JP5138522B2 - 摺動部材及びローラーロッカーアーム式動弁装置 - Google Patents
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Description
本発明は、摺動面を有する部材を構成するのに好適な摺動部材及びローラーロッカーアーム式動弁装置に関する。
低μ特性を有する材料については、剪断抵抗の小さい層状結晶構造を有するグラファイト、二硫化モリブデンなどの粉末やその成形体などの固体潤滑材が知られており、人工黒鉛や天然黒鉛等の粉末を成形、焼結したグラファイト成形体（機械用カーボン製品など）や、固体潤滑成分としてグラファイト等の層状粒子を配合した固体潤滑皮膜材料及びこれを用いた摺動材料が広く用いられている（例えば、非特許文献１、特許文献１参照）。これらのμ値は、ドライ条件で０．１〜０．３程度となっている。
近年、燃費向上を図る等の点から、エンジンや変速機、減速機等の駆動系ユニットなどの自動車用ユニットでは、摩擦損失の低減が求められており、また、すべり摺動部材においては、更なる低μ材が求められている。
上記に関連して、（００１）面が平行に積み重なった層状結晶構造を持つ固体潤滑剤板状結晶粒子を用い、摺動表面での固体潤滑剤板状結晶粒子の（００１）面の配向指数を９０％以上とした摺動部材が提示されている（例えば、特許文献２参照）。この摺動部材では、耐焼き性が向上するとされている。ここでの結晶面（００１）面の配向指数は、「配向指数（％）＝ΣＲ（００１）／ΣＲ（ｈｋｌ）×１００」で定義されている〔（ｈｋｌ）：ミラー指数、ΣＲ（００１）：検出された（００１）面のＸ線強度の和、ΣＲ（ｈｋｌ）：（ｈｋｌ）面、すなわち検出された総ての面のＸ線強度の総和〕。
また、例えばエンジン等の機械部品では、摩擦損失を低減するためには摩擦係数が小さいことが望まれる一方、例えば２つの円筒が組み合わされるすべりローラーやすべり軸受等においては、組付け時や運転時に２つの円筒が互いに傾斜して接触した場合にエッジロードが発生し、ローラー端部で大きな摩擦を生じることがある。このようなエッジロードの発生を防止する技術として開示されているものがある（例えば、特許文献３〜４参照）。
特開２０００−１３６３９７号公報
特開２００７−１３９１４９号公報
特開平１１−２４７８４５号公報
特開２００５−２５６６５６号公報
カタログ「機械用カーボン製品」，東洋炭素株式会社
しかしながら、上記従来の摺動部材は、粉末原料を用いるために摺動面には、摺動面に対してａ面（（１００）面）などのｃ面以外の結晶面が存在し、従来のグラファイト成形体などのグラファイト等で形成されたカーボン材料を著しく越えるほどの低μ特性を得ることは困難であり、摩擦損失の低減効果はそれ程期待できない。
本発明は、上記に鑑みなされたものであり、摺動面での摩擦損失がより低減された摺動部材及びローラーロッカーアーム式動弁装置を提供することを目的とし、該目的を達成することを課題とする。
本発明は、固体潤滑材の１つとして挙げられるグラファイトは粉末原料を用いると、例えば熱圧着を施しても必ずしも高度の低μ特性は望めず、摺動方向に対するグラファイトの結晶配向の状態及びその程度が摺動摩擦による損失の低減に効果があるとの知見を得、かかる知見に基づいて達成されたものである。
上記目的を達成するために、第１の発明に係る摺動部材は、摺動面の少なくとも一部に、Ｘ線回折測定によるグラファイト−２Ｈ ００２回折位置でのロッキングカーブにおける半値幅が７°以下である高配向性グラファイトを設けて構成したものである。
第１の発明に係る摺動部材においては、その摺動面に、００２回折線のロッキングカーブにおける半値幅（Full Width at Half Maximum (FWHM), この場合具体的には、横軸試料回転角ω、縦軸回折強度で描いた回折ピークにおいて、縦軸が最大ピーク値の半分の回折強度を持つ位置における回折ピークの持つ横軸ωの幅）が、７°以下のシャープな回折ピークを持つグラファイト、すなわち結晶性がよく、摺動面と平行方向に良好な結晶配向を有するグラファイトを設けた構成とすることで、無潤滑条件ないし油膜の少ない摩擦環境とした場合を含め、摺動面の摩擦係数（μ値）が低く（好ましくは０．０５以下に）抑えられるので、摺動時に生じる摩擦損失を飛躍的に低減できる。すなわち、層状構造を有するグラファイト（黒鉛）の積層方向と直交する方向と平行関係にあるｃ面は、層間の相互作用力が弱く剪断抵抗が小さいため、ｃ面と平行方向の摺動に対する摩擦の低減が可能である。また、グラファイトのうち、特に結晶性が高く単結晶に近い構造を持つ高配向性グラファイトが用いられ、摺動面におけるｃ面の占める割合が高められるので、摺動時における摩擦損失は大幅に低減される。
また、静摩擦係数そのものを小さく押さえ得るので、往復摺動環境において、すべり速度（ｖ）の増加に伴ないμ値は小さくなる。すなわち、μ−ｖ特性の負勾配性に起因して生じるスティック・スリップ現象を抑制し、自励振動の発生を防止することが可能である。
第１の発明に係る摺動部材の摺動面は、その少なくとも一部が高配向性グラファイトのｃ面で被覆された構成とすることができる。グラファイトのｃ面は、グラファイト結晶のうちｃ軸を法線方向とする結晶面である。「ｃ面で被覆」とは、グラファイト結晶面が２次元に配向した平面構造を有する層状グラファイトで覆われている状態をいい、粉末成形表面のように表面にｃ面が散在する場合がある状態と区別される。
摺動部材の摺動面の一部又は全部が、高配向性グラファイトのｃ面（（１００）面）で被覆されるので、例えばグラファイト粉末を用いて摺動部材を成形する場合に比し、摺動面上でのグラファイトの結晶配向が良好になり、摺動面の静摩擦係数がより小さく押さえられ、摺動時の摩擦損失をより効果的に低減することができる。
摺動部材の摺動面の一部又は全部が、高配向性グラファイトのｃ面（（１００）面）で被覆されるので、例えばグラファイト粉末を用いて摺動部材を成形する場合に比し、摺動面上でのグラファイトの結晶配向が良好になり、摺動面の静摩擦係数がより小さく押さえられ、摺動時の摩擦損失をより効果的に低減することができる。
第１の発明に係る摺動部材を構成する高配向性グラファイトとしては、高配向性熱分解グラファイト(Highly oriented pyrolytic graphite)、積層された高分子フィルムを炭素化したグラファイト、キッシュグラファイト、及び単結晶グラファイトから選択して構成されていることが好ましい。これらの高配向性グラファイトは、結晶面が２次元に結晶配向した良好な配向性を有しており、摺動面での摩擦損失を低減するのに有用である。
第１の発明に係る摺動部材では、摺動面を被覆する高配向性グラファイトの被覆厚は１０ｎｍ以上であることが望ましい。被覆厚が１０ｎｍ以上であると、仕上げ可能な粗さの最小値（例えばシリコンウエハの１ｎｍ（Ｒｚ））よりも大きく、かつ層数約３００程度の分子層を確保するのに有効である。
第１の発明に係る摺動部材としては、エンジン等の内燃機関内のピストン、並びにすべり軸受構造におけるシャフト及び／又はブッシュに構成されることが好ましい。具体的には、ピストンのスカート部の少なくとも一部、あるいはすべり軸受構造のシャフト及び／又はブッシュの少なくとも一部に、Ｘ線回折測定によるグラファイト−２Ｈ ００２回折位置でのロッキングカーブにおける半値幅が７°以下である高配向性グラファイトが（好ましくは被覆するように）設けられることにより、摺動面の静摩擦係数が小さく押さえられ、摺動時の摩擦損失をより効果的に低減することができる。
更に、第１の発明は、少なくともシャフト及びブッシュを有し、シャフトの外周面及びブッシュの内周面の少なくとも一方に高配向性グラファイトが設けられており、シャフトの外周面及びブッシュの内周面のいずれか一方の回転軸方向両端部に、曲率半径Ｒが２ｍｍ以上の傾斜面が、回転軸方向に沿って前記外周面又は内周面の回転軸方向全幅に対して１０％〜３５％の範囲に形成されたすべり軸受構造に構成することができる。また、第１の発明は、内側ローラーの外周面、及び前記内側ローラーの周囲に前記内側ローラーと同軸的にかつ回転自在に設けられた外側ローラーの内周面の少なくとも一方に高配向性グラファイトが設けられており、前記内側ローラーの外周面又は前記外側ローラーの内周面のローラー幅方向両端部に、曲率半径Ｒが２ｍｍ以上の傾斜面が、ローラー幅方向に沿って前記外周面又は内周面の全幅に対して１０％〜３５％の範囲に形成されたすべりローラー構造に構成することができる。
すべり軸受け構造におけるシャフト及びブッシュのすべり面（即ち、摺動面であるシャフト外周面及びブッシュ内周面）、あるいはすべりローラー構造における内側ローラー及び外側ローラーのすべり面（摺動面）に、剪断抵抗の小さい前記高配向性グラファイト（Ｘ線回折測定によるグラファイト−２Ｈ ００２回折位置でのロッキングカーブにおける半値幅が７°以下である高配向性グラファイト）を設けることで、摺動面の摩擦係数（μ値）が低く（好ましくは０．０５以下に）抑えられるので、摺動時に生じる摩擦損失を飛躍的に低減できる。特に、層状構造を有するグラファイト（黒鉛）の積層方向と直交する方向と平行関係にあるｃ面は、層間の相互作用力が弱く剪断抵抗が小さいため、ｃ面と平行方向の摺動に対する摩擦の低減が可能である。ところが、２つの円筒が組み合わされるすべりローラーやすべり軸受構造においては、組付け時や摺動時にアライメントの誤差を生じ、円筒同士が傾斜して接触する場合がある。一方、上記の高配向性グラファイトは低摩擦が得られるものの、グラファイト構造は６員環分子層同士が弱い分子間結合で結合された層状構造であり、層間剥離を生じ易く、耐磨耗性が低い。従来のエッジロードの発生防止技術では、形状の適正化が図られているものの、これらは鋼材部品を主な対象としているために、弾性率が鋼材と大きく異なるグラファイトではエッジロードに対する有効な形状が異なるため、鋼材と同様の形状にした場合、定常摺動時でも接触面積が小さくなり、面圧の増加に伴なってグラファイト自体の磨耗が生じやすくなることがある。２つの円筒が傾斜して接触した場合にエッジロードを生じると、端部でグラファイトに大きな磨耗を生じることがある。第１の発明に係る摺動部材では、上記の高配向性グラファイトで被覆する場合にすべりローラーやすべり軸受構造をエッジロードが生じ難い形状に構成することにより、グラファイトの過大な磨耗を防止し、長期にわたって摺動時に生じる摩擦損失を低減することができる。また、エッジロードを防止することで、グラファイト被覆部表面の形状の相手材へのなじみ性も向上し、さらに安定した低摩擦特性が得られやすくなる。
本発明の摺動部材は、例えば、エンジンや自動変速機、手動変速機、減速機などの駆動系ユニットにおける摩擦損失の低減に好適であり、例えば燃費等を向上させたエンジン、駆動系ユニットの構築に有効である。
また、第２の発明は、ロッカーアームに取り付けられたローラーピンに回転自在に支持された内側ローラーと、前記内側ローラーの周囲に前記内側ローラーと同軸的にかつ回転自在に支持された外側ローラーと、を備えたローラーロッカーアーム式動弁装置である。第２の発明に係るローラーロッカーアーム式動弁装置は、ロッカーアームに取り付けられたローラーピンに回転自在に支持された内側ローラーの外周面、及び前記内側ローラーの周囲に前記内側ローラーと同軸的にかつ回転自在に支持された外側ローラーの内周面の少なくとも一方に、Ｘ線回折測定によるグラファイト−２Ｈ ００２回折位置でのロッキングカーブにおける半値幅が７°以下である高配向性グラファイトを有すると共に、内側ローラーの外周面又は外側ローラーの内周面のローラー幅方向両端部に、曲率半径Ｒが２ｍｍ以上の傾斜面を、ローラー幅方向に沿って前記外周面又は内周面の全幅に対して１０％〜３５％の範囲に形成して構成されたものである。
第２の発明に係るローラーロッカーアーム式動弁装置においては、摺動面となる内側ローラーの外周面及び外側ローラーの内周面の一方又は両方に、剪断抵抗の小さい前記高配向性グラファイト（Ｘ線回折測定によるグラファイト−２Ｈ ００２回折位置でのロッキングカーブにおける半値幅が７°以下である高配向性グラファイト）を設けることで、摺動面の摩擦係数（μ値）が低く（好ましくは０．０５以下に）抑えられるので、摺動時に生じる摩擦損失を飛躍的に低減できる。特に、内側ローラーの外周面及び／又は外側ローラーの内周面を、層状構造を有するグラファイト（黒鉛）の積層方向と直交する方向と平行関係にあるｃ面で被覆すると、グラファイトが層間の相互作用力が弱く剪断抵抗が小さいため、ｃ面と平行方向の摺動に対する摩擦の低減が可能である。
その一方、上記のように、互いに組み合わされる内側ローラーと外側ローラーとの間では、組付け時や摺動時にアライメントの誤差を生じ、ローラー同士が傾斜して接触する場合がある。低摩擦が得られるグラファイトの構造は、６員環分子層同士が弱い分子間結合で結合された層状構造であり、層間剥離を生じ易く、耐磨耗性が低い。したがって、２つのローラーが傾斜して接触した場合には、エッジロードを生じ、ローラー端部でグラファイトに大きな磨耗が発生することがある。第２の発明に係るローラーロッカーアーム式動弁装置においては、内側ローラーの外周面又は外側ローラーの内周面のローラー幅方向両端部に曲率半径Ｒ（Ｒ≧２ｍｍ）を両ローラーの全幅に対して１０％〜３５％の範囲にわたって設け、２つのローラーを互いにエッジロードが生じ難い形状に構成することで、ローラー同士が傾斜した際にも、局所的な接触とならないよう面接触状態を保つことができる。これより、エッジロードの発生が防止され、ローラー表面を被覆するグラファイトの過大な磨耗を防止でき、長期にわたって摺動時に生じる摩擦損失を低減することが可能になる。また、エッジロードを防止することで、グラファイト被覆部表面の形状の相手材へのなじみ性も向上し、さらに安定した低摩擦特性が得られやすくなる。
このように、ローラーロッカー式のエンジン動弁系を構成する内側ローラー及び／又は外側ローラーの摺動面（内側ローラーの外周面及び外側ローラーの内周面の一方又は両方）を上記の高配向性グラファイトで被覆することで、摺動面での摩擦が大幅に低減され、エンジンの燃費改善に大きく寄与する。
本発明によれば、摺動面での摩擦損失がより低減された摺動部材及びローラーロッカーアーム式動弁装置を提供することができる。
以下、本発明の摺動部材及びローラーロッカーアーム式動弁装置について、図面を参照して、摺動面の全面又は一部表面にＸ線回折測定によるロッキングカーブにおける半値幅が７°以下である高配向性グラファイト（以下、実施形態において、「特定グラファイト」と称する。）を設けた実施形態を示し、詳細に説明する。
（第１実施形態）
本発明の摺動部材の第１実施形態を図１〜図２を参照して説明する。本実施形態の摺動部材は、エンジンにおいて往復運動するピストンの摺動面であるスカート部を特定グラファイトで被覆し、ピストンが往復運動するときの摩擦損失が小さくなるようにしたものである。
本発明の摺動部材の第１実施形態を図１〜図２を参照して説明する。本実施形態の摺動部材は、エンジンにおいて往復運動するピストンの摺動面であるスカート部を特定グラファイトで被覆し、ピストンが往復運動するときの摩擦損失が小さくなるようにしたものである。
摺動部材である本実施形態のピストンは、図１に示すように、合金製ピストン本体部１０の頂面１１からリング溝部１２を介して下側に位置するスカート部１３の表面に、該表面を覆うようにして、特定グラファイト１５が膜状に所定の厚みで設けられている。スカート部は、ピストンが往復運動するときに相手シリンダーボアと摺動しつつ姿勢を保つ役割を担うため、その表面が結晶配向の良好な特定グラファイトで被覆されることで、摺動面がグラファイト結晶面で覆われた構造となり、往復運動時の摩擦が低減され、摩擦損失を抑えることができる。
本実施形態の特定グラファイト１５は、積層された高分子フィルム（積層フィルム）を炭素化した高配向性グラファイトシート（厚み７０μｍ、パナソニックグラファイトシート ＰＧＳ、松下電器産業（株）製）を用いたものであり、図２に示すように、特定グラファイト１５は、図示しないポリアミドイミド樹脂（熱可塑性樹脂）を用いてピストン本体部１０のスカート部１３の表面に固定されている。
なお、特定グラファイトの厚みは、目的や用途等に応じて適宜選択することができ、一般には２５〜１００μｍ程度である。
なお、特定グラファイトの厚みは、目的や用途等に応じて適宜選択することができ、一般には２５〜１００μｍ程度である。
特定グラファイト１５は、その結晶面がスカート部１３の表面に沿って２次元的に結晶配向されてなるものであり、摺動面となる特定グラファイト１５の表面は低摩擦化に良好な配向状態を有している。すなわち、結晶面をなすグラファイトのｃ面（（００１）面、ｃ軸を法線方向とする結晶面）が、ピストンの往復運動方向とほぼ平行になっている。
この特定グラファイト１５のＸ線回折測定によるロッキングカーブにおける半値幅は５．７°である。
この特定グラファイト１５のＸ線回折測定によるロッキングカーブにおける半値幅は５．７°である。
グラファイト−２Ｈ ００２回折位置におけるロッキングカーブは、検出器の角度（回折角２θ）をグラファイト−２Ｈ ００２回折位置に固定し、試料の回転角ωを回転させながら回折強度を測定した回折線のカーブであり、試料面に対するグラファイトｃ面（（００１）面）の傾きの分布を示すものである（図１１参照）。このロッキングカーブは、グラファイトｃ面が試料面に対して平行に均一に分布しているほどシャープなピークを示し、逆に試料面に対して大小様々な傾斜角を持って分布していればブロードなものになる。このようなロッキングカーブの拡がりは、ロッキングカーブの半値幅（横軸試料回転角ω、縦軸回折強度で描いた回折ピークにおいて、縦軸が最大ピーク値の半分の回折強度を持つ位置における回折ピークの持つ横軸ωの幅）で表すことができる。
測定は、Ｘ線回折装置（例えば、理学電機社製のＲＩＮＴ−ＴＴＲ）を用いて行なえる。より厳密な測定のためには、通常のωおよび２θの２軸での測定では不足であり、極点図などを作成できる試料台（例えば、理学電機社製のＲＩＮＴ−ＴＴＲに付属の多目的試料台）等を用いてω軸および２θ軸の駆動方向とは９０°異なる駆動方向に対しても予めロッキングカーブを測定しておき、その回折ピークの最大点を横切るような形でω軸に対するロッキングカーブが描けるように設定しておく必要がある。
測定は、Ｘ線回折装置（例えば、理学電機社製のＲＩＮＴ−ＴＴＲ）を用いて行なえる。より厳密な測定のためには、通常のωおよび２θの２軸での測定では不足であり、極点図などを作成できる試料台（例えば、理学電機社製のＲＩＮＴ−ＴＴＲに付属の多目的試料台）等を用いてω軸および２θ軸の駆動方向とは９０°異なる駆動方向に対しても予めロッキングカーブを測定しておき、その回折ピークの最大点を横切るような形でω軸に対するロッキングカーブが描けるように設定しておく必要がある。
ロッキングカーブにおける半値幅（以下、単に「半値幅」ともいう。）は、摺動面での摩擦損失のより低減を図る点から小さいほど好ましく、本発明では特に７°以下とし、更には６°以下が好ましく、特に好ましくは２°以下である。
積層フィルムを炭素化したグラファイトは、耐熱性高分子フィルムを複数枚積層した状態で高温加熱、炭化した黒鉛結晶である。このグラファイトは、例えば、複数枚の高分子フィルムや、高分子フィルムから得られた炭素質フィルムを複数枚積層して高温域（例えば２５００℃以上）で印加圧力を制御しながら焼成することにより作製できる。焼成時の印加圧力は、例えば、２０００℃以下の温度域で０．２〜５ＭＰａの範囲が好ましい。積層フィルムを炭素化して得られるグラファイトの作製方法については、例えば、特開平５−９７４１８号公報、特開２００３−９２３８４号公報、特開２００４−１８２８１号公報等に記載の方法を参照することができる。
本実施形態では、スカート部１３の表面にほぼ平行に炭素六角網面が配向している。
本実施形態では、スカート部１３の表面にほぼ平行に炭素六角網面が配向している。
前記耐熱性高分子フィルムとしては、ポリオキサジアゾール、芳香族ポリイミド、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾビスチアゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾビスオキサゾール、ポリピロメリットイミド、芳香族ポリアミド、ポリフェニレンベンゾイミタゾール、ポリフェニレンベンゾビスイミタゾール、ポリチアゾール、ポリパラフェニレンビニレン等の高分子材料のフィルムを用いることができる。
本発明においては、積層された高分子フィルム（積層フィルム）を炭素化したグラファイトのほか、高配向性熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ）、キッシュグラファイト（Kish Graphite）、単結晶グラファイトなどを好適に用いることができる。
前記高配向性熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ）は、気相成長黒鉛の１種であり、静置基板発熱体上で炭化水素ガスを気相から熱分解により炭素として析出させた熱分解炭素に高温（例えば３２００℃付近）で加熱処理を施して得られた黒鉛結晶である。加熱処理は、大面積の黒鉛材料を得るために２段階の高温加圧処理が施されており、例えば、第１段階は２８００〜３０００℃程度の温度域でホットプレスを施し、第２段階で３５００±１００℃の温度域で１０ｋｇ／ｃｍ２程度の圧力にて加圧する。
前記キッシュグラファイトは、高温の鉄融体中に固溶し得ない炭素が析出してできた黒鉛結晶である。
また、結晶軸の方向が変わらない単結晶グラファイトも好適である。
上記のうち、摺動面を被覆するために１ｍｍ×１ｍｍ以上の面積を得る観点からは、ＨＯＰＧ、積層フィルムを炭素化したグラファイトを用いることが好ましい。
また、結晶軸の方向が変わらない単結晶グラファイトも好適である。
上記のうち、摺動面を被覆するために１ｍｍ×１ｍｍ以上の面積を得る観点からは、ＨＯＰＧ、積層フィルムを炭素化したグラファイトを用いることが好ましい。
特定グラファイトは、スカート部の被固定面と特定グラファイトとの間に熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、粘着剤や接着剤などを配置することによりスカート部に固定することができる。
前記熱可塑性樹脂としては、公知のものを適宜選択することが可能であり、例えば、ポリアミドイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂等を使用できる。中でも、１００℃以上の耐熱性を有する熱可塑性樹脂が好ましい。
前記熱硬化性樹脂としては、公知の熱硬化性樹脂の中から選択することができ、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、熱硬化アクリル樹脂等を使用できる。
前記粘着剤としては、公知のものを適宜選択することが可能であり、例えば、アクリル系粘着剤、シリコーン系粘着剤等を使用できる。
前記接着剤としては、公知のものを適宜選択することが可能であり、例えば、熱硬化性樹脂接着剤、熱可塑性樹脂接着剤、エラストマー系接着剤、セラミックス系接着剤等を使用できる。
中でも、例えばエンジン内部の摺動部位に用いるときには、１８０℃以上の耐熱性と耐油性を有するものが好ましい。
前記熱硬化性樹脂としては、公知の熱硬化性樹脂の中から選択することができ、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、熱硬化アクリル樹脂等を使用できる。
前記粘着剤としては、公知のものを適宜選択することが可能であり、例えば、アクリル系粘着剤、シリコーン系粘着剤等を使用できる。
前記接着剤としては、公知のものを適宜選択することが可能であり、例えば、熱硬化性樹脂接着剤、熱可塑性樹脂接着剤、エラストマー系接着剤、セラミックス系接着剤等を使用できる。
中でも、例えばエンジン内部の摺動部位に用いるときには、１８０℃以上の耐熱性と耐油性を有するものが好ましい。
（第２実施形態）
本発明の摺動部材の第２実施形態を図３を参照して説明する。本実施形態の摺動部材は、すべり軸受構造におけるシャフトの摺動面である外周の曲面を特定グラファイトで被覆し、シャフトが軸受内を回転するときの摩擦損失が小さくなるようにしたものである。
本発明の摺動部材の第２実施形態を図３を参照して説明する。本実施形態の摺動部材は、すべり軸受構造におけるシャフトの摺動面である外周の曲面を特定グラファイトで被覆し、シャフトが軸受内を回転するときの摩擦損失が小さくなるようにしたものである。
図３−（ａ）は、摺動部材である本実施形態のシャフトを側面から見た図である。摺動部材である本実施形態のシャフト２０は、図３−（ｂ）に示すように、断面円形の長軸状のシャフト材２１の外周表面に、該表面全体を覆うようにして、特定グラファイト２２が膜状に所定の厚みで設けられている。ここで、図３−（ｂ）は、図３−（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。
シャフト材は、その軸心を中心に回転運動するときにすべり軸受における相手ブッシュと摺動し、その摺動面となる曲面が結晶配向の良好な特定グラファイトで被覆され、シャフトの最表面はグラファイト結晶面で覆われているので、回転運動時の摩擦が低減され、摩擦損失を抑えることができる。
本実施形態の特定グラファイト２２は、積層された高分子フィルムを炭素化した高配向性グラファイトシート（厚み７０μｍ；パナソニックグラファイトシート ＰＧＳ、松下電器産業（株）製）を用いて設けられたものであり、図示しないエポキシ樹脂系接着剤を用いてシャフトの曲面に固定されている。固定には、前記接着剤以外に熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、その他の接着剤、粘着剤等を用いてもよい。
なお、特定グラファイトの厚みについては、目的や用途等に応じて適宜選択することができ、既述の第１実施形態で記載した通りである。
なお、特定グラファイトの厚みについては、目的や用途等に応じて適宜選択することができ、既述の第１実施形態で記載した通りである。
本実施形態の特定グラファイト２２は、その結晶面がシャフトの曲面に沿うように２次元的に結晶配向されており、特定グラファイト２２の表面は、摺動方向となるシャフトの回転方向に平行に良好な配向状態を有している。すなわち、結晶面をなすグラファイトのｃ面（（００１）面）がシャフトの回転方向とほぼ平行になっている。この特定グラファイト２２のＸ線回折測定によるロッキングカーブにおける半値幅は５．７°である。
Ｘ線回折測定によるロッキングカーブ及び半値幅、ＨＯＰＧ及び他のグラファイト、並びに熱可塑性樹脂や粘着剤、等の詳細については、既述の第１実施形態における場合と同様である。
（第３実施形態）
本発明の摺動部材の第３実施形態を図４を参照して説明する。本実施形態の摺動部材は、すべり軸受におけるブッシュの摺動面である曲面を特定グラファイトで被覆し、シャフトがブッシュ内を回転するときの摩擦損失が小さくなるようにしたものである。
本発明の摺動部材の第３実施形態を図４を参照して説明する。本実施形態の摺動部材は、すべり軸受におけるブッシュの摺動面である曲面を特定グラファイトで被覆し、シャフトがブッシュ内を回転するときの摩擦損失が小さくなるようにしたものである。
摺動部材である本実施形態のブッシュ３０は、図４−（ｂ）に示すように、ブッシュ材３１に開けられた断面円形の貫通孔の壁面に、該壁面全体を覆うようにして、特定グラファイト３２が膜状に所定の厚みで設けられている。ここで、図４−（ｂ）は、図４−（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。
ブッシュ材は、その孔内をシャフトが回転運動するときにシャフトの表面と摺動し、摺動面となる貫通孔内壁の曲面が結晶配向の良好な特定グラファイトで被覆され、内壁がグラファイト結晶面で覆われるので、回転運動時の摩擦が低減され、摩擦損失が抑えられる。
本実施形態の特定グラファイト３２は、積層された高分子フィルムを炭素化した高配向性グラファイトシート（厚み７０μｍ；パナソニックグラファイトシート ＰＧＳ、松下電器産業（株）製）を用いて設けられたものであり、図示しないエポキシ樹脂系接着剤を用いて内壁面に固定されている。固定には、接着剤以外に熱可塑性樹脂や粘着剤を用いてもよい。
なお、特定グラファイトの厚みについては、目的や用途等に応じて適宜選択することができ、既述の第１実施形態で記載した通りである。
なお、特定グラファイトの厚みについては、目的や用途等に応じて適宜選択することができ、既述の第１実施形態で記載した通りである。
本実施形態の特定グラファイト３２は、その結晶面がブッシュ材の曲面に沿うように２次元的に結晶配向されており、特定グラファイト３２の表面は、摺動方向となる挿入されたシャフトの回転方向に平行に良好な配向状態を有している。すなわち、結晶面をなすグラファイトのｃ面がシャフトの回転方向とほぼ平行になっている。この特定グラファイト３２のＸ線回折測定によるロッキングカーブにおける半値幅は５．７°である。
Ｘ線回折測定によるロッキングカーブ及び半値幅、ＨＯＰＧ及び他のグラファイト、並びに熱可塑性樹脂や粘着剤、等の詳細については、既述の第１実施形態における場合と同様である。
（第４実施形態）
本発明のローラーロッカーアーム式動弁装置の実施形態を図５〜図６を参照して説明する。本実施形態のローラーロッカーアーム式動弁装置は、内側ローラー５２の摺動面である外周の曲面（外周面）を特定グラファイトで被覆して回転時の摩擦損失が小さくなるようにし、外側ローラー５４の摺動面である内周面のローラー幅方向両端部に曲率半径Ｒ＝５ｍｍの傾斜面を、ローラー幅方向に沿って内周面の全幅に対し３３％の範囲に形成したものである。
本発明のローラーロッカーアーム式動弁装置の実施形態を図５〜図６を参照して説明する。本実施形態のローラーロッカーアーム式動弁装置は、内側ローラー５２の摺動面である外周の曲面（外周面）を特定グラファイトで被覆して回転時の摩擦損失が小さくなるようにし、外側ローラー５４の摺動面である内周面のローラー幅方向両端部に曲率半径Ｒ＝５ｍｍの傾斜面を、ローラー幅方向に沿って内周面の全幅に対し３３％の範囲に形成したものである。
図５に本実施形態に係るローラーロッカーアーム式動弁装置１００の構成を正面図にて示す。このローラーロッカーアーム式動弁装置１００は、ロッカーアーム４２を備えている。ロッカーアーム４２は、一端がピボット部４４によって支持されて先端側が上下移動可能となっており、先端の押圧部４６が、バルブ４８（例えば、吸気バルブや排気バルブ）の軸先端に冠着したキャップ５０に当接している。
ロッカーアーム４２の長手中間部には、内側ローラー５２及び外側ローラー５４が設けられている。内側ローラー５２は、ロッカーアーム４２に固定されたローラーピン５６に回転自在に支持されている。また、外側ローラー５４は、内側ローラー５２の周囲にこの内側ローラー５２と同軸的にかつ回転自在に支持されており、内側ローラー５２と外側ローラー５４とで二重のリング状に構成されている。外側ローラー５４はカム５８に対応しており、カム５８によって外側ローラー５４の外周面が押圧されることで、ロッカーアーム４２の押圧部４６がバルブ４８のキャップ５０を押圧し、バルブ４８を開閉する構成となっている。
図６に示すように、内側ローラー５２は、その摺動面となる外周面が結晶配向の良好な特定グラファイト５５で被覆され、外周面全体がグラファイト結晶面で覆われた構造になっている。これにより、外側ローラーの回転運動時における摩擦が低減され、摩擦損失が抑えられている。
本実施形態の特定グラファイト５５は、積層された高分子フィルムを炭素化した高配向性グラファイトシート（厚み７０μｍ；パナソニックグラファイトシート ＰＧＳ、松下電器産業（株）製）を用いて設けられたものであり、図示しないエポキシ樹脂系接着剤を用いてシャフトの曲面に固定されている。固定には、前記接着剤以外に熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、その他の接着剤、粘着剤等を用いてもよい。
なお、特定グラファイトの厚みについては、目的や用途等に応じて適宜選択することができ、既述の第１実施形態で記載した通りである。
なお、特定グラファイトの厚みについては、目的や用途等に応じて適宜選択することができ、既述の第１実施形態で記載した通りである。
特定グラファイト５５は、その結晶面が内側ローラーの曲面に沿うように２次元的に結晶配向されており、特定グラファイト５５の表面は、摺動方向となるローラー回転方向に平行に良好な配向状態を有している。すなわち、結晶面をなすグラファイトのｃ面（（００１）面）がローラー回転方向とほぼ平行になっている。この特定グラファイト５５のＸ線回折測定によるロッキングカーブにおける半値幅は５．７°である。
Ｘ線回折測定によるロッキングカーブ及び半値幅、ＨＯＰＧ及び他のグラファイト、並びに熱可塑性樹脂や粘着剤、等の詳細については、既述の第１実施形態における場合と同様である。
内側ローラー５２の外周面に設けられた特定グラファイトの、内側ローラー５２幅方向両端部におけるエッジ部分には、Ｃ０．５の面取り６２が施されている。
一方、図６に示すように、外側ローラー５４の内周面の該外側ローラー５４幅方向両端部に、該ローラー幅方向に沿って所定範囲で傾斜面としてクラウニング面部６０が形成されている。本実施形態では、クラウニング面部６０は、曲率半径Ｒ＝５ｍｍで、外側ローラー５４の全幅に対してクラウニング面部３０の幅Ｌ＝２ｍｍの合計幅（２Ｌ）が３３％となるように形成されている。
次に、本実施の形態の作用を説明する。
本実施形態のローラーロッカーアーム式動弁装置１００では、内側ローラー５２と外側ローラー５４とは二重のリング状に構成されている。
ここで、例えば仮に、組付けなどの製造時あるいは運転条件等によってアライメントの誤差が生じ、カム５８と外側ローラー５４の軸方向（ローラー幅方向）接触面とが相対的に傾斜した場合（カム２８との当接で外側ローラー５４が傾いた場合）でも、外側ローラー５４がそのローラー幅方向両端部にクラウニング面部６０を設けて内側ローラーに対してエッジロードが生じ難い形状に構成されているため、ローラー同士が傾斜した際にも、局所的な接触とならないよう面接触状態が保たれる。これより、エッジロードの発生が防止され、２つのローラー間の摺動面での摩擦を抑えながら特定グラファイトの過大な磨耗が防止され、長期にわたって摺動時に生じる摩擦損失を低減することが可能である。すなわち、すべり軸受の利点である耐磨耗性を高く維持しつつ、かつ長期間にわたり摩擦損失の増大を防止することができる。
本実施形態のローラーロッカーアーム式動弁装置１００では、内側ローラー５２と外側ローラー５４とは二重のリング状に構成されている。
ここで、例えば仮に、組付けなどの製造時あるいは運転条件等によってアライメントの誤差が生じ、カム５８と外側ローラー５４の軸方向（ローラー幅方向）接触面とが相対的に傾斜した場合（カム２８との当接で外側ローラー５４が傾いた場合）でも、外側ローラー５４がそのローラー幅方向両端部にクラウニング面部６０を設けて内側ローラーに対してエッジロードが生じ難い形状に構成されているため、ローラー同士が傾斜した際にも、局所的な接触とならないよう面接触状態が保たれる。これより、エッジロードの発生が防止され、２つのローラー間の摺動面での摩擦を抑えながら特定グラファイトの過大な磨耗が防止され、長期にわたって摺動時に生じる摩擦損失を低減することが可能である。すなわち、すべり軸受の利点である耐磨耗性を高く維持しつつ、かつ長期間にわたり摩擦損失の増大を防止することができる。
ここで、傾斜面（本実施形態ではクラウニング面部６０）は、その幅が小さすぎるとエッジロードの低減効果が少なく、一方、その幅が大きすぎると、定常摺動時における接触面積が小さくなることによる平均面圧の上昇により、特定グラファイトの磨耗が大きくなりやすくなる。そのため、ローラー幅方向における傾斜面（本実施形態ではクラウニング面部６０）の合計幅は、ローラーの全幅に対して、１０％〜３５％の範囲であることが好ましい。ローラの全幅に対する傾斜面（曲率半径２ｍｍ以上のクラウニング面及びテーパー面などを含む。）の幅が合計１０〜３５％であると、特定グラファイトの過度の磨耗発生を防止でき、長期にわたって低摩擦特性を維持することができる。
なお、傾斜面の部分には、クラウニング面部６０のみならずそのエッジ部分に更に、内側ローラーに設けられたような面取りを施した構成としてもよい。
なお、傾斜面の部分には、クラウニング面部６０のみならずそのエッジ部分に更に、内側ローラーに設けられたような面取りを施した構成としてもよい。
また、本実施形態においては、傾斜面としてクラウニング面部６０を外側ローラー５４の内周面に形成する構成としたが、これに限らず、逆に内側ローラー５２の外周面に形成する構成としてもよい。
さらに、傾斜面としては、上記のようなクラウニング面部６０に限らず、単純なテーパー面として形成する構成としたり、あるいは曲率半径２ｍｍ以上であれば複数曲率からなる曲面でもよく、またいずれかを組み合わせて構成してもよい。
上記の各実施形態では、００２回折位置でのロッキングカーブにおける半値幅が７°以下のシャープな回折ピークを持つグラファイトとして、積層された高分子フィルムを炭素化した高配向性グラファイトシートを用いた場合を中心に説明したが、この高配向性グラファイト以外の前記他のグラファイトを用いた場合も同様である。
以下、本発明を実施例における試験を通じて更に具体的に説明する。下記実施例に示す材料、機器、操作等は、本発明の範囲から逸脱しない限り適宜変更することができ、したがって本発明は以下に示す実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
気相−固相法プロセスで作製した高配向性熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ；Highly Oriented Pyrolytic Graphite）供試材として、１０ｍｍ角、厚さ１．５ｍｍのＨＯＰＧブロック（ＨＯＰＧ ＺＹＡ quality、ＮＴ−ＭＤＴ社製）を用意した。
気相−固相法プロセスで作製した高配向性熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ；Highly Oriented Pyrolytic Graphite）供試材として、１０ｍｍ角、厚さ１．５ｍｍのＨＯＰＧブロック（ＨＯＰＧ ＺＹＡ quality、ＮＴ−ＭＤＴ社製）を用意した。
（実施例２）
サイズ１５．７ｍｍ×６．３ｍｍ、厚さ１０ｍｍのブロック鋼材の表面にアクリル系粘着剤を設け、その表面に１０ｍｍ角、厚さ１．５ｍｍのＨＯＰＧブロック（ＨＯＰＧ ＺＹＡ quality、ＮＴ−ＭＤＴ社製）を押し付け、ＨＯＰＧの層間剥離を利用してブロック鋼材の表面にＨＯＰＧ膜（複層）で被覆（厚さ２．０μｍ）することにより、供試材としてＨＯＰＧ被覆ブロックを得た。
サイズ１５．７ｍｍ×６．３ｍｍ、厚さ１０ｍｍのブロック鋼材の表面にアクリル系粘着剤を設け、その表面に１０ｍｍ角、厚さ１．５ｍｍのＨＯＰＧブロック（ＨＯＰＧ ＺＹＡ quality、ＮＴ−ＭＤＴ社製）を押し付け、ＨＯＰＧの層間剥離を利用してブロック鋼材の表面にＨＯＰＧ膜（複層）で被覆（厚さ２．０μｍ）することにより、供試材としてＨＯＰＧ被覆ブロックを得た。
（実施例３）
芳香族系高分子フィルムを積層したものを加圧・加熱処理によってグラファイト化する固相−固相法プロセスによって作製した高配向性グラファイト供試材として、１２ｍｍ角、厚さ２．０ｍｍの高密度グラファイトのブロック形状品（パナソニックグラファイト ＰＧＣＸ０７、松下電器産業（株）製）を用意した。
芳香族系高分子フィルムを積層したものを加圧・加熱処理によってグラファイト化する固相−固相法プロセスによって作製した高配向性グラファイト供試材として、１２ｍｍ角、厚さ２．０ｍｍの高密度グラファイトのブロック形状品（パナソニックグラファイト ＰＧＣＸ０７、松下電器産業（株）製）を用意した。
（実施例４）
芳香族系高分子フィルムを積層したものを加圧・加熱処理によってグラファイト化する固相−固相法プロセスによって作製した高配向性グラファイトの供試材として、低密度の高配向性グラファイトシート（パナソニックグラファイトシート ＰＧＳ、厚さ７０μｍ、松下電器産業（株）製）を用い、これを１５．７ｍｍ×６．３ｍｍ、厚さ１０ｍｍのブロック鋼材にエポキシ樹脂系接着剤で接着し、高配向性グラファイトシート被覆ブロックを得た。
芳香族系高分子フィルムを積層したものを加圧・加熱処理によってグラファイト化する固相−固相法プロセスによって作製した高配向性グラファイトの供試材として、低密度の高配向性グラファイトシート（パナソニックグラファイトシート ＰＧＳ、厚さ７０μｍ、松下電器産業（株）製）を用い、これを１５．７ｍｍ×６．３ｍｍ、厚さ１０ｍｍのブロック鋼材にエポキシ樹脂系接着剤で接着し、高配向性グラファイトシート被覆ブロックを得た。
（比較例１）
図１８に示す工程のように、得られた膨張化黒鉛粉末を予備成形後、ロール圧延によって成形した低配向性グラファイトシート（ＰＦ−１００−ＵＨＰ、東洋炭素（株）製）を供試材として用意し、３０ｍｍ角、厚さ１．０ｍｍの試料片とした。
図１８に示す工程のように、得られた膨張化黒鉛粉末を予備成形後、ロール圧延によって成形した低配向性グラファイトシート（ＰＦ−１００−ＵＨＰ、東洋炭素（株）製）を供試材として用意し、３０ｍｍ角、厚さ１．０ｍｍの試料片とした。
（比較例２）
機械用カーボン摺動材として従来から用いられている等方性グラファイト成形体（黒鉛質機械用炭素；ＩＧ−１１、東洋炭素（株）製）を供試材として用意し、２０ｍｍ角、厚さ５．０ｍｍの試料片とした。
機械用カーボン摺動材として従来から用いられている等方性グラファイト成形体（黒鉛質機械用炭素；ＩＧ−１１、東洋炭素（株）製）を供試材として用意し、２０ｍｍ角、厚さ５．０ｍｍの試料片とした。
（比較例３）
供試材として、窒化鋼材（ＳＡＣＭ６４５、下村特殊精工（株）製）を用意した。
供試材として、窒化鋼材（ＳＡＣＭ６４５、下村特殊精工（株）製）を用意した。
<評価１及びその結果>
−１．摩擦特性−
上記の実施例及び比較例で得られた各供試材に対して、潤滑油を塗布しない大気環境下の乾燥条件にて図７に示すボール・オン・プレート型摩擦試験を行ない、各供試材の摩擦係数（μ値）を測定した。このとき、試験荷重を０．４９Ｎとし、すべり速度を１０ｍｍ／ｍｉｎ（一定）とした。相手材には、φ４．８ｍｍのＳＵＪ−２軸受球を用いた。なお、実施例３の高密度グラファイトのブロック形状品及び実施例４の高配向性グラファイトシート被覆ブロックについては、エンジンオイルであるトヨタモーターオイルＳＬ５Ｗ−３０（トヨタ自動車（株）製）を摺動面に塗布した摺動条件でも評価を行なった。
−１．摩擦特性−
上記の実施例及び比較例で得られた各供試材に対して、潤滑油を塗布しない大気環境下の乾燥条件にて図７に示すボール・オン・プレート型摩擦試験を行ない、各供試材の摩擦係数（μ値）を測定した。このとき、試験荷重を０．４９Ｎとし、すべり速度を１０ｍｍ／ｍｉｎ（一定）とした。相手材には、φ４．８ｍｍのＳＵＪ−２軸受球を用いた。なお、実施例３の高密度グラファイトのブロック形状品及び実施例４の高配向性グラファイトシート被覆ブロックについては、エンジンオイルであるトヨタモーターオイルＳＬ５Ｗ−３０（トヨタ自動車（株）製）を摺動面に塗布した摺動条件でも評価を行なった。
上記方法により、潤滑油を塗布しない大気環境下の乾燥条件で測定した各供試材のμ値を図８に示す。
図８に示すように、高配向性のグラファイトを各供試材の摺動面を想定した表面に、摺動方向（図７の矢印方向）に平行にｃ面が配向するように被覆した実施例１〜実施例４では、比較例１の低配向性グラファイトシート及び比較例２の等方性グラファイト成形体に比し、優れた低摩擦特性を示し、また、比較例３の窒化鋼材に比べて大幅に良好な低摩擦特性を示した。特に、実施例３の高配向性グラファイトブロックでは、μ値が測定限界の０．００１以下となっており、極めて優れた低摩擦特性が得られた。
図８に示すように、高配向性のグラファイトを各供試材の摺動面を想定した表面に、摺動方向（図７の矢印方向）に平行にｃ面が配向するように被覆した実施例１〜実施例４では、比較例１の低配向性グラファイトシート及び比較例２の等方性グラファイト成形体に比し、優れた低摩擦特性を示し、また、比較例３の窒化鋼材に比べて大幅に良好な低摩擦特性を示した。特に、実施例３の高配向性グラファイトブロックでは、μ値が測定限界の０．００１以下となっており、極めて優れた低摩擦特性が得られた。
次に、実施例３の高配向性グラファイトブロック及び実施例４の高配向性グラファイトシート被覆ブロックについてオイル塗布した摺動条件でのμ値を図９に示す。
図９に示すように、高配向性グラファイトブロック及び高配向性グラファイトシート被覆ブロックはいずれも、μ値が前記乾燥条件での値以下となっており、これらは潤滑油を用いない摺動部位のみならず、潤滑油中にて使用されるエンジン摺動部や自動変速機、手動変速機、減速機等の駆動系ユニットの摺動部に適用した場合にも、優れた低摩擦特性が得られると判断される。
図９に示すように、高配向性グラファイトブロック及び高配向性グラファイトシート被覆ブロックはいずれも、μ値が前記乾燥条件での値以下となっており、これらは潤滑油を用いない摺動部位のみならず、潤滑油中にて使用されるエンジン摺動部や自動変速機、手動変速機、減速機等の駆動系ユニットの摺動部に適用した場合にも、優れた低摩擦特性が得られると判断される。
−２．半値幅−
各供試材について、Ｘ線回折装置（ＲＩＮＴ−ＴＴＲ（多目的試料台使用）、理学電機（株）製）を用いて、上記同様の摺動面を想定したグラファイトの００２回折位置におけるロッキングカーブを求め、それらの半値幅（Full Width Half Maximum (FWHM)）を求めた。半値幅は、下記表１に示す。半値幅は、値が小さいほどｃ面が試料面に対して平行に存在していることを示しており、より高配向の試料であるといえる。
各供試材について、Ｘ線回折装置（ＲＩＮＴ−ＴＴＲ（多目的試料台使用）、理学電機（株）製）を用いて、上記同様の摺動面を想定したグラファイトの００２回折位置におけるロッキングカーブを求め、それらの半値幅（Full Width Half Maximum (FWHM)）を求めた。半値幅は、下記表１に示す。半値幅は、値が小さいほどｃ面が試料面に対して平行に存在していることを示しており、より高配向の試料であるといえる。
下記表１に示すように、実施例では、半値幅が極めて小さく、良好な配向性を示した。これに対し、比較例では、半値幅は８°以上となっており、良好な配向性は得られなかった。これより、実施例の供試材は、比較例に対して摩擦損失をより低減し得るものと考えられる。
次に、実施例１のＨＯＰＧブロック、並びに比較例１の低配向性グラファイトシート及び比較例２の等方性グラファイト成形体のω−２θ走査（θ−２θ走査）によるＸ線回折プロファイルを図１０に示す。図１０では、縦軸をグラファイト−２Ｈの００２回折線の強度が一定になるように規格化して示してある。図中の「■印」は、International Center for Diffraction Data (ICDD) によるデータベースに基づいたグラファイト−２Ｈの回折位置を示したものである。
図１０に示すように、実施例１のＨＯＰＧブロックでは、シャープな回折線ピークが得られており、結晶性が高いことがわかる。これに対し、比較例２の黒鉛粉末の成形体である等方性グラファイトでは、回折線が比較的ブロードであり、結晶性は実施例１の場合よりも劣っていることが分かる。
また、実施例１のＨＯＰＧブロックでは、ｃ面に対応する００２回折線、００４回折線のみが認められているのに対し、比較例２の黒鉛粉末を用いた等方性グラファイトでは、ｃ面以外の結晶面が関与する１００回折線や１０１回折線が観測されており、配向性も実施例１の方が優れていることが分かる。
図１０に示すように、実施例１のＨＯＰＧブロックでは、シャープな回折線ピークが得られており、結晶性が高いことがわかる。これに対し、比較例２の黒鉛粉末の成形体である等方性グラファイトでは、回折線が比較的ブロードであり、結晶性は実施例１の場合よりも劣っていることが分かる。
また、実施例１のＨＯＰＧブロックでは、ｃ面に対応する００２回折線、００４回折線のみが認められているのに対し、比較例２の黒鉛粉末を用いた等方性グラファイトでは、ｃ面以外の結晶面が関与する１００回折線や１０１回折線が観測されており、配向性も実施例１の方が優れていることが分かる。
さらに、実施例１のＨＯＰＧブロック、実施例２の高配向性グラファイトブロック（ＨＯＰＧ被覆ブロック）、及び実施例４の高配向性グラファイトシート被覆ブロック、並びに比較例１の低配向性グラファイトシート及び比較例２の等方性グラファイト成形体の００２回折位置におけるロッキングカーブを図１１に示す。
図１１に示すように、実施例１のＨＯＰＧブロック、実施例２の高配向性グラファイトブロック、及び実施例４の高配向性グラファイトシート被覆ブロックでは、ピークのあるプロファイルが得られ、特に実施例１のＨＯＰＧブロック、実施例２の高配向性グラファイトブロックでは、プロファイルがシャープであった。これに対し、比較例では、ブロードなプロファイルしか得られなかった。
図１１に示すように、実施例１のＨＯＰＧブロック、実施例２の高配向性グラファイトブロック、及び実施例４の高配向性グラファイトシート被覆ブロックでは、ピークのあるプロファイルが得られ、特に実施例１のＨＯＰＧブロック、実施例２の高配向性グラファイトブロックでは、プロファイルがシャープであった。これに対し、比較例では、ブロードなプロファイルしか得られなかった。
（実施例５〜６、比較例４）
実施例４で得られた高配向性グラファイトシート被覆ブロックを用意し、図６に示すように、外径φ１２．８ｍｍ、内径φ８ｍｍ、長さ１２ｍｍの鋼製円筒の摺動面となる外周面に、高配向性グラファイトシート被覆ブロックをエポキシ系接着剤で接着し、外周面全体が結晶配向の良好なグラファイト結晶面（ｃ面）で覆われた高配向性グラファイトシート被覆内円筒５２（仕上がり外径φ１３ｍｍ）を作製した。このとき、グラファイト結晶面では、結晶面をなすグラファイトのｃ面（（００１）面）がローラー回転方向とほぼ平行になっている。
実施例４で得られた高配向性グラファイトシート被覆ブロックを用意し、図６に示すように、外径φ１２．８ｍｍ、内径φ８ｍｍ、長さ１２ｍｍの鋼製円筒の摺動面となる外周面に、高配向性グラファイトシート被覆ブロックをエポキシ系接着剤で接着し、外周面全体が結晶配向の良好なグラファイト結晶面（ｃ面）で覆われた高配向性グラファイトシート被覆内円筒５２（仕上がり外径φ１３ｍｍ）を作製した。このとき、グラファイト結晶面では、結晶面をなすグラファイトのｃ面（（００１）面）がローラー回転方向とほぼ平行になっている。
次に、高配向性グラファイトシート被覆内円筒５２の周囲に配置され、この内円筒５２と同軸的にかつ回転自在に設けられる外形φ１８ｍｍ、内径φ１３ｍｍ、長さ１２ｍｍの鋼製円筒（外円筒）５４を作製した。この外円筒として、外円筒の内周面（摺動面）の円筒幅方向両端部にＣ０．５の面取りを設けた外円筒Ｃ０．５と、外円筒の内周面（摺動面）の円筒幅方向両端部に傾斜面として、該両端部からそれぞれ曲率半径Ｒ＝５ｍｍで円筒幅方向に沿って幅長（Ｌ）２ｍｍのクラウニング面部６０（クラウニング面部の円筒全幅に対する合計幅（２Ｌ）は３３％）を設けた外円筒Ｒ５との２種類を用意した。
そして、図６に示すように、高配向性グラファイトシート被覆内円筒５２と、外円筒Ｃ０．５（実施例５）又は外円筒Ｒ５（実施例６）と、を組み合わせて２重のリング状に構成された２重円筒構造のローラー部品を作製した。
また、比較のために、高配向性グラファイトシート被覆を行なっていない鋼製円筒（外径φ１３ｍｍ、内径φ８ｍｍ、長さ１２ｍｍ）を別に用意し、この鋼製円筒と上記の外円筒Ｃ０．５とを組み合わせて２重のリング状に構成した２重円筒構造のローラー部品（比較例４）を作製した。
<評価２及びその結果>
外円筒５４として外円筒Ｃ０．５を用い、この外円筒Ｃ０．５に高配向性グラファイトシート被覆内円筒５２を挿入した場合、円筒端部に強いあたりが生じ、両円筒を数分間摺動させて摺り合わせたところ、内円筒端部付近の高配向性グラファイトシート被覆部に磨耗が認められた。一方、外円筒５４として外円筒Ｒ５を用い、この外円筒Ｒ５に高配向性グラファイトシート被覆内円筒５２を挿入した場合には、両円筒を１時間以上摺動しても、高配向性グラファイトシート被覆部に磨耗が認められなかった。
外円筒５４として外円筒Ｃ０．５を用い、この外円筒Ｃ０．５に高配向性グラファイトシート被覆内円筒５２を挿入した場合、円筒端部に強いあたりが生じ、両円筒を数分間摺動させて摺り合わせたところ、内円筒端部付近の高配向性グラファイトシート被覆部に磨耗が認められた。一方、外円筒５４として外円筒Ｒ５を用い、この外円筒Ｒ５に高配向性グラファイトシート被覆内円筒５２を挿入した場合には、両円筒を１時間以上摺動しても、高配向性グラファイトシート被覆部に磨耗が認められなかった。
続いて、上記の外円筒Ｒ５と高配向性グラファイトシート被覆内円筒５２とを組み合わせた２重円筒構造のローラー部品（実施例６）、及び外円筒Ｃ０．５と鋼製円筒とを組み合わせた２重円筒構造のローラー部品（比較例４）を用い、ローラーロッカーアーム式動弁系に用いた。
このローラー部品（ダブルローラー）をローラーロッカーアームに組付けて、ローラーロッカーアーム式動弁系ローラーの摩擦試験を行なった。このとき、運転の際にローラーを支持したシャフトに生じる摩擦トルクを歪みケージで測定した。各ダブルローラーを用いた場合の各運転条件（エンジン回転数５００ｒｐｍ、１０００ｒｐｍ）における摩擦トルクを、比較例４のダブルローラーを用いて運転（エンジン回転数５００ｐｍ）した際の摩擦トルクとの比で整理し、図１２に示す。なお、潤滑油には、粘度グレード１０Ｗ−３０の市販ガソリンエンジン油を用い、油温は８０℃で一定とした。
このローラー部品（ダブルローラー）をローラーロッカーアームに組付けて、ローラーロッカーアーム式動弁系ローラーの摩擦試験を行なった。このとき、運転の際にローラーを支持したシャフトに生じる摩擦トルクを歪みケージで測定した。各ダブルローラーを用いた場合の各運転条件（エンジン回転数５００ｒｐｍ、１０００ｒｐｍ）における摩擦トルクを、比較例４のダブルローラーを用いて運転（エンジン回転数５００ｐｍ）した際の摩擦トルクとの比で整理し、図１２に示す。なお、潤滑油には、粘度グレード１０Ｗ−３０の市販ガソリンエンジン油を用い、油温は８０℃で一定とした。
図１２に示すように、実施例６では、いずれのエンジン回転数においても、比較例４の未被覆の鋼製円筒を用いたローラー部品に比べ、摩擦トルクが大幅に軽減された。特に、実施例６では、エンジン回転数によらず、ほぼ一定の摩擦トルクであった。一方、比較例４では、エンジン回転数の低下に伴ない、摩擦トルクが増大する傾向がみられた。これは、エンジン回転数の低下に伴なって、混合潤滑状態にあるダブルローラーにおいて、境界摩擦の割合が増大しているためと考えられる。すなわち、極めて小さい摩擦係数を示す高配向性グラファイトｃ面で被覆された場合には、境界摩擦の割合が増大しても摩擦力がほとんど増大しないものといえる。
（比較例５）
実施例１で用意したＨＯＰＧブロック（表面が高配向性グラファイトのｃ面）の側面をクロスセッションポリシャにより研磨し、平滑表面を有するＨＯＰＧのａ面試料を作製した。このａ面試料の、上記同様の方法（Ｘ線回折装置（ＲＩＮＴ−ＴＴＲ（多目的試料台使用）、理学電機（株）製）を用い、グラファイトの００２回折位置におけるロッキングカーブを測定）により、半値幅（FWHM）を求めたところ、１３．３°であった。
実施例１で用意したＨＯＰＧブロック（表面が高配向性グラファイトのｃ面）の側面をクロスセッションポリシャにより研磨し、平滑表面を有するＨＯＰＧのａ面試料を作製した。このａ面試料の、上記同様の方法（Ｘ線回折装置（ＲＩＮＴ−ＴＴＲ（多目的試料台使用）、理学電機（株）製）を用い、グラファイトの００２回折位置におけるロッキングカーブを測定）により、半値幅（FWHM）を求めたところ、１３．３°であった。
<評価３及びその結果>
−３．マイクロスケール摩擦試験−
上記より得たａ面試料と実施例１のＨＯＰＧブロック（ｃ面試料）に対し、ＦＦＭ（島津製作所社製のＳＰＭ９５００−Ｊ３）において、カンチレバーとしてレバーの端部付近にシリコーン製のプローブ（先端の曲率半径１０ｎｍ以下）が設けられたＰＰＰ−ＺＥＩＬＲ（Ｎａｎｏｓｅｎｓｏｒｓ社製）を用いて、ｃ面試料のｃ面及びａ面試料のａ面の乾燥条件における摩擦係数（μ）を測定した。測定は、１つの測定領域を幅１μｍ×長さ１μｍ（幅１μｍの水平走査を３．９１ｎｍピッチで２５６ライン実施）として２つの面について行ない、その平均値で整理した。水平方向の走査速度は、２μｍ／ｓとした。ここで、比較用のａ面試料では、図１４−（ｂ）に示すように、グラファイトｃ面に垂直な方向（グラファイト層構造の積層方向）にＦＦＭのカンチレバーを走査することにより測定した。測定結果を図１３に示す。
−３．マイクロスケール摩擦試験−
上記より得たａ面試料と実施例１のＨＯＰＧブロック（ｃ面試料）に対し、ＦＦＭ（島津製作所社製のＳＰＭ９５００−Ｊ３）において、カンチレバーとしてレバーの端部付近にシリコーン製のプローブ（先端の曲率半径１０ｎｍ以下）が設けられたＰＰＰ−ＺＥＩＬＲ（Ｎａｎｏｓｅｎｓｏｒｓ社製）を用いて、ｃ面試料のｃ面及びａ面試料のａ面の乾燥条件における摩擦係数（μ）を測定した。測定は、１つの測定領域を幅１μｍ×長さ１μｍ（幅１μｍの水平走査を３．９１ｎｍピッチで２５６ライン実施）として２つの面について行ない、その平均値で整理した。水平方向の走査速度は、２μｍ／ｓとした。ここで、比較用のａ面試料では、図１４−（ｂ）に示すように、グラファイトｃ面に垂直な方向（グラファイト層構造の積層方向）にＦＦＭのカンチレバーを走査することにより測定した。測定結果を図１３に示す。
図１３に示すように、表面（摺動面）を高配向性グラファイトのｃ面とした実施例１では、摩擦係数μが０．０１以下の低摩擦特性が得られたのに対し、摺動面を高配向性グラファイトのａ面（半値幅１３．３°）とした比較例５では、摩擦係数μは０．０９程度であり、ｃ面ほどの低摩擦までは得られなかった。すなわち、同一の高配向性グラファイトを用いても、摺動面をｃ面で被覆した場合においてのみ低摩擦が得られることが分かる。
（実施例７、比較例６）
実施例４で得られた高配向性グラファイトシート被覆ブロックを用意し、図１５に示すように、ガソリンエンジン用ピストンのスカート部（外形φ８６ｍｍ）に、部分的に厚み７０μｍの高配向性グラファイトシート被覆ブロックを表面がｃ面となるように接着し、高配向性グラファイト被覆部７１を形成した。ここで、高配向性グラファイト被覆部７１の接着面は、スカート上下方向については全面が覆われるようにし、スカート部周囲方向については、周方向４０ｍｍ幅で等間隔に２領域（図１５の表裏に１箇所ずつ）が覆われるように形成した。このピストンの作製に際しては、高配向性グラフファイトシートブロックの被覆によって増加する厚み分だけ、予め被覆領域のスカート部を研削しておき、エポキシ系接着剤により高配向性グラファイトシート被覆ブロックを接着した。なお、スカート部の高配向性グラファイト被覆部７１以外の未研削の領域７２は、ポリアミドイミド樹脂ベースの乾性被膜潤滑剤が塗布されている。
このように、スカート部に高配向性グラファイト被覆部が設けられたピストンを得た。
実施例４で得られた高配向性グラファイトシート被覆ブロックを用意し、図１５に示すように、ガソリンエンジン用ピストンのスカート部（外形φ８６ｍｍ）に、部分的に厚み７０μｍの高配向性グラファイトシート被覆ブロックを表面がｃ面となるように接着し、高配向性グラファイト被覆部７１を形成した。ここで、高配向性グラファイト被覆部７１の接着面は、スカート上下方向については全面が覆われるようにし、スカート部周囲方向については、周方向４０ｍｍ幅で等間隔に２領域（図１５の表裏に１箇所ずつ）が覆われるように形成した。このピストンの作製に際しては、高配向性グラフファイトシートブロックの被覆によって増加する厚み分だけ、予め被覆領域のスカート部を研削しておき、エポキシ系接着剤により高配向性グラファイトシート被覆ブロックを接着した。なお、スカート部の高配向性グラファイト被覆部７１以外の未研削の領域７２は、ポリアミドイミド樹脂ベースの乾性被膜潤滑剤が塗布されている。
このように、スカート部に高配向性グラファイト被覆部が設けられたピストンを得た。
なお、高配向性グラファイト被覆部の接着は、エポキシ系接着剤に限られるものではないが、エンジンピストンスカート部は、１００℃以上の高温環境に曝されるため、１００℃以上でシートの剥離が生じない接着剤を選択する必要がある。
また、比較のため、高配向性グラファイトシート被覆ブロックで被覆していない前記と同じピストンを別に用意した（比較例６）。このピストンは、スカート部に低摩擦を施すために、ポリアミドイミド樹脂ベースの乾性被膜潤滑剤が塗布されている。
<評価４及びその結果>
−４．単気筒エンジンによるピストン系摩擦試験−
図１６に示す浮動シリンダライナと３分力センサとを組み込んだ単気筒ガソリンエンジンに上記より得たピストンを装着し、この単気筒ガソリンエンジンによって各ピストンを用いた場合のファイアリング運転時におけるピストン系摩擦力を測定した。ピストン系摩擦力は、エンジン回転数１０００ｒｐｍにおける比較例６のピストンでの値を基準に比を求め、摩擦トルク比として図１７に示す。摩擦測定は、負荷を図示平均有効圧（ＩＭＥＰ）３００ＭＰａで一定とし、エンジン回転数を１０００ｒｐｍ、２０００ｒｐｍ、及び３０００ｒｐｍの３条件で実施した。潤滑油には、粘度グレード５Ｗ−２０の市販ガソリンエンジン油を用いた。
−４．単気筒エンジンによるピストン系摩擦試験−
図１６に示す浮動シリンダライナと３分力センサとを組み込んだ単気筒ガソリンエンジンに上記より得たピストンを装着し、この単気筒ガソリンエンジンによって各ピストンを用いた場合のファイアリング運転時におけるピストン系摩擦力を測定した。ピストン系摩擦力は、エンジン回転数１０００ｒｐｍにおける比較例６のピストンでの値を基準に比を求め、摩擦トルク比として図１７に示す。摩擦測定は、負荷を図示平均有効圧（ＩＭＥＰ）３００ＭＰａで一定とし、エンジン回転数を１０００ｒｐｍ、２０００ｒｐｍ、及び３０００ｒｐｍの３条件で実施した。潤滑油には、粘度グレード５Ｗ−２０の市販ガソリンエンジン油を用いた。
図１７に示すように、スカート部に高配向性グラファイトのｃ面が摺動面となるように高配向性グラファイト被覆部を形成した実施例７では、比較例６に比べ、いずれのエンジン回転数においても、摩擦トルクが大幅に軽減されており、低摩擦特性が得られた。すなわち、エンジンのピストンスカート部の高配向性グラファイトのｃ面による被覆は摩擦軽減に有効であり、エンジン摩擦の低減、ひいては燃費改善に有効であるといえる。
１０・・・ピストン
１１・・・ピストンの頂面
１３・・・スカート部
１５，２２，３２，５５・・・特定グラファイト
２０・・・シャフト
３０・・・ブッシュ
４２・・・ロッカーアーム
４４・・・ピボット部
４６・・・押圧部
５２・・・内側ローラー
５４・・・外側ローラー
５６・・・ローラピン
６０・・・クラウニング面部（傾斜面）
６２・・・面取り
１００・・・ローラーロッカーアーム式動弁装置
１１・・・ピストンの頂面
１３・・・スカート部
１５，２２，３２，５５・・・特定グラファイト
２０・・・シャフト
３０・・・ブッシュ
４２・・・ロッカーアーム
４４・・・ピボット部
４６・・・押圧部
５２・・・内側ローラー
５４・・・外側ローラー
５６・・・ローラピン
６０・・・クラウニング面部（傾斜面）
６２・・・面取り
１００・・・ローラーロッカーアーム式動弁装置
Claims (8)
- 摺動面の少なくとも一部に、Ｘ線回折測定によるグラファイト−２Ｈ ００２回折位置でのロッキングカーブにおける半値幅が７°以下である高配向性グラファイトが設けられた摺動部材。
- 前記摺動面の少なくとも一部は、前記高配向性グラファイトのｃ面で被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
- 前記高配向性グラファイトは、高配向性熱分解グラファイト (Highly oriented pyrolytic graphite)、積層された高分子フィルムを炭素化したグラファイト、キッシュグラファイト、又は単結晶グラファイトであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の摺動部材。
- 摺動面を被覆する前記高配向性グラファイトの被覆厚が１０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の摺動部材。
- スカート部の少なくとも一部に前記高配向性グラファイトが設けられたピストン、並びに、少なくともシャフト及びブッシュを有し、シャフト及び／又はブッシュの少なくとも一部に前記高配向性グラファイトが設けられたすべり軸受構造より選択されるいずれか１つ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項に記載の摺動部材。
- 少なくともシャフト及びブッシュを有し、シャフトの外周面及びブッシュの内周面の少なくとも一方に前記高配向性グラファイトが設けられており、前記シャフトの外周面及び前記ブッシュの内周面のいずれか一方の回転軸方向両端部に、曲率Ｒが２ｍｍ以上の傾斜面が、回転軸方向に沿って前記外周面又は内周面の回転軸方向全幅に対して１０％〜３５％の範囲に形成されたすべり軸受構造を有することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の摺動部材。
- 内側ローラーの外周面、及び前記内側ローラーの周囲に前記内側ローラーと同軸的にかつ回転自在に設けられた外側ローラーの内周面の少なくとも一方に前記高配向性グラファイトが設けられており、前記内側ローラーの外周面又は前記外側ローラーの内周面のローラー幅方向両端部に、曲率Ｒが２ｍｍ以上の傾斜面が、ローラー幅方向に沿って前記外周面又は内周面の全幅に対して１０％〜３５％の範囲に形成されたすべりローラー構造を有することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の摺動部材。
- ロッカーアームに取り付けられたローラーピンに回転自在に支持された内側ローラーの外周面、及び前記内側ローラーの周囲に前記内側ローラーと同軸的にかつ回転自在に支持された外側ローラーの内周面の少なくとも一方に、Ｘ線回折測定によるグラファイト−２Ｈ ００２回折位置でのロッキングカーブにおける半値幅が７°以下である高配向性グラファイトを有すると共に、
前記内側ローラーの外周面又は前記外側ローラーの内周面のローラー幅方向両端部に、曲率Ｒが２ｍｍ以上の傾斜面が、ローラー幅方向に沿って前記外周面又は内周面の全幅に対して１０％〜３５％の範囲に形成されたローラーロッカーアーム式動弁装置。
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| JP2007242679 | 2007-09-19 | ||
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