(57)【要約】【課題】  コンパクト化及び低消費電力化を図ることができる潤滑剤供給装置を提供する。【解決手段】  基体１と、この基体１上に設けられたマイクロヒータ３と、このマイクロヒータ３からの熱によって潤滑剤を摺動部に蒸着させる潤滑剤源７とを備えており、前記マイクロヒータ３及び潤滑剤源７が、微細加工技術により前記基体１上に形成されている潤滑剤供給装置Ｌ。  【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、この基体上に設けられたマイクロヒータと、このマイクロヒータからの熱によって潤滑剤を摺動部に蒸着させる潤滑剤源とを備えており、前記マイクロヒータ及び潤滑剤源が、微細加工技術により前記基体上に形成されていることを特徴とする潤滑剤供給装置。
【請求項２】
前記基体上に、絶縁膜、マイクロヒータ及び潤滑剤源がこの順序で積層されており、前記絶縁膜の、前記マイクロヒータが形成される面と反対側の面であって当該マイクロヒータと対応する部位に、マイクロヒータの温度を均一にするための均熱膜が設けられている請求項１に記載の潤滑剤供給装置。
【請求項３】
基体上に電熱材及び潤滑剤を薄膜状に形成し、微細加工技術を用いて、前記電熱材及び潤滑剤から、マイクロヒータ及びこのマイクロヒータからの熱によって潤滑剤を摺動部に蒸着させる潤滑剤源をそれぞれ形成することを特徴とする潤滑剤供給装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１記載の潤滑剤供給装置により転がり摺動部に潤滑剤を供給することを特徴とする軸受装置。
【請求項５】
固定部材と、この固定部材と相対運動する移動部材とを備えており、前記相対運動の方向に沿って複数の潤滑剤供給装置が設けられている請求項４に記載の軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は潤滑剤供給装置及びその製造方法、並びにこの潤滑剤供給装置を備えた軸受装置に関する。さらに詳しくは、軸受装置、歯車等の機械要素に対し、特に超真空下で潤滑剤を蒸着するのに好適な潤滑剤供給装置及びその製造方法、並びにこの潤滑剤供給装置を備えた軸受装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、宇宙空間や原子炉内等、メンテナンスの難しい環境下での軸受、歯車等の機械要素への潤滑剤供給方式として、前記機械要素の近傍に、潤滑剤供給源と、機械要素の異常を検知する異常センサとを配置し、当該機械要素の潤滑状況が悪化した段階で潤滑剤を供給することが提案されている（特許文献１参照）。
また、コンパクト化を図るために、絶縁性容器の壁内にヒータを内蔵させ、この容器内に潤滑源を収容するとともに前記絶縁性容器に少なくとも１個の蒸着用の孔を形成することが提案されている（特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平２−１７３４９９号公報
【特許文献２】特開平４−３５１３９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献２に記載されている潤滑剤供給装置は、潤滑剤用容器の壁内に薄型ヒータを内蔵することにより、特許文献１に記載されている装置におけるヒータ用スペースを不要とし、その限りにおいてコンパクト化を図ることができるものの、容器内に潤滑剤を収容するという構成上、そのコンパクト化には限界がある。また、多くの熱伝導による熱損失を避けることができないので、少なからぬ電力を消費するという問題もある。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の有する問題点を解消するためになされたものであり、更なるコンパクト化及び低消費電力化を図ることができる潤滑剤供給装置及びその製造方法、並びにこの潤滑剤供給装置を備えた軸受装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の潤滑剤供給装置は、基体と、この基体上に設けられたマイクロヒータと、このマイクロヒータからの熱によって潤滑剤を摺動部に蒸着させる潤滑剤源とを備えており、前記マイクロヒータ及び潤滑剤源が、微細加工技術により前記基体上に形成されていることを特徴としている。
【０００７】
本発明におけるマイクロヒータ及び潤滑剤源は、半導体装置等の各種デバイスを製造するのに用いられているエッチングやリフトオフ等の微細加工技術により作製されており、超小型化（コンパクト化）を図ることができ、機械要素の摺動部と一体化した自己潤滑システムを実現させることができる。また、マイクロヒータの熱の大部分を潤滑剤に供給できるため、熱損失を極小にできるので、大幅な低消費電力化を図ることができる。したがって、搭載スペースや電力供給量の限られる宇宙機器等に特に好適である。
【０００８】
前記基体上に、絶縁膜、マイクロヒータ及び潤滑剤源がこの順序で積層されており、前記絶縁膜の、前記マイクロヒータが形成される面と反対側の面であって当該マイクロヒータと対応する部位に、マイクロヒータの温度を均一にするための均熱膜が設けられているのが好ましい。マイクロヒータと対応するように均熱膜を形成し、マイクロヒータで生じた熱を前記均熱膜で熱伝導させることにより、マイクロヒータの局部的な加熱を防いで当該マイクロヒータの温度を均一にすることができる。これにより、局部加熱に起因するマイクロヒータの断線を防いで、マイクロヒータの長寿命化を図ることができる。
【０００９】
本発明の潤滑剤供給装置の製造方法は、基体上に電熱材及び潤滑剤を薄膜状に形成し、微細加工技術を用いて、前記電熱材及び潤滑剤から、マイクロヒータ及びこのマイクロヒータからの熱によって潤滑剤を摺動部に蒸着させる潤滑剤源をそれぞれ形成することを特徴としている。
【００１０】
本発明の製造方法では、基体上に電熱材と潤滑剤を、スパッタリングや蒸着等により薄膜状に形成し、これに微細加工を施してマイクロヒータ及び潤滑剤源が作製されており、超小型化（コンパクト化）及び超薄型化を図ることができ、機械要素の摺動部と一体化した自己潤滑システムを実現させることができる。また、潤滑剤源が薄膜状であるため、この蒸発に要する熱量が極めて少なくてよいため、省電力化を図ることができる。
【００１１】
本発明の軸受装置は、前記潤滑剤供給装置により転がり摺動部に潤滑剤を供給することを特徴としている。前記潤滑剤供給装置は、前述したようにマイクロヒータ及び潤滑剤源が微細加工技術により作製されており、超小型化（コンパクト化）及び低消費電力化を図ることができ、軸受装置の摺動部と一体化した自己潤滑システムを実現させることができる。
【００１２】
前記軸受装置が、固定部材と、この固定部材と相対運動する移動部材とを備えており、前記相対運動の方向に沿って複数の潤滑剤供給装置が設けられているのが好ましい。複数の潤滑剤供給装置を設けることにより、所定のタイムスケジュール又はセンサによる摩擦係数の増加の検出に従って、順次新しい潤滑剤供給装置を用いて潤滑剤を軸受装置の摺動部に供給することができ、長期に亘り軸受装置を良好な潤滑状態に保つことができる。したがって、長期間のメンテナンスフリーを実現することができるため、メンテナンスが困難な環境下での使用に好適である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の潤滑剤供給装置及びその製造方法、並びにこの潤滑剤供給装置を備えた軸受装置では、マイクロヒータ及び潤滑剤源が、半導体装置等の各種デバイスを製造するのに用いられている微細加工技術により作製されており、超小型化（コンパクト化）及び低消費電力化を図ることができ、機械要素の摺動部と一体化した自己潤滑システムを実現させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付図面に基づいて、本発明の潤滑剤供給装置及びその製造方法、並びにこの潤滑剤供給装置を備えた軸受装置の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明の潤滑剤供給装置の一実施の形態の断面説明図であり、この潤滑剤供給装置Ｌは、後述する工程により製造することができ、基体１と、この基体１上に設けられた絶縁膜２と、この絶縁膜２上に設けられたマイクロヒータ３と、このマイクロヒータ３上にヒータ絶縁膜５を介して設けられ、前記マイクロヒータ３からの熱によって潤滑剤を機械要素の摺動部（図示せず）に蒸着させる潤滑剤源７とを備えている。前記マイクロヒータ３や潤滑剤源７等本発明の潤滑剤供給装置Ｌを構成する要素は、エッチングやリフトオフ等の、半導体装置等の各種デバイスを製造するのに用いられている微細加工技術により作製されている。
【００１５】
前記基体１は、マイクロヒータ３や潤滑剤源７等の要素を支持するものであり、Ｓｉウェハ等で作製することができる。この基体１の寸法は、潤滑剤を蒸着すべき機械要素の寸法や、潤滑剤の供給を予定している期間等を考慮して選定することができるが、例えば厚さ数百μｍ、縦横寸法数百μｍ程度まで薄型で小型のものとすることができる。なお、矩形以外に、円形や多角形等の任意の形状を採用することができる。
【００１６】
絶縁膜２は、ＳｉＯ２やＳｉ３Ｎ４等からなり、前記基体１と、マイクロヒータ３及び配線部４とを絶縁すると共に、熱伝導による熱損失の低減という理由により下方の基体１が除去されて薄膜状になったマイクロヒータ３の部位を支持する役割を果たしている。前記絶縁膜２の厚さは、本発明において特に限定されるものではないが、通常１〜１０μｍ程度であり、ＣＶＤ、スパッタリング等により形成することができる。
【００１７】
前記マイクロヒータ３は、電圧を印加することで前記潤滑剤源７を加熱する部位であり、その抵抗値の変化を検出することで当該マイクロヒータ３の温度をモニタリングすることができる。このマイクロヒータ３は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ｔｉ等の金属の積層体やポリシリコン等の電熱材からなっており、スパッタリング、ＣＶＤ、蒸着等で形成することができる。前記マイクロヒータ３の寸法は、潤滑剤源７の寸法等に応じて適宜選定すればよいが、通常、厚さ０．１〜１μｍ、縦×横＝１０〜１０００μｍ×１０〜１０００μｍ程度である。このマイクロヒータ３も、矩形以外に、円形や多角形等の任意の形状を採用することができる。
【００１８】
前記マイクロヒータ３の上面（図１において上側の面）の一部には、このマイクロヒータ３に電圧を印加するための配線部４が積層されている。この配線部４は、Ｃｒ／Ａｕ／Ｔｉ等の金属の積層体やポリシリコンからなっており、スパッタリング、ＣＶＤ、蒸着等で形成することができる。
【００１９】
前記マイクロヒータ３及び配線部４の上には、これらの絶縁をとるためのヒータ絶縁膜５が設けられており、このヒータ絶縁膜５は、例えば厚さ１〜１０μｍ程度のＳｉＯ２やＳｉ３Ｎ４等からなっており、ＣＶＤ、スパッタリング等により形成することができる。
【００２０】
前記マイクロヒータ３の略上方（図１において上方）であって、ヒータ絶縁膜５の上面にはＰｔ／Ｔｉ、Ｐｔ／Ｃｒ等からなる密着層６が設けられており、この密着層６は、前記潤滑剤源７が加熱により溶融した際に流動するのを防ぎ、当該潤滑剤源７が均一に加熱されるのを助けている。前記密着層６は、例えばスパッタリングや蒸着等で形成することができ、その厚さは本発明において特に限定されるものではないが、通常０．１〜１０μｍである。
【００２１】
密着層６の上面には、前記マイクロヒータ３により加熱されて、軸受、歯車等の機械要素の摺動部に潤滑剤を蒸着させる潤滑剤源７が設けられている。この潤滑剤源７は、例えばＩｎ、Ａｇ、Ｐｂ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｓｂ等の軟金属、又は二硫化モリブデン、二硫化タングステン等の固体潤滑剤等からなっており、真空蒸着、スパッタリング、めっきにより前記蜜着層６上に形成することができる。潤滑剤源７の厚さは、前記機械要素の寿命等を考慮して決められる当該機械要素への潤滑剤の供給量や、配置される潤滑剤供給装置Ｌの個数、マイクロヒータ３の加熱能力等に応じて選定することができるが、通常１〜１００μｍ程度が目安である。
【００２２】
次に本発明の潤滑剤供給装置の製造方法の例を図２〜１５を参照しつつ説明する。
まずＳｉウェハ等からなる基体１を用意する（図２）。この基体１上にＴＥＯＳ−ＰＥＣＶＤを用いてＳｉＯ２からなる絶縁膜２を堆積させる（図３）。ついで、所定の開口パターンのマスクを用いて、マイクロヒータ３を形成すべき部位以外の箇所にフォトレジスト９を形成し、その後Ｔｉ、Ｐｔ及びＴｉをこの順にスパッタリングしてＴｉ／Ｐｔ／Ｔｉの積層体を形成する（図４）。次にリフトオフ法により前記フォトレジスト９を除去し、マイクロヒータ３を絶縁膜２上に形成する（図５）。
【００２３】
同様にして、フォトレジスト９を形成した後にスパッタリングによりＣｒ／Ａｕ／Ｐｔの積層体を形成し（図６）、さらにリフトオフ法によりフォトレジスト９を除去して、マイクロヒータ３の一部を覆うように配線部４を形成する（図７）。
【００２４】
ついで前記絶縁膜２と同様にＴＥＯＳ−ＰＥＣＶＤを用いてＳｉＯ２からなるヒータ絶縁膜５を、マイクロヒータ３及び配線部４の上に形成する（図８）。次にウェットエッチングにより、配線を取り出す部分のヒータ絶縁膜５を除去する（図９〜１０）。なお、図９において、１０はフォトレジスト等のマスクを示している。
【００２５】
そして、フォトレジスト９を形成した後にスパッタリングによりＰｔ／Ｔｉの積層体を形成し（図１１）、さらにリフトオフ法によりフォトレジスト９を除去して密着層６をマイクロヒータ３の略上方に形成する（図１２）。
【００２６】
ついでステンシルマスク１１を用いてＩｎを真空蒸着し、前記密着層６の上にＩｎからなる潤滑剤源７を形成する（図１２〜１３）。最後にＤｅｅｐ  ＲＩＥによってマイクロヒータ３下方の基体１をエッチングして、マイクロヒータ３部分を薄膜化することで、潤滑剤供給装置Ｌを得ることができる（図１５）。なお、図１５において、１２はフォトレジスト等のマスクである。
【００２７】
次に前述した潤滑剤供給装置Ｌを備えた軸受装置の実施の形態を、図１６に基づいて説明する。
図１６は、本発明の潤滑剤供給装置Ｌを備えた転がり軸受２０の断面を示しており、この転がり軸受２０は、移動部材としての内輪２１、固定部材としての外輪２２、及びこの内輪２１と外輪２２の間に配設された球体からなる転動体２３を備えており、軸２４が前記内輪２１に内嵌されている。前記転がり軸受２０の一方の端面の近傍には、略円盤状の支持体２５が、前記端面と対向するように配置されている。この支持体２５の外径は転がり軸受２０の外径と略等しく、また、支持体２５の、転がり軸受２０と対向する側には環状の段部２６が形成されている。この環状の段部２６には複数（Ｎ個）の潤滑剤供給装置Ｌ１、Ｌ２・・・ＬＮが、固定部材と移動部材の相対運動である回転運動方向に沿って環状の列をなすように配設されている（図１７参照）。
【００２８】
前記潤滑剤供給装置Ｌの数は、本発明において特に限定されるものではなく、転がり軸受２０等の機械要素に要求される寿命や１個の潤滑剤供給装置Ｌが供給することができる潤滑剤の量等を考慮して選定すればよい。例えば、宇宙機器における軸受の要求寿命は回転数ベースで１０９回転といわれている（足立幸志らの「トライボコーティング法による転がり軸受の潤滑」、（社）日本トライボロジー学会、トライボロジー会議予稿集、東京、（２００１）１７９−１８０）が、１回の蒸着で所定範囲の摩擦係数内に維持できる寿命は５×１０６回転であることからして、要求された寿命の間軸受を好適に稼動させるためには２００回以上の蒸着が必要である。そして、１個の潤滑剤供給装置Ｌで４回の蒸着を行うとすると、２００÷４＝５０個の潤滑剤供給装置Ｌを用いる必要がある。
【００２９】
潤滑剤供給装置Ｌは、図１６の例のように環状に１列に配置してもよく、また軸２４を中心として径方向に２列以上配置してもよく、その配置パターンは特に限定されるものではない。また、軸受装置は、転がり軸受に限られず、直動軸受やボールネジ等の転動装置一般、すべり軸受を含む。さらに、これら軸受装置において、固定部材と移動部材の相対運動が直線状の場合は、複数の潤滑剤供給装置Ｌが直線状に列をなすように配置されることになる。
【００３０】
図１６に示される転がり軸受２０において、電圧を印加してマイクロヒータ３を加熱すると、転動体２３並びに内輪２１及び外輪２２の各転動面に潤滑剤が蒸着され、この潤滑剤からなる膜が形成される。そして、この膜により、長期間に亘り転がり軸受２０を低い摩擦係数の状態で稼動させることができる。
【００３１】
なお、前記蒸着膜を形成するのに必要な温度は、潤滑剤の種類により異なるが、概ね２００〜１０００℃程度である。例えば、潤滑剤としてＩｎを用いる場合、膜形成に必要な加熱温度は７７０℃であるが、実験（マイクロヒータとしてＴｉ／Ｐｔ／Ｔｉの積層体を採用。また、潤滑剤源として厚さ２０μｍのＩｎ膜を採用）によれば、潤滑剤源を７７０℃まで加熱するのに必要な消費電力は５６０ｍＷ程度と、非常に低い消費電力であった。また、比較のために、潤滑剤源を形成しないサンプルを別途作製し、７７０℃における加熱効率を調べたところ、高効率な蒸着が可能であることが分かった。すなわち、Ｉｎを蒸着している場合の消費電力をＰＩｎ、マイクロヒータのみを加熱する場合（潤滑剤源を形成しないサンプル）の消費電力をＰｈとすると、加熱効率Ｅは
Ｅ＝（ＰＩｎ−Ｐｈ）／ＰＩｎ
で求めることができるが、７７０℃における加熱効率Ｅは０．７９であり、高効率であった。
【００３２】
図１８は本発明の潤滑剤供給装置の他の実施の形態の断面を示しており、このものは、絶縁膜２の下面にマイクロヒータ３の温度を均一にするための均熱膜８が設けられている点を除いて、図１に示される実施の形態と同じ構成を備えている。したがって、同じ構成についての説明は省略する。
【００３３】
前記均熱膜８は、前記絶縁膜２の、前記マイクロヒータ３が形成される面と反対側の面であって当該マイクロヒータ３と対応する部位に設けられており、本実施の形態では、除去せずに残した基体１の一部を均熱膜８としている。すなわち、図１５に示される工程において、Ｄｅｅｐ  ＲＩＥを２回に分けて行うことにより均熱膜８を作製することができる。均熱膜８の厚さは、通常１〜５０μｍであり、この厚さは２回目のＤｅｅｐ  ＲＩＥの処理時間を調整することにより変えることができる。なお、基体１を利用せずに、金属等からなる膜を別途蒸着により絶縁膜２の表面に形成することもできる。このような均熱膜８を形成すると、マイクロヒータ３で生じた熱を当該均熱膜８で熱伝導させることができ、マイクロヒータ３の局部的な加熱を防いで当該マイクロヒータ３の温度を均一にすることができる。これにより、局部加熱に起因するマイクロヒータ３の断線を防いで、その長寿命化を図ることができる。具体的に、均熱膜８を設けたものと、設けないものについて加熱実験をしたところ、加熱温度７５０℃程度において、膜有の場合は１６分間の加熱が可能であったが、膜無の場合はマイクロヒータが断線した結果０.５分間しか加熱できなかった。均熱膜８を設けることで、加熱温度７５０℃程度において３２倍以上に寿命を延ばすことができた。なお、前述した例では、１つの基体に１つの潤滑剤供給機構を設ける例を示したが、１つの基体に複数の潤滑剤供給機構を設けてもよい。また、本発明の潤滑剤供給装置は、軸受装置に限られず、クラッチ、カム、歯車等、潤滑を要する種々の機械要素に適用できることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の潤滑剤供給装置の一実施の形態の断面説明図である。
【図２】図１に示される潤滑剤供給装置の製造工程例の説明図である。
【図３】図１に示される潤滑剤供給装置の製造工程例の説明図である。
【図４】図１に示される潤滑剤供給装置の製造工程例の説明図である。
【図５】図１に示される潤滑剤供給装置の製造工程例の説明図である。
【図６】図１に示される潤滑剤供給装置の製造工程例の説明図である。
【図７】図１に示される潤滑剤供給装置の製造工程例の説明図である。
【図８】図１に示される潤滑剤供給装置の製造工程例の説明図である。
【図９】図１に示される潤滑剤供給装置の製造工程例の説明図である。
【図１０】図１に示される潤滑剤供給装置の製造工程例の説明図である。
【図１１】図１に示される潤滑剤供給装置の製造工程例の説明図である。
【図１２】図１に示される潤滑剤供給装置の製造工程例の説明図である。
【図１３】図１に示される潤滑剤供給装置の製造工程例の説明図である。
【図１４】図１に示される潤滑剤供給装置の製造工程例の説明図である。
【図１５】図１に示される潤滑剤供給装置の製造工程例の説明図である。
【図１６】本発明の軸受装置の一実施の形態の説明図である。
【図１７】図１６のＡ−Ａ矢視図である。
【図１８】本発明の潤滑剤供給装置の他の実施の形態の断面説明図である。
【符号の説明】
【００３５】
１基体
２絶縁膜
３マイクロヒータ
７潤滑剤源
８均熱膜
２０転がり軸受
Ｌ潤滑剤供給装置
【図１】
2006064047.tif 000003
【図２】
2006064047.tif 000004
【図３】
2006064047.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006064047.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2006064047.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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