JP4424293B2 - 転がり軸受装置 - Google Patents

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Description

この発明は、微量の潤滑油を供給する給油ユニットを転がり軸受に付設した転がり軸受装置に関する。
給油ユニットを付設した転がり軸受装置として、特許文献１には、転がり軸受の固定側軌道部材に、転動体あるいは軌道部材の軌道面に対して潤滑油を必要に応じて供給する給油ユニットが付設されており、給油ユニットが、潤滑油を貯留するタンクと、タンク内の潤滑油を吸引して吐出するマイクロポンプと、マイクロポンプの吐出口に設けられて転動体あるいは軌道部材の軌道面近傍に開口が臨まされているノズルと、マイクロポンプを駆動する駆動部とを備えているものが提案されている。
特開２００４−１０８３８８号公報
この種の転がり軸受装置は、工作機械などで使用されるが、高速回転で使用された場合、ノズル先端部に生じた負圧によって、潤滑油の洩れが起きやすいという問題があり、また、一旦ノズルから出た油滴がノズルの根元側に移動して、適切な箇所に潤滑油を供給できないという問題もあった。
この発明の目的は、潤滑油の洩れや油滴の反対方向への移動を防止し、これにより、高速回転で使用される場合でも、適切な箇所に潤滑油が確実に供給される転がり軸受装置を提供することにある。
この発明による転がり軸受装置は、固定側軌道部材、回転側軌道部材、および両軌道部材を相対回転可能にする複数の転動体を備えている転がり軸受と、潤滑油吐出ノズルを備え、潤滑油吐出ノズルから潤滑油を転動体近傍または軌道部材の軌道面近傍に滴下することで潤滑油を供給する給油ユニットとからなる転がり軸受装置において、ノズルの開口は、転がり軸受の端面よりも軸方向内方に位置し、ノズルの開口を有する先端側部分が回転によって生じる空気の流れ方向に傾けられることで、ノズルの開口方向が、回転によって生じる空気の流れ方向に傾けられていることを特徴とするものである。
給油ユニットは、潤滑油を貯留するタンク、タンク内の潤滑油を吸引して吐出するポンプ、ポンプの吐出口に設けられている潤滑油吐出ノズル、およびポンプを駆動する駆動部などから構成される。
給油ユニットは、通常、固定側（固定側軌道部材または固定側軌道部材が取り付けられているハウジング等）に取り付けられ、この場合には、「回転によって生じる空気の流れ方向に傾けられている」は、「回転中心軸方向に対して回転方向側に傾けられている」と同じ意味となる。
潤滑油吐出ノズルは、例えば、転がり軸受の最下部に位置させられ、水平方向にのびる本体と、本体に対し略直角に折り曲げられた吐出部とからなるものとされ、吐出部が空気の流れ方向（回転方向）に向けられる。ここで、吐出部の向きは、水平方向（空気の流れ方向に平行）に限定されるものではなく、本体に対して下向きに傾斜していてもよい。この場合の吐出部が水平となす角αは、０°以上（空気の流れ方向に平行でも可）でかつ９０°未満（空気の流れ方向に垂直は不可）の範囲で適宜決定される。なお、潤滑油吐出ノズルの設置位置したがってポンプの設置位置は、タンクの下方とされることが好ましいが、転がり軸受の最下部に限定されるものではない。
ノズルの開口方向を回転によって生じる空気の流れ方向に傾けることにより、潤滑油の洩れや油滴の反対方向への移動が防止される。ノズルは、その先端側部分が回転方向側に折り曲げられていることが好ましく、また、ノズルの開口方向は、回転中心軸方向に対して垂直であることが好ましい。
ノズルの開口は、少なくとも、転がり軸受の端面よりも軸方向内方に位置させられている必要があり、保持器の軸方向外側端部よりも軸方向内方に位置させられていることが好ましい。
給油ユニットは、その全ての構成を転がり軸受に内蔵させてもよく、その構成の一部（例えば、ノズルが取り付けられているポンプだけまたはノズル付きポンプおよびタンクだけ）を転がり軸受の固定側軌道部材に取り付けてもよく、全ての構成を転がり軸受外部に設けるようにしてもよい。
給油ユニットを転がり軸受に内蔵させる場合には、転がり軸受の固定側軌道部材または固定側軌道部材に固定されたシールリングに給油ユニットの構成が取り付けられる。給油ユニットを転がり軸受外部に設ける場合には、転がり軸受の固定側軌道部材を支持しているハウジング、固定側軌道部材に隣接してハウジング内に固定されている間座、ハウジングの端部を閉鎖するための蓋体などに給油ユニットの構成が取り付けられる。
ポンプとしては、例えば、ダイヤフラム、潤滑油吐出ノズルおよび潤滑油吸引ノズルがポンプ室内に設けられ、ダイヤフラムに圧電素子が取り付けられたダイヤフラム式マイクロポンプが適している。このダイヤフラム式マイクロポンプは、圧電素子を利用してダイヤフラムを脈動させ、潤滑油吐出ノズルより潤滑油を吐出させる。ダイヤフラム式以外に、噴射式ポンプ、ベーンポンプ、スクリューポンプ、ピエゾポンプ等種々のポンプが使用できる。また、軸受内部が負圧になっている場合には、潤滑油を強制的に送り出すポンプに代えて、潤滑油吐出ノズルへの潤滑油の供給をオンまたはオフとするバルブを設けるようにすることもできる。
ノズル長さが長すぎると、ノズル内に滞留している潤滑油によって、ポンプにより発生した潤滑油の脈動が減衰し、潤滑油が吐出されにくくなるため、ポンプを軸受外部に設ける場合、ポンプは、転がり軸受の近傍に配置される。この近傍とは、ノズル長さが潤滑油の脈動により潤滑油が吐出可能な範囲に抑えられかつノズルの開口を転動体あるいは軌道部材の軌道面近傍に臨ませることが可能な位置とされる。
ポンプの吐出能力によって変わるが、ノズルの折り曲げ部分（吐出部）を含んだ全長は、脈動をなくさないために、７０ｍｍ以下が好ましい。そして、ノズルの吐出部の長さは、全長の５〜６０％程度とされる。ノズルの径については、細すぎると、潤滑油が吐出しにくく、太すぎると、潤滑油の少量の吐出制御が困難になるため、ノズルの内径寸法（直径）は、０．１ｍｍ〜１ｍｍが好ましい。
ポンプによる潤滑油吐出量は、駆動部によって制御され、例えば、回転側軌道部材の回転数が低い領域では、ごく微量の潤滑油が、また、回転数が高い領域ではそれに応じた量の潤滑油が転動体や軌道部材の軌道溝付近に対して吐出される。こうして、転がり軸受の転動体転動領域に対して潤滑油を過不足なく長期にわたって継続的に供給できるようになり、転がり特性の長期安定化および寿命向上に貢献できる。
転がり軸受は、例えば、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受などとされるが、その他の形式であってもよい。
この転がり軸受装置は、微量の潤滑油を保守作業回数を少なくして長時間供給することが望まれる工作機械（特に、回転数が例えば１万回転以上の高速回転のもの）のスピンドル用軸受として好適に使用することができる。この転がり軸受装置の潤滑は、工作機械で使用されている潤滑油・エア潤滑に比べると、低騒音化が可能であり、排出される潤滑油量が減るので、環境にもよいものとなる。また、この転がり軸受装置の潤滑は、グリース潤滑に比べて、低トルク化が可能で高速回転に適しており、グリース潤滑に比べて取り扱い性が劣るという理由で潤滑油を使用できなかった種々の装置の軸受装置としても使用することができる。
この発明の転がり軸受装置によると、ノズルの開口方向が転がり軸受の回転方向を考慮した適正方向に向けられることにより、潤滑油の洩れや油滴の反対方向への移動が防止され、これにより、高速回転で使用される場合でも、適切な箇所に潤滑油を確実に供給することができる。
この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。
図１から図３までは、この発明の転がり軸受装置の第１実施形態を示している。以下の説明において、上下は、図１および図２の上下をいうものとし、この上下は、転がり軸受が取り付けられた際の上下と一致している。
この発明の転がり軸受装置は、転がり軸受(1)および給油ユニット(2)からなる。
転がり軸受(1)は、内輪回転の玉軸受で、外輪（固定側軌道部材）(11)、内輪（回転側軌道部材）(12)、両輪(11)(12)を相対回転可能にする複数の玉（転動体）(13)、および複数の玉(13)を保持する保持器(14)を備えている。
給油ユニット(2)は、潤滑油を貯留するタンク(21)、タンク(21)内の潤滑油を吸引して吐出するポンプ(22)、ポンプ(22)の吐出口に設けられている潤滑油吐出ノズル(23)、およびポンプ(22)を駆動する駆動部（図示略）を備えている。
この実施形態では、タンク(21)およびポンプ(22)は、転がり軸受(1)に内蔵されている。外輪(11)および内輪(12)には、玉(13)を保持するための部分に加えて、給油ユニット設置用延長部(11a)(12a)が形成されており、ポンプ(22)は、外輪(11)の給油ユニット設置用延長部(11a)の内周面下部に着脱可能に取り付けられている。また、タンク(21)は、軸方向から見て円弧状とされて、ポンプ(22)と周方向に隣り合うように外輪(11)の給油ユニット設置用延長部(11a)の内周面に着脱可能に取り付けられており、導管(24)によってポンプ(22)と接続されている。
ポンプ(22)は、圧電素子によって被駆動部であるダイアフラムを往復変位させることにより、ポンプ室内にタンク(21)内の潤滑油を吸引してノズル(23)から吐出させるダイアフラムポンプとされている。
ノズル(23)は、水平方向にのびる本体(25)および本体(25)に対し略直角に折り曲げられた吐出部(26)からなるＬ字状のものとされている。ノズル(23)の開口すなわち吐出部(26)の先端は、転がり軸受(1)の端面よりも軸方向内方に位置させられ、保持器(14)のある部分に臨まされている。図３において、矢印は、内輪(12)の回転方向を示しており、ノズル(23)の吐出部(26)の開口は、回転方向に向けられている。
駆動部には、電源電池（または発電機）、ポンプ制御回路などが設けられており、この駆動部からの電圧信号によって、ポンプ(22)が駆動され、ポンプ(22)がタンク(21)から潤滑油を吸引することによって、ノズル(23)から、玉(13)、外輪(11)の軌道面、内輪(12)の軌道面方向に潤滑油が吐出される。
潤滑油吐出量は、例えば、内輪回転数が低い領域では、ごく微量の潤滑油が、また、回転数が高い領域ではそれに応じた量の潤滑油とされる。また、転がり軸受の潤滑状態検知するセンサを設けて、このセンサの出力に応じてポンプによる潤滑油吐出量を制御させるようにすることもできる。
転がり軸受(1)が回転すると、回転によって風の流れが生じ、これが潤滑油の適正な供給を阻害する。例えば、転がり軸受(1)の回転によって生じる風の流れは、エアカーテンと類似の作用を及ぼし、この結果、ノズルを転がり軸受の端面に臨ませた場合には、滴下された潤滑油の軸方向内方への移動がこのエアカーテンによって妨げられる。この問題は、ノズル(23)の開口がエアカーテンを貫通して保持器(14)のある部分に臨ませられていることによって解消されている。
しかしながら、ノズルがストレート状であると、特に、高速回転で使用された場合に、適切な箇所に潤滑油を供給することができないという問題が生じる。図４および図５は、ノズル(73)がストレート状で、その開口方向が回転中心軸方向に対して回転方向側に傾けられていない従来のもの（図４（ａ））を使用した給油ユニット(72)と、上記第１実施形態のノズル(23)（図４（ｂ））を使用した給油ユニット(2)とを比較するもので、ノズル(23)(73)先端の負圧に関して、図５に示すように、従来のもの（記号（ａ）で示す）では、回転速度の増加に伴って、大幅に増加しており、これに対し、第１実施形態のもの（記号（ｂ）で示す）では、その増加率は極めて小さく、特に、高速回転で使用される場合に、極めて有用であることが分かる。また、図４（ａ）に示すように、従来のものでは、矢印で示す回転方向に対して軸方向が直交しているノズル(73)から吐出された油滴(D)がノズル(73)を伝ってその根元側に移行するという現象が見られるのに対し、上記第１実施形態のものでは、図４（ｂ）に示すように、矢印で示す回転方向に対してノズル(23)の吐出部(26)の軸方向が同じ方向を向いており、回転によって生じる風によってノズル(23)の吐出部(26)先端に油滴(D)が保持され、この結果、確実に潤滑が行われる。
こうして、この転がり軸受装置(1)によると、転がり軸受(2)の玉(13)の転動領域に対して潤滑油を過不足なく長期にわたって継続的に供給できるようになり、転がり特性の長期安定化および寿命向上が果たされる。
なお、上記では、転がり軸受(1)を内輪回転の玉軸受としているが、玉軸受以外の転がり軸受であってもよく、また、外輪回転であってもよい。外輪回転の玉軸受の場合には、タンク(21)およびポンプ(22)は、内輪(12)の給油ユニット設置用延長部(12a)に取り付けられる。
上記第１実施形態のものでは、タンク(21)およびポンプ(22)が転がり軸受(1)にコンパクトに内蔵されているので、工作機械の主軸等に組み込む場合などにおいて、容易に組み込むことができる。給油ユニット(2)のタンク(21)およびポンプ(22)が転がり軸受(1)に内蔵されている第１実施形態に対し、図６に示すように、給油ユニット(2)を転がり軸受(1)外部に設けるようにすることもできる。
図６において、転がり軸受装置は、転がり軸受(31)および給油ユニット(32)からなる。転がり軸受(31)は、内輪回転の玉軸受で、外輪（固定側軌道部材）(41)、内輪（回転側軌道部材）(42)、両輪(41)(42)を相対回転可能にする複数の玉（転動体）(43)、および複数の玉(43)を保持する保持器(44)を備えている。給油ユニット(32)は、潤滑油を貯留するタンク(51)、タンク(51)内の潤滑油を吸引して吐出するポンプ(52)、ポンプ(52)の吐出口に設けられている潤滑油吐出ノズル(53)、タンク(51)とポンプ(52)とを接続する導管(54)、およびポンプ(52)を駆動する駆動部（図示略）を備えている。
図示省略しているが、給油ユニット(32)は、タンク(51)およびポンプ(52)を含めて、転がり軸受(31)が取り付けられるハウジング等の固定側部材の適宜な位置に取り付けられる。
ノズル(53)は、第１実施形態のものと同様に、水平方向にのびる本体(55)および本体(55)に対し略直角に折り曲げられた吐出部(56)からなるＬ字状のものとされている。ノズル(53)の開口すなわち吐出部(56)の先端は、転がり軸受(31)の端面よりも軸方向内方に位置させられ、保持器(44)のある部分に臨まされている。したがって、ポンプ(52)がタンク(51)から潤滑油を吸引すると、ノズル(53)から、玉(43)、外輪(41)の軌道面、内輪(42)の軌道面方向に潤滑油が吐出される。
ノズル(53)が第１実施形態のものと同様の形状とされていることにより、この第２実施形態のものでも、高速回転時の潤滑が確実に行われる。そして、この第２実施形態のものでは、転がり軸受(1)に給油ユニット設置用延長部(11a)(12a)を設けなくてよいので、転がり軸受(31)自体は従来使用されているものをそのまま使用することができ、転がり軸受の加工や給油ユニットの転がり軸受への取付けなどが不要となり、転がり軸受の製造コストを下げることができる。
なお、第１および第２実施形態のノズル(23)(53)については、水平なノズル本体(25)(55)に対し、吐出部(26)(56)も水平として描いているが、吐出部(26)(56)は、回転方向を向いた状態で、水平よりも傾斜させられてもよい。すなわち、図７（ａ）が上記各実施形態のノズル(23)(53)として、図７（ｂ）に示すように、ノズル本体(65)と吐出部(66)とのなす角は直角のまま（ノズル(63)の形状は同じのまま）、吐出部(66)を水平に対して下向きに傾斜させてもよい。ここで、吐出部(66)が水平となす角αは、回転数を考慮して決定することができ、相対的に低速回転の場合には、垂直（真下）に近く、相対的に高速回転の場合には、水平（図７（ａ））に近いものとされる。
また、ノズル本体(25)(55)(65)に対する吐出部(26)(56)(66)の角度は、直角に限定されるものではなく、鋭角または鈍角であってもよい。さらにまた、ノズル(23)(53)(63)は、Ｌ字状とされる必要はなく、ストレート状で、その軸が回転中心軸方向に対して回転方向側に傾斜させられていてもよく（この場合、軸は水平方向を向いていてもよく、水平方向に対して下向きに傾斜させれていてもよい。）、要するに、ノズルの開口方向が、回転によって生じる空気の流れ方向に傾けられていれば、ノズルの形状は種々変更することができる。
図１は、この発明による転がり軸受装置の第１実施形態を示す縦断面図である。 図２は、同側面図である。 図３は、この発明の要部を径方向内方から見た図である。 図４は、従来の給油ユニット（同図（ａ））とこの発明による転がり軸受装置の給油ユニット（同図（ｂ））とを比較して示す斜視図である。 図５は、従来の給油ユニットとこの発明による転がり軸受装置の給油ユニットとについて、負圧の大きさを比較したグラフである。 図６は、この発明による転がり軸受装置の第２実施形態を模式的に示す図である。 図７は、ノズルの他の実施形態を示す斜視図である。
符号の説明
(1)(31) 転がり軸受
(2)(32) 給油ユニット
(11)(41) 外輪（固定側軌道部材）
(12)(42) 内輪（回転側軌道部材）
(13)(43) 玉（転動体）
(14)(44) 保持器
(23)(53)(63) ノズル

Claims (4)

  1. 固定側軌道部材、回転側軌道部材、および両軌道部材を相対回転可能にする複数の転動体を備えている転がり軸受と、潤滑油吐出ノズルを備え、潤滑油吐出ノズルから潤滑油を転動体近傍または軌道部材の軌道面近傍に滴下することで潤滑油を供給する給油ユニットとからなる転がり軸受装置において、
    ノズルの開口は、転がり軸受の端面よりも軸方向内方に位置し、ノズルの開口を有する先端側部分が回転によって生じる空気の流れ方向に傾けられることで、ノズルの開口方向が、回転によって生じる空気の流れ方向に傾けられていることを特徴とする転がり軸受装置。
  2. ノズルの開口は、固定側軌道部材と回転側軌道部材とが径方向に対向する空間に位置する請求項１の転がり軸受装置。
  3. ノズルの開口方向は、回転中心軸方向に対して垂直であることを特徴とする請求項１または２の転がり軸受装置。
  4. 複数の転動体を保持する保持器をさらに備えており、ノズルの開口は、保持器の軸方向外側端部よりも軸方向内方に位置させられている請求項１から３までのいずれかの転がり軸受装置。
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