JP2007056913A

JP2007056913A - 転がり軸受

Info

Publication number: JP2007056913A
Application number: JP2005240319A
Authority: JP
Inventors: Hideo Fukuzoe; 英夫福添; Hisashi Kawamura; 久河村
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2005-08-22
Filing date: 2005-08-22
Publication date: 2007-03-08

Abstract

【課題】人工衛星の姿勢制御用フライホールやジャイロスコープ等に使用される微量潤滑方式の転がり軸受における潤滑不足に起因するトルク変動や摩耗を抑える。
【解決手段】宇宙空間または真空環境で使用され、軌道輪、転動体及び保持器を備え、オイルプレーティング処理及び／または保持器への潤滑油の含浸処理を施してなる微量潤滑方式の転がり軸受であって、前記保持器が、ポリイミド樹脂からなる多孔質体であり、かつ、空孔の大きさが０．３〜６μｍで、該空孔が保持器全体積の１０〜２０％を占め、更に該空孔の連通率が７〜１７％であることを特徴とする転がり軸受。
【選択図】図１

Description

本発明は、宇宙空間または真空環境で使用される転がり軸受に関する。

例えば、人工衛星の姿勢制御用フライホールやジャイロスコープ等に使用される転がり軸受では、低トルクあるいはトルクの変動を最小に抑えることが要求されることから、潤滑油の使用量を最小限に留めるとともに安定して潤滑油を供給するために、軸受の内外輪軌道面及び転動体に微量の潤滑油を塗布する「オイルプレーティング処理」を施したり、布ベースのフェノール樹脂積層管を使用した保持器に潤滑油を含浸させる微量潤滑方式が採られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−２３８５４５号公報

しかしながら、上記の転がり軸受では潤滑油量が少ないために潤滑不足に陥りやすく、特に保持器のポケットと転動体表面との間の潤滑が不十分になると、保持器の摺動面の摩擦力により保持器が自励振動を起こすようになり、騒音が増したり、トルク変動の増大及び発熱による軸受温度の上昇等の不具合を招来するようになる。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、人工衛星の姿勢制御用フライホールやジャイロスコープ等に使用される微量潤滑方式の転がり軸受における潤滑不足に起因するトルク変動や摩耗を抑えることを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は下記の転がり軸受を提供する。
（１）宇宙空間または真空環境で使用され、軌道輪、転動体及び保持器を備え、オイルプレーティング処理及び／または保持器への潤滑油の含浸処理を施してなる微量潤滑方式の転がり軸受であって、
前記保持器が、ポリイミド樹脂からなる多孔質体であり、かつ、空孔の大きさが０．３〜６μｍで、該空孔が保持器全体積の１０〜２０％を占め、更に該空孔の連通率が７〜１７％であることを特徴とする転がり軸受。
（２）転動体がセラミックス製であることを特徴とする上記（１）記載の転がり軸受。
（３）オイルプレーティング処理及び／または含浸処理に使用される潤滑油が、３０〜２００ｍｍ^２／ｓ（４０℃）の動粘度であることを特徴とする上記（１）または（２）記載の転がり軸受。
（４）人工衛星の姿勢制御用フライホールまたはジャイロスコープに組み込まれることを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか１項に記載の転がり軸受。

以下、本発明に関して詳細に説明する。

本発明の転がり軸受は、人工衛星の姿勢制御用フライホールやジャイロスコープ等、宇宙空間または真空環境で使用される。また、このような使用形態を踏まえ、オイルプレーティング処理を施したり、保持器に潤滑油を含浸させる微量潤滑方式が採られる。

軸受自体の構造には制限がなく、内輪と外輪との間に複数の転動体を保持器により転動自在に保持して構成されている。尚、転動体は、耐摩耗性に優れることから、セラミックス製であることが好ましく、セラミックス材料として窒化珪素、炭化珪素、アルミナ、ジルコニア等が挙げられる。また、転動体は、金属製のコアの表面に、これらセラミックス製の被膜を成膜したものであってもよい。

本発明において、保持器は、ポリイミド樹脂からなり、かつ、空孔が以下のように特定された多孔質体である。
（ｉ）空孔の大きさが０．３〜６μｍ、好ましくは０．５〜２μｍ
（ii）空孔の保持器全体に占める割合（空孔占有率Ｖ_０）が１０〜３０％、好ましくは１５〜２５％
（iii）空孔の連通率Ｃが７〜１７％、好ましくは１０〜１５％

上記の空孔占有率Ｖ_０は、下記（１）式から算出さきる。（１）式において、Ｄaは保持器の見掛け密度、Ｄsは保持器内の空孔以外の部分の密度であり、これらは既知の方法で測定された体積と質量とからそれぞれ求めることができる。
Ｖ_０= 1 ／Ｄa−1 ／Ｄs ・・・（１）

また、空孔は、保持器の内部に存在するもの（非連通部分）と、保持器の表面まで連通するもの（連通部分）とが混在しており、全空孔の合計容積（即ち、空孔占有率Ｖ_０）に占める連通部分の容積Ｖ_Ａの割合を１００分率で表わした値が「連通率Ｃ（Ｃ =Ｖ_A／V_０× 100）」である。この連通率Ｃは、吸水率から求められる。即ち、Ｗ１を浸漬前の保持器の質量、Ｗ２を浸漬後の水を吸収させた保持器の質量とすると、吸水率ｑは下記（２）式で表わされるが、この値は連通部分に入り込んだ水の質量に相当する。そして、連通部分が完全に水で充満した場合には、水の比重は１であるから、この値は保持器１ｇ当たりの連通部分Ａの容積Ｖ_Ａとなり、結局、Ｖ_Ａは（２）式と同義の下記（３）式で表わされることになる。
ｑ＝（W２−W１）／ W１・・・（２）
Ｖ_A＝（W２−W１）／ W１・・・（３）

この吸水率の測定においては、連通部分を完全に水で充満させることが重要であり、実際には次に示す手順で測定を行う。先ず、界面活性剤を添加した水を満たした水槽を圧力調整室内に配設し、この水槽中に浸漬前の質量Ｗ１を測定した保持器を浸漬する。次いで、圧力調整室の空気を脱気し、圧力調整室内を負圧にして所定時間そのまま放置する。これにより、界面活性剤の作用もあり、連通部分の空気を脱気させ、これを水と置換することができる。そして、水を更に空孔の深部まで浸透させるために、圧力調整室の圧力を大気圧に戻し、この状態で所定時間放置する。最後に、水中から保持器を取出し、その質量W２を測定する。

保持器が多孔質体であることにより、潤滑油を含浸させたときの含油量が多くなり、しかも、軸受の回転に伴い遠心力を受けると、含浸された潤滑油が毛細管現象により保持器表面に滲み出しやすくなる。但し、空孔が大きすぎたり、占有率が多すぎたりすると、保持器としての機械的強度に劣るようになる。また、潤滑油の保持及び放出をより良好にするためには、空孔の連通率が適切である必要がある。そこで、本発明では、空孔の大きさ、占有率及び連通率を上記のように規定する。また、ポリイミド樹脂は、機械的強度及び耐熱性に優れるという利点がある。

このような多孔質ポリイミド樹脂製保持器を作製するには、平均粒径が１５〜５０μｍのポリイミド樹脂粉末を加圧焼成し、切削加工等を施すことにより得られる。尚、前記ポリイミド樹脂粉末の平均粒径は、目的とする空孔の大きさに応じて選択される。

上記多孔質ポリイミド樹脂製保持器には潤滑油が含浸されるが、潤滑油としては、潤滑性に加えて、含浸のしやすさや毛細管現象による滲み出し性等を考慮すると、４０℃における動粘度が３０〜２００ｍｍ^２／ｓであることが好ましく、５０〜１５０ｍｍ^２／ｓであることがより好ましい。尚、潤滑油の種類には制限がないが、例えば、飽和蒸気圧の低い、つまり、蒸発し難いＰＦＰＥ系やＰＡＯ系、ＭＡＣ系の合成潤滑油が好ましい。

また、上記と同一の潤滑油を、軌道輪や転動体のオイルブレーティング処理に用いることにより、転がり軸受全体としての潤滑性が増し、好ましい。このオイルプレーティング処理は従来と同様に行うことができ、０．１〜１μｍ程度の薄膜を形成する。

尚、保持器の形状には制限がないが、例えば図１に示すアンギュラ玉軸受用保持器１を例示することができる。

以下、試験例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。

（試験１）
粒径１５〜４０μｍのポリイミド樹脂粉末を焼結して、多孔質ポリイミド樹脂製平板を作製した。この多孔質ポリイミド製平板の空孔径は０．９５〜１．３μｍであり、空孔占有率は２０％であり、連通率は１５％であった。そして、このポリイミド製平板から、外径２７ｍｍ、内径１８ｍｍのリングを切り出し試験片Ａとした。また、比較のために、フェノール樹脂積層管から同形状のリングを切り出し試験片Ｂとした。

そして、相手材として外径２５．６ｍｍ、内径２０ｍｍのステンレス製のリングを用い、このスレンレス製リングと試験片Ａまたは試験件Ｂとを当接させ、５０Ｎの荷重を付加した状態で一方を周速１０００ｍ／ｓにて回転させた。そして、摺動に伴う抵抗から、摩擦係数を経時的に測定した。

結果を図２に示すが、多孔質ポリイミド樹脂製の試験片Ａは、従来のフェノール樹脂積層管からなる試験片Ｂに比べて、摩擦係数が小さいことがわかる。

（試験２）
粒径１５〜４５μｍのポリイミド樹脂粉末を焼結により成形し、切削加工してアンギュラ玉軸受（内径２５ｍｍ、玉径６．３５ｍｍ、玉数１３個）用の保持器（図１参照）とした。この保持器の空孔径は０．９〜１．２μｍであり、空孔占有率は２２％であり、連通率は１４％であった。そして、４０℃における動粘度が５３ｍｍ^２／ｓの合成炭化水素油を含浸させて保持器Ａを作製した。

また、比較のために、フェノール樹脂積層管から同形状の保持器を作製し、同一の潤滑油を含浸させて保持器Ｂとした。

そして、上記アンギュラ軸受の内輪軌道面及び外輪軌道面に、上記と同一の潤滑油を塗布し、更に保持器Ａを組み込んで試験軸受Ａを作製した。同様に、保持器Ｂを用いて試験軸受Ｂを作製した。そして、試験軸受Ａ及び試験軸受Ｂについて、回転数１００００ｒｐｍ、予圧１５０Ｎにて５０時間連続回転させた時点でトルクの測定を始めた。同時に、音の発生状況を観測した。

トルクの測定結果を図３に示す。尚、縦軸がトルク（Ｎ・ｍ）であるが、その値は任意であり、変化の状況のみを示している。図示されるように、多孔質ポリイミド樹脂製の保持器Ａを備える試験軸受Ａは、従来のフェノール樹脂積層管からなる保持器Ｂを備える試験軸受Ｂに比べて、トルクの変動が小さいことがわかる。また、試験軸受Ａでは、異常な保持器音も生じなかった。

保持器の一例を示す斜視図である。試験１で得られた摩擦係数の測定結果を示す図である。試験２で得られたトルクの測定結果を示す図である。

符号の説明

１保持器

Claims

宇宙空間または真空環境で使用され、軌道輪、転動体及び保持器を備え、オイルプレーティング処理及び／または保持器への潤滑油の含浸処理を施してなる微量潤滑方式の転がり軸受であって、
前記保持器が、ポリイミド樹脂からなる多孔質体であり、かつ、空孔の大きさが０．３〜６μｍで、該空孔が保持器全体積の１０〜２０％を占め、更に該空孔の連通率が７〜１７％であることを特徴とする転がり軸受。
転動体がセラミックス製であることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
オイルプレーティング処理及び／または含浸処理に使用される潤滑油が、３０〜２００ｍｍ^２／ｓ（４０℃）の動粘度であることを特徴とする請求項１または２記載の転がり軸受。
人工衛星の姿勢制御用フライホールまたはジャイロスコープに組み込まれることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の転がり軸受。