JP6075418B2 - 回転玩具に用いられるボールベアリング - Google Patents

Description

本発明は、低負荷で精度良く回転するボールベアリングの内輪に軸を固定させた軸受ユニットに関する。具体的には、ボールベアリングの内輪に固定される軸に内輪と同芯のテーパ部を設け内輪に対し容易に芯出し可能とした軸受ユニットに関する。
また、本発明は、回転玩具に用いられるボールベアリングに関する。

従来、この種のヨーヨーは、中央部に配置されるボールベアリングの内輪に対して、ハーフの中心部に設けられた嵌合部を対応させ、ハーフとボールベアリングの中心位置決めを行うとともに、内輪の内部に配置したネジを両側のハーフに螺入させて、固定することで実現することができた。また、ヨーヨーを構成する部品は、各自でメンテナンスを行うことができるように配慮されており、部品のクリーンアップや、ボールベアリングへの注油、細かなバランス調整などのチューンアップなどにより、個々人による特徴を持ったヨーヨーを実現させることができた。

また、ヨーヨーを用いた競技には様々な形態のものがあり、ヨーヨーの種類や形態による特徴の出し方、各特性のバランスなどの多方面の特徴を競うことが行われている。回転から停止するまでの回転時間を競うロングスリーパーや、綾取りなどパフォーマンスを競うものなどは良く知られている種目である。

例えば、特許文献1には、ヨーヨーの芯に巻かれる紐（ストリング）の捻れなどによる、位置ずれを防止するためにベアリングの外輪には連続する球凹面を設けることや、ハーフに対してネジにより固定できることが開示してある。
さらに、特許文献２には、軸の両側にネジが設けられ、ネジによりハーフが両側に固定されるとともに、軸の中央部分に軸受を配置したヨーヨーが開示されている。

米国特許第７，１７５，５００号明細書 日本国特開２００３−１３５８５９号公報

しかしながら、従来のヨーヨーにおいては、分解清掃などを行ない、軸受とハーフを分解し再組み立てすると、軸受の軸心とハーフとの間の軸心が若干ずれ、微妙に動バランスが変化して、ロングスリーパーなどにおいて、回転時間が変化したり、ハーフの回転振れが変化したりするという問題があった。これらの原因について、従来のヨーヨーの軸受周辺の断面図の図５を参照しながら詳細に説明する。

図５において、ヨーヨーの中心部に配置されたボールベアリング５１の両側には、大きなイナーシャを有するハーフ５３が配置されている。ハーフ５３の内径部分５３ａには、ハーフ５３をボールベアリング５１の内輪に対して両側よりネジ５２を介して固定されている。また、ハーフ５３にはボールベアリング５１の内輪に対して位置決めする嵌合部分５４が設けられている。

ハーフ５３の嵌合部分５４とボールベアリング５１の内輪とは、分解可能なように、スキマバメとなっているが、隙間が大きいと芯ズレが発生することがあり、回転時間が変化したり、ハーフの回転振れが変化したりすると考えられる。一方、隙間が殆どない場合には、いわゆる喰い付きやカジリなどで分解する時にネジ５２を緩めても、ハーフ５３の嵌合部分５４とボールベアリング５１の内輪とがきつく嵌合されていて、分解が困難でボールベアリング５１の外輪の凹部に先端の細いラジオペンチなどを装着させてコジルことで取り外していた。

このために、ボールベアリング５１の転動溝（レース溝）に圧痕（ブリネル圧痕）を付けてしまったり、ハーフ５３の嵌合部分５４が削れてしまって、逆に隙間が大きくなることによって、組み立ての芯ずれが大きくなり、結果として回転時間が変化したり、ハーフの回転振れが変化するなどの問題があった。

また、左右のハーフ５３を共用するために同じ形状にすると、ハーフ５３の嵌合部分５４の軸方向の嵌合長さ（図５中のＬ）はボールベアリング５１の幅寸法Ｂの半分以下となる。つまり、Ｂ＞２×Ｌの関係となっており、嵌合長さが短い為にハーフ５３の位置決め精度が低下することが理解できる。

さらに、従来のヨーヨーにおいて、ボールベアリングとハーフとを分解し再組み立てを行う際には、ボールベアリングの外輪を把持した状態で行なわれる。特に、ボールベアリングの外輪の汚れを除去する際には、片方の手でボールベアリングの外輪を不織布などでしっかりと把持し、もう一方の手でボールベアリングの外輪を円周方向に擦るように拭くことが行なわれる。そして、上記特許文献１に記載のヨーヨーでは、ボールベアリングの外輪の外周面に凹面が軸方向端面に至るまで一様に設けられているため、外輪の外周面の軸方向両側部は先端が尖った形状となっている。このため、断面積が先端に行くに従い小さくなり、分解点検作業などに際して許容応力を超えることがあり、チッピングを生じやすい。そして、チッピングが生じた場合、外輪の外周面の軸方向両側部で不織布などが引っ掛かり作業性の低下を招く可能性がある。また、分解組み立てなどを行う際、かかる従来のものは安全性に配慮することが余計に求められ、ボールベアリングの取り扱いに注意を払う必要が生じ、このことにおいても、作業性の低下を招く可能性がある。

また、作業者によっては、この尖った形状により鋭い感じの印象を強く受けるなどして作業自体を敬遠してしまうことがある。特に、金属製のボールベアリングでは、ボールベアリングの特性を最大限に引き出すために、鋼材を焼入れ・焼き戻しなどの熱処理をして硬度を高めているため、この傾向は顕著である。

本発明は、上記課題を解決するものであり、外輪の外周面に凹面が形成されていても、分解又は組み立てを行う際、不織布などによる引っ掛かりを防止すると共に、また、鋭い感じの印象、及び過剰な安全性の配慮を抑制して、作業性の向上を図ることができる回転玩具に用いられるボールベアリングを提供することを目的とする。

本発明は、回転玩具に用いられる軸受ユニットにおいて、ボールベアリングの内輪の幅に対応し軸径が一様な中央部と、これに続く両側が端に向かって細くなるテーパ部を有する軸と、軸の中央部を前記内輪に固定したことを特徴とする。

この構成により軸とボールベアリングの内輪とは、その軸方向全長（幅寸法Ｂ）にわたって位置決めされるので精度が高くできる。また、軸とボールベアリングの内輪が固定されているので、回転玩具の分解メンテナンスを行う場合も、この部分は分解しない（できない）ので軸と内輪の関係が精度の良い状態のままで保たれる。

また、軸の中央部に続く両側が端に向かって細くなるテーパ部を有するので、このテーパ部を用いることで外側に配置されるハーフを実質的にボールベアリングの内輪に対して容易にしかも正確に位置決めすることできる。

更に良いことには、ボールベアリングの内輪に大きな負荷をかけることなく、ハーフの着脱が可能となるので、ボールベアリングにブリネル圧痕などのダメージを与えることも防止できる。

また、内輪と軸の中央部とはシメシロを有し、シメシロは、ボールベアリングのラジアル隙間より小さいことを特徴とする。この構成により、軸がボールベアリングの内輪に装着される際に、ラジアル隙間がシメシロにより減少しても確実にラジアル隙間を確保することができ、回転トルクを低く保つことができ、軸受ユニットの特性が確保できる。これにより回転精度の高いヨーヨーを実現できる。

また、内輪と軸の中央部とは隙間を有し、隙間に充填される接着剤により固定され、接着剤には前記ボールベアリングのラジアル隙間より小さなフィラーを含むことを特徴とする。この構成により、シメシロがないのでボールベアリングのラジアル隙間の変化を防止でき、万一接着剤からフィラーが飛散して、ボールベアリングの内部に侵入したとしても、ラジアル隙間よりフィラーが小さいので、ラジアル隙間を確実に確保することができる。これにより、内輪の回転がロックすることがなく、軸受ユニットの特性が確保できる。

また、軸受ユニットのボールベアリングの内外輪はマルテンサイト系ステンレス鋼のＳＵＳ４４０Ｃからなることを特徴とする。この構成により、通常のＳＵＪ２などの高炭素クロム軸受鋼などと比較して、ボールベアリングの防錆性能を高くできるので防錆油の塗布を省略できる。これにより、メンテナンスにおける作業が簡便になるとともに、巻回するストリングスに防錆油が付着することを防止できるので、周囲への防錆油の飛散が低減できる。また、通常環境下での使用が可能となる。なお、ストリングスを経由して防錆油が指に付着することによる不快感を防止することもできる。

また、本発明のヨーヨーは上記の軸受ユニットと、テーパ部に嵌合装着されるハーフと、を有することを特徴とする。この構成により、ヨーヨーの分解組み立てを行っても、軸とボールベアリングの内輪の関係が精度の良い状態のまま保たれ、軸のテーパ部に対してハーフが位置決めされるので、実質的にボールベアリングの内輪に対してハーフが容易に正確に位置決めされることになり、分解組み立てを行っても、回転精度の高いヨーヨーの提供が容易に可能となる。

また、ハーフは締結手段を介して軸受ユニットに着脱可能となることを特徴とする。この構成によってハーフの位置決めと締結とが別々にできるため、それぞれの設計の自由度が大きくできるとともに、お互いの機能が影響を及ぼすことを低減できるので、例えば締結手段における締付け具合によって、ハーフの位置決め精度に影響を与える恐れがない。

また、ハーフのテーパ部に嵌合装着される部分には、ハーフより硬度の高いブッシュが設けられていることを特徴とする。この構成により、分解組立ての回数が増加しても、硬度の高いブッシュにより摩耗を低減できるので位置決め精度の低下を防止でき、回転精度の高いヨーヨーの提供が可能となる。なお、硬度が高いので、いわゆる喰い付きやカジリなども少なくできるので、分解組立て時の作業性も向上することもできる。

また、ブッシュはマルテンサイト系ステンレス鋼であることを特徴とする。この構成により、防錆性が高いので特段の防錆処理を必要としないので、取り扱いが容易である。更には、ボールベアリングの内外輪も合わせてマルテンサイト系ステンレス鋼とすることで、熱膨張係数を同等とすることもできるために、温度変化に伴う回転精度や回転トルクの変化を低減できる。

そして、本発明は、上記目的を達成するために、マルテンサイト系ステンレス鋼のＳＵＳ４４０Ｃからなる内輪及び外輪と、内輪及び外輪間に配置されるボールと、を有するボールベアリングであって、外径が１／２インチであり、幅が３／１６インチであり、外輪の外周面には、ボールの位置に関して軸方向に線対称となる凹面が形成され、凹面の曲率は、０．２２５インチであり、凹面の外径は、ボールが配置される軸方向中央部の位置で最も小さく、凹面の軸方向両側には、外輪の端面に対し垂直となる平坦面がそれぞれ形成され、平坦面の幅寸法を０．０６ｍｍ以上、０．１３ｍｍ以下に設定することを特徴とする。

この構成により、ボールベアリングの回転時には、発生する振動などにより紐と外輪との摩擦状態が動摩擦となり、静摩擦係数と比較して摩擦係数が低下して、紐が外径の最も小さい軸方向中央部に移動することになる。このため、ボールベアリングの外輪を安定して保持できる。また、凹面により紐に捻れがあった場合でも、外輪と紐との平均的な位置は外径の最も小さい軸方向中央部付近となるため、紐により回転しているボールベアリングを安定的に支持することができる。

また、凹面の軸方両側に外輪の端面に対し垂直となる平坦面がそれぞれ形成されるため、外周面の軸方向両側部と外輪の端面とのなす角度を実質的に鈍角にすることができる。このため、外輪の外周面に凹面が形成されていても、分解又は組み立てを行う際、不織布などによる引っ掛かりを防止すると共に、また、鋭い感じの印象、及び過剰な安全性の配慮を抑制して、作業性の向上を図ることができる。

また、凹面の軸方向中央部は放物線形状又は円弧形状に形成されることを特徴とする。この構成により、ボールベアリングの回転時に、ボールベアリングの軸（回転軸）と外輪の軸方向中央部の仮想接線とが断面視において平行な位置関係となる。これにより、紐により回転軸を安定して支持できる。また、凹面の軸方向中央部が底部とされ、この底部での仮想接線が断面視でゼロとなり、そしてこの底部から離れるに従い外径が単調増加することになる。このため、紐を外径の小さい軸方向中央部に安定して支持させることが可能となり、紐の蛇行なども低減でき回転精度の良い回転玩具を実現することができる。

また、内輪及び外輪がマルテンサイト系ステンレス鋼のＳＵＳ４４０Ｃからなることを特徴とする。この構成により、通常のＳＵＪ２などの高炭素クロム軸受鋼などと比較して、ボールベアリングの防錆性能を高くできるので防錆油の塗布を省略できる。これにより、メンテナンスにおける作業が簡便になるとともに、巻回するストリングスに防錆油が付着することを防止できるので、周囲への防錆油の飛散が低減できる。また、通常環境下での使用が可能となる。なお、ストリングスを経由して防錆油が指に付着することによる不快感を防止することもできる。さらに、ボールベアリングの内輪及び外輪も合わせてマルテンサイト系ステンレスとすることにより、熱膨張係数を同等して、温度変化に伴う回転精度や回転トルクの変化を低減することができる。

また、本発明に係るヨーヨーは、上記のボールベアリングと、上記のボールベアリングの内輪の内径に固定される軸と、軸の軸方向両側にそれぞれ固定されるハーフと、を有し、ハーフに密度の高いイナーシャが取り付けられることを特徴とする。この構成により、ヨーヨーに巻回される紐の捻りを低減して、位置ずれを防止することができる。これにより、安定した回転が得られるヨーヨーを実現することができる。さらに、ボールベアリングの外輪の外周面に凹面が形成されていても、ヨーヨーの分解又は組み立てを行う際、不織布などによる引っ掛かりを防止すると共に、また、鋭い感じの印象、及び過剰な安全性の配慮を抑制して、作業性の向上を図ることができる。このため、保守管理が容易で且つ作業性が向上したヨーヨーを実現することができる。

また、本発明に係るヨーヨーのハーフは、軸に対して着脱可能であることを特徴とする。この構成により、ハーフの選択の自由度を向上させ、各競技に適したヨーヨーをそれぞれ用意することができる。また、ボールベアリングの特性とハーフの特性を適宜選択して新たな組合せを作り出すことで、多種多様な競技に対応することができ、対応できる競技種目のバラエティーを増大させることができる。

本発明の軸受ユニットによれば、軸とボールベアリングの内輪が固定されているので、回転玩具の分解組み立てを行っても軸と内輪の関係が精度の良い状態のままで保たれる。また、この軸受ユニットを用いてヨーヨーを構成すると、ハーフと軸とがテーパにより嵌合させることにより、簡単でしかも確実に軸とハーフの軸心を一致させることができ、芯ズレが低減でき回転精度の高いヨーヨーが実現できる。

また、本発明の回転玩具に用いられるボールベアリングによれば、外径が１／２インチであり、幅が３／１６インチであり、外輪の外周面には、ボールの位置に関して軸方向に線対称となる凹面が形成され、凹面の曲率は、０．２２５インチであり、凹面の外径は、ボールが配置される軸方向中央部の位置で最も小さく、凹面の軸方両側部に外輪の端面に対し垂直となる平坦面がそれぞれ形成され、平坦面の幅寸法を０．０６ｍｍ以上、０．１３ｍｍ以下に設定するため、外周面の軸方向両側部分と外輪の端面とのなす角度を実質的に鈍角にさせることができる。このため、外輪の外周面に凹面が形成されていても、分解又は組み立てを行う際、不織布などによる引っ掛かりを防止すると共に、また、鋭い感じの印象、及び過剰な安全性の配慮を抑制して、作業性の向上を図ることができる。
また、本発明の回転玩具に用いられるボールベアリングによれば、内外輪がマルテンサイト系ステンレス鋼のＳＵＳ４４０Ｃからなるので、通常のＳＵＪ２などの高炭素クロム軸受鋼などと比較して、ボールベアリングの防錆性能を高くできるので防錆油の塗布を省略できる。これにより、メンテナンスにおける作業が簡便になると共に、巻回するストリングスに防錆油が付着することを防止できるので、周囲への防錆油の飛散が低減できる。また、通常環境下での使用が可能となる。なお、ストリングスを経由して防錆油が指に付着することによる不快感を防止することもできる。

本発明の第１実施形態に係るヨーヨーの断面図 図１の軸受ユニット周辺のＡ部拡大図 軸とハーフの嵌合を説明する断面図 本発明の第１実施形態に係るボールベアリングの断面図 従来のヨーヨーの軸受部分の要部断面図 本発明の第５実施形態に係るヨーヨーの断面図 図６の軸受ユニット周辺のＥ部拡大図 本発明の第５実施形態に係るボールベアリングの断面図 図８のボールベアリングのＣ部拡大図 本発明の第５実施形態に係る平坦面の効果を説明する図 第５実施形態の変形例を説明する要部拡大図 他の従来のヨーヨーのボールベアリングの断面図 図１２のボールベアリングのＤ部拡大図

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施形態に係るヨーヨーの断面図、図２は図１の軸受ユニット周辺のＡ部拡大図、図３は軸とハーフの嵌合を説明する断面図、図４はボールベアリングの断面図を示す。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る軸受ユニットと、この軸受ユニットを用いた回転玩具としてのヨーヨーは、図１に示すように、中心部分に設けられた軸受ユニット１０の両側に径の大きなハーフ３０が取り付けられ、ハーフ３０の外周部分には、密度が高い材料で作られたイナーシャの大きなイナーシャリング４０が取り付けられヨーヨー１を構成している。図示しないストリングスと呼ばれる、捻られた糸が軸受ユニット１０の外周に巻回されてヨーヨーに回転運動を与え、いろいろな種目の競技が行われる。

次に、図２と図３により軸受ユニット１０のより詳細な説明を行う。軸受ユニット１０は、ボールベアリング１１の内輪１２に対して、軸１５の中央部１６が圧入されて機械的に固定されている。軸１５の中央部は直径がストレートとなっており、その長さはボールベアリング１１の幅寸法に対応させている。軸１５の中央部１６に続く両側部分は端に向かって細くなるテーパ部１７が設けられている。

テーパ部１７の先には、ネジ１８と端面には同軸にセンタ穴１９が設けられている。テーパ部１７にハーフ３０を装着して、締結手段のナット３７により固定できるようになっている。ハーフ３０にはその中心部にブッシュ３５が設けられ、ブッシュ３５の内径部分３６には、軸１５のテーパ部１７と同様のテーパが設けられている。また、ハーフ３０のボールベアリング１１の近傍には、ストリングスをハーフ３０に巻き付けるためのシリコーンゴムなどによる摩擦板３３が設けられている。

次にボールベアリング１１について図４により説明する。図４において、内輪１２、外輪１３および転動体としてのボール１４は、マルテンサイト系ステンレス鋼のＳＵＳ４４０Ｃまたは相当品を用いており、所要の形状に機械加工した後に、焼入れ・焼き戻しなどの熱処理を施して、研削等によって最終形状に仕上げられている。ＳＵＳ４４０Ｃを用いているために、通常のＳＵＪ２などの高炭素クロム軸受鋼などと比較して、防錆性が高いので、防錆油を塗布せずに通常環境下での使用が可能となる。

ボール１４は、図示しないリテーナによって所要の位置にほぼ等間隔で配置されている。一般的なボールベアリングと比較して、外輪外径に凹面を有する点が大きく異なっている。内輪・外輪の間には必要に応じて潤滑油またはグリースが塗布または、充填される。

潤滑油の例としては、ＰＡＯ（ポリαオレフィン）ベースとして所要特性を改善するための添加剤を加えて作られる。活性酸素のような反応性の高いラジカルに対して強い抗酸化作用を示すフラーレンや白金族などの元素によるナノ粒子などを添加することも可能である。

ボールベアリング１１の概略の大きさは、外径×内径×幅（Ｄ×ｄ×Ｂ）として１２．７×６．３５×４．７６２［ｍｍ］（１/２×１/４×３/１６［インチ］）でボール１４の個数は、９、１１、１３ないし１５個と奇数個としているが、これらは適宜選択できる。精度的にはＡＢＥＣ５またはそれ以上で、ラジアルスキマは５〜１０μｍのものを用いている。図示しないシールドは両側シールドの形態のものを用いている。

さて次に、軸受ユニット１０およびヨーヨー１に関しての組み立てについて説明を行う。まず、軸受ユニット１０において前述のボールベアリング１１の内輪１２の幅寸法は、４．７６２［ｍｍ］で、装着される軸１５の中央部１６はこの寸法に対応して同じ長さとしてある。これによって、前述の従来のヨーヨーの軸受部分と比較すると、２倍以上長い嵌合長さ（内輪幅Ｂ）が得られるのでボールベアリング１１の軸芯と軸１５の軸芯が精度良く組み立てることが可能となる。なお、軸１５の中央部１６の内輪幅に対応した寸法とは、内輪幅と同じ長さに限定されず、ボールベアリング１１の軸芯と軸１５の軸芯が精度良く組み立てられる範囲であれば任意である。

軸１５の材料は、ＳＵＳ３０３で中央部１６の直径は、ボールベアリング１１の内輪１２の内径寸法に対して、ラジアルスキマより小さなシメシロが与えられる寸法としている。これにより、軸１５を内輪１２に圧入した時にラジアルスキマが減少するが、圧入後のラジアルスキマがなくなることを確実に防止することができる。

なお、軸１５の中央部１６に続く両側部分は端に向かって径が細くなるテーパ部１７が設けられているために、圧入の際に案内となるとともに、カジリなども防止できるので、作業性も向上できる。更には、圧入の時に軸１５の表面に速乾性のパンチングオイルなどを僅かに塗布することで、摩擦係数を低減し圧入が、よりスムーズにすることもできる。オイルも速乾性なので、圧入後に影響を残すことがなく便利である。

なお、ラジアルスキマのより大きなボールベアリングを用いて、シメシロを大きく設定することで、抜去力が十分得られるようにして、内輪１２の幅に対して軸１５の中央部１６に部分的な逃げ溝を設けることも可能である。この場合の逃げ溝は内輪１２の肉厚が最も薄くなる中央部分に設けることで、ボール１４が走行するレース溝と呼ばれる転動溝（図示しない）の圧入による変形を防止でき、内輪１２の回転がよりスムーズにすることも可能である。

このようにして、ボールベアリング１１と軸１５とを機械的に固定させることで、軸受ユニット１０が組み立てられる。その後に必要により、回転トルクや、振れ回り、アンデロンメータによる音響選別などを行うことも可能である。

次に、ヨーヨーとしての組み立てについて説明を行う。この種の競技用のヨーヨーは、分解・清掃・調整などを使用のたびや、定期的に行い、より競技者の好ましい特性となるように整備されることが知られている。従って、組み立てにおいては、思うような特性が常に安定して保持されることが重要となる。

つまり、何度組み立てても、ボールベアリング１１と軸１５およびハーフ３０の関係が一様と成ることが要求される。一様とはより具体的に、ボールベアリング１１の軸心に対して、精度が高い状態で、軸１５、ハーフ３０が位置決めされて組み立てることができることである。これによって、回転時のバランスを良く保てることで、回転時間が変化したり、ハーフの回転振れが変化したりすることを確実に防止できるようにするものである。

前述の軸受ユニット１０によって、ボールベアリング１１と軸１５の軸芯を精度良く一致させることができ、しかも機械的に固定されているので、ボールベアリング１１と軸１５は分解する必要がない。従ってボールベアリング１１と軸１５との関係は常に同じ状態とすることができる。

さて、ハーフ３０には、ブッシュ３５が中心部に設けられ、ブッシュ３５の内径部分３６には、軸１５のテーパ部１７に設けられているテーパと同じ大きさのテーパが設けられている。本実施の形態において、ハーフ３０の材料はアルミニウム（Ａ５０５２など）で作られ、ブッシュ３５は軸と同様にＳＵＳ３０３を用いている。

アルミニウムは密度が小さいので軽いが、比較的柔らかいために嵌合部分に使用すると摩耗してガタを生じやすく、カジリが発生し易い。また、回転時間を長くするためには、ハーフは軽くてイナーシャが大きいことが要求されるため、本実施の形態では、軽いハーフ３０と、大きなイナーシャを有するイナーシャリング４０を組み合わせることで実現している。

前述のようにイナーシャリング４０は密度の高い材料として、黄銅（Ｃ２６００など）を使用して、ハーフ３０の中心軸に対して精度良く芯を出して固定されている。

次に、軸受ユニット１０の軸１５のテーパ部１７とブッシュ３５の内径部分３６による芯出しについて説明する。テーパ部１７とブッシュ３５の内径部分３６には同じテーパとして同じ傾斜を有するテーパが軸および穴に対して形成されている。

本実施の形態では、線形のテーパ（ｔａｎθが一定）としており、１／５０から１／４程度が好ましく、更に好ましくは１／２０から１／５程度で、この値は適宜選択可能である。なお、テーパの形態は本実施のように線形テーパ以外にも指数関数や放物線によるテーパなどを用いることも可能である。

嵌合部分の径寸法については、ブッシュ３５の内径部分３６のほうが軸のテーパ部１７外径より僅かに小さくしてあり、軸のテーパ部１７の途中までで嵌合が止まるようになっている。ブッシュ内径と軸のテーパ部の外径の寸法が僅かに変化した場合には、軸の芯が出た状態で嵌合の止まる位置が軸方向にのみ移動する。移動する量は寸法の差分と、テーパに相応する量で決定される。

軸受ユニット１０にブッシュ３５を内径に持つハーフ３０を装着して、軸方向に移動させれば、自動的に芯が出て、仕上がり径に対応した位置で停止する。この状態で、ナット３７によって締結すれば、容易にハーフが精度良く位置決めされて固定することができる。

（第２実施形態）
次に本発明における第２実施形態について説明する。この実施の形態においては、内輪１２と軸１５の中央部１６とは隙間を有し、隙間に充填される接着剤（図示せず）により固定される形態のものである。

前述にように、接着剤にはボールベアリング１１のラジアル隙間より小さなフィラー（図示せず）を含み、軸嵌合用として嫌気性のものを用いている。フィラーとしては球形で平均径がおよそ５０ｎｍのものを用いている。粒度分布については、特に指定しないが、最大の粒径がボールベアリング１１のラジアル隙間より小さことが必要である。フィラーの材質や形状、大きさは適宜選択可能である。

硬化反応については、ほかに熱、紫外線などにより開始剤が動作するものを併用させることで、はみ出した接着剤の硬化を行うことも可能である。

本実施の形態では、シメシロがないのでボールベアリングのラジアル隙間の変化を確実に防止できる。また、内輪１２に与える応力を小さく、均一にすることができるため、ボールベアリング１１単体での特性が、ほぼそのままの状態で保持される。また、接着剤に含まれるフィラーが万一飛散して、ボールベアリング１１の内部に侵入したとしても、ラジアル隙間より小さいので、ラジアル隙間がなくなることがなく、内輪１２がロックすることがない。

（第３実施形態）
次に本発明における第３実施形態について説明する。この実施の形態においては、ボールベアリング１１の内輪１２、外輪１３、軸１５がマルテンサイト系のステンレス鋼で構成されたものである。より具体的にはＳＵＳ４４０Ｃで構成されており、ボールベアリング１１と軸１５とを同じ材料とすることにより、熱膨張係数を同じにすることができる。

これによって、温度変化に伴う、微小の寸法変化による特性の変化を確実に防止でき、軸受ユニット１０およびヨーヨー１の温度特性を向上させることが可能となる。なおブッシュ３５も同じ材料とすることで、更に温度特性を向上させることも可能である。

（第４実施形態）
次に本発明における第４実施形態について説明する。この実施の形態においては、軸１５の両端にあるネジ１８の端面に、軸１５の中心軸と同軸に設けられたセンタ穴１９を利用することで、簡易に回転のバランスを確認・調整することができる。

軸受ユニット１０にイナーシャリング４０を含むハーフ３０を組み付けて、ヨーヨー１として組み立て完成させた後に、外側より図示しない芯押し台などにより、センタ穴１９をナット３７の中央部に設けられた穴を通して、両側より支持する。ヨーヨー１はセンタ穴１９により固定されるので、ハーフ３０を手で軽く回してハーフ３０の端面振れなどを観察することで、完成したヨーヨー１の回転バランスを簡易的に確認することが可能となる。

振れ回りの位相や大きさから、バランスを修正するためのカウンターウエイトをハーフ３０に適宜付けてバランスを確認しながら修正することで、より精度の良いヨーヨーを簡便に実現することが可能となる。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態に係る軸受ユニットと、この軸受ユニットを用いた回転玩具としてのヨーヨー２は、図６に示すように、中心部分に設けられた軸受ユニット６０の両側に径の大きなハーフ８０が取り付けられ、ハーフ８０の外周部分には、密度が高い材料で作られたイナーシャの大きなイナーシャリング９０が取り付けられヨーヨー２を構成している。図示しないストリングスと呼ばれる、捻られた糸が軸受ユニット６０の外周に巻回されてヨーヨーに回転運動を与え、いろいろな種目の競技が行われる。

次に、図７により軸受ユニット６０のより詳細な説明を行う。軸受ユニット６０は、ボールベアリング６１の内輪６２に対して、軸６５が圧入されて固定されている。軸６５の中央部６６は直径がストレートとなっており、その長さはボールベアリング６１の幅寸法に対応させている。軸６５の中央部６６に続く両側部分は端に向かって細くなるテーパ部６７が設けられている。

また、軸６５の先端部にはネジ６８が設けられている。これにより、テーパ部６７にハーフ８０を装着して、締結手段のナット８７により固定できるようになっている（図６参照）。また、軸６５の先端面には同軸にセンタ穴６９が設けられている。

また、ハーフ８０の中心部にはブッシュ８５が設けられており、このブッシュ８５の内径部分８６には、軸６５のテーパ部６７と同様のテーパが設けられている。これにより、軸６５のテーパ部６７との間で位置決めされる構成になっている。また、ハーフ８０のボールベアリング６１の近傍には、ストリングスをハーフ８０に巻き付けるためのシリコーンゴムなどによる摩擦板８３が設けられている。

次に、ボールベアリング６１について図８により説明する。図８において、内輪６２、外輪６３および転動体としてのボール６４は、マルテンサイト系ステンレス鋼のＳＵＳ４４０Ｃまたは相当品を用いており、所要の形状に機械加工した後に、焼入れ・焼き戻しなどの熱処理を施して、研削等によって最終形状に仕上げられている。ＳＵＳ４４０Ｃを用いているために、通常のＳＵＪ２などの高炭素クロム軸受鋼などと比較して、防錆性が高いので、防錆油を塗布せずに通常環境下での使用が可能となる。

ボール６４は、図示しないリテーナによって所要の位置にほぼ等間隔で配置されている。一般的なボールベアリングと比較して、外輪６３の外径面に凹面７１を有する点が大きく異なっている。凹面７１は、放物線形状又は円弧形状とされ、軸方向中央部の外径が最も小さく、且つ軸方向中心位置で線対称な形状となるように形成されている。また、凹面７１の軸方向両側には、外輪６３の端面に対し垂直となる平坦面７２がそれぞれ形成されている（図９参照）。なお、内輪６２と外輪６３との間には必要に応じて潤滑油またはグリースが塗布または、充填される。

潤滑油の例としては、ＰＡＯ（ポリαオレフィン）ベースとして所要特性を改善するための添加剤を加えて作られる。活性酸素のような反応性の高いラジカルに対して強い抗酸化作用を示すフラーレンや白金族などの元素によるナノ粒子などを添加することも可能である。

ボールベアリング６１の概略の大きさは、外径×内径×幅（Ｄ×ｄ×Ｂ）として１２．７×６．３５×４．７６２［ｍｍ］（１/２×１/４×３/１６［インチ］）でボール６４の個数は、８、９、１１、１２、１３ないし１５個としているが、これらは適宜選択できる。精度的にはＡＢＥＣ５またはそれ以上で、ラジアルスキマは５〜１０μｍのものを用いている。図示しないシールドは両側シールドの形態のものを用いている。

次に、軸受ユニット６０およびヨーヨー２に関しての組み立てについて説明を行う。この種の競技用のヨーヨー２は、分解、清掃、調整を使用のたびに行ったり、定期的に行ったりする。これにより、競技者のより好ましい特性が常に維持できるように整備される。また、本実施形態では、前述したように、軸６５にテーパ部６７が設けられるとともに、ブッシュ８５の内径部分８６がテーパ部６７に対応した形状に形成されるため、ボールベアリング６１の軸方向両側にハーフ８０を配置させて組み立てるだけで、確実に位置決めされ、また安定した特性が得られる。これにより、停止時間が変化したり、ハーフ８０の回転振れが変化したりするのを防止することができる。また、ハーフ８０を軸受ユニット６０に対して着脱可能に容易に取り付けることができる。

このように、ハーフ８０を容易に分解又は組み立てることができるため、ハーフ８０ごとの微妙なバランスも容易に取ることができ、競技におけるパフォーマンスを向上させることができる。

また、ボールベアリング６１は、ヨーヨー２の回転特性を左右する重要な部品である。このため、ボールベアリング６１の保守点検作業では、ボールベアリング６１の清掃、オイルの塗布、グリースアップなどに加え、オイルやグリースの調整や塗布方法の検討なども行なわれる。さらに、ボールベアリング６１自身の分解、清掃、又は組み立てなども行なわれる。この場合、ボールベアリング６１の内輪６２及び外輪６３の転動面や、ボール６４の表面に傷が発生していないかなど、細心の注意が払われる。

次に、本発明の技術的意義を明らかにするために、図１２および図１３を参照して、従来のボールベアリングにおける外輪の外周面の軸方向両側部の形状について説明する。

この従来のボールベアリング１６１は、図１２に示すように、内輪１６２、外輪１６３および転動体としてのボール１６４を有して構成されている。ボールベアリング１６１の概略の大きさは、外径×内径×幅（Ｄ×ｄ×Ｂ）として１２．７×６．３５×４．７６２［ｍｍ］（１/２×１/４×３/１６［インチ］）である。また、外輪１６３の外周面には凹面１７１が形成されている。この凹面１７１は、外輪１６３に熱処理が施された後に研磨によって加工され、外輪１６３の端面に至るまで連続した円弧とされ、その曲率は５．７１５［ｍｍ］（０．２２５［インチ］）に設定されている。

外輪１６３の外周面の軸方向両側部における外形形状は、図１３に示すように、先端が尖った形状となっている。この尖った形状は、凹面１７１の縁部（図１３中の点Ｐ３）における仮想接線と外輪１６３の端面とのなす角度によって表すことができる。そこで、この形状について幾何学的に検討する。図１３に示すように、断面視でＸＹ座標系を設定すると円の方程式に基づき凹面１７１の形状に関して次式が導き出される。ただし、次式のＲは凹面１７１の曲率（Ｒ＝５．７１５［ｍｍ］）である。

また、外輪１６３の端面に対応する直線の方程式として次式が導き出される。ただし、次式のＢは外輪１６３の幅寸法（Ｂ＝４．７６２［ｍｍ］）である。

次に、上記（１）式と上記（２）式との交点、即ち、断面視で点Ｐ３における仮想接線の傾きを求める。そのため、まず、上記（１）式を変形すると次式が得られる。

次に、上記（３）式をＸで微分すると次式が得られる。

次に、上記（４）式に、Ｘ＝Ｂ／２＝２．３８１［ｍｍ］、Ｒ＝５．７１５［ｍｍ］を代入すると、点Ｐ３における仮想接線の傾きとして次式が得られる。

これにより、点Ｐ３における仮想接線とＸ軸とのなす角度θ３は次式より得られる。

さらに、点Ｐ３における仮想接線と外輪１６３の端面とのなす角度θ４は次式より得られる。

このように、従来のボールベアリング１６１の外輪１６３の凹面１７１の軸方向両側部の外形形状は、先端部が６５°の尖った形状であることが分かる。

次に、人に鋭い感じの印象を与えるか否かの官能試験（後述）の前に、物理的な確認試験を行った。具体的には、この従来の外輪１６３の外周面の軸方向両側部の一方をコピー用紙に押し当て、紙が切れるか否かの確認試験を行った。なお、この確認試験に用いたコピー用紙は、富士ゼロックスインターフィールド社製のＶ−Ｐａｐｅｒ（登録商標）の品番ＧＡＡＡ５００９で、概略仕様はＩＳＯ白色度８２％、秤量６４ｇ／ｍ^２である。

スチール製のテーブルの上にこのコピー用紙を５枚重ね、その上から外輪１６３の外周面の軸方向両側部のうち一方を５０Ｎ程度の荷重をかけて紙面方向に滑らせた。５枚のコピー用紙のうち、最上位の紙は切れ、上から２枚目の紙には通過した跡がくっきりと残り、３枚目の紙は僅かに跡が残った程度であった。

これにより、この従来の外輪１６３ではヨーヨーの分解又は組み立てを行う際に、外輪１６３の外周面により鋭い感じの印象を強く与えることが推認される。このため、この従来の外輪１６３の汚れを除去するような清掃を行う場合には、手でボールベアリング１６１を円周方向に擦るように拭くため、作業中に不安感を与えてしまうことになる。従って、従来の外輪１６３では、ヨーヨーの分解又は組み立ての際には、過剰な安全性の配慮により作業性の低下を招くことが懸念される。

これに対して、本実施形態では、図９に示すように、凹面７１の軸方向両側に、外輪６３の端面に対し垂直となる平坦面７２がそれぞれ形成されている。

ここで、図９に示すように、断面視で凹面７１の縁部（凹面７１と平坦面７２とが交差する点）を点Ｐ１とし、また、平坦面７２と外輪６３の端面との交点を点Ｐ２とすると、点Ｐ１における仮想接線とＹ軸とのなす角度θ１が６５°程度となるように設定される。即ち、本実施形態では、平坦面７２が設けられているため、点Ｐ２における仮想接線と平坦面７２とのなす角度θ２が１５５°（６５°＋９０°）程度となる。これにより、ボールベアリング６１の外輪６３の外周面の軸方向両側部における形状は、先端が尖った形状ではなく十分な鈍角を有する形状となる。従って、分解又は組み立てを行う際、不織布などによる引っ掛かりを防止すると共に、また、鋭い感じの印象、及び過剰な安全性の配慮を抑制して、作業性の向上を図ることができる。

次に、鋭い感じの印象の有無についてランダムに抽出した２０人に対し官能試験を行った。官能試験では、平坦面７２の幅寸法を変化させて実際に外輪６３の外周面を触ってもらい、そのときに鋭い感じの印象を持ったか否かの質問を行った。その結果をまとめたのが、図１０に示すグラフである。なお、図１０では、横軸に平坦面７２の幅寸法を示し、縦軸には鋭い感じの印象を持った人の割合を示している。

図１０に示すように、平坦面７２の幅寸法が０．０３ｍｍ以下では全員が鋭い感じの印象を持ち、０．０５ｍｍではその割合は５％となった。また、平坦面７２の幅寸法が０．０６ｍｍ以上であれば、その鋭い感じの印象を持った割合はゼロとなっていることが分かった。これにより、外輪６３の幅寸法の制約も考慮して、平坦面７２の幅寸法を概ね０．０６ｍｍ以上に設定することにより、鋭い感じの印象をほぼ確実に抑制できることが分かった。これは、皮膚表面の弾性などの特性や、相手材の材質、硬さ、及び形状などにより変化すると考えられるが、ボールベアリング６１の平坦面７２の場合、鋭い感じの印象の抑制が０．０４〜０．０５ｍｍで実現できるからだと考えられる。

また、本実施形態の変形例として、上記実施形態では、凹面７１は、単一な放物線形状又は円弧形状とされているが、これに限定されず、図１１に示すように、凹面７１は、その軸方向中央部分が放物線形状又は円弧形状で、その中央部分より軸方向外側部分が単調増加する直線形状であってよい。この場合、ストリングスを外径の小さな中央部分に安定して支持することができるので、ストリングスの蛇行などを低減することができ、安定した回転を得ることができる。

（第６実施形態）
次に本発明における第６実施形態について説明する。この実施の形態においては、上記第５実施形態に対して、ボールベアリング６１の内輪６２、外輪６３、軸６５がマルテンサイト系のステンレス鋼で構成されたものである。より具体的にはＳＵＳ４４０Ｃで構成されており、ボールベアリング６１と軸６５とを同じ材料とすることにより、熱膨張係数を同じにすることができる。

これによって、温度変化に伴う、微小の寸法変化による特性の変化を確実に防止でき、ボールベアリング６１およびヨーヨー２の温度特性を向上させることが可能となる。なおブッシュ８５も同じ材料とすることで、更に温度特性を向上させることも可能である。

なお、これらの実施形態の軸受ユニット１０，６０、及びボールベアリング１１，６１、またはヨーヨー１，２は以上の構成に限定されず、様々な形態に変更して適用可能であることは明らかである。本発明について詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明白である。

以上、本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。本出願は、２０１１年１２月２１日出願の日本特許出願（特願２０１１−２７９７０１）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

本発明の軸受ユニットは、ヨーヨーなどの回転玩具に適用することが可能で、分解組み立てを行っても、簡単に精度良く組み立てを行うことができるので有用である。
また、本発明のボールベアリングは、ヨーヨーなどの回転玩具に適用することが可能で、分解又は組み立てにおける作業性の向上を図ることができるので有用である。

１，２ ヨーヨー
１０，６０ 軸受ユニット
１１，６１ ボールベアリング
１２，６２ 内輪
１３，６３ 外輪
１４，６４ ボール
１５，６５ 軸
１６，６６ 中央部
１７，６７ テーパ部
１８，６８ ネジ
１９，６９ センタ穴
３０，８０ ハーフ
３３，８３ 摩擦板
３５，８５ ブッシュ
３６，８６ 内径部分
３７，８７ ナット
４０，９０ イナーシャリング
７１ 凹面
７２ 平坦面
５１ ボールベアリング
５２ ネジ
５３ ハーフ
５３ａ 内径部分
５４ 嵌合部分
１６１ ボールベアリング
１６２ 内輪
１６３ 外輪
１６４ ボール
１７１ 凹面

Claims (1)

1. マルテンサイト系ステンレス鋼のＳＵＳ４４０Ｃからなる内輪及び外輪と、
   前記内輪及び前記外輪間に配置されるボールと、を有するボールベアリングであって、
   外径が１／２インチであり、幅が３／１６インチであり、
   前記外輪の外周面には、前記ボールの位置に関して軸方向に線対称となる凹面が形成され、
   前記凹面の曲率は、０．２２５インチであり、
   前記凹面の外径は、前記ボールが配置される軸方向中央部の位置で最も小さく、
   前記凹面の軸方向両側には、前記外輪の端面に対し垂直となる平坦面がそれぞれ形成され、
   前記平坦面の幅寸法を０．０６ｍｍ以上、０．１３ｍｍ以下に設定することを特徴とする回転玩具に用いられるボールベアリング。

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