JPH04282017A - 動圧空気軸受構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は動圧空気軸受構造例えば
、レーザプリンタ、デジタルコピア等のラジアルまたは
スラスト動圧空気軸受を用いた高速回転機器、特に動圧
空気軸受型ポリゴンスキャナに用いる動圧空気軸受構造
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の動圧空気軸受構造としては、例え
ば、実開平１−６９９０９号公報に記載された図３（ａ
）に示すような動圧空気軸受型ポリゴンスキャナ１があ
る。ポリゴンスキャナ１は、高速回転可能な、中空回転
軸２の上部にポリゴンミラー３を固定した回転体４と、
中空回転軸２の内周に摺接し、ポリゴンスキャナ１の下
部の基台１ａ上に立設した固定軸５と、を有している。 固定軸５の外周のラジアル受面５ａには動圧発生用の溝
５ｂが設けられ、固定軸５と中空回転軸２とは動圧空気
軸受構造６を構成している。固定軸５および中空回転軸
２の材質はステンレス鋼からなるという記載はあるが、
回転軸５および中空回転軸２の硬度については記載がな
く不明である。

【０００３】従来、ラジアル動圧空気軸受に介して硬度
の関係を記載したものはない。一方、ステンレス鋼の硬
度に関しては、日刊工業新聞社（昭和４５年１０月５日
発刊）発行の書籍“ステンレス鋼の熱処理”の第３６頁
に、硬さの同じような材料同士の摺動は焼付き、かじり
を必ず生ずる。これを防ぐには、ＳＵＳ４２０　などの
マルテンサイト系では、熱処理により、摺動する両者の
かたさの差を少なくともブリネル硬さＨＢ　５０以上つ
ける。となっている。

【０００４】また、ラジアル動圧空気軸受構造６を有す
るものとしては、図３（ｂ）に示すポリゴンスキャナ７
が考えられている。図３（ｂ）において、図３（ａ）に
示すものと同じ構成には同じ符号をつけて説明する。図
３（ｂ）に示すポリゴンスキャナ７においては、中空回
転軸２の下部にはロータマグネット８が固定され、ロー
タマグネット８の外方のハウジング７Ａには、中空回転
軸２を高速回転させるステータ、配線基板等のモータ部
９が取付けられている。また、中空回転軸２の上部には
ポリゴンミラー３を固定するとともに、回転体４の釣り
合いを取るためのバランスリングを兼ねたミラー押え１
０、スラスト磁気軸受のため磁気軸受マグネット１０Ａ
、中空回転軸２の軸方向の高いダンピング特性を持たせ
るための微細穴１０Ｂ等が取付けられている。

【０００５】また、中空回転軸２および固定軸５を形成
する部材には、耐食性、および耐摩耗性などの面からこ
れらの性能に優れたステンレス鋼ＳＵＳ４２０Ｊ２が用
られ、熱処理によって中空回転軸２の硬度は動圧発生用
溝５ｂを有する固定軸５の硬度より高め、両者の硬度の
差をロックウェル硬さのＣ硬さでＨＲＣ５程度としてい
る。 中空回転軸２の部材の硬度を固定軸５の部材の硬度より
高くしたのは、中空回転軸２は高速回転し、かつ、前述
のような多くの部品が取付けられかつ、コストが高いの
で、中空回転軸２を高硬度にして摩耗し難くし、固定軸
５の摺動部分の摩耗時の交換を容易にできるようにした
ものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の動圧空気軸受構造６にあっては、固定軸５の
部材にＳＵＳ４２０　Ｊ２等のマルテンサイト系ステン
レス鋼を用いており、この固定軸５のステンレス鋼の硬
度を中空回転軸２に対して下げると、耐食性が低下し、
錆発生の危険性が高くなる。

【０００７】また、動圧発生用のラジアル受面５ａは、
固定軸５の外周研削面に、化学エッチング、サンドブラ
スト、切削または転造等の加工法により、深さ数μｍ掘
り込まれることにより形成されるが、溝表面の耐食性は
滑らか表面の内周研削面だけの中空回転軸２よりも低下
する。すなわち、従来の動圧空気軸受構造６の部材の硬
度差のつけ方においては、溝５ｂを有する固定軸５の耐
食性は、中空回転軸２に比較して、部材の硬度が低く、
かつ、動圧発生用の溝５ｂを有し、２重に不利であると
いう問題点がある。

【０００８】また、固定軸５の外周面への動圧発生用の
溝５ｂの加工を化学エッチングにより行う場合には、焼
入れ、焼きもどしの熱処理条件を正確に管理して耐食性
劣化を防止しないと、エッチングムラを生じる。このた
め、熱処理の管理に多大の手間がかかるという問題点も
ある。

【０００９】

【発明の目的】本発明は、このような従来技術の課題を
背景になされたものであり、動圧空気軸受の動圧発生用
の溝を設けた外周面または軸受面を有する軸を形成する
部材の硬度を、前記外周面または軸受面に摺動する摺動
面を有する軸の硬度より高くすることにより、溝を有す
る軸の耐食性を高めて、動圧発生用の溝からの腐食の発
生を大幅に抑制でき、また、溝加工時の熱処理条件が緩
和でき、工数が低減でき、製造コストの低減ができ、信
頼性の向上ができる動圧空気軸受構造を提供することを
目的とする。

【００１０】

【発明の構成】本発明は上記目的達成のため、請求項１
では、金属からなり断面円形の外周面または該外周面の
軸線にほぼ直交する軸受面を有する中心軸と、該中心軸
と同一軸線上にあり前記外周面または前記軸受面に摺動
する摺動面を有する摺動軸と、を備え、前記外周面、前
記軸受面および前記摺動面のいずれか一つに動圧発生溝
を有し、前記中心軸および前記摺動軸のいずれか片方が
回転可能な動圧空気軸受構造であって、前記動圧発生溝
を有する前記中心軸または前記摺動軸を形成する部材の
硬度は前記部材に対向して摺動する前記摺動軸または前
記中心軸を形成する部材の硬度より高いことを特徴とし
、請求項２では、請求項１に係る動圧空気軸受構造にお
いて、前記中心軸はステンレス鋼からなり前記外周面に
動圧発生溝を有することを特徴とし、請求項３では、請
求項１に係る動圧空気軸受構造において、前記摺動軸は
ステンレス鋼からなり、前記外周面に摺動する内周面を
有し、該内周面に動圧発生溝を有することを特徴として
いる。

【００１１】ここに、動圧発生溝を有する軸を形成する
部材の硬度はこの部材に対向して摺動する部材の硬度よ
りロックウェル硬さＨＲＣ３〜１０だけ高いのが望まし
い。

【００１２】

【作用】本発明の請求項１では、動圧発生溝を有する中
心軸または摺動軸を形成する部材の硬度がこの部材に対
向して摺動する部材の硬度より高いので、動圧発生溝を
有する軸を形成する部材の硬度がこの部材の従来の硬度
より高い硬度にすることができ、従来の硬度差のある軸
の部材における高い方の硬度にほぼ同じにすることがで
きる。このため、動圧発生溝を有する軸の耐食性および
耐摩耗性は従来より大幅に向上できる。

【００１３】また、請求項２では、請求項１に係る動圧
空気軸受構造において、動圧発生溝を有する中心軸がス
テンレス鋼からなり、かつ、前記摺動軸より高い硬度で
あるので、中心軸の部材の硬度は従来の中心軸の硬度よ
り大幅に向上し、耐食性および耐摩耗性が向上する。ま
た、請求項３では、請求項１の動圧空気軸受構造におい
て、動圧発生溝を有する摺動軸がステンレス鋼からなり
、かつ、動圧発生溝を有する内周面が中心軸より高い硬
度であるので、管状の摺動軸の部材は動圧発生溝が形成
されているが、中心軸より耐食性および耐摩耗性は大幅
に向上している。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づき説明す
る。図１は本発明の請求項１〜３に係る動圧空気軸受構
造の第１実施例を示す図であり、動圧空気軸受構造１１
をレーザプリンタのポリゴンスキャナ１２に適用したも
のである。ポリゴンスキャナ１２の中央部の回転体１３
のアキシャル軸受部には、スラスト磁気軸受１４が適用
されている。

【００１５】ポリゴンスキャナ１２は、摺動軸である中
空円筒状の中空回転軸１５と、中空回転軸１５の上部の
フランジ状のミラー受け１５ａ上に載置され円板状のミ
ラー押え１６により、ミラー受け１５ａにネジ止めされ
た定速回転するポリゴンミラー１７と、中空回転軸１５
の下部の外周に固定された管状のロータマグネット１８
と、を有している。 中空回転軸１５、ミラー押え１６、ポリゴンミラー１７
およびロータマグネット１８は回転体１３の主要部を構
成している。

【００１６】ロータマグネット１８の外方には、ポリゴ
ンスキャナ１２のハウジング１２Ａに固定された環状の
ステータ１９が設けられ、ステータ１９はモータ部配線
基板２１およびロータマグネット１８の位置を検出する
ホール素材２０とともにモータ駆動部を構成している。 ハウジング１２Ａの下部には基台２２が設けられ、基台
２２には断面円形の外周面２３ａを有する棒状の中心軸
である固定軸２３が焼き嵌め固定されている。固定軸２
３の外側には、固定軸２３の外周面２３ａに摺動する摺
動面である内周面１５ｂを有する前述の中空回転軸１５
が固定軸２３と同一軸線Ｃ上にあり高速回転可能に配置
されている。固定軸２３の外周面２３ａには動圧発生溝
である２対のヘリングボーン溝２５が設けられ、中空回
転軸１５が高速回転時にラジアル動圧空気軸受機能を発
揮する。固定軸２３、ヘリングボーン溝２５および中空
回転軸１５は動圧空気軸受構造１１を構成している。

【００１７】スラスト磁気軸受１４は固定軸２３の上側
に固定された環状の磁気軸受マグネット１４ｃと、ミラ
ー押え１６の中央部に磁気軸受マグネット１４ｃと同一
軸線上に配置された環状の磁気軸受マグネット１４ｂと
、ポリゴンミラー１７の外方を覆いハウジング１２Ａに
固定された光学ハウジング２６の中央部内側に固定され
た環状の磁気軸受マグネット１４ａとから構成されてい
る。またミラー押え１６の中央部には軸方向の微細穴１
６ａが設けられ、中空回転軸１５のアキシヤル方向に高
いダンピング特性を持たせるようにしている。２７は偏
向用窓である。

【００１８】中空回転軸１５および固定軸２３はともに
ステンレス鋼ＳＵＳ４２０　Ｊ２からなり、ヘリングボ
ーン溝２５を有する固定軸２３を形成する部材であるス
テンレス鋼Ａの硬度Ａはこのステンレス鋼Ａの外周面２
３ａに対向して摺動する内周面１５ｂを有する中空回転
軸１５を形成する部材であるステンレス鋼Ｂよりロック
ウェル硬さの差で硬度差ＨＲＣ５だけ高くなるようにな
されている。

【００１９】ステンレス鋼ＳＵＳ４２０　Ｊ２のロック
ウェル硬さは、Ｃ硬度でＨＲＣ４５〜６０程度の硬度範
囲であり、ヘリングボーン溝２５を有する固定軸２３を
形成する部材のステンレス鋼Ａのロックウェル硬さは、
ＨＲＣ６０に近い硬さが選ばれている。中空回転軸１５
の部材のステンレス鋼Ｂの硬さ（例えば、硬度ＨＲＣ５
５程度）は固定軸２３の硬度に対し、ロックウェル硬さ
でＨＲＣ５程度の差があるようになされている。すなわ
ち、固定軸２３のステンレス鋼Ａの硬度Ａは従来のもの
より硬度差ＨＲＣ５だけ高くなっていることになる。

【００２０】固定軸２３のステンレス鋼Ａと中空回転軸
１５のステンレス鋼Ｂとのそれぞれロックウェル硬さの
硬度差はＨＲＣ３〜１０の範囲で適度に選定してもよい
。固定軸２３のヘリングボーン溝２５は、通常と同様に
硬度Ａが約ＨＲＣ６０になるよう焼入れされた後、外周
研削面に化学エッチングにより図１（ｂ）に示すように
、深さ数μｍに加工された。

【００２１】ポリゴンスキャナ１２の作動は、電源に接
続されたモータ駆動部の駆動力により、回転体１３は定
速回転を初め、動圧空気軸受構造１１は、固定軸２３の
ヘリングボーン溝２５により固定軸２３と中空回転軸１
５との間にラジアル動圧空気軸受機能を発揮するととも
にスラスト磁気軸受１４および微細穴１６ａによりスラ
スト磁気軸受機能を発揮し非接触で回転する。

【００２２】次に作用について説明する。本発明では、
固定軸２３の部材の硬度Ａが約ＨＲＣ６０で中空回転軸
１５の部材の硬度Ｂが約ＨＲＣ５５であり、かつ、両者
の硬度差がＨＲＣ５以上であるので、動圧空気軸受構造
１１の固定軸２３の外周面２３ａと、中空回転軸１５の
内周面１５ｂとの摺動面での焼付けおよびかじり等は起
こらず滑らかに回転を続ける。また、固定軸２３のステ
ンレス鋼Ａの硬度は従来の固定軸５を形成するステンレ
ス鋼の硬度より硬度ＨＲＣ５だけ高いので、固定軸２３
は耐食性および耐摩耗性ともに大幅に向上する。

【００２３】また、ヘリングボーン溝２５を有する固定
軸２３の部材のステンレス鋼Ａの硬度Ａがロックウェル
硬さＨＲＣ６０に近く高い硬度であるので、固定軸２３
の生産時に固定軸２３は外周面２３ａを外周研削後、焼
入れ加工後、化学エッチングにより溝加工するのみで生
産できる。このため、焼きもどし工程が不要となり生産
工数が減少し、固定軸２３の生産コストが大幅に低減で
きる。

【００２４】なお、前述の実施例においては、動圧発生
溝であるヘリングボーン溝２５は固定軸２３に形成され
た場合につき説明したが、本発明ではこの実施例に限ら
ず、請求項３によるように、動圧発生溝は中空回転軸１
５の内周面１５ｂに形成してもよい。この際は、中空回
転軸１５を形成するステンレス鋼Ａの硬度Ａは固定軸２
３を形成するステンレス鋼Ｂの硬度ＢよりＨＲＣ５だけ
高く、第１実施例と同じ作用効果を有している。

【００２５】次に、本発明の他の実施例につき説明する
。図２（ａ）〜（ｈ）は本発明に係る第２〜１０実施例
を示す図であり、第１実施例と同じ構成には同じ符号を
つける。図２（ａ）〜（ｃ）に示す実施例はラジアル動
圧空気軸受または、その変形の軸受であり、中心軸３３
が回転可能でかつ、中心軸３３の外周面３３ａに動圧発
生溝２５を有する場合である。動圧発生溝２５を有する
中心軸３３の部材の硬度が摺動軸１５の部材の硬度より
高い。図２（ａ）に示す第２実施例は動圧発生溝２５が
中心軸３３の外周面３３ａに軸方向の長形状の複数の溝
を周方向にかつ、上下一対形成され、中心軸３３の矢印
のいずれの方向に回転してもラジアル動圧を発生可能な
場合である。図２（ｂ）に示す第３実施例は動圧発生溝
２５が中心軸３３の外周面でかつ、軸方向下端の軸受面
でもある半球面３３ｂに形成され、半球面３３ｂが摺動
軸３５の摺動面である半球面状の凹面部３５ａに嵌合し
た場合である。図２（ｃ）に示す第４実施例は動圧発生
溝２５が中心軸３３の外周面でかつ、軸方向下端の軸受
面である半円錐面３３ｃに形成され、半円錐面３３ｃが
摺動軸３５の摺動面である半円錐面状の凹面部３５ｂに
嵌合した場合である。

【００２６】また、図２（ｄ）〜（ｇ）に示す実施例は
スラスト動圧空気軸受またはその変形の軸受である。図
２（ｄ）、（ｅ）に示す第５実施例、図２（ｆ）に示す
第６実施例および図２（ｇ）に示す第７実施例は動圧発
生溝であるスパイラル溝２５を摺動軸４１の円板状の摺
動面４１ａに形成したものである。この摺動面４１ａは
図２（ｅ）に一部を示す円柱状の中心軸４０の軸線Ｃに
ほぼ直交する軸受面４０ａに摺動している。

【００２７】第５実施例では空気をスパイラル溝の外側
より吸込み、第６実施例では内側（中心部）より吸込む
ように形成されている。図２（ｇ）に示す第７実施例は
ヘリングボーン溝を有する場合である。これら図２（ｄ
）〜（ｇ）に示す第５〜７実施例の摺動軸４１の部材の
硬度は摺動軸４１の摺動面４１ａに対向する中心軸４０
の部材の硬度よりロックウェル硬さでＨＲＣ５高い値を
有している。

【００２８】また、図２（ｈ）〜（ｋ）にそれぞれ示す
第８〜１０実施例は動圧発生溝２５を摺動面４１ａに形
成した摺動軸４１を有するスラスト動圧空気軸受または
その変形の軸受である。第５〜７実施例では、摺動軸４
１の円板状の摺動面４１ａにそれぞれ、段付溝、テーパ
ーランド、傾斜面付きの放射方向の複数の溝を有する場
合である。摺動軸４１の部材の硬度は中心軸４０の部材
の硬度よりロックウェル硬さＨＲＣ５高い値を有してい
る。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
動圧空気軸受の動圧発生用の溝を設けた外周面または軸
受面を有する軸を形成する部材の硬度を、前記外周面ま
たは軸受面に摺動する摺動面を有する軸の硬度より高く
することにより、溝を有する軸の耐食性を高めて、動圧
発生用の溝からの腐食の発生を大幅に抑制でき、また、
溝加工時の熱処理条件が緩和でき、工数が低減でき、製
造コストの低減ができ、信頼性の向上ができる動圧空気
軸受構造を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の請求項１〜３に係る動圧空気軸受構造
の第１実施例を示す図で、（ａ）はその全体断面図、（
ｂ）はその要部断面図である。

【図２】本発明に係る動圧空気軸受構造の他の実施例を
示す図で、（ａ）〜（ｃ）はそれぞれラジアル動圧空気
軸受およびその変形軸受の第２〜４実施例の要部を示す
断面図、（ｄ）〜（ｇ）はそれぞれスラスト動圧空気軸
受またはその変形軸受の要部を示し、（ｄ）、（ｆ）、
（ｇ）はそれぞれ第５〜７実施例の摺動軸の平面図で、
（ｅ）は第５実施例の周方向の一部断面図、（ｈ）〜（
ｋ）は、それぞれ段付き溝のスラスト動圧空気軸受また
はその変形軸受の要部を示し、（ｈ）は第８実施例の摺
動面の平面図で、（ｉ）はその周方向の一部断面図、（
ｊ）、（ｋ）はそれぞれ第９、１０実施例の周方向の一
部断面図である。

【図３】従来の動圧空気軸受構造を用いたポリゴンスキ
ャナを示す図で、（ａ）はその全体断面図、（ｂ）はそ
の他の全体断面図である。

【符号の説明】

１１　　　　動圧空気軸受構造 １５　　　　中空回転軸（摺動軸） １５ｂ　　内周面（摺動面） ２３　　　　固定軸（中心軸） ２３ａ　　外周面 ２５　　　　ヘリングボーン溝（動圧発生溝）３３、４
０　　中心軸 ３３ｂ　　半球面（外周面） ３３ｃ　　半円錐面（外周面） ３５　　　　摺動軸 ３５ａ、３５ｂ　　凹面部（摺動面） ４０ａ　　軸受面 ４１　　　　摺動軸 ４１ａ　　摺動面 Ｃ　　　　軸線

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　金属からなり断面円形の外周面または
   該外周面の軸線にほぼ直交する軸受面を有する中心軸と
   、該中心軸と同一軸線上にあり前記外周面または前記軸
   受面に摺動する摺動面を有する摺動軸と、を備え、前記
   外周面、前記軸受面および前記摺動面のいずれか一つに
   動圧発生溝を有し、前記中心軸および前記摺動軸のいず
   れか片方が回転可能な動圧空気軸受構造であって、前記
   動圧発生溝を有する前記中心軸または前記摺動軸を形成
   する部材の硬度は前記部材に対向して摺動する前記摺動
   軸または前記中心軸を形成する部材の硬度より高いこと
   を特徴とする動圧空気軸受構造。
2. 【請求項２】　　前記中心軸はステンレス鋼からなり前
   記外周面に動圧発生溝を有することを特徴とする請求項
   １記載の動圧空気軸受構造。
3. 【請求項３】　　前記摺動軸はステンレス鋼からなり、
   前記外周面に摺動する内周面を有し、該内周面に動圧発
   生溝を有することを特徴とする請求項１記載の動圧空気
   軸受構造。