(57)【要約】【課題】人工衛星姿勢制御フライホイール用転がり軸受の回転トルクの変動を低減する。【解決手段】軸受を内周面に軌道面が形成されている外輪と、外周面に軌道面が形成されている内輪と、外輪の軌道面と内輪の軌道面との間に組み込まれる複数の転動体と、複数の転動体を保持する保持器とを有し、保持器を熱可塑性プラスチックを有する材料によって形成する。これによって、保持器と外輪、内輪または転動体との摺動面の摩擦係数が低減し、かつこれらの摺動面における潤滑油の油膜厚さが安定化し、回転トルクの変動を低減することができる。【選択図】  図１
2004347002.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周面に軌道面が形成されている外輪と、外周面に軌道面が形成されている内輪と、前記外輪の軌道面と内輪の軌道面との間に組み込まれる複数の転動体と、前記複数の転動体を保持する保持器とを有し、前記保持器を熱可塑性プラスチックを有する材料によって形成した人工衛星姿勢制御フライホイール用転がり軸受。
【請求項２】
内周面に軌道面が形成されている外輪と、外周面に軌道面が形成されている内輪と、前記外輪の軌道面と前記内輪の軌道面との間に組み込まれる複数の転動体と、前記複数の転動体を保持する保持器とを有し、少なくとも外輪、内輪または転動体のいずれか１つと摺動する前記保持器の表面部を熱可塑性プラスチックを有する材料によって形成した人工衛星姿勢制御フライホイール用転がり軸受。
【請求項３】
内周面に軌道面が形成されている外輪と、外周面に軌道面が形成されている内輪と、前記外輪の軌道面と前記内輪の軌道面との間に組み込まれる複数の転動体と、前記複数の転動体を保持しかつ該転動体との接触によって案内される保持器とを有し、前記保持器の転動体との摺動面を熱可塑性プラスチックを有する材料によって形成した人工衛星姿勢制御フライホイール用転がり軸受。
【請求項４】
熱可塑性プラスチックを有する材料に潤滑油を含浸したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の人工衛星姿勢制御フライホイール用転がり軸受。
【請求項５】
熱可塑性プラスチックを有する材料中に細孔を形成したことを特徴とする請求項４に記載の人工衛星姿勢制御フライホイール用転がり軸受。
【請求項６】
熱可塑性プラスチックを有する材料中に、強化繊維を含ませたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の人工衛星姿勢制御フライホイール用転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、転がり軸受に関し、特に、人工衛星の姿勢を制御するためのフライホイール用の転がり軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人工衛星の姿勢制御用フライホイールの軸受部に使用される転がり軸受には、高い清浄度が要求される。例えば、低アウトガス性が要求される。アウトガスとは、例えば宇宙用有機材料から放出され、周辺機器等に影響を及ぼすガスのことをいう。同時に、このような転がり軸受には、高剛性または高い面圧に対する耐久性、低トルクおよび長寿命が要求される。寿命に関しては、例えば１０年以上といった寿命が要求される。また、真空下でのメインテナンスフリー性も重要である。例えば、気圧１３Ｐａにおいて外部から潤滑油を補給することなく機能する自己潤滑補給が可能なことが要求される。
【０００３】
上述したような人工衛星姿勢制御フライホイール用の転がり軸受として、例えば単列の玉軸受を用いることが知られている。（例えば、特許文献１参照。）そして、このような軸受において、保持器をフェノール樹脂によって形成し、潤滑油を保持器に含浸させることによって軸受の潤滑を行うことが知られている。また、熱硬化性のポリイミド樹脂等を焼結して得られる多孔質体によって保持器を形成し、この多孔質体内の連通気孔に潤滑油を含浸させることが知られている。（例えば、特許文献２参照。）
【０００４】
【特許文献１】
米国特許番号４，１９３，６４６（第１頁、Ｆｉｇ．１等）
【特許文献２】
特開平１０−２３８５４５号広報（第１頁、図１等）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
転がり軸受が回転する際に、保持器が内輪、外輪または転動体と摺動することによって生ずる摩擦力は、転動体の回転を妨害するように作用し、軸受の回転トルクを増大させる。したがって、例えば潤滑油の粘度が高い場合や、あるいは保持器と内輪、外輪または転動体との間の摩擦係数が大きい場合などであって、摺動面のすべり状態が変化しやすい場合には、すべり状態の変化が転動体の動作に影響し、その結果軸受のトルク変動を発生させてしまう。特に、従来保持器の材料として適用されているフェノール樹脂や熱硬化性樹脂は摩擦係数が大きく、このような傾向が顕著である。
【０００６】
また、フェノール製の保持器に潤滑油を含浸させる場合、通常真空条件または大気条件下において保持器を油中に浸漬させるが、保持器への潤滑油の含浸量は油中への浸漬時間によって制御している。この場合、浸漬時間が不十分な結果、保持器の潤滑油の含浸量が不足すると、軸受を使用する際に、外輪、内輪または転動体の表面に付着させた潤滑油を保持器の材料が吸収し、その結果摺動面が潤滑不良となって油膜厚さが不均一となり、保持器の異常な振動を発生させて保持器から発生する騒音を増大させるおそれがある。また潤滑油を保持器の材料が吸収すると、転動体と軌道面とが潤滑不良となり、摩耗、焼付が発生するおそれがある。さらに、保持器の潤滑油の含浸量は、材料であるフェノール素材によっても左右されるから、材料のばらつきによっても潤滑油の含浸量が不安定となり、上述したトルク変動の原因となる場合がある。
【０００７】
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、人工衛星姿勢制御フライホイール用転がり軸受の回転トルクの変動を低減することにある。
【０００８】
【課題を解決する手段】
本発明は、内周面に軌道面が形成されている外輪と、外周面に軌道面が形成されている内輪と、外輪の軌道面と内輪の軌道面との間に組み込まれる複数の転動体と、複数の転動体を保持する保持器とを有し、保持器を熱可塑性プラスチックを有する材料によって形成した人工衛星姿勢制御フライホイール用転がり軸受によって上述した課題を解決する。
【０００９】
熱可塑性プラスチックを有する材料で保持器を形成すると、表面の円滑性を向上することができるから、保持器と外輪、内輪または転動体との摺動面における摩擦係数を低減することができ、またこれらの摺動面における油膜の厚さを安定化することができる。これによって、人工衛星姿勢制御フライホイール用転がり軸受の回転トルク変動を低減することができる。
【００１０】
また、保持器を、熱可塑性プラスチックを有する材料によって形成することに代えて、少なくとも外輪、内輪または転動体のいずれか１つと摺動する保持器の表面部を熱可塑性プラスチックを有する材料によって形成してもよい。また、保持器が転動体との接触によって案内される場合（いわゆる、玉案内である場合）には、保持器の転動体との摺動面を熱可塑性プラスチックを有する材料によって形成してもよい。
【００１１】
また、上述した熱可塑性プラスチックを有する材料に、潤滑油を含浸させるようにしてもよい。この場合、熱可塑性プラスチックを有する材料中に細孔を形成してもよい。細孔を形成するには、中空子のカットファイバーを含ませる方法があげられる。また、炭酸ガスを含ませることにより発泡させ、独立気泡を形成してもよい。
【００１２】
なお、本明細書において、熱可塑性プラスチックを有する材料とは、熱可塑性プラスチックの単体、合成材、他の材料との複合材等を含むものとする。例えば、熱可塑性材料を有する材料中に、強化繊維を含ませてもよい。強化繊維は、例えばグラスファイバー、カーボンファイバー等のほか、一般にファイバーと称されるものよりも繊維長が短い、いわゆるウィスカー等をも含むものとする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用してなる人工衛星姿勢制御フライホイール用の転がり軸受の一実施形態について説明する。図１は、本実施形態の転がり軸受を有する人工衛星姿勢制御フライホイールの断面図である。図１に示すように、フライホイール１は、人工衛星の本体に取り付けられる円盤状の基部３の中央部から突き出して形成された軸５回りに回転するように構成されている。具体的には、軸５と略同心に、軸５を収容する筒状の回転ハウジング７が設けられ、フライホイール１は、回転ハウジング７の基部３とは離れた側の端部に固定されている。回転ハウジング７は、その筒軸方向に離間して配列された１対の単列アンギュラ玉軸受（以下、単に「軸受」と称する。）９、１１を介して軸５に支持されている。すなわち、軸受９、１１は、それぞれその外輪の外周面を回転ハウジング７の内周面に挿入され、固定されている。また、軸受９、１１は、それぞれその内輪の内周面に軸５を挿入され、固定されている。また、フライホイール１の全体を覆って形成され、基部３に固定されたフライホイールカバー１２が設けられている。
【００１４】
また、フライホイール１を回転させるモータ１３が設けられている。モータ１３は、回転ハウジング７の外周面に取り付けられる回転子１５と、基部３に取り付けられる固定子１７とを有して構成されている。
【００１５】
フライホイール１は、回転ハウジング７の基部３と反対側の先端部から傘状に張り出して形成された薄板円盤状の部分２と、この薄板円盤状の部分の外周縁部に接続された肉厚の円環状のウェイト部４とを有して構成されている。ウェイト部は、薄板円盤状の部分の外縁から支持部３側の方向に向けて延在し、その先端部は、支持部３の外縁部と微小な間隔６を隔てて対向している。
【００１６】
図２は、図１のＩＩ部の要部拡大図である。図２に示すように、軸５の基部３側の端部には、つば状に径を大きくして形成されたフランジ部１９が形成され、その外周縁部には、基部３への固定用のボルト孔８が複数形成されている。回転ハウジング７の基部から離れた側の先端部には、軸受９の内輪の位置決めをするためのロックリング２１が装着されている。また、軸受９と軸受１１との内輪間にわたして、軸５の外周面をカバーするように装着された筒状部材２３が設けられている。そして、軸受１１の内輪は、軸５のフランジ面との間にわたして設けられたスプリング２５によって軸５の先端側の方向に向けて付勢されている。
【００１７】
一方、回転ハウジング７の両端部には、それぞれ軸受９、１１の外輪の端面と当接するロックリング２７、２９が取り付けられている。そして、軸受９、１１の外輪の対向する端面間にわたして、筒状部材３１が設けられている。そして、筒状部材３１の内部には、軸受９、１１内から出た余剰な潤滑油を貯留するオイルリザーバ３３が設けられている。なお、回転ハウジング７の外周面から周方向に連続してつば状に張り出して形成され、回転子１５を固定するフランジ３５が形成されている。フランジ３５には、その周方向に複数分布して設けられたボルト孔３７が形成されている。
【００１８】
図３は、本実施形態における軸受９の断面図である。軸受９は、外周部に軌道面が形成された内輪４１と、内周部に軌道面が形成された外輪４３と、内輪４１と外輪４３の軌道面間に組み込まれる転動体である複数の玉４５と、玉４５相互間の間隔を保持する環状の保持器４７とを有して構成されている。以下、詳細に説明する。
【００１９】
図１に示すように、内輪４１は、ほぼ矩形の断面を有するリング状に形成されている。そして、内輪４１の外周面の軸方向において中央部には、その周方向にわたって延在する溝状の軌道面４９が形成されている。軌道面４９は、玉４５の表面に適合した適切な曲率に形成された円弧状の溝断面を有する。そして、軌道面４９を軸方向に挟んだ一方はいわゆるカウンターボアとなっている。すなわち、溝深さは他方に比べて浅く設定され、また、軌道面４９の縁から内輪４１の端部にかけては、徐々に径が小さくなるようにテーパ状に形成されている。一方、軌道面４９のカウンターボア側と反対側においては、軌道面４９の縁から内輪４１の端部までは、同一の径に形成されている。また、内輪４１の内周面は、軸方向にわたってほぼ一定の内径に形成され、この内径は、支持対象である軸５の外径に応じて設定される。なお、この軸受の接触角は例えば２０°である。
【００２０】
一方、外輪４３は、いわゆる単列深溝玉軸受における外輪と同様の形状を有する。すなわち、外輪４３はほぼ矩形の断面を有するリング状に形成されて内輪４１とほぼ同心に配置され、その内周面の軸方向において中央部には、その周方向にわたって延在する溝状の軌道面５１が形成されている。軌道面５１の溝断面形状は、玉４５の表面に適合した適切な曲率に形成された円弧状となっている。そして、軌道面５１の両側の縁から、それぞれ隣接する外輪４３の端部までにかけては、外輪４３の内径はほぼ一定に形成されている。なお、この内周面は、保持器４７の外周面と接触し、摺動する案内面となっている。また、外輪４３の外径は、全長にわたって、ほぼ同一の外径に形成されている。この外径は、軸受を収容するハウジングの寸法に応じて設定される。なお、内輪４１と外輪４３とは、軸方向の長さがほぼ等しく、また、両端面をほぼそろえて配置されている。
【００２１】
また、保持器４７は、矩形断面を有するリング状に形成されている。この保持器４７は、内輪４１の外周面と外輪４３の内周面との間に挟まれて配置され、内輪４１および外輪４３とほぼ同心に配置されている。保持器４７の軸方向長さは内輪４１および外輪４３よりも短く、その結果、保持器４７は、軸受の両端部において、内輪４１および外輪４３の端面から奥まっている。そして、保持器４７の内周面から外周面まで貫通し、その内部に玉４５を収容するポケット５３が形成されている。ポケット５３は、保持器４７の周上にわたって、玉４５の個数に応じて複数形成され、これによって各玉４５の列の周方向における間隔を規制している。また、ポケット５３は保持器４７をその径方向外側からみたときに円形に形成されている。
【００２２】
そして、本実施形態においては、保持器４７を、熱可塑性のポリアミド４６樹脂中に、例えば２５乃至３０重量％のガラス繊維（グラスファイバー）を含有させた材料によって形成したことを特徴とする。そして、この材料から保持器４７を形成する際に、材料中に連通気孔を形成した。そして、このような連通気孔を有する保持器４７に、潤滑油として、アルキル化したシクロペンタン系油を含浸させた。なお、内輪４１、外輪４３および玉４５の材料は、耐食性を確保するため、それぞれマルテンサイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ４４０Ｃとした。なお、軸受１１も、上述した軸受９と同様の構成を有する。図２に示すように、軸受９、１１は、相互にカウンターボア側を対向させて配列されている。
【００２３】
以上のように、本実施形態によれば、保持器を熱可塑性プラスチックであるポリアミド４６樹脂を有する材料によって形成したから、保持器と外輪または玉との摺動面における摩擦係数を低減することができ、また、これらの摺動面における潤滑油の油膜の厚さを安定化することができる。これによって、人工衛星姿勢制御フライホイール用転がり軸受の回転トルク変動を低減することができる。また、強化繊維としてガラス繊維を混在させているから、高温高速の使用条件下において、保持器の変形、損傷を防止する効果がある。
【００２４】
また、潤滑油として、低蒸気圧であり、耐熱性、耐薬品性、耐溶剤性に優れ、アウトガスの発生が少ない、アルキル化したシクロペンタン系油を用いているから、メインテナンスフリー性に優れ、人工衛星での使用に好適である。さらに、外輪、内輪および玉の材料を耐食性に優れるＳＵＳ４４０Ｃステンレス鋼としたから、軸受の耐久性が確保される。
【００２５】
なお、本発明は上述した実施形態の構成に限定されるものではない。例えば、外輪、内輪の構造、形状は任意に設定することができる。また、転動体は、玉に限らず、ころを用いることもできる。また、保持器の形状も、上述した実施例における形状に限定されず、適用される転動体に応じた所望の形状とすることが可能である。さらに、上述した実施形態では、密封板を設けていないが、設けてもよい。この場合、密封板は、接触または非接触のシール板またはシールド板としてもよい。
【００２６】
また、上述した実施形態においては、保持器の主原料としてポリアミド４６樹脂を用いたが、他の熱可塑性プラスチックを用いてもよい。例えば、ポリアミド６６樹脂、ナイロン４６樹脂、芳香族ナイロン樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂等を用いることができる。また、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、熱可塑性ポリイミド樹脂（ＴＰＩ）、耐熱性樹脂であるポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）を用いてもよい。また、使用条件により、ガラス繊維を１０乃至２５重量％含有したポリアミド４６樹脂としてもよい。
【００２７】
また、上述した実施形態においては、強化繊維としてガラス繊維を用いたが、例えばカーボン繊維、ボロン繊維、アラミド繊維、ウィスカーを用いてもよい。また、例えば酸化珪素、炭化珪素、窒化珪素、アルミナ等の無機系材料、あるいは例えばポリエチレン、ポリアリレート等の有機系材料を繊維状に形成したものを用いてもよい。
【００２８】
また、上述した実施形態においては、外輪、内輪および玉の材料としてマルテンサイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ４４０Ｃを用いたが、同じくマルテンサイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ４２０Ｃを用いてもよい。また、ステンレス鋼の表面に窒化処理を施したものを用いてもよい。また、例えばＭ５０、ＳＫＨ４等の耐熱耐食合金を用いてもよい。また、玉の材料として、例えば窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等のセラミックスを用いてもよい。このようなセラミックの焼結助剤として、例えばイットリア（Ｙ２Ｏ３）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）を適宜混合したものや、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、炭化珪素（ＳｉＣ）、ジルコニア（ＺｒＯ２）等を単体として、または混合して用いることができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、人工衛星姿勢制御フライホイール用転がり軸受の回転トルクの変動を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用してなる転がり軸受の一実施形態を有する人工衛星姿勢制御フライホイールの断面図である。
【図２】図１の人工衛星姿勢制御フライホイールのＩＩ部要部拡大図である。
【図３】図１の人工衛星姿勢制御フライホイールに備えられる転がり軸受の断面図である。
【符号の説明】
１  フライホイール
３  基部
５  軸
７  回転ハウジング
９  軸受
１１  軸受
１３  モータ
４１  内輪
４３  外輪
４５  玉
４７  保持器
５３  ポケット
【図１】
2004347002.tif 000003
【図２】
2004347002.tif 000004
【図３】
2004347002.tif 000005