(57)【要約】【課題】高速性と高剛性を両立させることができる玉軸受を提案する。【解決手段】玉軸受１は、外周面に内輪軌道溝２ａを有する内輪２と、内周面に外輪軌道溝３ａを有する外輪３と、内輪軌道溝２ａ及び外輪軌道溝３ａとの間に転動自在に配置される複数の玉４と、を有する。外輪軌道溝３ａは、不連続に接続される外輪正面側軌道溝３ａ１と外輪背面側軌道溝３ａ２とによって形成される。また、外輪正面側軌道溝３ａ１と外輪背面側軌道溝３ａ２とは、外輪正面側軌道溝３ａ１と外輪背面側軌道溝３ａ２の交点３ｄを越えて延長された各延長面３ｅ１，３ｅ２が、外輪３の内部を通過するようにそれぞれ形成され、外輪正面側軌道溝３ａ１は、外輪３の溝底中心を含む。外輪正面側軌道溝３ａ１と玉４との接触角α１と、外輪背面側軌道溝３ａ２と玉４との接触角α２は、いずれも０°以上で、且つ、α１＜α２である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面に内輪軌道溝を有する内輪と、内周面に外輪軌道溝を有する外輪と、前記内輪軌道溝及び前記外輪軌道溝との間に転動自在に配置される複数の玉と、を有する玉軸受であって、
前記外輪軌道溝は、不連続に接続される外輪正面側軌道溝と外輪背面側軌道溝とによって形成され、
前記外輪正面側軌道溝と前記外輪背面側軌道溝とは、前記外輪正面側軌道溝と前記外輪背面側軌道溝との交点を越えて延長された各延長面が、前記外輪の内部を通過するようにそれぞれ形成され、
前記外輪正面側軌道溝は、前記外輪の溝底中心を含み、
前記外輪正面側軌道溝と前記玉との接触角α１と、前記外輪背面側軌道溝と前記玉との接触角α２は、いずれも０°以上で、且つ、α１＜α２であることを特徴とする玉軸受。
【請求項２】
予圧が負荷された状態で軸受非回転時に、前記玉は、前記内輪軌道溝、前記外輪正面側軌道溝、及び前記外輪背面側軌道溝で、３点接触することを特徴とする請求項１に記載の玉軸受。
【請求項３】
前記外輪正面側軌道溝の溝曲率比は、前記外輪背面側軌道溝の溝曲率比よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の玉軸受。
【請求項４】
前記外輪正面側軌道溝の溝曲率比は、前記外輪背面側軌道溝の溝曲率比と等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載の玉軸受。
【請求項５】
前記外輪正面側軌道溝の溝曲率比は、前記外輪背面側軌道溝の溝曲率比よりも小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の玉軸受。
【請求項６】
定位置予圧された組合せ軸受装置に適用されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の玉軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般産業機械や工作機械、その他、鉄道、航空、自動車のような輸送機器等、高速回転する部位に適用される玉軸受に関し、特に、工作機械スピンドルや、ボールねじ軸端支持部に使用される玉軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、工作機械では、複合化の要望が高まってきている。その要因として、複数種類の加工を１台の工作機械で行うことによる省スペース化、１チャック、１セットで粗加工から仕上げ加工まで行うことによる加工時間短縮、人件費削減など、トータルコスト削減への関心が高まっていることが挙げられる。
特に、重切削と高速切削を両立できる高性能工作機械主軸の開発は、工作機械の複合化を行う上で、最優先事項の一つである。
また、工作機械主軸の性能向上においては、工作機械主軸用転がり軸受の高速化、高剛性化は必須となる。
【０００３】
工作機械主軸においては、軸受の回転速度を高めるとともに、軸受の剛性を高める目的や軸の振動あるいは異音の発生を防止する目的で、予圧をかけることが一般的に行われている。軸受に予圧を付与する方法としては、定圧予圧方式と定位置予圧方式の２種が存在する。
定圧予圧方式は、バネなどを用いて予圧を発生させる。このため、構造が複雑になる。また、バネにより共振周波数（固有振動数）が低下する場合があり、共振周波数を避けて使用するか、バネによる予圧機構を複雑にして共振周波数を分散させるなどの処置が必要となる。
【０００４】
定位置予圧方式は、バネなどの予圧機構が存在しないため、構造が簡単になるというメリットから積極的に採用が検討されている。ただし、主に転動体に負荷される遠心力の影響により回転数に応じて予圧（面圧）が大きくなってしまう。そのため、定位置予圧方式を用いて高速回転を行うためには、組込時の予圧（面圧）を小さくし、高速回転時に予圧過大とならないようにする必要がある。この結果、定位置予圧方式は、低速回転時では予圧が小さく、剛性、特にアキシャル剛性が十分に確保できないという欠点を抱えている。加えて、高速回転を想定する場合、トルク低減のため、接触角を小さく設定することになり、さらに、アキシャル剛性が確保できない事態に陥る。
このように、定位置予圧方式では、転がり軸受に高速性と高剛性を両立させることは難しく、両者はトレードオフの関係をとる場合が多い。この結果、例えば、ＤｍＮ（軸受ＰＣＤ×軸受回転数）が２００万［ｍｍ・ｍｉｎ−１］を越えるような高速回転で使用される工作機械スピンドルにおいては、定位置予圧方式が採用されない場合がある。
【０００５】
一方、定位置予圧方式で使用される玉軸受において、低速時の高剛性、高速時のトルク発熱低下を図るため、内輪の円弧溝状の転走面の曲率半径を転走面幅の中央から両側縁に近づくに従って連続的に増加させ、かつ外輪の円弧溝状の転走面の曲率半径を転走面幅の中央から両側縁に近づくに従って連続的に減少させる構成としたものが知られている（特許文献１参照）。
【０００６】
また、外輪と内輪のいずれか一方の軌道面においてボールが２点で所要の接触角を持って接触するととともに、他方の軌道面においてボールが少なくとも１点で所要の接触角をもって接触するアンギュラ玉軸受において、一方の軌道面上のすべての接触点が軸受中心線を境界として一方のアキシャル方向に片寄った位置に存在し、他方の軌道面上のすべての接触点が軸受中心線を境界として、一方の軌道面の接触点とは反対のアキシャル方向に片寄った位置に存在する構成としたものが知られている（例えば、特許文献２及び３参照）。これにより、一方向のアキシャル荷重を複数の接触点で分散して受けるため、各接触点における荷重が１点で受ける場合に比べて小さくなり、軸受の変形量が小さくなるため、軸受剛性の増大化が図られている。
【０００７】
また、車軸用複列アンギュラ玉軸受において、車両の直進時におけるトルクを低減でき、かつ、コーナリング時の肩乗り上げを防止する目的で、外輪の軌道溝の曲率を軸方向の端部側の曲率が小さく、かつ、軸方向の中央部側の曲率が大きい複合曲率とし、内輪の軌道溝の曲率を軸方向の端部側の曲率が大きく、かつ、軸方向の中央部側の曲率が小さい複合曲率としたものが知られている（特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平９−１７７７９５号公報
【特許文献２】特開２００５−２０１２９４号公報
【特許文献３】特開２００７−２４１０５号公報
【特許文献４】特開２００７−１９８５０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、前述したように、転がり軸受においては高速性と高剛性を両立させることは難しい。上述の特許文献１〜４においては、いずれも高速性と高剛性を両立させるためには、さらなる改善の余地があった。
【００１０】
本発明は、前述した課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、高速性と高剛性を両立させることができる玉軸受を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１）  外周面に内輪軌道溝を有する内輪と、内周面に外輪軌道溝を有する外輪と、前記内輪軌道溝及び前記外輪軌道溝との間に転動自在に配置される複数の玉と、を有する玉軸受であって、
前記外輪軌道溝は、不連続に接続される外輪正面側軌道溝と外輪背面側軌道溝とによって形成され、
前記外輪正面側軌道溝と前記外輪背面側軌道溝とは、前記外輪正面側軌道溝と前記外輪背面側軌道溝の交点を越えて延長された各延長面が、前記外輪の内部を通過するようにそれぞれ形成され、
前記外輪正面側軌道溝は、前記外輪の溝底中心を含み、
前記外輪正面側軌道溝と前記玉との接触角α１と、前記外輪背面側軌道溝と前記玉との接触角α２は、いずれも０°以上で、且つ、α１＜α２であることを特徴とする玉軸受。
（２）  予圧が負荷された状態で軸受非回転時に、前記玉は、前記内輪軌道溝、前記外輪正面側軌道溝、及び前記外輪背面側軌道溝で、３点接触することを特徴とする（１）に記載の玉軸受。
（３）  前記外輪正面側軌道溝の溝曲率比は、前記外輪背面側軌道溝の溝曲率比よりも大きいことを特徴とする（１）又は（２）に記載の玉軸受。
（４）  前記外輪正面側軌道溝の溝曲率比は、前記外輪背面側軌道溝の溝曲率比と等しいことを特徴とする（１）又は（２）に記載の玉軸受。
（５）  前記外輪正面側軌道溝の溝曲率比は、前記外輪背面側軌道溝の溝曲率比よりも小さいことを特徴とする（１）又は（２）に記載の玉軸受。
（６）  定位置予圧された組合せ軸受装置に適用されることを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載の玉軸受。
なお、ここで言う、「溝曲率比」とは、溝曲率半径／玉径を表す。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の玉軸受によれば、外輪軌道溝は、不連続に接続される外輪正面側軌道溝と外輪背面側軌道溝とによって形成され、外輪正面側軌道溝と外輪背面側軌道溝とは、外輪正面側軌道溝と外輪背面側軌道溝の交点を越えて延長された各延長面が、外輪の内部を通過するようにそれぞれ形成され、外輪正面側軌道溝は、外輪の溝底中心を含み、前記外輪正面側軌道溝と前記玉との接触角α１と、前記外輪背面側軌道溝と前記玉との接触角α２は、いずれも０°以上で、且つ、α１＜α２である。これにより、予圧が負荷された状態で使用される玉軸受において、高速性と高剛性を両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る玉軸受の断面図である。
【図２】本実施形態の玉軸受の運転時の接触角の変化を示す図である。
【図３】一般的なアンギュラ玉軸受の運転時の接触角の変化を示す図である。
【図４】（ａ）は、本実施形態の玉軸受が背面組合せされた状態を示す組合せ軸受装置の断面図であり、（ｂ）は、本実施形態の玉軸受が正面組合せされた状態を示す組合せ軸受装置の断面図である。
【図５】（ａ）は、本実施形態の玉軸受が背面、並列組合せされた状態を示す組合せ軸受装置の断面図であり、（ｂ）は、本実施形態の玉軸受が正面、並列組合せされた状態を示す組合せ軸受装置の断面図である。
【図６】（ａ）は、本実施形態の玉軸受が間座を挟んで背面組合せされた状態を示す組合せ軸受装置の断面図であり、（ｂ）は、本実施形態の玉軸受が間座を挟んで正面組合せされた状態を示す組合せ軸受装置の断面図である。
【図７】本実施形態の玉軸受が適用される工作機械スピンドルを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態に係る玉軸受について図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態の玉軸受１は、外周面に内輪軌道溝２ａを有する内輪２と、内周面に外輪軌道溝３ａを有する外輪３と、内輪軌道溝２ａ及び外輪軌道溝３ａとの間に転動自在に配置される複数の玉４と、を有する。なお、玉軸受１は、図示しない保持器を有してもよい。
【００１６】
内輪２の外周面には、内輪軌道面２ａの軸方向両側に肩部２ｂ、２ｃが形成されており、正面側の肩部２ｂが背面側の肩部２ｃよりも高く形成されている。また、外輪３の内周面には、外輪軌道溝３ａに対して軸方向両側に肩部３ｂ、３ｃが形成され、高さの低い正面側の肩部３ｂにカウンターボア３ｂ１が形成されている。
【００１７】
内輪軌道溝２ａは、単一の溝曲率比（溝曲率半径／玉径）を有して、連続的に形成される。一方、外輪軌道溝３ａは、溝接続点３ｄで不連続に接続される外輪正面側軌道溝３ａ１と外輪背面側軌道溝３ａ２とによって形成される。
【００１８】
この場合、外輪正面側軌道溝３ａ１と外輪背面側軌道溝３ａ２とは、溝接続点３ｄ、即ち、外輪正面側軌道溝３ａ１と外輪背面側軌道溝３ａ２の交点を越えて延長された各延長面３ｅ１，３ｅ２が、外輪３の内部を通過するようにそれぞれ形成される。
【００１９】
また、外輪正面側軌道溝３ａ１は、外輪３の溝底中心を含んで形成される。ここで、外輪３の溝底中心とは、軸受中心線Ｘに対して垂直であり、且つ、外輪溝底径が最大となる位置である。
【００２０】
さらに、本実施形態では、外輪正面側軌道溝３ａ１の溝曲率比は、外輪背面側軌道溝３ａ２よりも大きく設定されている。
【００２１】
一般的に、軸受の内外輪の溝曲率比は、概ね０．５０〜０．５７の範囲で使用条件に合わせて設定される場合が多い。本実施形態においても、内輪軌道溝２ａ、外輪正面側軌道溝３ａ１、及び外輪背面側軌道溝３ａ２の各溝曲率比は、上記範囲内で軸受の使用条件に合わせて自由に設定可能である。
【００２２】
また、図１の矢印で示すように、玉軸受１に予圧を負荷すると、予圧荷重により、内輪２又は外輪３と、玉４との接触面に、面圧が発生し、また、内輪２又は外輪３と、玉４との間で伝達される力の向きによって接触角α１、α２、α３の角度が決定される。
【００２３】
外輪正面側軌道溝３ａ１及び外輪背面側軌道溝３ａ２と、玉４との間に形成される２つの接触角α１、α２は、いずれも軸受非回転時に０°以上で、且つ、α１＜α２であり、本実施形態の玉軸受１は、所謂、アンギュラ玉軸受に分類される。
具体的に、軸受非回転時、接触角α１は、０°〜４０°、接触角α２は、１０°〜６０°、接触角α３は、０°〜６０°に設定することで、低速域から高速域にかけて、本実施形態がねらいとしている効果を発揮することができる。
【００２４】
本実施形態の玉軸受１では、適正な予圧が負荷されることで、軸受非回転時において、玉４は、内輪軌道溝２ａ、外輪正面側軌道溝３ａ１、及び外輪背面側軌道溝３ａ２で、３点接触する。即ち、玉軸受１は、玉４に対して、外輪２点、内輪１点の所謂３点接触の形態をとる。
また、玉軸受１は、低速回転時には、上述の３点接触の形態をとり、高速回転時には、玉４に作用する遠心力が負荷され、玉４が外輪背面側軌道溝３ａ２から離脱し、一般的なアンギュラ玉軸受と同様に２点接触の形態をとるように設定されている。
【００２５】
ここで、本実施形態の玉軸受１と、一般的なアンギュラ玉軸受とを、予圧を負荷して運転した際の接触角の変化の様子について、図２及び図３を参照して説明する。
【００２６】
図３に示すように、一般的なアンギュラ玉軸受では、軸受運転時は、予圧荷重に加え、遠心力Ｆｃが軸受内部に負荷される。このとき、力のつりあいにより、外輪３と玉４間、内輪２と玉４間で伝達される力Ｆｏ１´、Ｆｉ１´の向き、大きさは、軸受非回転時の力Ｆｏ１、Ｆｉ１と異なるものになる。従って、接触角ｏ１、ｉ１も変化することになるが、アンギュラ玉軸受では、基本的に、遠心力Ｆｃが大きくなるにつれて、外輪３と玉４との接触角ｏ１が小さくなるように変化する。
【００２７】
一方、図２に示すように、本実施形態の玉軸受１においても、遠心力Ｆｃが大きくなるにつれて、外輪正面側軌道溝３ａ１と玉４との接触角α１、及び外輪背面側軌道溝３ａ２と玉４との接触角α２が小さくなるように変化する。このとき、力のつりあいにより、外輪正面側軌道溝３ａ１には、より大きな力Ｆα１´が働くような挙動を示す。
つまり、本実施形態では、遠心力Ｆｃを利用することで、低速回転時では、外輪背面側軌道溝３ａ２を、高速回転時では、外輪正面側軌道溝３ａ１を積極的に使用する挙動を、自動で玉軸受１に採らせることが可能となる。
【００２８】
また、一般的に、溝曲率比が小さく、面圧が大きくなるにつれて、外輪３または内輪２と、玉４の接触面の面積が増加するため、玉軸受１の剛性は増大していく。また、剛性の方向性（ラジアルまたはアキシャル）は、形成される接触角の大きさに大きく依存し、接触角が大きいほどアキシャル剛性は大きくなる。
【００２９】
外輪背面側軌道溝３ａ２は、溝曲率比が小さく、接触角α２が大きく設定されているため、軸方向において、わずかな面圧でも十分な剛性を得ることができ、定位置予圧方式にて課題となっている低速回転時のアキシャル剛性不足を解消することが可能となる。
【００３０】
一方、根本的に、玉軸受１では、溝曲率比が小さく、面圧が大きく、接触角が大きくなるにしたがって、トルクが大きくなる性質を持っている。トルクの増大は軸受の発熱に繋がるため、一般的に高速性を向上させるためには、溝曲率比が大きく、面圧が小さく、接触角を小さく設定したい。
【００３１】
本実施形態の玉軸受１では、外輪背面側軌道溝３ａ２にて、十分なアキシャル剛性が得られることから、外輪正面側軌道溝３ａ１は、高速性に重点をおいた面圧、接触角の設定が可能となる。
【００３２】
したがって、本実施形態のように、外輪正面側軌道溝３ａ１及び外輪背面側軌道溝３ａ２をバランスよく調整することで、高速性と高剛性を両立させることができる。即ち、定位置予圧が負荷される玉軸受１において、低速回転時には、３点接触の形態をとることで、高剛性を確保し、高速回転時には、玉４が外輪背面側軌道溝３ａ２から離脱し、一般的なアンギュラ玉軸受と同様に２点接触の形態をとるように設定することで、回転数増加による過剰な予圧（剛性）増大を抑制し、予圧（剛性）変化の少ないアンギュラ玉軸受として運用することができる。
【００３３】
以上説明したように、本実施形態の玉軸受１によれば、外輪軌道溝３ａには、不連続に接続される外輪正面側軌道溝３ａ１と外輪背面側軌道溝３ａ２とが形成され、外輪正面側軌道溝３ａ１と外輪背面側軌道溝３ａ２とは、外輪正面側軌道溝３ａ１と外輪背面側軌道溝３ａ２の交点３ｄを越えて延長された各延長面３ｅ１，３ｅ２が、外輪３の内部を通過するようにそれぞれ形成され、且つ、外輪正面側軌道溝３ａ１は、外輪の溝底中心を含み、外輪正面側軌道溝３ａ１と玉４との接触角α１と、外輪背面側軌道溝３ａ２と玉４との接触角α２は、いずれも０°以上で、且つ、α１＜α２である。これにより、予圧が負荷された状態で使用される玉軸受１において、高速性と高剛性を両立させることができる。
【００３４】
特に、上述したように、溝曲率比が小さいと、外輪３または内輪２と、玉４の接触面の面積が増加するため、玉軸受１の剛性を増大することができ、溝曲率比が大きいと、トルクの増大を抑えて、高速性を向上させることができる。したがって、本実施形態の様に、外輪正面側軌道溝３ａ１の溝曲率比は、外輪背面側軌道溝３ａ２よりも大きく設定されることで、低速時に３点接触による高剛性、また、２点接触へ変化することによる高速性をさらに高めることができる。
【００３５】
但し、本発明では、外輪正面側軌道溝３ａ１の溝曲率比と、外輪背面側軌道溝３ａ２の溝曲率比との関係は、これに限らない。
例えば、外輪正面側軌道溝３ａ１の溝曲率比は、外輪背面側軌道溝３ａ２の溝曲率比と等しくしてもよい。この場合、外輪正面側軌道溝３ａ１と外輪背面側軌道溝３ａ２の中心点と、外輪正面側軌道溝３ａ１の外輪背面側軌道溝３ａ２の交点とを結ぶ直線が直角となるため、外輪正面側軌道溝３ａ１と外輪背面側軌道溝３ａ２の座標管理が容易となり、より高精度に外輪溝形状が形成できる。
また、外輪正面側軌道溝３ａ１の溝曲率比は、外輪背面側軌道溝３ａ２の溝曲率比よりも小さく設定されてもよい。この場合、高速時に３点接触を維持する場合において、低速時と高速時の外輪３における総発熱量の変化量が抑えられる。
【００３６】
また、上述したように、これらの場合も、内輪軌道溝２ａ、外輪正面側軌道溝３ａ１、及び外輪背面側軌道溝３ａ２の各溝曲率比は、概ね０．５０〜０．５７の範囲で軸受の使用条件に合わせて自由に設定可能であり、いずれを選択しても本実施形態の効果を得ることができる。
【００３７】
なお、図４〜図６に示すように、本実施形態の玉軸受１を複数使用することで、両方向のアキシャル荷重を支持する用途でも適用することができる。定位置予圧方式の組合せ軸受装置１０では、一般的に、少なくとも１組の玉軸受１がそれらの接触角の向きが対向するように配置される。組合せ軸受装置１０は、図４（ａ）に示すように、外輪３の背面側同士を向き合わせる形態である背面組合せ、図４（ｂ）に示すように、外輪３の正面側同士を向き合わせる形態である正面組合せであっても、本実施形態の玉軸受１の効果を発揮できる。
【００３８】
また、図５（ａ）に示すように、複数の玉軸受１を背面、並列組合せすることで組合せ軸受装置１０を構成してもよく、図５（ｂ）に示すように、複数の玉軸受１を正面、並列組合せすることで組合せ軸受装置１０を構成してもよい。
【００３９】
さらに、図６（ａ）に示すように、複数の玉軸受１を、間座１１、１２を挟んで背面組合せすることで組合せ軸受装置１０を構成してもよく、図６（ｂ）に示すように、複数の玉軸受１を、間座１１、１２を挟んで正面組合せすることで組合せ軸受装置１０を構成してもよい。
【００４０】
図７は、間座１１、１２を挟んで背面組合せされた１組の玉軸受１が、定位置予圧が負荷された状態で、工作機械スピンドルの前側軸受として適用される場合を図示したものである。即ち、図７は、モータビルトインタイプの工作機械スピンドルにおいて、本実施形態の玉軸受１を用いた前側軸受と、円筒ころ軸受２０からなる後側軸受とを用いて、工具Ｔが取り付けられた回転軸２１が、ハウジング２２に対して、回転可能に支持されている。
【００４１】
尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。
例えば、本実施形態では、玉軸受に定位置予圧が負荷される場合について説明したが、本発明の玉軸受は、定圧予圧が負荷される場合にも適用可能である。
【００４２】
また、本発明の玉軸受は、本実施形態のように、低速回転時に３点接触の形態をとることが高剛性を確保する上で好ましいが、これに限定されず、例えば、軸受非回転時及び低速回転時において、外輪３側では、外輪背面側軌道溝３ａ２のみと玉４が接触する構成であってもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１          玉軸受
２          内輪
２ａ        内輪軌道溝
３          外輪
３ａ        外輪軌道溝
３ａ１      外輪正面側軌道溝
３ａ２      外輪背面側軌道溝
４          玉
α１、α２、α３  接触角
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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