動圧軸受装置およびその製造方法
【課題】動圧発生溝を有する軸受スリーブ又は軸部材を備えた動圧軸受装置およびその製造方法として、低コストかつ高精度化を図ること。
【解決手段】軸受面３ａ１、３２ａ１に動圧溝３ａ１１、３２ａ１１を形成した軸受スリーブ３又は軸部材３２を備えた動圧軸受装置１、３１において、前記軸受スリーブ３又は軸部材３２が、軸受面３ａ１、３２ａ１に動圧溝３ａ１１、３２ａ１１のない形状のＣＩＭによるセラミックス焼結体３ｂ、３２ｂを用いたものであって、この軸受面３ａ１、３２ａ１に超短パルスレーザー加工により形成された動圧溝３ａ１１、３２ａ１１を備えている。
【解決手段】軸受面３ａ１、３２ａ１に動圧溝３ａ１１、３２ａ１１を形成した軸受スリーブ３又は軸部材３２を備えた動圧軸受装置１、３１において、前記軸受スリーブ３又は軸部材３２が、軸受面３ａ１、３２ａ１に動圧溝３ａ１１、３２ａ１１のない形状のＣＩＭによるセラミックス焼結体３ｂ、３２ｂを用いたものであって、この軸受面３ａ１、３２ａ１に超短パルスレーザー加工により形成された動圧溝３ａ１１、３２ａ１１を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーザービームプリンタのポリゴンミラーモータ用空気軸受等、気体を流体として用いた動圧軸受装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気などの気体を流体として用いた動圧軸受装置においては、耐摩耗性に優れるセラミックスが軸受材料として用いられる。このセラミックスを材料とした軸受スリーブの製造方法として、粉末成形にて軸受スリーブを形成する方法が知られている（特許文献１）。
【０００３】
しかしながら、一般に粉末成形では、焼結後の寸法精度が悪くなるため、精度を確保するためには研削での取り代を多くして仕上げる必要がある。通常、動圧溝の深さは数μｍ程度であるので、焼結後の研削取り代が大きくなれば、研削によって動圧溝が消失する。
【０００４】
一方で、研削の取り代を考慮して、予め動圧溝を深くつけた形状で成形する場合、溝深さが成形品のスプリングバック量を上回ってしまい、金型から成形品が抜けなくなったり、無理抜きして動圧溝を損傷してしまう可能性がある。
【０００５】
また、軸受スリーブの製造方法として、セラミックス粉体を用いたセラミックス射出成形法、すなわち、ＣＩＭ（セラミックス・インジェクション・モールディング）成形法が知られている（特許文献２）。この製造方法では、動圧溝を転写形成するための凸状部を外周に有する円筒状の樹脂製中子を、軸受スリーブ形状のキャビティを有する金型内部に入れ、セラミックス粉体とバインダーを混練して作った成形材料を射出成形するものである。この成形体を焼結炉の中にいれて加熱し、バインダー成分を熱分解させると共に樹脂製中子を熱分解させて消滅させるものである。
【０００６】
しかしながら、上記の製造方法では、軸受スリーブ１個ごとに樹脂製中子を熱分解させて消滅させる必要があり、生産性の面やコスト面で問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−３８０７６号公報
【特許文献２】特開２００８−２４１０３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述したように、従来技術は、いずれもセラミックス材料を用いた軸受スリーブの成形段階で、動圧溝を形成するものであるので、特許文献１では、焼結後の研削取り代が大きくなれば、研削によって動圧溝が消失することや金型から成形品が抜けなくなったり、無理抜きして動圧溝を損傷してしまう可能性があるという問題があり、一方、特許文献２では、軸受スリーブ１個ごとに樹脂製中子を熱分解させて消滅させる必要があり、生産性の面やコスト面で問題がある。
【０００９】
この発明の目的は、動圧溝を有する軸受スリーブ又は軸部材を備えた動圧軸受装置およびその製造方法として、低コストかつ高精度化を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願の発明者らは、従来技術の前述した問題に着目し、種々検討した。その結果、ＣＩＭ成形段階における軸受スリーブ又は軸部材の成形品の形状が、動圧軸受装置の低コスト化と高精度化のために大きな要因となることを見出した。
【００１１】
そして、軸受スリーブ又は軸部材として、軸受面に動圧溝のないシンプルな形状で高精度なＣＩＭ成形品を用いることと、この軸受面に超短パルスレーザー加工による高精度な動圧溝を形成することという、相乗的なメリットを生み出す二つの手段を着想した。
【００１２】
この発明に係る動圧軸受装置は、軸受面に動圧溝を形成した軸受スリーブ又は軸部材を備えた動圧軸受装置において、前記軸受スリーブ又は軸部材が、軸受面に動圧溝のない形状のセラミックス射出成形品を用いたものであって、この軸受面に超短パルスレーザー加工により形成された動圧溝を備えていることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１に記載の動圧軸受装置において、前記軸受スリーブ又は軸部材の軸受面が研削加工により仕上げられていることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の動圧軸受装置において、前記軸受スリーブ又は軸部材のセラミックス材料がジルコニアであることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の動圧軸受装置において、前記動圧溝が超短パルスレーザーによる連続打点で加工されていることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の動圧軸受装置において、前記超短パルスレーザーのパルス幅が１〜１００ｎｓであることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の動圧軸受装置において、前記軸受スリーブの軸受面が内周面および端面の少なくとも一つであることを特徴とするものである。
【００１８】
請求項７の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の動圧軸受装置において、前記軸部材の軸受面が外周面および端面の少なくとも一つであることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項８の発明は、請求項６又は請求項７に記載の動圧軸受装置において、前記軸受スリーブの内周面あるいは軸部材の外周面に形成された動圧溝がヘリングボーン形状であることを特徴とするものである。
【００２０】
請求項９の発明は、請求項６又は請求項７に記載の動圧軸受装置において、前記軸受スリーブあるいは軸部材の端面に形成された動圧溝がスパイラル形状であることを特徴とするものである。
【００２１】
請求項１０の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の動圧軸受装置において、前記軸受スリーブが底部を有し、該軸受スリーブの軸受面が内周面および底部上面の少なくとも一つであることを特徴とするものである。
【００２２】
請求項１１の発明は、請求項１０に記載の動圧軸受装置において、前記軸受スリーブの内周面に形成された動圧溝がヘリングボーン形状であり、前記底部上面に形成された動圧溝がスパイラル形状であることを特徴とするものである。
【００２３】
請求項１２の発明は、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の動圧軸受装置において、
前記動圧軸受装置が空気の動圧作用により軸受スリーブ又は軸部材を支持することを特徴とするものである。
【００２４】
請求項１３の発明に係る動圧軸受装置の製造方法は、軸受面に動圧溝を形成した軸受スリーブ又は軸部材を備えた動圧軸受装置の製造方法において、前記軸受スリーブ又は軸部材が、セラミックス射出成形により軸受面に動圧溝のない形状に成形し、脱脂・焼結する工程と、超短パルスレーザーにより前記軸受面に動圧溝を形成する工程とから製造されることを特徴とするものである。
【００２５】
請求項１４の発明は、請求項１３の動圧軸受装置の製造方法において、前記軸受スリーブ又は軸部材の製造工程として、更に軸受面を研削する工程を含むことを特徴とするものである。
【００２６】
請求項１５の発明は、請求項１３に記載の動圧軸受装置の製造方法において、前記動圧溝を超短パルスレーザーによる連続打点で加工することを特徴とするものである。
【００２７】
請求項１６の発明は、請求項１５に記載の動圧軸受装置の製造方法において、前記超短パルスレーザーとして、１ｎｓから１００ｎｓのパルス幅を有する超短パルスのＱ−スイッチＹＡＧレーザーの基本波、２倍波および３倍波のいずれか１つを用いると共に、前記連続打点による加工において、レーザー出力密度を１ＧＷ／ｃｍ2〜１００ＧＷ／ｃｍ2の範囲の値とし、レーザーのビームスポットの直径を動圧溝の幅より小さくしたことを特徴とするものである。
【００２８】
請求項１７の発明は、請求項１５又は請求項１６に記載の動圧軸受装置の製造方法において、前記連続打点による加工の際に、前記レーザーのビームスポットの光学系を、電気的制御および機械的制御の少なくとも１つの制御により揺動させたことを特徴とするものである。
【００２９】
請求項１８の発明は、請求項１３および請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の動圧軸受装置の製造方法において、前記レーザー加工の際に、加工対象のセラミックス焼結体を水中に配置するか、又はセラミックス焼結体に流水をかけることを特徴とするものである。
【００３０】
請求項１９の発明は、請求項１３および請求項１５〜１８のいずれか１項に記載の動圧軸受装置の製造方法において、前記レーザー加工の際に、レーザーのビームの照射方向をセラミックス焼結体の加工面に垂直な線に対して傾斜させたことを特徴とするものである。
【００３１】
請求項２０の発明は、請求項１３に記載の動圧軸受装置の製造方法において、前記セラミックス射出成形の金型に、成形品のセラミックス材料の硬度以上の硬度を有する硬質皮膜が施されていることを特徴とするものである。
【００３２】
請求項２１の発明は、請求項２０に記載の動圧軸受装置の製造方法において、前記硬質皮膜が、窒化チタン（ＴｉＮ）、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、窒化クロム（ＣｒＮ）のいずれかから選択された硬質皮膜であることを特徴とするものである。
【００３３】
請求項２２の発明は、請求項１３〜２１のいずれか１項に記載の動圧軸受装置の製造方法に基づく軸受スリーブ又は軸部材である。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の動圧軸受装置およびその製造方法によれば、軸受スリーブ又は軸部材を、軸受面に動圧溝のないシンプルな形状のＣＩＭ成形品としたので、ＣＩＭ成形品の焼成後の精度が一層優れるため、後工程の研削コストを低く抑えることができ、又は研削を省略することが可能である。したがって、動圧溝を有する軸受スリーブ又は軸部材を備えた動圧軸受装置およびその製造方法として、低コストかつ高精度化を図ることができる。
【００３５】
また、軸受スリーブ又は軸部材を、軸受面に動圧溝のないシンプルな形状のＣＩＭ成形品としたことと相俟って、超短パルスレーザー加工により動圧溝が形成されるので、加工部位に熱影響層を残すことなく、溝深さの制御も容易で、溝寸法のバラツキを抑え、高精度に仕上がるので、軸受機能を高めることができる。
【００３６】
更に、超短パルスレーザーとして、１ｎｓから１００ｎｓのパルス幅を有する超短パルスのＱ−スイッチＹＡＧレーザーの基本波、２倍波および３倍波のいずれか１つを用いると共に、レーザーのビームスポットの連続打点による加工の際、レーザーのエネルギ密度として、１ＧＷ／ｃｍ2〜４０ＧＷ／ｃｍ2の範囲にすることにより、加工効率が良好で、熱影響層の残留や加工面へのバリ発生などが抑制され、品質も良好になる。
【００３７】
連続打点による加工の際に、レーザーのビームスポットの光学系を、電気的制御および機械的制御の少なくとも１つの制御により揺動させたので、動圧溝加工面（溝の底面）を平滑化でき、溝底の平面度が向上する。これにより、動圧溝の形状および加工除去面の品質を高めることができる。
【００３８】
レーザー加工際に、軸受スリーブ又は軸部材の被加工物を水中に配置するか、又は被加工物に流水をかけて加工すると除去加工が更に向上し、２倍波、３倍波のレーザーは、水に吸収されずに加工することができ、加工面を綺麗に仕上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】この発明の第１の実施形態に係る動圧軸受装置の縦断面図である。
【図２】前記動圧軸受装置の構成部品である軸受スリーブの縦断面図である。
【図３】前記軸受スリーブの製造工程を示す図である。
【図４】ＣＩＭ成形工程を示す縦断面図である。
【図５】軸受スリーブの動圧溝のレーザー加工を示す縦断面図である。
【図６】軸受スリーブの加工の流れを示す概要図である。
【図７】この発明の第２の実施形態の構成部品である軸受スリーブを示す縦断面図である。
【図８】第２の実施形態における軸受スリーブの加工の流れを示す概要図である。
【図９】この発明の第３の実施形態に係る動圧軸受装置の縦断面図である。
【図１０】前記動圧軸受装置の構成部品である軸部材の平面図である。
【図１１】軸部材の加工の流れを示す概要図である。
【図１２】この発明の第４の実施形態の構成部品である軸受スリーブを示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下に本発明の実施の形態を図１〜図１２に基づいて説明する。
【００４１】
図１〜図６に本発明の第１の実施形態を示す。図１に示すように動圧軸受装置１は、ハウジング４と、この内周に組み込まれて固定された軸受スリーブ３と、この内周に挿入された軸部材２を主な構成とする。軸受スリーブ３の内周面３ａの軸受面３ａ１には動圧溝３ａ１１が形成されている。軸部材２の外周面２ａの軸受面２ａ１と、軸受スリーブ３の軸受面３ａ１との間にラジアル隙間５が形成されている。軸方向荷重を支持するために、軸部材２の端面２ｂは、ハウジング４の底部４ａの上面に形成されたスラスト軸受部４ｂに対向して配置されている。図示は省略するが、スラスト軸受部４ｂにも動圧溝が形成されている。軸部材２は、図示しないモータのロータに連結されている。図１は、軸部材２が回転している状態を示すもので、ラジアル隙間５およびスラスト隙間６に生じる空気の動圧作用により、軸部材２が浮上し、軸部スリーブ３およびハウジング４の底部４ａに対して非接触状態で支持される。尚、ラジアル隙間５およびスラスト隙間６は、分かりやすくするため誇張して表している。
【００４２】
図２は実施形態の構成部品である軸受スリーブ３を示す。軸受スリーブ３は円筒状に形成され、内周面３ａを有する。内周面３ａの軸受面３ａ１にはヘリングボーン形状の動圧溝３ａ１１が形成されている。動圧溝３ａ１１の溝深さは数μｍであり、形状寸法は高精度に仕上げられている。動圧溝３ａ１１と動圧溝３ａ１１との間は丘部３ａ１２が形成されており、その軸方向中央部に帯状部分３ａ１３が形成されている（動圧溝３ａ１１をクロスハッチングで示す）。このような構成になっているので、軸部材２が回転すると、動圧溝３ａ１１により空気が圧縮されて軸部材２が浮上する。
【００４３】
軸受スリーブ３は、軸受面３ａ１に動圧溝３ａ１１のないシンプルな形状のＣＩＭ成形品としたものである（図６参照）。ＣＩＭ成形品の焼成後の精度が一層優れるため、後工程の研削コストを低く抑えることができ、又は研削を省略することも可能である。また、軸受スリーブ３の軸受面３ａ１に超短パルスレーザー加工により形成された高精度な動圧発生溝３ａ１１を備えている。
【００４４】
図３は軸受スリーブ３の製造工程を示す。軸受スリーブ３の製造工程は、セラミックスコンパウンドの射出成形、脱脂、焼結からなるＣＩＭ工程と、これにより製造された軸受スリーブのセラミックス焼結体３ｂ（図６参照）に動圧溝３ａ１１を形成する超短パルスレーザー加工工程から構成されている。
【００４５】
図４にＣＩＭの射出成形工程を示す。セラミックコンパウンドＭは、セラミックス粉末と樹脂系のバインダーが混練されたもので、これを金型８内に射出成形する。金型８は、例えば割り型で構成され、その内部に中金型９を配置して、キャビティ１０を有する。セラミックコンパウンドＭを射出ノズル１１からキャビティ１０内に注入して射出成形する。金型８の内周面および中金型９の外周面は円筒状表面とされており、射出成形された成形体は内外周面とも円筒状である。
【００４６】
軸受スリーブ３を構成するセラミックスの種類は特に限定されないが、耐摩耗性の面から、ジルコニア、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素および窒化アルミナが例示される。その中でも、他のセラミックスに比べて機械的強度が高く、靭性に優れるジルコニアが好ましい。また、ジルコニアは線膨張係数が金属とほぼ同等であるため他方の部材（例えば軸部材）を金属部材で構成しても温度変化による軸受隙間の変化が小さく、双方セラミックにするよりも、コスト低減が可能である。
【００４７】
ＣＩＭにおいて、セラミックスは硬度が高いため、金型８、中金型９の摩耗対策としてセラミックスよりも表面硬度の高い硬質皮膜を金型８、中金型９に付与しておくとよい。例えば、軸受スリーブ３を構成するセラミックスとしてジルコニア（Ｈｖ１３００程度）を用いる場合は、金型８、中金型９への表面処理として、窒化チタン（ＴｉＮ：Ｈｖ２０００〜３０００）やダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ：Ｈｖ１０００〜８０００）、窒化クロム（ＣｒＮ：Ｈｖ２０００〜２２００）等を処理する例が挙げられる。
【００４８】
成形体を金型８および中金型９から取り出し、焼結炉の中に入れて脱脂・焼結する。これにより軸受スリーブのＣＩＭによるセラミックス焼結体３ｂ（図６参照）が得られる。セラミックス焼結体３ｂの内周面には、まだ動圧溝３ａ１１は形成されていない。
【００４９】
上記の軸受スリーブのセラミックス焼結体３ｂの精度を確認するため、成形テストを実施した結果は、以下のとおりである。成形サンプルは内径φ４．０ｍｍ、外径φ９．５ｍｍ、幅７．５７ｍｍ、底厚さ１．５ｍｍの有底円筒である。
〔テスト結果〕
試料１：内径径不同２μｍ、外径径不同２μｍ
試料２：内径径不同２μｍ、外径径不同７μｍ
試料３：内径径不同１μｍ、外径径不同４μｍ
試料４：内径径不同１μｍ、外径径不同１μｍ
試料５：内径径不同２μｍ、外径径不同１μｍ
ＣＩＭによるセラミックス焼結体３ｂの径不同は、最大でも７μｍ程度であり、研削取代が数μｍ程度で高精度な真円形状が得られることが分かった。
【００５０】
次に、動圧溝３ａ１１の超短パルスレーザー加工について図５に基づき説明する。超短パルスレーザーを用いて、レーザーのビームスポット１２の連なりで動圧溝３ａ１１を形成する。この超短パルスレーザーは、パルス幅が１ｎｓから１００ｎｓのＱ−スイッチＹＡＧレーザーで、このＹＡＧレーザーの基本波（波長１０６４ｎｍ）、２倍波（波長５３２ｎｍ）および３倍波（波長３５５ｎｍ）のいずれか１つを用いる。図５は、軸受スリーブ３のヘリングボーン形状の動圧溝３ａ１１の加工例を示す。軸受スリーブ３に回転と軸方向の移動を与えながら動圧溝３ａ１１の傾斜形状に沿ってレーザーのビームスポット１２を当て、連続打点の連なりで動圧溝３ａ１１を加工する。上記の加工例では、基本波（波長１０６４ｎｍ）の超短パルスレーザーで実施したが、これに限らず、更に波長の短い２倍波（波長５３２ｎｍ）又は３倍波（波長３５５ｎｍ）の超短パルスレーザーも使用可能である。
【００５１】
レーザーのビームスポット１２の連続打点による加工の際、レーザーのエネルギ密度としては、１ＧＷ／ｃｍ2〜４０ＧＷ／ｃｍ2の範囲が特によい。１ＧＷ／ｃｍ2より小さい出力密度では、金属やセラミックス表面を瞬時にアブレーションできず、加工効率が著しく低下する。４０ＧＷ／ｃｍ2よりも大きな出力密度とすると、熱影響層の残留や、加工面へのバリ発生などにより、品質が悪化する。
【００５２】
また、動圧溝３ａ１１の加工面（溝の底面）は、レーザーのエネルギ密度分布の形状に依存してしまうため、溝底の平面度を向上させるために、レーザーのビームスポット１２をオシレーション（揺動）させながら動圧溝３ａ１１を加工すると更に良い。このとき加工効率も考慮すれば、レーザーのビームスポット１２の直径としては、動圧溝３ａ１１の幅の１／１０〜１／２の範囲が特に好ましい。
【００５３】
更に、レーザー加工の際に、レーザーのビームの照射方向を被加工物の加工面に垂直な線に対して傾斜させて加工すると良い。これにより、気体化・プラズマ化したセラミックスが光学系へ付着しにくくなり、光学系の汚染によるレーザのエネルギ密度の低下やビーム精度の低下が抑制できる。
【００５４】
レーザーを照射された気体化・プラズマ化した物質は、ワークである軸受スリーブのＣＩＭ成形品３ｂセラミックス焼結体に再付着（凝華）し、突起やバリの要因となる。したがって、気体化・プラズマ化したセラミックスが軸受スリーブ３に付着しないように水やガス等を吹付けながら加工するのが望ましい。特に２倍波または３倍波のレーザーは、水に吸収されることなく軸受スリーブ３を加工することができるため、レーザー加工の際に、軸受スリーブ又は軸部材の被加工物を水中に配置するか、又は被加工物に流水をかけて加工すると加工効率を落とすことなく品質の高い動圧溝加工が可能である。
【００５５】
超短パルスレーザーの照射点は、１〜４μｍの極表層が瞬間的（ナノ秒オーダー）に５０００℃以上に加熱されて気体化・プラズマ化して除去される。昇温速度が非常に早く瞬間的に気体化・プラズマ化して除去されるため、対象となる軸受スリーブのセラミックス焼結体３ｂ内での熱伝導が最小限に抑えられ、結果として、熱影響層が最小限に抑えられる。
【００５６】
図６に、軸受スリーブ３の加工の流れを示す。この流れでは、ＣＩＭによる成形・脱脂・焼結後、軸受スリーブのセラミックス焼結体３ｂを研削加工する工程を経て、動圧溝３ａ１１をレーザー加工するものを示した。しかし、動圧溝３ａ１１のレーザー加工の後に研削加工を実施してもよい。また、軸受スリーブのセラミックス焼結体３ｂの径不同が極めて小さい場合は、研削加工を不要とすることも可能である。
【００５７】
図７、図８に、本発明の第２の実施形態に用いる軸受スリーブ２３を示す。この軸受スリーブ２３は、端面２３ｃにスパイラル形状の動圧溝２３ｃ１１が形成されている。このスパイラル形状の動圧溝２３ｃ１１はスラスト軸受として機能する。図７、図８に示す軸受スリーブ２３は、内周面２３ａに動圧溝を形成していないものを図示したが、第１の実施形態に用いた軸受スリーブ３の内周面３ａと同様の動圧溝３ａ１１を形成してもよい。この場合、軸受スリーブ２３はラジアル軸受とスラスト軸受の両機能を有する。
【００５８】
この軸受スリーブ２３が用いられる動圧軸受装置は、後述する第３の実施形態の動圧軸受装置３１と類似した形態となる。軸受スリーブ２３を図９に示す回転スリーブ３３に置き換えることにより基台３４のスラスト軸受部３６ａの動圧溝を省略できる。図示は省略する。
【００５９】
また、軸受スリーブ２３の製造工程を図８に示すが、軸受スリーブ２３の製造工程におけるＣＩＭ工程、ＣＩＭ成形金型の硬質皮膜処理、軸受スリーブ２３のセラミックスの種類、動圧溝２３ａ１１のレーザー加工および研削加工の要否など、いずれも、第１の実施形態に用いる軸受スリーブ３と同様であるので、説明を省略する。
【００６０】
図９〜１１に第３の実施形態を示す。図９に示すように動圧軸受装置３１は、軸部材３２が基台３４にねじ３７により締付け固定されている。回転スリーブ３３は、軸部材３２に外嵌されている。軸部材３２は、その外周面３２ａの軸受面３２ａ１にヘリングボーン形状の動圧溝３２ａ１１が形成されている。軸部材３２の外周面３２ａの軸受面３２ａ１と回転スリーブ３３の内周面３３ａとの間にラジアル隙間３５が形成されている。軸方向荷重を支持するために、回転スリーブ３３の端面３３ｂは基台３４の上面に形成されたスラスト軸受部３６ａに対向して配置されている。図示は省略するが、スラスト軸受部３６ａにも動圧溝が形成されている。この動圧軸受装置３１では軸部材３２が固定タイプで、軸部材３２に外嵌された回転スリーブ３３が回転自在となっている。回転スリーブ３３は、図示しないモータのロータに連結されており、回転スリーブ３３に取り付けられたレーザービームピリンターのポリゴンミラー等の回転体（二点鎖線で示す）を回転させる。図９は、回転スリーブ３３が回転している状態を示すもので、ラジアル隙間３５およびスラスト隙間３８に生じる空気の動圧作用により、回転スリーブ３３が浮上し、軸部材３２および基台３４の上面に対して非接触状態で支持される。この実施形態においても、ラジアル隙間３５およびスラスト隙間３８は、分かりやすくするため誇張して表している。
【００６１】
図１０は第３の実施形態の構成部品である軸部材３２を示す。軸部材３２は円筒軸状に形成され、外周面３２ａを有する。外周面３２ａの軸受面３２ａ１にはヘリングボーン形状の動圧溝３２ａ１１が形成されている。動圧溝３２ａ１１の溝深さは数μｍであり、形状寸法は高精度に仕上げられている。動圧溝３２ａ１１と動圧溝３２ａ１１との間は丘部３２ａ１２が形成されており、その軸方向中央部に帯状部分３２ａ１３が形成されている（動圧溝３２ａ１１をクロスハッチングで示す）。このような構成になっているので、回転スリーブ３３が回転すると、動圧溝３２ａ１１により空気が圧縮されて回転スリーブ３３が浮上する。
【００６２】
軸部材３２の製造工程は、第１の実施形態の構成部品である軸受スリーブ３と同様に、セラミックスコンパウンドの射出成形、脱脂、焼結からなるＣＩＭ工程と、これにより製造された軸部材のセラミックス焼結体３２ｂ（図１１参照）に動圧溝３２ａ１１を形成する超短パルスレーザー加工工程から構成されている。
【００６３】
第３の実施形態の構成部品である軸部材３２も、軸受面３２ａ１に動圧溝３２ａ１１のないシンプルな形状のセラミックス焼結体３２ｂとしたものである。したがって、セラミックス焼結体３２ｂの精度が一層優れるため、後工程の研削コストを低く抑えることができ、又は研削を省略することも可能である。また、軸部材３２の軸受面３２ａ１に超短パルスレーザー加工により形成された高精度な動圧溝３２ａ１１を備えている。
【００６４】
図１１に、軸部材３２の加工の流れを示す。この流れでは、ＣＩＭによる成形・脱脂・焼結後、セラミックス焼結体３２ｂを研削加工する工程を経て、動圧溝３２ａ１１をレーザー加工するものを示した。しかし、第１の実施形態でも述べたように、研削加工は動圧溝３２ａ１１のレーザー加工の後でも良く、またセラミックス焼結体３２ｂの径不同が極めて小さい場合は、研削加工を不要とすることも可能である。
【００６５】
軸部材３２の製造工程におけるＣＩＭ工程、ＣＩＭ成形金型の硬質皮膜処理、軸部材３２のセラミックスの種類、動圧溝３２ａ１１のレーザー加工など、いずれも、第１の実施形態の構成部品である軸受スリーブ３と同様であるので、詳細説明を省略する。
【００６６】
図１２は、第４の実施形態の構成部品である軸受スリーブ４３を示す。この軸受スリーブ４３は、円筒状部分４３ｄの一端に底部４３ｃが形成されている。この底部４３ｃの上面にはスパイラル形状の動圧溝４３ｃ１１が形成されている。
【００６７】
この軸受スリーブ４３が用いられる動圧軸受装置は、第１の実施形態の動圧軸受装置１と類似した形態となるので、図示は省略する。また、軸受スリーブ４３の製造工程におけるＣＩＭ工程、ＣＩＭ成形金型の硬質皮膜処理、軸受スリーブ４３のセラミックスの種類、動圧溝４３ｃ１１のレーザー加工および研削加工の要否など、いずれも、第１の実施形態の構成部品である軸受スリーブ３と同様であるので、説明を省略する。
【００６８】
各実施形態の構成部品である軸受スリーブ又は軸部材に形成される動圧溝は、へリングボーン形状やスパイラル形状に限定されるものではない。これに限らず、他の形式の動圧溝を形成したり、例えば、軸受スリーブの内周面や軸部材の外周面を複数の円弧を組合わせた多円弧形状とすることにより、動圧発生部を構成してもよい。
【符号の説明】
【００６９】
１ 動圧軸受装置
２ 軸部材
２ａ 外周面
２ａ１ 軸受面
２ｂ 端面
３ 軸受スリーブ
３ａ 内周面
３ａ１ 軸受面
３ａ１１ 動圧溝
３ａ１２ 丘部
３ａ１３ 帯状部分
３ｂ ＣＩＭによるセラミックス焼結体
４ ハウジング
４ａ 底部
４ｂ スラスト軸受部
５ ラジアル隙間
６ スラスト隙間
８ 金型
９ 中金型
１０ キャビティ
１１ 射出ノズル
１２ ビームスポット
２３ 軸受スリーブ
２３ａ 内周面
２３ｂ ＣＩＭによるセラミックス焼結体
２３ｃ 端面
２３ｃ１１ 動圧溝
３１ 動圧軸受装置
３２ 軸部材
３２ａ 外周面
３２ａ１ 軸受面
３２ａ１１ 動圧溝
３２ａ１２ 丘部
３２ａ１３ 帯状部分
３２ｂ ＣＩＭによるセラミックス焼結体
３３ 回転スリーブ
３３ａ 内周面
３３ｂ 端面
３４ 基台
３５ ラジアル隙間
３６ａ スラスト軸受部
３７ ねじ
３８ スラスト隙間
４３ 軸受スリーブ
４３ｃ 底部
４３ｃ１１ 動圧溝
４３ｄ 円筒状部分
Ｍ セラミックスコンパウンド
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーザービームプリンタのポリゴンミラーモータ用空気軸受等、気体を流体として用いた動圧軸受装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気などの気体を流体として用いた動圧軸受装置においては、耐摩耗性に優れるセラミックスが軸受材料として用いられる。このセラミックスを材料とした軸受スリーブの製造方法として、粉末成形にて軸受スリーブを形成する方法が知られている（特許文献１）。
【０００３】
しかしながら、一般に粉末成形では、焼結後の寸法精度が悪くなるため、精度を確保するためには研削での取り代を多くして仕上げる必要がある。通常、動圧溝の深さは数μｍ程度であるので、焼結後の研削取り代が大きくなれば、研削によって動圧溝が消失する。
【０００４】
一方で、研削の取り代を考慮して、予め動圧溝を深くつけた形状で成形する場合、溝深さが成形品のスプリングバック量を上回ってしまい、金型から成形品が抜けなくなったり、無理抜きして動圧溝を損傷してしまう可能性がある。
【０００５】
また、軸受スリーブの製造方法として、セラミックス粉体を用いたセラミックス射出成形法、すなわち、ＣＩＭ（セラミックス・インジェクション・モールディング）成形法が知られている（特許文献２）。この製造方法では、動圧溝を転写形成するための凸状部を外周に有する円筒状の樹脂製中子を、軸受スリーブ形状のキャビティを有する金型内部に入れ、セラミックス粉体とバインダーを混練して作った成形材料を射出成形するものである。この成形体を焼結炉の中にいれて加熱し、バインダー成分を熱分解させると共に樹脂製中子を熱分解させて消滅させるものである。
【０００６】
しかしながら、上記の製造方法では、軸受スリーブ１個ごとに樹脂製中子を熱分解させて消滅させる必要があり、生産性の面やコスト面で問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−３８０７６号公報
【特許文献２】特開２００８−２４１０３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述したように、従来技術は、いずれもセラミックス材料を用いた軸受スリーブの成形段階で、動圧溝を形成するものであるので、特許文献１では、焼結後の研削取り代が大きくなれば、研削によって動圧溝が消失することや金型から成形品が抜けなくなったり、無理抜きして動圧溝を損傷してしまう可能性があるという問題があり、一方、特許文献２では、軸受スリーブ１個ごとに樹脂製中子を熱分解させて消滅させる必要があり、生産性の面やコスト面で問題がある。
【０００９】
この発明の目的は、動圧溝を有する軸受スリーブ又は軸部材を備えた動圧軸受装置およびその製造方法として、低コストかつ高精度化を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願の発明者らは、従来技術の前述した問題に着目し、種々検討した。その結果、ＣＩＭ成形段階における軸受スリーブ又は軸部材の成形品の形状が、動圧軸受装置の低コスト化と高精度化のために大きな要因となることを見出した。
【００１１】
そして、軸受スリーブ又は軸部材として、軸受面に動圧溝のないシンプルな形状で高精度なＣＩＭ成形品を用いることと、この軸受面に超短パルスレーザー加工による高精度な動圧溝を形成することという、相乗的なメリットを生み出す二つの手段を着想した。
【００１２】
この発明に係る動圧軸受装置は、軸受面に動圧溝を形成した軸受スリーブ又は軸部材を備えた動圧軸受装置において、前記軸受スリーブ又は軸部材が、軸受面に動圧溝のない形状のセラミックス射出成形品を用いたものであって、この軸受面に超短パルスレーザー加工により形成された動圧溝を備えていることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１に記載の動圧軸受装置において、前記軸受スリーブ又は軸部材の軸受面が研削加工により仕上げられていることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の動圧軸受装置において、前記軸受スリーブ又は軸部材のセラミックス材料がジルコニアであることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の動圧軸受装置において、前記動圧溝が超短パルスレーザーによる連続打点で加工されていることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の動圧軸受装置において、前記超短パルスレーザーのパルス幅が１〜１００ｎｓであることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の動圧軸受装置において、前記軸受スリーブの軸受面が内周面および端面の少なくとも一つであることを特徴とするものである。
【００１８】
請求項７の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の動圧軸受装置において、前記軸部材の軸受面が外周面および端面の少なくとも一つであることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項８の発明は、請求項６又は請求項７に記載の動圧軸受装置において、前記軸受スリーブの内周面あるいは軸部材の外周面に形成された動圧溝がヘリングボーン形状であることを特徴とするものである。
【００２０】
請求項９の発明は、請求項６又は請求項７に記載の動圧軸受装置において、前記軸受スリーブあるいは軸部材の端面に形成された動圧溝がスパイラル形状であることを特徴とするものである。
【００２１】
請求項１０の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の動圧軸受装置において、前記軸受スリーブが底部を有し、該軸受スリーブの軸受面が内周面および底部上面の少なくとも一つであることを特徴とするものである。
【００２２】
請求項１１の発明は、請求項１０に記載の動圧軸受装置において、前記軸受スリーブの内周面に形成された動圧溝がヘリングボーン形状であり、前記底部上面に形成された動圧溝がスパイラル形状であることを特徴とするものである。
【００２３】
請求項１２の発明は、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の動圧軸受装置において、
前記動圧軸受装置が空気の動圧作用により軸受スリーブ又は軸部材を支持することを特徴とするものである。
【００２４】
請求項１３の発明に係る動圧軸受装置の製造方法は、軸受面に動圧溝を形成した軸受スリーブ又は軸部材を備えた動圧軸受装置の製造方法において、前記軸受スリーブ又は軸部材が、セラミックス射出成形により軸受面に動圧溝のない形状に成形し、脱脂・焼結する工程と、超短パルスレーザーにより前記軸受面に動圧溝を形成する工程とから製造されることを特徴とするものである。
【００２５】
請求項１４の発明は、請求項１３の動圧軸受装置の製造方法において、前記軸受スリーブ又は軸部材の製造工程として、更に軸受面を研削する工程を含むことを特徴とするものである。
【００２６】
請求項１５の発明は、請求項１３に記載の動圧軸受装置の製造方法において、前記動圧溝を超短パルスレーザーによる連続打点で加工することを特徴とするものである。
【００２７】
請求項１６の発明は、請求項１５に記載の動圧軸受装置の製造方法において、前記超短パルスレーザーとして、１ｎｓから１００ｎｓのパルス幅を有する超短パルスのＱ−スイッチＹＡＧレーザーの基本波、２倍波および３倍波のいずれか１つを用いると共に、前記連続打点による加工において、レーザー出力密度を１ＧＷ／ｃｍ2〜１００ＧＷ／ｃｍ2の範囲の値とし、レーザーのビームスポットの直径を動圧溝の幅より小さくしたことを特徴とするものである。
【００２８】
請求項１７の発明は、請求項１５又は請求項１６に記載の動圧軸受装置の製造方法において、前記連続打点による加工の際に、前記レーザーのビームスポットの光学系を、電気的制御および機械的制御の少なくとも１つの制御により揺動させたことを特徴とするものである。
【００２９】
請求項１８の発明は、請求項１３および請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の動圧軸受装置の製造方法において、前記レーザー加工の際に、加工対象のセラミックス焼結体を水中に配置するか、又はセラミックス焼結体に流水をかけることを特徴とするものである。
【００３０】
請求項１９の発明は、請求項１３および請求項１５〜１８のいずれか１項に記載の動圧軸受装置の製造方法において、前記レーザー加工の際に、レーザーのビームの照射方向をセラミックス焼結体の加工面に垂直な線に対して傾斜させたことを特徴とするものである。
【００３１】
請求項２０の発明は、請求項１３に記載の動圧軸受装置の製造方法において、前記セラミックス射出成形の金型に、成形品のセラミックス材料の硬度以上の硬度を有する硬質皮膜が施されていることを特徴とするものである。
【００３２】
請求項２１の発明は、請求項２０に記載の動圧軸受装置の製造方法において、前記硬質皮膜が、窒化チタン（ＴｉＮ）、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、窒化クロム（ＣｒＮ）のいずれかから選択された硬質皮膜であることを特徴とするものである。
【００３３】
請求項２２の発明は、請求項１３〜２１のいずれか１項に記載の動圧軸受装置の製造方法に基づく軸受スリーブ又は軸部材である。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の動圧軸受装置およびその製造方法によれば、軸受スリーブ又は軸部材を、軸受面に動圧溝のないシンプルな形状のＣＩＭ成形品としたので、ＣＩＭ成形品の焼成後の精度が一層優れるため、後工程の研削コストを低く抑えることができ、又は研削を省略することが可能である。したがって、動圧溝を有する軸受スリーブ又は軸部材を備えた動圧軸受装置およびその製造方法として、低コストかつ高精度化を図ることができる。
【００３５】
また、軸受スリーブ又は軸部材を、軸受面に動圧溝のないシンプルな形状のＣＩＭ成形品としたことと相俟って、超短パルスレーザー加工により動圧溝が形成されるので、加工部位に熱影響層を残すことなく、溝深さの制御も容易で、溝寸法のバラツキを抑え、高精度に仕上がるので、軸受機能を高めることができる。
【００３６】
更に、超短パルスレーザーとして、１ｎｓから１００ｎｓのパルス幅を有する超短パルスのＱ−スイッチＹＡＧレーザーの基本波、２倍波および３倍波のいずれか１つを用いると共に、レーザーのビームスポットの連続打点による加工の際、レーザーのエネルギ密度として、１ＧＷ／ｃｍ2〜４０ＧＷ／ｃｍ2の範囲にすることにより、加工効率が良好で、熱影響層の残留や加工面へのバリ発生などが抑制され、品質も良好になる。
【００３７】
連続打点による加工の際に、レーザーのビームスポットの光学系を、電気的制御および機械的制御の少なくとも１つの制御により揺動させたので、動圧溝加工面（溝の底面）を平滑化でき、溝底の平面度が向上する。これにより、動圧溝の形状および加工除去面の品質を高めることができる。
【００３８】
レーザー加工際に、軸受スリーブ又は軸部材の被加工物を水中に配置するか、又は被加工物に流水をかけて加工すると除去加工が更に向上し、２倍波、３倍波のレーザーは、水に吸収されずに加工することができ、加工面を綺麗に仕上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】この発明の第１の実施形態に係る動圧軸受装置の縦断面図である。
【図２】前記動圧軸受装置の構成部品である軸受スリーブの縦断面図である。
【図３】前記軸受スリーブの製造工程を示す図である。
【図４】ＣＩＭ成形工程を示す縦断面図である。
【図５】軸受スリーブの動圧溝のレーザー加工を示す縦断面図である。
【図６】軸受スリーブの加工の流れを示す概要図である。
【図７】この発明の第２の実施形態の構成部品である軸受スリーブを示す縦断面図である。
【図８】第２の実施形態における軸受スリーブの加工の流れを示す概要図である。
【図９】この発明の第３の実施形態に係る動圧軸受装置の縦断面図である。
【図１０】前記動圧軸受装置の構成部品である軸部材の平面図である。
【図１１】軸部材の加工の流れを示す概要図である。
【図１２】この発明の第４の実施形態の構成部品である軸受スリーブを示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下に本発明の実施の形態を図１〜図１２に基づいて説明する。
【００４１】
図１〜図６に本発明の第１の実施形態を示す。図１に示すように動圧軸受装置１は、ハウジング４と、この内周に組み込まれて固定された軸受スリーブ３と、この内周に挿入された軸部材２を主な構成とする。軸受スリーブ３の内周面３ａの軸受面３ａ１には動圧溝３ａ１１が形成されている。軸部材２の外周面２ａの軸受面２ａ１と、軸受スリーブ３の軸受面３ａ１との間にラジアル隙間５が形成されている。軸方向荷重を支持するために、軸部材２の端面２ｂは、ハウジング４の底部４ａの上面に形成されたスラスト軸受部４ｂに対向して配置されている。図示は省略するが、スラスト軸受部４ｂにも動圧溝が形成されている。軸部材２は、図示しないモータのロータに連結されている。図１は、軸部材２が回転している状態を示すもので、ラジアル隙間５およびスラスト隙間６に生じる空気の動圧作用により、軸部材２が浮上し、軸部スリーブ３およびハウジング４の底部４ａに対して非接触状態で支持される。尚、ラジアル隙間５およびスラスト隙間６は、分かりやすくするため誇張して表している。
【００４２】
図２は実施形態の構成部品である軸受スリーブ３を示す。軸受スリーブ３は円筒状に形成され、内周面３ａを有する。内周面３ａの軸受面３ａ１にはヘリングボーン形状の動圧溝３ａ１１が形成されている。動圧溝３ａ１１の溝深さは数μｍであり、形状寸法は高精度に仕上げられている。動圧溝３ａ１１と動圧溝３ａ１１との間は丘部３ａ１２が形成されており、その軸方向中央部に帯状部分３ａ１３が形成されている（動圧溝３ａ１１をクロスハッチングで示す）。このような構成になっているので、軸部材２が回転すると、動圧溝３ａ１１により空気が圧縮されて軸部材２が浮上する。
【００４３】
軸受スリーブ３は、軸受面３ａ１に動圧溝３ａ１１のないシンプルな形状のＣＩＭ成形品としたものである（図６参照）。ＣＩＭ成形品の焼成後の精度が一層優れるため、後工程の研削コストを低く抑えることができ、又は研削を省略することも可能である。また、軸受スリーブ３の軸受面３ａ１に超短パルスレーザー加工により形成された高精度な動圧発生溝３ａ１１を備えている。
【００４４】
図３は軸受スリーブ３の製造工程を示す。軸受スリーブ３の製造工程は、セラミックスコンパウンドの射出成形、脱脂、焼結からなるＣＩＭ工程と、これにより製造された軸受スリーブのセラミックス焼結体３ｂ（図６参照）に動圧溝３ａ１１を形成する超短パルスレーザー加工工程から構成されている。
【００４５】
図４にＣＩＭの射出成形工程を示す。セラミックコンパウンドＭは、セラミックス粉末と樹脂系のバインダーが混練されたもので、これを金型８内に射出成形する。金型８は、例えば割り型で構成され、その内部に中金型９を配置して、キャビティ１０を有する。セラミックコンパウンドＭを射出ノズル１１からキャビティ１０内に注入して射出成形する。金型８の内周面および中金型９の外周面は円筒状表面とされており、射出成形された成形体は内外周面とも円筒状である。
【００４６】
軸受スリーブ３を構成するセラミックスの種類は特に限定されないが、耐摩耗性の面から、ジルコニア、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素および窒化アルミナが例示される。その中でも、他のセラミックスに比べて機械的強度が高く、靭性に優れるジルコニアが好ましい。また、ジルコニアは線膨張係数が金属とほぼ同等であるため他方の部材（例えば軸部材）を金属部材で構成しても温度変化による軸受隙間の変化が小さく、双方セラミックにするよりも、コスト低減が可能である。
【００４７】
ＣＩＭにおいて、セラミックスは硬度が高いため、金型８、中金型９の摩耗対策としてセラミックスよりも表面硬度の高い硬質皮膜を金型８、中金型９に付与しておくとよい。例えば、軸受スリーブ３を構成するセラミックスとしてジルコニア（Ｈｖ１３００程度）を用いる場合は、金型８、中金型９への表面処理として、窒化チタン（ＴｉＮ：Ｈｖ２０００〜３０００）やダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ：Ｈｖ１０００〜８０００）、窒化クロム（ＣｒＮ：Ｈｖ２０００〜２２００）等を処理する例が挙げられる。
【００４８】
成形体を金型８および中金型９から取り出し、焼結炉の中に入れて脱脂・焼結する。これにより軸受スリーブのＣＩＭによるセラミックス焼結体３ｂ（図６参照）が得られる。セラミックス焼結体３ｂの内周面には、まだ動圧溝３ａ１１は形成されていない。
【００４９】
上記の軸受スリーブのセラミックス焼結体３ｂの精度を確認するため、成形テストを実施した結果は、以下のとおりである。成形サンプルは内径φ４．０ｍｍ、外径φ９．５ｍｍ、幅７．５７ｍｍ、底厚さ１．５ｍｍの有底円筒である。
〔テスト結果〕
試料１：内径径不同２μｍ、外径径不同２μｍ
試料２：内径径不同２μｍ、外径径不同７μｍ
試料３：内径径不同１μｍ、外径径不同４μｍ
試料４：内径径不同１μｍ、外径径不同１μｍ
試料５：内径径不同２μｍ、外径径不同１μｍ
ＣＩＭによるセラミックス焼結体３ｂの径不同は、最大でも７μｍ程度であり、研削取代が数μｍ程度で高精度な真円形状が得られることが分かった。
【００５０】
次に、動圧溝３ａ１１の超短パルスレーザー加工について図５に基づき説明する。超短パルスレーザーを用いて、レーザーのビームスポット１２の連なりで動圧溝３ａ１１を形成する。この超短パルスレーザーは、パルス幅が１ｎｓから１００ｎｓのＱ−スイッチＹＡＧレーザーで、このＹＡＧレーザーの基本波（波長１０６４ｎｍ）、２倍波（波長５３２ｎｍ）および３倍波（波長３５５ｎｍ）のいずれか１つを用いる。図５は、軸受スリーブ３のヘリングボーン形状の動圧溝３ａ１１の加工例を示す。軸受スリーブ３に回転と軸方向の移動を与えながら動圧溝３ａ１１の傾斜形状に沿ってレーザーのビームスポット１２を当て、連続打点の連なりで動圧溝３ａ１１を加工する。上記の加工例では、基本波（波長１０６４ｎｍ）の超短パルスレーザーで実施したが、これに限らず、更に波長の短い２倍波（波長５３２ｎｍ）又は３倍波（波長３５５ｎｍ）の超短パルスレーザーも使用可能である。
【００５１】
レーザーのビームスポット１２の連続打点による加工の際、レーザーのエネルギ密度としては、１ＧＷ／ｃｍ2〜４０ＧＷ／ｃｍ2の範囲が特によい。１ＧＷ／ｃｍ2より小さい出力密度では、金属やセラミックス表面を瞬時にアブレーションできず、加工効率が著しく低下する。４０ＧＷ／ｃｍ2よりも大きな出力密度とすると、熱影響層の残留や、加工面へのバリ発生などにより、品質が悪化する。
【００５２】
また、動圧溝３ａ１１の加工面（溝の底面）は、レーザーのエネルギ密度分布の形状に依存してしまうため、溝底の平面度を向上させるために、レーザーのビームスポット１２をオシレーション（揺動）させながら動圧溝３ａ１１を加工すると更に良い。このとき加工効率も考慮すれば、レーザーのビームスポット１２の直径としては、動圧溝３ａ１１の幅の１／１０〜１／２の範囲が特に好ましい。
【００５３】
更に、レーザー加工の際に、レーザーのビームの照射方向を被加工物の加工面に垂直な線に対して傾斜させて加工すると良い。これにより、気体化・プラズマ化したセラミックスが光学系へ付着しにくくなり、光学系の汚染によるレーザのエネルギ密度の低下やビーム精度の低下が抑制できる。
【００５４】
レーザーを照射された気体化・プラズマ化した物質は、ワークである軸受スリーブのＣＩＭ成形品３ｂセラミックス焼結体に再付着（凝華）し、突起やバリの要因となる。したがって、気体化・プラズマ化したセラミックスが軸受スリーブ３に付着しないように水やガス等を吹付けながら加工するのが望ましい。特に２倍波または３倍波のレーザーは、水に吸収されることなく軸受スリーブ３を加工することができるため、レーザー加工の際に、軸受スリーブ又は軸部材の被加工物を水中に配置するか、又は被加工物に流水をかけて加工すると加工効率を落とすことなく品質の高い動圧溝加工が可能である。
【００５５】
超短パルスレーザーの照射点は、１〜４μｍの極表層が瞬間的（ナノ秒オーダー）に５０００℃以上に加熱されて気体化・プラズマ化して除去される。昇温速度が非常に早く瞬間的に気体化・プラズマ化して除去されるため、対象となる軸受スリーブのセラミックス焼結体３ｂ内での熱伝導が最小限に抑えられ、結果として、熱影響層が最小限に抑えられる。
【００５６】
図６に、軸受スリーブ３の加工の流れを示す。この流れでは、ＣＩＭによる成形・脱脂・焼結後、軸受スリーブのセラミックス焼結体３ｂを研削加工する工程を経て、動圧溝３ａ１１をレーザー加工するものを示した。しかし、動圧溝３ａ１１のレーザー加工の後に研削加工を実施してもよい。また、軸受スリーブのセラミックス焼結体３ｂの径不同が極めて小さい場合は、研削加工を不要とすることも可能である。
【００５７】
図７、図８に、本発明の第２の実施形態に用いる軸受スリーブ２３を示す。この軸受スリーブ２３は、端面２３ｃにスパイラル形状の動圧溝２３ｃ１１が形成されている。このスパイラル形状の動圧溝２３ｃ１１はスラスト軸受として機能する。図７、図８に示す軸受スリーブ２３は、内周面２３ａに動圧溝を形成していないものを図示したが、第１の実施形態に用いた軸受スリーブ３の内周面３ａと同様の動圧溝３ａ１１を形成してもよい。この場合、軸受スリーブ２３はラジアル軸受とスラスト軸受の両機能を有する。
【００５８】
この軸受スリーブ２３が用いられる動圧軸受装置は、後述する第３の実施形態の動圧軸受装置３１と類似した形態となる。軸受スリーブ２３を図９に示す回転スリーブ３３に置き換えることにより基台３４のスラスト軸受部３６ａの動圧溝を省略できる。図示は省略する。
【００５９】
また、軸受スリーブ２３の製造工程を図８に示すが、軸受スリーブ２３の製造工程におけるＣＩＭ工程、ＣＩＭ成形金型の硬質皮膜処理、軸受スリーブ２３のセラミックスの種類、動圧溝２３ａ１１のレーザー加工および研削加工の要否など、いずれも、第１の実施形態に用いる軸受スリーブ３と同様であるので、説明を省略する。
【００６０】
図９〜１１に第３の実施形態を示す。図９に示すように動圧軸受装置３１は、軸部材３２が基台３４にねじ３７により締付け固定されている。回転スリーブ３３は、軸部材３２に外嵌されている。軸部材３２は、その外周面３２ａの軸受面３２ａ１にヘリングボーン形状の動圧溝３２ａ１１が形成されている。軸部材３２の外周面３２ａの軸受面３２ａ１と回転スリーブ３３の内周面３３ａとの間にラジアル隙間３５が形成されている。軸方向荷重を支持するために、回転スリーブ３３の端面３３ｂは基台３４の上面に形成されたスラスト軸受部３６ａに対向して配置されている。図示は省略するが、スラスト軸受部３６ａにも動圧溝が形成されている。この動圧軸受装置３１では軸部材３２が固定タイプで、軸部材３２に外嵌された回転スリーブ３３が回転自在となっている。回転スリーブ３３は、図示しないモータのロータに連結されており、回転スリーブ３３に取り付けられたレーザービームピリンターのポリゴンミラー等の回転体（二点鎖線で示す）を回転させる。図９は、回転スリーブ３３が回転している状態を示すもので、ラジアル隙間３５およびスラスト隙間３８に生じる空気の動圧作用により、回転スリーブ３３が浮上し、軸部材３２および基台３４の上面に対して非接触状態で支持される。この実施形態においても、ラジアル隙間３５およびスラスト隙間３８は、分かりやすくするため誇張して表している。
【００６１】
図１０は第３の実施形態の構成部品である軸部材３２を示す。軸部材３２は円筒軸状に形成され、外周面３２ａを有する。外周面３２ａの軸受面３２ａ１にはヘリングボーン形状の動圧溝３２ａ１１が形成されている。動圧溝３２ａ１１の溝深さは数μｍであり、形状寸法は高精度に仕上げられている。動圧溝３２ａ１１と動圧溝３２ａ１１との間は丘部３２ａ１２が形成されており、その軸方向中央部に帯状部分３２ａ１３が形成されている（動圧溝３２ａ１１をクロスハッチングで示す）。このような構成になっているので、回転スリーブ３３が回転すると、動圧溝３２ａ１１により空気が圧縮されて回転スリーブ３３が浮上する。
【００６２】
軸部材３２の製造工程は、第１の実施形態の構成部品である軸受スリーブ３と同様に、セラミックスコンパウンドの射出成形、脱脂、焼結からなるＣＩＭ工程と、これにより製造された軸部材のセラミックス焼結体３２ｂ（図１１参照）に動圧溝３２ａ１１を形成する超短パルスレーザー加工工程から構成されている。
【００６３】
第３の実施形態の構成部品である軸部材３２も、軸受面３２ａ１に動圧溝３２ａ１１のないシンプルな形状のセラミックス焼結体３２ｂとしたものである。したがって、セラミックス焼結体３２ｂの精度が一層優れるため、後工程の研削コストを低く抑えることができ、又は研削を省略することも可能である。また、軸部材３２の軸受面３２ａ１に超短パルスレーザー加工により形成された高精度な動圧溝３２ａ１１を備えている。
【００６４】
図１１に、軸部材３２の加工の流れを示す。この流れでは、ＣＩＭによる成形・脱脂・焼結後、セラミックス焼結体３２ｂを研削加工する工程を経て、動圧溝３２ａ１１をレーザー加工するものを示した。しかし、第１の実施形態でも述べたように、研削加工は動圧溝３２ａ１１のレーザー加工の後でも良く、またセラミックス焼結体３２ｂの径不同が極めて小さい場合は、研削加工を不要とすることも可能である。
【００６５】
軸部材３２の製造工程におけるＣＩＭ工程、ＣＩＭ成形金型の硬質皮膜処理、軸部材３２のセラミックスの種類、動圧溝３２ａ１１のレーザー加工など、いずれも、第１の実施形態の構成部品である軸受スリーブ３と同様であるので、詳細説明を省略する。
【００６６】
図１２は、第４の実施形態の構成部品である軸受スリーブ４３を示す。この軸受スリーブ４３は、円筒状部分４３ｄの一端に底部４３ｃが形成されている。この底部４３ｃの上面にはスパイラル形状の動圧溝４３ｃ１１が形成されている。
【００６７】
この軸受スリーブ４３が用いられる動圧軸受装置は、第１の実施形態の動圧軸受装置１と類似した形態となるので、図示は省略する。また、軸受スリーブ４３の製造工程におけるＣＩＭ工程、ＣＩＭ成形金型の硬質皮膜処理、軸受スリーブ４３のセラミックスの種類、動圧溝４３ｃ１１のレーザー加工および研削加工の要否など、いずれも、第１の実施形態の構成部品である軸受スリーブ３と同様であるので、説明を省略する。
【００６８】
各実施形態の構成部品である軸受スリーブ又は軸部材に形成される動圧溝は、へリングボーン形状やスパイラル形状に限定されるものではない。これに限らず、他の形式の動圧溝を形成したり、例えば、軸受スリーブの内周面や軸部材の外周面を複数の円弧を組合わせた多円弧形状とすることにより、動圧発生部を構成してもよい。
【符号の説明】
【００６９】
１ 動圧軸受装置
２ 軸部材
２ａ 外周面
２ａ１ 軸受面
２ｂ 端面
３ 軸受スリーブ
３ａ 内周面
３ａ１ 軸受面
３ａ１１ 動圧溝
３ａ１２ 丘部
３ａ１３ 帯状部分
３ｂ ＣＩＭによるセラミックス焼結体
４ ハウジング
４ａ 底部
４ｂ スラスト軸受部
５ ラジアル隙間
６ スラスト隙間
８ 金型
９ 中金型
１０ キャビティ
１１ 射出ノズル
１２ ビームスポット
２３ 軸受スリーブ
２３ａ 内周面
２３ｂ ＣＩＭによるセラミックス焼結体
２３ｃ 端面
２３ｃ１１ 動圧溝
３１ 動圧軸受装置
３２ 軸部材
３２ａ 外周面
３２ａ１ 軸受面
３２ａ１１ 動圧溝
３２ａ１２ 丘部
３２ａ１３ 帯状部分
３２ｂ ＣＩＭによるセラミックス焼結体
３３ 回転スリーブ
３３ａ 内周面
３３ｂ 端面
３４ 基台
３５ ラジアル隙間
３６ａ スラスト軸受部
３７ ねじ
３８ スラスト隙間
４３ 軸受スリーブ
４３ｃ 底部
４３ｃ１１ 動圧溝
４３ｄ 円筒状部分
Ｍ セラミックスコンパウンド
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸受面に動圧溝を形成した軸受スリーブ又は軸部材を備えた動圧軸受装置において、前記軸受スリーブ又は軸部材が、軸受面に動圧溝のない形状のセラミックス射出成形品を用いたものであって、この軸受面に超短パルスレーザー加工により形成された動圧溝を備えていることを特徴とする動圧軸受装置。
【請求項２】
前記軸受スリーブ又は軸部材の軸受面が研削加工により仕上げられていることを特徴とする請求項１に記載の動圧軸受装置。
【請求項３】
前記軸受スリーブ又は軸部材のセラミックス材料がジルコニアであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の動圧軸受装置。
【請求項４】
前記動圧溝が超短パルスレーザーによる連続打点で加工されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の動圧軸受装置。
【請求項５】
前記超短パルスレーザーのパルス幅が1〜１００ｎｓであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の動圧軸受装置。
【請求項６】
前記軸受スリーブの軸受面が内周面および端面の少なくとも一つであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の動圧軸受装置。
【請求項７】
前記軸部材の軸受面が外周面および端面の少なくとも一つであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の動圧軸受装置。
【請求項８】
前記軸受スリーブの内周面あるいは軸部材の外周面に形成された動圧溝がヘリングボーン形状であることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の動圧軸受装置。
【請求項９】
前記軸受スリーブあるいは軸部材の端面に形成された動圧溝がスパイラル形状であることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の動圧軸受装置。
【請求項１０】
前記軸受スリーブが底部を有し、該軸受スリーブの軸受面が内周面および底部上面の少なくとも一つであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の動圧軸受装置。
【請求項１１】
前記軸受スリーブの内周面に形成された動圧溝がヘリングボーン形状であり、前記底部上面に形成された動圧溝がスパイラル形状であることを特徴とする請求項１０に記載の動圧軸受装置。
【請求項１２】
前記動圧軸受装置が空気の動圧作用により軸受スリーブ又は軸部材を支持することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の動圧軸受装置。
【請求項１３】
軸受面に動圧発生溝を形成した軸受スリーブ又は軸部材を備えた動圧軸受装置の製造方法において、前記軸受スリーブ又は軸部材が、セラミックス射出成形により軸受面に動圧溝のない形状に成形し、脱脂・焼結する工程と、超短パルスレーザーにより前記軸受面に動圧溝を形成する工程とから製造されることを特徴とする動圧軸受装置の製造方法。
【請求項１４】
前記軸受スリーブ又は軸部材の製造工程として、更に軸受面を研削する工程を含むことを特徴とする請求項１３の動圧軸受装置の製造方法。
【請求項１５】
前記動圧溝を超短パルスレーザーによる連続打点で加工することを特徴とする請求項１３に記載の動圧軸受装置の製造方法。
【請求項１６】
前記超短パルスレーザーとして、１ｎｓから１００ｎｓのパルス幅を有する超短パルスのＱ−スイッチＹＡＧレーザーの基本波、２倍波および３倍波のいずれか１つを用いると共に、前記連続打点による加工において、レーザー出力密度を１ＧＷ／ｃｍ2〜１００ＧＷ／ｃｍ2の範囲の値とし、レーザーのビームスポットの直径を動圧溝の幅より小さくしたことを特徴とする請求項１５に記載の動圧軸受装置の製造方法。
【請求項１７】
前記連続打点による加工の際に、前記レーザーのビームスポットの光学系を、電気的制御および機械的制御の少なくとも１つの制御により揺動させたことを特徴とする請求項１５又は請求項１６に記載の動圧軸受装置の製造方法。
【請求項１８】
前記レーザー加工の際に、加工対象のセラミックス焼結体を水中に配置するか、又はセラミックス焼結体に流水をかけることを特徴とする請求項１３および請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の動圧軸受装置の製造方法。
【請求項１９】
前記レーザー加工の際に、レーザーのビームの照射方向をセラミックス焼結体の加工面に垂直な線に対して傾斜させたことを特徴とする請求項１３および請求項１５〜１８のいずれか１項に記載の動圧軸受装置の製造方法。
【請求項２０】
前記セラミックス射出成形の金型に、成形品のセラミックス材料の硬度以上の硬度を有する硬質皮膜が施されていることを特徴とする請求項１３に記載の動圧軸受装置の製造方法。
【請求項２１】
前記硬質皮膜が、窒化チタン（ＴｉＮ）、ダイアモンドライクコーティング（ＤＬＣ）、窒化クロム（ＣｒＮ）のいずれかから選択された硬質皮膜であることを特徴とする請求項２０に記載の動圧軸受装置の製造方法。
【請求項２２】
請求項１３〜２１のいずれか１項に記載の動圧軸受装置の製造方法に基づく軸受スリーブ又は軸部材。
【請求項１】
軸受面に動圧溝を形成した軸受スリーブ又は軸部材を備えた動圧軸受装置において、前記軸受スリーブ又は軸部材が、軸受面に動圧溝のない形状のセラミックス射出成形品を用いたものであって、この軸受面に超短パルスレーザー加工により形成された動圧溝を備えていることを特徴とする動圧軸受装置。
【請求項２】
前記軸受スリーブ又は軸部材の軸受面が研削加工により仕上げられていることを特徴とする請求項１に記載の動圧軸受装置。
【請求項３】
前記軸受スリーブ又は軸部材のセラミックス材料がジルコニアであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の動圧軸受装置。
【請求項４】
前記動圧溝が超短パルスレーザーによる連続打点で加工されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の動圧軸受装置。
【請求項５】
前記超短パルスレーザーのパルス幅が1〜１００ｎｓであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の動圧軸受装置。
【請求項６】
前記軸受スリーブの軸受面が内周面および端面の少なくとも一つであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の動圧軸受装置。
【請求項７】
前記軸部材の軸受面が外周面および端面の少なくとも一つであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の動圧軸受装置。
【請求項８】
前記軸受スリーブの内周面あるいは軸部材の外周面に形成された動圧溝がヘリングボーン形状であることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の動圧軸受装置。
【請求項９】
前記軸受スリーブあるいは軸部材の端面に形成された動圧溝がスパイラル形状であることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の動圧軸受装置。
【請求項１０】
前記軸受スリーブが底部を有し、該軸受スリーブの軸受面が内周面および底部上面の少なくとも一つであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の動圧軸受装置。
【請求項１１】
前記軸受スリーブの内周面に形成された動圧溝がヘリングボーン形状であり、前記底部上面に形成された動圧溝がスパイラル形状であることを特徴とする請求項１０に記載の動圧軸受装置。
【請求項１２】
前記動圧軸受装置が空気の動圧作用により軸受スリーブ又は軸部材を支持することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の動圧軸受装置。
【請求項１３】
軸受面に動圧発生溝を形成した軸受スリーブ又は軸部材を備えた動圧軸受装置の製造方法において、前記軸受スリーブ又は軸部材が、セラミックス射出成形により軸受面に動圧溝のない形状に成形し、脱脂・焼結する工程と、超短パルスレーザーにより前記軸受面に動圧溝を形成する工程とから製造されることを特徴とする動圧軸受装置の製造方法。
【請求項１４】
前記軸受スリーブ又は軸部材の製造工程として、更に軸受面を研削する工程を含むことを特徴とする請求項１３の動圧軸受装置の製造方法。
【請求項１５】
前記動圧溝を超短パルスレーザーによる連続打点で加工することを特徴とする請求項１３に記載の動圧軸受装置の製造方法。
【請求項１６】
前記超短パルスレーザーとして、１ｎｓから１００ｎｓのパルス幅を有する超短パルスのＱ−スイッチＹＡＧレーザーの基本波、２倍波および３倍波のいずれか１つを用いると共に、前記連続打点による加工において、レーザー出力密度を１ＧＷ／ｃｍ2〜１００ＧＷ／ｃｍ2の範囲の値とし、レーザーのビームスポットの直径を動圧溝の幅より小さくしたことを特徴とする請求項１５に記載の動圧軸受装置の製造方法。
【請求項１７】
前記連続打点による加工の際に、前記レーザーのビームスポットの光学系を、電気的制御および機械的制御の少なくとも１つの制御により揺動させたことを特徴とする請求項１５又は請求項１６に記載の動圧軸受装置の製造方法。
【請求項１８】
前記レーザー加工の際に、加工対象のセラミックス焼結体を水中に配置するか、又はセラミックス焼結体に流水をかけることを特徴とする請求項１３および請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の動圧軸受装置の製造方法。
【請求項１９】
前記レーザー加工の際に、レーザーのビームの照射方向をセラミックス焼結体の加工面に垂直な線に対して傾斜させたことを特徴とする請求項１３および請求項１５〜１８のいずれか１項に記載の動圧軸受装置の製造方法。
【請求項２０】
前記セラミックス射出成形の金型に、成形品のセラミックス材料の硬度以上の硬度を有する硬質皮膜が施されていることを特徴とする請求項１３に記載の動圧軸受装置の製造方法。
【請求項２１】
前記硬質皮膜が、窒化チタン（ＴｉＮ）、ダイアモンドライクコーティング（ＤＬＣ）、窒化クロム（ＣｒＮ）のいずれかから選択された硬質皮膜であることを特徴とする請求項２０に記載の動圧軸受装置の製造方法。
【請求項２２】
請求項１３〜２１のいずれか１項に記載の動圧軸受装置の製造方法に基づく軸受スリーブ又は軸部材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−２０８６６９（Ｐ２０１１−２０８６６９Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７４４４８（Ｐ２０１０−７４４４８）
【出願日】平成２２年３月２９日（２０１０．３．２９）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【出願人】（５１００８６３２７）株式会社最新レーザ技術研究センター (2)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２９日（２０１０．３．２９）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【出願人】（５１００８６３２７）株式会社最新レーザ技術研究センター (2)
【Ｆターム（参考）】
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