JP4178262B2

JP4178262B2 - 転がり軸受

Info

Publication number: JP4178262B2
Application number: JP2003333286A
Authority: JP
Inventors: 義孝高橋
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2003-09-25
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2023-09-25
Also published as: JP2005098396A

Description

本発明は、例えば半導体製造装置、液晶製造装置に組み付けて用いられる転がり軸受に関する。

半導体製造装置内に配設される転がり軸受において、一般的な転がり軸受で汎用されている固体潤滑剤やグリースなどを用いると、高温真空環境下であるため、これらが発塵するという問題がある。このため、低発塵性を良好にするとともに、長期にわたる潤滑性を向上させるべく、特定の樹脂材料で形成された保持器を用いるとともに、軸受構成要素の少なくとも転がり面及び／もしくは摺動面に特殊な潤滑膜を形成する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−６５３４１号公報（請求項１，２，３）

しかしながら、最近の半導体製造装置等の各種装置の高性能化などに伴い、これら装置に用いられる転がり軸受についても、潤滑性や低発塵性をさらに向上させることが求められている。また、最近では、メンテナンスフリーの実現が要求されており、特に半導体製造装置においてはクリーンルーム化も要求されていることから、低発塵性を備えた転がり軸受に対する要望は強い。さらに、半導体製造装置内に配設すると高温環境下で使用されることになることから、耐熱性をも兼ね備えた転がり軸受が嘱望されている。

本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、長期にわたり安定して潤滑剤の供給が可能で、しかも発塵が有効に抑制された転がり軸受の提供をその目的とする。また、耐熱性にも優れた転がり軸受の提供をその目的とする。

本発明の第１の転がり軸受は、内輪と、外輪と、前記内輪及び外輪の間に転動自在に配置された複数の転動体と、これら転動体を転動可能に保持する保持器とを備えた転がり軸受であって、前記保持器は、潤滑剤が真空含浸された多孔質体から構成されていることを特徴としている。
上記の構成によれば、潤滑剤が真空含浸された多孔質体から構成された保持器を用いているので、転動体が転動している際に、真空含浸により適量の潤滑剤を保持した保持器から微量の潤滑剤を滲みださせることができる。また、潤滑剤の滲みだしは、多孔質体の毛細管現象により行われるので、潤滑剤供給過多とならず、余剰の潤滑剤が発塵（飛散）してしまうといったことも有効に抑制される。

本発明の第２の転がり軸受は、内輪と、外輪と、前記内輪及び外輪の間に転動自在に配置された複数の転動体と、これら転動体を転動可能に保持する保持器とを備えた転がり軸受であって、前記保持器は、潤滑剤が含浸された多孔質体から構成されており、かつ、前記多孔質体の気孔率が１０〜２５％の範囲内に設定されているとともに、前記潤滑剤の含浸率が前記多孔質体内部の空間容積に対し９０〜１００％の範囲内に設定されていることを特徴としている。
上記の構成によれば、所定の気孔率の多孔質体に所定の含浸率で潤滑剤を含浸させた保持器を用いているので、転動体が転動している際に、適量の潤滑剤を保持した保持器から微量の潤滑剤を滲みださせることができる。また、潤滑剤の滲みだしは、多孔質体の毛細管現象により行われるので、潤滑剤供給過多とならず、余剰の潤滑剤が発塵（飛散）してしまうといったことも有効に抑制される。さらに、上記保持器は、充分な機械的強度を備え、しかも適量の潤滑剤を含浸保持しているという利点を有する。

上記第１、第２の転がり軸受において、前記内輪の軌道面、外輪の軌道面及び転動体の表面のうちの少なくとも一方に、官能基を有するフッ素系高分子薄膜が形成されているのが好ましい。この場合、転動体と内外輪との接触に際し、前記フッ素系高分子薄膜からも潤滑剤が供給されるので、長期にわたり安定して転動体を転動させることができる。特に、前記フッ素系高分子薄膜の官能基が、金属及び潤滑剤と接着性を有する官能基である場合には、この官能基が金属製の内外輪等とフッ素系高分子薄膜との密着性を高めるとともに、転動体表面に供給された潤滑剤との密着性も高まるために潤滑剤が発塵（飛散）するのを一層抑制することができる。また、転動体の転動により、前記保持器に含浸保持された潤滑剤をフッ素系高分子薄膜に補給することもできるので、より一層、長期にわたり安定して転がり軸受を使用することができるという利点がある。

また、上記第１、第２の転がり軸受において、前記潤滑剤の２０℃における蒸気圧が、１０^−９ｔｏｒｒ以下に設定されているのが好ましい。この場合、アウトガスを抑制することができる。
さらに、上記第１、第２の転がり軸受において、前記潤滑剤が、フッ素系オイルであるのが好ましい。この場合、耐熱性を向上させることができる。
また、上記第１、第２の転がり軸受において、前記多孔質体が、フッ素樹脂により形成されてなるのが好ましい。この場合、耐熱性を向上させることができるとともに、発塵寿命を向上させることができる。また、前記潤滑剤がフッ素系オイルで、前記多孔質体がフッ素樹脂で形成されている場合には、フッ素系オイルがフッ素樹脂に馴染みやすいために含浸率を高くしやすいとともに、耐熱性にも優れた転がり軸受になるという利点を有する。

さらに、上記第１、第２の転がり軸受において、前記官能基を有するフッ素系高分子薄膜が、ゲル状の薄膜であるのが好ましい。この場合、硬質の薄膜ではないので、その表面を転動体が転動しても摩耗粉が発生しにくいという利点がある。

本発明の転がり軸受によれば、長期にわたり安定して転動体に潤滑剤を供給でき、しかも発塵を有効に抑制することができる。また、フッ素樹脂により形成された多孔質体にフッ素系オイルを含浸させている保持器を用いる場合には、耐熱性にも優れた転がり軸受を提供することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の転がり軸受の一実施形態に係る玉軸受を示す一部断面図である。この玉軸受は、例えば半導体製造装置内に組み付けて高温真空環境下で用いられるものであり、内輪１と、外輪２と、両者の間に転動自在に配置された複数の玉（転動体）３と、これら玉３を転動可能に保持する保持器４と、内外輪１、２間の環状開口部をシールするシール板５とを備えている。

内輪１、外輪２、玉３は、例えばＳＵＳ４４０Ｃなどのマルテンサイト系ステンレス鋼、ＳＵＳ６３０などの析出硬化型ステンレス鋼、ＳＵＳ３０４などのオーステナイト系ステンレス鋼等の金属材料を用いて形成されたものであり、必要に応じて耐熱処理が施される。内輪１の外周面には、玉３が転がり接触をする軌道面１ａが形成されており、また外輪２の内周面には、同様に、玉３が転がり接触をする軌道面２ａが形成されている。なお、軌道面１ａ、２ａには必要に応じて硬化処理が施される。
シール板５は、例えば合成樹脂により形成されたものであり、内外輪１、２間が密閉空間となるように内外輪１、２間の環状開口部を塞ぐように配設される。なお、図１では、シール板５と内輪１の外周面との間には若干の隙間が形成されているが、この隙間はラビリンスシール効果を発揮しうる寸法に設定されている。

保持器４は、例えば周方向に所定の間隔で形成された複数のポケットを有する波形保持器と呼ばれる形状に成形された多孔質体と、この多孔質体の孔内に充填された潤滑剤とから構成されている。ここで、多孔質体の気孔率は、１０〜２５％の範囲内に設定されている。１０％未満であると、潤滑剤を充填するための空間容積が少なすぎて、その空間容積に潤滑剤を充填しても充分に潤滑作用を発揮できないおそれがあるからである。逆に、２５％を超えると、機械的強度が不足したり、玉３への潤滑剤の供給量が多くなりすぎて発塵を有効に抑制できないおそれがあるからである。また、多孔質体中の孔の大きさは、気孔径数が平均で数１０μｍ程度が好ましく、さらに好ましくは３０〜７０μｍである。さらに、潤滑剤の充填率は、前記多孔質体内部の空間容積に対し９０〜１００％の範囲内に設定されている。潤滑剤の充填率が小さいと、長期にわたり安定して潤滑剤を供給することができないおそれがあるからである。

上記多孔質体は、例えば合成樹脂と公知の気孔形成剤とを含む成形用組成物を準備し、これを押出成形した後、所望の形状に加工することにより製造することができる。合成樹脂としては、四フッ化エチレン重合体等のフッ素樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン等を用いることができる。なかでも、フッ素樹脂を用いて得た多孔質体は、耐熱性（例えば２６０℃）を備えるとともに、潤滑剤が枯渇した場合でも玉３との接触により生じた摩耗粉が玉３及び内外輪１、２の軌道面１ａ、２ａに付着することで潤滑切れを有効に抑制することができるという利点がある。なお、上記多孔質体は、例えば超高分子量の合成樹脂微粒子を押し固めた状態で所定の金型に充填し加熱成形することによっても製造することができるが、このようにして得られた多孔質焼結樹脂体は、押出成形品に比べ機械的強度に劣るので、押出成形により製造するのが好適である。

上記のような多孔質体の孔内に充填される潤滑剤としては、動粘度（２０℃）が５００〜１０００ｃＳｔの範囲内で、かつ蒸気圧（２０℃）が１０^−９ｔｏｒｒ以下、好ましくは１０^−１２〜１０^−９の範囲内のフッ素系オイルが好適に用いられる。フッ素系オイルは耐熱性（例えば３００℃）や化学的安定性に優れているため、特に高温環境下で使用される半導体製造装置用の玉軸受として好適である。
なお、潤滑剤の蒸気圧（２０℃）が１０^−９ｔｏｒｒを超えると、潤滑剤が容易に揮発してしまい、長期にわたり安定して玉軸受を使用できないおそれがある。また、潤滑剤の動粘度（２０℃）が５００ｃＳｔ未満であると、玉３表面に適切な厚みの液膜（油膜）が形成されなかったり、形成された液膜（油膜）が維持されなかったりして、潤滑剤が飛散したり、潤滑剤が微粒子となって発塵したりするおそれがある。逆に、１０００ｃＳｔを超えると、多孔質体から玉３表面に適量の潤滑剤が供給されにくく、充分な潤滑作用を得られないおそれがある。

上記保持器４は、前記多孔質体に潤滑剤を真空含浸することにより製造することができる。詳細には、前記多孔質体を真空含浸装置に導入して減圧し、潤滑剤を添加することで含浸させる方法、あるいは前記潤滑剤の浴中に多孔質体を浸漬し、そのまま減圧して含浸させる方法により製造することができる。多孔質体への潤滑剤の含浸方法として、真空含浸を採用すると、多孔質体の孔内への含浸率を容易に高めることができるという利点がある。なお、真空含浸の条件は、多孔質体の気孔率、潤滑剤の種類等に応じて適宜に設定されるが、前記多孔質体内部の空間全てが潤滑剤で満たされる条件で真空含浸を行うことが好ましい。

上記保持器４を備えた転がり軸受において、内輪１、外輪２及び玉３の全表面には、非常に薄い、官能基を有するフッ素系高分子薄膜が形成されている。詳細には、図２及び図３を参照して、内輪１の軌道面１ａ、外輪２の軌道面２ａを含め内外輪１，２の全表面及び玉３の全表面には、膜厚がサブミクロンオーダの、官能基を有するフッ素系高分子薄膜１１ａ、１１ｂ、１１ｃが形成されている。このフッ素系高分子薄膜１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、三次元網目構造体状で、摩擦抵抗が極めて小さく、ボール２の転動により摩耗粉が発生しにくい程度の流動性を示すゲル状薄膜である。このようなフッ素系高分子薄膜は、例えばフルオロポリエーテル化合物、ポリフルオロアルキル化合物等のフッ素原子を複数有する化合物を１種又は２種以上用いて形成することができる。ここで、フルオロポリエーテル化合物は、−Ｃ_ｘＦ_２ｘ−Ｏ−（Ｘは１〜４の整数）で表される構造単位を有する化合物であり、その数平均分子量（Ｍｎ）が１，０００〜５０，０００程度のものである。また、ポリフルオロアルキル化合物は、アルキル基中の複数の水素原子がフッ素原子に置換されたフルオロアルキル基を有する化合物であり、その数平均分子量（Ｍｎ）が１，０００〜５０，０００程度のものである。

上記フルオロポリエーテル化合物、ポリフルオロアルキル化合物等のフッ素原子を複数有する化合物は、内外輪１，２、玉３の構成材料である金属や上記潤滑剤と接着性の高い官能基を１種又は２種以上有していることが好ましい。このような官能基としては、アルコール基、エポキシ基、アミノ基、カルボキシル基、水酸基、メルカプト基、イソシアネート基、スルフォン基、エステル基等があげられる。

上記フルオロポリエーテル化合物のうち好適なものとしては、下記の化学式（ａ１）〜（ａ１０）で表される化合物があげられる。また、上記ポリフルオロアルキル化合物のうち好適なものとしては、下記の化学式（ｂ１）〜（ｂ１３）で表される化合物があげられる。

さらに具体的には、モンテカチーニ社製のフォンブリンＹスタンダード、フォンブリンエマルジョン（ＦＥ２０、ＥＭＯ４等）、フォンブリンＺ誘導体(FONBLIN Z DEAL、FONBLIN Z DIAC、FONBLIN Z DISOC、FONBLIN Z DOL、FONBLIN Z DOLTX2000、FONBLIN Z TETRAOL等)が好適に用いられる。また、動粘度（２０℃）が１０００〜２２００ｃＳｔの範囲内のものが好ましい。

上記フッ素系高分子薄膜１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、例えばつぎのようにして形成することができる。すなわち、まず、前記フッ素原子を複数有する化合物を溶媒中に分散させたコーティング液を調製する。ここで、コーティング液の濃度は、１０重量％以下、好ましくは５〜１０重量％という低濃度に設定されている。つづいて、得られたコーティング液を装填した浸漬槽中に内輪、外輪、玉を浸漬して数回回転する。これにより、内輪、外輪、玉の表面にコーティング液膜を形成する。なお、浸漬に限らず、スプレー塗布等によりコーティング液膜を形成してもよいのは勿論である。また、コーティング液膜を特定の部位のみに形成したい場合には、マスキング等を施してから、浸漬、スプレー塗布等を行えばよい。さらに、コーティング液膜を形成したい部位に対し、例えば微量注入可能な注射器を用いてコーティング液膜を形成するようにしてもよい。その後、例えば４０〜５０℃で３分間加熱することにより、コーティング液膜中の溶媒を除去する。つづいて、例えば８０〜１８０℃の温度で１５〜７０分間、加熱する。こうして、膜厚がサブミクロンオーダ（例えば０．２μｍ）のフッ素系高分子薄膜１１ａ、１１ｂ、１１ｃを形成することができる。なお、所望の膜厚にすべく、上記した一連の製膜工程を複数回行うようにしてもよい。

上記のように構成された本形態に係る転がり軸受は、気孔率が１０〜３０％の範囲内の多孔質体に真空含浸により含浸率が９０〜１００％という高い含浸率で潤滑剤を含浸させた多孔質体からなる保持器４を用いているので、玉３が転動中に保持器４を構成する多孔質体の毛細管現象により潤滑剤が滲みだして、玉３に微量の潤滑剤を供給することができる。また、潤滑剤が多く供給されるために余剰の潤滑剤が発塵（飛散）してしまうといったことも有効に抑制することができる。さらに、内外輪１、２の軌道面１ａ、２ａ及び玉３の表面に官能基を有するフッ素系高分子薄膜１１ａ、１１ｂ、１１ｃが形成されているので、このフッ素系高分子薄膜１１ａ、１１ｂ、１１ｃからも潤滑剤が供給され、長期にわたり安定して玉３を転動させることができる。特に、フッ素系高分子薄膜１１ａ、１１ｂ、１１ｃの官能基が金属と接着性を有する官能基である場合には、金属製の内外輪１，２等とフッ素系高分子薄膜１１ａ、１１ｂ、１１ｃとの密着性が高くなり、フッ素系高分子薄膜１１ａ、１１ｂ、１１ｃが剥離しにくいという利点がある。また、フッ素系高分子薄膜１１ａ、１１ｂ、１１ｃの表面に保持器４に含浸保持された潤滑剤と接着性のある官能基が露出している場合には、潤滑剤の発塵（飛散）を有効に抑制することができる。さらに、玉３の転動により、保持器４に含浸保持された潤滑剤をフッ素系高分子薄膜１１ａ、１１ｂ、１１ｃに補給することもできるので、より一層、長期にわたり安定して玉３を転動させることができる。また、フッ素樹脂製の多孔質体にフッ素系オイルを含浸させている場合には、フッ素系オイルがフッ素樹脂に馴染みやすいために含浸率を高くしやすいとともに、耐熱性（２００℃以上）にも優れるという利点がある。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、内外輪１、２の軌道面１ａ、２ａと玉３の表面の両方にフッ素系高分子薄膜１１ａ、１１ｂ、１１ｃを形成する必要はなく、いずれか一方にのみ形成されていてもよい。また、本発明の転がり軸受は、玉軸受に限らず、ころ軸受であってもよく、また波形保持器に限らず、冠型保持器などであってもよい。

本発明の転がり軸受の一実施形態に係る玉軸受を示す一部断面図である。図１の破線Ａで囲まれた部分を示す拡大断面図である。図１の破線Ｂで囲まれた部分を示す拡大断面図である。

符号の説明

１内輪
１ａ軌道面
２外輪
２ａ軌道面
３玉（転動体）
４保持器
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ官能基を有するフッ素系高分子薄膜

Claims

内輪と、外輪と、前記内輪及び外輪の間に転動自在に配置された複数の転動体と、これら転動体を転動可能に保持する保持器とを備えた転がり軸受であって、
前記保持器は、フッ素系オイルが真空含浸された多孔質体から構成されており、前記内輪の軌道面、外輪の軌道面及び転動体の表面のうちの少なくとも一方に、アルコール基、エポキシ基、アミノ基、カルボキシル基、水酸基、メルカプト基、イソシアネート基、スルフォン基及びエステル基から選ばれた１種又は２種以上の官能基を有するフッ素系高分子薄膜が形成され、前記フッ素系オイルとして、２０℃における動粘度が５００〜１０００ｃＳｔであり、２０℃における蒸気圧が１０ ^-9 ｔｏｒｒ以下であるフッ素系オイルが用いられていることを特徴とする転がり軸受。
内輪と、外輪と、前記内輪及び外輪の間に転動自在に配置された複数の転動体と、これら転動体を転動可能に保持する保持器とを備えた転がり軸受であって、
前記保持器は、フッ素系オイルが含浸された多孔質体から構成されており、前記内輪の軌道面、外輪の軌道面及び転動体の表面のうちの少なくとも一方に、アルコール基、エポキシ基、アミノ基、カルボキシル基、水酸基、メルカプト基、イソシアネート基、スルフォン基及びエステル基から選ばれた１種又は２種以上の官能基を有するフッ素系高分子薄膜が形成され、
かつ、前記多孔質体の気孔率が１０〜２５％の範囲内に設定されているとともに、前記フッ素系オイルの含浸率が前記多孔質体内部の空間容積に対し９０〜１００％の範囲内に設定され、前記フッ素系オイルとして、２０℃における動粘度が５００〜１０００ｃＳｔであり、２０℃における蒸気圧が１０ ^-9 ｔｏｒｒ以下であるフッ素系オイルが用いられていることを特徴とする転がり軸受。
前記多孔質体が、フッ素樹脂により形成されてなる請求項１または２に記載の転がり軸受。
前記官能基を有するフッ素系高分子薄膜が、ゲル状の薄膜である請求項１〜３のいずれか一項に記載の転がり軸受。