JPH09228027A - 硬質カーボン膜の球体被覆方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 物理蒸着法による硬質カーボン膜の球体被覆
方法を、球体表面の全体に均一な厚さで密着強度の高い
硬質カーボン被膜を比較的簡単に形成できるようにする
ことである。 【解決手段】 球体表面に物理蒸着法によって硬質カー
ボン膜を被覆する際に、硬質カーボン膜被覆用の球体１
を収容する皿状容器２の下面を球形凸面に形成し、皿状
容器２の縁部にブラケット３からなる立壁面を付設して
これに水平方向の軸穴４を形成し、軸穴４に偏心カム軸
６を接続し、皿状容器２をその下面と同じ曲率の球形凹
面７を有する支持台８で摺動自在に支持して、偏心カム
軸６を回転させて皿状容器２を前後方向および左右方向
に振動させることによって球体１を皿状容器上で均等に
転動させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、球体に物理蒸着
法によって硬質カーボン膜を被覆する硬質カーボン膜の
球体被覆方法およびこの方法に用いる球体転動装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、硬質カーボン膜（ダイヤモンドラ
イクカーボン膜：ＤＬＣ膜）を形成する代表的な方法と
して、以下の〜の物理蒸着法が知られている。

【０００３】真空容器内に炭化水素系ガスを導入し、
２極の電極間に直流電圧を印加してグロー放電を発生さ
せ、その放電下で硬質カーボン膜の被膜を形成する方
法。

【０００４】真空容器内にグラファイトをターゲット
電極として設置すると共に、この真空容器内に特殊ガス
を導入して基板上に反応性スパッタリングで炭素被膜を
形成する方法。

【０００５】プラズマＣＶＤ装置を使用し、高周波電
圧でプラズマを発生させ基板上に硬質カーボンを形成す
る方法。

【０００６】元素を真空中でイオン化して目的とする
イオンをターゲット（基板）に打ち込み、硬質カーボン
膜を得るイオンビーム法。

【０００７】ところで、上記した硬質カーボン膜の形成
方法は、いずれも炭素原子をイオン化してこれに電圧を
かけ、所定方向に加速して基板表面に打ち込むようにし
た方法であるから、固定された基板の一面に硬質カーボ
ン膜を形成する方法である。

【０００８】したがって、上記した物理蒸着法で硬質カ
ーボン膜を形成できる面は、被処理物が平板である場合
は、その表・裏面もしくは端面、リングまたは円筒であ
る場合は、その外・内径面もしくは端面であった。そし
て、上記方法では、転がり軸受の転動体などの球状の被
処理物の表面全体に対して、硬質カーボン膜を均一に形
成することは極めて困難であるため、必要に応じて以下
のような手法が試みられてきた。

【０００９】すなわち、網状素材（メッシュ）からなる
ケース（筐体）に球状の被処理物を収容し、ケースを回
転させながら硬質カーボン膜を物理蒸着する方法、また
は、支持板に球体の半径の長さを直径とする貫通穴を形
成し、この貫通穴に球体を嵌めて板から突出している部
分に先ず硬質カーボン膜を形成し、その後、球体を１８
０度回転させて未処理の部分に硬質カーボン膜を形成す
る方法である。

【００１０】さらにまた、球体の全周囲にイオンガン
（イオン源）を配置するか、または球体の全周囲にイオ
ンガンを移動可能に配置して、これを動かしながら球体
の全表面に硬質カーボン膜を形成する方法も知られてい
る。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記したよう
に網状のケースに球状の被処理物を収容し、ケースを回
転させながら硬質カーボン膜を形成すると、メッシュの
大きさが適当でない場合には被膜が形成されないことが
あり、たとえ被膜が形成されても多量のイオンがメッシ
ュに付着するので、硬質カーボン膜の基材に対する密着
強度が低いという問題点がある。

【００１２】また、支持板に嵌めた球体の露出部分に硬
質カーボン膜を形成する方法では、物理蒸着処理が２工
程になるため作業時間は２倍以上になって煩雑であり、
また形成された硬質カーボン膜は球体表面全体に均一な
厚さでないという問題点がある。

【００１３】また、イオン源を球体等被処理物の回りに
複数箇所設置するか、またはイオン源を被処理物の全周
囲に移動させながら硬質カーボン膜を形成する方法で
は、装置の構造が複雑になってコストが増加し、また被
処理物を支持する部分には硬質カーボン膜を形成できな
いという問題点がある。

【００１４】このように、イオンプレーティング装置、
マグネトロンスパッタ装置または高周波スパッタリング
装置などの周知の装置を用い、球体表面に硬質カーボン
膜を形成する従来方法では、硬質カーボン膜の基材に対
する密着強度、膜厚の均一性および作業工程の容易さ
（低コスト化）に関する問題点を全て解決することはで
きなかった。

【００１５】そこで、この発明の課題は、物理蒸着法に
よる硬質カーボン膜の球体被覆方法を改良し、球体表面
の全体に均一な厚さで密着強度の高い硬質カーボン被膜
を、比較的簡単な方法によって形成することである。

【００１６】また、この発明の第２の課題は、前記硬質
カーボン膜の球体被覆方法に使用する球体転動装置を、
球体を全方向に効率よく回転させることができ、しかも
製造コストを徒に増加させないように比較的簡単な構造
のものとすることである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、この発明においては、球体表面に物理蒸着法によっ
て硬質カーボン膜を被覆する際に、電圧が印加される基
板に電気的に導通した上面開放の皿状容器に前記球体を
収容し、この皿状容器を前後方向および左右方向に振動
させることによって前記球体を皿状容器上で転動させる
硬質カーボン膜の球体被覆方法としたのである。

【００１８】または、硬質カーボン膜被覆用球体を収容
する皿状容器の下面を球形凸面に形成し、この皿状容器
の縁部に立壁面を付設してこれに水平方向の軸穴を形成
し、この軸穴に回転動力が入力される偏心カム軸を接続
し、前記皿状容器をその下面と同じ曲率の球形凹面支持
台で摺動自在に支持してなる物理蒸着法による硬質カー
ボン膜の球体被覆用の球体転動装置としたのである。

【００１９】この発明の硬質カーボン膜の球体被覆方法
では、皿状容器を前後方向および左右方向に振動させた
際、球体に対してその慣性力が前後方向および左右方向
にそれぞれ働いて球体を転がすように回転させる。

【００２０】この状態で基板を介して皿状容器に電圧が
印加されると、所定の物理蒸着法に従った炭素イオンが
蒸着作用によって皿状容器上の球体の全表面に硬質カー
ボン膜が形成される。

【００２１】また、この発明の硬質カーボン膜の球体被
覆用の球体転動装置は、下面が球形凸面に形成された皿
状容器が、同じ曲率の球形凹面支持台に摺動自在に載置
されており、皿状容器の縁部の立壁面を回転する偏心カ
ム軸によって、上下方向および左右方向に振動した際
に、皿状容器が支持台に沿って摺動して前後方向にも揺
動（振動）する。

【００２２】この場合においても、皿状容器上の球体に
対してその慣性力が前後方向および左右方向にそれぞれ
働いて球体を転動させ、球体の全表面に硬質カーボン膜
が形成される。

【００２３】

【発明の実施の形態】この発明で採用する物理蒸着法
は、炭化水素系のガスを用いた周知の物理蒸着法を採用
できる。物理蒸着法（ＰＶＤ法）の具体例としては、真
空蒸着法、スパッタリング、イオンプレーティングなど
が挙げられる。

【００２４】例えば、イオンプレーティングは、真空容
器内に炭化水素系ガスを導入し、ターゲットとなる基板
に、直流電圧を印加して、グロー放電を発生させ、その
放電下で基板の表面に硬質カーボン膜を形成する方法で
ある。このようなイオンプレーティングでは、高価なイ
オンガン等が不要であり、操作が簡単であるから、低コ
ストで硬質カーボン膜が得られる。

【００２５】高周波スパッタリングは、真空容器内に炭
化水素系ガスを導入し、基板に高周波電圧を印加してグ
ロー放電を発生させ、その状態でイオン化した炭素原子
をターゲットに打ち込む方法であり、マグネトロンスパ
ッタ装置を利用することもできる。

【００２６】マグネトロンスパッタ装置は、通常、真空
容器内の平型マグネトロンの上にグラファイトなどの炭
素系のターゲットを配置し、このターゲットと基板の間
に高周波電源を入力してグロー放電させ、さらに真空容
器内に導入した炭化水素系ガスおよび前記ターゲットか
ら飛び出した炭素原子をスパッタ粒子として基板に向け
て照射するか、または単に炭化水素系のガスのみを炭素
原子の供給源としてスパッタリングするものである。高
周波電源としては、一般に１３．５６ＭＨｚの周波数の
ものを採用できる。

【００２７】この発明の方法で形成される硬質カーボン
膜は、膜厚が約０．４〜０．６μｍであり、その硬さが
Ｈｖで２０００〜４０００で、耐摩耗性に優れ、しかも
摩擦係数が約０．２程度と、硬質カーボン膜処理を施さ
ない場合の摩擦係数０．６以上という値に比べて極めて
良好である。

【００２８】この発明の物理蒸着法による硬質カーボン
膜の球体被覆用の球体転動装置の実施形態を、以下に添
付図面に基づいて説明する。

【００２９】図１に示すように、球体転動装置は、硬質
カーボン膜を被覆するための鋼球、セラミックス球、樹
脂製球等からなる球体１を収容する皿状容器２の下面を
球形凸面に形成していわゆるボール皿とし、この皿状容
器２の縁部にブラケット３を設けてその立壁面に水平方
向の軸穴４を形成し、軸穴４に駆動モータ５によって回
転動力が入力される偏心カム軸６を接続し、皿状容器２
はその下面と同じ曲率の球形凹面７を周縁部分に有する
上部円筒状の支持台８で摺動自在に支持し、その下に電
圧が印加される基板９を重ねて配置したものである。

【００３０】そして、前記した皿状容器２は、炭素鋼、
ステンレス鋼、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウ
ム合金などの導電性材料で形成し、その内面は複数の球
体１が中央部分に集まり易いように、中央部分が僅かに
凹んだ球面などの円曲面または円錐面などの凹面に形成
されている。また、球体１に所要方向の回転を与える場
合には、２以上の曲率で形成した複合曲面で形成したも
のを採用してもよい。支持台８は、皿状容器２と同様に
導電性材料で形成しており、基板９の印加電圧を皿状容
器２を介して球体１に導通させることができる。

【００３１】また、皿状容器２は、その蓋などを被せる
ことなく上面が開放されており、その上方には上部基板
１０が配置されている。なお、偏心カム軸６は、駆動モ
ータ５の大径軸１１の軸芯から約１〜２ｍｍ程度偏心さ
せて取付けている。

【００３２】上記した実施形態を偏心カム軸６を回転さ
せると、皿状容器２の縁部が図１中の上下・左右（紙面
前後）方向に振動するが、その動きに伴って皿状容器２
が、支持台８の球形凹面７に沿って摺動して前後方向
（図１中の左右方向）にも揺動（振動）する。これらの
動きを総合すると、皿状容器２は、支持台８の球形凹面
７に沿って円錐振り子の錘が三次元方向に揺動（自由振
動）するように、球面に沿って振動する。

【００３３】上記した実施形態の球体転動装置を用いた
硬質カーボン膜の球体被覆方法の具体例について以下に
述べる。

【００３４】

【実施例】

〔実施例１〕イオンプレーティング装置を使用し、その
下部の基板上に図１で説明した実施形態の球体転動装置
を設置し、真空容器内を５×１０^-6Ｔｏｒｒまで減圧し
た後、アルゴンガスを真空度０．００５Ｔｏｒｒまで導
入し、５分間出力１．２ｋｗで基板のボンバードを行な
い、その後１５分間放置し冷却した。次に、真空容器内
にＣ₂ Ｈ₂ ガス（アセチレンガス）を真空度０．０２Ｔ
ｏｒｒまで導入し、偏心カム軸を５ｒｐｍで回転させな
がら、基板と上部基板の間に出力１．２ｋｗで１５分間
直流電圧を印加して、球体表面への硬質カーボン膜の形
成を行なった。

【００３５】なお、上記した球体被覆方法は、球体の材
質を鋼球（ＳＵＳ４４０Ｃ、またはＳＵＪ２）、セラミ
ックス（Ｓｉ₃ Ｎ₄ またはＡｌ₂ Ｏ₃ ）、または四フッ
化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）とし、さらに球体のサイズ
を直径２．３８ｍｍ（３／３２”：インチ）、直径９．
５３ｍｍ（３／８”）、または直径１７．４６ｍｍ（１
１／１６”）にそれぞれ変更した条件で行ない、これら
の硬質カーボン被膜の形成状態を走査電子顕微鏡で観察
し、均一な硬質カーボン膜が形成されているものを○
印、硬質カーボン膜が全く形成されなかったものを×印
として２段階に評価し、結果を表１中に示した。

【００３６】

【表１】

【００３７】〔実施例２〕高周波スパッタリング装置を
使用し、その下部の基板上に図１に示した実施形態の球
体転動装置を設置し、真空容器内を５×１０^-7Ｔｏｒｒ
まで減圧した後、アルゴンガスを真空度０．０１Ｔｏｒ
ｒまで導入し、１５分間出力１５０ｗで基板のボンバー
ドを行ない、その後１５分間放置し冷却した。次に、真
空容器内にＣ₂ Ｈ₂ ガス（アセチレンガス）を真空度
０．０１Ｔｏｒｒまで導入し、偏心カム軸を５ｒｐｍで
回転させながら、基板に４０Ｗの入力（周波数１３．５
６ＭＨｚ）で６０分間高周波電圧を印加して、球体表面
への硬質カーボン膜の形成を行なった。

【００３８】〔実施例３〕マグネトロンスパッタを用い
た物理蒸着法は、次の通りである。まず、真空容器内を
５×１０^-7Ｔｏｒｒまで減圧した後、真空容器内にアル
ゴンガスを真空度０．０１Ｔｏｒｒまで導入し、１５分
間、１５０Ｗの入力（周波数１３．５６ＭＨｚ）で基板
のボンバードを行ない、ボンバード後１５分間放置し冷
却した。次に、真空容器内にＣ₂ Ｈ₂ ガス（アセチレン
ガス）を真空度０．０１Ｔｏｒｒまで導入し、偏心カム
軸を５ｒｐｍで回転させながら高周波入力を４０Ｗで６
０分間基板に印加して、球体表面への硬質カーボン膜の
形成を行なった。

【００３９】実施例３および実施例２においても、前記
実施例１と全く同様に、球体の材質とサイズを変えて硬
質カーボン被膜の評価を行ない、この結果を表１中に併
記した。なお、実施例１〜３では、偏心カム軸を５ｒｐ
ｍで回転させたが、回転数を変更して３〜３０ｒｐｍと
してもよく、その場合には基板の入力電圧および印加す
る時間を適宜に調整する。因みに、実施例２では基板へ
の入力を２０〜５００Ｗに変更し、印加時間を１５分〜
９０分の範囲で変更することもできる。

【００４０】表１の結果からも明らかなように、球体の
材質が鋼球である実施例１〜３では、全ての条件で硬質
カーボン膜が球体の全表面に形成された。球体の材質が
セラミックスまたは樹脂（ＰＴＦＥ）の場合は、いずれ
も絶縁体であるため、イオンプレーティングによって形
成することはできなかったが、高周波スパッタリングま
たはマグネトロンスパッタリングでは、硬質カーボン膜
が形成された。

【００４１】なお、セラミックスまたは樹脂製球体であ
っても、Ｓｉ系の下地膜を設けるか、または導電性材料
を混入させて導電性を付与すれば、イオンプレーティン
グによっても硬質カーボン膜の形成は可能であると推定
された。

【００４２】次に、実施例１〜３の方法を鋼球に適用し
たもの、および実施例１および２の方法をセラミック球
に適用したもの、およびＳＵＳ４４０Ｃ製で硬質カーボ
ン膜を被覆していない鋼球（いずれも鋼球サイズは３／
８”）を試験材料として、ピンオンディスク型摩擦摩耗
試験を行ない、それらの結果を図２に示した。試験条件
は、表２に示す通りである。

【００４３】

【表２】

【００４４】図２に示した摩擦係数の図表からも明らか
なように、実施例の硬質カーボン膜形成法を適用した鋼
球またはセラミック球は、摩擦係数が０．１８〜０．２
５の範囲であり、平板上に形成した硬質カーボン膜と同
等の特性であることが判明した。また、このような硬質
カーボン膜は、１５時間の摩擦テストの後でも剥がれる
ことがなく、耐久性についても優れたものであった。

【００４５】

【発明の効果】この発明は、以上説明したように、球体
表面に物理蒸着法によって硬質カーボン膜を被覆する際
に、球体を収容した皿状容器を所定方向に振動させて球
体を転動させるようにしたので、球体表面の全体に均一
な厚さで密着強度の高い硬質カーボン被膜を、比較的簡
単な方法によって形成できる利点がある。

【００４６】また、この発明の硬質カーボン膜の球体被
覆用の球体転動装置は、所定形状の皿状容器に偏心カム
軸を接続し、前記皿状容器を球形凹面支持台で摺動自在
に支持したので、球体を全方向に効率よく回転させるこ
とができ、しかも製造コストを増加させない比較的簡単
な構造の球体転動装置となる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】球体転動装置の実施形態を説明する概略側面図

【図２】実施例の方法で被覆した硬質カーボン膜の摩擦
試験の結果を示す図表

【符号の説明】

１ 球体 ２ 皿状容器 ３ ブラケット ４ 軸穴 ５ 駆動モータ ６ 偏心カム軸 ７ 球形凹面 ８ 支持台 ９ 基板 １０ 上部基板 １１ 大径軸

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 球体表面に物理蒸着法によって硬質カー
   ボン膜を被覆する際に、電圧が印加される基板に電気的
   に導通した上面開放の皿状容器に前記球体を収容し、こ
   の皿状容器を前後方向および左右方向に振動させること
   によって前記球体を皿状容器上で転動させることを特徴
   とする硬質カーボン膜の球体被覆方法。
2. 【請求項２】 硬質カーボン膜被覆用球体を収容する皿
   状容器の下面を球形凸面に形成し、この皿状容器の縁部
   に立壁面を付設してこれに水平方向の軸穴を形成し、こ
   の軸穴に回転動力が入力される偏心カム軸を接続し、前
   記皿状容器をその下面と同じ曲率の球形凹面支持台で摺
   動自在に支持してなる物理蒸着法による硬質カーボン膜
   の球体被覆用の球体転動装置。