JP2007056936A

JP2007056936A - 転がり支持装置

Info

Publication number: JP2007056936A
Application number: JP2005241282A
Authority: JP
Inventors: Masaru Konno; 大金野; Yasuo Murakami; 保夫村上
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2005-08-23
Filing date: 2005-08-23
Publication date: 2007-03-08

Abstract

【課題】真空中で使用された場合でも長期に渡って潤滑性能が良好である転がり支持装置を提供する。
【解決手段】内輪１および外輪２の軌道面に、水素（Ｈ）と炭素（Ｃ）とからなり水素含有率が４０原子％以上５３原子％以下であるダイヤモンドライクカーボン層を形成する。ボール３の間にポリエチレン製のスペーサ４を配置する。
【選択図】図１

Description

この発明は、転がり軸受、ボールねじ、およびリニアガイド等の転動装置に関する。

真空中で使用される装置用の転がり軸受は、潤滑油やグリースによる潤滑ができないたため、例えば、下記の特許文献１では、軌道面や転動面に固体潤滑剤（フッ素樹脂、二硫化モリブデン、グラファイト等）からなる被膜を設けるとともに、固体潤滑剤を含有する材料で保持器を形成することが提案されている。
潤滑油やグリースと比較して固体潤滑剤は、使用時のゴミやガスの発生が少ないが、半導体装置や液晶パネルの製造工場で求められる清浄度は年々厳しくなり、固体潤滑剤を用いても要求がクリアできない状況にある。

一方、ダイヤモンドライクカーボン（以下「ＤＬＣ」と略称する。）膜は、大気中での摩擦係数が０．２以下であり、二硫化モリブデンやフッ素樹脂と同程度に小さいだけでなく、表面がダイヤモンドに準ずる硬さ（１０ＧＰａ以上の塑性変形硬さ）を有するため、ゴミやガスを発生しない。そのため、転がり支持装置の軌道面等に形成する新たな耐摩耗性被膜として注目されている。

下記の特許文献２〜４には、転がり軸受の軌道面あるいは転動体の表面の少なくともいずれかにＤＬＣ膜を形成することが記載されている。また、下記の特許文献５には、ボールねじの螺旋溝やリニアガイドの案内レールおよびスライダの溝に、ＤＬＣ膜を形成することが記載されている。
下記の特許文献６には、転がり支持装置の軌道面または転動面に設けるＤＬＣ膜の密着性を良好にするために、下地層と中間層を形成することが記載されている。

下記の特許文献７には、負荷ボールの間にスペーサボールが配置された転がり軸受が記載されている。
特開２００２−１３０３００号公報特開２０００−１３６８２８号公報特開２０００−２０５２７７号公報特開２０００−２０５２７９号公報特開２０００−２０５２８０号公報特開２００３−３１４５６０号公報特開平１０−３１８２６２号公報

しかしながら、真空中で使用される転がり支持装置には、更なる耐摩耗性の向上による寿命向上が求められている。
本発明の課題は、真空中で使用された場合でも長期に渡って潤滑性能が良好である転がり支持装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、互いに対向配置される軌道面を備えた第一部材および第二部材と、前記第一部材と第二部材の間に転動自在に配設された複数個の転動体と、を備え、前記転動体が転動することにより前記第一部材および前記第二部材の一方が他方に対して相対運動する転がり支持装置において、前記第一部材および前記第二部材の少なくとも一方の軌道面は鉄鋼製であり、水素（Ｈ）と炭素（Ｃ）とからなり水素含有率が４０原子％以上５３原子％以下であるダイヤモンドライクカーボン層を表面に有し、前記転動体は鉄鋼製またはセラミックス製であり、前記転動体の間に、ポリオレフィン（例えば、ポリエチレンやポリプロピレン）製のスペーサが、少なくとも１個配置されていることを特徴とする転がり支持装置を提供する。

ＤＬＣ膜は、ダイヤモンド構造のＳＰ３結合とグラファイト構造のＳＰ２結合が混在しているアモルファス構造であり、ＳＰ３結合は硬さを付与し、ＳＰ２結合は摺動性（潤滑性）を付与する。そのため、ＳＰ３結合とＳＰ２結合の割合によってＤＬＣ膜の性質は変化する。すなわち、ＳＰ３結合が多いＤＬＣ膜は硬いが摺動性が低くなり、ＳＰ２結合が多いＤＬＣ膜は摺動性は高いが膜強度が低くなる傾向にある。本発明では、炭素以外に水素を所定範囲で含有するＤＬＣ層を形成することで、ＤＬＣ層のＳＰ３結合とＳＰ２結合のバランスを良好にし、転がり支持装置として好適な摺動性と強度を得ている。

本発明の転がり支持装置によれば、水素（Ｈ）と炭素（Ｃ）とからなり水素含有率が４０原子％以上５３原子％以下であるＤＬＣ層が鉄鋼製の軌道面に形成されていることにより、真空中での摩擦係数を０．１以下と小さくすることができる。ＤＬＣ層の水素含有率が４０原子％未満であると、真空中での摩擦係数が０．１より大きくなる。ＤＬＣ層の水素含有率が５３原子％を超えると、表面に絶縁層が形成されて安定したＤＬＣ層が形成され難くなる。

また、転動体は鉄鋼製またはセラミックス製であり、前記転動体の間に、ポリオレフィン製のスペーサが、少なくとも１個配置されていることにより、潤滑性が良好となる。すなわち、ポリオレフィンはＣ−Ｈ結合を有するパラフィン系炭化水素であるため、真空中での回転時に、ポリオレフィン製のスペーサから、転動体の転動面や第一部材および第二部材の軌道面に炭化水素の転移層が形成される。この転移層が潤滑作用を発揮して潤滑性が良好となる。

本発明の転がり支持装置において、前記転動体がボールの場合、前記スペーサは、直径が前記ボールの直径の９７．５％以上９９．９％以下の球体であることが好ましい。
本発明の転がり支持装置において、前記転動体は円筒ころの場合、前記スペーサは、直径が前記円筒ころの直径の９７．５％以上９９．９％以下の円筒体であることが好ましい。

スペーサの転動体（ボールまたは円筒ころ）に対する直径の比が９７．５％より小さいと、スペーサの回転が不安定となる。前記比が９９．９％より大きいと、鉄鋼製またはセラミックス製の転動体よりもポリオレフィン製のスペーサの方が線膨張係数が大きいことから、転動体の回転を阻害する恐れがある。
ＤＬＣ層は、プラズマＣＶＤ法やスパッタリング法等のように、水素、アルゴン、または窒素を気体の状態で供給可能な成膜法により形成することができるが、特に、アンバランスドマグネトロンスパッタリング（以下「ＵＢＭＳ」と略称する。）法により形成することが好ましい。

ＵＢＭＳ法は、非平衡な磁場分布を有するマグネトロンカソードを使用することにより、通常のマグネトロンスパッタリング法（バランスドマグネトロンスパッタリング法）と比較して基板（被成膜面）の近傍でのプラズマ密度を高くすることができるため、成膜時の基板温度を低くすることができる。また、基板に負の電力を印加して行うバイアススパッタリングにより、硬いＤＬＣ層が形成できるという利点もある。特に、ＵＢＭＳ法によるバイアススパッタリングは、ターゲット電力とバイアス電圧の制御および気体導入量の制御によって、ＤＬＣ層の組成を制御し易いため、特に好ましい成膜法である。

本発明によれば、真空中で使用された場合でも長期に渡って潤滑性能が良好である転がり支持装置が提供される。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１に示すアンギュラ型ラジアル玉軸受（内径８ｍｍ、外径２２ｍｍ、幅７ｍｍ）の内輪１と外輪２を、ＳＵＪ２（高炭素クロム軸受鋼２種）で形成し、内輪１の軌道溝を含む外周面全体と、外輪２の軌道溝を含む内周面全体に、下記の方法でＤＬＣ層を形成した。この軸受は、転動体であるボール３の間にスペーサ４が配置されている。

成膜装置としては、（株）神戸製鋼所のＵＢＭＳ装置「５０４」を使用した。ターゲットとしてクロムとカーボン（炭素）をこの装置の所定位置に設置した。先ず、被成膜物である内輪１と外輪２を溶剤により洗浄して、油分を除去した後に乾燥させた。
次に、これらを成膜装置のターンテーブルに載置して、被成膜物の表面をスパッタリングによりクリーンにして活性化する処理（ボンバード処理）を行った。このボンバード処理は、ターゲット電力０の状態でチャンバ内の圧力を１０^-2Ｐａ程度にし、チャンバ内にアルゴンガスを導入して、被成膜物に負の電力をかけ、１５分間アルゴンプラズマでスパッタリングすることにより行った。

次に、クロムのターゲット電力を「−」にし、被成膜物には、これより大きな負のバイアス電圧（−５０Ｖ〜−１００Ｖ）をかけて、チャンバ内にアルゴンガスを導入してＵＢＭＳを行った。これにより、内輪１の軌道溝を含む外周面全体と、外輪２の軌道溝を含む内周面全体に、下地層としてクロム薄膜を厚さ０．２μｍで形成した。
次に、クロムのターゲット電力を徐々に小さくするとともに、カーボンのターゲット電力を徐々に大きくしながら、チャンバ内にアルゴンガスを導入して、被成膜物のバイアス電圧はそのままでＵＢＭＳを行った。

これにより、内輪１の軌道溝を含む外周面全体と、外輪２の軌道溝を含む内周面全体の各下地層（クロム薄膜）の上に、中間層として、クロムと炭素とからなり炭素含有率が徐々に大きくなる薄膜を厚さ０．３μｍで形成した。クロムおよびカーボンのターゲット電力の制御は、中間層の膜厚が０．３μｍとなった時点で、クロムのターゲット電力が０になるように行った。

次に、カーボンのターゲット電力を印加し、クロムのターゲット電力を０とした状態で、チャンバ内に水素ガスを導入し続けながら成膜した。これにより、内輪１の軌道溝を含む外周面全体と、外輪２の軌道溝を含む内周面全体の各中間層（「クロム＋カーボン」薄膜）の上に、水素を含有するＤＬＣ層を厚さ２μｍで形成した。
その結果、ＳＵＪ２からなる内輪１の外周面全体と外輪２の内周面全体に、クロム薄膜からなる下地層、「クロム＋カーボン」薄膜からなる中間層、水素を含有するＤＬＣ層がこの順に形成された。

ここで、ＤＬＣ層の成膜時の水素供給量を変化させて、ＤＬＣ層の水素含有率が種々の値となっている内輪１および外輪２を作製した。
また、ボール３の直径は３．９６９ｍｍであり、ＳＵＪ２で作製した。スペーサ４は、ＳＵＪ２製、ポリエチレン製、およびポリプロピレン製の球体で、ボール３に対する直径の比が異なる寸法のものを各種用意した。

先ず、直径が３．８７０ｍｍ（転動体であるボール３の直径に対する比が９７．５％）である球状スペーサ４を用い、内輪１と外輪２としては、ＤＬＣ層の水素含有率が同じものを組み合わせて図１の玉軸受を組み立てた。これにより、スペーサ４の材料がＳＵＪ２で内輪１および外輪２のＤＬＣ層の水素含有率が異なる複数の玉軸受と、スペーサ４の材料がポリエチレンで内輪１および外輪２のＤＬＣ層の水素含有率が異なる複数の玉軸受と、スペーサ４の材料がポリプロピレンで内輪１および外輪２のＤＬＣ層の水素含有率が異なる複数の玉軸受を作製した。

得られた各玉軸受をアキシャル荷重１０Ｎ、回転速度２０００ｍｉｎ^-1、真空度３．０×１０^-4Ｐａの条件で回転させて、焼き付きが生じるまで（外輪の温度が急上昇するまで）の回転数（寿命）を測定した。その結果を図２のグラフに示す。スペーサ４の材料がＳＵＪ２の結果を「○」で、スペーサ４の材料がポリエチレンの結果を「□」で、スペーサ４の材料がポリプロピレンの結果を「■」で示す。

図２のグラフから以下のことが分かる。スペーサ４の材料が同じ場合、内輪１および外輪２のＤＬＣ層の水素含有率が４０原子％以上となると、３８原子％以下の場合よりも寿命（焼き付きが生じるまでの時間）が著しく長くなる。内輪１および外輪２のＤＬＣ層の水素含有率が同じ場合、スペーサ４の材料がポリエチレンの場合に最も寿命が長く、次いでポリプロピレン製、ＳＵＪ２の順である。

次に、内輪１と外輪２としては、ＤＬＣ層の水素含有率が４３原子％であるものを用い、転動体であるボール３の直径に対する比（スペーサ径／ボール径）が異なる球状スペーサ４を用いて図１の玉軸受を組み立てた。これにより、スペーサ４の材料がＳＵＪ２でが「スペーサ径／ボール径」が異なる複数の玉軸受と、スペーサ４の材料がポリエチレンで「スペーサ径／ボール径」が異なる複数の玉軸受と、スペーサ４の材料がポリプロピレンで「スペーサ径／ボール径」が異なる複数の玉軸受を作製した。

得られた各玉軸受をアキシャル荷重１０Ｎ、回転速度２０００ｍｉｎ^-1、真空度３．０×１０^-4Ｐａの条件で回転させて、焼き付きが生じるまで（外輪の温度が急上昇するまで）の回転数（寿命）を測定した。その結果を図３のグラフに示す。スペーサ４の材料がＳＵＪ２の結果を「○」で、スペーサ４の材料がポリエチレンの結果を「□」で、スペーサ４の材料がポリプロピレンの結果を「■」で示す。

図３のグラフから以下のことが分かる。スペーサ４の材料がＳＵＪ２製の場合、「スペーサ径／ボール径」が９９．６％以上になると、９９．７％以上９９．５％以下の場合と比較して寿命（焼き付きが生じるまでの時間）が低下する。スペーサ４の材料がポリエチレン製とポリプロピレン製の場合は、「スペーサ径／ボール径」が９９．９％となるまで、９９．７％以上９９．５％以下の場合と同等の寿命（焼き付きが生じるまでの時間）となる。「スペーサ径／ボール径」が同じ場合、スペーサ４の材料がポリエチレンの場合に最も寿命が長く、次いでポリプロピレン製、ＳＵＪ２の順である。

本発明の一実施形態に相当する玉軸受を示す正面図である。焼き付きが生じるまでの回転数（寿命）と、内輪および外輪の軌道面に形成したＤＬＣ層の水素含有率との関係を示すグラフである。焼き付きが生じるまでの回転数（寿命）と、「スペーサ径／ボール径」との関係を示すグラフである。

符号の説明

１内輪（第一部材）
２外輪（第二部材）
３ボール（転動体）
４球状のスペーサ

Claims

互いに対向配置される軌道面を備えた第一部材および第二部材と、前記第一部材と第二部材の間に転動自在に配設された複数個の転動体と、を備え、前記転動体が転動することにより前記第一部材および前記第二部材の一方が他方に対して相対運動する転がり支持装置において、
前記第一部材および前記第二部材の少なくとも一方の軌道面は鉄鋼製であり、水素（Ｈ）と炭素（Ｃ）とからなり水素含有率が４０原子％以上５３原子％以下であるダイヤモンドライクカーボン層を表面に有し、
前記転動体は鉄鋼製またはセラミックス製であり、
前記転動体の間に、ポリオレフィン製のスペーサが、少なくとも１個配置されていることを特徴とする転がり支持装置。
前記転動体はボールであり、前記スペーサは、直径が前記ボールの直径の９７．５％以上９９．９％以下の球体である請求項１記載の転がり支持装置。
前記転動体は円筒ころであり、前記スペーサは、直径が前記円筒ころの直径の９７．５％以上９９．９％以下の円筒体である請求項１記載の転がり支持装置。