WO2006059651A1

WO2006059651A1 - タッチダウン軸受

Info

Publication number: WO2006059651A1
Application number: PCT/JP2005/022005
Authority: WO
Inventors: Hiroshi Sekimoto; Akira Koyama; Masaaki Ootsuki
Original assignee: Jtekt Corporation
Priority date: 2004-12-01
Filing date: 2005-11-30
Publication date: 2006-06-08
Also published as: EP1818553B1; EP1818553A4; DE602005019775D1; EP1818553A1; US7786637B2; US20080019628A1

Abstract

　タッチダウン軸受を構成する内輪、外輪、転動体（玉）、更には保持器を用いる場合には保持器の、他部材に対する接触面のうちのいずれかの面に、リン酸亜鉛カルシウム系皮膜を形成し、更にその上に二硫化モリブデン皮膜を形成することにより、リン酸亜鉛カルシウム系皮膜の表面の結晶粒による微細な凹凸によって二硫化モリブデン皮膜の密着性が向上し、また、二硫化モリブデン皮膜が損耗してもその下層のリン酸亜鉛カルシウム系皮膜の潤滑性によって母材が損耗することを抑制することを可能とする。

Description

明細書

タツチダウン軸受

技術分野

[0001] 本発明はターボ分子ポンプにおいて磁気軸受で支持されている回転体を、回転の停止時もしくは回転異常時において保護するためのタツチダウン軸受に関する。背景技術

[0002] ターボ分子ポンプにおいては、排気用翼体を備えた回転体を磁気軸受により非接触のもとに支持する構成が多用されている。その例を図 4に断面図で示す。この例において、ケース 10の内周に固定翼 11が配置されているとともに、このケース 10内には、回転翼 12が外周に固定された回転軸 13が回転自在に配置されている。この回転軸 13は電動モータ 14によって回転が与えられ、その回転状態においては、当該回転軸 13の外周面に近接配置された 2つのラジアル磁気軸受 15, 16と、当該回転軸 13に一体に形成されたフランジ部 13aの上下に配置された一組のアキシャル磁気軸受 17によって磁気浮上状態で非接触支持される。なお、図において 9は吸気口であり、 8は排気口である。

[0003] ケース 10内には、また、 1つの総玉タイプの深溝玉軸受 21と、斜接方向を互いに逆向きに組み合わせた一対のアンギユラ玉軸受 22がタツチダウン軸受として配置されている。これらのタツチダウン軸受 21, 22は、回転軸 13の停止時および制御異常時に回転軸 13とラジアル磁気軸受 15, 16およびアキシャル磁気軸受 17とが接触して損傷することから保護するための転がり軸受であって、回転軸 13の外周面と各タツチダウン軸受 21、 22の内輪内周面との間には、回転軸 13と各磁気軸受 15、 16および 17の間の隙間よりも若干小さい隙間が介在している。これにより、回転軸 13が磁気軸受 15, 16および 17に磁気浮上状態で回転支持されている状態においては、回転軸 13は各タツチダウン軸受 21、 22に対して非接触状態を保つが、回転軸 13の停止時、あるいは外力の作用等による制御異常時には、回転軸 13が各磁気軸受 15、 16および 17に接触する前にタツチダウン軸受 21、 22の内輪に接触して回転支持される。 [0004] なお、以上は内輪を回転輪とした例を示したが、回転翼を備えた筒状の回転体を用いて、その筒状の回転体の内部にタツチダウン軸受を配置した構造のものが知られている。この構造のものでは、筒状の回転体の内周面に所定の隙間を介してタツチダウン軸受の外輪が配置され、回転体の停止時な、しは制御異常時に回転体の内周面がタツチダウン軸受の外輪外周面に接触して、回転体を回転支持する。

[0005] 以上のような真空ポンプにおけるタツチダウン軸受においては、転動体 (玉）の材質にはセラミックスや SUS440C等のステンレス鋼が用いられ、内輪および外輪の材質には同じく SUS440C等のステンレス鋼や SUJ2などの軸受鋼が用いられることが多い。また、その使用環境上、潤滑油を用いることができないため、これらの部材の少なくとも他部材に対する接触面には、二硫ィ匕モリブデンをはじめとする種々の固体潤滑剤からなる皮膜が形成される (例えば特許文献 1参照)。

[0006] ここで、この種のタツチダウン軸受においては、二硫ィ匕モリブデンをはじめとする固体潤滑剤皮膜の耐久性が軸受自体の耐久性を決定づける。そこで、従来、二硫化モリブデンの母材に対する密着性を向上させるベぐ二硫ィ匕モリブデン皮膜の下地処理としてショットブラスト等で微小な凹凸を表面に形成する処理が一般的に行われている。

[0007] また、玉については、固体潤滑剤皮膜として Agのイオンプレーティング皮膜なども採用されている。

特許文献 1 :特開 2002— 221226号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0008] ところで、上記したようなショットブラストにより凹凸を付与したうえで二硫ィ匕モリブデン等の固体潤滑剤皮膜を形成する従来の構造では、タツチダウンを繰り返すことで表面から二硫ィ匕モリブデン等の固体潤滑剤が損耗していくと、加速度的な軸受損傷の引き金になり、これによつて期待される耐久性を確保できない場合もあった。

[0009] また、玉の表面に形成される Agイオンプレーティング皮膜は、特に総玉タイプの軸受にあっては玉どうしが相互に押しつけられながら擦れあうため、耐摩耗性が悪いという問題もある。ここで、セラミックス製の玉を用いる場合には、良好な寿命が得られるのであるが、コストが高いとともに、非磁性体であるセラミックス製の玉を用いた場合には、磁気軸受が作る磁場により、タツチダウン時以外、つまり回転体カ^ッチダウン軸受の回転輪に対して接触して、な、状態にぉ、て回転輪が連れ回りしてしまう場合があると、つた不具合も生じ、使用できな!/、こともある。

[0010] 本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、その主たる課題は、従来のステンレス鋼もしくは軸受鋼の表面に固体潤滑剤皮膜を形成したものや、金属固体潤滑剤をイオンプレーティングしたものに比して、その耐久性を向上させることのできるタツチダウン軸受を提供することにある。

[0011] また、本発明の他の課題は、従来のセラミックス製の玉を用いたものに比して、それに近い耐久性を得ながら、前記した連れ回り現象を防止し、かつ、コストを低減することのできるタツチダウン軸受を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0012] 本発明のタツチダウン軸受は、磁気軸受により支持される回転体を有するターボ分子ポンプに用いられ、回転体の停止時もしくは回転異常時にのみ当該回転体に内輪もしくは外輪が接触してこの回転体を支持するタツチダウン軸受において、当該軸受を構成する各部材 (つまり、内輪、外輪、転動体 (玉)、および保持器を用いる場合には保持器)の、他部材に対する接触面のうち、少なくともいずれかの面に、リン酸亜鉛カルシウム系皮膜が形成され、更にその上に二硫ィ匕モリブデン皮膜が形成されていることによって特徴づけられる。

[0013] ここで、本発明においては、上記軸受を構成する各部材のうち、玉が高速度工具鋼または軸受鋼であり、その表面にリン酸亜鉛カルシウム系皮膜が形成され、更にその上に二硫ィ匕モリブデン皮膜が形成されている構成を好適に採用することができる。

[0014] また、本発明においては、上記軸受を構成する各部材のうち、内輪および Zまたは外輪が高速度工具鋼もしくは軸受鋼であり、その軌道面にリン酸亜鉛カルシウム系皮膜が形成され、更にその上に二硫ィ匕モリブデン皮膜が形成されている構成を採用することちでさる。

[0015] 本発明は、化成皮膜のうちのリン酸亜鉛カルシウム系皮膜の耐熱性、膜厚制御の容易性に伴う真円度 (真球度)維持の容易性を利用し、化成皮膜が元来的に有している潤滑性並びに皮膜表面の結晶粒による凹凸に起因する二硫ィ匕モリブデン皮膜の密着性と併せて、課題を解決しょうとするものである。

[0016] すなわち、リン酸亜鉛カルシウム系皮膜を形成した上に二硫ィ匕モリブデン皮膜を形成すると、リン酸亜鉛カルシウム系皮膜の表面の微細な凹凸により、母材に単にショットブラスト等による物理的な微小凹凸を形成する場合に比して、その密着性が向上する。また、 Ag等の潤滑性を有する金属をイオンプレーティングする場合に比しても、耐久性は向上する。更に、表面の二硫ィ匕モリブデンが損耗した後にも、リン酸亜鉛カルシウム皮膜が金属表面を覆っているため、金属接触による急激な損傷が生じず、これにより従来のものに比して軸受としての耐久性がはるかに向上する。

[0017] そして、リン酸亜鉛カルシウム系皮膜は、他の化成皮膜であるリン酸マンガン系皮膜等に比して、膜厚を薄く制御することが容易であって母材の真円度や真球度を維持しやすいとともに、高温'真空中で用いた場合における皮膜中の結晶水の崩壊が緩やかであり、タツチダウン軸受の各部材の下地処理皮膜として用いても、皮膜の急激な劣化が生じず、この点においても耐久性を確保することができる。ここで、リン酸亜鉛カルシウム系皮膜はステンレス鋼には形成が困難であるが、軸受鋼ゃ高速度ェ具鋼などの鲭びやす!/、材料を母材に用いても、リン酸亜鉛カルシウム系皮膜により十分な耐食性が得られる。

[0018] また、玉を高速度工具鋼または軸受鋼として、その表面にリン酸亜鉛カルシウム系皮膜と二硫ィ匕モリブデン皮膜を形成することにより、総玉タイプにおいて玉と玉との強い接触に際しても十分な潤滑性を長期にわたって維持することができ、セラミック製の玉の代替としてコスト低減に寄与することができる。

[0019] 内輪、外輪、転動体に用いられる高速度工具鋼としては、 SKH4や耐熱性を有する M50 (AISI規格）などが挙げられ、軸受鋼としては SUJ2などが挙げられる。

[0020] さらに本発明では、軸受の耐久性のネックとなっている玉の材質を、高温硬さの高 Vヽ金属材料である高速度工具鋼とすることが好ま、。

[0021] すなわち、 SKH4をはじめとする高速度工具鋼は、 SUJ2をはじめとする軸受鋼ゃ、 SUS440Cをはじめとするステンレス鋼に比して、タツチダウン軸受における玉がタツチダウン時に到達することが予想される温度 200〜300°Cにおける硬さ力 5〜15 HRC程度高い。従って、タツチダウン時における急激な加速による軌道輪との摩擦に起因する発熱、加えて総玉タイプの場合には玉どうしの摩擦に起因する発熱により早期損傷を生じることを防止することができる。玉に用いられる高速度工具鋼としては、 SKH4や耐熱性を有する M50 (AISI規格）などが挙げられる。

[0022] そして、高速度工具鋼および軸受鋼は磁性材料であるため、接近配置される磁気軸受の磁場による磁束は回転輪、玉を通じて固定輪に至るため、非タツチダウン時における回転輪の連れ回りは生じない。また、固体潤滑剤皮膜のための下地処理が容易で、更にはコストの上昇を抑制することもできる。

発明の効果

[0023] 本発明によれば、二硫ィ匕モリブデンの下地処理として単にショットブラスト等による微細な凹凸を付する場合に比して、二硫ィ匕モリブデンの密着性が向上するとともに、タツチダウンを繰り返すことにより二硫ィ匕モリブデンが損耗しても、その下にリン酸亜鉛カルシウム系皮膜が形成されているため、耐摩耗性が持続し、軸受としての耐久性が向上するとともに、 Agのィレーティング皮膜を施す場合に比してそのコストを低減させることができる。

[0024] また、玉を高速度鋼ないしは軸受鋼として、その表面にリン酸亜鉛カルシウム系皮膜と二硫ィ匕モリブデン皮膜を形成することにより、総玉タイプに適用して玉と玉とが強く接触しても十分な潤滑性を長期にわたって維持することができる結果、セラミックス製の玉と置き換えてコスト低減を達成し、また、連れ回り現象の発生を抑制することができる。

[0025] さらに、本発明によれば、玉の材質を高速度工具鋼とすること、タツチダウン時における発熱時における玉の硬さが従来のステンレス鋼や軸受鋼を用いる場合に比して高ぐ従ってこの種の軸受の耐久性のネックとなっている玉の早期損傷が生じず、軸受の耐久性を向上させることができ、この効果は、請求項 2に係る発明のように、玉どうしの摩擦による発熱を生じる総玉タイプのタツチダウン軸受に本発明を適用することにより、より一層大きなものとなる。

[0026] また、セラミックス製の玉を用いる従来のタツチダウン軸受に比して、回転輪の連れ回りの防止、下地処理の容易化に伴う固体潤滑剤皮膜の密着性の向上、およびコストダウンを達成することができる。

図面の簡単な説明

[0027] [図 1]本発明をターボ分子ポンプ用の総玉タイプの深溝玉軸受力なるタツチダウン軸受に適用した実施の形態の正面図である。

[図 2]図 1の軸平行断面図である。

[図 3]本発明の実施の形態における玉 3の表面構造の模式的拡大断面図である。

[図 4]タツチダウン軸受を備えたターボ分子ポンプの構成例を示す断面図である。発明を実施するための最良の形態

[0028] 以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。

図 1は本発明を図 4における総玉タイプの深溝玉軸受力なるタツチダウン軸受に適用した実施の形態の正面図であり、図 2は軸平行断面図である。

[0029] この例においては、内輪 1および外輪 2がそれぞれマルテンサイト系ステンレス鋼である SUS440C製であり、これらの間に、高速度工具鋼である SKH4製の複数の玉 3 が配置されている。

[0030] 内輪 1および外輪 2の軌道面 laおよび 2aを含む全表面には、ショットブラストにより微小凹凸が形成され、その上に二硫ィ匕モリブデン皮膜が形成されている。

[0031] 一方、各玉 3の表面には、ショットブラストにより微小凹凸が形成され、図 3にその模式的な拡大断面図を示すように、リン酸亜鉛カルシウム系皮膜 3aが形成され、更にその上に二硫ィ匕モリブデン皮膜 3bが形成されている。リン酸亜鉛カルシウム系皮膜 3 aは、例えば化学式 (Zn2 Ca) (P04 ) 2 · 2Η2 Οで表されるものを用いることができ、処理工程は通常の化成処理工程と同等であって、母材の水洗、酸洗、水洗、表面調整、化成、水洗、乾燥といった構成を採用することができる。化成工程において、リン酸亜鉛カルシウム溶液が母材である SKH4製の玉 3の表面の一部を浸食し、形成されたリン酸亜鉛カルシウム系皮膜 3aは図示のように母材に対して食、込んだ状態となり、優れた密着性を有するものとなる。

[0032] このリン酸亜鉛カルシウム系皮膜 3aの厚さは特に限定されるものではないが、他の化成皮膜処理、例えばリン酸マンガン系皮膜処理に比して膜厚制御が容易であるため、 1〜2 m程度に制御することに困難性はなぐこれにより母材である玉 3の真球度を維持することが容易である。

[0033] また、このリン酸亜鉛カルシウム系皮膜 3aは、その表面に結晶粒による微細な凹凸が形成されているため、その表面に形成される二硫ィ匕モリブデン皮膜 3bは、アンカ一効果によりその密着性は高、ものとなる。

[0034] 以上の本発明の実施の形態によると、回転時に玉 3どうしが強くこすれあっても、表面の二硫ィ匕モリブデン皮膜 3bが剥がれにくぐまた、この二硫ィ匕モリブデン皮膜 3bが損耗した後においても、その下層のリン酸亜鉛カルシウム系皮膜 3aが潤滑剤層として機能するため、加速度的な軸受損傷には至らず、これにより耐久性が向上する。そして、リン酸亜鉛カルシウム系皮膜 3aは、高温'真空中で使用したときの結晶水の崩壊がリン酸マンガン系などに比して緩やかであるため、皮膜の急激な劣化も生じにくい。また、 SKH4製の玉 3の全周面がリン酸亜鉛カルシウム系皮膜 3aによって覆われるため、十分な耐食性が得られる。

[0035] また、玉 3の母材材質を SKH4等の高速度工具鋼とすることにより、高温強度が高ぐセラミックス製の玉を用いる場合に近いタツチダウン回数を実現することができ、し力も磁性材料であるため、ターボ分子ポンプの磁気軸受が作る磁場によって非タツチダウン時において回転輪が連れ回りすることを防止することができる。

[0036] 以上の本発明の実施の形態によると、玉 3の材質である SKH4は、タツチダウン時に内輪 1,外輪 2、および玉 3どうしの摩擦による発熱によって予想される高温（200 〜 300°C)状態における硬さが、 SUJ2や SUS440C等を用 V、る場合に比して HRC で 5〜15程度高ぐ従って、タツチダウン時の発熱による早期損傷が生じにくぐその表面に形成される二硫ィ匕モリブデン皮膜の玉 3に対する密着性の高さと相まって、軸受の耐久性が大幅に向上する。

[0037] し力も、セラミックス製の玉を用いる場合に比してそのコストを低く抑えることができるとともに、ターボ分子ポンプに組み込んだときに近接する磁気軸受の磁場によって非タツチダウン時に内輪 1が連れ回りすることもない。

[0038] 以上の実施の形態では、玉 3のみを SKH4製としてその表面にリン酸亜鉛カルシゥム系皮膜 3aおよび二硫ィ匕モリブデン皮膜 3bを形成して、内輪 1および外輪 2については、従来と同等の SUS440Cの表面にショットブラストによる微小な凹凸を付したうえで二硫ィ匕モリブデン皮膜を形成したものを用いた力これらの内輪 lおよび Zまたは外輪 2についても、 SKH4等の高速度工具鋼もしくは SUJ2等の軸受鋼製とし、その表面に上記と同等のリン酸亜鉛カルシウム系皮膜を形成した上で、二硫化モリブデン皮膜を形成したものを用いることができ、この場合においても、二硫化モリブデン皮膜の密着性は単にショットブラストによる微小な凹凸を付した後二酸ィ匕モリブデン皮膜を形成した場合に比してより高くなり、耐久性を向上させることができる。この場合、リン酸亜鉛カルシウム皮膜を形成する前にショットブラストによる微小な凹凸を付することが更に好ましい。また、このような内輪 1および Zまたは外輪 2と、セラミックス製の玉とを組み合わせてもよい。また、玉 1については、その材質を軸受鋼とすることちでさる。

[0039] なお、以上の実施の形態においては、本発明を総玉タイプの深溝玉軸受に適用した例を示したが、アンギユラ玉軸受であってもよぐさらには保持器を備えた総玉タイプ以外の玉軸受にも等しく適用することができる。また、玉 3に用いる高速度工具鋼は必ずしも SKH4に限られることはないが、入手性、コスト、加工性等の観点から、 S KH4または M50 (AISI規格)さらにはそれに類似の高速度工具鋼を採用することが好ましい。

[0040] 更に、総玉タイプではなぐ保持器を備えたタツチダウン軸受においては、上記と同様に玉、内輪および Zまたは外輪にリン酸亜鉛カルシウム系皮膜および二硫ィ匕モリブデン皮膜を形成するほか、保持器にも同等の皮膜を形成することが好ましい。この場合、保持器の材質としては各種炭素鋼等を用いることができる。

[0041] また、上記実施例においては、内輪 1および外輪 2の軌道面 laおよび 2aを含む全表面にショットブラストにより微小凹凸を形成したが内輪 1及び外輪 2の軌道面 laおよび 2aのみにショットブラストにより微小凹凸を形成し、その上に二酸化モリブデン皮膜を形成してもよいことはもちろんである。また、軌道輪の皮膜を省略することもある。

[0042] また、上記実施例においては玉 3の表面には、ショットブラストにより、微小凹凸を形成し、リン酸亜鉛カルシウム系皮膜 3aを形成し、更にその上に二酸ィ匕モリブデン皮膜 3bを形成した力ショットブラストを実施せず、リン酸亜鉛カルシウム系皮膜 3aを形成し、更にその上に二酸ィ匕モリブデン皮膜 3bを形成してもよい。この場合でも、単に二酸化モリブデン皮膜を形成した場合や、ショットブラストにより、微小凹凸を形成し、二酸化モリブデン皮膜を形成した場合よりも、二酸ィ匕モリブデンの密着性は向上し、耐磨耗性も向上することから、軸受の耐久性は向上する。

Claims

請求の範囲

[1] 磁気軸受により支持される回転体を有するターボ分子ポンプに用いられ、回転体の停止時もしくは回転異常時にのみ当該回転体に内輪もしくは外輪が接触してこの回転体を支持するタツチダウン軸受にお、て、

当該軸受を構成する各部材の、他部材に対する接触面のうち、少なくともいずれかの面に、リン酸亜鉛カルシウム系皮膜が形成され、更にその上に二硫ィ匕モリブデン皮膜が形成されて、ることを特徴とするタツチダウン軸受。

[2] 上記軸受を構成する各部材のうち、玉が高速度工具鋼であり、その表面にリン酸亜鉛カルシウム系皮膜が形成され、更にその上に二硫ィ匕モリブデン皮膜が形成されて

V、ることを特徴とする請求項 1に記載のタツチダウン軸受。

[3] 上記軸受を構成する各部材のうち、玉が軸受鋼であり、その表面にリン酸亜鉛カルシゥム系皮膜が形成され、更にその上に二硫ィ匕モリブデン皮膜が形成されていることを特徴とする請求項 1に記載のタツチダウン軸受。

[4] 上記高速度工具鋼は、 JIS規格 SKH4であることを特徴とする請求項 2に記載のタツチダウン軸受。

[5] 上記高速度工具鋼は、 AISI規格 M50であることを特徴とする請求項 2に記載のタツチダウン軸受。

[6] 請求項 1に記載のタツチダウン軸受が総玉タイプの玉軸受であることを特徴とするタツチダウン軸受。

[7] 上記軸受を構成する各部材のうち、内輪および Zまたは外輪が高速度工具鋼もしくは軸受鋼であり、その軌道面にリン酸亜鉛カルシウム系皮膜が形成され、更にその上に二硫ィ匕モリブデン皮膜が形成されて、ることを特徴とする請求項 1に記載のタツチダウン軸受。