JPH09229074A - 転がり軸受 - Google Patents

転がり軸受

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JPH09229074A
JPH09229074A JP8259074A JP25907496A JPH09229074A JP H09229074 A JPH09229074 A JP H09229074A JP 8259074 A JP8259074 A JP 8259074A JP 25907496 A JP25907496 A JP 25907496A JP H09229074 A JPH09229074 A JP H09229074A
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lubricant
cage
film
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豊田  泰
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Hiroaki Takebayashi
博明 竹林
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Abstract

(57)【要約】 【課題】転がり軸受において、潤滑剤が枯渇しても、保
持器と軌道輪との摺動部位の潤滑性を良好とし、長寿命
を達成できるようにすること。 【解決手段】グリースまたはオイルを潤滑剤として用い
る転がり軸受Aにおいて、少なくとも保持器4の軌道案
内面または内・外輪1,2の少なくともいずれか一方の
保持器案内面に、官能基付きの含フッ素重合体からなる
潤滑膜5が形成されている。潤滑剤が枯渇しても、保持
器4と内・外輪1,2の少なくともいずれか一方との摺
動部位が潤滑膜5により潤滑されることになり、早期摩
耗が回避される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、転がり軸受に係
り、特に歯科用ハンドピースや工作機械などの高速回転
用途に用いるのに好適な転がり軸受に関する。
【0002】
【従来の技術】例えば、歯科用ハンドピースでは、歯の
削り作業を短時間で済ませて患者の不快感を軽減するた
めに、先端に砥石が設けられた回転軸を可及的に高速
(例えば40万rpm)で回転駆動し、砥石の周速度を
高くして切れ味を良くしている。
【0003】このような高速回転となる上記歯科用ハン
ドピースなどでは、一般的に、窒化けい素を主体とする
セラミックス製の玉、ステンレス鋼製の内・外輪、ポリ
イミドやポリアミドイミドなどの合成樹脂製の冠形保持
器などを組み合わせた構成の深溝型玉軸受を使用し、使
用者が定期的に潤滑剤を供給するようになっている。こ
の潤滑剤としては、人体に害のない、例えばポリαオレ
フィン(PAO)やISO規格VG32、VG68など
の流動パラフィンなどが用いられ、ハンドピース駆動源
となる圧縮空気に混入されて供給される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したよ
うに、作業者が定期的に潤滑剤を供給する形態では、う
っかりミスなどにより供給忘れが発生することがある。
【0005】このような場合、保持器と、それを案内す
る内・外輪のいずれか一方との摺動動作が無潤滑で行わ
れることになるため、保持器が早期段階で激しく摩耗し
て、摩耗粉が玉と内・外輪との間にかみ込んで、回転が
停止するというロック現象を引き起こすことになる。こ
のような事態が起こると、その後で潤滑剤を供給して
も、回転させることができなくなるなど、使用不能とな
ることが多い。したがって、軸受の交換が必要となる。
【0006】したがって、本発明は、転がり軸受におい
て、潤滑剤が枯渇しても、保持器と軌道輪との摺動部位
の潤滑性を良好とし、長寿命を達成できるようにするこ
とを目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の第1の転がり軸
受は、グリースまたはオイルを潤滑剤として用いるもの
で、少なくとも保持器の軌道案内面または軌道輪の保持
器案内面に、官能基付きの含フッ素重合体からなる潤滑
膜が形成されている。
【0008】本発明の第2の転がり軸受は、グリースま
たはオイルを潤滑剤として用いるもので、少なくとも保
持器の軌道案内面または軌道輪の保持器案内面に、含フ
ッ素ポリウレタン高分子化合物からなる固体状の潤滑膜
が形成されている。
【0009】なお、前述の固体状の潤滑膜は、分子間が
ウレタン結合した3次元の網状構造を有している。ま
た、固体状の潤滑膜は、流動可能な含ふっ素重合体が分
散添加されている。この流動可能な含ふっ素重合体は官
能基を有していないもの、例えば官能基なしのパーフル
オロポリエーテルなどの含ふっ素重合体とするのが好ま
しい。
【0010】上記本発明では、潤滑剤の供給を忘れるな
どして、軸受内部の潤滑剤が枯渇しても、保持器と軌道
輪とが潤滑膜を介して摺接することになる。この潤滑膜
は、発塵性および潤滑性に関して格段に優れていて膜切
れを起こさないので、保持器と軌道輪との直接接触を防
止する。
【0011】このような潤滑剤の枯渇状態での使用時間
が経過するに従い、トルク増加が起こって回転速度が低
下するとともに発生音が変化することになるので、この
変化によって潤滑剤の供給忘れを作業者に気付かせるこ
とが可能となる。このとき、潤滑膜によって軸受構成要
素を保護しているので、焼き付きに至らずに済み、後で
潤滑剤を供給したとき、通常どおりに動作させて再使用
できるようになる。
【0012】また、潤滑膜を含ふっ素ポリウレタン高分
子化合物からなる固体状とする場合には、分子間が密に
詰まった均質な構造であるので、潤滑作用が長期的に継
続できるようになる。しかも、この固体状の潤滑膜に含
ふっ素重合体を流動可能な状態で分散添加している場合
では、この流動可能な含ふっ素重合体が膜表面から滲み
出て潤滑作用に寄与する。
【0013】
【発明の実施の形態】本発明の詳細を図1および図5に
示す実施例に基づいて説明する。
【0014】図1および図2は本発明の一実施例にかか
り、図1は、転がり軸受の上半分の縦断面図、図2は、
歯科用ハンドピースを示す断面図である。
【0015】まず、図2において、歯科用ハンドピース
の構成を簡単に説明する。歯科用ハンドピース50は、
ハウジング51と、ハウジング51内に一端部が外部に
突出した状態で配置される回転軸52と、回転軸52の
途中部に固定されるタービン翼53と、タービン翼53
の両側において回転軸52をハウジング51に回転自在
に支持する転がり軸受Aとを備え、ハウジング51内に
圧縮空気を供給することにより、タービン翼53および
回転軸52が高速回転させられる。圧縮空気には、人体
に害のない、例えばライオン(株)社製リポルーブ60
などのポリαオレフィン(PAO)などが混入され、転
がり軸受Aの内部をミスト状に通過して潤滑と冷却とを
行う。
【0016】転がり軸受Aは、図1に示すように、深溝
型玉軸受と呼ばれるもので、内輪1と、外輪2と、球状
の転動体3と、冠形の保持器4とを備えている。この転
がり軸受Aにおいて、内・外輪1,2、転動体3および
保持器4の転動、摺動部位には、下記する潤滑膜5が形
成されている。
【0017】内・外輪1,2は、耐食性材料により形成
されている。この耐食性材料としては、例えばJIS規
格SUS440Cなどのマルテンサイト系ステンレス
鋼、例えばJIS規格SUS630などの析出硬化型ス
テンレス鋼に適当な硬化熱処理を施した金属材などが挙
げられる。また、軽荷重用途では、例えばJIS規格S
US304などのオーステナイト系ステンレス鋼でもよ
い。
【0018】転動体3は、セラミックス材により形成さ
れている。このセラミックス材としては、焼結助剤とし
て、イットリア(Y23)およびアルミナ(Al
23)、その他、適宜、窒化アルミ(AlN)、酸化チ
タン(TiO2)、スピネル(MgAl24)を用いた
窒化けい素(Si34)を主体とするものの他、アルミ
ナ(Al23)や炭化けい素(SiC)、ジルコニア
(ZrO2)、窒化アルミ(AlN)などを用いること
ができる。
【0019】保持器4は、合成樹脂材料により形成され
ている。この合成樹脂材料としては、耐熱性を有する熱
可塑性樹脂、例えば5〜10wt%のPTFE(ポリテ
トラフルオロエチレン)および10〜20wt%のグラ
ファイトが充填されたTPI(熱可塑性ポリイミド)樹
脂の他、ポリテトラフルオロエチレン(以下、PTFE
と略称する)、エチレンテトラフルオロエチレン(ET
FE)などのふっ素系樹脂やポリエーテルエーテルケト
ン(PEEK)、ポリフェニレンサルファイド(PP
S)、ポリエーテルサルフォン(PES)、ポリエーテ
ルニトリル(PEN)、ポリアミドイミド(PAI)、
ナイロン46などのエンジニアリングプラスチックスな
どが挙げられる。これらの樹脂には、適宜、ガラス繊維
などの強化繊維が添加されてもよい。添加しない場合
は、強度が低下するが、ポケット面で露出繊維が摩耗し
て軌道面にかみ込むのを回避することができる。
【0020】潤滑膜5は、例えば官能基付きの含フッ素
重合体からなり、この実施例では流動性を有する状態に
なっている。この官能基付きの含フッ素重合体として
は、フルオロポリエーテル重合体またはポリフルオロア
ルキル重合体が好ましい。フルオロポリエーテル重合体
は、−CX2X−O−という一般式(Xは1〜4の整
数)で示される単位を主要構造単位とし、いずれも数平
均分子量が1000〜50000の重合体とするものが
挙げられる。ポリフルオロアルキル重合体は、下記化学
式1に示すものが挙げられる。また、前述の官能基は、
金属に対して親和性の高いもの(例えばエポキシ基、ア
ミノ基、カルボキシル基、水酸基、メルカプト基、スル
フォン基またはエステル基など)が好ましく、例えば下
記化学式2,3に示すものが挙げられる。このような含
フッ素重合体は、単独で用いるか、または2種以上を併
用して用いてもよい。その場合は、より耐摩耗性の優れ
た膜が得られるように、組み合わされた基が互いに反応
して重合体をより高分子量化させるように配慮するのが
望ましい。
【0021】
【化1】
【0022】
【化2】
【0023】
【化3】
【0024】前述の官能基付きの含ふっ素重合体とし
て、より詳しくは、パーフルオロポリエーテル(PFP
E)あるいはその誘導体との混合物、具体的に例えばモ
ンテカチーニ社の商品名フォンブリン(FONBLIN)Yス
タンダード、フォンブリンエマルジョン(FE20、EM04な
ど)またはフォンブリンZ誘導体(FONBLIN Z DEAL、FO
NBLIN Z DIAC、FONBLIN Z DISOC、FONBLIN Z DOL、FONB
LIN Z DOLTX2000、FONBLIN Z TETRAOLなど)が好適に用
いられる。これら例示したものは、いずれも濃度が濃
く、金属に対する親和性がきわめて悪いので、そのまま
では膜状に付着させることが困難である。そのため、下
記するような方法で形成するのが好ましい。
【0025】次に、上述した潤滑膜5の形成方法の一例
を説明する。
【0026】(a) 内・外輪1,2、転動体3および
保持器4をそれぞれ組み立てて転がり軸受Aを完成状態
としてから、この内・外輪1,2間で転動体3の存在す
る箇所において、用意した溶液をスポイドなどにより数
滴、注入し、数回回転させることにより、内・外輪1,
2および保持器4の転動、摺動部位と転動体3の表面と
に液状膜を付着させる(付着処理)。この溶液の付着は
スプレーを用いて行うこともできるし、また、溶液中に
浸漬してもよい。ここで用意する溶液は、例えばフォン
ブリンエマルジョンFE20(フォンブリン濃度20m
ass%)を適当な希釈溶媒でフォンブリン濃度を0.
25mass%にまで希釈したものである。なお、前述
の希釈溶媒は、メタノール溶液、アルコール溶液や水な
どの揮発性のものとすることができる。
【0027】(b) 液状膜を付着した転がり軸受Aの
全体を40〜50度で約3分間加熱し、液状膜に含む溶
媒を除去する(乾燥処理)。
【0028】(c) この後、軸受使用環境での雰囲気
温度を考慮して、例えば150〜300度で15〜30
分間、加熱する(仕上げ乾燥処理)。例えば、歯科用ハ
ンドピース50では、例えば135℃〜180℃以上の
高温蒸気にて滅菌処理(オートクレーブ処理)が行われ
るので、この温度を考慮すればよい。これにより、転が
り軸受Aの動作時や前述した滅菌処理時に溶媒や油成分
などの不要な発塵がない流動性を有する潤滑膜5が得ら
れる。
【0029】このようにすれば、転がり軸受Aの構成要
素の転動、摺動部位に潤滑膜5を好適な膜厚で形成する
ことができる。なお、(a)、(b)は必要に応じて数
回繰り返すようにしてもよく、最終的には、潤滑膜5の
膜厚を例えば0.2μm以下に設定する。但し、使用潤
滑油の性状、膜形成方法や生成後の膜厚などは、適宜に
設定すればよい。
【0030】以上説明した転がり軸受Aでは、発塵性お
よび潤滑性に関して格段に優れる潤滑膜5を形成してい
るから、転がり軸受Aに対する潤滑剤供給を忘れるなど
して、軸受内部の潤滑剤が枯渇したときでも、保持器4
と内輪1または外輪2とが潤滑膜5を介して摺接するこ
とになり、それらの直接接触を防止するので、該摺接部
位が早期段階ではほとんど摩耗せずに済む。しかも、こ
のような潤滑剤の枯渇状態での使用時間が経過するに従
い、トルク増加が起こって回転速度が低下するとともに
発生音が変化することになるので、この変化によって潤
滑剤の供給忘れを作業者に気付かせることが可能とな
る。このとき、潤滑膜5によって軸受構成要素を保護し
ているので、焼き付きに至らずに済み、後で潤滑剤を供
給したとき、通常どおりに動作させて再使用できるよう
になる。
【0031】なお、本発明は上記実施例のみに限定され
るものではなく、種々な応用や変形が考えられる。
【0032】(1) 上記実施例では、軸受形式として
深溝型玉軸受を引用しているが、その他の種類の転がり
軸受に本発明を適用できる。
【0033】(2) 上記実施例では、潤滑膜5を内・
外輪1,2、転動体3、保持器4のすべてに形成してい
るが、少なくとも内・外輪1,2だけ、あるいは保持器
4だけに形成することができる。
【0034】(3) 上記実施例では、潤滑膜5を内輪
1の外周面と、外輪2の内周面と、転動体3および保持
器4の表面全体とに形成しているが、内・外輪1,2の
表面全体にも形成してもよい。この場合、例えば上記
(a)の処理において用意する溶液中に、内・外輪1,
2、転動体3、保持器4を個別に浸漬するか、あるいは
それらを組み立てた完成状態の軸受Aを浸漬すればよ
い。また、潤滑膜5は、保持器4の案内形式に応じて、
該当する面(例えば内輪案内の場合だと内輪1の軌道を
除く外周面、外輪案内の場合だと外輪2の軌道を除く内
周面)にのみ形成してもよい。さらに、潤滑膜5は、保
持器4の案内面(内輪案内の場合だと内周面、外輪案内
の場合だと外周面)のみに形成してもよい。
【0035】(4) 上記実施例では、転がり軸受Aと
して密封装置を持たない開放形のものを例示している
が、密封装置を装着したものとしてもよい。
【0036】(5) 上記実施例では、流動性を有する
潤滑膜5を示しているが、下記するような固体状の潤滑
膜5も本発明に含む。図3は、固体状の潤滑膜の構造を
模式的に表した構造図、図4は、固体状の潤滑膜の硬化
前の状態での性状分析結果を示すグラフ、図5は、固体
状の潤滑膜の硬化後の状態での性状分析結果を示すグラ
フである。
【0037】前述の固体状の潤滑膜5は、含ふっ素ポリ
ウレタン高分子化合物からなる。含ふっ素ポリウレタン
高分子化合物は、−CX2X−O−という一般式(Xは
1〜4の整数)で示される単位を主要構造単位とし、い
ずれも平均分子量が数百万以上で硬化反応により分子間
がウレタン結合した3次元の網状構造を有している。3
次元の網状構造とは、化学構造上の表現であって、膜の
断面が網状になっているのではなく、分子間が網状のよ
うに連続してつながって密に詰まった均質な構造になっ
ていることを意味している。このような化合物として
は、下記化学式4に示すような末端がイソシアネートの
官能基付き含ふっ素重合体を用いて、化学構造を変化さ
せたものとすることができる。前述の末端がイソシアネ
ートの官能基付き含ふっ素重合体としては、パーフルオ
ロポリエーテル(PFPE)の誘導体、具体的に例えば
モンテカチーニ社の商品名フォンブリンZ誘導体(FONB
LINZ DISOCなど)が好適に用いられる。
【0038】
【化4】
【0039】次に、上述した潤滑膜5の形成方法の一例
を説明する。
【0040】(a) 固体状の潤滑膜5を得るための溶
液を用意し、この溶液を用いて転がり軸受Aの任意の必
要部位に液状膜を付着させる(付着処理)。ここで用意
する溶液は、末端がイソシアネートの官能基付き含ふっ
素重合体〔フォンブリンZ誘導体(FONBLIN Z DISO
C)〕を希釈溶媒(ふっ素系溶剤SV90D)で含ふっ
素重合体の濃度を1mass%にまで希釈したものであ
る。
【0041】(b) 液状膜を付着した対象のみあるい
は転がり軸受Aの全体を40〜50℃で約1分間加熱
し、液状膜に含む溶媒を除去する(乾燥処理)。この時
点では、液状膜のままであり、流動性を有している。
【0042】(c) この後、例えば100〜200℃
で20時間、加熱する(硬化処理)。これにより、液状
膜の化学構造が変化することにより硬化反応して固体状
の潤滑膜5が得られる。ちなみに、この硬化処理では、
液状膜に存在している官能基付き含ふっ素重合体の個々
について、下記化学式5〜8に示すような4種の硬化反
応でもって末端のイソシアネート(NCO)が消失し、
各官能基付き含ふっ素重合体が互いにウレタン結合する
ことにより3次元の網状構造となる。ウレタン結合は、
化学式5,6に示すような硬化反応でもって、図3
(a)に模式的に示すように直線的に架橋するととも
に、化学式7,8に示すような硬化反応でもって、図3
(b)に模式的に示すように3次元方向で架橋する。な
お、図3では、下記化学式9に示すように、上記化学式
4を簡略化して模式的に表している。
【0043】
【化5】
【0044】
【化6】
【0045】
【化7】
【0046】
【化8】
【0047】
【化9】
【0048】このようにすれば、転がり軸受Aの必要部
位に固体状の潤滑膜5を好適な膜厚で形成することがで
きる。なお、(a)、(b)は必要に応じて数回繰り返
すようにしてもよく、最終的には、潤滑膜5の膜厚を例
えば0.2μm以下に適宜設定する。
【0049】ここで、(a)で用意した溶液を濃縮乾燥
しただけの状態(流動性がある状態)と、(a)で用意
した溶液をステンレス鋼板などの試料に付着して硬化し
た状態とについて、その性状を分析したので説明する。
【0050】前者は、FT−IR法(フーリエ変換−赤
外分光、液膜法)で分析している。その結果は、図4の
グラフに示すように、ふっ素系のピーク以外にNH(3
300cm-1)、N=C=O(2279cm-1)、N
(H)C=O(1712cm-1,1546cm-1)、ベ
ンゼン(1600cm-1)などのピークが見られ、ベン
ゼン環、ウレタン結合、イソシアネートが官能基として
存在していることが確認できる。ここでは、薄膜と厚膜
との場合についてそれぞれ調べているが、膜厚に関係な
く分析が行えた。後者は、FT−IR法(フーリエ変換
−赤外分光、高感度反射法)で分析している。その結果
は、図5のグラフに示すように、ベンゼン環やウレタン
結合のピークが見られるが、イソシアネートのピークが
見られない。つまり、これらの結果に基づき、上記化学
式5〜8に示す硬化反応による官能基の化学構造変化が
確認される。
【0051】以上説明した固体状の潤滑膜5は、それ自
体が3次元の網状構造をもって、被覆対象上に緻密に被
覆されるとともに自己潤滑性を有するため、上記実施例
よりもさらに一層長期にわたって優れた回転特性を発揮
できるようになる。この他、固体状であるから、衝撃荷
重に対し若干ながらも緩衝作用を発揮するので、耐衝撃
性に優れるものとなる。
【0052】この実施例において、上記(c)の硬化処
理については、加熱に代えて、紫外線、赤外線、γ線、
電子線などの電磁波(光)のエネルギーを利用すること
ができる。また、(b)の乾燥処理は、省略してもよ
い。
【0053】この固体状の潤滑膜5の場合、含ふっ素ポ
リウレタン高分子化合物中に、フルオロポリエーテルな
どの含ふっ素重合体を流動可能に分散添加した構造とす
ることもできる。この場合、具体的に、上記形成方法の
(a)の付着処理において、用意する溶液を、末端がイ
ソシアネートの官能基付き含ふっ素重合体〔例えば商品
名フォンブリンZ誘導体(FONBLIN Z DISOCなど)〕
と、含ふっ素重合体として官能基なし含ふっ素重合体
〔例えば商品名フォンブリンZ誘導体(FONBLIN Z-60な
ど)〕とを所定の割合で混合したものとすればよい。こ
の場合では、(c)の硬化処理において、官能基なし含
ふっ素重合体が、官能基付き含ふっ素重合体と結合しな
いので、これが、固体状の潤滑膜5の内部において流動
可能となり、膜表面から滲み出るなどして潤滑作用を発
揮することになる。なお、含ふっ素重合体としては、前
述の官能基なし含ふっ素重合体のみに限定されず、化学
式10,11,12に示すような官能基付き含ふっ素重
合体とすることができる。
【0054】
【化10】
【0055】
【化11】
【0056】
【化12】
【0057】
【発明の効果】本発明の転がり軸受では、少なくとも保
持器と軌道輪とが摺接する可能性のある部位に発塵性お
よび潤滑性に優れた潤滑膜を形成しているから、たとえ
軸受内部の潤滑剤が枯渇しても、前記摺接部位の早期摩
耗を防止でき、ひいては軸受の破損を未然に防止でき
る。
【0058】しかも、潤滑剤の枯渇状態での使用時間が
経過するに従い、トルク増加が起こって回転速度が低下
し、回転速度の低下に伴い発生する音が変化することに
なるが、この変化によって潤滑剤の供給忘れを作業者に
気付かせることが可能となる。このとき、潤滑膜によっ
て軸受構成要素を保護しているので、ほとんど損傷せず
に済むし、後で潤滑剤を供給したとき、通常どおりに動
作させて再使用できるようになる。
【0059】また、潤滑膜を含ふっ素ポリウレタン高分
子化合物からなる固体状とする場合には、分子間が密に
詰まった均質な構造であるので、潤滑作用が長期的に継
続できるようになる。しかも、この固体状の潤滑膜に含
ふっ素重合体を流動可能な状態で分散添加している場合
では、この流動可能な含ふっ素重合体が膜表面から滲み
出て潤滑作用に寄与するので、潤滑性の一層の向上に貢
献できる。
【0060】したがって、例えば歯科用ハンドピースな
どの高速回転で使用される場合において、潤滑剤の供給
忘れがあっても、軸受の破損を回避できて、再度の潤滑
剤供給によりそのまま継続して再使用できるようになる
など、うっかりミスに対する安全対策が万全となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例にかかる転がり軸受の上半分
の縦断面図
【図2】本発明の転がり軸受を用いた歯科用ハンドピー
スを示す断面図
【図3】固体状の潤滑膜の構造を模式的に表した構造図
【図4】固体状の潤滑膜の硬化前の状態での性状分析結
果を示すグラフ
【図5】固体状の潤滑膜の硬化後の状態での性状分析結
果を示すグラフ
【符号の説明】
A 転がり軸受 1 内輪 2 外輪 3 転動体 4 保持器 5 潤滑膜

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 グリースまたはオイルを潤滑剤として用
    いる転がり軸受であって、少なくとも保持器の軌道案内
    面または軌道輪の保持器案内面に、官能基付きの含フッ
    素重合体からなる潤滑膜が形成されている、ことを特徴
    とする転がり軸受。
  2. 【請求項2】 グリースまたはオイルを潤滑剤として用
    いる転がり軸受であって、少なくとも保持器の軌道案内
    面または軌道輪の保持器案内面に、含ふっ素ポリウレタ
    ン高分子化合物からなる固体状の潤滑膜が形成されてい
    る、ことを特徴とする転がり軸受。
  3. 【請求項3】 前記固体状の潤滑膜は、分子間がウレタ
    ン結合した3次元の網状構造を有している、請求項2に
    記載の転がり軸受。
  4. 【請求項4】 前記固体状の潤滑膜は、流動可能な含ふ
    っ素重合体が分散添加されている、請求項2または3に
    記載の転がり軸受。
  5. 【請求項5】 前記流動可能な含ふっ素重合体が官能基
    を有していない、請求項4に記載の転がり軸受。
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