JP2009036645A

JP2009036645A - 熱履歴測定方法

Info

Publication number: JP2009036645A
Application number: JP2007201461A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Yoshida; 聡吉田; Kentaro Komori; 健太郎小森; Kazumi Ogawa; 和美小川; Akira Hiroshima; 晶廣嶋
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-08-02
Filing date: 2007-08-02
Publication date: 2009-02-19
Anticipated expiration: 2027-08-02
Also published as: JP4939332B2

Abstract

【課題】熱履歴を受ける部材や部位の動作、特性、性能等に影響を与えず、非破壊で、しかも、その部材、部位等が実稼動中に受けた熱履歴における最高熱履歴温度を正確かつ容易に測定することができる熱履歴測定方法の提供。
【解決手段】被測温体の測温部位に水素化アモルファスカーボンを含む熱履歴測定部を設け、前記被測温体に熱履歴を与えた後、前記熱履歴測定部における前記水素化アモルファスカーボンについて、ラマン分光分析によって測定されるＧバンドシフトの変化に基づいて、前記被測温体の最高熱履歴温度を求めることを特徴とする熱履歴測定方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、部材等が実稼動中に受けた熱履歴における最高熱履歴温度を測定する熱履歴測定方法に関する。

一般に、装置や機器には、各種の可動部材または可動部位、摺動部材または摺動部位が存在する。これらの可動部材や摺動部材は、動作時に摩擦や周囲の部材や部位からの熱伝導、輻射などの種々の原因によって加熱される。例えば、自動車のエンジン内には、カムシャフト、ピストンリング、ピストンスカート部等の部材や部位が存在し、また、トランスミッション内には、クラッチプレート、ギア、軸受等の部材や部位が存在し、これらの部材や部位は、実稼動中に、摩擦や周囲からの熱伝導等によって加熱される。しかし、これらの可動部材や可動部位、また、摺動部材や摺動部位は、その実稼動中の温度を測定することが困難である。また、これらの可動部材や可動部位、また、摺動部材や摺動部位の温度は、外側から正確に測定することが困難である。特に、クラッチプレート等の摺動部材は、実稼動中は他の部材と摺接しているため、直接、温度検出器等を配置して温度を測定することは不可能である。また、エンジン内に温度検出器を配置することも困難である。しかし、これらの可動部材または可動部位、摺動部材や摺動部位の温度が、実稼動中に、どのように変化するか、すなわち、どのような熱履歴を受けるかを把握することは、その可動部材等の耐久性、信頼性、材質、形態等を考える上で非常に重要である。特に、これらの可動部材等が、実稼動中に到達する最高温度、すなわち、最高熱履歴温度は、耐久性、信頼性等を考慮して、どのような材質、形態等にするかを決定する上で、非常に重要なデータとなる。

また、可動部材や摺動部材に限られず、外側から把握できない箇所の熱履歴を正確に把握することが求められる場合もある。

従来、こうした熱履歴を測定するためには、温度を測定する部材または部位に熱電対等の接触式温度検出器を接触させ、または配置して温度を計測するか、色の変化で温度を表示する、いわゆるサーモラベルを摺動面周辺に貼付して、そのサーモラベルの色変化によって温度を計測するというのが一般的であった。また、特許文献１には、摺動部材に温度測定用の孔を穿設し、この孔に測温用金属部材を埋設し、この測温用金属部材を介して摺動部材の温度を検出する温度検出器を備える軸受が開示されている。
特開２００６−１１２６０２号公報

しかしながら、熱電対による測定では、摺動する最表面に直接熱電対を設けて、温度を測定することはできず、摺動面に設けた穴等に熱電対を配置して測定する事になるため、正確な熱履歴を把握することが困難であった。また、熱電対のような接触式センサを可動部材や摺動部材に装着するとその動作や摺動性に影響を及ぼす問題もあった。

また、サーモラベルを用いる場合は、摺動部位や可動部位に直接、サーモラベルを貼付して温度を測定することができず、摺動部位等の周辺にサーモラベルを貼付して間接的に温度を測定するに留まっている。

さらに、摺動面等の摺動部位や可動部位に温度検出センサまたは温度検出器に接続する測温用金属部材を埋設する場合には、通常、摺動特性の良好な材料に埋め込むなどの方法を取るが、この方法では、その摺動部材や可動部材自身の材質が部分的に変化してしまうことになり、摺動特性等の動作特性が変化してしまうという問題点もあった。

そこで、本発明の課題は、熱履歴を受ける部材や部位の動作、特性、性能等に影響を与えず、非破壊で、しかも、その部材、部位等が実稼動中に受けた熱履歴における最高熱履歴温度を正確かつ容易に測定することができる熱履歴測定方法を提供することにある。

そこで、本発明者らは、鋭意研究の結果、優れた摺動材としての機能を持つ水素化アモルファスカーボン（以下、「ＤＬＣ」という）について測定されるラマンスペクトルの波形が、温度により変化する特性を有する事に着目した。すなわち、このＤＬＣを含む熱履歴測定部を、熱履歴を受ける可動部材や可動部位、摺動部材や摺動部位などに設け、実稼動後に熱履歴測定部のＤＬＣのラマンスペクトルのＧバンドシフトを測定すれば、その可動部材等が受けた熱履歴における最高熱履歴温度を正確かつ容易に測定することができることを見出した。

すなわち、前記課題を解決するために、請求項１に係る発明の熱履歴測定方法は、被測温体の測温部位にＤＬＣを含む熱履歴測定部を設け、前記被測温体に熱履歴を与えた後、前記熱履歴測定部における前記ＤＬＣについて、ラマン分光分析によって測定されるＧバンドシフトの変化に基づいて、前記被測温体の最高熱履歴温度を求めることを特徴とする。

この熱履歴測定方法では、熱履歴測定部のＤＬＣによって、被測温体の測温部位、すなわち、熱履歴を測定したい部材や部位にＤＬＣを含む熱履歴測定部を設けることによって、非破壊で、部材や部位の特性、性能等、例えば、摺動部材においては、摺動特性に悪影響を与えず、その部材や部位が実稼動中に受けた熱履歴における最高熱履歴温度を測定することが可能となる。

請求項２に係る発明は、前記熱履歴測定方法において、前記ＤＬＣの水素含有量が１７〜３０原子％であることを特徴とする。

この熱履歴測定方法では、熱履歴測定部に含まれるＤＬＣの水素含有量を１７〜３０原子％とすることによって、最高熱履歴温度を正確に測定することができる。

請求項３に係る発明は、前記熱履歴測定方法において、前記被測温体が、２００〜４００℃の温度域で最高熱履歴温度に到達する測温部位を有するものであることを特徴とする。

この熱履歴測定方法では、２００〜４００℃の温度域で熱履歴を受ける測温部位について、その最高熱履歴温度を正確かつ容易に測定することができる。

請求項４に係る発明は、前記熱履歴測定方法において、前記被測温体の摺動部または可動部に前記熱履歴測定部を配設することを特徴とする。

この熱履歴測定方法では、前記被測温体の摺動部または可動部に前記熱履歴測定部を配設することによって、その摺動部または可動部の最高熱履歴温度を測定することができる。

請求項５に係る発明は、前記熱履歴測定方法において、前記被測温体が、自動車に装備される可動部材または摺動部材であることを特徴とする。

この熱履歴測定方法では、自動車に装備される可動部材または摺動部材にＤＬＣを含む熱履歴測定部を設けることによって、非破壊で、部材や部位の特性、性能等、例えば、摺動部材においては、摺動特性に悪影響を与えず、その部材や部位が実稼動中に受けた熱履歴における最高熱履歴温度を測定することが可能となる。

本発明の熱履歴測定方法によれば、熱履歴を測定したい部材や部位にＤＬＣを含む熱履歴測定部を設けることによって、非破壊で、部材や部位の特性、性能等、例えば、摺動部材においては、摺動特性に悪影響を与えず、その部材や部位が実稼動中に受けた熱履歴における最高熱履歴温度を測定する事が可能となる。

したがって、今まで不可能もしくは困難であったエンジンの可動部位（カムシャフト、ピストンリング、ピストンピン、ピストンスカート部など）やトランスミッション回転部位（クラッチプレート、ギア）の最高熱履歴温度の測定が可能となる。

さらに、実際に量産したエンジンやトランスミッションにおいても、自動車に装着して実際にユーザが使用した後においても、回収後に最高熱履歴温度を把握することが可能となる。

以下、本発明の熱履歴測定方法（以下、「本発明の方法」という）について詳細に説明する。
本発明の方法は、熱履歴を受ける被測温体に設けた熱履歴測定部が含むＤＬＣについて、ラマン分光分析によって測定されるＧバンドシフトの変化に基づいて、前記被測温体の最高熱履歴温度を求める方法である。

本発明の方法において、熱履歴を測定する被測温体は、熱履歴を測定する部材、部位であれば、特に制限されない。特に、本発明の方法は、被測温体として、稼動中、熱履歴を受けるが、直接、温度を測定することが困難な可動部材や可動部位、摺動部材や摺動部位などの熱履歴を測定する場合に有効である。例えば、自動車のエンジン内の部材または部位（カムシャフト、ピストンリング、ピストンピン、ピストンスカート部）、また、トランスミッション内の部材または部位（クラッチプレート、ギア、軸受等の摺動面）などは、従来、直接、熱履歴を測定することが困難であったが、本発明の方法は、これらの部材または部位の熱履歴を、非破壊で正確かつ容易に測定することができるため、有用である。

この熱履歴測定部は、熱履歴の示標材料としてＤＬＣを含むものである。このＤＬＣは、例えば、バイアス電圧とＲＦプラズマ出力とを独立で制御可能なプラズマＣＶＤ装置によるＰ−ＣＶＤ法や、ＰＶＤ法で形成することができる。中でも、高周波により炭化水素原料ガスをプラズマ励起させて、被測温体の測温部位へのラジカル堆積、イオン照射により基板表面での励起種の結合反応を促進させて水素化アモルファスカーボンを成膜する高周波誘導結合プラズマＣＶＤ装置によって形成されるＤＬＣは、水素含有量を、原料種、流量、ＲＦプラズマ出力、バイアス電圧等によって制御可能であるため、好ましい。このＤＬＣの水素含有量は、弾性反跳検出法（ＥＲＤＡ：ＥｌａｓｔｉｃＲｅｃｏｉｌＤｅｔｅｃｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓ）等の公知の方法によって測定することができる。

このＤＬＣは、薄膜等の形態で測温部位に形成して熱履歴測定部を構成することができる。特に、本発明において、示標材料として用いられるＤＬＣは、水素含有量が１７〜３０原子％であるものが好ましく、測定する最高熱履歴温度の温度域、および求められる温度の測定精度に応じて適宜選択される。特に、水素含有量が１７原子％であるＤＬＣは、後記のラマンスペクトルのＧバンドシフトと、最高熱履歴温度との相関関係が２００〜４００℃の温度域で直線関係を示すため、この２００〜４００℃の温度域で最高熱履歴温度に到達する被測温体の熱履歴を精度良く測定することが求められる場合には、好ましい。また、比較的精度が悪くても、より広い範囲の温度域における最高熱履歴温度を測定することが求められる場合には、例えば、水素含有量が３０原子％程度のＤＬＣを示標材料として用いることも可能である。

本発明における被測温体の熱履歴の測定は、熱履歴を受けた被測温体の熱履歴測定部におけるＤＬＣのラマンスペクトルのＧバンドシフトの変化によって行うことができる。このＤＬＣのラマンスペクトルの測定は、特に制限されず、汎用されるレーザラマン分光分析装置を用いて行うことができる。

図１に、ＤＬＣについて測定されるラマンスペクトルの一例を示す。このＤＬＣのラマンスペクトルは、図２に示すように、１５５５ｃｍ^−１付近にピークを有するＧバンドと、１３９０ｃｍ^−１付近にピークを有するＤバンドと、の２つのピークに波形分離される。そして、本発明の方法においては、Ｇバンドが最大ピーク強度を示す波長位置、すなわち、Ｇバンドシフトと、熱履歴温度との関係を利用して、被測温体の最高熱履歴温度を求める。すなわち、予め、所定の温度に加熱して熱履歴を受けた水素含有量既知のＤＬＣについて、ラマンスペクトルのＧバンドシフトを測定し、Ｇバンドシフトと熱履歴温度との関係を示す検量線を作成し、その検量線に基づいて、熱履歴を受けた被測温体の最高熱履歴温度を求めることができる。

したがって、本発明の方法は、例えば、以下のステップによって被測温体の熱履歴を測定することができる。
（１）予め、所定の温度に加熱して熱履歴を受けた水素含有量既知のＤＬＣ膜について、ラマン分光分析によってラマンスペクトルのＧバンドシフトを測定し、Ｇバンドシフトと熱履歴温度との関係を示す検量線を作成する。
（２）被測温体における熱履歴を測定したい部位（測温部位）に、検量線を作成したＤＬＣ膜と同じ水素含有量のＤＬＣ膜を、プラズマＣＶＤ法によって成膜して熱履歴測定部を設ける。
（３）ＤＬＣ膜を成膜した被測温体に、熱履歴を与える。例えば、クラッチプレートにおいては、実際にクラッチに組み込んで、そのクラッチを使用して変速操作等の動作を行って、摺動面等に摩擦熱による熱履歴を与える。
（４）熱履歴を受けた被測温体のＤＬＣ膜のラマンスペクトルを測定し、Ｇバンドシフトを求める。求められたＧバンドシフトに基づいて、前記の検量線から被測温体の最高熱履歴温度を求める。

以下、本発明の実施例および比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
検量線の作成
ここで、ＤＬＣについて測定されるラマンスペクトルのＧバンドシフトの測定例について具体的に説明する。
まず、下記表１に示す条件下、誘導結合高周波プラズマＣＶＤ装置を用いて、表面に、水素含有量が３０．１原子％であるＤＬＣ膜（ＤＬＣＩ）、水素含有量が１７．１原子％であるＤＬＣ膜（ＤＬＣ II）を成膜した試験片を作製した。

また、固体炭素を原料としたアーク源蒸着法によって、表面にＤＬＣ膜（ＤＬＣ III）を成膜した試験片を作製した。このＤＬＣ膜（ＤＬＣ III）の水素含有量を、弾性反跳検出法によって測定したところ、１原子％であった。

水素含有量の異なるＤＬＣ膜を有する試験片を、それぞれ熱処理炉に入れて、大気雰囲気下、１５０℃、２００℃、２５０℃、３００℃、３５０℃、４００℃、４５０℃および５００℃で３０分間加熱した。加熱処理後、レーザーラマン分光装置（日本分光（株）製、ＮＲＳ−２１００）を用いて、試験片の表面に設けたＤＬＣ膜に、下記表２に示す測定条件で、アルゴンレーザを照射して、ラマンスペクトルを測定した。

得られたラマンスペクトルについて、ベースライン補正及びスムージングを施した後、フォークト関数によるフィッティングを行った後、Ｇバンドの最大ピーク位置、すなわち、Ｇバンドシフト（ｃｍ^−１）を求め、加熱処理の温度に対するＧバンドシフトの関係をプロットしてＧバンドシフトと熱履歴温度との関係を示す検量線を作成した。図３にＤＬＣ I、図４にＤＬＣ II、図５にＤＬＣ IIIに関するＧバンドシフトと熱履歴温度との関係を示す検量線を示す。

図３〜５に示す結果から、試験片の温度が２００℃〜３００℃の場合は、水素含有量が１７原子％程度のＤＬＣ IIを、２００℃〜４００℃の場合は水素含有量３０原子％程度のＤＬＣ Iを用いるとより測定精度が向上することが分かる。また、水素含有量が１原子％程度のＤＬＣ膜（ＤＬＣ III）は５００℃までの範囲で明確なＧバンドシフトの変化が見られないため、熱履歴の測定には不向きであることが分かる。

ＤＬＣ膜の作製
図６に示すクラッチプレート４１の摺動面４２に、プラズマＣＶＤ法によって、検量線の作成時に試験片の表面に形成したものと同じ膜厚：３μｍ、水素含有量：１７．１原子％のＤＬＣ膜を成膜した。

熱履歴の付加
ＤＬＣ膜を摺動面に成膜したクラッチプレート４１を、実際にクラッチに組み込み、ＳＡＥ＃２に準拠したテスト（ＪＡＳＯ規格試験Ｍ３４８−２００２）に供した。

熱履歴の測定
クラッチを分解して熱履歴を受けたクラッチプレート４１を取り出し、そのクラッチプレート４１の摺動面に設けたＤＬＣ膜に、レーザーラマン分光装置（日本分光（株）製、ＮＲＳ−２１００）を用いて、前記の検量線の作成時と同じ測定条件で、アルゴンレーザを照射して、ラマンスペクトルを測定した。

得られたラマンスペクトルＧバンドシフト（ｃｍ^−１）を求めた。その結果、Ｇバンドシフトは１５３５．１ｃｍ^−１であった。
次に、図４に示すＧバンドシフトと熱履歴温度の関係（検量線）から、１５３５．１ｃｍ^−１のＧバンドシフトに該当する最高熱履歴温度を求めた。その結果、クラッチプレートの最高熱履歴温度は２００℃以下であったことが分かった。

ＤＬＣのラマンスペクトルの測定例を示す図である。ラマンスペクトルにおけるＧバンドシフトおよびＤバンドシフトを示す模式図である。プラズマＣＶＤ法によって作製した水素含有量３０．１原子％のＤＬＣ膜におけるラマンスペクトルのＧバンドシフトと熱履歴温度の関係を示す図である。プラズマＣＶＤ法によって作製した水素含有量１７．２原子％のＤＬＣ膜におけるラマンスペクトルのＧバンドシフトと熱履歴温度の関係を示す図である。アーク蒸着によって作製した水素含有量１原子％のＤＬＣ膜におけるラマンスペクトルのＧバンドシフトと熱履歴温度の関係を示す図である。実施例で用いたクラッチプレートを示す模式図である。

符号の説明

４１クラッチプレート
４２摺動面

Claims

被測温体の測温部位に水素化アモルファスカーボンを含む熱履歴測定部を設け、前記被測温体に熱履歴を与えた後、前記熱履歴測定部における前記水素化アモルファスカーボンについて、ラマン分光分析によって測定されるＧバンドシフトの変化に基づいて、前記被測温体の最高熱履歴温度を求めることを特徴とする熱履歴測定方法。
前記水素化アモルファスカーボンの水素含有量が１７〜３０原子％であることを特徴とする請求項１に記載の熱履歴の測定方法。
前記被測温体が、２００〜４００℃の温度域で最高熱履歴温度に到達する測温部位を有するものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱履歴測定方法。
前記被測温体の摺動部または可動部に前記熱履歴測定部を配設することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の熱履歴測定方法。
前記被測温体が、自動車に装備される可動部材または摺動部材であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の熱履歴測定方法。