(57)【要約】【課題】溶射法に代わる方法で緻密なセラミックス層を形成し、高い絶縁性能を保持できる絶縁転がり軸受を提供する。【解決手段】内輪１、外輪２、およびこれら内外輪の軌道面間に介在する複数の転動体４を備えてなり、上記内輪１の内周面および上記外輪２の外周面から選ばれた少なくとも一つの周面にセラミックス被膜７を有する絶縁転がり軸受であって、該セラミックス被膜は、アルミナ微粒子等をエアロゾル原料として使用したエアロゾルデポジション法により形成される被膜であり、該被膜は、例えば、エアロゾル噴射ノズルを固定し、外輪または内輪を、対象物回転用モータを用いて回転させつつ、位置決め用ＸＹテーブルを用いて軸方向に移動させて形成する。【選択図】図１
2007239858.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪、外輪、およびこれら内外輪の軌道面間に介在する複数の転動体を備えてなり、前記内輪の内周面および前記外輪の外周面から選ばれた少なくとも一つの周面にセラミックス被膜を有する絶縁転がり軸受であって、
前記セラミックス被膜は、エアロゾルデポジション法により形成される被膜であることを特徴とする絶縁転がり軸受。
【請求項２】
前記セラミックス被膜は、アルミナ微粒子をエアロゾル原料として使用した被膜であることを特徴とする請求項１記載の絶縁転がり軸受。
【請求項３】
前記アルミナ微粒子の平均粒子径は、0.01μm〜2μm であることを特徴とする請求項２記載の絶縁転がり軸受。
【請求項４】
前記セラミックス被膜は、エアロゾル噴射ノズルを固定し、前記外輪または前記内輪を、対象物回転用モータを用いて回転させつつ、位置決め用ＸＹテーブルを用いて軸方向に移動させて形成することを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の絶縁転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、汎用モータ、発電機用ジェネレータ、鉄道車両の主電動機等、主に軸受内部を電流が流れるような構造の装置に用いられる絶縁転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両の主電動機に用いられる転がり軸受は、主電動機の電流を車輪からレールへ接地する接地用集電装置が不完全な場合に、主電動機の電流が転がり軸受の内外輪および転動体を通って、車輪とレール間に流れる。このとき、軸受転動体と外輪転走面との間または内輪転走面との間で放電が生じ、放電部分に電食を生じることがある。
このような電食を防止する有効な手段として、従来、軸受軌道輪の外表面にセラミックス等の絶縁体の溶射被膜を形成することが知られている。
【０００３】
しかしながら、溶射技術を用いて軸受の外径面および幅面にセラミックス層を設ける方法は、熱処理して硬化させた軸受綱の溶射加工時の熱による焼き戻り防止のために、ワークを冷却しながらセラミックス層を成膜せねばならず、非常に煩雑であり、生産性の低下を招いていた。さらに、溶射法で軸受外径面および幅面にセラミックス層を設けようとすると、下地処理としてニッケルアルミ等の層を予め溶射する必要があり、これも生産性の低下を招く原因となっている。
【０００４】
一方、溶射法で得られたセラミックス層は、多孔質となるため結露などでの水分の侵入による絶縁抵抗の低下を封孔処理で対策する必要がある。封孔処理については合成樹脂、重合性有機溶剤、並びにフッ素系界面活性剤およびパーフルオロ基含有有機ケイ素化合物からなる群から選ばれる少なくとも１種を含有する封孔処理剤を用いる方法（特許文献１参照）や、浸透性良好な絶縁樹脂による封孔処理層を下層とし、浸透性が完全でない絶縁樹脂による封孔処理層を上層とする組合せ層を形成することにより封孔する方法（特許文献２参照）等が知られている。しかし、これらの封孔処理方法を用いる場合は、非常にコスト高となるという問題がある。
また、溶射法で得られたセラミックス層は、絶縁性を得るために原料粉にαアルミナを用いても、溶射過程の高温で絶縁性の劣るγアルミナに変態してしまう。このため、この方法は膜厚を厚くすることで絶縁性を確保せねばならず、コスト高となる。
【特許文献１】特開２００３−１８３８０６号公報
【特許文献２】特許第３００９５１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はこのような問題に対処するためになされたもので、溶射法に代わる方法で緻密なセラミックス層を形成し、高い絶縁性能を有する絶縁転がり軸受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】
【０００６】
本発明の絶縁転がり軸受は、内輪、外輪、およびこれら内外輪の軌道面間に介在する複数の転動体を備えてなり、上記内輪の内周面および上記外輪の外周面から選ばれた少なくとも一つの周面にセラミックス被膜を有する絶縁転がり軸受であって、該セラミックス被膜は、エアロゾルデポジション法（以下、ＡＤ法と記す）により形成される被膜であることを特徴とする。
【０００７】
上記セラミックス被膜は、アルミナ微粒子をエアロゾル原料として使用した被膜であることを特徴とする。
また、上記アルミナ微粒子の平均粒子径は、0.01μm〜2μm であることを特徴とする。なお、本発明において平均粒子径は日機装株式会社製：レーザー式粒度分析計マイクロトラックＭＴ３０００によって測定した値である。
【０００８】
上記セラミックス被膜は、エアロゾル噴射ノズルを固定し、上記外輪または上記内輪を、対象物回転用モータを用いて回転させつつ、位置決め用ＸＹテーブルを用いて軸方向に移動させて形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の絶縁転がり軸受は、内輪内周面および外輪外周面とから選ばれた少なくとも一つの周面に、ＡＤ法によりセラミックス被膜を形成するので、常温で被膜表面と軌道輪素地とを連通することのない緻密なセラミックス被膜が得られ、高い絶縁性能を保持できる。
また、高温にさらされることがないＡＤ法で、αアルミナを用いて成膜するので、αアルミナがγアルミナに変態することがなく、絶縁性の高いαアルミナの被膜が得られる。
【００１０】
真空チャンバー内等で、位置決め用ＸＹテーブル上に軸を回転させる対象物回転用モータを設置し、エアロゾル噴射ノズルを固定し、軸受外輪または軸受内輪を回転させながらかつ軸方向に移動させるので、セラミックス被膜を曲面である外輪外周面または内輪内周面に均一に形成できる。回転させてエアロゾルによる被膜を塗り重ねることで、数μm〜数十μmの緻密なセラミックス被膜を密着性良好に形成できる。また、ワークの冷却不要、ニッケルアルミ等の下地処理不要および封孔処理不要などにより、製造コストが大幅に安くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の絶縁転がり軸受の一実施例を図１に基づいて説明する。図１は外輪外周面にＡＤ法によるセラミックス被膜を形成した絶縁転がり軸受の断面図である。なお、セラミックス被膜は非常に薄い、数μm〜数十μmの被膜であるが、図１および後述する図２、図３においては説明便宜上、実際よりも厚く図示している。
図１に示すように、絶縁転がり軸受は、内輪１と外輪２との間に保持器３に保持された複数の転動体４を介在させ、外輪２をハウジング５等に収納し、軸６を内輪１の内径に固定する軸受であって、外輪２の外周面２ａにＡＤ法によりセラミックス被膜７が形成されている。内輪１、外輪２および転動体４は、軸受鋼等の金属材からなる。
本発明においてセラミックス被膜７を形成する外輪２の外周面２ａとは、外輪２の外径面ａのみでなく、少なくとも外輪を保持するハウジング５等と外輪２とが接触する範囲の全面である。図１に示す場合において、外輪２の外周面２ａは、外輪２の外径面ａから幅面ｂにわたる範囲で、面取部ｃも含めた範囲の面である。
【００１２】
また、セラミックス被膜７は、上記外輪２の外周面２ａの他、内輪１の内周面１ａに形成されていてもよい。本発明の絶縁転がり軸受の他の実施例を図２および図３に基づいて説明する。図２に示す例では、内輪１の内周面１ａにセラミックス被膜７が形成され、図３に示す例では、外輪２の外周面２ａおよび内輪１の内周面１ａにセラミックス被膜７がそれぞれ形成されている。なお、本発明において内輪１の内周面１ａとは、少なくとも内輪１が軸６等と接触する範囲の全面であり、図２および図３に示す場合では、内輪１の内径面そのものである。
上記のように、外輪とハウジング等とが接触する全面、および、内輪と軸等とが接触する全面の少なくとも一方にセラミックス被膜を形成することにより絶縁性能が担保される。
【００１３】
本発明においてＡＤ法は、原料セラミックスの微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを内輪や外輪等の基材に向けてエアロゾル噴射ノズルより噴射し、エアロゾルをこの基材表面に高速で衝突させ、微粒子の構成材料からなる被膜を基材上に形成させる方法である。セラミックス微粒子は、衝突により粉砕し、清浄な新生表面を形成し、低温接合を生じさせるので、室温で微粒子同士の接合を実現できる。
エアロゾル中ではセラミックスの微粒子は分散状態を維持している。溶射法から得られる被膜が多孔質であるのに対し、ＡＤ法により得られる被膜は、上記のようにエアロゾルに分散した微粒子から被膜を形成するので、得られる被膜は極めて緻密なセラミックス層となる。このため、内輪内周面や外輪外周面に、該被膜を形成した絶縁転がり軸受は、降雨や結露などで水分にさらされても、水分が浸透できる空孔を持たないセラミックス層に保護されるので通電することがなく、絶縁抵抗の低下を招くこともない。
また、ＡＤ法によるセラミックス被膜は緻密で絶縁性に優れるので、一定の絶縁抵抗を確保するために必要な被膜厚さは、溶射法に比べて薄くすることができる。
【００１４】
本発明においてＡＤ法によるセラミックス被膜を形成するための、エアロゾル原料となるセラミックス微粒子としては、絶縁性が良好なアルミナ、ジルコニア、チタニア等の酸化物セラミックス微粒子等が挙がられる。それぞれのセラミックスの高純度グレードにおいて、真比重が小さい方がエアロゾル化しやすいことから、アルミナ微粒子が好ましい。
本発明に用いることができるアルミナ微粒子の平均粒子径は、0.01μm〜2μm である。0.01μm 未満では凝集しやすくエアロゾル化は困難であり、2μm をこえるとＡＤ法での膜形成はできない（膜成長しない）。
アルミナ微粒子の粒子径調整方法としては、アルコキシド法やコロイド法、アンモニウム明礬の熱分解法、アンモニウムアルミニウム炭酸塩熱分解法、改良バイヤー法、エチレンクロルヒドリン法の化学的手法や、ガス中蒸発法やスパッタリング（気相酸化）法、アルミニウムの水中火花放電法などの物理的手法を用いて作製された数 10 nm 以下の微細な微粒子を加熱し、粒子径で数 100 nm 程度の２次粒子に凝集させる方法等が挙げられる。また、被膜形成を良好に行なうため、基材への衝突時にアルミナ微粒子が容易に粉砕するように、ボールミル、ジェットミル等の粉砕機を用いてクラックを予め形成しておくことが好ましい。
【００１５】
ＡＤ法では、溶射法と異なり高温処理が不要であるため、高温にさらされることによる原料セラミックスの変態による絶縁性の低下を招くこともない。例えば、絶縁性に優れたαアルミナを用いても溶射法ではγアルミナに変態して絶縁性が低下するため、膜厚を増加させる必要があるが、ＡＤ法でαアルミナを用いると絶縁性の高いαアルミナのままで成膜できるので、絶縁性の高いセラミックス層が得られる。
【００１６】
本発明においてＡＤ法によるセラミックス被膜の形成方法としては、絶縁転がり軸受を固定してエアロゾル噴射ノズルを移動させて被膜を形成する方法、または、エアロゾル噴射ノズルを固定して絶縁転がり軸受を移動させて被膜を形成する方法のいずれも採用できる。
これらの方法の中で、エアロゾルを安定な状態で吹きつけることができ、位置決め用ＸＹテーブルおよび対象物回転用モータを併用し、軸受の内輪または外輪を回転させつつ軸方向に移動させることで、セラミックス被膜を容易に塗り重ねて形成できることから、後者の方法を用いることが好ましい。
【００１７】
本発明におけるＡＤ法を図４に基づいて説明する。図４はＡＤ法によるセラミックス被膜形成装置を示す図である。図４に示すように、ＡＤ法によるセラミックス被膜形成装置８は真空チャンバー９を有する。真空チャンバー９内には、セラミックス被膜形成対象である絶縁転がり軸受の外輪または内輪１１と、エアロゾル噴射ノズル１６とが配設されている。エアロゾル噴射ノズル１６にはエアロゾル発生装置１５からエアロゾルが供給される。真空チャンバー９の内部は真空ポンプ１０によって減圧される。セラミックス微粒子の混入を防止するため、真空ポンプ１０の直前に微粒子フィルター１７が設けられている。外輪または内輪１１は、真空チャンバー９内において、対象物回転用モータ１３により回転させられ（図中Ａ）、位置決め用ＸＹテーブル１２により軸方向に移動させられる（図中Ｂ）。
【００１８】
エアロゾル噴射ノズル１６は、セラミックス微粒子を、長方形等の開口部を有するノズル先端から、内輪内周面および外輪外周面から選ばれた少なくとも一つの周面に噴射するものである。なお、エアロゾル噴射ノズル１６は、１本であっても複数本であってもよい。また、エアロゾル噴射ノズル１６は、真空チャンバー９内で変位可能に構成してもよい。
エアロゾルの搬送ガスとしては、不活性ガスを使用し、ガス供給設備１４からエアロゾル発生装置１５に供給されている。使用可能な不活性ガスとしては、アルゴン、窒素、ヘリウム等が挙げられる。
固定したエアロゾル噴射ノズル１６から、対象物回転用モータ１３により所定回転数で回転している外輪または内輪１１に、セラミックス微粒子を原料とするエアロゾルが噴射され、外輪の外周面または内輪の内周面にセラミックス被膜が塗り重ねられて形成される。同時に、位置決め用ＸＹテーブル１２により外輪または内輪１１を軸方向に移動させることで、各周面の軸方向にも均一に被膜が形成される。
被膜形成は、被膜厚さが 4μm 程度となるまで行なうことが好ましい。4μm 未満であると十分な十分な絶縁抵抗が得られず、200μm をこえると製造コストが高くなる。
【実施例】
【００１９】
実施例１
図１に示す絶縁転がり軸受を作成し試験用軸受とした。ここで、外輪２の外周面２ａに、アルミナ微粒子からなる被膜７をＡＤ法により形成した。ＡＤ法は、位置決め用ＸＹテーブルおよび対象物回転用モータを併用した軸受駆動装置を用いて、周速 6 mm／分で回転しつつ軸方向に移動する外輪外周面に、100 Pa以下の減圧下で、開口サイズ 5 mm× 0.3 mm のノズルを通してアルミナ微粒子のエアロゾルを噴射して被膜形成を行なった。被膜形成は、被膜厚さが 4μm となるまで行なった。
アルミナ微粒子は、大明化学工業社製：タイミクロンＴＭ-ＤＡＲを用い、平均粒子径 0.16μm で、10 Pa 以下の減圧下、加熱乾燥処理して使用した。なお、搬送ガスにはヘリウムを用い、粒子速度は搬送ガス流量で制御した。
得られた試験用軸受は、所定の絶縁抵抗（ 10 ＭΩ以上／500Ｖ負荷時）が得られることが確認できた。
【００２０】
実施例２
図２に示す絶縁転がり軸受を作成し試験用軸受とした。ここで、内輪１の内周面１ａに、アルミナ微粒子からなる被膜７をＡＤ法により形成した。ＡＤ法は、位置決め用ＸＹテーブルおよび対象物回転用モータを併用した軸受駆動装置を用いて、周速 6 mm／分で回転しつつ軸方向に移動する内輪内周面に、100 Pa以下の減圧下で、開口サイズ 5 mm× 0.3 mm のノズルを通してアルミナ微粒子のエアロゾルを噴射して被膜形成を行なった。被膜形成は、被膜厚さが 4μm となるまで行なった。
アルミナ微粒子は、実施例１と同様のものを用いた。得られた試験用軸受は、所定の絶縁抵抗（ 10 ＭΩ以上／500Ｖ負荷時）が得られることが確認できた。
【００２１】
実施例３
図３に示す絶縁転がり軸受を作成し試験用軸受とした。ここで、外輪２の外周面２ａ、および、内輪１の内周面１ａにアルミナ微粒子からなる被膜７をＡＤ法により形成した。ＡＤ法は、位置決め用ＸＹテーブルおよび対象物回転用モータを併用した軸受駆動装置を用いて、周速 6 mm／分で回転しつつ軸方向に移動する外輪外周面に、100 Pa以下の減圧下で、開口サイズ 5 mm× 0.3 mm のノズルを通してアルミナ微粒子のエアロゾルを噴射して被膜形成を行なった。被膜形成は、被膜厚さが 4μm となるまで行なった。同様に内輪内周面にも被膜形成を行なった。
アルミナ微粒子は、実施例１と同様のものを用いた。得られた試験用軸受は、所定の絶縁抵抗（ 10 ＭΩ以上／500Ｖ負荷時）が得られることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明の絶縁転がり軸受は、内輪内周面および外輪外周面とから選ばれた少なくとも一つの周面に、被膜表面と軌道輪素地とを連通することのない緻密なセラミックス被膜をＡＤ法により形成したので、高い絶縁性能を保持できる。このため各種産業機械に用いられる転がり軸受において電食防止転がり軸受、絶縁転がり軸受として好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の絶縁転がり軸受の一実施例を示す断面図である。
【図２】本発明の絶縁転がり軸受の他の実施例を示す断面図である。
【図３】本発明の絶縁転がり軸受の他の実施例を示す断面図である。
【図４】ＡＤ法によるセラミックス被膜形成装置を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１    内輪
２    外輪
３    保持器
４    転動体
５    ハウジング
６    軸
７    セラミックス被膜
８    セラミックス被膜形成装置
９    真空チャンバー
１０  真空ポンプ
１１  外輪または内輪
１２  位置決め用ＸＹテーブル
１３  対象物回転用モータ
１４  ガス供給設備
１５  エアロゾル発生装置
１６  エアロゾル噴射ノズル
１７  微粒子フィルター
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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