JP2010065828A - 玉軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】固体潤滑剤からなる潤滑部品が取り付けられた保持器を備えた玉軸受として、機械的強度が十分であるとともに、寸法が大きい玉軸受や、ボール間隔が狭いアンギュラ玉軸受に適用しても、良好な潤滑性能が得られるものを提供する。
【解決手段】セパレータ（保持器）４を板金で形成する。このセパレータ４の円穴４１に固体潤滑剤からなるリング状の潤滑部品５を取り付ける。リング状の潤滑部品５の内側にボール３を回転自在に配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体潤滑剤からなる潤滑部品を備えた玉軸受に関する。

ＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）は世代を重ねる毎に大型化しており、最近では一辺が２ｍ以上のものも登場している。ＦＰＤを製造する設備の一部として、スパッタリング装置、プラズマＣＶＤ装置、イオン注入装置等の真空処理装置がある。そして、これらの真空処理装置は、基板等の被処理品を真空状態で搬送する搬送装置や搬送ロボットを備えている。

これらの搬送装置や搬送ロボットの回転支持部分に転がり軸受が使用されるが、これらの転がり軸受としては、従来、ステンレス鋼（主にＳＵＳ４４０Ｃ）製で、焼き入れ・焼き戻し処理が施されていて、フッ素系グリースで潤滑されたものが使用されている。
ところで、ＦＰＤは、製造工程で表面に微細な粒子（異物）が付着することで機能が損なわれる。よって、製品としての歩留まりを向上させるために、清浄度のより高い環境で製造することが求められている。この要求に応えるために、フッ素系グリースよりも放出ガス量が少ない固体潤滑剤を使用することが提案されている。

転がり軸受の保持器やセパレータに固体潤滑剤を適用した例としては、下記の特許文献１〜４が挙げられる。下記の特許文献１〜４には、固体潤滑剤からなる潤滑部品を備えた玉軸受が記載されている。
特許文献１には、玉を一つ一つ入れるリング状部品（玉のセパレータとして機能するスペーサ）の少なくとも一つを、自己潤滑性焼結合金で形成することが記載されている。

特許文献２には、軸方向に二分割された一対の半体からなる保持器に、少なくとも２個の玉を収容し、各ポケットに収容された複数の玉の間に、グラファイト製のスペーサを介装することが記載されている。
特許文献３には、円周方向で分割された分割形の保持器（セパレータ）を、自己潤滑性材料で形成することが記載されている。

特許文献４には、保持器を、自己潤滑能力を有する耐熱性有機材料（例えばポリベンゾイミダゾール樹脂にグラファイト等を添加した複合材料）で形成することが記載されている。
これらの特許文献に記載された保持器は、ボール間隔が狭いアンギュラ玉軸受に適用することが難しかったり、機械的強度が不充分であったり、寸法が大きなものには適さなかったりといった問題がある。

図９に示すように、軸受の幅Ｂと内輪１の内径ｄと外輪２の外径Ｄとの関係が、下記の（１）式および（２）式を満たす玉軸受は、負荷容量が大きいためにボール３の直径を大きく設定している。これに伴って、隣り合うボール３の間隔が極端に短くなるため、特許文献１〜４の保持器では、軸受のスムーズな回転が阻止されたり、十分な機械的強度が得られなかったりする。
０．６０＜Ｂ／（（Ｄ−ｄ）／２）＜１．１‥‥（１）
０．３９＜（（Ｄ−ｄ）／２）／ｄ＜１．０‥‥（２）
特公平１−２８２４８号公報 実公平７−２１９２７号公報 特開平７−１５１１５２号公報 特開平７−１９７９３６号公報

本発明の課題は、固体潤滑剤からなる潤滑部品が取り付けられた保持器を備えた玉軸受として、機械的強度が十分であるとともに、寸法が大きい玉軸受や、ボール間隔が狭いアンギュラ玉軸受に適用しても、良好な潤滑性能が得られるものを提供することである。

上記課題を解決するために、本発明は、板金（金属板を常温で塑性加工すること）で形成された保持器の円穴に固体潤滑剤からなるリング状潤滑部品が取り付けられ、このリング状潤滑部品の内側にボールが回転自在に配置されている玉軸受を提供する。
本発明の玉軸受によれば、固体潤滑剤からなるリング状潤滑部品が、この軸受の回転時にボールの表面と接触することで、固体潤滑剤がボールの表面に効率的に移行するため、他の潤滑剤を充填しなくても良好な潤滑性能が得られる。また、固体潤滑剤からなる潤滑部品を保持器とは別に設けたため、保持器の機械的強度を確保できるとともに、寸法が大きい玉軸受や、ボール間隔が狭いアンギュラ玉軸受にも適用できる。

さらに、保持器が板金で形成されているため、軽量となり、保持器の重量に比例して潤滑部品にかかる荷重や慣性力が小さくなる。これにより、潤滑部品の摩耗が低減されるため、長期に渡って良好な潤滑性能が確保できる。
なお、軸受の回転に伴うリング状潤滑部品とボールの摺動によって、リング状潤滑部品をなす固体潤滑剤の温度が上昇するが、板金で形成されている保持器の板厚が薄いほど、この温度上昇度合いが高くなる。固体潤滑剤の温度が高いほど固体潤滑剤の表面が活性化されるため、保持器の板厚が薄いほど、リング状潤滑部品をなす固体潤滑剤がボールに移りやすくなり、潤滑の確実性が高くなる。

本発明の玉軸受としては、前記保持器が、前記円穴が２個以上形成された複数のセパレータからなるものが挙げられる。保持器を構成するセパレータが板金で形成されていて前記円穴が１個であると、リング状潤滑部品の重さによっては、軸受回転時に、セパレータがボールの周りを回転して内輪外輪に接触し、軸受の回転性が不良となる恐れがあるが、前記円穴が２個以上であると、セパレータの姿勢が安定するため、軸受の回転性が良好になる。

本発明の玉軸受によれば、固体潤滑剤からなる潤滑部品が取り付けられた保持器を備えた玉軸受として、機械的強度が十分であるとともに、寸法が大きい玉軸受や、ボール間隔が狭いアンギュラ玉軸受に適用しても、良好な潤滑性能が長期に渡って得られるようになる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
この実施形態の玉軸受はアンギュラ玉軸受であり、図１および２に示すように、内輪１、外輪２、ボール３、セパレータ（保持器）４、および固体潤滑剤からなるリング状の潤滑部品５で構成されている。
図１は、このアンギュラ玉軸受の平断面図（軸受端面を水平にして台上に置いた軸受を幅方向と交差する平面で切断して上から見た図）の一部を示す図である。図２は、このアンギュラ玉軸受を図１のＡ−Ａ位置で径方向に沿って切断した断面図である。図３は、図２のＡ部分の拡大図である。図４は、このアンギュラ玉軸受の内輪１、ボール３、セパレータ４、および潤滑部品５の関係を示す正面図である。図５はセパレータ４を示す斜視図である。図６は、セパレータ４の作製過程を説明する図である。

このセパレータ４は、２個のボール３を保持するものであり、板面に円穴４１が２個形成され、各円穴４１の両側に側面部４２が形成されている。また、両円穴４１の間で屈曲した形状となっている。
このセパレータ４は、先ず、鋼板４０に円穴４１を抜き加工で形成するとともに、外形ラインに沿って切断加工することで、図６（ａ）の形状にした後、ラインＬ１〜Ｌ３に沿って曲げ加工する。ラインＬ１，Ｌ２で９０°曲げて形成された部分が、セパレータ４の側面部４２となる。ラインＬ３に沿った曲げ角度は、ボールピッチ円に対応して設定される。図６（ｂ）は図６（ａ）の側面図であり、図６（ｃ）はセパレータ４の平面図であり、図６（ｄ）はセパレタ４の側面図である。

リング状の潤滑部品５は、外径が異なる小径部５１と大径部５２とからなり、小径部５１に突起５１ａを設けることで、この突起５１ａと大径部５２との間に抜け止め用の周溝５１ｂが形成されている。リング状の潤滑部品５は、小径部５１側からセパレータ４の円穴４１に挿入される。その際に、突起５１ａが弾性変形して円穴４１を通過し、セパレータ４の円穴周縁部４１ａが潤滑部品５の周溝５１ｂに嵌まり、潤滑部品５の大径部５２がセパレータ４の円穴周縁部４１ａの外側に配置される。

リング状の潤滑部品５の内径は、ボール３の直径より少し大きく形成されているため、リング状の潤滑部品５内にボール３が遊嵌され、この玉軸受の回転時にボール３がリング状の潤滑部品５の内周面５３に接触する。
したがって、この玉軸受は、回転時に、潤滑部品５をなす固体潤滑剤が、ボール３の表面に効率的に移行するため、他の潤滑剤を充填しなくても良好な潤滑性能が得られる。また、固体潤滑剤からなる潤滑部品５をセパレータ４とは別に設けたため、セパレータ４の機械的強度を確保できるとともに、寸法が大きい玉軸受や、ボール間隔が狭いアンギュラ玉軸受にも適用できる。

また、板金で形成されたセパレータ４を使用しているため、潤滑部品５にかかる荷重や慣性力が小さく、潤滑部品５の摩耗が低減されることで、長期に渡って良好な潤滑性能が確保できる。また、円穴が２個形成されたセパレータ４を使用しているため、セパレータ４の姿勢が安定し、軸受の回転性は良好である。
セパレータ４の板厚（鋼板４０の厚さ）は、０．８ｍｍ〜３．２ｍｍであることが好ましい。軸受の回転に伴う潤滑部品５とボール３の摺動によって、潤滑部品５をなす固体潤滑剤の温度が上昇するが、セパレータ４の板厚が薄いほど、この温度上昇度合いが高くなる。固体潤滑剤の温度が高いほど固体潤滑剤の表面が活性化されるため、セパレータ４の板厚が薄いほど、潤滑部品５をなす固体潤滑剤がボールに移りやすくなり、潤滑の確実性が高くなる。ただし、０．８ｍｍより薄いと、セパレータ４としての形状保持性が不良となる。また、セパレータ４の板厚が３．２ｍｍより厚いと、上述の固体潤滑剤の温度上昇効果が得られ難くなる点と、加工性が悪くなる点から好ましくない。

この玉軸受を真空環境で使用する場合には、セパレータ４をＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６等のステンレス鋼、ＰＥＥＫ樹脂やポリイミド樹脂（例えば、デュポン社製の「ベスペル（登録商標）」）で形成する。潤滑部品５は、ＰＴＦＥ樹脂、グラファイト、ＭｏＳ₂ 、ＷＳ₂ 、ＭｏＳ₂ 合金、ＷＳ₂ 合金のいずれかで形成する。
また、ボール３、内輪１の軌道面、外輪２の軌道面の少なくともいずれかに、スプレー塗装またはスパッタリングによるＭｏＳ₂ またはＷＳ₂ からなる被膜や、ＰＴＦＥ樹脂からなる被膜が形成されていることが好ましい。これにより、軸受を初めて使用する際にこれらの被膜が潤滑剤として作用するため、回転初期の潤滑性が確保される。

上記実施形態と潤滑部品の形状のみが異なる例を図７および８に示す。図７は、このアンギュラ玉軸受の平断面図（軸受端面を水平にして台上に置いた軸受を幅方向と交差する平面で切断して上から見た図）の一部を示す図である。図８は、このアンギュラ玉軸受を図７のＡ−Ａ位置で径方向に沿って切断した断面図である。
この例の潤滑部品５０はリング状で、外径が異なる小径部５１と大径部５２とからなるが、前述の潤滑部品５と異なり、小径部５１に突起５１ａが形成されていないため、周溝５１ｂも有さない。そして、大径部５２の長さ（リングの軸方向の寸法）を、図７の状態で、大径部５２の角部５２と外輪２の肩部２ａとの間にほとんど隙間がない長さにしてある。すなわち、この例では、外輪２の肩部２ａが、潤滑部品５０のセパレータ４からの抜け止めとなっている。

図１および２に示すアンギュラ玉軸受（No. １−１）を用いて、真空環境での耐久試験を行った。潤滑部品５としてはＷＳ₂ 焼結合金製のものを用いた。セパレータ４の板厚（鋼板４０の厚さ）は２．３ｍｍとした。
試験軸受は呼び番号７２１９のアンギュラ玉軸受であって、その寸法は、外輪外径Ｄが１７０ｍｍ、内輪内径ｄが９５ｍｍ、軸受幅Ｂが３２ｍｍである。よって、Ｂ／（（Ｄ−ｄ）／２）＝０．８５であり、（（Ｄ−ｄ）／２）／ｄ＝０．３９４であるため、（１）式および（２）式を満たす。

比較のために、保持器として、特許文献１に記載された、玉を一つ一つ入れるリング状部品（玉のセパレータとして機能するスペーサ）をＷＳ₂ 焼結合金で形成したものを用意した。このリング部品を全ての玉に対して取り付けて、保持器以外の点は全て同じ構成の軸受（No. １−２）を組み立てた。
No. １−１と１−２の軸受を、荷重条件が、組み合わせ：ＤＦ、予圧：７９４０Ｎ、Ｐ_max ：１２５０Ｎ／ｍｍ² で、温度条件が８０℃で、圧力条件が２０〜３０Ｐａで、一方向に１８０°回転した後に反対方向に１８０°回転することを１分間に５０回繰り返す試験を行った。試験前と試験中にトルク値を測定し続け、トルク値が初期トルク値の２０％に相当する値だけ大きくなった時点で、試験を終了し、試験終了までの回転サイクル数を寿命として測定した。
その結果、No. １−１の寿命は３００万サイクル以上であり、No. １−２の寿命は１０万サイクルであった。

本発明の一実施形態に相当する玉軸受を示す断面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図２のＡ部分の拡大図である。 図１のアンギュラ玉軸受の内輪、ボール、セパレータ、および潤滑部品の関係を示す正面図である。 セパレータを示す斜視図である。 セパレータの作製過程を説明する図である。 本発明の別の実施形態に相当する玉軸受を示す断面図である。 図７のＡ−Ａ断面図である。 玉軸受の断面図であって、（１）式および（２）式の各寸法Ｂ，Ｄ，ｄを示した図である。

符号の説明

１ 内輪
２ 外輪
２ａ 外輪の肩部
３ ボール
４ セパレ−タ
４１ セパレ−タの円穴
４１ａ 円穴周縁部
５ リング状の潤滑部品
５１ 小径部
５１ａ 突起
５１ｂ 抜け止め用の周溝
５２ 大径部
５２ａ 大径部の角部
５３ 潤滑部品の内周面

Claims (4)

1. 板金で形成された保持器の円穴に固体潤滑剤からなるリング状潤滑部品が取り付けられ、このリング状潤滑部品の内側にボールが回転自在に配置されている玉軸受。
2. 前記保持器は前記円穴が２個以上形成された複数のセパレータからなる請求項１記載の玉軸受。
3. 請求項１または２記載の玉軸受からなるアンギュラ玉軸受。
4. 軸受の幅Ｂと内輪の内径ｄと外輪の外径Ｄとの関係が、下記の（１）式および（２）式を満たす請求項３記載のアンギュラ玉軸受。
   ０．６０＜Ｂ／（（Ｄ−ｄ）／２）＜１．１‥‥（１）
   ０．３９＜（（Ｄ−ｄ）／２）／ｄ＜１．０‥‥（２）

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