JP2006509975A - 複合された潤滑材料を有する転がり軸受 - Google Patents

Abstract

本発明は、複合された潤滑剤を有する転がり軸受（５，６）に関する。部品同士を互いに向かって動かすことにより、表面接触させる。前記部品の少なくとも１つの領域の少なくとも一部が潤滑剤でコーティングされている。

Description

発明の詳細な説明

本発明は、請求項１の前置き部分に記載の転がり軸受に関する。これまで、ｎ・Ｄｍ≧ｍｉｌｌ．（ｎ＝速度［ＲＰＭ］、Ｄ_m＝基準円［ｍｍ］）の高精度ボール軸受は、コンプレッサ、タービン、機械軸、ボール軸受、ターボ分子ポンプ等の高速稼動装置に使用されてきた。このような軸受には、定期的にオイルが注入されている。

多くの場合、転がり軸受へのオイルの注入が深刻な問題をもたらすことはない。ところが、そのような潤滑剤を欲しない敏感な作業領域に潤滑剤が入り込んでしまうような特別な場合には、潤滑オイルの使用が著しく破壊的となる。

高速回転転がり軸受は様々な用途で使用されており、例えば、歯科用器具においても使用される。使用された潤滑剤が、例えば軸受及びドリル受容器を介して、ドリルの作業領域に入り込み、その結果、患者の口内の治療されるキャビティに入ってしまうことは容易に理解できることだろう。キャビティに潤滑剤がほんのわずか入るだけでも、キャビティの詰め物はもはや十分にその役目を果たすことができない。なぜなら、潤滑剤が入ることにより、詰め物がキャビティにうまく接着しなくなってしまうからである。

しかしながら、従来技術では、器具に繰り返し潤滑剤を注入することが不可欠であると言われている。このことは、器具への潤滑剤の注入が通常不規則な間隔で行われることを示している。それでさえ、頻繁に過剰なオイルが供給されて、その結果、動き及び耐用年数に悪影響を与え、作業品質もまた、動作中に雫やオイルミストの状態で存在するオイルにより悪影響を受ける。

コーティング技術ではよく知られた処理により、本体をコーティングすることができる。この方法でコーティングされた基体とコーティング済または未コーティングの対をなす副体とを、その後、ドライランの間、互いに相対的に動かすことができる。この動きにより、コーティングされた基体から未コーティングの副体に潤滑材料が移されて、双方の減摩面に順調に入り込む。

本発明の目的は、高速回転転がり軸受、特に、小型軸受を提供することである。本発明の転がり軸受によると、軸受に含まれる移動構造要素を通常の速い速度で操作することができる一方で、無駄な熱の発生を抑え、円滑な動作を保証する。また、オイル漏れの危険なく、以前と変わらぬ耐用年数を維持することができ、前述した従来技術の不利益は回避される。

本発明は、請求項１に記載の発明により達成される。有利な実施形態を下位請求項に記載する。
本発明の転がり軸受は、外部から供給される潤滑剤を全く必要とせず、請求項１に記載の発明の特徴を利用して製造される。請求項１の発明によると、少なくとも１つの部品の表面の少なくとも一部が潤滑剤でコーティングされている。

以下において、「潤滑剤」とは、潤滑作用のあるすべての材料を区別なく称するものとする。
以下において、「潤滑剤」はまた、オイルやグリースなど、固体結合されていない潤滑性材料を特に称するものとする。

さらにまた、「潤滑剤」は、固体結合された潤滑材料、及び／または、自身が潤滑剤を放出できる潤滑材料を称するものとする。
コーティング自身を潤滑剤としてもよい。この場合、コーティングは、基本材料と堅く結合されているか、あるいは、例えばキャリヤ層のような、少なくとも１つの中間層を付加的に備える。

コーティング自身が潤滑剤を放出する場合、部分的な霧化あるいは微粉化が起きたとしても、放出量が非常に少ないために、その放出が実質的に軸受の領域に限定されるのが好ましい。この結果、作業結果に悪影響がもたらされることがない。この場合の利点は、潤滑剤が、摩擦処理が起きる場所にだけ存在することである。

部品には、具体的には減摩体、すなわち、ボール軸受の場合、軸受ボール及び／または外輪及び／または内輪及び／または軸受ケージが含まれている。動作パスは、本実施例においては、外輪及び／または内輪に関する発明に従って設計されるのが好ましい。

このような固体潤滑を、潤滑剤としてのオイルに取って代わるものとして使用することで、オイルフリー概念への転換を図ることができる。
潤滑剤は、通常、摩擦あるいは磨耗の縮小、及び／または、特に表面特性の調整が目的の場合、常に必要とされる。本発明によると、オペレータは、もはや定期的に軸受に潤滑剤を注入する必要はなく、メンテナンス中のサービスの不手際を回避することができる。さらに、本発明の軸受を備えた器具または装置は、潤滑剤による内側あるいは外側からの汚染から守られる。

歯科用器具に使用される場合、治療の間の利点は、潤滑剤が器具上に漏れ出さないことであり、このため、治療を受ける患者のキャビティに潤滑剤が入ることはない。この概念は、モータ、特に電気モータにより動力供給される手用器具だけでなく、圧縮空気駆動式の器具にも関連する。

また、本発明の軸受により、冒頭で記載したその他の用途、例えば真空技術、特に超高真空技術等におけるオイルまたはその蒸気による破壊的な影響が回避される。さらに、あらゆる場合において、本発明の軸受の利点は、少なくとも潤滑に関するメンテナンスが不要になることである。

本発明の初期段階に遭遇した特別な障害は、小さな構成要素が、小型軸受の特別な負荷の下でどのような動きを示すかについての情報を得ることに関係していた。古典的な機械工学、具体的には材料科学及びコーティング技術において現在研究されている類のコーティングの作用についての知識は、物理及び冶金作用のせいでますます小さくなった構造要素にそのまま適用できるとは限らない。むしろ、小型化が進むことにより、負荷、例えば、静的負荷の影響が減少し、公差、表面仕上げ、結晶及び組織構造、冶金拡散処理等の影響が増加している。

また、多くの場合、小型軸受には典型的な負荷、すなわち、対象とする用途により異なるが、例えば４０，０００ＲＰＭから４００，０００ＲＰＭを超える回転を伴う。この回転数は、いくつかのギヤ段階を超えたときにある程度達成することができるが、例えば約１：５の総体的な伝達比で、可能な限り円滑な動作及び低発熱が必要であり、また高温抵抗も保証されなければならない。これらの負荷には、ｎ・Ｄｍ≧１ｍｉｌｌ．（ｎ＝速度［ＲＰＭ］、Ｄ_m＝基準円［ｍｍ］）の軸受においてより頻繁に遭遇する。

コーティングに含まれる潤滑剤を基に潤滑を行う限り、たった１つの構成要素がコーティングされていれば十分である。潤滑剤は、コーティングに残されてもよく、この場合、未コーティング部分への潤滑剤の移動は起きない。

第１の改良例において、コーティング材料及びコーティング材料に結合された潤滑剤をコーティングされた構成要素から未コーティングの構成要素に同時に移動させる利点は、製造段階ですでにコーティングされた構成要素を未コーティングの構成要素と組み合わせて統合できることである。慣らし運転段階後、各接触表面は、最初からすでにコーティングされていた表面と同じように動作する。

互いに相対して動くいくつかの部品があり、それらが潤滑を必要とする場合、部品の少なくとも１つに潤滑剤搬送コーティングを付加すると有利である。この場合、多様なコーティングが可能である。本実施例では、単一の構成要素のみをコーティングすることにより、あるいは、例えば浸食処理において潤滑剤搬送コーティングをすることにより、回転処理の間に相対移動が起きる場所に確実に十分な潤滑が存在するのであれば、互いに相対して動くすべての構成要素を実際にコーティングする必要はない。

結合された潤滑剤とそれと対をなす未コーティングの対応表面とが、潤滑剤が対応表面に付着するように設計されているならば、コーティングを備えた部品からもともと未コーティングの部品への材料の移動により両者の表面が滑らかになる。この結果、動作温度が低くなり、動作がより円滑になる。

別の利点は、コーティングが、コーティングされる構成要素の側から自由表面に向かって多様な構成である場合に発生する。このことは、一方でコーティングの基体への付着、他方で互いに相対して動く部品についての耐摩耗性等、多様な機能の設定を可能にする。さらに、コーティングはコーティングされる対象の構成に依存しない。

コーティングされる構成要素の側について、コーティングの自由表面上の潤滑剤の量を多くする利点は、かみ合う相手に潤滑剤がより良好に供給されることである。
コーティング済部品の表面に接続する少なくとも１つのキャリヤ層及び少なくとも１つの潤滑剤層を含むようにコーティングを改良する利点は、コーティングを保持する部品へのコーティングの付着が特に調整可能であることである。

コーティングの潤滑剤が固体潤滑剤の場合、汚染をもたらすかもしれない成分は、動作中を除いて放出されることはない。
コーティングに組み込まれている成分が動作中に液状となりうる場合、潤滑は、動作中にのみ、かつ、動作場所でのみ起きるので有利である。

コーティングに、金属ドープされたダイヤモンド状炭素層（ＤＣＬ）が含まれる場合、耐摩耗性を伴う優れた潤滑が保証される。金属製キャリヤ層の利点は、表面の硬さを特に調整できることである。本実施例においては、コーティングされた部品の表面の硬さを和らげることができる。

単一あるいはマルチシートポリマー層を含むコーティングは、広範囲に利用できる。なぜなら、利用可能な有機化合物の潜在能力が非常に高いからである。特に興味深いのは、ポリマーが、低摩擦係数、良好な圧力及び柔軟特性を有し、また磨耗に強く硬いことである。このような場合には、例えばＰＴＦＥが使用できる。このようなポリマー層の表面は、回転対の一方の作業表面となる。

さらに、例えば、不動態化、耐摩耗化、圧力安定化、高潤滑作用、層厚、層数等の各特異性を、材料に合わせて個々にかつ特別に調整することができる。ポリマーコーティングが未コーティングの表面に接続することにより、ポリマー粒子が、かみ合う相手の未コーティングの表面に移り、それと共に、各ポリマーの特異性も移動する。さらに、コーティングされる対象の形はコーティングになんら影響を及ぼすことはなく、別の利点は、このようなポリマー層は、回転表面としての使用に適した平らで均一な表面を形成することである。

追加の機能層がコーティングに存在する場合、様々な機能層の特異性を互いに結びつけることができる。例えば、複数の層のうちの１つの層に圧力安定作用がある場合、コーティングに働く圧力ピークは複数の層において分散するため、各構成要素の、ひいては器具全体の耐久性及び寿命を改善する。

コーティングの内部に、動作ノイズを削減する減衰性があると有利である。
コーティングが磨耗している間にコーティングの電気抵抗が変わる場合、コーティングの質的及び量的な磨耗の状態を、例えば磨耗の結果としての層厚の縮小による抵抗の変化を基に決定することができる。

コーティングが電気的に絶縁している場合、十分な絶縁コーティングが存在している限り、抵抗を計測することで、組立部品が電気的に分断されているかどうかを判断することができる。

コーティングが基礎材料とは視覚的に異なっていることの利点は、磨耗の状態が、視覚的に識別可能なコーティングの変化により検知できるということである。
磨耗により、色、明るさ（ミラー効果）あるいは色の強さ等の、コーティングの視覚的な特性が変わるという事実は、例えば慣らし運転の跡のような視覚的に識別可能なコーティングの変化により、磨耗箇所に関係なく磨耗の度合いが検知できるという点で有利である。

ポリマー層の使用の結果、コーティングの表面が軟化する場合、コーティングは減衰性を帯び、動作を円滑にするという有利な効果をもたらす。しかしながら、ポリマーコーティングの使用によりコーティングの表面の硬さが変わらないとしても、ポリマーコーティングは摩擦抵抗を小さくする。しかし、表面がより硬化する場合には、コーティングの磨耗率は逆に小さくなる。コーティングが運転特性及び磨耗特性を調整するために使用できるという点では共通である。

転がり軸受の少なくとも１つの構成要素が、確実に潤滑を行えるようにコーティングされていると有利である。例えば、ボール軸受の内輪及び／または外輪及び／またはボールケージ及び／またはボールは、コーティング可能である。互いに相対して動く各部品のうちの１つにのみコーティングを施せばよいので、コストの生成が抑えられる。また、未コーティング部品へ材料を移動させることができるため、機能層を全体的に非常に薄くすることができる。

グリースまたはオイルあるいは同程度の効果のある添加物等の第２の潤滑材料に対応する追加の第１の未結合潤滑剤が部品の接触面にのみ塗布される場合、例えば動作がより円滑になるといった、結果として生じる追加の利点により、追加の潤滑作用を達成することができる。潤滑剤をこのように組み合わせることにより、システム全体の行動を多種多様なユーザ要求に合わせて調節することができる。

追加の未結合潤滑剤が高接着力及び高密着力を備えている場合には、潤滑剤が追加の潤滑表面から逸れないように、また、例えば手用道具により使用される場所もしくは工具の作業領域に入り込まないようにすることが可能である。接着力により最初に２つの材料が結合され、密着力により物質が内部で確実に密着する。接着力及び密着力の両方により、確実に潤滑剤がピンポイントの正確さでその効果を発揮することができる。この結果は、具体的には、このような潤滑剤は、製造の間に一度しか与えられず、製品の寿命の間、二度と注入される必要がないことである。

例えば、別の未結合の第２の潤滑剤（すなわち第３の潤滑剤）を、すでに組み込まれた追加の第１の潤滑剤に組み合わせる（例えば、軸受の潤滑グリースにオイルを追加する）と、作動行動を追加のパラメータで調整することができるようになる。この結果、例えば、摩擦が小さく、ひいては動作温度が低くなり、さらには動作がより滑らかになる。

結合潤滑剤を追加の未結合潤滑剤のためのキャリヤとして設計すると、各物質の特性間の相互作用を高めることができる。
コーティングが滅菌可能、及び／または、追加の潤滑材料が滅菌可能であると特に有利である。とりわけ、滅菌により、薬剤に要求されるレベルの滅菌性を達成できる。高温及び／または湿度抵抗はその他の用途にも有利であると考えられる。

従来技術に基づく潤滑剤と相性のよいコーティングの潤滑剤及び追加の潤滑剤を選択したとしても、オイルを使用する従来のメンテナンス及び潤滑によりコーティング特性が失われることにはならない。いくつかの層からなる潤滑剤を備えることで、潤滑層間の滑り及び潤滑作用が可能になり、その結果、潤滑能力が高められる。
[代表的な実施形態]
図１は、歯科用手用器具の正面部分を示す。この図は、上部ケーシング１を取り付けた状態の歯科用タービンハンドピースの正面部分の断面図である。タービンハンドピースは、動力工具３のための回転子４を備えた回転子軸２を、転がり軸受５，６を用いた既知の方法で支えている。回転要素（本実施例ではボール）が、ボールケージ１０，１１により間隔をあけて配置されている。

このタービンハンドピースにおいては、具体的には軸受５，６及び／またはケージ１０，１１をコーティングすることができる。
図２は、歯科用ハンドピースの断面図であり、２つの駆動軸部１６，１７が、保持スリーブ１５内部に設置されている。いくつかの少なくとも部分的にコーティングされた転がり軸受１８は、本実施例ではボール軸受１８及び滑り軸受１９として設計されており、取付けのために設けられている。歯車装置の歯車仕掛けは２つの歯車２０，２１から構成されている。

少なくとも部分的にコーティングされた転がり軸受１８に、追加の潤滑剤を注入することが可能である。しかしながら、転がり軸受を滑り軸受に完全に置き換えることも可能であり、この場合には、対応するコーティングを行う。

図３は、潤滑剤の構造の第１変形例としての多機能ハイブリッドポリマー層の構造設計図である。
保護層４２は基体４１の表面に設けられる。圧力安定層４３をその上に設け、その次には機能層としてのポリマー層４４を設ける。これらの層は、図において縦に拡大して表示されている。層全体の厚さは１−１０μｍである。

ハイブリッドポリマー層の利点は、各層が特別な機能（例えば、不動態化、耐摩耗化、圧力安定化、高潤滑作用等）を働かせることができることである。本実施例においても、コーティングは、コーティングされる物体の形には依存せず、層厚及び層数は、個別に調整可能である。本実施例のポリマーは、平らで均質な表面を形成する。

ポリマー層の内部構造は、同一の物質の様々なシートから構成されることができる。これらのシートは、シート間の潤滑処理により潤滑を理想的に維持することができる。さらに、例えば組立ての間に、ポリマー結合された潤滑剤を組み込むことが可能であり、未結合の潤滑剤を加えることもできる。潤滑許容量は、個々の層の相互作用により正確に設定できる。

図４ａは、基体５１を示し、基体５１には、移行層５２ａ及び支持層５２ｂ、次いで潤滑剤を含むまたは形成する機能層５３が配置されている。移行層５２ａは、基体５１への接続を確立し、支持層５２ｂは、圧力補正を可能にする。この代わりに、たった１つの層あるいは２つの層５２ａ、５２ｂ以外の層を設けることもできる。キャリヤ層及び機能層のどちらも機能層５３の反対側にある本体５４に設けられることはない。

回転処理は、それと同時に起きる処理と共に、図４ｂに示すように、コーティング分布に変化をもたらす。回転処理により、機能層５３から対をなす副体５８へ材料が移動し、副体５８に、機能層５３ｂとして配置される。さらに、左右対称に滑らかな減摩面５５，５６が、基体５１の機能層５３ａまたは機能層５３ｂ上に形成される。

機能層５３は、金属ドープされたＤＣＬ層であってもよい。これらの層は、例えば磨耗防止のために使用され、具体的には基体５１，５４である隣接した減摩体同士の接触を妨げる。機能層全体の特性は、例えば別々の層５２ａ及び５２ｂにより個々に調整することができる。第１の変形例においては、このような層の機能層５３の摩擦係数は、０．０３である。

潤滑剤（本実施例では乾いた潤滑層）としては、機能層５３が、追加的に、薄層状の改良二硫化タングステンから構成され、分子結合をなし、これにより同時にキャリヤ材料との物理的な接続を確立するという特徴がある。この結果、毒性または腐食作用を持たず、最も重要なことには、オイル、グリース、溶媒、ベンゼン、アルコールに適合する保護層が回転パス全体に広がる。

第２の実施例において、金属ドープしたＤＣＬ層（ＷＣ／Ｃとも称される）を用いた表面コーティングには、乾いた潤滑特性を有する硬質層が含まれる。硬質層の固さは１０００ＨＶである。硬質層の層構造には、中間クロム層及びいくつかの薄層状ＷＣ／Ｃ層が含まれる。それらの層の全体的な凝集性は良好である。全体的な層の厚さが１−４μｍの場合、接着力も非常に良好である。このような層は３００℃の耐熱性を持ち、表面構造が均一に滑らかな場合には、理論上の摩擦係数が０．２となる。

設定により、潤滑の潤滑面を、結合潤滑剤または非結合潤滑剤により定めることができる。

歯科用タービンの上部ケーシングの縦断面図である。 軸及び歯車装置を備えた転がり軸受の部分縦断面図である。 多機能ハイブリッド層の構造設計図である。 本発明に基づいて設計された軸受手段の断面図である。

Claims (28)

1. 互いに相対して移動する潤滑部品のための複合された潤滑材料を用いた転がり軸受であって、転がり軸受は、具体的にはそれぞれ動作パスを備える内輪と外輪とを備え、内輪は内輪と外輪との間には、具体的にはボールである転動体が配置され、潤滑部品の少なくとも１つの表面の少なくとも一部が、潤滑剤のコーティング（５２，５３）を備えた転がり軸受。
2. ｎ・Ｄｍ≧１ｍｉｌｌ．（ｎ＝速度［ＲＰＭ］、Ｄ_m＝基準円［ｍｍ］）であることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
3. 部品同士が動くにつれ、潤滑剤が、コーティング済部品から未コーティングの部品へ移動するように設計されることを特徴とする請求項１または２に記載の転がり軸受。
4. 潤滑剤が未コーティング部品（５４）の対応表面（５７）に付着するように、潤滑剤と未コーティング部品（５４）の対応表面（５７）とが設計されることを特徴とする請求項１または３のいずれかに記載の転がり軸受。
5. コーティングされる構成要素側から自由表面に向かって、コーティングの組成（５２ａ，５２ｂ，５３，４２，４３，４４）が変化することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の転がり軸受。
6. コーティングされる構成要素の側について、コーティングの自由表面（５５）上の潤滑剤の量が多いことを特徴とする上記請求項のいずれかに記載の転がり軸受。
7. コーティングが、コーティング済部品の表面に接続する少なくとも１つのキャリヤ層（５２ａ，４２）と、少なくとも１つの潤滑層（５３，４３，４４）とを備えることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の転がり軸受。
8. コーティング（５３，４４）の潤滑剤が、固体潤滑剤であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の転がり軸受。
9. 動作中に液状の形態をとる成分を備えた潤滑剤が、コーティング（５３，５４）に組み込まれることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の転がり軸受。
10. コーティング（５３，４４）に、金属ドープされたダイヤモンド状炭素層ＤＣＬが含まれることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の転がり軸受。
11. コーティングに、単一またはマルチシートポリマー層（４２，４３，４４）が含まれることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の転がり軸受。
12. キャリヤ層（４２，５２ａ）が、金属製であることを特徴とする請求項の１ないし１１いずれかに記載の転がり軸受。
13. コーティング全体が追加の機能層（５２ａ，５２ｂ，４２，４３）を有し、そのうちの１つの圧力が安定していることを特徴とする請求項の１ないし１２いずれかに記載の転がり軸受。
14. コーティングの１つ以上の層の内部が減衰性を示すことを特徴とする請求項の１ないし１３いずれかに記載の転がり軸受。
15. コーティングの電気抵抗が、磨耗により変化することを特徴とする請求項の１ないし１４いずれかに記載の転がり軸受。
16. 幾つかの層のうちの１つが、電気的に絶縁していることを特徴とする請求項の１ないし１５いずれかに記載の転がり軸受。
17. コーティングが、基礎材料（５１，４１）とは視覚的に異なることを特徴とする請求項の１ないし１６いずれかに記載の転がり軸受。
18. コーティングの視覚的特質が、磨耗により変化することを特徴とする請求項の１ないし１７いずれかに記載の転がり軸受。
19. コーティングにより表面が軟化するか、もしくは、変化しないことを特徴とする請求項の１ないし１８いずれかに記載の転がり軸受。
20. 転がり軸受の少なくとも１つの構成要素がコーティングされていることを特徴とする請求項の１ないし１９いずれかに記載の転がり軸受。
21. すべり軸受の少なくとも１つの構成要素がコーティングされていることを特徴とする請求項１ないし２０のいずれかに記載の転がり軸受。
22. 追加の潤滑剤を部品の接触表面にのみ備えることを特徴とする請求項の１ないし２１いずれかに記載の転がり軸受。
23. 追加の潤滑剤が、高接着力及び高密着力を備えることを特徴とする請求項の１ないし２２いずれかに記載の転がり軸受。
24. 追加の、第２の未結合潤滑剤が存在することを特徴とする請求項の１ないし２３いずれかに記載の転がり軸受。
25. 潤滑剤が、潤滑剤のキャリヤとして設計されることを特徴とする請求項の１ないし２４いずれかに記載の転がり軸受。
26. コーティング及び／または追加の潤滑剤が、滅菌されうることを特徴とする請求項の１ないし２５いずれかに記載の転がり軸受。
27. 従来技術に基づく潤滑剤と相性のよいコーティング（５３，４４）の潤滑剤及び／または追加の潤滑剤が選択されることを特徴とする請求項の１ないし２６いずれかに記載の転がり軸受。
28. 前記潤滑剤が、幾つかの層から構成されることを特徴とする請求項の１ないし２７いずれかに記載の転がり軸受。

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