滾動引導裝置的製作方法

2023-10-06 15:17:24

專利名稱：滾動引導裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及滾動引導裝置，特別涉及相對於滾動體或負荷滾動通道或者無負荷滾動通道的表面形成固體潤滑膜的滾動引導裝置，所述固體潤滑膜在層狀結晶化合物內導入了金屬原子。
背景技術：
例如，在滾動軸承等滾動滑動部件中，為了減少滾動體的滾動摩擦或滑動摩擦，提高軸承的耐久性，一直以來提供潤滑脂等液狀潤滑劑。但是，在使用液狀潤滑材料的方法中，潤滑劑的蒸氣成為環境的汙染源，所以在半導體製造設備等要求高清潔度的密封真空下使用滾動滑動部件時存在問題。
因此，對於在這樣的特殊環境下使用的滾動滑動部件的滾動面，通過形成類金剛石碳(以下叫做DLC)膜，提高這些部件的耐久性和壽命。該DLC膜，是利用已知的PVD(物理蒸鍍)法或CVD(化學蒸鍍)法成膜的，表面具有以金剛石為標準的硬度(10GPa以上的塑性變形硬度)，並且摩擦係數在0.2以下滑動阻力值小，所以作為新的耐磨耗性保護膜受到關注(例如參照下述專利文獻1～5)。
專利文獻1特開平09-144764號公報專利文獻2特開2000-136828號公報專利文獻3特開2000-205277號公報專利文獻4特開2000-205279號公報專利文獻5特開2000-205280號公報專利文獻6英國專利第2,303,380號說明書但是，利用上述PVD(物理蒸鍍)法或CVD(化學蒸鍍)法而成膜的DLC膜，膜的緊貼性以及耐磨耗性不足，必須加以改善。具體地說，DLC膜，與自己的硬度相比強度非常低，所以雖然可有效地用於以滑動運動為主的部分，但對滾動運動則會從膜的內側破壞而剝離，所以以前幾乎沒有使用在滾動部件上，僅限於在700MPa以下極小的面壓下的使用。又，基於PVD法形成的DLC膜存在在真空中耐磨耗性惡化的不良狀況。
並且，對於在包含潤滑不足在內的不良潤滑環境或高溫真空狀態、或者不能使用潤滑脂等潤滑劑的狀態等特殊環境下使用的滾動引導裝置，要求使用改善了緊貼性以及耐磨耗性、並實現耐久性的提高或長壽命化的固體潤滑膜。
特別是在直線引導裝置或滾珠花鍵裝置、滾珠絲槓裝置等滾動引導裝置上，設置在無限循環通道上的多個滾珠從負荷滾動通道移動到無負荷滾動通道時，存在力學性的不連續部或衝撞部，所以必須使用可承受在這樣的部位上產生的面壓或滾動滑動運動的固體潤滑膜。

發明內容
本發明是鑑於這樣的課題而提出的，其目的在於提供一種滾動引導裝置，將與以前的液狀潤滑劑以及利用PVD(物理蒸鍍)法或CVD(化學蒸鍍)法而成膜的DLC膜相比提高了緊貼性以及耐磨耗性的固體潤滑膜用於直線引導裝置或滾珠花鍵裝置、滾珠絲槓裝置等滾動引導裝置上，從而提高了耐磨耗性和基於滾動運動的疲勞強度。並且，目的在於提供在不良潤滑環境或高溫真空狀態、或者無油等特殊環境下，具有充分的面壓且可承受滾動滑動運動的滾動引導裝置。
本發明的滾動引導裝置，具有軌道部件、和經由多個滾動體移動自如地安裝在上述軌道部件上的移動體，上述多個滾動體，設置在無限循環通道上，該無限循環通道包括形成在上述軌道部件與上述移動體之間的負荷滾動通道、和以連結該負荷滾動通道的一端與另一端的方式形成在上述移動體上的無負荷滾動通道，其特徵在於，對上述多個滾動體、上述負荷滾動通道或上述無負荷滾動通道的至少一個的表面，形成在層狀結晶化合物中導入了金屬原子的固體潤滑膜。
在本發明的滾動引導裝置中，上述固體潤滑膜優選利用封閉磁場不均衡磁控濺射法成膜。
又，在本發明的滾動引導裝置中，上述層狀結晶化合物，可包含MoS2、WS2或石墨的至少1種化合物，上述金屬原子，可包含鈦(Ti)、鎢(W)、鋁(Al)、鉻(Cr)、鋯(Zr)、矽(Si)或硼(B)的至少1種元素。
並且，在本發明的滾動引導裝置中，上述固體潤滑膜，優選膜厚在0.5～3μm的範圍內。
又，在本發明的滾動引導裝置中，上述固體潤滑膜中的上述金屬原子的含有率優選在20％以下。
又，在本發明的滾動引導裝置中，上述固體潤滑膜，優選在使用洛氏的金剛石壓頭的劃痕硬度試驗中臨界緊貼力在40N以上。
又，在本發明的滾動引導裝置中，上述固體潤滑膜，優選維氏硬度(Hv)在500以上，且在1×10-3Torr以下的真空中與硬度HRC55以上的鋼材的摩擦係數在0.07以下。
並且，在本發明的滾動引導裝置中，在上述多個滾動體之間，設置比上述滾動體以及上述固體潤滑膜柔軟的間隔部件，該間隔部件，可以是直徑比上述滾動體的直徑小的間隔珠或保持件(retainer)。
另外，上述發明的概要沒有全部例舉本發明的必要特徵，這些特徵群的再組合(Sob-combination)也可成為發明。
如果根據本發明，則可將與以前的液狀潤滑劑以及利用PVD(物理蒸鍍)法或CVD(化學蒸鍍)法而成膜的DLC膜相比緊貼性以及耐磨耗性提高了的固體潤滑膜用於滾動引導裝置，所以可提供提高了耐磨耗性和基於滾動運動的疲勞強度的滾動引導裝置。又，可提供在不良潤滑環境或高溫真空狀態、或者無油等特殊環境下具有充分的面壓，可承受滾動滑動運動的滾動引導裝置。


圖1是表示本實施方式中使用的一般的CUMS裝置的上面的概要圖。
圖2是表示本實施方式中使用的一般的CUMS裝置的側面的概要圖。
圖3是用於說明用於製造本實施方式的固體潤滑膜的TEERCoatings Ltd公司制的CUMS裝置的圖。
圖4是表示形成為多層膜時的本實施方式的固體潤滑膜的膜構造的圖。
圖5是表示形成為混合膜(非晶形膜)時的本實施方式的固體潤滑膜的膜構造的圖。
圖6是表示在無潤滑耐久試驗中使用於LM導件的負荷周期的圖。
圖7是表示在無潤滑耐久試驗中使用的無潤滑耐久試驗機的簡要構成的外觀側視圖。
圖8A是用於說明無潤滑耐久試驗機上設置的LM導件的簡要構成的外觀立體局部剖視圖。
圖8B是用於說明圖8A所示的LM導件所具有的無限循環通道的構造的縱剖視圖。
圖9是利用柱狀圖表示無潤滑耐久試驗的試驗結果的圖。
圖10是表示發塵試驗中使用的發塵試驗裝置的簡要構成的外觀俯視圖。
圖11是利用柱狀圖表示發塵試驗的試驗結果的圖。
圖12是表示使用了本實施方式所述的固體潤滑膜的直線型滾動引導裝置的於軌道導軌垂直方向的剖面的圖。
圖13是表示使用了本實施方式的固體潤滑膜的直線型滾動引導裝置的俯視面的圖。
圖14是表示在圖12以及圖13例示的直線型滾動引導裝置中使用的間隔部件的具體形狀的圖。
圖15是表示圖12所示的直線型滾動引導裝置的變形例的圖。
圖16是表示圖13所示的直線型滾動引導裝置的變形例的圖。
圖17是表示具有可使用本實施方式的固體潤滑膜的4條無限循環通道的直線型滾動引導裝置的圖。
圖18是表示本實施方式的間隔部件的多種變形例的一種形式的圖。
圖19是表示圖18所示的間隔部件的另一插入形式的圖。
圖20是表示本實施方式的間隔部件的多種變形例的另一形式的圖。
圖21是表示圖20所示的間隔部件的變形例的圖。
圖22是表示使用了本實施方式的固體潤滑膜的滾珠絲槓裝置的一種形式的圖。
圖23是表示使用了本實施方式的固體潤滑膜的滾珠絲槓裝置的另一形式的圖。
圖24是表示使用本實施方式的固體潤滑膜的滾珠絲槓裝置的又一形式的圖。
附圖標記說明10a、10b、10c、10d 磁控管11 外側環狀磁鐵12 內側芯磁鐵13 被處理體14 託架15 馬達16a、16b、16c、16d 對陰極(target)20 惰性氣體控制迴路21 高速電磁閥22 發電監視器23 光電倍增管40 多層膜42 邊界緊貼層50 混合膜(非晶形膜)B 磁力線C 作業空間α MoS2的比例比鈦(Ti)多的層β 與α相反鈦(Ti)的比例多的層60 無潤滑耐久試驗機61 底座62 塔架(derrick)63 彈簧64 測力傳感器65 馬達70 LM導件71 軌道導軌71a 滾珠滾動槽72 移動塊72a 負荷滾珠滾動槽
73 滾珠74 無限循環通道75 間隔珠80 發塵試驗裝置81 馬達82 運動引導裝置82a 滾珠絲槓82b 移動塊83 構造部件85 丙烯酸酯殼體86 顆粒計數器160 滾動引導裝置161 軌道導軌161a、164a 負荷滾動槽161b 螺紋安裝孔162 滾珠163 移動體164 塊主體164b 塊主體上表面164c 內螺紋165 模成形體165a 滾珠引導部165b 滾珠保持部166 側蓋166a 滾珠引導槽167 負荷滾動通道168 返回通道169 方向轉換通道170 無負荷滾動通道171 無限循環通道172 引導槽180、202 間隔部件
181 襯墊部182 臂部185 間隔珠186 保持件187 間隔件188 帶狀部件190 滾珠絲槓裝置191 絲槓軸191a、193a 負荷滾動通道192 螺母192a 凸緣193 螺母主體194 蓋體195 負荷滾動通道196 返回通道197 返回構件198 套199 方向轉換通道200 無負荷滾動通道201 無限循環通道210 返回管220 導向器(deflector)具體實施方式
以下，參照

用於實施本發明的優選實施方式。另外，以下的實施方式，不限制涉及各權利要求的發明，又，實施方式中說明的特徵的全部組合併不限定為是本發明的解決方案所必須的。
並且，在本實施方式中，例示使用TEER Coatings Ltd公司制的封閉磁場不均衡磁控濺射裝置(以下叫做CUMS裝置)對作為滾動引導裝置上使用的滾動體的滾珠的表面形成作為固體潤滑膜的薄膜的情況來進行說明。採用該裝置，是因為與通常的非平衡磁控濺射(UBMS註冊商標)法相比，可獲得高密度的等離子體，離子電流密度也高到5倍以上，所以可獲得能適用於滾動引導裝置的固體潤滑膜。
另外，本說明書中的「滾動引導裝置」，不限於具有上述滾珠的形式，而是包含例如工作設備等上使用的所有滾動軸承或真空中使用的無潤滑軸承、線性導件或直線引導裝置、滾珠花鍵裝置、滾珠絲槓裝置等所有伴有滾動/滑動動作的裝置。
首先，根據

適用於本實施方式的滾動引導裝置的固體潤滑膜的成膜所使用的CUMS裝置。圖1是表示本實施方式中使用的一般的CUMS裝置的上面的概要圖。又，圖2是表示本實施方式中使用的一般的CUMS裝置的側面的概要圖。
圖1以及圖2例示的CUMS裝置，具有4個磁控管10a、10b、10c、10d，這4個磁控管10a、10b、10c、10d，分別具有外側環狀磁鐵11、和位於中央的內側芯磁鐵12。4個磁控管10a、10b、10c、10d，以託架14為中心而設置，該託架14是用於將成為成膜對象的被處理體13配置在適當位置的配置機構。託架14構成為在箭頭A的方向以一個軸為中心轉動，該轉動可利用例如馬達15等驅動機構實現。
在圖1以及圖2所示的CUMS裝置上，磁控管10b以及10d的外側環狀磁鐵11是S極，它們的內側芯磁鐵12構成N極。另一方面，磁控管10a以及10c的外側環狀磁鐵11是N極，它們的內側芯磁鐵12是S極。根據這樣的構成，4個磁控管10a、10b、10c、10d的磁力線B形成連續的屏障，可捕獲從磁控等離子體擴散的電子。即，磁力線B，由於可包圍託架14地限定作業空間C，所以可在電磁封閉的狀態下對被處理體13實施成膜。因此，如果根據圖1以及圖2所示的CUMS裝置，則可在低電壓下產生高密度的等離子體，實現在通常的非平衡磁控濺射(UBMS註冊商標)裝置中不可能形成的優質的薄膜。另外，由磁力線B形成的作業空間C，其範圍可任意設定，不限於託架14的軸向的上下端。
又，在4個磁控管10a、10b、10c、10d上，設置有作為濺射的供給材料的對陰極16a、16b、16c、16d。這些對陰極16a、16b、16c、16d，覆蓋與託架14面對的磁鐵11、12的極面地配置。另外，各磁控管10a、10b、10c、10d，由於具有未圖示的軟鐵製內板，所以在各磁控管10a、10b、10c、10d中形成內側磁迴路。
如以上說明可知，如果根據本實施方式的CUMS裝置，則可將被處理體13封閉在由作為非平衡磁場產生機構而配置的磁鐵11、12所建立的非平衡磁場內，而被處理體13對置配置，以便附著從對陰極16a、16b、16c、16d濺射的物質。因此，CUMS裝置，可在電磁封閉的作業空間C中對被處理體13實施成膜。設計為這樣的構成，是因為通過特意在處於電磁封閉的空間內的對陰極16a、16b、16c、16d的表面產生非平衡磁場，而可利用低電壓產生高密度的等離子體，可在被處理體13上形成優質的薄膜。
另外，使用CUMS裝置時，向該裝置的室內供給例如氬等惰性氣體。惰性氣體的供給，可利用圖2所示的惰性氣體控制迴路20進行。惰性氣體控制迴路20具有高速電磁閥21和發光監視器22、光電倍增管23，通過隨時監測室內的惰性氣體的狀態，可維持恰當的作業環境。在這樣的室內向磁控管10a、10b、10c、10d上施加具有電位差的電壓，可利用該電位差使電子加速而將氣體離子化，產生更多的電子以及氬離子。而且存在於室內的氬離子轟擊供給材料的對陰極16a、16b、16c、16d，製造供給材料的固體潤滑膜。
A.CUMS裝置的設定條件接著，說明使用上述CUMS裝置製造用於本實施方式的滾動引導裝置的固體潤滑膜的具體方法。作為用於進行濺射的CUMS裝置，使用了圖3所示的在中央具有轉動的託架14的TEER Coatings Ltd公司制的CUMS裝置(參照專利文獻61996年授予TEER Coatings Ltd公司的英國專利第2,303,380號說明書)。如果採用使用了該裝置的封閉磁場不均衡磁控濺射法的成膜機構，則可在低電壓下進行高離子電流的濺射，所以可在比較短的時間進行均質且高密度的成膜。
在圖3所示的託架14上，設置有固定被處理體13的夾具30，該夾具30，不僅是單純的轉動，而是可自轉公轉。因此，安裝在夾具30上的被處理體13，可形成使作為滾動部件而言十分重要的膜厚和膜質均勻的固體潤滑膜。
在此，作為本實施方式中使用的CUMS裝置的特徵點，可舉出包圍託架14地設置的對陰極16a、16b、16c、16d內的1個對陰極16b採用鈦(Ti)。而對其他的對陰極16a、16c、16d，配置MoS2。這樣構成是因為通過利用作為活性金屬的鈦(Ti)等金屬原子構成用於濺射的多個對陰極16a、16b、16c、16d的至少1個，並利用MoS2等層狀結晶化合物構成其他對陰極，從而在層狀結晶化合物中導入金屬原子，提高層間的強度。又，在本實施方式中，由於採用了可在比較短的時間進行均質且高密度的成膜的基於封閉磁場不均衡磁控濺射法的成膜機構，所以獲得的固體潤滑膜實現了膜的最表面上的低摩擦係數，並且可承受內部的反覆應力，且緊貼力高。因此，這樣的固體潤滑膜，由於不會從膜的內部或邊界部破壞，所以在用於滾動引導裝置時，實現以最小的速度從膜表面磨耗的可靠性高的理想狀態。
導入層狀結晶化合物中的金屬原子，除作為活性金屬的鈦(Ti)以外，可採用鎢(W)、鋁(Al)、鉻(Cr)、鋯(Zr)、矽(Si)或硼(B)等。這些金屬原子，可單獨或組合使用。
又，在本實施方式中，對陰極16a、16c、16d使用了MoS2，這是因為MoS2是眾所周知的固體潤滑材料。但是對陰極材料不限於MoS2，也可使用其他的對陰極材料。例如優選使用WS2或石墨等結晶具有層狀構造的化合物。
另外，在本實施方式的CUMS裝置中，也可追加配置上述以外的對陰極。即，在對陰極的數量上沒有限制，在對陰極的1個中配置第3材料，添加到圖4所示的邊界緊貼層42或多層膜40、或者圖5例示的混合膜50中，也可提高作為固體潤滑的緊貼性、潤滑性，以及膜強度等。另外，為了提高緊貼性，除鈦(Ti)以外，優選使用鎢(W)、鋁(Al)、鉻(Cr)、鋯(Zr)、矽(Si)或硼(B)等作為對陰極材料。
B.CUMS裝置的動作順序下面說明CUMS裝置的動作順序。首先，將進行濺射的裝置室內抽到5～6×10-6Torr的真空，之後清潔成膜的被處理體13的表面。又，除去裝置室內的水分、有害的硫化氫等而導入氬氣，並且使裝置室內達到1×10-3Torr後，在託架14上施加15分鐘-350V的脈衝電壓而僅噴鍍鈦(Ti)，在基底之上生成0.1～0.3μm的金屬Ti層(邊界緊貼層42)。從而可防止固體潤滑膜本身脆化，可形成發揮固體潤滑功能的良好的膜。
接著將對託架14的脈衝電壓設為-30V而進行基於濺射的成膜。這時的電流值，在各對陰極上是0.2～1.0A左右，但可使MoS2的濺射量隨時間逐漸增加，使鈦(Ti)的含有率最終達到膜整體的20％以下。此時的真空度控制為大約5mTorr。
這些條件可根據膜的特性或生產率等變更。膜厚可控制為0.1μm～10μm，但為了使用於本實施方式的滾動引導裝置，希望膜厚限制在0.5～3μm的範圍內。這是因為固體潤滑膜的膜厚超過3μm時由於膜內部應力的增加而滾動壽命下降，膜厚不到0.5μm時，不能達到固體潤滑膜本來的強度。另外，在本實施方式中，為了製作約1μm左右的均勻的膜，在上述條件下進行了70分鐘濺射。另外，為了得到厚的膜，延長該濺射時間即可。
安裝在託架14上的夾具30的轉動速度，為了製作多層膜40的層間的距離或混合膜50，可自如設定，但優選3～10轉/分，在本實施方式中設為5轉/分。
下面說明利用以上的方法成膜的固體潤滑膜的構造。在本實施方式中，對在可選擇多個的對陰極中使用圖3所示的4個對陰極16a、16b、16c、16d而成膜的多層膜40和混合膜(非晶形膜)50，說明該膜的固體潤滑的構造。多層膜40成膜為鈦(Ti)層單層、鈦(Ti)和MoS2的混合層的兩層構造。另一方面，混合膜50，是同時濺射鈦(Ti)和MoS2，成膜為已經不具有明確的結晶構造的非晶形膜狀的膜。兩者都以作為活性金屬的鈦(Ti)作為邊界緊貼層42。另外，圖4是表示形成為多層膜40時的本實施方式的固體潤滑膜的膜構造的圖，圖5是表示形成為混合膜(非晶形膜)50時的本實施方式的固體潤滑膜的膜構造的圖。
作為形成的膜的構造，可獲得MoS2的比例多於鈦(Ti)的層α與相反鈦(Ti)一方多的層β如α/β/α/β/…/β/α那樣構成多層的多層膜40(參照圖4)；層的構造已經不明確，不具有明確的結晶構造的非晶形狀的混合膜(非晶形膜)50(參照圖5)等。這些膜構造可通過調整託架14的轉速、給予各對陰極的能量、對託架14的電壓、對陰極的遮擋等獲得。
另外，關於在此說明的α層以及β層，可設定各種元素的比例或變化。由於材料的成分可自如調整，所以可使各元素的濃度任意變化，也可製作傾斜層或傾斜膜。
調查了以上那樣成膜的固體潤滑膜的特性。在本調查中，準備表面粗糙度Ra0.03以下，材質SKH51(高速工具鋼)制的板狀試件，以與上述成膜方法相同的條件形成固體潤滑膜。首先，對該試件實施了滾珠在圓盤上(ball-on-disc)的耐久試驗。摩擦滾動圓直徑是8mm，試驗用滾珠的直徑是5mm，材質是WC-Co6％，試驗摩擦產生部的線速是200mm/秒。其結果，在試驗負荷1kg、3.8kg、7.6kg的3階段的水平下的比磨耗率的測量值都在7×10-17m3/Nm以下，在1×10-3Torr以下的真空中與硬度HRC55以上的鋼材的摩擦係數在0.07以下。特別是在試驗負荷7.6kg的水平下獲得7×10-17m3/Nm以下的比磨耗率的本調查的結果，表示本實施方式的固體潤滑膜是非常優良的膜。
又，對上述試件進行了使用洛氏的金剛石壓頭的劃痕硬度試驗，確認了本實施方式的固體潤滑膜具有40N以上的臨界緊貼力。又，測定了本實施方式的固體潤滑膜的維氏硬度(Hv)，確認了在500以上。
接著，為了比較本實施方式的固體潤滑膜與現有技術的DLC膜的耐久性能，進行了基於無潤滑耐久試驗的評價。該無潤滑耐久試驗，根據表1所示的條件進行，使用設置在試驗室內的常溫環境下的無油低荷重耐久試驗機，對該試驗機安裝LM導件而進行。LM導件，準備了對構成部件形成了本實施方式的固體潤滑膜和現有技術的DLC膜的部件，通過使移動塊相對於軌道導軌反覆往復運動而比較了兩者的耐久性能。另外，在LM導件上進行的往復運動根據圖6所示負荷周期圖的運動模式進行，具體地，設行程150mm、直線運動時的速度250mm/s、折返時的加減速度0.25G、停頓時間0.2s，對始終擔負的負荷荷重0.03C(162N)及0.06C(324N)這兩個條件進行了調查。

表1無潤滑耐久試驗的條件

使用的無潤滑耐久試驗機60具有圖7所示的構成。構成試驗對象的LM導件70中，軌道導軌71固定設置在無潤滑耐久試驗機60的底座61上。在軌道導軌71上，設置往復運動自如的3個移動塊72，在位於兩端的兩個移動塊72上組裝門型的塔架62。在該塔架62上，設置可向鉛直下方向施加負荷力的彈簧63，該彈簧63通過測力傳感器64與位於中央的移動塊72連接。測力傳感器64，因為可將彈簧63的負荷荷重轉變為電壓的變化來測定，所以可通過荷重的顯示、記錄、控制而實現穩定的負荷荷重。另外，在圖7中隱藏在底座61等中看不見，但在LM導件70的旁邊設置可在與軌道導軌71平行的方向引導運動的滾珠絲槓。該滾珠絲槓，利用馬達65控制其轉動運動，並且與塔架62連接，以便可使門型的塔架62在螺紋軸方向往復運動。因此門型的塔架62根據滾珠絲槓的轉動運動而移動，由此實現移動塊72的被控制的往復運動。
另外，設置在無潤滑耐久試驗機60上的LM導件70，具有圖8A以及圖8B所示的概要構成。即，LM導件70，包括具有朝向縱長方向形成的滾珠滾動槽71a的軌道導軌71、具有與該滾珠滾動槽71a對應的負荷滾珠滾動槽72a且通過多個滾珠73安裝在軌道導軌71上的移動塊72。又，利用滾珠滾動槽71a和負荷滾珠滾動槽72a形成無限循環通道74，多個滾珠73可在該無限循環通道74內無限循環地排列收納。通過具有這樣的構成，構成LM導件70的軌道導軌71與移動塊72可利用滾珠73的滾動而自如地相對運動。
而且，對構成試驗對象的本實施方式的固體潤滑膜，在多個滾珠73的表面成膜。另外，在這次無潤滑耐久試驗中使用的LM導件70中，每隔兩個滾珠73設置由四氟乙烯樹脂(PTFE)構成的間隔珠75。
另一方面，成為比較對象的DLC膜，由於具有耐受高面壓下的滾動的高緊貼性地在滾珠表面上成膜在現有技術中是不可能的，所以設計為在承受來自滾珠73的負荷的滾珠滾動槽71a和負荷滾珠滾動槽72a上成膜。另外，滾珠73和間隔珠75的配置條件與上述的固體潤滑膜時一樣。
基於上述說明的條件及方法的無潤滑耐久試驗的結果示於表2。關於本實施方式的固體潤滑膜，準備了試驗品No.1～No.8的8個樣品。而它們的成膜條件完全一樣，利用前面說明的裝置及方法，形成在MoS2中導入了鈦(Ti)的固體潤滑膜。又，無潤滑耐久試驗的評價，通過在產生磨耗粉即使很少的時刻判斷達到耐久壽命，並測量此前在軌道導軌71上移動的移動塊72的行進距離來進行。
表2無潤滑耐久試驗的結果

如表2所表明那樣，本實施方式的固體潤滑膜，負荷荷重0.03C(162N)時的可行進距離最短也在587km，大大超過了在同一荷重下評價的DLC膜的可行進距離26km。又，即便在負荷荷重增加一倍的條件的0.06C(324N)時，本實施方式的固體潤滑膜，記錄可行進距離為173～198km，得到超過為只承受一半負荷荷重的DLC膜的可行進距離6.6～7.6倍的結果。另外，圖9是利用柱狀圖表示表2所示試驗結果的圖，通過這樣將無潤滑耐久試驗結果視覺化，可再次確認本實施方式的固體潤滑膜的優越性。
如果分析獲得以上良好試驗結果的原因，則認為本次試驗的固體潤滑膜，膜自身的硬度在維氏硬度(Hv)750左右，通過具有與對方材料(object material)同程度的硬度(淬火、回火鋼為Hv800左右)而不破壞對方材料，並且膜自身也磨耗緩慢。另一方面，DLC膜的硬度，通常是Hv1500～4000左右，由於鋼材(對方材料)的滾動磨耗率大，所以推斷髮生了早期磨耗。
另外，雖然反覆進行，但在進行本次無潤滑耐久試驗時，儘可能在同一條件下進行試驗以及評價，所以發明者們調查了是否有可在具有緊貼性的狀態下使DLC膜在滾珠表面成膜的技術。但是，對滾珠穩定形成DLC膜的技術現在還沒有，表明如本實施方式的固體潤滑膜那樣對滾珠穩定地實施成膜是不可能的。從該事實也了解到本實施方式的固體潤滑膜是非常劃時代的技術。本實施方式的固體潤滑膜，是可提高滾動引導裝置上的耐磨耗性和基於滾動運動的疲勞強度的劃時代的技術，以本發明的實現為首，可提供在不良潤滑環境或高溫真空狀態、或者無油等特殊環境下，具有充分的面壓，可耐滾動滑動運動的滾動引導裝置。
並且，本發明者們為了調查針對本實施方式的固體潤滑膜的發塵的性能特點而進行了發塵試驗。在該發塵試驗中，比較了對滾珠形成本實施方式的固體潤滑膜的LM導件、和在與該LM導件同一形狀的LM導件上不形成固體潤滑膜而使用真空潤滑脂的情況。
又，本發塵試驗，使用圖10所示發塵試驗裝置80進行。在發塵試驗裝置80上，安裝與前面根據圖8A以及圖8B說明過的LM導件70一樣的設備，並且與LM導件70平行地設置有運動引導裝置82。該運動引導裝置82具有與馬達81連接的滾珠絲槓82a、可伴隨滾珠絲槓82a的轉動運動而往復運動的移動塊82b。而且，移動塊82b和LM導件70的移動塊72利用L字形的構造部件83連接，所以LM導件70具有的移動塊72可通過控制馬達81而進行希望的動作。
LM導件70的周圍，利用丙烯酸酯殼體85覆蓋，以便可排除來自外部的灰塵而測定僅來自LM導件70的發塵量。在丙烯酸酯殼體85上連接顆粒計數器86，從而可測定丙烯酸酯殼體85內的發塵量。
而且本次的發塵試驗根據表3所示的條件進行。發塵試驗的具體動作條件是行程200mm、直線運動時的速度250mm/s、折返時的加減速度2.548m/s2(0.26G)、停頓時間0.08s。又，在丙烯酸酯殼體85的容量為1616cm2、清潔的空氣供給量為1升/210s(0.3升/min)的條件下測定50Hr具有0.1μm以上的粒子直徑的粉塵。但關於使用了真空潤滑脂的LM導件，由於試驗中的發塵量增大，而採用了測定時間15Hr的結果。
表3發塵試驗條件

根據以上條件進行的發塵試驗的結果表示如下。表4是關於各顆粒/尺寸(μm)的發塵量，匯集本實施方式的固體潤滑膜時和使用了真空潤滑脂時的結果。另外，在表4中，上表表示發塵量的最大值，下表表示發塵量的平均值。
表4發塵試驗結果


從該表4了解到本實施方式的固體潤滑膜具有對耐發塵性的良好特性。特別是易發塵的小粒徑的發塵量顯示為最大值4個/升(210s)、平均值0.1兩個/升(210s)的良好值，與真空潤滑脂時比較顯然其耐發塵性強。另外，圖11是利用柱狀圖表示表4的下表所示的試驗結果的圖，通過這樣將發塵試驗結果視覺化，可再次確認本實施方式的固體潤滑膜的優越性。
圖12以及圖13表示使用本實施方式的固體潤滑膜的滾動引導裝置的一形式。該滾動引導裝置160具有作為軌道部件的軌道導軌161、經由作為滾動體的滾珠162…移動自如地安裝在該軌道導軌161上的移動體163。
軌道導軌161是具有大致矩形截面的縱長部件，在其兩側面在軌道導軌161的全長上左右各形成一條可承裝滾珠162的負荷滾動槽161a…。在軌道導軌161上，在其縱長方向隔適當間隔地形成多個螺栓安裝孔161b。利用螺紋連接在這些螺紋安裝孔161b上的螺栓(未圖示)，軌道導軌161固定在既定的安裝面上，例如工作設備的底座的上表面。另外，圖示的軌道導軌161是直線狀，有時也使用曲線狀的軌道。
移動體163，具有由鋼等強度高的材料構成的塊主體164、將該塊主體164作為內插件而一體注射成形的合成樹脂制的模成形體165、在該模成形體165的兩端被螺栓(未圖示)固定的側蓋166、166。該合成樹脂，希望採用四氟乙烯樹脂(PTFE)、聚醯亞胺(PI)、聚醯胺(PA)、聚甲醛(POM)、聚酯、酚醛樹脂、環氧樹脂、聚醚醚酮(PEEK)或聚醚碸(PES)的至少一種。另外，有時也將模成形體165與塊主體164分體成形，在之後的工序中組合兩者。又，移動體163，也可不包含樹脂，而構成為在鋼上打孔的構造的塊。
在塊主體164上，設置有分別與負荷滾動槽161a、161a對置的兩條負荷滾動槽164a、164a。利用這些負荷滾動槽161a、164a的組合，在軌道導軌161與移動體163之間形成兩條負荷滾動通道167、167。在塊主體164的上表面164b上形成多個(在圖13中是4個)內螺紋164c…。利用這些內螺紋164c，移動體163被固定在既定的安裝面上，例如工作設備的床鞍或操作臺的下表面。
在模成形體165上形成與各負荷滾動通道167、167並行延伸的兩條返回通道168、168。在模成形體165的兩端面，在負荷滾動槽164a與返回通道168之間形成拱狀突出的滾珠引導部165a…(在圖13中僅表示了一端面側的一個)。在側蓋166上與滾珠引導部165a對應形成拱狀凹陷的滾珠引導槽166a。
通過將側蓋166固定在模成形體165上，從而組合滾珠引導部165a與滾珠引導槽166a，在它們之間形成連接負荷滾動通道167與返回通道168的U字形方向轉換通道169。利用返回通道168和方向轉換通道169構成滾珠162的無負荷滾動通道170，利用該無負荷滾動通道170和負荷滾動通道167的組合構成無限循環通道171。無限循環通道171的截面形狀以及尺寸，分別設定為在負荷滾動通道167上描繪成與滾珠162同一直徑的圓形截面，在無負荷滾動通道170上描繪成稍微大於滾珠162的直徑的圓形截面。
如圖13所示，在模成形體165上，為了防止滾珠162在從軌道導軌161抽出移動體163時從負荷滾動通道167上脫落，夾著負荷滾動槽164a地形成一對滾珠保持部165b、165b，負荷滾動通道167上的引導槽172在這些滾珠保持部165b、165b上形成。另外，在返回通道168上，相對模成形體165一體形成引導槽172，在方向轉換通道169上在滾珠引導部165a與滾珠引導槽166a之間形成引導槽172。
而且，在本實施方式中，對作為滾動體的滾珠162…形成由上述CUMS裝置形成的固體潤滑膜。該固體潤滑膜，具有圖4或圖5所示的膜構造，在膜的最表面具有低摩擦係數，並且是耐內部的反覆應力且緊貼力高的膜。這樣的固體潤滑膜，不會從膜的內部或邊界部破損，作為自膜表面以最小的速度磨耗的膜可實現可靠性高的理想的狀態，所以通過使用在圖12以及圖13所示的滾動引導裝置中，含潤滑不足在內的不良潤滑環境或高溫真空狀態、或者不能使用潤滑脂等潤滑劑的狀態等特殊環境下的滾動引導裝置的使用成為可能。
另外，基於CUMS裝置的固體潤滑膜的形成對象，不限於作為滾動體的滾珠162…，可用於負荷滾動通道167或無負荷滾動通道170等承受滾動壓力/滑動壓力的部件的至少1個的表面。在本實施方式中，僅在作為滾動體的滾珠162…上形成固體潤滑膜，是因為可容易實施基於CUMS裝置的固體潤滑膜的形成。
並且，在上述滾動引導裝置的滾珠162…之間，可設置比滾珠162…等滾動體或固體潤滑膜柔軟的間隔部件。該間隔部件具體地可採用直徑小於作為滾動體的滾珠162…的直徑的間隔珠或保持件。這樣的間隔部件，可防止滾珠162…相互間的幹涉以及碰撞，或滾珠的脫落，並且可實現滾珠162…的排列運動，還可結合間隔部件的自潤滑性和與固體潤滑膜的複合潤滑效果，發揮可大大改良滾動引導裝置的耐磨耗性的效果。
作為間隔部件的具體形狀，可採用如圖12以及圖13中例示，且圖14更詳細所示的由襯墊部181和臂部182、182構成的間隔部件180。
另外，在圖12、圖13以及圖14所示的滾動引導裝置中，例示了間隔部件180具有臂部182、182的情況，當然也可如圖15以及圖16中例示那樣僅利用襯墊部181構成間隔部件。又，在圖12、圖13以及圖14中，例示了具有兩條無限循環通道171的滾動引導裝置而進行說明，但即使是圖17中所示的具有4條無限循環通道171的滾動引導裝置，當然也可使用本實施方式的固體潤滑膜。
並且，間隔部件，也可構成為圖18例示的直徑小於滾珠162…的直徑的間隔珠185，並且，也可構成為圖20例示的保持件186。
間隔珠185的插入個數，也可如圖18所示那樣相對於1個滾珠162插入1個間隔珠185，或也可如圖19例示那樣以1個間隔珠對兩個滾珠162的比例插入間隔珠185。關於該間隔珠185的插入個數，希望插入至少1個以上，而且，希望使滾珠162一定要被間隔珠185隔開。因此，設滾珠162的個數為X，間隔珠185的個數為Y時，希望以下述關係式成立的方式插入間隔珠185。
1≤Y≤(X+1)另一方面，圖20所示的保持件186，具有介於滾珠162…間的多個間隔件187…、將該間隔件187…的兩側緣一體地連結的帶狀部件188。間隔件187…形成圓筒狀，其圓筒的外徑設定得小於滾珠162…的直徑。在各間隔件187…的軸線方向兩端，對應滾珠162而形成與該滾珠162的半徑大致相等的曲率半徑的曲面狀凹部。使得在將間隔件187…配置在滾珠162…之間時，間隔件187…的軸線位於連接滾珠162…的中心的線上。間隔件187…，軸線方向的長度設定得薄，使得滾珠162…相互之間的距離達到必要最小限度的間隔。
關於帶狀部件188，厚度是一定的，連接在間隔件187的側面的兩側(圖20中，僅表示了單側)。該帶狀部件188具有撓性從而可柔軟地對應方向轉換通道169。
但該帶狀部件188，如圖21所示也可省略，也可僅利用間隔件187…構成間隔部件。即使是這樣省略了帶狀部件188的間隔部件，也可發揮與圖20所示的保持件186同樣的效果。
作為上述間隔部件的材質，希望由包含四氟乙烯樹脂(PTFE)、聚醯亞胺(PI)、聚醯胺(PA)、聚甲醛(POM)、聚酯、酚醛樹脂、環氧樹脂、聚醚醚酮(PEEK)或聚醚碸(PES)的至少一種的樹脂構成。而且，間隔部件以從其中選擇的樹脂單體或複合樹脂為原材料，利用注射成形等一體形成。
上述樹脂中，特別是四氟乙烯樹脂(PTFE)具有自潤滑性，作為固體潤滑也得到廣泛應用，所以優選使用於本實施方式的滾動引導裝置。這是因為四氟乙烯樹脂(PTFE)從其構造上具有非常低的摩擦係數，且在對方摩擦面上形成移附膜(transfer film)而發揮潤滑性。並且，為了提高耐磨耗性，也可將四氟乙烯樹脂(PTFE)與碳素材料、或四氟乙烯樹脂(PTFE)與碳素纖維、非結晶碳素、玻璃、陶瓷、與其他的樹脂的複合材料用作間隔件或保持件。
又，若在本實施方式的固體潤滑膜上，還形成薄的四氟乙烯樹脂(PTFE)移附膜，則該移附膜可使導入了金屬原子的MoS2或WS2的膜的表面能量下降，可降低與鋼以及陶瓷的摩擦係數。因此，也可大大降低比磨耗率或發塵率。
關於使用本實施方式的固體潤滑膜的滾動引導裝置，也可構成為圖22所示的滾珠絲槓裝置。圖22是表示使用本實施方式的固體潤滑膜的滾珠絲槓裝置的一種形式的圖。
如圖22所示，滾珠絲槓裝置190，具有作為軌道部件的絲槓軸191、作為經由多個作為滾動體的滾珠162…移動自如地安裝在該絲槓軸191上的移動體的螺母192。在絲槓軸191的外周，形成繞絲槓軸191螺旋狀延伸的兩條負荷滾動槽191a、191a。
螺母192，具有利用鋼等強度高的材料構成的螺母主體193、安裝在其兩端的蓋體194、194。在螺母主體193的外周，形成用於使螺母192相對其對方部件安裝的突緣192a。在螺母主體193的內周，形成分別與負荷滾動槽191a、191a對置而螺旋狀延伸的兩條負荷滾動槽193a、193a。利用這些負荷滾動槽191a、193a的組合，形成螺旋狀的兩條負荷滾動通道195、195。
在螺母主體193的內部，形成在軸向貫通螺母主體193的兩條返回通道196、196。蓋體194具有返回構件197和覆蓋在其外側的套198，在左右的返回構件197上形成有分別連接返回通道196與負荷滾動通道195的方向轉換通道199、199。利用返回通道196、196與方向轉換通道199、199的組合構成滾珠162的無負荷滾動通道200、200，利用這些無負荷滾動通道200、200與負荷滾動通道195、195的組合構成兩條無限循環通道201、201。
而且，在本實施方式中，對作為滾動體的滾珠162…形成有利用上述CUMS裝置形成的固體潤滑膜。該固體潤滑膜，具有圖4或圖5所示的膜構造，膜最表面上具有低摩擦係數，並且耐內部的反覆應力且緊貼力高。這樣的固體潤滑膜，由於不會從膜的內部或邊界部破壞，可實現作為以最小的速度從膜表面磨耗的膜最理想的狀態，所以通過使用在圖22例示的滾珠絲槓裝置190中，在含潤滑不足在內的不良潤滑環境或高溫真空狀態、或者不能使用潤滑脂等潤滑劑的狀態等特殊環境下的滾動引導裝置的使用成為可能。
另外，基於CUMS裝置的固體潤滑膜的形成對象，不限於作為滾動體的滾珠162…，可用於負荷滾動通道195或無負荷滾動通道200等承受滾動壓力/滑動壓力的部件的至少1個的表面。在本實施方式中，僅在作為滾動體的滾珠162…上形成固體潤滑膜，是因為可容易地實施基於CUMS裝置的固體潤滑膜的形成。
並且，在滾珠絲槓裝置190的滾珠162…之間，可設置比滾珠162…等滾動體或固體潤滑膜柔軟的間隔部件202。該間隔部件202，可與上述直線型的滾動引導裝置160時一樣，採用直徑小於作為滾動體的滾珠162…的直徑的間隔珠或保持件。這樣的間隔部件202，可防止滾珠162…相互間的幹涉以及滾珠162…的脫落，並且可實現滾珠162…的排列運動，還可結合間隔部件202的自潤滑性和與固體潤滑膜的複合潤滑效果，發揮可大大改良滾動引導裝置的耐磨耗性的效果。另外，作為間隔部件202的形狀以及材質，也可與上述直線型的滾動引導裝置160時一樣，所以省略說明。
另外，本實施方式的滾珠絲槓裝置190，不限於圖22所示的在螺母主體193的兩端安裝另外部件的返回構件197而構成方向轉換通道199的形式。也可是下述構造的滾珠絲槓裝置例如圖23所示的將返回管210、210安裝在螺母主體193上，而利用形成在這些返回管210的內部的無負荷滾動通道、和負荷滾動通道195構成無限循環通道的構造，或圖24所示的將多個(圖中僅表示兩個)導向器220…安裝在螺母主體193上，而利用形成在這些導向器220上的無負荷滾動通道、和負荷滾動通道195構成無限循環通道的構造。即使對於以不同的構造使滾珠162…循環的滾珠絲槓裝置(例如圖23中的返回管210或圖24中的導向器220等)，如果使用本實施方式的固體潤滑膜，則可獲得與上述滾動引導裝置160或滾珠絲槓裝置190一樣的良好的效果。
以上說明了本發明的優選的實施方式，但本發明的技術範圍不限於上述實施方式所述的範圍。可對上述實施方式進行多種變更或改進。例如，本實施方式的固體潤滑膜，說明了對利用MoS2、WS2、石墨而構成的層狀結晶化合物導入金屬原子的情況，但層狀結晶化合物也可使用金剛石狀碳或類金剛石碳(DLC)。經過這樣變更或改進的形式也包含在本發明的技術範圍，這在權利要求範圍的記述中說明。
權利要求
1.一種滾動引導裝置，具有軌道部件、經由多個滾動體而移動自如地安裝在上述軌道部件上的移動體，上述多個滾動體，設置在無限循環通道上，該無限循環通道包括形成在上述軌道部件與上述移動體之間的負荷滾動通道、和以連結該負荷滾動通道的一端與另一端的方式形成在上述移動體上的無負荷滾動通道，其特徵在於，對上述多個滾動體、上述負荷滾動通道或上述無負荷滾動通道的至少一個的表面，形成在層狀結晶化合物中導入了金屬原子的固體潤滑膜。
2.如權利要求1所述的滾動引導裝置，其特徵在於，上述固體潤滑膜利用封閉磁場不均衡磁控濺射法而成膜。
3.如權利要求1或2所述的滾動引導裝置，其特徵在於，上述層狀結晶化合物包含MoS2、WS2或石墨的至少1種化合物，上述金屬原子，包含鈦(Ti)、鎢(W)、鋁(Al)、鉻(Cr)、鋯(Zr)、矽(Si)或硼(B)的至少1種元素。
4.如權利要求1～3中任一項所述的滾動引導裝置，其特徵在於，上述固體潤滑膜，膜厚在0.5～3μm的範圍內。
5.如權利要求1～4中任一項所述的滾動引導裝置，其特徵在於，上述固體潤滑膜中的上述金屬原子的含有率在20％以下。
6.如權利要求1～5中任一項所述的滾動引導裝置，其特徵在於，上述固體潤滑膜，在使用洛氏的金剛石壓頭的劃痕硬度試驗中臨界緊貼力在40N以上。
7.如權利要求1～6中任一項所述的滾動引導裝置，其特徵在於，上述固體潤滑膜，維氏硬度(Hv)在500以上，且在1×10-3Torr以下的真空中與硬度HRC55以上的鋼材的摩擦係數在0.07以下。
8.如權利要求1～7中任一項所述的滾動引導裝置，其特徵在於，在上述多個滾動體之間，設置比上述滾動體以及上述固體潤滑膜柔軟的間隔部件，該間隔部件，是直徑比上述滾動體的直徑小的間隔珠或保持件。
全文摘要
滾動引導裝置(160)，具有作為軌道部件的軌道導軌(161)、和經由滾珠(162)移動自如地安裝在該軌道導軌(161)上的移動體(163)。而且對滾珠(162)形成由封閉磁場不均衡磁控濺射裝置(CUMS裝置)形成的固體潤滑膜。該固體潤滑膜，在膜的最表面具有低摩擦係數，並且耐內部的反覆應力，且緊貼力高。這樣的固體潤滑膜，不會從膜的內部或邊界部破損，自膜表面以最小的速度磨耗，所以可發揮可靠性高的理想的固體潤滑功能，通過將這樣的緊貼性以及耐磨耗性提高了的固體潤滑膜用於滾動引導裝置，可提供在不良潤滑環境或高溫真空狀態、或者無油等特殊環境下可使用的滾動引導裝置。
文檔編號F16H25/22GK101065589SQ20058004082
公開日2007年10月31日 申請日期2005年9月30日 優先權日2004年9月30日
發明者山中茂, 楊宏 申請人:Thk株式會社