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【発明の名称】 |
スピンドルモータ |
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【氏名】野口 真吾
【氏名】平川 清 |
【課題】
【解決手段】 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 外周面に内輪軌道を有する内輪又は軸と、内周面に外輪軌道を有する外輪と、上記内輪軌道と外輪軌道との間に転動自在に設けられた複数の玉とを備え、この玉の径が３mm以下で、且つ、これら複数の玉が配列されるピッチ円直径が１１mm以下である玉軸受に於いて、上記内輪軌道と外輪軌道との少なくとも一方を構成する鋼中の残留オーステナイト量を６容量％以下とした事を特徴とする玉軸受。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【産業上の利用分野】この発明に係る玉軸受は、例えばハードディスクドライブ装置（ＨＤＤ）やビデオテープレコーダ（ＶＴＲ）、ディジタルオーディオテープレコーダ（ＤＡＴ）等に組み込まれ、高速で回転するスピンドルを支承する。
【０００２】
【従来の技術】例えばコンピュータに組み込まれるＨＤＤには、図１に示す様なスピンドルモータを組み込んで、ハードディスク駆動用の軸１を高速で回転駆動する。この軸１の外周面とハウジング２の内周面との間には、１対の玉軸受３、３を設けて、上記軸１をハウジング２の内側に、回転自在に支承している。各玉軸受３、３は、それぞれ外周面に内輪軌道４、４を有する鋼製の内輪５、５と、内周面に外輪軌道６、６を有する鋼製の外輪７、７と、上記内輪軌道４、４と外輪軌道６、６との間にそれぞれ複数個ずつ、転動自在に設けられた鋼製の玉８、８とから構成される。各玉８、８には予圧を付与して、上記軸１の回転時に、がたつきが生じない様にしている。
【０００３】又、ＨＤＤ用のスピンドルモータとしては、上述した図１に示した構造のものの他、図２〜３に示す様な構造のものも知られている。このうち、図２に示したものは、内周面に複列の外輪軌道６、６を有する外輪７ａとハブとを一体にすると共に、内輪軌道４、４を軸１の外周面とこの軸１に外嵌した内輪５の外周面とに形成したものである。又、図３に示したものは、軸１の外周面に複列の内輪軌道４、４を形成すると共に外輪７ｂの内周面に複列の外輪軌道６、６を形成したものである。
【０００４】何れの構造の場合も、内輪軌道４、４及び外輪軌道６、６を設けた各部材、即ち、図１の構造に於ける内輪５、５及び外輪７、７、図２の構造に於ける外輪７ａ、軸１、及び内輪５、図３の構造に於ける軸１及び外輪７ｂは、従来、高炭素クロム軸受鋼２種であるＳＵＪ２（JIS G 4805）により造り、８２０〜８６０℃で焼き入れした後、１６０〜２００℃で焼き戻しする、所謂標準熱処理を施していた。これらの熱処理の結果得られる軌道輪の硬度（ロックウェル硬度）はＨＲＣ５８〜６４、残留オーステナイト量（γR ）は８〜１４容量％とされていた。
【０００５】又、耐食性を要求される部分に使用する玉軸受用の軌道輪は、ステンレス鋼により造る場合もあった。この様な場合に使用するステンレス鋼としては、ＳＵＳ４４０Ｃ（JIS G 4303）、或は１３Ｃｒ系マルテンサイトステンレス鋼を使用し、この様なステンレス鋼を、１０５０℃前後の温度で焼き入れした後、深冷処理（サブゼロ）を施し、１５０〜２００℃程度で焼き戻ししていた。この様なステンレス鋼により造られる軌道輪の硬度はＨＲＣ５７〜６２、残留オーステナイト量（γR ）は８〜１２容量％とされていた。
【０００６】従来から、この様な玉軸受を構成する軌道輪の軌道面（内輪軌道４、４及び外輪軌道６、６）の永久変形（塑性変形）に就いては、基本静定格荷重ＣO で定義されている。そしてこの基本静定格荷重ＣO では、上記軌道面と玉８、８の転動面との最大接触面圧が４０００MPa を越えると、軌道面に有害な永久変形が生じるとされている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】一方、ＨＤＤやＶＴＲに使用される高精度の小型玉軸受、即ち、寸法精度或は回転精度がＪＩＳの５級以上であり、低トルクを要求される玉軸受の場合、要求される音響並びに騒音性能が厳しい。この様な高精度の小型玉軸受では、上記基本静定格荷重ＣO により規定された荷重（最大接触面圧、４０００MPa ）よりも遥かに小さな荷重や衝撃荷重によって、軌道面に極めて小さな永久変形を生じ、この永久変形によって音響劣化（騒音上昇）が生じると言う問題が発生した。
【０００８】上述の様な高精度の小型玉軸受としては一般的に、内輪軌道と外輪軌道との間に組み込まれる複数の玉８、８の径ＤW （図１）が３mm以下で、且つ、これら複数の玉８、８が配列されるピッチ円直径ＤPW（図１）が１１mm以下である玉軸受３、３を使用している。ところが、近年に於けるＨＤＤやＶＴＲ等の小型化に伴って、これらに組み込まれる玉軸受３、３としてより小型のものが使用される様になっており、上述の様な小さな衝撃荷重等に基づいて生じる音響劣化が大きな問題となっている。
【０００９】本発明の玉軸受は、上述の様な事情に鑑みて発明したものであって、軌道輪の耐荷重性及び耐衝撃性（耐圧痕性）を向上させる事により、軌道面に有害な永久変形を生じにくくするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明の玉軸受は、前述した様にＨＤＤ等に組み込まれる従来の玉軸受と同様に、外周面に内輪軌道を有する内輪又は軸と、内周面に外輪軌道を有する外輪と、上記内輪軌道と外輪軌道との間に転動自在に設けられた複数の玉とを備え、この玉の径が３mm以下で、且つ、これら複数の玉が配列されるピッチ円直径が１１mm以下である。特に、本発明の玉軸受に於いては、上記内輪軌道と外輪軌道との少なくとも一方を構成する軸受鋼、ステンレス鋼等の鋼中の残留オーステナイト量を６容量％以下とした事を特徴としている。
【００１１】
【作用】上述の様に構成される本発明の玉軸受の場合には、前述した荷重や衝撃荷重によって軌道面に有害な永久変形を生じにくくなる。即ち、オーステナイトはマルテンサイトに比べて降伏応力が低い為、残留オーステナイト量が８〜１４容量％と、比較的多い従来の玉軸受の場合には、小さな荷重等によって有害な永久変形を生じる。これに対して、残留オーステナイト量が６容量％以下と少ない本発明の玉軸受の場合には、軌道面の耐圧痕性が向上し（降伏応力が高くなり）、上記小さな荷重等によっては、有害な永久変形を生じにくくなる。
【００１２】又、本発明の玉軸受の場合、残留オーステナイト量を少なく抑える事で、軌道面の耐圧痕性を向上させる効果の他、この軌道面の表面精度が経時的に劣化する事を防止する事もできる。即ち、軌道面部分に存在する残留オーステナイトの量が多いと、玉軸受の使用に伴ってこの軌道面に繰り返し加わる転がり応力により、この残留オーステナイトが分解する。そして、分解に伴って上記軌道面の表面精度が劣化する。これに対して本発明の場合には、従来の玉軸受に比べて残留オーステナイト量が少ない為、残留オーステナイトの分解に伴う音響特性の劣化、並びにこの様な表面精度の劣化に伴う音響特性の劣化が少なくなる。特に、残留オーステナイト量を２容量％以下に抑える事で、上述の様な残留オーステナイトの分解に伴う音響特性の劣化を殆どなくす事ができる。
【００１３】更に、残留オーステナイト量は、焼き戻し温度を高くしたり、或は焼き戻しを繰り返し行なう等、焼き戻し処理を工夫する事により減らす事ができる。そして、この様な工夫した焼き戻し処理によって、上述の様に残留オーステナイトの分解に伴う音響特性の劣化を防止できると共に、基地のマルテンサイトを安定化できる。この為、マルテンサイトの経時的な変化による表面精度の劣化も防止できる。この為、深冷処理と通常のテンパー（焼き戻し）を行なった場合に比べても、音響特性の劣化を小さくできる。
【００１４】
【実施例】次に、本発明の効果を確認する為に、本発明者が行なった実験に就いて説明する。最初に、耐荷重性、耐衝撃性の向上に関する第一の実験を行なった。この第一の実験は、下表に示す様に、その軌道輪をＳＵＪ２、或はＳＵＳ４４０Ｃにより造り、軌道輪の残留オーステナイト量或は熱処理条件を異ならせた１０種類の供試体に就いて行なった。残留オーステナイト量の調整は、軌道輪に施す熱処理の相違により調整した。尚、特に温度を記載していない焼き入れは、標準熱処理の焼き入れ温度（８２０〜８６０℃）で行なった。
【００１５】先ず、ＳＵＪ２により造った、軌道輪の残留オーステナイト量が１０容量％或は８容量％である従来品１、２は、上記軌道輪に、前述した様な、通常行なわれる標準熱処理のみを施した。表面硬度はそれぞれＨＲＣ６２．５、ＨＲＣ６３であった。
【００１６】又、ＳＵＳ４４０Ｃにより造った、軌道輪の残留オーステナイト量が８容量％である従来品３は、上記軌道輪に、１０５０℃で焼き入れした後、−８０℃で深冷処理（サブゼロ）を行ない、更に１６０℃で焼き戻しした。表面硬度はＨＲＣ６１であった。
【００１７】又、ＳＵＪ２により造った、軌道輪の残留オーステナイト量が６容量％である本発明品１は、上記標準熱処理に加えて、−２０℃での深冷処理を施した。得られた軌道輪の表面硬度はＨＲＣ６３．５であった。
【００１８】又、ＳＵＪ２により造った、軌道輪の残留オーステナイト量が４容量％である本発明品２は、焼き入れ後、２２０℃で焼き戻しを行なう熱処理を施した。得られた軌道輪の表面硬度はＨＲＣ６１であった。
【００１９】又、ＳＵＪ２により造った、軌道輪の残留オーステナイト量が４容量％である本発明品３は、上記標準熱処理に加えて、−１９６℃での深冷処理を施した。得られた軌道輪の表面硬度はＨＲＣ６４．５であった。
【００２０】又、ＳＵＪ２により造った、軌道輪の残留オーステナイト量が０％である本発明品４は、焼き入れ後、２４０℃で焼き戻しを行なう熱処理を施した。得られた軌道輪の表面硬度はＨＲＣ５９．５であった。
【００２１】又、ＳＵＪ２により造った、軌道輪の残留オーステナイト量がやはり０％である本発明品５は、焼き入れ後、−８０℃での深冷処理を施した後、２４０℃で焼き戻しを行なった。得られた軌道輪の表面硬度はＨＲＣ６１であった。
【００２２】又、ＳＵＳ４４０Ｃにより造った、軌道輪の残留オーステナイト量がやはり０％である本発明品６は、１０５０℃での焼き入れ後、−８０℃での深冷処理を施した後、５２０℃で焼き戻しを行なった。得られた軌道輪の表面硬度はＨＲＣ５４であった。
【００２３】更に、ＳＵＪ２により造った、軌道輪の残留オーステナイト量が２容量％である本発明品７は、焼き入れ後、２２０℃で２回焼き戻しを行なう熱処理を施した。得られた軌道輪の表面硬度はＨＲＣ６０．５であった。
【００２４】
【表１】
【００２５】上述の様に、ＳＵＪ２或はＳＵＳ４４０Ｃにより造られ、残留オーステナイト量或は熱処理条件が異なる各軌道輪は、図１に示す様なスピンドルモータに玉８、８に予圧を加えた状態で組み込み、このスピンドルモータごと落下させる事で、衝撃荷重を加えた。衝撃荷重としては、１０、１２、１５、２０、２２、２５（kgf ）の６通りを加え、この衝撃荷重を加える前後に於ける、上記スピンドルモータの音響特性の劣化度合い（騒音の上昇）を測定した。この試験の結果を図４に示す。
【００２６】この図４に記載した曲線イ〜ヌは、高精度玉軸受（ＪＩＳ等級＝Ｐ５）に於ける残留オーステナイト量と音響劣化度合いとの関係を示している。これら各曲線イ〜ヌのうち、実線イは残留オーステナイト量を１０容量％とした場合（従来品１）に於ける衝撃荷重の大きさと音響特性の劣化度合いとの関係を、二点鎖線ロは、ＳＵＪ２製の軌道輪に標準熱処理を施し、残留オーステナイト量を８容量％とした場合（従来品２）に於ける衝撃荷重の大きさと音響特性の劣化度合いとの関係を、それぞれ表している。又、二点鎖線ハは、ＳＵＳ４４０Ｃ製の軌道輪に焼き入れ、サブゼロ、焼き戻し処理を施し、残留オーステナイト量を、やはり８容量％とした場合（従来品３）に於ける衝撃荷重の大きさと音響特性の劣化度合いとの関係を表している。又、破線ニは残留オーステナイト量を６容量％とした場合（本発明品１）に於ける衝撃荷重の大きさと音響特性の劣化度合いとの関係を表している。又、破線ホは、２２０℃の焼き戻し処理によって残留オーステナイト量を４容量％とした場合（本発明品２）に於ける衝撃荷重の大きさと音響特性の劣化度合いとの関係を表している。又、一点鎖線ヌは、２２０℃で２回の焼き戻し処理を施す事で残留オーステナイト量を２容量％とした場合（本発明品７）に於ける衝撃荷重の大きさと音響特性の劣化度合いとの関係を表している。又、破線トは、２４０℃の焼き戻し処理によって、残留オーステナイト量を０％とした場合（本発明品４）に於ける衝撃荷重の大きさと音響特性の劣化度合いとの関係を表している。尚、ＳＵＪ２製の軌道輪に焼き入れ、サブゼロ、焼き戻し処理を施し、残留オーステナイト量をやはり０％とした場合（本発明品５）、並びにＳＵＳ４４０Ｃ製の軌道輪に焼き入れ、サブゼロ、焼き戻し処理を施し、残留オーステナイト量をやはり０％とした場合（本発明品６）に於いても、衝撃荷重の大きさと音響特性の劣化度合いとの関係は、上記本発明品４の場合とほぼ同様の結果となった。従って、上記本発明品５、６に於ける衝撃荷重の大きさと音響特性の劣化度合いとの関係は、図４の曲線トとほぼ等しい為、この曲線トが本発明品５、６の場合の曲線チ、リをも表す。同様に、曲線ホは、本発明品３の場合の曲線ヘをも表す。
【００２７】一方、曲線ル〜ワは、一般用並級玉軸受（ＪＩＳ等級＝Ｐ０）での、各種残留オーステナイト量に対する衝撃荷重の大きさと音響特性の劣化度合いとの関係を表している。このうち、実線ルは前記従来品１と同様の条件により軌道輪を形成した場合に於ける衝撃荷重の大きさと音響特性の劣化度合いとの関係を表している。又、二点鎖線ヲは、前記従来品３と同様の条件により軌道輪を形成した場合に於ける衝撃荷重の大きさと音響特性の劣化度合いとの関係を表している。更に、破線ワは、前記本発明品１と同様の条件により軌道輪を形成した場合に於ける衝撃荷重の大きさと音響特性の劣化度合いとの関係を表している。
【００２８】この図４の記載から明らかな通り、音響要求が厳しく、且つＪＩＳの５級以上の高精度玉軸受に於いては、軌道輪の残留オーステナイト量を６容量％以下に規制すれば、残留オーステナイト量が８容量％以上である従来品に比べて衝撃荷重に伴う音響特性の劣化度合いを少なく抑える事ができる。即ち、本発明の玉軸受は耐荷重性、耐衝撃性に優れ、有害な永久変形を生じ難い事が分る。有害な永久変形を生じ難い事により、上記衝撃荷重に伴う音響特性の劣化度合いが少なく抑えられる。一方、従来使用されていた並級玉軸受では、初期の音響レベルが高い為、衝撃荷重による音響劣化が顕著に表れる事はない。
【００２９】更に、本発明の玉軸受の場合、表面形状の経時劣化に伴う音響特性の劣化が減少する。即ち、軌道輪の表面精度は、転がり応力の繰り返しに伴い経時劣化し、この様な表面形状の経時劣化に伴って音響特性が劣化する。上記表面形状の経時劣化は、転がり面の表面層に存在する残留オーステナイトが分解する事に、大きく起因する。本発明の玉軸受に於いては、上記表面精度の経時劣化の原因となる残留オーステナイトの量を６容量％以下と低く抑えている為、上記表面形状の経時劣化が抑えられる。従って、表面形状の経時劣化に伴う音響特性の劣化が減少する。更に、工夫した焼き戻し処理により残留オーステナイト量を減らすと同時にマルテンサイトの安定化を進める事ができる為、表面形状の経時変化を更に小さく抑える事ができる。この為、深冷処理と通常のテンパーを行なった場合よりも、表面形状の経時的劣化に伴う音響特性の劣化を小さくできる。以下に、この点に関して、本発明者が行なった第二の実験に就いて説明する。
【００３０】第二の実験は、前記表１に記載した従来品１、本発明品１、本発明品２、本発明品３、本発明品４、本発明品７を、それぞれ前記図１に示すスピンドルモータに組み込み、軌道輪の表面精度、並びにアンデロン値を測定する事で行なった。尚、表面精度は、軌道輪表面の凹凸程度（うねり）を表したもので、凹凸による段差の積算値で表わされ、単位はμｍＲmsである。この形状精度は、比較的細かい凹凸の程度を表わすHIGH BAND と、粗い凹凸の程度を表わすLOW BANDとがあるが、音響特性に影響を及ぼすのはこのうちのHIGH BAND である。そこで、上記表面精度のうちのHIGH BAND の測定値を、図５に示した。又、音響特性に影響を与える数値として、アンデロン値が広く知られている。このアンデロン値にも、周波数によってLOW BANDとMEDIUM BAND とHIGH BAND とがあるが、図６（Ａ）にこのうちのMEDIUM BAND の測定値を、同図（Ｂ）にHIGH BAND の測定値を、それぞれ記載している。これら図５、６に於いて、実線イが従来品１を、実線ニが本発明品１を、実線ホが本発明品２を、実線ヘが本発明品３を、実線トが本発明品４を、実線ヌが本発明品７を、それぞれ表している。
【００３１】この図５〜６の記載から明らかな通り、本発明の玉軸受の軌道輪は、その表面精度が経時的に劣化する度合いが小さい。特に、残留オーステナイト量が２容量％以下の場合、経時的に劣化する事が殆どない。従って、表面精度の経時劣化に伴う音響特性も殆ど劣化しない。これは、転がり面の表面層に存在する残留オーステナイトの量が少なく、この残留オーステナイトの分解に基づく表面性状の劣化が少ない為である。
【００３２】
【発明の効果】本発明の玉軸受は、以上に述べた通り構成され作用するので、玉軸受を組み込んだＨＤＤ、ＶＴＲ等の音響性能を向上させて、これらＨＤＤ、ＶＴＲ等の性能向上を図れる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００４２０４
【氏名又は名称】日本精工株式会社
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| 【出願日】 |
平成６年７月４日（１９９４．７．４） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８７４５７
【弁理士】
【氏名又は名称】小山 武男 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開２００３−２３２３４２（Ｐ２００３−２３２３４２Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１５年８月２２日（２００３．８．２２） |
| 【出願番号】 |
特願２００３−７４１７８（Ｐ２００３−７４１７８） |
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