(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２５０℃以上、真空度１０−４Ｐａ以下の真空高温環境下で使用される固体潤滑転がり軸受であって、
内輪および外輪と、この内輪および外輪間に介在する複数の転動体と、この内輪および外輪間に組み込まれる少なくとも１個の固体潤滑複合材からなる玉とを備えてなり、
前記転動体が窒化ケイ素からなる玉であり、前記固体潤滑複合材からなる玉が、該窒化ケイ素からなる玉よりも小径の玉であり、
前記固体潤滑複合材が、二硫化タングステンを合金中に分散させた焼結材であり、
前記二硫化タングステンの内輪転走面への移着量が、前記転動体をステンレス鋼からなる玉とする以外は同じ構成の固体潤滑転がり軸受と比較して多いことを特徴とする固体潤滑転がり軸受。
【請求項２】
前記固体潤滑複合材は、複合材全体積に対して前記二硫化タングステンを８０体積％以上含むことを特徴とする請求項１記載の固体潤滑転がり軸受。
【請求項３】
前記固体潤滑複合材は、複合材全体積に対して前記二硫化タングステンを９５体積％以上含むことを特徴とする請求項２記載の固体潤滑転がり軸受。
【請求項４】
前記固体潤滑複合材からなる玉が、２個組み込まれることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の固体潤滑転がり軸受。
【請求項５】
前記合金が、タングステン合金であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項記載の固体潤滑転がり軸受。
【請求項６】
前記固体潤滑転がり軸受は、ＣＶＤ装置または太陽電池用薄膜製造装置に使用される軸受であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項記載の固体潤滑転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品、光学系、液晶ガラス、半導体製造装置などのフイルム成膜装置、太陽電池用薄膜製造装置などに使用できる真空高温用の固体潤滑転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子部品、光学系、液晶ガラス、半導体製造装置などのフイルム成膜装置、太陽電池用薄膜製造装置では、有機または無機の薄膜形成処理を行なう製造工程が必要とされる。被膜形成処理には、スパッタリング装置や蒸着装置（ＰＶＤ、ＣＶＤ）などの表面処理装置が用いられ、処理品の移動にはベルト搬送によるインライン装置やロボット搬送によるマルチチャンバ装置が用いられる。これらの装置では、真空処理室内に可動部があり、該可動部に用いる固体潤滑転がり軸受では、大気・真空のいずれでも使用可能であること、低発塵性、耐久性が要求される。なかでも真空高温での耐久性に対する要求が最も大きい。これらの固体潤滑転がり軸受は、具体的には２５０〜４００℃程度、真空度１０−４Ｐａ程度以下の真空高温環境下で使用される。
【０００３】
従来、真空高温用の固体潤滑転がり軸受としては、ボールの表面に銀（Ａｇ）のイオンプレーティング被膜あるいはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂被膜を形成したものがあるが、被膜だけの潤滑源では耐久性が劣る。
【０００４】
また、転がり軸受に組み込まれる複数の転動体が、軸受荷重が負荷される負荷転動体と、軸受荷重が負荷されない非負荷転動体からなり、少なくとも１以上の非負荷転動体がＰＴＦＥ樹脂の成形体からなる表面粗さ１．０μｍ以下の転動体であり、かつ非負荷転動体の負荷転動体に対する直径比が所定の範囲である固体潤滑転がり軸受が提案されている（特許文献１参照）。また、転動体間に、二硫化タングステン（ＷＳ２）をタングステン（Ｗ）合金中に高配合で分散させた焼結材からなる固体潤滑複合材ボールを少なくとも１個組み込んだ固体潤滑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】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２５０３５０号公報
【特許文献２】特開２００５−４８８５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の固体潤滑転がり軸受では、ＰＴＦＥ樹脂ボールを用いるため、２５０℃以上の高温、高面圧下の環境などでは使用が困難であり、真空高温耐久性に劣る。また、特許文献２の固体潤滑転がり軸受は、特許文献１のものと比較して真空高温耐久性に優れるが、さらなる耐久性の向上が望まれている。特に近年において、半導体、太陽電池用薄膜などは、関連技術の進歩速度が速く、市場における低コスト化も著しく、その製造装置に組み込む基幹部品である転がり軸受の信頼性・耐久性の向上は重要な課題である。
【０００７】
本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、２５０℃以上、真空度１０−４Ｐａ以下の真空高温、高面圧下での使用においても長期耐久性に優れる固体潤滑転がり軸受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】
【０００８】
本発明の固体潤滑転がり軸受は、２５０℃以上、真空度１０−４Ｐａ以下の真空高温環境下で使用される固体潤滑転がり軸受であって、内輪および外輪と、この内輪および外輪間に介在する複数の転動体と、この内輪および外輪間に組み込まれる少なくとも１個の固体潤滑複合材からなる玉とを備えてなり、上記転動体が窒化ケイ素からなる玉であり、上記固体潤滑複合材からなる玉が、該窒化ケイ素からなる玉よりも小径の玉であり、上記固体潤滑複合材が、二硫化タングステンを合金中に分散させた焼結材であることを特徴とする。
【０００９】
上記固体潤滑複合材は、複合材全体積に対して上記二硫化タングステンを８０体積％以上含むことを特徴とする。特に好ましくは、複合材全体積に対して上記二硫化タングステンを９５体積％以上含むことを特徴とする。
【００１０】
上記固体潤滑複合材からなる玉が、２個組み込まれることを特徴とする。また、上記合金が、タングステン合金であることを特徴とする。
【００１１】
上記二硫化タングステンの内輪転走面への移着量が、上記転動体をステンレス鋼からなる玉とする以外は同じ構成の固体潤滑転がり軸受と比較して多いことを特徴とする。
【００１２】
上記固体潤滑転がり軸受は、ＣＶＤ装置または太陽電池用薄膜製造装置に使用される軸受であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の固体潤滑転がり軸受は、内輪および外輪と、この内輪および外輪間に介在する複数の転動体と、この内輪および外輪間に組み込まれる少なくとも１個の固体潤滑複合材からなる玉とを備えてなり、上記転動体が窒化ケイ素からなる玉であり、上記固体潤滑複合材からなる玉が、該窒化ケイ素からなる玉よりも小径の玉であり、上記固体潤滑複合材が、二硫化タングステンを合金中に分散させた焼結材であるので、２５０℃以上、真空度１０−４Ｐａ以下の真空高温環境下で使用されながら、長期にわたって、固体潤滑複合材からなる玉より内・外輪転走面へ固体潤滑成分が十分に移着供給され耐久性の向上が図れる。
【００１４】
また、本発明で用いる固体潤滑複合材は、従来の固体潤滑複合材からなる玉より硬度が低くなるため、球形のボールに加工するのに加工時間が短縮され、コスト低減につながる。少なくとも１個の固体潤滑複合材からなる玉を組み込むことで、真空高温で長寿命を達成することが可能であるので、低コストで機能アップが図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の固体潤滑転がり軸受の軸方向断面図である。
【図２】本発明の固体潤滑転がり軸受の一部切欠き斜視図である。
【図３】固体潤滑複合材ボールの加工に用いるバレル加工機の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の固体潤滑転がり軸受を図１および図２に基づいて説明する。図１は、本発明の固体潤滑転がり軸受の軸方向断面図であり、図２は本発明の固体潤滑転がり軸受の一部切欠き斜視図である。これらの軸受は、深溝玉軸受である。図１および図２に示すように、本発明の固体潤滑転がり軸受１は、内輪２および外輪３と、この内輪２および外輪３間に介在する複数の転動体４と、この内輪２および外輪３間に組み込まれる少なくとも１個の固体潤滑複合材からなる玉（以下、「固体潤滑複合材ボール」ともいう）５とを備えている。転動体４は、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなる玉（以下、「窒化ケイ素ボール」ともいう）である。図２に示すように、本発明の固体潤滑転がり軸受は、通常の態様の転がり軸受から、複数の転動体４の１個以上を、固体潤滑複合材ボール５に置き換えた構成とするものである。それぞれの軸受において、複数の窒化ケイ素ボール４および固体潤滑複合材ボール５は、保持器６により保持されている。
【００１７】
固体潤滑複合材ボール５は、窒化ケイ素ボール４よりも小径である。このため、軸受荷重は窒化ケイ素ボール４が受け、固体潤滑複合材ボール５は非負荷ボールとなる。固体潤滑複合材ボール５は、非負荷ボールであるので、負荷ボールである窒化ケイ素ボール４よりも低速または間欠的に回転する状態で、保持器表面や内・外輪の転走面に軽く摩擦接触する。その際に、ボール表面が少量ずつ摩耗して、接触面である保持器表面や内・外輪の転走面に保持している固体潤滑成分を移着させる。
【００１８】
２５０℃以上（例えば、２５０〜４００℃）かつ高真空下（例えば、１０−４Ｐａ以下）の厳しい条件下において、固体潤滑転がり軸受の耐久性（潤滑寿命）を向上させるためには、内・外輪の転走面への固体潤滑成分の移着量を長期にわたり確保することが重要である。本発明者らは鋭意検討の結果、この移着量が、固体潤滑複合材ボールの組成に加えて、負荷ボールとなる他の転動体の材質にも依存することを見出した。具体的には、既存のＳＵＳ４４０Ｃ製ボール（負荷ボール）の一部を、二硫化タングステンを高配合した固体潤滑複合材ボール（非負荷ボール）に置換した従来構成において、負荷ボールであるＳＵＳ４４０Ｃ製ボールを、窒化ケイ素ボールに変更することで、内輪転走面への固体潤滑成分の移着量を大幅に増加させることができ、長期にわたって固体潤滑成分が転走面に移着供給されることになり、大幅な耐久性の向上が達成されることを見出した。本発明は、このような知見に基づくものである。
【００１９】
通常、負荷ボールは、固体潤滑複合材ボールとは直接に接触しないため、負荷ボールの材質が、内・外輪の転走面への固体潤滑成分の移着量に影響を与えることは想定できない。上記作用については明らかではないが、窒化ケイ素の負荷ボールは、ＳＵＳ４４０Ｃ製のものと比較して不活性であり、負荷ボールへの固体潤滑成分の移着が抑制され、相対的に内・外輪の転走面への移着量が増加したものと考えられる。なお、上記の移着量は、運転後の任意の時点において転走面に存在する固体潤滑成分の量であり、この量を増加させるには、固体潤滑複合材ボールからの供給量を多くすることは勿論、一度移着した固体潤滑成分が脱離しないことも重要であると考えられる。
【００２０】
固体潤滑複合材ボールを組み込む個数、すなわち、負荷ボールと置換する個数は、少なくとも１個以上とする。固体潤滑複合材ボールの数が多いほど、固体潤滑成分の移着量を確保できるが、同時に負荷ボールの数が少なくなり、軸受の耐荷重性などが低下する。固体潤滑転がり軸受の転動体総数（負荷ボール＋非負荷ボール）にもよるが、固体潤滑複合材ボールを組み込む個数は、１個または２個が好ましく、２個が最も好ましい。
【００２１】
窒化ケイ素ボールの直径をＡとする場合、固体潤滑複合材ボールの直径Ｂは、０．８Ａ≦Ｂ＜Ａとすることが好ましい。Ｂ＜０．８Ａの場合、固体潤滑複合材ボールが小さすぎて固体潤滑成分の保持絶対量が不足し、また、保持器表面や内・外輪転走面に摩擦接触した際の摩耗量および移着量が少なくなり、全体として潤滑不足となり耐久性に劣るおそれがある。
【００２２】
内輪２、外輪３、保持器６の材質としては、特に限定されず、鉄系金属材料などを使用できる。鉄系金属材料としては、軸受鋼、肌焼き鋼、冷間圧延鋼、熱間圧延鋼、炭素鋼、ステンレス鋼、軟鋼などが挙げられる。
【００２３】
本発明における固体潤滑複合材ボールを形成する固体潤滑複合材は、二硫化タングステン（ＷＳ２）を、バインダーとする合金中に高配合で分散させた焼結材である。バインダーとする合金は、タングステン（Ｗ）合金、Ｃｕ−Ｓｎ合金などの任意の合金を使用できる。二硫化タングステン（ＷＳ２）との密着性に優れ、少量でも固体潤滑複合材ボールを形成できることからＷ合金を用いることが好ましい。また、さらに炭素を含めて複合化した焼結材としてもよい。固体潤滑複合材ボールを形成する焼結材（固体潤滑複合材）の市販品としては、例えば、冨士ダイス株式会社製ＮＦメタル（Ｗ＋ＷＳ２複合材、Ｃｕ−Ｓｎ＋ＷＳ２複合材、Ｃｕ−Ｓｎ＋Ｃ＋ＷＳ２複合材）が挙げられる。これらの焼結材を用いて焼結し、立方体形状などの多面体形状の固体潤滑複合材を形成した後に、後述するバレル加工等によりボール状に加工する。
【００２４】
固体潤滑複合材は、複合材全体積に対して二硫化タングステン（ＷＳ２）を８０体積％以上含むことが好ましい。この範囲とすることで、負荷ボールとして既存のＳＵＳ４４０Ｃ製ボールを用い、二硫化タングステン（ＷＳ２）を９５体積％含む複合材を用いる場合よりも、耐久性の向上が図れる。また、複合材全体積に対して二硫化タングステン（ＷＳ２）を９５体積％以上含むことが特に好ましい。この範囲とすることで、内輪転走面への固体潤滑成分の移着量を大幅に増加させることができ、長期にわたって固体潤滑成分が転走面に移着供給されることになり、大幅な耐久性の向上が達成できる。
【００２５】
一方、負荷ボールとして既存のＳＵＳ４４０Ｃ製ボールを用いる場合では、複合材における二硫化タングステン（ＷＳ２）の配合量を同等（９５体積％）とする場合でも、このような大幅な耐久性の向上は望めない。また、二硫化タングステン（ＷＳ２）ではなく、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）を高配合した複合材を用いる場合では、負荷ボールとして窒化ケイ素ボールを用いても耐久性は著しく劣る。これらより、本発明の上記効果は、窒化ケイ素ボールを用いること、および、二硫化タングステン（ＷＳ２）を高配合した複合材を用いることの相乗効果により得られるものであると考える。
【００２６】
固体潤滑複合材ボールの製造方法としては、焼結された多面体形状の固体潤滑複合材をバレル加工機により球形のボールに加工し、必要寸法に仕上げる方法が挙げられる。バレル加工により、必要寸法のボールを得ることができ、材料および材料加工の面からコスト低減が図れる。ボール形状にするための方法として、バレル加工は最も有効な方法と考えられ、量産性があり、かつ、低コストな加工方法である。固体潤滑複合材は、硬質粒子で表面を切削されながらボール形状に加工されていく。バレル加工機の構成は、回転円盤と、固定円盤と、固定円盤に設けた貫通孔と、固定円版の上面に取り外し可能に固定したボール飛び出し防止板とを有するものとできる。
【００２７】
固体潤滑複合材ボールの製造方法を図３に基づいて詳細に説明する。図３は固体潤滑複合材ボールの加工に用いるバレル加工機の概略図である。このバレル加工機は、回転円盤７と固定円盤９とを有する。回転円盤７は、電動モータ等の駆動手段（図示省略）によって回転駆動される。回転円盤７の上面にはダイヤモンドペーパー８を貼り付けてある。回転円盤７の上方に固定円盤９が位置している。固定円盤９は、円周方向に分配した複数の貫通孔１０を有する。貫通孔１０の下端は開放し、上端は固定円盤９の上面にボール飛び出し防止板１１を取り付けることによって閉じられる。回転円盤７の上面と固定円盤９の下面との間には、仕上げられた固体潤滑複合材ボールが通過しない程度のすきまがある。
【００２８】
固定円盤９の材質は、鉄系材料などである。回転円盤７にダイヤモンドペーパー８を貼り付ける代わりに、ダイヤモンド、炭化ケイ素、アルミナその他の硬質粒子を含む層を設けてもよい。加工に際しては、ボール飛び出し防止板１１を外した状態で貫通孔１０に固体潤滑複合材１２を投入する。ボール飛び出し防止板１１を取り付けた後、駆動手段を起動して回転円盤７を回転させる。すると、図中点線矢印で示すように、固体潤滑複合材１２はダイヤモンドペーパー８と鉄系材料からなる固定円盤９の壁との間を跳ね回り、ダイヤモンドペーパー８と衝突を繰り返して角が丸く削られ、徐々に表面が均等に削られてボール形状となる。
【００２９】
バレル加工により、必要寸法の固体潤滑複合材ボールを得ることができる。また、バレル加工機では、最も粒子の粗い＃１００のダイヤモンドペーパーを用いた場合、粒子が粗いため固体潤滑複合材ボールの加工に対して顕著な目詰まりは発生せず、しかも、加工時間を短縮して必要寸法の潤滑ボールを得ることができる。さらに、バレル加工機では、加工時間さえセットしておけば、必要寸法の潤滑ボールを得ることができ、加工機のメンテナンスが比較的簡単である。
【実施例】
【００３０】
実施例１〜実施例４、比較例１〜比較例８
固体潤滑複合材として、タングステン（Ｗ）合金に、二硫化タングステン（ＷＳ２）または二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）を分散させた焼結材を採用した。表１に示す割合で、二硫化タングステン（ＷＳ２）または二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）の添加量を種々変更した焼結材を用いて焼結体（一辺が４ｍｍの立方体形状）を得た。これを図３に示すバレル加工機で球形のボールに仕上げて固体潤滑複合材ボールを得た。バレル研磨は、マルトー社製のダイヤモンドペーパー（＃１００）を用い、回転円盤を８５ｒｐｍで回転させ、ＪＩＳＢ１５２１深溝玉軸受の呼び番号６０８に組込み可能なサイズのボールに加工した。
【００３１】
この固体潤滑複合材ボールを表１に示す個数だけ、ＳＵＳ４４０Ｃ製深溝玉軸受ＳＥＢ０８（爪曲げ保持器）に組み込み、その他の転動体をＳＵＳ４４０Ｃまたは窒化ケイ素からなる玉として試験軸受を得た。なお、固体潤滑複合材ボール（ボール直径：３．９２ｍｍ）は、他の転動体（ボール直径：４ｍｍ）より小径とした。得られた試験軸受について、以下の長期耐久試験１、２を行った。また、以下の方法により移着膜における元素割合を測定した。これらの結果を表１に併記する。
【００３２】
＜長期耐久試験１（２５０℃）＞
試験機として高温用真空軸受耐久試験機を用い、真空度が１０−４〜１０−５Ｐａで軸受は２個セットで取り付けた。試験条件は、軸受外輪温度２５０℃、アキシアル荷重１５０Ｎ 、回転数２０００ｒｐｍで、寿命判定は２個の軸受の摩擦トルクが１５２mＮ・ｍに達した時とした。
【００３３】
＜長期耐久試験２（４００℃）＞
試験機として高温用真空軸受耐久試験機を用い、真空度が１０−４〜１０−５Ｐａで軸受は２個セットで取り付けた。試験条件は、軸受外輪温度４００℃、アキシアル荷重１９６Ｎ 、回転数１０００ｒｐｍで、寿命判定は２個の軸受の摩擦トルクが１５２mＮ・ｍに達した時とした。
【００３４】
＜移着膜測定法＞
比較例５、６については長期耐久試験１の終了後（寿命判定後）に、比較例５、６以外の実施例および比較例については長期耐久試験２の終了後（寿命判定後）に、軸受を分解し、内輪転走面について、ＳＥＭ／ＥＤＸの表面分析により、Ｆｅ、Ｗ、Ｍｏ、Ｓの４元素の重量％を測定した。Ｆｅに対するＷ（Ｍｏ）とＳの存在比率で固体潤滑剤であるＷＳ２（ＭｏＳ２）の潤滑膜形成性を評価した。
【００３５】
【表１】
0006017239.tif 000002
【００３６】
表１に示すように、窒化ケイ素ボールを用い、かつ、二硫化タングステン（ＷＳ２）を高配合した固体潤滑複合材ボールを用いることで、２５０℃以上、真空度１０−４Ｐａ以下の真空高温環境下において、内輪転走面への固体潤滑成分の移着量を大幅に増加させることができ、長期にわたって固体潤滑成分が転走面に移着供給されることになり、大幅な耐久性の向上が図れた。
【００３７】
一方、既存のＳＵＳ４４０Ｃ製ボールを用い、複合材における二硫化タングステン（ＷＳ２）の配合量を実施例１と同等（９５体積％）にした比較例１では、実施例のような大幅な耐久性の向上は図れなかった。また、二硫化タングステン（ＷＳ２）ではなく、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）を高配合した複合材を用いた比較例８では、負荷ボールとして窒化ケイ素ボールを用いても耐久性は著しく劣る結果であった。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の固体潤滑転がり軸受は、２５０℃以上、真空度１０−４Ｐａ以下の真空高温環境下で使用されながら、長期にわたって、固体潤滑複合材からなる玉より内・外輪転走面へ固体潤滑成分が十分に移着供給され耐久性の向上が図れるので、電子部品、光学系、液晶ガラス、半導体製造装置などのフイルム成膜装置、蒸着装置（ＰＶＤ、ＣＶＤ）、太陽電池用薄膜製造装置内の可動部での軸受として好適に利用できる。
【符号の説明】
【００３９】
１  固体潤滑転がり軸受
２  内輪
３  外輪
４  転動体（窒化ケイ素ボール）
５  固体潤滑複合材からなる玉（固体潤滑複合材ボール）
６  保持器
７  回転円盤
８  ダイヤモンドペーパー
９  固定円盤
１０  貫通孔
１１  ボール飛び出し防止板
１２  固体潤滑複合材
【図１】
0006017239.tif 000003
【図２】
0006017239.tif 000004
【図３】
0006017239.tif 000005