KR20070049679A - 구름 안내 장치 - Google Patents

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KR20070049679A
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solid lubricating
lubricating film
ball
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Inventor
시게루 야마나까
홍 양
Original Assignee
티에치케이 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명의 구름 안내 장치(160)는, 궤도 부재로서의 궤도 레일(161)과, 그 궤도 레일(161)에 볼(162)을 통해 이동 가능하게 설치된 이동체(163)를 구비하고 있다. 그리고, 볼(162)에 대해서는, 폐쇄 자계 불균형 마그네트론 스퍼터링 장치(CUMS 장치)에 의한 고체 윤활막이 형성되어 있다. 이 고체 윤활막은, 막의 최표면에 있어서 낮은 마찰 계수를 갖는 동시에, 내부의 반복 응력에 견디고, 또한 밀착력이 높은 것이다. 이러한 고체 윤활막은, 막의 내부나 경계부로부터 파괴되는 일이 없고, 막 표면으로부터 최소의 속도로 마모해 가므로 신뢰성이 높은 이상적인 고체 윤활 기능을 발휘할 수 있고, 이러한 밀착성 및 내마모성이 향상한 고체 윤활막을 구름 안내 장치에 적용하는 것에 의해, 열악한 윤활 환경이나 고온 진공 상태, 혹은 오일프리 등의 특수 환경 하에서 사용 가능한 구름 안내 장치를 제공하는 것이 가능하게 된다.
구름 안내 장치, 궤도 레일, 볼, 피처리체, 캐리어, 모터

Description

구름 안내 장치 {ROLLING GUIDE DEVICE}
본 발명은 구름 안내 장치에 관한 것으로, 특히, 구름 이동체나 부하 구름 주행로 혹은 무부하 구름 주행로의 표면에 대해, 층상 결정 화합물에 금속 원자를 도입한 고체 윤활막이 형성되는 구름 안내 장치에 관한 것이다.
예를 들어, 구름 베어링 등의 구름 미끄럼 이동 부재에서는, 구름 이동체의 구름 마찰이나 미끄럼 마찰을 감소시키고, 베어링의 내구성을 향상시키기 위해, 그리스 등의 액상 윤활제를 공급하는 것이 행해져 왔다. 그러나, 액상 윤활재를 이용하는 방법에서는, 윤활제의 증기가 환경의 오염원으로 되기 때문에, 구름 미끄럼 이동 부재를 반도체 제조 설비 등의 높은 청정도가 요구되는 밀봉 진공 상태 하에서 사용하는 경우에 문제가 있었다.
그래서, 이러한 특수한 환경 하에서 사용되는 구름 미끄럼 이동 부재의 구름 이동면에 대해서는, 다이아몬드형 카본(이하, DLC라 기재)막을 형성하는 것에 의해, 이러한 부재의 내구성이나 수명을 향상시키는 것이 행해지고 있다. 이 DLC막은, 기지의 PVD(물리적 증착)법이나 CVD(화학적 증착)법에 의해 성막되는 것이고, 표면이 다이아몬드에 준하는 경도(10 ㎬ 이상의 소성 변형 경도)를 갖는 동시에, 마찰 계수가 0.2 이하로 미끄럼 이동 저항치가 작으므로, 새로운 내마모성 피막으 로서 주목받고 있는 것이다(예를 들어, 하기 특허 문헌 1 내지 5 참조).
특허 문헌 1 : 일본 특허 공개 평09-144764호 공보
특허 문헌 2 : 일본 특허 제2000-136828호 공보
특허 문헌 3 : 일본 특허 제2000-205277호 공보
특허 문헌 4 : 일본 특허 제2000-205279호 공보
특허 문헌 5 : 일본 특허 제2000-205280호 공보
특허 문헌 6 : 영국 특허 제2,303,380호 명세서
그러나, 상술한 PVD(물리적 증착)법이나 CVD(화학적 증착)법에 의해 성막되는 DLC막은, 막의 밀착성 및 내마모성의 점에서 불충분하여, 더욱 개선이 필요하다. 구체적으로는, DLC막은, 자기의 경도에 비해 강도가 매우 낮기 때문에, 미끄럼 이동 운동이 지배적인 부분에 대해서는 유효하게 사용되어 왔지만, 구름 운동에 대해서는 막의 내측으로부터 파괴되어 박리해 버리므로, 지금까지 구름 이동 부재에 사용되는 일은 거의 없고, 700 ㎫ 이하의 매우 작은 면압 하에서의 사용으로 한정되고 있었다. 또한, PVD법에 의한 DLC막은, 진공 중에 있어서 내마모성이 악화된다는 문제점도 갖고 있었다.
또한, 윤활 부족을 포함하는 열악한 윤활 환경이나 고온 진공 상태, 그리스 등 윤활제를 사용할 수 없는 상태 등의 특수 환경 하에서 사용되는 구름 안내 장치에 대해서는 밀착성 및 내마모성을 개선하고, 내구성의 향상이나 장기 수명화를 실현하는 고체 윤활막의 적용이 요구되고 있었다.
특히, 직선 안내 장치나 볼 스플라인 장치, 볼 나사 장치 등의 구름 안내 장치에 있어서는, 무한 순환로에 설치되는 복수의 볼이 부하 구름 주행로로부터 무부하 구름 주행로로 이동할 때에, 역학적인 불연속부나 충돌부가 존재하므로, 이러한 부위에서 발생하는 면압이나 구름 미끄럼 이동 운동에 견딜 수 있는 고체 윤활막의 적용이 불가결했다.
본 발명은 상기 과제에 비추어 이루어진 것이며, 그 목적은, 지금까지 행해져 온 액상 윤활제 및 PVD(물리적 증착)법이나 CVD(화학적 증착)법에 의해 성막한 DLC막과 비교하여, 밀착성 및 내마모성이 향상한 고체 윤활막을 직선 안내 장치나 볼 스플라인 장치, 볼 나사 장치 등의 구름 안내 장치에 적용하고, 내마모성과 구름 운동에 의한 피로 강도를 높인 구름 안내 장치를 제공하는 것에 있다. 또한, 열악한 윤활 환경이나 고온 진공 상태, 혹은 오일프리 등의 특수 환경 하에서, 충분한 면압을 갖고, 구름 미끄럼 이동 운동에 견딜 수 있는 구름 안내 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 구름 안내 장치는, 궤도 부재와, 상기 궤도 부재에 복수의 구름 이동체를 통해 이동 가능하게 설치되는 이동체를 갖고, 상기 복수의 구름 이동체가, 상기 궤도 부재와 상기 이동체와의 사이에 형성된 부하 구름 주행로와, 그 부하 구름 주행로의 일단부와 타단부를 연결하도록 상기 이동체에 형성된 무부하 구름 주행로로 구성되는 무한 순환로에 설치되는 구름 안내 장치이며, 상기 복수의 구름 이동체, 상기 부하 구름 주행로 또는 상기 무부하 구름 주행로 중 적어도 하나의 표면에 대해, 층상 결정 화합물에 금속 원자를 도입한 고체 윤활막이 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 관한 구름 안내 장치에 있어서, 상기 고체 윤활막은, 폐쇄 자계 불균형 마그네트론 스퍼터링법에 의해 성막되는 것이 적합하다.
또한, 본 발명에 관한 구름 안내 장치에 있어서, 상기 층상 결정 화합물은 MoS2, WS2 또는 그라파이트 중 적어도 1 화합물을 포함하고, 상기 금속 원자는 티탄(Ti), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 규소(Si) 또는 붕소(B) 중 적어도 1 원소를 포함하는 것으로 할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 구름 안내 장치에 있어서, 상기 고체 윤활막은 막 두께가 0.5 내지 3 ㎛의 범위 내인 것이 적합하다.
또한, 본 발명에 관한 구름 안내 장치에서는, 상기 고체 윤활막에 있어서의 상기 금속 원자의 함유율이 20 ％ 이하인 것이 적합하다.
또한, 본 발명에 관한 구름 안내 장치에 있어서, 상기 고체 윤활막은, 로크웰의 다이아몬드 압자를 이용한 스크래치 시험에서 임계 밀착력이 40 N 이상인 것이 적합하다.
또한, 본 발명에 관한 구름 안내 장치에 있어서, 상기 고체 윤활막은 비커스 경도(Hv)가 500 이상이고, 또한, 1 × 10-3 Torr 이하의 진공 중에서 경도 HRC 55 이상의 강재와의 마찰 계수가 0.07 이하인 것이 적합하다.
또한, 본 발명에 관한 구름 안내 장치에 있어서, 상기 복수의 구름 이동체 사이에는, 상기 구름 이동체 및 상기 고체 윤활막보다도 연질의 스페이서 부재가 마련되어 있고, 이러한 스페이서 부재는, 상기 구름 이동체의 직경 이하의 직경을 갖는 스페이서 볼 또는 리테이너인 것으로 할 수 있다.
또한, 상기 발명의 개요는, 본 발명의 필요한 특징의 모두를 열거한 것은 아니고, 이들의 특징군의 서브 콤비네이션도 또한 발명으로 될 수 있다.
본 발명에 따르면, 지금까지 행해져 온 액상 윤활제 및 PVD(물리적 증착)법이나 CVD(화학적 증착)법에 의해 성막한 DLC막과 비교하여, 밀착성 및 내마모성이 향상한 고체 윤활막을 구름 안내 장치에 적용할 수 있으므로, 내마모성과 구름 운동에 의한 피로 강도를 높인 구름 안내 장치를 제공할 수 있다. 또한, 열악한 윤활 환경이나 고온 진공 상태, 혹은 오일프리 등의 특수 환경 하에서 충분한 면압을 갖고, 구름 미끄럼 이동 운동에 견딜 수 있는 구름 안내 장치를 제공하는 것이 가능하게 된다.
도1은 본 실시 형태에서 이용되는 일반적인 CUMS 장치의 상면을 도시하는 개략도이다.
도2는 본 실시 형태에서 이용되는 일반적인 CUMS 장치의 측면을 도시하는 개략도이다.
도3은 본 실시 형태에 관한 고체 윤활막을 제조하기 위해 이용한 티어, 코팅즈, 리미티드사제의 CUMS 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도4는 다층막으로 형성된 경우의 본 실시 형태에 관한 고체 윤활막의 막 구조를 도시하는 도면이다.
도5는 혼합막(비정질막)으로 형성된 경우의 본 실시 형태에 관한 고체 윤활막의 막 구조를 도시하는 도면이다.
도6은 무윤활 내구 시험에서 LM 가이드에 적용된 부하 사이클을 도시하는 도면이다.
도7은 무윤활 내구 시험에서 이용된 무윤활 내구 시험기의 개략 구성을 도시하는 외관 측면도이다.
도8a는 무윤활 내구 시험기에 설치되는 LM 가이드의 개략 구성을 설명하기 위한 외관 사시 부분 단면도이다.
도8b는 도8a에서 도시되는 LM 가이드가 갖는 무한 순환로의 구조를 설명하기 위한 종단면도이다.
도9는 무윤활 내구 시험의 시험 결과를 막대 그래프로 표현한 도면이다.
도10은 발진 시험에서 이용된 발진 시험 장치의 개략 구성을 도시하는 외관 상면도이다.
도11은 발진 시험의 시험 결과를 막대 그래프로 표현한 도면이다.
도12는 본 실시 형태에 관한 고체 윤활막이 사용되는 직선형의 구름 안내 장치의 궤도 레일과 직교하는 방향의 단면을 도시하는 도면이다.
도13은 본 실시 형태에 관한 고체 윤활막이 사용되는 직선형의 구름 안내 장치의 평면을 도시하는 도면이다.
도14는 도12 및 도13에 예시되는 직선형의 구름 안내 장치에 이용되는 스페이서 부재의 구체적인 형상을 도시하는 도면이다.
도15는 도12에 도시한 직선형의 구름 안내 장치의 변형예를 나타내는 도면이다.
도16은 도13에 도시한 직선형의 구름 안내 장치의 변형예를 나타내는 도면이다.
도17은 본 실시 형태에 관한 고체 윤활막이 적용 가능한 4개의 무한 순환로를 갖는 직선형의 구름 안내 장치를 도시하는 도면이다.
도18은 본 실시 형태에 관한 스페이서 부재의 다양한 변형예의 일 형태를 나타내는 도면이다.
도19는 도18에 도시한 스페이서 부재의 다른 삽입 형태를 나타내는 도면이다.
도20은 본 실시 형태에 관한 스페이서 부재의 다양한 변형예의 또 다른 형태를 나타내는 도면이다.
도21은 도20에 도시한 스페이서 부재의 변형예를 나타내는 도면이다.
도22는 본 실시 형태에 관한 고체 윤활막이 사용되는 볼 나사 장치의 일 형태를 나타내는 도면이다.
도23은 본 실시 형태에 관한 고체 윤활막이 사용되는 볼 나사 장치의 다른 형태를 나타내는 도면이다.
도24는 본 실시 형태에 관한 고체 윤활막이 사용되는 볼 나사 장치의 또 다른 형태를 나타내는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10a, 10b, 10c, 10d : 마그네트론
11 : 외측 링 자석
12 : 내측 코어 자석
13 : 피처리체
14 : 캐리어
15, 65, 81 : 모터
16a, 16b, 16c, 16d : 타겟
20 : 불활성 가스 제어 루프
21 : 고속 전자기 밸브
22 : 발광 모니터
23 : 광전자 증배관
40 : 다층막
42 : 경계 밀착층
50 : 혼합막(비정질막)
B : 자계선
C : 작업 공간
α : MoS2의 비율이 티탄(Ti)에 비해 많은 층
β : α와 반대로 티탄(Ti)의 쪽이 많은 층
60 : 무윤활 내구 시험기
61 : 베이스
62 : 골조
63 : 스프링
64 : 로드 셀
70 : LM 가이드
71 : 궤도 레일
71a : 볼 구름 주행홈
72 : 이동 블럭
72a : 부하 볼 구름 주행홈
73, 163 : 볼
74, 171, 201 : 무한 순환로
75 : 스페이서 볼
80 : 발진 시험 장치
82 : 운동 안내 장치
82a : 볼 나사
82b : 이동 블럭
83 : 구조 부재
85 : 아크릴 케이스
86 : 미립자 카운터
160 : 구름 안내 장치
161 : 궤도 레일
161a, 164a, 191a, 193a : 부하 구름 주행홈
161b : 볼트 설치 구멍
163 : 이동체
164 : 블럭 본체
164b : 블럭 본체 상면
164c : 암나사
165 : 형 성형체
165a : 볼 안내부
165b : 볼 보유 지지부
166 : 측 덮개
166a : 볼 안내홈
167, 195 : 부하 구름 주행로
168, 196 : 복귀로
169, 199 : 방향 전환로
170, 200 : 무부하 구름 주행로
172 : 안내홈
180, 202 : 스페이서 부재
181 : 리테이너부
182 : 아암부
185 : 스페이서 볼
186 : 리테이너
187 : 스페이서
188 : 띠형 부재
190 : 볼 나사 장치
191 : 나사축
192 : 너트
192a : 플랜지
193 : 너트 본체
194 : 덮개체
197 : 복귀 피스
198 : 커버
210 : 복귀 파이프
220 : 디플렉터
이하, 본 발명을 실시하기 위한 적합한 실시 형태에 대해, 도면을 이용하여 설명한다. 또한, 이하의 실시 형태는, 각 청구항에 관한 발명을 한정하는 것은 아니고, 또한, 실시 형태 중에서 설명되어 있는 특징의 조합의 모두가 발명의 해결 수단에 필수적이라고는 한정하지 않는다.
또한, 본 실시 형태에서는, 티어, 코팅즈, 리미티드사제의 폐쇄 자계 불균형 마그네트론 스퍼터링 장치(이하, CUMS 장치라 기재)를 이용하여, 구름 안내 장치에 이용되는 구름 이동체로서의 볼의 표면에 대해, 고체 윤활막으로서의 박막을 성막하는 경우를 예시하여 설명한다. 이 장치를 채용하는 것은, 통상의 비평형 마그네트론 스퍼터링(UBMS : 등록 상표)법과 비교하여, 고밀도의 플라즈마를 얻을 수 있고, 이온 전류 밀도도 5배 이상으로 높아지므로, 구름 안내 장치에 적용 가능한 고체 윤활막을 얻을 수 있기 때문이다.
또한, 본 명세서에 있어서의「구름 안내 장치」는, 상기 볼을 갖는 것에 한정되지 않고, 예를 들어 공작 기계 등에 이용되는 구름 베어링 전반이나 진공 중에서 사용되는 무윤활 베어링, 리니어 가이드나 직선 안내 장치, 볼 스플라인 장치, 볼 나사 장치 등과 같은 모든 구름 이동ㆍ미끄럼 이동 동작을 수반하는 장치를 포함하는 것이다.
[CUMS 장치의 구성]
우선, 본 실시 형태에 관한 구름 안내 장치에 적용되는 고체 윤활막의 성막에 이용되는 CUMS 장치에 대해, 도면을 이용하여 설명한다. 도1은, 본 실시 형태에서 이용되는 일반적인 CUMS 장치의 상면을 도시하는 개략도이다. 또한, 도2는, 본 실시 형태에서 이용되는 일반적인 CUMS 장치의 측면을 도시하는 개략도이다.
도1 및 도2에 예시되는 CUMS 장치는, 4개의 마그네트론(10a, 10b, 10c, 10d)을 갖고 있고, 이들 4개의 마그네트론(10a, 10b, 10c, 10d)은, 각각 외측 링 자석(11)과, 중앙에 위치하는 내측 코어 자석(12)을 구비하고 있다. 4개의 마그네트론(10a, 10b, 10c, 10d)은, 성막 대상으로 되는 피처리체(13)를 적절한 위치에 배 치하기 위한 배치 수단인 캐리어(14)를 중심으로 하여 설치되어 있다. 캐리어(14)는, 화살표 A의 방향으로 하나의 축을 중심으로 하여 회전하도록 구성되어 있고, 이 회전은, 예를 들어 모터(15) 등의 구동 기구에 의해 실현할 수 있다.
도1 및 도2에 도시하는 CUMS 장치에서는, 마그네트론(10b, 10d)의 외측 링 자석(11)은 S극이고, 그들의 내측 코어 자석(12)은 N극으로 되어 있다. 한편, 마그네트론(10a, 10c)의 외측 링 자석(11)은 N극이고, 그들의 내측 코어 자석(12)은 S극으로 구성되어 있다. 이러한 구성으로 하는 것에 의해, 4개의 마그네트론(10a, 10b, 10c, 10d)의 자계선(B)은 연속적인 배리어를 형성하고, 마그네트론 플라즈마로부터 확산하는 전자를 포획할 수 있다. 즉, 자계선(B)은, 캐리어(14)를 둘러싸도록 작업 공간(C)을 한정할 수 있으므로, 전자기적으로 폐쇄한 상태에서 피처리체(13)에 대해 성막을 실시할 수 있다. 따라서, 도1 및 도2에 도시하는 CUMS 장치에 따르면, 저전압으로 고밀도의 플라즈마를 발생시키는 것이 가능하게 되고, 통상의 비평형 마그네트론 스퍼터링(UBMS : 등록 상표) 장치에서는 불가능했던, 양질의 박막 형성이 실현된다. 또한, 자계선(B)에 의해 형성되는 작업 공간(C)은, 그 범위를 임의로 설정하는 것이 가능하고, 캐리어(14)의 축방향 상하 단부에 한정되는 것은 아니다.
또한, 4개의 마그네트론(10a, 10b, 10c, 10d)에는, 스퍼터링의 공급 재료로 이루어지는 타겟(16a, 16b, 16c, 16d)이 설치되어 있다. 이들의 타겟(16a, 16b, 16c, 16d)은, 캐리어(14)에 면한 자석(11, 12)의 극면을 피복하도록 배치되어 있다. 또한, 각 마그네트론(10a, 10b, 10c, 10d)은, 도시하지 않은 연철제 이면판을 갖고 있으므로, 각 마그네트론(10a, 10b, 10c, 10d)에서 내측 자성 회로가 완결하고 있다.
이상의 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 CUMS 장치에 따르면, 타겟(16a, 16b, 16c, 16d)으로부터 스퍼터링된 물질이 부착되도록 대향 배치된 피처리체(13)를, 비평형 자장 발생 수단으로서 배치되는 자석(11, 12)에 의해 만들어진 비평형 자장 내에 폐쇄할 수 있다. 따라서, CUMS 장치는, 전자기적으로 폐쇄된 작업 공간(C)에 있어서 피처리체(13)에 성막을 실시하는 것이 가능하다. 이와 같은 구성으로 하는 것은, 전자기적으로 폐쇄된 공간 내에 있는 타겟(16a, 16b, 16c, 16d)의 표면에 의도적으로 비평형 자장을 발생시킴으로써, 저전압으로 고밀도의 플라즈마를 발생시키는 것이 가능하게 되어, 피처리체(13)에 양질의 박막을 형성할 수 있기 때문이다.
또한, CUMS 장치를 사용할 때에는, 예를 들어 아르곤 등의 불활성 가스가 이 장치의 실내에 공급된다. 불활성 가스의 공급은, 도2에 도시하는 바와 같은 불활성 가스 제어 루프(20)에 의해 행할 수 있다. 불활성 가스 제어 루프(20)는, 고속 전자기 밸브(21)와 발광 모니터(22), 광전자 증배관(23)을 구비하고 있고, 실내에 있어서의 불활성 가스의 상태를 항상 감시하는 것에 의해, 적합한 작업 환경을 유지할 수 있도록 되어 있다. 그러한 실내에서 마그네트론(10a, 10b, 10c, 10d)에 전위차를 가진 전압이 인가되는 것으로 되는 것이지만, 이 전위차에 의해 전자가 가속되어 가스를 이온화하여, 더 많은 전자 및 아르곤 이온을 발생시킬 수 있다. 그리고, 실내에 존재하는 아르곤 이온이 공급 재료의 타겟(16a, 16b, 16c, 16d)을 폭격하여, 공급 재료의 고체 윤활막을 제조하는 것이다.
[고체 윤활막의 성막 방법]
A. CUMS 장치의 설정 조건
다음에, 상술한 CUMS 장치를 이용하여 본 실시 형태에 관한 구름 안내 장치에 적용되는 고체 윤활막을 제조하기 위한 구체적인 방법에 대해 설명한다. 스퍼터링을 행하기 위한 CUMS 장치로서는, 도3에 도시하는, 중앙에 회전하는 캐리어(14)를 구비한 티어, 코팅즈, 리미티드사제의 CUMS 장치(특허 문헌 6 : 1996년에 티어, 코팅즈, 리미티드사에 부여된 영국 특허 제2,303,380호 명세서 참조)를 이용했다. 이러한 장치를 이용한 폐쇄 자계 불균형 마그네트론 스퍼터링법에 의한 성막 수단을 채용하면, 저전압에서 높은 이온 전류의 스퍼터링이 가능하게 되므로, 비교적 단시간에 균질로 고밀도의 성막이 가능하게 된다.
도3에 도시하는 캐리어(14)에는, 피처리체(13)를 고정하는 지그(30)가 설치되어 있고, 이 지그(30)는 단순한 회전뿐만 아니라 자공전할 수 있도록 되어 있다. 따라서, 지그(30)에 설치되는 피처리체(13)는, 구름 부재로서 중요한 막 두께와 막질을 균일하게 하는 고체 윤활막을 성막되는 것이 가능하게 되어 있다.
여기서, 본 실시 형태에서 이용되는 CUMS 장치에 특징적인 점으로서, 캐리어(14)를 둘러싸도록 설치되는 타겟(16a, 16b, 16c, 16d) 중 하나인 타겟(16b)에, 티탄(Ti)이 채용되어 있는 것을 들 수 있다. 그리고, 다른 타겟(16a, 16c, 16d)에 대해서는, MoS2가 배치되어 있다. 이러한 구성으로 하는 것은, 스퍼터링이 되기 위 한 복수의 타겟(16a, 16b, 16c, 16d) 중 적어도 하나를 활성화 금속인 티탄(Ti) 등의 금속 원자에 의해 구성하고, 다른 타겟을 MoS2 등의 층상 결정 화합물에 의해 구성하는 것에 의해, 층상 결정 화합물에 금속 원자가 도입되어, 층간의 강도가 향상하기 위함이다. 또한, 본 실시 형태에서는, 비교적 단시간에 균질로 고밀도의 성막이 가능하게 되는 폐쇄 자계 불균형 마그네트론 스퍼터링법에 의한 성막 수단을 채용하고 있으므로, 얻어지는 고체 윤활막은, 막의 최표면에 있어서의 저마찰 계수를 실현하는 동시에 내부의 반복 응력에 견딜 수 있고, 또한 밀착력이 높은 것으로 된다. 따라서, 이러한 고체 윤활막은, 막의 내부나 경계부로부터 파괴되는 일이 없으므로, 구름 안내 장치에 적용한 경우에는, 막 표면으로부터 최소의 속도로 마모해 가는 신뢰성이 높은 이상적인 상태가 실현되는 것이다.
층상 결정 화합물에 도입되는 금속 원자에는, 활성화 금속인 티탄(Ti) 외에 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 규소(Si) 또는 붕소(B) 등을 채용할 수 있다. 이들의 금속 원자는 단독 혹은 조합하여 사용할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 타겟(16a, 16c, 16d)에 MoS2를 이용했지만, 이것은, MoS2가 잘 알려진 고체 윤활이기 때문이다. 단, 타겟재는 MoS2에만 제약되는 것은 아니고, 다른 타겟재를 적용하는 것도 가능하다. 예를 들어, WS2나 그라파이트 등 결정이 층형 구조를 갖고 있는 화합물을 채용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 실시 형태에 관한 CUMS 장치에서는, 상기 이외의 타겟을 추가하여 배치하는 것도 가능하다. 즉, 타겟의 개수에 제한은 없고, 타겟 중 하나에, 제3의 재료를 배치하여, 도4에 예시하는 바와 같은 경계 밀착층(42)이나 다층막(40), 혹은 도5에 예시하는 바와 같은 혼합막(50)에 첨가하여, 고체 윤활로서의 밀착성이나 윤활성, 또한 막 강도 등을 향상시킬 수도 있다. 또한 밀착성을 향상시키기 위해서는, 티탄(Ti) 외에 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 규소(Si), 혹은 붕소(B) 등을 타겟재로서 사용하는 것이 바람직하다.
B. CUMS 장치의 동작 순서
계속해서, CUMS 장치의 동작 순서를 설명한다. 우선, 스퍼터링을 행하는 장치 실내를 5 내지 6 × 10-6 Torr의 진공으로 배기하고, 그 후, 성막하는 피처리체(13)의 표면을 청정화한다. 또한, 장치 실내의 수분, 유해한 황화수소 등을 제거하여 아르곤 가스를 도입하고, 또한 장치 실내를 1 × 10-3 Torr로 한 후, 캐리어(14) 상에 -350 V의 펄스 전압을 15분간 걸어 티탄(Ti)만을 스퍼터링하고, 하지 상에 0.1 내지 0.3 ㎛의 금속 Ti층[경계 밀착층(42)]을 생성한다. 이것에 의해, 고체 윤활막 자체의 취화를 방지할 수 있어, 고체 윤활로서의 기능을 발휘하는 양호한 막을 성막할 수 있다.
계속해서, 캐리어(14)로의 펄스 전압을 -30 V로 하여 스퍼터에 의한 성막을 행한다. 이때의 전류치는, 각 타겟에서 0.2 내지 1.0 A 정도이지만, MoS2의 스퍼터링량을 시간과 함께 점점 증가시키고, 티탄(Ti)의 함유율은 최종적으로 막 전체의 20 ％ 이하로 되도록 한다. 이때의 진공도는 약 5 mTorr로 제어되어 있다.
이들의 조건은, 막의 특성이나 생산 등에 의해 변경할 수 있다. 막 두께는 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛까지 제어 가능하지만, 본 실시 형태에 관한 구름 안내 장치에 적용하기 위해서는, 막 두께는 0.5 내지 3 ㎛의 범위 내에 들어가는 것이 바람직하다. 이것은, 고체 윤활막의 막 두께가 3 ㎛를 초과하면 막 내부의 응력의 증가에 의해 구름 수명이 저하하기 때문이고, 막 두께 0.5 ㎛ 미만의 경우에는 고체 윤활막 본래의 강도에 도달할 수 없기 때문이다. 또한, 본 실시 형태에서는, 약 1 ㎛ 정도의 균일한 막을 작성하기 위해, 상술한 조건에서 70분의 스퍼터를 행했다. 또한, 두꺼운 막을 얻기 위해서는, 이 스퍼터 시간을 길게 하면 좋다.
캐리어(14)에 설치된 지그(30)의 회전 속도는, 다층막(40)의 층간의 거리, 혹은 혼합막(50)을 제작하기 위해 자유롭게 설정하는 것이 가능하지만, 3 내지 10 회전/분이 바람직하고, 본 실시 형태에서는 5 회전/분으로 했다.
[성막된 고체 윤활막의 구조]
다음에, 이상과 같은 방법에 의해 성막된 고체 윤활막의 구조에 대해 설명한다. 본 실시 형태에서는, 다수 선택 가능한 타겟 중에서, 도3에 도시하는 바와 같은 4개의 타겟(16a, 16b, 16c, 16d)을 이용하여 성막된 다층막(40)과 혼합막(비정질막)(50)에 대해, 그 막의 고체 윤활의 구조에 대해 설명한다. 다층막(40)은 티탄(Ti)층 단층과, 티탄(Ti)과 MoS2의 혼합층의 2층 구조로서 성막되어 있다. 한편, 혼합막(50)은 티탄(Ti)과 MoS2를 동시에 스퍼터하여, 더 이상 명확한 결정 구조를 갖지 않는 비정질형으로 성막된 것이다. 양자 모두 활성화 금속인 티탄(Ti)을 경계 밀착층(42)으로서 갖고 있다. 또한, 도4는, 다층막(40)에 형성된 경우의 본 실 시 형태에 관한 고체 윤활막의 막 구조를 도시하는 도면이고, 도5는, 혼합막(비정질막)(50)에 형성된 경우의 본 실시 형태에 관한 고체 윤활막의 막 구조를 도시하는 도면이다.
성막되는 막의 구조로서는, MoS2의 비율이 티탄(Ti)에 비해 많은 층(α)과 반대로 티탄(Ti)의 쪽이 많은 층(β)이 α/β/α/β/…/β/α와 같이 다층으로 된 다층막(40)(도4 참조)과, 더 이상 층의 구조가 명확하지 않게 되어, 명확한 결정 구조를 갖지 않는 비정질형의 혼합막(비정질막)(50)(도5 참조) 등을 얻는 것이 가능하다. 이들의 막 구조는 캐리어(14)의 회전수, 각 타겟에 부여되는 에너지, 캐리어(14)로의 전압, 타겟 셔터 등을 조정하는 것에 의해 얻을 수 있다.
또한, 여기서 설명한 α층 및 β층에 대해서는, 다양한 원소의 비율이나 베리에이션의 설정이 가능하다. 재료의 성분을 자유롭게 조정할 수 있으므로, 각각의 원소의 농도를 임의로 변화시켜 경사층이나 경사막을 만드는 것도 가능하다.
[성막된 고체 윤활막의 특성]
이상과 같이 하여 성막된 고체 윤활막의 특성에 대해 조사했다. 본 조사에서는, 면 조도(Ra) 0.03 이하에서, 재질 SKH51(고속도 공구 강)제의 판형 테스트 피스를 준비하고, 상술한 성막 방법과 동일한 조건에서 고체 윤활막을 성막했다. 우선, 이 테스트 피스에 대해 볼 온 디스크 내구 시험을 실시했다. 마찰 구름 주행 원 직경은 8 ㎜, 시험용 볼의 직경 5 ㎜, 재질 WC-Co 6 ％에서, 시험 마찰 발생부의 선 스피드는 200 ㎜/초였다. 그 결과, 시험 하중 1 ㎏, 3.8 ㎏, 7.6 ㎏의 3 단계의 레벨에서의 비마모율의 계측치는 모두 7 × 10-17 ㎥/Nm 이하이고, 1 × 10-3 Torr 이하의 진공 중에서 경도 HRC 55 이상의 강재와의 마찰 계수는 0.07 이하였다. 특히, 시험 하중 7.6 ㎏의 레벨에서 7 × 10-17 ㎥/Nm 이하의 비마모율을 얻을 수 있다는 본 조사의 결과는, 본 실시 형태에 관한 고체 윤활막이 매우 우수한 막인 것을 나타내고 있다.
또한, 상기 테스트 피스에 대해 로크웰의 다이아몬드 압자를 이용한 스크래치 시험을 행한 결과, 본 실시 형태에 관한 고체 윤활막이 40 N 이상의 임계 밀착력을 갖는 것을 확인했다. 또한, 본 실시 형태에 관한 고체 윤활막의 비커스 경도(Hv)를 측정한 결과, 500 이상인 것을 확인했다.
[무윤활 내구 시험에 의한 평가]
다음에, 본 실시 형태에 관한 고체 윤활막과 종래 기술인 DLC막과의 내구 성능을 비교하기 위해, 무윤활 내구 시험에 의한 평가를 행했다. 이 무윤활 내구 시험은 표1에 나타내는 조건에 의해 행해진 것이고, 실험실 내의 상온 환경 하에 설치된 오일프리 저하중 내구 시험기를 이용하여, 이 시험기에 대해 LM 가이드를 세트하여 행했다. LM 가이드는, 구성 부재에 대해 본 실시 형태에 관한 고체 윤활막과 종래 기술인 DLC막을 성막한 것을 준비하고, 궤도 레일에 대해 이동 블럭을 반복하여 왕복 운동시키는 것에 의해 양자의 내구 성능을 비교하는 것으로 했다. 또한, LM 가이드에 실행시킨 왕복 운동은, 도6에 있어서 나타내는 부하 사이클도의 운동 패턴에 따라서 행해지고, 구체적으로는, 스트로크 150 ㎜, 직선 운동시의 속 도 250 ㎜/s, 복귀시의 가감속도 0.25 G, 도웰 시간 0.2 s로 하고, 상시 부하되는 부하 하중 0.03 C(162 N) 및 0.06 C(324 N)라는 2 조건에 대해 조사가 행해졌다.
[표1]
Figure 112007024575093-PCT00001
사용한 무윤활 내구 시험기(60)는, 도7에 도시하는 바와 같은 구성을 갖는 것이다. 시험 대상으로 되는 LM 가이드(70)는, 궤도 레일(71)이 무윤활 내구 시험기(60)의 베이스(61)에 고정 설치되어 있다. 궤도 레일(71) 상에는 왕복 운동 가능한 3개의 이동 블럭(72)이 설치되어 있고, 양단부에 위치하는 2개의 이동 블럭(72)에는 도어형의 골조(62)가 조립되어 있다. 이 골조(62)에는, 연직 하측 방향에 부하력을 미치게 할 수 있는 스프링(63)이 설치되어 있고, 이 스프링(63)은 로드 셀(64)을 통해 중앙에 위치하는 이동 블럭(72)과 접속하고 있다. 로드 셀(64)은 스프링(63)의 부하 하중을 전압의 변화로서 측정할 수 있으므로, 하중의 표시, 기록, 제어를 통해 안정된 부하 하중을 실현할 수 있도록 되어 있다. 또한, 도7에서는 베이스(61) 등에 가려져 보이지 않지만, LM 가이드(70)의 가로에는 궤도 레일(71)과 평행 방향으로 운동 안내 가능한 볼 나사가 설치되어 있다. 이 볼 나사는, 모터(65)에 의해 그 회전 운동이 제어되는 동시에, 도어형의 골조(62)를 나 사 축 방향으로 왕복 운동할 수 있도록 골조(62)와 접속하고 있다. 따라서, 볼 나사의 회전 운동에 따라서 도어형의 골조(62)가 이동하는 것에 의해, 이동 블럭(72)의 제어된 왕복 운동이 실현되고 있다.
또한, 무윤활 내구 시험기(60)에 설치되는 LM 가이드(70)는, 도8a 및 도8b에 도시하는 바와 같은 개략 구성을 구비하고 있다. 즉, LM 가이드(70)는, 길이 방향을 향해 형성된 볼 구름 주행홈(71a)을 갖는 궤도 레일(71)과, 그 볼 구름 주행홈(71a)에 대응하는 부하 볼 구름 주행홈(72a)을 갖는 동시에 다수의 볼(73)을 통해 궤도 레일(71)에 장착되는 이동 블럭(72)으로 구성되어 있다. 또한, 볼 구름 주행홈(71a)과 부하 볼 구름 주행홈(72a)에 의해 무한 순환로(74)가 형성되어 있고, 다수의 볼(73)은, 이 무한 순환로(74) 내를 무한 순환 가능하게 배열 수용되어 있다. 이러한 구성을 갖는 것에 의해, LM 가이드(70)를 구성하는 궤도 레일(71)과 이동 블럭(72)은, 볼(73)의 구름에 의해 자유롭게 상대 운동하는 것이 가능하게 되어 있다.
그리고, 시험 대상으로 되는 본 실시 형태에 관한 고체 윤활막에 대해서는, 다수의 볼(73)의 표면에 성막하는 것으로 했다. 또한, 금회의 무윤활 내구 시험에 이용되는 LM 가이드(70)에서는, 볼(73)의 2개 걸러 4불화에틸렌수지(PTFE)로 이루어지는 스페이서 볼(75)이 설치되어 있다.
한편, 비교 대상으로 되는 DLC막은, 볼 표면에 높은 면압 하에서의 구름에 견디는 높은 밀착성을 갖게 하도록 성막하는 것이 현재의 기술에서는 불가능하기 때문에, 볼(73)로부터 부하를 받는 볼 구름 주행홈(71a)과 부하 볼 구름 주행 홈(72a)에 성막하는 것으로 했다. 또한, 볼(73)과 스페이서 볼(75)의 배치 조건에 대해서는, 상술한 고체 윤활막인 경우와 동일하다.
이상 설명한 조건 및 방법에 의한 무윤활 내구 시험의 결과를 표2에 나타낸다. 본 실시 형태에 관한 고체 윤활막에 대해서는, 시험품 NO.1 내지 NO.8까지 8개의 샘플을 준비했다. 단, 이러한 성막 조건은 완전히 동일하고, 앞서 설명한 장치 및 방법에 의해, MoS2에 티탄(Ti)이 도입된 고체 윤활막이 성막되어 있다. 또한, 무윤활 내구 시험의 평가는, 마모 가루가 조금이라도 발생한 시점에서 내구 수명에 도달한 것이라 판단하고, 그때까지 궤도 레일(71) 상을 이동한 이동 블럭(72)의 주행 거리를 계측하는 것에 의해 행했다.
[표2]
Figure 112007024575093-PCT00002
표2로부터도 명백한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 고체 윤활막은, 부하 하중 0.03 C(162 N)에 있어서의 주행 가능 거리가 최단이라도 587 ㎞이고, 동일 하중에서 평가한 DLC막의 주행 가능 거리 26 ㎞를 대폭 상회했다. 또한, 부하 하중이 배의 조건인 0.06 C(324 N)의 경우에도, 본 실시 형태에 관한 고체 윤활막은 주행 가능 거리 173 내지 198 ㎞를 기록하고, 절반의 부하 하중밖에 받고 있지 않는 DLC막의 주행 가능 거리를 6.6 내지 7.6배도 상회하는 결과를 얻었다. 또한, 도9는, 표2에서 나타낸 시험 결과를 막대 그래프로 표현한 것이지만, 이와 같이 무윤활 내구 시험 결과를 시각화하는 것에 의해, 다시 한번 본 실시 형태에 관한 고체 윤활막의 우위성을 확인할 수 있다.
이상과 같은 양호한 시험 결과를 얻은 이유에 대해 해석하면, 금회 시험한 고체 윤활막은 막 자체의 경도가 비커스 경도(Hv)로 750 전후이고, 상대재와 동일한 정도의 경도(켄칭, 템퍼링 강에서 Hv 800 정도)를 갖는 것에 의해 상대재를 공격하지 않고, 또한 막 자체도 천천히 마모했다고 생각된다. 한편, DLC막의 경도는 통상 Hv로 1500 내지 4000 정도이고, 강재(상대재)의 구름 마모율이 크기 때문에 조기 파손이 발생한 것이라 예상된다.
또한, 반복이 되지만, 금회의 무윤활 내구 시험을 행하는 데 있어서는, 가능한 한 동일 조건에서 시험 및 평가를 행하기 위해, 발명자들은, DLC막을 볼 표면에 밀착성을 갖게 한 상태에서 성막할 수 있는 기술이 존재하지 않는지 조사했다. 그러나, 볼에 대해 DLC막을 안정적으로 성막하는 기술은 현 시점에서는 존재하지 않고, 본 실시 형태에 관한 고체 윤활막과 같이 볼에 대해 안정적으로 성막을 행하는 것은 불가능한 것이 명백하게 되었다. 이 사실로부터도, 본 실시 형태에 관한 고체 윤활막이 매우 획기적인 기술인 것을 알 수 있다. 본 실시 형태에 관한 고체 윤활막은, 구름 안내 장치에 있어서의 내마모성과 구름 운동에 의한 피로 강도를 높이는 것이 가능한 획기적인 기술이고, 본 발명의 실현에 의해 처음으로, 열악한 윤활 환경이나 고온 진공 상태, 혹은 오일프리 등의 특수 환경 하에서 충분한 면압 을 갖고, 구름 미끄럼 이동 운동에 견딜 수 있는 구름 안내 장치를 제공하는 것이 가능하게 된다.
[발진 시험에 의한 평가]
또한, 발명자들은, 본 실시 형태에 관한 고체 윤활막의 발진(發塵)에 대한 성능 특성을 조사하기 위해, 발진 시험을 행했다. 이 발진 시험에서는, 볼에 대해 본 실시 형태에 관한 고체 윤활막을 성막한 LM 가이드와, 이 LM 가이드와 동일 형상의 LM 가이드이며 고체 윤활막을 성막하지 않고 진공 그리스를 사용한 것을 비교했다.
또한, 본 발진 시험은, 도10에 도시하는 발진 시험 장치(80)를 이용하여 행했다. 발진 시험 장치(80)에는, 앞에 도8a 및 도8b를 이용하여 설명한 LM 가이드(70)와 동일한 것이 세트되어 있고, 또한, LM 가이드(70)와 평행하도록 운동 안내 장치(82)가 설치되어 있다. 이 운동 안내 장치(82)는 모터(81)와 접속하는 볼 나사(82a)와, 볼 나사(82a)의 회전 운동에 수반하여 왕복 운동 가능한 이동 블럭(82b)을 구비하고 있다. 그리고, 이동 블럭(82b)과 LM 가이드(70)의 이동 블럭(72)은 L자형의 구조 부재(83)에 의해 접속되어 있으므로, LM 가이드(70)가 갖는 이동 블럭(72)은, 모터(81)를 제어하는 것에 의해 원하는 동작을 행할 수 있도록 되어 있다.
LM 가이드(70)의 주위는, 외부로부터의 찌꺼기를 배제하여 LM 가이드(70)만으로부터의 발진량을 측정할 수 있도록, 아크릴 케이스(85)에 의해 덮여 있다. 아크릴 케이스(85)에는 미립자 카운트(86)가 접속되어 있어, 아크릴 케이스(85) 내의 발진량을 측정할 수 있도록 되어 있다.
그리고, 금회의 발진 시험은, 표3에 나타내는 조건에 의해 행했다. 발진 시험의 구체적인 동작 조건은 스트로크 200 ㎜, 직선 운동시의 속도 250 ㎜/s, 반환시 가감속도 2.548 m/s2(0.26 G), 도웰 시간 0.08 s이다. 또한, 아크릴 케이스(85)의 용량은 1616 ㎠로 되어 있고, 청정한 공기 공급량이 1 리터/210 s(0.3 리터/min)와의 조건 하에서 0.1 ㎛ 이상의 입자 직경을 갖는 분진을 50 Hr에 걸쳐 측정했다. 단, 진공 그리스를 사용한 LM 가이드에 대해서는, 시험 중의 발진량 증대에 의해, 측정 시간 15 Hr의 결과를 채용했다.
[표3]
Figure 112007024575093-PCT00003
이상과 같은 조건에 의해 행한 발진 시험의 결과를 이하에 나타낸다. 표4는, 미립자ㆍ사이즈(㎛)마다의 발진량에 대해, 본 실시 형태에 관한 고체 윤활막의 경우와 진공 그리스를 이용한 경우의 결과를 정리한 것이다. 또한, 표4에 있어서, 상기 표는 발진량의 최대치를 나타내고 있고, 하기 표는 발진량의 평균치를 나타내고 있다.
[표4]
Figure 112007024575093-PCT00004
이 표4로부터, 본 실시 형태에 관한 고체 윤활막이 내발진성에 대한 양호한 특성을 갖고 있는 것을 알 수 있다. 특히, 발진하기 쉬운 작은 입경의 발진량이, 최대치로 4개/리터(210 s), 평균치로 0.12개/리터(210 s)로 양호한 값을 나타내고 있고, 진공 그리스의 경우와 비교하는 것에 의해, 그 내발진성의 향상이 명확하다. 또한, 도11은, 표4의 하기 표에서 나타낸 시험 결과를 막대 그래프로 표현한 것이지만, 이와 같이 발진 시험 결과를 시각화하는 것에 의해, 다시 한번 본 실시 형태에 관한 고체 윤활막의 우위성을 확인할 수 있었다.
[직선형의 구름 안내 장치로의 적용예]
도12 및 도13은, 본 실시 형태에 관한 고체 윤활막이 사용되는 구름 안내 장치의 일 형태를 나타내고 있다. 이 구름 안내 장치(160)는, 궤도 부재로서의 궤도 레일(161)과, 그 궤도 레일(161)에 구름 이동체로서의 볼(162…)을 통해 이동 가능하게 설치된 이동체(163)를 구비하고 있다.
궤도 레일(161)은 개략 직사각형의 단면을 갖는 긴 부재이고, 그 양 측면에는 볼(162)을 수용 가능한 부하 구름 주행홈(161a…)이 좌우 1개씩 궤도 레일(161)의 전체 길이에 걸쳐 형성되어 있다. 궤도 레일(161)에는, 그 길이 방향에 적절히 간격을 두고 복수의 볼트 설치 구멍(161b)이 형성되어 있다. 이들 볼트 설치 구멍(161b)에 나사 결합되는 볼트(도시되지 않음)에 의해, 궤도 레일(161)이 소정의 설치면, 예를 들어 공작 기계의 베드의 상면에 고정된다. 또한, 도시한 궤도 레일(161)은 직선형이지만, 곡선형의 레일이 사용되는 일도 있다.
이동체(163)는, 강 등의 강도가 높은 재료로 구성된 블럭 본체(164)와, 그 블럭 본체(164)를 인서트 부품으로서 일체로 사출 성형된 합성 수지제의 형 성형체(165)와, 그 형 성형체(165)의 양단부에 볼트(도시되지 않음)로 고정되는 측 덮개(166, 166)를 구비하고 있다. 이 합성 수지에는, 4불화에틸렌수지(PTFE), 폴리이미드(PI), 폴리아미드(PA), 폴리옥시메틸렌(POM), 폴리에스테르, 페놀 수지, 에폭시 수지, 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 또는 폴리에테르설폰(PES) 중 적어도 하나를 채용하는 것이 바람직하다. 또한, 형 성형체(165)를 블럭 본체(164)와는 별개 부재로 성형하여, 그 후의 공정에서 양자를 조합하는 경우도 있다. 또한, 이동체(163)는 수지를 포함하지 않는, 강에 구멍을 뚫은 구조의 블럭으로서 구성하는 것도 가능하다.
블럭 본체(164)에는, 부하 구름 주행홈(161a, 161a)과 각각 대향하는 2개의 부하 구름 주행홈(164a, 164a)이 마련되어 있다. 이들 부하 구름 주행홈(161a, 164a)의 조합에 의해, 궤도 레일(161)과 이동체(163) 사이에 2개의 부하 구름 주행 로(167, 167)가 형성된다. 블럭 본체(164)의 상면(164b)에는 복수(도13에서는 4개)의 암나사(164c…)가 형성된다. 이들의 암나사(164c)를 이용하여, 이동체(163)가 소정의 설치면, 예를 들어 공작 기계의 새들이나 테이블의 하면에 고정된다.
형 성형체(165)에는 각 부하 구름 주행로(167, 167)와 병행하여 연장하는 2개의 복귀로(168, 168)가 형성된다. 형 성형체(165)의 양 단부면에는, 부하 구름 주행홈(164a)과 복귀로(168)와의 사이에서 아치형으로 돌출하는 볼 안내부(165a…)(도13에서는 일단부면측의 하나만 도시함)가 형성된다. 측 덮개(166)에는 볼 안내부(165a)에 대응하여 아치형으로 함몰하는 볼 안내홈(166a)이 형성된다.
측 덮개(166)를 형 성형체(165)에 고정하는 것에 의해, 볼 안내부(165a)와 볼 안내홈(166a)이 조합되고, 그들의 사이에 부하 구름 주행로(167)와 복귀로(168)를 연결하는 U자형의 방향 전환로(169)가 형성된다. 복귀로(168)와 방향 전환로(169)에 의해 볼(162)의 무부하 구름 주행로(170)가 구성되고, 그 무부하 구름 주행로(170)와 부하 구름 주행로(167)와의 조합에 의해 무한 순환로(171)가 구성된다. 무한 순환로(171)의 단면 형상 및 치수는, 부하 구름 주행로(167)에 있어서 볼(162)과 동일 직경의 원형의 단면을 그리도록, 무부하 구름 주행로(170)에 있어서 볼(162)보다도 약간 큰 직경의 원형의 단면을 그리도록 각각 설정되어 있다.
도13에 도시한 바와 같이, 형 성형체(165)에는, 이동체(163)가 궤도 레일(161)로부터 발취되었을 때의 부하 구름 주행로(167)로부터의 볼(162)의 탈락을 방지하는 위해, 부하 구름 주행홈(164a)을 끼우도록 한 쌍의 볼 보유 지지부(165b, 165b)가 형성되어 있고, 부하 구름 주행로(167)에 있어서의 안내홈(172)은 이들 볼 보유 지지부(165b, 165b)에 형성되어 있다. 또한, 복귀로(168)에 있어서는, 형 성형체(165)에 대해 일체로 안내홈(172)이 형성되고, 방향 전환로(169)에 있어서는 볼 안내부(165a)와 볼 안내홈(166a)과의 사이에 안내홈(172)이 형성되어 있다.
그리고, 본 실시 형태에서는, 구름 이동체로서의 볼(162…)에 대해, 상술한 CUMS 장치에 의한 고체 윤활막이 형성되어 있다. 이 고체 윤활막은, 도4 또는 도5에 도시하는 바와 같은 막 구조를 갖고 있고, 막의 최표면에 있어서 낮은 마찰 계수를 갖는 동시에 내부의 반복 응력에 견디고, 또한 밀착력이 높은 것이다. 이러한 고체 윤활막은, 막의 내부나 경계부로부터 파괴되는 일이 없고, 막 표면으로부터 최소의 속도로 마모해 가는 막으로서는 신뢰성이 높은 이상적인 상태를 실현할 수 있으므로, 도12 및 도13에 도시하는 바와 같은 구름 안내 장치에 적용하는 것에 의해, 윤활 부족을 포함하는 열악한 윤활 환경이나 고온 진공 상태, 그리스 등 윤활제를 사용할 수 없는 상태 등의 특수 환경 하에서의 구름 안내 장치의 사용이 가능하게 되는 것이다.
또한, CUMS 장치에 의한 고체 윤활막의 형성 대상은, 구름 이동체로서의 볼(162…)에 한정되는 것은 아니고, 부하 구름 주행로(167)나 무부하 구름 주행로(170) 등의 구름 압력ㆍ미끄럼 이동 압력을 받는 부재 중 적어도 하나의 표면에 대해 적용하는 것이 가능하다. 덧붙여, 본 실시 형태에서 구름 이동체로서의 볼(162…)에만 고체 윤활막의 형성을 행한 것은, CUMS 장치에 의한 고체 윤활막의 형성을 용이하게 실시할 수 있기 때문이다.
또한, 상술한 구름 안내 장치의 볼(162…) 사이에는, 볼(162…) 등의 구름 이동체나 고체 윤활막보다도 연질의 스페이서 부재를 마련하는 것이 가능하다. 이 스페이서 부재는, 구체적으로는 구름 이동체인 볼(162…)의 직경 이하의 직경을 갖는 스페이서 볼이나 리테이너를 채용할 수 있다. 이러한 스페이서 부재는 볼(162…)끼리의 간섭 및 충돌이나 볼의 탈락을 방지할 수 있는 동시에, 볼(162…)의 정렬 운동을 실현하고, 또한 스페이서 부재의 자기 윤활성과 고체 윤활막과의 복합 윤활 효과도 아울러, 구름 안내 장치의 내마모성을 크게 개량할 수 있다는 효과를 발휘하는 것이다.
스페이서 부재의 구체적인 형상으로서는, 도12 및 도13에 예시되고, 또한 도14에 더 상세하게 나타내는 바와 같은, 리테이너부(181)와 아암부(182, 182)로 이루어지는 스페이서 부재(180)를 채용하는 것이 가능하다.
또한, 도12, 도13 및 도14에 도시하는 구름 안내 장치에서는, 스페이서 부재(180)가 아암부(182, 182)를 갖는 경우를 예시했지만, 물론 도15 및 도16에 있어서 예시하는 바와 같이, 리테이너부(181)만으로 스페이서 부재를 구성하는 것도 가능하다. 또한, 도12, 도13 및 도14에서는, 2개의 무한 순환로(171)를 갖는 구름 안내 장치를 예시하여 설명했지만, 도17에 있어서 도시하는 바와 같은, 4개의 무한 순환로를 갖는 구름 안내 장치라도, 본 실시 형태에 관한 고체 윤활막을 적용하는 것이 물론 가능하다.
또한, 스페이서 부재는, 도18에 예시하는 바와 같은, 볼(162…)의 직경 이하의 직경을 갖는 스페이서 볼(185)로서 구성하는 것도 가능하고, 또한, 도20에 예시하는 리테이너(186)로서 구성할 수도 있다.
덧붙여, 스페이서 볼(185)의 삽입 개수는, 도18에 도시하는 바와 같은 하나의 볼(162)에 대해 하나의 스페이서 볼(185)을 삽입할 수도 있고, 도19에 있어서 예시되는 바와 같이, 2개의 볼(162)에 대해 하나의 비율로 스페이서 볼(185)을 삽입할 수도 있다. 이 스페이서 볼(185)의 삽입 개수에 대해서는, 적어도 하나 이상 삽입되고, 그리고, 바람직하게는 볼(162)이 반드시 스페이서 볼(185)에 끼워지도록 하는 것이 바람직하다. 따라서, 볼(162)의 개수를 X, 스페이서 볼(185)의 개수를 Y로 했을 때에,
1 ≤ Y ≤ (X + 1)
되는 관계식이 성립하도록, 스페이서 볼(185)을 삽입하는 것이 바람직하다.
한편, 도20에 도시하는 리테이너(186)는, 볼(162…) 사이에 개재되는 복수의 스페이서(187…)와, 이 스페이서(187…)의 양측 모서리를 일련으로 연결하는 띠형 부재(188)를 구비하고 있다. 스페이서(187…)는 원통형으로 형성되고, 그 원통의 외부 직경은 볼(162…)의 직경보다도 작게 설정되어 있다. 각 스페이서(187…)의 축선 방향의 양단부에는, 볼(162)에 대응하여 이 볼(162)의 반경과 대략 동일한 곡률 반경의 곡면형 오목부가 형성되어 있다. 스페이서(187…)를 볼(162…) 사이에 배치하면, 스페이서(187…)의 축선은 볼(162…)의 중심을 연결하는 선 상에 위치하도록 되어 있다. 스페이서(187…)는 볼(162…)끼리의 거리가 필요 최소한의 간격으로 되도록, 축선 방향의 길이가 얇게 설정되어 있다.
띠형 부재(188)에 대해서는 두께가 일정하고, 스페이서(187)의 측면의 양측에 접속되어 있다(도20에 있어서는, 한쪽측만을 도시하고 있음). 이 띠형 부 재(188)는, 방향 전환로(169)에도 유연하게 대응할 수 있도록 가요성을 갖고 있다.
단, 이 띠형 부재(188)에 대해서는, 도21에 있어서 도시되는 바와 같이, 생략하는 것도 가능하고, 스페이서 부재를 스페이서(187…)만으로 구성하는 것도 가능하다. 이와 같이, 띠형 부재(188)를 생략한 스페이서 부재라도, 도20에 도시하는 리테이너(186)와 같은 효과를 발휘하는 것이 가능하다.
상술한 스페이서 부재의 재질로서는, 4불화에틸렌수지(PTFE), 폴리이미드(PI), 폴리아미드(PA), 폴리옥시메틸렌(POM), 폴리에스테르, 페놀 수지, 에폭시 수지, 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 또는 폴리에테르설폰(PES) 중 적어도 하나가 포함되는 수지로 구성되는 것이 바람직하다. 그리고, 스페이서 부재는, 이들 중으로부터 선택되는 수지 단일 부재 혹은 복합 수지를 소재로 하고, 사출 성형 등에 의해 일체로 형성된다.
상기 수지 중, 특히, 4불화에틸렌수지(PTFE)에는 자기 윤활성이 있어, 고체 윤활로서도 범용되고 있기 때문에, 본 실시 형태에 관한 구름 안내 장치에 적용하는 것이 적합하다. 이것은, 4불화에틸렌수지(PTFE)가, 그 구조 상으로부터 매우 낮은 마찰 계수를 갖고, 또한, 상대 마찰면에 이전 부착막을 형성하여 윤활성을 발휘하는 것이 되기 때문이다. 또한, 내마모성 향상을 위해, 4불화에틸렌수지(PTFE)와 탄소재, 혹은 4불화에틸렌수지(PTFE)와 탄소 섬유, 비정질 탄소, 유리, 세라믹, 그 밖의 수지와의 복합재를 스페이서 혹은 리테이너로서 사용하는 것도 가능하다.
또한, 본 실시 형태에 관한 고체 윤활막 상에, 또한 얇은 4불화에틸렌수 지(PTFE) 이전 부착막을 형성하면, 이 이전 부착막은, 금속 원자가 도입된 MoS2 혹은 WS2의 막의 표면 에너지를 저하시켜 강 및 세라믹스와의 마찰 계수를 내릴 수 있다. 따라서, 비마모율이나 발진율도 크게 저하시키는 것이 가능하게 된다.
[볼 나사 장치로의 적용예]
본 실시 형태에 관한 고체 윤활막이 사용되는 구름 안내 장치에 대해서는, 도22에 도시하는 바와 같은 볼 나사 장치로서 구성하는 것도 가능하다. 도22는, 본 실시 형태에 관한 고체 윤활막이 사용되는 볼 나사 장치의 일 형태를 나타내는 도면이다.
도22에 도시하는 바와 같이, 볼 나사 장치(190)는 궤도 부재로서의 나사축(191)과, 그 나사축(191)에 복수의 구름 이동체인 볼(162…)을 통해 이동 가능하게 설치되는 이동체로서의 너트(192)를 갖고 있다. 나사축(191)의 외주에는, 나사축(191)의 둘레에 나선 형상으로 연장하는 2개의 부하 구름 주행홈(191a, 191a)이 형성되어 있다.
너트(192)는 강 등의 강도가 높은 재료로 구성된 너트 본체(193)와, 그 양단부에 장착되는 덮개체(194, 194)를 구비하고 있다. 너트 본체(193)의 외주에는, 너트(192)를 그 상대 부품에 대해 설치하기 위한 플랜지(192a)가 형성되어 있다. 너트 본체(193)의 내주에는, 부하 구름 주행홈(191a, 191a)과 각각 대향하여 나선 형상으로 연장하는 2개의 부하 구름 주행홈(193a, 193a)이 형성되어 있다. 이들 부하 구름 주행홈(191a, 193a)의 조합에 의해 나선 형상의 2개의 부하 구름 주행 로(195, 195)가 형성된다.
너트 본체(193)의 내부에는, 너트 본체(193)를 축방향으로 관통하는 2개의 복귀로(196, 196)가 형성되어 있다. 덮개체(194)는 복귀 피스(197)와 그 외측에 씌워지는 커버(198)를 갖고 있고, 좌우의 복귀 피스(197)에는 각각 복귀로(196)와 부하 구름 주행로(195)를 연결하는 방향 전환로(199, 199)가 형성되어 있다. 복귀로(196, 196)와 방향 전환로(199, 199)와의 조합에 의해 볼(162)의 무부하 구름 주행로(200, 200)가 구성되고, 그들 무부하 구름 주행로(200, 200)와 부하 구름 주행로(195, 195)와의 조합에 의해 2개의 무한 순환로(201, 201)가 구성된다.
그리고, 본 실시 형태에서는, 구름 이동체로서의 볼(162…)에 대해, 상술한 CUMS 장치에 의한 고체 윤활막이 형성되어 있다. 이 고체 윤활막은, 도4 또는 도5에 도시하는 바와 같은 막 구조를 갖고 있고, 막의 최표면에 있어서의 낮은 마찰 계수를 갖는 동시에 내부의 반복 응력에 견디고, 또한 밀착력이 높은 것이다. 이러한 고체 윤활막은, 막의 내부나 경계부로부터 파괴되는 일이 없어, 막 표면으로부터 최소의 속도로 마모해 가는 막으로서는 이상적인 상태를 실현할 수 있으므로, 도22에 있어서 예시하는 바와 같은 볼 나사 장치(190)에 적용하는 것에 의해, 윤활 부족을 포함하는 열악한 윤활 환경이나 고온 진공 상태, 그리스 등 윤활제를 사용할 수 없는 상태 등의 특수 환경 하에서의 구름 안내 장치의 사용이 가능하게 되는 것이다.
또한, CUMS 장치에 의한 고체 윤활막의 형성 대상은 구름 이동체로서의 볼(162…)에 한정되는 것은 아니고, 부하 구름 주행로(195)나 무부하 구름 주행 로(200) 등의 구름 압력ㆍ미끄럼 이동 압력을 받는 부재 중 적어도 하나의 표면에 대해 적용하는 것이 가능하다. 덧붙여, 본 실시 형태에서 구름 이동체로서의 볼(162…)에만 고체 윤활막의 형성을 행한 것은, CUMS 장치에 의한 고체 윤활막의 형성을 용이하게 실시할 수 있기 때문이다.
또한, 볼 나사 장치(190)의 볼(162…) 사이에는, 볼(162…) 등의 구름 이동체나 고체 윤활막보다도 연질의 스페이서 부재(202)를 마련하는 것이 가능하다. 이 스페이서 부재(202)에 대해서는, 상술한 직선형의 구름 안내 장치(160)의 경우와 마찬가지로, 구름 이동체인 볼(162…)의 직경 이하의 직경을 갖는 스페이서 볼이나 리테이너를 채용할 수 있다. 이러한 스페이서 부재(202)는, 볼(162…)끼리의 간섭이나 볼(162…)의 탈락을 방지할 수 있는 동시에 볼(162…)의 정렬 운동을 실현하고, 또한 스페이서 부재(202)의 자기 윤활성과 고체 윤활막과의 복합 윤활 효과도 아울러, 구름 안내 장치의 내마모성을 크게 개량할 수 있다는 효과를 발휘하는 것이다. 또한, 스페이서 부재(202)의 형상 및 재질에 대해서도, 상술한 직선형의 구름 안내 장치(160)의 경우와 마찬가지이므로 설명을 생략한다.
또한, 본 실시 형태에 관한 볼 나사 장치(190)는, 도22에 도시한 바와 같은, 너트 본체(193)의 양단부에 별개 부품의 복귀 피스(197)를 장착하여 방향 전환로(199)를 구성하는 것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도23에 도시하는 바와 같은, 복귀 파이프(210, 210)를 너트 본체(193)에 장착하고, 그들의 복귀 파이프(210)의 내부에 형성되는 무부하 구름 주행로와, 부하 구름 주행로(195)에 의해 무한 순환로를 구성하는 것이나, 도24에 도시하는 바와 같은, 복수(도에서는 2개만 도시함)의 디플렉터(220…)를 너트 본체(193)에 장착하고, 그들의 디플렉터(220)에 형성되는 무부하 구름 주행로와, 부하 구름 주행로(195)에 의해 무한 순환로를 구성하는 바와 같은 구조의 볼 나사 장치라도 좋다. 이와 같이, 볼(162…)을 다른 구조에서 순환시키는 볼 나사 장치에 대해서도[예를 들어 도23에 있어서의 복귀 파이프(210)나 도24에 있어서의 디플렉터(220) 등에도], 본 실시 형태에 관한 고체 윤활막을 적용하면, 상술한 구름 안내 장치(160)나 볼 나사 장치(190)와 같은 적합한 효과가 얻어진다.
이상, 본 발명의 적합한 실시 형태에 대해 설명했지만, 본 발명의 기술적 범위는 상기 실시 형태에 기재된 범위에는 한정되지 않는다. 상기 실시 형태에는, 다양한 변경 또는 개량을 가하는 것이 가능하다. 예를 들어, 본 실시 형태에 관한 고체 윤활막은 MoS2나 WS2, 그라파이트에 의해 구성되는 층상 결정 화합물에 대해 금속 원자를 도입하는 경우에 대해 설명했지만, 층상 결정 화합물에는, 다이아몬드형 탄소나 다이아몬드형 카본(DLC)의 적용도 가능하다. 그와 같은 변경 또는 개량을 가한 형태도 본 발명의 기술적 범위에 포함될 수 있는 것이, 특허 청구 범위의 기재로부터 명백하다.

Claims (8)

  1. 궤도 부재와,
    상기 궤도 부재에 복수의 구름 이동체를 통해 이동 가능하게 설치되는 이동체를 갖고,
    상기 복수의 구름 이동체가, 상기 궤도 부재와 상기 이동체와의 사이에 형성된 부하 구름 주행로와, 그 부하 구름 주행로의 일단부와 타단부를 연결하도록 상기 이동체에 형성된 무부하 구름 주행로로 구성되는 무한 순환로에 설치되는 구름 안내 장치에 있어서,
    상기 복수의 구름 이동체, 상기 부하 구름 주행로 또는 상기 무부하 구름 주행로 중 적어도 하나의 표면에 대해, 층상 결정 화합물에 금속 원자를 도입한 고체 윤활막이 형성되는 것을 특징으로 하는 구름 안내 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고체 윤활막은, 폐쇄 자계 불균형 마그네트론 스퍼터링법에 의해 성막되는 것을 특징으로 하는 구름 안내 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 층상 결정 화합물은 MoS2, WS2 또는 그라파이트 중 적어도 1 화합물을 포함하고,
    상기 금속 원자는 티탄(Ti), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 지르코 늄(Zr), 규소(Si) 또는 붕소(B) 중 적어도 1 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 구름 안내 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고체 윤활막은 막 두께가 0.5 내지 3 ㎛의 범위 내인 것을 특징으로 하는 구름 안내 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고체 윤활막에 있어서의 상기 금속 원자의 함유율이 20 ％ 이하인 것을 특징으로 하는 구름 안내 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고체 윤활막은, 로크웰의 다이아몬드 압자를 이용한 스크래치 시험에서 임계 밀착력이 40 N 이상인 것을 특징으로 하는 구름 안내 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고체 윤활막은 비커스 경도(Hv)가 500 이상이고, 또한, 1 × 10-3 Torr 이하의 진공 중에서 경도 HRC 55 이상의 강재와의 마찰 계수가 0.07 이하인 것을 특징으로 하는 구름 안내 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 구름 이동체 사이에는, 상기 구름 이동체 및 상기 고체 윤활막보다도 연질의 스페이서 부재가 마련되 어 있고,
    이러한 스페이서 부재는, 상기 구름 이동체의 직경 이하의 직경을 갖는 스페이서 볼 또는 리테이너인 것을 특징으로 하는 구름 안내 장치.
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