JP2014211190A - ボールジョイントとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】短時間で、所望する表面粗さと膜硬度を有するＤＬＣ膜をコストの上昇を招くことなく容易に形成させて、安価でありながらも安定した摺動特性を備えたボールジョイントを大量に提供することができる技術を提供する。
【解決手段】球面部を有するボールスタッドと、球面部を回動自在に保持する保持部とを有するボールジョイントの製造方法であって、球面部の表面にスパッタリング法を用いて、ミクロな表面凹凸構造を有した下地中間層を形成する下地中間層形成工程と、下地中間層の上に、ＰＩＧプラズマ成膜法を用いて、表面の二乗平均平方根粗さが６．５〜３５ｎｍの非晶質硬質炭素膜を形成する非晶質硬質炭素膜形成工程とを備えているボールジョイントの製造方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、球面部を有するボールスタッドを回動自在に保持するボールジョイントとその製造方法に関する。

ボールジョイントは、関節のように滑らかに摺動しながら、接合された２つの部材を自由な角度で変化させて運動を伝達することができるため、自動車部品や機械部品、コントローラーなどの分野において広く用いられている。具体的には、自動車のサスペンションやステアリングにおけるアーム、タイロッド、スタビライザーなどのリンク機構やトランスミッションの可動部などに適用される。

このようなボールジョイントにおいて、近年、耐摩耗性、耐食性、摺動特性や摩擦挙動のさらなる改良のために、図１５に示すように、ボールスタッド球面部を基材としてその表面に非晶質硬質炭素膜を形成させることが行われている。

この非晶質硬質炭素膜は、一般的にダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、無定形炭素、ダイヤモンド状炭素など、様々な名称で呼ばれており（以下、単に「ＤＬＣ膜」ともいう）、高硬度、耐摩耗性、固体潤滑性、優れた化学的安定性を有していることに加えて、平滑性や低い相手攻撃性と自己潤滑性も備えているため、摺動材料として好ましく使用することができる。

上記したボールスタッド球面部の表面への非晶質硬質炭素膜の形成について、例えば、特許文献１には、ボールジョイント表面にナノインデンテーション硬度が６〜３９ＧＰａで、表面粗さ（二乗平均平方根粗さ）が６０ｎｍ以下のＤＬＣ膜を形成することによって、相手攻撃性が低く、耐食性、耐摩耗性が高いＤＬＣ膜が形成されたボールジョイントを得ることができ、スティック−スリップの発生を充分に抑制して、トルク特性などの摺動特性を安定して得られることが開示されている。

国際公開第２０１２／０８６３９３号

しかしながら、上記のようなボールジョイントの製造に際しては、ＤＬＣ膜の表面構造（特に表面粗さ）および膜物性（特に膜硬度）が適切に制御されている必要があり、従来、これらの制御は、ＤＬＣ膜の基材上への成膜過程時、ＤＬＣ膜の成長条件を制御することにより行われていた。

しかし、このような表面粗さの制御と膜硬度の制御とをＤＬＣ膜の形成時に同時に行おうとすると、ＤＬＣ膜は原料や成分によって異なる特性で成長していくため、雰囲気圧力、成膜時間、印加バイアス、プラズマ強度など成膜に関する多くのパラメータを巧みに組み合わせて、適切な成膜条件を設定する必要があり容易ではなかった。

また、ＤＬＣ膜の成長速度は一般的にそれほど速くないため、適切な成膜条件を設定したとしても、その条件によっては成膜時間が著しく長くなってしまう恐れもあった。

そこで、ＤＬＣ膜の表面粗さと膜硬度の両方をＤＬＣ膜の成長条件を制御することにより好ましく満足させることに替えて、表面粗さの制御については基材表面に、例えばショットブラストなどの機械加工を施すことによって行い、膜硬度の制御についてはＤＬＣ膜の成膜条件を調整することによって行うことが考えられた。

即ち、ＤＬＣ膜はその成長に際して基材の表面粗さを引き継いで（トレースして）成長する性質を有しているため、基材表面の表面粗さを適切に制御することにより、ＤＬＣ膜の表面粗さも制御することができる。このため、このように適切な表面粗さに制御された基材上へＤＬＣ膜を成長させる際には、膜硬度のみを制御、即ち、成膜に関するパラメータとして膜硬度に関するパラメータのみを考慮して成膜を行うことにより、結果的に、表面粗さと膜硬度の両方を満足するＤＬＣ膜を得ることができる。

このように、ＤＬＣ膜の形成を制御するにあたって、表面粗さの制御と膜硬度の制御とに分けることにより、短時間で、所望する表面粗さと膜硬度を有するＤＬＣ膜を容易に形成させることができる。

しかしながら、この方法には、所望するミクロな領域の微細な表面性状に制御することが容易ではないことに加えて、機械加工を伴うことによる工程の追加やコストの上昇が避けられないという問題があった。

このため、短時間で、所望する表面粗さと膜硬度を有するＤＬＣ膜をコストの上昇を招くことなく容易に形成させて、安価でありながらも安定した摺動特性を備えたボールジョイントを大量に提供することができる技術が望まれていた。

本発明者らは、鋭意検討の結果、以下の各請求項に示す発明により、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。以下、各請求項毎に説明する。

請求項１に記載の発明は、
球面部を有するボールスタッドと、前記球面部を回動自在に保持する保持部とを有するボールジョイントの製造方法であって、
前記球面部の表面にスパッタリング法を用いて、ミクロな表面凹凸構造を有した下地中間層を形成する下地中間層形成工程と、
前記下地中間層の上に、ＰＩＧプラズマ成膜法を用いて、表面の二乗平均平方根粗さが６．５〜３５ｎｍの非晶質硬質炭素膜を形成する非晶質硬質炭素膜形成工程と
を備えていることを特徴とするボールジョイントの製造方法である。

本発明者らは、上記課題の解決について検討する中で、ショットブラストなどの機械加工に替えて、スパッタリング法を用いて基材表面とＤＬＣ膜との間に微細な凹凸の中間層を形成させた後、この中間層を介してＤＬＣ膜の成膜を行った場合、上記課題の解決を図ることができると考えた。

そして、種々の実験の結果、ＤＬＣ膜の形成に先立って、基材であるボールスタッドの球面部の表面に、スパッタリング法を用いて下地中間層（以下、単に「中間層」ともいう）を形成させた後、この中間層の上にＰＩＧ（Ｐｅｎｎｉｎｇ Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｇａｕｇｅ）プラズマ成膜法を用いてＤＬＣ膜を形成させた場合、短時間で、所望する表面粗さと膜硬度を有するＤＬＣ膜をコストの上昇を招くことなく容易に形成できることが分かった。

即ち、スパッタリング法を用いた中間層の形成は、短時間での成膜が可能であると共に、成膜時間や積層厚さなどの単純なパラメータにより形成される中間層の表面粗さを制御して、微細な凹凸に粒状成長された好ましい表面粗さの中間層を容易に形成させることができるため、ショットブラストなどの機械加工に比べて安価かつ短時間で、基材の表面処理を行うことができる。

そして、スパッタリング法を用いて微細な凹凸に粒状成長させることにより表面粗さを制御した中間層上にＤＬＣ膜を形成させると、前記したように、ＤＬＣ膜は基材の表面粗さをトレースして成長するため、ＤＬＣ膜の表面粗さを好ましく制御することができる。

一方、ＤＬＣ膜の膜硬度は、前記したように、少ないパラメータ、例えば、バイアス電圧や雰囲気圧力など制御が容易なパラメータにより制御することができる。

この結果、短時間で、所望する表面粗さと膜硬度を有するＤＬＣ膜をコストの上昇を招くことなく容易に形成させることができ、安価でありながらも安定した摺動特性を備えたボールジョイントを提供することができる。

そして、ＤＬＣ膜を成膜する際に使用される陰極ＰＩＧ型プラズマＣＶＤ装置は、中間層をスパッタリング法により形成する際にも使用することができるため、より効率的にボールジョイントを製造することができる。

本発明者等は、また、これらの実験において、ＤＬＣ膜の表面の二乗平均平方根粗さが６．５〜３５ｎｍであると表面粗さが過度に高くならず、従来以上に長期間安定して摺動特性を維持することができるボールジョイントが得られることを見出した。

以上のように、本請求項の発明によれば、短時間で、所望する表面粗さと膜硬度を有するＤＬＣ膜をコストの上昇を招くことなく容易に形成させることができ、ＤＬＣ膜の表面の二乗平均平方根粗さを６．５〜３５ｎｍと適切に制御することにより、より長期間安定して摺動特性を維持することができるボールジョイントを製造して提供することができる。

そして、ＤＬＣ膜の表面粗さの制御と膜硬度の制御を独立して自在に行うことができるため、所望する特性に応じたＤＬＣ膜を形成させて、抑制された相手攻撃性と高い摺動性を兼ね備えたボールジョイントを製造することができ、例えば、潤滑剤の介在が不利となるような高温環境化においても相手材の凝着を防止して相手攻撃性が抑制されたボールジョイントを製造することができる。

また、スパッタリング法を用いて中間層を形成させることにより、ＤＬＣ膜と中間層の界面、および中間層と基材の界面において、アンカー効果による充分な密着力を確保することができる。

請求項２に記載の発明は、
球面部を有するボールスタッドと、前記球面部を回動自在に保持する保持部とを有するボールジョイントであって、
前記球面部の表面には、中間層を介して、二乗平均平方根粗さが６．５〜３５ｎｍの非晶質硬質炭素膜を有することを特徴とするボールジョイントである。

前記したように、二乗平均平方根粗さが６．５〜３５ｎｍのＤＬＣ膜は、表面粗さが過度に高くないため、球面部の表面にこのようなＤＬＣ膜が形成されたボールスタッドは、充分に低い摩擦係数で保持部に回動自在に保持されて、スムーズに回動することができる。この結果、ボールジョイントにおけるスティック−スリップの発生が充分に抑制されて、小さく安定したトルク（回転トルク）で、優れた摺動特性を発揮するボールジョイントを提供することができる。

また、前記したように、スパッタリング法を用いて粒状成長させた中間層は、アンカー効果を発揮してＤＬＣ膜と中間層の界面、および中間層と基材の界面において充分な密着力を確保することができるため、密着性、耐久性が向上したボールジョイントを提供することができる。

請求項３に記載の発明は、
前記非晶質硬質炭素膜のインデンテーション硬度が、７．８〜３３ＧＰａであることを特徴とする請求項２に記載のボールジョイントである。

ＤＬＣ膜の硬度が低すぎる場合には非晶質硬質炭素膜自身が速く摩耗し、高過ぎる場合には相手攻撃性が高くなって相手材が速く摩耗する。好ましい硬度は、インデンテーション硬度で７．８〜３３ＧＰａである。

請求項４に記載の発明は、
前記中間層が、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｓｉ、Ｇｅより選択された元素の金属層あるいは半金属層、窒化物層、および炭化物層のいずれかであることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のボールジョイントである。

これらの元素の金属層あるいは半金属層、窒化物層、および炭化物層は、中間層として使用した場合、ＤＬＣ膜と中間層の界面、および中間層と基材の界面において充分な密着力を発揮するため好ましい。

請求項５に記載の発明は、
前記保持部の前記球面部と接触する面が、ポリアセタール樹脂、ナイロン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリエーテルエーテルケトンケトン樹脂、エラストマー樹脂、およびゴム材料より選択された樹脂材、または前記樹脂をフィラーあるいは繊維で強化した複合材の１種以上を有することを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載のボールジョイントである。

これらの樹脂やその強化複合材は、弾力特性と衝撃吸収性に優れており、ボールスタッドの球面部に形成されたＤＬＣ膜との間の摩擦特性や摩耗性を保持しながら、長期間に亘って、ボールスタッドの球面部を回動自在に保持することができるため相手材の材質として好ましい。また、同時に、作動時の異音の発生を抑制することができるという点からも好ましい。

請求項６に記載の発明は、
自動車部品に使用されることを特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれか１項に記載のボールジョイントである。

本発明に係るボールジョイントは、コストの上昇を招くことなく製造されて、優れた摺動特性を長期間安定して維持することができる。このため、安価でありながら高い品質信頼性を要求される自動車部品として特に好適である。

請求項７に記載の発明は、
請求項１に記載のボールジョイントの製造方法を用いて製造されていることを特徴とするボールジョイントである。

上記したボールジョイントの製造方法を用いることにより、安価でありながらも安定した摺動特性を備えたボールジョイントを大量に提供することができる。

本発明によれば、コスト高を招く機械加工を伴うことなく、短時間で効率的に、所望する表面構造と膜物性を有するＤＬＣ膜を形成させることにより、長期間安定した摺動特性を維持することができるボールジョイントとその製造方法を提供することができる。

本発明の一実施の形態に係るボールジョイントの縦断面図である。 本発明の一実施の形態に係るボールジョイントのボールスタッドの球面部表面の構造を模式的に示す断面図である。 陰極ＰＩＧ型プラズマＣＶＤ装置の概略図である。 実験例１〜５の中間層表面および基材表面のＡＦＭ画像である。 本発明の実施例および比較例のボールジョイントのボールスタッドの球面部表面のＡＦＭ画像である。 ＤＬＣ膜表面のＡＦＭ粗さとＴｉ層積層条件との関係を示す図である。 回転トルクの測定方法を説明する図である。 回転トルクとボールスタッドの球面部の表面積率との関係を示す図である。 実施例１〜９および比較例１〜５の回転トルクのバラツキ比率を示す図である。 摩耗試験の試験方法を説明する図である。 摩耗試験における相手樹脂摩耗比率と球面部表面のナノインデンテーション硬度との関係を示す図である。 摩耗試験後のボールスタッドの球面部の写真である。 実施例４のボールスタッドの高温摩耗試験の試験結果を示す図である。 実施例１〜９のボールスタッドのＤＬＣ膜のＡＦＭ粗さと硬度との関係を示す図である。 従来のボールジョイントのボールスタッドの球面部表面の構造を模式的に示す断面図である。

以下、本発明を実施の形態に基づき、図面を用いて説明する。

１．ボールジョイント
最初に、本実施の形態に係るボールジョイントについて説明する。図１は本実施の形態に係るボールジョイントの一例の縦断面図であり、ボールジョイント１は、球面部１１を有するボールスタッド１０（材質：鋼材）と曲面部２１を有するシート２０（材質：樹脂）とを有しており、球面部１１と曲面部２１とが当接するように組み合わされて、保持部（相手材）であるシート２０が球面部１１を回動自在に保持するように構成されている。

なお、図１において、１２はボールスタッド１０の軸材、３０はボールスタッド１０およびシート２０を収容するハウジング（材質：鋼材）、３１および３３はハウジング３０に設けられた開口部、３２は開口部３１の近傍に形成された曲折部、３４は球面部１１に対応してハウジング３０に設けられた曲面部である。そして、３５はハウジング３０の外周面に配置されたフランジ部、４０は開口部３３を閉止してボールスタッド１０およびシート２０を固定させるプラグ、５０はブーツ（材質：ゴム）である。なお、ブーツ５０内にはグリース６０が充填されている。

上記構成の本実施の形態に係るボールジョイント１において、シート２０としては、前記したポリアセタール樹脂などやその強化複合材から形成されたシート材を適宜選択して用いることができる。

そして、ボールスタッド１０の球面部１１（基材）の表面には、図２に示すように、スパッタリング法を用いて形成された中間層１４を介して二乗平均平方根粗さが６．５〜３５ｎｍのＤＬＣ膜１３が形成されている。

中間層１４としては、前記した上記したＴｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｓｉ、Ｇｅより選択された金属層、あるいは金属窒化物層、金属炭化物層が好ましく用いられ、２層以上を積層してもよい。

中間層１４の膜厚としては、薄すぎると充分に粒状成長せず所望する二乗平均平方根粗さの中間層を形成させることができない一方、厚すぎると内部で破壊が生じて剥離する恐れがある。好ましい膜厚は、０．１〜２．０μｍである。

ＤＬＣ膜１３は、中間層１４上に形成されており、表面の二乗平均平方根粗さが６．５ｎｍ〜３５ｎｍとなるように制御されている。

そして、ＤＬＣ膜１３のインデンテーション硬度は、７．８ＧＰａ〜３３ＧＰａであることが好ましい。これにより、スティック−スリップの発生を充分に抑制して、摩耗が少なく、長期間安定した摺動特性を維持することができる。

ＤＬＣ膜１３の膜厚は、薄すぎると負荷が掛かることによって短時間で消滅する恐れがある一方、厚すぎると内部応力が高くなって剥離する恐れがある。好ましい膜厚は、０．１〜２０μｍである。

２．ボールジョイントの製造方法
上記構成の本実施の形態に係るボールジョイントは、図３に示すような陰極ＰＩＧ型プラズマＣＶＤ装置を使用して、基材であるボールスタッドの球面部の表面に、中間層およびＤＣＬ膜を成膜することにより製造される。

なお、図３において、１００はボールジョイント、１０１は電子銃、１０２は反応室、１０３は反応室内に形成されたプラズマ、１０４はボールジョイント１００を配置する治具、１０５は治具１０４をプラズマ１０３を中心に自公転させる自公転機構、１０６はバイポーラパルス電源、１０７はガス導入ポート、１０８はガス排出ポート、１０９は反射電極、１１０はコイル、１１１はマグネトロンスパッタターゲット、１１２はヒーターである。

最初に、反応室１０２内の自公転機構１０５に、ボールジョイント１００が配置された治具１０４を配置する。反応室１０２内を真空排気した後に、治具１０４に正対して配置されたマグネトロンスパッタターゲット１１１に負の直流バイアスを印加することにより、ボールジョイント１００の表面にターゲット金属層の中間層を形成する。

このとき、引き続いて成膜を行うＤＬＣ膜の表面の二乗平均平方根粗さが６．５〜３５ｎｍとなるように、成膜時間や膜厚などの成膜条件を適宜調整する。具体的には、中間層の表面の二乗平均平方根粗さが３．０〜３５ｎｍになるように調整することが好ましい。

中間層の形成が完了した後、反応室１０２内にガス導入ポート１０７からプラズマ発生用ガス（Ａｒ、Ｈ_２など）を導入する。電子銃１０１から熱電子を発生させ、上下のコイル１１０により形成された磁場により反応室１０２内に導入する。このとき、電子銃１０１と対向させて反応室１０２内にフローティング電位の反射電極１０９が配置されているため、発生した熱電子は電子銃１０１と反射電極１０９との空間で往復振動して導入されたガスを効率的にイオン化させて、高密度のプラズマ１０３を発生させる。

次に、反応室１０２内にガス導入ポート１０７からＤＬＣ原料（Ｃ_２Ｈ_２、ＣＨ_４、Ｃ_６Ｈ_１２、テトラメチルシラン（ＴＭＳ）など）ガスを導入して、中間層上にＤＬＣ膜を成膜させる。このとき、成膜されたＤＬＣ膜（高抵抗）によるチャージアップを回避するため、バイポーラパルス電源１０６を用いて負バイアスを印加する。

成膜に際して、自公転機構１０５により治具１０４を自公転させることにより、ボールジョイント１００表面の全体に亘って均一にＤＬＣ膜が、中間層の表面構造をトレースして成膜される。このとき、ＤＬＣ膜の膜硬度は、バイアス電圧や雰囲気圧力などの成膜条件を適宜調整することによって制御することができる。

このように、本実施の形態に係るボールジョイント１の製造方法では、１台の陰極ＰＩＧ型プラズマＣＶＤ装置で中間層とＤＬＣ膜の両方を成膜することにより、所望する二乗平均平方根粗さおよび膜硬度のＤＬＣ膜を形成することができるため、コスト高を招くことなく、ボールジョイントを短時間で効率的に製造できる。そして、このようなボールジョイントは、上述したとおり、長期間安定した摺動特性を維持することができる。

次に、実施例に基づき、本発明をより具体的に説明する。

１．中間層の成膜実験
ボールジョイントの製造に先立って中間層の成膜実験を行った。

具体的には、上記の構成の陰極ＰＩＧ型プラズマＣＶＤ装置を使用して、スパッタリング法により、表１に示す成膜条件で、クロムモリブデン鋼鋼材（ＳＣＭ材）からなる基材の表面に、実験例１〜４のＴｉ製中間層を成膜した。なお、参考例としてＣｒ製中間層を成膜し実験例５（成膜条件は標準条件）とした。各実験例において成膜された中間層の厚みを表１に示す。

成膜された各中間層の表面の一辺が５×５μｍの領域について、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて測定し、その測定結果からＪＩＳ Ｂ０６０１：２００１に準拠して、平均粗さＳａ、１０点高さＳｚ、二乗平均平方根粗さＳｑ、最大ピーク高さＳｐ、最大高さＳｙ、表面積率を算出した。結果を表１に示すと共に、各中間層の表面のＡＦＭ画像を図４に示す。なお、図４には、比較のために、中間層を形成していないＳＣＭ材の表面ＡＦＭ画像も併せて示している。

図４より、スパッタリング法を用いて中間層を成膜することにより、Ｔｉ層、Ｃｒ層のいずれにおいても、適切に粒状成長して基材表面に微細な凹凸が形成されていることが分かる。

そして、表１より、Ｔｉ層同士の比較では、平滑化条件よりも標準条件、また膜厚を厚くする程表面粗さが大きくなり、表面積率が大きくなっていることが分かる。また、Ｔｉ層とＣｒ層の比較ではＴｉ層の方がよく粒状成長しており、粗い表面が形成されることが分かる。これらの結果より、中間層の材質、成膜条件および膜厚を適宜適切な条件に調整することにより、中間層を所望のミクロ表面粗さに制御できることが分かる。

２．ボールジョイントの作製
上記の実験結果に基づき、陰極ＰＩＧ型プラズマＣＶＤ装置を使用して、ＳＣＭ材からなる直径６ｍｍの球面部の表面にスパッタリング法を用いてＴｉ層を中間層として成膜した後に、この中間層上にプラズマＣＶＤ法を用いてＤＬＣ膜を成膜した。

最初に、ボールジョイント１００および治具１０４を自公転機構１０５にセットした後、反応室１０２内を１．０×１０^−３Ｐａまで真空排気を行った。１．０×１０^−３Ｐａ以下に真空排気されていることを確認した後、治具１０４を自公転させ、ヒーター１１２により２００℃で３０分間加熱して、反応室１０２およびボールジョイント１００、治具１０４に付着した水分を放出させ、その後、反応室１０２内を３．０×１０^−３Ｐａまで真空排気した。

次に、反応室１０２内にガス導入ポート１０７から、Ａｒ、Ｈ_２ガスをそれぞれ２０ｍｌ／ｍｉｎ、５０ｍｌ／ｍｉｎで導入して、反応室１０２内の圧力を０．２Ｐａに調整し、ＰＩＧにより放電電流５Ａで放電を発生させ、ボールジョイント１００に５００Ｖの負バイアスを２０分間印加することによりボールジョイント１００の球面部に対してプラズマクリーニングを行った。

プラズマクリーニング後、Ａｒガスのみを２０ｍｌ／ｍｉｎで導入して、反応室１０２内の圧力を０．５Ｐａに調整し、Ｔｉ製のマグネトロンスパッタターゲット１１１に４００〜５００Ｖの直流バイアスを印加することにより、ボールジョイント１００の球面部の表面にＴｉからなる中間層を、表２に示す膜厚で成膜した。なお、成膜される中間層の膜厚は、表２に示す成膜条件でスパッタリング時間を調整することにより制御した。

中間層成膜後、反応室１０２内にＡｒ、Ｃ_２Ｈ_２、ＴＭＳの各ガスをそれぞれ２０ｍｌ／ｍｉｎ、５０ｍｌ／ｍｉｎ、３０ｍｌ／ｍｉｎで導入し、反応室１０２内の圧力を０．５Ｐａに調整した。その後、放電電流５Ａで放電し、ボールジョイント１００の球面部の表面に５００Ｖの負バイアスを印加して、第１のＳｉ−Ｃ層を３分間成膜した。

次に、放電電流を１０Ａ、また、Ｃ_２Ｈ_２、ＴＭＳガスの導入量をそれぞれ１００ｍｌ／ｍｉｎ、１５ｍｌ／ｍｉｎに変更して、第２のＳｉ−Ｃ層を３分間成膜した。

その後、表２に示す成膜条件で最表層にＤＬＣ膜を表２に示す膜厚で成膜した。成膜後は、反応室１０２内を充分に冷却して、球面部の表面にＤＬＣ膜が形成されたボールスタッドを取り出した。

これにより、球面部の表面に中間層およびＤＬＣ膜が成膜されていないボールスタッド（比較例１）、球面部の表面に直接ＤＬＣ膜が成膜されたボールスタッド（比較例２〜４）、および球面部の表面に中間層およびＤＬＣ膜が成膜されたボールスタッド（比較例５、実施例１〜９）が作製された。

なお、上記において、ラマン分光分析（レーザー波長５３２ｎｍ）による特有の波形からＤＬＣ膜の形成が行われていることを確認した。具体的には、得られた波形について、ベースラインを補正した後、ガウス関数とローレンツ関数によるカーブフィッティングによって１３５０ｃｍ^−１付近にピークを持つＤバンドと１５５０ｃｍ^−１付近にピークを持つＧバンドに分離して解析した。Ｇバンドのピーク高さ位置をＧ−ｐｅａｋ、ＤバンドとＧバンドのピーク高さの比率をＩＤ／ＩＧ比とし、ＤＬＣ膜中の炭素構造を推定するラマン波形のパラメータとして表３に示した。

３．ボールジョイントの評価
（１）表面粗さ
各実施例および比較例における球面部（ＤＬＣ膜）の表面粗さを、上記と同様にＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を用いて測定し、ＤＬＣ膜表面のミクロな表面性状を表す代表値として一辺が２０μｍの領域における二乗平均平方根粗さＳｑ（以下、「ＡＦＭ粗さ」ともいう）を算出すると共に、表面積率を算出した。結果を表３に示す。

また、図５に比較例１、比較例２、実施例２、実施例６、実施例７および実施例９のＡＦＭ画像を示す。図５より、Ｔｉ層を下地の中間層として設けることにより、ＤＬＣ膜表面における粒状構造が顕著に成長していることが分かる。なお、比較例２に示すように、下地の中間層を設けない場合にもＤＬＣ膜の成長によって微細な粒状構造が得られるが、成長が遅いため成膜条件を巧みに組み合わせる必要があり、効率的ではなかった。

そして、表３に示したＴｉ層の膜厚とＤＬＣ膜表面のＡＦＭ粗さとの関係を図６に示す。図６より、Ｔｉ層の膜厚とＤＬＣ膜表面のＡＦＭ粗さとは原料ガスが同じであれば、直線的に相関しており、Ｔｉ層の厚みを調整することによりＤＬＣ膜の表面粗さが制御できることが分かる。

（２）膜特性
各実施例および比較例における球面部（ＤＬＣ膜）の硬度およびヤング率を、ＩＳＯ １４５７７に準拠したナノインデンテーション法により測定した。結果を表３に示す。

（３）部品トルク（回転トルク）の測定
各実施例および比較例で作製されたボールスタッドにグリースを塗布した後、ポリアセタール樹脂製のシートと共にハウジング内に組み込み、自動車におけるサスペンションとステアリングギアボックスを締結するタイロッドエンドボールジョイントを作製し（各５個）、常温環境下における部品トルク（回転トルク）を測定した。

具体的には、図７に示すように、ハウジング３０を固定し、ボールスタッド１０にトルクレンチを取り付けて５ｄｅｇ／ｓで回転させたときの回転トルクを測定した。各実施例および比較例における測定値の平均値を求めた。また、平均値に対する最大値と最小値の差をバラツキと考え、比較例１のバラツキを１とした相対値をバラツキ比率として求めた。結果を表３に示す。

また、回転トルクと表面積率との関係を図８に示す。図８より、Ｔｉ層を設けた実施例１〜９では、回転トルクが表面積率に伴って線型的に増加しており、表面積率を適切に制御することによって所望の回転トルクが得られることが分かる。これに対して、Ｔｉを設けていない比較例では、表面積率が同程度であっても、回転トルクが極端に増大しており、制御が容易ではないことが分かる。

また、各実施例および比較例の回転トルクのバラツキ比率を図９に示す。図９より、Ｔｉ層を設けない場合（比較例２、３）には、左側の丸印部分に示すように、回転トルクのバラツキ比率が顕著に大きくなり、一方、Ｔｉ層を設けた場合（実施例１〜９）には回転トルクのバラツキが低く改善されており、安定した摺動特性の発現が可能となることが分かる。また、Ｔｉ層条件が過剰である場合（比較例５）には、右側の丸印部分に示すように、ＤＬＣ膜表面が過剰に粗くなり、トルク値が急激に上昇して、回転トルクのバラツキ比率も大きくなることが分かる。

さらに、実施例２と比較例２とを比較した場合に、両者ともに比較的に軟質なＤＬＣ膜を形成したにも拘わらず、実施例２のみが回転トルクのバラツキが低く安定した摺動特性が得られた。このことから、Ｔｉ層を設けることにより、比較的に軟質なＤＬＣ膜であっても、安定した摺動特性が得られるため、硬度の面でのＤＬＣ膜の選択の自由度が増すことが分かる。

（４）摩耗試験
図１０に示すように、ボールスタッド１０を治具に固定した状態で、２．５〜５．６ｋＮの荷重負荷で圧縮引張を繰り返しながらボールスタッド１０を回転させる負荷動作を１０万回繰り返した。その後、ボールスタッド１０を上下左右に圧縮負荷してガタ量を測定した。このガタ量は相手材への攻撃性指標と考えることができ、比較例１のガタ量を１とした相対値を摩耗比率として算出した。結果を表３に、摩耗試験後のＤＬＣ膜の損傷の有無を観察した結果と併せて示す。

また、ナノインデンテーション硬度と相手樹脂摩耗比率との関係を図１１に示す。図１１より、ＤＬＣ膜の硬度が増加するにつれて摩耗比率が徐々に増加し、約３０ＧＰａを超えたあたりから摩耗比率が急激に増大することが分かる。

使用条件等に左右されるが、一般に、摩耗比率が比較例１の３倍を超えるとガタ量が大きくなり、作動の遅れや異音の発生などにより機能性を損なう恐れがある。このため、図１１より、ＤＬＣ膜は３３ＧＰａ以下に維持されるように硬度を調整することが好ましいことが分かる。

また、比較例２、実施例２、実施例４、および実施例７における摩耗試験後の球面部を撮影した写真を図１２に示す。図１２より、比較例２に比べて、いずれの実施例でも摩耗・剥離の程度が少ないことが分かる。例えば、比較例２と同様に、比較的に軟質なＤＬＣ膜が形成されていた実施例２においても顕著な摩耗が見られなかった。

そして、実施例４、７では、実施例２よりもさらに摩耗・剥離の程度が少ないことが分かり、ＤＬＣ膜の硬度を７．８ＧＰａ以上にすることにより、ＤＬＣ膜の摩耗・剥離を好ましく防止できることが分かる。

（５）高温摩耗試験
次に、比較例１と実施例４について、環境温度を９０℃、負荷回数を１０万回および１５万回に設定して、上記と同様の手順で高温摩耗試験を行った。結果を図１３に示す。図１３より、実施例４の高温摩耗比率が比較例１の半分程度にまで低減されていることが分かる。これは、高温環境下によってグリースの粘度が低下して潤滑剤の介在が不利となった場合であっても、ＤＬＣ膜が形成されていることによりシート（相手材）と球面部との凝着が防止されるためと考えられる。

以上の試験の結果を総合すると、表２および表３より、原料ガス種、ガス圧、基材電圧などのＤＬＣ膜成膜時の条件を適宜調整することによりＤＬＣ膜の表面粗さが変化するため、Ｔｉ層の厚みとＤＬＣ膜成膜条件とを組み合わせることで、ＤＬＣ膜の表面粗さをより高い精度で効率よく制御できることが分かる。

そして、実施例１〜９のＤＬＣ膜において測定されたＡＦＭ粗さと硬度との関係を、表３に基づいて図１４に示す。図１４に示すように、ＤＬＣ膜のＡＦＭ粗さＳｑについては、下地中間層による粗さ制御の下限である６．５ｎｍから、トルクが過剰になってバラツキの増加を招く３５ｎｍの範囲内に制御されることが好ましいことが分かる。また、ＤＬＣ膜の硬度については、ＤＬＣ膜の摩耗や剥離が生じない７．８ＧＰａから、相手樹脂攻撃性が大きくなる３３ＧＰａの範囲内に制御されることが好ましいことが分かる。そして、表面粗さや硬度を上述の数値範囲内に制御することは、適切な表面粗さに形成された下地中間層の上にＤＬＣ膜を成膜することにより得られることが分かる。

以上、本発明を実施の形態に基づき説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、上記の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。

１ ボールジョイント
１０ ボールスタッド
１１ 球面部
１２ 軸材
１３ ＤＬＣ膜
１４ 中間層
２０ シート
２１、３４ 曲面部
３０ ハウジング
３１、３３ 開口部
３２ 曲折部
３５ フランジ部
４０ プラグ
５０ ブーツ
６０ グリ−ス
１００ ボールジョイント
１０１ 電子銃
１０２ 反応室
１０３ プラズマ
１０４ 治具
１０５ 自公転機構
１０６ バイポーラパルス電源
１０７ ガス導入ポート
１０８ ガス排出ポート
１０９ 反射電極
１１０ コイル
１１１ マグネトロンスパッタターゲット
１１２ ヒーター

Claims (7)

1. 球面部を有するボールスタッドと、前記球面部を回動自在に保持する保持部とを有するボールジョイントの製造方法であって、
   前記球面部の表面にスパッタリング法を用いて、ミクロな表面凹凸構造を有した下地中間層を形成する下地中間層形成工程と、
   前記下地中間層の上に、ＰＩＧプラズマ成膜法を用いて、表面の二乗平均平方根粗さが６．５〜３５ｎｍの非晶質硬質炭素膜を形成する非晶質硬質炭素膜形成工程と
   を備えていることを特徴とするボールジョイントの製造方法。
2. 球面部を有するボールスタッドと、前記球面部を回動自在に保持する保持部とを有するボールジョイントであって、
   前記球面部の表面には、中間層を介して、二乗平均平方根粗さが６．５〜３５ｎｍの非晶質硬質炭素膜を有することを特徴とするボールジョイント。
3. 前記非晶質硬質炭素膜のインデンテーション硬度が、７．８〜３３ＧＰａであることを特徴とする請求項２に記載のボールジョイント。
4. 前記中間層が、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｓｉ、Ｇｅより選択された元素の金属層あるいは半金属層、窒化物層、および炭化物層のいずれかであることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のボールジョイント。
5. 前記保持部の前記球面部と接触する面が、ポリアセタール樹脂、ナイロン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリエーテルエーテルケトンケトン樹脂、エラストマー樹脂、およびゴム材料より選択された樹脂材、または前記樹脂をフィラーあるいは繊維で強化した複合材の１種以上を有することを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載のボールジョイント。
6. 自動車部品に使用されることを特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれか１項に記載のボールジョイント。
7. 請求項１に記載のボールジョイントの製造方法を用いて製造されていることを特徴とするボールジョイント。