JPH10103343A

JPH10103343A - 動圧軸受装置

Info

Publication number: JPH10103343A
Application number: JP27418796A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Yokota; 正明横田; Norihisa Saito; 憲久斎藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-09-25
Filing date: 1996-09-25
Publication date: 1998-04-21

Abstract

(57)【要約】【課題】動圧軸受のスリーブや回転軸等の加工コスト
を低減する。【解決手段】回転多面鏡Ｒ₁ と一体である回転軸２は
スリーブ１に嵌合され、両者の間の空気の動圧によって
非接触に支持される。スリーブ１はステンレス製であ
り、内面にヘリングボーン溝１１を有し、両端部の幅２
ｍｍの環状部位には膜厚０．５μｍの耐摩耗性皮膜１２
が蒸着されている。回転軸２にも同様の耐摩耗性皮膜２
２を蒸着し、みそすり運動等によって摩耗しやすい部分
のみを局部的に保護する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザビームプリ
ンタやレーザファクシミリ等の画像形成装置に用いられ
る光偏向装置の回転多面鏡の軸受部等に用いられる動圧
軸受装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】動圧軸受装置は、一般的に、振れが小さ
くて騒音も少ない等の利点を有し、小型で回転むらが少
ないことを要求されるレーザビームプリンタやレーザフ
ァクシミリの回転多面鏡の軸受部等に広く用いられる。

【０００３】図９は、レーザビームプリンタ等の画像形
成装置に用いられる光偏向装置の主要部を示す。これ
は、側面に反射面を有する回転多面鏡Ｒ₀ と、これを回
転自在に支持する動圧軸受装置Ｅ₀ と、回転多面鏡Ｒ₀
を回転させるモータＭ₀ を有する。

【０００４】レーザビームプリンタ等の画像形成装置の
高速化や画質向上のためには、回転多面鏡Ｒ₀ の回転む
らが小さいことと振動や騒音等が少ないことが不可欠で
ある。そこで、回転多面鏡Ｒ₀ の軸受部には、内面にヘ
リングボーン溝１１１（図９の（ｂ）参照）を有するス
リーブ１０１と、これに嵌挿された回転軸１０２と、そ
の下端に対向するスラスト部材１０３等からなる動圧軸
受装置Ｅ₀ が用いられる。

【０００５】スリーブ１０１のヘリングボーン溝１１１
は、回転軸１０２の回転とともにスリーブ１０１と回転
軸１０２の間の空気をヘリングボーン溝１１１の両端部
から中央部分に向かって吸引するように構成されてお
り、回転軸１０２は、このようにして吸引された空気の
動圧によってスリーブ１０１に非接触で支持される。

【０００６】回転軸１０２の下端１０２ａは球面状に加
工され、スラスト部材１０３は耐摩耗性の高い材料で作
られている。回転軸１０２は、その回転中、モータＭ₀
のロータ１０６とステータ１０７の間に作用する磁力に
よって、スラスト部材１０３から浮上した状態で回転す
る。

【０００７】モータＭ₀ のロータ１０６は、回転軸１０
２と一体であるフランジ１０４から懸下されたヨーク１
０６ａと、その内側に固着されたロータマグネット１０
６ｂを有し、ステータ１０７は、固定板１０５に立設さ
れた外筒１０５ａに支持されたコイルからなる。固定板
１０５はスラスト部材１０３と外筒１０５ａを支持し、
スリーブ１０１は外筒１０５ａに嵌挿されている。

【０００８】スリーブ１０１と回転軸１０２の材質は、
一般的に耐摩耗性にすぐれた窒化珪素や炭化珪素等のセ
ラミック材料である。これは、モータＭ₀ の起動時にお
いて、スリーブ１０１と回転軸１０２の間に充分な動圧
が得られる回転数に到達する前のいわゆるみそすり運動
等によって両者の対向面が接触することも多く、これら
の摩耗を防ぐためである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の技術によれば、セラミック材料は極めて加工性が悪い
材料であり、従って、ヘリングボーン溝等の加工コスト
が高く、スリーブ等の部品コストが高くなる。加工性に
すぐれたアルミニウム、真鍮、ＳＫ材等の金属製の回転
軸やスリーブを製作し、これらにヘリングボーン溝等を
溝加工したうえで、両者の対向面全体に、ＴｉＮ、Ｔｉ
Ｃ、Ｎｉ等の耐摩耗性硬質膜や炭素系の潤滑性硬質膜を
蒸着することで、スリーブ等の加工コストを低減する方
法もあるが、回転軸に対向するスリーブの内面全体に硬
質膜を成膜すると、スリーブの中央にまわり込む成膜粒
子が少ないために、スリーブの両端部に被着される硬質
膜がスリーブの中央に比べて厚くなる。このようにスリ
ーブの内径寸法がその長さ方向に不均一になれば、その
ままでは軸受性能が著しく損われるため、スリーブの内
面を再加工して寸法出しを行なう必要が生じて、返って
加工コストが上昇する結果となる。

【００１０】加えて、近年では、光偏向装置等の小形化
が進み、これに伴って動圧軸受装置のスリーブの内径も
小さくなる。スリーブの内径が小さくなると、スリーブ
内面に成膜される硬質膜の膜厚の不均一は増大し、か
つ、寸法出しのための仕上げ加工がより一層困難にな
る。

【００１１】本発明は上記従来の技術の有する未解決の
課題に鑑みてなされたものであり、すぐれた軸受性能を
有し、しかもヘリングボーン溝等の加工コストが低くて
すむ動圧軸受装置を提供することを目的とするものであ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の動圧軸受装置は、相対的に回転自在に嵌
合された軸部材とスリーブ部材を有し、両者のうちの少
なくとも一方がこれらの対向面に動圧発生溝を有する動
圧軸受装置であって、前記軸部材および前記スリーブ部
材のうちの少なくとも一方が、前記対向面の両端部を局
部的に覆う蒸着膜を備えていることを特徴とする。

【００１３】蒸着膜の膜厚が０．５μｍ以下であるとよ
い。

【００１４】蒸着膜が、ＴｉＮ膜、ＴｉＣ膜、Ｓｉ₃ Ｎ
₄ 膜、ＢＮ膜または炭素系の潤滑性硬質膜であるとよ
い。

【００１５】

【作用】軸部材およびスリーブ部材の材料にステンレス
等の金属を用いて少なくとも一方に動圧発生溝を溝加工
する。スリーブ部材等が金属製であるから加工コストは
低くてすむが、スリーブ部材と軸部材の対向面が接触し
て摩耗しやすい。両者の接触はモータの立ち上げ時のみ
そすり運動等によって発生するもので、対向面の両端部
に集中する。そこで、軸部材とスリーブ部材の対向面の
両端部に耐摩耗性にすぐれた蒸着膜を被着させて、前記
対向面の摩耗を回避する。製造コストが低いうえに、動
圧軸受として充分な軸受性能を備えた動圧軸受装置を実
現できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
いて説明する。

【００１７】図１は一実施例による動圧軸受装置Ｅ₁ を
用いた光偏向装置の主要部を示すもので、これは、側面
に反射面を有する回転多面鏡Ｒ₁ と、これを回転させる
モータＭ₁ を有する。

【００１８】レーザビームプリンタ等の高速化や画質向
上のためには、回転多面鏡Ｒ₁ の回転むらが小さいこと
と振動や騒音等が少ないことが不可欠である。そこで、
回転多面鏡Ｒ₁ の軸受部には、内面に動圧発生溝である
ヘリングボーン溝１１（図１の（ｂ）参照）を有するス
リーブ部材であるスリーブ１と、これに嵌挿された軸部
材である回転軸２と、その下端に対向するスラスト部材
３を有する動圧軸受装置Ｅ₁ が用いられる。

【００１９】スリーブ１のヘリングボーン溝１１は、回
転軸２の回転とともにスリーブ１と回転軸２の間の気体
をヘリングボーン溝１１の両端部から中央部分に向かっ
て吸引するように構成されており、回転軸２は、このよ
うにして吸引された空気の動圧によってスリーブ１に非
接触で支持される。

【００２０】回転軸２の下端２ａは球面状に加工され、
スラスト部材３は耐摩耗性の高い材料で作られている。
回転軸２は、その回転中、モータＭ₁ のロータ６とステ
ータ７の間に作用する磁力によって、スラスト部材３か
ら浮上した状態で回転する。

【００２１】モータＭ₁ のロータ６は、回転軸２と一体
であるフランジ４から懸下されたヨーク６ａと、その内
側に固着されたロータマグネット６ｂを有し、ステータ
７は、スラスト部材３と一体である固定板５に立設され
た外筒５ａの外側に支持されたコイルからなる。

【００２２】スリーブ１は、加工性にすぐれたステンレ
ス製であり、その内面を切削加工することによってヘリ
ングボーン溝１１を形成し、さらに、スリーブ１の図示
上下両端部の、後述するようなみそすり運動によって回
転軸２と接触するおそれのある環状部位に、膜厚０．５
μｍ以下の蒸着膜である耐摩耗性皮膜１２を被着させた
ものである。耐摩耗性皮膜１２は、ＴｉＮ膜、ＴｉＣ
膜、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 膜、ＢＮ膜等の耐摩耗性硬質膜あるい
は、ダイヤモンド状炭素膜、水素化アモルファス炭素
膜、硬質炭素膜の３つの炭素系の潤滑性硬質膜のうちの
いずれかを、プラズマＣＶＤ、イオン蒸着法、スパッタ
法等の公知の成膜方法で成膜したものである。上下２つ
の耐摩耗性皮膜１２は同じ材料の皮膜でも良いし、異な
る材料を選んでもかまわない。

【００２３】また、回転軸２の外表面にも、スリーブ１
の耐摩耗性皮膜１２に対向する環状部位に同様に膜厚
０．５μｍ以下の耐摩耗性皮膜２２が被着される。成膜
方法はスリーブ１の耐摩耗性皮膜１２と同様である。

【００２４】モータＭ₁ の立ち上がり時においては、充
分な動圧を得られる回転数に到達する前に、図２に示す
ように、スリーブ１に対して回転軸２が傾いて回転する
みそすり運動が発生する。その結果、スリーブ１の両端
が回転軸２の外表面と局部的に接触し、両者の接触部１
３，２３が摩耗する。また、モータＭ₁ の停止時にも同
様のみそすり運動が発生する。

【００２５】スリーブ１と回転軸２の対向面の摩耗は、
その大部分がこのようなみそすり運動に起因するもの
で、スリーブ１や回転軸２の上下両端に集中して発生す
るため、スリーブ１の内面の上下両端に近接した環状部
位とこれに対向する回転軸２の環状部位のみを耐摩耗性
皮膜１２，２２によって局部的に耐摩耗性を強化すれば
充分である。

【００２６】スリーブ１と回転軸２の耐摩耗性皮膜１
２，２２は膜厚が０．５μｍ以下であり、しかも両者の
対向面の極く一部分を覆っているにすぎないため、スリ
ーブ１と回転軸２の対向面全体に耐摩耗性皮膜を成膜す
る場合に比べて、成膜工程に費す時間が短い。また、耐
摩耗性皮膜１２，２２を成膜後にスリーブ１の内面や回
転軸２の外表面を仕上げ加工する必要はない。加えて、
スリーブ１や回転軸２の材質が加工性にすぐれたステン
レスであるからヘリングボーン溝等の加工コストも低
く、動圧軸受装置の部品コストを大幅に削減して、装置
の低価格化に大きく貢献できる。

【００２７】本実施例においては、スリーブと回転軸が
ともにステンレス製であるが、アルミニウムや真鍮等、
加工性にすぐれた他の金属材料を用いてもよい。

【００２８】このような動圧軸受装置を用いることで、
光偏向装置等の高性能化と低価格化を大きく促進でき
る。

【００２９】次に具体例を説明する。

【００３０】（第１具体例）内径１０ｍｍ、長さ３０ｍ
ｍのステンレス製のスリーブの内面にヘリングボーン溝
を加工し、図３に示すＥＣＲ、プラズマＣＶＤ装置Ａ₁
を用いて膜厚０．５μｍ、幅２ｍｍのダイヤモンド状炭
素膜（耐摩耗性皮膜）をスリーブの両端部に成膜した。

【００３１】ＥＣＲ、プラズマＣＶＤ装置Ａ₁ は、真空
槽５０内にワークホルダ５１を配設し、マイクロ波導入
管５２から窓５２ａを経てマイクロ波を導入するととも
に、流量調節器５３ａを有するガス供給ライン５３から
反応ガスを供給し、真空槽５０の外側に配設された電磁
石５４によって磁界強度を調節し、ワークホルダ５１に
接続されたＤＣ電源によって負のバイアス電圧を印加す
るように構成されている。

【００３２】所定のマスキングを施したスリーブをワー
クホルダ５１に保持させ、その中心がカーボン粒子の飛
来方向と垂直になるようにセットする。真空槽５０を１
×１０^-6Ｔｏｒｒ以下に排気し、ガス供給ライン５３か
らＣＨ₄ ガスを３０ＳＣＣＭ導入し、真空槽５０のガス
圧を１×１０^-3Ｔｏｒｒに調節する。続いて、ワークホ
ルダ５１のスリーブ位置で磁界強度が６００Ｇａｕｓｓ
になるように電磁石５４を調節して、マイクロ波導入管
５２から３００Ｗのマイクロ波を導入し、さらにワーク
ホルダ５１を介してスリーブに５００Ｖの負のバイアス
電圧を印加する。

【００３３】図５に示すように、スリーブの両端に、そ
の内面の幅２ｍｍの環状部位を覆う膜厚０．５μｍのダ
イヤモンド状炭素膜が形成された時点で成膜を終了す
る。

【００３４】次に、図４に示すように、ワークホルダ５
１に回転用ジグ５５を取り付けて、これに回転軸を保持
させ、回転軸を回転させながら上記と同様の成膜工程に
よって、回転軸の２つの環状部位にダイヤモンド状炭素
膜を成膜する。

【００３５】なお、回転軸の表面に成膜する際には、ス
リーブの内面に成膜する場合のように成膜粒子のまわり
込みによる膜厚不均一を生じるおそれがないから、回転
軸の表面全体にダイヤモンド状炭素膜等の耐摩耗性皮膜
を成膜しても仕上げ加工は不必要である。このようにし
て製作されたスリーブと回転軸からなる動圧軸受装置を
サンプルＳ₁ とする。

【００３６】比較のために、上記と同様の成膜方法で、
図６に示すようにスリーブの内面全体にダイヤモンド状
炭素膜を成膜し、スリーブの中央のダイヤモンド状炭素
膜の膜厚が０．５μｍに達したところで成膜を終了し、
スリーブ内面の仕上げ加工を行なってスリーブ全体のダ
イヤモンド状炭素膜の膜厚が０．５μｍになるように寸
法出しをしたスリーブを製作し、これを用いた動圧軸受
装置をサンプルＳ₂ とする。スリーブの中央のダイヤモ
ンド状炭素膜の膜厚が０．５μｍになるまで成膜を続け
ると、スリーブの両端のダイヤモンド状炭素膜の膜厚は
５μｍに達するため、切削等による寸法出しが必要にな
る。従って、サンプルＳ₂ はサンプルＳ₁ に比べて製造
コストが高い。

【００３７】さらに、スリーブと回転軸の対向面全体に
膜厚１μｍのＴｉＮ膜を成膜したものをサンプルＳ₃ 、
スリーブと回転軸に耐摩耗性皮膜を設けることなく、ス
テンレスの表面のままで組み立てた動圧軸受装置をサン
プルＳ₄ として用意した。

【００３８】サンプルＳ₁ 〜Ｓ₄ を図１に示す光偏向装
置に組み込んで耐久テストを行なった結果を表１に示
す。

【００３９】

【表１】耐久テストは、モータの回転数を一定時間内に１０，０
００ｒｐｍまで立ち上げたのち、所定の時間だけその回
転数に維持し、次いで停止させるいわゆるスタート・ス
トップテストを１，０００回繰り返したうえで、スリー
ブと回転軸の摩耗と消費電力を調べたものである。消費
電力は、起動（立ち上げ）時の回転軸とスリーブの滑り
状態を良否を判別するもので、消費電力が少なければ良
好な滑り状態である。

【００４０】表１から、サンプルＳ₁ 〜Ｓ₃ については
耐久テスト後の表面状態はすべて良好であり、サンプル
Ｓ₃ の消費電力のみがわずかに増えている。これは、ダ
イヤモンド状炭素膜の方がＴｉＮ膜より潤滑性が良いた
めであると推察される。別途にこれらの摩擦係数を測定
したところ、ダイヤモンド状炭素膜は０．０５〜０．０
８、ＴｉＮ膜は０．２〜０．３であることが判明した。
ステンレスの表面のままで耐摩耗性皮膜を設けないスリ
ーブと回転軸を用いたサンプルＳ₄ は、スリーブと回転
軸の双方の表面が摩耗しており、消費電力が多くて潤滑
性も悪いことが判明した。サンプルＳ₂ とサンプルＳ₃
はスリーブの内面全体に耐摩耗性皮膜を成膜したもので
あるから、耐久テストの結果はサンプルＳ₁ とほとんど
同じであっても、製造コストが高いという欠点がある。

【００４１】（第２具体例）図７に示すイオン蒸着装置
Ａ₂ を用いて第１具体例と同様のスリーブに水素化アモ
ルファス炭素膜を成膜した。成膜工程は以下の通りであ
る。真空槽６０内のワークホルダ６１に所定のマスキン
グを施したスリーブを保持させ、真空槽６０を１×１０
^-6Ｔｏｒｒ以下に排気したのち、ガス供給ライン６３か
ら４０ＳＣＣＭのＨ₂ ガスと２０ＳＣＣＭのＣＨ₄ ガス
を真空槽６０に導入し、イオン化装置６４によってイオ
ン化した。真空槽６０内のガス圧を５×１０^-4Ｔｏｒｒ
に調節し、イオン引き出しグリッド６５に６００Ｖの電
圧を印加してイオンビームを引き出して、ワークホルダ
６１のスリーブに照射した。

【００４２】第１具体例と同様に、スリーブの両端に成
膜された水素化アモルファス炭素膜の膜厚が０．５μｍ
に到達したところで成膜を終了し、これを用いた動圧軸
受装置と、スリーブの全面に水素化アモルファス炭素膜
が０．５μｍ以上成膜されるまで成膜を続けた動圧軸受
装置を製作し、第１具体例と同様の耐久テストを行った
結果は、表１に示すものと全く同じであった。

【００４３】（第３具体例）図８に示すスパッタ装置Ａ
₃ を用いて第１具体例と同様のスリーブに硬質炭素膜を
成膜した。成膜工程は以下の通りである。真空槽７０内
のワークホルダ７１に所定のマスキングを施したスリー
ブを保持させ、真空槽７０を１×１０^-6Ｔｏｒｒに排気
する。その後、ガス供給ライン７３からアルゴンガスを
導入して、真空槽７０内のガス圧を５×１０^-3Ｔｏｒｒ
に調節し、ＲＦ電源７４にＲＦ電力を投入して、ＲＦパ
ワー密度３Ｗ／ｃｍ² でグラファイトのターゲット７５
をスパッタした。

【００４４】第１具体例と同様に、スリーブの両端に成
膜された硬質炭素膜の膜厚が０．５μｍに到達したとこ
ろで成膜を終了したものを用いた動圧軸受装置と、スリ
ーブの全面に硬質炭素膜が０．５μｍ以上成膜されるま
で成膜を続けた動圧軸受装置を製作し、第１具体例と同
様の耐久テストを行った結果は、表１に示すものと全く
同じであった。

【００４５】

【発明の効果】本発明は上述のように構成されているの
で、以下に記載するような効果を奏する。

【００４６】高い軸受性能を有し、しかもヘリングボー
ン溝等の加工コストの低い動圧軸受装置を実現できる。
このような動圧軸受装置を光偏向装置の回転多面鏡の軸
受部に用いることで、レーザビームプリンタ等の画像形
成装置の高性能化と低価格化に大きく貢献できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例による動圧軸受装置による光偏向装置
の主要部を示すもので、（ａ）はその模式断面図、
（ｂ）は（ａ）のスリーブのみを示す断面図、（ｃ）は
回転軸の一部分を示す部分立面図である。

【図２】回転軸のみそすり運動を説明する図である。

【図３】スリーブに耐摩耗性皮膜を成膜するＥＣＲ、プ
ラズマＣＶＤ装置を示す図である。

【図４】図３の装置によって回転軸の耐摩耗性皮膜を成
膜する工程を示す図である。

【図５】耐摩耗性皮膜をスリーブの両端部に成膜したも
のを示す断面図である。

【図６】耐摩耗性皮膜をスリーブの内面全体に成膜した
ものを示す断面図である。

【図７】耐摩耗性皮膜を成膜するイオン蒸着装置を示す
図である。

【図８】耐摩耗性皮膜を成膜するスパッタ装置を示す図
である。

【図９】一従来例による動圧軸受装置を用いた光偏向装
置の主要部を示すもので、（ａ）はその模式断面図、
（ｂ）はスリーブのみを示す断面図である。

【符号の説明】

１スリーブ２回転軸３スラスト部材１１ヘリングボーン溝１２，２２耐摩耗性皮膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】相対的に回転自在に嵌合された軸部材と
スリーブ部材を有し、両者のうちの少なくとも一方がこ
れらの対向面に動圧発生溝を有する動圧軸受装置であっ
て、前記軸部材および前記スリーブ部材のうちの少なく
とも一方が、前記対向面の両端部を局部的に覆う蒸着膜
を備えていることを特徴とする動圧軸受装置。
【請求項２】蒸着膜の膜厚が０．５μｍ以下であるこ
とを特徴とする請求項１記載の動圧軸受装置。
【請求項３】蒸着膜が、ＴｉＮ膜、ＴｉＣ膜、Ｓｉ₃
Ｎ₄ 膜、ＢＮ膜または炭素系の潤滑性硬質膜であること
を特徴とする請求項１または２記載の動圧軸受装置。
【請求項４】炭素系の潤滑性硬質膜が、ダイヤモンド
状炭素膜、水素化アモルファス炭素膜または硬質炭素膜
であることを特徴とする請求項３記載の動圧軸受装置。