JP2008082415A - 絶縁転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁層を設ける加工工数が少なく低コストで製造でき、チャンファー部の欠陥も生じず、優れた絶縁性を有するとともに、ハウジング等に容易に組込むことができる絶縁転がり軸受を提供する。
【解決手段】内輪２および外輪３と、これら内外輪の転走面間に介在する複数の転動体４と、外輪３の外周部に嵌合された絶縁スリーブ８とを備えた絶縁転がり軸受であって、絶縁スリーブ８は、ＡＤ法により形成されたセラミックス被膜からなる絶縁層８ｂを中間層として備えた多層構造体であり、この多層構造体は、外輪外周部に嵌合する内環スリーブ８ａと、ハウジングに嵌合する外環スリーブと８ｃ、これら内、外環スリーブの間に中間層として介在する絶縁層８ｂとから構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、汎用モータ、発電機用ジェネレータ、鉄道車両の主電動機等、主に軸受内部を電流が流れるような構造の装置に用いられる絶縁転がり軸受に関する。

鉄道車両の主電動機に用いられる転がり軸受は、主電動機の電流を車輪からレールへ接地する接地用集電装置が不完全な場合に、主電動機の電流が転がり軸受の内外輪および転動体を通って、車輪とレール間に流れる。このとき、軸受転動体と外輪転走面との間または内輪転走面との間で放電が生じ、放電部分に電食を生じることがある。その他の発電機用ジェネレータ等、軸受内部を電流が流れるような構造の装置に用いられる軸受においても、同様に電食を生じることがある。このような電食を防止する有効な手段としては、従来、軸受軌道輪の外表面にセラミックス等の絶縁体の溶射被膜を形成することが知られている。

しかし、溶射技術を用いて軸受の外径面および幅面にセラミックス層を設ける方法は、熱処理して硬化させた軸受綱の溶射加工時の熱による焼き戻り防止のために、ワークを冷却しながらセラミックス層を成膜せねばならず、非常に煩雑であり、生産性の低下を招いていた。さらに、溶射法で軸受外径面および幅面にセラミックス層を設けようとすると、下地処理としてニッケルアルミ等の層を予め溶射する必要があり、これも生産性の低下を招く原因となっている。

また、溶射法で得られたセラミックス層は、多孔質となるため結露などでの水分の侵入による絶縁抵抗の低下を封孔処理で対策する必要がある。封孔処理については合成樹脂、重合性有機溶剤、並びにフッ素系界面活性剤およびパーフルオロ基含有有機ケイ素化合物からなる群から選ばれる少なくとも１種を含有する封孔処理剤を用いる方法（特許文献１参照）や、浸透性良好な絶縁樹脂による封孔処理層を下層とし、浸透性が完全でない絶縁樹脂による封孔処理層を上層とする組合せ層を形成することにより封孔する方法（特許文献２参照）等が知られている。しかし、これらの封孔処理方法を用いる場合は、非常にコスト高となるという問題がある。

一方、これらの問題に対処すべく、本発明者はアルミナセラミックス層を外輪の外周面（外径面からチャンファー部を通り幅面まですべて）にエアロゾルデポジション（以下、ＡＤと記す）法で形成したセラミックス絶縁軸受を提案している（特願２００６−６２６３８）。このように軸受外輪に絶縁層を設けて絶縁軸受とするには、導通が考えられる軸受外輪の外径面、表側幅面、表側チャンファー部、裏側幅面および裏側チャンファー部すべてに欠陥無くセラミックス絶縁層を形成する必要がある。

しかしながら、軸受外径面、幅面およびチャンファー部を一度に成膜できないため、軸受外径面、表側幅面、表側チャンファー部、裏側幅面および裏側チャンファー部について独立に成膜せねばならず加工工数が甚大であった。チャンファー部は、軸受外径面のように研磨加工されていないため粗い面となっており、ＡＤ法でのセラミックス層の成膜では欠陥が生じやすかった。このため、チャンファー部を研磨加工しようとするとコスト増を招いた。また、ハウジングへの軸受圧入時、こじて挿入されると脆性的なセラミックス被膜が損傷する場合があり、慎重な組込作業が必要であった。
特開２００３−１８３８０６号公報 特許第３００９５１６号公報

本発明はこのような問題に対処するためになされたもので、絶縁層を設ける加工工数が少なく低コストで製造でき、チャンファー部の欠陥も生じず、優れた絶縁性を有するとともに、ハウジング等に容易に組込むことができる絶縁転がり軸受を提供することを目的とする。

本発明の絶縁転がり軸受は、内輪および外輪と、これら内外輪の転走面間に介在する複数の転動体と、上記外輪の外周部に嵌合された絶縁スリーブとを備えた絶縁転がり軸受であって、上記絶縁スリーブは、ＡＤ法により形成されたセラミックス被膜からなる絶縁層を中間層として備えた多層構造体であることを特徴とする。

上記多層構造体は、前記外輪の外周部に嵌合する内環スリーブと、ハウジングに嵌合する外環スリーブと、これら内、外環スリーブの間に中間層として介在する上記絶縁層とから構成されることを特徴とする。
また、上記絶縁スリーブは、前記外輪の幅面と嵌合するつばを有することを特徴とする。

上記セラミックス被膜を形成するための、エアロゾル原料となるセラミックス微粒子の平均粒子径は 0.01μm〜2μm であることを特徴とする。
また、上記セラミックス被膜は、窒化珪素の微粒子をエアロゾル原料として使用した被膜であることを特徴とする。

本発明の絶縁転がり軸受は、中間部にＡＤ法により形成されたセラミックス被膜からなる絶縁層を設けた多層構造を有する絶縁スリーブを軸受外径外周部に設けることで、直接、軸受外輪の外周面に絶縁層を形成しなくても絶縁性を付与することができる。このため、軸受外輪に絶縁層を設ける場合の加工工数を大幅に軽減でき、チャンファー部の欠陥も生じず、また軸受組込も簡便になる。
また、ワークの冷却不要、ニッケルアルミ等の下地処理不要および封孔処理不要などにより、溶射法を用いる場合と比較して製造コストが大幅に安くなる。

本発明の絶縁転がり軸受の一実施例を図１に基づいて説明する。図１は絶縁スリーブを有する絶縁転がり軸受の断面図である。なお、絶縁スリーブ８の絶縁層８ｂは非常に薄い、数μm〜数十μm のセラミックス被膜であるが、説明便宜上、実際よりも厚く図示している。
図１に示すように、絶縁転がり軸受１は、内輪２と、外輪３と、これら内外輪の転走面間に介在する複数の転動体４と、上記外輪３の外周部に嵌合された絶縁スリーブ８とを備えている。絶縁スリーブ８は、外輪３がハウジング１０等と接触することを防止できる形状であればよく、図１に示すようにスリーブ内径面で外輪外径面と、つば部分で外輪幅面と嵌合している。絶縁スリーブ８がハウジング１０に収納され、軸９が内輪２の内径に固定されている。
なお、図１には絶縁転がり軸受１の他の構成部材として転動体４を保持する保持器５と、転動体４の周囲の軸受空間に封入されたグリース７と、軸受空間を密封するシール部材６とが示されている。

絶縁スリーブ８は、ＡＤ法により形成されたセラミックス被膜を有する絶縁層８ｂを備えた多層構造体であり、外輪外周部（外輪外径面およびその幅面）に嵌合する内環スリーブ８ａと、ハウジングに嵌合する外環スリーブ８ｃと、これら内、外環スリーブの間に中間層として介在する絶縁層８ｂとから構成される。

本発明において内環スリーブと外環スリーブとを形成する材料としては、クリープなどを生じない金属材料であれば特に制限されないが、プレス加工などにより安価にスリーブ形状に成形できる材料であればさらに好適である。

本発明の絶縁転がり軸受の製作方法を以下に説明する。
まず絶縁スリーブの製作については金属板をプレス成形して図１に示すような内側につばを有する内環スリーブ８ａおよび外環スリーブ８ｃを得る。
得られた内環スリーブ８ａの外径面およびつば上の端面に、セラミックス微粒子をエアロゾル原料として用いたセラミックス被膜からなる絶縁層８ｂをＡＤ法により形成する。
内環スリーブ８ａの外径面およびつば上の端面に形成された絶縁層８ｂの上から外環スリーブ８ｃを圧入嵌合して、内環スリーブ８ａと、ハウジングに嵌合する外環スリーブ８ｃと、これら内、外環スリーブの間に中間層として介在する絶縁層８ｃとから構成された絶縁スリーブ８を得る。
次に絶縁転がり軸受の製作については、得られた絶縁スリーブ８を、予め絶縁スリーブ８を除いて組み立てておいた転がり軸受の外輪３の外周部に嵌合して絶縁転がり軸受を得る。

本発明においてＡＤ法は、原料セラミックスの微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材である内環スリーブに向けてエアロゾル噴射ノズルより噴射し、エアロゾルをこの基材表面に高速で衝突させ、微粒子の構成材料からなる被膜を基材上に形成させる方法である。セラミックス微粒子は、衝突により粉砕し、清浄な新生表面を形成し、低温接合を生じさせるので、室温で微粒子同士の接合を実現できる。なお、金属基材のみならず、樹脂基材に対しても良好に被膜形成が可能である。
エアロゾル中ではセラミックスの微粒子は分散状態を維持している。溶射法から得られる被膜が多孔質であるのに対し、ＡＤ法により得られる被膜は、上記のようにエアロゾルに分散した微粒子から被膜を形成するので、得られる被膜は極めて緻密なセラミックス層となる。このため、該被膜からなる絶縁層を中間層として備えた絶縁スリーブを外輪外周部に嵌合した絶縁転がり軸受は、結露などで水分にさらされても、水分が浸透できる空孔を持たないセラミックス層に保護されるので通電することがなく、絶縁抵抗の低下を招くこともない。
またＡＤ法では、溶射法と異なり高温処理が不要であるため、高温にさらされることによる原料セラミックスの変態による絶縁性の低下を招くこともない。例えば、絶縁性に優れたαアルミナを用いても溶射法ではγアルミナに変態して絶縁性が低下するため、膜厚を増加させる必要があるが、ＡＤ法でαアルミナを用いると絶縁性の高いαアルミナのままで成膜できるので、絶縁性の高いセラミックス層が得られる。

本発明においてＡＤ法によるセラミックス被膜を形成するための、エアロゾル原料となるセラミックス微粒子としては、絶縁性が良好なアルミナ、マグネシア、ジルコニア、チタニア等の酸化物セラミックスや窒化珪素等の微粒子が挙げられる。これらの中で破壊靭性値や圧縮強さの値が大きいことから、窒化珪素の微粒子が好ましい。
本発明に用いることができるセラミックス微粒子の平均粒子径は、0.01〜2μm であることが好ましい。0.01μm 未満では凝集しやすくエアロゾル化は困難であり、2μm をこえるとＡＤ法での膜形成はできない（膜成長しない）。なお、本発明において平均粒子径は日機装株式会社製：レーザー式粒度分析計マイクロトラックＭＴ３０００によって測定した値である。
また、被膜形成を良好に行なうため、基材への衝突時に窒化珪素微粒子が容易に粉砕するように、ボールミル、ジェットミル等の粉砕機を用いてクラックを予め形成しておくことが好ましい。

本発明においてＡＤ法によるセラミックス被膜の形成方法としては、内環スリーブを固定してエアロゾル噴射ノズルを移動させて被膜を形成する方法、または、エアロゾル噴射ノズルを固定して内環スリーブを移動させて被膜を形成する方法のいずれも採用できる。
これらの方法の中で、エアロゾルを安定な状態で吹きつけることができ、位置決め用ＸＹテーブルおよび対象物回転用モータを併用し、内環スリーブを回転させつつ軸方向に移動させることで、セラミックス被膜を容易に塗り重ねて形成できることから、後者の方法を用いることが好ましい。

本発明におけるＡＤ法を図２に基づいて説明する。図２はＡＤ法による被膜形成装置を示す図である。
図２に示すように、ＡＤ法による被膜形成装置１１は真空チャンバー１２を有する。真空チャンバー１２内には、セラミックス被膜形成対象である絶縁転がり軸受の内環スリーブ８ａと、エアロゾル噴射ノズル１８とが配設されている。エアロゾル噴射ノズル１８にはエアロゾル発生装置１７からエアロゾルが供給される。エアロゾルの搬送ガスとしては、不活性ガスを使用し、ガス供給設備１６からエアロゾル発生装置１７に供給されている。使用可能な不活性ガスとしては、アルゴン、窒素、ヘリウム等が挙げられる。
真空チャンバー１２の内部は真空ポンプ１３によって減圧される。セラミックス微粒子の混入を防止するため、真空ポンプ１３の直前に微粒子フィルター１９が設けられている。内環スリーブ８ａは、真空チャンバー１２内において、対象物回転用モータ１５により回転させられ（図中Ａ）、位置決め用ＸＹテーブル１４により軸方向に移動させられる（図中Ｂ）。

エアロゾル噴射ノズル１８は、セラミックス微粒子を、長方形等の開口部を有するノズル先端から、内環スリーブ８ａの外径面、つば上の端面に噴射するものである。なお、エアロゾル噴射ノズル１８は、１本であっても複数本であってもよい。また、エアロゾル噴射ノズル１８は、真空チャンバー１２内で変位可能に構成してもよい。
固定したエアロゾル噴射ノズル１８から、対象物回転用モータ１５により所定回転数で回転している内環スリーブ８ａに、セラミックス微粒子を原料とするエアロゾルが噴射され、内環スリーブ８ａの外径面にセラミックス被膜が塗り重ねられて形成される。同時に、位置決め用ＸＹテーブル１４により内環スリーブ８ａを軸方向に移動させることで、外径面の軸方向にも均一に被膜が形成される。なお、内環スリーブ８ａのつば上の端面には、該装置において内環スリーブ８ａの向きを変えて設置し、上記と同様に行なう。
被膜形成は、被膜厚さが 30μm 程度となるまで行なうことが好ましい。30μm 未満であると十分な絶縁抵抗が得られず、200μm をこえると製造コストが高くなる。

図１に示す絶縁転がり軸受を以下に示す方法で作成し試験用軸受とした。まずＳＰＣＣ材からなる金属板をプレス成形後、浸炭処理して、図１に示すような内側につばを有する内環スリーブ８ａおよび外環スリーブ８ｃを得た。
得られた内環スリーブ８ａの外径面およびつば上の端面に、ＡＤ法により窒化珪素微粒子（宇部興産社製、ＳＮ−Ｅ１０平均粒子径 0.55μm ）をエアロゾル原料とするセラミックス被膜からなる絶縁層８ｂを 30μm の厚みで形成した。ＡＤ法は、図２に示すような位置決め用ＸＹテーブルおよび対象物回転用モータを併用した軸受駆動装置を用いて、周速 60 mm／分で回転しつつ軸方向に移動するスリーブ本体に、100 Pa 以下の減圧下で、開口サイズ 10 mm× 2.0 mm のノズルを通して上記窒化珪素微粒子のエアロゾルを噴射して被膜形成を行なった。
この内環スリーブ８ａの上から、内側につばを有する外環スリーブ８ｃを圧入嵌合して、中間層に絶縁層８ｂを有する多層構造の絶縁スリーブ８を製作した。得られた絶縁スリーブ８を、予め絶縁スリーブ８を除いて組み立てておいた転がり軸受外輪の外周部に嵌合して絶縁転がり軸受を得た。

得られた軸受の絶縁抵抗を絶縁抵抗計で計測したところ 1000 V 印加で 2000 MΩ以上であった。またＪＩＳ Ｋ ６９１１に準じて絶縁破壊電圧を計測したところ 3.1 kV と十分な絶縁破壊特性を示した。

本発明の絶縁転がり軸受は、中間部に絶縁層を設けた多層構造を有する絶縁スリーブを軸受外輪の外周部に設けることで、直接、軸受外輪の外周面に絶縁層を形成しなくても絶縁性を付与することができる。このため各種産業機械に用いられる転がり軸受において電食防止転がり軸受、絶縁転がり軸受として好適に利用できる。

本発明の絶縁転がり軸受の一実施例を示す断面図である。 ＡＤ法によるセラミックス被膜形成装置を示す図である。

符号の説明

１ 絶縁転がり軸受
２ 内輪
３ 外輪
４ 転動体
５ 保持器
６ シール部材
７ グリース
８ 絶縁スリーブ
８ａ 内環スリーブ
８ｂ 絶縁層
８ｃ 外環スリーブ
９ 軸
１０ ハウジング
１１ 被膜形成装置
１２ 真空チャンバー
１３ 真空ポンプ
１４ 位置決め用ＸＹテーブル
１５ 対象物回転用モータ
１６ ガス供給設備
１７ エアロゾル発生装置
１８ エアロゾル噴射ノズル
１９ 微粒子フィルター

Claims (5)

1. 内輪および外輪と、これら内外輪の転走面間に介在する複数の転動体と、前記外輪の外周部に嵌合された絶縁スリーブとを備えた絶縁転がり軸受であって、
   前記絶縁スリーブは、エアロゾルデポジション法により形成されたセラミックス被膜からなる絶縁層を中間層として備えた多層構造体であることを特徴とする絶縁転がり軸受。
2. 前記多層構造体は、前記外輪の外周部に嵌合する内環スリーブと、ハウジングに嵌合する外環スリーブと、これら内、外環スリーブの間に中間層として介在する前記絶縁層とから構成されることを特徴とする請求項１記載の絶縁転がり軸受。
3. 前記絶縁スリーブは、前記外輪の幅面と嵌合するつばを有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の絶縁転がり軸受。
4. 前記セラミックス被膜を形成するための、エアロゾル原料となるセラミックス微粒子の平均粒子径は 0.01〜2μm であることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の絶縁転がり軸受。
5. 前記セラミックス被膜は、窒化珪素の微粒子をエアロゾル原料として使用した被膜であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項記載の絶縁転がり軸受。

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