(57)【要約】【課題】本発明は、剛性、耐熱性、放熱性及び耐摩耗性を向上した車両用ディスクブレーキのディスクロータを提供する。【解決手段】車両用ディスクブレーキ１０のディスクロータ１は、平均直径が０．７〜５００ｎｍであって平均長さが０．０１〜１０００μｍであるカーボンナノファイバー及び球殻状炭素であるフラーレンの少なくとも一方を含有する金属によって形成される。【選択図】        図１
2004225765.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両用ディスクブレーキのディスクロータにおいて、
平均直径が０．７〜５００ｎｍであって平均長さが０．０１〜１０００μｍであるカーボンナノファイバー及び球殻状炭素であるフラーレンの少なくとも一方を含有する金属によって形成される、車両用ディスクブレーキのディスクロータ。
【請求項２】
請求項１記載の車両用ディスクブレーキのディスクロータにおいて、
前記金属は、アルミニウムまたはアルミニウム合金である、車両用ディスクブレーキのディスクロータ。
【請求項３】
請求項１記載の車両用ディスクブレーキのディスクロータにおいて、
前記金属は、マグネシウムまたはマグネシウム合金である、車両用ディスクブレーキのディスクロータ。
【請求項４】
請求項１記載の車両用ディスクブレーキのディスクロータにおいて、
前記金属は、チタンまたはチタン合金である、車両用ディスクブレーキのディスクロータ。
【請求項５】
請求項１〜４記載の車両用ディスクブレーキのディスクロータのいずれかにおいて、
前記カーボンナノファイバーは、イオン注入処理されている、車両用ディスクブレーキのディスクロータ。
【請求項６】
請求項１〜４記載の車両用ディスクブレーキのディスクロータのいずれかにおいて、
前記カーボンナノファイバーは、スパッタエッチング処理されている、車両用ディスクブレーキのディスクロータ。
【請求項７】
請求項１〜４記載の車両用ディスクブレーキのディスクロータのいずれかにおいて、
前記カーボンナノファイバーは、プラズマ処理されている、車両用ディスクブレーキのディスクロータ。
【請求項８】
請求項１〜７記載の車両用ディスクブレーキのディスクロータのいずれかにおいて、
前記フラーレンは、カーボン６０とカーボン７０とを含み、
前記カーボン７０より前記カーボン６０が多く含有されている、車両用ディスクブレーキのディスクロータ。
【請求項９】
請求項１〜８記載の車両用ディスクブレーキのディスクロータのいずれかにおいて、
前記金属は、前記カーボンナノファイバー及び前記フラーレンの少なくとも一方の合成過程において得られる炭素及び炭素化合物を含有する、車両用ディスクブレーキのディスクロータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等に用いられる車両用ディスクブレーキのディスクロータに関するものである。
【０００２】
【背景技術】
自動車等に用いられる車両用ディスクブレーキは、キャリパボディに取り付けられたブレーキパッドをディスクロータに対して両側から押しつけることで摩擦力を得て、車両を制動させるものである。従来、車両用ディスクブレーキのディスクロータとしては、一般に鋳鉄やクロム系ステンレスが用いられている。しかしながら、ブレーキ特性例えば耐熱性、放熱性、耐摩耗性の向上及び軽量化が求められている。
【０００３】
そこで、ディスクロータとブレーキパッドの間の摺動面に酸化物セラミックス材を溶射させ、耐摩耗性を向上させた車両用ディスクブレーキのディスクロータが提案されている。また、この車両用ディスクブレーキのディスクロータは、母材をアルミニウムで形成し、軽量化している（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−６５６１２号公報（第１−５頁、図１−３）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の軽量化したディスクロータにおいては、ディスクロータ本体を製造する工程とディスクロータに溶射する工程の２工程が必要になっていた。また、軽量化したディスクロータの剛性、耐熱性、放熱性及び耐摩耗性のさらなる向上が望まれている。
【０００６】
本発明は、剛性、耐熱性、放熱性及び耐摩耗性を向上させ、また剛性を維持しつつ軽量化が可能な車両用ディスクブレーキのディスクロータを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の第一の態様に係る車両用ディスクブレーキのディスクロータは、平均直径が０．７〜５００ｎｍであって平均長さが０．０１〜１０００μｍであるカーボンナノファイバー及び球殻状炭素であるフラーレンの少なくとも一方を含有する金属によって形成される。
【０００８】
本発明の第一の態様によれば、カーボンナノファイバー及びフラーレンの少なくとも一方を含有する金属によって形成することで、剛性、特に破壊靭性を向上させることができ、また剛性を維持しつつディスクロータを軽量化することができる。また、この態様によれば、耐熱性・放熱性や耐摩耗性を向上させることができる。特に、高温時で摩擦係数が低下しにくく（耐熱性）、摩耗量が少ない特性（耐摩耗性）があるので、高回転領域からの制動時や高負荷領域での制動効果が向上する。
【０００９】
ここで、本発明の第一の態様に係る車両用ディスクブレーキのディスクロータにおいては、
前記金属は、アルミニウムまたはアルミニウム合金とすることができる。
【００１０】
このような構成とすることで、剛性を維持したままディスクロータを軽量化することができる。これによって、車両、特に競技用車両などの車体軽量化に貢献することができる。また、鋳鉄やステンレスなどに比べて摩耗しやすいアルミニウムまたはアルミニウム合金にカーボンナノファイバー及びフラーレンの少なくとも一方を含有することで、耐摩耗性を向上させることができる。
【００１１】
ここで、本発明の第一の態様に係る車両用ディスクブレーキのディスクロータにおいては、
前記金属は、マグネシウムまたはマグネシウム合金とすることができる。
【００１２】
このような構成とすることで、剛性を維持したままディスクロータを軽量化することができる。これによって、車両、特に競技用車両などの車体軽量化に貢献することができる。また、鋳鉄やステンレスなどに比べて摩耗しやすいマグネシウムまたはマグネシウム合金にカーボンナノファイバー及びフラーレンの少なくとも一方を含有することで、耐摩耗性を向上させることができる。
【００１３】
ここで、本発明の第一の態様に係る車両用ディスクブレーキのディスクロータにおいては、
前記金属は、チタンまたはチタン合金とすることができる。
【００１４】
このような構成とすることで、剛性を維持したままディスクロータを軽量化することができる。これによって、車両、特に競技用車両などの車体軽量化に貢献することができる。
【００１５】
ここで、本発明の第一の態様に係る車両用ディスクブレーキのディスクロータにおいては、
前記カーボンナノファイバーは、イオン注入処理されていることができる。
【００１６】
このような構成とすることで、イオン注入されたカーボンナノファイバーは、少なくともその表面の化学的な組成が変ることで、ディスクロータを構成する金属（アルミニウム、マグネシウム、チタンなど）とカーボンナノファイバーの接着性やヌレ性が改善され、ディスクロータの機械的強度をさらに向上させることができるとともに、カーボンナノファイバーの金属中における分散性が向上することで、全体に均質な性能を有することができる。
【００１７】
ここで、本発明の第一の態様に係る車両用ディスクブレーキのディスクロータにおいては、
前記カーボンナノファイバーは、スパッタエッチング処理されていることができる。
【００１８】
このような構成とすることで、スパッタエッチング処理されたカーボンナノファイバーは、その表面に微細な凹凸を形成されるため、ディスクロータを構成する金属（アルミニウム、マグネシウム、チタンなど）とカーボンナノファイバーの接着性やヌレ性が改善され、ディスクロータの機械的強度をさらに向上させることができるとともに、カーボンナノファイバーの金属中における分散性が向上することで、全体に均質な性能を有することができる。
【００１９】
ここで、本発明の第一の態様に係る車両用ディスクブレーキのディスクロータにおいては、
前記カーボンナノファイバーは、プラズマ処理されていることができる。
【００２０】
このような構成とすることで、プラズマ処理されたカーボンナノファイバーは、その表面に微細な凹凸を形成する等の表面改質されるため、ディスクロータを構成する金属（アルミニウム、マグネシウム、チタンなど）とカーボンナノファイバーの接着性やヌレ性が改善され、ディスクロータの機械的強度をさらに向上させることができるとともに、カーボンナノファイバーの金属中における分散性が向上することで、全体に均質な性能を有することができる。
【００２１】
ここで、本発明の第一の態様に係る車両用ディスクブレーキのディスクロータにおいては、
前記フラーレンは、カーボン６０とカーボン７０とを含み、
前記カーボン７０より前記カーボン６０が多く含有されていることができる。
【００２２】
このような構成とすることで、フラーレンの合成過程において、カーボン７０より多く合成されるカーボン６０を有効に利用することができる。フラーレンは、金属中における分散性が高いため、ディスクロータ全体で均質な特性を得ることができることができる。
【００２３】
ここで、本発明の第一の態様に係る車両用ディスクブレーキのディスクロータにおいては、
前記金属は、前記カーボンナノファイバー及び前記フラーレンの少なくとも一方の合成過程において得られる炭素及び炭素化合物を含有することができる。
【００２４】
このような構成とすることで、カーボンナノファイバー及びもしくはフラーレンの合成過程において、合成される不純物である炭素及び炭素化合物を有効に利用することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２６】
図１は、本発明の一実施の形態に係る車両用ディスクブレーキ１０のディスクロータ１を説明する図である。図２は、ディスクブレーキ１０の断面図である。図３は、全方位型イオン注入装置の概略構成図であり、図４は、その回転テーブルの他の実施態様を示す一部断面図である。
【００２７】
自動車等の車両に用いられるディスクブレーキ１０の構造は、図２に示すように、油圧装置による油圧によってキャリパボディ１１の液圧室１４に伝えられてピストン１２を押圧し、その押圧する力によって、パッド２０の摩擦材を円板状のディスクロータ１に押圧して、車の運動エネルギーをその摩擦作用によって熱エネルギーへと変えて制動するものである。
【００２８】
図１に示すように、車両用ディスクブレーキ１０のディスクロータ１は、パッド２０が押し当てられる平滑な摺動面４が円板状の本体２の外周面の両面に形成されている。本実施の形態において、ディスクロータ１の本体２は、製造の容易さなどからアルミニウムを用いているが、金属製であれば鋳鉄やステンレス製であってもよく、特に軽量化の目的を達成するために、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、チタン、チタン合金などのいわゆる軽金属の中から適宜選択することができる。
【００２９】
本発明のディスクロータ１の成形方法としては、特に限定されないが、鍛造、鋳造、粉末冶金、メタルインジェクションモールディング（ＭＩＭ）などで製造することができる。本実施の形態においては、金属溶湯（アルミニウム溶湯）にカーボンナノファイバー及びフラーレンの少なくとも一方を混入し、金型によって形成されたキャビティ内に金属溶湯（アルミニウム溶湯）を充填し、加圧する。溶湯が固化した後、ディスクロータ１の本体２をキャビティから取りだし、所望の切削加工を施して最終製品であるディスクロータ１を得る。なお、この切削加工によって、ディスクロータ１の摺動面４にスリットや孔などを適宜加工してもよい。
【００３０】
ディスクロータ１おいて、炭素繊維およびフラーレンを合わせて０．０１〜５０重量％含むことが好ましい。炭素繊維およびフラーレンの割合が５０重量％を超えると成形性の点で好ましくなく、０．０１重量％未満であると、機械的強度を十分向上することができない場合がある。なお、上記重量割合は、炭素繊維およびフラーレンをそれぞれ単独で含有する場合は、炭素繊維およびフラーレン単独の重量％である。
【００３１】
また、金属例えばアルミニウムに混入させるカーボンナノファイバーは、平均直径が０．７ｎｍ〜５００ｎｍであって、平均長さが０．０１〜１０００μｍのカーボンナノファイバーを用いることが好ましい。また、カーボンナノファイバーの配合量は、成形時の流動性、得られるディスクロータの強度などの観点から、ディスクロータ１の本体２の金属例えばアルミニウム中に０．０１〜５０重量％の範囲で含まれていることが好ましい。このようなカーボンナノファイバーは、炭素六角網面のグラフェンシートが円筒状に閉じた単層構造あるいはこれらの円筒構造が入れ子状に配置された多層構造をしたいわゆるカーボンナノチューブなどである。カーボンナノチューブは、単層構造のみから構成されていても多層構造のみから構成されていても良く、単層構造と多層構造が混在していてもかまわない。また、部分的にカーボンナノチューブの構造を有している炭素材料も使用することができる。なお、カーボンナノチューブという名称の他にグラファイトフィブリルナノチューブといった名称で称されることもある。
【００３２】
単層カーボンナノチューブもしくは多層カーボンナノチューブは、アーク放電法、レーザーアブレーション法、気相成長法などによって望ましいサイズに製造される。
【００３３】
アーク放電法は、大気圧よりもやや低い圧力のアルゴンや水素雰囲気下で、炭素棒でできた電極材料の間にアーク放電を行うことで、陰極に堆積した多層カーボンナノチューブを得るものである。また、単層カーボンナノチューブは、前記炭素棒中にニッケル／コバルトなどの触媒を混ぜてアーク放電を行い、処理容器の内側面に付着するすすから得られる。
【００３４】
レーザーアブレーション法は、希ガス（例えばアルゴン）中で、ターゲットであるニッケル／コバルトなどの触媒を混ぜた炭素表面にＹＡＧレーザーの強いパルスレーザー光を照射することによって炭素表面が溶融・蒸発し、単層カーボンナノチューブを得るものである。
【００３５】
気相成長法は、ベンゼンやトルエン等の炭化水素を気相で熱分解し、カーボンナノチューブを合成するもので、流動触媒法やゼオライト担持触媒法などがある。
【００３６】
カーボンナノファイバーは、金属例えばアルミニウムに混入する前に、あらかじめ表面処理例えば、イオン注入処理、スパッタエッチング処理、プラズマ処理などを行うことによって、アルミニウムとの接着性やぬれ性を改善することができる。
【００３７】
（イオン注入処理）
イオン注入処理（ｉｏｎ  ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）は、イオン源によってイオン化された元素例えば酸素などに加速器によって必要なエネルギーを与え、真空ポンプによって高真空状態に保たれた真空チャンバにあるカーボンナノファイバーの表面内にイオンを打ちこむものである。
【００３８】
本発明の一実施の形態のイオン注入処理について、図３に示す全方位型イオン注入装置の概略構成図を用いて説明する。全方位型イオン注入装置５０は、真空ポンプ５７に接続された例えばステンレス製の真空チャンバー５１内にイオン注入処理を施す試料（例えばカーボンナノファイバー５２）を置く回転テーブル５３が回転自在に配置されている。回転テーブル５３は、パルスバイアス電源５４に接続され、真空チャンバー５１との間は絶縁体５５によって絶縁されている。真空チャンバー５１は、プロセスガス供給装置５８と、高周波電源５９に接続されたコイル６０と、アーク式蒸発源６１と、真空チャンバー５１内温度を測定する赤外線放射温度計６２と接続されている。
【００３９】
イオン注入処理は、真空ポンプ５７によって適当な真空状態とされた真空チャンバー５１内に、プロセスガス供給装置５８からガスが供給され、高周波電源５９によってコイル６０の周りにプラズマを発生させる。これによってイオン化されたガスが、パルスバイアス電源５４の負極に接続されている試料例えばカーボンナノファイバー５２に引き込まれ、注入される。また、真空チャンバー５１に接続されたアーク式蒸発源６１によって、金属イオンを試料例えばカーボンナノファイバー５２に注入させることができる。この場合、アーク式蒸発源６１内の金属蒸発源は、図示せぬ直流アーク電源に接続され、アーク放電によって蒸発させられる。このとき、回転テーブル５３及び試料例えばカーボンナノファイバー５２は、スイッチ６３によって切りかえられた負の直流バイアス電源５６により印加されているので、金属イオンが試料例えばカーボンナノファイバー５２に注入される。
【００４０】
また、全方位型イオン注入装置５０の回転テーブル５３を図４に示すような攪拌羽５３ａ及び容器５３ｂを有する構造としてもよい。容器５３ｂは、広口の開口部を上方に有し、容器５３ｂ中には試料例えばカーボンナノファイバー５２を配置できる。イオン注入処理の間、カーボンナノファイバー５２のような粉体の試料は、攪拌羽５３ａの回転によって攪拌されることで、全体にまんべんなくイオン注入処理を受けることができる。攪拌翼５３ａの回転速度は、カーボンナノファイバー５２の量や、イオン注入処理時間などによって適宜調整することができる。
【００４１】
イオン注入処理されたカーボンナノファイバーは、その表面が化学的に改質され、ディスクロータ１の本体２の金属例えばアルミニウムに対するぬれ性や接着性などが改善され、ディスクロータ１の破壊靭性や耐摩耗性の向上が得られる。
【００４２】
イオン注入処理に用いられる元素は、例えば、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）、塩素（Ｃｌ）、クロム（Ｃｒ）、炭素（Ｃ）、ホウ素（Ｂ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、リン（Ｐ）、アルミニウム（Ａｌ）等、ディスクロータ１の本体２の金属例えばアルミニウムとの相性によって適宜選択することができる。
【００４３】
（スパッタエッチング処理）
ドライエッチング方式のスパッタエッチング処理は、真空ポンプによって高真空状態に保たれた真空チャンバ内にエッチングガス、極低圧不活性ガス雰囲気例えばアルゴン（Ａｒ）中で、交流を印加してグロー放電を行わせ、かつグロー放電によって生じたプラズマ中に露出される電極と接触したカーボンナノファイバーの表面にイオンを衝突させることで、エッチングするものである。
【００４４】
スパッタエッチング処理されたカーボンナノファイバーの表面は、物理的にエッチングされることで、微細（ナノサイズ）な凹凸が形成される。このカーボンナノファイバーの表面の凹凸が、ディスクロータ１の本体２の金属例えばアルミニウムとの接触面積を増大させることとなり、アルミニウムとカーボンナノファイバーとの接着強度を向上させることができる。アルミニウムにカーボンナノファイバーを混入させ製造したディスクロータ１における破壊靭性や耐摩耗性の向上が得られる。
【００４５】
（プラズマ処理）
プラズマ処理は、プラズマをカーボンナノファイバーに照射することによって表面を改質させるものである。プラズマ処理は、一般的なグロー放電処理やコロナ放電処理などを採用することができる。
【００４６】
例えばプラズマは、相対向する放電極と対向電極との間に、パルス生成回路によって生成された高電圧・高頻度のパルス電圧を印加し、両電極間にコロナ放電を惹起して空気中にプラズマを発生させるようにしている。そして、被処理物は、両電極間に静止状態又は移動状態で配置され、その表面にプラズマ処理が施される。
【００４７】
プラズマの作り方には、２枚の平行平板電極に数百から数千ボルトの電圧をかけて放電する二極放電タイプ、熱陰極から発した大量の電子が陽極に入るまでに気体分子と衝突しプラズマを作る熱電子放電タイプ、磁場を使って高真空で放電するマグネトロン放電タイプ、高周波電磁誘導によりプラズマを発生させる無電極放電タイプ、磁場のある共振室へマイクロ波を送りこみ電子を共振させるＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）放電タイプなどがあり、適宜選択することができる。
【００４８】
このようにプラズマ処理されたカーボンナノファイバーの表面は、ディスクロータ１の本体２の金属例えばアルミニウムとの接着性やぬれ性が改善し、アルミニウムにカーボンナノファイバーを混入させて製造したディスクロータ１における破壊靭性や耐摩耗性の向上が得られる。
【００４９】
本実施の形態に用いられるフラーレンは、球殻状炭素例えばカーボン６０（以下Ｃ６０とする）、Ｃ７０、Ｃ７４、Ｃ７６、Ｃ７８、Ｃ８２、Ｃ８４、Ｃ７２０、Ｃ８６０などのフラーレン類などが挙げられるが、Ｃ６０を主成分とすることが好ましい。また、Ｃ６０を主成分として、Ｃ７０がＣ６０よりも少量含まれるフラーレンを用いることが好ましい。さらに、Ｃ６０を主成分として、他のフラーレン類を含んでもよいし、フラーレン以外のフラーレン生成時に同時に生成された他の炭素及び炭素化合物を含んでもよい。フラーレン類の形態は、例えば、サッカーボール状、バッキーボール状などであってもよい。
【００５０】
また、フラーレン類は置換基の導入などにより修飾されていてもよい。修飾方法は、特に限定されず、例えば、フラーレン類の反応性に富む炭素５員環部を化学的に修飾できる。置換基の種類は、特に限定されず、例えば、アルキル基、アリール基、アラルキル基、ジオキソラン単位、ハロゲン又は酸素原子などが例示でき、液晶ポリマー、色素類、ポリエチレンオキシドなどの導入により修飾してもよい。フラーレン類の修飾により、選択された金属例えばアルミニウムとの親和性の改善、フラーレン類の分散を可能にする。
【００５１】
Ｃ６０フラーレンは、黒鉛電極を用い、ヘリウム雰囲気でアーク放電し、得られたススをベンゼンで抽出し、得られたＣ６０混合物を、塩基性活性アルミナを担体とし、ヘキサンを展開溶媒として、カラム分離精製することにより調製した。フラーレンを得る方法は、このアーク放電法に限らず、他の手法でもよい。
【００５２】
このようにディスクロータ１の本体２の金属例えばアルミニウムにフラーレンを混入させて製造したディスクロータ１における耐熱性や耐摩耗性の向上が得られる。
【００５３】
なお、本発明は、本実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の形態に変形可能である。
【００５４】
例えば、ディスクロータ１の本体２を構成するアルミニウムまたはアルミニウム合金に、マグネシウムまたはマグネシウム合金を数パーセント混入させた複合材料とするなど、例えばアルミニウム、マグネシウム、チタンを主成分とする金属に、他の金属を混入させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る車両用ディスクブレーキのディスクロータの正面図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係るディスクブレーキの断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態に用いられる全方位型イオン注入装置の概略説明図である。
【図４】全方位型イオン注入装置の回転テーブルの他の実施態様を示す一部断面図である。
【符号の説明】
１  ディスクロータ
２  本体
４  摺動面
１０  ディスクブレーキ
１１  キャリパボディ
１２  ピストン
１４  液圧室
５０  全方位型イオン注入装置
５３  回転テーブル
５３ａ  攪拌羽
５３ｂ  容器
【図１】
2004225765.tif 000003
【図２】
2004225765.tif 000004
【図３】
2004225765.tif 000005
【図４】
2004225765.tif 000006