JP5854090B2 - 玉軸受、並びに搬送装置及び搬送ロボット - Google Patents

Description

本発明は、軌道内に配置されたボールの間に固体潤滑剤からなる複数のセパレータを備える玉軸受、並びにその玉軸受を備えた搬送装置及び搬送ロボットに関するものである。

従来より、液晶用パネルの搬送装置や搬送ロボットは、真空環境下で使用される場合があり、前記搬送装置や搬送ロボットに使用される軸受も真空用の仕様となっている。例えば、軸受の潤滑剤として、低アウトガスであるフッ素グリースや、さらに低アウトガスである固体潤滑剤が用いられている。固体潤滑剤は、転動体や軌道面と摺動することにより相手に転移して固体潤滑剤被膜を形成し、この被膜が潤滑に寄与するものであり、固体潤滑剤を含有する自己潤滑性材料からなる円柱状のセパレータ（間隔体あるいはスペーサとも言う）をボール同士の間に配置した玉軸受が用いられている。

しかしながら、上記のようなセパレータを有する玉軸受は、ボールの進み遅れに起因する玉詰りによって、回転時にセパレータが内外輪の間に噛み込まれ（いわゆるくさび効果）、回転が停止（以降は「ロック」と記すこともある）してしまうおそれがあるという課題があった。

この部分の改善の先行技術としては、特許文献１〜４に開示されているものがあり、固体潤滑剤で構成された円柱状のセパレータを備える玉軸受が開示されている。そして、セパレータを軸受内部に装填するための軸受構造、セパレータの形状や寸法、セパレータの保持構造等が記載されている。

特許文献１には、円柱状セパレータの長手方向の寸法をボール直径の１．３〜２．０倍に限定した玉軸受が記載されている。特許文献２には、ボールよりも小径の球形セパレータと、円柱状セパレータを併用した玉軸受が記載されている。特許文献３には、セパレータの両端面を、軸受の軸心方向から見た投影面の形状が台形となるように成形した玉軸受が記載されている。特許文献４には、円柱状セパレータの直径、セパレータの長さ及び内外輪の溝半径を限定した玉軸受が記載されている。

これらの特許文献１〜４に記載された発明は、軌道内に配置されるセパレータの数が多い場合でも、セパレータの噛み込みによるロックが生じにくく、スムーズな回転を長期に渡り維持することのできる玉軸受を提供するというものである。

特開２００６−０２２８６４号公報 特開２００６−０１７２４１号公報 特開２００６−００９９３５号公報 特開２００８−２６７４０１号公報

しかしながら、これらの先行技術は、セパレータの寸法または形状を限定することで、玉詰まりによるトルクの上昇を緩和し、ロックの発生を抑制するものであり、ロックの原因である玉詰まり現象の発生を防止するものではない。

ここで、玉軸受の玉詰まり現象について説明する。玉詰まり現象とは、総ボール構成の玉軸受に発生しやすい軸受の挙動の一つで、軸受を回転させると軸受のボール列の局所にボールが集中して、複数のボールを介して内外輪を押し広げるようにボールが詰まって、回転がロックする現象である。これは、ボールとそれに隣接するボールとが軸受回転時に競り合うために一方は内輪、もう一方は外輪に互いを押しつけるようになり、軸受回転のロックが発生する。ボールに隣接する部材がボールではなく、円柱状のセパレータであったとしても、ボールとセパレータとが局所的に集中する状態が起こり得る場合は、隣接部材の形状には係わりなく前記のような玉詰まり現象は原理的に発生する。

したがって、特許文献１〜４に記載された軸受構成であれば、たとえ固体潤滑剤セパレータの寸法や形状をある設定値に管理したとしても、ボールと隣接部材との集中状態が起こらないよう規制するものでなく、玉詰まり現象の発生防止に関しては効果が乏しいという問題があった。

本発明は、固体潤滑剤セパレータの玉詰まり発生防止により、セパレータの噛み込みによるロックが生じにくい玉軸受、並びに搬送装置及び搬送ロボットを提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、本発明に係る玉軸受は、内輪と、外輪と、前記内輪及び前記外輪の間に転動自在に配された複数のボールと、隣り合う２個のボールの間に配された固体潤滑剤製のセパレータと、前記内輪及び前記外輪に沿う環状をなし、前記セパレータを保持するポケット及び前記ボールを保持するポケットを有する保持器と、を備える玉軸受において、前記セパレータを保持するポケットは少なくとも３個の前記ボールに対応する領域で連通しており、
前記セパレータは円柱形状で両端面を前記ボールに対面させて摺動し、その側面と角部とが内輪軌道面又は外輪軌道面と摺動するとともに、前記ボールの直径ｂ、前記セパレータの直径ｄ，前記セパレータを保持するポケットの直径Ｄ、及びボールとセパレータの円周方向のすきま総量ｔが下記式を満足し、
０．６Ｄ≦ｄ≦０．９５Ｄ
０．３ｂ≦ｔ≦２ｂ
上記ボールの直径をｂ、上記ボールの個数をｂｎとしたとき、３個の上記ボールに対応する領域のすきま量が３×０．３ｂ／ｂｎ以上に設定することにより、玉詰まり現象を規制し、ボールとセパレータの集中状態を回避することができるので、セパレータの噛み込みによるロックが生じにくいことを特徴とする。

また、上記問題を解決するために、本発明に係る搬送装置は、上記玉軸受を備えたことを特徴とする。
また、上記問題を解決するために、本発明に係る搬送ロボットは、上記玉軸受を備えたことを特徴とする。

円周方向すきま総量ｔと固体潤滑剤セパレータ直径ｄとが適正値になっているため、玉詰まり現象の発生を抑制し、セパレータの噛み込みによるロックが生じにくい玉軸受、並びに搬送装置及び搬送ロボットを提供できるという効果がある。

第１の実施形態における玉軸受の平面方向の断面図である。 第１の実施形態を示す玉軸受の平面図である。 セパレータの噛み込みにより軸受がロックする現象を説明する玉軸受の部分断面図である。 本発明を評価した試験方法の説明図である。 第２の実施形態における玉軸受の平面方向の断面図の一部である。 図５のＡ−Ａ位置で切断した径方向の断面図である。 第３の実施形態における玉軸受の径方向の断面図である（内輪側配置）。 第３の実施形態における玉軸受の径方向の断面図である（外輪側配置）。 第４の実施形態における玉軸受の平面方向の断面図（ａ）と、Ａ−Ａ位置の径方向の断面図（ｂ）である（内輪側配置）。 第４の実施形態における玉軸受の平面方向の断面図（ａ）と、Ａ−Ａ位置の径方向の断面図（ｂ）である（外輪側配置）。

図１は第１実施形態における玉軸受の断面図、図２は玉軸受の平面図である。軸受は深溝玉軸受であり、外周面に内輪軌道面１１を有する内輪１と、内周面に外輪軌道面２１を有する外輪２と、内輪軌道面１１及び外輪軌道面２１の間に転動自在に配された複数のボール３と、ボール同士の間隔を保つ固体潤滑剤製のセパレータ６と、を備えている。このセパレータ６は円柱形状の部材で、その両端面（円柱の両底面）を前記ボールに対面させている。また、ボールの直径ｂ、セパレータの直径ｄ，及びボールとセパレータの円周方向のすきま総量ｔが下記式を満足する。
０．６ｂ≦ｄ≦０．９５ｂ
０．３ｂ≦ｔ≦２ｂ

図２に示すように、内外輪１，２の側面に固体潤滑剤セパレータ装填用に入れミゾ７が設けられており、内外輪それぞれの入れミゾを同位相に配置すると軌道面に連通して開口する四角形の入れ穴として機能する。この穴を通して円柱状の固体潤滑剤セパレータ６を軸受内に装填する。固体潤滑剤セパレータ６はあらかじめ内外輪１，２間に入れてあるボール３の間に配置されるよう、ボール３を軌道内を滑らせて、次々に送りながら装填する。

上記式に従う深溝玉軸受は、内外輪１，２間にセパレータ６が噛み込まれにくいので、ロックが生じにくい。また、セパレータ６は低アウトガス性の固体潤滑剤で形成されていて、この深溝玉軸受はセパレータ６から転移した固体潤滑剤で潤滑されるので、低アウトガスである。
よって、真空環境下でも好適に使用可能である。また、固体潤滑剤の転移は深溝玉軸受の回転開始直後から発生し、通常は初期潤滑のために、外輪、内輪、ボールの少なくても１つに個体潤滑剤のコーティングが施されている。

ところで、玉詰まり現象を規制するためには集中状態を回避する構造が必要であるが、本実施形態の深溝玉軸受においては集中状態が確率的に発生しにくくなる理由について説明する。

ここで、ボール３の直径をｂ、セパレータ６の直径をｄ、ボール３とセパレータ６の円周方向のすきま総量ｔとすると、円周方向スキマｔは大きい程集中状態が発生しにくくなるが、円周方向スキマｔが大きすぎると軸受の回転速度が変化した際に、ボール３に固体潤滑剤セパレータ６が衝突し、固体潤滑剤セパレータ６の割れや欠けが発生する可能性がある。ｔがボール直径の２倍（＝２ｂ）を超えるとその可能性が大きくなるため、ｔが２ｂを超えないように上限の値を定めている（ｔ≦２ｂ）。

さらに、円柱形状である固体潤滑剤セパレータ６が内外輪軌道面１１，２１で形成されるトンネル内を引っ掛かりなく円滑に相対進行するためには、セパレータ６の直径を規制する必要がある。前述したように、円周方向スキマｔの許容値を比較的大きく設定しているため（ｔ≦２ｂ）、ボールとボールの間の固体潤滑剤セパレータ６は、円周方向に対して自由度が高く、軸受回転中に上述のトンネルの中で自由に遊ぶ状態が生じる。

その時、図３に示すように、トンネル内で固体潤滑剤セパレータ６が起き上がって、一端の角部が内輪軌道面１１、他端の角部が外輪軌道面２１に接触する。軸受の回転によってさらに起き上がるようになると、固体潤滑剤セパレータ６を介して内外輪がロックする。

これを防止するには、トンネル内で固体潤滑剤セパレータ６が起き上がらいようにトンネルの直径、すなわちボール直径ｂと固体潤滑剤セパレータ直径ｄとをなるべく近くする必要がある。ただし、内外輪１，２の弧の影響があるため、ｄ＝ｂでは軸受内に装填することが出来ないため、ｄの最大値を０．９５ｂとしている（ｄ≦０．９５ｂ）。

一方、ｄが小さすぎても内外輪軌道面間のトンネル開口部から固体潤滑剤セパレータが脱落することが生じるため、その下限値を０．６ｂと定めている（０．６ｂ≦ｄ）。０．６ｂあれば内外輪軌道面間のトンネル開口部から固体潤滑剤セパレータ６が脱落することはない。

さらに、図２の構成においては固体潤滑剤セパレータ６は全てのボール３と接触することが可能になるため、固体潤滑剤セパレータ６からの固体潤滑剤の移着（転移）が確実に行われ、ボールが確実に潤滑される。よって、全てのボールとボールとの間に固体潤滑剤セパレータが配置されているのが望ましいが、軸受内に少なくとも１個の固体潤滑剤セパレータが存在すれば、軸受は潤滑可能である。

その場合、固体潤滑剤セパレータ６が少ない分ボール個数をより多く装填することが可能となるため、例えば同じサイズの軸受では、より大きな負荷を付与することが可能となる。ただし、固体潤滑剤セパレータ６の個数はより少なくなるため、潤滑剤枯渇による軸受の寿命（潤滑寿命）は短くなる。

軸受の種類がアンギュラ玉軸受であることを除いては本実施形態の玉軸受とほぼ同様の構成の玉軸受を用意して、回転試験を行い、式の数値の妥当性について評価した。なお、固体潤滑剤セパレータはボールとボールとの間に全て設置されている。

図４に示す簡単な装置において、玉軸受端面を上下面として基台９３に設置、内輪１には手回し治具９２に装着したおもり９１により適当となるアキシャル荷重を負荷し、全ボールが荷重を受けて内外輪１，２の両方と接触しながら軸受が回転するようにした。試験方法は、毎分６回転の回転速度で、軸受内輪軸の手回し治具９２により軸受を１００回転一方向に回転させ、１００回転中に何回玉詰まりが生じるかを計測した。

固体潤滑剤セパレータの直径ｄが、ボール直径ｂの０．９６倍、０．９５倍、０．９０倍の３種類の試料による比較試験の結果、０．９６ｂは１０回ロックが発生したのに対して、０．９５ｂと０．９０ｂは１回もロックが発生しなかった。このことからｄ≦０．９５ｂとすれば玉詰まりが発生しないことが分かる。一方、ｄが０．６ｂ以上であれば、内外輪軌道面間のトンネル開口部から固体潤滑剤セパレータは脱落しない。

なお、本試験においては固体潤滑剤セパレータの長さはボール直径ｂと同一とし、ｄ＝０．６９ｂの時の固体潤滑剤セパレータが、組み立て時の軸受の内外輪間に入れ穴から装填可能である内輪外径と外輪内径とを選定している。

次に、ボールとセパレータの円周方向のすきま総量ｔがボール直径ｂの０．２倍、０．３倍、０．４倍の３種類の試料による比較試験の結果、０．２ｂは２０回ロックが発生したのに対して、０．３ｂと０．４ｂは１回もロックが発生しなかった。このことからｔ≧０．３ｂであれば玉詰まりは生じないことが分かる。

一方、ｔが２ｂを超えなければ、軸受の回転速度が変化した際にボールに固体潤滑剤セパレータが衝突しても、固体潤滑剤セパレータに割れや欠けが発生する可能性は低い。なお、本試験においては固体潤滑剤セパレータの径をｄ＝０．８ｂとして、充分に玉詰まりの条件から遠ざけている。

図５は第２実施形態における玉軸受の断面図、図６は図５のＡ−Ａ位置で切断した断面図である。本実施形態の深溝玉軸受は、外周面に内輪軌道面１１を有する内輪１と、内周面に外輪軌道面２１を有する外輪２と、内輪軌道面１１及び外輪軌道面２１の間に転動自在に配された複数のボール３と、内輪１及び外輪２に沿う環状の保持器４を備えるとともに、保持器４の柱部分４２にポケット４１が設けられ、ポケット４１内に、２個の前記ボールとこれら２個のボールの間に配された固体潤滑剤製のセパレータ５と、を備えている。

このセパレータ５は円柱形状で両端面をボール３に対面させているとともに、ボールの直径ｂ、セパレータの直径ｄ，ポケットの直径Ｄ、及びボールとセパレータの円周方向のすきま総量ｔが下記式を満足する。
０．６Ｄ≦ｄ≦０．９５Ｄ
０．３ｂ≦ｔ≦２ｂ

図６に示すように、保持器４の柱部分４２（ボールとボールの間に入る部位）に固体潤滑剤セパレータ５用のポケット４１が設けられていて、ポケット４１の一部が内輪側及び外輪側に開口している。このポケット４１に固体潤滑剤セパレータ５が内蔵されて、固体潤滑剤セパレータ５の端面部分がボールと対向して摺動し、固体潤滑剤セパレータ５の側面や角部が内輪軌道面１１および外輪軌道面２１と摺動する構成になっている。

この摺動により固体潤滑剤が相手部材に転移して軸受を潤滑する。本実施形態では、ポケット４１を、内輪軌道面１１とボール３の接触角付近及び外輪軌道面２１とボール３の接触角付近の２箇所に配置することにより、潤滑性能を向上させている。

この保持器４を持つ玉軸受の場合、ポケット直径Ｄは、第一実施形態における内外輪軌道面１１，２１のトンネル直径（ボール直径ｂに相当）と同様に機能する構造物と考えられるため、第一実施形態の条件式のボール直径ｂをポケット直径Ｄに置き換えることにより、固体潤滑剤セパレータの直径ｄに関して下記式が成り立つ。
０．６Ｄ≦ｄ≦０．９５Ｄ

また、保持器があるためにボール及びセパレータが１箇所に集中することはないが、部分的な集中状態は発生する。保持器のポケットは少なくとも３個のボールに対応する領域で連通しており、円周方向スキマ総量ｔは、ボール個数をｂｎ、ボール直径をｂとすると、下記式が成り立つ。
３×０．３ｂ／ｂｎ≦３×ｔ／ｂｎ≦３×２ｂ／ｂｎ
式を整理すると下記式となる。
０．３ｂ≦ｔ≦２ｂ

したがって、保持器を持つ玉軸受の場合、下記式を満足するならば、玉詰まりが生じない玉軸受を得ることが出来る。
０．６Ｄ≦ｄ≦０．９５Ｄ
０．３ｂ≦ｔ≦２ｂ

図７，８は第３実施形態における玉軸受の径方向断面図である。本実施形態の玉軸受は、前記第２実施形態の玉軸受とほぼ同様であるが、保持器の柱４２に設けられたポケット４１の個数が異なる。本実施形態では、ポケット４１は、保持器の柱４２の内輪側または外輪側の１箇所に配置されている。

固体潤滑剤セパレータ５の端面部分がボール３と対向して摺動し、固体潤滑剤セパレータの側面や角部が内輪軌道面１１または外輪軌道面２１と摺動することにより固体潤滑剤が相手部材に転移して軸受を潤滑するが、ボール３のスキュー運動により潤滑剤を軸受内部全域に転移することができる。したがって、ポケット４１の個数が少なく、固体潤滑剤セパレータ５の収容個数が少なくても軸受を潤滑することができる。

図９，１０は第４の実施形態における玉軸受の平面方向断面図（ａ）と径方向断面図（ｂ）である。本実施形態の玉軸受は、前記第３実施形態の玉軸受とほぼ同様であるが、固体潤滑剤セパレータ５の厚さが異なる。本実施形態では、固体潤滑剤セパレータの厚みがその直径ｄに比して極端に薄い。

固体潤滑剤セパレータが１０円玉のような円盤形状であっても、図９，１０に示すように固体潤滑剤セパレータ用のポケット４１を有する保持器４を用いれば軸受を構成することが可能である。この時も、本願請求項２の条件に従って軸受を製作すれば、たとえ固体潤滑剤セパレータの形状が円盤形状である場合でも玉詰まりを生じない軸受を得ることができる。

本発明の玉軸受は、真空環境下で使用される搬送装置や搬送ロボットに好適に適用できる。

１ 内輪
２ 外輪
３ ボール
４ 保持器
５ セパレータ（保持器有り）
６ セパレータ（保持器なし）
７ 入れミゾ
１１ 内輪軌道面
２１ 外輪軌道面
４１ 保持器のポケット
４２ 保持器の柱
９１ おもり
ｔ 円周方向のすきま総量

Claims (3)

1. 内輪と、外輪と、前記内輪及び前記外輪の間に転動自在に配された複数のボールと、隣り合う２個のボールの間に配された固体潤滑剤製のセパレータと、前記内輪及び前記外輪に沿う環状をなし、前記セパレータを保持するポケット及び前記ボールを保持するポケットを有する保持器と、を備える玉軸受において、
   前記セパレータを保持するポケットは少なくとも３個の前記ボールに対応する領域で連通しており、
   前記セパレータは円柱形状で両端面を前記ボールに対面させて摺動し、その側面と角部とが内輪軌道面又は外輪軌道面と摺動するとともに、前記ボールの直径ｂ、前記セパレータの直径ｄ，前記セパレータを保持するポケットの直径Ｄ、及びボールとセパレータの円周方向のすきま総量ｔが下記式を満足し、
   ０．６Ｄ≦ｄ≦０．９５Ｄ
   ０．３ｂ≦ｔ≦２ｂ
   前記ボールの直径をｂ、前記ボールの個数をｂｎとしたとき、３個の前記ボールに対応する領域のすきま量を３×０．３ｂ／ｂｎ以上に設定したことを特徴とする玉軸受。
2. 請求項１に記載の玉軸受を備えたことを特徴とする搬送装置。
3. 請求項１に記載の玉軸受を備えたことを特徴とする搬送ロボット。

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