(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対回転する二つの部材の対向面の少なくとも一方に流体を定方向に導く動圧溝を有する動圧軸受であって、
相対する表面の一方に、下記化学式１１で示される末端がイソシアネート官能基付き含ふっ素重合体を硬化処理したことで形成された少なくとも下記化学式１２、化学式１３、化学式１４および化学式１５のいずれかの結合を備える固体膜が形成され、前記固体膜は、末端がイソシアネート官能基付き含ふっ素重合体と結合しない流動可能な含ふっ素重合体が分散添加されている、ことを特徴とする動圧軸受。
【化１１】
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【化１２】
0003903152.tif 000019
【化１３】
0003903152.tif 000020
【化１４】
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【化１５】
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【請求項２】
相対回転する二つの部材の対向面の少なくとも一方に流体を定方向に導く動圧溝を有する動圧軸受であって、
相対する表面の一方に、ポリテトラフルオロエチレン樹脂からなる粒子を分散混入した下記化学式１１で示される末端がイソシアネート官能基付き含ふっ素重合体を硬化処理したことで形成された少なくとも下記化学式１２、化学式１３、化学式１４および化学式１５のいずれかの結合を備える固体膜が形成され、前記固体膜は、末端がイソシアネート官能基付き含ふっ素重合体と結合しない流動可能な含ふっ素重合体が分散添加されている、ことを特徴とする動圧軸受。
【化１１】
0003903152.tif 000023
【化１２】
0003903152.tif 000024
【化１３】
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【化１４】
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【化１５】
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【請求項３】
前記流体は、ふっ素系オイルとされる、請求項１または２に記載の動圧軸受。
【請求項４】
前記固体膜は、分子間が結合した３次元の網状構造を有している、請求項１ないし３のいずれかに記載の動圧軸受。
【請求項５】
前記流動可能な含ふっ素重合体が官能基を有していない、請求項１ないし４のいずれかに記載の動圧軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、相対回転する対向面の少なくとも一方に流体を定方向に導く動圧溝を有する動圧軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、レーザビームプリンタの多面鏡の回転軸、ＶＴＲのシリンダヘッドのスピンドル、磁気ディスクのスピンドルなど、高速回転となるスピンドルのラジアル軸受およびスラスト軸受として、動圧軸受を採用することがある。
【０００３】
このようなスピンドルでは、有底円筒形のケースに収納されるが、スピンドルの起動時や停止時に、ケースにおいてスピンドルの外周面に対向する内周面やスピンドルの下側端面に対向する底面などに対して接触するため、このような接触により回転抵抗の増大や摩耗が発生する。
【０００４】
これを解決するために、スピンドルまたはケースの少なくともいずれか一方に、官能基を有するオルガノポリシロキサンもしくは含ふっ素重合体を膜状にコーティングすることが行われている（特開昭６４−６５３２２号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した膜は、分子量が数千から数万であって固形化しておらず、強い衝撃が加わった時、膜が破断して金属接触を生じ、焼付きが発生する不具合が指摘される。
【０００６】
したがって、本発明は、動圧軸受において、起動時や停止時や外乱発生時の接触による摩耗・焼付きを抑制し、長寿命化および環境の清浄化を図ることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の動圧軸受は、相対回転する二つの部材の対向面の少なくとも一方に流体を定方向に導く動圧溝を有する動圧軸受であって、相対する表面の一方に、下記化学式１１で示される末端がイソシアネート官能基付き含ふっ素重合体を硬化処理したことで形成された少なくとも下記化学式１２、化学式１３、化学式１４および化学式１５のいずれかの結合を備える固体膜が形成され、前記固体膜は、末端がイソシアネート官能基付き含ふっ素重合体と結合しない流動可能な含ふっ素重合体が分散添加されている。
【化１１】
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【化１２】
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【化１３】
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【化１４】
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【化１５】
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【０００８】
本発明の第２の動圧軸受は、相対回転する二つの部材の対向面の少なくとも一方に流体を定方向に導く動圧溝を有する動圧軸受であって、相対する表面の一方に、ポリテトラフルオロエチレン樹脂からなる粒子を分散混入した下記化学式１１で示される末端がイソシアネート官能基付き含ふっ素重合体を硬化処理したことで形成された少なくとも下記化学式１２、化学式１３、化学式１４および化学式１５のいずれかの結合を備える固体膜が形成され、前記固体膜は、末端がイソシアネート官能基付き含ふっ素重合体と結合しない流動可能な含ふっ素重合体が分散添加されている。
【化１１】
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【化１２】
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【化１３】
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【化１４】
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【化１５】
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【０００９】
なお、前述の流体は、ふっ素系オイルとするのが好ましい。前述の固体膜は、分子間が結合した３次元の網状構造を有するものとするのが好ましい。末端がイソシアネート官能基付き含ふっ素重合体と結合しない流動可能な含ふっ素重合体は官能基を有していないもの、例えば官能基なしのパーフルオロポリエーテルなどの含ふっ素重合体とするのが好ましい。
【００１０】
上記本発明の末端がイソシアネート官能基付き含ふっ素重合体を硬化処理したことで形成された固体膜は、分子間が密に詰まった均質な構造であって、従来例の膜に比べて発塵性、潤滑性が格段に優れている。そのため、起動時や停止時において相対回転する二つの部材の接触部位の摩耗を長期にわたって防止できるようになる。しかも、動圧溝のエッジ部分の欠けなども防止できるようになり、動圧溝による動圧発生作用の低下を防止できるようになる。
【００１１】
また、固体膜にポリテトラフルオロエチレン樹脂からなる粒子を分散混入している場合では、この粒子により荷重に対する緩衝作用を発揮するので、耐荷重性が増すようになる。
【００１２】
特に、流体としてふっ素系オイルを用いている場合では、このオイルと固体膜とのなじみがよく、二つの部材間の膜切れを長期にわたって無くせるなど、より潤滑条件が良好になる上、固体膜から摩耗粉が発生してもそれをトラップして外部への発塵を阻止する。また、固体膜に末端がイソシアネート官能基付き含ふっ素重合体と結合しない含ふっ素重合体を流動可能な状態で分散添加している場合では、この末端がイソシアネート官能基付き含ふっ素重合体と結合しない流動可能な含ふっ素重合体が膜表面から滲み出て潤滑作用に寄与する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の詳細を図１ないし図７に示す実施例に基づいて説明する。
【００１４】
図１ないし図６は本発明の一実施例にかかり、図１は、スピンドルの支持構造を模式的に示す縦断面図、図２は、スピンドルの下端面を模式的に示す斜視図、図３は、スピンドルの動圧溝の断面図、図４は、図１の固体膜の構造を模式的に表した構造図、図５は、固体膜の硬化前の状態での性状分析結果を示すグラフ、図６は、固体膜の硬化後の状態での性状分析結果を示すグラフである。
【００１５】
図中、１はスピンドル、２はケースである。スピンドル１の外周面の上下の離れた二カ所には、ラジアル動圧軸受としての動圧溝１１，１１が、また、スピンドル１の下側の端面には、スラスト動圧軸受としての動圧溝１２が、それぞれ形成されている。これらの動圧溝１１，１２は、いずれも、平面視ほぼＶ字形のものをヘリングボーン状に配列したものである。また、動圧溝１１，１２のエッジ部分には、図３（ａ）に示すような丸い面取りや、あるいは図３（ｂ）に示すようなテーパ状の面取りが施されている。
【００１６】
そして、スピンドル１とケース２との間の間隙には、例えばモンテカチーニ社の商品名フォンブリンＹ，フォンブリンＺなどのふっ素系オイルからなる流体が封入されており、この流体はスピンドル１の回転によって定方向に導かれて動圧を発生する。この流体による動圧により、スピンドル１がケース２に対して非接触状態に浮上した状態で回転することになる。
【００１７】
また、スピンドル１の外周面および下端面の全表面と、ケース２の内周面および底面とには、下記する末端がイソシアネート官能基付き含ふっ素重合体を硬化処理したことで形成された固体膜３が形成されている。なお、動圧溝１１，１２についても固体膜３が形成されているが、この動圧溝１１，１２のエッジ部分に上述したような面取りを施していれば、動圧溝１１，１２のエッジ部分にも他の部分とほぼ同一の膜厚の固体膜３が形成されることになり、膜切れが起こらずに済む。
【００１８】
前述の末端がイソシアネート官能基付き含ふっ素重合体を硬化処理したことで形成された固体膜３は、−ＣＸＦ２Ｘ−Ｏ−という一般式（Ｘは１〜４の整数）で示される単位を主要構造単位とし、いずれも平均分子量が数百万以上で硬化反応により分子間が少なくとも上記化学式１２、化学式１３、化学式１４および化学式１５のいずれかの結合した３次元の網状構造を有している。３次元の網状構造とは、化学構造上の表現であって、膜の断面が網状になっているのではなく、分子間が網状のように連続してつながって密に詰まった均質な構造になっていることを意味している。このような化合物としては、下記化学式１に示すような末端がイソシアネートの官能基付き含ふっ素重合体を用いて、化学構造を変化させたものとすることができる。前述の末端がイソシアネートの官能基付き含ふっ素重合体としては、パーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）の誘導体、具体的に例えばモンテカチーニ社の商品名フォンブリンＺ誘導体（FONBLIN Z DISOCなど）が好適に用いられる。
【００１９】
【化１】
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【００２０】
次に、上述した固体膜３の形成方法の一例を説明する。
【００２１】
（ａ）  末端がイソシアネート官能基付き含ふっ素重合体を硬化処理したことで形成された固体膜３を得るための溶液を用意し、この溶液中にスピンドル１、ケース２をそれぞれ個別に浸漬することにより、これらの表面全体に液状膜を付着させる（付着処理）。ここで用意する溶液は、末端がイソシアネートの官能基付き含ふっ素重合体〔フォンブリンＺ誘導体（FONBLIN Z DISOC）〕を希釈溶媒（ふっ素系溶剤ＳＶ９０Ｄ）で含ふっ素重合体の濃度を１ｍａｓｓ％にまで希釈したものとする。
【００２２】
（ｂ）  液状膜を付着したスピンドル１およびケース２を、４０〜５０℃で約１分間加熱し、液状膜に含む溶媒を除去する（乾燥処理）。この時点では、液状膜のままであり、流動性を有している。
【００２３】
（ｃ）  この後、例えば１００〜２００℃で２０時間、加熱する（硬化処理）。これにより、液状膜の化学構造が変化することにより硬化反応して末端がイソシアネート官能基付き含ふっ素重合体を硬化処理したことで形成された固体膜３が得られる。ちなみに、この硬化処理では、液状膜に存在している官能基付き含ふっ素重合体の個々について、下記化学式２〜５に示すような４種の硬化反応でもって末端のイソシアネート（ＮＣＯ）が消失し、各官能基付き含ふっ素重合体が互いに上記化学式１２，１３，１４および１５のいずれかの結合をすることにより３次元の網状構造となる。結合は、化学式２，３に示すような硬化反応でもって、図４（ａ）に模式的に示すように直線的に架橋するとともに、化学式４，５に示すような硬化反応でもって、図４（ｂ）に模式的に示すように３次元方向で架橋する。なお、図４では、下記化学式６に示すように、上記化学式１を簡略化して模式的に表している。
【００２４】
【化２】
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【００２５】
【化３】
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【００２６】
【化４】
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【００２７】
【化５】
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【００２８】
【化６】
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【００２９】
このようにすれば、スピンドル１とケース２において互いに接触する部位に固体膜３を好適な膜厚で形成することができる。なお、（ａ）、（ｂ）は必要に応じて数回繰り返すようにしてもよく、最終的には、用途に応じて、固体膜３の膜厚を０．０１〜２μｍの範囲で適宜に設定することができる。
【００３０】
ここで、（ａ）で用意した溶液を濃縮乾燥しただけの状態（流動性がある状態）と、（ａ）で用意した溶液をステンレス鋼板などの試料に付着して硬化した状態とについて、その性状を分析したので説明する。
【００３１】
前者は、ＦＴ−ＩＲ法（フーリエ変換−赤外分光、液膜法）で分析している。その結果は、図５のグラフに示すように、ふっ素系のピーク以外にＮＨ（３３００ｃｍ−１）、Ｎ＝Ｃ＝Ｏ（２２７９ｃｍ−１）、ＮＨＣ＝Ｏ（１７１２ｃｍ−１，１５４６ｃｍ−１）、ベンゼン（１６００ｃｍ−１）などのピークが見られ、ベンゼン環、ＮＨＣ＝Ｏ結合、イソシアネートが官能基として存在していることが確認できる。ここでは、薄膜と厚膜との場合についてそれぞれ調べているが、膜厚に関係なく分析が行えた。後者は、ＦＴ−ＩＲ法（フーリエ変換−赤外分光、高感度反射法）で分析している。その結果は、図６のグラフに示すように、ベンゼン環やＮＨＣ＝Ｏ結合のピークが見られるが、イソシアネートのピークが見られない。つまり、これらの結果に基づき、上記化学式２〜５に示す硬化反応による官能基の化学構造変化が確認される。
【００３２】
以上説明した動圧軸受Ａは、スピンドル１とケース２との摺動部位が固体膜３を介在した接触となり、それらが直接的に接触することが無くなる。しかも、固体膜３は、それ自体が３次元の網状構造をもって、被覆対象上に緻密に被覆されるとともに自己潤滑性を有するため、起動時や停止時のスピンドル１とケース２との摺動動作に伴う摩耗、剥離といった発塵がきわめて少なくなる。したがって、スピンドル１とケース２との直接的な接触を長期にわたって回避できるようになり、長寿命化を達成できるようになる。この他、耐荷重性についても従来例の固体潤滑剤の膜に比べて向上する。しかも、動圧溝１１，１２のエッジ部分の欠けなども防止できるようになり、動圧溝１１，１２による動圧発生作用の低下を防止できるようになる。そして、上述しているように流体としてふっ素系オイルを使用していれば、スピンドル１とケース２との間での固体膜３の膜切れを長期にわたって無くすなど、より潤滑条件が良好となる上、固体膜３から摩耗粉が発生してもそれをトラップして外部への発塵を阻止する。
【００３３】
なお、本発明は上記実施例のみに限定されるものではなく、種々な応用や変形が考えられる。
【００３４】
（１）  上記実施例において、（ｃ）の硬化処理については、加熱に代えて、紫外線、赤外線、γ線、電子線などの電磁波（光）のエネルギーを利用することができる。
【００３５】
（２）  上記実施例において、（ｂ）の乾燥処理は、省略してもよい。
【００３６】
（３）  上記実施例で説明した固体膜３について、末端がイソシアネート官能基付き含ふっ素重合体を硬化処理したことで形成された固体膜３中に、フルオロポリエーテルなどの含ふっ素重合体を流動可能に分散添加した構造とすることもできる。この場合、具体的に、上記実施例での形成方法の（ａ）の付着処理において、用意する溶液を、末端がイソシアネートの官能基付き含ふっ素重合体〔例えば商品名フォンブリンＺ誘導体（FONBLIN Z DISOC など）〕と、官能基なし含ふっ素重合体〔例えば商品名フォンブリンＺ誘導体（FONBLIN Z-60など）〕とを所定の割合で混合したものとすればよい。この場合では、（ｃ）の硬化処理において、官能基なし含ふっ素重合体が、官能基付き含ふっ素重合体と結合しないので、これが、末端がイソシアネート官能基付き含ふっ素重合体を硬化処理したことで形成された固体膜３の内部において流動可能となり、膜表面から滲み出るなどして潤滑作用に寄与することになる。
【００４０】
（４）  上記実施例で説明した末端がイソシアネート官能基付きふっ素重合体を硬化処理したことで形成された固体膜３について、図７に示すように、ポリテトラフルオロエチレン樹脂（ＰＴＦＥ）からなる粒子４を分散混入してもよい。この場合、粒子４となるＰＴＦＥとしては、球状とするのが望ましく、例えばセントラル硝子製の商品名セラルーブＶなどが好適に用いられる。
【００４１】
この場合、固体膜３の形成方法は、上述したものとほぼ同じであるが、上記（ａ）での処理において用意する溶液について、例えばフォンブリンＺ誘導体（FONBLIN Z DISOC）を適当な希釈溶媒（ふっ素系溶剤ＳＶ９０Ｄ）でフォンブリン濃度を１ｍａｓｓ％にまで希釈したものに対して、約０．０１〜２μｍの直径を有する球状の粒子４を例えば１〜５ｗｔ％分散混入したものとすればよい。この固体膜３は、図示するように、粒子４の直径に近似した膜厚にしているが、粒子４の上方が露出していないとともに粒子４の下方にも固体膜３の一部が介在する状態になっており、全体的には表面がほぼ平坦になっている。なお、粒子４は固体膜３の全面積の２５〜５０％を占める量となるように設定される。また、形成した固体膜３は、パーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）の固体成分が３ｗｔ％、液体成分が０．７５ｗｔ％、ポリテトラフルオロエチレン樹脂（ＰＴＦＥ）が２ｗｔ％存在するようになる。
【００４２】
このように、固体膜３中に粒子４を分散混入していれば、粒子４によって荷重に対する緩衝作用が増すので、耐荷重性が向上する。ちなみに、耐荷重性については、粒子４を混入していない固体膜３の場合、荷重負担能力の上限値が約１６０ｋｇｆ／ｍｍ2であるのに対して、粒子４を混入した固体膜３の場合だと、２００ｋｇｆ／ｍｍ2と向上する。特に粒子４が球状であると、荷重の分散が広くなり、大きな緩衝作用を得ることができる。しかも、粒子４はふっ素系なので固体膜３に対してなじみがよく剥離しにくい。
【００４３】
【発明の効果】
本発明では、相対回転する二つの部材の少なくともいずれか一方の相対面に発塵性および潤滑性において格段に優れた末端がイソシアネート官能基付き含ふっ素重合体を硬化処理した固体膜を形成しているから、起動時や停止時や外乱発生時の両部材の接触部位の摩耗・焼付きだけでなく、動圧溝のエッジ部分の欠けなどを長期にわたって防止できる。したがって、動圧溝による動圧発生作用を初期設計どおりに保った上で、長寿命化を達成できるとともに環境の清浄化を維持できるようになる。
【００４４】
また、固体膜にポリテトラフルオロエチレン樹脂からなる粒子を分散混入している場合では、この粒子により荷重に対する緩衝作用が増すことになり、耐荷重性が増すようになる。このため、衝撃や振動が加わった時でも、それらを緩衝し膜の破断を防止できるようになるので、二つの部材間の金属接触を回避できるようになる。
【００４５】
特に、流体としてふっ素系オイルを用いている場合では、このオイルと固体膜とのなじみがよく、二つの部材間の膜切れを長期にわたって無くせるなど、より潤滑条件が良好になる上、固体膜から摩耗粉が発生してもそれをトラップして外部への発塵を阻止する。さらに、固体膜に末端がイソシアネート官能基付き含ふっ素重合体と結合しない含ふっ素重合体を流動可能な状態で分散添加している場合では、この末端がイソシアネート官能基付き含ふっ素重合体と結合しない流動可能な含ふっ素重合体が膜表面から滲み出て潤滑作用に寄与するので、潤滑性の一層の向上に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例にかかるスピンドルの支持構造を模式的に示す縦断面図
【図２】スピンドルの下端面を模式的に示す斜視図
【図３】スピンドルの動圧溝の断面図
【図４】図１の固体膜の構造を模式的に表した構造図
【図５】固体膜の硬化前の状態での性状分析結果を示すグラフ
【図６】固体膜の硬化後の状態での性状分析結果を示すグラフ
【図７】本発明の他の実施例の固体膜を模式的に示す断面拡大図
【符号の説明】
１    スピンドル
１１    スピンドル外周面の動圧溝
１２    スピンドル下端面の動圧溝
２    ケース
３    固体膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0003903152.tif 000032
【図６】
0003903152.tif 000033
【図７】
0003903152.tif 000034