JP6855974B2

JP6855974B2 - 転がり軸受及びその製造方法

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Publication number: JP6855974B2
Application number: JP2017149171A
Authority: JP
Inventors: 細谷　眞幸; 眞幸細谷; 宰彦坂本
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2017-08-01
Filing date: 2017-08-01
Publication date: 2021-04-07
Anticipated expiration: 2037-08-01
Also published as: JP2019027545A

Description

本発明は転がり軸受、より詳細には低発塵の転がり軸受に関する。また、本発明はその製造方法に関する。

転がり軸受は、例えば半導体製造装置内部に配設される搬送系装置に用いられることがある。このような真空環境下あるいはクリーンルーム等の清浄雰囲気中（以下、「真空環境下等」と記すこともある。）で使用される転がり軸受には、動作円滑性、高耐久性などに加え、低発塵性が要求される。従来から、転がり軸受の転動部位に潤滑剤を塗布・封入することにより、転動体及び転動体と接触する部位の摩耗を防ぎ、動作の円滑性を保っているが、発塵等による汚染がほとんど許容されない真空環境下等で用いられる転がり軸受においては、極めて揮発性が低いフッ素系潤滑油を基油としたフッ素系潤滑剤を用いることにより、転がり軸受外部に飛散あるいは蒸発する潤滑剤の量を抑制している。

このようなフッ素系潤滑剤について、特許文献１，２では、軸受材料との親和性が高い官能基を分子構造中に有するフッ素系潤滑油を用いることで、低発塵性及び耐久性を高めている。また、特許文献３には、基油としてフッ素系潤滑油と、増ちょう剤としてポリテトラフルオロエチレンと、を含有するフッ素系グリースが示されている。さらに、特許文献４及び５には、フッ素系グリースを封入した転動装置が示されている。また、特許文献６には、ポリテトラフルオロエチレンを主として含有するフッ素系固体潤滑剤をコーティングした転がり軸受が示されている。

更に、特許文献７には、オイルプレーティング処理により、２０℃における蒸気圧が１×１０^−５Ｐａ以下の潤滑油と、フッ素樹脂とを含有する潤滑剤からなる潤滑膜を形成した転がり軸受が示されている。

特開２００１−１７３６６７号公報特開昭６２−２４６６２１号公報特開平１−２８４５４２号公報特開２００３−１３９７４号公報特開２００２−３５７２２５号公報特開平５−２４０２５７号公報特開２００５−３６９５９号公報

しかしながら、特許文献１、２では、軸受材料との親和性の高い官能基を有するフッ素系潤滑油を付着させることにより低発塵性、耐久性を向上させているが、軸受部材に化学的に付着している分子は一分子層であり、化学的に付着していない他のフッ素系潤滑油は付着に供されていない。また、一般に官能基を有するフッ素系潤滑油は、官能基を有しないフッ素系潤滑油と比較して蒸気圧が高いため、付着に供されていないフッ素系潤滑油が蒸発してアウトガスや発塵粒子として発生する。

特許文献７のように、オイルプレーティング処理により、付着に供されていないフッ素系潤滑剤の量を減じることもできるが、潤滑膜の耐久性に改善の余地がある。

また、特許文献３〜５のように、フッ素系グリースを使用した場合には、外部飛散を抑制するためにグリース使用量を少量にする必要があるが、この場合には、潤滑作用の不足や耐久性の低下を余儀なくされる。

特許文献６のように、フッ素系高分子固体潤滑剤で転動部位をコーティングする場合は、比較的大きなアキシアル荷重がかかる状況においては、固体潤滑剤の剥離や欠落が生じたり、摩耗による発塵が多くなるため、耐久性及び低発塵性の点で不十分な場合がある。

本発明は、上述のような問題点に鑑みてなされたものであり、真空環境下等において好適に使用でき、転がり軸受から発生する塵埃やアウトガスが少なく、優れた耐久性を有する転がり軸受を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は下記の転がり軸受及びその製造方法を提供する。
（１）内外輪の軌道面及び転動体の転動面の少なくとも１つに、
３８℃における蒸気圧が１×１０^−５Ｐａ以下で、かつ、平均分子量が６２５０以下であるフッ素系潤滑油と、平均分子量が３０００以下であるフッ素樹脂とを、質量比で、フッ素系潤滑油：フッ素樹脂＝１：０．４０〜１：０．４８の割合で含有するフッ素系潤滑剤からなる潤滑膜を有することを特徴とする転がり軸受。
（２）真空中あるいはクリーンルームで用いられることを特徴とする上記（１）記載の転がり軸受。
（３）３８℃における蒸気圧が１×１０^−５Ｐａ以下で、かつ、平均分子量が６２５０以下であるフッ素系潤滑油と、平均分子量が３０００以下であるフッ素樹脂とを、質量比で、フッ素系潤滑油：フッ素樹脂＝１：０．４０〜１：０．４８の割合で含有するフッ素系潤滑剤と、希釈溶媒とを、質量比で、フッ素系潤滑油：希釈溶媒＝１：１２〜１：１６で混合した潤滑剤希釈溶液を用い、内外輪の軌道面及び転動体の転動面の少なくとも１つに、オイルプレーティング処理することを特徴とする転がり軸受の製造方法。
（４）前記オイルプレーティング処理後、１００℃以上２５０℃以下で、１５分間以上６０分間以下加熱することを特徴とする上記（３）記載の転がり軸受の製造方法。

本発明によれば、特定のフッ素系潤滑油と、フッ素樹脂とを含有する潤滑剤からなる潤滑膜を形成することにより、高度な回転性能を維持しつつ、発塵及びアウトガスを抑制することができるとともに、耐久性にも優れる転がり軸受が得られる。

本発明の転がり軸受の一例を示す一部破断断面図である。耐久試験装置を示す断面図である。発塵試験装置を示す断面図である。動摩擦トルク試験装置を示す断面図である。真空高温耐久試験の結果を示すグラフである。動摩擦試験の結果を示すグラフである。発塵試験において、回転速度３００ｍｉｎ^−１としたときの結果を示すグラフである。発塵試験において、回転速度１０００ｍｉｎ^−１としたときの結果を示すグラフである。潤滑剤希釈溶液におけるフッ素系潤滑油の配合比の検証−１の結果を示すグラフである。潤滑剤希釈溶液におけるフッ素系潤滑油の配合比の検証−２の結果を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

本発明において、転がり軸受の種類や構造自体には制限はなく、内外輪の軌道面及び転動体の転動面の少なくとも一つに、後述する特定のフッ素系潤滑剤からなる潤滑膜が形成されている。例えば、図１に示すように、転がり軸受１００は、内輪１０１と、外輪１０２と、転動体である玉１０３と、プレス加工により製造した波形の保持器１０４と、を備えており、内輪１０１の軌道面、外輪１０２の軌道面及び玉１０３の表面に、それぞれ潤滑膜１０５が形成されている。尚、潤滑膜１０５は、内輪１０１の軌道面、外輪１０２の軌道面及び玉１０３の何れか１つに形成されていてもよい。

内輪１０１、外輪１０２、玉１０３及び保持器１０４を形成する材料には制限はないが、一般的に軸受用として使用されている金属材料で形成される他、例えば耐食性を有する金属材料により形成される。この種の金属材料としては、ＪＩＳ規格ＳＵＪ２などの軸受鋼、ＪＩＳ規格ＳＵＳ４４０Ｃなどのマルテンサイト系ステンレス鋼、ＪＩＳ規格ＳＵＳ６３０などの析出硬化型ステンレス鋼、及び、これらの金属材料に浸炭処理、窒化処理や、ダイヤモンドライクカーボンの被膜処理などの適当な硬化処理を施したものなどが挙げられる。また、軽荷重用途であれば、例えばＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６などのオーステナイト系ステンレス鋼や、チタン合金に表面硬化処理を施したものを用いることができる。なお、玉１０３には、上記金属材料の他に窒化けい素やアルミナ、ジルコニア等のセラミックを用いることができる。

上記に列挙した金属材料及びセラミックの中でも、耐食性を有する材料を用いることが好ましく、特に、内輪１０１及び外輪１０２にはマルテンサイト系ステンレス鋼を用い、玉１０３にはマルテンサイト系ステレンス鋼及びセラミックを用いることが望ましい。その理由は以下の通りである。

通常、転がり軸受に耐食性を持たせるために、潤滑剤中に防錆剤を添加するという方法が取られる。ところが、この防錆剤は本発明の潤滑膜１０５を構成するフッ素系潤滑剤の各成分と比べて蒸発しやすいことから、防錆剤の添加は発塵やアウトガスを増加させる要因となってしまう。そこで、内輪１０１及び外輪１０２に耐食性の材料を用いれば、耐食性を実現するとともに、防錆剤を添加する必要が無いため、本発明が目的とする発塵及びアウトガスの抑制も達成することができる。

また、保持器１０４には、上記金属材料の他、黄銅、チタン材などが好適に用いられるが、合成樹脂材料を用いることもできる。この合成樹脂材料としては、例えばＰＴＦＥ、エチレンテトラフルオロエチレン(ＥＴＦＥ）などのフッ素樹脂や、ポリエーテルエーテルケトン(ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド(ＰＰＳ）、ポリエーテルサルフォン(ＰＥＳ）、ナイロン４６等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。これらの合成樹脂材料には、ガラス繊維などの強化繊維が添加されていてもよい。保持器１０４の形式は、波形の他に、冠形、もみ抜き形とすることもできる。

潤滑膜１０５は、フッ素系潤滑油と、フッ素樹脂とを含む。フッ素系潤滑油は、３８℃における蒸気圧が１×１０^−５Ｐａ以下であり、蒸気圧が低いほどアウトガスが少なく好ましい。３８℃における蒸気圧が１×１０^−５Ｐａを超えると、フッ素樹脂を添加してもアウトガス抑制の効果が十分に得られない。また、平均分子量が６２５０以下であることが好ましい。平均分子量が６２５０を超えると、転がり軸受の動摩擦トルク値が著しく大きくなる。

フッ素系潤滑油は、上記の蒸気圧及び平均分子量を満足する限り制限はないが、例えば、フルオロポリエーテル重合体又はポリフルオロアルキル重合体を用いることができる。フルオロポリエーテル重合体としては、−Ｃ_ｘ−Ｆ_２ｘ−Ｏ−という一般式(Ｘは１〜４の整数）で示される単位を主要な繰り返し単位とする重合体である。

ポリフルオロアルキル重合体は、Ｒ_１−（ＣＦ_２）_ｎ−Ｒ_２という式（ｎは整数）で表されるものであり、Ｒ_１及びＲ_２としては下記化学式１に示すものが挙げられる。なお、Ｒ_１及びＲ_２は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。

また、フッ素系潤滑油は、分子構造中に官能基を有しないものに加え、分子構造中に官能基を有するものを一定量添加させても良い。この官能基については、金属に対して親和性の高いもの、例えばエポキシ基、アミノ基、カルボキシル基、ヒドロキシル基、メルカプト基、スルフォン基又はエステル基などが好ましい。

上述のフッ素系潤滑油として、より詳しくは、パーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）あるいはその誘導体との混合物、例えばソルベイスペシャルティポリマーズジャパン株式会社の商品名フォンブリン(ＦＯＮＢＬＩＮ）Ｙスタンダード、フォンブリンエマルジョン（ＦＥ２０，ＥＭ０４など）又はフォンブリンＺ誘導体（ＦＯＮＢＬＩＮＺＤＥＡＬ，ＦＯＮＢＬＩＮＺＤＩＡＣ，ＦＯＮＢＬＩＮＺＤＩＳＯＣ，ＦＯＮＢＬＩＮＺＤＯＬ，ＦＯＮＢＬＩＮＺＤＯＬＴＸ２０００，ＦＯＮＢＬＩＮＺＴＥＴＲＡＯＬなど）が好適に用いられる。

フッ素樹脂は、付着に供しない余分のフッ素系潤滑油をトラップする作用があり、発塵及びアウトガスの抑制効果をより高める。そのため、潤滑膜１０５を厚く形成することができ、耐久性の向上を図ることもできる。

フッ素樹脂としては、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）や四フッ化エチレンパーフルオロビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、フッ化エチレンプロピレン共重合体(ＦＥＰ）などを用いることができる。また、フッ素樹脂は、平均分子量が３０００以下である。

そして、上記フッ素系潤滑油と上記フッ素樹脂とを混合したフッ素系潤滑剤を調製し、
オイルプレーティング処理して潤滑膜１０５を形成する。フッ素系潤滑剤におけるフッ素系潤滑油とフッ素樹脂との配合比は、質量比で、フッ素系潤滑油：フッ素樹脂＝１：０．４０〜１：０．４８が好ましい。フッ素樹脂の含有量が上記配合比よりも低い場合には発塵抑制効果が劣化し、逆に高い場合にはフッ素系潤滑油の含有量が低くなるため、潤滑性能が劣化する。より望ましくは、上記配合比が１：０．４３〜１：０．４６である。

また、フッ素樹脂はパウダーであり、フッ素系潤滑剤は、いわゆるゲル状になっている。フッ素系樹脂は微粒であるほど好ましく、平均粒径で１μｍ以下がより好ましい。

オイルプレーティング処理するためには、フッ素系潤滑剤の濃度が高すぎるため、希釈溶媒で希釈して潤滑剤希釈溶液を調製する。潤滑剤希釈溶液は、質量比で、フッ素系潤滑油：希釈溶媒＝１：１２〜１：１６とすることが好ましい。この配合比より希釈溶媒が少ない場合は、フッ素系潤滑油が過剰量となって低アウトガス性と低発塵性が損なわれる可能性があり、配合比より希釈溶媒が多い場合は、フッ素系潤滑油が不足して潤滑耐久性能が不十分となる可能性がある。望ましくは、上記配合比は，フッ素系潤滑油：希釈溶媒＝１：１３〜１：１５である。

希釈溶媒としては、代替フロン系の希釈溶媒、パーフロオロカーボン（ＰＦＣ）、フッ素系不活性溶液のスリーエムジャパン株式会社製「ノベック」、三井・デュポンフロロケミカル株式会社製「バートレル」、ソルベイスペシャルティポリマーズジャパン株式会社製「ガルデン」などが挙げられる。

潤滑剤希釈溶液は、上記のフッ素系潤滑油、フッ素樹脂及び希釈溶媒のみから構成してもよいが、潤滑膜１０５としての化学的、機械的特性を考慮して、更には潤滑剤希釈溶液の塗布性を考慮して、他の成分を添加することもできる。例えば、平均粒径１μｍのフッ素樹脂と、平均粒径２．５μｍのフッ素樹脂とを混合してもよい。

そして、内輪１０１、外輪１０２、玉１０３及び保持器１０４を組み立てて転がり軸受１００を完成状態としてから、脱脂洗浄後、内輪１０１及び外輪１０２間で玉１０３の存在する箇所に、潤滑剤希釈溶液をスポイトなどにより必要量だけ注入する。その後、転がり軸受１００を数回回転させることにより、潤滑剤希釈溶液を内輪１０１、外輪１０２、玉１０３及び保持器１０４の転動部位、摺動部位に付着させる。尚、潤滑剤希釈溶液の供給は、スポイトの他にも刷毛による塗布を行ってもよいし、スプレーを用いた噴霧により行ってもよい。

また、潤滑剤希釈溶液の貯留槽に、組み立てた転がり軸受１００を浸漬した後、引き上げることもできる。この浸漬法では、転がり軸受１００を構成する個々の部品を、個別に浸漬して潤滑膜を形成した後、軸受を組み立ててもよい。

この後、潤滑剤希釈溶液を付着させた転がり軸受１００の全体を、１００℃以上２５０
℃以下で、１５分間以上６０分間以下加熱して、希釈溶媒を蒸発させることにより、潤滑膜１０５を形成する。加熱温度及び加熱時間において、上限温度及び上限加熱時間を超える場合には、潤滑膜１０５を構成する潤滑剤の潤滑性が劣化し、また、内輪１０１及び外輪１０２の各軌道面や玉１０３の転動面の硬さの低下及び寸法変化の原因となる。逆に、あまりに低い温度や短い加熱時間に設定すると、希釈溶媒を完全に除去することができない。そのため、実際のオイルプレーティング処理の際には、上記の加熱温度及び加熱時間の範囲内であって、かつ、用いた希釈溶媒の種類や含有量に応じて該希釈溶媒を除去するのに十分な加熱温度及び加熱時間を設定する。また、軌道面等を構成する材料についても考慮し、例えば焼入れ・焼き戻し処理した鋼を用いる場合には、上記硬さの低下及び寸法変化をもたらさないような加熱温度及び加熱時間を設定する。

本発明の転がり軸受として、例えば下記を例示することができる。

分子構造中に官能基を有しないフッ素系潤滑油を９０質量％と、分子構造中に官能基を有するフッ素系潤滑油を１０質量％とを混合してフッ素系潤滑油とする。このフッ素系潤滑油の３８℃における蒸気圧は１×１０^−５Ｐａ以下であり、平均分子量は６２５０以下である。

上記フッ素系潤滑油と、平均分子量が３０００以下で、平均粒径が１μｍのＰＴＦＥパウダーとを、質量比で、フッ素系潤滑油：ＰＴＦＥパウダー＝１：０．４２にて混合し、フッ素系潤滑剤を調製する。

次いで、フッ素系潤滑剤と、希釈溶媒であるソルベイスペシャルティポリマーズジャパン株式会社製「ガルデンＳＶ８０」とを、質量比で、フッ素系潤滑剤：希釈溶媒＝１：１３にて希釈して潤滑剤希釈溶液とする。

そして、潤滑剤希釈溶液にＳＵＳ４４０Ｃ製の深溝玉軸受を浸漬し、引き上げた後に内外輪の表面を拭き取り、軸受全体を１２０℃〜１４０℃で約３０分間加熱して潤滑膜を形成して本発明の転がり軸受が完成する。

本発明の転がり軸受１００では、潤滑膜１０５による潤滑作用が安定的に維持され、しかも、フッ素系潤滑油が低蒸気圧であるため揮発しにくく、更には付着に供しないフッ素系潤滑油がフッ素樹脂によりトラップされるため、低発塵及び低アウトガスとなる。また、グリースと異なり、回転抵抗が極めて小さいため、トルクの上昇を招くこともなく、高精度な回転性能が得られる。更には、流動性が保たれることから固体潤滑膜で見られる剥離や欠落、摩耗による発塵が抑制される。そのため、本発明の転がり軸受は、真空中あるいは精密機械製造工場等のクリーンルームでの使用に好適である。

製造方法においても、オイルプレーティング処理することにより、潤滑膜１０５を薄膜にすることができる。潤滑膜１０５が厚くなると、余分な潤滑剤が飛散しやすくなるため、発塵やアウトガスの抑制効果が低下するが、本発明によればこのような問題もない。

以下に試験例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。

先ず、各試験に用いた試験装置について説明する。

（耐久試験装置）
図２に耐久試験装置を示すが、図示されるように、水平に配置された回転軸１の２箇所段部に、２個の試験軸受２が回転軸両端からそれぞれ装填、嵌合している。略スリーブ形状の軸受ハウジング３が２個の試験軸受２にそれぞれ嵌合していて、試験軸受ハウジング３は外径に段部を有していて、段部が突き当てとなるように軸受ハウジング３が門型ハウジング５にそれぞれ嵌合している。２個の門型ハウジング５は真空槽７の中間板１６に機械的に接合されていて、回転軸１が水平を保持するように試験軸受２を支持している。

試験軸受２は、ばね６（図では圧縮ばね）等で予圧が付与できるようになっている。軸受ハウジング３の外径にはヒータ４が巻かれていて、必要に応じて試験軸受２を昇温することが可能である。

門型ハウジング５で支持される試験軸受２と回転軸１等はすべて真空槽７の内部に配置されている。回転軸１の端部にはカップリング９が配置されていて、カップリング９に同軸的に接続される回転導入軸１０が、真空槽７との真空気密を保持しながら、外部から回転自在となっている。真空槽７の底部７Ａには排気ポート８が真空気密的に接続されていて、排気ポート８に真空ポンプを接続・作動させて真空槽７の内部を真空環境にすることができる。

回転導入軸１０の真空気密は、磁気シールや磁気カップリング、あるいは差動排気シールやＯリング等の弾性シール等を使用できる。

真空ポンプを作動させて、真空槽７の内部を真空環境とした後に、外部駆動（図示せず）によって回転導入軸１０を回転させると試験軸受２も回転するので、真空環境において、試験軸受２の回転試験を行うことが可能となる。

この時、ヒータ４に通電して作動させると、試験軸受２を昇温することができる。試験軸受２の温度を図示しないセンサ（熱電対等）でモニタ制御を行なえば、所定の軸受試験温度で、真空環境での試験軸受２の回転試験を行うことが可能となる。

回転軸１や軸受ハウジング３、門型ハウジング５の材質は特に問われるものではないが、一般の軟鋼やＳＵＳ３０４等のオーステナイト系ステンレス鋼等、ＳＵＳ４２０等のマルテンサイト系ステンレス鋼等、ＳＵＳ４３０等のフェライト系ステンレス鋼等、ＳＵＳ６３０等の析出硬化型ステンレス鋼等が用いられる。

ばね６の材質は、一般のピアノ線、オイルテンパー線等で良いが、昇温して試験を行う場合は、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ６３１等のステンレス鋼等、さらに３５０℃以上での試験を行う場合は、インコネル６００やインコネルＸ−７５０等の耐熱性能の優れる合金材料を使用すると良い。

カップリング９の材質も特に問われるものではなく、Ａ５０５２、Ａ５０５６等の一般アルミニウム合金の他、Ａ２０１７、Ａ２０２４、Ａ７０７５等のジュラルミン、ＳＵＳ３１６ＬやＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０３等のステンレス鋼等が、単独、あるいは複合的に用いられる。試験軸受２を昇温して試験を行う場合は、回転軸１が熱膨張することが考えられるので、熱膨張長さを吸収できる充分な許容軸方向変位量を持ったカップリング９が選定される。図示しないが、軸とそれを覆うカップとその両者をボールで機械結合した形式の、ボールカップリング等は許容軸方向変位量が大きいので、試験軸受２を昇温させる場合は好適である。

回転軸１上の２個の試験軸受２の中央地点からの等配位置に支持軸受１１が２個配置されていて、支持軸受１１は略円筒形状の支持軸受ハウジング１２に嵌合している。支持軸受ハウジング１２の外径の中央地点対応位置にはワイヤー１３が取り付けられていて、ワイヤー１３のもう一方の端部にはウェイトトレー１４が取り付けられている。試験軸受２を水平支持すると、２個の試験軸受２の中央地点からワイヤー１３が懸垂されて、その直下にウェイトトレー１４が懸垂される。ウェイトトレー１４にウェイト１５を載せて懸垂させると、２個の試験軸受２にはラジアル荷重が負荷されることになるが、それぞれの試験軸受２には均等に荷重が負荷されるように回転軸１やそれに付属する部品等が設定、配置されている。ウェイト１５の重量は、試験軸受２に支持される回転軸１やそれに付属する部品等の重量を勘案して、所定のラジアル荷重となるように設定される。

天板７Ｂの材質は、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等のオーステナイト系ステンレス鋼等の他、Ａ５０５２、Ａ５０５６等の一般アルミニウム合金、Ａ２０１７、Ａ２０２４、Ａ７０７５等のジュラルミン等が用いられるが、ガラスを使用して真空槽７の内部を覗くことができるようにするのでも良い。ガラスの材質は一般のソーダガラスの他、強化ガラス、石英ガラス等が用いられ、酸化ホウ素添加の耐熱ガラス等を使用すると高温の軸受試験に好適と言える。

門型ハウジング５は、真空槽７の深さ方向の中央位置に水平に配置された真空槽中間板１６に締結されている、真空槽中間板１６上の門型ハウジング５の中間地点には、貫通穴１６Ａが設けられていて、貫通穴１６Ａの中央を通過してワイヤー１３が懸垂されている。

図示しないメンテナンスポートから手を入れて、ウェイトトレー１４にウェイト１５を積載した後、このメンテナンスポートを閉塞して真空槽７を真空封止化する。

次に、本装置の機能・効果について説明する。試験軸受２を２個、回転軸１に挿入し、所定の手順で装置を組み立てて、２個の門型ハウジング５によって回転軸１が水平となるように配置する。回転軸１は、回転導入軸１０にカップリング９で回転拘束的に接続されている。回転導入軸１０は、外部回転自在に真空封止されている。

真空槽７の底部７Ａには排気ポート８が貫通して設けられているので、排気ポート８を真空気密的に図示しない真空ポンプと接続すれば、真空槽７の内部を排気できる。

真空ポンプを作動させると、真空槽７の内部は真空環境となる。この時、図示しない外部駆動機構によって回転導入軸１０を回転させれば、回転軸１が回転し、試験軸受２も回転する。したがって、真空環境中で試験軸受２を回転させることができる。

ヒータ４に通電すると、ヒータ４が巻かれている軸受ハウジング３が加熱され、軸受ハウジング３に嵌合している試験軸受２が加熱される。この時、図示しない熱電対等の温度センサを試験軸受２の外径に接触配置してヒータ４を制御することにより、所定の軸受温度における試験が可能となる。

回転導入軸１０には、常圧環境中に、図示しないトルク検出器が接続されていて、試験最中に回転導入軸１０の動摩擦トルクを常時モニタしている。試験軸受２の運転が継続して、いずれ試験軸受２が損傷した場合には、試験軸受２の動摩擦トルク値になんらかの変化が生じ、それにより回転導入軸１０の動摩擦トルク値に変化が生じるので、試験軸受２の損傷の発生を検知することができる。回転導入軸１０の駆動源がサーボモータ等である場合には、モータのサーボ電圧出力値の変化をモニタすることで、トルク検出器を取り付けなくても、トルク検出器による動摩擦トルク値の変化をモニタすることに代えることができる。

動摩擦トルク値に変化が生じたら、あるいはサーボ電圧出力値に変化が生じたら、試験軸受２に損傷が生じた可能性があるので、試験装置を停止して試験を終了し、試験軸受２の走行距離（総回転数）を耐久性能の指標とする。

装置諸元は以下の通りである。
・試験軸受：
内径：８〜４０ｍｍ
個数：２
軸受姿勢：水平軸
回転輪：内輪回転
・回転速度：最大３０００ｍｉｎ^−１
・試験環境：真空
・軸受温度：最高４００℃
・測定項目：動摩擦トルク値

（発塵試験装置）
図３に発塵試験装置を示すが、図示されるように、２個の支持軸受２１によって水平に支持された回転軸２２の端部２２Ａに同軸的にセンタ軸２３が嵌合し、締結されている。センタ軸２３の外径には試験軸受２４が同軸的に嵌合し、試験軸受２４の内輪が内輪押さえ２５によってセンタ軸２３と機械一体的に取り付けられている。試験軸受２４の外輪は、試験軸受ハウジング２６に同軸的に嵌合していて、試験軸受ハウジング２６は回転軸２２と同軸的に配置されている。試験軸受２４の外輪端面は、外輪押さえ２７の端面と全周で接触していて、圧縮ばね２８によって外輪押さえ２７の端面から図右方に負荷を受けていて、それにより試験軸受２４は予圧状態に保持されている。

回転軸２２の端部２２Ａにはカップリング２９が同軸的に嵌合し、機械一体的に結合していて、カップリング２９の反対側には一部しか図示しないモータ３０のモータ軸３０Ａが同軸的に嵌合し、機械一体的に結合している。

したがって、モータ３０を回転駆動させれば、回転軸２２が回転して試験軸受２４の内輪を回転させることができる。試験軸受２４は予圧状態を保持したまま回転する。

回転軸２２はリング形状の磁気シール３１を貫通していて、回転軸２２の外径と磁気シール３１とは気密的に封止されている。磁気シール３１の外径に機械的に連なる部品は、全てＯリングによって気密的に封止されて気密室を形成しているので、回転軸２２の端部２２Ａは気密室３２の外から中に挿入されて、同時に気密が保持される。

回転軸２２を回転させても、磁気シール３１の機能によって気密室３２は気密状態が保持されるので、回転軸２２の端部２２Ａに試験軸受２４を機械的に結合することで気密室３２の内部で試験軸受２４を回転させることができる。気密室３２の内部は気密状態が保持されているので、支持軸受２１から発塵が生じたとしても塵埃が気密室３２に入り込むことはない。

気密室３２は、円筒形状の気密室胴部３３を具備していて、気密室胴部３３をアクリルやガラス等の透明部材を用いれば気密室３２にある試験軸受２４を目視することができる。

気密室胴部３３の端面には、円盤形状の側板３４が気密的に結合されている。側板３４には貫通穴が２箇所設けられていて、いずれにも配管ポート３５が気密的に結合されている。配管ポート３５の一方にヘパフィルタ等で清浄化されたクリーンエアを配管、接続し、もう一方に図示しないパーティクルカウンタを配管、接続すれば、気密室３２にクリーンエアを継続的に導入し、同時に気密室３２の内部のエアをパーティクルカウンタでパーティクル測定を行なうことができる。パーティクルカウンタ内設のポンプによってエアをパーティクルカウンタに導入するのと同時に、クリーンエアを気密室３２に導入できるので、パーティクルカウンタで測定されるパーティクルは、全て気密室３２の内部で発生したパーティクルであると言える。

したがって、気密室３２の内部で試験軸受２２を回転させれば、他に発塵源は気密室３２の内部には存在しないので、測定されたパーティクルは全て試験軸受２４から発生したものと言える。よって、この装置により、常圧環境中の軸受の発塵試験が実行可能となる。

試験諸元は以下の通りである。
・試験軸受：
内径：８〜６０ｍｍ
個数：１
軸受姿勢：水平軸
回転輪：内輪回転
・回転速度：最大３０００ｍｉｎ^−１
・試験環境：常圧
・軸受温度：常温成り行き
・測定項目：発塵サイズと個数

（動摩擦トルク試験装置）
図４に装置構成全体を示すが、同図（１）は側面図、（Ｂ）はＡ矢視図である。図示されるように、回転軸６１が支持軸受６２に水平支持されていて、回転軸６１の一端がカップリング６３によってモータ６４と同軸的に結合している。回転軸６１のもう一方の端部には試験軸受６５の内径が回転軸６１と同軸的に嵌合している。試験軸受６５には断面略コの字型の外筒６６が同軸的に嵌合している。外筒６６の端面は、試験軸受６５と直角度良く配置されるように外筒６６は成形されている。

外筒６６の端面には、エアパッド６７がパッド面を対向して同軸的に配置されている。エアパッド６７にエアを導通させれば、エアパッド６７のパッド面からエアが噴出して外筒６６の端面を押圧するため、試験軸受６５に対して非接触状態でアキシアル荷重を負荷することができる。

エアパッド６７のパッド面と反対側端面中心に接続軸６８が球面座接続されているので、エアパッド６７は球面座周り自在に姿勢を保つことができる。接続軸６８は荷重計６９Ａに接続、支持されている。荷重計６９Ａの近傍の圧縮バネ７０を圧縮すると、その荷重で荷重計６９Ａが前進し、エアパッド６７を介して外筒６６にアキシアル荷重を負荷することができる。エアパッド６７にエアを導通し、荷重計６９Ａが出力する荷重値をモニタしながら圧縮バネ７０を圧縮することで、所定のアキシアル荷重を試験軸受６５に負荷することができる。

外筒６６の外径の、試験軸受６５に対応する位置に、ピン７１が外径と垂直に配置されている。ピン７１には糸７２が接続されていて、糸７２は紙面垂直方向に延長された後、別の荷重計６９Ｂの軸に同軸的に接続されている。糸７２は紙面に垂直、つまり試験軸受６５の外径の接線方向に支持されるようピン７１や荷重計６９Ｂ等が配置されている。

ここで、エアパッド６７にエアを導通してエアパッド機能を稼動させ、所定のアキシアル荷重を外筒６６を介して試験軸受６５にかける。その後、モータ６４に通電して所定回転速度で回転させると、試験軸受６５の内輪が回転する。内輪の回転に伴って転がり摩擦により試験軸受６５の外輪も連れ回りを開始するが、外筒６６と荷重計６９Ｂとが糸７２で連結されているため、荷重計６９Ｂが回り止めとなって、試験軸受６５の内輪が回転を継続し、外輪は静止している状態となる。この時の荷重計６９Ｂの出力値が試験軸受６５の連れ回り力である。

連れ回り力にピン７１と糸７２の接続位置の半径方向寸法を考慮すれば、所定回転速度における試験軸受６５の動摩擦トルク値が測定できる。試験軸受６５に負荷されるアキシアル荷重はエアパッドに負荷する荷重値であり、試験軸受６５に負荷されるラジアル荷重は外筒６６の自重量となる。エアパッド６７の機能により、外筒６６はエアパッド６７から摩擦力は負荷されない。

転がり軸受では、一方向回転の場合、回転起動直後にトルクスパイクを生じて大きな動摩擦トルク値を示すことがあるが、回転起動後１分程度で動摩擦トルク値は落ち着き始め、その後、転がりなじみが進行して次第に動摩擦トルク値は緩やかに小さくなっていき、回転起動後１５分程度には値が落ち着く傾向がある。そのため、回転起動後１分と１５分の時の動摩擦トルク値を測定すれば、試験軸受６５の動摩擦トルク特性をおおよそ知ることができる。

装置諸元は以下の通りである。
・試験軸受
内径：２０ｍｍ
個数：１
軸姿勢水平
・回転速度：最大１０００ｍｉｎ^−１
・回転方向：一方向
・試験環境：常圧
・軸受温度：常温
・荷重条件：アキシアル荷重及びラジアル荷重有り
・測定時期：回転起動１分後及び１５分後
・測定項目：軸受つれ回り力

上記の各試験装置を用いて、下記に示す各種試験を行った。

（真空高温耐久試験）
下記の実施例１、比較例１−１及び比較例１−２の各試験軸受を用意した。
（実施例１）
３８℃における蒸気圧が１×１０^−５Ｐａで、平均分子量が６２５０であるフッ素系潤滑油Ａと、平均分子量が３０００で、平均粒径が約４μｍのＰＴＦＥパウダーとを、質量比で、フッ素系潤滑油：ＰＴＦＥパウダー＝１：約０．４４にて混合し、フッ素系潤滑剤Ａを調製する。次いで、フッ素系潤滑剤Ａと、フッ素系希釈溶媒とを、質量比で、フッ素系潤滑油Ａ：希釈溶媒＝１：１４にて希釈して潤滑剤希釈溶液Ａとする。そして、潤滑剤希釈溶液ＡにＳＵＳ４４０Ｃ製の深溝玉軸受（内径８ｍｍ）を浸漬し、引き上げた後に内外輪の表面を拭き取り、軸受全体を１４０℃で約３０分間加熱して潤滑膜を形成して試験軸受を作製した。また、試験軸受にはプレス保持器を装着した。

（比較例１−１）
平均分子量が８４００のフッ素系潤滑油Ｂを主成分とするフッ素系潤滑油と、フッ素系希釈溶媒とを、質量比で、フッ素系潤滑油Ｂ：希釈溶媒＝１：１９とした潤滑剤希釈溶液Ｂを用いた以外は実施例１と同様にして試験軸受を作製した。

（比較例１−２）
特開２００５−３６９５９号公報に従い、アルキル化シクロペンタン（蒸気圧：１×１０^−５Ｐａ）を潤滑油Ｃとし、これを主成分とする潤滑油と希釈溶媒とを、質量比で、潤滑油Ｃ：希釈溶媒＝１：１９とした潤滑剤希釈溶液Ｃを用いた以外は実施例１と同様にして試験軸受を作製した。

尚、各試験軸受とも、内輪と外輪との隙間の空間を露出（シールド無し）した。

そして、図２に示す耐久試験装置を用い、下記の試験条件にて真空高温耐久性を比較した。
・回転速度：３０００ｍｉｎ^−１
・試験環境：真空（１×１０^−１Ｐａ程度）
・軸受温度：２００℃
・荷重条件：予圧あり（荷重条件はラジアル荷重Ｐ／Ｃ＜５（＊）
（＊Ｐ：動等価荷重、Ｃ：基本動定各荷重）
・試験終了条件：モニタしている動摩擦トルク値が急激に増加したり、異音や多量の摩耗
粉が生じたり、あるいは、それらが複合して起こった場合に試験終了
・試験回数：１回

試験結果を図５に示すが、実施例１は比較例１−１に比べて約１．２倍、比較例１−２に比べて約１．４倍の耐久性を示している。このように、本発明の転がり軸受が真空高温環境下での耐久性能に優れることが分かる。

（動摩擦トルク試験）
内径２０ｍｍの深溝玉軸受を用い、実施例１、比較例１−１及び比較例１−２と同様にしてオイルプレーティングによる潤滑被膜を形成して試験軸受を作製した。尚、実施例１と同様の試験軸受を用いた場合を実施例２、比較例１−１と同様の試験軸受を用いた場合を比較例２−１、比較例１−２と同様の試験軸受を用いた場合を比較例２−２とする。

そして、図４に示す動摩擦トルク試験装置を用いて各試験軸受の動摩擦トルク値の比較を行った。試験条件は以下の通りである。
・回転速度：１０００ｍｉｎ^−１
・試験環境：常圧
・軸受温度：常温
・荷重条件：アキシアル荷重及びラジアル荷重有り
・測定時期：回転起動１分後及び１５分後
・測定項目：軸受つれ回り力

比較例２−１、２−２は、共に潤滑油と希釈溶媒との配合比が１：１９であり、本発明で規定する配合比（１：１２〜１：１６）よりも希釈率が大きい。従って、同じオイルプレーティング処理を行った場合、軸受に付着する潤滑油の総重量は比較例２−１、２−２の方が少ないと考えられる。潤滑油の付着量は軸受の動摩擦トルク値を大きくさせる要因であるので、動摩擦トルク値は比較例２−１、２−２の方が実施例２よりも大きくなるのが普通であるが、図６に示すように、試験結果は実施例２の方が動摩擦トルク値が小さくなっている。

潤滑油の付着量が多いほど動摩擦トルク値は大きくなると考えられるが、フッ素系潤滑油量とフッ素樹脂との配合比を本発明の範囲とし、同じくフッ素系潤滑剤と希釈溶媒との配合比を本発明の範囲にすることで、フッ素系潤滑油量を極端に小さくすることなく、動摩擦トルク値が大きくなることを防いで、小さい値に保持することが可能となる。

上述のように、フッ素系潤滑油とフッ素樹脂との配合比、並びにフッ素系潤滑油と希釈溶媒との配合比を本発明の範囲にしてオイルプレーティング処理を行なえば、フッ素系潤滑油量を極端に減じることなく、動摩擦トルク値の小さい転がり軸受にすることができる。

（発塵試験）
試験軸受として、上記の実施例２、比較例２−１、比較例２−２を用いた。尚、実施例２の試験軸受を用いた場合を実施例３、比較例１−１の試験軸受を用いた場合を比較例３−２、比較例１−２の試験軸受を用いた場合を比較例３−２とする。

そして、図３に示す発塵試験装置を用いて各試験軸受から発生した０．１μｍ以下のパーティクルの個数を計数し、１ｆｔ^３当たりの個数を比較した。試験条件は以下の通りである。
・回転速度：３００ｍｉｎ^−１及び１０００ｍｉｎ^−１の２条件
・試験環境：常圧
・軸受温度：常温
・荷重条件：予圧荷重のみ
・測定装置：パーティクルカウンタ
・測定流量：０．２５ｆｔ^３／２．５ｍｉｎ、測定パーティクル個数を４倍にして１ｆｔ^３に換算
・測定回数：２４回

回転速度３００ｍｉｎ^−１での結果を図７に、回転速度１０００ｍｉｎ^−１での結果を図８にそれぞれ示す。尚、パーティクル個数が０の場合は、便宜上、「１」として記載した。

図７に示すように、回転速度３００ｍｉｎ^−１では実施例３が１ｆｔ^３当たり０〜数個であるのに対し、比較例３−１は２０００個程度、比較例３−２は４０００個程度である。清浄度クラスで示すと、実施例３は清浄度クラス１、比較例３−１はクラス１００、比較例３−２はクラス１０００となる。

また、図８に示すように、１０００ｍｉｎ^−１では実施例３が０〜１０個前後であるのに対し、比較例３−１は１０万個前後、比較例３−２は６０万個前後である。清浄度クラスで示すと、実施例３は清浄度クラス１、比較例３−１は清浄度クラス１００００、比較例３−２は清浄度クラス１０万となる。

上述のように、本発明に従う実施例３の試験軸受は極めてパーティクル特性に優れることが分かる。比較例３−１、３−２とも潤滑油と希釈溶媒との配合比が１：１９で、本発明の範囲（１：１２〜１：１６）に比べて希釈率が大きく、同じオイルプレーティング処理を行った場合、軸受に付着する潤滑油の総重量は比較例３−１、３−２の方が少ないと考えられる。潤滑油の付着量が少ないほど、軸受から発生するパーティクルは少なくなるはずであるので、パーティクル個数は比較例３−１、３−２の方が実施例３よりも少なくなるのが普通であるが、図７及び図８に示すように、実施例３の方が少ない結果になっている。

上述のように，フッ素系潤滑油とフッ素樹脂との配合比、並びにフッ素系潤滑油と希釈溶媒との配合比を本発明の範囲にしてオイルプレーティング処理を行なえば、フッ素系潤滑油量を極端に減じることなく、発生パーティクル個数の小さい転がり軸受にすることができる。

（潤滑剤希釈溶液におけるフッ素系潤滑油の配合比の検証−１）
内径２０ｍｍの深溝玉軸受を用い、実施例１と同様にしてオイルプレーティングによる潤滑被膜を形成して試験軸受を作製した。この実施例１と同様の試験軸受を用いた場合を、実施例４とする。

また、潤滑剤希釈溶液におけるフッ素系潤滑油の含有量（配合比）を実施例４の１．７倍とし、実施例４と同様にしてオイルプレーティングによる潤滑被膜を形成して試験軸受を作製し、比較例４−１とした。更に、潤滑剤希釈溶液におけるフッ素系潤滑油の含有量（配合比）を実施例４の３．３倍とした試験軸受を、比較例４−２とした、

潤滑剤希釈溶液におけるフッ素系潤滑油の含有量（配合比）は、実施例４に対して、比較例４−１では１．７倍、比較例４−２では３．３倍である。同一のオイルプレーティング処理によって３試験軸受とも潤滑被膜を形成しているので、軸受に付着するフッ素系潤滑油量は、実施例４を１．０とすれば、比較例４−１は凡そ１．７、比較例４−２は凡そ３．３となる。

結果を図９に示すが（実施例４の結果は実施例２の結果を流用）、動摩擦トルク値はフッ素系潤滑油の付着量の順に大きくなっている。つまり、フッ素系潤滑油の付着量を増やすと、それに伴って動摩擦トルク値が大きくなっていることが分かる。一方、図６に示したように、実施例２（実施例４と同一）は、比較例２−１、２−２に対して動摩擦トルク値が小さくなっている。即ち、本発明で規定するフッ素系潤滑油の配合比が転がり軸受の動摩擦トルク値の上では適正量であるということが言える。つまり、フッ素系潤滑油とフッ素樹脂との配合比を本発明の範囲とし、同じくフッ素系潤滑油と希釈溶媒との配合比を本発明の範囲にすることにより、フッ素系潤滑油量を極端に少なくすることなく、動摩擦トルク値が大きくなることを防いで、小さい値に保持することが可能となる。

（潤滑剤希釈溶液におけるフッ素系潤滑油の配合比の検証−２）
試験軸受として、上記の実施例４、比較例４−１、比較例４−２を用いた。尚、実施例４の試験軸受を用いた場合を実施例５、比較例４−１の試験軸受を用いた場合を比較例５−１、比較例４−２の試験軸受を用いた場合を比較例５−２とする。

そして、図３に示す発塵試験装置を用いて各試験軸受から発生した０．１μｍ以下のパーティクルの個数を計数し、１ｆｔ^３当たりの個数を比較した。試験条件は以下の通りである。
・回転速度：１０００ｍｉｎ^−１
・試験環境：常圧
・軸受温度：常温
・荷重条件：予圧荷重のみ
・測定装置：パーティクルカウンタ
・測定流量：０．２５ｆｔ^３／２．５ｍｉｎ、測定パーティクル個数を４倍にして１ｆｔ^３に換算
・測定回数：２４回

結果を図１０に示すが（実施例５の結果は実施例３の１０００ｍｉｎ^−１での結果を流用）。尚、パーティクル個数が０の場合は、便宜上、「１」として記載した。実施例５が１ｆｔ^３当たり０〜１０個前後であるのに対し、比較例５−１は４００個前後、比較例５−２は４０００個前後である。清浄度クラスで示すと、実施例５は清浄度クラス１、比較例５−１は清浄度クラス１００、比較例５−２は清浄度クラス１０００となる。

潤滑剤希釈溶液におけるフッ素系潤滑油の含有量（配合比）は、実施例５に対して、比較例５−１では１．７倍、比較例５−２では３．３倍である。同一のオイルプレーティング処理によって３試験軸受とも潤滑被膜を形成しているので、軸受に付着するフッ素系潤滑油量は、実施例５を１．０とすれば、比較例５−１は凡そ１．７、比較例５−２は凡そ３．３となる。

図１０に示すように、パーティクル個数はフッ素系潤滑油の付着量の順に大きくなっている。つまり、フッ系潤滑油の付着量を増やすと、それに伴ってパーティクル個数が大きくなっていることが分かる。

一方、図５に示したように実施例１（実施例５と同一）は、比較例１−１、１−２に対して，真空高温下での耐久性能は大きくなっている。即ち、本発明で規定するフッ素系潤滑油量が、転がり軸受の真空高温耐久性能の上では適正量であるということが言える。つまり、フッ素系潤滑油量とフッ素樹脂との配合比を本発明の範囲とし、同じくフッ素系潤滑油と希釈溶媒との配合比を本発明の範囲にすることで、フッ素系潤滑油量を極端に大きくすることなく、真空高温性能が小さくなることを防いで、大きな真空高温耐久性能を保持することが可能となる。

１回転軸
２試験軸受
３軸受ハウジング
４ヒータ
５門型ハウジング
６ばね
７真空槽
７Ａ底部
８排気ポート
９カップリング
１０回転導入軸
１１支持軸受
１２支持軸受ハウジング
１３ワイヤー
１４ウェイトトレー
１５ウェイト
１６中間板
１６Ａ貫通穴
２１支持軸受
２２回転軸
２２Ａ端部
２３センタ軸
２４験軸受
２５内輪押さえ
２６試験軸受ハウジング
２７外輪押さえ
２８圧縮ばね
２９カップリング
３０モータ
３０Ａモータ軸
３１磁気シール
３２気密室
３３気密室胴部
３４側板
３５配管ポート
６１回転軸
６２支持軸受
６３カップリング
６４モータ
６５試験軸受
６９Ａ、６９Ｂ荷重計
７０圧縮バネ
７１ピン
７２糸

Claims

内外輪の軌道面及び転動体の転動面の少なくとも１つに、
３８℃における蒸気圧が１×１０^−５Ｐａ以下で、かつ、平均分子量が６２５０以下であるフッ素系潤滑油と、平均分子量が３０００以下であるフッ素樹脂とを、質量比で、フッ素系潤滑油：フッ素樹脂＝１：０．４０〜１：０．４８の割合で含有するフッ素系潤滑剤からなる潤滑膜を有することを特徴とする転がり軸受。
真空中あるいはクリーンルームで用いられることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
３８℃における蒸気圧が１×１０^−５Ｐａ以下で、かつ、平均分子量が６２５０以下であるフッ素系潤滑油と、平均分子量が３０００以下であるフッ素樹脂とを、質量比で、フッ素系潤滑油：フッ素樹脂＝１：０．４０〜１：０．４８の割合で含有するフッ素系潤滑剤と、希釈溶媒とを、質量比で、フッ素系潤滑油：希釈溶媒＝１：１２〜１：１６で混合した潤滑剤希釈溶液を用い、内外輪の軌道面及び転動体の転動面の少なくとも１つに、オイルプレーティング処理することを特徴とする転がり軸受の製造方法。
前記オイルプレーティング処理後、１００℃以上２５０℃以下で、１５分間以上６０分間以下加熱することを特徴とする請求項３記載の転がり軸受の製造方法。