(57)【要約】【課題】優れた耐食性、潤滑性、及び、耐摩耗性を有していて、腐食性環境下や無潤滑環境下においても長寿命な転動装置を提供する。【解決手段】可動子と支持体と転動体とのうちの少なくとも１つを、炭化けい素で構成し、当該炭化けい素で構成された構成部材の転走面にカーボンナノチューブ膜を形成する。構成部材が炭化けい素で構成されているため、転動装置は酸・アルカリ等の腐食性物質に対する耐食性に優れている。また、カーボンナノチューブ膜が無潤滑環境下や腐食性環境下においても優れた潤滑性を発揮するため、転走面の摩耗が効果的に低減され、転動装置の耐久性を格段に向上する。【選択図】        図１
2005024025.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転運動可能又は直線運動可能な可動子と、該可動子を回転運動可能又は直線運動可能に支持する支持体と、該可動子と該支持体との間に介在し該可動子の回転運動又は直線運動に伴って転動する複数の転動体と、を具備する転動装置において、
前記可動子と前記支持体と前記転動体とのうちの少なくとも１つが、炭化けい素で構成され、
前記可動子と前記支持体と前記転動体とのうち前記炭化けい素で構成されたものは、転走面にカーボンナノチューブ膜が形成されていることを特徴とする転動装置。
【請求項２】
前記炭化けい素は、曲げ強度が５００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１に記載の転動装置。
【請求項３】
腐食性環境下で用いられることを特徴とする請求項１又は２に記載の転動装置。
【請求項４】
無潤滑環境下で用いられることを特徴する請求項１又は２に記載の転動装置。
【請求項５】
ふっ素樹脂を含有する材料で構成される保持器を、さらに備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の転動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は転動装置に関し、特に構成部材が炭化けい素で構成された転動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
転がり軸受、ボールねじ装置等の転動装置は、化学繊維、フィルム、半導体・液晶パネル、コンデンサー等の製造装置の回転支持部に適用される場合がある。このような転動装置は、酸又はアルカリ等の腐食性物質と接触するような腐食性環境下（例えば、腐食性水溶液中、腐食性水溶液の飛沫が飛散してくるような状況下、あるいは、腐食性水溶液が蒸発することにより発生した蒸気等の腐食性気体中等）で用いられたり、潤滑剤（潤滑油やグリース）の供給が不十分な環境下又は無潤滑環境下で用いられることがある。
【０００３】
このような腐食性環境下又は無潤滑環境下にある転動装置には、通常の金属材料を用いることができないためセラミックを用いることが一般的に知られており、このような転がり軸受の例が特許文献１及び特許文献２に示されている。このうち、特許文献１に示される転がり軸受は、外輪と内輪と転動体とのうちの少なくとも１つが炭化けい素製であり、残りが窒化けい素製である。このように異なる種類のセラミックを用いて転がり軸受の部品を構成することにより、無潤滑環境下における耐摩耗性等を向上させている。また、特許文献２の転がり軸受は、窒化けい素系のセラミックにより各部品を構成している。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭６２−５６６２０号公報
【特許文献２】
特開平７−１７４１４３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような窒化けい素系のセラミックで作製した転がり軸受は、強酸あるいは強アルカリ環境下におかれると、当該セラミックの粒界に存在する焼結助剤が腐食される。また、高温・高圧の水中では、窒化けい素自身が溶出するので、部品表面の硬さや強度が低下したり、転がり接触により部品に摩耗やクラックが生じてしまう。この結果、転がり軸受の耐久性が不十分となる。
【０００６】
また、上述のように炭化けい素製部品と窒化けい素製部品とを組み合わせた転がり軸受は、そのままでは十分な潤滑性能を得ることができない。このため、実際の使用条件の下では、摩耗が著しく進行したり、あるいは、クラックや剥離が発生し易くなる等、やはり耐久性が不十分である。
本発明は、上述のような問題点に鑑みてなされたものであり、優れた耐食性、潤滑性、及び、耐摩耗性を有していて、腐食性環境下や無潤滑環境下においても長寿命な転動装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１による転動装置は、回転運動可能又は直線運動可能な可動子と、該可動子を回転運動可能又は直線運動可能に支持する支持体と、該可動子と該支持体との間に介在し該可動子の回転運動又は直線運動に伴って転動する複数の転動体と、を具備する転動装置において、
前記可動子と前記支持体と前記転動体とのうちの少なくとも１つが、炭化けい素で構成され、
前記可動子と前記支持体と前記転動体とのうち前記炭化けい素で構成されたものは、転走面にカーボンナノチューブ膜が形成されていることを特徴とする。
【０００８】
このように、転動装置を炭化けい素やカーボンナノチューブ膜で構成することにより、酸・アルカリ等の腐食性物質に対する耐食性に優れる。また、カーボンナノチューブ膜が無潤滑環境下や腐食性環境下においても優れた潤滑性を発揮するため、カーボンナノチューブ膜が形成された転走面及びこれと接触する相手方の転走面の摩耗が効果的に低減され、転動装置の耐久性が格段に向上する。
【０００９】
なお、転走面とは、可動子又は支持体においては転動体が転動する軌道面を意味し、転動体においては軌道面と転がり接触する転動体の表面（転動面）を意味する。
本発明の請求項２による転動装置は、請求項１において、前記炭化けい素は、曲げ強度が５００ＭＰａ以上であることを特徴とする。
【００１０】
このように炭化けい素の曲げ強度は、５００ＭＰａ以上であることが好ましい。炭化けい素の曲げ強度が５００ＭＰａ未満の場合には、転動装置の回転時に可動子や支持体の転走面における接触点に繰返し応力が負荷されることにより、当該可動子や支持体の表面に微細なクラックが発生、伝播するおそれがある。そうすると、摩耗粉が多量に発生したり、クラックが可動子や支持体を貫通し割れが生じたりする場合があるため、転動装置の寿命が短くなる場合がある。曲げ強度が５００ＭＰａ以上であれば、上記クラックの発生が抑えられるので、耐久性が優れたものとなる。
【００１１】
本発明の請求項３による転動装置は、請求項１又は２において、腐食性環境下で用いられることを特徴とする。
本発明による転動装置は、炭化けい素やカーボンナノチューブ膜で構成されているため、酸・アルカリ等の腐食性物質に対する耐食性にも優れている。このため、腐食性環境下においても耐久性に優れる。
【００１２】
本発明の請求項４による転動装置は、請求項１又は２において、無潤滑環境下で用いられることを特徴する。
転動面に形成されたカーボンナノチューブ膜が潤滑性を発揮して、無潤滑環境下においても転走面の摩耗が効果的に低減されるため、本発明による転動装置は無潤滑環境下においても優れた耐久性を有する。
【００１３】
本発明の請求項５による転動装置は、請求項１〜４のいずれか１項において、ふっ素樹脂を含有する材料で構成される保持器を、さらに備えたことを特徴とする。
このような構成とすることにより、保持器に含有されるふっ素樹脂が転動装置の駆動中に転走面に転移して、潤滑作用を発揮する。このため、無潤滑環境下あるいは腐食性溶液中などの潤滑剤の供給が困難な腐食性環境下においても、摩耗が軽減され、転動装置の駆動が円滑なものとなる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の説明において参照する各図においては、他の図と同等の部分が同一符号によって示されている。
図１は、転がり軸受（転動装置）１０の断面図である。転がり軸受１０（呼び番号６００１：内径１２ｍｍ、外径２８ｍｍ、幅８ｍｍ）は、内輪１１と、外輪１２と、玉１３と、保持器１４と、を備えている。なお、転がり軸受１０が内輪回転で使用される場合は、回転輪である内輪１１が本発明の構成要件である可動子に相当し、固定輪である外輪１２が本発明の構成要件である支持体に相当する。また、転がり軸受１０が外輪回転で使用される場合は、回転輪である外輪１２が本発明の構成要件である可動子に相当し、固定輪である内輪１１が本発明の構成要件である支持体に相当する。
【００１５】
これら内輪１１、外輪１２、及び、玉１３は、炭化けい素で構成されている。さらに、それらの転走面、すなわち内輪１１の軌道面１１ａ，外輪１２の軌道面１２ａ、及び、玉の転動面１３ａには、カーボンナノチューブ膜が形成されている。このように、全ての部材を炭化けい素で構成したので、転がり軸受１０は耐食性に優れている。また、全ての転走面にカーボンナノチューブ膜を形成したので、潤滑性、耐摩耗性及び耐久性に優れた転がり軸受１０となる。なお、耐食性を考えると全ての部材を炭化けい素で構成することが好ましいが、全ての部材を上記構成とする必要はなく、内輪１１、外輪１２、及び、玉１３のいずれかを炭化けい素で構成し、その転走面にカーボンナノチューブ膜を形成させてもよい。
【００１６】
また、保持器１４には、ふっ素樹脂製の冠形保持器を用いている。ふっ素樹脂製の保持器１４を用いれば、転がり軸受１０の回転中にふっ素樹脂が転走面に転移して潤滑作用を発揮するため、摩耗が低減され、転がり軸受１０の回転が円滑なものとなる。ふっ素樹脂製の保持器１４は、ふっ素樹脂の中でも摩擦係数が小さいポリテトラフルオロエタン（ＰＴＦＥ）を主成分とする樹脂材料で構成することが好ましい。この樹脂材料中のＰＴＦＥの割合は、５０質量％以上であることが好ましく、８０質量％以上であることがより好ましい。なお、他の樹脂や金属等で構成された保持器を用いても良い。
【００１７】
なお、図１に示した深溝玉軸受に限らず、円筒ころ軸受などの他の形式の転がり軸受にも、本発明を適用可能である。また、転がり軸受に限らず、リニアガイド、リニアベアリング、及び、ボールねじ装置などの他の転動装置にも、本発明を適用可能である。
以下、さらに具体的な実施例を示して本発明を説明する。
実施例１〜７及び比較例１，２の転がり軸受の構成は上記実施形態とほぼ同様であるが、内輪、外輪、及び、玉は、以下に示すもののいずれかの材料で構成されている。
【００１８】
（１）窒化けい素１（日本タングステン株式会社製ＮＰＮ−３；曲げ強度＝１３００ＭＰａ）
（２）炭化けい素１（日本タングステン株式会社製ＮＰＳ−１；曲げ強度＝５６０ＭＰａ）
（３）炭化けい素２（株式会社東芝製ＴＳＣ−１；曲げ強度＝５００ＭＰａ）
（４）炭化けい素３（三井鉱山マテリアル株式会社製ＭＳＣ；曲げ強度＝４９０ＭＰａ）
（５）アルミナ１（株式会社日本セラテック製ＡＨＰＦ；曲げ強度＝７００ＭＰａ）
（６）アルミナ２（株式会社ニッカトー製ＳＳＡ−９９９Ｗ；曲げ強度＝５８８ＭＰａ）
なお、曲げ強度は、ＪＩＳ  Ｒ１６０１に基づいて測定した。
表１には、実施例１〜７及び比較例１，２のそれぞれについて、内輪及び外輪と、玉と、に用いられた材料が示されている。
【００１９】
【表１】
2005024025.tif 000003
【００２０】
炭化けい素で構成された部材の表面にカーボンナノチューブ膜を形成する場合には、炭化けい素からなる転がり軸受の各部材を高温真空加熱炉（富士電波工業社製ハイマルチ１００００）に入れ、圧力：１．３×１０−２Ｐａ、温度：１５５０℃で、１時間加熱した。
次に、このような転がり軸受の耐久性を、図２に示す日本精工株式会社製玉軸受回転試験機を用いて評価したので説明する。
【００２１】
図２には、腐食性環境下において転がり軸受１０の回転試験を行う様子が示されている。転がり軸受１０は、容器５９に満たされた２０％硫酸水溶液（腐食性水溶液６１）中に浸された状態で固定されており、これにより腐食性環境下での使用状態が再現されている。この転がり軸受１０の内輪にはシャフト５４が取り付けられており、連結継手５２及びスピンドル５３を介してモーター５１による回転駆動力が当該シャフト５４に伝わると、内輪が回転するようになっている。また、転がり軸受１０に取り付けられたワイヤー５５には滑車５６を介して滑動可能に重り５７がつなげられており、この重り５７により転がり軸受１０に負荷されるラジアル荷重が調節可能になっている。そして、プレート５８を介して転がり軸受１０の外輪に接続された振動計６０により、転がり軸受１０の振動が測定可能となっている。
【００２２】
試験条件は、回転速度：３００ｒｐｍ、ラジアル荷重：１４７Ｎ、温度：常温とし、上述のような腐食性環境下、及び、大気中かつ潤滑剤の供給を行わない無潤滑下でそれぞれ回転試験を行った。
これらの結果を表１にまとめて示す。ここでは、振動計６０により測定される振動値が初期値の３倍に上昇した時点を、転がり軸受１０の寿命とした。なお、各実施例及び比較例の転がり軸受の耐久性は、比較例１の転がり軸受の腐食性環境下及び無潤滑下での寿命をそれぞれ１とした場合の相対値で示されている。
【００２３】
表１に示されるように、実施例１〜７のいずれもが、硫酸水溶液中及び無潤滑環境下で比較例よりも耐久性に優れることが確認された。特に、内輪、外輪、及び、玉の全てを炭化けい素で構成し、それら全ての転走面にカーボンナノチューブ膜を形成させた場合には、硫酸水溶液中及び無潤滑環境下のいずれの場合にも、格段に優れた耐久性を示すことが確認された（実施例３及び４）。
【００２４】
なお、実施例５は、内輪、外輪、及び、玉の全てを炭化けい素で構成し、それら全ての転走面にカーボンナノチューブ膜を形成させているが、実施例３及び４ほど飛躍的に耐久性が向上していない。これは、実施例５に用いられている炭化けい素３の曲げ強度が４９０ＭＰａであり、実施例３及び４に用いられている炭化けい素１及び炭化けい素２の曲げ強度よりも小さいためである。しかしながら、比較例よりは耐久性が優れているため、カーボンナノチューブ膜がその潤滑性を発揮することにより耐久性が向上することが確認された。
【００２５】
また、実施例１及び実施例２の玉にはカーボンナノチューブ膜が形成されていないのに耐久性が向上していることから、転がり軸受の構成部材の全てを炭化けい素で構成した場合でも、一部の構成部材の転走面にカーボンナノチューブ膜を形成させれば、耐久性が向上することが確認された。さらに、実施例６及び７においては、内輪及び外輪と玉とのうちの一方がアルミナで構成されているが、耐久性が向上している。このことから、カーボンナノチューブ膜を形成させない転がり軸受の構成部材には、炭化けい素以外のセラミックスが適用可能であると考えられる。例えば、アルミナ等の転がり軸受に用いられる公知のセラミックが挙げられる。
【００２６】
次に、カーボンナノチューブ膜を形成させる炭化けい素の曲げ強度と転がり軸受の耐久性との関係を調べる試験を行ったので説明する。この試験の結果は、図３のグラフに示されている。この試験では、種々の曲げ強度の炭化けい素を用意し、各曲げ強度の炭化けい素で構成された内輪及び外輪を用いて転がり軸受を作製し、それぞれの転がり軸受について上述の試験と同様の条件及び方法にて腐食性環境下（２０％硫酸水溶液中）における耐久性を評価した。この内輪及び外輪の転走面には、カーボンナノチューブ膜が形成されている。また、いずれの場合にも、転動体には、同一の曲げ強度の炭化けい素で構成される玉（ＪＩＳ等級２８相当）の表面にカーボンナノチューブ膜を形成させたものを用い、保持器には、ふっ素樹脂製の冠形保持器を用いた。
【００２７】
この結果、図３に示されるように、曲げ強度が５００ＭＰａ以上であると転がり軸受の耐久性が飛躍的に向上することが確認された。
なお、転走面にカーボンナノチューブ膜を形成した内輪、外輪等を備えた転がり軸受は、該内輪、外輪等を構成する炭化けい素の結晶構造がα型であるかβ型であるかに拘らず、優れた耐摩耗性及び耐久性を発揮した。
【００２８】
また、炭化けい素を焼結する際に焼結性強化のために添加される焼結助剤の種類は特に限定されず、Ｂ（硼素）−Ｃ（炭素）系でも、Ｂ−Ｃ−Ａｌ系でもよい。さらに、焼結方法にはＨＩＰ（ｈｏｔ  ｉｓｏｓｔａｔｉｃ  ｐｒｏｃｅｓｓ）や常圧焼結等の種々の方法があるが、部材を製造する際の焼結方法が異なっていても炭化けい素系セラミックの物理的・化学的性質はほとんど変化しない。
【００２９】
したがって、いずれの焼結助剤及び焼結方法を用いて作製された炭化けい素系セラミックにより内輪、外輪、及び、転動体を構成し、その転走面にカーボンナノチューブ膜を形成した場合においても、上記実施例１〜７と同様の効果を期待できると考えられる。さらに、転走面にカーボンナノチューブ膜を形成する内輪、外輪、転動体のそれぞれに完全に同じ炭化けい素系セラミックを用いる必要はない。すなわち、これら同一の転がり軸受を構成する各部材が、異なる結晶構造（α型やβ型）のもの、異なる焼結助剤を用いたもの、異なる焼結方法により作製されるものであったとしても、効果は変らないと考えられる。
【００３０】
本発明において炭化けい素の表面にカーボンナノチューブ膜を形成する方法は、真空中で加熱する方法が好ましい。圧力は１．３×１０−８〜１３Ｐａの範囲が好ましく、より好ましくは１．３×１０−７〜１．３Ｐａ、さらに好ましくは１．３×１０−５〜１．３×１０−２Ｐａの範囲である。また、加熱温度は８００〜２２００℃の範囲が好ましく、より好ましくは１０００〜２０００℃、さらに好ましくは１２００〜１９００℃の範囲である。圧力及び加熱温度が高すぎると、炭化けい素からけい素原子が失われる速度が大きいため、カーボンナノチューブの配向が乱れやすくなるとともに径が大きくなる傾向がある。また、カーボン自身もＣＯとなって蒸発することにより、カーボンナノチューブ膜厚が薄くなったり、さらには消失する部分も生じて、乱れたグラファイト層が形成されるため、好ましくない。この炭化けい素を真空中で加熱する手段は特に限定されず、電気炉、レーザービーム照射、直接通電加熱、赤外線照射加熱等の手段を用いることができる。
【００３１】
なお、転がり軸受に本発明を適用した場合において、外輪の軌道面、内輪の軌道面、及び、転動体の転動面の表面粗さは、以下のようにすることが望ましい。すなわち、円筒ころ軸受の場合には、外輪の軌道面、内輪の軌道面、及び、転動体の転動面の表面粗さは、０．０１〜３．２μｍＲａの範囲にすることが望ましい。表面粗さが３．２μｍＲａを超えると、円筒ころ軸受が回転した際に振動の原因になったり、クラックが入り易くなることにより寿命の低下を引き起こすおそれがある。一方、表面粗さを０．０１μｍＲａ未満にしても、それ以上の性能向上が望めず、製造コストばかりが高くなる。
【００３２】
また、玉軸受の場合には、外輪の軌道面及び内輪の軌道面の表面粗さは上述のように０．０１〜３．２μｍＲａの範囲にし、玉については形状精度がＪＩＳ  Ｂ１５０１規格の等級１００よりも高い精度のものを用いることが望ましい。このような形状精度であれば、玉軸受が回転した際に振動の原因となったり、寿命の低下を引き起こすおそれがないと考えられる。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の転動装置によれば、炭化けい素で部品を構成し、その転走面にカーボンナノチューブ膜を形成させたので、潤滑性、耐摩耗性及び耐食性に優れ、長寿命である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した転がり軸受の断面図である。
【図２】玉軸受回転試験機を説明する図である。
【図３】カーボンナノチューブ膜を形成させる炭化けい素の曲げ強度と転がり軸受の耐久性との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０          軸受
１１          内輪
１２          外輪
１３          玉
１４          保持器
【図１】
2005024025.tif 000004
【図２】
2005024025.tif 000005
【図３】
2005024025.tif 000006