(57)【要約】【課題】加工機の加工精度、位置決め精度の向上、位置決め速度のアップを図る上で、主として工作物を保持する主軸等に使用されるスピンドル軸は、外部からの力及び繰り返し荷重が加わることで発生する摩擦による摩耗に対して、より耐磨耗性に優れた材料にて構成される必要がある。【解決手段】ＳｉＣ粉末に有機バインダーを添加し、混合し、成形した後、その成形体の少なくとも一部の表面にＳｉを接触させ、それを真空中またはアルゴン雰囲気中で１５００〜１７００℃の温度で加熱することにより溶融したＳｉを成形体中に浸透させて得られるＳｉＣの含有率が３０〜５０体積％のＳｉ−ＳｉＣ複合材料によりスピンドル軸を構成する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子部品、光学部品を精密加工する工作機械に用いるスピンドル軸であって、前記スピンドル軸がＳｉ−ＳｉＣ複合材料からなることを特徴とするスピンドル軸。
【請求項２】
前記Ｓｉ−ＳｉＣ複合材料が、ＳｉＣ粉末に有機バインダーを添加し、混合し、成形した後、その成形体の少なくとも一部の表面にＳｉを接触させ、それを真空中またはアルゴン雰囲気中で１５００〜１７００℃の温度で加熱することにより溶融したＳｉを成形体中に浸透させて得られる複合材料であることを特徴とする請求項１記載のスピンドル軸。
【請求項３】
前記Ｓｉ−ＳｉＣ複合材料中のＳｉＣの含有率が、３０〜５０体積％であることを特徴とする請求項１または２記載のスピンドル軸。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子機器に広く使用されている電子部品、光学部品を超精密加工する工作機械に用いるスピンドル軸に関するもので、特に、これらの超精密部品を転削、研削、研磨等の超高精度の微細加工する際に適したスピンドル軸に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、超精密工作機械である平面研削盤、旋盤、フライス盤、スライサ等のスピンドル軸は、研削においては工作物を保持する主軸或いは高速に砥石を回転させる砥石軸、旋削においては工作物を保持する主軸、転削においては工具を回転させる主軸に使用される。これらのスピンドル軸は、ステンレス、鉄等の金属或いはセラミックスを加工して形成しているものが主であるが、金属は錆や摩耗が発生する為、金属不純物が半導体ウェハの研削加工時にウェハに付着する汚染の問題、金属による摩耗発生の問題、温度変化や摩擦熱による加温等の温度差による膨張の問題及び加工能率の向上の為の重量軽減等の問題があるので、最近ではスピンドル軸をセラミックス粒を成形したプリフォームに溶融アルミ合金で浸透させた金属とセラミックスの複合体で形成することが公開されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１６２４０７号公報（第１−４頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
セラミックス粒を成形したプリフォームに溶融アルミ合金で浸透させた金属とセラミックスの複合体で形成されたスピンドル軸を使用することによって、半導体ウェハの研削加工時に金属不純物がウェハに付着する汚染の問題及び耐磨耗性の問題を解決することが可能になった。しかし、産業の発達に伴い、工作機械は加工精度、位置決め精度、位置決め速度のさらなる向上が求められている。その結果、主として工作物を保持する主軸等に使用されるスピンドル軸は外部からの力及び繰り返し荷重が加わることで発生する摩擦による摩耗に対して、より今まで以上に耐え得る材料にて構成される必要がある。
【０００５】
本発明は、上記の課題を解決するために鋭意検討してなされたものであり、耐磨耗性に優れているスピンドル軸に関する技術を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記した本発明の目的は、電子部品、光学部品を精密加工する工作機械に用いるスピンドル軸であって、前記スピンドル軸がＳｉ−ＳｉＣ複合材料からなることによって達成される。ここで、前記のＳｉ−ＳｉＣ複合材料が、ＳｉＣ粉末に有機バインダーを添加し、混合し、成形した後、その成形体の少なくとも一部の表面にＳｉを接触させ、それを真空中またはアルゴン雰囲気中で１５００〜１７００℃の温度で加熱することにより溶融したＳｉを成形体中に浸透させて得られる複合材料であることが好ましい。
また、前記Ｓｉ−ＳｉＣ複合材料中のＳｉＣの含有率が、３０〜５０体積％であることが好ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、さらに詳細に本発明を説明する。
図１は工作物の製造工程で工作物を転削、研削、研磨する工作機械において、半導体ウェハ４を研削、研磨する為にスピンドル軸Ａ１の下にチャック３を備えて多方向に自在に移動すると共に、研削又は研磨テーブル５を備えたスピンドル軸Ｂ２も多方向に自在に移動するスピンドル軸の模式図である。
ここで、本発明にいうＳｉ−ＳｉＣ複合材料は、ＳｉＣを含有するため高剛性になると共に耐磨耗性に優れており、さらに、Ｓｉの耐熱性が極めて高いので、複合材料の耐熱性及び膨張性も良好となり図１で示すような工作機械のスピンドル軸Ａ及びスピンドル軸Ｂに使用されるスピンドル軸材として最も好ましい。耐磨耗性に優れている為、外部からの力及び繰り返し荷重が加わることで発生する摩擦による摩耗に他の材料を使用した場合よりも耐え得ることが可能になるからである。
【０００８】
その複合材料の作成方法は、溶融したＳｉをＳｉＣ成形体中の空隙に真空中またはアルゴン雰囲気中で浸透させるもので、その浸透温度としては１５００〜１７００℃が好ましい。その理由は、１５００℃よりと低いと緻密な複合材料が得られず、また１７００℃より高い温度では、Ｓｉの蒸発により緻密な複合材料が得られなくなるからである。
【０００９】
ここで、Ｓｉ−ＳｉＣ複合材料中のＳｉＣの含有率が、３０〜５０体積％であることが好ましいとした理由は、３０体積％より少ないと剛性が低いために長期の使用で撓みが生じ、その結果、工作機械を構成する上で最も重要な部品精度が保てなくなって正確な位置決めに支障が生じやすくなるからである。さらには工作機械の支持部材と加工する工作物との熱膨張係数の差異が大きくなり好ましくないからである。
また、５０体積％より多いと靭性が小さくなり摩擦により摩耗が発生し易くなるからである。
【００１０】
次に、以下に本発明の実施例と比較例により本発明を詳細に説明する。
【００１１】
（実施例１）
ＳｉＣ原料粉末としては、信濃電気精錬社製のＧＣ＃８００と＃２０００との混合粉末を用いた。その混合粉末１００重量部に有機バインダーとしてフェノール樹脂（昭和高分子社製ＢＲＬ−１０１）を３重量部加えて混合し、これを保持部材の形状が得られる金型でプレスした後に成形し、非酸化雰囲気中２００℃で脱バインダーした。その後に１０００℃まで昇温して焼成することによりＳｉＣ成形体を得た。
【００１２】
次に、得られた成形体の上面にＳｉのインゴット（日本電工社製）を載せ、真空中で１５００℃の温度で３時間熱処理することにより、溶融Ｓｉを成形体中に浸透させてＳｉＣの含有率が５０体積％のＳｉ−ＳｉＣ複合材料を得た。
【００１３】
この材料の摩耗特性をピンオンディスク法で測定した。測定器具としてピンオンディスク摩擦摩耗試験機を使用し、試料ディスク（φ６０×１０ｍｍ）の中心から約２５ｍｍの点に先端を半球状に加工した試料ピン（３×４×２０ｍｍ）を荷重１Ｋｇで押し付け、ディスク側のみを回転数６７ｒｐｍの条件で１０時間試験を行った。その際、外界からの粉塵や埃の混入を防ぐ為に、透明のシートで試験器具を覆った。この試験による比摩耗量は平均で１．６×１０−８ｍｍ３／Ｋｇ・ｍｍと摩耗は極めて少なかった。
【００１４】
（実施例２）
実施例１と同様の製造方法によりＳｉＣの含有率が３０体積％のＳｉ−ＳｉＣ複合材料を得た。
【００１５】
この材料の摩耗特性を実施例１と同様の方法により測定した。その結果、比摩耗量は平均で２．２×１０−７ｍｍ３／Ｋｇ・ｍｍとなり、ほぼ満足できる値であった。
【００１６】
（比較例１）
ＳｉＣを強化材とし、溶融アルミ合金を非加圧金属浸透法で作成したＳｉＣの含有率が５５体積％の複合材料を作成した。
【００１７】
この材料の摩耗特性を実施例１と同様の方法により測定した。その結果、比摩耗量は平均で１．２×１０−５ｍｍ３／Ｋｇ・ｍｍとなり、実施例と比較して約５５倍から７５０倍の非摩耗量になった。
【００１８】
この他に実際にスピンドル軸をステンレス及びＳｉ−ＳｉＣ複合材料にて形成した工作機械にて半導体ウェハ（１００×１００×１０ｍｍ）を５μｍ研磨して、研磨後の半導体ウェハ表面を所定量（１００ｍｌ）の超純水で洗浄し、その洗浄液をＩＣＰで分析した。
【００１９】
その結果、Ｓｉ−ＳｉＣ複合材料でスピンドル軸を形成した工作機械にて半導体ウェハを研磨した場合は、洗浄中に金属不純物の溶解はほとんど認められなかった。
【００２０】
一方、従来からスピンドル軸として使用されているステンレス製の工作機械にて半導体ウェハを研磨した場合は、ＩＣＰ分析では洗浄液中から５００ｐｐｍのＦｅが検出された。
【００２１】
このようにＳｉ−ＳｉＣ複合材料でスピンドル軸を形成した場合、金属製のスピンドル軸を使用している工作機械と比較して金属不純物を発生しない為、転削、研削、研磨等の超高精度の微細加工する際に加工する工作物に金属物や錆を発生することがない。　このことは、セラミックス粒を成形したプリフォームに溶融アルミ合金で浸透させた金属とセラミックスの複合体で形成されたスピンドル軸と同様の利点である。
【００２２】
他にＳｉ−ＳｉＣ複合材料でスピンドル軸を形成した場合、セラミックス粒を成形したプリフォームに溶融アルミ合金で浸透させた金属とセラミックスの複合体で形成されたスピンドル軸と同様に温度変化や摩擦熱による加温等の温度差による膨張が少なくなり、超高精度の研削、鏡面加工及び平坦加工に対する障害を防ぐことができる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、セラミックス粒を成形したプリフォームに溶融アルミ合金で浸透させた金属とセラミックスの複合体で形成されたスピンドル軸と比較して外部からの力及び繰り返し荷重が加わることで発生する摩擦による耐摩耗性に極めて優れている材料にてスピンドル軸を形成することができる。
したがって、長期間の運転が可能となり作業能率を格段に向上できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に関わるスピンドル軸の模式図である。
【符号の説明】
１　スピンドル軸Ａ
２　スピンドル軸Ｂ
３　チャック
４　半導体ウェハ
５　研削又は研磨テーブル
【図１】
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