JP2002098299A - 極低温用軸受け構造及び歯車構造並びに減速機 - Google Patents

極低温用軸受け構造及び歯車構造並びに減速機

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temperature
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三雅 山田
Kengo Kobayashi
研吾 小林
Kiyoshi Naito
潔 内藤
Toshitaka Saito
利貴 齋藤
Kayoko Hayakawa
佳代子 早川
Haruki Eguchi
晴樹 江口
Kimitoshi Sato
仁利 佐藤
Nobuhiko Tsui
伸彦 津井
Koichi Moroi
浩一 諸井
Hiroyuki Ishiyama
弘之 石山
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Tokyo Gas Co Ltd
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IHI Corp
Tokyo Gas Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 極低温環境下で、かつ、狭隘な設置スペース
で使用可能な軸受け構造、極低温環境下で使用しても、
歯面同士のかじりが生じない歯車構造、及び小型で、極
低温環境下における駆動伝達効率が良好な減速機を提供
するものである。 【解決手段】 極低温環境下で使用する軸受け構造にお
いて、軸１及びすべり軸受け材２をＣｒ，Ｎｉ，Ｍｏを
含有するオーステナイト系ステンレス鋼で形成し、軸１
及びすべり軸受け材２の摺動面Ｓ1 ，Ｓ2 にＭｏＳ2 を
主成分とする焼成型固体潤滑被膜１１を形成したもので
ある。また、極低温環境下で使用する歯車構造におい
て、歯車２をＣｒ，Ｎｉ，Ｍｏを含有するオーステナイ
ト系ステンレス鋼で形成し、その歯面３にＣｒＮからな
るイオンプレーティング被膜１３を形成したものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、極低温用軸受け構
造及び歯車構造並びに減速機に係り、特に、ＬＮＧ貯蔵
タンク内等の極低温環境下で用いられる軸受け構造及び
歯車構造並びに減速機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ＬＮＧ（液化天然ガス）は、メタンガス
を主成分とし、硫黄などを含まない無公害燃料、即ちク
リーンエネルギーとして、発電用都市ガス等の各分野に
使用されている。このＬＮＧは、−１６２℃の極低温状
態で、貯蔵設備である低温タンク内に貯蔵されている。
【０００３】ＬＮＧはクリーンな燃料であることから、
殻体を構成する金属を腐食させることはない。このた
め、適切な管理（メンテナンス）を行えば、低温タンク
の長寿命化を図ることが可能である。つまり、メンテナ
ンスの如何によって低温タンクの寿命が変わってくる。
【０００４】メンテナンス時には、タンク外部の状態だ
けではなく、タンク内部の状態の観察も行い、タンクの
健全性を総合的に評価する必要がある。タンク内部の観
察方法の一手段として、開放点検が挙げられるが、この
場合、１年近い工事期間と多額な費用を必要とする。こ
のため、タンク運転状態で内部を観察することが可能な
小型・高性能の撮像装置が求められている。
【０００５】この撮像装置は、図８に示すように、照明
装置８２と共に、タンク８３の上部に設けられた２本の
小径のノズル８４を介してそれぞれタンク８３内に挿入
されるものであり、撮像装置８１に、パン回転およびテ
ィルト回転自在な回転手段８５，８６をそれぞれ設ける
ことで、タンク８３の内壁の側方および下方を観察でき
るようになっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、撮像装
置８１のパン回転手段８５を構成するモータ８７、減速
機８８、および機構部を含む可動部８９（又はティルト
回転手段８６を構成するモータ（図示せず）、減速機
（図示せず）、および機構部を含む可動部（図示せ
ず））に、従来からのモータ、減速機、および機構部を
適用した場合、以下に示す問題が生じてしまう。
【０００７】（ａ） ＬＮＧ等の極低温環境下では、軸
受けに、潤滑油を使用することができない。
【０００８】（ｂ） 小径のノズル８４の大きさの都合
上、撮像装置８１の外径に制限があり、減速機８８、延
いては減速機８８の歯車サイズも小さく制限されてしま
う。その結果、軸受けに、ころがり軸受け又は軸受けメ
タルを用いるスペースを確保することができない。
【０００９】（ｃ） （ｂ）と同様に、歯車サイズが小
さいことから、軸受けの面圧が高くなってしまい、軸受
けの早期摩耗などで回転摩擦抵抗が大きくなり、減速機
８８の駆動伝達効率が悪くなってしまう。
【００１０】（ｄ） 減速機８８の歯車の歯面同士に
“かじり”が生じてしまい、歯面が微小固着により損傷
しやすい。
【００１１】（ｅ） 内部観察後に大気中に引上げるこ
とによって生じる結露により、減速機８８の軸受け及び
歯車に錆が生じる。
【００１２】以上の事情を考慮して創案された本発明の
目的は、極低温環境下で、かつ、狭隘な設置スペースで
使用可能な軸受け構造を提供することにある。
【００１３】また、本発明の他の目的は、極低温環境下
で使用しても、歯面同士のかじりが生じない歯車構造を
提供することにある。
【００１４】さらに、本発明の更なる目的は、小型で、
極低温環境下における駆動伝達効率が良好な減速機を提
供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく本
発明に係る極低温用軸受け構造は、軸及びすべり軸受け
材をＣｒ，Ｎｉ，Ｍｏを含有するオーステナイト系ステ
ンレス鋼で形成し、軸及びすべり軸受け材の摺動面にＭ
ｏＳ2 を主成分とする焼成型固体潤滑被膜を形成したも
のである。
【００１６】以上の構成によれば、極低温環境下での、
熱衝撃性、潤滑性、耐久性、及び信頼性に優れた軸受け
構造を得ることができる。
【００１７】また、ポリアミドイミド等の耐熱性有機バ
インダにＭｏＳ2 を混入すると共にこれを上記軸及びす
べり軸受け材の摺動面に塗布した後、約２００℃で焼成
して焼成型固体潤滑被膜を形成するのが好ましい。
【００１８】また、上記焼成型固体潤滑被膜の膜厚は６
〜１４μｍが好ましい。
【００１９】また、上記すべり軸受け材の摺動面に、逃
げ溝を形成するのが好ましい。
【００２０】一方、本発明に係る極低温用歯車構造は、
歯車をＣｒ，Ｎｉ，Ｍｏを含有するオーステナイト系ス
テンレス鋼で形成し、その歯面にＣｒＮからなるイオン
プレーティング被膜を形成したものである。
【００２１】以上の構成によれば、極低温−常温間の温
度サイクルを繰返しても耐食性及び耐久性が良好であ
り、極低温環境下で使用しても、歯面同士のかじりが生
じない歯車構造を得ることができる。
【００２２】また、上記イオンプレーティング被膜の膜
厚は２〜８μｍが好ましい。
【００２３】一方、本発明に係る極低温用減速機におい
て、軸、すべり軸受け材、及び歯車を、Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍ
ｏを含有するオーステナイト系ステンレス鋼でそれぞれ
形成し、軸及びすべり軸受け材の摺動面にＭｏＳ2 を主
成分とする焼成型固体潤滑被膜を形成すると共に、各歯
車の歯面にＣｒＮからなるイオンプレーティング被膜を
形成したものである。
【００２４】以上の構成によれば、極低温−常温間の温
度サイクルを繰返しても耐食性及び耐久性が良好であ
り、小型で、極低温環境下における駆動伝達効率が良好
な減速機を得ることができる。
【００２５】また、歯車の軸間距離を、常温時の設計基
準値より大きく形成するのが好ましい。
【００２６】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る極低温用軸受
け構造の好適一実施の形態を添付図面に基いて説明す
る。
【００２７】本発明に係る極低温用軸受け構造の一例で
ある平歯車および歯車軸の横断面図を図１に、図１の２
−２方向矢視図を図２に示す。ここで、図２（ｂ）は、
図２（ａ）の要部Ａの拡大図である。
【００２８】図１および図２（ａ），（ｂ）に示すよう
に、本発明に係る極低温用軸受け構造は、歯車軸（軸）
１及び平歯車（すべり軸受け材）２をＣｒ，Ｎｉ，Ｍｏ
を含有するオーステナイト系ステンレス鋼で形成し、歯
車軸１の摺動面Ｓ1 及び平歯車２の摺動面Ｓ2 及びそれ
らの近傍部に、ＭｏＳ2 を主成分とする焼成型固体潤滑
被膜１１を形成したものである。
【００２９】Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏを含有するオーステナイ
ト系ステンレス鋼としては、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１
６Ｌ、ＳＵＳ３１７、ＳＵＳ３１７Ｌ等が挙げられ、特
にＳＵＳ３１６Ｌが好ましい。
【００３０】焼成型固体潤滑被膜１１の膜厚は、６〜１
４μｍが好ましく、より好ましくは８〜１２μｍ、特に
好ましくは１０μｍ前後である。
【００３１】平歯車２の摺動面Ｓ2 には逃げ溝１２が形
成されており、摺動面Ｓ2 の周方向に亘って複数個（例
えば、４個）形成されている。この逃げ溝１２に、歯車
軸１の摺動面Ｓ1 と平歯車２の摺動面Ｓ2 の摺動によっ
て生じた焼成型固体潤滑被膜１１の極微細な粉末（摩耗
粉）が溜まるようになっており、摩耗粉が軸受け隙間に
詰まって、軸トルクが上昇するのを防いでいる。
【００３２】焼成型固体潤滑被膜１１の形成方法として
は、例えば、先ず、歯車軸１及び平歯車２の各摺動面Ｓ
1 ，Ｓ2 の脱脂を行った後、焼成型固体潤滑被膜１１の
形成部以外マスキングを施す。その後、形成部にサンド
ブラスト処理を施した後、マスキングを除去する。この
後、適宜、予備加熱（例えば、４０〜６０℃）を行い、
歯車軸１及び平歯車２を加温してもよい。
【００３３】次に、歯車軸１及び平歯車２の全面に化成
処理を施した後、焼成型固体潤滑被膜１１の形成部以外
にマスキングを施す。その後、ポリアミドイミド樹脂、
フェノール樹脂等の耐熱性有機バインダにＭｏＳ2 を混
入すると共に、この混練物を歯車軸１及び平歯車２の各
摺動面Ｓ1 ，Ｓ2 に塗布した後、マスキングを除去す
る。この後、適宜、予備乾燥（例えば、６０〜８０℃で
２０分以上）を施したり、塗布物をブラシ等でバーニッ
シュしてもよい。
【００３４】最後に、塗布物に対して、約２００℃、好
ましくは１９０℃前後で、１時間前後の焼付処理を施す
ことで、焼成型固体潤滑被膜１１を得ることができる。
【００３５】本発明に係る極低温用軸受け構造によれ
ば、従来、ＳＵＳ３０４で形成していた歯車軸１及び平
歯車２を、Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏを含有するオーステナイト
系ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３１６Ｌ）で形成して
いるため、極低温環境下で使用しても加工誘起マルテン
サイト変態が生じるおそれは殆どなく、ＳＵＳ３０４か
らなる軸受け構造と比較して、低温靱性および防錆性
（耐食性）に優れた軸受け構造を得ることができる。
【００３６】また、ころがり軸受け又は軸受けメタル
は、極低温環境下での潤滑性に実績のあるものの、ある
程度の軸受け設置スペースを必要とするため、狭隘な設
置スペースには不向きであった。これに対して、本発明
に係る極低温用軸受け構造は、すべり軸受け構造を採用
しているため、軸受け設置スペースに左右されることな
く、また、高面圧にも耐え得ることができる。
【００３７】さらに、Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏを含有するオー
ステナイト系ステンレス鋼からなり、すべり軸受け構造
を有した歯車軸１及び平歯車２の摺動面Ｓ1 ，Ｓ2 に、
ＭｏＳ2 を主成分とする焼成型固体潤滑被膜１１を形成
することで、極低温環境下での、熱衝撃性、潤滑性、及
び耐久性に優れた軸受け構造となる。具体的には、歯車
軸１及び平歯車２の摺動面Ｓ1 ，Ｓ2 （軸受け部）に、
極低温環境下で所定の軸受け面圧を負荷した時の摩擦係
数は、０．１前後と非常に低い値を示す。また、焼成型
潤滑被膜１１は、軸受け部に実際に要求される耐久性
（累積回転数）を完全に保証することができ、優れた耐
久性を有している。
【００３８】また、この焼成型潤滑被膜１１は、歯車軸
１及び平歯車２の摺動面Ｓ1 ，Ｓ2（母材）に対して強
固に密着し、極低温−常温間の温度サイクルを繰り返し
ても耐剥離性（付着性）が殆ど劣化しないことから、信
頼性に優れた軸受け構造となる。
【００３９】次に、本発明に係る極低温用歯車構造の好
適一実施の形態を添付図面に基いて説明する。
【００４０】従来の歯車構造の一例としては、歯車の歯
面の表面硬度を向上させ、歯面同士のかじりを防止すべ
く、ＳＵＳ３０４からなる歯車の歯面にカナック処理
（窒化処理）を施したものが挙げられる。このカナック
処理によって、母材表面に窒化物の反応層が形成され、
これに伴って硬度は上昇するが、この反応層によって母
材表面の耐食性は著しく劣化してしまう。よって、この
歯車構造を極低温環境下で使用した後に、常温下（大
気）に戻した時に生じる結露により、歯車の歯面に錆が
生じてしまうという問題があった。
【００４１】本発明に係る極低温用歯車構造は、図１及
び図２に示したＣｒ，Ｎｉ，Ｍｏを含有するオーステナ
イト系ステンレス鋼で形成した平歯車（歯車）２の歯面
３に、ＣｒＮからなるイオンプレーティング被膜１３を
形成したものである。
【００４２】ここで、イオンプレーティング被膜の膜厚
は、２〜８μｍが好ましく、より好ましくは３〜７μ
ｍ、特に好ましくは５μｍ前後である。
【００４３】また、イオンプレーティング被膜の形成方
法としては、特に限定するものではなく、素材（蒸発
源）にＣｒ、反応ガスにＮ2 ガスを使用する慣用のイオ
ンプレーティング法が挙げられる。
【００４４】本発明に係る極低温用歯車構造によれば、
Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏを含有するオーステナイト系ステンレ
ス鋼で形成した平歯車２の歯面３に、ＣｒＮからなるイ
オンプレーティング被膜１３を形成することで、次のよ
うな効果を奏する。
【００４５】被膜１３は、平歯車２の歯面３（母材表
面）に層状に積層形成されることから、母材表面に対す
る被膜１３の形成に伴い、カナック処理時のように窒化
物の反応層が生じることがない。このため、母材自体が
有する特性（良好な低温靱性及び耐食性等）に対して、
被膜１３が影響を及ぼすおそれがない。
【００４６】また、母材自体の耐食性が元々良好である
と共に、被膜１３も耐食性が良好であることから、常温
（大気環境下）に戻した時に生じる結露によって、平歯
車２の歯面３に錆が生じるおそれがない。
【００４７】さらに、平歯車２の歯面３に被膜１３をイ
オンプレーティングすることによって、平歯車２の歯面
３の耐摩耗性及び耐食性を更に向上させることができ
る。
【００４８】また、平歯車２の歯面３に対して、被膜１
３は強固に密着（付着）することから、被膜１３の耐剥
離性（付着性）は良好である。
【００４９】さらに、被膜１３の形成に伴う熱履歴が５
００℃以下であることから、被膜１３の形成に伴う熱に
よって平歯車２の歯面３の耐食性が低下するおそれがな
い。
【００５０】また、極低温−常温間の温度サイクルを繰
返しても、平歯車２の歯面３の耐食性及び耐久性が良好
であり、極低温環境下で使用しても、歯面３同士のかじ
りが生じない。
【００５１】次に、本発明に係る極低温用減速機の好適
一実施の形態を添付図面に基いて説明する。
【００５２】本発明に係る極低温用減速機の概略断面図
を図３に示す。
【００５３】図３に示すように、本発明に係る極低温用
減速機は、複数の駆動ギア（図３中では４つの駆動ギア
３３，３５，３７，３９及びピニオンギア４３）と、複
数の従動ギア（図３中では４つの従動ギア３４，３６，
３８，４０及び内歯車４２）と、各駆動ギア及び各従動
ギアの歯車軸（図３中では入力軸３２、軸５１，５２，
５３，５４、及び出力軸４３）とで構成されるものであ
る。また、これらの各駆動ギア、各従動ギア、及び各歯
車軸（軸、すべり軸受け材、及び歯車）を、Ｃｒ，Ｎ
ｉ，Ｍｏを含有するオーステナイト系ステンレス鋼でそ
れぞれ形成し、各歯車軸及び各ギアの軸受け部（軸及び
すべり軸受け材）の摺動面にＭｏＳ2 を主成分とする焼
成型固体潤滑被膜を形成すると共に、各ギア（歯車）の
歯面にＣｒＮからなるイオンプレーティング被膜を形成
したものである。
【００５４】第１駆動ギア３３は軸５１と連結された第
２従動ギア３４と、第２駆動ギア３５は軸５２と連結さ
れた第３従動ギア３６と、第３駆動ギア３７は軸５３と
連結された第４従動ギア３８と、第４駆動ギア３９は軸
５４と連結された第５従動ギア４０と、ピニオンギア４
１は出力軸４３と連結された内歯車４２と噛合して設け
られる。
【００５５】ここで、各歯車軸３３，５１，５２，５
３，５４，４３の軸間距離（歯車の軸間距離（図３中で
は軸５１と軸５２の軸間距離Ｌ））は、常温時の設計基
準値より大きく形成される。これは、本発明に係る減速
機３０を、極低温環境下で用いた場合、熱収縮により軸
間距離が狭くなるためであり、この熱収縮分を予め計算
に入れた上で実際の各歯車軸の軸間距離が決定されてい
る。
【００５６】減速機３０の駆動機構は、先ず、駆動モー
タ３１の回転が入力軸３２を介して第１駆動ギア３３に
伝達される。次に、第１駆動ギア３３の回転が第２従動
ギア３４に伝達され、第２従動ギア３４の回転が第２駆
動ギア３５を介して第３従動ギア３６に伝達され、第３
従動ギア３６の回転が第３駆動ギア３７を介して第４従
動ギア３８に伝達され、第４従動ギア３８の回転が第４
駆動ギア３９を介して第５従動ギア４０に伝達される。
その後、第５従動ギア４０の回転がピニオンギア４１を
介して内歯車４２に伝達され、内歯車４２の回転が出力
軸４３に伝達されるようになっている。
【００５７】本発明に係る極低温用減速機によれば、歯
車軸及び歯車を、Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏを含有するオーステ
ナイト系ステンレス鋼でそれぞれ形成し、歯車軸及び歯
車の軸受け部（摺動面及びその近傍部）にＭｏＳ2 を主
成分とする焼成型固体潤滑被膜を形成することで、極低
温環境下で使用可能で、極低温−常温間の温度サイクル
を繰返しても装置の信頼性が高い減速機を得ることがで
きる。
【００５８】また、小型で、極低温環境下における起動
トルクが低く、駆動伝達効率が良好で、かつ、出力トル
クが高い減速機を得ることができる。
【００５９】さらに、本発明に係る極低温用減速機を、
図８に示した撮像装置８１に適用することで、極低温−
常温間の温度サイクルの繰返し使用に耐え、かつ、信頼
性の高い撮像装置を得ることができる。
【００６０】本実施の形態においては、前実施の形態に
おいて詳述した軸受け構造及び歯車構造を備えた減速機
について説明を行ったが、特に減速機のみに限定するも
のではなく、前述した軸受け構造及び歯車構造の特性
（性能）が要求される歯車伝達手段（例えば、変速機な
ど）にも適用することができる。
【００６１】次に、Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏを含有するオース
テナイト系ステンレス鋼で形成した歯車軸及び歯車を用
いてパン減速機を作製した。この時、歯車軸及び歯車の
軸受け部に、ＭｏＳ2 を主成分とする焼成型固体潤滑被
膜を形成したものと、被膜を形成していないものとの２
種類のパン減速機を用意した。これらのパン減速機にお
ける常温での入力トルクを計測した。
【００６２】入力トルク計測試験は、各減速機の入力軸
及び出力軸を水平に保持し、出力フランジ面に重りを吊
り下げ、この重りを重力に逆らって引上げる時に必要な
入力トルクを計測することで行った。ここで、負荷荷重
は、０ｋｇｆ、２ｋｇｆ、４ｋｇｆ、及び８．３ｋｇｆ
（０ kgf・cm、８．４ kgf・cm、１６．８ kgf・cm、及
び３４．９ kgf・cm）と変えて行った。
【００６３】軸受け部に、ＭｏＳ2 を主成分とする焼成
型固体潤滑被膜を有さないパン減速機を用いた計測試験
結果を表１に示す。また、軸受け部に、ＭｏＳ2 を主成
分とする焼成型固体潤滑被膜を形成した減速機を用いた
計測試験結果を表２に示す。
【００６４】
【表１】
【００６５】
【表２】
【００６６】表１，２に示すように、軸受け部に焼成型
固体潤滑被膜を形成することで、入力トルク（ kgf・c
m）は著しく減少し、かつ、減速機の全体効率（％）及
び歯車１段当たりの効率（％）は大幅に向上している。
この傾向は、負荷荷重が大きくなる程、顕著に現れてい
る。
【００６７】また、Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏを含有するオース
テナイト系ステンレス鋼で形成した歯車軸及び歯車の軸
受け部に、ＭｏＳ2 を主成分とする焼成型固体潤滑被膜
を形成したパン減速機について、入力軸の最大抵抗トル
ク（起動トルク（gf・cm））を計測した。ここで、最大
抵抗トルクの計測は、２つの異なる温度環境（常温下及
び液体窒素温度下）で行った。
【００６８】最大抵抗トルクの計測試験結果を表３に示
す。ここで、表３中におけるＣＷは時計回りを、ＣＣＷ
は反時計回りを示している。
【００６９】
【表３】
【００７０】表３に示すように、常温下における時計回
り及び反時計回りの最大抵抗トルクは１３０gf・cm、９
７．５gf・cmであるのに対して、液体窒素温度下におけ
る時計回り及び反時計回りの最大抵抗トルクは９７．５
gf・cm、６５gf・cmであり、時計回り及び反時計回りの
両方で、最大抵抗トルクが減少していることがわかる。
また、最大抵抗トルクの場合と同様に、モータ最大トル
クに占める抵抗の割合（（％）；（入力軸の最大抵抗ト
ルク×１００）／モータ最大トルク）も、常温下より液
体窒素温度下の方が小さくなっている。
【００７１】また、常温下における時計回り及び反時計
回りの抵抗を、それぞれ１とした場合、液体窒素温度下
における時計回り及び反時計回りの抵抗は、それぞれ
０．７４、０．６７となり、抵抗が３０％程度減少して
いることがわかる。この抵抗減少の理由として、２つの
理由が挙げられ、一つは、固体潤滑被膜の（潤滑性に関
する）温度特性、もう一つは、液体窒素中では減速機全
体の温度が均一であり、熱収縮の不均一に起因する歪み
が生じないためであると考えられる。
【００７２】さらに、本発明に係る極低温用減速機を、
図８に示した撮像装置８１におけるパン減速機８８及び
ティルト減速機（図示せず）に実際に適用し、減速機の
効率及び起動トルクを評価する入力トルク計測試験と減
速機の出力トルクを評価するモータ駆動試験の２つの試
験を行った。ここで、減速機として、歯車軸の軸間距離
を設計基準値から０．０６ｍｍ、０．１０ｍｍ大きくし
た減速機（以下、軸間距離＋０．０６ｍｍの減速機、軸
間距離＋０．１０ｍｍの減速機と示す）の２種類を用い
た。また、各試験は、３つの異なる温度環境（常温下、
液体窒素気層下（−６１℃〜−５４℃）、及び液体窒素
温度下）で行った。
【００７３】 入力トルク計測試験 パン減速機にダミーモータ軸を取付け、また、パン減速
機の出力軸に、４０．２５kg・cm、６９．２５kg・cm、
及び８９．２５kg・cmのトルクに相当する重りを取付け
た。その後、出力軸に各重りを取り付け、所定の入力ト
ルクを与えた時の、パン減速機の起動トルクをバネ量り
で計測した。また、パン減速機の効率を計算によって求
めた。同様に、ティルト減速機についても、起動トルク
を計測すると共に、効率を求めた。
【００７４】パン減速機の減速機効率を表４に示す。
【００７５】
【表４】
【００７６】表４に示すように、軸間距離＋０．０６ｍ
ｍの減速機の各温度環境の効率は、常温下で６８％、液
体窒素気層下で５０〜６７％、液体窒素温度下で５１〜
６８％であった。また、軸間距離＋０．１０ｍｍの減速
機の各温度環境の効率は、常温下で７８〜８２％、液体
窒素気層下で７１〜７８％、液体窒素温度下で５３〜７
７％であった。
【００７７】パン減速機の設計効率を約６５％前後とし
ていた事を踏まえて、これらの値を評価すると、良好な
効率を有していることがわかる。また、軸間距離＋０．
０６ｍｍの減速機及び軸間距離＋０．１０ｍｍの減速機
のどちらにおいても、低温になる程、効率が低くなるこ
とがわかる。さらに、軸間距離＋０．０６ｍｍの減速機
と軸間距離＋０．１０ｍｍの減速機とを比較すると、後
者の方が高効率であることがわかる。
【００７８】ティルト減速機の起動トルクを表５に示
す。
【００７９】
【表５】
【００８０】表５に示すように、軸間距離＋０．０６ｍ
ｍの減速機の起動トルクは、常温下で０．０２６kg・c
m、液体窒素気層下で０．０３３kg・cm、液体窒素温度
下で０．０４０kg・cmであった。また、軸間距離＋０．
１０ｍｍの減速機の各温度環境の効率は、常温下で０．
０１５kg・cm、液体窒素気層下で０．０３１kg・cm、液
体窒素温度下で０．０３４kg・cmであった。
【００８１】モータの最大トルクが約１kg・cmであるこ
とから、これらの値は、モータの最大トルクと比較して
非常に小さな値であることがわかる。また、軸間距離＋
０．０６ｍｍの減速機及び軸間距離＋０．１０ｍｍの減
速機のどちらにおいても、低温になる程、大きな起動ト
ルクが必要となることがわかる。さらに、軸間距離＋
０．０６ｍｍの減速機と軸間距離＋０．１０ｍｍの減速
機とを比較すると、後者の方が低トルクで起動可能であ
ることがわかる。
【００８２】 モータ駆動試験 アンプ（ＡＭＬ社製）を用いてモータを駆動させると共
に、パン減速機の出力軸に負荷する荷重を徐々に大きく
し、出力軸が停止した時の荷重を計測し、パン減速機の
出力トルクを求めた。ティルト減速機については、アン
プを用いてモータを駆動させ、３つの異なる温度環境で
の作動の確認を行った。
【００８３】パン減速機の最大出力トルクを表６に示
す。
【００８４】
【表６】
【００８５】表６に示すように、軸間距離＋０．０６ｍ
ｍの減速機の各温度環境の最大出力トルクは、常温下で
５０．０kg・cm、液体窒素気層下で４０．０kg・cm、液
体窒素温度下で３７．０kg・cmであった。また、軸間距
離＋０．１０ｍｍの減速機の各温度環境の最大出力トル
クは、常温下で６２．９kg・cm、液体窒素気層下で５
０．２５kg・cm、液体窒素温度下で３９．０kg・cmであ
った。
【００８６】パン回転の必要トルクは約３５kg・cmであ
ることから、軸間距離＋０．０６ｍｍの減速機及び軸間
距離＋０．１０ｍｍの減速機のどちらも、各温度環境の
最大出力トルクは十分であった。また、軸間距離＋０．
０６ｍｍの減速機と軸間距離＋０．１０ｍｍの減速機と
を比較すると、後者の方が高トルクを発生することがわ
かる。
【００８７】また、本モータ駆動試験で用いたアンプ及
びモータの常温の出力トルクを測定したところ、０．５
０５kg・cmであった。この値から、液体窒素温度下での
出力トルクは０．２５〜０．３４kg・cm、液体窒素温度
下での効率は約４９〜６５％と推測される。ここで、図
８に示した撮像装置８１に実際に用いられるモータの、
液体窒素温度下の出力は、０．８７〜０．９８kg・cmで
あることから、本モータ駆動試験で用いた減速機を撮像
装置８１に適用した場合、液体窒素温度下で１００kg・
cm以上の出力トルクが得られることがわかる。
【００８８】一方、ティルト減速機に対するモータ駆動
試験の結果、各温度環境下で、異常なく作動することが
確認できた。
【００８９】
【実施例】（実施例１）ＳＵＳ３１６Ｌからなり、縦５
０ｍｍ、横１００ｍｍ、厚さ３ｍｍで、表面粗さ（Ｒ
ａ）が０．８の鋼板の片面に、ポリアミドイミド樹脂の
有機バインダにＭｏＳ2 を主成分とした混合物を混入し
てなる混練物を塗布する。その後、鋼板に対して焼付処
理を施し、膜厚が１０±２μｍの焼成型固体潤滑被膜を
有する試験片１を得る。
【００９０】（実施例２）フェノール樹脂の有機バイン
ダにＭｏＳ2 と黒鉛の混合物を混入してなる混練物を用
いる以外は、実施例１と同様にして試験片２を得る。
【００９１】（実施例３）フェノール樹脂の有機バイン
ダにＭｏＳ2 を混入してなる混練物を用いる以外は、実
施例１と同様にして試験片３を得る。
【００９２】実施例１〜３における焼成型固体潤滑被膜
の鋼板に対する付着性を評価すべく、剥離試験を行っ
た。剥離試験は、温度サイクル試験の前後に、被膜のテ
ープテスト（ＡＳＴＭ Ｄ２５１０に準ずる）を行い、
被膜が鋼片から剥離するかどうかで評価を行った。ここ
で、温度サイクル試験は、大気温度の各試験片を、液体
窒素（−１９６℃）中に浸漬させ、気泡が完全にでなく
なるまで（各試験片の温度が液体窒素温度になるまで）
放置し、その後、液体窒素中から各試験片を取り出し、
窒素ガスでブローすると共に被膜に付着した水分を乾燥
させながら常温まで昇温し、これを１サイクルとして１
６０回繰り返し行うものである。
【００９３】温度サイクル試験後においても、各試験片
の被膜に外観の異常は認められず、また、テープテスト
後においても、被膜の変色、変形、剥離などの異常は認
められなかった。すなわち、各試験片の被膜は、極低温
で繰返し使用しても、付着性が低下することはないこと
が伺えた。
【００９４】（実施例４）ＳＵＳ３１６Ｌからなり、外
径が８ｍｍφ、長さが８０ｍｍ、軸受け部長さが１５ｍ
ｍのロッド及び内径が８ｍｍφ、高さ１５ｍｍの軸受け
の表面に、ポリアミドイミド樹脂の有機バインダにＭｏ
Ｓ2 を主成分とした混合物を混入してなる混練物を塗布
する。その後、ロッド及び軸受けに対してそれぞれ焼付
処理を施し、膜厚が５μｍの焼成型固体潤滑被膜を有す
るロッド及び軸受けを得る。
【００９５】ロッド及び軸受けの被膜の軸受け性能を評
価すべく、ロッド及び軸受けを用いて模擬軸受けを形成
し、摩擦寿命試験を行った。摩擦寿命試験は、液体窒素
中において、回転数を２９２ｒｐｍ、試験時間を１０時
間とし、荷重を１０ｋｇ／ｃｍ2 、２０ｋｇ／ｃｍ2 、
４０ｋｇ／ｃｍ2 と変えて行った。
【００９６】摩擦寿命試験において各荷重を負荷した時
の累積回転数（×１０5 ｒｐｍ）と摩擦係数との関係を
図４に示す。ここで、図４における白丸印は荷重が１０
ｋｇ／ｃｍ2 の場合を、白四角印は荷重が２０ｋｇ／ｃ
ｍ2 の場合を、白三角印は荷重が４０ｋｇ／ｃｍ2 の場
合を、黒丸印、黒四角印、黒三角印は、荷重が１０ｋｇ
／ｃｍ2 、２０ｋｇ／ｃｍ2 、４０ｋｇ／ｃｍ2 の場合
の大気温度での摩擦係数を示している。
【００９７】図４に示すように、試験開始からしばらく
の間は摩擦係数がやや大きいものの、間もなくすると馴
染みが生じ、摩擦係数は０．０７〜０．１６と小さくな
った。また、図４から、摩擦係数は、負荷荷重が大きい
程小さくなり、安定する傾向にあることがわかる。さら
に、累積回転数が１．７５×１０5 の時においても摩擦
係数に殆ど変化が見られないことから、この被膜は、累
積回転数１．７５×１０5 以上の寿命（耐久性）を有す
ることがわかる。
【００９８】（実施例５）ＳＵＳ３１６Ｌからなり、縦
４０ｍｍ、横３０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの鋼板の片面に、
膜厚が１μｍのＣｒＮイオンプレーティング被膜を有す
る試験片５を得る。
【００９９】（実施例６）ＳＵＳ３１６Ｌからなり、縦
４０ｍｍ、横３０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの鋼板の片面に、
膜厚が３μｍのＣｒＮイオンプレーティング被膜を有す
る試験片６を得る。
【０１００】試験片５及び試験片６に対して、図８に示
した撮像装置８１の実際の温度サイクルを加速付与（連
続的に付与）し、極低温環境下におけるＣｒＮイオンプ
レーティング被膜の健全性について評価を行った。
【０１０１】被膜の健全性を評価する試験として、温度
サイクル試験を用い、温度サイクルを変えて２つの試験
を行った。一つは、液体窒素液中に各試験片を連続浸漬
（最大１２０時間）する一定温度保持試験であり、もう
一つは、液体窒素液中に各試験片を５分間浸漬した後、
大気中に引き上げて１０分間乾燥させるという温度履歴
を１サイクルとするサイクル試験である。ここで、サイ
クル試験は、温度サイクル数８０回、１６０回の２つの
パターンで行った。
【０１０２】また、被膜の健全性の評価は、被膜の外
観、被膜のＳＥＭ観察、被膜に対する荷重１０ｇｆのビ
ッカース硬さ試験、及び被膜に対するスクラッチ試験に
より行った。ここで、スクラッチ試験は、ダイヤモンド
圧子に負荷する荷重を徐々に増加させながら、９．８ｍ
ｍ／ｍｉｎの速度でダイヤモンド圧子を移動させ、被膜
に割れが発生した時点の力（Ｎ）を読み取ることによっ
て行う。尚、測定は３回行い、膜の剥離は光学顕微鏡で
確認する。
【０１０３】試験片５及び試験片６の両被膜に対する外
観観察によれば、温度サイクル数８０回、１６０回の両
サイクル試験、及び連続浸漬時間１２０時間の一定温度
保持試験後においても、被膜の剥離などはなかった。し
かし、試験片５の温度サイクル数８０回のサイクル試験
後のもの、また、試験片５，６の温度サイクル数１６０
回のサイクル試験後のものについては、被膜の表面に試
験中に生じたと思われる打痕が見受けられた。尚、この
打痕は、実際の歯車における線接触による接触によって
生じたものではなく、点接触による接触で生じたもので
あり、異なる接触モードによって生じたものである。
【０１０４】また、試験片５及び試験片６の両被膜に対
するＳＥＭ観察によれば、サイクル試験及び一定温度保
持試験の前後で、表面上の変化は観察されなかった。こ
こで、前述した打痕について、拡大観察したところ、打
痕により発生した被膜の割れが確認された。しかし、こ
の割れが原因となった被膜の剥離などは無かった。
【０１０５】試験片５に対するビッカース硬さ試験によ
れば、図５に示すように、サイクル試験及び一定温度保
持試験の前後で、顕著な硬度上昇は見られなかった。ま
た、温度サイクル数１６０回のサイクル試験後のものに
ついて、前述した打痕近傍部の硬度を測定したところ、
正常部と比較して殆ど差異がなかった。平均硬度は約３
００Ｈｖであり、本来の膜硬度１０００Ｈｖと比較する
と低い値を示した。これは、被膜の膜厚が薄いことか
ら、硬度測定時に母材等の影響を受けたためだと考えら
れる。
【０１０６】試験片６に対するビッカース硬さ試験によ
れば、図６に示すように、サイクル試験及び一定温度保
持試験の前後で、顕著な硬度上昇は見られなかった。ま
た、温度サイクル数８０回、１６０回のサイクル試験後
のものについて、前述した打痕近傍部の硬度を測定した
ところ、正常部と比較して僅かながら硬度が高かった。
平均硬度は約１０００Ｈｖであり、膜本来の硬度１００
０Ｈｖと略同等の硬度を示した。
【０１０７】試験片５，６に対するスクラッチ試験によ
れば、図７に示すように、剥離に要する力は７０Ｎ以上
であり、母材に対して被膜が強固に密着していることを
確認することができた。
【０１０８】ここで、試験片５の場合、サイクル試験及
び一定温度保持試験の前後で、被膜の密着性に殆ど変化
がなく、剥離に要する力は７５Ｎ前後であった。また、
温度サイクル数１６０回のサイクル試験後のものについ
て、剥離に要する力が約１５Ｎも上昇している理由は、
成膜条件によるものと考えられる（一般に、膜厚が薄い
と成膜条件等の影響を受け易い）。さらに、試験片６の
場合、サイクル試験及び一定温度保持試験の前後で、被
膜の密着性に殆ど変化がなく、剥離に要する力は８５Ｎ
前後であった。よって、極低温環境下における被膜の密
着性については殆ど問題がないといえる。
【０１０９】以上の試験結果を踏まえると、ＣｒＮイオ
ンプレーティング被膜の膜厚として、１μｍはあまり好
ましくなく、母材の保護及び耐摩耗性の観点から２μｍ
以上が好ましく、特に好ましくは２〜８μｍとなる。
【０１１０】以上、本発明の実施の形態は、上述した実
施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のもの
が想定されることは言うまでもない。
【０１１１】
【発明の効果】以上要するに本発明によれば、次のよう
な優れた効果を発揮する。
【０１１２】（１） 極低温環境下での、熱衝撃性、潤
滑性、及び耐久性に優れた軸受け構造を得ることができ
る。
【０１１３】（２） 極低温−常温間の温度サイクルを
繰返しても歯車歯面の耐食性が良好であり、極低温環境
下で使用しても、歯車歯面同士のかじりが生じない歯車
構造を得ることができる。
【０１１４】（３） 極低温−常温間の温度サイクルを
繰返しても耐食性及び耐久性が良好であり、極低温環境
下における駆動伝達効率が良好な減速機を得ることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る極低温用軸受け構造の一例である
平歯車および歯車軸の横断面図である。
【図２】図１の２−２方向矢視図である。
【図３】本発明に係る極低温用減速機の概略断面図であ
る。
【図４】本発明に係る極低温用軸受け構造における焼成
型固体潤滑被膜の累積回転数と摩擦係数との関係を示す
図である。
【図５】本発明に係る極低温用歯車構造における膜厚１
μｍのＣｒＮイオンプレーティング被膜の温度サイクル
数（回）とビッカース硬さ（Ｈｖ）との関係を示す図で
ある。
【図６】本発明に係る極低温用歯車構造における膜厚３
μｍのＣｒＮイオンプレーティング被膜の温度サイクル
数（回）とビッカース硬さ（Ｈｖ）との関係を示す図で
ある。
【図７】本発明に係る極低温用歯車構造におけるＣｒＮ
イオンプレーティング被膜の温度サイクル数（回）と力
（Ｎ）との関係を示す図である。
【図８】ＬＮＧタンクの内部を観察する撮像装置の概略
図である。
【符号の説明】
１ 歯車軸（軸） ２ 平歯車（すべり軸受け材、歯車） ３ 歯面 １１ 焼成型固体潤滑被膜 １２ 逃げ溝 １３ ＣｒＮイオンプレーティング被膜（ＣｒＮからな
るイオンプレーティング被膜） ３０ 減速機 Ｓ1 歯車軸の摺動面 Ｓ2 平歯車の摺動面 Ｌ 軸間距離
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ１６Ｃ 17/10 Ｆ１６Ｃ 17/10 Ｚ ４Ｈ１０４ Ｆ１６Ｈ 1/06 Ｆ１６Ｈ 1/06 ４Ｋ０４４ 55/06 55/06 // Ｃ２２Ｃ 38/00 ３０２ Ｃ２２Ｃ 38/00 ３０２Ｚ Ｃ１０Ｎ 10:12 Ｃ１０Ｎ 10:12 20:00 20:00 Ａ 30:08 30:08 30:12 30:12 40:02 40:02 50:08 50:08 70:00 70:00 (72)発明者 小林 研吾 東京都江東区豊洲三丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社東京エンジニアリング センター内 (72)発明者 内藤 潔 東京都江東区豊洲三丁目２番16号 石川島 播磨重工業株式会社東京エンジニアリング センター内 (72)発明者 齋藤 利貴 東京都江東区豊洲三丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社東京エンジニアリング センター内 (72)発明者 早川 佳代子 東京都江東区豊洲三丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社東京エンジニアリング センター内 (72)発明者 江口 晴樹 東京都江東区豊洲三丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社東京エンジニアリング センター内 (72)発明者 佐藤 仁利 東京都江東区豊洲三丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社東京エンジニアリング センター内 (72)発明者 津井 伸彦 東京都港区海岸一丁目５番20号 東京瓦斯 株式会社内 (72)発明者 諸井 浩一 東京都港区海岸一丁目５番20号 東京瓦斯 株式会社内 (72)発明者 石山 弘之 東京都港区海岸一丁目５番20号 東京瓦斯 株式会社内 Ｆターム(参考） 3E070 AA01 AB32 CC05 DA01 RA01 RA30 3E073 BB00 3J009 EA03 EA11 EA21 EA32 EA44 EB06 EB08 EB22 FA30 3J011 AA08 AA10 AA20 BA02 CA01 CA05 DA01 DA02 JA01 KA02 KA03 LA01 MA02 QA02 SB02 SC03 SC14 SE06 3J030 AC01 BC02 BC03 CA01 4H104 AA19A CE13C EA04C FA06 JA01 LA04 LA06 PA01 QA12 QA22 4K044 AB10 BA11 BB01 BC01 CA22 CA24 CA53

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 極低温環境下で使用する軸受け構造にお
    いて、軸及びすべり軸受け材をＣｒ，Ｎｉ，Ｍｏを含有
    するオーステナイト系ステンレス鋼で形成し、軸及びす
    べり軸受け材の摺動面にＭｏＳ2 を主成分とする焼成型
    固体潤滑被膜を形成したことを特徴とする極低温用軸受
    け構造。
  2. 【請求項２】 ポリアミドイミド等の耐熱性有機バイン
    ダにＭｏＳ2 を混入すると共にこれを上記軸及びすべり
    軸受け材の摺動面に塗布した後、約２００℃で焼成して
    焼成型固体潤滑被膜を形成する請求項１記載の極低温用
    軸受け構造。
  3. 【請求項３】 上記焼成型固体潤滑被膜の膜厚が６〜１
    ４μｍである請求項１又は２記載の極低温用軸受け構
    造。
  4. 【請求項４】 上記すべり軸受け材の摺動面に、逃げ溝
    を形成した請求項１〜３いずれかに記載の極低温用軸受
    け構造。
  5. 【請求項５】 極低温環境下で使用する歯車構造におい
    て、歯車をＣｒ，Ｎｉ，Ｍｏを含有するオーステナイト
    系ステンレス鋼で形成し、その歯面にＣｒＮからなるイ
    オンプレーティング被膜を形成したことを特徴とする極
    低温用歯車構造。
  6. 【請求項６】 上記イオンプレーティング被膜の膜厚が
    ２〜８μｍである請求項５記載の極低温用歯車構造。
  7. 【請求項７】 極低温環境下で使用する減速機におい
    て、軸、すべり軸受け材、及び歯車を、Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍ
    ｏを含有するオーステナイト系ステンレス鋼でそれぞれ
    形成し、軸及びすべり軸受け材の摺動面にＭｏＳ2 を主
    成分とする焼成型固体潤滑被膜を形成すると共に、各歯
    車の歯面にＣｒＮからなるイオンプレーティング被膜を
    形成したことを特徴とする極低温用減速機。
  8. 【請求項８】 歯車の軸間距離を、常温時の設計基準値
    より大きく形成した請求項７記載の極低温用減速機。
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