JP2010002011A - 旋回軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 保持器で転動体を保持する構成であり、フレッティングが生じ難く、保持器の軽量化を図れて、保持器、または保持器と接触する部材の摩耗を抑制することができる旋回軸受を提供する。
【解決手段】 内輪１と、外輪２と、これら内外輪１，２の各軌道面１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ間で転動自在な複数の転動体３と、各転動体３を保持する保持器４とを備える。保持器４はセラミックス製である。セラミックスは、βサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる焼結体、またはβサイアロンを主成分とし、残部焼結助剤および不純物からなる焼結体から構成されている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、例えば風力発電装置等の旋回部分に用いられる大型または超大型の旋回軸受に関する。

図１３および図１４は風力発電装置の１例を示す。この風力発電装置１１は、支持台１２上にナセル１３を水平旋回自在に設け、このナセル１３のケーシング１４内に主軸１５を回転自在に支持し、この主軸１５のケーシング１４外に突出した一端に、旋回翼であるブレード１６を取付けてなる。主軸１５の他端は増速機１７に接続され、増速機１７の出力軸１８が発電機１９のロータ軸に結合されている。

風力発電装置は規模が非常に大きく、１枚のブレード１６の長さが数１０メートル、中には１００メートルを超えるものもある。そのため、ブレード１６が主軸１５回りに回転する際に、その回転位置、例えば主軸１５よりも上側の位置と下側の位置とで、ブレード１６が受ける風の風速が異なる。風速が違っていても各ブレード１６が同じ荷重を受けるように、ブレード１６が回転する間に、風速に応じて各ブレード１６の風に向かう角度を調整する。また、常に各ブレード１６が正面から風を受けるように、風向きの変化に応じてナセル１３の向きを変える（ヨー）。なお、風速が速過ぎて多大な荷重を受ける恐れがある場合には、ナセル１３の向きを通常の逆にして、風が抜けるようにすることもある。

このように、風力発電装置では、風の状態に合わせてブレード１６の角度およびナセル１３の向きを随時変える必要があるため、ブレード１６およびナセル１３はそれぞれ旋回軸受２１，２２により旋回自在に支持され、図示しない駆動手段により旋回させるようになっている。風力発電装置の旋回軸受の特徴としては、寸法が非常に大きいこと、旋回の揺動角が比較的小さいこと、変動荷重を受けることが挙げられる。
寸法に関しては、ブレード用で外輪外径１０００〜３０００ｍｍ、ヨー用で同１５００〜３５００ｍｍである。揺動角に関しては、ブレード用で最大約９０°、ヨー用で最大３６０°である。変動荷重に関しては、ブレード用およびヨー用のいずれについても変動荷重を受けるが、特にブレード用が急激な変動荷重を受けることが多い。
特開２００２−３３９９８１号公報

上述したように、風力発電装置の旋回軸受は、変動荷重により比較的狭い旋回範囲内で頻繁に揺動するため、フレッティングが生じやすい。フレッティングを防止するには、内部すきまを負すきまにして、転動体と軌道輪との滑りを抑える必要がある。一方、負すきまにすると、揺動時に個々の転動体の接触角が変わり、転動体の公転速度が変化することにより、転動体の進み遅れが生じるが、負すきまにして負荷域が広がることにより進み遅れの影響は大きくなる。この進み遅れにより各転動体が散らばることがなく、常に各転動体が等間隔に保持されるようにするために、間座スペーサではなく、保持器で転動体を保持するのが望ましい。

しかし、風力発電装置用のような大型または超大型の旋回軸受に、中型以下の旋回軸受と同様に鋼製保持器を用いた場合、保持器の重量が非常に重くなるため、保持器とその案内面である内輪外径面または外輪内径面との間に大きな荷重が作用し、両者の摩耗が大きいという問題がある。また、鋼製保持器であると、保持器のポケットの内周面と転動体間に発生する摩耗も大きい。なお、JIS B 0104-1991によると、大型軸受は外輪外径が１８０〜８００ｍｍのものと定義されている。

したがって、風力発電装置用の旋回軸受に保持器を用いる場合、フレッティング対策に加えて、保持器の軽量化を図ることが重要な課題となる。従来、旋回軸受において、保持器の軽量化について特に提案はなされていないが、保持器を複数のセグメントに分割された分割保持器（例えば特許文献１）にすれば、軽量化に効果があると考えられる。分割保持器の採用も保持器の軽量化に対する解決策の一つではあるが、さらに根本的な解決策が求められている。

この発明の目的は、保持器で転動体を保持する構成であり、フレッティングが生じ難く、保持器の軽量化を図れて、保持器、または保持器と接触する部材の摩耗を抑制することができる旋回軸受を提供することである。

この発明にかかる旋回軸受は、内輪と、外輪と、これら内外輪の各軌道面間で転動自在な複数の転動体と、各転動体を保持する保持器とを備え、前記保持器がセラミックス製であることを特徴とする。

保持器をセラミックス製とすれば、以下の作用効果が得られる。
・ セラミックスは、鋼に比べて密度が小さい。このため、保持器の軽量化が図れ、保持器とその案内面である内輪外径面または外輪内径面との間に作用する荷重を小さくして、両者の摩耗を抑制できる。
・ セラミックスは、鋼に比べて硬度が高い。このため、保持器の耐摩耗性が向上する。例えば、転動体と接触するポケットの内周面の摩耗を抑えることができる。
・ 焼結体であるセラミックスは保油性が良好である。このため、保持器に含浸している油が保持器と内輪外径面または外輪内径面間で潤滑油として作用し、両者の摩耗が抑制される。また、保持器に含浸している潤滑油が内外輪の軌道面および転動体の転走面に供給されることにより、軌道面および転走面の潤滑性が向上する。
・ セラミックスは耐食性が高く、絶縁性を有する。このため、腐食や電食により保持器が損傷することを抑制できる。

前記セラミックスは、βサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる焼結体から構成されたものとすることができる。また、前記セラミックスは、βサイアロンを主成分とし、残部焼結助剤および不純物からなる焼結体から構成されたものとしてもよい。以後、両者を含めて「サイアロン焼結体」とする。

サイアロン焼結体は、低圧、例えば１ＭＰａ以下の圧力下で焼結されるため、１０ＭＰａ以上の圧力下で加圧焼結する一般的なセラミックス、例えば窒化珪素を主成分とする焼結体（以下、「窒化珪素焼結体」とする）に比べて、製造コストを低く抑えることができる。

前記セラミックスがサイアロン焼結体である場合、前記保持器は、主成分がβサイアロン、残部が不純物である混合物を保持器の概略形状に成形した成形体を作製する成形工程と、前記成形体を焼結して表面に緻密性の高い層である緻密層が形成された保持器原形を作製する焼結工程と、前記保持器原形における前記転動体が収容されるポケットの内周面に対し、表面の前記緻密層を除去して内部の緻密性の低い部分を露出させる仕上げ工程とを経て製造されたものとするか、あるいは前記保持器は、主成分がβサイアロン、残部が焼結助剤および不純物である混合物を保持器の概略形状に成形した成形体を作製する成形工程と、前記成形体を焼結して表面に緻密性の高い層である緻密層が形成された保持器原形を作製する焼結工程と、前記保持器原形における前記転動体が収容されるポケットの内周面に対し、表面の前記緻密層を除去して内部の緻密性の低い部分を露出させる仕上げ工程とを経て製造されたものとする。

保持器を上記の各工程を経て製造されたものとすると、保持器のポケット内周面は、サイアロン焼結体における緻密性の低い部分が露出した状態となる。この緻密性の低い部分は、空孔率が高く、緻密層よりも保油性に優れる。このため、保持器のポケット内周面と転動体の転走面間の潤滑性をより一層向上させられる。

上記各工程を経て保持器を製造する場合、前記仕上げ工程で前記保持器原形における前記ポケットの内周面の表面を除去する厚さが５００μｍ以上であるのが良い。
緻密層は、焼結体の表面から厚さ５００μｍ程度の領域に形成される。そのため、ポケットの内周面の表面を除去する厚さが５００μｍ以上であれば、確実に緻密層を除去して内部の緻密性の低い部分を露出させることができる。

また、前記仕上げ工程で、前記保持器原形における前記転動体が収容されるポケットの内周面に対し、表面の前記緻密層を除去して内部の緻密性の低い部分を露出させる加工に加えて、前記ポケットの内周面以外の箇所に対し、平滑化のため表面層を除去する加工を行う場合、その表面層の除去厚さが１５０μｍ以下であるのが良い。
緻密層における焼結体の表面から厚さ１５０μｍ程度の領域には、緻密層内の他の領域よりもさらに緻密性が高い高緻密層が形成される。そのため、ポケットの内周面以外の箇所を平滑化のため表面層を除去する加工を行う場合、その表面層の除去厚さを１５０μｍ以下とすることにより、高緻密層を残存させ、保持器の耐摩耗性を向上させることができる。

この発明において、前記転動体がβサイアロンを主成分とする焼結体からなっていてもよい。その場合、前記同様、残部が不純物であっても、あるいは焼結助剤および不純物であってもよい。
転動体がβサイアロンを主成分とする焼結体（サイアロン焼結体）からなっていれば、保持器がサイアロン焼結体からなる場合と同様の理由により、転動体の軽量化、摩耗の抑制、潤滑性の向上、腐食や電食による損傷の抑制を、比較的安価に実現できる。

この発明の旋回軸受は、上記の各作用効果が得られるため、風力発電装置のブレードを主軸に対し、主軸軸心に略垂直な軸心回りに旋回自在に支持するためや、風力発電装置のナセルを支持台に対して旋回自在に支持するために好適に使用できる。

この発明の旋回軸受は、内輪と、外輪と、これら内外輪の各軌道面間で転動自在な複数の転動体と、各転動体を保持する保持器とを備え、前記保持器がセラミックス製であるため、フレッティングが生じ難く、保持器の軽量化を図れて、保持器、または保持器と接触する部材の摩耗を抑制することができる。特に、セラミックスをサイアロン焼結体とした場合は、製造コストを低く抑えることができる。

この発明の実施形態を図１と共に説明する。この旋回軸受は、例えば、風力発電装置のブレードを主軸に対して、主軸軸心に略垂直な軸心回りに旋回自在に支持する軸受、または風力発電装置のナセルを支持台に対して旋回自在に支持する軸受として使用される。

旋回軸受は、内輪１と、外輪２と、これら内外輪１，２の複列の軌道面１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ間にそれぞれ転動自在に介在する各列複数のボールからなる転動体３と、各列の転動体３をポケット４ａ内で別々に保持する保持器４とを備える。

内外輪１，２の軌道面１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂは、いずれも２つの曲面１ａａ，１ａｂ，１ｂａ，１ｂｂ，２ａａ，２ａｂ，２ｂａ，２ｂｂで構成されている。これら２つの曲面は、それぞれ転動体３よりも曲率半径が大きく、曲率中心が互いに異なる断面円弧状である。各軌道面１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂを構成する一対の曲面間は、溝部１ａｃ，１ｂｃ，２ａｃ，２ｂｃになっている。各転動体３は、その転走面３ａが内輪軌道面１ａ，１ｂおよび外輪軌道面，２ａ，２ｂの前記各曲面に接して４点接触する。すなわち、この旋回軸受は４点接触複列玉軸受として構成されている。

保持器４は、内輪軌道面１ａ，１ｂ間および外側の内輪外径面１ｃ、または外輪軌道面２ａ，２ｂ間および外側の外輪内径面２ｃのいずれか、例えば内輪外径面１ｃで案内される。内輪１および外輪２には、取付用ボルト孔５，６がそれぞれ設けられている。内外輪１，２間の軸受空間にはグリースが充填され、この軸受空間の軸方向の両端がシール部材７により密封されている。

保持器４は、サイアロン焼結体から構成されている。サイアロン焼結体は、βサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる焼結体、またはβサイアロンを主成分とし、残部焼結助剤および不純物からなる焼結体のことを言う。

βサイアロンは、セラミックスの一種であり、Ｓｉ_６−ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮ_８−Ｚの組成式で表され、０．１≦ｚ≦３．５を満たす物質である。不純物は、原料に由来するもの、あるいは製造工程において混入するものを含む不可避的不純物を含む。焼結助剤としては、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、珪素（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、希土類元素の酸化物、窒化物、酸窒化物のうち少なくとも１種類以上を採用することができる。なお、焼結助剤は、焼結体のうち２０質量％以下とすることが望ましい。

図２に、サイアロン焼結体から構成される保持器４の製造方法を示す。
βサイアロン粉末準備工程Ｓ１は、βサイアロンの粉末を準備する工程である。例えば、燃焼合成法を採用することにより、安価にβサイアロンの粉末を製造することができる。

混合工程Ｓ２は、βサイアロン粉末準備工程Ｓ１において準備されたβサイアロンの粉末に、焼結助剤を添加して混合する工程である。焼結助剤を添加しない場合は、この工程を省略することができる。

成形工程Ｓ３は、βサイアロンの粉末、またはβサイアロンの粉末と焼結助剤との混合物を、保持器セグメント４Ａの概略形状に成形する工程である。具体的には、βサイアロンの粉末、またはβサイアロンの粉末と焼結助剤との混合物に、プレス成形、鋳込み成形、押し出し成形、転動造粒等の成形手法を適用することにより、保持器４の概略形状に成形された成形体を作製する。

焼結前加工工程Ｓ４は、上記成形体を表面加工して、当該成形体が焼結後に所望の保持器４の形状により近い形状となるよう成形する工程である。具体的には、グリーン体加工等の加工手法を適用することにより、上記成形体が焼結後に保持器４の形状により近い形状となるように成形する。この焼結前加工工程Ｓ４は、成形工程Ｓ３において上記成形体が成形された段階で、焼結後に所望の保持器４の形状に近い形状が得られる状態である場合には省略することができる。

焼結工程Ｓ５は、上記成形体を１ＭＰａ以下の圧力下で焼結する工程である。具体的には、上記成形体を、ヒータ加熱、マイクロ波やミリ波による電波波加熱等の加熱方法により加熱して焼結することにより、保持器４の概略形状を有する焼結体である保持器原形を作製する。

仕上げ工程Ｓ６は、焼結工程Ｓ５において作製された保持器原形に対して仕上げ加工を実施することにより、保持器４を完成させる工程である。具体的には、焼結工程Ｓ５において作製された保持器原形おけるポケットの内周面について、表面の緻密性の高い層である緻密層を除去して内部の緻密性の低い部分を露出させる。ポケット内周面以外の箇所については、平滑化のため表面を軽く研磨するに止める。

ここで、上記焼結工程Ｓ５における焼結により、焼結体の表面から厚さ５００μｍ程度の領域には、内部よりも緻密性が高く、断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は７％以下である緻密層が形成される。さらに、焼結体の表面から厚さ１５０μｍ程度の領域には、緻密層内の他の領域よりもさらに緻密性が高く、断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は３．５％以下である高緻密層が形成されている。したがって、仕上げ工程Ｓ６において、ポケット内周面の焼結体除去厚さは５００μｍ以上とする。これにより、緻密性が低く空孔率の高い部分を露出させて、保油性を高めることができる。また、ポケット内周面以外の箇所の研磨による焼結体除去厚さは１５０μｍ以下とすることが好ましい。これにより、高緻密層を残存させ、保持器４の耐摩耗性を向上させることができる。

一般に、βサイアロン以外のセラミックスの焼結体からなる製品の製造方法においては、熱間静水焼結法（Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓ；ＨＩＰ）、ガス圧焼結法（Ｇａｓ Ｐｒｅｓｓｕｒｅｄ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ；ＧＰＳ）等の加圧焼結法による焼結が採用される。これらの加圧焼結法は、通常１０ＭＰａ以上の圧力下で焼結を行うため、製造コストが高くつく。これに対し、サイアロン焼結体からなる製品の製造方法は、前述したように１ＭＰａ以下の圧力下で焼結するため、製造コストを例えば１／１０程度に低く抑えることができる。よって、保持器４を安価に製造することができる。

内外輪１，２および転動体３の素材は特に限定されない。例えば、鋼、具体的には、ＪＩＳ規格ＳＵＪ２等の軸受鋼や、ＳＣＲ４２０、ＳＣＭ４２０等の浸炭鋼を採用することができる。場合によっては、保持器４と同様に、サイアロン焼結体を用いてもよい。

この旋回軸受は、軸受形式を４点接触玉軸受とし、かつ転動体３を複列に配置したため、構成が簡単でありながら定格荷重が大きい。単純計算で、単列の場合に比べて、静定格荷重が２倍である。転動体３が複列であると、保持器４の軸方向幅が広くなるが、単列である場合に比べて２倍になることはない。そのため、保持器４の軸方向幅をあまり広くすることなく、定格荷重を増加させることができる。転動体３は保持器４により確実に保持されるため、転動体３の進み遅れによって各転動体３が散らばることがなく、常に転動体３を等間隔に保持できる。

表１は、サイアロン焼結体と窒化珪素焼結体と軸受鋼（ＳＵＪ２）の特性を比較したものである。

保持器４をサイアロン焼結体で構成したことにより、以下の作用効果が得られる。
・ サイアロン焼結体は、軸受鋼に比べて密度が小さい。このため、従来の鋼製保持器に比べて保持器４の軽量化が図れ、保持器４とその案内面である内輪外径面１ｃまたは外輪内径面２ｃとの間に作用する荷重を小さくして、両者の摩耗を抑制できる。
・ サイアロン焼結体は、軸受鋼に比べて硬度が高い。このため、保持器４の耐摩耗性が向上する。例えば、転動体３と接触するポケット４ａの内周面の摩耗を抑えることができる。
・ サイアロン焼結体は、空孔が多く、保油性が良好である。このため、保持器４に含浸している潤滑油が保持器４と内輪外径面１ｃまたは外輪内径面２ｃ間で潤滑油として作用し、両者の摩耗が抑制される。また、保持器４に含浸している潤滑油が内外輪１，２の軌道面１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂおよび転動体３の転走面に供給されることにより、軌道面１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂと転動体３の転走面との潤滑性が向上する。
・ サイアロン焼結体は、耐食性が高く、絶縁性を有する。このため、腐食や電食により保持器４が損傷することを抑制できる。

上記の各作用効果は、保持器４が他のセラミックス、例えば窒化珪素焼結体である場合にも言えるが、前述したように、サイアロン焼結体は他のセラミックスよりも低コストであるから、保持器４をサイアロン焼結体で構成する価値は高い。

さらに、ポケット４ａの内周面について、表面の緻密性の高い層である緻密層を除去して、内部の緻密性が低く空孔率の高い部分を露出させることにより、保油性をさらに高めることができる。それにより、保持器４のポケット４ａ内周面と転動体３の転走面３ａ間の潤滑性をより一層向上させられる。

以上の説明のように、この旋回軸受は、構成が簡単で定格荷重が大きく、耐久性に優れ、フレッティングが生じにくいことから、風力発電装置のブレード支持用の旋回軸受２１（図１３）またはナセルのヨー支持用の旋回軸受２２（図１４）に適する。風力発電装置以外では、油圧ショベル、クレーン等の建設機械、工作機械の回転テーブル、パラボラアンテナ等に適用できる。

図３に示すように、各列の保持器４を、円周方向に複数のセグメント４Ａに分割された分割保持器とすることによっても、保持器４の軽量化を図ることができる。しかも、組立性の向上が図れる。各セグメント４Ａは、内外輪１，２の各軌道面１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂに沿って湾曲した板状で、転動体３が嵌り込むポケット４ａが円周方向に並んで複数形成されている。各セグメント４Ａの分割位置はポケット４ａの箇所であり、ポケット４ａに転動体３が保持された状態では、隣合うセグメント４Ａ間に隙間８が形成される。

保持器４を分割保持器とする場合、前記セグメント４Ａは、図４および図５に示すように、円周方向の両端部を、板厚方向の両方の角を先細り状に落とした逃し加工部４ｂとするのがよい。セグメント４Ａの円周方向の端面における逃し加工部４ｂの落とし量ａは、板厚方向の片面につき、セグメント４Ａの板厚ｔの１／１０以上である。逃し加工部４ｂの円周方向の寸法ｂは、前記落とし量ａよりも大きく、例えばｂ≧１０ａとする。この図示例では、逃し加工部４ｂの円周方向の端がポケット４ａの円周方向の端と同位置である。つまり、逃し加工部４ｂは、落とした部分が円周方向の長く延びた形状であり、角のみを落とした面取りとは異なる。

セグメント４Ａの円周方向の両端部を逃し加工部４ｂとしたことにより、図６に示すように、セグメント４Ａが内外輪１，２の軌道面１ａ，２ａ（１ｂ，２ｂ）に対して斜めになって接触しても、セグメント４Ａの円周方向端が軌道面１ａ，２ａ（１ｂ，２ｂ）にエッジ当たりにならず、軌道面１ａ，２ａ（１ｂ，２ｂ）に存在するグリース等の潤滑剤がセグメント４Ａにより排斥されない。そのため、軸受の潤滑性が良好で、耐久性に優れる。また、変動荷重を受ける条件下で、狭い旋回範囲内で頻繁に揺動しても、フレッティングが生じにくい。

図７ないし図９は異なる形状の保持器に示す。この保持器４は、各軌道面１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂに沿って円弧状に湾曲した帯状で、ボール３が嵌り込むポケット４ａが円周方向に並んで形成されている。ポケット４ａ間の部分である柱部４ｂの形状（図９）は、両側部４ｂａが直線状で、中間部が外径側にＶ字形に膨らんだ膨らみ部４ｂｂになっている。このように柱部４ｂの中間部をＶ字形の膨らみ部４ｂｂとすることにより、ポケット４ａの内周面が、円周方向の片側につき２点Ｐ１，Ｐ２でボール３と接触する。膨らみ部４ｂｂがＶ字形であると、保持器４を比較的単純な形状とすることができ、加工が容易である。膨らみ部４ｂｂはＶ字形以外の形状であってもよい。その場合も、ポケット４ａの内周面が、円周方向の片側につき複数点で接触するようにできる。

保持器４のポケット４ａの内周面が、円周方向の片側につき２点Ｐ１，Ｐ２でボール３と接触するため、ボール３から保持器４に加わる力が分散されて、保持器４のボール接触部の応力が低減される。そのため、保持器４の軸方向端からポケット４ａまでの寸法ａを狭くしても、または保持器４の柱部４ｂの最小幅ｂを狭くしても、ボール３の進み遅れにより保持器４に加わる力に耐えられる。よって、保持器４の軸方向幅ｗを狭くして軸受の軸方向寸法をコンパクト化できるとともに、ボール間ピッチｐを狭くしてボール数を増やすことにより、定格荷重をより一層増加させることが可能である。

加えて、ポケット４ａの内周面が、円周方向の片側につき２点Ｐ１，Ｐ２でボール３と接触する構成であると、ボール３と保持器４とが互いに近接している箇所の面積が広く、この近接箇所に潤滑油を多く保持することができるため、軸受の潤滑性が良好である。そのため、変動荷重を受ける条件下で、狭い旋回範囲内で頻繁に揺動しても、フレッティングが生じにくい。

上記各実施形態では、転動体３を複列としたが、単列であってもよい。また、軸受形式は、４点接触玉軸受に限らず、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受であってよく、あるいはころ軸受であってもよい。

サイアロン焼結体の断面における緻密層および高緻密層の形成状態の調査をする試験を行った。試験の手順は以下のとおりである。

はじめに、燃焼合成法で作製した組成が、Ｓｉ_５ＡｌＯＮ_７ であるβサイアロンの粉末（株式会社イスマンジェイ製、商品名メラミックス）を準備し、前記図２に示す保持器の製造方法と同様の方法で、一辺が約１０ｍｍの立方体試験片を作製した。具体的な製造方法は次のとおりである。まず、サブミクロンに微細化されたβサイアロン粉末と、焼結助剤としての酸化アルミニウム（住友化学株式会社製、ＡＫＰ３０）および酸化イットリウム（Ｈ．Ｃ．Ｓｔａｒｃｋ社製、Ｙｔｔｒｉｕｍｏｘｉｄｅ ｇｒａｄｅ Ｃ）とをボールミルを用いて湿式混合により混合した。その後、スプレードライヤーにて造粒を実施し、造粒粉を製造した。当該造粒粉を金型で所定の形状に成形し、さらに冷間静水圧成形（ＣＩＰ）で加圧を行い、成形体を得た。引き続き当該成形体を圧力０．４ＭＰａの窒素雰囲気中で１６５０℃に加熱焼結することで、上記立法体試験片を製造した。

その後、当該試験片を切断し、切断された面をダイヤモンドラップ盤でラッピングした後、酸化クロムラップ盤による鏡面ラッピングを実施することにより、立方体の中心を含む観察用の断面を形成した。そして、当該断面を光学顕微鏡（株式会社ニコン製、マイクロフォト‐ＦＡＸ）の斜光で観察し、倍率５０倍のインスタント写真（フジフィルム株式会社製 ＦＰ−１００Ｂ）を撮影した。その後、得られた写真の画像を、スキャナーを用いて（解像度３００ＤＰ１）パーソナルコンピューターに取り込んだ。そして、画像処理ソフト（三谷商事株式会社製 ＷｉｎＲＯＯＦ）を用いて輝度閾値による２値化処理を行って（本試験での２値化閾値：１４０）、白色領域の面積率を測定した。

次に、試験結果について説明する。図１０は、試験片の上記観察用の断面を光学顕微鏡の斜光で撮影した写真である。また、図１１は、図１０の写真の画像を、画像処理ソフトを用いて輝度閾値により２値化処理した状態を示す一例である。また、図１２は、図１０の写真の画像を、画像処理ソフトを用いて輝度閾値により２値化処理する際に、画像処理を行う領域（評価領域）を示す図である。図１０において、写真上側が試験片の処理側であり、上端が表面である。

図１０および図１１を参照して、図２に示す保持器の製造方法と同様の方法で作成された試験片は、表面を含む領域に内部よりも白色領域の少ない層が形成されていることがわかる。そして、図１２に示すように、撮影された写真の画像を試験片の最表面からの距離に応じて３つの領域（最表面からの距離が１５０μｍ以内の領域、１５０μｍを超え５００μｍ以内の領域、５００μｍを超え８００μｍ以内の領域）に分け、領域毎に画像解析を行って白色領域の面積率を算出したところ、表２に示す結果が得られた。表２においては、図６に示した各領域を１視野として、無作為に撮影された５枚の写真から得られる５視野における白色領域の面積率の、平均値と最大値とが示されている。

表２を参照して、試験片における白色領域の面積率は、内部において１８．５％であったのに対し、表面からの深さが５００μｍ以下である領域においては３．７％、表面からの深さが１５０μｍ以下の領域においては１．２％となっていた。このことから、図２に示す保持器の製造方法と同様の方法で作成された試験片は、表面を含む領域に内部よりも白色領域の少ない緻密層および高緻密層が形成されていることが確認された。

また、参考のために、旋回軸受の転動体をサイアロン焼結体とした場合の転動疲労寿命を確認する試験を行った。なお、本試験は一般の旋回軸受の転動体について行ったが、風力発電装置用の旋回軸受の転動体についても適用できる。試験の手順は以下のとおりである。

まず、試験の対象となる試験軸受の作製方法について説明する。はじめに、燃焼合成法で作製した組成がＳｉ_５ＡｌＯＮ_７であるβサイアロンの粉末（株式会社イスマンジェイ製、商品名メラミックス）を準備し、前記図２に示す保持器の製造方法と同様の方法で、直径９．５２５ｍｍの３／８インチセラミック球を作製した。具体的な製造方法は次のとおりである。まず、サブミクロンに微細化されたβサイアロン粉末と、焼結助剤としての酸化アルミニウム（住友化学株式会社製、ＡＫＰ３０）および酸化イットリウム（Ｈ．Ｃ．Ｓｔａｒｃｋ社製、Ｙｔｔｒｉｕｍｏｘｉｄｅ ｇｒａｄｅ Ｃ）とをボールミルを用いて湿式混合により混合した。その後、スプレードライヤーにて造粒を実施し、造粒粉を製造した。当該造粒粉を金型で球体に成形し、さらに冷間静水圧成形（ＣＩＰ）で加圧を行い、球状の成形体を得た。

次に、当該成形体に対して焼結後の加工代が所定の寸法となるようにグリーン加工を行い、引き続き当該焼結体を圧力０．４ＭＰａの窒素雰囲気中で１６５０℃に加熱して焼結することで、焼結球体を製造した。次に、当該焼結球体にラッピング加工を行い、３／８インチセラミック球（転動体；ＪＩＳ等級 Ｇ５）とした。そして、別途準備した軸受鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２）製の軌道輪と組み合わせて、ＪＩＳ規格６２０６型番の軸受を作成した。ここで、上記焼結球体に対するラッピング加工により除去される焼結球体の厚み（加工代）を８段階に変化させ、８種類の軸受を作製した（実施例Ａ〜Ｈ）。一方、比較のため、窒化珪素および焼結助剤からなる原料粉末を用いて加圧焼結法により焼結した焼結球体（日本特殊陶業株式会社製 ＥＣ１４１）に対して、上述と同様にラッピング加工を行い、別途準備した軸受鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２）製の軌道輪と組み合わせて、ＪＩＳ規格６２０６型番の軸受を作製した（比較例Ａ）。ラッピング加工による加工代は０．２５ｍｍとした。

次に、試験条件について説明する。上述のように作製されたＪＩＳ規格６２０６型番の軸受に対し、最大接触面圧Ｐｍａｘ：３．２ＧＰａ、軸受回転数：２０００ｒｐｍ、潤滑：タービン油ＶＧ６８（清浄油）の循環給油、試験温度：室温、の条件の下で運転する疲労試験を行った。そして、振動検出装置により運転中の軸受の振動を監視し、転動体に破損が発生して軸受の振動が所定値を超えた時点で試験を中止するとともに、運転開始から中止までの時間を当該軸受の寿命として記録した。なお、試験数は実施例、比較例ともに１５個ずつとし、そのＬ_１０寿命を算出した上で、比較例Ａに対する寿命比で耐久性を評価した。

表３に本試験の試験結果を示す。表３を参照して、実施例の軸受の寿命は、その製造コスト等を考慮するといずれも良好であるといえる。そして、加工代を０．５ｍｍ以下とすることにより転動体の表面に緻密層を残存させた実施例Ｄ〜Ｇの軸受の寿命は、比較例Ａの寿命の１．５〜２倍程度となっていた。さらに、加工代を０．１５ｍｍ以下とすることにより転動体の表面に高緻密層を残存させた実施例Ａ〜Ｃの軸受の寿命は、比較例Ａの寿命の３倍程度となっていた。このことから、サイアロン焼結体からなる転動体を備えた旋回軸受は、耐久性において優れていることが確認された。そして、サイアロン焼結体からなる転動体を備えた旋回軸受は、転動体の加工代を０．５ｍｍ以下として、表面に緻密層を残存させることにより寿命が向上し、転動体の加工代を０．１５ｍｍ以下として、表面に高緻密層を残存させることにより寿命がさらに向上することが分かった。

先に述べたように、保持器４以外の軸受部品、例えば転動体３をサイアロン焼結体で構成してもよい。転動体３がサイアロン焼結体で構成されていれば、保持器４がサイアロン焼結体からなる場合と同様の理由により、転動体３の軽量化、摩耗の抑制、潤滑性の向上、腐食や電食による損傷の抑制を、比較的安価に実現できる。

この発明の実施形態にかかる旋回軸受の断面図である。 同旋回軸受の保持器の製造方法の概略を示す図である。 同旋回軸受の保持器および転動体の正面図である。 （Ａ）は同保持器のセグメントの正面図、（Ｃ）はその平面図である。 内輪および外輪と保持器のセグメントとの位置関係を示す図である。 この発明の異なる実施形態にかかる旋回軸受の断面図である。 同旋回軸受の保持器の一部を展開した平面図である。 図７のVIII−VIII断面図である。 図７のIX−IX図である。 試験片の観察用の断面を光学顕微鏡の斜光で撮影した写真である。 図１０の写真の画像を、画像処理ソフトを用いて輝度閾値により２値化処理した状態を示す一例である。 図１０の写真の画像を、画像処理ソフトを用いて輝度閾値により２値化処理する際に、画像処理を行う領域（評価領域）を示す図である。 風力発電用風力発電装置の一例の一部を切り欠いて表した斜視図である。 同風力発電用風力発電装置の破断側面図である。

符号の説明

１…内輪
１ａ，１ｂ…内輪軌道面
２…外輪
２ａ，２ｂ…外輪軌道面
３…転動体
４…保持器
４ａ…ポケット
２１，２２…旋回軸受

Claims (12)

1. 内輪と、外輪と、これら内外輪の各軌道面間で転動自在な複数の転動体と、各転動体を保持する保持器とを備え、前記保持器がセラミックス製である特徴とする旋回軸受。
2. 請求項１において、前記セラミックスは、βサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる焼結体から構成されている旋回軸受。
3. 請求項２において、前記保持器は、主成分がβサイアロン、残部が不純物である混合物を保持器の概略形状に成形した成形体を作製する成形工程と、前記成形体を焼結して表面に緻密性の高い層である緻密層が形成された保持器原形を作製する焼結工程と、前記保持器原形における前記転動体が収容されるポケットの内周面に対し、表面の前記緻密層を除去して内部の緻密性の低い部分を露出させる仕上げ工程とを経て製造されたものである旋回軸受。
4. 請求項３において、前記仕上げ工程で前記保持器原形における前記ポケットの内周面の表面を除去する厚さが５００μｍ以上である旋回軸受。
5. 請求項３または請求項４において、前記仕上げ工程で、前記保持器原形における前記転動体が収容されるポケットの内周面に対し、表面の前記緻密層を除去して内部の緻密性の低い部分を露出させる加工に加えて、前記ポケットの内周面以外の箇所に対し、平滑化のため表面層を除去する加工を行い、その表面層の除去厚さが１５０μｍ以下である旋回軸受。
6. 請求項１において、前記セラミックスは、βサイアロンを主成分とし、残部焼結助剤および不純物からなる焼結体から構成されている旋回軸受。
7. 請求項６において、前記保持器は、主成分がβサイアロン、残部が焼結助剤および不純物である混合物を保持器の概略形状に成形した成形体を作製する成形工程と、前記成形体を焼結して表面に緻密性の高い層である緻密層が形成された保持器原形を作製する焼結工程と、前記保持器原形における前記転動体が収容されるポケットの内周面に対し、表面の前記緻密層を除去して内部の緻密性の低い部分を露出させる仕上げ工程とを経て製造されたものである旋回軸受。
8. 請求項６において、前記仕上げ工程で前記保持器原形における前記ポケットの内周面の表面を除去する厚さが５００μｍ以上である旋回軸受。
9. 請求項７または請求項８において、前記仕上げ工程で、前記保持器原形における前記転動体が収容されるポケットの内周面に対し、表面の前記緻密層を除去して内部の緻密性の低い部分を露出させる加工に加えて、前記ポケットの内周面以外の箇所に対し、平滑化のため表面層を除去する加工を行い、その表面層の除去厚さが１５０μｍ以下である旋回軸受。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれか１項において、前記転動体がβサイアロンを主成分とする焼結体からなる旋回軸受。
11. 請求項１ないし請求項１０のいずれか１項において、風力発電装置のブレードを主軸に対して、主軸軸心に略垂直な軸心回りに旋回自在に支持する旋回軸受。
12. 請求項１ないし請求項１１のいずれか１項において、風力発電装置のナセルを支持台に対して旋回自在に支持する旋回軸受。

Images