(57)【要約】【課題】セラミック材料の耐焼付き性のメリットを維持しつつ、過大な衝撃荷重や静荷重に対しても耐性の高い転動装置を提供する。【解決手段】外輪２と内輪３との間に複数の転動体４が配設され、前記外輪２及び前記内輪３が金属材料とされると共に、前記転動体４が窒化けい素セラミック材料とされた深溝玉軸受１において、前記転動体４の材料であるセララミックの気孔率を５％以上、２０％以下とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外方部材と内方部材との間に転動体が配設され、前記外方部材及び前記内方部材が金属材料とされると共に、前記転動体が窒化けい素セラミック材料とされた転動装置において、
前記転動体の材料であるセラミックの気孔率が５％以上、２０％以下であることを特徴とする転動装置。
【請求項２】
前記セラミック製転動体の表面に観察される最大空孔サイズが５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の転動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外方部材及び内方部材の材料が金属とされ、転動体の材料が窒化けい素セラミックとされた転動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特に高速で回転する軸受については、転動体を窒化けい素製とし、外・内輪の材料である金属との焼付き性を改善させることが行われている。また、転動体を窒化けい素にすると、該窒化けい素の熱膨張係数が外・内輪の金属材料よりも小さいため、軸受が発熱した場合でも軸受の内部すきまを確保できる。さらに、窒化けい素は金属材料に比べて密度が軽いため、軸受が高速で回転した場合でも転動体に発生する遠心力が小さい。すなわち、軸受が高速回転しても転動体と外輪軌道面での接触面圧の増加が少なく、軸受回転寿命の短期化や軌道面損傷を助長する虞れがない。
【０００３】
また、ビデオテープレコーダ（ＶＴＲ）やハードディスクドライブ（ＨＤＤ）等の情報記録装置は、近年小型化が進む一方で、再現画像の繊細さ、情報記録容量の高密度化が望まれ、ビデオヘッドシリンダやＨＤＤスピンドルの主軸に使用される軸受にも小径化、高速回転化、低トルク化、高回転精度化の要求がますます厳しくなる傾向にある。
【０００４】
軸受として、低トルク化、高回転精度化を実現するためには、これに封入されるグリースの粘度を下げたり、封入量を減少させるといった対策が採られる場合が多い。
しかし、これらの対策は一方で内・外輪と転動体間の潤滑油膜形成を阻害する場合があり、振動による油膜切れによって生じるフレッチングや、微小焼付きによる音響寿命劣化を生じやすくなる。
そこで、従来、低トルク化、高回転精度化等が要求される軸受には、軸受鋼よりも耐焼付き性に優れ、回転寿命の長い窒化けい素を転動体とした所謂ハイブリッド型玉軸受が用いられている。
【０００５】
また、パソコン等に内臓されているＣＰＵ冷却用のファンモータや、プロジェクタのランプ冷却用ファンモータなど、各種ファンモータの主軸を支持する軸受では、軸受のトルク減少（モータの省電力化）の目的で軸受の油分の少量化、低粘度化が進むと、軸受の潤滑条件が厳しくなる。このため、窒化けい素に代表されるセラミック玉を転動体に用い、内部の微小焼付きを改善した軸受が提案されている（例えば特許文献１〜３参照）。
さらに、グリース、防錆油などの油分を使用できない真空環境で用いられる軸受では、外・内輪をステンレス鋼、転動体を窒化けい素としたハイブリッド軸受が使用され、水中や、水の飛沫がかかる様な用途でも同様に、ステンレス鋼と窒化けい素の組合せ軸受が使用され、焼付き性の改善が図られている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−１８５３７０号公報
【特許文献２】
特開平１１−２２３２２０号公報
【特許文献３】
特開２０００−１８４６５２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、同一荷重下で、外方部材、内方部材および転動体が全て金属材料とされた一般軸受と、転動体のみが窒化けい素とされたハイブリッド軸受とを使用した場合、ハイブリッド軸受では一般軸受に比較して転動体と外・内方部材の接触面の最大面圧が高くなり、特に静定格荷重の面で一般軸受に比較して不利になる場合がある。
【０００８】
転がり軸受が過大な荷重を受けたり、瞬間的に大きな衝撃荷重を受けると、転動体と軌道面との間に、局部的な永久変形を生じ、この変形量は、荷重が大きくなるに従って大きくなり、ある限度を超えると軸受の円滑な回転を妨げる原因になる。この荷重の限度を知る目安としで一般的な軸受では、最大応力を受けている転動体と軌道面との接触部において４．２ＧＰａの接触面圧を生じるような荷重を基本静定格荷重として定義している。ここで、接触面圧は荷重と同時に材料の剛性に影響される。従って、剛性の高い素材を転動体材料として用いると、低い荷重でも接触面圧が増大するため、基本静定格荷重は低くなる。すなわち、転動体と軌道面との間に変形を生じ易くなる。
【０００９】
軸受を組み付ける場合や、組付け後に軸受が支持している主軸が何かにぶつかるなどして衝撃荷重が加わった場合に、実際の軸受動作荷重よりも過大な荷重が軸受へ負荷されることがある。また、ＨＤＤやファンモータなどの小型デバイスに組み込まれた軸受では、デバイスが不意に落下した場合などに受けた衝撃荷重により軸受の軌道面に圧痕（永久変形）を生じ、これがその後の回転音響を阻害する場合がある。
本発明はこのような不都合を解消するためになされたものであり、セラミック材料の耐焼付き性のメリットを維持しつつ、過大な衝撃荷重や静荷重に対しても耐性の高い転動装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、外方部材と内方部材との間に転動体が配設され、前記外方部材及び前記内方部材が金属材料とされると共に、前記転動体が窒化けい素セラミック材料とされた転動装置において、
前記転動体の材料であるセラミックの気孔率が５％以上、２０％以下であることを特徴とする。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１において、前記セラミック製転動体の表面に観察される最大空孔サイズが５０μｍ以下であることを特徴とする。
窒化けい素は、気孔率を上げると剛性が低下し、ヤング率が減少することが知られている。ここで上記の課題の原因が、転動体と軌道面の接触面圧の増大にあることから、転動体素材のヤング率を減少させることで対策が可能であると考えられるが、極端な気孔率の増加は転動体強度の低下や、表面空孔欠陥の増加を引き起こし、軸受機能へ悪影響を及ぼす可能性がある。
【００１２】
そこで、本発明では、軸受機能へ悪影響を及ぼすことなく、衝撃荷重や静荷重に対して効果的な対策となる気孔率の範囲を調査した。
転動体の材料であるセラミックの気孔率を５％以上にすることによって、軸受の耐衝撃性の向上効果が確認できるが、気孔率が２０％を超えるとそれ以上の改善効果は確認されず、逆に転動体の強度低下や表面空孔の増加による軸受機能への悪影響が発生する虞れがある。
また、気孔率を増加させることにより転動体表面へ発生する空孔は、転動体の表面はく離の起点となる。そのため、表面に存在する空孔の最大サイズは５０μｍ以下、好ましくは２５μｍ以下とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の一例を図を参照して説明する。図１は本発明に係る転動装置の実施の形態の一例である深溝玉軸受を説明するための断面図、図２は静負荷試験機の概略図、図３は音響増加率と気孔率との関係を示すグラフ図、図４は転がり軸受試験機の概略図、図５は転がり軸受試験の結果を示すグラフ図である。
【００１４】
図１に示すように、本発明に係る転動装置の実施の形態の一例である深溝玉軸受（＃６９５軸受：外径φ１３ｍｍ、内径φ５ｍｍ、転動体径φ２ｍｍ）１は、外輪２と内輪３の間に複数の転動体４が保持器５を介して円周方向等配に配置され、外輪２および内輪３は軸受鋼やステンレス鋼等の金属材料とされると共に、転動体４は窒化けい素セラミック材料とされている。また、保持器５は、ナイロン製の冠型保持器を用いているが、これに限らず、適宜周知の保持器材料、構造を採用してもよい。
転動体の材料であるセラミックの気孔率およびセラミック製転動体の表面に観察される最大空孔サイズが互いに異なる複数種の供試転動体（実施例１〜３、比較例１〜３）を作成した。
表１に各供試転動体の気孔率および最大空孔サイズを示す。
【００１５】
【表１】
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【００１６】
各供試転動体は、焼結助剤として、アルミナとイットリアを含む窒化けい素原料に平均粒径８０μｍ程度の微粒有機パウダーを適量加え、焼結体の気孔率を変化させた。加工後、完成球の密度をアルキメデス法で測定して、気孔率を求め、狙いの気孔率に近い転動体を選別して評価サンプルとした。気孔率１０％の実施例２については、上記微細粒で作成したものよりもサイズの大きい有機パウダーを添加し、表面空孔サイズを大きくした比較例３も作成した。最大空孔サイズの測定は、金属顕微鏡を用いて行った。
【００１７】
なお、転動体の材料として用いる多孔質窒化けい素を得る方法としては、スラリー状にした窒化けい粉末に発泡剤を添加したものや、窒化けい素粉末に熱分解性の樹脂等を多量添加したものなどがある。例えば、特開平８−２１７５６７号公報には窒化けい素粉末とシリコンからなる混合物にアルカリ性水溶液を添加し、けい素（Ｓｉ）を自己発泡させながら成形したものが開示されている。
【００１８】
また、特開平１１−１１６３３９号公報には、平均粒径５〜１２μｍのα型窒化けい素粉末の表面に酸化物焼成助剤ゾルをコーティングした原料が開示され、特開平７−２６５６２６号公報には、有機繊維を添加した窒化けい素原料粉末を焼成して多孔質窒化けい素を得る方法が開示されている。また、表面の空孔を微細化かつ均一化した多孔質窒化けい素として、窒化けい素原料粉末よりも大きな短径を持つ棒状のβ−窒化けい素単結晶を添加し焼成することによって素材内部の空孔を生成する方法が特許２７４４９３８号公報に開示されている。本発明では、任意の気孔率と、表面空孔サイズが満足できる方法であればいずれの方法を用いても構わない。
【００１９】
次に、上記実施例１〜３および比較例１〜３の転動体を図２の静負荷試験機にて静荷重を負荷した後、回転音響を測定して軌道面への損傷程度を評価した。静負荷試験機は、軸受の外輪２と内輪３に間座６を取り付け、内輪３側の間座６を図示しないプッシュプルゲージにて規定荷重で押して外輪２と内輪３との間に応力を印加させた。荷重は５００Ｎとし、印加時間は１分とした。その後、回転速度１８００ｍｉｎ−１で軸受音響を測定し、荷重負荷前に測定した音響値との比を求めた。
【００２０】
測定した音響増加率と気孔率の関係を図３に示す。音響増加率の値は比較例１の値を１として表している。図３から、気孔率を５％以上とすることにより、音響増加率が著しく減少していることがわかる。すなわち、荷重に対する軸受機能への影響が少ないことを示している。
また、図４に示す転がり軸受試験機により、実施例２および比較例３について耐久テストを実施した。試験軸受は図１と同一構造の深溝玉軸受１を用い、この軸受１は、モータ１２によって駆動されるシャフト１３とハウジング１４の間に２個組で取り付けられる。また、試験軸受には間座１５、ばね１６、ナット１７によって軸方向の予圧が負荷されている。シャフト１３はカップリング１８によってモータ１２と連結されている。耐久試験は、転動体４の寿命に関して実施し、外輪２、内輪３が破損した場合は外・内輪のみを交換して、転動体４が破損するまで実施した。
【００２１】
試験結果を図５に示す。なお、回転時間は比較例３を１として示した。図５から明らかなように、実施例２は比較例３の３倍以上回転し、長期の耐久性が確認できた。また、比較例２は比較例３の約１．４倍の回転時間にとどまった。
このようにこの実施の形態では、外方部材及び内方部材が金属材料とされると共に、転動体が窒化けい素セラミック材料とされた転動装置において、転動体の材料であるセラミックの気孔率を５％以上、２０％以下とし、好ましくはセラミック製転動体の表面に観察される最大空孔サイズを５０μｍ以下とすることにより、耐衝撃性および静負荷容量が高く、かつ長期間の耐久性に優れた転動装置を得ることができる。
【００２２】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
例えば、上記実施の形態では、深溝玉軸受に本発明を適用した場合を例に採ったが、これに限定されず、深溝玉軸受以外の転動装置に本発明を適用してもよいのは勿論である。
【００２３】
【発明の効果】
上記の説明から明らかなように、本発明によれば、セラミック材料の耐焼付き性のメリットを維持しつつ、過大な衝撃荷重や静荷重に対しても耐性の高い転動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る転動装置の実施の形態の一例である深溝玉軸受を説明するための断面図である。
【図２】静負荷試験機の概略図である
【図３】音響増加率と気孔率との関係を示すグラフ図である。
【図４】転がり軸受試験機の概略図である
【図５】転がり軸受試験の結果を示すグラフ図である
【符号の説明】
１…深溝玉軸受（転動装置）
２…外輪（外方部材）
３…内輪（内方部材）
４…転動体
【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】
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