(57)【要約】【課題】機械部品等の表面に効率よく密着性の高い硬質炭素膜を形成することができる表面処理方法および機械部品の製造方法を提供する。【解決手段】機械部品等の基体１の表面にプラズマプロセスにより硬質炭素膜を形成する前に、被処理面を炭素被覆された電極を用いた放電加工により炭素傾斜層を形成し、しかる後に、基体（部品）１の表面に対して、プラズマプロセスによりＤＬＣ等の硬質炭素膜を形成する。【選択図】　　図１
2004091903.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体からなる基体の表面に硬質炭素膜を形成する表面処理方法であって、放電加工によって前記基体の表面に炭素傾斜層を形成する前工程と、プラズマプロセスにより炭素原子を注入および堆積させて硬質炭素膜を形成する後工程とを有することを特徴とする表面処理方法。
【請求項２】
導体からなる基体の表面に硬質炭素膜を形成する表面処理方法であって、放電加工によって前記基体の表面に炭素傾斜層および炭素層を形成する前工程と、不活性ガスのプラズマにより前記炭素層を硬化させて硬質炭素膜を形成する後工程とを有することを特徴とする表面処理方法。
【請求項３】
前記前工程は、表面が炭素で被覆された電極を用いて放電加工を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の表面処理方法。
【請求項４】
前記前工程は、材質に炭素を含む電極を用いて放電加工を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の表面処理方法。
【請求項５】
前記前工程は、炭素粉末を添加した加工液中で前記放電加工を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の表面処理方法。
【請求項６】
導体を放電加工により所望の形状に加工した後、放電加工に使用する電極または加工液またはその両者を炭素傾斜層の形成用に交換し、放電加工を用いて前記導体の表面処理を行い、さらにプラズマプロセスにより炭素原子を注入および堆積させて硬質炭素膜を形成し、機械部品を製造することを特徴とする機械部品の製造方法。
【請求項７】
導体を放電加工により所望の形状に加工した後、放電加工に使用する電極または加工液またはその両者を炭素傾斜層および炭素層の形成用に交換し、放電加工を用いて前記導体の表面処理を行い、さらに不活性ガスのプラズマにより前記炭素層を硬化させて硬質炭素膜を形成し、機械部品を製造することを特徴とする機械部品の製造方法。
【請求項８】
機械部品は、小型モータ用の部品であることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の機械部品の製造方法。
【請求項９】
請求項８に記載の機械部品の製造方法によって製造した部品からなる小型モータを使用して構成したことを特徴とする携帯電子機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微細な機械部品等の表面に硬質炭素膜を形成して部品表面の改質処理を施す表面処理方法およびその方法により表面処理を施した機械部品の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、モータ軸等の機械部品やハードディスク用ヘッド等の情報機器部品など、微細な機械部品等の表面にＤＬＣなどの硬質炭素膜を形成することにより、機械部品等の表面に改質処理を施す表面改質技術を利用して、機械部品間の摺動性や耐摩耗性を向上させる表面処理方法が実用化されている。
【０００３】
このように機械部品の表面改質のための処理を施す表面処理方法およびその方法により表面処理を施した機械部品の製造方法について、その従来技術を以下に説明する。
【０００４】
まず、従来の表面処理方法および機械部品の製造方法を示すための概念的な構成を説明する。
図４は従来の表面処理方法および機械部品の製造方法を示す概念的な構成図である。図４において、１０は真空チャンバであり、排気ライン４を備えている。１は機械部品等の基体である。この基体１は支持台２に乗っている。基体１および支持台２には電源２０によってバイアス電圧が印加されるようになっている。このバイアス電源２０の電圧は１５ｋＶ以上である。３１はプラズマ源であり、本従来例でのプラズマ源は、炭素ターゲットを有するアークプラズマ源である。３３はプラズマ源の電源である。
【０００５】
なお、本従来例においては、基体１はモータの回転部分の部品であり、鉄系合金でできている場合を例に挙げている。
以上のような表面処理方法および機械部品の製造方法のための構成による動作を以下に説明する。
【０００６】
まず排気ライン４より真空チャンバ１０内を排気する。次に電源３３よりアークプラズマ源３１に電力を供給し、炭素イオンと電子からなるプラズマ５０を真空チャンバ１０内に発生させる。同時にバイアス電源２０により基体１に負のパルスバイアス電圧を印加する。
【０００７】
プラズマ５０中の炭素イオン（＋電荷）は、基体１に印加された負のバイアス電圧により、プラズマ５０から引き出され基体１の表面に衝突する。その際に、炭素イオンは、プラズマ５０と基体１との電位差に相当する分のエネルギーをもっているので、基体１に衝突し、その表面に注入または付着する。
【０００８】
基体１の表面では、炭素膜が形成され潤滑性の発現と硬化が生じる。これによって基体１表面の摺動性と耐摩耗性を得ることができるが、この時の炭素膜は、密着性に乏しく、一般的にプラズマによる炭素傾斜層の形成プロセスが必要である。すなわち、上記プロセスを前半と後半にわけ、後半プロセス（プロセスの全体時間の１／５程度）において、バイアス電圧を１５ｋＶ以上に設定しイオンを基体１に注入することで、炭素イオン濃度が基体１表面から内部に向けて徐々に低下する炭素傾斜層を形成している。
【０００９】
ここでは従来例として、ＰＶＤ方式を引用したが、アセチレンやメタンガスを使うＣＶＤ方式も多用されている。またイオン注入プロセスとしてイオンビームを用いる場合もある。
【００１０】
【特許文献１】
特開平０６−２１３８号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記のような従来の表面処理方法では、そのプラズマプロセスによって形成された炭素傾斜層は、その厚さが約５０ｎｍ程度と薄いため、機械部品との密着性が十分に得られないという問題点を有していた。また、炭素傾斜層の形成時に印加されるバイアス電圧が高く、そのような高圧のバイアス電圧を供給するための電源等の設備費が増大し、結果的に処理費が高価なものになるという問題点をも有していた。
【００１２】
これに対して、高温処理で生成するダイヤモンド膜に関して、特開平０６−２１３８号公報（特許文献１）に、表面に放電加工処理を施し凹凸をつけたり結晶構造を変化させたりして、密着性を向上する技術が開示されているが、この技術では、ＤＬＣ等の摺動性向上用の硬質炭素膜に関しては、十分に密着性を向上することができなかった。
【００１３】
また、前述のＰＶＤプロセスでは、プラズマの濃度がイオン源の位置に依存し機械部品が均一に処理できないという問題があり、一方、基体を電極として使うＣＶＤにおいては、均一に処理できるがアセチレンやメタンなどの爆発性がある危険なガスを使用しなければならないという問題点を有していた。
【００１４】
本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、機械部品等の表面に密着性の高い硬質炭素膜を安価に形成することができ、また、硬質炭素膜を形成するにあたって、部品の表面に対して均一にしかも安全に形成することができる表面処理方法および機械部品の製造方法を提供する。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明の請求項１記載の表面処理方法は、導体からなる基体の表面に硬質炭素膜を形成する表面処理方法であって、放電加工によって前記基体の表面に炭素傾斜層を形成する前工程と、プラズマプロセスにより炭素原子を注入および堆積させて硬質炭素膜を形成する後工程とを有する方法としたことを特徴とする。
【００１６】
この方法により、一点に集中した放電加工のエネルギーによって厚い炭素傾斜層が形成できるので、部品表面に対して密着性の高い硬質炭素膜を形成することができ、また高電圧の電源が不要となり処理費用を低減することができる。
【００１７】
また、本発明の請求項２記載の表面処理方法は、導体からなる基体の表面に硬質炭素膜を形成する表面処理方法であって、放電加工によって前記基体の表面に炭素傾斜層および炭素層を形成する前工程と、不活性ガスのプラズマにより前記炭素層を硬化させて硬質炭素膜を形成する後工程とを有する方法としたことを特徴とする。
【００１８】
この方法により、一点に集中した放電加工のエネルギーによって厚い炭素傾斜層が形成できるので、部品表面に対して密着性の高い硬質炭素膜を形成することができ、また高電圧の電源が不要となり処理費用を低減することができ、さらに不活性ガスによるプラズマを用いるため、安全性が高く立体的な機械部品に均一に表面処理を施すことができる。
【００１９】
また、本発明の請求項３記載の表面処理方法は、請求項１または請求項２に記載の表面処理方法であって、前記前工程は、表面が炭素で被覆された電極を用いて放電加工を行う方法としたことを特徴とする。
【００２０】
この方法により、放電加工において電極上の炭素が基材に付着し、効率よく炭素傾斜層や炭素層を形成することができる。
また、本発明の請求項４記載の表面処理方法は、請求項１または請求項２に記載の表面処理方法であって、前記前工程は、材質に炭素を含む電極を用いて放電加工を行う方法としたことを特徴とする。
【００２１】
この方法により、放電加工において電極内の炭素が基材に付着し、効率よく炭素傾斜層や炭素層を形成することができ、しかも電極の消耗が進んでも炭素を供給することができる。
【００２２】
また、本発明の請求項５記載の表面処理方法は、請求項１または請求項２に記載の表面処理方法であって、前記前工程は、炭素粉末を添加した加工液中で前記放電加工を行う方法としたことを特徴とする。
【００２３】
この方法により、放電加工において加工液中の炭素が基材に付着し、効率よく炭素傾斜層や炭素層を形成することができる。
また、本発明の請求項６記載の機械部品の製造方法は、導体を放電加工により所望の形状に加工した後、放電加工に使用する電極または加工液またはその両者を炭素傾斜層の形成用に交換し、放電加工を用いて前記導体の表面処理を行い、さらにプラズマプロセスにより炭素原子を注入および堆積させて硬質炭素膜を形成し、機械部品を製造する方法としたことを特徴とする。
【００２４】
この方法により、部品の高精度形状加工と炭素傾斜層の形成とが同一装置で行えるため処理費が安価となり、また形状加工によってできたすべての表面に均一に十分な炭素傾斜層を形成することができるため、部品表面に対して密着性の高い硬質炭素膜を形成することができ、また高電圧の電源が不要となり処理費用を低減することができる。
【００２５】
また、本発明の請求項７記載の機械部品の製造方法は、導体を放電加工により所望の形状に加工した後、放電加工に使用する電極または加工液またはその両者を炭素傾斜層および炭素層の形成用に交換し、放電加工を用いて前記導体の表面処理を行い、さらに不活性ガスのプラズマにより前記炭素層を硬化させて硬質炭素膜を形成し、機械部品を製造する方法としたことを特徴とする。
【００２６】
この方法により、部品の高精度形状加工と炭素傾斜層の形成とが同一装置で行えるため処理費が安価となり、また形状加工によってできたすべての表面に均一に十分な炭素傾斜層を形成することができるため、部品表面に対して密着性の高い硬質炭素膜を形成することができ、また高電圧の電源が不要となり処理費用を低減することができるとともに、不活性ガスを用いるので安全性が高く立体的な機械部品に対して均一に表面処理を施すことができる。
【００２７】
また、本発明の請求項８記載の機械部品の製造方法は、請求項６または請求項７に記載の機械部品の製造方法であって、機械部品は、小型モータ用の部品である方法としたことを特徴とする。
【００２８】
この方法により製造されたモータ部品は、密着性の高い摺動膜により表面処理されているので、寿命を長くすることができる。
また、本発明の請求項９記載の携帯電子機器は、請求項８に記載の機械部品の製造方法によって製造した部品からなる小型モータを使用して構成したことを特徴とする。
【００２９】
この構成により、携帯電子機器は寿命が長いモータ部品を使っているので、長期間使用することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を示す表面処理方法および機械部品の製造方法について、図面を参照しながら具体的に説明する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１の表面処理方法および機械部品の製造方法を説明する。
【００３１】
図１は本実施の形態の表面処理方法および機械部品の製造方法を示す概念的な構成図である。本実施の形態においては、基体１はモータの回転部分の部品であり、その拡大図を図５に示す。図５に示すように、部品は対称軸６０に対して対称形で鉄系合金でできている。本実施の形態の表面処理は、表面に硬質炭素膜を形成することにより、機械部品の摺動性および耐摩耗性を向上することを目的としている。
【００３２】
本実施の形態１の表面処理方法および機械部品の製造方法における前工程について、図１（ａ）、図１（ｂ）を用いて説明する。
まず、構成について説明する。図１において、１１は放電加工漕、３は基体１の材料、１２は材料取り付け治具であり回転機構を備える。１３は加工液であり、図示していない加工液切り替え機構により、加工液Ａ用のタンク１４および加工液Ｂ用のタンク１５からの２種類の加工液を切り替えることができる。タンク１４からの加工液Ａは、材料を所望の形状に加工するときに用いるもので、タンク１５からの加工液Ｂは、炭素傾斜層を形成する際に用いる。加工液Ｂには、炭素傾斜層を形成するための炭素粉末が添加されている。
【００３３】
放電加工槽１１の中には、放電加工時の放電用電極となる電極ａ１６、電極ｂ１７が配置されている。電極ａ１６は材料を所望の形状に加工するときに用いるもので、電極ｂ１７は炭素傾斜層を形成する際に用いる。電極ｂ１７は、ＷＣなど炭素を含む材質を用い、望ましくは表面を炭素被覆している。
【００３４】
１８は放電加工用電源であり、基体材料３と電極１６、１７との間に電圧をかけており、基体材料３をマイナス側にすることも電極１６、１７をマイナス側にすることもできるように、極性の切り替え機構を有する。基体材料３と電極１６、１７間の位置を変化させる機構は図示していないが、通常用いられるＸＹテーブルや昇降機構により容易に実現できる。
【００３５】
次に、動作について説明する。
まず、加工液Ａタンク１４より加工液Ａを放電加工漕１１内に供給する。次に、回転機構により基体材料３を回転させる。次に、電極ａ１６と基体材料３間に基体材料３の極性がプラスとなるように、放電加工用電源１８によって７０Ｖの電圧をかける。続いて、電極ａ１６と基体材料３を徐々に５μｍ以下の距離に近づけ、電極ａ１６と基体材料３間でアーク放電を起こしながら、基体材料３を所望の形状に加工していく。基体材料３が所望の形状になった後、電圧を切り電極ａ１６を基体１から離し、さらに加工液Ａを放電加工漕１１内から回収する。
【００３６】
つぎに、図１（ｂ）の如く、加工液Ｂタンク１５より加工液Ｂを放電加工漕１１内に供給し、電極ｂ１７を基体１に５μｍ以下の距離に近づける。このとき電極ｂ１７と基体１間に電極ｂ１７がプラスとなるように、放電加工用電源１８によって１００Ｖの電圧をかける。電極ｂ１７と基体１間でアーク放電が発生し電極ｂ１７の表面または内部または加工液Ｂ中の炭素が基体１に入りこむ。アーク放電は局所的にエネルギーが集中しているので、プラズマプロセスに比べて基体１の深くまで改質することができる。プラズマプロセスによる炭素傾斜層が１００ｎｍ以下であるのに対し、放電加工による改質は１００ｎｍ〜５μｍ程度である。
【００３７】
次に、本実施の形態１の表面処理方法および機械部品の製造方法における後工程について、図１（ｃ）を用いて説明する。
まず、構成について説明する。
【００３８】
図４と同じ番号は同じ構成要素を表す。ただし、図４と比べて、バイアス電源２１の電圧が１５ｋＶ未満である点が異なる。
以下に動作を説明する。
【００３９】
排気ライン４より真空チャンバ１０内を１．０×１０−４Ｐａまで排気する。次に電源３３よりアークプラズマ源３１に電力を供給し、アーク電流６０Ａとして、炭素イオンと電子からなるプラズマ５０を発生させる。同時に、バイアス電源２１により、基体１にパルス状の負電圧−１０ｋＶを、幅１０μｓｅｃ周期１０００Ｈｚで印加する。
【００４０】
プラズマ５０中の炭素イオンは、基体１に印加された負のバイアス電圧により、プラズマ５０から引き出され基体１の表面に衝突する。その際の炭素イオンは、プラズマ５０と基体１の電位差に相当する分のエネルギーをもっているので、基体１に衝突して注入または付着する。この際に基体１の表面では、硬質炭素膜が形成され、潤滑性の発現と硬化が生じる。これによって、基体表面の摺動性と耐摩耗性を向上することができる。
【００４１】
以上の方法によると、一点に集中した放電加工のエネルギーによって、厚い炭素傾斜層が形成できるので、密着性が高い硬質炭素膜を形成することができる。また、高電圧の電源が不要となるため処理費用を低減することができる。
【００４２】
また、図２に本実施の形態で処理した基体表面のオージェ分析の結果を示す。硬質炭素膜層の下に５００ｎｍの炭素傾斜層が形成されていることがわかる。このため、従来のプラズマプロセスによる処理の密着性が、スクラッチ臨海荷重で２０Ｎであったものを、６０Ｎまで向上することができた。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２の表面処理方法および機械部品の製造方法を説明する。
【００４３】
図１は本実施の形態の表面処理方法および機械部品の製造方法を示す概念的な構成図である。本実施の形態２においても、基体はモータの回転部分であり、その拡大図を図５に示す。図５に示すように、部品は対称軸６０に対して対称形であり鉄系合金でできている。本実施の形態の表面処理は、表面に硬質炭素膜を形成することにより摺動性および耐摩耗性を向上することを目的としている。
【００４４】
本実施の形態の構成は、前工程において図１（ａ）、（ｂ）と同様であるが、加工液Ｂとして加工液に含ませる炭素粉末の量を実施の形態１の２倍にしている点が異なる。このため前工程において、炭素傾斜層ととともに炭素層が形成される。
【００４５】
動作は実施の形態１の場合と同様である。その結果、厚い炭素傾斜層とそれを覆う炭素層が形成される。しかも、従来例のプラズマプロセスの炭素傾斜層の形成では、基体１とプラズマ５０間の電界が、図５の表面６１や表面６２に集中するため、角部６３の付近に十分な炭素傾斜層が得られないのに対し、この方法では、形状加工によってできたすべての表面に均一に十分な炭素傾斜層を形成することができる。
【００４６】
次に、本実施の形態の後工程について、図３を用いて説明する。
図３中、図１（ｃ）と同じ番号は同じ構成要素を表す。５は不活性ガスの供給ラインである。ここでは不活性ガスとしてアルゴンを用いた。２２は基板支持台２に電圧を印加する電源である。ここでは、周波数３０００Ｈｚのパルス電源を用いた。
【００４７】
つぎに動作を説明する。
まず、不活性ガスの供給ライン５より真空チャンバ１０内に不活性ガスを供給しながら、排気ライン４より排気しチャンバ内を一定圧力に保つ。ここでは５Ｐａに保った。次に、バイアス電源２２より−１ｋＶのパルス電圧を印加すると、基体１の周りにプラズマ５０が発生する。プラズマ５０中のイオンはプラズマ５０と基体１の電位差によって基体１に衝突する。イオンのエネルギーで炭素層は活性化され構造が硬質炭素膜となる。
【００４８】
また、炭素層の一部はスパッタされプラズマ５０中でイオンとなり、バイアス電圧によって再び基体１に衝突し、硬質炭素膜を形成する。このプロセスは、バイアス電圧が低いので注入プロセスのような電界集中の効果は小さい。よって、基体１表面に均一に硬質炭素膜を形成することができる。これによって、基体１表面の摺動性と耐摩耗性を向上することができる。
【００４９】
この方法によると、部品の高精度形状加工と炭素傾斜層の形成が同一装置で行えるため、処理費が安価となる。また形状加工によってできたすべての表面に均一に十分な厚さの炭素傾斜層を形成することができる。よって部品の表面に密着性が高い硬質炭素膜を形成することができる。
【００５０】
また、高電圧の電源が不要で処理費用を低減することができる。さらに不活性ガスを用いるので、安全性が高く立体的な機械部品に、均一に表面処理を施すことができる。
【００５１】
なお、１μｍ以上の硬質炭素膜を形成する場合は、実施の形態１が実用的であるが、０．１μｍ以下の場合実施の形態２のほうが均一に処理できるという優位性を持つ。
【００５２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、一点に集中した放電加工のエネルギーによって厚い炭素傾斜層を形成することができるので、機械部品の表面に対して密着性の高い硬質炭素膜を効率良く形成することができる。
【００５３】
また、不活性ガスによるプラズマを用いるので、安全性が高く立体的な機械部品に対しても均一に表面処理を施すことができる。
さらに、高電圧の電源が不要となるため処理費用を低減することができるとともに、部品の高精度形状加工と炭素傾斜層や炭素層の形成が同一装置で行えるように構成することができ、その構成により処理費を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の表面処理方法および機械部品の製造方法を示す概念的な構成図
【図２】同実施の形態の表面処理方法および機械部品の製造方法による処理表面のオージェ分析の結果説明図
【図３】同実施の形態の表面処理方法および機械部品の製造方法における後工程を示す概念的な構成図
【図４】従来の表面処理方法および機械部品の製造方法を示す概念的な構成図
【図５】従来例および実施の形態の表面処理方法および機械部品の製造方法によって得られる機械部品の拡大図
【符号の説明】
１　　基体
２　　支持台
３　　基体材料
４　　排気ライン
５　　供給ライン
１０　　真空チャンバ
１１　　放電加工漕
１２　　材料取り付け治具
１３　　加工液
１４、１５　　タンク
１６、１７　　電極
１８　　放電加工用電源
２０、２１、２２　　バイアス電源
３１　　プラズマ源
３３　　プラズマ用電源
５０　　プラズマ
【図１】
2004091903.tif 000003
【図２】
2004091903.tif 000004
【図３】
2004091903.tif 000005
【図４】
2004091903.tif 000006
【図５】
2004091903.tif 000007