WO2022202483A1 - ころ軸受 - Google Patents

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WO2022202483A1
WO2022202483A1 PCT/JP2022/011557 JP2022011557W WO2022202483A1 WO 2022202483 A1 WO2022202483 A1 WO 2022202483A1 JP 2022011557 W JP2022011557 W JP 2022011557W WO 2022202483 A1 WO2022202483 A1 WO 2022202483A1
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roller bearing
dlc
rollers
layer
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勇策 木場
一将 ▲瀬▼古
径生 堀
浩二 三宅
祥和 田中
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Ntn株式会社
日本アイ・ティ・エフ株式会社
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    • F16C33/36—Rollers; Needles with bearing-surfaces other than cylindrical, e.g. tapered; with grooves in the bearing surfaces

Definitions

  • the present invention relates to roller bearings, and for example, technology applied to self-aligning roller bearings that support the main shaft of wind turbine generators.
  • Patent Document 1 a metal film such as a DLC (Diamond-like Carbon) film has been applied to a part of the bearing.
  • DLC Diamond-like Carbon
  • An object of the present invention is to provide a roller bearing capable of improving lubrication performance even in a low lubrication environment.
  • a roller bearing according to the present invention comprises inner and outer rings, rollers interposed between the raceway surfaces of the inner and outer rings, and a retainer that retains the rollers, and has a DLC film on the outer peripheral surface of the rollers.
  • a concave portion for holding a lubricant is provided in the surface layer of the DLC film, the area ratio of the concave portion is 40% or less, and the size of the concave portion in plan view is 10 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the "area ratio" is the ratio of the area of the recesses to the total surface area of the outer peripheral surface of the roller.
  • the recessed portion since the size of the recessed portion provided in the surface layer of the DLC film is more than 10 ⁇ m and less than 100 ⁇ m, the recessed portion functions as a dimple of a so-called oil reservoir that retains the lubricant, resulting in low lubrication. It is possible to improve the ability to form an oil film and improve the lubrication performance even in the environment. Moreover, since the area ratio of the recessed portion is set to 40% or less, the durability of the DLC film can be maintained, and peeling of the surface layer of the DLC film can be prevented.
  • the DLC film has a multilayer structure in which the surface layer and other layers are laminated, and the recess is formed by removing soft DLC having a film hardness lower than that of the other layers in the surface layer.
  • the applicant of the present application found that soft DLC having a film hardness lower than that of other layers is scattered on the surface layer after forming the DLC film. Therefore, by removing the soft DLC present on the surface layer, for example, by lapping or the like, it is possible to easily form the recesses. In this case, since the recess can be formed without changing the film forming conditions of the DLC film itself, deterioration of the film quality of the DLC film can be prevented. In addition, since the recesses can be formed without separately preparing fine particles as in shot peening, it is possible to reduce the manufacturing cost.
  • the DLC film may have a three-layer structure consisting of, in order from the base material side of the roller, a metal layer, an intermediate layer that is a mixed layer of metal and DLC, and the surface layer.
  • the physical properties such as hardness and elastic modulus of the DLC film can be prevented from abruptly changing, and the adhesion of the DLC film to the roller can be enhanced.
  • a DLC film is provided on one or both of the raceway surface of the inner ring and the raceway surface of the outer ring, and recesses for holding a lubricant are provided in the surface layer of the DLC film, and the area ratio of the recesses is 40% or less, and the size of the recess in a plan view may be 10 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the "area ratio" is the ratio of the area of the recesses to the total surface area of each raceway surface.
  • the recess of the DLC film on the raceway surface also functions as a dimple of a so-called oil reservoir that retains the lubricant. Therefore, it is possible to further improve the lubricating performance together with the lubricant retained in the recess provided in the DLC film of the roller.
  • the roller bearing may be a self-aligning roller bearing that supports the main shaft of the wind turbine generator. In this case, the life of the self-aligning roller bearing for use in wind turbine generators is extended, and maintainability is excellent.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a self-aligning roller bearing according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 4 is an explanatory diagram of asymmetric rollers of the self-aligning roller bearing
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a DLC film formed on the outer peripheral surface of a roller of the self-aligning roller bearing
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a DLC film formed on the outer peripheral surface of a roller of the self-aligning roller bearing
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a state in which a recess is provided in the surface layer of the same DLC film; It is a figure which expands and shows the IV part of FIG. 3B partially. It is a top view which expands partially and shows the recessed part of the same DLC film.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a state in which a DLC film is provided on the raceway surface of a self-aligning roller bearing according to another embodiment of the present invention;
  • FIG. 6 is a vertical cross-sectional view of a self-aligning roller bearing according to still another embodiment of the present invention;
  • 1 is a perspective view showing a main part of an example of a main shaft support device for a wind power generator;
  • this self-aligning roller bearing 1 includes inner and outer rings 2 and 3, two rows of rollers 4 and 5 on the left and right sides interposed between the raceway surfaces of the inner and outer rings 2 and 3, and rollers 4 and 5. and retainers 10L and 10R that hold the The left and right rows of rollers 4 and 5 are arranged between the inner ring 2 and the outer ring 3 in the bearing width direction, that is, in the axial direction.
  • a raceway surface 3a of the outer ring 3 is concave spherical.
  • the outer peripheral surfaces of the rollers 4 and 5 in each of the left and right rows have a cross-sectional shape along the raceway surface 3a of the outer ring 3.
  • the outer peripheral surfaces of the rollers 4 and 5 are curved surfaces in the shape of bodies of revolution obtained by rotating arcs along the raceway surface 3a of the outer ring 3 around the center lines C1 and C2.
  • the inner ring 2 is formed with double-row raceway surfaces 2a and 2b having cross-sectional shapes along the outer peripheral surfaces of the left and right rows of rollers 4 and 5, respectively.
  • Small flanges 6 and 7 are provided at both ends of the outer peripheral surface of the inner ring 2, respectively.
  • a middle rib 8 is provided between the left and right rollers 4 and 5 at the center of the outer peripheral surface of the inner ring 2 .
  • the rollers 4, 5, inner ring 2 and outer ring 3 in each row are made of ferrous material. Any steel generally used as the iron-based material can be used, and examples thereof include high-carbon chromium bearing steel, carbon steel, tool steel, martensitic stainless steel, and carburized steel.
  • This embodiment is an example applied to a self-aligning roller bearing 1 with symmetrical left and right rows, and the contact angles ⁇ 1 and ⁇ 2 of the left and right rows are the same.
  • the terms “left” and “right” in this specification are merely terms for convenience to indicate the relative positional relationship of the bearings in the axial direction. In this specification, “left” and “right” correspond to left and right in each drawing for easy understanding.
  • the rollers 4 and 5 in each of the left and right rows are held by retainers 10L and 10R, respectively.
  • the retainer 10L for the left row has a plurality of pillars 12 extending axially to one side (left side) from an annular portion 11, and the left row rollers 4 are held in pockets between the pillars 12.
  • the retainer 10R for the right row has a plurality of pillars 12 extending from the annular portion 11 to the other side (right side) in the axial direction, and the right row rollers 5 are held in pockets between the pillars 12.
  • the rollers 4 and 5 in each of the left and right rows are asymmetrical rollers in which the positions M1 and M2 of the maximum diameters D1max and D2max are off the centers A1 and A2 of the roller length.
  • the position of the maximum diameter D1max of the left row roller 4 is on the right side of the roller length center A1
  • the position of the maximum diameter D2max of the right row roller 5 is on the left side of the roller length center A2.
  • An induced thrust load is generated in the rollers 4 and 5 in each of the left and right rows of such asymmetric rollers.
  • the middle rib 8 of the inner ring 2 is provided to receive this induced thrust load.
  • the combination of the asymmetric rollers 4, 5 and the middle rib 8 guides the rollers 4, 5 at three points, the inner ring 2, the outer ring 3, and the middle rib 8, so that the guiding accuracy is good.
  • Each row of rollers 4 and 5 shown in FIG. 1 has a multi-layered DLC (Diamond-like Carbon) film on its outer peripheral surface.
  • a DLC film is a multi-layer structure in which surface layers and other layers are stacked.
  • the DLC film 9 of this example includes, in order from the base material side of the rollers 4 and 5, a metal layer 9a, an intermediate layer 9b which is a mixed layer of metal and DLC, and a surface layer. 9c three-layer structure.
  • the surface layer 9c of the DLC film 9 is provided with recesses 16 in which lubricant is held.
  • FIG. 5 is a partially enlarged plan view showing the recessed portion 16 of the DLC film 9, taken along the line VV in FIG. As shown in FIG. 5, the area ratio of the recessed portion 16 is 10% or more and 40% or less. The "area ratio" is the ratio of the area of the recessed portion 16 to the total surface area of the outer peripheral surface of the roller.
  • the outer peripheral surfaces of the rollers 4 and 5 are the curved surfaces of the body of revolution as described above, so the area of the recessed portion 16 (FIG. 5) is obtained as follows.
  • the area of the recessed portion 16 (FIG. 5) is measured by using an imaging means such as a microscope to view a predetermined range in the circumferential direction of the outer peripheral surfaces of the rollers 4 and 5 in a plan view.
  • the rollers 4 and 5 are rotated about their axes with respect to the image pickup means, and the recessed portion 16 (Fig. Measure the area of 5).
  • the total area of the recessed portions 16 (FIG.
  • the area of the recess may be measured while rotating the imaging means relative to the outer peripheral surface of the roller. Since the upper limit of the area ratio of the recesses 16 shown in FIG. 5 is set to 40%, the durability of the DLC film 9 can be maintained and the peeling of the surface layer 9c of the DLC film 9 can be prevented. Further, since the lower limit of the area ratio of the recessed portion 16 is set to 10%, the lubricant can be held in the recessed portion 16 more reliably. More preferably, the upper limit of the area ratio of the recessed portion 16 is 35 to 40%, and the lower limit is 10 to 20%.
  • the size L of the recessed portion 16 in plan view is 10 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the size L of the recessed portion 16 in a plan view is measured while rotating the roller about its axis relative to the imaging means in the same manner as the method for measuring the area of the recessed portion 16 described above.
  • the size L of the recess 16 in plan view can be measured by measuring the maximum value between the farthest outer edges P1 and P2 using an imaging device or the like. If the size L of the recessed portion 16 is 10 ⁇ m or less, there is a possibility that the holding force of the recessed portion 16 to retain the lubricant may be insufficient. If the size L of the recessed portion 16 is 100 ⁇ m or more, there is a risk that micro-peeling will occur on the outer peripheral surface of the roller.
  • the DLC film manufacturing method includes, in order, a DLC film forming process (FIG. 3A) and a recess forming process ( FIG. 3B).
  • a DLC film 9 is formed on the outer peripheral surfaces of the rollers 4 and 5 .
  • a CVD method such as thermal CVD or plasma CVD
  • a vacuum vapor deposition method such as thermal CVD or plasma CVD
  • an ion plating method such as thermal CVD or plasma CVD
  • a vacuum vapor deposition method such as vacuum vapor deposition method
  • an ion plating method such as a sputtering method
  • a laser ablation method such as an ion beam deposition method
  • a PVD method such as an ion implantation method, or the like.
  • the above-described film forming process produces a metal layer 9a mainly composed of chromium Cr directly on the outer peripheral surfaces of the rollers 4 and 5, an intermediate layer 9b mainly composed of DLC on the metal layer 9a, and an intermediate layer 9b composed mainly of DLC.
  • a surface layer 9c mainly composed of DLC is formed on the surface 9b.
  • the content of Cr in the intermediate layer 9b decreases continuously or stepwise from the side of the metal layer 9a toward the side of the surface layer 9c, and the content of DLC in the intermediate layer 9b increases. getting higher.
  • the intermediate layer 9b can be formed by gradually changing the filling concentration of the raw material gas.
  • the DLC film 9 has a three-layer structure as described above, thereby avoiding sudden changes in physical properties (hardness, elastic modulus, etc.).
  • the metal layer 9a contains Cr, it has good compatibility with a base material made of a cemented carbide material or an iron-based material, and has excellent adhesion to the base material as compared with the case of using W, Ti, Si, Al, or the like. . It is preferable that the Cr content of the metal layer 9a decreases from the roller surface side toward the intermediate layer 9b side. As a result, the adhesion between the roller surface and the intermediate layer 9b is excellent.
  • recesses 16 are formed in the surface layer 9c.
  • the recessed portion 16 is formed by removing soft DLC having a film hardness lower than that of the metal layer 9a and the intermediate layer 9b, which are the other layers, in the surface layer 9c.
  • the recesses 16 can be easily formed by removing the soft DLC scattered on the surface layer 9c by, for example, lapping.
  • ⁇ Test and test results> After forming a DLC film on the outer peripheral surface of a plurality of cylindrical test pieces (test pieces), lapping is performed to remove the soft DLC scattered on the surface layer of the DLC film. A plurality of recesses were formed.
  • the test conditions are as follows.
  • ⁇ Fig. 10 shows an outline of the two-cylinder testing machine.
  • the tester has two parallel rotating shafts S1 and S2.
  • One rotating shaft S1 has a test piece D2 coated with a DLC film, and the other rotating shaft S2 has an untreated test piece F2 as a mating material.
  • Each rotating shaft S1, S2 can be driven to rotate by a motor M, respectively.
  • the load and rotation speed applied to test pieces D2 and F2 were assumed to be values corresponding to the operating conditions of the main bearing of the wind power generator.
  • the lubrication mechanism was a felt pad lubrication system, and a felt pad FP impregnated with lubricating oil was installed directly below each test piece D2, F2.
  • Additive-free low-viscosity oil was used as the lubricant to be used, assuming that the oil was exhausted.
  • the recessed portion 16 since the size of the recessed portion 16 provided in the surface layer 9c of the DLC film 9 is more than 10 ⁇ m and less than 100 ⁇ m, the recessed portion 16 forms a so-called oil pool holding lubricant. It functions as a dimple and improves the ability to form an oil film even in a low lubrication environment, thereby improving lubrication performance. Moreover, since the area ratio of the recessed portion 16 is set to 40% or less, the durability of the DLC film 9 can be maintained, and peeling of the surface layer 9c of the DLC film 9 can be prevented.
  • the recessed portion 16 By removing the soft DLC present on the surface layer 9c by, for example, lapping or the like, it is possible to easily form the recessed portion 16. In this case, since the recessed portion 16 can be formed without changing the film forming conditions of the DLC film itself, deterioration of the film quality of the DLC film 9 can be prevented. Moreover, since the recesses 16 can be formed without separately preparing fine particles as in the case of shot peening, it is possible to reduce the manufacturing cost.
  • the DLC film 9 has a three-layer structure consisting of a metal layer 9a, an intermediate layer 9b which is a mixed layer of metal and DLC, and the surface layer 9c in order from the base material side of the rollers 4 and 5. Therefore, the DLC film 9 can avoid sudden changes in physical properties such as hardness and elastic modulus, and the adhesion of the DLC film 9 to the rollers 4 and 5 can be enhanced.
  • a surface layer 9c of the DLC film 9 having a film 9 may be provided with a recess 16 in which lubricant is retained.
  • the area ratio of the recessed portion 16 is 40% or less, and the size of the recessed portion 16 in plan view is 10 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the recessed portion 16 of the DLC film 9 on the raceway surfaces 2a, 2b, and 3a also retains the lubricant. It functions as a dimple for the oil pool. Therefore, it is possible to further improve the lubricating performance together with the lubricant retained in the recess provided in the DLC film of the roller.
  • Each of the above embodiments is an example applied to a bilaterally symmetric self-aligning roller bearing. It may be applied to the self-aligning roller bearing 1 .
  • a DLC film may be provided on the outer peripheral surfaces of the rollers 4 and 5 of the left-right asymmetric self-aligning roller bearing 1, and a DLC film may be provided on one or both of the raceway surfaces 2a, 2b and 3a of the inner and outer rings 2 and 3. may be provided.
  • a DLC film may be provided on the outer peripheral surface of the rollers of a cylindrical roller bearing or a tapered roller bearing, and a DLC film may be provided on either or both of the raceway surfaces of the inner and outer rings. Dry lapping may be employed as the lapping process for forming the recess.
  • one or both of the raceway surface of the inner ring and the raceway surface of the outer ring may have a DLC film, and only the surface layer of this DLC film may be provided with recesses.
  • the area ratio of the recessed portion is 40% or less, and the size of the recessed portion in plan view is 10 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • a casing 23a of a nacelle 23 is horizontally rotatably installed on a support base 21 via a slewing seat bearing 22 (FIG. 9).
  • a main shaft 26 is rotatably installed in a casing 23a of the nacelle 23 via a main shaft support bearing 25 installed in a bearing housing 24, and blades 27 serving as swirling blades are provided on the portion of the main shaft 26 protruding outside the casing 23a. is installed.
  • a self-aligning roller bearing 1 according to any one of the embodiments is applied as the main shaft support bearing 25 .
  • the other end of the main shaft 26 is connected to a speed increaser 28 , and the output shaft of the speed increaser 28 is coupled to the rotor shaft of the generator 29 .
  • the nacelle 23 is turned to an arbitrary angle via a reduction gear 31 by a turning motor 30 .
  • two spindle support bearings 25 are arranged side by side in the illustrated example, one may be provided.
  • Spherical roller bearings, cylindrical roller bearings, and tapered roller bearings according to any of the embodiments, and roller bearings and ball bearings according to reference proposal examples may be used for applications other than wind turbine generators, such as industrial machinery, machine tools, robots, etc. It is also possible to adopt As described above, preferred embodiments have been described with reference to the drawings, but various additions, changes, and deletions can be made without departing from the scope of the present invention. Accordingly, such are also included within the scope of this invention.

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Abstract

ころ軸受は、内外輪と、これら内外輪の軌道面間に介在するころ(４，５)と、ころ(４，５)を保持する保持器とを備える。ころ(４，５)の外周面にＤＬＣ膜(９)を有する。ＤＬＣ膜(９)の表面層(９ｃ)に潤滑剤が保持される凹み部(１６)が設けられ、この凹み部(１６)の面積率が４０％以下であり、凹み部(１６)の平面視における大きさが１０μｍ～１００μｍである。前記ＤＬＣ膜(９)は表面層(９ｃ)および他の層が積層された多層構造であり、前記凹み部(１６)は、前記表面層(９ｃ)のうち、他の層よりも膜硬さが低い軟性のＤＬＣが除去されたものである。

Description

ころ軸受 関連出願
　本出願は、２０２１年３月２２日出願の特願２０２１－０４７０３９の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。
　本発明は、ころ軸受に関し、例えば、風力発電装置の主軸を支持する自動調心ころ軸受等に適用される技術に関する。
　従来から軸受の一部にＤＬＣ（Diamond-like Carbon）膜などの金属皮膜を施し、さらに潤滑性能を向上させる手法として、ＤＬＣ膜の表面に中心線平均粗さＲａで０．０１～０．２μｍの微細な凹凸形状を付与する手法が導入されている（特許文献１）。このような凹凸形状をＤＬＣ膜に施す場合、ＤＬＣ膜自体の成膜条件を意図的に調整するか、またはショットピーニングなどで微細な粒子をＤＬＣ膜の表面に打ち付けて凹凸形状を付与する方法が採られている。
特開２０１０－１２６４１９号公報
　ＤＬＣ膜に微細な凹凸形状を付与する場合を考える。ＤＬＣ膜の表面に凹凸形状を有することで、潤滑環境下で油を保持するディンプルとして機能し潤滑性能が向上する。しかし、特許文献１のような微細な凹凸形状では潤滑剤を保持する保持力に課題があり、特に、低潤滑環境下で潤滑性能の向上を図ることが難しい。
　本発明の目的は、低潤滑環境下においても潤滑性能の向上を図ることができるころ軸受を提供することである。
　本発明のころ軸受は、内外輪と、これら内外輪の軌道面間に介在するころと、前記ころを保持する保持器とを備え、前記ころの外周面にＤＬＣ膜を有するころ軸受であって、
　前記ＤＬＣ膜の表面層に潤滑剤が保持される凹み部が設けられ、この凹み部の面積率が４０％以下であり、前記凹み部の平面視における大きさが１０μｍ～１００μｍである。
　前記「面積率」とは、ころの外周面の全表面積に対する凹み部の面積の比率である。
　この構成によると、ＤＬＣ膜の表面層に設けられる凹み部の大きさが１０μｍを超え１００μｍ未満であるため、凹み部が潤滑剤を保持する所謂油だまりのディンプルとしての機能を果たし、低潤滑の環境下においても油膜を形成する能力を向上させ潤滑性能の向上を図ることができる。また凹み部の面積率を４０％以下としたため、ＤＬＣ膜の耐久性を保持でき、ＤＬＣ膜の表面層が剥離することを防止し得る。
　前記ＤＬＣ膜は前記表面層および他の層が積層された多層構造であり、前記凹み部は、前記表面層のうち、前記他の層よりも膜硬さが低い軟性のＤＬＣが除去されたものであってもよい。本件出願人は、ＤＬＣ膜の成膜後に表面層上に、他の層よりも膜硬さが低い軟性のＤＬＣが点在することを見出した。そこで表面層上に存在する軟性のＤＬＣを、例えば、ラップ加工等により除去することで、容易に前記凹み部を形成することが可能となる。この場合、ＤＬＣ膜自体の成膜条件を変更することなく凹み部を形成し得るため、ＤＬＣ膜の膜質の劣化を防ぐことができる。またショットピーニングのように微細粒子を別途用意することなく凹み部を形成し得るため、製造コストの低減を図ることが可能となる。
　前記ＤＬＣ膜は、前記ころの母材側から順に、金属層、金属とＤＬＣの混合層である中間層、および前記表面層の３層構造であってもよい。この場合、ＤＬＣ膜において硬度、弾性率などの物性が急激に変化することを避け、ころに対するＤＬＣ膜の密着性を高めることができる。
　前記内輪の軌道面および前記外輪の軌道面のいずれか一方または両方にＤＬＣ膜を有し、このＤＬＣ膜の表面層に潤滑剤が保持される凹み部が設けられ、この凹み部の面積率が４０％以下であり、前記凹み部の平面視における大きさが１０μｍ～１００μｍであってもよい。
　前記「面積率」とは、各軌道面の全表面積に対する凹み部の面積の比率である。
　この構成によると、ＤＬＣ膜の表面層に設けられる凹み部の大きさが１０μｍ～１００μｍとしたため、軌道面のＤＬＣ膜の凹み部も潤滑剤を保持する所謂油だまりのディンプルとしての機能を果たす。したがって、ころのＤＬＣ膜に設けられる凹み部に保持される潤滑剤と相俟って潤滑性能の向上をさらに図ることができる。
　前記ころ軸受は、風力発電装置の主軸を支持する自動調心ころ軸受であってもよい。この場合、風力発電装置用途の自動調心ころ軸受の長寿命化を図り、メンテナンス性に優れる。
　請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、この発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、この発明に含まれる。
　この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。
本発明の第１の実施形態に係る自動調心ころ軸受の縦断面図である。 同自動調心ころ軸受の非対称ころの説明図である。 同自動調心ころ軸受のころの外周面に成膜されたＤＬＣ膜の構成を模式的に示す断面図である。 同ＤＬＣ膜の表面層に凹み部が設けられた状態を示す断面図である。 図３ＢのIV部を部分的に拡大して示す図である。 同ＤＬＣ膜の凹み部を部分的に拡大して示す平面図である。 本発明の他の実施形態に係る自動調心ころ軸受の軌道面にＤＬＣ膜が設けられた状態を模式的に示す断面図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る自動調心ころ軸受の縦断面図である。 風力発電装置の主軸支持装置の一例の要部を示す斜視図である。 同主軸支持装置の要部を示す破断側面図である。 試験機の概略図である。
　［第１の実施形態］
　本発明のころ軸受を自動調心ころ軸受に適用した例を図１ないし図５と共に説明する。以下の説明はＤＬＣ膜の製造方法についての説明をも含む。
　図１に示すように、この自動調心ころ軸受１は、内外輪２，３と、これら内外輪２，３の軌道面間に介在する左右２列のころ４，５と、ころ４，５を保持する保持器１０Ｌ，１０Ｒとを備える。前記左右２列のころ４，５は、内輪２と外輪３との間で軸受幅方向すなわち軸心方向に並ぶ。外輪３の軌道面３ａは凹球面状である。
　左右各列のころ４，５は外周面が外輪３の軌道面３ａに沿う断面形状である。換言すれば、ころ４，５の外周面は、外輪３の軌道面３ａに沿った円弧を中心線Ｃ１，Ｃ２回りに回転させた回転体形状の曲面である。内輪２には、左右各列のころ４，５の外周面に沿う断面形状の複列の軌道面２ａ，２ｂが形成されている。内輪２の外周面の両端には、小つば６，７がそれぞれ設けられている。内輪２の外周面の中央部である左右のころ４，５間に、中つば８が設けられている。
　各列のころ４，５、内輪２および外輪３は、鉄系材料から成る。前記鉄系材料として一般的に用いられる任意の鋼材等を使用でき、例えば、高炭素クロム軸受鋼、炭素鋼、工具鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、浸炭鋼等が挙げられる。
　本実施形態は、左右列対称の自動調心ころ軸受１に適用した例であり、左右列の接触角θ１，θ２は互いに同じである。本明細書における用語「左」，「右」は、軸受のアキシアル方向における相対的な位置関係を便宜上示すための用語に過ぎない。本明細書において、「左」，「右」は、理解を容易にするため、各図における左右と一致させている。
　左右各列のころ４，５は、それぞれ保持器１０Ｌ，１０Ｒにより保持されている。左列用の保持器１０Ｌは、円環部１１から複数の柱部１２が軸方向一方側（左側）に延び、これら柱部１２間のポケットに左列のころ４が保持される。右列用の保持器１０Ｒは、円環部１１から複数の柱部１２が軸方向他方側（右側）に延び、これら柱部１２間のポケットに右列のころ５が保持される。
　図２に示すように、左右各列のころ４，５は、いずれも最大径Ｄ１ｍａｘ，Ｄ２ｍａｘの位置Ｍ１，Ｍ２がころ長さの中央Ａ１，Ａ２から外れた非対称ころである。左列のころ４の最大径Ｄ１ｍａｘの位置はころ長さの中央Ａ１よりも右側にあり、右列のころ５の最大径Ｄ２ｍａｘの位置はころ長さの中央Ａ２よりも左側にある。このような非対称ころからなる左右各列のころ４，５は、誘起スラスト荷重が発生する。この誘起スラスト荷重を受けるために、内輪２の前記中つば８が設けられる。非対称ころ４，５と中つば８の組合せは、ころ４，５を内輪２、外輪３、および中つば８の３箇所で案内するので、案内精度が良い。
　＜ＤＬＣ膜について＞
　図１に示す各列のころ４，５は、外周面に多層構造のＤＬＣ（Diamond-like Carbon）膜を有している。ＤＬＣ膜は、表面層および他の層が積層された多層構造である。具体的には、図３Ｂに示すように、この例のＤＬＣ膜９は、ころ４，５の母材側から順に、金属層９ａ、金属とＤＬＣの混合層である中間層９ｂ、および表面層９ｃの３層構造である。図４に示すように、ＤＬＣ膜９の表面層９ｃに、潤滑剤が保持される凹み部１６が設けられている。
　図５は、ＤＬＣ膜９の凹み部１６を部分的に拡大して示す平面図であり、図４のV-V線矢視図である。図５に示すように、前記凹み部１６の面積率は１０％以上４０％以下である。前記「面積率」とは、ころの外周面の全表面積に対する凹み部１６の面積の比率である。
　図１に示すように、ころ４，５の外周面は、前述のように回転体形状の曲面であるため、凹み部１６（図５）の面積を次のように求める。ころ４，５の外周面における円周方向の所定範囲となる部分を、例えば、顕微鏡等の撮像手段を用いて平面視で見たときの凹み部１６（図５）の面積を計測する。次に、撮像手段に対し、ころ４，５をその軸心回りに回転させ前記ころ４，５の外周面における円周方向の他の部分を、平面視で見たときの凹み部１６（図５）の面積を計測する。以下、同様にころ４，５を軸心回りに回転させつつころ４，５の外周面全周に渡って計測した凹み部１６（図５）の面積の合計値より、凹み部１６（図５）の面積を求める。なお、ころの外周面に対して相対的に撮像手段を回転させつつ凹み部の面積を計測してもよい。図５に示す凹み部１６の面積率の上限値を４０％としたため、ＤＬＣ膜９の耐久性を保持でき、ＤＬＣ膜９の表面層９ｃが剥離することを防止し得る。また凹み部１６の面積率の下限値を１０％としたため、凹み部１６に潤滑剤をより確実に保持し得る。凹み部１６の面積率の上限値は３５～４０％、下限値は１０～２０％がより好ましい。
　さらに前記凹み部１６の平面視における大きさＬが１０μｍ～１００μｍである。前記凹み部１６の平面視における大きさＬは、前述の凹み部１６の面積の計測方法と同様に、撮像手段に対してころをその軸心回りに相対回転させつつ計測する。各凹み部１６において、最も離隔した外縁部Ｐ１，Ｐ２間の最大値を撮像手段等を用いて計測することで、凹み部１６の平面視における大きさＬを計測し得る。凹み部１６の大きさＬが１０μｍ以下であると、凹み部１６が潤滑剤を保持する保持力が不十分となるおそれがある。凹み部１６の大きさＬが１００μｍ以上であると、ころの外周面に微小剥離が生じるおそれがある。
　図３Ａおよび図３Ｂに示すように、ＤＬＣ膜の製造方法としては、順次、ＤＬＣ膜の成膜過程（図３Ａ）と、ＤＬＣ膜の表面層９ｃに凹み部１６を形成する凹み部形成過程（図３Ｂ）と、を有する。
　＜ＤＬＣ膜の成膜過程＞
　前記下地処理過程の後、ころ４，５の外周面にＤＬＣ膜９を成膜する。ＤＬＣ膜９の成膜方法として、例えば、熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ等のＣＶＤ法、真空蒸着法、イオンプレーティング、スパッタリング法、レーザーアブレーション法、イオンビームデポジション、イオン注入法等のＰＶＤ法等を適用し得る。
　前記成膜過程により図３Ａに示すように、ころ４，５の外周面に直接クロムＣｒを主体とする金属層９ａ、この金属層９ａの上にＤＬＣを主体とする中間層９ｂ、この中間層９ｂの上にＤＬＣを主体とする表面層９ｃが成膜される。
　中間層９ｂは、金属層９ａ側から表面層９ｃ側へ向けて連続的または段階的に、中間層９ｂ中のCrの含有率が小さくなり、且つ、前記中間層９ｂ中のＤＬＣの含有率が高くなっている。例えば、プラズマＣＶＤ等においては、原料ガスの充填濃度等を徐々に変化させることで、前記中間層９ｂを形成し得る。本実施形態では、ＤＬＣ膜９の膜構造を前述のような３層構造とすることで、急激な物性（硬度・弾性率等）変化を避けるようにしている。
　金属層９ａは、Ｃｒを含むので超硬合金材料または鉄系材料から成る母材との相性がよく、Ｗ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ａｌ等を用いる場合と比較して母材との密着性に優れる。金属層９ａは、ころ表面側から中間層９ｂ側に向けてＣｒの含有率が小さくすることが好ましい。これにより、ころ表面と中間層９ｂとの両面で密着性に優れる。
　＜凹み部形成過程＞
　前記成膜過程の後、図３Ｂ、図４および図５に示すように、表面層９ｃに凹み部１６が形成される。この凹み部１６は、表面層９ｃのうち、他の層である金属層９ａ、中間層９ｂよりも膜硬さが低い軟性のＤＬＣが除去されたものである。ＤＬＣ膜の成膜後に表面層９ｃ上に点在する軟性のＤＬＣを、例えば、ラップ加工等により除去することで、容易に前記凹み部１６を形成し得る。
　＜試験および試験結果＞
　円筒形状の複数の試験片（テストピース）の外周面にＤＬＣ膜をそれぞれ成膜した後、ラップ加工により、ＤＬＣ膜の表面層上に点在する軟性のＤＬＣを除去することで、表面層に複数の凹み部を形成した。
　試験条件は以下の通りである。
　・試験片：内径20ｍｍ×外径40ｍｍ×幅12ｍｍの円筒形状で、高炭素クロム軸受鋼製。
　・2円筒試験機の概略を図１０に示す。試験機は2本の互いに平行な回転軸S1,S2を有し、一方の回転軸S1にDLC膜を施した試験片D2、他方の回転軸S2には相手材として無処理の試験片F2を備え構成されている。各回転軸S1,S2はそれぞれモータMにより回転駆動可能である。ここで試験片D2とF2に加えられる荷重及び回転数は、風力発電機主軸受の実機使用条件に相当する数値を仮定し試験を行った。潤滑機構はフェルトパッド給油とし潤滑油を含侵させたフェルトパッドFPを各試験片D2,F2の真下に設置した。なお使用する潤滑剤は油枯渇状態を想定し、無添加低粘度油を用いた。
　試験後、DLCの表面状態を光学顕微鏡にて確認し、各条件のＤＬＣ膜の耐剥離性および潤滑剤保持力を観察した。潤滑状態で試験後表面の凹み部１６（図５）に潤滑剤の存在を示す干渉色ＩＦ（図５）が見られたとき、潤滑剤保持力に問題なしと規定した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示す試験結果によると、１００μｍ程度の凹み部の大きさでＤＬＣ膜の剥離が進展することが示されている。
　基本的にＤＬＣ膜の耐久性の観点からある程度凹み部の面積率を抑えた方がよいため、複数の試験片のうち、最も面積率の高い４０％を上限値として採用した。また凹み部に潤滑剤をより確実に保持する観点から、凹み部の面積率の下限値を１０％とした。
　＜作用効果＞
　以上説明した自動調心ころ軸受１によると、ＤＬＣ膜９の表面層９ｃに設けられる凹み部１６の大きさが１０μｍを超え１００μｍ未満としたため、凹み部１６が潤滑剤を保持する所謂油だまりのディンプルとしての機能を果たし、低潤滑の環境下においても油膜を形成する能力を向上させ潤滑性能の向上を図ることができる。また凹み部１６の面積率を４０％以下としたため、ＤＬＣ膜９の耐久性を保持でき、ＤＬＣ膜９の表面層９ｃが剥離することを防止し得る。
　表面層９ｃ上に存在する軟性のＤＬＣを、例えば、ラップ加工等により除去することで、容易に凹み部１６を形成することが可能となる。この場合、ＤＬＣ膜自体の成膜条件を変更することなく凹み部１６を形成し得るため、ＤＬＣ膜９の膜質の劣化を防ぐことができる。またショットピーニングのように微細粒子を別途用意することなく凹み部１６を形成し得るため、製造コストの低減を図ることが可能となる。
　ＤＬＣ膜９は、ころ４，５の母材側から順に、金属層９ａ、金属とＤＬＣの混合層である中間層９ｂ、および前記表面層９ｃの３層構造である。このため、ＤＬＣ膜９において硬度、弾性率などの物性が急激に変化することを避け、ころ４，５に対するＤＬＣ膜９の密着性を高めることができる。
　＜他の実施形態について＞
　次に、他の実施形態について説明する。以下の説明においては、各実施形態で先行して説明している事項に対応している部分には同一の参照符号を付し、重複する説明を略する。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、特に記載のない限り先行して説明している形態と同様とする。同一の構成から同一の作用効果を奏する。各実施形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施形態同士を部分的に組合せることも可能である。
　［第２の実施形態］
　ころの外周面に、前述の凹み部を有するＤＬＣ膜が設けられる構成に加えて、図６に示すように、内輪の軌道面２ａ，２ｂおよび外輪の軌道面３ａのいずれか一方または両方にＤＬＣ膜９を有し、このＤＬＣ膜９の表面層９ｃに潤滑剤が保持される凹み部１６が設けられてもよい。この凹み部１６の面積率が４０％以下であり、凹み部１６の平面視における大きさが１０μｍ～１００μｍである。
　この構成によると、ＤＬＣ膜９の表面層９ｃに設けられる凹み部１６の大きさが１０μｍ～１００μｍとしたため、軌道面２ａ，２ｂ，３ａのＤＬＣ膜９の凹み部１６も潤滑剤を保持する所謂油だまりのディンプルとしての機能を果たす。したがって、ころのＤＬＣ膜に設けられる凹み部に保持される潤滑剤と相俟って潤滑性能の向上をさらに図ることができる。
　［第３の実施形態］
　上記各実施形態は左右対称の自動調心ころ軸受に適用した例であるが、左右非対称の自動調心ころ軸受、例えば、図７に示すように、左右列の接触角θ１、θ２が互いに異なる自動調心ころ軸受１に適用してもよい。左右非対称の自動調心ころ軸受１のころ４，５の外周面にＤＬＣ膜が設けられてもよく、さらに内外輪２，３の軌道面２ａ，２ｂ，３ａのいずれか一方または両方にＤＬＣ膜が設けられてもよい。
　図示しないが、円筒ころ軸受や円すいころ軸受のころの外周面にＤＬＣ膜が設けられてもよく、さらに内外輪の軌道面のいずれか一方または両方にＤＬＣ膜が設けられてもよい。
　凹み部を形成するラップ加工として、乾式ラッピングを採用してもよい。
　参考提案例として、内輪の軌道面および外輪の軌道面のいずれか一方または両方にＤＬＣ膜を有し、このＤＬＣ膜の表面層のみに凹み部が設けられてもよい。この凹み部の面積率が４０％以下であり、凹み部の平面視における大きさが１０μｍ～１００μｍである。
　図８、図９は、風力発電装置の主軸支持装置の一例を示す。支持台２１上に旋回座軸受２２（図９）を介してナセル２３のケーシング２３ａが水平旋回自在に設置されている。ナセル２３のケーシング２３ａ内には、軸受ハウジング２４に設置された主軸支持軸受２５を介して主軸２６が回転自在に設置され、主軸２６のケーシング２３ａ外に突出した部分に、旋回翼となるブレード２７が取り付けられている。主軸支持軸受２５として、いずれかの実施形態に係る自動調心ころ軸受１が適用されている。
　主軸２６の他端は、増速機２８に接続され、増速機２８の出力軸が発電機２９のロータ軸に結合されている。ナセル２３は、旋回用モータ３０により、減速機３１を介して任意の角度に旋回させられる。主軸支持軸受２５は、図示の例では２個並べて設置してあるが、１個であってもよい。
　いずれかの実施形態に係る自動調心ころ軸受、円筒ころ軸受、円すいころ軸受を参考提案例に係るころ軸受および玉軸受を、風力発電装置以外の用途、例えば、産業機械、工作機械、ロボット等に採用することも可能である。
　以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更、削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。
　１…自動調心ころ軸受
　２…内輪
　２ａ，２ｂ…軌道面
　３…外輪
　３ａ…軌道面
　４，５…ころ
　９…ＤＬＣ膜
　９ａ…金属層
　９ｂ…中間層
　９ｃ…表面層
　１０Ｌ，１０Ｒ…保持器
　１６…凹み部
　２６…主軸

Claims (5)

  1. 　内外輪と、これら内外輪の軌道面間に介在するころと、前記ころを保持する保持器とを備え、前記ころの外周面にＤＬＣ膜を有するころ軸受であって、
    　前記ＤＬＣ膜の表面層に潤滑剤が保持される凹み部が設けられ、この凹み部の面積率が４０％以下であり、前記凹み部の平面視における大きさが１０μｍ～１００μｍであるころ軸受。
  2. 　請求項１に記載のころ軸受において、前記ＤＬＣ膜は前記表面層および他の層が積層された多層構造であり、前記凹み部は、前記表面層のうち、前記他の層よりも膜硬さが低い軟性のＤＬＣが除去されたものであるころ軸受。
  3. 　請求項２に記載のころ軸受において、前記ＤＬＣ膜は、前記ころの母材側から順に、金属層、金属とＤＬＣの混合層である中間層、および前記表面層の３層構造であるころ軸受。
  4. 　請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のころ軸受において、前記内輪の軌道面および前記外輪の軌道面のいずれか一方または両方にＤＬＣ膜を有し、このＤＬＣ膜の表面層に潤滑剤が保持される凹み部が設けられ、この凹み部の面積率が４０％以下であり、前記凹み部の平面視における大きさが１０μｍ～１００μｍであるころ軸受。
  5. 　請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のころ軸受において、風力発電装置の主軸を支持する自動調心ころ軸受であるころ軸受。
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