JP2022132963A - 流体動圧軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 軸とスリーブとの間の隙間を温度に対して一定に保持することが可能な流体動圧軸受を提供する。【解決手段】 円筒状の第１スリーブ１４は、第１金属材料により形成されている。円筒状の第２スリーブ１５は、第１スリーブの内側に圧入された樹脂材により形成されている。軸１６は、第２スリーブ内に挿入され、第２金属材料により形成されている。第１金属材料の線膨張係数は、第２金属材料の線膨張係数より大きい。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、例えばポリゴンスキャナやモータなどの軸受けに適用される流体動圧軸受に関する。

流体動圧軸受は、円筒状のスリーブと円柱状の軸とを具備し、スリーブと軸の少なくとも一方に設けられた動圧発生部により動圧を発生する（例えば特許文献１参照。）
動圧発生部の耐久性を向上させるため、動圧発生部を樹脂で形成した動圧軸受装置が開発されている（例えば特許文献２参照）。

特開２０１５－２１５０５４号公報 特開２００６－２２０２７９号公報

空気を用いた流体動圧軸受は、軸とスリーブの間に生じる空気の圧力で軸をスリーブに対して非接触で支持する。このため、軸とスリーブとの間の隙間の寸法管理が重要である。

軸とスリーブの熱膨張及び熱収縮による隙間の寸法の変動を抑えるため、軸の線膨張係数とスリーブの線膨張係数がほぼ等しい必要がある。このため、軸とスリーブの両方を金属材料により形成したり、軸とスリーブの両方を樹脂材により形成したりすることが考えられる。しかし、この場合においてもそれぞれ以下のような問題がある。

軸とスリーブの両方を金属材料により形成した場合、これらの表面に潤滑機能材料を塗布する必要がある。しかし、潤滑機能材料の熱膨張や熱収縮の影響を抑えるため、潤滑機能材料の膜厚を１００μｍ以下とする必要がある。したがって、製造の難易度が高い。

一方、軸とスリーブの両方を樹脂材により形成した場合、樹脂材の線膨張係数が等方性の材料である場合、十分な強度を得ることが難しい。また、樹脂材にフィラーなどを混合した異方性材料である場合、必要な強度は得ることができるが、フィラーの方向により線膨張係数が異なり、熱膨張による変形が不均一となり、隙間の寸法を管理することが困難となる。

そこで、軸を金属材料、スリーブを樹脂材で構成することも考えられるが、この場合も熱膨張による金属材料と樹脂材の変形が不均一となり、隙間の寸法を管理することが困難であった。

本実施形態は、軸とスリーブとの間の隙間の寸法を温度に対して一定に保持することが可能な流体動圧軸受を提供する。

本実施形態の流体動圧軸受は、第１金属材料により形成された円筒状の第１スリーブと、前記第１スリーブの内側に圧入された樹脂材により形成された円筒状の第２スリーブと、前記第２スリーブ内に挿入され、第２金属材料により形成された軸と、を具備し、前記第１金属材料の線膨張係数は、前記第２金属材料の線膨張係数より大きい。

本実施形態に係る流体動圧軸受が適用されるポリゴンスキャナを示す斜視図。 図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図。 図２の要部を取出して示すものであり、常温時における各部の寸法と高温における各部の寸法を比較して示す断面図。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。図面において、同一部分には、同一符号を付している。

図１、図２は、本実施形態に係る流体動圧軸受が適用されるポリゴンスキャナ１０を示している。ポリゴンスキャナ１０は、ポリゴンミラー１１と、ポリゴンミラー１１を回転させるモータ１２と、流体動圧軸受１３とを具備している。流体動圧軸受１３は、具体的には、空気を用いた空気動圧軸受である。流体動圧軸受１３は、円筒状の第１スリーブ１４及び第２スリーブ１５と、円柱状の軸１６を含んでいる。

第１スリーブ１４は、スリーブ組立体１７と共に一体的に形成されており、スリーブ組立体１７は、印刷基板１８の裏面に固定される。すなわち、印刷基板１８は、開口部１８ａを有し、第１スリーブ１４は、開口部１７ａを通り印刷基板１８の表面側に配置される。

第１スリーブ１４及びスリーブ組立体１７は、第１金属材料、例えばステンレススチール（ＳＵＳ）、アルミニウム合金、銅合金の内の１つにより形成される。アルミニウム合金は、例えば、銅、マンガン、ケイ素、ニッケル、マグネシウム、亜鉛、鉄、クロム、及びチタンから選択された少なくとも１つの材料とアルミニウムとの合金である。銅合金は、例えば黄銅である。

金属製の第１スリーブ１４の内面には、樹脂材からなる円筒状の第２スリーブ１５が圧入されている。第２スリーブ１５は、例えば射出成型により形成される。第２スリーブ１５の内面、すなわち、軸１６と対抗する面には、動圧を発生するための複数の溝１５ａが形成されている。複数の溝１５ａの形状は、例えばほぼ螺旋状であるが、螺旋状に限定されるものではなく、へリングボーン形状などであってもよい。

第２スリーブ１５を形成する樹脂材は、例えばエポキシ（ＥＰ）、フェノール（ＰＦ）、フッソジュシ（ＰＴＦＥ）、エキショウポリマー（ＬＣＰ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリアリレート、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリサルフォン（ＰＳ）、超高分子ポリエチレン、ポリビチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、変性ポリフェニレンエーテル、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、及びポリカーボネート（ＰＣ）の内の１つである。

第２スリーブ１５としての樹脂材は、好ましくは、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）である。また、樹脂材は、例えば炭素繊維などの強化充填材（フィラー）を含んでいてもよい。

以下、金属製の第１スリーブ１４と樹脂製の第２スリーブ１５からなる２層構造のスリーブを単にスリーブ３０とも言う。

軸１６は、軸方向の中央部がスリーブ３０、具体的には、第２スリーブ１５内に挿入される。軸１６の軸方向の第１端部は、磁気軸受１９によりスリーブ組立体１７に保持される。

軸１６は、第２金属材料、例えばステンレススチール（ＳＵＳ）、アルミニウム合金、銅合金の内の１つにより形成される。アルミニウム合金は、例えば銅、マンガン、ケイ素、ニッケル、マグネシウム、亜鉛、鉄、クロム、及びチタンから選択された少なくとも１つの材料とアルミニウムとの合金である。銅合金は、例えば黄銅である。

磁気軸受１９は、同心状に配置された２つのリング状の永久磁石１９ａ、１９ｂ含んでいる。外側の永久磁石１９ａは、スリーブ組立体１７に固定され、内側の永久磁石１９ｂは、軸１６の第１端部に固定されている。磁気軸受１９は、スラスト軸受けであり、軸１６の軸方向の位置を保持する。

モータ１２は、ロータ２０と、永久磁石２１と、ステータとしてのコイル２２と、ケース２３、及びバックヨーク２４とを具備している。ロータ２０は、軸１６の第２端部に取り付けられ、永久磁石２１は、ケース２３の内面に取り付けられる。ケース２３は、ロータ２０の外側に固定され、バックヨーク２４は、ロータ２０の内側に固定される。コイル２２は、永久磁石２１とバックヨーク２４との間に配置され、印刷基板１８に固定される。

ポリゴンミラー１１は、ロータ２０に装着され、ロータ２０と共に回転する。ポリゴンミラー１１は、ロータ２０に例えば圧入された押え部材２５によりロータ２０に固定される。円板２６は、ねじ２７により軸１６に固定され、押え部材２５は、円板２６により、抜け止めされる。

（流体動圧軸受）
流体動圧軸受１３について、さらに説明する。
本実施形態の流体動圧軸受１３において、スリーブ３０は、金属製の第１スリーブ１４の内側に樹脂製の第２スリーブ１５が圧入された２層構造とされている。第１スリーブ１４は、第２スリーブ１５より剛性の高い第１金属材料により構成されている。軸１６は、第２金属材料により形成されている。

図３は、常温時Ｔ０における第１スリーブ１４、第２スリーブ１５、及び軸１６の寸法と、高温時Ｔ１における第１スリーブ１４、第２スリーブ１５、及び軸１６の熱膨張による寸法の変化を模式的に示している。

Ｇ０は、常温時Ｔ０における軸１６と第２スリーブ１５との間の隙間の寸法であり、Ｇ１は、高温時Ｔ１における軸１６と第２スリーブ１５との間の隙間の寸法である。

Ｌ１６は、温度変化に伴う軸１６の線膨張により生じた寸法を示し、Ｌ１５は、温度変化に伴う第２スリーブ１５の線膨張と弾性変形により生じた寸法を示し、Ｌ１４は、温度変化に伴う第１スリーブ１４の線膨張と弾性変形により生じた寸法を示している。

本実施形態は、金属製の軸１６の線膨張係数（線膨張率）より大きい線膨張係数を有する金属製の第１スリーブ１４により、第１スリーブ１４よりさらに大きな線膨張係数を有する樹脂製の第２スリーブ１５の変形を吸収することにより、軸１６と第２スリーブ１５との間の隙間の変化をほぼ一定（Ｇ０≒Ｇ１）に保持することができる。したがって、温度変化に伴う樹脂製の第２スリーブ１５の線膨張率の異方性が１０×１０^－６（／℃）以下、好ましくは、３×１０^－６（／℃）であれば、熱膨張の影響をほぼ抑えることが可能である。

ここで、線膨張率の異方性とは、樹脂材に含まれるフィラーの種類や成型時における溶融樹脂の流動配向により線膨張率が方向により異なることである。線膨張率の異方性が３×１０^－６（／℃）とは、具体的には、樹脂材の線膨張係数が方向によって、例えば４０×１０^－６（／℃）から４３×１０^－６（／℃）の間に収まっていることである。本実施形態において、第２スリーブ１５の内径の変化の目標値は、後述するように、０，５μｍ以下であるが、第２スリーブ１５の想定実寸法（例えば直径９ｍｍ、温度１００℃）での線膨張率の異方性により０，２μｍ程度の誤差が生じることを意味する。

熱膨張による第２スリーブ１５の内径の寸法変化は、次のように求められる。
（温度変化による第１スリーブ１４側からの力による変形）
温度が上昇すると、第２スリーブ１５と第１スリーブ１４は、それぞれ熱膨張する。樹脂材からなる第２スリーブ１５と第１金属材料からなる第１スリーブ１４の線膨張係数（線膨張率）の関係は、次式で示される。
第２スリーブ１５＞第１スリーブ１４
このため、熱膨張により、第１スリーブ１４によって第２スリーブ１５を締め付ける力が強くなる。この力により、第２スリーブ１５の内径寸法が小さくなる。

第２スリーブ１５が第１スリーブ１４に圧入されていない状態における第２スリーブ１５と第１スリーブ１４の熱膨張時の寸法は、次式で示される。
第２スリーブ１５（樹脂材）の外径寸法の変化量：２・α１・ΔＴ・ｒ２
第１スリーブ１４（第１金属材料）の外径寸法の変化量：２・α２・ΔＴ・ｒ２
ここで、
α１：第２スリーブ１５（樹脂材）の線膨張係数（１／Ｋ）
α２：第１スリーブ１４（第１金属材料）の線膨張係数（１／Ｋ）
ΔＴ：温度変化（Ｋ）
ｒ２：圧入部の半径（図２に示す第２スリーブ１５の外径）（ｍ）

熱膨張した第２スリーブ１５を第１スリーブ１４内に圧入する際、第１スリーブ１４により第２スリーブ１５が圧縮される。この圧縮された部分の寸法（圧入マージン）δは、次式（１）で示される。
δ＝２・（α１－α２）・ΔＴ・ｒ２ …（１）
尚、圧縮された部分の寸法は、以下の説明において、第２スリーブ１５の半径の変化として示している。

圧入により圧縮された部分の寸法が増加した時の第２スリーブ１５の外面（外周面）が受ける圧力の変化量Δｐは、次式（２）で示される。

ここで、
ｒ１：第２スリーブ１５の内面の半径（ｍ）
ｒ２：圧入部の半径（図２に示す第２スリーブ１５の外径）（ｍ）
ｒ３：第１スリーブ１４の外径（ｍ）
Ｅ１：第２スリーブ１５のヤング率
Ｅ２：第１スリーブ１４のヤング率
ν１：第２スリーブ１５のポアソン比
ν２：第１スリーブ１４のポアソン比

第２スリーブ１５が外周面から受ける圧力が変動した時、第２スリーブ１５の内面の半径の変化量uは、次式（３）で示される。

第２スリーブ１５の樹脂材の厚みは、熱膨張により増大する。これにより第２スリーブ１５の内径寸法が小さくなる。第２スリーブ１５の厚みは、次式（４）で示される。
－α１・ΔＴ・（ｒ２－ｒ１） …（４）

第２スリーブ１５の樹脂材の径方向の寸法は、熱膨張により増大する。これにより第２スリーブ１５の内径寸法が大きくなる。第２スリーブ１５の径方向の寸法は、次式（５）で示される。
α１・ΔＴ・ｒ１ …（５）

軸１６の外形寸法は、熱膨張により増大する。軸１６の外形寸法が第２スリーブ１５の内径ｒ１とほぼ等しいと仮定すると、熱膨張により増大する軸１６の外形寸法は、次式（６）で示される。
－α３・ΔＴ・ｒ１ …（６）
ここで、
α３：軸１６（第２金属材料）の線膨張係数（１／Ｋ）

軸１６と第２スリーブ１５との間の隙間の寸法の熱膨張による変動は、上式（１）～（６）より、次式（７）の左辺で示される。

式（７）の左辺で示される隙間の変動が、右辺で示される許容寸法、例えば０．５μｍ以内となるように各部の寸法、及び材料が選定される。

具体的には、第１スリーブ１４としての第１金属材料は、軸１６の第２金属材料より線膨張係数が大きい材料が選択される。より具体的には、第１スリーブ１４として例えばＳＵＳ３０３（線膨張係数：１６．４×１０^－６／℃）を使用する場合、軸１６として例えば黄銅（線膨張係数：１８．７×１０^－６／℃）が使用される。第２スリーブ１５は、ＰＥＥＫ（線膨張係数：４×１０^－５／℃）が使用される。

（実施形態の効果）
上記実施形態の流体動圧軸受１３によれば、円筒形のスリーブ３０を第１スリーブ１４と、第１スリーブ１４の内側に圧入される第２スリーブ１５との２層構造とし、第１スリーブ１４は、第１金属材料により構成し、第２スリーブ１５は、樹脂材により構成し、第２スリーブ１５内に第２金属材料により構成された軸１６が挿入されている。さらに、第１スリーブ１４を構成する第１金属材料の線膨張係数は、軸１６を構成する第２金属材料の線膨張係数より大きい。このため、温度上昇により、第１スリーブ１４より大きい線膨張係数を有する第２スリーブ１５としての樹脂材が膨張した場合、第２スリーブ１５の寸法の増加分を第１スリーブ１４の寸法の増加分により相殺することができる。したがって、温度変化に伴う樹脂製の第２スリーブ１５の線膨張率の異方性が１０×１０^－６（／℃）以下、好ましくは、３×１０^－６（／℃）であれば、軸１６と第２スリーブ１５との間の隙間の寸法の変化を抑えることが可能であり、流体動圧軸受の性能を向上させることが可能である。

本実施形態に係る流体動圧軸受１３は、ポリゴンスキャナに適用した場合を示しているが、これに限定されるものではなく、他の装置に適用することも可能である。

その他、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１３…流体動圧軸受、１４…第１スリーブ（第１金属材料）、１５…第２スリーブ（樹脂材）、１６…軸（第２金属材料）。

Claims (8)

1. 第１金属材料により形成された円筒状の第１スリーブと、
   前記第１スリーブの内側に圧入された樹脂材により形成された円筒状の第２スリーブと、
   前記第２スリーブ内に挿入され、第２金属材料により形成された軸と、
   を具備し、
   前記第１金属材料の線膨張係数は、前記第２金属材料の線膨張係数より大きいことを特徴とする流体動圧軸受。
2. 前記樹脂材の線膨張係数は、前記第１金属材料の線膨張係数より大きいことを特徴とする請求項１記載の流体動圧軸受。
3. 前記軸と前記第２スリーブとの間の隙間の寸法の熱膨張による変動が次式で示されることを特徴とする請求項１記載の流体動圧軸受。
   

   

   
   ここで、
   Δｐ：第２スリーブの外面が受ける圧力の変化量
   ｒ１：第２スリーブの内面の半径
   ｒ２：第２スリーブの外面の半径
   α１：樹脂材の線膨張係数
   α２：第１金属材料の線膨張係数
   α３：第２金属材料の線膨張係数
   ΔＴ：温度変化
   ν１：樹脂材のポアソン比
   ν２：第１金属材料のポアソン比
   Ｅ１：樹脂材のヤング率
4. 圧入により圧縮された部分の寸法が増加した時の前記第２スリーブの外面が受ける圧力の変化量Δｐは、次式で示されることを特徴とする請求項３記載の流体動圧軸受。
   

   

   
   ここで、
   ｒ１：第２スリーブ１５の内面の半径（ｍ）
   ｒ２：圧入部の半径（図２に示す第２スリーブ１５の外径）（ｍ）
   ｒ３：第１スリーブ１４の外径（ｍ）
   Ｅ１：第２スリーブ１５のヤング率
   Ｅ２：第１スリーブ１４のヤング率
   ν１：第２スリーブ１５のポアソン比
   ν２：第１スリーブ１４のポアソン比
5. 熱膨張した前記第２スリーブを前記第１スリーブ内に圧入する際、前記第１スリーブにより前記第２スリーブが圧縮された部分の寸法δが次式で示されることを特徴とする請求項４記載の流体動圧軸受。
   δ＝２・（α１－α２）・ΔＴ・ｒ２
6. 前記樹脂材は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）であることを特徴とする請求項２記載の流体動圧軸受。
7. 前記樹脂材は、エポキシ（ＥＰ）、フェノール（ＰＦ）、フッソジュシ（ＰＴＦＥ）、エキショウポリマー（ＬＣＰ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリアリレート、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリサルフォン（ＰＳ）、超高分子ポリエチレン、ポリビチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、変性ポリフェニレンエーテル、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）の内の１つであることを特徴とする請求項２記載の流体動圧軸受。
8. 前記樹脂材の線膨張率の異方性が、１０×１０^－６（／℃）以下であることを特徴とする請求項２記載の流体動圧軸受。

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