部材２として用いるとよい。

以上説明した軸受装置は、例えば情報機器用のモータに組み込んで使用可能である。以下、軸受装置１を上記モータ用の回転軸支持装置として使用した例を、図８に基づいて説明する。

図８に示すように、このモータ１００は、例えばＨＤＤ等のディスク駆動装置用のスピンドルモータとして使用されるものであって、軸部材１０２を回転自在に非接触支持する軸受装置１と、軸部材１０２に装着されたロータ（ディスクハブ）１０３と、例えば半径方向のギャップを介して対向させたステータコイル１０４およびロータマグネット１０５とを備えている。ステータコイル１０４は、ブラケット１０６の外周に取付けられ、ロータマグネット１０５はディスクハブ１０３の内周に取付けられている。ディスクハブ１０３には、磁気ディスク等のディスクＤが一又は複数枚保持されている。ステータコイル１０４に通電すると、ステータコイル１０４とロータマグネット１０５との間の電磁力でロータマグネット１０５が回転し、それによって、ディスクハブ１０３及びディスクハブ１０３に保持されたディスクＤが軸部材１０２と一体に回転する。

この実施形態において、軸受装置１は、軸受３と、軸受３の内周に挿入される軸部材１０２と、軸受３の一端に装着されるスラストプレート１０７とを備える。図８では、軸受３として図１に示す軸受３を例示しているが、図７に示す軸受２３も使用可能である。スラストプレート１０７の上端面には、スラスト動圧発生部として、複数の動圧溝をスパイラル状に配列した領域（スラスト軸受面）１０７ａが形成される。軸部材１０２の回転時には、軸部材１０２の外周面１０２ａと軸受３の軸受面３ａとのラジアル軸受隙間に油膜が形成され、これにより軸部材１０２をラジアル方向に回転自在に非接触支持するラジアル軸受部Ｒが形成される。同時に、軸部材１０２の下端面１０２ｂとスラストプレート１０７の上端面１０７ａとの間のスラスト軸受隙間に、動圧溝による潤滑油の動圧作用で軸部材１０２をスラスト方向に回転自在に非接触支持するスラスト軸受部Ｔが形成される。

本発明の軸受装置は、以上の例示に限らず、光ディスクの光磁気ディスク駆動用のスピンドルモータ等、高速回転下で使用される情報機器用の小型モータ、あるいはレーザビームプリンタのポリゴンスキャナモータ等における回転軸支持用としても好適に使用することができる。

以上の説明では、軸受３を回転軸の支持に使用する場合を例示しているが、この軸受３は軸との間の直線的な相対摺動を支持する摺動用軸受として、さらには相対摺動と相対回転の双方を支持する摺動回転用の軸受としても使用することができる。これらの用途では、摺動性改善のため、図７に示す軸受２３の動圧溝４７の成形方法と同様の手法で、軸受３の内周面に油を保持するための油溝を形成することができる。

本発明の第１実施形態に係る軸受装置１の断面図である。 マスター軸２に金属部４が形成された状態を示す斜視図である。 金属部４の外周面の一部が除去された状態を示す一部断面の斜視図である。 射出成形金型に電鋳軸９を取付けた状態を示す断面図である。 マスター軸２７に金属部２４が形成された状態を示す斜視図である。 金属部２４の一部が除去された状態を示す斜視図である。 滑り軸受の他の実施形態を示す断面図である。 本発明を適用したモータ１００の概略構造を示す断面図である。

符号の説明

１ 軸受装置
２ 軸部材
３ 軸受
４ 金属部
５ 樹脂部
６ 除去部
７ マスター軸
８ マスキング部
９ 電鋳軸
４７ 動圧溝
１００ モータ
１０２ 軸部材
Ｒ ラジアル軸受部
Ｔ スラスト軸受部

Claims (4)

1. 電鋳加工により形成された金属部と、金属部を内周にインサートして型成形された樹脂部とを備え、金属部の内周面に軸受面を有し、金属部の内周に挿入される軸部材との間の相対的な回転を支持する滑り軸受であって、
   前記金属部の外周面の一部が除去され、その除去部に前記樹脂部が入り込むことにより、前記金属部と前記樹脂部とを軸方向で係合させ、前記軸受面に、マスター軸の外周面に形成された型により動圧発生部が成形されたことを特徴とする滑り軸受。
2. 前記金属部の除去が金属部の内周面に達するまで行われ、その除去部で樹脂部を溝底とする動圧溝を形成した請求項１記載の滑り軸受。
3. 前記金属部の外周面の除去が、レーザ加工により行われる請求項１記載の滑り軸受。
4. 請求項１〜３記載の何れかの滑り軸受を有する軸受装置を備えたモータ。

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