(57)【要約】  本発明は、トライボロジー装置、特に、酸化ジルコニウムベースの転動体を備えた小型転がり軸受けに関する。転動体は４５０度までの温度の過熱蒸気に耐えることができ、転がり軌道に沿って移動する。上記の特徴を達成するために、転がり軸受けの少なくとも表面が、ＭｇＯ及び／またはＣｅＯ2及び／またはＳｃ2Ｏ3で安定させた酸化ジルコニウムから構成される。酸化ジルコニウムは、少なくとも部分的に正方晶構造を備える。本発明の付加的な実施例において、酸化ジルコニウムはＹ2Ｏ3で安定させられ、一次粒子の大きさは３００ｎｍ未満、好ましくは１００ｎｍ未満である。
2007510103.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ころ軌道に沿って運動する転動体を備えたトライボロジー装置、具体的には、小型転がり軸受であって、少なくとも１つの転動体が少なくとも部分的に添加剤で安定させた酸化ジルコニウムから構成され、該酸化ジルコニウムが少なくとも部分的に正方晶構造を備え、該転動体の少なくとも表面がＭｇＯ及び／またはＣｅＯ2及び／またはＳｃ2Ｏ3で安定させられた酸化ジルコニウムから構成されることを特徴とするトライボロジー装置。
【請求項２】
前記酸化ジルコニウムの一次粒子の大きさが３００ｎｍ未満、好ましくは１００ｎｍ未満であることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項３】
ころ軌道に沿って運動する転動体を備えたトライボロジー装置、具体的には、小型転がり軸受であって、少なくとも１つの転動体の、少なくともその表面が、Ｙ2Ｏ3で安定させた酸化ジルコニウムから構成され、前記酸化ジルコニウムが少なくとも部分的に、特に請求項１に記載の正方晶構造を備え、前記酸化ジルコニウムの一次粒子の大きさが３００ｎｍ未満、好ましくは１００ｎｍ未満であることを特徴とするトライボロジー装置。
【請求項４】
前記酸化ジルコニウム全体の少なくとも半分が正方晶構造を備えることを特徴とする、請求項１に記載のトライボロジー装置。
【請求項５】
前記酸化ジルコニウムのほぼ全体が正方晶構造を備えることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
少なくとも１つの転動体が添加剤で安定させた酸化ジルコニウムから完全に構成されることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
転がり軸受の全ての転動体が安定させた酸化ジルコニウムから構成されることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
前記転動体の半径が？４ｍｍであることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
前記転動体がボールであることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
前記転動体がころまたは針状ころであることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
前記ころが軸方向または楕円または放物線のエッジドロップを備えることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
前記酸化ジルコニウムが０．５〜５重量％のＭｇＯで安定させられることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
前記酸化ジルコニウムの割合が立方晶、正方晶、及び、１０重量％未満の単斜晶酸化ジルコニウム相からなることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
前記酸化ジルコニウムが８〜２６重量％のＣｅＯ2で安定させられることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項１５】
前記酸化ジルコニウムが０．５〜１３重量％のＳｃ2Ｏ3で安定させられることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
前記酸化ジルコニウムが０．１〜４．５重量％のＹ2Ｏ3で安定させられることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項１７】
０．５〜０．９重量％のＡｌ2Ｏ3及び／またはＣｒ2Ｏ3が加えられ、前記一方の添加剤または両方の添加剤が、前記酸化ジルコニウム中に溶解されるかまたは前記請求項のいずれかにより安定させられた前記酸化ジルコニウムとともに相を形成することを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項１８】
前記転動体がゾルゲル法により製造されることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項１９】
前記転動体が酸化ジルコニウムから焼結されることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項２０】
前記転動体が無圧焼結及び／またはガス圧焼結及び／または熱間等方圧焼結により焼結されることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、請求項１の前置き部分に記載のトライボロジー装置に関する。
転がり軸受の形状のトライボロジー装置は、多くの異なる種類の機械及び器具に使用されている。個々の軸受要素は、応用分野によって多種多様な要件を満たすことができなければならない。
【０００２】
医療用器具において、例えば歯科用タービンにおいては、あらゆる種類の例外的な要求がある。このため、これらの軸受を、いわゆる小型ボール軸受の形状に非常に小さくする必要があるが、これらの軸受は、非常に高速の回転（およそ５００，０００ｒｐｍまで）に耐えられなければならない。したがって、この種の小型ボール軸受は、非常に高い精度で製造されており、この目的で選択された材料は、このような高精度の作業を可能にするとともに、高い機械的負荷に耐えられるものである。
【０００３】
上記要求に加え、多くの医療用器具、例えば歯科用ドリルには、すべての要素が温度に関して非常に安定していなければならないという付加的な要求がある。これは、各処理の後に、このような器具は、１３４℃で少なくとも３分間、圧力２バールの飽和蒸気で殺菌される。物理パラメータのダイナミクス、すなわち、例えば時間に関連した温度変化、湿度、圧力は、この場合、極値をとることができる。
【０００４】
このため、スイッチは、窒化ケイ素からなるセラミックボールに製造されている。
窒化ケイ素に比べ、酸化ジルコニウムには、酸化ジルコニウムの弾性係数及び線熱膨張が、その他の器具用部品及び軸受用部品、例えば軸受リングに通常使用される金属（例えば、ＥＮ１００２７による材料番号１．４１２５の耐食鋼）の対応する値にはるかに近いという利点がある。
【０００５】
通常の周辺温度、例えば室温で十分な機械的性質を備えた酸化ジルコニウムを得るためには、安定化添加剤としてＹ2Ｏ3がこれまで使用されていた。これにより、準安定状態としての正方晶構造を、少なくとも部分的に得ることができる。
【０００６】
しかしながら、この材料には不利な点がある。殺菌状態下において、すなわち、高温の飽和過熱蒸気の作用下において、この準安定状態が失われ、それとともに、関連する機械的性質も失われてしまうことである。
【０００７】
このため、酸化ジルコニウムを使用した軸受は、これまで、歯科用ハンドピースのような殺菌可能な器具には不向きであった。
したがって、本発明の目的は、歯科用ハンドピース等の殺菌可能な器具に用いる、転動体を備えたトライボロジー装置を提案することである。トライボロジー装置は、少なくともその表面が酸化ジルコニウムベースで構成される。
【０００８】
冒頭に記載のタイプのトライボロジー装置を根幹として、本発明の目的は、請求項１または３に記載の特徴部分により達成される。
本発明の有利な実施例及び展開は、従属請求項に記載の方法により可能である。
【０００９】
したがって、本発明の装置は、その転動体の少なくとも表面が、添加剤で安定させた酸化ジルコニウムから構成されることを特徴とする。酸化ジルコニウムは、少なくとも部分的に正方晶構造を備える。
【００１０】
請求項１により提案される安定化添加剤は、ＭｇＯまたはＣｅＯ2またはＳｃ2Ｏ3である。所望の機械的及び熱的性質を達成し、これらの性質を過熱蒸気に対して安定させる、すなわち、過熱蒸気を伴う多数の殺菌工程を経た後でも、それらの性質が損なわれないようにするために、これらの物質の内の２つまたは３つの物質全てを組み合わせてもよい。添加剤の量は、対応する性質の種類によって選択される。安定化添加剤は、主として、室温で正方晶構造を維持する役割を果たす。
【００１１】
本発明の別の実施例においては、Ｙ2Ｏ3が酸化ジルコニウムの正方晶構造を安定させるための添加剤として使用される。ここで注意してもらいたいのは、酸化ジルコニウムの一次粒子の大きさが３００ｎｍ未満、好ましくは１００ｎｍ未満であることである。この場合、安定効果は、界面エネルギーにより影響される。Ｙ2Ｏ3を使用する場合、上述の酸化ジルコニウムの一次粒子の大きさが、上記温度範囲の過熱蒸気に対して必要な抵抗を決定することがわかっている。Ｙ2Ｏ3を、上記の添加剤の１つ以上と組み合わせて使用してもよい。
【００１２】
上記のその他の添加剤の場合、セラミックへの加圧前の一次粒子の大きさを本発明の１００ｎｍ未満、好ましくは３００ｎｍ未満の範囲から選択することは、安定効果を強化するのに同じように有利であるが、これらの添加剤を使用すれば、粒子がより大きくても、蒸気劣化に対して抵抗する点で十分な結果を達成することができる。
【００１３】
本発明は、過熱蒸気に対し所望の材料安定性との関連で所望の温度特性を達成するためには、方策を組み合わせる必要があるという認識に基づいている。これらの方策の１つは、酸化ジルコニウムに少なくとも部分的に正方晶構造を形成することである。もう１つの方策は、低温で、例えば室温で、酸化ジルコニウムの正方晶構造を安定させるための添加剤を組み込むことである。このようにすれば、酸化ジルコニウムの領域に所要の熱的及び機械的性質を生成することができる。本発明の転動体は、飽和過熱蒸気を伴う、所要の殺菌時間、温度、圧力の範囲（３分／１３４℃／２バール／１００％の相対湿度）内で容易に使用できる、すなわち、本発明の転動体は、例えば、Ｅ  ＤＩＮ  ＥＮ１３０６０：２００２規格を満たし、場合によっては、４５０℃の要素温度までの過熱蒸気に対しても耐性がある。
【００１４】
正方晶構造の好ましい効果を引き出すために、酸化ジルコニウム全体の少なくとも半分が正方晶構造を備えるのが好ましい。極端な場合、酸化ジルコニウムが、事実上完全に、正方晶構造、すなわち、いわゆるＴＺＰ（正方晶ジルコニア多結晶体）であってもよい。
【００１５】
本発明の特に有利な実施例においては、少なくとも１つの転動体が、添加剤により安定させられた、主に正方晶構造を備えた酸化ジルコニウムから完全に製造される。これにより、塗膜と基質との間の、過熱蒸気に対する耐性と高度な機械的強度とを同様に備えなければならない複雑な連結を不要とすることができる。
【００１６】
この実施例の展開において、転がり軸受の全ての転動体は、本発明により安定化された酸化ジルコニウムから製造される。これは、一方で、本発明の装置に必要とされる様々な要素の数を削減する。さらに、全ての転動体が本発明の安定化酸化ジルコニウムから製造される場合、確実に全ての転動体が適切な抵抗と熱負荷能力を備えるため、転がり軸受の負荷能力が、例えば構成の異なる転動体によって損なわれることがない。さらに、こうすることで、転動体の密度の違いにより軸受の運転に問題が起きる状況を確実に避けることができる。
【００１７】
本発明の転動体は、転動体の半径が？４ｍｍの高速運転小型軸受に特に適している。
本発明の具体的な実施例において、転動体はボールとして設計される。したがって、トライボロジー装置はボール軸受を構成する。しかしながら、ころ軸受または針状ころ軸受を実現するために、本発明の転動体をころまたは針状ころとして設計することも可能である。
【００１８】
ころ軸受の場合、転動体として設けられるころは、軸方向または楕円または放物線のエッジドロップを備えるのが好ましい。このようなエッジドロップにより、軸方向のエッジ領域における負荷を継続的に確実に削減できる。このため、ここでの過剰なストレスを避けることができる。さらに、この種の軸方向のエッジドロップは転動体の軸方向への誘導を促進する。さらに、このような縁なしの転動体は、酸化ジルコニウムのようなセラミック材料から製造しやすい。
【００１９】
本発明の転動体の所望の熱的及び機械的性質を得るため、添加剤の構造及び品質の組み合わせを違わせることができる。
これにより、０．５〜５重量％のＭｇＯの添加剤で、十分な安定化を達成できる。さらに、正方晶構造を主とし、単斜晶酸化ジルコニウム相を１０重量％未満とする、立方晶、正方晶、単斜晶構造の構造分布により、所望の結果を達成できる。
【００２０】
さらに、特別な実施例において、酸化ジルコニウムを８〜１０重量％のＣｅＯ2で安定させると有利であることが証明されている。Ｓｃ2Ｏ3を加える際、０．５〜１３ｍｏｌ％の範囲の量が適当であることが証明されている。
【００２１】
Ｙ2Ｏ3による安定化の場合、上述した一次粒子の大きさとの関連で０．１〜４．５重量％の量を追加することにより好ましい結果が得られる。
所望の特性を改良するためには、酸化ジルコニウムがほぼ、すなわち可能な限り、正方晶構造を備えるとさらに有利である。
【００２２】
また、本発明の安定化酸化ジルコニウムに、例えばＡｌ2Ｏ3及び／またはＣｒ2Ｏ3のようなさらなる添加剤を加えることも有利であることが証明されている。このような添加剤は、殺菌状態下においても、すなわち過熱蒸気環境においても、ＺｒＯ2の正方晶構造を安定させるのに適している。ここでは、０．５〜０．９重量％の一方または両方の物質により好結果が得られた。上記一方の添加剤または両方の添加剤は、酸化ジルコニウムの格子において溶解されるかまたは本発明により安定させた酸化ジルコニウムとともに相を形成する。
【００２３】
転動体は、いわゆるゾルゲル法を用いて、本発明により安定させた酸化ジルコニウムから製造されるのが好ましい。ゾルゲル法は、セラミック材料の化学合成である、ゾルの形成、次いでゲルへの転化、さらなる処理を含む。
【００２４】
転動体を製造するもう１つの方策は、パウダーから、好ましくは上述した構造を備えた酸化ジルコニウムを焼結することである。転動体の焼結は、ここでは、さまざまな方法、例えば、無圧焼結及び／またはガス圧焼結及び／または熱間等方圧焼結で行われてよい。
【００２５】
上記の製造処理は、ＥＮＶ１４２３２規格に詳細に記載されている。
これら全ての処理を実行することで、本発明の基本的特徴が守られる限り、すなわち、酸化ジルコニウムの安定化のための上記添加剤が追加され、所要の割合の正方晶構造が完成された転動体に見出されるように利用可能な処理パラメータ及び原材料が選択される限り、本発明の転動体を製造することができる。不純物、例えばＦｅ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、ＣａＯ等の割合が小さければ、ここでは特に深刻な問題が起きることはない。
【００２６】
本発明の様々な実施形態を図面及び表に示すとともに、以下に詳細に説明する。
図２では、２つのボール軸受１及び２を、歯科用ハンドピースのヘッド３のタービンホイールの両側に見ることができる。各ボール軸受１、２は、内部軸受リング４と外部軸受リング５とを備えており、その間を軸受ボール６が、対応する軌道を移動すると共に軸受ケージ７に固定されている。軸方向において、各ボール軸受１、２は、カバーディスク８により閉じられる。
【００２７】
本発明によると、軸受ボール６は、請求項１の特徴に基づいて酸化ジルコニウムをベースに製造されている。下記の表は、酸化ジルコニウムボールのいくつかの考えられる組成を示している。
【００２８】
【表１】
2007510103.tif 000003
例として上記に記載のセラミック組成物は、既述の方法のいずれかによって、所要の殺菌耐性及び所要の機械的強度を備えた軸受ボールを得るために使用可能である。Ｙ2Ｏ3については、上述の一次粒子の大きさが守られなければならない。もう１つの実施形態には、酸化ジルコニウムの正方晶相を安定させるために、例えば、ＣｅＯ2が２１重量％及びＡｌ2Ｏ3が０．６重量％のＺｒＯ2ボールが含まれる。
【００２９】
直径１ｍｍの本発明のボールの場合、２００Ｎを上回る破壊荷重を有し、その組成によっては、４００Ｎ以上の破壊荷重を有する。
完成したボールは、１０００及び２０００を超える殺菌周期で試験され、様々な圧力荷重にさらされた。直径１ｍｍの上記表のＮｏ．３のボールは、５％未満の非常にわずかな圧縮負荷の損失を示した。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】歯科用タービンの斜視透視図を示す。
【図２】関連するボール軸受の斜視図を示す。
【符号の説明】
【００３１】
１     ボール軸受
２     ボール軸受
３     ヘッド
４     内部軸受リング
５     外部軸受リング
６     軸受ボール
７     軸受ケージ
８     カバーディスク
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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