JP5111961B2 - 摺動面構造 - Google Patents

Description

本発明は、摺動面構造に関するものである。

従来には、摺動面構造として、摺動面に微小くぼみ（マイクロピット）を形成することで、摩擦係数の低減を実現したものがある（特許文献１）。

また、従来からエンジニアリングセラミックスである窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）は水中での摺動において、なじみ過程後に極めて低い低摩擦係数を発現することが知られている。これは、トライボケミカル反応が生じるからである。ここで、トライボケミカル反応とは、窒化ケイ素セラミックス等が水と反応して水和物（水和ゲル）となる反応である。

このため、従来には、炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなる摺動面にマイクロピットを形成することで、摩擦係数の低減と焼付き荷重の向上を実現しようとしたものがある（非特許文献２）。さらには、動圧効果に最適化したマイクロピットとトライボケミカル反応の促進に最適化したマイクロピットを複合することで、摩擦係数の低減と焼付き荷重の向上を一層図ろうとしたものがある（非特許文献３）。
特開平３−１７２６０８号公報 手嶋芳博 石山朝彦 浦晟 油潤滑下における摺動面上の円形気孔の深さと直径による摩擦係数への影響 トライボロジスト ４４、１０（１９９６）８１６ 足立幸志 大塚克則 王暁雷 セラミックスの水潤滑特性に及ぼす表面テクスチャの影響 砥粒加工学会誌 ５０、２（２００６）２９４

しかしながら、動圧効果に最適化したマイクロピットとトライボケミカル反応の促進に最適化したマイクロピットを複合したとしても、適用する摺動面において流体潤滑能力が高いといえない場合がある。また、マイクロピットでは、なじみ過程に時間が掛かる欠点もある。

本発明は、上記課題に鑑みて、低摩擦を実現でき、しかもなじみ過程の短縮化を図ることができる摺動面構造を提供する。

本発明の摺動面構造は、第１部材の摺動面と第２部材の摺動面とが潤滑剤下で相対的に摺動する摺動面構造であって、第１部材と第２部材との少なくともいずれか一方の摺動面に、微小の凹部と微小の凸部とが交互に所定ピッチで配設されるグレーティング部を摺動方向に沿って複数個形成し、摺動方向に沿って隣り合うグレーティング部間にランド部を設け、前記グレーティング部の周期構造は、一方の端縁が摺動面から開放され、他方の端縁が摺動面内に止まり、かつ、摺動方向に沿って隣り合うグレーティング部の周期構造の方向が摺動方向に対して対称となる傾斜角を有するものである。

本発明の摺動面構造によれば、摺動方向に沿って隣り合うグレーティング部の周期構造の方向が摺動方向に対して対称となる傾斜角を有するものであるので、潤滑剤を内側へ案内するグレーティング部（入口側）において正圧が生じ、逆に潤滑剤を外側へ案内するグレーティング部（出口側）において負圧が生じる。しかし、出口側のキャビテーションによる負圧の制限から負荷能力が生じる。このように、流体の流入・流出を積極的に引き起こすことになり、高い負荷能力が得られる。しかも、摺動方向が正逆方向にかかわらず、摺動面内に潤滑剤を取り込むことが可能となる。

グレーティング部は、周期構造の方向が摺動方向に対して対称となる第１グレーティング部及び第２グレーティング部を備え、第１グレーティング部の周期構造の方向が摺動方向に対して＋１０°〜＋８０°の傾斜角を有し、第２グレーティング部の周期構造の方向が摺動方向に対して−１０°〜−８０°の傾斜角を有するものとすることができる。

摺動方向に沿って隣り合うグレーティング部間にランド部を設けている。さらには、このランド部の表面に、摺動方向に対して直交する方向に沿って延びる複数の凹凸からなるグレーティング状の周期構造部を設けてもよい。潤滑剤を内側（例えば、摺動方向に対して内径側）へ案内するグレーティング部（入口側）において正圧が生じ、逆に潤滑剤を外側例えば、摺動方向に対して外径側）へ案内するグレーティング部（出口側）において負圧が生じるものであるので、隣り合うグレーティング部間にランド部を設けることによって、入口側で流体の膜厚が大きくなるように、ランド部が弾性変形していわゆるくさびを形成することになる。

前記第１部材と第２部材とが相対的に回転するものであっても、相対的に直線摺動するものであってもよい。

グレーティング部を有する部材がシリコン系セラミックスであり、潤滑剤がＯＨ基を有することによって、シリコン系セラミックスの部材の摺動面が他方の部材にて削れた場合、一方の部材の摺動面には新生面が形成され、ＯＨ基を有する潤滑剤とシリコン系セラミックスとがトライボケミカル反応する。

前記グレーティング部の凹凸ピッチを１０μｍ以下とするのが好ましく、グレーティング部の凹部の深さを１μｍ以下とするのが好ましい。

グレーティング部は、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバラップさせながら走査して、自己組織的に形成されているのが好ましい。

本発明の摺動面構造では、摺動方向に沿って隣り合うグレーティング部の周期構造の方向を摺動方向に対して対称に配設したことによって、流体の流入・流出を積極的に引き起こすことになり、高い負荷能力が得られる。これによって、安定した低摩擦摺動面の形成が可能となる。しかも、第１部材と第２部材との相対的摺動方向が１方向に限定されず、その使用用途が拡大する。

グレーティング部の周期構造の方向が摺動方向に対して傾斜角を持つため、摺動面により多くの潤滑剤を摺動面内に取り込むことができ、より効果的に低摩擦摺動面の形成が可能である。周期構造の方向が１０°〜８０°の範囲外の角度で傾斜する場合、潤滑剤を十分に摺動面内に取込んだり、潤滑剤を摺動面外へ流出させたるすることができず、高い負荷能力が得られない。

グレーティング部間にランド部を設けることによって、前記したキャビテーションによる負圧制限による負荷能力が生じることに加え、くさび効果にて高い負荷能力が生じる。また、ランド部の表面に周期構造部を設けることによって、このランド部の表面においても、重畳されたくさび効果が生じ、一層優れた潤滑作用が発揮される。

第１部材と第２部材とが相対的に回転しても、相対的に直線摺動するものであっても、優れた潤滑機能を発揮することができ、この摺動面構造の使用用途が広がる。

グレーティング部を有する部材がシリコン系セラミックスであり、潤滑剤がＯＨ基を有するものであれば、トライボケミカル反応によって、水和潤滑膜を形成することができ、低速時に優れた特性を示す低摩擦摺動面を形成することができる。

グレーティング部の凹凸ピッチを１０μｍ以下とした場合、きめ細かく潤滑剤を行き渡らせることができて、トライボケミカル反応を促進できる。また、潤滑剤の漏れ（側方漏れ）を冗長的に抑えることができ、効率的に動圧を得ることができる。グレーティング部の凹部の深さを１μｍ以下とした場合、動圧発生時の浮上量の変動を減少でき、剛性向上に寄与する。

グレーティング部は、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバラップさせながら走査して、自己組織的に形成したものでは、機械加工では困難なサブミクロンの周期ピッチと凹凸深さを持つものを容易に形成できる。このため、なじみが早く低摩擦で理想的な摺動面特性が得られる。

以下本発明の実施の形態を図１〜図１３に基づいて説明する。

摺動面構造は、第１部材１の摺動面１ａと第２部材２の摺動面２ａとが、ＯＨ基を有する潤滑剤下で相対的に摺動するものであって、例えば、ポンプの軸受部等に使用することができる。この場合、第１部材１をディスク（円盤体）とし、第２部材２をリング体としている。ここで、潤滑剤とは水、アルコール等種々のものを選択でき、この摺動面構造が用いられる用途に応じて変更される。すなわち、水中ポンプにこの摺動面構造が用いられれば、潤滑剤が水となる。なお、水としては、純水、上下道水、雨水、海水、河川水等を使用することができる。

第１部材１及び第２部材２はともに、炭化ケイ素、窒化ケイ素等のシリコン系セラミックスからなる。また、第１部材１の摺動面１ａには、複数の凹凸からなるグレーティング部３が周方向に沿って所定ピッチで配設される。

図５に示すように、各グレーティング部３は微小の凹部４と微小の凸部５とが交互に所定ピッチで配設される。なお図５においては、グレーティング部３の凹部４及び凸部５を実際より大きく拡大して記載しており、実際には、グレーティング部３の凹凸ピッチを１０μｍ以下とし、グレーティング部３の凹部４の深さを１μｍ以下とするのが好ましい。

グレーティング部３は、図４に示すように、周期構造の方向が第１部材１と第２部材２との摺動方向Ａに対して対称となる第１グレーティング部３ａ及び第２グレーティング３ｂとを備え、第１グレーティング部３ａと第２グレーティング３ｂとが周方向（摺動方向）に沿って交互に配設されている。第１グレーティング部３ａの傾斜角度を＋θ°とすれば、第２グレーティング３ｂの傾斜角度は対称である−θ°である。

グレーティング部３は、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバラップさせながら走査して、自己組織的に形成している。具体的には、図７に示すフェムト秒レーザ表面加工装置を使用する。レーザ発生器１１（チタンサファイアフェムト秒レーザ発生器）で発生したレーザ（例えば、パルス幅：１２０ｆｓ、中心波長８００ｎｍ、繰り返し周波数：１ｋＨｚ、パルスエネルギー：０．２５〜４００μＪ／ｐｕｌｓｅ）は、ミラー１２により加工材料Ｗに向けて折り返され、メカニカルシャッタ１３に導かれる。レーザ照射時はメカニカルシャッタ１３を開放し、レーザ照射強度は１／２波長板１４と偏光ビームスプリッタ１６によって調整可能とし、１／２波長板１５によって偏光方向を調整し、集光レンズ（焦点距離：１５０ｍｍ）１７によって、ＸＹθステージ１９上の加工材料Ｗ表面に集光照射する。

すなわち、アブレーション閾値近傍のフルエンスで直線偏光のレーザをワーク（加工材料）Ｗに照射した場合、入射光と加工材料Ｗの表面に沿った散乱光またはプラズマ波の干渉により、波長オーダのピッチと溝深さを持つグレーティング状の周期構造を偏光方向に直交して自己組織的に形成する。このとき、フェムト秒レーザをオーバラップさせながら走査させることで、周期構造を広範囲に拡張することができる。

レーザのスキャンは、レーザを固定して加工材料Ｗを支持するＸＹθステージ１９を移動させても、ＸＹθステージ１９を固定してレーザを移動させてもよい。あるいは、レーザとＸＹθステージ１９を同時移動させてもよい。なお、前記図５は、前記フェムト秒レーザ表面加工装置にて形成したグレーティング部３を電子顕微鏡で撮像した図である。

この実施形態では、図４に示すように、グレーティング部３ａ、３ｂ間には、グレーティング部を有さないランド部６が形成されている。このため、第１部材の摺動面１ａと第２部材２の摺動面２ａとを重ね合わせた際には、図６（ａ）に示すように、第１部材１のランド部６の上面（摺動面）とこれに対向する第２部材２の摺動面２ａとの間に潤滑剤（ＯＨ基を有する潤滑剤）が介在される。

この場合、第１部材１の摺動面１ａと第２部材２の摺動面２ａとが潤滑剤下で相対的に摺動することになる。この図例では、第１部材１側を固定して、第２部材２側を回転させている。摺動方向Ａに沿って隣り合うグレーティング部の周期構造の方向を摺動方向に対して対称に配設したことによって、図９の矢印Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３に示すように、第１グレーティング部３ａからこの摺動面構造内に入って、この第１グレーティング部３ａの隣（時計廻り方向の隣）である第２グレーティング部３ｂからこの摺動面構造外へ流出する。

潤滑剤を内側（摺動方向Ａに対して内径側）へ案内するグレーティング部（入口側）３ａにおいて正圧が生じ、逆に潤滑剤を外側（摺動方向Ａに対して外径側）へ案内するグレーティング部（出口側）３ｂにおいて負圧が生じる。このため、隣り合うグレーティング部間にランド部６を設けることによって、図６（ｂ）に示すように、入口側で流体の膜厚が大きくなるように、ランド部６が弾性変形していわゆるくさびを形成することになり、大きな負荷能力が生じる。また、第１グレーティング部３ａで流体（潤滑剤）の圧力が大きくなり、第２グレーティング部３ｂではキャビテーションによる負圧の制限が生じることからも負荷能力が生じる。このように、流体の流入・流出を積極的に引き起こすことにより、高い負荷能力が得られる。

また、摺動方向Ａを正回転とした場合、この摺動方向Ａと反対の方向、つまり逆回転させた場合は、図９の矢印Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３と反対に、第２グレーティング部３ｂからこの摺動面構造内に入って、この第２グレーティング部３ｂの隣（反時計廻り方向の隣）である第１グレーティング部３ａからこの摺動面構造外へ流出する。

従って、逆回転させた場合、第２グレーティング部３ｂが正圧を生じる入口側となり、第１グレーティング部３ａが負圧を生じる出口側となる。このため、入口側で流体の膜厚が大きくなって、ランド部６が弾性変形してくさびを形成することになり、大きな負荷能力が生じる。また、第２グレーティング部３ｂで流体（潤滑剤）の圧力が大きくなり、第１グレーティング部３ａではキャビテーションによる負圧の制限が生じることからも負荷能力が生じる。

このように、摺動方向Ａに沿って隣り合うグレーティング部の周期構造の方向を摺動方向に対して対称としたことによって、摺動方向が正逆方向にかかわらず、摺動面内に潤滑剤を取り込むことが可能となる。

摺動速度が低く、十分な負荷能力が得られない場合、第１部材１と第２部材２との摺動によって、グレーティング部３の凸部５が粉砕等の機械的刺激を受ける。その結果表面では、格子欠落による触媒作用、温度上昇、結合開裂によるダングリングボンドの形成等が起きて化学的活性の高い新生面ができる。それらは雰囲気中の分子や潤滑剤と容易に反応を引き起こすため、摩擦面では複雑な化学現象が誘起される。摩擦により活性化された表面で起きる反応はトライボケミカル反応と呼ばれ、摩擦材料の最表面の性状を変化させ、摩擦特性に大きな影響を与える。

すなわち、摩擦面では、第１部材１を窒化ケイ素にて構成した場合、窒化ケイ素の成分Ｓｉ₃Ｎ₄が潤滑剤の水Ｈ₂Ｏと化学反応を起こし、ＳｉＯ₂とＮＨ₃という物質ができる。すなわち、次の化１で示す化学反応が生成される。

さらにＳｉＯ₂は水と反応することで、より柔らかい水和物（水和ゲル）になる。この水和ゲルが摺動面上に膜状に形成され、潤滑剤として作用して摩擦を下げる働きをなす。したがって、摺動速度が低く、十分な負荷能力が得られない場合でも低摩擦係数を得ることができる。

本発明の摺動面構造では、摺動方向に沿って隣り合うグレーティング部３の周期構造の方向を摺動方向に対して対称に配設したことによって、流体の流入・流出を積極的に引き起こすことになり、高い負荷能力が得られる。これによって、安定した低摩擦摺動面の形成が可能となる。しかも、第１部材１と第２部材２との相対的摺動方向が１方向に限定されず、その使用用途が拡大する。

グレーティング部３の周期構造の方向が摺動方向に対して傾斜角を持つため、摺動面により多くの潤滑剤を摺動面内に取り込むことができ、より効果的に低摩擦摺動面の形成が可能である。

グレーティング部３ａ、３ｂ間にランド部６を設けることによって、キャビテーションによる負圧制限による負荷能力が生じることに加え、くさび効果にて高い負荷能力が生じる。

グレーティング部３を有する部材がシリコン系セラミックスであり、潤滑剤がＯＨ基を有するものであれば、トライボケミカル反応によって、水和潤滑膜を形成することができ、低摩擦摺動面を形成することができる。

グレーティング部３の凹凸ピッチを１０μｍ以下とした場合、きめ細かく潤滑剤を行き渡らせることができて、トライボケミカル反応を促進できる。また、潤滑剤の漏れ（側方漏れ）を冗長的に抑えることができ、効率的に動圧を得ることができる。グレーティング部３の凹部４の深さを１μｍ以下とした場合、動圧発生時の浮上量の変動を減少でき、剛性向上に寄与する。

グレーティング部３は、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバラップさせながら走査して、自己組織的に形成したものでは、機械加工では困難なサブミクロンの周期ピッチと凹凸深さを持つものを容易に形成できる。このため、なじみが早く低摩擦で理想的な摺動面特性が得られる。

本発明の他の実施形態として、図示省略するが、ランド部６の表面に摺動方向に対して直交する方向に沿って伸びる多数の凹凸からなるグレーティング状の周期構造部を設けてもよい。このような周期構造部をランド部６の表面に設けることによって、このランド部６の表面においても、重畳されたくさび効果が生じ、一層優れた潤滑作用が発揮される。なお、ランド部６の周期構造部も、前記したフェムト秒レーザ表面加工装置にて形成することができる。

また、別の実施形態として、ランド部６を有さないものであってもよい。すなわち、第１グレーティング部３ａと第２グレーティング部３ｂとを連続状に形成してもよい。この場合、くさび効果が生じないが、第２グレーティング部（出口側）３ｂのキャビテーションによる負圧の制限から負荷能力が生じ、低摩擦摺動面を形成することができる。

ところで、前記実施形態では、第１部材１と第２部材２とが相対的に回転するものであるが、本発明としては、第１部材１と第２部材２とが相対的に直線的運動するものであってもよい。この場合、第１部材１と第２部材２とはリング体や円盤体に限るものではない。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、例えば、前記実施形態では、グレーティング部３をディスク（円盤体）である第１部材１に形成したが、リング体である第２部材２に形成してもよい。また、第１部材１がリング体であってもよい。すなわち、第１部材１と第２部材２とがともにリング体であってもディスクであってもよい。トライボケミカル反応を利用する場合は、グレーティング部３が構成される側の部材としては、炭化ケイ素、窒化ケイ素等のシリコン系セラミックスから構成する必要があるが、他方の部材として、このようなシリコン系セラミックスに限るものではなく、このシリコン系セラミックスと同等又はこれ以上の硬度を有するものであればよい。また、流体による負荷能力は形状に起因するものであるから、トライボケミカル反応を利用しない場合には部材の材質や潤滑剤に制限はない。

また、第１部材１と第２部材２の相対的な回転には、第１部材１を固定して、第２部材２を回転させても、逆に、第２部材２を固定して、第１部材１を回転させてよく、さらには、第１部材１と第２部材の両方を回転させてもよい。第１部材１と第２部材２とが相対的に回転する場合、第１部材１を軸部材とし、第２部材２をこの第１部材１に外嵌される円筒体であってもよい。

本発明の摺動面構造として、種々の機器の摺動部に配置することができる。なお、グレーティング部３ａ、３ｂにおいて、前記実施形態では形成される凹凸は直線状であるが、湾曲したものであってもよい。また、各グレーティング部３ａ、３ｂの大きさ、配設ピッチ等は、使用する第１・第２部材の大きさ、材質、潤滑剤の種類、摺動速度等に応じて種々変更することができる。

図８に示すような実験装置を用いた実験を行った。この実験装置は、固定側ディスク試験片２１を収納する収納体３０と、この収納体３０の軸部３１を支持する軸受３２と、この軸受３２を支持する脚体３３と、収納体３０に押圧力を付与するシリンダ３４と、固定側ディスク試験片２１上に載置される回転側リング試験片２２に回転力を付与する回転体３５とを備える。

収納体３０は、有底短円筒体からなる収納本体３６と、この収納本体３６の底壁３６ａから垂下される前記軸部３１とからなり、この収納本体３６に固定側ディスク試験片２１が収納された状態で、純水が充填される。このため、回転側リング試験片２２の摺動面（下面）と固定側ディスク試験片２１の摺動面（上面）とが純水に浸漬される。また、収納本体３６にはゴムパッド（防振ゴム）３７が敷設され、このゴムパッド３７上に固定側ディスク試験片２１が載置される。

回転体３５は、回転円盤３８と、この回転円盤３８から上方に延びる軸部３９とを備え、この軸部３９が駆動手段であるモータの出力軸に連結される。また、シリンダ３４のピストンロッド３４ａの先端に、荷重を検出するロードセル４０が付設され、このロードセル４０を介して収納体３０の軸部３１を押圧する。このため、ロードセル４０によって、この押圧荷重を検出することができる。

さらに、この装置が載置固定される基台４１には支柱４２が立設され、この支柱４２にロードセル４４が付設され、収納体３０に付設されたカンチレバー４３を介してこのロードセル４４にて摺動トルクを検出することができる。

回転側リング試験片２２と固定側ディスク試験片２１とは、ともにＳｉＣ（炭化ケイ素）を用い、表面粗さＲａ０．０２以下、平面度０．１μｍ以下に仕上げた。また、回転側リング試験片２２には、図３に示すように、その反摺動面に一対の径方向溝４５を形成し、固定側ディスク試験片２１には、図２に示すように、その外径面に一対の切欠面４６が形成されている。回転側リング試験片２２は外径を１６ｍｍとし、内径を１０ｍｍとし、固定側ディスク試験片２１は直径を２０ｍｍとし、２面幅（切欠面間寸法）を１８ｍｍとしている。

また、固定側ディスク試験片２１にグレーティング部３を形成するが、この場合、各グレーティング部（周期構造）３は、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザ（パルス幅１２０ｆｓ，中心波長８００ｎｍ，繰返し周波数１ｋＨｚ）を用いて形成した。シリンドリカルレンズにより、ピッチ円直径Ｄ（図４参照）が１５ｍｍの位置にレーザを集光し，幅Ｗ（図９参照）が２ｍｍ幅でスパイラル状の周期構造を間欠的に形成した。周期構造凸部先端のレーザ非照射部からの高さ減少量は数十ｎｍ以下とした。両方向の回転に対応するため、隣り合う区画の周期構造の方向が対称となるようにし、図９に示すように、３種類のパターン（傾斜角θ=±３０°、±４５°、±６０°）を作製した。周期構造は中心角α（図４参照）が１５°を１区画（半径方向２ｍｍ×円周方向約２ｍｍ）とし、中心角β(図４参照)が７．５°の鏡面部分（ランド部６）を挟んで８ペア（１６区画）形成した。周期構造の加工領域は外径１７ｍｍ、内径１３ｍｍとなるため、リング試験片（外径１６ｍｍ、内径１０ｍｍ）の直径１３ｍｍ以上の部分のみが周期構造と接触する。

４種類の試験片（前記３種の試験片と、周期構造を有さない鏡面の試験片）に対して、なじみ処理を行わず摺動試験を行った。荷重は５０．５Ｎで一定とし、負荷直後に摺動速度を１．２ｍ／ｓ〜０．１４ｍ／ｓまで５分毎に段階的に減速させ、サンプリング周波数１Ｈｚで摩擦係数の変化を調べた。その結果を図１０のグラフで示した。図１０（ａ）は周期構造を有さない鏡面の試験片を示し、図１０（ｂ）は傾斜角θが±３０°の試験片を示し、図１０（ｃ）は傾斜角θが±４５°の試験片を示し、図１０（ｄ）は傾斜角θが±６０°の試験片を示している。なお、図１０（ａ）のみ縦軸のスケールが相違する。

鏡面の試験片においては、図１０（ａ）に示すように、動圧効果が生じないため、摺動開始直後からやや不安定な摩擦係数を示した。その後、摺動速度０．５４ｍ／ｓ(摺動開始後２０分)で急激に摩擦係数が大きくなり、高摩擦の状態を持続した後、摩擦係数が急速に低下した。一方、周期構造を形成した試験片においては、図１０（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示すように、傾斜角θに関わらず流体潤滑となり、摺動速度の低下とともに摩擦係数が低下し，摩擦係数は０．０１以下まで低減された。なお、摺動特性に明確な傾斜角依存性は見られなかった。

方向が異なるスパイラル状周期構造を交互に配置したパターンで負荷能力が発現する現象は、なじみ処理前の試験片を使用しており、実験中になじみが進行した様子もないことから、ＳｉＣに限定した現象ではなく、あらゆる材質の試験片でも同様の効果が得られる。負荷能力発現のメカニズムは、次のように考えられる。２つの周期構造の区画に挟まれた鏡面部分（ランド部）に着目すると、流体が流入する側の周期構造との境界（入口側）では大きな正圧が生じ、流出側の境界（出口側）では大きな負圧が生じる。すると入口側で流体の膜厚が大きくなるように試験片が弾性変形し、くさびを形成することから負荷能力が生じることになる。また、出口側のキャビテーションによる負圧の制限からも負荷能力が生じる。これらによって、スパイラル状の周期構造は流体の流入・流出を積極的に引き起こすため、高い負荷能力が得られている。また、試験片の弾性変形によるくさび形成が負荷能力発生の要因であるので、縦弾性係数の低い材料ほど負荷能力が発生しやすい。

次に、鏡面の試験片および周期構造を形成した試験片に対し、荷重５０．５Ｎ、摺動速度０．０４ｍｍ／ｓの条件でなじみ処理を行い、その間の摩擦係数変化をサンプリング周波数１Ｈｚで測定した。その結果（なじみ過程の摩擦係数の変化）を図１１に示す。図１１（ａ）は周期構造を有さない鏡面の試験片を示し、図１１（ｂ）は傾斜角θが±３０°の試験片を示し、図１１（ｃ）は傾斜角θが±４５°の試験片を示し、図１１（ｄ）は傾斜角θが±６０°の試験片を示している。摺動速度を０．０４ｍｍ／ｓまで低下させると、図１１（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示すように、摺動直後は全ての試験片で流体潤滑から混合潤滑へ移行する。

図１１（ａ）に示すように、鏡面の試験片では摩擦係数が０．１を越える状態が摺動後１０ｍ程度続いた後、一定の摩擦係数を示すまでには２０ｍ弱の摺動距離が必要であった。一方、周期構造を形成した試験片では、図１１（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示すように、すべての傾斜角θで鏡面の試験片よりなじみ過程が著しく短縮された。顕著な傾斜角依存性は認められないが、傾斜角θの増加にともない初期摩擦係数が大きくなった。また、摩擦係数の収束までの摺動距離については、図１１（ｂ）（ｃ）に示すように、傾斜角θが±３０°と±４５°では４ｍ程度で差が認められないが、図１１（ｄ）で示すように、±６０°では２ｍ程度となった。

摺動速度が十分に速い場合、３種類の傾斜角θでほぼ同等の流体膜厚が確保され、摩擦係数に差は生じない。しかし、摺動速度が０．０４ｍｍ／ｓまで低下した場合、傾斜角θが大きくなると水を引き込みにくくなるため、傾斜角θの増加にともない流体膜厚が減少し、初期摩擦係数が大きくなったとも考えられる。

なじみ処理後の試験片は図１２に示すように摺動部が親水化しており、なじみ過程で何らかの改質が生じている。ＳｉＣ（炭化ケイ素）の水潤滑における低摩擦化にはＳｉＣ（炭化ケイ素）と水のトライボケミカル反応が重要な役割を果たしていることが示唆されており、なじみ過程の短縮化は周期構造により引き込まれた水がトライボケミカル反応を促進したためだと考えられる。鏡面の試験片では動圧効果は期待できず、また２面間への水の供給機能もないため、トライボケミカル反応がなかなか進まず、摩擦係数が安定するには相応の摺動距離が必要である。

一方、周期構造を形成した試験片では、周期構造により引き込まれた水は図９に示すように、傾斜角θが大きくなるほどリング内周部まで侵入すると思われる。すなわち、傾斜角θが図９（ａ）に示すように±３０°の場合や図９（ｂ）に示すように±４５°の場合、矢印Ｂ１、Ｂ２に示すように、水の大半は２つの周期構造の区画に挟まれたランド分６（鏡面部分）を通過するのに対し、傾斜角θが図９（ｃ）に示すように±６０°の場合、矢印Ｂ３に示すように、周期構造に沿ってリング内周部まで水が浸入しやすくなるため、最も短い摺動距離で摩擦係数が収束したものと考えられる。

また、荷重５０．５Ｎ、摺動速度０．０４ｍ／ｓ、摺動距離１４４ｍ（摺動時間１時間）のなじみ処理を行った試験片を用い、前記なじみ処理前の摺動試験と同様の試験を行った。すなわち、なじみ処理後の摺動特性について調べた。その結果を図１３に示す。傾斜角依存性はほとんど見られなかったため、図１３においては、鏡面および傾斜角θ＝±４５°の結果を示す。すなわち、図１３（ａ）は周期構造を有さない鏡面の試験片を示し、図１３（ｂ）は傾斜角θが±４５°の試験片を示す。なお、比較のため、周期構造を間欠状にせず、水を引き込む方向のみに周期構造を形成（傾斜角θ=４５°、ピッチ円直径１５ｍｍ、周期構造幅２ｍｍ）した片回転型試験片の結果を図１３（ｃ）に示す。

鏡面の試験片は、図１３（ａ）に示すように、なじみ処理前（図１０（ａ）参照）と大きく異なり、なじみ処理後の摩擦係数は大きく低減された。しかし、摩擦係数の速度依存性は比較的高く、摺動速度１．２ｍ／ｓでの摩擦係数は０．０１８程度となり、周期構造を形成した試験片の２倍程度の値となった。また、摺動速度の低下とともに摩擦係数は大きく減少し、低速時には周期構造を形成した試験片の摩擦係数に近づく傾向が見られた。これは、鏡面の試験片は動圧効果が期待できず、水和潤滑膜による潤滑が支配的であるため、トライボケミカル反応により生成される水和潤滑膜の膜厚は極薄く、流体潤滑膜のように摺動速度や荷重に大きく依存することはなく、ほぼ一定の厚さと考えられるため、高速摺動時にはせん断抵抗により比較的高い摩擦係数が生じたものと考えられる。

両回転に対応した傾斜角θ=±４５°の周期構造を形成した試験片は、図１３（ｂ）に示すように、なじみ処理前（図１０（ｃ）参照）から流体潤滑であったため、なじみ処理の前後で摩擦係数の挙動にほとんど変化は見られなかった。摺動速度の低下にともない摩擦係数の低下は見られるが、鏡面の基板と比較すると摩擦係数の速度依存性は小さかった。また、片回転型である傾斜角θ＝４５°の周期構造を形成した試験片（図１３（ｃ）参照）と比較してもほとんど同等の摩擦係数となった。

前記実施例より、以下の結論を得た。（１）方向が対称となるスパイラル状周期構造を間欠的かつ交互に配置することで摩擦係数０．０１以下の流体潤滑が得られる。（２）摩擦係数の傾斜角依存性は傾斜角θが±３０°〜±６０°の範囲ではほとんど認められない。（３）正逆転可能な周期構造パターンを形成することで、なじみ過程を鏡面試験片の１／５以下に短縮できる。（４）なじみ過程後の鏡面試験片の摩擦係数は速度依存性が比較的高く，摺動速度１．２ｍ／ｓでの摩擦係数は正逆転可能な周期構造を形成した試験片の２倍程度となる。（５）正逆転可能な周期構造パターンの摩擦係数は片回転型スパイラルパターンとほぼ同等の摩擦係数を示す。

本発明の実施形態を示す摺動面構造の簡略図である。 前記摺動面構造の第１部材の平面図である。 前記摺動面構造の第２部材の斜視図である。 グレーティング部の簡略図である。 前記摺動面構造のグレーティング部の電子顕微鏡写真である。 前記摺動面構造を示し、（ａ）は摺動前の簡略断面図であり、（ｂ）は摺動中の簡略断面図である。 前記摺動面構造のグレーティング部を形成するためのレーザ表面加工装置の簡略図である。 実施例に使用した摺動試験装置の簡略断面図である。 試験片を示し、（ａ）は周期構造の方向が±３０°の場合の簡略図であり、（ｂ）周期構造の方向が±４５°の場合の簡略図であり、（ｃ）周期構造の方向が±６０°の場合の簡略図である。 なじみ処理前の摩擦係数の変化を示すグラフ図である。 なじみ過程の摩擦係数を示すグラフ図である。 なじみ処理後の試験片の簡略図である。 なじみ処理を行った試験片の摩擦係数の変化を示すグラフ図である。

符号の説明

１ 第１部材
１ａ 摺動面
２ 第２部材
２ａ 摺動面
３ グレーティング部
３ａ グレーティング部
３ｂ グレーティング
６ ランド部

Claims (10)

1. 第１部材の摺動面と第２部材の摺動面とが潤滑剤下で相対的に摺動する摺動面構造であって、第１部材と第２部材との少なくともいずれか一方の摺動面に、微小の凹部と微小の凸部とが交互に所定ピッチで配設されるグレーティング部を摺動方向に沿って複数個形成し、
   摺動方向に沿って隣り合うグレーティング部間にランド部を設け、
   前記グレーティング部の周期構造は、一方の端縁が摺動面から開放され、他方の端縁が摺動面内に止まり、かつ、摺動方向に沿って隣り合うグレーティング部の周期構造の方向が摺動方向に対して対称となる傾斜角を有することを特徴とする摺動面構造。
2. 周期構造の端縁の開放位置が、潤滑剤を内側へ案内する入口側となり、この周期構造の下流側でランド部を挟んで隣合う周期構造の端縁の開放位置が、潤滑剤を外側へ案内する出口側となることを特徴とする請求項１の摺動面構造。
3. グレーティング部は、周期構造の方向が摺動方向に対して対称となる第１グレーティング部及び第２グレーティング部を備え、第１グレーティング部の周期構造の方向が摺動方向に対して＋１０°〜＋８０°の傾斜角を有し、第２グレーティング部の周期構造の方向が摺動方向に対して−１０°〜−８０°の傾斜角を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の摺動面構造。
4. 前記ランド部の表面に、摺動方向に対して直交する方向に沿って延びる複数の凹凸からなるグレーティング状の周期構造部を設けことを特徴とする請求項３に記載の摺動面構造。
5. 前記第１部材と第２部材とが相対的に回転することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の摺動面構造。
6. 前記第１部材と第２部材とが相対的に直線摺動することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の摺動面構造。
7. グレーティング部を有する部材がシリコン系セラミックスであり、潤滑剤がＯＨ基を有することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の摺動面構造。
8. 前記グレーティング部の凹凸ピッチが１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかの摺動面構造。
9. 前記グレーティング部の凹部の深さが１μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかの摺動面構造。
10. 前記グレーティング部は、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバラップさせながら走査して、自己組織的に形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかの摺動面構造。