JP4281948B2

JP4281948B2 - 転がり軸受の製造方法

Info

Publication number: JP4281948B2
Application number: JP2003120386A
Authority: JP
Inventors: 豊田　　泰
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2003-04-24
Filing date: 2003-04-24
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2023-04-24
Also published as: JP2004324771A

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転がり軸受の製造方法に関する。
【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、装置類に用いられている転がり軸受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発生する。従来、このような環境で使用される転がり軸受には、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軸受が使用されている。
【０００３】
しかしながら、これら固体潤滑剤を用いた転がり軸受にも、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、発塵の少ない転がり軸受として、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）と有機バインダーとからなる被膜（固体潤滑膜）を有する転がり軸受を提案している（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、軸受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。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、エポキシ樹脂、フェノール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の優れた潤滑性や転走部への転着性を利用したものであって、軸受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って軸受の潤滑が維持される。また、単独では軸受部材（軸受材料）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、この軸受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４−４６２１９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、発塵量が極めて少なく、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転がり軸受の製造方法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軸受は、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軸受は、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転がり軸受の発塵量を左右する因子について、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大きく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り、請求項１に記載の発明は、軌道溝を有する内輪および外輪と、これら内外輪の軌道溝間に転動自在に配置された複数の転動体とを備える転がり軸受の各軌道溝表面と転動体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をメタノール溶媒に分散・溶解させた処理溶液を付着させて液状膜を形成する工程と、前記液状膜が形成された転がり軸受を加熱する加熱工程とにより、前記処理溶液を塗布した表面に、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膜厚５μｍ以下の固体潤滑膜を形成することを特徴とする転がり軸受の製造方法である。すなわち、本発明によれば、内輪と外輪と、複数の転動体とを備える転がり軸受において、各軌道溝の表面と転動体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膜厚５μｍ以下の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発塵が少なく、かつ、寿命の長い転がり軸受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Ｃ₂〜Ｃ₂₀アルキレン基、Ｃ₅〜Ｃ₈シクロアルキレン基、Ｃ₆〜Ｃ₁₂芳香族基、−Ａａ−Ｃ₆Ｈ₄−Ａ’（ａは０または１で、ＡおよびＡ’はそれぞれ独立してＣ₁〜Ｃ₄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、−Ｃ₆Ｈ₄−Ｔ−Ｃ₆Ｈ₄−（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１〜２μｍ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固体潤滑膜を可能な限り薄く形成することにより、この転がり軸受は、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】
また、この固体潤滑膜の下地層として、同じ領域の各部材表面に、あらかじめ硬質な被膜を別途形成しておくこともできる。この硬質被膜は、軸受転走面の耐摩耗性を向上させ、転がり軸受の更なる長寿命化を図ることができる。
【００２２】
なお、前記加熱工程が、前記液状膜からメタノールを除去する乾燥処理と、メタノールを除去した膜を硬化させるために加熱する硬化処理と、からなる構成を好適に採用することができる（請求項２）。また、前記硬化処理における加熱温度は、１００〜２００℃とすることが望ましい（請求項３）。
【００２３】
【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。
図１は、本発明の実施の形態における転がり軸受の構造を示す模式的断面図である。なお、この転がり軸受において、軌道輪、転動体および保持器の露出面に形成された固体潤滑膜５は、その厚みを誇張して描かれている。
【００２４】
この転がり軸受は、外周面１ｙに内輪側軌道溝１ｕが形成された内輪１と、内周面２ｘに外輪側軌道溝２ｕが形成された外輪２と、これら内外輪の間の環状空間内に配置された複数のボール３を主体として構成されている。これらのボール３は、周方向に所定の間隔で形成されたポケットを複数有する保持器４によって、内外輪の軌道溝１ｕ，２ｕ間に転動自在に保持されている。
【００２５】
これら内輪１、外輪２およびボール３を形成する軸受材料には、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、保持器４を形成する材料には、ステンレス鋼の他、黄銅、チタン材などが好適に用いられるが、合成樹脂材料とすることもできる。この合成樹脂材料としては、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ），エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）などのフッ素樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ），ポリアミド（ＰＡ）などのエンジニアリングプラスチックなどの使用も可能である。これらの樹脂には、ガラス繊維等の強化繊維を添加してもよい。また、保持器４の形状も、特に限定されるものではなく、もみ抜き形、波系あるいは冠型でも良い。
【００２６】
本実施の形態における転がり軸受の特徴は、内輪１、外輪２、ボール３および保持器４のすべての露出面に、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）とからなる膜厚５μｍ以下の被膜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。
【００２７】
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、これらの樹脂を軸受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転がり軸受を、この処理溶液に浸漬して数回回転させることにより、内輪１・外輪２・ボール３および保持器４の全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転がり軸受を、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、液状膜が付着した転がり軸受を、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）。
【００２８】
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。
【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、以下の一般式（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、転がり軸受の露出面全面に形成することができた。
【００３３】
なお、以上の実施の形態においては、完成状態の転がり軸受を処理溶液に浸漬したが、軸受を構成する部材を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、軸受を組み立てても良い。
【００３４】
また、この固体潤滑膜は、必ずしも軸受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、軸受の転動部位、すなわち各軌道輪の軌道溝１ｕ，２ｕ部位とボール３の表面の両方、あるいはどちらか一方にのみ設けても良い。
【００３５】
更にまた、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、軸受転走面の耐摩耗性を向上させ、転がり軸受の更なる長寿命化を図ることができる。
【００３７】
次に、以上の実施の形態における転がり軸受の効果を確認すべく、実際に発塵量とトルク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転がり軸受は、呼び番号６０８（φ８×φ２２×７）で、内外輪とボールとは、ＪＩＳ規格ＳＵＳ４４０Ｃのステンレス鋼製、保持器（波形タイプ）は、ＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４のステンレス鋼製である。
【００３８】
まず、発塵量の測定方法について説明する。
図２は、軸受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１１はハウジングであり、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。このハウジング１１には、供試体となる２個の転がり軸受１２ａ，１２ｂが装着されており、モータ等の駆動源に連結された回転軸１４に嵌め入れられた状態で、コイルばね１３によりアキシャル（スラスト）方向の荷重が与えられている。また、集塵管２２は、発塵個数計測装置（パーティクルカウンター）２３に接続されており、その計測結果が計測結果記録機（レコーダ）２４に記録されるようになっている。なお、図中の符号２５は磁性流体シールであり、測定装置全体がクリーンベンチ内に置かれ、図示上方からクリーンエアーが常に供給される構造となっている。
【００３９】
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
荷重：アキシャル荷重（１００Ｎ）
回転速度：２００ｒｐｍ
測定間隔：回転開始後、１０分間隔
測定回数：各試料につき３回
発塵量は、粒子径０．１μｍ以上の塵について記録したもので、測定３回の平均値である。
【００４０】
発塵量の測定は、本実施の形態に記載の固体潤滑膜形成方法により、固体潤滑膜の膜厚を変えて作製した５つの試料（各々２個の転がり軸受）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１μｍ以下に形成された転がり軸受を使用。
実施例２：ＢＡＮＩとＰＴＦＥからなる固体潤滑膜が、
膜厚１〜３μｍに形成された転がり軸受を使用。
実施例３：ＢＡＮＩとＰＴＦＥからなる固体潤滑膜が、
膜厚３〜５μｍに形成された転がり軸受を使用。
比較例１：ＢＡＮＩとＰＴＦＥからなる固体潤滑膜が、
膜厚５〜１０μｍに形成された転がり軸受を使用。
比較例２：ＢＡＮＩとＰＴＦＥからなる固体潤滑膜が、
膜厚１０μｍ以上に形成された転がり軸受を使用。
【００４１】
これらの試料の発塵量を比較したグラフを図３に示す。このグラフは、膜厚１μｍ以下の固体潤滑膜が形成された「実施例１」の発塵量を基準として、その他の試料の発塵レベルを比較したものである。
【００４２】
このグラフから明らかなように、固体潤滑膜の膜厚を５μｍ以下とすることにより、膜厚の軸受に比べ、発塵量を大幅に低減できることが見てとれる。特に、膜厚を「１μｍ以下」あるいは「１〜３μｍ」に形成することによって、極めて発塵量の少ない転がり軸受とすることが可能である。
【００４３】
次に、軸受のトルク寿命の測定方法について説明する。
図４は、トルク寿命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３１はハウジングであり、このハウジング３１内には、供試体となる２個の転がり軸受３２ａ，３２ｂが装着されている。これら転がり軸受３２ａ，３２ｂは、その内周にモータ等の駆動源に連結された回転軸３４が嵌め入れられており、コイルばね３３によりアキシャル（スラスト）方向の荷重が与えられている。また、ハウジング３１の一端は、ベースプレート４２に固定されたトルク板４１に接続されており、回転軸３４の回転により発生した回転トルクが、ハウジング３１を介してトルク板４１に伝達され、ストレインゲージ４３によって検出されるようになっている。
【００４４】
トルク寿命試験条件
雰囲気：大気および真空（５×１０^-5Ｐａ）
環境温度：室温
荷重：アキシャル荷重（１００Ｎ）
回転速度：２００ｒｐｍ
なお、回転開始後、トルク値が初期値の３倍となった時点で、固体潤滑膜が消失したと判断し、試験を終了した。また、測定は、試験開始から終了までの経過時間を記録した。
【００４５】
トルク寿命の測定は、本発明の固体潤滑膜を有する転がり軸受と、従来法による固体潤滑膜を有する転がり軸受（各々２個の転がり軸受）について行なった。
実施例４：本発明の実施の形態に記載の方法により、ＢＡＮＩとＰＴＦＥから
なる膜厚１μｍの固体潤滑膜が形成された転がり軸受を使用。
比較例３：従来のスプレー塗布（ボンデッドフィルム法）により、ポリアミド
イミドとＰＴＦＥとからなる膜厚１０μｍの固体潤滑膜が形成された
転がり軸受を使用。
【００４６】
これらの試料のトルク寿命を比較したグラフを図５に示す。このグラフは、大気雰囲気における「比較例３」のトルク寿命を基準として、その他の条件におけるトルク寿命レベルを比較したものである。
【００４７】
このグラフから明らかなように、本発明の固体潤滑膜を有する実施例４は、従来の固体潤滑膜を有する比較例３に比べ、トルク寿命が大幅に向上していることが分かる。しかも、比較例３は、大気中における寿命に比べ真空中における寿命が低下しているのに対し、実施例４は、真空中における寿命が大気中における寿命を上回っている。従って、本実施の形態における転がり軸受は、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ができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、転がり軸受の転動部位に、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厚さ５μｍ以下の薄膜を形成することにより、この軸受からの発塵を低減できるとともに、トルク寿命を向上させることができる。従って、この転がり軸受は、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転がり軸受の構造を示す模式図である。
【図２】転がり軸受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。
【図３】転がり軸受からの発塵量の比較結果を示すグラフである。
【図４】転がり軸受のトルク寿命を測定する装置の概略を示す説明図である。
【図５】転がり軸受のトルク寿命の比較結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１内輪
１ｕ内輪側軌道溝
１ｙ外周面
２外輪
２ｕ外輪側軌道溝
２ｘ内周面
３ボール
４保持器
５被膜（固体潤滑膜）
１１ハウジング
１２ａ，１２ｂ転がり軸受
１３コイルばね
１４回転軸
２１カバー
２２集塵管
２３パーティクルカウンター
２４レコーダ
３１ハウジング
３２ａ，３２ｂ転がり軸受
３３コイルばね
３４回転軸
４１トルク板
４２ベースプレート
４３ストレインゲージ

Claims

軌道溝を有する内輪および外輪と、これら内外輪の軌道溝間に転動自在に配置された複数の転動体とを備える転がり軸受の各軌道溝表面と転動体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をメタノール溶媒に分散・溶解させた処理溶液を付着させて液状膜を形成する工程と、前記液状膜が形成された転がり軸受を加熱する加熱工程とにより、前記処理溶液を塗布した表面に、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膜厚５μｍ以下の固体潤滑膜を形成することを特徴とする転がり軸受の製造方法。
前記加熱工程が、前記液状膜からメタノールを除去する乾燥処理と、メタノールを除去した膜を硬化させるために加熱する硬化処理と、からなることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受の製造方法。
前記硬化処理における加熱温度が１００〜２００℃であることを特徴とする請求項２に記載の転がり軸受の製造方法。