(57)【要約】【課題】コスト性をも考慮しつつ、高温特殊環境下で使用するのに好適な転がり軸受を提供する。【解決手段】転がり軸受の内輪１と外輪３のうち少なくとも外輪３をポリベンズイミダゾール樹脂で形成する。【選択図】　　図１
2004116668.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と外輪のうち少なくとも外輪がポリベンズイミダゾール樹脂からなる転がり軸受。
【請求項２】
ポリベンズイミダゾール樹脂からなる軌道輪の転走面が旋削面であり、その表面粗さがＲａ２〜１０Ｓである請求項１に記載の転がり軸受。
【請求項３】
外輪が相手側固定部材に緩いはめあいをもって嵌合される請求項１または２に記載の転がり軸受。
【請求項４】
内輪と外輪との間に介在する複数の転動体がセラミック材からなる請求項１ないし３のいずれかに記載の転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はグリース等の流体潤滑剤が使用できない特殊環境（真空高温、ガス雰囲気、清浄環境等）下で使用され、かつ、比較的軽荷重で運転される転がり軸受に関し、たとえば水晶振動子製造装置のワーク反転機構部、半導体製造工程におけるスパッタリング装置のウェーハ搬送系、ガス流量計のタービン支持部用軸受等として利用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば、半導体製造の分野では半導体の集積度の増加に伴って回路パターンの線幅が微細化すると共に、層状構造化（二階建化）する傾向にあることから、スパッタリング工程等において、ウェーハをより高温状態（〜５００°Ｃ程度）で処理するようになってきている。そのため、ウェーハの搬送系等にある軸受が４００°Ｃ程度にまで温度上昇することが予測され、潤滑剤の高温劣化による潤滑性の低下、軸受部品の熱膨張による軸受内部すきまの過小、ハウジングの熱膨張による軌道輪のクリープ等、軸受の耐久性、低発塵性等の特性に好ましくない影響を与える現象の発生が懸念される。
【０００３】
現在、上記のような高温特殊環境下での使用に好適な転がり軸受がないのが実情である。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−２７９９７３号公報（段落番号０００８）
【０００５】
ところで、上記のような環境下において、軸受の潤滑性の低下が懸念されるのは次の理由による。すなわち、半導体製造設備のような清浄度の高い密封真空下で運転される軸受の潤滑剤としては、一般に、ポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥ）等の高分子材からなる固体潤滑剤を被膜処理して用いる場合が多いが、これら高分子材の耐熱温度が比較的低いので（たとえば、耐熱性に優れたＰＴＦＥでも３２０°Ｃ程度である）、軸受温度が固体潤滑剤の耐熱温度を超えることが予測される環境下では、潤滑剤としての機能を果たし得なくなる可能性があるからである。
【０００６】
本発明者らはポリイミド（ＰＩ）樹脂を適用した提案をしているが（特開平７−２７９９７３号公報参照）、その耐熱温度は３６０℃程度であり、使用条件の過酷化により使用できないケースが増えている。
【０００７】
また、軌道輪のクリープが懸念されるのは次の理由による。すなわち、半導体製造設備のウェーハ搬送系等に使用される軸受は、比較的軽荷重、低速回転で運転されるので、装着あるいは取外しの際の便宜を考慮し、ハウジングと外輪とのはめあいをすきまばめにしている場合が多い。そのため、ハウジングの熱膨張によって両者間のすきまが拡大し、これが外輪のクリープ発生の要因になるのである。軸受内部すきまの過小は、内輪および転動体の熱膨張に起因して発生する。
【０００８】
以上のように、高温特殊環境下で使用される軸受については、単に軸受部品自体の耐熱性を確保するだけでは不十分であり、潤滑性、軸受内部すきま、クリープといった要素も考慮して対策を講じる必要がある。また、使用初期時からスパッタリング装置のウエーハをひっかかりなく滑らかに搬送する必要がある。
【０００９】
本発明は、上記観点から、コスト性をも考慮しつつ、高温特殊環境下で使用するのに好適な転がり軸受を提供しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の転がり軸受は、内輪と外輪のうち少なくとも外輪をポリベンズイミダゾール（以下、ＰＢＩという。）樹脂で形成したことを特徴とするものである。ＰＢＩ樹脂は耐熱性（４３０℃程度）、耐摩耗性に優れ、かつ、良好な自己潤滑性を有する高分子材であるので、転がり軸受の少なくとも外輪をＰＢＩ樹脂で形成することにより、耐熱性と潤滑性とを同時に確保することができる。ＰＴＦＥ等の潤滑剤の使用が不要であるため、潤滑剤の高温劣化による潤滑性低下の心配はない。また、軽荷重、低速回転での運転であれば、軌道輪をＰＢＩ樹脂で形成したものであっても、強度的には十分使用に耐え得る。
【００１１】
ＰＢＩ樹脂で形成した軌道輪の転走面を、表面粗さがＲａ２〜１０Ｓの旋削面としてもよい。ＰＢＩ樹脂は転着性があるので、転走面の表面粗さを粗くすることで、初期回転時に樹脂の表面が削り取られ、その削り取られた樹脂が転動体等に転着して潤滑作用をし、初期なじみ性がよくなる。
【００１２】
外輪は相手側固定部材に緩いはめあい（すきまばめ）をもって嵌合してもよい。外輪を相手側固定部材に緩いはめあいをもって嵌合することにより、運転時、外輪が熱膨張によって相手側固定部材とタイトになった場合でも適正な軸受内部すきまが確保される。
【００１３】
また、内輪と外輪との間に介在する複数の転動体をセラミック材で形成してもよい。内輪と外輪との間に介在する複数の転動体をセラミック材で形成することにより、セラミック材は鋼材等に比べて線膨張係数が小さいので、温度が上昇したときに軸受内部すきまが過小となるのをより効果的に防止することができる。
【００１４】
【実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１５】
本発明で用いるＰＢＩ樹脂は次の式で表される。
【００１６】
【化１】
2004116668.tif 000003
2004116668.tif 000004
上式で示されるＰＢＩとして具体的には、たとえば次のような重合体あるいは共重合体がある。
【００１７】
ポリ−２，２´−（ｍ−フェニレン）−５，５´−ジベンズイミダゾール；
ポリ−２，２´−（ジフェニレン−２´´，２´´´）−５，５´−ジベンズイミダゾール；
ポリ−２，２´−（ジフェニレン−４´´，４´´´）−５，５´−ジベンズイミダゾール；
ポリ−２，２´−（１´´，１´´，３´´−トリメチルインダニレン）−３´´，５´´−ｐ−フェニレン―５，５´―ジベンズイミダゾール；
２，２´−（ｍ−フェニレン）−５，５´−ジベンズイミダゾール／２，２´−（１´´，１´´，３´´−トリメチルインダニレン）−５´´，３´´−（ｐ−フェニレン）―５，５´―ジベンズイミダゾール共重合体；
２，２´−（ｍ−フェニレン）−５，５´−ジベンズイミダゾール／２，２´−ジフェニレン−２´´，２´´´―５，５´―ジベンズイミダゾール共重合体；
ポリ−２，２´−（フリレン−２´´，５´´）―５，５´―ジベンズイミダゾール；
ポリ−２，２´−（ナフタレン−１´´，６´´）―５，５´―ジベンズイミダゾール；
ポリ−２，２´−（ナフタレン−２´´，６´´）―５，５´―ジベンズイミダゾール；
ポリ−２，２´−アミレン―５，５´―ジベンズイミダゾール；
ポリ−２，２´−オクタメチレン−５，５´−ジベンズイミダゾール；
ポリ−２，２´−（ｍ−フェニレン）−ジベンズイミダゾール；
ポリ−２，２´−（ｍ−フェニレン）−５，５´−ジ（ベンズイミダゾール）エーテル；
ポリ−２，２´−（ｍ−フェニレン）−５，５´−ジ（ベンズイミダゾール）サルファイド；
ポリ−２，２´−（ｍ−フェニレン）−５，５´−ジ（ベンズイミダゾール）スルフォン；
ポリ−２，２´−（ｍ−フェニレン）−５，５´−ジ（ベンズイミダゾール）メタン；
ポリ−２，２´−（ｍ−フェニレン）−５，５´−ジ（ベンズイミダゾール）プロパン−２，２；
ポリエチレン−１，２，２，２´´−（ｍ−フェニレン）−５，５´´−ジ（ベンズイミダゾール）エチレン−１，２。ただし、エチレン基の二重結合は最終重合体中そのままである。好ましい重合体としては、ポリ−２，２´−（ｍ−フェニレン）−５，５´−ジベンズイミダゾールが挙げられる。
【００１８】
成形体としては、上記の化学構造を有する粉末状ポリマーを特開平１−９９８１８号公報や特開平１０−１５６８４７号公報等に開示された方法により成形した焼結体を用いることができる。
【００１９】
また、ＰＢＩに芳香族ポリエーテルケトン樹脂、具体的にはポリエーテルケトン樹脂（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン樹脂（ＰＥＫＥＫＫ）、特に好ましいものとしてＰＥＥＫなどの熱可塑性樹脂を配合することにより溶融流動性を付与した材料を射出成形したものを用いることもできる。ＰＥＥＫなどの熱可塑性樹脂の配合量は耐熱性と流動性のバランスを考慮して決定することができ、好ましい範囲としてはＰＢＩ：ＰＥＥＫ＝３０：７０〜７０：３０である。
【００２０】
なお、本発明においてはＰＢＩ樹脂、またはＰＢＩ樹脂／ＰＥＥＫ樹脂混合物に、本発明の効果を阻害しない範囲内で各種の添加剤を配合することもできる。たとえば、組成物の潤滑性をさらに改良するために、耐摩耗性の改良剤を配合してもよい。耐摩耗性改良剤の具体例としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、グラファイト、窒化ホウ素、フッ化黒鉛、マイカ、タルク、ウォラストナイト、金属酸化物の粉末、硫酸カルシウムのウィスカ、二硫化モリブデン、リン酸塩、炭酸塩などを例示することができる。
【００２１】
また、繊維状の補強材として、ガラス繊維、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、炭化ケイ素繊維、窒化ケイ素、窒化ホウ素、金属繊維、また、チタン酸カリウム、酸化チタン、酸化亜鉛、ホウ酸アルミニウム、炭酸カルシウム、硫酸カルシウムなどのウィスカなどが挙げられる。また、導電性を付与するためにカーボン、カーボン／グラファイトを配合することもできる。
【００２２】
図１に、本発明を適用した深溝玉軸受を示す。この軸受は、半導体製造工程におけるスパッタリング装置のウェーハ搬送系に組み込まれるもので、図示されていない回転軸に嵌着される内輪１と、ハウジング２の嵌合面に緩いはめあいをもって嵌合される外輪３と、内・外輪１、３間に介在する複数の玉４と、玉４を円周方向に等間隔に保持する保持器５とで構成される。符号Ｓはハウジング２と外輪３との間の常温時のすきまを表し、同図ではこのすきまＳをかなり誇張して示してある。
【００２３】
内輪１と玉４はマルテンサイト系ステンレス鋼たとえばＳＵＳ４４０Ｃ材、保持器５はＳＵＳ３０４材などで形成され、外輪３はＰＢＩ樹脂で形成されている。一般に、ＰＢＩ樹脂は耐熱性、耐摩耗性に優れ、かつ、良好な自己潤滑性を有する高分子材である。
【００２４】
なお、半導体製造設備のウェーハ搬送系に使用される軸受は、一般に、軽荷重、低速回転で運転されるため、外輪３をＰＢＩ樹脂で形成したものであっても、強度的には十分使用に耐え得る。一方、このような運転条件に着目し、軌道輪のクリープ等による摩耗低減、発塵抑制を目的として、軌道輪をポリイミド樹脂で形成した事例もあるが、軸受温度が４００°Ｃ程度にもなることが予測される環境下での使用には耐えないと考えられる。
【００２５】
また、この軸受は、自己潤滑性を有するＰＢＩ樹脂からなる外輪３が潤滑剤供給源としての役割も果たすので、ＰＴＦＥ等の潤滑剤の使用が不要である。すなわち、玉４との接触によって外輪３の転走面から削り取られたＰＢＩ樹脂の潤滑粉が玉４の表面、内輪１の転走面、保持器５のポケット壁面にも転着して転着被膜を形成するので、内輪１と玉４、玉４と保持器５との間の潤滑も十分になされる。外輪の転走面を旋削面とし、その表面粗さをＲａ２〜１０Ｓにして粗くしておくと、転着しやすくなり、初期なじみ性が良くなる。したがって、この軸受にあっては、潤滑剤の高温劣化による潤滑性低下の心配はない。しかも、転着被膜を形成しない過剰な潤滑粉が発生するような場合であっても、外輪３がこの潤滑粉を吸着保持するように作用するので低発塵である。
【００２６】
さらに高温に晒される場合、上記構成中の少なくとも保持器５をＰＢＩ樹脂で形成すれば、内・外輪からの熱伝導が直接負荷されないために、潤滑性、低発塵性を確保することが可能となる。耐熱性に優れるＰＢＩ樹脂にＰＥＥＫなどの熱可塑性樹脂を配分して射出成形性を付与することにより、複雑な形状の保持器を製作することも可能となる。
【００２７】
さらに、この実施例では、軸受の装着・取外しを容易にするため、ハウジング２の嵌合面と外輪３の外径面とを緩いはめあいとし、両者間にすきまＳ（常温時）をもたせてあるが、軽荷重、低速回転での運転であるため、特に問題になることはない。また、ハウジング２と外輪３との線膨張係数が異なることから、運転時の熱膨張によってハウジング２と外輪３とがタイトになるため、外輪３のクリープも生じにくい。しかも、すきまＳを設けておくことにより、運転時、外輪３がハウジング２とタイトになった場合でも適正な軸受内部すきまが確保される。
【００２８】
図２に示す実施例は、内輪１と外輪３の双方をＰＢＩ樹脂で形成したものである。図１に示すものに比べて潤滑性が向上する。
【００２９】
図３に示す実施例は、内輪１と外輪３の双方をＰＢＩ樹脂で形成すると共に、保持器５をなくして総玉形式にしたものである。図２に示すものに比べて耐荷重性が向上する。なお、この実施例では、玉４を内・外輪１、３の転走面に挿入するための入れ溝１ａ、３ａを内輪１の外径面と外輪３の内径面の双方に設けてあるが、入れ溝１ａ、３ａの寸法が玉４に対して多少きつめでも内・外輪１、３の弾性変形によって玉４を容易に挿入することができる。しかも、挿入後の玉４の脱落防止も確実である。さらに、入れ溝１ａ、３ａの加工も容易である。
【００３０】
図４に示す実施例は、内輪１と外輪３の双方をカーボン添加のＰＢＩ樹脂で形成したものである。潤滑性がさらに向上するばかりでなく、カーボン添加のＰＢＩ樹脂は導電性があるため、通電性を必要とする箇所に使用することができるという利点がある。たとえば、図５に示すような光磁気ディスク基板（ポリカーボネート）１１の被膜処理に用いるスパッタリング装置において、光磁気ディスク基板１１の回転軸１２をハウジング１３に対し回転自在に支持する軸受Ａには、光磁気ディスク基板１１のチャージアップを防止するため通電性が必要とされる。また、軸受Ａの設置スペースが限定されているので大径薄肉の軸受を使用する必要があり、内・外輪をステンレス鋼材製としたのでは熱処理性、機械加工性など加工上の問題が多い。この実施例の軸受は、このような箇所に使用する軸受Ａとして最適である。ここでも、図３に示す構成に準じて総玉形式とすることにより、負荷容量増大、コスト低減を図ることが可能である。
【００３１】
図６に示す実施例は、玉４をセラミック材で形成したものである。セラミック材はステンレス鋼材に比べて線膨張係数が小さいので、玉４をセラミック材で形成することにより、温度上昇時に軸受内部すきまが過小となるのをより効果的に防止することができる。なお、運転時の温度が３００°Ｃ程度であれば、同図に示すように、射出成形ＰＢＩ樹脂を用い、少なくとも玉４の表面にＰＴＦＥからなる固体潤滑被膜４ａを形成することにより、潤滑性のさらなる向上を図ることができる。さらに内・外輪１、３の転走面にも固体潤滑被膜を形成してもよい。
【００３２】
水晶振動子製造装置のワーク反転機構部、ガス流量計のタービン支持部等に使用される軸受のように、より一層の高耐久性と低トルク性とが要求される場合には、外輪３、または、内輪１と外輪３の双方をＰＴＦＥ添加のＰＢＩ樹脂で形成するとよい。保持器形式にするか図３に示すような総玉形式にするかは使用条件によって決定する。ＰＴＦＥの添加量は機械構造材として高温下での強度低下を招かない程度で、かつ、転着被膜の形成が十分期待できる程度とする。ＰＢＩ樹脂の圧縮強度はＰＴＦＥの添加量が約３０ｗｔ％を超えると急激に低下する。一方、ＰＴＦＥ転着被膜はＰＴＦＥ添加量が０．５ｗｔ％を超えたあたりから形成され、潤滑性が良好になる。したがって、ＰＴＦＥの添加量は、重量比で０．５％〜３０％程度とするのが望ましい。ＰＴＦＥに代えてＭｏＳ２　、黒鉛またはカーボンを添加してもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、内輪と外輪のうち少なくとも外輪をＰＢＩ樹脂で形成したので、真空高温、ガス雰囲気、清浄環境等の特殊環境下において、耐熱性、耐久性、低発塵性、耐クリープ性に優れた転がり軸受を提供することができる。
【００３４】
転走面の表面粗さを粗くすることで初期なじみ性を良くすることができる。
【００３５】
外輪を相手側固定部材に緩いはめあいをもって嵌合することにより、運転時の熱膨張によって外輪が相手側固定部材とタイトになった場合でも、軸受内部すきまの過小が生じにくく、最適な運転状態が維持される。
【００３６】
転動体をセラミック材で形成することにより、軸受温度上昇時の軸受内部すきまの過小をより効果的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例を示す転がり軸受の断面図である。
【図２】本発明の第二の実施例を示す転がり軸受の断面図である。
【図３】本発明の第三の実施例を示す転がり軸受の断面図である。
【図４】本発明の第四の実施例を示す転がり軸受の断面図である。
【図５】図４に示す転がり軸受の使用例を示す図である。
【図６】本発明の第五の実施例を示す転がり軸受の断面図である。
【符号の説明】
１　　内輪
２　　ハウジング
３　　外輪
４　　玉
５　　保持器
Ｓ　　すきま
【図１】
2004116668.tif 000005
【図２】
2004116668.tif 000006
【図３】
2004116668.tif 000007
【図４】
2004116668.tif 000008
【図５】
2004116668.tif 000009
【図６】
2004116668.tif 000010