(57)【要約】【課題】高速回転で使用されても摩耗，焼付き等の損傷が生じにくく長寿命な転がり軸受を提供する。【解決手段】円筒ころ軸受は、内輪１と外輪２と複数の転動体３と合成樹脂製の保持器４とを備えている。この保持器４は、外輪２の内径面２ａ（保持器案内面）によって案内される外輪案内方式の保持器である。保持器４の表面のうち少なくとも外輪２の内径面２ａとの摺接部分（径方向外方を向く面）４ａには、硬質炭素被膜が被覆されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と、外輪と、前記内輪及び前記外輪の間に転動自在に配された複数の転動体と、前記外輪に案内される合成樹脂製の保持器と、を備える転がり軸受において、前記保持器の表面のうち少なくとも前記外輪との摺接部分に硬質炭素被膜を形成したことを特徴とする転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に工作機械主軸用軸受には、円筒ころ軸受やアンギュラ玉軸受等が使用される。これらの軸受の保持器としては、綿布補強のフェノール樹脂を切削加工した保持器や、ガラス繊維や炭素繊維で強化された樹脂（例えばポリアミド６６，ポリフェニレンサルファイド，ポリエーテルエーテルケトン）を材料とする、いわゆるプラスチック保持器（合成樹脂製保持器）が使用されている。
【０００３】
プラスチック保持器は、軽量のため回転時の遠心力が小さく、さらに自己潤滑性を有するという特長を備えているので、高速回転での使用において有利である。このようなプラスチック保持器を使用した高速回転用転がり軸受にあっては、通常、保持器が外輪によって回転案内される外輪案内方式が採用される。また、このような転がり軸受の潤滑法としては、グリース潤滑，オイルエア潤滑，ジェット潤滑等が、使用条件やコストによって適宜選択され採用されているが、一般的には、低コストでメンテナンスも容易なことから、グリース潤滑が利用されることが多い。
【特許文献１】特開２００３−７４５６１号公報
【特許文献２】特開２００４−２０５０１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、工作機械では、切削能力を向上させて加工時間を短縮する方向にあり、それに伴い主軸の回転速度を高速化する傾向が顕著である。そのため、高速回転する主軸を支承する転がり軸受に供給する潤滑剤量も微量（必要最小限の量）となる傾向にある。
しかしながら、例えばグリース潤滑のように、回転中に外部から軸受内部に潤滑剤が供給されない潤滑法の場合には、時間の経過とともに潤滑剤が一時的あるいは継続的に不足した状態となって、潤滑油膜が途切れがちになってしまう。このような厳しい潤滑条件では、十分な潤滑状態を保つことが困難である。
【０００５】
そのため、保持器と転動体，内輪，外輪との摺接部が発熱して高温となり、場合によっては焼付いて回転停止に至るという問題が発生することがあった。このような問題は、特に、保持器と外輪の内径面（保持器案内面）との摺接部、あるいは、保持器と転動体との摺接部において生じることが多い。
また、外輪や転動体との摺接によって保持器の摩耗が進展すると、保持器の表面にガラス繊維や炭素繊維などの強化繊維材が露出することになり、その露出した強化繊維材によって外輪や転動体に摩耗が生じるおそれがあった。
そこで、本発明は、上記のような従来技術が有する問題点を解決し、高速回転で使用されても摩耗，焼付き等の損傷が生じにくく長寿命な転がり軸受を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１の転がり軸受は、内輪と、外輪と、前記内輪及び前記外輪の間に転動自在に配された複数の転動体と、前記外輪に案内される合成樹脂製の保持器と、を備える転がり軸受において、前記保持器の表面のうち少なくとも前記外輪との摺接部分に硬質炭素被膜を形成したことを特徴とする。
【０００７】
低摩擦性で耐摩耗性に優れる硬質炭素被膜の形成により、保持器と外輪との潤滑状態が良好に維持されて耐摩耗性や摺動性が向上するため、本発明の転がり軸受は、高速回転で使用されても摩耗，焼付き等の損傷が生じにくく長寿命である。また、転がり軸受の回転トルクも低くなる。さらに、保持器が摩耗しにくいため、保持器を構成する合成樹脂に含まれる強化繊維材の露出が生じにくく、その結果、外輪の摩耗も抑制される。
【０００８】
炭素（Ｃ）及び水素（Ｈ）のみからなる硬質炭素はダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）とも呼ばれるが、潤滑剤（グリース）の基油が炭化水素油（例えば鉱油，ポリα−オレフィン油）である場合には化学構造が近似していることから、濡れ性がより改善され、保持器と外輪との摺接部分の潤滑状態がより良好に保たれる。よって、高速回転で使用されたとしても、保持器と外輪との摺接部分に摩耗，焼付き等の損傷がより生じにくく、転がり軸受の回転トルクも低く安定する。また、硬質炭素被膜自体の摩耗も最低限に抑制される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の転がり軸受は、高速回転で使用されても摩耗，焼付き等の損傷が生じにくく長寿命である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明に係る転がり軸受の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に係る転がり軸受の一実施形態である円筒ころ軸受の構造を示す部分縦断面図である。また、図２は、図１の円筒ころ軸受に組み込まれた保持器の斜視図である。
図１の円筒ころ軸受は、軌道面を有する内輪１と、内輪１の軌道面に対向する軌道面を有する外輪２と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体（円筒ころ）３と、内輪１と外輪２との間に転動体３を保持する合成樹脂製の保持器４と、を備えている。
この保持器４は、外輪２の内径面２ａ（保持器案内面）によって案内される外輪案内方式の保持器である。そして、内輪１と外輪２との間の転動体３が配された空隙部（軸受内部空間）内には、前記両軌道面と転動体３の転動面との間の潤滑を行う図示しない潤滑剤（例えば潤滑油，グリース）が配されている。
【００１１】
保持器４の表面のうち少なくとも外輪２の内径面２ａとの摺接部分（径方向外方を向く面）４ａには、図示しない硬質炭素被膜が被覆されている。この硬質炭素被膜により、保持器４と外輪２との潤滑状態が良好に維持され耐摩耗性や摺動性が向上するため、この円筒ころ軸受は高速回転で使用されても摩耗，焼付き等の損傷が生じにくく長寿命である。よって、高速回転する主軸（例えば、工作機械の主軸）を支承する転がり軸受として好適である。また、この円筒ころ軸受は回転トルクが低い。さらに、保持器４が摩耗しにくいため、保持器４を構成する合成樹脂に含まれる強化繊維材の露出が生じにくく、その結果、外輪２の摩耗も抑制される。なお、硬質炭素被膜は、外輪２の内径面２ａとの摺接部分４ａのみに被覆してもよいし、保持器４の表面全面に被覆してもよい。
【００１２】
硬質炭素被膜を形成する方法としては、パルス的（断続的）に発生させたプラズマで炭化水素ガスを分解して成膜するプラズマＣＶＤ法、炭素イオン又は炭化水素イオンを用いるイオンビーム蒸着法、プラズマイオン注入法等があげられる。これらの方法の中で、合成樹脂表面にも処理が可能な方法は、プラズマＣＶＤ法とプラズマイオン注入法であるが、これら２つの方法の中ではプラズマイオン注入法が特に好ましい。それは、合成樹脂表面と硬質炭素被膜との間に、両者の密着性強化の役割をする傾斜組成層を形成することが可能なので、合成樹脂との密着性が優れた硬質炭素被膜が得られるからである。
【００１３】
ここで、プラズマイオン注入法による硬質炭素被膜の形成方法の一例を説明する。まず、第１ステージにおいて、アルゴンとメタンの混合ガスプラズマを用い中電圧パルス（−５ｋＶ〜−１０ｋＶ）で表面スパッタを行い、合成樹脂表面をクリーニングする。次に、第２ステージにおいて、比較的高電圧（−１５ｋＶ〜−３５ｋＶ）でメタンガスプラズマを用いたイオン注入を行い、合成樹脂表面に厚さ０．１μｍ程度のカーボンミキシング傾斜層を形成する。
【００１４】
さらに、第３ステージにおいて、第２ステージと同じパルス電圧で、第２ステージで注入したカーボン原子とアセチレンに代表される直鎖状炭化水素とのバインディングを行う。さらに、第４ステージにおいて、硬質炭素被膜を形成する。その際には、イオン加速電圧を低く（−２ｋＶ〜−５ｋＶ）するとともに、プラズマガス圧を高く（０．５〜２Ｐａ）し、パルス繰り返し数を可能な限り高く（２０００〜１００００ｐｐｓ）とって、成膜速度を得るようにする。なお、必要に応じて、第４ステージにおいて、窒素，カーボン等のイオン注入や、アルゴンによる表面トリートメントを行ってもよい。
【００１５】
硬質炭素被膜の膜厚は、０．５μｍ以上１０μｍ以下とすることが好ましく、１μｍ以上５μｍ以下とすることがより好ましい。また、硬質炭素被膜の成膜時間やガス圧のコントロール等を考えると、膜厚は１μｍ以上３μｍ以下とすることが好ましい。膜厚が０．５μｍよりも薄い場合は、部分的に下地表面が露出して耐摩耗性等の改善が不十分となるおそれがある。一方、膜厚が１０μｍよりも厚くなると、硬質炭素被膜の内部応力が増大して自己破壊が発生しやすくなり、結果的に耐摩耗性等の改善効果が長期間維持できないおそれがある。
【００１６】
保持器４を構成する合成樹脂の種類は、硬質炭素被膜を形成可能なものであれば特に限定されるものではないが、ポリアミド６６，ポリフェニレンサルファイド，ポリエーテルエーテルケトン等が好ましく、軸受が使用される環境や、要求される耐熱性，耐薬品性等を考慮して適宜選定される。合成樹脂には、ガラス繊維，炭素繊維等の強化繊維材を添加してもよい。
【００１７】
なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態においては、転がり軸受として円筒ころ軸受を例示して説明したが、本発明の転がり軸受は、他の種類の様々な転がり軸受に対して適用することができる。例えば、深溝玉軸受，図３に示すようなアンギュラ玉軸受（図４は、アンギュラ玉軸受に組み込まれた保持器の斜視図である），自動調心玉軸受，円すいころ軸受，針状ころ軸受，自動調心ころ軸受等のラジアル形の転がり軸受や、スラスト玉軸受，スラストころ軸受等のスラスト形の転がり軸受である。
また、内輪１，外輪２，転動体３は、ＳＵＪ２等の軸受鋼で構成してもよいが、より高速回転での使用に耐え得るように材質を変更してもよい。例えば、転動体３を窒化ケイ素等のセラミックで構成してもよいし、内輪１，外輪２を浸炭窒化材（ＳＨＸ材等）で構成してもよい。
【００１８】
〔実施例〕
以下に実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。外輪案内方式の保持器を備える図３のようなアンギュラ玉軸受（呼び番号６５ＢＮＲ１０ＤＢＢ，内径６５ｍｍ，外径１００ｍｍ，幅１８ｍｍ，接触角１８°）を４列組み合わせたものを用意して、回転試験を行った。
【００１９】
内輪及び外輪の材質は、実施例１及び比較例１の軸受についてはＳＵＪ２であり、比較例２の軸受についてはＳＨＸ材である。また、転動体の材質は、いずれの軸受も窒化ケイ素である。さらに、保持器の材質は、いずれの軸受も、炭素繊維が３０質量％配合された直鎖状ポリフェニレンサルファイド（ポリプラスチックス株式会社製のフォートロン２１３０Ａ１）である。そして、実施例１の軸受については、保持器の表面に厚さ１μｍの硬質炭素被膜が形成されている。
【００２０】
ここで、硬質炭素被膜の形成方法について説明する。金属製治具が内周面に嵌め込まれた保持器を、真空容器内に入れ、株式会社栗田製作所製のプラズマイオン注入製膜装置（ＰＢＩＩ＆Ｄ）ＴＹＰＥ  Ｂを用いて、保持器の表面（金属製治具に覆われておらず樹脂面が露出している部分）に厚さ１μｍの硬質炭素被膜を形成した。なお、硬質炭素被膜を形成する前に、窒素によるプラズマイオンスパッタクリーニングとプラズマによるカーボンイオン注入とを行い、樹脂と硬質炭素被膜との密着性を向上させるカーボンミキシング傾斜層（厚さ０．１μｍ）を、保持器の表面に形成した。
【００２１】
このようなアンギュラ玉軸受に日本精工株式会社製ＭＴＥグリース（基油：エステル油、増ちょう剤：バリウムコンプレックス石けん）を封入した上、予圧荷重３００Ｎを負荷しつつ回転試験機に組み込んで、回転速度１５０００ｍｉｎ-1で回転させた。そして、回転初期のトルクを測定するとともに、回転１０００時間後に外輪の内径面（保持器案内面）の摩耗発生状況を観察した。結果を表１に示す。なお、表１に記載の初期トルクは、比較例１の初期トルクを１とした場合の相対値で示してある。
【００２２】
【表１】
2008215548.tif 000003
【００２３】
表１から分かるように、硬質炭素被膜が形成された実施例１の軸受は、硬質炭素被膜が形成されていない比較例１，２の軸受と比べて、回転時の摺動性に優れており、回転トルクが低かった。また、外輪の保持器案内面への攻撃性が低いため、外輪の摩耗が抑制されている。よって、安価なＳＵＪ２で外輪を構成しても、高価な浸炭窒化鋼で構成した場合と同等の耐摩耗性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る転がり軸受の一実施形態である円筒ころ軸受の構成を示す部分縦断面図である。
【図２】図１の円筒ころ軸受に組み込まれた保持器の斜視図である。
【図３】本発明に係る転がり軸受の別の実施形態であるアンギュラ玉軸受の構成を示す部分縦断面図である。
【図４】図３のアンギュラ玉軸受に組み込まれた保持器の斜視図である。
【符号の説明】
【００２５】
１      内輪
２      外輪
２ａ    内径面
３      転動体
４      保持器
４ａ    外輪の内径面との摺接部分
【図１】
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【図２】
2008215548.tif 000005
【図３】
2008215548.tif 000006
【図４】
2008215548.tif 000007