JP6651912B2 - 転がり軸受及びエアタービン用軸受ユニット - Google Patents

転がり軸受及びエアタービン用軸受ユニット Download PDF

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Description

本発明は、転がり軸受及びエアタービン用軸受ユニットに関する。
図１８に示すように、歯科エアタービンハンドピース１２０は、グリップ部１２１と、グリップ部１２１の先端部に設けられたヘッド部１２２と、を備える。術者は、このグリップ部１２１を持って、例えば歯牙の切削加工を行う。
従来、ヘッド部１２２を構成する歯科エアタービン用軸受ユニット１００としては、図１９に示すように、一端に不図示の歯科処置工具が取り付けられる回転軸１０１と、圧縮空気によって回転軸１０１を回転駆動するためのタービンブレード１０２と、回転軸１０１を回転可能に支承する一対の玉軸受１０３，１０４と、を備えるものが知られている。これら回転軸１０１、タービンブレード１０２、及び一対の玉軸受１０３，１０４は、ヘッドハウジング１０５内に配設されている。一対の玉軸受１０３，１０４の外輪１０６，１０７は、ヘッドハウジング１０５の環状凹部１０９，１１０に装着されたゴム製リング１０８を介して支持されている。下方の玉軸受１０４の外輪１０７は、スプリングワッシャ１１１により上方に付勢されて一対の玉軸受１０３，１０４に予圧が付与されている。即ち、この回転軸１０１を支承する一対の玉軸受１０３，１０４は、正面組合せされると共に、スプリングワッシャ１１１の弾性力による定圧予圧が付与されている。
このような歯科エアタービンハンドピース１２０では、圧縮空気をタービンブレード１０２に当てることにより、その空気圧により回転軸１０１を回転させ、超高速回転を実現している。
ところで、特許文献１には、給気口を有するヘッドハウジングと、ヘッドハウジング内部に回転自在に収納され、給気口から給気エアーを受けるブレードを有する回転軸と、回転軸をヘッドハウジング内部で給気口を挟んで上下で回転自在に支持する玉軸受と、から構成される歯科用又は医療用エアータービンハンドピースが開示されている。ここで、玉軸受の給気口に近い側には耐熱性メカニカルシールが設けられている。また、玉軸受において、給気口に近い側と給気口に遠い側に、シール体とシール支持リングとで構成される接触シールド、又はシールドとシールド止め輪とで構成される非接触シールドが設けられることが記載されている。
したがって、耐熱性メカニカルシールは、給気口において給気エアーの圧力が作用しているとき、つまりブレードが回転しているときには、玉軸受に接触するように弾性変形して、これを遮蔽する。一方、給気エアーの圧力が停止しているとき、つまりブレードの回転が停止しているときには、玉軸受に非接触となるように元の状態に戻る。これにより、使用時に玉軸受内部にかかる供給エアーの圧力により、玉軸受内部に充填された潤滑油が抜け出てしまうことを防止することを図っている。さらに、ブレードの回転が停止しているときには、耐熱性メカニカルシールと玉軸受とを非接触状態とすることにより、回転軸のブレードの起動時に耐熱性メカニカルシールとブレードとの摩擦抵抗を無くし、ブレードをスムーズに起動することを図っている。
特開２００３−１３５４８６号公報
以上説明したようなエアタービンハンドピースは、使用時に超高速回転するものであるが、一方で、ユーザーがハンドピースをストップさせた際には、治療等の時間短縮のため、早急な停止が求められる。また、特許文献１に記載のシール体とシール支持リングとで構成される接触シールドでは、接触シールドの剛性が大きく、約４０万ｍｉｎ−１の超高速回転で使用される際には、大きなエアー圧が必要となるという課題がある。
本発明は、上述した課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、少ないエアー圧での超高速回転、及び回転を迅速に停止することが可能な転がり軸受及びエアタービン軸受ユニットを提供することにある。
本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） 外輪と、
内輪と、
前記外輪及び前記内輪の間に転動自在に配置された複数の転動体と、
前記外輪及び前記内輪の間の空間をシールするシール部材と、を有し、圧縮空気が作用する転がり軸受であって、
前記シール部材は、弾性材料のみからなり、前記外輪の内周面に形成された溝部に止め輪によって固定され、
前記圧縮空気が作用しないとき、前記シール部材は前記内輪の外周面に接触し、
前記圧縮空気が作用するとき、前記圧縮空気が作用しないときと比べて前記シール部材と前記内輪の外周面との接触面積が小さくなる
ことを特徴とする転がり軸受。
（２） 前記シール部材は、前記内輪の外周面に接触可能であり弾性変形可能なリップ部を有し、
前記リップ部は、径方向内側に向かうにしたがって、前記圧縮空気の供給方向に傾斜する形状である
ことを特徴とする（１）に記載の転がり軸受。
（３） 前記内輪の外周面のうち、少なくとも前記シール部材が接触する部分は平面であることを特徴とする（１）または（２）に記載の転がり軸受。
（４） 前記内輪は、前記外輪よりも軸方向外側まで延在しており、
前記シール部材の内周面は、前記外輪よりも軸方向外側において、前記内輪の外周面に当接する
ことを特徴とする（１）〜（３）の何れかに記載の転がり軸受。
（５） 前記圧縮空気が作用するとき、前記シール部材は、前記内輪の外周面と非接触の状態となる
ことを特徴とする（１）〜（４）の何れかに記載の転がり軸受。
（６） 前記圧縮空気が作用しないとき、前記シール部材の内周面が前記内輪の外周面に接触する接触領域は、前記シール部材の内周面の全体の１０％以上である
ことを特徴とする（１）〜（５）の何れかに記載の転がり軸受。
（７） 前記圧縮空気が作用しないとき、前記シール部材の前記内輪の外周面と接触する部分のしめしろが５０μｍ以上かつ２００μｍ以下である
ことを特徴とする（１）〜（６）の何れかに記載の転がり軸受。
（８） 圧縮空気を受けて回転するタービンブレードと、前記タービンブレードが一体に固定され、工具を取り付け可能な回転軸と、ハウジングに対して前記回転軸を回転自在に支持する、（１）〜（７）の何れかに記載の転がり軸受と、を備えるエアタービン用軸受ユニット。
本発明の転がり軸受及びエアタービン用軸受ユニットによれば、運転を停止するために圧縮空気の供給を停止した場合、シール部材には圧縮空気が作用しないので、圧縮空気が作用する場合（運転時）と比べて、シール部材と内輪の外周面との接触面積が大きくなる。したがって、シール部材が回転軸のブレーキとしてはたらき、回転軸を迅速に停止することが可能となる。
また、シール部材は、弾性部材のみからなるので、シール剛性を下げることができ、少ないエアー圧で、転がり軸受の回転数をアップすることができる。
第１実施形態に係る歯科エアタービンの要部断面図である。 停止状態における第１実施形態に係る転がり軸受の部分断面図である。 図１に示すシール部材の接触角を説明するための断面図である。 動作状態における第１実施形態に係る転がり軸受の部分断面図である。 リップ部の断面図である。 動作状態における第１実施形態の変形例に係る転がり軸受の部分断面図である。 変形例に係るシール部材の正面図である。 変形例に係るシール部材の正面図である。 変形例に係るシール部材の正面図である。 変形例に係るシール部材の正面図である。 変形例に係るシール部材の正面図である。 変形例に係るシール部材の正面図である。 変形例に係るシール部材の正面図である。 変形例に係るシール部材の正面図である。 変形例に係るシール部材の正面図である。 （ａ）は、図１３〜図１５のそれぞれのＡ−Ａ線に沿った断面図であり、（ｂ）は、図１３〜図１５のそれぞれのＢ―Ｂ線に沿った断面図である。 他の変形例に係る転がり軸受の部分断面図である。 歯科エアタービンハンドピースの概略側面図である。 歯科エアタービンの要部断面図である。
以下、本発明に係る転がり軸受及びエアタービン用軸受ユニットの各実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の説明においては、本発明のエアタービン用軸受ユニットを歯科エアタービンハンドピースに適用した場合を例にして説明するが、他の用途、例えば家電モータ等にも適用可能である。
（第１実施形態）
図１には、本実施形態のエアタービン用軸受ユニット、図２には、本実施形態のエアタービン用軸受ユニットを構成する転がり軸受１が示されている。図１に示すように、エアタービン用軸受ユニット１００Ａは、圧縮空気を受けて回転するタービンブレード１０２と、タービンブレード１０２が一体に固定され、一端に工具（例えば、歯科処置工具）を取り付け可能な回転軸１０１と、ハウジング１０５に対して回転軸１０１を回転自在に支持する転がり軸受１と、を備える。したがって、図２に示す転がり軸受１においては、ハンドピース駆動時に右方から左方に向かって圧縮空気が供給される。なお、本実施形態のエアタービン用軸受ユニットは、転がり軸受１の構成において、図１９に示す従来の構成と異なる。このため、タービンブレード１０２、回転軸１０１、ヘッドハウジング１０５等を含め、従来と同一又は同等の構成については、同一符号を付している。なお、エアタービン用軸受ユニットは、図１の構成に限定されるものではない。
転がり軸受１は、ハウジング１０５に固定された外輪１０と、回転軸１０１に固定された内輪２０と、外輪１０及び内輪２０の間に転動自在に配置された複数の玉（転動体）３と、複数の玉３をそれぞれ保持する保持器５と、を備える。保持器５はいわゆる冠型保持器であり、略円環状のリム部６が、玉３よりも圧縮空気の供給方向上流側（図中右方）に位置する。
外輪１０の内周面１１には、玉３よりも圧縮空気の供給方向下流側（図中左方）において、シール部材３０を固定するための溝部１２が形成される。なお、シール部材３０は、後述するブレーキ機能が発揮される限り、本実施形態のように玉３よりも圧縮空気の供給方向下流側に配置される構成に限定されず、玉３よりも圧縮空気の供給方向上流側（図中右方）に配置してもよく、玉３よりも圧縮空気の供給方向下流側及び上流側の両方に１対配置しても構わない。
図３にも示すように、シール部材３０は、弾性材料のみから構成され、径方向に延びる円環形状の基部３１と、基部３１の径方向内側に一体に形成されたリップ部３３と、を有する。また、基部３１は、止め輪４０と当接しながら溝部１２に挿入されて固定される。溝部１２は、軸方向内側に向かうにしたがって径方向外側に傾斜し、止め輪４０が当接するテーパ面１５と、テーパ面１５よりも軸方向内側で、基部３１の軸方向側面が当接する軸方向内側面１６と、を有する。本実施形態では、取り付けのし易さを考慮し、止め輪４０はＣリング止め輪を使用しているが、円環状止め輪等を使っても良い。そして、止め輪４０がシール部材３０の基部３１に当接して軸方向に押圧し、止め輪４０と基部３１の間の摩擦力により、シール部材３０が外輪１０に強固に固定される。
リップ部３３は、径方向内側に向かうにしたがって圧縮空気の供給方向（図２中、右方から左方に向かう方向）に傾斜する略円環形状であり、内輪２０の外周面２１に当接可能とされている。即ち、リップ部３３は、径方向内側に向かうにしたがって軸方向外側に傾斜している。図５の断面図も参照し、リップ部３３は、その内周面３４が略円環形状（断面略円形状）とされており、つまり、シール内径が略円環形状とされている。そして、内輪２０の外周面２１のうち、少なくともリップ部３３が接触する部分は平面形状（略円環形状）であるので、シール内径であるリップ部３３の内周面３４は、その全体の面積のうちほぼ１００％の面積において、内輪２０の外周面２１に接触可能となり、即ちほぼ完全接触の状態となっている。このように、シール部材３０は、外輪１０の内周面１１と内輪２０の外周面２１との間の軸受内部空間Ｓをシールする。
なお、図２及び図３では、リップ部３３の形状が異なって示されている。ただし、リップ部３３は、図２に示すように、径方向内側に向かって一様な肉厚であってもよいし、図３に示すように、径方向内側に向かって徐々に薄肉になってもよい。
ここで、歯科エアタービンハンドピースを駆動するため、タービンブレードに圧縮空気を供給した場合、図４に矢印Ａで示すように、軸受内部空間Ｓには右方から左方に向かって圧縮空気が流動する。この圧縮空気はシール部材３０に作用し、リップ部３３を左方に向かって弾性変形させる。したがって、圧縮空気が作用するとき、圧縮空気が作用しないときと比べてリップ部３３の内周面３４と内輪２０の外周面２１との接触面積が小さくなる。図４の例では、リップ部３３の内周面３４と内輪２０の外周面２１とが非接触の状態となっており、これらの接触面積はゼロである。すなわち、リップ部３３は開状態とされる。また、図６の例のように、圧縮空気が作用するとき、リップ部３３の内周面３４と内輪２０の外周面２１とが接触状態を維持しつつ、圧縮空気が作用しないときと比べてリップ部３３の内周面３４と内輪２０の外周面２１との接触面積が小さくなる構成であってもよい。
特に、本実施形態では、シール部材３０は、芯金を有さずに弾性材料のみからなるので、シール剛性を下げることができ、少ないエアー圧であってもリップ部３３の内周面３４と内輪２０の外周面２１との接触面積が小さい、さらには、非接触の状態を維持することができ、少ないエアー圧で約４０万ｍｉｎ−１の超高速回転を実現することができる。
一方、歯科エアタービンハンドピースを停止するため、圧縮空気の供給を停止した場合、リップ部３３には圧縮空気が作用しないので、リップ部３３は図２で示す状態に戻り、リップ部３３の内周面３４と内輪２０の外周面２１とが接触状態となり、内輪２０の外周面２１との接触面積が増大する。すなわち、リップ部３３は閉状態とされる。したがって、リップ部３３が内輪２０及び当該内輪２０が固定された回転軸１０１のブレーキとしてはたらき、回転軸１０１を迅速に停止することが可能となる。
また、リップ部３３の形状は、径方向内側に向かうにしたがって圧縮空気の供給方向に傾斜することで、圧縮空気の作用によって弾性変形しやすい傾斜形状とされているので、圧縮空気によるリップ部３３の開閉動作を感度良く行うことが可能である。
なお、図３に示すように、シール部材３０のリップ部３３の傾斜角度αは、３５〜５５°に設定されていることが好ましい。これにより、圧縮空気が作用するときに、エアーがリップ部３３に効率良く作用して、シール部材３０をスムーズに開くことができ、この結果、少ないエアー圧で超高速回転することができる。
また、内輪２０の外周面２１のうち、少なくともリップ部３３の内周面３４が接触する部分は平面（略円環形状）であるので、内輪２０の外周面２１とリップ部３３の内周面３４の接触面積を増大することができ、リップ部３３によるブレーキ機能を向上することができる。特に、本実施形態では、リップ部３３の内周面３４の形状が、内輪２０の外周面２１の形状と相似形状である略円環形状とされている。したがって、リップ部３３の内周面３４は、その全体の面積のうちほぼ１００％の面積において、内輪２０の外周面２１に接触するので、リップ部３３によるブレーキ機能をより向上することが可能である。
また、外輪１０の内周面１１には、シール部材３０を固定するための溝部１２が形成され、シール部材３０の径方向外側端部の弾性材料からなる基部３１は、溝部１２に止め輪４０によって固定される。したがって、シール部材３０が外輪１０に強固に固定されるので、圧縮空気を受けた場合にシール部材３０が脱落してしまうことを防止することができる。
尚、本発明は、前述した各実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
例えば、シール部材３０の外径形状を変更せず、シール部材３０の内径であるリップ部３３の内周面３４の形状は、例えば略楕円形状（図７のシール正面図参照）や、略三角形状（図８のシール正面図参照）にする変形例も本発明権利範囲内のものである。また、リップ部３３の内周面３４には、図９に示すように少なくとも一つの通気孔４１を設けてもよく、図１０〜１２に示すように少なくとも一つの切り込み４２を設けてもよい。なお、図９においては、１つの円形の通気孔４１が設けられた例が示されているが、通気孔４１は２つ以上であってもよく、通気孔４１の形状も円形に限定されない。また、図１０〜１２においては、それぞれ２つ、４つ及び８つの切込み４２が円周方向等間隔に設けられた例が示されているが、切込み４２の数や円周方向間隔はこれに限定されない。
また、図１３〜１５に示すように、リップ部３３の先端部が円周方向に連続して切り欠かれ、リップ部３３の内周面３４が、内輪２０の外周面２１に部分的に接触するようにしてもよい。図１３〜１５では、それぞれリップ部３３の内周面３４が、内輪２０の外周面２１に接触する接触領域（円弧長さ）を内周面３４の全体の５０％、２５％、１０％を占めるようにしている。
なお、図１６（ａ）は、図１３〜図１５のそれぞれのＡ―Ａ線に沿った断面図であり、図１６（ｂ）は、図１３〜図１５のそれぞれのＢ―Ｂ線に沿った断面図を示している。
圧縮空気が作用する時、リップ部３３の内周面３４は、内輪２０の外周面２１に完全に接触しないことが望ましいが、シール部材３０が接触状態から非接触状態へ変わる際に、内輪２０の外周面２１との摩擦力が生じるので、うまく状態変化できないケースがある。したがって、リップ部３３の内周面３４に通気孔４１又は切込み４２を設けたり、リップ部３３の内周面３４を局部的に内輪２０の外周面２１に接触させたりすることで、圧縮空気がシール部材３０を通過しやすくなり、接触状態から非接触状態への変化を促進することができる。このように、リップ部３３の内周面３４の形状を変更することで、当該内周面３４と内輪２０の外周面２１との接触面積を適宜変更し、リップ部３３の所望のブレーキ性能や密封性能を満足することが可能となる。
なお、ブレーキ機能を果たす為に、図７〜図１５のシール正面図に示すリップ部３３の内周面３４の接触領域（図１３〜１５では、円弧長さ）は、圧縮空気が作用しないとき、その内周面の全体のうち少なくとも１０％以上において、内輪２０の外周面２１に接触することが望ましい。これは、圧縮空気がシール部材３０に当たる時にシール部材３０を接触状態から非接触状態へ変化しやすくさせる為である。接触領域が内周面全体の１０％未満となると、圧縮空気が作用しない際に、リップ部３３の内周面３４と内輪２０の外周面２１との接触が少ない為、ブレーキ機能を十分に果たさない可能性がある。
なお、内輪２０と接触するリップ部３３の内周面３４の軸方向幅が円周方向に亙って均一な場合には、圧縮空気が作用しないとき、リップ部３３の内周面３４の接触面積は、その内周面の全体面積のうちの少なくとも１０％以上であればよい。
また、シール性能が得られるのであれば、図１７に示すように、内輪２０を外輪１０よりも軸方向外側まで延在させ、シール部材３０を外輪１０よりも軸方向外側に延在させても構わない。この場合、シール部材３０のリップ部３３の内周面３４は、外輪１０よりも軸方向外側において、内輪２０の外周面２１に当接する。この構成によれば、リップ部３３の傾斜を大きくすることができるので、圧縮空気によるリップ部３３の開閉動作をより容易に行うことが可能である。
また、圧縮空気が作用しないときは、シール部材３０のリップ部３３を内輪２０の外周面２１に接触させるが、シール部材３０の接触部分と内輪２０の外周面２１のしめしろが５０μm未満になると、ブレーキ作用が弱くなってしまい、タービンの停止時間が長くなってしまう。一方、しめしろが２００μmを超えてしまうと、圧縮空気が作用するときに、弾性変形が生じにくくなり、接触面積を小さくすることが困難になる。したがって、しめしろを５０μm以上かつ２００μm以下にすることが好ましい。
１ 転がり軸受
３ 玉（転動体）
５ 保持器
６ リム部
１０ 外輪
１１ 内周面
１２ 溝部
１５ テーパ面
１６ 軸方向内側面
２０ 内輪
２１ 外周面
３０ シール部材
３１ 基部
３３ リップ部
３４ 内周面
４０ 止め輪
４１ 通気孔
４２ 切り込み
１００Ａ エアタービン用軸受ユニット
Ｓ 軸受内部空間

Claims (7)

  1. 外輪と、
    内輪と、
    前記外輪及び前記内輪の間に転動自在に配置された複数の転動体と、
    前記外輪及び前記内輪の間の空間をシールするシール部材と、を有し、圧縮空気が作用する転がり軸受であって、
    前記シール部材は、弾性材料のみからなり、前記外輪の内周面に形成されたテーパ面と該テーパ面より軸方向内側の軸方向内側面とを有する溝部に、前記シール部材と前記テーパ面とに当接する止め輪のみによって固定され、
    前記圧縮空気が作用しないとき、前記シール部材は前記内輪の外周面に接触し、
    前記圧縮空気が作用するとき、前記圧縮空気が作用しないときと比べて前記シール部材と前記内輪の外周面との接触面積が小さくなり、
    前記シール部材は、前記内輪の外周面に接触可能であり弾性変形可能なリップ部を有し、
    前記リップ部は、径方向内側に向かうにしたがって、前記圧縮空気の供給方向の軸方向外側に傾斜する形状であることを特徴とする転がり軸受。
  2. 前記内輪の外周面のうち、少なくとも前記シール部材が接触する部分は平面であることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
  3. 前記内輪は、前記外輪よりも軸方向外側まで延在しており、
    前記シール部材の内周面は、前記外輪よりも軸方向外側において、前記内輪の外周面に当接す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。
  4. 前記圧縮空気が作用するとき、前記シール部材は、前記内輪の外周面と非接触の状態となることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の転がり軸受。
  5. 前記圧縮空気が作用しないとき、前記シール部材の内周面が前記内輪の外周面に接触する接触領域は、前記シール部材の内周面の全体の１０％以上であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の転がり軸受。
  6. 前記圧縮空気が作用しないとき、前記シール部材の前記内輪の外周面と接触する部分のしめしろが５０μｍ以上かつ２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の転がり軸受。
  7. 圧縮空気を受けて回転するタービンブレードと、前記タービンブレードが一体に固定され、工具を取り付け可能な回転軸と、ハウジングに対して前記回転軸を回転自在に支持する、請求項１〜６の何れか１項に記載の転がり軸受と、を備えるエアタービン用軸受ユニット。
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