JP2005009648A - 直動型軸受装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】固体潤滑膜のはく離に起因する発塵が少なく、クリーンルーム等の特殊な環境下でも長期に渡り安定して使用することのできる直動型軸受装置を提供する。
【解決手段】直動型軸受装置における各軌道溝１ｖ，２１ｖの表面およびリターン孔２１ｈの内周面と、ボール３の表面の少なくとも一方に、ビスアリルナジイミド（ＢＡＮＩ）とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）とからなる被膜４を形成する。この被膜４は、均一で薄く、かつ、強固で耐摩耗性に優れる固体潤滑膜として機能する。以上の構成により、この直動型軸受装置は、従来の直動型軸受装置に比べ、発塵量を低減できるとともに、発塵寿命を向上させることができる。従って、この直動型軸受装置は、真空中やクリーンルーム内など特殊な環境下でも、長期に渡り安定して使用することができる。
【選択図】 図２
【解決手段】直動型軸受装置における各軌道溝１ｖ，２１ｖの表面およびリターン孔２１ｈの内周面と、ボール３の表面の少なくとも一方に、ビスアリルナジイミド（ＢＡＮＩ）とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）とからなる被膜４を形成する。この被膜４は、均一で薄く、かつ、強固で耐摩耗性に優れる固体潤滑膜として機能する。以上の構成により、この直動型軸受装置は、従来の直動型軸受装置に比べ、発塵量を低減できるとともに、発塵寿命を向上させることができる。従って、この直動型軸受装置は、真空中やクリーンルーム内など特殊な環境下でも、長期に渡り安定して使用することができる。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空中やクリーンルーム内など特殊な環境下での使用においても発塵が少なく、長期に渡りその性能を維持することのできる直動型軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造装置等、所要の清浄度が要求される環境においては、物品の搬送や位置決め等に用いられている直動型軸受装置の潤滑にグリース等の潤滑油を用いると、この油分が飛散や蒸発することによる潤滑機能の低下や使用環境の汚染といった不具合が生じる。従来、このような環境で使用される直動型軸受装置には、グリースの代わりに、軌道溝や転動体の表面（転動部位）に金、銀、鉛などの軟質金属、あるいはカーボングラファイトや二硫化モリブデン、ポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥと略称する）等の固体潤滑剤等をコーティングした直動型軸受装置が使用されている（例えば、特許文献１あるいは特許文献２等を参照。）。
【０００３】
この固体潤滑剤の中でも、ＰＴＦＥと樹脂バインダーとからなる被膜（固体潤滑膜）は、その優れた潤滑性・耐摩耗性と形成の容易さによって、真空中やクリーンルーム内など特殊な環境で使用する軸受装置に広く応用されている。この固体潤滑膜は、ＰＴＦＥとバインダーとなる樹脂を有機溶媒中に分散・混合させた溶液を、部材の軌道溝や転動体の表面に、スプレー等を用いて塗布し、その後加熱処理を行なうことによって硬化させたものである（ボンデッドフィルム法）。有機バインダーには、一般的に、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂などの熱硬化性合成樹脂が使用される。
【０００４】
この手法は、ＰＴＦＥの優れた潤滑性や転走部への転着性を利用したものであって、直動型軸受装置の転走部に形成された被膜あるいは転がり運動によって転着した被膜粒子により、直動型軸受装置の潤滑が維持される。また、単独では軸受部材（軸受材料）に対する密着力の弱いＰＴＦＥに、バインダーを添加することにより、ＰＴＦＥの被コーティング面への密着力を高めるとともに、後述する加熱処理を経ることによってＰＴＦＥ間の結合力が高まり、この軸受装置からの発塵を低減することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−３１２６４５号公報
【特許文献２】特開２０００−１７０７３６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＰＴＦＥを用いた固体潤滑膜は、従来スプレー（吹き付け）によるコーティングが主流であり、その被膜を均質なものとするため、ある程度（具体的には、５μｍ〜数十μｍ）の膜厚が必要とされている。しかしながら、この手法によって形成された固体潤滑膜は、膜厚が厚いため、潤滑に寄与しない被膜粒子が発塵量を増加させてしまうという問題があった。
【０００７】
また、スプレー法で膜厚５μｍ以下の被膜を形成しようとした場合、膜厚のばらつきが大きく、まったくコーティングされていない領域や極端に厚い箇所が混在して潤滑が不十分になったり、被膜の欠落やはく離等によって発塵量が増加してしまう恐れがある。
【０００８】
本発明は、上記する課題に対処するためになされたものであり、固体潤滑膜のはく離に起因する発塵が少なく、クリーンルーム等の特殊な環境下でも長期に渡り安定して使用することのできる直動型軸受装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
半導体製造工程においては、製造環境の清浄度が製品の歩留まり（ひいては製造コスト）に影響するため、このような特殊な環境で使用される直動型軸受装置は、更なる低発塵化が求められている。また、半導体製造装置のみならず、製品の製造に使用する装置類に用いられる軸受は、工程の稼働率向上のために、メンテナンスフリーで、かつ、寿命が長いことが望まれている。
【００１０】
このような要望に応えるため、本願の発明者らは、固体潤滑膜を形成した直動型軸受装置について、種々研究を重ねてきた。そして、固体潤滑膜の膜厚のばらつきが発塵量に関与していることに注目し、ＰＴＦＥを固定化するのに最適なバインダー種を検討した結果、ビスアリルナジイミド（以下、ＢＡＮＩと略称する）を用いることによって、均一で薄く、かつ、耐摩耗性に優れる固体潤滑膜が形成可能であることを見出した。
【００１１】
本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。すなわち、本発明によれば、直線状のガイド部材と、このガイド部材に組み付けられたスライドユニットと、前記ガイド部材とスライドユニットとの間に形成されたループ状軌道に組み込まれ、これらガイド部材とスライドユニットの相対的なスライド動作により転動循環する複数のボールとを備える直動型軸受装置において、前記ループ状軌道の軌道溝表面と前記ボールの表面の少なくとも一方に、ビスアリルナジイミドとポリテトラフルオロエチレンとからなる固体潤滑膜を形成することにより、特殊な環境下での使用においても発塵が少なく、かつ、寿命の長い直動型軸受装置とすることができる。
【００１２】
本発明において固体潤滑膜形成のバインダーに使用されるビスアリルナジイミド（ＢｉｓＡｌｌｙｌＮａｄｉｃ Ｉｍｉｄｅ）は、一般式（１）で表されるモノマー単位を有するポリイミド樹脂である。
【００１３】
【化１】
【００１４】
一般式（１）中のＲは脂肪族系または芳香族系の２価の炭化水素連結基を表す。このような２価の炭化水素連結基Ｒとしては、例えばＣ２〜Ｃ２０アルキレン基、Ｃ５〜Ｃ８シクロアルキレン基、Ｃ６〜Ｃ１２芳香族基、−Ａａ−Ｃ６Ｈ４−Ａ’（ａは０または１で、ＡおよびＡ’はそれぞれ独立してＣ１〜Ｃ４のアルキレン基を示す）で表されるアルキレン・フェニレン基、−Ｃ６Ｈ４−Ｔ−Ｃ６Ｈ４−（Ｔは、メチレン基，エチリデン基，プロピリデン基を示す）で表される基等が挙げられる。中でも、下記式（２）、（３）、（４）で表される２価の炭化水素連結基が好ましい。
【００１５】
【化２】
【００１６】
このＢＡＮＩは、熱硬化性イミド樹脂の一種であり、以下のような特徴を備えている。イ．硬化前のＢＡＮＩは、脂肪族アルコール，脂肪族炭化水素を除く殆どの有機溶剤に可溶で、特に、汎用溶剤に高い溶解性を示す。ロ．フッ素樹脂を含む多くの樹脂との相溶性に優れる。ハ．溶液状態での貯蔵安定性に優れる。ニ．金属だけでなく、エンジニアリングプラスチックへの密着性も良好。ホ．硬化後のＢＡＮＩは、ガラス転移点が３００℃以上と高い耐熱性を示し、機械的特性（曲げ強さ，弾性率，硬度，破壊靭性値等）にも優れる。
【００１７】
また、固体潤滑膜の形成に用いられるＰＴＦＥは、一般に、平均分子量数十万から数百万のポリマーまたは２５００以下のテルマーのいずれかで、粒子径が１０〜２０μｍのものが広く用いられている。しかしながら、本発明に使用されるＰＴＦＥは、薄く均一な被膜を得るために、平均粒子径３μｍ以下（平均分子量１０００〜１００００）のポリマーを使用することが好ましく、更に好ましくは、平均粒子径１μｍのポリマーを用いる。
【００１８】
本発明における固体潤滑膜の膜厚は、好ましくは０．１〜５μｍ、更に好ましくは１〜３μｍである。また、この固体潤滑膜の表面粗さは、±１μｍとすることが望ましい。このように平滑で強固な被膜を可能な限り薄く形成することにより、この直動型軸受装置は、低発塵性と長寿命とを両立させることができる。
【００１９】
なお、この固体潤滑膜の塗布方法は、特に限定されるものではないが、例えば、溶媒に所要量のＢＡＮＩとＰＴＦＥを溶解させた処理溶液中に、被コーティング部材を浸漬（ディッピング）する方法が好適である。また、この方法は、固体潤滑膜の膜厚を、溶媒に溶解させたＢＡＮＩおよびＰＴＦＥの濃度によって、容易に調節することができるというメリットもある。
【００２０】
また、本発明のおける直動型軸受装置とは、断面が略角状のガイドレールに跨った鞍状スライドユニットを備えたタイプ（いわゆる直動ガイド、あるいはリニアウェイ，スライドシフターと呼ばれることもある）や、軸状ガイドシャフトの周囲に円筒状スライドユニットを備えたタイプの軸受装置を包含する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつこの発明の実施の形態について説明する。
本実施の形態において例に挙げた直動型軸受装置は、ガイドレール１に跨った鞍状スライドユニット２を備えたタイプの直動型軸受装置である。
【００２２】
図１は、本発明の実施の形態における直動型軸受装置の構造を示す一部断面図であり、図２は軸直交方向の模式的断面図である。なお、図２において、各部材の表面に形成された被膜４は、その厚みを誇張して描かれている。
【００２３】
この直動型軸受装置は、ガイドレール１と、スライドユニット２と、多数のボール３とを主体として構成されている。ガイドレール１は、軸方向に伸びる略四角柱状部材であり、その両側面には、ボール３の案内溝となる断面略Ｖ字状の軌道溝１ｖが形成されている。
【００２４】
スライドユニット２は、ケーシング２１とこのケーシング２１を軸方向両側から挟み込む側板２２，２２とから形成されている。鞍状の断面を有するケーシング６は、その内側側面の前記ガイドレール１の軌道溝１ｖに対向する位置に、断面略Ｖ字状の軌道溝２１ｖ，２１ｖが形成されているとともに、この軌道溝２１ｖの外側厚肉部には、ボール３の直径より大径のリターン孔２１ｈ，２１ｈがそれぞれ形成されている。
【００２５】
なお、側板２２，２２内には、ケーシング２１の軸方向端部に達したボール３を、軌道溝２１ｖからリターン孔２１ｈ（あるいはその逆）に送るＵ字状のターン孔（図示省略）が設けられており、このターン孔と上記軌道溝１ｖ，２１ｖおよびリターン孔２１ｈによって構成されるループ状軌道に、複数のボール３が配置されている。また、これらのボール３は、スライドユニット２のスライド動作によって、このループ状軌道上を転動循環することとなる。
【００２６】
これらガイドレール１、スライドユニット２を形成する材料には、ステンレス鋼、軸受鋼等を使用することができる。また、ボール３を形成する材料は、ステンレス鋼、軸受鋼の他、セラミックスとすることもできる。
【００２７】
本実施の形態における直動型軸受装置の特徴は、図２の模式的断面図に示すように、ガイドレール１，ボール３の全表面と、リターン孔２１ｈの内面を含むスライドユニット２の表面に、ビスアリルナジイミド（ＢＡＮＩ）とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）とからなる被膜４が形成されている点である。この被膜４は、その成分であるＰＴＦＥの潤滑作用によって、固体潤滑膜として機能する。
【００２８】
次に、この固体潤滑膜の形成方法の一例を説明する。
固体潤滑膜を形成するＢＡＮＩとＰＴＦＥを溶解させる溶媒には、メタノール（メチルアルコール）が好適に使用される。まず、この溶媒に対し例えば５ｗｔ％の割合で、上記のＢＡＮＩとＰＴＦＥ（樹脂の割合＝１：１）を分散・溶解させ、これらの樹脂を直動型軸受装置に付着させるための処理溶液とする。そして、組み立てられた完成状態の直動型軸受装置を、この処理溶液に浸漬してスライドユニット２を回転させ、軸方向に数回移動させることにより、ガイドレール１・スライドユニット２・ボール３の全表面およびリターン孔２１ｈの内面に液状膜を付着させる（付着処理）。その後、この処理溶液から引き上げた直動型軸受装置を、４０〜５０℃で約１分間加熱し、液状膜に含まれている溶媒を除去する（乾燥処理）。そして、液状膜が付着した直動型軸受装置を、１００〜２００℃において数十分間加熱することにより、強固な被膜が形成される（硬化処理）。
【００２９】
バインダーであるＢＡＮＩの特徴は、溶媒に対する溶解性の高さと、薄膜状で硬化させる場合、比較的温和な条件で硬化させることができる点である。従って、このＢＡＮＩを用いることによって、非常に薄く均一で強固な被膜を、容易に形成することが可能になった。
【００３０】
このＢＡＮＩとＰＴＦＥとを溶解させる溶媒には、脂肪族アルコール，脂肪族炭化水素を除く殆どの有機溶剤を使用することが可能である。本実施の形態で用いたメタノールの他に、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ），ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）等の非プロトン系極性溶剤類、アセトン，シクロヘキサン等のケトン類、酢酸メチル，酢酸エチル等のエステル類、トルエン，キシレン等の芳香族炭化水素類、メチルクロロホルム，トリクロロエチレン等の有機ハロゲン化合物類を使用することができる。
【００３１】
また、本実施の形態におけるＢＡＮＩの好適な具体例としては、一般式（１）においてＲが式（３）の構造のモノマー単位を有するポリイミド樹脂（丸善石油化学社製の「ＢＡＮＩ−Ｈ（商品名）」）あるいは、一般式（１）においてＲが式（４）の構造のモノマー単位を有するポリイミド樹脂（丸善石油化学社製の「ＢＡＮＩ−Ｘ（商品名）」）を挙げることができる。
【００３２】
【化３】
【００３３】
【化４】
【００３４】
以上の方法により、平均膜厚＝１μｍ、表面粗さＲａ＝０．５μｍの固体潤滑膜（被膜４）を、直動型軸受装置の露出面全面に形成することができた。
【００３５】
なお、以上の実施の形態においては、側面に各１条の軌道溝（案内溝）１ｖとそれに対応するボール３列を有するリニアウェイについて詳述したが、本発明は、これら軌道溝とボール列を側面に複数条有するタイプにも適用でき得ることは言うまでもない。また、本発明は、図３の一部断面図に示すような、軸状のガイドシャフト１１の周囲に円筒状のスライドユニット１２を備えたタイプの直動型軸受装置等にも適用可能である。
【００３６】
また、この実施の形態においては、完成状態の直動型軸受装置を処理溶液に浸漬したが、直動型軸受装置を構成する部材を１つずつ単品で付着処理を行ない、その後乾燥処理、硬化処理を行なった上で直動型軸受装置を組み立てても良い。
【００３７】
この固体潤滑膜は、必ずしも直動型軸受装置の露出面全体に形成する必要はなく、マスキング等を使用することにより、直動型軸受装置の転動部位、すなわち各軌道溝１ｖ，２１ｖの表面およびリターン孔２１ｈ，ターン孔の内面と、ボール３の表面のどちらか一方あるいは両方に形成しても良い。しかしながら、これら部材の全表面に形成すると、この被膜４が、半導体製造工程等で使用される腐食性ガスに対する耐食性を向上させるため、好適である。
【００３８】
更にまた、これら固体潤滑膜が形成される各部材の表面には、あらかじめ硬質な被膜を別途形成しておいても良い。この硬質被膜の具体例としては、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜，ＴｉＣ（炭化チタン）膜，ＴｉＮ（窒化チタン）膜あるいはＴｉＣＮ膜等が好ましい。
【００３９】
この硬質被膜の好適な膜厚は、０．１〜５μｍ程度であり、ＰＶＤ（物理的蒸着）法またはＣＶＤ（化学的蒸着）法等により、前記固体潤滑膜が形成される領域あるいは各部材の全表面に、容易に形成することが可能である。また、この硬質被膜は、前記固体潤滑膜の下地層として、軸受転走面の耐摩耗性を向上させ、直動型軸受装置の更なる長寿命化を図ることもできる。
【００４０】
次に、以上の実施の形態における固体潤滑膜の効果を確認すべく、実際に直動型軸受装置の発塵寿命を測定した実験結果について述べる。なお、試料の作製に用いた直動型軸受装置は、呼び番号ＬＷＬ９で、直径１．６ｍｍのボール列を側面に各１条ずつ有するタイプであり、ガイドレール１とスライドユニット２およびボール３は、ＪＩＳ規格ＳＵＳ４４０Ｃのステンレス鋼製である。なお、試験には同じ規格の直動型軸受装置を２組使用した。
【００４１】
図４と図５は、直動型軸受装置からの発塵量を測定する装置の概略を示す説明図である。図４はアクリル製カバー４１の内部を示す側面図であり、図５は同じ装置を上方からみた図である。
【００４２】
これら図中の符号１はガイドレール、２はスライドユニットであり、基台３１を挟んだ上下面に、それぞれ１セットずつの直動型軸受装置が配置されている。また、２つのスライドユニット２は、ハウジング３２によって一体とされており、このハウジング３２内に配設された負荷用ばね３３によって、図示上下方向に荷重がかけられるように構成されている。これら２つのスライドユニット２は、モータ等の回転駆動源（図示省略）によって往復するベルト３４により、図示左右方向にスライド動作を行なう。なお、図中の符号３５はモータ等に繋がるプーリ、３６はリミットセンサ、３７は往復数カウンタ、である。
【００４３】
集塵管４２には、発塵個数計測装置（パーティクルカウンター）４３が接続されており、粒子径０．１μｍ以上の粒子の個数がカウントされ、その結果がレコーダ等（図示省略）に記録されるようになっている。なお、負荷用ばね３２による荷重は、負荷圏にある各ボールの軌道溝に対する面圧が、最大１．６ＧＰａになるように調整されている。
【００４４】
発塵寿命試験条件
雰 囲 気：大気中（クリーンベンチ内：クラス１０）
または 真空中（５×１０−５Ｐａ）
環 境 温 度：室温
ストローク：２００ｍｍ
往 復 速 度：２０〜３０ｍｍ／ｓｅｃ
なお、スライドユニットの移動開始後、３分あたりの発塵量が１０００個／ｃｆに達した時点で試験を終了し、この間の経過時間を発塵寿命とした。
【００４５】
発塵寿命の測定は、固体潤滑膜のバインダーの種類を変えて作製した２つの試料について行なった。
実施例１：ＢＡＮＩとＰＴＦＥからなる固体潤滑膜が、
膜厚０．５〜１μｍに形成された直動型軸受装置を使用。
比較例１：ポリアミドイミドとＰＴＦＥからなる固体潤滑膜が、
膜厚５±２μｍに形成された直動型軸受装置を使用。
【００４６】
これらの試料の発塵寿命を比較した結果を図６に示す。このグラフは、「比較例１」の発塵寿命を基準として、「実施例１」の発塵寿命レベルを比較したものである。
【００４７】
このグラフから明らかなように、本発明の直動型軸受装置は、従来の固体潤滑膜を有する直動型軸受装置に比べ、発塵寿命が向上している。特に、真空雰囲気下においては、大気雰囲気下より寿命が低下している比較例１に対し、本発明の実施例１は、大気雰囲気下より発塵寿命が向上していることが見てとれる。
【００４８】
次に、ＢＡＮＩとＰＴＦＥとからなる固体潤滑膜の膜厚を変化させた場合の初期発塵量について、比較試験を行なった結果について述べる。なお、直動型軸受装置からの発塵量を測定する装置には、前述の発塵寿命試験で用いた装置と同じものを用いた。
【００４９】
初期発塵量試験条件
雰 囲 気：大気中（クリーンベンチ内：クラス１０）
環 境 温 度：室温
ストローク：２５０ｍｍ
往 復 速 度：２０〜３０ｍｍ／ｓｅｃ
測 定 時 間：スライドユニットの移動開始後、６００分間
なお、発塵量は、計測１２０回の平均値である。
【００５０】
初期発塵量の測定は、固体潤滑膜の膜厚を変えて作製した５つの試料について行なった。
実施例２：ＢＡＮＩとＰＴＦＥからなる固体潤滑膜が、
膜厚１μｍ以下に形成された直動型軸受装置を使用。
実施例３：ＢＡＮＩとＰＴＦＥからなる固体潤滑膜が、
膜厚１〜３μｍに形成された直動型軸受装置を使用。
実施例４：ＢＡＮＩとＰＴＦＥからなる固体潤滑膜が、
膜厚３〜５μｍに形成された直動型軸受装置を使用。
実施例５：ＢＡＮＩとＰＴＦＥからなる固体潤滑膜が、
膜厚５〜１０μｍに形成された直動型軸受装置を使用。
実施例６：ＢＡＮＩとＰＴＦＥからなる固体潤滑膜が、
膜厚１０μｍ以上に形成された直動型軸受装置を使用。
【００５１】
これらの試料の初期発塵量を比較した結果を図７に示す。このグラフは、「実施例２」の初期発塵量を基準として、これらの初期発塵レベルを比較したものである。
【００５２】
このグラフから明らかなように、膜厚が薄いほど初期発塵量の低減効果が顕著であることが分かる。従って、膜厚のばらつきや形成の容易さ，コスト等も考慮した場合、本発明におけるＢＡＮＩとＰＴＦＥからなる固体潤滑膜の膜厚は、好ましくは５μｍ以下、更に好ましくは１〜３μｍである。
【００５３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、直動型軸受装置の転動部位に、ビスアリルナジイミドとポリテトラフルオロエチレンからなる固体潤滑膜を形成することにより、従来の直動型軸受装置に比べ、その発塵量を低減することができる。従って、この直動型軸受装置は、真空中やクリーンルーム内など特殊な環境下でも、長期に渡り安定して使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における直動型軸受装置の構造を示す一部断面図である。
【図２】本発明の実施の形態における直動型軸受装置の構造を示す軸直交方向の模式的断面図である。
【図３】本発明の実施の形態における別の構造の直動型軸受装置を示す一部断面図である。
【図４】直動型軸受装置の発塵量を測定する装置の概略を示す側面図である。
【図５】直動型軸受装置の発塵量を測定する装置の概略を示す上面図である。
【図６】本発明の固体潤滑膜を有する直動型軸受装置と従来の固体潤滑膜を有する直動型軸受装置の発塵寿命を比較するグラフである。
【図７】本発明の直動型軸受装置において、固体潤滑膜の膜厚を変化させた場合の初期発塵量を比較するグラフである。
【符号の説明】
１ ガイドレール
１ｖ 軌道溝（案内溝）
２ スライドユニット
３ ボール
４ 被膜
１１ ガイドシャフト
１２ スライドユニット
２１ ケーシング
２１ｈ リターン孔
２１ｖ 軌道溝
２２ 側板
３１ 基台
３２ ハウジング
３３ 負荷用ばね
３４ ベルト
３５ プーリ
３６ リミットセンサ
３７ 往復数カウンタ
４１ カバー
４２ 集塵管
４３ パーティクルカウンター
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空中やクリーンルーム内など特殊な環境下での使用においても発塵が少なく、長期に渡りその性能を維持することのできる直動型軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造装置等、所要の清浄度が要求される環境においては、物品の搬送や位置決め等に用いられている直動型軸受装置の潤滑にグリース等の潤滑油を用いると、この油分が飛散や蒸発することによる潤滑機能の低下や使用環境の汚染といった不具合が生じる。従来、このような環境で使用される直動型軸受装置には、グリースの代わりに、軌道溝や転動体の表面（転動部位）に金、銀、鉛などの軟質金属、あるいはカーボングラファイトや二硫化モリブデン、ポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥと略称する）等の固体潤滑剤等をコーティングした直動型軸受装置が使用されている（例えば、特許文献１あるいは特許文献２等を参照。）。
【０００３】
この固体潤滑剤の中でも、ＰＴＦＥと樹脂バインダーとからなる被膜（固体潤滑膜）は、その優れた潤滑性・耐摩耗性と形成の容易さによって、真空中やクリーンルーム内など特殊な環境で使用する軸受装置に広く応用されている。この固体潤滑膜は、ＰＴＦＥとバインダーとなる樹脂を有機溶媒中に分散・混合させた溶液を、部材の軌道溝や転動体の表面に、スプレー等を用いて塗布し、その後加熱処理を行なうことによって硬化させたものである（ボンデッドフィルム法）。有機バインダーには、一般的に、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂などの熱硬化性合成樹脂が使用される。
【０００４】
この手法は、ＰＴＦＥの優れた潤滑性や転走部への転着性を利用したものであって、直動型軸受装置の転走部に形成された被膜あるいは転がり運動によって転着した被膜粒子により、直動型軸受装置の潤滑が維持される。また、単独では軸受部材（軸受材料）に対する密着力の弱いＰＴＦＥに、バインダーを添加することにより、ＰＴＦＥの被コーティング面への密着力を高めるとともに、後述する加熱処理を経ることによってＰＴＦＥ間の結合力が高まり、この軸受装置からの発塵を低減することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−３１２６４５号公報
【特許文献２】特開２０００−１７０７３６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＰＴＦＥを用いた固体潤滑膜は、従来スプレー（吹き付け）によるコーティングが主流であり、その被膜を均質なものとするため、ある程度（具体的には、５μｍ〜数十μｍ）の膜厚が必要とされている。しかしながら、この手法によって形成された固体潤滑膜は、膜厚が厚いため、潤滑に寄与しない被膜粒子が発塵量を増加させてしまうという問題があった。
【０００７】
また、スプレー法で膜厚５μｍ以下の被膜を形成しようとした場合、膜厚のばらつきが大きく、まったくコーティングされていない領域や極端に厚い箇所が混在して潤滑が不十分になったり、被膜の欠落やはく離等によって発塵量が増加してしまう恐れがある。
【０００８】
本発明は、上記する課題に対処するためになされたものであり、固体潤滑膜のはく離に起因する発塵が少なく、クリーンルーム等の特殊な環境下でも長期に渡り安定して使用することのできる直動型軸受装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
半導体製造工程においては、製造環境の清浄度が製品の歩留まり（ひいては製造コスト）に影響するため、このような特殊な環境で使用される直動型軸受装置は、更なる低発塵化が求められている。また、半導体製造装置のみならず、製品の製造に使用する装置類に用いられる軸受は、工程の稼働率向上のために、メンテナンスフリーで、かつ、寿命が長いことが望まれている。
【００１０】
このような要望に応えるため、本願の発明者らは、固体潤滑膜を形成した直動型軸受装置について、種々研究を重ねてきた。そして、固体潤滑膜の膜厚のばらつきが発塵量に関与していることに注目し、ＰＴＦＥを固定化するのに最適なバインダー種を検討した結果、ビスアリルナジイミド（以下、ＢＡＮＩと略称する）を用いることによって、均一で薄く、かつ、耐摩耗性に優れる固体潤滑膜が形成可能であることを見出した。
【００１１】
本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。すなわち、本発明によれば、直線状のガイド部材と、このガイド部材に組み付けられたスライドユニットと、前記ガイド部材とスライドユニットとの間に形成されたループ状軌道に組み込まれ、これらガイド部材とスライドユニットの相対的なスライド動作により転動循環する複数のボールとを備える直動型軸受装置において、前記ループ状軌道の軌道溝表面と前記ボールの表面の少なくとも一方に、ビスアリルナジイミドとポリテトラフルオロエチレンとからなる固体潤滑膜を形成することにより、特殊な環境下での使用においても発塵が少なく、かつ、寿命の長い直動型軸受装置とすることができる。
【００１２】
本発明において固体潤滑膜形成のバインダーに使用されるビスアリルナジイミド（ＢｉｓＡｌｌｙｌＮａｄｉｃ Ｉｍｉｄｅ）は、一般式（１）で表されるモノマー単位を有するポリイミド樹脂である。
【００１３】
【化１】
一般式（１）中のＲは脂肪族系または芳香族系の２価の炭化水素連結基を表す。このような２価の炭化水素連結基Ｒとしては、例えばＣ２〜Ｃ２０アルキレン基、Ｃ５〜Ｃ８シクロアルキレン基、Ｃ６〜Ｃ１２芳香族基、−Ａａ−Ｃ６Ｈ４−Ａ’（ａは０または１で、ＡおよびＡ’はそれぞれ独立してＣ１〜Ｃ４のアルキレン基を示す）で表されるアルキレン・フェニレン基、−Ｃ６Ｈ４−Ｔ−Ｃ６Ｈ４−（Ｔは、メチレン基，エチリデン基，プロピリデン基を示す）で表される基等が挙げられる。中でも、下記式（２）、（３）、（４）で表される２価の炭化水素連結基が好ましい。
【００１５】
【化２】
このＢＡＮＩは、熱硬化性イミド樹脂の一種であり、以下のような特徴を備えている。イ．硬化前のＢＡＮＩは、脂肪族アルコール，脂肪族炭化水素を除く殆どの有機溶剤に可溶で、特に、汎用溶剤に高い溶解性を示す。ロ．フッ素樹脂を含む多くの樹脂との相溶性に優れる。ハ．溶液状態での貯蔵安定性に優れる。ニ．金属だけでなく、エンジニアリングプラスチックへの密着性も良好。ホ．硬化後のＢＡＮＩは、ガラス転移点が３００℃以上と高い耐熱性を示し、機械的特性（曲げ強さ，弾性率，硬度，破壊靭性値等）にも優れる。
【００１７】
また、固体潤滑膜の形成に用いられるＰＴＦＥは、一般に、平均分子量数十万から数百万のポリマーまたは２５００以下のテルマーのいずれかで、粒子径が１０〜２０μｍのものが広く用いられている。しかしながら、本発明に使用されるＰＴＦＥは、薄く均一な被膜を得るために、平均粒子径３μｍ以下（平均分子量１０００〜１００００）のポリマーを使用することが好ましく、更に好ましくは、平均粒子径１μｍのポリマーを用いる。
【００１８】
本発明における固体潤滑膜の膜厚は、好ましくは０．１〜５μｍ、更に好ましくは１〜３μｍである。また、この固体潤滑膜の表面粗さは、±１μｍとすることが望ましい。このように平滑で強固な被膜を可能な限り薄く形成することにより、この直動型軸受装置は、低発塵性と長寿命とを両立させることができる。
【００１９】
なお、この固体潤滑膜の塗布方法は、特に限定されるものではないが、例えば、溶媒に所要量のＢＡＮＩとＰＴＦＥを溶解させた処理溶液中に、被コーティング部材を浸漬（ディッピング）する方法が好適である。また、この方法は、固体潤滑膜の膜厚を、溶媒に溶解させたＢＡＮＩおよびＰＴＦＥの濃度によって、容易に調節することができるというメリットもある。
【００２０】
また、本発明のおける直動型軸受装置とは、断面が略角状のガイドレールに跨った鞍状スライドユニットを備えたタイプ（いわゆる直動ガイド、あるいはリニアウェイ，スライドシフターと呼ばれることもある）や、軸状ガイドシャフトの周囲に円筒状スライドユニットを備えたタイプの軸受装置を包含する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつこの発明の実施の形態について説明する。
本実施の形態において例に挙げた直動型軸受装置は、ガイドレール１に跨った鞍状スライドユニット２を備えたタイプの直動型軸受装置である。
【００２２】
図１は、本発明の実施の形態における直動型軸受装置の構造を示す一部断面図であり、図２は軸直交方向の模式的断面図である。なお、図２において、各部材の表面に形成された被膜４は、その厚みを誇張して描かれている。
【００２３】
この直動型軸受装置は、ガイドレール１と、スライドユニット２と、多数のボール３とを主体として構成されている。ガイドレール１は、軸方向に伸びる略四角柱状部材であり、その両側面には、ボール３の案内溝となる断面略Ｖ字状の軌道溝１ｖが形成されている。
【００２４】
スライドユニット２は、ケーシング２１とこのケーシング２１を軸方向両側から挟み込む側板２２，２２とから形成されている。鞍状の断面を有するケーシング６は、その内側側面の前記ガイドレール１の軌道溝１ｖに対向する位置に、断面略Ｖ字状の軌道溝２１ｖ，２１ｖが形成されているとともに、この軌道溝２１ｖの外側厚肉部には、ボール３の直径より大径のリターン孔２１ｈ，２１ｈがそれぞれ形成されている。
【００２５】
なお、側板２２，２２内には、ケーシング２１の軸方向端部に達したボール３を、軌道溝２１ｖからリターン孔２１ｈ（あるいはその逆）に送るＵ字状のターン孔（図示省略）が設けられており、このターン孔と上記軌道溝１ｖ，２１ｖおよびリターン孔２１ｈによって構成されるループ状軌道に、複数のボール３が配置されている。また、これらのボール３は、スライドユニット２のスライド動作によって、このループ状軌道上を転動循環することとなる。
【００２６】
これらガイドレール１、スライドユニット２を形成する材料には、ステンレス鋼、軸受鋼等を使用することができる。また、ボール３を形成する材料は、ステンレス鋼、軸受鋼の他、セラミックスとすることもできる。
【００２７】
本実施の形態における直動型軸受装置の特徴は、図２の模式的断面図に示すように、ガイドレール１，ボール３の全表面と、リターン孔２１ｈの内面を含むスライドユニット２の表面に、ビスアリルナジイミド（ＢＡＮＩ）とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）とからなる被膜４が形成されている点である。この被膜４は、その成分であるＰＴＦＥの潤滑作用によって、固体潤滑膜として機能する。
【００２８】
次に、この固体潤滑膜の形成方法の一例を説明する。
固体潤滑膜を形成するＢＡＮＩとＰＴＦＥを溶解させる溶媒には、メタノール（メチルアルコール）が好適に使用される。まず、この溶媒に対し例えば５ｗｔ％の割合で、上記のＢＡＮＩとＰＴＦＥ（樹脂の割合＝１：１）を分散・溶解させ、これらの樹脂を直動型軸受装置に付着させるための処理溶液とする。そして、組み立てられた完成状態の直動型軸受装置を、この処理溶液に浸漬してスライドユニット２を回転させ、軸方向に数回移動させることにより、ガイドレール１・スライドユニット２・ボール３の全表面およびリターン孔２１ｈの内面に液状膜を付着させる（付着処理）。その後、この処理溶液から引き上げた直動型軸受装置を、４０〜５０℃で約１分間加熱し、液状膜に含まれている溶媒を除去する（乾燥処理）。そして、液状膜が付着した直動型軸受装置を、１００〜２００℃において数十分間加熱することにより、強固な被膜が形成される（硬化処理）。
【００２９】
バインダーであるＢＡＮＩの特徴は、溶媒に対する溶解性の高さと、薄膜状で硬化させる場合、比較的温和な条件で硬化させることができる点である。従って、このＢＡＮＩを用いることによって、非常に薄く均一で強固な被膜を、容易に形成することが可能になった。
【００３０】
このＢＡＮＩとＰＴＦＥとを溶解させる溶媒には、脂肪族アルコール，脂肪族炭化水素を除く殆どの有機溶剤を使用することが可能である。本実施の形態で用いたメタノールの他に、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ），ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）等の非プロトン系極性溶剤類、アセトン，シクロヘキサン等のケトン類、酢酸メチル，酢酸エチル等のエステル類、トルエン，キシレン等の芳香族炭化水素類、メチルクロロホルム，トリクロロエチレン等の有機ハロゲン化合物類を使用することができる。
【００３１】
また、本実施の形態におけるＢＡＮＩの好適な具体例としては、一般式（１）においてＲが式（３）の構造のモノマー単位を有するポリイミド樹脂（丸善石油化学社製の「ＢＡＮＩ−Ｈ（商品名）」）あるいは、一般式（１）においてＲが式（４）の構造のモノマー単位を有するポリイミド樹脂（丸善石油化学社製の「ＢＡＮＩ−Ｘ（商品名）」）を挙げることができる。
【００３２】
【化３】
【化４】
以上の方法により、平均膜厚＝１μｍ、表面粗さＲａ＝０．５μｍの固体潤滑膜（被膜４）を、直動型軸受装置の露出面全面に形成することができた。
【００３５】
なお、以上の実施の形態においては、側面に各１条の軌道溝（案内溝）１ｖとそれに対応するボール３列を有するリニアウェイについて詳述したが、本発明は、これら軌道溝とボール列を側面に複数条有するタイプにも適用でき得ることは言うまでもない。また、本発明は、図３の一部断面図に示すような、軸状のガイドシャフト１１の周囲に円筒状のスライドユニット１２を備えたタイプの直動型軸受装置等にも適用可能である。
【００３６】
また、この実施の形態においては、完成状態の直動型軸受装置を処理溶液に浸漬したが、直動型軸受装置を構成する部材を１つずつ単品で付着処理を行ない、その後乾燥処理、硬化処理を行なった上で直動型軸受装置を組み立てても良い。
【００３７】
この固体潤滑膜は、必ずしも直動型軸受装置の露出面全体に形成する必要はなく、マスキング等を使用することにより、直動型軸受装置の転動部位、すなわち各軌道溝１ｖ，２１ｖの表面およびリターン孔２１ｈ，ターン孔の内面と、ボール３の表面のどちらか一方あるいは両方に形成しても良い。しかしながら、これら部材の全表面に形成すると、この被膜４が、半導体製造工程等で使用される腐食性ガスに対する耐食性を向上させるため、好適である。
【００３８】
更にまた、これら固体潤滑膜が形成される各部材の表面には、あらかじめ硬質な被膜を別途形成しておいても良い。この硬質被膜の具体例としては、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜，ＴｉＣ（炭化チタン）膜，ＴｉＮ（窒化チタン）膜あるいはＴｉＣＮ膜等が好ましい。
【００３９】
この硬質被膜の好適な膜厚は、０．１〜５μｍ程度であり、ＰＶＤ（物理的蒸着）法またはＣＶＤ（化学的蒸着）法等により、前記固体潤滑膜が形成される領域あるいは各部材の全表面に、容易に形成することが可能である。また、この硬質被膜は、前記固体潤滑膜の下地層として、軸受転走面の耐摩耗性を向上させ、直動型軸受装置の更なる長寿命化を図ることもできる。
【００４０】
次に、以上の実施の形態における固体潤滑膜の効果を確認すべく、実際に直動型軸受装置の発塵寿命を測定した実験結果について述べる。なお、試料の作製に用いた直動型軸受装置は、呼び番号ＬＷＬ９で、直径１．６ｍｍのボール列を側面に各１条ずつ有するタイプであり、ガイドレール１とスライドユニット２およびボール３は、ＪＩＳ規格ＳＵＳ４４０Ｃのステンレス鋼製である。なお、試験には同じ規格の直動型軸受装置を２組使用した。
【００４１】
図４と図５は、直動型軸受装置からの発塵量を測定する装置の概略を示す説明図である。図４はアクリル製カバー４１の内部を示す側面図であり、図５は同じ装置を上方からみた図である。
【００４２】
これら図中の符号１はガイドレール、２はスライドユニットであり、基台３１を挟んだ上下面に、それぞれ１セットずつの直動型軸受装置が配置されている。また、２つのスライドユニット２は、ハウジング３２によって一体とされており、このハウジング３２内に配設された負荷用ばね３３によって、図示上下方向に荷重がかけられるように構成されている。これら２つのスライドユニット２は、モータ等の回転駆動源（図示省略）によって往復するベルト３４により、図示左右方向にスライド動作を行なう。なお、図中の符号３５はモータ等に繋がるプーリ、３６はリミットセンサ、３７は往復数カウンタ、である。
【００４３】
集塵管４２には、発塵個数計測装置（パーティクルカウンター）４３が接続されており、粒子径０．１μｍ以上の粒子の個数がカウントされ、その結果がレコーダ等（図示省略）に記録されるようになっている。なお、負荷用ばね３２による荷重は、負荷圏にある各ボールの軌道溝に対する面圧が、最大１．６ＧＰａになるように調整されている。
【００４４】
発塵寿命試験条件
雰 囲 気：大気中（クリーンベンチ内：クラス１０）
または 真空中（５×１０−５Ｐａ）
環 境 温 度：室温
ストローク：２００ｍｍ
往 復 速 度：２０〜３０ｍｍ／ｓｅｃ
なお、スライドユニットの移動開始後、３分あたりの発塵量が１０００個／ｃｆに達した時点で試験を終了し、この間の経過時間を発塵寿命とした。
【００４５】
発塵寿命の測定は、固体潤滑膜のバインダーの種類を変えて作製した２つの試料について行なった。
実施例１：ＢＡＮＩとＰＴＦＥからなる固体潤滑膜が、
膜厚０．５〜１μｍに形成された直動型軸受装置を使用。
比較例１：ポリアミドイミドとＰＴＦＥからなる固体潤滑膜が、
膜厚５±２μｍに形成された直動型軸受装置を使用。
【００４６】
これらの試料の発塵寿命を比較した結果を図６に示す。このグラフは、「比較例１」の発塵寿命を基準として、「実施例１」の発塵寿命レベルを比較したものである。
【００４７】
このグラフから明らかなように、本発明の直動型軸受装置は、従来の固体潤滑膜を有する直動型軸受装置に比べ、発塵寿命が向上している。特に、真空雰囲気下においては、大気雰囲気下より寿命が低下している比較例１に対し、本発明の実施例１は、大気雰囲気下より発塵寿命が向上していることが見てとれる。
【００４８】
次に、ＢＡＮＩとＰＴＦＥとからなる固体潤滑膜の膜厚を変化させた場合の初期発塵量について、比較試験を行なった結果について述べる。なお、直動型軸受装置からの発塵量を測定する装置には、前述の発塵寿命試験で用いた装置と同じものを用いた。
【００４９】
初期発塵量試験条件
雰 囲 気：大気中（クリーンベンチ内：クラス１０）
環 境 温 度：室温
ストローク：２５０ｍｍ
往 復 速 度：２０〜３０ｍｍ／ｓｅｃ
測 定 時 間：スライドユニットの移動開始後、６００分間
なお、発塵量は、計測１２０回の平均値である。
【００５０】
初期発塵量の測定は、固体潤滑膜の膜厚を変えて作製した５つの試料について行なった。
実施例２：ＢＡＮＩとＰＴＦＥからなる固体潤滑膜が、
膜厚１μｍ以下に形成された直動型軸受装置を使用。
実施例３：ＢＡＮＩとＰＴＦＥからなる固体潤滑膜が、
膜厚１〜３μｍに形成された直動型軸受装置を使用。
実施例４：ＢＡＮＩとＰＴＦＥからなる固体潤滑膜が、
膜厚３〜５μｍに形成された直動型軸受装置を使用。
実施例５：ＢＡＮＩとＰＴＦＥからなる固体潤滑膜が、
膜厚５〜１０μｍに形成された直動型軸受装置を使用。
実施例６：ＢＡＮＩとＰＴＦＥからなる固体潤滑膜が、
膜厚１０μｍ以上に形成された直動型軸受装置を使用。
【００５１】
これらの試料の初期発塵量を比較した結果を図７に示す。このグラフは、「実施例２」の初期発塵量を基準として、これらの初期発塵レベルを比較したものである。
【００５２】
このグラフから明らかなように、膜厚が薄いほど初期発塵量の低減効果が顕著であることが分かる。従って、膜厚のばらつきや形成の容易さ，コスト等も考慮した場合、本発明におけるＢＡＮＩとＰＴＦＥからなる固体潤滑膜の膜厚は、好ましくは５μｍ以下、更に好ましくは１〜３μｍである。
【００５３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、直動型軸受装置の転動部位に、ビスアリルナジイミドとポリテトラフルオロエチレンからなる固体潤滑膜を形成することにより、従来の直動型軸受装置に比べ、その発塵量を低減することができる。従って、この直動型軸受装置は、真空中やクリーンルーム内など特殊な環境下でも、長期に渡り安定して使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における直動型軸受装置の構造を示す一部断面図である。
【図２】本発明の実施の形態における直動型軸受装置の構造を示す軸直交方向の模式的断面図である。
【図３】本発明の実施の形態における別の構造の直動型軸受装置を示す一部断面図である。
【図４】直動型軸受装置の発塵量を測定する装置の概略を示す側面図である。
【図５】直動型軸受装置の発塵量を測定する装置の概略を示す上面図である。
【図６】本発明の固体潤滑膜を有する直動型軸受装置と従来の固体潤滑膜を有する直動型軸受装置の発塵寿命を比較するグラフである。
【図７】本発明の直動型軸受装置において、固体潤滑膜の膜厚を変化させた場合の初期発塵量を比較するグラフである。
【符号の説明】
１ ガイドレール
１ｖ 軌道溝（案内溝）
２ スライドユニット
３ ボール
４ 被膜
１１ ガイドシャフト
１２ スライドユニット
２１ ケーシング
２１ｈ リターン孔
２１ｖ 軌道溝
２２ 側板
３１ 基台
３２ ハウジング
３３ 負荷用ばね
３４ ベルト
３５ プーリ
３６ リミットセンサ
３７ 往復数カウンタ
４１ カバー
４２ 集塵管
４３ パーティクルカウンター
Claims (2)
- 直線状のガイド部材と、このガイド部材に組み付けられたスライドユニットと、前記ガイド部材とスライドユニットとの間に形成されたループ状軌道に組み込まれ、これらガイド部材とスライドユニットの相対的なスライド動作により転動循環する複数のボールとを備える直動型軸受装置において、
前記ループ状軌道の軌道溝表面と前記ボールの表面の少なくとも一方に、ビスアリルナジイミドとポリテトラフルオロエチレンとからなる被膜が形成されていることを特徴とする直動型軸受装置。 - 前記被膜の膜厚が、５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の直動型軸受装置。
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