(57)【要約】【課題】  大気中で繰り返し試運転を行っても寿命低下が少ない固体潤滑膜の提供。【解決手段】本発明の固体潤滑膜2は、二硫化モリブデンのかさ密度を２．５〜３．０ｇ／ｃｍ３とした低密度膜2aと、二硫化モリブデンのかさ密度が３．５〜４．８ｇ／ｃｍ３で膜厚が０．０５〜０．１５μｍの高密度膜2bとを交互に少なくとも４層積層し、最表面を高密度膜としたものである。また、二硫化タングステンのかさ密度を３．８〜４．６ｇ／ｃｍ３とした低密度膜2aと、二硫化タングステンのかさ密度が５．３〜７．４ｇ／ｃｍ３で膜厚が０．０５〜０．１５μｍの高密度膜2bとを交互に少なくとも４層積層し、最表面を高密度膜2bとしてもよい。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被覆対象物の表面に、かさ密度が異なる二硫化モリブデン膜を積層した固体潤滑膜において、
前記二硫化モリブデン膜は、かさ密度が２．５〜３．０ｇ／ｃｍ３の低密度膜と、かさ密度が３．５〜４．８ｇ／ｃｍ３で厚さが０．０５〜０．１５μｍの高密度膜とからなり、前記二種類の膜が交互に少なくとも４層積層されており、かつ最表面は前記高密度膜であることを特徴とする固体潤滑膜。
【請求項２】
被覆対象物の表面に、かさ密度が異なる二硫化タングステン膜を積層した固体潤滑膜において、
前記二硫化タングステン膜は、かさ密度が３．８〜４．６ｇ／ｃｍ３の低密度膜と、かさ密度が５．３〜７．４ｇ／ｃｍ３で厚さが０．０５〜０．１５μｍの高密度膜とからなり、前記二種類の膜が交互に少なくとも４層積層されており、最表面は前記高密度膜であることを特徴とする固体潤滑膜。
【請求項３】
前記固体潤滑膜がスパッタ法で形成されたことを特徴とする請求項１および２記載の固体潤滑膜。
【請求項４】
請求項１から４のいずれかに記載の固体潤滑膜が被覆された転動体を用いて構成されたことを特徴とする固体潤滑軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空といった特殊環境下で使用される半導体製造装置や宇宙機器などに適用する軸受用の固体潤滑膜および固体潤滑軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、真空環境で使用される固体潤滑膜としては二硫化モリブデンが知られている。この膜はスパッタ法などで作製され、長寿命化を目的に硫黄（Ｓ）とモリブデン（Ｍｏ）の分子量比Ｓ／Ｍｏを１．７以上２．０未満とするものがある（例えば、特許文献１参照）。
二硫化モリブデン膜などの固体潤滑膜を適用した真空ロボットや真空搬送装置は、製作後クリーンルーム中（大気中、相対湿度４０〜７０％）で慣らし運転や初期故障検出のための運転を行った後、出荷され客先で真空槽内に設置後再び運転される。したがって、固体潤滑膜を適用した軸受に対する要求としては、真空中で寿命が長いだけでなく、大気中でも比較的寿命が長いことが必要である。しかしながら、二硫化モリブデン膜は、２０％ＲＨ以上の湿度雰囲気下では特に寿命が低下する。したがって、真空中での寿命は比較的短いが、湿度に強い高密度（４．０〜４．８ｇ／ｃｍ３）の二硫化モリブデン膜だけで固体潤滑膜を構成する方法や、最表面をかさ密度が４．０〜４．８ｇ／ｃｍ３の膜（高密度膜）とし、基板に近い膜の密度が２．５〜３．５ｇ／ｃｍ３（低密度膜）である二層構造で固体潤滑膜を構成する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。また、最表面をかさ密度が２．５〜３．５ｇ／ｃｍ３の膜（低密度膜）とし、基板に近い膜の密度が４．０〜４．８ｇ／ｃｍ３（高密度膜）である二層構造で固体潤滑膜を構成する方法も提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開平６−２７２７１５号公報
【特許文献２】特開２００４−２５０５１４号公報（第８頁）
【特許文献３】特開２００５−６１５１８号公報（第６頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１や特許文献２のように単層の二硫化モリブデン膜の場合、大気中または真空中のどちらか一方の寿命は長いが他方の寿命は十分でないという課題がある。特に特許文献２のように高密度な二硫化モリブデン膜の場合、大気中での寿命は長いが真空中での寿命は十分でない。
一方、特許文献３のように高密度と低密度の二層膜の場合、大気中で一度試運転を行った後、すぐに真空環境下に設置されて引き続き使用されれば問題はほとんど起こらない。しかし、大気中での試運転を複数回行う場合、一度目の試運転で表面の高密度膜が摩擦により除去されるため、低密度の膜が露出する。したがって、湿度環境下で保管しておくと腐食により寿命が低下しやすくなる。この状態で二回目の試運転を行うと摩耗が激しく、最終使用環境である真空中では短寿命となる。また、真空環境下で使用されていてもメンテナンス等で二週間ほど大気に再び曝されることがある。真空中での使用により摩耗がかなり進み密度の低い固体潤滑膜が露出した場合、腐食が急速に進み寿命が極端に短くなる。
特許文献４のような二層膜の場合も、大気中で短い時間試運転を行った後、すぐに真空環境下に設置されて引き続き使用されれば問題はほとんど起こらないが、大気中での複数回の試運転や長時間試運転が行われる場合は、最表面が低密度膜なので腐食により寿命が低下しやすくなる。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、真空環境下と大気環境下に繰り返し複数回曝されても寿命の低下が少ない固体潤滑膜および固体潤滑軸受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】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、被覆対象物の表面に、かさ密度が異なる二硫化モリブデン膜を積層した固体潤滑膜において、前記二硫化モリブデン膜は、かさ密度が２．５〜３．０ｇ／ｃｍ３の低密度膜と、かさ密度が３．５〜４．８ｇ／ｃｍ３で厚さが０．０５〜０．１５μｍの高密度膜とからなり、前記二種類の膜が交互に少なくとも４層積層されており、かつ最表面を前記高密度膜としたものである。
また、請求項２に記載の発明は、被覆対象物の表面に、かさ密度が異なる二硫化タングステン膜を積層した固体潤滑膜において、前記二硫化タングステン膜は、かさ密度が３．８〜４．６ｇ／ｃｍ３の低密度膜と、かさ密度が５．３〜７．４ｇ／ｃｍ３で厚さが０．０５〜０．１５μｍの高密度膜とからなり、前記二種類の膜が交互に少なくとも４層積層されており、最表面を前記高密度膜としたものである。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１および２記載の固体潤滑膜がスパッタ法で形成されたものである。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の固体潤滑膜が被覆された転動体を用いて構成された固体潤滑軸受である。
【発明の効果】
【０００５】
請求項１に記載の発明によると、大気環境下で寿命の長い高密度な二硫化モリブデン膜（３．５〜４．８ｇ／ｃｍ３）と真空環境下で寿命の長い低密度な二硫化モリブデン膜（２．５〜３．０ｇ／ｃｍ３）を交互に４層以上配置しているので、大気環境下で複数回使用されたり、真空環境下で使用後に大気環境下にさらされたりしても寿命の低下は少ない。真空中で一定期間使用後、低密度な二硫化モリブデン膜が固体潤滑膜の最表面に出ている状態で大気中に曝した場合、その内側には高密度膜が配置されているので腐食が起こっても極表面で腐食は止まる。さらに、最外層を高密度な二硫化モリブデン膜としているので、最初の試運転開始までに大気中で保管しても寿命の低下を防止できる。また、高密度な二硫化モリブデン膜の厚さを０．０５〜０．１５μｍにしたので、腐食の原因となる水分が膜中へ浸入するのを防止できる。
また、請求項２に記載の発明によると、大気環境下で寿命の長い高密度な二硫化タングステン膜（５．３〜７．４ｇ／ｃｍ３）と真空環境下で寿命の長い低密度な二硫化タングステン膜（３．８〜４．６ｇ／ｃｍ３）を交互に４層以上配置しているので、大気環境下で複数回使用されたり、真空環境下で使用後に大気環境下にさらされたりしても寿命の低下は少ない。また、最外層を高密度な二硫化タングステン膜としているので、最初の試運転開始までに大気中で保管しても寿命の低下を防止できる。さらに、高密度な二硫化タングステン膜の厚さが０．０５〜０．１５μｍにしたので、腐食の原因となる水分が膜中へ浸入するのを防止できる。
また、請求項３の記載の発明によると、スパッタ法で膜を形成するので、膜の密度の調整や多層膜の作製が容易にできる。
さらに、請求項４に記載の発明によると、軸受の転動要素に請求項１および請求項３に記載の固体潤滑膜を被覆してあるので、真空環境下と大気環境下に繰り返し複数回曝されても寿命の低下が少ない固体潤滑軸受けを提供できる。
【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について図を参照して説明する。
【実施例１】
【０００７】
図１は、本発明の第１の実施例を示す固体潤滑膜の断面図である。図において、１は基板、２は固体潤滑膜である。固体潤滑膜２は二硫化モリブデンからなり、かさ密度が低い二硫化モリブデンの固体潤滑膜(低密度膜)２ａと、かさ密度が高い二硫化モリブデンの固体潤滑膜(高密度膜)２ｂとからなる。これらの膜が基板１に近い層から、低密度膜２ａと高密度膜２ｂとが交互に積層した４層構造になっている。なお、基板１の材質はＳＵＳ４４０Ｃである。
低密度膜２ａは、かさ密度を２．５〜３．０ｇ／ｃｍ３とし、高密度膜２ｂは、かさ密度を３．５〜４．８ｇ／ｃｍ３とした。
固体潤滑膜２は、図２に示すスパッタ装置で作製した。図において１０は真空を保持する真空チャンバである。真空チャンバ１０の内部には、基板ホルダ１１に載置された基板２と、基板ホルダ１１に対向する位置に二硫化モリブデンのターゲット１３が電極１２に接続して配置されている。真空チャンバ１０の外部には、電極１２に接続されたＲＦ電源１８と、マスフローコントローラ１７を介して接続された純アルゴンガスボンベ１６と、真空ポンプ１４と、真空計１５が取り付けられている。
単層の固体潤滑膜の作製手順は以下のとおりである。
（１）真空チャンバ１０内を真空ポンプ１４で、５×１０−４Ｐａ以下の圧力まで真空引きする。
（２）真空引きを継続しながら、マスフローコントローラ１７を開き、アルゴンガスを真空チャンバ１０内に導入し、真空計１５をモニタしながら真空チャンバ１０内を所定の圧力にする（このときの真空チャンバ内の圧力を便宜的にアルゴンガス分圧と呼ぶことにする。）
（３）ターゲット１３にＲＦ電源１８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１３の表面をスパッタし、二硫化モリブデンからなるターゲット１３を構成する原子、すなわち硫黄とモリブデンを叩き出し、対向する位置に置いた基板２の表面に硫黄とモリブデン原子を堆積させ、低密度膜２ａおよび高密度膜２ｂを形成する。膜形成速度はアルゴン分圧に比例するので予め求めておく。
上記（２）の工程において、アルゴン分圧を変えることで密度の異なる膜を形成することができる。
アルゴンガス分圧が高いと、ターゲット１３から叩き出された硫黄とモリブデン原子が基板に到達するまでにアルゴン原子と衝突する回数が必然的に多くなる。その結果、硫黄とモリブデン原子は粒子状になり基板に堆積し、固体潤滑膜の密度は低くなる。逆に、アルゴンガス分圧が低いとアルゴン原子と殆ど衝突することなしに基板に順序良く堆積するため、固体潤滑膜の密度は高くなる。
多層膜の形成方法について述べる。
まず、アルゴンガス分圧と二硫化モリブデン膜の密度の関係を予め求めた。その方法は、一定のアルゴンガス分圧で膜を作製し、マイクロ天秤で測定した二硫化モリブデン膜の作製前後の基板の重量差と、表面形状計で測定した膜厚を用いてアルキメデス法で算出するものである。
つぎに、低密度膜２ａは、最初に高いアルゴンガス分圧にして膜厚０．２μｍの厚さに形成した。続いてアルゴン分圧を低くして、高密度膜２ｂを膜厚０．１μｍの厚さになるよう形成した。この工程を交互に繰り返して、かさ密度の異なる２種類の膜から構成される多層膜を作製した。
なお、従来例として、全体の膜厚が０．６μｍの二層構造を有する二硫化モリブデン膜を作製した。この二層膜は２．５ｇ／ｃｍ３の低密度膜と４．５ｇ／ｃｍ３の高密度膜とで形成し、最表面は高密度膜としたものである。
このようにしてSUS440C製ローラ上に作製した膜の寿命を測定した。寿命は膜を形成したローラをクロスローラ軸受に組み込み、大気（６０％ＲＨ）および真空中（６×１０−３Ｐａ）で測定した。このとき、転がり速度約８ｍ／ｍｉｎ、荷重１．５Ｎ、面圧0.8ＧＰａ、温度を２２〜２６℃とした。
寿命測定の結果を表１に示す。なお、表１の中の寿命１は大気中で２時間試運転後、大気中（６０％ＲＨ）で２日間保持した後に測定したときの寿命、寿命２は真空中で５時間試運転後、大気中（６０％ＲＨ）に２日間保持して再び真空中で測定したときの寿命、寿命３は大気中で２時間試運転後、大気中（６０％ＲＨ）で２日間保持し、さらに大気中で２時間試運転し、大気中（６０％ＲＨ）で２日間保持した後に真空中で測定したときの寿命である。
【０００８】
【表１】
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【０００９】
表１から本発明の膜は、寿命１、寿命２、寿命３のいずれも従来例に比べ試運転後の寿命が長く、著しい効果のあることが分かった。
なお、高密度膜２ｂの膜厚を０．０５から０．１５μｍとしたが、膜厚が０．０５μｍ未満であると膜にピンホールが多くなるので水分の浸入を防止できない。また、０．１５μｍを超えると膜全体における高密度膜の占める割合が多くなり、真空中での寿命が十分でなくなる。ロボットなどの軸受で使用される固体潤滑膜の厚さは厚くても１μｍである。また、低密度膜２ａの厚さは薄すぎると真空中での寿命が低下するので０．１μｍ以上が望ましい。
【実施例２】
【００１０】
本実施例は、実施例１で述べた二硫化モリブデン膜の厚さの効果を調べたものである。
密度２．５ｇ／ｃｍ３の低密度膜２ａを厚さ０．１μｍ一定として、密度３．５ ｇ／ｃｍ３の高密度膜２ｂの膜厚を０．０５μｍと０．１μｍの二種類にし、このとき全膜厚が０．６μｍとした。最表層が高密度な二硫化モリブデン膜になるように積層した。
寿命の測定結果を表２に示す。なお、寿命の測定条件および寿命１と寿命２の意味は、実施例１と同じである。
表２より高密度膜の厚さが薄くても全層数が多いほど、寿命は長く劣化し難いことが分かった。
【００１１】
【表２】
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【実施例３】
【００１２】
本実施例は、固体潤滑膜２が二硫化タングステンからなり、かさ密度が低い二硫化タングステンの固体潤滑膜(低密度膜)２ａと、かさ密度が高い二硫化タングステンの固体潤滑膜(高密度膜)２ｂとからなる。これらの膜が基板１に近い層から、低密度膜２ａと高密度膜２ｂが交互に積層した４層構造になっている。なお、基板１の材質はＳＵＳ４４０Ｃである。
膜の作製は、実施例１と同様の方法でによりターゲット１３を二硫化タングステンに変えて二硫化タングステンの積層膜を作製した。低密度膜２ａは、かさ密度が３．８〜４．６ｇ／ｃｍ３で、膜厚０．２μｍのものである。高密度膜２ｂは、かさ密度が５．３〜７．４ｇ／ｃｍ３で、膜厚０．１μｍのものである。これら二種類の膜を交互に積層し、全体の膜厚が０．６μｍになるようにして積層膜を作製した。このとき、最表面の膜が高密度膜２ｂになるように積層した。なお、従来例として、かさ密度が４．０ｇ／ｃｍ３の二硫化タングステン膜とかさ密度が６．８ｇ／ｃｍ３の二硫化タングステン膜の二層膜を作製した。
表３に寿命の測定結果を示す。寿命の測定条件は実施例１と同じである。
本実施例はいずれも従来例より寿命が長く、劣化し難いことが分かる。
【００１３】
【表３】
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【実施例４】
【００１４】
本実施例は、実施例３における二硫化タングステン膜の高密度膜２ｂの厚さの効果を調べたものである。
低密度膜２ａは二硫化タングステン膜の密度を３．９ｇ／ｃｍ３とし、その厚さを０．１μｍ一定とした。高密度膜２ｂは二硫化タングステン膜の密度を７．４ｇ／ｃｍ３とし、その厚さを０．０５μｍおよび０．１μｍの二種類とした。
低密度膜２ａと高密度膜２ｂの全膜厚が０．６μｍ、最表層が高密度膜２ｂになるように積層した。
寿命の測定結果を表４に示す。寿命の測定条件は実施例１と同じである。
表４より高密度膜の厚さが薄くても全層数が多いほど、寿命は長く劣化し難いことが分かる。
【００１５】
【表４】
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【００１６】
以上述べたように、本発明によると固体潤滑膜が試運転により寿命の劣化が生じ難いことが確認された。これらの膜を転動要素、例えばＳＵＳ４４０Ｃ製ボール上に形成し、このボールを組み込んだ玉軸受においても、試運転により寿命が劣化し難いことは明白である。
また、玉軸受やころ軸受などの転がり軸受だけでなく、すべり軸受に適用しても同様な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施例を示す固体潤滑膜の断面図
【図２】本発明の固体潤滑膜を作製したスパッタ装置の概略構成図
【符号の説明】
【００１８】
１  基板
２  固体潤滑膜
２ａ  固体潤滑膜(低密度膜)
２ｂ  固体潤滑膜(高密度膜)
１０  真空チャンバ
１１  基板ホルダ
１２  電極
１３  ターゲット
１４  真空ポンプ
１５  真空計
１６  純アルゴンガスボンベ
１７  マスフローコントローラ
１８  ＲＦ電源
【図１】
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【図２】
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