JP2005337508A - セラミックス製動圧軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 動圧軸受の回転中に振動や焼き付きが発生することがないセラミックス製動圧軸受を提供すること。
【解決手段】 動圧軸受３は、円筒状の軸受５と、その貫通孔７にて軸受５の軸方向に嵌挿された主軸９とから構成されている。主軸９は固定されて回転せず、軸受５側が回転する構成となっており、主軸９は貫通孔７内にて偏心して配置されている。よって、動圧軸受の原理により、軸受５は主軸９と非接触にて高速回転する。軸受５及び主軸９は、アルミナセラミックからなり、各々の回転面５ａ，９ａの表面粗さＳｍは、５〜５０μｍの範囲に設定されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、回転時には主軸と軸受とが非接触となり、主軸又は軸受が回転する動圧軸受に関するものである。

従来より、高速回転する高精度モータには、高速回転時の優れた軸受性能を得るためや、低回転ムラの発生の防止等のために、空気等の気体を媒体とした動圧軸受が用いられている。この動圧軸受とは、例えば主軸が回転する場合には、回転時に主軸が軸受面と非接触で支持されて回転するものであり、この主軸及び軸受の材料には、ステンレス等の金属もしくはこれらに樹脂等のコーティングを施したものが一般的に用いられている。

ところが、金属製の動圧軸受では、起動時および停止時に主軸と軸受が焼き付きを起こすことがある。また、金属に樹脂をコーティングを施したものでは、耐摩耗性に劣り動圧軸受としての寿命が短いという問題があった。

そこで、上記のような動圧軸受の起動時および停止時の焼き付きを防止するために、主軸及び軸受の両方またはどちらか一方を、焼き付きが生じにくくしかも耐摩耗性に優れているアルミナを始めとするセラミックスにより構成することが行われている。

しかしながら、このように動圧部品にセラミックスを用いた場合でも、主軸回転中に振動が発生したり、（仮に一方が金属である場合には）依然として焼き付きが発生する等の問題が生じていた。つまり、振動の問題は、主軸及び軸受の両方またはどちらか一方をセラミックスとした場合にも発生し、焼き付きの問題は、主軸をステンレス等の金属とした場合に発生することがあった。

本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、動圧軸受の回転中に振動や焼き付きが発生することがないセラミックス製動圧軸受を提供することを目的とする。

前記目的を達成するための請求項１の発明は、主軸もしくは軸受が回転する際に、該主軸と軸受とが互いの回転面にて非接触となる動圧軸受において、前記主軸もしくは軸受又は双方のうち、少なくとも前記回転面がセラミックスから構成されるとともに、該セラミックスからなる回転面の表面粗さが、凹凸の平均間隔（Ｓｍ）で５〜５０μｍであることを特徴とするセラミックス製動圧軸受を要旨とする。

前記セラミックスとしては、アルミナ、ジルコニア、アルミナ−ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素等を採用できる。前記Ｓｍとは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１により凹凸の平均間隔を定義するものであり、具体的には、例えば図１に示す様に凹凸があるとすると、粗さ曲線ｒから平均線ｍの方向に基準長さｌだけ抜取り、この抜取り部分において一つの山及びそれに隣合う一つの谷に対応する平均線ｍの長さの和を求め、この多数の凹凸の間隔の算術平均値をミリメートル［ｍｍ］で表したものをいう。即ち、Ｓｍは、下記式（１）で表されるものをいう。

請求項２の発明は、前記セラミックスからなる回転面に、多数の空孔を有していることを特徴とする前記請求項１に記載のセラミックス製動圧軸受を要旨とする。この多数の空孔は、回転面の表面に均一に分散していることが好ましい。また、その径に関しては、あまり小さかったり大きかったりすることは望ましくなく、同じ程度の径の空孔が分散していることが望ましい。

従って、セラミックスの回転面の接触面積率としては、例えば５０〜８０％の範囲が好適である。
また、空孔の回転面における直径の平均値は、５〜２０μｍの範囲が好適である。更に、空孔の回転面のおける直径は、５〜１５μｍの範囲内であると好適である。

請求項３の発明は、前記主軸が、前記軸受の貫通孔内にて回転する構成であることを特徴とする前記請求項１又は２に記載のセラミックス製動圧軸受を要旨とする。

以上詳述した様に、請求項１のセラミックス製動圧軸受では、主軸又は軸受もしくは双方がセラミックスから構成されるとともに、セラミックスの回転面における表面粗さＳｍを５〜５０μｍとしたので、動圧軸受の回転時の振動を防止することができる。また、動圧軸受の一方の部品を金属とした場合でも、焼き付きの発生を防止することができる。

請求項２の発明では、セラミックスからなる回転面に多数の空孔を有しているので、振動や焼き付きの発生がなく、しかもこの空孔は研磨等により容易に形成することができる。請求項３の発明では、例えばモータユニットに使用する軸受の構成として、主軸が軸受の貫通孔内にて回転する構成を採用できる。

セラミックス材を動圧軸受の材料として採用する場合には、主軸と軸受のセラミックス材の回転面における表面粗さが問題になる。つまり、一般に研磨加工後のセラミックス表面では、研磨時の粒子脱落により、微少な孔が存在しているが、このような孔の数、大きさ、分布状態等が、動圧軸受の回転時の振動や、（主軸と軸受の一方が金属である場合の）焼き付きに大きな影響を及ぼしていると考えられる。

具体的には、セラミック材の回転面に径の大きな孔（例えば直径１００μｍを超える孔）が存在している場合には、例えば主軸が回転する際に、主軸と軸受との間にある流体層に乱れが発生し、例えば主軸に振動が発生すると考えられる。一方、セラミックス材の回転面に存在する孔の個数が少なすぎたり、孔の径が小さいものが多数の場合には、主軸と軸受の回転面に凝着が生じ易くなり、主軸等が金属で形成されている場合には、焼き付きが生じことがある。

そこで、本発明では、セラミックスからなる回転面の表面粗さが、凹凸の平均間隔（Ｓｍ）で５〜５０μｍとすることにより、上述した孔の大きさや数を適切なものとすることができるので、振動や焼き付きの発生を防止することができる。

［実施例］
次に、本発明のセラミックス製動圧軸受の実施例について説明する。
（実施例１）
ａ）本実施例のセラミックス製動圧軸受は、図２（ａ）に示す様に、例えばポリゴンミラーを回転駆動するためのモータユニット１に使用されるものであり、空気を媒体とした動圧軸受３である。

この動圧軸受３は、円筒状の軸受５（内径１３ｍｍ強、外径２５ｍｍ、軸方向長さ５ｍｍ）と、その貫通孔７にて前記軸受５の軸方向に嵌挿された主軸９（直径１３ｍｍ弱、長さ８ｍｍ）とからなり、主軸９は固定されて回転せず、その周囲の軸受５側が回転する構成となっている。尚、当然ながら、軸受５の内径と主軸９の直径が同一では回転できないので、軸受５の内径を１３ｍｍ強、主軸９の直径を１３ｍｍ弱として、それらの間に僅かな隙間を持たせている。

また、図２（ｂ）に示す様に、主軸９は貫通孔７内にて偏心して配置されており、主軸９の中心軸は貫通孔７の中心軸と例えば５μｍだけわずかにずれている。よって、動圧軸受の原理により、軸受５は主軸９と非接触にて高速回転する。尚、軸受５及び主軸９のうち少なくとも一方の回転面（例えば軸受５側のみ）には、軸受５の回転を主軸９と非接触に滑らかに行うために、周知の動圧溝（図示せず）が形成されている。尚、周知の動圧溝の部分は、上述した表面粗さＳｍの対象外である。

前記軸受５及び主軸９は、アルミナセラミックからなり、各々の回転面５ａ，９ａの表面粗さＳｍは、５〜５０μｍの範囲に設定されている。つまり、軸受５及び主軸９の回転面５ａ，９ａには、多数の微小な孔（図示せず）が形成されており、この孔の大きさ及び数により、前記表面粗さＳｍが決まる。尚、孔の径の大きさは様々であるが、主として直径（５〜２０μｍ）の範囲のものからなり、平均すると、１０μｍである。

また、本実施例では、軸受５側を回転させるために、図２（ａ）に示す様に、軸受５の外周に取り付けられた環状部１１の下面側には永久磁石１３が配置され、この永久磁石１３と対向する基台１５上には電磁石１７が配置されている。

ｂ）上述した動圧軸受３は、下記の方法により製造することができる。
アルミナからなるセラミック粉末をプレス成形して圧粉体を焼結し、この焼結品に研磨加工を施して所定の寸法に仕上げる。その後、回転面５ａに動圧溝を形成する。この動圧溝は、例えばサンドブラストやエッチング等により形成する。そして、得られた動圧軸受３をモータユニット１に組み込む。

特に、軸受５及び主軸９の回転面５ａ，９ａの表面粗さＳｍを、５〜５０μｍの範囲に設定するためには、使用するアルミナの粒径、成形圧力、焼結温度、相対密度、研磨方法等を適宜選択することにより行うことができる。例えば表面を粗くする研磨を行う場合には、表面粗さＳｍが大きくなり、逆に表面を滑らかにする研磨を行う場合には、表面粗さＳｍが小さくなるので、それらを組み合わせて、表面粗さＳｍを、５〜５０μｍの範囲に設定することができる。

上述した構成を有する本実施例の動圧軸受３は、回転面における表面粗さＳｍが５〜５０μｍの適度な範囲であるので、動圧軸受３の回転時の振動が極めて少なく、また、軸受５及び主軸９がセラミックスから構成されているので、始動時や停止時等に焼き付きが発生することもない。

尚、本実施例の動圧軸受３の場合、例えば一方の部品（軸受５又は主軸９）をステンレス等の金属としたとしても、セラミックスからなる軸受５又は主軸９の回転面における表面粗さＳｍが５〜５０μｍの適度な範囲であるので、焼き付きが発生することはない。

ｃ）次に、本実施例の効果を確認するために行った実験例について説明する。
（実験例）上述した実施例の構造のモータユニットにおいて、軸受及び主軸の材料と回転面の表面粗さＳｍとを、下記表１及び下記表２に示すものとした。そして、軸受側を４００００ｒｐｍの回転数で回転させ、下記の測定項目(1)，(2)について調べた。その結果を、同じく下記表１及び表２に記す。

(1)振動の有無（回転中に測定）但し、振動の検出は、非接触式のレーザ変位計（５００００回／秒のサンプリング可能）を用いて行なう(2)焼き付きの有無（起動時及び停止時に焼き付きが発生したか否かを確認)

この表１から明かな様に、実施例の試料No.２〜５のものは、表面粗さＳｍが、５〜５０μｍの本発明の範囲であるので、振動が少なく金属製主軸の焼き付きも発生しなかった。それに対して、比較例の試料No.１のものは、表面粗さＳｍが小さ過ぎ、振動が発生したので好ましくない。また、比較例の試料No.６のものは、表面粗さＳｍが大き過ぎ、振動及び金属製主軸の焼き付きが発生したので好ましくない。

この表２から明かな様に、実施例の試料No.８〜１１のものは、表面粗さＳｍが、５〜５０μｍの本発明の範囲であるので、振動が少なく焼き付きも発生しなかった。それに対して、比較例の試料No.７のものは、表面粗さＳｍが小さ過ぎ、振動が発生したので好ましくない。また、比較例の試料No.１２のものは、表面粗さＳｍが大き過ぎ、振動が発生したので好ましくない。尚、この実験例では、軸受及び主軸ともにセラミックスであるので、焼き付きは生じない。

（実施例２）図３に示す様に、本実施例のセラミックス製動圧軸受２１は、円筒状の軸受２３と、その貫通孔２５にて前記軸受２３の軸方向に嵌挿された主軸２７とから構成されている。

本実施例では、軸受２３は固定されて回転せず、主軸２７側が回転する構成となっており、主軸２７は貫通孔２５内にてその中心軸よりわずかにずれて偏心して配置されている。よって、動圧軸受の原理により、主軸２７は軸受２３と非接触にて高速回転する。

尚、主軸２７及び軸受２３のうち少なくとも一方の回転面には、周知の動圧溝（図示せず）が形成されている。
前記主軸２７はステンレス（ＳＵＳ ３０４）からなり、一方、軸受２３は、アルミナセラミックスからなり、軸受２３側の回転面２３ａの表面粗さＳｍは、５〜５０μｍの範囲に設定されている。本実施例の構成によっても、前記実施例１と同様に、振動及び焼き付きの発生を防止することができる。

尚、本実施例では、主軸２７を金属で構成し、軸受２３をセラミックスで構成したが、これとは別に、主軸２７をセラミックスで構成し、軸受２３を金属で構成してもよく、或は、主軸２７及び軸受２３の両方をセラミックスで構成してもよい。

尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。

表面粗さＳｍを説明する説明図である。 実施例１を示し、（ａ）は動圧軸受が使用されたモータユニットを一部破断して示す正面図、（ｂ）は動圧軸受を示す平面図である。 実施例２の動圧軸受を示す斜視図である。

符号の説明

１…モータユニット
３，２１…動圧軸受
５，２３…軸受
９，２７…主軸

Claims (3)

1. 主軸もしくは軸受が回転する際に、該主軸と軸受とが互いの回転面にて非接触となる動圧軸受において、前記主軸もしくは軸受又は双方のうち、少なくとも前記回転面がセラミックスから構成されるとともに、該セラミックスからなる回転面の表面粗さが、凹凸の平均間隔（Ｓｍ）で５〜５０μｍであることを特徴とするセラミックス製動圧軸受。
2. 前記セラミックスからなる回転面に、多数の空孔を有していることを特徴とする前記請求項１に記載のセラミックス製動圧軸受。
3. 前記主軸が、前記軸受の貫通孔内にて回転する構成であることを特徴とする前記請求項１又は２に記載のセラミックス製動圧軸受。

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