JPH06173944A - 気体動圧軸受 - Google Patents

気体動圧軸受

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JPH06173944A
JPH06173944A JP4350411A JP35041192A JPH06173944A JP H06173944 A JPH06173944 A JP H06173944A JP 4350411 A JP4350411 A JP 4350411A JP 35041192 A JP35041192 A JP 35041192A JP H06173944 A JPH06173944 A JP H06173944A
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JP
Japan
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dynamic pressure
gas dynamic
pressure bearing
bearing
radial
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JP4350411A
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Manabu Toshimitsu
学 利光
Hiroko Fuse
裕子 布施
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Ebara Corp
Original Assignee
Ebara Corp
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/02—Parts of sliding-contact bearings
    • F16C33/04—Brasses; Bushes; Linings
    • F16C33/06—Sliding surface mainly made of metal
    • F16C33/10—Construction relative to lubrication
    • F16C33/1025—Construction relative to lubrication with liquid, e.g. oil, as lubricant
    • F16C33/106—Details of distribution or circulation inside the bearings, e.g. details of the bearing surfaces to affect flow or pressure of the liquid
    • F16C33/107—Grooves for generating pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C17/00—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement
    • F16C17/10—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement for both radial and axial load
    • F16C17/102—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement for both radial and axial load with grooves in the bearing surface to generate hydrodynamic pressure
    • F16C17/107—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement for both radial and axial load with grooves in the bearing surface to generate hydrodynamic pressure with at least one surface for radial load and at least one surface for axial load
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/02—Parts of sliding-contact bearings
    • F16C33/04—Brasses; Bushes; Linings
    • F16C33/16—Sliding surface consisting mainly of graphite

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  • Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 比較的高い面圧下においても摩擦係数の変化
が少なく、モータの動作時の姿勢の制約を受けることな
く頻繁な起動、停止の繰り返しを行っても、起動時の軸
受摩擦トルクを小さく維持でき、軸受からの発塵もなく
クリーンな環境での使用が可能な気体動圧軸受を提供す
ること。 【構成】 ラジアル軸受部材１の両端に第１及び第２の
スラスト板を直接当接させ一体化した主軸受部材と、内
周面４ａ及び両端面４ｂ，４ｃがラジアル軸受部材１の
外周面１ａ及び第１及び第２のスラスト板の対向面２
ａ，３ａに対向して協動するラジアルスリーブ４とによ
り構成され、ラジアルスリーブ４の両端面４ｂ，４ｃ又
は、第１及び第２のスラスト板の対向面２ａ，３ａのい
ずれか一方に動圧発生用溝が設けられ、気体動圧軸受の
相対向する摺動面の少なくとも一方の摺動面に均一な水
素化アモルファスカーボン（ａ−Ｃ：Ｈ）膜を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はスピンドルモータ等に使
用される気体動圧軸受に関し、起動、停止時の摩擦トル
クを低減し、情報機器等の軸受に要求される頻繁な起
動、停止に対しての耐久性、信頼性を有し、軸受の摺動
による摩耗粉の発生が極めて少ないクリーンな環境で使
用するのに好適な気体動圧軸受に関するものである。
【０００２】
【従来技術】近年、ハードディスクドライブ装置（ＨＤ
Ｄ）や磁気テープ記憶装置等の情報機器に使用されるス
ピンドルモータやドラムモータは高精度の回転性能と低
消費電力化が要求され、その軸受に気体動圧軸受を採用
する試みがなされている。しかしながら、気体動圧軸受
は、起動、停止時に軸受の摺動面が接触しており、摺動
面の材質、加工状態、或いは組立精度によっては摺動面
の摩擦による摩耗が著しく進行し耐久性に問題を生じる
場合が多い。
【０００３】この対策として、軸受の摺動部に耐久性に
優れ、加工時の寸法精度を維持し易いことから、セラミ
ックス材の使用が検討され試みられている。これらの軸
受は軸受を構成する部材の全てをセラミックス材とし、
摺動面を研磨等により平滑に仕上げるか、又は軸受を構
成する部材をステンレス鋼やアルミニウム等の金属で構
成し、平滑に仕上げられた摺動面に例えば炭化珪素（Ｓ
ｉＣ）、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）
等のセラミックス材をコーティングする等の方法が提案
されている。
【０００４】しかしながら、摺動面の材質が前記セラミ
ックス材で構成された気体動圧軸受においても、前記情
報機器に使用した場合、頻繁な起動、停止に対して耐久
性を満足できず実用化を阻む要因となっていた。特にセ
ラミックス材同志の摺動面においては、一定面圧を超え
た場合に急激な摩擦係数の上昇をきたし、摩耗が著しく
進行する等のセラミックス材特有の性質を有している。
上記セラミックス材で構成された気体動圧軸受の耐久性
の問題はこの特性に起因している。
【０００５】このためこれらセラミックス材による摺動
面に対しても潤滑剤の塗布又はコーティング等による表
面の改質を行い高面圧条件下においても耐摩耗性の改善
を計る等の試みがなされている。一般に気体動圧軸受に
はその摺動面に液体潤滑剤である油又はグリース（以下
「油」と称する）を薄く塗布する方法が最も簡便であり
採用され易い。
【０００６】しかしながら、上記方法によると軸受摺動
面には０．０１乃至数ミクロンの油の皮膜を形成するこ
とができるが、軸受摺動面と油皮膜の結合力は弱く、回
転時に油が外部に飛散し、ハードディスクドライブに使
用した場合、磁気媒体等に悪影響を及ぼしたり、又ドラ
ムモータに使用した場合、ドラム周辺に飛散した油がド
ラムやヘッドに付着し、悪影響を与える等の問題があっ
た。また、油の飛散を少なくするため油膜を薄くすると
起動、停止を繰り返すことにより油の移動や油膜の剪断
により軸受基材同志が接触し摩耗が急速に進行する等の
問題が生じる。これらの問題を解決するため、従来、下
記の従来例１と従来例２の方法が提案された。
【０００７】従来例１は、自己潤滑性を有する材料、例
えば二硫化モリブデンやグラフファイト等の固体潤滑剤
をスパッタリング等の手段によって摺動面に被覆する方
法である。これらの潤滑膜と基材との結合は前述の油に
比較し強固であり潤滑剤が回転中に飛散する等の問題は
解決される。また、これらの潤滑膜は比較的低面圧下に
おいては低い摩擦係数を維持し、前記油による潤滑膜と
比較すると、潤滑膜の耐久性の向上が認められる。
【０００８】また、従来例２として、特開昭６４−６５
３２２号公報には、動圧軸受の相対して回転する表面の
少なくとも一方に官能基を有するオルガノポリシロキサ
ン若しくは含フッ素重合体のいずれか又は両方を被覆し
た動圧流体軸受が開示されている。この動圧流体軸受は
潤滑膜が官能基を有しており軸受基材との結合が強く回
転中の潤滑膜の移動や飛散が少なく、耐摩耗性のある摺
動表面を作ることができるとするものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来例
１のように摺動面に非極性潤滑膜を形成した場合、一定
面圧を超えると摺動による潤滑膜の除去作用が起こり、
これにより膜が破壊された場合、自己修復が不可能であ
る。このため、急激に摩擦係数の増大をもたらし、起動
時の摩擦トルクが増大し起動、停止の繰り返しとともに
モーターが起動不能になる等の問題が生じる。
【００１０】また、従来例２においては、この例と同種
の潤滑膜をコーティングした軸受の摺動試験を行ったと
ころ、比較的低い面圧下においては低い摩擦係数を維持
し長時間の摺動に対して摩擦係数の変化は少なく、従来
例１に示すような非極性固体潤滑剤と比較して良好な結
果が得られる。しかしながら、平均面圧が略５０ｇｆ／
ｃｍ2を超えた状態で摺動させた場合、潤滑層が破壊さ
れ急激な摩擦係数の増大が確認された。
【００１１】また、潤滑剤の膜厚が約６０オングストロ
ームを超えると潤滑剤のメニスカス効果又は、化学的吸
着活性化によると推定されるスティクション現象が発生
し、静摩擦トルクが増大しモーターが起動不能になると
いう問題が生じた。一方、膜厚が薄過ぎると比較的低い
面圧下においても起動、停止を繰り返すうちに潤滑膜を
破壊し、摺動部の基材同志が接触し、摩耗が急激に進行
した。
【００１２】また、従来例２の潤滑膜は、膜厚が約３０
オングストローム乃至５０オングストロームの時に最良
の効果が得られたが、この膜厚を均一に形成し管理する
ことは極めて困難であり量産性に問題があった。
【００１３】また、一般に気体動圧軸受の場合、スラス
ト気体動圧軸受部は平面状の摺動面を有し、ラジアル気
体動圧軸受部は円筒状の摺動面を有する。これらの摺動
面は起動、停止時には接触している。そしてラジアル気
体動圧軸受部はその摺動面が円筒状のためほぼ線接触の
状態であり、スラスト気体動圧軸受部はその摺動面が平
面状のため面接触となっている。これらの摺動面には回
転体重量に起因する面圧が付加された状態となるが、同
一の回転体を支持する場合において、面接触状態のスラ
スト気体動圧軸受部と比較し、線接触状態のラジアル気
体動圧軸受部は極めて大きな面圧が付加されることにな
る。
【００１４】例えば、モーターを軸垂直姿勢で使用した
場合回転体は略スラスト気体動圧軸受部で支持され、軸
水平姿勢で使用した場合回転体は略ラジアル気体動圧軸
受部で支持されることになる。つまり同一モーターにお
いて、起動、停止を繰り返すことにより、軸受衝動面の
潤滑膜はモーターの姿勢が軸垂直の状態と比較し軸水平
の状態の時の方が著しく劣化することになる。
【００１５】従来例２と同種の潤滑膜を施した気体動圧
軸受をハードディスク用スピンドルモーターに使用しコ
ンタクト・スタート・ストップ（ＣＳＳ）試験を行った
ところ、モーターの姿勢が軸垂直の状態で約４万回を達
成したが、軸水平の状態では５００回程度で起動不能と
なった。これはモーターの姿勢が軸水平で使用される場
合、従来の潤滑膜を施してもラジアル気体動圧軸受部の
摺動面の耐摩耗性においては実用的にも問題があること
を示している。
【００１６】また、従来この種の軸受摺動面に設けられ
た動圧発生用溝の深さは数ミクロン乃至数十ミクロンで
ある。これらの軸受は軸受を構成する部材全てをセラミ
ックス材とし、摺動面を研磨等により平滑に仕上げる
か、又は軸受を構成する部材をステンレス鋼やアルミニ
ウム等の金属で構成し平滑に仕上げられた摺動面に例え
ば炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）、アルミ
ナ（Ａｌ2Ｏ3）等のセラミックス材をコーティングして
も良い。動圧発生用の溝はこれらの摺動面に対して例え
ばレーザーによる熱加工、又はイオンエッチング法やシ
ョットブラスト法等の除去加工で形成している。
【００１７】しかしながら、セラミックス材よりなる摺
動面に前記加工法による動圧発生用溝を設けた場合、通
常加工面には加工時の衝撃によりマイクロクラックを誘
発することが多い。このため前記加工方法により設けら
れた溝表面には多数のマイクロクラックが存在すること
が考えられる。また、セラミックス材は脆性材料である
ことから、起動、停止時の摺動面同志の接触による衝撃
を繰り返す度に、前記マイクロクラックは次第に成長
し、セラミック材特有の粒界破壊を引き起こす要因とな
る。
【００１８】破壊され離脱したセラミックス粒子は数ミ
クロン程度の直径をなし、動圧発生用溝や軸受摺動部の
隙間に蓄積されその一部は軸受外部へ放出される。軸受
摺動部の隙間に蓄積された粒子は摺動面の異常摩耗を引
き起こし、軸受の寿命を著しく短縮する。また、軸受の
外部に放出された粒子は外部環境を汚染し、例えばハー
ドディスクドライブ装置等に使用した場合、磁気ヘッド
や磁気ディスク表面をクラッシュさせる等の致命的なト
ラブルを引き起こす等の問題も内在していた。
【００１９】本発明は上述の点に鑑みてなされたもの
で、起動、停止時に固体間で摺動する気体動圧軸受の改
良に関し、上記問題点を除去し、比較的高い面圧下にお
いても摩擦係数の変化が少なく、モーターの動作時の姿
勢の制約を受けることなく頻繁な起動、停止の繰り返し
を行っても、起動時の軸受摩擦トルクを小さく維持で
き、軸受からの発塵もなくクリーンな環境での使用が可
能な気体動圧軸受を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明は、円筒状のラジアル軸受部材の両端に第１及び
第２のスラスト板を直接当接させ一体化した主軸受部材
と、円筒状でその内周面及び両端面が主軸受部材のラジ
アル軸受部材の外周面及び第１及び第２のスラスト板の
対向面に対向して協動するラジアルスリーブとによりラ
ジアル気体動圧軸受部及びスラスト気体動圧軸受部を構
成し、スラスト気体動圧軸受を構成するラジアルスリー
ブの両端面又は、両端面に対向する主軸受部材の第１及
び第２のスラスト板の面のいずれか一方に動圧発生用溝
が設けられ、ラジアル気体動圧軸受部及びスラスト気体
動圧軸受部の少なくとも一方の気体動圧軸受の相対向す
る摺動面の少なくとも一方の摺動面に均一な水素化アモ
ルファスカーボン（ａ−Ｃ：Ｈ）膜を設けたことを特徴
とする。
【００２１】また、前記スラスト気体動圧軸受部及びラ
ジアル気体動圧軸受部の少なくとも摺動部がセラミック
ス材で構成されていることを特徴とする。
【００２２】また、前記摺動部のセラミックス材が水素
化アモルファスカーボン膜と密着性の良い炭化珪素（Ｓ
ｉＣ）又は窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）又はアルミナ（Ａｌ2
Ｏ3）であることを特徴とする。
【００２３】また、前記摺動面に設けられた水素化アモ
ルファスカーボン膜がプラズマＣＶＤ法により形成され
た厚さ２００オングストローム以上の均一な膜であるこ
とを特徴とする。
【００２４】また、前記摺動面に設けられた動圧発生用
溝が、予め所定の形状に加工されたマスクによりマスキ
ングされた後、非マスキング部分に予定された溝の深さ
と等しい厚さの水素化アモルファスカーボン膜を形成す
ることにより形成したことを特徴とする。
【００２５】また、前記摺動面に設けられた動圧発生用
溝が、予め所定の形状に所定の加工方法で加工した後、
該動圧発生用溝を含む摺動面に水素化アモルファスカー
ボン膜を形成したことを特徴とする。
【００２６】また、前記水素化アモルファスカーボン膜
を形成する前の摺動面の面粗度Ｒａが０．３ミクロン以
下で予め仕上げ加工されていることを特徴とする。
【００２７】また、前記スラスト気体動圧軸受部及び前
記ラジアル気体動圧軸受部の摺動面に形成された水素化
アモルファスカーボン膜が摺動面が受ける面圧に応じた
最適な膜厚に選択され、スラスト気体動圧軸受部の摺動
面とラジアル気体動圧軸受部の摺動面とが相対的に異な
る膜厚の水素化アモルファスカーボン膜で被膜されてい
ることを特徴とする。
【００２８】
【作用】本発明の気体動圧軸受においては、軸受の摺動
面の材質が金属又はセラミックス材からなり、摺動面は
厚さ２００オングストローム以上の水素化アモルファス
カーボン膜（ａ−Ｃ：Ｈ）を設けて、被覆されている。
水素化アモルファスカーボン膜は緻密で天然ダイヤモン
ドに次ぐ硬度を有し、低い摩擦係数と耐摩耗性に優れ
た、潤滑膜として理想の特性を示す。
【００２９】軸受摺動部材料にセラミックス材、特に炭
化珪素（ＳｉＣ）、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）、アルミナ
（Ａｌ2Ｏ3）を用いることにより、水素化アモルファス
カーボン膜との密着生に優れ、良好な結果が得られる。
【００３０】軸受摺動部材料が金属の場合、水素化アモ
ルファスカーボン膜との線膨張係数の差が大きく、膜生
成時の反応による基板温度上昇に起因する残留内部応力
により膜に亀裂が生じ易く問題となることがあるが、こ
の場合金属の基板材料の表面を前記セラミックス材でコ
ーティングを施し、その上に水素化アモルファスカーボ
ン膜を形成することにより、密着性のよい高品質な膜を
生成することができる。
【００３１】水素化アモルファスカーボン膜を形成する
前の摺動面の面粗度Ｒａを０．３ミクロン以下とした
が、０．３ミクロン以上とすると真実の接触面積が小さ
くなるため、結果的に局部的な面圧が上がり表面の凸部
同志の衝撃による薄膜の破損や剥離が生じ易くなり、効
果を発揮することができない。
【００３２】動圧発生用溝を予め所定の形状に加工され
たマスクにより摺動面をマスキングした後、非マスキン
グ部分に予定された溝の深さと等しい厚さの水素化アモ
ルファスカーボン膜を形成することにより、動圧発生用
溝の溝の深さを極めて正確に管理することができる。
【００３３】摺動面に動圧発生用溝を予め所定の形状に
所定の加工方法で加工した後、該動圧発生用溝を含む摺
動面に水素化アモルファスカーボン膜を形成したことに
より、溝加工時に誘発され溝表面に存在するマイクロク
ラックも水素化アモルファスカーボン膜によって被覆さ
れることになり、起動、停止時の摺動面同志の接触によ
る衝撃によって引き起こされる粒界破壊も防止される。
【００３４】水素化アモルファスカーボン膜は図８に示
すように、ラマン分光法によりその構造を分析すると、
１５２５（１／ｃｍ）付近を中心にショルダーバンドを
有する非対称性ラマンバンドが観察される。この２成分
のラマンスペクトルの相対強度の比は面積強度比におい
て１．３１であることが計算により求まる。これは本薄
膜が１３３２（１／ｃｍ）付近に単一のシャープなラマ
ンスペクトルを示す正四面体配置のダイヤモンド（ｓｐ
3）構造や、１５８１（１／ｃｍ）付近に単一のシャー
プなラマンスペクトルを示す三配位層状グラファイト
（ｓｐ2）構造のような完全な結晶性を有せず、ｓｐ2的
構造に由来するブロードなラマンスペクトルを示すもの
であり、いわゆる非晶質なダイヤモンド状炭素膜の特性
を有していることを示す。
【００３５】気体動圧軸受の摺動面に上記水素化アモル
ファスカーボンからなる２００オングストローム以上の
薄膜を設けることにより、本発明の気体動圧軸受は、後
に詳述するように摩擦係数を０．３以下とすることがで
き、平均面圧が略６０ｇｆ／ｃｍ2のこの種の軸受とし
ては、比較的高面圧において摺動試験を行ったところ、
摺動面が従来の炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化珪素（Ｓｉ3
Ｎ4）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）等のセラミックス材より
なる場合や従来例２に示す潤滑膜を施した場合と比較
し、長時間の摺動に対しても摩擦係数の変化が殆どなく
優れた耐久性を示した。
【００３６】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図１は本発明に係る気体動圧軸受の構造を示す
断面図である。図１において、１はセラミックス材から
なる円筒状のラジアル軸受部材であり、該ラジアル軸受
部材１の両端面にセラミックス材からなる第１のスラス
ト板２及び第２のスラスト板３が直接当接している。４
はセラミックス材からなる円筒状のラジアルスリーブで
あり、該ラジアルスリーブ４はその内周面４ａ及び両端
面４ｂ，４ｃを前記ラジアル軸受部材１の外周面１ａ及
び第１、第２のスラスト板２、３の対向面２ａ、３ａで
回転自在に支持されている。
【００３７】前記円筒状のラジアル軸受部材１の両端面
に第１、第２のスラスト板２、３を直接当接させ、円筒
状のラジアル軸受部材１の中央に設けた貫通穴に、主軸
５を貫通させ、下端部に固定ナット６を螺合させ、締め
付けることにより、円筒状のラジアル軸受部材１とその
両端の第１、第２のスラスト板２、３を一体的に固定
し、主軸受部材を構成する。主軸５にはその半径方向に
延長された段付き部５ａ及び該段付き部５ａに設けられ
た軸方向に直角な平面よりなる胴付き面５ｂを有し、第
１のスラスト板２は該胴付き面５ｂと円筒状のラジアル
軸受部材１の上面との間に挟持され、第２のスラスト板
３は円筒状のラジアル軸受部材１の下面とワッシャー１
２の上面との間に挟持されている。
【００３８】上記ラジアル軸受部材１の外周面１ａとラ
ジアルスリーブの内周面４ａでラジアル気体動圧軸受部
を構成し、第１、第２のスラスト板２、３の対向面２
ａ、３ａとラジアルスリーブ４の両端面４ｂ、４ｃでス
ラスト気体動圧軸受部を構成している。ラジアル気体動
圧軸受及びスラスト気体動圧軸受の摺動部において、平
面度、円筒度及び真円度等は全て１ミクロン以下の精度
で加工されており、動圧発生部のクリアランスは２乃至
１０ミクロンに管理されている。
【００３９】第１、第２のスラスト板２、３の対向面２
ａ、３ａには、例えば図２に示すようなスパイラル状の
動圧発生用溝Ｃ１を設け、これに対向するラジアルスリ
ーブ４の両端面４ｂ、４ｃは平滑に形成している。ま
た、ラジアル軸受部材１の外周面１ａの両端部には例え
ば図３に示すようなヘリングボーン状の動圧発生用溝Ｄ
１を設け、これと対向するラジアルスリーブ４の内周面
４ａを平滑に形成している。
【００４０】なお、上記例では動圧発生用溝を主軸受部
材側にだけ設けたが、これに限定されるものではなく、
ラジアルスリーブ４の両端面４ｂ、４ｃ及び内周面４ａ
にそれぞれスパイラル状の動圧発生用溝及びヘリングボ
ーン状の動圧発生用溝を設け、主軸受部材側である第
１、第２のスラスト板２、３の対向面２ａ、３ａ及びラ
ジアル軸受部材１の外周面１ａを平滑にしてもよい。
【００４１】また、本実施例に示すような構成のラジア
ル動圧軸受において、比較的低速回転数域で使用させる
場合は、ラジアル動圧発生用溝は設けなくとも良い。例
えば、ハードディスクドライブ装置に使用されるスピン
ドルモータや磁気テープ記憶装置に使用されるドラムモ
ータ等はその回転数が１８００ｒ．ｐ．ｍ乃至６０００
ｒ．ｐ．ｍ程度であり、この程度の回転数域ではラジア
ル動圧発生用溝の無い真円軸受の方がラジアル動圧発生
用溝を設けたものより、軸受剛性が大きい場合があるか
らである。
【００４２】上記構成の気体動圧軸受において、ラジア
ル気体動圧軸受部を構成するラジアル軸受部材１の外周
面１ａとラジアルスリーブ４の内周面４ａの少なくとも
いずれか一方の面には厚さ２００オングストローム以上
の均一な水素化アモルファスカーボン膜がプラズマＣＶ
Ｄ法により形成されている。
【００４３】一方スラスト気体動圧軸受部を構成する第
１、第２のスラスト板２、３の対向面２ａ、３ａとラジ
アルスリーブ４の両端面４ｂ、４ｃの少なくともいずれ
か一方の面には厚さ２００オングストローム以上の均一
な水素化アモルファスカーボン膜がプラズマＣＶＤ法に
より形成されている。これらの水素化アモルファスカー
ボン膜は、予め平滑に研磨仕上げされた摺動面に対し、
例えばレーザー等の熱加工により動圧発生用溝が設けら
れた後、図４に示すように動圧発生用溝ｃを含め軸受摺
動面ａに均一に水素化アモルファスカーボン膜ｂが形成
される。
【００４４】このため、溝加工時に誘発され溝表面に存
在するマイクロクラックも水素化アモルファスカーボン
膜によって被覆されることになり、起動、停止時の摺動
面同志の接触による衝撃によって引き起こされる粒界破
壊も防止され、離脱したセラミックス粒子に起因する摺
動面の異常摩耗や外部環境の汚染等の問題も未然に防止
することができる。また、動圧発生用溝の深さが略２μ
ｍ以下の場合は従来のレーザーによる熱加工法やショッ
トブラスト法等による除去加工では溝の深さを正確に形
成管理することが困難となる。これはセラミックスの結
晶粒子が動圧発生用溝の深さより大きいことに起因して
いる。
【００４５】前記レーザーによる熱加工法やショットブ
ラスト法等による除去加工で溝を形成する場合は、溝加
工時の衝撃によりマイクロクラックが発生し粒界破壊を
引き起こす。即ち、離脱した粒塊は所望する溝の深さよ
り深い穴を残存させるからである。このような場合、平
滑に研磨仕上げされた摺動面に対し、所定の形状に加工
された金属又はポリアミド等の耐熱性を有する樹脂のマ
スクによりマスキングを行った後、非マスキング部に対
して所定の動圧発生用溝の深さに等しい厚さになるよ
う、水素化アモルファスカーボン膜を摺動面に均一に形
成する。マスク材は膜形成後に除去する。
【００４６】このようにして成膜された水素化アモルフ
ァスカーボン膜は図５に示すようにマスキングにより水
素化アモルファスカーボン膜ｂが形成されなかった部分
が動圧発生用溝ｃとなり溝の深さは極めて正確に管理さ
れる。但し、動圧発生用溝の深さが略２μｍを超える場
合、本方法の採用は量産性を考慮した場合効果的でな
い。２μｍを超える水素化アモルファスカーボン膜を形
成する場合は、長時間を要し、膜生成のために大掛かり
な設備を必要とし、生産コストの上昇を招くことになる
からである。
【００４７】また、各摺動部の膜厚は目的に応じ最小限
の厚さに成膜されることがコスト的にも望ましい。つま
り高面圧下での耐久性を必要とする場合、膜厚を薄くす
ることはできないが、比較的低い面圧下においては均一
な成膜が可能な最小限の膜厚とするのが効果的である。
【００４８】本実施例ではアキシャル気体動圧軸受部に
対し、ラジアル動圧軸受部に付加される面圧が相対的に
高い状態で使用されることを考慮し最適な膜厚が選択さ
れており、アキシャル気体動圧軸受の摺動面の膜厚を略
５００オングストロームとし、ラジアル気体動圧軸受部
の摺動部の摺動面の膜厚を略２５００オングストローム
とし、低価格で耐久性に優れた気体動圧軸受を実現し
た。
【００４９】また、本実施例では気体動圧軸受を各種情
報機器等に要求される高精度な回転性能を実現するた
め、前述のように軸受摺動部においては平面度、円筒度
及び真円度等は全て２乃至１０ミクロンに形成管理され
ている。摺動部の面粗度Ｒａは０．３ミクロン以下が好
ましく、０．３ミクロンより大きくなると真実の接触面
積が小さくなるため、結果的に局部的な面圧が上がり表
面凸部同志が衝撃による薄膜の破壊や剥離が生じ易くな
り、効果か発揮することができない。
【００５０】摺動面は超音波洗浄等により十分脱脂、洗
浄し、イオンエッチング法等により有機物等を完全に除
去し表面を活性化させた後、例えばプラズマＣＶＤ法等
により水素化アモルファスカーボン膜を摺動面に形成す
る。
【００５１】高周波プラズマＣＶＤ法による実験では基
板に面粗度Ｒａが０．３ミクロンに研磨加工された炭素
珪素（ＳｉＣ）を使用し、高周波（１３．５６ＭＨｚ）
出力を約３００Ｗとし、原料ガスとしてメタンガスと水
素ガスの混合ガスを使用し約２５００オングストローム
の水素化アモルファスカーボン膜を生成した。基板の初
期温度は室温で行い反応終了後の基板温度は約１２０℃
であった。また、この時の反応全圧は約０．０１Ｔｏｒ
ｒ、膜の堆積速度は約３０００オングストローム／ｍｉ
ｎであった。
【００５２】高周波プラズマＣＶＤ法による水素化アモ
ルファスカーボン膜の形成において、本実施例に使用し
た基板上では膜厚が２００オングストローム程度を下回
ると膜の形成管理が困難であり、また膜に欠陥が生じ易
く高品質で均一な膜生成は期待できない。従って、本発
明の気体動圧軸受の場合は膜厚を２００オングストロー
ム以上とすることが望ましい。
【００５３】また、これらの膜を生成する手段として
は、例えばマイクロ波プラズマＣＶＤ法やＰＶＤ法等で
も同等の成膜が可能であり、高周波プラズマＣＶＤ法に
限ったものではない。
【００５４】基板材料、つまりラジアル気体動圧軸受及
びスラスト気体動圧軸受の軸受摺動部材料は水素化アモ
ルファスカーボン膜との密着性に優れる材料が使用で
き、特にセラミックス材の炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化珪
素（Ｓｉ3Ｎ4）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）が良好な結果が
得られた。
【００５５】基板材料が金属の場合、前述のように水素
化アモルファスカーボン膜との線膨張係数の差が大き
く、膜生成時の反応による基板温度上昇に起因する残留
内部応力により膜に亀裂が生じ易く問題となることがあ
る。この場合金属の基板材料の表面を前記セラミックス
材でコーティングを施し、その上に水素化アモルファス
カーボン膜を形成することにより、基板材料と密着性の
よい高品質な膜を生成することができる。
【００５６】本発明に係る気体動圧軸受を用いたスピン
ドルモータの一例を説明する。図６は本発明に係る気体
動圧軸受を使用するハードディスク用スピンドルモータ
の構造を示す図である。図６において、Ｉは本発明の気
体動圧軸受（その構造は図１と略同一）である。
【００５７】７はアルミニウム材等よりなるハブで、該
ハブ７の内周面７ａにラジアルスリーブ４の外周が固着
されている。該ハブ７の外周７ｂには磁気ディスクのス
タックが載架できるようになっている。ハブ７の内周面
７ａの下端にはバックヨーク８の外周面８ａが固着さ
れ、該バックヨーク８の内周面８ｂにはロータマグネッ
ト９の外周９ａが固着されている。
【００５８】ステータコア１０は該ステータコア１０の
中央に設けられた貫通穴に貫通した主軸５の下部に固着
され、該ステータコアの外周面１０ａは前記ロータマグ
ネット９の内周面９ｂに対向している。該ステータコア
１０には界磁コイル１１が巻き回されており、該界磁コ
イル１１に適切な電流を供給することによりロータマグ
ネット９が固着されたハブ７が回転駆動される。該ハブ
７の回転駆動により、スラスト気体動圧軸受を構成する
第１、第２のスラスト板２、３の対向面２ａ、３ａとラ
ジアルスリーブ４の両端面４ｂ、４ｃの間に気体動圧が
発生し、スラスト気体動圧軸受が形成される。また、ラ
ジアル気体動圧軸受を構成するラジアル軸受部材１の外
周面１ａとラジアルスリーブ４の内周面４ａとの間に動
圧が発生し、ラジアル気体動圧軸受が形成される。
【００５９】上記構成のハードディスク用スピンドルモ
ータにおいて、２．５インチ径の磁気ディスク４枚を搭
載しコンタクト・スタート・ストップ（ＣＳＳ）試験を
行ったところモータの軸垂直姿勢の状態で１０万回以
上、モータの軸水平姿勢の状態で５万回以上を達成し、
この間の起動の摩擦トルクの増加は殆どなく、又摩擦に
起因する軸受摺動面からの発塵も認められなかった。
【００６０】図７は気体動圧軸受の摺動試験結果を示す
図である。図７の曲線ａの気体動圧軸受は、図１に示す
気体動圧軸受と同じ構造で、スラスト板及びラジアルス
リーブの摺動部は炭化珪素（ＳｉＣ）よりなり、その対
向する摺動面にはそれぞれ略２５００オングストローム
の均一な水素化アモルファスカーボン膜を形成したもの
である。
【００６１】試験は主軸が垂直上向きの姿勢で行い、ス
ラスト摺動距離に対する摩擦係数の変化を確認するもの
である。この時の条件は、軸方向に静荷重を印加するこ
とにより、スラスト板及びラジアルスリーブの端面の対
向するスラスト摺動面の平均面圧を略６０ｇｆ／ｃｍ2
とし、平均相対速度を略０．７ｍｍ／秒として行った。
この場合の試験結果は曲線ａに示すように平均摺動距離
が４３００ｍを超えても摩擦係数の変化は殆どなく、試
験後においても摺動痕跡は観察されなかった。
【００６２】図７の曲線ｂは曲線ａと比較するために試
験した気体動圧軸受の試験結果を示す図で、この気体動
圧軸受においては、摺動面には全く潤滑薄膜を施さず直
接摺動部材の炭化珪素（ＳｉＣ）同志が摺動するように
した以外は、曲線ａの場合と気体動圧軸受構造及び試験
条件は同一である。この場合、曲線ｂに示すように平均
摺動距離が２２０ｍ程度で急激に摩擦係数の増加が認め
られた。また、試験後において、摺動面には多数の摺動
痕跡が観察された。
【００６３】図７の曲線ｃは曲線ａと比較するために試
験した気体動圧軸受の試験結果を示す図で、この気体動
圧軸受においては、摺動面には水素化アモルファスカー
ボン膜に替え、前記従来例２に示すような官能基を有す
る含フッ素重合体の厚さ５０オングストロームよりなる
潤滑薄膜を施した以外は、曲線ａの場合と気体動圧軸受
構造及び試験条件は同一である。この場合、曲線ｃに示
すように平均摺動距離が６３０ｍ程度で潤滑膜の劣化に
起因する急激な摩擦係数の増加が認められた。また、試
験後において、摺動面にわずかの摺動痕跡が観察され
た。
【００６４】
【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば下
記のような優れた効果が得られる。 （１）気体動圧軸受の相対向する摺動面の少なくとも一
方の摺動面に、緻密で天然ダイヤモンドに次ぐ硬度を有
し、低い摩擦係数と耐摩耗性に優れた、潤滑膜として理
想の特性を有する水素化アモルファスカーボン（ａ−
Ｃ：Ｈ）膜を均一に設けたので、比較的高い面圧下にお
いても摩擦係数の変化が少なく、軸姿勢の制約を受ける
ことなく、頻繁な起動、停止を繰り返しても起動時の摩
擦トルクを小さく維持でき、軸受からの発塵もなくクリ
ーンな環境での使用が可能な気体動圧軸受を提供でき
る。
【００６５】（２）軸受摺動部材料にセラミックス材、
特に炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）、アル
ミナ（Ａｌ2Ｏ3）を用いることにより、水素化アモルフ
ァスカーボン膜との密着性に優れ、良好な結果が得られ
る。特に、軸受摺動部材料が金属の場合、水素化アモル
ファスカーボン膜との線膨張係数の差が大きく、膜生成
時の反応による基板温度上昇に起因する残留内部応力に
より膜に亀裂が生じ易く問題となることがあるが、この
場合金属の基板材料の表面を前記セラミックス材でコー
ティングを施し、その上に水素化アモルファスカーボン
膜を形成することにより、密着性のよい高品質な膜を生
成することができる。
【００６６】（３）気体動圧軸受の水素化アモルファス
カーボン膜を形成する前の摺動面の面粗度Ｒａを０．３
ミクロン以下とすることにより、摺動面の凸部同志の衝
突による水素化アモルファスカーボン薄膜の破損や剥離
が発生しにくくなる。水素化アモルファスカーボン膜を
形成する前の摺動面の面粗度Ｒａを０．３ミクロン以下
としたが、０．３ミクロン以上とすると真実の接触面積
が小さくなるため、結果的に局部的な面圧が上がり表面
の凸部同志の衝撃による薄膜の破損や剥離が生じ易くな
り、効果を発揮することができない。
【００６７】（４）動圧発生用溝を予め所定の形状に加
工されたマスクにより摺動面をマスキングした後、非マ
スキング部分に予定された溝の深さと等しい厚さの水素
化アモルファスカーボン膜を形成するので、動圧発生用
溝の溝の深さを極めて正確に管理することができる。
【００６８】（５）摺動面に動圧発生用溝を予め所定の
形状に所定の加工方法で加工した後、該動圧発生用溝を
含む摺動面に水素化アモルファスカーボン膜を形成した
ので、溝加工時に誘発され溝表面に存在するマイクロク
ラックも緻密で天然ダイヤモンドに次ぐ硬度を有する水
素化アモルファスカーボン膜によって被覆されることに
なり、起動、停止時の摺動面同志の接触による衝撃によ
って引き起こされる粒界破壊も防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の気体動圧軸受の構造を示す図である。
【図２】本発明の気体動圧軸受のスラスト板に設けるス
パイラル状動圧発生用溝例を示す図である。
【図３】本発明の気体動圧軸受のラジアルスリーブに設
けるヘリングボーン状動圧発生用溝例を示す図である。
【図４】本発明の気体動圧軸受の気体動圧発生用溝を示
す断面図である。
【図５】本発明の気体動圧軸受の気体動圧発生用溝を示
す断面図である。
【図６】本発明に係る気体動圧軸受を使用したハードデ
ィスク用スピンドルモータの構造を示す図である。
【図７】気体動圧軸受の摺動試験結果を示す図である。
【図８】水素化アモルファスカーボン（ａ−Ｃ：Ｈ）膜
のラマン分光法による分析結果を示す図である。
【符号の説明】
１ ラジアル軸受部材 ２ 第１のスラスト板 ３ 第２のスラスト板 ４ ラジアルスリーブ ５ 主軸 ６ 固定ナット ７ ハブ ８ バックヨーク ９ ロータマグネット １０ ステータコア １１ 界磁コイル １２ ワッシャー

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 円筒状のラジアル軸受部材の両端に第１
    及び第２のスラスト板を直接当接させ一体化した主軸受
    部材と、円筒状でその内周面及び両端面が前記主軸受部
    材のラジアル軸受部材の外周面及び第１及び第２のスラ
    スト板の対向面に対向して協動するラジアルスリーブと
    によりラジアル気体動圧軸受及びスラスト気体動圧軸受
    を構成し、 前記スラスト気体動圧軸受を構成するラジアルスリーブ
    の両端面又は、該両端面に対向する前記主軸受部材の第
    １及び第２のスラスト板の面のいずれか一方に動圧発生
    用溝が設けられ、 前記ラジアル気体動圧軸受部及びスラスト気体動圧軸受
    部の少なくとも一方の気体動圧軸受の相対向する摺動面
    の少なくとも一方の摺動面に均一な水素化アモルファス
    カーボン（ａ−Ｃ：Ｈ）膜を設けたことを特徴とする気
    体動圧軸受。
  2. 【請求項２】 前記スラスト気体動圧軸受部及び前記ラ
    ジアル気体動圧軸受部の少なくとも摺動部がセラミック
    ス材で構成されていることを特徴とする請求項１記載の
    気体動圧軸受。
  3. 【請求項３】 前記摺動部のセラミックス材が水素化ア
    モルファスカーボン膜と密着性の良い炭化珪素（Ｓｉ
    Ｃ）又は窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）又はアルミナ（Ａｌ
    2Ｏ3）であることを特徴とする請求項２記載の気体動圧
    軸受。
  4. 【請求項４】 前記摺動面に設けられた水素化アモルフ
    ァスカーボン膜がプラズマＣＶＤ法により形成された厚
    さ２００オングストローム以上の均一な膜であることを
    特徴とする請求項１記載の気体動圧軸受。
  5. 【請求項５】 前記摺動面に設けられた動圧発生用溝
    が、予め所定の形状に加工されたマスクによりマスキン
    グされた後、非マスキング部分に予定された溝の深さと
    等しい厚さの水素化アモルファスカーボン膜を形成する
    ことにより設けたことを特徴とする請求項１乃至４のい
    ずれか一つに記載の気体動圧軸受。
  6. 【請求項６】 前記摺動面に設けられた動圧発生用溝
    が、予め所定の形状に所定の加工方法で加工した後、該
    動圧発生用溝を含む摺動面に水素化アモルファスカーボ
    ン膜を設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれ
    か一つに記載の気体動圧軸受。
  7. 【請求項７】 前記水素化アモルファスカーボン膜を設
    ける前の摺動面の面粗度Ｒａが０．３ミクロン以下で予
    め仕上げ加工されていることを特徴とする請求項１乃至
    ６のいずれか一つに記載の気体動圧軸受。
  8. 【請求項８】 前記スラスト気体動圧軸受部及び前記ラ
    ジアル気体動圧軸受部の摺動面に形成された水素化アモ
    ルファスカーボン膜が摺動面が受ける面圧に応じた最適
    な膜厚に選択され、前記スラスト気体動圧軸受部の摺動
    面と前記ラジアル気体動圧軸受部の摺動面とが相対的に
    異なる膜厚の水素化アモルファスカーボン膜で被服され
    ていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一つ
    に記載の気体動圧軸受。
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