JPH0729850B2

JPH0729850B2 - 近接する複数の凹溝を表面に有する動圧流体軸受のセラミック部材及びその製造方法

Info

Publication number: JPH0729850B2
Application number: JP3329970A
Authority: JP
Inventors: 博之素本; 益三山田
Original assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Current assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Priority date: 1991-11-18
Filing date: 1991-11-18
Publication date: 1995-04-05
Anticipated expiration: 2010-04-05
Also published as: JPH05139836A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、動圧流体軸受の構成部
材、特に、近接する多数の凹溝を表面に有するセラミッ
ク製ジャーナル等のセラミック部材とこれを製造するた
めの方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、動圧流体軸受にあっては、近接
して並列する多数の動圧発生溝を表面に形成したセラミ
ック製のジャーナルが使用されているが、このような凹
溝を有するセラミック部材は、一般に、炭化珪素等の粉
末材料を加圧成形したものを焼成した上、この焼結体の
表面に凹溝を形成することによって、得られる。

【０００３】ところで、焼成して得られる焼結体は極め
て硬質且つ脆いものであり、通常の切削加工によっては
凹溝を形成し難いことから、従来にあっては、焼結体の
表面にサンドブラスト法，化学エッチング法，放電加工
法，レーザ加工法等の特殊な表面加工法により凹溝を形
成するようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような表
面加工法により焼結体の表面に凹溝を形成して得られる
従来のセラミック部材は、凹溝の表面粗度，形状精度，
強度において問題があり、動圧流体軸受の構成部材とし
ての用途が大幅に制限されているのが実情である。

【０００５】すなわち、焼結後のセラミックについて
は、その構成要素である結晶粒と結晶間の粒界とで機械
的強度，化学的性質が全く異なるため、焼結体にサンド
ブラスト法又は化学エッチング法による表面加工を施し
た場合、サンドブラストによる破砕加工や化学エッチン
グによる腐食の進行度合が結晶粒と粒界とで異なること
になり、一般に、２μＲａ以下の面粗度を得ることは極
めて困難である。したがって、例えば、かかる表面加工
を施して得られるセラミック部材を回転ジャーナルとし
て使用した動圧流体軸受にあっては、動圧発生溝の表面
粗度が大きいために、１０⁴r.p.m.を越える高速回転時
では空気の粘性による抵抗が大きくなって、動力損失や
発熱量が大きくなったり、ジャーナルと軸受部とのクリ
アランスが熱膨張により変動したりするといった好まし
くない現象が生じ易い。

【０００６】また、セラミック部材が、焼結体に放電加
工，レーザ加工等による表面加工を施したものである場
合には、凹溝の加工精度（特に、動圧発生溝等の隅部の
加工精度）が低く、設計通りの精密な凹溝形成が要求さ
れる動圧流体軸受の構成部材としては使用し難い。

【０００７】さらに、サンドブラスト法やレーザ加工法
等によって表面加工を施したセラミック部材にあって
は、凹溝形成面に加工変質層が残るため、熱衝撃等に対
する耐力が低下して、クラック等を生じる虞れがある。

【０００８】また、上記の表面加工法は、何れも、複雑
な工程を必要とするものであり、多分に一品制作的な手
法であるため、凹溝を有するセラミック部材の製造を容
易に且つ経済的に行い得ない。しかも、加工できるセラ
ミック材質や形成できる表面形状には限度があるため、
得られるセラミック部材の用途が大幅に制限される。

【０００９】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
で、表面粗度が小さく且つ耐熱衝撃性等に優れた製作誤
差の少ないジャーナル等の動圧流体軸受用セラミック部
材を提供すると共に、このような動圧流体軸受の構成部
材たるセラミック部材を好適に製造しうる方法を提供す
ることを目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この課題を解決した本発
明の近接する複数の凹溝を表面に有する動圧流体軸受の
セラミック部材は、炭化珪素，タングステンカーバイド
等の粉末セラミック材料を加圧成形して得られた炭化物
セラミック塑性体の表面に、一又は複数の成形凸部を有
する成形型をその塑性体表面への押し付け位置を変更し
つつ繰り返し押し付けて、少なくとも隣接する凹溝が同
時に形成されないようにしながら、近接する複数の凹溝
を形成した上、これを焼成処理してなるものである。な
お、セラミック部材には、一般に、狭義のセラミック部
材の他、金属粉末を成形・焼成して得られる焼結金属製
部材も含まれるが、本発明では、セラミック部材が動圧
流体軸受の構成部材として使用されるものであることを
考慮して、セラミック材料として、ＳｉＣ，ＷＣ，Ｔｉ
Ｃ，Ｂ₄Ｃ等の炭化物セラミックを使用している。ま
た、焼成処理には、最終的な焼結処理の他、粉末セラミ
ック材料の成形時に添加される結合剤，可塑剤，分散剤
等の成形助剤を除去するために行う熱処理等が含まれ
る。

【００１１】

【作用】粉末セラミック材料を加圧成形して得られる炭
化物セラミック塑性体は、或る程度の塑性を有するもの
であるから、その表面に成形型を押付けてその成形凸部
をセラミック塑性体に食い込ませると、塑性変形により
成形凸部通りの凹溝形状が正確に形成されて、成形型の
表面粗さに略一致する表面粗度の凹溝が形成されること
になる。

【００１２】そして、このような成形凸部の食い込みに
よる凹溝形成工程は、成形凸部の塑性体表面への押し付
け位置を変更しつつ繰複数回繰り返して行われるが、各
凹溝形成工程においては、少なくとも隣接する凹溝が同
時に形成されないようになされる。すなわち、成形型が
一の成形凸部のみを有するものである場合には、当然
に、各凹溝形成工程において隣接する凹溝が同時に形成
されることはないが、成形型が複数の成形凸部を有する
ものである場合であって、各凹溝形成工程において２以
上の成形凸部により複数の凹溝が同時に形成される場合
には、例えば、これら成形凸部のピッチＰを所望する凹
溝のピッチｐの整数倍として、ｐの間隔で隣接する凹溝
が一度に形成されないようにするのである。

【００１３】ところで、成形凸部をセラミック塑性体の
表面に食い込ませていくと、その食い込み部分では材料
の流れが生じるが、Ｐ＝ｐとして一回の凹溝形成工程に
おいて隣接する凹溝が同時に形成されるようにした場合
には、ｐが極めて小さいことから、一方の凹溝形成によ
る材料の流れと他方の凹溝形成による材料の流れとが相
互に干渉して、円滑な材料の流れが生じ難い。このた
め、セラミック塑性体が焼成前の柔らかいものであるに
も拘わらず、成形凸部のセラミック塑性体への食い込み
抵抗（塑性体の変形抵抗）が大きくなって、食い込みが
充分に行われず、その食い込み量が浅くなって、所望す
る凹溝が得られない虞れがあり、塑性加工精度が低くな
る。なお、充分な食い込みを得るために、成形型のセラ
ミック塑性体への押し付け力を必要以上に大きくする
と、セラミック塑性体が変形，破壊する虞れがあり、加
工精度も低くなる。

【００１４】しかし、上記した如く成形凸部のピッチＰ
を凹溝のピッチｐより大きくして、成形凸部のセラミッ
ク塑性体への食い込みが同時に複数箇所で行われた場合
にも、一の食い込み箇所とこれに隣接する食い込み箇所
との距離が充分大きくなるようにしておくと、上記した
材料流れの干渉が生じず、成形型のセラミック塑性体へ
の押し付け力を然程大きくせずとも、成形凸部による食
い込みが充分に行われて成形凸部の形状に対応した高精
度の凹溝を形成させることができる。

【００１５】したがって、このように塑性変形による凹
溝が形成されたセラミック成形体を焼成することによ
り、成形型の加工精度，表面粗さに応じた凹溝が所定ピ
ッチｐで近接配置されたセラミック部材を得ることがで
きる。而して、成形型（例えば金型）を高精度で表面粗
さの極めて小さいものに製作しておくことは容易である
から、かかる成形型を使用することによって、設計通り
に正確な形状であり且つ極めて緻密な表面粗度（例え
ば、０．５μＲａ以下）の凹凸を表面に有するセラミッ
ク部材を得ることができる。しかも、かかるセラミック
部材を得る場合において、セラミック材質や凹溝形状が
冒頭で述べた如く制限されるようなこともない。

【００１６】また、上記セラミック部材は、焼結前の段
階で塑性加工により凹溝を形成させたものであるから、
少なくとも隣接する凹溝が同時に形成されないようにし
て材料流れの干渉を回避させたことと相俟って、凹溝を
形成することにより発生する内部応力は焼成工程におい
て緩和され、クラック等の各種外力による破壊も生じ難
いものである。

【００１７】

【実施例】以下、本発明を図１〜図３に示す実施例に基
づいて具体的に説明する。

【００１８】この実施例は、本発明を図３に示す動圧流
体軸受のジャーナル１を製造する場合に適用したもので
ある。この動圧流体軸受は、ジャーナル１の外周面に近
接して並列する複数の凹溝たる動圧発生溝１ａ…を形成
し、この動圧発生溝１ａ…の作用により、ジャーナル１
とラジアル軸受筒２との対向面間に動圧を発生させ、両
者１，２を高速且つ円滑に相対回転させるうるように構
成されている。

【００１９】まず、炭化珪素やタングステンカーバイド
等の粉末材料（適宜の成形助剤を含む）を加圧成形し
て、ジャーナル１の形状に対応する中実軸形状の炭化物
セラミック塑性体１´を得る。

【００２０】次に、図１及び図２に示す如く、セラミッ
ク塑性体１´の両端部を適宜の回転治具（図示せず）に
回転自在に保持させた上、この治具を長尺矩形板状の成
形型３に沿って移動させていくことによって、セラミッ
ク塑性体１´を成形型３の上面たる成形面３ｂに適度に
押付けながら、成形面３ｂ上を転動させていく。成形型
３としては、一般に、加工精度が高く且つ表面粗さを小
さくできる金型が使用される。成形面３ｂには、セラミ
ック塑性体１´の転動方向にハの字状をなして並列する
複数の成形凸部３ａ…が突設されている。成形凸部３ａ
の形状及び数は、形成しようとする動圧発生溝１ａに対
応して設定されている。而して、成形凸部３ａ…のピッ
チＰは、複数の成形凸部３ａ…による食い込みが同時に
行われるようなことがあっても、各食い込み箇所におけ
る材料流れがこれに隣接する食い込み箇所における材料
流れと干渉することがないように、充分大きく設定して
ある。具体的には、ピッチＰを動圧発生溝１ａ…のピッ
チｐの整数倍（Ｐ＝ｍｐ（ｍ＞１））としてある。とこ
ろで、セラミック塑性体１´は、１番目の成形凸部３ａ
により最初の動圧発生溝１ａが形成された時点（図１
（Ａ））からすべての動圧発生溝１ａ…が形成されるま
でに１回以上回転することになるが、動圧発生溝１ａ…
が等ピッチｐで環状をなして並列するものであることか
ら、この動圧発生溝１ａ…の数Ｍとの上記ｍと関係如何
によっては、セラミック塑性体１´が１回転したときに
先に形成された動圧発生溝１ａに新たな成形凸部３ａが
再び食い込むような事態が発生する場合がある。かかる
事態が発生する場合には、セラミック塑性体１´が１回
転する毎に、その直後において新たに形成される動圧発
生溝１ａが先に形成された動圧発生溝１ａから外れた位
置に形成されるように、この新たな動圧発生溝１ａを形
成するための成形凸部３ａの位置を所定のピッチだけず
らせておく。すなわち、一部の隣接成形凸部３ａ，３ａ
間のピッチＰ´をｍｐより大きくしてしておく。例え
ば、Ｍがｍで割り切れないときには、原則として、成形
凸部３ａ…のピッチＰはすべて同一（Ｐ＝ｍｐ）である
が、Ｍがｍで割り切れるときには、「Ｍ／ｍ」番目と
「Ｍ／ｍ＋１」番目、「２（Ｍ／ｍ）」番目と「２（Ｍ
／ｍ）＋１」番目、「３（Ｍ／ｍ）」番目と「３（Ｍ／
ｍ）＋１」番目…………「（ｍ−１）（Ｍ／ｍ）」番目
と「（ｍ−１）（Ｍ／ｍ）＋１」番目の各隣接する成形
凸部３ａ，３ａのピッチＰ´をＰ＋ｐ＝（ｍ＋１）ｐと
しておく。この実施例では、図１及び図２に示す如く、
Ｍ＝３０，Ｐ＝ｍｐ＝２ｐとし、１５番目の成形凸部３
ａと１６番目の成形凸部３ａとのピッチＰ´を３ｐとし
てある。

【００２１】セラミック塑性体１´を転動させていく
と、まず、１番目の成形凸部３ａが塑性体表面に食い込
んで、ハの字状をなす動圧発生溝１ａが形成される（図
１（Ａ）参照）。爾後、セラミック塑性体１´の転動に
伴って、その表面には、順次、転動方向に動圧発生溝１
ａ…が２ｐのピッチで順次形成されていく（図１（Ｂ）
参照）。そして、セラミック塑性体１´が１回転した後
は、既に形成された各隣接動圧発生溝１ａ，，１ａ間に
新たな動圧発生溝１ａが順次形成されていき（図１
（Ｃ）及び図２参照）、２回転するまでに全ての動圧発
生溝１ａ…が所望するピッチｐで形成されることにな
る。

【００２２】このとき、例えば図１（Ｂ）に示す如く、
複数の成形凸部３ａによる食い込みが同時に行われるよ
うなことがあっても、食い込み箇所相互の間隔Ｐ（＝２
ｐ），Ｐ´（＝３ｐ）が動圧発生溝１ａ…のピッチｐに
比して大きいことから、各食い込み箇所における材料流
れがこれに隣接する食い込み箇所における材料流れと干
渉することがない。したがって、セラミック塑性体１´
の成形面３ｂへの押し付け力を必要以上に大きくせずと
も、セラミック塑性体１´が焼成前のもので或る程度の
塑性を有するものであることとも相俟って、各成形凸部
３ａの塑性体１´への食い込みが円滑且つ充分に行われ
て、セラミック塑性体１´の変形を回避しつつ高精度の
動圧発生溝１ａが形成されることになる。

【００２３】そして、このようにしてセラミック塑性体
１´にすべての動圧発生溝１ａ…が形成された後におい
て、これを焼成（成形助剤の除去処理等のための低温焼
成及び焼結温度での本焼成）することによって、図３に
示す如き外周面に近接して並列する動圧発生溝１ａ…を
有するセラミック部材たるジャーナル１が得られるので
ある。

【００２４】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の基本原理を逸脱しない範囲におい
て適宜に改良・変更することができる。

【００２５】例えば、図４に示す如く、上記した動圧発
生溝１ａ…を一の成形凸部３ａを有する成形型３によっ
て形成するようにすることもできる。なお、成形型３
は、図４及び図５に示す如く、セラミック塑性体１´の
外周面に添接しうる円弧状の成形面３ｂにハの字状をな
す一の成形凸部３ａを突設したものに構成されており、
セラミック塑性体１´へと間欠的に離接動作するように
なっている。また、セラミック塑性体１´は中空軸状の
ものであり、芯軸４に嵌合保持されていて、動圧発生溝
１ａ…のピッチｐに対応する角度宛間欠的に回転される
ようになっている。

【００２６】すなわち、この実施例では、成形型３をセ
ラミック塑性体１´に押し付けて、成形凸部３ａにより
動圧発生溝１ａを形成した後（図４（Ａ）参照）、一
旦、成形型３をセラミック塑性体１´から離間させると
共にセラミック塑性体１´をピッチｐに対応する角度だ
け回転させた上（同図（Ｂ）参照）、再び成形型３ａを
セラミック塑性体１´に押し付けて、先に形成した動圧
発生溝１ａに隣接する動圧発生溝１ａを形成させ（同図
（Ｃ））、かかる工程を繰り返すことによって、セラミ
ック塑性体１´の外周面に近接して並列する動圧発生溝
１ａ…を形成させるのである。

【００２７】このように動圧発生溝１ａ…を１つ宛形成
するようにすれば、複数の成形凸部が同時に食い込むこ
とによる材料流れの干渉といった問題は当然に生じず、
動圧発生溝１ａ…の形成を円滑且つ高精度に行いうる。
勿論、前記実施例の如く複数の成形凸部３ａ…を備えた
成形型３を使用する場合においても、セラミック塑性体
１´の直径寸法を考慮してｍの値を適当に設定しておく
ことにより、常に、一の成形凸部３ａのみがセラミック
塑性体１´に食い込みうるようにすることができる。

【００２８】また、動圧流体軸受にあっては、ジャーナ
ルの下端面に対向するスラスト軸受板に螺旋状の動圧発
生溝を形成して、ジャーナルのスラスト荷重を受けるよ
うにすることがあるが、かかるスラスト軸受板や動圧形
メカニカルシールにおけるシールリング等のように、非
回転面上に複数の凹溝を近接して形成するセラミック部
材についても、図４に示したと同様の手法により、凹溝
の形成を行うことができる。例えば、図７に示す如きス
ラスト軸受板１を製造するに当たっては、図６に示す如
く、これに対応する円盤形状に成形したセラミック塑性
体１´を、動圧発生溝１ａ…のピッチｐに対応する角度
宛間欠的に回転させ、その回転の都度、動圧発生溝１ａ
に対応する形状とした一の成形凸部３ａを備えた成形型
３を押し付けるようにするのである。

【００２９】上記各実施例においては、深さの比較的浅
い凹溝１ａを有するセラミック部材を製造する場合につ
いて説明したが、本発明では、セラミック部材表面の凹
溝を焼成前の段階で塑性加工するようにしているから、
成形型の成形面形状やセラミック塑性体への押付け形態
を変更することによって、用途に応じた表面形状，表面
粗度のセラミック部材つまり動圧流体軸受部品として要
求される機能を充分に発揮しうるセラミック部材を容易
に得ることができる。勿論、凹溝を形成するに当たっ
て、セラミック材質や溝ピッチ，溝深さ，溝幅等の表面
形状は動圧流体軸受の構成部材の種類，機能等に応じて
適宜に設定されるが、溝ピッチｐが極めて小さい場合で
あって、凹溝の溝深さを１〜２００μｍ（より好ましく
は５０μｍ以下）としておく必要のある場合には、本発
明の効果が最大限発揮されることになるであろう。

【００３０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、耐熱衝撃性等に優れ、設計通りに正確で且つ
表面粗さの極めて緻密な凹溝を表面に有して、動圧流体
軸受の構成部材として極めて優れたセラミック部材を提
供できる。しかも、塑性を有する焼成前の段階で凹溝を
形成し、且つ少なくとも隣接する凹溝が同時に形成され
ないようにしたから、凹溝のピッチが小さい場合にも、
素材の材質に拘わらず、セラミック部材を高精度且つ容
易に製造することができ、大量生産により製造コストを
大幅に低減することができる。また、成形型の形状，加
工精度，表面粗さによって部材表面の凹凸形状（溝ピッ
チ，溝深さ，溝幅等），加工精度，表面粗度を自由に変
更することができ、セラミック部材の動圧流体軸受にお
ける用途を大幅に拡大することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る方法の一実施例における凹溝の形
成工程を示す側面図である。

【図２】同平面図である。

【図３】同方法により得られた本発明に係るセラミック
部材を使用した動圧流体軸受の断面図である。

【図４】他の実施例における凹溝の形成工程を示す側面
図である。

【図５】この形成工程に使用する成形型の正面図であ
る。

【図６】更に他の実施例における凹溝の形成工程を示す
断面図である。

【図７】これにより得られた本発明に係るセラミック部
材の横断平面図である。

【符号の説明】１…動圧流体軸受のセラミック部材、１
ａ…動圧発生溝（凹溝）、１´…炭化物セラミック塑性
体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｆ１６Ｃ 17/02 Ａ 8613−3Ｊ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化珪素，タングステンカーバイド等の粉
末セラミック材料を加圧成形して得られた炭化物セラミ
ック塑性体の表面に、一又は複数の成形凸部を有する成
形型をその塑性体表面への押し付け位置を変更しつつ繰
り返し押し付けて、少なくとも隣接する凹溝が同時に形
成されないようにしながら、近接する複数の凹溝を形成
した上、これを焼成処理してなることを特徴とする、近
接する複数の凹溝を表面に有する動圧流体軸受のセラミ
ック部材。
【請求項２】炭化珪素，タングステンカーバイド等の粉
末セラミック材料を加圧成形して得られた炭化物セラミ
ック塑性体の表面に、一又は複数の成形凸部を有する成
形型をその塑性体表面への押し付け位置を変更しつつ繰
り返し押し付けて、少なくとも隣接する凹溝が同時に形
成されないようにしながら、近接する複数の凹溝を形成
した上、これを焼成処理するようにしたことを特徴とす
る、近接する複数の凹溝を表面に有する動圧流体軸受の
セラミック部材の製造方法。