(57)【要約】【課題】取り付け時，回転時等に外力が加えられても破損しにくく且つ製造コストが低い転がり軸受を提供する。【解決手段】内輪１，外輪２，及び転動体３がセラミック材料で構成された深溝玉軸受において、内輪１の内周部及び外輪２の外周部に樹脂材料製のスリーブ５，６を圧入し、内輪１の内周面及び外輪２の外周面をスリーブ５，６で覆った。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪，外輪，及び転動体がセラミック材料で構成された転がり軸受において、前記内輪の内周面及び前記外輪の外周面の少なくとも一方を樹脂層で覆ったことを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】
前記樹脂層を、フッ素樹脂を主成分とする樹脂組成物で構成したことを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
【請求項３】
前記フッ素樹脂をポリビニリデンフルオライドとしたことを特徴とする請求項２に記載の転がり軸受。
【請求項４】
前記セラミック材料は酸化アルミニウム又は炭化ケイ素を主成分とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の転がり軸受。
【請求項５】
前記セラミック材料を、４００ＭＰａ以上の曲げ強度を有する純度９９．９％以上の酸化アルミニウムとしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミック材料製の転がり軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
転がり軸受が酸，アルカリ等の腐食性物質と接触するような腐食環境下で使用される場合、例えば、液体状又は気体状の腐食性物質中で使用される場合や液体状の腐食性物質のミストや飛沫が飛散してくるような状況下で使用される場合等においては、転がり軸受を構成する材料には特に優れた耐食性が要求される。そのため、耐食性が要求される転動部材を構成する材料として一般的に用いられているステンレス鋼等の鉄鋼材料は使用できず、窒化ケイ素（Ｓｉ３　Ｎ４　），ジルコニア（ＺｒＯ２　），炭化ケイ素（ＳｉＣ），アルミナ（Ａｌ２　Ｏ３　）等のセラミック材料が使用される。特に、窒化ケイ素及びジルコニアはフッ化水素酸に腐食されるため、フッ化水素酸と接触するような腐食環境下で使用される転がり軸受の場合には、炭化ケイ素やアルミナが使用される。
【０００３】
例えば、特開平１０−８２４２６号公報には、内輪，外輪，及び転動体が炭化ケイ素で構成され、少なくとも表面がフッ素樹脂で構成された保持器が組み込まれた転がり軸受が記載されている。
また、特開２０００−９１４５号公報には、転動体及び軌道輪のいずれか一方が炭化ケイ素で構成され、他方が炭化ケイ素よりも靱性の優れた耐食性金属で構成された転がり軸受が記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−８２４２６号公報
【特許文献２】
特開２０００−９１４５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、炭化ケイ素やアルミナのようなセラミック材料は、耐食性は優れるものの強度（特に破壊靱性）が十分ではない。よって、軌道輪や転動体がセラミック材料で構成された転がり軸受は、軸やハウジングに取り付ける際に大きな荷重が負荷されたり、回転時に異常振動が発生したりすると、破損してしまうおそれがあった。
【０００６】
また、上記のようなセラミック材料製の転がり軸受をハウジングにすきま嵌合によって取り付ける場合には、軸受回転中に発生するハウジングと外輪との間のすべりを抑制するため両者を止めネジにより固定することがあるが、止めネジの締結力が大きいと外輪が損傷して割れ等が発生するおそれがあった。
さらに、セラミック材料は加工性に難点があるので、軌道輪，転動体等の軸受部品に要求される寸法精度，真円度，表面粗さ等を満足するように加工することは容易ではなかった。そのため、セラミック材料製の転がり軸受は、製造コストが高かった。
【０００７】
なお、耐食性に優れる材料としては樹脂があり、優れた耐食性を付与するために軌道輪等の軸受部品を樹脂で構成した転がり軸受が提案されている。例えば、特開２０００−２８３１６８号公報には、フェノール樹脂やナイロンを主成分とする樹脂組成物で軌道輪が構成された転がり軸受が記載されている。このような樹脂製の転がり軸受は、耐食性が優れることに加えて安価で且つ割れが生じる心配は少ない。しかしながら、荷重により変形しやすく、また軸受としての許容荷重（面圧）が小さいので、低負荷領域の用途にしか使用できないという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は上記のような従来のセラミック材料製の転がり軸受が有する問題点を解決し、取り付け時，回転時等に外力が加えられても破損しにくく且つ製造コストが低い転がり軸受を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
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，外輪，及び転動体がセラミック材料で構成された転がり軸受において、前記内輪の内周面及び前記外輪の外周面の少なくとも一方を樹脂層で覆ったことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る請求項２の転がり軸受は、請求項１に記載の転がり軸受において、前記樹脂層を、フッ素樹脂を主成分とする樹脂組成物で構成したことを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項３の転がり軸受は、請求項２に記載の転がり軸受において、前記フッ素樹脂をポリビニリデンフルオライドとしたことを特徴とする。
【００１１】
さらに、本発明に係る請求項４の転がり軸受は、請求項１〜３のいずれかに記載の転がり軸受において、前記セラミック材料は酸化アルミニウム又は炭化ケイ素を主成分とすることを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項５の転がり軸受は、請求項１〜３のいずれかに記載の転がり軸受において、前記セラミック材料を、４００ＭＰａ以上の曲げ強度を有する純度９９．９％以上の酸化アルミニウムとしたことを特徴とする。
【００１２】
このような構成であれば、転がり軸受を軸やハウジングに取り付ける際に大きな荷重が負荷されたり、回転時に異常振動が発生したりしても、樹脂層が緩衝材として機能して荷重，振動等の外力を吸収するので、転がり軸受に破損が生じにくい。
また、本来は内輪の内周面及び外輪の外周面は、内輪又は外輪を軸又はハウジングに取り付けた場合に適度な嵌合状態となるように、径寸法，真円度，表面粗さ等を高精度に加工してある必要がある。しかしながら、本発明の転がり軸受においては、内輪又は外輪を軸又はハウジングに取り付けると、両者の間に樹脂層が介在されることとなるので、内輪の内周面及び外輪の外周面の加工精度が不十分であったとしても、この樹脂層が弾性変形して嵌合状態が最適化される。したがって、加工性に難点のあるセラミック材料を本来必要な精度にまで加工する必要がないので、転がり軸受を低コストで製造することができる。
【００１３】
さらに、内輪，外輪，及び転動体を、酸化アルミニウム又は炭化ケイ素を主成分とするセラミック材料で構成し、樹脂層を、フッ素樹脂を主成分とする樹脂組成物で構成すれば、これらの素材はフッ化水素酸に対しても優れた耐食性を示すので、フッ化水素酸と接触するような厳しい腐食環境下で使用しても長寿命である。
【００１４】
酸化アルミニウムの場合は、耐食性を特に優れたものとするためには、その純度は９９．９％以上とすることが好ましい。また、内輪，外輪，及び転動体に破損がより生じにくいようにするためには、曲げ強度は４００ＭＰａ以上とすることが好ましい。
なお、本発明の転がり軸受は樹脂層を有しているが、内輪，外輪，及び転動体はセラミック材料で構成されているので、軸受としての許容荷重は、全体がセラミック材料で構成されている場合と同等である。よって、樹脂製の転がり軸受では使用できないような高負荷領域においても問題なく使用することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、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、本発明の一実施形態である深溝玉軸受の構成を示す部分縦断面図である。
この深溝玉軸受は、内輪１と、外輪２と、両輪１，２の間に転動自在に配置された複数の転動体３と、複数の転動体３を円周方向に等配に保持する樹脂材料製の保持器４と、を備えている。そして、内輪１，外輪２，及び転動体３はセラミック材料で構成されている。
【００１６】
内輪１の内周部には樹脂材料製のスリーブ５が、そして外輪２の外周部には樹脂材料製のスリーブ６が、それぞれ圧入されていて、締め代をもって嵌合されている。これにより、内輪１の内周面及び外輪２の外周面はスリーブ５，６で覆われている。これらのスリーブ５，６を圧入する際には、焼きばめ，冷やしばめ等の方法を用いてもよい。なお、このスリーブ５，６が、本発明の構成要件たる樹脂層に相当する。また、スリーブ５，６として、樹脂材料製の保持器を利用することができる。
【００１７】
この深溝玉軸受の主要寸法は、スリーブ５，６の部分も含めて、外径２８ｍｍ，内径１２ｍｍ，幅８ｍｍであり、呼び番号６００１相当である。なお、スリーブ５，６の厚さは２ｍｍである。
このような深溝玉軸受は、軸受部品がすべてセラミック材料と樹脂材料で構成されているので、耐食性が優れている。よって、酸，アルカリ等の腐食性物質と接触するような腐食環境下で使用されても長寿命である。
【００１８】
また、この深溝玉軸受を軸及びハウジングに取り付けた際には、その嵌合面（内輪１の内周面と軸の間、外輪２の外周面とハウジングの間）に樹脂材料製のスリーブ５，６が介在されることとなるため、軸やハウジングに取り付ける際に大きな荷重が負荷されたり、回転時に異常振動が発生したりしても、スリーブ５，６が緩衝材として機能して荷重，振動等の外力を吸収するので、軸受に破損が生じにくい。
【００１９】
さらに、スリーブ５，６が弾性変形して、深溝玉軸受と軸及びハウジングとの嵌合状態が最適化されるので、内輪１の内周面及び外輪２の外周面の加工精度は、本来軸受に必要とされるような高精度とする必要がない。金型を用いて成型したリングであれば、焼成後に仕上げ加工を施すことなく軌道輪として使用することができる。よって、このような深溝玉軸受は製造コストが低い。
【００２０】
スリーブ５，６と内輪１，外輪２との嵌合は、両者の間のすべりを抑制するためには、１００μｍ以上の締め代を有するように行うことが好ましいが、スリーブ５，６又は内輪１，外輪２に損傷が生じないような大きさの締め代で、且つ両者の間のすべりを抑制できる大きさの締め代を、寸法（径）と材質に応じて設定すればよい。
【００２１】
また、内輪１の内周面及び外輪２の外周面は、表面粗さＲａを０．１〜１μｍとすることが好ましい。０．１μｍ未満であると、表面が平滑すぎてスリーブ５，６と内輪１，外輪２との間のすべりが生じやすくなる。一方、１μｍを超えると、両者の密着性が低下してすべりが生じやすくなる。
なお、外輪２の外周面に取り付けるスリーブ６は、その外周面を凹凸面としてもよい。そうすれば、ハウジングの内径寸法よりもスリーブ６の外径寸法の方が大きい場合には、凸部が弾性変形することにより軸受のハウジングへの挿入が容易となる。また、軸受がハウジングに取り付けられた後には、ハウジングの内周面と接しているスリーブ６の外周面の凸部の弾性力により、スリーブ６にクリープが生じることが抑制される。凸部の形状は特に限定されるものではないが、例えば、図２に示すような断面半円形状の凸部１０や、図３に示すような断面台形状の凸部１１の他、断面三角形状の凸部等が好ましい。
【００２２】
また、スリーブ５，６の厚さは特に限定されるものではないが、両輪１，２にスリーブ５，６を嵌合した状態の軸受の寸法（外径及び内径）がＪＩＳで規定された標準寸法となるような厚さに設定することが望ましい。このとき、両スリーブ５，６の厚さは必ずしも同一とする必要はない。
例えば、前述の呼び番号６００１相当の深溝玉軸受において、外輪２の外周部に圧入されたスリーブ６の厚さを４ｍｍとすれば、外径３２ｍｍ，内径１２ｍｍの呼び番号６２０１相当の軸受とすることができる。同様に、スリーブ６の厚さを６．５ｍｍとすれば、外径３７ｍｍ，内径１２ｍｍの呼び番号６３０１相当の軸受とすることができる。
【００２３】
このように、スリーブ５，６の厚さを変更することにより、同一寸法の内輪１，外輪２を用いて複数の種類の軸受を製造することができる。セラミック製の内輪１，外輪２は加工性に難点があるため製造コストが高いが、同一寸法のものをまとめて生産すればよいので、製造コストの低減が可能となる。
さらに、スリーブ５，６を構成する樹脂材料の種類は特に限定されるものではないが、フッ素樹脂，ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ），ポリエチレン（ＰＥ）等の樹脂を主成分とする樹脂組成物が好ましい。耐食性や潤滑性を考慮すると、フッ素樹脂を主成分とする樹脂組成物が最も好ましい。フッ素樹脂の具体例としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ），テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ），テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ），ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ），テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ），ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ），クロロトリフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）等があげられる。
【００２４】
樹脂組成物には、機械的強度，耐摩耗性，寸法安定性等を向上させるために、繊維状充填材を配合するとよい。例えば、ホウ酸アルミニウムウィスカー，チタン酸カリウムウィスカー，カーボンウィスカー，グラファイトウィスカー，炭素繊維，炭化ケイ素ウィスカー，窒化ケイ素ウィスカー，アルミナウィスカー等である。また、樹脂に配合される慣用の添加剤を、所望により配合してもよい。
【００２５】
さらにまた、内輪１，外輪２，及び転動体３を構成するセラミック材料の種類は特に限定されるものではなく、軸受が使用される環境に応じて、窒化ケイ素，ジルコニア，炭化ケイ素，酸化アルミニウム等の中から適切なものを選択して使用すればよい。ただし、フッ化水素酸と接触するような厳しい腐食環境下で使用される場合には、炭化ケイ素又は酸化アルミニウムが好ましく、酸化アルミニウムの場合は純度が９９．９％以上であることがより好ましい。なお、内輪１，外輪２，及び転動体３は、必ずしも全てを同一の材料で構成する必要はない。
【００２６】
さらにまた、保持器４を構成する樹脂材料の種類は特に限定されるものではなく、スリーブ５，６を構成する樹脂材料と同様の材料を用いることができる。ただし、耐食性を考慮すると、フッ素樹脂を主成分とする樹脂組成物が最も好ましい。
次に、上記と同様の構成の深溝玉軸受において、内輪，外輪，転動体，保持器，及びスリーブを構成する材料を種々変更したものを用意して、回転試験を行った。各軸受部品の構成材料を表１にまとめて示す。なお、これら７種の軸受の外形寸法及び内径寸法は全て同一である。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
実施例１の軸受は、内輪，外輪，及び転動体が６００ＭＰａの曲げ強度を有する純度９９．９％の高純度酸化アルミニウム（平均結晶粒径０．５μｍ）で構成されており、保持器がＥＴＦＥ、スリーブがＰＶＤＦで構成されている。このとき、酸化アルミニウムは加圧焼結により欠陥を減少させたものを用いたが、常圧焼結したものでも使用できる。
【００２９】
また、実施例２の軸受は、内輪，外輪，及び転動体が炭化ケイ素で構成されており、保持器がＥＴＦＥ、スリーブがＰＶＤＦで構成されている。このとき、炭化ケイ素は、Ｂ−Ｃ系の焼結助剤を用いたα型の炭化ケイ素である。ただし、β型の炭化ケイ素でも使用可能であり、また、焼結助剤はＢ−Ｃ−Ａｌ系も使用可能である。さらに、焼結方法は、焼結体の３点曲げ強度が４００ＭＰａ以上であれば、熱間静水圧圧縮成形法（ＨＩＰ法）でも常圧焼結法でも差し支えない。
【００３０】
さらに、実施例３の軸受は、内輪及び外輪がジルコニア、転動体が実施例１と同様の高純度酸化アルミニウムで構成されており、保持器がＥＴＦＥ、スリーブがＰＶＤＦで構成されている。
さらに、実施例４の軸受は、フッ素を含有していない樹脂であるＰＥでスリーブが構成されていることを除いては、実施例２の軸受と同様の構成である。
【００３１】
さらに、比較例１〜３の軸受はスリーブを有しておらず、その他の構成は実施例１〜３の軸受にそれぞれ対応している。
次に、回転試験の方法について説明する。回転試験には図４に示すような日本精工株式会社製の軸受回転試験機を用い、この軸受回転試験機に前述の各軸受を取り付けて回転試験を行った。
【００３２】
この軸受回転試験機は、水平な基台Ｄと図示しないモータによって回転駆動される回転軸Ｓとを備えており、回転軸Ｓは基台Ｄに対して傾斜して配されている。この回転軸Ｓは、ハウジングＨの軸方向の両端部に外輪が固定された２個の玉軸受Ｊ１，Ｊ２により回転可能に支持されており、その先端には試験軸受Ｊが装着されている。そして、基台Ｄの上にはイオン交換水５１が満たされた容器５が設置されており、試験軸受Ｊの外輪が容器５内のイオン交換水５１に浸漬されている。
【００３３】
この試験軸受Ｊに径方向の荷重（ラジアル荷重）Ｒを負荷しながら、内輪回転で回転試験を行った。試験条件は、ラジアル荷重：８０Ｎ、回転速度：３００ｍｉｎ−１、雰囲気温度：常温である。そして、回転時の試験軸受Ｊの振動を測定し、振動値が初期値の３倍を超えた時点を軸受の回転寿命とした。
回転試験時の定常的な振動値を、図５のグラフに示す。なお、実施例１〜３の振動値は、対応する比較例１〜３の振動値をそれぞれ１とした場合の相対値で示してある。すなわち、スリーブを有することによる振動の低減効果を表している。このグラフから分かるように、スリーブを有する軸受は、回転時の振動値がスリーブを有していない軸受よりも３０〜４０％程度小さかった。
【００３４】
次に、耐久性（回転寿命）を図６のグラフに示す。なお、実施例１〜３の回転寿命は、対応する比較例１〜３の回転寿命をそれぞれ１とした場合の相対値で示してある。すなわち、スリーブを有することによる回転寿命の向上効果を表している。このグラフから分かるように、スリーブを有する軸受は、スリーブを有していない軸受よりも回転寿命が優れていた。
【００３５】
次に、スリーブの材質による耐食性の差異を評価した。実施例２（スリーブの材質はＰＶＤＦ）及び実施例４（スリーブの材質はＰＥ）の軸受に腐食処理を施した上で、前述と同様の回転試験を行った。そして、腐食処理の前後での回転寿命の変化を調べた。腐食処理の内容は、半導体製造装置等で使用されるバッファードフッ酸（５％フッ化水素酸）に試験軸受を常温で２４時間浸漬するというものである。
【００３６】
回転試験の結果（回転寿命）を図７のグラフに示す。なお、回転寿命の数値は、比較例２の回転寿命（腐食処理を施していないもの）を１とした場合の相対値で示してある。
実施例２の軸受は、腐食処理によって耐久性が低下することがなく、優れた耐久性が維持されたのに対して、実施例４は腐食処理によって耐久性が大きく低下した。この結果から、フッ化水素酸と接触するような厳しい腐食環境下で使用される場合には、スリーブはＰＶＤＦ等のようなフッ素樹脂で構成することが好ましいことが分かる。
【００３７】
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深溝玉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適用可能であることは勿論である。例えば、アンギュラ玉軸受，自動調心玉軸受，円筒ころ軸受，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。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように、本発明の転がり軸受は取り付け時，回転時等に外力が加えられても破損しにくく且つ製造コストが低い。また、優れた耐食性を有しており、腐食性環境下で使用されても長寿命である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である深溝玉軸受の構成を示す部分縦断面図である。
【図２】外輪の外周部に取り付けられたスリーブの外周面の形状を説明する部分拡大断面図である。
【図３】外輪の外周部に取り付けられたスリーブの外周面の形状を説明する部分拡大断面図である。
【図４】軸受回転試験機の構造を示す断面図である。
【図５】試験軸受の回転試験時の定常的な振動値を示すグラフである。
【図６】試験軸受の回転寿命を示すグラフである。
【図７】スリーブの材質による耐食性の差異を説明するグラフである。
【符号の説明】
１　　　内輪
２　　　外輪
３　　　転動体
５，６　　　スリーブ
【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】
2004144154.tif 000008
【図６】
2004144154.tif 000009
【図７】
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