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HEFグループ、樹脂製筐体のEMC対策で電磁波シールドPVDコーティングの提案を強化

　自動車において電動化・電子化が急激に進む中で安全性・快適性・省エネルギー化の点で電磁ノイズ問題の解決、つまりEMC（電磁両立性）対策が必要不可欠な取組みとなっている一方で、自動車の燃費向上、電費改善の点から軽量化を目的に多くの車載部品で樹脂化が急激に進展、それら樹脂製筐体において電磁波シールド（電磁波遮蔽）性を付与する技術が強く要求されている。

　ここでは、15年以上前から物理蒸着（PVD）法による電磁波シールドコーティング「PROCEMTM」を開発している仏HEFグループの日本国内における取組みについて、HEFグループで日本におけるマーケティング・技術支援を行うHEF DURFERRIT JAPAN社長のジュリアン グリモ氏と、受託加工を手掛けるナノコート・ティーエス社長の熊谷 泰 氏に話を聞いた。

左から、グリモ氏、熊谷氏

 

電子化が進む自動車におけるEMC対策の必要性

　EMC（電磁両立性Compatibility）とはEMI（電磁妨害Interference／エミッション問題）とEMS（電磁妨害感受性Susceptibility）を両立させることをいうが、一方で有効利用される電波が、他方ではノイズになるということが問題を複雑にしており、電子化が進む自動車において、安全性・快適性・省エネルギー化を考える上で、電磁ノイズ問題の解決、つまりEMC対策は必要不可欠な取組みとなっている。

　内燃機関を持つ自動車で約3万点、電気自動車で約1万点といわれる自動車部品において、電子部品の占める割合は年々高まってきている。電子化が進む自動車には内燃機関車で100個程度のECU（電子制御ユニット）が使われ、これらのECUは車載LANによってネットワーク化されており、車載LANは電動パワーステアリング（EPS）などのパワートレイン系・シャーシ系、ドアコントロール機器などのボディ制御系、ナビゲーション機器などのマルチメディア系、エアバッグなどの安全系に分類される。一方で、自動車の燃費向上、電費改善の点から軽量化を目的に、パワートレイン系、ボディ制御系、マルチメディア系、安全系の多くの部品において樹脂化が急激に進展しており、それら樹脂製筐体において電磁波シールド（電磁波遮蔽）性を付与する表面改質技術が強く要求されている。

　ユーザーの課題をトライボロジーの総合力で解決する「トライボロジー研究センター」である仏HEF社では、15年以上も前から、特に日本の電子機器メーカーにおいて樹脂製筐体に電磁波シールド性を付与したいとのニーズに応え、物理蒸着（PVD）法による電磁波シールドコーティング「PROCEMTM」を開発しているが、近年、HEFグループのナノコート・ティーエスの石川事業所（石川県能美市）において、PROCEM膜の受託加工を開始。自動車の電動化、さらには先進運転支援システム（ADAS）や自動運転に向け、搭載点数の進む電子部品で要求の強い、電磁波シールド性に関する日本国内での各種ニーズに対し、迅速に細やかに対応している。

電磁波シールドPVDコーティング

　HEFが開発したPVDコーティングPROCEMは、樹脂や複合材料に電磁波シールド機能を付与するための導電性の多層金属膜である。

　導電性コーティングは、筐体設計を基本的に変えることなく樹脂製筐体への電磁波シールド機能を付与するために用いられている方法の一つで、自動車用電装機器は酷寒から灼熱までの広い温度範囲で使われるばかりでなく、耐振動性や耐水性など、一般の電子機器よりもはるかに高いレベルの特性・信頼性が求められる。このため、車載機器においてはEMC問題の解決だけでなく、耐食性、はんだ付け性など多様な要求性能への適合が突き付けられている。

　PROCEMコーティングは、自動車電装機器で要求される電磁波シールド仕様（ノイズ減衰性能）をクリアするだけではなく、薄膜のため成膜前後の筐体の寸法変化や重量変化がなく、マスキングが必要な部分の仕上がり具合などの問題を同時に解決できる。

PROCEM膜の概要

　電磁波シールドの原理は、電磁波の反射減衰（10MHz～5GHz）や吸収減衰（F＞5GHz）などのメカニズムによって電磁波エネルギーを滅衰させるもので、電磁波を減衰させることにより精密機器への悪影響が回避される。

　PROCEMは、銀ベース、銅ベース、アルミベースの導電性多層膜構成とすることで電磁波シールド機能を付与するコーティングで、ナノコート・ティーエス 石川事業所では、スパッタリング＋プラズマCVDのハイブリッドプロセスを用いた成膜温度90℃以下の低温処理が可能なHEF製の中型成膜装置「TSD 550」（図1）を導入して、受託加工を実施している。銀ベースや銅ベースのコーティングでは腐食が発生しやすいが、多層膜構成とすることで塩水噴霧試験150時間以上に耐える耐食性の高い膜としている。

　電磁波シールド性を表す代用物性値として、抵抗率が用いられ、抵抗率の小さいものほど電磁波シールド性が高くなる。PROCEM膜では体積抵抗率1～5×10-6Ωcmという低い体積抵抗率、つまり高い電磁波シールド性を実現している（表1参照）。

　また、シールド性能はdB（デシベル）を使って表現する。電磁波がどの程度減衰したかを相対的に表現する数字で、シールド前の電界強度とシールド後の電界強度の比（減衰量）を対数で表現したものとなる。

　シールド性能（dB）＝20×log（シールド後の電界強度／シールド前の電界強度）

　多くの場合、減衰効果の狙いは60～80dBで、例えばシールドによって電磁波が1/1000になった場合を—60dB（シールド率99.9％）、1/10000になった場合を—80dB（シールド率99.99％）と表記する。自動車用機器で要求される電磁波シールド効果が周波数により—35～—55㏈なのに対して、PROCEM膜では周波数により—65～—125㏈という減衰効果を実現して、自動車電装機器の電磁波シールド仕様を十分にクリアしている（図2）。参考までに、銅ベース、アルミベース、銀ベースの各PROCEM膜の減衰効果を図3に示す。
 

図1　ナノコート・ティーエス石川事業所に設置した
中型成膜装置「TSD 550」

 

表1　PROCEM膜の仕様

 

図2　PROCEM2膜の減衰効果

 

図3　銅ベース、アルミベース、銀ベースの各PROCEM膜の減衰効果

 

めっきに対する利点

　樹脂製筐体への電磁波シールド機能を付与する手法としては、HEFが開発したPVDコーティング以外に、電磁波シールドめっきや電磁波シールド塗料などを処理する手法もあるが、電磁波シールドめっきと比較した場合、電磁波シールドPVDコーティングPROCEMには以下のような利点がある。

①主な樹脂基材およびコンポジット基材に直接成膜できる
　めっき処理では、樹脂表面とめっき皮膜との密着性を高める目的で、樹脂表面に凹凸を形成する物理的効果と官能基を生成させる化学的効果を付与するためのエッチング処理がなされるが、現時点でABS樹脂やポリカーボネート（PC）樹脂など限られた樹脂を対象とした専用エッチング液しか市場にないため、めっき処理が可能な樹脂基材が制約されている。

　これに対して、PROCEM膜では、ABS・PC・ポリアミド（PA）・ポリメチルメタクリレート（PMMA）・ポリアリルアミン（PAA）・ポリイミド（PI）・ガラス繊維など、ほとんどの樹脂基材およびコンポジット基材に対して、めっき皮膜に比べて密着性が極めて高く耐食性も極めて高い電磁遮蔽被膜をダイレクトに成膜できる。

②ドライコーティングのため環境にやさしい
　めっき処理ではエッチング工程における六価クロムなど環境負荷の大きい物質が使用されるのに対して、PROCEM膜はスパッタリングにより成膜される、環境負荷が極めて小さいドライコーティングである。

③薄膜のため高精度・軽量性を保持
　めっき皮膜では電磁波シールド機能を付与するのに数十μmと厚膜にする必要があるのに対して、PROCEM膜では膜厚1～2μmの薄膜で電磁波シールド機能を付与できるため、樹脂製筐体への成膜前後の寸法変化がなく、また、重量変化もほとんどない。

電磁波シールドPVDコーティングとDLCコーティングとの複合処理

　HEFでは複合多層膜のため密着性に優れ高負荷でもはく離を起こさない、耐摩耗性や潤滑性に優れたダイヤモンドライクカーボン（DLC）コーティング「CERTESS™（セルテス）DLCシリーズ」をラインナップしている（表2）。

表2　主なCERTESS（セルテス）DLCシリーズ

 

　車載機器では電動化の進展とともにセンサー類の搭載が増大してきているが、センサーは走行の安全性や快適性を守るべく、自動車の振動や塵埃といった悪環境、広い温度範囲でも正確に動作する必要があり、ナノコート・ティーエス 石川事業所では、センサー類の表面に電磁波シールドPVDコーティングPROCEMを施すとともに、最表面に耐摩耗性など高耐久性を付与するDLCコーティングCERTESSを複合処理することにも対応。センサー類の高い動作信頼性を実現できる。

今後の展開

　電磁波シールドPVDコーティングPROCEMは高い電磁波シールド性とともに高耐食性を有し、薄膜のため高精度で軽量といった多くの特徴を持つことから、自動車カーナビ筐体（図4）などの車載電装機器のほか、電話コネクターや軍事用暗視カメラ（図5）、歯医者用レントゲン撮影機など各種の産業分野で採用されている。

図4　自動車カーナビ筐体

 

図5　軍事用暗視カメラ

 

　上述のとおりナノコート・ティーエス 石川事業所において、すでにPROCEM膜の受託加工が開始されているが、自動運転に向けて電子機器の搭載が急激に進む自動車にあって、軽量化を目的に採用の進む樹脂製部品への電磁波シールドコーティングに対するニーズは多種多様になっていくものと思われる。

　同社およびHEFでは、電磁波シールドPVDコーティングPROCEMの、めっきなど他の電磁波シールド手法と比べた際の高い生産性や高い精度（高品質）、軽量化への寄与、環境負荷の低減といった多くのメリットを日本国内の電子機器メーカーや成形材料メーカーなどに訴求するとともに、多様なアプリケーションでの成膜・試験データを蓄積しつつ、DLCコーティングとの複合化など各種ユーザーニーズに対応できる電磁波シールドPVDコーティングの手法を確立していくことで、電磁波シールド用途のドライコーティングの市場を拡大していく。

kat 2022年7月7日 (木曜日)

木村洋行、直接潤滑方式LEG油膜軸受の提案を強化 in

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kat 2022年07日07日(木) in

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　木村洋行（https://premium.ipros.jp/kimurayoko/）では、キングスベリー社の日本販売代理店として、同社製の直接潤滑方式LEG油膜軸受を長年取り扱っている。同軸受は発電所などエネルギー関連設備で数多く採用されているが、エネルギー需給がひっ迫する中にあって、発電所で稼働する回転機械の効率を向上できる同軸受への注目も高まってきている。

　ここでは、同軸受の提案・適用拡大を進める木村洋行に、キングスベリー社の直接潤滑方式のスラスト軸受「LEG（Leading Edge Groove）スラスト軸受」の特徴と適用のメリットを中心に話を聞いた。

 

LEGスラスト軸受の構成および機能

　LEGスラスト軸受は、主にティルティングパッド（またはシュー）、ベースリング、オイルフィードチューブ、レベリングプレートから構成される（図1）。

図1　LEGスラスト軸受の構成

 

　パッドは、低炭素鋼表面に、スズを主成分とするホワイトメタル合金を鋳込んだものが標準材質となる。表面温度が160℃付近に達するとホワイトメタルが溶出し始め、軸受としての機能が損なわれるため、LEGスラスト軸受では運転時のパッド表面の最高温度が120℃以下となるよう、撹拌抵抗の低減や低温油膜の形成につながる様々な工夫がなされている。また、パッド本体に温度センサを取り付けてパッド表面温度を常時モニタリングし、閾値を超えた際にアラームを出す予兆保全システムが組まれることも少なくない。

　LEGスラスト軸受は一方向回転での使用を前提に設計されているため、パッドそれぞれの前縁部に給油溝（LEG）を設けることで、給油溝から直接パッド表面を潤滑できる機能を有する。また、キングスベリーのパッド底面にはピボットと呼ばれる球面形状の支点を設けており、これにより各パッドが自動でティルティング（調心）し、均等に荷重を受けようとする。通常はパッド有効長の50%の位置にピボットが設けられている（センターピボット）が、LEGの場合は前述のとおり一方向回転を前提としているため、パッド有効長の60%の位置にピボット（オフセットピボット）が設けられている。これによって、スラストカラーとパッドの間に「くさび型の油膜」がより形成されやすくなる。

　ベースリングは、パッドとレベリングプレートを適切な位置で保持し、ベースリング背面の環状の給油溝とパッド表面のLEG溝を接続するオイルフィードチューブによって、ベースリング側からパッド表面に潤滑油を直接給油する。

　上下2 段のレベリングプレートは、ロータにミスアライメントがある場合でも軸方向に動作してパッドの軸方向位置を補正するため、後述するイコライジング機能をベアリングに持たせることができる。

　こうした独自の構成要素と後述する機能によって、従来の油槽式と比較してLEGスラスト軸受は以下の特徴を有する。

・最も高温になりやすいパッドの75%／75%位置の表面温度が、荷重と回転スピードに応じて、油層式より8～28℃低下

・負荷能力が15～35%向上

・潤滑油量が最大60%低下するため、損失馬力も45%低減

 

LEGスラスト軸受適用のメリット イコライジング機能

　キングスベリー型スラスト軸受の最大の特徴は「イコライジング機能」を有することである。イコライジング機能とは、ミスアライメントが原因でスラスト軸受の各パッドに掛かる荷重に差異が生じた場合でも、上下2 段のレベリングプレートが動作することでパッドの軸方向位置を調整し、

　各パッドに掛かる荷重を平均化して、パッドの片当りを防止する機能のことをいう（図2）。
実際の回転機械では、横軸ロータのたわみや、スラストカラーとハウジングとのミスアライメントをゼロにはできない。そのため、イコライジング機能を持たないミッチェル型スラスト軸受の場合はレベリングプレートがないため軸方向の厚さ寸法を抑えられるものの、理論上はスラスト軸受全体として許容可能な荷重でも、片当たりによって特定のパッドに荷重が集中すると、このスラスト軸受は過負荷によって損傷する可能性がある。

図2　上下2段のレベリングプレートによるイコライジング機能

 

　これに対してイコライジング式のキングスベリー型は、構成部品に上下2段のレベリングプレートを含むため軸方向の厚さ寸法は増すものの、レベリングプレートによるイコライジング機能の効果で特定のパッドに荷重が集中せず、すべてのパッドの負荷レベルを平均化できるメリットがある。このイコライジング機構とティルティングパッドの機能が相まって、0.13°までのミスアライメントが許容可能となっている。

　ただし、イコライジング式であればスラスト軸受とロータのミスアライメントは許容できるが、非イコライジング式と同様にロータとスラストカラーの直角度が引き続き重要であることには留意が必要である。

　イコライジング式のキングスベリー型と非イコライジング式のミッチェル型では、前述のようにそれぞれ違いがあるため、回転機メーカーの設計者は両方式のメリットとデメリットを理解した上での軸受選定が必要である。

 

LEG方式

　油槽式軸受では、軸受箱内を潤滑油で満たすことで油膜を形成させているが、油膜部分以外にも油膜軸受の機能としては不要な部分にまで過剰な油量が必要とされ、また高速回転時の撹拌ロスが大きい（損失馬力が大きい）。さらなる高速化を図り損失馬力を低減した高効率な装置を作る必要性から、スラストカラーとパッドの間に必要量の潤滑油のみを給油する直接潤滑方式が、キングスベリー社のLEG方式、欧州で開発されたスプレー方式として、それぞれ開発された。

　キングスベリーが開発したLEG軸受は、低温の潤滑油がパッド前縁側のLEG溝から直接給油され、回転とともにスラストカラーとパッドの間に均一に効率的に油膜が形成される（図3）。このため、油槽式に比べて給油量が少なくて済み、また、撹拌抵抗を小さくできるため損失馬力を大幅に低減できる。油槽式と異なりオイルシールリングも不要となり、ここでも撹拌抵抗を低減している。

 

図3　LEG直接潤滑方式

 

　軸受ハウジング下部に設けられた大きな直径の排油口からパッド後縁部の高温の残留油を積極的に排出するとともに、LEG溝からは冷却された低温の潤滑油が直接供給されるため、パッドの温度を低下させることができる。その結果、パッド温度が低くなる分だけ軸受の許容荷重を増やすことが可能となっている。

　LEG方式では軸受ハウジングの外部にオリフィスを設けて油量を調整している一方、欧州で開発されたスプレー式は、オリフィスの機能を持ったスプレーノズルによってスラストカラーに対して潤滑油を吹き付け、パッドとの間に潤滑油膜を形成する方式をとる。給油量の削減やメカロスの低減については効果が見込めるが、スプレーノズルから低温の油が供給されても、パッド後縁部の高温の残留油によってパッドの表面温度が下がりにくくなる可能性がある。また、スプレー方式ではノズル穴がオリフィスの機能を持つためにノズルの穴径が小さく、潤滑油の管理レベル次第では油中の異物による目詰まりの発生が懸念される。これに対して、LEG方式ではオイルフィードチューブの径が大きいため目詰まりが発生することもない。

　従来の油槽式の軸受をLEGスラスト軸受に交換することで、同じ軸受サイズのままでも給油量と損失馬力の低減、メタル温度の低下を実現でき、結果的に軸受負荷能力を飛躍的に向上できる。回転機械の効率化による省エネルギー性能の向上とランニングコスト低減など、回転機械の付加価値向上が図れる。こうした軸受の油槽式からLEG直接潤滑式へのアップグレードによって、既存の回転機械の性能向上を図ることも有効である。

　ただしその際、油槽式の軸受ハウジングをそのまま使用すると排油口がハウジング上部に設けられているため、せっかくLEG式に軸受のアップグレードをしても必要な排油がなされず、油槽式のように潤滑油を軸受箱内で溜め込んだままとなり、直接潤滑式のメリットを活かせなくなる。従って、LEG直接潤滑式の性能を活かすためには、軸受ハウジングの小改造が必要となる。

 

高速性能

　センターピボットのキングスベリー製を含む油槽式軸受やスプレー式の直接潤滑軸受は両方向回転に対応しているのに対し、LEGスラスト軸受は一方向回転での使用を前提に設計している（軸受速度によっては正回転の許容荷重の約60%で逆回転運転にも対応）。しかし、オフセットピボットを用いて正回転一方向の用途に特化したLEGスラスト軸受は、撹拌抵抗が極めて小さくパッド温度を低く抑えることが可能なことなどから、特に高速回転向けの用途で高い優位性を示す（図4）。

　図4に示すように、周速が上がるにつれて、油槽式軸受ではスラストカラーとパッド間の油膜部分から生じる機械的ロス（Film Shear）に、撹拌抵抗など荷重支持に必要のない機械的ロス（Parasitic Loss、図5参照）が加わり、損失馬力が大きくなる。これに対して機械的ロスが荷重支持に必要なFilm Shear のみとなるLEGスラスト軸受は、高速回転時の損失馬力が小さい。直接潤滑方式のメリットは、油膜とは関係のない無駄な機械的ロスといえるParasitic Lossを大幅に減らせることである。

 

図4　高周速時のLEGスラスト軸受と油槽式軸受との損失馬力の比較図5　Parasitic Lossが発生する油槽式軸受の各部位

 

　コンプレッサなど両方向回転が必要で周速が高くないアプリケーションでは油槽式軸受を選定し、高速・省エネの装置ではLEGスラスト軸受を選定するというアプローチも必要とされる。これは、周速が速い用途では前述のParasitic Lossが大きくなるのに対し、周速がさほど早くない用途ではParasitic Lossがさほど大きくないためである。

　キングスベリーのLEG式は一方向回転用途に特化しているのに対し、スプレー式はその構造上両方向回転にも対応できるため、3.1節のイコライジング機能に関する説明と同様、回転機メーカーの設計者は両方式のメリットとデメリットを理解した上での軸受選定が必要である。

用途拡大に向けた製品ラインナップの拡充

　上述の様々な特徴を有するLEGスラスト軸受のほか、同様の直接潤滑方式であるLEGジャーナル軸受（図6）、直接潤滑方式であるもののLEG式と異なり両方向回転対応のBPGジャーナル軸受、主にポンプ向けのCH自己潤滑軸受ユニットなど多様なラインナップによって、発電所関連のガスタービンや蒸気タービン、ポンプ、コンプレッサ、減速機、掘削機、船舶用タービンなど、キングスベリーの軸受製品は広範囲に適用されている。

 

図6　LEGジャーナル軸受

 

　さらなる用途拡大にあたっては、面圧を上げたい、同じサイズで性能を高めたい、同じ性能でコンパクト化を図りたいといった各種のユーザーニーズに対応する必要があるが、パッド表面の標準材質となるホワイトメタルの温度上限（120℃前後）によって、軸受の運転温度条件が制約されてしまう。そのため、使用条件に応じて、Vespel®（デュポン社製ポリイミド樹脂）など耐熱性の高いスーパーエンジニアリングプラスチックを表面に用いたパッド（図7）や、耐食性の高いステンレス製のパッドなど、ユーザーのカスタマイズの要求に対応している。 
 

図7　Vespel樹脂製パッドのスラスト軸受  今後の展開

　キングスベリーは創業100年以上の老舗企業ながら、技術開発を怠ることなく、回転機械の性能向上につながる軸受の開発を日々継続している。木村洋行では引き続き、キングスベリーの軸受が、高速回転条件で使用できるなど、各種の運転条件に対応できる軸受であることをアピールしていく。

　木村洋行ではキングスベリーからの技術支援も得ながら、サービス面においても長年にわたり綿密なサポートを行っている。キングスベリーでは面圧、周速、シャフト径といった運転条件に基づく軸受性能の計算データを蓄積し、木村洋行を通じてユーザーに提供しているが、キングスベリー社内の豊富な設備による実験・検証によって計算プログラムをアップデートしており、実際の運転結果に近い、精度の高い計算データを提供できるようになっている。

　木村洋行では引き続き、高速条件対応などの高性能の油膜軸受製品を紹介するとともに、より良いサービスを提供していくことで、回転機械メーカーの製品開発に貢献していく考えだ。