JPWO2004070219A1 - 動圧軸受用の軸、動圧軸受、およびこの軸の製造方法 - Google Patents

Abstract

動圧軸受用の軸２の製造方法は、動圧軸受用の軸２に加工される棒状の材料５とこの材料５の外周面５ａを加工する研削砥石（加工具）１１との間の相対的な振動を制御することにより、複数の溝２ｂが外周面５ａの周方向に並べて配置され、溝２ｂ及び外周面２ａの表面粗さが一様で、周方向に加工目が揃っている軸２を造る。

Description

本発明は、軸受部と相対的に回転することによって軸受部との間に動圧を発生させる形状に外周面が形成された動圧軸受用の軸と、この軸を備える動圧軸受、及びこの軸の製造方法に関する。

動圧軸受において、回転軸心の安定性を向上させるために、軸と軸受部の摺動面の少なくともどちらか一方に、摺動方向を横切る方向に溝を形成したものがある。溝は、いわゆる杉綾模様に配置されたヘリングボーン型（例えば、特開２０００−２２７１１９号公報参照。）と、回転軸心と平行に配置されたもの（例えば、国際公開第９８／３８４３３号パンフレット参照。）とがある。
また、固定軸とこの固定軸の外周に遊嵌して回転する中空回転軸を備え、固定軸外周形状を等径多円弧形状、あるいは、等径歪円形状とし、固定軸外周と中空回転軸内周との隙間の形状を奇数（３個）の正弦波状に形成した光偏向器に用いられる動圧空気軸受がある（例えば、特開平７−２３００５６号公報参照。）。軸の表面は、アルマイト処理が施されている。
なお、本発明における動圧軸受および動圧軸受用の軸とは、低速または高速に一方向回転または往復回転（正逆回転）あるいは連続回転、断続回転する回転体、もしくはそれを支持する部材であって、回転により潤滑媒体を周方向または長手方向に移動させる機能を有し、摺動抵抗を低減して回転を安定化するものである。
動圧軸受の高回転数領域におけるハーフホワールの発生が抑制される程度に、かつ、軸と軸受部とが低回転数まで衝突せずに安定して回転する程度に、動圧軸受の回転精度を向上させるためには、溝数を増やすとともに溝形状をより精度よく加工しなければならない。ヘリングボーン形の溝は、加工コストを抑えるために、マスキングを施した棒材にエッチングやブラストまたはピーニングすることで形成される。これらの工法において、ある程度以上の加工精度は、期待できない。また、ヘリングボーン形のパターンの向きによって回転特性が異なるため、回転方向を考慮した組立が要求される。
エッチング、ブラスト、ピーニング、研削、レーザ加工によって溝を回転軸心に沿う方向に形成する場合、溝と外周形状との境界に不連続部が形成される。そのため、回転数が大きくなると、不連続部から回転方向の下流側に剥離層が形成されやすい。剥離層が形成されると、軸と軸受部との間に所望する動圧を発生できなくなる場合がある。
そして、いずれの加工方法においても、溝を形成する加工とは別に、軸や軸受部そのものの真円度を高めるための加工工程を設けなければならない。また、真円度加工と溝加工を施される軸は、工程毎に再現性の高い加工位置決め精度が必要である。この軸の加工コストは、低減することが難しい。

そこで、本発明は、ハーフホワールを抑制するとともに、低回転数領域において軸と軸受部との接触開始回転数を低下させることのできる回転安定性を有する動圧軸受用の軸と、この軸を有する動圧軸受、また、この動圧軸受用の軸を安価で精度よく造ることができる軸の製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る動圧軸受用の軸は、複数の溝が外周面の周方向に並べて配置され、溝及び外周面の表面粗さが一様で、周方向に加工目が揃っている。動圧軸受の回転軸の芯振れを小さくするために、少なくとも一部に連続する溝を設ける。また、回転軸の半径方向に作用する力の軸方向に沿う分布を安定させるために、軸心方向と平行に延びるように溝を形成する。また、溝の中の流体が流れる向きを制御するために、軸心を中心とする回転方向の位相が軸心方向に沿って変化する溝を形成する。また、回転軸の安定性が回転方向によらないようにするとともに、軸と軸受部の接触を滑らかにするために、周方向に沿って外周面を半径方向へ正弦波状に変化させて溝を設ける。
本発明に係る動圧軸受は、複数の溝が外周面の周方向に並べて配置され、溝及び外周面の表面粗さが一様で、周方向に加工目が揃っている軸と、この軸の外周面を囲う円筒状の内周面が形成された軸受部とを備える。
本発明に係る動圧軸受用の軸の製造方法は、動圧軸受用の軸に加工される棒状の材料とこの材料の外周面を加工する加工具との間の相対的な振動を制御することにより、複数の溝が外周面の周方向に並べて配置され、溝及び外周面の表面粗さが一様で、周方向に加工目が揃っている軸を造る。この場合、制御される振動は、材料と加工具の間に生じる自励振動、または、加工具を備える加工装置に発生する強制振動である。
または、本発明に係る動圧軸受用の軸の製造方法は、センタレス研削盤によって動圧軸受用の軸に加工される棒状の材料をこの加工プロセス中に自励振動させ、材料の外周面の周方向に並べて複数の溝が形成された動圧軸受用の軸を造る。この場合、自励振動の振動数を制御することで、外周面と滑らかに連続する溝を外周面の周方向に等間隔に配置する。溝の数と深さとの少なくともどちらかが異なる動圧軸受用の軸を造る場合、センタレス研削盤の研削条件のうち、調整車の回転数、調整車の硬さ、研削砥石の回転数、研削砥石の粒度、研削砥石の結合材硬さ、研削砥石の砥粒密度、ブレードの頂角、材料の心高、研削砥石に対する心高角、調整車に対する心高角、材料の回転軸に対する調整車の回転軸の傾斜角、材料に対する研削砥石の切込み量、の内の少なくとも１つを変える。また、軸心を中心とする回転方向の位相が軸心方向に沿って変化する溝を形成するために、センタレス研削盤の調整車と研削砥石の少なくとも一方の回転数、または材料の心高を加工プロセス中に変化させる。また、溝の深さを変えるために、センタレス研削盤の研削砥石の回転軸を強制振動させるか、発生する振動の振幅を変化させる。
または、本発明に係る動圧軸受用の軸の製造方法は、動圧軸受用の軸に加工される棒状の材料とこの材料の外周面を研削する砥石を備える円筒研削盤とをびびり振動させることで、複数の溝が外周面の周方向に並べて配置され、溝及び外周面の表面粗さが一様で、周方向に加工目が揃った動圧軸受用の軸を造る。または、動圧軸受用の軸に加工される棒状の材料とこの材料の外周面を切削する刃物を備える切削加工盤とをびびり振動させることで、複数の溝が外周面の周方向に並べて配置され、溝及び外周面の表面粗さが一様で、周方向に加工目が揃った動圧軸受用の軸を造る。
本発明に係る他の形態の動圧軸受用の軸は、この軸に外挿される軸受部と回転軸心を中心に相対的に回転することによって動圧を発生する複数の溝を外周面に有する。溝は、外周面を回転軸心に沿う方向に一定に延びるとともに周方向に沿って軸の半径がなだらかに変化する形状である。半径の最大値と最小値との寸法差となる溝の深さＤは、０．１〜１００μｍの範囲内であることがこのましい。この場合、回転軸心を垂直に横切る方向に沿う軸の外周面のプロファイルは、この外周形状に外接する平均円が直線になるように展開する場合、回転軸心に対する方位角をθとすると、次の多項式で表される。

この場合、次の条件を満たすものとする。

本発明に係るさらに他の形態の動圧軸受用の軸は、回転軸心に垂直な面を横切る方向に一端から他端まで連続して延びる溝が回転軸心を中心とする回転対称に奇数並べて配置されている。回転軸心を中心とする半径方向の変化量を拡大して展開した周方向に沿う外周形状のプロファイルは、正弦波状である。この場合、溝の数は、３〜１５の中から一つ選ばれる奇数であることが好ましい。
奇数は、その回転安定性から望ましい。ただし、１５以上の奇数では、外周形状が真円形に近づくため発生する動圧が分散し、所望の効果が得られない。一方、下限値は、３となっているが、３では特に高速側で回転が不安定になる場合がある。なお、５〜９の範囲は、加工の安定性（再現性）も良く歩留まりが向上し、特に優れた特性が得られる。
また、本発明に係るさらに他の形態の動圧軸受は、軸とこの軸に外挿される軸受部とを有する動圧軸受であることを前提とする。軸は、回転軸心を中心に軸受部と相対的に回転することによって動圧を発生する複数の溝を外周面に有する。溝は、外周面を回転軸心に沿う方向に一定に延びるとともに周方向に沿って軸の半径がなだらかに変化する形状である。この場合、半径の最大値と最小値との寸法差となる溝の深さＤが０．１〜１００μｍの範囲内であることが好ましい。また、この動圧軸受は、軸受部が固定され、軸が回転する。軸に外接する円筒面の直径をΦ、円筒面から外周形状までの半径方向の寸法の平均値をＤ_ＡＶＥ、軸受部の内周面と円筒面との直径クリアランスの平均寸法をＣとすると、これらが、次の関係を有することが好ましい。

軸および軸受に用いられる材料は、少なくとも一方が、アルミナ、窒化珪素、ジルコニア、窒化アルミニウム、肌焼き鋼、ばね鋼、合金工具鋼、マルエージング鋼、Ｔｉ合金、アルミニウム、ステンレス鋼、もしくはこれらの材質の母材にめっき・溶射などによりコーティングされた材質の中から選ばれる少なくとも一つの材料であることが好ましい。

図１は、本発明に係る第１の実施形態の動圧軸受の軸受部を一部断面にして模式的に示す斜視図である。
図２は、図１に示した軸と軸受部の軸心を横切る断面の一部の拡大図である。
図３は、図１に示した軸の斜視図である。
図４は、図３に示した軸の軸心を直角に横切る断面図である。
図５は、図３に示した軸をセンタレス研削盤で加工する状態を模式的に示す斜視図である。
図６は、図５に示した軸と研削砥石と調整車とブレードの位置関係を示す模式図である。
図７は、図５に示したセンタレス研削盤で螺旋状の溝が形成された軸の斜視図である。
図８は、図５に示したセンタレス研削盤で波型の溝が形成された軸の斜視図である。
図９は、図５に示したセンタレス研削盤で連続する溝を複数箇所に設けた軸の斜視図である。
図１０は、図３に示した軸を円筒研削盤で加工する状態を模式的に示す斜視図である。
図１１は、図３に示した軸を切削加工盤で加工する状態を模式的に示す斜視図である。
図１２は、本発明に係る第２の実施形態の動圧軸受の軸受部を断面にした斜視図である
図１３は、図１２に示した動圧軸受の回転軸心に垂直な面に沿った断面図である。
図１４は、図１２に示した動圧軸受の半径方向の変化量を拡大して展開した円周方向のプロファイルを示す図である。
図１５は、図１２に示した動圧軸受について、クリアランスと接触開始回転数との関係を示す図である。
図１６は、図１２に示した動圧軸受について、外周形状の変化率と接触開始回転数との関係を示す図である。
図１７は、図１２に示した動圧軸受について、軸の安定性を示す指数と接触開始回転数との関係を示す図である。
図１８は、図１２に示した動圧軸受について、軸の安定性を示す指数と軸受剛性との関係を示す図である。

本発明に係る第１の実施形態の動圧軸受１について、図１から図８を参照して説明する。図１に示すように動圧軸受１は、軸２と軸受部３とを備えている。軸２は、外周面２ａに複数（図１から図４においては、２５本）の溝２ｂが形成されている。なお、本実施形態では、溝２ｂの部分がはっきりと分かるように、溝２ｂの深さＤを実際のものよりも大きく誇張して図示している。例えば、流体として空気を用いる動圧軸受１において、軸２の直径（最大径）が１０ｍｍ程度の場合、図２に示す溝２ｂの深さＤは、数μｍ程度である。
この溝２ｂの深さＤは、軸２の直径に比例して大きくするほうが好ましい。ただし、動圧を発生させる原理に従うと、軸径によらず、溝２ｂの深さＤは、使用される回転数にも応じて０．１〜１００μｍの範囲で形成される。特に、０．５μｍ以上では溝形成の安定性が格段に向上する効果が得られ、特に、１０μｍ以下では、その効果が顕著に向上する場合がある。
図３に示すように溝２ｂは、軸２の回転軸心２ｃと平行に、一方の端から他方の端まで連続して設けられており、図４に示すように外周面２ａの周方向に等間隔で配置されている。また、溝２ｂ及び外周面２ａは、表面粗さが一様で、加工目が周方向に揃っている。なお、本明細書において、「加工目」とするものは、除去加工によって被加工部に形成される顕著な筋目のことである。
図２及び図４に示すように溝２ｂは、外周面２ａから滑らかに連続しており、本実施形態においては、周方向に沿って外周面２ａが半径方向に正弦波状に滑らかに変化することで形成されている。軸受部３は、軸２の外周面２ａを囲う円筒状の内周面３ａが形成されている。また、この内周面３ａと軸２の外周面２ａとの間には、流体の膜が形成される程度の隙間４を有している。
以上のように構成された動圧軸受１において、溝２ｂの断面形状は、周方向について対称である。したがって、軸２と軸受部３が相対的に回転する場合、いずれの方向に回っても回転の特性が同じである。つまり、回転の起動時と停止時にかかる負荷トルクが同じであり、回転の起動時及び停止時に軸２の外周面２ａと軸受部３の内周面３ａが接触することで互いの面が摩耗する条件が同じである。そのため、回転方向によって動圧軸受１の耐久性に差が生じない。また、安定した回転状態になるまでにかかる時間、及び安定した回転状態となる回転数なども、回転方向によらず同じ性能を得ることができる。
そして、溝２ｂが外周面２ａと滑らかに連続しているため、外周面２ａから溝２ｂにかけて回転方向へ下流側となる軸２と軸受部３との隙間４が広がる部分（具体的には、図２中の矢印方向に軸２が回転する場合、Ａで示す部分）の流れに、乱流が発生しにくい。さらに、軸２の溝２ｂ及び外周面２ａは、表面粗さが一様であり、かつ、加工目が周方向に揃っている。したがって、動圧軸受１の軸２と軸受部３とを相対的に回転させた場合、軸２の外周面２ａ及び溝２ｂと軸受部３の内周面３ａとの間の流体が、加工目に沿って流れるため、乱流が発生しにくいとともに、下流側に剥離が生じ難い。このため、軸２と軸受部３の相対的な回転速度について、回転速度の遅い領域から速い領域まで幅広い領域で、回転軸心２ｃが安定しやすい。
次に、軸２の製造方法について図５及び図６を参照して説明する。軸２は、図５に示すようなセンタレス研削盤１０によって加工される。センタレス研削盤１０は、研削砥石１１と調整車１２とブレード１３とを備える。研削砥石１１は、動圧軸受用の軸２に加工される棒状の材料５の外周面５ａを研削する。調整車１２は、材料５を回転させて研削砥石１１に対する当り面５ｂを変える。ブレード１３は、研削砥石１１側から調整車１２側に下るように頂部に設けられた傾斜面１３ａで材料５を支持する。研削砥石１１と調整車１２は、図５中の矢印１４，１５に示すように同じ方向に回転する。
研削砥石１１、調整車１２、ブレード１３、及び動圧軸受用の軸２に加工される材料５の位置関係を図６に示す。材料５は、研削砥石１１、調整車１２、ブレード１３のそれぞれに接触している。また、材料５の中心５ｃは、研削砥石１１の中心１１ａと調整車１２の中心１２ａとを結ぶ基準線Ｕよりも心高Ｈの距離だけ上に位置する。
センタレス研削盤１０は、研削条件として、ブレード１３の頂角α、材料５の心高Ｈ、材料５の中心５ｃと研削砥石１１の中心１１ａとを結ぶ線と基準線Ｕとの成す角度（研削砥石１１に対する心高角）β、材料５の中心５ｃと調整車１２の中心１２ａとを結ぶ線と基準線Ｕとの成す角度（調整車１２に対する心高角）γ、材料５の回転軸１６に対する調整車１２の回転軸１７の傾斜角σ、研削砥石１１の回転数、調整車１２の回転数、研削砥石１１の粒度、調整車１２の硬さ、研削砥石１１の結合材硬さ、研削砥石１１の砥粒密度、材料５に対する研削砥石１１の切込み量、を変えることで加工状態が変化する。ブレード１３の頂角αは、異なる角度に設けられた傾斜面１３ａを有するブレード１３に交換することで変更される。材料５の心高Ｈは、ブレード１３の位置、研削砥石１１と調整車１２の中心間距離を調整することで変更される。研削砥石１１に対する心高角βは、半径の異なる研削砥石１１に交換することで変更される。調整車１２に対する心高角γは、半径の異なる調整車１２に交換することで変更される。従来、センタレス研削盤１０は、棒状の材料５の真円度や円筒度を向上させるために各研削条件が設定される。
これに対し、本実施形態では、センタレス研削盤１０の加工具である研削砥石１１と動圧軸受用の軸２に加工される材料５との相対的な振動、いわゆるびびり振動が生じるように、各研削条件を設定する。びびり振動には、材料５と研削砥石１１の間に生じる自励振動と、センタレス研削盤１０に生じる強制振動がある。これらの振動が加工中に発生すると、設定した研削条件が振動の周期に合せてわずかに変動するため、加工状態が周期的に変化する。この結果、軸２の外周面２ａの周方向に沿って、複数の溝２ｂが並んで形成される。溝２ｂの数は、振動の周波数に依存し、溝２ｂの深さＤは、振動の振幅に依存する。したがって、研削条件を調整し、びびり振動の周波数を制御することで、所望する溝２ｂの数の軸２を容易に造ることができる。同様に、研削条件を調整し、びびり振動の振幅を制御することで、所望する溝２ｂの深さＤの軸２を容易に造ることができる。特に、材料５に対して、研削砥石１１と調整車１２とブレード１３の相対的な位置関係を変化させることで異なる溝２ｂの数の軸２が形成され、研削砥石１１を支持する砥石軸の心振れ量及び研削砥石１１の面性状（研削砥石１１の粒度、砥石結合材の強度）を変化させることで、異なる溝２ｂの深さＤの軸２が形成される。
なお、びびり振動の周波数や振幅は、材料５の固有振動数、ブレード１３の固有振動数、研削砥石１１及び調整車１２を支持する部材の固有振動数、及びセンタレス研削盤１０の固有振動数にも依存する。したがって、上述の研削条件を変更する以外に、これら固有振動数が変わるように、センタレス研削盤１０の適切な位置に制振機構を取付けても良い。また、びびり振動を制御するために、研削条件を調整するほか、自励振動や強制振動を誘発或いは励起するように、外部から加振して振動を制御しても良い。
つまり、本願発明にかかる軸２の製造方法は、振動を制御することによって、複数の溝２ｂが外周面２ａの周方向に並べて配置された軸２を造る。また、軸２を回転させ、外周面２ａ及び溝２ｂを周方向に一様に研削するので、外周面２ａ及び溝２ｂの表面粗さは、一様に仕上げられるとともに、研削によって設けられた加工目は、周方向に揃っている。そして、研削砥石１１の回転軸１８と材料５の回転軸１６とが、平行に配置されて一方の端から他方の端まで全体的に接触するので、軸２の外周面２ａに加工される溝２ｂは、軸２の回転軸心２ｃと平行に形成される。振動の周波数及び振幅が一定に保たれるように制御することで、溝２ｂは、軸２の外周面２ａに等間隔に配置される。さらに、本実施形態の軸２の製造方法によれば、材料５を所望する円筒度及び真円度に加工すると同時に溝２ｂが加工される。
また、材料５の回転軸１６に対して調整車１２の回転軸１７を傾斜させることで、材料５が研削されながら図５中の矢印Ｖで示す回転軸１６に沿う方向に搬送される、いわゆる通し送り研削となる。
そこで、研削砥石１１を材料５の全長に対して部分的に接触するように配置し、びびり振動の周波数を材料５が回転軸１６を中心に回転する回転数の自然数倍以外の値となるように、研削条件を設定し、通し送り研削を実施する。このようにすると、図７に示すように、軸２の回転軸心２ｃを中心とする回転方向の位相が回転軸心２ｃ方向に沿って変化する溝、例えば螺旋状の溝２ｓが形成される。
つまり、図２に示す軸２は、びびり振動の周波数を自然数倍に固定することで、回転軸心２ｃ方向に沿う溝２ｂを形成した一例である。さらに、通し送り研削の途中である任意の自然数を基準にびびり振動の周波数を変動させると、螺旋の方向が回転軸心２ｃについて時計回りと反時計回りとに変向する。すなわち、図８に示すように擬似ヘリングボーン形の波状に溝２ｈが形成された軸２を造ることができる。
また、通し送り研削を実施している途中で、振動を発生（励起）させたり抑制したり変化させることによって、図９に示すように、部分的に連続する溝２ｐが設けられた軸２を造ることができる。
センタレス研削盤１０によって動圧軸受用の軸２を加工した例を以下に示す。動圧軸受用の軸２に加工される材料５として、外径が約８ｍｍの棒状のアルミナ系のセラミックスを用いた。変化させる研削条件として、心高Ｈを０〜１５ｍｍの間に設定し、軸２の外周面２ａに形成された溝２ｂの本数を測定した。その結果、振動が発生しない条件（所望する真円度及び円筒度に軸２を仕上げる条件）の心高Ｈを基準とすると、この心高Ｈに対して２〜１０％心高Ｈが低い条件では、３〜２１本の溝２ｂが形成され、２〜１０％心高Ｈが高い条件では、２２〜５０本の溝２ｂが形成されるという結果を得た。
これら溝２ｂの数がそれぞれ異なる軸２について、回転振れと耐久性の試験を行った。回転振れは、溝２ｂの数が増えることによって小さくなった。ただし、軸２の直径に応じて、所望する動圧を発生できる溝２ｂを設けることのできる数には限界があるため、溝２ｂの数が多すぎると、逆に回転振れが生じやすくなった。外形が約８ｍｍの軸２について行ったこの試験では、溝２ｂの数が３〜４０の範囲で回転軸振れが所望する値よりも小さいことが確認できた。また、耐久性は、回転振れが予め設定した許容値を超えるまでの回転数で評価した。溝２ｂの数が増えると、耐久性は、低下した。
また、５本の溝２ｂが形成される条件の心高Ｈにおいて、外部から振動を加えて研削砥石１１の回転軸１８の心振れ量を変化させた。研削砥石１１の回転軸１８の心振れ量が大きくなると溝２ｂは深くなり、逆に心振れ量が小さくなると溝２ｂは浅くなった。
なお、上述の加工例及び結果は、一例である。したがって、研削条件として先に挙げた、調整車の回転数、調整車の硬さ、研削砥石の回転数、研削砥石の粒度、研削砥石の結合材硬さ、研削砥石の砥粒密度、ブレードの頂角、材料の心高、研削砥石に対する心高角、調整車に対する心高角、材料の回転軸に対する調整車の回転軸の傾斜角、材料に対する研削砥石の切込み量、の内の１つを変化させる、或いは、これらの内からいくつかの条件を複合的に変化させることにより、所望する周波数及び振幅の振動を発生させれば、所望する溝数及び溝深さの軸を容易に造ることができる。
次に、材料５と加工具との相対的な振動を制御することで、複数の溝２ｂが外周面２ａに設けられた軸２を造る軸２の製造方法を実施できるセンタレス研削盤１０以外の装置として、円筒研削盤２０で軸２を造る状態を図１０に模式的に示し、切削加工盤３０で軸２を造る状態を図８に模式的に示す。図１０において、円筒研削盤２０は、加工具として研削砥石２１を備えている。図１１において、切削加工盤３０は、加工具として刃物３１を備えている。いずれの場合も、材料５は、主軸２２と心押軸２３によって心出しされて回転自在に支持されている。円筒研削盤２０においては、材料５と研削砥石２１がびびり振動を発生させる条件で、切削加工盤３０においては、材料５と刃物３１がびびり振動を発生させる条件で加工する。これにより、センタレス研削盤１０と同様に、複数の溝２ｂが外周面２ａの周方向に並べて配置され、溝２ｂ及び外周面２ａの表面粗さが一様で、周方向に加工目が揃っている動圧軸受用の軸２を造ることができる。
このように、本実施形態の軸２の製造方法によれば、動圧軸受用の軸２に加工される棒状の材料５とこの材料５を加工する加工具との相対的な振動を制御することで、外周面２ａの円周方向に沿って並ぶ複数の溝２ｂを備えた動圧軸受用の軸２を造るために必要な、所望する真円度及び円筒度の軸２にするための加工工程と、軸２の外周面２ａに溝２ｂを設ける溝成形工程とを同時に行うことができる。また、溝２ｂを加工するときにできるバリなどを除去する仕上げ工程が不要である。さらに、溝２ｂの本数によらず複数本の溝２ｂが同時に加工される。
本実施形態で示した軸２は、複数本の溝２ｂが外周面２ａに形成された動圧軸受用の軸２の一例であって、この実施形態で説明した溝２ｂの数に限定されない。また、本実施形態で示した動圧軸受１の軸２と軸受部３の隙間４に介在する流体は、空気や不活性ガスなどの気体以外に、水や油、または水よりも粘性抵抗の小さい有機溶媒などの液体であってもよい。
本発明に係る第２の実施形態の動圧軸受１について、図１２から図１７を参照して説明する。なお、第１の実施形態の動圧軸受１と同じ機能を有する構成については、同一の符号を付してその説明を省略する場合もある。図１２に示すように動圧軸受１は、軸２と軸受部３とを備えている。軸２は、回転軸心２ｃを中心とする回転対称に、３以上１５以下の奇数の溝２ｂ、本実施形態では、図１３に示すように５つの溝２ｂが周方向に並べて配置された外周面２ａを有している。特に、溝２ｂの数を奇数にすることで、直径方向の両側に溝が配置されないので、回転軸心２ｃのぶれを少なくすることができる。各溝２ｂは、回転軸心２ｃに垂直な面を横切る方向に軸２の一端２ｅから他端２ｆまで連続して延びている。
この場合、軸２が回転することによって発生する動圧の分布が、軸２の周方向に沿って周期的に変化するように、各溝２ｂは、回転対称に等配に配置され、かつ、平行に延びていることが好ましい。また、軸２の外周面２ａのプロファイルを図１４に示す。このプロファイルは、外周面２ａに接する外接円を直線に展開した状態で示されている。図１４において、プロファイルは、回転軸心２ｃを中心とする半径方向の変化量を拡大されている。プロファイルは、軸２の回転方向に沿って、半径が滑らかに連続して変化する形状である。
より具体的に軸２の外周形状（外周面２ａのプロファイル）を表現すると、図１４に示すように、外周形状に外接する平均円が直線になるように展開した場合、図１３および図１４中において、軸２の回転軸心２ｃに対する方位角をθとすると、軸２の外周形状のプロファイルｆ（θ）は、次の多項式で示される。

また、この場合、次の条件を満たすものとする。

本実施形態においては、溝２ｂの形状及び配置が分かりやすいように、図１３以外においても溝２ｂの深さ（回転軸心を中心とする半径方向の変化量）Ｄを実際のものよりも大きく誇張して図示している。寸法の一例を示すと、動圧軸受１の作動流体として空気を用いる場合、軸２の直径（最大径）が１０ｍｍ程度であると、図１３に示す溝２ｂの深さＤは、０．１μｍ〜１００μｍ程度である。
軸受部３は、軸２の外周面２ａに外接する円筒面よりも大きい内周面３ａを有している。内周面３ａと外周面２ａとの間には、流体（本実施形態では、空気）の膜が形成される程度の隙間４を有している。
以上のように構成された動圧軸受１において、溝２ｂの断面形状は、周方向について対称である。したがって、軸２と軸受部３が相対的に回転する場合、いずれの方向に回っても回転の特性が同じである。つまり、回転の起動時と停止時にかかる負荷トルクが同じであり、回転の起動時及び停止時に軸２の外周面２ａと軸受部３の内周面３ａが接触することで互いの面が摩耗する条件が同じである。そのため、回転方向によって動圧軸受１の耐久性に差が生じない。また、安定した回転状態になるまでにかかる時間、及び安定した回転状態となる回転数なども、回転方向によらず同じ性能を得ることができる。
そして、外周面２ａの円周方向に沿うプロファイルが滑らかに連続しているため、軸２の外周面２ａと軸受部３の内周面３ａとの距離が広がる溝２ｂの回転方向へ上流寄り部分（具体的には、図１３中の矢印方向に軸２が回転する場合、Ａで示す部分）の流れに、乱れが生じにくい。
軸２は、先の実施形態の図５で示したセンタレス研削盤１０で通し送り研削される。したがって、軸２の外周面２ａは、表面粗さが一様であり、かつ、加工目が周方向に揃っている。なお、本明細書において「加工目」とするものは、除去加工によって被加工部に形成される顕著な筋目のことである。動圧軸受１の軸２と軸受部３とを相対的に回転させた場合、軸２の外周面２ａ及び溝２ｂと軸受部３の内周面３ａとの間の流体が、加工目に沿って流れる。したがって、軸２と軸受部３との間に乱流が発生しにくいとともに、下流側に剥離が生じ難い。このため、軸２と軸受部３の相対的な回転速度について、回転速度の遅い低回転数領域から回転速度の速い高回転数領域まで幅広い領域で、回転軸心２ｃが安定しやすい。
軸２と軸受部３とは、軽量化するために少なくとも一方をアルミナ、窒化珪素、ジルコニア、窒化アルミニウム、肌焼き鋼、ばね鋼、合金工具鋼、マルエージング鋼、Ｔｉ合金、アルミニウム、ステンレス合金、もしくはこれらの材質の母材にめっき・溶射などにより、コーティングされた材質の中から選ばれる少なくとも１つの材料で構成する。特に、動圧軸受１の加速及び減速を容易にするために、少なくとも回転する側にこれらの材料を適用することが好ましい。なお、合金工具鋼とは、日本工業規格で分類されるＳＫＤ系及びＳＫＳ系の合金工具鋼鋼材に相当する部材である。
次に、溝２ｂの深さＤの平均寸法をＤ_ＡＶＥ、外周面２ａに外接する円筒面の直径（以後、外径）をΦ、円筒面と内周面３ａとの直径クリアランスの平均寸法をＣとする場合、それぞれの適正範囲を選定する実験を行ない、その結果を図１５から図１７に示す。
実験において、軸２を回転側とし、軸受部３を固定側とした。軸２は、外径Φが８ｍｍ、溝数ｎが５のもので行なった。軸受部３は、軸２の外径Φに対して内周面３ａの直径（以後、内径とする）とのクリアランスＣの平均寸法が５μｍ前後となるものを複数用意した。各条件について、回転数２４０００ｒｐｍのときの動圧を測定した。また、回転数を２４０００ｒｐｍまで増加させた後、駆動力の供給を停止し、減速して軸２と軸受部３とが接触するときの接触開始回転数を計測した。
図１５に示すように、クリアランスＣが小さくなると、回転軸心の僅かなふらつきで軸２と軸受部３とが接触するので、接触開始回転数が大きくなる。また、クリアランスＣがある値を超えて大きくなると、軸２と軸受部３との間の動圧が小さくなるので、回転軸心がふらつきやすく、接触開始回転数が大きくなる。
一方、溝２ｂの深さＤは、外周面２ａの半径方向の変化率ｔａｎξ、軸２の外径Φ、溝数ｎとともに、ｔａｎξ≒２ｎＤ／πΦと表すことができる。溝２ｂが浅くなる下流側部分Ｂでは、ｔａｎξが大きくなると軸２と軸受部３との間の圧力が高くなり、溝２ｂが深くなる方向に変化する上流側部分Ａでは、ｔａｎξが大きくなると軸２と軸受部３との間の圧力が低下する。また、上流側部分Ａでは、ｔａｎξがある値を超えると、軸２と軸受部３との間の流れに乱れが生じ、回転軸心を中心とする圧力分布が不安定となるため、回転軸心がふらつき軸２が軸受部３に接触しやすくなる。つまり、接触開始回転数は、図１６に示すように、変化率ｔａｎξが０から大きくなるにつれて小さくなり、ある値で極小となった後、徐々に大きくなる。
したがって、軸２と軸受部３との間に発生する動圧の圧力分布による軸２の安定性の指数となる接触開始回転数は、クリアランスＣ、及び変化率ｔａｎξ、つまり、溝２ｂの平均深さＤ_ＡＶＥを変数とする関数で表すことができる。
そこで、平均深さＤ_ＡＶＥとクリアランスＣとを｛Ｄ_ＡＶＥ＋（Ｃ／２）｝／Φとして、接触開始回転数を図１７に示すようにプロットした。｛Ｄ_ＡＶＥ＋（Ｃ／２）｝／Φ≦７．５×１０^−４の関係を有している場合に、接触開始回転数が３０００ｒｐｍ以下になることがわかる。また、実験の結果、この関係式は、軸２の回転数が１００〜１０００００ｒｐｍの範囲で有効であった。
軸受と軸受部の嵌合の精度限界を考慮すると、Ｄ_ＡＶＥおよびＣの現実的な製作可能範囲はどちらも０．１μｍ程度のサブミクロンオーダーが限界でありる。また、軸と軸受間に存在する軸支持媒体の体積の減少を考慮すると、Ｃが微小な領域においては、動圧に変換できるエネルギー量が極端に減少する。同様に、Ｃが微小な際にＤ_ＡＶＥを大きくしても、隙間方向の流速の勾配値が増大し動圧を効率良く発生できない。結果として、図１８に示すように、軸支持力である軸受剛性は、｛Ｄ_ＡＶＥ＋（Ｃ／２）｝／Φが例えば０．２５以下のように小さくなったとしても一定の値しか取り得ない。
軸受剛性が一定であるとするならば、軸と軸受との接触状態は、クリアランスの距離にのみ関連する。定常回転時には、回転体のバランス不釣合いに起因するであろう一定量の振れ回りが発生する。この振れ回り量よりもクリアランスが小さければ、軸と軸受は、接触することになる。結果として、｛Ｄ_ＡＶＥ＋（Ｃ／２）｝／Φが小さい領域においては、接触回転数が高くなることが推測できる。
図１５からクリアランスＣの上限及び下限を設定し、これを基に図１６から溝２ｂの深さＤの上限及び下限を決める。さらに、深さＤと図１６を基に、軸２の外径Φに応じた溝２ｂの数ｎが決定される。
上述のように、本発明に係る動圧軸受用の軸によれば、複数の溝が外周面の周方向に並べて配置され、溝及び外周面の表面粗さが一様で、周方向に加工目が揃っている。したがって、この軸を動圧軸受に採用した場合、動圧軸受の軸受部と相対的に回転することで軸と軸受部との間の流体に生じる流れが加工目に沿って流れるため、乱流になりにくい。すなわち、動圧軸受の回転軸心が安定しやすく、動圧軸受の回転数が大きい（回転速度が速い）状態においての回転軸心の芯振れを小さくすることができる。そして、この軸を備える本発明にかかる動圧軸受は、上述の効果と同様の効果を得ることができる。
また、本発明に係る上述の動圧軸受用の軸において、軸の少なくとも一部に溝を連続して設けた軸によれば、軸心に沿う方向に広い範囲で軸が流体の動圧によって保持されるので、回転軸心が安定しやすい。また、溝が周方向に等間隔で配置された軸によれば、軸受部の内周面との間に作用する動圧を軸に対して均等に作用させることができる。軸心方向と平行に溝が形成された軸によれば、回転軸心の円周振れを小さく抑えることができる。軸心を中心とする回転方向の位相が軸心方向に沿って変化している溝が形成された軸によれば、軸受部との間に作用する動圧が軸心方向について均質化されるので、回転軸心の全振れを小さく抑えることができる。そして、円周方向に沿って外周面が半径方向へなだらかにかつ周期的に変化するように複数の溝が形成された軸によれば、外周面と溝が滑らかに連続するので、外周面から溝に掛けて回転方向へ下流側となる、軸と軸受部との隙間が広がる部分の流れに、乱流が発生しにくく、溝内において流れが剥離を生じ難い。したがって、回転速度の遅い領域から速い領域まで回転軸心が安定しやすい。
本発明に係る軸の製造方法によれば、動圧軸受用の軸に加工される材料とこの材料の外周面を加工する加工具との間の振動を制御することで、外周面の円周方向に沿って並ぶ複数の溝を備えた動圧軸受用の軸を造る。したがって、所望する真円度及び円筒度の軸にするための加工工程と、軸の外周面に溝を設ける溝成形工程と、溝を加工するときにできるバリなどを除去する仕上げ工程を同時に行うことができる。したがって、従来分けて行われていた工程を同時に行うことができるので、加工コストを下げることができる。さらに、溝の本数によらず複数本の溝を同時に加工することができるので、溝の本数を増やすことによる加工コストの増加が生じない。
本発明に係る動圧軸受用の軸によれば、溝から外周部に掛けて半径が大きくなる方向に変化する部分に圧力の高い領域が発生し、外周部から溝に掛けて半径が小さくなる方向に変化する部分に圧力の低い領域が発生する。つまり、軸が回転することによって発生する動圧の高い領域と低い領域とが軸の外周の決まった位置に交互に発生する。この軸は、圧力分布を軸の周方向に意図的に作り出すことで、ハーフホワールが抑制される。
この場合、半径方向の変化量を拡大して展開した周方向に沿うプロファイルが半径方向になだらかにかつ周期的に変化する形に形成されているため、外周部から溝にかけて回転方向へ下流側に流れの乱れが形成されにくい。また、回転軸に垂直な面を横切る方向に軸の一端から他端まで連続して溝が形成されているので、軸の途中で乱流や剥離層を誘発する要因がない。
したがって、この軸を備える本発明に係る動圧軸受構造によれば、軸と軸受部との間に発生する動圧が、回転速度の遅い低回転数領域から回転速度の速い高回転数量域まで安定しやすい。つまり、動圧軸受の回転軸心が安定し、軸と軸受部との接触開始回転数が低下するので、動圧軸受の回転始動時及び停止時における軸と軸受部との接触回数が低下し、動圧軸受の耐久性を向上させることができる。

Claims (27)

1. 複数の溝が外周面の周方向に並べて配置され、前記溝及び外周面の表面粗さが一様で、周方向に加工目が揃っていることを特徴とする動圧軸受用の軸。
2. 前記複数の溝は、少なくとも一部に連続して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の動圧軸受用の軸。
3. 前記複数の溝は、周方向に等間隔で配置されていることを特徴とする請求項１に記載の動圧軸受用の軸。
4. 前記複数の溝は、軸心方向と平行に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の動圧軸受用の軸。
5. 前記複数の溝は、軸心を中心とする回転方向の位相が軸心方向に沿って変化していることを特徴とする請求項１に記載の動圧軸受用の軸。
6. 前記複数の溝は、周方向に沿って前記外周面が半径方向へ正弦波状に変化して形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の動圧軸受用の軸。
7. 複数の溝が外周面の周方向に並べて配置され、前記溝及び外周面の表面粗さが一様で、周方向に加工目が揃っている軸と、この軸の外周面を囲う円筒状の内周面が形成された軸受部とを備えることを特徴とする動圧軸受。
8. 動圧軸受用の軸に加工される棒状の材料とこの材料の外周面を加工する加工具との相対的な振動を制御することにより、複数の溝が外周面の周方向に並べて配置され、前記溝及び外周面の表面粗さが一様で、周方向に加工目が揃っている動圧軸受用の軸を造ることを特徴とする軸の製造方法。
9. 動圧軸受用の軸に加工される棒状の材料とこの材料の外周面を加工する加工具との間に生じる自励振動を制御することにより、複数の溝が外周面の周方向に並べて配置され、前記溝及び外周面の表面粗さが一様で、周方向に加工目が揃っている動圧軸受用の軸を造ることを特徴とする軸の製造方法。
10. 動圧軸受用の軸に加工される棒状の材料に対してこの材料の外周面を加工する加工具を備える加工装置に発生する強制振動を制御することにより、複数の溝が外周面の周方向に並べて配置され、前記溝及び外周面の表面粗さが一様で、周方向に加工目が揃っている動圧軸受用の軸を造ることを特徴とする軸の製造方法。
11. センタレス研削盤によって動圧軸受用の軸に加工される棒状の材料を加工プロセス中に自励振動させ、前記材料の外周面の周方向に並べて複数の溝が形成された動圧軸受用の軸を造ることを特徴とする軸の製造方法。
12. 前記複数の溝は、前記外周面の周方向に等間隔で配置され、外周面と滑らかに連続することを特徴とする請求項１１に記載の軸の製造方法。
13. 前記センタレス研削盤の研削条件のうち、調整車の回転数、調整車の硬さ、研削砥石の回転数、研削砥石の粒度、研削砥石の結合材硬さ、研削砥石の砥粒密度、ブレードの頂角、材料の心高、研削砥石に対する心高角、調整車に対する心高角、材料の回転軸に対する調整車の回転軸の傾斜角、材料に対する研削砥石の切込み量、の内の少なくとも１つを変えることで、前記溝の数と深さとの少なくともどちらかが異なる動圧軸受用の軸を造ることを特徴とする請求項１１に記載の軸の製造方法。
14. 前記センタレス研削盤の調整車と研削砥石の少なくとも一方の回転数を前記加工プロセス中に変化させることを特徴とする請求項１３に記載の軸の製造方法。
15. 前記センタレス研削盤の研削条件のうち、材料の心高を前記加工プロセス中に変化させることを特徴とする請求項１３に記載の軸の製造方法。
16. 動圧軸受用の軸に加工される棒状の材料に対してセンタレス研削盤の研削砥石の回転軸を強制振動させ、前記材料の外周面の周方向に並べて複数の溝を形成することを特徴とする軸の製造方法。
17. 動圧軸受用の軸に加工される棒状の材料とこの材料の外周面を研削する砥石を備える円筒研削盤とをびびり振動させることにより、複数の溝が外周面の周方向に並べて配置され、前記溝及び外周面の表面粗さが一様で、周方向に加工目が揃っている動圧軸受用の軸を造ることを特徴とする軸の製造方法。
18. 動圧軸受用の軸に加工される棒状の材料とこの材料の外周面を切削する刃物を備える切削加工盤とをびびり振動させることにより、複数の溝が外周面の周方向に並べて配置され、前記溝及び表面粗さが一様で、周方向に加工目が揃っている動圧軸受用の軸を造ることを特徴とする軸の製造方法。
19. 請求項１に記載の動圧軸受用の軸において、この軸の外接円の直径Φが０．１〜５０ｍｍの範囲であることを特徴とする。
20. 動圧軸受用の軸であって、前記軸は、この軸に外挿される軸受部と回転軸心を中心に相対的に回転することによって動圧を発生する複数の溝を外周面に有し、この溝は、前記外周面を前記回転軸心に沿う方向に一定に延びるとともに周方向に沿って前記軸の半径がなだらかに変化する形状であり、前記半径の最大値と最小値との寸法差となる前記溝の深さＤが０．１〜１００μｍの範囲内であることを特徴とする動圧軸受用の軸。
21. 回転軸心を垂直に横切る方向に沿う外周面のプロファイルｆ（θ）は、このプロファイルに外接する平均円を直線になるように展開した場合、前記回転軸心に対する方位角をθとすると、
    

    

    で表され、次の条件
    

    

    を満たすことを特徴とする請求項２０に記載の動圧軸受用の軸。
22. 回転軸心に垂直な面を横切る方向に一端から他端まで連続して延びる溝が前記回転軸心を中心とする回転対称に奇数並べて配置されており、前記回転軸心を中心とする半径方向の変化量を拡大して展開した周方向に沿うプロファイルが正弦波状である外周形状を有することを特徴とする動圧軸受用の軸。
23. 前記溝の数は、３〜１５の中から一つ選ばれる奇数であることを特徴とする請求項２０〜２２に記載の動圧軸受用の軸。
24. 軸とこの軸に外挿される軸受部とを有する動圧軸受であって、前記軸は、回転軸心を中心に軸受部と相対的に回転することによって動圧を発生する複数の溝を外周面に有し、この溝は、前記外周面を前記回転軸心に沿う方向に一定に延びるとともに周方向に沿って前記軸の半径がなだらかに変化する形状であり、前記半径の最大値と最小値との寸法差となる前記溝の深さＤが０．１〜１００μｍの範囲内であることを特徴とする動圧軸受。
25. 前記軸受部が固定され、前記軸が回転することを特徴とする請求項２４に記載の動圧軸受。
26. 前記軸に外接する円筒面の直径をΦ、前記円筒面から前記外周形状までの半径方向の最大寸法の平均値となる平均溝深さをＤ_ＡＶＥ、前記軸受部の内周面と前記円筒面との直径クリアランスの平均寸法をＣとすると、これらが、
    

    

    の関係を有することを特徴とする請求項２４に記載の動圧軸受。
27. 前記軸および前記軸受部の少なくとも一方が、アルミナ、窒化珪素、ジルコニア、窒化アルミニウム、肌焼き鋼、ばね鋼、合金工具鋼、マルエージング鋼、Ｔｉ合金、アルミニウム、ステンレス鋼、もしくは上記材質の母材にめっき・溶射などによりコーティングされた材質の中から選ばれる少なくとも１つの材料で構成されることを特徴とする請求項２４に記載の動圧軸受。

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