JP3539805B2 - 動圧型軸受装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は動圧型軸受装置に関し、特に、レーザミラープリンタ、ファクシミリ等のポリゴンスキャナモータ用軸受として好適なものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
動圧型軸受装置は、軸とスリーブの間に軸直径に対する比が２／１００００〜５００／１００００の直径隙間を保持しながら非接触で回転することに特徴があるが、起動停止時には軸とスリーブとが滑り接触することから、従来の気体動圧型軸受装置においては、金属材料からなる軸の外周面とスリーブの内周面とに耐摩耗性向上を目的とした特殊な表面処理を施したり（例えば特開平７−２７１３１号）、軸の外周面又はスリーブの内周面に動圧発生用の溝（ヘリングボーン溝等）を設けたものが多い。あるいは、軸やスリーブをセラミック材料で形成して、耐摩耗性をさらに向上させようとした事例もある。
【０００３】
その他、耐摩耗性を向上させる手段として油潤滑も考えられるが、特に、動圧型軸受装置をレーザミラープリンタ、ファクシミリ等の高性能ポリゴンスキャナモータ用軸受として使用する場合には、駆動モータの負荷および摩擦熱による温度上昇が大きくなり、１００００ｒｐｍ以上の高速回転が困難であること、また、潤滑油漏れによるポリゴンミラーの汚染、回転不良のおそれがあること等から、油潤滑によるのは好ましくない。
【０００４】
尚、軸方向荷重を支持するための構成としては、軸端部に設けた平面動圧型軸受で非接触支持する構成、軸端部を凸形状とした中心部で接触支持する構成、軸端部あるいはスリーブ外周等に設けた永久磁石による磁力で非接触支持する構成等が用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、動圧型軸受装置は、転がり軸受に比較して優れた回転精度、低騒音、コンパクトといった機能的長所を備えていながら、特殊な表面処理や動圧溝加工等が必要であるためにコスト面で、また、起動停止寿命等の機能面で転がり軸受に劣るため、一般的に広く採用される迄には至っていない。
【０００６】
合成樹脂を使用することによる低コスト化を試みた事例もあるが（特開昭５９−２２０３２１号、特開昭６３−１９１１１７号、特開平５−３１２２１３号等）、これらの事例は、耐摩耗性あるいは精度に対する考慮が不充分である。また、耐摩耗性を考慮した合成樹脂の使用例として特開平４−７８３１３号公報記載の構成もあるが、ここで例示されている樹脂組成物は弾性率が低く、さらに、弾性率や線膨張係数等の特性が異方性を有するため、動圧型軸受の機能を維持するために必要な高い寸法・形状精度が得られない。
【０００７】
本発明の目的は、経済性に優れ、かつ、特にレーザミラープリンタ、ファクシミリ等のポリゴンスキャナモータ用軸受に要求される機能寿命を満足する動圧型軸受装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明においては、軸、および、軸に所定隙間をもって嵌合されるスリーブのうち少なくとも一方を熱可塑性の合成樹脂を基材とする樹脂組成物で形成し、かつ、その表面に滴点が７０°Ｃ以上の油脂類からなる薄膜を形成した（請求項１）。
【０００９】
前記薄膜は、油分９８重量％以下の油脂類で形成しても良い（請求項２）。
【００１０】
軸とスリーブの間の直径隙間は、軸の平均直径に対して２／１００００〜５００／１００００の範囲で選択される（請求項３）。
【００１１】
前記樹脂組成物は、例えば、荷重たわみ温度１２０℃以上、曲げ弾性率１０ＧＰａ以上、線膨張係数３×１０^−５／℃以下の樹脂組成物である（請求項４）。
【００１２】
また、 前記樹脂組成物は、例えば、合成樹脂２０〜５０重量％、無機充填材２０〜６０重量％、繊維状補強材１０〜３０重量％を含有した組成物である（請求項５）。
【００１３】
配合する無機充填材としては、平均粒径０．５〜８０μｍ、縦弾性率１５０ＧＰａ以上、線膨張係数１×１０^−５／℃以下のものを用いると良く（請求項６）、また、配合する繊維状補強材としては、引張弾性率２００ＧＰａ以上のものを用いると良い（請求項７）。
【００１４】
尚、必要に応じて、軸の外周面又はスリーブの内周面に動圧発生用の溝を形成しても良く（請求項８）、その場合、動圧発生溝の溝深さは、軸の平均直径に対して２／１００００〜１００／１００００の範囲で選択すると良い（請求項９）。
【００１５】
また、軸の外周面又はスリーブの内周面は、複数個の円弧面を合成した多円弧面形状（請求項１０）、あるいは、軸線に直角な横断面において、円周方向に微小な凹凸が繰り返す波型形状とすることができる（請求項１１）。図３はスリーブ４の内周面を、３つの円弧面を合成した三円弧面形状にした場合を例示している。このような多円弧面形状（又は波型形状）の内接円直径（Ｄ１）と外接円直径（Ｄ２）との差は、軸の平均直径（Ｄ０）に対して２／１００００〜１００／１００００の範囲内で選択すると良い（請求項１２）。
【００１６】
前記樹脂組成物に含まれる合成樹脂は、射出成形が可能な熱可塑性樹脂であり、さらには安定性、耐摩耗性に優れた結晶性樹脂であることが望ましい。このような性質を有する合成樹脂としては、例えば、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリアミド樹脂等を挙げることができる。ただし、ポリアミド樹脂は、吸水による寸法変化、強度低下等があるため、乾燥雰囲気下で運転される場合に使用すると良い。
【００１７】
薄膜形成に用いられる油脂類は、油脂、ろう（ワックス）、脂肪酸等である。ろう（ワックス）としては、植物ワックス（例えばカルナバワックス等）、鉱物ワックス（例えばモンタンワックス等）、石油ワックス（例えばマイクロクリスタリンワックス等）などの天然ワックス、ポリエチレンワックス等の合成ワックスを例示することができる。また、脂肪酸としては、パルミチン酸、ステアリン酸、オレイン酸等を例示することができる。油脂とは、これら脂肪酸のトリグリセリルエステルと脂肪酸との混合物を主とする物である。以上の油脂類は単独で用いても良いし、複数を併用しても良い。
【００１８】
本発明において、油脂類は滴点ないし融点が７０°Ｃ以上を示すものが望ましい。なぜならば、本発明にかかわる用途では６０°Ｃ程度の環境に耐え得ることが要求されており、７０°Ｃ未満の温度で滴点を示す油脂類では流動性が高すぎるため、摺動面付近で排除され易く、そのために耐久性を保てなくなるか、あるいは、摺動発熱により液化が進みすぎ、摩擦トルクを増大させてしまう懸念があるからである。このような油脂類には、潤滑特性をさらに高めるため、ここで示した滴点が７０°Ｃを下回らない程度で（約９８重量％以下）、油分（潤滑油）を含有させても良い。
【００１９】
油脂類の薄膜処理は、例えば次のような極簡単な方法で行なうことができる。すなわち、上記に例示した各種油脂類の中から選択した油脂類（および油分）を適当な有機溶媒中に所定量混合し、油脂類の溶融温度ないしは溶解温度以上に加熱して分散希釈した後、この処理液に所定形状に成形した樹脂組成物を浸漬し、引き上げ、冷却し、有機溶媒を揮発させることによって、樹脂組成物の表面に油脂類の薄膜を形成することができる。薄膜形成に特殊な装置や処理方法は必要ではない。尚、有機溶媒の代わりに潤滑油を用いても良い。この場合、樹脂組成物の表面に付着した油を除去する必要があるが、これも遠心分離機等を用いて簡単に行なうことができる。
【００２０】
配合する無機充填材は、低線膨張係数、高弾性率、低摩擦係数を有する粉末であることが望ましい。このような性質を有する無機充填材としては、例えば、マイカ、グラファイトを挙げることができる。また、良好な分散状態を確保するため、その平均粒径は０．５〜８０μｍであることが望ましい。無機充填材の配合割合は、合成樹脂２０〜５０重量％に対して２０〜６０重量％、望ましくは４０〜６０重量％とする。無機充填材の配合割合が２０重量％以下であると樹脂組成物の成形収縮率、線膨張係数、およびこれらの諸特性の異方性を所期した程度に低減させることができず、無機充填材の配合割合が６０重量％以上になると樹脂組成物の曲げ強度が不良となり、また、樹脂組成物（成形品）の寸法精度、形状精度が所期の程度まで得られないからである。
【００２１】
配合する繊維状補強材は、合成樹脂を補強可能なものであれば特にその種類を問わないが、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、芳香族ポリアミド繊維、アルミナ繊維、ウォラストナイト、チタン酸カリウム等を挙げることができる。また、より精度の優れた樹脂組成物（成形品）を得るためには、引張弾性率が２００ＧＰａ以上の繊維状補強材を用いるのが望ましい。あるいは、耐摩耗性に優れた炭素繊維、芳香族ポリアミド繊維であることが望ましい。これらの繊維状補強材は、１種類又は２種類以上の繊維状補強材を同時に用いても良い。さらに、良好な分散状態を確保するため、その平均繊維径は０．５〜３０μｍ程度であることが望ましい。繊維状補強材の配合割合は、合成樹脂２０〜５０重量％に対して１０〜３０重量％とするのが望まい。繊維状補強材の配合割合が１０重量％以下では補強効果が不充分であり、繊維状補強材の配合割合が３０重量％以上になると樹脂組成物（成形品）の精度が不安定になるからである。
【００２２】
上記のような樹脂組成物は、種々の公知の手段を用いて成形することができる。すなわち、合成樹脂と各種充填材、補強材等を混合するには、ヘンシェルミキサーやタンブラーミキサー等の混合機によって混合し、溶融混合性の良い射出成形機に供給するか、あるいは、予め熱ローラ、ニーダ、バンバリーミキサー、溶融押出機にて溶融混合しても良い。ついで、混合物を成形する場合は、圧縮成形法、押出成形法、射出成形法などの樹脂組成物の物性に応じた適当な手段を採用することができる。
【００２３】
上記のような樹脂組成物の表面に油脂類からなる薄膜を形成した構成は、弾性率、線膨張係数に加え耐摩耗性、潤滑性も考慮されていて、特に、ポリゴンスキャナモータ用動圧型軸受装置の構成要素として通常要求される特性、機能はすべて備えている。
【００２４】
また、軸方向の荷重を支持する構成としては、軸端部に設けた平面動圧型スラスト軸受で非接触支持する構成、軸端部を凸形状とした中心部で接触支持する構成、軸端部あるいはスリーブの外周等に設けた永久磁石による磁力で非接触支持する構成等のいずれを問わない。
【００２５】
尚、上記樹脂組成物は成形性に優れるため、各部品の一体化が可能であり、例えば、軸方向の荷重を支持する構成部材をスリーブと一体に成形することもできる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１に示す動圧型軸受装置は、ロータ１およびステータ２からなる電動機（１１３００ｒｐｍ）の回転軸３（直径約４ｍｍ）を、図２に示す実施例１、実施例２（比較例１、比較例２も併せて示してある。）の樹脂組成物からなるスリーブ４でハウジング５に対し回転自在に支持したものである。回転軸３の凸形状とした下端部は、ハウジング５の底面中心に配設されたスラスト軸受６で回転自在に接触支持される。回転軸３の材質は例えばステンレス鋼である。
【００２７】
実施例１（比較例１、比較例２も同じ）におけるスリーブ４は、その内周面を真円形状に仕上げることを狙ったものであり、その真円度は２〜３μｍであった。実施例２におけるスリーブ４は、その内周面が３つの円弧面を合成した３円弧面形状をなし（図３参照）、その真円度は約１０μｍであった。尚、「回転軸３」としてあるが、本発明は、軸が固定でスリーブ側が回転する構成を特に排除するものではない。
【００２８】
【実施例】
図２に示す配合割合で、実施例１、実施例２（比較例１、比較例２）のスリーブ４を形成した。スリーブ４は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂（トープレン社製：ＰＰＳ−Ｔ４）にマイカ（カナダマイカ社製：フロゴパイトマイカ、平均粒径１３μｍ、縦弾性率１７５ＧＰａ、線膨張係数０．４〜０．９×１０-5／°Ｃ）、炭素繊維（東邦レーヨン社製：ベスファイトＨＭ、繊維径約７μｍ、繊維長６ｍｍ、引張弾性率３４３ＧＰａ）を配合し、ヘンシェルミキサーで充分混合した後、二軸溶融押出機に供給し、押出し、造粒してそのペレットを射出成形機に供給し、所定の金型内に射出成形して図１に示す形状に成形した。さらに、実施例１、実施例２のスリーブ４については、ヘキサン９５重量％に対してモンタンワックス（滴点８１°Ｃ）を５重量％混合し、８５°Ｃに加熱した処理液中に約５秒程度浸漬し、その後空気中で冷却した。
【００２９】
実施例１、実施例２のスリーブ４、および比較例１、比較例２のスリーブを用いた動圧型軸受装置の起動停止寿命、振れ精度、回転駆動中の不安定振動の有無を評価した結果を図２にまとめて示す。ここで、「起動停止寿命」は、起動ができなくなるか、起動ができても軸振れ精度が初期に比べ２倍以上に劣化した場合をいうものとし、「軸振れ精度」および「回転駆動中の不安定振動の有無」は、図１に鎖線で示す非接触変位計７を使用して測定したものである。
【００３０】
図２の結果から明らかなように、実施例１、実施例２のスリーブ４を用いた動圧型軸受装置は、特に、レーザビームプリンタ、ファクシミリ等のポリゴンスキャナモータ用動圧型軸受装置に要求される起動停止寿命１０万サイクル以上、軸振れ精度１０μｍ以内を満足している。実施例２では、スリーブ４の内周面を３円弧面形状としているので、さらに軸振れ精度が向上し、５μｍ以内を達成している。
【００３１】
比較例１、比較例２のスリーブを用いた動圧型軸受装置は、初期には実施例１と遜色なく駆動することができるが、起動停止寿命が短く、３万数千サイクルで寿命に達する。これは、起動停止時の摩耗が要因でスリーブの内周面形状が崩れることによって、軸振れ精度が維持できなくなることによる。この点、実施例１、実施例２のスリーブ４を用いた動圧型軸受装置は、スリーブ４の内周面に油脂類の薄膜が存在するため、潤滑性および耐摩耗性が良くなり、内周面形状が崩れにくいため、要求される１０万サイクル以上の起動停止寿命を達成することができる。
【００３２】
また、前記樹脂組成物は成形性に優れるため、各部品の一体化が可能であり、部品の一体化により、部品点数を減少させ、トータルコストを低減することができる。例えば、図４に示すように、スリーブ４を有底筒状に成形し、その底面で回転軸３の下端部を支持する構成とすることにより、図１におけるスラスト軸受６を別途配置する必要がなくなる。その他、図示は省略するが、ハウジング５の軸受収容部分、その他の部分をスリーブ４と一体に成形することもできる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、動圧型軸受装置の軸およびスリーブのうち少なくとも一方を熱可塑性の合成樹脂を基材とする樹脂組成物とし、その表面に滴点が７０°Ｃ以上の油脂類の薄膜を形成したので、潤滑性、耐摩耗性が向上し、特にレーザビームプリンタ、ファクシミリ等のポリゴンスキャナモータ用動圧型軸受装置に要求される機能、特に起動停止寿命を向上させることができる。
【００３４】
また、本発明に係わる樹脂組成物は成形性に優れるため、各部品の一体化が可能であり、部品の一体化により、部品点数を減少させ、トータルコストを低減することができる。
【００３５】
以上の効果により、本発明によれば、長寿命、高信頼性、低価格を兼ね備えた動圧型軸受装置、特に、レーザミラープリンタ、ファクシミリ等のポリゴンスキャナモータ用軸受として好適な動圧型軸受装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例に係わる動圧型軸受装置を示す断面図である。
【図２】各種材料の配合例（実施例１、実施例２、比較例１、比較例２）、および、機能試験の結果を示す図である。
【図３】スリーブの内周面を３円弧面形状にした場合を例示する図である。
【図４】他の実施例に係わる動圧型軸受装置を示す断面図である。
【符号の説明】
３ 回転軸
４ スリーブ

Claims (13)

1. 軸と、この軸の外周に所定の直径隙間をもって嵌合されるスリーブとを有する動圧型軸受装置において、
   前記軸および前記スリーブのうち少なくとも一方が熱可塑性の合成樹脂を基材とする樹脂組成物であり、かつ、その表面に滴点が７０°Ｃ以上の油脂類からなる薄膜が形成されていることを特徴とする動圧型軸受装置。
2. 前記薄膜が、油分９８重量％以下の油脂類からなることを特徴とする請求項１に記載の動圧型軸受装置。
3. 前記直径隙間の、前記軸の平均直径に対する比が２／１００００〜５００／１００００であることを特徴とする請求項１又は２に記載の動圧型軸受装置。
4. 前記樹脂組成物が、荷重たわみ温度１２０℃以上、曲げ弾性率１０ＧＰａ以上、線膨張係数３×１０-5／℃以下の樹脂組成物であることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の動圧型軸受装置。
5. 前記樹脂組成物が、合成樹脂２０〜５０重量％、無機充填材２０〜６０重量％、繊維状補強材１０〜３０重量％を含有することを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の動圧型軸受装置。
6. 前記無機充填材が、平均粒径０．５〜８０μｍ、縦弾性率１５０ＧＰａ以上、線膨張係数１×１０-5／℃以下の無機充填材であることを特徴とする請求項５に記載の動圧型軸受装置。
7. 前記繊維状補強材が、引張弾性率２００ＧＰａ以上の繊維状補強材を少なくとも１種類含む繊維状補強材であることを特徴とする請求項５又は６に記載の動圧型軸受装置。
8. 前記軸の外周面又は前記スリーブの内周面に、動圧発生用溝を有することを特徴とする請求項１から７の何れかに記載の動圧型軸受装置。
9. 前記動圧発生用溝の溝深さの、前記軸の平均直径に対する比が２／１００００〜１００／１００００であることを特徴とする請求項８に記載の動圧型軸受装置。
10. 前記軸の外周面又は前記スリーブの内周面が、複数個の円弧面を合成した多円弧面形状であることを特徴とする請求項１から７の何れかに記載の動圧型軸受装置。
11. 前記軸の外周面又は前記スリーブの内周面が、軸線に直角な横断面において、円周方向に微小な凹凸が繰り返す波型形状であることを特徴とする請求項１から７の何れかに記載の動圧型軸受装置。
12. 前記多円弧面形状又は波型形状における内接円直径と外接円直径との差の、前記軸の平均直径に対する比が２／１００００〜１００／１００００であることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の動圧型軸受装置。
13. 少なくとも前記スリーブが前記樹脂組成物であり、かつ、軸方向の荷重を支持する構成部材が前記スリーブと一体に成形されたことを特徴とする請求項１から１２の何れかに記載の動圧型軸受装置。

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