(57)【要約】【課題】    使用開始時から安定で摩擦力の低い転動要素を提供する。【解決手段】酸素を原子濃度５〜３０％含む二硫化モリブデンもしくは二硫化タングステンを固体潤滑膜5として被覆した転動要素１において、固体潤滑膜５の表層に摩擦開始時に低い摩擦係数を有する材質からなる膜を０．０３〜０．１μｍの厚さに形成した。表層の膜は酸素を３％以下含む二硫化モリブデンもしくは二硫化タングステン膜でも良いし、銀や黒鉛でも良い。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を原子濃度５〜３０％含有する二硫化モリブデンもしくは二硫化タングステンのスパッタ膜からなる固体潤滑膜で被覆された転動要素において，
前記固体潤滑膜の表層部に摩擦係数の小さい固体潤滑膜が０．０３〜０．１μｍの厚さに被覆されている事を特徴とする転動要素。
【請求項２】
前記表層部に形成された摩擦係数の小さい固体潤滑膜が酸素を原子濃度で３％以下含む二硫化モリブデンもしくは二硫化タングステン膜であることを特徴とする請求項１に記載の転動要素。
【請求項３】
前記表層部に形成された摩擦係数の小さい固体潤滑膜が銀または黒鉛のいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の転動要素。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空中、放射線下、高温、または腐食雰囲気などのような過酷な環境下で使用される固体潤滑転がり軸受に用いる転動要素に関する。なお、転動要素とは、ローラ、ボール、内輪、外輪など、転がり運動を支える相対する２面を構成する要素である。
【背景技術】
【０００２】
固体潤滑膜を使用した転がり軸受のなかで，膜中に酸素を原子濃度で５〜３０％含有させることにより寿命を向上させる方法が特許文献１に開示されている。例えば固体潤滑膜として代表的な二硫化モリブデン膜に酸素を所定の範囲の原子濃度で含有させると寿命が向上するとしている。基材との密着性向上などの理由が考えられるが寿命向上の理由は定かではない。
【特許文献１】特開２００３−２２２１３６公報（明細書第３頁〜5頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、従来の技術において摩擦時間と摩擦力の関係は図５のようになり，摩擦開始時の高摩擦力を無視すると寿命は向上する。つまり，しばらく強制的に使用しつづけると安定な低い摩擦係数になり動きもスムーズになる。これは，二硫化モリブデンや二硫化タングステンなどの膜が酸素を含むと硬くなるので，膜の最表面が相手材となじむまで時間がかかりその摩擦係数も大きくなるためと考える。酸素入り膜からなる固体潤滑膜をロボットなどに適用した場合，使用初期段階でスムーズな動きが出来ないという課題があり実用化できていない。転動要素に使用する固体潤滑膜としては摩擦開始時から低い摩擦係数を有する事が要望される。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、摩擦開始時から低摩擦係数を有し且つ長寿命の転動要素を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するために，請求項１の発明は，酸素を原子濃度５〜３０％含有する二硫化モリブデンもしくは二硫化タングステンスパッタ膜からなる固体潤滑膜で被覆された転動要素において，前記固体潤滑膜の表層部に摩擦係数の小さい固体潤滑膜が０．０３〜０．１μｍの厚さに被覆されていることを特徴としている。
また、請求項２の発明は，請求項１記載の転動要素において、表層部に形成された摩擦係数の小さい固体潤滑膜が酸素を原子濃度で３％以下含む二硫化モリブデンまたは二硫化タングステン膜であることを特徴としている。
また、請求項３の発明は，請求項１または２に記載の転動要素において、表層部に形成された摩擦係数の小さい固体潤滑膜が銀または黒鉛であることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によると以下の効果がある。
請求項1の発明によれば、寿命の長い酸素を含む二硫化モリブデンまたは二硫化タングステン膜を内部層として，また表層に摩擦開始時の摩擦力が低い膜を形成した転動要素を構成したので、摩擦初期の低摩擦係数は一方の表層部の膜で，長寿命は他方の酸素入り膜で分担するという考え方により、摩擦開始とともに荷重が膜にかかり摩擦力を表層で受けている間に内部層も徐々に相手材になじんでくることから、表層がなくなり内部層が現れた時に内部層を低摩擦力の状態にすることができる。これにより、該転動要素は使用開始時から低摩擦力を維持できるのでロボットなどに適用した場合，動きをスムーズにできるという効果がある。なお、摩擦開始時の摩擦力を分担する表層はできるだけ薄い方が良い。厚さが０．０３μｍ未満だと摩擦係数低減に効果がない。厚すぎると全体の寿命が低下するので好ましくない．厚さ０．０３〜０．１μｍの範囲が良い。
請求項２の発明によれば，表層部に形成された摩擦係数の小さい固体潤滑膜が酸素を原子濃度で３％以下含む二硫化モリブデンまたは二硫化タングステン膜としたので、この組成の膜により摩擦開始時の摩擦係数を小さくすることができる。一般に膜中の酸素量の増加とともに摩擦開始時の摩擦力は増加していくが、酸素を原子濃度で３％以下の範囲だと摩擦力は低い。なお，純アルゴンガス中でスパッタした膜中に酸素は通常１％以下不純物として不可避的に含まれる。酸素を０％含む膜も本発明に入る。
請求項３の本発明によれば、表層部に形成された摩擦係数の小さい固体潤滑膜を銀または黒鉛のいずれかで構成することにしたので、摩擦開始時の摩擦例数を低くすることができる。黒鉛は特に湿度雰囲気中での摩擦係数が低い。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は本発明を適用した転動要素１を示し、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその側面図，（ｃ）は固体潤滑膜部の断面図である。転動要素１は、鋼材からなるローラ２の表面に厚さ約１μｍの固体潤滑膜５を被覆した構成とするものである。また，固体潤滑膜５は表層５−１と内部層５−２の２層に分かれている。
固体潤滑膜の内部層は、酸素を原子濃度で５〜３０％含有する二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）、または二硫化タングステン（ＷＳ２）からなる六方晶系の層状構造材料である。表層は酸素を原子濃度で３％以下（０％も含む）含有する二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）、または二硫化タングステン（ＷＳ２）膜でも良いし，銀や黒鉛などの固体潤滑膜であればよい。
なお、本実施の形態では転動要素をローラとしたが、本発明の固体潤滑膜であれば同様の効果が得られるので、転動要素はボール、内輪、外輪でもよいことは明らかである。また、転動要素の基材は、鋼材としたが軸受鋼やＳＵＳ４４０Ｃ等のステンレス鋼でもよい。
【実施例１】
【０００７】
以下、本発明の第１実施例を以下に述べる。
図２は本実施例において使用したスパッタ装置の構成図、図３は本実施例において使用したローラ転がし治具であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ'線に沿う断面図を示したものである。
本発明の転動要素は、図２に示すスパッタ装置によってクロスローラベアリングのローラ（材質：ＳＵＳ４４０Ｃ）に層状構造材である二硫化モリブデンを主成分とする２層（表層と内部層）からなる固体潤滑膜を１μｍの厚さに被覆したものである。
図中の１１はローラ転がし治具、１２は回転円盤、１３は固定円盤、１５は固定ロッド、１６はスペーサボール、２１はカソード、２２はターゲット、２６は真空チャンバ、２７は基板ホルダー、３３は真空ポンプ、３４はＲＦ電源、３５は真空計、３６はアルゴンボンベ、３７は酸素ボンベである。
図２において、真空状態を確保するためのステンレスからなる真空チャンバ２６の内部に二硫化モリブデンの板材であるターゲット２２をＲＦ電源３４のカソード２１に設置し、基板ホルダー２７の上部にはローラ転がし治具１１を置き、ローラ転がし治具１１の中にローラ２を載置し、ローラ２を転がしてローラ２の円筒面にターゲット材の二硫化モリブデンをスパッタリングによって成膜するものである。また、スパッタ装置は、ローラ２の固体潤滑膜の内部もしくは表層に酸素を含有させるため、真空チャンバ２６内にガス導入させるアルゴンボンベ３６、酸素ボンベ３７を真空チャンバ２６の外部に備え、スパッタ成膜中にこれらのガスを導入することによって固体潤滑膜中に酸素を含有させることができる。また、真空チャンバ２６の外部は、真空チャンバ２６内の真空度を測定する真空計３５、また真空チャンバ２６内を真空にするためのロータリ真空ポンプおよびクライオポンプからなる真空ポンプ３３を具備する。
以上のような構成のスパッタ装置によって、真空チャンバー２６内を１×１０―７Ｐａまで真空引きし、この状態で真空チャンバー２６内に酸素を所定量導入し次にアルゴンを真空チャンバ２６内が所定の圧力なるまでいれる。その状態でカソード２１にＲＦ電源を印加し、グロー放電を発生させ、Ａｒイオンによってターゲットの表面をスパッタし、二硫化モリブデンまたは二硫化タングステンからなるターゲットを構成する原子、すなわちモリブデンおよびイオウを叩き出し、ローラの表面に酸素を含む二硫化モリブデンを０．９５μｍだけ堆積させる。次に酸素ガスの導入量を減らして引き続きスパッタを行い表層に酸素を３％以下含む二硫化モリブデン膜を形成する。  なお、成膜中には以下に述べるように、ローラ転がし治具１１を用い、構成元素を含有する二硫化モリブデン膜または二硫化タングステンをローラ２の円筒面に均一に被覆できるようにした。ローラ転がし治具１１は図２に示すように回転円盤１２と固定円盤１３で構成されており、回転円盤１２は基板ホルダー２７に同軸状態で接続されているため、基板ホルダー２７の回転に伴って回転するが、固定円盤１３は固定ロッド１５で真空チャンバー２６に固定されているため、基板ホルダー２７が回転しても、回転しない構造になっている。
さらに詳細には図３に示すようにローラ２を回転円盤１２のスリットと固定円盤１３の上面で構成される空間の中に、スペーサボール１６と交互に載置しているので、基板ホルダー２７を回転させることで、ローラ２はとも周りする回転円盤１２に押され、所定の回転数で自転かつ公転する。成膜中に、ローラ２をこのように転がすことで、ローラ２の円筒面に二層からなる二硫化モリブデン膜または二硫化タングステン膜を均一に形成した。膜の組成はＸＰＳで測定した。
本実施例では、内部層に含まれる酸素量は１０％と３０％とした。また，表層の厚さは０．０５μｍとして含まれる酸素量を変えた試料を作製した。全体の膜厚は１μｍである。
図４は本実施例における初期摩擦力を測定するためのローラオンディスク型の転がり試験機であって、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側面図ある。
図中、５１はボール、５２は樹脂内張、５３はローラホルダ、５４はアーム、５５はデッドウエイト、５６はロードセルである。
この転がり試験機は、転動要素であるローラ２をＰＥＥＫ樹脂を内張したローラホルダ５３内で、ボール４個がローラ２の角に接する形で保持し、ローラホルダ５３上部のデッドウエイト５５により荷重を負荷し、接したディスク５０の回転により生じた摩擦力をロードセル５６でモニタするものである。試験条件は、転がり速度を約８ｍ／ｍｉｎ、荷重を１．５Ｎ、面圧を１１４Ｎｍ／ｍｍ２、湿度：１０％とした。
表１は、各試料における初期摩擦力を示したものである。表層を設けることで初期摩擦力の低減が図れている。転動要素が安定してスムーズな動きが出来る摩擦力は０．５Ｎ以下である。表層が有っても表層中の酸素量が３％（３％含まず）をこえると摩擦力は０．５Ｎ以上となる。
【０００８】
【表１】
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以上のように酸素を３％以下だけ含む表層を設けることにより摩擦開始時の摩擦力が低減できる。なお、固体潤滑膜中に構成元素があれば、固体潤滑膜が剥離し転がり寿命が延長するのであるから、本発明は転動要素をローラと限定するものではなく、ボール、内輪、外輪、でも良いことは明白であり、それらを組み合わせた軸受にも及ぶものである。
【実施例２】
【０００９】
第２実施例では、表層に黒鉛または銀の膜を使用した場合について示す。
膜形成には図２に示したスパッタ装置を使用した。銀または黒鉛はカソード２１−１に固定したターゲットの板材２２−１で示している。内部層を構成する二硫化モリブデン又二硫化タングステンは２２で表示している。２つのターゲットにかける電圧は必要に応じて切り替えて使用できる。従って，実施例と同じようにまず内部層を形成した後，２２−１に電源を切り替えてアルゴンガス中で銀や黒鉛の膜を形成し表層を構成する。表層の厚さは０．０４μｍとした。表２は、初期摩擦力を測定した結果である。表層を設けることでいずれも摩擦開始時の摩擦力を０．５Ｎ以下にする事ができる。
【００１０】
【表２】
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【実施例３】
【００１１】
第３実施例では、表層の厚さの影響を調べた。
表層は厚くても良いが厚すぎると酸素を含む内部層の厚さが相対的に小さくなり膜全体（全体の膜厚一定とした場合）の寿命が低下するので最大厚さ０．１μｍまでで評価した。内部層に含まれる酸素量は原子濃度で１５％とし，膜全体の厚さは約１μｍとした。結果を表３に示す。表層の膜厚が０．０３μｍ以上で摩擦開始時の摩擦力が低くなる事が分る。
【００１２】
【表３】
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【００１３】
以上述べたように本発明の実施例は、寿命の長い酸素を含む二硫化モリブデンまたは二硫化タングステン膜を内部層として，また表層に摩擦開始時の摩擦力が低い膜を形成した転動要素を構成したので、，使用開始時から低摩擦力を維持できるのでロボットなどに適用した場合，動きをスムーズにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明を適用した転動要素１を示し、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその側面図，（ｃ）は固体潤滑膜部の断面図である。
【図２】本実施例において使用したスパッタ装置の構成図である。
【図３】本実施例において試用したローラ転がし治具であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ'線に沿う側断面図を示したものである。
【図４】本実施例における初期摩擦力を測定するためのローラオンディスク型の転がり試験機であって、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側面図ある。
【図５】従来の技術における摩擦時間と摩擦力の関係を示した図である。
【符号の説明】
【００１５】
１  転動要素
２  ローラ
５  固体潤滑膜
５−１  表層
５−２  内部層
１１  ローラ転ガシ治具
１２  回転円盤
１３  固定円盤
１５  固定ロッド
１６  スペーサボール
２１、２１−１  カソード
２２、２２−１  ターゲット
２６  真空チャンバー
２７  基板ホルダー
３３  真空ポンプ
３４  ＲＦ電源
３５  真空計
３６  アルゴン
３７  酸素
５１  ボール
５２  樹脂内張
５３  ローラホルダ
５４  アーム
５５  デッドウエイト
５６  ロードセル
【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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