JP2009115139A - 風力発電装置用転がり軸受の転動部材および風力発電装置用転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】安価でありながら、十分な耐久性を安定して確保することが可能であるとともに、急激に大きな荷重が負荷された場合の損傷の発生を抑制可能なβサイアロン焼結体からなる風力発電装置用転がり軸受の転動部材、および当該風力発電装置用転がり軸受の転動部材を備えた風力発電装置用転がり軸受を提供する。
【解決手段】外輪１１、内輪１２およびころ１３は、風力発電装置用の風車の主軸５１を、主軸５１に対向するように配置されるハウジング５３に対して回転自在に支持する主軸用軸受１を構成する風力発電装置用転がり軸受の転動部材である。そして、外輪１１、内輪１２およびころ１３は、Ｓｉ_６−ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮ_８−Ｚの組成式で表され、０．１≦ｚ≦３．５を満たすβサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる焼結体から構成され、ヤング率が１８０ＧＰａ以上２７０ＧＰａ以下である。
【選択図】図２

Description

本発明は、風力発電装置用転がり軸受の転動部材および風力発電装置用転がり軸受に関し、より特定的には、βサイアロンを主成分とする焼結体からなる風力発電装置用転がり軸受の転動部材および当該風力発電装置用転がり軸受の転動部材を備えた風力発電装置用転がり軸受に関するものである。

一般に、風力発電装置においては、風力により回転するブレードに接続された主軸の回転が増速機において増速されて出力軸に伝達される。そして、当該出力軸の回転を受けて発電機のロータが回転し、発電が行なわれる。ここで、風力発電装置用の風車の主軸を支持する主軸用軸受、または主軸の回転を受けて回転する回転部材、たとえば発電機のロータに接続されたロータ軸を、当該ロータ軸に対向するように配置される部材に対して回転自在に支持する発電機用軸受や、増速機の内部において回転する回転軸を、当該回転軸に対向するように配置される部材に対して回転自在に支持する増速機用軸受などを含む風力発電装置用転がり軸受においては、発電の効率向上の観点から、軽量化が求められる。また、風力発電装置用転がり軸受は、風力の増減に合わせて動作するため、回転速度の増減が大きく、潤滑状態が不十分となりやすい。さらに、風力発電装置用転がり軸受は、メンテナンスが困難な場所に設置される場合も多く、メンテナンスフリー化の要求がある。そのため、不十分な潤滑環境下での高い耐久性が求められる。

さらに、発電機においては、装置の構造上、発電機用軸受の内部に電流が流れるおそれがある。また、風力発電装置は、通常高所に設置されるため、落雷により、風力発電装置用転がり軸受の内部に電流が流れるおそれがある。風力発電装置用転がり軸受の内部に電流が流れると、風力発電装置用転がり軸受を構成する軌道輪などの軌道部材と、玉、ころなどの転動体との間にスパークが生じ、これに起因して電食が発生する場合がある。そして、この電食による軌道部材や転動体の転走面の損傷は、風力発電装置用転がり軸受の寿命を低下させる。

窒化珪素やサイアロンなどのセラミックスは、鋼に比べて比重が小さく、絶縁性を有し、かつ不十分な潤滑環境においても損傷しにくいという特徴を有している。そのため、風力発電装置用転がり軸受を構成する軌道部材や転動体である風力発電装置用転がり軸受の転動部材の素材にセラミックスを採用した場合、軸受の軽量化が可能となるとともに、電食による短寿命化を抑制し、かつ不十分な潤滑環境下での高い耐久性を有する風力発電装置用転がり軸受の転動部材を得ることができる。

しかし、窒化珪素やサイアロンなどのセラミックスは、鋼に比べて製造コストが高いため、風力発電装置用転がり軸受の転動部材の素材としてセラミックスを採用すると、風力発電装置用転がり軸受の転動部材およびこれを備えた風力発電装置用転がり軸受の製造コストが大幅に上昇するという問題点があった。

これに対し、近年、セラミックスであるβサイアロンを、燃焼合成法を含む製造工程により製造することにより、低コストで製造する方法が開発された（たとえば特許文献１〜３参照）。そのため、このβサイアロンを風力発電装置用転がり軸受の転動部材の素材として採用した低価格な風力発電装置用転がり軸受の転動部材およびこれを備えた風力発電装置用転がり軸受の製造が検討され得る。
特開２００４−９１２７２号公報 特開２００５−７５６５２号公報 特開２００５−１９４１５４号公報

しかしながら、上記βサイアロンを風力発電装置用転がり軸受の転動部材の素材として採用するためには、βサイアロンからなる風力発電装置用転がり軸受の転動部材が十分な転動疲労寿命を有している必要がある。転動疲労寿命は、部材の破壊強度等とは必ずしも一致せず、βサイアロンからなる風力発電装置用転がり軸受の転動部材も、必ずしも十分な転動疲労寿命を有しているとはいえない。そのため、βサイアロンからなる風力発電装置用転がり軸受の転動部材を備えた風力発電装置用転がり軸受においても、十分な耐久性を安定して確保することは容易ではないという問題点があった。

また、弾性変形しにくいβサイアロンを風力発電装置用転がり軸受の転動部材の素材として採用した場合、風力発電装置用転がり軸受の転動部材である軌道部材と風力発電装置用転がり軸受の転動部材である転動体との間の接触面圧が大きくなる傾向にある。ここで、発電用の風車は、風力を受けて回転するため、風速が急激に変化した場合、風力発電装置用転がり軸受に対して急激な加減速が与えられる。これに伴い、風力発電装置用転がり軸受を構成する風力発電装置用転がり軸受の転動部材においては、衝撃的に大きな荷重が負荷される場合がある。さらに、主軸用軸受においては、突風の発生などに伴い、アキシャル方向に大きな荷重が急激に負荷される場合もある。そのため、風力発電装置用転がり軸受の転動部材の素材にβサイアロンが採用されると、上述のように風力発電装置用転がり軸受に急激に大きな荷重が負荷された場合、風力発電装置用転がり軸受の転動部材同士の間の接触面圧が許容値を超え、当該風力発電装置用転がり軸受の転動部材に損傷が発生するおそれがある。したがって、風力発電装置用転がり軸受の転動部材の素材としてβサイアロンを採用するためには、風力発電装置用転がり軸受の転動部材に特有の上記問題点を解決する必要があった。

そこで、本発明の目的は、安価でありながら、十分な耐久性を安定して確保することが可能であるとともに、急激に大きな荷重が負荷された場合の損傷の発生を抑制可能なβサイアロン焼結体（βサイアロンを主成分とする焼結体）からなる風力発電装置用転がり軸受の転動部材、および当該風力発電装置用転がり軸受の転動部材を備えた風力発電装置用転がり軸受を提供することである。

本発明の一の局面における風力発電装置用転がり軸受の転動部材は、風力発電装置用の風車の主軸または当該主軸の回転を受けて回転する回転部材を、主軸または回転部材に対向するように配置される部材に対して回転自在に支持する風力発電装置用転がり軸受において、軌道部材、または軌道部材に接触して円環状の軌道上に配置される転動体である風力発電装置用転がり軸受の転動部材である。この風力発電装置用転がり軸受の転動部材は、Ｓｉ_６−ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮ_８−Ｚの組成式で表され、０．１≦ｚ≦３．５を満たすβサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる焼結体から構成され、ヤング率が１８０ＧＰａ以上２７０ＧＰａ以下である。

本発明の他の局面における風力発電装置用転がり軸受の転動部材は、風力発電装置用の風車の主軸または当該主軸の回転を受けて回転する回転部材を、主軸または回転部材に対向するように配置される部材に対して回転自在に支持する風力発電装置用転がり軸受において、軌道部材、または軌道部材に接触して円環状の軌道上に配置される転動体である風力発電装置用転がり軸受の転動部材である。この風力発電装置用転がり軸受の転動部材は、Ｓｉ_６−ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮ_８−Ｚの組成式で表され、０．１≦ｚ≦３．５を満たすβサイアロンを主成分とし、残部焼結助剤および不純物からなる焼結体から構成され、ヤング率が１８０ＧＰａ以上２７０ＧＰａ以下である。

本発明者は、βサイアロン焼結体からなる風力発電装置用転がり軸受の転動部材の転動疲労寿命と、風力発電装置用転がり軸受の転動部材の構成との関係を詳細に調査した。その結果、以下の知見が得られ、本発明に想到した。

すなわち、上述のβサイアロンは、燃焼合成を含む製造工程を採用することにより、上記ｚの値（以下、ｚ値という）が０．１以上となる種々の組成を有するものが製造可能である。そして、一般に転動疲労寿命に大きな影響を与える硬度は、製造の容易なｚ値４．０以下の範囲において、ほとんど変化しない。しかしながら、βサイアロン焼結体からなる転動部材の転動疲労寿命とｚ値との関係を詳細に調査したところ、ｚ値が３．５を超えると転動部材の転動疲労寿命が大幅に低下することが分かった。

より具体的には、ｚ値が０．１以上３．５以下の範囲においては、転動疲労寿命はほぼ同等で、転がり軸受の運転時間が所定時間を超えると、転動部材の表面に剥離が発生して破損する。これに対し、ｚ値が３．５を超えると転動部材が摩耗しやすくなり、これに起因して転動疲労寿命が大幅に低下する。つまり、ｚ値が３．５となる組成を境界として、βサイアロンからなる転動部材の破損モードが変化し、ｚ値が３．５を超えると転動疲労寿命が大幅に低下するという現象が明らかとなった。したがって、βサイアロン焼結体からなる風力発電装置用転がり軸受の転動部材において、安定して十分な寿命を確保するためには、ｚ値を３．５以下とする必要がある。

一方、上述のように、βサイアロンは、燃焼合成を含む製造工程により製造することにより、安価に製造することができる。しかし、ｚ値が０．１未満では、燃焼合成の実施が困難となることが分かった。そのため、βサイアロン焼結体からなる風力発電装置用転がり軸受の転動部材を安価に製造するためには、ｚ値を０．１以上とする必要がある。

また、転動部材のヤング率が高くなると、転動部材を構成する素材（βサイアロン焼結体）の強度が上昇する傾向にある。しかし、その反面、転動部材のヤング率が高くなると、転動部材が弾性変形しにくくなるため、転動部材同士の接触面積が小さくなり、接触面圧が高くなる。その結果、急激に大きな荷重が負荷された場合、転動部材に損傷が発生しやすくなる。一方、転動部材のヤング率が低くなると、転動部材が弾性変形しやすくなるため、転動部材同士の接触面積が大きくなり、接触面圧が低くなる。しかし、その反面、転動部材のヤング率が低くなると、これに伴って転動部材を構成する素材の強度が低下する傾向にある。そのため、風力発電装置用転がり軸受の転動部材のヤング率は、風力発電装置用転がり軸受の転動部材を構成する素材の強度と風力発電装置用転がり軸受の転動部材同士の接触面圧の低減とのバランスを確保可能な範囲とすることが必要である。

より具体的には、βサイアロン焼結体からなる風力発電装置用転がり軸受の転動部材のヤング率が１８０ＧＰａ未満の場合、風力発電装置用転がり軸受の転動部材を構成する素材の強度低下の影響が接触面圧の低減の効果を上回り、風力発電装置用転がり軸受の転動部材の転動疲労寿命が低下する。また、風力発電装置用転がり軸受の転動部材同士の接触面積が増大することに伴い、風力発電装置用転がり軸受の転動部材間に作用する摩擦力が増加し、軸受トルクが上昇し、発電効率の低下の原因となるという問題も発生する。したがって、βサイアロン焼結体からなる風力発電装置用転がり軸受の転動部材のヤング率は、１８０ＧＰａ以上であることが必要である。

一方、βサイアロン焼結体からなる風力発電装置用転がり軸受の転動部材のヤング率が２７０ＧＰａを超えると、接触面圧の増加の影響が風力発電装置用転がり軸受の転動部材を構成する素材の強度上昇の効果を上回り、急激に大きな荷重が負荷された場合、風力発電装置用転がり軸受の転動部材において、他の風力発電装置用転がり軸受の転動部材と接触する面である転走面に変形などの損傷が発生しやすくなる。その結果、βサイアロン焼結体からなる風力発電装置用転がり軸受の転動部材の転動疲労寿命が低下する。したがって、βサイアロン焼結体からなる風力発電装置用転がり軸受の転動部材のヤング率は、２７０ＧＰａ以下であることが必要である。

これに対し、本発明の一の局面における風力発電装置用転がり軸受の転動部材では、Ｓｉ_６−ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮ_８−Ｚの組成式で表され、０．１≦ｚ≦３．５を満たすβサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる焼結体から構成されており、ヤング率が１８０ＧＰａ以上２７０ＧＰａ以下となっている。そのため、本発明の一の局面における風力発電装置用転がり軸受の転動部材によれば、安価でありながら、十分な耐久性を安定して確保することが可能であるとともに、急激に大きな荷重が負荷された場合の損傷の発生を抑制可能なβサイアロン焼結体からなる風力発電装置用転がり軸受の転動部材を提供することができる。

なお、負荷される荷重が比較的大きい用途に用いられる場合、風力発電装置用転がり軸受の転動部材のヤング率は２２０ＧＰａ以上であることが望ましい。一方、負荷される荷重の変化が特に大きい環境下で使用される場合、風力発電装置用転がり軸受の転動部材のヤング率は２６０ＧＰａ以下であることが望ましい。

また、本発明の他の局面における風力発電装置用転がり軸受の転動部材は、基本的には上記本発明の一の局面における風力発電装置用転がり軸受の転動部材と同様の構成を有し、同様の作用効果を奏する。しかし、本発明の他の局面における風力発電装置用転がり軸受の転動部材では、焼結助剤を含む点で上記本発明の一の局面における風力発電装置用転がり軸受の転動部材とは異なっている。本発明の他の局面における風力発電装置用転がり軸受の転動部材によれば、焼結助剤の採用により、焼結体の気孔率を低下させやすくなり、十分な耐久性を安定して確保することが可能なβサイアロン焼結体からなる風力発電装置用転がり軸受の転動部材を容易に提供することができる。

なお、焼結助剤としては、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、珪素（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、希土類元素の酸化物、窒化物、酸窒化物のうち少なくとも一種類以上を採用することができる。また、上記本発明の一の局面における風力発電装置用転がり軸受の転動部材と同等の作用効果を奏するためには、焼結助剤は、焼結体のうち２０質量％以下とすることが望ましい。

上記風力発電装置用転がり軸受の転動部材において好ましくは、他の風力発電装置用転がり軸受の転動部材と接触する面である転走面を含む領域には、内部よりも緻密性の高い層である緻密層が形成されている。

上述のβサイアロンを主成分とする焼結体からなる風力発電装置用転がり軸受の転動部材においては、その緻密性が転動疲労寿命に大きく影響する。これに対し、上記構成によれば、転走面を含む領域に内部よりも緻密性の高い層である緻密層が形成されていることにより、転動疲労寿命が向上する。その結果、十分な耐久性を安定して確保することが可能なβサイアロン焼結体からなる風力発電装置用転がり軸受の転動部材を提供することができる。

ここで、緻密性の高い層とは、焼結体において空孔率の低い（密度の高い）層であって、たとえば以下のように調査することができる。まず、風力発電装置用転がり軸受の転動部材の表面に垂直な断面において風力発電装置用転がり軸受の転動部材を切断し、当該断面を鏡面ラッピングする。その後、鏡面ラッピングされた断面を光学顕微鏡の斜光（暗視野）にて、たとえば５０〜１００倍程度で撮影し、３００ＤＰＩ（Ｄｏｔ Ｐｅｒ Ｉｎｃｈ）以上の画像として記録する。このとき、白色の領域として観察される白色領域は、空孔率の高い（密度の低い）領域に対応する。したがって、白色領域の面積率が低い領域は、当該面積率が高い領域に比べて緻密性が高い。そして、画像処理装置を用いて記録された画像を輝度閾値により２値化処理した上で白色領域の面積率を測定し、当該面積率により、撮影された領域の緻密性を知ることができる。

つまり、上記風力発電装置用転がり軸受の転動部材において好ましくは、転走面を含む領域に内部よりも白色領域の面積率の低い層である緻密層が形成されている。なお、上記撮影は、ランダムに５箇所以上で行ない、上記面積率は、その平均値で評価することが好ましい。また、風力発電装置用転がり軸受の転動部材の内部における上記白色領域の面積率は、たとえば１５％以上である。また、風力発電装置用転がり軸受の転動部材の転動疲労寿命を一層向上させるためには、上記緻密層は１００μｍ以上の厚みを有していることが好ましい。

上記風力発電装置用転がり軸受の転動部材において好ましくは、緻密層の断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は７％以下である。

白色領域の面積率が７％以下となる程度に上記緻密層の緻密性を向上させることで、風力発電装置用転がり軸受の転動部材の転動疲労寿命がより向上する。したがって、上記構成により、本発明の風力発電装置用転がり軸受の転動部材の転動疲労寿命を一層向上させることができる。

上記風力発電装置用転がり軸受の転動部材において好ましくは、緻密層の表面を含む領域には、当該緻密層内の他の領域よりもさらに緻密性の高い層である高緻密層が形成されている。

緻密性のさらに高い高緻密層が緻密層の表面を含む領域に形成されることにより、風力発電装置用転がり軸受の転動部材の転動疲労に対する耐久性がより向上し、転動疲労寿命が一層向上する。

上記風力発電装置用転がり軸受の転動部材において好ましくは、高緻密層の断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は３．５％以下である。

白色領域の面積率が３．５％以下となる程度に上記高緻密層の緻密性を向上させることで、風力発電装置用転がり軸受の転動部材の転動疲労寿命がより向上する。したがって、上記構成により、本発明の風力発電装置用転がり軸受の転動部材の転動疲労寿命を一層向上させることができる。

本発明に従った風力発電装置用転がり軸受は、軌道部材と、軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される複数の転動体とを備えている。そして、軌道部材および転動体の少なくともいずれか一方は、上記本発明の風力発電装置用転がり軸受の転動部材である。

本発明の風力発電装置用転がり軸受によれば、安価でありながら、十分な耐久性を安定して確保することが可能であるとともに、急激に大きな荷重が負荷された場合の損傷の発生を抑制可能なβサイアロン焼結体からなる風力発電装置用転がり軸受の転動部材を備えていることにより、耐久性に優れた風力発電装置用転がり軸受を提供することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明の風力発電装置用転がり軸受の転動部材および風力発電装置用転がり軸受によれば、安価でありながら、十分な耐久性を安定して確保することが可能であるとともに、急激に大きな荷重が負荷された場合の損傷の発生を抑制可能なβサイアロン焼結体からなる風力発電装置用転がり軸受の転動部材および当該風力発電装置用転がり軸受の転動部材を備えた風力発電装置用転がり軸受を提供することができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態である実施の形態１における風力発電装置用転がり軸受を備えた風力発電装置の構成を示す概略図である。図１を参照して、実施の形態１における風力発電装置用転がり軸受を備えた風力発電装置の構成について説明する。

図１を参照して、風力発電装置５０は、旋回翼であるブレード５２と、ブレード５２の中心軸を含むように、一端においてブレード５２に接続された主軸５１と、主軸５１の他端に接続された増速機５４とを備えている。さらに、増速機５４は、出力軸５５を含んでおり、出力軸５５は、発電機５６に接続されている。主軸５１は、風力発電装置用転がり軸受である主軸用軸受１により、軸まわりに回転自在に支持されている。また、主軸用軸受１は、主軸５１の軸方向に複数個（図１では２個）並べて配置されており、それぞれハウジング５３により保持されている。主軸用軸受１、ハウジング５３、増速機５４および発電機５６は、機械室であるナセル５９の内部に格納されている。そして、主軸５１は一端においてナセル５９から突出し、ブレード５２に接続されている。

次に、実施の形態１における風力発電装置５０の動作について説明する。図１を参照して、風力を受けてブレード５２が周方向に回転すると、ブレード５２に接続された主軸５１は、主軸用軸受１によりハウジング５３に対して支持されつつ、軸まわりに回転する。主軸５１の回転は、増速機５４に伝達されて増速され、出力軸５５の軸まわりの回転に変換される。そして、出力軸５５の回転は、発電機５６に伝達され、電磁誘導作用により起電力が発生して発電が達成される。

次に、風力発電装置５０の主軸５１の支持構造について説明する。図２は、図１における主軸用軸受の周辺を拡大して示す概略断面図である。また、図３は、図２の主軸用軸受の要部を拡大して示す概略部分断面図である。

図２を参照して、風力発電装置用転がり軸受としての主軸用軸受１は、風力発電装置用転がり軸受の転動部材としての環状の外輪１１と、外輪１１の内周側に配置された風力発電装置用転がり軸受の転動部材としての環状の内輪１２と、外輪１１と内輪１２との間に配置され、円環状の保持器１４に保持された風力発電装置用転がり軸受の転動部材としての複数のころ１３とを備えている。外輪１１の内周面には外輪転走面１１Ａが形成されており、内輪１２の外周面には２つの内輪転走面１２Ａが形成されている。そして、２つの内輪転走面１２Ａが、外輪転走面１１Ａに対向するように、外輪１１と内輪１２とは配置されている。さらに、複数のころ１３は、２つの内輪転走面１２Ａのそれぞれに沿って、外輪転走面１１Ａと内輪転走面１２Ａとに、ころ転走面１３Ａにおいて接触し、かつ保持器１４に保持されて周方向に所定のピッチで配置されることにより複列（２列）の円環状の軌道上に転動自在に保持されている。また、外輪１１には、外輪１１を径方向に貫通する貫通孔１１Ｅが形成されている。この貫通孔１１Ｅを通して、外輪１１と内輪１２との間の空間に潤滑剤を供給することができる。以上の構成により、主軸用軸受１の外輪１１および内輪１２は、互いに相対的に回転可能となっている。

一方、ブレード５２に接続された主軸５１は、主軸用軸受１の内輪１２を貫通するとともに、外周面５１Ａにおいて内輪の内周面１２Ｆに接触し、内輪１２に対して固定されている。また、主軸用軸受１の外輪１１は、ハウジング５３に形成された貫通孔の内壁５３Ａに外周面１１Ｆにおいて接触するように嵌め込まれ、ハウジング５３に対して固定されている。以上の構成により、ブレード５２に接続された主軸５１は、内輪１２と一体に、外輪１１およびハウジング５３に対して軸まわりに回転可能となっている。

さらに、内輪転走面１２Ａの幅方向両端には、外輪１１に向けて突出する鍔部１２Ｅが形成されている。これにより、ブレード５２が風を受けることにより発生する主軸５１の軸方向（アキシャル方向）の荷重が支持される。また、外輪転走面１１Ａは、球面形状を有している。そのため、外輪１１と内輪１２とは、ころ１３の転走方向に垂直な断面において、当該球面の中心を中心として互いに角度をなすことができる。すなわち、主軸用軸受１は、複列自動調心ころ軸受である。その結果、ブレード５２が風を受けることにより主軸５１が撓んだ場合であっても、ハウジング５３は、主軸用軸受１を介して主軸５１を安定して回転自在に保持することができる。

すなわち、実施の形態１における風力発電装置用転がり軸受の転動部材としての外輪１１、内輪１２およびころ１３は、風力発電装置用の風車の主軸５１を、主軸５１に対向するように配置される部材であるハウジング５３に対して回転自在に支持する風力発電装置用転がり軸受としての主軸用軸受１において、軌道部材、または軌道部材に接触して円環状の軌道上に配置される転動体である風力発電装置用転がり軸受の転動部材である。そして、外輪１１、内輪１２およびころ１３は、Ｓｉ_６−ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮ_８−Ｚの組成式で表され、０．１≦ｚ≦３．５を満たすβサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる焼結体から構成され、ヤング率が１８０ＧＰａ以上２７０ＧＰａ以下である。

さらに、図３を参照して、外輪１１、内輪１２およびころ１３の転走面である外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａおよびころ転走面１３Ａを含む領域には、内部１１Ｃ，１２Ｃ，１３Ｃよりも緻密性の高い層である外輪緻密層１１Ｂ、内輪緻密層１２Ｂおよびころ緻密層１３Ｂが形成されている。この外輪緻密層１１Ｂ、内輪緻密層１２Ｂおよびころ緻密層１３Ｂの断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は７％以下である。そのため、本実施の形態おける主軸用軸受１は、安価でありながら、十分な耐久性を安定して確保することが可能であるとともに、急激に大きな荷重が負荷された場合の損傷の発生を抑制可能なβサイアロン焼結体からなる転動部材（外輪１１、内輪１２およびころ１３）を備えた風力発電装置用転がり軸受となっている。上記不純物は、原料に由来するもの、あるいは製造工程において混入するものを含む不可避的不純物を含む。

なお、上記本実施の形態においては、風力発電装置用転がり軸受の転動部材としての外輪１１、内輪１２およびころ１３は、βサイアロンを主成分とし、残部焼結助剤および不純物からなる焼結体から構成されていてもよい。焼結助剤を含むことで、焼結体の気孔率を低下させやすくなり、十分な耐久性を安定して確保することが可能なβサイアロン焼結体からなる風力発電装置用転がり軸受の転動部材を備えた風力発電装置用転がり軸受を、容易に提供することができる。上記不純物は、原料に由来するもの、あるいは製造工程において混入するものを含む不可避的不純物を含む。

さらに、図３を参照して、外輪緻密層１１Ｂ、内輪緻密層１２Ｂおよびころ緻密層１３Ｂの表面である外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａおよびころ転走面１３Ａを含む領域には、外輪緻密層１１Ｂ、内輪緻密層１２Ｂおよびころ緻密層１３Ｂ内の他の領域よりもさらに緻密性の高い層である外輪高緻密層１１Ｄ、内輪高緻密層１２Ｄおよびころ高緻密層１３Ｄが形成されている。この外輪高緻密層１１Ｄ、内輪高緻密層１２Ｄおよびころ高緻密層１３Ｄの断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は３．５％以下となっている。これにより、外輪１１、内輪１２およびころ１３の転動疲労に対する耐久性がより向上し、転動疲労寿命が一層向上している。

次に、本発明の一実施の形態である実施の形態１における風力発電装置用転がり軸受および風力発電装置用転がり軸受の転動部材の製造方法について説明する。図４は、本発明の一実施の形態である実施の形態１における風力発電装置用転がり軸受の製造方法の概略を示す図である。また、図５は、本発明の実施の形態１における風力発電装置用転がり軸受の製造方法に含まれる風力発電装置用転がり軸受の転動部材の製造方法の概略を示す図である。

図４を参照して、本実施の形態における風力発電装置用転がり軸受の製造方法においては、まず、軌道部材を製造する軌道部材製造工程と、転動体を製造する転動体製造工程とが実施される。具体的には、軌道部材製造工程では、外輪１１、内輪１２などが製造される。一方、転動体製造工程では、ころ１３などが製造される。

そして、軌道部材製造工程において製造された軌道部材と、転動体製造工程において製造された転動体とを組み合わせることにより、風力発電装置用転がり軸受を組立てる組立工程が実施される。具体的には、たとえば外輪１１および内輪１２と、ころ１３とを組み合わせることにより、主軸用軸受１が組立てられる。そして、軌道部材製造工程および転動体製造工程は、たとえば以下の風力発電装置用転がり軸受の転動部材の製造方法を用いて実施される。

図５を参照して、本実施の形態における風力発電装置用転がり軸受の転動部材の製造方法においては、まず、βサイアロンの粉末を準備するβサイアロン粉末準備工程が実施される。βサイアロン粉末準備工程においては、たとえば燃焼合成法を採用した製造工程により、安価にβサイアロンの粉末を製造することができる。

次に、βサイアロン粉末準備工程において準備されたβサイアロンの粉末に、焼結助剤を添加して混合する混合工程が実施される。この混合工程は、焼結助剤を添加しない場合、省略することができる。

次に、図５を参照して、上記βサイアロンの粉末またはβサイアロンの粉末と焼結助剤との混合物を、風力発電装置用転がり軸受の転動部材の概略形状に成形する成形工程が実施される。具体的には、上記βサイアロンの粉末またはβサイアロンの粉末と焼結助剤との混合物に、プレス成形、鋳込み成形、押し出し成形、転動造粒などの成形手法を適用することにより、風力発電装置用転がり軸受の転動部材である外輪１１、内輪１２、ころ１３などの概略形状に成形された成形体が作製される。

次に、上記成形体の表面が加工されることにより、当該成形体が焼結後に所望の転動部材の形状により近い形状になるよう成形される焼結前加工工程が実施される。具体的には、グリーン体加工などの加工手法を適用することにより、上記成形体が焼結後に外輪１１、内輪１２、ころ１３などの形状により近い形状になるように加工される。この焼結前加工工程は、成形工程において上記成形体が成形された段階で、焼結後に所望の風力発電装置用転がり軸受の転動部材の形状に近い形状が得られる状態である場合には省略することができる。

次に、図５を参照して、上記成形体が焼結される焼結工程が実施される。具体的には、上記成形体が、たとえば１ＭＰａ以下の圧力下でヒータ加熱、マイクロ波やミリ波による電磁波加熱などの加熱方法により加熱されて焼結されることにより、外輪１１、内輪１２、ころ１３などの概略形状を有する焼結体が作製される。焼結は、不活性ガス雰囲気中または窒素と酸素との混合ガス雰囲気中において、１５５０℃以上１８００℃以下の温度域に上記成形体が加熱されることにより実施される。不活性ガスとしては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、窒素などが採用可能であるが、製造コスト低減の観点から、窒素が採用されることが好ましい。

次に、焼結工程において作製された焼結体の表面が加工され、当該表面を含む領域が除去される仕上げ加工が実施されることにより、風力発電装置用転がり軸受の転動部材を完成させる仕上げ工程が実施される。具体的には、焼結工程において作製された焼結体の表面を研磨することにより、風力発電装置用転がり軸受の転動部材としての外輪１１、内輪１２、ころ１３などを完成させる。以上の工程により、本実施の形態における風力発電装置用転がり軸受の転動部材は完成する。

ここで、上記焼結工程における焼結により、焼結体の表面から厚み５００μｍ程度の領域には、内部よりも緻密性が高く、断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率が７％以下である緻密層が形成される。さらに、焼結体の表面から厚み１５０μｍ程度の領域には、緻密層内の他の領域よりもさらに緻密性が高く、断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率が３．５％以下である高緻密層が形成されている。したがって、仕上げ工程においては、除去される焼結体の厚みは、特に転走面となるべき領域において１５０μｍ以下とすることが好ましい。これにより、外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａ、ころ転走面１３Ａを含む領域に、高緻密層を残存させ、風力発電装置用転がり軸受の転動部材の転動疲労寿命を向上させることができる。

なお、上記焼結工程は、βサイアロンの分解を抑制するため、０．０１ＭＰａ以上の圧力下で行なうことが好ましく、低コスト化を考慮すると大気圧以上の圧力下で行なうことがより好ましい。また、製造コストを抑制しつつ緻密層を形成するためには、焼結工程は１ＭＰａ以下の圧力下で行なうことが好ましい。また、製造される風力発電装置用転がり軸受の転動部材のヤング率を１８０ＧＰａ以上２７０ＧＰａ以下の所望の値に調整するためには、たとえばβサイアロン粉末準備工程において準備されるβサイアロン粉末のｚ値を、０．１≦ｚ≦３．５の範囲で調節すればよい。より具体的には、ｚ値を増加させることにより、製造される風力発電装置用転がり軸受の転動部材のヤング率を低下させることができる。

（実施の形態２）
図６は、実施の形態２における風力発電装置用転がり軸受としての発電機用軸受を含む発電機の構成を示す概略図である。また、図７は、発電機に使用される実施の形態２における風力発電装置用転がり軸受としての発電機用軸受の構成を示す概略断面図である。また、図８は、図７の発電機用軸受の要部を拡大して示す概略部分断面図である。

図６を参照して、発電機５６は、ロータ７１と、ロータ７１の中央部を貫通し、増速機５４の出力軸５５に接続された（図１参照）ロータ軸７２と、ロータ７１の外周面に対向するように配置されたステータ７３とを備えている。そして、ロータ軸７２の外周面７２Ａに対向して一対のハウジング７４，７４が配置されており、ロータ軸７２の外周面７２Ａと一対のハウジング７４，７４のそれぞれとの間には、風力発電装置用転がり軸受としての一対の発電機用軸受２，２が配置されている。これにより、ロータ軸７２は、ハウジング７４に対して軸まわりに回転自在に保持され、ロータ７１は、ロータ軸７２と一体に回転可能となっている。

次に、発電機５６の動作について説明する。図１を参照して、風力発電装置５０のブレード５２が風を受けて回転すると、主軸５１が回転し、当該回転は増速機５４で増速された後、出力軸５５の回転として出力される。図１および図６を参照して、ロータ軸７２は、この出力軸５５に接続されており、ブレード５２の回転を受けて回転する。図６を参照して、ロータ軸７２が回転すると、ロータ７１はこれと一体に回転する。このとき、ロータ７１は、ロータ７１の外周側に対向して配置されたステータ７３に対して相対的に回転する。その結果、電磁誘導作用によりステータ７３に起電力が発生し、発電が行なわれる。

すなわち、実施の形態２における風力発電装置用転がり軸受としての発電機用軸受２は、ロータ７１を回転させることによって、ロータ７１の外周側に対向して配置されるステータ７３に起電力を発生させる発電機において、ロータ７１を貫通し、ロータ７１と一体に回転するロータ軸７２をロータ軸７２の外周面７２Ａに対向して配置される部材であるハウジング７４に対して回転自在に支持する発電機用軸受である。

つまり、発電機用軸受２は、風力発電装置用の風車の主軸５１の回転を受けて回転する回転部材であるロータ軸７２を、ロータ軸７２に対向するように配置される部材であるハウジング７４に対して回転自在に支持する風力発電装置用転がり軸受である。

次に、この発電機用軸受２について説明する。図７を参照して、実施の形態２における風量発電用転がり軸受としての発電機用軸受２は、基本的には図１〜図３に基づいて説明した主軸用軸受１と同様の構成を有し、同様の効果を奏する。しかし、発電機用軸受２は、軌道部材および転動体の構成において主軸用軸受１とは異なっている。

すなわち、発電機用軸受２は、深溝玉軸受であって、軌道部材としての環状の外輪２１と、外輪２１の内側に配置された軌道部材としての環状の内輪２２と、外輪２１と内輪２２との間に配置され、円環状の保持器２４に保持された転動体としての複数の玉２３とを備えている。外輪２１の内周面には外輪転走面２１Ａが形成されており、内輪２２の外周面には内輪転走面２２Ａが形成されている。そして、内輪転走面２２Ａと外輪転走面２１Ａとが互いに対向するように、外輪２１と内輪２２とは配置されている。さらに、複数の玉２３は、内輪転走面２２Ａおよび外輪転走面２１Ａに玉転走面２３Ａにおいて接触し、かつ保持器２４により周方向に所定のピッチで配置されることにより円環状の軌道上に転動自在に保持されている。以上の構成により、発電機用軸受２の外輪２１および内輪２２は、互いに相対的に回転可能となっている。

ここで、図７および図８を参照して、本実施の形態における風力発電装置用転がり軸受の転動部材（発電機用転動部材）としての外輪２１、内輪２２および玉２３は、それぞれ実施の形態１における主軸用軸受１の外輪１１、内輪およびころ１３に相当し、同様の内部２１Ｃ，２２Ｃ，２３Ｃ、緻密層（外輪緻密層２１Ｂ、内輪緻密層２２Ｂ、玉緻密層２３Ｂ）および高緻密層（外輪高緻密層２１Ｄ、内輪高緻密層２２Ｄ、玉高緻密層２３Ｄ）を有している。そのため、本実施の形態おける発電機用軸受２は、安価でありながら、十分な耐久性を安定して確保することが可能であるとともに、急激に大きな荷重が負荷された場合の損傷の発生を抑制可能なβサイアロン焼結体からなる転動部材（外輪２１、内輪２２および玉２３）を備えた風力発電装置用転がり軸受となっている。

なお、実施の形態２における風力発電装置用転がり軸受としての発電機用軸受２および当該発電機用軸受２が備える発電機用転動部材としての外輪２１、内輪２２、玉２３は、実施の形態１の場合と同様に製造することができる。

（実施の形態３）
図９は、実施の形態３における風力発電装置用転がり軸受としての増速機用軸受を含む増速機の構成を示す概略図である。

図９を参照して、増速機５４は、主軸５１に接続された（図１参照）入力軸９１と、入力軸９１から径方向に延びる腕部を介して入力軸９１に接続され、軸方向に突出する遊星キャリア９２と、遊星キャリア９２の外周面を取り囲むように配置され、外周面にギア部９３Ａが形成された遊星ギア９３と、遊星ギア９３のギア部９３Ａに常時噛み合うギア部９４Ａが外周面に形成された低速シャフト９４と、遊星ギア９３のギア部９３Ａに常時噛み合うギア部９０Ａが内周面に形成された外輪ギア９０と、円環状の形状を有し、低速シャフト９４の外周面に固定され、外周面にギア部９５Ａが形成された低速ギア９５とを備えている。さらに、増速機５４は、低速ギア９５のギア部９５Ａに常時噛み合うギア部９６Ａが外周面に形成された中速シャフト９６と、円環状の形状を有し、中速シャフト９６の外周面に固定され、外周面にギア部９７Ａが形成された中速ギア９７と、中速ギア９７のギア部９７Ａに常時噛み合うギア部９８Ａが外周面に形成された高速シャフト９８とを備えている。

入力軸９１および遊星キャリア９２は、外周面に対向するように配置されたハウジング９９に対して、ころ軸受３，３により回転自在に支持されている。また、遊星キャリア９２と遊星ギア９３との間には、２つのころ軸受３が軸方向に並べて配置されており、遊星キャリア９２と遊星ギア９３とは互いに相対的に回転可能となっている。さらに、低速シャフト９４、中速シャフト９６および高速シャフト９８は、外周面に対向するように配置されたハウジング９９，９９に対して、ころ軸受３，３により回転自在に支持されている。

次に、増速機５４の動作について説明する。図１を参照して、風力発電装置５０のブレード５２が風を受けて回転すると、主軸５１が回転する。図１および図９を参照して、入力軸９１は、この主軸５１に接続されており、ブレード５２の回転を受けて回転する。図９を参照して、入力軸９１が回転すると、低速シャフト９４と、低速シャフト９４を取り囲むように配置された外輪ギア９０との間の空間を、遊星キャリア９２が公転する。そして、この遊星キャリア９２の運動に伴い、遊星ギア９３のギア部９３Ａが外輪ギア９０のギア部９０Ａおよび低速シャフト９４のギア部９４Ａの両方に噛み合いつつ、遊星ギア９３が低速シャフト９４のまわりを自転しつつ公転する。その結果、外輪ギア９０のギア部９０Ａの歯数と低速シャフト９４のギア部９４Ａの歯数との関係に応じて、低速シャフト９４が軸まわりに回転する。

低速シャフト９４が回転すると、低速ギア９５が低速シャフト９４と一体に回転し、これに伴い、低速ギア９５のギア部９５Ａと噛み合うギア部９６Ａを有する中速シャフト９６が回転する。このとき、中速シャフト９６のギア部９６Ａの歯数に対する低速ギア９５のギア部９５Ａの歯数の比に応じた増速比で、低速シャフト９４の回転が増速されて、中速シャフト９６に伝達される。さらに、中速シャフト９６が回転すると、中速ギア９７が中速シャフト９６と一体に回転し、これに伴い、中速ギア９７のギア部９７Ａと噛み合うギア部９８Ａを有する高速シャフト９８が回転する。このとき、高速シャフト９８のギア部９８Ａの歯数に対する中速ギア９７のギア部９７Ａの歯数の比に応じた増速比で、中速シャフト９６の回転が増速されて、高速シャフト９８に伝達される。

以上のように、図１および図９を参照して、主軸５１の回転は増速機５４において増速され、高速シャフト９８に接続された出力軸５５の回転として出力される。

すなわち、実施の形態３における風力発電装置用転がり軸受としての増速機用軸受であるころ軸受３は、風力発電装置用の風車の主軸５１の回転を受けて回転する回転部材である入力軸９１、遊星キャリア９２、遊星ギア９３、低速シャフト９４、中速シャフト９６または高速シャフト９８を、これらに対向するように配置される部材（ハウジング９９、遊星キャリア９２、遊星ギア９３）に対して回転自在に支持する風力発電装置用転がり軸受である。

つまり、実施の形態３におけるころ軸受３は、増速機５４の内部において回転する回転部材を、当該回転部材に対向して配置される部材に対して回転自在に支持する増速機用軸受である。

そして、上記増速機用軸受であるころ軸受３は、図１〜図３に基づいて説明した主軸用軸受１と同様の構成を有し、同様の効果を奏する。すなわち、増速機用軸受である円筒ころ軸受３を構成する増速機用転動部材（風力発電装置用転がり軸受の転動部材）としての外輪、内輪およびころは、それぞれ主軸用軸受１の外輪１１、内輪１２およびころ１３に相当し、同様の内部、緻密層、および高緻密層を有している。そのため、本実施の形態おける増速機用軸受としてのころ軸受３は、安価でありながら、十分な耐久性を安定して確保することが可能であるとともに、急激に大きな荷重が負荷された場合の損傷の発生を抑制可能なβサイアロン焼結体からなる転動部材を備えた風力発電装置用転がり軸受となっている。

なお、実施の形態３における風力発電装置用転がり軸受としての増速機用軸受であるころ軸受３およびこれが備える増速機用転動部材としての外輪、内輪およびころは、実施の形態１の場合と同様に製造することができる。

上記実施の形態においては、本発明の風力発電装置用転がり軸受および風力発電装置用転がり軸受の転動部材の一例として主軸用軸受（複列自動調心ころ軸受）、発電機用軸受（深溝玉軸受）、増速機用軸受（ころ軸受）およびこれらが備える風力発電装置用転がり軸受の転動部材について説明したが、本発明の風力発電装置用転がり軸受および風力発電装置用転がり軸受の転動部材はこれらに限られない。たとえば、軌道部材は、転動体が表面を転走するように使用される軸や板などであってもよい。すなわち、本発明の風力発電装置用転がり軸受の転動部材である軌道部材は、転動体が転走するための転走面が形成された部材であればよい。また、本発明の風力発電装置用転がり軸受は、円錐ころ軸受、円筒ころ軸受、複列円筒ころ軸受、複列円錐ころ軸受、自動調心ころ軸受、総ころ型円筒ころ軸受などのころ軸受であってもよいし、アンギュラ玉軸受、４点接触玉軸受などの玉軸受であってもよい。

また、上記実施の形態においては、本発明の風力発電装置用転がり軸受において軌道部材および転動体の両方がβサイアロン焼結体からなる本発明の風力発電装置用転がり軸受の転動部材である場合について説明したが、本発明の風力発電装置用転がり軸受はこれに限られない。本発明の風力発電装置用転がり軸受は軌道部材および転動体のうち少なくともいずれか一方が本発明の風力発電装置用転がり軸受の転動部材であればよい。そして、軌道部材および転動体のいずれか一方が本発明の風力発電装置用転がり軸受の転動部材である場合、風力発電装置用転がり軸受の製造コストを考慮すると、転動体が本発明の風力発電装置用転がり軸受の転動部材であることが好ましい。

このとき、本発明の風力発電装置用転がり軸受における軌道部材の素材は特に限定されず、たとえば鋼、具体的にはＪＩＳ規格ＳＵＪ２などの軸受鋼や、ＳＣＲ４２０、ＳＣＭ４２０などの浸炭鋼を採用することができる。また、本発明の風力発電装置用転がり軸受における軌道部材の素材には、窒化珪素などのセラミックスを採用してもよい。

以下、本発明の実施例１について説明する。種々のｚ値を有するβサイアロン焼結体からなる転動体を有する転がり軸受を作製し、ｚ値と転動疲労寿命（耐久性）との関係を調査する試験を行なった。試験の手順は以下のとおりである。

まず、試験の対象となる試験軸受の作製方法について説明する。はじめに、燃焼合成法でｚ値を０．１〜４の範囲で作製したβサイアロンの粉末を準備し、上記実施の形態１において図５に基づいて説明した転動体の製造方法と基本的に同様の方法で、ｚ値が０．１〜４である転動体を作製した。具体的な作製方法は以下のとおりである。まず、サブミクロンに微細化されたβサイアロン粉末と、焼結助剤としての酸化アルミニウム（住友化学株式会社製、ＡＫＰ３０）および酸化イットリウム（Ｈ．Ｃ．Ｓｔａｒｃｋ社製、Ｙｔｔｒｉｕｍｏｘｉｄｅ ｇｒａｄｅ Ｃ）とをボールミルを用いて湿式混合により混合した。その後、スプレードライヤーにて造粒を実施し、造粒粉を製造した。当該造粒粉を金型で球体に成形し、さらに冷間静水圧成形（ＣＩＰ）で加圧を行ない、球状の成形体を得た。

引き続き当該成形体に対して１次焼結として常圧焼結を行なった後、圧力２００ＭＰａの窒素雰囲気中でＨＩＰ（Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓ；熱間静水圧焼結）処理することで、焼結球体を製造した。次に、当該焼結球体にラッピング加工を行ない、３／８インチセラミック球（ＪＩＳ等級 Ｇ５）とした。そして、別途準備した軸受鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２）製の軌道輪と組み合わせて、ＪＩＳ規格６２０６型番の軸受を作製した（実施例Ａ〜Ｈおよび比較例Ｂ〜Ｃ）。また、比較のため、窒化珪素からなる転動体、すなわちｚ値が０である転動体も上記βサイアロンからなる転動体と同様の方法で作製し、同様に軸受に組立てた（比較例Ａ）。

次に、試験条件について説明する。上述のように作製されたＪＩＳ規格６２０６型番の軸受に対し、最大接触面圧Ｐｍａｘ：３．２ＧＰａ、軸受回転数：２０００ｒｐｍ、潤滑：タービン油ＶＧ６８(清浄油)の循環給油、試験温度：室温、の条件の下で運転する疲労試験を行なった。そして、振動検出装置により運転中の軸受の振動を監視し、転動体に破損が発生して軸受の振動が所定値を超えた時点で試験を中止するとともに、運転開始から中止までの時間を当該軸受の寿命として記録した。また、試験中止後、軸受を分解して転動体の破損状態を確認した。

表１に本実施例の試験結果を示す。表１においては、各実施例および比較例における寿命が、比較例Ａ（窒化珪素）における寿命を１とした寿命比で表されている。また、破損形態は、転動体の表面に剥離が発生した場合「剥離」、剥離が発生することなく表面が摩耗して試験が中止された場合「摩耗」と記載されている。

表１を参照して、ｚ値が０．１以上３．５以下となっている本発明の実施例Ａ〜Ｈでは、窒化珪素（比較例Ａ）と比較して遜色ない寿命を有している。また、破損形態も窒化珪素の場合と同様に「剥離」となっている。これに対し、ｚ値が３．５を超え、本発明の範囲外となっている比較例Ｂでは、寿命が大幅に低下するとともに、転動体に摩耗が観察される。すなわち、ｚ値が３．８である比較例Ｂでは、最終的には転動体に剥離が発生しているものの、転動体における摩耗が影響し、寿命が大幅に低下したものと考えられる。さらに、ｚ値が４である比較例Ｃにおいては、極めて短時間に転動体の摩耗が進行し、転がり軸受の耐久性が著しく低下している。

以上のように、ｚ値が０．１以上３．５以下の範囲においては、サイアロン焼結体からなる転動体を備えた転がり軸受の耐久性は、窒化珪素の焼結体からなる転動体を備えた転がり軸受とほぼ同等である。これに対し、ｚ値が３．５を超えると転動体が摩耗しやすくなり、これに起因して転動疲労寿命が大幅に低下する。さらに、ｚ値が大きくなると、βサイアロンからなる転動体の破損原因が「剥離」から「摩耗」に変化し、転動疲労寿命が著しく低下することが明らかとなった。このように、ｚ値を０．１以上３．５以下とすることにより、安価でありながら、十分な耐久性を安定して確保することが可能なβサイアロン焼結体からなる風力発電装置用転がり軸受の転動部材を備えた風力発電装置用転がり軸受が提供可能であることが確認された。

なお、表１を参照して、ｚ値が３を超える３．５の実施例Ｈにおいては、転動体には僅かな摩耗が発生しており、寿命も実施例Ａ〜Ｇに比べて低下している。このことから、十分な耐久性をより安定して確保するためには、ｚ値は３以下とすることが望ましいといえる。

また、上記実験結果より、窒化珪素からなる転動体と同等以上の耐久性（寿命）を得るには、ｚ値は２以下とすることが好ましく、１．５以下とすることが、より好ましい。一方、燃焼合成を採用した製造工程による、βサイアロン粉体の作製の容易性を考慮すると、十分に自己発熱による反応が期待できるｚ値である０．５以上とすることが好ましい。

以下、本発明の実施例２について説明する。本発明の風力発電装置用転がり軸受の転動部材の断面における緻密層および高緻密層の形成状態を調査する試験を行なった。試験の手順は以下のとおりである。

はじめに、燃焼合成法で作製した組成がＳｉ_５ＡｌＯＮ_７であるβサイアロンの粉末（株式会社イスマンジェイ製、商品名メラミックス）を準備し、実施の形態１において図５に基づいて説明した風力発電装置用転がり軸受の転動部材の製造方法と同様の方法で、一辺が約１０ｍｍの立方体試験片を作製した。具体的な製造方法は次のとおりである。まず、サブミクロンに微細化されたβサイアロン粉末と、焼結助剤としての酸化アルミニウム（住友化学株式会社製、ＡＫＰ３０）および酸化イットリウム（Ｈ．Ｃ．Ｓｔａｒｃｋ社製、Ｙｔｔｒｉｕｍｏｘｉｄｅ ｇｒａｄｅ Ｃ）とをボールミルを用いて湿式混合により混合した。その後、スプレードライヤーにて造粒を実施し、造粒粉を製造した。当該造粒粉を金型で所定の形状に成形し、さらに冷間静水圧成形（ＣＩＰ）で加圧を行ない、成形体を得た。引き続き当該成形体を圧力０．４ＭＰａの窒素雰囲気中で１６５０℃に加熱して焼結することで、上記立方体試験片を製造した。

その後、当該試験片を切断し、切断された面をダイヤモンドラップ盤でラッピングした後、酸化クロムラップ盤による鏡面ラッピングを実施することにより、立方体の中心を含む観察用の断面を形成した。そして、当該断面を光学顕微鏡（株式会社ニコン製、マイクロフォト−ＦＸＡ）の斜光で観察し、倍率５０倍のインスタント写真（フジフイルム株式会社製 ＦＰ−１００Ｂ）を撮影した。その後、得られた写真の画像を、スキャナーを用いて（解像度３００ＤＰＩ）パーソナルコンピューターに取り込んだ。そして、画像処理ソフト（三谷商事株式会社製 ＷｉｎＲＯＯＦ）を用いて輝度閾値による２値化処理を行なって（本実施例での２値化分離閾値：１４０）、白色領域の面積率を測定した。

次に、試験結果について説明する。図１０は、試験片の上記観察用の断面を光学顕微鏡の斜光で撮影した写真である。また、図１１は、図１０の写真の画像を、画像処理ソフトを用いて輝度閾値により２値化処理した状態を示す一例である。また、図１２は、図１０の写真の画像を、画像処理ソフトを用いて輝度閾値により２値化処理して白色領域の面積率を測定する際に、画像処理を行なう領域（評価領域）を示す図である。図１０において、写真上側が試験片の表面側であり、上端が表面である。

図１０および図１１を参照して、本発明の風力発電装置用転がり軸受の転動部材と同様の製造方法により作製された本実施例における試験片は、表面を含む領域に内部よりも白色領域の少ない層が形成されていることがわかる。そして、図１２に示すように、撮影された写真の画像を試験片の最表面からの距離に応じて３つの領域（最表面からの距離が１５０μｍ以内の領域、１５０μｍを超え５００μｍ以内の領域、５００μｍを超え８００μｍ以内の領域）に分け、領域毎に画像解析を行なって白色領域の面積率を算出したところ、表２に示す結果が得られた。表２においては、図１２に示した各領域を１視野として、無作為に撮影された５枚の写真から得られる５視野における白色領域の面積率の、平均値と最大値とが示されている。

表２を参照して、本実施例における白色領域の面積率は、内部において１８．５％であったのに対し、表面からの深さが５００μｍ以下である領域においては３．７％、表面からの深さが１５０μｍ以下の領域においては１．２％となっていた。このことから、本発明の風力発電装置用転がり軸受の転動部材と同様の製造方法により作製された本実施例における試験片は、表面を含む領域に内部よりも白色領域の少ない緻密層および高緻密層が形成されていることが確認された。

以下、本発明の実施例３について説明する。本発明の風力発電装置用転がり軸受の転動部材の転動疲労寿命を確認する試験を行なった。試験の手順は以下のとおりである。

まず、試験の対象となる試験軸受の作製方法について説明する。はじめに、燃焼合成法で作製した組成がＳｉ_５ＡｌＯＮ_７であるβサイアロンの粉末（株式会社イスマンジェイ製、商品名メラミックス）を準備し、実施の形態１において図５に基づいて説明した風力発電装置用転がり軸受の転動部材の製造方法と同様の方法で直径９．５２５ｍｍの３／８インチセラミック球を作製した。具体的な製造方法は次のとおりである。まず、サブミクロンに微細化されたβサイアロン粉末と、焼結助剤としての酸化アルミニウム（住友化学株式会社製、ＡＫＰ３０）および酸化イットリウム（Ｈ．Ｃ．Ｓｔａｒｃｋ社製、Ｙｔｔｒｉｕｍｏｘｉｄｅ ｇｒａｄｅ Ｃ）とをボールミルを用いて湿式混合により混合した。その後、スプレードライヤーにて造粒を実施し、造粒粉を製造した。当該造粒粉を金型で球体に成形し、さらに冷間静水圧成形（ＣＩＰ）で加圧を行ない球状の成形体を得た。

次に、当該成形体に対して焼結後の加工代が所定の寸法となるようにグリーン体加工を行ない、引き続き当該成形体を圧力０．４ＭＰａの窒素雰囲気中で１６５０℃に加熱して焼結することで、焼結球体を製造した。次に、当該焼結球体にラッピング加工を行ない、３／８インチセラミック球（転動体；ＪＩＳ等級 Ｇ５）とした。そして、別途準備した軸受鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２）製の軌道輪と組み合わせて、ＪＩＳ規格６２０６型番の軸受を作製した。ここで、上記焼結球体に対するラッピング加工により除去される焼結球体の厚み（加工代）を８段階に変化させ、８種類の軸受を作製した（実施例Ａ〜Ｈ）。一方、比較のため、窒化珪素および焼結助剤からなる原料粉末を用いて加圧焼結法により焼結した焼結球体（日本特殊陶業株式会社製 ＥＣ１４１）に対して、上述と同様にラッピング加工を行ない、別途準備した軸受鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２）製の軌道輪と組み合わせて、ＪＩＳ規格６２０６型番の軸受を作製した（比較例Ａ）。ラッピング加工による加工代は０．２５ｍｍとした。

次に、試験条件について説明する。上述のように作製されたＪＩＳ規格６２０６型番の軸受に対し、最大接触面圧Ｐｍａｘ：３．２ＧＰａ、軸受回転数：２０００ｒｐｍ、潤滑：タービン油ＶＧ６８(清浄油)の循環給油、試験温度：室温、の条件の下で運転する疲労試験を行なった。そして、振動検出装置により運転中の軸受の振動を監視し、転動体に破損が発生して軸受の振動が所定値を超えた時点で試験を中止するとともに、運転開始から中止までの時間を当該軸受の寿命として記録した。なお、試験数は実施例、比較例ともに１５個ずつとし、そのＬ_１０寿命を算出した上で、比較例Ａに対する寿命比で耐久性を評価した。

表３に本実施例の試験結果を示す。表３を参照して、実施例の軸受の寿命は、その製造コスト等を考慮するといずれも良好であるといえる。そして、加工代を０．５ｍｍ以下とすることにより転動体の表面に緻密層を残存させた実施例Ｄ〜Ｇの軸受の寿命は、比較例Ａの寿命の１．５〜２倍程度となっていた。さらに、加工代を０．１５ｍｍ以下とすることにより転動体の表面に高緻密層を残存させた実施例Ａ〜Ｃの軸受の寿命は、比較例Ａの寿命の３倍程度となっていた。このことから、本発明の風力発電装置用転がり軸受の転動部材を備えた風力発電装置用転がり軸受は、耐久性において優れていることが確認された。そして、本発明の風力発電装置用転がり軸受の転動部材を備えた風力発電装置用転がり軸受は、風力発電装置用転がり軸受の転動部材の加工代を０．５ｍｍ以下として、表面に緻密層を残存させることにより寿命が向上し、風力発電装置用転がり軸受の転動部材の加工代を０．１５ｍｍ以下として、表面に高緻密層を残存させることにより寿命がさらに向上することが分かった。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の風力発電装置用転がり軸受の転動部材および風力発電装置用転がり軸受は、βサイアロンを主成分とする焼結体からなる風力発電装置用転がり軸受の転動部材および当該風力発電装置用転がり軸受の転動部材を備えた風力発電装置用転がり軸受に特に有利に適用され得る。

実施の形態１における風力発電装置用転がり軸受を備えた風力発電装置の構成を示す概略図である。 図１における主軸用軸受の周辺を拡大して示す概略断面図である。 図２の主軸用軸受の要部を拡大して示す概略部分断面図である。 実施の形態１における風力発電装置用転がり軸受の製造方法の概略を示す図である。 実施の形態１における風力発電装置用転がり軸受の製造方法に含まれる風力発電装置用転がり軸受の転動部材の製造方法の概略を示す図である。 実施の形態２における風力発電装置用転がり軸受としての発電機用軸受を含む発電機の構成を示す概略図である。 発電機に使用される実施の形態２における風力発電装置用転がり軸受としての発電機用軸受の構成を示す概略断面図である。 図７の発電機用軸受の要部を拡大して示す概略部分断面図である。 実施の形態３における風力発電装置用転がり軸受としての増速機用軸受を含む増速機の構成を示す概略図である。 試験片の上記観察用の断面を光学顕微鏡の斜光で撮影した写真である。 図１０の写真の画像を、画像処理ソフトを用いて輝度閾値により２値化処理した状態を示す一例である。 図１０の写真の画像を、画像処理ソフトを用いて輝度閾値により２値化処理して白色領域の面積率を測定する際に、画像処理を行なう領域（評価領域）を示す図である。

符号の説明

１ 主軸用軸受、２ 発電機用軸受、３ ころ軸受、１１，２１ 外輪、１１Ａ，２１Ａ 外輪転走面、１１Ｂ，２１Ｂ 外輪緻密層、１１Ｃ，１２Ｃ，１３Ｃ，２１Ｃ，２２Ｃ，２３Ｃ 内部、１１Ｄ，２１Ｄ 外輪高緻密層、１１Ｅ 貫通孔、１１Ｆ 外周面、１２，２２ 内輪、１２Ａ，２２Ａ 内輪転走面、１２Ｂ，２２Ｂ 内輪緻密層、１２Ｄ，２２Ｄ 内輪高緻密層、１２Ｅ 鍔部、１２Ｆ 内周面、１３ ころ、１３Ａ ころ転走面、１３Ｂ ころ緻密層、１３Ｄ ころ高緻密層、１４，２４ 保持器、２３ 玉、２３Ａ 玉転走面、２３Ｂ 玉緻密層、２３Ｄ 玉高緻密層、５０ 風力発電装置、５１ 主軸、５１Ａ 外周面、５２ ブレード、５３ ハウジング、５３Ａ 内壁、５４ 増速機、５５ 出力軸、５６ 発電機、５９ ナセル、７１ ロータ、７２ ロータ軸、７２Ａ 外周面、７３ ステータ、７４ ハウジング、９０ 外輪ギア、９０Ａ ギア部、９１ 入力軸、９２ 遊星キャリア、９３ 遊星ギア、９３Ａ，９４Ａ，９５Ａ、９６Ａ，９７Ａ，９８Ａ ギア部、９４ 低速シャフト、９５ 低速ギア、９６ 中速シャフト、９７ 中速ギア、９８ 高速シャフト、９９ ハウジング。

Claims (7)

1. 風力発電装置用の風車の主軸または前記主軸の回転を受けて回転する回転部材を、前記主軸または前記回転部材に対向するように配置される部材に対して回転自在に支持する風力発電装置用転がり軸受において、軌道部材、または前記軌道部材に接触して円環状の軌道上に配置される転動体である風力発電装置用転がり軸受の転動部材であって、
   Ｓｉ_６−ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮ_８−Ｚの組成式で表され、０．１≦ｚ≦３．５を満たすβサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる焼結体から構成され、
   ヤング率が１８０ＧＰａ以上２７０ＧＰａ以下である、風力発電装置用転がり軸受の転動部材。
2. 風力発電装置用の風車の主軸または前記主軸の回転を受けて回転する回転部材を、前記主軸または前記回転部材に対向するように配置される部材に対して回転自在に支持する風力発電装置用転がり軸受において、軌道部材、または前記軌道部材に接触して円環状の軌道上に配置される転動体である風力発電装置用転がり軸受の転動部材であって、
   Ｓｉ_６−ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮ_８−Ｚの組成式で表され、０．１≦ｚ≦３．５を満たすβサイアロンを主成分とし、残部焼結助剤および不純物からなる焼結体から構成され、
   ヤング率が１８０ＧＰａ以上２７０ＧＰａ以下である、風力発電装置用転がり軸受の転動部材。
3. 他の風力発電装置用転がり軸受の転動部材と接触する面である転走面を含む領域には、内部よりも緻密性の高い層である緻密層が形成されている、請求項１または２に記載の風力発電装置用転がり軸受の転動部材。
4. 前記緻密層の断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は７％以下である、請求項３に記載の風力発電装置用転がり軸受の転動部材。
5. 前記緻密層の表面を含む領域には、前記緻密層内の他の領域よりもさらに緻密性の高い層である高緻密層が形成されている、請求項３または４に記載の風力発電装置用転がり軸受の転動部材。
6. 前記高緻密層の断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は３．５％以下である、請求項５に記載の風力発電装置用転がり軸受の転動部材。
7. 軌道部材と、
   前記軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される複数の転動体とを備え、
   前記軌道部材および前記転動体の少なくともいずれか一方は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の風力発電装置用転がり軸受の転動部材である、風力発電装置用転がり軸受。