JP2010190398A

JP2010190398A - 転がり軸受

Info

Publication number: JP2010190398A
Application number: JP2009038120A
Authority: JP
Inventors: Tadahiko Sakamoto; 宰彦坂本; Masayuki Hosoya; 眞幸細谷
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2009-02-20
Filing date: 2009-02-20
Publication date: 2010-09-02

Abstract

【課題】保持器を有する転がり軸受において、その寿命をさらに向上させる。
【解決手段】この真空用軸受（転がり軸受）１は、ボール（転動体）４を保持する保持器５を備えるものであり、その内外輪２，３の二つの軌道２ａ、３ａの軌道面およびボール４の転動面４ａの少なくとも一つが、オイルまたはグリースによる潤滑被膜Ｊで潤滑されて用いられ、ボール４がステンレス製であり、潤滑被膜Ｊの厚みが１〜１０ｇ／ｍ²の薄膜潤滑である。
【選択図】図１

Description

本発明は、保持器を有する転がり軸受に係り、特に、半導体製造装置の搬送ロボット用として、真空環境下での使用に好適な転がり軸受に関する。

転がり軸受（以下、単に「軸受」ともいう）のうち、特に、真空環境下で使用されるものは、軸受も真空仕様とする必要がある（例えば特許文献１参照）。また、その潤滑については、通常、フッ素グリース等の真空用グリースが使用されるが、特にアウトガスを嫌う環境では、潤滑剤量を制限する目的で、グリースプレーティングやオイルプレーティング等の薄膜潤滑が用いられる。さらに、高いアウトガス性が必要な場合には、より薄膜潤滑となるＤＦＯ潤滑（後述）が使用される。

ところで、転がり軸受は、その負荷転動体同士が隣接して配置されると、軸受の回転中に負荷転動体同士の競り合いが生じる。そのため、負荷転動体同士の間に、負荷転動体よりも外径が小さい（例えば２０〜３０μｍ小さい）スペーサ用転動体を介装する構成が慣用されている。
この場合、転がり軸受の全ての転動体を負荷転動体とした場合に比べて、転動体の個数が略半減するため、最大接触面圧は大きくなる。しかし、最大接触面圧は大きくなるものの、それ以上に前述の転動体同士の競り合いによる転動体の摩耗が軸受の耐久性を左右することが知られており、スペーサ用転動体を用いる構成が選定される場合が多くある。なお、スペーサ用転動体を用いる構成において、転がり軸受の耐久性を向上させるために、負荷転動体に窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）等のセラミックスを用い、スペーサ用転動体にＳＵＳ４４０Ｃ等のステンレスを用いることがある。ステンレス製の転動体を負荷転動体にしたときよりもセラミックスは摩耗が少ないので、負荷転動体の耐摩耗性を高くすることができる。

特開２００２−３５７２２５号公報

これに対し、スペーサ用転動体の代わりに保持器を用いて負荷転動体の競り合いを防止する構成も一般的に用いられている。
保持器を用いた転がり軸受の場合は、薄膜潤滑時は、保持器の表面（特にポケット内面とその周辺）の潤滑油が転動体に転移し、その転移した潤滑油が、今度は転動体と転動面（レース）との間を潤滑する。つまり、保持器は、潤滑油のリザーバとして機能する。そのため、保持器を用いた転がり軸受の寿命をさらに向上させる上では、転動体に転移した潤滑油によって、潤滑油の付着面とレースとがより円滑に転動することが重要な課題である。

そこで、本発明は、このような課題に着目してなされたものであって、保持器を有する転がり軸受において、その寿命をさらに向上させ得る転がり軸受を提供することを目的とし、また、半導体製造装置の搬送ロボット用として、真空環境下での使用に好適に用い得る転がり軸受を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本願発明者は、セラミックス製の負荷転動体とステンレス製の負荷転動体との潤滑油に対する濡れ性に着目した。
前述のように、セラミックス製の負荷転動体の方がステンレス製の負荷転動体よりも耐磨耗性に優れている。しかし、セラミックスとステンレスとの潤滑油に対する濡れ性を比較すると、セラミックスはステンレス程の濡れ性を持たないのである。つまり、セラミックスはステンレスに比べて潤滑油を弾いてしまう。

本願発明者は、鋭意検討の結果、保持器を用いた転がり軸受の場合は、保持器の潤滑油が転動体に転移し、その付着面とレースとが転動して初めて潤滑されるという、保持器が潤滑油のリザーバとして機能するので、所定の薄膜潤滑下においては、ステンレス製の転動体の方がセラミックス製の転動体に比べて潤滑性能を高くすることが可能となり、軸受耐久性上、より勝っているという知見を得た。ただし、潤滑油がリッチな場合は、保持器からの潤滑油の転移量は、軸受の耐久性において支配的とはならない。そのため、この濡れ性の差異によりステンレス製の転動体が有意となるのは所定の薄膜潤滑のときにかぎられる。

すなわち、本発明は、外周面に軌道を有する内輪と、内周面に軌道を有する外輪と、これら軌道同士の間に転動自在に介装される複数の転動体と、該複数の転動体を回転自在に保持する保持器とを備え、前記二つの軌道の軌道面および転動体の転動面の少なくとも一つが、オイルまたはグリースによる潤滑被膜で潤滑されて用いられる転がり軸受であって、前記転動体がステンレス製であり、前記潤滑被膜の厚みが１〜１０ｇ／ｍ²の薄膜潤滑であることを特徴としている。

本発明に係る転がり軸受によれば、上述した知見に基づいて、保持器を有する転がり軸受において、転動体をステンレス製とし、潤滑被膜の厚みを１〜１０ｇ／ｍ²とした所定の薄膜潤滑としたので、転がり軸受の寿命をさらに向上させることができる。そして、この転がり軸受は、後述の実施例等からも明らかにするように、アウトガスを少なくしつつも耐久性を向上させることができるため、半導体製造装置の搬送ロボット用として、真空環境下での使用に好適に用いることができる。

ここで、本発明に係る転がり軸受において、例えば、保持器の材料を樹脂材料とし、該樹脂材料をポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）または芳香族ポリイミド（ＰＩ）とすれば、樹脂材料そのものからのアウトガス量が極めて小さいため、真空環境下での使用に好適である。さらに、軸受の回転中に保持器が転動体から力を受けた場合に、保持器が局所的に変形することでその力を吸収し、金属製の保持器の場合のように内輪や外輪に押しつけられて摺動するということも回避できる。

また、本発明に係る転がり軸受において、例えば、前記潤滑被膜が、ＤＦＯ潤滑による被膜であれば、潤滑被膜の厚みを１〜１０ｇ／ｍ²の所定の薄膜潤滑とする上で好適である。
なお、本明細書において、ＤＦＯ潤滑とは、転がり軸受の二つの軌道面および転動体の転動面の少なくとも一つを潤滑する潤滑被膜が、以下の（１）〜（３）の３種類のうちのいずれかであるものをいう。

（１）官能基を有するフッ素重合体とパーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）とを含有する潤滑被膜。
（２）上記（１）に、更にフッ素樹脂を添加してなる潤滑被膜。
（３）アルキル化シクロペンタンまたはポリフェニルエーテルを主成分とする潤滑油とフッ素樹脂とを含有する潤滑剤からなる潤滑被膜。

さらに、本発明に係る転がり軸受において、例えば、前記転がり軸受の軸受内径ＩＤと軸受幅Δｄとの関係が、以下の（式１）であらわされる薄肉軸受であれば、本発明に係る転がり軸受を適用する転がり軸受として好適である。
Δｄ／ＩＤ＜０．１８７（式１）

上述のように、本発明に係る転がり軸受によれば、保持器を有する転がり軸受において、その寿命をさらに向上させることができる。また、半導体製造装置の搬送ロボット用として、真空環境下での使用に好適である。

本発明の一実施形態である真空用軸受の要部断面を含む斜視図である。軸受の放出ガス量を測定するためのアウトガス試験装置の概略図である。潤滑被膜Ｊの被膜厚さと放出ガス量との関係を示すグラフである。本発明の効果を確認するために行った耐久試験（実施例１）の結果を示すグラフである。本発明の効果を確認するために行った耐久試験（実施例２）の結果を示すグラフである。潤滑被膜の放出ガス量の比較試験（実施例３）の結果を示すグラフである。フッ素オイルを塗布した例、ＤＦＯ潤滑の例の耐久試験（実施例４）の結果を示すグラフである。

以下、本発明に係る転がり軸受の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。なお、本実施形態の例は、半導体製造装置の搬送ロボット用として、真空環境下で使用される真空用軸受の例である。
図１に示すように、この真空用軸受１は、外周面に軌道２ａを有する内輪２と、内周面に軌道３ａを有する外輪３と、これら軌道２ａ、３ａ同士の間に転動自在に介装されるステンレス製の複数の転動体４（同図の例ではボール）と、これら複数の転動体４を回転自在に保持する保持器５とを備えている。そして、二つの軌道２ａ、３ａの軌道面および転動体４の転動面４ａは、潤滑量を管理したオイルまたはグリースによる潤滑被膜Ｊで潤滑されている。

ここで、真空用軸受は、軸受自身が汚染源にならないように、低アウトガス性が要求されるものであるが、この真空用軸受１は、十分に低アウトガス性を維持したまま、潤滑不良を生じることのない潤滑量として、上記潤滑被膜Ｊの厚みを、１〜１０ｇ／ｍ²の所定の薄膜潤滑としている。
以下、この潤滑被膜Ｊの厚みを、１〜１０ｇ／ｍ²の所定の薄膜潤滑とする根拠について確認試験の結果とともに詳しく説明する。

まず、アウトガス試験を実施した。図２に、この真空用軸受１の放出ガス量を測定するためのアウトガス試験装置の概略図を示す。同図において、真空用軸受１（試料軸受）からのアウトガスは、この軸受に塗布されている（あるいは充填されている）潤滑剤からのものがほとんどである。
このアウトガス試験装置は、真空用軸受１から出たガスを、コンダクタンスの判っているオリフィス部を通過させて、オリフィス前後の圧力差（Ｐ１−Ｐ２）を調べることで以下の（式２）により、オリフィスを通過したガス量を測定することができる。

Ｑ＝Ｃ（Ｐ１−Ｐ２）（式２）
この測定方法によって、潤滑剤として塗布したフッ素オイルの被膜厚さをパラメータにして、放出ガス量の変化を調べた。この測定方法により、上記潤滑被膜Ｊの被膜厚さと放出ガス量との関係が求められる。結果を図３に示す。なお、測定条件は以下のとおりである。

[測定条件]
潤滑剤：フッ素オイル（塗布）
軸受装着状態：横置き、静置
温度：１００℃
圧力：８×１０^-6Ｐａ

図３に示す測定結果によると、潤滑剤として塗布したフッ素オイルの被膜厚さが増加するほど、つまり、潤滑剤の量が増えるほど、放出ガス量は大きくなる。そして、潤滑被膜Ｊの被膜厚さが１２ｇ／ｍ²に達すると、真空用グリースを充填した時の放出ガス量と変わらなくなることがわかる。

つまり、真空環境下での使用に好適なように、潤滑被膜Ｊの被膜厚さを制限し、潤滑被膜Ｊを薄膜にしてアウトガスを少なくすることを目的としているのに、そのアウトガス量がグリース充填のものと変わらないのでは、この処理を施す意味がない。したがって、少なくとも真空用グリースを充填した軸受よりは低アウトガスである必要がある。そのため、図３示す結果から、上記潤滑被膜Ｊの被膜厚さは、１０ｇ／ｍ²程度以下である必要があることがわかる。

一方、真空用軸受１の潤滑剤の量が少ないほど、放出ガス量は少なくなるものの、潤滑剤の量が少なすぎれば、軸受の耐久性に当然影響が生じる。そこで、次に、この真空用軸受１の回転耐久試験を行った。なお、この回転耐久試験に用いた耐久試験機（不図示）は、真空用軸受１を加熱可能な構造を有するものを用いている。試験条件は以下のとおりである。

[試験条件]
潤滑剤：フッ素オイル（塗布）
パラメータ：潤滑剤の被膜厚さ
軸受姿勢：垂直軸
回転速度：１５０ｍｉｎ^-1
温度：１００℃
圧力環境：真空
終了条件：１．軸受トルクが初期値の２倍を超えた時。
２．あるいは、総回転数が１０⁷回転を超えた時（注）。
（注）１０⁷回転は、薄肉軸受の走行距離として必要十分距離とされる回転数。

試験結果を上記図３に併せてプロットしたのが、同図中の符号△である。
図３示す耐久試験結果によれば、上記潤滑被膜Ｊの被膜厚さが０．５ｇ／ｍ²のときは、１０⁷回転に到達することなく、寿命となっている。これに対し、被膜厚さが１ｇ／ｍ²のときは、１０⁷回転に達して打ち切りとなっている。つまり、同図に示す結果から、真空用軸受１の耐久性からいえば、潤滑被膜Ｊの被膜厚さは１ｇ／ｍ²以上あればよいということがわかる。

したがって、上述の上限値とあわせて考えれば、この真空用軸受１に適切な潤滑被膜Ｊの被膜厚さは、１〜１０ｇ／ｍ²の薄膜潤滑であればよいことがわかる。なお、潤滑剤の形態がオイルであってもグリースであっても、潤滑被膜Ｊの被膜厚さが１〜１０ｇ／ｍ²の薄膜潤滑であれば、そこに含有される基油の量はほぼ同等であるといえる。
以下、実施例について説明する。なお、以下説明する各実施例（および比較例）での転がり軸受の構成は、各例中に差異を示す点を除き、上記実施形態のものと同じである。

[実施例１]
本発明の効果を確認するために耐久試験を行った。試験条件は以下のとおりである。ここで、実施例１の真空用軸受１と比較例１のそれとは、転動体が、実施例１がステンレス製のボールであり、比較例１がセラミックス製のボールである点のみが異なる。
[試験条件]
軸受寸法：内径φ１５ｍｍ
環境：真空
回転条件：揺動１８０度、１５０サイクル／ｍｉｎ
試験荷重：アキシャル荷重のみ
潤滑：フッ素オイル２．８ｇ／ｍ²塗布
温度：常温
試験結果を図４に示す。

同図に示す試験結果からわかるように、この実施例１の真空用軸受１は、比較例１のそれに比べて約２倍の寿命を示した。
ここで、ボール４の耐磨耗性を考えると、ボール４がセラミックス製である比較例１の方が寿命が勝りそうであるが、逆の結果である。ボール４の表面を観察すると、実施例１でのステンレス製のボール４は、滑らかに全面を覆うようにフッ素オイルが付着しており、一方、比較例１でのセラミックス製のボール４は、フッ素オイルを弾いていた。

このように、実施例１と比較例１とでは、介装されたボール４のみが異なるのであるから、保持器５から同じ量のフッ素オイルが供給されたものと考えると、濡れ性の良いステンレス製のボール４で構成される実施例１の軸受１が、比較例１の軸受１よりも濡れ性が良いため潤滑が良くなり、濡れ性の悪いものと比べて軸受寿命を延す効果があることが確認された。

[実施例２]
実施例１に続き、本発明の効果を確認するために薄肉軸受の例により耐久試験を行った。試験条件は以下のとおりである。ここで、この実施例２において、上記実施例１とは、試験条件のうち軸受寸法（薄肉軸受）および回転条件が異なる。但し、「薄肉軸受」は、その軸受内径をＩＤとし軸受幅をΔｄとするとき、以下の（式１）であらわされる薄肉軸受である。
Δｄ／ＩＤ＜０．１８７（式１）

[試験条件]
軸受寸法：内径φ４４ｍｍ
環境：真空
回転条件：揺動９０度、２００サイクル／ｍｉｎ
試験荷重：アキシャル荷重のみ
潤滑：フッ素オイル２．８ｇ／ｍ²塗布
温度：常温
試験結果を図５に示す。

同図に示す試験結果からわかるように、この実施例２の真空用軸受１は、比較例２のそれに比べて約１．３倍の寿命を示した。
このように、真空用軸受１を薄肉軸受とした場合でも、上記実施例１同様、実施例２と比較例２とでは、介装されたボール４のみが異なるのであるから、保持器５から同じ量のフッ素オイルが供給されたものと考えると、濡れ性の良いステンレス製のボール４で構成される実施例２の軸受が、比較例２の軸受よりも濡れ性が良いため潤滑が良くなり、濡れ性の悪いものと比べて軸受寿命を延す効果があることが確認された。

[実施例３]
実施例３は、保持器５を樹脂材料製とし、その樹脂材料としてＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、あるいはＰＩ（芳香族ポリイミド：例えばベスペル（商品名））を用いた例である。なお、図示は省略する。

保持器５をこれらの樹脂材料製とすれば、金属製のものに比べて以下の効果がある。
つまり、樹脂材料製の保持器５は、保持器自体が局所的に変形し易いので、二個のボール４によって保持器５の柱が挟まれて、内輪２や外輪３に押しつけられることがあっても、容易に変形して、内外輪２，３との摺動面圧を自動的に低下させることができる。それにより、金属製の保持器で発生する保持器の飛び出しや破損がなくなり、また、保持器の摩耗も少なくなる。

また、樹脂材料がポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）または芳香族ポリイミド（ＰＩ）であると、他の樹脂材料製の保持器に比べて、以下の利点がある。
つまり、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）または芳香族ポリイミド（ＰＩ）であれば、その融点が高く（例えばＰＥＥＫは３４３℃）、そのため、２５０℃程度まで使用可能である。加えてこれら樹脂材料は、低アウトガス性に優れているため、高温且つ高真空環境下であっても、放出ガス量が少なく環境を汚染しない。したがって、高温高真空環境下で耐久性のある、低アウトガス性に優れる軸受を構築する上で好適である。

[実施例４]
実施例４は、潤滑被膜Ｊが、以下の（１）〜（３）の３種類のうちのいずれかであるＤＦＯ潤滑による被膜とした例である。
（１）官能基を有するフッ素重合体とパーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）とを含有する潤滑被膜。
（２）上記（１）に記載の潤滑被膜に、更にフッ素樹脂を添加してなる潤滑被膜。
（３）アルキル化シクロペンタンまたはポリフェニルエーテルを主成分とする潤滑油とフッ素樹脂とを含有する潤滑剤からなる潤滑被膜。

潤滑被膜Ｊを、ＤＦＯ潤滑による被膜とした例について、上述の図２に示す試験装置によって確認試験を行った。本実施例では、フッ素オイルを塗布した例、ＤＦＯ（ＰＦＰＥ）潤滑の例、およびＤＦＯ（ＭＡＣ基油）潤滑によって確認試験を行った。結果を図６に示す。なお、試験条件は上述のアウトガス試験と同一である。但し、潤滑被膜Ｊの厚さは、いずれも２ｇ／ｍ²とした。
同図に示すように、ＤＦＯ潤滑による被膜は、フッ素油を用いた潤滑被膜に比べて、放出ガスが少なく、アウトガス性に優れていることがわかる。

次に、この実施例４の軸受の耐久性について調べた。耐久試験は縦軸型の耐久試験機（不図示）を用い、軸受を真空中で加熱して、加速試験のため回転方向を揺動とした。試験結果を図７に示す。なお、回転方向を揺動とすると頻繁に軸受の回転方向が変化するため、ボールと内外輪とのすべりが生じ易く、一方向回転に比べて軸受寿命が格段に短くなる。

同図に示すように、ＤＦＯ潤滑による軸受は、フッ素油を用いた潤滑被膜による軸受に比べて、耐久性に優れていることがわかる。
以上説明したように、保持器５を有するこの真空用軸受１において、転動体であるボール４をステンレス製とし、潤滑被膜Ｊの厚みを１〜１０ｇ／ｍ²の薄膜潤滑とすれば、その寿命をさらに向上させることができることが確認された。

なお、本発明に係る転がり軸受は、上記実施形態ないし各実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態ないし各実施例では、転動体がボールの例で説明したが、これに限定されず、転動体がローラ（円筒ころ）であっても、ローラ（円筒ころ）をステンレス製とし、潤滑被膜Ｊの厚みを１〜１０ｇ／ｍ²の薄膜潤滑とすれば、その寿命をさらに向上させることができる。

また、上記実施形態ないし各実施例では、真空環境下で使用される真空用軸受を例に説明したが、これに限らず、種々の用途の転がり軸受に適用可能であることは勿論である。しかし、本発明に係る転がり軸受は、上述の実施例等からも明らかなように、アウトガスを少なくしつつも耐久性を向上させることができるため、半導体製造装置の搬送ロボット用として、真空環境下での使用に好適である。

１真空用軸受（転がり軸受）
２内輪
３外輪
４ボール（転動体）
５保持器

Claims

外周面に軌道を有する内輪と、内周面に軌道を有する外輪と、これら軌道同士の間に転動自在に介装される複数の転動体と、該複数の転動体を回転自在に保持する保持器とを備え、前記二つの軌道の軌道面および転動体の転動面の少なくとも一つが、オイルまたはグリースによる潤滑被膜で潤滑されて用いられる転がり軸受であって、
前記転動体がステンレス製であり、前記潤滑被膜の厚みが１〜１０ｇ／ｍ²の薄膜潤滑であることを特徴とする転がり軸受。
前記保持器の材料は、樹脂材料であり、該樹脂材料がポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）または芳香族ポリイミド（ＰＩ）であることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
前記潤滑被膜が、以下の（１）〜（３）の３種類のうちのいずれかであるＤＦＯ潤滑による被膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の転がり軸受。
（１）官能基を有するフッ素重合体とパーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）とを含有する潤滑被膜。
（２）上記（１）に記載の潤滑被膜に、更にフッ素樹脂を添加してなる潤滑被膜。
（３）アルキル化シクロペンタンまたはポリフェニルエーテルを主成分とする潤滑油とフッ素樹脂とを含有する潤滑剤からなる潤滑被膜。
前記転がり軸受の軸受内径と軸受幅との関係が、軸受内径をＩＤとし軸受幅をΔｄとするとき、以下の（式１）であらわされる薄肉軸受であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の転がり軸受。
Δｄ／ＩＤ＜０．１８７（式１）