JP5272068B2 - 電気接点構造 - Google Patents
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Description
本発明は、ＤＬＣ皮膜（非晶質カーボン皮膜）の加工方法及びこの加工方法により形成されたＤＬＣ皮膜を備える電気接点構造に関する。
従来より、ＤＬＣ皮膜は、高耐摩耗性を有することから、切削工具，金型，及び摺動機械部品用の耐摩耗保護皮膜から電子機器，光学部品までの幅広い分野において利用されている。
しかしながら、ＤＬＣ皮膜は、絶縁体であるために、高耐摩耗性と導電性の両方の特性が必要とされる電気接点構造に適用し、電気接点構造の長寿命化を図ることは困難であった。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は高耐摩耗性を損なうことなくＤＬＣ皮膜に導電性を付与可能なＤＬＣ皮膜の加工方法及びこの加工方法により形成されたＤＬＣ皮膜を備える電気接点構造を提供することにある。
本発明に係る電気接点構造は、第１の部材と、当該第１の部材に接触することで当該第１の部材に電気的に接続される第２の部材と、を備える。そして、第１の部材と第２の部材との接触及び非接触は切り替えが自在であり、第１及び第２の部材の少なくとも一方の接触領域に、レーザ光を照射することによって部分的に形成されたグラファイト領域を有するＤＬＣ皮膜を備える。
本発明に係るＤＬＣ皮膜の加工方法及び電気接点構造によれば、導電性を有するグラファイト領域がＤＬＣ皮膜に部分的に形成されているので、高耐摩耗性を損なうことなくＤＬＣ皮膜に導電性を付与することができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態となるＤＬＣ皮膜の加工方法について説明する。
〔ＤＬＣ皮膜の加工方法〕
本発明の実施形態となるＤＬＣ皮膜の加工方法では、始めに図１（ａ）に示すような銀やＳＵＳ３０４ステンレス鋼等の基体１を用意する。次に図１（ｂ）に示すようにプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法，スパッタリング法，ＰＢＩＩ（Plasma-Based Ion Implantation）法等の皮膜形成方法により基体１表面に絶縁性のＤＬＣ皮膜２を形成する。そして最後にＤＬＣ皮膜２表面に適当なエネルギー密度（0.015[mJ/Pulse]程度）のレーザ光を部分的に照射することにより、図１（ｃ）に示すようにレーザ光の照射領域にあるＤＬＣ皮膜を変質させて導電性を有するグラファイト領域３を形成する。
本発明の実施形態となるＤＬＣ皮膜の加工方法では、始めに図１（ａ）に示すような銀やＳＵＳ３０４ステンレス鋼等の基体１を用意する。次に図１（ｂ）に示すようにプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法，スパッタリング法，ＰＢＩＩ（Plasma-Based Ion Implantation）法等の皮膜形成方法により基体１表面に絶縁性のＤＬＣ皮膜２を形成する。そして最後にＤＬＣ皮膜２表面に適当なエネルギー密度（0.015[mJ/Pulse]程度）のレーザ光を部分的に照射することにより、図１（ｃ）に示すようにレーザ光の照射領域にあるＤＬＣ皮膜を変質させて導電性を有するグラファイト領域３を形成する。
なお本実施形態では、図１（ｃ）に示すようにグラファイト領域３をＤＬＣ皮膜２の面内方向に均一に分布させたが、図２に示すようにグラファイト領域３を面内方向に不均一に分布させてもよい。但しこの場合、グラファイト領域３が形成されている領域と形成されていない領域との間で応力分布が生じることによりＤＬＣ皮膜２が基体１表面から剥離しやすくなるので、応力分布を低減して基体１表面からＤＬＣ皮膜２が剥離することを防止するために、グラファイト領域３は面内方向に均一に分布させることが望ましい。
〔電気接点構造〕
グラファイト領域３を有するＤＬＣ皮膜２は、第１の部材と第２の部材とを接触させることにより第１の部材と第２の部材を電気的に接続する電気接点構造に適用することにより、導電性を維持しながら電気接点構造の摩耗を低減して電気接点構造の長寿命化を実現できる。具体的には、図３に示すような突起部１１ａを介して部材１１と部材１２が接触する電気接点構造において、突起部１１ａと接する部材１２の表面領域にグラファイト領域３を有するＤＬＣ皮膜２を形成することにより、導電性を維持しながら突起部１１ａの摩耗を低減して電気接点構造の長寿命化を実現することができる。
グラファイト領域３を有するＤＬＣ皮膜２は、第１の部材と第２の部材とを接触させることにより第１の部材と第２の部材を電気的に接続する電気接点構造に適用することにより、導電性を維持しながら電気接点構造の摩耗を低減して電気接点構造の長寿命化を実現できる。具体的には、図３に示すような突起部１１ａを介して部材１１と部材１２が接触する電気接点構造において、突起部１１ａと接する部材１２の表面領域にグラファイト領域３を有するＤＬＣ皮膜２を形成することにより、導電性を維持しながら突起部１１ａの摩耗を低減して電気接点構造の長寿命化を実現することができる。
なお突起部１１ａと部材１２の接触領域の形状が、図３に示すような平面形状ではなく、図４に示すようなドーム形状の突起部１１ｂによって円形形状となる場合には、図４に示すようにグラファイト領域３を接触領域の外周部に配置することが望ましい。このような構成によれば、接触による衝撃を最も受ける接触領域の中央部分の耐摩耗性を高めながら、その外周部において導通させることができる。またこのＤＬＣ皮膜２の適用範囲は、図３や図４に示すような電気接点構造に限定されることはなく、図５に示すような車輪部１４ａ，１４ｂを介して供給される電力を利用して移動する部材１４（例えば鉄道模型）と部材１３とを電気的に接続する電気接点構造にも適用できる。図５に示す形態において、グラファイト領域３を図６（ａ）に示すようにランダムに配置してもよいし、図６（ｂ）に示すようにグラファイト領域３をレール状に配置してもよい。図６（ａ）に示す形態によれば、部材１４は部材１３から供給される電力を利用してランダムに移動することができ、図６（ｂ）に示す形態によれば、部材１４は部材１３から供給される電力を利用してレール上を移動することができる。
〔実施例〕
以下、本発明の幾つかの実施例について説明する。
以下、本発明の幾つかの実施例について説明する。
〔ＤＬＣ皮膜の加工方法〕
〔実施例１〕
プラズマＣＶＤ法によりＳＵＳ３０４ステンレス鋼表面に膜圧１[μｍ]のＤＬＣ皮膜を形成した後、ＤＬＣ皮膜表面にエネルギー密度０．０１５[mJ/Pulse]のレーザ光を部分的、且つ、均一な分布状態になるように照射した。ＤＬＣ皮膜の抵抗を測定した結果、抵抗値は１０［Ω］であり、ＤＬＣ皮膜が導電性を有することが確認された。またレーザ加工を施してないＤＬＣ皮膜に対する比摩耗量は１．０であり、ＤＬＣ皮膜の耐摩耗性が良好であることが確認された。
〔実施例１〕
プラズマＣＶＤ法によりＳＵＳ３０４ステンレス鋼表面に膜圧１[μｍ]のＤＬＣ皮膜を形成した後、ＤＬＣ皮膜表面にエネルギー密度０．０１５[mJ/Pulse]のレーザ光を部分的、且つ、均一な分布状態になるように照射した。ＤＬＣ皮膜の抵抗を測定した結果、抵抗値は１０［Ω］であり、ＤＬＣ皮膜が導電性を有することが確認された。またレーザ加工を施してないＤＬＣ皮膜に対する比摩耗量は１．０であり、ＤＬＣ皮膜の耐摩耗性が良好であることが確認された。
〔実施例２〕
スパッタリング法により銀表面に膜圧１μｍのＤＬＣ皮膜を形成した後、ＤＬＣ皮膜表面にエネルギー密度０．０１５[mJ/Pulse]のレーザ光を部分的、且つ、均一な分布状態になるように照射した。ＤＬＣ皮膜の抵抗を測定した結果、抵抗値は１０［Ω］であり、ＤＬＣ皮膜が導電性を有することが確認された。またレーザ加工を施してないＤＬＣ皮膜に対する比摩耗量は１．０５であり、ＤＬＣ皮膜の耐摩耗性が良好であることが確認された。
スパッタリング法により銀表面に膜圧１μｍのＤＬＣ皮膜を形成した後、ＤＬＣ皮膜表面にエネルギー密度０．０１５[mJ/Pulse]のレーザ光を部分的、且つ、均一な分布状態になるように照射した。ＤＬＣ皮膜の抵抗を測定した結果、抵抗値は１０［Ω］であり、ＤＬＣ皮膜が導電性を有することが確認された。またレーザ加工を施してないＤＬＣ皮膜に対する比摩耗量は１．０５であり、ＤＬＣ皮膜の耐摩耗性が良好であることが確認された。
〔実施例３〕
ＰＢＩＩ法によりＳＵＳ３０４ステンレス鋼表面に膜圧１．５μｍのＤＬＣ皮膜を形成した後、ＤＬＣ皮膜表面にエネルギー密度０．０１５[mJ/Pulse]のレーザ光を部分的、且つ、均一な分布状態になるように照射した。ＤＬＣ皮膜の抵抗を測定した結果、抵抗値は１０［Ω］であり、ＤＬＣ皮膜が導電性を有することが確認された。またレーザ加工を施してないＤＬＣ皮膜に対する比摩耗量は０．９７であり、ＤＬＣ皮膜の耐摩耗性が良好であることが確認された。
ＰＢＩＩ法によりＳＵＳ３０４ステンレス鋼表面に膜圧１．５μｍのＤＬＣ皮膜を形成した後、ＤＬＣ皮膜表面にエネルギー密度０．０１５[mJ/Pulse]のレーザ光を部分的、且つ、均一な分布状態になるように照射した。ＤＬＣ皮膜の抵抗を測定した結果、抵抗値は１０［Ω］であり、ＤＬＣ皮膜が導電性を有することが確認された。またレーザ加工を施してないＤＬＣ皮膜に対する比摩耗量は０．９７であり、ＤＬＣ皮膜の耐摩耗性が良好であることが確認された。
〔比較例１〕
プラズマＣＶＤ法によりＳＵＳ３０４ステンレス鋼表面に膜圧１μｍのＤＬＣ皮膜を形成した後、ＤＬＣ皮膜の全面にエネルギー密度０．０１５[mJ/Pulse]のレーザ光を照射した。ＤＬＣ皮膜の抵抗を測定した結果、抵抗値は１０［Ω］であり、ＤＬＣ皮膜が導電性を有することが確認された。但し、レーザ加工を施してないＤＬＣ皮膜に対する比摩耗量は２０．０であり、ＤＬＣ皮膜の耐摩耗性がほとんど消失していることが確認された。
プラズマＣＶＤ法によりＳＵＳ３０４ステンレス鋼表面に膜圧１μｍのＤＬＣ皮膜を形成した後、ＤＬＣ皮膜の全面にエネルギー密度０．０１５[mJ/Pulse]のレーザ光を照射した。ＤＬＣ皮膜の抵抗を測定した結果、抵抗値は１０［Ω］であり、ＤＬＣ皮膜が導電性を有することが確認された。但し、レーザ加工を施してないＤＬＣ皮膜に対する比摩耗量は２０．０であり、ＤＬＣ皮膜の耐摩耗性がほとんど消失していることが確認された。
〔比較例２〕
プラズマＣＶＤ法によりＳＵＳ３０４ステンレス鋼表面に膜圧１μｍのＤＬＣ皮膜を形成した後、ＤＬＣ皮膜表面にエネルギー密度０．００５[mJ/Pulse]のレーザ光を部分的、且つ、均一な分布状態になるように照射した。ＤＬＣ皮膜の抵抗を測定した結果、抵抗値は１００［Ω］であり、ＤＬＣ皮膜が導電性を有さないことが確認された。
プラズマＣＶＤ法によりＳＵＳ３０４ステンレス鋼表面に膜圧１μｍのＤＬＣ皮膜を形成した後、ＤＬＣ皮膜表面にエネルギー密度０．００５[mJ/Pulse]のレーザ光を部分的、且つ、均一な分布状態になるように照射した。ＤＬＣ皮膜の抵抗を測定した結果、抵抗値は１００［Ω］であり、ＤＬＣ皮膜が導電性を有さないことが確認された。
〔比較例３〕
プラズマＣＶＤ法によりＳＵＳ３０４ステンレス鋼表面に膜圧１μｍのＤＬＣ皮膜を形成した後、ＤＬＣ皮膜表面にエネルギー密度０．１８０[mJ/Pulse]のレーザ光を部分的、且つ、均一な分布状態になるように照射した。この結果、レーザ光の照射領域部分のＤＬＣ皮膜が消滅していることが確認された。
プラズマＣＶＤ法によりＳＵＳ３０４ステンレス鋼表面に膜圧１μｍのＤＬＣ皮膜を形成した後、ＤＬＣ皮膜表面にエネルギー密度０．１８０[mJ/Pulse]のレーザ光を部分的、且つ、均一な分布状態になるように照射した。この結果、レーザ光の照射領域部分のＤＬＣ皮膜が消滅していることが確認された。
〔電気接点構造〕
〔実施例４〕
プラズマＣＶＤ法により銀表面に膜圧１μｍのＤＬＣ皮膜を形成した後、ＤＬＣ皮膜表面にエネルギー密度０．０１３[mJ/Pulse]
のレーザ光を部分的、且つ、均一な分布状態になるように照射した。このＤＬＣ皮膜を電気接点構造に適用した所、通常通り通電し、接点の寿命が従来の３倍になった。
〔実施例４〕
プラズマＣＶＤ法により銀表面に膜圧１μｍのＤＬＣ皮膜を形成した後、ＤＬＣ皮膜表面にエネルギー密度０．０１３[mJ/Pulse]
のレーザ光を部分的、且つ、均一な分布状態になるように照射した。このＤＬＣ皮膜を電気接点構造に適用した所、通常通り通電し、接点の寿命が従来の３倍になった。
〔実施例５〕
スパッタリング法により銀表面に膜圧１μｍのＤＬＣ皮膜を形成した後、ＤＬＣ皮膜表面にエネルギー密度０．０１３[mJ/Pulse]のレーザ光を部分的、且つ、均一な分布状態になるように照射した。このＤＬＣ皮膜を電気接点構造に適用した所、通常通り通電し、接点の寿命が従来の４倍になった。
スパッタリング法により銀表面に膜圧１μｍのＤＬＣ皮膜を形成した後、ＤＬＣ皮膜表面にエネルギー密度０．０１３[mJ/Pulse]のレーザ光を部分的、且つ、均一な分布状態になるように照射した。このＤＬＣ皮膜を電気接点構造に適用した所、通常通り通電し、接点の寿命が従来の４倍になった。
〔実施例６〕
ＰＢＩＩ法によりＳＵＳ３０４ステンレス鋼表面に膜圧１．５μｍのＤＬＣ皮膜を形成した後、ＤＬＣ皮膜表面にエネルギー密度０．０１７[mJ/Pulse]のレーザ光を部分的、且つ、均一な分布状態になるように照射した。このＤＬＣ皮膜を電気接点構造に適用した所、通常通り通電し、接点の寿命が従来の３．５倍になった。
ＰＢＩＩ法によりＳＵＳ３０４ステンレス鋼表面に膜圧１．５μｍのＤＬＣ皮膜を形成した後、ＤＬＣ皮膜表面にエネルギー密度０．０１７[mJ/Pulse]のレーザ光を部分的、且つ、均一な分布状態になるように照射した。このＤＬＣ皮膜を電気接点構造に適用した所、通常通り通電し、接点の寿命が従来の３．５倍になった。
〔実施例７〕
ＰＢＩＩ法によりＳＵＳ３０４ステンレス鋼表面に膜圧１．５μｍのＤＬＣ皮膜を形成した後、ＤＬＣ皮膜表面にエネルギー密度０．０１７[mJ/Pulse]のレーザ光を照射領域が円形形状になるように照射した。このＤＬＣ皮膜を電気接点構造に適用した所、通常通り通電し、接点の寿命が従来の４．５倍になった。
ＰＢＩＩ法によりＳＵＳ３０４ステンレス鋼表面に膜圧１．５μｍのＤＬＣ皮膜を形成した後、ＤＬＣ皮膜表面にエネルギー密度０．０１７[mJ/Pulse]のレーザ光を照射領域が円形形状になるように照射した。このＤＬＣ皮膜を電気接点構造に適用した所、通常通り通電し、接点の寿命が従来の４．５倍になった。
〔比較例４〕
プラズマＣＶＤ法により銀表面に膜圧１μｍのＤＬＣ皮膜を形成した後、ＤＬＣ皮膜表面にエネルギー密度０．１００[mJ/Pulse]のレーザ光を部分的、且つ、均一な分布状態になるように照射した。このＤＬＣ皮膜を電気接点構造に適用した所、通電しなかった。この原因を確認した所、レーザ光の照射領域部分のＤＬＣ皮膜が消滅し、銀表面が露出していることが確認された。
プラズマＣＶＤ法により銀表面に膜圧１μｍのＤＬＣ皮膜を形成した後、ＤＬＣ皮膜表面にエネルギー密度０．１００[mJ/Pulse]のレーザ光を部分的、且つ、均一な分布状態になるように照射した。このＤＬＣ皮膜を電気接点構造に適用した所、通電しなかった。この原因を確認した所、レーザ光の照射領域部分のＤＬＣ皮膜が消滅し、銀表面が露出していることが確認された。
〔比較例５〕
イオン化蒸着法により銀表面に膜圧１μｍのＤＬＣ皮膜を形成した後、ＤＬＣ皮膜表面にエネルギー密度０．１００[mJ/Pulse]のレーザ光を部分的、且つ、均一な分布状態になるように照射した。このＤＬＣ皮膜を電気接点構造に適用した所、通電しなかった。この原因を確認した所、レーザ照射領域がグラファイトにほとんど変質していないことが確認された。
イオン化蒸着法により銀表面に膜圧１μｍのＤＬＣ皮膜を形成した後、ＤＬＣ皮膜表面にエネルギー密度０．１００[mJ/Pulse]のレーザ光を部分的、且つ、均一な分布状態になるように照射した。このＤＬＣ皮膜を電気接点構造に適用した所、通電しなかった。この原因を確認した所、レーザ照射領域がグラファイトにほとんど変質していないことが確認された。
〔比較例６〕
ＰＢＩＩ法によりＳＵＳ３０４ステンレス鋼表面に膜圧１．５μｍのＤＬＣ皮膜を形成した後、ＤＬＣ皮膜表面にエネルギー密度０．０１７[mJ/Pulse]のレーザ光を照射領域が部分的、且つ、不均一な分布状態になるように照射した。このＤＬＣ皮膜を電気接点構造に適用した所、通常通り通電したが、使用中にＤＬＣ皮膜がＳＵＳ３０４ステンレス鋼表面から剥離した。
ＰＢＩＩ法によりＳＵＳ３０４ステンレス鋼表面に膜圧１．５μｍのＤＬＣ皮膜を形成した後、ＤＬＣ皮膜表面にエネルギー密度０．０１７[mJ/Pulse]のレーザ光を照射領域が部分的、且つ、不均一な分布状態になるように照射した。このＤＬＣ皮膜を電気接点構造に適用した所、通常通り通電したが、使用中にＤＬＣ皮膜がＳＵＳ３０４ステンレス鋼表面から剥離した。
〔レーザ光のエネルギー密度〕
図７に示すように、ＤＬＣ皮膜２に照射するレーザ光のエネルギー密度が０．０３８〜０．１８５[mJ/Pulse]の範囲内にある時は、レーザ光の照射領域部分のＤＬＣ皮膜は消滅し、露出した基体表面において導通が確認された。またレーザ光のエネルギー密度が０．００９[mJ/Pulse]である時は、レーザ光の照射領域部分のＤＬＣ皮膜がグラファイト化せず、導通が確認されなかった。これに対して、レーザ光のエネルギー密度が０．０１５[mJ/Pulse]である時には、レーザ光の照射領域部分のＤＬＣ皮膜がグラファイト化し、グラファイト領域において導通が確認された。
図７に示すように、ＤＬＣ皮膜２に照射するレーザ光のエネルギー密度が０．０３８〜０．１８５[mJ/Pulse]の範囲内にある時は、レーザ光の照射領域部分のＤＬＣ皮膜は消滅し、露出した基体表面において導通が確認された。またレーザ光のエネルギー密度が０．００９[mJ/Pulse]である時は、レーザ光の照射領域部分のＤＬＣ皮膜がグラファイト化せず、導通が確認されなかった。これに対して、レーザ光のエネルギー密度が０．０１５[mJ/Pulse]である時には、レーザ光の照射領域部分のＤＬＣ皮膜がグラファイト化し、グラファイト領域において導通が確認された。
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。
１：基体
２：ＤＬＣ皮膜
３：グラファイト領域
２：ＤＬＣ皮膜
３：グラファイト領域
Claims (6)
- 第１の部材と、
前記第１の部材に接触することで当該第１の部材に電気的に接続される第２の部材と、
を備え、
前記第１の部材と前記第２の部材との電気的な接続及び非接続は切り替えが自在であり、
前記第１及び第２の部材の少なくとも一方の接触領域に、レーザ光を照射することによって部分的に形成されたグラファイト領域を有するＤＬＣ皮膜を備えることを特徴とする電気接点構造。 - 前記グラファイト領域がＤＬＣ皮膜の面内方向に均一に分布していることを特徴とする請求項１に記載の電気接点構造。
- 前記接触領域の外周部の接触圧が、当該接触領域の外周部より内側の領域の接触圧よりも低く、
前記グラファイト領域が前記外周部に位置することを特徴とする請求項１に記載の電気接点構造。 - 前記第１及び第２の部材の少なくとも一方が、移動面上を移動する移動体における当該移動面との接触面を含む部材を形成し、
前記第１及び第２の部材の他方が、前記移動面を形成し、
前記移動面における前記グラファイト領域からの通電により、前記移動体を移動させることを特徴とする請求項１に記載の電気接点構造。 - 前記移動体が前記移動面上でランダムに移動するものであり、前記グラファイト領域がランダムに分布していることを特徴とする請求項４に記載の電気接点構造。
- 前記移動体が前記移動面上で所定方向に移動するものであり、前記グラファイト領域が当該所定方向に沿って分布していることを特徴とする請求項４に記載の電気接点構造。
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