(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工対象となる部材がセラミックス焼結体からなる気体軸受けの一構成要素であり、ブラスト法により前記加工対象となる部材の被加工面に所望パターンの溝を付与する気体軸受け用溝付き部材の製造方法であって、
前記加工対象となる部材の被加工面に予めマスクを被覆することなく当該被加工面と噴射ノズルとを対向配置すると共に、
噴射ノズルから高速気流に乗せて噴射する砥粒として、平均粒径が１０〜５０μｍの範囲にある砥粒を用い、
噴射ノズルからの砥粒の噴射時に、被加工面と噴射ノズルとの相対位置を経時的に変化させながら所望パターンをトレースすることで、前記被加工面に深さが３〜３０μｍの範囲にある所望パターンの溝を付与すると共に、その溝の端部において、溝の垂直内側面と部材の水平表面との境界部からエッジが除去された形状を作り出すことを特徴とする気体軸受け用溝付き部材の製造方法。
【請求項２】
前記噴射ノズルの口径（Ｄ）は、０．１〜１．０ｍｍの範囲に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の気体軸受け用溝付き部材の製造方法。
【請求項３】
前記被加工面と前記噴射ノズルとを対向配置する際の離間長（ｄ）は、０．１〜１．０ｍｍの範囲に設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の気体軸受け用溝付き部材の製造方法。
【請求項４】
前記噴射ノズルから砥粒を噴射する際の噴射圧力は、０．５〜２．５ＭＰａの範囲に設定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の気体軸受け用溝付き部材の製造方法。
【請求項５】
前記砥粒は、炭化珪素製の砥粒であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の気体軸受け用溝付き部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブラスト法により加工対象となる部材の被加工面に所望パターンの溝を付与する気体軸受け用溝付き部材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超高速回転体用の軸受けとして、回転時の動圧を利用した気体軸受けが知られている。例えば動圧式ラジアル軸受けは、略円柱状の中心部材とそれを取り囲む包囲部材とから構成され、両者のうちの一方が静止体の役目を、他方が回転体の役目を果たす。静止体に対して回転体が回転駆動されると、両者間に確保された環状クリアランス領域に動圧が発生し、静止体に対し回転体が非接触にてラジアル支持される。一般に、動圧の発生を確実ならしめると共に軸受けの負荷荷重を高めるために、中心部材と包囲部材との対向周面の一方にはヘリングボーン式の動圧溝が刻設されている。なお、包囲部材の内周面に溝加工を施すのは困難なことが多いため、通常は中心部材の外周面にヘリングボーン溝が加工される。動圧式ラジアル軸受けは、例えばレーザープリンタ用のポリゴンミラーのような高速回転体に利用される。回転体の定常回転時、動圧軸受けは非接触状態となるが、回転体の起動時や停止時には静止体との直接的な接触摺動も避けられない。このため、回転体及び静止体自体に優れた耐摩耗性が要求され、これらの部材を炭化珪素やアルミナ等のセラミックス焼結体で構成することが多い。
【０００３】
セラミックス焼結体で作られた気体軸受け用中心部材の外周面に動圧溝を形成する従来の手法は、図７に示すようなものである。まず、図７（Ａ）に示すように、セラミックス焼結体３０の被加工面３１上にフィルム状のマスク３２が被覆される。このマスク３２には、所望する溝形状（パターン）に対応して切り抜かれた切り欠き３３が予め形成されている。この切り欠き３３を介して、被加工面３１の一部が露出する。その状態で図７（Ｂ）に示すように、被加工面３１及びマスク３２の全体に対し砥粒を吹き付けてブラスト処理が施される。砥粒の吹き付けは、切り欠き３３から露出した被加工面３１の一部に限らずマスク３２の全体に及ぶ。ブラスト処理後にマスク３２を剥がすと、図７（Ｃ）に示すように、セラミックス焼結体３０の表面の露出部位のみを削って得た溝３４（深さ約３〜３０μｍ程度）が出来上がる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のマスクを用いた手法には次のような欠点があった。
（イ）マスクで被覆した部分には一切傷をつけることはできないためマスクの材料や厚みの選択が重要となるが、技術的理想を追求するとマスク一枚一枚のコストが高くなる。消耗品であるマスクのコストが高くつくうえに、マスクの位置合わせ精度の確保が難しく、マスクを用いる限り軸受けの製造コスト低減にも限界があった。
【０００５】
（ロ）従来のセラミックス焼結体に対するブラスト処理では、前記切り欠きからの露出面全体に対して一度に砥粒の吹き付けを行っていたため、溝深さを一定にすることしかできなかった。仮に溝深さを段階的に異ならせるためには、複数種類のマスクを用意しマスクの被覆とブラスト処理とを交互に繰り返す必要があるが、工程数が急増してしまうため現実には困難であった。
【０００６】
（ハ）図７（Ｃ）に示すように、マスクを剥がした後にできた溝の垂直内側面とセラミックス焼結体の水平表面との間には、略直角状に尖ったエッジ３５が不可避的に形成される。このようなエッジ３５は動圧軸受けの運転時にゴミ収集者的な役目を果たしてしまう。つまり、エッジ３５があることにより、軸受けの連続運転時にエッジ直下の内側面に、空気中に浮遊するダストが次第に付着堆積し（図８参照）、最悪の場合には溝３４内空間のかなりの容積を埋め尽くし動圧軸受け機能を低下させるおそれがある。マスクの剥離後に、エッジ３５を丸めるための一種の面取り加工を施せればよいが、数μｍ又はそれ以下の微細レベルでの面取りを可能とするような加工技術は、少なくともセラミックス焼結体の分野では開発されておらず、事後的な面取り加工は不可能である。
【０００７】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものである。その目的は、従来の手法よりも低コスト化が可能で、溝深さの制御も容易である気体軸受け用溝付き部材の製造方法を提供することにある。加えて、溝の開口端において不都合なエッジの出現を未然に回避することができる気体軸受け用溝付き部材の製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、加工対象となる部材がセラミックス焼結体からなる気体軸受けの一構成要素であり、ブラスト法により前記加工対象となる部材の被加工面に所望パターンの溝を付与する気体軸受け用溝付き部材の製造方法であって、
前記加工対象となる部材の被加工面に予めマスクを被覆することなく当該被加工面と噴射ノズルとを対向配置すると共に、
噴射ノズルから高速気流に乗せて噴射する砥粒として、平均粒径が１０〜５０μｍの範囲にある砥粒を用い、
噴射ノズルからの砥粒の噴射時に、被加工面と噴射ノズルとの相対位置を経時的に変化させながら所望パターンをトレースすることで、前記被加工面に深さが３〜３０μｍの範囲にある所望パターンの溝を付与すると共に、その溝の端部において、溝の垂直内側面と部材の水平表面との境界部からエッジが除去された形状を作り出すことを特徴とするものである。
【０００９】
この方法によれば、消耗品たるマスクを必要としないので、溝の加工コストひいては溝付き部材の製造コストが従来よりも低減される。又、被加工面と噴射ノズルとの相対位置を経時的に変化させながら所望パターンをトレースすることで溝の全体形状を作り上げるという手法を採るので、その時々で噴射ノズルからの砥粒の噴射圧力や砥粒噴射量をきめ細かく調節して溝深さに反映させることができる。即ち、従来例のように被加工面の全体に対して一度に砥粒を吹き付けるわけではないので、一続きの溝であっても位置によって深さを異ならせるといったことが可能となる。更に、マスクを用いないこと（マスクレス化）の副次的効果として、加工された溝の端部において、溝の垂直内側面と部材の水平表面との間に略直角状に尖ったエッジが現れない、つまり、特段の後加工を施さずとも、エッジが適度に自然解消されているという好都合な状況が生まれる。この点については後ほど図４を参照して詳述する。従って、結果物たる部材の溝の端部において、ダスト等が付着堆積することが未然に回避され、又は、付着堆積の頻度が格段に低減される。
【００１０】
前記噴射ノズルの口径（Ｄ）は、０．１〜１．０ｍｍの範囲に設定されていることは好ましい。ノズル口径が０．１ｍｍ未満であると、ノズル内で砥粒の目詰まりを起こす可能性がある。他方、ノズル口径が１．０ｍｍを超えると、微細な溝加工が困難になると共に、エッジ解消の程度が行き過ぎとなり溝端における形状崩れが顕著となる可能性が高まる。
【００１１】
前記被加工面と前記噴射ノズルとを対向配置する際の離間長（ｄ）は、０．１〜１．０ｍｍの範囲に設定されていることは好ましい。離間長が０．１ｍｍ未満であると、砥粒の跳ね返りや噴射流の乱れによる悪影響が出て溝が正確に形成されないおそれがある。他方、離間長が１．０ｍｍを超えると、微細な溝加工が困難になると共に、エッジ解消の程度が行き過ぎとなり溝端における形状崩れが顕著となる可能性が高まる。
【００１２】
前記噴射ノズルから砥粒を噴射する際の噴射圧力は、０．５〜２．５ＭＰａの範囲に設定されていることは好ましい。噴射圧力が０．５ＭＰａ未満では、砥粒の運動エネルギーが不足して十分なブラスト効果が得られないばかりか、噴射圧力と溝深さとの間の線形性（図５参照）が維持されなくなって溝深さ制御が困難になるおそれがある。他方、噴射圧力が２．５ＭＰａを超えると、深さの比較的浅い溝の加工が困難になると共に、噴射圧力一定下でも溝深さのばらつきが許容限度を逸脱してしまうおそれがある。
【００１３】
前記噴射ノズルから噴射する砥粒の平均粒径は、１０〜５０μｍの範囲に設定されている。これは比較的浅い溝を加工する場合の最適条件を限定したものである。砥粒の平均粒径が１０μｍ未満では十分なブラスト効果が得にくく、他方、平均粒径が５０μｍを超えると、溝の深さを３〜３０μｍの範囲にとどめることが難しくなる。
【００１４】
なお、前記砥粒は炭化珪素製の砥粒であることは好ましい。このような砥粒は、一般に硬質なセラミックス焼結体のブラスト処理に適している。また、加工対象となる部材は、セラミックス焼結体からなる気体軸受けの一構成要素である。つまり本件方法は、セラミックス焼結体（例えば、セラミックス焼結体からなる気体軸受けの一構成要素、特に動圧軸受け）に溝を加工する方法として極めて優れている。
【００１５】
なお、本発明に係る気体軸受け用溝付き部材の製造方法に用いられるブラスト装置は、好ましくは、ブラスト法による加工対象となる部材を保持するためのステージと、前記部材の被加工面と対向配置される噴射ノズルと、これらを制御するための制御コンピュータとを備えたブラスト装置であって、噴射ノズルからの砥粒の噴射時に前記ステージと噴射ノズルとの相対位置を経時的に変化させて、噴射ノズルにステージ上の部材の被加工面を所望パターンに従いトレースさせると共に、噴射ノズルからの噴射圧力及び砥粒噴射量を制御することにより、前記部材の被加工面に所望パターンを持つ所望深さの溝を付与することを可能とするブラスト装置である。
【００１６】
このブラスト装置を用いれば、前記気体軸受け用溝付き部材の製造方法をコンピュータ制御の下で確実に実施することができる。なお、この装置において、噴射ノズルの口径（Ｄ）が加工対象となる溝の幅よりも小さいことは好ましく、より具体的には、噴射ノズル口径を０．１〜１．０ｍｍの範囲に設定することは好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、セラミックス製動圧軸受けの製造方法の一実施形態を説明する。
図１は動圧軸受けの一例を示す。この動圧軸受けは、静止体１１とそれに組み合わされる環状の回転体１２とを備えている。静止体１１及び回転体１２は、セラミックス焼結体で作られている。この焼結体を構成するセラミックスとしては例えば炭化珪素やアルミナがあげられるが、耐摩耗性等の観点から炭化珪素が好ましい。静止体１１は、スラスト軸受け要素となる台座１３と、その台座の中心位置に直立固定されたラジアル軸受け要素となる円柱状軸部１４とから構成される。中心部材としての円柱状軸部１４の周囲に回転体１２が嵌め込まれると、円柱状軸部１４の外周面と回転体１２の内周面との間に微小なクリアランスＣを確保しながら、両周面が対向する。更に回転体１２の回転時に前記クリアランスＣで動圧を効果的に発生させるために、円柱状軸部１４の外周面にはヘリングボーン式の動圧溝１５が複数形成されている。一つ一つの動圧溝１５は例えば、長さが３〜１５ｍｍ、幅が０．２〜１．２ｍｍ、深さが３〜３０μｍという大きさである。なお、図示はしないが、回転体１２と台座１３の対向面のいずれか一方に、例えばスパイラル状の動圧溝を形成し、動圧によってスラスト荷重を支えるようにしてもよい。
【００１８】
図１に示すようなヘリングボーン式の動圧溝１５は、図２に示すようなブラスト装置を用いて加工される。図２には、ワーク（被加工物）としての円柱状軸部１４を保持するステージ２１、ステージ２１上の円柱状軸部１４と対向する噴射ノズル２２およびこれらを制御するための制御コンピュータ２４が概念的に示されている。ステージ２１は、横倒し状態の円柱状軸部１４をその軸線周りで正逆回転可能に保持する回転保持機構２３を搭載している。噴射ノズル２２は原則固定であるが、ステージ２１がＸ軸方向及びＹ軸方向に自在に移動可能であり、且つ、ステージ２１上の回転保持機構２３は円柱状軸部１４を周方向Ｐに自在に回転させることができる。このため、円柱状軸部１４の外周面上の任意の点（任意の位置）を、噴射ノズル２２の直下に向き合わせることができる。また、このブラスト装置には、噴射ノズル２２とステージ２１との間隔（Ｚ軸方向の距離）を調節するための間隔調節機構（図示略）が組み込まれており、これにより噴射ノズル２２の先端とワーク表面との離間長を任意設定することができる。噴射ノズル２２からは、砥粒が高速気流に乗せて噴射される。なお、噴射ノズル２２を含む噴射機構および回転保持機構２３を含むステージ２１は、制御コンピュータ２４によって総合的に管理される。従って、噴射ノズル２２に対するワークの被加工部位の位置決め、ワークの送り方向及び送り量、並びに、噴射ノズル２２からの砥粒の噴射圧力、噴射時間及び砥粒噴射量等は、加工する溝の形状や深さに応じて自動制御される。
【００１９】
図３に示すように、溝加工に際し、噴射ノズル２２は円柱状軸部１４の被加工表面に近接配置される。噴射ノズル２２の先端と被加工表面との離間長ｄは、例えば０．１〜１．０ｍｍに設定される。また、前述のような長さ、幅および深さの動圧溝１５を形成する際に用いる噴射ノズル２２の口径Ｄは、０．１〜１．０ｍｍであり、より好ましくは０．３〜０．７ｍｍの範囲である。但し本実施形態では、口径Ｄ＝０．６ｍｍの噴射ノズル２２を用いた。このように極めて小口径の噴射ノズルを用いてセラミックス焼結体に対しブラスト処理を施すことは極めて珍しく、少なくとも、加工する溝の長さ又は幅よりも噴射ノズルの口径が小さいということは前例がない。
【００２０】
噴射ノズル２２から噴射する砥粒としては、例えば炭化珪素製の砥粒が用いられる。これはワーク自体が極めて硬質なセラミックス焼結体であることから、それに勝るとも劣らぬ硬度の砥粒を用いる必要があるためである。使用する砥粒の平均粒径は、１０〜５０μｍの範囲が好ましい。平均粒径が１０μｍ未満だと十分なブラスト効果が得にくく、他方、平均粒径が５０μｍを超えると、溝の深さを３〜３０μｍの範囲にとどめることが難しくなる。
【００２１】
上記のようなブラスト装置と砥粒とを用いショットブラスト法によって、ワークとしての円柱状軸部１４の表面にヘリングボーン動圧溝１５を形成した。このとき、マスクの類は一切用いず、ワークの表面に対して直接砥粒を吹き付けた。但し、所望のヘリングボーン状の溝パターンが得られるように、制御コンピュータによってワークの送り方向及び送り量を適宜制御した。即ち、噴射ノズル２２からの砥粒の噴射時にステージ２１と噴射ノズル２２との相対位置を経時的に変化させて、噴射ノズル２２にステージ２１上の部材の被加工面を所望パターンに従いトレースさせた。又、溝深さが所望のものとなるように、ワークの位置決め制御と連動して、噴射圧力、噴射時間及び砥粒噴射量（単位時間あたりの砥粒供給量）をきめ細かく制御した。図４は、本実施形態におけるブラスト処理の概略を示す。図４に示すように、コンピュータ制御されたマスクレスのブラスト処理により、円柱状軸部１４の表面には所望の動圧溝１５が形成された。
【００２２】
小口径噴射ノズルを用いたマスクレスブラスト処理において、噴射圧力や砥粒噴射量を制御することで、加工する溝の深さをほぼ制御できることは、実験によって確認されている。図５のグラフは、噴射圧力（ＭＰａ）及び砥粒噴射量（ｇ／ｍｉｎ）を変化させたときに得られた溝の深さ（μｍ）についての実験結果をプロットしたものである。この実験では、炭化珪素焼結体製ワークの送り速度を一定とすると共に、＃４００番（平均粒径約２０μｍ）の炭化珪素製砥粒を用いた。又、ノズルの口径Ｄは０．６ｍｍ、ノズル先端とワーク表面との離間長ｄは０．５ｍｍとした。
【００２３】
図５のグラフからわかるように、少なくとも噴射圧力が１．０〜２．０ＭＰａの範囲内では、噴射圧力が同じである限り、砥粒噴射量と溝深さとの間にほぼ線形的な関係が認められた。このように、噴射圧力と砥粒噴射量とを制御することにより、加工される溝の深さをほぼ所望の値とすることができる。
【００２４】
更にこのマスクレスブラスト処理の副次的効果として、動圧溝１５の端部において、図４に示すような湾曲部又は傾斜部１６を自然に形成することができる。換言すれば、特段の後加工を施さずとも、溝の垂直内側面とワークの水平表面との境界部からエッジが除去された形状を作り出すことができる。動圧溝１５の端部において、このような湾曲部又は傾斜部１６が確保されることにより、空気中に浮遊するダスト等の付着を極力回避することが可能となる。
【００２５】
上記のような湾曲部又は傾斜部１６が自然形成される理由は、次のように考えることができる。つまり、いくら噴射ノズル先端とワーク表面との離間長ｄを小さくしたとしても、噴射ノズル２２からの噴出流に完全な指向性を持たせることはできず、噴射口から離れるに従い一部の砥粒が周囲に広がろうとする。あるいは、前記離間長ｄが小さいためにワーク表面から巻き返す乱流の影響を受けやすく、ノズル噴流の指向性が乱されるという事情もあるかもしれない。この結果、指向性が強く砥粒密度も高いノズル直噴流域（図４に垂直破線で示す流域）の周囲には、相対的に指向性が弱く砥粒密度も低い拡散流域（図４に梨地模様で示す領域）ができ、その拡散流域が、従来エッジとなっていた部位に対する面取り加工効果を生み出すためと考えられる。即ち、ノズル直噴流域内の砥粒の運動エネルギーに比して拡散流域内の砥粒の運動エネルギーがかなり小さいことが、却って好都合な結果を生みだすわけである。このような拡散流域の有用性を見いだすことができたのは、一つには、マスクを用いないブラスト処理という着想を肯定的にとらえることができたからであり、又、それに関連して従来にない小口径ノズルの使用を現実に試したからである。このように本発明は、コロンブスの卵的発想の転換と入念な試行錯誤とに裏付けられた進歩的産物である。
【００２６】
上記の例では、溝深さを一定にすることが可能であることを説明したが、本発明によれば、コンピュータ制御によってワークの送り速度や噴射圧力を逐次変更することで、場所により深さの異なる溝を加工することも可能である。例えば図６に示すように、第１の溝端から第２の溝端に向かって徐々に深くなるような溝を加工することも容易にできる。
【００２７】
なお、一般に「溝」といった場合には長さに対して幅が短いものを連想させるが、この明細書における「溝」とは、そのようなものに限定されず、長さと幅とがほぼ近似するような凹所も溝概念に含まれるものである。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の気体軸受け用溝付き部材の製造方法によれば、マスクを用いないことによって従来の手法よりも溝付き部材の製造を低コスト化でき、又、噴射ノズルからの砥粒の噴射圧力や砥粒噴射量を調節することで溝深さの制御も容易となる。加えて、溝の開口端において不都合なエッジの出現を未然に回避することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】気体軸受けの一例を示す概略断面図。
【図２】ブラスト装置の概要を示す斜視図。
【図３】噴射ノズルとワークとの配置関係を示す断面図。
【図４】ワークのブラスト処理状況の概要を示す断面図。
【図５】砥粒噴射量と溝深さとの関係を示すグラフ。
【図６】ブラスト処理の別例を示す断面図。
【図７】ワークに対する従来の溝加工手順を示す一連の断面図。
【図８】従来法で形成された溝の一部形状を示す断面図。
【符号の説明】
１４…気体軸受けの一構成要素たる円柱状軸部（加工対象となる部材）、１５…動圧溝（所望パターンの溝）、２１…ステージ、２２…噴射ノズル、２４…制御コンピュータ。
【図１】
0004474720.tif 000002
【図２】
0004474720.tif 000003
【図３】
0004474720.tif 000004
【図４】
0004474720.tif 000005
【図５】
0004474720.tif 000006
【図６】
0004474720.tif 000007
【図７】
0004474720.tif 000008
【図８】
0004474720.tif 000009