微細溝軸体の転造加工方法とその軸体
【課題】軸体の高密度化と量産化を図った高精度の微細溝を有する軸体の加工技術とその軸体の提供。
【解決手段】 ステンレス鋼の金属粉末をポリエチレン等の結合材とともに混合し混練する。この混練した混練体を射出成形機により射出成形し脱脂焼結して素材軸体を成形する。この脱脂焼結された素材軸体の加工面に、素材軸体を挟み２つの転造金型の相対移動動作で回転させながら押圧して転造する転造装置によりへリングボーン形状の微細溝の転造加工を施す。
【解決手段】 ステンレス鋼の金属粉末をポリエチレン等の結合材とともに混合し混練する。この混練した混練体を射出成形機により射出成形し脱脂焼結して素材軸体を成形する。この脱脂焼結された素材軸体の加工面に、素材軸体を挟み２つの転造金型の相対移動動作で回転させながら押圧して転造する転造装置によりへリングボーン形状の微細溝の転造加工を施す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸体の転造加工技術に関する。さらに詳しくは、微細溝を有する軸体の転造加工技術とその軸体に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報通信機器、ＩＣ機器分野における集積化、小型化のため、例えばデータ読み取り機器に使用されるスピンドルモータは、その軸受部に高精度の動圧流体軸受が採用されている。このスピンドルモータの軸受面にはへリングボーン等の微細溝が施されている。この動圧は回転体の外周部から回転体中心に向かって押圧する圧力である。
【０００３】
動圧軸受とは、例えば、へリングボーン形状において、回転体の回転に伴い、動圧部のへリングボーン形状の回転動作でポンピングを行い潤滑流体（気体、液体）に動圧を発生させ、回転体を支承させるものである。軸受はスリーブ又は軸体が相手固定受部に対し相対回転して回転可能に支承する構成のものである。この軸受は、前述のように、例えば軸側の軸体の回転部分にポンピング動作を行わせるための溝が設けられている。特にラジアル軸受は微細なへリングボーン形状のものが多く採用されている。
【０００４】
この溝は非常に小さく、且つ深さが３〜２０μｍ程度の浅い溝であり、溝の数も多いことから量産加工されるものである。この量産加工のため、微細溝を有する軸受体を高精度、低コスト、高品質を維持しつつ塑性加工が施される。この塑性加工においては、特殊な加工形態となるので、その実現のため色々な試みがなされ、μｍオーダーの突起を圧延ロールに転写するための加工例や、モータ軸の動圧軸受面の動圧発生溝の形成、マイクロねじ等の微小部品の成形に関する等種々の研究報告がなされている。
【０００５】
例えば、記録ディスクの駆動装置等に適用し、動圧軸受部の中空円筒状部材の内周面にプレスにより成形加工されるへリングボーン形状の加工技術が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。又、内金型に圧電素子の出入り動作を行うようにした金型構成で、動圧軸受を構成する樹脂体のスリーブ内径部に圧電素子の印加でへリングボーン形状の溝を成形する技術も知られている（例えば特許文献３参照）。
【０００６】
一方、最近、金属粉末射出成形法（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ，略称「ＭＩＭ」という）で製造される金属部品が多くなっている。この成形法は簡略的にいうと、金属粉末とバインダーとを混合、混練し、この混練物を射出成形し、脱脂焼結して金属部品となすものである。このＭＩＭによって得られた成形体は、密度の高い部品となる利点がある。このＭＩＭによる金属部品は、３次元的な複雑な部品を精度よく生産できる特徴を有している。寸法公差においても金属加工精度に匹敵する製品も可能となっている。このＭＩＭ技術はまだ製造コストが高く、使用される分野も限られている。現状では、携帯電話等のＯＡ機器、時計、カメラ等の精密機器、鍵部品、医療機器等に使用されている。
【０００７】
このＭＩＭ製法は、例えば、金属粉末の主成分がＦｅ又はＦｅ系合金で構成されたもの、あるいは金属粉末の主成分がステンレス鋼で構成されたもので、Ｎ（窒素）が重量比で０．１〜０．５ｗｔ％含まれる素材として知られている（例えば、特許文献４参照）。又、磁気ディスクの駆動装置のモータ軸がメタルインジェクションモールド成形による焼結金属から構成されているものも知られている（例えば、特許文献５参照）
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１９７５５号公報
【特許文献２】特開２００１−７４０４０号公報
【特許文献３】特開２００４−５２９５１号公報
【特許文献４】特開平１１−１８１５０１号公報
【特許文献５】特開平０６−２５３４９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述のように、へリングボーン形状の軸受は、微細形状であるが故に特に高精度を要求される。この軸受部の加工は、量産のため塑性加工がなされるが、特に転造加工の場合、この加工結果は転造条件に大きく左右される。へリングボーンの形状は、例えば、軸体の回転方向に対しＶ字形状を有し、例えば幅１．０ｍｍ乃至０．５ｍｍ、溝深さ例えば１０μｍを等ピッチで転写させるものである。当然のことながら、転造の金型、即ちダイス側もこれに対応する凸部形状を有している。
【００１０】
転造に伴ない、強制的に押圧されることから、軸体には塑性変形、弾性変形が微妙に発生する。このため、その押し込み量や転造条件の設定は、実験的、経験的な裏づけの解析により決定される。しかし、このμｍオーダーの伴なう微細溝を円柱体の外周面に精度よく転写することを目的とする転造加工例はない。一方前述したＭＩＭによる金属成形体は、高精度で高密度の多孔質素材である。ＭＩＭによる金属成形体として、モータ軸の部品が製造されていることも公知である。この他、ＯＡ機器、精密機器、医療機器等に利用されていることは前述のとおりである。しかしながら、微細溝を有する軸体に対して適用された例はない。
【００１１】
微細溝を有する軸体は、特に動圧軸受の軸体は高精度を要する部品である。従って、もし転造によりへリングボーン形状を転写するのであれば、軸体そのものの強化が図られつつ、転造によっても精度を保障するものでなければならない。更に、数が多いので量産化を可能とする軸体でなければならない。従来は、このように微細溝まで成形する技術がない上に、また、特に転造の場合は、転造に伴なう精度保障も困難で実現できなかった。
【００１２】
本発明は、このような従来の問題点を解決するために創案されたもので、次の目的を達成する。本発明の目的は、軸体の高密度化と量産化が図られ、高精度の微細溝軸体の転造加工技術とその軸体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、前記目的を達成するために次の手段をとる。
本発明１の微細溝軸体の転造加工方法は、金属粉末を結合材とともに混練して射出成形し脱脂焼結された素材軸体の加工面に、転造装置により微細溝の転造加工を施し微細溝を有する軸体を加工する方法である。
【００１４】
本発明２の微細溝軸体の転造加工方法は、本発明１において、
前記微細溝は、ヘリングボーン形状の溝であることを特徴とする。
【００１５】
本発明３の微細溝軸体の転造加工方法は、本発明１において、
前記金属粉末は、ステンレス鋼の粉末であることを特徴とする。
【００１６】
本発明４の微細溝軸体の転造加工方法は、本発明１において、
前記転造装置は、前記素材軸体を前記微細溝に対応する凸部の形成された２つの転造金型で挟み、この２つの転造金型の相対移動動作で回転させながら押圧して転造し前記微細溝を形成する装置であることを特徴とする。
【００１７】
本発明５の微細溝軸体は、ステンレス鋼粉末を結合材とともに混練して射出成形し脱脂焼結された素材軸体の加工面に、２つの転造金型の相対移動動作で回転させながら押圧して転造する転造装置によりヘリングボーン形状の微細溝の転造加工を施して得られた微細溝軸体である。
【発明の効果】
【００１８】
前述したように、微細溝加工対象の素材軸体に金属粉末射出成形法による金属成形体を採用することにより、軸体は高精度で高密度な多孔質素材軸体を大量生産することが可能となった。この素材軸体の加工面に、微細溝であるへリングボーン形状の転造加工を行うことで動圧軸受に使用可能な高精度の微細溝の軸体が得られた。この軸体に高精度の転造加工を施したことで、従来のスリーブ体にへリングボーン形状を成形させる技術に比べ軸体への成形の方が量産効果が大きく、低コストの動圧軸受の製造を可能とした。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明を適用したＨＤＤ用の駆動モータ１の軸受部の断面を示している。但し、図１の動圧軸受部のヘリングボーン形状は、斜線で簡略的に表示している。図において、本発明に関わる動圧流体軸受２において、へリングボーン形状を有する軸受部は、軸体４である。動圧流体軸受２の軸体４はヘリングボーン形状３構成のものである。前述のようにこのヘリングボーン形状３は軸体４に設けられている。この軸体４はスリーブ体の内径部に装入されているが、一方が回転体であれば、他方は固定部となる。双方が相対的に回転し動圧流体軸受部２を構成する。
【００２０】
通常このヘリングボーン形状３の溝は、複数個形成され群を構成し回転軸線方向に沿って離間し２箇所に設けられる。しかし小型モータ等に適用する場合は、１箇所に設けられることもある。この動圧流体軸受２を適用した駆動モータ１は、固定部と回転部から構成され、図１の構成は回転部が軸体４と固定されている。従って、この回転する軸体４にへリングボーン形状３の溝が形成されている。この軸体４にはロータマグネット５（リング状磁石）が備え付けられていて、ディスクが取り付けられて回転する。軸側が回転する本実施の形態において、固定部には軸体４に固定されたフランジの延長上にあるロータマグネット５に対向してステータコアとこのステータコアに巻回されたコイルのいわゆるステータ６が設けられている。
【００２１】
コイル６ａには図示しない制御回路から駆動電流が流されると、ステータコアとロータマグネット５との間に磁力が発生し回転駆動力が生じる。この回転により、軸体４に設けられた動圧溝部のへリングボーン形状３の動圧溝とこれに対面する平滑面の相対的回転動作で溝に保持された潤滑流体に動圧が発生する。潤滑流体は、気体であり、あるいは油等の液体が対象である。
【００２２】
どちらを選択するかは動圧軸受の構成によって決定される。本実施の形態においては軸体４に本発明になるへリングボーン形状が形成されている。この動圧は軸体４を回転中心方向に押圧する力となる。全周から動圧が軸体４に加えられ、軸体４は固定側のスリーブに対し安定的に回転支承される。
【００２３】
次にこの軸体４とスリーブとの関係をラジアル動圧軸受としてその詳細を説明する。図２、図３は、従来から一般的に採用されているへリングボーン形状７の動圧発生用溝である。一般にこのへリングボーン形状７は、Ｖ字状又はハ字状に対称的な溝群として構成される。図２は１ヶ所に設けた例であり軸体８の長さが短い場合に有効である。軸体８が長い場合は図３に示すように軸体８の両側２ヶ所に設けられる。
【００２４】
図に示す一般的なへリングボーン形状７はＶ字状で模式的に展開図として示している。この溝は、展開した図で示しているが、回転軸線方向と回転円周面方向に跨って直線的に傾斜して設けられている。
【００２５】
このへリングボーン形状３（７）を有する軸体４（８）は、転造によって加工されるが、この軸体の素材は、ＭＩＭによって製造されたものである。
金属粉末は、一般にＦｅ系合金が採用されるが、本実施の形態例におけるモータ軸にはステンレス鋼である方が好ましい。ステンレス鋼は、Ｆｅ材に比し、相対的に低い焼結温度で相対密度の高い製造が可能である。ステンレス鋼の場合は、Ｆｅ材に比し低い焼結温度で、高い焼結温度でなければ得られないＦｅ材の引っ張り強さを実現している。又、ステンレス鋼はモータ軸への採用に関しては、非磁性体としても好ましい。ステンレス鋼は、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼として、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１７、又マルテンサイト系ステンレス鋼として、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４４０、更に析出硬化型ステンレス鋼として、１７−４ＰＨ等である。
【００２６】
このように非磁性体の必要な場合や焼入れ硬度の必要のない場合にステンレス鋼は好適である。ＭＩＭによる製造法は、複雑な部品を大量に生産性よく製造できる金属焼結体として高精度に製造ができる製造方法である。一般に行なわれている無垢材から切削加工により製造された軸体、あるいは鍛造された素材の切削加工による軸体は、加工時間を多く必要としている。ＭＩＭの精度においては、例えば、寸法公差は１０ｍｍ程度の部品で±０．０５ｍｍ〜±０．０３ｍｍ程度である。
【００２７】
このように、切削加工に匹敵する製造が可能である。又、この製造による金属成形体は高密度な多孔質材で一般の焼結材より機械的強度が高いという利点がある。このように軸体を焼結金属として構成することにより、加工歪を生じさせることなく、容易に生産性よく、精度を維持した成形ができる。このように構成される素材軸体に微細溝を施すのである。
【００２８】
次にその転造方法について説明する。図４は、本発明に関わる転造技術を適用した転造装置１０の一例を示したものである。図は簡略的に示した断面図である。転造装置１０は２つの転造金型、即ち、上ダイス１１と下ダイス１２で構成され、軸体４はこの２つの上ダイス１１および下ダイス１２に挟まれる構成である。
【００２９】
２つのダイスはどちらも転造装置１０のベース１３に設けられているが、上ダイス１１は固定状態にあり、下ダイス１２は上ダイス１１に対し相対的に水平方向に移動可能である。又、垂直方向に位置調整の移動が可能である。下ダイス１２は支持体１４に設けられていて、上下方向に楔体１５により移動可能である。この楔体１５は支持体１４に設けられた調整ねじ１６によりテーパ面１５ａの相対位置ずれで、下ダイス１２が上下方向に移動するようになっている。
【００３０】
支持体１４は図示していないがベース１３に設けられた案内部に規制され、ベース１３に設けられたサーボモータ１７によりボールスクリュウ１８を介して、上ダイス１１と平行に水平方向に規制されて移動する。上ダイス１１の転造面は水平状態になっていて、へリングボーン形状３の微細な凸部１１ｂが形成されている。同様にこの上ダイス１１に対向して下ダイス１２の転造面も上ダイス１１の転造面と平行に水平状態になっていて、へリングボーン形状３の微細な凸部１２ｂが形成されている。
【００３１】
又、この２つのダイスの端部は軸体４装入を容易にするため外側に広がるテーパ部１１ａ，１２ａをなしている。転造対象の軸体４はこの２つのダイスに挟まれ回転しながら押圧し転造される。この転造はいわゆる平ダイス転造方式である。即ち、上下の平面金型である２つのダイスの間に軸体４を挿入し、金型平面上に彫り込まれた微細な凸部１１ｂ，１２ｂで、へリングボーン形状３の溝を軸体４に転写するのである。転造の方法について詳述すると、軸体４の挿入前に先ず調整ねじ１６により楔体１５を介して下ダイス１２を上方へ押し上げ移動させる。この移動量は上ダイス１１との間隔と軸体４の外径との関係で設定される。下ダイス１２の押し込み量をｈとすると、その量は次式のようになる。
【００３２】
ｈ＝ｄ（軸体の直径）−ｓ（上下ダイスの凸部間隔）
押し込み量ｈを設定した後、軸体を図に示すようにダイスのテーパ部１１ａ，１２ａに突き当て挿入する。続いて、サーボモータ１７の駆動によりボールスクリュウ１８を回転させ、このボールスクリュウ１８と噛み合っている支持体１４を矢印に示す水平方向に移動させる。この移動に伴ない下ダイス１２は支持体１４と一体的に移動するので、軸体１４は回転しながら２つのダイスに挟まれ押圧される。この転造は１ストロークで行う。又、例えば、両ダイスの相対移動速度は１３００ｍｍ／ｓで加工できる。以上のようにして軸体４へのへリングボーン形状３の溝は容易に、短時間に、高精度に転写できる。
【００３３】
以上説明した転造は、２つのダイスで行う方式であるが、一方を平坦にして、へリングボーン形状の片側ダイスのみで行うことも可能である。しかし、片側ダイスのみで行う場合に比し、２つのダイスで行う場合は、転写される溝深さが均一になり、溝の底部の角部がゆるやかな曲率を有するＲ形状をなす。これは安定的な溝形状が得られることと、角部の亀裂のおそれを防止する効果があり、又、いわゆるまくれ込み現象を抑制するのに効果がある。金型の溝底部の両角部分に曲率を設けることにより転写される丘部の角に生ずる隆起を少なく抑えることができる。これらは実験的な裏付けにより確認されている。従って、本実施の形態例のように２つのダイスで転造を行う方が好ましい。
【００３４】
（応用例）
本実施例においては、微細溝を有する軸体を磁気ディスクの軸体に適用して説明したが、次に示す分野にも適用が可能である。
【００３５】
１、 自動車用モーター：自動車は、―４０℃〜＋１００℃位の温度環境で使用される。最近は電子制御による燃料噴射が採用されていて、ノイズがあるとエンジンの誤動作のおそれがある。従って、ワイパー、ウィンドウ開閉、ミラー等のモーターはブラシレス化が進み、軸受も温度の影響を受けないものが要求されている。従来の焼結メタルの使用であると、シャフトと軸受の隙間の変化が大きく、又油の粘度の変化も大きいの低温では大きい電流を必要とする。このことは制御回路のコストアップの原因となる。これに対し、二硫化モリブデンによるショットピーニング処理がなされた微細溝の転造軸受は油を使用せず、制御回路の容量を小さくすることができる。さらに正逆両回転の使用にも採用できる。
【００３６】
２、 ＯＡ機器：シャフトと軸受の隙間を適切に設計することにより、十分な動圧を得ることが可能であることから、従来のボールベアリング、ＦＤＢ、メタルに比し電流低減、磨耗寿命改善、コスト低減等の効果が期待できる。
【００３７】
３、 特殊用途：潤滑油やグリースを使用しないので、真空中や超低温／高温その他の特殊環境下でも使用が可能である。
【００３８】
図５は、本実施の形態における軸体の製造工程を示したものである。軸体の素材として、原材料であるステンレス鋼の金属粉末と結合材（バインダー）とを所定割合に混合し（１０１）、混練機により混練して（１０２）混練体とする。本例では金属粉末：結合材＝５２：４８がベストであった。結合材は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のオレフィン系の樹脂や各種ワックス等の混合したものである。結合材の添加量は少ない方が成形体の焼結時の収縮率は小さい。今回使用したのは、アタクチックポリプロピレン（ＡＰＰ）、カルバノワックス（ＣＷ）、パラフィンワックス（ＰＷ）、ステアリン酸（ＳＡ）である。
【００３９】
又、金属粉末の組成は軸体の使用目的等でその特性が決定されることになるが、本実施の形態においてはモータ軸に適用したことでステンレス鋼としている。次にこの混練体から一般的に造粒状態のペレットを作成し、このペレットを射出成形機に入れこの射出成形機により射出成形し（１０３）、軸体形状の成形体とする。このときの金型温度は３０℃〜３５℃である。本例の金型温度は３２℃である。この金型温度は対象とする成形体の条件によって設定される。
【００４０】
続いて、この成形体は脱脂焼結される（１０４）。この脱脂焼結は、まずヘプタン気相中に射出成形体を置き約５０〜７０％の結合材を溶媒脱脂した後、連続して真空脱脂焼結炉で完全な脱脂と焼結を行う。焼結温度は１１５０℃〜１２５０℃の範囲に設定し、これにより焼結後のＭＩＭ材の気孔率を調整する。特に脱脂のとき成形体は収縮される。この収縮率は前述のように結合材の割合等で決まり一定となるので、軸体の素材はこの収縮を見込んで寸法設定がなされる。このようにして焼結された素材軸体の加工面を転造を可能とする仕上げ処理をした後、前述した転造装置に挿入し、この転造装置によりへリングボーン形状の微細溝の転造加工を施す（１０５）。
【００４１】
この転造された軸体が動圧軸受に採用される微細溝軸体となる。一般的には、焼結された段階で最終製品が製造されるが、微細溝は成形できない。このため、本実施の形態例の場合は焼結された成形体を素材として扱い、微細溝加工のための専用工程を設け、微細溝の加工を行って最終製品としている。
【００４２】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されることはない。
【実施例】
【００４３】
図６、に示すものは、ＭＩＭ製造によって得られた素材に微細溝の転造加工を施した結果のデータ図である。図７は従来の溶製材に微細溝の転造加工を施した結果のデータ図である。両図とも同条件で、荷重１０００ｋｇでの転造加工面を部分的に拡大して示したものである。その比較でみると、図６の場合は、加工面が滑らかになっていて正確なへリングボーン形状が形成されていることが確認できる。この結果は荷重を変えても同じ傾向であった。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１は、軸体を有する駆動モータの断面図である。
【図２】図２は、単体構成のへリングボーン形状を示す軸受部の部分説明図である。
【図３】図３は、複数構成のへリングボーン形状を示す軸受部の部分説明図である。
【図４】図４は、軸体の転造装置の断面図である。
【図５】図５は、素材形成から軸体に微細溝が転造されるまでの工程図である。
【図６】図６は、転造加工を施した本発明に関わるＭＩＭ軸体の加工状態を示す測定データ図である。
【図７】図７は、転造加工を施した従来の溶製材軸体の加工状態を示す測定データ図である。
【符号の説明】
【００４５】
１…駆動モータ
２…動圧流体軸受部
３…へリングボーン形状
４…軸体
１０…転造装置
１１…上ダイス
１２…下ダイス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸体の転造加工技術に関する。さらに詳しくは、微細溝を有する軸体の転造加工技術とその軸体に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報通信機器、ＩＣ機器分野における集積化、小型化のため、例えばデータ読み取り機器に使用されるスピンドルモータは、その軸受部に高精度の動圧流体軸受が採用されている。このスピンドルモータの軸受面にはへリングボーン等の微細溝が施されている。この動圧は回転体の外周部から回転体中心に向かって押圧する圧力である。
【０００３】
動圧軸受とは、例えば、へリングボーン形状において、回転体の回転に伴い、動圧部のへリングボーン形状の回転動作でポンピングを行い潤滑流体（気体、液体）に動圧を発生させ、回転体を支承させるものである。軸受はスリーブ又は軸体が相手固定受部に対し相対回転して回転可能に支承する構成のものである。この軸受は、前述のように、例えば軸側の軸体の回転部分にポンピング動作を行わせるための溝が設けられている。特にラジアル軸受は微細なへリングボーン形状のものが多く採用されている。
【０００４】
この溝は非常に小さく、且つ深さが３〜２０μｍ程度の浅い溝であり、溝の数も多いことから量産加工されるものである。この量産加工のため、微細溝を有する軸受体を高精度、低コスト、高品質を維持しつつ塑性加工が施される。この塑性加工においては、特殊な加工形態となるので、その実現のため色々な試みがなされ、μｍオーダーの突起を圧延ロールに転写するための加工例や、モータ軸の動圧軸受面の動圧発生溝の形成、マイクロねじ等の微小部品の成形に関する等種々の研究報告がなされている。
【０００５】
例えば、記録ディスクの駆動装置等に適用し、動圧軸受部の中空円筒状部材の内周面にプレスにより成形加工されるへリングボーン形状の加工技術が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。又、内金型に圧電素子の出入り動作を行うようにした金型構成で、動圧軸受を構成する樹脂体のスリーブ内径部に圧電素子の印加でへリングボーン形状の溝を成形する技術も知られている（例えば特許文献３参照）。
【０００６】
一方、最近、金属粉末射出成形法（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ，略称「ＭＩＭ」という）で製造される金属部品が多くなっている。この成形法は簡略的にいうと、金属粉末とバインダーとを混合、混練し、この混練物を射出成形し、脱脂焼結して金属部品となすものである。このＭＩＭによって得られた成形体は、密度の高い部品となる利点がある。このＭＩＭによる金属部品は、３次元的な複雑な部品を精度よく生産できる特徴を有している。寸法公差においても金属加工精度に匹敵する製品も可能となっている。このＭＩＭ技術はまだ製造コストが高く、使用される分野も限られている。現状では、携帯電話等のＯＡ機器、時計、カメラ等の精密機器、鍵部品、医療機器等に使用されている。
【０００７】
このＭＩＭ製法は、例えば、金属粉末の主成分がＦｅ又はＦｅ系合金で構成されたもの、あるいは金属粉末の主成分がステンレス鋼で構成されたもので、Ｎ（窒素）が重量比で０．１〜０．５ｗｔ％含まれる素材として知られている（例えば、特許文献４参照）。又、磁気ディスクの駆動装置のモータ軸がメタルインジェクションモールド成形による焼結金属から構成されているものも知られている（例えば、特許文献５参照）
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１９７５５号公報
【特許文献２】特開２００１−７４０４０号公報
【特許文献３】特開２００４−５２９５１号公報
【特許文献４】特開平１１−１８１５０１号公報
【特許文献５】特開平０６−２５３４９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述のように、へリングボーン形状の軸受は、微細形状であるが故に特に高精度を要求される。この軸受部の加工は、量産のため塑性加工がなされるが、特に転造加工の場合、この加工結果は転造条件に大きく左右される。へリングボーンの形状は、例えば、軸体の回転方向に対しＶ字形状を有し、例えば幅１．０ｍｍ乃至０．５ｍｍ、溝深さ例えば１０μｍを等ピッチで転写させるものである。当然のことながら、転造の金型、即ちダイス側もこれに対応する凸部形状を有している。
【００１０】
転造に伴ない、強制的に押圧されることから、軸体には塑性変形、弾性変形が微妙に発生する。このため、その押し込み量や転造条件の設定は、実験的、経験的な裏づけの解析により決定される。しかし、このμｍオーダーの伴なう微細溝を円柱体の外周面に精度よく転写することを目的とする転造加工例はない。一方前述したＭＩＭによる金属成形体は、高精度で高密度の多孔質素材である。ＭＩＭによる金属成形体として、モータ軸の部品が製造されていることも公知である。この他、ＯＡ機器、精密機器、医療機器等に利用されていることは前述のとおりである。しかしながら、微細溝を有する軸体に対して適用された例はない。
【００１１】
微細溝を有する軸体は、特に動圧軸受の軸体は高精度を要する部品である。従って、もし転造によりへリングボーン形状を転写するのであれば、軸体そのものの強化が図られつつ、転造によっても精度を保障するものでなければならない。更に、数が多いので量産化を可能とする軸体でなければならない。従来は、このように微細溝まで成形する技術がない上に、また、特に転造の場合は、転造に伴なう精度保障も困難で実現できなかった。
【００１２】
本発明は、このような従来の問題点を解決するために創案されたもので、次の目的を達成する。本発明の目的は、軸体の高密度化と量産化が図られ、高精度の微細溝軸体の転造加工技術とその軸体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、前記目的を達成するために次の手段をとる。
本発明１の微細溝軸体の転造加工方法は、金属粉末を結合材とともに混練して射出成形し脱脂焼結された素材軸体の加工面に、転造装置により微細溝の転造加工を施し微細溝を有する軸体を加工する方法である。
【００１４】
本発明２の微細溝軸体の転造加工方法は、本発明１において、
前記微細溝は、ヘリングボーン形状の溝であることを特徴とする。
【００１５】
本発明３の微細溝軸体の転造加工方法は、本発明１において、
前記金属粉末は、ステンレス鋼の粉末であることを特徴とする。
【００１６】
本発明４の微細溝軸体の転造加工方法は、本発明１において、
前記転造装置は、前記素材軸体を前記微細溝に対応する凸部の形成された２つの転造金型で挟み、この２つの転造金型の相対移動動作で回転させながら押圧して転造し前記微細溝を形成する装置であることを特徴とする。
【００１７】
本発明５の微細溝軸体は、ステンレス鋼粉末を結合材とともに混練して射出成形し脱脂焼結された素材軸体の加工面に、２つの転造金型の相対移動動作で回転させながら押圧して転造する転造装置によりヘリングボーン形状の微細溝の転造加工を施して得られた微細溝軸体である。
【発明の効果】
【００１８】
前述したように、微細溝加工対象の素材軸体に金属粉末射出成形法による金属成形体を採用することにより、軸体は高精度で高密度な多孔質素材軸体を大量生産することが可能となった。この素材軸体の加工面に、微細溝であるへリングボーン形状の転造加工を行うことで動圧軸受に使用可能な高精度の微細溝の軸体が得られた。この軸体に高精度の転造加工を施したことで、従来のスリーブ体にへリングボーン形状を成形させる技術に比べ軸体への成形の方が量産効果が大きく、低コストの動圧軸受の製造を可能とした。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明を適用したＨＤＤ用の駆動モータ１の軸受部の断面を示している。但し、図１の動圧軸受部のヘリングボーン形状は、斜線で簡略的に表示している。図において、本発明に関わる動圧流体軸受２において、へリングボーン形状を有する軸受部は、軸体４である。動圧流体軸受２の軸体４はヘリングボーン形状３構成のものである。前述のようにこのヘリングボーン形状３は軸体４に設けられている。この軸体４はスリーブ体の内径部に装入されているが、一方が回転体であれば、他方は固定部となる。双方が相対的に回転し動圧流体軸受部２を構成する。
【００２０】
通常このヘリングボーン形状３の溝は、複数個形成され群を構成し回転軸線方向に沿って離間し２箇所に設けられる。しかし小型モータ等に適用する場合は、１箇所に設けられることもある。この動圧流体軸受２を適用した駆動モータ１は、固定部と回転部から構成され、図１の構成は回転部が軸体４と固定されている。従って、この回転する軸体４にへリングボーン形状３の溝が形成されている。この軸体４にはロータマグネット５（リング状磁石）が備え付けられていて、ディスクが取り付けられて回転する。軸側が回転する本実施の形態において、固定部には軸体４に固定されたフランジの延長上にあるロータマグネット５に対向してステータコアとこのステータコアに巻回されたコイルのいわゆるステータ６が設けられている。
【００２１】
コイル６ａには図示しない制御回路から駆動電流が流されると、ステータコアとロータマグネット５との間に磁力が発生し回転駆動力が生じる。この回転により、軸体４に設けられた動圧溝部のへリングボーン形状３の動圧溝とこれに対面する平滑面の相対的回転動作で溝に保持された潤滑流体に動圧が発生する。潤滑流体は、気体であり、あるいは油等の液体が対象である。
【００２２】
どちらを選択するかは動圧軸受の構成によって決定される。本実施の形態においては軸体４に本発明になるへリングボーン形状が形成されている。この動圧は軸体４を回転中心方向に押圧する力となる。全周から動圧が軸体４に加えられ、軸体４は固定側のスリーブに対し安定的に回転支承される。
【００２３】
次にこの軸体４とスリーブとの関係をラジアル動圧軸受としてその詳細を説明する。図２、図３は、従来から一般的に採用されているへリングボーン形状７の動圧発生用溝である。一般にこのへリングボーン形状７は、Ｖ字状又はハ字状に対称的な溝群として構成される。図２は１ヶ所に設けた例であり軸体８の長さが短い場合に有効である。軸体８が長い場合は図３に示すように軸体８の両側２ヶ所に設けられる。
【００２４】
図に示す一般的なへリングボーン形状７はＶ字状で模式的に展開図として示している。この溝は、展開した図で示しているが、回転軸線方向と回転円周面方向に跨って直線的に傾斜して設けられている。
【００２５】
このへリングボーン形状３（７）を有する軸体４（８）は、転造によって加工されるが、この軸体の素材は、ＭＩＭによって製造されたものである。
金属粉末は、一般にＦｅ系合金が採用されるが、本実施の形態例におけるモータ軸にはステンレス鋼である方が好ましい。ステンレス鋼は、Ｆｅ材に比し、相対的に低い焼結温度で相対密度の高い製造が可能である。ステンレス鋼の場合は、Ｆｅ材に比し低い焼結温度で、高い焼結温度でなければ得られないＦｅ材の引っ張り強さを実現している。又、ステンレス鋼はモータ軸への採用に関しては、非磁性体としても好ましい。ステンレス鋼は、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼として、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１７、又マルテンサイト系ステンレス鋼として、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４４０、更に析出硬化型ステンレス鋼として、１７−４ＰＨ等である。
【００２６】
このように非磁性体の必要な場合や焼入れ硬度の必要のない場合にステンレス鋼は好適である。ＭＩＭによる製造法は、複雑な部品を大量に生産性よく製造できる金属焼結体として高精度に製造ができる製造方法である。一般に行なわれている無垢材から切削加工により製造された軸体、あるいは鍛造された素材の切削加工による軸体は、加工時間を多く必要としている。ＭＩＭの精度においては、例えば、寸法公差は１０ｍｍ程度の部品で±０．０５ｍｍ〜±０．０３ｍｍ程度である。
【００２７】
このように、切削加工に匹敵する製造が可能である。又、この製造による金属成形体は高密度な多孔質材で一般の焼結材より機械的強度が高いという利点がある。このように軸体を焼結金属として構成することにより、加工歪を生じさせることなく、容易に生産性よく、精度を維持した成形ができる。このように構成される素材軸体に微細溝を施すのである。
【００２８】
次にその転造方法について説明する。図４は、本発明に関わる転造技術を適用した転造装置１０の一例を示したものである。図は簡略的に示した断面図である。転造装置１０は２つの転造金型、即ち、上ダイス１１と下ダイス１２で構成され、軸体４はこの２つの上ダイス１１および下ダイス１２に挟まれる構成である。
【００２９】
２つのダイスはどちらも転造装置１０のベース１３に設けられているが、上ダイス１１は固定状態にあり、下ダイス１２は上ダイス１１に対し相対的に水平方向に移動可能である。又、垂直方向に位置調整の移動が可能である。下ダイス１２は支持体１４に設けられていて、上下方向に楔体１５により移動可能である。この楔体１５は支持体１４に設けられた調整ねじ１６によりテーパ面１５ａの相対位置ずれで、下ダイス１２が上下方向に移動するようになっている。
【００３０】
支持体１４は図示していないがベース１３に設けられた案内部に規制され、ベース１３に設けられたサーボモータ１７によりボールスクリュウ１８を介して、上ダイス１１と平行に水平方向に規制されて移動する。上ダイス１１の転造面は水平状態になっていて、へリングボーン形状３の微細な凸部１１ｂが形成されている。同様にこの上ダイス１１に対向して下ダイス１２の転造面も上ダイス１１の転造面と平行に水平状態になっていて、へリングボーン形状３の微細な凸部１２ｂが形成されている。
【００３１】
又、この２つのダイスの端部は軸体４装入を容易にするため外側に広がるテーパ部１１ａ，１２ａをなしている。転造対象の軸体４はこの２つのダイスに挟まれ回転しながら押圧し転造される。この転造はいわゆる平ダイス転造方式である。即ち、上下の平面金型である２つのダイスの間に軸体４を挿入し、金型平面上に彫り込まれた微細な凸部１１ｂ，１２ｂで、へリングボーン形状３の溝を軸体４に転写するのである。転造の方法について詳述すると、軸体４の挿入前に先ず調整ねじ１６により楔体１５を介して下ダイス１２を上方へ押し上げ移動させる。この移動量は上ダイス１１との間隔と軸体４の外径との関係で設定される。下ダイス１２の押し込み量をｈとすると、その量は次式のようになる。
【００３２】
ｈ＝ｄ（軸体の直径）−ｓ（上下ダイスの凸部間隔）
押し込み量ｈを設定した後、軸体を図に示すようにダイスのテーパ部１１ａ，１２ａに突き当て挿入する。続いて、サーボモータ１７の駆動によりボールスクリュウ１８を回転させ、このボールスクリュウ１８と噛み合っている支持体１４を矢印に示す水平方向に移動させる。この移動に伴ない下ダイス１２は支持体１４と一体的に移動するので、軸体１４は回転しながら２つのダイスに挟まれ押圧される。この転造は１ストロークで行う。又、例えば、両ダイスの相対移動速度は１３００ｍｍ／ｓで加工できる。以上のようにして軸体４へのへリングボーン形状３の溝は容易に、短時間に、高精度に転写できる。
【００３３】
以上説明した転造は、２つのダイスで行う方式であるが、一方を平坦にして、へリングボーン形状の片側ダイスのみで行うことも可能である。しかし、片側ダイスのみで行う場合に比し、２つのダイスで行う場合は、転写される溝深さが均一になり、溝の底部の角部がゆるやかな曲率を有するＲ形状をなす。これは安定的な溝形状が得られることと、角部の亀裂のおそれを防止する効果があり、又、いわゆるまくれ込み現象を抑制するのに効果がある。金型の溝底部の両角部分に曲率を設けることにより転写される丘部の角に生ずる隆起を少なく抑えることができる。これらは実験的な裏付けにより確認されている。従って、本実施の形態例のように２つのダイスで転造を行う方が好ましい。
【００３４】
（応用例）
本実施例においては、微細溝を有する軸体を磁気ディスクの軸体に適用して説明したが、次に示す分野にも適用が可能である。
【００３５】
１、 自動車用モーター：自動車は、―４０℃〜＋１００℃位の温度環境で使用される。最近は電子制御による燃料噴射が採用されていて、ノイズがあるとエンジンの誤動作のおそれがある。従って、ワイパー、ウィンドウ開閉、ミラー等のモーターはブラシレス化が進み、軸受も温度の影響を受けないものが要求されている。従来の焼結メタルの使用であると、シャフトと軸受の隙間の変化が大きく、又油の粘度の変化も大きいの低温では大きい電流を必要とする。このことは制御回路のコストアップの原因となる。これに対し、二硫化モリブデンによるショットピーニング処理がなされた微細溝の転造軸受は油を使用せず、制御回路の容量を小さくすることができる。さらに正逆両回転の使用にも採用できる。
【００３６】
２、 ＯＡ機器：シャフトと軸受の隙間を適切に設計することにより、十分な動圧を得ることが可能であることから、従来のボールベアリング、ＦＤＢ、メタルに比し電流低減、磨耗寿命改善、コスト低減等の効果が期待できる。
【００３７】
３、 特殊用途：潤滑油やグリースを使用しないので、真空中や超低温／高温その他の特殊環境下でも使用が可能である。
【００３８】
図５は、本実施の形態における軸体の製造工程を示したものである。軸体の素材として、原材料であるステンレス鋼の金属粉末と結合材（バインダー）とを所定割合に混合し（１０１）、混練機により混練して（１０２）混練体とする。本例では金属粉末：結合材＝５２：４８がベストであった。結合材は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のオレフィン系の樹脂や各種ワックス等の混合したものである。結合材の添加量は少ない方が成形体の焼結時の収縮率は小さい。今回使用したのは、アタクチックポリプロピレン（ＡＰＰ）、カルバノワックス（ＣＷ）、パラフィンワックス（ＰＷ）、ステアリン酸（ＳＡ）である。
【００３９】
又、金属粉末の組成は軸体の使用目的等でその特性が決定されることになるが、本実施の形態においてはモータ軸に適用したことでステンレス鋼としている。次にこの混練体から一般的に造粒状態のペレットを作成し、このペレットを射出成形機に入れこの射出成形機により射出成形し（１０３）、軸体形状の成形体とする。このときの金型温度は３０℃〜３５℃である。本例の金型温度は３２℃である。この金型温度は対象とする成形体の条件によって設定される。
【００４０】
続いて、この成形体は脱脂焼結される（１０４）。この脱脂焼結は、まずヘプタン気相中に射出成形体を置き約５０〜７０％の結合材を溶媒脱脂した後、連続して真空脱脂焼結炉で完全な脱脂と焼結を行う。焼結温度は１１５０℃〜１２５０℃の範囲に設定し、これにより焼結後のＭＩＭ材の気孔率を調整する。特に脱脂のとき成形体は収縮される。この収縮率は前述のように結合材の割合等で決まり一定となるので、軸体の素材はこの収縮を見込んで寸法設定がなされる。このようにして焼結された素材軸体の加工面を転造を可能とする仕上げ処理をした後、前述した転造装置に挿入し、この転造装置によりへリングボーン形状の微細溝の転造加工を施す（１０５）。
【００４１】
この転造された軸体が動圧軸受に採用される微細溝軸体となる。一般的には、焼結された段階で最終製品が製造されるが、微細溝は成形できない。このため、本実施の形態例の場合は焼結された成形体を素材として扱い、微細溝加工のための専用工程を設け、微細溝の加工を行って最終製品としている。
【００４２】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されることはない。
【実施例】
【００４３】
図６、に示すものは、ＭＩＭ製造によって得られた素材に微細溝の転造加工を施した結果のデータ図である。図７は従来の溶製材に微細溝の転造加工を施した結果のデータ図である。両図とも同条件で、荷重１０００ｋｇでの転造加工面を部分的に拡大して示したものである。その比較でみると、図６の場合は、加工面が滑らかになっていて正確なへリングボーン形状が形成されていることが確認できる。この結果は荷重を変えても同じ傾向であった。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１は、軸体を有する駆動モータの断面図である。
【図２】図２は、単体構成のへリングボーン形状を示す軸受部の部分説明図である。
【図３】図３は、複数構成のへリングボーン形状を示す軸受部の部分説明図である。
【図４】図４は、軸体の転造装置の断面図である。
【図５】図５は、素材形成から軸体に微細溝が転造されるまでの工程図である。
【図６】図６は、転造加工を施した本発明に関わるＭＩＭ軸体の加工状態を示す測定データ図である。
【図７】図７は、転造加工を施した従来の溶製材軸体の加工状態を示す測定データ図である。
【符号の説明】
【００４５】
１…駆動モータ
２…動圧流体軸受部
３…へリングボーン形状
４…軸体
１０…転造装置
１１…上ダイス
１２…下ダイス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粉末を結合材とともに混練して射出成形し脱脂焼結された素材軸体の加工面に、転造装置により微細溝の転造加工を施し微細溝を有する軸体を加工する微細溝軸体の転造加工方法。
【請求項２】
請求項１に記載された微細溝軸体の転造加工方法において、
前記微細溝は、ヘリングボーン形状の溝である
ことを特徴とする微細溝軸体の転造加工方法。
【請求項３】
請求項１に記載された微細溝軸体の転造加工方法において、
前記金属粉末は、ステンレス鋼の粉末である
ことを特徴とする微細溝軸体の転造加工方法。
【請求項４】
請求項１に記載された微細溝軸体の転造加工方法において、
前記転造装置は、前記素材軸体を前記微細溝に対応する凸部の形成された２つの転造金型で挟み、この２つの転造金型の相対移動動作で回転させながら押圧して転造し前記微細溝を形成する装置である
ことを特徴とする微細溝軸体の転造加工方法。
【請求項５】
ステンレス鋼粉末を結合材とともに混練して射出成形し脱脂焼結された素材軸体の加工面に、２つの転造金型の相対移動動作で回転させながら押圧して転造する転造装置によりヘリングボーン形状の微細溝の転造加工を施して得られた微細溝軸体。
【請求項１】
金属粉末を結合材とともに混練して射出成形し脱脂焼結された素材軸体の加工面に、転造装置により微細溝の転造加工を施し微細溝を有する軸体を加工する微細溝軸体の転造加工方法。
【請求項２】
請求項１に記載された微細溝軸体の転造加工方法において、
前記微細溝は、ヘリングボーン形状の溝である
ことを特徴とする微細溝軸体の転造加工方法。
【請求項３】
請求項１に記載された微細溝軸体の転造加工方法において、
前記金属粉末は、ステンレス鋼の粉末である
ことを特徴とする微細溝軸体の転造加工方法。
【請求項４】
請求項１に記載された微細溝軸体の転造加工方法において、
前記転造装置は、前記素材軸体を前記微細溝に対応する凸部の形成された２つの転造金型で挟み、この２つの転造金型の相対移動動作で回転させながら押圧して転造し前記微細溝を形成する装置である
ことを特徴とする微細溝軸体の転造加工方法。
【請求項５】
ステンレス鋼粉末を結合材とともに混練して射出成形し脱脂焼結された素材軸体の加工面に、２つの転造金型の相対移動動作で回転させながら押圧して転造する転造装置によりヘリングボーン形状の微細溝の転造加工を施して得られた微細溝軸体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−２６０７２４（Ｐ２００７−２６０７２４Ａ）
【公開日】平成１９年１０月１１日（２００７．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−８９４７２（Ｐ２００６−８９４７２）
【出願日】平成１８年３月２８日（２００６．３．２８）
【出願人】（５９４１６７１４１）株式会社ニッセー (13)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月１１日（２００７．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月２８日（２００６．３．２８）
【出願人】（５９４１６７１４１）株式会社ニッセー (13)
【Ｆターム（参考）】
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