解説

特殊環境用軸受（Koyo EXSEV軸受）
について（２）−低発塵軸受と真空用軸受−
竹林博明

Bearings for Extreme Special Environment (2)−Bearings for Vacuum and Clean Environment−
H. TAKEBAYASHI

Outlines of Koyo EXSEV bearing series (bearings for extreme special environment) have been explained
serially from the last Koyo Engineering Journal no.156.
In no.156 characteristics of bearing materials and solid lubricants used for EXSEV bearing series wereexplained. Herein examples of EXSEV bearings and bearings for clean environment, bearings for vacuum
environment are shown.

1．はじめに2．特殊環境用軸受の代表的構成
2.1
2.2

高速回転用
クリーン環境用

2.3
2.4

真空環境用
耐食用

2.5

高温用

2.6
2.7

非磁性用
絶縁用

3．低発塵軸受
3.1

低発塵軸受の発塵性能比較

3.2

低発塵軸受の構成と特長

4．真空用軸受
4.1
4.2

真空用軸受の構成と特長
超高真空用軸受のアウトガス
特性5．おわりに軸受の使用される用途・環境に対して，外輪，内１．はじめに輪，転動体および保持器の材料と固体潤滑剤を示
近年転がり軸受（以下軸受と称す）の使用されるした．

環境や条件は，過酷でかつ多様化してきている．
すなわち，超高真空，クリーン，腐食および高温雰囲気といった特殊な環境への軸受の応用が求められている．

2.1

高速回転用

高速回転用の転がり軸受としては，内外輪が軸受鋼で転動体に窒化けい素を用いた組合せセラミ

本誌では前号より，特殊環境用軸受「Koyoック軸受が一般的である．これは，高速回転するEXSEV（Extreme Special Environment）軸受」に軸受の転動体に低密度の窒化けい素を使用する

ついてシリーズで紹介していくことにした．前号と，転動体に生じる遠心力やジャイロモーメントでは，特殊環境用軸受に使用される軸受材料と固によるすべりを軽減でき，軸受鋼の転動体を用い体潤滑剤について述べた．今回は，特殊環境用軸た場合より高速回転が可能となるからである

受の代表的な軸受構成を紹介し，次に特殊環境用さらに高速回転が要求され内輪の遠心膨張が問題軸受の中で中心的製品である低発塵軸受と真空用（鋼製の内輪が遠心膨張し，軸受のすきまづまり軸受に関して説明する．

や軸と内輪のしめしろが不足）となる場合は，外

２）
，３）

．

輪が軸受鋼で転動体と内輪が窒化けい素からなる

2．特殊環境用軸受の代表的構成

セラミック軸受が適用される．
１）

表1に，特殊環境用軸受の代表的構成を示す ．

76

KOYO Engineering Journal No.157 (2000)

解説−特殊環境用軸受（Koyo EXSEV軸受）
について
（２）
−

表1 特殊環境用軸受の代表的な軸受構成
Configurations of Koyo EXSEV bearings
材 料・潤 滑用 途・環 境(1) 高速回転用

外 輪・内 輪

転動体

保持器（記号）

SUJ2
外輪：SUJ2

3NC…FG
窒化けい素 (Si3N4)

強化ポリアミド樹脂(FG)
6NC…FG

内輪：窒化けい素 (Si3N4)(2) クリーン環境用

SUS440C + 特殊ふっ素

SUS440C + 特殊ふっ素

SUS304 + 特殊ふっ素

高分子コーティング

高分子コーティング

高分子コーティング

SUS440C
SUS440C

SUS440C

SUS440C

SUS440C

高硬度炭素材SE…ST FA (PT)
SL…ST4 FA (PT)SUS304 + 高温用
PTFEコーティング

SE…STMPD7 YSSUS304

SL…ST4 YS
3NC…MD4 FA (PT)

窒化けい素
SUS630

ふっ素樹脂 (FA・PT)
SL…MD4 FA (PT)

高硬度炭素材SUS440C

SUS440C

SUS304
真空用グリース使用
SUS304 +SUS440C

SUS440C

MoS2コーティング
PEEK樹脂 (PG)

SUS440C +SUS440C

鉛コーティング(5) 高温用(6) 非磁性用窒化けい素(Si3N4)

耐食用窒化けい素

耐食用窒化けい素

炭化けい素(SiC)

炭化けい素(SiC)

SKH4窒化けい素

窒化けい素

窒化けい素（総玉形）

SE…ST PG

SE…STMG3 YS
NC…FA (PT)
ふっ素樹脂 (FA・PT)

NCT…FA (PT)NCZ…FA (PT)

グラファイト (GF)−

3NC…HT4 GF
NC…V
3NC…YH4 FA (PT)

非磁性鋼
窒化けい素

(7) 絶縁用SE…STMSA7 YS

SE…STMB3 YS

銀コーティング
窒化けい素(Si3N4)

SV…ST YSSUS304

SUS440C +(4) 耐食用

SE…STPR YS

ふっ素樹脂 (FA・PT)
高硬度炭素材(3) 真空環境用軸受シリーズ

ふっ素樹脂 (FA・PT)

窒化けい素

NC…FA (PT)SUS440C

3NC…ST4 FA (PT)
窒化けい素

窒化けい素

KOYO Engineering Journal No.157 (2000)

ふっ素樹脂 (FA・PT)
NC…FA (PT)77

−特殊環境用軸受（Koyo EXSEV軸受）
について
（２）
−2.2

クリーン環境用

解説

SKH4，転動体が窒化けい素で保持器にグラファ

クリーン環境用の低発塵軸受は，作業環境の清イトを用いた組合せセラミック軸受と，内外輪・浄度（クリーン度）が最も重視される半導体・液晶

転動体（玉）
ともに窒化けい素を用いた総セラミッ製造をはじめさまざまな用途で，ニーズが急速にク軸受が使用される．保持器にグラファイトを用拡がっている．このような用途では油分の飛散がいたものは，500℃以下の使用が一般的である．

問題となるため，軸受潤滑への油・グリースの使なお例としては少ないが，総セラミック軸受を固用が嫌われる．

体潤滑剤なしで，500℃〜800℃までの高温雰囲気
５）

そこで低発塵軸受としては，ステンレス製（SUS440C）軸受に特殊ふっ素高分子，PTFE，高で使用した例もある ．

2.6

非磁性用硬度炭素材，ふっ素樹脂等の固体潤滑剤を使用したものが適用される．具体的には，軸受全面に特殊ふっ素高分子膜をコーティングした軸受，転動体（主に玉）に高硬度炭素材を用いた軸受，保持器をふっ素樹脂で製作した軸受，保持器にPTFEをコーティングした軸受等がある．

超電導関連，半導体製造装置あるいは各種検査装置に用いられる軸受の中には，磁場内で使用されるものがある．一般の鋼製軸受をこのような環境で使用すると，磁場を乱したり軸受の回転トルクが大きく変動することがあり非磁性軸受が要求される．

2.3

非磁性用軸受としては，内外輪に非磁性鋼（非真空環境用

一口に真空用軸受といっても，低真空から超高磁性ステンレス鋼，非磁性超硬合金等）を使用し真空，また，大気雰囲気と真空雰囲気の繰り返し転動体に窒化けい素を用いた組合せセラミック軸など種々の条件で使用される．したがって真空環

受と，内外輪，転動体ともに窒化けい素を用いた境用軸受は，軸受材料がステンレス鋼（SUS440C）総セラミック軸受がある．なおこのとき保持器はでグリースや固体潤滑剤を，軸受の使用される条

主にふっ素樹脂を使用している６）．

件に合わせて使い分けている．具体的には，真空2.7

絶縁用用グリースを用いたもの，保持器に二硫化モリブデンをコーティングしたもの，転動体（主に玉）に鉛（Pb）や銀（Ag）をイオンプレーティングしたも鉄道車両のトラクションモータをはじめとする各種モータで使用される軸受の損傷の一つに，電食という現象がある．電食とは，回転中の軸受内の等が使用される．

部を電流が通過したとき転がり接触部分の非常に2.4

薄い油膜を通してスパークが発生し，接触部の表耐食用酸・アルカリをはじめとする各種薬液中で軸受面が局部的に溶融する損傷である．そこで，軸受を使用する場合，耐食性に優れた軸受が必要とな内部を電流が通過しないように軸受外部（正確にる．耐食用軸受としては，主に内外輪・転動体がは軌道部以外）にバイパスをもうけるか，またはセラミックスで保持器がふっ素樹脂の総セラミッ

軸受内部に電流を流さない絶縁軸受を用いる場合

ク軸受が適用される．セラミック材料としては，がある．

が使用
主に窒化けい素（焼結助剤：Al 2O 3−Y 2O 3）絶縁軸受としては，内外輪が金属で転動体に絶されるが，腐食環境の度合により，耐食性を高め縁材料である窒化けい素を用いた組合せセラミッ

た窒化けい素（焼結助剤：スピネル）や，セラミック軸受と，内外輪・転動体ともに窒化けい素を用クスの中では特に耐食性に優れている炭化けい素

いた総セラミック軸受がある．なおこのほかにも４）を用いる場合もある ．

内輪の内径もしくは外輪の外径に，セラミックス等の絶縁材料をコーティングした軸受もある．

2.5

高温用

食品製造用のオーブンや金属材料の熱処理炉等

3．低発塵軸受の高温雰囲気で軸受が使用される場合，特に問題となるのは潤滑剤で，300℃程度まではグリースや油が使用できるが，それ以上は固体潤滑剤を使用する必要がある．
また軸受材料としては，300℃まではステンレス鋼（SUS440C）が使用できる．そこで300℃以上で使用される高温用軸受としては，内外輪が78

半導体・液晶製造装置，電子部品製造装置および医薬品・食品製造関係では，軸受からの油分の飛散が最も嫌われるため，油・グリース等を使用しない脱脂した軸受が使用されている．そのため一定時間軸受を使用すると，軸受から金属摩耗粉（軸受構成材料）が発生し問題となっている．

KOYO Engineering Journal No.157 (2000)

解説−特殊環境用軸受（Koyo EXSEV軸受）
について
（２）
−

そこで当社では軸受からの摩耗粉の発生を極力試験軸受抑えた低発塵軸受の開発を行った．

クリーンベンチ（クラス10）
雰囲気の空気ここでは低発塵軸受の性能を明らかにするととパーティクル
カウンタ レコーダ

もに，各種低発塵軸受の構成と特長を紹介する．

3.1

低発塵軸受の発塵性能比較

図1に試験方法，表2に試験条件を示す１）．
試験は図1に示す試験装置を，クリーンルーム磁性流体シール内に配置したクリーンベンチ（クリーン度：クラス10）の中に置き実施した．発塵量は，２個の軸図1 試験方法
Test method

受から発生した粒子径0.3μｍ以上の粒子を，パーティクルカウンタで20時間測定したものであ

表2 試験条件
Test conditions

る．
１）

表3に試験軸受の構成を示す ．
試験軸受としては11種類用いている．内外輪，

項目

軸

受条

転動体にマルテンサイト系ステンレス鋼（SUS440C）や窒化けい素セラミックスを用い，基本呼び番号
主寸法

潤滑剤のないものや固体潤滑剤として二硫化モリ
ブデン，PTFE，特殊ふっ素高分子等をコーティ荷ングした軸受である．

回雰

表3

転数

200r/m囲気クラス10

６×12×３mm
2.9N/軸受２個

クリーンベンチ内，室温

試験時間

20h

計測粒子径

0.3μm以上

試験軸受の構成
Test bearings
表面処理法，その他

外輪・内輪

AB

ラジアル

ML6012軸受の構成部品の材料および表面処理の部位

軸受
記号

重件

転動体

保持器

SUS440C
SUS440C

C

窒化けい素

潤滑剤なし
SUS304

SUS440C

D

潤滑剤なし
ふっ素系グリース

SUS440C＋Ag

SUS304

イオンプレーティング法

SUS440C

SUS304＋MoS2

MoS2 焼付け法

SUS440C

SUS304＋PTFEPTFE 焼付け法

SUS304＋PTFEPTFE 焼付け法

SUS440C
E
F

SUS440C＋PTFEGH

SUS440C

SUS440CIJK−ふっ素樹脂（FA）
SUS304＋高温用 PTFE

高温用 PTFE 焼付け法

窒化けい素

窒化けい素

SUS304＋高温用 PTFE

高温用 PTFE 焼付け法

SUS440C ＋

SUS440C ＋

SUS304 ＋

特殊ふっ素高分子

特殊ふっ素高分子

特殊ふっ素高分子

特殊ふっ素高分子

焼付け法

KOYO Engineering Journal No.157 (2000)

79

−特殊環境用軸受（Koyo EXSEV軸受）
について
（２）
−解説

粒子径0.3μm以上の発塵量，個／軸受２個

3 641 252
106105104103102484 452

23 21810 348144127421110382171

軸受 A

軸受 B

軸受 C

軸受 D

軸受 E

軸受 F

軸受 G

軸受 H

軸受 I

軸受 J

軸受 K

図2 試験結果（20時間試験中の全発塵量の比較）
Test result (comparison of total amount of generated dust for 20 hours test)

図2に試験結果を示す１）．

ティングした軸受（Ｄ）
や保持器に二硫化モリブデ11種類の軸受に対して，それぞれ20時間試験ををコーティングした軸受（Ｅ）の発塵量ン（MoS 2）行った際の，粒子径0.3μｍ以上の発塵量を測定が，104個〜105個オーダであるのに対して，軸受し比較している．その結果，固体潤滑剤を使用し全面に特殊ふっ素高分子をコーティングした軸受た軸受の中では，軸受全面に特殊ふっ素高分子を（Ｋ）やふっ素樹脂保持器の軸受，保持器にPTFEコーティングした軸受（Ｋ），ふっ素樹脂保持器のコーティングした軸受（Ｆ，Ｇ，Ｉ，Ｊ）の発塵量

軸受，保持器にPTFEコーティングを用いた軸受は，10〜10 個オーダとなっている．

2等（Ｆ，Ｇ，Ｉ，Ｊ）
が，転動体（玉）に銀（Ag）
を

なお潤滑剤を用いていないステンレス軸受はイオンプレーティングした軸受（Ｄ）や保持器に二106個オーダ，組合せセラミック軸受は104個オーをコーティングした軸受
硫化モリブデン（MoS 2）ダの発塵量である．またふっ素グリースを用いた（Ｅ）
より発塵量が少なく，低発塵軸受として優れ軸受（Ｃ）の発塵量は10個オーダであるが，油分等た発塵性能を示すことが明らかとなった．の蒸発や飛散があるため，低発塵軸受としては使つまり，転動体（玉）に銀（Ag）をイオンプレー用されない．

表4 低発塵軸受の構成と特長
Configurations Koyo EXSEV bearings for clean environment
推奨区分

構
外輪・内輪転動体

成保持器

圧力

温度Pa℃

低発塵

耐食

優−

良−

優優

優

優

ふっ素樹脂
SUS440C
汎SUS304＋PTFEコーティング

用〜10低発塵軸受

SUS440C＋

SUS304＋

特殊ふっ素高分子コーティング

特殊ふっ素高分子コーティング−5〜200SUS440C
SUS304＋

高温用

高温用PTFEコーティング

低発塵軸受〜10−5〜300

窒化けい素
SUS630

窒化けい素

耐食用
低発塵軸受

ふっ素樹脂
〜10−5

ふっ素樹脂
窒化けい素

〜200

SUS304＋PTFEコーティング

80

KOYO Engineering Journal No.157 (2000)

解説

3.2

−特殊環境用軸受（Koyo EXSEV軸受）
について
（２）
−

また耐食用低発塵軸受としては，内外輪が析出

低発塵軸受の構成と特長

低発塵軸受が要求される半導体・液晶製造装置
では，高温雰囲気で低発塵軸受が要求される場合と腐食雰囲気で低発塵軸受が要求される場合がある．したがって低発塵軸受としては，汎用低発塵軸受，高温用低発塵軸受および耐食用低発塵軸受

化けい素で保持器にふっ素樹脂を適用した組合せセラミック軸受と，内外輪・転動体（玉）ともに窒化けい素で保持器がふっ素樹脂の総セラミック軸
受，同じく保持器にPTFEコーティングを行った総セラミック軸受および３種類がある．これらのの３種類が必要となってくる．
表 4 にこれらの低発塵軸受の構成と特長を示す

硬化型ステンレス鋼（SUS630），転動体（玉）が窒１）．これは，前述の図2の試験結果をもとに，ものは腐食雰囲気で温度が200℃まででかつクリーン性が要求されるところに使用される．

低発塵軸受の使用される環境に合わせて，軸受の4．真空用軸受構成を検討し商品化たものである．
汎用低発塵軸受としては，ステンレス軸受の保持器（SUS304）にPTFEコーティングを行ったものと，ステンレス軸受の全面に特殊ふっ素高分子をコーティングしたものがあり，どちらも温度200℃まで使用できる．
次に高温用低発塵軸受としては，ステンレス軸受の保持器（SUS304）に高温用PTFEコーティングを行ったものと，総セラミック軸受の保持器（SUS304）に高温用PTFEコーティングを行ったも真空用途の軸受としては，一般に軸受材料がマルテンサイト系ステンレス鋼（SUS440）が使用されている．一方潤滑剤に関しては，真空用途で大気から超高真空雰囲気までのすべてをカバーできる潤滑剤がないため軸受が使用される条件に合わせて，潤滑剤（主に固体潤滑剤）を選定することが重要である．

4.1のがあり，どちらも温度300℃まで使用できる．
つまり高温用低発塵軸受は，使用される温度が200℃〜300℃でクリーン性が要求されるところに適用される軸受である．

真空用軸受の構成と特長
１）

表5に，真空用軸受の構成と特長を示す ．真
空用軸受に使用する潤滑剤（主に固体潤滑剤）
区分
で，軸受の特長と性能および用途に関してまとめたものである．

表5 真空用軸受の構成と特長
Configurations Koyo EXSEV bearings for vacuum environment
真空用グリース封入

MoS2コーティング

PEEK樹脂特殊ふっ素高分子

鉛イオンプレーティング

銀イオンプレーティング

軸受構造

特長

超高真空対応

−

優

大気圧対応

優−

クリーン性
温度範囲

−−40〜200℃

優−100〜300℃−100〜200℃−
max. 550℃−200〜300℃

max. 8×104）

性

高速回転性

優

良−

能

耐荷重性

優

良−

良

導電性

−

優
（半導体）

−

優

〈真空ポンプ〉〈半導体製造装置〉〈半導体製造装置〉

・T.M.P.

・ウェハ搬送用軸受（スパッタ装置）

・各種搬送用，回転部支持軸受

・クライオポンプ・大型トレイ搬送用軸受（P - CVD）（スパッタ，CVD，MBE装置）など

・ドア開閉部軸受（エッチング装置）〈医療機器〉

・ボールねじ支持軸受（縦型拡散炉）・X線管用軸受

用途

・ロボットアーム支持軸受 など
dn値：軸受内径（d）
×回転速度
（n）
注１）

KOYO Engineering Journal No.157 (2000)

良（dn値１）〈各種計測・分析機器〉など

81

−特殊環境用軸受（Koyo EXSEV軸受）
について
（２）
−

真空用グリース封入のものは，真空度10−４Pa程度まで使用できる．この軸受は，比較的高速回

解説

図3に，ここで使用した超高真空試験装置を示
７）

す ．

転まで対応できるとともに耐荷重性にも優れてい

真空槽はアルミニウム合金製で，内寸法600×るので，真空用途の軸受としては，できる限り真500×350である．排気系は，ロータリポンプ，タ空用グリース封入品で対応することが望ましい．

ーボ分子ポンプ，スパッタイオンポンプ，チタン（保持器にコーティング）
次にMoS2コーティングのもの，PEEK樹脂（保持器がPEEK樹脂）のもの

サブリメンションポンプ等で構成されている．
７）

図4に試験方法，表6に試験条件を示す ．

および特殊ふっ素高分子（軸受全面にコーティン

試験軸受（＃608）
を２個使用し，ばねによりアグ）のものに関しては，主に半導体製造装置を中キシアル荷重を負荷する構造となっている．真空心に適用されている．MoS 2コーティングのもの

槽内の圧力は1.3×10

は，PEEK樹脂のもの，特殊ふっ素高分子のもの

リング型回転導入機により軸受を真空槽外から回に比べて，より高速回転に適用可能でかつ耐荷重転させる．

−８Paで，マグネットカッブ性にも優れている．また，特殊ふっ素高分子のも内部ロータ（磁性ステンレス鋼）（振動測定点）のは特にクリーン性に優れているため，半導体製造装置のなかでもクリーン性を要求されるところ

真空隔壁外部ロータ（永久磁石）に使用されている．
次に鉛イオンプレーティング（玉にPb-IP）のものと，銀イオンプレーティング（玉にAg-IP）のものは，軟金属を潤滑として使用しているため潤滑剤からのアウトガスの発生がなく，超高真空に適応する軸受である．さらにこれらの軸受は，耐熱性，高速回転性および耐荷重性で比較的優れた特性を示すことから，医療用の回転陽極Ｘ線管に応コイルバネ試験軸受用されている．
真空槽

4.2

超高真空用軸受のアウトガス特性

図4 試験方法
Test method

前項では，転動体（玉）に鉛もしくは銀をイオンプレーティングした軸受が，超高真空用軸受とし表6 試験条件
Test conditionsて適していることを述べた．ここでは，超高真空中で玉に鉛をイオンプレーティングした軸受と玉に銀をイオンプレーティングした軸受を運転した場合の，アウトガス特性を明らかにする．
600

雰囲気圧力

荷重

8Fr＝３N−10（1.0×10 Torr）

Fa＝98N

1.3×10 Pa

回転数

温度140r/m

室温

図5に試験結果を示す７）．
エクストラクタゲージ

350

質量分析計図 5（１）は，玉に鉛をイオンプレーティング（Pb-IP）
した軸受の真空槽内圧力変化を，図5（２）は，玉に銀をイオンプレーティング（Ag-IP）
した軸受の真空槽内圧力変化を示す．玉に鉛をイオン真空槽プレーティングした軸受および玉に銀をイオンプレーティングした軸受はどちらも，回転開始と同軸受試験装置

Ｌ型弁

時に圧力は急増するが，約10時間経過するとほぼ回転前の圧力に回復することがわかる．また，10T.M.P.

S.I.P.

時間以内でも軸受の回転を停止させれば，圧力は速やかに回転前の圧力にもどることを確認していT.S.P.

る．したがって，1.3×10R.P.

図3 超高真空試験装置
Ultra-high vacuum tester

82−８Paの超高真空中で軸受の回転試験を行った結果から玉に鉛や銀のイオンプレーティングをおこなった軸受は，超高真空中で使用可能であることが明らかとなった．

KOYO Engineering Journal No.157 (2000)

解説−特殊環境用軸受（Koyo EXSEV軸受）について（２）−10−610−710−8回転開始

10真空槽内圧力，Pa真空槽内圧力，Pa回転開始−710100.1−8100

101−60.1

1時間，ｈ時間，ｈ（１）Pb-IP軸受（２）Ag-IP軸受

10100

図5 試験結果（真空槽内圧力変化）
Test results (Pressure change in vacuum chamber)

６）服 部 智 哉 ， 北 村 和 久 ， 林 田 一 徳 ： K o y o

5．おわりにEngineering Journal, no. 156（1999）
34.
ここでは，特殊環境用軸受（Koyo EXSEV軸受）

７）Y. Fujii, H. Ishimaru：J. Vac. Technol. A9（3）の代表的な軸受構成に関して紹介し，次に特殊環境用軸受のなかで中心的な製品である低発塵軸受と，真空用軸受に関して詳細に説明した．低発塵軸受と真空用軸受は，グリースや油が嫌われる用途の軸受であり，半導体・液晶製造装置を中心に使用されている．半導体・液晶関係では年々技術が進歩しているため，それにともない軸受に要求される性能や使用環境も，年々厳しくなっていくものと思われる．
したがって，低発塵軸受や真空用軸受の性能向上のために，軸受材料や固体潤滑技術の開発を今後も継続して進めていくことが必要である．

参考文献

筆 者

１）光洋精工（株）：特殊環境用軸受シリーズ

セ

ラミック軸受・EXSEV軸受，CAT. No. 208．
２）竹林博明，谷本清，服部智哉：日本ガス

タービン学会誌，vol. 26，no. 102（1998）
55．
３）J. R. Miner, W. A. Grace，R. Valori：ASLE
Priprint No. 80−AM−3C−3（1980）．
４）竹 林 博 明 ， 林 田 一 徳 ： Koyo Engineering
Journal, no. 145（1994）
132．
５）竹林博明，唯根勉，吉岡武雄：トライボ

ロジスト，vol. 38, no. 10（1993）
935．

KOYO Engineering Journal No.157 (2000)

竹林博明*
H. TAKEBAYASHI*

軸受事業本部

軸受技術センター

EXSEV技術部

工学博士

83