(57)【要約】本発明は、優れた耐食性を確保することができると共に、微量の溶液が内部に入った状態で用いた場合でも、転動体と軌道溝との間に乾燥摩擦等が生じることなく、長期間安定した性能を維持することができる転がり軸受を提供する。そのために、転動体を、アルミナ含有率が９９．５質量％以上であるアルミナ焼結体で構成する。このアルミナ焼結体は、ＪＩＳ−Ｒ１６０１で規定された３点曲げ試験による曲げ強度が３２０ＭＰａ以上である。このアルミナ焼結体を構成する結晶粒子は、平均粒径が２μｍより小さく、平均粒径に対する標準偏差の比が０．４以下である。内輪および外輪は、前記アルミナ焼結体、ジルコニア焼結体、または合成樹脂で構成する。
2003029669.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向配置される軌道溝を備えた第１部材および第２部材と、両部材の軌道溝間に転動自在に配設された複数個の転動体と、を少なくとも備え、転動体が転動することにより第１部材および第２部材の一方が他方に対して相対移動する転動装置において、
前記第１部材、第２部材、および複数個の転動体はセラミックス材料で形成され、
前記複数個の転動体の内の１個以上は、アルミナ含有率が９９．５質量％以上であるアルミナ焼結体からなり、このアルミナ焼結体のＪＩＳ−Ｒ１６０１で規定された３点曲げ試験による曲げ強度が３２０ＭＰａ以上であることを特徴とする転動装置。
【請求項２】
前記第１部材および第２部材は炭化硅素焼結体からなる請求項１記載の転動装置。
【請求項３】
前記第１部材および第２部材は、アルミナ含有率が９９．５質量％以上であるアルミナ焼結体からなり、このアルミナ焼結体のＪＩＳ−Ｒ１６０１で規定された３点曲げ試験による曲げ強度が３２０ＭＰａ以上である請求項１記載の転動装置。
【請求項４】
前記第１部材および第２部材はジルコニア焼結体からなる請求項１記載の転動装置。
【請求項５】
互いに対向配置される軌道溝を備えた第１部材および第２部材と、両部材の軌道溝間に転動自在に配設された複数個の転動体と、を少なくとも備え、転動体が転動することにより第１部材および第２部材の一方が他方に対して相対移動する転動装置において、
前記第１部材および第２部材の少なくともいずれかは合成樹脂からなり、
前記複数個の転動体の内の１個以上は、アルミナ含有率が９９．５質量％以上であるアルミナ焼結体からなり、このアルミナ焼結体のＪＩＳ−Ｒ１６０１で規定された３点曲げ試験による曲げ強度が３２０ＭＰａ以上であることを特徴とする転動装置。
【請求項６】
前記複数個の転動体は全て、アルミナ含有率が９９．５質量％以上であるアルミナ焼結体からなり、このアルミナ焼結体のＪＩＳ−Ｒ１６０１で規定された３点曲げ試験による曲げ強度が３２０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１または５記載の転動装置。
【請求項７】
前記アルミナ焼結体を構成する結晶粒子の平均粒径は２μｍより小さいことを特徴とする請求項１、３、５のいずれか１項に記載の転動装置。
【請求項８】
前記アルミナ焼結体を構成する結晶粒子は、平均粒径が２μｍより小さく、平均粒径に対する標準偏差の比が０．４以下であることを特徴とする請求項１、３、５のいずれか１項に記載の転動装置。
【請求項９】
前記アルミナ焼結体からなる転動体の表面粗さは、中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．０２μｍ以上０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１または５記載の転動装置。
【請求項１０】
前記アルミナ焼結体は、加圧焼結法により得られ、相対密度が９９．５％以上であることを特徴とする請求項１、３、５のいずれか１項に記載の転動装置。
【請求項１１】
前記アルミナ焼結体は、アルカリ金属元素およびアルカリ土類金属元素の合計含有率が５００質量ｐｐｍ以下であり、厚さ１ｍｍでの波長６５０ｎｍの光の直線透過率が３０％以上であることを特徴とする請求項１、３、５ののいずれか１項に記載の転動装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、半導体製造プロセスにおけるウエハ洗浄装置や、コンデンサーフィルムのエッチング装置など、水を含む腐食性液体中もしくは同液体のかかる部分、又は水蒸気を含む腐食性気体中で使用される転がり軸受、リニアガイド装置、ボールねじ装置等の転動装置に関し、特に、優れた耐食性および耐摩耗性が要求される用途に好適な転動装置に関する。
背景技術
水または強い腐食溶液中、あるいは強い腐食溶液の飛沫に曝される環境では、金属材料の使用が困難なため、外輪、内輪および転動体をセラミック材料で構成した転がり軸受が使用される。このセラミック材料としては、窒化硅素、炭化硅素、ジルコニアなどが一般的であるが、特に高い耐食性を要求される用途では炭化硅素系のセラミックスが用いられる。
炭化硅素系のセラミックスを素材として用いた転がり軸受としては、例えば、特開平１０−８２４２６号公報に示すように、外輪、内輪および転動体を炭化硅素系セラミックス材で形成すると共に、少なくとも表面にフッ素樹脂が形成された保持器を組み込んだものや、特開２０００−９１４５号公報に示すように、転動体および軌道輪の内の一方を炭化硅素系のセラミックス材で形成し、他方を炭化硅素系セラミックス材よりも靭性の優れた耐食性金属で形成したものが提案されている。
ところで、転がり軸受の一部だけが腐食溶液に浸漬される場合や、転がり軸受の一部だけに腐食溶液の飛沫がかかる場合などでは、転がり軸受内に取り込まれる腐食溶液が微量である。また、ポンプの回転初期には、輸送溶液が微量な状態で転がり軸受を回転する。更に、常に腐食溶液に浸漬されて使用されるコンデンサーフィルムのエッチング装置のような用途でも、メンテナンス時に溶液を抜いて転がり軸受を回転させる場合があり、前記と同様に、転がり軸受内に微量の溶液が入った状態で回転する機会は多い。
しかしながら、炭化硅素系セラミックスは、一般に液中での摺動性は良いものの、乾燥状態での摺動性はあまり良くない。特に、セラミックス材料は金属材料と比較して水に対するぬれ性が悪く、転がり軸受内の溶液が微量になった場合に部分的に乾燥摩擦を生じる場合がある。
従って、上記特開平１０−８２４２６号公報に記載の転がり軸受のように、外輪、内輪および転動体の全てを炭化硅素系セラミックスで形成した場合においては、内部に微量の溶液が入った状態で転がり軸受を使用すると乾燥摩擦を生じ、トルク変動や振動などを発生する可能性があり、軸受寿命が短くなる要因となる。
特に、転がり軸受にモーメント荷重が作用する用途では、軌道輪と転動体との間の面圧が増大するため、上述のような乾燥摩擦が生じると、軌道面や転動体表面に微小損傷が発生して、軸受寿命が短くなる場合もある。
この点について上記特開２０００−９１４５号公報には、モーメント荷重による面圧増大を改善するために、転動体を耐食性金属で構成することが記載されているが、転動体を金属製にすると、転がり軸受の耐食性が劣化し、上述したような腐食性液体中や腐食性気体中での使用ができなくなるという問題がある。
更に、半導体製造プロセス等で用いられる腐食性溶液としては、塩酸、硫酸、フッ化水素酸などの酸性溶液の他、水酸化アンモニウムなどのアルカリ性溶液も挙げられる。特に、近年では、製造工程の高効率化などの目的で、使用される薬液の組成が複雑化し、各半導体製造メーカーによって様々である。そのため、これらの製造設備で使用される転がり軸受についても、あらゆる薬液に対する耐食性が要求されている。
一般に、セラミックス材料は、塩基性化合物と酸性化合物、およびその中間的な特性を有する両性化合物に大別される。酸性化合物は酸には侵されないが、アルカリ性溶液に対しては塩基性化合物よりも耐食性に劣る。また、逆に塩基性の化合物は、アルカリ性溶液に対しては優れた抵抗性を示すが、酸性溶液に対しては侵され易い。
ここで、前記各公報に記載された転がり軸受で素材として用いている炭化硅素系セラミックスは、酸性の強い化合物であり、酸に対しては極めて良好な耐食性を有するが、逆にアルカリ性溶液に対してはそれほど強い抵抗性を有していない。そのため、炭化硅素系セラミックスを素材とした転がり軸受を、アルカリ性溶液が使用されるプロセスに適用するためには注意が必要であった。特に、転動体の使用雰囲気に対する耐食性の優劣は、軸受機能に大きな影響を及ぼす。
本発明は、このような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、転がり軸受等の転動装置において、優れた耐食性を確保することができると共に、微量の溶液が内部に入った状態で用いた場合でも、転動体と軌道溝との間に乾燥摩擦等が生じることなく、長期間安定した性能を維持することができる転動装置を提供することを目的とする。
発明の開示
上記目的を達成するために、本発明は、互いに対向配置される軌道溝を備えた第１部材および第２部材と、両部材の軌道溝間に転動自在に配設された複数個の転動体と、を少なくとも備え、転動体が転動することにより第１部材および第２部材の一方が他方に対して相対移動する転動装置において、前記第１部材、第２部材、および複数個の転動体はセラミックス材料で形成され、前記複数個の転動体の内の１個以上は、アルミナ含有率が９９．５質量％以上であるアルミナ焼結体からなり、このアルミナ焼結体のＪＩＳ−Ｒ１６０１で規定された３点曲げ試験による曲げ強度が３２０ＭＰａ以上であることを特徴とする転動装置を提供する。この転動装置を第１の転動装置と称し、詳細な説明を後述する。
第１の転動装置において、第１部材および第２部材をなすセラミックス材料としては、炭化硅素焼結体、前記アルミナ焼結体、ジルコニア焼結体が挙げられる。
本発明はまた、互いに対向配置される軌道溝を備えた第１部材および第２部材と、両部材の軌道溝間に転動自在に配設された複数個の転動体と、を少なくとも備え、転動体が転動することにより第１部材および第２部材の一方が他方に対して相対移動する転動装置において、前記第１部材および第２部材の少なくともいずれかは合成樹脂からなり、前記複数個の転動体の内の１個以上は、アルミナ含有率が９９．５質量％以上であるアルミナ焼結体からなり、このアルミナ焼結体のＪＩＳ−Ｒ１６０１で規定された３点曲げ試験による曲げ強度が３２０ＭＰａ以上であることを特徴とする転動装置を提供する。この転動装置を第２の転動装置と称し、詳細な説明を後述する。
本発明の転動装置（第１および第２の転動装置）において、前記複数個の転動体は全て、アルミナ含有率が９９．５質量％以上であるアルミナ焼結体からなり、このアルミナ焼結体のＪＩＳ−Ｒ１６０１で規定された３点曲げ試験による曲げ強度が３２０ＭＰａ以上であることが好ましい。
本発明の転動装置（第１および第２の転動装置）において、前記アルミナ焼結体を構成する結晶粒子の平均粒径は２μｍより小さいことが好ましい。これにより、粒界破壊による摩耗の進行が特に抑制されて、転動装置の寿命を長くすることができる。より好ましくは、結晶粒子の平均粒径が１μｍ以下である、さらに好ましくは０．５μｍ以下であるアルミナ焼結体を用いる。
本発明の転動装置（第１および第２の転動装置）において、前記アルミナ焼結体を構成する結晶粒子は、平均粒径が２μｍより小さく、平均粒径に対する標準偏差（粒子のばらつきを示す値）の比が０．４以下であることが好ましい。これにより、粒界破壊による摩耗の進行がより一層抑制されて、転動装置の寿命をより長くすることができる。
上述のような平均粒径の小さいアルミナ焼結体を得るためには、原料粉末として、純度（アルミナ含有率）が９９．９９質量％以上、一次粒子の中心粒径が０．５μｍ以下、累積重量の８０％の粒子径が０．８μｍ以下（好ましくは０．６μｍ以下）を全て満たすような高純度微細アルミナ粉末を用い、結晶粒子をあまり成長させないように、焼成温度を例えば１３００℃以下として焼結することが好ましい。
本発明の転動装置（第１および第２の転動装置）において、前記アルミナ焼結体からなる転動体の表面粗さは、中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．０２μｍ以上０．５μｍ以下であることが好ましい。
本発明の転動装置（第１および第２の転動装置）において、前記アルミナ焼結体は、加圧焼結法により得られ、相対密度が９９．５％以上であることが好ましい。
本発明の転動装置（第１および第２の転動装置）において、前記アルミナ焼結体は、アルカリ金属元素およびアルカリ土類金属元素の合計含有率が５００質量ｐｐｍ以下であり、厚さ１ｍｍでの波長６５０ｎｍの光の直線透過率が３０％以上であることが好ましい。このような光透過性アルミナ焼結体は、光が吸収される不純物（主に、アルカリ金属およびアルカリ土類金属）と、原子配列がランダムな部分（粒界等）が極めて少ないため、プラズマエッチング耐性が高い。
［第１の転動装置に関する説明］
本発明の転動装置は、外方部材と内方部材との間に複数の転動体が配設された転動装置と同じものであり、外方部材および内方部材のいずれか一方が前記第１部材に、他方が前記第２部材に相当する。
本発明の転動装置の一例としては、案内レール（内方部材）とスライダ（外方部材）との間に複数の転動体が配設されたリニアガイド装置、ねじ軸（内方部材）とボールナット（外方部材）との間に複数の転動体が配設されたボールねじ装置、或いは内輪（内方部材）と外輪（外方部材）との間に複数の転動体が配設された転がり軸受等の転動装置で、特に腐食環境下で優れた耐食性および耐摩耗性が要求される耐食性転動装置において、前記外方部材と前記内方部材を炭化硅素又はアルミナを主体とするセラミックス材で形成すると共に、前記複数の転動体の内の１個以上をアルミナを主成分とするセラミックス材で形成したものが挙げられる。
この転動装置によれば、優れた耐食性を確保すると共に、溶液が微量となる状態で用いた場合においても、部材間に乾燥摩擦等が生じるのを防止してトルク変動や転動時の振動等の発生を効果的に抑制し、更には、荷重による面圧増加を軽減して、長期間安定した性能を維持することができる。
即ち、アルミナは多くの酸性溶液およびアルカリ性溶液に対して、炭化硅素と同等又は同等以上の耐食性を有しており、従って、アルミナ系のセラミックス材からなる転動体と炭化硅素系のセラミックス材からなる転動体とを組合せて使用しても転動装置の耐食性を劣化させるようなことがない。
また、アルミナは炭化硅素と比較して親水性に優れるため、炭化硅素系セラミックスの転動体とアルミナ系セラミックスの転動体とを組み合わせて転動装置に組み込むことにより、親水性に富んだアルミナが転がり軸受等の転動装置の内部へ溶液を引き込み、装置内部での乾燥摩擦の発生を抑制する。
従って、外方部材、内方部材および転動体の全てを炭化硅素系セラミックス材で形成した場合に問題となっていたトルク変動や転動時の振動の発生を効果的に防止することができる。
この場合、外方部材と内方部材との間にアルミナ系セラミックスの転動体を少なくとも１個組み込めば、内部の摩擦状態を改善することができるが、好ましくは転動体の全数の半分以上、さらに好ましくは転動体の全数をアルミナ系セラミックスの転動体で構成するのが望ましい。更には、外方部材、内方部材および転動体の全てをアルミナで構成することが好ましい。
また、アルミナ系セラミックスの転動体の表面の粗さを中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．０２μｍ以上、好ましくは０．１μｍ以上とすることにより、粗さの谷部へ溶液が滞留するため、溶液が微量となる状態で用いる場合での装置内部への溶液の引き込み効果をさらに向上させることができる。
但し、表面粗さがＲａで０．５μｍを超えると、粗さが起点となって転動体剥離や微小摩耗など転動体損傷の原因となる虞れがあるため、アルミナ系セラミックス材の転動体の表面粗さは、中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．０２〜０．５μｍの範囲とすることが好ましい。また、表面粗さが大きくなると、転動体の表面積が増大して耐食性を阻害する場合があるため、転動体の表面粗さは、上記の好ましい範囲の中でも、特に低い側（例えば、Ｒａ０．２μｍ程度）にするとよい。
更に、アルミナは炭化硅素に比較して縦弾性係数が小さく、接触面での面圧を軽減する効果があるため、転動装置にモーメント荷重が負荷された場合にも軌道面と転動体との間の面圧増加を緩和することができる。
更に、アルミナの素材は加圧焼結されていることが好ましい。
ここで、アルミナは、酸性化合物と塩基性化合物の中間的な特性を有する両性化合物であり、酸性溶液とアルカリ性溶液の両方に対してある程度の耐食性を有する化合物である。しかしながら、一般的なアルミナ焼結体は、ＭｇＯやＳｉＯ２などの金属酸化物が添加剤として混合されており、これら添加剤の影響によって、塩基性または酸性にやや偏った性質を有している。そこで、広範囲の薬液で優れた特性を有するためには、これらの添加剤を極力少なくする必要がある。即ち、これらの添加剤は０．５％以下、好ましくは０．１％以下とされることが望ましい。
また、表面の空孔やクラックなど素材欠陥が存在すると、外部からの溶液浸透によって、内部の腐食を発生させ、素材の耐食性を著しく悪化させることが知られている。特に、転がり軸受の転動体などに使用する場合には、腐食環境の中での繰返し応力に対して優れた特性を有することが必要であるため、表面に存在する素材欠陥だけでなく、内部欠陥についても可及的に減少させることが必要である。
本発明では、これらの見地に基づき、転動体として使用するアルミナ球について、高純度で微細なアルミナ原料粉末を使用し、且つ、加圧焼結により内部欠陥を減少させた素材を用いることにより、転がり軸受の耐久寿命が著しく向上し、酸、アルカリの広範囲の腐食環境中において長期間安定して使用できる転がり軸受を得ることができる。
なお、上記アルミナの焼結体の相対密度を９９．５％以上、好ましくは９９．８％以上とすると、更なる軸受回転寿命の向上を図ることができる。
使用する炭化硅素焼結体は、結晶粒が丸いα型でも結晶粒が細長いβ型でもよく、焼結助剤成分もＢ−Ｃ系でもＢ−Ｃ−Ａｌ系でもよい。また、反応焼結法によって得られた炭化硅素焼結体からなる素材は、素材内部に金属Ｓｉ成分が残留することがあり、これが、素材の耐食性に悪影響を及ぼす可能性があるため、この残留Ｓｉ成分を５％以下としたものが好ましい。
焼結方法についてもＨＩＰでも常圧焼結でも、焼結体の３点曲げ強度が４００ＭＰａ以上であれば好適に用いることができる。
転動体の素材として使用されるアルミナ焼結体は、軸受の耐荷重性能を維持するため、前記３点曲げ強度が３２０ＭＰａ以上、好ましくは４００ＭＰａ以上、より好ましくは５００ＭＰａ以上とすることが望ましい。
また、アルミナの原料粉末に不純物として含有されるＳｉＯ２、ＮａＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、ＭｇＯおよびＺｒＯ２などの金属酸化物の総計が０．５％以下、好ましくは０．３％以下とすると、反応性の高いフッ化水素酸（ＨＦの水溶液）中での使用に対しても耐食性を維持でき望ましい。
また、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｍｇなどの金属成分ＭをＭＡｌ２Ｏ４の形で母相中に混在させると、親水性が向上し望ましいが、これらも焼結体の耐食性に影響を及ぼさない範囲内に留めることが望ましい。
第１の転動装置において、第１部材および第２部材を構成するジルコニア焼結体としては、ヤング率２００ＧＰａ以上のものを使用し、転動体を構成するアルミナ焼結体としては、ヤング率３００ＧＰａ以上のものを使用することが好ましい。より好ましくは、前記ジルコニア焼結体としてヤング率２５０ＧＰａ以上のものを使用し、アルミナ焼結体としてヤング率３５０ＧＰａ以上のものを使用する。
また、前記ジルコニア焼結体としてはビッカース硬さ１０００以上のものを使用し、アルミナ焼結体としてはビッカース硬さ１５００以上のものを使用することが好ましい。より好ましくは、前記ジルコニア焼結体としてはビッカース硬さ１２００以上のものを使用し、アルミナ焼結体としてはビッカース硬さ１７００以上のものを使用する。
第１部材および第２部材をジルコニア焼結体で構成し、転動体をアルミナ焼結体で構成することにより、第１部材、第２部材、および転動体を全て窒化硅素焼結体、炭化硅素焼結体、ジルコニア焼結体、アルミナ焼結体で構成した場合と比較して、良好な転動性能が得られる。
［第２の転動装置に関する説明］
使用する合成樹脂としては、ポリエチレン（ＰＥ）樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂、フッ素樹脂、および溶融成形可能な耐食性樹脂が挙げられる。
フッ素樹脂としては、テトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、クロロトリフルオロエチレン−エチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）等が挙げられる。これらを単独で、またはこれらの２種類以上を組み合わせて用いることができる。これらのうち、特に自己潤滑性および耐食性に優れているＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＥＴＦＥ、ＰＶＤＦ、ＦＥＰを用いることが好ましい。
溶融成形可能な耐食性樹脂としては、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）に代表されるポリアリーレンスルフィド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトンとポリベンゾイミダゾールとのコポリマー（ＰＥＥＫ−ＰＢＩ）、ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）が挙げられる。これらを単独で、またはこれらの２種類以上を組み合わせて用いることができる。これらのうち、特に自己潤滑性および耐食性に優れているＰＰＳ、ＰＥＥＫを用いることが好ましい。
また、上記合成樹脂に固体潤滑剤が添加されたものを使用してもよい。添加可能な固体潤滑剤としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の粉末、黒鉛、六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）、フッ素雲母、メラミンシアヌレート（ＭＣＡ）、層状の結晶構造を有するアミノ酸化合物（Ｎ−ラウロ・Ｌ−リジン）、フッ化黒鉛、フッ化ピッチ、二硫化モリブデン、二硫化タングステン等が挙げられる。これらを単独で、またはこれらの２種類以上を組み合わせて使用することができる。
また、機械的強度、耐摩耗性、寸法安定性を向上させる目的で、上記合成樹脂に繊維状充填材が添加されたものを使用してもよい。添加可能な繊維状充填材としては、ホウ酸アルミニウムウイスカー、チタン酸カリウムウイスカー、カーボンウイスカー、アラミド繊維、芳香族ポリイミド繊維、液晶ポリエステル繊維、グラファイトウイスカー、ガラス繊維、炭素繊維、ボロン繊維、炭化珪素ウイスカー、窒化珪素ウイスカー、アルミナウイスカー、窒化アルミニウムウイスカー、ウォラストナイト等が挙げられる。
また、添加する繊維状充填材としては、母材である樹脂との密着性を上げたり母材中に均一に分散させたりする目的で、シラン系やチタネート系のカップリング剤により表面処理がなされているものであってもよいし、その他の目的に応じた表面処理がなされているものでもよい。
発明を実施するための最良の形態
［第１の実施形態］
（実施例１）
図１に、本発明を評価するための回転試験に用いる試験軸受としての転がり軸受を示す。
この試験軸受Ｊは、外輪１と内輪２との間に複数の転動体３が、保持器４を介して配設された、呼び番号６００１番相当の軸受（外径：２８ｍｍ，内径：１２ｍｍ，幅：８ｍｍ，転動体数：８個）の玉軸受である。
本実施例では、表１に示す、炭化硅素焼結体からなる素材で外輪１および内輪２を形成し、転動体３については、同じ表１に示す炭化硅素焼結体からなる素材と、それぞれ純度と強度の異なる５種類のアルミナ焼結体からなる素材（アルミナ１〜５）を用い、表２に示す各構成で、Ｎｏ．１−１〜Ｎｏ．１−１７の試験軸受Ｊを製作した。また、保持器４は、チタン酸カリウム繊維を２０質量％含有するＰＶＤＦ（ポリビニリテンフルオライド）樹脂を用いて形成した。
なお、表１中の曲げ強度は、各素材からなる３６ｍｍ×４ｍｍ×３ｍｍの試験片を用い、スパン距離を３０ｍｍとして、ＪＩＳ−Ｒ１６０１で規定された３点曲げ試験を行って得られた結果を記載している。また、弾性率は、各素材からなる３６ｍｍ×４ｍｍ×１．５ｍｍの試験片を用いて、ＪＩＳ−Ｒ１６０２に従い、３点曲げによる変位量の測定値から求めた。
更に、各素材の腐食量を調査するために、フッ素樹脂製の容器内に濃度５体積％のフッ化水素酸（フッ化水素の水溶液）を入れた後、この容器内に各素材からなる直径９．５７５ｍｍの玉を入れ、８０℃で１００時間保持する試験を行った。
そして、この試験前後の各玉の重量減少量から腐食量を算出し、アルミナ１を「１」とした腐食量の比を算出した。また、アルミナ素材１〜５の破断面を走査型電子顕微鏡で観察し、各素材をなす焼結体の平均結晶粒径を測定した。炭化硅素焼結体からなる素材としては、Ｂ（ホウ素）−Ｃ（炭素）系の焼結助剤を用いて焼結させたα型の炭化硅素焼結体を用いた。
次に、Ｎｏ．１−１〜Ｎｏ．１−１７の各試験軸受Ｊの性能を調べるために、図２に示す回転試験機を用いて回転試験を行った。
この回転試験機は、図２に示すように、水平な基台Ｄに対して斜めに配置された回転軸Ｓと、この回転軸Ｓを支持する２個の玉軸受Ｊ１，Ｊ２と、ハウジングＨとからなり、両玉軸受Ｊ１，Ｊ２の外輪がハウジングＨの軸方向の両端部に固定されている。また、基台Ｄの上には、液体５１として腐食性溶液を入れた容器５が設置されている。試験開始時に、試験軸受Ｊを回転軸Ｓの先端（基台Ｄ側）に装着する。その際に、容器５内の液体５１に試験軸受Ｊの外輪が浸漬するように、回転軸Ｓを配置する。
この試験軸受Ｊに径方向の荷重（ラジアル荷重）Ｒを加えながら、内輪回転で試験を行った。試験条件は、ラジアル荷重：５９Ｎ、回転速度：５００ｍｉｎ−１、雰囲気温度：常温、腐食溶液：１規定の塩酸（塩化水素の水溶液）とした。
試験中に試験軸受Ｊに発生する振動を測定し、振動値が試験開始時の２倍になった時点で回転を停止し、その時点までの回転時間を調べ、各回転時間をＮｏ．１−１５の回転時間を「１」とした値に換算して、その値を回転寿命比とした。
試験結果を図３〜図５に示す。
図３は、試験軸受に組み込んだアルミナ焼結体（アルミナ５）からなる転動体の個数と、軸受寿命比との関係を示すグラフである。図４は、試験軸受に組み込んだ転動体の表面粗さと、軸受寿命比との関係を示すグラフである。図５は、試験軸受に組み込んだ転動体の曲げ強度と、軸受寿命比との関係を示すグラフである。
図３から明らかなように、８個の転動体のうち、少なくとも１つの転動体をアルミナ５（アルミナ含有率が９９．５質量％で、曲げ強度が５９０ＭＰａであるアルミナ焼結体）で構成することにより、軸受寿命比は、全ての転動体が炭化硅素焼結体で構成されている場合（Ｎｏ．１−１５）に比較して、１．４〜１．８倍となっている。特に、転動体の全てをアルミナ５（アルミナ含有率が９９．５質量％で、曲げ強度が５９０ＭＰａであるアルミナ焼結体）で構成した場合（Ｎｏ．１−８）が最も長寿命であった。
また、図４に示すように、転動体の全てをアルミナ５で構成した場合（Ｎｏ．１−５〜Ｎｏ．１−８，Ｎｏ．１−１２，Ｎｏ．１−１３，Ｎｏ．１−１６，Ｎｏ．１−１７）には、転動体の表面粗さを中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．０２μｍ以上０．５μｍ以下（好適範囲）とすることで、軸受内部への溶液引き込み効果が向上し、転動体の全てを炭化硅素焼結体で構成した場合（Ｎｏ．１−１５）の１．３〜１．８倍の軸受寿命が得られた。
なお、転動体の全てをアルミナ５で構成した場合であっても、転動体の表面粗さが前記好適範囲外である場合（Ｎｏ．１−１６，Ｎｏ．１−１７）には、転動体の全てを炭化硅素焼結体で構成した場合（Ｎｏ．１−１５）を若干上回る程度の寿命比であった。
また、図５に示すように、軸受寿命比は曲げ強度に比例して大きくなる傾向にある。特に、アルミナ素材の曲げ強度が４００ＭＰａ以上である場合（Ｎｏ．１−２，Ｎｏ．１−３，Ｎｏ．１−５）には、振動の増加無しで長時間回転した。
なお、Ｎｏ．１−１〜Ｎｏ．１−４，Ｎｏ．１−８では、転動体の全てをアルミナ５で１構成しているため、全ての転動体が炭化硅素焼結体で構成されているＮｏ．１−１５よりも優れた寿命特性が得られている。
（実施例２）
実施例１と同様に、呼び番号６００１相当の玉軸受を試験軸受として採用した。
この実施例では、表３に示す、炭化硅素焼結体からなる素材と、原料粉末または焼結方法の異なる４種類のアルミナ焼結体からなる素材（アルミナ６〜９）とを用い、外輪１、内輪２、および転動体３を形成し、表４に示す各構成で、Ｎｏ．１−１８〜Ｎｏ．１−２３の試験軸受Ｊを製作した。各試験軸受で８個の転動体３は全て同じ構成とした。
なお、転動体の表面粗さは、中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．０４μｍ程度とした。炭化硅素焼結体からなる素材としては、Ｂ（ホウ素）−Ｃ（炭素）系の焼結助剤を用いて焼結させたα型の炭化硅素焼結体を用いた。保持器４は、チタン酸カリウム繊維を２０質量％含有するＰＶＤＦ（ポリビニリテンフルオライド）樹脂を用いて形成した。
次に、Ｎｏ．１−１８〜Ｎｏ．１−２３の各試験軸受Ｊの性能を調べるために、第１実施例と同様に、図２に示す回転試験機を用いて回転試験を行った。
ただし、基台Ｄの上には、液体５１としてイオン交換水を入れた容器５を設置した。また、８０℃に温度調節された５質量％フッ化水素酸（フッ化水素の水溶液）、または８０℃に温度調節された３０質量％水酸化ナトリウム水溶液に１００時間浸漬した後に、各試験軸受Ｊを回転試験機の回転軸に取り付けた。
そして、この試験軸受Ｊに径方向の荷重（ラジアル荷重）Ｒを加えながら、内輪回転で試験を行った。試験条件は、ラジアル荷重：９８Ｎ、回転速度：５００ｍｉｎ−１、雰囲気温度：常温とした。
試験中に試験軸受Ｊに発生する振動を測定し、振動値が試験開始時の２倍になった時点で回転を停止し、その時点までの回転時間を調べ、各回転時間をＮｏ．１−２１の回転時間を「１」とした値に換算して、その値を回転寿命比とした。
回転試験前に水酸化ナトリウム水溶液（アルカリ性溶液）に浸漬した場合の結果を図６に示す。回転試験前にフッ化水素酸（酸性溶液）に浸漬した場合の結果を図７に示す。
図６から明らかなように、アルカリ性溶液に浸漬した後に回転試験を行うと、試験軸受に組み込んた転動体がアルミナ焼結体である場合（Ｎｏ．１−１８〜Ｎｏ．１−２０，Ｎｏ．１−２２，Ｎｏ．１−２３）に、試験軸受に組み込んだ転動体が炭化硅素焼結体である場合（Ｎｏ．１−２１）よりも良好な（１．２倍以上の）回転寿命が得られた。特に、加圧焼結法で得られたアルミナ焼結体（アルミナ８およびアルミナ９）を使用したＮｏ．１−１８〜Ｎｏ．１−２０は、Ｎｏ．１−２１の１．６〜１．８倍の回転寿命が得られた。
また、試験軸受に組み込んだ転動体がアルミナ焼結体であるもののうち、加圧焼結法で得られたアルミナ焼結体（アルミナ８およびアルミナ９）を使用したＮｏ．１−１８〜Ｎｏ．１−２０は、常圧焼結法で得られたアルミナ焼結体（アルミナ６２およびアルミナ７）を使用したＮｏ．１−２２，Ｎｏ．１−２３よりも良好な回転寿命が得られた。なお、Ｎｏ．１−２０の試験軸受では、内輪、外輪、および転動体が、全て加圧焼結法で得られたアルミナ９により構成されている。
酸性溶液に浸漬した後に回転試験を行った場合には、図７に示すように、試験軸受に組み込んだ転動体がアルミナ焼結体である場合（Ｎｏ．１−１８〜Ｎｏ．１−２０，Ｎｏ．１−２２，Ｎｏ．１−２３）に、試験軸受に組み込んだ転動体が炭化硅素焼結体である場合（Ｎｏ．１−２１）と同等以上の回転寿命が得られた。特に、加圧焼結法で得られたアルミナ焼結体（アルミナ８およびアルミナ９）を使用したＮｏ．１−１８〜Ｎｏ．１−２０は、Ｎｏ．１−２１の１．４〜１．５倍の回転寿命が得られた。
次に、相対密度の異なるアルミナ焼結体からなる転動体を複数種類形成し、炭化硅素からなる内輪および外輪と、同じ相対密度のアルミナ焼結体からなる８個の転動体とを用いて、図１と同じ構造の試験軸受を複数種類作製した。これらの試験軸受を用い、前記と同様にして、水酸化ナトリウム水溶液に浸漬した後に回転試験を行った。その結果を図８にグラフで示す。なお、軸受寿命比はＮｏ．１−２１の回転時間を「１」として算出した。
図８から明らかなように、アルミナ焼結体の相対密度を９９．５％以上とすると、軸受回転寿命が向上し、９９．８％以上とすると更に軸受回転寿命が向上する。
次に、Ｎｏ．１−１９と同じ構成で、アルミナ９からなる転動体の数を１個から７個まで変化させた試験軸受を作製した。アルミナ９製以外の転動体としては、表３の炭化硅素焼結体製の転動体を用意して、これを組み込んだ。
これらの試験軸受を用い、前記と同様にして、水酸化ナトリウム水溶液に浸漬した後に回転試験を行った。その結果を図９にグラフで示す。なお、軸受寿命比はＮｏ．１−２１（アルミナ９からなる転動体の数が０）の回転時間を「１」として算出した。
図９から明らかなように、アルミナ９（アルミナ含有率が９９．９質量％であって、相対密度が９９．８％であり、平均結晶粒径が０．５μｍであるアルミナ焼結体）製の転動体を少なくとも１つ組み込むことにより、転がり軸受の回転寿命が向上し、転動体の全数をアルミナ９製とすることで特に長い回転寿命が得られる。
［第２の実施形態］
第１の実施形態と同様に、呼び番号６００１相当の玉軸受を試験軸受として採用した。
この実施形態では、表５に示す、原料粉末の異なる１１種類のアルミナ焼結体からなる素材（アルミナ１１〜２１）と、上記第１の実施形態と同じ炭化硅素、後述の第４の実施形態と同じＰＶｄＦ＋炭素繊維（１５質量％）、後述の第５の実施形態と同じジルコニア（ヤング率２１０ＧＰａ、ビッカース硬さ１０００）を用い、外輪１、内輪２、および転動体３を形成し、表６に示す各構成で、Ｎｏ．２−１〜Ｎｏ．２−２６の試験軸受Ｊを製作した。各試験軸受で８個の転動体３は全て同じ構成とした。
アルミナ焼結体からなる素材は以下の方法で作製した。先ず、原料粉末である一次粒子を造粒して５０〜２００μｍ程度の二次粒子を得た。これを金型に入れて一軸プレス法で成形することにより、球体またはリング状の成形体を得た。次に、この成形体を大気炉に入れて、６００℃で脱脂処理を行った。次に、別の大気炉に入れて焼成を行った。この焼成工程で、処理温度と処理時間を変化させることにより、焼結体の粒子径を制御した。焼成後の成形体をＨＩＰ法で焼結することにより、焼結体を得た。
また、各素材の焼結体を構成する結晶粒子の粒径分布を、以下のようにして測定した。
先ず、得られた各焼結体の任意の表面を鏡面ラッピングした。次に、これを電気炉内に入れて、１１００℃で３０〜６０分間、サーマルエッチングした。次に、前記ラッピング面にプラチナをコーティングして導電性を付与して、走査型電子顕微鏡で結晶粒子の状態を観察した。
そして、前記面内の任意の５視野を約５０００倍で撮影し、画像データをパソコンに取り込んで画像解析を行った。画像解析により結晶粒界を抽出して各結晶粒子の面積を求め、同じ面積を有する円の直径を算出して、この直径をその結晶粒子の粒径（円相当径）とした。上記のことを前記５視野について行い、全体の平均粒径と標準偏差を算出した。
なお、第１の実施形態と同じ方法で測定した曲げ強度は、アルミナ１１〜２１のいずれについても３２０ＭＰａ以上であった。また、転動体の表面粗さは、中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．０４μｍ程度とした。保持器４は、チタン酸カリウム繊維を２０質量％含有するＰＶＤＦ（ポリビニリテンフルオライド）樹脂を用いて形成した。
次に、Ｎｏ．２−１〜Ｎｏ．２−２６の各試験軸受Ｊの性能を調べるために、第１の実施形態と同様に、図２に示す回転試験機を用いて回転試験を行った。
ただし、基台Ｄの上には、液体５１としてイオン交換水を入れた容器５を設置した。また、Ｎｏ．２−１〜Ｎｏ．２−１１，Ｎｏ．２−１７〜Ｎｏ．２−２６では、８０℃に温度調節された５質量％フッ化水素酸に１００時間浸漬した後に、各試験軸受Ｊを回転試験機の回転軸に取り付けた。Ｎｏ．２−１２〜Ｎｏ．２−１６では、１規定の塩酸に１００時間浸漬した後に、各試験軸受Ｊを回転試験機の回転軸に取り付けた。
そして、この試験軸受Ｊに径方向の荷重（ラジアル荷重）Ｒを加えながら、内輪回転で試験を行った。試験条件は、ラジアル荷重：９８Ｎ、回転速度：５００ｍｉｎ−１、雰囲気温度：常温、試験時間：１００時間とした。
Ｎｏ．２−１〜Ｎｏ．２−１１については、この試験の開始前（軸受に組み立てる前）と終了後（軸受を分解した後）に、外輪および内輪の軌道溝をなす円弧上の任意の３箇所で、表面粗さ計を用いた溝形状の測定を行った。この測定値の試験前後の差を各箇所毎に算出して、各箇所での摩耗面積とした。これら３箇所での摩耗面積の平均値を、前記円弧の範囲で積分することによって、外輪および内輪の軌道面の摩耗体積を算出した。外輪と内輪の摩耗体積の和を総摩耗体積として算出した。
各試験軸受の総摩耗体積をＮｏ．２−１０の値を「１」とした値に換算して、その値を総摩耗体積比とした。その結果を図１０にグラフで示す。このグラフの縦軸は前記総摩耗体積比であり、横軸は、各試験軸受の内輪および外輪をなすアルミナ焼結体を構成する結晶粒子の平均粒径である。なお、縦軸と横軸はともに対数軸となっている。
また、内輪および外輪をなすアルミナ焼結体を構成する結晶粒子の平均粒径が１．８μｍである、Ｎｏ．２−４〜２−７についての、総摩耗体積比の測定結果を図１１に示す。この図は、結晶粒子の平均粒径に対する標準偏差の比と、総摩耗体積比との関係を示すグラフである。
Ｎｏ．２−１２〜Ｎｏ．２−２６については、試験の開始前（軸受に組み立てた後）と終了後（軸受を分解する前）に、荷重を加えた方向でのラジアル隙間を測定し、両者の差（ラジアル隙間増加量）を摩耗量を示す値として算出した。その結果を、内外輪の材質毎にまとめて図１２〜１４にグラフで示す。図１２は、ジルコニア焼結体製の内輪および外輪を用いた場合（Ｎｏ．２−１２〜Ｎｏ．２−１６）の、ラジアル隙間増加量比（Ｎｏ．２−１６のラジアル隙間増加量を「１」とした値）と、転動体をなすアルミナ焼結体を構成する結晶粒子の平均粒径との関係を示すグラフである。
図１３は、炭化硅素焼結体製の内輪および外輪を用いた場合（Ｎｏ．２−１７〜Ｎｏ．２−２１）の、ラジアル隙間増加量比（Ｎｏ．２−２１のラジアル隙間増加量を「１」とした値）と、転動体をなすアルミナ焼結体を構成する結晶粒子の平均粒径との関係を示すグラフである。図１４は、「ＰＶｄＦ＋炭素繊維（１５質量％）」製の内輪および外輪を用いた場合（Ｎｏ．２−２２〜Ｎｏ．２−２６）の、ラジアル隙間増加量比（Ｎｏ．２−２６のラジアル隙間増加量を「１」とした値）と、転動体をなすアルミナ焼結体を構成する結晶粒子の平均粒径との関係を示すグラフである。
図１０から分かるように、内輪および外輪をなすアルミナ焼結体を構成する結晶粒子の平均粒径を２μｍより小さくする（ここでは１．８μｍ以下にする）ことによって、前記平均粒径が２μｍ以上である場合よりも大幅に摩耗量を少なくすることができる。また、前記平均粒径が１μｍの場合と０．５μｍの場合とでは、さほど差がない。
図１１から分かるように、内輪および外輪をなすアルミナ焼結体として、前記比が０．４以下である結晶粒子で構成されているものを使用すると、前記比が０．６である結晶粒子で構成されているものを使用した場合よりも総摩耗体積比を著しく小さくすることができ、前記比が０．３以下である結晶粒子で構成されているものを使用することで総摩耗体積比を特に小さくすることができる。
また、図１２〜１４から分かるように、内輪および外輪が、炭化硅素、ＰＶｄＦ＋炭素繊維（１５質量％）、ジルコニアの場合、転動体をなすアルミナ焼結体を構成する結晶粒子の平均粒径を２μｍより小さくする（ここでは１．８μｍ以下にする）ことによって、前記平均粒径が２μｍ以上である場合よりも大幅に摩耗量（ラジアル隙間増加量）を少なくすることができる。
なお、この実施形態では、内輪および外輪とする素材の成形体を一軸プレス法により形成しているが、ＣＩＰ法により形成してもよい。ＣＩＰ法により成形体を形成する場合には、形成後にサンプル形状に応じた生加工が必要である。一軸プレス法で処理した後にさらにＣＩＰ法で処理して得られた成形体は、内部密度が均一化されるため好ましい。また、転動体の素材とする球体の成形も一軸プレス法により行ったが、転動造粒成形法を採用すると、量産性に優れるとともに、内部密度の均一な球体が得られるため好ましい。
［第３の実施形態］
第１の実施形態と同様に、呼び番号６００１相当の玉軸受を試験軸受として採用した。
この実施形態では、アルミナ焼結体からなる素材、窒化硅素焼結体からなる素材、炭化硅素焼結体からなる素材を用いて、外輪１、内輪２、および転動体３を形成し、表７に示す各構成で、Ｎｏ．３−１〜Ｎｏ．３−１０の試験軸受Ｊを作製した。各試験軸受で８個の転動体３は全て同じ構成とした。なお、表７では、アルミナ焼結体をＡｌ２Ｏ３と表示し、窒化硅素焼結体をＳｉ３Ｎ４と、炭化硅素焼結体をＳｉＣと表示した。
アルミナ焼結体からなる素材は以下の方法で作製した。先ず、主原料としてαアルミナ粉末を用い、これに酸化マグネシウムと酸化イットリウムを焼結助剤として添加して混合粉末を得、この混合粉末に、溶媒、有機バインダー、可塑剤、分散剤を混合してスラリーを得た。次に、このスラリーを球体またはリング状に成形し、得られた成形体を大気中で焼成した後、還元雰囲気下で更に焼成することにより、焼結体とした。
なお、αアルミナ粉末を使用することにより、成形体中の粒子配列が均一になるため、焼結助剤の量が少なくても均一な結晶化がなされる。これにより、αアルミナ粉末以外のアルミナ粉末を使用した場合と比較して、焼結助剤（例えば、アルカリ土類金属であるマグネシウム）の添加量を低減できる。
次に、各素材で構成した外輪１、内輪２、および転動体３について、プラズマエッチング処理を施した。プラズマエッチング処理は、プラズマエッチング装置内に六フッ化硫黄ガスを、ガス流量：１５０ＳＣＣＭ、ガス圧力：１．５Ｔｏｒｒの条件で導入することで、前記装置内を六フッ化硫黄ガス雰囲気とし、その中に外輪、内輪、転動体を入れて、マイクロ波電力３５０Ｗの条件で１０時間、プラズマエッチングを行う。
なお、アルミナ焼結体からなる外輪１、内輪２、および転動体３、並びに、炭化硅素焼結体からなる外輪１および内輪２としては、プラズマエッチング処理を施さないものも用意した。
また、アルミナ焼結体からなる素材をダイヤモンドスラリーを用いて鏡面研磨することにより、厚さ１．００ｍｍの円形ペレットを作製し、このペレットを用いて、波長６５０ｎｍの光の直線透過率を測定した。測定装置としては、島津製作所の「ＵＶ−１２００」を使用した。
なお、第１の実施形態と同じ方法で測定した曲げ強度は、この実施形態で用いたアルミナ焼結体でも３２０ＭＰａ以上であった。また、転動体の表面粗さは、中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．０４μｍ程度とした。保持器４は、チタン酸カリウム繊維を２０質量％含有するＰＶＤＦ（ポリビニリテンフルオライド）樹脂を用いて形成した。
次に、Ｎｏ．３−１〜Ｎｏ．３−１０の各試験軸受Ｊの性能を調べるために、第１の実施形態と同様に、図２に示す回転試験機を用いて回転試験を行った。ただし、基台Ｄの上には、液体５１として５規定の塩酸（ＨＣｌの水溶液）を入れた容器５を設置した。この試験軸受Ｊに径方向の荷重（ラジアル荷重）Ｒを加えながら、内輪回転で試験を行った。試験条件は、ラジアル荷重：１９６Ｎ、回転速度：３００ｍｉｎ−１、雰囲気温度：常温とした。
次に、Ｎｏ．３−１〜Ｎｏ．３−１０の各試験軸受Ｊについて、上記と類似の試験を行った。この試験は、容器５内に入れる液体５１として５規定の水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液を用いた点のみが、上記方法と異なる。
各試験中に試験軸受Ｊに発生する振動を測定し、振動値が試験開始時の２倍になった時点で回転を停止し、その時点までの回転時間を調べ、各回転時間をＮｏ．３−７の回転時間を「１」とした値に換算して、その値を耐久性比（回転寿命比）とした。この結果を表７に示す。
ここで、プラズマエッチングされた焼結体は、不純物粒子や粒界の部分が腐食されて欠陥（ポアやクラック等）となり易い。また、この欠陥を有する焼結体が酸やアルカリの溶液中に浸漬されると、欠陥の部分が優先的に侵食され易い。したがって、上述の試験により、焼結体のプラズマエッチング耐性に起因する転がり軸受の耐久性を知ることができる。
表７の結果から、転動体をなすアルミナ焼結体として、アルカリ金属元素およびアルカリ土類金属元素の合計含有率が５００質量ｐｐｍ以下であり、厚さ１ｍｍでの波長６５０ｎｍの光の直線透過率が３０％以上であると、酸およびアルカリに対する耐久性が良好になることが分かる。また、上記両条件を満たす場合には、プラズマエッチング処理された場合とされない場合とで、酸およびアルカリに対する耐久性に差がないことが分かる。
また、転動体をなすアルミナ焼結体として、アルカリ金属元素およびアルカリ土類金属元素の合計含有率が５００質量ｐｐｍ以下であっても、Ｎｏ．３−１０のように、厚さ１ｍｍでの波長６５０ｎｍの光の直線透過率が３０％未満であると、酸およびアルカリに対する耐久性の向上効果が十分には得られないことも分かる。
さらに、内輪および外輪としてＮｏ．３−３と同じもの（直線透過率が３０％であるアルミナ焼結体からなるもの）を用い、転動体として直線透過率を２５〜５０％の範囲で変化させたアルミナ焼結体からなるものを用いて、複数個の試験軸受Ｊを作製し、これらの試験軸受について上述の２種類の試験を行った。その結果を、図１５および図１６にグラフで示す。なお、この結果についても、Ｎｏ．３−７のデータを「１」とした耐久性比を採用した。
図１５は、５規定の塩酸に対する耐久性を示すグラフであり、図１６は、５規定の水酸化ナトリウム水溶液に対する耐久性を示すグラフである。両図から分かるように、転動体をなすアルミナ焼結体の直線透過率が３０％以上であると、３０％未満の場合よりも、酸およびアルカリに対する耐久性が著しく高くなる。
この実施形態で作製した転がり軸受のように、転動体をなすアルミナ焼結体として、アルカリ金属元素およびアルカリ土類金属元素の合計含有率が５００質量ｐｐｍ以下であり、厚さ１ｍｍでの波長６５０ｎｍの光の直線透過率が３０％以上であるものを使用した転動装置によれば、これらの条件を満たさないアルミナ焼結体、窒化硅素焼結体、炭化硅素焼結体、或いはジルコニア焼結体を使用した場合よりも、酸、アルカリ、ハロゲンガス、イオンプラズマに対する耐久性が高くなる。
［第４の実施形態］
第１の実施形態と同様に、呼び番号６００１相当の玉軸受を試験軸受として採用した。
この実施形態では、表８に示す各構成で、Ｎｏ．４−１〜Ｎｏ．４−８の試験軸受Ｊを作製した。転動体３は、アルミナ焼結体からなる素材（表１のアルミナ８と９）および窒化硅素焼結体からなる素材を用いて形成した。外輪１および内輪２は、各試験軸受毎に表８に示す材料（合成樹脂または繊維状充填剤が添加された合成樹脂）を用いて作製した。各試験軸受で８個の転動体３は全て同じ構成とした。なお、表８の「％」は「質量％」を示す。
ここで、合成樹脂および繊維状充填剤としては以下に示すものを使用した。
☆ＰＥ：旭化成（株）製「サンテック−ＨＤＪ３１０」
☆ＰＶＤＦ：呉羽化学工業製「クレハＫＦポリマーＴ−＃８５０」
☆ＰＰＳ：フィリップスペトローリアム社製「ライトンＲ−６」
☆ＰＥＥＫ：ビクトレックス社製「ビクトレックスＰＥＥＫ  １５０Ｇ」
☆ＰＥＮ：出光マテリアル社製「ＲＦ」
☆炭素繊維：呉羽化学工業製：「クレカチョップＭ−１０２Ｓ」、平均繊維径１４．５μｍ、長さ０．２μｍ
☆チタン酸カリウムウィスカー（ＫＴＷ）：大塚化学製「ティスモＤ−１０１」、平均繊維径０．３〜０．６μｍ、長さ１０〜２０μｍ
なお、第１の実施形態と同じ方法で測定した曲げ強度は、この実施形態で用いたアルミナ焼結体でも３２０ＭＰａ以上であった。また、転動体の表面粗さは、中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．０５μｍとした。また、窒化硅素焼結体からなる素材としては、焼結助剤としてＡｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３等を添加し、圧力１０気圧以下で焼結したものを用いた。また、保持器４は、チタン酸カリウム繊維を２０質量％含有するＰＶＤＦ（ポリビニリテンフルオライド）樹脂を用いて形成した。
次に、Ｎｏ．４−１〜Ｎｏ．４−８の各試験軸受Ｊの性能を調べるために、第１実施例と同様に、図２に示す回転試験機を用いて回転試験を行った。
ただし、基台Ｄの上には、液体５１としてイオン交換水を入れた容器５を設置した。また、５０℃に温度調節された５質量％フッ化水素酸に２４０時間浸漬した後に、各試験軸受Ｊを回転試験機の回転軸に取り付けた。
そして、この試験軸受Ｊに径方向の荷重（ラジアル荷重）Ｒを加えながら、内輪回転で試験を行った。試験条件は、ラジアル荷重：３０Ｎ、回転速度：１０００ｍｉｎ−１、雰囲気温度：常温とした。
試験中に試験軸受Ｊに発生する振動を測定し、振動値が試験開始時の３倍になった時点で回転を停止し、その時点までの回転時間を調べ、各回転時間をＮｏ．４−８の回転時間を「１」とした値に換算して、その値を回転寿命比とした。その結果を表８に示す。
表８の結果から分かるように、アルミナ８（アルミナ含有率が９９．５質量％であって、相対密度が９９．５％であり、平均結晶粒径が４μｍであるアルミナ焼結体）製およびアルミナ９（アルミナ含有率が９９．９質量％であって、相対密度が９９．８％であり、平均結晶粒径が０．５μｍであるアルミナ焼結体）製の転動体を組み込んだ転がり軸受は、窒化硅素焼結体からなる転動体を組み込んだ転がり軸受よりも高い耐久性（長い回転寿命）が得られる。
次に、相対密度の異なるアルミナ焼結体からなる転動体を複数種類形成し、Ｎｏ．４−３と同じ構成の内輪および外輪と、同じ相対密度のアルミナ焼結体からなる８個の転動体とを用いて、図１と同じ構造の試験軸受を複数種類作製した。これらの試験軸受を用い、前記と同様にして、フッ化水素酸に浸漬した後に回転試験を行った。その結果を図１７にグラフで示す。なお、軸受寿命比はＮｏ．４−８の回転時間を「１」として算出した。
図１７から分かるように、相対密度が９９．５％以上のアルミナ焼結体からなる転動体を使用することにより、腐食環境下での耐久性（軸受回転寿命）が大幅に向上し、相対密度が９９．８％以上のアルミナ焼結体からなる転動体を使用することにより、腐食環境下での軸受回転寿命がさらに向上する。
［第５の実施形態］
第１の実施形態と同様に、呼び番号６００１相当の玉軸受を試験軸受として採用した。
この実施形態では、アルミナ焼結体からなる素材、窒化硅素焼結体からなる素材、ジルコニア焼結体からなる素材、炭化硅素焼結体からなる素材を用いて、外輪１、内輪２、および転動体３を形成し、表９に示す各構成で、Ｎｏ．５−１〜Ｎｏ．５−９の試験軸受Ｊを作製した。各試験軸受で８個の転動体３は全て同じ構成とした。なお、表９では、アルミナ焼結体をＡｌ２Ｏ３と表示し、窒化硅素焼結体をＳｉ３Ｎ４と、炭化硅素焼結体をＳｉＣと、ジルコニア焼結体をＺｒＯ２と表示した。
アルミナ焼結体からなる素材は以下の方法で作製した。先ず、主原料としてαアルミナ粉末を用い、これに酸化マグネシウムと酸化イットリウムを焼結助剤として添加して混合粉末を得、この混合粉末に、溶媒、有機バインダー、可塑剤、分散剤を混合してスラリーを得た。次に、このスラリーを球体またはリング状に成形し、得られた成形体を大気中で焼成した後、ＨＩＰ法により更に焼成することにより、焼結体とした。
ジルコニア焼結体からなる素材は以下の方法で作製した。先ず、主原料であるジルコニア粉末を得、この粉末に、溶媒、有機バインダー、可塑剤、分散剤を混合してスラリーを得た。次に、このスラリーを球体またはリング状に成形した。この成形体を１４００〜１６００℃で焼結した。
なお、第１の実施形態と同じ方法で測定した曲げ強度は、この実施形態で用いたアルミナ焼結体でも３２０ＭＰａ以上であった。また、この実施形態で用いたアルミナ焼結体のアルミナ含有率は９９．５％以上であった。また、転動体の表面粗さは、中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．０４μｍ程度とした。保持器４は、チタン酸カリウム繊維を２０質量％含有するＰＶＤＦ樹脂を用いて形成した。
次に、Ｎｏ．５−１〜Ｎｏ．５−７の各試験軸受Ｊの性能を調べるために、第１の実施形態と同様に、図２に示す回転試験機を用いて回転試験を行った。ただし、基台Ｄの上には、液体５１として１規定の塩酸（ＨＣｌの水溶液）を入れた容器５を設置した。この試験軸受Ｊに径方向の荷重（ラジアル荷重）Ｒを加えながら、内輪回転で試験を行った。試験条件は、ラジアル荷重：１９６Ｎ、回転速度：３００ｍｉｎ−１、雰囲気温度：常温とした。
次に、Ｎｏ．５−１〜Ｎｏ．５−７の各試験軸受Ｊについて、上記と類似の試験を行った。この試験は、容器５内に入れる液体５１として１規定の水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液を用いた点のみが、上記方法と異なる。
各試験中に試験軸受Ｊに発生する振動を測定し、振動値が試験開始時の２倍になった時点で回転を停止し、その時点までの回転時間を調べ、各回転時間をＮｏ．５−７の回転時間を「１」とした値に換算して、その値を耐久性比（回転寿命比）とした。この結果を表９に示す。
表９の結果から、内輪および外輪がジルコニア焼結体からなり、転動体がアルミナ焼結体からなる転がり軸受（Ｎｏ．５−１〜Ｎｏ．５−４，Ｎｏ．５−６）は、内輪、外輪、および転動体が窒化硅素焼結体からなる転がり軸受（Ｎｏ．５−７）よりも、酸およびアルカリに対する耐久性が良好になることが分かる。なお、内輪および外輪が炭化硅素焼結体からなり、転動体がアルミナ焼結体からなる転がり軸受（Ｎｏ．５−５）は、内輪、外輪、および転動体が窒化硅素焼結体からなる転がり軸受（Ｎｏ．５−７）よりも、酸およびアルカリに対する耐久性が良好になる。
次に、Ｎｏ．５−３と同じ転動体（ヤング率３４０ＧＰａ、ビッカース硬さ１５００のアルミナ焼結体からなる転動体）と、ビッカース硬さが異なる複数のジルコニア焼結体からなる内輪および外輪（内輪と外輪は同じ焼結体からなるもの）とを用いて、試験軸受Ｊを作製し、上記と同じ試験を行った。そして、各試験軸受Ｊの回転時間をＮｏ．５−７の回転時間を「１」とした値に換算して、その値を１耐久性比（回転寿命比）とした。この結果を図１８のグラフに「ａ」で示す。
次に、Ｎｏ．５−３と同じ転動体（ヤング率３４０ＧＰａ、ビッカース硬さ１５００のアルミナ焼結体からなる転動体）と、ヤング率が異なる複数のジルコニア焼結体からなる内輪および外輪（内輪と外輪は同じ焼結体からなるもの）とを用いて、試験軸受Ｊを作製し、上記と同じ試験を行った。そして、各試験軸受Ｊの回転時間をＮｏ．５−７の回転時間を「１」とした値に換算して、その値を耐久性比（回転寿命比）とした。この結果を図１９のグラフに「ａ」で示す。
次に、Ｎｏ．５−３と同じ内輪および外輪（ヤング率２００ＧＰａ、ビッカース硬さ１０００のジルコニア焼結体からなる転動体）と、ビッカース硬さが異なる複数のアルミナ焼結体からなる転動体とを用いて、試験軸受Ｊを作製し、上記と同じ試験を行った。そして、各試験軸受Ｊの回転時間をＮｏ．５−７の回転時間を「１」とした値に換算して、その値を耐久性比（回転寿命比）とした。この結果を図１８のグラフに「ｂ」で示す。
次に、Ｎｏ．５−３と同じ内輪および外輪（ヤング率２００ＧＰａ、ビッカース硬さ１０００のジルコニア焼結体からなる転動体）と、ヤング率が異なる複数のアルミナ焼結体からなる転動体とを用いて、試験軸受Ｊを作製し、上記と同じ試験を行った。そして、各試験軸受Ｊの回転時間をＮｏ．５−７の回転時間を「１」とした値に換算して、その値を耐久性比（回転寿命比）とした。この結果を図１９のグラフに「ｂ」で示す。
両図から分かるように、アルミナ焼結体（●）は、ヤング率３００以上、ビッカース硬さ１５００以上とすることで、酸に対する耐久性が著しく高くなる。ジルコニア焼結体（■）は、ヤング率２００以上、ビッカース硬さ１０００以上とすることで、酸に対する耐久性が著しく高くなる。
なお、上記各実施形態において、保持器４は、ポリフェニレンサルファイド１０（ＰＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂、あるいはポリエチレン（ＰＥ）等を主成分とした樹脂からなるもの、上述のような繊維状充填材が配合された合成樹脂製であってもよい。また、上記各実施形態では、冠型の保持器を用いたが、揉み抜き型の保持器を用いても良い。この場合は、軸受の組み立て性を考慮して深溝型の玉軸受よりもアンギュラ型の玉軸受とするこ１５とが好ましい。
また、第１の実施形態のアルミナ焼結体からなる転動体は、各アルミナ原料粉末を造粒成形法により球形状に一次成形し、１４００〜１６００℃の焼結温度で焼成した後、ラップ盤により所定精度まで加工することによって得ることができる。
また、本発明は、転がり軸受以外の転動装置（例えば、リニアガイド装置やボールねじ）にも適用できる。
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産業上の利用可能性
以上説明したように、本発明の転動装置によれば、優れた耐食性を確保することができると共に、微量の溶液が内部に入った状態で用いた場合でも、転動体と軌道溝との間に乾燥摩擦等が生じることが防止され、長期間安定した性能を維持することができる。
また、少なくとも転動体を、加圧焼結法により得られ、相対密度が９９．５％以上のアルミナ焼結体で構成することにより、素材の耐食性と転動疲労特性を向上し、酸とアルカリの両腐食環境下で長期間安定した性能を維持することができる。
また、少なくとも転動体を、アルミナ含有率が９９．５質量％以上であり、結晶粒子の平均粒径が２μｍより小さいアルミナ焼結体で構成することにより、優れた耐摩耗性を有する転動装置が得られる。特に、平均粒径が２μｍより小さく、平均粒径に対する標準偏差の比が０．４以下である結晶粒子からなるアルミナ焼結体を用いた場合には、より優れた耐摩耗性を有する転動装置が得られる。
また、少なくとも転動体をなすアルミナ焼結体として、アルカリ金属元素およびアルカリ土類金属元素の合計含有率が５００質量ｐｐｍ以下であり、厚さ１ｍｍでの波長６５０ｎｍの光の直線透過率が３０％以上であるものを使用することにより、特に、ハロゲンガス、イオンプラズマに対する耐久性に優れた転動装置が得られる。この転動装置は、半導体素子を製造する際に使用するプラズマエッチング装置用として好適に使用できる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明を評価するための回転試験に用いる試験軸受としての転がり軸受を示す概略断面図である。
図２は、各試験軸受の性能を調べるために使用した回転試験機を示す概略断面図である。
図３は、試験軸受に組み込んだアルミナ焼結体（アルミナ５）からなる転動体の個数と、軸受寿命比との関係を示すグラフである。
図４は、試験軸受に組み込んだ転動体の表面粗さと、軸受寿命比との関係を示すグラフである。
図５は、試験軸受に組み込んだ転動体の曲げ強度と、軸受寿命比との関係を示すグラフである。
図６は、水酸化ナトリウム水溶液（アルカリ性溶液）に対する耐食性を調べた軸受回転試験結果を示すグラフである。
図７は、フッ化水素酸（酸性溶液）に対する耐食性を調べた軸受回転試験結果を示すグラフである。
図８は、水酸化ナトリウム水溶液（アルカリ性溶液）に対する耐食性を調べた軸受回転試験結果を示すグラフであって、転動体をなすアルミナ焼結体の相対密度と軸受寿命比との関係を示す。
図９は、水酸化ナトリウム水溶液（アルカリ性溶液）に対する耐食性を調べた軸受回転試験結果を示すグラフであって、アルミナ焼結体からなる転動体の個数と軸受寿命比との関係を示す。
図１０は、内輪および外輪をなすアルミナ焼結体を構成する結晶粒子の平均粒径と、総摩耗体積比との関係を示すグラフである。
図１１は、内輪および外輪をなすアルミナ焼結体を構成する結晶粒子の平均粒径が１．８μｍである場合の、総摩耗体積比の測定結果を示すグラフであって、使用したアルミナ焼結体を構成する結晶粒子の平均粒径に対する標準偏差の比と、総摩耗体積比との関係を示すグラフである。
図１２は、ジルコニア焼結体製の内輪および外輪を用いた場合（Ｎｏ．２−１２〜Ｎｏ．２−１６）の、ラジアル隙間増加量比（Ｎｏ．２−１６のラジアル隙間増加量を「１」とした値）と、転動体をなすアルミナ焼結体を構成する結晶粒子の平均粒径との関係を示すグラフである。
図１３は、炭化硅素焼結体製の内輪および外輪を用いた場合（Ｎｏ．２−１７〜Ｎｏ．２−２１）の、ラジアル隙間増加量比（Ｎｏ．２−２１のラジアル隙間増加量を「１」とした値）と、転動体をなすアルミナ焼結体を構成する結晶粒子の平均粒径との関係を示すグラフである。
図１４は、「ＰＶｄＦ＋炭素繊維（１５質量％）」製の内輪および外輪を用いた場合（Ｎｏ．２−２２〜Ｎｏ．２−２６）の、ラジアル隙間増加量比（Ｎｏ．２−２６のラジアル隙間増加量を「１」とした値）と、転動体をなすアルミナ焼結体を構成する結晶粒子の平均粒径との関係を示すグラフである。
図１５は、内輪および外輪として直線透過率が３０％であるアルミナ焼結体からなるものを用い、転動体として直線透過率を変化させたアルミナ焼結体からなるものを用いて作製した試験軸受の、５規定の塩酸に対する耐久性を前記直線透過率との関係で示すグラフである。
図１６は、内輪および外輪として直線透過率が３０％であるアルミナ焼結体からなるものを用い、転動体として直線透過率を変化させたアルミナ焼結体からなるものを用いて作製した試験軸受の、５規定の水酸化ナトリウム水溶液に対する耐久性を前記直線透過率との関係で示すグラフである。
図１７は、相対密度の異なるアルミナ焼結体からなる転動体と、一定の内輪および外輪とで作製した試験軸受の、フッ化水素酸に対する耐久性を前記相対密度との関係で示すグラフである。
図１８は、第５の実施形態の試験結果から得られた、内外輪をなすジルコニア焼結体（■）または転動体をなすアルミナ焼結体（●）のビッカース硬さと、耐久性比（回転寿命比）との関係を示すグラフである。
図１９は、第５の実施形態の試験結果から得られた、内外輪をなすジルコニア焼結体（■）または転動体をなすアルミナ焼結体（●）のヤング率と、耐久性比（回転寿命比）との関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【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】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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