JP4038341B2

JP4038341B2 - 固体潤滑転がり軸受

Info

Publication number: JP4038341B2
Application number: JP2001046824A
Authority: JP
Inventors: 博山田
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2001-02-22
Filing date: 2001-02-22
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2021-02-22
Also published as: JP2002250350A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体潤滑転がり軸受に関し、特に半導体、液晶またはハードディスクなどを製造する装置にも適用できる固体潤滑転がり軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体や液晶の製造装置またはハードディスク製造工程における成膜装置などに取り付けられる転がり軸受は、大気中でも真空中でも使用できるという両用性が必要とされる場合があり、また低発塵性や耐久性が要求されるため、固体潤滑転がり軸受が採用されることが多い。
【０００３】
固体潤滑転がり軸受は、摩擦面の潤滑を通常の軸受におけるグリース等による液体潤滑に代えて、銀イオンプレーティング膜や四フッ化エチレン樹脂（以下、ＰＴＦＥと略記する。）膜などの固体潤滑で行なわれるものである。
【０００４】
例えば、ＰＴＦＥの潤滑被膜を形成した固体潤滑転がり軸受は、特開平８−９３７７４号公報に開示されている。また、ＰＴＦＥ被膜を有する非負荷ボールを有する転がり軸受は、特開平７−１４５８２０号公報に開示されており、これらは使用条件によっては良好な潤滑性を充分な時間発揮できるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような固体潤滑転がり軸受は、装置全体の機能性の向上に伴なう過酷な使用条件においては、従来の金属被膜やＰＴＦＥ膜では所要の耐久性を満たせない場合がある。
【０００６】
すなわち、上記した従来の固体潤滑転がり軸受は、摩擦面を覆っている潤滑被膜が摩耗して破れると軸受寿命に至るため、無潤滑条件で転がり軸受に長期間の耐久性をもたせることはできなかった。
【０００７】
また、従来の固体潤滑転がり軸受は、固体潤滑剤を軸受内に備えて、これを摩擦面に徐々に供給するが、軸受の回転開始の直後において、固体潤滑剤から発塵する場合があり、低発塵性と共に耐久性の向上を兼ね備えた固体潤滑転がり軸受を製作することは困難であった。
【０００８】
そこで、本願の発明の課題は、上記した問題点を解決して、固体潤滑転がり軸受の耐久性を従来レベルよりも格段に進歩させ、潤滑油を供給しない条件（以下、無潤滑条件という。）でも耐久寿命の長い固体潤滑転がり軸受を提供することである。
【０００９】
また、本願の発明の他の課題は、前記した課題を解決して固体潤滑転がり軸受の耐久性を向上させ、かつ始動時にも発塵量のきわめて少ない固体潤滑転がり軸受を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本願の第１の請求項に係る発明においては、転がり軸受に組み込まれる複数の転動体が、軸受荷重が負荷される負荷転動体と軸受荷重が負荷されない非負荷転動体からなり、少なくとも１以上の非負荷転動体が四フッ化エチレン樹脂の成形体からなる転動体であり、かつ非負荷転動体の負荷転動体に対する直径比Ａが０．８≦Ａ＜１であることを特徴とする固体潤滑転がり軸受としたのである。
【００１１】
上記したように構成されるこの発明の固体潤滑転がり軸受は、非負荷転動体の全体が四フッ化エチレン樹脂からなることにより、長時間使用した場合に非負荷転動体の表面が擦り減っても四フッ化エチレン樹脂が常に転動体の表面に露出しているため、四フッ化エチレン樹脂の摩擦面への移着供給は常に途切れることなく安定し、摩擦面は充分に潤滑される。
【００１２】
また、非負荷転動体の負荷転動体に対する直径比Ａが０．８≦Ａ＜１であることにより、非負荷転動体が負荷転動体より低速または間欠的に回転する状態で負荷転動体や保持器および内・外輪に軽く摩擦接触し、その際に転動体表面が少量ずつ摩耗して摩擦面に四フッ化エチレン樹脂を安定した速度で移着させる。
【００１３】
このようにしてこの発明の固体潤滑転がり軸受は、長期間の使用中に四フッ化エチレン樹脂が摩擦面に適当な量を途切れることなく長時間供給されるので、軸受耐久寿命が長くなる。
【００１４】
また、本願の第２の請求項に係る発明では、上記の固体潤滑転がり軸受において、表面がフッ素樹脂で形成されている非負荷転動体が、表面粗さ（Ｒａ）１．０μｍ以下の転動体としたのである。
【００１５】
非負荷転動体の表面粗さが所定の表面粗さに調整された四フッ化エチレン樹脂で形成された非負荷転動体は、過剰に摩耗することなく、始動当初から安定して四フッ化エチレン樹脂を摩擦面に供給するので、発塵量が少なくなり、また軸受耐久寿命が従来よりもさらに顕著に長期化した固体潤滑転がり軸受になる。
【００１６】
上記の固体潤滑転がり軸受において、少なくとも転がり摩擦または滑り摩擦を生ずる面（転動体の表面を除く。）に平均分子量が５０００以下の四フッ化エチレン樹脂被膜を形成した固体潤滑転がり軸受は、始動期の発塵量がより少なくなり、始動後には軸受回転が安定して非負荷転動体の四フッ化エチレン樹脂による潤滑状態に徐々に移行するので、軸受の始動当初から速やかに充分な潤滑性が発揮され、発塵量の少ない固体潤滑転がり軸受になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
この発明に用いる四フッ化エチレン樹脂（以下、ＰＴＦＥと略記する。）の成形体からなる非負荷転動体は、テトラフルオロエチレンを繰り返し単位とする分子量３００万〜１０００万の重合体からなるＰＴＦＥを、真球状、円筒状、円錐状または針状等のように周知の転動体の形状に成形したものである。またＰＴＦＥは３２７℃という高融点以上でも溶融粘度が高いので、成形法としては、圧縮成形やラム押出し成形法が採用される。市販のＰＴＦＥとしては、伊国モンテジソン社製：アルゴフロン、デュポン社製：テフロン、英国アイ・シー・アイ社製：フルオン、ダイキン工業社製：ポリフロンが挙げられる。
【００１８】
このようなＰＴＦＥ製の非負荷転動体の配置数は、一つ以上であれば良く、軸受に所要の負荷耐久性に応じてその数を設定する。また、非負荷転動体を複数組み込む場合の配置形態は、このものを負荷転動体と交互に配置するか、または複数の負荷転動体おきに１つまたは複数個の非負荷転動体を配置する。
【００１９】
因みに、負荷転動体は、定法に従って製造される周知の鋼球やセラミック球などの球またはコロ、ニードル形状の転動体を採用できる。
【００２０】
非負荷転動体の負荷転動体に対する直径比Ａは、０．８≦Ａ＜１である。なぜなら、Ａ＜０．８では、非負荷転動体が負荷転動体や保持器および内・外輪に摩擦接触した際、転動体表面が摩耗する量が少なくなり、ＰＴＦＥの移着量が少なくなって潤滑に殆ど寄与できない。また、Ａ≧１では、非負荷転動体が負荷転動体や保持器および内・外輪に摩擦接触した際に、ＰＴＦＥの摩耗量が多くなり耐久性（軸受寿命）が低下するので好ましくない。
【００２１】
また、この発明では、非負荷転動体の表面粗さ（Ｒａ）が、１．０μｍ以下の転動体を採用することが好ましい。なぜなら、上記所定値を超える表面粗さの転動体は、使用の初期から過剰に摩耗する場合があり、そのような摩耗速度は速やかに低減せず、安定した量のＰＴＦＥを摩擦面に供給できず、軸受耐久寿命の長期化を充分に達成できないからである。
【００２２】
また、上記の固体潤滑転がり軸受において、転がり摩擦または滑り摩擦を生ずる面（転動体の表面を除く。）に平均分子量が５０００以下のＰＴＦＥ被膜を形成することが好ましい。このようなＰＴＦＥ被膜は、ＰＴＦＥの分散液を被膜形成面に噴霧塗布するか、またはこのような分散液に軸受部品を浸漬して塗布することによって容易に形成でき、ＰＴＦＥ被膜の厚さは、通常、０．６μｍ前後とすれば好ましい結果が得られる。
【００２３】
【実施例および比較例】
〔実施例１〜４、比較例１〜４〕
深溝玉軸受（ＮＴＮ社製：ＳＥＢ０８Ｊ１ＵＣおよびＳＥＢ２６Ｊ１ＵＣ３）の転動体を、軸受荷重が負荷される負荷転動体と軸受荷重が負荷されない非負荷転動体で構成し、１つの非負荷転動体は四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）の圧縮成形体とした。
【００２４】
ここで、ＰＴＦＥ製の非負荷転動体の鋼球製の負荷転動体に対する直径比Ａ/Ｂは、実施例１：０．８５、実施例２：０．９１、実施例３：０．９９、比較例１：０（ＰＴＦＥ製の非負荷転動体を使用せず。）、比較例２：０．６、比較例３：０．７８とした。
【００２５】
また、ＰＴＦＥ製の非負荷転動体の表面粗さは、実施例１〜３と比較例２、３はＲａ０．３２μｍとし、実施例４はＲａ０．９６μｍ、比較例４はＲａ１．５μｍ（（Ａ/Ｂ）＝０．９９）とした。
【００２６】
そして、実施例１〜４および比較例１〜４の転がり軸受内の転がり摩擦または滑り摩擦を生ずる摩擦面（転動体の表面を除く。）に、平均分子量が５０００以下の四フッ化エチレン樹脂被膜を浸漬処理によって約０．６μｍの膜厚に形成した。
【００２７】
得られた実施例および比較例の固体潤滑転がり軸受に対して、下記の試験１〜３を行い、これらの結果をそれぞれ図１〜３の図表に示した。
【００２８】
（１）転がり軸受の耐久寿命試験（ＰＴＦＥ製非負荷転動体と鋼球製負荷転動体の径比の影響）
実施例１〜３と比較例１〜３の深溝玉軸受として、ＮＴＮ社製：ＳＥＢ０８Ｊ１ＵＣおよびＳＥＢ２６Ｊ１ＵＣ３を一組ずつ用い、これを高真空軸受寿命試験機に装着した。試験条件は、アキシャル荷重９．８Ｎ、回転速度２５００ｒｐｍとして２個の軸受の摩擦トルクが１０^-2Ｎ・ｍに達したときを耐久寿命として、この結果（時間）を図１に示した。なお、図中のＡ/Ｂは、ＰＴＦＥ製非負荷転動体の径（Ａ）／鋼球製負荷転動体の径（Ｂ）である。
【００２９】
図１の結果からも明らかなように、直径比Ａ/Ｂは、軸受の耐久寿命に顕著な影響を及ぼし、Ａ/Ｂが０．８以上の場合に耐久寿命が顕著に増加し、実施例２、３では、ＰＴＦＥ製の非負荷転動体を使用しないでＳＥＢ０８Ｊ１ＵＣおよびＳＥＢ２６Ｊ１ＵＣ３を用いた比較例１の耐久寿命の３倍以上であった。
【００３０】
（２）転がり軸受の耐久寿命試験（ＰＴＦＥ製非負荷転動体の表面粗さの影響）深溝玉軸受（ＳＥＢ０８Ｊ１ＵＣ）として、所定の表面粗さのＰＴＦＥ製の非負荷転動体を組み込んだ実施例３、４と比較例４を用い、その他の条件は試験１と全く同様にして転がり軸受の耐久寿命を調べ、その結果を図２の図表に示した。
【００３１】
図２の結果からも明らかなように、ＰＴＦＥ製非負荷転動体の表面粗さＲａ＝０．３２μｍの実施例３と、Ｒａ＝０．９６μｍの実施例４の耐久寿命は、いずれも１０００時間以上であったが、Ｒａ＝１．５μｍの比較例４の耐久寿命は、短く、実施例３または実施例４の１／４以下であった。
【００３２】
（３）転がり軸受の発塵性試験
試験１で使用した比較例１〜３および実施例２、３の深溝玉軸受として、ＮＴＮ社製：ＳＥＢ０８Ｊ１ＵＣおよびＳＥＢ２６Ｊ１ＵＣ３を一組ずつ用い、これを真空発塵量測定試験機に装着した。試験条件は、アキシャル荷重９．８Ｎ、回転速度５０ｒｐｍとして、７０時間の駆動中に発生した粒子径０．２０μｍ以上の発塵総個数を測定し、この結果（時間）を図３に示した。
【００３３】
図３の結果からも明らかなように、直径比Ａ/Ｂは、軸受の発塵量に顕著な影響はみられず、転がり軸受に四フッ化エチレン樹脂被膜を形成したことが良好な結果をもたらしていると認められた。また、図外に比較例４の発塵量を測定したが、測定当初に比較的多くの発塵があった。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の固体潤滑転がり軸受は、非負荷転動体が、四フッ化エチレン樹脂の成形体からなり、かつその直径比を所定範囲に調整したので、固体潤滑転がり軸受の耐久性が格段に向上し、無潤滑条件で耐久寿命の長い固体潤滑転がり軸受になるという利点がある。
【００３５】
また、上記の固体潤滑転がり軸受において、転動体の表面粗さが所定の程度に滑らかに調整されているものは、転動体が過剰に摩耗することなく、安定して四フッ化エチレン樹脂を摩擦面に供給するので、軸受耐久寿命が、より確実に長期化する利点がある。
【００３６】
また、上記の固体潤滑転がり軸受において、転がり摩擦または滑り摩擦をする面に所定の平均分子量の四フッ化エチレン樹脂被膜を形成したものは、使用開始の当初から充分に潤滑されるため、初期の発塵量が極めて少ないものになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】転がり軸受の耐久寿命試験の結果を示し、ＰＴＦＥ製非負荷転動体と鋼球製負荷転動体の径比と耐久寿命時間との関係を示す図表
【図２】転がり軸受の耐久寿命試験の結果を示し、ＰＴＦＥ製非負荷転動体の表面粗さと耐久寿命時間との関係を示す図表
【図３】転がり軸受の発塵性試験の結果を示し、ＰＴＦＥ製非負荷転動体と鋼球製負荷転動体の径比と発塵量との関係を示す図表

Claims

転がり軸受に組み込まれる複数の転動体が、軸受荷重が負荷される負荷転動体と軸受荷重が負荷されない非負荷転動体からなり、少なくとも１以上の非負荷転動体が四フッ化エチレン樹脂の成形体からなる表面粗さＲａが１．０μｍ以下の転動体であり、かつ非負荷転動体の負荷転動体に対する直径比Ａが０．８≦Ａ＜１であり、転がり軸受内の転がり摩擦または滑り摩擦を生ずる摩擦面のうち転動体の表面を除く摩擦面に平均分子量が５０００以下の四フッ化エチレン樹脂被膜を形成したことを特徴とする固体潤滑転がり軸受。