JP2009535548A - 気体軸受コーティング - Google Patents

Abstract

本発明は、気体軸受が硬質層でコーティングされている真空ポンプ、及び、真空ポンプのそのような気体軸受の製造方法に関するものである。

Description

本発明は、真空ポンプ内で気体軸受が硬質層でコーティングされている真空ポンプ、及び、真空ポンプのそのような気体軸受の製造方法に関するものである。

非接触で低摩擦の気体軸受が、例えばターボ分子ポンプやターボラジアルブロア（例えば、Ｔｕｒｂｏｓｔｒｅａｍ（登録商標））のような、高速回転式の気体搬送機器で使用される場合、そのような機器が始動されるときや停止されるときには、気体圧力が軸受の非接触作動を可能にするのに必要な支持力を確立するには不十分となり、乾燥摩擦（固体どうしの摩擦）が、互いに相対的に回転する軸受部材の間で、起こる段階がある。従って、その構造設計によっては、１分間の極限回転数が乾燥摩擦の発生により少なくなる。

摩擦する軸受部材の耐用年数を延ばす目的のために、耐磨耗性材料がある程度使用されている。基本的に、特定の潤滑システムでは、その材料の硬さが増すに従ってその耐磨耗性が向上するのは事実であるが、そのような材料は加工に困難性をともなう。従って、硬質材料の耐磨耗性の向上はその加工性によって制限されている。

現在まで、硬質材料を成形するには、例えばホーニング加工やダイヤモンド機械加工のような、精密な機械加工を用いる必要がある。これらの作業工程は手間が掛るだけではなく、加工工具がより高い硬さを有していなければならないので使用できる硬質材料の硬さを制限している。

例えば、特許文献１には、最初に、複数の球体の緊密な充填状態を得るために、硬質材料の複数のボールが圧縮される軸受表面の製造について記載されている。続いて、これらの表面は回転により圧縮され、その後、ダイヤモンド機械加工される。

従って、その機械加工は、用いることのできる硬質材料の種類を制限する。そのため、所望する特定の潤滑特性は、制限された方法内でのみしか得られない。

非特許文献１及び非特許文献２には、気体搬送装置における潤滑システムの特有の特性は、大気環境下で形成される水分を含む吸着層が、もはや真空下では形成され得ないとの記載がある。大気条件下では、この水膜は、一方では、潤滑剤として機能し、他方では、接触する表面の摩擦反応にかなりの影響を及ぼす摩擦化学反応を引き起こす場合がある。従って、摩耗を減少させる大気吸着層により摩耗を減少させる効果がある層システムは、真空や不活性ガスの下では極めて低い耐摩耗性となってしまう。

その一方で、真空状態のために最適化された層システムは、大気条件下では耐摩耗性が低下する場合がある。

水膜の不足から真空下で起こるこれらの不都合は、例えばターボ分子ポンプのような高真空下で動いているポンプだけでなく、ターボラジアルブロアにも同様に影響を及ぼす。

真空ポンプの軸受に潤滑剤として使用されている油脂は、特に高い真空での用途において、それが蒸発する可能性があり、それにより好ましくない分圧を引き起こし、潤滑剤が抜けてしまうという不都合がある。大気下のポンプ機器中に一方で存在し、通常、反応表面を不動態化することができる酸素は、真空機器内には存在していない。また、大気下のポンプ機器においては常に生じて存在している、軸又はローターの表面の水膜も、真空下では存在しない。そのような根本的な条件は、摩擦摩耗挙動を決定する摩擦しあう関連部材相互での界面反応を生じさせる。仮に摩擦化学反応で形成された反応生成物によって摩擦係数が最小にされるならば、仮に界面の凝着する性質が低減される傾向ならば、仮に表面硬さが増加されるならば、及び／又は、仮に摩擦化学反応が起こらないならば、原理上、摩擦の最小化を実現することはできる。

特許文献２には、コーティングされていない気体軸受を備えている真空ポンプが開示されている。

特許文献３は、例えば、スキャナ及びプリンタの中の高速回転鏡面ホイールで用いるような、高速回転軸の動的気体軸受を開示している。これらは、大気圧下で用いられる機器である。

特許文献４は、同様に大気圧下における、モーター軸の動的気体軸受を開示している。

特許文献５は、スキャナ又はプリンタなどの用途の、大気圧下での高速回転軸の気体軸受を開示している。

特許文献６は、軸がボールベアリングで支えられている真空ポンプを開示している。

特許文献７は、ローターが特別なアルミニウム−リチウム合金で作られている真空ポンプを開示している。

特許文献８は、硬質材料を充填し、その後圧延し、続いてその表面をダイヤモンド機械加工した硬質材料による静圧気体軸受コーティングを開示している。

特許文献９は、ハードディスクの軸などのような、大気下の用途における気体軸受のＣＶＤコーティングを開示している。その開示された処理において、コーティングは、必ずその一部を除去されるので、コーティングは、常に強制的に成形される。

西独国特許出願公開第３４３９６４８号明細書 独国特許出願公開第１９９１１５９８３号明細書 独国特許出願公開第１９７２５７８４号明細書 国際公開第０２／１０５９８号パンフレット 独国特許第１９８２１６０１号明細書 国際公開第０２／３５０９９号パンフレット 国際公開第９４／６２２８号パンフレット 独国特許出願公開第４４０３３４０号明細書 独国特許第１９９５０４６３号明細書 ハー・ツィコス、カー・ハー・ハービック(H.Czichos, K.-H. Habig)、「潤滑学ハンドブック、摩擦と磨滅(TribologieHandbuch, Reibung und Verschleiss)」、(フリーデル フィーヴェック ゾーン フェアラーク ヴィースバーデン(Friedr.Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden) 2003年、第2版、p.404 ff. デー．クラフケ(D.Klaffke)、「空気の乾燥状態における摩耗(Verschleiβ in trockener Luft)」、トリボロギー ウント シュミールングステヒニック(Tribologie und Schmierungstechnik)、1997年、第44巻、第7号、p.219-224

本発明は、硬質材料の層を用いて摩擦抵抗を最小化する場合でも、できるだけ簡便に製造可能な、真空下における気体軸受を、提供することを目的とする。

前記の目的を達成するためになされた本発明は、第一の実施の形態を例に説明すると、吸気口２と、排気口３と、気体軸受５内で支持されて気体軸受ローター６を備えている軸４と、を備えた潤滑油非使用真空ポンプ１において、少なくとも気体軸受表面９が、軸４に対向し、及び／又は気体軸受ローター６に対向しており、層の厚さが０．５〜３０μｍの範囲内で、０．０１Ｎの測定力で少なくとも１０００ＨＫの微小硬さを有する材料からなる硬質層１０を持つ真空ポンプ１というものである。

好ましくは、本発明による真空ポンプ１は、少なくとも１つの吸気口２と、少なくとも１つの排気口３と、少なくとも１つの筐体１５とを備えている。好ましくは、少なくとも１つのローター６と少なくとも１つのステーター７が、搬送すべき気体が中を通って流れるための、潤滑剤を含んでいない搬送スペース８を形成している。

本発明の真空ポンプは、高真空下で使用するポンプから低真空の下で使用するポンプまで、全般に用いられるポンプである。前記のポンプは、例えば、サイドチャンネル圧縮機や、ターボ圧縮機（軸、放射状）、分子ポンプ、ターボ分子ポンプなどのような機械的な運動量輸送式真空ポンプを含んでいる。ターボ圧縮機は、例えば、ターボラジアルブロア（例えばＴｕｒｂｏ−Ｓｔｒｅａｍ（登録商標））を含んでいる。

簡便な処理に加えて、安価な基材材料の使用は、コストの節約をもたらす。そのうえ、この目的のために現在使用できる構造材料よりも、さらに硬質なコーティング材の選択が可能になり、それは構成部品の耐用年数を長くできる可能性がある。

本発明による硬質層１０が特に薄い構造であるため、必要となる気体軸受５のステーター部材１１の構成部材を、例えばステーター部材１１を成形する基材を精密機械加工することにより、成形又は構築することができる。それにより、硬質層１０の表面を、成形化又は構築化されたステーター部材１１の表面どおりに正確に再現できる。この基材は、例えば、鉄鋼又はアルミニウム合金であってもよい。硬質層が薄い厚さであるため、ステーター部材の上に硬質層１０が形成された状態にもかかわらず、構成部材は必要とされる精度である最大約１μｍで正確に再現される。従って、硬質層１０の部材の処理が不要になるので好ましい。このため、従来技術と比較して、硬質層１０自体、追加的な成形が全く不要であり、原則的に平滑になる。

本発明による真空ポンプ１の硬質層１０は、原則的に平滑であるのが好ましい。それは、例えば特許文献８や特許文献９にみられるような従来の気体軸受と比較して、大きなコストや手間の掛る硬質層１０の後処理が不要になるからである。すなわち、これらの従来技術と比較し、表面９の形成を所望のとおり成形するということは、例えば鉄やアルミニウム合金のような、表面９の下に形成される基材材料１１を大幅に、一層簡便に成形することができるということに起因しているということでもある。

好ましくは、気体軸受５は、基本的に、気体軸受ステーター部材１１、気体供給機構１２、及び、気体排出開口部１３で構成される。その結果、気体緩衝の構造が特に簡素化される。

好ましくは、硬質層１０の下のステーター部材１１は、気体供給機構１２及び気体排出開口部１３として、吸気口１２及び排気流路１３を含んで構造化されている。これにより、気体供給機構１２及び気体排出開口部１３を、ステーター部材１１に、特に簡便に一体化させることができる。

好ましくは、ステーター部材１１は、軸４に直接、対向する部分だけに硬質層１０を有している。このため、ステーター部材１１は、硬質材料の節約によって、大幅に低減されたコストで製造することができる。

好ましくは、硬質層１０の材料は、炭素又は硬質炭素化合物、特に、アルミニウム、タングステン、クロム若しくはチタンといった金属のカーバイド、窒化物若しくは炭窒化物から選択される。そのような層は、１段又は複数段の層編成のような段階的な層複合物として実現されうる。

好ましくは、硬質層１０の層厚みの変動は、硬質層１０の全体を通して１０％以内とする。この特に均一な硬質層１０の形成により、本発明による真空ポンプの耐用年数は、確実に増加されうる。そのため、硬質層１０のＲａ粗さは、好ましくは最大５００ｎｍまで、より好ましくは最大１００ｎｍまでとする。粗さは、ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ ４２８７に従ってＲａで表される。本発明においてＲａは、平均粗さであって、中心線から表面の測定ポイントの平均距離を表す。これは基準長さの範囲内で、中心線が交差する実際の表面形状を、中心線に基づく偏差の絶対値を合計し平均する。

特に本発明による硬質層１０の層厚みが、好ましい１から５μｍまでの範囲内、より好ましい１から２．５μｍまでの範囲内にあるときには、コーティング後の部材の機械的な後加工はもはや不要である。従って、気体軸受の機能関連許容値を、特に容易に守ることができる。

別の実施の形態を例に説明すると、本発明の真空ポンプの気体軸受の製造方法において、硬質層１０が、ＰＶＤ、ＣＶＤ、電気分解法、又は、非荷電原子若しくは分子の注入法のいずれかのコーティング法によって形成されていることにより、本発明の目的を達成することができる。この場合、略語ＰＶＤは物理的気相成長法を意味し、化学反応が表面に全く起こらないすべての蒸着プロセスを示す。ＣＶＤは、いわゆる前躯体分子が表面に蒸着された後に、特定の化合物を形成するために化学反応させる化学気相成長法を意味する。

これらは、物理的（ＰＶＤ）又は化学的（ＣＶＤ）に、基材材料１１の上に気相から摩耗保護層１０を蒸着する方法である。特に、そのコーティング方法として、プラズマＰＶＤ又はプラズマＣＶＤを用いることが好ましい。これらの方法は、プラズマの発生により行われ、特に、処理温度の低温度化という結果をもたらす。これらは特に、熱に弱い基材材料１１をコーティングするときに、好ましい。また、硬質層１０をコーティングするのに、例えば非荷電原子又は分子（例えば、Ｄｉｃｈｒｏｎｉｔｅｓ（登録商標））の注入法を、適用することもできる。これらは、真空又は不活性乾性ガスの下で、凝着や摩耗のない理想的な滑りを可能にする。

コーティングの工程の前に、イオン、特にアルゴンイオンによるイオンで表面９がエッチングされていると、硬質層１０の極めて高い付着強度をもたらすので好ましい。

発明を実施するための好ましい形態

以下、本発明の実施例を詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。

気体軸受５又は気体軸受の部材は、気体軸受の軸の円形対称のディスクが、同軸上に配列されると共にそこに渦巻き状に気体流路が形成されている（図３ａ参照）。この部材は合金鋼によって製造されている。その軸受の軸の部材の作動性を確保するために、その上側及びそれに対向して向き合うディスクの上側を研磨する必要があった。この部材の表面９は、一例として、ビンゲンのバルザース フェアシュライスシュッツ有限会社によってＢＡＬＩＮＩＴ（登録商標）という商品名で販売されるＰＶＤ硬質物質の層１０でコーティングされている。始動してから動作状態になるまでの間、及び動作状態から停止するまでの間、２枚の軸受ディスクは接触していて、その結果、滑り摩擦をもたらしていた。コーティング１０が高い付着強度を得るために、この部材表面９を前処理としてアルゴンイオンでイオンエッチングすることにより清浄化し、清純な金属表面９を得た。次に、摩耗保護のため、「Ｍｅ−Ｃ：Ｈ」タイプの硬質金属−炭素ＰＶＤ層１０が付された。この層の厚みは約４μｍであった。その結果、研磨された表面仕上げが正確に再現された。対向するディスクも同様に処理された。このようにして、それぞれ異なる潤滑特性を備えた炭素原子の豊富な相、及び金属原子の豊富な相を、目的に合うように調製することによって、摩耗の性質を制御することが可能になり、環境条件に適合させることが可能になった。測定力０．０１Ｎで硬さ１０００ＨＫの層１０を得ることができた。より速い滑り速度における凝着摩擦に対する高い耐性を、真空条件下でさえも達成することができた。実験では、摩耗はまったく観測できなかった。

図１は、本発明の適用例のターボ分子ポンプである真空ポンプ１の断面図を示す。 図２は、ステーター１１の表面９の上の硬質層１０と、硬質層１０によって取り囲まれた軸４の拡大詳細図を示す。 図３は、ステーター１１の異なる実施形態を示す（ａ：渦巻き溝デザイン、ｂ：傾斜セグメントデザイン、ｃ：ギャレットデザイン、ｄ：ＭＩＴデザイン）。

Claims (10)

1. 吸気口（２）と、排気口（３）と、気体軸受（５）内で支持されて気体軸受ローター（６）を備えている軸（４）と、を備えた潤滑油非使用真空ポンプ（１）において、少なくとも気体軸受表面（９）が、軸（４）に対向し、及び／又は気体軸受ローター（６）に対向しており、層の厚さが０．５〜３０μｍの範囲内で、０．０１Ｎの測定力で少なくとも１０００ＨＫの微小硬さを有する材料からなる硬質層（１０）を持つことを特徴とする真空ポンプ（１）。
2. 気体軸受ステーター部材（１１）が、気体供給機構（１２）及び気体排出開口部（１３）として吸気口及び排気流路を有して構成されていることを特徴とする請求項１の真空ポンプ（１）。
3. 気体軸受ステーター部材（１１）は、軸（４）に直接、対向する部分だけに硬質層（１０）を有していることを特徴とする請求項１の真空ポンプ（１）。
4. 硬質層（１０）の材料は、炭素、又はタングステン、クロム若しくはチタンの金属のカーバイド、窒化物又は炭窒化物から選択されることを特徴とする請求項１の真空ポンプ（１）。
5. 硬質層（１０）の層厚みの変動は、この層全体を通して１０％以内であることを特徴とする請求項１の真空ポンプ（１）。
6. 硬質層（１０）のＲａ粗さは、最大５００ｎｍまで、好ましくは最大１００ｎｍまでであることを特徴とする請求項１の真空ポンプ（１）。
7. 硬質層（１０）の層厚みは、１から５μｍまで、好ましくは１から２．５μｍまでの範囲内にあることを特徴とする請求項１の真空ポンプ（１）。
8. 請求項１から７のいずれかの真空ポンプ（１）の気体軸受の製造方法において、硬質層（１０）は、ＰＶＤ、ＣＶＤ、電気分解法、又は、非荷電原子若しくは分子の注入法から選択されるコーティング法によって形成されていることを特徴とする製造方法。
9. 請求項８の製造方法において、前記コーティング法として、プラズマＰＶＤ又はプラズマＣＶＤが用いられることを特徴とする製造方法。
10. 請求項８の製造方法において、前記コーティングの工程の前処理として、イオン、特にアルゴンイオンにより前記表面がエッチングされることを特徴とする製造方法。

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