(57)【要約】【課題】クリープの発生が少ない軸受装置及び軸受を提供。【解決手段】内輪嵌合軸６と外輪嵌合穴７ａとが転がり軸受２を介して互いに揺動又は回転可能にされ、かつ断続的あるいは衝撃的な回転トルク変動を有する軸受装置１において、内輪３の内周面３ａと内輪嵌合軸６の外周面６ａ、外輪４の外周面４ａと外輪嵌合穴の内周面７ａとが互いに接触する接触面の少なくとも一つが衝撃回転トルクが与えられた場合に滑動可能にされ、接触面に鉄系金属との乾式摩擦において、摩擦係数が０．０５以上、０．５以下の硬質セラミックス膜を形成する。また、硬質セラミックス膜は内輪の内周面、又は外輪の外周面に形成する。電磁クラッチ用のプーリー軸受装置３０、連接棒３７に適している。外輪嵌合穴部の材質は樹脂又はダイキャストでもよい。また、硬質セラミックス膜はＤＬＣ（ダイヤモンド状炭素膜）、窒化ほう素膜、窒化炭素膜が好い。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と、外輪と、前記内外輪間を転動する複数の転動体と、を有する転がり軸受と、前記内輪と嵌合する内輪嵌合軸と、前記外輪と嵌合する外輪嵌合穴と、を有し、前記内輪嵌合軸と前記外輪嵌合穴とが前記転がり軸受を介して互いに揺動又は回転可能にされ、かつ断続的あるいは衝撃的な回転トルク変動を有する軸受装置において、前記内輪の内周面と前記内輪嵌合軸の外周面、及び前記外輪の外周面と前記外輪嵌合穴の内周面とが互いに接触する接触面を有しており、少なくとも一以上の前記接触面が前記衝撃回転トルクが与えられた場合に滑動可能にされており、かつ、前記滑動可能にされた接触面の少なくともいずれか一方に鉄系金属との乾式摩擦において、摩擦係数が０．０５以上、０．５以下の硬質セラミックス膜が形成されていることを特徴とする軸受装置。
【請求項２】
前記硬質セラミックス膜は前記内輪の内周面、又は／及び前記外輪の外周面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の軸受装置。
【請求項３】
前記軸受装置は電磁クラッチ用のプーリー軸受装置であることを特徴とする請求項２に記載の軸受装置。
【請求項４】
前記軸受装置は前記内輪嵌合軸が偏心軸であり、前記外輪嵌合穴と反対側にピストン部が形成された連接棒に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の軸受装置。
【請求項５】
前記外輪嵌合穴部の材質が樹脂であることを特徴とする請求項２又は３又は４に記載の軸受装置。
【請求項６】
前記外輪嵌合穴部の材質がダイキャストであることを特徴とする請求項２又は３又は４に記載の軸受装置。
【請求項７】
前記硬質セラミックス膜はＤＬＣ（ダイヤモンド状炭素膜）、又は窒化ほう素膜、又は窒化炭素膜のいずれかであることを特徴する請求項１乃至６のいずれか一に記載の軸受装置。
【請求項８】
前記硬質セラミックス膜はＤＬＣ（ダイヤモンド状炭素膜）、又は窒化ほう素膜、又は窒化炭素膜のいずれかである請求項２乃至６のいずれか一に記載の軸受装置に用いることを特徴とする軸受装置用転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸の断続的あるいは衝撃的な回転トルク変動により生じる軸受装置の軸受の内輪内周又は外輪外周と相手部材との摺動面に発生するクリープ防止技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁クラッチのような駆動側と被駆動側の回転軸が断続的にＯＮ／ＯＦＦを繰り返す部位に使われる軸受は、駆動側と被駆動側が接続されたときに軸受に大きな回転力が加わり、軸受とそれを嵌合する部品との間でクリープすなわち滑りを生じる。このクリープ現象により、摺動部が摩耗し、これが進行すると動力の伝達特性が著しく低下するという問題がある。また、同様に、例えば特許文献１に記載された図２に示すような圧縮機等のピストンと駆動軸の偏心軸とをつなぐ連接棒の偏心軸用の軸受にも断続的あるいは衝撃的に回転力が変化し、クリープが発生するという問題があった。
【０００３】
その対策として、例えば、特許文献２においては、軸受とその外輪嵌合穴間に止め輪を置く構造とすることによってクリープの原因である摺動部の滑りを阻止している。また、特許文献３においては、軸受とその外輪嵌合穴間に周方向溝を設置し弾性体を挿入することにより、また周方向溝を偏心させてクリープを防止している。さらに、特許文献４においては、アルミ外輪嵌合穴と軸受間のクリープを防止する手段として、軸受の外輪の外周にリング状に溝を設け、その溝に樹脂リングを置いている。
【０００４】
一方、特許文献５においては、軌道輪の嵌合面にＳｉ3Ｎ4やＴｉＮ等の窒化物、ＳｉＣやＷＣあるいはＢ4Ｃ等の炭化物、Ａｌ2Ｏ3やＡｌ2Ｏ3‐ＺｒＯ2等の酸化物のコーティングを施している。特許文献６ではＤＬＣ膜（ダイヤモンドライクカーボン膜、ダイヤモンド状炭素膜）を軸受の内外輪、玉に施したものが開示されている。
【特許文献１】特開平８−０２８４６９号公報  図２
【特許文献２】特開２０００−１７９５６２号公報
【特許文献３】特開平１０−２９９７８５号公報
【特許文献４】特開平６−１５９３７５号公報
【特許文献５】実開平６−４３３５０号公報
【特許文献６】特開２００１−３０４２７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献２乃至４に開示された機械的な拘束により、内輪内周と軸、あるいは外輪外周と外輪嵌合穴との嵌合部（接触部）の滑りを無くしてクリープを防ぐ方法では、繰り返しや、微少振動によりクリープが発生する場合があった。また、大きい駆動力を受ける装置や高い軸精度が求められる部分には適さないという問題があった。さらに、加工や部品点数が増す、組付、分解が困難等の問題があった。また、特許文献５においては、内外輪の内外周の嵌め合い面にセラミックスコーティングを施しているがその目的は寸法安定性を確保しているに過ぎない。また、セラミックスコーティングによりクリープに対する強度を確保しているが、クリープ自体を防止している訳でないので、相手部材の摩耗等については考慮されていない。従って、特許文献２乃至４のものと併用する必要があり、さらに製造コストが高くなるという問題があった。
【０００６】
さらに、特許文献６に記載のものは、内外輪の内外周の嵌め合い面にＤＬＣ膜を施しているが、特許文献６の目的は、転動体及び内外輪の軌道部の改良に関するものであり、また、真空中やクリーン環境、貧潤滑状態等で使用されることが開示されているが、クリープを生じるような軸受装置に使用することについては示唆も開示もされていない。
【０００７】
本発明の課題は、前述の問題点に鑑み、繰り返しや、微少振動に強くクリープの発生が少ない軸受装置及び軸受を提供することである。さらには、軸受とその外輪嵌合穴や軸間の嵌合精度を高め、高い軸精度が得られ、伝達力も大きく、部品点数が少なく組付、分解が容易な耐クリープ性能を有する軸受装置及び軸受を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明においては、内輪と、外輪と、前記内外輪間を転動する複数の転動体と、を有する転がり軸受と、前記内輪と嵌合する内輪嵌合軸と、前記外輪と嵌合する外輪嵌合穴と、を有し、前記内輪嵌合軸と前記外輪嵌合穴とが前記転がり軸受を介して互いに揺動又は回転可能にされ、かつ断続的あるいは衝撃的な回転トルク変動を有する軸受装置において、前記内輪の内周面と前記内輪嵌合軸の外周面、及び前記外輪の外周面と前記外輪嵌合穴の内周面とが互いに接触する接触面を有しており、少なくとも一以上の前記接触面が前記衝撃回転トルクが与えられた場合に滑動可能にされており、かつ、前記滑動可能にされた接触面の少なくともいずれか一方に鉄系金属との乾式摩擦において、摩擦係数が０．０５以上、０．５以下の硬質セラミックス膜が形成されている軸受装置を提供することにより前述した課題を解決した。
【０００９】
即ち、駆動側と被駆動側の回転内輪嵌合軸が断続的に動力伝達機構をＯＮ／ＯＦＦし、駆動力制御を行う部位に使われる軸受は、あるいは荷重方向が変化する軸受は、軸受とその外輪嵌合穴間に回転止め機構が設けてなければクリープを起こす。その対策として、前述のような対策がとられているが、それらの方法はいずれも軸受とその外輪嵌合穴間のクリープを物理的に止めようとするものである。本発明においては、クリープを物理的手段で止めることをせず、クリープが起こることを前提に、クリープで軸受とその外輪嵌合穴間で滑りが生じたときの滑りに伴う摩耗を少なくすることによりクリープの発生を防止し、軸受の内外周や外輪嵌合穴、内輪嵌合軸等の接触面の損傷摩耗を防ぐのである。
【００１０】
詳述すると、クリープに伴う摩耗は、軸受とその外輪嵌合穴又は内輪嵌合軸間の摩擦に由来するもので、この摩擦抵抗を小さくすることにより、軸受と外輪嵌合穴又は内輪嵌合軸間の摩耗を低減することができる。そのような手段としては、軸受とハウジング又は内輪嵌合軸の材料を凝着しにくい異種材料とする方法、摩擦面に低摩擦係数の材料を置いて軸受と外輪嵌合穴又は内輪嵌合軸の両方の凝着を防止する方法、摩擦面に潤滑性物質を置いて滑りによって凝着を防止する方法などが考えられるが、本発明では長期安定性を考慮し、接触面即ち摩擦面に低摩擦係数の耐摩耗膜を置く方法を採用した。低摩擦耐摩耗セラミックス膜は滑り面の凝着を防止するだけではなく、クリープによる相手材と自らの摩耗も低減しなければならない。滑りによる摩耗を低減するためには、鉄系金属に対する乾式摩擦係数が０．５以下の硬質セラミックスであることが好ましい。一方、摩擦係数は少ない方がより好ましいが、現実的な値として、下限を０．０５とした。
【００１１】
また、低摩擦耐摩耗セラミックスの被覆は軸受とその外輪嵌合穴又は内輪嵌合軸の一方または両方に行うことができるが、コストと効果を勘案すると、軸受の側のみに被覆する方が好ましい。そこで、請求項２に記載の発明においては、前記硬質セラミックス膜が内輪の内周面、又は外輪の外周面のいずれか一方、あるいは両方に形成された軸受装置とした。
【００１２】
かかる断続や衝撃的な回転トルクがかかる例としては、電磁クラッチ用のプーリー軸受装置に適している（請求項３）。また、圧縮機等の連接棒用の軸受装置にも適用できる。そこで、請求項４に記載の発明では、前記軸受装置を前記内輪嵌合軸が偏心軸であり、前記外輪嵌合穴と反対側にピストン部が形成された連接棒に設けられた軸受装置とした。
【００１３】
クリープは金属同士ばかりでなく一方が樹脂等の場合も生じる。そこで、請求項５に記載の発明においては、前記外輪嵌合穴部の材質が樹脂である軸受装置とした。また、軽量化と強度確保のため、請求項６に記載の発明においては、前記外輪嵌合穴部の材質がダイキャストである軸受装置とした。ダイキャストは、例えばアルミダイキャスト、亜鉛ダイキャスト等の一般的なものである。
【００１４】
かかる低摩擦硬質セラミックス薄膜材料としては、ＤＬＣ膜（ダイヤモンド状炭素膜）、窒化ほう素膜、および窒化炭素膜がその代表としてあげられる。ＤＬＣ膜は炭素を主成分とする膜で、炭素または炭素と水素を主成分とするものと、それらにＴｉ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｗなどの金属や半金属を添加したものも総称され、金属に対する乾式摩擦が０．０５〜０．３の摩擦係数を有する。窒化ほう素はＤＬＣより摩擦係数が少し大きく、金属に対する値は０．１〜０．３程度である。窒化炭素膜は炭素を主成分とする膜に高濃度の窒素が入ったもので、ＤＬＣと同程度の低摩擦係数を持つ耐摩耗膜として知られており、本発明の目的には好適である。炭化チタンなどの炭化物膜の炭素比率を高め、遊離炭素を含むように作製した膜も金属に対して低摩擦であり、凝着防止には好適な材料である。
【００１５】
そこで、請求項７に記載の発明においては、前記硬質セラミックス膜がＤＬＣ（ダイヤモンド状炭素膜）、又は窒化ほう素膜、又は窒化炭素膜のいずれかである軸受装置とした。なお、特許文献４に開示されているＳｉ3Ｎ4やＴｉＮ等の窒化物、ＳｉＣやＷＣあるいはＢ4Ｃ等の炭化物、Ａｌ2Ｏ3やＡｌ2Ｏ3‐ＺｒＯ2等の酸化物などのいわゆる耐摩耗セラミックス膜は鉄系金属との摩擦係数が０．７〜０．８程度と大きく、滑りによって相手材を傷つけるので、前述したように、機械的な回転止め機構なしに、クリープを無くすことはできない。
【００１６】
さらに、請求項８に記載の発明においては、前記硬質セラミックス膜はＤＬＣ（ダイヤモンド状炭素膜）、又は窒化ほう素膜、又は窒化炭素膜のいずれかである請求項２乃至６のいずれか一に記載の軸受装置に用いる軸受装置用転がり軸受とすることにより、かかるクリープの発生を防止した軸受装置に適した軸受を提供するものとなった。なお、本発明に用いる低摩擦耐摩耗セラミックス膜は物理蒸着法、プラズマ励起化学蒸着法、他多くの公知の手段で部材の表面に被覆することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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、本発明の軸受装置を評価するための評価試験装置の概略部分断面図である。評価試験装置３０は図１に示すように、電磁クラッチ１０により駆動力をＯＮ／ＯＦＦ断続するクラッチ機構を備えた装置の駆動側に５ｋＷの交流モータ１１を置き、被駆動側すなわち負荷側にはゼネレータ１２を置き、その発電電力を図示しない負荷抵抗にて消費するようにされている。交流モータ１１の回転動力はモータプーリー１４、ベルト１３によって、外周にプーリー溝７ｄが設けられたハウジング７に伝達される。ハウジング７には外輪嵌合穴７ａが設けられ軸受２の外輪４が嵌合されている。ハウジング７一方の端部に鍔部７ｂが設けられており、鍔の端面７ｃは平面にされ、鍔部がゼネレータ１２側に向くように配置されている。
【００１８】
複数のボール５が転動可能にされた軸受２の内輪３の内周面３ａは内輪嵌合軸６の外周面６ａに嵌合している。内輪嵌合軸６は一端に鍔６ｂが設けられ、ハウジングの鍔端面７ｃに対向して端面６ｃが設けられ、クラッチ板１７が取付られている。クラッチ板１７を介してハウジングの端面６ｃと接触することにより内輪嵌合軸６とハウジング７（外輪嵌合穴７ａ）とが同期し、離隔することによりハウジングから内輪嵌合軸への伝達を遮断するようにされている。内輪嵌合軸６には中心穴６ｄが設けられ支持回転軸８が貫通している。内輪嵌合軸６は支持回転軸８の段部８ａと支持回転軸の先端８ｂの図示しない雌ねじに螺着されたボルト２１により押圧される座金２２との間で挟持固定される。ハウジング７（外輪嵌合穴７ａ）、軸受２、内輪嵌合軸６とで、軸受装置１を構成する。
【００１９】
支持回転軸８はカップリング１９を介してゼネレータ１２に接続されている。支持回転軸８は、ゼネレータ１２寄りにサポート軸受２０を介してプランマブロックハウジング１８に回転可能に支持されている。プランマブロックハウジング１８は基台に固定され、さらに支持回転軸８の回りを囲むように電磁コイル１６ａが巻き回された軟鉄製の電磁石ケース１６ｂが設けられ電磁石１６が形成されている。電磁コイル１６ａの回りの電磁石ケース１６ｂを囲むように内輪嵌合軸６の鍔６ｂが形成され電磁石１６の磁力を強化するようにされている。これにより、電磁石１６のＯＮにより、ハウジング７の鍔部７ｂが内輪嵌合軸６の鍔端面６ｃ側に吸引されクラッチ板１７を介してハウジング７と内輪嵌合軸６とが接続される。また、電磁石１６のＯＦＦによりハウジング７と内輪嵌合軸６とが遮断される。
【００２０】
軸受２の外輪４は外輪嵌合穴の内周面７ａに嵌合しているのみで、回転止めのストッパ等はなく軸受の外輪の外周面４ａと外輪嵌合穴の内周面７ａとが互いに接触する接触面は衝撃回転トルクが与えられた場合に滑動可能にされている。さらに外輪外周の接触面４ａには鉄系金属との乾式摩擦において、摩擦係数が０．０５以上、０．５以下の硬質セラミックス膜が形成されている。
【実施例】
【００２１】
かかる電磁クラッチ用プーリー軸受装置に類似させた評価試験装置３０において、交流モータ１１の回転力はベルト１３によりハウジング７に伝達される。この回転動力は電磁石１６のＯＮ／ＯＦＦによって駆動側（ハウジング７）と被駆動側（内輪嵌合軸６）のクラッチ板１７が接続と遮断を制御され、被駆動側への動力伝達が制御される。電磁クラッチ１０がＯＮになり、駆動側（ハウジング７）と被駆動側（内輪嵌合軸６）が接続されるとき、軸受２とハウジング７（外輪嵌合穴７ａ）の間に断続的あるいは衝撃的な回転トルク変動により大きな力が加わり、外輪嵌合穴の内周面７ａと外輪外周面４ａとの間にクリープが起こる。この発生状況を試験した。
【００２２】
試験は電磁クラッチ１０をＯＮ状態で駆動側１１と負荷側１２を３秒間接続した後、これをＯＦＦ状態として３秒間切断する動作を繰り返した。この動作を２０万回繰り返した後の外輪嵌合穴の内周面７ａと外輪外周面４ａのクリアランス及び外輪外周面の膜の摩耗を測定する。実施例において本発明の軸受２の摩耗対策として外輪外周面４ａにＤＬＣ膜、ＤＬＣ（Ｃｒ含有）膜、ＢＮ膜およびＴｉＣ（Ｃリッチ）膜を被覆した軸受鋼ＳＵＪ２製軸受を用いた。被膜の厚さは２〜３μｍとした。また、外輪嵌合穴７ａ部（ハウジング７）の材質はＳＣＭ４１５とした。前述した評価試験装置３０で運転し２０万回繰り返した後に本試験装置から供試軸受２とそのハウジング７を取り出し、それぞれの摩耗量を測定した。比較例として、外輪外周部にセラミック被覆を施さない軸受についても同様な評価試験を行った。それらの結果をまとめて表１に示す。また、表１には、ボールオンディスク試験で測定した鉄鋼材料ＳＵＪ２に対する摩擦係数も併せて示した。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
表１に示すように、本発明の軸受装置１の軸受２の外輪外周面７ａに被覆した硬質セラミック膜の摩耗深さはいずれも１μｍ以下とわずかであった。また、軸受外輪の外周面とハウジング７の外輪嵌合穴の内周面７ａとのクリアランスの変化は、硬質セラミックス膜と摺動した場合には１０μｍ以下とわずかであったのに対し、被覆を施さない軸受と摺動した比較例では嵌合面のクリアランスの変化は１００μｍを越えており、本発明品はクリープ面の摩耗が劇的に改善され、優れた効果を奏することが判った。このように、本発明においては、従来の滑りを無くすという観点とは正反対の、滑りを許容し、滑った場合の摩耗や破損を最小限にするという観点によりクリープの発生を防止するものとなった。
【００２５】
なお、図１においては、ハウジング７の材質を磁性体である鉄としたが、鍔７ｂ及び端面７ｃを磁性体として、プーリー溝７ｄ部分をダイキャストや樹脂とすることにより軽量化するのが好ましいことはいうまでもない。また、実施例においては、外輪４の外周面４ａのみに、低摩擦係数の硬質セラミックス膜を形成したが、外輪嵌合穴の内周面７ａ、内輪３の内周面３ａ、内輪嵌合軸６の外周面６ａ等のクリープを生じやすい接触面に適宜施すればよい。
【００２６】
また、本発明の軸受装置の他の例について説明する。図２に示すものはピストン式エアーコンプレッサ断面図である。エアーコンプレッサ３１は、連接棒３７の上部に空気を吸排気するシリンダ室４０を往復動する円盤状のピストン部３２が形成されている。ピストン部３２は連接棒３７の上部円盤部３２ａ、シール部材３２ｂ、シール固定部材３２ｃから構成され、シリンダ室４０を上下することにより、シリンダ室上部の吸排気弁装置４１から空気を吸排し、室４２を経て空気を外部へ送出するようにされている。連接棒３７のピストン部３２から垂下する棒状の連接部３３に続いて外輪外周穴７ａが形成されている。外輪嵌合穴７ａに転がり軸受２の外輪４が嵌合組み付けられている。外輪嵌合穴７ａの図示しない両端に鍔が設けられ、外輪４の両端はこの鍔により挟持され軸方向に移動しないように固定されている。軸受２は外輪４、転動体である複数のボール５、内輪３、図示しない保持器が一体に組み立てられている。内輪３の内周面３ａに内輪嵌合軸６が嵌合されている。
【００２７】
連接棒３７の外輪嵌合穴７ａ、軸受２、内輪嵌合軸６とで、軸受装置１′を構成する。内輪の内周面３ａ、外輪の外周面４ａに鉄系金属との乾式摩擦において、摩擦係数が０．０５以上、０．５以下の硬質セラミックであるＤＬＣ膜が施されている。内輪嵌合軸６は軸受２の軸心とは偏心した駆動軸３８回りに回転することにより連接棒３７を揺動運動させ、ピストン部３２をシリンダ室４０内で往復動させることにより、空気の吸排を行うようにされている。
【００２８】
かかるピストン部３２を形成する軸受装置１′を有する連接棒３７にかかる力は一回転毎に例えば圧縮・引張りと大きく変化し、断続的になる。このため、内輪嵌合軸６と外輪嵌合穴７ａとが転がり軸受２を介して断続的あるいは衝撃的な回転トルク変動を生じ、クリープを発生し易くなる。しかし、軸受２の接触面３ａ，４ａが低摩擦にされているので、前述したと同様に、過大な回転トルクによりクリープが生じても、摺接面の滑りによる摩耗が大幅に軽減される。なお、連接棒３７の材質は樹脂やアルミ、亜鉛ダイキャスト等の種々のものが適用可能である。前述した本発明の実施の形態においては、ピストン式エアーコンプレッサについて述べたが、ベローズ式のエアーコンプレッサ、さらに真空ポンプ等に適用できる。さらに、電磁クラッチ用のプーリー軸受装置、エアーコンプレッサに限らずクリープを生じやすい種々の軸受装置に適用できることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の軸受装置を評価するための評価試験装置の概略部分断面図である。
【図２】本発明軸受装置の他の例を示すピストン式エアーコンプレッサ断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１、１′  軸受装置（電磁クラッチ用のプーリー軸受装置、連接棒の軸受装置）
２    転がり軸受
３    内輪
３ａ  内輪の内周面
４    外輪
４ａ  外輪の外周面
５    転動体
６    内輪嵌合軸
６ａ  内輪嵌合軸の外周面
７ａ  外輪嵌合穴（の内周面）
３２  ピストン部
３７  連接棒
【図１】
2005273852.tif 000004
【図２】
2005273852.tif 000005