JP3658098B2 - 動圧空気軸受装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動圧空気軸受装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、レーザープリンタの画像書込系のポリゴンミラーを駆動するモータや、記録媒体としてのディスクを駆動するモータ等は高速回転が要求されている。このため、モータの回転軸を軸支する軸受は、ボールベアリングでは軸受寿命、回転騒音の面から要求品質を満足することができなくなってきている。そこで、ボールベアリングに代えて動圧空気軸受が実用化されている。こうした動圧空気軸受は、回転中は回転軸と軸受との摺動面が無接触となる流体潤滑状態に維持されているが、起動及び停止時や衝撃を受けたときに回転軸と軸受とが接触し、場合によっては焼き付き等の致命的な損傷に至ることがある。特に回転の高速化を実現するために回転軸又は軸受をアルミニウム等の軽量材料により形成すると、こうした材料は軟質であるために、回転軸と軸受との摺動面に焼き付き防止のための特別な処理を施す必要がある。
【０００３】
このようなことから、特開昭６１−１１２８１８号公報に記載されているように、軸受接触面に潤滑を目的としてＢＮ（窒化ホウ素）複合めっきを施したり、特開昭６３−２３５７１９号公報に記載されているように、回転軸に耐摩耗性を目的としてＳｉＣ（シリコンカーバイト）めっきを施し、固定軸（軸受側）に潤滑性アルマイト処理を施したり、特開平４−８０８０６２号公報に記載されているように、粗さを十分に仕上げたセラミックス製の軸受の潤滑面に２０〜１００ÅのＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）をコーティングしたりしている。さらに、特開平６−１４７２２１号公報には、軸受の摺動面に粉末潤滑剤を充填する内容が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
動圧空気軸受の焼き付き過程を観察すると、回転軸と軸受との摺動面が溶融して摩擦抵抗が上昇するのではなく、摺動面が摩耗することにより発生した摩耗粉が両者間のクリアランス以上の大きさに成長することが焼き付きの直接の原因となることが多い。こうしたカタストロフィを防止するために、通常の軸受では潤滑油を使用することが多い。しかし、通常の潤滑油は炭化水素を主成分とするので、高速回転させると液分が周囲に飛散するため、レーザープリンタの画像書込系で使用するモータや、記録媒体を駆動するモータとしては不向きである。
【０００５】
そこで、前述した公報に開示されているように、軸受の摺動面を耐摩耗性材料により形成している。ここで、図４に耐摩耗性材料による摺動の様子を概念的に示す。回転軸１０１と軸受１０２とは断面が円であるが、両者は全面が均一に接触するのではなく部分的に接触するので、図４に示すように円と面との関係で接触する状態に置き換えて見ることができる。回転軸１０１と軸受１０２との表面には耐摩耗性材料による摺動面１０３，１０４が形成されている。
【０００６】
耐摩耗性材料には大きく分けてセラミックスと高硬度金属とに分類することができる。図４（ａ）（ｂ）に示すように、例えば、軸受１０２の摺動面１０４がセラミックス皮膜の場合は微細な加工跡がある。この加工跡は顕微鏡で見ると凹凸として認識されるが、回転軸１０１が図４（ａ）に示す停止状態から回転すると回転軸１０１は軸受１０２に対して摺動するが、その摺動初期には加工跡の凸の部分１０５が摩耗粉１０６として軸受１０２から破断して遊離しアブレシブ摩耗を起こすなじみ過程がある。セラミックスは低靱性ゆえに摩耗粉１０６の量が多くなり易く、またセラミックスの摩耗粉１０６は硬度も高いので、増加する摩耗粉１０６が砥粒として作用し、更なるアブレシブ摩耗を引き起こす可能性がある。また、軸受１０２の母材が軟質の場合には、母材の靱性の低さをカバーするためにセラミックスの皮膜を適当な厚さにして摺動面１０４を形成する必要があるので、これをドライプロセスで成膜しようとするとコストが非常に高くなる。
【０００７】
図４（ｃ）に示すように、軸受１０２の摺動面１０４を高硬度金属（クロムめっきやニッケルめっき）で形成した場合を考察すると、この摺動面１０４をなす高硬度金属の皮膜はセラミックスよりも硬度が落ちるものの靱性が高いので、セラミックスに比して加工時の表面仕上げ精度の公差を下げることができる。また、セラミックスに比して低コストで成膜することができる。しかし、金属（めっき）には金属特有の欠点がある。すなわち、金属の表面は通常酸化膜で覆われているが、回転軸１０１と軸受１０２との摺動面１０３，１０４が摩耗すると表面に凝着性の高い摩耗粉１０７が発生する。軸受１０２の表面に凝着した摩耗粉１０７は、回転軸１０１の表面にも凝着する。このような摩耗粉１０７は相対向する摺動面１０３，１０４の間に挾まれるため転位が蓄積されて加工硬化を起こすとともに、大気中の酸素を取り込んで硬い酸化物になり、摩耗を拡大させてしまう。
【０００８】
最近のモータの動圧空気軸受の回転軸１０１と軸受１０２との摺動面のクリアランスは１０μｍ以下のものも多く、摺動面１０３，１０４の破断によって成長した摩耗粉１０７は直ぐに排出されず摺動面１０３，１０４のクリアランス内に暫く留まることになる。摺動面１０３，１０４や摩耗粉１０７が主に金属によって構成されている場合、一部の摩耗粉１０７は回転軸１０１又は軸受１０２の一方の摺動面１０３又は１０４に固定され、この摩耗粉１０７がもう一方の摺動面１０４又は１０３に接触して荷重の殆どを支えている場合がある。この状態は摩耗粉１０７が強い剪断力により破断して金属そのものの面（新生面と称する）を生じ、これが化学的に非常に活性であるため摺動面１０３，１０４に強く結合していると理解されている。これは、通常は金属材料にとって最も回避すべき凝着摩耗の前段階として認識される。摩耗粉１０７が一方の摺動面１０３又は１０４に凝着していることは当然もう一方の摺動面１０４又は１０３にも強く凝着する筈である。
【０００９】
この状態を凝着摩耗のメカニズムとして概念的に示したのが図５である。回転軸１０１の回転が続けば、何れかの部分が破断することになるが、凝着摩耗とは、回転軸１０１や軸受１０２の摺動面１０３，１０４の内部で破断が発生して摺動面１０３，１０４の摩耗が増加する現象である。この場合、摺動面１０３，１０４の内部の剪断応力が、移着物（摩耗粉１０７）の内部の剪断応力や、摺動面１０３，１０４と移着物との境界面の剪断応力よりも低い状態になっている。図５において、破断線１０８，１０９は回転軸１０１と軸受１０２の摺動面１０３，１０４内での破断を示し、破断線１１０は移着物（摩耗粉１０７）の内部での破断を示す。
【００１０】
以上のように、耐摩耗性材料は一旦摩耗してしまうと、セラミックスの場合はアブレシブ摩耗の度合いがひどくなり、高硬度金属の場合は凝着摩耗が拡大し易く、回転性能が益々劣化する。特に、摺動初期のなじみ過程では、摩耗粉１０６，１０７の発生を原理的に抑えることができないので、少しでも摩耗粉１０６，１０７の発生を抑えるためには必要以上に摺動面の仕上げ精度を高める傾向にある。耐摩耗性材料といわれるものでも全く摩耗しないことは不可能であり、ここに耐摩耗性材料の欠点がある。
【００１１】
摩耗粉を少なくする試みとしての特開平４−８０８０６２号公報の内容も、必要以上に摺動面の表面精度を高めて摩耗量を減らすことが前提条件となっているので、これまで述べた耐摩耗性材料の本質的な欠点は改善されていない。
【００１２】
これに対して、図６に示すように、回転軸１０１と軸受１０２との間に両者の摺動面の材料よりも弱い材料による固体潤滑膜１１１を介在させ、その固体潤滑膜１１１で剪断が優先的に生じるようにした固体潤滑方法がある。図６は固体潤滑摩耗膜による摺動の様子を概念的に示す模式図で、同図（ａ）は摺動開始前の状態を示し、（ｂ）は摺動開始後に固体潤滑膜１１１が低剪断応力のために部分的に形状が変化した様子を示す。固体潤滑膜として一般的に使用されるものを分類すると、層構造を有するものでは、石墨（グラファィト）、二硫化タングステン（WS2） 、二硫化モリブデン（MoS2）、二硫化銅（CuS2）等が挙げられ、塑性流動性をもつものでは、鉛等の軟金属、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等が挙げられる。
【００１３】
固体潤滑膜１１１の必須の条件としては、摺動面に強く固定されることが挙げられる。雲母は石墨のように層構造を有するが、摺動面に対して固定しにくいので固体潤滑膜１１１としては用いることはない。二硫化モリブデンはモリブデンを含む材料（摺動面の材料）に対しては親和性が高いので摺動面に対して固定し易く、これにより高い潤滑性が得られることが知られている。
【００１４】
このように、固体潤滑膜１１１は摺動面に固定できなければ潤滑できないことを示すので、様々な固定方法が考案されている。主な方法としては、固体潤滑膜１１１を焼き付ける方法、特開昭６１−１１２８１８号公報や特開平３−１８６６０８号公報に見られるようにめっき膜を保持部材として固定する方法がある。
【００１５】
ところが、動圧空気軸受に固体潤滑膜１１１を適用する場合にも問題がある。それは動圧空気軸受の構造に原因がある。すなわち、動圧空気軸受は安定した動圧を発生させるために、摺動面に超精密加工による溝パターンが形成されている場合が多く、しかも摺動面のクリアランスは１０μｍ以下と狭いこともあるので、固体潤滑膜１１１に超精密加工による溝パターンを形成しようとしても、固体潤滑膜１１１自身の特性により加工時に逃げが生じてしまい十分な精度を維持することができない。また、摺動面上に形成した固体潤滑膜１１１を含む層は、その剪断応力が低いことが潤滑機能を得るための必須の条件であるために、図６（ｂ）に示すように、回転軸１０１が回転すると固体潤滑膜１１１の溝パターンの部分が大きく変形してしまう。こうした変形によって摺動面のクリアランスが狭くなり、軸受機能としての致命的な障害の原因になりかねない。
【００１６】
すなわち、特開昭６１−１１２８１８号記載の内容は、摺動面に固体潤滑膜を予め形成しておく一つの方法であるので、高速回転が要求される動圧空気軸受として機能しなくなってしまう。また、特開昭６３−２３５７１９号公報には、比較的加工精度が緩い一方の回転軸にのみ固体潤滑膜を固定する方法も開示されているが、回転軸と軸受とが全く異なる工程を経るため、多くの設備を必要とし製造コストが高くなってしまう。
【００１７】
本発明は、以上の説明のように、図５を参照して説明した凝着摩耗と、図６を参照して説明した固体潤滑のメカニズムの類似性に着目し、回転性能が高く、また、生産性を向上させ得る動圧空気軸受装置及び動圧空気軸受装置製造方法を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の動圧空気軸受装置は、摺動面同士が互いに微小な隙間を開けて嵌合された回転軸と軸受との少なくとも一方の前記摺動面を金属を含む材料により形成し、前記金属を含む材料により形成した前記摺動面が破断することにより生成される摩耗粉と混合又は化合することで前記摩耗粉の機械特性である剪断応力を低下させる物質として、摺動面を構成する金属又はこの金属の酸化物よりも硬度が低い微粒子粉末を前記回転軸と前記軸受の前記摺動面同士の間に介在させた。したがって、摺動面の摩擦により発生した摩耗粉は物質と混合又は化合することにより機械的特性である剪断応力が低下するため、その混合物又は化合物の破断により潤滑機能が維持される。
【００２０】
具体的には、摺動面がニッケルを含む場合には、摺動面同士の間に介在させる物質として、タルク（Mg3Si4O10(OH)2）、カオリン（A12Si2 O 5(OH)4） 、セキテッ鉱（Fe203）等を用いることができる。
【００２１】
請求項２の発明は、請求項１の発明の動圧空気軸受装置において、摺動面同士の間に介在させる物質として、摺動面を構成する金属又はこの金属の酸化物よりも硬度が低い硫化物を用いる。したがって、硫化物による物質は摺動面に強固に固定する特別の工程を経ることなく摺動面に形成される。
【００２２】
具体的には、摺動面がニッケルを含む場合には、摺動面同士の間に介在させる物質として二硫化タングステン（WS2） 、二硫化モリブデン（MoS2）、二硫化銅（CuS2）等を用いることができる。
【００２３】
請求項３の発明は、請求項１記載の発明の動圧空気軸受装置において、摺動面同士の間に介在させる物質として、摺動面を構成する金属又はこの金属の酸化物よりも硬度が低い非金属無機物を用いる。したがって、安価な材料から物質を選択することが可能となる。
【００２４】
具体的には、摺動面がニッケルを含む場合には、摺動面同士の間に介在させる物質として、石墨（C）、コウ石膏（CaSO4）、方解石（CaSO3） 等を用いることができる。
【００２５】
請求項４の発明は、請求項１の発明の動圧空気軸受装置において、摺動面同士の間に介在させる物質として、摺動面を構成する金属又はこの金属の酸化物よりも硬度が低い有機物やその高分子を用いる。したがって、安価な材料から物質を選択することが可能となる。
【００２６】
具体的には、摺動面がニッケルを含む場合には、摺動面同士の間に介在させる物質として、ポリ塩化ビニール（PVC） 、ポリアミド、アクリル等の樹脂等を用いることができる。
【００２８】
請求項５の発明の動圧空気軸受方法は、摺動面同士が互いに微小な隙間を開けて嵌合された回転軸と軸受との少なくとも一方の前記摺動面を金属を含む材料により形成し、前記金属を含む材料により形成した前記摺動面が破断することにより生成される摩耗粉と混合又は化合することで前記摩耗粉の機械特性である剪断応力を低下させる物質として、微粒子粉末を揮発性溶媒により溶液として前記摺動面に塗布して前記回転軸と前記軸受の前記摺動面同士の間に介在させるようにした。したがって、摺動面の摩擦により発生した摩耗粉は物質と混合又は化合することにより機械的特性である剪断応力が低下するため、その混合物又は化合物の破断により潤滑機能が維持される。また、簡便な方法で、物質を摺動面同士の間に導入することが可能となる。
【００２９】
請求項６の発明の動圧空気軸受方法は、摺動面同士が互いに微小な隙間を開けて嵌合された回転軸と軸受との少なくとも一方の前記摺動面を金属を含む材料により形成し、前記金属を含む材料により形成した前記摺動面が破断することにより生成される摩耗粉と混合又は化合することで前記摩耗粉の機械特性である剪断応力を低下させる物質としての微粒子粉末を、予め前記摺動面のクリアランスと同等又はそれ以下の大きさに加工した後に、揮発性溶媒中に分散させて前記摺動面に塗布して前記回転軸と前記軸受の前記摺動面同士の間に介在させるようにした。したがって、摺動面の摩擦により発生した摩耗粉は物質と混合又は化合することにより機械的特性である剪断応力が低下するため、その混合物又は化合物の破断により潤滑機能が維持される。また、溶解度の低い物質でも、摺動面同士の間に容易に導入することが可能となる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態を図１ないし図３に基づいて説明する。まず、図１を参照してポリゴンスキャナ１の構成について概略を説明する。図中、ポリゴンスキャナ１のハウジング２はケース３とカバー４とを螺子５で結合することにより形成されている。ケース３の底部中心には筒状の回転軸６を支持する軸受としての支持軸７が固定されている。また、ハウジング２には、回転軸６を駆動するモータ８が設けられている。また、支持軸７の外周面には、その軸心に対して傾斜する浅い溝９が形成されている。しかして、支持軸７と回転軸６との摺動面１０，１１との間に動圧空気軸受１２が形成されている。さらに、回転軸６の端面とカバー４の内面との間には、マグネット１３，１４を互いに同一の磁極を対向配置することにより動圧空気軸受１５が形成されている。さらに、回転軸６の外周にはポリゴンミラー１６が固定的に嵌合されている。
【００３５】
したがって、モータ８を駆動すると回転軸６がポリゴンミラー１６とともに回転する。回転軸６の回転速度が上昇すると、溝９の効果により動圧空気軸受１２の隙間の空気圧が高まり、動圧空気軸受１２に空気圧による隙間が生ずるため、回転軸６が支持軸７に対して非接触状態で回転する。
【００３６】
このような動圧空気軸受１２は、起動及び停止時や衝撃を受けたときに回転軸６と支持軸（軸受）７とが接触するために潤滑する必要がある。以下、本発明の潤滑のメカニズムについて説明する。
【００３７】
従来は、動圧空気軸受の摺動面に高硬度金属の皮膜を形成した場合に、その皮膜が脱落して摩耗粉を形成し、その摩耗粉は動圧空気軸受の摺動面に凝着し、やがて摺動面の内部で破断して溶着摩耗に至ることが分かった。また、従来の固体潤滑は、動圧空気軸受の摺動面の精度維持が困難であることも分かった。
【００３８】
本発明は、金属を含む摺動面１０，１１（図１参照）に摩耗粉が必然的に発生するが、この摩耗粉を所定の物質に混合又は化合させることで剪断応力を減じ、摺動面１０，１１の間に挾まれた摩耗粉と物質との混合物又は化合物の内部で破断を発生させることにより、従来の凝着摩耗を解消し、さらに、従来の固体潤滑膜の欠点を解消しようとするものである。
【００３９】
以降の説明のために用語の定義を確認する。回転軸６及び支持軸（軸受）７の摺動面１０，１１を構成する材料が摺動により破断して遊離したものを摩耗粉と呼び、この摩耗粉の機械特性（剪断応力）を低下させるために予め摺動面１０，１１上に存在させておく物質を変性剤と呼び、この変性剤と混合又は化合して機械特性が低下した変性物を変性摩耗粉と呼ぶ。
【００４０】
本実施の形態における潤滑メカニズムの概念を図２及び図３に示す。本実施の形態では、回転軸６及び支持軸７の摺動面１０，１１は金属を含む材料により形成されている。そして、図２（ａ）に示すように支持軸７の摺動面１１の上にのみ変性剤１７を存在させているが、回転軸６及び支持軸７の摺動面１０，１１の何れか一方、又は両方に変性剤１７を存在させても構わない。１８は摺動面１１の表面における加工跡の凸の部分である。回転軸６が図２（ａ）に示す停止状態から回転すると回転軸６は支持軸７に対して摺動するが、その摺動初期には図２（ｂ）に示すように加工跡の凸の部分１８が摩耗粉１９として支持軸７の摺動面１１から破断して遊離する。遊離した摩耗粉１９は図２（ｃ）に示すように変性剤１７と混合又は化合して変性摩耗粉２０となる。この変性摩耗粉２０は、金属を含んでいるので摺動面１０，１１に対して高い親和性をもち、図３に示すように摺動面１０，１１に強固に固着するが、変性剤１７により物性が変化した変性摩耗粉２０は機械特性、特に剪断応力が減じられるため、摺動面１０，１１の内部では破断せずに、変性摩耗粉２０の内部での破断が優先される。これにより、円滑な潤滑を行わせることができる。
【００４１】
この場合、摺動面１０，１１と変性摩耗粉２０との境界面にも剪断による破断が生ずるが、その境界面における剪断応力よりも変性摩耗粉２０の剪断応力の方が低い値である。図３において、２１は変性摩耗粉２０の内部での破断箇所、２２は変性摩耗粉２０から摺動面１０との境界面に達した破断箇所、２３は変性摩耗粉２０から摺動面１１との境界面に達した破断箇所である。
【００４２】
次に、変性剤１７としての条件について具体的に説明する。変性剤１７として必要な条件は、硬度が低いことは勿論であるが、摩耗粉１９の金属との化学反応性も重要な因子である。摩耗粉１９の主構成金属がニッケルのとき、仮に銅の酸化物を変性剤１７として使用すると、酸化物の生成の標準自由エネルギーの差により、ニッケルの酸化と銅の還元が生じてしまう。この場合、ニッケルの酸化物は硬度が高いので砥粒として働いてしまう上に、還元して発生した銅はニッケルとの相互溶解性が高いために激しい凝着摩耗を引き起こす。このような考察により変性剤１７としては以下の物質が望ましい。
【００４３】
（変性剤の条件）
（ａ）摺動面１０，１１の構成金属（ニッケル）よりも酸化し易い金属による軟質金属。こうした物質（変性剤１７）としては、タルク（Mg3Si4O10(OH)2）、カオリン（A12Si2 O 5(OH)4）、セキテッ鉱（Fe203）等を挙げることができる。
雲母は劈開性をもちながら摺動面１０，１１に対する付着性が低いため、摩耗粉１９とにより構成される変性摩耗粉２０（固体潤滑膜に相当）として使用しにくいが、摺動面１０，１１を構成する材料によってはその材料との相性を考慮に入れて使用すれば、摩耗粉１９を変性摩耗粉２０として変性させる変性剤１７として有効に働くことが期待される。
【００４４】
（ｂ）摺動面１０，１１の構成金属（ニッケル）よりも硬度の低い非酸化物セラミックス。これにはコウ石膏（CaSO4）、方解石（CaSO3） 等の他に、グラファィトや二硫化モリブデン（MoS2）等の従来から固体潤滑膜として有効とされている材料もあるが、これらは何らかの方法によって摺動面１０，１１に固定しなければ従来の意味での固体潤滑作用は得られない。このため、従来では、加工精度低下のリスクを覚悟して固体潤滑膜を含む摺動面１０，１１の超精密加工を行うことになる。ところが、本実施の形態では、金属を含む耐摩耗性材料の摺動面１０，１１を通常の仕上げ寸法で仕上げ加工した後に、その摺動面１０，１１に適した条件の変性剤１７を存在させるだけでよいので、製造工程を簡略化し、製造コストを低減することができる。
【００４５】
（ｃ）摺動面１０，１１の構成金属（ニッケル）よりも硬度が低い有機物及びその高分子（樹脂）。これには殆ど全ての高分子を使用することが可能である。但し、それらの高分子（変性剤１７）は摺動時に摩耗粉１９と混合されずに単独で摺動面１０，１１上に残留する量が多いと、高分子の多くは可塑性であるため摺動時に軸間で溶融し、停止時にそのまま固化するおそれがある。この場合、摺動面１０，１１の精密加工面の形状が維持できないばかりか、次の回転時に起動不能となることが懸念されるので、摺動面１０，１１に導入する量は必要最小限に制限する必要がある。
【００４６】
（変性剤の導入方法）
そこで、摺動面１０，１１の間への変性剤１７の導入方法を吟味する必要がある。以下、好ましい例について説明する。
【００４７】
（１）変性剤１７を摺動面１０，１１の間のクリアランス（一般には１０μｍ）以下の大きさに加工し、それらを所定の揮発性溶媒に溶解又は分散させたものを摺動面１０，１１の何れか一方又は両方に塗布し、しかる後に揮発性溶媒を揮発させて変性剤１７を固定する。この方法は、高分子のみならず他の材料を用いた場合でも変性剤を最も簡便に摺動面１０，１１に固定することができる。この場合、揮発性溶媒に対する変性剤１７の溶解度が低い場合には、変性剤１７をジェット法等の固相法、重合法等の液相法、プラズマ法等の気相法等により微粒化しても構わない。揮発性溶媒には変性剤１７の凝集し易さにおいて相性があるため、この点を考慮して選定する。
【００４８】
（２）摺動面１０，１１の間のクリアランスが極めて狭く、変性剤１７を均一に摺動面１０，１１の間に導入する必要がある場合は、スパッタリング法等に代表されるドライプロセス、ゾルゲル法等のウェットプロセスによって薄膜として導入する。この他、変性剤１７が有機物の場合にはＬＢ（ラングミュア プロジェット）法により導入することも可能である。
【００４９】
（３）変性剤１７が熱可塑性を有する高分子や融点の低い無機物等の場合は、変性剤１７を加熱等によって流動性を高めて摺動面１０，１１の間に展開し、しかる後に変性剤１７を冷却する等して流動性を下げて固定する。変性剤１７を加熱により流動性を高める場合、加熱時間の短縮、コスト低減を目的とするだけでなく、摺動面１０，１１の超精密加工の精度維持のために、摺動面１０，１１の近傍のみ温度を選択的に上昇させることが望ましい。この手段として、レーザーや赤外線、マイクロ波等の電磁波を用いたり、電子線等を用いることができる。特に、赤外線フラッシュ加熱は他の方法に比べてコストが易く、最も好ましい方法である。
【００５０】
（摺動面の構成材料）
本発明の潤滑メカニズムは、摺動面１０，１１に必然的に発生する摩耗粉１９を固体潤滑膜（変性摩耗粉２０に相当）に変化させることにある。したがって、摺動面１０，１１の条件は摩耗粉１９の供給源としての観点による。
【００５１】
第一に、摩耗粉１９が変性剤１７と混合又は化合する必要がある。この点から、摺動面１０，１１の構成材料には金属を含むことが望ましい。セラミックスの場合は、セラミックスの反応性が特に高くなる条件に使用環境を設定する必要がある。
【００５２】
第二に、摺動面１０，１１と変性摩耗粉２０との凝着性がある程度必要である。この点からも摺動面１０，１１の構成材料としてセラミックスよりも金属を含むことが望ましい。
【００５３】
第三に、摺動面１０，１１内の剪断応力をある程度高くする必要がある。本実施の形態では、なじみ過程で発生する少量の摩耗粉１９がさらに摩耗を引き起こす前に潤滑性をもたせることが特徴であるから、なじみ過程で一気に摺動面１０，１１の間のクリアランス以上の摩耗粉１９を生じるようでは円滑な潤滑が得られない。したがって、純アルミニウムや高分子等の軟質材料のみによって摺動面１０，１１を構成するものは含まない。
【００５４】
第四に、摺動面１０，１１の材料に金属を用いた場合、その金属の酸化し易さが問題になる。アルミニウム等のように酸化物の生成の標準自由エネルギーの絶対値が大きい場合、そのアルミニウムの摺動面１０，１１から破断した摩耗粉１９は速やかに酸化して潤滑に不向きな高硬度の無機物になってしまう。そこで、酸化物の生成し易さによる分類すると、特に望ましい金属は、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｎｉ，Ｐｂ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｒである。望ましくない金属は、Ａｌ，Ｍｇ，Ｖ，Ｍｎである。
【００５５】
以上の条件により、望ましいのは一般的に耐摩耗性材料として使用されている金属系材料ということになる。こうした材料にはニッケル基合金やクロム基合金、十分に焼入れした鉄系材料等が挙げられる。さらに望ましいのは、このような耐摩耗性金属とセラミックスとの複合材料による摺動面１０，１１である。
【００５６】
次に、摺動面１０，１１の材料と変性剤１７との組合せ、変性剤１７の導入方法等について、具体的な例を挙げ、回転軸６を一定期間回転された後の実験結果について述べる。
【００５７】
【実施例１】
この例では、アルミニウム製の回転軸６と支持軸７とにＮｉ−Ｐ複合めっきを施し、両者の摺動面１０，１１をＮｉ−Ｐ合金とＳｉＣの複合材料とした。このとき、めっきの膜厚とめっきの分散粒子の平均粒径を変化させたところ、めっき膜厚は、１μｍ未満では破壊が起こり易く、かつ、めっきの平均粒径の２倍未満では分散粒子の脱落が多く仕上げ加工の精度を維持することができないことが明らかになった。そこで、本実施例ではめっきの膜厚を５μｍとし、めっきの分散粒子の平均粒径を０．７μｍとした。しかる後に摺動面１０，１１を超精密加工して図１に示すポリゴンスキャナ１を組み立てた。その組み立てに際し、摺動面１０，１１の間に変性剤１７を導入した。変性剤１７の種類と導入方法は、下記の(1)〜(5)の５通りである。
【００５８】
(1)変性剤１７としてのタルク（Mg3Si4O10(OH)2）をボールミルによって摺動面１０，１１の間のクリアランスより十分小さくなるように粉砕し、これを揮発性溶媒としてのエタノールに分散させたものを摺動面１０，１１に刷毛塗りし、しかる後にエタノールを揮発させてタルク粉末を摺動面１０，１１に導入した。この例では変性剤１７としてタルクを用いたが、摺動面１０，１１の主材料となるニッケルよりも酸化し易い金属の酸化物であって、そのニッケルよりも十分に軟質（タルクはモース硬さ１）であれば本質的に問題がないので、カオリン（A12Si2 O 5(OH)4）、セキテッ鉱（Fe203）等を用いても構わない。また、この例ではタルクをボールミルにより粉砕したが、他の方法で微粒子としてもよい。
【００５９】
(2)変性剤１７としての二硫化モリブデン（MoS2）をボールミルによって摺動面１０，１１の間のクリアランスより十分小さくなるように粉砕し、これをエタノールに分散させたものを摺動面１０，１１に刷毛塗りし、しかる後にエタノールを揮発させて二硫化モリブデンの粉末を摺動面１０，１１に導入した。この例では二硫化モリブデンを用いたが、摺動面１０，１１の主材料となるニッケルよりも酸化し易い金属の酸化物であって、そのニッケルよりも十分に軟質（二硫化モリブデンはモース硬さ２）であれば、二硫化タングステン（WS2） 、二硫化銅（CuS2）等の硫化物、石墨（C）、コウ石膏（CaSO4）、方解石（CaSO3）等を用いても構わない。二硫化モリブデンや石墨は結晶方向によって剪断応力に異方性（劈開性）があるため、従来は固体潤滑膜として使用するときに、潤滑性を発現させるためには劈開面と摺動面とが平行になるように固体潤滑膜を固定しなければならず、これが維持できないと潤滑性が発現されなくなる。ところが、本発明では、単に潤滑性物質（変性摩耗粉２０）の原料として働くのみであるので、従来のような制約はない。また、この例では二硫化モリブデンをボールミルにより粉砕したが、他の方法で微粒子としてもよい。さらに、摺動面１０，１１の間のクリアランスが特に小さい場合には、スパッタリング法、レーザーアブレーション等のドライプロセスにより変性剤１７を薄膜状に摺動面１０，１１に導入することができる。
【００６０】
(3)ジェット法等によって摺動面１０，１１の間のクリアランスより十分小さくなるように粉砕された変性剤１７としてのポリ塩化ビニール（PVC）の微粒子をエタノールに分散させたものを摺動面１０，１１に刷毛塗りし、しかる後にエタノールを揮発させてポリ塩化ビニールの粉末を摺動面１０，１１に導入した。なお、ポリ塩化ビニールに代えてポリアミド樹脂やフェノール樹脂による変性剤１７を用いてもよい。
【００６１】
(4)変性剤１７としてのアクリル等の樹脂（ポリメチルメタクリル酸）をアセトンに溶解し、これを摺動面１０，１１に塗布した。しかる後にアセトンを揮発させて薄膜状のアクリル樹脂を摺動面１０，１１に導入した。この例では塗布法によりアクリル樹脂の高分子を摺動面１０，１１に導入したが、ディップ法によっても導入することができる。また、摺動面１０，１１の間のクリアランスが特に小さい場合には、有機物の単分子膜をＬＢ（ラングミュア プロジェット）法により導入することができる。
【００６２】
(5)変性剤１７としての粉末パラフィンをエタノールに分散させたものを摺動面１０，１１に塗布し、エタノールを揮発させてパラフィンを層状に摺動面１０，１１に導入した。しかる後に摺動面１０，１１を赤外線ランプによって加熱してパラフィンを溶融させて膜状に摺動面１０，１１に展開し、余分なパラフィンを摺動面１０，１１から除いた後、摺動面１０，１１上のパラフィンを冷却して固定した。このようにパラフィンを一旦溶融させることで必要最小限の量を均一に摺動面１０，１１に導入することができる。また、この方法により、パラフィンを摺動面１０，１１の間のクリアランス以下に加工する手間を省くことができる。この例では、パラフィンを溶融するために赤外線を用いたが、表面近傍を急速に加熱するものであればレーザーや電子線等の高エネルギービームにより加熱しても構わない。何れにしても、超精密加工した摺動面１０，１１が熱により変形しないことが必要である。
【００６３】
以上のように、Ｎｉ−Ｐ合金とＳｉＣとの複合材料とした摺動面１０，１１に、(1) 〜 (5)の方法でそれぞれ異なる変性剤１７を導入した複数のポリゴンスキャナ１を組み立て、これらのポリゴンスキャナ１を繰り返して起動停止させる試験を行ったところ、試験開始後１００回までに摩耗粉１９と変性剤１７とによる変性摩耗粉２０（固体潤滑膜や潤滑保護膜に相当）が形成され、５０００００回後においても良好な潤滑状態を得ることができた。試験後、ポリゴンスキャナ１を解体して摺動面１０，１１を顕微鏡で観察すると、摺動面１０，１１に薄膜状に付着した変性摩耗粉２０が観察された。これは変性摩耗粉２０が固体潤滑膜として有効に働いていることを示している。また、摺動面１０，１１の間に残留する変性摩耗粉２０の形状は、米粒状、ころ状のものが多い。これは変性摩耗粉２０が摺動面１０，１１の間に挾まれるためにこうした形状になるものと考えられる。
以上の考察から、摺動面１０，１１で必然的に発生する摩耗粉１９を変性剤１７に混合又は化合させ変性した変性摩耗粉２０を、固体潤滑膜として機能させることができることが確認された。
【００６４】
【実施例２】
次に、実施例２について説明する。この例は、熱処理によりマルテンサイト系ステンレス鋼により回転軸６と支持軸（軸受）７とを作成した。したがって、両者の摺動面１０，１１は母材と同質である。そして、この回転軸６と支持軸７とれを超精密加工して図１に示すポリゴンスキャナ１を組み立てた。その組み立てに際し、摺動面１０，１１の間に変性剤１７を導入した。変性剤１７の種類と導入方法は、実施例１における(1) 〜 (5)の５通りであるので説明を省略する。
【００６５】
以上のように、マルテンサイト系ステンレス鋼による摺動面１０，１１に、(1) 〜 (5)の方法でそれぞれ異なる変性剤１７を導入した複数のポリゴンスキャナ１を組み立て、これらのポリゴンスキャナ１を繰り返して起動停止させる試験を行ったところ、試験開始後１００回までに摩耗粉１９と変性剤１７とによる変性摩耗粉２０（固体潤滑膜や潤滑保護膜に相当）が形成され、５０００００回後においても良好な潤滑状態を得ることができた。試験後にポリゴンスキャナ１を解体して摺動面１０，１１を顕微鏡で観察したところ、摺動面１０，１１の間に残留する変性摩耗粉２０の形状は、米粒状、ころ状のものが多いことが確認された。これにより、本実施例においても、摺動面１０，１１で必然的に発生する摩耗粉１９を変性剤１７に混合又は化合させ変性した変性摩耗粉２０を、固体潤滑膜として機能させることができることが確認された。
【００６６】
【実施例３】
次に、実施例３について説明する。この例は、シリコンカーバイト（SiC） 微粒子とニッケル（Ni）微粒子とを混合し、これをＨＩＰ（熱間静水圧プレス）法によって所望の形状に加圧成形することにより回転軸６と支持軸（軸受）７とを作成し、その成形物をそれぞれアルミニウムによって形成された回転軸６及び支持軸７とに嵌合し、その表面を１０μｍの厚さに仕上げ加工した。これにより、回転軸６と支持軸７との摺動面１０，１１はシリコンカーバイトとニッケルとの複合材料である。そして、この回転軸６と支持軸７とれを超精密加工して図１に示すポリゴンスキャナ１を組み立てた。その組み立てに際し、摺動面１０，１１の間に変性剤１７を導入した。変性剤１７の種類と導入方法は、実施例１における(1) 〜 (5)の５通りであるので説明を省略する。
【００６７】
以上のように、シリコンカーバイトとニッケルとの複合材料による摺動面１０，１１に、(1) 〜 (5)の方法でそれぞれ異なる変性剤１７を導入した複数のポリゴンスキャナ１を組み立て、これらのポリゴンスキャナ１を繰り返して起動停止させる試験を行ったところ、試験開始後１００回までに摩耗粉１９と変性剤１７とによる変性摩耗粉２０（固体潤滑膜や潤滑保護膜に相当）が形成され、５０００００回後においても良好な潤滑状態を得ることができた。試験後にポリゴンスキャナ１を解体して摺動面１０，１１を顕微鏡で観察したところ、摺動面１０，１１の間に残留する変性摩耗粉２０の形状は、米粒状、ころ状のものが多いことが確認された。これにより、本実施例においても、摺動面１０，１１で必然的に発生する摩耗粉１９を変性剤１７に混合又は化合させ変性した変性摩耗粉２０を、固体潤滑膜として機能させることができることが確認された。
【００６８】
本実施例においては、シリコンカーバイトとニッケルとの複合材料による部材を回転軸６と支持軸７とに嵌合することにより、回転軸６と支持軸７とに摺動面１０，１１を形成したが、ＨＩＰ法或いは焼結法により、回転軸６と支持軸７とのそれぞれを、耐摩耗性の摺動面１０，１１とともに一体に形成してもよい。
【００６９】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、回転軸と軸受との少なくとも一方の摺動面を金属を含む材料により形成し、金属を含む材料により形成した摺動面が破断することにより生成される摩耗粉と混合又は化合することで摩耗粉の機械特性である剪断応力を低下させる物質を回転軸と軸受との摺動面の間に介在させたので、摩耗粉と物質との混合物又は化合物の破断により潤滑機能を維持することができる。
【００７１】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、摺動面同士の間に介在させる物質として、摺動面を構成する金属又はこの金属の酸化物よりも硬度が低い硫化物を用いるので、硫化物による物質は摺動面に強固に固定する特別の工程を経ることなく摺動面に形成される。これにより、物質の材料の選択幅を広げることができる。
【００７２】
請求項３の発明によれば、請求項１の発明において、摺動面同士の間に介在させる物質として、摺動面を構成する金属又はこの金属の酸化物よりも硬度が低い非金属無機物を用いるので、安価な材料から物質を選択することが可能となる。
【００７３】
請求項４の発明によれば、請求項１の発明において、摺動面同士の間に介在させる物質として、摺動面を構成する金属又はこの金属の酸化物よりも硬度が低い有機物やその高分子を用いるので、安価な材料から物質を選択することが可能となる。
【００７５】
請求項５の発明によれば、回転軸と軸受との少なくとも一方の摺動面を金属を含む材料により形成し、金属を含む材料により形成した前記摺動面が破断することにより生成される摩耗粉と混合又は化合することで摩耗粉の機械特性である剪断応力を低下させる物質を、揮発性溶媒により溶液として摺動面に塗布するようにしたので、摺動面の摩擦により発生した摩耗粉は物質と混合又は化合することにより機械的特性が低下するため、その混合物又は化合物の破断により潤滑機能を維持することができる。また、簡便な方法で、物質を摺動面同士の間に導入することが可能となる。
【００７６】
請求項６の発明によれば、回転軸と軸受との少なくとも一方の摺動面を金属を含む材料により形成し、金属を含む材料により形成した摺動面が破断することにより生成される摩耗粉と混合又は化合することで摩耗粉の機械特性を低下させる物質を、予め摺動面のクリアランスと同等又はそれ以下の大きさに加工した後に、揮発性溶媒中に分散させて摺動面に塗布するようにしたので、摺動面の摩擦により発生した摩耗粉は物質と混合又は化合することにより機械的特性である剪断応力が低下するため、その混合物又は化合物の破断により潤滑機能を維持することができる。また、溶解度の低い物質でも、摺動面同士の間に容易に導入することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態におけるポリゴンスキャナの縦断側面図である。
【図２】潤滑メカニズムを概念的に示す模式図である。
【図３】潤滑メカニズムを概念的に示す模式図である。
【図４】従来の耐摩耗性部材による摺動の様子を概念的に示す模式図である。
【図５】従来の凝着摩耗のメカニズムを概念的に示す模式図である。
【図６】従来の固体潤滑メカニズムを概念的に示す模式図である。
【符号の説明】
６ 回転軸
７ 軸受
１０，１１ 摺動面
１７ 物質
１９ 摩耗粉
【発明の属する技術分野】
本発明は、動圧空気軸受装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、レーザープリンタの画像書込系のポリゴンミラーを駆動するモータや、記録媒体としてのディスクを駆動するモータ等は高速回転が要求されている。このため、モータの回転軸を軸支する軸受は、ボールベアリングでは軸受寿命、回転騒音の面から要求品質を満足することができなくなってきている。そこで、ボールベアリングに代えて動圧空気軸受が実用化されている。こうした動圧空気軸受は、回転中は回転軸と軸受との摺動面が無接触となる流体潤滑状態に維持されているが、起動及び停止時や衝撃を受けたときに回転軸と軸受とが接触し、場合によっては焼き付き等の致命的な損傷に至ることがある。特に回転の高速化を実現するために回転軸又は軸受をアルミニウム等の軽量材料により形成すると、こうした材料は軟質であるために、回転軸と軸受との摺動面に焼き付き防止のための特別な処理を施す必要がある。
【０００３】
このようなことから、特開昭６１−１１２８１８号公報に記載されているように、軸受接触面に潤滑を目的としてＢＮ（窒化ホウ素）複合めっきを施したり、特開昭６３−２３５７１９号公報に記載されているように、回転軸に耐摩耗性を目的としてＳｉＣ（シリコンカーバイト）めっきを施し、固定軸（軸受側）に潤滑性アルマイト処理を施したり、特開平４−８０８０６２号公報に記載されているように、粗さを十分に仕上げたセラミックス製の軸受の潤滑面に２０〜１００ÅのＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）をコーティングしたりしている。さらに、特開平６−１４７２２１号公報には、軸受の摺動面に粉末潤滑剤を充填する内容が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
動圧空気軸受の焼き付き過程を観察すると、回転軸と軸受との摺動面が溶融して摩擦抵抗が上昇するのではなく、摺動面が摩耗することにより発生した摩耗粉が両者間のクリアランス以上の大きさに成長することが焼き付きの直接の原因となることが多い。こうしたカタストロフィを防止するために、通常の軸受では潤滑油を使用することが多い。しかし、通常の潤滑油は炭化水素を主成分とするので、高速回転させると液分が周囲に飛散するため、レーザープリンタの画像書込系で使用するモータや、記録媒体を駆動するモータとしては不向きである。
【０００５】
そこで、前述した公報に開示されているように、軸受の摺動面を耐摩耗性材料により形成している。ここで、図４に耐摩耗性材料による摺動の様子を概念的に示す。回転軸１０１と軸受１０２とは断面が円であるが、両者は全面が均一に接触するのではなく部分的に接触するので、図４に示すように円と面との関係で接触する状態に置き換えて見ることができる。回転軸１０１と軸受１０２との表面には耐摩耗性材料による摺動面１０３，１０４が形成されている。
【０００６】
耐摩耗性材料には大きく分けてセラミックスと高硬度金属とに分類することができる。図４（ａ）（ｂ）に示すように、例えば、軸受１０２の摺動面１０４がセラミックス皮膜の場合は微細な加工跡がある。この加工跡は顕微鏡で見ると凹凸として認識されるが、回転軸１０１が図４（ａ）に示す停止状態から回転すると回転軸１０１は軸受１０２に対して摺動するが、その摺動初期には加工跡の凸の部分１０５が摩耗粉１０６として軸受１０２から破断して遊離しアブレシブ摩耗を起こすなじみ過程がある。セラミックスは低靱性ゆえに摩耗粉１０６の量が多くなり易く、またセラミックスの摩耗粉１０６は硬度も高いので、増加する摩耗粉１０６が砥粒として作用し、更なるアブレシブ摩耗を引き起こす可能性がある。また、軸受１０２の母材が軟質の場合には、母材の靱性の低さをカバーするためにセラミックスの皮膜を適当な厚さにして摺動面１０４を形成する必要があるので、これをドライプロセスで成膜しようとするとコストが非常に高くなる。
【０００７】
図４（ｃ）に示すように、軸受１０２の摺動面１０４を高硬度金属（クロムめっきやニッケルめっき）で形成した場合を考察すると、この摺動面１０４をなす高硬度金属の皮膜はセラミックスよりも硬度が落ちるものの靱性が高いので、セラミックスに比して加工時の表面仕上げ精度の公差を下げることができる。また、セラミックスに比して低コストで成膜することができる。しかし、金属（めっき）には金属特有の欠点がある。すなわち、金属の表面は通常酸化膜で覆われているが、回転軸１０１と軸受１０２との摺動面１０３，１０４が摩耗すると表面に凝着性の高い摩耗粉１０７が発生する。軸受１０２の表面に凝着した摩耗粉１０７は、回転軸１０１の表面にも凝着する。このような摩耗粉１０７は相対向する摺動面１０３，１０４の間に挾まれるため転位が蓄積されて加工硬化を起こすとともに、大気中の酸素を取り込んで硬い酸化物になり、摩耗を拡大させてしまう。
【０００８】
最近のモータの動圧空気軸受の回転軸１０１と軸受１０２との摺動面のクリアランスは１０μｍ以下のものも多く、摺動面１０３，１０４の破断によって成長した摩耗粉１０７は直ぐに排出されず摺動面１０３，１０４のクリアランス内に暫く留まることになる。摺動面１０３，１０４や摩耗粉１０７が主に金属によって構成されている場合、一部の摩耗粉１０７は回転軸１０１又は軸受１０２の一方の摺動面１０３又は１０４に固定され、この摩耗粉１０７がもう一方の摺動面１０４又は１０３に接触して荷重の殆どを支えている場合がある。この状態は摩耗粉１０７が強い剪断力により破断して金属そのものの面（新生面と称する）を生じ、これが化学的に非常に活性であるため摺動面１０３，１０４に強く結合していると理解されている。これは、通常は金属材料にとって最も回避すべき凝着摩耗の前段階として認識される。摩耗粉１０７が一方の摺動面１０３又は１０４に凝着していることは当然もう一方の摺動面１０４又は１０３にも強く凝着する筈である。
【０００９】
この状態を凝着摩耗のメカニズムとして概念的に示したのが図５である。回転軸１０１の回転が続けば、何れかの部分が破断することになるが、凝着摩耗とは、回転軸１０１や軸受１０２の摺動面１０３，１０４の内部で破断が発生して摺動面１０３，１０４の摩耗が増加する現象である。この場合、摺動面１０３，１０４の内部の剪断応力が、移着物（摩耗粉１０７）の内部の剪断応力や、摺動面１０３，１０４と移着物との境界面の剪断応力よりも低い状態になっている。図５において、破断線１０８，１０９は回転軸１０１と軸受１０２の摺動面１０３，１０４内での破断を示し、破断線１１０は移着物（摩耗粉１０７）の内部での破断を示す。
【００１０】
以上のように、耐摩耗性材料は一旦摩耗してしまうと、セラミックスの場合はアブレシブ摩耗の度合いがひどくなり、高硬度金属の場合は凝着摩耗が拡大し易く、回転性能が益々劣化する。特に、摺動初期のなじみ過程では、摩耗粉１０６，１０７の発生を原理的に抑えることができないので、少しでも摩耗粉１０６，１０７の発生を抑えるためには必要以上に摺動面の仕上げ精度を高める傾向にある。耐摩耗性材料といわれるものでも全く摩耗しないことは不可能であり、ここに耐摩耗性材料の欠点がある。
【００１１】
摩耗粉を少なくする試みとしての特開平４−８０８０６２号公報の内容も、必要以上に摺動面の表面精度を高めて摩耗量を減らすことが前提条件となっているので、これまで述べた耐摩耗性材料の本質的な欠点は改善されていない。
【００１２】
これに対して、図６に示すように、回転軸１０１と軸受１０２との間に両者の摺動面の材料よりも弱い材料による固体潤滑膜１１１を介在させ、その固体潤滑膜１１１で剪断が優先的に生じるようにした固体潤滑方法がある。図６は固体潤滑摩耗膜による摺動の様子を概念的に示す模式図で、同図（ａ）は摺動開始前の状態を示し、（ｂ）は摺動開始後に固体潤滑膜１１１が低剪断応力のために部分的に形状が変化した様子を示す。固体潤滑膜として一般的に使用されるものを分類すると、層構造を有するものでは、石墨（グラファィト）、二硫化タングステン（WS2） 、二硫化モリブデン（MoS2）、二硫化銅（CuS2）等が挙げられ、塑性流動性をもつものでは、鉛等の軟金属、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等が挙げられる。
【００１３】
固体潤滑膜１１１の必須の条件としては、摺動面に強く固定されることが挙げられる。雲母は石墨のように層構造を有するが、摺動面に対して固定しにくいので固体潤滑膜１１１としては用いることはない。二硫化モリブデンはモリブデンを含む材料（摺動面の材料）に対しては親和性が高いので摺動面に対して固定し易く、これにより高い潤滑性が得られることが知られている。
【００１４】
このように、固体潤滑膜１１１は摺動面に固定できなければ潤滑できないことを示すので、様々な固定方法が考案されている。主な方法としては、固体潤滑膜１１１を焼き付ける方法、特開昭６１−１１２８１８号公報や特開平３−１８６６０８号公報に見られるようにめっき膜を保持部材として固定する方法がある。
【００１５】
ところが、動圧空気軸受に固体潤滑膜１１１を適用する場合にも問題がある。それは動圧空気軸受の構造に原因がある。すなわち、動圧空気軸受は安定した動圧を発生させるために、摺動面に超精密加工による溝パターンが形成されている場合が多く、しかも摺動面のクリアランスは１０μｍ以下と狭いこともあるので、固体潤滑膜１１１に超精密加工による溝パターンを形成しようとしても、固体潤滑膜１１１自身の特性により加工時に逃げが生じてしまい十分な精度を維持することができない。また、摺動面上に形成した固体潤滑膜１１１を含む層は、その剪断応力が低いことが潤滑機能を得るための必須の条件であるために、図６（ｂ）に示すように、回転軸１０１が回転すると固体潤滑膜１１１の溝パターンの部分が大きく変形してしまう。こうした変形によって摺動面のクリアランスが狭くなり、軸受機能としての致命的な障害の原因になりかねない。
【００１６】
すなわち、特開昭６１−１１２８１８号記載の内容は、摺動面に固体潤滑膜を予め形成しておく一つの方法であるので、高速回転が要求される動圧空気軸受として機能しなくなってしまう。また、特開昭６３−２３５７１９号公報には、比較的加工精度が緩い一方の回転軸にのみ固体潤滑膜を固定する方法も開示されているが、回転軸と軸受とが全く異なる工程を経るため、多くの設備を必要とし製造コストが高くなってしまう。
【００１７】
本発明は、以上の説明のように、図５を参照して説明した凝着摩耗と、図６を参照して説明した固体潤滑のメカニズムの類似性に着目し、回転性能が高く、また、生産性を向上させ得る動圧空気軸受装置及び動圧空気軸受装置製造方法を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の動圧空気軸受装置は、摺動面同士が互いに微小な隙間を開けて嵌合された回転軸と軸受との少なくとも一方の前記摺動面を金属を含む材料により形成し、前記金属を含む材料により形成した前記摺動面が破断することにより生成される摩耗粉と混合又は化合することで前記摩耗粉の機械特性である剪断応力を低下させる物質として、摺動面を構成する金属又はこの金属の酸化物よりも硬度が低い微粒子粉末を前記回転軸と前記軸受の前記摺動面同士の間に介在させた。したがって、摺動面の摩擦により発生した摩耗粉は物質と混合又は化合することにより機械的特性である剪断応力が低下するため、その混合物又は化合物の破断により潤滑機能が維持される。
【００２０】
具体的には、摺動面がニッケルを含む場合には、摺動面同士の間に介在させる物質として、タルク（Mg3Si4O10(OH)2）、カオリン（A12Si2 O 5(OH)4） 、セキテッ鉱（Fe203）等を用いることができる。
【００２１】
請求項２の発明は、請求項１の発明の動圧空気軸受装置において、摺動面同士の間に介在させる物質として、摺動面を構成する金属又はこの金属の酸化物よりも硬度が低い硫化物を用いる。したがって、硫化物による物質は摺動面に強固に固定する特別の工程を経ることなく摺動面に形成される。
【００２２】
具体的には、摺動面がニッケルを含む場合には、摺動面同士の間に介在させる物質として二硫化タングステン（WS2） 、二硫化モリブデン（MoS2）、二硫化銅（CuS2）等を用いることができる。
【００２３】
請求項３の発明は、請求項１記載の発明の動圧空気軸受装置において、摺動面同士の間に介在させる物質として、摺動面を構成する金属又はこの金属の酸化物よりも硬度が低い非金属無機物を用いる。したがって、安価な材料から物質を選択することが可能となる。
【００２４】
具体的には、摺動面がニッケルを含む場合には、摺動面同士の間に介在させる物質として、石墨（C）、コウ石膏（CaSO4）、方解石（CaSO3） 等を用いることができる。
【００２５】
請求項４の発明は、請求項１の発明の動圧空気軸受装置において、摺動面同士の間に介在させる物質として、摺動面を構成する金属又はこの金属の酸化物よりも硬度が低い有機物やその高分子を用いる。したがって、安価な材料から物質を選択することが可能となる。
【００２６】
具体的には、摺動面がニッケルを含む場合には、摺動面同士の間に介在させる物質として、ポリ塩化ビニール（PVC） 、ポリアミド、アクリル等の樹脂等を用いることができる。
【００２８】
請求項５の発明の動圧空気軸受方法は、摺動面同士が互いに微小な隙間を開けて嵌合された回転軸と軸受との少なくとも一方の前記摺動面を金属を含む材料により形成し、前記金属を含む材料により形成した前記摺動面が破断することにより生成される摩耗粉と混合又は化合することで前記摩耗粉の機械特性である剪断応力を低下させる物質として、微粒子粉末を揮発性溶媒により溶液として前記摺動面に塗布して前記回転軸と前記軸受の前記摺動面同士の間に介在させるようにした。したがって、摺動面の摩擦により発生した摩耗粉は物質と混合又は化合することにより機械的特性である剪断応力が低下するため、その混合物又は化合物の破断により潤滑機能が維持される。また、簡便な方法で、物質を摺動面同士の間に導入することが可能となる。
【００２９】
請求項６の発明の動圧空気軸受方法は、摺動面同士が互いに微小な隙間を開けて嵌合された回転軸と軸受との少なくとも一方の前記摺動面を金属を含む材料により形成し、前記金属を含む材料により形成した前記摺動面が破断することにより生成される摩耗粉と混合又は化合することで前記摩耗粉の機械特性である剪断応力を低下させる物質としての微粒子粉末を、予め前記摺動面のクリアランスと同等又はそれ以下の大きさに加工した後に、揮発性溶媒中に分散させて前記摺動面に塗布して前記回転軸と前記軸受の前記摺動面同士の間に介在させるようにした。したがって、摺動面の摩擦により発生した摩耗粉は物質と混合又は化合することにより機械的特性である剪断応力が低下するため、その混合物又は化合物の破断により潤滑機能が維持される。また、溶解度の低い物質でも、摺動面同士の間に容易に導入することが可能となる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態を図１ないし図３に基づいて説明する。まず、図１を参照してポリゴンスキャナ１の構成について概略を説明する。図中、ポリゴンスキャナ１のハウジング２はケース３とカバー４とを螺子５で結合することにより形成されている。ケース３の底部中心には筒状の回転軸６を支持する軸受としての支持軸７が固定されている。また、ハウジング２には、回転軸６を駆動するモータ８が設けられている。また、支持軸７の外周面には、その軸心に対して傾斜する浅い溝９が形成されている。しかして、支持軸７と回転軸６との摺動面１０，１１との間に動圧空気軸受１２が形成されている。さらに、回転軸６の端面とカバー４の内面との間には、マグネット１３，１４を互いに同一の磁極を対向配置することにより動圧空気軸受１５が形成されている。さらに、回転軸６の外周にはポリゴンミラー１６が固定的に嵌合されている。
【００３５】
したがって、モータ８を駆動すると回転軸６がポリゴンミラー１６とともに回転する。回転軸６の回転速度が上昇すると、溝９の効果により動圧空気軸受１２の隙間の空気圧が高まり、動圧空気軸受１２に空気圧による隙間が生ずるため、回転軸６が支持軸７に対して非接触状態で回転する。
【００３６】
このような動圧空気軸受１２は、起動及び停止時や衝撃を受けたときに回転軸６と支持軸（軸受）７とが接触するために潤滑する必要がある。以下、本発明の潤滑のメカニズムについて説明する。
【００３７】
従来は、動圧空気軸受の摺動面に高硬度金属の皮膜を形成した場合に、その皮膜が脱落して摩耗粉を形成し、その摩耗粉は動圧空気軸受の摺動面に凝着し、やがて摺動面の内部で破断して溶着摩耗に至ることが分かった。また、従来の固体潤滑は、動圧空気軸受の摺動面の精度維持が困難であることも分かった。
【００３８】
本発明は、金属を含む摺動面１０，１１（図１参照）に摩耗粉が必然的に発生するが、この摩耗粉を所定の物質に混合又は化合させることで剪断応力を減じ、摺動面１０，１１の間に挾まれた摩耗粉と物質との混合物又は化合物の内部で破断を発生させることにより、従来の凝着摩耗を解消し、さらに、従来の固体潤滑膜の欠点を解消しようとするものである。
【００３９】
以降の説明のために用語の定義を確認する。回転軸６及び支持軸（軸受）７の摺動面１０，１１を構成する材料が摺動により破断して遊離したものを摩耗粉と呼び、この摩耗粉の機械特性（剪断応力）を低下させるために予め摺動面１０，１１上に存在させておく物質を変性剤と呼び、この変性剤と混合又は化合して機械特性が低下した変性物を変性摩耗粉と呼ぶ。
【００４０】
本実施の形態における潤滑メカニズムの概念を図２及び図３に示す。本実施の形態では、回転軸６及び支持軸７の摺動面１０，１１は金属を含む材料により形成されている。そして、図２（ａ）に示すように支持軸７の摺動面１１の上にのみ変性剤１７を存在させているが、回転軸６及び支持軸７の摺動面１０，１１の何れか一方、又は両方に変性剤１７を存在させても構わない。１８は摺動面１１の表面における加工跡の凸の部分である。回転軸６が図２（ａ）に示す停止状態から回転すると回転軸６は支持軸７に対して摺動するが、その摺動初期には図２（ｂ）に示すように加工跡の凸の部分１８が摩耗粉１９として支持軸７の摺動面１１から破断して遊離する。遊離した摩耗粉１９は図２（ｃ）に示すように変性剤１７と混合又は化合して変性摩耗粉２０となる。この変性摩耗粉２０は、金属を含んでいるので摺動面１０，１１に対して高い親和性をもち、図３に示すように摺動面１０，１１に強固に固着するが、変性剤１７により物性が変化した変性摩耗粉２０は機械特性、特に剪断応力が減じられるため、摺動面１０，１１の内部では破断せずに、変性摩耗粉２０の内部での破断が優先される。これにより、円滑な潤滑を行わせることができる。
【００４１】
この場合、摺動面１０，１１と変性摩耗粉２０との境界面にも剪断による破断が生ずるが、その境界面における剪断応力よりも変性摩耗粉２０の剪断応力の方が低い値である。図３において、２１は変性摩耗粉２０の内部での破断箇所、２２は変性摩耗粉２０から摺動面１０との境界面に達した破断箇所、２３は変性摩耗粉２０から摺動面１１との境界面に達した破断箇所である。
【００４２】
次に、変性剤１７としての条件について具体的に説明する。変性剤１７として必要な条件は、硬度が低いことは勿論であるが、摩耗粉１９の金属との化学反応性も重要な因子である。摩耗粉１９の主構成金属がニッケルのとき、仮に銅の酸化物を変性剤１７として使用すると、酸化物の生成の標準自由エネルギーの差により、ニッケルの酸化と銅の還元が生じてしまう。この場合、ニッケルの酸化物は硬度が高いので砥粒として働いてしまう上に、還元して発生した銅はニッケルとの相互溶解性が高いために激しい凝着摩耗を引き起こす。このような考察により変性剤１７としては以下の物質が望ましい。
【００４３】
（変性剤の条件）
（ａ）摺動面１０，１１の構成金属（ニッケル）よりも酸化し易い金属による軟質金属。こうした物質（変性剤１７）としては、タルク（Mg3Si4O10(OH)2）、カオリン（A12Si2 O 5(OH)4）、セキテッ鉱（Fe203）等を挙げることができる。
雲母は劈開性をもちながら摺動面１０，１１に対する付着性が低いため、摩耗粉１９とにより構成される変性摩耗粉２０（固体潤滑膜に相当）として使用しにくいが、摺動面１０，１１を構成する材料によってはその材料との相性を考慮に入れて使用すれば、摩耗粉１９を変性摩耗粉２０として変性させる変性剤１７として有効に働くことが期待される。
【００４４】
（ｂ）摺動面１０，１１の構成金属（ニッケル）よりも硬度の低い非酸化物セラミックス。これにはコウ石膏（CaSO4）、方解石（CaSO3） 等の他に、グラファィトや二硫化モリブデン（MoS2）等の従来から固体潤滑膜として有効とされている材料もあるが、これらは何らかの方法によって摺動面１０，１１に固定しなければ従来の意味での固体潤滑作用は得られない。このため、従来では、加工精度低下のリスクを覚悟して固体潤滑膜を含む摺動面１０，１１の超精密加工を行うことになる。ところが、本実施の形態では、金属を含む耐摩耗性材料の摺動面１０，１１を通常の仕上げ寸法で仕上げ加工した後に、その摺動面１０，１１に適した条件の変性剤１７を存在させるだけでよいので、製造工程を簡略化し、製造コストを低減することができる。
【００４５】
（ｃ）摺動面１０，１１の構成金属（ニッケル）よりも硬度が低い有機物及びその高分子（樹脂）。これには殆ど全ての高分子を使用することが可能である。但し、それらの高分子（変性剤１７）は摺動時に摩耗粉１９と混合されずに単独で摺動面１０，１１上に残留する量が多いと、高分子の多くは可塑性であるため摺動時に軸間で溶融し、停止時にそのまま固化するおそれがある。この場合、摺動面１０，１１の精密加工面の形状が維持できないばかりか、次の回転時に起動不能となることが懸念されるので、摺動面１０，１１に導入する量は必要最小限に制限する必要がある。
【００４６】
（変性剤の導入方法）
そこで、摺動面１０，１１の間への変性剤１７の導入方法を吟味する必要がある。以下、好ましい例について説明する。
【００４７】
（１）変性剤１７を摺動面１０，１１の間のクリアランス（一般には１０μｍ）以下の大きさに加工し、それらを所定の揮発性溶媒に溶解又は分散させたものを摺動面１０，１１の何れか一方又は両方に塗布し、しかる後に揮発性溶媒を揮発させて変性剤１７を固定する。この方法は、高分子のみならず他の材料を用いた場合でも変性剤を最も簡便に摺動面１０，１１に固定することができる。この場合、揮発性溶媒に対する変性剤１７の溶解度が低い場合には、変性剤１７をジェット法等の固相法、重合法等の液相法、プラズマ法等の気相法等により微粒化しても構わない。揮発性溶媒には変性剤１７の凝集し易さにおいて相性があるため、この点を考慮して選定する。
【００４８】
（２）摺動面１０，１１の間のクリアランスが極めて狭く、変性剤１７を均一に摺動面１０，１１の間に導入する必要がある場合は、スパッタリング法等に代表されるドライプロセス、ゾルゲル法等のウェットプロセスによって薄膜として導入する。この他、変性剤１７が有機物の場合にはＬＢ（ラングミュア プロジェット）法により導入することも可能である。
【００４９】
（３）変性剤１７が熱可塑性を有する高分子や融点の低い無機物等の場合は、変性剤１７を加熱等によって流動性を高めて摺動面１０，１１の間に展開し、しかる後に変性剤１７を冷却する等して流動性を下げて固定する。変性剤１７を加熱により流動性を高める場合、加熱時間の短縮、コスト低減を目的とするだけでなく、摺動面１０，１１の超精密加工の精度維持のために、摺動面１０，１１の近傍のみ温度を選択的に上昇させることが望ましい。この手段として、レーザーや赤外線、マイクロ波等の電磁波を用いたり、電子線等を用いることができる。特に、赤外線フラッシュ加熱は他の方法に比べてコストが易く、最も好ましい方法である。
【００５０】
（摺動面の構成材料）
本発明の潤滑メカニズムは、摺動面１０，１１に必然的に発生する摩耗粉１９を固体潤滑膜（変性摩耗粉２０に相当）に変化させることにある。したがって、摺動面１０，１１の条件は摩耗粉１９の供給源としての観点による。
【００５１】
第一に、摩耗粉１９が変性剤１７と混合又は化合する必要がある。この点から、摺動面１０，１１の構成材料には金属を含むことが望ましい。セラミックスの場合は、セラミックスの反応性が特に高くなる条件に使用環境を設定する必要がある。
【００５２】
第二に、摺動面１０，１１と変性摩耗粉２０との凝着性がある程度必要である。この点からも摺動面１０，１１の構成材料としてセラミックスよりも金属を含むことが望ましい。
【００５３】
第三に、摺動面１０，１１内の剪断応力をある程度高くする必要がある。本実施の形態では、なじみ過程で発生する少量の摩耗粉１９がさらに摩耗を引き起こす前に潤滑性をもたせることが特徴であるから、なじみ過程で一気に摺動面１０，１１の間のクリアランス以上の摩耗粉１９を生じるようでは円滑な潤滑が得られない。したがって、純アルミニウムや高分子等の軟質材料のみによって摺動面１０，１１を構成するものは含まない。
【００５４】
第四に、摺動面１０，１１の材料に金属を用いた場合、その金属の酸化し易さが問題になる。アルミニウム等のように酸化物の生成の標準自由エネルギーの絶対値が大きい場合、そのアルミニウムの摺動面１０，１１から破断した摩耗粉１９は速やかに酸化して潤滑に不向きな高硬度の無機物になってしまう。そこで、酸化物の生成し易さによる分類すると、特に望ましい金属は、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｎｉ，Ｐｂ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｒである。望ましくない金属は、Ａｌ，Ｍｇ，Ｖ，Ｍｎである。
【００５５】
以上の条件により、望ましいのは一般的に耐摩耗性材料として使用されている金属系材料ということになる。こうした材料にはニッケル基合金やクロム基合金、十分に焼入れした鉄系材料等が挙げられる。さらに望ましいのは、このような耐摩耗性金属とセラミックスとの複合材料による摺動面１０，１１である。
【００５６】
次に、摺動面１０，１１の材料と変性剤１７との組合せ、変性剤１７の導入方法等について、具体的な例を挙げ、回転軸６を一定期間回転された後の実験結果について述べる。
【００５７】
【実施例１】
この例では、アルミニウム製の回転軸６と支持軸７とにＮｉ−Ｐ複合めっきを施し、両者の摺動面１０，１１をＮｉ−Ｐ合金とＳｉＣの複合材料とした。このとき、めっきの膜厚とめっきの分散粒子の平均粒径を変化させたところ、めっき膜厚は、１μｍ未満では破壊が起こり易く、かつ、めっきの平均粒径の２倍未満では分散粒子の脱落が多く仕上げ加工の精度を維持することができないことが明らかになった。そこで、本実施例ではめっきの膜厚を５μｍとし、めっきの分散粒子の平均粒径を０．７μｍとした。しかる後に摺動面１０，１１を超精密加工して図１に示すポリゴンスキャナ１を組み立てた。その組み立てに際し、摺動面１０，１１の間に変性剤１７を導入した。変性剤１７の種類と導入方法は、下記の(1)〜(5)の５通りである。
【００５８】
(1)変性剤１７としてのタルク（Mg3Si4O10(OH)2）をボールミルによって摺動面１０，１１の間のクリアランスより十分小さくなるように粉砕し、これを揮発性溶媒としてのエタノールに分散させたものを摺動面１０，１１に刷毛塗りし、しかる後にエタノールを揮発させてタルク粉末を摺動面１０，１１に導入した。この例では変性剤１７としてタルクを用いたが、摺動面１０，１１の主材料となるニッケルよりも酸化し易い金属の酸化物であって、そのニッケルよりも十分に軟質（タルクはモース硬さ１）であれば本質的に問題がないので、カオリン（A12Si2 O 5(OH)4）、セキテッ鉱（Fe203）等を用いても構わない。また、この例ではタルクをボールミルにより粉砕したが、他の方法で微粒子としてもよい。
【００５９】
(2)変性剤１７としての二硫化モリブデン（MoS2）をボールミルによって摺動面１０，１１の間のクリアランスより十分小さくなるように粉砕し、これをエタノールに分散させたものを摺動面１０，１１に刷毛塗りし、しかる後にエタノールを揮発させて二硫化モリブデンの粉末を摺動面１０，１１に導入した。この例では二硫化モリブデンを用いたが、摺動面１０，１１の主材料となるニッケルよりも酸化し易い金属の酸化物であって、そのニッケルよりも十分に軟質（二硫化モリブデンはモース硬さ２）であれば、二硫化タングステン（WS2） 、二硫化銅（CuS2）等の硫化物、石墨（C）、コウ石膏（CaSO4）、方解石（CaSO3）等を用いても構わない。二硫化モリブデンや石墨は結晶方向によって剪断応力に異方性（劈開性）があるため、従来は固体潤滑膜として使用するときに、潤滑性を発現させるためには劈開面と摺動面とが平行になるように固体潤滑膜を固定しなければならず、これが維持できないと潤滑性が発現されなくなる。ところが、本発明では、単に潤滑性物質（変性摩耗粉２０）の原料として働くのみであるので、従来のような制約はない。また、この例では二硫化モリブデンをボールミルにより粉砕したが、他の方法で微粒子としてもよい。さらに、摺動面１０，１１の間のクリアランスが特に小さい場合には、スパッタリング法、レーザーアブレーション等のドライプロセスにより変性剤１７を薄膜状に摺動面１０，１１に導入することができる。
【００６０】
(3)ジェット法等によって摺動面１０，１１の間のクリアランスより十分小さくなるように粉砕された変性剤１７としてのポリ塩化ビニール（PVC）の微粒子をエタノールに分散させたものを摺動面１０，１１に刷毛塗りし、しかる後にエタノールを揮発させてポリ塩化ビニールの粉末を摺動面１０，１１に導入した。なお、ポリ塩化ビニールに代えてポリアミド樹脂やフェノール樹脂による変性剤１７を用いてもよい。
【００６１】
(4)変性剤１７としてのアクリル等の樹脂（ポリメチルメタクリル酸）をアセトンに溶解し、これを摺動面１０，１１に塗布した。しかる後にアセトンを揮発させて薄膜状のアクリル樹脂を摺動面１０，１１に導入した。この例では塗布法によりアクリル樹脂の高分子を摺動面１０，１１に導入したが、ディップ法によっても導入することができる。また、摺動面１０，１１の間のクリアランスが特に小さい場合には、有機物の単分子膜をＬＢ（ラングミュア プロジェット）法により導入することができる。
【００６２】
(5)変性剤１７としての粉末パラフィンをエタノールに分散させたものを摺動面１０，１１に塗布し、エタノールを揮発させてパラフィンを層状に摺動面１０，１１に導入した。しかる後に摺動面１０，１１を赤外線ランプによって加熱してパラフィンを溶融させて膜状に摺動面１０，１１に展開し、余分なパラフィンを摺動面１０，１１から除いた後、摺動面１０，１１上のパラフィンを冷却して固定した。このようにパラフィンを一旦溶融させることで必要最小限の量を均一に摺動面１０，１１に導入することができる。また、この方法により、パラフィンを摺動面１０，１１の間のクリアランス以下に加工する手間を省くことができる。この例では、パラフィンを溶融するために赤外線を用いたが、表面近傍を急速に加熱するものであればレーザーや電子線等の高エネルギービームにより加熱しても構わない。何れにしても、超精密加工した摺動面１０，１１が熱により変形しないことが必要である。
【００６３】
以上のように、Ｎｉ−Ｐ合金とＳｉＣとの複合材料とした摺動面１０，１１に、(1) 〜 (5)の方法でそれぞれ異なる変性剤１７を導入した複数のポリゴンスキャナ１を組み立て、これらのポリゴンスキャナ１を繰り返して起動停止させる試験を行ったところ、試験開始後１００回までに摩耗粉１９と変性剤１７とによる変性摩耗粉２０（固体潤滑膜や潤滑保護膜に相当）が形成され、５０００００回後においても良好な潤滑状態を得ることができた。試験後、ポリゴンスキャナ１を解体して摺動面１０，１１を顕微鏡で観察すると、摺動面１０，１１に薄膜状に付着した変性摩耗粉２０が観察された。これは変性摩耗粉２０が固体潤滑膜として有効に働いていることを示している。また、摺動面１０，１１の間に残留する変性摩耗粉２０の形状は、米粒状、ころ状のものが多い。これは変性摩耗粉２０が摺動面１０，１１の間に挾まれるためにこうした形状になるものと考えられる。
以上の考察から、摺動面１０，１１で必然的に発生する摩耗粉１９を変性剤１７に混合又は化合させ変性した変性摩耗粉２０を、固体潤滑膜として機能させることができることが確認された。
【００６４】
【実施例２】
次に、実施例２について説明する。この例は、熱処理によりマルテンサイト系ステンレス鋼により回転軸６と支持軸（軸受）７とを作成した。したがって、両者の摺動面１０，１１は母材と同質である。そして、この回転軸６と支持軸７とれを超精密加工して図１に示すポリゴンスキャナ１を組み立てた。その組み立てに際し、摺動面１０，１１の間に変性剤１７を導入した。変性剤１７の種類と導入方法は、実施例１における(1) 〜 (5)の５通りであるので説明を省略する。
【００６５】
以上のように、マルテンサイト系ステンレス鋼による摺動面１０，１１に、(1) 〜 (5)の方法でそれぞれ異なる変性剤１７を導入した複数のポリゴンスキャナ１を組み立て、これらのポリゴンスキャナ１を繰り返して起動停止させる試験を行ったところ、試験開始後１００回までに摩耗粉１９と変性剤１７とによる変性摩耗粉２０（固体潤滑膜や潤滑保護膜に相当）が形成され、５０００００回後においても良好な潤滑状態を得ることができた。試験後にポリゴンスキャナ１を解体して摺動面１０，１１を顕微鏡で観察したところ、摺動面１０，１１の間に残留する変性摩耗粉２０の形状は、米粒状、ころ状のものが多いことが確認された。これにより、本実施例においても、摺動面１０，１１で必然的に発生する摩耗粉１９を変性剤１７に混合又は化合させ変性した変性摩耗粉２０を、固体潤滑膜として機能させることができることが確認された。
【００６６】
【実施例３】
次に、実施例３について説明する。この例は、シリコンカーバイト（SiC） 微粒子とニッケル（Ni）微粒子とを混合し、これをＨＩＰ（熱間静水圧プレス）法によって所望の形状に加圧成形することにより回転軸６と支持軸（軸受）７とを作成し、その成形物をそれぞれアルミニウムによって形成された回転軸６及び支持軸７とに嵌合し、その表面を１０μｍの厚さに仕上げ加工した。これにより、回転軸６と支持軸７との摺動面１０，１１はシリコンカーバイトとニッケルとの複合材料である。そして、この回転軸６と支持軸７とれを超精密加工して図１に示すポリゴンスキャナ１を組み立てた。その組み立てに際し、摺動面１０，１１の間に変性剤１７を導入した。変性剤１７の種類と導入方法は、実施例１における(1) 〜 (5)の５通りであるので説明を省略する。
【００６７】
以上のように、シリコンカーバイトとニッケルとの複合材料による摺動面１０，１１に、(1) 〜 (5)の方法でそれぞれ異なる変性剤１７を導入した複数のポリゴンスキャナ１を組み立て、これらのポリゴンスキャナ１を繰り返して起動停止させる試験を行ったところ、試験開始後１００回までに摩耗粉１９と変性剤１７とによる変性摩耗粉２０（固体潤滑膜や潤滑保護膜に相当）が形成され、５０００００回後においても良好な潤滑状態を得ることができた。試験後にポリゴンスキャナ１を解体して摺動面１０，１１を顕微鏡で観察したところ、摺動面１０，１１の間に残留する変性摩耗粉２０の形状は、米粒状、ころ状のものが多いことが確認された。これにより、本実施例においても、摺動面１０，１１で必然的に発生する摩耗粉１９を変性剤１７に混合又は化合させ変性した変性摩耗粉２０を、固体潤滑膜として機能させることができることが確認された。
【００６８】
本実施例においては、シリコンカーバイトとニッケルとの複合材料による部材を回転軸６と支持軸７とに嵌合することにより、回転軸６と支持軸７とに摺動面１０，１１を形成したが、ＨＩＰ法或いは焼結法により、回転軸６と支持軸７とのそれぞれを、耐摩耗性の摺動面１０，１１とともに一体に形成してもよい。
【００６９】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、回転軸と軸受との少なくとも一方の摺動面を金属を含む材料により形成し、金属を含む材料により形成した摺動面が破断することにより生成される摩耗粉と混合又は化合することで摩耗粉の機械特性である剪断応力を低下させる物質を回転軸と軸受との摺動面の間に介在させたので、摩耗粉と物質との混合物又は化合物の破断により潤滑機能を維持することができる。
【００７１】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、摺動面同士の間に介在させる物質として、摺動面を構成する金属又はこの金属の酸化物よりも硬度が低い硫化物を用いるので、硫化物による物質は摺動面に強固に固定する特別の工程を経ることなく摺動面に形成される。これにより、物質の材料の選択幅を広げることができる。
【００７２】
請求項３の発明によれば、請求項１の発明において、摺動面同士の間に介在させる物質として、摺動面を構成する金属又はこの金属の酸化物よりも硬度が低い非金属無機物を用いるので、安価な材料から物質を選択することが可能となる。
【００７３】
請求項４の発明によれば、請求項１の発明において、摺動面同士の間に介在させる物質として、摺動面を構成する金属又はこの金属の酸化物よりも硬度が低い有機物やその高分子を用いるので、安価な材料から物質を選択することが可能となる。
【００７５】
請求項５の発明によれば、回転軸と軸受との少なくとも一方の摺動面を金属を含む材料により形成し、金属を含む材料により形成した前記摺動面が破断することにより生成される摩耗粉と混合又は化合することで摩耗粉の機械特性である剪断応力を低下させる物質を、揮発性溶媒により溶液として摺動面に塗布するようにしたので、摺動面の摩擦により発生した摩耗粉は物質と混合又は化合することにより機械的特性が低下するため、その混合物又は化合物の破断により潤滑機能を維持することができる。また、簡便な方法で、物質を摺動面同士の間に導入することが可能となる。
【００７６】
請求項６の発明によれば、回転軸と軸受との少なくとも一方の摺動面を金属を含む材料により形成し、金属を含む材料により形成した摺動面が破断することにより生成される摩耗粉と混合又は化合することで摩耗粉の機械特性を低下させる物質を、予め摺動面のクリアランスと同等又はそれ以下の大きさに加工した後に、揮発性溶媒中に分散させて摺動面に塗布するようにしたので、摺動面の摩擦により発生した摩耗粉は物質と混合又は化合することにより機械的特性である剪断応力が低下するため、その混合物又は化合物の破断により潤滑機能を維持することができる。また、溶解度の低い物質でも、摺動面同士の間に容易に導入することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態におけるポリゴンスキャナの縦断側面図である。
【図２】潤滑メカニズムを概念的に示す模式図である。
【図３】潤滑メカニズムを概念的に示す模式図である。
【図４】従来の耐摩耗性部材による摺動の様子を概念的に示す模式図である。
【図５】従来の凝着摩耗のメカニズムを概念的に示す模式図である。
【図６】従来の固体潤滑メカニズムを概念的に示す模式図である。
【符号の説明】
６ 回転軸
７ 軸受
１０，１１ 摺動面
１７ 物質
１９ 摩耗粉
Claims (6)
- 摺動面同士が互いに微小な隙間を開けて嵌合された回転軸と軸受との少なくとも一方の前記摺動面を金属を含む材料により形成し、前記金属を含む材料により形成した前記摺動面が破断することにより生成される摩耗粉と混合又は化合することで前記摩耗粉の機械特性である剪断応力を低下させる物質として、摺動面を構成する金属又はこの金属の酸化物よりも硬度が低い微粒子粉末を前記回転軸と前記軸受の前記摺動面同士の間に介在させたことを特徴とする動圧空気軸受装置。
- 摺動面同士の間に介在させる物質として、摺動面を構成する金属又はこの金属の酸化物よりも硬度が低い硫化物を用いることを特徴とする請求項１記載の動圧空気軸受装置。
- 摺動面同士の間に介在させる物質として、摺動面を構成する金属又はこの金属の酸化物よりも硬度が低い非金属無機物を用いることを特徴とする請求項１記載の動圧空気軸受装置。
- 摺動面同士の間に介在させる物質として、摺動面を構成する金属又はこの金属の酸化物よりも硬度が低い有機物やその高分子を用いることを特徴とする請求項１記載の動圧空気軸受装置。
- 摺動面同士が互いに微小な隙間を開けて嵌合された回転軸と軸受との少なくとも一方の前記摺動面を金属を含む材料により形成し、前記金属を含む材料により形成した前記摺動面が破断することにより生成される摩耗粉と混合又は化合することで前記摩耗粉の機械特性である剪断応力を低下させる物質として、微粒子粉末を揮発性溶媒により溶液として前記摺動面に塗布して前記回転軸と前記軸受の前記摺動面同士の間に介在させることを特徴とする動圧空気軸受装置の製造方法。
- 摺動面同士が互いに微小な隙間を開けて嵌合された回転軸と軸受との少なくとも一方の前記摺動面を金属を含む材料により形成し、前記金属を含む材料により形成した前記摺動面が破断することにより生成される摩耗粉と混合又は化合することで前記摩耗粉の機械特性である剪断応力を低下させる物質としての微粒子粉末を、予め前記摺動面のクリアランスと同等又はそれ以下の大きさに加工した後に、揮発性溶媒中に分散させて前記摺動面に塗布して前記回転軸と前記軸受の前記摺動面同士の間に介在させることを特徴とする動圧空気軸受装置の製造方法。
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-
1996
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