JP5181953B2 - 玉軸受 - Google Patents

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５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、ボールを入れるポケットが形成されている保持器を備えた玉軸受であって、固体潤滑剤からなる潤滑部品が、この軸受の回転時に外輪と接触するように前記保持器に配置され、前記潤滑部品は、前記保持器に設けられ外輪側に開口した部位に配置され、前記外輪側に開口した部位は、有底の凹部であり、前記潤滑部品は、円筒状のホルダに先端をホルダから突出させた状態で保持され、このホルダが前記凹部において凹部の軸方向に移動できるように配置されていることを特徴とす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潤滑部品を保持器（セパレータを含む）とは別に設けたため、保持器の機械的強度を確保しながら、良好な潤滑性能が得られるようにすることができる。また、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。

本発明の玉軸受としては、アンギュラ玉軸受であって、前記保持器は、リングの周面を貫通する円穴が形成されているリング状保持器であり、この保持器の柱部分に、軸方向を軌道輪からボールへ伝えられる力の合力の作用線に沿わせ、外輪側を開口した円筒状の凹部を設け、この凹部に前記潤滑部品が凹部の軸方向に移動できるように配置されているものが挙げられる。
前記潤滑部品は、円筒状のホルダに先端をホルダから突出させた状態で保持され、このホルダが前記凹部に凹部の軸方向に移動できるように配置されていてもよい。

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、保持器４、円柱状で先端が丸く形成された潤滑部品５、および円筒状のホルダ６で構成されている。
図１は、このアンギュラ玉軸受を内外輪の径方向に沿って切断した断面図である。図２は、図１の玉軸受から潤滑部品５およびホルダ６を外した状態のＡ−Ａ断面図に、潤滑部品５およびホルダ６を斜視図で追加した図である。

保持器４は、リングの周面を貫通する円穴がポケット４１として形成されているリング状保持器である。ポケット４１をなす円穴の保持器内周側の断面形状がテーパー状になっている。すなわち、ポケット４１の外輪側から内輪側に向けて所定深さで、ボール３より僅かに大きい径の円穴が形成されているが、その先にテーパー部４１ａが形成され、その先の内輪側部分４１ｂの径はボール３の径より僅かに小さく形成されている。このテーパー部４１ａはポケット４１の円穴の全周でなく、リング状の保持器４の径方向で対向する２カ所に形成されている。

この保持器４の柱部分４２には、二つ置きに、円筒状の凹部４２ａが形成されている。凹部４２ａをなす円筒の軸方向は、内輪１および外輪２からボール３へ伝えられる力の合力の作用線Ｌに沿っている。凹部４２ａは外輪側を開口している。円柱状の潤滑部品５は、円筒状のホルダ６に、先端をホルダ６から突出させた状態で保持されている。ホルダ６は、凹部４２ａにゆるく挿入される寸法に形成されている。例えば、凹部４２ａの直径をホルダ６の直径の１．０１〜１．５倍とする。これにより、ホルダ６は、凹部４２ａ内に、作用線Ｌ（潤滑部品５をなす円柱の軸方向）に沿って移動できるように配置されている。

また、潤滑部品５の先端の丸みの曲率半径は、潤滑部品５をなす円柱の半径と同じかそれ以上〜その２０倍以下とする。
図１は、この玉軸受が回転して、潤滑部品５が外輪２の軌道面２ａに接触した状態を示しているが、静止状態では図３に示すように、ホルダ６が凹部４２ａの底面に当接している。回転時に保持器４と外輪２が接触することを防止するため、凹部４２ａの開口端と外輪２の軌道面２ａとの間隔は０．５ｍｍ以上にする。また、静止状態で、潤滑部品５の先端が、凹部４２ａの開口から僅かに突出し、外輪２の軌道面２ａに接触しない寸法に、ホルダ６と潤滑部品５を形成する。

この玉軸受は、回転時に、潤滑部品５が保持されたホルダ６が遠心力で凹部４２ａ内を作用線Ｌ方向に移動し、保持器４の凹部４２ａに配置された潤滑部品５の先端が外輪２の軌道面２ａに接触する。外輪２は保持器４に対して相対回転しているため、潤滑部品５と軌道面２ａとの間に摺動が生じる。
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、外輪２の軌道面２ａ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、ポケット４１にボール３より小径の内輪側部分４１ｂが形成されているため、保持器４が必要以上に外輪２側に移動することが抑制できるため、保持器４の摩耗が抑制されるという効果も得られる。

この玉軸受を真空環境で使用する場合には、保持器４およびホルダ６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、保持器４のポケット４１の内周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。

なお、円柱状の潤滑部品５は、円筒状のホルダ６に保持しないで、図４に示すように、直接、凹部４２ａ内に配置してもよい。その場合、潤滑部品５の大きさは、凹部４２ａをなす円筒に適度な隙間で配置される大きさとする。
また、円筒状のホルダ６に保持する場合、潤滑部品５の形状は円柱状に限らず、球状や楕円球としてその先端をホルダ６から突出させてもよい。また、潤滑部品５は全体が固体潤滑剤からなるものであってもよいし、金属製の芯部の表面に固体潤滑剤がコーティングなどにより固定されたものであってもよい。また、潤滑部品５が取り付けられている個数が多いほど潤滑性能は向上するが、柱部のボールピッチ円に沿った寸法を大きく取る必要があるため、保持器４のポケット数が少なくなる。

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。
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１の玉軸受の静止状態を示す断面図である。 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。 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 外輪軌道面
３ ボール
４ 保持器
４１ 保持器のポケット
４１ａ ポケットのテーパー部
４１ｂ ポケットの小径部
４２ 保持器の柱部分
４２ａ 保持器の凹部
５ 円柱状の潤滑部品
６ ホルダ
Ｌ 合力の作用線

Claims (8)

1. ボールを入れるポケットが形成されている保持器を備えた玉軸受であって、
   固体潤滑剤からなる潤滑部品が、この軸受の回転時に外輪と接触するように前記保持器に配置され、
   前記潤滑部品は、前記保持器に設けられ外輪側に開口した部位に配置され、
   前記外輪側に開口した部位は、有底の凹部であり、
   前記潤滑部品は、円筒状のホルダに先端をホルダから突出させた状態で保持され、このホルダが前記凹部において凹部の軸方向に移動できるように配置されていることを特徴とする玉軸受。
2. 前記玉軸受はアンギュラ玉軸受であって、
   前記保持器は、リングの周面を貫通する円穴が形成されているリング状保持器であり、この保持器の柱部分に、軸方向を軌道輪からボールへ伝えられる力の合力の作用線に沿わせ、外輪側を開口した円筒状の凹部を設け、この凹部に前記潤滑部品が凹部の軸方向に移動できるように配置されている請求項１に記載の玉軸受。
3. ボールを入れるポケットが形成されている保持器を備えたアンギュラ玉軸受であって、
   固体潤滑剤からなる潤滑部品が、この軸受の回転時に外輪と接触するように前記保持器に配置され、
   前記潤滑部品は、前記保持器に設けられ外輪側に開口した部位に配置され、
   前記外輪側に開口した部位は、有底の凹部であり、
   前記保持器は、リングの周面を貫通する円穴が形成されているリング状保持器であり、この保持器の柱部分に、軸方向を軌道輪からボールへ伝えられる力の合力の作用線に沿わせ、外輪側を開口した円筒状の凹部を設け、この凹部に前記潤滑部品が凹部の軸方向に移動できるように配置されていることを特徴とする玉軸受。
4. 前記外輪側に開口した部位は、前記保持器の前記ポケット間の柱部分に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の玉軸受。
5. 前記外輪側に開口した部位は円筒状であり、前記潤滑部品は円柱状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の玉軸受。
6. 前記外輪側に開口した部位は、軸方向を軌道輪からボールへ伝えられる力の合力の作用線に沿わせていることを特徴とする請求項１、４、５のいずれか１項に記載の玉軸受。
7. 前記潤滑部品は、外輪軌道面に接触することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の玉軸受。
8. 前記潤滑部品は先端が丸く形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の玉軸受。

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