JP4442349B2

JP4442349B2 - 転がり軸受け及び主軸装置

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Publication number: JP4442349B2
Application number: JP2004214735A
Authority: JP
Inventors: 哲弥北村
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2004-07-22
Filing date: 2004-07-22
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2024-07-22
Also published as: JP2006038000A

Description

本発明は、転がり軸受けに関するものであり、詳細には、ＤＬＣコーティング及び潤滑剤を塗布することにより摩擦熱の発生や摩耗を防いでいる転がり軸受け及び当該転がり軸受けを備えた主軸装置に関するものである。

従来より、工作機械の加工効率向上のために、主軸の回転を高速化させたいという要望が大きい。ここで、軸受けの性能を示す指標としてＤｍＮ値が知られている。これは、転がり軸受けの転動体の中心を結んでできるピッチ円の直径Ｄｍと、軸の回転数Ｎr.p.m.の積で与えられ、値が大きい方がより高性能であることを示している。このＤｍＮ値から考えると、ピッチ円の直径Ｄｍを大きくすればＤｍＮ値も大きくなり、高性能となるが、工作機械の小型化の要望もあり、ピッチ円の直径Ｄｍの大型化は現実的でない。そこで、回転数Ｎを増やす、即ち、主軸の回転の高速化が求められることになる。工作機械の小型化の要求に応え、ピッチ円の直径Ｄｍを小さくすると、さらに主軸の回転数Ｎを増やし、回転の高速化を推し進める必要がある。

また、工作機械の加工工程においては、作業環境の悪化や廃液処理にともなう環境汚染への対策としてＭＱＬ（Minimum Quantity Lubrication）が謳われており、なるべく少ない潤滑剤でクリーンに加工する要望も高まっているため、潤滑剤を軸受けに吹き付けるオイルミスト潤滑よりもグリース等の潤滑剤を軸受け内部に充填するグリース潤滑が望まれている。

さらに、従来から、軸受けでは軸の回転時における軸と軸受けの接触面との摩擦による温度上昇、焼き付き、摩耗を防ぐために、高硬度低摩擦のDiamond Like Carbon（以下、
ＤＬＣという）をコーティングし、軸と軸受けとの滑りをよくする工夫がなされている。こういった中で、特許文献１における高速回転用転がり軸受においては、高速回転化での耐焼付性及び耐磨耗性の向上を図るため、母材に対するＤＬＣ被膜の等価弾性係数を小さく、塑性変形硬さを硬くするために、金属層と炭素層との間の界面をなくして、金属層から炭素層に向けて連続的に組成が変化する傾斜組成の複合層を形成している。
特開２００３−１３９６０号公報

しかしながら、ＭＱＬによりオイルミスト潤滑よりもグリース潤滑が望まれているものの、ＤＬＣコーティングの表面の離型性が高いためグリースを弾いてしまうことと、軸受けの稼動時に生じる滑り発熱によるグリースの劣化とにより、継続的に潤滑剤を供給するオイルミスト潤滑に比べて、グリース塗布による潤滑のＤｍＮ値が低いものとなってしまっている。

本発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであり、ＤＬＣコーティング面に塗布された潤滑剤を保持可能な転がり軸受け及び当該転がり軸受けを備えた主軸装置を提供しようとするものである。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明の転がり軸受けでは、内輪と外輪との間に複数の転動体が保持器に保持されて配設される転がり軸受けにおいて、内輪軌道面、外輪軌道面、転動体及び保持器のうちの少なくとも一つの表面にＤＬＣ（Diamond Like Carbon）コーティングが形成され、前記ＤＬＣコーティングは、ＤＬＣ層とＤＬＣコーティングを施す金属層との間に、前記金属層から前記ＤＬＣ層に向けて連続的に組成が変化する傾斜層を設け、前記ＤＬＣコーティングの表面に凹部が複数形成され、前記凹部は前記傾斜層まで前記ＤＬＣ層が除去されて形成され、前記内輪軌道面及び前記外輪軌道面の少なくとも一方に前記凹部が等間隔で形成されており、前記転動体と接する軌跡である軌道円上に形成される前記凹部の数は、前記転動体の数の倍数でないことを特徴とする構成となっている。

また、請求項２に係る発明の転がり軸受けでは、請求項１に記載の発明の構成に加えて、前記凹部は、プラズマエッチング、集束イオンビーム、又は、レーザー加工により前記ＤＬＣコーティングを除去して形成されることを特徴とする構成となっている。

また、請求項３に係る発明の転がり軸受けでは、請求項１又は２に記載の発明の構成に加えて、前記凹部は網目状に形成されることを特徴とする構成となっている。

また、請求項４に係る発明の転がり軸受けでは、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明の構成に加えて、前記凹部の側面は、ＤＬＣコーティングの表面から当該凹部の底面にかけて当該凹部の内側に向かって傾斜していることを特徴とする構成となっている。

また、請求項５に係る発明の転がり軸受けでは、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明の構成に加えて、前記内輪軌道面及び前記外輪軌道面に前記凹部が等間隔で形成されており、前記外輪軌道面上の前記軌道円上に形成される前記凹部の数は、前記内輪軌道面上の前記軌道円上に形成される前記凹部の数の約数の倍数でないことを特徴とする構成となっている。

また、請求項６に係る発明の転がり軸受けでは、請求項１乃至５のいずれかに記載の発明の構成に加えて、前記転がり軸受けは、アンギュラ玉軸受けであることを特徴とする構成となっている。

また、請求項７に係る発明の転がり軸受けでは、請求項１乃至６のいずれかに記載の発明の構成に加えて、前記内輪軌道面、前記外輪軌道面、前記転動体及び保持器のうちの摺動部分に潤滑剤としてグリースが塗布されていることを特徴とする構成となっている。

また、請求項８に係る発明の転がり軸受けでは、請求項１乃至７のいずれかに記載の発明の構成に加えて、工作機械の主軸の軸受けとして使用されることを特徴とする構成となっている。

また、請求項９に係る発明の主軸装置では、請求項１乃至８のいずれかに記載の発明の構成の転がり軸受けを備えている。

請求項１に係る発明の転がり軸受けでは、内輪軌道面、外輪軌道面、転動体及び保持器のうちの少なくとも一つの表面にＤＬＣコーティングが形成され、ＤＬＣコーティングの表面に凹部が複数形成されているので、凹部に潤滑剤を保持することができる。よって、潤滑剤をはじいてしまうＤＬＣコーティングにおいても、十分な潤滑剤を供給することができ、潤滑状態が安定する。したがって、転がり軸受けの寿命が長くなる。また、十分な潤滑剤が供給されるため、凹部が複数形成された内輪軌道面、外輪軌道面、転動体又は保持器の摩擦面の摩擦熱の上昇が抑えられ、より高速の摩擦に耐えられるので、高速回転が可能となる。また、ＤＬＣコーティングは、ＤＬＣ層とＤＬＣコーティングを施す金属層との間に、金属層からＤＬＣ層に向けて連続的に組成が変化する傾斜層を設けているので、金属層へのＤＬＣ層の密着性が高いＤＬＣコーティングが形成される。また、転動体と接する軌跡である軌道円上に形成される凹部の数は、転動体の数の倍数でないので、内輪軌道面又は外輪軌道面に形成されている凹部に、全ての転動体が入り込んでしまうことがない。よって、転動体が良好に回転する。

また、請求項２に係る発明の転がり軸受けでは、請求項１に記載の発明の効果に加えて、凹部は、プラズマエッチング、集束イオンビーム、又は、レーザー加工によりＤＬＣコーティングを除去して形成されるので、例えば、直径が数μｍというような微少な凹部を高精度で形成することができる。

また、請求項３に係る発明の転がり軸受けでは、請求項１又は２に記載の発明の効果に加えて、凹部を網目状に形成したため、ＤＬＣコーティングが断片的に形成され、ＤＬＣコーティング全体の残留応力が低減できる。よって、ＤＬＣコーティングが剥離しにくくなる。また、仮に一部のＤＬＣコーティングが剥離したとしても、ＤＬＣコーティングは断片的に形成されているので、周囲のＤＬＣコーティングに影響を及ぼして剥離を助長することがない。よって、ＤＬＣコーティングの寿命が長くなる。

また、請求項４に係る発明の転がり軸受けでは、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明の効果に加えて、凹部の側面は、ＤＬＣコーティングの表面から凹部の底面にかけて凹部の内側に向かって傾斜している、即ち、ＤＬＣコーティングが形成されている部分からＤＬＣコーティングが形成されていない部分に向けて、徐々にＤＬＣコーティングが薄くなって凹部が形成されている。よって、内輪軌道面、外輪軌道面又は保持器の摩擦面では、実際に転動体に接するＤＬＣコーティングの表面から、転動体とは接しない凹部の底面に向かって、徐々に転動体の表面との隙間が広くなっていく。逆に見ると、凹部からＤＬＣコーティングの表面に向かって隙間が徐々に狭くなっていくので、この転動体の表面との隙間にあたる凹部に保持されている潤滑剤は、毛細管現象によりＤＬＣコーティングの表面へ良好に補給される。また、転動体にＤＬＣコーティングが設けられて、凹部が形成されている場合にも、同様に、凹部の底面から、内輪軌道面、外輪軌道面又は保持器に接するＤＬＣコーティングの表面に向かって、徐々に隙間が狭くなっていくので、凹部に保持されている潤滑剤は、毛細管現象により転動体のＤＬＣコーティング表面に良好に補給される。

また、請求項５に係る発明の転がり軸受けでは、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明の効果に加えて、外輪軌道面上の軌道円上に形成される凹部の数は、内輪軌道面上の軌道円上に形成される凹部の数の約数の倍数でないので、内輪軌道面の凹部と外輪軌道面の凹部との両方に入り込んでしまう転動体が同時に複数存在することがない。よって、転動体が良好に回転する。

また、請求項６に係る発明の転がり軸受けは、アンギュラ玉軸受けであるので、主に高速回転に使用されるアンギュラ玉軸受けにおいても、請求項１乃至５のいずれかに記載の発明の効果を奏することができる。

また、請求項７に係る発明の転がり軸受けでは、請求項１乃至６のいずれかに記載の発明の効果に加えて、内輪軌道面、外輪軌道面、転動体及び保持器のうちの摺動部分に潤滑剤としてグリースが塗布されているので、オイルミスト潤滑のように多量の潤滑剤を使用し、且つ、潤滑剤により作業環境を悪化させることなく、少量のグリースの使用のみで摺動部分に十分な潤滑を与えることができ、クリーンな作業が行える。

また、請求項８に係る発明の転がり軸受けは、工作機械の主軸の軸受けとして使用されるので、工作機械の動作の柱となる主軸においても、請求項１乃至７のいずれかに記載の発明の効果を奏することができる。

また、請求項９に係る発明の主軸装置は、請求項１乃至８のいずれかに記載の転がり軸受けを備えているので、凹部に保持された潤滑剤が十分に供給されるので、凹部が複数形成された内輪軌道面、外輪軌道面、転動体又は保持器の摩擦面の摩擦熱の上昇が抑えられ、より高速の摩擦に耐えられるので、高速回転が可能となる。また、ＤＬＣ層とＤＬＣコーティングを施す金属層との間に、金属層からＤＬＣ層に向けて連続的に組成が変化する傾斜層を設けたＤＬＣコーティングであれば、金属層へのＤＬＣ層の密着性が高くなる。さらに、凹部が網目状に形成され、ＤＬＣコーティングが断片的に形成されていれば、ＤＬＣコーティング全体の残留応力が低減でき、ＤＬＣコーティングが剥離しにくく、仮に一部のＤＬＣコーティングが剥離したとしても、ＤＬＣコーティングは断片的に形成されているため、周囲のＤＬＣコーティングに影響を及ぼして剥離を助長することがなく、転がり軸受けの寿命が長くなり、主軸装置の寿命も長くなる。また、凹部は、転動体の転動方向と平行に形成されていれば、転動体の転動時に摩擦する摩擦面は、転動方向に凹凸がなく均一な状態となり、転動体の回転にむらが出にくくなるので、軸の回転に転動体の回転のむらによる悪影響を与えにくくなる。また、凹部の側面がＤＬＣコーティングの表面から凹部の底面にかけて凹部の内側に向かって傾斜していれば、毛細管現象によりＤＬＣコーティングの表面へ良好に補給される。また、転動体と接する軌跡である軌道円上に形成される凹部の数は、転動体の数の倍数でなければ、全ての転動体が入り込んでしまうことがないので、転動体が良好に回転する。さらに、外輪軌道面上の軌道円上に形成される凹部の数は、内輪軌道面上の軌道円上に形成される凹部の数の約数の倍数でなければ、内輪軌道面の凹部と外輪軌道面の凹部との両方に入り込んでしまう転動体が同時に複数存在することがないので、転動体が良好に回転する。また、アンギュラ玉軸受けであるので、高速回転が可能である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。本発明では、軸受けのＤＬＣコーティング面に、グリースを保持可能なディンプル（凹部）を設け、より効果的にグリースを使用し、主軸の高速回転を可能とした。以下、詳細に説明する。

本実施の形態では、周知の高速回転用転がり軸受けであるアンギュラ玉軸受けを用いた主軸装置を例に挙げて説明する。本実施の形態では、ＤＬＣコーティング無しのアンギュラ玉軸受け、内輪軌道面３１及び外輪軌道面４１にＤＬＣコーティング１０，１５を施しただけのアンギュラ玉軸受け、内輪軌道面３１及び外輪軌道面４１に施されたＤＬＣコーティング１０，１５にディンプル２０を設けたアンギュラ玉軸受け１の三種類のアンギュラ玉軸受けを用いて、軸の回転数に対する外輪の上昇温度を計測した。

図１は、主軸装置１００の軸に沿った方向で切断した縦断面図である。主軸装置１００は、アンギュラ玉軸受け１を利用した周知の主軸装置であり、円筒状のハウジング１０３の内部には、円筒状のスピンドル１０１が貫通し、スピンドル１０１の内部には棒状のドローバ１０２が挿入されている。ハウジング１０３とスピンドル１０１との間には、図１における下側から順に、２つのアンギュラ玉軸受け１、リング状のベアリングスペーサ１０７、２つのアンギュラ玉軸受け１が通され、ナット１０６で図１における下方向に締着されている。また、ドローバ１０２は、ばね１０５により図１における上方向に付勢されている。また、ハウジング１０３の図１における下側には、押えフタ１０４が設けられており、スピンドル１０１を保護している。尚、図示外のモータの駆動によりドローバ１０２及びスピンドル１０１が回転する。

図２は、内輪軌道面３１及び外輪軌道面４１に施されたＤＬＣコーティング１０，１５にディンプル２０を設けたアンギュラ玉軸受け１の切断斜視図であり、図３は、図２におけるアンギュラ玉軸受け１の切断面の拡大図である。図２及び図３に示すように、アンギュラ玉軸受け１では、高さの低い略円筒状の内輪３、内輪３よりも直径の大きい略円筒状であり、その側面に設けられた円形の保持穴で球状の転動体２を保持する保持器５、保持器５よりも直径の大きい外輪４から構成される。内輪３の外側の面は、その一方の端が転動体２に沿った曲面となっており、この面が内輪軌道面３１となる。また、外輪４の内側の面は、内輪３と反対側の端が転動体２に沿った曲面となっており、この面が外輪軌道面４１となっている。よって、内輪３の内輪軌道面３１、外輪４の外輪軌道面４１、保持器５の保持穴の内側の面である転動体支持面５１が、転動体２の表面と接している。そして、内輪軌道面３１にはＤＬＣコーティング１０が施されており、外輪軌道面４１にはＤＬＣコーティング１５が施されている。

尚、内輪３の直径である内径は７０ｍｍ、転がり軸受けの転動体の中心を結んでできるピッチ円の直径は９１ｍｍ、外輪４直径である外径１１０ｍｍ、ラジアル隙間０ｍｍ、予圧２００Ｎ、転動体２の内輪３及び外輪４に対する接触角１８°である。また、内輪３及び外輪４の材質はＳＵＪ２（高炭素クロム軸受鋼）、転動体２の材質は窒化ケイ素セラミックス、保持器５の材質はナイロン系樹脂を繊維強化したものである。

また、内輪軌道面３１、外輪軌道面４１、転動体支持面５１、転動体２の表面２１には、潤滑剤としてグリースが塗付されている。尚、グリースは、ＮＯＫクリューバー製のバリウムコンプレックス増ちょう剤のエステル潤滑剤のイソフレックスＮＢＵ１５を使用した。

図４は、ＤＬＣコーティング１０がなされた内輪軌道面３１の断面拡大図である。ＤＬＣコーティング１０は、周知のＵＢＭ（UnBalanced Magnetron（非平衡磁場型））スパッタリング法で形成されており、金属層１３からＤＬＣ層１１への傾斜断面構造とされている。図４に示すように、内輪３を形成する基板１４の上に、Ｃｒ（クロム）、Ｗ（タングステン）、Ｓｉ（ケイ素）等からなる金属層１３が形成されており、その金属層１３とＤＬＣ層１１との境界面をなくすために、金属層１３からＤＬＣ層１１へ向けて連続的に組成が変化する傾斜組成の傾斜層１２が形成されている。尚、外輪軌道面４１のＤＬＣコーティング１５も同様にしてＵＢＭスパッタリング法で形成されている。

図５は、内輪軌道面３１のＤＬＣコーティング１０の表面拡大イメージ図であり、図６は、図５におけるＡ−Ａ'線の矢視方向の断面図である。ＤＬＣコーティング１０へのデ
ィンプル２０は、図５に示すように一辺が約１μｍの略正方形の凹部であり、２μｍピッチで形成されている。このディンプル２０は、ディンプル２０以外の部分をマスキングし、Ａｒ、ＣＦ_４、Ｏ_２の混合ガスであるエッチングガスを使用して周知のプラズマエッチングにより形成され、図６に示すように、傾斜層１２までＤＬＣ層１１が除去されている。このＤＬＣ層１１の表面にグリースを塗布すると、ディンプル２０にグリースが貯留されるため、ＤＬＣ層１１の表面でグリースがはじかれてしまっても、軸の回転時には十分にグリースが供給される。尚、外輪軌道面４１のＤＬＣコーティング１５にも同様にして、プラズマエッチングによりディンプル２０が設けられている。

本実施の形態では、ＤＬＣコーティング無しのアンギュラ玉軸受け、内輪軌道面３１及び外輪軌道面４１にＤＬＣコーティング１０，１５を施しただけのアンギュラ玉軸受け、内輪軌道面３１及び外輪軌道面４１に施されたＤＬＣコーティング１０，１５にディンプル２０を設けたアンギュラ玉軸受け１をそれぞれ、１分間に１００００回、１５０００回、２００００回、２２０００回回転させ、回転後の外輪４の回転開始前からの上昇温度を計測した。表１は、その計測結果の表であり、図７は、その計測結果のグラフ図である。尚、温度計測には、熱電対を使用した。

表１及び図７に示すように、１００００r.p.m.で回転させると、ＤＬＣコーティング無しのアンギュラ玉軸受けでは５．０℃上昇し、ＤＬＣコーティング１０，１５のみのアンギュラ玉軸受けでは４．５℃上昇し、ディンプル２０を設けたＤＬＣコーティング１０，１５を施したアンギュラ玉軸受け１では４．０℃上昇した。また、１５０００r.p.m.で回転させると、ＤＬＣコーティング無しでは１５．０℃上昇し、ＤＬＣコーティング１０，１５のみでは１３．０℃上昇し、ディンプル２０を設けたＤＬＣコーティング１０，１５では１２．０℃上昇した。また、２００００r.p.m.で回転させると、ＤＬＣコーティング無しでは３２．５℃上昇し、ＤＬＣコーティング１０，１５のみでは２６．０℃上昇し、ディンプル２０を設けたＤＬＣコーティング１０，１５では２１．０℃上昇した。また、２２０００r.p.m.で回転させると、ＤＬＣコーティング無しでは４５．０℃上昇し、ＤＬＣコーティング１０，１５のみでは３２．０℃上昇し、ディンプル２０を設けたＤＬＣコーティング１０，１５では２７．０℃上昇した。

つまり、どの回転数においても、その上昇温度はディンプル２０を設けたＤＬＣコーティング１０，１５を施したアンギュラ玉軸受け１の上昇温度が最も低く、ＤＬＣコーティングを施していないアンギュラ玉軸受けの上昇温度が最も高くなっており、回転数の増加に伴う外輪４の温度上昇は、ＤＬＣコーティングを施さないアンギュラ玉軸受けよりも、ＤＬＣコーティング１０，１５を施したアンギュラ玉軸受けの方が低く、さらに、ＤＬＣコーティング１０，１５を施したアンギュラ玉軸受けよりも、ＤＬＣコーティング１０，１５にディンプル２０を設けたアンギュラ玉軸受け１の方が低くなっている。さらに、ディンプル２０を設けたＤＬＣコーティング１０，１５を施したアンギュラ玉軸受け１と、ＤＬＣコーティングを施さないアンギュラ玉軸受けとの上昇温度差は１００００回転で１℃、１５０００回転で３℃、２００００回転で１１．５℃、２２０００回転で１８℃と、回転数が増えるにつれて拡大している。また、外輪上昇温度は４０℃〜４５℃が限界とされており、ＤＬＣコーティングなしのアンギュラ玉軸受けでは、回転数２２０００で４５．０℃上昇し、回転数は２２０００が限界値となる。この際のＤｍＮ値は２００万である。

したがって、温度上昇によるグリースの劣化も、ＤＬＣコーティングを施さないアンギュラ玉軸受けの劣化が最も激しく、ディンプル２０を設けたアンギュラ玉軸受け１の劣化が最も抑えられている。よって、ディンプル２０を設けたアンギュラ玉軸受け１のグリースの寿命が最も長く、長い期間十分な潤滑が可能となる。

また通常、ディンプルが摩擦面に設けられると、ディンプル２０が設けられていない場合に比べてグリースの油膜強度は上がるとされている。例えば、周知のピンオンディスク試験において、回転させるディスク表面にグリースを塗付し、その半径約８ｍｍのピンをディスク表面に押圧する。そこで、ピンに加える荷重を１０Ｎから、１０Ｎずつ上昇させ、その摩擦係数を計測する。尚、ディスクは１ｍ／ｓで回転する。この際に、ピンの表面がＤＬＣコーティングのみである場合には、３０Ｎで摩擦係数が上昇し、グリースの油膜切れが発生したことが確認されるが、ピンのＤＬＣコーティングにディンプルが設けられている場合には、１００Ｎとなっても摩擦係数の上昇は計測されなかった。

これは、ディンプルにグリースが保持され、転動時にディンプル２０に保持されたグリースが常にＤＬＣコーティングの表面に供給される為であると考えられている。すなわち、ディンプル２０が設けられたアンギュラ玉軸受け１は、グリースの油膜強度がもっとも高くなるため摩擦係数が上昇せず、摩擦係数が上昇しないため摩擦熱の上昇は抑えられる。したがって、回転数を増加させた場合に、外輪温度の上昇は、グリースの油膜強度の高い、ディンプル２０を設けたアンギュラ玉軸受け１が一番低くなる。

また、図７のグラフを読み取ると、同程度の外輪上昇温度におけるアンギュラ玉軸受け１の１分間の回転数を見ると、ＤＬＣコーティングなしのアンギュラ玉軸受けが一番少なく、次いでＤＬＣコーティング１０，１５のみのアンギュラ玉軸受け、ディンプル２０を設けたアンギュラ玉軸受け１の順で多くなっている。例えば、外輪上昇温度が２０℃である場合には、ＤＬＣコーティングなしでは約１６５００r.p.m.、ＤＬＣコーティング１０，１５のみでは約１７５００r.p.m.、ＤＬＣコーティング１０，１５にディンプル２０を設けると１９５００r.p.m.となる。

アンギュラ玉軸受け１のピッチ円の直径Ｄｍと、軸の回転数Ｎr.p.m.の積で与えられる軸受けの性能を示す指標であるＤｍＮ値を考えると、ピッチ円の直径は９１ｍｍなので、ＤＬＣコーティングなしでは約１５０万、ＤＬＣコーティング１０，１５のみでは約１６０万、ディンプル２０を設けたアンギュラ玉軸受け１は、１７７万となり、ディンプル２０を設けたアンギュラ玉軸受け１が一番高性能となる。

したがって、アンギュラ玉軸受けの摩擦面にＤＬＣコーティングを施し、さらにそのＤＬＣコーティングの表面にディンプルを設けると、ディンプルに潤滑剤が保持され、回転時に常に潤滑剤が供給されるので、油膜強度が高くなり、摩擦係数が上昇しない。よって、摩擦面の上昇温度も抑えられ、潤滑剤の劣化も抑えることができる。これらの効果により、アンギュラ玉軸受けの摩擦面にＤＬＣコーティングを施し、さらにそのＤＬＣコーティングの表面にディンプルを設けることにより、アンギュラ玉軸受けは高性能化する。

尚、本発明の転がり軸受けは、上記した実施の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内において種々変更を加え得ることは勿論である。本発明の軸受けは、高速回転用のアンギュラ玉軸受けに限らず、他の形状の軸受けであってもよい。また、上記実施の形態では、ディンプル２０の形状を一辺が約１μｍの略正方形を転動方向に約２μｍピッチ、転動方向と垂直方向に約２μｍピッチで配置したが、ディンプルの形状や配置間隔、サイズはこれに限らない。例えば、図８に示すように直径１μｍの略円形のディンプル３０を２μｍピッチで配置してもよく、図９に示すように、一辺が約２μｍの略正方形のディンプル４０を転動方向に約４μｍピッチ、転動方向と垂直方向に約４μｍピッチで配置してもよい。また、上記実施の形態や図８、図９に示す例では、転動方向に平行な直線上及びその直線に直行する直線上に等間隔に格子状にディンプル２０を設けているが、転動方向に平行な直線に所定角度（たとえば、４５°、３０°等）で交差した直線上に設けたり、ＤＬＣコーティング面にランダムに設けたりしてもよい。また、ディンプルの形状も略正方形や円に限らず、ひし形や長方形、その他の多角形や楕円、星型など任意の形状でよい。

また、略正方形や円形等の任意の形状のディンプルを断続的に配置するのではなく、図１１に示すように、転動方向と平行な方向に所定間隔毎の直線状のディンプル５０を設けてもよい。この場合には、転動した際に、転動方向に対して表面の凹凸がなく、均一となるので、転動体２の回転にむらが出にくくなる。尚、図１１に示す例では、約３μｍピッチで約２μｍのＤＬＣコーティングが残されて、約１μｍのディンプル５０が設けられているが、ディンプル５０の間隔や幅はこれに限らず、これらの値より大きくても小さくてもよい。また、ディンプル５０とディンプル５０との間隔は一定でなくともよく、ディンプル５０の幅も一定でなくてもよい。

また、図１２に示すように、網目状にディンプル６０を設けてもよい。図１２に示す例では、約３μｍピッチで約１μｍ幅でＤＬＣコーティングが除去されて、一辺が約２μｍの略正方形にＤＬＣコーティングが残され、網目状のディンプル６０が形成されている。こうすることにより、ＤＬＣコーティング全体の残留応力を低減できるためＤＬＣコーティング１０が剥離しにくくなる。また、仮にＤＬＣコーティング１０が剥離したとしても、ＤＬＣコーティング１０は連続しておらず、ディンプル６０により断片的に存在してそれぞれのＤＬＣコーティング１０は孤立しているので、そのＤＬＣコーティング１０が剥離するのみで他のＤＬＣコーティングに影響を及ぼすことがない。尚、ディンプル６０の形成幅や形成間隔は図１２に示すものに限らず、約３０μｍピッチで約２０μｍのＤＬＣコーティング１０を残して約１０μｍのディンプルを形成したり、約０．３μｍピッチで約０．２μｍのＤＬＣコーティング１０を残して約０．１μｍのディンプルを形成したりして、より大きな網目やより小さな網目としてもよい。また、転動方向と、転動方向に直行する方向にとで、間隔や幅を異なるものとしてもよい。また、ディンプル６０とディンプル６０との間隔は一定でなくともよく、ディンプル６０の幅も一定でなくてもよい。

また、上記実施の形態では、ＤＬＣコーティング１０が施されている内輪軌道面３１の断面（図６参照）を例に挙げてＤＬＣコーティング１０の断面構造について説明したが、ＤＬＣ層１１の除去により形成されるディンプル２０の側面の形状は、図６のようにＤＬＣコーティング１０の表面対して垂直でなくともよい。図１３に示すように、ディンプル２０の側面２０１が、ＤＬＣ層１１の表面からディンプル２０の底面２０２へ向けてなだらかに傾斜するようにしてもよい。こうすることによって、転動体２の表面２１と接するＤＬＣ層１１の表面に近付くにつれて、ディンプル２０の深さが浅くなってゆくので、ディンプル２０に保持されている潤滑剤が毛細管現象により良好に表面へ供給される。

尚、ディンプル２０の側面２０１の傾斜角２０３は、図１３に示す角度に限らず、よりなだらかであっても、急であってもよい。しかしながら、傾斜角２０３が９０°より大きく成ると、ディンプル２０がＤＬＣ層１１の内側へ回り込んでしまうため、潤滑剤がＤＬＣ層１１の表面へ良好に供給されないため、望ましくない。この傾斜角２０３は、プラズマエッチィングによりＤＬＣ層１１を除去する際の種々の条件、エッチング時間、エッチングガスの混合比、ガス圧、マスキング部材とＤＬＣ層１１との距離、エッチング温度等により決定される。

また、図５，図８，図９，図１２に示したように、転動方向について所定の間隔でディンプルが設けられている場合には、転動体２と接する軌跡上に形成されているディンプルの数が転動体２の数の倍数とならないようにすることが望ましい。例えば、転動体２の数が８個であるアンギュラ玉軸受けにおいて、内輪３の直径が７０ｍｍであり、内輪軌道面３１に図５に示す例のように２μｍピッチで１μｍのディンプル１０が施されている場合を考える。この場合、内輪軌道面３１の転動方向には、７０ｍｍ÷２μｍ＝３５００００００個のディンプルが設けられていることになる。この時、３５００００００は転動体２の個数である８の倍数（４３７５０００倍）となるので、ディンプル１０に１番から３５００００００番までの番号を、転動体２に１番から８番までの番号を割り当てると、１番目のディンプル１０に１番目の転動体２が接している場合に、２番目の転動体２は、４３７５００１番目のディンプル１０に接し、３番目の転動体２は、８７５０００１番目のディンプル１０に接し、４番目の転動体２は、１３１２５００１番目のディンプル１０に接し、５番目の転動体２は、１７５００００１番目のディンプル１０に接し、６番目の転動体２は、２１８７５００１番目のディンプル１０に接し、７番目の転動体２は、２６２５０００１番目のディンプル１０に接し、８番目の転動体２は、３０６２５００１番目のディンプル１０に接することになり、すべての転動体２がディンプル１０に接して、嵌り込んでしまうことになり、アンギュラ玉軸受けの回転に微小な抵抗が生じる。よって、ディンプル１０が等間隔に配置される場合には、転動方向に配置されるディンプル１０の個数は転動体２の個数の倍数でないほうが、アンギュラ玉軸受けが良好に転がるので望ましい。また、ディンプル１０の数が素数であれば、転動体２の倍数になることはないので、素数であれば転動体２の個数に左右されずにすべての転動体２がディンプルにはまり込むことがない。

尚、ディンプルがランダムに配置されていたり、ディンプルの間隔が1μｍ、２μｍ、
３μｍ、１μｍ、２μｍ、３μｍ、１μｍ・・・・というような周期的な間隔で配置されていたりして、等間隔で配置されない場合においても、全ての転動体２がいずれかのディンプルにはまり込むという状況が生じないように、ディンプルが形成されていることが望ましい。

また、同様の概念から、内輪軌道面３１及び外輪軌道面４１にディンプルが設けられている場合には、転動体２が内輪軌道面３１のディンプルと外輪軌道面４１のディンプルの両方にはまり込まないように、外輪軌道面４１における転動体２と接する軌跡上に形成されているディンプルの数が、内輪軌道面３１における転動体２と接する軌跡上に形成されているディンプルの数の約数の倍数とならないようにすることが望ましい。例えば、転動体２の数が８個であるアンギュラ玉軸受けにおいて、内輪３の転動長さが７０ｍｍ（内輪転動ピッチ直径約２２ミリ）、外輪４の転動長さが１１０ｍｍ（外輪転動ピッチ直径約３５ミリ）であり、内輪軌道面３１及び外輪軌道面４１に図５に示す例のように２μｍピッチで１μｍのディンプル１０が施されている場合を考える。この場合、内輪軌道面３１の転動方向には、７０ｍｍ÷２μｍ＝３５００００００個のディンプルが設けられ、外輪軌道面３１の転動方向には、１１０ｍｍ÷２μｍ＝５５００００００個のディンプルが設けられていることになる。３５００００００＝２^６＊５^７＊７、５５００００００＝２^６＊５^７＊１１であるので、外輪軌道面４１のディンプルの数は、内輪軌道面３１のディンプルの数の約数の倍数となっている（２^６＊５^７の１１倍）。

よって、内輪軌道面３１の１番目のディンプル及び外輪軌道面４１の１番目ディンプルに１番目の転動体２が接している場合に、２番目の転動体２は、内輪軌道面３１の４３７５００１番目のディンプル、外輪軌道面４１の６８７５００１番目のディンプルに接し、３番目の転動体２は、内輪軌道面３１の８７５０００１番目のディンプル、外輪軌道面４１の１３７５００１番目のディンプルに接し、４番目の転動体２は、内輪軌道面３１の１３１２５００１番目のディンプル、外輪軌道面４１の２０６２５００１番目のディンプルに接し、５番目の転動体２は、内輪軌道面３１の１７５００００１番目のディンプル、外輪軌道面４１の２７５００００１番目のディンプルに接し、６番目の転動体２は、内輪軌道面３１の２１８７５００１番目のディンプル、外輪軌道面４１の３４３７５００１番目のディンプルに接し、７番目の転動体２は、内輪軌道面３１の２６２５０００１番目のディンプル、外輪軌道面４１の４１２５０００１番目のディンプルに接し、８番目の転動体２は、内輪軌道面３１の３０６２５００１番目のディンプル、外輪軌道面４１の４８１２５００１番目のディンプルに接することになり、すべての転動体２が内輪軌道面３１及び外輪軌道面４１のディンプルに接して、嵌り込んでしまうことになり、アンギュラ玉軸受けの回転に微小な抵抗が生じる。したがって、ディンプルが等間隔に配置される場合には、外輪軌道面４１における転動体２と接する軌跡上に形成されているディンプルの数が、内輪軌道面３１における転動体２と接する軌跡上に形成されているディンプルの数の約数の倍数とならないほうが、アンギュラ玉軸受けが良好に転がるので望ましい。また、内輪軌道面３１及び外輪軌道面４１のディンプルの数が互いに異なる素数であれば、転動体２の個数に左右されずにすべての転動体２がディンプルにはまり込むことがない。

また、上記実施の形態では、内輪軌道面３１及び外輪軌道面４１にのみＤＬＣコーティング１０，１５を設けたが、図１０に示すように、転動体２の表面２１にＤＬＣコーティング２２を設けたり、保持器５の転動体２と接する転動体支持面５１にＤＬＣコーティング５２を設けたりし、それぞれに、ディンプル２０を設けてもよい。また、内輪軌道面３１、外輪軌道面４１、転動体２の表面２１、保持器５の転動体支持面５１の全てにＤＬＣコーティングを施し、ディンプル２０は内輪軌道面３１のみに設けるなど、一部のＤＬＣコーティングにのみディンプル２０を設けるようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、ＤＬＣコーティングにＵＢＭスパッタリング法を用いているが、他のＤＬＣコーティング形成法であってもよい。たとえば、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition（化学気相堆積））法を用いてもよい。特に、外輪軌道面４１や
転動体支持面５１のように、ＤＬＣコーティングを施す面が内側の場合には、回り込み性のよいプラズマＣＶＤ法が有効である。

また、上記実施の形態では、ディンプル２０の形成にプラズマエッチングを用いたが、ディンプル２０の形成方法はこれに限らない。例えば、ＦＩＢ（収束イオンビーム）やフェムト秒レーザーを用いてもよい。

本発明の転がり軸受けは、工作機械の軸受け、高速回転用のアンギュラ玉軸受けのみでなく、種々の機器に用いられる軸受けに適応可能である。

主軸装置１００の軸方向に切断した縦断面図である。アンギュラ玉軸受け１の切断斜視図である。図２におけるアンギュラ玉軸受け１の切断面の拡大図である。ＤＬＣコーティング１０がなされた内輪軌道面３１の断面拡大図である。内輪軌道面３１のＤＬＣコーティング１０の表面拡大イメージ図である。図５におけるＡ−Ａ'線の矢視方向の断面図である。計測結果のグラフ図である。内輪軌道面３１のＤＬＣ層１１の表面拡大イメージ図の変形例である。内輪軌道面３１のＤＬＣ層１１の表面拡大イメージ図の変形例である。変形例のアンギュラ玉軸受けの切断面の拡大図である。内輪軌道面３１のＤＬＣ層１１の表面拡大イメージ図の変形例である。内輪軌道面３１のＤＬＣ層１１の表面拡大イメージ図の変形例である。図５におけるＡ−Ａ'線の矢視方向の断面図の変形例である。

１アンギュラ玉軸受け
２転動体
３内輪
４外輪
５保持器
１０ＤＬＣコーティング
１１ＤＬＣ層
１２傾斜層
１３金属層
１４基板
１５ＤＬＣコーティング
２０ディンプル
２１表面
２２ＤＬＣコーティング
３１内輪軌道面
４１外輪軌道面
５０ディンプル
５１転動体支持面
５２ＤＬＣコーティング
６０ディンプル
１００主軸装置

Claims

内輪と外輪との間に複数の転動体が保持器に保持されて配設される転がり軸受けにおいて、
内輪軌道面、外輪軌道面、転動体及び保持器のうちの少なくとも一つの表面にＤＬＣ（Diamond Like Carbon）コーティングが形成され、
前記ＤＬＣコーティングは、ＤＬＣ層とＤＬＣコーティングを施す金属層との間に、前記金属層から前記ＤＬＣ層に向けて連続的に組成が変化する傾斜層を設け、
前記ＤＬＣコーティングの表面に凹部が複数形成され、
前記凹部は前記傾斜層まで前記ＤＬＣ層が除去されて形成され、
前記内輪軌道面及び前記外輪軌道面の少なくとも一方に前記凹部が等間隔で形成されており、
前記転動体と接する軌跡である軌道円上に形成される前記凹部の数は、前記転動体の数の倍数でないことを特徴とする転がり軸受け。
前記凹部は、プラズマエッチング、集束イオンビーム、又は、レーザー加工により前記ＤＬＣコーティングを除去して形成されることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受け。
前記凹部は網目状に形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の転がり軸受け。
前記凹部の側面は、ＤＬＣコーティングの表面から当該凹部の底面にかけて当該凹部の内側に向かって傾斜していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の転がり軸受け。
前記内輪軌道面及び前記外輪軌道面に前記凹部が等間隔で形成されており、
前記外輪軌道面上の前記軌道円上に形成される前記凹部の数は、前記内輪軌道面上の前記軌道円上に形成される前記凹部の数の約数の倍数でないことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の転がり軸受け。
前記転がり軸受けは、アンギュラ玉軸受けであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の転がり軸受け。
前記内輪軌道面、前記外輪軌道面、前記転動体及び保持器のうちの摺動部分に潤滑剤としてグリースが塗布されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の転がり軸受け。
工作機械の主軸の軸受けとして使用されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の転がり軸受け。
請求項１乃至８のいずれかに記載の転がり軸受けを備えたことを特徴とする主軸装置。