JP4820506B2

JP4820506B2 - 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: JP4820506B2
Application number: JP2001256651A
Authority: JP
Inventors: 実高尾; 幸宏武浪; 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: JP2003063871A

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（電気抵抗値：10⁸Ω・m以上）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。
【００１１】
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。
【００１２】
さらに、不純物元素のうちでも鉄（Ｆｅ）成分は、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、窒化珪素焼結体中に存在する粒界相（主としてガラス相）の強化材として機能することから、電子機器用耐摩耗性部材に主として求められる高速回転時の摺動特性などの低下を抑制することができる。従って、Ｆｅ成分を適度に含有する窒化珪素焼結体は、製造コストの低減に寄与するだけでなく、電子機器用耐摩耗性部材の実用性の向上に有効に作用するものである。
【００１３】
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は、Ｆｅ成分を１０〜６００ｐｐｍ、かつガラス相を粒界相の面積率で９５％以上含有するとともに、前記Ｆｅ成分が偏析した偏析部を有し、前記偏析部の最大径が０．００１〜３０μｍ、前記偏析部が前記窒化珪素焼結体中の単位面積２００×２００μｍ当りに１〜１０個存在し、前記電子機器用耐摩耗性部材は、電子機器用冷却装置における冷却用ファンモータの回転駆動部に用いられるベアリングボールであって、直径３ｍｍ以下、かつ圧砕強度が１１００〜１５００Ｎ／ｍｍ^２であることを特徴としている。
【００１４】
本発明の電子機器用耐摩耗性部材においては、請求項３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４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。
【００１５】
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の回転駆動部に好適に用いられる。
【００１６】
本発明の電子機器用ベアリングは、請求項５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に好適に利用されるものである。
【００１７】
【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、Ｆｅ成分を10〜600ppmの範囲で含有する窒化珪素焼結体からなる。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。また、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。これらのＦｅ成分は主として窒化珪素原料などの原料粉末中に不純物として含まれるものであるが、不足分を添加して窒化珪素焼結体に含有させてもよい。
【００１８】
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。
【００１９】
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、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からなることが好ましい。具体的には、窒化珪素焼結体中に存在する粒界相の面積率で95％以上がガラス相であることが好ましい。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機械的強度や高温特性などは向上するものの、摺動特性などの耐摩耗性に関しては逆に低下するおそれが大きい。
【００２０】
そこで、本発明で用いる窒化珪素焼結体においては、粒界相の面積率で95％以上がガラス相であることが好ましい。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、特に高速摺動特性などを高めることができる。また、後に詳述するように、粒界相を結晶化させるとＦｅ成分が固溶しやすくなり、Ｆｅ成分による粒界相の強化効果が低下してしまう。粒界相を構成するガラス相の面積率が95％未満であると、摺動特性の向上効果を十分に得ることができない。
【００２１】
なお、本発明における粒界相を構成するガラス相の面積率は、以下のようにして求めるものとする。まず、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する。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、粒界相中に形成される結晶相を予測することができるので、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。
【００２２】
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中のＦｅ成分は、上述したように主として窒化珪素原料などの原料粉末中に含まれる不純物に由来するものである。言い換えると、本発明による窒化珪素焼結体は、Ｆｅ元素単体やＦｅ化合物などのＦｅ成分を含む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作製したものであり、このような原料コストの削減に基づいて製造コストの低減を実現したものである。
【００２３】
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。すなわち、不純物元素としてのＦｅ成分は、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、耐荷重特性が比較的小さ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、その上で原料コストの削減などに基づいて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。
【００２４】
さらに、Ｆｅ成分は窒化珪素焼結体中に存在する粒界相（主としてガラス相）の強化材として機能することから、電子機器用耐摩耗性部材に主として求められる高速回転時の摺動特性などの低下を抑制することができる。すなわち、不純物などととしてのＦｅ成分は、主としてガラス相からなる粒界相中に析出し、ガラス相中に分散配置されて摺動特性の低下を抑制する構成要素として機能する。この際、粒界相が結晶化されているとＦｅ成分が粒界相中に固溶しやすくなるため、摺動特性などの低下抑制効果が十分に得られなくなる。
【００２５】
ただし、窒化珪素焼結体中のＦｅ成分量が多くなりすぎると、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ため、本発明で用いる窒化珪素焼結体中のＦｅ成分量は600ppm以下とする。より良好な摺動特性を得る上で、窒化珪素焼結体のＦｅ成分の含有量は500ppm以下とすることが好ましい。また、窒化珪素焼結体中のＦｅ成分量が少なすぎると、原料コストの削減に基づく製造コストの低減効果が十分に得られなくなるため、窒化珪素焼結体中のＦｅ成分量は10ppm以上とする。窒化珪素焼結体の製造コストをより効果的に低減する上で、窒化珪素焼結体のＦｅ成分の含有量は100ppm以上であることが好ましい。
【００２６】
このように、Ｆｅ成分を10〜600ppmの範囲で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だけでなく、摺動特性などの電子機器用耐摩耗性部材に主として求められる特性の維持に対しても有効に働くものである。加えて、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10〜600ppmの範囲で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。
【００２７】
窒化珪素焼結体中のＦｅ成分はある程度の大きさで偏析させておいてもよい。特に、Ｆｅ成分量が比較的多い窒化珪素焼結体においては、最大径が0.001〜30μmの範囲でＦｅ成分を偏析させることが好ましい。このような最大径を有するＦｅ成分の偏析部は、窒化珪素焼結体全体としての機械的強度の低下を抑制した上で、粒界相ひいては窒化珪素焼結体の摺動特性の低下抑制に有効に寄与する。このようなＦｅ成分の偏析部の大きさ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おそれがあるため、Ｆｅ成分の偏析部の大きさは最大径で30μm以下とすることが好ましい。偏析部の最大径は5μm以下であることがより好ましい。また、Ｆｅ成分の偏析による機械的強度の低下抑制効果を得る上で、Ｆｅ成分の偏析部の最大径は0.001μm以上であることが好ましい。
【００２８】
さらに、上記したＦｅ成分の偏析部は窒化珪素焼結体中の単位面積200×200μm当りに1〜10個の範囲で存在させることが好ましい。すなわち、Ｆｅ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、Ｆｅ成分の偏析部の個数は200×200μmの単位面積当りに10個以下とすることが好ましい。また、偏析部による摺動特性の抑制低下効果を得る上で、Ｆｅ成分の偏析部は200×200μmの単位面積当りに1個以上存在させることが好ましい。窒化珪素焼結体中の単位面積200×200μm当りに存在するＦｅ成分の偏析部の数は2〜5個の範囲とすることがより好ましい。
【００２９】
ここで、上述したＦｅ成分の偏析部の最大径および単位面積200×200μm当りの個数は、以下のようにして求めるものとする。まず、窒化珪素焼結体の断面や表面において、任意の測定箇所の拡大写真をＳＥＭなどにより撮る。この際の各測定面積（撮影面積）は例えば50×50μmとし、合計測定面積（合計撮影面積）が200×200μmとなるように、例えば任意の16箇所の拡大写真を撮る。これら各拡大写真中に存在するＦｅ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0.001〜30μm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。
【００３０】
上述したように、本発明の電子機器用耐摩耗性部材は、例えば不純物としてのＦｅ成分を10〜600ppmの範囲で含む窒化珪素焼結体を具備するものである。このような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、すなわち安価な窒化珪素粉末を原料として作製することができるため、原料コストの削減に基づいて窒化珪素焼結体、すなわち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。Ｆｅ成分などの不純物は本質的には特性の低下要因となるものの、不純物のうちでも特にＦｅ成分は粒界相の強化材として機能することから、粒界相の剥離や脱落などによる摺動特性の低下が抑制される。
【００３１】
このように、適量のＦｅ成分を含む窒化珪素焼結体は、電子機器用耐摩耗性部材に主として求められる摺動特性に関しては他の特性（圧砕強度など）に比べて特性低下が抑制されるため、そのような比較的多くのＦｅ成分を含む安価な窒化珪素焼結体であっても、電子機器用耐摩耗性部材に十分に適用することが可能となる。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。
【００３２】
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1〜10⁵Ω・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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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、十分な強度が得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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【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。
【００４５】
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1500N/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。
【００４６】
本発明の電子機器用耐摩耗性部材は、比較的多量のＦｅ成分を含む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1500N/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。
【００４７】
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。
【００４８】
窒化珪素粉末としては、例えば30〜700ppm程度のＦｅ成分を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。また、窒化珪素粉末などに含まれるＦｅ成分が焼結体中で偏析するように、予め原料粉末（混合粉末を含む）に磁場処理を施しておくことも有効である。磁場処理により偏析（凝集）させたＦｅ成分の大きさが大きくなりすぎる場合には、偏析部の最大径が30μm以下となるように篩い分けを実施することが好ましい。すなわち、最大径が30μmを超えるＦｅ成分の凝集粒を篩い分けにより除去する。
【００４９】
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、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。
【００５０】
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、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。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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
【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。
【００５７】
実施例１〜６、比較例１〜２、参考例１〜２
まず、不純物としてのＦｅ成分量が３０〜７００ｐｐｍの範囲の窒化珪素粉末（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５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。これら各混合粉末に適当量の有機溶媒を加えてさらに混合し、それぞれ原料混合粉末スラリーを調製した。
【００５８】
次に、上記した各原料混合粉末スラリーをソレノイドコイルで形成した磁場中を通し、各スラリー中のＦｅ成分をそれぞれ偏析（凝集）させた。さらに、各スラリーを篩に通し、最大径が30μmを超えるＦｅ成分の凝集粒を除去した後、各スラリーを乾燥させてそれぞれ混合原料粉末とした。これら各混合原料粉末を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。
【００５９】
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。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。
【００６０】
また、本発明との比較のために、不純物含有量（Ｆｅ成分を含む）を十分に低減した高純度の窒化珪素粉末（比較例１）、および本発明の範囲を超える過剰のＦｅ成分を含む窒化珪素粉末（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。なお、これら比較例１、２においては、Ｆｅ成分を偏析させるための磁場処理を行っていない。
【００６１】
上述した実施例１〜６、比較例１〜２、および参考例１〜２による各ベアリングボールについて、Ｆｅ成分の含有量（ＩＣＰ発光分析法）、Ｆｅ成分の偏析部の最大径、単位面積２００×２００μｍ当りに存在するＦｅ成分の偏析部の数を、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。
【００６２】
【表１】

【００６３】
次に、実施例１〜６、比較例１〜２、および参考例１〜２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。
【００６４】
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。
【００６５】
【表２】

【００６６】
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４０〜６０％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。
【００６７】
また、実施例１〜６、参考例１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実用性を満足するものであることが分かる。参考例２のベアリングボールはＦｅ成分の偏析部の数が多いため、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。
【００６８】
実施例９〜１１、参考例３
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０．７μｍ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３は炭化珪素粉末を過剰に添加したものである。
【００６９】
次に、実施例９〜１１および参考例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。
【００７０】
【表３】

【００７１】
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９、１０）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。
【００７２】
【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

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は、Ｆｅ成分を１０〜６００ｐｐｍ、かつガラス相を粒界相の面積率で９５％以上含有するとともに、前記Ｆｅ成分が偏析した偏析部を有し、前記偏析部の最大径が０．００１〜３０μｍ、前記偏析部が前記窒化珪素焼結体中の単位面積２００×２００μｍ当りに１〜１０個存在し、前記電子機器用耐摩耗性部材は、電子機器用冷却装置における冷却用ファンモータの回転駆動部に用いられるベアリングボールであって、直径３ｍｍ以下、かつ圧砕強度が１１００〜１５００Ｎ／ｍｍ^２であることを特徴とする電子機器用耐摩耗性部材。
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、
内輪および外輪が軸受鋼により形成されたベアリング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または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１〜１０^５Ω・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。