JP7016365B2

JP7016365B2 - 転動装置

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Publication number: JP7016365B2
Application number: JP2019529740A
Authority: JP
Inventors: 義夫滝; 智則金子; 博之清水; 友子天野; 嘉伸矢野; 慎一郎佐藤
Original assignee: Seavac Inc
Current assignee: Seavac Inc
Priority date: 2017-07-12
Filing date: 2018-07-10
Publication date: 2022-02-21
Anticipated expiration: 2038-07-10
Also published as: WO2019013220A1; TW201908615A; JPWO2019013220A1

Description

本発明は、転動装置に関するものである。

従来から用いられている機械要素として、例えば、ボールねじやリニアガイド、直動ベアリング、ボールスプライン等といった転動装置が知られている。かかる転動装置は、外面に軌道面を有する内方部材と、内方部材の前記軌道面に対向する軌道面を有して内方部材の外側に配置された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配置された複数の転動体と、を有することにより、外方部材が内方部材の軸線方向又は周方向に往復運動自在又は回転運動自在とされる装置である。

この種の転動装置は、内方部材と外方部材との間に配設される複数の転動体が繰り返し転がり運動を行うことになるので、これら転動装置の構成部材には繰り返し接触応力が加わることとなる。そのため、内方部材、外方部材、および転動体を構成する材料には、一般的に、疲労寿命や耐摩耗性等に優れた金属材料や樹脂材料等が採用されている。

また、この種の転動装置は、クリーンルーム、半導体製造装置、液晶パネル製造装置、食品加工装置等のように清浄な環境を必要とする用途や真空環境下において用いられることがあるため、内方部材、外方部材、および転動体を構成する材料に対しては、固体潤滑剤からなる被膜を形成して用いられることがあった。例えば、下記特許文献１には、一方の移動部材と他方の移動部材とが、それぞれの案内面に接する転動体を介して相対的に直線移動する転動装置において、前記両移動部材又は転動体の少なくとも一つに対して、その表面に無電解ニッケル被膜を介してフッ素樹脂被膜を成膜する技術が開示されている。そして、下記特許文献１の記載によれば、転動装置の構成部材に対して無電解ニッケル被膜を介してフッ素樹脂被膜を成膜することで、半導体製造装置や液晶パネル製造装置、食品加工装置等の清浄な雰囲気を必要とする環境下等において好適に使用でき、また、真空、高温、腐食性雰囲気環境下においても使用することができるとされている。

しかし、下記特許文献１に記載の技術は、金属材料等の基材に対して無電解ニッケル被膜を形成した後に、さらにフッ素樹脂被膜を成膜するものであり、製造工程が多くコストの嵩む技術である。特許文献１にも記載されているが、元来、無電解ニッケル被膜や無電解ニッケル－リン被膜には、膜自体に防錆作用があり、耐食性の向上効果が得られることから、無電解ニッケル被膜や無電解ニッケル－リン被膜のみを施すことで、転動疲労性と防錆性とを兼ね備えた転動装置を実現できれば、産業上の利用価値は非常に高いものとなる。しかしながら、従来公知の通り、無電解ニッケル被膜には、微細なクラックや空孔が存在しているため、このような状態の皮膜を転動装置の構成部材に用いた場合には、繰り返しの接触応力によって皮膜の剥離等が発生したり、クラックや空孔を起点として錆が発生したりするので、転動装置としての性能を十分に発揮することができなかった。このことからも分かる通り、転動装置の摩耗特性や潤滑寿命特性を好適に向上させることのできるコーティング被膜の形成技術は、従来未完成であった。

一方、金属やプラスチックの切削や成形過程に使用する工具には、有効寿命と処理条件の向上のためにコーティングすることが多く、このようなコーティングには、ＣＶＤやＰＶＤのような公知の方法が用いられている。

特開平１０－３２５４１４号公報

しかしながら、構成部材に対して繰り返し接触応力が加わることとなる転動装置において、その構成部材に炭化タングステン（ＷＣ）と炭素（Ｃ）の混合物からなるコーティングを施すことは従来実施されておらず、そのコーティングの最適条件は未だ明らかとなっていなかった。特に、転動装置では、繰り返し加わる接触応力に応じた高い硬度を備えながらも、母材に対する密着力に優れるとともに弾性変形への追従性が高く、さらには表層の割れ等の不具合が発生し難いコーティングの実現が求められており、そのような様々な要求品質を満足するコーティング技術は実現されていなかった。

本発明は、上述した従来技術に存在する種々の課題に鑑みて成されたものであって、その目的は、構成部材にコーティング層を形成することで金属接触を防止し、摩耗特性や潤滑寿命特性を向上させた転動装置を実現することにある。

本発明に係る転動装置は、外面に軌道面を有する内方部材と、前記内方部材の軌道面に対向する軌道面を有して前記内方部材の外側に配置された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配置された転動体と、を備える転動装置であって、前記内方部材が有する軌道面、前記外方部材が有する軌道面、および前記転動体のうちの少なくとも１つが、金属系材料からなる母材と、前記母材の表面側に形成された下地層と、前記下地層の表面側に形成された機能層と、によって構成されており、前記機能層が、ＷＣ層とＣ層を交互に積層した積層構造を有する複合層として構成され、前記機能層を構成する複合層の最表面が、Ｃ層によって構成され、前記下地層は、主成分がＷ（タングステン）によって構成されるとともに、前記母材との接続面から前記機能層との接続面に向けてＣ成分が段階的に増加するように構成されており、前記機能層における前記下地層との接続面が、ＷＣ層によって構成されていることを特徴とするものである。また、本発明に係る他の転動装置は、外面に軌道面を有する内方部材と、前記内方部材の軌道面に対向する軌道面を有して前記内方部材の外側に配置された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配置された転動体と、を備える転動装置であって、前記内方部材が有する軌道面、前記外方部材が有する軌道面、および前記転動体のうちの少なくとも１つが、金属系材料からなる母材と、前記母材の表面側に形成された下地層と、前記下地層の表面側に形成された機能層と、によって構成されており、前記機能層が、ＷＣ層とＣ層を交互に積層した積層構造を有する複合層として構成され、前記機能層を構成する複合層の最表面が、Ｃ層によって構成され、前記下地層における前記母材との接続面から前記機能層の表面に向けて被膜硬さが増加するように構成されるとともに、前記機能層を構成する複合層の最表面であるＣ層の被膜硬さが表面に向けて漸減するように構成されることを特徴とするものである。

本発明によれば、構成部材にコーティング層を形成することで金属接触を防止し、摩耗特性や潤滑寿命特性を向上させた新たな転動装置を実現することができる。

図１は、本発明に係るコーティング層の具体的内容を説明するための図であり、図中の分図（ａ）はコーティング層の断面構成を示した模式図であり、分図（ｂ）はコーティング層の断面構成の一部を示した写真図である。図２は、油潤滑荷重耐久試験の結果を示すグラフ図であり、縦軸に示された各試験品の試験結果が、横軸に示された走行距離として表されている。図３は、無潤滑荷重耐久試験の結果を示すグラフ図であり、縦軸に示された各試験品の試験結果が、横軸に示された走行距離比として表されている。図４は、本発明に係る下地層の変形形態を説明するための図であり、図中の分図（ａ）はコーティング層の断面構成を示した模式図であり、分図（ｂ）はコーティング層を構成する下地層の膜厚方向でのＣ成分率の変化を示すグラフ図である。図５は、本発明に係るコーティング層の被膜硬さの最適設計条件の一つを例示した図であり、図中の分図（ａ）はコーティング層の断面構成を示した模式図であり、分図（ｂ）はコーティング層における膜厚方向での硬さ値の設計例を示すグラフ図である。図６は、本実施形態に係る転動装置をリニアガイド装置として構成した場合の一形態を例示する外観斜視図である。図７は、図６で示したリニアガイド装置が備える無限循環路を説明するための断面図である。図８は、本実施形態に係る転動装置をボールねじ装置として構成した場合を例示する図である。図９は、本実施形態に係る転動装置をスプライン装置として構成した場合を例示する図である。図１０は、本実施形態に係る転動装置を回転ベアリング装置として構成した場合の一形態を例示する部分縦断斜視図である。図１１は、図１０に示す回転ベアリング装置の縦断面を示す図である。図１２は、本実施形態に係る転動装置を滑りねじ装置として構成した場合の一形態を例示する外観斜視図である。図１３は、本発明の多様な適用事例を説明するための図であり、リニアモーションガイドとボールねじが組み合わされて一体構造となっている形式の転動装置を示す外観斜視部分断面図である。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

まず、図１を用いて、転動装置の構成部材に適用可能な本発明に係るコーティング層の具体的な内容について、説明を行う。ここで、図１は、本発明に係るコーティング層の具体的内容を説明するための図であり、図中の分図（ａ）はコーティング層の断面構成を示した模式図であり、分図（ｂ）はコーティング層の断面構成の一部を示した写真図である。なお、本発明に係るコーティング層は、外面に軌道面を有する内方部材と、内方部材の軌道面に対向する軌道面を有して内方部材の外側に配置された外方部材と、両軌道面間に転動自在に配置された転動体と、を備える転動装置に対して適用されるものであって、内方部材が有する軌道面、外方部材が有する軌道面、および転動体のうちの少なくとも１つが、金属系材料からなる母材と、母材の表面側に形成された下地層と、下地層の表面側に形成された機能層と、によって構成されており、その具体的な実施形態例については、後述することとする。

図１の分図（ａ）にて示すように、本発明に係るコーティング層は、金属系材料からなる母材１１と、母材１１の表面側に形成された下地層１２と、下地層１２の表面側に形成された機能層１３と、によって構成されている。

母材１１については、転動装置に対して一般的に用いられている金属材料を想定しており、例えば、ＳＵＪ２等といった軸受鋼や高炭素鋼、工具鋼などから構成されている。ただし、本発明に係る母材の適用範囲は、このような鉄系金属に限られるものではなく、チタン合金やアルミニウム合金などといった非鉄系の金属合金も含むものである。

下地層１２は、例えばＷ（タングステン）によって構成されており、母材１１と後述する機能層１３とを好適に接続する層となっている。

機能層１３は、炭化タングステンからなるＷＣ層と、炭素からなるＣ層とを交互に積層した積層構造を有する複合層として構成されている。なお、本発明に係るＣ層は、ＤＬＣ（Diamond-like Carbon）からなる被膜層として構成されることを想定しており、非常に硬度の高い単層構造からなる被膜層を構成するものである。一方、ＤＬＣからなるＣ層と交互に積層されるＷＣ層は、ＤＬＣからなるＣ層に比べて硬度が低く軟らかい被膜層を構成するものである。したがって、硬度の高いＣ層と軟らかいＷＣ層とを交互に積層することで、機能層１３全体として、弾性変形への追従性が高いとともに、膜の割れ発生がし難い非常に好適なコーティング層となっている。

また、本発明に係るコーティング層は、機能層１３を構成する複合層の最表面が、Ｃ層によって構成されている。コーティング層を形成される転動装置の構成部材は、繰返しの応力を受けるために、高い表面硬さを付与することが要求されるものである。そこで、本発明では、積層構造からなる機能層１３を構成する複合層の最表面にＣ層が配置されるように構成することで、非常に硬度の高い単層構造からなる被膜層を構成部材の最表面に形成することが可能となる。かかる構成によって、転動装置に要求される応力荷重への耐久性が発揮され、摩耗特性や潤滑寿命特性を向上させることが可能となっている。

さらに、本発明に係るコーティング層では、上述したように、下地層１２はＷ（タングステン）によって構成されているが、機能層１３における下地層１２と機能層１３との接続面については、ＷＣ層となるように構成されている。下地層１２の表面側に形成される機能層１３における下地層１２との接続面が、Ｃ層に比べて硬度が低く軟らかい被膜層を構成するＷＣ層であり、また、下地層１２を構成するＷ（タングステン）と同系統の金属材料であるＷＣ層とすることで、母材１１と下地層１２、機能層１３とが高い密着力で結合されることとなる。つまり、本発明に係るコーティング層は、非常に剥離し難いコーティング層であるということができる。したがって、本発明に係るコーティング層によれば、摩耗特性や潤滑寿命特性を向上させた新たな転動装置を実現することが可能となる。

なお、上述した本発明の構成のうち、機能層１３を構成するＷＣ層のＷ（タングステン）組成比については、
０重量％＜ｗ≦３０重量％
なる不等式を満たす条件で構成されることが好ましい。この０重量％＜ｗ≦３０重量％からなる条件式は、発明者らによって行われた実験によって見出されたものであり、当該条件式を満たすことで、機能層１３におけるＷ（タングステン）組成比の最適化が実現するので、転動装置の軌道面において摩耗し難い膜表面を形成するために有効な条件となっている。

さらに、本発明に係るコーティング層を構成する機能層１３としての複合層の硬さ値については、ビッカース硬さＨｖが８００～１５００となるように構成されている。かかる条件値を見出すに当たって発明者らが行った実験では、複合層の硬さ測定はナノインデンターで行われており、本発明に係るコーティング層を構成する機能層１３は、ビッカース硬さＨｖで８００～１５００に相当する１２ＧＰａ～１７ＧＰａという値になるように構成されている。機能層１３を構成する複合層に対してこのような硬さ値の条件が設定されているのは、ビッカース硬さＨｖが８００（１２ＧＰａ）未満だと耐摩耗性に課題があり、ビッカース硬さＨｖが１５００（１７ＧＰａ）より大きいとコーティング割れが発生してしまうからである。機能層１３を構成する複合層の硬さ値について、ビッカース硬さＨｖが８００～１５００となるように構成することで、高い面圧やせん断力が発生する転動装置に対して好適に用いることのできるコーティング層を実現することが可能となっている。

以上、発明者らが見出した、本発明に係るコーティング層の好適な形成条件についての説明を行った。次に、上述した本発明に係るコーティング層の形成条件を満たすことで得られる効果について、発明者らは検証実験を行っているので、その結果を説明する。

まず、発明者らは、油潤滑を実施した条件下での転動装置の荷重耐久性能についての検証実験を行った。この油潤滑荷重耐久試験は、実験室内の常温環境下に設置された荷重耐久試験機を用い、この試験機に対してリニアガイドをセットして行った。リニアガイドは、構成部材に対して本発明に係るコーティング層を種々の条件値で形成したものと、従来技術である本発明に係るコーティング層の無い既存品を用意し、リニアガイドを構成する軌道レールに対して移動ブロックを繰り返し往復運動させることによって両者の耐久性能を比較することとした。

なお、油潤滑荷重耐久試験のより具体的な条件としては、試験品に比較例１としての既存品と、比較例２として、機能層１３の硬さ値が１０ＧＰａのもの、さらに本発明の実施形態として機能層１３の硬さ値が１２、１５、１７ＧＰａの実施例１、２、３の、５種類を用意した。この５種類の試験品に対して、潤滑グリースを初期封入し、その後、０．５ｃｍ^３／ｍｉｎの条件で給油し続けた。リニアガイドを構成する移動ブロックに対しては、ラジアル荷重１２．６ｋＮの一定荷重を常時負荷し、軌道レールに対する移動ブロックの相対移動条件として、最高速度６０ｍ／ｍｉｎ、加減速度９．８ｍ／ｓ^２（１．０Ｇ）、ストローク３５０ｍｍの各条件値を設定した。かかる条件下でリニアガイドを構成する軌道レールに対して移動ブロックを繰り返し往復運動させ、リニアガイドが性能を維持しながら往復運動を行った走行距離を記録し、その走行距離によって評価を行った。

以上説明した試験条件にて得られた結果を、図２に示す。ここで、図２は、油潤滑荷重耐久試験の結果を示すグラフ図であり、縦軸に示された各試験品の試験結果が、横軸に示された走行距離として表されている。

図２から明らかな通り、今回実施された油潤滑荷重耐久試験では、すべての実施例で既存品を上回る結果が得られている。しかし、本発明の実施形態として機能層１３の硬さ値が１２、１５、１７ＧＰａの実施例１、２、３については、走行距離が２５００～４５００ｋｍとなり、既存品の約３倍を超えた走行距離を示している。この結果から、本発明の機能層１３の条件値として、ナノインデンターで行った機能層１３を構成する複合層の硬さ値が１２ＧＰａ～１７ＧＰａであること、との条件は、従来技術に比べて長寿命化を実現するものであると評価できる。すなわち、発明者らの行った油潤滑荷重耐久試験によって、本発明に係るコーティング層が油潤滑環境下での潤滑状態の改善効果を好適に示すことが確認できた。

なお、本発明の実施形態として機能層１３の硬さ値が１０ＧＰａのものについては、既存品に対して有意な差異が見られなかった。しかし、この結果からは、本発明の機能層１３の条件値の下限値を１２ＧＰａと設定したことについての有効性が確認できた。

次に、発明者らは、油潤滑を実施しない無潤滑環境下での転動装置の荷重耐久性能についての検証実験を行った。この無潤滑荷重耐久試験は、実験室内の常温環境下に設置された荷重耐久試験機を用い、この試験機に対してリニアガイドをセットして行った。リニアガイドは、構成部材に対して本発明に係るコーティング層の硬さ値が１５ＧＰａで形成した実施例と、比較例としてＭｏＳ_２膜を形成したものを用意し、リニアガイドを構成する軌道レールに対して移動ブロックを繰り返し往復運動させることによって両者の耐久性能を比較することとした。なお、本発明に係るコーティング層の硬さ値を１５ＧＰａとしたのは、本発明の機能層１３の条件値である、ナノインデンターで行った機能層１３を構成する複合層の硬さ値が１２ＧＰａ～１７ＧＰａである条件範囲の約中央値を代表的に選択したものである。

また、無潤滑荷重耐久試験のより具体的な条件としては、上記した２種類の試験品を、各１ｓｅｔ用意し、各々のデータを採取した。潤滑条件は無潤滑とし、試験実施中の潤滑剤の供給についても停止した。リニアガイドを構成する移動ブロックに対しては、ラジアル荷重３．１７ｋＮの一定荷重を常時負荷し、軌道レールに対する移動ブロックの相対移動条件として、最高速度３０ｍ／ｍｉｎ、加減速度９．８ｍ／ｓ^２（１．０Ｇ）、ストローク３５０ｍｍの各条件値を設定した。かかる条件下でリニアガイドを構成する軌道レールに対して移動ブロックを繰り返し往復運動させ、リニアガイドが性能を維持しながら往復運動を行った走行距離を記録し、その走行距離によって評価を行った。

以上説明した試験条件にて得られた結果を、図３に示す。ここで、図３は、無潤滑荷重耐久試験の結果を示すグラフ図であり、縦軸に示された各試験品の試験結果が、横軸に示された走行距離比として表されている。

図３から明らかな通り、今回実施された無潤滑荷重耐久試験では、従来から無潤滑環境下で用いられてきた比較例としてのＭｏＳ_２膜を形成した場合の走行距離比を１とした場合、本発明に係るコーティング層の硬さ値が１５ＧＰａで形成した実施例については、走行距離比が３．２であった。つまり、本発明に係るコーティング層については、従来技術に比べて約３倍以上の寿命延長効果を示すこととなった。また、無潤滑荷重耐久試験で得られた結果が従来技術に比べて約３倍以上の長寿命化を実現したことについては、油潤滑荷重耐久試験での効果とほぼ同様の改善効果倍率である。この結果から、本発明の機能層１３の条件値として、ナノインデンターで行った機能層１３を構成する複合層の硬さ値が１２ＧＰａ～１７ＧＰａであること、との条件は、従来技術に比べて長寿命化を実現するものであると評価できる。すなわち、発明者らの行った無潤滑荷重耐久試験によって、本発明に係るコーティング層は、無潤滑環境下であっても長寿命効果を好適に発揮することが確認できた。

以上、発明者らが見出した、本発明に係るコーティング層の好適な形成条件についての説明を行った。上述したように、本発明に係るコーティング層は、繰り返しの転がり負荷や摺動負荷を受けることとなる転動装置に対して好適に用いることが可能であり、従来技術に比べて約３倍以上の長寿命化を達成した。ただし、上述した本発明に係るコーティング層の好適な形成条件は、機能層１３に関するものであった。そこで、発明者らは、本発明の更なる改良を検討する中で、下地層１２の改良形態にも取り組んだ。そして、発明者らによる鋭意研究の結果、Ｗ（タングステン）単独で構成した下地層１２に代えて、主成分がＷ（タングステン）によって構成されるとともに、母材１１との接続面から機能層１３との接続面に向けてＣ成分が段階的に増加するように構成した下地層１２を採用することで、耐剥離性に優れる下地層１２を形成することができることが確認できた。このような新たな下地層１２を示す模式図として、図４を示す。ここで、図４は、本発明に係る下地層の変形形態を説明するための図であり、図中の分図（ａ）はコーティング層の断面構成を示した模式図であり、分図（ｂ）はコーティング層を構成する下地層の膜厚方向でのＣ成分率の変化を示すグラフ図である。

図４に示すように、変形形態に係る下地層１２は、主成分がＷ（タングステン）によって構成されるものであるが、母材１１との接続面から一定の膜厚の範囲ではＣ成分率が０（ゼロ）％となっており、Ｗ（タングステン）のみで構成されている。そして、変形形態に係る下地層１２は、機能層１３との接続面である表層側に向けてＣ成分率が段階的に増加するように構成されており、機能層１３と接続する下地層１２の最表面部分は、Ｃ成分率が８０％となるように構成されている。このように、本発明に係るコーティング層を構成する下地層１２について、Ｗ（タングステン）中のＣ成分比率が膜厚方向で段階的に変化するように製膜することで、耐剥離性に優れる下地層１２となるという効果を得ることができる。

なお、発明者らは、被膜の改良実験を行うに際して、転動装置に最適な性能として、高面圧環境で剥がれない被膜が必要となるため、母材１１との密着度が重要と考えた。また、相手材（転動面）を摩耗させないため、ボール表面の凹凸を小さくすることが必要であり、硬さを上げることに効果があることを確認していた。この両条件のバランスをとるため、母材１１に近い箇所を軟らかく、硬さを傾斜させながら積層し、表面をできるだけ硬くするという製法を選定した。このような考えのもと、発明者らが鋭意研究を進めた結果、さらに被膜の密着性に優れた条件を見出すに至った。その結果を図５に示す。ここで、図５は、本発明に係るコーティング層の被膜硬さの最適設計条件の一つを例示した図であり、図中の分図（ａ）はコーティング層の断面構成を示した模式図であり、分図（ｂ）はコーティング層における膜厚方向での硬さ値の設計例を示すグラフ図である。

図５に示す改良例では、下地層１２における母材１１との接続面から機能層１３の表面に向けて被膜硬さが増加するように構成されるとともに、機能層１３を構成する複合層の最表面であるＣ層（ＤＬＣ）の被膜硬さが表面に向けて漸減するように構成される形態例が示されている。発明者らは、実験の結果、コーティング層の最表層を硬いＣ層（ＤＬＣ）にすると摺動面の摩耗が大きくなるが、機能層１２の最終段階（つまり、最表層の少し手前）が最も硬く、最表層のＣ層（ＤＬＣ）をやや軟質にすることで、最表層のＣ層（ＤＬＣ）がなじみ層として機能し、被膜の密着性が向上する、という効果を得た。このような図５で示す被膜硬さの設計条件を満たすコーティング膜を実現することで、さらに被膜の密着性に優れたコーティング層が実現し、長寿命化を実現した転動装置が得られることが明らかとなった。

以上、発明者らが見出した、本発明に係るコーティング層の好適な形成条件についての説明を行った。上述したように、本発明に係るコーティング層は、繰り返しの転がり負荷や摺動負荷を受けることとなる転動装置に対して好適に用いることが可能である。そこで、次に、本発明に係るコーティング層を転動装置へ適用した場合の事例について、説明を行う。

［転動装置への適用例］
本発明に係るコーティング層を用いた転動装置の具体的な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下で例示する転動装置の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。また、本明細書における「転動装置」は、例えば、工作機械などに用いられる転がり軸受全般や真空中で使用される無潤滑軸受、リニアガイドや直線案内装置、ボールスプライン装置、ボールねじ装置、ローラねじ装置、クロスローラリングなどのような、あらゆる転動・摺動動作を伴う装置を含むものである。

（リニアガイド装置への適用例）
本実施形態に係る転動装置は、図６および図７に示すようなリニアガイド装置として構成することが可能であり、かかるリニアガイド装置に対して上述したコーティング層を形成することにより、摩耗特性や潤滑寿命特性を向上させた新たな転動装置を実現することができる。ここで、図６は、本実施形態に係るリニアガイド装置の一形態を例示する外観斜視図である。また、図７は、図６で示したリニアガイド装置が備える無限循環路を説明するための断面図である。

まず、図６および図７に例示するリニアガイド装置４０の構成について説明すると、本実施形態に係る転動装置としてのリニアガイド装置４０は、内方部材としての軌道レール４１と、軌道レール４１に多数の転動体として設置されるボール４２を介してスライド可能に取り付けられた外方部材としての移動ブロック４３とを備えている。軌道レール４１はその長手方向と直交する断面が概略矩形状に形成された長尺の部材であり、その表面（上面および両側面）には、ボール４２が転がる際の軌道になる軌道面としての転動体転走面４１ａが軌道レール４１の全長に渡って形成されている。

ここで軌道レール４１は、直線的に伸びるように形成されることもあるし、曲線的に伸びるように形成されることもある。また、図６および図７において例示する転動体転走面４１ａの本数は左右で２条ずつ合計４条設けられているが、その条数はリニアガイド装置４０の用途等に応じて任意に変更することができる。

一方、移動ブロック４３には、転動体転走面４１ａとそれぞれ対応する位置に軌道面としての負荷転動体転走面４３ａが設けられている。軌道レール４１の転動体転走面４１ａと移動ブロック４３の負荷転動体転走面４３ａとによって負荷転走路５２が形成され、複数のボール４２が挟まれている。さらに、移動ブロック４３には、各転動体転走面４１ａと平行に伸びる４条の無負荷転走路５３と、各無負荷転走路５３と各負荷転走路５２とを結ぶ方向転換路５５が設けられている。１つの負荷転走路５２および無負荷転走路５３と、それらを結ぶ一対の方向転換路５５との組み合わせによって、１つの無限循環路が構成される（図７参照）。

そして、複数のボール４２が、負荷転走路５２と無負荷転走路５３と一対の方向転換路５５，５５とから構成される無限循環路に無限循環可能に設置されることにより、移動ブロック４３が軌道レール４１に対して相対的に往復運動可能となっている。

以上のような構成を備える本実施形態に係るリニアガイド装置４０においては、内方部材としての軌道レール４１の転動体転走面４１ａ、外方部材としての移動ブロック４３の負荷転動体転走面４３ａ、および複数の転動体として設置されるボール４２の少なくとも１つに対して、上述した下地層１２と機能層１３からなるコーティング層を形成することができる。

例えば、複数の転動体として設置されるボール４２の表面に対して下地層１２と機能層１３からなるコーティング層を形成することで、軌道レール４１の転動体転走面４１ａや、移動ブロック４３の負荷転動体転走面４３ａと、ボール４２との金属接触が防止されることとなる。そして、機能層１３の最表面は、炭素系のコーティング膜であるＣ層であり、また、機能層１３自体は積層構造からなる複合層であり、コーティング層自体が潤滑性を有しているので、摩擦抵抗の低下や固体潤滑剤としての機能を発揮できる。さらに、ボール４２の表面に対して下地層１２と機能層１３からなるコーティング層を形成することで、油膜が形成されない環境においても金属接触を防止できるので、転動装置であるリニアガイド装置４０の製品寿命を延長することが可能となる。

（転動体ねじ装置への適用例）
また、本実施形態に係る転動装置は、例えば、図８において示されるようなボールねじ装置５６として構成することが可能である。図８は、本実施形態に係る転動装置をボールねじ装置として構成した場合を例示する図である。かかるボールねじ装置５６は、内方部材としてのねじ軸５７と、このねじ軸５７に複数のボール５８を介して相対回転可能に取り付けられる外方部材としてのナット部材５９とを備えた装置である。

ねじ軸５７は、外周面に螺旋状の軌道面としての転動体転走溝５７ａが形成される内方部材であり、一方、ナット部材５９は、内周面に転動体転走溝５７ａに対応する螺旋状の軌道面としての負荷転走溝が形成される外方部材である。ねじ軸５７のナット部材５９に対する相対的な回転運動に伴って、ナット部材５９がねじ軸５７に対して相対的に往復運動可能となっている。

そして、ボールねじ装置５６を構成するねじ軸５７の転動体転走溝５７ａやナット部材５９の負荷転走溝、およびボール５８の少なくとも１つに対して、上述した下地層１２と機能層１３からなるコーティング層を形成することができる。かかる構成によって、繰返しの転がり負荷荷重を受けることとなるねじ軸５７の転動体転走溝５７ａやナット部材５９の負荷転走溝、およびボール５８における金属接触が防止され、ボールねじ装置５６の摩耗特性や潤滑寿命特性を向上させることが可能となる。

（スプライン装置への適用例）
さらに、本実施形態に係る転動装置は、例えば、図９において示されるようなスプライン装置６０として構成することが可能である。図９は、本実施形態に係る転動装置をスプライン装置として構成した場合を例示する図である。

ここで、図９に示されるスプライン装置６０の構成を簡単に説明すると、スプライン装置６０は、内方部材としてのスプライン軸６１と、そのスプライン軸６１に多数の転動体としてのボール６２を介して移動自在に取り付けられた外方部材としての円筒状の外筒６３とを有している。スプライン軸６１の表面には、ボール６２の軌道となり、スプライン軸２１の軸線方向に延びる軌道面としての転動体転走面６１ａが形成されている。スプライン軸６１に取り付けられる外筒６３には、転動体転走面６１ａに対応する軌道面としての負荷転動体転走面が形成される。これらの負荷転動体転走面には、転動体転走面６１ａが伸びる方向に伸びる複数条の突起が形成されている。外筒６３に形成した負荷転動体転走面とスプライン軸６１に形成した転動体転走面６１ａとの間で負荷転走路が形成される。負荷転走路の隣には、荷重から解放されたボール６２が移動する無負荷戻し通路が形成されている。外筒６３には、複数のボール６２をサーキット状に整列・保持する保持器６４が組み込まれている。そして、複数のボール６２が、外筒６３の負荷転動体転走面とスプライン軸６１の転動体転走面６１ａとの間に転動自在に設置され、無負荷戻し通路を通って無限循環するように設置されることによって、外筒６３がスプライン軸６１に対して相対的に往復運動可能となっている。

そして、図９において示すスプライン装置６０の場合においても、スプライン装置６０を構成するスプライン軸６１の転動体転走面６１ａや外筒６３の負荷転動体転走面、およびボール６２の少なくとも１つに対して、上述した下地層１２と機能層１３からなるコーティング層を形成することができる。かかる構成によって、繰返しの転がり負荷荷重を受けることとなるスプライン軸６１の転動体転走面６１ａや外筒６３の負荷転動体転走面、およびボール６２における金属接触が防止され、スプライン装置６０の摩耗特性や潤滑寿命特性を向上させることが可能となる。

（回転ベアリング装置への適用例）
またさらに、本実施形態に係る転動装置は、例えば、図１０および図１１において示されるような回転ベアリング装置７０として構成することが可能である。ここで、図１０は、本実施形態に係る転動装置を回転ベアリング装置として構成した場合の一形態を例示する部分縦断斜視図である。また、図１１は、図１０に示す回転ベアリング装置の縦断面を示す図である。

図１０および図１１に示すように、回転ベアリング装置７０として構成される転動装置は、外周面に断面Ｖ字形状の内側軌道面７２を有する（内方部材又は外方部材としての）内輪７１と、内周面に断面Ｖ字形状の外側軌道面７４を有する（外方部材又は内方部材としての）外輪７３と、内側軌道面７２と外側軌道面７４とによって形成される断面略矩形状の軌道路７５の間に転動可能にクロス配列される複数の転動体としてのローラ７７とを有することにより、内輪７１および外輪７３が周方向に相対的な回転運動を行うものである。

このような回転ベアリング装置７０においても、回転ベアリング装置７０を構成する内輪７１の内側軌道面７２や外輪７３の外側軌道面７４、およびローラ７７の少なくとも１つに対して、上述した下地層１２と機能層１３からなるコーティング層を形成することができる。かかる構成によって、繰返しの転がり負荷荷重を受けることとなる内輪７１の内側軌道面７２や外輪７３の外側軌道面７４、およびローラ７７における金属接触が防止され、回転ベアリング装置７０の摩耗特性や潤滑寿命特性を向上させることが可能となる。

（滑りねじ装置への適用例）
上述した各装置については、内方部材と外方部材の間に複数の転動体が介装された形態の装置を例示して説明した。しかしながら、転動装置の構成部材に対してコーティング層を形成することを特徴とする本発明の適用範囲は、かかる転動体を用いたものには限られず、転動体を介さずに内方部材と外方部材とが直接接触して相対運動可能に構成される装置に対しても好適に用いることが可能である。

例えば、図１２に示すように、滑りねじ装置８０として構成される転動装置に対して、本発明を適用することも可能である。ここで、図１２は、本実施形態に係る転動装置を滑りねじ装置として構成した場合の一形態を例示する外観斜視図である。そして、図１２に示す滑りねじ装置８０は、外周面に螺旋状の軌道面としてのねじ溝が形成される内方部材としてのねじ軸８１と、内周面にねじ溝に対応する螺旋状の軌道面としてのナット溝が形成される外方部材としてのナット部材８３と、を有することにより、ねじ軸８１のナット部材８３に対する相対的な回転運動に伴って、ナット部材８３がねじ軸８１に対して相対的に往復運動することができるように構成されている。

そして、図１２に示す滑りねじ装置８０についても、その構成部材であるねじ軸８１のねじ溝やナット部材８３のナット溝に対して、上述した下地層１２と機能層１３からなるコーティング層を形成することができる。かかる構成によって、繰返しの滑り負荷荷重を受けることとなるねじ軸８１のねじ溝やナット部材８３のナット溝における金属接触が防止され、滑りねじ装置８０の摩耗特性や潤滑寿命特性を向上させることが可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態には、多様な変更又は改良を加えることが可能である。

例えば、図１３において示されるような、リニアモーションガイドとボールねじが組み合わされて一体構造となっている形式の転動装置９０について、本発明を適用することが可能である。なお、図１３において示す転動装置９０の場合、ねじ軸９１と移動ブロック９３とは、複数のボール９５を介して設置されているが、複数のボール９５を介さずにねじ軸９１と移動ブロック９３とが滑りねじとして構成されるようにすることも可能である。

その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。

なお、上述した本発明に係る転動装置については、多様な産業上の利用可能性を備えている。例えば、原子力・エネルギー関連の技術分野では、放射線被ばく環境下で転動装置を使用する場合があるが、油や樹脂は放射線により分解され、その分解物質は汚染物質となってしまう。しかし、本発明に係るコーティング層を転動装置に用いることで、オイルフリー化が実現できるので、本発明によれば、放射線被ばく環境下であっても好適に用いることのできる転動装置を実現することが可能となる。

また例えば、転動装置における転がり運動や滑り運動が低速かつ高荷重で行われる使用方法の場合、従来の油やグリースを用いる潤滑剤では油膜の形成が困難となって摩耗が進行してしまうといった課題が存在していた。しかしながら、本発明に係るコーティング層を転動装置に用いることで、オイルフリー化が実現できるので、低速かつ高荷重での使用条件に有効な転動装置を提供することが可能となる。

また例えば、宇宙・航空産業における技術分野では、極低温環境下での転動装置の使用が求められるが、従来の油やグリースを用いる潤滑剤では、低温での粘性抵抗上昇のためにトルクが高くなってしまうという課題が存在していた。しかしながら、本発明に係るコーティング層を転動装置に用いることで、オイルフリー化が実現できるので、温度による摩擦抵抗の差が無くなり、どのような温度条件下であっても好適に使用可能な転動装置を提供することができる。

また例えば、食品製造機械・医療機器の技術分野では、従来の油やグリースを用いる場合に潤滑剤の漏れや垂れに敏感にならざるを得ないといった課題が存在していた。しかしながら、本発明に係るコーティング層を転動装置に用いることで、オイルフリー化が実現できるので、潤滑剤の漏れや垂れに敏感な環境下であっても安心して使用することのできる転動装置を提供することが可能となる。

また例えば、転動装置に対して振動が付加される使用環境の場合、従来の油やグリースを用いる潤滑剤では油膜の形成が困難となり、摩耗が進行してしまうといった課題が存在していた。しかしながら、本発明に係るコーティング層を転動装置に用いることで、金属接触が防止できるので、振動が付加される使用環境に有効な転動装置を提供することが可能となる。

以上説明したように、本発明に係るコーティング層を転動装置に用いることで、転動装置の適用範囲が大いに拡大することとなる。

１１母材、１２下地層、１３機能層、４０リニアガイド装置、４１軌道レール、４１ａ転動体転走面、４２ボール、４３移動ブロック、４３ａ負荷転動体転走面、４８，４９ねじ孔、５２負荷転走路、５３無負荷転走路、５５方向転換路、５６ボールねじ装置、５７ねじ軸、５７ａ転動体転走溝、５８ボール、５９ナット部材、６０スプライン装置、６１スプライン軸、６１ａ転動体転走面、６２
ボール、６３外筒、６４保持器、７０回転ベアリング装置、７１内輪、７２内側軌道面、７３外輪、７４外側軌道面、７５軌道路、７７ローラ、８０滑りねじ装置、８１ねじ軸、８３ナット部材、９０転動装置、９１ねじ軸、９３移動ブロック、９５ボール。

Claims

外面に軌道面を有する内方部材と、
前記内方部材の軌道面に対向する軌道面を有して前記内方部材の外側に配置された外方部材と、
前記両軌道面間に転動自在に配置された転動体と、
を備える転動装置において、
前記内方部材が有する軌道面、前記外方部材が有する軌道面、および前記転動体のうちの少なくとも１つが、
金属系材料からなる母材と、
前記母材の表面側に形成された下地層と、
前記下地層の表面側に形成された機能層と、
によって構成されており、
前記機能層が、ＷＣ層とＣ層を交互に積層した積層構造を有する複合層として構成され、
前記機能層を構成する複合層の最表面が、Ｃ層によって構成され、
前記下地層は、主成分がＷ（タングステン）によって構成されるとともに、前記母材との接続面から前記機能層との接続面に向けてＣ成分が段階的に増加するように構成されており、
前記機能層における前記下地層との接続面が、ＷＣ層によって構成されていることを特徴とする転動装置。
請求項１に記載の転動装置において、
前記機能層を構成するＷＣ層のＷ（タングステン）組成比が、
０重量％＜Ｗ≦３０重量％
なる不等式を満たす条件で構成されることを特徴とする転動装置。
請求項１又は２に記載の転動装置において、
前記機能層を構成する複合層のビッカース硬さＨｖが８００～１５００であることを特徴とする転動装置。
請求項１又は２に記載の転動装置において、
ナノインデンターで行った前記機能層を構成する複合層の硬さ値が１２ＧＰａ～１７ＧＰａであることを特徴とする転動装置。
外面に軌道面を有する内方部材と、
前記内方部材の軌道面に対向する軌道面を有して前記内方部材の外側に配置された外方部材と、
前記両軌道面間に転動自在に配置された転動体と、
を備える転動装置において、
前記内方部材が有する軌道面、前記外方部材が有する軌道面、および前記転動体のうちの少なくとも１つが、
金属系材料からなる母材と、
前記母材の表面側に形成された下地層と、
前記下地層の表面側に形成された機能層と、
によって構成されており、
前記機能層が、ＷＣ層とＣ層を交互に積層した積層構造を有する複合層として構成され、
前記機能層を構成する複合層の最表面が、Ｃ層によって構成され、
前記下地層における前記母材との接続面から前記機能層の表面に向けて被膜硬さが増加するように構成されるとともに、前記機能層を構成する複合層の最表面であるＣ層の被膜硬さが表面に向けて漸減するように構成されることを特徴とする転動装置。