JP2005009649A

JP2005009649A - ボールねじ

Info

Publication number: JP2005009649A
Application number: JP2003177382A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Toyoda; 豊田　　泰
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 2003-06-20
Filing date: 2003-06-20
Publication date: 2005-01-13
Anticipated expiration: 2023-06-20
Also published as: JP4453807B2

Abstract

【課題】固体潤滑膜のはく離に起因する発塵が少なく、クリーンルーム等の特殊な環境下でも長期に渡り安定して使用することのできるボールねじを提供する。
【解決手段】ボールねじにおける各軌道溝１ｕ，２ｕの表面とボール３の表面の少なくとも一方に、ビスアリルナジイミド（ＢＡＮＩ）とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）とからなる被膜５を形成する。この被膜５は、均一で薄く、かつ、強固で耐摩耗性に優れる固体潤滑膜として機能する。以上の構成により、このボールねじは、従来のボールねじに比べ、発塵量を低減できるとともに、発塵寿命を向上させることができる。従って、このボールねじは、真空中やクリーンルーム内など特殊な環境下でも、長期に渡り安定して使用することができる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空中やクリーンルーム内など特殊な環境下での使用においても発塵が少なく、長期に渡りその性能を維持することのできるボールねじに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造装置等、所要の清浄度が要求される環境においては、物品の搬送や精密な位置決めに使用されるＸ−Ｙテーブルユニット等に用いられているボールねじの潤滑にグリース等の潤滑油を用いると、この油分が飛散や蒸発することによる潤滑機能の低下や使用環境の汚染といった不具合が生じる。従来、このような環境で使用されるボールねじには、グリースの代わりに、軌道溝や転動体の表面（転動部位）に金、銀、鉛、銅などの軟質金属、あるいはカーボンや二硫化モリブデン等の固体潤滑剤等をコーティングしたボールねじが使用されている。
【０００３】
しかしながら、これら固体潤滑剤を用いたボールねじにも、摩耗による発塵が多いという欠点があった。そこで、本出願人らは、発塵の少ないボールねじとして、転動部位にポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥと略称する）あるいはエチレンテトラフルオロエチレンと、熱硬化性樹脂バインダーとからなる被膜（固体潤滑膜）を有するボールねじを提案している（特許文献１を参照）。
【０００４】
この固体潤滑膜は、ＰＴＦＥとバインダーとなる樹脂を有機溶媒中に分散・混合させた溶液を、部材の軌道溝や転動体の表面に、スプレー等を用いて塗布し、その後加熱処理を行なうことによって硬化させたものである（ボンデッドフィルム法）。有機バインダーには、例えば、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂などの熱硬化性合成樹脂が使用される。
【０００５】
この手法は、ＰＴＦＥの優れた潤滑性・転走部への転着性を利用したものであって、ボールねじの転走部に形成された被膜あるいは転がり運動によって転着した被膜粒子により、ボールねじの潤滑が維持される。また、単独ではボールねじ部材に対する密着力の弱いＰＴＦＥに、バインダーを添加することにより、ＰＴＦＥの被コーティング面への密着力を高めるとともに、後述する加熱処理を経ることによってＰＴＦＥ間の結合力が高まり、このボールねじからの発塵を低減することができる。
【０００６】
【特許文献１】特開平８−１２１５６３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＰＴＦＥを用いた固体潤滑膜は、従来スプレー（吹き付け）によるコーティングが主流であり、その被膜を均質なものとするため、ある程度（具体的には、５μｍ〜数十μｍ）の膜厚が必要とされている。しかしながら、この手法によって形成された固体潤滑膜は、膜厚が厚いため、潤滑に寄与しない被膜粒子が発塵量を増加させてしまうという問題があった。
【０００８】
また、スプレー法で膜厚５μｍ以下の被膜を形成しようとした場合、膜厚のばらつきが大きく、まったくコーティングされていない領域や極端に厚い箇所が混在して潤滑が不十分になったり、被膜の欠落やはく離等によって発塵量が増加してしまう恐れがある。
【０００９】
本発明は、上記する課題に対処するためになされたものであり、固体潤滑膜のはく離に起因する発塵が少なく、クリーンルーム等の特殊な環境下でも長期に渡り安定して使用することのできるボールねじを提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
半導体製造工程においては、製造環境の清浄度が製品の歩留まり（ひいては製造コスト）に影響するため、このような特殊な環境で使用されるボールねじは、更なる低発塵化が求められている。また、半導体製造装置のみならず、製品の製造に使用する装置類に用いられるねじは、工程の稼働率向上のために、メンテナンスフリーで、かつ、寿命が長いことが望まれている。
【００１１】
このような要望に応えるため、本願の発明者らは、固体潤滑膜を形成したボールねじについて、種々研究を重ねてきた。そして、固体潤滑膜の膜厚のばらつきが発塵量に関与していることに注目し、ＰＴＦＥを固定化するのに最適なバインダー種を検討した結果、ビスアリルナジイミド（以下、ＢＡＮＩと略称する）を用いることによって、均一で薄く、かつ、耐摩耗性に優れる固体潤滑膜が形成可能であることを見出した。
【００１２】
本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。すなわち、本発明によれば、外周面に螺旋状の内側軌道溝を有するねじ軸と、内周面に前記内側軌道溝に対向する螺旋状の外側軌道溝を有するボールナットと、これら内側・外側軌道溝の間に形成される螺旋状空間に配置された複数のボールとを備えるボールねじにおいて、各軌道溝の表面とボールの表面の少なくとも一方に、ビスアリルナジイミドとポリテトラフルオロエチレンとからなる固体潤滑膜を形成することにより、特殊な環境下での使用においても極めて発塵が少なく、かつ、寿命の長いボールねじとすることができる。
【００１３】
本発明において固体潤滑膜形成のバインダーに使用されるビスアリルナジイミド（ＢｉｓＡｌｌｙｌＮａｄｉｃＩｍｉｄｅ）は、一般式（１）で表されるモノマー単位を有するポリイミド樹脂である。
【００１４】
【化１】

【００１５】
一般式（１）中のＲは脂肪族系または芳香族系の２価の炭化水素連結基を表す。このような２価の炭化水素連結基Ｒとしては、例えばＣ_２〜Ｃ_２０アルキレン基、Ｃ_５〜Ｃ_８シクロアルキレン基、Ｃ_６〜Ｃ_１２芳香族基、−Ａａ−Ｃ_６Ｈ_４−Ａ’（ａは０または１で、ＡおよびＡ’はそれぞれ独立してＣ_１〜Ｃ_４のアルキレン基を示す）で表されるアルキレン・フェニレン基、−Ｃ_６Ｈ_４−Ｔ−Ｃ_６Ｈ_４−（Ｔは、メチレン基，エチリデン基，プロピリデン基を示す）で表される基等が挙げられる。中でも、下記式（２）、（３）、（４）で表される２価の炭化水素連結基が好ましい。
【００１６】
【化２】

【００１７】
このＢＡＮＩは、熱硬化性イミド樹脂の一種であり、以下のような特徴を備えている。イ．硬化前のＢＡＮＩは、脂肪族アルコール，脂肪族炭化水素を除く殆どの有機溶剤に可溶で、特に、汎用溶剤に高い溶解性を示す。ロ．フッ素樹脂を含む多くの樹脂との相溶性に優れる。ハ．溶液状態での貯蔵安定性に優れる。ニ．金属だけでなく、エンジニアリングプラスチックへの密着性も良好。ホ．硬化後のＢＡＮＩは、ガラス転移点が３００℃以上と高い耐熱性を示し、機械的特性（曲げ強さ，弾性率，硬度，破壊靭性値等）にも優れる。
【００１８】
また、固体潤滑膜の形成に用いられるＰＴＦＥは、一般に、平均分子量数十万から数百万のポリマーまたは２５００以下のテルマーのいずれかで、粒子径が１０〜２０μｍのものが広く用いられている。しかしながら、本発明に使用されるＰＴＦＥは、薄く均一な被膜を得るために、平均粒子径３μｍ以下（平均分子量１０００〜１００００）のポリマーを使用することが好ましく、更に好ましくは、平均粒子径１μｍのポリマーを用いる。
【００１９】
本発明における固体潤滑膜の膜厚は、好ましくは０．１〜５μｍ、更に好ましくは１〜３μｍである。また、この固体潤滑膜の表面粗さは、±１μｍとすることが望ましい。このように平滑で強固な被膜を可能な限り薄く形成することにより、このボールねじは、低発塵性と長寿命とを両立させることができる。
【００２０】
なお、この固体潤滑膜の塗布方法は、特に限定されるものではないが、例えば、溶媒に所要量のＢＡＮＩとＰＴＦＥを溶解させた処理溶液中に、被コーティング部材を浸漬（ディッピング）する方法が好適である。また、この方法は、固体潤滑膜の膜厚を、溶媒に溶解させたＢＡＮＩおよびＰＴＦＥの濃度によって、容易に調節することができるというメリットもある。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつこの発明の実施の形態について説明する。
本実施の形態において例に挙げたボールねじは、多数のボールが、螺旋状に形成されたボール軌道を転動し、このボール軌道の軸方向両端を結ぶように配設されたチューブ状部材の中を通って、再びボール軌道に戻るチューブ式循環方式（あるいは外部循環方式）のボールねじである。
【００２２】
図１は、本発明の実施の形態におけるボールねじの構造を示す模式的断面図であり、図２は図１のＰ部拡大断面図である。なお、図２において、各部材の表面に形成された被膜５は、その厚みを誇張して描かれている。
【００２３】
このボールねじは、ねじ軸１と、ボールナット２と、多数のボール３と、リターンチューブ４とを主体として構成されている。ねじ軸１の外周面１ｘには、内側軌道溝１ｕとなる螺旋状の溝が形成されているとともに、このねじ軸１の周囲に配置されたボールナット２の内周面２ｙには、前記内側軌道溝１に対向する螺旋状の外側軌道溝２ｕが形成されている。また、このボールナット２外周の軸方向両端近傍には、外周面２ｘから内周面２ｙに貫通する孔２ｈ，２ｈが設けられており、ボールナット２の外側には、これらの孔２ｈ，２ｈを接続するリターンチューブ４が配設されている。このリターンチューブ４は、ねじ軸１とボールナット２の相対回転により、いずれか一方のボールナット２端部に達したボール３を、他方のボールナット２端部に循環させる機能を有する。
【００２４】
これらねじ軸１、ボールナット２およびボール３を形成する材料には、ステンレス鋼、軸受鋼、あるいはセラミックス等を使用することができる。また、リターンチューブ４を形成する材料は、ステンレス鋼の他、合成樹脂材料とすることもできる。
【００２５】
本実施の形態におけるボールねじの特徴は、図２の拡大断面図に示すように、ねじ軸１，ボールナット２およびボール３の全表面とリターンチューブ４の内外面に、ビスアリルナジイミド（ＢＡＮＩ）とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）とからなる被膜５が形成されている点である。この被膜５は、その成分であるＰＴＦＥの潤滑作用によって、固体潤滑膜として機能する。
【００２６】
次に、この固体潤滑膜の形成方法の一例を説明する。
固体潤滑膜を形成するＢＡＮＩとＰＴＦＥを溶解させる溶媒には、メタノール（メチルアルコール）が好適に使用される。まず、この溶媒に対し例えば５ｗｔ％の割合で、上記のＢＡＮＩとＰＴＦＥ（樹脂の割合＝１：１）を分散・溶解させ、これらの樹脂をボールねじに付着させるための処理溶液とする。そして、組み立てられた完成状態のボールねじを、この処理溶液に浸漬してボールナット２を回転させ、軸方向に数回移動させることにより、ねじ軸１・ボールナット２・ボール３の全面およびリターンチューブ４の内外面に液状膜を付着させる（付着処理）。その後、この処理溶液から引き上げたボールねじを、４０〜５０℃で約１分間加熱し、液状膜に含まれている溶媒を除去する（乾燥処理）。そして、液状膜が付着したボールねじを、１００〜２００℃において数十分間加熱することにより、強固な被膜が形成される（硬化処理）。
【００２７】
バインダーであるＢＡＮＩの特徴は、溶媒に対する溶解性の高さと、薄膜状で硬化させる場合、比較的温和な条件で硬化させることができる点である。従って、このＢＡＮＩを用いることによって、非常に薄く均一で強固な被膜を、容易に形成することが可能になった。
【００２８】
このＢＡＮＩとＰＴＦＥとを溶解させる溶媒には、脂肪族アルコール，脂肪族炭化水素を除く殆どの有機溶剤を使用することが可能である。本実施の形態で用いたメタノールの他に、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ），ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）等の非プロトン系極性溶剤類、アセトン，シクロヘキサン等のケトン類、酢酸メチル，酢酸エチル等のエステル類、トルエン，キシレン等の芳香族炭化水素類、メチルクロロホルム，トリクロロエチレン等の有機ハロゲン化合物類を使用することができる。
【００２９】
また、本実施の形態におけるＢＡＮＩの好適な具体例としては、一般式（１）においてＲが式（３）の構造のモノマー単位を有するポリイミド樹脂（丸善石油化学社製の「ＢＡＮＩ−Ｈ（商品名）」）あるいは、一般式（１）においてＲが式（４）の構造のモノマー単位を有するポリイミド樹脂（丸善石油化学社製の「ＢＡＮＩ−Ｘ（商品名）」）を挙げることができる。
【００３０】
【化３】

【００３１】
【化４】

【００３２】
以上の方法により、平均膜厚＝１μｍ、表面粗さＲａ＝０．５μｍの被膜５（固体潤滑膜）を、ボールねじの露出面全面に形成することができた。
【００３３】
なお、この実施の形態においては、完成状態のボールねじを処理溶液に浸漬したが、ボールねじを構成する部材を１つずつ単品で付着処理を行ない、その後乾燥処理、硬化処理を行なった上で、ボールねじを組み立てても良い。
【００３４】
また、この固体潤滑膜は、必ずしもボールねじの露出面全体に形成する必要はなく、マスキング等を使用することにより、ボールねじの転動部位、すなわち各軌道溝１ｕ，２ｕの表面とリターンチューブ４の内面、およびボール３の表面のどちらか一方あるいは両方に形成しても良い。しかしながら、これら部材の全表面に形成すると、この被膜５が、半導体製造工程等で使用される腐食性ガスに対する耐食性を向上させるため、好適である。
【００３５】
また、これら固体潤滑膜が形成される各部材の表面には、あらかじめ硬質な被膜を別途形成しておいても良い。この硬質被膜の具体例としては、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜，ＴｉＣ（炭化チタン）膜，ＴｉＮ（窒化チタン）膜あるいはＴｉＣＮ膜等が好ましい。
【００３６】
この硬質被膜の好適な膜厚は、０．１〜５μｍ程度であり、ＰＶＤ（物理的蒸着）法またはＣＶＤ（化学的蒸着）法等により、前記固体潤滑膜が形成される領域あるいは各部材の全表面に、容易に形成することが可能である。また、この硬質被膜は、前記固体潤滑膜の下地層として、ボールねじ転走面の耐摩耗性を向上させ、ボールねじの更なる長寿命化を図ることもできる。
【００３７】
次に、以上の実施の形態における固体潤滑膜の効果を確認すべく、実際にボールねじの発塵寿命を測定した実験結果について述べる。なお、試料の作製に用いたボールねじは、呼び番号１４０４．７ＴＳ３．５Ｃ７で、ねじ軸１の軸径１４．２ｍｍ、ボール３の直径を２ｍｍ（３．５巻／列）、リード４．７６ｍｍであり、ねじ軸１とボールナット２およびボール３は、ＪＩＳ規格ＳＵＳ４４０Ｃのステンレス鋼製、リターンチューブ４は、ＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４のステンレス鋼製である。
【００３８】
図３は、ボールねじからの発塵量を測定する装置の概略を示す説明図である。この図中の符号１はねじ軸、２はボールナットであり、集塵管２２を備えたカバー（アクリル製）２１内に配置されている。また、符号１１はボールねじを支える支柱、１２はねじ軸１の回転サポート軸受、１３は負荷用ばね、１４はボールナット２の移動案内用レール、１５はボールナット２のスライドサポート軸受である。このボールねじのねじ軸１の一端（図示右方）は、モータ等（図示省略）の駆動源に連結されており、負荷用ばね１３によりアキシャル（スラスト）方向の荷重が与えられた状態で、ねじ軸１の回転により、ボールナット２が左右に往復運動するように設計されている。
【００３９】
集塵管２２には、発塵個数計測装置（パーティクルカウンター）２３が接続されており、粒子径０．１μｍ以上の粒子の個数がカウントされ、その結果がレコーダ等（図示省略）に記録されるようになっている。なお、負荷用ばね１３による荷重は、負荷圏にある各ボールの軌道溝に対する面圧が、どのボールねじにおいても最大１．６ＧＰａになるように調整されている。
【００４０】
発塵寿命試験条件
雰囲気：大気中（クリーンベンチ内：クラス１０）
または真空中（５×１０^−５Ｐａ）
環境温度：室温
ストローク：８０ｍｍ
回転速度：１２０ｒｐｍ
なお、ボールナットの移動開始後、３分あたりの発塵量が１０００個／ｃｆに達した時点で試験を終了し、この間の経過時間を発塵寿命とした。
【００４１】
発塵寿命の測定は、固体潤滑膜のバインダーの種類を変えて作製した２つの試料について行なった。
実施例１：ＢＡＮＩとＰＴＦＥからなる固体潤滑膜が、
膜厚０．５〜１μｍに形成されたボールねじを使用。
比較例１：ポリアミドイミドとＰＴＦＥからなる固体潤滑膜が、
膜厚５±２μｍに形成されたボールねじを使用。
【００４２】
これらの試料の発塵寿命を比較した結果を図４に示す。このグラフは、「比較例１」の発塵寿命を基準として、「実施例１」の発塵寿命レベルを比較したものである。
【００４３】
このグラフから明らかなように、本発明のボールねじは、従来の固体潤滑膜を有するボールねじに比べ、大幅に発塵寿命が向上している。特に、真空雰囲気下においては、大気雰囲気下より寿命が低下している比較例１に対し、本発明の実施例１は、大気雰囲気下より発塵寿命が向上していることが見てとれる。
【００４４】
次に、ＢＡＮＩとＰＴＦＥとからなる固体潤滑膜の膜厚を変化させた場合の初期発塵量について、比較試験を行なった結果について述べる。なお、ボールねじからの発塵量を測定する装置には、前述の発塵寿命試験で用いた装置と同じものを用いた。
【００４５】
初期発塵量試験条件
雰囲気：大気中（クリーンベンチ内：クラス１０）
環境温度：室温
ストローク：８０ｍｍ
回転速度：１２０ｒｐｍ
測定時間：ボールナットの移動開始後、６００分間
なお、発塵量は、計測１２０回の平均値である。
【００４６】
初期発塵量の測定は、固体潤滑膜の膜厚を変えて作製した５つの試料について行なった。
実施例２：ＢＡＮＩとＰＴＦＥからなる固体潤滑膜が、
膜厚１μｍ以下に形成されたボールねじを使用。
実施例３：ＢＡＮＩとＰＴＦＥからなる固体潤滑膜が、
膜厚１〜３μｍに形成されたボールねじを使用。
実施例４：ＢＡＮＩとＰＴＦＥからなる固体潤滑膜が、
膜厚３〜５μｍに形成されたボールねじを使用。
実施例５：ＢＡＮＩとＰＴＦＥからなる固体潤滑膜が、
膜厚５〜１０μｍに形成されたボールねじを使用。
実施例６：ＢＡＮＩとＰＴＦＥからなる固体潤滑膜が、
膜厚１０μｍ以上に形成されたボールねじを使用。
【００４７】
これらの試料の初期発塵量を比較した結果を図５に示す。このグラフは、「実施例２」の初期発塵量を基準として、これらの初期発塵レベルを比較したものである。
【００４８】
このグラフから明らかなように、膜厚５μｍ以下の実施例２から実施例４にかけて、初期発塵量の低減効果が顕著であることが分かる。従って、膜厚のばらつきや形成の容易さ，コスト等も考慮した場合、本発明におけるＢＡＮＩとＰＴＦＥからなる固体潤滑膜の膜厚は、好ましくは５μｍ以下、更に好ましくは１〜３μｍである。
【００４９】
なお、以上の実施の形態においては、循環するボールがボール軌道の軸方向両端を結ぶように配設されたチューブ状部材の中を通って、再びボール軌道に戻るチューブ式（あるいは外部循環方式）のボールねじを例に説明したが、本発明は、このボールが螺旋状の軌道溝のランド部（山部）を乗り越えて元の軌道溝に戻るこま式（あるいは内部循環式）や、その他リターンプレート式あるいはエンドキャップ式のボール循環方法を採用するボールねじにも、適用可能であることは言うまでもない。
【００５０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、ボールねじの転動部位に、ビスアリルナジイミドとポリテトラフルオロエチレンからなる固体潤滑膜を形成することにより、従来のボールねじに比べ、その発塵量を大幅に低減することができる。従って、このボールねじは、真空中やクリーンルーム内など特殊な環境下でも、長期に渡り安定して使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態におけるボールねじの構造を示す模式的断面図である。
【図２】図１のＰ部拡大断面図である。
【図３】ボールねじの発塵量を測定する装置の概略を示す説明図である。
【図４】本発明の固体潤滑膜を有するボールねじと従来の固体潤滑膜を有するボールねじの発塵寿命を比較するグラフである。
【図５】本発明のボールねじにおいて、固体潤滑膜の膜厚を変化させた場合の初期発塵量を比較するグラフである。
【符号の説明】
１ねじ軸
１ｕ内側軌道溝
１ｘ外周面
２ボールナット
２ｕ外側軌道溝輪
２ｘ外周面
２ｙ内周面
３ボール
４リターンチューブ
４ｘ外面
４ｙ内面
５被膜
１１支柱
１２回転サポート軸受
１３負荷用ばね
１４移動案内用レール
１５スライドサポート軸受
２１カバー
２２集塵管
２３パーティクルカウンター

Claims

外周面に螺旋状の内側軌道溝を有するねじ軸と、内周面に前記内側軌道溝に対向する螺旋状の外側軌道溝を有するボールナットと、これら内側・外側軌道溝の間に形成される螺旋状空間に配置された複数のボールとを備えるボールねじにおいて、
前記各軌道溝の表面と前記ボールの表面の少なくとも一方に、ビスアリルナジイミドとポリテトラフルオロエチレンとからなる被膜が形成されていることを特徴とするボールねじ。
前記被膜の膜厚が、５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のボールねじ。