JPH05248442A

JPH05248442A - 摺動部材

Info

Publication number: JPH05248442A
Application number: JP4719992A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Katayama; 哲也片山; Osamu Komura; 修小村; Akira Yamakawa; 晃山川
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1992-03-04
Filing date: 1992-03-04
Publication date: 1993-09-24

Abstract

(57)【要約】【目的】高速回転に耐えうる摺動部材を提供する。【構成】複合軸受け体５０は、ステータ２１とロータ
２２から構成されている。このステータ２１とロータ２
２は、所定のクリアランスを介して設置されている。ま
た、ロータ２２はステータ２１に対して回転可能であ
る。このステータ２１とロータ２２の少なくとも摺動面
が、セラミックスからなり、摺動面の表面粗さの最大値
Ｒ_maxが０．３μｍ以下である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、摺動部材に関し、特に
高速摺動においても十分対応できる摺動部材に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】摺動運動をする軸受けは、ＮＩＫＫＥＩ
ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ１９９１．４．１Ｐ９４に
紹介されているように、転がり運動と滑り運動をする軸
受けに分類できる。前者の運動をする転がり軸受けの応
用例としてはボールベアリングがある。このボールベア
リングは、一般的に複雑な構造となる。後者の滑り運動
をする軸受けには、接触型（メタル・ブッシュ軸受け、
含油軸受け）と無接触型（油軸受け、空気軸受け、磁気
軸受け）の軸受けがある。これらの軸受けは、前者の軸
受けに比較して非常に簡単な構造である。

【０００３】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などに採用される摺動部材には、高
速回転に耐えうるものが要求される。たとえば、レーザ
プリンタでは印字速度の高速化に伴い、ポリゴンミラー
（多面鏡）の回転装置には２００００ｒ．ｐ．ｍ．以上
の回転速度が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、たとえば軸受け部にはボ
ールベアリングが用いられてきた。しかしながら、従来
のボールベアリングでは焼付や耐久性などの問題によ
り、１６０００ｒ．ｐ．ｍ．程度の回転速度が実用化の
限度であった。

【０００４】一方、高速摺動の下では摺動部材に耐摩耗
性が要求される。耐摩耗性に優れた摺動部材として、従
来よりセラミックスが注目されてきた。このセラミック
スとして、Ａｌ₂Ｏ₃，ＺｒＯ₂，ＳｉＣ，Ｓｉ₃Ｎ₄
などの開発が進められている。また、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、セラミックスを用いた空気軸受け（動圧気体軸受
け）が特開平２−１７３６１６号公報に開示されてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の摺
動部材には、セラミックスの採用が試みられている。し
かしながら、摺動部材にセラミックスを採用した場合で
も、その摺動表面の表面粗さＲ_maxはＪＩＳ規格で規定
される０．７〜０．８μｍのものしか得られていなかっ
た。このため、従来のセラミックスよりなる摺動部材で
は、外乱などを起因とする摺動部分の突発的な接触に対
して摩耗が生じやすいという問題点があった。

【０００６】本発明は、上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、高速摺動に耐えうる摺動部材を
提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本願発明者らは、上記に
鑑みて種々検討した結果、摺動部材の摺動表面を制御す
ることが高速回転における摺動特性に有効であることを
見出した。

【０００８】本発明に従った摺動部材は、少なくとも摺
動面がセラミックスからなり、摺動面の表面の凹凸の最
大高低差が０．３μｍ以下である。

【０００９】この発明の好ましい第１の局面によれば、
摺動部材の少なくとも摺動面のセラミックスがＳｉ系セ
ラミックスである。

【００１０】この発明の好ましい第２の局面によれば、
摺動部材の少なくとも摺動面のセラミックスがＳｉ₃Ｎ
₄相を含んでいる。

【００１１】この発明の好ましい第３の局面によれば、
摺動部材のセラミックスが大気中で加熱処理を施されて
いる。

【００１２】この発明の好ましい第４の局面によれば、
摺動部材の摺動面の表面の凹凸の最大高低差が０．１μ
ｍ以下である。

【００１３】この発明の好ましい第５の局面によれば、
加熱処理は８００℃以上の温度で施されている。

【００１４】この発明の好ましい第６の局面によれば、
摺動部材が滑り軸受け体として使用されている。

【００１５】この発明の好ましい第７の局面によれば、
摺動部材が回転多面鏡の滑り軸受け体として使用されて
いる。

【００１６】

【作用】本発明の摺動部材においては、摺動面の表面の
凹凸の最大高低差が０．３μｍ以下である。これによ
り、従来の摺動部材に比較して、摩耗率および同一回転
数における駆動トルクの低減を図ることができる。

【００１７】この理由については、以下のように考えら
れる。研削のような機械加工を施したセラミックスの表
面には、表面荒れなどといった表面欠陥が形成される。
この表面荒れは、摺動材料の性能に対し、致命的な因子
となり得るものである。この摺動面の表面荒れは、表面
の凹凸の最大高低差を０．３μｍ以下に制御することに
よって小さくできる。換言すれば、摺動面が比較的滑ら
かになる。このため、外乱などによる摺動部分の突発的
な接触などによっても、摩耗粉が発生し難くなる。すな
わち、摩耗率が低下する。これにより、摩耗粉が摺動面
に介在することによって生じる振動が抑制される。した
がって、少なくとも振動の抑制分だけ摺動部材を駆動さ
せるトルクの低減を図ることが可能となり、高速摺動に
対応することができる。

【００１８】セラミックスがＳｉ系セラミックスである
と、摺動の際に微細かつ緻密なシリカ等の表面層が容易
に形成されるため、たとえば摩擦係数低減など摺動特性
向上の効果が期待できる。

【００１９】セラミックスがＳｉ₃Ｎ₄相を含むと、結
晶粒子の脱落などによって、少なくとも摺動面を構成す
るセラミックスの表面が欠損することなく、耐チッピン
グ性にも優れる。少なくとも摺動面がＳｉ₃Ｎ₄相を含
むセラミックスからなる摺動部材は、たたき摩耗現象を
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、摺動速度の増加に対する駆動トルクの
上昇を抑制することが可能となる。

【００２０】セラミックスは大気中で加熱処理を施され
ることが好ましい。この理由については以下に説明す
る。

【００２１】研削を施したセラミックスには、表面荒れ
以外にミクロンあるいはサブミクロンオーダの微細なマ
イクロクラックや残留応力が導入される。これらも、摺
動材料の性能に対し、致命的な因子となり得るものであ
る。セラミックスを大気中で加熱することにより、セラ
ミックス中に反応生成物が形成される。この反応生成物
は、たとえばＳｉ系セラミックスではＳｉＯ_X（ｘは任
意の正の定数）である。また、大気中の加熱では、セラ
ミックス中で拡散を介した原子移動が生じている。した
がって、この反応生成物の形成と原子移動とにより、マ
イクロクラックは再結合され、欠陥は修復される。さら
に、大気中での加熱は、残留応力除去の効果も持ってい
る。

【００２２】このように、大気中での加熱により、セラ
ミックス中のマイクロクラックや残留応力を除去するこ
とが可能である。このため、外乱などによる摺動部分の
突発的な接触によっても摩耗粉が生じ難くなる。したが
って、摺動速度の上昇に伴う駆動トルクの上昇を抑制す
ることが可能となる。

【００２３】摺動面の表面の凹凸の最大高低差が０．１
μｍ以下であると、上記の０．３μｍに比較して、さら
に摺動面の表面荒れが小さく制御できる。このため、摩
耗率と駆動トルクのより一層の低減を図ることが可能と
なる。

【００２４】なお、セラミックスを大気中で加熱する温
度は８００℃以上であることが好ましい。加熱温度を８
００℃以上とすることにより、セラミックス中での反応
生成物の形成と原子移動を一層促進させることが可能と
なる。このため、高速摺動下での摩耗粉の発生をさらに
抑制することができる。したがって、摺動速度の上昇に
伴う駆動トルクの上昇を一層抑えることができる。

【００２５】この摺動部材が滑り軸受け体に使用される
と、駆動トルクの低減が図れるため、小さい駆動トルク
で高速の滑り運動が可能となる。

【００２６】この摺動部材が回転多面鏡の滑り軸受け体
として使用されると、小さい駆動トルクで回転多面鏡を
高速回転させることができる。このため、印字速度の高
速化を図ることが可能となる。

【００２７】

【実施例】本願発明者らは、セラミックスの中でも強靱
性に優れるＳｉ₃Ｎ₄系セラミックスを対象として以下
の実験を行なった。

【００２８】まず、平均粒径０．３μｍ、粒度分布３σ
＝０．２μｍ、α結晶化率９６．５％、酸素量１．４重
量％であるＳｉ₃Ｎ₄の原料粉末を準備した。このＳｉ
₃Ｎ ₄の原料粉末を９２重量％、平均粒径が０．８μｍ
のＹ₂Ｏ₃粉末を４重量％、平均粒径０．５μｍのＡｌ
₂Ｏ₃粉末を３重量％、平均粒径１．０μｍのＡｌＮ粉
末を１重量％の割合で混合した。この混合粉末を、エタ
ノール中で１００時間ボールミルによる湿式混合を行な
った。その後、乾燥後の混合粉末を５０００ｋｇ／ｃｍ
²の圧力でＣＩＰ（冷間静水圧成形）処理を施した。得
られた成形体を１気圧の窒素ガス雰囲気下において、１
６００℃で４時間加熱保持した。さらに、１７５０℃で
６時間の焼結処理を施すことにより焼結体を得た。その
後、この焼結体を１７００℃、１０００気圧で窒素ガス
雰囲気中で２時間のＨＩＰ（熱間静水圧成形）処理を施
した。このようにして得られたＳｉ₃Ｎ₄系焼結体は、
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％以下で最大径
２０μｍ以下の気孔を含み、その気孔率が３％以下であ
った。また、このＳｉ₃Ｎ₄系焼結体は、平均長軸粒径
５μｍ以下、アスペクト比４以上、最大の長軸粒径１５
μｍ以下であった。さらに、この焼結体は、ＪＩＳ三点
曲げ強度８０ｋｇ／ｍｍ²以上、破壊靭性値５ＭＰａ・
ｍ^1/2以上であった。この特性を有する焼結体を、円筒
研削盤により円筒研削を行なった。そのときの条件は、
周速１４０ｒ．ｐ．ｍ．，送り速度２６０ｍ／ｍｉｎ．
であった。また、円筒研削盤の砥石を２００メッシュか
ら８００メッシュにすることより、所望の表面粗さＲ
_maxに仕上げた。このようにして得られた試料が以下の
表１に示す試料Ｎｏ．１，２，３である。この円筒研削
を施した後、加熱炉において１０００℃で１時間の加熱
処理を施した。その後、周速１４０ｒ．ｐ．ｍ．、送り
速度２６０ｍ／ｍｉｎ．、研磨液としてダイヤモンドラ
ッピング液を用いたバフ研磨機によりバフ研磨を行なっ
た。このようにして得られた試料が、以下の表１に示す
試料Ｎｏ．４，５，６である。

【００２９】

【表１】

【００３０】上記のようにして得られた表１の試料Ｎ
ｏ．１〜６の試料について、アムスラー式摩耗試験によ
る耐摩耗性評価を実施した。アムスラー式摩耗試験は、
２個のリング状試片（外φ１６ｍｍ×内φ３０ｍｍ×８
ｍｍ）を用い、所定の荷重Ｐおよび回転速度Ｖで摺動試
験を行なった後、両者の重量減少を測定することにより
評価した。

【００３１】図１は、表１に示す各試料についてアムス
ラー式摩耗試験を行なった実験結果を示す図である。図
１を参照して、横軸は負荷荷重Ｐと回転速度Ｖの積（Ｐ
・Ｖ値）である。また、縦軸は摩耗率である。図中の
○，●等の印は、表１に示す各試料に対応している。な
お、比較として窯業協会誌１９８５年第９３巻ｐ７３で
示されたＳｉ₃Ｎ₄系焼結体である５Ｙ５Ａ材および５
Ｙ５Ｌ材の結果も実線および二点鎖線で示す。この図か
ら明らかなように、表面粗さＲ_maxが小さいほど耐摩耗
性は向上する。さらに、１０００℃で１時間の加熱処理
を併用すれば、耐摩耗性はさらに向上することがわか
る。また、表面粗さがＲ_maxで０．３μｍ以下であれば
その効果は著しいものになっていることがわかる。

【００３２】以上のように、仕上げ表面粗さＲ_maxが
０．３μｍ以下のＳｉ₃Ｎ₄系焼結体は非常に耐摩耗性
に優れていることが判明した。また、このＳｉ₃Ｎ₄系
焼結体に加熱処理を施すことによって、耐摩耗性がさら
に向上することも判明した。

【００３３】なお、上記の処理をＡｌ系、Ｚｒ系セラミ
ックスに施した場合も材料本質の機械的性質（たとえ
ば、曲げ強度など）の値を超えない条件下で、同様に耐
摩耗性が向上する効果が得られることも確認されてお
り、上記の処理はすべてのセラミックスに対し適用でき
るものである。

【００３４】次に、本発明材を採用した軸受けの摺動部
材としての性能について以下の実験を行なった。

【００３５】まず、材料にはＨＩＰ処理まで上記と同様
の処理を施した。ＨＩＰ処理を施した焼結体を平面研削
盤により平面研削を行なった。このときの条件は、周速
１８００ｒ．ｐ．ｍ．、送り速度２６０ｍ／ｍｉｎ．で
あった。また、砥石は２００メッシュから８００メッシ
ュにすることにより、所望の表面粗さに仕上げた。この
ようにして、以下の表２に示す試料Ｎｏ．Ａ₀，Ｂ₀，
Ｃ₀が得られた。また、平面研削された試料に加熱炉中
で１０００℃、１時間の加熱処理を施した。その後、周
速１８００ｒ．ｐ．ｍ．，送り速度２６０ｍ／ｍｉ
ｎ．、研磨液としてダイヤモンドラッピング液を用いた
バフ研磨機によりバフ研磨を行なった。このようにし
て、以下の表２に示す試料Ｎｏ．Ａ₁，Ｂ₁，Ｃ₁が得
られた。

【００３６】

【表２】

【００３７】上記の表２に示す試料を用いて、軸受けを
構成した。図２は、軸受けの性能を試験するための複合
軸受け体の構造を示す概略図である。図２を参照して、
複合軸受け体１０は、内輪１、外輪２およびスラスト板
３，４から構成されている。内輪１は所定の軸の外周面
を包囲すべく円筒形状を有する。スラスト板３および４
は内輪１の両端面に接触するように設定されている。外
輪２は内輪１とスラスト板３および４に対して所定のク
リアランスを保つように調整されている。また、このク
リアランスは、高速回転中のラジアル回転精度を出すた
め、微小値に調整されている。

【００３８】図３は、上記の複合軸受け体の構造を有す
る軸受け性能評価試験機の構成を示す概略図である。内
輪１１，外輪１２およびスラスト板１３，１４により、
複合軸受け体が構成されている。この複合軸受け体は、
表２に示すＳｉ₃Ｎ₄系セラミックス焼結体の各試料か
ら形成されている。外輪１２は、内輪１１に対して所定
のクリアランスを維持するように設置されている。ま
た、この外輪１２は、スラスト板１３および１４に対し
ても所定のクリアランスを維持している。スラスト板１
３，１４が接合された内輪１１には、円筒上面から下面
にかけて１０ｍｍの内径を有する穴が形成されている。
この穴には回転体１５が嵌められている。内輪１１はこ
の回転体１５とともに回転可能である。回転体１５は、
モータ１６によって回転可能なように設置されている。
また、このモータ１６の駆動トルクはトルク計１７によ
り測定される。

【００３９】上記のように、軸受け性能評価試験機は構
成されている。この軸受け性能評価機を用いて、回転体
１５の回転数を設定値まで到達させた後、１０分間保持
させ、その時点での駆動トルクをトルク計１７により測
定した。

【００４０】図４は、表２の各試料で構成された複合軸
受け体について駆動トルクを測定したときの実験結果を
示す図である。図４を参照して、図中の○，●等の印
は、表２の各試料に対応している。横軸は、各複合軸受
け体が支持される回転体の回転数（ｒ．ｐ．ｍ．）（あ
るいは、内輪の内周面における周速（ｍ／ｓｅｃ））で
ある。縦軸は、駆動トルク（ｇ・ｃｍ）である。この図
から明らかなように、回転数（周速）の増加率に対する
駆動トルクの増加率の比は、研削加工後の表面粗さＲ
_maxが小さいほど低下していることがわかる。また、加
熱処理を施すことによって、回転数の増加率に対する駆
動トルクの増加率の比は一層小さくなっていることがわ
かる。

【００４１】以上の結果から、表面粗さＲ_maxが０．３
μｍ以下の試料は、回転速度の増加に対する駆動トルク
の上昇を極めて小さく抑制することができることがわか
る。

【００４２】さらに、図２に示す複合軸受け体を回転多
面鏡（ポリゴンミラー）の回転部材として採用した場合
の摺動部材としての性能を測定したときの実験結果につ
いて以下に説明する。

【００４３】図５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５を参照
して、ベース３６には、支軸３５が固定されている。支
軸３５には、コイル部３４が取付けられている。このコ
イル部３４は、支軸３５に対して垂直方向に突き出して
いる。また、このコイル部３４は、互いに９０度をなす
４つの軸にコイルが巻かれた構成となっている。この支
軸３５のコイル部３４が取付けられた位置よりも上方に
は、複合軸受け体を構成するステータ２１が取付固定さ
れている。このステータ２１と所定のクリアランスを介
して、複合軸受け体を構成するロータ２２が設置されて
いる。この複合軸受け体を構成するステータ２１とロー
タ２２は、表２に示される加熱処理が施されたそれぞれ
の試料Ａ ₁，Ｂ₁，Ｃ₁から製造されている。ロータ２
２の外周面には、ポリゴンミラー３１とフレーム３２が
取付固定されている。フレーム３２の下端部の内周面側
には、コイル部３４と対向するように永久磁石３３が取
付けられている。また、ポリゴンミラー３１の外周部に
は、アルミニウム製の多面体反射枠３７が取付けられて
いる。なお、複合軸受け体のステータ２１の外径はφ２
０ｍｍ、長さ３０ｍｍである。また、ステータ２１とロ
ータ２２の間のクリアランスは２．５μｍである。さら
に、ロータ２２を含めた可動体側の重量は約２８５ｇに
調節した。

【００４４】ポリゴンミラー３１は、コイル部３４に電
流を流すことによって回転させることができる。

【００４５】上記のように、回転多面鏡の一実施例は構
成されている。図５に示す回転多面鏡に、表２の加熱処
理が施された試料Ａ₁，Ｂ₁，Ｃ₁を採用した場合の性
能評価結果を以下の表３に示す。また、表３の結果を図
６に示した。

【００４６】

【表３】

【００４７】図６は、表２に示される各試料を回転多面
鏡に適用した場合の性能評価の実験結果を示す図であ
る。図中の●等の印は表２の各試料に対応している。図
６を参照して、横軸はロータの回転数である。また、縦
軸は定常時電流である。この定常時電流は、多面鏡が定
常回転に到達したときの駆動モータの電流値であり、駆
動トルクに相当する。この図から明らかなように、表面
粗さＲ_maxが０．３μｍ以下になると、回転数の増加に
対する定常時電流、すなわち駆動トルクの増加が抑制さ
れることがわかる。

【００４８】以上の結果から、表面粗さＲ_maxが０．３
μｍ以下の複合軸受け体を採用すると、回転数の増加に
対するトルクの増加率が極めて減少することがわかっ
た。

【００４９】なお、本発明の摺動部材の実施例として、
回転多面鏡の滑り軸受け体を示したが、これに限定され
ることはない。たとえば、８００００〜１５００００
ｒ．ｐ．ｍ．の高速度で回転する過給機用タービン軸受
け、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け、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け、
ＣＮＣ超精密旋盤、円筒加工用超精密旋盤、超精密平面
研削盤などの工作機械に用いられている軸受けなどにも
本発明の摺動部材は適用され得る。

【００５０】

【発明の効果】本発明の摺動部材においては、摺動面の
表面の凹凸の最大高低差が０．３μｍ以下である。この
ように、表面の凹凸の最大高低差を０．３μｍに制御す
ることで、摺動面の表面荒れを小さくすることができ
る。このため、外乱などによる摺動部分の突発的な接触
などによっても摩耗粉が発生し難くなる。よって、摩耗
粉によって引き起こされる摺動数の増加に対する駆動ト
ルクの増加を抑制することが可能となる。従って、本発
明の摺動部材は摺動数の増加に対応可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】表１に示される各試料についてアムスラー式摩
耗試験を行なった実験結果を示す図である。

【図２】表２に示す各試料を軸受けに使用した場合の摺
動特性を試験するための複合軸受け体の構造を示す概略
図である。

【図３】図２に示される複合軸受け体を用いた性能評価
試験機の構成を示す概略図である。

【図４】表２に示される試料を用いて図３に示される性
能評価試験機で性能評価を行なった実験結果を示す図で
ある。

【図５】レーザプリンタに用いられる回転多面鏡の一実
施例を示す概略図である。

【図６】表２の試料を用いて図５の回転多面鏡により性
能評価を行なった実験結果を示す図である。

【符号の説明】

２１ロータ２２ステータ５０複合軸受け体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも摺動面がセラミックスからな
り、前記摺動面の表面の凹凸の最大高低差が０．３μｍ以下
であることを特徴とする、摺動部材。
【請求項２】前記セラミックスがＳｉ系セラミックス
であることを特徴とする、請求項１に記載の摺動部材。
【請求項３】前記セラミックスがＳｉ₃Ｎ₄相を含む
ことを特徴とする、請求項３に記載の摺動部材。
【請求項４】前記セラミックスが大気中で加熱処理を
施されていることを特徴とする、請求項１に記載の摺動
部材。
【請求項５】摺動面の表面の凹凸の最大高低差が０．
１μｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の
摺動部材。
【請求項６】前記加熱処理が８００℃以上の温度で施
されていることを特徴とする、請求項４に記載の摺動部
材。
【請求項７】当該摺動部材が滑り軸受け体として使用
されることを特徴とする、請求項１に記載の摺動部材。
【請求項８】当該摺動部材が回転多面鏡の滑り軸受け
体として使用されることを特徴とする、請求項１に記載
の摺動部材。