(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化珪素100質量部に対して焼結助剤成分を5〜20質量部の範囲で含み、かつ不純物としてＦｅ成分を30〜600ppmの範囲で含有する窒化珪素焼結体を具備し、回転速度が8000rpm以下の回転駆動部に用いられる、直径3mm以下のベアリングボールである電子機器用耐摩耗性部材であって、
前記窒化珪素焼結体は前記焼結助剤成分の偏析部を有し、かつ前記偏析部は最大径が10〜150μmの範囲であると共に、前記窒化珪素焼結体中の単位面積1000×1000μm当りに2個以上10個以下の範囲で存在することを特徴とする電子機器用耐摩耗性部材。
【請求項２】
請求項１記載の電子機器用耐摩耗性部材において、
前記焼結助剤成分は希土類元素の酸化物およびアルカリ土類元素の酸化物から選ばれる少なくとも1種を含むことを特徴とする電子機器用耐摩耗性部材。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の電子機器用耐摩耗性部材において、
前記窒化珪素焼結体は導電性付与粒子を含有し、かつ電気抵抗値が1〜106Ω・mの範囲であることを特徴とする電子機器用耐摩耗性部材。
【請求項４】
請求項３記載の電子機器用耐摩耗性部材において、
前記導電性付与粒子は、４Ａ族元素、５Ａ族元素、６Ａ族元素、７Ａ族元素、珪素、硼素の炭化物および窒化物から選ばれる少なくとも1種からなることを特徴とする電子機器用耐摩耗性部材。
【請求項５】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の電子機器用耐摩耗性部材において、
前記偏析部は、前記窒化珪素焼結体中の前記単位面積当りに2個以上6個以下の範囲で存在することを特徴とする電子機器用耐摩耗性部材。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の電子機器用耐摩耗性部材において、
前記ベアリングボールは磁気記録装置、光ディスク装置、ゲーム装置、または電子機器用冷却装置の回転駆動部に用いられることを特徴とする電子機器用耐摩耗性部材。
【請求項７】
請求項１記載の電子機器用耐摩耗性部材を製造する方法であって、
不純物として酸素を1〜1.8質量％およびＦｅ成分を30〜700ppmの範囲で含む窒化珪素粉末と、前記窒化珪素粉末100質量部に対して5〜20質量部の焼結助剤粉末とを混合し、この混合物を所望の形状に成形する工程と、
前記成形工程により得た成形体を1700〜1850℃の範囲の温度で焼結する一次焼結工程と、
前記一次焼結工程により得た一次焼結体を、前記一次焼結工程の焼結温度より200℃以上低い温度でＨＩＰ処理する二次焼結工程とを具備し、
回転速度が8000rpm以下の回転駆動部に用いられる、直径3mm以下のベアリングボールを製造することを特徴とする電子機器用耐摩耗性部材の製造方法。
【請求項８】
請求項７記載の電子機器用耐摩耗性部材の製造方法において、
前記二次焼結工程における前記ＨＩＰ処理を1300〜1500℃の範囲の温度にて50MPa以下の圧力下で実施することを特徴とする電子機器用耐摩耗性部材の製造方法。
【請求項９】
請求項７または請求項８記載の電子機器用耐摩耗性部材の製造方法において、
前記混合物にさらに導電性付与粒子を添加、混合することを特徴とする電子機器用耐摩耗性部材の製造方法。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項記載の電子機器用耐摩耗性部材からなるベアリングボールを具備することを特徴とする電子機器用ベアリング。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種の電子機器に用いられる耐摩耗性部材とその製造方法、およびそれを用いた電子機器用ベアリングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）やフロッピーディスクドライブ（ＦＤＤ）などの磁気記録装置、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤなどの光ディスク装置、各種ゲーム装置などの発達には目覚しいものがある。これらの電子機器においては、通常、スピンドルモータなどの回転駆動装置により回転軸を高速回転させ、この回転軸に装着された各種ディスクを機能させている。また、ＬＣＤプロジェクタ、ＯＨＰなどの投影装置やパソコンなどには、装置内部の熱を取り除くための冷却用ファンが内蔵されており、このような場合にもファンモータのような回転駆動装置が用いられている。
【０００３】
従来、上述したような電子機器用回転駆動装置の回転軸を支える軸受部材、特にベアリングボールには、軸受鋼などの金属材料が主として用いられてきた。しかし、軸受鋼などの金属材料は耐摩耗性が不十分であることから、例えば電子機器のように4000rpm以上の高速回転が要求される分野においては、寿命のバラツキが増大することで信頼性のある回転駆動が提供できないというような問題が生じている。
【０００４】
このような不具合を解消するために、近年ではベアリングボールに窒化珪素焼結体などのセラミックス材料が用いられるようになってきている（例えば特開2000-314426号公報参照）。窒化珪素焼結体はセラミックス材料の中でも摺動特性に優れ、良好な耐摩耗性を有するものである。従って、高速回転を行う場合においても、機械的に信頼性のある回転駆動を提供することが可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、窒化珪素製ベアリングボールは金属製ベアリングボールに比べて高価であり、その利用範囲（適用装置）が限定されるというような難点を有している。特に、ＨＤＤなどの電子機器においては高速回転化が進められており、金属製ベアリングボールでは剛性不足や耐久性不足に起因する騒音の上昇などが問題となっている。このようなことから、金属製ボールに比べて高剛性の窒化珪素製ベアリングボールの製造コストを低減することで、各種の電子機器への窒化珪素製ベアリングボールの適用を可能にすることが強く求められている。
【０００６】
ここで、窒化珪素製ベアリングボールのコスト低減策の一つとして、例えば酸素やＦｅなどの不純物を比較的多く含む安価な窒化珪素粉末を原料として用いることが考えられる。しかし、不純物量が多い窒化珪素原料などを用いて焼結体を作製すると、酸素やＦｅなどの不純物に起因して焼結助剤成分が偏析しやすくなってしまう。特に、ベアリングボールのように高密度の焼結体が求められる用途では一般にＨＩＰ処理が適用されるため、ＨＩＰ処理の際に焼結助剤成分の偏析部が成長し、この成長した焼結助剤成分の偏析部に基づいてベアリングボールなどとしての剛性や耐久性が低下してしまうという問題が生じる。
【０００７】
さらに、窒化珪素製ベアリングボールは電気的に絶縁物であるため、高速回転を行った際に発生する静電気を、金属材料からなる回転軸やボール受け部などに上手く逃がすことができないといった問題が発生してしまう。ベアリングや周辺部品が必要以上に帯電してしまうと、例えばＨＤＤのように磁気的信号を用いる記録装置では記録媒体に悪影響を与えることになる。その結果として、ＨＤＤ内の記録内容が失われてしまったり、さらにはＨＤＤなどの電子機器そのものが破壊されてしまうといった現象が起きることが懸念されている。このようなことから、一部の電子機器の回転駆動部においては、必要以上に静電気が蓄積することを防止した窒化珪素製ベアリングボールが求められている。
【０００８】
電気抵抗値が10-5Ω・m程度の導電性窒化珪素焼結体は従来から知られており（特公平2-43699号公報など参照）、タービンエンジンのブレードやノズルを放電加工で作製する際の材料などとして利用されている。このような導電性窒化珪素焼結体においては、低電気抵抗を実現するために金属炭化物や金属窒化物などの導電性付与材を多量に添加しており、摺動特性などを低下させる原因になっている。上記公報は導電性窒化珪素焼結体を摺動部材に適用することを何等想定しておらず、放電加工などを利用するために導電性を付与しているにすぎないものである。
【０００９】
金属炭化物や金属窒化物などの導電性化合物を含む窒化珪素焼結体に関しては、特公平7-29855号公報、特許第2566580号公報、特開平6-227870号公報などにも記載されている。しかしながら、これらの公報に記載されている技術では、安価で優れた摺動特性と適度な導電性を満足させた窒化珪素焼結体（複合焼結体）は必ずしも得られていない。
【００１０】
また、金属炭化物や金属窒化物などの導電性付与材は窒化珪素の焼結を阻害する要因となるため、通常の窒化珪素焼結体に比べて焼結助剤を多目に添加する必要が生じる。このように、焼結助剤を比較的多量に添加すると、焼結助剤成分の偏析が助長され、例えば窒化珪素製ベアリングボールの剛性や耐久性などがより低下しやすくなってしまう。
【００１１】
本発明はこのような課題に対処するためになされたもので、ベアリングボールなどに適用した際に安定した高速回転を実現可能にすると共に、製造コストの低減を図った電子機器用耐摩耗性部材、さらに必要以上に静電気が蓄積することを防止した電子機器用耐摩耗性部材を提供することを目的としている。また、そのような電子機器用耐摩耗性部材を用いることによって、冷却装置付きの投影装置やパソコン、また磁気記録装置、光ディスク装置、ゲーム装置などの電子機器の高信頼性化や高性能化などを実現可能とする電子機器用ベアリングを提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は上述した目的を達成するために、電子機器用の窒化珪素焼結体について種々の検討並びに実験を繰り返した結果、電子機器用ベアリングなどの耐摩耗性部材に窒化珪素焼結体を適用する場合には、例えば不純物濃度が比較的高い原料粉末（窒化珪素粉末など）を用いて作製した窒化珪素焼結体、すなわち焼結助剤成分がある程度の大きさおよび量で偏析した窒化珪素焼結体であっても使用可能であることを見出した。
【００１３】
これは、電子機器用のベアリングなどでは稼動時に印加される荷重が比較的小さく、耐荷重特性よりも主として高速摺動特性などが求められるためである。このような用途では不純物濃度が比較的高い窒化珪素粉末、すなわち安価な窒化珪素粉末を原料として用い、焼結助剤成分がある程度の大きさおよび量で偏析した窒化珪素焼結体であっても十分に使用することができ、その上で原料コストの削減に基づいて窒化珪素焼結体、ひいてはそれを用いた電子機器用耐摩耗性部材の製造コストを低減することが可能となる。
【００１４】
さらに、前述したように不純物濃度が比較的高い窒化珪素粉末を用いて窒化珪素焼結体を作製する際にＨＩＰ処理を適用すると、焼結助剤成分の偏析部が成長しやすく、これによりベアリングボールなどの耐摩耗性部材としての剛性や耐久性が低下しやすいが、本発明ではＨＩＰ処理条件を制御することによって、そのような窒化珪素焼結体における焼結助剤成分の偏析部の成長を抑制している。これによって、電子機器用耐摩耗性部材に求められる特性を再現性よく満足させた窒化珪素焼結体を得ることが可能となる。
【００１５】
本発明はこのような知見に基づいてなされたものである。すなわち、本発明の電子機器用耐摩耗性部材は、窒化珪素100質量部に対して焼結助剤成分を5〜20質量部の範囲で含み、かつ不純物としてＦｅ成分を30〜600ppmの範囲で含有する窒化珪素焼結体を具備し、回転速度が8000rpm以下の回転駆動部に用いられる、直径3mm以下のベアリングボールである電子機器用耐摩耗性部材であって、前記窒化珪素焼結体は前記焼結助剤成分の偏析部を有し、かつ前記偏析部は最大径が10〜150μmの範囲であると共に、前記窒化珪素焼結体中の単位面積1000×1000μm当りに2個以上10個以下の範囲で存在することを特徴としている。
【００１７】
本発明の電子機器用耐摩耗性部材においては、窒化珪素焼結体に導電性付与粒子を含有させ、電気抵抗値を1〜106Ω・mの範囲とした窒化珪素焼結体を用いることもできる。このような窒化珪素焼結体を用いる場合において、導電性付与粒子としては例えば４Ａ族元素、５Ａ族元素、６Ａ族元素、７Ａ族元素、珪素、硼素の炭化物および窒化物から選ばれる少なくとも1種が用いられる。
【００１８】
本発明の電子機器用耐摩耗性部材は、上記したように直径3mm以下のベアリングボールとして好適に用いられるものである。このような本発明の電子機器用耐摩耗性部材は、例えば冷却装置付きの投影装置やパソコン、またＨＤＤやＦＤＤのような磁気記録装置、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤのような光ディスク装置、各種ゲーム装置などの回転駆動部に好適に用いられるものである。
【００１９】
本発明の電子機器用耐摩耗性部材の製造方法は、上記した本発明の電子機器用耐摩耗性部材を製造する方法であって、不純物として酸素を1〜1.8質量％およびＦｅ成分を30〜700ppmの範囲で含む窒化珪素粉末と、前記窒化珪素粉末100質量部に対して5〜20質量部の焼結助剤粉末とを混合し、この混合物を所望の形状に成形する工程と、前記成形工程により得た成形体を1700〜1850℃の範囲の温度で焼結する一次焼結工程と、前記一次焼結工程により得た一次焼結体を、前記一次焼結工程の焼結温度より200℃以上低い温度でＨＩＰ処理する二次焼結工程とを具備し、回転速度が8000rpm以下の回転駆動部に用いられる、直径3mm以下のベアリングボールを製造することを特徴としている。
【００２０】
本発明の電子機器用ベアリングは、上記した本発明の電子機器用耐摩耗性部材からなるベアリングボールを具備することを特徴としている。このような電子機器用ベアリングは、上述した冷却装置付きの投影装置やパソコンのファンモータ、あるいは磁気記録装置、光ディスク装置、ゲーム装置などに用いられるスピンドルモータに好適に利用されるものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
本発明の電子機器用耐摩耗性部材は、例えば希土類元素の酸化物やアルカリ土類元素の酸化物などを焼結助剤成分として含み、かつこのような焼結助剤成分の一部が最大径150μm以下の偏析部を形成して存在している窒化珪素焼結体からなるものである。
【００２２】
本発明の電子機器用耐摩耗性部材において、窒化珪素焼結体の原料粉末には例えば不純物として酸素を1〜1.8質量％およびＦｅ成分を30〜700ppmの範囲で含む窒化珪素粉末を用いることができる。ここで、Ｆｅ成分とはＦｅ元素単体、窒化鉄や酸化鉄のようなＦｅ化合物など、全ての鉄（Ｆｅ）を含む成分を示すものとする。このような不純物を比較的多量に含む窒化珪素粉末は、高純度の窒化珪素粉末に比べて安価であるため、ベアリングボールなどの電子機器用耐摩耗性部材（摺動部材）の製造コストの低減に寄与する。焼結助剤粉末や導電性付与材粉末についても同様である。
【００２３】
酸素含有量やＦｅ成分の含有量が少ない窒化珪素粉末では、原料コストの削減に基づく窒化珪素焼結体の製造コストの低減効果を十分に得ることができない。ただし、窒化珪素粉末中の酸素量やＦｅ成分量があまり多すぎると、得られる窒化珪素焼結体に研磨（表面加工）を施した際に脱粒が発生しやすく、これにより表面欠陥が発生して圧砕強度などが大きく劣化し、電子機器用であっても耐摩耗性部材としての特性、例えば摺動特性を維持することができなくなる。このようなことから、原料としての窒化珪素粉末中の酸素量は1〜1.8質量％の範囲であることが、またＦｅ成分量は30〜700ppmの範囲であることが好ましい。
【００２４】
本発明の電子機器用耐摩耗性部材においては、上述したような窒化珪素原料に基づいて、例えば不純物としてのＦｅ成分を30〜600ppmの範囲で含む窒化珪素焼結体を適用することが好ましい。窒化珪素焼結体中のＦｅ成分量は100〜400ppmの範囲であることがより好ましい。このような窒化珪素焼結体を適用することによって、上述したように電子機器用耐摩耗性部材の製造コストを低減することが可能となる。また、適度な量のＦｅ成分を含有する窒化珪素焼結体は加工性が高く、加工に要するコストを削減することができる。この点からもＦｅ成分を適度に含有する窒化珪素焼結体は、電子機器用耐摩耗性部材の製造コストの低減に寄与するものである。なお、本発明におけるＦｅ成分は窒化珪素原料中に不純物として含まれるものが主となるが、焼結体の製造工程中に混入するＦｅ成分、さらには必要に応じて積極的に添加されたＦｅ成分なども含むものとする。
【００２５】
なお、本発明における窒化珪素焼結体のＦｅ成分の含有量は以下のようにして求めた値を指すものとする。まず、窒化珪素焼結体を微細に粉砕して粉状にした後、フッ酸などを加えて加圧容器中で180℃程度に加熱して溶液化する。次いで、硫酸でフッ酸などを洗い落とした後、この溶液に対してＩＣＰ発光分析を行ってＦｅ成分の含有量を求める。このように、窒化珪素焼結体中のＦｅの全量をＦｅ成分の含有量とする。
【００２６】
焼結助剤としては、一般的な窒化珪素焼結体と同様に、各種の金属化合物を適用することが可能であるが、特に希土類元素（イットリウムを含むランタノイド元素）の酸化物およびアルカリ土類元素の酸化物から選ばれる少なくとも1種を使用することが好ましい。これらの酸化物は窒化珪素焼結体の高密度化に有効に作用する。希土類元素の酸化物としては、イットリウム（Ｙ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、エルビウム（Ｅｒ）などの酸化物を使用することが好ましい。これらは粒界相の構成成分となるものである。また、アルカリ土類元素の酸化物としては、マグネシウムやカルシウムの酸化物を用いることが好ましい。なお、焼結助剤としての化合物には、焼結時に酸化物となる希土類元素およびアルカリ土類元素の化合物（炭酸塩など）を用いてもよい。
【００２７】
また、上述した希土類元素やアルカリ土類元素の酸化物に加えて、窒化アルミニウムや酸化アルミニウムなどのアルミニウム化合物、さらにチタン、ジルコニウム、ハフニウムなどの酸化物や窒化物を、焼結助剤の一部として用いることも有効である。アルミニウム化合物は窒化珪素結晶粒間の結合力の強化に寄与する。これらの化合物は酸化物や窒化物として添加してもよいし、焼結時に酸化物や窒化物となる化合物を添加してもよい。
【００２８】
上述したような焼結助剤は窒化珪素100質量部に対して5〜20質量部の範囲で含有させることが好ましい。焼結助剤量が5質量部未満であると、窒化珪素焼結体を十分に緻密化できないおそれがある。一方、焼結助剤量が20質量部を超えると、粒界相や焼結助剤成分の偏析部の形成量が必要以上に増加し、これにより窒化珪素焼結体の耐摩耗性や強度の低下などを招くおそれがある。上述した焼結助剤のうち、希土類酸化物の含有量は5〜15質量部の範囲とすることが好ましく、またアルカリ土類酸化物の含有量は0.5〜5質量部の範囲とすることが好ましい。さらに、これらに加えて窒化アルミニウムや酸化アルミニウムなどのアルミニウム化合物を1〜7質量部の範囲で含有させることが好ましい。
【００２９】
本発明の電子機器用耐摩耗性部材においては、後に詳述するように窒化珪素焼結体中に導電性付与粒子、例えば４Ａ族元素、５Ａ族元素、６Ａ族元素、７Ａ族元素、珪素、硼素の炭化物および窒化物から選ばれる少なくとも1種からなる導電性付与粒子を含有させることができる。このような場合には、導電性付与粒子を窒化珪素焼結体中に15〜40体積％の範囲（導電性付与粒子を含有させた後の窒化珪素焼結体の体積を100体積％として換算）で含有させた窒化珪素焼結体を用いることが好ましい。
【００３０】
上述した導電性付与粒子の含有量は窒化珪素焼結体の電気抵抗値が1〜106Ω・mの範囲となるように適宜に調整される。具体的には、導電性付与粒子は15体積％以上40体積％以下の範囲で含有させることが好ましい。導電性付与粒子の含有量が15体積％未満であると、窒化珪素焼結体の電気抵抗値を十分に低下させることができないおそれがある。一方、金属炭化物や金属窒化物の含有量が40体積％を超えると、窒化珪素焼結体の電気抵抗値自体は下がるものの、窒化珪素焼結体本来の特性が低下するおそれがある。
【００３１】
本発明の電子機器用耐摩耗性部材を構成する窒化珪素焼結体は、上述したような焼結助剤成分の偏析部を有するものであり、さらに焼結助剤成分の偏析部の最大径を150μm以下に制御したものである。このような焼結助剤成分の偏析部を有する窒化珪素焼結体を使用することが可能な理由は、電子機器用ベアリングなどに使用されるベアリングボールなどの耐摩耗性部材（電子機器用耐摩耗性部材）は稼動時に印加される荷重が比較的小さく、耐荷重特性よりも主として高速摺動特性などが求められるためである。
【００３２】
すなわち、上述したような不純物を比較的多量に含む窒化珪素粉末を用いて作製した窒化珪素焼結体においては、酸素やＦｅ成分などの不純物に起因して焼結助剤成分が偏析しやすくなる。特に、導電性付与粒子として金属炭化物などを用いた場合には、導電性付与粒子が窒化珪素の焼結性を阻害する要因として働くため、焼結助剤を通常より多目に添加する。このため、焼結助剤成分はより一層偏析しやすくなる。このような焼結助剤成分の偏析部は窒化珪素焼結体のベアリング特性（繰返し疲労など）や耐荷重特性（圧砕強度など）を低下させる要因になるものの、電子機器用耐摩耗性部材に印加される荷重は例えばガスタービン、自動車部品、工作機械などに用いられる耐摩耗性部材に比べて小さいことから、繰返し疲労特性などが比較的低い窒化珪素焼結体であっても十分に使用することができる。
【００３３】
ただし、焼結助剤成分の偏析部の最大径があまり大きすぎると、それを起点とする破壊が生じやすくなるため、本発明の電子機器用耐摩耗性部材に適用する窒化珪素焼結体においては焼結助剤成分の偏析部の大きさを最大径で150μm以下と規定している。焼結助剤成分の偏析部の最大径は100μm以下であることがより好ましい。なお、本発明において、焼結助剤成分の偏析部とは10μm以上の最大径を有する焼結助剤成分の集合体（凝集体）を指すものとする。
【００３４】
窒化珪素焼結体の高密度化にはＨＩＰ処理が有効であるものの、不純物濃度が比較的高い窒化珪素粉末を用いて窒化珪素焼結体を作製する際にＨＩＰ処理を適用すると、ＨＩＰ処理時に焼結助剤成分の偏析部が成長し、電子機器用であっても耐摩耗性部材の特性低下が避けられない。そこで、本発明においてはＨＩＰ処理条件を制御することによって、そのような窒化珪素焼結体における焼結助剤成分の偏析部の成長を抑制している。具体的には、焼結助剤成分の偏析部の最大径を150μm以下としており、これにより電子機器用ベアリングボールなどに求められる摺動特性などを再現性よく満足させることが可能となる。
【００３５】
上述したように、本発明の電子機器用耐摩耗性部材を構成する窒化珪素焼結体は、最大径が10〜150μmの範囲の焼結助剤成分の偏析部を有するものである。このような焼結助剤成分の偏析部は窒化珪素焼結体中の単位面積1000×1000μm当りに2個以上存在することが好ましい。焼結助剤成分の偏析部の個数が少なすぎると、焼結助剤成分がより大きな偏析部を形成しやすくなるため、偏析部の最大径を150μm以下とする上で、焼結助剤成分の偏析部を単位面積当りに複数個存在させることが好ましい。ただし、焼結助剤成分の偏析部の数があまり多すぎると、窒化珪素焼結体の機械的強度が低下しやすくなるため、偏析部の数は1000×1000μmの単位面積当りに10個以下とすることが好ましい。
【００３６】
ここで、上述した焼結助剤成分の偏析部の最大径および単位面積（1000×1000μm）当りの個数は、以下のようにして求めるものとする。すなわち、窒化珪素焼結体の断面において、任意の測定箇所（面積：1000×1000μm）を金属顕微鏡（例えば倍率50〜100倍）で観察し、この単位面積（1000×1000μm）相当の観察視野（もしくは拡大写真）中に存在する焼結助剤成分の偏析部の数、すなわち最大径（この場合の最大径とは各偏析部の最大直径を示すものである）が10〜150μmの偏析部の数を測定する。さらに、これら偏析部の最大直径のうち、最も大きい偏析部の最大直径を最大径とする。
【００３７】
このように、最大径が150μm以下の焼結助剤成分の偏析部を有する窒化珪素焼結体であれば、電子機器用耐摩耗性部材に十分に適用することができる。そして、このような窒化珪素焼結体からなる耐摩耗性部材を例えばベアリングボールとして使用することによって、例えば高速回転化により騒音の上昇などが問題となっている各種の電子機器の回転駆動部に、高剛性の窒化珪素製ベアリングボールを適用することが可能となる。
【００３８】
ところで、窒化珪素自体は本質的に絶縁性材料であり、一般的に窒化珪素焼結体の電気抵抗値は109Ω・m以上である。このような窒化珪素焼結体からなるベアリングボールを電子機器の回転駆動部に用いた場合、高速回転を行った際に発生する静電気が必要以上に蓄積し、例えばＨＤＤのように磁気的信号を用いる装置では記録媒体に悪影響を与えることになる。そこで、本発明の窒化珪素焼結体に導電性付与粒子を含有させ、例えば1〜106Ω・mの範囲の電気抵抗値を付与した窒化珪素焼結体として用いることもできる。
【００３９】
窒化珪素焼結体が106Ω・m以下の電気抵抗値を有することによって、例えばＨＤＤのような電子機器に用いた際に、高速回転により生じる静電気を回転軸やボール受け部などの金属材料からなる軸受部材に良好に逃がすことが可能となる。従って、静電気の帯電に伴う不具合を解消することができる。一方、窒化珪素焼結体の電気抵抗値が1Ω・m未満であっても、静電気の放散に関してそれ以上の効果が得られないだけでなく、そのような電気抵抗値を得るためには多量の導電性付与粒子を添加する必要が生じるため、窒化珪素焼結体の破壊靭性値や耐摩耗性などの機械的特性を損なうことになる。窒化珪素焼結体の電気抵抗値は10〜105Ω・mの範囲であることがより好ましい。なお、窒化珪素焼結体の電気抵抗値は基本的には体積固有抵抗値を指すものとする。
【００４０】
本発明の電子機器用耐摩耗性部材において、上記した電気抵抗値を得るために窒化珪素焼結体中に含有させる導電性付与粒子は10-5Ω・m以下の電気抵抗値を有することが好ましい。導電性付与粒子の電気抵抗値が10-5Ω・mを超えると、窒化珪素焼結体に所定の電気抵抗値を付与するための配合量が増大するため、窒化珪素焼結体の機械的特性などが低下するおそれがある。
【００４１】
このような導電性付与粒子には、窒化珪素焼結体の電気抵抗値を制御することが可能な炭化物、窒化物、硼化物、金属などの種々の材料を使用することができる。それらのうちでも、４Ａ族元素、５Ａ族元素、６Ａ族元素、７Ａ族元素、珪素、硼素の炭化物および窒化物から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。炭化物や窒化物は化学的に安定であり、耐熱性にも優れることから、ベアリングボールなどを摺動させた際に発生する熱による影響を受けにくい。これら導電性付与粒子の存在はＥＰＭＡやＸ線回折などにより分析可能である。
【００４２】
導電性付与粒子としては、特にタンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）、珪素（Ｓｉ）、および硼素（Ｂ）から選ばれる少なくとも1種の炭化物もしくは窒化物を用いることが好ましい。本発明の耐摩耗性部材をベアリングボールなどとして使用した場合、窒化珪素焼結体の表面に存在する導電性付与粒子も当然ながら窒化珪素焼結体と共に摺動されることになる。従って、導電性付与粒子に対してもある程度の摺動特性が要求されることから、上述したような摺動特性に優れる炭化物や窒化物を用いることが好ましい。摺動特性の向上に関しては、特に炭化珪素が有効である。また、窒化珪素焼結体の焼結性の低下を抑制するためには、焼結後に窒化チタンとなる酸化チタンを添加することが好ましい。
【００４３】
上述した炭化物や窒化物などからなる導電性付与粒子は、平均粒子径が2μm以下の粒子形状を有することが好ましい。さらに、導電性付与粒子は最大径が4μm以下であることが好ましく、より好ましくは2μm以下である。このような炭化物粒子や窒化物粒子を用いることによって、窒化珪素焼結体中に導電性付与粒子を適度に分散させることができる。これに対して、導電性付与材としてウイスカーや繊維を用いると、これらがベアリングボールなどの表面にトゲ状の凸部として存在するおそれが生じる。表面にトゲ状の凸部が存在すると、表面加工時に脱粒の起点となりやすく、また摺動時に相手部材への攻撃性が高まると共に、破壊の起点となるおそれがある。なお、導電性付与粒子の最大径とは粒子個々のサイズであり、窒化珪素焼結体の表面や断面の拡大写真、ＥＰＭＡのカラーマップを見たとき、導電性付与粒子の最も長い対角線を示すものとする。
【００４４】
本発明の電子機器用耐摩耗性部材は、具体的には各種電子機器の回転駆動部において、例えばベアリングの転動体として用いられるものである。特に、本発明の耐摩耗性部材は、電子機器用のベアリングボールに好適である。ベアリングボールの形状は通常真球が一般的であるが、本発明を適用した転動体の形状は必ずしも真球状のボールに限られるものではなく、円柱状や棒状であってもよい。本発明は玉軸受、ころ軸受などの種々のベアリングに適用可能である。なお、本発明の電子機器用耐摩耗性部材はベアリングの転動体などに限らず、例えば半導体製造装置における位置決め治具や搬送治具などの半導体用治工具全般に使用することもできる。特に、導電性付与粒子を配合して電気抵抗値を1〜106Ω・mに制御した窒化珪素焼結体を用いたものは、半導体用治工具全般に使用した際に静電気の帯電を防止できるので好ましい。
【００４５】
本発明の電子機器用耐摩耗性部材の製造方法は、特に限定されるものではないが、例えば以下に示すような方法により製造することが好ましい。
まず、窒化珪素粉末、焼結助剤粉末、および必要に応じて導電性付与材粉末をそれぞれ所定量秤量し、これらを均一に混合する。各原料粉末には摺動特性を考慮してウイスカーや繊維ではなく、粒子状粉末を用いることが好ましい。各原料粉末の大きさは特に限定されるものではないが、窒化珪素粉末は平均粒径が0.2〜3μmの範囲が好ましく、焼結助剤粉末は平均粒径が2μm以下であることが好ましい。導電性付与材粉末の平均粒径は2μm以下であることが好ましい。
【００４６】
窒化珪素粉末としては、前述したように不純物として酸素を1〜1.8質量％およびＦｅ成分を30〜700ppmの範囲で含む原料粉末を使用することができる。このような不純物を比較的多量に含む窒化珪素粉末は、高純度の窒化珪素粉末に比べて安価であるため、ベアリングボールなどの電子機器用耐摩耗性部材（摺動部材）の製造コストの低減に寄与する。焼結助剤粉末や導電性付与材粉末についても同様である。
【００４７】
上述したような原料混合粉末は、必要に応じて造粒した後、所望の形状（例えばボール形状）に成形される。成形方法に関しては、通常の成形方法を適用することができる。例えば、ベアリングボールを作製する場合には、冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）を適用して成形体を作製することが好ましい。このような成形体をまず常圧焼結や雰囲気加圧焼結などにより一次焼結する。一次焼結工程時の焼結温度は1700〜1850℃の範囲とすることが好ましい。一次焼結温度が1700℃未満であると、その後にＨＩＰ処理を施しても十分に緻密質な窒化珪素焼結体を得ることができない。また、一次焼結温度を1850℃を超えて設定してもそれ以上の効果が得られないだけでなく、窒化珪素結晶粒や焼結助剤成分の偏析部が粗大粒化して焼結体の機械的強度が低下してしまう。さらに、焼成炉などの消耗も激しくなる。
【００４８】
次に、上記一次焼結工程により得た一次焼結体に対してＨＩＰ（熱間静水圧プレス）処理（二次焼結工程）を施し、窒化珪素焼結体の高密度化を図る。ただし、一次焼結体中に存在する焼結助剤成分の偏析部はＨＩＰ処理により成長しやすいため、ＨＩＰ処理温度（二次焼結温度）は一次焼結工程の焼結温度より200℃以上低い温度に設定する。すなわち、一次焼結温度をＴ1（℃）、ＨＩＰ処理温度（二次焼結温度）をＴ2（℃）とした場合、Ｔ2はＴ1−200（℃）以下の温度（Ｔ2≦Ｔ1−200（℃））に設定する。このように、ＨＩＰ処理温度を一次焼結温度に比べて低目に設定することによって、焼結助剤成分の偏析部の成長を抑制することができる。
【００４９】
ＨＩＰ処理温度（二次焼結温度）Ｔ2は、具体的には1300〜1500℃の範囲で設定することが好ましい。ＨＩＰ処理温度Ｔ2が1300℃未満であると、窒化珪素焼結体（二次焼結体）を十分に高密度化できないおそれがある。さらに、ＨＩＰ処理時の印加圧力は50MPa以下とすることが好ましい。ＨＩＰ時の圧力が50MPaを超えると、ＨＩＰ処理温度の場合と同様に、焼結助剤成分の偏析部が成長しやすくなる。ＨＩＰ処理の効果を有効に得る上で、ＨＩＰ時の圧力は20〜50MPaの範囲とすることがより好ましい。
【００５０】
上述したような条件下で一次焼結工程および二次焼結工程を実施することによって、目的とする窒化珪素焼結体が得られる。さらに、ベアリングボールとして使用する場合には、JIS規格により定めされた表面粗さを得るための表面研磨を行う。この際、不純物を比較的多量に含む窒化珪素焼結体は加工性がよいことから、ボール形状などへの加工に要するコストを削減することができる。
【００５１】
本発明の電子機器用耐摩耗性部材は、ベアリングボールなどとして各種の電子機器の回転駆動部に好適に用いられるものである。本発明は特に直径が3mm以下の小さいベアリングボールに対して有効である。上述した焼結助剤成分の偏析部は窒化珪素焼結体の大きさに比例（焼結体サイズが大きくなると相対的に焼結助剤量が増えるために大きな偏析部が形成される確率が高くなる）し、大きな偏析部が存在すると焼結体の圧砕強度などを低下させる要因となるため、本発明の電子機器用耐摩耗性部材は偏析部が影響しにくいと共に、偏析部の最大径を150μm以下に制御しやすい小型のベアリングボール、すなわち直径が3mm以下のベアリングボールとして使用することが好ましい。本発明を適用したベアリングボールの直径は2mm以下であることが望ましい。
【００５２】
上述したようなベアリングボールなどの耐摩耗性部材が適用される電子機器としては、例えば冷却装置付きの投影装置やパソコン、またＨＤＤやＦＤＤなどの磁気記録装置、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤなどの光ディスク装置、ディスク型の各種ゲーム装置などが挙げられる。光ディスク装置は、光磁気記録装置、相変化型光記録装置、再生専用型光ディスク装置などの種々の装置を含むものである。さらに、これら以外にも回転駆動部を有する電子機器であれば、本発明は種々の電子機器に対して適用可能である。
【００５３】
例えば、冷却装置付きの投影装置（ＬＣＤプロジェクタやＯＨＰなど）やパソコンなどにおいては、冷却用ファンモータの回転駆動部に本発明の電子機器用耐摩耗性部材がベアリングボールなどとして用いられる。冷却用ファンモータは電圧にもよるが、例えば数100〜3000rpm程度の回転速度で駆動される。このような電子機器の回転駆動部には、絶縁性（電気抵抗値＝109Ω・m以上）の窒化珪素焼結体からなるベアリングボールなどを用いることができる。窒化珪素焼結体からなるベアリングボールは高剛性であるため、騒音の抑制や耐久性の向上を図ることができる。
【００５４】
また、磁気記録装置、光ディスク装置、ディスク型ゲーム装置などにおいては、媒体駆動用スピンドルモータの回転駆動部に本発明の電子機器用耐摩耗性部材がベアリングボールなどとして用いられる。これらの電子機器において、スピンドルモータは例えば4000rpm以上の回転速度で駆動される。このような電子機器の回転駆動部には、導電性（電気抵抗値＝1〜106Ω・m）の窒化珪素焼結体からなるベアリングボールなどが好適に適用される。適度な導電性を有する窒化珪素焼結体からなるベアリングボールは、安定した高速回転を実現した上で、高速回転により生じる静電気を良好に逃がすことができる。これによって、電子機器の静電気による不具合を解消することが可能となる。
【００５５】
本発明のベアリングは、上述したような本発明の電子機器用耐摩耗性部材からなる転動体、例えばベアリングボールを有するものである。図１は本発明のベアリングの一実施形態の構成を示す図である。図１に示すベアリング１は、本発明の電子機器用耐摩耗性部材からなる複数のベアリングボール２と、これらベアリングボール２を支持する内輪３および外輪４とを有している。内輪３や外輪４はJIS-G-4805で規定されるSUJ2などの軸受鋼で形成することが好ましく、これにより信頼性のある高速回転を実現することができる。なお、基本構成は通常のベアリングと同様である。
【００５６】
このようなベアリング１は、上述したように冷却装置付きの投影装置やパソコンのような電子機器において、冷却用ファンモータの回転駆動部に用いられるものである。また、ＨＤＤやＦＤＤなどの磁気記録装置、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤなどの光ディスク装置、ディスク型ゲーム装置などの電子機器においては、各種ディスクの回転駆動部に用いられる。具体的には、ディスク状記録媒体を高速回転させるスピンドルモータの回転駆動に使用される。
【００５７】
【実施例】
次に、本発明の具体的な実施例とその評価結果について述べる。
【００５８】
実施例１〜１７、比較例１〜６
まず、不純物として酸素を1〜1.8質量％およびＦｅ成分を30〜700ppmの範囲で含む窒化珪素粉末（平均粒径：0.7μm）を複数用意し、これら窒化珪素粉末100質量部に対して、焼結助剤として酸化イットリウム粉末や酸化アルミニウム粉末など、さらには導電性付与粒子として炭化珪素粉末や窒化チタン粉末などを、表１に示す原料組成に基づいて添加して混合した。
【００５９】
次に、上記した各原料混合粉末をＣＩＰ成形法により成形し、さらに脱脂した後、まず不活性雰囲気中にて1700〜1850℃の温度で常圧焼結（一次焼結）し、続いてＨＩＰ焼結（二次焼結）を行った。一次焼結および二次焼結（ＨＩＰ）の条件はそれぞれ表１に示す通りである。このようにして窒化珪素焼結体からなる直径2mmのベアリングボールをそれぞれ作製した。各ベアリングボールの表面はJIS規格で認定されたグレード3に相当する表面粗さとなるように研磨した。
【００６０】
また、本発明との比較のために、不純物含有量を十分に低減した高純度の窒化珪素粉末（酸素量＝0.6質量％以下，Ｆｅ成分量＝10ppm以下）を用いた窒化珪素焼結体（比較例１）、焼結助剤量を過剰に設定した窒化珪素焼結体（比較例２）、焼結助剤量を過少に設定した窒化珪素焼結体（比較例３）、ＨＩＰ条件を本発明の範囲外とした窒化珪素焼結体（比較例４）、導電性付与粒子量を過剰に設定した窒化珪素焼結体（比較例５）、およびＨＩＰ条件を本発明の範囲外とした窒化珪素焼結体（比較例６）を、それらの条件以外は実施例と同様に設定して作製し、直径2mmのベアリングボールをそれぞれ得た。
【００６１】
【表１】
0004874475.tif 000002
【００６２】
上述した実施例１〜１７および比較例１〜６による各ベアリングボールについて、電気抵抗値、焼結助剤成分の偏析部の最大径、単位面積1000×1000μm当りに存在する焼結助剤成分の偏析部の数、Ｆｅ成分の含有量（ＩＣＰ発光分析法）を、それぞれ前述した方法にしたがって測定した。これらの測定結果を表２に示す。なお、焼結助剤成分の偏析部の測定は単位面積を任意に3箇所選び、それらの測定値の平均値で示した。
【００６３】
【表２】
0004874475.tif 000003
【００６４】
次に、実施例１〜１７および比較例１〜６による各ベアリングボールをそれぞれ10個一組としてベアリングを作製した。ボール受け部などの他のベアリング部材には軸受鋼SUJ2材を使用した。これらのベアリングをそれぞれスピンドルモータに組込み、ＨＤＤ用モータとして使用した。これらのスピンドルモータを回転速度7200rpmおよび10000rpmでそれぞれ1000時間稼動させ、ベアリングの摺動音の変化率、ベアリングボールの耐久性、ＨＤＤの静電気による不具合の有無をそれぞれ調査した。これらの評価結果を表３に示す。
【００６５】
なお、ベアリングの摺動音の変化率は、10時間稼動後の摺動音Ｎ10と1000時間稼動後の摺動音Ｎ1000を測定し、［（Ｎ1000−Ｎ10）／Ｎ10］×100（％）に基づいて求めた。ベアリングボールの耐久性は1000時間稼動後のベアリングボール表面を調べ、表面にクラックや剥がれなどが生じていないものを「良好」、表面にクラックや剥がれなどが生じていたものを「不良」とした。
【００６６】
【表３】
0004874475.tif 000004
【００６７】
表２および表３から明らかなように、実施例１〜１７の各ベアリングボールは、いずれも回転速度が8000rpm以下のＨＤＤ用スピンドルモータであれば実用性を満足するものであることが分かる。また、適量の導電性付与粒子を含有する窒化珪素焼結体からなるベアリングボール（実施例４〜１７）は1〜106Ω・mの範囲の電気抵抗値を有しており、ＨＤＤ用スピンドルモータに求められる耐久性を有するだけでなく、静電気による不具合を解消できることが分かる。なお、実施例１〜３と同様にして作製したベアリングをそれぞれファンモータに組込み、パソコン用ファンモータ（回転速度1500rpm）として使用したところ、いずれも良好な摺動特性（耐久性）を有していることが確認された。
【００６８】
実施例１８、参考例１
実施例１と同様の組成および製造方法によって、直径3mmのベアリングボール（実施例１８）と直径3mmのベアリングボール（参考例１）を、それぞれ100個ずつ作製し、これら各ベアリングボールにおける焼結助剤成分の偏析部の最大径を実施例１と同様にして測定した。その結果、実施例１８では100個全ての偏析部の最大径が150μm以下であったのに対して、参考例１では100個中23個は偏析部の最大径が150μmを超えていることが確認された。この結果からベアリングボールの直径が3mmを超えると、焼結助剤成分の偏析部の制御が難しくなることが分かる。
【００６９】
実施例１９、参考例２
実施例１４と同様の組成および製造方法によって、直径3mmのベアリングボール（実施例１９）と直径3mmのベアリングボール（参考例２）を、それぞれ100個ずつ作製し、これら各ベアリングボールにおける焼結助剤成分の偏析部の最大径を実施例１４と同様にして測定した。その結果、実施例１９では100個全ての偏析部の最大径が150μm以下であったのに対して、参考例２では100個中8個は偏析部の最大径が150μmを超えていることが確認された。この結果からベアリングボールの直径が3mmを超えると、焼結助剤成分の偏析部の制御が難しくなることが分かる。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば例えば電子機器用ベアリングなどの高速回転を安定に実現し得る電子機器用耐摩耗性部材を安価に提供することができる。従って、各種電子機器に窒化珪素製の耐摩耗性部材を幅広く適用することが可能となる。また、このような電子機器用耐摩耗性部材からなるベアリングボールを具備するベアリングを使用することによって、各種電子機器の信頼性や性能などを高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態によるベアリングボールの概略構成を一部断面で示す図である。
【符号の説明】
１……ベアリング，２……ベアリングボール，３……内輪，４……外輪
【図１】
0004874475.tif 000005