JP2006226500A - 転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】軸電圧が生じるようなモータに使用された場合でも電食が防止できる転がり軸受を提供する。
【解決手段】鋼製の外輪２の外周面２０に、表面抵抗が１０⁶ Ω以上のダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）層を形成する。鋼製の内輪１の軌道面１ａに、表面抵抗が１０⁶ Ω以上で弾性係数（応力／歪み）が２５ＧＰａ以上１８０ＧＰａ以下のダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）層を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は転がり軸受に関する。

モータのロータ軸は、転がり軸受でハウジングに対して回転自在に支持されている。モータのロータ軸支持に通常使用されている転がり軸受は、ＳＵＪ２（高炭素クロム軸受鋼二種）製の内輪、外輪、および転動体を備えている。
インバータ制御モータや高速スイッチング等の、高周波電流が発生する装置の近くで使用されるモータには、軸電圧が発生して、ロータ軸とハウジングとの間に電位差が生じる場合がある。これに伴って、ハウジングやロータ軸からの漏れ電流が、転がり軸受の転動体と軌道輪との間に流れ、軌道輪の軌道面および転動体の転動面に電食（電気化学的腐食）が生じる恐れがある。この電食が生じると、軌道輪の軌道面および転動体の転動面の精度が低下し、振動が上昇して、軸受の寿命が短くなる。

この電食を防止するために様々な提案がなされているが、最も有望な提案としては、軌道輪の軌道面に合成樹脂、熱可塑性エラストマ、または合成ゴムからなる絶縁層を設ける方法がある（例えば特許文献１および２参照）。
特開平７−３１０７４８号公報 特開平１０−７５５５１号公報

しかしながら、軌道面に前述の絶縁層を設けると、軸受の回転時に生じる熱で絶縁層にクリープ変形が生じて、軸受の回転精度が低下する恐れがある。
本発明は、軸電圧が生じるようなモータに使用された場合でも電食が防止できる転がり軸受を、回転精度の低下等が生じない方法で提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、鋼製の外輪の外周面に、表面抵抗が１０⁶ Ω以上のダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）層が形成されていることを特徴とする転がり軸受を提供する。
本発明は、また、鋼製の軌道輪の軌道面に、表面抵抗が１０⁶ Ω以上で弾性係数（応力／歪み）が２５ＧＰａ以上１８０ＧＰａ以下のダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）層が形成されていることを特徴とする転がり軸受を提供する。

これらの転がり軸受によれば、鋼製の外輪の外周面または鋼製の軌道輪の軌道面に、表面抵抗が１０⁶ Ω以上のＤＬＣ層が形成されていることで、軸電圧が生じるようなモータに使用された場合でも電食が防止できる。
ここで、軌道輪の軌道面は、転動体との転がり接触によって例えば２ＧＰａ程度の応力を受ける。そのため、軌道面に設けるＤＬＣ層の剛性が高すぎると、繰り返し応力を受けることで破壊が生じ易くなる。軌道面に設けるＤＬＣ層の弾性係数（応力／歪み）を２５ＧＰａ以上１８０ＧＰａ以下（下地鋼の弾性係数と同等以下）とすることで、このような破壊を生じ難くすることができる。また、回転精度の低下等の不具合も生じない。

なお、外輪の外周面はハウジングに対して間座などを介して取り付けられるため、軌道面に設ける場合のように、ＤＬＣ層の弾性係数を下地鋼の弾性係数と同等以下にする必要はない。
ＤＬＣ層の形成方法としては、マグネトロンスパッタリング、高周波スパッタリング、イオンビームアシストデポジション、イオンビームデポジション、イオンプレーティング、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）プラズマＣＶＤ法、ＥＣＲスパッタリング法等を採用することができる。特に、アンバランスドマグネトロンスパッタリング（以下「ＵＢＭＳ」と略称する。）法により形成することが好ましい。

ＵＢＭＳ法は、非平衡な磁場分布を有するマグネトロンカソードを使用することにより、通常のマグネトロンスパッタリング法（バランスドマグネトロンスパッタリング法）と比較して基板（被成膜面）の近傍でのプラズマ密度を高くすることができるため、成膜時の基板温度を低くすることができる。また、基板に負の電力を印加して行うバイアススパッタリングにより、硬いＤＬＣ層が形成できるという利点もある。
特に、ＵＢＭＳ法によるバイアススパッタリングは、金属下地層−金属カーバイド中間層−ＤＬＣ層といった複合層を形成する際に、ターゲット電力とバイアス電圧の制御および気体導入量の制御によって組成を制御し易いため、特に好ましい成膜法である。

本発明の転がり軸受において、ＤＬＣ層は、マグネトロンスパッタリング法により炭化水素系ガスを導入しながら形成され、塑性変形硬さが２ＧＰａ以上１５ＧＰａ以下となっていることが好ましい。これにより、ＤＬＣ層の体積抵抗値を高くすることができる。前記炭化水素系ガスとしては、アセチレン、メタン、エタン、プロパン、６フッ化エタンなどが挙げられる。
この方法で形成されるＤＬＣ層の表面粗さは、炭化水素系ガスの導入量によって制御することができる。転がり軸受の回転音が増大することを防止するために、ＤＬＣ層の表面粗さを下地の表面粗さの１．１倍以下とすることが好ましい。
本発明の転がり軸受は、インバータ制御モータの軸の支持に好適に使用される。

本発明の転がり軸受によれば、軸電圧が生じるようなモータに使用された場合でも電食が防止されて、長期間に渡って良好な性能を保持できる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に相当する転がり軸受を示す断面図である。
この転がり軸受は、呼び番号６２０２（内径１５ｍｍ、外径３５ｍｍ、幅１１ｍｍ）の単列深みぞ玉軸受であり、内輪１、外輪２、玉（転動体）３と、保持器４と、シール５とで構成されている。内輪１の外周面には軌道溝１ａが、外輪２の内周面には軌道溝２ａがそれぞれ形成されている。これらの軌道溝１ａ，２ａが対向配置され、その間に保持器４を介して玉３が転動自在に配設されている。
内輪１、外輪２、および玉３は、ＳＵＪ２（高炭素クロム軸受鋼２種）で形成し、内輪１の軌道溝１ａが形成されている面１０と外輪２の外周面２０に、下記の方法で図２に示す構造の複合層６１〜６４を形成した。

成膜装置としては、（株）神戸製鋼所のＵＢＭＳ装置「５０４」を使用した。ターゲットとしてクロムとカーボン（炭素）をこの装置の所定位置に設置した。先ず、被成膜物の表面をスパッタリングによりクリーンにして活性化する処理（ボンバード処理）を行った。このボンバード処理は、ターゲット電力０の状態でチャンバ内の圧力を１Ｐａ程度にし、チャンバ内にアルゴンガスを導入して、被成膜物に−１００〜−５００Ｖの電圧をかけ、１５分間アルゴンプラズマでスパッタリングすることにより行った。

次に、クロムのターゲット電力を「−」にし、被成膜物には、これより大きな負のバイアス電圧（−５０Ｖ〜−１００Ｖ）をかけて、チャンバ内にアルゴンガスを導入してＵＢＭＳを行った。これにより、ＳＵＪ２製の被成膜物６０の表面にクロム下地層６１を形成した。所定時間経過後に、クロムのターゲット電力を徐々に小さくするとともに、カーボンのターゲット電力を徐々に大きくしながら、アルゴンガスの導入をし続け、被成膜物のバイアス電圧はそのままでＵＢＭＳを継続した。これにより、クロム下地層６１の上にクロムカーバイド（ＣｒＣ）中間層６２を形成した。

所定時間経過後に、カーボンのターゲット電力を１０ｋＷとし、クロムのターゲット電力を０とし、チャンバ内にアルゴンガスを導入し続けながらＵＢＭＳを継続した。これにより、クロムカーバイド中間層６２の上にＤＬＣ層６３を形成した。次に、チャンバ内にアルゴンガスとともにアセチレンガスを導入し、バイアス電圧を０〜−２００Ｖの範囲で制御しながらＵＢＭＳを継続した。これにより、ＤＬＣ層６３の上に高抵抗ＤＬＣ層６４を形成した。

このようにして、軌道溝側の面１０にＤＬＣ複合層６１〜６４が形成された内輪１と、外周面２０にＤＬＣ複合層６１〜６４が形成された外輪２を得た。そして、このＤＬＣ層が形成された外輪２とＤＬＣ層が形成されていない内輪１を用いて、実施例１の転がり軸受を組み立てた。また、このＤＬＣ層が形成された内輪１とＤＬＣ層が形成されていない外輪２とを用いて、実施例２の転がり軸受を組み立てた。さらに、これらのＤＬＣ層が形成された外輪２と内輪１を用いて、実施例３の転がり軸受を組み立てた。また、ＤＬＣ層が形成されていない内輪１と外輪２を用いて、比較例の転がり軸受を組み立てた。

各実施例および比較例の転がり軸受を図３に示すファンモータに組み込んで下記の条件で回転させ、図４に示す試験装置を用いて軸受に流れる電流を調べた。
このファンモータは、ロータ１０１と、ステータ１０２と、ハウジング１０３と、回転軸１０４と、回転軸１０４の両端をハウジング１０３に対して回転自在に支持する転がり軸受１０５，１０６を備えている。ハウジング１０３はロータ１０２が内嵌される筒状部１０３ａと、その前後を塞ぐ前蓋１０３ｂおよび後ろ蓋１０３ｃとからなる。前蓋１０３ｂは回転軸１０４を配置する部分が前方に突出し、この突出部分に間座１０７を介して転がり軸受１０５の外輪が嵌め込まれている。後ろ蓋１０３ｃの後方は、回転軸１０４を配置する部分が後方に突出し、この突出部分に間座１０８を介して転がり軸受１０６の外輪が嵌め込まれている。

図４の試験装置は、インダクションモータ２０１，２０２と、両インダクションモータ２０１，２０２を回転させる３相２００Ｖの電源２０３と、電源２０３とインダクションモータ２０２の間に接続されたインバータ２０４と、電流測定用ＣＴ２０５と、電流アンプ２０６と、電流計２０７とからなる。インダクションモータ２０１は転がり軸受１０５，１０６が取り付けられた回転軸１０４を回転させる。インダクションモータ２０２は、転がり軸受１０５，１０６の外輪と、配線２０８により電気的に接続されている。電流測定用ＣＴ２０５は、配線２０８を流れる電流（すなわち、転がり軸受１０５，１０６に流れた電流）を検出する。電流アンプ２０６は、電流測定用ＣＴ２０５で検出された電流を増幅する。

＜試験条件＞
回転速度：１８００ｍｉｎ^-1（内輪回転）
アキシャル荷重：２９．４Ｎ（３ｋｇｆ）
グリース：ＮＳ７
軸受への付与電流：１４ｍＡ
回転時間：１５００時間
その結果、転がり軸受に流れた電流は実施例１で７．２ｍＡであり、実施例２で１１ｍＡであり、実施例３で５．５ｍＡであり、比較例で１３ｍＡであった。また、１５００時間回転後に各転がり軸受に電食が生じているかどうかを確認したところ、実施例１〜３では電食は生じていなかったが、比較例では生じていた。

次に、弾性係数が異なるＤＬＣ層を軌道面に設けた多数の内輪を用意し、他は同じ構成とした多数の転がり軸受について、図５の試験装置を用いた回転試験を行った。
この試験装置は、試験軸受７０に対して通電しながら回転を行うものであり、モータ７１と、絶縁カップリング７２と、鉄製ハウジング７３と、給電用の予圧バネ７４と、ブラシ７５とで構成されている。この装置を用いて下記の条件で回転試験を行い、ＤＬＣ層が破壊するまでの累積回転数を測定した。

＜試験条件＞
回転速度：１８００ｍｉｎ^-1（内輪回転）
アキシャル荷重：２０Ｎ
軸受への付与電流：２ｍＡ
雰囲気温度：室温
回転時間：１００時間
得られた結果を図６にグラフで示す。このグラフから、内輪軌道面のＤＬＣ層の弾性係数を１８０ＧＰａ以下とすることで、ＤＬＣ層の寿命が長くなることが分かる。なお、内輪軌道面のＤＬＣ層の弾性係数が２５ＧＰａ未満であると、引っかき疵等がつきやすくなる。よって、内輪軌道面のＤＬＣ層の弾性係数は２５ＧＰａ以上１８０ＧＰａ以下とする必要がある。

次に、ＤＬＣ層の形成を炭化水素ガス有りで行った場合と、無しで行った場合とで、得られるＤＬＣ層の硬さと体積抵抗値がどのように変化するについて調べた。その結果を図７にグラフで示す。このグラフから、ＤＬＣ層の形成を炭化水素ガス無しで行った場合は、ＤＬＣ層の硬さを４０ＧＰａ以上としても体積抵抗値は１×１０⁷ Ω以下であるのに対して、ＤＬＣ層の形成を炭化水素ガス有りで行うことで、ＤＬＣ層の硬さを１４ＧＰａ以下としても体積抵抗値を１×１０⁷ Ω以上にできることが分かる。
ＤＬＣ層の塑性変形硬さが２ＧＰａ未満であると、ＤＬＣ層の摩耗が進行しやすく、軸受の寿命が短くなることがある。よって、ＤＬＣ層の塑性変形硬さは２ＧＰａ以上１４ＧＰａ以下とすることが好ましい。

本発明の一実施形態に相当する転がり軸受を示す断面図である。 本発明の実施形態で形成したＤＬＣ複合層を示す図である。 実施形態で組み立てたファンモータを示す断面図である。 実施形態で使用した通電回転試験装置を示す図である。 実施形態で使用した通電回転試験装置を示す図である。 実施形態で得られた、内輪軌道面のＤＬＣ層の弾性係数と、ＤＬＣ層が破壊するまでの累積回転数との関係を示すグラフである。 実施形態で得られた、ＤＬＣ層の塑性変形硬さと体積抵抗値との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 内輪
２ 外輪
３ 玉（転動体）
４ 保持器
５ シール
６１ クロム下地層
６２ クロムカーバイド（ＣｒＣ）中間層
６３ ＤＬＣ層
６４ 高抵抗ＤＬＣ層
７０ 試験軸受
７１ モータ
７２ 絶縁カップリング
７３ ハウジング
７４ 予圧バネ
７５ ブラシ
１０１ ロータ
１０２ ステータ
１０３ ハウジング
１０４ 回転軸
１０５ 転がり軸受
１０６ 転がり軸受

Claims (4)

1. 鋼製の外輪の外周面に、表面抵抗が１０⁶ Ω以上のダイヤモンドライクカーボン層が形成されていることを特徴とする転がり軸受。
2. 鋼製の軌道輪の軌道面に、表面抵抗が１０⁶ Ω以上で弾性係数（応力／歪み）が２５ＧＰａ以上１８０ＧＰａ以下のダイヤモンドライクカーボン層が形成されていることを特徴とする転がり軸受。
3. 前記ダイヤモンドライクカーボン層は、マグネトロンスパッタリング法により炭化水素ガスを導入しながら形成され、塑性変形硬さが２ＧＰａ以上１５ＧＰａ以下となっている請求項１または２記載の転がり軸受。
4. インバータ制御モータの軸の支持に使用される請求項１、２、または３記載の転がり軸受。

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