JP6174823B1

JP6174823B1 - 炭素繊維強化炭化珪素成型体の製造方法、回転子シャフトの製造方法および珪素含浸装置

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Publication number: JP6174823B1
Application number: JP2016558826A
Authority: JP
Inventors: 尚弘高橋; 久米　将実; 将実久米; 俊之鉾館
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-03-29
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2017-08-02
Anticipated expiration: 2036-03-29
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Abstract

本発明は、炭素繊維と、樹脂と、黒鉛とを含む混合粉末を、加圧および加熱硬化するとともに炭化し、炭素繊維強化炭素構造体のブロックを形成する工程と、炭素繊維強化炭素構造体のブロックを形状加工し、内部に空洞部を有する炭素繊維強化炭素成型体を形成する工程と、炭素繊維強化炭素成型体（１０Ｓ）の空洞部（１４）に、融点１５００℃以上の高融点材料からなる中子（３０）を挿通し、空洞部（１４）の小径部分である少なくとも小空洞（１６）の内壁を塞いだ状態で、炭素繊維強化炭素成型体（１０Ｓ）を珪素融液（５０Ｍ）に浸漬し、炭素繊維強化炭素成型体（１０Ｓ）に珪素を含浸させる工程と、を含む。

Description

本発明は、内部に空洞部を有する炭素繊維強化炭化珪素複合材（以下Ｃ／ＳｉＣということもある）成型体の珪素含浸工程を含む、炭素繊維強化炭化珪素複合材成型体の製造方法、回転子シャフトの製造方法および珪素含浸装置に関する。

炭素繊維強化炭素複合材（以下Ｃ／Ｃということもある）は、炭素材料の強度、耐衝撃性などの向上を目的に、高強度炭素繊維で補強された炭素複合材料であり、宇宙航空用や半導体製造用などの最先端技術分野をはじめ一般工業用分野にも使用される先端炭素材料である。炭素繊維強化炭素複合材に珪素（Ｓｉ）を含浸させることで、さらに補強された炭素繊維強化炭化珪素複合材が、回転子シャフトに有効であるとして着目されている。炭素繊維強化炭化珪素成型体は、多くの場合、炭素繊維強化炭化珪素複合材の構造体を成型した成型体を示すが、本明細書では炭素繊維強化炭化珪素複合材の構造体をＣ／ＳｉＣ構造体というものとする。Ｃ／ＳｉＣ構造体は、剛性、電気抵抗値、熱伝導率が高いために、磁場による渦電流の影響を受けず、かつ排熱特性も高いために、回転子シャフトの材料として適している。しかしながら、Ｃ／ＳｉＣ構造体は難加工材であるため、寸法精度を得ることが困難であり、特にＣ／ＳｉＣ構造体に空洞部を設けたい場合、Ｃ／ＳｉＣ構造体自体を一から切削加工していては、加工コストが増大するという問題がある。

そこで、特許文献１では、Ｓｉ含浸前の炭素繊維強化炭素複合材構造体をあらかじめ切削加工して空洞部を設けておき、その後Ｓｉ含浸を行い、Ｃ／ＳｉＣ構造体を得るという方法が開示されている。Ｓｉ含浸は、Ｓｉを溶融して形成したＳｉ融液に、Ｃ／Ｃ構造体を浸漬し、化学反応を生じさせ珪素化する技術である。

特開２０１５−１９５７０２号公報

しかし特許文献１の技術では、Ｃ／Ｃ成型体に設けられた空洞部が比較的小さい場合、Ｓｉ含浸の加熱時に溶融したＳｉが表面張力により毛細管現象を生じ、空洞部にＳｉが侵入し、冷却時のＳｉ凝固の際、空洞部で膨張したＳｉによりＣ／ＳｉＣ成型体がひび割れを起こすという問題が発生する。ひび割れを起こしたＣ／ＳｉＣ成型体は製品として使用不可能となるため、製造歩留りが低下する。従って空洞部の小さい、Ｃ／ＳｉＣ成型体を形成するのは困難であり、空洞部の微細化には限界があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、内部に空洞部を有するＣ／ＳｉＣ成型体の製造歩留りを向上させることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、炭素繊維と、樹脂と、黒鉛とを含む混合粉末を、加圧および加熱硬化するとともに炭化し、炭素繊維強化炭素構造体のブロックを形成する工程と、Ｃ／Ｃ構造体のブロックを形状加工し、内部に空洞部を有するＣ／Ｃ成型体を形成する工程と、Ｃ／Ｃ成型体を珪素融液に浸漬し、Ｃ／Ｃ成型体に珪素を含浸させる工程と、を含む。Ｃ／Ｃ成型体に珪素を含浸させる工程は、Ｃ／Ｃ成型体の空洞部に、窒化ホウ素からなる中子を挿通し、空洞部の内壁を塞ぎ、珪素融液の液面下で内壁に珪素が析出しないように、液面下では空洞部の内壁は、窒化ホウ素で塞がれた状態で、珪素を含浸させる工程である。

本発明によれば、内部に空洞部を有するＣ／ＳｉＣ成型体の製造歩留りを向上させることができるという効果を奏する。

実施の形態１の回転子シャフトの外観を示す斜視図実施の形態１の回転子シャフトの正面図実施の形態１の回転子シャフトの永久磁石装着前の状態を示す断面図実施の形態１の回転子シャフトの断面図実施の形態１の回転子シャフトを用いたガルバノメータを示す断面図実施の形態１の回転子シャフトの製造工程を示すフローチャート実施の形態１の回転子シャフトの製造工程を示す説明図実施の形態１の回転子シャフトの製造工程を示す説明図実施の形態１の回転子シャフトの製造工程を示す説明図実施の形態１の回転子シャフトの製造工程を示す説明図実施の形態１の回転子シャフトの製造工程を示す説明図実施の形態１の回転子シャフトの製造工程を示す説明図実施の形態１の回転子シャフトの製造工程を示す説明図実施の形態１の回転子シャフトの製造工程を示す説明図実施の形態１の回転子シャフトの製造工程を示す説明図実施の形態１の回転子シャフトの製造工程を示す説明図実施の形態１の回転子シャフトの製造工程を示す説明図実施の形態１の回転子シャフトの製造工程を示す説明図実施の形態１の回転子シャフトの製造工程を示す説明図実施の形態１の回転子シャフトの製造工程を示す説明図実施の形態２の回転子シャフトの製造工程に用いられる装置を示す上面図実施の形態２の回転子シャフトの製造工程に用いられる珪素含浸装置を示す図であり、図２１のXXII−XXII断面図実施の形態２の回転子シャフトの製造工程に用いられる珪素含浸装置を示す図実施の形態２の回転子シャフトの製造工程に用いられる珪素含浸装置を示す図実施の形態３の回転子シャフトの製造工程に用いられる珪素含浸装置を示す図実施の形態４の回転子シャフトの製造工程における珪素溶融含浸ステップで用いられる炭素製の珪素含浸装置を示す図実施の形態４の回転子シャフトの製造工程における珪素溶融含浸ステップで用いられる係止手段の要部拡大図図２７のXXVIII−XXVIII断面図実施の形態５の回転子シャフトの製造工程における珪素含浸装置を示す図実施の形態６の回転子シャフトの製造工程における珪素含浸装置を示す図実施の形態６の回転子シャフトの製造工程における珪素含浸装置において、Ｃ／Ｃ成型体を坩堝に装着する工程を示す図実施の形態６の回転子シャフトの製造工程における珪素含浸装置において、Ｃ／Ｃ成型体を坩堝に装着して、Ｓｉ融液充填し、含浸を行う工程を示す図実施の形態６の回転子シャフトの製造工程における珪素含浸装置において、支柱からＣ／ＳｉＣ成型体を取り外した状態を示す図実施の形態７の回転子シャフトの製造工程における珪素含浸装置を示す図

以下に、本発明のＣ／ＳｉＣ成型体、Ｃ／ＳｉＣ成型体の製造方法、回転子シャフト、回転子シャフトの製造方法および珪素含浸装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため各層あるいは各部材の縮尺が現実と異なる場合があり、各図面間においても同様である。また、断面図であっても、図面を見易くするためにハッチングを付さない場合がある。

実施の形態１．
実施の形態１では、Ｃ／ＳｉＣ成型体として、内部に永久磁石を内蔵するための空洞部を備えた回転子シャフト本体の製造方法について説明し、回転子シャフト本体の空洞部に永久磁石をセットし、回転子シャフトを製造する方法について説明する。実施の形態１の回転子シャフトの製造方法で得られた回転子シャフトはガルバノスキャナ用に用いられる。図１は、実施の形態１の回転子シャフトの外観を示す斜視図、図２は、実施の形態１の回転子シャフトの正面図、図３は、図２のIII-III断面図であり、実施の形態１の回転子シャフトの永久磁石装着前の状態を示す断面図である。図４は、実施の形態１の回転子シャフトの断面図、図５は、実施の形態１の回転子シャフトを用いたガルバノメータを示す断面図である。図６は、実施の形態１の回転子シャフトの製造工程を示すフローチャート、図７から図２０は実施の形態１の回転子シャフトの製造工程を示す説明図である。

実施の形態１の回転子シャフト１０の製造方法は、Ｃ／Ｃ構造体から、シャフト形状をなし、空洞部１４を有するＣ／Ｃ成型体１０Ｓに加工した後、Ｓｉ融液５０Ｍに浸漬してＳｉを含浸させることで空洞部１４を有するＣ／ＳｉＣ成型体１０Ｃを得、回転子シャフト１０を得るものである。実施の形態１では、シャフト形状をなす、半加工品である空洞部を有するＣ／Ｃ成型体１０Ｓの空洞部１４に窒化ホウ素（ＢＮ）製の中子３０を装着し、固定した状態でＳｉ融液５０Ｍを供給し、Ｃ／Ｃ成型体１０ＳにＳｉを含浸させることを特徴とする。Ｓｉ融液５０Ｍは、１４００℃以上となることが多いため、中子３０は、融点１５００℃以上の高融点材料が用いられる。実施の形態１では、中子３０は、融点が２９６０℃以上で、かつ高温下で組成が安定で、電気絶縁体では最高の熱伝導度を持つ材料であるＢＮで構成されている。中子３０は、Ｓｉ融液５０Ｍ中においても、空洞部１４の内壁を確実に保護するとともに、外側からの均一なＳｉの含浸を促進する。従って、Ｃ／ＳｉＣ成型体１０Ｃの細い空洞部の内側にＳｉ融液が浸透するのが抑制され、冷却時に残留したＳｉの膨張により細い空洞部からクラックが生じるのを抑制するものである。また、中子３０は空洞部１４のうち下部で小径となっている部分である小空洞１６の内径Ｒ₀よりも外径Ｒ₁の大きい径大部であるストッパ部３２を有しており、ストッパ部３２がＳｉ融液５０Ｍの浮力によって中子３０が浮き上り、小空洞１６の内壁がＳｉ融液５０Ｍに接するのを阻止する。中子３０は少なくともＳｉ融液５０Ｍに浸漬されている部分で空洞部１４を塞ぐ形状をもつものであればよい。実施の形態１の回転子シャフト１０のように空洞部１４の先端に小空洞１６を持つ形状であれば、少なくとも小空洞１６が中子３０で塞がれていればよい。

実施の形態１の回転子シャフト１０は、図４に示すように、Ｃ／ＳｉＣ構造体で構成されたシャフト本体部１１と、シャフト本体部１１に内蔵された永久磁石２０とを有している。この永久磁石２０は、ネオジム焼結磁石で構成され、回転子シャフト１０と同軸上に設けられている。シャフト本体部１１の両端には径小の第１および第２の小径部１２，１３が形成されている。

回転子シャフト１０は、図２および図３に示すように、永久磁石２０の外周面を覆う直径数十ｍｍの筒状のシャフト本体部１１と、シャフト本体部１１の両端に形成された第１の小径部１２および第２の小径部１３とで構成されている。シャフト本体部１１は一体形成された第１の小径部１２および第２の小径部１３とともに、分割面Ｌ０によって２分割され、分割体１１Ａ，１１Ｂに分割して成形されている。分割面Ｌ０は軸方向を２分割する面である。分割体１１Ａ，１１Ｂはそれぞれ、２分割のシャフト本体部である。シャフト本体部１１は両端に、中央部よりも径小で長さ数十ｍｍの第１の小径部１２および第２の小径部１３を有している。そして、シャフト本体部１１は軸方向中央部で２分割されるとともに径方向中央部で２分割され、２分割体からなるシャフト部品を形成している。このシャフト本体部１１の分割体１１Ａ，１１Ｂによって形成された凹部つまり空洞部１４に永久磁石２０が接着剤により密着固定されている。空洞部１４の一端には直径の小さい小空洞１６が形成される。一方、空洞部１４の他端には小空洞はなく、中実となっている。また、分割面Ｌ０に相当する分割体１１Ａ、分割体１１Ｂの接合部も接着剤により接着されている。

ガルバノスキャナ１００は、図５に示すように、回転子シャフト１０と、ベアリング１０１を介して回転子シャフト１０を回転可能に支持するハウジング１０２と、回転子シャフト１０の外周に対向して設けられ、ハウジング１０２の内周面に固着されたコイル１０３と、回転子シャフト１０の一端に固定された光学部材である楕円形平面状のガルバノミラー１０４と、回転子シャフト１０の他端部に固定されたエンコーダ板１０５とを備えている。エンコーダ板１０５は表面にスリットを有し、図示しないセンサヘッドと協働して、ガルバノミラー１０４の角度変位フィードバックを制御するためのロータリエンコーダを構成している。

次に、実施の形態１のＣ／ＳｉＣ構造体からなる回転子シャフトの製造方法について説明する。Ｃ／ＳｉＣ構造体からなる回転子シャフトを製造する方法を図６のフローチャートおよび図７から図２０の工程説明図に従って説明する。

まず、原料粉体混合ステップＳ１０で、図７に示すように、ＰＡＮ系炭素繊維Ｍ１、ピッチ系炭素繊維Ｍ２、フェノール樹脂粒子Ｍ３、黒鉛粒子Ｍ４の各原料が混合されて混合粉体Ｍが形成される。原料粉体混合ステップＳ１０では、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維およびフェノール樹脂粒子、黒鉛粒子の各原料を特定重量比で、ミキサー８００に装填して均一に混合させて混合粉体Ｍを得る。

次に、粉体加圧成形ステップＳ２０で、図８に示すように、混合粉体Ｍが成形用金型２００に充填されて、加圧成形され、加圧粉体１０Ｂ０が形成される。上記粉体加圧成形ステップＳ２０では、混合粉体Ｍを成型用金型２００内に投入し、フェノール樹脂粒子の軟化温度である７０℃以下の温度で加圧によりブロック状構造体である加圧粉体１０Ｂ０を成形する。

この仮硬化状態におけるブロック状構造体である加圧粉体１０Ｂ０の材料密度が、０.８ｇ／ｃｍ³から０.９ｇ／ｃｍ³となるような条件で加圧することで、Ｓｉ含浸時の含浸効率、および段付きの円柱構造である回転子シャフト１０の剛性の要求を満たすＣ／ＳｉＣの複合材料からなる部品の製造が可能となる。Ｓｉ含浸で得られるＣ／ＳｉＣ複合材料は、材料組成割合が、ＳｉＣ７０％から８０％、Ｃ１０％未満、Ｓｉ１５％から２０％のＣ／ＳｉＣの複合材料となる。仮硬化状態のブロック状構造体である加圧粉体１０Ｂ０の材料密度は、成形品の特性、材料組成割合の要求に合わせて加圧条件を調整することで制御することができる。なおＣ／ＳｉＣ複合材料中のＣの割合は、少ないほどよく、０．５％から１％程度含有しているものを用いるのが望ましい。

その後、粉体中樹脂硬化ステップＳ３０で、図９に示すように、加圧加熱成形により加圧粉体１０Ｂ０中のフェノール樹脂粒子が加熱硬化され、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ：ＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ）が成形され炭素繊維強化樹脂１０Ｂ１の成形ブロックが形成される。

ブロック状構造体である加圧粉体１０Ｂ０成形後の粉体中樹脂硬化ステップＳ３０では、仮硬化を行ったブロック状構造体である加圧粉体１０Ｂ０を樹脂の硬化条件で硬化させ、ブロック状のＣＦＲＰ構造体を成形することができる。用いられる樹脂粒子がフェノール樹脂である場合は、硬化条件を１５０℃、１時間とする。以上の硬化条件でフェノール樹脂を硬化することによりブロック状のＣＦＲＰ構造体を得る。フェノール樹脂の硬化工程では金型を加圧状態のまま、金型の上板の位置を固定する。金型の中の粉体はもとに戻ろうとする力を発生させるが、金型の上板で、ブロック状のＣＦＲＰ構造体を押さえつけながら、オーブン内に載置して加圧硬化を行う。

引き続き、Ｃ／Ｃブロック形成ステップＳ４０で、図１０に示すように、ＣＦＲＰ内のフェノール樹脂が炭化されてＣ／Ｃブロック１０Ｂ２が形成される。

ＣＦＲＰ構造体の成形後のＣ／Ｃブロック形成ステップＳ４０では、ＣＦＲＰ構造体を炭化しＣ／Ｃの複合材料からなる、Ｃ／Ｃブロック１０Ｂ２を成形する。実施の形態１の製造工程では、真空雰囲気下において１０℃／ｍｉｎの昇温速度で８００℃、１時間の条件により炭化させた。

炭化条件は、使用する樹脂により異なるため、炭素繊維同士を接着するための接着材料にフェノール樹脂以外の樹脂材料を用いる場合においては、使用する樹脂により材料分析の結果を元に炭化温度の決定をする必要がある。

次に、空洞部を有するＣ／Ｃ構造体形成ステップＳ５０で、図１１および図１２に示すように、ブロックが目的形状に加工され、半成形品である、空洞部１４を有するＣ／Ｃ成型体１０Ｓが形成される。図１２は図１１の拡大断面図である。Ｃ／Ｃ成型体１０Ｓは、図２から図４に示すように、第１の小径部１２および第２の小径部１３を有しており、第１の小径部１２および第２の小径部１３を備えた分割体１１Ａ，１１Ｂである。ここでは端面同士が接合される２分割形状である。含浸ステップは分割体１１Ａ，１１Ｂに対して実行される。図１２に示すように、一端に第２の小径部１３を備えた両端開口の筒状体からなる成型体である分割体１１Ａを単位として以降の工程でＳｉ含浸がなされる。図示はしないが、分割体１１Ｂも分割体１１Ａと同一形状を有している。空洞部１４は第１の小径部１２および第２の小径部１３では小径の小空洞１６を構成している。図１２は、分割体１１Ａに珪素含浸を施す工程を示している。

次に、坩堝に中子を装着するステップＳ６０で、図１３に示すように空洞部１４を有するＣ／Ｃ成型体１０Ｓの内部に装着するための中子３０を坩堝４０の底部４０Ｂに形成された窪み部４１に装着する。坩堝４０に中子を装着するステップＳ６０の詳細は後述する。

続いて、空洞部を有するＣ／Ｃ構造体を坩堝底部のネジ穴に螺合するステップＳ７０で、図１４に示すように空洞部１４を有するＣ／Ｃ成型体１０Ｓは、ネジ溝１５とネジ穴４２とで構成される係止部で、坩堝４０の底部４０Ｂに形成された窪み部４１に固定される。底部４０Ｂの窪み部４１には雌ネジを構成するネジ穴４２が形成されており、ネジ穴４２に中子３０の装着された空洞部１４を有するＣ／Ｃ成型体１０Ｓの雄ネジを構成するネジ溝１５を螺合させ、坩堝４０の底部４０Ｂに空洞部を有するＣ／Ｃ成型体１０Ｓが固定される。

空洞部を有するＣ／Ｃ構造体を坩堝４０の底部４０Ｂのネジ穴に螺合するステップＳ７０では、中子３０の下端は坩堝４０の窪み部４１に位置しているが、図１６に示す珪素溶融含浸ステップＳ９０で坩堝４０内部にＳｉ融液５０Ｍが充填されるとＳｉ融液５０Ｍの浮力により、中子３０には浮き上がろうとする力がはたらく。中子３０は上記浮力により浮き上がろうとするが、径大部であるストッパ部３２により、中子３０は空洞部１４に入るのが阻止され、径大部であるストッパ部３２が小空洞１６に接触した位置で停止する。従って、空洞部１４の内壁を中子３０で覆った状態を維持することができ、空洞部１４内側から空洞部を有するＣ／Ｃ成型体１０ＳへのＳｉの浸透を抑制することができる。

雌ネジ部を構成するネジ穴４２は、空洞部を有するＣ／Ｃ成型体１０Ｓを坩堝４０の底部４０Ｂのネジ穴に螺合するステップＳ７０で、空洞部を有するＣ／Ｃ成型体１０Ｓを、治具に形成された個々の窪み部４１に固定する際の固定用途のほかに、後述する、珪素溶融含浸ステップＳ９０の次工程である、螺合を解除するステップＳ１００において雄ネジ部を谷部で折るための応力集中部を兼ねている。

半部品である空洞部を有するＣ／Ｃ成型体１０Ｓの加工形状は、この後の珪素溶融含浸ステップＳ９０でのＳｉの含浸による体積収縮を考慮し、Ｓｉ含浸後に最終目的形状となるような形状とする。例えば、径方向に０.３％から０.５％の収縮を見込んで、最終加工代を含めた形状の加工を行っている。

雄ネジ部の径は必要部品形状により変更する必要がある。雄ネジ部の谷部分の径が大きくなると後続工程である螺合を解除するステップＳ１００において雄ネジ部を折ることが困難になることから、雄ネジ部を折ることが可能である範囲内で雄ネジ部の径を決定すればよい。通常、雄ネジ部にはＭ６以下が推奨される。

この後、坩堝内に珪素を供給するステップＳ８０で、図１５に示すように坩堝４０の窪み部４１に、フレーク状のＳｉ粒５０が充填される。

次に、珪素溶融含浸ステップＳ９０で、図１６に示すように坩堝４０を加熱してＳｉ粒５０を溶融することによりＳｉ粒５０はＳｉ融液５０Ｍとなり、Ｓｉ融液５０Ｍが、空洞部を有するＣ／Ｃ成型体１０Ｓの内部に毛細管現象により含浸される。含浸により、組成中の炭素（Ｃ）が化学反応により珪素化され炭化珪素（ＳｉＣ）となって、Ｃ／ＳｉＣ成型体１０Ｃを形成する。ＳｉＣ含浸後のＣ／ＳｉＣ成型体１０Ｃの状態を図１７に示す。坩堝４０内のＳｉ融液５０Ｍの液面は低下し、窪み部４１の雄ネジ部を構成するネジ穴４２を除いて坩堝４０内にＳｉ融液５０Ｍは残っていない。供給されるＳｉ融液５０Ｍの全てがＣ／Ｃ成型体１０Ｓに含浸されることで、Ｓｉ融液５０Ｍの供給量でＳｉ含有率を規定することができる。含浸前には、シャフトが必要とする量よりも多めにフレーク状のＳｉ粒５０を坩堝４０に投入する。多めに投入し、意図的に余らせることで、シャフトが必要とするＳｉ粒５０を十分に供給する。シャフトの雄ねじ周辺には、Ｓｉが残るが、残留したＳｉは仕上げ加工で除去することができる。

なお、毛細管現象を利用してＣ／Ｃ成型体１０Ｓの下部からＳｉ融液５０Ｍを含浸させるのは一例であり、Ｓｉ融液５０Ｍを半成型品であるＣ／Ｃ成型体１０Ｓに上部あるいは、側面から供給するようにしてもよい。含浸に際し、必ずしも空洞部１４の内壁全体を塞がなくてもよいが、少なくともＳｉ融液５０Ｍの液面下では空洞部１４の内壁は、中子３０で塞がれていることが必要である。空洞部１４が小空洞１６を有している場合は少なくとも小空洞１６が塞がれていることが重要である。

供給するＳｉ粒５０の量は、実施の形態１では、一個のＣ／Ｃ成型体１０Ｓ当たり９.０ｇとした。このＳｉ粒５０の量は最終成形品であるＣ／ＳｉＣ成型体１０Ｃからなる回転子シャフト１０の形状と密度とから計算して得られる。

また、含浸については、真空雰囲気下で昇温速度７℃／ｍｉｎ、１５００℃の条件で熱処理を施し、溶融、含浸することで、半成形品であるＣ／Ｃ成型体１０ＳのＣとの化学反応によりＣ／ＳｉＣからなるＣ／ＳｉＣ成型体１０Ｃが得られる。

次に、螺合を解除するステップＳ１００で、図１８に示すように坩堝４０の底部４０Ｂのネジ穴４２とネジ溝１５の螺合部分からＣ／ＳｉＣ成型体１０Ｃが折られ、坩堝４０から取り出される。

次に、中子をとり出すステップＳ１１０で、図１９に示すように、Ｃ／ＳｉＣ成型体１０Ｃから中子３０が外される。本実施の形態では、中子３０を取り外さないまま仕上げ加工ステップＳ１２０で中子３０を切除するようにしてもよい。

最後に、仕上げ加工ステップ１２０で、図２０に示すように未加工部品であるＣ／ＳｉＣ成型体１０Ｃを研磨し、永久磁石２０を挟み込み固着して、仕上げ、図１に示した成形品である回転子シャフト１０が形成される。螺合を解除するステップＳ１００で、坩堝４０の底部４０Ｂのネジ穴４２とネジ溝１５の螺合部分からＣ／ＳｉＣ成型体１０Ｃが折られ、坩堝４０から取り出された時点ではＳｉの析出物が付着していることが多いが、仕上げ加工ステップで、ネジ溝１５の部分も切除することで、回転子シャフト１０が得られる。製品となった時点でネジ溝を使用する場合には、ネジ溝の一部を残した成形品を形成しても良い。

上記各ステップＳ１０からＳ１１０を経て得られたＣ／ＳｉＣ成型体１０Ｃは、仕上げ加工ステップ１２０で雄ネジ部であるネジ溝１５の残り部を取り除き、一定の寸法になるように表面を切削する加工をはじめとする仕上げ加工が施され、２分割体１１Ａおよび１１Ｂの端面同士を接合し、図１に示したように、最終製品である回転子シャフト１０が形成される。

未加工部品であるＣ／ＳｉＣ構造体１０Ｃは、粉体中樹脂硬化ステップＳ３０でＣＦＲＰから珪素溶融含浸ステップＳ９０でＣ／ＳｉＣ成型体となる工程において０.５％程度のサイズの形状変化が確認された。この形状変化の度合いは粉体加圧成形ステップＳ２０において設定した最終形状とのマージンである０.７％から１.０％以下である。

即ち、０.５％以下の削り代を有するサイズでの形状作製が可能となり、仕上げ加工ステップＳ１２０により外形に丸みを有し、精密な形状を有する構造の形成が可能となることが確認された。

同時に、上記従来のＣ／ＳｉＣ成型体では表面にＳｉ残留物の付着が生じており、Ｓｉ含浸後に表面を長時間加工して形状の精度を出す必要があるが、実施の形態１のＣ／ＳｉＣ成型体１０Ｃでは、残留付着Ｓｉは回転子シャフト１０の形状には影響の無い、折り代である雄ネジ部であるネジ溝１５の残り部付近に主に生じていることが確認された。残り部に残留付着Ｓｉが生じるのは、Ｃ／Ｃ成型体１０Ｓに対して必要とするＳｉ融液５０Ｍの量よりも余分なＳｉ融液５０Ｍを坩堝４０の底部４０Ｂの窪み部４１に配置するためである。そのため、機械加工により実施する、仕上げ加工ステップＳ１２０にかかる時間は、上記従来法のものと比較して格段に短縮できる。

実際には、残留付着Ｓｉは、折り代部以外、例えば回転子シャフトの表面にも析出する。このため、仕上げ加工ステップで、中子を挿入した小空洞を含め、回転子シャフト全体を研磨する必要がある。中子によって空洞部の小空洞が塞がれずそのまま残るため、仕上加工ステップにかかる時間は従来法のものと比較して格段に短縮することができる。

加えて、実施の形態１の方法で得られた回転子シャフト１０は、坩堝４０に固着してはずれにくくなることもなく、容易にとりはずすことができ、回転子シャフト１０の割れあるいは、カケがないことも確認された。

また、あらかじめ決定された規定量のＳｉ粒５０を充填された坩堝４０でＣ／Ｃ成型体１０Ｓに対するＳｉ融液５０Ｍの含浸処理を行ったことから、処理を行った全てのＣ／ＳｉＣ成型体１０Ｃに対し、一定でかつ十分なＳｉの含浸が実施されていることが確認でき、Ｓｉのバラツキ、含浸ムラが無いことも確認された。すなわち、坩堝４０内に充填するＳｉ粒５０は、窪み部４１に残留するＳｉ融液を除いて、全量がＣ／Ｃ成型体１０Ｓに含浸されるため、充填するＳｉ粒５０の量によりＣ／Ｃ成型体１０ＳへのＳｉの含浸量を決定することができる。

回転子シャフト１０の割れ、カケ、Ｓｉ含浸量のバラツキを抑制することで、回転子シャフト１０としての、製造時の歩留まりを大幅に改善することが可能であることが確認された。

以上、実施の形態によるＣ／ＳｉＣからなる回転シャフトの製造方法によれば、Ｃ／ＳｉＣ部品の製造時に生じる表面残留Ｓｉ、特には小空洞内にＳｉが析出するのを大幅に低減することができることから、仕上げ加工に要する時間を大幅に短縮することができ、かつ歩留まりが良好で、特に小形の回転子シャフトの量産化が可能となる。

また、回転子シャフト１０は、内部に永久磁石２０を収納するための空洞部１４を有するため、従来の中子を用いない方法では、Ｓｉ含浸時に、Ｓｉ含浸の加熱時に溶融したＳｉが毛細管現象により空洞部１４に侵入し、冷却時のＳｉ凝固の際、膨張によりＣ／ＳｉＣ成型体がひび割れを起こすという問題があった。これに対し、実施の形態１の方法によれば、内部にＢＮで形成された中子３０を挿入した状態で、Ｃ／Ｃ成型体１０ＳがＳｉ融液に浸漬されているため、内面からのＳｉの浸透は阻止され、ひび割れの発生を抑制することができる。また、中子３０はＳｉ融液中で浮力により浮き上がってしまうが、円筒状の本体部３１の底部４０Ｂに径大のストッパ部３２を有しており、ストッパ部３２で中子３０の浮き上がりが防止されるため、Ｃ／Ｃ成型体１０Ｓの空洞部１４の小空洞１６に中子３０が挿通された状態を維持することができる。従ってＣ／Ｃ成型体１０Ｓの空洞部１４に中子３０が有効に挿通された状態を維持できることで、Ｓｉが空洞部１４の小空洞１６の内部から浸透するのを抑制することができる。

なお、実施の形態１では、ＢＮを中子として用いている。ＢＮは、常圧では、原子がしっかりと組み合った六角網面が広い間隔で重なり、層間をつなげるのは弱いファンデアワールス力であり、網面がしっかりしているので格子振動によって熱がよく伝わり、電気絶縁体の中では最高の熱伝導率を持つ。また、ＢＮは、高熱伝導率で低膨熱張率であるためセラミックスの中で最高の熱衝撃抵抗を示し、１５００℃以上から急冷しても破壊しないとされている。真空中では１４００℃まで、不活性気圏では２８００℃まで安定である。珪素の融体に濡れない。モース硬度は２程度で、機械加工が容易である。密度は２．２７ｇ／ｃｍ³、融点は２９６７℃である。従って、ＢＮで形成された中子３０は、Ｓｉ融液５０Ｍ中で化学反応を生じることなく安定で、かつＣ／Ｃ成型体１０Ｓの空洞部１４を確実に保護することができる。

なお、中子には、安定で、しかも加工性がよいことから、ＢＮが有効であるが、ＢＮに限定されることなく、黒鉛をはじめとする融点１５００℃以上の高融点材料が適応可能である。さらなる条件として、凝固時の熱膨張率が低いものが望ましい。また、融点が１４００℃以上あるいは、１４００℃に満たない材料であっても、若干溶融して空洞部１４内に残留する場合に、凝固時の熱膨張率が低い材料であればよい場合もある。

また、加熱硬化されたＣ／Ｃ構造体を炭化し、ブロック状に成型するＣ／Ｃブロック形成ステップＳ４０における、Ｃ／Ｃブロック１０Ｂ２の成形方法は、実施の形態１の方法に限定されるものではなく、成形用金型２００を利用し加圧成形を行う方法の他に、ＦＲＰ材料の製造で用いられる一般的な射出成形法をはじめとする他の方法でもよい。

また、炭化処理における処理雰囲気は炭素材料の酸化をはじめとする、化学反応を防ぐ必要があるために、実施の形態１で用いた真空雰囲気に限らず、アルゴンあるいは窒素雰囲気をはじめとする不活性雰囲気であってもよい。

また、珪素溶融含浸ステップＳ９０においても実施の形態１では真空雰囲気下で実施したが、アルゴンあるいは窒素雰囲気をはじめとする不活性雰囲気下で実施してもよい。

また、ガルバノミラーの回転をフィードバック制御するための回転位置検出装置には、ロータリエンコーダに限らず、モータの回転軸にコイルを複数個とりつけ電磁誘導を使って、軸の角度を出力する、レゾルバなど他の回転位置検出装置を用いてもよい。

また、永久磁石には、ネオジム焼結磁石に限定されることなく、フェライト磁石、アルニコ磁石をはじめとする強磁性材料が適用可能である。

実施の形態２.
図２１および図２２は、実施の形態２の回転子シャフトの製造工程で用いられる炭素製の珪素含浸装置を示す図であり、図２１は上面図、図２２は図２１のXXII−XXII断面図である。図２３および図２４は含浸工程中の状態を示す図である。実施の形態２の珪素含浸装置は、珪素融液が充填される坩堝４０と、Ｃ／Ｃ成型体１０Ｓの空洞部に挿通される、融点１５００℃以上の高融点材料からなる中子３０と、坩堝４０に設けられ、空洞部１４のうち少なくとも第２の小径部１３の小空洞１６を中子３０で塞いだ状態で、Ｃ／Ｃ成型体１０Ｓを固定する固定部とを備える。固定部は雌ネジからなるネジ穴４２を有する。

Ｃ／ＳｉＣ成型体からなる回転子シャフト１０は、Ｍ６の雄ネジ部からなるネジ溝１５を有する中空の第２の小径部１３および直径数十ｍｍの中空の大径のシャフト本体部１１とからなる段付円柱形状をなすものである。第２の小径部１３は同一内径の円筒状体であり、第２の小径部１３の内部は小空洞１６が設けられている。

回転子シャフト製造工程は実施の形態１で図６に示したフローチャートに従って同様に進められるが、珪素含浸装置４００は、表面にＢＮコートが施された９個の凹部からなる小坩堝４０ａと、小坩堝４０ａそれぞれの底部４０Ｂに設けられた窪み部４１とネジ穴４２とを備え、一度に９個の回転子シャフトが形成されるものである。図２３は、坩堝にＣ／Ｃ成型体１０Ｓを装着し、Ｓｉ粒５０を充填した状態を示す図である。図２４はＳｉ粒５０を溶融させＳｉ融液５０Ｍから珪素溶融含浸を行うステップＳ９０を示す図である。また、小坩堝４０ａの底部４０Ｂは窪み部４１に向かってテーパ面４０Ｔを形成している。テーパ面４０Ｔにより、Ｓｉ融液５０Ｍが小坩堝４０ａの底面に残留することなく、窪み部４１に流れ込むため、珪素溶融含浸ステップＳ９０終了時に小坩堝４０ａの底面にＳｉが析出するのを抑制することができ、Ｃ／ＳｉＣ成型体１０Ｃへの付着を防止することができる。

この実施の形態２の珪素含浸装置を用いた回転子シャフトの製造方法は、原料粉体混合ステップＳ１０から仕上げ加工ステップＳ１２０までは、実施の形態１のものと同じである。

なお、上記の実施の形態１および２では、成形体として段付き円柱構造の部品について説明したが、形状、大きさに限定されるものではなく、また部品に限定されるものではなく、特に内部に空洞部を有する成型体の形成に有効である。

また、固定手段として、雄ネジ部、雌ネジ部を構成要素とする固定手段を用いて坩堝の底部で固定する方法について説明したが、底部で固定するのに限定されることなく、側壁でもよい。また、含浸されるＳｉの量の制御が困難である場合もあるが、１つの坩堝に複数の成型体を浸漬し、同時にＳｉ含浸を行う場合にも適用可能である。１つの坩堝に複数の成型体を浸漬し、同時にＳｉ含浸を行う場合は、同一形状同一サイズのＣ／Ｃ成型体を用いるのが望ましい。Ｃ／Ｃ成型体それぞれに対し均一にＳｉが浸透し、Ｓｉの含浸が均一に進行するため、得られるＣ／ＳｉＣとしては、目的とするＳｉ量を含浸したものにすることができる。

実施の形態３.
図２５は、実施の形態３の回転子用シャフトの製造工程における珪素溶融含浸ステップＳ９０で用いられる炭素製の珪素含浸装置を示す図である。実施の形態３の珪素含浸装置では中子３０Ｍに加工をするのではなく、Ｃ／Ｃ成型体１０ＳＰの第２の小径部１３内部の小空洞１６に突出部１６Ｓを設け、浮力で中子３０Ｍが浮き上がるのを阻止することができるようにしたものである。突出部１６Ｓの内縁の内径Ｒ₂は、突出部１６Ｓ下の空洞部１４の内径と同一である中子３０Ｍの本体部３１の径Ｒ₀より小さいため、中子３０Ｍは突出部１６Ｓで係止され、それ以上浮き上がることはない。

他部の構成については実施の形態１と同様であり、製造工程についても同様であるのでここでは説明を省略するが同一部位には同一符号を付した。

実施の形態３によれば、小空洞１６の加工が若干難しい反面、中子は下部の径大部であるストッパ部３２を持つことなく、円柱状であればよいため、加工が容易であり、かつ坩堝４０の構造、特に底部の構造を簡略化することができる。

実施の形態４.
図２６は、実施の形態４の回転子シャフトの製造工程における珪素溶融含浸ステップＳ９０で用いられる炭素製の珪素含浸装置を示す図である。図２７および図２８は係止手段の要部拡大図である。図２８は図２７のXXVIII-XXVIII断面図である。実施の形態４ではＣ／Ｃ成型体１０Ｓに挿通する中子３０Ｐの本体部３１に、係止片３３を設け、坩堝４０の底部４０Ｂに設けた係止体４３の係止穴４４に引掛けることで、中子３０Ｐを坩堝４０に固定するものである。坩堝４０の底部４０Ｂに設けられた係止体４３の係止穴４４に中子３０Ｐの係止片３３を引掛け、折り曲げ片３４で係止することで、中子３０Ｐを坩堝４０に固定する。従って、中子３０Ｐは坩堝４０の底部４０Ｂの係止穴４４と中子３０Ｐの係止片３３で係止され、それ以上浮き上がることはない。

他部の構成については前記実施の形態１と同様であり、製造工程についても同様であるのでここでは説明を省略するが同一部位には同一符号を付した。

実施の形態４の珪素含浸装置および珪素含浸方法によれば、坩堝４０の底部４０Ｂに設けられた係止体４３の係止穴４４に引掛けることで、中子３０Ｐを坩堝４０に固定するため、中子３０Ｐを固定するための係止構造が簡単で、製造が容易である。

実施の形態５.
図２９は、実施の形態５の回転子シャフトの製造工程に用いられる珪素溶融含浸ステップＳ９０で用いられる炭素製の珪素含浸装置を示す図である。実施の形態５ではＣ／Ｃ成型体１０ＳＰに、係止部１７を設け、坩堝４０の底部４０Ｂの窪み部４１に設けた係止片４６を引掛けることで、Ｃ／Ｃ成型体１０ＳＰを坩堝４０に固定するものである。図２７および図２８に要部拡大図を示した実施の形態４の坩堝と同様の係止方法であり、坩堝４０の窪み部４１に設けられた係止片４６の先端を、Ｃ／Ｃ成型体１０ＳＰ端部の係止部１７に設けられた係止穴１８に引掛け、折り曲げ片４７で係止することで、Ｃ／Ｃ成型体１０ＳＰを坩堝４０に固定する。従って、Ｃ／Ｃ成型体１０ＳＰは、坩堝４０の底部４０Ｂの係止片４６とＣ／Ｃ成型体１０ＳＰの係止部１７と係止され、坩堝４０に固定される。中子については実施の形態３で用いた円柱状の本体部３１からなる中子３０Ｍを用い、Ｃ／Ｃ成型体１０ＳＰの小空洞１６に設けられた突出部１６Ｓで中子３０Ｍの上端を係止することで、Ｓｉ融液５０Ｍが充填されてもそれ以上中子３０Ｍが浮き上がることはない。

実施の形態５ではＣ／Ｃ成型体１０ＳＰに係止部１７を設け係止部１７の係止穴１８に、坩堝４０の底部４０Ｂに設けた係止片４６を、引掛けることで、Ｃ／Ｃ成型体１０ＳＰを坩堝４０に固定するものである。坩堝４０の底部４０Ｂに設けられた係止片４６を、Ｃ／Ｃ成型体１０ＳＰに係止部１７の係止穴１８に引掛け、折り曲げ片４７で係止することで、Ｃ／Ｃ成型体１０ＳＰを坩堝４０に固定する。また、Ｃ／Ｃ成型体１０ＳＰの小空洞１６に設けられた突出部１６Ｓで中子３０Ｍの上端が係止されることで、Ｓｉ融液５０Ｍが充填されても、実施の形態３と同様、それ以上中子３０Ｍが浮き上がることはない。

実施の形態５の珪素含浸装置および珪素含浸方法によれば、坩堝４０の底部４０Ｂに設けられた係止片４６をＣ／Ｃ成型体１０ＳＰの係止部１７の係止穴１８に引掛け、折り曲げ片４７で係止することで、Ｃ／Ｃ成型体１０ＳＰを坩堝４０に固定するため、固定のためのネジ溝が不要となり、Ｃ／Ｃ成型体の係止構造が簡単となり製造が容易である。

実施の形態６.
図３０は、実施の形態６の回転子シャフトの製造工程における珪素溶融含浸ステップＳ９０で用いられる炭素製の珪素含浸装置を示す図であり、Ｃ／Ｃ成型体１０ＳＴの装着前の坩堝を示す図である。図３１はＣ／Ｃ成型体１０ＳＴを坩堝４０に装着する工程を示す図である。図３２はＣ／Ｃ成型体１０ＳＴを坩堝４０に装着して、Ｓｉ融液５０Ｍを充填し、含浸を行う工程を示す図である。図３３は、支柱からＣ／ＳｉＣ成型体１０ＳＳを取り外した状態を示す図である。実施の形態１および２では、坩堝の底部４０Ｂに窪み部４１を設け窪み部４１に雌ネジを備えたネジ穴を形成したものを用いたが、実施の形態６では、Ｃ／Ｃ成型体１０ＳＴを坩堝４０に固定するための固定部としてのネジ部が中子と一体成型される。坩堝４０の底部４０ＢにＢＮ製の支柱を構成する中子１３０が立設されており、中子１３０に、雄ネジ部１３２が形成されたものである。中子１３０は、空洞部を有するＣ／Ｃ成型体１０ＳＴの小径部１３ＳＴの中間部に設けられた雌ネジ部からなるネジ溝１５ＳＴを備える。中子１３０の係止部１３３の本体部１３１側の端部に設けられた雄ネジ部１３２に、Ｃ／Ｃ成型体１０ＳＴのネジ溝１５ＳＴを螺合させ坩堝４０の底部４０ＢにＣ／Ｃ成型体１０ＳＴを固定する。固定と同時に、中子１３０が空洞部１４の端部の小空洞１６に装着されるように構成されている。なお実施の形態６では坩堝４０の内壁にＢＮ膜からなる坩堝保護膜４５を形成しているため、坩堝４０の保護性を高め、Ｓｉ融液５０Ｍと坩堝４０との反応を防止することができる。

他部の構成については上記実施の形態１と同様であり、製造工程についても同様であるのでここでは説明を省略するが同一部位には同一符号を付した。

実施の形態６によれば、固定手段である支柱を構成する中子１３０に直接雄ネジ部１３２を形成しており、坩堝４０にネジ溝を形成する必要がなく、製造が容易である。ＢＮは加工性が高いため支柱の成型も容易である。

支柱を構成する中子１３０を坩堝４０の底部４０Ｂに固定する方法としては、ネジによる螺合する方法あるいは、坩堝４０の底部４０Ｂに凹部を穿設しておき、最後凹部にカシメ込むという方法をはじめとし、種々の固定方法が適用可能である。

実施の形態６では坩堝４０の内壁にＢＮ膜を形成したが、形成しなくても良い。また実施の形態１から５の珪素溶融含浸ステップＳ９０で用いられる珪素含浸装置においても坩堝の内壁にＢＮ膜を形成してもよい。

実施の形態７.
図３４は、実施の形態７の回転子シャフトの製造工程における珪素溶融含浸ステップＳ９０で用いられる炭素製の珪素含浸装置を示す図である。実施の形態１から６では、ＢＮ製の中子を空洞部１４に挿入することで、空洞部１４の端部の小径部分である小空洞１６へのＳｉの毛細管現象による浸透を阻止した。これに対し、実施の形態７の方法では、Ｃ／Ｃ成型体の空洞部１４の内壁全体にＳｉの浸透阻止のための保護膜３５にＢＮ膜を用いたものである。

実施の形態７では中子に代えてＢＮからなる保護膜３５を形成しているため、Ｓｉ融液の侵入を阻止するための構造が極めて簡単である。Ｓｉ融液の侵入を阻止するための保護膜３５がＢＮ膜であるため、Ｃ／Ｃ成型体１０ＳにＳｉを含浸させてＣ／ＳｉＣ成型体完成後も保護膜３５は剥離することなくそのまま使用することができる。

なおＢＮからなる保護膜３５は、最終的には回転子シャフト１０を構成するＣ／ＳｉＣ成型体の内壁から剥離してもよい。

さらにまた、Ｃ／Ｃ成型体の空洞部１４の内壁全体にＳｉの浸透阻止のための保護膜を形成し、さらに、実施の形態１から６で用いた中子を用いることで、Ｓｉが小空洞からＣ／Ｃ成型体に浸透するのをさらに確実に抑制することができ、さらなる歩留りの向上をはかることができる。

実施の形態１から７において、内部に空洞部を有するＣ／Ｃ成型体にＳｉ含浸を行うに際し、ＢＮを用いた中子あるいは保護膜で、空洞部の内壁を塞いだ状態でＳｉ含浸を行うことで、Ｓｉの空洞部内への析出を抑制することができ、Ｓｉの体積膨張により、Ｃ／ＳｉＣ成型体にクラックが発生するのを抑制する方法を説明した。必ずしも空洞部の内壁全体を塞がなくてもよいが、少なくともＳｉ融液の液面下では空洞部の内壁は、中子あるいは保護膜で塞がれていることが必要である。中子あるいは保護膜については、ＢＮの他、炭素をはじめとする、融点１５００℃以上の高融点材料であればよい。なお、ＢＮは電気的絶縁体であるため、Ｃ／ＳｉＣ成型体が、空洞部の内壁を絶縁化する必要のある用途にもちいられる場合は、空洞部内壁全体をＢＮ膜で被覆しておき、珪素溶融含浸ステップＳ９０の後、ＢＮ膜を剥離することなく、そのまま絶縁膜として使用することも可能である。

実施の形態１から７において、内部に空洞部を有するＣ／Ｃ成型体にＳｉ含浸を行うに際し、Ｓｉ融液の液面が表面張力により空洞部内に上がる程度の太さの小空洞を持つ場合に少なくとも小空洞を、高融点材料で形成した中子あるいは保護膜で、空洞部の内壁を塞いだ状態でＳｉ含浸を行うことで、小空洞内にＳｉが析出するのを防ぐことができる。また、Ｓｉ含浸の終了時には小空洞の端部にＳｉ融液が残留しているように、内部に空洞部を有するＣ／Ｃ成型体を坩堝の窪み部に立設するのが望ましい。立設とは、水平状態以外の状態をいうものとし、望ましくは、鉛直に近い状態をとるものとする。

Ｓｉの融点は、含有する不純物によって変動する。このため、炭素繊維強化炭素成型体に珪素を含浸させる工程で炭素繊維強化炭素成型体の空洞部の内壁を塞ぐ材料は、１５００℃以上の融点を持つ材料であって、Ｓｉ融液中で安定で、反応性の低い材料を用いるのが望ましい。炭素繊維強化炭素成型体に珪素を含浸させる工程で炭素繊維強化炭素成型体の空洞部の内壁を塞ぐ材料は、純粋なＳｉの融点よりも高い融点を持つ材料であればよい。１５００℃以下でも若干溶融する場合もあるが、Ｓｉの接触により空洞部の内壁にＳｉが析出するのを抑制できるものであれば、使用可能である。

また、炭素繊維強化炭素成型体に珪素を含浸させる工程で炭素繊維強化炭素成型体の空洞部の内壁を塞ぐ材料は、切削加工性の高い材料であるのが望ましい。中子は、珪素を含浸させる工程後にとり出しやすいものであるのが望ましいためである。

また、炭素繊維強化炭素成型体に珪素を含浸させる工程で炭素繊維強化炭素成型体の空洞部の内壁を塞ぐ材料は、Ｓｉよりも熱膨張率の低い材料であるのが望ましい。上記炭素繊維強化炭素成型体の空洞部の内壁を塞ぐ材料は、冷却時に空洞部内で膨張し、炭素繊維強化炭素成型体を破損する恐れがないものであるのが望ましい。

以上の要件を満たす材料として、ＢＮ，炭素をはじめとする高融点材料がある。

また、珪素溶融含浸ステップＳ９０における内部に空洞部を有するＣ／Ｃ成型体の坩堝への固定方法としては、実施の形態１から７に限定されることなく、適宜変更可能である。またＣ／Ｃ成型体は、坩堝内のＳｉ融液の液面に対して垂直に固定しなくてもよく、一部がＳｉ融液に浸漬されており、含浸後に、Ｃ／ＳｉＣ成型体の要部にＳｉが付着しにくい係止方法であれば、実施の形態１から７に限定されるものではなく、また各方法において用いられている、係止方法を組み合わせて使用することも可能である。

実施の形態１から７では、回転子シャフトの製造方法について説明したが、回転子シャフトに限定されるものではなく、Ｃ／ＳｉＣ成型体全般特に、内部を貫通する空洞部を有する成型体に適用可能である。Ｃ／ＳｉＣ構造体は硬く、加工性が悪いため、内部を貫通する空洞部を形成するのは困難であったが、実施の形態１から７の方法により、内部を貫通する空洞部を有する筒状体で構成された炭素繊維強化炭化珪素成型体を得ることが可能である。内部に空洞部を有する炭素繊維強化炭素成型体は、筒状のシャフト本体部と、空洞部の内径がシャフト本体部の内径よりも小さい小径部とを備えたものは、通例の方法では形成不可能であるが、実施の形態１から７の方法であれば形成可能である。また小径部の内壁が、ＢＮ膜で被覆されたものであれば、含浸工程でも歩留りが向上し、使用時にも安定な絶縁性の保護膜として有効である。特に内部に空洞部を備えた炭素繊維強化炭化珪素成型体で構成され、円筒状のシャフト本体部と、シャフト本体部の両端に連設された、小径部とを備えた回転子シャフトが有用である。さらに、中子あるいは保護膜は少なくともＳｉ融液に浸漬されている部分で空洞部を塞ぐ形状をもつものであればよい。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１０回転子シャフト、１０Ｓ，１０ＳＴ，１０ＳＰＣ／Ｃ成型体、１０Ｃ，１０ＳＳＣ／ＳｉＣ成型体、１１シャフト本体部、１１Ａ，１１Ｂ分割体、Ｌ０分割面、１２第１の小径部、１３第２の小径部、１４空洞部、１５，１５ＳＴネジ溝、１６小空洞、１６Ｓ突出部、１７係止部、２０永久磁石、３０，３０Ｍ，３０Ｐ，１３０中子、３１本体部、３３係止片、３４折り曲げ片、３５保護膜、４０坩堝、４０Ｂ底部、４１窪み部、４２ネジ穴、４３係止体、４４係止穴、４５坩堝保護膜、４６係止片、４７折り曲げ片、１００ガルバノスキャナ、１０１ベアリング、１０２ハウジング、１０３コイル、１０４ガルバノミラー、１０５エンコーダ板、２００成型用金型。

Claims

炭素繊維と、樹脂と、黒鉛とを含む混合粉末を、加圧および加熱硬化するとともに炭化し、炭素繊維強化炭素構造体のブロックを形成する工程と、
前記炭素繊維強化炭素構造体のブロックを形状加工し、内部に空洞部を有する炭素繊維強化炭素成型体を形成する工程と、
窒化ホウ素で、前記炭素繊維強化炭素成型体の空洞部の内壁を塞ぎ、前記炭素繊維強化炭素成型体を珪素融液に浸漬し、前記珪素融液の液面下で前記内壁に珪素が析出しないように前記珪素融液の液面下では前記空洞部の内壁が前記窒化ホウ素で塞がれた状態で、前記炭素繊維強化炭素成型体に珪素を含浸させる工程と、
を含むことを特徴とする炭素繊維強化炭化珪素成型体の製造方法。
前記珪素を含浸させる工程は、前記炭素繊維強化炭素成型体の空洞部に、窒化ホウ素からなる中子を挿通する工程を含み、前記空洞部の内壁を塞いだ状態で、前記炭素繊維強化炭素成型体を珪素融液に浸漬し、前記炭素繊維強化炭素成型体に珪素を含浸させる工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維強化炭化珪素成型体の製造方法。
前記珪素を含浸させる工程後、
前記炭素繊維強化炭化珪素成型体から前記中子を取り外す工程を含むことを特徴とする請求項２に記載の炭素繊維強化炭化珪素成型体の製造方法。
前記炭素繊維強化炭素成型体は、
係止部を有し、
前記珪素を含浸させる工程は、
前記炭素繊維強化炭素成型体を、前記係止部で坩堝に固定して、前記珪素融液を前記坩堝に供給することで、前記珪素を含浸させる工程を含むことを特徴とする請求項２または３に記載の炭素繊維強化炭化珪素成型体の製造方法。
前記係止部はネジ溝であり、
内部に空洞部を有する前記炭素繊維強化炭素成型体を形成する工程は、
一端に前記ネジ溝を有する筒状体を備えた炭素繊維強化炭素成型体を形成する工程であり、
前記珪素を含浸させる工程は、
ネジ穴を備えた坩堝内に、前記内部に空洞部を有する炭素繊維強化炭素成型体の前記ネジ溝を螺合させ、前記坩堝に固定して、前記珪素融液を前記坩堝に供給することで、前記珪素を含浸させる工程を含むことを特徴とする請求項４に記載の炭素繊維強化炭化珪素成型体の製造方法。
前記ネジ穴は前記坩堝の底部に設けられており、
前記内部に空洞部を有する炭素繊維強化炭素成型体は、一端が小径部を構成する筒状体であり、前記ネジ溝は前記小径部に設けられており、
前記含浸させる工程後、前記ネジ穴と前記ネジ溝との螺合部分または前記螺合部分に隣接する前記小径部で前記内部に空洞部を有する炭素繊維強化炭素成型体を折ることで、前記坩堝から前記内部に空洞部を有する炭素繊維強化炭素成型体を取り外すことを特徴とする請求項５に記載の炭素繊維強化炭化珪素成型体の製造方法。
前記珪素を含浸させる工程は、前記炭素繊維強化炭素成型体の空洞部の内壁を、窒化ホウ素からなる保護膜で覆い、前記空洞部の内壁を塞いだ状態で、前記炭素繊維強化炭素成型体を珪素融液に浸漬し、前記炭素繊維強化炭素成型体に珪素を含浸させる工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維強化炭化珪素成型体の製造方法。
炭素繊維と、樹脂と、黒鉛とを混合し、加圧および加熱硬化するとともに炭化し、炭素繊維強化炭素構造体のブロックを形成する工程と、
前記炭素繊維強化炭素構造体のブロックを形状加工し、シャフト本体部と小径部とを備え、内部に前記シャフト本体部と前記小径部とを貫通する空洞部を有する炭素繊維強化炭素成型体を形成する工程と、
前記炭素繊維強化炭素成型体の空洞部の内壁に、窒化ホウ素からなる中子を挿通し、珪素融液の液面下で前記内壁に珪素が析出しないように、前記珪素融液の液面下では前記空洞部の内壁を塞いだ状態で、前記炭素繊維強化炭素成型体を珪素融液に浸漬し、前記炭素繊維強化炭素成型体に珪素を含浸させ、空洞部を有する炭素繊維強化炭化珪素成型体を形成する工程と、
前記空洞部を有する炭素繊維強化炭素成型体の前記空洞部に永久磁石を装着する工程とを含むことを特徴とする回転子シャフトの製造方法。
炭素繊維と、樹脂と、黒鉛とを混合し、加圧および加熱硬化するとともに炭化し、炭素繊維強化炭素構造体のブロックを形状加工し、内部に空洞部を有する炭素繊維強化炭素成型体を形成し、
前記内部に空洞部を有する炭素繊維強化炭素成型体を珪素融液に浸漬し、珪素を含浸させて、内部に空洞部を有する炭素繊維強化炭化珪素成型体を形成する、珪素含浸装置であって、
珪素融液が配される坩堝と、
前記炭素繊維強化炭素成型体の空洞部に挿通される、窒化ホウ素で構成された中子と、
前記坩堝に設けられ、前記空洞部を前記中子で塞いだ状態で、前記内部に空洞部を有する炭素繊維強化炭素成型体を固定する固定部とを備えたことを特徴とする珪素含浸装置。
前記固定部は、前記坩堝の底部に設けられた雌ネジ部と、
前記内部に空洞部を有する炭素繊維強化炭素成型体の１端部の外壁に設けられ、前記雌ネジ部に螺合する雄ネジ部とで構成されたことを特徴とする請求項９に記載の珪素含浸装置。
前記内部に空洞部を有する炭素繊維強化炭素成型体は、本体部と小径部とを備え、
前記中子は、前記小径部内の小空洞に挿通される本体部と、前記本体部の前記小径部側の端部に設けられ、前記小空洞の内径よりも大きい径大部を備えたことを特徴とする請求項９または１０に記載の珪素含浸装置。
前記坩堝は、複数の小坩堝に分割されており、各小坩堝が、前記空洞部を前記中子で塞いだ状態で、前記内部に空洞部を有する炭素繊維強化炭素成型体を固定する固定部を備えたことを特徴とする請求項９から１１のいずれか１項に記載の珪素含浸装置。
前記中子は、前記固定部に一体成型されており、
前記坩堝に固定されることを特徴とする請求項９または１０に記載の珪素含浸装置。
炭素繊維と、樹脂と、黒鉛とを含む混合粉末を、加圧および加熱硬化するとともに炭化し、炭素繊維強化炭素構造体のブロックを形成する工程と、
前記炭素繊維強化炭素構造体のブロックを形状加工し、内部に空洞部を有する炭素繊維強化炭素成型体を形成する工程と、
珪素の融点よりも高い融点をもつ材料で、前記炭素繊維強化炭素成型体の空洞部の内壁を塞ぎ、窒化ホウ素で、珪素融液の液面下で前記内壁に珪素が析出しないように、少なくとも液面下では前記空洞部の内壁を塞いだ状態で、前記炭素繊維強化炭素成型体を珪素融液に浸漬し、前記炭素繊維強化炭素成型体に珪素を含浸させる工程と、
を含むことを特徴とする炭素繊維強化炭化珪素成型体の製造方法。
炭素繊維と、樹脂と、黒鉛とを含む混合粉末を、加圧および加熱硬化するとともに炭化し、炭素繊維強化炭素構造体のブロックを形成する工程と、
前記炭素繊維強化炭素構造体のブロックを形状加工し、内部に空洞部を有する炭素繊維強化炭素成型体を形成する工程と、
珪素より膨張率の小さい窒化ホウ素で、前記炭素繊維強化炭素成型体の空洞部の内壁を塞ぎ、前記炭素繊維強化炭素成型体を珪素融液に浸漬し、前記炭素繊維強化炭素成型体に珪素を含浸させる工程と、
を含むことを特徴とする炭素繊維強化炭化珪素成型体の製造方法。
炭素繊維と、樹脂と、黒鉛とを含む混合粉末を、加圧および加熱硬化するとともに炭化し、炭素繊維強化炭素構造体のブロックを形成する工程と、
前記炭素繊維強化炭素構造体のブロックを形状加工し、内部に空洞部を有する炭素繊維強化炭素成型体を形成する工程と、
前記炭素繊維強化炭素成型体の空洞部の内壁を塞ぎ、前記炭素繊維強化炭素成型体を坩堝の底部に立設して固定し、珪素融液に浸漬し、前記炭素繊維強化炭素成型体に珪素を含浸させる工程と、
を含むことを特徴とする炭素繊維強化炭化珪素成型体の製造方法。