(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と外輪とを複数の転動体を介して相対回転自在に設けるとともに、前記複数の転動体に対して保持器を用いない形態の転がり軸受であって、前記内輪および外輪の表面全体にふっ素系合成樹脂からなる固体膜が形成されていて、前記内輪および外輪の少なくとも軌道における前記固体膜に微量の低蒸気圧のグリースが付着されているとともに、
前記転動体がセラミックスからなる玉とされ、周方向で隣り合う玉のそれぞれの間に荷重を受けない無負荷のステンレス鋼からなる玉状セパレータが配設され、
前記内輪および外輪が、軸受鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼または析出硬化型ステンレス鋼からなる、ことを特徴とする転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、保持器を用いない形態の転がり軸受に関する。この転がり軸受は、特に、内輪・外輪の肉厚が外径寸法との比率からして比較的薄肉に設定される場合に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、前述したような薄肉型の転がり軸受は、例えば各種機器の旋回座などのように比較的大径とする状況で用いられる。このような転がり軸受の場合、特に保持器について剛性が不足するために、回転動作中において撓んで真円度が低下することになり、それによって内・外輪のいずれか一方に対して不規則に当接することが多く発生し、保持器が偏摩耗しやすくなることが指摘される。
【０００３】
このような保持器の摩耗粉は、例えば半導体製造装置などのような清浄環境などで使用する場合に悪影響を及ぼすため使用不適合となる。このような状況について、本願出願人は、保持器を用いないようにし、周方向で隣り合う転動体の間隔をつめて、転動体の使用数を多くした総転動体タイプの転がり軸受を用いることを考えている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記総転動体タイプの転がり軸受では、転動体相互が干渉しやすいために、転動体個々が摩耗したり、あるいは転動体の滑りが発生して軌道輪の軌道が摩耗したり、さらには転動体個々の進み遅れが発生しやすくなって転動体が局部的に偏ったり回転トルクが変動したりすることがあるなど、依然として使用適合レベルには至らないことが判った。
【０００５】
このような不具合は、転動体の最適な使用数や、使用する転動体個々を最適なサイズに選定するなど、製造上の管理を徹底すれば、若干の改善が可能ではあるものの、このような製造上の管理はきわめて煩雑であることが指摘される。
【０００６】
したがって、本発明は、転がり軸受において、製造上の管理を簡略化しながらも、耐摩耗性を高めて発塵を抑制するとともに、動作の円滑化など転がり特性を改善できるようにすることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の転がり軸受は、内輪と外輪とを複数の転動体を介して相対回転自在に設けるとともに、前記複数の転動体に対して保持器を用いない形態の転がり軸受であって、前記内輪および外輪の表面全体にふっ素系合成樹脂からなる固体膜が形成されていて、前記内輪および外輪の少なくとも軌道における前記固体膜に微量の低蒸気圧のグリースが付着されているとともに、前記転動体がセラミックスからなる玉とされ、周方向で隣り合う玉のそれぞれの間に荷重を受けない無負荷のステンレス鋼からなる玉状セパレータが配設され、前記内輪および外輪が、軸受鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼または析出硬化型ステンレス鋼からなる。
【０００９】
このような本発明の構成では、保持器を排除して発塵を抑制する構造とした上で、ふっ素系合成樹脂からなる固体膜と微量のグリースとの併用により、内輪および外輪と転動体との間の摩擦摩耗特性を可及的に高めて、内輪および外輪や転動体からの発塵を無くすとともに、動作の円滑化を図るようにしている。また、低蒸気圧のグリースは、ほとんど飛散、蒸発することがないし、固体膜からの摩耗粉をトラップするようになるので、このグリースや固体膜からの発塵をも極力抑制するようにしている。
【００１０】
そして、無負荷の玉状セパレータを用いることによって、負荷を受ける転動体それぞれの干渉を回避できるようになり、動作の円滑化が図れるようになる。
【００１１】
しかも、内輪・外輪の軌道だけでなく表面全体に固体膜を形成し、セラミックス製の転動体を用いることによって、腐食環境にも好適に使用できるようになる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図１ないし図４に示す実施例に基づいて説明する。
【００１３】
図１ないし図３は本発明の一実施例にかかり、図１は、転がり軸受の上半分の縦断面図、図２は、図１の（２）−（２）線断面の矢視図、図３は、同転がり軸受の使用機器を示す平面図である。
【００１４】
図３において、５０はＰＶＤ装置やＣＶＤ装置に用いられる半導体ウエハなどの搬送系であり、中空の支軸５１の外周にモータ５２が２連配設され、このモータ５２のロータに伸縮アーム５３が取り付けられ、伸縮アーム５３の先端に半導体ウエハ５４などを搭載する搬送台５５が取り付けられている。そして、モータ５２のロータと支軸５１との間にラジアルタイプの転がり軸受Ａが設けられている。
【００１５】
転がり軸受Ａは、図１および図２に示すように、内輪１と、軌道溝の一側にカウンタボアを有する外輪２と、複数の玉からなる転動体３と、周方向で隣り合う転動体３それぞれの間に設けられかつ転動体３よりも小径で荷重を受けない玉状セパレータ４とを備えるアンギュラ玉軸受を例示している。この転がり軸受Ａは、その内・外輪１，２の肉厚が外径寸法との比率からして比較的薄肉となっている。そして、内・外輪１，２の表面全体には、固体膜５が形成されており、内・外輪１，２の少なくとも軌道上の固体膜５には微量の低蒸気圧のグリース（図示、符号省略）が付着されている。
【００１６】
内・外輪１，２は、例えばＪＩＳ規格ＳＵＪ２などの高炭素クロム軸受鋼により形成される。この他、ＪＩＳ規格ＳＵＳ４４０Ｃなどのマルテンサイト系ステンレス鋼、ＪＩＳ規格ＳＵＳ６３０などの析出硬化型ステンレス鋼に適当な硬化熱処理を施したものなどを用いることができる。
【００１７】
転動体３は、窒化けい素を主体とするセラミックス材により形成される。このセラミックス材としては、焼結助剤として、イットリア（Ｙ２Ｏ３）およびアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、その他、適宜、窒化アルミ（ＡｌＮ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）を用いた窒化けい素（Ｓｉ３Ｎ４）を主体とするものの他、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や炭化けい素（ＳｉＣ）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、窒化アルミ（ＡｌＮ）などを用いることができる。なお、転動体３はセラミックス材の他に、上述したような金属材で形成してもよい。
【００１８】
玉状セパレータ４は、例えばＪＩＳ規格ＳＵＳ４４０Ｃなどのマルテンサイト系ステンレス鋼や、ＪＩＳ規格ＳＵＳ６３０などの析出硬化型ステンレス鋼に適当な硬化熱処理を施したもので形成される。この玉状セパレータ４は、転動体３の直径寸法よりも例えば１０〜５０μｍ程度小さく設定される。
【００１９】
固体膜５は、ふっ素系合成樹脂からなる。この固体膜５は、例えば熱硬化性合成樹脂からなるバインダー中にふっ素系合成樹脂を分散混合したものとされる。熱硬化性合成樹脂としては、例えばイミド結合またはアミドイミド結合を有する樹脂（縮合重合型ポリイミド、ポリアミドイミドなど）のように、耐熱性、接着性、寸法安定性、摩擦摩耗特性に優れかつ高温においても接着強度の低下がきわめて少ないなどの特徴を有するものが望ましい。ふっ素系合成樹脂としては、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン樹脂）や、ＥＴＦＥ（エチレンテトラフルオロエチレン）などが好ましい。このＰＴＦＥを用いる場合には、粒子径２〜３μｍ、平均分子量１×１０４〜５×１０４のポリマーを選ぶのが好ましい。
【００２０】
さらに、低蒸気圧のグリースとしては、例えばふっ素系のグリースが用いられ、塗布量は軸受内部の空間容積の５％以下の微量に設定される。このグリースは、内・外輪１，２の軌道上に塗布してから、ならし回転を行うことにより全体になじませている。
【００２１】
以上説明したような転がり軸受Ａでは、固体膜５と低蒸気圧のグリースの併用により内・外輪１，２と転動体３との間の潤滑がきわめて良好になり摩擦摩耗が著しく低減され、また、玉状セパレータ４の存在により転動体３それぞれが干渉せずに済むので、転動体３の挙動を安定化できて回転トルク変動を抑制するなど動作が円滑となる。しかも、固体膜５や低蒸気圧のグリースについても上述したようなものを選定することにより、固体膜５そのものの摩耗や、グリースの飛散や蒸発を抑制することができ、しかも、固体膜５の摩耗粉についてもグリースによりトラップされるので、発塵性が著しく低減される。したがって、上記実施例の転がり軸受Ａは、真空環境、高温環境、低温環境、腐蝕環境などの苛酷な環境で使用する場合においても、優れた転がり特性を発揮して長寿命化を達成できるようになる。
【００２２】
なお、本発明は上記実施例のみに限定されるものではなく、種々な応用や変形が考えられる。
【００２３】
（１）  実施例では、軸受形式としてアンギュラ玉軸受を引用しているが、その他の種類の転がり軸受に本発明を適用できる。
【００２４】
（２）  実施例では、固体膜５を内・外輪１，２に形成しているが、転動体３やセパレータ４にも形成してもよい。また、実施例では、内・外輪１，２の軌道面だけでなく外表面にも固体膜５を形成しているが、固体膜５は内・外輪１，２の外表面には形成しなくてもよい。
【００２５】
（３）  固体膜５は、上記実施例で説明したものの他、含ふっ素ポリウレタン高分子化合物とすることができる。この含ふっ素ポリウレタン高分子化合物の固体膜５は、−ＣＸＦ２Ｘ−Ｏ−という一般式（Ｘは１〜４の整数）で示される単位を主要構造単位とし、いずれも平均分子量が数百万以上で硬化反応により分子間がウレタン結合した３次元の網状構造を有している。３次元の網状構造とは、化学構造上の表現であって、膜の断面が網状になっているのではなく、分子間が網状のように連続してつながって密に詰まった均質な構造になっていることを意味している。このような化合物としては、下記化学式１に示すような末端がイソシアネートの官能基付き含ふっ素重合体を用いて、化学構造を変化させたものとすることができる。前述の末端がイソシアネートの官能基付き含ふっ素重合体としては、パーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）の誘導体、具体的に例えばモンテカチーニ社の商品名フォンブリンＺ誘導体（ＦＯＮＢＬＩＮ  Ｚ  ＤＩＳＯＣなど）が好適に用いられる。
【００２６】
【化１】
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【００２７】
次に、含ふっ素ポリウレタン高分子化合物の固体膜５の形成方法の一例を説明する。
【００２８】
（ａ）  含ふっ素ポリウレタン高分子化合物の固体膜５を得るための溶液を用意し、この溶液中に軸受構成要素（内・外輪１，２、転動体３）をそれぞれ個別に浸漬するか、あるいはそれらを組み立てた完成状態の転がり軸受Ａを浸漬して数回回転させることにより、軸受構成要素（内・外輪１，２、転動体３）の表面全面に液状膜を付着させる（付着処理）。ここで用意する溶液は、末端がイソシアネートの官能基付き含ふっ素重合体〔フォンブリンＺ誘導体（ＦＯＮＢＬＩＮ  Ｚ  ＤＩＳＯＣ）〕を希釈溶媒（ふっ素系溶剤ＳＶ９０Ｄ）で含ふっ素重合体の濃度を１ｍａｓｓ％にまで希釈したものとする。
【００２９】
（ｂ）  液状膜を付着した転がり軸受Ａの全体を、４０〜５０℃で約１分間加熱し、液状膜に含む溶媒を除去する（乾燥処理）。この時点では、液状膜のままであり、流動性を有している。
【００３０】
（ｃ）  この後、例えば１００〜２００℃で２０時間、加熱する（硬化処理）。これにより、液状膜の化学構造が変化することにより硬化反応して含ふっ素ポリウレタン高分子化合物の固体膜５が得られる。ちなみに、この硬化処理では、液状膜に存在している官能基付き含ふっ素重合体の個々について、下記化学式２〜５に示すような４種の硬化反応でもって末端のイソシアネート（ＮＣＯ）が消失し、各官能基付き含ふっ素重合体が互いにウレタン結合することにより３次元の網状構造となる。ウレタン結合は、化学式２，３に示すような硬化反応でもって、図４（ａ）に模式的に示すように直線的に架橋するとともに、化学式４，５に示すような硬化反応でもって、図４（ｂ）に模式的に示すように３次元方向で架橋する。なお、図４では、下記化学式６に示すように、上記化学式１を簡略化して模式的に表している。
【００３１】
【化２】
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【００３２】
【化３】
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【００３３】
【化４】
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【００３４】
【化５】
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【００３５】
【化６】
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【００３６】
上記含ふっ素ポリウレタン高分子化合物の固体膜５は、それ自体３次元の網状構造をもって、被覆対象上に緻密に被覆されるとともに自己潤滑性を有するため、軸受構成要素間の転動、摺動動作に伴う摩耗、剥離といった発塵を抑制できるようになり、軸受構成要素どうしの直接的な接触を回避できるようになる。
【００３７】
さらに、この含ふっ素ポリウレタン高分子化合物の固体膜５について、分子間がウレタン結合した３次元の網状構造中に、フルオロポリエーテルなどの含ふっ素重合体を流動可能に分散添加した構造とすることもできる。この場合、具体的に、上記形成方法の（ａ）の付着処理において、用意する溶液を、末端がイソシアネートの官能基付き含ふっ素重合体〔例えば商品名フォンブリンＺ誘導体（ＦＯＮＢＬＩＮ  Ｚ  ＤＩＳＯＣなど）〕と、含ふっ素化合物として官能基なし含ふっ素重合体〔例えば商品名フォンブリンＺ誘導体（ＦＯＮＢＬＩＮ  Ｚ−６０など）〕とを所定の割合で混合したものとすればよい。この場合では、（ｃ）の硬化処理において、官能基なし含ふっ素重合体が、官能基付き含ふっ素重合体と結合しないので、これが、含ふっ素ポリウレタン高分子化合物の固体膜５の内部において流動可能となり、膜表面から滲み出るなどして潤滑作用を発揮することになる。なお、含ふっ素重合体としては、前述の官能基なし含ふっ素重合体のみに限定されず、化学式７，８，９に示すような官能基付き含ふっ素重合体とすることができる。
【００３８】
【化７】
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【００３９】
【化８】
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【００４０】
【化９】
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【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、固体膜と低蒸気圧のグリースとの併用により内輪および外輪や転動体からの発塵ならびに、固体膜やグリースからの発塵を大幅に低減することができるとともに、摩擦抵抗を軽減することができて、耐発塵性、動作安定性の向上に貢献できる。
【００４３】
本発明によれば、無負荷の玉状セパレータによって負荷を受ける転動体それぞれの干渉を回避できるようになり、転動体の進み遅れといった滑りや転動体の偏りを無くせるようになり、より一層の動作安定化を達成できるようになる。
【００４４】
本発明によれば、内輪・外輪を軸受鋼としても、その表面全体に固体膜を形成すれば、安価でありながら、耐食性を向上できるようになり、腐食環境にも好適に使用できるようになる。
【００４５】
以上のように、本発明の転がり軸受を、例えば半導体製造過程のように高精度な加工が要求されるところに用いると、清浄雰囲気を阻害しにくくなって半導体製造品の歩留まり向上に貢献できるし、高温、腐食雰囲気での長寿命化に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例にかかる転がり軸受の上半分の縦断面図
【図２】図１の（２）−（２）線断面の矢視図
【図３】同転がり軸受の使用機器を示す平面図
【図４】転がり軸受の内・外輪に被覆した固体膜の構造を模式的に表した構造図
【符号の説明】
Ａ    転がり軸受
１    内輪
２    外輪
３    転動体
４    玉状セパレータ
５    固体膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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