(57)【要約】【課題】  従来のステンレス鋼もしくは軸受鋼の表面に単に固体潤滑剤皮膜を形成したものや、ショットブラストによる凹凸を形成して二硫化モリブデン皮膜を形成した内輪，外輪、あるいはＡｇ等をイオンプレーティングした玉を用いたものに比して、その耐久性を向上させることのできるタッチダウン軸受を提供する。【解決手段】  タッチダウン軸受を構成する内輪１、外輪２、転動体（玉）３、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３ａを形成し、更にその上に二硫化モリブデン皮膜３ｂを形成することにより、リン酸亜鉛カルシウム系皮膜３ａ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３ｂの密着性が向上し、また、二硫化モリブデン皮膜３ｂが損耗してもその下層のリン酸亜鉛カルシウム系皮膜３ｂ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。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項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ッチダウン軸受において、
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、更にその上に二硫化モリブデン皮膜が形成されていることを特徴とするタッチダウン軸受。
【請求項２】
上記軸受を構成する各部材のうち、玉が高速度工具鋼もしくは軸受鋼であり、その表面にリン酸亜鉛カルシウム系皮膜が形成され、更にその上に二硫化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に記載のタッチダウン軸受。
【請求項３】
上記軸受を構成する各部材のうち、内輪および／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、更にその上に二硫化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または２に記載のタッチダウン軸受。
【発明の詳細な説明】
【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ッ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ュラ玉軸受２２がタッチダウン軸受として配置されている。これらのタッチダウン軸受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の外周面と各タッチダウン軸受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は各タッチダウン軸受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に接触する前にタッチダウン軸受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ッ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ッチダウン軸受の外輪が配置され、回転体の停止時ないしは制御異常時に回転体の内周面がタッ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ッ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、二硫化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、この種のタッチダウン軸受においては、二硫化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べく、二硫化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】
【発明が解決しようとする課題】
【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化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、タッチダウンを繰り返すことで表面から二硫化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、これによっ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、タッチダウン時以外、つまり回転体がタッチダウン軸受の回転輪に対して接触していない状態において回転輪が連れ回りしてしまう場合があるといった不具合も生じ、使用できないこともある。
【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、または高速度工具鋼の表面に単に固体潤滑剤皮膜を形成したものや、ショットブラストによる凹凸を形成して固体潤滑剤皮膜を形成したもの、あるいは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ッ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ッ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】
本発明のタッチダウン軸受は、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ッ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、更にその上に二硫化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（請求項１）。
【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、玉が高速度工具鋼もしくは軸受鋼であり、その表面にリン酸亜鉛カルシウム系皮膜が形成され、更にその上に二硫化モリブデン皮膜が形成されている構成（請求項２）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／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、更にその上に二硫化モリブデン皮膜が形成されている構成（請求項３）を採用することもできる。
【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化モリブデン皮膜の密着性と併せて、課題を解決しよ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化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、表面の二硫化モリブデンが損耗した後にも、リン酸亜鉛カルシウム系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、タッ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、軸受鋼や高速度工具鋼などの錆びやすい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、請求項２に係る発明のように、玉を高速度工具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化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。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、二硫化モリブデンの下地処理として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、二硫化モリブデンの密着性が向上するとともに、タッチダウンを繰り返すことにより二硫化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。
【００２１】
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化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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
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からなるタッ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。
【００２３】
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。
【００２４】
内輪１および外輪２の軌道面１ａ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、その上に二硫化モリブデン皮膜が形成されている。
【００２５】
一方、各玉３の表面には、図３にその模式的な拡大断面図を示すように、ショットブラストにより微小凹凸が形成され、リン酸亜鉛カルシウム系皮膜３ａが形成され、更にその上に二硫化モリブデン皮膜３ｂが形成されている。リン酸亜鉛カルシウム系皮膜３ａは、例えば化学式（Ｚｎ2 Ｃａ）（ＰＯ4 ）2 ・２Ｈ2 Ｏ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い込んだ状態となり、優れた密着性を有するものとなる。
【００２６】
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、１〜２μｍ程度に制御することに困難性はなく、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。
【００２７】
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化モリブデン皮膜３ｂは、アンカー効果によりその密着性は高いものとなる。
【００２８】
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、表面の二硫化モリブデン皮膜３ｂが剥がれにくく、また、この二硫化モリブデン皮膜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。
【００２９】
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、高温強度が高く、セラミックス製の玉を用いる場合に近いタッチダウン回数を実現することができ、しか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ッ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。
【００３０】
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ショットブラストによる微小な凹凸を付し、リン酸亜鉛カルシウム系皮膜３ａおよび二硫化モリブデン皮膜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化モリブデン皮膜を形成したものを用いたが、これらの内輪１および／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に二硫化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系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／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もできる。
【００３１】
また、以上の実施の形態においては、総玉タイプの深溝玉軸受に本発明を適用した例を示したが、アンギュラ玉軸受、更には他の転がり軸受にも等しく適用することができる。  
【００３２】
また、上記実施の形態においては内輪１および外輪２の軌道面１ａ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および外輪２の軌道面１ａおよび２ａにのみショットブラストによる微小凹凸を形成し、その上に二硫化モリブデン皮膜を形成してもよいことは勿論である。また、軌道輪の皮膜を省略することもある。
【００３３】
また、上記実施の形態においては玉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、更にその上に二硫化モリブデン皮膜３ｂを形成したが、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、更にその上に二硫化モリブデン皮膜３ｂを形成してもよい。この場合でも、単に二硫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、二硫化モリブデン皮膜を形成した場合よりも、二硫化モリブデンの密着性は向上し、耐摩耗性も向上することから、軸受の耐久性は向上する。
【００３４】
更に、総玉タイプではなく、保持器を備えたタッチダウン軸受においては、上記と同様に玉、内輪および／または外輪にリン酸亜鉛カルシウム系皮膜および二硫化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。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【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からなるタッ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】タッ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。
【符号の説明】
【００３６】
１  内輪
２  外輪
３  玉
３ａ  リン酸亜鉛カルシウム系皮膜
３ｂ  二硫化モリブデン皮膜
【図１】
2006183867.tif 000003
【図２】
2006183867.tif 000004
【図３】
2006183867.tif 000005
【図４】
2006183867.tif 000006