JP4820505B2

JP4820505B2 - 電子機器用耐摩耗性部材とそれを用いた電子機器用ベアリング

Info

Publication number: JP4820505B2
Application number: JP2001256650A
Authority: JP
Inventors: 幸宏武浪; 実高尾; 通泰小松; 公哉宮下; 悦幸福田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-08-27
Filing date: 2001-08-27
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2021-08-27
Also published as: JP2003063870A

Description

【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に起因して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】
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。
【０００７】
なお、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。なお、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。
【０００８】
また、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。
【０００９】
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。
【００１０】
【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、表面にボイドが存在する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。
【００１１】
これは、電子機器用のベアリングなどでは稼働中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て、焼結体表面に比較的大きなボイドが生じ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を図ることが可能となる。さらに、表面に最大径1μm以上のボイドが複数生じるような窒化珪素焼結体は加工性に優れることから、窒化珪素焼結体を例えばベアリングボールとして用いる球体に加工する際のコストを削減することができる。これら原料コストおよび加工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。
【００１２】
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請求項１に記載したように、窒化珪素焼結体を具備す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の表面には最大径１μｍ以上のボイドが複数存在し、前記ボイドの最大径が１〜１５μｍ、かつ個数が前記窒化珪素焼結体表面の単位面積１００×１００μｍ当り５〜３０個、前記窒化珪素焼結体の相対密度が９９％以上、前記耐摩耗性部材が直径３ｍｍ以下、かつ圧砕強度が１２００〜１７００Ｎ／ｍｍ ^２のベアリングボールであり、回転速度が８０００ｒｐｍ以下の回転駆動部に用いられることを特徴としている。ベアリングボールの圧砕強度は請求項１に記載したように１７００Ｎ／ｍｍ ^２以下であっても、電子機器用耐摩耗性部材に求められる特性を満足させることができる。
【００１３】
本発明の電子機器用耐摩耗性部材においては、請求項２に記載したように、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１〜１０^５Ω・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請求項３に記載したように、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。
【００１４】
窒化珪素焼結体は請求項４に記載したように不純物としてのＦｅ成分の含有量が３０〜７００ｐｐｍの窒化珪素粉末を用いて製造されたことが好ましい。このような本発明の電子機器用耐摩耗性部材は、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。
【００１５】
本発明の電子機器用ベアリングは、請求項６に記載したように、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。
【００１６】
【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、部材表面に相当する焼結体表面に最大径が1μm以上のボイドが複数存在する窒化珪素焼結体からなるものである。ここで、窒化珪素焼結体とは窒化珪素を主成分とする焼結体を指すものである。このような本発明の電子機器用耐摩耗性部材を構成する窒化珪素焼結体自体は、相対密度が99％以上の高密度焼結体からなる。窒化珪素焼結体の相対密度が99％未満であると、電子機器用であっても摺動部材などの耐摩耗性部材に求められる特性を満足することができない。
【００１７】
また、本発明で用いる窒化珪素焼結体において、窒化珪素結晶粒間に存在する粒界相は主としてガラス相（例えば面積率で95％以上）からなることが好ましい。窒化珪素焼結体の粒界相は主として焼結助剤により形成されるものであり、例えばＳｉ−Ｒ（希土類元素）−Ｏ系化合物、Ｓｉ−Ａｌ−Ｒ−Ｏ系化合物、Ｓｉ−Ｒ−Ｏ−Ｎ系化合物、Ｓｉ−Ａｌ−Ｒ−Ｏ−Ｎ系化合物などの酸化物や酸窒化物からなる。このような複合化合物もしくは混合物からなる粒界相が結晶化していると、摺動特性などの耐摩耗性が低下するおそれが大きい。これに対して、粒界相を主としてガラス相により構成することによって、電子機器用耐摩耗性部材に求められる摺動特性などを高めることができる。
【００１８】
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においては、上述したように焼結体表面に最大径が1μm以上のボイドが複数存在している。このようなボイドは、例えば酸素やＦｅ成分などの不純物を比較的多量に含む窒化珪素粉末などを用いて焼結体を作製することにより形成されるものであり、焼結体の作製時に生じるポアや表面加工時に主として発生する脱粒痕（研削痕）などによる凹部である。言い換えると、本発明で用いる窒化珪素焼結体は、不純物濃度が比較的高い窒化珪素粉末を原料として作製したものであり、このような窒化珪素粉末は高純度原料に比べて安価であることから、窒化珪素焼結体の原料コストを削減することができる。
【００１９】
上述したような不純物濃度が比較的高い窒化珪素粉末（安価な窒化珪素粉末）などを使用することが可能な理由は、電子機器用ベアリング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。酸素やＦｅ成分などの不純物は、窒化珪素焼結体の耐荷重特性（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や自動車部品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、焼結体表面に最大径1μm以上のボイドが複数存在する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を削減することが可能となる。
【００２０】
さらに、表面に最大径1μm以上のボイドが複数生じるような窒化珪素焼結体は加工性に優れることから、窒化珪素焼結体を例えばベアリングボールとして用いる球体に加工する際のコストなどを削減することができる。窒化珪素製ベアリングボールなどを作製する場合、製造コストに占める球体への加工コストの割合が大きいため、加工コストの削減はベアリングボールなどの製造コストの低減に大きく寄与するものである。
【００２１】
すなわち、窒化珪素焼結体の表面には通常微細なボイドが生じているが、これらのうちでも最大径2μm以上のボイドは特に窒化珪素焼結体の加工性の向上に寄与する。本発明の電子機器用耐摩耗性部材は、このようなボイドを表面に複数存在させた窒化珪素焼結体を用いたものである。このような窒化珪素焼結体を用いることによって、原料コストの削減だけでなく、加工コストも削減できることから、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。なお、本発明で用いる窒化珪素焼結体において、最大径が1μm未満のボイドの有無は特に限定されるものではなく、窒化珪素焼結体表面に最大径1μm未満のボイドが存在していても特に問題はない。
【００２２】
ただし、窒化珪素焼結体表面に存在するボイドの最大径があまり大きくなりすぎると、圧砕強度などの機械的強度が大きく劣化することから、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。このため、窒化珪素焼結体表面に存在するボイドの最大径は20μm以下であることが好ましい。言い換えると、最大径が20μmを超えるボイドは存在させないことが好ましい。このように、本発明で用いる窒化珪素焼結体においては、その表面に最大径が1〜20μmの範囲のボイドが複数存在していることが好ましい。また、摺動特性の維持と加工コストの低減の両方をより有効に得るために、ボイドの最大径は10μm以下であることがより好ましい。
【００２３】
また、上記した最大径が1〜20μmの範囲のボイドは、窒化珪素焼結体表面の単位面積100×100μm当りに5個以上存在させることが好ましい。窒化珪素焼結体表面に存在するボイドの数があまり少ないと、上述した加工コストの削減効果を十分に得ることができない。このように、最大径が1〜20μmの範囲のボイドは窒化珪素焼結体表面に均一に分散していることが好ましい。ただし、ボイドの数があまり多すぎると、圧砕強度などの機械的強度に悪影響を及ぼすおそれがあるため、単位面積100×100μm当りに存在する最大径が1〜20μmの範囲のボイドの数は30個以下であることが好ましい。
【００２４】
ここで、上述したボイドの最大径および単位面積100×100μm当りの数は、以下のようにして求めるものとする。まず、部材表面に相当する窒化珪素焼結体の表面において、任意に単位面積100×100μmの測定箇所を複数、例えば3箇所以上選択し、これら各測定箇所中に存在する各ボイドの最大径（この場合の最大径とは各ボイドの最大直径を示す）を測定する。そして、これらのボイドのうち最も大きいボイドの最大直径を最大径とすると共に、最大直径が1〜20μmのボイドの数を測定し、これらの平均値でボイド数を示すものとする。
【００２５】
上述したように、本発明の電子機器用耐摩耗性部材は、不純物濃度が比較的高い窒化珪素粉末を原料として作製することにより、表面に最大径が1μm以上（好ましくは1〜20μm）のボイドを複数存在させた窒化珪素焼結体を具備し、安価な窒化珪素粉末に基づく原料コストの削減と加工コストの削減に基づいて、窒化珪素焼結体ひいては電子機器用耐摩耗性部材の製造コストの低減を実現したものである。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。
【００２６】
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10⁸Ω・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帯電し、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1〜10⁵Ω・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。
【００２７】
窒化珪素焼結体が10⁵Ω・m（10⁷Ω・cm）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（10²Ω・cm）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10〜10⁴Ω・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抵抗値を指すものとする。
【００２８】
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（10^-3Ω・cm）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。
【００２９】
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、周期律表の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。
【００３０】
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、窒化珪素焼結体表面に存在する導電性付与粒子も当然ながら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。
【００３１】
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、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。
【００３２】
なお、本発明における導電性付与粒子の含有量（体積％）は、例えば単位面積（100×100μm）当りに存在する導電性付与粒子の面積比から特定する方法により求めることができる。この際、単位面積当りの導電性付与粒子の面積比は、任意の3個所以上、好ましくは表面と断面の2個所ずつの合計4個所について測定し、これらの値の平均値により示すものとする。
【００３３】
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焼結助剤として含むことができる。窒化珪素焼結体の組成比は特に限定されるものではないが、摺動特性などを考慮して、以下に示す組成を有する窒化珪素焼結体を使用することが好ましい。
【００３４】
すなわち、本発明の電子機器用耐摩耗性部材においては、窒化珪素100質量部に対して、３Ａ族元素の酸化物および窒化物から選ばれる少なくとも1種を5〜15質量部と、２Ａ族元素、４Ａ族元素の酸化物および窒化物から選ばれる少なくとも1種を0.5〜3質量部とを含む窒化珪素焼結体、さらに必要に応じて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種を導電性付与粒子として15〜40質量部の範囲で含む窒化珪素焼結体を用いることが好ましい。
【００３５】
３Ａ族元素の酸化物および窒化物としては、イットリウム（Ｙ）などの希土類元素の酸化物や窒化物が挙げられる。これらは焼結時に酸化物や窒化物となる希土類元素の化合物を出発原料として用いてもよい。３Ａ族元素の酸化物などの化合物は粒界相の構成成分となる。３Ａ族元素の酸化物や窒化物の含有量が5質量部未満であると粒界相の形成量が不足することによって、十分な強度がえられないおそれがある。一方、これらの化合物の含有量が15質量部を超えると、粒界相の形成量が必要以上に増加するため、強度の低下などを招くおそれがある。さらに、粒界相による窒化珪素結晶粒間の結合力を強化するために、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2質量部以上10質量部以下の範囲で配合することも有効である。
【００３６】
２Ａ族元素や４Ａ族元素の酸化物および窒化物は焼結性の向上に寄与する成分であり、0.5質量部以上3質量部以下の範囲で含有させることが好ましい。２Ａ族元素としてはマグネシウムやカルシウムが好ましい元素として挙げられる。４Ａ族元素としてはチタン、ジルコニウム、ハフニウムが好ましい元素として挙げられる。これら元素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。
【００３７】
さらに、上述した各種金属の炭化物や窒化物は導電性付与粒子として機能するものであり、その含有量は窒化珪素焼結体の電気抵抗値が1〜10⁵Ω・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質量部以上40質量部以下の範囲で含有させることが好ましい。導電性付与粒子としての金属炭化物や金属窒化物の含有量が15質量部未満であると、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質量部を超えると、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。
【００３８】
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。
【００３９】
本発明の電子機器用耐摩耗性部材をベアリングボールに適用する場合、その直径は3mm以下であることが好ましい。本発明を適用したベアリングボールの直径はさらに2mm以下であることが望ましい。このようなベアリングボールの圧砕強度は例えば2000N/mm²以下である。ここで、3mm以下のベアリングボールの場合、例えばJISに準じた方法（旧JIS規格B1501に準じた測定法：2個のボールを縦に重ねて測定）では圧砕強度の測定が難しいことから、一対の平板材の間に1個のボールを配置し、上から荷重をかけてボールが圧砕したときの荷重に基づいて圧砕強度を求めることが好ましい。平板材には硬さ60HRC以上の焼入れされた軸受鋼（SUJ2）を用い、また負荷速度は3mm/minとする。この測定方法は1個のボールを圧砕しているため、前記JISに準じた方法よりも圧砕強度が大きくなる。
【００４０】
本発明の電子機器用耐摩耗性部材は、表面に最大径1μm以上のボイドが複数存在する窒化珪素焼結体からなり、圧砕強度などは高純度原料を用いた窒化珪素焼結体に比べて劣っている。このため、本発明の電子機器用耐摩耗性部材は圧砕強度の低下が影響しにく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。このようなベアリングボールであれば圧砕強度が2000N/mm²以下であっても、電子機器用ベアリングに求められる特性を十分に満足することができる。
【００４１】
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。
【００４２】
窒化珪素粉末としては、例えば不純物としての酸素含有量が1.4〜2質量％、またＦｅ成分の含有量が30〜700ppmというような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。
【００４３】
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焼結することによって、表面に最大径2μm以上のボイドが複数存在する窒化珪素焼結体、すなわち本発明の電子機器用耐摩耗性部材が得られる。焼結方法に関しては、常圧焼結、加圧焼結、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）などが適用可能である。ベアリングボールを作製する場合には常圧焼結や加圧焼結を行った後にＨＩＰを行う2段焼結を適用することが好ましい。これによって、ベアリングボールなどとしての摺動特性が向上する。
【００４４】
また、焼結後の冷却工程は窒化珪素焼結体中の粒界相が主としてガラス相となるように、例えば焼結温度から500℃／h以上の冷却速度で急冷することが好ましい。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、表面に最大径2μm以上のボイドが複数存在する窒化珪素焼結体は加工性に優れることから、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。
【００４５】
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。この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。
【００４６】
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＝10⁸Ω・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。
【００４７】
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＝1〜10⁵Ω・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。
【００４８】
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は本発明の一実施形態によるベアリング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実質的に同様である。
【００４９】
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部に使用される。
【００５０】
【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。
【００５１】
実施例１〜６、比較例１〜２、参考例１〜３
まず、不純物酸素量が１．４〜２質量％、不純物Ｆｅ量が３０〜７００ｐｐｍの窒化珪素粉末（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、焼結助剤として平均粒径が０．８μｍの酸化イットリウム粉末を４質量部、平均粒径が０．９μｍの酸化アルミニウム粉末を４質量部、および平均粒径が１μｍの酸化チタン粉末を１質量部の割合でそれぞれ添加して混合した。
【００５２】
次に、上記した各原料混合粉末をＣＩＰ成形法により成形した後、不活性雰囲気中にて1600〜1900℃の温度で常圧焼結し、続いて1600〜1900℃の温度でＨＩＰ焼結を行った。このようにして、表面に最大径が2μm以上のボイドが複数存在する窒化珪素焼結体を得た後、これら各窒化珪素焼結体から直径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。
【００５３】
なお、得られた各窒化珪素焼結体の粒界相は、いずれも面積比で95％以上がガラス相からなることをＸ線回折法により確認した。具体的には、Ｘ線回折法により結晶の有無を確認し、各結晶相に応じた所定の結晶ピークまたはピーク比によって、粒界相を構成するガラス相の面積比を測定した。粒界相に結晶相がない場合には、ピークは確認されない。Ｘ線回折法を用いる場合、窒化珪素焼結体中の添加物組成が不明な際には、事前にＥＰＭＡなどにより定性分析を行うことが好ましい。定性分析を行うことによって、各結晶相に応じたピークを確認しやすくなる。また、所定の結晶ピークが確認し難い場合には、拡大写真により粒界相中の結晶相の割合を測定してもよい。拡大写真を用いる場合は、任意の断面において単位面積100×100μmを5箇所以上測定し、その平均値で求めることが好ましい。
【００５４】
また、本発明との比較のために、不純物としての酸素およびＦｅを十分に低減した高純度の窒化珪素粉末（酸素含有量1.4質量％未満、Ｆｅ含有量10ppm以下：比較例１）、および酸素およびＦｅを過剰に含む窒化珪素粉末（比較例２）を用いる以外は、それぞれ上記した実施例と同様にして、窒化珪素焼結体からなる直径2mmのベアリングボールを作製した。
【００５５】
上述した実施例１〜６、比較例１〜２、参考例１〜３による各ベアリングボールについて、焼結体の相対密度（理論密度に対するアルキメデス法により測定した実密度の比率（％））を測定すると共に、ボール表面に存在するボイドの最大径と単位面積１００×１００μｍ当りに存在するボイド（最大径が１〜２０μｍのボイド）の数を、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１に示す。さらに、各ベアリングボールの圧砕強度を前述した方法にしたがって測定した。ベアリングボールの圧砕強度は、圧砕した荷重をＸ（Ｎ）、ベアリングボールの直径をＤ（ｍｍ）としたとき、Ｘ／Ｄ^２（Ｎ／ｍｍ^２）で示した。
【００５６】
【表１】

【００５７】
次に、実施例１〜６、比較例１〜２、参考例１〜３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ファンモータに組込み、パソコン用ファンモータとして使用した。これらのファンモータを回転速度１５００ｒｐｍで１０００時間連続稼動させ、各ベアリングボールの耐久性を調査した。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。これらの評価結果を表２に示す。
【００５８】
さらに、同様にして作製した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4000rpm、7200rpmおよび10000rpmでそれぞれ1000時間連続稼動させ、各ベアリングボールの耐久性を調査した。耐久性は上記したファンモータ用ベアリングと同様にして評価した。これらの結果を表２に併せて示す。
【００５９】
【表２】

【００６０】
表２から明らかなように、実施例１〜６の各ベアリングボールは、いずれもパソコン用ファンモータに求められる摺動特性（耐久性）を満足していることが分かる。これに対して、比較例１のベアリングボールは摺動特性（耐久性）には優れるものの、製造コストが実施例のベアリングボールに比べて約５０％高いものであった。比較例２のベアリングボールは圧砕強度が小さすぎることから、ファンモータに求められる摺動特性（耐久性）を満たしていないことが分かる。
【００６１】
また、実施例１〜６の各ベアリングボールは、回転速度が８０００ｒｐｍ以下のＨＤＤ用スピンドルモータであれば十分に実用性を満足するものであることが分かる。参考例２、３のベアリングボールは、回転速度が４０００ｒｐｍ程度のＨＤＤ用スピンドルモータであれば十分に実用性を満足しているが、回転速度が８０００ｒｐｍを超えると実用上問題が生じる。これは参考例２のベアリングボールではボイドの数が多すぎるためであり、参考例３のベアリングボールは最大径が若干大きすぎるためである。
【００６２】
実施例１０〜１２、参考例４
上述した実施例２の原料組成に対して、さらに導電性付与粒子として平均粒径が２μｍ以下の炭化珪素粉末をそれぞれ表３に示す配合量で添加する以外は、それぞれ上記した実施例２と同様にして、窒化珪素焼結体からなる直径２ｍｍのベアリングボールを作製した。これら各ベアリングボールの電気抵抗値（体積抵抗）は表３に示す通りである。なお、参考例４は炭化珪素粉末を過剰に添加したものである。
【００６３】
次に、実施例１０〜１２および参考例４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でそれぞれ１０００時間稼動させ、各ベアリングボールの耐久性を調査した。また、各ＨＤＤの静電気による不具合の有無を調べた。これらの評価結果を表３に併せて示す。
【００６４】
【表３】

【００６５】
表３から明らかなように、適量の炭化珪素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１１、１２）は1〜10⁵Ω・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。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれ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

Claims

窒化珪素焼結体を具備す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の表面には最大径１μｍ以上のボイドが複数存在し、前記ボイドの最大径が１〜１５μｍ、かつ個数が前記窒化珪素焼結体表面の単位面積１００×１００μｍ当り５〜３０個、前記窒化珪素焼結体の相対密度が９９％以上、前記耐摩耗性部材が直径３ｍｍ以下、かつ圧砕強度が１２００〜１７００Ｎ／ｍｍ ^２のベアリングボールであり、回転速度が８０００ｒｐｍ以下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１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１〜１０^５Ω・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２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、
前記窒化珪素焼結体は、不純物としてのＦｅ成分の含有量が３０〜７００ｐｐｍの窒化珪素粉末を用いて製造されたことを特徴とする電子機器用耐摩耗性部材。
請求項１ないし請求項４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、
前記耐摩耗性部材は磁気記録装置、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。