(57)【要約】【課題】潤滑状態が悪く滑りを伴う条件下で他部材と接触する場合でも潤滑面での摩擦摩耗を防止し、長期耐久性に優れる複列自動調心ころ軸受、およびそれを備えた風力発電用主軸支持装置を提供する。【解決手段】複列自動調心ころ軸受５は、硬質膜１８が、内輪１１、外輪１２、およびころ１３ａ、１３ｂから選ばれる少なくとも一つの軸受部材の摺接面の上に直接成膜された下地層と、該下地層の上に成膜されたＷＣとＤＬＣとを主体とする混合層と、該混合層の上に成膜されたＤＬＣを主体とする表面層とからなる構造の膜であり、該硬質膜１８が他の軸受部材と境界潤滑で滑り接触する条件で使用され、混合層における水素含有量が１０原子％未満である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と外輪との間に、軸方向に並んで２列にころを介在させ、前記外輪の軌道面を球面状とし、前記ころの外周面を前記外輪の軌道面に沿う形状とした複列自動調心ころ軸受であって、
前記内輪、前記外輪、および前記ころが鉄系材料からなり、
硬質膜が、前記内輪、前記外輪、および前記ころから選ばれる少なくとも一つの軸受部材の摺接面の上に直接成膜された下地層と、該下地層の上に成膜されたタングステンカーバイトとダイヤモンドライクカーボンとを主体とする混合層と、該混合層の上に成膜されたダイヤモンドライクカーボンを主体とする表面層とからなる構造の膜であり、
前記複列自動調心ころ軸受は、前記硬質膜が他の軸受部材と境界潤滑で滑り接触する条件で使用される軸受であり、
前記混合層は、前記下地層側から前記表面層側へ向けて連続的または段階的に、該混合層中の前記タングステンカーバイトの含有率が小さくなり、該混合層中の前記ダイヤモンドライクカーボンの含有率が高くなる層であり、前記混合層における水素含有量が１０原子％未満であることを特徴とする複列自動調心ころ軸受。
【請求項２】
前記表面層は、前記混合層との隣接側に、前記混合層側から硬度が連続的または段階的に高くなる傾斜層部分を有することを特徴とする請求項１記載の複列自動調心ころ軸受。
【請求項３】
前記鉄系材料が、高炭素クロム軸受鋼、炭素鋼、工具鋼、または、マルテンサイト系ステンレス鋼であり、前記下地層が、クロムとタングステンカーバイトとを主体とする層であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の複列自動調心ころ軸受。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項記載の複列自動調心ころ軸受が、風力発電機のブレードが取付けられた主軸を支持する軸受であることを特徴とする複列自動調心ころ軸受。
【請求項５】
前記内輪は、該内輪の外周面において前記２列のころ間に設けられ、各列のころの軸方向内側の端面と滑り接触する中鍔と、前記内輪の外周面の両端にそれぞれ設けられ、各列のころの軸方向外側の端面と滑り接触する小鍔とを備え、
前記各列のころのうち、少なくとも一方の列のころの外周面に前記硬質膜が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項記載の複列自動調心ころ軸受。
【請求項６】
ブレードが取付けられた主軸を、ハウジングに設置された１個または複数の軸受によって支持する風力発電用主軸支持装置であって、
前記軸受のうち少なくとも一個が請求項１から請求項５までのいずれか１項記載の複列自動調心ころ軸受であり、該複列自動調心ころ軸受において、前記ブレードから遠い方の列の軸受部分を、近い方の軸受部分よりも負荷容量が大きいものとしたことを特徴とする風力発電用主軸支持装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高荷重が負荷される用途、例えば風力発電機の主軸を支持する軸受等に適用される複列自動調心ころ軸受、およびそれを備えた風力発電用主軸支持装置に関し、特に、ダイヤモンドライクカーボンを含む硬質膜を表面に形成した複列自動調心ころ軸受、およびそれを備えた風力発電用主軸支持装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
硬質カーボン膜は、一般にダイヤモンドライクカーボン（以下、ＤＬＣと記す。また、ＤＬＣを主体とする膜／層をＤＬＣ膜／層ともいう。）と呼ばれている硬質膜である。硬質カーボンはその他にも、硬質非晶質炭素、無定形炭素、硬質無定形型炭素、ｉ−カーボン、ダイヤモンド状炭素など、様々な呼称があるが、これらの用語は明確に区別されていない。
【０００３】
このような用語が用いられるＤＬＣの本質は、構造的にはダイヤモンドとグラファイトが混ざり合った両者の中間構造を有するものである。ダイヤモンドと同等に硬度が高く、耐摩耗性、固体潤滑性、熱伝導性、化学安定性、耐腐食性などに優れる。このため、例えば、金型・工具類、耐摩耗性機械部品、研磨材、摺動部材、磁気・光学部品などの保護膜として利用されつつある。こうしたＤＬＣ膜を形成する方法として、スパッタリング法やイオンプレーティング法などの物理的蒸着（以下、ＰＶＤと記す）法、化学的蒸着（以下、ＣＶＤと記す）法、アンバランスド・マグネトロン・スパッタリング（以下、ＵＢＭＳと記す）法などが採用されている。
【０００４】
ここで、大型の風力発電機における主軸用軸受には、図８に示すような大型の複列自動調心ころ軸受５４が用いられることが多い。主軸５３は、ブレード５２が取付けられた軸であり、風力を受けることによって回転し、その回転を増速機（図示せず）で増速して発電機を回転させ、発電する。風を受けて発電している際に、ブレード５２を支える主軸５３は、ブレード５２にかかる風力による軸方向荷重（軸受スラスト荷重）と、径方向荷重（軸受ラジアル荷重）が負荷される。複列自動調心ころ軸受５４は、ラジアル荷重とスラスト荷重を同時に負荷することができ、かつ調心性を持つため、軸受ハウジング５１の精度誤差や、取付誤差による主軸５３の傾きを吸収でき、かつ運転中の主軸５３の撓みを吸収できる。そのため、風力発電用機主軸用軸受に適した軸受であり、利用されている（例えば、非特許文献１）。 
【０００５】
一方、転がり軸受の軌道輪の軌道面、転動体の転動面、保持器摺接面などに対し、ＤＬＣ膜を形成する試みがなされている。ＤＬＣ膜は、膜形成時に極めて大きな内部応力が発生し、また高い硬度およびヤング率を持つ反面、変形能が極めて小さいことから、基材との密着性が弱く、剥離しやすいなどの欠点を持っている。このため、転がり軸受における上記各面にＤＬＣ膜を成膜する場合には、密着性を改善する必要性がある。
【０００６】
例えば、中間層を設けてＤＬＣ膜の密着性改善を図ったものとして、鉄鋼材料で形成された軌道溝や転動体の転動面に、クロム（以下、Ｃｒと記す）、タングステン（以下、Ｗと記す）、チタン（以下、Ｔｉと記す）、珪素（以下、Ｓｉと記す）、ニッケル、および鉄の少なくともいずれかの元素を含む組成の下地層と、この下地層の構成元素と炭素とを含有し、炭素の含有率が下地層の反対側で下地層側より大きい中間層と、アルゴンと炭素とからなりアルゴンの含有率が０．０２質量％以上５質量％以下であるＤＬＣ層とが、この順に形成されてなる転動装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００７】
また、アンカー効果によりＤＬＣ膜の密着性改善を図ったものとして、軌道面にイオン衝撃処理により１０〜１００ｎｍの高さで平均幅３００ｎｍ以下の凹凸を形成し、この軌道面上にＤＬＣ膜を形成した転がり軸受が提案されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第４１７８８２６号公報
【特許文献２】特許第３９６１７３９号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】ＮＴＮ社カタログ「新世代風車用軸受」Ａ６５．ＣＡＴ．Ｎｏ．８４０４/０４/ＪＥ、２００３年５月１日発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、図８に示すように、風力発電用の主軸を支持する複列自動調心ころ軸受においては、ラジアル荷重に比べてスラスト荷重が大きく、複列のころ５７、５８のうち、スラスト荷重を受ける列のころ５８が、もっぱらラジアル荷重とスラスト荷重を同時に負荷することになる。そのため、転がり疲労寿命が短くなる。また、スラスト荷重が負荷されることから、鍔で滑り運動が起こり摩耗を生じると言う問題があった。加えて、反対側の列では軽負荷となり、ころ５７が内外輪５５、５６の軌道面５５ａ、５６ａで滑りを生じ、表面損傷や摩耗を生じるという問題がある。そのため、軸受サイズが大きなものを用いることで対処されるが、軽負荷側では余裕が大きくなり過ぎて、不経済である。また、無人で運転されたり、ブレード５２が大型となるために高所に設置される風力発電機主軸用軸受では、メンテナンスフリー化が望まれる。
【００１１】
また、転がり滑り運動において発生する高い接触面圧下ではフレーキングの防止は容易でなく、特に滑り摩擦により強いせん断力が発生し得るような潤滑・運転条件においてはより困難となる。複列自動調心ころ軸受、特に風力発電用の主軸を支持する複列自動調心ころ軸受においてＤＬＣ膜の適用が検討される摺動面は、潤滑状態が悪く、滑りを伴うといった状況であることが多く、一般的な転がり軸受における運転状況より厳しい場合が多い。
【００１２】
上記した各特許文献の技術は、硬質膜の剥離防止などを図ったものであるが、風力発電用主軸支持装置について、使用条件に応じた要求特性を満足させるべく、ＤＬＣ膜を適用する際の膜構造や成膜条件には更なる改善の余地がある。
【００１３】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、潤滑状態が悪く滑りを伴う条件下で他部材と接触する場合でも潤滑面での摩擦摩耗を防止し、長期耐久性に優れる複列自動調心ころ軸受、およびそれを備えた風力発電用主軸支持装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の複列自動調心ころ軸受は、内輪と外輪との間に、軸方向に並んで２列にころを介在させ、上記外輪の軌道面を球面状とし、上記ころの外周面を上記外輪の軌道面に沿う形状とした複列自動調心ころ軸受であって、上記内輪、上記外輪、および上記ころが鉄系材料からなり、硬質膜は、上記内輪、上記外輪、および上記ころから選ばれる少なくとも一つの軸受部材の摺接面の上に直接成膜された下地層と、該下地層の上に成膜されたタングステンカーバイト（以下、ＷＣと記す）とＤＬＣとを主体とする混合層と、該混合層の上に成膜されたＤＬＣを主体とする表面層とからなる構造の膜であり、上記複列自動調心ころ軸受は、上記硬質膜が他の軸受部材と境界潤滑で滑り接触する条件で使用される軸受であり、上記混合層は、上記下地層側から上記表面層側へ向けて連続的または段階的に、該混合層中の上記ＷＣの含有率が小さくなり、該混合層中の上記ＤＬＣの含有率が高くなる層であり、上記混合層における水素含有量が１０原子％未満であることを特徴とする。
【００１５】
上記表面層は、上記混合層との隣接側に、上記混合層側から硬度が連続的または段階的に高くなる傾斜層部分を有することを特徴とする。
【００１６】
上記鉄系材料が、高炭素クロム軸受鋼、炭素鋼、工具鋼、または、マルテンサイト系ステンレス鋼であり、上記下地層が、ＣｒとＷＣとを主体とする層であることを特徴とする。
【００１７】
本発明の複列自動調心ころ軸受が、風力発電機のブレードが取付けられた主軸を支持する軸受であることを特徴とする。
【００１８】
上記内輪は、該内輪の外周面において上記２列のころ間に設けられ、各列のころの軸方向内側の端面と滑り接触する中鍔と、上記内輪の外周面の両端にそれぞれ設けられ、各列のころの軸方向外側の端面と滑り接触する小鍔とを備え、上記各列のころのうち、少なくとも一方の列のころの外周面に上記硬質膜が形成されていることを特徴とする。
【００１９】
本発明の風力発電用主軸支持装置は、ブレードが取付けられた主軸を、ハウジングに設置された１個または複数の軸受によって支持する風力発電用主軸支持装置であって、上記軸受のうち少なくとも一個が本発明の複列自動調心ころ軸受であり、該複列自動調心ころ軸受において、上記ブレードから遠い方の列の軸受部分を、近い方の軸受部分よりも負荷容量が大きいものとしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の複列自動調心ころ軸受は、内輪、外輪、およびころから選ばれる少なくとも一つの軸受部材の摺接面に、ＤＬＣを含む所定の膜構造を有する硬質膜が成膜されてなる。中間層がＷＣとＤＬＣの混合層（ＷＣ／ＤＬＣ）であり、傾斜組成とされているので、成膜後の残留応力の集中が発生し難い。これに加えて、この混合層における水素含有量が１０原子％未満であるので、潤滑状態が悪く滑りを伴う条件下で他部材と接触する場合でも硬質膜の耐剥離性に優れる。
【００２１】
上記構造により、該硬質膜は、例えば、内・外輪軌道面やころの転動面に形成されながら耐剥離性に優れ、ＤＬＣ本来の特性を発揮できる。この結果、本発明の複列自動調心ころ軸受は、耐焼き付き性、耐摩耗性、および耐腐食性に優れ、苛酷な潤滑状態でも軌道面などの損傷が少なく長寿命となる。
【００２２】
風力発電用の主軸を支持する軸受は、潤滑状態が悪く滑りを伴う条件下で使用される。本発明の複列自動調心ころ軸受は、風力発電機のブレードが取付けられた主軸を支持する軸受であるので、上記条件であっても硬質膜の耐剥離性に優れ、軸受の長寿命となり、メンテナンスフリー化にも寄与する。また、内輪は、該内輪の外周面に中鍔と各小鍔とを備え、各小鍔のうち一方の小鍔に硬質膜が形成されているので、２列のころのうち一方の列のころに、より大きなスラスト荷重がかかる風力発電機主軸用軸受の特有の使用状態に適している。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の風力発電用主軸支持装置を含む風力発電機全体の模式図である。
【図２】本発明の風力発電用主軸支持装置を示す図である。
【図３】本発明の複列自動調心ころ軸受の模式断面図である。
【図４】硬質膜の構造を示す模式断面図である。
【図５】ＵＢＭＳ法の成膜原理を示す模式図である。
【図６】ＵＢＭＳ装置の模式図である。
【図７】２円筒試験機の模式図である。
【図８】従来の風力発電機における主軸支持用の軸受を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
ＤＬＣ膜などの硬質膜は膜内に残留応力があり、残留応力は膜構造や成膜条件の影響を受け大きく異なり、その結果、耐剥離性にも大きな影響を及ぼす。また、耐剥離性は硬質膜が使用される条件によっても変化する。本発明者らは、２円筒試験などにより、潤滑状態が悪い場合（境界潤滑条件）において転がり滑り接触するような条件下での検証を重ねた結果、該条件下で使用される複列自動調心ころ軸受の軸受部材の表面に形成する硬質膜について、その膜構造を限定するとともに、特に水素含有量を所定範囲内とすることで、該条件での耐剥離性の向上が図れることを見出した。本発明はこのような知見に基づきなされたものである。
【００２５】
本発明の風力発電用主軸支持装置を図１および図２に基づいて説明する。図１は風力発電用主軸支持装置を含む風力発電機全体の模式図であり、図２は図１の風力発電用主軸支持装置を示す図である。図１に示すように、風力発電機１は、風車となるブレード２が取付けられた主軸３を、ナセル４内に設置された複列自動調心ころ軸受５（以下、単に軸受５とも言う。）により回転自在に支持し、さらにナセル４内に増速機６および発電機７を設置したものである。増速機６は、主軸３の回転を増速して発電機７の入力軸に伝達するものである。ナセル４は、支持台８上に旋回座軸受１７を介して旋回自在に設置され、旋回用のモータ９（図２参照）の駆動により、減速機１０（図２参照）を介して旋回させられる。ナセル４の旋回は、風向きにブレード２の方向を対向させるために行われる。主軸支持用の軸受５は、図２の例では２個設けられているが、１個であってもよい。
【００２６】
図３は、風力発電機の主軸を支持する複列自動調心ころ軸受５を示す。この軸受５は、一対の軌道輪となる内輪１１および外輪１２と、これら内外輪１１ 、１２間に介在した複数のころ１３とを有する。複数のころは、軸受の軸方向に２列に並んで介在し、図３では、ブレードに近い方の列（左列）のころが１３ａ、ブレードから遠い方の列（右列）のころが１３ｂとなっている。軸受５は、スラスト負荷が可能なラジアル軸受である。軸受５の外輪１２は軌道面１２ａが球面状とされ、各ころは外周面が外輪軌道面１２ａに沿う球面形状のころとされている。内輪１１は、左右各列のころ１３ａ、１３ｂの外周面に沿う断面形状の複列の軌道面１１ａが形成されている。内輪１１の外周面の両端には、小鍔１１ｂ、１１ｃがそれぞれ設けられている。内輪１１の外周面の中央部、すなわち左列のころ１３ａと右列のころ１３ｂ間には、中鍔１１ｄが設けられている。ころ１３ａ、１３ｂは、各列毎に保持器１４で保持されている。
【００２７】
上記構成において、各ころ１３ａ、１３ｂの外周面は、内輪軌道面１１ａと外輪軌道面１２ａとの間で転がり接触する。また、ころ１３ａの軸方向内側の端面は、中鍔１１ｄの軸方向一方の端面との間で滑り接触し、ころ１３ａの軸方向外側の端面は、小鍔１１ｂの内側端面との間で滑り接触する。また、ころ１３ｂの軸方向内側の端面は、中鍔１１ｄの軸方向他方の端面との間で滑り接触し、ころ１３ｂの軸方向外側の端面は、小鍔１１ｃの内側端面との間で滑り接触する。これらの摩擦を低減するためにグリースが封入されている。グリースとしては、転がり軸受用の公知のグリースを使用できる。
【００２８】
図３において、外輪１２は軸受ハウジング１５の内径面に嵌合して設置され、内輪１１は主軸３の外周に嵌合して主軸３を支持している。軸受ハウジング１５は、軸受５の両端を覆う側壁部１５ａを有し、各側壁部１５ａと主軸３との間にラビリンスシール等のシール１６が構成されている。軸受ハウジング１５で密封性が得られるため、軸受５にはシール無しのものが用いられている。軸受５は、本発明の実施形態にかかる風力発電機主軸用軸受となるものである。
【００２９】
本発明の複列自動調心ころ軸受は、ころと他部材間で（特に、境界潤滑条件下で）転がり滑り接触する表面に所定構造の硬質膜が形成されていることを特徴とする。そのため、潤滑状態が悪く滑りを伴う条件下で他部材と接触する場合でも該硬質膜の耐剥離性に優れる。その結果、硬質膜本来の特性を発揮でき、耐焼き付き性、耐摩耗性、耐腐食性にも優れ、複列自動調心ころ軸受の金属接触に起因する損傷などを防止できる。
【００３０】
硬質膜の形成箇所について以下に説明する。図３の形態の軸受５では、軸受部材である内輪１１の外周面に硬質膜１８が形成されている。内輪１１の外周面は、軌道面１１ａ、中鍔１１ｄの軸方向両端面、小鍔１１ｂの内側端面、小鍔１１ｃの内側端面を含む。図３の形態では、内輪１１の外周面全体に硬質膜１８が形成されており、ころ１３ａ、１３ｂと転がり滑り接触しない面にも硬質膜１８が形成されている。硬質膜１８を形成する内輪１１の箇所は、境界潤滑条件下でころと滑り接触する表面に形成されいれば、図３の形態に限らない。例えば、各ころ１３ａ、１３ｂと滑り接触する、中鍔１１ｄの軸方向両端面や、小鍔１１ｂの内側端面、小鍔１１ｃの内側端面のうち、少なくともいずれかの端面に硬質膜を形成してもよい。
【００３１】
また、上述したように、風力発電機主軸用軸受として自動調心ころ軸受では、ブレードから遠い方の列のころ（ころ１３ｂ）の方がブレードに近い方の列のころ（ころ１３ａ）に比べて、大きなスラスト荷重を受ける。この場合、ころ１３ｂと滑り接触する箇所では、特に境界潤滑となりやすい。そのため、軸方向に並ぶ２列のころに互いに大きさが異なる荷重が作用することを考慮して、小鍔１１ｂ、１１ｃのうち小鍔１１ｃの内側端面にのみ硬質膜を形成してもよい。
【００３２】
本発明の複列自動調心ころ軸受では、他の軸受部材と境界潤滑（低ラムダ条件）で滑り接触（特に、転がり滑り接触）する条件となる表面に硬質膜を形成している。ころは 内外輪との間で転がりつつ滑りも生じている。図３に示す硬質膜は、このような条件下で使用されるものである。また、該硬質膜の形成箇所は、図３に示す箇所に限定されず、上記条件となるような、内輪、外輪、およびころから選ばれる少なくとも一つの軸受部材の任意の表面に形成することができる。
【００３３】
図３の形態では、内輪１１の外周面に硬質膜１８を形成したが、これに代えてまたは加えて、外輪１２や、各ころ１３ａ、１３ｂの表面に硬質膜１８を形成してもよい。外輪１２に硬質膜を形成する構成では、外輪１２の内周面（外輪軌道面１２ａを含む）に硬質膜を形成するとよい。また、各ころ１３ａ、１３ｂの表面に硬質膜を形成する構成では、各ころ１３ａ、１３ｂの両端面に硬質膜を形成するとよい。また、ころにかかる荷重の違いを考慮して、ころ１３ｂの両端面にのみ硬質膜を形成する構成としてもよい。また、各ころ１３ａ、１３ｂの外周面に硬質膜を形成する構成としてもよい。例えば、各列のころのうち、少なくとも一方の列のころの外周面に硬質膜を形成する構成としてもよい。
【００３４】
複列自動調心ころ軸受において、硬質膜の成膜対象となる軸受部材である内輪、外輪、ころは、鉄系材料からなる。鉄系材料としては、軸受部材として一般的に用いられる任意の鋼材などを使用でき、例えば、高炭素クロム軸受鋼、炭素鋼、工具鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼などが挙げられる。
【００３５】
これらの軸受部材において、硬質膜が形成される面の硬さが、ビッカーズ硬さでＨｖ６５０以上であることが好ましい。Ｈｖ６５０以上とすることで、硬質膜（下地層）との硬度差を少なくし、密着性を向上させることができる。
【００３６】
硬質膜が形成される面において、硬質膜形成前に、窒化処理により窒化層が形成されていることが好ましい。窒化処理としては、基材表面に密着性を妨げる酸化層が生じ難いプラズマ窒化処理を施すことが好ましい。また、窒化処理後の表面の硬さがビッカーズ硬さでＨｖ１０００以上であることが、硬質膜（下地層）との密着性をさらに向上させるために好ましい。
【００３７】
硬質膜が形成される面の表面粗さＲａは、０．０５μｍ以下であることが好ましい。表面粗さＲａが０．０５μｍをこえると、粗さの突起先端に硬質膜が形成され難くなり、局所的に膜厚が小さくなる。
【００３８】
硬質膜の構造を図４に基づいて説明する。図４は、硬質膜１８の構造を示す模式断面図である。図４に示すように、硬質膜１８は、（１）内輪１１の内輪軌道面１１ａ上に直接成膜される下地層１８ａと、（２）下地層１８ａの上に成膜されるＷＣとＤＬＣとを主体とする混合層１８ｂと、（３）混合層１８ｂの上に成膜されるＤＬＣを主体とする表面層１８ｃとからなる３層構造を有する。本発明では、硬質膜の膜構造を上記のような３層構造とすることで、急激な物性（硬度・弾性率等）変化を避けるようにしている。
【００３９】
下地層１８ａは、基材となる各軸受部材の表面に直接成膜される下地層である。材質や構造は、基材との密着性を確保できるものであれば特に限定されず、例えば材質としてＣｒ、Ｗ、Ｔｉ、Ｓｉなどが使用できる。これらの中でも、基材となる軸受部材（例えば高炭素クロム軸受鋼）との密着性に優れることから、Ｃｒを含むことが好ましい。 
【００４０】
また、下地層１８ａは、混合層１８ｂとの密着性も考慮して、ＣｒとＷＣとを主体とする層であることが好ましい。ＷＣは、ＣｒとＤＬＣとの中間的な硬さや弾性率を有し、成膜後の残留応力の集中が発生し難い。特に、内輪１１側から混合層１８ｂ側に向けてＣｒの含有率が小さく、かつ、ＷＣの含有率が高くなる傾斜組成とすることが好ましい。これにより、内輪１１と混合層１８ｂとの両面での密着性に優れる。
【００４１】
混合層１８ｂは、下地層と表面層との間に介在する中間層となる。混合層１８ｂに用いるＷＣは、上述のように、ＣｒとＤＬＣとの中間的な硬さや弾性率を有し、成膜後の残留応力の集中も発生し難い。混合層１８ｂが、下地層１８ａ側から表面層１８ｃ側に向けてＷＣの含有率が小さく、かつ、ＤＬＣの含有率が高くなる傾斜組成であるので、下地層１８ａと表面層１８ｃとの両面での密着性に優れる。また、該混合層内において、ＷＣとＤＬＣとが物理的に結合する構造となっており、該混合層内での破損などを防止できる。さらに、表面層１８ｃ側ではＤＬＣ含有率が高められているので、表面層１８ｃと混合層１８ｂとの密着性に優れる。
【００４２】
混合層１８ｂは、非粘着性の高いＤＬＣをＷＣによって下地層１８ａ側にアンカー効果で結合させる層である。後述の実施例に示すように、潤滑状態が悪く滑りを伴う条件下で他部材と接触する場合において耐剥離性を向上させるには、混合層中の水素含有量をある程度少なくすることが重要となる。
【００４３】
混合層における水素含有量は、１０原子％未満とする。この範囲とすることで、境界潤滑で転がり滑り接触する条件下でも硬質膜の剥離を防止できる。混合層の水素含有量が１０原子％をこえる場合、中間層となる混合層中に比較的軟質なＤＬＣが存在することとなり、上記のような条件下では剥離しやすくなるおそれがある。また、転がり接触時の疲労特性を向上させるため、ＤＬＣ用の炭素供給源として炭化水素系ガスは併用して水素を僅かに含有させつつ上記範囲内とすることが好ましい。
【００４４】
ここで、本発明における「混合層における水素含有量（原子％）」は、公知の分析法により算出できる。例えば、ＧＤＳ分析（グロー放電発光分光分析）で求めることができる。ＧＤＳ分析は深さ方向と元素量の関係を調べることができる分析であり、各元素の検量線を用意すれば定量が可能である。水素量検量線は、水素の絶対量測定が可能なＥＲＤＡ分析（弾性反跳粒子検出法）を用いて作成できる。ＧＤＳ分析における水素量出力値は、試験片材質の違いによって異なるため、混合層（ＷＣ／ＤＬＣ）を構成しているＤＬＣとＷＣそれぞれについて水素量検量線を作成する必要がある。ＤＬＣ単層膜試験片およびＷＣ単層膜試験片について、混合層（ＷＣ／ＤＬＣ）の成膜条件に合わせた条件で炭化水素系ガス導入量を調整することで水素含有量の異なる試験片を作製し、ＥＲＤＡ分析とＧＤＳ分析を行ない、ＧＤＳ分析における水素量出力値とＥＲＤＡ分析で測定した水素量（原子％）の関係（検量線）を調べる。上記ＤＬＣ水素量検量線で求めた水素含有量と、上記ＷＣ水素量検量線で求めた水素含有量とは異なるため、これら両方の検量線で求めた水素含有量の平均をとることで、任意の水素量出力値に対応する水素含有量（原子％）が算出できる。
【００４５】
表面層１８ｃは、ＤＬＣを主体とする膜である。表面層１８ｃにおいて、混合層１８ｂとの隣接側に、緩和層部分１８ｄを有することが好ましい。これは、混合層１８ｂと表面層１８ｃとで成膜条件パラメータ（炭化水素系ガス導入量、真空度、バイアス電圧）が異なる場合、これらパラメータの急激な変化を避けるために、該パラメータの少なくとも１つを連続的または段階的に変化させることで得られる緩和層部分である。より詳細には、混合層１８ｂの最表層形成時の成膜条件パラメータを始点とし、表面層１８ｃの最終的な成膜条件パラメータを終点として、各パラメータをこの範囲内で連続的または段階的に変化させる。これにより、混合層１８ｂと表面層１８ｃとの急激な物性（硬度・弾性率等）の差がなくなり、混合層１８ｂと表面層１８ｃとの密着性がさらに優れる。なお、バイアス電圧を連続的または段階的に上昇させることで、ＤＬＣ構造におけるグラファイト構造（ｓｐ２）とダイヤモンド構造（ｓｐ３）との構成比率が後者に偏っていき、硬度が傾斜（上昇）する。
【００４６】
硬質膜１８の膜厚（３層の合計）は０．５〜３．０μｍとすることが好ましい。膜厚が０．５μｍ未満であれば、耐摩耗性および機械的強度に劣る場合があり、３．０μｍをこえると剥離し易くなる。さらに、該硬質膜１８の膜厚に占める表面層１８ｃの厚さの割合が０．８以下であることが好ましい。この割合が０．８をこえると、混合層１８ｂにおけるＷＣとＤＬＣの物理結合するための傾斜組織が不連続な組織となりやすく、密着性が劣化するおそれがある。
【００４７】
硬質膜１８を以上のような組成の下地層１８ａ、混合層１８ｂ、表面層１８ｃからなる３層構造とすることで、耐剥離性に優れる。
【００４８】
本発明の複列自動調心ころ軸受において、以上のような構造・物性の硬質膜を形成することで、軸受使用時に転がり滑り接触などの負荷を受けた場合でも、該膜の摩耗や剥離を防止でき、苛酷な潤滑状態でも軌道面などの損傷が少なく長寿命となる。また、グリースを封入した転がり軸受において、軌道輪などの損傷により金属新生面が露出すると、触媒作用によりグリース劣化を促進させるが、本発明の複列自動調心ころ軸受では、硬質膜により金属接触による軌道面や転動面の損傷を防止できるので、このグリース劣化も防止できる。
【００４９】
以下、本発明の硬質膜を形成する方法について説明する。上記硬質膜は、軸受部材の成膜面に対して、下地層１８ａ、混合層１８ｂ、表面層１８ｃをこの順に成膜して得られる。
【００５０】
表面層１８ｃの形成は、スパッタリングガスとしてＡｒガスを用いたＵＢＭＳ装置を使用してなされることが好ましい。ＵＢＭＳ装置を用いたＵＢＭＳ法の成膜原理を図５に示す模式図を用いて説明する。図中において、基材２２は、成膜対象の軸受部材である内輪、外輪、またはころであるが、模式的に平板で示してある。図５に示すように、丸形ターゲット２５の中心部と周辺部で異なる磁気特性を有する内側磁石２４ａ、外側磁石２４ｂが配置され、ターゲット２５付近で高密度プラズマ２９を形成しつつ、磁石２４ａ、２４ｂにより発生する磁力線２６の一部２６ａがバイアス電源２１に接続された基材２２近傍まで達するようにしたものである。この磁力線２６ａに沿ってスパッタリング時に発生したＡｒプラズマが基材２２付近まで拡散する効果が得られる。このようなＵＢＭＳ法では、基材２２付近まで達する磁力線２６ａに沿って、Ａｒイオン２７および電子が、通常のスパッタリングに比べてイオン化されたターゲット２８をより多く基材２２に到達させるイオンアシスト効果によって、緻密な膜（層）２３を成膜できる。
【００５１】
表面層１８ｃは、この装置を利用して、炭素供給源として黒鉛ターゲットと炭化水素系ガスとを併用し、Ａｒガスの上記装置内への導入量１００に対する上記炭化水素系ガスの導入量の割合を１〜１０とし、炭素供給源から生じる炭素原子を混合層１８ｂ上に堆積させて成膜されたものとすることが好ましい。また、併せて、装置内の真空度を０．２〜０．８Ｐａとすることが好ましい。この好適条件について以下に説明する。
【００５２】
炭素供給源として黒鉛ターゲットと炭化水素系ガスとを併用することで、ＤＬＣ膜の硬度および弾性率を調整できる。炭化水素系ガスとしては、メタンガス、アセチレンガス、ベンゼンなどが使用でき、特に限定されないが、コストおよび取り扱い性の点からメタンガスが好ましい。炭化水素系ガスの導入量の割合を、ＡｒガスのＵＢＭＳ装置内（成膜チャンバー内）への導入量１００（体積部）に対して１〜１０（体積部）とすることで、表面層１８ｃの耐摩耗性などを悪化させずに、混合層１８ｂとの密着性の向上が図れる。
【００５３】
ＵＢＭＳ装置内（成膜チャンバー内）の真空度は上記のとおり０．２〜０．８Ｐａであることが好ましい。より好ましくは、０．２５〜０．８Ｐａである。真空度が０．２Ｐａ未満であると、チャンバー内のＡｒガス量が少ないため、Ａｒプラズマが発生せず、成膜できない場合がある。また、真空度が０．８Ｐａより高いと、逆スパッタ現象が起こり易くなり、耐摩耗性が悪化するおそれがある。
【００５４】
基材となる軸受部材に印加するバイアス電圧は５０〜１５０Ｖであることが好ましい。なお、基材に対するバイアスの電位は、アース電位に対してマイナスとなるように印加しており、例えば、バイアス電圧１００Ｖとは、アース電位に対して基材のバイアス電位が−１００Ｖであることを示す。
【００５５】
下地層１８ａおよび混合層１８ｂの形成も、上記のスパッタリングガスとしてＡｒガスを用いたＵＢＭＳ装置を使用してなされることが好ましい。下地層１８ａがＣｒとＷＣとを主体とする層である場合は、ターゲット２５としてＣｒターゲットおよびＷＣターゲットを併用する。また、混合層１８ｂを形成する際には、（１）ＷＣターゲット、および、（２）黒鉛ターゲットと必要に応じて炭化水素系ガスを用いる。
【００５６】
下地層１８ａにおいて、上述のようなＣｒとＷＣの傾斜組成とする場合は、連続的または段階的に、ＷＣターゲットに印加するスパッタ電力を上げながら、かつ、Ｃｒターゲットに印加する電力を下げながら成膜する。これにより混合層１８ｂ側に向けてＣｒの含有率が小さく、かつ、ＷＣの含有率が高くなる構造の層とできる。
【００５７】
混合層１８ｂは、連続的または段階的に、炭素供給源となる黒鉛ターゲットに印加するスパッタ電力を上げながら、かつ、ＷＣターゲットに印加する電力を下げながら成膜する。これにより表面層１８ｃ側に向けてＷＣの含有率が小さく、かつ、ＤＬＣの含有率が高くなる傾斜組成の層とできる。
【００５８】
混合層１８ｂ中の水素含有量を上記範囲（１０原子％未満）とするため、炭素供給源として黒鉛ターゲットを単独か、黒鉛ターゲットと炭化水素系ガスとを併用して該炭化水素系ガスの導入量の割合を少なくする。具体的には、黒鉛ターゲットと炭化水素系ガスとを併用する場合、炭化水素系ガスの導入量の割合を、ＡｒガスのＵＢＭＳ装置内（成膜チャンバー内）への導入量１００（体積部）に対し２．５（体積部）未満とする。好ましくは０．５〜２（体積部）であり、より好ましくは１〜１．６（体積部）である。
【００５９】
混合層１８ｂの成膜時におけるＵＢＭＳ装置内（成膜チャンバー内）の真空度は０．２〜１．２Ｐａであることが好ましい。また、基材となる軸受部材に印加するバイアス電圧は２０〜１００Ｖであることが好ましい。このような範囲とすることで、耐剥離性の向上が図れる。
【実施例】
【００６０】
本発明の転がり軸受に形成する硬質膜として、所定の基材に対して硬質膜を形成し、該硬質膜の物性に関する評価した。また、２円筒試験機を用いた転がり滑り試験にて耐剥離性の評価を行なった。
【００６１】
硬質膜の評価用に用いた試験片、ＵＢＭＳ装置、およびスパッタリングガスなどは以下のとおりである。
（１）試験片物性：ＳＵＪ２  焼き入れ焼き戻し品  硬さ７８０Ｈｖ
（２）試験片：鏡面研磨された（０．０２μｍＲａ）ＳＵＪ２リング（φ４０×Ｌ１２副曲率なし）の摺動表面に対して各条件にてＤＬＣ膜を成膜したもの
（３）相手材：研削仕上げ（０．７μｍＲａ）ＳＵＪ２リング（φ４０×Ｌ１２副曲率６０）
（４）ＵＢＭＳ装置：神戸製鋼所製；ＵＢＭＳ２０２
（５）スパッタリングガス：Ａｒガス
【００６２】
下地層の形成条件を以下に説明する。成膜チャンバー内を５×１０−３Ｐａ程度まで真空引きし、ヒータで基材となる試験片をベーキングして、Ａｒプラズマにて基材表面をエッチング後、ＵＢＭＳ法にてＣｒターゲットとＷＣターゲットに印加するスパッタ電力を調整し、ＣｒとＷＣの組成比を傾斜させ、基材側でＣｒが多く表面側でＷＣが多いＣｒ／ＷＣ傾斜層を形成した。
【００６３】
混合層の形成条件を以下に説明する。下地層と同様にＵＢＭＳ法にて成膜した。ここで、該混合層については、炭化水素系ガスであるメタンガスを供給しながら、ＷＣターゲットと黒鉛ターゲットに印加するスパッタ電力を調整し、ＷＣとＤＬＣの組成比を傾斜させ、下地層側でＷＣが多く表面層側でＤＬＣが多いＷＣ／ＤＬＣ傾斜層を形成した。混合層の具体的な成膜条件を表１に示す。なお、混合層における水素含有量（原子％）は、ＧＤＳ分析（グロー放電発光分光分析）により上述の方法で求めた。結果を表１に併記する。
【００６４】
表面層の形成条件は、各表に示すとおりである。
【００６５】
図６はＵＢＭＳ装置の模式図である。図６に示すように、円盤３０上に配置された基材３１に対し、スパッタ蒸発源材料（ターゲット）３２を非平衡な磁場により、基材３１近傍のプラズマ密度を上げてイオンアシスト効果を増大すること（図５参照）によって、基材上に堆積する被膜の特性を制御できるＵＢＭＳ機能を備える装置である。この装置により、基材上に、複数のＵＢＭＳ被膜（組成傾斜を含む）を任意に組合せた複合被膜を成膜することができる。この実施例では、基材とするリングに、下地層、混合層、表面層をＵＢＭＳ被膜として成膜している。
【００６６】
実施例１〜３、比較例１〜５
表１に示す基材をアセトンで超音波洗浄した後、乾燥した。乾燥後、これをＵＢＭＳ装置に取り付け、上述の形成条件にて下地層および混合層を形成した。その上に、表１に示す成膜条件にて表面層であるＤＬＣ膜を成膜し、硬質膜を有する試験片を得た。なお、表１における「真空度」は上記装置における成膜チャンバー内の真空度である。得られた試験片を下記に示す２円筒試験機を用いた転がり滑り試験に供した。結果を表１に併記する。
【００６７】
＜２円筒試験機による転がり滑り試験＞
得られた試験片について図７に示す２円筒試験機を用いて転がり滑りによる耐剥離性の試験を行なった。この２円筒試験機は、駆動側試験片３３と転がり滑り接触する従動側試験片３４とを備え、それぞれの試験片（リング）は支持軸受３６で支持されており、負荷用バネ３７により荷重が負荷されている。また、図中の３５は駆動用プーリ、３８は非接触回転計である。硬質膜の剥離を助長するために相手材粗さを大きくし、潤滑油粘度を下げ境界潤滑とし、回転差をつけて滑りを発生させ、硬質膜の剥離が発生するまでの時間（ｈ）を剥離寿命として評価を行った。具体的な試験条件は以下のとおりである。
（試験条件）
潤滑油：ＶＧ１．５相当油(添加剤含有)    滴下給油
油温：４０〜５０℃
最大接触面圧：２．７ＧＰａ
回転数：（試験片側）２７０ ｍｉｎ−１
（相手材側）３００ ｍｉｎ−１
相対滑り速度：０．０６ ｍ／ｓ
油膜パラメータ：０．００６
打ち切り時間：４８ｈ
【００６８】
【表１】
2020034064.tif 000003
【００６９】
各実施例と各比較例は、使用する基材および表面層の成膜条件が同一であり、表面層の硬度は平均値で約２９ＧＰａである。表１に示すように、混合層を形成する際の水素含有量を変化させた場合、水素含有量が高い場合において２円筒転がり滑り試験における剥離寿命が短い傾向があり、水素含有量が１０．８原子％の時点で劇的に短寿命となった。混合層内の水素含有量の高い比較的軟質なＤＬＣの存在が硬質膜の耐剥離性に悪影響を及ぼしていると考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
複列自動調心ころ軸受が使用される条件では、高荷重下、該軸受の摺動面・転動面は潤滑が希薄または滑り速度が速いなど苛酷な潤滑状態であることが多い。本発明の複列自動調心ころ軸受は、例えば、内・外輪軌道面やころの転動面にＤＬＣ膜が形成され、苛酷な潤滑状態で運転した場合においてもこのＤＬＣ膜の耐剥離性に優れ、ＤＬＣ本体の特性を発揮できるので、耐焼き付き性、耐摩耗性、および耐腐食性に優れる。特に、本発明の複列自動調心ころ軸受は、風力発電機の主軸を支持する軸受として好適に使用される。
【符号の説明】
【００７１】
１    風力発電機
２    ブレード
３    主軸
４    ナセル
５    複列自動調心ころ軸受（軸受）
６    増速機
７    発電機
８    支持台
９    モータ
１０  減速機
１１  内輪
１２  外輪
１３  ころ
１４  保持器
１５  軸受ハウジング
１６  シール
１７  旋回座軸受
１８  硬質膜
２１  バイアス電源
２２  基材
２３  膜（層）
２５  ターゲット
２６  磁力線
２７  Ａｒイオン
２８  イオン化されたターゲット
２９  高密度プラズマ
３０  円盤
３１  基材
３２  スパッタ蒸発源材料（ターゲット）
３３  駆動側試験片
３４  従動側試験片
３５  駆動用プーリ
３６  支持軸受
３７  負荷用バネ
３８  非接触回転計
【図１】
2020034064.tif 000004
【図２】
2020034064.tif 000005
【図３】
2020034064.tif 000006
【図４】
2020034064.tif 000007
【図５】
2020034064.tif 000008
【図６】
2020034064.tif 000009
【図７】
2020034064.tif 000010
【図８】
2020034064.tif 000011