JP3903151B2

JP3903151B2 - ボールねじおよびボールねじの潤滑薄膜形成方法

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Publication number: JP3903151B2
Application number: JP03079995A
Authority: JP
Inventors: 豊田　　泰
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 1995-02-20
Filing date: 1995-02-20
Publication date: 2007-04-11
Anticipated expiration: 2022-04-11
Also published as: JPH08226516A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ボールねじおよびボールねじの潤滑薄膜形成方法に係り、特に通常のグリースやオイルの使用ができない真空環境、清浄環境および腐食環境等で用いるのに好適なボールねじに関する。
【０００２】
【従来の技術】
前述の環境として、例えば半導体製造装置内部に配設される搬送系などが挙げられるが、このような環境では、ボールねじの潤滑剤としてグリースを用いていると、グリースの油分が蒸発することにより、潤滑機能の劣化や使用環境の汚染といった不具合が発生する。
【０００３】
このような場合、従来では、ねじ軸およびナットの軌道面やボールの表面の少なくともいずれかに、金、銀、鉛、銅などの軟質金属、カーボンや二硫化モリブデンなどの固体潤滑剤を膜状にコーティングすることが行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述の固体潤滑剤からなるコーティング膜では、このコーティング膜がボールの転動動作に伴い僅かずつ剥がれるなど、発塵状況がグリース使用時に比べると低レベルになるものの、特に清浄環境では不適合となるレベルである。特に、高荷重条件においては発塵量が増大する。
【０００５】
また、本願出願人は、バインダーにふっ素系樹脂を混合した固体潤滑剤を、ねじ軸およびナットの軌道面やボールの表面の少なくともいずれかにコーティングすることを行っており、この場合には、先の従来例よりも発塵を桁違いに減らせるようになる。しかしながら、このコーティング膜でも、比較的大きなアキシャル荷重がかかる状況において、剥離や欠落の他、摩耗による発塵が著しく増加し、発塵寿命が短くなる。
【０００６】
しかも、前述のようなコーティング膜の剥離、欠落が発生すると、転動・摺接部位での潤滑作用が低下して、金属どうしの接触となるなど凝着しやすくなる他、各構成要素の摩耗が促進されるなど、寿命という点において問題がある。
【０００７】
また、腐食性ガスがある環境では、前述のようにコーティング膜の剥離、欠落箇所の軸受構成要素が腐食されることになる。
【０００８】
したがって、本発明の目的は、ボールねじにおいて、発塵の抑制および潤滑性の向上を図り、長寿命を達成できるようにすることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のボールねじは、ねじ軸およびナットが金属材で、少なくとも前記ねじ軸およびナットの軌道面に、官能基を有する含フッ素重合体からなる潤滑薄膜が形成されているボールねじにおいて、前記薄膜が、パーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）とその誘導体との混合物を希釈溶媒で希釈した潤滑油により形成されてなり、前記薄膜は流動性を有する。
【００１０】
本発明のボールねじは、ねじ軸およびナットが金属材で、ボールがセラミックス材で形成されており、少なくともねじ軸およびナットの軌道面に、官能基を有する含フッ素重合体からなる潤滑薄膜が形成されている。
【００１１】
なお、前述の薄膜は、０．２μｍ以下に設定することが好ましい。この場合の薄膜は、パーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）とその誘導体との混合物を希釈溶媒で０．２５ｍａｓｓ％にまで希釈した潤滑油により形成することができる。
【００１２】
本発明のボールねじの潤滑薄膜形成方法はねじ軸、ナットおよびボールを組み立てた請求項１に記載のボールねじにおいてそれら各要素の少なくとも転動、摺動部位に、パーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）とその誘導体との混合物を希釈溶媒で希釈した潤滑油を膜状に付着させる工程と、膜状とした潤滑油を加熱することにより、それに含まれる混合物を除去する工程と、を含むことを特徴とするボールねじの流動性を有する潤滑薄膜形成方法である。
【００１３】
【作用】
本発明のボールねじでは、潤滑要素として、従来の固体潤滑剤のコーティング膜のように剥離、欠落の他、摩耗が起こらない流動性を有する潤滑薄膜としている。しかも、この潤滑薄膜は、従来のようにボールねじ内部に潤滑油を封入するといった形態でもないので、それらの外部漏洩の心配もない。
【００１４】
このような本発明の潤滑薄膜では、比較的大きなアキシャル荷重がかかる状況でも、各構成要素間での摺接が金属どうしの無潤滑の接触状態とならず、常に各構成要素の表面全面に途絶えることなく付着する状態が維持されるから、各構成要素それぞれの転動、摺動が常に潤滑油を介して行われるようになり、潤滑作用が安定的に維持されるようになる。しかも、従来のコーティング膜に比べてボールの転動抵抗が小さくなるとともに、ボールをねじ軸およびナット間にある程度、負隙間で配設することが可能となるから、ボールねじの動作を高精度にできるようになる。
【００１５】
特に、薄膜の膜厚を特定すると、発塵性と潤滑性との両方に関して優れた結果が得られるようになる。この膜厚については、薄膜を形成するベースとなる潤滑油を特定すれば、容易に設定できるようになる。
【００１６】
また、本発明のボールねじの潤滑薄膜形成方法では、油膜形成対象部位に対して、官能基を有する含フッ素重合体からなる潤滑油の薄膜を発塵性と潤滑性との両方に優れた膜厚で、良好に形成することが可能となる。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の詳細を図面に示す実施例に基づいて説明する。図１および図２は本発明の一実施例にかかり、図１は、ボールねじの概略構成を示す縦断面図、図２は、図１のＢ部拡大図である。
【００１８】
図中、Ａはボールねじ、１はねじ軸、２はナット、３はボール、４はサーキュレータチューブ、５は潤滑薄膜である。
【００１９】
ねじ軸１は、その外周面に螺旋溝１１が形成されている。ナット２は、ねじ軸１に外嵌されており、その内周面にねじ軸１の螺旋溝１１に対応する螺旋溝２１が形成されている。複数のボール３は、ねじ軸１の螺旋溝１１と、ナット２の螺旋溝２１との間に介装されている。サーキュレータチューブ４は、ねじ軸１またはナット２のいずれか一方の回転により両螺旋溝１１，２１間に介装されるボール３を転動循環させるためのもので、ナット２に取り付けられている。
【００２０】
ねじ軸１の螺旋溝１１およびナット２の螺旋溝２１の断面形状は、ゴチックアーチ状、すなわち二つの曲率中心の異なる円弧の組み合わせによりほぼＶ字形に形成されている。なお、両螺旋溝１１，２１の断面形状は、図３に示すような円弧とすることもできる。
【００２１】
これらねじ軸１、ナット２、ボール３およびサーキュレータチューブ４は、耐食性材料により形成されている。具体的に、ねじ軸１およびナット２の素材としては、例えばＪＩＳ規格ＳＵＳ４４０Ｃなどのマルテンサイト系ステンレス鋼に適当な硬化熱処理を施したものや、ＪＩＳ規格ＳＫＨ４、ＡＩＳＩ規格Ｍ−５０材などの耐熱鋼とすることができる。また、ボール３は、前述と同様の鋼材の他、セラミックス材とすることができる。さらに、サーキュレータチューブ４は、例えばＳＵＳ３０４などのステンレス鋼で形成される。なお、前述のセラミックス材としては、焼結助剤として、イットリア（Ｙ₂Ｏ₃）およびアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、その他、適宜、窒化アルミ（ＡｌＮ）、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、スピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）を用いた窒化けい素（Ｓｉ₃Ｎ₄）を主体とするものの他、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）や炭化けい素（ＳｉＣ）、ジルコニア（ＺｒＯ₂）、窒化アルミ（ＡｌＮ）などが好ましい。
【００２２】
このような材料でボールねじＡの各構成要素を形成すれば、例えば半導体製造装置などにおいて用いられるハロゲン系腐食性ガスに対しても、腐食せずに済むようになる。
【００２３】
そして、ねじ軸１の外周面、ナット２の内周面、ボール３の表面およびサーキュレータチューブ４の内面には、潤滑薄膜５が被覆形成されている。
【００２４】
この薄膜５は、官能基を有する含フッ素重合体からなる。この含フッ素重合体としては、フルオロポリエーテル重合体またはポリフルオロアルキル重合体が好ましい。フルオロポリエーテル重合体は、−Ｃ_XＦ_2X−Ｏ− という一般式（Ｘは１〜４の整数）で示される単位を主要構造単位とし、いずれも数平均分子量が１０００〜５００００の重合体とするものが挙げられる。ポリフルオロアルキル重合体は、下記化学式１に示すものが挙げられる。また、前述の官能基は、金属に対して親和性の高いもの（例えばエポキシ基、アミノ基、カルボキシル基、水酸基、メルカプト基、イソシアネート基、スルフォン基またはエステル基など）が好ましく、例えば下記化学式２，３に示すものが挙げられる。このような含フッ素重合体は、単独で用いるか、または２種以上を併用して用いてもよい。その場合は、より耐摩耗性の優れた薄膜が得られるように、組み合わされた基が互いに反応して重合体をより高分子量化させるように配慮するのが望ましい。
【００２５】
【化１】

【００２６】
【化２】

【００２７】
【化３】

【００２８】
前述の薄膜５として、より詳しくは、パーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）あるいはその誘導体との混合物、具体的に例えばモンテカチーニ社の商品名フォンブリン（FONBLIN）Ｙスタンダード、フォンブリンエマルジョン（FE20、EM04など）またはフォンブリンＺ誘導体（FONBLIN Z DEAL、FONBLIN Z DIAC、FONBLIN Z DISOC、FONBLIN Z DOL、FONBLIN Z DOLTX2000、FONBLIN Z TETRAOLなど）が好適に用いられる。これら例示したものは、いずれも濃度が濃く、金属に対する親和性がきわめて悪いので、そのままでは膜状に付着させることが困難である。そのため、薄膜５の形成は、下記するような方法が適用される。なお、前述のフォンブリンＺ誘導体は、真空環境で用いると、真空排気系に対して害を及ぼす可能性があるので、使用環境を考慮するのが好ましい。
【００２９】
次に、前述の潤滑薄膜５の形成方法の一例を説明する。
【００３０】
（ａ）ボールねじＡを完成状態に組み立ててから、このねじ軸１とナット２との間でボール３の存在する箇所において、用意した潤滑油をスポイドなどにより数滴、注入し、数回回転させることにより、潤滑油を膜状にねじ軸１、ナット２、ボール３およびサーキュレータチューブ４の転動、摺動部位に被覆させる（供給処理）。この潤滑油の供給はスプレーにより塗布してもよいし、また、潤滑油の貯溜槽に浸漬してもよい。ここで用意した潤滑油は、例えばフォンブリンエマルジョンＦＥ２０（フォンブリン濃度２０ｍａｓｓ％の）を適当な希釈溶媒でフォンブリン濃度を０．２５ｍａｓｓ％にまで希釈したものである。なお、前述の希釈溶媒は、メタノール溶液、アルコール溶液や水などの揮発性のものとすることができる。
【００３１】
（ｂ）前記潤滑油を塗布したボールねじＡの全体を４０〜５０度で約３分間加熱し、潤滑油に含むメタノール溶液など溶媒を除去する（乾燥処理）。
【００３２】
（ｃ）この後、ボールねじＡの使用環境での雰囲気温度に応じて、例えば１５０〜３００度で１５〜３０分間、加熱する（仕上げ乾燥処理）。
【００３３】
なお、（ａ）、（ｂ）は必要に応じて数回繰り返すようにしてもよく、最終的には、潤滑薄膜５の膜厚を例えば０．２μｍ以下に設定する。
【００３４】
このようにすれば、ボールねじＡの各構成要素において互いに接触する部位に潤滑薄膜５を好適な膜厚で形成することができる。そして、前述したように溶媒を除去しておけば、ボールねじＡの動作時の不要な発塵成分がなくなる。また、潤滑薄膜５の膜厚をきわめて薄く設定しているから、油成分による発塵もほとんどなくなる。さらに、最終の加熱処理により、使用環境での発塵をもなくせるようになる。
【００３５】
次に、上述した潤滑油について、▲１▼希釈濃度とボールねじにおける回転初期の発塵量との関係、▲２▼薄膜５を形成するときの供給処理および乾燥処理の繰返回数（ディッピング回数）とボールねじにおける回転初期の発塵量との関係、▲３▼誘導体分子の有無と発塵寿命との関係をそれぞれ調べているので、説明する。
【００３６】
試験は、図４に示す装置を用いている。図中、６０はボールねじＡのねじ軸、６１はボールねじＡのサポート軸受、６２は負荷用ばね、６３はパーティクルカウンター、６４はボールねじＡのナット、６５は支持板、６６はナット６４のハウジング、６７はハウジングの回転止め、６８はモータ、６９はモータ６８とねじ軸６０とのカップリングである。
【００３７】
試験条件は、下記のとおり。
【００３８】
・回転速度：１２０ｒｐｍ
・荷重：アキシャル荷重（Ｆａ）４９０Ｎ
・ストローク：５０ｍｍ
・雰囲気：大気、クリーンベンチ内（クラス１０）
・環境温度：室温
・計測条件：粒子径０．１μｍ以上、０．３μｍ以上の発塵粒子数
試験に用いたボールねじＡは、呼び番号１４０４、７ＴＳ３、５Ｃ７で、ねじ軸１の軸径を１４ｍｍ、ボール３の径を２ｍｍ（３．５巻、１列）、リードを３／１６″（４．７６３ｍｍ）としている。
【００３９】
▲１▼ 試験時間は、回転初期１０時間（ｈ）とする。潤滑油は、フォンブリンエマルジョンＦＥ２０のフォンブリン濃度（ｍａｓｓ％）を、“５”、“２”、“０．５”、“０．２５”の４段階に希釈溶媒（エチルアルコールまたは水）で希釈したものを用いている。薄膜５の形成方法は、前述した方法とする。但し、供給処理および乾燥処理を二回繰り返してから、仕上げ乾燥（１７０℃、１５分間）を施す。
【００４０】
結果は、下記表１に示すように、０．２５ｍａｓｓ％とした場合の発塵量が、他に比べて格段に少なくなっている。
【００４１】
【表１】

【００４２】
▲２▼ 試験時間は、回転初期１０時間（ｈ）とする。供給処理および乾燥処理の繰り返し回数は、“４”、“３”、“２”、“１”の４段階としている。潤滑油は、前述の▲１▼で述べたもの（フォンブリンエマルジョンＦＥ２０のフォンブリン濃度を０．２５ｍａｓｓ％に希釈したもの）を用いる。
【００４３】
結果は、下記表２に示すように、繰り返し回数を２回以下とした場合の発塵量が、他に比べて格段に少なくなっている。
【００４４】
【表２】

【００４５】
上記▲２▼での繰り返し回数別の薄膜５それぞれの膜厚について、ボール３の質量増加量に基づいて推定した。この場合、薄膜５を得た後で、ボールねじＡを分解し、ボール３の質量増加量を測定している。結果を、下記表３に示す。
【００４６】
【表３】

【００４７】
・膜の比重：１．８８ｇ／ｃｍ³
・ボールの表面積：０．４９５ｃｍ²
この結果と、上記▲１▼，▲２▼の結果とに鑑み、薄膜５の膜厚については０．２μｍ以下とするのが好ましいと言える。但し、０．２μｍ以下と言えどもあまり薄くしすぎると、金属材どうしの摺接部位における潤滑性が低下するおそれがあるので、０．２μｍ以下でその近傍に設定するのが好ましいと言える。
【００４８】
▲３▼ 試験時間を発塵寿命とするので、限定しない。発塵寿命は、総発塵量が１０００個／０．１ｃｆ以上となる状況を、連続１０回測定した時点までの時間を計測している。なお、測定は１０分間隔とする。
【００４９】
試験では、三つの実施例品、比較品、従来品を用いている。実施例品は、フォンブリンエマルジョンＦＥ２０を希釈溶媒（エチルアルコールまたは水）でフォンブリン濃度を０．２５ｍａｓｓ％にまで希釈した潤滑油を用いており、同一仕様のものを三つ用いている。比較品は、フォンブリンＺ２５を希釈溶媒（ガルデンＳＶ９０）でフォンブリン濃度を０．２５ｍａｓｓ％にまで希釈した潤滑油を用いている。つまり、実施例品の潤滑油は誘導体を含み、比較品の潤滑油は誘導体を含まない。従来品は、ねじ軸、ナットおよびボール全面にコーティング膜を形成したものとする。このコーティング膜は、熱硬化性合成樹脂からなるバインダー中にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を分散混合したものである。
【００５０】
結果は、下記表４に示すように、アキシャル荷重を１００Ｎとした場合、実施例品が比較品および従来品に比べ、約１０倍と耐荷重性が大幅に向上しており、特に高荷重条件下で用いる場合に優位であると言える。ちなみに、従来品のコーティング膜でも、他の一般的な固体潤滑剤のコーティング膜に比べると発塵量が格段に少ない。このような結果が得られる理由は、本実施例品である潤滑薄膜５が流動性を有していて、ねじ軸、ナットおよびボールの摺接が常に潤滑油を介する状態となり、従来品である固体潤滑剤のコーティング膜のような剥離や欠落の他、摩耗が発生しないからと言える。
【００５１】
【表４】

【００５２】
なお、実施例品と比較品とにおける回転初期１０時間の発塵量は、下記表５に示すように、ほとんど差がなかった。
【００５３】
【表５】

【００５４】
この▲３▼の結果より、薄膜５を形成する潤滑油としても、誘導体分子を含むものとするのが特に耐荷重性において優れることが判った。
【００５５】
以上▲１▼〜▲３▼の各試験における結果が示すように、薄膜５としては、使用潤滑油の性状、薄膜形成方法や生成後の膜厚などを、ある程度、特定することが、発塵性、耐荷重性において重要となることが判るであろう。
【００５６】
ところで、前述した潤滑油（フォンブリンエマルジョンＦＥ２０を希釈したもの）からなる薄膜５を形成したボールねじＡにおいて、ねじ軸１、ナット２、ボール３およびサーキュレータチューブ４を金属材料としたものの場合、偏荷重などが作用したりすると、はなはだしい場合に摺接部位において腐食が発生する可能性があると考えられる。というのは、偏荷重などが作用したときに、薄膜５の一部がかきとられてしまうと、ねじ軸１、ナット２、ボール３およびサーキュレータチューブ４の表面（金属面上の酸化面）が露出することになって、ここで金属材どうしの凝着摩耗が発生するようになるが、このような凝着摩耗が発生すると、ねじ軸１、ナット２、ボール３およびサーキュレータチューブ４の表面でも新生面（酸化されていない純粋の金属面）が露出することになるため、この新生面が潤滑油の成分中のフッ素と反応し、腐食されることが起こりうるのである。また、凝着摩耗時の触媒作用によりフッ素成分のガスを発生することも起こりうる。これに対して、ボールねじＡにおいて少なくともボール３をセラミックス材とすれば、前述したような凝着摩耗が発生せずに済むので、前述したような腐食やガス発生といった心配がなくなる。したがって、ボールねじＡの構成を、少なくともボール３についてセラミックス材で形成したものの方がすべて金属材とするものに比べて優れていると言える。
【００５７】
なお、本発明は上記実施例のみに限定されるものでなく、種々な応用や変形が考えられる。
【００５８】
（１）ナット２の軸方向一端または軸方向両端には、必要に応じねじ軸１の螺旋溝１１に対して近接する非接触タイプのシールを設けてもよく、この場合には低発塵性により貢献できる。このシールとしては、合成ゴムなどの弾性体により円筒形に形成されており、内周面の所要角度範囲にねじ軸１の螺旋溝１１に近似する断面形状の凸部を有するものが考えられる。
【００５９】
（２）本発明のボールねじＡは、真空環境のみに限定されず、大気環境でも使用することができる。
【００６０】
【発明の効果】
本発明のボールねじでは、従来の固体潤滑剤のコーティング膜のような剥離や欠落の他、摩耗がない流動性を有する潤滑薄膜を用いるから、比較的大きなアキシャル荷重がかかる状況でも、各構成要素間での摺接が金属どうしの無潤滑の接触状態とならず、常に潤滑油を介して摺接する状態となり、発塵が格段に少なくなって潤滑性が格段に向上するようになる。このように、潤滑薄膜からの発塵だけでなく、各構成要素からの発塵を抑制できるとともに、動作安定性の向上に貢献できる。しかも、従来のコーティング膜に比べてボールの転動抵抗が小さくなるとともに、ボールをねじ軸およびナット間にある程度、負隙間で配設することが可能となるから、ボールねじの高精度化に寄与できる。
【００６１】
したがって、例えば半導体製造過程のように高精度な加工が要求されるところに本発明のボールねじを用いると、清浄雰囲気を阻害しにくくなるので、半導体製造品の歩留まり向上に貢献できる。
【００６２】
特に、薄膜の膜厚を特定すると、発塵性と潤滑性との両方に関して優れた結果が得られるようになる。この膜厚については、薄膜を形成するベースとなる潤滑油を特定すれば、容易に設定できるようになる。
【００６３】
また、本発明のボールねじの潤滑薄膜形成方法では、油膜形成対象部位に、官能基を有する含フッ素重合体からなる潤滑油の薄膜を発塵とならない量でかつ潤滑作用を妨げない量として良好に付着させることができるから、発塵がほとんどなくて、しかも各構成要素間での潤滑作用を安定的に得ることができて、ボールねじの長寿命化を達成できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のボールねじの概略構成を示す縦断面図。
【図２】図１のＢ部を拡大した断面図。
【図３】ボール転動溝の他の例を示す部分断面図。
【図４】試験装置の概略構成を示す縦断面図。
【符号の説明】
Ａボールねじ
１ねじ軸
２ナット
３ボール
４サーキュレータチューブ
５潤滑薄膜
１１ねじ軸の螺旋溝
２１ナットの螺旋溝

Claims

ねじ軸およびナットが金属材で、少なくとも前記ねじ軸およびナットの軌道面に、官能基を有する含フッ素重合体からなる潤滑薄膜が形成されているボールねじにおいて、
前記薄膜が、パーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）とその誘導体との混合物を希釈溶媒で希釈した潤滑油により形成されてなり、前記薄膜は流動性を有する、ことを特徴とするボールねじ。
ボールがセラミックス材で形成されてなる、ことを特徴とする請求項１のボールねじ。
前記薄膜の膜厚が、０．２μｍ以下に設定されている、ことを特徴とする請求項１または２のボールねじ。
前記薄膜が、パーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）とその誘導体との混合物を希釈溶媒で０．２５ｍａｓｓ％にまで希釈した潤滑油により形成されてなる、ことを特徴とする請求項３のボールねじ。
ねじ軸、ナットおよびボールを組み立てた請求項１に記載のボールねじにおいてそれら各要素の少なくとも転動、摺動部位に、パーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）とその誘導体との混合物を希釈溶媒で希釈した潤滑油を膜状に付着させる工程と、
膜状とした潤滑油を加熱することにより、それに含まれる混合物を除去する工程と、を含むことを特徴とするボールねじの流動性を有する潤滑薄膜形成方法。