JPH07279973A

JPH07279973A - 転がり軸受

Info

Publication number: JPH07279973A
Application number: JP20585294A
Authority: JP
Inventors: Hiromitsu Kondo; 博光近藤; Hiroshi Yamada; 博山田; Michiyoshi Ishimaru; 路芳石丸
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1994-02-17
Filing date: 1994-08-31
Publication date: 1995-10-27

Abstract

(57)【要約】【目的】特殊環境（真空高温、ガス雰囲気、清浄環境
等）下で使用するのに好適な転がり軸受を提供する。【構成】この軸受は半導体製造工程におけるスパッタ
リング装置のウェーハ搬送系に組込まれるもので、回転
軸に嵌着される内輪１と、ハウジング２の嵌合面に緩い
嵌め合いすきまＳ（常温時のすきま）をもって嵌合され
る外輪３と、内・外輪１、３間に介在する複数のボール
４と、ボール４を円周等間隔に保持する保持器５とで構
成される。内輪１、ボール４および保持器５はステンレ
ス鋼材で形成され、外輪３はポリイミド（ＰＩ）材で形
成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はグリース等の流体潤滑剤
が使用できない特殊環境（真空高温、ガス雰囲気、清浄
環境等）下で使用され、かつ、比較的軽荷重で運転され
る転がり軸受に関し、例えば半導体製造工程におけるス
パッタリング装置のウェーハ搬送系、水晶振動子製造装
置のワーク反転機構部、ガス流量計のタービン支持部用
軸受等として利用することができる。

【０００２】

【従来の技術】例えば、半導体製造の分野では半導体の
集積度の増加に伴って回路パターンの線幅が微細化する
と共に、層状構造化（２階建化）する傾向にあることか
ら、スパッタリング工程等において、ウェーハをより高
温状態（〜５００°Ｃ程度）で処理するようになってき
ている。そのため、ウェーハの搬送系等にある軸受が４
００°Ｃ程度にまで温度上昇することが予測され、潤滑
剤の高温劣化による潤滑性の低下、軸受部品の熱膨張に
よる軸受内部すきまの過小、ハウジングの熱膨張による
軌道輪のクリープ等、軸受の耐久性、低発塵性等の特性
に好ましくない影響を与える現象の発生が懸念される。

【０００３】現在、上記のような高温特殊環境下での使
用に好適な転がり軸受がないのが実情である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な環境下において、軸受の潤滑性の低下が懸念されるの
は次の理由による。すなわち、半導体製造設備のような
清浄度の高い密封真空化で運転される軸受の潤滑剤とし
ては、一般に、ＰＴＦＥ等の高分子材からなる固体潤滑
剤を被膜処理して用いる場合が多いが、これら高分子材
の耐熱温度が比較的低いので（例えば、耐熱性に優れた
ＰＴＦＥでも３２０°Ｃ程度である）、軸受温度が固体
潤滑剤の耐熱温度を超えることが予測される環境下で
は、潤滑剤としての機能を果たし得なくなる可能性があ
るからである。また、軌道輪のクリープが懸念されるの
は次の理由による。すなわち、半導体製造設備のウェー
ハ搬送系等に使用される軸受は、比較的軽荷重、低速回
転で運転されるので、装着あるいは取外しの際の便宜を
考慮し、ハウジングと外輪との間の嵌め合いをすきま嵌
めにしている場合が多い。そのため、ハウジングの熱膨
張によって両者の間のすきまが拡大し、これが外輪のク
リープ発生の要因になるのである。軸受内部すきまの過
小は、内輪及び転動体の熱膨張に起因して発生する。

【０００５】以上のように、高温特殊環境下で使用され
る軸受については、単に軸受部品自体の耐熱性を確保す
るだけでは不十分であり、潤滑性、軸受内部すきま、ク
リープといった要素も考慮して対策を講じる必要があ
る。

【０００６】また、水晶振動子製造装置のワーク反転機
構部、ガス流量計のタービン支持部等に使用される軸受
では、高耐久性、低トルク性も要求される。

【０００７】本発明は、上記観点から、コスト性をも考
慮しつつ、高温特殊環境下で使用するのに好適な転がり
軸受を提供しようとするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明では、転がり軸受
の内輪又は外輪のうち少なくとも外輪をポリイミド材、
又は、カーボン添加のポリイミド材、又は、ＰＴＦＥ添
加のポリイミド材で形成した。

【０００９】外輪は相手側固定部材に緩い嵌め合いすき
まをもって嵌合しても良い。

【００１０】また、内輪と外輪との間に介在する複数の
転動体をセラミック材で形成しても良い。

【００１１】

【作用】ポリイミド材は耐熱性、耐摩耗性に優れ、か
つ、良好な自己潤滑性を有する高分子材であるので、少
なくとも外輪をポリイミド材で形成することにより、耐
熱性と潤滑性とを同時に確保することができる。ＰＴＦ
Ｅ等の潤滑剤の使用が不要であるため、潤滑剤の高温劣
化による潤滑性低下の心配はない。また、軽荷重、低速
回転での運転であれば、軌道輪をポリイミド材で形成し
たものであっても、強度的には十分使用に耐え得る。

【００１２】カーボンの添加により、ポリイミド材の潤
滑性が向上する。

【００１３】ＰＴＦＥの添加により、ポリイミド材の潤
滑性がさらに向上する。

【００１４】外輪を相手側固定部材に緩い嵌め合いすき
まをもって嵌合することにより、運転時、外輪が熱膨張
によって相手側固定部材とタイトになった場合でも適性
な軸受内部すきまが確保される。

【００１５】内輪と外輪との間に介在する複数の転動体
をセラミック材で形成することにより、セラミック材は
鋼材等に比べ線膨張系数が小さいので、温度上昇時の軸
受内部すきまの過小をより効果的に防止することができ
る。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。

【００１７】図１に示す実施例は、本発明を深溝玉軸受
に適用したものである。この軸受は、半導体製造工程に
おけるスパッタリング装置のウェーハ搬送系に組込まれ
るもので、図示されていない回転軸に嵌着される内輪１
と、ハウジング２の嵌合面に緩い嵌め合いすきまＳ（常
温時のすきま：同図ではすきまＳをかなり誇張して示し
てある。）をもって嵌合される外輪３と、内・外輪１、
３間に介在する複数のボール４と、ボール４を円周等間
隔に保持する保持器５とで構成される。

【００１８】内輪１およびボール４はマルテンサイト系
ステンレス鋼例えばＳＵＳ４４０Ｃ材、保持器５はＳＵ
Ｓ３０４材などで形成され、外輪３はポリイミド（Ｐ
Ｉ）材で形成されている。一般に、ポリイミド材は耐熱
性、耐摩耗性に優れ、かつ、良好な自己潤滑性を有する
高分子材であるが、ポリイミドベースにグラスファイバ
ー等の補強材を添加したものは、特に高い耐熱性、耐摩
耗性を示すので、この実施例では補強材添加のポリイミ
ド材を外輪３の形成材料として用いている。補強材添加
のポリイミド材としては、デュポン社製のＳＰ−１等が
ある。ちなみに、ＳＰ−１の連続使用温度は２６０°
Ｃ、最高使用温度は４８２°Ｃである。ポリアミドイミ
ド（ＰＡＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥ
Ｋ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等の高分
子材に比べると、耐熱性はかなり高い。尚、半導体製造
設備のウェーハ搬送系に使用される軸受は、一般に、軽
荷重、低速回転で運転されるため、外輪３をポリイミド
材で形成したものであっても、強度的には十分使用に耐
え得る。一方、このような運転条件に着目し、軌道輪の
クリープ等による摩耗低減、発塵抑制を目的として、軌
道輪をポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）材で形
成した事例もあるが、軸受温度が４００°Ｃ程度にもな
ることが予測される環境下での使用には耐えないと考え
られる。

【００１９】また、この軸受は、自己潤滑性を有するポ
リイミド材からなる外輪３が潤滑剤供給源としての役割
もなすので、ＰＴＦＥ等の潤滑剤の使用が不要である。
すなわち、ボール４との接触によって外輪３の軌道面か
ら削り取られたポリイミドの潤滑粉がボール４の表面、
内輪１の軌道面、保持器５のポケット壁面にも転着して
転着被膜を形成するので、内輪１とボール４、ボール４
と保持器５との間の潤滑も十分になされる。したがっ
て、この軸受にあっては、潤滑剤の高温劣化による潤滑
性低下の心配はない。しかも、転着被膜を形成しない過
剰な潤滑粉が発生するような場合であっても、外輪３が
この潤滑粉を吸着保持する作用をなすので、低発塵であ
る。尚、単に高温に晒されるというだけであれば、軸受
部品をすべてステンレス鋼材等で形成することによって
対応も可能であるが、潤滑剤の高温劣化によって耐久性
低下、発塵増大を生じる可能性がある。また、保持器５
をポリイミド材で形成することにより、潤滑性、低発塵
性を確保することは可能であるが、ポリイミドは熱硬化
性樹脂であり射出成形が困難なため、保持器５のような
複雑な形状の部品を機械加工により製作することは、非
常にコスト高になる。さらに、この実施例では、軸受の
装着・取外しを容易にするため、ハウジング２の嵌合面
と外輪３の外径面との間に緩い嵌め合いすきまＳ（常温
時）をもたせてあるが、軽荷重、低速回転での運転であ
るため、特に問題になることはない。また、運転時の熱
膨張によって外輪３とハウジング２とがタイトになるた
め（ハウジング２と外輪３との線膨張係数が異なるの
で）、外輪３のクリープも生じにくい。しかも、嵌め合
いすきまＳを設けておくことにより、運転時、外輪３が
ハウジング２とタイトになった場合でも適性な軸受内部
すきまが確保される。

【００２０】図２に示す実施例は、内輪１と外輪３の双
方をポリイミド材で形成したものである。図１に示すも
のに比べ潤滑性が向上する。

【００２１】図３に示す実施例は、内輪１と外輪３の双
方をポリイミド材で形成すると共に、保持器５をなくし
総玉形式にしたものである。図２に示すものに比べ、耐
荷重性が向上する。尚、この実施例では、ボール４を内
・外輪１、３の軌道面に挿入するための入れ溝１ａ、３
ａを内輪１の外径面と外輪３の内径面の双方に設けてあ
るが、入れ溝１ａ、３ａの寸法がボール４に対して多少
きつめでも内・外輪１、３の弾性変形によってボール４
を容易に挿入することができる。しかも、挿入後のボー
ル４の脱落防止も確実である。さらに、入れ溝１ａ、３
ａの加工も容易である。

【００２２】図４に示す実施例は、外輪３をカーボン添
加のポリイミド材で形成したものである。カーボンの添
加により、潤滑性がより一層向上する。カーボン添加の
ポリイミド材としては、デュポン社製のＳＰ−２１（重
量比１５％黒鉛入り）、ＳＰ−２２（重量比４０％黒鉛
入り）等がある。

【００２３】図５に示す実施例は、内輪１と外輪３の双
方をカーボン添加のポリイミド材で形成したものであ
る。図４に示すものに比べ、潤滑性がさらに向上するば
かりでなく、カーボン添加のポリイミド材は導電性があ
るため、通電性を必要とする箇所に使用することができ
るという利点がある。例えば、図７に示すような光磁気
ディスク基板（ポリカーボネート）１１の被膜処理に用
いるスパッタリング装置において、光磁気ディスク基板
１１の回転軸１２をハウジング１３に対し回転自在に支
持する軸受Ａには、光磁気ディスク基板１１のチャージ
アップを防止するため、通電性が必要とされる。また、
軸受Ａの設置スペースが限定されているので、大径薄肉
の軸受を使用する必要があり、内・外輪をステンレス鋼
材製としたのでは加工上の問題が多い（熱処理、機械加
工性）。この実施例の軸受は、このような箇所に使用す
る軸受Ａとして最適である。尚、図３に示す構成に準じ
て総玉形式とすることにより、負荷容量増大、コスト低
減を図ることが可能である。図６に示す実施例は、ボー
ル４をセラミック材で形成したものである。セラミック
材はステンレス鋼材に比べ線膨張系数が小さいので、ボ
ール４をセラミック材で形成することにより、温度上昇
時の軸受内部すきまの過小をより効果的に防止すること
ができる。尚、運転時の温度が３００°Ｃ程度であれ
ば、同図に示すように、少なくともボール４の表面にＰ
ＴＦＥからなる固体潤滑被膜４ａを形成することにより
（さらに、内・外輪１、３の軌道面に形成しても良
い。）、潤滑性のさらなる向上を図ることができる。

【００２４】水晶振動子製造装置のワーク反転機構部、
ガス流量計のタービン支持部等に使用される軸受のよう
に、より一層の高耐久性と低トルク性とが要求される場
合には、外輪３、又は、内輪１と外輪３の双方をＰＴＦ
Ｅ添加のポリイミド材で形成すると良い。保持器形式に
するか図３に示すような総玉形式にするかは、使用条件
によって決定する。ＰＴＦＥの添加量は機械構造材とし
て高温下での強度低下を招かない程度で、かつ、転着被
膜の形成が十分期待できる程度とする。図８に示すよう
に、ポリイミド材の圧縮強度はＰＴＦＥの添加量が１０
ｗｔ％を超えると急激に低下する。一方、ＰＴＦＥ転着
被膜は０．５ｗｔ％を超えたあたりから形成され、潤滑
性が良好になる。したがって、ＰＴＦＥの添加量は、重
量比で０．５％〜１０％程度とするのが望ましい。さら
に、カーボンを添加しても良い。例えば、重量比でカー
ボン１５％。、ＰＴＦＥ３％を添加したポリイミド材、
カーボン１５％、ＰＴＦＥ１０％を添加したポリイミド
材等を使用しても良い。

【００２５】ＰＴＦＥの添加により、ポリイミド材の潤
滑性は著しく向上する。軸受の耐久性の改善は潤滑性に
依存するところが大きく、ＰＴＦＥ添加のポリイミド材
を用いた軸受の耐久性は、ＰＴＦＥを添加していないポ
リイミド材を用いた同一形式の軸受に比べ、約２倍程度
に向上することが実験により確認されている。また、固
体潤滑の場合、転着被膜の形成の良否が潤滑性に大きな
影響を及ぼすが、転着被膜の形成状態を観察した結果、
ＰＴＦＥ添加の軸受では運転初期に転着被膜の形成が認
められたが、ＰＴＦＥを添加してしない軸受では運転初
期に転着被膜の形成は認められなかった。このように、
ＰＴＦＥ添加の軸受においては、運転初期に転着被膜が
形成されることも、耐久性向上の一因になっているもの
と考えられる。

【００２６】また、ＰＴＦＥ添加の軸受はトルク特性の
点でもかなりの改善がみられ、ＰＴＦＥを被膜処理した
軸受に比べ、トルク値が約１０分の１程度まで低下する
ことが実験により確認されている。これは、被膜処理軸
受では処理被膜の摩擦面がかなり凹凸状になるのに対
し、ＰＴＦＥ添加の軸受では、形成される転着被膜の摩
擦面が平滑で滑らかであるためと考えられる。このよう
に、摩擦面が平滑であることと、添加されたＰＴＦＥの
優れた潤滑性とが相俟って優れた低トルク特性が得られ
たものと考えられる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、内輪又
は外輪のうち少なくとも外輪をポリイミド材で形成した
ので、特殊環境（真空高温、ガス雰囲気、清浄環境等）
下において、耐熱性、耐久性、低発塵性、耐クリープ性
に優れた転がり軸受を提供することができる。

【００２８】内輪又は外輪のうち少なくとも外輪をカー
ボン添加のポリイミド材で形成することにより、潤滑性
を一層向上させることができる。特に、内輪と外輪の双
方をカーボン添加のポリイミド材で形成した場合には、
通電性を必要とする箇所への使用が可能になるという利
点がある。

【００２９】内輪又は外輪のうち少なくとも外輪をＰＴ
ＦＥ添加のポリイミド材を用いることにより、潤滑性、
耐久性をより一層向上させることができると共に、優れ
た低トルク性を付与することができる。

【００３０】外輪を相手側固定部材に緩い嵌め合いすき
まをもって嵌合することにより、運転時の熱膨張によっ
て外輪が相手側固定部材とタイトになった場合でも、軸
受内部すきまの過小が生じにくく、最適な運転状態が維
持される。

【００３１】転動体をセラミック材で形成することによ
り、軸受温度上昇時の軸受内部すきまの過小をより効果
的に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す断面図である。

【図２】本発明の他の実施例を示す断面図である。

【図３】本発明の他の実施例を示す断面図である。

【図４】本発明の他の実施例を示す断面図である。

【図５】本発明の他の実施例を示す断面図である。

【図６】本発明の他の実施例を示す断面図である。

【図７】図５に示す転がり軸受の使用例を示す図であ
る。

【図８】ＰＴＦＥ添加のポリイミド材における、ＰＴＦ
Ｅ添加量と圧縮強度との関係、ＰＴＦＥ添加量と転着被
膜形成との関係を示す図である。

【符号の説明】

１内輪２ハウジング３外輪４ボール５保持器Ｓ嵌め合いすきま（常温時）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内輪又は外輪のうち少なくとも外輪がポ
リイミド材からなる転がり軸受。
【請求項２】内輪又は外輪のうち少なくとも外輪がカ
ーボン添加のポリイミド材からなる転がり軸受。
【請求項３】内輪又は外輪のうち少なくとも外輪がＰ
ＴＦＥ添加のポリイミド材からなる転がり軸受。
【請求項４】外輪が相手側固定部材に緩い嵌め合いす
きまをもって嵌合される請求項１、２又は３の転がり軸
受。
【請求項５】内輪と外輪との間に介在する複数の転動
体がセラミック材からなる請求項１、２又は３の転がり
軸受。