JPH05126156A

JPH05126156A - セラミツクス転がり軸受体

Info

Publication number: JPH05126156A
Application number: JP28461791A
Authority: JP
Inventors: Osamu Komura; 修小村; Tetsuya Katayama; 哲也片山; Ototake Yasuoka; 己雄安岡; Akira Yamakawa; 晃山川
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1991-10-30
Filing date: 1991-10-30
Publication date: 1993-05-21

Abstract

(57)【要約】【目的】高速回転に耐え得るセラミックス転がり軸受
体の構造を提供する。【構成】セラミックス転がり軸受体１０は内輪１と外
輪２と球３とスラスト板４とから構成される。各部材
１，２，３，４は窒化ケイ素系セラミックス焼結体から
形成される。球３は、内輪１の外周円筒面とスラスト板
４の主表面と外輪２の傾斜面２ａに接触するように保持
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、一般的にはセラミッ
クス転がり軸受体に関し、より特定的には高速回転に耐
え得るセラミックス転がり軸受体の構造に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】一般
に、レーザプリンタ、ファクシミリ、バーコード読取装
置等に設けられる回転駆動部を構成する部材には高速回
転に耐え得るものが要求される。たとえば、印字速度の
高速化に伴い、レーザプリンタにおけるポリゴンミラー
（多面鏡）の回転装置には２００００ｒ．ｐ．ｍ．以上
の回転速度を要求されるようになってきた。従来、この
回転装置における摺動部には、たとえば軸受部には、い
わゆる軸受鋼からなるボールベアリングが用いられてき
た。しかしながら、焼付き、摩耗等の問題により、従来
のボールベアリングを使用する限りにおいては、１６０
００ｒ．ｐ．ｍ．程度が耐え得る上限の回転速度であっ
た。

【０００３】レーザプリンタにおけるポリゴンミラーを
さらに高速度で回転させるために、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄
等のセラミックスからなる空気軸受（動圧気体軸受）を
回転摺動部に用いることが特開平２−１７３６１０号公
報において提案されている。この空気軸受を用いる回転
装置においては、回転体が回転されると、ラジアル軸受
体またはスラスト軸受体と回転体との間のクリアランス
へ溝を介して空気が強制的に導入される。これにより、
そのクリアランス内の空気圧が高められ、各部材間に設
けられた空気軸受を介して回転体が高速度で回転され得
る。このように、高速回転を実現するために、軸受体と
回転体との間のクリアランスへ空気を強制的に導入する
ための溝を軸受体に設ける必要がある。このことは、セ
ラミックスからなる軸受体に高い加工、組立精度を要求
し、製造コストの上昇を招く。

【０００４】また、空気軸受は埃の侵入を嫌うため、清
浄な環境下で使用される必要がある。このことから、空
気軸受は密閉容器に収納された形態で用いられるなど、
空気軸受に伴う構造が複雑になり、収納空間が大きくな
る等の欠点があった。

【０００５】一方、従来のセラミックスによって形成さ
れたブッシュタイプの滑り軸受体は、起動停止時におけ
る低速域での各部材間の摺動には耐え得る。しかしなが
ら、５０００ｒ．ｐ．ｍ．を超える高速回転に伴う摺動
においては、突発的に起こる軸受部材同士の接触による
衝撃を伴った叩き摩耗現象が発生する。そのため、従来
のブッシュタイプの滑り軸受体はその摺動に耐え得るこ
とが困難であり、摺動面が荒れることにより摩擦抵抗が
増加するという欠点があった。特に、スラスト方向の加
重に対しては、この傾向が顕著である。同一の負荷加重
で比較すると、スラスト方向の摩擦抵抗はラジアル方向
の摩擦抵抗に比べて５〜１０倍大きい。

【０００６】また、通常のボールベアリングを２個用い
て回転体を支持しようとした場合、ロータの加工精度に
より組立精度が左右される。図４は、回転体を２個のボ
ールベアリングを用いて支持する場合の概略構造を示す
断面図である。図において、ロータ６は、その上下端に
配された２個のボールベアリング５によって支持されて
いる。このとき、たとえば極端な場合を考えると、図４
に示すように上下のボールベアリング５の間において中
心軸が一致しないことがあり得る。これは、ロータ６の
加工精度が劣ることによってもたらされる。このように
従来のボールベアリングの構造によれば、ボールベアリ
ング自体の加工精度だけでなく、それによって支持され
るロータの加工精度を向上させなければ、回転駆動部全
体の組立精度を保証することが困難でなる。言い換えれ
ば、高速度で回転する回転駆動部においては、高い組立
精度が要求されるが、従来のボールベアリングを使用す
る上ではその組立精度を保証することは困難である。

【０００７】また、従来のボールベアリングの構造にお
いては図５に示すように、ボール７が、曲面の断面形状
を有するレース８によって保持される。このレース８を
セラミックスから形成する場合、寸法精度の面で加工が
困難である。すなわち、図５においてボール７とレース
８との接触断面９が曲線で構成されるため、両者のセラ
ミックス部材の加工精度を高めることが困難である。そ
のため、セラミックス製のボールベアリングの製造コス
トが非常に高くなるという問題があった。

【０００８】そこで、この発明の目的は上記の問題点を
解決することであり、高速回転に耐え得るセラミックス
転がり軸受体の構造を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明に従ったセラミ
ックス転がり軸受体は、内輪と、スラスト板と、球と、
外輪とを備える。内輪は端面と外周円筒面を有し、セラ
ミックス焼結体からなる。スラスト板は、内輪の端面に
接触する主表面を有し、セラミックス焼結体からなる。
球は内輪の外周円筒面とスラスト板の主表面とに接触す
るように配され、セラミックス焼結体からなる。外輪
は、球を保持するように球に接触しかつ内輪の外周円筒
面とスラスト板の主表面とに交差する方向に沿う傾斜面
を内周面に有し、セラミックス焼結体からなる。

【００１０】好ましくは、この発明のセラミックス転が
り軸受体の各部材を構成するセラミックス焼結体は窒化
ケイ素系セラミックス焼結体を含む。その窒化ケイ素系
セラミックス焼結体は、長さ３０μｍ当りの線密度が３
５個以上である結晶粒子を含み、その粒界相の体積率が
１５体積％以下である。また、その窒化ケイ素系の焼結
体は、最大径が２０μｍ以下の気孔を含み、その気孔の
含有率が３％以下である。このような窒化ケイ素系焼結
体は、少なくともＪＩＳ３点曲げ強度として８０ｋｇ／
ｍｍ²以上、好ましくは１００ｋｇ／ｍｍ²以上、破壊
靭性値として５ＭＰａ・ｍ^1/2以上の機械的特性を有し
ている。

【００１１】

【作用】この発明においては、球は内輪の外周円筒面と
スラスト板の主表面と外輪の傾斜面とに接触する。これ
らの球の接触部の断面はすべて直線で構成されている。
そのため、加工の困難なセラミックス焼結体に適した転
がり軸受体の構造が提供される。

【００１２】また、本発明の転がり軸受体の構造におい
ては、通常のボールベアリングにおいて球が２点で支持
されるのに対し、球が３点で支持される。このため、軸
受体に加わる荷重が分散されるので、より高い耐負荷特
性が得られる。

【００１３】さらに、この発明の転がり軸受体の構造に
よれば、回転部と固定部とを一体的に構成することがで
きるので組立精度を保証することが容易である。

【００１４】また、本発明のセラミックス転がり軸受体
の各部材を構成するセラミックス焼結体は、一定値以上
の線密度を有する結晶粒子を含み、粒界相の体積率が一
定値以下に抑えられており、また気孔率が一定値以下に
抑えられている。そのため、転がり軸受体の各部材が、
微細な結晶粒を備えた窒化ケイ素系の焼結体から構成さ
れる。その結果、結晶粒子の脱落等によって、軸受体の
各部材を構成する窒化ケイ素系の焼結体の表面が欠損す
ることなく、耐チッピング性にも優れる。窒化ケイ素系
焼結体からなる各部材は、叩き摩耗現象を伴った高速摺
動に対しても優れた耐摩耗性を備えている。したがっ
て、本発明のセラミックス転がり軸受体は、通常の軸受
鋼から構成されるボールベアリングに比べて、長い使用
寿命を有する。さらに、本発明のセラミックス転がり軸
受体においては、通常の軸受鋼に比べて負荷荷重による
弾性変形が小さい窒化ケイ素系セラミックス焼結体から
各部材が形成されるので、高い剛性を有し、回転精度を
維持することが容易な軸受体の構造が提供され得る。ま
た、従来の軸受鋼からなるボールベアリングに比べて、
高速回転に伴う各部材間の摺動において焼付きが生じな
いため、より高速度で回転する軸を支持することが可能
になる。

【００１５】なお、上述のように本発明の転がり軸受体
の構造においては、球が３点接触で支持される。この場
合、外輪の傾斜面の角度によっては、球が良好に転動せ
ず、ある接触面で滑ることが起こり得る。したがって、
球の大きさと傾斜面の角度を調整することにより、球が
接触する３点で共に転動運動する状態で本発明の転がり
軸受体を使用することが好ましい。

【００１６】

【実施例】図１は、この発明の一実施例によるセラミッ
クス転がり軸受体の構造を概略的に示す概念図である。
図１に示すように、セラミックス転がり軸受体１０は内
輪１と外輪２と球３とスラスト板４とを備える。各部材
１〜４はセラミックス焼結体からなる。内輪１は所定の
軸の外周面を包囲することができるように円筒形状を有
する。スラスト板４は内輪１の両端面に接触するように
設けられる。球３は内輪１の外周円筒面とスラスト板４
の表面に接触するように設けられる。この球３を保持す
るように円筒形状の外輪２が設けられる。外輪２は、球
３に接触する傾斜面２ａを有する。この傾斜面２ａは内
輪１の外周円筒面とスラスト板４の表面とに交差する方
向に沿う。すなわち、この傾斜面２ａは外輪２の内周面
端部にテーパ部を与えるように形成される。上述のよう
に構成されたセラミックス転がり軸受体の各部材は窒化
ケイ素系の焼結体から形成される。

【００１７】次に、この発明の一実施例の転がり軸受体
の材料として窒化ケイ素系の焼結体の製造方法について
説明する。

【００１８】平均粒径が０．３μｍ、粒度分布が３σ＝
０．２０μｍ、α結晶化率が９６．５％、酸素量が１．
４重量％であるＳｉ₃Ｎ₄の原料粉末を準備した。この
Ｓｉ ₃Ｎ₄の原料粉末を９２重量％、平均粒径が０．８
μｍのＹ₂Ｏ₃粉末を４重量％、平均粒径が０．５μｍ
のＡｌ₂Ｏ₃粉末を３重量％、平均粒径が１．０μｍの
ＡｌＮ粉末を１重量％の割合で、エタノール中で１００
時間ボールミルを用いて湿式混合した。その後、乾燥し
て得られた混合粉末を５０００ｋｇ／ｃｍ²の圧力でＣ
ＩＰ（冷間静水圧）成形した。得られた成形体を１気圧
の窒素ガス雰囲気下で温度１６００℃において４時間保
持した。さらに、温度１７５０℃において６時間、焼結
処理を施すことにより焼結体を得た。その後、この焼結
体に温度１７００℃において１０００気圧の窒素ガス雰
囲気中で２時間のＨＩＰ（熱間静水圧）処理を施した。

【００１９】このようにして得られた窒化ケイ素系の焼
結体は、長さ３０μｍ当りの線密度が３５個以上である
結晶粒子を含み、その粒界相の体積率が１５体積％以下
であり、最大径が２０μｍ以下の気孔を含み、その気孔
の含有率が３％以下であった。また、この焼結体はＪＩ
Ｓ３点曲げ強度として８０ｋｇ／ｍｍ²以上、破壊靭性
値として５ＭＰａ・ｍ^1/2以上の機械的特性を有してい
た。

【００２０】以上のようにして作製された窒化ケイ素系
の焼結体からなる転がり軸受体の用途の一例として、レ
ーザプリンタ用の回転多面鏡の軸受体を挙げることがで
きる。以下、レーザプリンタに使用される回転多面鏡の
構造について説明する。

【００２１】図２はレーザプリンタに用いられる回転多
面鏡の一実施例を概略的に示す図である。図２に示すよ
うに、モータ１００のフレーム１１０には支軸１１１が
設けられている。その支軸１１１の外周には、上述の窒
化ケイ素系の焼結体からなる円筒状の内輪１１２が取付
けられている。また、この内輪１１２の上下両側に位置
するように、支軸１１１の基端と先端には上記の窒化ケ
イ素系の焼結体からなる平板状のスラスト板１１３，１
１４がそれぞれ取付けられている。回転多面鏡２００の
軸支部分を構成する回転体としての外輪１１５は、同様
に上記の窒化ケイ素系の焼結体によってリング状に形成
されている。このようにして各部材１１２，１１３，１
１４，１１５から、図１に示されるようなセラミックス
転がり軸受体の構造が形成される。なお、図２において
は、内輪１１２とスラスト板１１３，１１４と外輪１１
５とによって保持される球は、その図示が省略されてい
る。

【００２２】外輪１１５の外周にはアルミニウム製の反
射枠１１７が取付けられている。内輪１１２と外輪１１
５との間、２つのスラスト板１１３，１１４と外輪１１
５との間には、所定のクリアランスが設けられる。ま
た、反射枠１１７の外周には、内輪１１２を中心とした
多面体（たとえば八面体）を構成する複数のミラー面１
１７ａが形成されている。フレーム１１０の底壁面の上
においては、支軸１１１を中心とする円周上に複数個の
コイル１１８が配列されている。これらのコイル１１８
に対向するように、反射枠１１７の内側面に複数個の永
久磁石１１９が配列されている。外輪１１５と反射枠１
１７とにより、駆動モータ１００のロータが構成されて
いる。

【００２３】図３は、この発明のセラミックス転がり軸
受体が用いられるポリゴンミラー回転装置のもう１つの
例を概略的に示す図である。ケース３５１の軸心には回
転軸３５２が設けられている。この回転軸３５２は、上
記の窒化ケイ素系の焼結体からなるセラミックス転がり
軸受体３５３によって回転自在に支持されている。転が
り軸受体３５３は、内輪３６０、スラスト板３６１，３
６２、外輪３６３、球３６４，３６５から形成されてい
る。転がり軸受体３５３の外輪３６３にロータ３５４が
取付けられている。ケース３５１には窓３５７が設けら
れている。この窓３５７に対向するように多面鏡３５６
が取付けられている。多面鏡３５６は回転軸３５２の上
部に取付けられている。

【００２４】なお、本発明のセラミックス転がり軸受体
の実施例として、回転多面鏡の転がり軸受体を示した
が、これに限定されることはない。たとえば、８０００
０〜１５００００ｒ．ｐ．ｍ．の高速度で回転する過給
機用タービン軸受、２００００〜３００００ｒ．ｐ．
ｍ．の高速度で回転するタービン，コンプレッサ用の軸
受、ロケットエンジン用ターボポンプに用いられる高速
回転用軸受、ＣＮＣ超精密旋盤，円筒加工用超精密旋
盤，超精密平面研削盤等の工作機械に用いられる軸受等
にも本発明の軸受体は適用され得る。

【００２５】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、加工
の困難なセラミックス焼結体を軸受部材に用いる場合に
おいて、各部材の加工を容易にさせるセラミックス転が
り軸受体の構造が得られる。また、本発明の転がり軸受
体によれば、転動部材としての球が３点接触によって支
持されるので、軸受体に加えられる荷重が分散され、よ
り高い耐負荷特性を得ることができる。

【００２６】また、本発明の転がり軸受体の各部材を構
成するセラミックス焼結体が所定の微細な結晶粒を備え
た窒化ケイ素系の焼結体から構成されると、耐久性、高
い剛性を有するセラミックス転がり軸受体を得ることが
でき、高速度で回転する軸を高い回転精度で支持するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例によるセラミックス転がり
軸受体の構造を概略的に示す概念図である。

【図２】この発明のセラミックス転がり軸受体が用いら
れるポリゴンミラーの回転装置の一実施例を概略的に示
す構成図である。

【図３】この発明のセラミックス転がり軸受体が用いら
れるポリゴンミラーの回転装置のもう１つの実施例を概
略的に示す構成図である。

【図４】従来のボールベアリングにおける問題点を示す
概略構成図である。

【図５】従来のボールベアリングの構造を部分的に示す
断面図である。

【符号の説明】

図において、１は内輪、２は外輪、３は球、４はスラス
ト板である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山川晃兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号住友電気工業株式会社伊丹製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】端面と外周円筒面を有し、セラミックス
焼結体からなる内輪と、前記内輪の端面に接触する主表面を有し、セラミックス
焼結体からなるスラスト板と、前記内輪の外周円筒面と前記スラスト板の主表面とに接
触するように配され、セラミックス焼結体からなる球
と、前記球を保持するように前記球に接触しかつ前記内輪の
外周円筒面と前記スラスト板の主表面とに交差する方向
に沿う傾斜面を内周面に有し、セラミックス焼結体から
なる外輪とを備えた、セラミックス転がり軸受体。
【請求項２】前記セラミックス焼結体は、窒化ケイ素
系セラミックス焼結体を含む、請求項１に記載のセラミ
ックス転がり軸受体。
【請求項３】前記窒化ケイ素系セラミックス焼結体
は、長さ３０μｍ当りの線密度が３５個以上である結晶
粒子を含み、その粒界相の体積率が１５体積％以下であ
り、最大径が２０μｍ以下の気孔を含み、その気孔の含
有率が３％以下である窒化ケイ素系の焼結体を含む、請
求項２に記載のセラミックス転がり軸受体。