JP2012007712A - 摺動面構造 - Google Patents

Abstract

【課題】線接触を伴う摺動機構にも適用でき、長寿命で安定した高い摩擦低減効果を発揮することのできる摺動面構造を提供する。
【解決手段】潤滑流体の介在下で相手部材と相対摺動を行う摺動面１に、相手部材２の摺動方向に対して傾斜する向きに伸び、かつ、緩斜面９を有する凹溝７からなる帯状領域４と、帯状領域４の間に、帯状領域４の伸展方向と同一方向に伸びる摺動平面３とを備え、緩斜面９には帯状領域４の伸展方向に対して傾斜して配置される複数の微小溝５が設けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、摺動面構造に関し、特に線接触を伴った摺動機構にも適用可能な摺動面構造に関する。

相対する部品間で摺動を行う摺動面構造およびこの摺動面構造に使用される摺動面には、その用途に応じて種々の形態が存在し、代表的なものに自動車等の動的機構に使用されるスラスト軸受や、工作機械の案内機構に代表される直動摺動面構造などがある。

これは、例えば下記特許文献１に示すように、潤滑流体の介在下において相対する平面間で摺動を行う摺動機構であって、その少なくとも一方の平面（摺動面）に、摩耗低減等の目的で、微細な溝状の凹部を形成したものである。具体的には、特許文献１には粘性流体の存在下で相対的に摺動する摺動部材であって、その少なくとも一方の摺動部材の摺動面に連続波形状の微細凹溝を形成した低摩擦摺動部材において、微細凹溝を、波形の伸延方向が摺動部材の摺動方向と一致するように形成したものが開示されている。

特開２００７−３２１８６１号公報

上記特許文献１に開示された摺動部材は、摺動平面上に形成した微細な溝を通じて潤滑油等の粘性流体を摺動平面に供給することで摺動平面間の摩擦低減を図ったものであるが、これは十分な面積を有する平面摺動の場合にのみ有効となる。すなわち、工業上利用されている摺動部材には、カム面との摺動を行うバルブリフタ等のように、曲面との摺動を主とする摺動部材（摺動面）も存在する。この種の摺動部材においては、いわゆる線接触を伴った摺動を生じ、上記特許文献に開示の摺動部材を線接触摺動機構に適用した場合には、接触面積が小さいために摺動平面に十分な量の潤滑油等を供給することができず、潤滑油等が逃げ易い。そのため、必要な厚みを有する油膜等を摺動平面に形成することができず、所要の摩擦低減効果を得ることが難しい。また、線接触摺動機構では、面接触と比較して摺動部材同士の接触面積が小さく、接触面圧が大きい。このため、摺動面に微細凹溝の凹凸と同等の摩耗が生じると、微細凹溝が消失することから、線接触摺動機構における摩擦低減効果の寿命が短いという問題がある。

上記特許文献１に記載の摺動部材では、連続波形状の微細凹溝が、波形の伸延方向を摺動部材の摺動方向に沿わせた状態で形成されている。そのため、線接触する相手部材の一部は常に微細凹溝のない平面部と摺動することとなり、この部分で大きな摩擦を生じる可能性が高い。さらに、線接触の場合、連続波形状の凹溝では潤滑油に動圧が生じても凹溝を介して容易に油圧が解放されるため、摺動部（平面部）に油膜を形成する作用はほとんど期待できない。

以上の事情に鑑み、本明細書では、線接触を伴う摺動機構にも適用でき、長寿命で安定した高い摩擦低減効果を発揮することのできる摺動面構造を提供することを、本発明により解決すべき技術的課題とする。

本発明は、潤滑流体の介在下で相手部材と相対摺動を行う摺動面に、前記相手部材の摺動方向に対して傾斜する向きに伸び、かつ、緩斜面を有する凹溝からなる帯状領域と、この帯状領域の間に、前記帯状領域の伸展方向と同一方向に伸びる摺動平面とを備え、前記緩斜面には前記帯状領域の伸展方向に対して傾斜して配置される複数の微小溝が設けられるものである。ここで緩斜面とは、緩やかな平面だけではなく、曲率の小さい曲面も含む。

このように、上記構成によれば、相手部材との相対摺動が進行するのに伴い、帯状領域と相手部材との摺動領域においては帯状領域に設けた微小溝による動圧作用が生じ、帯状領域に隣接する摺動平面上に流体圧を高めた潤滑流体が供給される。また、上記の向きに帯状領域を設けたので、摺動面に対する相手部材の相対位置が摺動方向の前方側に移動するにつれて、帯状領域と相手部材との摺動領域が摺動方向と異なる向きに移行していく。そのため、相手部材に、帯状領域（微小溝）を設けていない摺動平面とのみ摺動する部分が生じるのを避けることができる。これにより、その接触形態によらず、相手部材との摺動領域に漏れなく潤滑流体の膜を形成して、安定した高い摩擦低減効果を得ることができる。もちろん、焼付き防止効果も高まる。しかも、帯状領域は、緩斜面を有する凹溝にて構成されているため、相手部材の摺動により摺動面が摩耗しても、摺動面の表面の位置が凹溝の溝底の位置と同一になるまで微小溝が摺動面に残る。このように、凹溝を設けることにより、微小溝が消失するまでの許容摩耗量が増加し、摩擦低減効果の寿命を長くすることができる。

前記緩斜面は、斜度が１／２５０〜１／１０とするのが好ましい。ここで斜度とは、緩斜面が平面状であれば、その傾きであり、凹溝の深さ寸法と、溝底から溝端までの溝幅の寸法との比をいう。また、緩斜面が曲面であれば、その接線の傾きのうち最大のものをいう。

前記複数の微小溝及び凹溝は、所定の溝断面形状となるようにエネルギー分布を制御した直線偏光のレーザをオーバーラップさせながら走査して同時に形成されたものとできる。レーザを用いた自己組織的な周期構造の形成方法を利用することで、機械加工では困難な１μｍ以下のオーダーの正確なピッチと溝深さを併せ持つ微小溝の群を容易に形成でき、それと同時に凹溝を形成できる。

前記微小溝は、前記摺動方向に対して平行もしくは９０度未満の傾斜角をもって配置することもできる。平面同士が摺動する場合、微小溝の摺動方向に対する傾斜角は特に問題とならないが、線接触を伴って摺動する場合、潤滑流体の膜により支持される面積が非常に小さく、また相対摺動に伴い上記流体膜による相手部材の支持位置が速やかに移動する。これにより、前記のように微小溝を配置することで、常に相手部材との摺動領域よりも摺動方向の前方側に向けて流体圧を高めた潤滑流体が送り込まれる。よって、潤滑流体の膜を相手部材との間に途切れることなく形成することができる。

また、微小溝は、平面視した状態において、帯状領域の伸展方向から摺動方向に近づく向きを正とした場合、帯状領域の伸展方向に対して正の角度で傾斜しており、かつ摺動方向に対する傾斜角が９０度未満となるように配置されていてもよい。このように構成することで、線接触を伴う相手部材との摺動状態を安定させることができる。すなわち、線接触している相手部材の摺動面上の任意の１点を見た場合、帯状領域上を相手部材が通過するのに伴い、帯状領域とその摺動方向前方側で隣接する摺動平面に向けて潤滑流体が流れ込むと共に、上記摺動平面と帯状領域との境界で潤滑流体の動圧が立ち上がる。これにより、相手部材が帯状領域を通過してその前方側に位置する新たな摺動平面と摺動を開始する点に常に流体圧を高めた潤滑流体が供給される。これにより、潤滑流体の膜を常に相手部材を支持するのに適した位置に形成して、相手部材を高精度かつ安定して支持することができる。

ところで、摺動平面が相手部材との間で相対回転摺動を生じる場合、帯状領域は、摺動平面の相対回転軸を中心として螺旋状に形成されていてもよい。このように構成することで、摺動平面に直交する軸まわりに当該平面と相手部材の曲面との一方が相対的に回転摺動する場合であっても、上記と同様、摺動平面上に潤滑流体の膜を均等に形成して、安定した高い摩擦低減効果を得ることができる。また、この場合、螺旋状に配列された帯状領域間のピッチを一定の間隔に設定することで、少なくとも帯状領域の伸展方向が摺動方向に対して成す角が一定になり、また、この場合、微小溝が帯状領域の伸展方向に対して成す角を容易に一定にできる。これにより、相手部材と摺動面との相対角度位置によらず安定した高い摩擦低減効果を得ることができる。

また、摺動平面と摺動する相手部材の摺動面上の任意の１点が、２ヶ所以上で帯状領域と交わるように、摺動方向に対する帯状領域の伸展方向が設定されていてもよい。このように構成することで、相対摺動時に相手部材の摺動面と相対する微小溝の数が、帯状領域を通過する数の分だけ増加するので、流体圧を高めて潤滑流体膜で支持できる機会が増える。また、帯状領域を通過する間隔も短くなるので、潤滑流体膜の破断等があった場合も、これを僅かな時間で修復できる。以上より、動摩擦係数の変動幅を小さくして高精度かつ安定した摺動案内を図ることができる。

複数の微小溝は、１０μｍ以下のピッチで形成されていてもよい。金属同士の線接触状態における接触幅は、ヘルツの接触理論に基づけば、通常、１０¹〜１０²μｍオーダーである。そのため、微小溝間のピッチが上記接触幅より大きいと、一旦微小溝により流体圧を高めた潤滑流体が逃げ易くなり、所要の厚みの潤滑流体膜を形成し難くなる。これに対して、上記のように微小溝のピッチを設定すれば、その傾斜角の大小によらず微小溝間のピッチを上記接触幅よりも小さくすることができ、潤滑流体の逃げが抑制される。そのため、線接触時においても、潤滑流体膜の形成を効果的に図ることができる。

以上のように、本発明によれば、線接触を伴う摺動機構にも適用でき、長寿命で安定した高い摩擦低減効果を発揮することのできる摺動面構造を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る摺動面構造の斜視図である。 図１に示す摺動面構造の要部平面図である。 図２に示す摺動面構造のＸ−Ｘ線における表層部分の簡略図である。 図２に示す摺動面構造の要部拡大図であって、帯状領域を構成する微小溝の配列態様を示す拡大図である。 摺動面上を相手部材が直線的に摺動する場合の帯状領域の作用を概念的に説明するための平面図である。 本発明の第２実施形態に係る摺動面構造の要部平面図である。 摺動面上を相手部材が回転摺動する場合の帯状領域の作用を概念的に説明するための平面図である。 本発明の摺動面構造の変形例を示す要部拡大平面図である。 本発明の第２実施形態に係る摺動面構造の変形例を示す要部平面図である。 本発明の摺動面構造の変形例において、図２のＸ−Ｘ線における表層部分の簡略図である。 摺動実験の結果を示す図であって、摺動面構造のすべり速度と平均動摩擦係数との関係を示す図である。 摺動実験の結果を示す図であって、摺動面構造のすべり速度と動摩擦係数の標準偏差との関係を示す図である。 摺動実験の結果を示す図であって、摺動面構造のすべり速度と平均動摩擦係数との関係を示す図である。 摺動実験の結果を示す図であって、摺動面構造のすべり速度と平均動摩擦係数との関係を示す図である。

以下、本発明に係る摺動面構造の第１実施形態を図面に基づき説明する。この実施形態では、相手部材との間で線接触を伴って直線的に摺動する場合を例にとって説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る摺動面構造の斜視図を示している。また、図２は、図１に示す摺動面構造の要部平面図を示している。これらの図から分かるように、摺動面構造を構成する摺動面１は全体として平面状をなし、潤滑流体（例えば潤滑油）の介在下で相手部材２と摺動接触を行うための摺動平面３と、相手部材２の摺動方向（図１および図２中、２点鎖線の矢印ｄ₁で示す方向。以下、単に摺動方向ｄ₁と称する。）に対して傾斜した向きに伸びる１又は複数の帯状領域４とを備えている。この実施形態では、相手部材２は、図１に示すように、その下端に設けた曲面２ａを摺動面１と線接触させた状態で、その線接触長手方向と直交する向きに摺動するようになっている。帯状領域４は摺動面１に一定の間隔で複数設けられ、その何れもが相手部材２の摺動方向に対して同一の傾斜角をもって並列に配置されている（図２を参照）。そのため、この実施形態では、平坦な摺動平面３は、帯状領域４の伸展方向と同一方向に伸びるとともに、隣接する帯状領域４の間に設けられることにより、個々の摺動平面３と帯状領域４とが交互に配列された形態をなしている（図１および図２を参照）。

図１に示すように、帯状領域４は複数の微小溝５が形成された凹溝７からなる。この凹溝７は、図３に示すように、一対の緩斜面（テーパ面）９ａ、９ｂにて形成されており、その断面形状が扁平Ｖ字状となっている。緩斜面９ａ、９ｂの斜度は、１／１０〜１／２５０とするのが好ましい。ここで斜度とは、緩斜面９ａ、９ｂの傾きであり、凹溝７の深さ寸法ｈと、溝底８から溝端までの溝幅の寸法ｘとの比をいう。斜度が１／１０よりも大きいと、凹溝７の深さが深くなって、後述する微小溝５による効果が得られにくくなり、１／２５０よりも小さいと、凹溝７の深さが浅くなって平面状とほとんど同じとなり、後述する凹溝７による効果が得られにくくなる。

緩斜面９ａ、９ｂには、帯状領域４の伸展方向に対して傾斜して配置される複数の微小溝５が設けられている。この微小溝５は、帯状領域４に所定ピッチで形成されており、これによって帯状領域４にグレーティング状の周期構造が構成されることになる。微小溝５は、帯状領域４上を相手部材２が通過するのに伴い、この相手部材２との間に介在する潤滑流体の動圧作用を生じさせることを目的とするものである。すなわち、この微小溝５が形成される帯状領域４では、微小溝５の凹部と凸部で摺動面間のすきまに差が生じ、すきまの小さくなる凸部では大きな流体圧力が生じる。この流体圧力により荷重が支持されるため、摩擦係数の低い流体潤滑状態を実現できる。この実施形態では、図４に示すように、複数の微小溝５は何れも直線形状をなし、所定のピッチで格子状に配置されると共に、帯状領域４の伸展方向（図４中、１点鎖線の矢印ｄ₂で示す方向。以下、単に伸展方向ｄ₂と称する。）に対して傾斜して配置されている。また、複数の微小溝５は全て同じ寸法（長手方向寸法、幅方向寸法）を有し、その両端部５ａ，５ｂを揃えた状態で互いに平行に配置されている。

また、この実施形態では、微小溝５は、摺動方向ｄ₁に対して平行もしくは９０度未満の傾斜角をもって配置されている。上記の通り、この微小溝５は潤滑流体の動圧作用を生じさせることを目的とすることから、相手部材２の相対摺動に伴い、摺動方向ｄ₁に沿った潤滑流体の流れ成分が微小溝５に生じる必要がある。そのため、摺動方向ｄ₁に直交する向きに微小溝５を配置した場合、摺動方向ｄ₁に沿った潤滑流体の流れ成分が微小溝５に生じず、相手部材２を支持するための潤滑流体膜の形成にはほとんど寄与しない。以上の点から、微小溝５が摺動方向ｄ₁に直交する場合を除いて、すなわち、摺動方向ｄ₁に対して平行もしくは９０度未満の角度で傾斜する向きに配置することで、摺動方向ｄ₁に沿った潤滑流体の流れ成分が微小溝５に生じ、これにより、微小溝５に所要の動圧作用を発揮させることができる。

さらに、微小溝５と、相手部材２の摺動方向ｄ₁および帯状領域４の伸展方向ｄ₂との配向関係について見ると、微小溝５は、この実施形態では、図４に示すように、摺動面１を平面視した状態では、伸展方向ｄ₂から摺動方向ｄ₁の側に近づく向きを正とした場合、伸展方向ｄ₂に対して正の角度で傾斜している。かつ、微小溝５は、摺動方向ｄ₁に対する傾斜角が９０度未満となるように配置されている。詳細には、微小溝５の長手方向ｄ₃が帯状領域４の伸展方向ｄ₂に対して成す角θ₁とし、伸展方向ｄ₂から摺動方向ｄ₁に近づく向きを正とした場合、傾斜角θ₁は０度よりも大きい値をとるように設定されている。同様に、微小溝５の長手方向ｄ₃が相手部材２の摺動方向ｄ₁に対して成す角θ₂とした場合、傾斜角θ₂は９０度よりも小さい値（０度以下を含む）をとるように設定されている。この場合、傾斜角θ₁は傾斜角θ₂より常に大きな値を示す。

次に、微小溝５の取り得る各種寸法について述べる。微小溝５の溝深さは、上記の通り潤滑流体の動圧作用を生じ得る限りにおいて特に制限はないが、相手部材２との間で線接触を伴う場合には、潤滑流体膜の破断を可及的に防止する観点から、上記溝深さを１μｍ以下、好ましくは５００ｎｍ以下、さらに好ましくは２５０ｎｍ以下に設定することも可能である。微小溝５の溝深さに関しては、微小溝５が形成される摺動面１の面粗さないし平面度との関係で規定することもでき、例えば潤滑流体膜の確保の観点からは、摺動面１（摺動平面３）の表面粗さＲａないし平面度が微小溝５の溝深さの値を上回ることのないように溝深さを設定することもできる。

また、微小溝５間のピッチについても特に制限はないが、この実施形態のように、相手部材２と線接触を伴って摺動する場合、その摺動領域６の摺動方向幅（接触幅）を上回ることのないよう、例えば１０μｍ以下、好ましくは１μｍ以下に設定することもできる。

上記複数の微小溝５については公知の溝形成手段を採用することができるが、上述のように規則的に並列したもの、特に１μｍ以下の溝深さを有するものを形成する場合には、例えば加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを摺動面１（摺動平面３のうち帯状領域４を形成すべき部分）に照射し、照射部分をオーバーラップさせながら走査することで自己組織的に形成する手段が有効である。この手段によれば、照射するレーザに含まれる入射光の波長以下の周期（ピッチ）および溝深さで複数の微小溝５を形成することができる。この場合、凹溝７が所定の溝断面形状となるようにエネルギー分布を制御した直線偏光のレーザをオーバーラップさせながら走査することで、複数の微小溝５及び凹溝７を同時に形成することができる。

次に、上記構成の摺動面構造の作用について説明する。図５は、相対摺動時における摺動面構造の作用を概念的に説明するための要部平面図である。この図に示すように、相手部材２が一方向に（図４中上方から下方に向けて）摺動する場合、帯状領域４上を相手部材２が通過した領域では、当該通過領域を構成する微小溝５を潤滑流体が図５中実線矢印の向きに流れ、その摺動方向前方側の端部５ａで流体圧が立ち上がる。この動圧作用により、端部５ａに隣接する摺動平面３で潤滑流体の膜が形成され、この膜で相手部材２のうち上記摺動平面３に新たに侵入した部分が非接触支持される。

上記のようにして、相手部材２が所定の方向に摺動するのに伴って、帯状領域４（微小溝５）により潤滑流体膜が形成される位置、およびこの膜により相手部材２が支持される位置が順次幅方向に移行していく。図５に基づき説明すると、摺動平面３と摺動する相手部材２の摺動面（ここでは曲面２ａ）上の任意の１点Ｂが、帯状領域４上を通過することで、微小溝５の動圧作用が生じ、その摺動方向前方側の端部５ａで潤滑流体の圧力が立ち上がる。そして、この動圧作用により、Ｂ点が新たに帯状領域４から摺動方向前方側に位置する摺動平面３に侵入する位置、言い換えると、上記微小溝５の摺動方向前方側の端部５ａと隣接する摺動平面３に潤滑流体の膜が形成され、この膜によりＢ点で相手部材２が非接触支持される。そして、相手部材２がさらに２点鎖線で示す矢印の向きに摺動して図５中下側の２点鎖線位置に到達した段階では、Ｂ点と摺動方向ｄ₁と直交する向きに離隔した位置のＣ点が通過した帯状領域４の微小溝５により動圧作用が生じる。そして、Ｃ点が新たに帯状領域４からその摺動方向前方側に位置する摺動平面３に侵入する位置に潤滑流体膜が形成され、この膜によりＣ点で相手部材２が非接触支持される。

このように、相手部材２が図４中上側の２点鎖線で示す位置から下側の２点鎖線で示す位置まで摺動する間に、帯状領域４（微小溝５）により潤滑流体の膜が形成され、この膜で非接触支持される位置は、Ｂ点からＣ点へと摺動方向に直交する向きに移行する。図５でいえば、帯状領域４が下方に向かうにつれて右側に移動しているので、相手部材２の支持位置も図５中右側へと移行していく。よって、上記のように摺動面構造を構成することで、相手部材２の摺動面（ここでは曲面２ａ）に、帯状領域４（微小溝５）を設けていない摺動平面３とのみ摺動する部分が生じるのを避けることができる。これにより、相手部材２との相対摺動を通じて、相手部材２との摺動領域６（実際の接触領域）に漏れなく潤滑流体の膜を形成して、安定した高い摩擦低減効果を得ることができる。

このような相対摺動が繰り返し行われると、摺動面１には摩耗が生じる。帯状領域４は凹溝７にて構成されているため、相手部材２の摺動により摺動面１が摩耗しても、摺動面１の表面の位置が凹溝７の溝底８の位置と同一になるまで微小溝５が摺動面に残る。このように、凹溝７を設けることにより、微小溝５が消失するまでの許容摩耗量が増加し、摩擦低減効果の寿命を長くすることができる。

また、この実施形態では、摺動平面３と摺動する相手部材２の曲面２ａ上の任意の１点が、摺動面１上を１方向に相対摺動する間に、摺動面１上の２ヶ所以上で帯状領域４を通過するように構成されている。言い換えると、上記のように相手部材２が帯状領域４を通過できるように、帯状領域４の伸展方向ｄ₂が摺動方向ｄ₁に対して成す角度（鋭角）が設定されている。このように構成すれば、相対摺動時に相手部材２の曲面２ａと相対する微小溝５の数が、帯状領域４を通過する数の分だけ増加するので、流体圧ひいては潤滑流体膜の剛性を高める頻度を増やして、線接触により摺動領域６に荷重が集中して潤滑流体の膜が破断する事態を生じたとしても、これを僅かな時間で修復することができる。よって、動摩擦係数の変動幅を小さくすることでき、高精度かつ安定した摺動案内を実現することができる。

以上、本発明の第１実施形態を説明したが、本発明は上記例示の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において任意の形態を採ることができる。以下、本発明の他の実施形態（第２実施形態）を説明する。

図６は、本発明の第２実施形態に係る摺動面構造の要部平面図を示している。図６に示すように、この実施形態における摺動面構造は、相手部材１２との間で相対回転摺動を生じるもので、この場合、帯状領域１４は、摺動面１１に直交する相手部材１２の回転軸Ｏを中心として螺旋状に形成される。また、この実施形態では、帯状領域１４は、図６に示す向きから平面視した状態では、その中心から時計回りに進むにつれて半径方向外側に拡がる向きに伸びる形態、言い換えると図６中右側に吹出した形態をなしている。また、中心部などを除き、螺旋状に形成された帯状領域１４のピッチ（半径方向に隣り合う帯状領域１４間の間隔）が一定の大きさに設定されている。これにより、帯状領域１４の伸展方向ｄ₅が相手部材１２の摺動方向ｄ₄に対してなす角（傾斜角）が、その円周方向又は半径方向位置によらず、一定の大きさに設定されている。

この帯状領域１４は、第１実施形態と同様、複数の微小溝１５が形成された凹溝１７からなる。複数の微小溝１５は何れも、帯状領域１４の伸展方向ｄ₅（この場合、正確には各微小溝１５の形成位置における帯状領域１４の接線方向）に対して一定の傾斜角を有するように配列されている。また、この図示例では、帯状領域１４の伸展方向ｄ₅（中心から時計回りに拡がっていく向き）に向かうにつれて外周側から内周側に伸びる向きに複数の微小溝１５が配置されている。

次に、上記構成の摺動面構造の作用について説明する。図７は、相対回転摺動時における摺動面構造の作用を概念的に説明するための要部平面図である。この図７に示すように、相手部材１２が一方向に（ここでは時計回りに）相対回転摺動する場合、帯状領域１４上を相手部材１２が通過した領域では、当該通過領域を構成する微小溝１５を潤滑流体が図７中実線矢印の向きに流れ、その摺動方向前方側の端部１５ａで流体圧が立ち上がる。この動圧作用により、端部１５ａに隣接する摺動平面１３で潤滑流体の膜が形成され、この膜で相手部材１２のうち上記摺動平面１３に新たに侵入した部分が非接触支持される。

上記のようにして、相手部材１２が所定の方向に摺動するのに伴って、帯状領域１４（微小溝１５）により潤滑流体膜が形成される位置、およびこの膜により相手部材１２が支持される位置が順次半径方向の外側（外周側）に移行していく。図７に基づき説明すると、摺動平面１３と摺動する相手部材１２の摺動面（ここでは摺動領域１６を形成する曲面）上の任意の１点Ｄが帯状領域１４上を通過することで、微小溝１５の動圧作用が生じ、その摺動方向前方側の端部１５ａで潤滑流体の圧力が立ち上がる。そして、この動圧作用により、Ｄ点が新たに帯状領域１４からその摺動方向前方側に位置する摺動平面１３に侵入する位置、ここでは、帯状領域１４の摺動方向前方側でかつ内周側の摺動平面１３に潤滑流体の膜が形成され、この膜によりＤ点で相手部材１２が非接触支持される。そして、相手部材１２がさらに２点鎖線で示す矢印の向きに回転摺動して図７中下側の２点鎖線位置に到達した段階では、先の支持位置となるＤ点よりもさらに外周側の点Ｅが通過した帯状領域１４の微小溝１５により動圧作用が生じる。そして、Ｅ点が新たに帯状領域１４からその摺動方向前方側に位置する摺動平面１３に侵入する位置に潤滑流体の膜が形成され、この膜によりＥ点で相手部材１２が非接触支持される。

このように、相手部材１２が図７中上側の２点鎖線で示す位置から下側の２点鎖線で示す位置まで回転摺動する間に、帯状領域１４（微小溝１５）により潤滑流体の膜が形成され、この膜で非接触支持される位置は、Ｄ点からＥ点へと半径方向外側に移行する。図７でいえば、帯状領域１４が下方に向かうにつれて右側に移動しているので、相手部材１２の支持位置も図７中の右側へと移行していく。よって、上記のように摺動面構造を構成することで、回転軸Ｏまわりに摺動平面１３と相手部材１２とが相対回転摺動する場合であっても、上記と同様、摺動平面１３上に潤滑流体の膜を漏れなく形成することができ、安定した高い摩擦低減効果を得ることができる。この場合も、帯状領域１４は凹溝１７にて構成されているため、微小溝１５が消失するまでの許容摩耗量が増加し、摩擦低減効果の寿命を長くすることができる。また、この実施形態のように、螺旋状に配列された帯状領域１４および微小溝１５間のピッチをそれぞれ一定の間隔に設定することで、帯状領域１４の伸展方向ｄ₅が相手部材１２の摺動方向ｄ₄に対してなす角（傾斜角）が、その位置によらず、一定の大きさに設定されると共に、微小溝１５の長手方向が相手部材１２の摺動方向ｄ₄に対してなす角が、その位置によらず、一定の大きさに設定される。

上記複数の微小溝１５についてもその形成手段は特に問わず、また、上記したレーザ照射による周期的な微小溝１５の形成方法が採用できる。この場合も、凹溝１７が所定の溝断面形状となるようにエネルギー分布を制御した直線偏光のレーザをオーバーラップさせながら走査することで、複数の微小溝１５及び凹溝１７を同時に形成することができる。また、走査態様を調整することで（例えば摺動面１１を所定の角速度で回転させつつ、レーザを半径方向に沿って一定の速度で走査することで）、共に一定のピッチを有する複数の微小溝１５および螺旋状の帯状領域１４を形成することができる。

また、帯状領域４，１４を構成する微小溝５，１５の配置態様について、上記以外の形態をとることも可能である。図８は、第１実施形態の変形例を示している。すなわち、この図に示すように、伸展方向ｄ₂から摺動方向ｄ₁の側に近づく向きを正とした場合、傾斜角θ₂は必ずしも正の値をとる必要は無く、負の値をとることも可能である。これは、伸展方向ｄ₂が摺動方向ｄ₁に対して成す角（鋭角）よりも傾斜角θ₁およびθ₂のほうが小さい場合を示している。このような配向関係にある場合でも、微小溝５はその動圧作用により摺動方向ｄ₁前方側の端部５ａと隣接する摺動平面３に潤滑流体を供給することができるので、相手部材２が帯状領域４を通過して新たな摺動平面３との間で摺動を開始する点に向けて常に流体圧を高めた潤滑流体を供給できる。

帯状領域４の配置態様についても上記実施形態に限ることなく、種々の形態をとることが可能である。第１実施形態でいえば、必ずしも複数の帯状領域４を設ける必要は無く、例えば図１に示す複数の帯状領域４の端部同士を交互につなげて、互いに平行な複数の直線部と、これら直線部の両端を交互に連結する連結部とを一体に有する１本の帯状領域４とすることも可能である。逆に、図９に示すように、螺旋状を成す帯状領域１４を２本もしくはそれ以上設けることも可能である。このように構成することで、摺動面１１と回転摺動する相手部材１２の摺動面上の任意の１点が、１回の相対回転摺動の間に第１の（１本目の）帯状領域１４と、この帯状領域１４と並んで螺旋状に配置された第２の（２本目の）帯状領域１４’とを交互に通過することになる。そのため、第１の帯状領域１４のみを配置した構成（図６を参照）と比べて、相手部材１２が相対する微小溝１５の数が倍増する。これにより、線接触により摺動領域１６に荷重が集中して潤滑流体の膜が破断する事態を生じたとしても、これを僅かな時間で修復することができ、摩擦係数の変動幅を小さくして高精度かつ安定した摺動案内を図ることができる。

また、上記実施形態では、微小溝５，１５が相手部材２，１２の摺動方向ｄ₁，ｄ₄に対して傾斜した場合を例示したが、必ずしも傾斜している必要はない。例えば図２に示すように、微小溝５を有する帯状領域４の伸展方向ｄ₂が摺動方向ｄ₁に対して成す角が比較的大きい場合（例えば４５度以上の場合）には、微小溝５が動圧作用を生じる限りにおいて、微小溝５の長手方向ｄ₃を摺動方向ｄ₁と一致させるように配置しても構わない。また、帯状領域４を構成する全ての微小溝５が同一の向きに揃っている必要はなく、配置態様に応じて適宜その一部の配向を異ならせても構わない。微小溝５の長手方向寸法についても同様に、全ての微小溝５の長手方向寸法が同一である必要はなく、配置態様に応じて適宜その長手方向寸法を異ならせても構わない。螺旋状の帯状領域１４，１４’を構成する微小溝１５，１５’についても同様のことがいえる。

もちろん、微小溝５の形状についても例示の態様に限定される必要はなく、例えば図示は省略するが、微小溝５を１以上の直線ないし曲線の任意の組合せにより形成するようにしても構わない。螺旋状の帯状領域１４，１４’を構成する微小溝１５，１５’についても同様のことがいえる。

凹溝２７の形状としては、図１０に示すような形状とすることもできる。この場合、緩斜面２９ａ、２９ｂは、下方に凸状となる曲率の小さい曲面にて形成されている。これにより、凹溝２７は、その断面形状が扁平Ｕ字状となっている。そして、この曲面に、帯状領域の伸展方向に対して傾斜して配置される複数の微小溝５が設けられている。この場合、緩斜面２９ａ、２９ｂの斜度とは、その接線の傾きのうち最大のものをいい、図１０では、曲面の摺動平面２３側近傍の傾きである。この場合も緩斜面の斜度は、１／１０〜１／２５０とするのが好ましい。なお、曲面は上方に凸状となっていてもよい。

以上の説明に係る摺動面構造は、線接触摺動を伴う機構にも問題なく適用できることから、例えば潤滑油等の粘性流体の介在下でカムと線接触摺動を行うバルブリフターなど、低摩擦状態が要求される種々の摺動部材に適用することができる。

もちろん、本発明に係る摺動面構造は、相手部材との間で線接触を伴う用途に限ることなく、面接触摺動や点接触摺動など他の摺動形態を有する摺動機構にも適用することができる。

また、上記以外の事項についても、本発明の技術的意義を没却しない限りにおいて他の具体的形態を採り得ることはもちろんである。

以下、本発明に係る摺動面構造の有効性を検証するための実験について述べる。

本実験は、試験片の線接触摺動を容易に実現できるバーベル試験装置を用いて行った。固定側のディスク状試験片にはＳｉＣを使用した。回転側のバーベル状試験片にはＳＵＪ２を使用した。固定側試験片の摺動面（正確には摺動平面）を表面粗さＲａ０．０２μｍ以下、平面度０．１μｍ以下に仕上げた。バーベル状試験片の直径を１０ｍｍ、長手方向寸法１６ｍｍ、長手方向の中央に設けた逃げ部の長手方向寸法を６ｍｍとし、摺動面は鏡面とした。ディスク状試験片には、何れもバーベル状試験片の摺動面を全て受けることができる大きさの摺動面を有し、かつ摺動面が（１）鏡面、（２）１重螺旋の帯状領域、（３）２重螺旋の帯状領域、の３種類を用意した。螺旋状の帯状領域は何れも摺動面を平面視した状態では、時計回りに外径側に拡がる形態（いわゆる右吹き出し型）をなすように形成した。帯状領域の螺旋ピッチは（２）１重螺旋の場合、２０５μｍとした。（３）２重螺旋の場合、各帯状領域のピッチを４１０μｍとし、かつ２本の帯状領域を等間隔に配置することで、見かけ上の螺旋ピッチを２０５μｍとした。微小溝は、バーベル状試験片が上記時計回りに回転摺動した際、潤滑油を外周側から内周側に引き込む向き（いわゆる右吸い込み型）に形成した。これら微小溝は、約７００ｎｍのピッチで格子状に並列配置した。また、帯状領域の幅が何れも１００μｍとなるように長手方向寸法（約１４０μｍ）、および帯状領域の伸展方向に対する傾斜角（約４５度）を設定した。微小溝の溝深さは約１５０ｎｍとした。これら複数の微小溝は、直線偏光で波長８００ｎｍのフェムト秒レーザを加工閾値近傍の照射強度でディスク状試験片の摺動面に照射し、その照射部をオーバーラップさせながら走査することで、自己組織的に形成した。潤滑油（粘度グレード：ＶＧ３２）を予め摺動面上に４００ｍｇ供給しておき、実験中は無給油とした。

バーベル試験は、荷重を所定の値（５０．５Ｎ）に固定し、静止状態からすべり速度０．５４ｍ／ｓで起動させた後、５分ごとにすべり速度を０．１４ｍ／ｓまで段階的に低下させていき、各段階における摺動トルクを測定した。すべり速度は、バーベル状試験片の平均直径（１３ｍｍ）での値とした。そして測定した摺動トルクから動摩擦係数を算出した。上記試験は、（１）鏡面、（２）１重螺旋の帯状領域、（３）２重螺旋の帯状領域、の３種類全ての試験片に対して同様に実施した。

以下、実験結果について述べる。図１１は、すべり速度の変動に伴う平均動摩擦係数の変化を示している。平均動摩擦係数は、所定時間の各すべり速度段階（０．１４ｍ／ｓから０．５４ｍ／ｓまでの間の各段階）における動摩擦係数の測定結果の平均値をとったもので、縦軸は平均動摩擦係数、横軸はすべり速度［ｍ／ｓ］をそれぞれ示している。また、同図中白ヌキ丸で示すプロットは（１）鏡面の場合の平均動摩擦係数を示し、白ヌキ四角で示すプロットは（２）１重螺旋の場合の平均動摩擦係数、白ヌキ三角で示すプロットは（３）２重螺旋の場合の平均動摩擦係数をそれぞれ示している。この図に示す実験結果を見ると、（２）１重螺旋の場合、（３）２重螺旋の場合の何れも、（１）鏡面の場合と比べて平均動摩擦係数が２３％〜３８％低減していることがわかる。また、（３）２重螺旋の場合に、（２）１重螺旋の場合に比べて若干大きな摩擦低減効果が見られるものの、見かけ上のピッチが共に等しいことから、動圧の発生効果に大差はなく、平均動摩擦係数にも大きな違いは見られないものと考えられる。

図１２は、各すべり速度段階における（２）１重螺旋と（３）２重螺旋の場合における動摩擦係数の標準偏差の比較結果を示している。この標準偏差は、各すべり速度段階における動摩擦係数の測定結果の標準偏差をとったものである。図１２中の縦軸は動摩擦係数の標準偏差、横軸はすべり速度［ｍ／ｓ］をそれぞれ示している。また、同図中白ヌキ四角で示すプロットは（２）１重螺旋の場合の動摩擦係数の標準偏差、白ヌキ三角で示すプロットは（３）２重螺旋の場合の動摩擦係数の標準偏差をそれぞれ示している。この図に示す実験結果を見ると、すべり速度の大きさに関らず、１重螺旋の場合に比べて２重螺旋の場合における動摩擦係数のばらつきが小さくなっている。数値的には約２３％〜３６％低くなっている。また、すべり速度が小さい場合にその差がより大きくなっていることがわかる。

次に、螺旋状の帯状領域を設けた場合に螺旋ピッチの違いが動摩擦係数に与える影響を、実施例１と同様の摺動試験（バーベル試験）により検証した。ここでは、摺動面が（１）鏡面であるものの他、摺動面に１重螺旋の帯状領域が設けられ、その螺旋ピッチが（２）２０５μｍ、（３）４１０μｍ、（４）８２０μｍの４種類を用意して行った。その他の条件は全て実施例１と同様である。

以下、実験結果について述べる。図１３は、バーベル試験の結果から得たもので、すべり速度の変動に伴う平均動摩擦係数の変化を示している。ここで、図１３中の縦軸は平均動摩擦係数、横軸はすべり速度［ｍ／ｓ］をそれぞれ示している。また、図中白ヌキ丸で示すプロットは（１）鏡面の場合の平均動摩擦係数を示し、白ヌキ四角で示すプロットは（２）螺旋ピッチが２０５μｍの場合の平均動摩擦係数、白ヌキ三角で示すプロットは（３）螺旋ピッチが４１０μｍの場合の平均動摩擦係数、罰印で示すプロットは（４）螺旋ピッチが８２０μｍの場合の平均動摩擦係数をそれぞれ示している。この図に示す実験結果を見ると、螺旋ピッチの大きさによらず、螺旋状の帯状領域を設けた（２）〜（４）の何れの場合においても、（１）鏡面の場合と比べて平均動摩擦係数が低減しているものの、その摩擦低減効果には相応の差があることがわかる。すなわち、全てのすべり速度段階において、螺旋ピッチが小さいほど摩擦低減効果が高まることが判明した。

次に、帯状領域を構成する凹溝の緩斜面の斜度が動摩擦係数に与える影響を、実施例１と同様の摺動試験（バーベル試験）により検証した。ここでは、摺動面が（１）鏡面、（２）螺旋の帯状領域（線幅１００μｍ、螺旋ピッチ２０５μｍ）、（３）平均斜度が１／５０の緩斜面からなる凹溝が形成された螺旋の帯状領域（線幅１００μｍ、螺旋ピッチ２０５μｍ、溝底までの深さ１μｍ）、（４）平均斜度が１／１０の緩斜面からなる凹溝が形成された螺旋の帯状領域、（５）平均斜度が１／２５０の緩斜面からなる凹溝が形成された螺旋の帯状領域を有する５種類を用意した。その他の条件は全て実施例１と同様である。

以下、実験結果について述べる。図１４は、バーベル試験の結果から得たもので、すべり速度の変動に伴う平均動摩擦係数の変化を示している。ここで、図１４中の縦軸は平均動摩擦係数、横軸はすべり速度［ｍ／ｓ］をそれぞれ示している。また、図中白ヌキ丸で示すプロットは（１）鏡面の場合の平均動摩擦係数を示し、白ヌキ四角で示すプロットは（２）螺旋の帯状領域が形成された場合の平均動摩擦係数を示し、白ヌキ三角で示すプロットは（３）平均斜度が１／５０の緩斜面からなる凹溝が形成された螺旋の帯状領域が形成された場合の平均動摩擦係数をそれぞれ示している。この図に示す実験結果を見ると、平均斜度が０の場合、すなわち（２）螺旋の帯状領域が形成されている場合、（１）鏡面のディスク試験片より平均摩擦係数が２５〜３８％低減した。（３）平均斜度が１／５０の緩斜面からなる凹溝が形成されている場合、（１）鏡面のディスク試験片より平均摩擦係数が６〜１１％低減した。さらに、図示しないが、（４）平均斜度が１／１０の緩斜面からなる凹溝が形成されている場合では、ほとんど摩擦低減効果が得られず、（５）平均斜度が１／２５０の緩斜面からなる凹溝が形成されている場合では、（２）平均斜度０とほぼ同等の摩擦低減効果があった。

（２）平均斜度が０の場合や、（５）平均斜度が１／２５０の緩斜面からなる凹溝が形成されている場合では、摩擦低減の初期特性は優れているが、摺動面が微小溝の深さだけ摩耗すると微小溝が消滅するため、低摩擦化の効果が消失する。また、（４）平均斜度が１／１０の緩斜面からなる凹溝が形成されている場合では、凹溝が深くなって、微小溝を設けたことによる効果がほとんど見られなくなる。このため、緩斜面の斜度を１／２５０〜１／１０の範囲で決定することにより、微小溝が消失するまでの許容摩耗量が増加し、摩擦低減効果の寿命が長くなることが判明した。

１，１１，１１’ 摺動面
２，１２ 相手部材
３，１３，２３ 摺動平面
４，１４，１４’ 帯状領域
５，１５，１５’ 微小溝
６，１６ 摺動領域
７，１７，２７ 凹溝
９，２９ 緩斜面
ｄ₁，ｄ₄ 相手部材の摺動方向
ｄ₂，ｄ₅ 帯状領域の伸展方向
ｄ₃ 微小溝の長手方向
θ₁ 微小溝の長手方向が帯状領域の伸展方向に対して成す角度
θ₂ 微小溝の長手方向が相手部材の摺動方向に対して成す角度

Claims (8)

1. 潤滑流体の介在下で相手部材と相対摺動を行う摺動面に、
   前記相手部材の摺動方向に対して傾斜する向きに伸び、かつ、緩斜面を有する凹溝からなる帯状領域と、この帯状領域の間に、前記帯状領域の伸展方向と同一方向に伸びる摺動平面とを備え、前記緩斜面には前記帯状領域の伸展方向に対して傾斜して配置される複数の微小溝が設けられる摺動面構造。
2. 前記緩斜面は、斜度が１／２５０〜１／１０である請求項１の摺動面構造。
3. 前記複数の微小溝及び凹溝は、所定の溝断面形状となるようにエネルギー分布を制御した直線偏光のレーザをオーバーラップさせながら走査して同時に形成されたものである請求項１又は請求項２の摺動面構造。
4. 前記微小溝は、前記摺動方向に対して平行もしくは９０度未満の傾斜角をもって配置されている請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の摺動面構造。
5. 前記微小溝は、平面視した状態において、前記帯状領域の伸展方向から前記摺動方向に近づく向きを正とした場合、前記帯状領域の伸展方向に対して正の角度で傾斜しており、かつ前記摺動方向に対する傾斜角が９０度未満となるように配置されている請求項１〜４の何れか１項に記載の摺動面構造。
6. 前記摺動平面は前記相手部材との間で相対回転摺動を生じ、この場合、前記帯状領域は、前記摺動平面の相対回転軸を中心として螺旋状に形成されている請求項１〜５の何れか１項に記載の摺動面構造。
7. 前記摺動平面と摺動する前記相手部材の摺動面上の任意の１点が、２ヶ所以上で前記帯状領域と交わるように、前記摺動方向に対する前記帯状領域の伸展方向が設定されている請求項１〜６の何れか１項に記載の摺動面構造。
8. 前記複数の微小溝は、１０μｍ以下のピッチで形成されている請求項１〜７の何れかに記載の摺動面構造。

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