(57)【要約】      （修正有）【課題】保持器の成形性と繊維による強度向上・寸法変化抑制効果の両立を図ることができる転がり軸受を提供する。【解決手段】内輪および外輪と、この内輪および外輪間に介在する複数の転動体と、この転動体を回転自在に保持する保持器２４とを備えてなる転がり軸受であって、保持器２４は、樹脂を成形してなる保持器基体の外径部を繊維で拘束されてなり、上記保持器基体は外径面の周方向に円環溝２５が設けられ、該円環溝２５内で上記繊維により拘束されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪および外輪と、この内輪および外輪間に介在する複数の転動体と、この転動体を回転自在に保持する保持器とを備えてなる転がり軸受であって、
前記保持器は、樹脂を成形してなる保持器基体の外径部を繊維で拘束することを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】
前記保持器基体の外径面の周方向に円環溝が設けられ、該円環溝内で前記繊維により拘束されていることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
【請求項３】
前記繊維は保持器基体の外径部の全周を拘束していることを特徴とする請求項１または請求項２記載の転がり軸受。
【請求項４】
前記繊維は、炭素繊維または芳香族ポリアミド繊維であることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の転がり軸受。
【請求項５】
前記樹脂は、ポリアミド樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、熱可塑性ポリイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂から選ばれた少なくとも一つであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項記載の転がり軸受。
【請求項６】
前記保持器基体は、前記樹脂にガラス繊維、炭素繊維および芳香族ポリアミド繊維から選ばれた少なくとも一つを混合した混合物を射出成形してなることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項記載の転がり軸受。
【請求項７】
前記保持器基体は、フェノール樹脂と、布との積層体である布入りフェノール樹脂を機械加工してなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項記載の転がり軸受。
【請求項８】
前記転がり軸受は、円筒ころ軸受またはアンギュラ玉軸受であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項記載の転がり軸受。
【請求項９】
前記保持器は、内輪案内保持形式または外輪案内保持形式であることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項記載の転がり軸受。
【請求項１０】
前記転がり軸受は、工作機械の主軸支持に用いられることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか一項記載の転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は工作機械主軸支持用の転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受の保持器の案内形式として、転動体案内、外輪案内、内輪案内の形式が紹介されている。一般に工作機械用転がり軸受のように、高回転・高精度の応用事例では、外輪案内もしくは内輪案内として保持器の振れ回りを低減する場合が多いことが知られ（非特許文献１参照）、また、樹脂製の保持器は軽量で耐食性に優れ、減衰性や潤滑性にも優れた特性を有することが知られている（非特許文献２参照）。特に、ポリエーテルエーテルケトン（以下、ＰＥＥＫと記す）樹脂が樹脂の中でも高剛性であり、耐熱性・耐摩耗性・耐加水分解性に優れ、保持器として高速運転に適していることが知られている（非特許文献３参照）。
【０００３】
主に工作機械主軸装置に用いられる転がり軸受において、外輪案内形式の保持器材料として各種の樹脂、例えば、ポリアミド６６樹脂、ポリアミド４６樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリアセタール樹脂、熱可塑性ポリイミド樹脂、ＰＥＥＫ樹脂等を使用すること、また、それらにガラス繊維を添加する場合は 10〜40 重量％、炭素繊維やアラミド繊維を添加する場合では 10〜30 重量％を添加すると強度向上に好ましいこと、さらにまた、炭素繊維やアラミド繊維の場合では 10 重量％未満では強度保持が不十分であり、30 重量％をこえると成形性が悪くなり、ガラス繊維の場合も同様であることが知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、短い（ 0.1 mm オーダー）糸状の炭素繊維やアラミド繊維を樹脂材料に添加して保持器を成形する方法では、成形性を維持するために、添加率を 30 重量％未満程度に抑える必要があり、その場合炭素繊維やアラミド繊維が元来有する機械的強度特性を十分に活用することができない。したがって、樹脂保持器の強度向上・寸法変化抑制効果は必ずしも十分ではないという問題がある。
【非特許文献１】トライボロジー叢書４  転がり軸受  その設計と実用設計  桜井俊男監修  岡本純三・角田和雄共著  幸書房
【非特許文献２】ＮＴＮ株式会社  転がり軸受 総合カタログ  ＣＡＴ．Ｎｏ．２２０２-ＩＩ/Ｊ、Ａ-７８ページ
【非特許文献３】ＮＴＮ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｎｏ. ７２  ４２〜４５ページ
【特許文献１】特開２００６−３２９２３３号公報（段落００２４）
【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あり、保持器の成形性と繊維による強度向上・寸法変化抑制効果の両立を図ることができる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】
本発明の転がり軸受は、内輪および外輪と、この内輪および外輪間に介在する複数の転動体と、この転動体を回転自在に保持する保持器とを備えてなる転がり軸受であって、上記保持器は、樹脂を成形してなる保持器基体の外径部を繊維で拘束していることを特徴とする。
また、上記保持器基体の外径面の周方向に円環溝が設けられ、該円環溝内で繊維により拘束されていることを特徴とする。
また、上記繊維は保持器基体の外径部の全周を拘束していることを特徴とする。
また、上記繊維は、炭素繊維または芳香族ポリアミド繊維であることを特徴とする。
【０００７】
上記樹脂は、ポリアミド樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、熱可塑性ポリイミド樹脂、ＰＥＥＫ樹脂から選ばれた少なくとも一つであることを特徴とする。
また、上記保持器基体は、上記樹脂にガラス繊維、炭素繊維および芳香族ポリアミド繊維から選ばれた少なくとも一つを混合した混合物を射出成形してなることを特徴とする。
【０００８】
上記保持器基体は、フェノール樹脂と、布との積層体である布入りフェノール樹脂を機械加工してなることを特徴とする。
【０００９】
上記転がり軸受は円筒ころ軸受またはアンギュラ玉軸受であることを特徴とする。また、上記保持器は、内輪案内保持形式または外輪案内保持形式であることを特徴とする。また、上記転がり軸受は、工作機械の主軸支持に用いられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の転がり軸受は、内輪および外輪と、この内輪および外輪間に介在する複数の転動体と、この転動体を回転自在に保持する保持器とを備えてなる転がり軸受であって、上記保持器は、既に成形した樹脂製の保持器基体の外径部を繊維で拘束しているので、保持器の成形性と繊維による強度向上・寸法変化抑制効果の両立を図ることが可能となる。
【００１１】
また、上記保持器基体の外径面の周方向に円環溝を設け、この円環溝を繊維で拘束しているので、保持器基体の外径部を容易に拘束することができる。
また、上記保持器基体は、上記樹脂にガラス繊維、炭素繊維および芳香族ポリアミド繊維から選ばれた少なくとも一つを混合した混合物を射出成形することで、強度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の転がり軸受について図面に基づいて説明する。図１は本発明の転がり軸受を用いた工作機械主軸用スピンドル装置の例である。
図１に示すように工作機械主軸用スピンドル装置１０のフロント側にアンギュラ玉軸受２０を 2 列、リア側に単列の円筒ころ軸受３０を配置しており、ステータ４１およびロータ４２を備えるビルトインモータ４０で駆動する高速仕様となっている。アンギュラ玉軸受２０は、内輪２２、外輪２１、玉２３、保持器２４で構成され、円筒ころ軸受３０は内輪３２、外輪３１、ころ３３、保持器３４で構成される。保持器２４、３４は、樹脂を成形してなる保持器基体の外径部を炭素繊維または芳香族ポリアミド繊維のいずれか一つで拘束している。
【００１３】
図２は本発明の転がり軸受の一実施例を示す図であり、図１における保持器２４の拡大図を示す。図３は本発明の転がり軸受の他の実施例を示す図であり、図１における保持器３４の拡大図を示す。
図２および図３に示すように、保持器２４、３４は、ガラス繊維を添加したＰＥＥＫ樹脂で成形された保持器基体の外径面に周方向の円環溝２５、３５が設けられており、その円環溝２５、３５内で炭素繊維または芳香族ポリアミド繊維により拘束されている。その際、保持器の成形性と繊維による強度向上・寸法変化抑制効果があれば、繊維は円周方向に対して全周を拘束する必要は無いが、円環溝の全周を拘束させることが、より一層の効果を発揮させるために望ましい。
図２の保持器２４における各長さ ｂ、ｔ、Ｌ間の適切な関係としては、ｂ＝0.5Ｌ、ｔ＝0.5ｂ〜ｂ程度を設定することが好ましい。この関係は図３および図４に示す円環溝においても同様である。
【００１４】
また、本発明の他の実施例として、軸受の運転に伴う熱膨張や遠心膨張等で剥がれることがないような強度で拘束させることにより、円環溝２５、３５を設けずに直接保持器基体の外径面を炭素繊維または芳香族ポリアミド繊維により拘束させることができる。
【００１５】
保持器２４は外輪案内保持形式、保持器３４は内輪案内保持形式となっている。工作機械主軸用に多用される内輪内径 50〜100 mm 程度の転がり軸受では、案内面を潤滑上理想的な動圧油潤滑ジャーナル軸受として機能させるためには、その案内すきま（半径ベース）は、0.05〜0.15 mm 程度である。外輪案内保持器の場合は、保持器外径の膨張による外輪案内部との接触を避ける目的で、これよりも大き目に設定する場合が多い。
【００１６】
本発明に用いることができる樹脂は、樹脂を成形して得られる保持器基体が内輪または外輪との間の案内すきまを所定の範囲で維持できる樹脂であれば特に制限なく使用できる。例えば、ポリアミド樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、熱可塑性ポリイミド樹脂、ＰＥＥＫ樹脂を挙げることができる。これらは単独でも２種類以上組み合わせても使用できる。
【００１７】
上記保持器基体は、上述の樹脂を射出成形することにより得ることができる。また、さらに強度向上・寸法変化抑制効果の両立を図ることを目的として上記樹脂に上記ガラス繊維、上記炭素繊維または上記芳香族ポリアミド繊維から選ばれた少なくとも一つを混合した混合物を射出成形することが好ましい。
【００１８】
また、本発明に用いる保持器基体は上述の樹脂の射出成形だけではなく、フェノール樹脂（ベークライト）と、布との積層体である布入りフェノール樹脂を機械加工して得ることができる。
この場合にも、得られた保持器基体の外径面を炭素繊維や芳香族ポリアミド繊維で拘束させることにより、機械的強度や耐熱膨張性が向上し、一層の高速運転が可能となる。
【００１９】
本発明において保持器基体の外径部を拘束させる繊維としては、耐久性、強度を考えた場合、炭素繊維または芳香族ポリアミド繊維であることが好ましい。これらの繊維を加工した織布または不織布や、繊維方向を一方向に揃えて、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂（高分子材料）を含浸させたシート等を用いることができる。これらの中で、織布に加工されたものを用いることが作業面で好ましい。炭素繊維の織布の市販品としては東レ社製：トレカを、また芳香族ポリアミド繊維の織布の市販品としては東レ・デュポン社製：ＫＥＶＬＡＲを挙げることができる。
【００２０】
保持器基体の外径面を繊維で拘束する方法としては、軸受の運転に伴う熱膨張や遠心膨張等で剥がれることがないような強度で拘束できる方法であれば、特に制限なく採用できる。例えば、繊維を円環状に成形し、保持器基体の外径面または外径面の周方向の円環溝に圧入する方法、インサート成形、接着剤により張り合わせる方法、加熱圧着による方法、繊維を保持器基体の外径面または円環溝の全周に何十にも巻く方法等を挙げることができる。また、耐久性、強度の点から、保持器基体の外径面または外径面の周方向の円環溝の全周が繊維により拘束されていることがより好ましいが、必要な拘束力が生じるのであれば、全周の一部が開放されていても良い。
【００２１】
ここで、内輪内径 70 mm 程度のアンギュラ玉軸受の外輪案内保持器を想定すると、その保持器は概略、内径 90 mm、外径 100 mm の円筒とみなすことができる。ガラス繊維を 30 重量％添加したＰＥＥＫ樹脂の密度を 1490 kg/m3、引張弾性率を 9.75 GPa、ポアソン比を 0.45 として、内輪回転速度が 25000 min-1 という高速運転条件を考え保持器回転速度を 10000 min-1 とすると、当該ＰＥＥＫ樹脂を射出成形しただけの保持器の外径の遠心膨張量は約 0.017 mm （半径ベース）と算出される。
また、25000 min-1 程度の高速運転条件下での軸受内部の温度上昇は通常 40℃程度と推定され、当該ＰＥＥＫ樹脂の線膨張係数を 2.2×10-5 1/K とすると、保持器の外径の熱膨張量は約 0.044 mm （半径ベース）となる。
【００２２】
したがって、遠心膨張量と熱膨張量の両方を考慮すると、ＰＥＥＫ樹脂を成形したのみの保持器の案内すきまは、潤滑的な理想値よりも大き目の 0.2 mm としても 30％程度減少する。遠心膨張量は回転速度の 2 乗に比例することや、ジャーナル軸受部での粘性摩擦仕事量、すなわちそれによる温度上昇は回転速度の 2 乗に比例してすきまに逆比例すること、さらに表面粗さの存在等を考えると、さらなる高速運転条件下では外輪案内面との直接接触による保持器の損傷が懸念される。また、案内すきまが回転速度で大きく変化することは、幅広い回転速度の範囲で使用される軸受の設計に不都合である。
【００２３】
同様に、炭素繊維を 30 重量％添加したＰＥＥＫ樹脂（密度 1440 kg/m3、引張弾性率 13.0 GPa、ポアソン比 0.45 （ガラス繊維添加ＰＥＥＫ樹脂と同等と仮定）、線膨張係数を 1.5×10-5 1/K ）を成形しただけの保持器では、上記の運転条件下では保持器の外径の遠心膨張量は約 0.013 mm（半径ベース）、熱膨張量は約 0.03 mm （半径ベース）と算出され 22％程度のすきま減少となり、この場合でも上記と同様の理由によりさらなる高速運転には適さないと考えられる。
【００２４】
ガラス繊維または炭素繊維を 30 重量％添加したＰＥＥＫ樹脂と、炭素繊維や芳香族ポリアミド繊維の機械的物性を表１に纏める。炭素繊維や芳香族ポリアミド繊維は繊維強化ＰＥＥＫ樹脂よりも極めて大きな引張強度や引張弾性率を有していることが分かる。また、芳香族ポリアミド繊維の線膨張係数は極めて小さな負の値であり、温度上昇によってわずかに収縮することを意味している。
【００２５】
したがって、図２に示すように、機械的強度や耐熱膨張性に優れた繊維強化ＰＥＥＫ樹脂製の保持器基体の表面を炭素繊維や芳香族ポリアミド繊維で拘束することにより、より一層の機械的強度や耐熱膨張性を付与した保持器を得ることができる。すなわち、この保持器を用いる転がり軸受は一層の高速運転が可能となる。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
一方、内輪内径 50〜100 mm 程度の円筒ころ軸受を考えると、案内面を潤滑上理想的な動圧油潤滑ジャーナル軸受として機能させるためには、その案内すきま（半径ベース）は、0.05〜0.15 mm 程度である。ただし、内輪案内では高速運転に伴う鋼材の内輪と樹脂材の遠心膨張量と熱膨張量の差異により、案内すきまが増加する。したがって、従来のＰＥＥＫ樹脂を射出成形しただけの保持器では、内輪案内面と保持器が直接接触することはないがジャーナル軸受としての機能が著しく減少し、特に高速運転下での保持器の運動精度が劣化する。すなわち、内輪案内の場合でも保持器基体の表面を炭素繊維や芳香族ポリアミド繊維で拘束することにより、機械的強度や耐熱膨張性が向上し、一層の高速運転が可能となる。
【００２８】
したがって、図３のように、機械的強度や耐熱膨張性に優れた繊維強化ＰＥＥＫ樹脂製の保持器基体の表面を炭素繊維や芳香族ポリアミド繊維で拘束することにより、より一層の機械的強度や耐熱膨張性を付与した保持器を得ることができる。すなわち、この保持器を用いる転がり軸受は一層の高速運転が可能となる。
【００２９】
図４は本発明の転がり軸受の他の実施例を示す図であり、外輪案内保持形式の保持器を円筒ころ軸受に適用した例を示している。この場合の効果も上記の外輪案内保持形式の保持器を用いたアンギュラ玉軸受と同様である。
【００３０】
本発明の転がり軸受に用いる保持器は、内輪案内保持器または外輪案内保持器に限定する必要はなく、転動体案内の保持器の変形抑制にも有効である。また、上述の工作機械用に限らず、各種転がり軸受の樹脂製保持器として広く適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の転がり軸受は保持器の成形性と繊維による強度向上・寸法変化抑制効果の両立を図ることができる。このため工作機械主軸用転がり軸受として好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の転がり軸受を用いた工作機械主軸用スピンドル装置を示す図である。
【図２】本発明の転がり軸受の一実施例を示す図である。
【図３】本発明の転がり軸受の他の実施例を示す図である。
【図４】本発明の転がり軸受の他の実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０    工作機械主軸用スピンドル装置
２０    アンギュラ玉軸受
２１    外輪
２２    内輪
２３    転動体（玉）
２４    保持器
２５    円環溝
３０    円筒ころ軸受
３１    外輪
３２    内輪
３３    ころ
３４    保持器
３５    円環溝
４０    ビルトインモータ
４１    ステータ
４２    ロータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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