DE69217769T2

DE69217769T2 - Verbundlagerstruktur

Info

Publication number: DE69217769T2
Application number: DE69217769T
Authority: DE
Inventors: Matsuo Higuchi; Tetsuya Katayama; Osamu Komura; Kenji Matsunuma; Masaya Miyake; Akira Yamakawa; Norio Yasuoka
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1991-08-19
Filing date: 1992-08-05
Publication date: 1997-10-02
Anticipated expiration: 2012-08-06
Also published as: DE69217769D1; US5280208A; EP0528274A1; EP0528274B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Lagerstruktur, und spezieller bezieht sie sich auf eine Verbundlagerstruktur zur Abstützung eines Rotators, der eine vorgeschriebene Belastung besitzt und sich bei einer hohen Geschwindigkeit dreht.
Im allgemeinen muß ein Teil, welches als Drehteil ausgebildet ist, das in einem Laserdrucker, einem Faksimile, einem Strichmarkierungsleser o. a. vorgesehen ist, geeignet sein, eine hohe Rotationsgeschwindigkeit auszuhalten. Mit einem Anstieg der Druckgeschwindigkeit muß beispielsweise ein Rotator eines Polygonalspiegels, der in einem Laserdrucker vorgesehen ist, sich bei einer Geschwindigkeit von mindestens 20.000 Umdrehungen pro Minute drehen. In einem Gleitbereich eines solchen Rotators wird allgemein beispielsweise ein Kugellager als ein Lager eingesetzt. Soweit ein solches konventionelles Kugellager eingesetzt wird, kann der Rotator jedoch maximal nur eine Drehgeschwindigkeit von ungefähr 16.000 Umdrehungen pro Minute aufgrund von Problemen des Brennens, des Verschleißes o. ä. aushalten.
Die JP-A-2 173 610 (1990) schlägt ein Luftlager (dynamisches Gasdrucklager) aus Keramik, wie SiG oder Si&sub3;N&sub4;, vor, welches für einen rotierenden Gleitbereich verwendet wird, um einen Polygonalspiegel eines Laserdruckers bei einer hohen Geschwindigkeit anzutreiben. Durch die Drehung eines Rotators, der durch ein solches Luftlager abgestützt ist, wird Luft zwangsweise in mindestens einen Spalt zwischen einem Radiallagerteil oder einem Axiallagerteil und dem Rotator durch eine Rille eingeführt. Folglich ist der Luftdruck in dem Spalt so erhöht, daß der Rotator bei einer hohen Geschwindigkeit sich durch das Luftlager dreht, welches zwischen den Teilen ausgebildet ist. Um eine solche Hochgeschwindigkeitsrotation zu implementieren, wird die Rotationsgenauigkeit während der Hochgeschwindigkeitsrotation durch das Luftlager aufrechterhalten, welches auch geeignet ist, eine Belastung in axiale Richtung, welche auf den Rotator aufgebracht wird, abzustützen. Das Radiallagerteil und der Rotator, die durch Keramiken gebildet sind, können ein Gleiten zwischen den Teilen in einem niedrigen Geschwindigkeitsbereich nach dem Starten oder beim Stoppen des Rotators aushalten.
Wenn ein konventionelles Radiallagerteil aus Keramik, wie Si&sub3;N&sub4; o. ä., bei hohen Drehgeschwindigkeiten, die 5.000 Umdrehungen pro Minute übersteigen, verwendet wird, resultiert ein Kontakt zwischen den Lagerteilen in einem Stoß- Schlag-Verschleißphänomen. Eine solche radiale Stoßkraft, welche auf den Rotator während hoher Drehgeschwindigkeiten aufgebracht wird, verursacht nämlich ein Gleiten zwischen den Teilen in einem hohen Geschwindigkeitsbereich, und es ist schwierig für einen konventionellen keramischen gesinterten Körper ein solches Gleiten bei einer hohen Geschwindigkeit zu überstehen. Wenn das Radialoder Axiallagerteil durch ein Luftlagerelement gebildet ist, welches aus einem keramischen gesinterten Körper hergestellt ist, ist es daher schwierig, die radiale Stoßkraft abzustützen, die plötzlich auf den Rotator während hoher Drehgeschwindigkeiten aufgebracht wird, obwohl die Rotationsgenauigkeit aufrechterhalten wird und eine Belastung die auf den Rotator in axiale Richtung aufgebracht wird, abgestützt wird.
Wenn das Luftlagerteil ferner durch eine Keramik gebildet ist, muß ein solches Keramikteil mit hoher Genauigkeit bearbeitet/zusammengesetzt sein, und folglich sind die Herstellungskosten erhöht. Zusätzlich muß das Luftlagerteil in einer sauberen Umgebung verwendet werden, um gegen Staub geschützt zu sein. Die auf das Luftlagerteil bezogene Struktur ist folglich so kompliziert, daß ein geschlossener Container erforderlich sein kann, um dasselbe zu enthalten, und der Platz dafür ist in nachteilhafter Weise erhöht. Um ein solches Problem zu lösen, kann ein Gleitlagerteil des Buchsentyps aus Keramik für ein Lager für hohe Drehgeschwindigkeiten verwendet werden.
Die Fig. 16 ist eine geschnittene Längsansicht, die schematisch die Struktur eines konventionellen Gleitlagerteils aus Keramik des Buchsentyps zeigt. Das Gleitlagerteil des Buchsentyps ist durch zwei Axialgleitlagerteile 81 und 82, einem Radialgleitlagerteil 83 und einem Rotator 84, die paarweise angeordnet sind, gebildet. Ein solches Gleitlagerteil des Buchsentyps kann ein Gleiten zwischen den Teilen in einem niedrigen Geschwindigkeitsbereich beim Starten oder beim Stoppen aushalten. Ähnlich wie die vorgenannten Luftlagerteile aus Keramik verursacht jedoch ein Kontakt zwischen den Lagerteilen bei der dem Gleiten folgenden Hochgeschwindigkeitsrotation bei einer 5.000 Umdrehungen pro Minute übersteigenden Geschwindigkeit ein Stoß-Schlag-VerschleißpHänomen. Es ist daher schwierig für das konventionelle Gleitlagerteil des Buchsentyps, ein solches Gleiten auszuhalten, und folglich ist der Reibwiderstand durch angerauhte Gleitoberflächen erhöht. Diese Tendenz ist insbesondere im Hinblick auf eine Belastung in axialer Richtung bemerkenswert. Im Hinblick auf dieselbe Belastung ist der Reibwiderstand in axiale Richtung um fünf- bis zehnmal größer verglichen mit dem radialen Reibwiderstand. Auch wenn ein Gleitlagerteil des Buchsentyps aus Keramik als ein Lager für hohe Drehgeschwindigkeiten eingesetzt wird, ist es daher schwierig, nicht nur plötzliche radiale Stoßkräfte während des Drehens, sondern auch Belastungen in axiale Richtungen abzustützen, die auf einen Rotator aufgebracht werden.
In der EP-A-0 401 761 ist eine Lagerstruktur mit einem dynamischen Gasdrucklager mit spiralförmigen Rillen in sowohl radialer als auch axialer Richtung offenbart. Das Lager ist aus keramischem Material, wie Siliziumkarbid, Siliziumnitrit oder gesintertem Material aus Aluminiumoxyd hergestellt.
Nicht alle keramischen Materialien tragen zu einer Verbesserung der Gleiteigenschaften von Lagern, wie dem Verschleißwiderstand und dem Stoßwiderstand in der gleichen Weise bei. Keramische Materialien, wie Siliziumkarbid oder Aluminiumoxyd haben eine hohe Härte, aber eine niedrige Zähigkeit und Bruchzähigkeit, und folglich ist das Material hart und zerbrechlich.
In der DE-A-3 733 117 ist eine Lagerstruktur offenbart, die eine kombinierte Struktur eines magnetischen Lagers in axialer Richtung und eines Luftlagers mit dynamischen, Druck erzeugenden Rillen in radialer Richtung einsetzt. Die Luftlagerstruktur umfaßt ein Buchsenteil und eine feste Welle, die mit keramischern Material, wie TiN oder SiN überzogen sind. Die dynamischen Druckbereiche des Luftlagers sind mit einem keramischen Film aus SiC bedeckt. Die Beschichtung mit einem keramischen Film sorgt normalerweise für Wärmespannungen an den dynamischen Druckbereichen aufgrund eines Versatzes zwischen dem Filmüberzug und dem Lagerteil, welches das Trägergewebe ist.
In der EP-A-0 178 169 ist ein Rollelementlager mit Teilen gezeigt, die eine exzellente mechanische Festigkeit und Widerstand besitzen. Die Teile enthalten Pulver aus Siliziumnitrit mit guten mechanischen Eigenschaften, aber es ist nicht in der EP-A-0 178 169 offenbart, einen gesinterten Körper aus Siliziumnitrit mit einer speziellen Größe der Kristallkörner oder mit einem speziellen Durchmesser der Poren herzustellen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Radiallager zu schaffen, welches einen überlegenen Verschleißwiderstand und Stoßwiderstand besitzt. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Anstieg des Reibwiderstands zu unterdrücken, der in einem Lagerteil entsprechend einer Belastung in axiale Richtung verursacht wird, welche auf einen Rotator während hohen Drehgeschwindigkeiten aufgebracht wird.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lagerstruktur zu schaffen, die eine hohe Drehgenauigkeit bei hohen Drehgeschwindigkeiten für eine lange Zeit aufrechterhält
Eine Verbundlagerstruktur entsprechend der vorliegenden Erfindung, wie sie in Anspruch 1 definiert ist, und die geeignet ist, einen Rotator mit einer bestimmten Belastung, der sich mit einer hohen Geschwindigkeit dreht, abzustützen, umfaßt Radiallagermittel und Axilallagermittel. Die Radiallagermittel umfassen gesinterte Keramikkörper zum Abstützen einer radialen Stoßkraft, die auf den Rotator während des Drehens aufgebracht wird, und die die radiale Rotationsgenauigkeit des Rotators aufrechterhalten. Die Axiallagermittel stützen eine axiale Belastung ab, die auf den Rotator während der Aufrechterhaltung eines bestimmten Abstandes zwischen denselben und dem Rotator aufgebracht wird.
Selbst wenn eine plötzliche radiale Stoßkraft auf den Rotator aufgebracht wird, der sich bei einer hohen Geschwindigkeit dreht, können die keramischen Sinterkörper, die die Radiallagermittel bilden, die Stoßkraft abstützen und ein Gleiten in einem hohen Geschwindigkeitsbereich überstehen. Ferner stützen die Axiallagermittel eine axiale (in axiale Richtung verlaufende) Belastung ab, die auf den Rotator aufgebracht wird, während ein Abstand zwischen denselben und dem Rotator aufrechterhalten wird. Selbst wenn der Rotator sich bei einer hohen Geschwindigkeit dreht, ist es daher möglich, die Anstiegsrate des Reibwiderstandes zu reduzieren, welche hinsichtlich der Belastung in axiale Richtung verursacht wird. Zusätzlich kann ein magnetisches Lager die radiale Rotationsgenauigkeit des Rotators aufrechterhalten, der sich bei einer hohen Geschwindigkeit dreht. Folglich ist es möglich, die Rotationsgenauigkeit auch nach einer Verwendung für eine lange Zeit aufrechtzuerhalten, die für ein Präzisionsinstrument benötigt wird.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin beschrieben ist, umfaßt die Verbundlagerstruktur die Lagermittel, wobei kein Verschleißphänomen durch eine plötzliche Stoßkraft während hoher Drehgeschwindigkeiten verursacht wird, und ein Anstieg des Reibungswiderstands durch eine Belastung in axiale Richtung, die auf den Rotator aufgebracht wird, unterdrückt wird, während die Rotationsgenauigkeit auch bei einer Rotation für eine lange Zeit aufrechterhalten werden kann. Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist es daher möglich, eine Verbundlagerstruktur bereitzustellen, die für die Abstützung eines Rotators bei einer hohen Drehgeschwindigkeit geeignet ist.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung umfaßt der keramische Sinterkörper, der das Radiallagermittel bildet, einen gesinterten Körper aus einer Siliziumnitritkeramik. Der gesinterte Körper aus Siliziumnitritkeramik enthält Kristallkörner mit einer Feinheit von mindestens 35 Körnern pro 30 µm in der Länge mit einem Grenzphasenvolumenverhältnis von nicht mehr als 15 Volumenprozent. Ferner enthält der gesinterte Körper aus Siliziumnitrit Poren, deren maximaler Durchmesser nicht größer als 20 µm ist, in einem Anteil von nicht mehr als 3 %. Ein solcher gesinterter Körper aus Siliziumnitrit hat mechanische Eigenschaften gemäß dem JIS (Japanese Industrial Standard) von einer Dreipunktbiegefestigkeit von mindestens 80 kg/mm², vorzugsweise mindestens 100 kg/mm² und eine Bruchzähigkeit von mindestens 5 MPa.m1/2.
Der gesinterte Körper aus Siliziumnitrit, der die Radiallagermittel bildet, enthält Kristallkörner mit einer Feinheit von mindestens einem konstanten Wert, während das Grenzphasenvolumenverhältnis und dessen Porosität unter konstanten Werten gehalten werden. Ein Lagerteil ist durch einen gesinterten Körper aus Siliziumnitrit geformt, welcher folglich feine Kristallkörner enthält. Die Oberfläche des gesinterten Körpers aus Siliziumnitrit, der das Lagerteil bildet, platzt nicht durch das Ausfallen von Kristallkörnern o. ä. ab, bietet aber einen exzellenten Widerstand gegen Abplatzen. Folglich hat das Lagerteil, welches durch den vorgenannten gesinterten Körper aus Siliziumnitrit gebildet ist, einen exzellenten Verschleißwiderstand, auch gegen Gleiten bei hohen Geschwindigkeiten begleitet von einem Schlag-Verschleißphänomen. Daher wird eine auf den Rotator während hohen Drehgeschwindigkeiten aufgebrachte plötzliche radiale Stoßkraft durch den gesinterten Körper aus Siliziumnitrit abgestützt, welcher einen exzellenten Verschleißwiderstand gegen ein resultierendes Gleiten bei hohen Geschwindigkeiten an den Tag legt.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt das Axiallagermittel eine dynamische Gasdrucklagereinrichtung, die eine Belastung durch einen Gasdruck abstützt, der durch die Rotation des Rotators erzeugt wird. Die Axiallagermittel umfassen alternativ eine magnetische Lagereinrichtung, die die Belastung durch magnetische Anziehung oder Abstoßung abstützt. Die dynamische Gasdrucklagereinrichtung und die magnetische Lagereinrichtung umfassen jeweils ein Rotationsteil, welches sich mit dem Rotator dreht, und ein festes Teil, welches dem Rotationsteil gegenüberliegt, während es einen axialen Abstand zwischen demselben und dem Rotationsteil aufrechterhält. Bei der dynamischen Gaslagereinrichtung umfassen das Rotationsteil und das feste Teil keramische Sinterkörper, während eines der rotierenden und festen Teile mit einer Rille zur Einführung eines Gases in den Abstand für die Erzeugung eines Gasdrucks ausgestattet ist. Bei der magnetischen Lagereinrichtung umfassen die rotierenden und festen Teile andererseits Magneten zur Erzeugung einer magnetischen Anziehung oder Abstoßung in dem Abstand.
Die dynamische Gaslagereinrichtung kann eine Belastung in axiale Richtung durch den Druck des in den Abstand durch die Rille eingeführten Gases abstützen oder reduzieren, die am meisten zu dem Anstieg des Reibungswiderstands in dem Lagerteil beiträgt. Alternativ kann die magnetische Lagereinrichtung die Belastung in axiale Richtung durch magnetische Anziehung und Abstoßung abstützen oder reduzieren. Es ist folglich möglich, einen Anstieg eines Antriebsmomentes hinsichtlich eines Anstiegs der Drehgeschwindigkeit stark zu unterdrücken. Insbesondere wenn die Axiallagereinrichtung durch eine magnetische Lagereinrichtung gebildet ist, ist es möglich, einen solchen Anstieg des Antriebsdrehmoments mit Bezug auf einen Anstieg der Drehgeschwindigkeit verglichen mit der dynamischen Gaslagereinrichtung noch stärker zu unterdrücken.
Entsprechend einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt die Radiallagereinrichtung einen keramischen Sinterkörper, der die Rotationsgenauigkeit aufrechterhält, während ein bestimmter Abstand zwischen derselben und dem Rotator aufrechterhalten wird. In diesem Fall ist es im Prinzip möglich, die Rotationsgenauigkeit durch die Minimierung des Abstandes zu verbessern.
Entsprechend einem weiteren bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt die Radiallagereinrichtung eine dynamische Gaslagereinrichtung, die die Rotationsgenauigkeit durch einen durch die Rotation des Rotators erzeugten Gasdruck aufrechterhält Die dynamische Gaslagereinrichtung umfaßt ein Rotationsteil, welches sich mit dem Rotator dreht und ein festes Teil, welches dem Rotationsteil gegenüberliegt, während ein radialer Abstand aufrechterhalten wird. Das Rotationsteil und das feste Teil enthalten keramische Sinterkörper, während eines von den rotierenden und festen Teilen mit einer Rille zum Einführen eines Gases in den Abstand zur Erzeugung eines Gasdrucks versehen ist. Wenn die Radiallagereinrichtung folglich mit einer dynamischen Gasdrucklagereinrichtung ausgerüstet ist, ist es möglich, in hohem Maße die Rotationsgenauigkeit bei hoher Rotation für eine lange Zeit aufrechtzuerhalten, selbst wenn der Abstand zwischen dem Rotations- und dem festen Teil relativ vergrößert ist.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt die Radiallagereinrichtung eine magnetische Lagereinrichtung, die die Rotationsgenauigkeit durch magnetische Anziehung oder Abstoßung aufrechterhält, während ein bestimmter Abstand zwischen derselben und dem Rotator aufrechterhalten ist. Diese magnetische Lagereinrichtung umfaßt ein Rotationsteil, welches mit dem Rotator rotiert, und ein festes Teil, welches dem Rotationsteil gegenüberliegt, während ein radialer Abstand aufrechterhalten wird. Das Rotationsteil und das feste Teil umfassen Magneten zur Erzeugung einer magnetischen Anziehung oder Abstoßung in dem Spalt. Die rotierenden und festen Teile sind durch keramische Sinterkörper gebildet, und die Magneten sind in diesen keramischen Sinterkörpern eingebettet. Auch wenn die Radiallagereinrichtung mit einer magnetischen Lagereinrichtung ausgerüstet ist, ist es möglich, die Rotationsgenauigkeit bei hohen Drehgeschwindigkeiten für eine lange Zeit präzise aufrechtzuerhalten, selbst wenn der Abstand zwischen dem Rotations- und festen Teil relativ vergrößert ist.
Wie oben beschrieben ist, kann die vorliegende Erfindung verschiedene Verbundlagerstrukturen vorsehen, die für die Abstützung von Rotatoren, die bei hohen Drehgeschwindigkeiten rotieren, geeignet sind.
Das Vorangegangene und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung noch offensichtlicher werden, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen herangezogen wird. Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
Fig. 1 ist ein Konzeptdiagramm, das schematisch ein Verbundlagerteil entsprechend dem Ausführungsbeispiel A der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2(A) ist ein Konzeptdiagramm, das schematisch ein Verbundlagerteil entsprechend dem vergleichenden Ausführungsbeispiel B zeigt, und
Fig. 2(B) ist eine vergrößerte Ansicht, die die darin verwendeten Permanentmagneten zeigt;
Fig. 3(A) bzw. 3(B) sind Konzeptdiagramme, die zwei Verbundlagerteile entsprechend dem Ausführungsbeispiel C der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 4 ist ein Konzeptdiagramm, das schematisch ein Verbundlagerteil entsprechend dem Ausführungsbeispiel D der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 5 ist ein Konzeptdiagramm, das schematisch ein Verbundlagerteil entsprechend dem Ausführungsbeispiel E der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 6(A) und 6(B) sind Konzeptdiagranune, die schematisch zwei Verbundlagerteile entsprechend dem Ausführungsbeispiel F der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 7(A) und 7(B) sind Konzeptdiagramme, die schematisch zwei Verbundlagerteile entsprechend dem Ausführungsbeispiel G der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 8 ist ein Konzeptdiagramm, das schematisch ein Verbundiagerteil entsprechend dem vergleichenden Ausführungsbeispiel H zeigt;
Fig. 9(A) und 9(B) sind Graphiken, die die Beziehungen zwischen den Verschleißraten der gesinterten Körper, die die radialen Stoßwiderstandselemente bilden, und den P V-Werten in Beziehung zu einer Verbundlagerstruktur entsprechend der vorliegenden Erfindung und konventionellen und Vergleichsbeispielen zeigen;
Fig. 10 illustriert schematisch die Struktur einer Testmaschine, die für die Bewertung der Lagereigenschaften des Verbundlagerteils entsprechend dem Ausführungsbeispiel G der vorliegenden Erfindung eingesetzt wurde;
Fig. 11 illustriert schematisch die Struktur einer Testmaschine, die zur Bewertung der Lagereigenschaften des Verbundlagerteils entsprechend dem Ausführungsbeispiel D der vorliegenden Erfindung eingesetzt wurde;
Fig. 12 illustriert schematisch die Struktur einer Testmaschine, die zur Bewertung der Lagereigenschaften des vergleichenden Ausführungsbeispiels H in Beziehung zu der vorliegenden Erfindung eingesetzt wurde.
Fig. 13 ist eine Graphik, die die Beziehungen zwischen den Drehgeschwindigkeiten und Drehmomenten bei der Ausführung der strukturellen Beispiele G und D und dem vergleichenden Ausführungsbeispiel H zeigt;
Fig. 14 ist ein Blockdiagramm, das schematisch einen exemplarischen Rotator für einen Polygonalspiegel zeigt, an dem die erfindungsgemäße Verbundlagerstruktur eingesetzt wird;
Fig. 15 ist ein Blockdiagramm, das schematisch einen weiteren exemplarischen Rotator für einen Polygonalspiegel zeigt, an dem die erfindungsgemaße Verbundlagerstruktur eingesetzt wird; und
Fig. 16 ist eine geschnittene Längsansicht, die schematisch die Struktur eines konventionellen Gleitlagerteils des Buchsentyps zeigt.
Tabelle 1 zeigt verschiedene Ausführungsbeispiele A und C bis G von Verbundlagerteilen entsprechend der vorliegenden Erfindung, die durch eine Radiallagereinrichtung und eine Axiallagereinrichtung gebildet sind, und vergleichende Ausführungsbeispiele B und H. Die Fig. 1 bis 8 illustrieren schematisch das Ausführungsbeispiel A, das vergleichende Ausführungsbeispiel B, die Ausführungsbeispiele C bis G bzw. das vergleichende Ausführungsbeispiel H. Mit Bezug auf Tabelle 1 und die Fig. 1 bis 8 werden nun die Ausführungsbeispiele und vergleichenden Beispiele in der richtigen Reihenfolge beschrieben. Tabelle 1

Ausführungsbeispiel A

Die Fig. 1 ist ein Konzeptdiagramm, das schematisch eine Verbundlagerstruktur entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Mit Bezug auf Fig. 1 umfaßt die Verbundlagerstruktur einen inneren Ring 1, einen äußeren Ring 2, eine untere Axialplatte 3 und eine obere Axialplatte 4. Diese Teile 1 bis 4 sind aus gesinterten Keramikkörpern aus Siliziumnitrit geformt. Der innere Ring 1 hat eine zylindrische Form, um fähig zu sein, die äußere Umfangsoberfläche einer vorbestimmten Welle zu umgeben, und es sind eine Vielzahl von V-förmigen radialen Rillen 5 zur Erzeugung eines dynamischen Drucks sind in der zylindrischen Oberfläche des inneren Rings 1 gebildet. Die untere und die obere Axialplatte 3 und 4 sind dazu vorgesehen, in Kontakt mit beiden Endoberflächen des inneren Rings 1 zu sein. Der äußere Ring 2, der ebenfalls eine zylindrische Form hat, ist so vorgesehen, daß er einen bestimmten Abstand zwischen sich und der zylindrischen Oberfläche des inneren Rings 1 als auch mit den inneren Seitenoberflächen der unteren und der oberen Axialplatte 3 und 4 bildet. Eine Vielzahl von axialen Rillen 6 zur Erzeugung eines dynamischen Drucks sind an gegenüberliegenden Oberflächen des äußeren Rings 2 und der unteren Axialplatte 3 vorgesehen. Diese axialen Rillen 6 zur Erzeugung eines dynamischen Drucks, die sowohl in dem äußeren Ring 2 und in der unteren Axialplatte 3 in diesem Ausführungsbeispiel geformt sind, können alternativ auch nur in einem dieser Teile geformt sein.
Bei dem Verbundlagerteil mit der vorgenannten Struktur wird angenommen, daß der äußere Ring 2 sich mit einem Rotator dreht, während der innere Ring 1 und die Axialplatten 3 und 4 an einer bestimmten Welle befestigt sind. Wenn der äußere Ring 2 sich mit dem Rotator dreht, wird Luft in die Abstände zwischen dem äußeren Ring 2 und dem inneren Ring 1 als auch zwischen der unteren Axialplatte 3 entlang der radialen Rillen 5 zur Erzeugung eines dynamischen Drucks und der axialen Rillen 6 zur Erzeugung eines dynamischen Drucks eingeführt, um die Abstände konstant zu halten. Folglich wird ein Luftlager gebildet. Der äußere Ring 2 kann mit dem Rotator bei einer hohen Geschwindigkeit durch den Luftdruck rotieren, der in den Abständen erzeugt wird, ohne in Kontakt mit dem inneren Ring 1 und den Axialplatten 3 und 4 zu kommen.
Entsprechend dem Ausführungsbeispiel A sind sowohl das Radial- als auch das Axiallagerteil durch keramische Luftlagerteile gebildet. Daher wird die radiale Rotationsgenauigkeit durch die radialen Luftlagerteile aufrechterhalten, während eine Belastung in axialer Richtung durch die axialen Luftlagerteile abgestützt wird. Ferner werden die keramischen Sinterkörper, die die Luftlagerteile bilden, aus gesinterten Körpern aus Siliziumnitrit zubereitet, die eine plötzliche radiale Stoßkraft während hohen Drehgeschwindigkeiten abstützen.

Vergleichendes Ausführungsbeispiel B

Die Fig. 2(A) ist ein Konzeptdiagramm, das schematisch eine Verbundlagerstruktur entsprechend dem Vergleichsbeispiel B für die vorliegende Erfindung zeigt, und Fig. 2(B) ist eine vergrößerte Ansicht, die die in dieser Lagerstruktur verwendeten Permanentmagneten zeigt. Mit Bezug auf Fig. 2(A) umfaßt das Verbundlagerteil entsprechend dem Vergleichsbeispiel B einen inneren Ring 1, einen äußeren Ring 2, eine untere Axialplatte 3 und eine obere Axialplatte 4. Diese Teile 1 bis 4 haben als Basismaterialien gesinterte Keramikkörper aus Siliziumnitrit. Der innere Ring 1 hat eine zylindrische Form, um fähig zu sein, die äußere Umfangsoberfläche einer bestimmten Welle zu umgeben. Die Axialplatten 3 und 4 sind dazu vorgesehen, in Kontakt mit beiden Endoberflächen des inneren Rings 1 zu stehen. Der äußere Ring 2 ist so vorgesehen, daß er einen vorbestimmten Abstand zwischen sich und der zylindrischen Oberfläche des inneren Rings 1 und auch der inneren Seitenoberflächen der Axialplatten 3 und 4 aufrechterhält. Bei diesem Vergleichsbeispiel B sind ringartige Permanentmagneten 7, 8, 9 und 10 auf gegenüberliegenden zylindrischen Oberflächen der inneren und äußeren Ringe 1 und 2 angeordnet. Ferner sind spiralförmige Axialrillen 6 zur Erzeugung eines dynamischen Drucks an gegenüberliegenden Oberflächen des äußeren Rings 2 und der unteren Axialplatte 3 angeformt.
Wenn der äußere Ring 2 sich bei dieser Verbundlagerstruktur mit einem Rotator dreht, wird Luft in den Abstand zwischen dem äußeren Ring 2 und der unteren Axialplatte 3 entlang der Axialrillen 6 zur Erzeugung eines dynamischen Drucks eingeführt, um den Abstand konstant zu halten. Folglich wird ein Luftlager gebildet. Auf der anderen Seite sind die Permanentmagneten 7 (9) und 8 (10) des inneren und äußeren Rings 1 und 2 so angeordnet, daß dieselben Pole sich einander gegenüberliegen wie in Fig. 2(B) gezeigt ist, wodurch der Abstand zwischen dem inneren und äußeren Ring 1 und 2 durch Abstoßung konstant gehalten ist.
Wie oben beschrieben ist, wird eine Belastung in axiale Richtung, welche während hohen Drehgeschwindigkeiten aufgebracht wird, durch ein Luftlagerteil abgestützt, während die radiale Rotationsgenauigkeit durch ein magnetisches Lagerteil bei dem vergleichenden Ausführungsbeispiel B aufrechterhalten wird. Wenn eine plötzliche radiale Stoßkraft auf den Rotator während hohen Drehgeschwindigkeiten aufgebracht wird, kommen die gegenüberliegenden Permanentmagneten 7(9) und 8 (10) zwangsläufig in Kontakt miteinander. Folglich ist diese Ausführungsform schwach gegen radiale Stoßkräfte.

Ausführungsbeispiel C

Die Fig. 3(A) und 3(B) sind Konzeptdiagramme, die schematisch Verbundlagerstrukturen entsprechend einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen. Mit Bezug auf Fig. 3(A) umfaßt das Verbundlagerteil einen inneren Ring 1, einen äußeren Ring 2 und Axialplatten 3 und 4. Diese Teile 1 bis 4 sind hauptsächlich durch gesinterte Keramikkörper aus Siliziumnitrit gebildet. Die Axialplatten 3 und 4 sind dazu vorgesehen, in Kontakt mit beiden Endoberflächen des inneren Rings 1 zu sein. Der äußere Ring 2 ist so vorgesehen, daß er einen bestimmten Abstand zwischen sich und einer zylindrischen Oberfläche des inneren Rings 1 und auch der inneren Seitenoberflächen der Axialplatten 3 und 4 aufrechterhält. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Permanentmagneten 7 bis 10 an gegenüberliegenden zylindrischen Oberflächen des inneren und äußeren Rings 1 und 2 vorgesehen. Ferner sind eine Vielzahl von spiralförmigen Axialrillen 6 zur Erzeugung eines dynamischen Drucks an gegenüberliegenden Oberflächen des äußeren Rings und der unteren Axialplatte 3 angeformt. Der Abstand zwischen dem inneren und dem äußeren Ring 1 und 2 ist durch einen ersten Abstand zwischen den diese Teile bildenden keramischen Sinterkörper und einen zweiten Abstand zwischen dem Permanentmagneten 7 (9) und 8 (10) gebildet. Der zweite Abstand ist größer als der erste Abstand.
Wenn der äußere Ring 2 sich bei dem Verbundlagerteil mit einem Rotator mit der vorgenannten Struktur dreht, wird Luft in den Abstand zwischen den äußeren Ring 2 und der unteren Axialplatte 3 eingeführt, um den Abstand konstant zu halten. Folglich wird ein axiales Luftlager gebildet. In radialer Richtung hält andererseits die zwischen den Permanentmagneten 7 (9) und 8 (10) erzeugte Abstoßung einen konstanten Abstand, wobei die Rotationsgenauigkeit während hohen Drehgeschwindigkeiten aufrechterhalten wird. Selbst wenn eine plötzliche radiale Stoßkraft auf den Rotator während einer solchen Rotation aufgebracht wird, kommen der innere und der äußere Ring 1 und 2 in Kontakt miteinander, aber nicht zwischen den Permanentmagneten 7 bis 10, sondern nur zwischen den Sinterkörpern aus Siliziumnitrit mit einer hohen Festigkeit. Folglich wird kein Stoß-Schlag-Verschleiß-Phänomen durch den Kontakt der inneren und äußeren Ringe 1 und 2 bei dem Gleiten während der folgenden hohen Drehgeschwindigkeit verursacht.
Folglich stellt das Ausführungsbeispiel C eine Verbundlagerstruktur bereit, die nicht nur die radiale Rotationsgenauigkeit aufrechterhalten und die Belastungen in axiale Richtung abstützen kann, sondern auch eine plötzliche radiale Stoßkraft aushalten kann. Die Fig. 3(B) zeigt einen weiteren Typ des Ausführungsbeispiels C. Diese Struktur ist von der in Fig. 3(A) gezeigten in einem Punkt verschieden, da ein Permanentmagnet 11 in einen inneren Ring 1 eingebettet ist, während die Permanentmagneten 8 und 10 an äußeren zylindrischen Umfangsoberflächen eines äußeren Rings 2 vorgesehen sind. In diesem Fall erzeugen die Permanentmagneten 8 (10) und 11 eine Abstoßung durch die keramischen Sinterkörper hindurch, die den inneren bzw. äußeren Ring 1 bzw. 2 bilden. In diesem Fall ist ein Abstand zwischen den inneren und den äußeren Ringen 1 und 2 unter Berücksichtigung der Abstoßung zwischen den Permanentmagneten 8 (10) und 11 eingestellt, wie es für die Aufrechterhaltung einer bestimmten Rotationsgenauigkeit erforderlich ist.

Ausführungsbeispiel D

Die Fig. 4 ist ein Konzeptdiagramm, welches schematisch eine Verbundlagerstruktur eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt.
Mit Bezug auf Fig. 4 umfaßt das Verbundlagerteil einen inneren Ring 1, einen äußeren Ring 2 und Axialplatten 3 und 4. Diese Teile 1 bis 4 sind aus keramischen Sinterkörpern aus Siliziumnitrit geformt. Der innere Ring 1 hat eine zylindrische Form, um fähig zu sein, die äußere Umfangsoberfläche einer bestimmten Welle zu umgeben. Die Axialplatten 3 und 4 sind dafür vorgesehen, in Kontakt mit beiden Endoberflächen des inneren Rings 1 zu sein. Der äußere Ring 2 ist so vorgesehen, daß ein bestimmter Abstand zwischen ihm und den Axialplatten 3 bzw. 4 und auch dem inneren Ring 1 aufrechterhalten ist. Spiralförmige Axialrillen 6 zur Erzeugung eines dynamischen Drucks sind an gegenüberliegenden Oberflächen des äußeren Rings 2 und der unteren Axialplatte 3 vorgesehen. Der Abstand zwischen dem inneren und dem äußeren Ring 1 und 2 ist auf einen kleinen Wert eingestellt, um fähig zu sein, eine bestimmte Rotationsgenauigkeit während hohen Drehgeschwindigkeiten aufrechtzuerhalten. Folglich wird eine Belastung in axiale Richtung durch ein Luftlagerelement abgestützt, welches in vorgenannter Weise ausgebildet ist, während die radiale Rotationsgenauigkeit durch den kleinen Abstand zwischen dem inneren und dem äußeren Ring 1 und 2 aufrechterhalten wird. Ferner wird eine plötzliche radiale Stoßkraft, welche während hohen Drehgeschwindigkeiten aufgebracht wird, durch die keramischen Sinterkörper aus Siliziumnitrit mit einer hohen Festigkeit, die den inneren und den äußeren Ring 1 und 2 bilden, abgestützt

Ausführungsbeispiel E

Die Fig. 5 ist ein Konzeptdiagramm, das schematisch ein Verbundlagerteil entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Mit Bezug auf Fig. 5 umfaßt das Verbundlagerteil einen inneren Ring 1, einen äußeren Ring 2, eine untere Axialplatte 13 und eine obere Axialplatte 4. Der innere und äußere Ring 1 und 2 und die obere Axialplatte 4 sind hauptsächlich durch keramische Sinterkörper aus Siliziumnitrit gebildet. Der innere Ring 1 hat eine zylindrische Form, um fähig zu sein, die äußere Umfangsoberfläche einer bestimmten Welle zu umgeben. Eine Vielzahl von V-förmigen radialen Rillen 5 zur Erzeugung eines dynamischen Drucks sind in der zylindrischen Oberfläche des inneren Rings 1 angeformt. Die untere Axialplatte 13 ist aus einem Permanentmagneten gebildet, während der äußere Ring 2 mit ringförmigen Permanentmagneten 12 an einer der unteren Axialplatte 13 gegenüberliegenden Oberfläche versehen ist.
Wenn der äußere Ring 2 sich bei dem Verbundlagerteil mit der vorgenannten Struktur mit einem Rotator dreht, wird Luft in einen Abstand zwischen dem inneren und äußeren Ring 1 und 2 entlang der radialen Rillen 5 zur Erzeugung eines dynamischen Drucks eingeführt, um den Abstand konstant zu halten. Folglich wird ein Luflagerteil so ausgebildet, daß es die radiale Rotationsgenauigkeit aufrechterhält Ferner erzeugen der Permanentmagnet 12 des äußeren Rings 2 und die untere Axialplatte (Permanentmagnet) 13 eine Abstoßung, um einen bestimmten Abstand zwischen dem äußeren Ring 2 und der unteren Axialplatte 13 aufrechtzuerhalten. Folglich wird eine Belastung in axialer Richtung während hohen Drehgeschwindigkeiten abgestützt Zusätzlich sind der innere und der äußere Ring 1 und 2 durch keramische Sinterkörper aus Siliziumnitrit mit einer hohen Festigkeit gebildet, weshalb kein Schlag-Verschleiß- Phänomen verursacht wird, selbst wenn der innere Ring 1 mit dem äußeren Ring 2 aufgrund der Aufbringung einer plötzlichen Stoßkraft während hohen Drehgeschwindigkeiten in Kontakt kommt.
Folglich stellt das Ausführungsbeispiel E ein Verbundlagerteil bereit, das nicht nur die Rotationsgenauigkeit aufrechterhalten und eine Belastung in axiale Richtung während hohen Drehgeschwindigkeiten abstützen kann, sondern auch eine Stoßkraft während hohen Drehgeschwindigkeiten aushalten kann.

Ausführungsbeispiel F

Die Fig. 6(A) und 6(B) sind Konzeptdiagramme, die schematisch die Strukturen von Verbundlagerteilen entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen. Mit Bezug auf Fig. 6(A) umfaßt das Verbundlagerteil einen inneren Ring 1, einen äußeren Ring 2 und Axialplatten 3 und 4. Diese Teile 1 bis 4 sind hauptsächlich aus keramischen Sinterkörpern aus Siliziumnitrit gebildet. Dieses Ausführungsbeispiel ist verschieden von dem Ausführungsbeispiel C, welches in Fig. 3(A) gezeigt ist, hinsichtlich der Struktur eines Lagerteils in axialer Richtung. An gegenüberliegenden Oberflächen des äußeren Rings 2 und der unteren Axialplatte 3 sind Permanentmagneten 15 und 16 vorgesehen. Der Permanentmagnet 15 liegt auch gegenüber einem Permanentmagneten 14, der an dem inneren Ring 1 vorgesehen ist. Folglich wird eine Belastung in axiale Richtung auch durch ein magnetisches Lagerteil abgestützt Entsprechend diesem Ausführungsbeispiel F hält das magnetische Lagerteil die radiale Rotationsgenauigkeit und stützt die Belastung in axiale Richtung ab, während die keramischen Sinterkörper mit der hohen Festigkeit eine radiale Stoßkraft aufnehmen.
Die Fig. 6(B) zeigt einen anderen Typ des Ausführungsbeispiels F. Diese Struktur ist von dem Ausführungsbeispiel C, das in Fig. 3(B) gezeigt ist, in einem Punkt verschieden, da eine Belastung in axialer Richtung nicht durch ein Luftlagerelement, sondern durch ein magnetisches Lagerelement abgestützt ist. Ein Permanentmagnet 17, der an einer unteren Axialplatte 3 vorgesehen ist, liegt namlich gegenüber einem Permanentmagneten 10, der an einem äußeren Ring 2 vorgesehen ist.

Ausführungsbeispiel G

Die Fig. 7(A) und 7(B) sind Konzeptdiagramme, die schematisch die Strukturen eines Verbundlagerteils entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen. Mit Bezug auf Fig. 7(A) umfaßt das Verbundlagerteil einen inneren Ring 1, einen äußeren Ring 2, eine untere Axialplatte 13 und eine obere Axialplatte 4. Der innere und äußere Ring 1 und 2 und die obere Axialplatte 4 sind hauptsächlich aus keramischen Sinterkörpern aus Siliziumnitrit gebildet. Der innere Ring 1 hat eine zylindrische Form, um fähig zu sein, die äußere Umfangsoberfläche einer bestimmten Welle zu umgeben. Die Axialplatten 13 und 4 sind dafür vorgesehen, in Kontakt mit beiden Endoberflächen des inneren Rings 1 zu sein. Die untere Axialplatte 13 ist aus einem Permanentmagneten gebildet. Der äußere Ring 2 ist mit einem Permanentmagneten 12 an einer Oberfläche versehen, die der unteren Axialplatte 13 gegenüberliegt Zwischen dem inneren und dem äußeren Ring 1 und 2 ist ein Abstand auf einen Meinen Wert eingestellt, um fähig zu sein, eine bestimmte Rotationsgenauigkeit während hohen Drehgeschwindigkeiten aufrechtzuerhalten. Folglich wird eine Belastung in axialer Richtung, die durch die Permanentmagneten 12 und die Axialplatte (Permanentmagnet) 13 erzeugte Abstoßung abgestützt, während eine radiale Stoßkraft durch die gesinterten Körper aus Siliziumnitrit mit der hohen Festigkeit, die die inneren und äußeren Ringe 1 und 2 bilden, abgestützt.
Mit Bezug auf Fig. 7(B) umfaßt das Verbundlagerteil andererseits eine obere Axialplatte 19 aus einem Permanentmagneten und einen äußeren Ring 2, der mit einem Permanentmagneten 18 an einer dazu gegenüberliegenden Oberfläche versehen ist, um dazu fähig zu sein, eine bestimmte Rotationsgenauigkeit während hohen Drehgeschwindigkeiten aufrechtzuerhalten, selbst wenn zwischen einem inneren Ring 1 und dem äußeren 2 ein Abstand auf einen größeren Wert verglichen mit dem in Fig. 7(A) gezeigten Verbundlagerteil eingestellt ist. Dies ist so, weil die oberen und unteren Bereiche des äußeren Rings 2 durch magnetische Lager gehalten sind, die eine Neigung des äußeren Rings 2 während hohen Drehgeschwindigkeiten unterdrücken.

Vergleichendes Ausführungsbeispiel H

Die Fig. 8 ist ein Konzeptdiagramm, das schematisch die Struktur eines Verbundlagerteils entsprechend einem vergleichenden Ausführungsbeispiel H für die vorliegende Erfindung zeigt. Mit Bezug auf Fig. 8 umfaßt das Verbundlagerteil einen inneren Ring 1, einen äußeren Ring 2 und Axialplatten 3 und 4. Diese Teile 1 bis 4 sind durch keramische Sinterkörper aus Siliziumnitrit gebildet. Der innere Ring 1 hat eine zylindrische Form, um geeignet zu sein, die äußere Umfangsoberfläche einer bestimmten Welle zu umgeben. Die Axialplatten 3 und 4 sind dafür vorgesehen, in Kontakt mit beiden Endoberflächen des inneren Rings 1 zu sein. Der äußere Ring 2 ist so vorgesehen, daß ein bestimmter Abstand zwischen demselben und dem inneren Ring 1 als auch zu den Axialplatten 3 und 4 aufrechterhalten ist. Entsprechend dem Verbundlagerteil mit der vorgenannten Struktur ist der Abstand zwischen dem inneren und dem äußeren Ring 1 und 2 auf einen kleinen Wert eingestellt, um die radiale Rotationsgenauigkeit während hohen Drehgeschwindigkeiten aufrechtzuerhalten. Ferner wird eine plötzliche Stoßkraft während hohen Drehgeschwindigkeiten durch die keramischen Sinterkörper aus Siliziumnitrit mit einer hohen Festigkeit, die den inneren und den äußeren Ring 1 und 2 bilden, abgestützt. Es ist jedoch schwierig, eine Belastung in axiale Richtung durch die Axialplatten 3 und 4 während hohen Drehgeschwindigkeiten abzustützen.
Hinsichtlich der Stützstrukturen für Belastungen in axiale Richtung können die magnetischen Lagerelemente entsprechend den Ausführungsbeispielen E bis G in ihrer Struktur verglichen mit den Luftlagern entsprechend den Ausführungsbeispielen A, C und D und dem vergleichenden Ausführungsbeispiel B vereinfacht werden. Um eine Belastung in axiale Richtung durch ein Luftlagerelement abzustützen, wird eine konstante Fläche zum Absichern der Anhebung notwendig. Ein Luftlagerelement kann ferner nicht eine Anhebung erzeugen, bis die Rotationsgeschwindigkeit einen konstanten Wert überschreitet, während ein magnetisches Lagerelement eine Anhebung sofort beim Starten der Rotation erzeugen kann.
Eine Einrichtung zum Verbessern der radialen Rotationsgenauigkeit wird effektiv durch ein radiales Luftlagerelement (Ausführungsbeispiele A oder E) gebildet, oder eine Kombination mit einem magnetischen Lagerelement (vergleichendes Ausführungsbeispiel B oder Ausführungsbeispiele C oder F). Auch wenn ein Gleitlagerelement des Buchsentyps eingesetzt wird, ist es möglich, die Rotationsgenauigkeit durch die Einstellung eines Abstands (Spalt) zwischen dem inneren und dem äußeren Ring auf einen kleinen Wert zu verbessern (Ausführungsbeispiele D oder G oder vergleichendes Ausführungsbeispiel H).
Außer für das vergleichende Ausführungsbeispiel B, welches keine keramischen Sinterkörper für die radialen Lagerelemente einsetzt, kann jedes der vorgenannten Ausführungsbeispiele den radialen Stoßwiderstand befriedigen, und verursacht kein Brennen, selbst wenn die radiale Stoßkraft während hohen Drehgeschwindigkeiten aufgebracht wird und der innere und der äußere Ring in Kontakt miteinander kommen. Insbesondere wenn keramische Sinterkörper aus Siliziumnitrit mit einer hohen Festigkeit eingesetzt werden, ist es möglich, exzellente Lagereigenschaften zu erhalten, da kein Abplatzen verursacht wird.
In Beziehung zu einem Material für ein widerstandsfähiges Teil gegen radiale Stöße für die erfindungsgemäße Verbundlagerstruktur wird nun ein Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Körpers aus Siliziumnitrit beschrieben.
Rohmaterialpulver aus Si&sub3;N&sub4; wurde mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 0,3 µm, einer Teilchengrößenverteilung von 3p = 0,20 µm, einer α Kristallisationsrate von 96,5 % und einem Sauerstoffgehalt von 1,4 Gewichtsprozent zubereitet. 92 Gewichtsprozent dieses Si&sub3;N&sub4; Rohmaterialpulvers wurde mit 4 Gewichtsprozent von Y&sub2;O&sub3;-Pulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 0,8 µm, 3 Gewichtsprozent von Al&sub2;O&sub3;-Pulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 0,5 µm und 1 Gewichtsprozent von AlN-Pulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 1,0 µm naß in Ethanol für 100 Stunden mit einer Kugelmühle gemischt. Danach wurde das gemischte Pulver getrocknet und einem CIP-Formen (Cold Isostatic Pressing) unter einem Druck von 5000 kg/cm² ausgesetzt. Der so gebildete Preßling wurde in einer Stickstoff-Gasatmosphäre von 1 atm. bei einer Temperatur von 1600ºC für vier Stunden gehalten. Dann wurde der Preßling bei einer Temperatur von 1750ºC für sechs Stunden gesintert, um einen gesinterten Körper zu erhalten. Danach wurde dieser gesinterte Körper einer HIP-Pressung (Hot Isostatic Pressing) in einer gasförmigen Stickstoffatmosphäre von 1000 atm. bei einer Temperatur von 1700ºC für zwei Stunden ausgesetzt.
Der so erhaltene gesinterte Körper aus Siliziumnitrit zeigte einen mittleren Partikeldurchmesser um die Hauptachse von nicht mehr als 5 µm, ein Kristallkömchenlängenverhältnis von mindestens 4 und einen maximalen Partikeldurchmesser um die Hauptachse von nicht mehr als 15 µm. Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften zeigte dieser gesinterte Körper eine JIS (Japanese Industrial Standard) Dreipunktbiegefestigkeit von mindestens 80 kg/mm² und eine Bruchfestigkeit von mindestens 5 MPa m1/2. Teststücke von Mustern a bis e wurden aus einem gesinterten Körper herausgeschnitten und einer Bewertung der Verschleißfestigkeit nach einem Verschleißfestigkeitstests des Amslertyps ausgesetzt.
Die fig. 9(A) ist ein Graph, der die Beziehungen zwischen den Produkten (P V) von Belastungen, die auf die Muster a bis e aufgebracht wurden, und Drehgeschwindigkeiten und Verschleißraten zeigt. Mit Bezug auf Fig. 9(A) zeigen die Kurven a bis e Resultate der Messungen der folgenden Muster:
Erfindungsgemäßes Muster a: Ein durch das vorgenannte Verfahren erhaltener gesinterter Körper aus Siliziunmitrit mit einer Feinheit von 40 Kristallkörnern pro 30 µm in der Länge, einem Grenzphasenvolumenverhältnis von 8 Volumenprozent, einer Porosität von 0,05 % und einem maximalen Porendurchmesser von 8 µm.
Vergleichsmuster b: Ein durch das vorgenannte Verfahren erhaltener gesinterter Körper aus Siliziumnitrit mit einer Feinheit von 30 Kristallkörnern pro 30 µm in der Länge, einem Grenzphasenvolumenverhältnis von 16 Volumenprozent, einer Porosität von 8,2 % und einem maximalen Porendurchmesser von 22 µm.
Konventionelle Muster c d und e: Gesinterte Körper aus Siliziumnitrit, wie sie in Yogyo Kyokai-Shi, 1985, Band 93, S. 73 bis 80 (insbesondere Fig. 3) beschrieben sind.
Nach dem Verschleißwiderstandstest von Anisler, wurden zwei ringartige Muster von 16 mm mal 30 mm Durchmesser mal 8 mm an eine Drehwelle einer Testmaschine befestigt, so daß die Umfangsoberflächen davon genau in Kontakt miteinander waren, und es wurde eine bestimmte Belastungen aufgebracht, um die Drehwelle bei einer bestimmten Geschwindigkeit anzutreiben, wobei ein Gleittest von ungefähr 100.000 Umdrehungen durchgeführt wurde. Danach wurde der Grad an Gewichtsreduzierung der zwei Muster gemessen.
Wie klar aus Fig. 9(A) erkennbar ist, hat der erfindungsgemäße gesinterte Körper eine bemerkenswerte exzellente Verschleißfestigkeit. Die Fig. 9(B) zeigt die P.V-Werte (kg m/s), die in Fig. 9(A) auftreten, in den Flächenbereichen der Gleitoberflächen. Es ist zu berücksichtigen, daß ein nach der vorgenannten Weise erzeugter gesinterter Körper einem Gleiten mit hohen Drehgeschwindigkeiten beispielsweise bei einem drehenden Polygonalspiegels für einen Laserprinter ausgesetzt ist. Der Polygonalspiegel ist in der Form eines Polyeders (hexa- bis icosaeder), welcher in einem abgegrenzten Zylinder von ungefähr 30 bis 150 mm Durchmesser aufgenommen ist, mit einer Dicke von ungefähr 10 mm und einem Gewicht im Bereich von ungefähr 20 bis 500 g. In der Annahme, daß ein Lagerelement zum Halten des Polygonalspiegels einen Durchmesser von 10 mm hat und der Polygonalspiegel bei einer Geschwindigkeit von 2.000 bis 100.000 Umdrehungen pro Minute rotiert, ist seine Umfangsgeschwindigkeit 100 bis 5.200 cm/s. Es wird angenommen, daß der Lagerbereich 3,14 cm, der P V-Wert (kg/cm.s) 1 bis 828 kg/cm.s ist. Es wird auf Fig. 9(B) wegen der P V-Werte in diesem Bereich Bezug genommen. Der erfindungsgemäße gesinterte Körper zeigt eine niedrige Verschleißrate im Hinblick auf den großen Bereich von P V-Werten von 1 bis 600 kg/cm s und kann ein Gleiten während Hochgeschwindigkeitsrotationen des Polygonalspiegels ausreichend aushalten.
In dem vorgenannten Beispiel wird angenommen, daß der gesinterte Körper regulär während hohen Drehgeschwindigkeiten gleitet. Auch in diesem Fall zeigt der erfindungsgemäße gesinterte Körper eine niedrige Verschleißrate im Hinblick auf den großen Bereich an P V-Werten. Selbst wenn eme plötzliche Stoßkraft aufgebracht wird, um ein Gleiten nachfolgend zu der Hochgeschwindigkeitsrotation zu verursachen, kann daher der erfindungsgemäße gesinterte Körper ein solches Gleiten ausreichend überstehen.
Die vorgenannten Ausführungsbeispiele G und D und das vergleichende Ausführungsbeispiel H wurden einer Bewertung der Lagerfunktion mit vorbestimmten Testmaschinen ausgesetzt.
Die Fig. 10 illustriert schematisch eine Testmaschine, die zur Bewertung der Lagerfunktion des Ausführungsbeispiels G eingesetzt wurde. Ein innerer Ring 50 des vorgenannten gesinterten Körpers aus Siliziumnitrit wurde mit einem inneren Durchmesser von 10 mm zubereitet, um mit einem Rotator 200 zu rotieren. Ein äußerer Ring 100 des vorgenannten gesinterten Körpers aus Siliziumnitrit wurde zubereitet, um einen vorbestimmten Abstand zwischen demselben und dem inneren Ring 50 auszubilden. An einem oberen Bereich des Rotators 200 wurde ein magnetisches Lager 500, welches durch eine Abstoßung eines Ferritmagneten gebildet ist, befestigt.
Die Fig. 11 zeigt schematisch eine Testmaschine, die zur Bewertung der Lagerfunktion des Ausführungsbeispiels D eingesetzt wurde. Ein innerer Ring 1000 des vorgenannten gesinterten Körper aus Siliziumnitrit wurde mit einem inneren Durchmesser von 10 mm zubereitet, um mit einem Rotator 200 zu rotieren.
Ein äußerer Ring 1100 des vorgenannten gesinterten Körpers aus Siliziumnitrit wurde zubereitet, um einen bestimmten Abstand zwischen demselben und dem inneren Ring 1000 zu bilden. Eine Axialplatte 900 aus einem gesinterten Keramikkörper aus Siliziumnitrit wurde unter dem äußeren Ring 1100 vorgesehen. Eine spiralförmige Rille 1200 zur Erzeugung eines dynamischen Drucks wurde in eine Oberfläche des inneren Rings 1000 angeformt, die der Axialplatte 900 gegenüberliegt.
Die Fig. 12 zeigt schematisch eine Testmaschine, die zur Bewertung der Lagerfunktion des vergleichenden Ausführungsbeispiels H eingesetzt wurde. Ein innerer Ring 700 aus dem vorgenannten gesinterten Körper aus Siliziumnitrit wurde mit einem inneren Durchmesser von 10 mm zubereitet, um mit einem Rotator 200 zu rotieren. Ein äußerer Ring 800 aus dem vorgenannten gesinterten Körper aus Siliziumnitrit wurde erzeugt, um einen bestimmten Abstand zwischen demselben und dem inneren Ring 700 zu bilden. Eine Axialplatte 600 eines gesinterten Keramikkörpers aus Siliziumnitrit wurde unter dem äußeren Ring 800 mit einem vorbestimmten Abstand zwischen der ersteren und dem letzteren vorgesehen.
Bei der Verwendung der vorgenannten Testmaschinen zur Bewertung der Lagerfunktionen wurde die Umdrehungsanzahl der Rotatoren 200 auf eingestellte Werte durch die Motoren 300 erhöht und dann bei einem eingestellten Wert für 10 Minuten gehalten. Danach wurden die Drehmomente mit Drehmomentmessern 400 gemessen.
Die Fig. 13 ist ein Graph, der die Beziehungen zwischen der Umdrehungsanzahl (Umdrehung pro Minute) (oder Umfangsgeschwindigkeiten (m/s) an der inneren Umfangsoberfläche des inneren Rings) des Rotators, der gemäß den Ausführungsbeispielen G und D und das vergleichende Ausführungsbeispiel H abgestützt war, und dem Antriebsdrehmoment (g cm) auf der Basis der Resultate der vorgenannten Messungen zeigt. Schwarze Kreise, Dreiecke und weiße Kreise zeigen Ergebnisse der Ausführungsbeispiele G, D bzw. des vergleichenden Ausführungsbeispiels H. Wie klar aus Fig. 13 erkennbar ist, hat das Ausführungsbeispiel G das minimale Verhtnis der Anstiegsrate von der Anzahl an Umdrehungen (Umfangsgeschwindigkeit) zu dem des Antriebsdrehmoments, während das Ausführungsbeispiel D ein mittleres Verhältnis und das vergleichende Ausführungsbeispiel H das maximale Verhältnis hat.
Wie aus den vorgenannten Meßergebnissen erkennbar ist, ist es möglich, den Anstieg des Antriebsdrehmoments mit Bezug auf den Anstieg der Rotationsgeschwindigkeit durch die Verwendung eines magnetischen Lagerelements als ein Lagerelement in axialer Richtung in der erfindungsgemäßen Verbundlagerstruktur extrem zu unterdrücken. Mit anderen Worten, es ist am meisten zu bevorzugen, eine Belastung in axiale Richtung, die am stärksten zum Anstieg des Reibungswiderstandes des Lagerelements beiträgt, durch ein magnetisches Lagerelement aufzunehmen.
Die erfindungsgemäße Verbundlagerstruktur kann für einen drehenden Polygonalspiegel, beispielsweise für einen Laserdrucker, eingesetzt werden. Ein solcher drehender Polygonalspiegel für einen Laserdrucker wird nun beschrieben.
Die Fig. 14 zeigt schematisch eine exemplarischen drehenden Polygonalspiegel 30, der für einen Laserdrucker eingesetzt wird. Mit Bezug auf Fig. 14 ist ein Rahmen 20a eines Rotors 20 mit einer Spindel 21 versehen. Ein zylindrischer Ring 22 aus dem vorgenannten gesinterten Körper aus Siliziumnitrit ist an dem äußeren Umfang der Spindel 21 befestigt. Ferner sind flache Axialplatten 23 und 24 aus den vorgenannten gesinterten Körpern aus Siliziumnitrit (oder Permanentmagneten) an Basis- bzw. vorderen Enden der Spindel 21 befestigt, um an oberen und unteren Seiten des inneren Rings 22 angeordnet zu sein. Ein äußerer Ring 25, der als ein Rotator dient, der einen Zapfenbereich des drehenden Polygonalspiegels 30 bildet, ist auch durch den vorgenannten gesinterten Körper aus Siliziumnitrit in der Form eines Rings gebildet. Folglich bilden die Teile 22, 23, 24 und 25 eine Verbundlagerstruktur, korrespondierend zu den Ausführungsbeispielen A, C, D, E, F oder G.
Ein aluminiumreflektierender Rahmen 27 ist an dem äußeren Umfang des äußeren Rings 25 befestigt. Vorbestimmte Abstände sind zwischen dem inneren und dem äußeren Ring 22 und 25 als auch zwischen den Axialplatten 23 und 24 und dem äußeren Ring 25 gebildet. Eine Vielzahl an Spiegeloberflächen 27a sind an dem äußeren Umfang des reflektierenden Rahmens 27 gebildet, um ein Polyeder, wie beispielsweise Oktaeder, um den inneren Ring 22 zu bilden. An einer Oberfläche einer Bodenwand des Rahmens 20a sind auf der anderen Seite eine Vielzahl von Spulen 28 entlang einem Umfang angeordnet, der konzentrisch zu der Spindel 21 ist. Eine Vielzahl von Permanentmagneten 29 sind an der inneren Oberfläche des reflektierenden Rahmens 27 angeordnet, um den Spulen 28 gegenüberzuliegen. Der äußere Ring 25 und der reflektierende Rahmen 27 bilden einen Rotor des Antriebsmotors 20.
Die Tabellen 2, 3 und 4 zeigen die Ergebnisse der Funktionsbewertung in Beziehung zu den Ausführungsbeispielen E, F und G, die an dem drehenden in Fig. 14 gezeigten Polygonalspiegel eingesetzt wurden.
Mit Bezug auf die Tabellen 2 bis 4 zeigen stationäre Ströme momentane Werte des Antriebsmotors, die gemessen wurden, wenn der Polygonalspiegel eine stationäre Rotation erreicht, beispielsweise Werte, die mit Antriebsmomenten korrespondieren.
Die Neigungswinkel der Spiegeloberflächen wurden gemessen, um den Grad an Vibration des Polygonalspiegels während der Rotation zu bewerten. Die Oberflächenneigungswinkel, die in Tabellen 2 bis 4 erscheinen, zeigen Werte der maximalen Vibrationsweite von allen Spiegeloberflächen an.
Mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel E, das in Fig. 5 gezeigt ist, hat der innere Ring 1 einen äußeren Durchmesser von 20 mm und eine Länge von 30 mm, während der Abstand zwischen dem inneren und dem äußeren Ring 1 und 2 60 µm ist.
Mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel F, das in Fig. 6(A) gezeigt ist, hat der innere Ring 1 einen äußeren Durchmesser von 20 mm in dem Bereich, der aus dem gesinterten Keramikkörper aus Siliziumnitrit gebildet ist, und eine Länge von 30 mm, während der Abstand zwischen dem inneren und dem äußeren Ring 1 und 2 40 µm ist.
Mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel G, das in Fig. 7(A) gezeigt ist, hat der innere Ring 1 einen äußeren Durchmesser von 20 mm und eine Länge von 30 mm, während der Abstand zwischen dem inneren und dem äußeren Ring 1 und 2 2,5 µm ist. Tabelle 2 Tabelle 3 Tabelle 4
Bei jedem der Ausführungsbeispiele E, F und G wurde der Oberflächenneigungswinkel des Spiegels unter einen Bereich von einer Minute nach dem Antrieb bei einer Anzahl von Umdrehungen von 100.000 Umdrehungen pro Minute für 10.000 Stunden gedrückt. Es ist aus den vorgenannten Ergebnissen verständlich, daß ein Rotator eines Polygonalspiegels, der die erfindungsgemäßen Verbundlagerteile verwendet, eine exzellente Rotationsgenauigkeit zeigt, selbst wenn eine Hochgeschwindigkeitsrotation für eine lange Zeit durchgeführt wird.
Mit Bezug auf die Tabellen 2 bis 4 erreichten die Lagerstrukturen der Ausführungsbeispiele E, F und G Oberflächenneigungswinkel von im wesentlichen ähnlichem Gradzahlen. Wenn das Ausführungsbeispiel G (Tabelle 4) verwendet wird, ist es jedoch notwendig, den Abstand zwischen dem inneren und dem äußeren Ring auf einen kleinen Wert einzustellen, wie hierin beschrieben wurde. Wenn das Ausführungsbeispiel E oder F (Tabelle 2 oder 3) auf der anderen Seite eingesetzt wird, ist es möglich, den Abstand zwischen dem inneren und dem äußeren Ring auf einen relativ Meinen Wert einzustellen, wie hierin beschrieben wurde.
Fig. 15 zeigt schematisch einen anderen exemplarischen Polygonalspiegelrotator, bei dem die erfindungsgemäße Verbundlagerstruktur eingesetzt wird. Mit Bezug auf Fig. 15 ist ein Gehäuse 51 an seiner Achse mit einer Drehwelle 52 versehen, die drehbar durch eine Verbundlagerstruktur 53 abgestützt ist, die durch irgendeines der Ausführungsbeispiele A, C, D, E, F und G gebildet ist. Dieses Verbundlagerelement 53 ist durch einen inneren Ring 60, Axialplatten 61 und 62 und einen äußeren Ring 63 gebildet. Ein Rotor 54 ist an dem äußeren Ring 63 des Verbundlagerelements 53 befestigt. Das Gehäuse 51 ist ferner mit einem Fenster 57 versehen, während ein Polygonalspiegel 56 an einem oberen Bereich der Drehwelle 52 befestigt ist, um dem Fenster 57 gegenüberzuliegen.
Obwohl das erfindungsgemäße Verbundlagerelement an einem Lagerelement für einen drehenden Polygonalspiegel verwendet wird, ist die vorliegende Erfindung nicht auf dieses beschränkt. Das erfindungsgemäße Verbundlagerelement ist beispielsweise auch für ein Lager für einen Spindelmotor zur Drehung einer Harddisc und einer photomagnetischen Disc, ein Turbinenlager für einen Kompressor, der bei einer hohen Geschwindigkeit von 80.000 bis 150.000 Umdrehungen pro Minute rotiert, ein Lager für eine Turbine oder einen Kompressor, das mit einer hohen Geschwindigkeit von 20.000 bis 30.000 Umdrehungen pro Minute rotiert, ein Hochgeschwindigkeitsrotationslager für eine Turbopumpe eines Raketenmotors, ein Lager, welches für ein Maschinenwerkzeug, wie eine ultrapräzise CNC- Drehbank, eine ultrapräzise Drehbank für die Bearbeitung eines Zylinders oder eine ultrapräzise Oberflächenschleifmaschine, oder ähnliche Anwendungen einsetzbar.
Obwohl die vorliegende Erfindung im Detail beschrieben und illustriert wurde, ist es klar zu verstehen, daß dieselbe nur zur Illustration und beispielhaft ist und nicht zur Begrenzung herangezogen werden darf, wobei der Umfang der vorliegenden Erfindung nur durch die angehängten Ansprüche eingeschränkt wird.

Claims

1.Verbundlagerstruktur zur Abstützung eines Rotators mit einer bestimmten Belastung, der sich mit hoher Geschwindigkeit dreht, wobei die Verbundlagerstruktur

Radiallagermittel (1, 2) mit keramischen Sinterkörpern, die auffesten und sich drehenden Teilen vorgesehen sind, zur Abstützung der radialen Stoßkraft und Erhaltung der radialen Drehgenauigkeit, wobei die Radiallagermittel entweder durch ein Gleitlager, ein dynamisches Gasdrucklager oder ein magnetisches Lager mit einer keramischen Hülse gebildet sind, und ein Axiallagermittel (2, 12, 3, 13), das entweder durch ein dynamisches Gaslager oder eine magnetische Lagerung gebildet ist, aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die zwei Körper des festen und des sich drehenden Teils der Radiallagermittel (1, 2) beide aus Siliziumnitrit hergestellt sind, das Kristallkörner mit einer Feinheit von mindestens 35 Körnern/30 µm in der Länge mit einem Grenzphasenvolumenverhältnis von nicht mehr als 15 Volumenprozent und Poren, deren maximaler Durchmesser nicht größer als 20 µm ist, in einem Anteil von nicht mehr als 3% enthält.

2. Verbundlagerstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Axiallagermittel durch ein dynamisches Gasdrucklager gebildet ist, das ein Rotationsteil (2), das sich mit dem Rotator dreht, und ein festes Teil (3), das dem Rotationsteil gegenüberliegt, während es in axialer Richtung einen Abstand aufrechterhält, aufweist.

3. Verbundlagerstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotationsteil (2) und das feste Teil (3) keramische Sinterkörper umfassen, und daß Rillen (6) in einem der Rotations- oder festen Teile zur Einführung eines Gases in dem Abstand geformt sind, um einen Gasdruck aufzubauen.

4. Verbundlagerstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Radiallagermittel durch ein dynamisches Gasdrucklager mit einem Rotationsteil (2), das sich mit dem Rotator dreht, und einem festen Teil (1), das dem Rotationsteil gegenüberliegt, während es in radialer Richtung den Abstand aufrechterhält, gebildet ist.

5. Verbundlagerstruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotationsteil (2) und das feste Teil (1) keramische Sinterkörper umfassen, und entweder das Rotationsteil oder das feste Teil mit einer Rille (5) versehen ist, um ein Gas in den Abstand einzuführen, um einen Gasdruck aufzubauen.

6. Verbundlagerstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Radiallagermittel durch ein Gleitlager gebildet ist, das einen keramischen Sinterkörper zur Aufrechterhaltung der Rotationsgenauigkeit aufweist, während ein bestimmter Abstand zwischen demselben und dem Rotator aufrechterhalten ist.

7. Verbundlagerstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Axiallagermittel durch eine magnetische Lagerung gebildet ist, die ein Rotationsteil (2, 12), das sich mit dem Rotator dreht, und ein festes Teil (3, 13), das dem Rotationsteil gegenüberliegt, während es in axialer Richtung den Abstand aufrechterhält, aufweist.

8. Verbundlagerstruktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotationsteil und das feste Teil Magneten (12, 13, 10, 17, 15, 16) zur Erzeugung einer magnetischen Anziehung oder Abstoßung in dem Abstand aufweisen.

9. Verbundlagerstruktur nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekeimzeichnet, daß das Radiallagermittel durch ein dynamisches Gasdrucklager gebildet ist, das ein Rotationsteil (2), das sich mit dem Rotator dreht, und ein festes Teil (1), das dem Rotationsteil gegenüberliegt, während es in radialer Richtung den Abstand aufrechterhält, aufweist.

10. Verbundlagerstruktur nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotationsteil (2) und das feste Teil (1) keramische Sinterkörper umfassen, und entweder das Rotationsteil oder das feste Teil mit einer Rille (5) versehen ist, um ein Gas in den Abstand einzuführen, um einen Gasdruck aufzubauen.

11. Verbundlagerstruktur nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Radiallagermittel durch ein Gleitlager gebildet ist, das einen keramischen Sinterkörper zur Aufrechterhaltung der Rotationsgenauigkeit umfaßt, während er einen bestimmten Abstand zwischen demselben und dem Rotator aufrechterhält