JP2007113714A

JP2007113714A - 転動装置

Info

Publication number: JP2007113714A
Application number: JP2005306691A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Nakai; 毅中井
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2005-10-21
Filing date: 2005-10-21
Publication date: 2007-05-10

Abstract

【課題】腐食性環境下や非磁性が要求される環境下においても使用可能であり、且つ、無潤滑条件等の厳しい潤滑条件下や高荷重下においても長寿命な転動装置を提供する。
【解決手段】深溝玉軸受の内輪１，外輪２，及び玉３は、その表面にショットブラスト処理が施された窒化ケイ素で構成されている。このショットブラスト処理により、直線状の転位組織が表面に均一に形成されていて、転位組織の転位密度は１×１０⁴ｃｍ^-2以上９×１０¹³ｃｍ^-2以下とされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、転がり軸受，リニアガイド装置，ボールねじ等の転動装置に関する。

半導体，液晶パネル，ハードディスク等の製造工程における各種洗浄装置には、種々の薬品が使用されているので、この各種洗浄装置に使用される転動装置には、前記薬品の雰囲気中等の腐食環境下で作動することが要求される。
また、半導体，液晶パネル，ハードディスク等の製造工程においては、電子線を利用した露光装置，描画装置，検査装置が使用されており、これらの装置においては、電子線が照射されるシリコンウエハの移動に転がり軸受，リニアガイド装置，ボールねじ等の転動装置が使用されている。このような転動装置に磁性材を用いると、転動装置の作動によって周辺の磁場が乱されて、測定精度や製造精度（描画精度）が低下するおそれがある。よって、このような装置に使用される転動装置には、作動によって周辺の磁場を乱さないことが要求される。

磁場環境下で使用可能な転がり軸受としては、軌道輪及び転動体の少なくとも一方がＭｎ−Ｎｉ−Ｃｕ合金で構成された転がり軸受（特許文献１を参照）や、軌道輪がベリリウム銅で構成され、転動体がセラミック（窒化ケイ素，炭化ケイ素，アルミナ）で構成された転がり軸受（特許文献２を参照）や、軌道輪がＮｉを結合相とするＷＣ−Ｎｉ系超硬合金で構成され、転動体が非磁性セラミックで構成された転がり軸受（特許文献３を参照）が知られている。

一方、腐食環境下で使用可能な転がり軸受としては、外輪が常圧焼結法で製造されたセラミックで構成され、内輪がガス圧焼結法又はＨＩＰ法で製造されたセラミックで構成された耐食性転がり軸受（特許文献４を参照）や、内輪，外輪，及び転動体が炭化ケイ素で構成された転がり軸受（特許文献５を参照）が知られている。
特開２０００−１３０４３９号公報特開平１１−３３６７５５号公報特開２０００−１５４８２５号公報特開平８−１２１４８８号公報特開平１０−８２４２６号公報特開２００４−１３６３７２号公報

しかしながら、特許文献１，２に記載の転がり軸受において、軌道輪がＭｎ−Ｎｉ−Ｃｕ合金（Ｈｖ３４０程度）やベリリウム銅（Ｈｖ４００程度）で構成され、転動体がセラミック（窒化ケイ素，炭化ケイ素，アルミナ）で構成されている場合には、軌道輪と転動体の硬さが約３倍以上異なるため、低粘度の潤滑油の使用等により潤滑条件が厳しく固体接触が生じるような条件下や無潤滑条件下では、硬いセラミック製転動体によるアブレッシブ摩耗により、軟らかいＭｎ−Ｎｉ−Ｃｕ合金，ベリリウム銅で構成された軌道輪が著しく摩耗して、転がり軸受が短寿命となったり、外部環境を汚染するおそれがある。また、Ｍｎ−Ｎｉ−Ｃｕ合金やベリリウム銅のような軟質金属では、硬さが低いために、比較的低荷重で塑性変形が生じてしまうため、転がり軸受を低荷重でしか使用することができない。

また、特許文献３に記載の転がり軸受の場合には、Ｎｉを結合相とするＷＣ−Ｎｉ系超硬合金の強度，硬さ，焼結性がＮｉの含有率によって異なるため、Ｎｉの含有率によっては耐摩耗性が不十分となって摩耗が著しく進行するおそれがある。また、焼結性が不十分となってポアが多量に生じるため、クラックの導入や伝播が起こりやすくなる。その結果、転がり軸受が比較的短時間で寿命に至ってしまうおそれがある。さらに、Ｎｉを結合相とするＷＣ−Ｎｉ系超硬合金の全てが非磁性である訳ではなく、炭素の量によっては強磁性となる場合もあるので、転がり軸受の作動によって周辺の磁場が乱されるおそれがある。

さらに、特許文献４に記載の転がり軸受の場合には、常圧焼結法で製造されたセラミックは強度や破壊靱性が低く、表面や内部の欠陥を起点として微小なクラックが伝播しやすいという問題点を有しているため、摩耗粉が多量に生じたり割れが生じたりして、転がり軸受が短寿命となるおそれがある。特に、ラジアル荷重を支持する場合には、外輪の負荷圏に荷重が集中するため、低荷重下であっても外輪の負荷圏においてクラックが容易に伝播して、寿命が極端に短くなる場合がある。

さらに、特許文献５に記載の転がり軸受の場合には、耐食性は優れているものの強度や破壊靱性が低いので、ある程度の荷重が負荷されると表面又は全体にクラックが伝播して、剥離や割れが生じるおそれがある。特に、ラジアル荷重を支持する場合には、外輪の負荷圏に荷重が集中するため、低荷重下であっても剥離や割れが生じ、寿命が極端に短くなる場合がある。
そこで、本発明は、前述のような従来技術が有する問題点を解決し、腐食性環境下や非磁性が要求される環境下においても使用可能であり、且つ、無潤滑条件等の厳しい潤滑条件下や高荷重下においても長寿命な転動装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１の転動装置は、回転運動可能又は直線運動可能な可動子と、該可動子を回転運動可能又は直線運動可能に支持する支持体と、前記可動子と前記支持体との間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転動装置において、前記可動子，前記支持体，及び前記転動体のうち少なくとも一つを、直線状の転位組織が表面に均一に分布したセラミックで構成したことを特徴とする。

また、本発明に係る請求項２の転動装置は、請求項１に記載の転動装置において、前記セラミックの転位組織の転位密度を１×１０⁴ｃｍ^-2以上９×１０¹³ｃｍ^-2以下としたことを特徴とする。
このような構成であれば、前記セラミックの耐食性や非磁性が優れているので、腐食性環境下や非磁性が要求される環境下においても使用可能である。また、低粘度の潤滑油の使用等により潤滑条件が厳しく固体接触が生じるような条件下や無潤滑条件下で使用されても、摩耗が生じにくく長寿命であるとともに、摩耗粉による外部環境の汚染が生じにくい。さらに、高荷重下で使用されても損傷が生じにくく長寿命である。

直線状の転位組織が表面に均一に分布したセラミックの種類は特に限定されるものではないが、塑性加工を施すことによって直線状の転位組織を表面に均一に形成させたセラミックが好ましい。このようなセラミックは、前記転位組織の形成により強靱化，高硬度化されているので、本発明の転動装置の素材として好適である。塑性加工としては、常温環境下においてセラミックの表面に噴射材を噴射するショットブラスト処理（特許文献６を参照）が好ましい。噴射材としては、被処理物であるセラミックよりも硬さが低く、且つ、表面が凸曲面でエッジを有していない微粒子が好ましい。
前記転位組織の転位密度が１×１０⁴ｃｍ^-2未満であると、セラミックの靱性や硬さが不十分である場合がある。一方、９×１０¹³ｃｍ^-2超過であると、チッピングが生じやすくなる。

なお、本発明は種々の転動装置に適用することができる。例えば、転がり軸受，ボールねじ，リニアガイド装置，直動ベアリング等である。本発明における可動子とは、転動装置が転がり軸受の場合には回転輪、同じくボールねじの場合には通常はナット、同じくリニアガイド装置の場合には通常はスライダ、同じく直動ベアリングの場合には通常は外筒をそれぞれ意味する。また、支持体とは、転動装置が転がり軸受の場合には固定輪、同じくボールねじの場合には通常はねじ軸、同じくリニアガイド装置の場合には通常は案内レール、同じく直動ベアリングの場合には通常は軸をそれぞれ意味する。

本発明の転動装置は、腐食性環境下や非磁性が要求される環境下においても使用可能である。また、無潤滑条件等の厳しい潤滑条件下や高荷重下においても長寿命である。

本発明に係る転動装置の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係る転動装置の一実施形態である転がり軸受の構造を示す部分縦断面図である。この転がり軸受は、呼び番号６０００の深溝玉軸受（内径１０ｍｍ，外径２６ｍｍ，幅８ｍｍ）であり、外周面に軌道面１ａを有する内輪１と、軌道面１ａに対向する軌道面２ａを内周面に有する外輪２と、両軌道面１ａ，２ａ間に転動自在に配された複数の玉３と、内輪１と外輪２との間に複数の玉３を保持する保持器４と、を備えている。なお、本実施形態においては、回転輪である内輪１が本発明の構成要件たる可動子に相当し、固定輪である外輪２が本発明の構成要件たる支持体に相当する。

内輪１，外輪２，及び玉３は、その表面にショットブラスト処理が施された窒化ケイ素で構成されている。また、ショットブラスト処理により、直線状の転位組織が表面に均一に形成されていて、転位組織の転位密度は１×１０⁴ｃｍ^-2以上９×１０¹³ｃｍ^-2以下とされている。
ショットブラスト処理は、被処理物（内輪１，外輪２，及び玉３）の表面に噴射材を噴射する処理であるが、処理時の環境温度は常温であることが好ましく、噴射材は窒化ケイ素よりも硬さが低く且つ表面が凸曲面でエッジを有していない微粒子（例えばアルミナ粒子）であることが好ましい。

また、ショットブラスト処理前後の被処理物の表面粗さＲａの変化が、０．０２μｍ未満であることが好ましい。表面粗さＲａの変化が０．０２μｍ以上となると、ショットブラスト処理の効果が不十分となるおそれがある。また、転動装置の構成部品である内輪１，外輪２，及び玉３の表面については、表面粗さはできるだけ小さい方が好ましい。さらに、表面粗さＲａの変化が０．０２μｍ未満となるようなショットブラスト処理であれば、処理による寸法変化も小さいため好ましい。なお、ショットブラスト処理の後にバレル処理やホーニング処理を施して、表面粗さを良好にしてもよい。

表面粗さＲａの変化が０．０２μｍ未満となるようにするためには、ショットブラスト処理の条件を以下のように設定することが好ましい。
噴射材の平均粒径：５０μｍ以上１００μｍ以下
噴射圧：０．１ＭＰａ以上０．６ＭＰａ以下（より好ましくは０．２ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下）
噴射速度：３０ｍ／ｓ以上９０ｍ／ｓ以下
噴射量：２００ｇ／ｍｉｎ以上８００ｇ／ｍｉｎ以下
このような条件でショットブラスト処理を施せば、転位組織の転位密度をより好ましい値である１×１０¹⁰ｃｍ^-2以上１×１０¹³ｃｍ^-2以下とすることができる。

このような本実施形態の転がり軸受は、耐食性，非磁性に優れるセラミックで構成されているので、腐食性環境下や非磁性が要求される環境下においても使用可能である。また、直線状の転位組織の形成によりセラミックが強靱化，高硬度化されているので、低粘度の潤滑油の使用等により潤滑条件が厳しく固体接触が生じるような条件下や無潤滑条件下で使用されても、摩耗が生じにくく長寿命であるとともに、摩耗粉による外部環境の汚染が生じにくい。さらに、高荷重下で使用されても、剥離，クラック等の損傷が生じにくく長寿命である。

なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態においては、セラミックの種類は窒化ケイ素であったが、窒化ケイ素に限定されるものではなく、炭化ケイ素，アルミナ等の他種のセラミックも問題なく使用可能である。
また、本実施形態においては、転動装置の例として深溝玉軸受をあげて説明したが、転がり軸受の種類は深溝玉軸受に限定されるものではなく、本発明は様々な種類の転がり軸受に対して適用することができる。例えば、アンギュラ玉軸受，自動調心玉軸受，円筒ころ軸受，円すいころ軸受，針状ころ軸受，自動調心ころ軸受等のラジアル形の転がり軸受や、スラスト玉軸受，スラストころ軸受等のスラスト形の転がり軸受である。さらに、本発明は、転がり軸受に限らず、他の種類の様々な転動装置に対して適用することができる。例えば、ボールねじ，リニアガイド装置，直動ベアリング等である。

〔実施例〕
以下に実施例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。まず、窒化ケイ素（Ｈｖ１５００）製の試験片（幅１０ｍｍ，長さ１０ｍｍ，厚さ５ｍｍ）に、平均粒径１００μｍのアルミナ粒子（Ｈｖ１３００）を噴射材として用いたショットブラスト処理を施して、表面に直線状の転位組織を均一に形成させ、それによる強靱化，高硬度化，及び表面粗さＲａの変化の度合いをそれぞれ評価した。
ショットブラスト処理の条件及び評価結果を表１に示す。なお、ショットブラスト処理により形成された転位組織の転位密度は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察により測定した。すなわち、ＴＥＭ観察像から転位組織の長さを測定し、単位体積当たりの転位組織の長さを算出した。また、破壊靱性値は、ＪＩＳＲ１６０７に規定された方法により測定した。

実施例１，２は、ショットブラスト処理が施され、転位組織の転位密度が１×１０⁴ｃｍ^-2以上９×１０¹³ｃｍ^-2以下の範囲内となっている。そして、ショットブラスト処理が施されていない比較例１の数値から分かるように、ショットブラスト処理によりビッカース硬さ及び破壊靱性値が上昇している。比較例２は、ショットブラスト処理は施されているものの、転位組織の転位密度が１×１０⁴ｃｍ^-2未満であるので、ショットブラスト処理の効果が現れておらず、ビッカース硬さ及び破壊靱性値が変化しなかった。また、比較例３は、ショットブラスト処理は施されているものの、転位組織の転位密度が９×１０¹³ｃｍ^-2超過であるので、破壊靱性値の測定の際に大きなクラックが発生して試験片が破損した。

次に、前述した呼び番号６０００の深溝玉軸受とほぼ同様の構成の深溝玉軸受において、内輪，外輪，及び玉を構成するセラミックを、表１に示すショットブラスト処理が施された窒化ケイ素としたものを用意して、図２に示す日本精工株式会社製の軸受回転試験機を用いた回転試験によって耐久性（寿命）を評価した。ただし、保持器にはフッ素樹脂製の冠形保持器を用いた。

転がり軸受１０は、容器５９に満たされた水の中に浸された状態で固定されており、これにより腐食性環境下での使用状態が再現されている。この転がり軸受１０の内輪にはシャフト５４が取り付けられており、連結継手５２及びスピンドル５３を介してモーター５１による回転駆動力がシャフト５４に伝わると、内輪が回転速度３０００ｒｐｍで回転するようになっている。また、転がり軸受１０に取り付けられたワイヤー５５には滑車５６を介して滑動可能に重り５７がつなげられており、この重り５７により転がり軸受１０に５０Ｎのラジアル荷重が負荷されるようになっている。そして、プレート５８を介して転がり軸受１０の外輪に接続された振動計６０により、転がり軸受１０の振動が測定可能となっている。なお、振動計６０により測定される振動値が初期値の３倍に上昇した時点を、転がり軸受１０の寿命とした。
回転試験の結果を表２に示す。なお、表２に記載した耐久性は、比較例１の転がり軸受の寿命を１とした場合の相対値で示してある。

表２から分かるように、実施例１，２の転がり軸受は、ショットブラスト処理が施されていない比較例１の転がり軸受と比べて、優れた耐久性を有していた。

本発明の転動装置は、腐食環境下において好適に使用可能である。例えば、液晶パネル製造工程，半導体製造工程，ハードディスク製造工程，コンデンサー製造工程等における各種洗浄装置の回転支持部又は直動支持部を構成する転動装置として好適である。また、本発明の転動装置は、磁場環境下においても好適に使用可能である。例えば、半導体製造工程における電子線を利用した露光装置，描画装置，検査装置の回転支持部又は直動支持部を構成する転動装置として好適である。

本発明に係る転動装置の一実施形態である転がり軸受の構造を示す部分縦断面図である。軸受回転試験機の構造を示す断面図である。

符号の説明

１内輪
２外輪
３玉

Claims

回転運動可能又は直線運動可能な可動子と、該可動子を回転運動可能又は直線運動可能に支持する支持体と、前記可動子と前記支持体との間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転動装置において、
前記可動子，前記支持体，及び前記転動体のうち少なくとも一つを、直線状の転位組織が表面に均一に分布したセラミックで構成したことを特徴とする転動装置。
前記セラミックの転位組織の転位密度を１×１０⁴ｃｍ^-2以上９×１０¹³ｃｍ^-2以下としたことを特徴とする請求項１に記載の転動装置。