滚动引导装置的制作方法

专利名称：滚动引导装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及滚动引导装置，特别涉及相对于滚动体或负荷滚动通道或者无负荷滚动通道的表面形成固体润滑膜的滚动引导装置，所述固体润滑膜在层状结晶化合物内导入了金属原子。
背景技术：
例如，在滚动轴承等滚动滑动部件中，为了减少滚动体的滚动摩擦或滑动摩擦，提高轴承的耐久性，一直以来提供润滑脂等液状润滑剂。但是，在使用液状润滑材料的方法中，润滑剂的蒸气成为环境的污染源，所以在半导体制造设备等要求高清洁度的密封真空下使用滚动滑动部件时存在问题。
因此，对于在这样的特殊环境下使用的滚动滑动部件的滚动面，通过形成类金刚石碳(以下叫做DLC)膜，提高这些部件的耐久性和寿命。该DLC膜，是利用已知的PVD(物理蒸镀)法或CVD(化学蒸镀)法成膜的，表面具有以金刚石为标准的硬度(10GPa以上的塑性变形硬度)，并且摩擦系数在0.2以下滑动阻力值小，所以作为新的耐磨耗性保护膜受到关注(例如参照下述专利文献1～5)。
专利文献1特开平09-144764号公报专利文献2特开2000-136828号公报专利文献3特开2000-205277号公报专利文献4特开2000-205279号公报专利文献5特开2000-205280号公报专利文献6英国专利第2,303,380号说明书但是，利用上述PVD(物理蒸镀)法或CVD(化学蒸镀)法而成膜的DLC膜，膜的紧贴性以及耐磨耗性不足，必须加以改善。具体地说，DLC膜，与自己的硬度相比强度非常低，所以虽然可有效地用于以滑动运动为主的部分，但对滚动运动则会从膜的内侧破坏而剥离，所以以前几乎没有使用在滚动部件上，仅限于在700MPa以下极小的面压下的使用。又，基于PVD法形成的DLC膜存在在真空中耐磨耗性恶化的不良状况。
并且，对于在包含润滑不足在内的不良润滑环境或高温真空状态、或者不能使用润滑脂等润滑剂的状态等特殊环境下使用的滚动引导装置，要求使用改善了紧贴性以及耐磨耗性、并实现耐久性的提高或长寿命化的固体润滑膜。
特别是在直线引导装置或滚珠花键装置、滚珠丝杠装置等滚动引导装置上，设置在无限循环通道上的多个滚珠从负荷滚动通道移动到无负荷滚动通道时，存在力学性的不连续部或冲撞部，所以必须使用可承受在这样的部位上产生的面压或滚动滑动运动的固体润滑膜。

发明内容
本发明是鉴于这样的课题而提出的，其目的在于提供一种滚动引导装置，将与以前的液状润滑剂以及利用PVD(物理蒸镀)法或CVD(化学蒸镀)法而成膜的DLC膜相比提高了紧贴性以及耐磨耗性的固体润滑膜用于直线引导装置或滚珠花键装置、滚珠丝杠装置等滚动引导装置上，从而提高了耐磨耗性和基于滚动运动的疲劳强度。并且，目的在于提供在不良润滑环境或高温真空状态、或者无油等特殊环境下，具有充分的面压且可承受滚动滑动运动的滚动引导装置。
本发明的滚动引导装置，具有轨道部件、和经由多个滚动体移动自如地安装在上述轨道部件上的移动体，上述多个滚动体，设置在无限循环通道上，该无限循环通道包括形成在上述轨道部件与上述移动体之间的负荷滚动通道、和以连结该负荷滚动通道的一端与另一端的方式形成在上述移动体上的无负荷滚动通道，其特征在于，对上述多个滚动体、上述负荷滚动通道或上述无负荷滚动通道的至少一个的表面，形成在层状结晶化合物中导入了金属原子的固体润滑膜。
在本发明的滚动引导装置中，上述固体润滑膜优选利用封闭磁场不均衡磁控溅射法成膜。
又，在本发明的滚动引导装置中，上述层状结晶化合物，可包含MoS2、WS2或石墨的至少1种化合物，上述金属原子，可包含钛(Ti)、钨(W)、铝(Al)、铬(Cr)、锆(Zr)、硅(Si)或硼(B)的至少1种元素。
并且，在本发明的滚动引导装置中，上述固体润滑膜，优选膜厚在0.5～3μm的范围内。
又，在本发明的滚动引导装置中，上述固体润滑膜中的上述金属原子的含有率优选在20％以下。
又，在本发明的滚动引导装置中，上述固体润滑膜，优选在使用洛氏的金刚石压头的划痕硬度试验中临界紧贴力在40N以上。
又，在本发明的滚动引导装置中，上述固体润滑膜，优选维氏硬度(Hv)在500以上，且在1×10-3Torr以下的真空中与硬度HRC55以上的钢材的摩擦系数在0.07以下。
并且，在本发明的滚动引导装置中，在上述多个滚动体之间，设置比上述滚动体以及上述固体润滑膜柔软的间隔部件，该间隔部件，可以是直径比上述滚动体的直径小的间隔珠或保持件(retainer)。
另外，上述发明的概要没有全部例举本发明的必要特征，这些特征群的再组合(Sob-combination)也可成为发明。
如果根据本发明，则可将与以前的液状润滑剂以及利用PVD(物理蒸镀)法或CVD(化学蒸镀)法而成膜的DLC膜相比紧贴性以及耐磨耗性提高了的固体润滑膜用于滚动引导装置，所以可提供提高了耐磨耗性和基于滚动运动的疲劳强度的滚动引导装置。又，可提供在不良润滑环境或高温真空状态、或者无油等特殊环境下具有充分的面压，可承受滚动滑动运动的滚动引导装置。


图1是表示本实施方式中使用的一般的CUMS装置的上面的概要图。
图2是表示本实施方式中使用的一般的CUMS装置的侧面的概要图。
图3是用于说明用于制造本实施方式的固体润滑膜的TEERCoatings Ltd公司制的CUMS装置的图。
图4是表示形成为多层膜时的本实施方式的固体润滑膜的膜构造的图。
图5是表示形成为混合膜(非晶形膜)时的本实施方式的固体润滑膜的膜构造的图。
图6是表示在无润滑耐久试验中使用于LM导件的负荷周期的图。
图7是表示在无润滑耐久试验中使用的无润滑耐久试验机的简要构成的外观侧视图。
图8A是用于说明无润滑耐久试验机上设置的LM导件的简要构成的外观立体局部剖视图。
图8B是用于说明图8A所示的LM导件所具有的无限循环通道的构造的纵剖视图。
图9是利用柱状图表示无润滑耐久试验的试验结果的图。
图10是表示发尘试验中使用的发尘试验装置的简要构成的外观俯视图。
图11是利用柱状图表示发尘试验的试验结果的图。
图12是表示使用了本实施方式所述的固体润滑膜的直线型滚动引导装置的于轨道导轨垂直方向的剖面的图。
图13是表示使用了本实施方式的固体润滑膜的直线型滚动引导装置的俯视面的图。
图14是表示在图12以及图13例示的直线型滚动引导装置中使用的间隔部件的具体形状的图。
图15是表示图12所示的直线型滚动引导装置的变形例的图。
图16是表示图13所示的直线型滚动引导装置的变形例的图。
图17是表示具有可使用本实施方式的固体润滑膜的4条无限循环通道的直线型滚动引导装置的图。
图18是表示本实施方式的间隔部件的多种变形例的一种形式的图。
图19是表示图18所示的间隔部件的另一插入形式的图。
图20是表示本实施方式的间隔部件的多种变形例的另一形式的图。
图21是表示图20所示的间隔部件的变形例的图。
图22是表示使用了本实施方式的固体润滑膜的滚珠丝杠装置的一种形式的图。
图23是表示使用了本实施方式的固体润滑膜的滚珠丝杠装置的另一形式的图。
图24是表示使用本实施方式的固体润滑膜的滚珠丝杠装置的又一形式的图。
附图标记说明10a、10b、10c、10d 磁控管11 外侧环状磁铁12 内侧芯磁铁13 被处理体14 托架15 马达16a、16b、16c、16d 对阴极(target)20 惰性气体控制回路21 高速电磁阀22 发电监视器23 光电倍增管40 多层膜42 边界紧贴层50 混合膜(非晶形膜)B 磁力线C 作业空间α MoS2的比例比钛(Ti)多的层β 与α相反钛(Ti)的比例多的层60 无润滑耐久试验机61 底座62 塔架(derrick)63 弹簧64 测力传感器65 马达70 LM导件71 轨道导轨71a 滚珠滚动槽72 移动块72a 负荷滚珠滚动槽
73 滚珠74 无限循环通道75 间隔珠80 发尘试验装置81 马达82 运动引导装置82a 滚珠丝杠82b 移动块83 构造部件85 丙烯酸酯壳体86 颗粒计数器160 滚动引导装置161 轨道导轨161a、164a 负荷滚动槽161b 螺纹安装孔162 滚珠163 移动体164 块主体164b 块主体上表面164c 内螺纹165 模成形体165a 滚珠引导部165b 滚珠保持部166 侧盖166a 滚珠引导槽167 负荷滚动通道168 返回通道169 方向转换通道170 无负荷滚动通道171 无限循环通道172 引导槽180、202 间隔部件
181 衬垫部182 臂部185 间隔珠186 保持件187 间隔件188 带状部件190 滚珠丝杠装置191 丝杠轴191a、193a 负荷滚动通道192 螺母192a 凸缘193 螺母主体194 盖体195 负荷滚动通道196 返回通道197 返回构件198 套199 方向转换通道200 无负荷滚动通道201 无限循环通道210 返回管220 导向器(deflector)具体实施方式
以下，参照

用于实施本发明的优选实施方式。另外，以下的实施方式，不限制涉及各权利要求的发明，又，实施方式中说明的特征的全部组合并不限定为是本发明的解决方案所必须的。
并且，在本实施方式中，例示使用TEER Coatings Ltd公司制的封闭磁场不均衡磁控溅射装置(以下叫做CUMS装置)对作为滚动引导装置上使用的滚动体的滚珠的表面形成作为固体润滑膜的薄膜的情况来进行说明。采用该装置，是因为与通常的非平衡磁控溅射(UBMS注册商标)法相比，可获得高密度的等离子体，离子电流密度也高到5倍以上，所以可获得能适用于滚动引导装置的固体润滑膜。
另外，本说明书中的“滚动引导装置”，不限于具有上述滚珠的形式，而是包含例如工作设备等上使用的所有滚动轴承或真空中使用的无润滑轴承、线性导件或直线引导装置、滚珠花键装置、滚珠丝杠装置等所有伴有滚动/滑动动作的装置。
首先，根据

适用于本实施方式的滚动引导装置的固体润滑膜的成膜所使用的CUMS装置。图1是表示本实施方式中使用的一般的CUMS装置的上面的概要图。又，图2是表示本实施方式中使用的一般的CUMS装置的侧面的概要图。
图1以及图2例示的CUMS装置，具有4个磁控管10a、10b、10c、10d，这4个磁控管10a、10b、10c、10d，分别具有外侧环状磁铁11、和位于中央的内侧芯磁铁12。4个磁控管10a、10b、10c、10d，以托架14为中心而设置，该托架14是用于将成为成膜对象的被处理体13配置在适当位置的配置机构。托架14构成为在箭头A的方向以一个轴为中心转动，该转动可利用例如马达15等驱动机构实现。
在图1以及图2所示的CUMS装置上，磁控管10b以及10d的外侧环状磁铁11是S极，它们的内侧芯磁铁12构成N极。另一方面，磁控管10a以及10c的外侧环状磁铁11是N极，它们的内侧芯磁铁12是S极。根据这样的构成，4个磁控管10a、10b、10c、10d的磁力线B形成连续的屏障，可捕获从磁控等离子体扩散的电子。即，磁力线B，由于可包围托架14地限定作业空间C，所以可在电磁封闭的状态下对被处理体13实施成膜。因此，如果根据图1以及图2所示的CUMS装置，则可在低电压下产生高密度的等离子体，实现在通常的非平衡磁控溅射(UBMS注册商标)装置中不可能形成的优质的薄膜。另外，由磁力线B形成的作业空间C，其范围可任意设定，不限于托架14的轴向的上下端。
又，在4个磁控管10a、10b、10c、10d上，设置有作为溅射的供给材料的对阴极16a、16b、16c、16d。这些对阴极16a、16b、16c、16d，覆盖与托架14面对的磁铁11、12的极面地配置。另外，各磁控管10a、10b、10c、10d，由于具有未图示的软铁制内板，所以在各磁控管10a、10b、10c、10d中形成内侧磁回路。
如以上说明可知，如果根据本实施方式的CUMS装置，则可将被处理体13封闭在由作为非平衡磁场产生机构而配置的磁铁11、12所建立的非平衡磁场内，而被处理体13对置配置，以便附着从对阴极16a、16b、16c、16d溅射的物质。因此，CUMS装置，可在电磁封闭的作业空间C中对被处理体13实施成膜。设计为这样的构成，是因为通过特意在处于电磁封闭的空间内的对阴极16a、16b、16c、16d的表面产生非平衡磁场，而可利用低电压产生高密度的等离子体，可在被处理体13上形成优质的薄膜。
另外，使用CUMS装置时，向该装置的室内供给例如氩等惰性气体。惰性气体的供给，可利用图2所示的惰性气体控制回路20进行。惰性气体控制回路20具有高速电磁阀21和发光监视器22、光电倍增管23，通过随时监测室内的惰性气体的状态，可维持恰当的作业环境。在这样的室内向磁控管10a、10b、10c、10d上施加具有电位差的电压，可利用该电位差使电子加速而将气体离子化，产生更多的电子以及氩离子。而且存在于室内的氩离子轰击供给材料的对阴极16a、16b、16c、16d，制造供给材料的固体润滑膜。
A.CUMS装置的设定条件接着，说明使用上述CUMS装置制造用于本实施方式的滚动引导装置的固体润滑膜的具体方法。作为用于进行溅射的CUMS装置，使用了图3所示的在中央具有转动的托架14的TEER Coatings Ltd公司制的CUMS装置(参照专利文献61996年授予TEER Coatings Ltd公司的英国专利第2,303,380号说明书)。如果采用使用了该装置的封闭磁场不均衡磁控溅射法的成膜机构，则可在低电压下进行高离子电流的溅射，所以可在比较短的时间进行均质且高密度的成膜。
在图3所示的托架14上，设置有固定被处理体13的夹具30，该夹具30，不仅是单纯的转动，而是可自转公转。因此，安装在夹具30上的被处理体13，可形成使作为滚动部件而言十分重要的膜厚和膜质均匀的固体润滑膜。
在此，作为本实施方式中使用的CUMS装置的特征点，可举出包围托架14地设置的对阴极16a、16b、16c、16d内的1个对阴极16b采用钛(Ti)。而对其他的对阴极16a、16c、16d，配置MoS2。这样构成是因为通过利用作为活性金属的钛(Ti)等金属原子构成用于溅射的多个对阴极16a、16b、16c、16d的至少1个，并利用MoS2等层状结晶化合物构成其他对阴极，从而在层状结晶化合物中导入金属原子，提高层间的强度。又，在本实施方式中，由于采用了可在比较短的时间进行均质且高密度的成膜的基于封闭磁场不均衡磁控溅射法的成膜机构，所以获得的固体润滑膜实现了膜的最表面上的低摩擦系数，并且可承受内部的反复应力，且紧贴力高。因此，这样的固体润滑膜，由于不会从膜的内部或边界部破坏，所以在用于滚动引导装置时，实现以最小的速度从膜表面磨耗的可靠性高的理想状态。
导入层状结晶化合物中的金属原子，除作为活性金属的钛(Ti)以外，可采用钨(W)、铝(Al)、铬(Cr)、锆(Zr)、硅(Si)或硼(B)等。这些金属原子，可单独或组合使用。
又，在本实施方式中，对阴极16a、16c、16d使用了MoS2，这是因为MoS2是众所周知的固体润滑材料。但是对阴极材料不限于MoS2，也可使用其他的对阴极材料。例如优选使用WS2或石墨等结晶具有层状构造的化合物。
另外，在本实施方式的CUMS装置中，也可追加配置上述以外的对阴极。即，在对阴极的数量上没有限制，在对阴极的1个中配置第3材料，添加到图4所示的边界紧贴层42或多层膜40、或者图5例示的混合膜50中，也可提高作为固体润滑的紧贴性、润滑性，以及膜强度等。另外，为了提高紧贴性，除钛(Ti)以外，优选使用钨(W)、铝(Al)、铬(Cr)、锆(Zr)、硅(Si)或硼(B)等作为对阴极材料。
B.CUMS装置的动作顺序下面说明CUMS装置的动作顺序。首先，将进行溅射的装置室内抽到5～6×10-6Torr的真空，之后清洁成膜的被处理体13的表面。又，除去装置室内的水分、有害的硫化氢等而导入氩气，并且使装置室内达到1×10-3Torr后，在托架14上施加15分钟-350V的脉冲电压而仅喷镀钛(Ti)，在基底之上生成0.1～0.3μm的金属Ti层(边界紧贴层42)。从而可防止固体润滑膜本身脆化，可形成发挥固体润滑功能的良好的膜。
接着将对托架14的脉冲电压设为-30V而进行基于溅射的成膜。这时的电流值，在各对阴极上是0.2～1.0A左右，但可使MoS2的溅射量随时间逐渐增加，使钛(Ti)的含有率最终达到膜整体的20％以下。此时的真空度控制为大约5mTorr。
这些条件可根据膜的特性或生产率等变更。膜厚可控制为0.1μm～10μm，但为了使用于本实施方式的滚动引导装置，希望膜厚限制在0.5～3μm的范围内。这是因为固体润滑膜的膜厚超过3μm时由于膜内部应力的增加而滚动寿命下降，膜厚不到0.5μm时，不能达到固体润滑膜本来的强度。另外，在本实施方式中，为了制作约1μm左右的均匀的膜，在上述条件下进行了70分钟溅射。另外，为了得到厚的膜，延长该溅射时间即可。
安装在托架14上的夹具30的转动速度，为了制作多层膜40的层间的距离或混合膜50，可自如设定，但优选3～10转/分，在本实施方式中设为5转/分。
下面说明利用以上的方法成膜的固体润滑膜的构造。在本实施方式中，对在可选择多个的对阴极中使用图3所示的4个对阴极16a、16b、16c、16d而成膜的多层膜40和混合膜(非晶形膜)50，说明该膜的固体润滑的构造。多层膜40成膜为钛(Ti)层单层、钛(Ti)和MoS2的混合层的两层构造。另一方面，混合膜50，是同时溅射钛(Ti)和MoS2，成膜为已经不具有明确的结晶构造的非晶形膜状的膜。两者都以作为活性金属的钛(Ti)作为边界紧贴层42。另外，图4是表示形成为多层膜40时的本实施方式的固体润滑膜的膜构造的图，图5是表示形成为混合膜(非晶形膜)50时的本实施方式的固体润滑膜的膜构造的图。
作为形成的膜的构造，可获得MoS2的比例多于钛(Ti)的层α与相反钛(Ti)一方多的层β如α/β/α/β/…/β/α那样构成多层的多层膜40(参照图4)；层的构造已经不明确，不具有明确的结晶构造的非晶形状的混合膜(非晶形膜)50(参照图5)等。这些膜构造可通过调整托架14的转速、给予各对阴极的能量、对托架14的电压、对阴极的遮挡等获得。
另外，关于在此说明的α层以及β层，可设定各种元素的比例或变化。由于材料的成分可自如调整，所以可使各元素的浓度任意变化，也可制作倾斜层或倾斜膜。
调查了以上那样成膜的固体润滑膜的特性。在本调查中，准备表面粗糙度Ra0.03以下，材质SKH51(高速工具钢)制的板状试件，以与上述成膜方法相同的条件形成固体润滑膜。首先，对该试件实施了滚珠在圆盘上(ball-on-disc)的耐久试验。摩擦滚动圆直径是8mm，试验用滚珠的直径是5mm，材质是WC-Co6％，试验摩擦产生部的线速是200mm/秒。其结果，在试验负荷1kg、3.8kg、7.6kg的3阶段的水平下的比磨耗率的测量值都在7×10-17m3/Nm以下，在1×10-3Torr以下的真空中与硬度HRC55以上的钢材的摩擦系数在0.07以下。特别是在试验负荷7.6kg的水平下获得7×10-17m3/Nm以下的比磨耗率的本调查的结果，表示本实施方式的固体润滑膜是非常优良的膜。
又，对上述试件进行了使用洛氏的金刚石压头的划痕硬度试验，确认了本实施方式的固体润滑膜具有40N以上的临界紧贴力。又，测定了本实施方式的固体润滑膜的维氏硬度(Hv)，确认了在500以上。
接着，为了比较本实施方式的固体润滑膜与现有技术的DLC膜的耐久性能，进行了基于无润滑耐久试验的评价。该无润滑耐久试验，根据表1所示的条件进行，使用设置在试验室内的常温环境下的无油低荷重耐久试验机，对该试验机安装LM导件而进行。LM导件，准备了对构成部件形成了本实施方式的固体润滑膜和现有技术的DLC膜的部件，通过使移动块相对于轨道导轨反复往复运动而比较了两者的耐久性能。另外，在LM导件上进行的往复运动根据图6所示负荷周期图的运动模式进行，具体地，设行程150mm、直线运动时的速度250mm/s、折返时的加减速度0.25G、停顿时间0.2s，对始终担负的负荷荷重0.03C(162N)及0.06C(324N)这两个条件进行了调查。

表1无润滑耐久试验的条件

使用的无润滑耐久试验机60具有图7所示的构成。构成试验对象的LM导件70中，轨道导轨71固定设置在无润滑耐久试验机60的底座61上。在轨道导轨71上，设置往复运动自如的3个移动块72，在位于两端的两个移动块72上组装门型的塔架62。在该塔架62上，设置可向铅直下方向施加负荷力的弹簧63，该弹簧63通过测力传感器64与位于中央的移动块72连接。测力传感器64，因为可将弹簧63的负荷荷重转变为电压的变化来测定，所以可通过荷重的显示、记录、控制而实现稳定的负荷荷重。另外，在图7中隐藏在底座61等中看不见，但在LM导件70的旁边设置可在与轨道导轨71平行的方向引导运动的滚珠丝杠。该滚珠丝杠，利用马达65控制其转动运动，并且与塔架62连接，以便可使门型的塔架62在螺纹轴方向往复运动。因此门型的塔架62根据滚珠丝杠的转动运动而移动，由此实现移动块72的被控制的往复运动。
另外，设置在无润滑耐久试验机60上的LM导件70，具有图8A以及图8B所示的概要构成。即，LM导件70，包括具有朝向纵长方向形成的滚珠滚动槽71a的轨道导轨71、具有与该滚珠滚动槽71a对应的负荷滚珠滚动槽72a且通过多个滚珠73安装在轨道导轨71上的移动块72。又，利用滚珠滚动槽71a和负荷滚珠滚动槽72a形成无限循环通道74，多个滚珠73可在该无限循环通道74内无限循环地排列收纳。通过具有这样的构成，构成LM导件70的轨道导轨71与移动块72可利用滚珠73的滚动而自如地相对运动。
而且，对构成试验对象的本实施方式的固体润滑膜，在多个滚珠73的表面成膜。另外，在这次无润滑耐久试验中使用的LM导件70中，每隔两个滚珠73设置由四氟乙烯树脂(PTFE)构成的间隔珠75。
另一方面，成为比较对象的DLC膜，由于具有耐受高面压下的滚动的高紧贴性地在滚珠表面上成膜在现有技术中是不可能的，所以设计为在承受来自滚珠73的负荷的滚珠滚动槽71a和负荷滚珠滚动槽72a上成膜。另外，滚珠73和间隔珠75的配置条件与上述的固体润滑膜时一样。
基于上述说明的条件及方法的无润滑耐久试验的结果示于表2。关于本实施方式的固体润滑膜，准备了试验品No.1～No.8的8个样品。而它们的成膜条件完全一样，利用前面说明的装置及方法，形成在MoS2中导入了钛(Ti)的固体润滑膜。又，无润滑耐久试验的评价，通过在产生磨耗粉即使很少的时刻判断达到耐久寿命，并测量此前在轨道导轨71上移动的移动块72的行进距离来进行。
表2无润滑耐久试验的结果

如表2所表明那样，本实施方式的固体润滑膜，负荷荷重0.03C(162N)时的可行进距离最短也在587km，大大超过了在同一荷重下评价的DLC膜的可行进距离26km。又，即便在负荷荷重增加一倍的条件的0.06C(324N)时，本实施方式的固体润滑膜，记录可行进距离为173～198km，得到超过为只承受一半负荷荷重的DLC膜的可行进距离6.6～7.6倍的结果。另外，图9是利用柱状图表示表2所示试验结果的图，通过这样将无润滑耐久试验结果视觉化，可再次确认本实施方式的固体润滑膜的优越性。
如果分析获得以上良好试验结果的原因，则认为本次试验的固体润滑膜，膜自身的硬度在维氏硬度(Hv)750左右，通过具有与对方材料(object material)同程度的硬度(淬火、回火钢为Hv800左右)而不破坏对方材料，并且膜自身也磨耗缓慢。另一方面，DLC膜的硬度，通常是Hv1500～4000左右，由于钢材(对方材料)的滚动磨耗率大，所以推断发生了早期磨耗。
另外，虽然反复进行，但在进行本次无润滑耐久试验时，尽可能在同一条件下进行试验以及评价，所以发明者们调查了是否有可在具有紧贴性的状态下使DLC膜在滚珠表面成膜的技术。但是，对滚珠稳定形成DLC膜的技术现在还没有，表明如本实施方式的固体润滑膜那样对滚珠稳定地实施成膜是不可能的。从该事实也了解到本实施方式的固体润滑膜是非常划时代的技术。本实施方式的固体润滑膜，是可提高滚动引导装置上的耐磨耗性和基于滚动运动的疲劳强度的划时代的技术，以本发明的实现为首，可提供在不良润滑环境或高温真空状态、或者无油等特殊环境下，具有充分的面压，可耐滚动滑动运动的滚动引导装置。
并且，本发明者们为了调查针对本实施方式的固体润滑膜的发尘的性能特点而进行了发尘试验。在该发尘试验中，比较了对滚珠形成本实施方式的固体润滑膜的LM导件、和在与该LM导件同一形状的LM导件上不形成固体润滑膜而使用真空润滑脂的情况。
又，本发尘试验，使用图10所示发尘试验装置80进行。在发尘试验装置80上，安装与前面根据图8A以及图8B说明过的LM导件70一样的设备，并且与LM导件70平行地设置有运动引导装置82。该运动引导装置82具有与马达81连接的滚珠丝杠82a、可伴随滚珠丝杠82a的转动运动而往复运动的移动块82b。而且，移动块82b和LM导件70的移动块72利用L字形的构造部件83连接，所以LM导件70具有的移动块72可通过控制马达81而进行希望的动作。
LM导件70的周围，利用丙烯酸酯壳体85覆盖，以便可排除来自外部的灰尘而测定仅来自LM导件70的发尘量。在丙烯酸酯壳体85上连接颗粒计数器86，从而可测定丙烯酸酯壳体85内的发尘量。
而且本次的发尘试验根据表3所示的条件进行。发尘试验的具体动作条件是行程200mm、直线运动时的速度250mm/s、折返时的加减速度2.548m/s2(0.26G)、停顿时间0.08s。又，在丙烯酸酯壳体85的容量为1616cm2、清洁的空气供给量为1升/210s(0.3升/min)的条件下测定50Hr具有0.1μm以上的粒子直径的粉尘。但关于使用了真空润滑脂的LM导件，由于试验中的发尘量增大，而采用了测定时间15Hr的结果。
表3发尘试验条件

根据以上条件进行的发尘试验的结果表示如下。表4是关于各颗粒/尺寸(μm)的发尘量，汇集本实施方式的固体润滑膜时和使用了真空润滑脂时的结果。另外，在表4中，上表表示发尘量的最大值，下表表示发尘量的平均值。
表4发尘试验结果


从该表4了解到本实施方式的固体润滑膜具有对耐发尘性的良好特性。特别是易发尘的小粒径的发尘量显示为最大值4个/升(210s)、平均值0.1两个/升(210s)的良好值，与真空润滑脂时比较显然其耐发尘性强。另外，图11是利用柱状图表示表4的下表所示的试验结果的图，通过这样将发尘试验结果视觉化，可再次确认本实施方式的固体润滑膜的优越性。
图12以及图13表示使用本实施方式的固体润滑膜的滚动引导装置的一形式。该滚动引导装置160具有作为轨道部件的轨道导轨161、经由作为滚动体的滚珠162…移动自如地安装在该轨道导轨161上的移动体163。
轨道导轨161是具有大致矩形截面的纵长部件，在其两侧面在轨道导轨161的全长上左右各形成一条可承装滚珠162的负荷滚动槽161a…。在轨道导轨161上，在其纵长方向隔适当间隔地形成多个螺栓安装孔161b。利用螺纹连接在这些螺纹安装孔161b上的螺栓(未图示)，轨道导轨161固定在既定的安装面上，例如工作设备的底座的上表面。另外，图示的轨道导轨161是直线状，有时也使用曲线状的轨道。
移动体163，具有由钢等强度高的材料构成的块主体164、将该块主体164作为内插件而一体注射成形的合成树脂制的模成形体165、在该模成形体165的两端被螺栓(未图示)固定的侧盖166、166。该合成树脂，希望采用四氟乙烯树脂(PTFE)、聚酰亚胺(PI)、聚酰胺(PA)、聚甲醛(POM)、聚酯、酚醛树脂、环氧树脂、聚醚醚酮(PEEK)或聚醚砜(PES)的至少一种。另外，有时也将模成形体165与块主体164分体成形，在之后的工序中组合两者。又，移动体163，也可不包含树脂，而构成为在钢上打孔的构造的块。
在块主体164上，设置有分别与负荷滚动槽161a、161a对置的两条负荷滚动槽164a、164a。利用这些负荷滚动槽161a、164a的组合，在轨道导轨161与移动体163之间形成两条负荷滚动通道167、167。在块主体164的上表面164b上形成多个(在图13中是4个)内螺纹164c…。利用这些内螺纹164c，移动体163被固定在既定的安装面上，例如工作设备的床鞍或操作台的下表面。
在模成形体165上形成与各负荷滚动通道167、167并行延伸的两条返回通道168、168。在模成形体165的两端面，在负荷滚动槽164a与返回通道168之间形成拱状突出的滚珠引导部165a…(在图13中仅表示了一端面侧的一个)。在侧盖166上与滚珠引导部165a对应形成拱状凹陷的滚珠引导槽166a。
通过将侧盖166固定在模成形体165上，从而组合滚珠引导部165a与滚珠引导槽166a，在它们之间形成连接负荷滚动通道167与返回通道168的U字形方向转换通道169。利用返回通道168和方向转换通道169构成滚珠162的无负荷滚动通道170，利用该无负荷滚动通道170和负荷滚动通道167的组合构成无限循环通道171。无限循环通道171的截面形状以及尺寸，分别设定为在负荷滚动通道167上描绘成与滚珠162同一直径的圆形截面，在无负荷滚动通道170上描绘成稍微大于滚珠162的直径的圆形截面。
如图13所示，在模成形体165上，为了防止滚珠162在从轨道导轨161抽出移动体163时从负荷滚动通道167上脱落，夹着负荷滚动槽164a地形成一对滚珠保持部165b、165b，负荷滚动通道167上的引导槽172在这些滚珠保持部165b、165b上形成。另外，在返回通道168上，相对模成形体165一体形成引导槽172，在方向转换通道169上在滚珠引导部165a与滚珠引导槽166a之间形成引导槽172。
而且，在本实施方式中，对作为滚动体的滚珠162…形成由上述CUMS装置形成的固体润滑膜。该固体润滑膜，具有图4或图5所示的膜构造，在膜的最表面具有低摩擦系数，并且是耐内部的反复应力且紧贴力高的膜。这样的固体润滑膜，不会从膜的内部或边界部破损，作为自膜表面以最小的速度磨耗的膜可实现可靠性高的理想的状态，所以通过使用在图12以及图13所示的滚动引导装置中，含润滑不足在内的不良润滑环境或高温真空状态、或者不能使用润滑脂等润滑剂的状态等特殊环境下的滚动引导装置的使用成为可能。
另外，基于CUMS装置的固体润滑膜的形成对象，不限于作为滚动体的滚珠162…，可用于负荷滚动通道167或无负荷滚动通道170等承受滚动压力/滑动压力的部件的至少1个的表面。在本实施方式中，仅在作为滚动体的滚珠162…上形成固体润滑膜，是因为可容易实施基于CUMS装置的固体润滑膜的形成。
并且，在上述滚动引导装置的滚珠162…之间，可设置比滚珠162…等滚动体或固体润滑膜柔软的间隔部件。该间隔部件具体地可采用直径小于作为滚动体的滚珠162…的直径的间隔珠或保持件。这样的间隔部件，可防止滚珠162…相互间的干涉以及碰撞，或滚珠的脱落，并且可实现滚珠162…的排列运动，还可结合间隔部件的自润滑性和与固体润滑膜的复合润滑效果，发挥可大大改良滚动引导装置的耐磨耗性的效果。
作为间隔部件的具体形状，可采用如图12以及图13中例示，且图14更详细所示的由衬垫部181和臂部182、182构成的间隔部件180。
另外，在图12、图13以及图14所示的滚动引导装置中，例示了间隔部件180具有臂部182、182的情况，当然也可如图15以及图16中例示那样仅利用衬垫部181构成间隔部件。又，在图12、图13以及图14中，例示了具有两条无限循环通道171的滚动引导装置而进行说明，但即使是图17中所示的具有4条无限循环通道171的滚动引导装置，当然也可使用本实施方式的固体润滑膜。
并且，间隔部件，也可构成为图18例示的直径小于滚珠162…的直径的间隔珠185，并且，也可构成为图20例示的保持件186。
间隔珠185的插入个数，也可如图18所示那样相对于1个滚珠162插入1个间隔珠185，或也可如图19例示那样以1个间隔珠对两个滚珠162的比例插入间隔珠185。关于该间隔珠185的插入个数，希望插入至少1个以上，而且，希望使滚珠162一定要被间隔珠185隔开。因此，设滚珠162的个数为X，间隔珠185的个数为Y时，希望以下述关系式成立的方式插入间隔珠185。
1≤Y≤(X+1)另一方面，图20所示的保持件186，具有介于滚珠162…间的多个间隔件187…、将该间隔件187…的两侧缘一体地连结的带状部件188。间隔件187…形成圆筒状，其圆筒的外径设定得小于滚珠162…的直径。在各间隔件187…的轴线方向两端，对应滚珠162而形成与该滚珠162的半径大致相等的曲率半径的曲面状凹部。使得在将间隔件187…配置在滚珠162…之间时，间隔件187…的轴线位于连接滚珠162…的中心的线上。间隔件187…，轴线方向的长度设定得薄，使得滚珠162…相互之间的距离达到必要最小限度的间隔。
关于带状部件188，厚度是一定的，连接在间隔件187的侧面的两侧(图20中，仅表示了单侧)。该带状部件188具有挠性从而可柔软地对应方向转换通道169。
但该带状部件188，如图21所示也可省略，也可仅利用间隔件187…构成间隔部件。即使是这样省略了带状部件188的间隔部件，也可发挥与图20所示的保持件186同样的效果。
作为上述间隔部件的材质，希望由包含四氟乙烯树脂(PTFE)、聚酰亚胺(PI)、聚酰胺(PA)、聚甲醛(POM)、聚酯、酚醛树脂、环氧树脂、聚醚醚酮(PEEK)或聚醚砜(PES)的至少一种的树脂构成。而且，间隔部件以从其中选择的树脂单体或复合树脂为原材料，利用注射成形等一体形成。
上述树脂中，特别是四氟乙烯树脂(PTFE)具有自润滑性，作为固体润滑也得到广泛应用，所以优选使用于本实施方式的滚动引导装置。这是因为四氟乙烯树脂(PTFE)从其构造上具有非常低的摩擦系数，且在对方摩擦面上形成移附膜(transfer film)而发挥润滑性。并且，为了提高耐磨耗性，也可将四氟乙烯树脂(PTFE)与碳素材料、或四氟乙烯树脂(PTFE)与碳素纤维、非结晶碳素、玻璃、陶瓷、与其他的树脂的复合材料用作间隔件或保持件。
又，若在本实施方式的固体润滑膜上，还形成薄的四氟乙烯树脂(PTFE)移附膜，则该移附膜可使导入了金属原子的MoS2或WS2的膜的表面能量下降，可降低与钢以及陶瓷的摩擦系数。因此，也可大大降低比磨耗率或发尘率。
关于使用本实施方式的固体润滑膜的滚动引导装置，也可构成为图22所示的滚珠丝杠装置。图22是表示使用本实施方式的固体润滑膜的滚珠丝杠装置的一种形式的图。
如图22所示，滚珠丝杠装置190，具有作为轨道部件的丝杠轴191、作为经由多个作为滚动体的滚珠162…移动自如地安装在该丝杠轴191上的移动体的螺母192。在丝杠轴191的外周，形成绕丝杠轴191螺旋状延伸的两条负荷滚动槽191a、191a。
螺母192，具有利用钢等强度高的材料构成的螺母主体193、安装在其两端的盖体194、194。在螺母主体193的外周，形成用于使螺母192相对其对方部件安装的突缘192a。在螺母主体193的内周，形成分别与负荷滚动槽191a、191a对置而螺旋状延伸的两条负荷滚动槽193a、193a。利用这些负荷滚动槽191a、193a的组合，形成螺旋状的两条负荷滚动通道195、195。
在螺母主体193的内部，形成在轴向贯通螺母主体193的两条返回通道196、196。盖体194具有返回构件197和覆盖在其外侧的套198，在左右的返回构件197上形成有分别连接返回通道196与负荷滚动通道195的方向转换通道199、199。利用返回通道196、196与方向转换通道199、199的组合构成滚珠162的无负荷滚动通道200、200，利用这些无负荷滚动通道200、200与负荷滚动通道195、195的组合构成两条无限循环通道201、201。
而且，在本实施方式中，对作为滚动体的滚珠162…形成有利用上述CUMS装置形成的固体润滑膜。该固体润滑膜，具有图4或图5所示的膜构造，膜最表面上具有低摩擦系数，并且耐内部的反复应力且紧贴力高。这样的固体润滑膜，由于不会从膜的内部或边界部破坏，可实现作为以最小的速度从膜表面磨耗的膜最理想的状态，所以通过使用在图22例示的滚珠丝杠装置190中，在含润滑不足在内的不良润滑环境或高温真空状态、或者不能使用润滑脂等润滑剂的状态等特殊环境下的滚动引导装置的使用成为可能。
另外，基于CUMS装置的固体润滑膜的形成对象，不限于作为滚动体的滚珠162…，可用于负荷滚动通道195或无负荷滚动通道200等承受滚动压力/滑动压力的部件的至少1个的表面。在本实施方式中，仅在作为滚动体的滚珠162…上形成固体润滑膜，是因为可容易地实施基于CUMS装置的固体润滑膜的形成。
并且，在滚珠丝杠装置190的滚珠162…之间，可设置比滚珠162…等滚动体或固体润滑膜柔软的间隔部件202。该间隔部件202，可与上述直线型的滚动引导装置160时一样，采用直径小于作为滚动体的滚珠162…的直径的间隔珠或保持件。这样的间隔部件202，可防止滚珠162…相互间的干涉以及滚珠162…的脱落，并且可实现滚珠162…的排列运动，还可结合间隔部件202的自润滑性和与固体润滑膜的复合润滑效果，发挥可大大改良滚动引导装置的耐磨耗性的效果。另外，作为间隔部件202的形状以及材质，也可与上述直线型的滚动引导装置160时一样，所以省略说明。
另外，本实施方式的滚珠丝杠装置190，不限于图22所示的在螺母主体193的两端安装另外部件的返回构件197而构成方向转换通道199的形式。也可是下述构造的滚珠丝杠装置例如图23所示的将返回管210、210安装在螺母主体193上，而利用形成在这些返回管210的内部的无负荷滚动通道、和负荷滚动通道195构成无限循环通道的构造，或图24所示的将多个(图中仅表示两个)导向器220…安装在螺母主体193上，而利用形成在这些导向器220上的无负荷滚动通道、和负荷滚动通道195构成无限循环通道的构造。即使对于以不同的构造使滚珠162…循环的滚珠丝杠装置(例如图23中的返回管210或图24中的导向器220等)，如果使用本实施方式的固体润滑膜，则可获得与上述滚动引导装置160或滚珠丝杠装置190一样的良好的效果。
以上说明了本发明的优选的实施方式，但本发明的技术范围不限于上述实施方式所述的范围。可对上述实施方式进行多种变更或改进。例如，本实施方式的固体润滑膜，说明了对利用MoS2、WS2、石墨而构成的层状结晶化合物导入金属原子的情况，但层状结晶化合物也可使用金刚石状碳或类金刚石碳(DLC)。经过这样变更或改进的形式也包含在本发明的技术范围，这在权利要求范围的记述中说明。
权利要求
1.一种滚动引导装置，具有轨道部件、经由多个滚动体而移动自如地安装在上述轨道部件上的移动体，上述多个滚动体，设置在无限循环通道上，该无限循环通道包括形成在上述轨道部件与上述移动体之间的负荷滚动通道、和以连结该负荷滚动通道的一端与另一端的方式形成在上述移动体上的无负荷滚动通道，其特征在于，对上述多个滚动体、上述负荷滚动通道或上述无负荷滚动通道的至少一个的表面，形成在层状结晶化合物中导入了金属原子的固体润滑膜。
2.如权利要求1所述的滚动引导装置，其特征在于，上述固体润滑膜利用封闭磁场不均衡磁控溅射法而成膜。
3.如权利要求1或2所述的滚动引导装置，其特征在于，上述层状结晶化合物包含MoS2、WS2或石墨的至少1种化合物，上述金属原子，包含钛(Ti)、钨(W)、铝(Al)、铬(Cr)、锆(Zr)、硅(Si)或硼(B)的至少1种元素。
4.如权利要求1～3中任一项所述的滚动引导装置，其特征在于，上述固体润滑膜，膜厚在0.5～3μm的范围内。
5.如权利要求1～4中任一项所述的滚动引导装置，其特征在于，上述固体润滑膜中的上述金属原子的含有率在20％以下。
6.如权利要求1～5中任一项所述的滚动引导装置，其特征在于，上述固体润滑膜，在使用洛氏的金刚石压头的划痕硬度试验中临界紧贴力在40N以上。
7.如权利要求1～6中任一项所述的滚动引导装置，其特征在于，上述固体润滑膜，维氏硬度(Hv)在500以上，且在1×10-3Torr以下的真空中与硬度HRC55以上的钢材的摩擦系数在0.07以下。
8.如权利要求1～7中任一项所述的滚动引导装置，其特征在于，在上述多个滚动体之间，设置比上述滚动体以及上述固体润滑膜柔软的间隔部件，该间隔部件，是直径比上述滚动体的直径小的间隔珠或保持件。
全文摘要
滚动引导装置(160)，具有作为轨道部件的轨道导轨(161)、和经由滚珠(162)移动自如地安装在该轨道导轨(161)上的移动体(163)。而且对滚珠(162)形成由封闭磁场不均衡磁控溅射装置(CUMS装置)形成的固体润滑膜。该固体润滑膜，在膜的最表面具有低摩擦系数，并且耐内部的反复应力，且紧贴力高。这样的固体润滑膜，不会从膜的内部或边界部破损，自膜表面以最小的速度磨耗，所以可发挥可靠性高的理想的固体润滑功能，通过将这样的紧贴性以及耐磨耗性提高了的固体润滑膜用于滚动引导装置，可提供在不良润滑环境或高温真空状态、或者无油等特殊环境下可使用的滚动引导装置。
文档编号F16H25/22GK101065589SQ20058004082
公开日2007年10月31日 申请日期2005年9月30日 优先权日2004年9月30日
发明者山中茂, 杨宏 申请人:Thk株式会社