(57)【要約】【課題】加工性を大幅に改善したサイアロン焼結体または窒化珪素焼結体を含む超精密加工機に最適な部品を提供する。【解決手段】β−窒化珪素粉末に焼結助剤を添加して焼結してなるサイアロン焼結体または窒化珪素焼結を用いて流体静圧案内装置部品または工具支持部品とする。これらの焼結体の曲げ強度は、４００〜６００ＭＰａ、ヤング率は、２６０ＧＰａ以上、室温における熱膨張係数は、１．５×１０−６／Ｋ以下、比重は、３．２７以下、ＳＥＰＢ法による破壊靭性値は、４〜５．５ＭＰａ・ｍ１／２であることが好ましい。【選択図】図１ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
β−窒化珪素粉末に焼結助剤を添加して焼結してなるサイアロン焼結体または窒化珪素焼結体を含む、流体静圧案内装置部品または工具支持部品。
【請求項２】
前記焼結体の曲げ強度は、４００〜６００ＭＰａ、ヤング率は、２６０ＧＰａ以上、室温における熱膨張係数は、１．５×１０−６／Ｋ以下、比重は、３．２７以下である、請求項１記載の部品。
【請求項３】
前記焼結体の、ＳＥＰＢ法による破壊靭性値は、４〜５．５ＭＰａ・ｍ１／２である、請求項１記載の部品。
【請求項４】
前記焼結体の研削抵抗は、α−窒化珪素粉末に焼結助剤を添加して焼結してなるサイアロン焼結体または窒化珪素焼結体の前記研削における研削抵抗の８０％以下であり、かつ、
前記焼結体のラップ盤を用いた研磨における体積除去スピードは、α−窒化珪素粉末に焼結助剤を添加して焼結してなるサイアロン焼結体または窒化珪素焼結体の前記研磨における体積除去スピードの１．５倍以上である、請求項１記載の部品。
【請求項５】
前記β−窒化珪素粉末は、結晶部分におけるβ型結晶の割合が、８０％以上である、請求項１記載の部品。
【請求項６】
前記焼結体は、等軸状の結晶組織を有する、請求項１記載の部品。
【請求項７】
前記流体静圧案内装置部品は、油静圧軸受、水静圧軸受または空気静圧軸受を利用した直線案内装置のガイド部品、スライダ部品、もしくはテーブル部品、あるいは、
油静圧軸受、水静圧軸受または空気静圧軸受を利用した回転軸装置の軸部品、軸受ハウジング部品、軸受スラスト板部品、もしくはテーブル部品である、請求項１記載の部品。
【請求項８】
前記工具支持部品は、工具を保持する工具台、または工具台を保持する工具テーブルである、請求項１記載の部品。
【請求項９】
β−窒化珪素粉末に焼結助剤を添加して焼結してなるサイアロン焼結体または窒化珪素焼結体を準備する工程、および前記焼結体を研削または研磨する工程を含む、流体静圧案内軸受部品、または工具支持部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体静圧案内軸受部品、工具支持部品、およびこれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体静圧案内軸受とは、移動部である軸と固定部である軸受けの間に高圧の潤滑流体を強制的に供給して潤滑流体膜を形成し、この膜によって負荷を発生させて軸を支持する軸受けをいう。潤滑流体が空気である流体静圧案内軸受は空気静圧軸受と呼ばれ、潤滑流体が油である静圧流体案内軸受は油静圧軸受、潤滑流体が水である静圧流体案内軸受は水静圧軸受とも呼ばれる。
【０００３】
一般に流体静圧案内軸受は、摩擦がほとんど無いために回転摩擦によるトルクが極めて小さいことや、回転精度も高いこと等から、精密工作機械の主軸に広く使用されている。しかし、精密工作機械の主軸に採用される空気静圧軸受は、隙間が数μｍと小さいため高速回転により発生する熱により部材が熱膨張・変形して軸受隙間が小さくなり、ハウジングと回転軸の接触事故が発生しやすくなる。このため特許文献１〜３には、熱膨張係数が小さく剛性の高い窒化珪素材料で回転軸を作製する技術が開示されている。これにより、回転時の軸受隙間の変動が抑制されて接触事故を防止でき、さらには軸受の温度変化に伴う剛性の変化も防止できるとされる。また、特許文献１には、空気静圧軸受を利用した直線案内装置の移動部であるスライダを窒化珪素等のセラミックス製とすると、移動部が往復運動する際に発生する慣性力を低減させることができることも開示されている。
【０００４】
特許文献４には、高い復元力により軸線の傾きを自律補正できる液体静圧回転軸を備えた支持装置およびこれを用いた加工機が開示されている。この装置の静圧面を形成する材料を窒化珪素またはサイアロン等のセラミックスとすると、熱膨張係数を鋼材の１／１０程度とできるために、静圧隙間を変化させにくくできるとされる。さらに、前記材料をサイアロン等とすると、軸線の傾きがより補正しやすくなるので、工具やワークの位置変動を小さくできるとされる。また、これらの材料は比重が非常に小さいため、サーボ回転駆動における駆動エネルギーの削減とレスポンスの高速化による高精度化も達成されるとされる。
【０００５】
特許文献５には、高精度加工装置、高精度測定装置、半導体製造装置、または半導体検査装置に使用される空気静圧直線案内装置の基台をセラミックスまたは石により作製し、基台上に取付けられる吸引レールを前記基台と同等の熱膨張係数を持つ低膨張鋳物等で作製する技術が開示されている。これにより、基台と吸引レール間の熱膨張の差によって、装置が変形するという、いわゆるバイメタル効果が低減され、加工精度の低下を抑制できるとしている。セラミックスとしては、アルミナ、ムライト、窒化珪素材料が例示されている。
【０００６】
特許文献６〜８には、光学素子やその成形用金型を切削または研削加工する３軸以上の加工自由度を有する精密多軸加工機において、その直動液体静圧スライドを窒化珪素またはサイアロンで作製する技術が開示されている。窒化珪素またはサイアロンの室温における線熱膨張係数は１．５×１０−６／Ｋであり、鉄鋼材料の１／１０程度であるため、静圧スライド上に取り付けた工具やワークの位置が温度により変動しにくいとされる。また、窒化珪素またはサイアロンは、破壊靭性が６．０ＭＰａｍ１／２と、セラミックスの中では比較的高いため、割れにくく、かつヤング率が２９０ＧＰａと鋳鉄の２．５倍程度と高いため変形しにくいという利点も有するとされる。さらに、窒化珪素またはサイアロンは、比重が３．３と軽いため、スライド駆動時に発生する慣性力等の制御負荷が小さく、機械的なレスポンスが向上する。よって、直動液体静圧スライドを窒化珪素またはサイアロンで作製すると、装置のサーボ帯域が向上して制御性が良くなり、高速かつ高精度な加工が実現できるとされる。
【０００７】
特許文献９、１０には、取外し、取付けが容易であり、潤滑流体として水を用いた直動静圧スライドが開示されている。この直動静圧スライドを構成する部品として、セラミックス製のガイドウェイやスライドウェイが開示されており、セラミックスの具体例として、アルミナ、ムライト、窒化珪素材料が開示されている。
【０００８】
このように、サイアロンまたは窒化珪素材料は、その低熱膨張性、高剛性、低比重（軽量）性のため、超精密加工機の静圧回転軸や直動の静圧スライダ部材として有用であることが知られている。
【特許文献１】特公平６−１００２２６号
【特許文献２】特開平５−８７１４３号
【特許文献３】特開平１０−２０５５３７号
【特許文献４】特開２００６−５２７９３号
【特許文献５】特開２０００−１３６８２４号
【特許文献６】特開２００５−８８１２５号
【特許文献７】特開２００６−２９３９５号
【特許文献８】特開２００６−５２８４４号
【特許文献９】特開２００７−７８０６５号
【特許文献１０】特開２００７−１３９０２１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
これらの特許文献に示されるとおり、サイアロンまたは窒化珪素材料（以下これらを合わせて「サイアロン等」ともいう）が超精密加工機の部品として有用であることは古くから広く知られている。しかしながら、実際には、超精密加工機の工具テーブルや、超精密加工機の流体静圧案内装置の回転軸やスライドの材料として全く普及していないのが現状である。この理由としては、サイアロン等の高精度加工が難しく、さらにはその加工困難性から、サイアロン等からなる部品の価格が非常に高くなってしまうことが考えられる。サイアロン等は、従来、タービン等の高温で高強度が要求される部材や、工具等の高耐磨耗部材として開発されてきた。すなわち、サイアロン等は、セラミックス材料の中でも高強度かつ高靭性であって、高温でも高い機械的強度を有するため、難加工性の材料として知られている。
【００１０】
このように切削加工が困難であるサイアロン等は、ダイヤモンド砥石による研削、またはダイヤンド遊離砥粒による研磨により加工される。しかし、サイアロン等の研削においては、研削抵抗が非常に高いため、加工切込み量や工具移動スピードを大きくできないという問題がある。また、この研削においては、工具の目詰まりが発生しやすいため、工具を頻繁にドレッシングする必要がある。このため、グライデングセンターや円筒研削盤を用いて研削する場合に、金属材料の何十倍〜何百倍もの加工時間が必要となる。このため、サイアロン等を加工してなる部品はコストが高くなる。さらに、研削抵抗が高く、砥石の目詰まりが発生しやすいため、サイアロン等は、高精度な研削加工が困難であるという問題もある。例えば金属材料は、比較的容易に真円度０．１μｍ以下の超高精度で円筒体に加工ができる。しかし、サイアロン等は、このような超高精度に円筒体に加工することは不可能であった。
【００１１】
サイアロン等は平面研磨（「ラップ」ともいう）における加工性も十分でない。例えば、サイアロン等が平面研磨されるときの体積除去スピードは、９９．５％純度アルミナの体積除去スピードの１／２以下である。平面研磨における体積除去スピードが遅いと、研磨時間が長くなるとともに面ダレによる平面度の低下を招いてしまう。そのため、修正のための時間、すなわち、仕上げ加工時間が増大する。
以上から、サイアロン等の難加工性が、超精密加工機用部品への適用を妨げているといえる。
【００１２】
これらの事情を鑑み、本発明は、加工性を大幅に改善したサイアロン焼結体または窒化珪素焼結体を含む超精密加工機に最適な部品を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
発明者らは鋭意検討した結果、特定の製法により得られたサイアロン焼結体または窒化珪素焼結体が前記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。すなわち、前記課題は以下の本発明により解決される。
［１］β−窒化珪素粉末に焼結助剤を添加して焼結してなるサイアロン焼結体または窒化珪素焼結体を含む、流体静圧案内装置部品または工具支持部品。
［２］前記焼結体の曲げ強度は、４００〜６００ＭＰａ、ヤング率は、２６０ＧＰａ以上、室温における熱膨張係数は、１．５×１０−６／Ｋ以下、比重は、３．２７以下である、［１］記載の部品。
［３］前記焼結体の、ＳＥＰＢ法による破壊靭性値は、４〜５．５ＭＰａ・ｍ１／２である、［１］または［２］記載の部品。
［４］前記焼結体の研削抵抗は、α−窒化珪素粉末に焼結助剤を添加して焼結してなるサイアロン焼結体または窒化珪素焼結体の前記研削における研削抵抗の８０％以下であり、かつ、
前記焼結体のラップ盤を用いた研磨における体積除去スピードは、α−窒化珪素粉末に焼結助剤を添加して焼結してなるサイアロン焼結体または窒化珪素焼結体の前記研磨における体積除去スピードの１．５倍以上である、［１］〜［３］いずれかに記載の部品。
［５］前記β−窒化珪素粉末は、結晶部分におけるβ型結晶の割合が、８０％以上である、［１］〜［４］いずれかに記載の部品。
［６］前記焼結体は、等軸状の結晶組織を有する、［１］〜［５］いずれかに記載の部品。
［７］前記流体静圧案内装置部品は、油静圧軸受、水静圧軸受または空気静圧軸受を利用した直線案内装置のガイド部品、スライダ部品、もしくはテーブル部品、あるいは、
油静圧軸受、水静圧軸受または空気静圧軸受を利用した回転軸装置の軸部品、軸受ハウジング部品、軸受スラスト板部品、もしくはテーブル部品である、［１］〜［６］いずれかに記載の部品。
［８］前記工具支持部品は、工具を保持する工具台、または工具台を保持する工具テーブルである、［１］〜［７］いずれかに記載の部品。
［９］β−窒化珪素粉末に焼結助剤を添加して焼結してなるサイアロン焼結体または窒化珪素焼結体を準備する工程、および
前記焼結体を研削または研磨する工程を含む、流体静圧案内軸受部品、または工具支持部品の製造方法。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により、加工性を大幅に改善したサイアロン焼結体または窒化珪素焼結体を含む超精密加工機に最適な部品が提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
１．本発明の焼結体
本発明の流体静圧案内軸受部品または工具支持部品は、β−窒化珪素粉末に焼結助剤を添加して焼結してなるサイアロン焼結体または窒化珪素焼結を含むことを特徴とする。
窒化珪素にはα型（六方晶）とβ型（六方晶）の２つの結晶型があり、α型は比較的低温で生成し、β型は高温で生成することが知られている。通常、サイアロンまたは窒化珪素焼結体は、α型窒化珪素粉末（α−Ｓｉ３Ｎ４粉末）またはβ型窒化珪素粉末（β−Ｓｉ３Ｎ４粉末）を焼結して得られる。いずれの原料を用いても、得られる焼結体はβ型であることが知られている。すなわち、α−Ｓｉ３Ｎ４粉末またはβ−Ｓｉ３Ｎ４粉末を焼結して得られる窒化珪素焼結体はβ−Ｓｉ３Ｎ４であり、サイアロン焼結体はβ−サイアロンである。
β−サイアロンは、β−Ｓｉ３Ｎ４にＡｌ（アルミニウム）とＯ（酸素）が固溶した固溶体であり、一般にＳｉ６−ＺＡｌＺＯＮ８−Ｚ（Ｚ≦４．２）の式で表される。現在製造されているほとんどのサイアロンまたは窒化珪素焼結体はα−Ｓｉ３Ｎ４粉末を出発原料としている。
【００１６】
サイアロンまたは窒化珪素焼結体は、α−Ｓｉ３Ｎ４粉末等を窒素雰囲気下１７００〜１８００℃で焼結して得られる。焼結において、焼結助剤として添加された酸化物と窒化珪素粉末表面のシリカ等が液相を形成し、この液相中に窒化珪素が一旦溶解し、その後析出する。この焼結は、いわゆる溶解再析出過程を経て進行する。本発明において記号「〜」はその両端の値を含む。
α−Ｓｉ３Ｎ４粉末を出発原料とした場合、この溶解再析出過程でＳｉ３Ｎ４は、α型からβ型へ結晶の相転移を起こす。この際にＳｉ３Ｎ４の針状（長板状）結晶が多く生成し、かつ針状（長板状）結晶の交錯組織が形成される。この結晶組織を含むため、α−Ｓｉ３Ｎ４粉末を焼結して得られる焼結体は高強度、高靭性であると考えられている。このように製造されたサイアロンまたは窒化珪素焼結体は、優れた機械的性能を有するが、加工性が非常に低い。以下、α−Ｓｉ３Ｎ４粉末を焼結助剤の存在下で焼結して得たサイアロンまたは窒化珪素焼結体を「α原料型焼結体」とも称する。
【００１７】
一方、β−Ｓｉ３Ｎ４粉末を焼結助剤の存在下で焼結すると、Ｓｉ３Ｎ４のα型からβ型への相転移が発生しないため、針状（長板状）結晶の生成が抑制される。このため結晶組織は等軸または小板状となる。このような焼結体は、針状結晶の交錯組織を含む焼結体に比べて、強度と靭性が低くなるため、加工性に優れる。以下、β−Ｓｉ３Ｎ４粉末を焼結助剤の存在下で焼結して得たサイアロンまたは窒化珪素焼結体を「本発明の焼結体」とも称する。本発明の焼結体に含まれる等軸の結晶組織の割合は、８５％以上が好ましく、９５％以上がより好ましい。等軸の結晶組織の割合は、電子顕微鏡の画像解析によるアスペクト比測定により求められる。
本発明の結晶体の機械的性能や加工性は、原料とするβ−Ｓｉ３Ｎ４の結晶部分に占めるβ型結晶の割合や、焼結条件により異なる。焼結体の製造方法に関しては後述する。
【００１８】
焼結体の強度と靭性が低いと加工性に優れるが、一方で、強度と靭性が低いと部品としたときの信頼性が低下する。本発明の焼結体は、曲げ強度が４００ＭＰａ未満、靭性が４ＭＰａ・ｍ１／２未満であると、研削や研磨をしやすくなるが、加工時のチッピングやカケが発生しやすく、かつ部品としたときの信頼性も低下しやすい。また、本発明の焼結体は、曲げ強度が６００ＭＰａを超えるか、靭性が５．５ＭＰａ・ｍ１／２を超えると、研削や研磨がしにくくなる。加工性と部品としたときの信頼性から、本発明の焼結体の曲げ強度は、４００〜６００ＭＰａ、破壊靭性は４〜５．５ＭＰａ・ｍ１／２であることが好ましい。曲げ強度は、ＪＩＳＲ１６０１に準拠して求められる。破壊靭性は、ＪＩＳＲ１６０７のＳＥＰＢ法（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｅｄｇｅ  Ｐｒｅｃｒａｃｋｅｄ  Ｂｅａｍ法）により求められる。
【００１９】
本発明の焼結体のヤング率は、２６０ＧＰａ以上が好ましく、２７５ＧＰａ以上３２０ＧＰａ以下がより好ましい。ヤング率がこの範囲にある焼結体は、剛性が高いため外力による寸法変化を生じにくい部品を与える。ヤング率は、ＪＩＳＲ１６０２に準拠して求められる。
また、本発明の焼結体の室温における熱膨張係数は１．５×１０−６／Ｋ以下が好ましく、１．０×１０−６／Ｋ以上１．５×１０−６／Ｋ以下がより好ましい。室温における熱膨張係数がこの範囲にある本発明の焼結体は、温度変化による寸法変化、位置変化、変形、経時変化が抑制された部品を与える。熱膨張係数は、ＪＩＳ  Ｒ３２５１に準拠して求められる。
さらに本発明の焼結体の比重は、３．２７以下が好ましく、３．０以上３．２７以下がより好ましい。比重がこの範囲にある本発明の焼結体は、駆動時に発生する慣性力を低減できるため、制御負荷小さく機械的なレスポンスを高めた装置を与える。さらに、このような部品は、モーターのサーボ帯域を向上させるため制御性に優れた装置を与える。比重が前記範囲にある焼結体を部品として用いると高速性と高精度な加工性を両立した装置が得られる。比重は、ＪＩＳＲ１６３４に準拠して求められる。
【００２０】
２．本発明の流体静圧案内軸受部品または工具支持部品
本発明の流体静圧案内装置部品または工具支持部品（以下これらを合わせて「本発明の部品」ともいう）は、前述の本発明の焼結体を含む。本発明の部品が、本発明の焼結体を含むとは、部品の全部または一部が本発明の焼結体で構成されることを意味する。
【００２１】
（１）流体静圧案内装置部品
流体静圧案内装置部品とは、流体静圧案内装置の部品である。流体静圧案内装置とは、前述のとおり、移動体（回転軸またはスライド）と固定体（軸受またはガイド）の間に高圧の潤滑流体を強制的に供給して潤滑流体膜を形成し、この膜によって負荷を発生させて軸を支持する軸受である。流体静圧案内装置部品の好ましい例には、油静圧軸受、水静圧軸受または空気静圧軸受を利用した直線案内装置の部品が含まれる。油静圧軸受、水静圧軸受または空気静圧軸受を利用した直線案内装置とは、ガイド（固定体）と、このガイドに沿って直線案内方向に移動できるスライダ（移動体）からなる装置であって、ガイドとスライダとの間に、油・水または空気を軸受用流体として供給してなる装置である。スライダは、工具等を保持するためのテーブルを有していてもよい。本発明の焼結体は、これらのガイド、スライダ、テーブルの部品に好適である。
図１は直線案内の断面模式図を示しており、図１ａの（Ａ）、図１ｂの（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）はガイドをスライダで抱え込むタイプ、図１ａの（Ｂ）はスライダをガイドで抱え込むタイプを示す。図１ａ、ｂ中、１はスライダ、３はガイド、５は軸受（「ベアリング」ともいうことがある）、７は基台、１０はテーブル、１２は工具、１４は工具台、１６はリニアモーターである。
【００２２】
本発明の焼結体は、油静圧案内、水静圧案内または空気静圧案内でリニアモーター駆動される装置の部品として特に有用である（図１ａ（Ａ）参照）。リニアモーター駆動の装置においては、移動体（スライダ１、テーブル１０等）が軽量化されると、リニアモーター１６のパワーを小さくできるため、リニアモーター１６の発熱を大きく削減できるからである。リニアモーター１６の発熱が削減されると、装置を構成する各部品の温度による寸法変化も小さくなるので、加工機の経時的なドリフトを大幅に低減できる。
また、一般に、静圧案内装置は摩擦係数が非常に小さいため、スライダ１が反転する際のロストモーションやスライダ１の姿勢変化が大きな問題となる。しかし、スライダ１等を軽量化すると、これらのロストモーションや姿勢の変化を大幅に削減でき、加工製品表面に発生する模様を大幅に削減できる。すなわち、本発明の焼結体は比重が鋳鉄の４０％と小さいため、移動体部品の材質のみを鋳鉄から本発明の焼結体にそのまま置き換えるだけでも、移動体部品重量を現行の重量の４０％にでき、前述のとおりの利点が得られる。さらに、本発明の焼結体は、剛性が鋳鉄の２倍以上と高いため、部品を薄肉化できる。そのため部品をさらに軽量化でき、部品の重量を鋳鉄部品の１／１０とすることもできる。
【００２３】
さらに、油静圧軸受等を利用した直線案内装置においては、ガイド３の形状に沿ってスライダ１が動くため、スライダ１の運動精度はガイド３の形状によって決定される。よって、ガイド３の形状が変化すると、工具の移動精度も低下しやすい。このためガイド３の形状の変化を低減させる必要がある。しかしながら一般に、ガイド３の近傍にはリニアモーター１６が設置されている。よって、リニアモーター１６の発熱によりガイド３の温度が変化すると、熱膨張によりガイド３の形状は変化してしまう。その点、このガイド３に熱膨張係数が鋳鉄の１／１０である本発明の焼結体を適用すると、前記の問題が起こりにくく高精度な加工が可能となる。
【００２４】
流体静圧案内装置部品のもう一つの好ましい例には、油静圧軸受、水静圧軸受または空気静圧軸受を利用した回転軸装置の部品が含まれる。油静圧軸受、水静圧軸受または空気静圧軸受を利用した回転軸装置とは、回転軸とこの軸を回転可能に位置決めし、かつ保持する軸受からなる装置であって、軸と軸受の間に油、水または空気を供給してなる装置である。この回転軸装置は、回転体のラジアル方向を受ける軸受ハウジング、回転体の軸方向に働く力を受け止めるための軸受スラスト板、または、工具等を保持するための工具テーブルを有していてもよい。図２は、油静圧軸受、水静圧軸受または空気静圧軸受を利用した回転軸装置の例の断面模式図である。図２中、２０は回転軸、２２は軸受ハウジング、２３は軸受スラスト板であり、その他の符号は図１と同様に定義される。本発明の焼結体は、これらの部品に好適である。これらの部品を含む回転軸装置は、直線案内装置と同様のメリットがある。直線案内装置のスライダ（図１ａ、ｂにおける１）は、回転軸装置の軸（図２の２０）と軸受スラスト板（図２の２３）に、直線案内装置のガイド（図１図１ａ、ｂにおける３）は、回転軸装置の軸受ハウジング（図２の２２）に相当する。
【００２５】
（２）工具支持部品
本発明の工具支持部品は、前述の本発明の焼結体を含む。工具支持部品とは、工具を保持する工具台、または工具台を保持する工具テーブルをいう。工具とは、物体を加工するための道具であるが、本発明においては物体を切削または研削するためのバイトや砥石である。工具テーブルは、位置を微調整できる装置を備えていてもよい。このような工具テーブルは微調テーブルとも呼ばれる。
工具台や工具テーブルは、加工時の研削液や研削ミストを直接に浴びることがあるため、温度変化による形状の変化がおこりやすい。このため、これらの部品に熱膨張係数が鋳鉄の１／１０、アルミニウムの１／１８である本発明の焼結体を適用すると、温度変化による形状の変化を低減できるので、高精度の加工が可能となる。工具台や工具テーブルは、流体静圧案内装置部品のスライダ（図１ａ、ｂにおける１）等に備えられていてもよい。
【００２６】
（３）超精密加工機
本発明の部品は、超精密加工機の部品として好適である。超精密加工機とは、光学材料やそれらを成型するための金型、および半導体材料をナノメートルオーダーで加工するための機械をいう。超精密加工機の例には、３軸以上の加工自由度を有する精密多軸加工機が含まれる。
【００２７】
３．本発明の部品の製造方法
本発明の部品は、（１）β−窒化珪素粉末に焼結助剤を添加して焼結してなるサイアロン焼結体または窒化珪素焼結を準備する工程、および（２）前記焼結体を研削または研磨する工程を経て製造されることが好ましい。
【００２８】
（１）の工程
本工程では、β−窒化珪素粉末に焼結助剤を添加して焼結して得たサイアロン焼結体または窒化珪素焼結体を準備する。準備するとはβ−窒化珪素粉末に焼結助剤を添加して焼結して焼結体を製造することを含む。以下、本発明の焼結体の製造方法について説明する。
原料であるβ型窒化珪素粉末（β−Ｓｉ３Ｎ４粉末）は、市販品を購入して準備してよい。β−Ｓｉ３Ｎ４粉末は、結晶部分におけるβ型結晶の割合が、８０％以上が好ましく、９０％以上がより好ましい。このような粉末を原料とすると、加工性に優れ、かつ部品としたときの機械的特性のバランスに優れた焼結体が得られるからである。β−Ｓｉ３Ｎ４粉末の結晶部分におけるβ型結晶の割合は、粉末Ｘ線回折法により求められる。また、β−Ｓｉ３Ｎ４粉末の平均粒径は特に限定されないが、０．１〜３μｍであることが好ましい。平均粒径は、レーザー回折散乱法により求められる。
【００２９】
本発明の製造方法は、焼結助剤を用いる。焼結助剤とは、焼結の促進や安定化のために添加される物質である。焼結助剤としては公知のものを用いてよいが、その例には、酸化イットリウム、アルミナ、窒化アルミニウム及び窒化アルミニウムのポリタイプが含まれる。また焼結助剤の添加量は、通常は、原料粉末と焼結助剤の合計中５〜１５重量％程度であるが、本発明においては、原料粉末と焼結助剤の合計中、７〜１２重量％が好ましい。焼結助剤の量が前記範囲にあると、本発明の焼結体が得られやすいからである。
【００３０】
β−Ｓｉ３Ｎ４粉末と焼結助剤は予め混合されて焼結されることが好ましい。焼結は、窒素中１７００〜１８００℃で実施されることが好ましい。
【００３１】
（２）の工程
本工程では、前記工程で得た本発明の焼結体を研削または研磨する。本発明の焼結体は、平面研削された後に研磨加工されることが好ましい。このように平面の高精度仕上げがなされた部品は、スライダ部品やテーブル部品に好適である。平面研削加工は、平面研削盤を用いて公知の方法で行えばよい。
本発明の焼結体は、前述のとおり、α原料型焼結体に比べて極めて優れた加工性を有する。研削における加工性は、研削時の研削面の法線方向の研削抵抗を公知の動力計で測定して評価できる。本発明の焼結体の研削抵抗は、同じ条件でα原料型焼結体を研削したときの研削抵抗の８０％以下であることが好ましい。研削抵抗は、平面研削、円筒研削または自由曲面研削において測定してよい。この際の加工性の比較に用いられるα原料型焼結体と本発明の焼結体は、焼結原料の結晶構造が異なる以外は、同条件で焼結されたものを用いる。例えば、原料粉末の粒径、焼結助剤の種類と量、焼結温度、焼結雰囲気は同じとされる。
【００３２】
また、平面加工がなされた本発明の焼結体は、続いてラップ盤を用いた研磨により、平面度、平行度または直角度の仕上げがなされることが好ましい。一般に、セラミックスの研磨には、鋳鉄や銅製のラップ盤と、ダイヤモンドの遊離砥粒が用いられる。このときに用いられるダイヤモンド砥粒は、粒径が１０μｍ以下であり、かなり微小である。このため、α原料型焼結体をラップ盤を用いて研磨する場合、研磨における時間当たりの体積減少（「体積除去スピード」ともいう）は速くない。砥粒の粒径を大きくすると焼結体の体積除去スピードは向上するが、表面粗さが粗くなる。表面が粗い部品は、流体静圧案内装置等のガイドや軸受面等には適さない。しかしながら、本発明の焼結体は、優れた加工性を有するので、前述の微粒砥粒により研磨を行っても、α原料型焼結体に比べ体積除去スピードが速い。本発明の焼結体のラップ盤を用いた研磨における体積除去スピードは、同条件でα原料型焼結体を研磨したときの体積除去スピードの１．５倍以上であることが好ましい。体積除去スピードは、より詳しくは、予めある程度の平面度（１μｍ程度）および表面粗さ（Ｒａ＝０．４μｍ程度）に調整された平面を研磨して求められる。平面度はレーザー干渉計により、表面粗さはＪＩＳ  Ｂ  ０６５１に基づき表面粗さ計にて測定される。この加工性の比較に用いられるα原料型焼結体と本発明の焼結体は、前述のとおり、焼結原料の結晶構造が異なる以外は、同条件で焼結されたものを用いる。
【００３３】
本発明の焼結体は円筒体に加工されてもよい。本発明の焼結体を円筒体に加工する場合は、円筒研削盤を用いた研削が施されることが好ましい。円筒面は、平面のように遊離砥粒による仕上げ研磨加工を行うことができないので、研削のみで高精度に仕上げ加工される必要がある。特に、本発明の焼結体を超精密加工機の回転軸または軸受ハウジングに加工する場合は、真円度０．１μｍ以下の超高精度の研削が必要となる。一般に、このような超高精度が必要な加工では、本発明の焼結体を加工する砥石の軸のニゲや砥石のボンド層の弾性変形の影響が、精度低下に大きな影響を与える。このとき、被加工物の研削抵抗が大きいと、砥石の軸のニゲや砥石のボンド層の弾性変形がより大きくなり、加工精度がより低下するおそれがある。α原料型焼結体は、その研削抵抗が金属材料に比べて非常に高く、また他のセラミックス材料と比較してもかなり高いため、高精度に円筒体へ加工することが極めて難しい。その点、本発明の焼結体は、研削抵抗をα原料型焼結体よりも低減できるので、高い精度で円筒体へ加工できる。本発明の焼結体は、このような研削における研削抵抗が、同じ条件でα原料型焼結体を研削したときの研削抵抗に比べて、８０％以下であることが好ましい。
【実施例】
【００３４】
［実施例Ａ］
β−Ｓｉ３Ｎ４粉末を出発原料として、焼結助剤に酸化イットリウム、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムポリタイプを用い、１７００〜１８００℃の常圧焼結の条件でＺ＝０．５のβ−サイアロン焼結体を作製した。
［比較例Ｂ］
β−Ｓｉ３Ｎ４粉末の代わりにα−Ｓｉ３Ｎ４粉末を用いる以外は実施例Ａと同様にしてＺ＝０．５のβ−サイアロン焼結体を作製した。
［比較例Ｃ］
α−Ｓｉ３Ｎ４粉末を出発原料とし、酸化イットリウム５ｗｔ％とアルミナ５ｗｔ％を焼結助剤として、１７００〜１８００℃の常圧焼結の条件でβ−Ｓｉ３Ｎ４焼結体を作製した。
【００３５】
これらの焼結体の機械的特性等を、既に述べた規格に準拠して評価し、表１に示した。
実施例Ａで得た焼結体の曲げ強度は４９０ＭＰａ、破壊靭性値は４．５ＭＰａ・ｍ１／２であった。一方、比較例Ｂで得た焼結体の曲げ強度は７００ＭＰａ、破壊靭性値は６．２ＭＰａ・ｍ１／２、比較例Ｃで得た焼結体の曲げ強度は８８０ＭＰａ、破壊靭性値６．８ＭＰａ・ｍ１／２と高い曲げ強度と破壊靭性値を示した。
【００３６】
このようにして得た焼結体を以下に示す条件で加工し、加工性を評価した。
＜研磨試験＞
各例で得た焼結体を、平面度＝１μｍ、表面粗さＲａ＝０．４μｍに平面研削して試験片を得た。その後、この試験片を研磨した。研磨は、鋳鉄製のラップ盤と、砥粒として平均粒径６μｍのダイヤモンドスラリーを用いて行った。研磨時の面圧は６Ｎ／ｃｍ２となるように重石を用いて調整した。
結果を図３に示した。図３は、研磨時間と除去体積の相関を表し、傾きが体積除去スピード、すなわち加工性（「加工能率」ともいう）を表す。図３から計算される体積除去スピードは、加工能率の最も悪い比較例Ｃの焼結体を１とすると、比較例Ｂの焼結体は１．２８、実施例Ａの焼結体は２．４２である。つまり、β−Ｓｉ３Ｎ４粉末を焼結助剤の存在下で焼結して得た本発明のサイアロン焼結体の体積除去スピードは、α原料型窒化珪素である比較例Ｃの焼結体の２．４倍、α原料型のサイアロンである比較例Ｂの焼結体の１．９倍であることが明らかとなった。
【００３７】
＜研削試験＞
各例で得た焼結体を平面研削して、幅１００ｍｍ×長さ１００ｍｍ×厚み１８ｍｍの直方体型の試験片を得た。この試験片の側面は、平面度＝２μｍ、表面粗さＲａ＝０．８μｍであった。次に、この側面（１８×１００ｍｍ）をφ１０のダイヤモンド砥石♯１４０を用いて研削し、その加工性を評価した。このときの研削条件は、砥石回転数８０００ｒｐｍ、回転方向ダウンカット、切込み０．０４ｍｍ／回、研削送り速度５００ｍｍ／ｍｉｎとした。研削抵抗はキスラー動力計にて測定した。図４にその結果を示した。図４は、加工時の法線方向の研削抵抗と除去体積の関係を示す。図から分かるように、実施例Ａの焼結体の研削抵抗は、初期段階で比較例Ｃの焼結体の７５％程度であり、終期段階では比較例Ｃの焼結体の７０％以下であった。
【００３８】
＜精密円筒研削加工試験＞
実施例Ａの焼結体と比較例Ｃの焼結体について、円筒研削盤を行いφ１００×６０ｍｍの円柱を作製した。このとき、最終仕上げは、砥石にレジンボンド＃１５００のダイヤモンド砥石を用い、精密にツルーイング・ドレッシングした後、砥石周速度を２０００ｍ／ｍｉｎとして行った。仕上げ加工後の真円度測定結果を図５、図６に示した。真円度は、ＪＩＳ  Ｂ  ７４５１に準じて測定された。実施例Ａの焼結体を研削して得た円柱の真円度は０．０８μｍであり、非常に精密な真円度加工が可能であることが示された。一方、比較例Ｃの焼結体を研削して得た円柱の真円度は０．３４μｍであり、精密な真円度加工が困難であることが示された。
【００３９】
これらの結果を表１にまとめる。
【表１】
2010001929.tif 000003
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明により、加工性を大幅に改善したサイアロン焼結体または窒化珪素焼結体を含む超精密加工機に最適な部品が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１ａ】油静圧軸受、水静圧軸受または空気静圧軸受を利用した直線案内装置の例の断面模式図
【図１ｂ】油静圧軸受、水静圧軸受または空気静圧軸受を利用した直線案内装置の例の断面模式図
【図２】油静圧軸受、水静圧軸受または空気静圧軸受を利用した回転軸装置の例の断面模式図
【図３】研磨時間と除去体積の関係を表す図
【図４】法線方向の研削抵抗と除去体積の関係を表す図
【図５】実施例Ａの焼結体を研削して得た円柱の真円度の測定結果を表す図
【図６】比較例Ｃの焼結体を研削して得た円柱の真円度の測定結果を表す図
【符号の説明】
【００４２】
１  スライダ
３  ガイド
５  軸受
７  基台
１０  テーブル
１２  工具
１４  工具台
１６  リニアモーター
２０  回転軸
２２  軸受ハウジング
２３  軸受スラスト板
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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