摺動ユニット及び摺動方法
【課題】 乾燥摩擦条件下であっても、大気中において、耐摩耗性を向上させると共に摩擦係数を低減することができる摺動ユニットを提供する。
【解決手段】互いに摺動する摺動部材Ｂ，Ｄのうち、少なくとも一方の摺動面に硬質炭素被膜ｆが形成された一対の摺動部材Ｂ，Ｄと、該一対の摺動部材Ｂ，Ｄの摺動面間に電圧を印加する電圧印加手段Ｅと、を備えてなる。
【解決手段】互いに摺動する摺動部材Ｂ，Ｄのうち、少なくとも一方の摺動面に硬質炭素被膜ｆが形成された一対の摺動部材Ｂ，Ｄと、該一対の摺動部材Ｂ，Ｄの摺動面間に電圧を印加する電圧印加手段Ｅと、を備えてなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも一方の摺動面に硬質炭素被膜を形成した一対の摺動部材を備えた摺動ユニット及びこれらの摺動部材を摺動させる摺動方法に係り、特に、乾式下において、耐摩耗性を向上させると共に摩擦係数を低減することができる摺動ユニット及び摺動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、自動車産業などの我が国の基幹産業において、トライボロジーは重要な役割を担っている。例えば、自動車産業においては、現在、地球環境保全のため、自動車からの排出される二酸化炭素の削減を目指してさまざまな取り組みが行われており、その一例としてハイブリットシステムなどのエネルギー効率の良い動力源の開発が良く知られている。しかし更なる低燃費を目指すためには、動力源の開発だけでなくエンジン内部および駆動系における摩擦によるエネルギーの伝達ロスの低減が重要な課題となる。
【０００３】
このような課題を鑑みて、動力系機器における摺動部材の摩擦係数の低減化、耐摩耗性の向上を図るべく、摺動部材の摺動面を被覆する新たなトライボロジー材料としての非晶質炭素材料（ＤＬＣ）などの硬質炭素材料が注目されている。
【０００４】
このような硬質炭素材料を利用した摺動部材の一例として、基材上に被膜を有する摺動部材であって、その被膜の最表面に、ビッカース硬さがＨｖ１０００〜５０００のダイヤモンドライクカーボン、メタル入りダイヤモンドライクカーボン、窒化炭素からなる層を備えた摺動部材が開示されている（特許文献１参照）。
【０００５】
またこの他にも、相対向して摺動する二つの部材のうち少なくとも一方の部材の摺動面に非晶質窒化炭素膜（ａ−ＣＮｘ膜）が被覆されており、乾摩擦において摺動面が摺動し合う摺動部が実質的に窒素ガス雰囲気となるように構成した摺動装置が開示されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００４−１６９１３７号公報
【特許文献２】特開２００２−３３９０５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１に記載したような硬質炭素材料を摺動部材の摺動面に被覆した場合であっても、流体潤滑状態に近づけるべく、摺動部材の摺動面間に潤滑油等を供給しながら摺動部材を摺動させることが一般的である。しかし、このような場合、摺動部材に作用する面圧や摺動部材を取り巻く温度を含めた環境により潤滑油の特性も変化し、それに伴い摺動部材の摩擦摩耗特性も変化してしまう。そして、油の清浄度の悪化、給脂不良などにより、摺動面において油膜切れが発生し、さらには乾燥摩擦に近い状態に陥る虞もあり、この場合には摺動材料の相互表面に凝着が発生しやすくなり、摩擦係数は高くなってしまう。
【０００７】
また、引用文献２に記載の装置の如く乾摩擦においてａ−ＣＮｘ膜を被覆した場合には、窒素雰囲気下では、摩擦係数が０．００９という非常に低い値を示す。しかし、自動車を含む一般的な機械構造体は大気中で使用されるため、大気中において優れたトライボロジー特性を発揮することが求められるが、このａ−ＣＮｘ膜を被覆した摺動部材を大気中において摺動させた場合には、摩擦係数は０．１５と低摩擦にならない。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、乾式下（乾燥摩擦条件下）であっても、大気中において、耐摩耗性を向上させると共に摩擦係数を低減することができる摺動ユニット及び摺動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、乾燥摩擦条件下で大気中において、摺動面に硬質炭素被膜を形成した摺動部材を摺動させたときに、摺動部材が低摩擦とならないのは、この硬質炭素被膜の摺動面が摺動時に酸化して硬質炭素のグラファイト化が阻害されることによると考えた。そして、発明者らは、このような考察に基づいて多くの実験と研究を行うことにより、乾式下で大気中においてこの摺動面間に電場を作用させると、硬質炭素被膜の耐摩耗性が向上するばかりか、その電場の作用させる方向によっては、硬質炭素被膜の摺動面の酸化が抑制され、低摩擦の状態を維持することができるとの知見を得た。
【００１０】
本発明は、本発明者らが得た上記の新たな知見に基づくものであり、本発明に係る摺動ユニットは、互いに摺動する摺動部材のうち、少なくとも一方の摺動面に硬質炭素被膜が形成された一対の摺動部材と、該一対の摺動部材の摺動面間に電圧を印加する電圧印加手段と、を備えることを特徴としている。
【００１１】
本発明の如き摺動ユニットは、摺動面間に電圧を印加することにより、乾式下において硬質炭素被膜を形成した摺動部材の耐摩耗性を向上させることができる。また、このような電圧印加手段が摺動面間に印加する電圧は、正負いずれの電圧を印加しても、摺動面の摩耗を低減することができる。
【００１２】
また、前記電圧印加手段は、硬質炭素被膜が形成された一方の摺動部材が他方の摺動部材に比べて電位が低くなるように、前記一対の摺動部材に接続されていることがより好ましい。このように摺動時において、一対の摺動部材のうち硬質炭素被膜が形成された一方の摺動部材を他方の摺動部材に比べて電位を低くする（負の電圧を印加する）ことにより、硬質炭素被膜が形成された摺動面の酸化を抑制することができ、酸化による被膜のグラファイト化が阻害されることを防止することが可能となる。その結果、硬質炭素被膜の摺動面に生成されたグラファイトが摺動時に固体潤滑剤として作用するので、大気中において乾式下（乾燥摩擦条件下）で摺動部材の摩擦係数を低減することができる。
【００１３】
そして、潤滑油、グリースを供給する必要がなく、このような乾式下で摩擦係数を極めて低い値まで低減することができるので、このような摺動ユニットの適用範囲は、極めて広範である。
【００１４】
さらに、このように接続された電圧印加手段は、摺動面間に印加する電圧が１００Ｖ〜３００Ｖの範囲のうち任意の電圧となるように、設定可能であることがより好ましい。電圧印加手段が印加する電圧が１００Ｖよりも小さい場合（後述する実施例いうところの負の印加電圧−１００Ｖよりもさらに高い負の電圧を印加した場合）には、印加電圧が０Ｖまでは摺動部材の摩擦係数を低減することはできるが充分であるとはいえず、この電圧が３００Ｖよりも大きい場合（後述する実施例いう負の印加電圧−３００Ｖよりも低い負の電圧を印加した場合）には、摺動面間の電位差が大きくなるため放電が発生する虞がある。また、このような電圧範囲に設定可能であるならば、電圧印加手段の電源の種類は特に限定されないが、この範囲となるように安定した電圧を印加させるためには、直流電源を用いることがより好ましい。
【００１５】
また、この摺動部材に形成された硬質炭素被膜は、摺動時において摺動面がグラファイト化し、且つ、耐摩耗性を得ることができるような表面硬さを有する炭素被膜であれば特に限定されるものではないが、より好ましくは、この被膜は、非晶質炭素被膜（ＤＬＣ被膜）、窒化炭素被膜（ＣＮｘ被膜）、またはダイヤモンド被膜である。
【００１６】
別の態様としては、この摺動ユニットの硬質炭素被膜は、非晶質窒化炭素被膜（ａ−ＣＮｘ被膜）であって、前記のような接続をされた電圧印加手段は、電圧が２００Ｖ前後となるように設定可能であることがより好ましい。このような被膜を用いて、被膜を形成した側の摺動部材の電位が他方の摺動部材の電位よりも低くなるようにして、摺動面間にこの範囲の電圧を印加させることにより、長時間に亘って摺動部材を摺動させたとしても、安定して摺動部材の低摩擦状態を維持することができる。
【００１７】
この硬質炭素被膜を摺動部材に成膜するにあたっては、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング、イオンビームミキシングなどを利用した物理気相成長法（ＰＶＤ）により成膜してもよく、プラズマ処理などを利用した化学気相成長法（ＣＶＤ）により成膜してもよい。また、ＤＬＣ被膜の一種である非晶質窒化炭素被膜（ａ−ＣＮｘ被膜）を形成する場合、窒化炭素被膜（ＣＮｘ被膜）を成膜する場合には、より安定した低摩擦特性を得るためには、被膜形成とイオン注入を同時に行うダイナミクスミキシング法によるイオンビーム法により、この被膜を形成することがより好ましい。また、このような成膜時において硬質炭素被膜中に、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｗ、Ｂなどの添加元素を含有させてもよく、このような元素を添加することにより、被膜の表面硬さを調整することもできる。
【００１８】
また、このような一対の摺動部材は、乾式下（乾燥摩擦条件下）において摺動させたとしてもアブレッシブ摩耗を抑制すべくグラファイトが固体潤滑剤として有効に作用するに好適な表面粗さであれば特に限定されるものではないが、この硬質炭素被膜の摺動面およびこの摺動面と摺動する他方の摺動部材の摺動面の表面粗さは、鏡面に近い方がより好ましい。
【００１９】
さらに、硬質炭素被膜を摺動部材の表面に形成するにあたっては、摺動部材の基材とこの被膜との間の密着力を高めるために、ケイ素（Ｓｉ）からなる中間層を設けてもよく、さらにこのケイ素の代わりに、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）またはタングステン（Ｗ）を用いてもよい。
【００２０】
さらに、この硬質炭素被膜を形成する基材は、摺動時において硬質炭素被膜との密着性を確保することができるような材質および表面硬さであれば、鉄、非鉄金属等と特に限定されるものではなく、この摺動部材と摺動する他方の摺動部材も、この硬質炭素被膜に対して極端に表面硬さが低く、摺動時に摩耗し易いものでなければ特に限定されるものではない。
【００２１】
本発明は、上述した組合せ摺動部材の好適な摺動方法として以下に示す摺動方法をも開示する。本発明に係る摺動方法は少なくとも一方の摺動面に硬質炭素被膜が形成された一対の摺動部材の摺動面間に、電圧を印加しながら、乾式下において少なくとも一方の摺動部材を摺動させることを特徴としており、電圧の印加にあたっては、硬質炭素被膜が形成された一方の摺動部材が他方の摺動部材に比べて電位が低くなるように、摺動面間に電圧を印加することがより好ましい。
【００２２】
本発明の如き摺動方法は、乾式下において、一対の摺動部材の耐摩耗性を向上させるばかりでなく、酸化による被膜のグラファイト化が阻害されることを防止することができ、その結果、摺動部材の摩擦係数を小さくすることができる。また、乾式下において低摩擦化を図ることができるので、潤滑油、グリースなどの給脂不良による焼き付け等の問題が発生することなく、この摺動部材を適用した機器の長寿命化を図ることができる。さらに、このオイルレスによる摺動を行うことにより、機器及び機器周りのクリーン化を図ることができる。
【００２３】
さらに、印加電圧は、１００Ｖ〜３００Ｖの範囲内にあることが好ましく、前記硬質炭素被膜を、非晶質窒化炭素被膜（ａ−ＣＮｘ被膜）として、前記電圧を２００Ｖ前後の範囲内にあることがより好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る摺動ユニットによれば、乾式下であっても、大気中において、摺動部材の耐摩耗性を向上させると共に摩擦係数を低減することができる。この結果、この摺動ユニットを車両の動力機器に適用した場合には、摩擦抵抗によるエネルギー損失が少なくなるため、車両の燃費を向上させることができる。
【００２５】
さらに、本発明に係る摺動ユニットは、乾式下において摺動部材の摩擦係数を低減することが可能であるため、この摺動ユニットを適用した装置、機器のオイルレス化を図ることができる。
【実施例】
【００２６】
以下に、本発明を実施例により説明する。
（実施例１）
本発明に係る摺動ユニットの一対の摺動部材のうち、硬質炭素被膜を形成した一方の摺動部材として以下に示すディスク試験片を製作し、この摺動部材と摺動する他方の摺動部材として、以下に示すボール試験片を製作した。
【００２７】
＜ディスク試験片＞
硬質炭素被膜を成膜する基材として、直径５０ｍｍ、厚み０．３ｍｍ、円部表面（摺動面）が鏡面状態（１００面方位）となる、ディスク形状のシリコンウェハＳを準備した。そして、図６に示すようなイオンビームミキシング装置１０（日立製作所製）を用いて、このシリコンウェハＳの円部表面に非晶質窒化炭素被膜（硬質炭素被膜）を成膜した。具体的には、図６に示すように、シリコンウェハＳの円部表面が支持台１３上に配置された純度９９．９９９９％のカーボンターゲットＴと対向するように、真空チャンバ１１内のホルダ１２にシリコンウェハＳを保持させた。その後、真空チャンバ１１内の圧力を１×１０−７Ｔｏｒｒ以下とし、その後窒素ガスを導入して１×１０−５Ｔｏｒｒに調整した。そして、アルゴンイオン源１５から（１ｋＶ，１００ｍＡ）アルゴンイオンｇａをカーボンターゲットＴに照射し、カーボンターゲットＴをカーボンスパッター粒子ｓｃにすると同時に、窒素イオン源１４から加速エネルギー０．５ＫｅＶで窒素イオンｇｎをシリコンウェハＳに向けて照射して、成膜を行った。尚、この成膜時には、ホルダ１２と共にシリコンウェハＳを回転させ、成膜時間を９０分間とし、シリコンウェハの円部表面に厚さ１００ｎｍの非晶質窒化炭素被膜（ａ−ＣＮｘ被膜）を形成した。
【００２８】
＜ボール試験片＞
直径８ｍｍ、表面が略鏡面状態のステンレス鋼（ＪＩＳ規格：ＳＵＳ４４０Ｃ）からなる球形状のボール試験片を製作した。
【００２９】
＜摩耗試験＞
図１に示すボールオンディスク摩擦試験機５０を用いた。尚、本発明に係る「一対の摺動部材」はディスク試験片とボール試験片を示しており、本発明に係る「電圧印加手段」は、後述する試験機５０の直流電源Ｅを示している。
【００３０】
摩耗試験を行う事前準備として、ボール試験片Ｂをアセトンとエタノールで各１０分間超音波洗浄した。その後、ボール試験片Ｂを試験機５０の本体から取り外したボールホルダー３５に固定し、光学顕微鏡（図示せず）を用いてこの表面に傷が無いことを確認後、これらをデシケータ（図示せず）内に投入し、ボール試験片Ｂを乾燥させた。一方、ディスク試験片Ｄの表面に形成したａ−ＣＮｘ被膜ｆの表面（摺動面）の埃などの異物をハンドブロー（図示せず）で取り除いた。
【００３１】
次に、ディスク試験片Ｄをディスクホルダー４４に保持させると共に、ボール試験片Ｂが固定されたボールホルダー３５をＸ−Ｙステージ３１と一体となるように試験機５０の本体に取り付けた。平行板ばね３２に接着したひずみゲージ３３を用いて、ボール試験片Ｂがディスク試験片Ｄのａ−ＣＮｘ被膜ｆの表面に対して付加される荷重の値が１．０Ｎの荷重が付加されるようにＸ−Ｙステージ３１を調整して、これらを当接させた。
【００３２】
そして、ディスクホルダー４４下部にカーボンブラシ４６を当て、直流電源Ｅを用いて、ディスク試験片Ｄとボール試験片Ｂとの摺動面間に電圧をＤＣ−５０Ｖ（負の電圧）を印加した。この負（−）の電圧とは、ディスク試験片Ｄがボール試験片Ｂに比べて電位が低くなるように電圧を印加した場合の符号を示しており、本実施例においては、ボールホルダー３５はポリエチレン樹脂材３４によって、ディスクホルダー４４はゴムシート４５によって電気的に絶縁され、さらにディスク試験片Ｄを回転駆動させる側の部材、ボール試験片Ｂを押し付ける側の部材、及び、直流電源の一端は接地さているため、本実施例のＤＣ−５０Ｖの電圧を印加した場合には、ボール試験片が０Ｖ、ディスク試験片Ｄが−５０Ｖの電位となる。
【００３３】
このように電圧を印加した状態で、乾式下（乾燥摩擦条件下）で大気中において、モータ４１を駆動してプーリ４２を回転させ、ベルト４３を介してディスクホルダー４４のディスク試験片Ｄがボール試験片Ｂに対して、相対速度（摺動速度）が１２．６ｍｍ／ｓとなり、摩擦繰り返し数が１５０００サイクルとなるように、ディスク試験片Ｄを１５０００回、回転させた。また試験は、気圧１ａｔｍ、室温２５〜３０℃、湿度１８〜２９％ＲＨの雰囲気条件下で試験を行った（表１参照）。尚、湿度は、前記範囲となるように、真空チャンバ（図示せず）内にシリカゲル（図示せず）を配置した。
【００３４】
そして、試験終了後、このディスク試験片Ｄを試験機５０から取り出して、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて、ａ−ＣＮｘ被膜ｆに形成された摩耗痕の断面積を求めて、この被膜の比摩耗量を算出した。この結果を、表１及び図２に示す。
【００３５】
（実施例２〜４）
実施例１において製作した試験片と同じ試験片を製作し、摩耗試験を行った。実施例１と異なる点は、摩耗試験において実施例２〜４の順に印加した電圧をＤＶ−１００Ｖ，ＤＣ−２００Ｖ,ＤＣ＋５０Ｖにした点である。実施例２〜４についても、実施例１と同様に、ａ−ＣＮｘ被膜の比摩耗量を算出した。この結果を、表１及び図２に示す。
【００３６】
（比較例１）
実施例１において製作した試験片と同じ試験片を製作し、摩耗試験を行った。実施例１と異なる点は、摩耗試験において、摺動面間に電圧を印加しなかった（印加電圧をＤＶ±０Ｖにした）点である。この比較例１についても、実施例１と同様に、ａ−ＣＮｘ被膜の比摩耗量を算出した。この結果を、表１及び図２に示す。
【００３７】
【表１】
【００３８】
（結果１）
図２及び表１に示すように、実施例１〜４（順に◇，△，▽，□）のいずれの場合の比摩耗量も、比較例１（●）の場合の比摩耗量（２．８９×１０−８ｍｍ３／Ｎｍ）よりも、少なかった。また、実施例１，２，４（◇，△，□）の場合の比摩耗量は、ほとんど変わりなく、実施例３（▽）の場合の比摩耗量が最少量であり、１．１０×１０−８ｍｍ３／Ｎｍであった。
【００３９】
（評価１）
結果１から、摺動面にａ−ＣＮｘ被膜が形成されたディスク試験片と、ボール試験片との摺動面間に電圧を印加しながら、乾式下において摺動部材を摺動させると、印加電圧が正負いずれの場合であっても、ａ−ＣＮｘ被膜の比摩耗量が低減されると考えられる。さらに、印加電圧がＤＣ−１００Ｖを越えた値であるＤＣ−２００Ｖには、ディスク試験片の比摩耗量が最少量となっていることから、印加電圧がＤＣ−１００Ｖ以下の場合、または、印加電圧がＤＣ＋１００以上の場合には、耐摩耗性がさらに向上すると考えられる。但し、印加電圧を大きくしすぎると摺動面間が放電するので、このような放電を防止するためには、印加電圧は、ＤＣ−３００Ｖ以上、または、ＤＣ＋３００Ｖ以下にすることが好ましい。
【００４０】
（実施例５）
実施例１と同じディスク試験片とボール試験片とを製作した。以下の試験を行った点が実施例１とは異なる。
【００４１】
＜摩擦試験＞
実施例１と同条件で、ボールオンディスク摩擦試験機５０を用いて試験を行ったものであり、図１に示すように平行板ばね３２に接着したひずみゲージ３３を用いて、１５０００サイクルの試験終了間際１０００サイクルの摩擦係数を測定し、この摩擦係数の平均値を平均摩擦係数μｍとした点である。この結果を図３に示す。
【００４２】
＜酸素原子含有量測定試験＞
ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分析装置）を用いて、試験終了後のボール試験片の表面の移着膜の成分分析を測定した。具体的には、ボール試験片の表面にディスク試験片から移着した移着膜の厚みを先述したＡＦＭを用いて測定した。次ぎに、ＥＤＳを用いて分析によって得られたエネルギースペクトル図から、ＯＫαピークの積分強度Ｉｏを求め、移着膜に含まれる酸素原子数の評価値とした。また、この分析精度を上げるために、移着膜の分析前後にＡｕを成分分析し、エネルギースペクトル図のＡｕＭαピークの積分強度ＩＡｕを用いて、酸素原子の積分強度ＩｏをＩｏ／ＩＡｕに補正すると共に、ＥＤＳ分析時の特性Ｘ線有効発生深さＲＳＸは、次式により求め、さらに、この値を用いて補正をおこなった。
【００４３】
【数１】
【００４４】
ただし、Ａ：平均原子量，ρ：密度，Ｚ：平均原子番号，Ｖ：加速電圧，移着膜の物性値には炭素原子の値を用いた。ボール試験片に生成した移着膜の厚さｔが特性Ｘ線有効発生深さＲＳＸよりも大きい場合には、Ｉｏ／ＩＡｕ／１．１とし、厚さｔが深さＲＳＸよりも小さい場合には、Ｉｏ／ＩＡｕ／ｔとして、単位移着膜厚あたりの酸素原子含有量を評価した。また、厚さｔが深さＲＳＸよりも小さい場合には、特性Ｘ線有効発生領域にボール試験片も含まれるため、ボール試験片を分析したときのＯＫαピークの積分値をＩｏから減算した値を用いた。この結果を図４に示す。尚、図４の縦軸は、後述する無印加時（比較例３）Ｉｏ／ＩＡｕ／ｔを基準にした数値である。
【００４５】
（実施例６，７）
実施例５において製作した試験片と同じ試験片を製作し、実施例５と同じく摩擦試験及び酸素原子含有量測定試験を行った。実施例５と異なる点は、摩擦試験において、実施例６，７の順に印加電圧をＤＣ−１００Ｖ，ＤＣ−２００Ｖにした点である。これらの試験結果を図３及び４に示す。
【００４６】
（比較例２，３）
実施例５において製作した試験片と同じ試験片を製作し、実施例５と同じく摩擦試験及び酸素原子含有量測定試験を行った。実施例５と異なる点は、摩擦試験において、比較例２は印加電圧をＤＶ＋５０Ｖにし、比較例３は摺動面間に電圧を印加しなかった（印加電圧をＤＣ±０Ｖにした）点である。これらの試験結果を図３及び４に示す。
【００４７】
（結果２）
図３に示すように、実施例５〜７（◇，△，▽）の負の電圧を印加した場合の平均摩擦係数μｍは、比較例２（■）の如く正の電圧を印加した場合、比較例３（●）の如く無印加の場合の平均摩擦係数μｍに比べて、小さかった。また、実施例５〜７の順の（◇，△，▽の順の）負の電圧の値がさらに小さくなる（電位差が大きくなる）に従って、平均摩擦係数μｍは小さくなり、電圧が最も小さい実施例７の場合（▽）は、平均摩擦係数μｍが最小値０．０５６となった。
【００４８】
（結果３）
図４に示すように、実施例５〜７（◇，△，▽）の負の電圧を印加した場合の移着膜に含まれる酸素原子の割合は、比較例２（■）の如く正の電圧を印加した場合、比較例３（●）の如く無印加の場合の酸素原子の割合に比べて少なかった。また、実施例５〜７の順の（◇，△，▽の順の）負の電圧の値がさらに小さくなる（電位差が大きくなる）に従って、移着膜に含まれる酸素原子の割合は少なくなり、比較例２（■）の如く正の電圧を印加した場合は、移着膜に含まれる酸素元素の割合は増加した。
【００４９】
（評価２）
結果２から、摺動時において、硬質炭素被膜が形成されたディスク試験片をボール試験片に比べて電位を低くなるように負の電圧をこれらの部材に印加すると、平均摩擦係数μｍが減少し、さらに、結果３から、負の電圧をこれらの部材に印加すると、移着膜に含まれる酸素原子の割合が、減少するものと考えられ、摺動時における平均摩擦係数μｍと移着膜の酸素元素の割合には相関関係がある。
【００５０】
すなわち、結果３に示したように、負の直流電圧を印加することにより、ディスク試験片の硬質炭素被膜が形成された摺動面の酸化が抑制され、摺動時の酸化による被膜のグラファイト化の阻害が抑えられると考えられる。その結果、硬質炭素被膜の摺動面に極端に阻害されることなくグラファイトが生成され、このグラファイトが摺動時に固体潤滑剤として作用するので、結果２に示すような、大気中において乾式下（乾燥摩擦条件下）で摺動部材の摩擦係数を低減することができたものであると考えられる。一方、正の電圧を印加したときは、摺動面の酸化が促進されることにより、摺動面のグラファイト化が阻害されてしまい、その結果、摩擦特性が劣化したものであると考えられる。
【００５１】
（実施例８）
実施例５と同じディスク試験片とボール試験片とを製作した。実施例５と同じ雰囲気及び摺動条件で摩擦試験を行った。実施例５と異なる点は、摩擦繰り返し数１５０００サイクルのなるまで１０００サイクル毎に摩擦係数を測定した点である。これらの試験結果を図５に示す。
【００５２】
（実施例９，１０）
実施例８において製作した試験片と同じ試験片を製作し、実施例８と同じく摩擦摩耗試験を行った。実施例８と異なる点は、摩擦試験において、実施例９，１０の順に印加電圧をＤＣ−１００Ｖ，ＤＣ−２００Ｖにした点である。これらの試験結果を図５に示す。
【００５３】
（比較例４，５）
実施例８において製作した試験片と同じ試験片を製作し、実施例８と同じく摩擦試験を行った。実施例８と異なる点は、摩擦試験において、比較例４は印加電圧をＤＶ＋５０Ｖにし、比較例５は摺動面間に電圧を印加しなかった（印加電圧をＤＣ±０Ｖにした）点である。これらの試験結果を図５に示す。
【００５４】
（結果４）
図５に示すように、実施例８（◇）の如く電圧ＤＣ−５０Ｖを印加したときは、摺動部材は低摩擦の状態を摩擦繰り返し数約７０００サイクルまで維持し、その後摩擦繰り返し数の増加に伴い摩擦係数は増加した。さらに、実施例９（△），実施例１０（▽）の如く電圧ＤＣ−１００Ｖ，ＤＣ−２００Ｖと負の印加電圧を大きくするに従って、低摩擦の状態が長くなり、実施例１０（▽）の如く電圧ＤＣ−２００Ｖを印加したときは、試験終了時まで低摩擦の状態は維持されていた。一方、比較例４（■）の如く正の電圧を印加した場合の摩擦係数は、摩擦繰り返し数が２０００サイクルまでは減少したが、その後摩擦繰り返し数の増加に伴いすぐに増加した。比較例５（●）の如く無印加の場合の摩擦係数も、摩擦繰り返し数が２０００サイクルまでは減少したが、その後摩擦繰り返し数の増加に伴い摩擦係数は少しずつ増加した。そして、比較例４（■）及び比較例５（●）は、実施例９（△），実施例１０（▽）の如く、低摩擦状態を維持することができなった。
【００５５】
（評価３）
結果４から、負の電圧を印加すると摺動部材は低摩擦の状態となり、その印加電圧を大きくするに従って低摩擦の状態を長い間持続されると考えられる。これは、先の評価２に示すように、負の電圧を印加するに従って、ディスク試験片の硬質炭素被膜が形成された摺動面の酸化を抑制され、摺動面のグラファイト化を阻害され難くなる結果、摺動部材の摩擦係数を低減することができたものであると考えられる。そして、１００００サイクル程度まで低摩擦状態を維持するためには、印加電圧をＤＣ−１００Ｖ〜−３００Ｖにすることが好ましく、最小の印加電圧で、低摩擦を持続させる場合には、ＤＣ−２００Ｖ前後がより好ましい。
【００５６】
以上、本発明に係る摺動ユニットまたは摺動方法のいくつかの実施例について詳述したが、本発明は、前記の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
【００５７】
たとえば、本実施例では、ステンレス鋼のボール試験片を用い、その相手材の基材にシリコンウェハに非晶質窒化炭素被膜（ａ−ＣＮｘ被膜）を用いたが、少なくとも一方の摺動面に非晶質窒化炭素被膜（ａ−ＣＮｘ被膜）が形成された一対の摺動部材の摺動面間に、電圧を印加しながら、乾式下において摺動部材を摺動させることができるのであれば、その基材、相手材の材質及び形状は、特に限定されるものではない。また、実施例では、非晶質窒化炭素被膜（ａ−ＣＮｘ被膜）を用いたが、摺動時に摺動面がグラファイト化するのであれば、非晶質炭素被膜（ＤＬＣ被膜）、窒化炭素被膜（ＣＮｘ被膜）、またはダイヤモンド被膜などの硬質炭素被膜であっても、同じ効果が得られることは、当業者ならば、容易に想到することができるであろう。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明に係る摺動ユニットおよび摺動方法は、耐摩耗性を維持しつつ、摺動部材の低摩擦化を図ることのできるので、自動車の動力機器には好適である。また、潤滑油の管理が必要な箇所、グリースなどの給脂が定期的に必要な箇所であって、低摩擦化が必要な摺動部を備えた機器に対して、オイルレス化を図ることができるので、特に有効に利用することができる。また、潤滑油、グリースなどの汚れが問題となる、食品系の加工装置、半導体製造装置などには、特に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明に係る実施例の摺動ユニットを説明するための図。
【図２】実施例１〜４と比較例１における印加電圧とａ−ＣＮｘ被膜の比摩耗量の関係を示した図。
【図３】実施例５〜７と比較例２，３における印加電圧と摩擦係数の関係を示した図。
【図４】実施例５〜７と比較例２，３におけるボール試験片の表面に生成された移着膜に含まれる酸素原子の割合と印加電圧の関係を示した図。
【図５】実施例８〜１０と比較例４，５における摩擦繰り返し数と摩擦係数との関係を示した図。
【図６】実施例に係るディスク試験片の表面にａ−ＣＮｘ被膜を成膜する装置の概略図。
【符号の説明】
【００６０】
１０…イオンビームミキシング装置，１１…真空チャンバ，１２…ホルダ，１３…支持台，１４…窒素イオン源，１５アルゴンイオン源，３１…Ｘ−Ｙステージ，３２…平行板ばね，３３…ひずみゲージ，３４…ポリエチレン樹脂材，３５…ボールホルダー，４１…モータ，４２…プーリ，４３…ベルト，４４…ディスクホルダー，４５…ゴムシート，４６…カーボンブラシ，５０…ボールオンディスク摩擦試験機，Ｂ…ボール試験片，Ｄ…ディスク試験片，Ｅ…直流電源（電圧印加手段），Ｓ…シリコンウェハ（基材），Ｔ…カーボンターゲット，ｆ…ａ−ＣＮｘ被膜（硬質炭素被膜）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも一方の摺動面に硬質炭素被膜を形成した一対の摺動部材を備えた摺動ユニット及びこれらの摺動部材を摺動させる摺動方法に係り、特に、乾式下において、耐摩耗性を向上させると共に摩擦係数を低減することができる摺動ユニット及び摺動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、自動車産業などの我が国の基幹産業において、トライボロジーは重要な役割を担っている。例えば、自動車産業においては、現在、地球環境保全のため、自動車からの排出される二酸化炭素の削減を目指してさまざまな取り組みが行われており、その一例としてハイブリットシステムなどのエネルギー効率の良い動力源の開発が良く知られている。しかし更なる低燃費を目指すためには、動力源の開発だけでなくエンジン内部および駆動系における摩擦によるエネルギーの伝達ロスの低減が重要な課題となる。
【０００３】
このような課題を鑑みて、動力系機器における摺動部材の摩擦係数の低減化、耐摩耗性の向上を図るべく、摺動部材の摺動面を被覆する新たなトライボロジー材料としての非晶質炭素材料（ＤＬＣ）などの硬質炭素材料が注目されている。
【０００４】
このような硬質炭素材料を利用した摺動部材の一例として、基材上に被膜を有する摺動部材であって、その被膜の最表面に、ビッカース硬さがＨｖ１０００〜５０００のダイヤモンドライクカーボン、メタル入りダイヤモンドライクカーボン、窒化炭素からなる層を備えた摺動部材が開示されている（特許文献１参照）。
【０００５】
またこの他にも、相対向して摺動する二つの部材のうち少なくとも一方の部材の摺動面に非晶質窒化炭素膜（ａ−ＣＮｘ膜）が被覆されており、乾摩擦において摺動面が摺動し合う摺動部が実質的に窒素ガス雰囲気となるように構成した摺動装置が開示されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００４−１６９１３７号公報
【特許文献２】特開２００２−３３９０５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１に記載したような硬質炭素材料を摺動部材の摺動面に被覆した場合であっても、流体潤滑状態に近づけるべく、摺動部材の摺動面間に潤滑油等を供給しながら摺動部材を摺動させることが一般的である。しかし、このような場合、摺動部材に作用する面圧や摺動部材を取り巻く温度を含めた環境により潤滑油の特性も変化し、それに伴い摺動部材の摩擦摩耗特性も変化してしまう。そして、油の清浄度の悪化、給脂不良などにより、摺動面において油膜切れが発生し、さらには乾燥摩擦に近い状態に陥る虞もあり、この場合には摺動材料の相互表面に凝着が発生しやすくなり、摩擦係数は高くなってしまう。
【０００７】
また、引用文献２に記載の装置の如く乾摩擦においてａ−ＣＮｘ膜を被覆した場合には、窒素雰囲気下では、摩擦係数が０．００９という非常に低い値を示す。しかし、自動車を含む一般的な機械構造体は大気中で使用されるため、大気中において優れたトライボロジー特性を発揮することが求められるが、このａ−ＣＮｘ膜を被覆した摺動部材を大気中において摺動させた場合には、摩擦係数は０．１５と低摩擦にならない。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、乾式下（乾燥摩擦条件下）であっても、大気中において、耐摩耗性を向上させると共に摩擦係数を低減することができる摺動ユニット及び摺動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、乾燥摩擦条件下で大気中において、摺動面に硬質炭素被膜を形成した摺動部材を摺動させたときに、摺動部材が低摩擦とならないのは、この硬質炭素被膜の摺動面が摺動時に酸化して硬質炭素のグラファイト化が阻害されることによると考えた。そして、発明者らは、このような考察に基づいて多くの実験と研究を行うことにより、乾式下で大気中においてこの摺動面間に電場を作用させると、硬質炭素被膜の耐摩耗性が向上するばかりか、その電場の作用させる方向によっては、硬質炭素被膜の摺動面の酸化が抑制され、低摩擦の状態を維持することができるとの知見を得た。
【００１０】
本発明は、本発明者らが得た上記の新たな知見に基づくものであり、本発明に係る摺動ユニットは、互いに摺動する摺動部材のうち、少なくとも一方の摺動面に硬質炭素被膜が形成された一対の摺動部材と、該一対の摺動部材の摺動面間に電圧を印加する電圧印加手段と、を備えることを特徴としている。
【００１１】
本発明の如き摺動ユニットは、摺動面間に電圧を印加することにより、乾式下において硬質炭素被膜を形成した摺動部材の耐摩耗性を向上させることができる。また、このような電圧印加手段が摺動面間に印加する電圧は、正負いずれの電圧を印加しても、摺動面の摩耗を低減することができる。
【００１２】
また、前記電圧印加手段は、硬質炭素被膜が形成された一方の摺動部材が他方の摺動部材に比べて電位が低くなるように、前記一対の摺動部材に接続されていることがより好ましい。このように摺動時において、一対の摺動部材のうち硬質炭素被膜が形成された一方の摺動部材を他方の摺動部材に比べて電位を低くする（負の電圧を印加する）ことにより、硬質炭素被膜が形成された摺動面の酸化を抑制することができ、酸化による被膜のグラファイト化が阻害されることを防止することが可能となる。その結果、硬質炭素被膜の摺動面に生成されたグラファイトが摺動時に固体潤滑剤として作用するので、大気中において乾式下（乾燥摩擦条件下）で摺動部材の摩擦係数を低減することができる。
【００１３】
そして、潤滑油、グリースを供給する必要がなく、このような乾式下で摩擦係数を極めて低い値まで低減することができるので、このような摺動ユニットの適用範囲は、極めて広範である。
【００１４】
さらに、このように接続された電圧印加手段は、摺動面間に印加する電圧が１００Ｖ〜３００Ｖの範囲のうち任意の電圧となるように、設定可能であることがより好ましい。電圧印加手段が印加する電圧が１００Ｖよりも小さい場合（後述する実施例いうところの負の印加電圧−１００Ｖよりもさらに高い負の電圧を印加した場合）には、印加電圧が０Ｖまでは摺動部材の摩擦係数を低減することはできるが充分であるとはいえず、この電圧が３００Ｖよりも大きい場合（後述する実施例いう負の印加電圧−３００Ｖよりも低い負の電圧を印加した場合）には、摺動面間の電位差が大きくなるため放電が発生する虞がある。また、このような電圧範囲に設定可能であるならば、電圧印加手段の電源の種類は特に限定されないが、この範囲となるように安定した電圧を印加させるためには、直流電源を用いることがより好ましい。
【００１５】
また、この摺動部材に形成された硬質炭素被膜は、摺動時において摺動面がグラファイト化し、且つ、耐摩耗性を得ることができるような表面硬さを有する炭素被膜であれば特に限定されるものではないが、より好ましくは、この被膜は、非晶質炭素被膜（ＤＬＣ被膜）、窒化炭素被膜（ＣＮｘ被膜）、またはダイヤモンド被膜である。
【００１６】
別の態様としては、この摺動ユニットの硬質炭素被膜は、非晶質窒化炭素被膜（ａ−ＣＮｘ被膜）であって、前記のような接続をされた電圧印加手段は、電圧が２００Ｖ前後となるように設定可能であることがより好ましい。このような被膜を用いて、被膜を形成した側の摺動部材の電位が他方の摺動部材の電位よりも低くなるようにして、摺動面間にこの範囲の電圧を印加させることにより、長時間に亘って摺動部材を摺動させたとしても、安定して摺動部材の低摩擦状態を維持することができる。
【００１７】
この硬質炭素被膜を摺動部材に成膜するにあたっては、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング、イオンビームミキシングなどを利用した物理気相成長法（ＰＶＤ）により成膜してもよく、プラズマ処理などを利用した化学気相成長法（ＣＶＤ）により成膜してもよい。また、ＤＬＣ被膜の一種である非晶質窒化炭素被膜（ａ−ＣＮｘ被膜）を形成する場合、窒化炭素被膜（ＣＮｘ被膜）を成膜する場合には、より安定した低摩擦特性を得るためには、被膜形成とイオン注入を同時に行うダイナミクスミキシング法によるイオンビーム法により、この被膜を形成することがより好ましい。また、このような成膜時において硬質炭素被膜中に、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｗ、Ｂなどの添加元素を含有させてもよく、このような元素を添加することにより、被膜の表面硬さを調整することもできる。
【００１８】
また、このような一対の摺動部材は、乾式下（乾燥摩擦条件下）において摺動させたとしてもアブレッシブ摩耗を抑制すべくグラファイトが固体潤滑剤として有効に作用するに好適な表面粗さであれば特に限定されるものではないが、この硬質炭素被膜の摺動面およびこの摺動面と摺動する他方の摺動部材の摺動面の表面粗さは、鏡面に近い方がより好ましい。
【００１９】
さらに、硬質炭素被膜を摺動部材の表面に形成するにあたっては、摺動部材の基材とこの被膜との間の密着力を高めるために、ケイ素（Ｓｉ）からなる中間層を設けてもよく、さらにこのケイ素の代わりに、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）またはタングステン（Ｗ）を用いてもよい。
【００２０】
さらに、この硬質炭素被膜を形成する基材は、摺動時において硬質炭素被膜との密着性を確保することができるような材質および表面硬さであれば、鉄、非鉄金属等と特に限定されるものではなく、この摺動部材と摺動する他方の摺動部材も、この硬質炭素被膜に対して極端に表面硬さが低く、摺動時に摩耗し易いものでなければ特に限定されるものではない。
【００２１】
本発明は、上述した組合せ摺動部材の好適な摺動方法として以下に示す摺動方法をも開示する。本発明に係る摺動方法は少なくとも一方の摺動面に硬質炭素被膜が形成された一対の摺動部材の摺動面間に、電圧を印加しながら、乾式下において少なくとも一方の摺動部材を摺動させることを特徴としており、電圧の印加にあたっては、硬質炭素被膜が形成された一方の摺動部材が他方の摺動部材に比べて電位が低くなるように、摺動面間に電圧を印加することがより好ましい。
【００２２】
本発明の如き摺動方法は、乾式下において、一対の摺動部材の耐摩耗性を向上させるばかりでなく、酸化による被膜のグラファイト化が阻害されることを防止することができ、その結果、摺動部材の摩擦係数を小さくすることができる。また、乾式下において低摩擦化を図ることができるので、潤滑油、グリースなどの給脂不良による焼き付け等の問題が発生することなく、この摺動部材を適用した機器の長寿命化を図ることができる。さらに、このオイルレスによる摺動を行うことにより、機器及び機器周りのクリーン化を図ることができる。
【００２３】
さらに、印加電圧は、１００Ｖ〜３００Ｖの範囲内にあることが好ましく、前記硬質炭素被膜を、非晶質窒化炭素被膜（ａ−ＣＮｘ被膜）として、前記電圧を２００Ｖ前後の範囲内にあることがより好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る摺動ユニットによれば、乾式下であっても、大気中において、摺動部材の耐摩耗性を向上させると共に摩擦係数を低減することができる。この結果、この摺動ユニットを車両の動力機器に適用した場合には、摩擦抵抗によるエネルギー損失が少なくなるため、車両の燃費を向上させることができる。
【００２５】
さらに、本発明に係る摺動ユニットは、乾式下において摺動部材の摩擦係数を低減することが可能であるため、この摺動ユニットを適用した装置、機器のオイルレス化を図ることができる。
【実施例】
【００２６】
以下に、本発明を実施例により説明する。
（実施例１）
本発明に係る摺動ユニットの一対の摺動部材のうち、硬質炭素被膜を形成した一方の摺動部材として以下に示すディスク試験片を製作し、この摺動部材と摺動する他方の摺動部材として、以下に示すボール試験片を製作した。
【００２７】
＜ディスク試験片＞
硬質炭素被膜を成膜する基材として、直径５０ｍｍ、厚み０．３ｍｍ、円部表面（摺動面）が鏡面状態（１００面方位）となる、ディスク形状のシリコンウェハＳを準備した。そして、図６に示すようなイオンビームミキシング装置１０（日立製作所製）を用いて、このシリコンウェハＳの円部表面に非晶質窒化炭素被膜（硬質炭素被膜）を成膜した。具体的には、図６に示すように、シリコンウェハＳの円部表面が支持台１３上に配置された純度９９．９９９９％のカーボンターゲットＴと対向するように、真空チャンバ１１内のホルダ１２にシリコンウェハＳを保持させた。その後、真空チャンバ１１内の圧力を１×１０−７Ｔｏｒｒ以下とし、その後窒素ガスを導入して１×１０−５Ｔｏｒｒに調整した。そして、アルゴンイオン源１５から（１ｋＶ，１００ｍＡ）アルゴンイオンｇａをカーボンターゲットＴに照射し、カーボンターゲットＴをカーボンスパッター粒子ｓｃにすると同時に、窒素イオン源１４から加速エネルギー０．５ＫｅＶで窒素イオンｇｎをシリコンウェハＳに向けて照射して、成膜を行った。尚、この成膜時には、ホルダ１２と共にシリコンウェハＳを回転させ、成膜時間を９０分間とし、シリコンウェハの円部表面に厚さ１００ｎｍの非晶質窒化炭素被膜（ａ−ＣＮｘ被膜）を形成した。
【００２８】
＜ボール試験片＞
直径８ｍｍ、表面が略鏡面状態のステンレス鋼（ＪＩＳ規格：ＳＵＳ４４０Ｃ）からなる球形状のボール試験片を製作した。
【００２９】
＜摩耗試験＞
図１に示すボールオンディスク摩擦試験機５０を用いた。尚、本発明に係る「一対の摺動部材」はディスク試験片とボール試験片を示しており、本発明に係る「電圧印加手段」は、後述する試験機５０の直流電源Ｅを示している。
【００３０】
摩耗試験を行う事前準備として、ボール試験片Ｂをアセトンとエタノールで各１０分間超音波洗浄した。その後、ボール試験片Ｂを試験機５０の本体から取り外したボールホルダー３５に固定し、光学顕微鏡（図示せず）を用いてこの表面に傷が無いことを確認後、これらをデシケータ（図示せず）内に投入し、ボール試験片Ｂを乾燥させた。一方、ディスク試験片Ｄの表面に形成したａ−ＣＮｘ被膜ｆの表面（摺動面）の埃などの異物をハンドブロー（図示せず）で取り除いた。
【００３１】
次に、ディスク試験片Ｄをディスクホルダー４４に保持させると共に、ボール試験片Ｂが固定されたボールホルダー３５をＸ−Ｙステージ３１と一体となるように試験機５０の本体に取り付けた。平行板ばね３２に接着したひずみゲージ３３を用いて、ボール試験片Ｂがディスク試験片Ｄのａ−ＣＮｘ被膜ｆの表面に対して付加される荷重の値が１．０Ｎの荷重が付加されるようにＸ−Ｙステージ３１を調整して、これらを当接させた。
【００３２】
そして、ディスクホルダー４４下部にカーボンブラシ４６を当て、直流電源Ｅを用いて、ディスク試験片Ｄとボール試験片Ｂとの摺動面間に電圧をＤＣ−５０Ｖ（負の電圧）を印加した。この負（−）の電圧とは、ディスク試験片Ｄがボール試験片Ｂに比べて電位が低くなるように電圧を印加した場合の符号を示しており、本実施例においては、ボールホルダー３５はポリエチレン樹脂材３４によって、ディスクホルダー４４はゴムシート４５によって電気的に絶縁され、さらにディスク試験片Ｄを回転駆動させる側の部材、ボール試験片Ｂを押し付ける側の部材、及び、直流電源の一端は接地さているため、本実施例のＤＣ−５０Ｖの電圧を印加した場合には、ボール試験片が０Ｖ、ディスク試験片Ｄが−５０Ｖの電位となる。
【００３３】
このように電圧を印加した状態で、乾式下（乾燥摩擦条件下）で大気中において、モータ４１を駆動してプーリ４２を回転させ、ベルト４３を介してディスクホルダー４４のディスク試験片Ｄがボール試験片Ｂに対して、相対速度（摺動速度）が１２．６ｍｍ／ｓとなり、摩擦繰り返し数が１５０００サイクルとなるように、ディスク試験片Ｄを１５０００回、回転させた。また試験は、気圧１ａｔｍ、室温２５〜３０℃、湿度１８〜２９％ＲＨの雰囲気条件下で試験を行った（表１参照）。尚、湿度は、前記範囲となるように、真空チャンバ（図示せず）内にシリカゲル（図示せず）を配置した。
【００３４】
そして、試験終了後、このディスク試験片Ｄを試験機５０から取り出して、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて、ａ−ＣＮｘ被膜ｆに形成された摩耗痕の断面積を求めて、この被膜の比摩耗量を算出した。この結果を、表１及び図２に示す。
【００３５】
（実施例２〜４）
実施例１において製作した試験片と同じ試験片を製作し、摩耗試験を行った。実施例１と異なる点は、摩耗試験において実施例２〜４の順に印加した電圧をＤＶ−１００Ｖ，ＤＣ−２００Ｖ,ＤＣ＋５０Ｖにした点である。実施例２〜４についても、実施例１と同様に、ａ−ＣＮｘ被膜の比摩耗量を算出した。この結果を、表１及び図２に示す。
【００３６】
（比較例１）
実施例１において製作した試験片と同じ試験片を製作し、摩耗試験を行った。実施例１と異なる点は、摩耗試験において、摺動面間に電圧を印加しなかった（印加電圧をＤＶ±０Ｖにした）点である。この比較例１についても、実施例１と同様に、ａ−ＣＮｘ被膜の比摩耗量を算出した。この結果を、表１及び図２に示す。
【００３７】
【表１】
【００３８】
（結果１）
図２及び表１に示すように、実施例１〜４（順に◇，△，▽，□）のいずれの場合の比摩耗量も、比較例１（●）の場合の比摩耗量（２．８９×１０−８ｍｍ３／Ｎｍ）よりも、少なかった。また、実施例１，２，４（◇，△，□）の場合の比摩耗量は、ほとんど変わりなく、実施例３（▽）の場合の比摩耗量が最少量であり、１．１０×１０−８ｍｍ３／Ｎｍであった。
【００３９】
（評価１）
結果１から、摺動面にａ−ＣＮｘ被膜が形成されたディスク試験片と、ボール試験片との摺動面間に電圧を印加しながら、乾式下において摺動部材を摺動させると、印加電圧が正負いずれの場合であっても、ａ−ＣＮｘ被膜の比摩耗量が低減されると考えられる。さらに、印加電圧がＤＣ−１００Ｖを越えた値であるＤＣ−２００Ｖには、ディスク試験片の比摩耗量が最少量となっていることから、印加電圧がＤＣ−１００Ｖ以下の場合、または、印加電圧がＤＣ＋１００以上の場合には、耐摩耗性がさらに向上すると考えられる。但し、印加電圧を大きくしすぎると摺動面間が放電するので、このような放電を防止するためには、印加電圧は、ＤＣ−３００Ｖ以上、または、ＤＣ＋３００Ｖ以下にすることが好ましい。
【００４０】
（実施例５）
実施例１と同じディスク試験片とボール試験片とを製作した。以下の試験を行った点が実施例１とは異なる。
【００４１】
＜摩擦試験＞
実施例１と同条件で、ボールオンディスク摩擦試験機５０を用いて試験を行ったものであり、図１に示すように平行板ばね３２に接着したひずみゲージ３３を用いて、１５０００サイクルの試験終了間際１０００サイクルの摩擦係数を測定し、この摩擦係数の平均値を平均摩擦係数μｍとした点である。この結果を図３に示す。
【００４２】
＜酸素原子含有量測定試験＞
ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分析装置）を用いて、試験終了後のボール試験片の表面の移着膜の成分分析を測定した。具体的には、ボール試験片の表面にディスク試験片から移着した移着膜の厚みを先述したＡＦＭを用いて測定した。次ぎに、ＥＤＳを用いて分析によって得られたエネルギースペクトル図から、ＯＫαピークの積分強度Ｉｏを求め、移着膜に含まれる酸素原子数の評価値とした。また、この分析精度を上げるために、移着膜の分析前後にＡｕを成分分析し、エネルギースペクトル図のＡｕＭαピークの積分強度ＩＡｕを用いて、酸素原子の積分強度ＩｏをＩｏ／ＩＡｕに補正すると共に、ＥＤＳ分析時の特性Ｘ線有効発生深さＲＳＸは、次式により求め、さらに、この値を用いて補正をおこなった。
【００４３】
【数１】
【００４４】
ただし、Ａ：平均原子量，ρ：密度，Ｚ：平均原子番号，Ｖ：加速電圧，移着膜の物性値には炭素原子の値を用いた。ボール試験片に生成した移着膜の厚さｔが特性Ｘ線有効発生深さＲＳＸよりも大きい場合には、Ｉｏ／ＩＡｕ／１．１とし、厚さｔが深さＲＳＸよりも小さい場合には、Ｉｏ／ＩＡｕ／ｔとして、単位移着膜厚あたりの酸素原子含有量を評価した。また、厚さｔが深さＲＳＸよりも小さい場合には、特性Ｘ線有効発生領域にボール試験片も含まれるため、ボール試験片を分析したときのＯＫαピークの積分値をＩｏから減算した値を用いた。この結果を図４に示す。尚、図４の縦軸は、後述する無印加時（比較例３）Ｉｏ／ＩＡｕ／ｔを基準にした数値である。
【００４５】
（実施例６，７）
実施例５において製作した試験片と同じ試験片を製作し、実施例５と同じく摩擦試験及び酸素原子含有量測定試験を行った。実施例５と異なる点は、摩擦試験において、実施例６，７の順に印加電圧をＤＣ−１００Ｖ，ＤＣ−２００Ｖにした点である。これらの試験結果を図３及び４に示す。
【００４６】
（比較例２，３）
実施例５において製作した試験片と同じ試験片を製作し、実施例５と同じく摩擦試験及び酸素原子含有量測定試験を行った。実施例５と異なる点は、摩擦試験において、比較例２は印加電圧をＤＶ＋５０Ｖにし、比較例３は摺動面間に電圧を印加しなかった（印加電圧をＤＣ±０Ｖにした）点である。これらの試験結果を図３及び４に示す。
【００４７】
（結果２）
図３に示すように、実施例５〜７（◇，△，▽）の負の電圧を印加した場合の平均摩擦係数μｍは、比較例２（■）の如く正の電圧を印加した場合、比較例３（●）の如く無印加の場合の平均摩擦係数μｍに比べて、小さかった。また、実施例５〜７の順の（◇，△，▽の順の）負の電圧の値がさらに小さくなる（電位差が大きくなる）に従って、平均摩擦係数μｍは小さくなり、電圧が最も小さい実施例７の場合（▽）は、平均摩擦係数μｍが最小値０．０５６となった。
【００４８】
（結果３）
図４に示すように、実施例５〜７（◇，△，▽）の負の電圧を印加した場合の移着膜に含まれる酸素原子の割合は、比較例２（■）の如く正の電圧を印加した場合、比較例３（●）の如く無印加の場合の酸素原子の割合に比べて少なかった。また、実施例５〜７の順の（◇，△，▽の順の）負の電圧の値がさらに小さくなる（電位差が大きくなる）に従って、移着膜に含まれる酸素原子の割合は少なくなり、比較例２（■）の如く正の電圧を印加した場合は、移着膜に含まれる酸素元素の割合は増加した。
【００４９】
（評価２）
結果２から、摺動時において、硬質炭素被膜が形成されたディスク試験片をボール試験片に比べて電位を低くなるように負の電圧をこれらの部材に印加すると、平均摩擦係数μｍが減少し、さらに、結果３から、負の電圧をこれらの部材に印加すると、移着膜に含まれる酸素原子の割合が、減少するものと考えられ、摺動時における平均摩擦係数μｍと移着膜の酸素元素の割合には相関関係がある。
【００５０】
すなわち、結果３に示したように、負の直流電圧を印加することにより、ディスク試験片の硬質炭素被膜が形成された摺動面の酸化が抑制され、摺動時の酸化による被膜のグラファイト化の阻害が抑えられると考えられる。その結果、硬質炭素被膜の摺動面に極端に阻害されることなくグラファイトが生成され、このグラファイトが摺動時に固体潤滑剤として作用するので、結果２に示すような、大気中において乾式下（乾燥摩擦条件下）で摺動部材の摩擦係数を低減することができたものであると考えられる。一方、正の電圧を印加したときは、摺動面の酸化が促進されることにより、摺動面のグラファイト化が阻害されてしまい、その結果、摩擦特性が劣化したものであると考えられる。
【００５１】
（実施例８）
実施例５と同じディスク試験片とボール試験片とを製作した。実施例５と同じ雰囲気及び摺動条件で摩擦試験を行った。実施例５と異なる点は、摩擦繰り返し数１５０００サイクルのなるまで１０００サイクル毎に摩擦係数を測定した点である。これらの試験結果を図５に示す。
【００５２】
（実施例９，１０）
実施例８において製作した試験片と同じ試験片を製作し、実施例８と同じく摩擦摩耗試験を行った。実施例８と異なる点は、摩擦試験において、実施例９，１０の順に印加電圧をＤＣ−１００Ｖ，ＤＣ−２００Ｖにした点である。これらの試験結果を図５に示す。
【００５３】
（比較例４，５）
実施例８において製作した試験片と同じ試験片を製作し、実施例８と同じく摩擦試験を行った。実施例８と異なる点は、摩擦試験において、比較例４は印加電圧をＤＶ＋５０Ｖにし、比較例５は摺動面間に電圧を印加しなかった（印加電圧をＤＣ±０Ｖにした）点である。これらの試験結果を図５に示す。
【００５４】
（結果４）
図５に示すように、実施例８（◇）の如く電圧ＤＣ−５０Ｖを印加したときは、摺動部材は低摩擦の状態を摩擦繰り返し数約７０００サイクルまで維持し、その後摩擦繰り返し数の増加に伴い摩擦係数は増加した。さらに、実施例９（△），実施例１０（▽）の如く電圧ＤＣ−１００Ｖ，ＤＣ−２００Ｖと負の印加電圧を大きくするに従って、低摩擦の状態が長くなり、実施例１０（▽）の如く電圧ＤＣ−２００Ｖを印加したときは、試験終了時まで低摩擦の状態は維持されていた。一方、比較例４（■）の如く正の電圧を印加した場合の摩擦係数は、摩擦繰り返し数が２０００サイクルまでは減少したが、その後摩擦繰り返し数の増加に伴いすぐに増加した。比較例５（●）の如く無印加の場合の摩擦係数も、摩擦繰り返し数が２０００サイクルまでは減少したが、その後摩擦繰り返し数の増加に伴い摩擦係数は少しずつ増加した。そして、比較例４（■）及び比較例５（●）は、実施例９（△），実施例１０（▽）の如く、低摩擦状態を維持することができなった。
【００５５】
（評価３）
結果４から、負の電圧を印加すると摺動部材は低摩擦の状態となり、その印加電圧を大きくするに従って低摩擦の状態を長い間持続されると考えられる。これは、先の評価２に示すように、負の電圧を印加するに従って、ディスク試験片の硬質炭素被膜が形成された摺動面の酸化を抑制され、摺動面のグラファイト化を阻害され難くなる結果、摺動部材の摩擦係数を低減することができたものであると考えられる。そして、１００００サイクル程度まで低摩擦状態を維持するためには、印加電圧をＤＣ−１００Ｖ〜−３００Ｖにすることが好ましく、最小の印加電圧で、低摩擦を持続させる場合には、ＤＣ−２００Ｖ前後がより好ましい。
【００５６】
以上、本発明に係る摺動ユニットまたは摺動方法のいくつかの実施例について詳述したが、本発明は、前記の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
【００５７】
たとえば、本実施例では、ステンレス鋼のボール試験片を用い、その相手材の基材にシリコンウェハに非晶質窒化炭素被膜（ａ−ＣＮｘ被膜）を用いたが、少なくとも一方の摺動面に非晶質窒化炭素被膜（ａ−ＣＮｘ被膜）が形成された一対の摺動部材の摺動面間に、電圧を印加しながら、乾式下において摺動部材を摺動させることができるのであれば、その基材、相手材の材質及び形状は、特に限定されるものではない。また、実施例では、非晶質窒化炭素被膜（ａ−ＣＮｘ被膜）を用いたが、摺動時に摺動面がグラファイト化するのであれば、非晶質炭素被膜（ＤＬＣ被膜）、窒化炭素被膜（ＣＮｘ被膜）、またはダイヤモンド被膜などの硬質炭素被膜であっても、同じ効果が得られることは、当業者ならば、容易に想到することができるであろう。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明に係る摺動ユニットおよび摺動方法は、耐摩耗性を維持しつつ、摺動部材の低摩擦化を図ることのできるので、自動車の動力機器には好適である。また、潤滑油の管理が必要な箇所、グリースなどの給脂が定期的に必要な箇所であって、低摩擦化が必要な摺動部を備えた機器に対して、オイルレス化を図ることができるので、特に有効に利用することができる。また、潤滑油、グリースなどの汚れが問題となる、食品系の加工装置、半導体製造装置などには、特に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明に係る実施例の摺動ユニットを説明するための図。
【図２】実施例１〜４と比較例１における印加電圧とａ−ＣＮｘ被膜の比摩耗量の関係を示した図。
【図３】実施例５〜７と比較例２，３における印加電圧と摩擦係数の関係を示した図。
【図４】実施例５〜７と比較例２，３におけるボール試験片の表面に生成された移着膜に含まれる酸素原子の割合と印加電圧の関係を示した図。
【図５】実施例８〜１０と比較例４，５における摩擦繰り返し数と摩擦係数との関係を示した図。
【図６】実施例に係るディスク試験片の表面にａ−ＣＮｘ被膜を成膜する装置の概略図。
【符号の説明】
【００６０】
１０…イオンビームミキシング装置，１１…真空チャンバ，１２…ホルダ，１３…支持台，１４…窒素イオン源，１５アルゴンイオン源，３１…Ｘ−Ｙステージ，３２…平行板ばね，３３…ひずみゲージ，３４…ポリエチレン樹脂材，３５…ボールホルダー，４１…モータ，４２…プーリ，４３…ベルト，４４…ディスクホルダー，４５…ゴムシート，４６…カーボンブラシ，５０…ボールオンディスク摩擦試験機，Ｂ…ボール試験片，Ｄ…ディスク試験片，Ｅ…直流電源（電圧印加手段），Ｓ…シリコンウェハ（基材），Ｔ…カーボンターゲット，ｆ…ａ−ＣＮｘ被膜（硬質炭素被膜）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに摺動する摺動部材のうち、少なくとも一方の摺動面に硬質炭素被膜が形成された一対の摺動部材と、
該一対の摺動部材の摺動面間に電圧を印加する電圧印加手段と、
を備えることを特徴とする摺動ユニット。
【請求項２】
前記電圧印加手段は、硬質炭素被膜が形成された一方の摺動部材が他方の摺動部材に比べて電位が低くなるように、前記一対の摺動部材に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の摺動ユニット。
【請求項３】
前記電圧印加手段は、前記電圧が１００Ｖ〜３００Ｖの範囲のうち任意の電圧となるように設定可能であることを特徴とする請求項２に記載の摺動ユニット。
【請求項４】
前記硬質炭素被膜は、非晶質炭素被膜（ＤＬＣ被膜）、窒化炭素被膜（ＣＮｘ被膜）、またはダイヤモンド被膜であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の摺動ユニット。
【請求項５】
前記硬質炭素被膜は、非晶質窒化炭素被膜（ａ−ＣＮｘ被膜）であって、前記電圧印加手段は、前記電圧が２００Ｖ前後となるように設定可能であることを特徴とする請求項２に記載の摺動ユニット。
【請求項６】
少なくとも一方の摺動面に硬質炭素被膜が形成された一対の摺動部材の摺動面間に、電圧を印加しながら、乾式下において少なくとも一方の摺動部材を摺動させることを特徴とする摺動方法。
【請求項７】
前記摺動方法は、硬質炭素被膜が形成された一方の摺動部材が他方の摺動部材に比べて電位が低くなるように、摺動面間に電圧を印加することを特徴とする請求項６に記載の摺動方法。
【請求項８】
前記電圧は、１００Ｖ〜３００Ｖの範囲内にあることを特徴とする請求項７に記載の摺動方法。
【請求項９】
前記硬質炭素被膜は、非晶質窒化炭素被膜（ａ−ＣＮｘ被膜）であり、前記電圧は２００Ｖ前後の範囲内にあることを特徴とする請求項８に記載の摺動方法。
【請求項１】
互いに摺動する摺動部材のうち、少なくとも一方の摺動面に硬質炭素被膜が形成された一対の摺動部材と、
該一対の摺動部材の摺動面間に電圧を印加する電圧印加手段と、
を備えることを特徴とする摺動ユニット。
【請求項２】
前記電圧印加手段は、硬質炭素被膜が形成された一方の摺動部材が他方の摺動部材に比べて電位が低くなるように、前記一対の摺動部材に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の摺動ユニット。
【請求項３】
前記電圧印加手段は、前記電圧が１００Ｖ〜３００Ｖの範囲のうち任意の電圧となるように設定可能であることを特徴とする請求項２に記載の摺動ユニット。
【請求項４】
前記硬質炭素被膜は、非晶質炭素被膜（ＤＬＣ被膜）、窒化炭素被膜（ＣＮｘ被膜）、またはダイヤモンド被膜であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の摺動ユニット。
【請求項５】
前記硬質炭素被膜は、非晶質窒化炭素被膜（ａ−ＣＮｘ被膜）であって、前記電圧印加手段は、前記電圧が２００Ｖ前後となるように設定可能であることを特徴とする請求項２に記載の摺動ユニット。
【請求項６】
少なくとも一方の摺動面に硬質炭素被膜が形成された一対の摺動部材の摺動面間に、電圧を印加しながら、乾式下において少なくとも一方の摺動部材を摺動させることを特徴とする摺動方法。
【請求項７】
前記摺動方法は、硬質炭素被膜が形成された一方の摺動部材が他方の摺動部材に比べて電位が低くなるように、摺動面間に電圧を印加することを特徴とする請求項６に記載の摺動方法。
【請求項８】
前記電圧は、１００Ｖ〜３００Ｖの範囲内にあることを特徴とする請求項７に記載の摺動方法。
【請求項９】
前記硬質炭素被膜は、非晶質窒化炭素被膜（ａ−ＣＮｘ被膜）であり、前記電圧は２００Ｖ前後の範囲内にあることを特徴とする請求項８に記載の摺動方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−７０５６５（Ｐ２００７−７０５６５Ａ）
【公開日】平成１９年３月２２日（２００７．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２６１９９８（Ｐ２００５−２６１９９８）
【出願日】平成１７年９月９日（２００５．９．９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（５０４１３９６６２）国立大学法人名古屋大学 (996)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年３月２２日（２００７．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年９月９日（２００５．９．９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（５０４１３９６６２）国立大学法人名古屋大学 (996)
【Ｆターム（参考）】
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