JP2000346059A

JP2000346059A - 動圧気体軸受

Info

Publication number: JP2000346059A
Application number: JP11157497A
Authority: JP
Inventors: Tamotsu Shimizu; 保清水; Seiichi Osada; 誠一長田
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1999-06-04
Filing date: 1999-06-04
Publication date: 2000-12-12

Abstract

(57)【要約】【課題】摺動摩擦抵抗が低く耐摩耗性および耐久性が
すぐれ、高速回転用に好適に使用できるとともに、動圧
発生溝の加工が容易である動圧気体軸受を提供する。【解決手段】滑り軸受の相対向する各摺動面部に、反
応性イオンエッチングによりガス化処理できる硬質膜を
被着し、一方の摺動面部に被着した硬質膜７に、反応性
イオンエッチングにより動圧発生溝５を形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はレーザプリンタや
ハードディスクドライブなどの高速回転駆動機構を有す
る装置に用いられる動圧気体軸受に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、これらの装置の軸受としては球軸
受やころ軸受のような接触式の軸受が使われているが、
最近では印字速度の高速化、記録・再生のアクセス時間
の短縮化のため高速回転が要求され、例えばレーザプリ
ンタに用いられるポリゴンミラーの駆動では毎分２万回
転以上での安定動作が要求されており、このような高速
用途の場合、従来使用されている球軸受では摩擦摩耗に
よるかじりや焼付きを生じ、高速化に対応できない。こ
のため摺動部材として耐摩耗性に優れたセラミックスを
用いた動圧気体軸受が注目されており、このセラミック
スとしては、炭化珪素、アルミナ、窒化珪素等が用いら
れている。

【０００３】ところがこの動圧気体軸受の場合、これら
の硬質部材に動圧発生用の溝を形成する必要があり、こ
の溝加工は一般に機械加工によっているが材料が硬質な
ため加工が困難で、また加工時に発生する溝開口縁部の
バリを除去する必要もあるなど、加工工数がかかり高価
なものになっている。さらに、特開平５ー２９６２４８
号公報に記載されているように、滑り軸受の摺動面にダ
イヤモンドライクカーボンを被膜して低摩擦・低摩耗化
を図ろうとする考え方がある。しかし、図８に示すよう
に、基材４０に予め加工した動圧発生溝４１の全面に、
ダイヤモンドライクカーボンを被着して被膜４２を形成
すると、ダイヤモンドライクカーボンは被着により生じ
る内部応力が高いため被膜４２にクラック４３を生じ、
短期間で剥離して回転不良事故が発生するという問題点
がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この発明は上記従来の
問題点を解決しようとするもので、摺動摩擦抵抗が低く
耐摩耗性および耐久性がすぐれ、高速回転用に好適に使
用できるとともに、動圧発生溝の加工が容易である動圧
気体軸受を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の動圧気体
軸受は、滑り軸受の相対向する摺動面部のうちの一方の
摺動面部に、反応性イオンエッチングによりガス化処理
できる硬質膜を被着し、この硬質膜に反応性イオンエッ
チングにより動圧発生溝を形成したことを特徴とする。
この反応性イオンエッチングによりガス化処理できる硬
質膜としては、たとえばダイヤモンドライクカーボン、
あるいは炭化珪素、窒化珪素、窒化炭素などから成る硬
質膜を用いることができる。

【０００６】この請求項１の手段によれば、硬質膜は動
圧発生溝形成前の凹凸のない平滑な摺動面部に被着すれ
ばよいので、硬質膜はクラックのない状態で摺動面部に
被着され、耐久性に富むとともに、ダイヤモンドライク
カーボン等より成る硬質膜により、頻繁な起動・停止に
対しても低摩擦・低摩耗性が得られる。そして動圧発生
用溝の形成は、反応性イオンエッチングによる加工によ
り硬質膜成分をガス化することで除去するため機械加工
のようなバリも発生せず、機械加工よりも加工が容易で
ある。

【０００７】請求項２記載の動圧気体軸受は、滑り軸受
の相対向する各摺動面部に、反応性イオンエッチングに
よりガス化処理できる硬質膜を被着し、一方の摺動面部
に被着した前記硬質膜に、反応性イオンエッチングによ
り動圧発生溝を形成したことを特徴とする。この硬質膜
としては、前記請求項１記載の発明における硬質膜と同
じものを用いることができる。

【０００８】この請求項２の手段によれば、前記請求項
１の手段による作用に加えて、動圧発生溝形成側摺動面
に対向する他方の摺動面部も硬質膜で被覆されるので、
該他方の摺動面部が硬質膜で被覆されていない場合に比
べて低摩擦状態が確実に維持されるので、好ましい。

【０００９】この発明においては、硬質膜は一層で構成
してもよいが、請求項３記載の発明のように、前記動圧
発生溝が形成される前記硬質膜が、基材に被着される下
層側硬質膜と、この上に被着される上層側硬質膜の二層
から成り、前記動圧発生溝の底面が前記下層側硬質膜内
にある構成とすれば、高硬度の上層側硬質膜を薄い膜厚
で下層側硬質層の上に被着することにより、上層側硬質
膜の内部応力による剥離を防止して、高硬度の硬質膜を
形成することができ、さらに上層側硬質膜の摩耗後も、
下層側硬質膜により低摩擦・低摩耗状態は維持されるう
え、基材は安価な金属材料で構成できるので経済的であ
る。

【００１０】またこの発明においては、動圧発生溝は硬
質膜の厚さの範囲内に設けてもよいが、請求項４記載の
発明のように、前記動圧発生溝が前記硬質膜を貫通して
基材に達している構成とすれば、硬質膜を高硬度のもの
とするために膜厚を薄いものとしても、動圧発生に必要
な深さの動圧発生溝を形成できるとともに、基材に対し
ても反応性イオンエッチングにより動圧発生溝を形成す
るので、該溝加工に伴う機械加工の場合のようなマイク
ロクラックの発生がなく、該マイクロクラックに起因す
る異物発生を防止できるので、好ましい。

【００１１】また上記の動圧発生溝が硬質膜を貫通して
基材に達した構成とする場合、基材はたとえばアルミニ
ウムなどの金属材料で構成してもよいが、請求項５記載
の発明のように、前記基材が炭化珪素またはアルミナま
たはシリカから成る構成とすれば、硬質膜摩耗後も基材
が高硬度のセラミック材から成るので急激な摩耗の進行
が防止できるので、好ましい。さらに、これらの材料は
高剛性でありしかも比重が小さいので、高速回転部材の
小型軽量化に寄与するという点で、それぞれ基材構成材
として好ましい。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下図１〜図３に示す第１例によ
り、この発明の実施の形態を説明する。図１において１
はこの発明に係る動圧ラジアル気体軸受で、円筒状のス
リーブ２と、このスリーブ２の軸受穴３に少量のすきま
をもって嵌合する軸４とから成り、軸４の表面部には、
ヘリングボーン形の動圧発生溝５が設けられている。そ
して軸回転式の場合は図示しないフレーム等に固定され
たスリーブ２に対して軸４を矢印Ｘ方向に回転させ、軸
固定式の場合は図示しないフレーム等に固定した軸４の
まわりにスリーブ２を矢印Ｘと反対方向に回転させるこ
とにより、動圧発生溝５により動圧を発生させて、軸４
あるいはスリーブ２にかかる横荷重を支持する。

【００１３】軸４の表面部の構造は図２に示す通りで、
ステンレス鋼やアルミ合金などの金属から成る丸棒状の
基材６の表面に、ダイヤモンドライクカーボン（以下Ｄ
ＬＣという）から成る硬質膜であるＤＬＣ膜７を被着
し、このＤＬＣ膜７には、反応性イオンエッチングによ
り前記動圧発生溝５が形成してある。またスリーブ２も
ステンレス鋼やアルミ合金などの金属製で、この例では
軸受穴３の表面（内径面）部にもＤＬＣから成る硬質膜
であるＤＬＣ膜８（図１参照）を被着してある。

【００１４】上記動圧発生溝５の形成法を具体的に例示
すると、先ず図３（ａ）に示すように先ず基材６の表面
にＤＬＣを約７μｍ成膜してＤＬＣ膜７を形成する。こ
の成膜にはスパッタ、イオンプレーティング、プラズマ
ＣＶＤなどが用いられる。ＤＬＣは成膜条件によりその
硬度（マイクロビッカース硬度。以下同じ）を７００〜
５０００kgf/mm^２と広範囲に変えることが出来、例えば
プラズマＣＶＤで炭素の供給体としてベンゼン等の芳香
族炭化水素を用い、高周波電力４００ワット、処理ガス
圧力数十ミリトールで成膜を行うと硬度１０００kgf/mm
^２のＤＬＣ膜を得ることが出来る。耐摩耗性を上げるた
めには硬度は高いほうが好ましいが、硬度が高くなると
一般に膜の内部応力も高くなり下地の基材６との付着力
が低下し、膜の剥離や膜自身が粉状の破壊を生じるの
で、硬度は１０００kgf/mm^２程度が好ましい。付着力を
高めるためにＤＬＣ膜７と下地の基材６との間に珪素や
チタンなどの中間膜を形成してもよい。

【００１５】上記の成膜したＤＬＣ膜７に動圧発生溝５
を、半導体集積回路のパターニングと同様の手法を用い
て形成する。すなわち図３（ｂ）に示すように、ＤＬＣ
膜７上に、酸素プラズマに侵されずＤＬＣとの付着性の
良いチタン膜１１を形成し、この上にレジスト１２を塗
布してフォトリソグラフィーにより溝パターン１２ａ
［図３（ｃ）参照］を形成する。そしてこのレジスト１
２の溝パターン１２ａをマスクとして、アルゴンイオン
１３の照射によるイオンミリングなどの手法により、レ
ジスト１２の溝パターン１２ａをチタン膜１１に転写さ
せる。有機溶剤などによりレジスト１２を除去した後、
図３（ｄ）に示すように、チタン膜１１の溝パターン１
１ａをマスクとして、反応性ガスとして酸素を用い、た
とえば高周波電力２００ワット、酸素ガス圧力数百ミリ
トールの条件下で、酸素プラズマ（酸素イオン１４）中
での反応性イオンマッチングにより、ＤＬＣ膜７に深さ
約５μｍの動圧発生溝５を形成する。

【００１６】このようにＤＬＣ膜７の成膜後に、反応性
イオンエッチングによりＤＬＣ（炭素）を酸化・ガス化
して除去することにより動圧発生溝５を形成するので、
溝の開口縁部には機械加工の場合のようにバリが発生せ
ず、仕上加工のための加工工数は不要となり加工コスト
の低減をはかれるとともに、ＤＬＣ膜７は溝形成前の凹
凸のない平滑な基材表面上に広面積にわたって被着され
るので、クラックのない均質な膜が基材６に強固に被着
され、上記クラックによる剥離がなく頻繁な起動・停止
に対しても長期にわたって低摩擦・低摩耗状態が維持さ
れるのである。またこの例ではスリーブ２側にもＤＬＣ
膜８を被着してあるので、このＤＬＣ膜８がない場合に
比べて低摩擦状態が確実に維持される。

【００１７】上記の例では硬質膜をＤＬＣで形成した
が、このＤＬＣは摩擦係数が０．１〜０．２と低くかつ
硬度が３０００kgf/mm^２と高いので、特にすぐれた低摩
擦・低摩耗性が得られるものである。しかしＤＬＣは３
００℃程度の高温になると変質し摩擦強度が低下するの
で、高温での使用には、ＤＬＣの代りに炭化珪素を用い
るのがよい。炭化珪素はＤＬＣよりも摩擦係数が高いが
（摩擦係数＝０．２５程度）、高温時（３００℃以上）
にＤＬＣよりも安定であり、他の硬質膜よりは摩擦係数
が低く、硬度も高いことから、高温環境下での使用には
適しているものである。硬質膜形成用に炭化珪素を用い
る場合には、動圧発生溝形成のための反応性イオンエッ
チングの際には、前記の酸素ガスプラズマの代りに四フ
ッ化炭素プラズマなどを用い、第１例と同様な工程でエ
ッチングをおこなえばよく、この場合も炭化珪素を分解
・ガス化して除去するので溝の開口縁部にはバリは発生
しない。また窒化珪素も上記炭化珪素と同等の性質を有
し、同様にＤＬＣの好適な代替硬質膜となるものであ
る。

【００１８】次に図４によりこの発明の実施の形態の第
２例を説明する。図４は軸４の動圧発生溝５付設部を示
すものであり、軸受全体としては前記図１と同構成を有
するものであって、軸４は第１例と同様にスリーブ２と
組合わせて使用されるものである（以下他の例も同様で
ある）。

【００１９】図４に示すようにこの例における硬質膜２
１は、基材に被着される下側硬質膜２１ａと、この上に
被着される上側硬質膜２１ｂから成る二層構造となって
おり、この硬質膜２１に反応性イオンエッチングにより
形成した動圧発生溝５の底面５ａは、下側硬質膜２１ａ
内に有る。

【００２０】この例の軸受は、第１例よりもさらに低摩
耗を要求される場合に適しており、第１例よりも高硬度
の上側硬質膜２１ｂの被着によりこの低摩耗性を得るも
のである。すなわち、第１例では７μｍという比較的厚
いＤＬＣ膜８を用いているが、ＤＬＣは高硬度とすると
膜の内部応力も高くなり剥離しやすくなるので、この剥
離を防止するためには膜厚を薄くする必要がある。たと
えば硬度２５００kgf/mm^２のＤＬＣの場合、剥離をおこ
さない最大膜厚は３〜４μｍである。そこで高硬度で薄
い膜厚の上側硬質膜２１ｂと、これより低硬度で厚い膜
厚の下側硬質膜２１ａを、アルミ合金やステンレス鋼な
どの金属製の基材６上に被着し、この硬質膜２１内に動
圧発生溝５を形成している。

【００２１】上記の二層構造の硬質膜２１の形成材料と
してＤＬＣを用いる場合の成膜法を具体的に例示する
と、基材６の表面にＤＬＣの付着力を高めるために、ス
パッタリング法などにより珪素膜を０．２μｍ形成した
のち、この上に硬度１０００kgf/mm^２のＤＬＣ膜（下側
硬質膜２１ａ）を５μｍ形成する。この成膜は、たとえ
ば炭化水素としてベンゼンを用い、高周波電力３４０
Ｗ、処理圧力８０ｍTorr、ガス流量１１０sccmの成膜条
件で、成膜速度０．６５４μｍ／分でおこなう。

【００２２】次にこの上に、硬度２５００kgf/mm^２のＤ
ＬＣ膜（上側硬質膜２１ｂ）を２μｍ形成する。この成
膜は、たとえば上記と同じベンゼンを用い、高周波電力
６００Ｗ、処理圧力２２ｍTorr、ガス流量２０sccmの成
膜条件で、成膜速度０．１９μｍ／分でおこなう。この
ようにして形成したＤＬＣの二層構造の硬質膜２１に、
第１例と同様な方法により、深さ約５μｍの動圧発生溝
５を形成し、図４の構造の軸４を得る。

【００２３】このように、上側硬質膜２１ｂは薄い膜厚
のものにできるので、上側硬質膜２１ｂを高硬度のもの
としても内部応力により下側硬質膜２１ａから剥離する
のが防止され、また下側硬質膜２１ａは基材６に対して
広い面積で強固に被着されるので、下側硬質膜２１ａも
剥離しにくく、硬質膜２１は基材６に強固に固着され、
高硬度・低摩耗で耐久性に富む軸受が得られる。

【００２４】さらに基材６は安価な金属材料で構成でき
るので経済的であり、また上側硬質膜２１ｂが摩耗した
ときも、下側硬質膜２１ａによりある程度の低摩擦・低
摩耗状態は維持されるので、急激な摩耗の進行が生じる
ことはない。また基材６が反応性イオンエッチングが困
難なステンレス鋼である場合でも、硬質膜２１部に反応
性イオンエッチングにより容易に動圧発生溝５を加工で
きる。

【００２５】上記の第２例は、上側硬質膜２１ｂおよび
下側硬質膜２１ａをいずれもＤＬＣで形成する場合を示
したが、高温使用の場合における硬度の異なる炭化珪素
膜同士、あるいは炭化珪素膜（下側硬質膜２１ａ）とこ
れより高硬度のＤＬＣ膜（上側硬質膜２１ｂ）の組合わ
せなど、成膜条件の選定により上記以外の組合わせによ
って二層構造の硬質膜２１を形成してもよい。

【００２６】次に図５に示すこの発明の実施の形態の第
３例では、第２例と同様に低摩耗性の実現のために高硬
度で薄い膜厚の硬質膜２５を、炭化珪素から成る丸棒状
の基材２６の表面に被着し、動圧発生溝５を、硬質膜２
５を貫通し基材２６の表面部を堀下げる形で、反応性イ
オンエッチングにより形成したものである。

【００２７】炭化珪素で構成した基材２６の表面に、た
とえば厚さ２μｍの高硬度のＤＬＣから成る硬質膜２５
を被着した場合は、第１例と同様にして酸素中で反応性
イオンエッチングにより硬質膜２５部のエッチングをお
こない、次にガスを酸素から四フッ化炭素に切替えて炭
化珪素部（基材２６）のエッチングをおこなって約７μ
ｍの深さの動圧発生溝５を形成する。

【００２８】このように高硬度の硬質膜２５を基材２６
の表面に被着して基材２６に達する動圧発生溝５を形成
したので、動圧発生に必要な深さの溝をそなえ高硬度で
耐摩耗性に富む軸受が得られ、また硬質膜２５の摩耗後
も基材２６は耐摩耗性を有するセラミック材から成るた
め、急激な摩耗の進行は防止される。また動圧発生溝５
は反応性イオンエッチングにより形成されるので、基材
２６部においても機械加工による場合のようなマイクロ
クラックの発生がなく、該マイクロクラックに起因する
異物発生を防止できる。

【００２９】また上記第３例における基材２６として
は、炭化珪素の代りにアルミナあるいはシリカを用いて
も、上記と同様な作用効果が得られる。さらに軸受荷重
が低く硬質膜の摩耗が少ない場合などは、上記のセラミ
ック材から成る基材２６の代りに、アルミ合金などの反
応性イオンエッチングが可能な金属から成る基材６に対
して、第３例と同じ硬質膜２５の被着および該硬質膜を
貫通して基材に至る動圧発生溝５の形成をおこなっても
よく、この場合は基材が安価でさらに低コスト化をはか
ることができる。

【００３０】この発明は上記各例に限定されるものでは
なく、たとえば硬質膜の厚さや動圧発生溝の深さなどは
上記以外のものとしてもよく、また動圧発生溝の形状も
たとえばステップ状など、上記以外の形状のものとして
もよい。さらにスリーブ２側に設けたＤＬＣ膜８も他の
材質のものとしてもよく、また軸受荷重が低い場合やス
リーブ２がたとえば軸受穴３の表面が平滑に仕上げられ
たセラミック材などから成る場合は、スリーブ２側の硬
質膜（ＤＬＣ膜８）の被着は省略してもよい。また動圧
発生溝は軸４側に設ける代りにスリーブ２側に設けても
よく、この場合は上記と同様な一層あるいは二層構造の
ＤＬＣ膜８，硬質膜２１，２５等を、スリーブ２の摺動
面部である軸受穴３の表面部に設ければよい。

【００３１】またこの発明は上記の動圧ラジアル気体軸
受１のほかに、図６および図７に示す動圧スラスト気体
軸受３１にも適用できるものであり、軸３２に固定した
円盤３３の盤面３４（摺動面）と、これに対向する軸受
体３５の受圧面３６（摺動面）のうちの一方の面に、各
種形状の動圧発生溝３７（図はスパイラル状のものを示
す。）を設けるにあたって、上記各例と同様な硬質膜の
被着および反応性イオンエッチングによる動圧発生溝の
形成をおこなえばよい。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
滑り軸受の摺動面部に被着した硬質膜に、反応性イオン
エッチングにより動圧発生溝を形成したので、硬質膜被
着時のクラック発生が防止されるとともに動圧発生溝開
口縁部のバリ取りも不要であり、摺動摩擦抵抗が低く耐
摩耗性および耐久性がすぐれ、高速回転用に好適に使用
できるとともに、動圧発生溝の加工が容易である動圧気
体軸受が得られ、この動圧気体軸受を、たとえばレーザ
プリンタに適用すれば高速印字が可能となり、ハードデ
ィスクドライブに適用すれば高速読出し・書込みが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態の第１例を示す動圧気体
軸受の断面図である。

【図２】図１における軸の動圧発生溝付設部の拡大断面
図である。

【図３】図２の動圧発生溝の形成工程説明図である。

【図４】この発明の実施の形態の第２例を示す図２相当
図である。

【図５】この発明の実施の形態の第３例を示す図２相当
図である。

【図６】この発明の他の実施の形態を示す動圧スラスト
気体軸受の縦断面図である。

【図７】図６のＡ−Ａ線断面図である。

【図８】従来の動圧気体軸受の一例を示す動圧発生溝部
の拡大断面図である。

【符号の説明】

１…動圧ラジアル気体軸受、２…スリーブ、３…軸受
穴、４…軸、５…動圧発生溝、５ａ…底面、６…基材、
７…ＤＬＣ膜、８…ＤＬＣ膜、２１…硬質膜、２１ａ…
下側硬質膜、２１ｂ…上側硬質膜、２５…硬質膜、２６
…基材、３１…動圧スラスト気体軸受、３２…軸、３３
…円盤、３４…盤面、３５…軸受体、３６…受圧面、３
７…動圧発生溝。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】滑り軸受の相対向する摺動面部のうちの
一方の摺動面部に、反応性イオンエッチングによりガス
化処理できる硬質膜を被着し、この硬質膜に反応性イオ
ンエッチングにより動圧発生溝を形成したことを特徴と
する動圧気体軸受。
【請求項２】滑り軸受の相対向する各摺動面部に、反
応性イオンエッチングによりガス化処理できる硬質膜を
被着し、一方の摺動面部に被着した前記硬質膜に、反応
性イオンエッチングにより動圧発生溝を形成したことを
特徴とする動圧気体軸受。
【請求項３】前記動圧発生溝が形成される前記硬質膜
が、基材に被着される下層側硬質膜と、この上に被着さ
れる上層側硬質膜の二層から成り、前記動圧発生溝の底
面が前記下層側硬質膜内にある請求項１または２記載の
動圧気体軸受。
【請求項４】前記動圧発生溝が前記硬質膜を貫通して
基材に達している請求項１または２記載の動圧気体軸
受。
【請求項５】前記基材が炭化珪素またはアルミナまた
はシリカから成る請求項４記載の動圧気体軸受。