JP5922892B2 - 転動体の検査方法および転動体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は転動体の検査方法および転動体の製造方法に関し、より特定的には、たとえば転がり軸受の転動体として用いられるセラミックス製の転動体の検査方法および転動体の製造方法に関するものである。

近年、工作機の主軸などの軸に対して、さらなる高速回転化および高精度化の要求がある。そして、このような軸を支持する転がり軸受の転動体として、軽量かつ高硬度なセラミックス製の転動体の需要が高まっている。また、セラミックス製の転動体は、高い絶縁性を有する。そのため、発電機やモーターに用いられる軸受の転動体としても期待されている。さらに、一般的な軸受の転動体である鋼球に比べて軽量であることから、航空機や自動車などの輸送機械における使用も期待される。

転がり軸受には高い信頼性が求められることから、セラミックス製転動体の製造においては、素材欠陥や加工欠陥を検出するための全数検査が必要である。このとき、検出すべき欠陥の大きさは、材料強度などによっても異なるが、概ね２０μｍ以上である。

ここで、転動体表面のキズ、介在物等の欠陥は、目視による外観検査、光学系を用いた転動体表面の光の反射状態を調査する方法などにより検出することができる。また、これらの方法は、検査に要する時間も短いため、量産工程においても採用可能な検査方法である。

しかし、セラミックス製転動体においては、表面だけでなく、内部に欠陥が存在した場合でも、その耐久性が低下する場合がある。そのため、欠陥の検査は、転動体の表面だけでなく、内部全体についても実施する必要がある。

セラミック部品の内部に存在する欠陥を検出可能な方法としては、Ｘ線透過法で得られた画像を積分処理し、積分処理された画像を差分処理することで、セラミック部品の内部欠陥を検出する方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。しかし、この方法では、積分処理するための画像を撮影する必要があるため、撮像時間が長くなる。そのため、この方法を転動体の量産工程における検査方法に採用することは困難である。

また、Ｘ線ＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）を用いて窒化珪素焼結体の気孔分布を評価する方法が知られている（たとえば、特許文献２参照）。この方法では、１０μｍ程度の気孔が検出される。しかし、この方法も、撮像に膨大な時間を要する。そのため、この方法も、転動体の量産工程における検査方法に採用することは困難である。

一方、医療用Ｘ線ＣＴを用いて、Ｘ線源と検出器とを螺旋状に走査させることにより、セラミック構造体の気孔率分布を測定する方法が知られている（たとえば、特許文献３参照）。この方法は、セラミック構造体を比較的短時間で検査することができる。しかしながら、上述のようにＸ線源と検出器とが螺旋状に走査するため、所定の間隔をおいた画像基づいて検査が実施される。そのため、検査対象物全体を漏れなく検査することはできない。したがって、高い信頼性が要求されるセラミックス製転動体の検査方法としては、このような方法は適切であるとはいえない。

特開平８−１４６１３７号公報 特開２００１−２０１４６５号公報 特開２００５−２８３５４７号公報

上述のように、セラミックス製の構造体の内部欠陥（たとえば介在物、空孔など）を検査する方法としては種々の方法が提案されているものの、検査に長時間を要する、構造体内部の全体を漏れなく検査することができない、などの問題があり、セラミックス製転動体の検査方法としては不十分であった。

そこで、本発明の目的は、セラミックス製転動体の全体を漏れなく、かつ短時間で検査することが可能な転動体の検査方法および当該検査方法を採用した転動体の製造方法を提供することである。

本発明に従った転動体の検査方法は、セラミックス製の転動体の検査方法である。この検査方法は、転動体に光源からＸ線を照射する工程と、転動体を透過した当該Ｘ線を検出する工程と、検出されたＸ線のデータを演算して画像を作成する工程と、当該画像に基づいて転動体の欠陥を検出する工程とを備えている。そして、Ｘ線を照射する工程では、光源に対向する転動体の領域全体にＸ線が照射されつつ、光源が転動体の周りを相対的に回転し、画像を作成する工程では、転動体の周り１周分の上記Ｘ線のデータが演算されて画像が作成される。

本発明の転動体の検査方法においては、光源に対向する転動体の領域全体にＸ線が照射されつつ光源が転動体の周りを相対的に回転するとともに、転動体の周り１周分の上記Ｘ線のデータが演算されて画像が作成される。そのため、所定の間隔で撮影された撮像を積算する場合とは異なり、セラミックス製転動体の全体を漏れなく検査することができる。また、転動体の周り１周分の上記Ｘ線のデータに基づいて画像が作成されるため、積分処理するための画像を膨大な時間をかけて撮影する場合とは異なり、短時間での検査が可能となる。このように、本発明の転動体の検査方法によれば、セラミックス製転動体の全体を漏れなく、かつ短時間で検査することができる。

上記転動体の検査方法においては、Ｘ線を照射する工程では、焦点サイズが１０μｍ以下の光源からＸ線が照射されてもよい。

これにより、転動体を光源の焦点に近づけてもボケが少なくなり、高い分解能を得ることができる。その結果、微小な欠陥、たとえば２０μｍ程度の大きさを有する欠陥を容易に検出することが可能となる。

上記転動体の検査方法においては、Ｘ線を照射する工程では、光源から円錐状に広がるＸ線が転動体に照射されてもよい。これにより、光源に対向する転動体の領域全体にＸ線を照射することが容易となる。特に、光源の焦点サイズを１０μｍ以下にまで小さくした場合、Ｘ線が円錐状に広がるように転動体に照射されることで、光源に対向する転動体の領域全体にＸ線を照射することが容易となる。

上記転動体の検査方法においては、上記セラミックスは窒化珪素またはサイアロンを主成分とするセラミックスであってもよい。

窒化珪素やサイアロンなど、原子番号が小さく軽い原子から構成されるセラミックスを主成分とする転動体においては、Ｘ線を透過させることによる内部の検査が容易となる。そのため、本発明の転動体の検査方法は、窒化珪素またはサイアロンを主成分とするセラミックスからなる転動体の検査に好適である。

上記転動体の検査方法においては、欠陥を検出する工程では内部欠陥が検出されてもよい。

本発明の転動体の検査方法では、転動体を透過したＸ線が検出されて検査が実施される。そのため、本発明の転動体の検査方法は、上記目視による外観検査等では検出が困難な内部欠陥の検出に好適である。

上記転動体の検査方法においては、欠陥を検出する工程では、少なくとも２０μｍ以上の大きさの欠陥が検出されてもよい。これにより、セラミックス製転動体の検査方法として、十分な精度を確保することができる。

上記転動体の検査方法においては、欠陥を検出する工程において検出される欠陥は金属介在物または空孔であってもよい。

金属介在物または空孔は、セラミックス製転動体の耐久性等に重大な影響を与える可能性がある。そのため、これらが検出されることにより、転動体の信頼性をより高めることが可能な検査を実施することができる。

本発明に従った転動体の製造方法は、セラミックス製の転動体を作製する工程と、当該転動体を検査する工程とを備えている。そして、転動体を検査する工程では、上記本発明の転動体の検査方法により上記転動体が検査される。

転動体の全体を漏れなく、かつ短時間で検査することが可能な上記本発明の転動体の検査方法が採用されることにより、本発明の転動体の製造方法によれば、信頼性が高いセラミックス製転動体を効率よく製造することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明の転動体の検査方法および転動体の製造方法によれば、セラミックス製転動体の全体を漏れなく、かつ短時間で検査することが可能な転動体の検査方法、当該検査方法を採用した転動体の製造方法、およびその製造方法により製造された転動体を提供することができる。

セラミックス製転動体の製造方法の概略を示すフローチャートである。 本発明の転動体の検査方法を実施するための装置の構成を示す概略図である。 光源および検出部の動作を説明するための図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

図１を参照して、本実施の形態における転動体の製造方法では、まず、工程（Ｓ１０）として原料粉末準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、たとえば窒化珪素、サイアロンなどの原料粉末が準備される。

次に、工程（Ｓ２０）として混合工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、たとえば工程（Ｓ１０）において準備された原料粉末に、別途準備された焼結助剤を添加して混合される。また、複数種類の原料粉末を混合して転動体を製造する場合、この工程（Ｓ２０）においてこれらの原料粉末を混合することができる。なお、焼結助剤を採用せず、かつ単一種類の原料粉末から転動体を製造する場合、この工程（Ｓ２０）を省略することもできる。

次に、工程（Ｓ３０）として成形工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、上記原料粉末、原料粉末同士の混合物または原料粉末と焼結助剤との混合物などの粉末が、転動体の概略形状に成形される。具体的には、上記粉末に、たとえばプレス成形、鋳込み成形、押し出し成形、転動造粒などの成形手法を適用することにより、玉、ころなどの転動体の概略形状に成形された成形体が作製される。

次に、工程（Ｓ４０）として焼結工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、上記成形体が焼結されることにより焼結体が作製される。この工程（Ｓ４０）は、ホットプレス焼結（Ｈｏｔ Ｐｒｅｓｓ；ＨＰ）、熱間静水圧焼結（Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓ；ＨＩＰ）などの加圧焼結法が採用されて実施されてもよいし、常圧焼結法により実施されてもよい。また上記焼結の加熱方法は、ヒータ加熱のほか、マイクロ波やミリ波による電磁波加熱を用いることもできる。

次に、工程（Ｓ５０）として仕上げ工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、工程（Ｓ４０）において作成された焼結体の表面が加工され、当該表面を含む領域が除去される仕上げ加工が実施される。これにより、セラミックス製転動体が完成する。

次に、工程（Ｓ６０）として検査工程が実施される。この工程（Ｓ６０）では、以下に説明する本実施の形態における転動体の検査方法により、上記セラミックス製転動体が検査される。

まず、本実施の形態における転動体の検査方法に使用される検査装置について図２および図３を参照して説明する。図２は、光源の回転軸を含む断面を示しており、図３は光源の回転軸に垂直な断面を示している。図２を参照して、本実施の形態における検査装置１は、Ｘ線ＣＴであって、玉、ころなどの転動体９１を保持するための保持部１１と、保持部１１において保持された転動体９１にＸ線９９を照射するための光源１２と、保持部１１に保持される転動体９１から見て光源１２とは反対側に配置され、転動体９１を透過したＸ線を検出する検出部１３とを備えている。検出部１３としては、たとえば半導体フラットパネル検出器を採用することができる。光源１２と検出部１３とは、図３に示すように、互いの相対的位置関係を維持しつつ、保持部１１に保持される転動体９１を中心として回転することができる。

検査装置１はさらに、検出部１３に接続され、検出部１３において検出されたＸ線のデータを演算する演算部１４と、演算部１４に接続され、演算部１４における演算結果に基づいて画像を形成する画像形成部１５と、画像形成部１５に接続され、形成された画像に基づいて転動体９１の欠陥を検出する欠陥検出部１６とを備えている。

次に、上記検査装置１を用いた本実施の形態における転動体９１の検査方法について説明する。本実施の形態における検査方法では、図２および図３を参照して、まず保持部１１に検査対象となる転動体９１がセットされる。転動体９１は、窒化珪素やサイアロンなど、原子番号が小さく軽い原子から構成されるセラミックスを主成分とするものを採用することができる。

次に、保持部１１に保持された転動体９１に、光源１２からＸ線９９が照射される。このとき、図２および図３に示すように、光源１２に対向する転動体９１の領域全体にＸ線９９が照射される。照射されたＸ線９９は転動体９１を透過し、検出部１３にて検出される。この光源１２からのＸ線９９の照射および検出部１３によるＸ線９９の検出は、図３に示すように転動体９１を中心として光源１２が矢印αに沿って回転し、かつ検出部１３が矢印βに沿って回転することにより、光源１２と検出部１３との相対的位置関係が維持されつつ実施される。

図２を参照して、検出部１３において検出されたＸ線９９のデータは、演算部１４において演算され、その演算結果に基づいて画像形成部１５にて画像が形成される。この画像は、転動体９１の周り１周分のＸ線９９のデータが演算されて形成される。

そして、形成された画像に基づいて、欠陥検出部１６にて転動体９１の欠陥、たとえば金属介在物や空孔などの内部欠陥が検出される。検出される欠陥の大きさは、より小さいことが好ましいが、少なくとも２０μｍ以上の大きさを有する欠陥が検出されることが好ましい。このような高い検出感度を達成するためには、光源１２にマイクロフォーカスＸ線源を採用して焦点サイズを１０μｍ以下、具体的には５μｍ程度とし、光源１２から円錐状に広がるＸ線９９を用いてＸ線の照射および検出を行なう方法、いわゆるコーンビームスキャンによるボリューム測定を実施することが好ましい。

上記本実施の形態における転動体９１の検査方法においては、光源１２に対向する転動体９１の領域全体にＸ線９９が照射されつつ光源１２が転動体９１の周りを相対的に回転するとともに、転動体９１の周り１周分、すなわち転動体９１の周り３６０°分の上記Ｘ線９９のデータが演算されて画像が作成される。そのため、所定の間隔で撮影された撮像を積算する場合とは異なり、転動体９１の全体を漏れなく検査することができる。また、転動体９１の周り１周分の上記Ｘ線９９のデータに基づいて画像が作成されるため、積分処理するための画像を膨大な時間をかけて撮影する場合とは異なり、短時間での検査が可能となる。このように、本実施の形態における転動体９１の検査方法によれば、転動体９１の全体を漏れなく、かつ短時間で検査することが可能となる。その結果、この検査方法を検査工程に組み込んだ本実施の形態における転動体９１の製造方法においては、検査工程が効率よく、かつ精度よく実施されるため、信頼性の高い転動体９１を安価に製造することができる。また、上記検査工程を経て得られる転動体９１は、所定の大きさ以上の欠陥、たとえば２０μｍ以上の大きさの欠陥が含まれないことが確認された転動体となるため、信頼性の高い転動体となる。

本発明の転動体の検査方法により、セラミックス製転動体として用いられるセラミック球の内部欠陥を検査し、その感度、精度等を調査する実験を行なった。実験の手順は以下の通りである。

検査装置としては、実験動物用マイクロＸ線ＣＴ（株式会社リガク製）を用いた。そして、上記実施の形態の場合と同様の方法により、内部欠陥（金属介在物、空孔）が存在する窒化珪素セラミック球およびサイアロンセラミック球（直径３／８インチ）を検査時間１７秒にて検査し、得られた３Ｄ画像データから欠陥の位置を特定した。その後、特定されたその位置でセラミック球を切断し、断面を観察した。また、比較のため、同サイズの鋼球（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２製）についても同様の調査を行なった。実験結果を表１および表２に示す。

表１に示すように、窒化珪素セラミック球およびサイアロンセラミック球については、大きさ２０μｍおよび３０μｍの金属介在物および空孔が検査時間１７秒にて検出された。一方、鋼球についてはＸ線が透過せず、欠陥の大きさに関わらず、内部欠陥の検出はできなかった。

また、表２に示すように、Ｘ線ＣＴにて検出された欠陥の位置および大きさの情報と、実際にセラミック球を切断し、実測された欠陥の位置および大きさの情報とを比較すると、位置、大きさともに、転動体の検査に十分適用可能な精度が得られていることが確認された。

また、比較のため、工業用のステップ式Ｘ線ＣＴによる検査、差分処理によるＸ線透過検査、非線形超音波による検査および医療用Ｘ線ＣＴによる検査の各手法を用いて、窒化珪素セラミック球（直径３／８インチ）の欠陥の検出を試みた。実験結果を表３に示す。

表３を参照して、工業用のステップ式Ｘ線ＣＴによる検査および差分処理によるＸ線透過検査によれば欠陥を検出できたものの、検査時間はそれぞれ８０分および３時間であり、長時間を要した。一方、非線形超音波による検査の場合、音波の当て方等の検査条件の設定が困難であり、欠陥を検出することはできなかった。また、医療用Ｘ線ＣＴによる検査は、検査時間は４０秒であったものの、スライス間隔が０．５ｍｍであったため、欠陥を検出することはできなかった。

以上の実験結果より、本発明のセラミックス製転動体の検査方法によれば、従来の検査方法では実現が困難であった、セラミックス製転動体の全体を漏れなく、かつ短時間で検査することが可能であることが確認された。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の転動体の検査方法、転動体の製造方法および転動体は、転がり軸受の転動体として用いられるセラミックス製の転動体の検査方法、転動体の製造方法および転動体に、特に有利に適用され得る。

１ 検査装置、１１ 保持部、１２ 光源、１３ 検出部、１４ 演算部、１５ 画像形成部、１６ 欠陥検出部、９１ 転動体、９９ Ｘ線。

Claims (8)

1. セラミックス製の転動体の検査方法であって、
   前記転動体に光源からＸ線を照射する工程と、
   前記転動体を透過した前記Ｘ線を検出する工程と、
   検出された前記Ｘ線のデータを演算して画像を作成する工程と、
   前記画像に基づいて前記転動体の欠陥を検出する工程とを備え、
   前記Ｘ線を照射する工程では、前記光源に対向する前記転動体の領域全体に前記Ｘ線が照射されつつ、前記光源が前記転動体の周りを相対的に回転し、
   前記画像を作成する工程では、前記転動体の周り１周分の前記Ｘ線のデータが演算されて前記画像が作成される、転動体の検査方法。
2. 前記Ｘ線を照射する工程では、焦点サイズが１０μｍ以下の前記光源から前記Ｘ線が照射される、請求項１に記載の転動体の検査方法。
3. 前記Ｘ線を照射する工程では、前記光源から円錐状に広がる前記Ｘ線が前記転動体に照射される、請求項１または２に記載の転動体の検査方法。
4. 前記セラミックスは窒化珪素またはサイアロンを主成分とするセラミックスである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の転動体の検査方法。
5. 前記欠陥を検出する工程では内部欠陥が検出される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の転動体の検査方法。
6. 前記欠陥を検出する工程では、少なくとも２０μｍ以上の大きさの欠陥が検出される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の転動体の検査方法。
7. 前記欠陥を検出する工程において検出される欠陥は金属介在物または空孔である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の転動体の検査方法。
8. セラミックス製の転動体を作製する工程と、
   前記転動体を検査する工程とを備え、
   前記転動体を検査する工程では、請求項１〜７のいずれか１項に記載の転動体の検査方法により前記転動体が検査される、転動体の製造方法。

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