(57)【要約】【課題】  長期にわたって、音響特性、静粛性、耐摩耗性及び耐フレッチング性に優れる転動装置を提供する。【解決手段】  内輪１１と、内輪１１を回転運動可能に支持する外輪１２と、該内輪１１と該外輪１２との間に介在し該内輪１１の回転運動に伴って転動する複数の玉１３と、を具備する深溝玉軸受において、ＪＩＳ  Ｒ  １６１８に規定された方法に準拠して測定された室温、４００℃間の平均線膨張率が７．０×１０-6（１／Ｋ）以上８．５×１０-6（１／Ｋ）以下のセラミックスで玉１３を構成する。このような構成であれば、深溝玉軸受１０は、静粛性に優れ、使用時に温度が上昇しても予圧減少量が少ない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転運動可能又は直線運動可能な可動子と、該可動子を回転運動可能又は直線運動可能に支持する支持体と、該可動子と該支持体との間に介在し該可動子の回転運動又は直線運動に伴って転動する複数の転動体と、を具備する転動装置において、
前記転動体は、日本工業規格ＪＩＳ  Ｒ  １６１８に規定された方法に準拠して測定された室温、４００℃間の平均線膨張率が７．０×１０-6（１／Ｋ）以上８．５×１０-6（１／Ｋ）以下のセラミックスで構成されていることを特徴とする転動装置。
【請求項２】
前記可動子及び前記支持体は、鋼で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の転動装置。
【請求項３】
前記セラミックスは、厚さ１ｍｍでの波長６５０ｎｍの光の直線透過率が３０％以上であることを特徴する請求項１又は２に記載の転動装置。
【請求項４】
前記セラミックスは、アルミナを９９．５質量％以上含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の転動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は転動装置に関し、特に、静粛性に優れ、使用時に温度が上昇した場合にも予圧減少の少ない転動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ハードディスクドライブ装置（ＨＤＤ）、ビデオテープレコーダー（ＶＴＲ）及びデジタルオーディオテープレコーダー（ＤＡＴ）等の情報機器やファンモータ等に使用される転がり軸受には、高速化、低トルク化、静粛化（低音響化、低騒音化）、高回転精度化（低ＮＲＲＯ化）、小型化（可搬性）等の要求がますます厳しくなる傾向にある。
以下、ＨＤＤに使用される転がり軸受を例に説明する。
【０００３】
ＨＤＤ用転がり軸受は、スピンドルモータ用軸受とスイングアーム用軸受とに大別できる。スピンドルモータ用軸受は磁気ディスクを高速で回転駆動するスピンドルモータの回転軸を回転可能に支持するものであり、スイングアーム用軸受は磁気ディスク上のデータを読み書きする磁気ヘッドを備えたスイングアームに接続された回転軸を回転可能に支持するものである。
これらの転がり軸受の内輪、外輪及び転動体は、高い接触応力を繰り返し受けるため、硬く、転がり疲れ寿命が長く、耐摩耗性が良好であること等が要求される。このため、一般に内輪、外輪及び転動体は、高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２等)やステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃ等)等を構成材料として、これに焼入れ、焼戻しを行って作製されている。
【０００４】
しかしながら、スピンドルモータ用軸受では、高速化、低トルク化、高回転精度化の要求に伴い、潤滑剤（油、グリース）は封入量の低減化及び低粘度化の傾向にあり、潤滑条件が厳しいものとなっている。このような潤滑条件下、転動体と軌道輪（内輪及び外輪）との接触点で同種金属材料同士の直接接触が生じると、同種金属材料同士は凝着し易いため、摩耗により転動体や軌道輪の表面粗さが増加したり、活性化された金属表面による触媒作用で潤滑剤が劣化するため、軸受のトルクが急激に増加したり、音響が上昇したりする場合がある。さらに、ＨＤＤの輸送時、携帯時には、振動により転動体と軌道輪との接触点に微小すべりが生じ、いわゆるフレッチング摩耗が生じやすくなる。この場合には、表面形状精度が悪化し、表面粗さが増加するため、回転時の音響がさらに上昇したり、回転精度が著しく低下したりすることがある。
【０００５】
一方、スイングアーム用軸受は揺動条件下で作動するため、転動体と軌道輪の間に、潤滑油が供給され難く、フレッチング摩耗が生じて、トルク変動やトルクスパイク（急激なトルク変動）が発生してしまい、ＨＤＤの読み取り機能に障害を引き起こす場合がある。
また、従来の軸受鋼で転動体を構成した場合には、加工時の塑性変形により表面に微小な凹凸が生じ、十分な加工精度が得られない。このため、使用初期の音響レベルが十分低くなく、また、使用を経るに従って摩耗等により音響が徐々に上昇し、初期音響特性及び音響耐久性が不十分となる場合がある。
【０００６】
これに対して、上記のような枯渇潤滑条件下やフレッチング条件下においてもトルク性能及び音響特性を優れたものとするために、転動体を窒化けい素等に代表されるセラミックスで構成し、内輪及び外輪を軸受鋼で構成した転がり軸受の例が特許文献１〜４に示されている。窒化けい素は塑性変形が小さく、高い加工精度が得られることから、これらの転動装置は初期音響特性に優れる。また、窒化けい素は表面エネルギーが低く、耐摩耗性に優れるため、枯渇潤滑下やフレッチング条件下等の潤滑条件が厳しい場合でも摩耗が生じ難い。このため、トルク耐久性及び音響耐久性にも優れている。
【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
【特許文献４】特開２０００−３１４４２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、転動体を窒化けい素で構成すればトルク性能及び音響特性が改善されるものの、使用時に温度が上昇すると、音響レベルが高くなったり、軸受に負荷された予圧の減少や予圧抜けにより回転精度及び剛性が著しく低下し、ＨＤＤの読み取り機能に障害を引き起こしたりする場合がある。これは、転動体を構成する窒化けい素の線膨張率は３×１０-6（１／Ｋ）程度であり、内輪及び外輪の軸受鋼の線膨張率（１２.５×１０-6（１／Ｋ））と値が著しく異なっていることに起因している。
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、耐摩耗性及び耐フレッチング性に優れるとともに、長期にわたる音響特性及び静粛性に優れ、回転精度が高い転動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の請求項１による転動装置は、回転運動可能又は直線運動可能な可動子と、該可動子を回転運動可能又は直線運動可能に支持する支持体と、該可動子と該支持体との間に介在し該可動子の回転運動又は直線運動に伴って転動する複数の転動体と、を具備する転動装置において、前記転動体は、日本工業規格ＪＩＳ  Ｒ  １６１８に規定された方法に準拠して測定された室温、４００℃間の平均線膨張率が７．０×１０-6（１／Ｋ）以上８．５×１０-6（１／Ｋ）以下のセラミックスで構成されていることを特徴とする。
【０００９】
このような転動装置であれば、可動子及び支持体を構成する鋼の平均線膨張率と転動体の平均線膨張率との差が小さいので、使用時に温度が上昇した場合でも、初期音響特性及び音響耐久性に優れていて、動作音が静かである。また、使用時に温度が上昇した場合でも、転動装置に負荷された予圧の減少量が少なく、予圧抜けがほとんど発生しないので、回転精度及び剛性が高度に維持される。
【００１０】
ＪＩＳ  Ｒ  １６１８に規定された方法に準拠して測定された室温、４００℃間の平均線膨張率（以下、単に「平均線膨張率」と記す）が７．０×１０-6（１／Ｋ）未満であると、転動体と内輪及び外輪等との平均線膨張率の差が大きいため、温度上昇時の音響特性が劣化する。さらに、温度上昇時に予圧が著しく減少したり、共振周波数が低下したりするため、回転精度が著しく低下し、例えばＨＤＤ用の転がり軸受等であれば磁気ディスクの読み取りに誤差を生じるおそれもある。また、平均線膨張率が８．５×１０-6（１／Ｋ）を超える場合は、セラミックスの直線透過率が３０％未満であるので、外観検査において転動体表層部に潜在する欠陥を見落とす場合がある。
【００１１】
本発明の請求項２による転動装置は、請求項１において、前記可動子及び前記支持体は、鋼で構成されていることを特徴とする。
本発明の請求項３による転動装置は、請求項１又は２において、前記セラミックスは、厚さ１ｍｍでの波長６５０ｎｍの光の直線透過率が３０％以上であることを特徴する。
このような構成の転動体であれば、波長が可視光域周辺の光源を用いた外観検査において、転動体表面の欠陥（クラック、ピット等）のみでなく、使用時における音響特性の劣化の要因ともなる転動体表層部に潜在する欠陥（クラック、ポア、内部組織の不均一等）をも検出可能である。このため、前述のような外観検査により音響特性が保証された転動体のみで転動装置を構成することができるので、該転動装置は初期音響特性及び音響耐久性に優れる。
【００１２】
なお、セラミックスの直線透過率が３０％未満であると、前述の外観検査において転動体表層部に潜在する欠陥を見落とす場合がある。
本発明の請求項４による転動装置は、請求項１〜３のいずれか一項において、前記セラミックスは、アルミナを９９．５質量％以上含有することを特徴とする。
上記組成のセラミックスであれば、平均線膨張率が７．０×１０-6（１／Ｋ）以上８．５×１０-6（１／Ｋ）以下であり、かつ、直線透過率が３０％以上であるので、該セラミックスで転動体を構成した転動装置は、音響特性に優れ、昇温時にも予圧減少量が少ない。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の転動装置であれば、使用時に温度が上昇した場合でも、初期音響特性及び音響耐久性に優れていて、動作音が静かである。また、温度が上昇しても予圧変化量が小さく、回転精度及び剛性が高度に維持される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施形態の一例である深溝玉軸受の断面図である。図１の深溝玉軸受１０は、内輪（可動子）１１と、外輪（支持体）１２と、玉（転動体）１３と、保持器１４と、を備えている。
本実施形態において、玉１３は、平均線膨張率が７．０×１０-6（１／Ｋ）以上８．５×１０-6（１／Ｋ）以下であり、かつ、厚さ１ｍｍでの波長６５０ｎｍの光の直線透過率が３０％以上、好ましくは４０％以上であるセラミックスで形成されたものであり、前述の外観検査によって初期音響特性が保証されている。
【００１５】
［音響試験について］
本発明の効果を確認するために、上記実施形態と同様の構成の試験軸受を作製し、音響試験を行った。
試験軸受９０には、内輪９１、外輪９２、玉９３及び保持器９４を備えた呼び番号６９５相当の深溝玉軸受（内径５ｍｍ、外径１３ｍｍ、幅４ｍｍ）を用いた。
この玉９３は、アルミナ原料粉末と助剤成分であるイットリア（Ｙ2Ｏ3）とからなる組成物を加圧焼結して製作した。本試験においては、表１に示すように、種々のアルミナ含有量の組成物を焼結してなり、平均線膨張率及び直線透過率も種々の値を有するアルミナ１〜７を用いて、玉９３を作製した。焼結前の組成物は、純度９９．９％以上のアルミナ原料粉末に添加する助剤成分の量を調節することにより所定のアルミナ含有量とした。また、比較のために、窒化けい素で構成される玉９３及びＳＵＪ２で構成される玉９３を用意した。何れの玉９３もＪＩＳ  Ｂ  １５０１に規定されている等級３以上の精度まで球体化したものである。
表１に、それぞれの構成材料、平均線膨張率及び直線透過率を示す。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
なお、焼結した玉９３の中心部を切り出して厚さ１ｍｍの円形ペレットとし、両切断面をダイヤモンドスラリーによって鏡面研磨した後、市販の透過率測定計（株式会社島津製作所製ＵＶ−１２）を用いて、波長６５０ｎｍの光を照射して直線透過率を測定した。
また、アルミナ１〜７からなる玉９３については、焼結後に自動外観選別機を用いて前述のような外観検査を行った。これによって合格（例えば空孔が５μｍ以下）と判断された玉９３のみを本試験に用いた。
上記のようにして作製、選別された各種の玉９３と、各種の材料で構成された内輪９１、外輪９２と、保持器９４と、を組み合わせて、実施例１〜６及び比較例１〜４の試験軸受９０を作製した。
【００１８】
次に上記試験軸受を用いて行った音響試験の方法について説明する。本音響試験は、図２に示す音響耐久試験機を用いて行った。図２の試験機においては、ベースＢ上に取り付けられたハウジング２に試験軸受９０，９０が２個１組で設置されており、各試験軸受９０，９０間には外輪９２，９２に接触する外輪間座３が組み込まれている。また、両試験軸受９０，９０の内輪９１、９１には主軸Ｓが嵌合しており、主軸Ｓの回転に従って内輪９１，９１が回転するようになっている。本音響試験においては、内輪９１，９１が回転するときに外輪９２，９２に伝達される振動をアンデロンメータを用いて測定し、これにより音響測定値（アンデロン値）を得た。また、図中上側の試験軸受９０は内輪９１がナット４で押圧されるようになっており、これにより、試験軸受９０，９０に予圧を負荷して軸剛性を維持している。本音響試験の条件は、雰囲気温度が７０℃、予圧が９８Ｎ、回転速度が８０００ｒｐｍである。
試験結果、及び、各試験軸受９０構成部材の材質を表２にまとめて示す。
【００１９】
【表２】
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【００２０】
表２において、初期音響測定値は試験前の音響測定値であり、音響寿命は音響測定値が試験前の初期音響測定値の３倍に達するまでの時間である。なお、試験結果は初期音響測定値及び音響寿命ともに比較例１における値を１とした場合の相対値で示す。
また、図３には、玉９３を種々の材質で構成したときの音響測定値と試験時間の関係を示す。内輪９１及び外輪９２の材質は何れの場合もＳＵＪ２である。音響測定値は、比較例１の試験前の音響測定値（初期音響測定値）を１とした場合の相対値で示している。なお、曲線５１は玉９３の材質がＳＵＪ２である場合における音響測定値の変化を示し、曲線５２は玉９３の材質が窒化けい素である場合における音響測定値の変化を示し、曲線５３は玉９３がアルミナ１である場合における音響測定値の変化を示し、曲線５４は玉９３がアルミナ３である場合における音響測定値の変化を示す。
【００２１】
表２及び図３から明らかなように、実施例１〜４においては、比較例１〜４と比べて初期音響レベルが低く、かつ、実施例１〜６においては、比較例１〜４と比べて音響寿命が長く、長時間にわたって低い音響レベルが維持されることが分かる。また、比較例３及び４では、アルミナを焼結したアルミナ６及び７により玉９３を構成しているが、玉９３をＳＵＪ２で構成した場合よりも初期音響レベルが高く、音響寿命が短い。このことから、玉９３を構成するセラミックスの平均線膨張率が７．０×１０-6（１／Ｋ)以上８．５×１０-6（１／Ｋ)以下であると音響特性が優れたものとなることが分かる。また、比較例３のように７．０×１０-6（１／Ｋ)未満であったり、比較例４のように８．５×１０-6（１／Ｋ)を超える（表１参照）と、外観検査で転動体表層部に潜在する欠陥を見落とす場合があり、その欠陥を見落とすことにより音響特性改善の効果を得られないことが分かる。転動体を構成するセラミックスがアルミナの焼結体である場合には、表１に示すようにアルミナの含有量が高いものほど平均線膨張率が高く、特に９９．５質量％以上のアルミナを含有した焼結体（表１のアルミナ１〜４）を用いれば音響特性に優れた転動装置を構成することができる。
【００２２】
また、表２に予圧減少率の測定結果も示す。予圧減少率の測定は、雰囲気温度を２０℃として予圧１９．６Ｎをかけた後に、雰囲気温度を上昇させて４０℃とし、このとき試験軸受に作用する予圧を測定することにより行った。結果は、比較例１の予圧減少率の値を１とした場合の相対値で示している。表２から明らかなように、窒化けい素よりもアルミナ１〜７の方が内輪９１及び外輪９２を構成する鋼との平均線膨張率の差が小さいので、玉９３をアルミナ１〜７で構成した場合には、窒化けい素で構成した場合（比較例２）と比べると、昇温による予圧減少量が少ないことが分かる。
【００２３】
さらに、図４に玉９３を構成するアルミナ焼結体の直線透過率と初期音響測定値の関係を示す。内輪９１及び外輪９２の材質は何れの場合もＳＵＪ２である。初期音響測定値は比較例１の試験前の音響測定値（初期音響測定値）を１とした場合の相対値で示す。図４から明らかなように、直線透過率３０％以上のアルミナ焼結体を玉９３に用いた場合には、直線透過率２０％のアルミナ焼結体を玉９３に用いた場合の初期音響測定値と比較して、初期音響測定値が約６割あるいはそれ以下と低く、音響特性に優れていることが分かる。すなわち、直線透過率３０％以上のアルミナ焼結体で構成された転動体では、外観検査において表面の欠陥のみでなく表層部に存在する欠陥をもより確実に検出されたことが分かる。また、表１に示されるように、転動体を構成するセラミックスがアルミナである場合には、アルミナを９９．５質量％以上含有した焼結体（表１のアルミナ１〜４）を用いて転動体を構成すれば直線透過率が３０％以上であるので、音響特性に優れた転動装置を構成することが可能である。
【００２４】
なお、本発明に用いるセラミックス素材を球体化するためには、一次成形工程として半円状の金型によるプレス成形を施してもよいが、高密度の一次成形体を得るためには造粒成形法により、雪だるま式に径を増加させることがより好ましい。
上記実施例で用いた転動体は、各原料粉末を造粒成形法により球形状に一次成形し、アルミナ含有組成物を１３００〜１６００℃の焼結温度で焼成した後、ラップ盤により所定精度まで加工して得られたものである。
【００２５】
このアルミナ原料粉末は、所謂バイヤー法によって得られる普通純度の原料粉末でも構わないが、純度９９．９％以上のものであれば好ましく、９９．９９％以上の高純度原料粉末であれば、焼結体の耐食性が向上するためさらに好ましい。また、実施例では各原料粉末の一次粒子の中心粒径が４μｍ，０．５μｍ，０．１μｍ程度のものをそれぞれ用いたが、原料粉末の一次粒子の中心粒径は１μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以下とし、できる限り低温で焼結させることが好ましい。このようにすれば、焼結過程での粒成長が抑えられて、最終結晶粒径が細かく、高密度な焼結体が得られるため、強度が増加する他、耐食性も向上する。この焼結温度は１３００℃程度とし、１〜２時間程度焼結させることが望ましい。さらに、このとき、常圧以上の圧力を負荷して加圧焼結することにより、内部空孔の残存や、結晶粒の異常成長を抑制でき、繊密な焼結体を得られる。加圧焼結は、１０００気圧程度のＨＩＰ焼結が好ましいが、数百気圧程度のホットプレスや、数十気圧のガス圧焼結でも構わない。焼結体は相対密度が９８％以上、好ましくは９９％以上で、焼結後の平均結晶粒径は５μｍ以下、好ましくは１μｍ以下であることが好ましことから、このような焼結体が得られるように焼結条件を調整することが好ましい。
【００２６】
さらに、上記のようにして得られた焼結体にラップ仕上げ等を行って、真球度や表面粗さ等を所定精度に調節する。転動装置として良好な音響特性を得るためには、転動体の表面粗さは、中心線平均粗さＲａで０．１μｍ以下、好ましくは０．０５μｍ以下とする。
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、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ているが、これに限定されずにその他の軸受形式の転がり軸受にも本発明を適用できる。また、転がり軸受の他に、ボールねじ装置やリニアガイド装置などに本発明を適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明の転動装置は、例えば、ＨＤＤ、ＶＴＲ及びデジタルオーディオテープレコーダ（ＤＡＴ）等の情報機器において高速回転するスピンドルを支持する軸受、ＨＤＤ等に組み込まれているスイングアームを支持する軸受、あるいは、ファンモータ等に用いられる軸受等のように、静粛性、耐食性、耐摩耗性及び耐フレッチング性が必要とされる用途にも好適に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本実施形態の深溝玉軸受の断面図である。
【図２】音響耐久試験機の断面図である。
【図３】種々の材質で構成された玉を用いた試験軸受の音響測定値と試験時間の関係を示すグラフである。
【図４】玉を構成するアルミナ焼結体の直線透過率と初期音響測定値の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２９】
１０   深溝玉軸受
１１   内輪
１２   外輪
１３   玉
１４   保持器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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