JP2007170537A - 転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】油分を許容しない真空環境下で使用される軸受において、高回転数で使用できかつ長寿命な軸受の提供を目的とする。
【解決手段】内輪２および外輪３と、この内輪２および外輪３間に介在する複数の転動体４と、該複数の転動体４と摺接し保持する保持器５とを備えた転がり軸受１であって、上記保持器５表面の少なくとも一箇所以上の面に、二硫化タングステン粉末を含有する被膜を形成してなり、該被膜中に占める二硫化タングステン粉末の配合割合が 70 体積％〜98 体積％である。この転がり軸受は、特にターボ分子ポンプのタッチダウン軸受として用いられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、真空環境で使用される転がり軸受に関する。

真空環境で使用される軸受において、特に油分を許容されない環境で使用される軸受には、二硫化タングステンなどの固体潤滑材を焼結した素材を軸受内にスペーサとして配置した軸受が優れた特性を示すことで知られている（特許文献１参照）。このような軸受は、スペーサと転動体とが摺接し潤滑材を転動部に供給することで良好な軸受特性を示す。
しかし、固体潤滑材の焼結体は機械的強度が低く、また柔軟性が乏しいため、高回転数で焼結体に遠心力と衝撃力が負荷されるような軸受、例えばタッチダウン軸受の使用条件では適用できない。

一方、無機バインダを用いた二硫化タングステン被膜を保持器に施し、上記と同様に保持器から潤滑材を供給する形態の軸受が知られている（特許文献２参照）が、柔軟性の乏しい無機バインダを用いているため被膜自体の柔軟性も乏しく、転動体との摺接時に大きな単位で脱落し、硬い無機バインダが異物となって軸受を損傷させるので、軸受としての寿命は十分ではない。
また、比較的柔軟な熱硬化性樹脂をバインダとした固体潤滑材被膜を保持器に施した軸受が知られている（特許文献３参照）が、被膜自体の耐摩耗性を重視することが多いため、固体潤滑材の配合割合は多くとも 40 体積％であり、軸受寿命を維持するには十分な配合量とはいえない。
特許第３５５０６８９号 特開平１０−２０５５４１号公報 特開２００２−１３０３００号公報

本発明はこのような問題に対処するためになされたもので、油分を許容しない真空環境下で使用される軸受であって、高回転数で使用できかつ長寿命な軸受の提供を目的とする。

本発明の転がり軸受は、内輪および外輪と、この内輪および外輪間に介在する複数の転動体と、該複数の転動体と摺接し保持する保持器とを備えてなる転がり軸受であって、上記保持器表面の少なくとも一箇所以上の面に、二硫化タングステン粉末を含有する被膜を形成してなり、該被膜中に占める二硫化タングステン粉末の配合割合が 70 体積％〜98 体積％であることを特徴とする。
上記被膜のバインダ成分が樹脂であることを特徴とする。
上記転がり軸受が、ターボ分子ポンプに用いられるタッチダウン軸受であることを特徴とする。

本発明の転がり軸受は、保持器表面の少なくとも一箇所以上の面に、二硫化タングステン粉末が 70 体積％〜98 体積％配合された樹脂を被膜化した軸受とすることで、軸受回転時に二硫化タングステンが転動部に入り込み潤滑材として機能し高回転数で軸受を使用した場合でも破損することない。
また、潤滑材である二硫化タングステンを多く含むことから従来の同用途における軸受と比較して長寿命な軸受となり、同時にバインダ量が少ないのでガス発生量も少なくなる。
また、被膜の基材となる保持器として金属などの高強度な材料を任意に採用できるので、これらの高強度材料を採用することにより高回転数で軸受を使用した場合でも保持器が破損することなく、優れた軸受特性を発揮できる。

タッチダウン軸受のような真空中で高速回転する過酷な運転条件に用いる保持器の場合、有機バインダが多すぎると保持器からの潤滑材供給が追いつかず、運転初期に軸受に焼き付きが発生する。一方、有機バインダがないかあるいは少なすぎると、軸受の組み立て時の潤滑材脱落や、運転中でも大きな単位で脱落して継続的な潤滑材供給ができず、運転初期で軸受が焼き付く。
本発明はこれらの点に着目してなされたものであり、真空環境下で使用される転がり軸受において、保持器表面の少なくとも一箇所以上の面に、二硫化タングステン粉末が 70 体積％〜98 体積％配合された樹脂を被膜化することで、円滑な潤滑材供給による高速回転時に優れた軸受特性が得られることを見出したものである。

本発明に係る転がり軸受の一例を図１に示す。図１は深溝玉軸受の断面図である。
図１に示すように、転がり軸受１は、外周面に内輪転走面２ａを有する内輪２と内周面に外輪転走面３ａを有する外輪３とが同心に配置され、内輪転走面２ａと外輪転走面３ａとの間に複数個の転動体４が配置される。この複数個の転動体４と摺接し保持する保持器５および外輪３等に固定されるシール部材６とにより構成される。このうち保持器５表面の少なくとも一箇所以上の面に二硫化タングステン 70 体積％〜98 体積％含有された被膜が形成される。被膜のバインダ成分は樹脂が好ましく、被膜はバインダによって保持器５表面に安定に形成される。
本発明において、少なくとも保持器表面の少なくとも一箇所以上の面とは、該面に形成される被膜から潤滑材が転動体表面等の転動部に入り込める位置の面であり、例えば転動体との摺動面等である。

本発明に係るタッチダウン転がり軸受の一例を図２に示す。図２はターボ分子ポンプに用いられるタッチダウン転がり軸受断面の一例を示す図である。図２に示すように、タッチダウン転がり軸受１４ａ、１４ｂは、高真空 (＞ 1 x 10^-1Pa) を形成するためのターボ分子ポンプ７の軸受として、磁気軸受１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄとともに使用される。ターボ分子ポンプ７は、高真空を形成する系に吸気口８で取り付けられ、モータ１３により駆動されるロータ１０の回転で、系内の気体を吸気口８から吸気し排気口９へ排出することによって系内を高真空に保つものである。

通常時は磁気軸受１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの磁力によってロータ１０とステータ１１とが接触しない状態で運転されるが、停電時等で通電が遮断された場合、磁気軸受１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの負荷能力が瞬時に失われ、ロータ１０とステータ１１が接触し、ターボ分子ポンプ７が損傷する危険がある。タッチダウン転がり軸受１４ａ、１４ｂは、このようなロータ１０とステータ１１との所定のクリアランスが減少した異常時に、最高回転状態から、ロータ１０とステータ１１とに接触・支持することによってロータ１０とステータ１１との接触を防止するものである。
タッチダウン転がり軸受１４ａ、１４ｂは、その保持器表面の少なくとも一箇所以上の面に、二硫化タングステン粉末が 70 体積％〜98 体積％配合された樹脂を被膜化しているので、高真空下、高速回転に対応することができる。

本発明において使用する二硫化タングステン粉末は、粒子径、形状、純度、製造方法などで特に限定されるものではなく、工業的に市販されているものであれば採用できる。均質な薄膜を形成する必要がある場合には平均粒子径 50μm 以下のものが好ましい。

本発明において被膜中に占める二硫化タングステン粉末の配合量は、70 体積％〜98 体積％であることを必須条件とする。70 体積％未満の場合は固体潤滑材である二硫化タングステンを保持器から摺動界面へ安定的に供給することができない。また、98 体積％をこえる場合には保持器から被膜が脱落するおそれがある。

本発明おいて被膜の特性を損なわない範囲で、二硫化タングステン粉末とともにその他固体潤滑材や補強材を併用することができる。
例えば、固体潤滑材として二硫化タングステン粉末の一部を二硫化モリブデン粉末に置き換えて被膜を形成することができる。二硫化タングステン粉末と二硫化モリブデン粉末との混合物中に占める二硫化モリブデン粉末の配合割合は 30 体積％以下であることが好ましい。30 体積％をこえる場合には所定の潤滑特性が得られない。

バインダとして用いる樹脂は、特に限定されるものではなく、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれも使用することができる。これらの樹脂の中で高真空環境下でもアウトガスが少なく、また被膜を形成しやすいことから、熱硬化性ポリアミドイミド（以下、ＰＡＩと記す）樹脂、熱硬化性ポリイミド樹脂が好ましい。あるいはフッ素樹脂のディスパージョンも好ましい。

保持器表面に被膜を形成する方法としては、特に限定されるものではなく、二硫化タングステンと樹脂との混合物を保持器表面に浸漬、塗布、吹きつけ等の方法で積層し、熱処理等により樹脂成分を保持器本体に固着することで被膜を形成することができる（ディッピング法等）。
また、被膜の厚みは、10μm〜1000μm であることが好ましい。10μm 未満の場合では、運転初期のなじみ段階において潤滑材が消費されるため十分な軸受特性を発揮できず、また 1000μm をこえる場合は、均一で良質な成膜が困難なため皮膜にクラックやピンホールなどの欠陥が生じ易く運転時に大きな単位で脱落する可能性が高い。
また、保持器と被膜との密着性を向上させるために、樹脂分の多い層を接着層として用いると潤滑材の脱落が抑制され長寿命化が図れる。

保持器の材質としては、銅合金、ステンレス（ＳＵＳ）、アルミニウム合金、チタン合金等の金属材料、ポリイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂等の耐熱性樹脂材料などを採用できる。本発明の転がり軸受を、タッチダウン軸受として使用する場合には、衝撃荷重、急加速等の過酷な条件にさらされるので、柔軟性と強度のバランスが良い銅合金等を採用することが好ましい。

本発明を実施例および比較例により具体的に説明するが、これらの例によって何ら限定されるものではない。
以下に示す被膜の原料、被膜形成方法および軸受寿命試験方法を用いて作製した実施例および比較例の試験用転がり軸受の軸受寿命試験を行なった。
＜被膜の原料＞
二硫化タングステン粉末：日本潤滑剤社製、ＷＳ２−Ｂ特、平均粒子径 0.6μm
二硫化モリブデン粉末：ダイゾー社製、Ａパウダー、平均粒子径 0.6μm
ポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥと記す）粉末：ダイキン工業社製、Ｍ１５、平均粒子径 15μm
熱硬化性ＰＡＩ樹脂：日立化成工業社製、ＨＰＣ−４２５０−３０
水ガラス（珪酸ナトリウム）：和光純薬社製、試薬
＜被膜形成方法＞
被膜形成は以下に示すディッピング法により行なった。
樹脂と固体潤滑材粉末との配合割合が所定の割合になるように秤量し、塗料の固形分が 20 重量％〜30 重量％になるように調整して塗料を得た。得られた塗料中に保持器を浸漬し、100℃で 30 分間予熱処理する操作を 3 回繰り返した後、200℃（水ガラスの場合は 300℃）にて 3 時間焼成処理を施した。焼成後の被膜厚さを 50μm〜100μm とした。
＜軸受寿命試験＞
真空中で試験軸受にスラスト荷重を負荷し、内輪を回転させ、トルクを測定する軸受寿命試験を以下に示す条件で行なった。軸受寿命はトルクが安定時に比べ著しく高くなるまでの時間とした。なお実施例１と比較例５については低速回転条件のほかに高速回転条件も適用した。
試験軸受：ＳＵＳ４４０Ｃ製６０８相当のアンギュラ型
保持器：ＣＡＣ３０１製もみ抜き保持器
被膜：保持器の全表面に膜厚 50μm〜100μm を形成
真空度：1〜10 ×10^-5Pa
温度：常温
低速回転条件：荷重：490 N（最大接触面圧 2.2 GPa）、回転数：500 rpm
高速回転条件：荷重：49 N（最大接触面圧 1.1 GPa）、回転数：10000 rpm

実施例１〜実施例３および比較例１〜比較例５
表１に示す構成の試験軸受を作製し、軸受寿命試験を実施した。なお実施例１および比較例５については低速回転条件のほかに高速回転条件も適用した。結果を表１に併記する。

表１に示すように、実施例の保持器は比較例１〜比較例４に比べて優れた軸受寿命を示した。比較例５の市販品を切削加工して得た保持器は、低速回転条件では実施例と同等の軸受寿命を示したが、高速回転条件では、実施例１の 100 時間に比べてわずか 5分間の短寿命であり、試験後の保持器は破損していた。

本発明の転がり軸受は、保持器に施した二硫化タングステン被膜から転動部へ安定的に潤滑材を供給することで、軸受寿命を延長でき、かつ保持器材質に高強度な金属を採用できるので、高速回転条件でも保持器が破損することがなく、高真空、高速回転条件化で使用される転がり軸受として好適に利用できる。

深溝玉軸受の断面図である。 ターボ分子ポンプに用いられるタッチダウン転がり軸受の一例を示す図である。

符号の説明

１ 転がり軸受
２ 内輪
２ａ 内輪転走面
３ 外輪
４ 転動体
３ａ 外輪転走面
５ 保持器
６ シール部材
７ ターボ分子ポンプ
８ 吸気口
９ 排気口
１０ ロータ
１１ ステータ
１２ａ 磁気軸受
１２ｂ 磁気軸受
１２ｃ 磁気軸受
１２ｄ 磁気軸受
１３ モータ
１４ａ タッチダウン軸受
１４ｂ タッチダウン軸受

Claims (3)

1. 内輪および外輪と、この内輪および外輪間に介在する複数の転動体と、該複数の転動体と摺接し保持する保持器とを備えてなる転がり軸受であって、
   前記保持器表面の少なくとも一箇所以上の面に、二硫化タングステン粉末を含有する被膜を形成してなり、該被膜中に占める二硫化タングステン粉末の配合割合が 70 体積％〜98 体積％であることを特徴とする転がり軸受。
2. 前記被膜のバインダ成分が樹脂であることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
3. 前記転がり軸受が、ターボ分子ポンプに用いられるタッチダウン軸受であることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の転がり軸受。

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