WO2022186116A1 - 流体動圧軸受 - Google Patents

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WO2022186116A1
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sleeve
linear expansion
fluid dynamic
metal material
resin material
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Inventor
俊哉 内田
佑希 中田
Original Assignee
日本電産コパル電子株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C17/00—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement
    • F16C17/02—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement for radial load only
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C23/00—Bearings for exclusively rotary movement adjustable for aligning or positioning
    • F16C23/02—Sliding-contact bearings
    • F16C23/04—Sliding-contact bearings self-adjusting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/02—Parts of sliding-contact bearings
    • F16C33/04—Brasses; Bushes; Linings
    • F16C33/20—Sliding surface consisting mainly of plastics

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to fluid dynamic pressure bearings that are applied to bearings such as polygon scanners and motors.
  • a fluid dynamic pressure bearing includes a cylindrical sleeve and a cylindrical shaft, and generates dynamic pressure by a dynamic pressure generating portion provided on at least one of the sleeve and the shaft (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-215054. ).
  • a dynamic pressure bearing device in which the dynamic pressure generating portion is made of resin has been developed (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-220279).
  • a fluid dynamic bearing that uses air supports the shaft without contact with the sleeve by the air pressure generated between the shaft and the sleeve. Therefore, dimensional control of the gap between the shaft and the sleeve is important.
  • both the shaft and sleeve are made of metal material, it is necessary to apply a lubricating coating agent to their surfaces.
  • the film thickness of the lubricating coating agent must be 100 ⁇ m or less. Therefore, the manufacturing difficulty is high.
  • both the shaft and the sleeve are made of resin material, it is difficult to obtain sufficient strength if the linear expansion coefficient of the resin material is isotropic.
  • the necessary strength can be obtained, but the coefficient of linear expansion differs depending on the direction of the filler, and deformation due to thermal expansion becomes uneven, resulting in a gap dimension. management becomes difficult.
  • the shaft from a metal material and the sleeve from a resin material.
  • the deformation of the metal material and the resin material due to thermal expansion becomes uneven, making it difficult to control the size of the gap. .
  • This embodiment provides a fluid dynamic bearing capable of keeping the dimension of the gap between the shaft and sleeve constant against temperature.
  • the fluid dynamic bearing of this embodiment includes a cylindrical first sleeve made of a first metal material, a cylindrical second sleeve made of a resin material press-fitted inside the first sleeve, a shaft inserted into the second sleeve and formed of a second metallic material, wherein the coefficient of linear expansion of the first metallic material is greater than the coefficient of linear expansion of the second metallic material.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a polygon scanner to which a fluid dynamic pressure bearing according to this embodiment is applied;
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a main part extracted from FIG. 2 , comparing the dimensions of each part at normal temperature and the dimensions of each part at high temperature.
  • a polygon scanner 10 includes a polygon mirror 11 , a motor 12 for rotating the polygon mirror 11 , and a fluid dynamic pressure bearing 13 .
  • the fluid dynamic pressure bearing 13 is specifically an air dynamic pressure bearing using air.
  • the fluid dynamic bearing 13 includes a cylindrical first sleeve 14 and a second sleeve 15 and a cylindrical shaft 16 .
  • the first sleeve 14 is integrally formed with a sleeve assembly 17 , and the sleeve assembly 17 is fixed to the back surface of the printed circuit board 18 . That is, the printed circuit board 18 has an opening 18a, and the first sleeve 14 is arranged on the surface side of the printed circuit board 18 through the opening 17a.
  • the first sleeve 14 and the sleeve assembly 17 are made of a first metal material such as one of stainless steel (SUS), aluminum alloy and copper alloy.
  • An aluminum alloy is, for example, an alloy of aluminum with at least one material selected from copper, manganese, silicon, nickel, magnesium, zinc, iron, chromium, and titanium.
  • a copper alloy is, for example, brass.
  • a cylindrical second sleeve 15 made of a resin material is press-fitted into the inner surface of the metal first sleeve 14 .
  • the second sleeve 15 is formed by injection molding, for example.
  • the inner surface of the second sleeve 15, that is, the surface facing the shaft 16, is formed with a plurality of grooves 15a for generating dynamic pressure.
  • the shape of the plurality of grooves 15a is, for example, substantially helical, but is not limited to a helical shape, and may be a herringbone shape or the like.
  • the resin material forming the second sleeve 15 is, for example, epoxy (EP), phenol (PF), fluoropolymer (PTFE), epoxy polymer (LCP), polyimide (PI), polyetheretherketone (PEEK), polyetherimide ( PEI), polybenzimidazole (PBI), polyamideimide (PAI), polyarylate, polyphenylene sulfide (PPS), polyethersulfone (PES), polysulfone (PS), ultra-high molecular weight polyethylene, poly(vinylene terephthalate) (PBT) , modified polyphenylene ether, polyamide (PA), polyacetal (POM), and polycarbonate (PC).
  • EP epoxy
  • PF phenol
  • PF fluoropolymer
  • PTFE epoxy polymer
  • LCP epoxy polymer
  • PI polyetheretherketone
  • PEI polyetherimide
  • PEI polybenzimidazole
  • PAI polyamideimide
  • PPS polyarylate
  • the resin material for the second sleeve 15 is preferably polyetheretherketone (PEEK).
  • the resin material may also contain a reinforcing filler such as carbon fiber.
  • sleeve 30 the two-layered sleeve consisting of the first sleeve 14 made of metal and the second sleeve 15 made of resin.
  • the axial central portion of the shaft 16 is inserted into the sleeve 30 , specifically the second sleeve 15 .
  • a first axial end of shaft 16 is held in sleeve assembly 17 by magnetic bearing 19 .
  • the shaft 16 is made of a second metal material, such as one of stainless steel (SUS), aluminum alloy, and copper alloy.
  • SUS stainless steel
  • Aluminum alloys are alloys of aluminum with at least one material selected from, for example, copper, manganese, silicon, nickel, magnesium, zinc, iron, chromium, and titanium.
  • a copper alloy is, for example, brass.
  • the magnetic bearing 19 includes two concentrically arranged ring-shaped permanent magnets 19a and 19b.
  • An outer permanent magnet 19 a is fixed to the sleeve assembly 17 and an inner permanent magnet 19 b is fixed to the first end of the shaft 16 .
  • the magnetic bearing 19 is a thrust bearing and holds the axial position of the shaft 16 .
  • the motor 12 includes a rotor 20 , permanent magnets 21 , coils 22 as a stator, a case 23 and a back yoke 24 .
  • a rotor 20 is attached to the second end of the shaft 16 and a permanent magnet 21 is attached to the inner surface of the case 23 .
  • the case 23 is fixed outside the rotor 20 and the back yoke 24 is fixed inside the rotor 20 .
  • the coil 22 is arranged between the permanent magnet 21 and the back yoke 24 and fixed to the printed board 18 .
  • the polygon mirror 11 is attached to the rotor 20 and rotates together with the rotor 20 .
  • the polygon mirror 11 is fixed to the rotor 20 by a pressing member 25 press-fitted into the rotor 20, for example.
  • a disk 26 is fixed to the shaft 16 by a screw 27, and the pressing member 25 is retained by the disk 26. As shown in FIG.
  • the sleeve 30 has a two-layer structure in which the second sleeve 15 made of resin is press-fitted inside the first sleeve 14 made of metal.
  • the first sleeve 14 is made of a first metal material having higher rigidity than the second sleeve 15 .
  • the shaft 16 is made of a second metal material.
  • FIG. 3 shows the dimensions of the first sleeve 14, the second sleeve 15, and the shaft 16 at the normal temperature T0, and the changes in the dimensions due to thermal expansion of the first sleeve 14, the second sleeve 15, and the shaft 16 at the high temperature T1.
  • G0 is the dimension of the gap between the shaft 16 and the second sleeve 15 at the normal temperature T0
  • G1 is the dimension of the gap between the shaft 16 and the second sleeve 15 at the high temperature T1.
  • L16 represents the dimension caused by linear expansion of the shaft 16 due to temperature change
  • L15 represents the dimension caused by linear expansion and elastic deformation of the second sleeve 15 due to temperature change
  • L14 represents the dimension caused by temperature change. It shows dimensions caused by linear expansion and elastic deformation of the first sleeve 14 .
  • a metal first sleeve 14 having a linear expansion coefficient larger than that of a metal shaft 16 is used, and a resin-made sleeve 14 having a larger linear expansion coefficient than the first sleeve 14 is used.
  • Absorbs deformation of the second sleeve 15 is used.
  • the change in the gap between the shaft 16 and the second sleeve 15 can be kept substantially constant (G0 ⁇ G1). Therefore, if the anisotropy of the coefficient of linear expansion of the resin-made second sleeve 15 with temperature changes is 10 ⁇ 10 ⁇ 6 (/° C.) or less, preferably 3 ⁇ 10 ⁇ 6 (/° C.), It is possible to substantially suppress the influence of expansion.
  • the anisotropy of the coefficient of linear expansion means that the coefficient of linear expansion differs depending on the direction depending on the type of filler contained in the resin material and the flow orientation of the molten resin during molding.
  • the anisotropy of the coefficient of linear expansion of 3 ⁇ 10 ⁇ 6 (/° C.) specifically means that the coefficient of linear expansion of the resin material varies depending on the direction, for example, from 40 ⁇ 10 ⁇ 6 (/° C.) to 43 ⁇ 10 ⁇ 6 (/° C.). 6 (/°C).
  • the target value for the change in the inner diameter of the second sleeve 15 is 0.5 ⁇ m or less, as will be described later. This means that an error of about 0.2 ⁇ m occurs due to the anisotropy of the coefficient of linear expansion.
  • a dimensional change in the inner diameter of the second sleeve 15 due to thermal expansion is obtained as follows. (Deformation due to force from the first sleeve 14 side due to temperature change) When the temperature rises, the second sleeve 15 and the first sleeve 14 thermally expand.
  • the relationship between the coefficient of linear expansion (coefficient of linear expansion) of the second sleeve 15 made of a resin material and the first sleeve 14 made of a first metal material is expressed by the following equation. Second sleeve 15>first sleeve 14 Therefore, due to thermal expansion, the force with which the first sleeve 14 tightens the second sleeve 15 is increased. This force reduces the inner diameter of the second sleeve 15 .
  • the dimensions of the second sleeve 15 and the first sleeve 14 when thermally expanded when the second sleeve 15 is not press-fitted into the first sleeve 14 are given by the following equations.
  • ⁇ 2 Linear expansion coefficient (1/K) of the first sleeve 14 (first metal material)
  • ⁇ T temperature change
  • K r2: Radius of press-fit portion (outer diameter of second sleeve 15 shown in FIG. 2) (m)
  • the second sleeve 15 When the thermally expanded second sleeve 15 is press-fitted into the first sleeve 14 , the second sleeve 15 is compressed by the first sleeve 14 .
  • the dimensions of the compressed portion are shown as changes in the radius of the second sleeve 15 in the following description.
  • r1 radius of the inner surface of the second sleeve 15 (m)
  • r2 Radius of press-fit portion (outer diameter of second sleeve 15 shown in FIG. 2) (m)
  • r3 outer diameter of the first sleeve 14 (m)
  • E1 Young's modulus of the second sleeve 15
  • E2 Young's modulus of the first sleeve 14 ⁇ 1: Poisson's ratio of the second sleeve 15 ⁇ 2: Poisson's ratio of the first sleeve 14
  • the thickness of the resin material of the second sleeve 15 increases due to thermal expansion. This reduces the inner diameter of the second sleeve 15 .
  • the thickness of the second sleeve 15 is given by the following formula (4). - ⁇ 1 ⁇ T (r2-r1) (4)
  • the radial dimension of the resin material of the second sleeve 15 increases due to thermal expansion. This increases the inner diameter of the second sleeve 15 .
  • the radial dimension of the second sleeve 15 is given by the following formula (5). ⁇ 1 ⁇ T ⁇ r1 (5)
  • each part is selected so that the variation in the gap indicated by the left side of Equation (7) is within the allowable dimension indicated by the right side, for example, 0.5 ⁇ m.
  • the first metal material for the first sleeve 14 is selected from a material having a higher coefficient of linear expansion than the second metal material for the shaft 16 . More specifically, when using, for example, SUS303 (linear expansion coefficient: 16.4 ⁇ 10 ⁇ 6 /° C.) as the first sleeve 14 , for example, brass (linear expansion coefficient: 18.7 ⁇ 10 ⁇ 6 /° C.) is used as the shaft 16 . /°C) is used. PEEK (linear expansion coefficient: 4 ⁇ 10 ⁇ 5 /° C.) is used for the second sleeve 15 .
  • the cylindrical sleeve 30 has a two-layer structure of the first sleeve 14 and the second sleeve 15 press-fitted inside the first sleeve 14 , and the first sleeve 14 is made of a first metal material, the second sleeve 15 is made of a resin material, and a shaft 16 made of a second metal material is inserted into the second sleeve 15 . Furthermore, the coefficient of linear expansion of the first metal material forming the first sleeve 14 is greater than the coefficient of linear expansion of the second metal material forming the shaft 16 .
  • the increase in the dimension of the second sleeve 15 is replaced by the increase in the dimension of the first sleeve 14 .
  • the anisotropy of the coefficient of linear expansion of the resin-made second sleeve 15 with temperature changes is 10 ⁇ 10 ⁇ 6 (/° C.) or less, preferably 3 ⁇ 10 ⁇ 6 (/° C.)
  • the axial It is possible to suppress the change in the dimension of the gap between 16 and the second sleeve 15, and it is possible to improve the performance of the fluid dynamic bearing.
  • fluid dynamic pressure bearing 13 is applied to a polygon scanner, it is not limited to this and can be applied to other devices.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the gist of the present invention at the implementation stage.
  • various inventions can be formed by appropriate combinations of the plurality of constituent elements disclosed in the above embodiments. For example, some components may be omitted from all components shown in the embodiments. Furthermore, components across different embodiments may be combined as appropriate.

Abstract

軸とスリーブとの間の隙間を温度に対して一定に保持することが可能な流体動圧軸受が提供される。円筒状の第１スリーブ１４は、第１金属材料により形成されている。円筒状の第２スリーブ１５は、第１スリーブの内側に圧入された樹脂材により形成されている。軸１６は、第２スリーブ内に挿入され、第２金属材料により形成されている。第１金属材料の線膨張係数は、第２金属材料の線膨張係数より大きい。

Description

流体動圧軸受
　本発明の実施形態は、例えばポリゴンスキャナやモータなどの軸受けに適用される流体動圧軸受に関する。
　流体動圧軸受は、円筒状のスリーブと円柱状の軸とを具備し、スリーブと軸の少なくとも一方に設けられた動圧発生部により動圧を発生する（例えば特開２０１５－２１５０５４号公報参照）。
　動圧発生部の耐久性を向上させるため、動圧発生部を樹脂で形成した動圧軸受装置が開発されている（例えば特開２００６－２２０２７９号公報参照）。
　空気を用いた流体動圧軸受は、軸とスリーブの間に生じる空気の圧力で軸をスリーブに対して非接触で支持する。このため、軸とスリーブとの間の隙間の寸法管理が重要である。
　軸とスリーブの熱膨張及び熱収縮による隙間の寸法の変動を抑えるため、軸の線膨張係数とスリーブの線膨張係数がほぼ等しい必要がある。このため、軸とスリーブの両方を金属材料により形成したり、軸とスリーブの両方を樹脂材により形成したりすることが考えられる。しかし、この場合においてもそれぞれ以下のような問題がある。
　軸とスリーブの両方を金属材料により形成した場合、これらの表面に潤滑コーティング剤を塗布する必要がある。しかし、潤滑コーティング剤の熱膨張や熱収縮の影響を抑えるため、潤滑コーティング剤の膜厚を１００μｍ以下とする必要がある。したがって、製造の難易度が高い。
　一方、軸とスリーブの両方を樹脂材により形成した場合、樹脂材の線膨張係数が等方性の材料である場合、十分な強度を得ることが難しい。また、樹脂材にフィラーなどを混合した異方性材料である場合、必要な強度は得ることができるが、フィラーの方向により線膨張係数が異なり、熱膨張による変形が不均一となり、隙間の寸法を管理することが困難となる。
　そこで、軸を金属材料、スリーブを樹脂材で構成することも考えられるが、この場合も熱膨張による金属材料と樹脂材の変形が不均一となり、隙間の寸法を管理することが困難であった。
　本実施形態は、軸とスリーブとの間の隙間の寸法を温度に対して一定に保持することが可能な流体動圧軸受を提供する。
　本実施形態の流体動圧軸受は、第１金属材料により形成された円筒状の第１スリーブと、前記第１スリーブの内側に圧入された樹脂材により形成された円筒状の第２スリーブと、前記第２スリーブ内に挿入され、第２金属材料により形成された軸と、を具備し、前記第１金属材料の線膨張係数は、前記第２金属材料の線膨張係数より大きい。
本実施形態に係る流体動圧軸受が適用されるポリゴンスキャナを示す斜視図。 図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図。 図２の要部を取出して示すものであり、常温時における各部の寸法と高温における各部の寸法を比較して示す断面図。
　以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。図面において、同一部分には、同一符号を付している。
　図１、図２は、本実施形態に係る流体動圧軸受が適用されるポリゴンスキャナ１０を示している。ポリゴンスキャナ１０は、ポリゴンミラー１１と、ポリゴンミラー１１を回転させるモータ１２と、流体動圧軸受１３とを具備している。流体動圧軸受１３は、具体的には、空気を用いた空気動圧軸受である。流体動圧軸受１３は、円筒状の第１スリーブ１４及び第２スリーブ１５と、円柱状の軸１６を含んでいる。
　第１スリーブ１４は、スリーブ組立体１７と共に一体的に形成されており、スリーブ組立体１７は、印刷基板１８の裏面に固定される。すなわち、印刷基板１８は、開口部１８ａを有し、第１スリーブ１４は、開口部１７ａを通り印刷基板１８の表面側に配置される。
　第１スリーブ１４及びスリーブ組立体１７は、第１金属材料、例えばステンレススチール（ＳＵＳ）、アルミニウム合金、銅合金の内の１つにより形成される。アルミニウム合金は、例えば、銅、マンガン、ケイ素、ニッケル、マグネシウム、亜鉛、鉄、クロム、及びチタンから選択された少なくとも１つの材料とアルミニウムとの合金である。銅合金は、例えば黄銅である。
　金属製の第１スリーブ１４の内面には、樹脂材からなる円筒状の第２スリーブ１５が圧入されている。第２スリーブ１５は、例えば射出成型により形成される。第２スリーブ１５の内面、すなわち、軸１６と対向する面には、動圧を発生するための複数の溝１５ａが形成されている。複数の溝１５ａの形状は、例えばほぼ螺旋状であるが、螺旋状に限定されるものではなく、へリングボーン形状などであってもよい。
　第２スリーブ１５を形成する樹脂材は、例えばエポキシ（ＥＰ）、フェノール（ＰＦ）、フッソジュシ（ＰＴＦＥ）、エキショウポリマー（ＬＣＰ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリアリレート、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリサルフォン（ＰＳ）、超高分子ポリエチレン、ポリビチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、変性ポリフェニレンエーテル、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、及びポリカーボネート（ＰＣ）の内の１つである。
　第２スリーブ１５としての樹脂材は、好ましくは、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）である。また、樹脂材は、例えば炭素繊維などの強化充填材（フィラー）を含んでいてもよい。
　以下、金属製の第１スリーブ１４と樹脂製の第２スリーブ１５からなる２層構造のスリーブを単にスリーブ３０とも言う。
　軸１６は、軸方向の中央部がスリーブ３０、具体的には、第２スリーブ１５内に挿入される。軸１６の軸方向の第１端部は、磁気軸受１９によりスリーブ組立体１７に保持される。
　軸１６は、第２金属材料、例えばステンレススチール（ＳＵＳ）、アルミニウム合金、銅合金の内の１つにより形成される。アルミニウム合金は、例えば銅、マンガン、ケイ素、ニッケル、マグネシウム、亜鉛、鉄、クロム、及びチタンから選択された少なくとも１つの材料とアルミニウムとの合金である。銅合金は、例えば黄銅である。
　磁気軸受１９は、同心状に配置された２つのリング状の永久磁石１９ａ、１９ｂ含んでいる。外側の永久磁石１９ａは、スリーブ組立体１７に固定され、内側の永久磁石１９ｂは、軸１６の第１端部に固定されている。磁気軸受１９は、スラスト軸受けであり、軸１６の軸方向の位置を保持する。
　モータ１２は、ロータ２０と、永久磁石２１と、ステータとしてのコイル２２と、ケース２３、及びバックヨーク２４とを具備している。ロータ２０は、軸１６の第２端部に取り付けられ、永久磁石２１は、ケース２３の内面に取り付けられる。ケース２３は、ロータ２０の外側に固定され、バックヨーク２４は、ロータ２０の内側に固定される。コイル２２は、永久磁石２１とバックヨーク２４との間に配置され、印刷基板１８に固定される。
　ポリゴンミラー１１は、ロータ２０に装着され、ロータ２０と共に回転する。ポリゴンミラー１１は、ロータ２０に例えば圧入された押え部材２５によりロータ２０に固定される。円板２６は、ねじ２７により軸１６に固定され、押え部材２５は、円板２６により、抜け止めされる。
　（流体動圧軸受）
　流体動圧軸受１３について、さらに説明する。
　本実施形態の流体動圧軸受１３において、スリーブ３０は、金属製の第１スリーブ１４の内側に樹脂製の第２スリーブ１５が圧入された２層構造とされている。第１スリーブ１４は、第２スリーブ１５より剛性の高い第１金属材料により構成されている。軸１６は、第２金属材料により形成されている。
　図３は、常温時Ｔ０における第１スリーブ１４、第２スリーブ１５、及び軸１６の寸法と、高温時Ｔ１における第１スリーブ１４、第２スリーブ１５、及び軸１６の熱膨張による寸法の変化を模式的に示している。
　Ｇ０は、常温時Ｔ０における軸１６と第２スリーブ１５との間の隙間の寸法であり、Ｇ１は、高温時Ｔ１における軸１６と第２スリーブ１５との間の隙間の寸法である。
　Ｌ１６は、温度変化に伴う軸１６の線膨張により生じた寸法を示し、Ｌ１５は、温度変化に伴う第２スリーブ１５の線膨張と弾性変形により生じた寸法を示し、Ｌ１４は、温度変化に伴う第１スリーブ１４の線膨張と弾性変形により生じた寸法を示している。
　本実施形態は、金属製の軸１６の線膨張係数（線膨張率）より大きい線膨張係数を有する金属製の第１スリーブ１４により、第１スリーブ１４よりさらに大きな線膨張係数を有する樹脂製の第２スリーブ１５の変形を吸収する。これにより、軸１６と第２スリーブ１５との間の隙間の変化をほぼ一定（Ｇ０≒Ｇ１）に保持することができる。したがって、温度変化に伴う樹脂製の第２スリーブ１５の線膨張率の異方性が１０×１０－６（／℃）以下、好ましくは、３×１０－６（／℃）であれば、熱膨張の影響をほぼ抑えることが可能である。
　ここで、線膨張率の異方性とは、樹脂材に含まれるフィラーの種類や成型時における溶融樹脂の流動配向により線膨張率が方向により異なることである。線膨張率の異方性が３×１０－６（／℃）とは、具体的には、樹脂材の線膨張係数が方向によって、例えば４０×１０－６（／℃）から４３×１０－６（／℃）の間に収まっていることである。本実施形態において、第２スリーブ１５の内径の変化の目標値は、後述するように、０，５μｍ以下であるが、第２スリーブ１５の想定実寸法（例えば直径９ｍｍ、温度１００℃）での線膨張率の異方性により０，２μｍ程度の誤差が生じることを意味する。
　熱膨張による第２スリーブ１５の内径の寸法変化は、次のように求められる。
　（温度変化による第１スリーブ１４側からの力による変形）
　温度が上昇すると、第２スリーブ１５と第１スリーブ１４は、それぞれ熱膨張する。樹脂材からなる第２スリーブ１５と第１金属材料からなる第１スリーブ１４の線膨張係数（線膨張率）の関係は、次式で示される。
　　第２スリーブ１５＞第１スリーブ１４
このため、熱膨張により、第１スリーブ１４によって第２スリーブ１５を締め付ける力が強くなる。この力により、第２スリーブ１５の内径寸法が小さくなる。
　第２スリーブ１５が第１スリーブ１４に圧入されていない状態における第２スリーブ１５と第１スリーブ１４の熱膨張時の寸法は、次式で示される。
　　第２スリーブ１５（樹脂材）の外径寸法の変化量：２・α１・ΔＴ・ｒ２
　　第１スリーブ１４（第１金属材料）の外径寸法の変化量：２・α２・ΔＴ・ｒ２
　ここで、
　　α１：第２スリーブ１５（樹脂材）の線膨張係数（１／Ｋ）
　　α２：第１スリーブ１４（第１金属材料）の線膨張係数（１／Ｋ）
　　ΔＴ：温度変化（Ｋ）
　　ｒ２：圧入部の半径（図２に示す第２スリーブ１５の外径）（ｍ）
　熱膨張した第２スリーブ１５を第１スリーブ１４内に圧入する際、第１スリーブ１４により第２スリーブ１５が圧縮される。この圧縮された部分の寸法（圧入マージン）δは、次式（１）で示される。
　　δ＝２・（α１－α２）・ΔＴ・ｒ２　　　…（１）
　尚、圧縮された部分の寸法は、以下の説明において、第２スリーブ１５の半径の変化として示している。
　圧入により圧縮された部分の寸法が増加した時の第２スリーブ１５の外面（外周面）が受ける圧力の変化量Δｐは、次式（２）で示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ここで、
　　ｒ１：第２スリーブ１５の内面の半径（ｍ）
　　ｒ２：圧入部の半径（図２に示す第２スリーブ１５の外径）（ｍ）
　　ｒ３：第１スリーブ１４の外径（ｍ）
　　Ｅ１：第２スリーブ１５のヤング率
　　Ｅ２：第１スリーブ１４のヤング率
　　ν１：第２スリーブ１５のポアソン比
　　ν２：第１スリーブ１４のポアソン比
　第２スリーブ１５が外周面から受ける圧力が変動した時、第２スリーブ１５の内面の半径の変化量uは、次式（３）で示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　第２スリーブ１５の樹脂材の厚みは、熱膨張により増大する。これにより第２スリーブ１５の内径寸法が小さくなる。第２スリーブ１５の厚みは、次式（４）で示される。
　　－α１・ΔＴ・（ｒ２－ｒ１）　　…（４）
　第２スリーブ１５の樹脂材の径方向の寸法は、熱膨張により増大する。これにより第２スリーブ１５の内径寸法が大きくなる。第２スリーブ１５の径方向の寸法は、次式（５）で示される。
　　α１・ΔＴ・ｒ１　　…（５）
　軸１６の外形寸法は、熱膨張により増大する。軸１６の外形寸法が第２スリーブ１５の内径ｒ１とほぼ等しいと仮定すると、熱膨張により増大する軸１６の外形寸法は、次式（６）で示される。
　　－α３・ΔＴ・ｒ１　　…（６）
　ここで、
　　α３：軸１６（第２金属材料）の線膨張係数（１／Ｋ）
　軸１６と第２スリーブ１５との間の隙間の寸法の熱膨張による変動は、上式（１）～（６）より、次式（７）の左辺で示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　式（７）の左辺で示される隙間の変動が、右辺で示される許容寸法、例えば０．５μｍ以内となるように各部の寸法、及び材料が選定される。
　具体的には、第１スリーブ１４としての第１金属材料は、軸１６の第２金属材料より線膨張係数が大きい材料が選択される。より具体的には、第１スリーブ１４として例えばＳＵＳ３０３（線膨張係数：１６．４×１０－６／℃）を使用する場合、軸１６として例えば黄銅（線膨張係数：１８．７×１０－６／℃）が使用される。第２スリーブ１５は、ＰＥＥＫ（線膨張係数：４×１０－５／℃）が使用される。
　（実施形態の効果）　
　上記実施形態の流体動圧軸受１３によれば、円筒形のスリーブ３０を第１スリーブ１４と、第１スリーブ１４の内側に圧入される第２スリーブ１５との２層構造とし、第１スリーブ１４は、第１金属材料により構成し、第２スリーブ１５は、樹脂材により構成し、第２スリーブ１５内に第２金属材料により構成された軸１６が挿入されている。さらに、第１スリーブ１４を構成する第１金属材料の線膨張係数は、軸１６を構成する第２金属材料の線膨張係数より大きい。このため、温度上昇により、第１スリーブ１４より大きい線膨張係数を有する第２スリーブ１５としての樹脂材が膨張した場合、第２スリーブ１５の寸法の増加分を第１スリーブ１４の寸法の増加分により相殺することができる。したがって、温度変化に伴う樹脂製の第２スリーブ１５の線膨張率の異方性が１０×１０－６（／℃）以下、好ましくは、３×１０－６（／℃）であれば、軸１６と第２スリーブ１５との間の隙間の寸法の変化を抑えることが可能であり、流体動圧軸受の性能を向上させることが可能である。
　本実施形態に係る流体動圧軸受１３は、ポリゴンスキャナに適用した場合を示しているが、これに限定されるものではなく、他の装置に適用することも可能である。
　その他、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

Claims (8)

  1. 　第１金属材料により形成された円筒状の第１スリーブと、
    　前記第１スリーブの内側に圧入された樹脂材により形成された円筒状の第２スリーブと、
    　前記第２スリーブ内に挿入され、第２金属材料により形成された軸と、
    　を具備し、
    　前記第１金属材料の線膨張係数は、前記第２金属材料の線膨張係数より大きいことを特徴とする流体動圧軸受。
  2. 　前記樹脂材の線膨張係数は、前記第１金属材料の線膨張係数より大きいことを特徴とする請求項１記載の流体動圧軸受。
  3. 　前記軸と前記第２スリーブとの間の隙間の寸法の熱膨張による変動が次式で示されることを特徴とする請求項１記載の流体動圧軸受。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     　ここで、
    　Δｐ：第２スリーブの外面が受ける圧力の変化量
    　ｒ１：第２スリーブの内面の半径
    　ｒ２：第２スリーブの外面の半径
    　α１：樹脂材の線膨張係数
    　α２：第１金属材料の線膨張係数
    　α３：第２金属材料の線膨張係数
    　ΔＴ：温度変化
    　ν１：樹脂材のポアソン比
    　ν２：第１金属材料のポアソン比
    　Ｅ１：樹脂材のヤング率
  4. 　圧入により圧縮された部分の寸法が増加した時の前記第２スリーブの外面が受ける圧力の変化量Δｐは、次式で示されることを特徴とする請求項３記載の流体動圧軸受。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
     　ここで、
    　　ｒ１：第２スリーブ１５の内面の半径（ｍ）
    　　ｒ２：圧入部の半径（図２に示す第２スリーブ１５の外径）（ｍ）
    　　ｒ３：第１スリーブ１４の外径（ｍ）
    　　Ｅ１：第２スリーブ１５のヤング率
    　　Ｅ２：第１スリーブ１４のヤング率
    　　ν１：第２スリーブ１５のポアソン比
    　　ν２：第１スリーブ１４のポアソン比
  5. 　熱膨張した前記第２スリーブを前記第１スリーブ内に圧入する際、前記第１スリーブにより前記第２スリーブが圧縮された部分の寸法δが次式で示されることを特徴とする請求項４記載の流体動圧軸受。
    　　δ＝２・（α１－α２）・ΔＴ・ｒ２
  6. 　前記樹脂材は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）であることを特徴とする請求項２記載の流体動圧軸受。
  7. 　前記樹脂材は、エポキシ（ＥＰ）、フェノール（ＰＦ）、フッソジュシ（ＰＴＦＥ）、エキショウポリマー（ＬＣＰ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリアリレート、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリサルフォン（ＰＳ）、超高分子ポリエチレン、ポリビチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、変性ポリフェニレンエーテル、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）の内の１つであることを特徴とする請求項２記載の流体動圧軸受。
  8. 　前記樹脂材の線膨張率の異方性が、１０×１０－６（／℃）以下であることを特徴とする請求項２記載の流体動圧軸受。
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