JP3915318B2

JP3915318B2 - 転がり軸受

Info

Publication number: JP3915318B2
Application number: JP14005599A
Authority: JP
Inventors: 安伸藤田; 敦横内; 道治中
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1999-05-20
Filing date: 1999-05-20
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2019-05-20
Also published as: JP2000329147A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は転がり軸受に係り、特にその潤滑性能の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
転がり軸受の潤滑は、一般的には軸受内部空間にグリースを充填して行われる。グリースは潤滑油と増ちょう剤の混合物で半固体であり、軸受内部空間に封入されたグリースがシール部材のすき間から外部に漏れだすことはない。半固体状態のグリースが軸受部品同士の接触部に入りこむと、その接触部において増ちょう剤内に内蔵されていた潤滑油がしみ出し、液状で潤滑機能を発揮する。
【０００３】
一方、接触部から離れた部分では、半固形のままであるから飛散しにくく且つシールの役割をも果たし、その点ではグリースは理想的な潤滑剤といえる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、グリース潤滑の場合、接触部にしみ出した潤滑油で形成される油膜の厚さは、単位時間内に接触部へ入り込むグリース量の多少により変化する。また、例えばハードディスクドライブ（以下、ＨＤＤと記述する）用のアクチュエータユニットは、小電力化, コンパクト化によりモータの低出力化が進みつつあり、これに伴いより低トルクであることが望まれているが、グリースのような半固形状態の潤滑剤では、軌道輪や転動体などの相対運動の際に軸受内部のグリースが攪拌されるためトルクが大きく且つ不安定になることから、磁気ヘッドの位置決め及びシーク動作時の制御が複雑になるというデメリットがある。
【０００５】
これに対して、液体の潤滑油の場合には、油膜厚さの変動やトルク増大という問題は少なく耐久性も良好であるが、より少量の潤滑油で更なる耐久性が求められている。
そこで、本発明は、このような従来の転がり軸受の潤滑に関する問題点に着目してなされたものであり、例えばＨＤＤアクチュエータのような磁気ヘッドの位置決め精度を要求される部位でもトルク増大がなく安定して使用でき、長期間の使用に耐えうる油潤滑方式とした転がり軸受を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に係る本発明の転がり軸受は、当該転がり軸受の金属表面にアルコキシ基を有する表面改質剤を結合させてなる第１層を形成すると共に、更にその上にフルオロポリエーテル重合体からなる第２層を重ねて形成し、前記表面改質剤を有機チタネート，有機シラン , 及び有機アルミニウムのうちの少なくとも１種としたことを特徴とするものである。
【０００７】
また、請求項２に係る本発明の転がり軸受は、ＨＤＤアクチュエータ用であることを特徴とする。
本発明の転がり軸受にあっては、軸受の金属部材表面に形成した第１層の表面改質剤が、金属表面の酸素と結合して強固な皮膜をつくると共に、第２層である潤滑油層との親和性を増大させる。すなわち、単に潤滑油を塗布するよりも金属表面と潤滑油層との結合が第１層の表面改質層を介して強化される結果、少ない潤滑油量でも寿命の長い良好な潤滑油膜となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
本発明の転がり軸受は、軌道輪や転動体，保持器等の潤滑すべき軸受部材の金属表面に、先ず表面改質剤を第１層として化学結合させることにより、それら部材の表面を改質して潤滑油との親和性を増大させる。次いで、その第１層の上に第２層として潤滑油層を形成することにより、軸受部材の金属表面と潤滑油層とを表面改質剤を介して強固に結合させることができる。
【０００９】
そのため、例えばＨＤＤ機器のスイングアームのような揺動部に使用される軸受に本発明の転がり軸受を適用すれば、金属接触しやすい揺動運動であっても十分な潤滑油を接触面に保持できるから、潤滑不良を防止できて耐久性能が向上し、且つ低トルク化が達成できる。
本発明の転がり軸受の第1 層に成膜される表面改質剤は、いわゆるカップリング剤として金属表面に化学的に結合するものが用いられ、例えば有機チタネート, 有機シラン, 有機アルミニウムなどの有機金属化合物が挙げられる。
【００１０】
これらの中でもアルコキシ基（ＲＯ−）を有するものは、金属表面で加熱して空気中の水分により加水分解させることで、図１に示すように金属表面に結合して成膜される。この時、当該有機金属化合物分子中の金属元素Ｍ（例えばＴｉ，Ｓｉ，Ａｌ等）が軸受部材の金属表面の酸素（Ｏ）と結合することで強固な被膜形成がなされると共に、分子中の官能基、親油性基が外側に並んで潤滑油との親和性が増大する。かくして、本来は油となじみにくい軸受部材の金属表面が潤滑油を吸着し易い面に改質される。
【００１１】
この第１層の皮膜を形成させる際に、アルコキシ基を有する表面改質剤を完全に加水分解させると、最終的に金属酸化物になり官能基、親油性基が失われる。しかし適正な温度管理により加水分解速度を管理することで、第１層の皮膜表面にアルコキシル基の炭化水素基Ｒを残して親油性を持った皮膜をつくることができる。前記適正な温度管理の範囲は７０℃〜１２０℃である。
【００１２】
本発明の表面改質剤を例示すると、有機チタネートとしては、テトラ-i- プロピルチタン(TPT),テトラ-n- ブチルチタン(TBT),ブチルチタネートダイマー(DBT),テトラステアリルチタン, トリエタノールアミンチタン, チタニウムアセチルアセトネート, チタニウムエチルアセトアセテート等のアルコキシチタネートが挙げられる。
【００１３】
有機シランとしては、テトラメトキシシラン, テトラエトキシシラン, トリメチルメトキシシラン, トリメチルエトキシシラン, ジメチルジメトキシシラン, ジメチルジエトキシシラン, メチルトリメトキシシラン, メチルジメトキシシラン等のアルコキシシランが挙げられる。
なお、これらのカップリング剤はアルキル基の分子量増大とともに加水分解速度は遅くなるため、速やかな皮膜形成には分子量の低い低級アルキル基のものが好ましい。
【００１４】
本発明の表面改質剤層( 第１層) の形成方法としては、カップリング剤をイソプロピルアルコールと酢酸エチルの混合液に添加して希釈し十分に攪拌した後、その希釈カップリング剤液中にあらかじめ適正温度に予熱した被処理軸受を浸漬する。浸漬液から取り出した被処理軸受を温風乾燥することで、被処理軸受の金属表面に均一な第１層皮膜を形成することができる。
【００１５】
前記表面改質剤の純度換算による希釈濃度は、０．０１〜１％であることが好ましい。濃度０．０１％未満では表面改質していない場合との有意差が現れない。一方、濃度が１％を超えると、軌道面や転動体のように面粗さが良いところでは表面改質層が厚くなりクラックが入りやすくなる。
本発明の第２層を形成するのに用いられる潤滑油の種類としては、特に制限はない。鉱油の他に、炭化水素系合成潤滑油（オレフィン油，アルキルナフタレン油等）や非炭化水素系合成潤滑油（エステル油，エーテル油等）などの合成潤滑油を使用することができる。
【００１６】
鉱油としては、高度に精製された分子量分布幅の狭いものが好ましい。
炭化水素系合成油の具体例としては、例えばポリーαーオレフィン油, αーオレフィン, エチレンとのコオリゴマー合成油またはアルキルナフタレン油等が挙げられる。
エステル油の具体例としては、二塩基酸と分岐アルコールとの反応から得られるジエステル油、また芳香族系三塩基酸と分岐アルコールとの反応から得られる芳香族エステル油、さらに多価アルコールと一塩基酸との反応から得られるヒンダードエステル油が好適に用いられる。
【００１７】
また、エーテル油としては、ジフェニル, トリフェニル, テトラフェニルのようなＣ₁₂〜Ｃ₂₀の( ジ) アルキル鎖が誘導されたフェニルエーテル油を具体例として挙げることができる。
以上例示的に列挙した潤滑油は、一般用途向けの本発明の転がり軸受にも適用可能であるが、特に、ＨＤＤアクチュエータ用転がり軸受の場合には、ＨＤＤの要求性能とされる低アウトガス潤滑剤ということを考慮すると、蒸気圧の低い以下のような潤滑油がより好ましい。
【００１８】
エステル油では、芳香族エステル油, ヒンダードエステル油の中から選択されたものを単独または混合して用いるのが好ましい。
エーテル油では、アルキルポリフェニルエーテル油が好ましい。
アルキルナフタレン油であれば、Ｃ₁₂〜Ｃ₂₀のアルキル鎖が誘導されたモノアルキル, ジアルキル等のナフタレン油が好ましい。
【００１９】
また、例えばＨＤＤの磁気ディスク表面に塗布されている含フッ素重合体のフルオロポリエーテル重合体(PFPE)及びその誘導体も好ましく使用できるが、その場合は、「 −Ｃ_XＦ_2X−Ｏ− （但し、ｘは１〜４の整数) 」を主要構造単位とする平均分子量が３０００〜１３０００の重合体を利用するのが好ましい。
ＨＤＤ用転がり軸受の場合は、更に、潤滑油層と表面改質層( 第１層) との吸着性をも考慮すると、潤滑油の分子構造中に極性を持つような極性基や結合が存在するものの方が、表面改質層( 第１層) と潤滑油層( 第２層) との親和性が高まり良好な潤滑性が付与されることから一層好ましい。具体的には、分子構造中にエステル結合, エーテル結合あるいはＰＦＰＥ（ポリフルオロポリエーテル）誘導体の官能基などを有する非炭化水素系合成潤滑油が好ましい。
【００２０】
上記潤滑油層( 第２層) を構成する潤滑油を転がり軸受内部に封入する量としては、軸受内部空間容積の０．１〜１０％が好ましい。０．１％未満では耐久性能が低下し、一方１０％を超えると温度条件によっては潤滑油が漏洩する可能性がある。さらに耐久性, 潤滑油の漏洩を考慮すれば、潤滑油の好ましい封入量は０．２５〜５％の範囲である。
【００２１】
潤滑油の塗布方法は特に限定はされないが、潤滑油を極微少量計量できるマイクロシリンジやポンプによって規定量計り取り、内輪, 外輪, 転動体, 保持器が組み上がった状態で転動体上に吐出し、軸受を数回転回転させる方法が推奨できる。
また、潤滑油の漏洩を防ぐためにより薄膜として潤滑油を塗膜する場合は、潤滑油を溶剤に希釈してその希釈液中に軸受を浸漬する方法がある。あるいは軸受外部への潤滑油付着を避けるために、前記潤滑油希釈液を軸受内部の転動体上に吐出した後に乾燥させるという方法もある。
【００２２】
なお、本発明の転がり軸受は、ＨＤＤアクチュエータ用油潤滑転がり軸受に限られず、その他例えばステッピングモータ，ＡＣサーボモータ，ワイヤボンダー, 半導体製造装置等の各種揺動部分または回転部分を支持するための油潤滑転がり軸受に対しても適用可能である。
（実施例）
以下、本発明の転がり軸受の実施例の効果を、従来の転がり軸受である比較例と対比した説明する。
【００２３】
図２は、転がり軸受５を揺動部材支持用転がり軸受として、ＨＤＤの構成部品の一部である揺動アクチユエータユニットに装着した状態を示す斜視図である。図示のアクチュエータユニットは、転がり軸受５と、その転がり軸受５に嵌入され且つこれを支持する軸１と、転がり軸受５に嵌着されたハウジング２と、ハウジング２に固定されスイングアーム３と、ハウジング２に固定され且つアクチュエータを揺動するモータ４とから構成されている。一般に、揺動部材支持用転がり軸受は、回転運動ではなく揺動運動を行う部品を支持するため、回転運動を行う部品を支持する軸受に比べて充分な潤滑剤を接触面に保持し続けることが困難である。
【００２４】
図３に、一般的な転がり軸受の概略縦断面図を示す。転がり軸受は、内輪１０，外輪１１, 保持器１２, 転動体１３から構成されており、それら構成要素の接触部分に潤滑剤１４を保持しながら回転運動を行っている。
本実施例の供試軸受として、型番ＳＲ１８１０（外径12.7mm, 内径7.94mm, 幅3.97mm) の油潤滑転がり軸受を使用した。
【００２５】
この実施例の供試軸受の組立品の軸受部材（内輪１０，外輪１１, 保持器１２, 転動体１３）の金属表面に、次ぎの方法で表面改質剤層( 第１層) を形成した。すなわち、表面改質剤（カップリング剤）として有機チタネートのテトラ-n- ブチルチタン（ＴＢＴ）を用い、これをイソプロピルアルコールと酢酸エチルとの混合液に添加して希釈し十分に攪拌した後、その希釈カップリング剤液中にあらかじめ温度１００℃に予熱した供試軸受を浸漬した。これを浸漬液から取り出して温風乾燥することで、供試軸受の構成部材の金属表面に均一な第１層皮膜を形成して、金属表面を改質した。
【００２６】
この場合、各供試軸受を浸漬処理した前記希釈カップリング剤の濃度を表１に示したように０．０１〜１．０％の範囲でかえて４種類の実施例１，２，３，４を作成した。次に、実施例の供試軸受に、潤滑油として、軸受空間容積の約３％にあたる量の含フッ素重合体のフルオロポリエーテル重合体(PFPE)を、マイクロシリンジに計り取り、転動体１３上に吐出した後、軸受を数回転させる方法で潤滑油からなる第２層を形成した。
【００２７】
一方、比較例の供試軸受として同じ型番の転がり軸受を用いたが、表面改質剤層( 第１層) の形成は行わなかった。この軸受に実施例と同様の潤滑油を軸受空間容積の３％封入した比較例１およびウレアグリースを軸受空間容積の６％封入した比較例２、更に水酸基を官能基として有した含フッ素重合体を軸受空間容積の３％封入後１００℃で加熱処理した比較例３を、供試軸受として作成した。
【００２８】
このように形成した実施例及び比較例の供試軸受を、図２の揺動アクチユエータユニットに装着して下記条件で揺動試験を行い、結果を比較した。
(1) 揺動試験
揺動周波数：３０Ｈｚ
外輪揺動角度：８°
アキシャル荷重：４．９Ｎ
総揺動回数：３０００万回
雰囲気温度：常温
なお揺動耐久性は２００万回ごとにトルクを経時的に測定し、トルク変動の発生した揺動回数をもって軸受寿命とした。
【００２９】
(2) トルク試験
また、内部に規定量の潤滑油を注入した供試軸受を別の回転試験装置に装着して、４．９Ｎのアキシャル荷重を付与した状態で内輪を２ｒｐｍで回転させその回転初期に要するトルクを測定してトルク性能を比較した。トルク性能の合否判定は、内輪の回転に要するトルクが０．８ｇｆ・ｃｍ以下であるものを合格とした。
【００３０】
各供試軸受の試験結果を表１に示す。
【００３１】
【表１】

【００３２】
この結果から、本発明の実施例は比較例のものより長寿命，低トルクであることがわかる。
図４は、実施例の改質剤濃度と揺動寿命との関係をグラフにプロットして表したもので、表面改質剤の濃度が０．０１％未満では揺動寿命が目立って短く、一方濃度１％を超えるとクラックの発生が認められた。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の転がり軸受は、軸受内の金属表面に表面改質剤を結合させてから潤滑油層を形成したため、金属表面と潤滑油層との間に強固な結合がなされて、その結果例えばＨＤＤアクチュエータのような高回転精度を要求される装置に用いても、トルク増大がなく安定して使用できると共に長期間の使用に耐えうるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の転がり軸受の第1 層に成膜された表面改質層と金属表面との結合状態を説明する模式図である。
【図２】本発明の転がり軸受を揺動アクチユエータユニットに装着した状態を示す斜視図である。
【図３】転がり軸受の概略縦断面図である。
【図４】本発明の転がり軸受における表面改質剤濃度と揺動寿命との関係を表したグラフである。
【符号の説明】
１０内輪
１１外輪
１２保持器
１３転動体
１４潤滑油

Claims

内・外輪の間に複数個の転動体を保持して構成された転がり軸受において、当該転がり軸受の金属表面にアルコキシ基を有する表面改質剤を結合させてなる第１層を設けると共に、更にその上にフルオロポリエーテル重合体からなる第２層を設け、前記表面改質剤を有機チタネート，有機シラン , 及び有機アルミニウムのうちの少なくとも１種としたことを特徴とする転がり軸受。
ＨＤＤアクチュエータ用であることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
前記第２層を構成するためのフルオロポリエーテル重合体が内部に封入されており、その封入量は軸受内部空間容積の０．２５〜５％であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の転がり軸受。