(57)【要約】【課題】セパレータの噛み込みによるロックが生じにくい玉軸受を提供する。【解決手段】深溝玉軸受は、内輪１と、外輪２と、内輪１及び外輪２の間に転動自在に配された複数の玉と、玉同士の間隔を保つ固体潤滑剤製のセパレータ４と、を備えている。このセパレータ４は円柱形状の部材で、その両端面（円柱の両底面）を玉に対面させている。また、セパレータ４の直径ｄｓ，セパレータ４の長さｔｓ，及び内外輪１，２の溝半径ｒｇが下記式を満足する。                    （ｄｓ2 ＋ｔｓ2 ）1/2 ×ｓｉｎ６０°＞２ｒｇ【選択図】図１
2008267401.tif 000002
【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玉と、前記玉同士の間隔を保つ固体潤滑剤製のセパレータと、を備える玉軸受において、
前記セパレータは円柱形状で両端面を前記玉に対面させているとともに、前記セパレータの直径ｄｓ，前記セパレータの長さｔｓ，及び前記内外輪の溝半径ｒｇが下記式を満足することを特徴とする玉軸受。
（ｄｓ2 ＋ｔｓ2 ）1/2 ×ｓｉｎ６０°＞２ｒｇ
【請求項２】
前記内輪及び前記外輪に沿う環状の保持器を備えるとともに、前記保持器のポケット内に、２個の前記玉とこれら２個の玉の間に配された前記セパレータとが保持されていることを特徴とする請求項１に記載の玉軸受。
【請求項３】
異なるポケットに保持され且つ隣接する２個の前記玉の間の間隔Ｗｃと、前記ポケットの周方向長さＷｐと、前記複数の玉の中心を含む円の周長Ｌｐと、前記玉の直径ｄｂと、が下記式を満足することを特徴とする請求項２に記載の玉軸受。
２Ｌｐ／ｉｎｔ（Ｌｐ／２ｄｂ）＞１．１×（Ｗｃ＋Ｗｐ）
なお、ｉｎｔとは、括弧内の数値の小数点以下を切り捨てて整数にする関数である。
【請求項４】
前記保持器がポリエーテルエーテルケトン又はポリ（４，４’−オキシジフェニレンピロメリットイミド）で構成されていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の玉軸受。
【請求項５】
軸受外径Ｄ及び軸受内径ｄが下記式を満足することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の玉軸受。
（Ｄ−ｄ）／２／ｄ＜０．１８７
【請求項６】
前記固体潤滑剤が、二硫化モリブデン及び二硫化タングステンの少なくとも一方を金属と混合して焼結した焼結金属、又は、二硫化モリブデン及び二硫化タングステンの少なくとも一方とポリテトラフルオロエチレンとポリエーテルエーテルケトンとからなる複合材料であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の玉軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セパレータを備える玉軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウエハの搬送装置や搬送ロボットは、通常は真空環境下で使用されるため、前記搬送装置や搬送ロボットに使用される軸受も真空用の仕様となっている。例えば、軸受の潤滑剤として、低アウトガスであるフッ素グリースや、さらに低アウトガスである固体潤滑剤が用いられている。固体潤滑剤は、転動体や軌道面と摺動することにより相手に転移して固体潤滑剤被膜を形成し、この被膜が潤滑に寄与する。
特許文献１，２には、固体潤滑剤で構成された円柱状のセパレータを備える玉軸受が開示されている。そして、セパレータを軸受内部に装填するための軸受構造、セパレータの形状や寸法、セパレータの保持構造等が記載されている。
【特許文献１】特開平７−１５１１５２号公報
【特許文献２】国際公開第９９／６０２８１号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記のようなセパレータを有する玉軸受は、回転時にセパレータが内外輪の間に噛み込まれ、回転が停止（以降は「ロック」と記すこともある）してしまうおそれがあった。
そこで、本発明は上記のような従来の玉軸受が有する問題点を解決し、セパレータの噛み込みによるロックが生じにくい玉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】
【０００４】
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の玉軸受は、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玉と、前記玉同士の間隔を保つ固体潤滑剤製のセパレータと、を備える玉軸受において、前記セパレータは円柱形状で両端面を前記玉に対面させているとともに、前記セパレータの直径ｄｓ，前記セパレータの長さｔｓ，及び前記内外輪の溝半径ｒｇが下記式を満足することを特徴とする。
（ｄｓ2 ＋ｔｓ2 ）1/2 ×ｓｉｎ６０°＞２ｒｇ
【０００５】
また、本発明に係る請求項２の玉軸受は、請求項１に記載の玉軸受において、前記内輪及び前記外輪に沿う環状の保持器を備えるとともに、前記保持器のポケット内に、２個の前記玉とこれら２個の玉の間に配された前記セパレータとが保持されていることを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項３の玉軸受は、請求項２に記載の玉軸受において、異なるポケットに保持され且つ隣接する２個の前記玉の間の間隔Ｗｃと、前記ポケットの周方向長さＷｐと、前記複数の玉の中心を含む円の周長Ｌｐと、前記玉の直径ｄｂと、が下記式を満足することを特徴とする。
２Ｌｐ／ｉｎｔ（Ｌｐ／２ｄｂ）＞１．１×（Ｗｃ＋Ｗｐ）
なお、ｉｎｔとは、括弧内の数値の小数点以下を切り捨てて整数にする関数である。
【０００６】
さらに、本発明に係る請求項４の玉軸受は、請求項２又は請求項３に記載の玉軸受において、前記保持器がポリエーテルエーテルケトン又はポリ（４，４’−オキシジフェニレンピロメリットイミド）で構成されていることを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項５の玉軸受は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の玉軸受において、軸受外径Ｄ及び軸受内径ｄが下記式を満足することを特徴とする。
（Ｄ−ｄ）／２／ｄ＜０．１８７
【０００７】
さらに、本発明に係る請求項６の玉軸受は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の玉軸受において、前記固体潤滑剤が、二硫化モリブデン及び二硫化タングステンの少なくとも一方を金属と混合して焼結した焼結金属、又は、二硫化モリブデン及び二硫化タングステンの少なくとも一方とポリテトラフルオロエチレンとポリエーテルエーテルケトンとからなる複合材料であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の玉軸受は、セパレータの噛み込みによるロックが生じにくい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明に係る玉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。なお、以降の各図においては、同一又は相当する部分には同一の符号を付してある。
〔第一実施形態〕
図１の深溝玉軸受は、内輪１と、外輪２と、内輪１及び外輪２の間に転動自在に配された複数の玉（図示せず）と、玉同士の間隔を保つ固体潤滑剤製のセパレータ４と、を備えている。このセパレータ４は円柱形状の部材で、その両端面（円柱の両底面）を前記玉に対面させている。また、セパレータ４の直径ｄｓ，セパレータ４の長さｔｓ，及び内外輪１，２の溝半径ｒｇが下記式を満足する。
（ｄｓ2 ＋ｔｓ2 ）1/2 ×ｓｉｎ６０°＞２ｒｇ
【００１０】
このような深溝玉軸受は、内外輪１，２間にセパレータ４が噛み込まれにくいので、ロックが生じにくい。また、この深溝玉軸受はセパレータ４から転移した固体潤滑剤で潤滑されるので、低アウトガスである。よって、真空環境下でも好適に使用可能である。固体潤滑剤の転移は、深溝玉軸受の回転開始直後から生じるので、深溝玉軸受の回転初期に潤滑不足となることはない。
ここで、セパレータの噛み込みにより軸受がロックするメカニズムと、本実施形態の深溝玉軸受においてはロックが生じにくくなるメカニズムについて、図１〜６を参照しながら説明する。
【００１１】
円柱形状のセパレータ４が、その軸線が玉軸受の径方向に対してほぼ直交するように、内外輪１，２の軌道面間に配されている。内輪１が図１の矢印方向に回転すると、セパレータ４にトルクが発生し、図２のようにセパレータ４が反時計回りに回転（自転）する。そして、セパレータ４の両端部の対角位置４１，４１が内外輪１，２にそれぞれ接触すると、セパレータ４の回転は停止する。内輪１の回転は続くので、セパレータ４は回転を停止したままトルクを受け続ける。
【００１２】
図３のように、セパレータ４に接触している部分において内輪１に接線を引き、セパレータ４における内輪１に接触する部分４１と外輪２に接触する部分４１とを結んだ直線（以降は「対角線」と記すこともある）となす角度をθとすると、θが４５°程度であるとセパレータ４はトルクを受け続けたまま内外輪１，２と摺動することとなる。
ところが、図４のようにセパレータ４の軸線方向の長さが短い場合は、θが大きくなって例えば７５°程度となる。この場合は、セパレータ４は内外輪１，２の間に噛み込まれ（内外輪１，２と摺動しない）、内輪１の回転が停止する。すなわち、θが所定の角度以上になると、玉軸受がロックする。そして、玉軸受がロックするθは約６０°である。
【００１３】
ここで、対角線の長さＬは、セパレータ４の直径をｄｓ、セパレータ４の長さをｔｓとすると、（ｄｓ2 ＋ｔｓ2 ）1/2 となる（図５を参照）。また、内外輪１，２の溝半径をｒｇとすると、下記式が成り立つ（図６を参照）。
Ｌｓｉｎθ＋α＝２ｒｇ
αは、外輪２の弧によって生じるＬｓｉｎθと２ｒｇとの差を補完する長さであるが、これは非常に小さいので無視しても差し支えない。したがって、下記式が成り立つことになる。
Ｌｓｉｎθ＝２ｒｇ
【００１４】
セパレータ４の両端部の対角位置４１，４１が内外輪１，２にそれぞれ接触している状態から、さらにセパレータ４を回転させて、対角線が内輪１の接線に対して直交する状態とするためには、内外輪１，２に挟まれてセパレータ４が潰れるまでセパレータ４を無理に回転させる必要がある。Ｌｓｉｎθが最も大きくなるのは、対角線が内輪１の接線に対して直交する場合、すなわちθが９０°の場合であり、ｓｉｎ９０°は１であるからＬｓｉｎθはＬとなる。また、ｓｉｎ４５°は約０．７１であり、ｓｉｎ６０°は約０．８７である。
【００１５】
よって、前述のセパレータ４の両端部の対角位置４１，４１が内外輪１，２にそれぞれ接触している状態のθが４５°である場合は、対角線が約３０％短くなるまでセパレータ４が潰れる必要があるが、θが６０°である場合は、対角線が約１３％短くなるまでセパレータ４が潰れればよい。ただし、対角線が内輪１の接線に対して直交するまでセパレータ４を回転させて初めて軸受がロックするわけではなく、それ以前にロックとなるので、θが６０°である場合は対角線が数％短くなるまでセパレータ４が潰れれば、玉軸受がロック状態となることが分かる。
【００１６】
また、セパレータ４の両端部の対角位置４１，４１が内外輪１，２にそれぞれ接触している状態で、セパレータ４が内外輪１，２から受ける偶力は、上記と同様に幾何学的に計算すると、θが４５°である場合は内外輪１，２との摩擦力の約７１％にすぎないが、θが６０°である場合は約８７％に達する。
つまり、これらのことから、θが６０°を超えると、玉軸受のロックが非常に発生しやすいことが分かる。よって、ロックが発生しにくくするためには、θが６０°以下となるようにすれよい。そのためには、玉軸受が下記式を満足すればよい。
（ｄｓ2 ＋ｔｓ2 ）1/2 ×ｓｉｎ６０°＞２ｒｇ
【００１７】
〔第二実施形態〕
図７，８の深溝玉軸受は、内輪１と、外輪２と、内輪１及び外輪２の間に転動自在に配された複数の玉３と、玉３同士の間隔を保つ固体潤滑剤製のセパレータ４と、内輪１及び外輪２に沿う環状の保持器５と、を備えている。そして、セパレータ４の直径ｄｓ，セパレータ４の長さｔｓ，及び内外輪１，２の溝半径ｒｇが下記式を満足する。
（ｄｓ2 ＋ｔｓ2 ）1/2 ×ｓｉｎ６０°＞２ｒｇ
【００１８】
また、保持器５に形成された多数のポケット５ａ内には、２個の玉３とこれら２個の玉３の間に配されたセパレータ４とが保持されている。セパレータ４は円柱形状の部材で、その両端面（円柱の両底面）を玉３に対面させている。
このような深溝玉軸受は、第一実施形態の場合と同様に、セパレータ４の噛み込みによるロックが生じにくい。また、セパレータ４から転移した固体潤滑剤で潤滑されるので、低アウトガスである。よって、真空環境下でも好適に使用可能である。さらに、セパレータ４と玉３とがポケット５ａ内に収容されていて、セパレータ４と玉３とが離れることなく摺動するので、玉３への固体潤滑剤の転移が頻繁に行われ、潤滑不足となることはほとんどない。
【００１９】
さらに、セパレータ４は保持器５に保持されているので、軸受の回転時にセパレータ４が内外輪１，２に引っ掛かるように接触することがほとんどない。よって、軸受の回転が円滑となる。
さらに、２個の玉３に対して１個のセパレータ４が配されているので、１個の玉３当たりのセパレータ４の個数は０．５個となる。全ての玉３がセパレータ４と直接摺動することが可能な配置形態の中では、本実施形態の配置形態がセパレータ４の個数を最も少なくすることができる。セパレータ４の個数を少なくした分だけ玉３の個数を増やすことができるので、軸受の耐荷重性を高めることができる。よって、本実施形態の深溝玉軸受は、玉３と内外輪１，２との最大接触面圧をより小さくできるので、固体潤滑剤の使用量を少なくすることができる。そのため、軸受寿命が長寿命となる。
【００２０】
このような長寿命で真空用途に好適な深溝玉軸受は、半導体ウエハの搬送装置や搬送ロボットに使用可能である。
なお、保持器５のポケット５ａは、セパレータ４と玉３とを完全に包み込むような構造でもよいし、開口部を有していてそこからセパレータ４や玉３の一部が露出している構造でもよい。開口部を有していれば、軸受の組み立て時に保持器を後入れとすることもできるので、入れ溝を有する深溝玉軸受や４点接触軸受等にも本発明を適用することが可能である。また、カウンターボアがあってもセパレータ４や玉３が軸受から脱落することがないので、アンギュラ玉軸受に対して本発明を適用することも可能である。
【００２１】
〔第三実施形態〕
第三実施形態の玉軸受は、第二実施形態の深溝玉軸受とほぼ同様の構成であるので、異なる部分のみ図８を参照しながら説明し、同様の部分の説明は省略する。
保持器５の周方向にほぼ等間隔をあけて複数設けられているポケット５ａ内には、２個の玉３と、これらの２個の玉３の間に配された１個のセパレータ４とが保持されているが、異なるポケット５ａに保持され且つ隣接する２個の玉３の間の間隔Ｗｃと、ポケット５ａの周方向長さＷｐと、複数の玉３の中心を含む円の周長Ｌｐと、玉３の直径ｄｂと、が下記式を満足するようになっている。
２Ｌｐ／ｉｎｔ（Ｌｐ／２ｄｂ）＞１．１×（Ｗｃ＋Ｗｐ）
なお、ｉｎｔとは、括弧内の数値の小数点以下を切り捨てて整数にする関数である。
【００２２】
このような第三実施形態の深溝玉軸受は、第二実施形態の深溝玉軸受よりも耐荷重性がさらに高い。よって、本実施形態の深溝玉軸受は高荷重用途に対してより好適である。
ここで、第三実施形態の深溝玉軸受の耐荷重性が高くなるメカニズムについて説明する。保持器を備えていない総玉軸受において球状のセパレータを用いた場合は、転動体である玉と球状セパレータとは同数必要であり、その個数は２Ｌｐ／ｉｎｔ（Ｌｐ／２ｄｂ）で求めることができる。つまり、２Ｌｐ／ｉｎｔ（Ｌｐ／２ｄｂ）は、２個の玉と２個の球状セパレータとに対応する周長Ｌｐの部分長さを示している。
【００２３】
前記総玉軸受と第三実施形態の深溝玉軸受とにおいて、この部分長さがＷｃ＋Ｗｐに等しい場合は、前記両軸受は同数の玉（転動体）を有していることになり、したがって前記両軸受の荷重の負荷容量は同一である。ここで、第三実施形態の深溝玉軸受においてＷｃ＋Ｗｐが前記部分長さよりも１０％短かったとすると、理論的には第三実施形態の深溝玉軸受が前記総玉軸受に比べて１０％多い個数の玉（転動体）を有していることになる。玉（転動体）の個数に１０％以上の差異があると、荷重の負荷容量に明白な差異が出るので、上記不等式を満足する第三実施形態の深溝玉軸受は、荷重の負荷容量が大きく耐荷重性が高い。
【００２４】
なお、前述した第二，第三実施形態において、保持器５の材質は特に限定されるものではないが、樹脂が好ましい。樹脂製の保持器５は局所的に変形しやすいので、２個の玉３に挟まれた保持器５の柱が内輪１や外輪３に押し付けられても、容易に変形する。そのため、内外輪１，２との摺動面圧が自動的に低下するので、金属製保持器において発生する保持器の飛び出しや破損が生じにくく、保持器の摩耗も生じにくい。
【００２５】
さらに、保持器５の材質は、ポリエーテルエーテルケトン又はポリ（４，４’−オキシジフェニレンピロメリットイミド）であることがより好ましい。ポリ（４，４’−オキシジフェニレンピロメリットイミド）とは、ピロメリット酸二無水物と４，４’−ジアミノジフェニルエーテルとから合成されるポリイミドであり、例えばデュポン社のベスペル（登録商標）があげられる。これらの樹脂は、融点が高い（例えばポリエーテルエーテルケトンは３４３℃）ので、玉軸受は２５０℃程度の高温下で使用されても長寿命である。また、低アウトガスであるため、高温且つ真空環境下でも放出ガス量が少なく、周辺環境を汚染しにくい。
【００２６】
さらに、前述した第一〜第三実施形態において、軸受外径Ｄ及び軸受内径ｄが下記式を満足することが好ましい。
（Ｄ−ｄ）／２／ｄ＜０．１８７
上記式で定義される薄肉軸受は、軸受の断面積が極端に小さく、転動体やセパレータも極端に小さくなるので、以下のような問題が生じることとなる。
【００２７】
（１）転動体である玉の直径が小さいので、玉１個の荷重の負荷容量が小さくなってしまう。そのため、荷重の負荷容量を確保するために玉の個数を増やさざるを得ないが、当然にセパレータの数も増えることとなる。例えば、軸受内径ｄが４４ｍｍ程度のサイズのものでも、玉の個数は３２個となり、玉と玉との間に全てセパレータを介装すればセパレータの個数も３２個となる。そうすると、セパレータの数が多いために、セパレータが軸受をロックさせる可能性が高まる。
【００２８】
（２）セパレータが小さいため、寸法効果によりセパレータの姿勢が簡単に変化しやすく、したがってセパレータが軸受をロックさせる可能性が高まる。つまり、僅かな力が加わっただけでもセパレータが動いたり、あるいは内外輪間で飛び跳ねたりするため、ロックが生じやすくなる。
このように、薄肉軸受はセパレータの噛み込みによるロックが生じやすいので、本発明を適用すればロックが生じにくい薄肉軸受を得ることができる。
【００２９】
さらに、前述した第一〜第三実施形態において、セパレータ４を構成する固体潤滑剤の種類は特に限定されるものではないが、二硫化モリブデン及び二硫化タングステンの少なくとも一方を金属と混合して焼結した焼結金属、又は、二硫化モリブデン及び二硫化タングステンの少なくとも一方とポリテトラフルオロエチレンとポリエーテルエーテルケトンとからなる複合材料が好ましい。なお、焼結に用いる金属は、１種の金属でもよいが、複数の金属の混合物でもよいし合金でもよい。
【００３０】
これらの固体潤滑剤は、優れた潤滑性を有する。また、低アウトガスであるため、高温下でも使用可能である。例えば、焼結金属は３５０℃以上、複合材料は２００℃以上でも使用可能である。
さらに、第一〜第三実施形態においては、玉軸受として深溝玉軸受を例示して説明したが、本発明の玉軸受は、他の種類の様々な玉軸受に対して適用することができる。例えば、アンギュラ玉軸受，自動調心玉軸受等のラジアル形の玉軸受や、スラスト玉軸受である。
【００３１】
〔実施例〕
軸受の種類がアンギュラ玉軸受であることを除いては第二実施形態の玉軸受とほぼ同様の構成の玉軸受を用意して、回転試験を行い、その性能を評価した。なお、比較例として、保持器を備えておらず、玉と玉との間に球状のセパレータを配したアンギュラ玉軸受（すなわち、転動体である玉と球状のセパレータとを交互に並べたアンギュラ玉軸受）についても同様の評価を行った。
実施例，比較例ともに、アンギュラ玉軸受の軸受内径は４４ｍｍ、軸受外径は５４ｍｍ、軸受幅は４ｍｍであり、薄肉軸受である。実施例の保持器はポリエーテルエーテルケトン製のもみぬき保持器であり、実施例，比較例のセパレータを構成する固体潤滑剤は、二硫化タングステンを含有する焼結合金である。
【００３２】
また、回転試験の内容は、軸受中心軸を鉛直方向とし、カウンターボア側を上向きにして、最大接触面圧が１．１ＧＰａとなるようにアキシアル荷重を負荷して、真空，８０℃という環境下で回転させた。なお、アキシアル荷重の負荷は、２つのアンギュラ玉軸受を背面配列で組み合わせて背面組合せ軸受とすることにより行った。２つのアンギュラ玉軸受のうち上側に試験軸受を配し、下側にはダミーの軸受を配した。軸受の回転は、１８０°回転する毎に反転させ、このような正逆回転を繰り返すというものである。
毎分１５０サイクルの回転速度で１×１０6 サイクルまで回転させ、軸受にロックが発生するか否かを調査した。実施例，比較例ともに、それぞれ３個のアンギュラ玉軸受について試験を行ったが、実施例が３個中１個もロックが発生しなかったのに対し、比較例は３個中２個にロックが発生した。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る玉軸受の一実施形態である深溝玉軸受の構造を示す図であり、軸受中心軸に垂直な面で破断した部分断面図である。
【図２】セパレータの噛み込みにより軸受がロックするメカニズムについて説明する部分断面図である。
【図３】セパレータの噛み込みにより軸受がロックするメカニズムについて説明する部分断面図である。
【図４】セパレータの噛み込みにより軸受がロックするメカニズムについて説明する部分断面図である。
【図５】深溝玉軸受に組み込まれたセパレータの平面図である。
【図６】本実施形態の深溝玉軸受においてロックが生じにくくなるメカニズムについて説明する部分断面図である。
【図７】本発明に係る玉軸受の別の実施形態である深溝玉軸受の構造を示す図であり、軸受中心軸に垂直な面で破断した断面図である。
【図８】図７の深溝玉軸受に組み込まれた保持器と、該保持器に保持された玉及びセパレータを示す模式的説明図である。
【符号の説明】
【００３４】
１      内輪
２      外輪
３      玉
４      セパレータ
５      保持器
５ａ    ポケット
【図１】
2008267401.tif 000003
【図２】
2008267401.tif 000004
【図３】
2008267401.tif 000005
【図４】
2008267401.tif 000006
【図５】
2008267401.tif 000007
【図６】
2008267401.tif 000008
【図７】
2008267401.tif 000009
【図８】
2008267401.tif 000010