JP5638455B2 - 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。

サブミクロンの周期ピッチと溝深さをもつグレーティング状の周期構造は高い負荷能力と剛性をもつことが知られている。このため、このようなグレーティング状の周期構造を往復摺動構造や回転摺動構造に利用されてきている。しかしながら、グレーティング状の周期構造を利用したものは、１軸方向の往復動や１軸廻りの回転運動に限られていた。

ところで、人工股関節等における摺動方向は多方向であり、静止荷重状態が不定期に発生する。そのため、リンギング（密着）が発生し、静止荷重状態が解除されても、この密着状態が継続され流体潤滑膜が回復しないことがある。しかも、リンギングは、きしみ音の発生や摩耗の原因となる。このため、微小クリアランスでの流体潤滑膜形成機能を有する機能表面の創成が望まれている。

そして、従来には、人工股関節における摺動接触面構造に用いる摺動面構造が提案されている（特許文献１）。この摺動面構造は、他の部材に摺動接触する母材の摺動面に、複数の凹部を設けることで凹凸パターンを形成したものがある。この場合、凹部の配列ピッチ、凹部の深さ、摺動面全体に対する凹部の面積比率、円換算直径、材質等を限定したものである。

このような各種のパラメータを限定することによって、「凹部からの潤滑剤の供給、凹部への摩耗粉の逃げによるアブレシブ摩耗の防止により、耐摩耗性および耐焼付性が向上する」等の作用効果を奏するものとしている。

特許第３５９０９９２号公報

前記特許文献１に記載のように構成した場合、凹部（ディンプル）は狭い領域内で正負等しい圧力を発生する。この際、キャビテーションが発生することにより正圧部のみが負荷容量に寄与する。しかしながら、正圧発生領域が狭いため圧力上昇が僅かしか得られない。このため、動圧発生効果が小さく、また、油溜り効果は混合潤滑特性に寄与するが、流体潤滑特性にほとんど寄与しない。

本発明は、上記課題に鑑みて、多方向すべりに対応できて、流体潤滑特性及び混合潤滑特性の向上に寄与す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、予定される摺動方向に対して線対称の形状となるとともに、摺動面の相対的な摺動によって潤滑剤を摺動面中央部に引き込むグレーティング状凹凸の周期構造部を設け、前記周期構造部は、摺動面中央部を中心として放射状に延びる複数の微細溝にて構成されるものである。

本発明の摺動面構造によれば、周期構造部は、予定される摺動方向に対して線対称の形状であるので、予定される全ての摺動方向に対する摺動運動を行うことができ、このような周期構造部は高い負荷能力と剛性をもつ。しかも、潤滑剤を摺動面中央部に引き込む流体導入効果を得ることによって、負荷容量の増加を図ることができる。すなわち、流体導入効果による負荷容量の増加がレイリーステップ効果の減少分よりも大きいものとなる。
このため、流体潤滑特性及び混合潤滑特性の向上を図ることができ、予定される全ての摺動方向に対してローリングを生じることなく大きな動圧を得ることができる。ここで、予定される摺動方向としては、平面的に見て１軸方向であっても、２以上の多軸方向であってもよい。

前記周期構造部は、摺動面中央部を中心として放射状に延びる複数の微細溝にて構成される微細溝構造であるので、摺動面中央部への流体導入機能を安定して発揮できる。

摺動面中央部は周期構造部を構成しない溝未形成部とすることができ、また、摺動面中央部は、予定される摺動方向線に対して線対称の形状とすることができる。

周期構造部の周期ピッチを１０μｍ以下とするのが好ましく、周期構造部の凹部の深さが１μｍ以下とするのが好ましい。

前記周期構造部は、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、予定される全ての摺動方向に対してローリングを生じることなく大きな動圧を得ることができ、多方向すべりに対して流体導入効果を発揮し、低摩擦を得ることができる。このため、このような摺動面構造を、例えば、人工股関節等に用いることができる。すなわち、人工股関節のカップを本発明の第１部材とし、人工股関節の骨頭を第２部材とすることができる。このような場合、カップの内径面と、骨頭の外径面とが圧接状となって、カップ部の内径面が摺動面となるとともに、骨頭の外径面が摺動面となる。従って、本発明の摺動面構造を人工股関節に用いれば、微小クリアランスでの流体潤滑膜形成機能を有することになって、リンギングの発生を抑えることができて、リンギングに基づくきしみ音の発生や摩耗を有効に防止できる。このため、人工股関節として、長期にわたって、安定した股関節を構成することができる。

摺動面中央部を中心として放射状に延びる複数の微細溝にて構成される微細溝構造であれば、効率的に大きな動圧を得ることができ、潤滑性に優れる。また、摺動面中央部を溝未形成部とすれば、負荷容量を一層高めることができ、安定して優れた潤滑性を発揮できる。

摺動面中央部が予定される摺動方向線に対して線対称の形状であれば、予定される全ての摺動方向に対してローリングを生じることなく大きな動圧を安定して得ることができる。

周期構造部の凹凸ピッチを１０μｍ以下とした場合、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。周期構造部の凹部の深さを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。

周期構造部は、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。このようなサブミクロンの周期構造にすることで混合潤滑における狭い一部のすきまで流体潤滑効果が有効に発揮される。

本発明の実施形態を示す摺動面構造の簡略図である。 前記図１に示す摺動面構造の第２部材の摺動面を示し、（ａ）は第１の周期構造部を有する摺動面の簡略図であり、（ｂ）は第２の周期構造部を有する摺動面の簡略図である。 前記摺動面に形成される周期構造部の拡大図である。 摺動面構造の他の第２部材の摺動面の簡略図である。 摺動面構造の別の第２部材の摺動面の簡略図である。 前記周期構造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１において使用した摺動面構造の第２部材の摺動面を示し、（ａ）は周期構造部を有する場合の簡略図であり、（ｂ）は周期構造部を有さない場合の簡略図である。 実施例１にて得られた荷重と摩擦係数との関係を示すグラフ図である。 実施例２において使用した摺動面構造の第２部材の摺動面の簡略図である。 実施例２において使用した比較片を示し、（ａ）は底面図であり、（ｂ）は正面図である。 実施例２にて得られた平滑部長さと負荷容量との関係を示すグラフ図である。

以下本発明の実施の形態を図１〜図６に基づいて説明する。

摺動面構造は、図１に示すように、第１部材１の摺動面１ａと第２部材２の摺動面２ａとる潤滑剤下で相対的に摺動するものである。第１部材１は平盤体とし、第２部材２を平板矩形体としている。この場合、第１部材１及び第２部材２は、炭素鋼、銅、アルミニウム、白金、超硬合金等であっても、炭化ケイ素や窒化ケイ素等のシリコン系セラミックスであっても、エンジニアプラスチック等であってもよい。また、潤滑剤としても、水やアルコールであっても、さらにはエンジンオイル等の潤滑油等であってもよい。すなわち、第１・第２部材１，２の材質、使用する環境等に応じて種々の潤滑剤を用いることができる。

第１部材１の上面が摺動面１ａとなり、第２部材２の下面が摺動面２ａとなる。第２部材２の摺動面２ａに図２に示すようなグレーティング状凹凸の周期構造部３が設けられる。この周期構造部３は、摺動面２ａの正方形状のランド部（溝未形成部）４を残して、外周側に矩形リング範囲に設けられる。

周期構造部３は図３に示すように、微小の凹部５と微小の凸部６とが交互に所定ピッチで配設されてなるものである。周期構造部３の凹凸ピッチを１０μｍ以下とし、凹部５の深さを１μｍ以下とするのが好ましい。この場合、周期構造部３の凹部５は、第２部材２の摺動面２ａの外周縁に開口している。

周期構造部３は、予定される摺動方向に対して線対称の形状となるように形成される。すなわち、図２（ａ）に示す周期構造部３は、摺動面中央部を中心として、ランド部４を省いて、放射状に延びる複数の微細溝（凹部５）にて構成される微細溝構造からなる。この図２（ａ）では、溝未形成部４が正方形であるので、相互に直交するＸ・Ｙ軸方向の２方向の摺動に最適となる。このようなＸ軸方向及びＹ軸方向の２方向の摺動では、周期構造を、図２（ｂ）に示すものであってもよい。すなわち、図２（ｂ）では、溝未形成部４の各辺から外形側に直交するように配設され、溝未形成部４のコーナ部から放射状に配設されている。

周期構造部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６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。なお、フェムト秒レーザは１０００兆分の１秒という極端に短い時間単位の中にエネルギーを圧縮した光源である。

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３は、前記フェムト秒レーザ表面加工装置にて形成した周期構造部３を電子顕微鏡で撮像した図である。

本発明の摺動面構造では、周期構造部３は、予定される摺動方向に対して線対称の形状であるので、予定される全ての摺動方向に対する摺動運動を行うことができ、このような周期構造部３は高い負荷能力と剛性をもつ。しかも、潤滑剤を摺動面中央部４に引き込む流体導入効果を得ることによって、負荷容量の増加を図ることができる。このため、流体潤滑特性及び混合潤滑特性の向上を図ることができ、予定される全ての摺動方向に対してローリングを生じることなく大きな動圧を得ることができる。なお、前記図１に示す図例のものでは、第１部材１を固定して、第２部材２を矢印Ｘのように、第１部材１に対して往復動させるようにしている。

このため、このような摺動面構造を、例えば、人工股関節に用いることができる。すなわち、人工股関節のカップを本発明の第１部材１とし、人工股関節の骨頭を第２部材２とすることができる。このような場合、カップの内径面と、骨頭の外径面とが圧接状となって、カップ部の内径面が摺動面１ａとなるとともに、骨頭の外径面が,周期構造部３を有する摺動面２ａとなる。従って、本発明の摺動面構造を人工股関節に用いれば、微小クリアランスでの流体潤滑膜形成機能を有することになって、リンギングの発生を抑えることができて、リンギングに基づくきしみ音の発生や摩耗を有効に防止できる。このため、人工股関節として、長期にわたって、安定した股関節を構成することができる。

摺動面中央部を中心として放射状に延びる複数の微細溝（凹部５）にて構成される微細溝構造であれば、効率的に大きな動圧を得ることができ、潤滑性に優れる。また、摺動面中央部を溝未形成部４とすれば、負荷容量を一層高めることができ、安定して優れた潤滑性を発揮できる。

摺動面中央部が予定される摺動方向線に対して線対称の形状であれば、予定される全ての摺動方向に対してローリングを生じることなく大きな動圧を安定して得ることができる。

周期構造部３の凹凸ピッチを１０μｍ以下とした場合、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。周期構造部３の凹部５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。特に、混合潤滑状態であっても、一部の狭い（１μｍ以下）隙間領域で流体潤滑効果を発揮することができる。

周期構造部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。このようなサブミクロンの周期構造にすることで混合潤滑における狭い一部のすきまで流体潤滑効果が有効に発揮される。

図４に示す摺動面２ａでは、ランド部（摺動面中央部であって、周期構造部を構成しない溝未形成部）４は円形状とされている。また、図５では、第２部材２の短円柱体とし、ランド部４を円形状としている。

このため、図４や図５に示す第２部材２の摺動面２ａであっても、前記図２に示す第２部材２の摺動面２ａと同様の作用効果を奏する。特に、図４や図５等に示すように、溝未形成部４が円形状とされ、周期構造部４の周期方向が放射状に配設されるものであれば、２軸方向に限らず、多数方向の摺動に対応することができる。

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、周期構造部３を第１部材１側に形成してもよく、第１部材１及び第２部材２の両側に設けてもよい。また、摺動面中央部の溝未形成部４の形状として、図２に示すような正方形や図４に示す円形に限るものではなく、予定される摺動方向線に対して線対称の形状であればよく、例えば、正六角形や正八角形等であってもよい。第１部材１と第２部材２の形状としても、図例のものに限らず、他の種々の形状のものにて構成できる。

周期構造部３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。

第１部材１と第２部材２の相対的な摺動運動は、前記実施形態では、第１部材１を固定して第２部材２を往復動させるもの、つまり周期構造部３が形成される側を摺動させるものであったが、逆に第２部材２側を固定して、第１部材側を摺動させてもよい。すなわち、周期構造部３が形成されない方を摺動させてもよい。また、第１部材１と第２部材２の双方を摺動させるものであってもよい。

本発明の摺動面構造によれば、多方向のすべりに対して流体導入効果を発揮して低摩擦を得ることができる。このため、本発明の摺動面構造は、人工股関節に限るものではなく、球面軸受、各種のマイクロマシン、光学部品、微小物体捕獲器等の種々の機器に使用可能である。

図７（ａ）に示すような摺動面２ａを有する第２部材２（試験片Ａ）を用いて、荷重と摩擦係数との関係を調べた。試験片Ａとして、その材質をＳＵＳ４４０Ｃとし、摺動面直径Ｄを５ｍｍとし、この摺動面２ａの外周側に、周期間隔約７００ｎｍ、凹凸深さ（凹部深さ）を約２００ｎｍのグレーティング状の周期構造部３を形成した。この周期構造部３の幅（径方向幅）Ｅを０．５ｍｍ程度とした。（周期構造形成部はφ４ｍｍ〜φ５ｍｍであるので、Ｅが０．５ｍｍとなる。）また、使用する第１部材１としては、図１に示すような平盤体を使用する。この第１部材１としての平盤体は、その材質として試験片と同様ＳＵＳ４４０Ｃとする。第１部材１の摺動面１ａ及び試験片Ａの摺動面２ａの表面粗さをＲａ０．０２μｍとした。潤滑剤としては、極性をもたず熱的・化学的に安定したＰＡＯ６を用いた。

また、摺動面２ａに周期構造部３を有さない比較片Ａ１（図７（ｂ）参照）を製作した。この比較片Ａ１もＳＵＳ４４０Ｃとし、その外径寸法Ｄ１を５ｍｍとし、摺動面２ａ１の表面粗さをＲａ０．０２μｍとした。なお、試験片Ａの周期構造部３は、前記図６に示したフェムト秒レーザ表面加工装置を用いて形成した。すなわち、直線偏光のフェムト秒レーザを加工しきい値近傍のエネルギー密度で材料表面に照射し自己組織的に形成したものである。そして、周期構造の方向は、多方向すべりに対応できるように放射状としている。

そして、試験としては、図１に示すように、試験片Ａ（第２部材２）および比較片Ａ１をそれぞれ１直線方向に６ｍｍの範囲で矢印Ｘ方向に往復動させた。この際、摺動速度を４ｍｍ／ｓとし、荷重を１Ｎから５０Ｎまで段階的に増加させた。

試験結果を図８のグラフ図に示す。図８では、横軸を荷重（Ｎ）とし、縦軸を摩擦係数としている。図８の黒丸は周期構造部を有する試験片Ａを示し、図８の白丸は周期構造を有さない比較片Ａ１を示している。なお、図８では試験片Ａではこの試験片を周期構造と呼び、この比較片Ａ１を鏡面と呼んでいる。

図８から分かるように、各荷重条件で摩擦係数が比較片Ａ１よりも試験片Ａが低いことが分かる。すなわち、比較片Ａ１よりも試験片Ａが滑らかに摺動する。

負荷容量とランド部（溝未形成部）４の大きさとの関係を調べた。この場合の試験片Ｂとしては、図９にように、摺動面２ａが１辺の長さＳが５ｍｍの正方形で、その外周部に各辺に沿った周期構造部３を設けたものである。また、溝未形成部４が正方形とされ、図１１にグラフ図に示すように、溝未形成部（平滑部）４の１辺の長さＬを０ｍｍから５ｍｍまで変化させた。

また、比較片Ｂ１として、図１０に示すように、１辺の長さＳ１が５ｍｍの摺動面２ａに、溝未形成部（平滑部）４に対応する位置に摺動面２ａ１からの高さＴが２００ｎｍの膨出部５０を形成したものである。膨出部５０の１辺の長さＬ１を０から５ｍｍまで変化させた。

試験片Ｂの負荷容量は、無限溝数理論により油膜厚さ２００ｎｍ、丘溝比０．５、周期構造深さ２００ｎｍ、粘度３１．２８ｃｐ、摺動速度５０ｍｍ／ｓとして計算した。また、比較片Ｂ１の負荷容量は、試験片Ｂの負荷容量の計算と同一条件として計算した。

計算結果を図１１のグラフ図に示す。図１１において、実線は試験片Ｂを示し、破線は比較片Ｂ１を示す。なお、図１１では試験片Ｂを周期構造と呼び、この比較片Ｂ１を均一段差と呼んでいる。

この図１１からわかるように、試験片Ｂでは、比較片Ｂ１の１．４倍の負荷容量が得られた。試験片Ｂでは周期構造部３を設けたことにより、レイリーステップ効果は減少するが、流体を中央部に引き込む流体導入効果が新たに発生する。すなわち、試験片Ｂの負荷容量が増加したのは、流体導入効果による負荷容量の増加がレイリーステップ効果の減少分よりも大きいためである。

この試験により、試験片Ｂのように、摺動面中央部に溝未形成部４を形成し、かつ外周部に周期構造部３を形成したものが、大きな負荷容量を得ることができる。特に、１辺が５ｍｍの正方形の摺動面２ａを有する場合、溝未形成部（平滑部）４が１辺が２ｍｍ程度の正方形とすることによって、最大の負荷容量を得ることができる。

１ａ 摺動面
１ 第１部材
２ａ 摺動面
２ 第２部材
３ 周期構造部
４ 溝未形成部（ランド部）
５ 凹部

Claims (6)

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、予定される摺動方向に対して線対称の形状となるとともに、摺動面の相対的な摺動によって潤滑剤を摺動面中央部に引き込むグレーティング状凹凸の周期構造部を設け、前記周期構造部は、摺動面中央部を中心として放射状に延びる複数の微細溝にて構成される微細溝構造であることを特徴とする摺動面構造。
2. 摺動面中央部は周期構造部を構成しない溝未形成部としたことを特徴とする請求項１に記載の摺動面構造。
3. 摺動面中央部は、予定される摺動方向線に対して線対称の形状であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の摺摺動面構造。
4. 周期構造部の周期ピッチが１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の摺動面構造。
5. 前記周期構造部の凹部の深さが１μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかの摺動面構造。
6. 前記周期構造部は、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５のいずれかの摺動面構造。