JPS622024A - 固体潤滑転がり軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は転がり軸受に係り、特に高温、高真空、低温、
放射性雰囲気等の油で潤滑できない場所、あるいは油の
存在が好ましくない場所での使用に好適な固体潤滑転が
り軸受に関する。

〔発明の背景〕

宇宙機器、及び半導体製造装置等の真空機器の進歩、発
展に伴い真空中あるいは真空中でかつ低温、あるいは高
温といったいわゆる極限条件で回転する装置が増えてい
る。このような雰囲気で、蒸発の少ない油、グリースを
も使えない環境では固体で潤滑せざるを得ないが、固体
潤滑では以下に述べるような多くの問題、欠点がある。

まず、固体潤滑は摩擦が大きいため軸受の様式としては
ころがシ摩擦による転がり軸受が多用される。特に回転
数が高く相対運動速度が速い場合には転がり軸受しか使
用できない。転がり軸受のなかでは転動体が球の玉軸受
（１３ａｌｌ　Ｂｅａｒｉｎｇ）が圧倒的に多く、玉軸
受を固体潤滑する方法としては大きく分けて以下の二通
りある。ひと２は第１３図に示す如く保持器３１を固体
潤滑剤で構成するかもしくは保持器３１のボール３と接
触する部分３１ａ（ポケット部）に固体潤滑剤を配設し
、ボールと保持器間のすベシ摩擦によシボールに固体潤
滑剤を転移させてボールと内外輪転通溝のころがシ接触
面を潤滑する。この方法は例えば特開昭５４−６４２４
４号公報にて提案されている。もう一方は保持器のない
総ポール型式とし、あらかじめボールあるいはおよび内
輪、外輪の転道面（ボールが転がり運動する面）に銀（
Ａｇ）、金（ＡＨ）。

鉛（Ｐｂ）、インジウム（Ｉｎ）等の軟質金属を被覆し
ておき、これらの軟質金属の変形、摩耗、付着により潤
滑する方法である。総ボール型式の公知例として特開昭
５１−４２８４７．特開昭５５−５７７１７に潤滑被膜
の形成技術、あるいはボールの配置法に関する発明が記
載されている。

保持器を用いる前者ではボールと保持器のすベシ摩擦の
ため、二硫化モリブデン（ＭＯ８２）・二硫化タングス
テン（ＷＳ２）、セレン化ニオ７’（ＮｂＳｅ２）等の
低摩擦でボールとのすべ沙摩擦に対して耐摩耗の非金属
固体潤滑剤が多く用いられる。低速等の固転条件が緩や
かな場合には上記軟質金属のみを用いる場合もある。具
体的には非金属固体潤滑剤を通常の鋼製、゛あるいは調
合金製の保持器に機械的に埋め込ませたり、粉末冶金の
手法により保持器を複合材として適用しているが、これ
らの公知技術では以下に述べる問題点がある。

総圧型式として軟質金属をボール、転道面に被覆して潤
滑する場合、潤滑剤である軟質金属が変形、摩耗、付着
し、繰シ返す間に塊状となり、第１４図の模式図の如く
ボール、及び転道面表面にミクロン単位の凹凸が形成さ
れ、そのためころがり振動ひいては騒音の増大を招く。

また、凹凸が形成されるためころがり摩擦が犬きくなシ
、軸受内部のすきまよシ凹凸が大きくなシ負のすきまと
なると、予圧がかかった状態となシ摩擦トルクは極めて
増大する。

一方、保持器から潤滑剤を供給する型式ではボールド保
持器ポケット部とのすベシ摩擦によシ潤滑膜が形成され
るため、上記の総圧型式よシ凹凸の程度は小さく滑らか
な潤滑表面となる。しかし、回転中はボールと保持器が
常にすべり摩擦するため次々と潤滑剤がボールに供給さ
れ、余分なものは摩耗粉となって排出される。そのため
、回転機構部周辺に多くの摩耗粉が散乱することもあシ
、清浄度が要求され、異物を嫌う半導体製造装置等では
大きな間層となる。また、保持器のボールとのすベシに
よる摩耗はそれ自身の機械的強度の減少につながり、保
持器を破壊し破片のかみ込み、あるいはボールの片寄り
を起こし回転不能、焼付き状態に至る。保持器のポケッ
ト部の摩耗は材料の選択によシすベシ摩擦を軽減せしめ
、耐摩耗性を向上させ寿命を延長する努力はなされるが
、ボールとポケット部の接触、運動状況は極めて複雑で
あシ、寿命性能に大きなばらつきが生じることが多い。

そのため寿命予測が難しいという大きな問題があった。

〔発明の目的〕

本発明は上記欠点に鑑みなされたもので、寿命が長くか
つ安定し・振動、騒音が小さく、さらには摩耗粉の発生
量が少ない固体潤滑転がり軸受を提供することを目的と
したものである◇〔発明の概要〕 本発明の特徴は転動体のスピン運動に着目し、内輪と外
輪の間から転動体に固体潤滑剤を押しつけて、すベシ摩
擦によシ必要かつ十分な量の潤滑剤を供給し、転動体の
自転とスピン運動により潤滑作用を発揮させる点にある
。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図に従って説明する。図
示の玉軸受はいわゆるアンギュラ形式であシ、内輪１、
外輪２間の伝道溝にはボール３のみが複数個配設されて
おシ、保持器の無い総ボールタイプである。そのため保
持器破損、それによシ生じるボールの片寄シ、回転不能
という重大な事態は避けられる。内輪１．外輪２の間に
はボール３（て側方から接触するように固体潤滑剤供給
リング４（以下供給リングと呼ぶ）が設けられ、供給り
、グ４は供給バネ５の力でボール３に接触、押し付けら
れている。供給リング４、及びバネ５は段付きスリーブ
６に保持されている。玉軸受は通常の用い方と同様、外
輪側スリーブ７、内輪側スリーブ８により固定され、軸
９に取付けられる。

供給リング４は所望の固体潤滑剤１例えばＭＯ８２ｔＡ
ｇ、　ＰＴＦ’Ｅ等の単一あるいは複合材で構成される
。なお、本実施例では供給リング４を供給バネ５にてボ
ール３に押し付けたが、他の手段、例えば磁気力を応用
し、供給リング４及び段付きスリーブ６に磁石を配設し
て押し付けても良い。

第１図の構造における固体潤滑の機構を第２図、及び第
３図を併用して説明する。第２図は第１図の軸受のみを
取り出してボール３と内輪１、外輪２の伝道溝との接触
状況を示す。第２図において理論接触点はす、ｃである
が禅性変形のため幅ａｂｅ、ｄｅｆで接触しているとす
るっボール３が軸Ｘ−Ｘのまわシに理論回転するために
は玉の表面におけるｄ、ｆの周速度は同一でなければな
らない。一方、内輪上のｄ、　　ｆ点の周速度は半径ｄ
ｇ、ｆｉが相違するため互いに異なり、ｆ点の方が高い
。従って、もしも理論接触点ｅで純ころがシが起こって
いるとすれば・ｄ・　ｆの側では正負のすべりが起こら
ねばならず、このすべりは内輪の回転方向のベクトルを
矢印の向きとすればボール３に外向きの矢印の回転ベク
トルを持つ回転、すなわちスピンを与えることになる。

外輪の接触域ａｂｃでも同じことが逆向きに起こる。す
なわちこのスピンを妨げるようにすべりが起こり、結局
接触幅の大小、玉の遠心力の影響の大小（接触圧の相違
）などによって、すベシは必らず起こるが、スピンは矢
印の方向にもその逆にも起こる。

このように安定な回転における静的なスピンは一般に小
さく正常なアンギュラ軸受では数百回転に一回転くらい
である。若干のスピンは玉の摩耗の均一化のためかえっ
て有利な点もあシ、その摩擦はすべり変位が小さいだけ
に小さく、弊害を過大視する必要はない。

第３図は第１図の軸受部の拡大図で本発明における固体
潤滑の機構を示す。ボール３は軸Ｘ−Ｘを回転中心とし
て自転し、固体潤滑供給リング４が右側方からボール３
に接触、押し付けられている。供給リング４とボール３
との接触線Ｓ−８ですべり摩擦によりボール３に固体潤
滑薄膜が形成される。ボール３は軸Ｘ−Ｘを中心として
回転しながら内輪１．外輪２の間を公転しており、ボー
ル３と供給リング４との相対すべｐ速度はその分速く、
潤滑膜が効果的に供給される。その形成域Ｓ−Ｔは前述
のボール３のスピンのため徐々に軸Ｙ−Ｙを中心に回転
し最終的には第３図に示す如くボール３０表面上５ＴＵ
Ｖにわたって潤滑薄膜で覆われる。この間、ボール３は
軸Ｘ−Ｘを中心に自転を繰り返しておシ、実際には潤滑
膜は内輪１、外輪２の伝道溝に転移し、さらにボール３
の全面も潤滑膜で覆われることになる。

以上の説明から理解されるように固体潤滑剤の供給部は
接触線５−８Ｋ限定され、その相対すべり速度は第８図
の従来の保持器方式における５−ル３と保持器３１との
間の速度の約１／３と遅いため供給速度は低く、かつ何
回も摩擦をくり返しているので密着強度の高い平滑な膜
となる。そのため騒音、振動の小さい静かな回転が得ら
れる。

これは供給リング４がボール３を軸方向に押し付け、ボ
ール３の不規則な振動を抑制し、回転°を安定にしてい
るためでもある。また、潤滑剤の供給速度が低いため、
それだけ摩耗粉の排出量は少なく、清浄度が要求される
固体潤滑軸受として好適である。

第４図、第５図、第６図並びに第７図は予圧構造におけ
る実施例で、第４図から第６図は外輪側に、第７図は内
輪側に本発明の固体潤滑剤供給装置を設けた例である。

一般に回転機械は軸受の内輪を回転側とし、外輪側を静
止側とする場合が多いが、第４図から第６図はそれらに
最適な、本発明の固体潤滑玉軸受の実施例で、種々の軸
受の形状、予圧構造に関して示しである。第４図は二個
の軸受の間に予圧バネ１０、供給リング４、供給バネ５
、段付きスリーブ６を収納し、コンパクトな特徴ヲ持つ
。第５図は供給リング４．供給バネ５、段付きスリーブ
６を軸受の外側に配置し、固体潤滑剤供給装置の交換を
容易にしている。第６図は、多用される予圧構造への実
施例で、予圧は二個の軸受の外側からかけ、供給装置は
内部に収納されている。なお、供給バネ５は一個で兼用
しているため段付きスリーブ６は段がない形状となって
いる。予圧は予圧バネ１０で印加し、予圧力は供給バネ
５の押し付は力より強くしている。固体潤滑転がり軸受
は潤滑膜が油による潤滑膜よシ。

厚いため、さらには温度変化が生じる用途が多いため軸
受すきまが通常のものよシ大きい。そのため軸受すきま
に基づくガタ振動が発生し易く不連続で低い周波数の騒
音、振動が発生する。予圧構造では上記のすきまが解消
され、安定な回転を実現する。予圧バネ１０のバネ力を
強くするとポール３と内輪１．外輪２との接触面圧が高
まシ第２図における接触幅ａｂｃ、ｄｅｆが拡大する。

幅ａｂｃ、ｄｅｆの拡大はスピン速度を増し、潤滑剤の
供給速度もその分高まる。すなわち・軸方向荷重が増し
て軸受の負荷が増加すれば、それに応じて潤滑剤の供給
が早まる。

第８図は直径が小さく荷重を負荷しないボール３ｂと荷
重を負荷するボール３ａとを交互に配設したスペーサボ
ール型式の軸受に本発明を適用した実施例を示す。予圧
構造ではすきまが無くなりすべてのポールが荷重を支持
する。するとボール同士の接触に伴うボール間のすベシ
摩擦が発生し固体潤滑膜の破損、ひいては摩耗粉の発生
に至る場合がある。スペーサボール型式の軸受では第９
図に示す如くボール同士の回転方向が一個おきに同一と
なるためボール同士のすベシ摩擦が無くなシ上記の問題
が解消する利点がある。

本発明の医療診断用回転陽極Ｘ線管への適用実施例を第
１０図に示す。Ｘ線管では陰極１４から陽極ターゲット
１３へ熱電子が高速で衝突し、矢印の方向にＸ線が発生
する。熱電子のエネルギーの９９％以上が熱に変わるた
めターゲット１３のＸ線を発生した個所は瞬間的に昇温
する。そこで溶融を抑止するためターゲット１３を図の
如く軸受で回転自在に支持し、ターゲット１３と一体に
装着されたモータロータ１２をステータコイル（図示せ
ず）にて１１００００ｒｐで高速駆動し、熱発生点を移
動分散させることにより冷却している。

熱電子をターゲット１３に衝突させるためガラス容器１
５で全体が覆われ、軸受支持部材１１の一端と容器１５
とが密封され内部は１Ｏ−６ｔｏｒｒ以下の高真空に保
たれている。ターゲット温度は１２００Ｃにも達し、真
空中であるため大部分の熱はふく射で容器１５の外部へ
放熱されるが一部はモータロータ１２の軸部、並びに軸
９を伝わり、その結果軸受は耐熱許容温度の５０００ま
で加熱される。

また、回転側の内輪１と静止側の外輪２の間には１００
〜２００　ｄｅｇの温度差が生じるため、軸受すきまを
あらかじめ４０〜８０μｍと大きくして熱膨張量の相違
に対処している。このように軸受は真空、高温におかれ
ているため潤滑油は一切使えず、二硫化モリブデン＜Ｍ
Ｏ８２Ｌ　銀（Ａｇ）、鉛（Ｐｂ）等の固体で潤滑せざ
るを得ない。さらに、１００００ｒｐ、ｍの高速で回転
するため他の真空機器、例えば半導体製造装置、宇宙機
器の回転部よシはるかに苛酷な条件にある。これまでは
、第１３図。

第１４図に示す方法で潤滑していたが、既述の如くそれ
ぞれどうしても避けられない問題があった。

本発明では供給リング４の材質、供給バネ５のバネ力、
及び予圧バネ１０のバネ力を変えることによシ潤滑条件
を広範囲に設定でき、また予圧によシ常に軸受すきまを
零に維持できるため、摩耗粉の量が少なく、騒音、振動
の小さい長寿命なＸ線管が得られる。

回転条件が苛酷な場合、例えば超高真空中で高速、ある
いは高荷重で、潤滑膜が形成される前にポールと内輪外
輪転進溝間に荒損が生じる恐れがある場合は、ボールあ
るいは伝道溝の少なくともどちらか一方にあらかじめ薄
い固体潤滑膜を被覆しておくとよシ信頼性が向上する。

第１１図、及び第１２図は本発明のさらに他の実施例を
示す。本実施例においては供給バネ５を形状記憶合金で
構成している。軸受が収められる軸受箱１１の外側には
ヒータ２ｏが設けられている。本図の実施例において、
ヒータ２ｏが加熱されて供給バネ５の形状記憶効果によ
り、第１０図の如くバネが収縮すると供給リング４はボ
ール３から離れ、供給作用は停止する。そのだめ、固体
潤滑剤の供給が間欠的となシ、必要不可欠な量の潤滑剤
のみを供給することが可能となり余分な摩耗粉の発生を
防止できる。そのため、極端に塵埃を嫌う回転装置に適
する。また、本実施例では摩擦トルクを外部から自在に
変えることも可能である。転がｐ軸受のトルクは数種類
の要因から発生するが、供給リング４がボール３を押し
付けると、押し付は力に応じたすベシ摩擦が発生し、そ
の分軸骨トルクは増大する。その結果、回転体にブレー
キをかけながら固体潤滑剤の供給が可能となる。

本実施例では説明の便宜上、軸受箱１１の外側に加熱用
ヒータを設けたが、回転装置そのものが加熱され昇温す
る場合、例えば第１０図のＸ線管等では雰囲気温度の変
化を利用して供給バネ４の伸縮を行うことが可能である
。そのため使用上限温度−供給バネ４の形状記憶効果の
動作温度を設定し、上限温度以上でバネが伸びるように
すれば、高温で潤滑剤が特に必要な場合に効果的沈供給
すると共に、ブレーキをかけ上限温度に達したことを通
報する役目を果たす。

本発明は軸受材質をセラミックスとした場合にも効果が
ちる。セラミックスは高温での機械的強度に優れている
が、潤滑は必要とする。ところが、潤滑油の使用上限温
度は最高３００′Ｃであシ、それ以上の高温での使用に
際しては固体潤滑が有望である。しかし、従来の固体潤
滑法では既述Ｑ問題があった。本発明では高温での苛酷
な使用に適する固体潤滑セラミック軸受も提供できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、内輪と外輪の間から転動体に固体潤滑
剤を押し付けてすベシ摩擦により必要かつ十分な量の潤
滑剤を供給し、転動体の自転とスピン運動によシ薄く滑
らかな潤滑膜を回転しながら供給できるので、寿命が長
くかつ安定し、振動騒音が小さく、摩耗粉の発生量が少
ない固体潤滑転がり軸受を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２図は玉軸
受のスピン運動を説明する断面図、第３図は本発明の固
体潤滑機構を説明する断面図、第Ｘ線管への適用実施例
を示す断面図、第１１図及び第１２図は本発明の他の実
施例を示す断面図、第１３図並びに第１４図は従来の固
体潤滑転がり軸受を示す断面図。 １・・・内輪、２・・・外輪、３・・・ボール、４・・
・固体潤滑剤供給リング、５・・・供給バネ、６・・・
段付スリーブ、１０・・・予圧バネ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内輪、外輪、及び複数個の転動体から成る転がり軸
   受において、内輪と外輪の間からそう入された潤滑性を
   有するリング状の固体を転動体に押しつけ摩擦させて潤
   滑することを特徴とする固体潤滑転がり軸受。 ２、前記転がり軸受において、前記リング状の固体は間
   欠的に転動体に押しつけ摩擦させて潤滑することを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の固体潤滑転がり軸受
   。 ３、前記転がり軸受において、内輪側、あるいは外輪側
   の少なくとも一方に予圧をかけ、前記リングの固体を転
   動体に押しつける力は予圧力より小さいことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項及び第２項記載の固体潤滑転が
   り軸受。 ４、前記転がり軸受において、複数個の転動体は半数が
   直径が小さく荷重を負荷しないことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項、第２項、並びに第３項記載の固体潤滑
   転がり軸受。 ５、前記転がり軸受において、内輪と外輪あるいはまた
   は転動体に固体潤滑膜をあらかじめ被覆しておくことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項から第４項記載の固体
   潤滑転がり軸受。