博士論文審査結果報告書

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早稲田大学大学院情報生産システム研究科

博士論文審査結果報告書

論 文 題 目

電 子 部 品 実 装 設 備 及 び 電 子 機 器 に お け る 軸 受 と 潤 滑 剤 の 長 寿 命 化 に 関 す る 研 究

申 請 者 大野 英明

情報生産システム工学専攻 生産機械システム研究

２ ０ １ ３ 年 ９ 月

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プ リ ン ト 基 板 を 生 産 す る 電 子 部 品 実 装 設 備 は 日 本 メ ー カ が 世 界 シ ェ ア の 約

7 0 %（2 0 1 2 年 度 ） を 占 め ， 先 進 国 か ら 発 展 途 上 国 ま で 広 く 使 用 さ れ て い る ．

電 子 部 品 実 装 設 備 で は ， 電 子 部 品 装 着 ヘ ッ ド と プ リ ン ト 基 板 の 位 置 合 わ せ に 転 が り 式 リ ニ ア 軸 受 （ 直 動 転 が り 軸 受 ） が 用 い ら れ て い る ． 高 速 で 長 期 間 往 復 動 運 転 す る 軸 受 を 含 め た 装 置 の 目 標 稼 働 寿 命 は 約 1 0 年 で あ る が ，出 荷 台 数 の 約 1 0％ は 稼 働 開 始 後 1 年 足 ら ず で 破 損 す る 課 題 が あ っ た ．実 態 調 査 に よ り ， 軸 受 用 潤 滑 グ リ ー ス 選 定 を グ リ ー ス の ち ょ う 度(グ リ ー ス の 見 か け 硬 さ ，規 定 円 す い の 試 料 貫 入 深 さ m m の 1 0 倍 の 数 値)を 基 準 と す る 工 場 で 破 損 事 故 が 頻 発 し て い る こ と が わ か っ た ． し か し ， 鋼 球 が 転 が る 構 造 の リ ニ ア 軸 受 は 潤 滑 不 良 で も 焼 付 き な ど の 破 損 が 起 き 難 い と さ れ ， ご く 最 近 ま で 原 因 が 不 明 で あ っ た ． 損 傷 発 生 メ カ ニ ズ ム を 解 明 し ， グ リ ー ス の 選 定 方 法 な ど の ト ラ イ ボ ロ ジ ー 面 か ら の 破 損 事 故 解 決 策 が 待 望 さ れ て い た ．

ま た ， パ ー ソ ナ ル コ ン ピ ュ ー タ な ど の 記 録 装 置 用 ハ ー ド デ ィ ス ク ド ラ イ ブ

( H D D )は 高 速 ・ 高 容 量 化 が 著 し く ， 磁 気 デ ィ ス ク の 記 録 密 度 向 上 に は ト ラ ッ

ク ピ ッ チ を 狭 く す る 必 要 が あ り ス ピ ン ド ル モ ー タ の 回 転 精 度 （ 軸 心 振 れ 回 り 誤 差 ）向 上 が 必 要 と な っ た ．2 0 0 0 年 頃 に 要 求 回 転 精 度 が 従 来 の 転 が り 軸 受 で は 対 応 で き な い 5 0 n m レ ベ ル に 向 上 し ，約 1 0 n m が 実 現 で き る す べ り 軸 受 へ の 転 換 が 進 ん だ ．動 圧 グ ル ー ブ 型 流 体 潤 滑 軸 受(流 体 軸 受)が H D D 用 軸 受 の 主 流 と な り ， 近 年 の 年 間 生 産 量 は 世 界 で 約 6 億 台 に 達 し て い る ． 長 期 無 給 油 で 使 用 さ れ る ス ピ ン ド ル モ ー タ の 技 術 課 題 は ， 軸 受 の 回 転 精 度 劣 化 と 破 損 の 防 止 で あ る ． 主 な 不 具 合 要 因 は 軸 受 用 潤 滑 剤 の 熱 劣 化 に 伴 う 粘 度 上 昇 に よ る 回 転 抵 抗 ト ル ク の 増 加 と 考 え ら れ て い た が ， 的 確 な 潤 滑 剤 劣 化 寿 命 評 価 方 法 が な く ， 実 用 的 な 劣 化 寿 命 推 定 方 法 の 確 立 が 待 望 さ れ て い た ．

本 論 文 は 上 記 の 軸 受 と 潤 滑 剤 に 関 す る 課 題 を 解 決 す る た め に ， 実 物 軸 受 を 用 い た 実 験 評 価 を 通 し て ， 軸 受 の 損 傷 発 生 メ カ ニ ズ ム の 解 明 と 損 傷 発 生 限 界 を ま と め ，製 品 へ の 適 用 を 通 し て 損 傷 防 止 対 策 の 有 効 性 を 示 し た も の で あ る ． 全 体 で 7 章 か ら 構 成 さ れ て お り ，以 下 に そ の 概 要 を 述 べ て 評 価 を 加 え て い く ．

第 1 章 「 序 論 」 で は ， プ リ ン ト 基 板 生 産 用 電 子 部 品 実 装 設 備 と H D D ス ピ ン ド ル モ ー タ の 軸 受 と 潤 滑 剤 に 対 す る 技 術 課 題 を 示 し ， 解 決 す べ き 技 術 課 題 を 明 確 に し て い る ．

第 2 章 「 リ ニ ア 軸 受 の 潤 滑 状 態 に 及 ぼ す グ リ ー ス 基 油 粘 度 の 影 響 」 で は ， リ ニ ア 軸 受 の 潤 滑 に 用 い ら れ て い る グ リ ー ス の 基 油 粘 度 に 着 目 し ， 軸 受 鋼 球 と 転 動 面 間 の 潤 滑 状 態 に 及 ぼ す 影 響 を 検 討 し て い る ． 実 機 に 使 用 さ れ て い る リ ニ ア 軸 受 を 用 い て 実 機 の 作 動 状 態 を 再 現 す る 試 験 機 を 作 成 し ， ち ょ う 度 が 一 定 で 基 油 粘 度 が 異 な る 4 種 類 の グ リ ー ス を 用 い て 転 動 面 の 潤 滑 状 態 の 差 異 を 調 べ て い る ． 潤 滑 状 態 の 尺 度 と し て は Λ 値 （ 弾 性 流 体 潤 滑 最 小 油 膜 厚 さ と 表 面 の 二 乗 平 均 平 方 根 粗 さ の 比 ） を 用 い て い る ． リ ニ ア 軸 受 は 往 復 動 の 起 点 と 終 点 付 近 で は 速 度 が 変 化 す る た め ， レ ー ル と レ ー ル 上 を 移 動 す る キ ャ リ ッ

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ジ と の 間 の 油 膜 電 気 導 通 度 を 測 定 す る こ と に よ り ， 全 運 転 域 の 潤 滑 状 態 の 確 認 を 可 能 と し て い る ． 実 験 の 結 果 ， 転 動 面 が 油 膜 分 離 に な る 条 件 が Λ> 0 . 5 で あ る こ と を 明 ら か に し て い る ． さ ら に 長 時 間 連 続 運 転 で の 潤 滑 状 態 劣 化 の 有 無 も 調 べ て い る ． 往 復 動 距 離 1 . 0 × 1 0³k m(実 験 時 間 2 6 0 H r)で ， グ リ ー ス 増 ち ょ う 剤 は 転 動 面 か ら 排 除 さ れ て い る が ， 電 気 導 通 の 状 態 は 初 期 か ら 変 化 し な い こ と よ り ， 転 動 面 の 残 存 基 油 に よ っ て 油 膜 形 成 が 維 持 さ れ る こ と を 明 ら か に し て い る ． リ ニ ア 軸 受 の 潤 滑 状 態 が 基 油 粘 度 に 支 配 さ れ る こ と を 初 め て 明 ら か に し た 点 は 高 く 評 価 で き る ．

第 3 章「 リ ニ ア 軸 受 の 転 が り 疲 労 に 及 ぼ す グ リ ー ス 基 油 粘 度 の 影 響 」で は ， 基 油 粘 度 が 潤 滑 状 態 を 支 配 す る こ と を 踏 ま え て ， 潤 滑 状 態 と リ ニ ア 軸 受 の 転 が り 疲 労 損 傷 と の 関 係 ， お よ び 転 が り 疲 労 寿 命 を 延 ば す た め の 摩 耗 防 止 剤 添 加 の 効 果 の 有 無 を 確 認 し て い る ．全 行 程 で 油 膜 分 離 が 生 じ な い 状 態(Λ< 0 . 5 )を 実 現 す る 低 粘 度 基 油 グ リ ー ス と ， ほ ぼ 全 行 程 で 油 膜 分 離 状 態 に な る 高 粘 度 基 油 グ リ ー ス を 用 い て 寿 命 比 較 試 験 を 実 施 し て い る ． 低 粘 度 基 油 グ リ ー ス で は 1 . 0 9 × 1 0⁴k m 走 行 で キ ャ リ ッ ジ 側 に 転 が り 疲 労 は く 離 が 発 生 し た が ，高 粘 度 基 油 グ リ ー ス で は 損 傷 は 発 生 し な か っ た ．転 動 面 の 元 素 分 析 を 実 施 し た と こ ろ ， 常 に 金 属 接 触 状 態 で 走 行 し て い た 低 粘 度 基 油 グ リ ー ス で は レ ー ル 全 域 で ， 高 粘 度 基 油 グ リ ー ス で は 停 止 位 置 付 近 で グ リ ー ス の 摩 耗 防 止 添 加 剤 構 成 元 素 で あ る P（ リ ン ），S（ イ オ ウ ） と Z n（ 亜 鉛 ） が 検 出 さ れ た ． リ ニ ア 軸 受 で は 基 油 粘 度 を も と に し た Λ 値 で 転 が り 疲 労 寿 命 を 評 価 で き る こ と が 分 か り ， 損 傷 が 生 じ る 転 動 面 に は 摩 耗 防 止 添 加 剤 の 表 面 反 応 を 伴 う こ と を 初 め て 明 ら か に し た 点 は 高 く 評 価 で き る ．

第 4 章「 リ ニ ア 軸 受 の 転 が り 疲 労 に 及 ぼ す グ リ ー ス 摩 耗 防 止 添 加 剤 の 効 果 」 で は ， 損 傷 発 生 防 止 効 果 が あ る 摩 耗 防 止 添 加 剤 を 明 ら か に し て い る ． 転 が り 疲 労 損 傷 は 往 復 動 の 停 止 位 置 付 近 で 発 生 し た ． 損 傷 発 生 ま で の 走 行 距 離 は Z n D T P(ジ ア ル キ ル ジ チ オ リ ン 酸 亜 鉛)+ M o D T C(ジ ア ル キ ル ジ チ オ カ ル バ ミ ン 酸 モ リ ブ デ ン)が 1 . 9 × 1 0³k m，Z n D T P が 3 . 8 × 1 0³k m， 摩 耗 防 止 添 加 剤 な し が 4 . 9 × 1 0³k m で Z n 系 が 最 も 長 い 1 . 0 9 × 1 0⁴k m で あ っ た ． 実 験 後 の 鋼 球 表 面 の 元 素 分 析 と 表 層(約 0 . 5 µ m )硬 度 を 測 定 し た 結 果 ， 添 加 剤 元 素 で あ る S，M o や Z n は ご く 表 層 に の み 存 在 し ，ナ ノ イ ン デ ン タ 硬 度 が 添 加 剤 に よ り 異 な り ，転 が り 疲 労 寿 命 は ナ ノ レ ベ ル の 反 応 膜 の 硬 度 が 低 い ほ ど 短 く な る こ と が わ か っ た ． こ れ に よ り ， 軸 受 寿 命 を 延 ば す た め に は 硬 度 が 大 き く な る 反 応 膜 を 形 成 す る 添 加 剤 を 選 定 す る こ と が 有 効 で あ る こ と を 明 ら か に し た 点 は 評 価 で き る ．

第 5 章 「 動 圧 グ ル ー ブ 流 体 潤 滑 軸 受 用 潤 滑 剤 の 劣 化 」 で は ， H D D 用 軸 受 の 流 体 膜 解 析 と 実 証 実 験 を 実 施 し ， 新 た な 軸 受 潤 滑 剤 の 粘 度 が 上 昇 す る 熱 劣 化 寿 命 評 価 方 法 を 示 し て い る ． 潤 滑 剤 の 粘 度 上 昇 率 が 大 き い と モ ー タ 負 荷 の 増 大 に よ る 起 動 不 良 が 生 じ る ． ま た ， 粘 度 低 下 が 生 じ る と 温 度 上 昇 時 に 軸 受 剛 性 が 低 下 し て 軸 振 れ が 増 加 し ， デ ー タ 転 送 不 良 が 生 じ ， 焼 付 き に 至 る ． 一 般 的 に は 潤 滑 剤 単 体 の 熱 劣 化 寿 命 予 測 は ア レ ニ ウ ス の 法 則 （ 化 学 反 応 速 度 定

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数 と 反 応 温 度 の 関 係 ） に の っ と っ て 実 施 す る が ， 軸 受 内 で 潤 滑 剤 が せ ん 断 力 を 受 け る 条 件 と 異 な る ． そ の た め ， 両 者 を 比 較 し 実 機 で の 劣 化 寿 命 を 反 映 し た 単 体 試 験 方 法 の 可 能 性 に つ い て 検 討 し て い る ． 実 機 軸 受 試 験 で は ， 潤 滑 剤 に 3 . 5 型 H D D 用 と し て 広 く 用 い ら れ て い る D O S(ジ- 2 -エ チ ル ヘ キ シ ル セ バ ケ ー ト)を 使 用 し ，軸 受 面 が 完 全 に 油 膜 分 離 す る 条 件 を 設 定 し 長 期 運 転 試 験 を 実 施 し て い る ．潤 滑 油 温 度 8 0℃ で 約 3 年 間( 2 . 3 × 1 0⁴H r )連 続 運 転 し た 流 体 軸 受 か ら 回 収 し た 潤 滑 剤 と 単 体 で 熱 劣 化 さ せ た 潤 滑 剤 の 粘 度 変 化 率 を 比 較 し た ． 比 較 し た 結 果 ， 流 体 軸 受 か ら 回 収 し た 潤 滑 剤 の 粘 度 変 化 率 が+ 0 . 5 %， 単 体 試 験 で の 予 測 値 は+ 3 %で あ っ た ． 軸 受 試 験 で 粘 度 変 化 率 が 小 さ く な る 理 由 は ， 流 体 軸 受 内 で は 潤 滑 剤 温 度 の 高 い 方 向 へ 低 粘 度 物 質 が 移 動 す る マ ラ ン ゴ ニ 効 果 に よ り ， 低 粘 度 物 質 が 軸 受 中 央 に 残 留 し 粘 度 上 昇 が 抑 制 さ れ る た め で あ る こ と が わ か っ た ． 実 機 で の 潤 滑 剤 の 寿 命 は 潤 滑 剤 単 体 の 場 合 よ り も 約 6 倍 長 く な る こ と を 明 ら か に し て い る ． 長 期 に 流 体 潤 滑 状 態 を 維 持 で き る 運 転 時 間 の 推 定 を 可 能 と し ，潤 滑 剤 の 熱 劣 化 設 計 を 行 え る よ う に な っ た 点 は 評 価 で き る ．

第 6 章 「 電 子 部 品 実 装 設 備 用 軸 受 の 実 用 化 状 況 と 今 後 の 展 望 」 で は 開 発 し た 軸 受 の 破 損 防 止 状 況 と 今 後 の 課 題 を 示 し て い る ． 国 内 生 産 設 備 で の リ ニ ア 軸 受 破 損 は 防 止 で き る よ う に な り ， 流 体 軸 受 用 潤 滑 剤 の 劣 化 と 交 換 の 指 針 を 徹 底 す る こ と に よ り 軸 受 回 転 精 度 の 維 持 が 可 能 に な っ た こ と を 示 し て い る ． 第 7 章 「 総 括 」 で は ， 電 子 部 品 実 装 設 備 と H D D 用 ス ピ ン ド ル モ ー タ の 軸 受 損 傷 防 止 に ， 検 討 し た 手 法 が 有 効 で あ る こ と を 示 し ， 残 さ れ た 課 題 を 示 し て 総 括 と し て い る ．

以 上 が 本 研 究 の 概 要 で あ る が ， こ れ を 要 約 す る と ， 電 子 部 品 実 装 設 備 や 電 子 機 器 の 耐 久 性 を 向 上 さ せ る た め に ， 軸 受 の 損 傷 形 態 と 使 用 限 界 を 把 握 し ， 具 体 的 な 損 傷 防 止 策 を 示 し て い る ． リ ニ ア 軸 受 用 グ リ ー ス の 選 定 方 法 と し て 従 来 の ち ょ う 度 に 変 わ っ て 基 油 粘 度 を 用 い る こ と ， 流 体 軸 受 用 潤 滑 油 の 熱 劣 化 評 価 方 法 と し て 単 体 試 験 と 実 機 試 験 の 寿 命 比 率 を 明 確 化 し て い る 点 は 電 子 部 品 実 装 装 置 な ど の 設 計 と 操 業 管 理 に 新 た な 知 見 を 提 供 す る 有 効 な 結 果 で あ る ． 本 研 究 成 果 は ， 電 子 部 品 実 装 設 備 や 電 子 機 器 の 軸 受 と そ の 潤 滑 方 法 に 関 す る 先 駆 的 な 研 究 開 発 と し て 評 価 で き ， ま た 学 術 的 に も 新 規 性 が あ り ， 生 産 シ ス テ ム 工 学 及 び ト ラ イ ボ ロ ジ ー 技 術 分 野 の 発 展 に 貢 献 す る も の と 言 え る ． よ っ て ， 本 論 文 は 博 士(工 学)の 学 位 論 文 と し て 価 値 あ る も の と 認 め る ．

2 0 1 3 年 7 月 2 9 日

審 査 員

主 査 早 稲 田 大 学 教 授 工 学 博 士(九 州 大 学) 松 本 將 早 稲 田 大 学 教 授 工 学 博 士(ア ー ヘ ン 工 科 大 学) 巽 宏 平 早 稲 田 大 学 教 授 工 学 博 士(早 稲 田 大 学) 犬 島 浩