JP5619937B2 - 摺動面構造 - Google Patents

Description

本発明は、摺動面構造に関するものである。

表面テクスチャリングは流体潤滑領域の拡大や摩擦低減など、摺動特性の改善手法の一つとなっている。サブミクロンの周期ピッチと溝深さをもつグレーティング状の周期構造部はサブミクロンの油膜厚さにおいて、極めて高い負荷能力と剛性をもつことが知られており、往復摺動や回転摺動に利用されている。

しかし、起動直後や停止直前など十分な動圧が得られない場面では、周期構造部による攻撃性が問題となる。ここで、周期構造部による攻撃性とは、相手側部材に対する摩耗増大性や損傷性等である。周期構造部の攻撃性を緩和するためには、周期構造部の凸部高さを周期構造未形成部分と面一な高さより低くすることが有効である。

そこで、従来においては、摺動面よりも高さ位置が高位となる凸部を回転中心部に設けたスラスト軸受がある（特許文献１）。このスラスト軸受では、回転停止時において、摺動面（相手側の摺動面に対面する面）の全体がこの相手側の摺動面に接触することなく、凸部の頂点の接触となる。このため、起動時において、凸部の頂点と相手側の摺動面との接触が、回転中心付近に限定され、摩擦による起動トルクへの影響を小さいものとしている。

特開２００１−１２４５６号公報

特許文献１に記載のものでは、摺動面上に凸部を形成する必要がある。この場合の形成方法として、凸部を別部材として形成した後、この摺動面に接合する方法、又は凸部を残すように切削や研削する方法等がある。このため、いずれの形成方法もその加工工程が多く、生産性に劣るものであった。

また、凸部を形成することによって、油膜が厚くなる傾向にある。このように、油膜が厚くなると、低負荷容量および低剛性を招くことになる。

周期構造部の凸部高さを周期構造未形成部分と面一な高さより低くしすぎると負荷容量に悪影響が出る。そのため、負荷容量に影響が出にくいパターニングの開発と適正な高さの設定が望まれている。

本発明は、上記課題に鑑みて、負荷容量の低減を抑えながら周期構造部の攻撃性を緩和できる摺動面構造を提供する。

本発明の摺動面構造は、第１部材の摺動面と第２部材の摺動面とが潤滑剤下で相対的に摺動する摺動面構造であって、第１部材と第２部材との少なくともいずれか一方の摺動面に、摺動面周縁に連通して摺動面周縁から潤滑剤の摺動面内方への導入を可能とするグレーティング状凹凸の周期構造部と、周期構造部との境界部において摺動方向に圧力勾配を生じさせる周期構造未形成部とが摺動方向に沿って交互に形成され、かつ、周期構造部の凸部高さ位置を未形成部の高さ位置よりも低く設定するとともに、前記周期構造未形成部の形状を周期構造部が連通する摺動面周縁全体からの潤滑剤の引き込みを可能とする鋸刃形状としたものである。

本発明の摺動面構造によれば、周期構造部の凸部高さ位置を未形成部の高さ位置よりも低く設定したことによって、２面間の接触がともなう混合潤滑において、周期構造部の摩耗や攻撃性が緩和される。ここで、周期構造部による攻撃性とは、相手側部材に対する摩耗増大性や損傷性等である。また、周期構造部が摺動面周縁に連通されているので、第１部材と第２部材の摺動動作によって、摺動面周縁から潤滑剤を摺動面内方へ導入することができる（この作用を流体導入効果（ポンピング効果）と呼ぶ）。周期構造部と周期構造未形成部とが摺動方向に沿って交互に形成され、しかも、周期構造部の凸部高さ位置を未形成部の高さ位置よりも低く設定することによって、周期構造部と未形成部との境界で圧力が発生し、摺動方向に圧力勾配ができる（この作用をステップ効果と呼ぶ）。ステップ効果による負荷容量はポンピング効果による負荷容量に比べて、段差高さ（周期構造部の凸部高さ位置と未形成部の高さ位置との高低差）による影響が小さいため、負荷容量の低減を低く抑えながら周期構造の摩耗や攻撃性を緩和することができる。このように、周期構造部と未形成部とを設けることによって、周期構造部の凸部高さ位置と未形成部の高さ位置との高低差を大きくしても負荷容量の減少を少なくできる。特に、周期構造未形成部を鋸刃形状としたことによって、摺動面周縁全体から潤滑剤を引き込むことができる。

したがって、本発明の摺動面構造では、流体導入効果とステップ効果とを併せ持つことになる。ステップ効果による負荷容量は流体導入効果の負荷容量に比べて、周期構造部の凸部高さ位置が周期構造未形成部の高さ位置よりも低くなることによる影響が小さい。

また、前記周期構造部の摺動方向上流側に、この周期構造部の凹部深さよりも深くポンピング効果を有する流体導入溝を形成するのが好ましい。このように構成することによって、高速・低荷重時において流体導入溝による動圧が効率的に発生する。なお、流体導入溝がない場合、周期構造部の摺動方向上流側に負圧領域が発生するが、流体導入溝を設けることで負圧領域が消滅し、負荷容量を大幅に増加することができる。

前記周期構造部の凸部高さ位置と未形成部の高さ位置との高低差を前記摺動面の算術平均粗さ以上とするのが好ましい。また、前記周期構造部の凸部高さ位置と未形成部の高さ位置との高低差を前記摺動面の最大高さ粗さ以下とするのが好ましい。

周期構造部の周期ピッチを１０μｍ以下とするのが好ましく、周期構造部の凹部の深さが１μｍ以下とするのが好ましい。また、周期構造部の全凹部の一方の端部が外部に開口して流体導入口となるのが好ましい。

前記流体導入溝の深さを、前記周期構造部の凹部深さの３倍以上１００倍以下とするのが好ましい。溝深さが油膜厚さと同程度のとき負荷容量が最大となるため、周期構造部による負荷容量は油膜厚さがミクロンオーダになると急激に低下する。このときポンピング効果を有する流体導入溝の深さをこのように設定することによって、油膜厚さがミクロンオーダになった場合でも、油膜保持に十分な負荷容量を得ることができる。流体導入溝の深さが周期構造部の凹部深さの３倍未満では、高速・低荷重時の摩擦係数低減効果が小さくなり、負圧領域の解消にも支障がでる。また、流体導入溝の深さが周期構造部の凹部深さの１００倍を越えると、ミクロンオーダの油膜厚さで負荷容量がほとんど得られなくなる。

周期構造部は、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバラップさせながら走査して、自己組織的に形成されているのが好ましい。また、周期構造部と前記高低差とは同時加工により形成されてなるのが好ましい。

本発明の摺動面構造では、周期構造部による攻撃性が緩和され、相手側部材の摩耗増大を防止でき、摺動面構造として長期にわたって安定した機能を発揮することができる。また、流体導入効果（ポンピング効果）とステップ効果とを併せ持つことになり、負荷容量の低減を低く抑えながら周期構造部の攻撃性を有効に緩和でき、高品質の摺動面構造の提供が可能となる。摺動面周縁全体から潤滑剤を引き込むことができ、負圧を発生することなく効率的にポンピング効果とステップ効果による負荷容量を得ることができる。

特に、周期構造部の摺動方向上流側に、ポンピング効果を有する流体導入溝を設けることによって、優れた流体・混合潤滑特性を備えることになる。しかも、流体導入溝に摩耗粉を回収することができ、摩耗粉による潤滑摺動性の低下を防止できる。

周期構造部の凸部高さ位置と未形成部の高さ位置との高低差を前記摺動面の算術平均粗さ以上とすれば、２面間の接触がともなう混合潤滑状態において周期構造がほとんど荷重支持することなく摺動する。このため、周期構造部の攻撃性を大幅に低減することができる。

前記周期構造部の凸部高さ位置と未形成部の高さ位置との高低差を前記摺動面の最大高さ粗さ以下とすれば、負荷容量の大幅な低下を防止することができる。

周期構造部の凹凸ピッチを１０μｍ以下とした場合、摺動面のうねり等に起因する潤滑剤の漏れ（側方漏れ）を冗長的に抑えることができ、効率的に動圧を得ることができる。周期構造部の凹部の深さを１μｍ以下とした場合、油膜変動が小さく、高い負荷容量と剛性を得ることができる。また、混合潤滑においても固体接触部の荷重を低下させる作用があり、摩擦低減効果を発揮する。周期構造部の全凹部の一方の端部が外部に開口しているものでは、摺動面周縁全体から潤滑剤を引き込むことができる。

流体導入溝の深さを、前記のように設定することによって、高速・低荷重時の摩擦係数を低減でき、しかも、ミクロンオーダの油膜厚さで負荷容量を得ることができる。

周期構造部は、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバラップさせながら走査して、自己組織的に形成したものでは、機械加工では困難なサブミクロンの周期ピッチと凹凸深さを持つものを容易に形成できる。

周期構造部と前記高低差とが同時加工により形成されるものでは、加工時間を短縮できて生産性の向上及び低コスト化を図ることができる。また、同時加工は、レーザの出力を調整することにより可能で安定して高精度に、周期構造形成と同時に周期構造部の凸部高さ位置と未形成部の高さ位置との高低差を摺動面の粗さオーダで形成することができる。

本発明の第１の実施形態を示す摺動面構造の要部拡大断面図である。 前記図１に示す摺動面構造の周期構造部を有する摺動面の簡略図である。 前記摺動面に形成される周期構造部の拡大図である。 前記周期構造部を形成するためのレーザ表面加工装置の簡略図である。 算術平均粗さの定義を説明するためのグラフ図である。 最大高さ粗さの定義を説明するためのグラフ図である。 摺動面に形成される周期構造部と未形成部との変形例を示し、（ａ）は未形成部のコーナ部が第１部材の外周縁に一致している簡略図であり、（ｂ）は未形成部にコーナ部が形成されない簡略図である。 本発明の第２の実施形態を示す摺動面構造の要部拡大断面図である。 前記図８に示す摺動面構造の周期構造部を有する摺動面の簡略図である。 油膜厚さと負荷容量との関係を示すグラフ図である。 比較例を示し、（ａ）はスパイラルパターンの周期構造部が形成された摺動面の模式図であり、（ｂ）はステップパターンの周期構造部が形成された摺動面の模式図である。 段差高さと負荷容量との関係を示すグラフ図である。 スパイラルパターンと鋸刃スパイラルパターンとの平均摩擦係数の比較を示すグラフ図である。 スパイラルパターンと（溝＋鋸刃スパイラル）パターンとの平均摩擦係数の比較を示すグラフ図である。 流体導入溝のみ形成した試験片と鋸刃スパイラルパターンと（溝＋鋸刃スパイラル）パターンとの平均摩擦係数の比較を示すグラフ図である。

以下本発明の実施の形態を図１〜図１５に基づいて説明する。

本発明に係る摺動面構造は、図１に示すように、第１部材１の摺動面１ａと第２部材２の摺動面２ａとが潤滑剤Ｌ下で相対的に摺動するものである。この場合、第１部材１及び第２部材２は、炭素鋼、銅、アルミニウム、白金、超硬合金等であっても、炭化ケイ素や窒化ケイ素等のシリコン系セラミックスであっても、エンジニアプラスチック等であってもよい。また、潤滑剤Ｌとしても、水やアルコールであっても、さらにはエンジンオイル等の潤滑油等であってもよい。すなわち、第１・第２部材１、２の材質、使用する環境等に応じて種々の潤滑剤を用いることができる。また、第１部材１を例えば図２に示すようにリング体とし、第２部材２を例えば円盤形状体で構成した。

第１部材１の上面が摺動面１ａとなり、第２部材２の下面が摺動面２ａとなる。第１部材１の摺動面１ａにグレーティング状凹凸の周期構造部３と、周期構造部が形成されない周期構造未形成部８とが設けられる。すなわち、第１部材１の摺動面１ａに、複数の前記周期構造部３を有するリング状の周期構造集合部７と、内径側のリング部９と周方向に沿って所定ピッチで配設される複数の周期構造未形成部８とからなる周期構造未形成集合部４とが形成される。この場合、周期構造未形成部８は鋸刃形状としている。すなわち、周期構造未形成部８は、直線状の底辺８ａと円弧状の斜辺８ｂとを備えた複数個の扇形状体からなる。

周期構造部３は図３に示すように、微小の凹部５と微小の凸部６とが交互に所定ピッチで配設されてなるものである。周期構造部３の凹凸ピッチを１０μｍ以下とし、凹部５の深さを１μｍ以下とするのが好ましい。この場合、周期構造部３の凹部５は、第１部材１の外周縁（摺動面周縁）１ｂに連通（開口）している。第１部材１の内周縁１ｃには開口していない。また、周期構造未形成部８の中心角αを例えば、１９ｄｅｇとし、隣合う周期構造未形成部８間の間隔の中心角βを例えば、２６ｄｅｇとしている。また、周期構造未形成部８の底辺８ａと斜辺８ｂとのコーナ部８ｃは、第１部材１の外周縁よりも内径寄りに配置されている。

周期構造部３の凹部５はスパイラル状に湾曲し、その湾曲方向が未形成部８の斜辺８ｂの湾曲方向に合わされている。そして、第１部材１と第２部材２との少なくもいずれか一方がその軸心廻りに回転することによって、第１部材１の周期構造部３が、摺動面１ａの外周縁側から潤滑剤が第１部材１の内部に導入されるように設定される。この場合、周期構造部３の全凹部５が第１部材１の外周縁１ｂに開口しているので、摺動面周縁全体から潤滑剤を引き込むことができる。

周期構造部３は、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバラップさせながら走査して、自己組織的に形成している。具体的には、図４に示すフェムト秒レーザ表面加工装置を使用する。レーザ発生器１１（チタンサファイアフェムト秒レーザ発生器）で発生したレーザ（例えば、パルス幅：１２０ｆｓ、中心波長８００ｎｍ、繰り返し周波数：１ｋＨｚ、パルスエネルギー：０．２５〜４００μＪ／ｐｕｌｓｅ）は、ミラー１２により加工材料Ｗに向けて折り返され、メカニカルシャッタ１３に導かれる。レーザ照射時はメカニカルシャッタ１３を開放し、レーザ照射強度は１／２波長板１４と偏光ビームスプリッタ１６によって調整可能とし、１／２波長板１５によって偏光方向を調整し、集光レンズ（焦点距離：１５０ｍｍ）１７によって、ＸＹθステージ１９上の加工材料Ｗ表面に集光照射する。なお、フェムト秒レーザはフェムト秒（１０００兆分の１秒）オーダーという極端に短い時間単位の中にエネルギーを圧縮した光源である。

すなわち、アブレーション閾値近傍のフルエンスで直線偏光のレーザをワーク（加工材料）Ｗに照射した場合、入射光と加工材料Ｗの表面に沿った散乱光またはプラズマ波の干渉により、波長オーダのピッチと溝深さを持つグレーティング状の周期構造部を偏光方向に直交して自己組織的に形成する。このとき、フェムト秒レーザをオーバラップさせながら走査させることで、周期構造部を広範囲に拡張することができる。

レーザのスキャンは、レーザを固定して加工材料Ｗを支持するＸＹθステージ１９を移動させても、ＸＹθステージ１９を固定してレーザを移動させてもよい。あるいは、レーザとＸＹθステージ１９を同時移動させてもよい。なお、前記図３は、前記フェムト秒レーザ表面加工装置にて形成した周期構造部３を電子顕微鏡で撮像した図である。

そして、本発明の摺動面構造では、図１に示すように、周期構造部３の凸部高さ位置を未形成部８の高さ位置よりも低く設定している。周期構造部３の凸部高さ位置Ａと未形成部８の高さ位置Ｂとの高低差を摺動面１ａ（第１部材１の上面における未形成部８及び周期構造部３より内径側の面）の算術平均粗さＲａ以上としている。また、この高低差を摺動面１ａの最大高さ粗さＲｚ以下としている。

算術平均粗さＲａは、図５に示すように、粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さだけを抜き取り、この抜取り部分の平均線ｍの方向にX軸を、縦倍率の方向にY軸を取り、粗さ曲線をｙ=ｆ（ｘ）で表したときに、次の数１の式によって求められる値をマイクロメートル（μｍ）で表したものをいう。

また、最大高さ粗さＲｚは、図６に示すように、粗さ曲線からその平均線ｍの方向に基準長さだけを抜き取り、この抜取り部分の山頂線と谷底線との間隔を粗さ曲線の縦倍率の方向に測定し、この値をマイクロメートル（μｍ）で表したものをいう。すなわち、（Ｒｚ＝Ｒｐ＋Ｒｖ）となる。

本発明において、図１に示すように、摺動面１ａから周期構造部３の凸部高さ位置Ａまでを段差高さ（高低差）Ｔと呼び、周期構造部３の凸部６の高さ（周期構造部３の凹部５の深さ）を周期構造部深さＴ１と呼び、摺動運動中の摺動面間隙間を平滑部すきまＳと呼ぶ。

また、周期構造部３と前記高低差（段差高さ）Ｔとは同時加工により形成することができる。すなわち、フェムト秒レーザ表面加工装置において、周期構造部３を形成する際に、レーザの出力を調整することによって、その同時加工が可能となる。

本発明の摺動面構造では、周期構造部３の凸部高さ位置Ａを未形成部８の高さ位置Ｂよりも低く設定したことによって、２面間の接触がともなう混合潤滑において、周期構造部による攻撃性が緩和される。ここで、周期構造部３による攻撃性とは、相手側部材に対する摩耗増大性や損傷性等である。また、周期構造部３が摺動面周縁１ｂに連通されているので、第１部材と第２部材の摺動動作によって、摺動面周縁１ｂから潤滑剤Ｌを摺動面内方へ導入することができる（この作用を流体導入効果（ポンピング効果）と呼ぶ）。ステップ効果による負荷容量はポンピング効果による負荷容量に比べて、段差高さ（周期構造部の凸部高さ位置と未形成部の高さ位置との高低差）による影響が小さいため、負荷容量の低減を低く抑えながら周期構造の摩耗や攻撃性を緩和することができる。このように、周期構造部３と未形成部８とが摺動方向に沿って交互に形成され、しかも、周期構造部３の凸部高さ位置Ａを未形成部８の高さ位置Ｂよりも低く設定することによって、周期構造部３と未形成部８との境界で圧力が発生し、摺動方向に圧力勾配ができる（この作用をステップ効果と呼ぶ）。このように、周期構造部３と未形成部８とを設けることによって、周期構造部３の凸部高さ位置Ａと未形成部８の高さ位置Ｂとの高低差を大きくしても負荷容量の減少を少なくできる。特に、周期構造未形成部を鋸刃形状としたことによって、摺動面周縁全体から潤滑剤を引き込むことができる。

したがって、本発明の摺動面構造では、流体導入効果とステップ効果とを併せ持つことになる。ステップ効果による負荷容量は流体導入効果の負荷容量に比べて、周期構造部３の凸部高さ位置Ａが周期構造未形成部８の高さ位置Ｂよりも低くなることによる影響が小さい。

すなわち、本発明の摺動面構造では、周期構造部３による攻撃性が緩和され、相手側部材（この場合、第２部材２）の摩耗増大を防止でき、摺動面構造として長期にわたって安定した機能を発揮することができる。また、流体導入効果（ポンピング効果）とステップ効果とを併せ持つことになり、負荷容量の低減を低く抑えながら周期構造部３の攻撃性を有効に緩和でき、高品質の摺動面構造の提供が可能となる。摺動面周縁全体から潤滑剤を引き込むことができ、負圧を発生することなく効率的にポンピング効果とステップ効果による負荷容量を得ることができる。

周期構造部３の凸部高さ位置Ａと未形成部８の高さ位置Ｂとの高低差を前記摺動面の算術平均粗さ以上とすれば、２面間の接触がともなう混合潤滑状態において周期構造がほとんど荷重支持することなく摺動する。このため、周期構造部３の攻撃性を大幅に低減することができる。

前記周期構造部３の凸部高さ位置Ａと未形成部８の高さ位置Ｂとの高低差を摺動面１ａの最大高さ粗さ以下とすれば、負荷容量の大幅な低下を防止することができる。

周期構造部３の凹凸ピッチを１０μｍ以下とした場合、摺動面のうねり等に起因する潤滑剤Ｌの漏れ（側方漏れ）を冗長的に抑えることができ、効率的に動圧を得ることができる。周期構造部３の凹部５の深さを１μｍ以下とした場合、油膜変動が小さく、高い負荷容量と剛性を得ることができる。また、混合潤滑においても固体接触部の荷重を低下させる作用があり、摩擦低減効果を発揮する。周期構造部の全凹部の一方の端部が外部に開口しているものでは、摺動面周縁全体から潤滑剤を引き込むことができる。

周期構造部は、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバラップさせながら走査して、自己組織的に形成したものでは、機械加工では困難なサブミクロンの周期ピッチと凹凸深さを持つものを容易に形成できる。

周期構造部３と前記高低差とは同時加工により形成されるものでは、加工時間を短縮できて生産性の向上及び低コスト化を図ることができる。また、同時加工は、レーザの出力を調整することにより可能で安定して高精度に、周期構造形成と同時に周期構造部の凸部高さ位置と未形成部の高さ位置との高低差を摺動面の粗さオーダで形成することができる。

次に、図７は変形例を示し、図７（ａ）では、未形成部８の底辺８ａと斜辺８ｂとのコーナ部８ｃが、第１部材１の外周縁に一致している場合である。また、図７（ｂ）では、未形成部８がエッジ部８ｃを形成しないものである。つまり、未形成部８の底部８ａの外周端２０と未形成部８の斜辺８ｂの外周縁２１とが、周方向にずれた状態で、第１部材１の外周縁１ｂに一致するものである。この図７（ａ）（ｂ）に示すものであっても、前記図２に示すものと同様の作用効果を奏する。

次に、図８と図９は摺動面構造の第２の実施形態を示す。この摺動面構造では、周期構造部３が形成された第１部材１に、周期構造部３の摺動方向上流側に流体導入溝３０が設けられている。すなわち、流体導入溝３０は、未形成部８の円弧状の斜辺８ｂに沿って形成される円弧状の凹溝であって、第１部材１の外周縁１ｂに開口し、第１部材１の内周縁１ｃには開口しない。

流体導入溝３０の深さ寸法ｄとしては、周期構造部３の凹部深さＴ１の３倍以上１００倍以下としている。例えば、流体導入溝３０の幅寸法Ｗ１を０．６ｍｍ程度、流体導入溝３０の深さ寸法ｄを３μｍ程度としている。また、流体導入溝３０の深さ寸法ｄとしては、周期構造部３の凸部高さ位置Ａと未形成部８の高さ位置Ｂとの高低差Ｔの３倍以上１００倍以下であってもよい。この場合、凹部深さＴ１と高低差Ｔとは、同一であっても、Ｔ１＞Ｔであっても、Ｔ１＜Ｔであってもよい。

この流体導入溝３０を設けることによって、高速・低荷重時において流体導入溝３０による動圧が効率的に発生する。なお、流体導入溝３０がない場合、周期構造部の摺動方向上流側に負圧領域が発生する場合があるが、流体導入溝３０を設けることで負圧領域が消滅し、負荷容量を大幅に増加することができる。このため、流体導入溝３０を設けることによって、優れた流体・混合潤滑特性を備えることになる。

また、流体導入溝３０を設けることによって、摺動時等に発生するおそれがある摩耗粉を、この流体導入溝３０に回収することができ、摩耗粉による潤滑摺動性の低下を防止できる。

前記流体導入溝３０の深さとしては、前記したように、周期構造部３の凹部深さＴ１の３倍以上１００倍以下とするのが好ましい。溝深さが油膜厚さと同程度のとき負荷容量が最大となるため、周期構造部３による負荷容量は油膜厚さがミクロンオーダになると急激に低下する。このときポンピング効果を有する流体導入溝３０の深さをこのように設定することによって、油膜厚さがミクロンオーダになった場合でも、油膜保持に十分な負荷容量を得ることができる。流体導入溝３０の深さが周期構造部３の凹部深さの３倍未満では、高速・低荷重時の摩擦係数低減効果が小さくなり、負圧領域の解消にも支障がでる。また、流体導入溝３０の深さが周期構造部３の凹部深さの１００倍を越えると、ミクロンオーダの油膜厚さで負荷容量がほとんど得られなくなる。このため、流体導入溝３０の深さを前記した深さに設定すれば、高速・低荷重時の摩擦係数を低減でき、しかも、ミクロンオーダの油膜厚さで負荷容量を得ることができる。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、例えば、前記実施形態では、周期構造部３を第１部材１側に設けていたが、周期構造部３を第２部材２側に形成してもよく、第１部材１及び第２部材２の両側に設けてもよい。また、第１部材１と第２部材２の形状としても、図例のものに限らず、他の種々の形状のものにて構成できる。周期構造部３の大きさや形状、未形成部８の数、大きさ、又は形状等は図２及び図７に限るものではなく、すなわち、未形成部８が三角形状等であってもよく、使用する第１・第２部材の大きさ、材質、潤滑剤の種類、摺動速度等に応じて種々変更することができる。もちろん、図７に示すような周期構造部３を備えた摺動面構造においても、図８に示すような流体導入溝３０を設けるのが好ましい。

第１部材１と第２部材２の相対的な摺動運動は、第１部材１を固定して第２部材２を摺動（回転）させるものであっても、逆に第２部材２側を固定して、第１部材側を摺動（回転）させるものであってもよい。すなわち、周期構造部３が形成されている方を摺動させても、周期構造部３が形成されない方を摺動（回転）させてもよい。また、第１部材１と第２部材２の双方を摺動（回転）させるものであってもよい。

また、前記実施形態では、図１等に示す周期構造部３においては、凹部５を第１部材１の内周縁１ｃに開口させることなく外周縁１ｂに開口させて、外周側から内周側に潤滑剤を引き込むものとしていたが、逆に、凹部５を外周縁１ｂに開口させることなく内周縁１ｃに開口させて、内周側から外周側に潤滑剤を引き込むものであってもよい。

前記実施形態では、周期構造部３の凹部５はスパイラル状に湾曲し、その湾曲方向が未形成部８の斜辺８ｂの湾曲方向に合わされているが、合わされない場合であってもよい。すなわち、周期構造部３の湾曲方向が、未形成部８の斜辺８ｂの湾曲方向に対して、周方向に沿ってねていたり、たっていたりしてもよい。

さらに、未形成部８の中心角αや隣合う未形成部８間の間隔の中心角βも任意に設定できるが、ステップ効果を有効に発揮する上で、α：β＝１：２〜１：１程度とするのが好ましい。

ところで、前記実施形態では、周期構造部３を形成する際に、パルスレーザであるフェムト秒レーザを用いたが、フェムト秒レーザ以外のピコ秒レーザやナノ秒レーザといったパルスレーザを使用することもできる。

本発明の摺動面構造によれば、流体導入効果及びステップ効果を発揮して低摩擦を得ることができる。このため、本発明の摺動面構造は、各種の自動車部品、機械部品、ポンプ等の種々の機器に使用可能である。

図８と図９に示す摺動面構造では、各流体導入溝３０の深さ寸法および幅寸法を同一に設定していたが、深さ寸法や幅寸法が相違する流体導入溝３０を有するものであってもよい。相違する流体導入溝３０を有する場合、第１部材１と第２部材２とがアンバランスの回転摺動にならないように、相違する流体導入溝３０をバランスよく配置するのが好ましい。このように、深さ寸法等が相違する流体導入溝３０を配置すれば、相違する流体導入溝３０毎に相違するポンピング効果を発揮でき、使用する機器に対して最適機能を発揮させることができる。また、図８と図９に示す摺動面構造では、周期構造部３毎に流体導入溝３０が連設されていたが、周期構造部３毎に設けることなく、所望の周期構造部３にものみ流体導入溝３０を連設してもよい。

周期構造部３の摩耗や相手攻撃性を緩和するめには段差高さＴ（図１参照）を設け、周期構造部３の凸部高さ位置Ａを周期構造未形成部８の高さ位置Ｂより低くすることが有効である。しかし、段差高さＴを大きくすると負荷容量が減少し、油膜の荷重分担率が低下するため、混合潤滑特性にも悪影響が出る。そのため、負荷容量に段差高さの影響が出にくいパターンニングの開発が望まれている。また、同時に流体潤滑時の低摩擦化も強く望まれている。

後述する図１１（ａ）に示すようにスパイラル状の周期構造では、一般的なミクロンサイズの溝深さをもつスパイラルグルーブ軸受よりも薄く高剛性な油膜が形成される。スパイラルパターンの溝深さを２００ｎｍおよび６μｍとし、相対負荷容量を計算した結果を図１０に示す。油膜厚さが薄くなると、溝深さ２００ｎｍの方が圧倒的に高負荷容量・高剛性となることがわかる。溝深さ６μｍの場合、油膜厚さの減少にともなう負荷容量の増加が少ないため，負荷変動や振動により容易に2面間の接触が生じる。一方、溝深さ２００ｎｍの場合、油膜厚さが１μｍから０．１μｍに減少すると負荷容量は３桁増大するため，平面度の高いしゅう動面では２面間の接触をほぼ回避することができる。

サブミクロンの周期ピッチと溝深さをもつグレーティング状の周期構造は油膜厚さが数ミクロンまで増加すると負荷容量がほとんど発生しなくなるため、低速・高荷重から高速・低荷重まで油膜厚さの変動が小さく、常に薄い油膜形成が求められるメカニカルシールや工作機械の案内面には好適な特性である。しかしながら、高速・低荷重での摩擦係数は流体潤滑としては比較的高い値となる。そこで、流体潤滑〜混合潤滑にわたる広い摺動条件において優れた潤滑特性が得られる摺動面構造を検討した。

試験片（リング試験片）として、図１１（ａ）に示すように周期構造部３がスパイラルパターンであるものと、図１１（ｂ）に示すように周期構造部３がステップパターンであるものを使用した。すなわち、図１１（ｂ）では、同心円状に周期構造部３（３Ａ）を周方向に沿って所定ピッチで、６個配置したものあり、未周期構造部４は、試験片（リング試験片）の内径側に配設されるリング部４ａと、周期構造部３Ａ間に配設される略矩形状の未形成部８（８Ａ）とからなる

図１１（ａ）の試験片は、周期構造部（ピッチ０．７μｍ、深さ０．２μｍ）をスパイラル状に形成したものであり、図１１（ｂ）の試験片は同心円状の周期構造部を周方向に沿って間欠的に形成したものである。この図１１は各パターンの模式図を示し、各パターン（スパイラルパターン、ステップパターン）の負荷容量を無限溝数理論を用いて計算した。

平滑部すきまＳ（図１参照）を０．２μｍとし、スパイラルパターンとステップパターンの周期構造形成領域を最適化した際の段差高さと負荷容量の関係を図１２に示す。スパイラルパターンは段差高さ０では大きな負荷容量が得られるが、段差高さの増加に対して負荷容量が指数的に減少する。ステップパターンでは段差高さの増加によって負荷容量が一旦増加した後、緩やかに減少に転じている。ステップパターンの負荷容量はスパイラルパターンと比較して段差高さの影響を受けにくく、段差高さ０．１μｍではステップパターンの負荷容量の方がスパイラルパターンより若干大きくなっている。しかし、ステップパターンはポンピング効果を有していない。なお、図１２の縦軸は任意単位（ａ．ｕ．）である。

そこで、スパイラル状周期構造が摺動縁全周に連通し，ポンピング効果とステップ効果も併せもつパターニングとして鋸刃スパイラルパターン(図２に示すパターン)を作成した。ポンピング効果とステップ効果を併せもたせることで、負荷容量の低減を低く抑えつつ周期構造の攻撃性を緩和できる摺動面構造とすることができる。

さらに、ポンピング効果と負圧解消効果を併せもつスパイラル状の流体導入溝と鋸刃スパイラルとを組み合わせた（溝＋鋸刃スパイラル）パターン（図９に示すパターン）を作成した。（溝+鋸刃スパイラル）パターンでは，スパイラル溝によって、高速・低荷重時の潤滑特性向上のほかに、混合潤滑時の摩耗粉回収効果、潤滑剤保持効果も期待される。

リングオンディスク試験装置を用いて実験を行った。リング試験片を回転側試験片（ＳＵＳ４４０Ｃ）、ディスク試験片（アルミナ）を固定側試験片とした。各試験片の表面粗さはＲａ０．０２μｍ以下とした。ディスク試験片は全て鏡面とし、リング試験片（外径１６ｍｍ、内径１０ｍｍ）はスパイラル（図１１（ａ）に示すパターン）、鋸刃スパイラル（図２に示す本発明に係るパターン）、および（溝＋鋸刃スパイラル）（図９に示すパターン）の３パターンとした。摺動方向に対する周期構造の傾斜角はθ＝４５°とした。周期構造のピッチは約０．７μｍ、深さは約０．２μｍとし、段差高さは約０．１μｍとした。流体導入溝３０の幅は０．６ｍｍとし、流体導入溝３０の深さを３μｍとした。なお、比較のため、流体導入溝３０（幅が０．６ｍｍ、深さが３μｍ）のみ形成した試験片も作成した。基本的な潤滑特性を評価するため、潤滑剤には極性を持たず熱的・化学的に安定なＰＡＯ４（１８．８２ｃＰ ＠３７℃）を用いた。荷重は４０Ｎ（０．３３ＭＰａ）とし、摺動速度を８１．５ｍｍ／ｓから３．３ｍｍ／ｓまで段階的に低下させながら、各摺動速度における５ｍｉｎの平均摩擦係数を測定した。なお、鋸刃スパイラルパターンにおいては、未形成部８の中心角αを１９ｄｅｇとし、隣合う未形成部８間の間隔の中心角βを２６ｄｅｇとしている。

スパイラルと鋸刃スパイラルの平均摩擦係数の比較を図１３に示す。鋸刃スパイラルは最小油膜厚さとなる鏡面部分がスパイラルより広いにもかかわらず流体潤滑領域の摩擦係数が低下していることから、負荷容量増大に有効なパターンと言える。また、混合潤滑となる低速しゅう動域の摩擦係数の上昇勾配も小さくなった。負荷容量増大の要因として、周期構造に起因するポンピング効果、段差高さに起因するステップ効果に加えて、内周側に行くにつれて先細りしている周期構造形成領域形状に起因する負荷容量が生じている可能性が考えられる。図１４は、スパイラルと（溝＋鋸刃スパイラル）の平均摩擦係数の比較を示している。流体潤滑域の摩擦係数において、（溝＋鋸刃スパイラル）の場合、スパイラルの約１／３に低下する。

また、鋸刃スパイラル、（溝＋鋸刃スパイラル）、及び流体導入溝３０のみ形成した試験片の平均摩擦係数の比較を図１５に示す。深さ３μｍの流体導入溝３０のみ形成した試験片は、比較的厚い油膜が形成される高速域では鋸刃スパイラルより低摩擦となった。しかし、油膜が薄くなる低速域では負荷容量が小さく、焼き付きを生じた。流体導入溝と鋸刃スパイラルを複合した（溝＋鋸刃スパイラル）は両者の中間的な特性ではなく、全ての速度域で最も低摩擦となった。高速域では流体導入溝３０のみの特性に漸近し、低速域まで流体潤滑が支配的となった。（溝+鋸刃スパイラル）の３．３ｍｍ／ｓにおける平均摩擦係数０．００２から算出した平均等価すきまは８６ｎｍであった。このような極めて薄い油膜を介したしゅう動状態は周期構造３の高負荷容量と理想的ななじみの進行によって実現されたと考えられる。平均等価すきまが小さくなるにしたがって、流体導入溝３０によるポンピング効果はほとんど無視できるようになるが，流体導入溝３０による負圧解消効果、異物のトラップ効果、潤滑剤保持効果が理想的ななじみに寄与したとものと考えられる。

１ 第１部材
１ａ 摺動面
１ｂ 摺動面周縁
１ｃ 内周縁
２ 第２部材
２ａ 摺動面
３ 周期構造部
５ 凹部
６ 凸部
８ 周期構造未形成部
３０ 流体導入溝

Claims (10)

1. 第１部材の摺動面と第２部材の摺動面とが潤滑剤下で相対的に摺動する摺動面構造であって、第１部材と第２部材との少なくともいずれか一方の摺動面に、摺動面周縁に連通して摺動面周縁から潤滑剤の摺動面内方への導入を可能とするグレーティング状凹凸の周期構造部と、周期構造部との境界部において摺動方向に圧力勾配を生じさせる周期構造未形成部とが摺動方向に沿って交互に形成され、かつ、周期構造部の凸部高さ位置を未形成部の高さ位置よりも低く設定するとともに、前記周期構造未形成部の形状を周期構造部が連通する摺動面周縁全体からの潤滑剤の引き込みを可能とする鋸刃形状としたことを特徴とする摺動面構造。
2. 前記周期構造部の摺動方向上流側に、この周期構造部の凹部深さよりも深くポンピング効果を有する流体導入溝を形成したことを特徴とする請求項１に記載の摺動面構造。
3. 前記周期構造部の凸部高さ位置と未形成部の高さ位置との高低差を前記摺動面の算術平均粗さ以上としたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の摺動面構造。
4. 前記周期構造部の凸部高さ位置と未形成部の高さ位置との高低差を前記摺動面の最大高さ粗さ以下としたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の摺動面構造。
5. 周期構造部の周期ピッチが１０μｍ以下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項に記載の摺動面構造。
6. 前記周期構造部の凹部の深さが１μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の摺動面構造。
7. 前記周期構造部の全凹部の一方の端部が外部に開口して流体導入口となる請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の摺動面構造。
8. 前記流体導入溝の深さを、前記周期構造部の凹部深さの３倍以上１００倍以下としたことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の摺動面構造。
9. 前記周期構造部は、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバラップさせながら走査して、自己組織的に形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の摺動面構造。
10. 前記周期構造部と前記高低差とは同時加工により形成されてなることを特徴とする請求項９に記載の摺動面構造。