JP2020101259A - 複列転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、軸受の周方向における転動体の荷重の不均一を極力解消し、軸受の高寿命化を実現することを課題とする。【解決手段】軸方向隙間を介して隣り合った第一構成部材２１と第二構成部材２２とを有し、複数の第一軌道面２１ａ、２２ａを備えた外輪２と、外輪２の径方向において第一軌道面２１ａ、２２ａと間隔を隔てて配置されている複数の第二軌道面３ａ１、３ａ２を備えた内輪３と、第一軌道面２１ａ、２２ａと第二軌道面３ａ１、３ａ２との間に配置された複列の玉４ａ、４ｂと、玉４ａ、４ｂを保持する保持器５と、第一構成部材２１に軸方向隙間が縮小する軸方向の押圧力を与えて軸受内部に予圧を付与する締結ボルト６とを有する複列転がり軸受１であって、締結ボルト６は、軸受の周方向に複数設けられ、各締結ボルト６が異なる押圧力で第一構成部材２１を押圧して、予圧を付与する複列転がり軸受１である。【選択図】図１

Description

本発明は、産業機械をはじめ、多分野にわたり使用される複列転がり軸受、特に、ＣＴスキャナ装置をはじめとする医療機器に使用される、超薄肉型の複列転がり軸受に関する。

図５に示すように、ＣＴスキャナ装置１００は、開口部１０１Ａが設けられた検査部１０１と、人体等の被検査体１０９が載せられ、検査部１０１の開口部１０１Ａ内を移動可能な寝台部１０２とを備えている。検査部１０１には、Ｘ線照射装置１０３と検出器１０４とが直径方向で対向配置されたリング状の回転体（ガントリ）１０５が設けられている。回転体１０５は、軸受５１を介して、円筒状をなす固定部１０６に回転自在に支持されている。

このＣＴスキャナ装置は、Ｘ線照射装置１０３からＸ線を照射した状態で、回転体１０５を寝台部１０２の周囲で回転させて、被検査体１０９を透過したＸ線を検出器１０４で検出することにより、被検査体１０９の断面画像が得られるようになっている。

ＣＴスキャナ装置１００は、検査部１０１の開口部１０１Ａを、被検査体１０９が通過できる程度の寸法（概ね直径１ｍ程度）に形成し、且つ、ＣＴスキャナ装置自体の小型化を実現するために、軸受５１を配置する回転支持部１０７のスペースを小さくする必要がある。そのため、軸受５１には、ＰＣＤに対するボール直径が著しく小さい、いわゆる超薄肉型の転がり軸受が使用される。この超薄肉形転がり軸受の中でも特に、１２０ｒｐｍ程度以上の高速回転で使用する場合は、二つのアンギュラ玉軸受を組み合わせた、いわゆる組合せアンギュラ玉軸受が使用される（例えば、特許文献１〜３）。

例えば、特許文献１に開示されたＣＴスキャナ装置用軸受は、図６に示すように、外輪１１０、内輪１２０、転動体１３０、保持器１４０、締結手段１５０等を主要な構成要素としている。転動体１３０は、軸受の周方向に複数配置され、外輪１１０の軌道面１１０ａと内輪１２０の軌道面１２０ａとの間に転動自在に介在する。内輪１２０は、環状部材１２１と嵌合部材１２２とに分割されており、両者の間には軸方向隙間ｔが設けられている。締結手段１５０を締め込むことにより、隙間ｔを縮小して予圧を付与し、軸受部の剛性を高める等の効果を得ることができる。

特開２００４−２８６１１６号公報 特開２０００−３２９１４３号公報 特開２０１７−１２５６１８号公報

この種の機械器具（患者の姿勢を保持したり体位変換したりする可動ベッドや診断解析機器）は、患者と診断解析機器を近づけたり遠ざけたりするために、軸受荷重点がオーバーハングしている場合が多く、軸受にとって厳しい使われ方になっている。

特に、軸受回転時に転動体が軸受内部を一周する間に、ラジアル荷重とモーメント荷重とによって生じる内部応力に変化が生じるため、軸受の周方向において、転動体にかかる負荷の相対的に大きい領域と負荷の相対的に小さい領域とが生じ、転動体にかかる負荷が周方向に不均一になる。このため、負荷の大きい領域では、転動体への荷重が局所的に過大になって疲労の蓄積が早まり、軸受の長寿命化に悪影響を及ぼすという問題がある。

このような事情から、本発明は、軸受の周方向における転動体の荷重の不均一を極力解消し、軸受の高寿命化を実現することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明は、隙間を介して隣り合った第一構成部材と第二構成部材とを有し、複数の第一軌道面を備えた固定輪と、前記第一軌道面と間隔を隔てて配置されている複数の第二軌道面を備えた回転輪と、前記第一軌道面と前記第二軌道面との間に配置された複列の転動体と、前記転動体を保持する保持器と、軸受の周方向に複数設けられ、前記第一構成部材に前記隙間が縮小する押圧力を与えて、軸受内部に予圧を付与する予圧付与手段とを有する複列転がり軸受であって、前記の各予圧付与手段が、異なる押圧力で前記第一構成部材を押圧して予圧を付与することにより、前記隙間の大きさが前記周方向に不均一に設けられる複列転がり軸受であることを特徴とする。

本発明によれば、軸受の周方向において、転動体が受ける荷重が相対的に大きい領域では上記隙間を大きく設けて予圧を小さくし、反対に、荷重が相対的に小さい領域では、上記隙間を小さくして予圧を大きくする等の調整が可能となり、各転動体が軸受内部を一周する間に受ける荷重の差を減らすことができる。

上記の複列転がり軸受において、第一構成部材と第二構成部材とがインロー構造を有する構成とすることができる。これにより、第一構成部材と第二構成部材とを適切に嵌合させることができる。

上記の複列転がり軸受において、予圧付与手段を軸受の周方向に略等間隔に配置する構成とすることができる。これにより、周方向に配置された各転動体に与える予圧の調整が容易になる。

上記の複列転がり軸受において、予圧付与手段は、第一構成部材および第二構成部材を締結する締結ボルトであり、複列転がり軸受は、締結ボルトの締結トルクを測定する測定機構を有し、当該測定機構の測定した締結トルクに基づいて、締結ボルトの締結力を調整する構成とすることができる。これにより、軸受を構成する各部材が繰り返しの使用によって摩耗した場合等でも、測定機構によって測定される締結トルクの低下により、その摩耗を検知し、締結力を再調整することができる。

上記の複列転がり軸受において、第一構成部材と第二構成部材との間に設けられ、両者をその離間方向へ付勢する付勢手段をさらに有する構成とすることができる。これにより、第一構成部材と第二構成部材との間に設けられた隙間の大きさを安定させることができる。

本発明では、予圧の大きさを周方向に異ならせることで、各転動体が受ける荷重をより均一化し、軸受の高寿命化を図ることができる。

本発明の実施形態に係る転がり軸受の断面図である。 本発明と異なる駆動方法における、玉が受ける荷重の周方向の分布を示す図である。 本発明の駆動方法における、玉が受ける荷重の周方向の分布を示す図である。 第一構成部材と第二構成部材との間に設けるバネを示す断面図である。 ＣＴスキャナ装置の断面図である。 従来の転がり軸受の断面図である。

以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１に、図５に示されるような、医療用のＣＴスキャナ装置に使用される複列アンギュラ玉軸受を示す。軸受１は、環状の外輪（固定輪）２および内輪（回転輪）３と、転動体としての玉４と、保持器５と、予圧付与手段としての締結ボルト６、シールリング７、測定機構８等を主な構成要素とする。以下、軸受１の周方向を単に周方向、図１の左右方向を軸方向とも呼ぶ。

本実施形態の軸受１は、玉４を２列に配置した複列アンギュラ玉軸受である。両列の軸受部分は正面組み合わせとなっており、転動体荷重の作用線（図１の一点鎖線参照）の交点が、玉４の中心を結ぶピッチ円の半径方向内側に位置する。軸受１は、玉４の直径と、ピッチ円直径との比を０．０３以下とした、超薄肉型の複列転がり軸受である。

外輪２は、第一構成部材２１と第二構成部材２２とによって構成される。第一構成部材２１および第二構成部材２２は、周方向に延在する環状部材であり、その内周面側に、それぞれ第一軌道面２１ａ、２２ａを有する。

第一構成部材２１および第二構成部材２２は、締結ボルト６が締結される孔部２１ｂ、２２ｂを、それぞれ周方向に略等間隔に複数箇所に有する。それぞれの孔部２１ｂおよび孔部２２ｂは、対応した位置に配置され、軸方向に連通している。また、各孔部２１ｂは、第一構成部材２１を軸方向に貫通している。締結ボルト６は、各孔部２１ｂ、２２ｂに挿入して設けられる。

第一構成部材２１と第二構成部材２２との間には、軸方向隙間δが設けられる。第一構成部材２１および第二構成部材２２は、他方の構成部材と向かい合う側に径方向の端面２１ｃ、２２ｃを有する。端面２１ｃと端面２２ｃは、他方の端面に対応した段差形状を有しており、これらの端面２１ｃ、２２ｃによってインロー構造Ｘを形成する。後述する予圧付与手段によって第一構成部材２１を第二構成部材２２に接近させて軸方向隙間δの幅を変更することで、インロー構造Ｘにより、第一構成部材２１と第二構成部材２２とを嵌合させることができる。

また、第一構成部材２１の軸方向一方側の内周面側、および、第二構成部材２２の軸方向他方側の内周面側には、それぞれ環状溝が設けてあり、それぞれの環状溝にシールリング７，７が装着されている。

内輪３は、外輪２の内周側に同心配置される。内輪３は、その外周面側に、第二軌道面３ａ１、３ａ２を有する。

外輪２の第一軌道面２１ａと内輪３の第二軌道面３ａ１との間に複数の玉４ａが、外輪２の第一軌道面２２ａと内輪３の第二軌道面３ａ２との間に玉４ｂが、それぞれ転動自在に介在する。各列には周方向に複数の玉４ａ，４ｂが配置され、保持器５によって、保持されている。玉４ａと第一軌道面２１ａおよび第二軌道面３ａ１、あるいは、玉４ｂと第一軌道面２２ａおよび第二軌道面３ａ２とは一定の接触角を持って接しており、接触角は例えば３０度に設定される。

外輪２は、固定部材に固定されて固定側となり、内輪３は回転部材に固定されて回転側となる。例えば、図５のＣＴスキャナ装置では、外輪２が固定部１０６に固定され、内輪３が回転体１０５に固定される。内輪３は、回転体１０５と一体的に回転する。

図１に示すように、第一構成部材２１の孔部２１ｂから締結ボルト６を挿入して、締結ボルト６を孔部２１ｂおよび孔部２２ｂに締結することにより、第一構成部材２１と第二構成部材２２とが、所定の軸方向隙間δを設けた状態で固定された外輪２が形成される。

このような構成において、締結ボルト６をさらに締め込むことにより、第一構成部材２１が第二構成部材２２の側へ押し込まれて隙間δが縮小する。これにより、軸受内部に予圧を付与することができる。そして、この締結力を変更することにより、言い換えると、縮小する軸方向隙間δの幅を変更することにより、回転部材の回転開始時に、軸受内部に付与する予圧の大きさを調整することができる。

締結ボルト６には、締結ボルト６を第一構成部材２１および第二構成部材２２の孔部に締結するために必要な締結トルクを測定するための、測定機構８が設けられる。測定機構としては、例えば公知のトルクセンサ等を用いることができる。

次に、軸受運転時に、周方向に配置された各玉４にかかる荷重の分布について説明する。以下の説明では、図１に示す構成の軸受１が、図５に示すＣＴスキャナ装置１００に適用された場合を説明する。

まず、本発明と異なる予圧の調整方法として、周方向に配置された複数の締結ボルト６に均一の締結力が加えられる、つまり、周方向に均一の予圧が付与される場合について、図２を用いて説明する。なお、図２は、横軸が軸受の周方向位置［°］を示し、図１の真上方向であり、重力方向と反対の方向を０度としている。また、縦軸が荷重［Ｎ］であり、図中の実線Ｌａが玉４ａの列の各玉にかかる荷重、実線Ｌｂが玉４ｂの列の各玉にかかる荷重、二点鎖線Ｎ０が理想の荷重、実線Ｐが各玉に付与される予圧をそれぞれ示している。

図２に示すように、周方向に均等な予圧を付与（図２の実線Ｐ参照）した場合、周方向に配置された各玉４にかかる荷重は不均一になる。具体的には、玉４ａと玉４ｂのそれぞれの列で、１８０度の位置（図１の下方向）において荷重が最大となり、０度（または３６０度で、図１の上方向）の位置で最少となる放物線を描く。これは、周方向においてラジアル荷重とモーメント荷重とによって生じる内部応力が変化するためである。具体的には、ラジアル荷重は、重力方向である１８０度の位置でその大きさが最大になり、０度の位置で最少になる。また、本実施形態の軸受１では、図１の左側にＸ線照射装置１０３や検出器１０４等の重量物が配置されている（図５参照）ため、軸受１全体が左側へ傾く方向のモーメント荷重が作用する（図の矢印Ａ１，Ａ２参照）。従って、玉４ａは、０度の位置で、図１の左上の部分Ｂ１が第一構成部材２１に当接して、モーメント荷重による内部応力が最大になる。一方玉４ｂは、１８０度の位置で、図１の右下の部分Ｂ２が第二構成部材２２に当接する。この際、玉４ｂは、モーメント荷重に加えて、ラジアル荷重による内部応力を受けることになる。以上により、図２の実線Ｌｂに示すように、玉４ｂは１８０度の位置で受ける荷重が最大になり、その荷重は玉４ａよりも大きくなる。一方玉４ａに関しては、実線Ｌａに示すように、０度の位置でモーメント荷重による内部応力が最大になることから、０度付近で、受ける荷重の大きさが玉４ｂよりも大きくなっている。なお、図２および図３の実線Ｐは、図２および図３の各場合において、付与される予圧の大きさの違いを表現するために、予圧の大きさを模式的に示したものである。

このように、周方向に複数配置された締結ボルト６に均等な締結力を付与する、つまり、周方向に均一な予圧を付与する方法では、周方向に配置された各玉４に加えられる荷重が不均一になり、局所的に過剰な荷重が加えられたり、反対に、荷重が理想の荷重よりも小さく、剛性が十分でなくなる箇所が生じることになる。

これに対して、本実施形態の軸受１における予圧調整方法では、各締結ボルト６に加える締結力を玉４が受ける荷重に応じて変化させることで、各玉４が受ける荷重を均一化する方向へ調整している。

具体的には、図３の実線Ｐに示すように、１８０度の位置で予圧を最小とし、０度（３６０度）の位置に向かって予圧が大きくなるように、周方向に配置された各締結ボルト６の締結力を変化させている。つまり、軸受１の周方向において、その軸受隙間δの大きさを変化させている（例えば、図１の隙間δと隙間δ’とのように、その隙間の大きさを変化させている）。これにより、内部応力の違いによって周方向の各玉４が受ける荷重の差が一部相殺され、図３の実線Ｌａ、Ｌｂに示すように、凹凸の少ない曲線を描くようになる。つまり、各玉４が受ける荷重が周方向に均一化する方向へ変化し、理想の荷重Ｎ０に近づいている。

このように、各玉４が受ける荷重の差を減らし、その不均一を是正することで、図の１８０度の位置を中心とした、玉４の負荷が大きい範囲では、局所的な過大応力を解消して、玉４の繰り返し使用による摩耗を抑制し、軸受の疲労を防止し、長寿命化を図ることができる。また、図の０度の位置を中心とした玉４の負荷が小さい範囲では、予圧を大きくすることで、軸受の剛性を高めることができ、軸受の品質を高めることができる。

以上のように、本実施形態では、第一構成部材２１と第二構成部材２２とに分割された外輪２の側を固定輪とし、この外輪２に予圧付与手段である締結ボルト６を設けることで、周方向における各玉４に加える予圧を異ならせ、周方向の各玉４にかかる荷重を均一化することができる。つまり、固定輪側に締結ボルト６を設けることで、軸の回転動作時に、各締結ボルト６の周方向位置が移動せずに特定の位置で固定され、軸の回転運動によって、軸方向隙間δが変化することもないため、周方向の各位置で、大きさの異なる特定の予圧を付与することが可能になる。またこの際、各締結ボルト６が軸受の周方向に略等間隔に配置されることで、周方向の各位置における予圧の大きさの調整が容易になる。

また、本実施形態では、測定機構により締結ボルト６を締結する際の締結トルクを監視することで、付与する予圧の調整が可能になる。つまり、軸受１の繰り返しの使用によって各部材が摩耗したことを、締結ボルト６を締結するために必要な締結トルクの減少を検知することにより知ることができる。これにより、締結部分の摩耗を感知し、締結ボルト６の締結力を再調整することができる。従って、長期間にわたって、適正な予圧を付与することができ、軸受の品質を長期間にわたって維持することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。上記軸受の形状は一例であり、その形状に限定されないことはもちろんである。

例えば、図４に示すように、第一構成部材２１と第二構成部材２２との間に、両者を軸方向に離間させる方向へ付勢する付勢手段としてのバネ２３を設けてもよい。バネ２３は、例えば、第一構成部材２１と第二構成部材２２との間に設けられた凹部に配設される。締結ボルト６（図１参照）の締結動作後、締結ボルト６の雄ネジ部と外輪２の雌ネジ部との間に生じるバックラッシュにより、第一構成部材２１と第二構成部材２２との隙間δが変化し、隙間δにバラつきが生じるおそれがある。しかし、バネ２３を設けることにより、締結動作後、雄ネジ部と雌ネジ部が当接する位置まで第一構成部材２１および第二構成部材２２を付勢し、バックラッシュの影響を抑制することができる。つまり、軸方向隙間δのバラつきを抑え、予圧の大きさを安定させることができる。また付勢手段としては、図示したコイルバネの他、板バネやバネ座金等を用いることもできる。さらに、これらの付勢手段は、軸受１に複数設けることができ、例えば、付勢手段としての板バネを、周方向に配置された複数の締結ボルト６同士の間に各一つずつ設けることができる。

また、所定の幅の軸方向隙間δを形成するためのスペーサを設けてもよい。つまり、第一構成部材２１と第二構成部材２２との間の周方向の一部領域にスペーサを挿入する。そして、締結ボルト６を締め付けて、スペーサを第一構成部材２１と第二構成部材２２とに当接させる。これにより、軸方向隙間δをスペーサの厚みと同じに設定することができ、軸方向隙間δを精度良く設定することができる。なおスペーサは、第一構成部材２１と第二構成部材２２との間に所定の軸方向隙間δを設けた後に、軸受１から取り除かれる。

以上の実施形態では、本発明の軸受として、正面組み合わせの複列アンギュラ玉軸受を説明したが、背面組み合わせの複列アンギュラ玉軸受であってもよい。この場合でも、図３の実線Ｐのように、１８０度付近の予圧の大きさを相対的に小さくし、０度（３６０度）付近の予圧の大きさを相対的に大きくすることで、周方向の各玉が受ける荷重をより均一化し、理想の荷重Ｎ０に近づけることができる。ただし、背面組み合わせの場合は、モーメント荷重によって玉４ａに生じる内部応力が、ラジアル荷重と同じ１８０度の位置で最大となり、これとは反対に、玉４ｂは０度（３６０度）の位置で内部応力が最大となる。このため、１８０度の位置では、玉４ａが受ける荷重が玉４ｂの受ける荷重よりも大きくなり、０度（３６０度）の位置でその反対となる。荷重の絶対値の大きさとしては、玉４ａ、玉４ｂとも、１８０度の位置で最大となる点は、正面組み合わせの場合と同様である。つまり、背面組み合わせの場合は、図２および図３の実線Ｌａと実線Ｌｂが逆転したような荷重の分布となる。

１ 軸受
２ 外輪（固定輪）
２１ 第一構成部材
２２ 第二構成部材
２１ａ、２２ａ 第一軌道面
２１ｂ、２２ｂ 孔部
２３ バネ（付勢手段）
３ 内輪（回転輪）
３ａ１、３ａ２ 第二軌道面
４ａ、４ｂ 玉（転動体）
５ 保持器
６ 締結ボルト（予圧付与手段）
７ シールリング
８ 測定機構
Ｘ インロー構造
δ、δ’ 軸方向隙間

Claims (5)

1. 隙間を介して隣り合った第一構成部材と第二構成部材とを有し、複数の第一軌道面を備えた固定輪と、前記第一軌道面と間隔を隔てて配置されている複数の第二軌道面を備えた回転輪と、前記第一軌道面と前記第二軌道面との間に配置された複列の転動体と、前記転動体を保持する保持器と、軸受の周方向に複数設けられ、前記第一構成部材に前記隙間が縮小する押圧力を与えて、軸受内部に予圧を付与する予圧付与手段とを有する複列転がり軸受であって、
   前記の各予圧付与手段が、異なる押圧力で前記第一構成部材を押圧して予圧を付与することにより、前記隙間の大きさが前記周方向に不均一に設けられることを特徴とする複列転がり軸受。
2. 前記第一構成部材と前記第二構成部材とがインロー構造によって嵌合する請求項１記載の複列転がり軸受。
3. 前記予圧付与手段は、軸受の周方向に略等間隔に配置される請求項１または２いずれか記載の複列転がり軸受。
4. 前記予圧付与手段は、前記第一構成部材および前記第二構成部材を締結する締結ボルトであり、
   前記複列転がり軸受は、前記締結ボルトの締結トルクを測定する測定機構を有し、
   当該測定機構の測定した締結トルクに基づいて、前記締結ボルトの締結力を調整する請求項１から３いずれか１項に記載の複列転がり軸受。
5. 前記第一構成部材と前記第二構成部材との間に設けられ、両者をその離間方向へ付勢する付勢手段をさらに有する請求項１から４いずれか１項に記載の複列転がり軸受。

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