JP2006144979A

JP2006144979A - Friction reducing method using rotary diamond sliding body

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Publication number: JP2006144979A
Application number: JP2004338293A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Abe; 利彦阿部; Toshiyuki Takagi; 敏行高木; Tetsuya Uchikazu; 哲哉内一; Yasuaki Kohama; 泰昭小濱; Ichiro Nakamori; 一郎中森; Yoshinobu Yashima; 芳信八島
Original assignee: MATERIAL SENDAI KK; Tohoku University NUC
Current assignee: MATERIAL SENDAI KK; Tohoku University NUC
Priority date: 2004-11-24
Filing date: 2004-11-24
Publication date: 2006-06-08

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve conventional problems on oil lubrication or solid lubrication by rotating a disc subjected to a partially mirror polished CVD (chemical vapor deposition) diamond or DLC (diamond-like carbon) coating to actualize sliding motion with low friction as in air flotation. <P>SOLUTION: Two coating plates each manufactured by applying a coating of a 10 μm-thick CVD diamond film to a 5 cm-in-diameter and 1 mm-thick polycrystal silicon substrate using a microwave CVD method (output 1 kW) are fitted to each other to form the partially mirror polished CVD diamond coating disc having a surface roughness of about 0.2 μm which is fixed to a small radial motor. The disc is put on a rolled aluminum plate. When the motor is rotated until its rotating speed reaches 1,200 rpm, the motor is put into a stational floating condition and it can be moved in any direction with slight pushing operation. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

滑りを利用する軸受けや物を移動する技術分野に属する。 It belongs to the technical field of moving bearings and objects using sliding.

リニアモータのように直線運動をする機器、平面研削盤のような工作機械、光記録装置の書き込み／読み取り部分、精密測定装置はいずれも振動と騒音のない滑りによる移動を活用している。これらに共通な問題として摩擦の低減がある。 Equipment that performs linear motion such as linear motors, machine tools such as surface grinders, writing / reading parts of optical recording devices, and precision measuring devices all utilize movement by sliding without vibration and noise. A common problem with these is the reduction of friction.

滑り面の摩擦を減らす方法としては油潤滑が広く用いられている。油潤滑は長い歴史を有するきわめて優れた方法であるが、以下のような問題がある。１）汚れる。２）補給が必要、３）高温や低温で使用できない。４）温度によって摩擦係数が変化する、５）真空や減圧下では油が蒸発する。これらの問題点を解決するために黒鉛、二硫化モリブデン、チッカホウ素、テフロン（登録商標）などの固体潤滑材が用いられている。これらはいずれも軟らかく滑りやすい物質であるが、強度が低い、粉が飛び散るなどの問題がある。 Oil lubrication is widely used as a method for reducing friction on the sliding surface. Oil lubrication is an excellent method with a long history, but has the following problems. 1) It gets dirty. 2) Replenishment is required. 3) Cannot be used at high or low temperatures. 4) Friction coefficient varies with temperature. 5) Oil evaporates under vacuum or reduced pressure. In order to solve these problems, solid lubricants such as graphite, molybdenum disulfide, ticker boron, and Teflon (registered trademark) are used. These are all soft and slippery substances, but have problems such as low strength and powder scattering.

一方、最も硬い物質であるダイヤモンドの摩擦係数は０．０５程度と非常に小さな値であることは以前から良く知られていた。しかし、ダイヤモンドは高価な材料なので固体潤滑の目的に使用されることはなかった。 On the other hand, it has been well known that the friction coefficient of diamond, which is the hardest material, is as small as about 0.05. However, since diamond is an expensive material, it has not been used for the purpose of solid lubrication.

先に本発明の発明者らは、鏡面研磨したＣＶＤ（気相合成）ダイヤモンドを摺動面として使用する技術で特許出願している（特願２００２−３２３２８５）。さらに、部分的に鏡面研磨すると摩擦係数が０．０１以下となることを見出して特許出願している（特願２００２−３１５０７５）。 Previously, the inventors of the present invention have applied for a patent with a technique of using mirror-polished diamond (vapor phase synthesis) as a sliding surface (Japanese Patent Application No. 2002-323285). Furthermore, a patent application has been filed for finding that the coefficient of friction is 0.01 or less when partially mirror-polished (Japanese Patent Application No. 2002-315075).

特許文献１には、摩擦を低減させるＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）コーティング膜の研磨方法についての記載がある。
特許文献２には、セラミックスからなり、フラット面及び曲面にシリコンウエーハとの摩擦係数０．３以下のＤＬＣコーティングを施したシリコンウエーハ研磨治具について記載されている。
特許文献３には、ポンプまたはモーターなどのピストンの摺動面に、表面硬化処理をして硬化処理層を形成し、その硬化処理層の表面にＤＬＣをコーティングして、ＤＬＣ層を形成する発明について記載されている。
しかし、本発明は、回転を利用して滑り摩擦全般に関する問題点を解決する方法を内容としており、これら発明とは異なるものである。 Patent Document 1 describes a method for polishing a DLC (diamond-like carbon) coating film that reduces friction.
Patent Document 2 describes a silicon wafer polishing jig made of ceramics and having a DLC coating having a friction coefficient of 0.3 or less with a silicon wafer on a flat surface and a curved surface.
Patent Document 3 discloses an invention in which a DLC layer is formed by coating a surface of a cured surface of a piston such as a pump or a motor to form a cured layer by coating the surface of the cured layer. Is described.
However, the present invention includes a method for solving problems related to sliding friction in general using rotation, and is different from these inventions.

特開２００４−２５６９１２号公報JP 2004-256912 A 特開２００４−１６０６３３号公報JP 2004-160633 A 特開２０００−３２０６７０号公報JP 2000-320670 A

本発明は、部分的に鏡面研磨したＣＶＤダイヤモンドあるいはＤＬＣコーティングした円板を回転することにより、空気浮上のような低摩擦による摺動を実現し、油潤滑や固体潤滑がかかえていた従来の問題を解決することを課題とする。 The present invention realizes sliding with low friction such as air levitation by rotating a partially mirror-polished CVD diamond or DLC-coated disc, and has been associated with oil lubrication and solid lubrication. It is a problem to solve.

上記課題を解決するための手段として、本発明は以下の特徴を有している。
請求項１に記載の回転円板と静止基板間の摩擦低減方法では、静止基板上でＣＶＤダイヤモンドあるいはＤＬＣをコーティングした円板を回転させることを特徴とする。
請求項２に記載の摩擦低減方法では、さらに、前記方法は、ＣＶＤダイヤモンドあるいはＤＬＣコーティング面を研磨して表面あらさＲａ０．０５〜０.５μｍとしたことを特徴とする。
請求項３に記載の摩擦低減方法では、さらに、前記方法は、回転板の周辺速度が毎秒１ｍ以上であることを特徴とする。
請求項４に記載の摩擦低減方法では、さらに、前記方法は、回転円板の基板材料が炭化チタンＴｉＣ、チタンシリコン炭化物Ｔｉ３ＳｉＣ２、ケイ素Ｓｉ、炭化ケイ素ＳｉＣ、チッ化ケイ素Ｓｉ３Ｎ４であることを特徴とする。
請求項５に記載の摩擦低減方法では、さらに、前記方法は、静止基板が金属、セラミックス、プラスチックスであることを特徴とする。 As means for solving the above problems, the present invention has the following features.
The friction reducing method between the rotating disk and the stationary substrate according to claim 1 is characterized in that a disk coated with CVD diamond or DLC is rotated on the stationary substrate.
The friction reduction method according to claim 2 is characterized in that the method further comprises polishing the CVD diamond or DLC coating surface to a surface roughness Ra of 0.05 to 0.5 μm.
In the friction reducing method according to claim 3, the method is characterized in that the peripheral speed of the rotating plate is 1 m or more per second.
5. The friction reducing method according to claim 4, further comprising the step of using a rotating disk substrate material of titanium carbide TiC, titanium silicon carbide Ti3SiC2, silicon Si, silicon carbide SiC, silicon nitride Si3N4. To do.
In the friction reducing method according to claim 5, the method is characterized in that the stationary substrate is made of metal, ceramics, or plastics.

以上説明したように、本発明の回転ダイヤモンド摺動体では、固体と固体が直接に接触する摺動面において、潤滑油や潤滑用の粉末を用いることなしに、極めて低い摩擦を実現することができる。この結果、油、粉末、磨耗粉による環境汚染の少ない潤滑が可能になる。 As described above, in the rotating diamond sliding body of the present invention, extremely low friction can be realized without using lubricating oil or lubricating powder on the sliding surface where the solid and the solid are in direct contact with each other. . As a result, lubrication with less environmental pollution due to oil, powder and wear powder becomes possible.

ダイヤモンドあるいはＤＬＣの摩擦係数が０.０５程度と小さな値であることは公知である。しかし、凹凸のある基板表面に生成するＣＶＤダイヤモンドあるいはＤＬＣは膜の成長に伴って基板の表面よりもあらさが大きくなる。したがってコーティングした状態のＣＶＤダイヤモンドあるいはＤＬＣは０.１〜０.３と比較的大きな摩擦係数を示す。
また、コーティング面を鏡面に研磨すると相手材表面の形状によっては、よく滑る場合と、真空の作用で面どうしが吸着してあまり滑らない場合がある。これに対して表面を部分的に鏡面研磨（表面あらさが０.２μｍ程度）とし、鏡面研磨される微小な島状部分の高さが同じになるような構造とすると、浮上に近い小さな摩擦係数（０.０１以下）が得られることが判った（特願２００２−３１５０７５）。 It is known that the friction coefficient of diamond or DLC is as small as about 0.05. However, the roughness of CVD diamond or DLC generated on the uneven substrate surface becomes larger than the substrate surface as the film grows. Therefore, CVD diamond or DLC in a coated state shows a relatively large friction coefficient of 0.1 to 0.3.
Further, when the coating surface is polished to a mirror surface, depending on the shape of the surface of the counterpart material, the surface may slide well, or the surfaces may be adsorbed by the action of vacuum and may not slide much. On the other hand, if the surface is partially mirror-polished (surface roughness is about 0.2 μm), and the structure is such that the height of the small island-shaped parts to be mirror-polished is the same, the coefficient of friction close to flying is small. (0.01 or less) was obtained (Japanese Patent Application No. 2002-315075).

このように小さな摩擦係数は基板とＣＶＤダイヤモンドあるいはＤＬＣ面の相対速度が毎秒１ｍ以下の場合には発現せず、ダイヤモンドの摩擦係数である０.０５程度の値が得られる。これらの実験結果から、運動時のきわめて小さな摩擦係数は、相手材表面とコーティング面の微細なくぼみに含まれる空気が流体潤滑のような作用をすると考えられる。
運動するダイヤモンドコーティング面による小さな摩擦状態は、圧縮空気の噴出しによる空気浮上と同じ応用が考えられる。そのためには台とダイヤモンドコーティング面の相対的な移動速度がゼロの場合、すなわちダイヤモンドコーティング円板面が台に対し並進運動を行わない場合にも浮上しているような低摩擦状態を維持していることが必要である。
このような状態を発現させるために実験を繰り返した。この結果、ダイヤモンドコーティング面を回転させて、その周辺速度が毎秒１ｍを超えると摩擦係数が急激に減少することを見出して、本発明をするに至った。 Such a small friction coefficient does not appear when the relative speed between the substrate and the CVD diamond or DLC surface is 1 m / second or less, and a value of about 0.05, which is the friction coefficient of diamond, is obtained. From these experimental results, it can be considered that the extremely small coefficient of friction at the time of motion is that the air contained in the fine recesses on the surface of the counterpart material and the coating surface acts like fluid lubrication.
The small frictional state caused by the moving diamond coating surface can be considered to have the same application as air levitation caused by a jet of compressed air. For this purpose, maintain a low friction state where the relative moving speed of the base and the diamond coating surface is zero, that is, when the diamond coating disk surface does not translate relative to the base. It is necessary to be.
The experiment was repeated to develop such a state. As a result, when the diamond coating surface was rotated and the peripheral speed thereof exceeded 1 m / s, it was found that the friction coefficient rapidly decreased, and the present invention was achieved.

本発明は、静止基板上で気相合成ダイヤモンド（ＣＶＤダイヤモンド）あるいはダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）をコーティングした円板を回転させることによって、回転円板と静止基板間の摩擦を低減する方法についてのものである。
回転ダイヤモンド摺動体は軽量であるほど積載できる荷重を増すことができるので有利である。従って、ダイヤモンドをコーティングする基板は軽量高強度なＴｉＣ、ＳｉＣ、Ｔｉ３ＳｉＣ２、Ｓｉ３Ｎ４などのセラミックスやＳｉの薄板が適する。これと、薄型で軽量化が可能なラジアル型のモーターの組み合わせは、本発明を実施するための最良の形態の一つである。また、静止基板の材質としては、金属、セラミックス、プラスチックス
が好ましい。 The present invention relates to a method for reducing friction between a rotating disk and a stationary substrate by rotating a disk coated with gas phase synthetic diamond (CVD diamond) or diamond-like carbon (DLC) on a stationary substrate. It is.
As the rotating diamond sliding body is lighter, the load that can be loaded can be increased. Accordingly, a substrate coated with diamond is suitably a lightweight and high-strength ceramic such as TiC, SiC, Ti3SiC2, or Si3N4, or a thin Si plate. The combination of this and a radial motor that is thin and light in weight is one of the best modes for carrying out the present invention. The material of the stationary substrate is preferably metal, ceramics, or plastics.

［実施例］
直径５ｃｍ、厚さ１ｍｍの多結晶ケイ素基板にマイクロ波ＣＶＤ法（出力１ｋＷ）を用いて厚さ１０μｍのＣＶＤダイヤモンド膜をコーティングした。原料ガスが水素９８％、メタン２％、ガス流量毎分１００ｍｌ、基板温度９００℃、コーティング時間は１０時間である。コーティング終了時の表面あらさは約１μｍであり、ラマンスペクトル分光法によればコーティング膜はＣＶＤダイヤモンドとＤＬＣが混合した組成であった。 [Example]
A polycrystalline silicon substrate having a diameter of 5 cm and a thickness of 1 mm was coated with a CVD diamond film having a thickness of 10 μm using a microwave CVD method (output 1 kW). The raw material gas is 98% hydrogen, methane 2%, gas flow rate 100 ml / min, substrate temperature 900 ° C., and coating time 10 hours. The surface roughness at the end of coating was about 1 μm, and according to Raman spectrum spectroscopy, the coating film had a composition in which CVD diamond and DLC were mixed.

このようにして製造した２枚のコーティング板どうしを刷り合わせることによって表面あらさを約０.２μｍとした。このように部分的に鏡面研磨したＣＶＤダイヤモンドコーティング円板を小型のラジアルモーターに固定して、圧延アルミニウム板上に置いた。
モーターを回転させて回転数が１２００ｒｐｍに達すると、モーターは静止しながら浮上状態となり、軽く押すだけで任意の方向に移動させることができた。この場合のＣＶＤダイヤモンドコーティング円板の周辺速度は約３.２ｍ／ｓであり、円板の平均回転速度は約１.６ｍ／ｓであった。 The surface roughness was set to about 0.2 μm by printing the two coated plates produced in this way. The partially diamond-polished CVD diamond-coated disc was fixed on a small radial motor and placed on a rolled aluminum plate.
When the motor was rotated and the rotation speed reached 1200 rpm, the motor floated while standing still, and it was possible to move it in any direction by simply pressing it lightly. In this case, the peripheral speed of the CVD diamond coated disk was about 3.2 m / s, and the average rotation speed of the disk was about 1.6 m / s.

［比較例］
上記の実験において、表面を研磨しないダイヤモンドコーティング面を用いた場合は、回転数が１５００ｒｐｍでも浮上状態は得られなかった。 [Comparative example]
In the above experiment, when a diamond coating surface whose surface was not polished was used, a floating state was not obtained even at a rotational speed of 1500 rpm.

本発明の一実施例を示すダイヤモンド摺動体の構成概略図である。It is a composition schematic diagram of a diamond slide object showing one example of the present invention.

Explanation of symbols

１ラジアルモーター
２回転円板基板
３部分的に研磨したＣＶＤダイヤモンド
４圧延アルミニウム平板 1 Radial motor 2 Rotating disk substrate 3 Partially polished CVD diamond 4 Rolled aluminum flat plate

Claims

A method for reducing friction between a rotating disk and a stationary substrate, comprising rotating a disk coated with CVD diamond or DLC on a stationary substrate.

The friction reducing method according to claim 1,
The method described above is characterized in that the CVD diamond or DLC coating surface is polished to a surface roughness Ra of 0.05 to 0.5 μm.

The friction reducing method according to claim 1 or 2,
In the method, the peripheral speed of the rotating plate is 1 m or more per second.

The friction reducing method according to any one of claims 1 to 3,
In the method, the substrate material of the rotating disk is titanium carbide TiC, titanium silicon carbide Ti3SiC2, silicon Si, silicon carbide SiC, or silicon nitride Si3N4.

The friction reducing method according to any one of claims 1 to 4,
In the method, the static substrate is made of metal, ceramics, or plastics.