JP3876848B2

JP3876848B2 - 摺動機構およびそれを用いた電力開閉装置

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Publication number: JP3876848B2
Application number: JP2003087820A
Authority: JP
Inventors: 正人高橋; 仁志中井
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2007-02-07
Anticipated expiration: 2023-03-27
Also published as: JP2004293689A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、基体上に薄膜を形成して成る二つの機械部品が互いに摺動面で摺動する構成の摺動機構およびそれを用いた電力開閉装置に関し、特に、当該摺動機構の耐摩耗性および摺動性の向上を、従来よりも低コストで実現する手段に関する。摺動性が良いというのは、換言すれば、摩擦係数が小さい（低い）ことである。
【０００２】
このような摺動機構は、例えば、（ａ）自動車や農作業機等のエンジン（例えば内燃機関）のシリンダとピストンリング、コネクティングロッドとその軸受等のような摺動部や軸受部等を構成する摺動機構、（ｂ）旋盤やボール盤等の切削機械の摺動部や軸受部等を構成する摺動機構、（ｃ）スイッチ、遮断器（例えば真空遮断器やガス遮断器）、開閉器、断路器、接触器等の電力開閉装置の操作機構部（例えば操作リンク機構）等を構成する摺動機構、等に利用することができる。
【０００３】
【従来の技術】
上記のような摺動機構の耐摩耗性および摺動性を向上させるために、各機械部品を構成する基体上に薄膜を形成することは従来から行われている（例えば、特許文献１および２参照）。基体には、鉄系材料が用いられることが多い。薄膜には、通常は基体よりも高硬度の薄膜が用いられる。例えば、ＣrＮやＴiＮ等のセラミック薄膜が用いられる。このような薄膜を形成（コーティング）することによって、摺動機構の耐摩耗性および摺動性が向上する。それに伴って、無潤滑油化も可能になる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−８８４８４号公報（段落番号０００２〜０００５）
【特許文献２】
特開平４−７３８３３号公報（第１頁左欄、図６）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来は、上記摺動機構の耐摩耗性および摺動性を十分に高めるために、両方の機械部品共に、その基体の表面を鏡面研磨して、両方の基体の表面の表面粗さを非常に小さくしていた。表面粗さを最大高さＲmax で表せば、両方の基体ともＲmax を０．８μｍ程度以下（三角記号で表せば▽▽▽▽）にして、鏡面研磨状態にしていた。上記特許文献１にも、基体の表面粗さＲz を０．１μｍ以上１μｍ未満にすることが記載されている。
【０００６】
しかし、両方の基体の表面を鏡面研磨するとなると、研磨に多くの手間（工程や時間等）がかかり、研磨のコストが嵩み、ひいては摺動機構やそれを用いた装置のコストが嵩むという課題がある。
【０００７】
そこでこの発明は、耐摩耗性および摺動性が良く、しかも低コスト化が可能な摺動機構およびそれを用いた装置を提供することを主たる目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る摺動機構は、それぞれが基体上に薄膜を形成して成る二つの機械部品を有していて、両機械部品が互いに薄膜表面の摺動面で接して摺動する構成の摺動機構において、前記二つの機械部品は摺動面の曲率半径を互いに異にしており、かつ、曲率半径の大きい方の機械部品の基体の表面であって、少なくとも前記摺動面下に位置する領域の表面の表面粗さを、最大高さＲmax で表したとき、６．３＜Ｒmax ≦２５［μｍ］とし、曲率半径の小さい方の機械部品の基体の表面であって、少なくとも前記摺動面下に位置する領域の表面の表面粗さを、最大高さＲmax で表したとき、Ｒmax ≦０．８［μｍ］としていることを特徴としている。
【０００９】
この構成によれば、両方の基体の表面粗さを鏡面研磨状態にする場合よりも、摺動機構の耐摩耗性および摺動性が良くなることが実験によって確かめられた。しかもこの構成によれば、両方の基体の表面粗さを鏡面研磨状態にする場合に比べて、基体の表面研磨の手間が省けることになり、研磨の低コスト化ひいては摺動機構の低コスト化が可能になる。
【００１０】
この発明に係る電力開閉装置は、その電気回路の開閉に供される操作機構部に、上述したような摺動機構を用いていることを特徴としている。
【００１１】
この電力開閉装置によれば、上述した理由によって、摺動機構ひいてはそれを用いた操作機構部の耐摩耗性および摺動性が良くなるので、装置の機械的な性能が良くなり、信頼性も向上し、かつ寿命が延びて長期間に亘って安定して動作させることができる。しかも、上述した理由によって、摺動機構ひいてはそれを用いた操作機構部の低コスト化が可能になるので、装置の低コスト化をも実現することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係る摺動機構の一例を部分的に示す概略断面図である。この摺動機構２は、それぞれが基体６上に薄膜８を形成して成る二つの機械部品４を有している。各薄膜８の表面に摺動面１０をそれぞれ有している。そして、両機械部品４が互いに薄膜８の表面の摺動面１０で接して摺動する構成をしている。
【００１３】
そして、この摺動機構２では、両機械部品４の基体６の表面であって、少なくとも前記摺動面１０の下に位置する領域（換言すれば、摺動面１０に対向する領域。以下同じ）の表面粗さを、従来例と違って、互いに異なる表面粗さにしている。摺動面１０の下に位置する領域以外の領域の表面粗さは、任意である。摺動に直接関与しないからである。
【００１４】
このような摺動機構２の用途の例は、先に示したとおりである。
【００１５】
両機械部品４の基体６の材質は、例えば、ステンレス鋼ＳＵＳ４４０Ｃ、クロムモリブデン鋼ＳＣＭ４３５、溶接構造用圧延鋼ＳＭ４９０Ａ等の鉄系金属である。それ以外に、アルミニウムや銅等の非鉄系金属、高分子材料やゴム等の非金属等でも良い。両基体６の材質は、互いに同種でも良いし、異種でも良い。用途等に応じて選定すれば良い。
【００１６】
機械部品４の基体６と薄膜８との間に、例えば図４に示す例のように、メッキ層１２を設けても良い。そのようにすれば、メッキ層１２の存在によって、機械部品４の耐食性が向上する。これは基体６がステンレス鋼以外の鉄系金属の場合には特に効果がある。これは両方の機械部品４について行っても良いし、一方の機械部品４にのみ行っても良い。メッキ層１２は、例えば硬質クロムメッキ層である。基体６が鋼のように耐食性が低い材質の場合でも、メッキ層１２として硬質クロムメッキ層を設けると、機械部品４の耐食性は、基体６にステンレス鋼を用いた場合と同等になる。
【００１７】
基体６に対する薄膜８の密着性を強化するために、メッキ層１２の代わりに、基体６と薄膜８との間に、例えばタングステン、チタン等から成る中間層を設けても良い。
【００１８】
各基体６の表面の研磨方法としては、例えば、電解研磨、機械研磨等が採り得る。
【００１９】
両機械部品４の薄膜８は、例えば、ＣrＮ、ＴiＮ、ＴiＣ、ＴiＣＮ、ＺrＮ、ＴaＮ、ＴiＡlＮ等のセラミック薄膜でも良いし、ダイヤモンド状カーボン（Diamond Like Carbon:ＤＬＣ）薄膜でも良い。両薄膜８の材質は、互いに同種でも良いし、異種でも良い。用途等に応じて選定すれば良い。
【００２０】
このような薄膜８の形成方法（コーティング方法）としては、例えば、公知のイオンプレーティング法、マルチアークイオンプレーティング法、プラズマＣＶＤ法、イオンビーム照射と薄膜形成とを併用する方法、イオンビームスパッタ法等が採り得る。
【００２１】
両機械部品４の摺動面１０の形状は、図１では一例として平面で示しているが、これに限られるものではなく、他の形状、例えば円筒面、球面等の曲面でも良い。両摺動面１０の形状は、両方とも平面または曲面でも良いし、一方が平面、他方が曲面でも良い。用途等に応じて選定すれば良い。
【００２２】
上記のように両機械部品４の基体６の表面であって、少なくとも摺動面１０下に位置する領域の表面粗さを、互いに異なる表面粗さにすることによって、両方の基体６の表面粗さを互いに同一にする（具体的には、両方の基体６とも表面粗さを小さくする）場合よりも、摺動機構２の耐摩耗性および摺動性が良くなる。その理論は、ミクロの世界のこともあって必ずしも明確ではないが、上記結果は実験によって確かめられたものである（以下の実施形態においても同様）。この実験の幾つかの例を、後述する実施例の項において説明する。
【００２３】
しかもこの構成によれば、基体６の表面粗さを両方共に小さくする必要はないので、従来のように両方共に小さくする場合に比べて、摺動機構２の低コスト化が可能になる。つまり、基体６の表面研磨を簡略化して研磨の手間を省くことができるので、研磨の低コスト化が可能になり、ひいては摺動機構２の低コスト化が可能になる（以下の実施形態においても同様）。
【００２４】
表面粗さは、より具体的には、二つの機械部品４の内で、一方の機械部品４の基体６の前記領域の表面の表面粗さを、最大高さＲmax で表したとき、０．８＜Ｒmax ≦２５［μｍ］（これは三角記号二つ▽▽または三つ▽▽▽に相当する）とし、他方の機械部品４の基体６の前記領域の表面の表面粗さを、最大高さＲmax で表したとき、Ｒmax ≦０．８［μｍ］（これは三角記号四つ▽▽▽▽に相当する）とするのが好ましい。大きい方の表面粗さは、６．３＜Ｒmax ≦２５［μｍ］（これは三角記号二つ▽▽に相当する）としても良いし、０．８＜Ｒmax ≦６．３［μｍ］（これは三角記号三つ▽▽▽に相当する）としても良い。最大高さＲmax の定義は、ＪＩＳＢ０６０１に記載のとおりである。
【００２５】
このようにすれば、両方の基体６の表面粗さを鏡面研磨状態（これは三角記号四つ▽▽▽▽に相当する）にする場合よりも、摺動機構２の耐摩耗性および摺動性を良くすることができる。しかも、両方の基体６の表面粗さを鏡面研磨状態にする場合に比べて、摺動機構２の低コスト化が可能になる。
【００２６】
二つの機械部品４が摺動面１０の曲率半径を互いに異にしている場合、当該曲率半径の大きい方の機械部品４の基体６の前記領域の表面の表面粗さを、当該曲率半径の小さい方の機械部品４の基体６の前記領域の表面の表面粗さよりも粗くするのが好ましい。摺動面１０の形状が平面の場合は、その曲率半径は無限大であり、この明細書では、曲率半径が大きい場合に含まれている。
【００２７】
このようにすれば、表面粗さの関係を上記とは逆にする場合よりも、摺動機構２の耐摩耗性および摺動性を良くすることができる。
【００２８】
この場合の表面粗さは、より具体的には、曲率半径の大きい方の機械部品４の基体６の前記領域の表面の表面粗さを０．８＜Ｒmax ≦２５［μｍ］とし、曲率半径の小さい方の機械部品４の基体６の前記領域の表面の表面粗さをＲmax ≦０．８［μｍ］とするのが好ましい。大きい方の表面粗さは、６．３＜Ｒmax ≦２５［μｍ］としても良いし、０．８＜Ｒmax ≦６．３［μｍ］としても良い。
【００２９】
このようにすれば、両方の基体６の表面粗さを鏡面研磨状態にする場合よりも、摺動機構２の耐摩耗性および摺動性を良くすることができる。しかも、両方の基体６の表面粗さを鏡面研磨状態にする場合に比べて、摺動機構２の低コスト化が可能になる。
【００３０】
図２および図３に、基体６の研磨方向Ａと摺動方向Ｂとの関係の例を示す。図２は両方向Ａ、Ｂが互いに平行の場合、図３は互いに垂直の場合である。
【００３１】
この場合、前記二つの機械部品４の内で、基体６の前記領域の表面の表面粗さが小さい方の機械部品４は、図３に示すように、基体６の前記領域の表面の表面粗さが大きい方の機械部品４の当該表面の研磨方向Ａに対して垂直方向Ｂに動くように構成しても良い。
【００３３】
但し、基体６の表面の研磨方向および摺動方向は、上記例に限られるものではなく、それ以外でも良い。例えば、研磨方向に対して摺動方向は斜めであっても良い。また、研磨方向は、一定ではなくランダムな方向であっても良い。
【００３４】
上記のような摺動機構２は、電気回路を開閉する電力開閉装置の、当該開閉に供される操作機構部に用いても良い。例えば、前記特許文献２に記載されているような真空遮断器等の接触子の開閉操作を行う操作リンク機構に用いても良い。より具体的には、例えば、当該操作リンク機構を構成するカムとレバーとに、上記摺動機構２を用いても良い。
【００３５】
そのようにすれば、上述した理由によって、摺動機構２ひいてはそれを用いた操作機構部の耐摩耗性および摺動性が良くなるので、電力開閉装置の機械的な性能が良くなり、信頼性も向上し、かつ寿命が延びて長期間に亘って安定して動作させることができる。しかも、上述した理由によって、摺動機構２ひいてはそれを用いた操作機構部の低コスト化が可能になるので、電力開閉装置の低コスト化をも実現することができる。
【００３６】
【実施例】
上記摺動機構２を構成する一方の機械部品４としてピン状機械部品４ａを採用し、他方の機械部品４として平板状機械部品４ｂを採用して、図５に示すような原理のピン・オン・ディスク試験機（レスカ社製フリクションプレーヤーＦＲＰ４０００）を用いて、摺動性および耐摩耗性の試験を行った。即ち、矢印Ｃに示すように往復円運動を行う回転台２０上に平板状機械部品４ｂを載せて固定し、その表面に、球面状先端部１４（球面曲率半径２．５ｍｍ）を有するピン状機械部品４ａを圧力Ｆ＝１６０ｋｇｆ／ｍｍ²で圧接した。球面状先端部１４と円運動の中心２２との間の距離Ｌを５ｍｍとし、中心角α＝３０°で５０００回の往復円運動（即ち往路、復路共に５０００回ずつ）をさせた。これによって摺動部は往復円弧運動をする。この５０００回は、摺動距離に換算すると２６ｍに相当する。
【００３７】
摺動性については、円弧運動をさせている間、終始、摩擦係数を測定した。その場合、摩擦係数は、摺動初期では高くその後安定するので、この安定領域の平均値で評価した。耐摩耗性については、試験終了後に摩耗状態を目視、段差計およびマイクロスコープによって評価した。これらの結果を表１中にまとめて示す。なお、耐食性については、表１中に示していないけれども、各例において、中性塩水噴霧試験で４８時間後錆発生無しということを確認している。
【００３８】
【表１】

【００３９】
各例の基体６の材質、基体６の表面粗さ、基体６上の薄膜８の種類および膜厚、基体６と薄膜８間のメッキ層１２の有無、材質および厚さ、ならびに、平板状機械部品４ｂの基体４の表面の研磨方向に対するピン状機械部品４ａの摺動方向については、表１中に示すとおりである。三角記号で表した表面粗さと最大高さＲmax との関係は前述のとおりである。メッキ層１２の記載のあるものは、それをピン状機械部品４ａと平板状機械部品４ｂの両方に設けている。薄膜８の種類および膜厚は、ピン状機械部品４ａと平板状機械部品４ｂとで互いに同じにした。摺動方向が垂直というのは、図３で説明したとおりである。摺動方向を記入していない例は、平板状機械部品４ｂの基体表面が鏡面研磨状態に近くてその研磨方向を目視で特定できなかったからである。
【００４０】
従来例１では、摩擦係数は０．２２と比較的良好であり、摩耗状態も良好であった。しかし、摩擦係数の目標値は０．２以下であり、これをクリアしていない。また、二つの基体の表面粗さが▽▽▽▽であることから、研磨のコストが嵩むという課題がある。
【００４１】
従来例２も、従来例１と同様に、摩擦係数は０．２２と比較的良好であり、摩耗状態も良好であった。しかし、摩擦係数の目標値は０．２以下であり、これをクリアしていない。また、二つの基体の表面粗さが▽▽▽▽であることから、研磨のコストが嵩むという課題がある。
【００４２】
実施例１では、摩擦係数は０．１５と非常に良好であり、摩耗状態も極めて良好であった。この摩擦係数は目標値である０．２以下をクリアしている。両方の基体の表面粗さが▽▽▽▽である従来例１よりも良い結果が得られている。しかも、一方の基体の表面粗さが▽▽であることから、そのぶん研磨のコストを低減することができるという利点もある。
【００４３】
実施例２も、摩擦係数は０．１４と非常に良好であり、摩耗状態も極めて良好であった。この摩擦係数は目標値である０．２以下をクリアしている。両方の基体の表面粗さが▽▽▽▽である従来例２よりも良い結果が得られている。しかも、一方の基体の表面粗さが▽▽であることから、そのぶん研磨のコストを低減することができるという利点もある。
【００４４】
比較例１は、実施例１と表面粗さの関係を逆にしたものである。その結果、摩擦係数は０．４２と悪くなり、摩耗状態も不良であった。
【００４５】
この比較例１と上記実施例１とを比べれば分かるように、曲率半径の大きい平板状機械部品４ｂと曲率半径の小さいピン状機械部品４ａとの摺動形態においては、実施例１のように、曲率半径の大きい平板状機械部品４ｂの基体の表面粗さを、曲率半径の小さいピン状機械部品４ａの基体の表面粗さよりも粗くする（即ち、最大高さＲmax を大きくする）方が、比較例１のように逆の関係にする場合よりも、摩擦係数および摩耗状態が良くなるという結果が得られる。実施例３と比較例２との関係からも、これと同様の結果が得られることが分かる。これは、曲率半径の小さい方の基体の表面粗さを粗くすると、曲率半径が小さいことが影響して、ミクロ的に見て、粗い山の一部分に荷重の集中が起こりやすくなるからではないかと考えられる。
【００４６】
従来例３〜比較例２は、上記従来例１〜比較例２にそれぞれ対応しており、薄膜を３μｍ厚のＣrＮから０．５μｍ厚のダイヤモンド状カーボン（ＤＬＣ）に変更したこと以外に違いはない。
【００４７】
従来例３および４は、摩擦係数の目標値０．２以下をなんとかクリアしているけれども、従来例１および２と同様、研磨のコストが嵩むという課題がある。
【００４８】
実施例３および４では、実施例１および２と同等の良好な結果が得られている。
【００４９】
比較例２では、上記比較例１と同様、悪い結果が得られた。
【００５０】
【発明の効果】
この発明は、上記のとおり構成されているので、次のような効果を奏する。
【００５４】
請求項１に記載の発明によれば、両方の基体の表面粗さを鏡面研磨状態にする場合よりも、摺動機構の耐摩耗性および摺動性を良くすることができる。しかも、両方の基体の表面粗さを鏡面研磨状態にする場合に比べて、基体の表面研磨の手間が省けることになり、研磨の低コスト化ひいては摺動機構の低コスト化が可能になる。
【００５６】
請求項２に記載の発明によれば、メッキ層の存在によって、当該機械部品の耐食性が向上する。
【００５７】
請求項３に記載の発明によれば、上述した理由によって、摺動機構ひいてはそれを用いた操作機構部の耐摩耗性および摺動性が良くなるので、電力開閉装置の機械的な性能が良くなり、信頼性も向上し、かつ寿命が延びて長期間に亘って安定して動作させることができる。しかも、上述した理由によって、摺動機構ひいてはそれを用いた操作機構部の低コスト化が可能になるので、電力開閉装置の低コスト化をも実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る摺動機構の一例を部分的に示す概略断面図である。
【図２】基体の研磨方向と摺動方向とが平行の場合の例を示す概念図である。
【図３】基体の研磨方向と摺動方向とが垂直の場合の例を示す概念図である。
【図４】摺動機構を構成する機械部品の他の例を部分的に示す概略断面図である。
【図５】実施例で用いたピン・オン・ディスク試験機の原理を示す概念図である。
【符号の説明】
２摺動機構
４機械部品
４ａピン状機械部品
４ｂ平板状機械部品
６基体
８薄膜
１０摺動面
１２メッキ層

Claims

それぞれが基体上に薄膜を形成して成る二つの機械部品を有していて、両機械部品が互いに薄膜表面の摺動面で接して摺動する構成の摺動機構において、前記二つの機械部品は摺動面の曲率半径を互いに異にしており、かつ、曲率半径の大きい方の機械部品の基体の表面であって、少なくとも前記摺動面下に位置する領域の表面の表面粗さを、最大高さＲmax で表したとき、６．３＜Ｒmax ≦２５［μｍ］とし、曲率半径の小さい方の機械部品の基体の表面であって、少なくとも前記摺動面下に位置する領域の表面の表面粗さを、最大高さＲmax で表したとき、Ｒmax ≦０．８［μｍ］としていることを特徴とする摺動機構。
前記二つの機械部品の少なくとも一方の機械部品は、その基体と薄膜との間にメッキ層を更に有している請求項１に記載の摺動機構。
電気回路を開閉する電力開閉装置において、当該開閉に供される操作機構部に、請求項１または２に記載の摺動機構を用いていることを特徴とする電力開閉装置。