JP4989129B2 - 転がり軸受 - Google Patents

Description

本発明は、事務機器用定着装置の定着ローラ等の回転部材を支持する転がり軸受に関し、特に、回転部材の軸部が内外輪の一方の軌道輪にすきま嵌めで嵌合される転がり軸受に関する。

複写機やプリンタ等の事務機器に組み込まれる定着ローラや加圧ローラ等の回転部材は、小型化や構造簡略化等による組み立て性の問題から、その軸部（シャフト）が転がり軸受の内外輪の一方の軌道輪にすきま嵌め（ルーズ嵌め合い）で嵌合されるものが多い。このため、使用条件によっては、すきま嵌めで嵌合される軸部と軌道輪との間にクリープが生じる恐れがある。従来、このクリープによる嵌合部の摩耗を防止するために、軌道輪の嵌合部に酸化膜を形成した転がり軸受がある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載されたものでは、熱サイクルを受ける定着ローラを支持する転がり軸受に適用する場合に、酸化膜が結露による発錆を防止する効果もあるとしている。
また、この回転部材の軸部と軸受とのすきま嵌めが原因で、印刷時に嵌め合い部において鳴き音（コツコツ音）等の異音が発生するという問題がある。従来は、嵌め合い部へのグリース塗布や、シャフトへの圧入により異音発生防止を図っている。

また、近年において、定着装置の定着部は、印刷スピードが高速化、高画質化する中で、より早くトナーを紙に定着させる機能と高品位での印刷が要求されている。高速化に伴い温度を上げて紙への定着スピードを上げるため、必然的に周囲温度（軸受も）が上昇する。また、装置の使用期間も延びたことから、これに使用される軸受には高温長寿命が要求されている。このような定着部および軸受の温度上昇に伴い、上述した嵌め合い部での異音がより発生しやすくなっている。

しかしながら、異音を防止するために回転部材の軸部を軸受に圧入する場合では、締まり嵌めのため異音防止には効果があるが、組み立て作業性が著しく低下するという問題がある。
これに対し、嵌め合い部にグリースを塗布する場合では、組み立て作業性はそれほど低下しないが、定着部は高温となるためにグリースの経時劣化（油分減少、枯渇）により時間経過とともに異音やクリープが発生するという問題がある。また、塗布したグリースが周囲へ飛散して周辺部位を汚染するおそれがある。

また、特許文献１に記載された軌道輪の嵌合部に酸化膜を形成した転がり軸受は、嵌合部での摩耗は防止できるが、動摩擦係数が大きく異音が発生しやすいという問題がある。
特開２００１−１４０９０１号公報

本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、定着装置において回転部材を支持し、該回転部材の軸部が内外輪の一方の軌道輪にすきま嵌めで嵌合される転がり軸受であって、クリープや異音を長期間にわたり防止できる転がり軸受を提供することを目的とする。

本発明の転がり軸受は、内輪と外輪の軌道面間に複数の転動体が配列され、定着装置の回転部材を回転自在に支持し、この回転部材の軸部が上記内輪の内径面または上記外輪の外径面にすきま嵌めで嵌合される転がり軸受であって、少なくとも上記回転部材の軸部がすきま嵌めで嵌合される内輪の内径面または外輪の外径面に、低摩擦摺動性を有する非導電性の被膜を形成してなり、上記被膜は厚みが 2〜10μmであり、該被膜と上記回転部材の軸部との動摩擦係数が 0.2 以下であることを特徴とする。

上記被膜が、ポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥと記す）被膜、二硫化モリブデン（以下、ＭｏＳ₂と記す）被膜、または二硫化タングステン（以下、ＷＳ₂と記す）被膜であることを特徴とする。

上記転がり軸受に 220Ｎのラジアル荷重を付加しつつ、上記回転部材を130rpmで 500 時間回転させたときの、上記被膜と回転部材の軸部との動摩擦係数が 0.2 以下であることを特徴とする。

上記回転部材が、定着装置において印刷用紙にトナーを定着させるための、ヒータが内蔵された定着ローラであることを特徴とする。

本発明の転がり軸受は、回転部材の軸部が嵌合される内輪の内径面または外輪の外径面に、低摩擦摺動性を有する非導電性の被膜として、厚みが 2〜10μmであり、被膜と回転部材の軸部との動摩擦係数が 0.2 以下である被膜を形成したので、嵌め合い面における動摩擦係数が長期間（例えば、500時間）にわたり低位安定し、クリープや異音を防止できる。また、被膜形成により嵌め合い面におけるグリース塗布が避けられるので、周囲へのグリース飛散による汚染が防止できる。
上記被膜は、ポリテトラフルオロエチレン被膜、二硫化モリブデン被膜、または二硫化タングステン被膜であるので、酸化膜と比較して嵌め合い面における動摩擦係数が小さく異音が発生しにくい。
また、定着装置の小型化や、従来行なっていたグリース塗布、シャフトへの圧入等の異音およびクリープ防止対策の廃止に貢献できる。

定着装置の構成は感光→搬送→現像→定着→排出となっており、定着部は２本の中空ゴムローラ (芯金にアルミや鋼材を使用)に温度(２００℃程度)とそれを支持する軸受とヒータで構成される。通常、ローラは中空となっているため、その中にヒータを通してローラ内部から直接加熱を行なっている。現像部から出てきた紙にトナーを定着させるために、上記温度のほかに圧力（９８Ｎ程度）をかけてトナーを紙に定着させる。
定着装置運転時において、回転部材の軸部と軸受との間、すなわち嵌め合い部において鳴き音等の異音が発生する機構を図３を参照して説明する。図３は、転がり軸受の内輪内径面に、定着ローラのシャフトがすきま嵌めで嵌合されている場合の断面図である。図３（ａ）は嵌め合い部に温度のみがかかる場合を、図３（ｂ）および図３（ｃ）は嵌め合い部に温度と荷重（圧力）がかかる場合をそれぞれ示す。
図３（ａ）に示すように、温度上昇によりシャフトが熱膨張し、軸受内輪もシャフトと一緒に移動する(接触面の動摩擦係数が大きいため)。
図３（ｂ）に示すように、ラジアル荷重負荷によりシャフトがベンディング（湾曲）する。図中においてＦｒは軸受にかかるラジアル方向の力を、Ｆａは軸受にかかるアキシャル方向の力をそれぞれ示す。ここで、Ｆｒ＜Ｆａの場合は軸受内輪の姿勢は保たれる。
図３（ｃ）に示すように、シャフトと定着ローラ外径の芯ずれ（偏心）により、Ｆｒが変化する。Ｆｒ＞Ｆａの場合、軸受の内輪姿勢が崩れる。軸受姿勢が元に戻る時に、シャフトを叩き鳴き音が発生する。
以上の機構において、シャフトと軸受との嵌め合い面における動摩擦係数が十分に小さい場合ではＦｒ＜Ｆａとなり、軸受の姿勢を保つことができる。
本発明では軸受の内輪内径面等に所定の特性を有する被膜を形成して、定着装置に要求される使用耐久期間にわたり、嵌め合い面での動摩擦係数を低く維持することで、鳴き音を該耐久期間にわたり防止できることを見出した。本発明はこのような知見に基づくものである。

本発明の一実施例に係る転がり軸受を図１に基づいて説明する。図１は潤滑グリースが封入された深溝玉軸受の断面図である。
図１に示すように、深溝玉軸受１は、外周面に内輪転走面２ａを有する内輪２と内周面に外輪転走面３ａを有する外輪３とが同心に配置され、内輪転走面２ａと外輪転走面３ａとの間に複数個の転動体４が配置される。この複数個の転動体４を保持する保持器５および外輪３等に固定されるシール部材６が内輪２および外輪３の軸方向両端開口部にそれぞれ設けられている。少なくとも転動体４の周囲に潤滑グリース７が封入される。
定着ローラや加圧ローラ等の回転部材の軸部がすきま嵌めで嵌合される内輪２の内径面２ｂに、低摩擦摺動性を有する非導電性の被膜８が形成されている。

本発明の転がり軸受を利用した定着部材の構造を図２に基づいて説明する。図２は、上述した深溝玉軸受１で軸部９ａを支持された定着装置の定着ローラ９を示す。
この定着ローラ９はアルミニウムで中空に形成され、中空部に配設されたハロゲンヒータ１０によって200℃程度まで加熱されるようになっている。定着ローラ９の両端の軸部９ａは内輪２の内径面にすきま嵌めで嵌合され、外輪３が定着装置のフレーム１１に固定されている。
本発明では、内輪２の内径面に被膜８が形成されているので、嵌め合い面においてグリースを塗布する必要がない。

上述した実施形態では、回転部材の軸部が内輪２の内径面２ｂに嵌合される深溝玉軸受としたが、本発明の転がり軸受は、軸部が外輪３の外径面３ｂに嵌合されるものにも適用でき、深溝玉軸受に限定されることもない。

本発明における低摩擦摺動性を有する非導電性の被膜は、該被膜と定着ローラ等の軸部との動摩擦係数、すなわち嵌め合い面における動摩擦係数が 0.2 以下となるものであれば採用できる。嵌め合い面における動摩擦係数が0.2をこえると、軸受の内輪姿勢が崩れて（図３（ｃ）参照）、異音（鳴き音）が発生しやすくなる。
このような被膜としては、ＰＴＦＥ被膜、ＭｏＳ₂被膜、ＷＳ₂被膜等が挙げられる。

内輪内径面または外輪外径面への被膜の形成方法としては、電気めっき、無電解めっき、真空蒸着、イオンプレーティング、スパッタリング等の物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）等、または、樹脂分散液を用いたディッピング、塗布、スプレー噴霧等によるコーティング、その他周知の被膜形成方法を採用できる。
本発明の転がり軸受において、ＭｏＳ₂被膜またはＷＳ₂被膜を形成する場合には、被膜厚さを均一にできることからスパッタリングを採用することが好ましい。

本発明における低摩擦摺動性を有する非導電性の被膜の厚みは、2〜10μmとする。好ましくは、2〜5μmである。被膜の厚みを 2 μm以上とすることで、複写機やプリンター等の事務機器における実用上の使用条件として、転がり軸受に 220Ｎのラジアル荷重を付加しつつ、定着ローラを130rpmで 500 時間回転させた時点においても、嵌め合い面における動摩擦係数を 0.2 以下に維持でき異音を防止できる。
被膜の厚みが 2μm未満では、嵌め合い部での金属同士の摺動を十分に防止できずに異音が発生するおそれがある。10μmをこえると、軸部との嵌合精度が低下するとともに、被膜形成コストが高くなる。

内輪または外輪の軌道面に付着する被膜の厚みは10μm以下、好ましくは5μm以下とすることが好ましい。被膜は軌道面には付着させないことが好ましいが、作業を簡素化するために、マスキングせずに被膜形成処理を行なう等、被膜形成方法によっては軌道面にも被膜が付着する。この軌道面に付着する被膜の厚みが 10 μmをこえると、転動体の転動によって被膜が剥離し、この剥離した被膜が異物として転動体に噛み込まれて、軸受寿命が短くなる。

本発明の転がり軸受に用いる内・外輪の材質としては、周知の軸受用金属材料を用いることができ、特に限定されない。具体例としては、軸受鋼（高炭素クロム軸受鋼ＪＩＳ Ｇ ４８０５）、肌焼鋼（ＪＩＳ Ｇ ４１０４等）、高速度鋼（ＡＭＳ ６４９０）、ステンレス鋼（ＪＩＳ Ｇ ４３０３）、高周波焼入鋼（ＪＩＳ Ｇ ４０５１等）が挙げられる。また、他の軸受用合金を採用することもできる。また、定着ローラは通常、Ａ５０５６、Ａ６０６３等の軽量アルミニウム合金等により形成される。
また、本発明の転がり軸受に封入するグリースとしては、一般に軸受に使用されるグリースであれば、特に種類を限定されない。

実施例および比較例として、図１に示した内輪の内径面に被膜を形成した深溝玉軸受を用意した。各実施例および比較例における被膜種類、膜厚等を表１に示す。

これらの各実施例と比較例の深溝玉軸受の内輪をアルミニウム製回転部材の軸部にすきま嵌め（すきま100μm）で嵌合して、回転部材を 1000 時間回転する試験を行ない、嵌め合い面における初期（運転開始直後）の動摩擦係数、および異音発生の時期を調査した。試験条件は以下の通りである。結果を表１に示す。
［試験条件］
・軸受寸法：内径 25 mm、外径 37 mm、幅 7 mm
・軸部温度：200 ℃
・軸受荷重：220 N （ラジアル荷重）
・回転速度：130 rpm
・相手材：アルミニウム

また、参考例２、実施例２、実施例６、および比較例１〜比較例３について、同じ試験条件での嵌め合い面における動摩擦係数の経時変化を測定した。結果を図４に示す。図４において横軸は経過時間（ｈ）、縦軸は動摩擦係数をそれぞれ示す。

表１に示すように、各実施例の被膜を形成した軸受では、事務機器等において実用上十分な耐久時間（500時間）にわたり、異音の発生を防止できた。また図４に示すように、被膜の厚みを5μmとした参考例２、実施例２および６では、動摩擦係数を長時間にわたり低位に維持することができ、異音の発生を防止できた。

本発明の転がり軸受は、回転部材の軸部が内外輪の一方の軌道輪にすきま嵌めで嵌合される場合において、鳴き音等の異音を長期間にわたり防止できるので、複写機やプリンタ等の事務機器用定着装置に使用される定着ローラ等の回転部材を支持する軸受として好適に利用できる。

深溝玉軸受（転がり軸受）の断面図である。 図１の転がり軸受を使用した複写機の定着ローラを示す縦断面図である。 異音が発生する機構を説明する図である。 嵌め合い面における動摩擦係数の経時変化を示す図である。

符号の説明

１ 深溝玉軸受（転がり軸受）
２ 内輪
３ 外輪
４ 転動体
５ 保持器
６ シール部材
７ グリース
８ 被膜
９ 定着ローラ
９ａ 軸部
１０ ハロゲンヒータ
１１ フレーム

Claims (2)

1. 内輪と外輪の軌道面間に複数の転動体が配列され、定着装置の回転部材を回転自在に支持し、この回転部材の軸部が前記内輪の内径面または前記外輪の外径面にすきま嵌めで嵌合される転がり軸受であって、
   前記回転部材が、印刷用紙にトナーを定着させるための、ヒータが内蔵された定着ローラであり、
   少なくとも前記回転部材の軸部がすきま嵌めで嵌合される内輪の内径面または外輪の外径面に、低摩擦摺動性を有する非導電性の被膜を形成してなり、
   前記被膜が、スパッタリング処理により形成された、二硫化モリブデン被膜または二硫化タングステン被膜であり、
   前記被膜は厚みが 2〜10μmであり、該被膜と前記回転部材の軸部との動摩擦係数が 0.2 以下であり、
   該転がり軸受と前記回転部材の軸部との嵌め合い部における、軸受姿勢が崩れて戻り該軸部を叩くことで発生する異音を防止することを特徴とする転がり軸受。
2. 前記転がり軸受に 220Ｎのラジアル荷重を付加しつつ、前記回転部材を130rpmで 500 時間回転させたときの、前記被膜と前記回転部材の軸部との動摩擦係数が 0.2 以下であることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。