(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
凸球面状の外周面を有しかつ径方向に沿うとともに軸心を通る面で分割されてなる内輪と、内輪の外径側に相対的に滑動可能に嵌合される外輪と、内輪の内径側に嵌合されるとともに軸に外嵌されるスリーブとを含み、
内輪が非磁性金属とされ、外輪が内輪よりも線膨張係数の小さいセラミックとされ、スリーブが内輪の線膨張係数とほぼ同じかあるいは大きい材料とされている、ことを特徴とする超低温環境用球面すべり軸受。
【請求項２】
超電導磁石冷却要素存在環境用の請求項１に記載の超低温環境用球面すべり軸受。
【請求項３】
液体窒素または液体ヘリウム存在環境用の請求項１に記載の超低温環境用球面すべり軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超低温環境用球面すべり軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の球面すべり軸受は、各種の機械構造の揺動部分の軸受として使用されている。
【０００３】
ここで、球面すべり軸受の内輪や外輪は、これら両者のはめ合わせを可能とするために、外輪にその内周一端側に内輪入れ溝を形成したり、あるいは内輪または外輪のいずれかを径方向に沿うとともに軸心を通る面で半割り状に二分割するようになっている。
【０００４】
なお、内・外輪の素材は、例えば金属素材で形成することが一般的である。この他、本願発明者らは、高温環境での使用を踏まえ、冷却とか潤滑などの特別な装置を用いずに、すべり面での焼き付け寿命を延ばすために、内・外輪の素材をセラミックスとすることを提案し、その実用化を可能とするような研究を鋭意重ねている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年では、常温超電導体の実用化に伴い超電導磁石などを支える部分に球面すべり軸受を使用することが要求される場合がある。この使用環境は、超電導磁石に関連して液体窒素や液体ヘリウムなどの冷却要素が存在することになり、環境温度が超低温となる。
【０００６】
このような超低温環境では、適当な潤滑剤が存在しないため、軸受の摩耗や動作不良などの不具合を発生しやすい。軸受の内輪と外輪を同種の材料で製作した場合、いわゆる“とも擦り”という現象により摩耗が増加することが考えられる。これを防ぐため、軸受の内・外輪のどちらかをセラミック材料、他を金属材料とする組み合わせが考えられるが、両者の熱収縮率の違いにより超低温環境では、軸受のがたつきあるいは隙間詰りを発生する危険性がある。つまり、軸受の初期隙間の管理が重要となる。
【０００７】
これに対して、組み立て時に、予め、熱収縮に伴う内・外輪間の嵌め合い隙間の広がりを見込んで、外輪と揺動軸との間の組立隙間を小さく設定しておいて内・外輪間の嵌め合い隙間を可及的に小さくすることが考えられる。この調整のために、組み立て時に内・外輪を組み合わせた状態でその内輪に対して揺動軸を圧入するのであるが、この球面すべり軸受の内・外輪が分離する構造であるために組立作業の取り扱いが煩雑になることが指摘される。また、前述の組立隙間を小さくする量によっては圧入そのものの作業が無理になるなど、組み立て時の嵌め合い隙間の管理に限界があることが指摘される。
【０００８】
したがって、本発明は、熱収縮した状態において内・外輪の嵌め合い隙間を適正にするための組立作業を簡略化できるようにするとともに、組み立て時の嵌め合い隙間の調整幅を拡大できるようにすることを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の超低温環境用球面すべり軸受は、凸球面状の外周面を有しかつ径方向に沿うとともに軸心を通る面で分割されてなる内輪と、内輪の外径側に相対的に滑動可能に嵌合される外輪と、内輪の内径側に嵌合されるとともに軸に外嵌されるスリーブとを含み、内輪が非磁性金属とされ、外輪が内輪よりも線膨張係数の小さいセラミックとされ、スリーブが内輪の線膨張係数とほぼ同じかあるいは大きい材料とされているものである。
【００１０】
なお、超低温環境用球面すべり軸受は、超電導磁石冷却要素が存在する環境、具体的には液体窒素または液体ヘリウムが存在する環境で使用される球面すべり軸受である。
【００１１】
このような本発明では、内輪が非磁性金属とされ、外輪がセラミックとされており、内外輪の材料が異なることで、超低温環境での使用に際し、とも擦りを防止できる。また、スリーブを備えることによって球面すべり軸受の各要素を非分離に組み合わせることができ、その取り扱いが良好となる。しかも、組み立て時において、内・外輪間の嵌め合い隙間はスリーブの外径寸法により調整できるようになり、軸とスリーブとの間のはめ合い隙間はスリーブの内径寸法により調整できるようになる。つまり、これら２カ所の隙間調整でもって、使用環境での各部の熱収縮を見込む調整を行うことができるから、組み立て時の嵌め合い隙間の調整幅を拡大できるようになる。
【００１３】
さらに、上述したように、各要素の線膨張係数を設定すれば、各要素の熱収縮による内・外輪間の嵌め合い隙間の広がり度合いを抑制できるようになり、組み立て時の嵌め合い隙間の調整幅を小さくできるようになる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図１ないし図４に示す実施例に基づいて説明する。図１および図２は本発明の実施例１にかかり、図１は球面すべり軸受の側面図、図２は、図１の（２）−（２）線断面の矢視図である。
【００１５】
図中、１はハウジング、２は揺動軸、３は球面すべり軸受である。球面すべり軸受３は、揺動軸２をハウジング１に対して揺動可能に支持するもので、内輪４、外輪５、スリーブ６で構成されている。
【００１６】
二分割の内輪４は、凸球面状の外周面を有する円筒形のものを、径方向に沿うとともに軸心を通る面で半割りして形状に形成される。外輪５は、凹球面状の内周面を有する円筒形に形成されており、内輪４の外径側に相対的に滑動可能に嵌合される。スリーブ６は、内輪４の内径側に嵌合されて揺動軸２に外嵌されるもので、軸方向一端には径方向外向きの鍔部７が設けられている。
【００１７】
そして、例えば超低温環境での使用時には、内・外輪４，５、スリーブ６、揺動軸２の熱収縮を見込んで、内・外輪４，５間の嵌め合い隙間をほぼ隙間なしの状態に、また、内輪４とスリーブ６との嵌め合い隙間は、ほぼ隙間なしの状態あるいは適宜規定する所要の正の隙間を持つ状態に、それぞれ設定される。
【００１８】
このような使用状態での嵌め合い隙間を実現するためには、組み立て時のスリーブ６の内・外径寸法を、内輪４の内径寸法、揺動軸２の外径寸法に対して適宜設定することにより行うことができる。つまり、組み立て時において、スリーブ６の外径寸法により内・外輪４，５間の嵌め合い隙間を調整し、スリーブ６の内径寸法により揺動軸２とスリーブ６との間の嵌め合い隙間を調整し、これら２カ所の嵌め合い隙間の合計で内・外輪４，５間の嵌め合い隙間を最終的に調整するのである。したがって、熱収縮による内・外輪４，５間の嵌め合い隙間の広がり度合いが大きくなる場合でも、この広がりの見込みに関する調整を、組み立て時における外輪５とスリーブ６との組立隙間と、スリーブ６と揺動軸２との嵌め合い隙間とに振り分ければよくなるから、内・外輪４，５、スリーブ６の組み立て作業やこれらの組み立て体と揺動軸２との組み立て作業の各圧入動作を簡単に行えるようになる。また、熱収縮による広がりの見込みに関する調整幅を大きくとることができるようになる。
【００１９】
ところで、上述した各部の寸法調整に加えて、内・外輪４，５、揺動軸２、スリーブ６の各熱膨張率を相対的に管理すれば、使用環境特に超低温環境での熱収縮による内・外輪４，５間の嵌め合い隙間の広がり度合いを抑制できるようになるので、前述の寸法調整時における各嵌め合い隙間の調整幅を小さくできるようになって、組み立て時の圧入の度合いを緩くできるようになるなど、組立作業を簡略化できるようになる。この熱膨張率の相対設定としては、例えば次のような関係にすればよい。
【００２０】
内輪４の線膨張係数を外輪５に対して大きく、スリーブ６の線膨張係数を内輪４とほぼ同じかあるいは大きくするのがよい。例えば、外輪５の線膨張係数を「１」としたとき、内輪４の線膨張係数を「２〜３」と大きくし、スリーブ６の線膨張係数を内輪４とほぼ同じに設定する。
【００２１】
このような線膨張係数の関係とするには、下記するような素材が考えられる。つまり、内輪４は、ベリリウム銅あるいはＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４などのオーステナイト系ステンレス材といった非磁性材で形成する。ＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４の平均線膨張係数は、１７．１×１０-6（℃-1）である。外輪５は、窒化けい素、アルミナ、ジルコニアなどセラミックス材料で形成する。なお、セラミックス材料としては、具体的に、セラミックス粉体（窒化ケイ素）に稀土類元素を焼結助剤として混合したものを用いて、まず、それぞれ所定形状に成形し、その後、この成形品を、ＨＰ（ホット・プレス）、ＨＩＰ（ホット・アイソスタテック・プレス）、ＣＩＰ（コールド・アイソスタテック・プレス）と称する方法でもって焼結したものが好ましい。セラミックス（窒化けい素）の平均線膨張係数は、３．２×１０-6（℃-1）である。スリーブ６は、例えばベリリウム銅あるいはＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４などのオーステナイト系ステンレス材や、例えばＣ１７２０などで形成する。Ｃ１７２０の平均線膨張係数は、１７．８×１０-6（℃-1）である。
【００２２】
そして、ハウジング１や揺動軸２は、ＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４などの材料でそれぞれ形成する。
【００２３】
以上説明したように、組み立て時に使用環境例えば超低温環境での熱収縮を見込んで調整することにより、使用環境での内・外輪４，５間の嵌め合い隙間を適正に管理していれば、揺動軸２の動作の安定化を図ることができ、信頼性の向上に貢献できるようになる。
【００２４】
図３および図４は本発明の実施例２にかかり、図３は、球面すべり軸受の側面図、図４は、図３の（４）−（４）線断面の矢視図である。
【００２５】
この実施例２において上記実施例１と異なる構成は、スリーブ６と内輪４との両嵌合面を軸方向に傾斜するテーパ状に形成していることである。つまり、スリーブ６の外周面および二分割の内輪４の内周面を円錐形状に設定している。もちろん、角錐形状としてもよい。
【００２６】
この場合、内輪４に対するスリーブ６の押し込み量により、内・外輪４，５間の嵌め合い隙間を管理することができる。つまり、組み立て時には、内・外輪４，５とスリーブ６との組み立てが上記実施例１に比べて容易となる。
【００２７】
また、この球面すべり軸受３をハウジング１と揺動軸２との間に組み込んだ状態において、球面すべり軸受３のスリーブ６に対してスリーブ６を押し込む側へアキシャル荷重を連続的に付与する構造にしていれば、使用環境において各部の熱収縮に伴い内・外輪４，５間の嵌め合い隙間が広がったときに、スリーブ６がアキシャル荷重により軸方向に変位させられて、前記広がりを吸収するなど、熱収縮の隙間変化に対する自動補正機能を持たせることができるようになる。この他、内・外輪４，５間の経時的な摩耗に伴う嵌め合い隙間の広がりに対しても有効となる。なお、このアキシャル荷重は、球面すべり軸受３に対する荷重付与手段を用いたり、あるいはアキシャル荷重が作用するように球面すべり軸受３の組み込み形態を設定したりするなどして得ることができる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の超低温環境用球面すべり軸受では、内輪が非磁性金属とされ、外輪がセラミックとされており、内外輪の材料が異なることで、超低温環境での使用に際し、とも擦りを防止できる。また、その構成要素を非分離に組み合わせることができるから、超低温環境での使用において内・外輪間の嵌め合い隙間を適正な状態に管理するための組み立て時の調整作業での取り扱いが容易になるなど、作業性を改善することができる。しかも、前述の組み立て時において、スリーブの外径寸法により内・外輪間の嵌め合い隙間を、また、スリーブの内径寸法により軸とスリーブとの間のはめ合い隙間をそれぞれ調整できるようにしているから、これら２カ所の隙間調整でもって、組み立て時の嵌め合い隙間の調整幅を拡大できるようになる。したがって、使用環境での各部の熱収縮を見込む調整を広範囲に行えるようになる。
【００３０】
また、各要素の線膨張係数を設定することで、各要素の熱収縮による内・外輪間の嵌め合い隙間の広がり度合いを抑制できるようになり、組み立て時の嵌め合い隙間の調整幅を小さくできるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の球面すべり軸受の側面図
【図２】図１の（２）−（２）線断面の矢視図
【図３】本発明の実施例２の球面すべり軸受の側面図
【図４】図３の（４）−（４）線断面の矢視図
【符号の説明】
２    揺動軸
３    球面すべり軸受
４    内輪
５    外輪
６    スリーブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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