(57)【要約】【課題】低摩擦の転動を実現するローラーボール組立体を提供する。【解決手段】  組立体は、超硬材料から構成された支持要素によって支持された一次ローラーボールを含む。組立体は、支持要素が位置付けられるキャビティを定めるカップを含む。キャップは、カップと結合され、キャビティ内に一次ローラーボールを保持するように位置付けられる。また、カップは、ローラーボールを支持するように開示される。加えて、組立体を組み込んだシステム及び装置、並びにこれらを作成及び使用する方法が開示される。【選択図】図３
2021533053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ローラーボール組立体であって、
少なくとも１つの支持要素によって支持される一次ローラーボールを備え、前記少なくとも１つの支持要素が超硬材料から構成される、
ローラーボール組立体。
【請求項２】
前記超硬材料が、少なくとも炭化タングステンと同程度の硬さである、請求項１に記載のローラーボール組立体。
【請求項３】
前記超硬材料が、炭化タングステン、炭化ケイ素、又は立方晶窒化ホウ素を含む、請求項１に記載のローラーボール組立体。
【請求項４】
前記超硬材料が、多結晶ダイヤモンドを含む、請求項１に記載のローラーボール組立体。
【請求項５】
前記多結晶ダイヤモンドは、少なくとも１つの支持要素の係合面にて、高度にラップ仕上げされ、研磨され、又は高度に研磨されている、請求項４に記載のローラーボール組立体。
【請求項６】
前記多結晶ダイヤモンドは、前記少なくとも１つの支持要素の係合面において、２０μｉｎ以下の表面仕上げを有する、請求項５に記載のローラーボール組立体。
【請求項７】
カップを更に備え、前記少なくとも１つの支持要素が、前記カップ内に位置付けられて前記カップと結合され、前記一次ローラーボールが、前記少なくとも１つの支持要素によって前記カップ内に支持される、請求項１に記載のローラーボール組立体。
【請求項８】
前記一次ローラーボールの外面が、前記少なくとも１つの支持要素の係合面と係合され、前記一次ローラーボールが前記カップから離れている、請求項７に記載のローラーボール組立体。
【請求項９】
前記カップに結合されたキャップを更に備え、前記キャップは、前記一次ローラーボールを前記カップ内に保持するように位置付けられる、請求項７に記載のローラーボール組立体。
【請求項１０】
前記キャップと結合された少なくとも１つの保持要素を更に備え、前記少なくとも１つの保持要素は、前記一次ローラーボールの外面と係合する係合面を有し、前記一次ローラーボールが、前記少なくとも１つの保持要素によって前記カップ内に支持されて、前記少なくとも１つの支持要素によってカップ内に保持されるようになり、前記少なくとも１つの保持要素は、超硬材料から構成される、請求項９に記載のローラーボール組立体。
【請求項１１】
前記カップの下端を通って形成されたカットアウトレリーフ領域を更に備える、請求項７に記載のローラーボール組立体。
【請求項１２】
前記カットアウトレリーフ領域は、前記支持要素の間に位置付けられ、前記支持要素は、前記カップの下端に位置付けられる、請求項１１に記載のローラーボール組立体。
【請求項１３】
前記カップと前記一次ローラーボールとの間に潤滑剤を提供するために、前記カップに対して位置付けられた潤滑要素を更に備える、請求項７に記載のローラーボール組立体。
【請求項１４】
前記潤滑要素を前記一次ローラーボールの外面と係合させて、前記一次ローラーボールの外面に前記潤滑剤を適用するように位置付けられたエナジャイザーを更に備える、請求項１３に記載のローラーボール組立体。
【請求項１５】
前記ローラーボール組立体が単一の支持要素を含む、請求項７に記載のローラーボール組立体。
【請求項１６】
前記単一の支持要素が前記カップの基部に位置付けられ、前記一次ローラーボールの中心線に沿って中心に配置される、請求項１５に記載のローラーボール組立体。
【請求項１７】
前記ローラーボール組立体が、複数の支持要素を含む、請求項７に記載のローラーボール組立体。
【請求項１８】
前記支持要素が各々、前記一次ローラーボールの中心線から等距離にある位置で且つ前記一次ローラーボールの前記中心線からある弧角で前記カップの底部に沿って位置付けられる、請求項１７に記載のローラーボール組立体。
【請求項１９】
前記支持要素は、前記中心線から少なくとも２０°及び最大で６０°の弧角で位置付けられる、請求項１８に記載のローラーボール組立体。
【請求項２０】
前記カップの下端に位置付けられたデブリクリアランス孔を更に備える、請求項７に記載のローラーボール組立体。
【請求項２１】
前記ローラーボール組立体が単一の可動部を含み、前記単一の可動部が前記一次ローラーボールである、請求項１に記載のローラーボール組立体。
【請求項２２】
ローラーボール組立体においてローラーボールを支持するためのカップであって、
キャビティを定めるカップ本体と、
前記キャビティ内に位置付けられ、前記カップ本体と結合された少なくとも１つの支持要素と、
を備え、前記支持要素が各々超硬材料から構成される、
カップ。
【請求項２３】
前記カップ本体と結合されたキャップを更に備え、前記キャップは、前記キャビティ内に一次ローラーボールを保持するように位置付けられる、請求項２２に記載のカップ。
【請求項２４】
前記カップ本体の下端を通って形成されたカットアウトレリーフ領域を更に備える、請求項２２に記載のカップ。
【請求項２５】
前記カップ内に位置付けられた潤滑要素を更に備える、請求項２２に記載のカップ。
【請求項２６】
前記カップ本体の下端に位置付けられたデブリクリアランス孔を更に備える、請求項２２に記載のカップ。
【請求項２７】
ローラーボール組立体の一次ローラーボールを支持する方法であって、
カップのキャビティ内に少なくとも１つの支持要素を位置付けるステップであって、前記支持要素が各々超硬材料から構成される、ステップと、
前記一次ローラーボールの外面が前記少なくとも１つの支持要素の係合面と接触するように、前記一次ローラーボールを前記キャビティ内に位置付けるステップと、
キャップが前記キャビティ内に前記一次ローラーボールを保持するように位置付けられるように、前記カップに対してキャップを位置付けるステップと、
を含む、方法。
【請求項２８】
前記カップの下端を通ってレリーフ領域を切り出すステップを更に含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記少なくとも１つの支持要素の前記係合面と前記一次ローラーボールの前記外面との間の潤滑係合を更に含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
前記カップの下端に位置付けられたデブリクリアランス孔を通って前記ローラーボール組立体からデブリを除去するステップを更に含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３１】
前記超硬材料が多結晶ダイヤモンドを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３２】
前記少なくとも１つの支持要素の係合面にて前記多結晶ダイヤモンドを高度にラッピング、研磨、又は高度に研磨するステップを更に含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記少なくとも１つの支持要素の前記係合面において、２０μｉｎ以下の表面仕上げを前記多結晶ダイヤモンドに提供するステップを更に含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
前記キャップ上に少なくとも１つの保持要素を位置付けるステップを更に含み、前記少なくとも１つの保持要素が超硬材料から構成され、前記少なくとも１つの保持要素は、前記少なくとも１つの保持要素の係合面が前記一次ローラーボールの外面と接触して、前記一次ローラーボールを前記キャビティ内に保持するように位置付けられる、請求項２７に記載の方法。
【請求項３５】
前記方法が、前記カップの基部に位置付けられて前記一次ローラーボールの中心線に沿って中心に配置された単一の支持要素で前記一次ローラーボールを支持するステップを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３６】
前記方法が、複数の支持要素で前記一次ローラーボールを支持するステップを含み、前記支持要素の各々が、前記一次ローラーボールの中心線から等距離にある位置で且つ前記一次ローラーボールの中心線からある弧角で前記カップの基部に沿って位置付けられる、請求項２７に記載の方法。
【請求項３７】
前記支持要素が、前記中心線から少なくとも２０°及び最大で６０°の弧角で位置付けられる、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
組立体であって、
係合面と、
対向する係合面と、
を備え、
前記対向する係合面が、少なくとも幾つかの超硬材料を含み、前記係合面は、前記対抗する係合面と移動可能に係合される、
ことを特徴とする、組立体。
【請求項３９】
前記係合面が、少なくとも幾らかの金属、セラミック、又はポリマーを含む、請求項３８に記載の組立体。
【請求項４０】
前記係合面が、少なくとも幾らかの鋼、炭化タングステン、炭化ケイ素、窒化ケイ素、又はナイロンを含む、請求項３８に記載の組立体。
【請求項４１】
前記超硬材料が、少なくとも幾らかの炭化タングステン、炭化ケイ素、又は立方晶窒化ホウ素を含む、請求項３８に記載の組立体。
【請求項４２】
前記超硬材料が、少なくとも幾らかの多結晶ダイヤモンドを含む、請求項３８に記載の組立体。
【請求項４３】
前記多結晶ダイヤモンドが、前記対向する係合面において、２０μｉｎ以下の表面仕上げを有する、請求項４２に記載の組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１８年７月３０日に出願された（係属中の）米国特許出願第１６／０４９，６３１号の利益を主張し、この全体が引用により全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本出願は、２０１７年２月１０日に出願され且つ本出願と同じ譲受人である、名称が「Ｄｒｉｌｌｉｎｇ  Ｍａｃｈｉｎｅ」の米国特許出願第１５／４３０，２５４号の関連出願であり、当該特許出願は全てが記載されたように全体が本明細書に組み込まれる。本出願はまた、名称が「Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｒａｄｉａｌ  Ｂｅａｒｉｎｇ」である同時出願の米国特許出願；名称が「Ｃａｍ  Ｆｏｌｌｏｗｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｄｉａｍｏｎｄ  Ｅｎｇａｇｅｍｅｎｔ  Ｅｌｅｍｅｎｔ」である同時出願の米国特許出願；及び名称が「Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｔｈｒｕｓｔ  Ｂｅａｒｉｎｇ  ａｎｄ  Ｅｌｅｍｅｎｔ  Ｔｈｅｒｅｏｆ」である同時出願の米国特許出願の関連出願であり、これらの各々は本出願と同じ譲受人に譲受され、全てが記載されたように全体が本明細書に組み込まれる。
【０００３】
（連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載）
適用せず
【０００４】
本開示は、ローラーボール組立体、ローラーボール組立体を含む装置及びシステム、並びにローラーボール組立体の製造、組み立て、及び使用方法に関する。
【背景技術】
【０００５】
トランスファーボール軸受としても知られる、ローラーボール組立体は、材料ハンドリング及び設備用途において広範囲に利用されている。このような用途には、限定ではないが、均等荷重分布、航空宇宙＆航空輸送用途、ダイハンドリング、金属製造＆製作、キャスター置き換え、医療技術＆装置、産業ロボット工学、ダウンホール掘削ツール、ダウンホールのワイヤライン作業、ダウンホールのコイル管作業、ダウンホール完成、兵站、計測器、小型直線運動用のガイド（例えば、写真複写機スライド）、及びクリーンルームにおける材料の移送が挙げられる。
【０００６】
ローラーボール組立体は、典型的には、収容カップ内の複数のより小さなボール軸受により支持された一次ボールを含む。典型的な比較サイズは、一次ローラーボールで直径が１インチ、又は１〜１／４インチ、又は１〜１／２インチ、支持ボールで直径が１／８インチである。時間の経過とともに、一次ローラーボール、特に支持ボールは、点荷重、表面剥離、腐食、及び疲労荷重を受け、ローラーボール組立体の故障につながる。一部の精密用途では、４．８ｍｍの小さな一次ボールと適切に縮小された直径の支持ボールを採用している。
【０００７】
図１は、従来技術の典型的なローラーボール組立体１００の断面図を示している。組立体１００において、一次ローラーボール１０１は、成形鋼製カップ１０２内の一連の小さな鋼製ボール１０３によって支持されている。一次鋼製ローラーボール１０１は、キャップ１０５により保持される。組立体１００はまた、液体又は小さなデブリを取り除くための小さなウィープ孔１０４を含む。
【０００８】
一部の組立体は、一次ローラーボールのための支持として小さなボール軸受を使用せず、カップ面との直接係合を使用する。かじりの問題を克服するために、これらの設計では、幾つかの例では、シールが必要なコーティング又は潤滑剤、或いは、窒化ケイ素、炭化タングステン、炭化ケイ素、もしくはセラミックなどの代替のローラーボール材料が使用されている。コーティング又は代替ローラーボール材料を使用した場合でも、ローラーボールとカップ面との接触面積が大きくなると、摩擦係数が大きくなり、ローラーボールの自由回転能力が低下する。
【０００９】
追加の重要な課題は、デブリによる汚染であり、一次ローラーボールの自由な転動を妨げる。既存の組立体の支持ボールでは、下部カップ構造におけるデブリ排出開口部は、二次ボールの自由な転動を捕らえたり又は妨害したりしないように十分に小さくする必要がある。デブリ排出開口部のこのサイズ制限により、組立体から汚染物質を除去する効果が制限される。
【００１０】
故障又は汚染したローラーボール組立体の交換は、時間がかかり、運用に悪影響を及ぼす。これは、アクセス制限が存在するか、又は故障がミッションクリティカルな性能に影響を及ぼす航空宇宙、ダウンホール、及び兵站の運用において特に問題になる可能性がある。
【００１１】
ローラーボール軸受組立体に関する情報は、日付のない８ページのパンフレット「ＨｕｄｓｏｎＢｅａｒｉｎｇｓ  Ａｉｒ  Ｃａｒｇｏ  Ｒｏｌｌｅｒ  Ｂａｌｌ  Ｔｒａｎｓｆｅｒｓ」、並びに日付のない５ページのパンフレット「ＨｕｄｓｏｎＢｅａｒｉｎｇｓ  Ａｉｒ  Ｃａｒｇｏ  Ｒｏｌｌｅｒ  Ｂａｌｌ  Ｔｒａｎｓｆｅｒｓ  Ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ  ａｎｄＭａｉｎｔｅｎａｎｃｅＰｒｏｔｏｃｏｌｓ」にて見出すことができ、どちらもＨｕｄｓｏｎＢｅａｒｉｎｇｓのウェブサイト（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈｕｄｓｏｎｂｅａｒｉｎｇｓ．ｃｏｍ）から入手できる。これらのパンフレットから注目すべきは、ヘビーデューティートランスファーローラーボール組立体において８５０ｌｂｓ最大耐荷重及び４００°Ｆの最大温度範囲である。
【００１２】
ローラーボール組立体のダウンホール使用に関する追加の参考文献は、Ｗｏｏｄらの米国特許第９，８０３，４３２号であり、これは、完全に記載されているかのようにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許第９，８０３，４３２号明細書
【特許文献２】米国特許第５，４４７，２０８号明細書
【特許文献３】米国特許第５，６５３，３００号明細書
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】日付のない８ページのパンフレット「ＨｕｄｓｏｎＢｅａｒｉｎｇｓ  Ａｉｒ  Ｃａｒｇｏ  Ｒｏｌｌｅｒ  Ｂａｌｌ  Ｔｒａｎｓｆｅｒｓ」
【非特許文献２】日付のない５ページのパンフレット「ＨｕｄｓｏｎＢｅａｒｉｎｇｓ  Ａｉｒ  Ｃａｒｇｏ  Ｒｏｌｌｅｒ  Ｂａｌｌ  Ｔｒａｎｓｆｅｒｓ  Ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ  ａｎｄＭａｉｎｔｅｎａｎｃｅＰｒｏｔｏｃｏｌｓ」
【発明の概要】
【００１５】
本開示の幾つかの態様は、ローラーボール組立体を含む。組立体は、少なくとも１つの支持要素によって支持される一次ローラーボールを含む。各支持要素は、超硬材料から構成される。
【００１６】
本開示の他の態様は、ローラーボール組立体におけるローラーボールを支持するためのカップを含む。カップは、キャビティを定めるカップ本体が含む。少なくとも１つの支持要素がキャビティ内に位置付けられ、カップ本体と結合されている。各支持要素は、超硬材料から構成される。
【００１７】
本開示の追加の態様は、ローラーボール組立体の一次ローラーボールを支持する方法を含む。本方法は、カップのキャビティ内に少なくとも１つの支持要素を位置付けるステップを含む。各支持要素は、超硬材料から構成されている。本方法は、一次ローラーボールの外面が少なくとも１つの支持要素の係合面と接触するように、一次ローラーボールをキャビティ内に位置付けるステップを含む。本方法は、キャップがキャビティ内に一次ローラーボールを保持するよう位置付けられるように、カップに対してキャップを位置付けるステップを含む。
【００１８】
本開示のシステム、装置、及び／又は方法の特徴及び利点をより詳細に理解することができるように、上記で概略的に要約されたより具体的な説明は、本明細書の一部を形成する添付図面において例示された実施形態を参照することにより行われた。しかしながら、図面は、様々な例示的な実施形態を例示しているに過ぎず、従って、他の効果的な実施形態も含むことができるので、開示された概念を限定するものと見なすべきではない点に留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来技術の典型的なローラーボール組立体の断面図である。
【図２】本開示の特定の態様による方法のフローチャートである。
【図３】本出願のローラーボール組立体の１つの実施形態の側面図である。
【図４】ローラーボール又はキャップのない、本技術の３支持要素組立体のカップの上面図である。
【図５】本出願の技術の代替の実施形態の側面図である。
【図６】本出願の技術の代替の実施形態の側面図である。
【図７Ａ】ローラーボール又はキャップのない、本出願の技術の代替の実施形態の上面図である。
【図７Ｂ】キャップ及びローラーボールが含まれた図７Ａの組立体の側面図である。
【図８】中心線での単一の支持又は中心線からカップ上で上向きに角度が付けられた複数の支持についての中心線からの位置スペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本開示によるシステム、装置、及び方法について、様々な例示的な実施形態を示す添付図面を参照しながらより完全に説明する。しかしながら、本開示による概念は、多くの異なる形態で具現化することができ、本明細書に記載の例示の実施形態によって限定されると解釈すべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が完全且つ網羅し、様々な概念の範囲を当業者及び最良で好ましい実施方法に対して完全に伝えるように提供される。
【００２１】
本開示の特定の態様は、ローラーボール組立体、ローラーボール組立体を含む装置、ローラーボール組立体を含むシステム、ローラーボール組立体を作製する方法、ローラーボール組立体を組み立てる方法、及びローラーボール組立体を使用する方法を含む。
【００２２】
（超硬材料を含むローラーボール組立体）
幾つかの実施形態において、本出願の技術は、少なくとも１つのいわゆる「超硬」構成要素又は要素（すなわち、「超硬材料」から構成される構成要素）上に支持される可動部（任意選択的に単一の可動部）、詳細には一次ローラーボールを有する高性能ローラーボール組立体を提供する。当業者には理解されるように、「超硬材料」は、材料の硬度によって定義される材料のカテゴリーであり、ブリネル、ロックウェル、ヌープ及び／又はビッカーススケールに従って決定することができる。例えば、超硬材料は、ビッカース硬度試験により測定されたときの硬度値が４０ギガパスカル（ＧＰａ）を超える材料を含む。本明細書で使用する場合、超硬材料は、ブリネルスケールなどのこれらの硬度スケールの１つに従って決定されるような、少なくとも炭化タングステンタイル及び／又は超硬炭化タングステンと同程度の硬い材料を含む。当業者であれば、例えば、ブリネルスケール試験がＡＳＴＭ  Ｅ１０−１４に従って実施できること、ビッカース硬度試験は、例えば、ＡＳＴＭ  Ｅ３８４に従って実施できること、ロックウェル硬度試験は、例えば、ＡＳＴＭ  Ｅ１８に従って実施できること、及びヌープ硬度試験は、例えば、ＡＳＴＭ  Ｅ３８４に従って実施できることを理解するであろう。本明細書で開示される「超硬材料」は、限定ではないが、炭化タングステン（例えば、タイル又は超硬）、浸潤炭化タングステンマトリックス、炭化ケイ素、窒化ケイ素、立方晶窒化ホウ素、及び多結晶ダイヤモンドを含む。
【００２３】
従って、本開示の幾つかの態様は、個別の超硬要素を使用して、ローラーボールを支持するステップを含む。本出願の技術の特定の態様において、ローラーボール組立体内の小径の支持ボールの必要性が排除される。従って、本明細書で開示されるローラーボール組立体の少なくとも幾つか、小径の支持ボールがない（すなわち、含まない）。
【００２４】
特定の実施形態では、本明細書で開示されるローラーボール組立体は、既存のローラーボール組立体と比較して、より高い耐荷重能力、より高い温度能力を有し、より耐久性があり、より耐食性があり、より円滑に稼働し、組立体の作業エリアからの汚染物質及びより大きなデブリを通過させるより優れた能力を有する。
【００２５】
幾つかの態様において、本明細書で開示されるローラーボール組立体は、一次ローラーボール上の腐食を「セルフクリーニング」する。一次ローラーボールの面が移動するとき、多結晶ダイヤモンド要素の面と係合している間、一次ローラーボール上の既存の腐食は、一次ローラーボールと多結晶ダイヤモンド要素の表面間の係合から生じる摩擦力によって少なくとも部分的に除去することができる。すなわち、多結晶ダイヤモンド要素は、一次ローラーボールの腐食した材料の少なくとも一部を洗浄、掃引、又は擦り取る。対照的に、図１に示されるようなローラーボール組立体は、他の小さなローラーボール上を「転動」する一次ローラーボールを含み、これは、一次ローラーボールから腐食した材料を除去するように機能しない。
【００２６】
特定の実施形態では、本出願の技術は、過酷な環境（例えば、ダウンホール環境）における用途に適したローラーボール組立体を含む。本出願の技術は、トルク及び抗力の軽減の点でダウンホール掘削用途に適用できるローラーボール組立体を含む。
【００２７】
（例示的な試験）
本出願の出願人は、既存の技術と比較して、超高性能の代替物を提供する例示的なローラーボール組立体について重要な試験を実施した。以下の表１は、本開示のローラーボール組立体の例示的な構成の出願人によって実施された試験の要約を示している。
表１
2021533053.tif 000003
【００２８】
図２は、実行された試験のステップを記載しており、これは、３つの多結晶ダイヤモンド（ＰＤＣ）要素上に単一の１−１／２インチ高炭素鋼ローラーボールを支持するステップ（ボックス２９０）と、支持されたローラーボールを鋼製カップに展開するステップ（ボックス２９１）と、展開されたローラーボールを７００ｌｂｆの荷重下で２０時間の回転試験にかけるステップ（ボックス２９２）と、摩耗ローラーボール及びＰＤＣ要素を評価するステップ（ボックス２９３）と、を含む。表１から明らかなように、試験の結果、ローラーボールの摩耗はほとんどなく、ＰＤＣ要素の変色は僅かなヘルツ痕跡であった。
【００２９】
更なる試験において、従来技術のローラーボール組立体の一次ローラーボールに８００ｌｂｓの荷重がかかると、関連する支持ボールに５２５，０００ＰＳＩの最大応力が生じることが見出された。一方、本開示による例示的なローラーボール組立体では、関連する超硬要素に同じ５２５，０００ＰＳＩの最大応力を生成するのに、一次ローラーボールに１，６００ｌｂｓの荷重が必要であった。その結果、理論に拘束されることなく、本明細書に開示された技術は、従来技術のローラーボール組立体と比較して２倍の耐荷重能力を示した。
【００３０】
ここで図３〜８に移り、ここで様々な例示的なローラーボール組立体及びその態様について説明する。図３〜８では、同様の参照番号は同様の要素を指す。例えば、例示的なカップは、図３において参照番号「３０２」で識別され、図４では参照番号「４０２」で識別される。
【００３１】
（超硬支持要素を備えたローラーボール組立体）
図３は、本出願の１つの実施形態によるローラーボール組立体３００の側面図である。組立体３００において、ローラーボール３０１は、支持要素３０３を介してカップ３０２（カップ本体）内に支持される。各支持素子３０３は、超硬材料から形成される。ローラーボール３０１は、限定ではないが、鋼鉄を含む様々な材料の何れかで形成することができる。図３に示すように、ローラーボール３０１は、ローラーボール外面３２０（係合面とも呼ばれる）と支持要素面３２２（対向する係合面とも呼ばれる）との間の接触を介して支持要素３０３によって支持される。一次ローラーボール３０１は、カップ３０２から離れている（すなわち、接触していない）。支持要素３０３は、カップ３０２に取り付けられ、埋め込まれ、或いはカップ３０２に取り付けられ及び／又は結合される。図１に示すような小さな支持ローラーボールとは対照的に、支持要素３０３は、カップ３０２に対して静止している。動作中、一次ローラーボール３０２は、支持要素３０３とスライド接触して移動する。
【００３２】
「成形カップ」とも呼ばれるカップ３０２は、ローラーボール３０１を受け入れて、ローラーボール３０１の転動を可能にするように構成されたキャビティ３５０を定める形状を有する。カップ３０２は、限定ではないが、鋼を含む様々な材料の何れかで形成することができる。
【００３３】
組立体３００はキャップ３０５を含む。キャップ３０５は、カップ３０２内に一次ローラーボール３０１を保持するように、カップ３０２に対して位置付けられる。キャップ３０５は、カップ３０２の上端３３２でカップ３０２と係合及び／又は結合（例えば、取り付け）されている。キャップ３０５は、ローラーボール３０１をカップ３０２内に保持するのに十分な曲率３４０を有し、動作中、ローラーボール３０１が、支持要素３０３を介して支持されて、キャップ３０５によって保持されながらカップ３０２内で自由に転動するようになる。キャップ３０５は、一次ローラーボール３０１から離れている（すなわち、接触していない）。キャップ３０５は、限定ではないが、鋼を含む様々な材料の何れかで形成することができる。キャップ３０５は、例えば、保持リングの形態とすることができる。
【００３４】
組立体３００は、カップ３０２の下端３３０に位置付けられたデブリクリアランス孔３０４を含む。孔３０４は、カップ３０２から大きなデブリを取り除くようなサイズ及び配置にすることができる。図１の孔２０４とは異なり、孔３０４は、孔が大きすぎた場合に孔を通って落下する小さな支持ローラーボールの存在によってサイズが制限されない。従って、孔３０４は、孔２０４と同程度かより小さいものとすることができ、孔３０４はまた、孔２０４よりも大きく、遙かに大きくすることができる。例えば、孔３０４は、一次ローラーボール３０１の約半分のサイズ（例えば、直径の半分）まで、又は一次ローラーボール３０１の約１／８〜約１／２のサイズ（例えば、直径）まで、又は一次ローラーボール３０１のサイズ（例えば、直径）の約１／４〜約１／２までとすることができる。
【００３５】
当業者であれば、本明細書で開示されるローラーボール組立体が、図３（又は図４〜８）に示される特定の配置に限定されないことを理解するであろう。例えば、ローラーボール組立体は、３つよりも多い又は少ない支持要素を含むことができ、これらは、多数の構成で配置、サイズ決定、及び位置付けることができる。
【００３６】
（カップ組立体）
図４は、本技術の特定の態様による３つの支持要素組立体（すなわち、３つの支持要素４０３）を含むカップの上面図である。カップ４０２は、ローラーボールが係合せずキャップが係合していない状態で図４に示されている。
【００３７】
超硬材料から形成された支持要素４０３は、カップ４０２内に展開され位置付けられる。支持要素４０３は、当技術分野で知られているように、様々な方法の何れかを介してカップ４０２のキャビティ面４５２に、又はこれと共に、或いはその内部に結合することができる。デブリクリアランス孔４０４は、キャビティ面４５２を通る貫通孔として、カップ４０２の下端に位置付けられる。
【００３８】
図４に等間隔で示されているが、当業者でれば、支持要素４０３が不均一に離間して配置することができることを理解するであろう。
【００３９】
（超硬支持及び保持要素を備えたローラーボール組立体）
図５は、ローラーボール組立体５００の側面図を示しており、本出願の技術の代替の実施形態を例示している。組立体５００において、ローラーボール５０１は、カップ５０２内５０５に位置付けられた支持要素５０３（超硬材料から形成された）によって支持され、キャップ上又はキャップ内に展開、位置付け、及び配置された保持要素５０６（超硬材料から形成された）によって更に保持されて、支持要素５０３及び保持要素５０６の両方の対向する係合面５２２がローラーボール５０１の外面５２０と係合するようになる。
【００４０】
保持要素５０６は、支持要素とカップとの結合に関して説明したのと同じ方法で、キャップ５０５に、これと共に、又はキャップ５０５内で結合することができる。特定の態様では、保持要素５０６は、支持要素５０３と同じ又は実質的に同じ構造のものである。図５で明らかなように、支持要素５０３は、ローラーボール５０１の仮想回転軸５６０の下方に位置付けられて、ローラーボール５０１の下向きの力５７０を支持し、保持要素５０６は、ローラーボール５０１の仮想回転軸５６０の上方に位置付けられて、ローラーボール５０１の上向きの力５７２を支持する。
【００４１】
他の実施形態と同様に、組立体５００は、カップ５０２の下端５３０に位置付けられたデブリクリアランス孔５０４を含む。
【００４２】
図６は、本出願の技術の代替の実施形態によるローラーボール組立体６００の側面図を示す。組立体６００において、ローラーボール６０１は、各々が超硬材料から形成されてカップ６０２内に位置付けられた支持要素６０３及び追加の支持要素６０７によって支持され、超硬材料から形成されてキャップ６０５内に展開及び位置付けられる保持要素６０６によって保持される。デブリクリアランス孔６０４は、カップ６０２の下端６３０に展開されている。支持要素６０３、追加の支持要素６０７、及び保持要素６０６の各々は、ローラーボール６０１の外面６２０とスライド接触する係合面６２２を有する。
【００４３】
（カットアウトレリーフ及び潤滑要素を備えたカップ組立体）
図７Ａは、本技術の特定の態様による３つの支持要素組立体（すなわち、３つの支持要素７０３）を含むカップ７０２の上面図である。カップ７０２は、ローラーボールが係合せずキャップが係合していない状態で示されている。
【００４４】
超硬材料から形成された支持要素７０３が展開されて、カップ７０２内に位置付けられる。デブリクリアランス孔７０４は、カップ７０２の底部、すなわち、キャビティ面７５２を通って形成される。
【００４５】
カップ７０２は、そこを通って（例えば、フレーム、本体、構造体を通って）形成されたカットアウトレリーフ領域７０８を含む。支持要素７０３は、カットアウトレリーフ領域７０８の間に位置付けられる。カットアウトレリーフ領域７０８は、キャビティ面７５２を貫通して形成された孔とすることができ、デブリがそこを通過することを可能にすることができる。
【００４６】
カップ７０２はまた、支持要素７０３の係合面とローラーボールの外面との間など、カップ７０２とそこに位置付けられる任意のローラーボールとの間でカップ７０２内で潤滑剤を提供するように位置付けられた潤滑要素７０９を含む。
【００４７】
図７Ｂは、ローラーボール組立体７００の側面図を示しており、ローラーボール組立体７００は、一次ローラーボール７０１及びキャップ７０５（保持キャップ）が追加されて、図７Ａに示されるように、支持要素７０３、デブリクリアランス孔７０４、カットアウトレリーフ領域７０８、及び潤滑要素７０９を備えたカップ７０２を含む。
【００４８】
組立体７００において、ローラーボール７０１は、超硬材料から形成された支持要素７０３を介してカップ７０２内に支持され、キャップ７０５を介してカップ７０２内に保持される。動作中、ローラーボール７０１がカップ７０２内の係合面７２２とスライド接触して転動すると、レリーフ領域７０８及び孔７０４が、そこを通ってデブリが落下することを可能にする。
【００４９】
潤滑要素７０９は、一次ローラーボール７０１の外面７２０と係合される（例えば、押し付けられる）。ばねなどのバイアス部材とすることができる、エナジャイザー７１０は、潤滑要素７０９を押し込んでローラーボール７０１の外面７２０と係合させる。従って、潤滑要素７０９は、ローラーボール７０１の外面７２０に潤滑剤を適用するように位置付けられる。幾つかの態様において、潤滑剤は、限定ではないが、グラファイト、六方晶窒化ホウ素、油放出ポリマー、二硫化モリブデン、又は二硫化タングステンを含む、複数の固体潤滑剤の何れかである。幾つかの態様において、エナジャイザー７１０は、コイルばね、皿ばね、エラストマー、又は他の適用可能なエネルギー供給要素である。
【００５０】
図７Ａ及び７Ｂは、超硬保持要素のないキャップ７０５を示しているが、図５及び６に示されるような超硬保持要素を含むキャップが、図７Ａ及び図７Ｂの組立体において使用できることは当業者には明らかであろう。
【００５１】
（超硬支持要素の位置付け）
図８は、本出願の技術の特定の態様による、超硬材料の支持要素がカップ内に展開することができる位置を特定する円弧８１１の代表的な図である。円弧８１１は、垂直中心線８１４で二等分されている。円弧８１１は、８５２で示されているように、ローラーボール組立体のカップの底部キャビティ面に対応する。従って、中心線８１４は、ローラーボール組立体のカップの中心線、又はローラーボール組立体のローラーボールの中心線に対応する。
【００５２】
超硬材料から形成された単一の支持要素が展開される実施形態では、支持要素８１２は、中心線８１４に対して垂直に配置され位置付けられた面８２２ａ（超硬材料から形成された係合面）を備えた円弧８１１の基部にて支持要素として展開される。
【００５３】
超硬材料から形成された２以上の支持要素が展開される実施形態では、支持要素８１３（超硬材料から形成された）は、中心線８１４からほぼ等距離にある位置で且つ円弧８１１に沿って中心線８１４からある弧角で展開される。複数の超硬支持要素を展開するための略最小の角度がＣで示される。角度Ｃの値は、中心線８１４から約２０°である。超硬支持要素の展開のためのより好ましい角度スペクトルは、角度Ｄ及びＥで示され、これらの角度は、両方とも中心線８１４からＤで約３０°からＥで約５０°である。複数の超硬支持要素の展開のための略最大角度がＦで示される。角度Ｆの値は、中心線８１４から約６０°である。図８に示される角度は、一次超硬支持要素に適用され、ローラーボール組立体の保持キャップ又はリングに展開することができる追加の超硬保持要素には適用されないことは、当業者には理解されるであろう。
【００５４】
（ローラーボール）
本出願の技術の実施に際して、一次ローラーボールは、好ましくはステンレス鋼又は硬質炭素鋼であるが、代替として、炭化タングステン、炭化ケイ素、窒化ケイ素、代替セラミック、ナイロン、又は当該技術分野で既知の他の任意の軸受ボール材料とすることができる。
【００５５】
（ローラーボールの支持）
超硬部品は通常、既存の小径の支持ローラーボールよりも（経済的に）高価であるが、本出願の技術は、既存の一次ローラーボール支持体に優る明らかな利点を提供する。本出願のローラーボール組立技術は、幾つかの例において、単一の可動部品、すなわち一次ローラーボールのみを含み、ローラーボール組立体内に他の可動部品を含まない。一次ローラーボールと超硬構成要素（支持及び保持要素）、特に研磨されたＰＤＣ要素との係合により、一次ローラーボールの極めて低摩擦の転動を実現する。幾つかの態様では、組立体が、摩擦係数（ＣｏＦ）の影響を受けやすい小さなローラーボール（例えば、図１に示されるような）の使用に依存しないので、一次ローラーボールとＰＤＣ要素との間の係合のＣｏＦは、比較的長い使用期間にわたって一定又は実質的に一定のままである。超硬構成要素は、既存の小径支持ローラーボールよりも高い荷重が可能である。
【００５６】
（保持キャップ）
本明細書で開示される実施形態では、保持キャップ又はリング（例えば、キャップ２０５）は、限定ではないが、キャップ又はリングをカップに接着、ねじ付け、溶接、ろう付け、又は圧入する１又は２以上のスナップリングを含む、当技術分野で知られている方法を介して、ローラーボール組立体のそれぞれのカップ上の所定の位置に保持することができる。幾つかの態様では、保持キャップは、当技術分野で知られている「ナイフエッジ」又はシール面を除くデブリを組み込むように設計されている。或いは、保持キャップ又はリングには、ローラーボール組立体のダウンホール用途など、流体の自由な流れを可能にするようスロット、スカラップ又はギャップを設けることができる。
【００５７】
（支持及び保持要素の取り付け）
本出願の技術の様々な実施形態で展開される超硬支持要素及び保持要素は、限定ではないが、超硬支持及び保持要素をキャップ又はカップにろう付け、接着、ねじ切り、又は圧入することを含む、当技術分野で知られているような、１又は２以上の方法を介して（例えば、カップ及び／又はキャップ上に）取り付けることができる。
【００５８】
（超硬材料）
本出願の技術は、様々な超硬材料の使用を含むのに十分に広範囲であるが、一部の用途では、好ましい超硬材料はＰＤＣである。本出願の技術では研磨されたＰＤＣが好ましいが、この技術で使用されるＰＤＣは、ラップ仕上げされ、高度にラップ仕上げされ、研磨され、又は高度に研磨することができる。Ｌｕｎｄらの米国特許第５，４４７，２０８号及び第５，６５３，３００号は、ＰＤＣ及びその表面仕上げに関する開示を提供している。米国特許第５，４４７，２０８号及び第５，６５３，３００号の開示内容は、引用により本明細書に組み込まれ、本開示の一部となる。本明細書で使用する場合、表面は、約１８〜約２２μｉｎに及ぶ表面仕上げなど、２０μｉｎ又は約２０μｉｎの表面仕上げを有する場合に「高度にラップ仕上げされた」と定義される。本明細書で使用する場合、表面は、約１０μｉｎ未満又は約２〜約１０μｉｎの表面仕上げを有する場合に「研磨された」と定義される。本明細書で使用する場合、表面は、約２μｉｎ未満、又は約０．５μｉｎ〜約２μｉｎ未満の表面仕上げを有する場合に「高度に研磨された」と定義される。幾つかの態様において、係合面は、０．５μｉｎ〜４０μｉｎ、又は２μｉｎ〜３０μｉｎ、又は５μｉｎ〜２０μｉｎ、又は８μｉｎ〜１５μｉｎ、はこれらの間の任意の範囲の表面仕上げを有する。幾つかの態様において、係合面は、４０μｉｎ未満、３０μｉｎ未満、２０μｉｎ未満、１５μｉｎ未満、１０μｉｎ未満、８μｉｎ未満、５μｉｎ未満、又は２μｉｎ未満の表面仕上げを有する。０．５μｉｎの表面仕上げまで研磨された多結晶ダイヤモンドは、表面仕上げが２０〜４０μｉｎで標準的なラップ仕上げの多結晶ダイヤモンドの約半分の摩擦係数を有する。
【００５９】
従って、幾つかの態様において、本明細書で開示される技術は、ローラーボール組立体の一次ローラーボールを支持するために、超硬要素、好ましくは研磨された多結晶ダイヤモンド焼結体（ＰＤＣ）要素の使用を組み込む。
【００６０】
（超硬支持及び／又は保持要素の配置及び構成）
１つの好ましい実施形態では、３つの平面超硬支持要素が、金属製カップ又はフレームにおいて相補的に展開される。動作中、超硬支持要素は、ローラーボールの一次支持を提供する。本出願の技術の支持要素について、超硬支持要素の数の増減を含む、複数の代替形態が実施可能である。例えば、ローラーボールを支持するために、単一の超硬支持要素を金属カップの底部に展開することができる。
【００６１】
平面超硬支持要素が好ましいが、凹面又は凸面を含む、非平面の超硬支持要素を使用してもよい。
【００６２】
ローラーボールの上部周囲は、ポリプロピレン、ケブラー、金属、フェルト、皮革、又はテフロン（登録商標）を含むがこれらに限定されない、当技術分野で知られている複数の材料又は材料の組み合わせによって包含（保持）することができる。しかしながら、強化された実施形態では、ローラーボールの上部は、金属のキャップ又は他の適切な材料の内面又はボスに固定された、超硬、好ましくは研磨されたＰＤＣ要素（すなわち、保持要素）の追加のセットによって包含される（保持される）。
【００６３】
本技術の超硬構成要素（支持又は保持要素）は、一般に、直径が１／８インチ（約３ｍｍ）程度に小さく、又は直径が３／４インチ（約１９ｍｍ）程度に大きいとすることができる。より小さな精度の用途では、大幅に小さな直径の支持及び保持要素と、より小さな一次ボールの直径を使用することができる。当業者には理解されるように、本出願の技術は、主要技術から逸脱することなくスケールアップ又はスケールダウンすることができる。２以上の超硬構成要素を使用してトランスファーローラーボールを支持する場合、超硬構成要素は通常、必ずしもそうとは限らないが、組立体の中心線から等距離に配置される（図８を参照して示され説明される）。
【００６４】
当業者によって理解されるように、本明細書で開示される様々な態様は、本開示の範囲から逸脱することなく、多くの組み合わせの何れかで組み合わせることができる。例えば、超硬材料から形成された少なくとも１つの支持要素上に支持された一次ローラーボールを含むローラーボール組立体は、超硬材料から形成された少なくとも１つの保持要素；超硬材料から形成された少なくとも１つの追加の支持要素；少なくとも１つの大きなデブリクリアランス孔；少なくとも１つの潤滑要素；又はこれらの任意の組み合わせを更に含むことができる。
【００６５】
上記の説明及び図から、本出願の軸受組立技術は、ダウンホール環境を含む広範囲の用途に使用できることが容易に理解できる。本明細書で提供される技術は、他の産業用途にも幅広く適用される。
【００６６】
更に、ローラーボールの表面と超硬材料を含む支持要素の表面との間の係合に関して示され説明されているが、当業者であれば、この特定の用途に限定されず、本明細書に開示される概念が、超硬材料の表面と係合する任意の表面（例えば、鋼表面）間の係合に適用できることは、理解されるであろう。
【００６７】
本実施形態及び利点について詳細に説明してきたが、本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、本明細書において様々な変更、置換、及び改変を行うことができることを理解されたい。更に、本出願の範囲は、本明細書に記載されるプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、及びステップの特定の実施形態に限定されることを意図するものではない。当業者であれば、本明細書に記載される対応する実施形態と実質的に同じ機能を実行するか又は実質的に同じ結果を達成する、現在既存の又は今後開発されるプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、又はステップが本開示に従って利用することができることは、本開示から容易に理解されるであろう。従って、添付の特許請求の範囲は、その範囲内にこのようなプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、又はステップを含むものとする。
【符号の説明】
【００６８】
３００  ローラーボール組立体
３０１  ローラーボール
３０２  カップ
３０３  支持要素
３０４  デブリクリアランス孔
３０５  キャップ
３２０  ローラーボール外面
３２２  支持要素面
３３０  下端
３３２  上端
３４０  曲率
３５０  キャビティ
【図１】
2021533053.tif 000004
【図２】
2021533053.tif 000005
【図３】
2021533053.tif 000006
【図４】
2021533053.tif 000007
【図５】
2021533053.tif 000008
【図６】
2021533053.tif 000009
【図７Ａ】
2021533053.tif 000010
【図７Ｂ】
2021533053.tif 000011
【図８】
2021533053.tif 000012
【国際調査報告】
2021533053.tif 000013