摺動部材およびこの摺動部材を用いた摺動システム
【課題】大気中においても、摩擦係数０．０１以下となる低摩擦を実現する摺動部材およびこの摺動部材を用いた摺動システムを提供する。
【解決手段】相互に摺動する一対の基材１１、１２のうち、少なくとも一方１１に硬質炭素被膜１３が形成された摺動部材において、基材１１と硬質炭素被膜１３との間に、珪素と酸素とを含む化合物によって形成される中間層１４を設ける。
【解決手段】相互に摺動する一対の基材１１、１２のうち、少なくとも一方１１に硬質炭素被膜１３が形成された摺動部材において、基材１１と硬質炭素被膜１３との間に、珪素と酸素とを含む化合物によって形成される中間層１４を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気中において良好な低摩擦を実現する摺動部材およびこの摺動部材を用いた摺動システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の摺動装置として、例えば、特許文献１に示されるものが知られている。特許文献１の摺動装置は、相対向して摺動する２つの摺動部材のうち少なくとも一方の摺動部材の表面に窒化炭素膜が形成されており、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されている。
【０００３】
特許文献１の摺動装置においては、摺動時の雰囲気を窒素ガス雰囲気とすることで、窒化炭素膜の酸化を抑制し、摩擦係数が０．０１以下となるような低摩擦を実現している。
【０００４】
また、例えば、非特許文献１では、摺動部材の一方の表面に窒化炭素膜を形成して、雰囲気湿度に応じて摺動部を所定の温度で連続的に加熱することで、大気中であっても低摩擦が得られることが記載されている。非特許文献１では、摩擦係数が０．０５以下となる低摩擦が得られる加熱温度として、相対湿度６０〜７０％大気中では約１２５℃以上、相対湿度２０〜５０％大気中では約１００℃以上、相対湿度５％以下の大気中では７５℃以上であることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３３９０５６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】吉川雄也、野老山貴行、梅原徳治著 日本機械学会論文集（Ｃ編）７４巻７４７号（２００８−１１） 「大気中におけるＣＮｘ膜の摩擦磨耗特性の基板温度による制御」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１の摺動装置では、窒素ガス雰囲気を形成するための窒素容器や、窒素吹出しノズル等が必要となるため、摺動設備として構成が複雑となり、コスト高となる。
【０００８】
また、上記非特許文献１では、大気中での低摩擦を実現すると言いながらも、摩擦係数は０．０５以下のレベルであり、摩擦係数０．０１以下となるような更なる低摩擦の実現には至っていない。
【０００９】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、大気中においても、摩擦係数０．０１以下となる低摩擦を実現する摺動部材およびこの摺動部材を用いた摺動システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
【００１１】
請求項１に記載の発明では、相互に摺動する一対の基材（１１、１２）のうち、少なくとも一方（１１）に硬質炭素被膜（１３）が形成された摺動部材において、
基材（１１）と硬質炭素被膜（１３）との間に、珪素と酸素とを含む化合物によって形成される中間層（１４）を設けたことを特徴としている。
【００１２】
この発明によれば、明確なメカニズムは定かではないが、図３、図５にて後述するように、大気中においても摩擦係数０．０１以下となる低摩擦を実現することができている。
【００１３】
請求項２に記載の発明では、硬質炭素被膜（１３）は、ラマンスペクトルにおける１５８０ｃｍ−１の強度ＩＧと、１３５０ｃｍ−１の強度ＩＤとの関係がＩＧ／ＩＤ≧１となる非晶質炭素被膜であることを特徴としている。
【００１４】
この発明によれば、硬質炭素被膜（１３）を、ＩＧ／ＩＤ≧１となる非晶質炭素被膜とすることで、グラファイト構造を強くすることができるため、低摩擦機能を向上させることができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明では、中間層（１４）は、珪素のエルネススペクトルにおいて、エネルギーロスが１０８ｅＶの強度ＩＳｉＯ２と、１１１ｅＶの強度ＩＳｉＯとの関係がＩＳｉＯ／ＩＳｉＯ２≧１となる非晶質酸化珪素被膜であることを特徴としている。
【００１６】
この発明によれば、中間層（１４）を、ＩＳｉＯ／ＩＳｉＯ２≧１となる非晶質酸化珪素被膜とすることで、低摩擦機能を向上させることができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明では、摺動システムにおいて、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の摺動部材（１０）と、
摺動部材（１０）を加熱する加熱手段（２０）と、
摺動部材（１０）における加熱温度を上昇および下降変化させた後に、所定温度範囲に維持させるように加熱手段（２０）を制御する制御手段（３０）とを備えることを特徴としている。
【００１８】
この発明によれば、加熱手段（２０）と制御手段（３０）によって摺動部材（１０）への加熱温度を変化させた後に、所定温度範囲に維持して加熱することによって、摺動部材（１０）における低摩擦を安定的に維持することができる。
【００１９】
請求項５に記載の発明のように、制御手段（３０）は、摺動部材（１０）の摺動が起動される起動時に少なくとも１回、加熱温度を変化させるようにすると良い。
【００２０】
また、請求項６に記載の発明のように、制御手段（３０）は、摺動部材（１０）の摺動が行われている通常動作時に少なくとも１回、加熱温度を変化させるようにしても良い。
【００２１】
請求項７に記載の発明では、摺動システムにおいて、加熱用の熱源部に隣接して配設される請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の摺動部材（１０）と、
熱源部による摺動部材（１０）の加熱温度を上昇および下降変化させた後に、所定温度範囲に維持させる温度調節部（２６１）とを備えることを特徴としている。
【００２２】
この発明によれば、熱源部の熱を活用して、摺動部材（１０）への加熱温度を変化させた後に、所定温度範囲に維持して加熱することによって、摺動部材（１０）における低摩擦を安定的に維持することができる。
【００２３】
請求項８に記載の発明のように、温度調節部（２６１）は、摺動部材（１０）の摺動が起動される起動時に少なくとも１回、加熱温度を変化させるようにすると良い。
【００２４】
また、請求項９に記載の発明のように、温度調節部（２６１）は、摺動部材（１０）の摺動が行われている通常動作時に少なくとも１回、加熱温度を変化させるようにしても良い。
【００２５】
請求項１０に記載の発明では、摺動システムにおいて、相互に摺動する一対の基材（１１、１２）のうち、少なくとも一方（１１）に硬質炭素被膜（１３Ａ）が形成された摺動部材（１０Ａ）と、
摺動部材（１０Ａ）を加熱する加熱手段（２０）と、
摺動部材（１０Ａ）における加熱温度を上昇および下降変化させた後に、所定温度範囲に維持させるように加熱手段（２０）を制御する制御手段（３０）とを備えることを特徴としている。
【００２６】
この発明によれば、硬質炭素被膜（１３Ａ）によって低摩擦機能を持たすことができ、更に、加熱温度を変化させた後に、所定温度範囲に維持して加熱することで摺動部材（１０Ａ）における低摩擦を安定的に維持することができる。よって、大気中においても摩擦係数０．０１以下となる低摩擦を実現することができる。
【００２７】
請求項１１に記載の発明のように、制御手段（３０）は、摺動部材（１０Ａ）の摺動が起動される起動時に少なくとも１回、加熱温度を変化させるようにすると良い。
【００２８】
また、請求項１２に記載の発明のように、制御手段（３０）は、摺動部材（１０Ａ）の摺動が行われている通常動作時に少なくとも１回、加熱温度を変化させるようにしても良い。
【００２９】
請求項１３に記載の発明では、摺動システムにおいて、加熱用の熱源部に隣接して配設されると共に、相互に摺動する一対の基材（１１、１２）のうち、少なくとも一方（１１）に硬質炭素被膜（１３Ａ）が形成された摺動部材（１０Ａ）と、
熱源部による摺動部材（１０Ａ）の加熱温度を上昇および下降変化させた後に、所定温度範囲に維持させる温度調節部（２６１）とを備えることを特徴としている。
【００３０】
この発明によれば、硬質炭素被膜（１３Ａ）によって低摩擦機能を持たすことができ、更に、熱源部の熱を活用して、摺動部材（１０Ａ）への加熱温度を変化させた後に、所定温度範囲に維持して加熱することによって、摺動部材（１０Ａ）における低摩擦を安定的に維持することができる。よって、大気中においても摩擦係数０．０１以下となる低摩擦を実現することができる。
【００３１】
請求項１４に記載の発明のように、温度調節部（２６１）は、摺動部材（１０Ａ）の摺動が起動される起動時に少なくとも１回、加熱温度を変化させるようにすると良い。
【００３２】
また、請求項１５に記載の発明のように、温度調節部（２６１）は、摺動部材（１０Ａ）の摺動が行われている通常動作時に少なくとも１回、加熱温度を変化させるようにしても良い。
【００３３】
請求項１６に記載の発明のように、硬質炭素被膜（１３Ａ）としては、窒化炭素被膜、非晶質炭素被膜、あるいはダイヤモンド被膜のいずれか１つを用いて好適である。
【００３４】
尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】第１実施形態の基材表面を示す拡大断面図である。
【図２】摺動部材の成形方法を示す概略図である。
【図３】摺動部材の摩擦係数を示すグラフである。
【図４】非晶質炭素被膜におけるラマン散乱強度を示すグラフである。
【図５】ラマンＩＧ／ＩＤに対する摩擦係数を示すグラフである。
【図６】中間層における吸収強度を示すグラフである。
【図７】非晶質炭素被膜の膜厚サンプルの水準を示す表である。
【図８】摩擦係数を確認するための要領を示す概略図である。
【図９】膜厚１００ｎｍにおける摩擦係数を示すグラフである。
【図１０】膜厚１０００ｎｍにおける摩擦係数を示すグラフである。
【図１１】第２実施形態における摺動システムを示す概略図である。
【図１２】加熱温度を変化させたときの摩擦係数を示すグラフである。
【図１３】摩擦係数が０．０１以下となる温度範囲を示すグラフである。
【図１４】第３実施形態におけるエンジンシステムを示す概略図である。
【図１５】インジェクタを示す概略図である。
【図１６】第４実施形態におけるエンジンシステムを示す概略図である。
【図１７】ＥＧＲバルブを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
【００３７】
（第１実施形態）
以下、第１実施形態における摺動部材１０について、図１〜図６を用いて説明する。図１は基材１１（１２）の表面１１ａ（１２ａ）を示す拡大断面図、図２は摺動部材１０の成形方法を示す概略図、図３は摺動部材１０の摩擦係数μを示すグラフ、図４は非晶質炭素被膜１３におけるラマン散乱強度を示すグラフ、図５はラマンＩＧ／ＩＤに対する摩擦係数を示すグラフ、図６は中間層１４における吸収強度を示すグラフである。
【００３８】
摺動部材１０は、図２に示すように、互いに摺動する一対の基材１１、１２を有している。図１に示すように、各基材１１、１２の少なくとも一方の表面１１ａ（表面１１ａあるいは／および表面１２ａ）には硬質炭素被膜１３が形成されている。そして、表面１１ａと硬質炭素被膜１３との間には、中間層１４が形成されている。硬質炭素被膜１３は、１〜５００ｎｍの膜厚を有するものであり、本実施形態では２０〜３０ｎｍ程度に形成されている。また、中間層１４は、１〜１０００ｎｍの膜厚を有するものであり、本実施形態では５０〜６０ｎｍ程度に形成されている。
【００３９】
上記の摺動部材１０は、図２に示す要領にて形成することができる。即ち、基材１１として、例えば窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）から成るボールを準備する。また基材１２として、同様に窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）から成る円板状のディスクを準備する。基材１１、１２の互いに対向する表面１１ａ、１２ａにはそれぞれ高硬度の耐摩耗薄膜としての窒化炭素被膜（ＣＮｘ）を形成しておく。そして、基材１１を図示しない測定子に固定すると共に、基材１２の上側（表面１２ａ側）に配設する。基材１１は、測定子に固定されることにより非回転状態となっている。そして、基材１１の上側から所定の荷重（例えば４００ｍＮ）を付加する。次に、基材１１の非回転の状態を維持して、基材１２を外部モータによって所定の回転数（例えば２５０ｒｐｍ）で回転させ、基材１１と基材１２とを互いに摺動させる。両基材１１、１２の摺動は、例えばアルゴンガス、窒素ガス、あるいはヘリウムガス等の不活性ガス１００％（空気、あるいは酸素０％）の雰囲気中において実施する。
【００４０】
上記のような条件下において、基材１１、１２を互いに摺動させることにより、両表面１１ａ、１２ａのうち、少なくとも一方には図１で説明した硬質炭素被膜１３と中間層１４との２層構造の被膜が形成され、本実施形態の摺動部材１０を得ることができる。図３に示すように、この２層構造の被膜が形成されると低摩擦を維持することができる。基材１２の１回転を１サイクルとしたときのサイクル数に対する摺動部における摩擦係数μ（動摩擦係数）を見ると、初期状態にて摩擦係数μは０．１程度を示すものの、徐々に低下していき、およそ２０００サイクル以降では、摩擦係数μ＝０．０１となる低摩擦状態が維持されている。
【００４１】
２層構造の被膜における硬質炭素被膜１３は、原子間秩序において短距離秩序の成立する非晶質炭素被膜（アモルファスＣ）１３として形成されている。非晶質炭素被膜１３は、初期段階において基材１１、１２の表面に設けられた窒化炭素膜（ＣＮｘ）中の炭素から形成されている。この非晶質炭素皮膜１３は、ラマンスペクトルにおいて、波数１５８０ｃｍ−１のラマン散乱強度ＩＧと、波数１３５０ｃｍ−１のラマン散乱強度ＩＤとの関係が、ＩＧ／ＩＤ≧１となっている。
【００４２】
図４は、基材１１と、基材１２とが互いに摺動し合う摺動部における複数の箇所（例えば８箇所）でラマンスペクトル分析を行った結果である。複数の箇所におけるＩＧ／ＩＤの値の平均値は、１．０７８として得られている。ＩＧ／ＩＤの値が１以上となるということは、非晶質炭素皮膜１３においてグラファイト構造（ＩＧ）が多く形成されていることを意味している。
【００４３】
図５に示すように、本実施形態の摺動部材１０は、ＩＧ／ＩＤ≧１（ＩＧ／ＩＤ＝１．０７８）であり、摩擦係数μ＝０．０１を実現している。尚、図５中における他のプロット結果は、摺動部材１０を形成する際の雰囲気ガス条件を不活性ガス＋酸素（酸素濃度１〜１００％等）としたものである。他のプロット結果において、ＩＧ／ＩＤ≧１であっても摩擦係数μが０．０１を超えているものは、非晶質炭素被膜１３のみが形成されて、中間層１４が形成されていないもの等である。
【００４４】
２層構造の被膜における中間層１４は、硬質炭素被膜１３と同様に原子間秩序において短距離秩序の成立する非晶質酸化珪素被膜（アモルファスＳｉＯ）１４として形成されている。非晶質酸化珪素被膜１４は、珪素と酸素とを含む化合物によって形成されている。非晶質酸化珪素被膜１４は、基材１１、１２（窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４））中の珪素に酸素が結合して形成されている。図６に示すように、非晶質酸化珪素被膜１４は、珪素のエルネススペクトルにおいて、エネルギーロスが１０８ｅＶの強度ＩＳｉＯ２と、１１１ｅＶの強度ＩＳｉＯとの関係がＩＳｉＯ／ＩＳｉＯ２≧１となっている。
【００４５】
図６に示すように、本実施形態の摺動部材１０は、ＩＳｉＯ／ＩＳｉＯ２≧１（ＩＳｉＯ／ＩＳｉＯ２＝１．７０）であり、摩擦係数μ＝０．０１を実現している。尚、図６中の比較例は、摺動部材１０を形成する際の雰囲気ガス条件を大気中としたものであり、２層構造の被膜のうち、酸化珪素被膜のみが形成されたものである（摩擦係数μ＝０．２）。
【００４６】
以上のように本実施形態においては、明確なメカニズムは定かではないが、上記のように（図３、図５）、大気中においても摩擦係数０．０１以下となる低摩擦を実現することができている。
【００４７】
尚、本実施形態では、摺動部材１０において、非晶質炭素被膜（硬質炭素被膜）１３の膜厚は、２０〜３０ｎｍのものにおいて、摩擦係数μ＝０．０１を得たが、以下に、非晶質炭素被膜１３の膜厚についての考察結果を示す。
【００４８】
テストサンプルとして、図７に示すように、実施例と比較例とを準備した。即ち、実施例および比較例の非晶質酸化珪素被膜１４については、膜厚が１０００ｎｍとなるように熱酸化法により形成した。また、実施例の非晶質炭素被膜１３については、膜厚が１００ｎｍとなるように、また比較例の非晶質炭素被膜１３については膜厚が１０００ｎｍとなるようにプラズマＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成した。
【００４９】
摩擦係数μの測定にあたっては、図８に示すように、窒素雰囲気中において、基材１１に４００ｍＮの荷重を付加し、基材１２を２５０ｒｐｍで回転させて、サイクル（回転数）毎の摩擦係数μを測定子により測定した。
【００５０】
図９に示すように、非晶質炭素被膜１３の膜厚１００ｎｍにおける実施例では、摩擦係数μとしては、０．０４が得られた。また、図１０に示すように、非晶質炭素被膜１３の膜厚１０００ｎｍにおける比較例では、摩擦係数μとしては、０．１が得られた。尚、非晶質炭素被膜１３の膜厚２０〜３０ｎｍにおける上記第１実施形態では、摩擦係数μとしては、０．０１が得られている。
【００５１】
このことから、非晶質炭素被膜１３の膜厚が厚いほど、摩擦係数μは大きくなる傾向にあり、非晶質炭素被膜１３の膜厚は、所定の膜厚よりも薄く設定することで、低摩擦状態が得られるものと推察できる。
【００５２】
（第２実施形態）
第２実施形態の摺動システム１００を図１１に示す。摺動システム１００は、摺動部材１０Ａに、ヒータ２０、および制御部３０を設けたものである。
【００５３】
摺動部材１０Ａは、互いに摺動する一対の基材１１、１２を有している。基材１１は、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）から成るボールであり、基材１２は、同様に窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）から成る円板状のディスクである。基材１１、１２の互いに対向する表面１１ａ、１２ａにはそれぞれ硬質炭素被膜１３Ａが形成されている。ここでは、硬質炭素被膜１３Ａは、高硬度の耐摩耗薄膜としての窒化炭素被膜（ＣＮｘ）が採用されている。
【００５４】
そして、基材１１は図示しない測定子に固定されると共に、基材１２の上側（表面１２ａ）に配設されている。基材１１は、測定子に固定されることにより非回転状態となっている。そして、基材１１の上側から所定の荷重（例えば４００ｍＮ）が付加されている。また、基材１２は外部モータによって所定の回転数（例えば２５０ｒｐｍ）で回転されるようになっている。外部モータによる基材１２の回転によって、基材１１の非回転状態が維持されつつ、基材１１と基材１２は、互いに摺動されるようになっている。基材１２の１回転は、摺動における１サイクルとしている。
【００５５】
ヒータ２０は、摺動部材１０Ａを加熱する加熱手段である。ヒータ２０は、摺動部材１０Ａに近接する外部に配設されて、摺動部材１０Ａにおいて互いに摺動する部位を集中的に加熱するようになっている。ヒータ２０は、例えば電気ヒータであり、電源がオンされることで摺動部材１０Ａを加熱可能としている。尚、ヒータ２０は、摺動部材１０Ａの外部に配設されるものに限らず、基材１１、あるいは基材１２の内部に埋め込まれたものとしても良い。
【００５６】
制御部３０は、ヒータ２０の作動を制御する制御手段であり、ヒータ２０の電源をオンオフ制御することで、ヒータ２０による摺動部の加熱温度を変化させる制御を行うようになっている。制御部３０は、摺動部材１０Ａの摺動が起動される起動時、あるいは摺動が行われている通常動作時に、少なくとも１回、ヒータ２０による摺動部の加熱温度を変化させるようになっている。ここでは、制御部３０は、上記の加熱温度の変化を、摺動の起動時に実施するようになっている。
【００５７】
ここで、摺動の起動時とは、摺動が開始されたと同時のタイミング、あるいは直後のタイミングを意味する。通常動作時とは、上記起動時から所定時間経過した後に定常的に摺動が行われている時を意味する。また、加熱温度を変化させるという意味は、摺動部の温度を上昇および下降させるものであって、例えば常温から第１温度まで上昇させ、更に第１温度から常温に下降させるものである。更に、制御部３０は、このような温度変化をさせた後に、最終的に摺動部の加熱温度を所定温度の範囲内に維持するようにヒータ２０を制御する。
【００５８】
摺動システム１００は、大気中において、外部モータの作動により基材１２が回転され、基材１１は測定子によって非回転の状態が維持されて、基材１１と基材１２とが互いに摺動される。そして、図１２に示すように、摺動の起動時に制御部３０によって、複数回のヒータ２０のオンオフが実行され、摺動部に対する加熱温度の変化が与えられる。ここでは、２回のヒータ２０のオンオフが実行され、更に３回目のヒータ２０のオン状態がそのまま維持されるようになっている。尚、ヒータ２０のオン時は、摺動部の温度が８０℃まで上昇するようにし、また、ヒータ２０のオフ時は、摺動部の温度が４０℃程度まで下降するようになっている。このようなヒータ２０のオンオフの実施、およびオン状態の維持の後において、摺動部材１０Ａにおいて、摩擦係数μ＝０．０１となる低摩擦状態が得られた。
【００５９】
ここで、摺動部材１０Ａの通常動作時において、ヒータ２０の加熱温度を変化させたときの摩擦係数μは、図１３に示すように、加熱温度が６０℃〜１１０℃に上昇するときに、０．０１以下となっており、ヒータ２０によって摺動部を加熱維持する加熱温度範囲としては、６０℃〜１１０℃が好適ある。この加熱温度範囲（６０℃〜１１０℃）は、本発明の所定の温度範囲に対応する。
【００６０】
以上のように、本実施形態では、基材１１、１２の表面１１ａ、１２ａに硬質炭素被膜（窒化炭素被膜）１３Ａを設けた摺動部材１０Ａにおいて、ヒータ２０および制御部３０によって、加熱温度の変化を与えることで、大気中であっても摺動部材１０Ａにおける低摩擦（摩擦係数μが０．０１以下）を安定的に維持することができる。
【００６１】
尚、摺動部の加熱温度の変化は、起動時に限らず、通常動作時に付加するようにしても良い。また、基材１１、１２の表面１１ａ、１２ａに形成する硬質炭素被膜（窒化炭素被膜）１３Ａは、これに限定されるものでは無く、その他にも非晶質炭素被膜、あるいはダイヤモンド被膜等としても良い。
【００６２】
更には、基材１１、１２の表面１１ａ、１２ａに形成される被膜としては、上記硬質炭素被膜（窒化炭素被膜）、非晶質炭素被膜、あるいはダイヤモンド被膜に代えて、上記第１実施形態で説明した、非晶質炭素被膜１３と非晶質酸化窒素被膜１４とから成る２層構造の被膜としても良い。第１実施形態の２層構造の被膜では、それだけで、摩擦係数μ＝０．０１を実現するものであるが、上記のような加熱温度の変化を与えることにより、更に安定した低摩擦が維持できる。
【００６３】
（第３実施形態）
第３実施形態の摺動システムを図１４、図１５に示す。第３実施形態は、エンジンシステム２００を形成する部品に本摺動部材１０、１０Ａを適用したものとしている。
【００６４】
図１４に示すように、エンジンシステム２００は、エンジン２１０、インジェクタ２２０、過給機２３０、インタークーラ２４０、吸気スロットル２５０、ＥＧＲクーラ２６０、およびＥＧＲバルブ２７０等を備えている。
【００６５】
エンジン２１０は、例えばディーゼル用エンジンであり、吸気ポート２１３から吸入される吸気とインジェクタ２２０から噴射される燃料とを混合、圧縮、爆発させて、シリンダ２１２内におけるピストン２１１を往復動させて、回転駆動力を発生させる。爆発後の排気は、排気ポート２１４から排出される。
【００６６】
吸気は、排気ポート２１４から排出される排気のエネルギーによって回転駆動される過給機２３０によって加圧され、インタークーラ２４０によって冷却され、更に吸気スロットル２５０によって流量調節されて吸気ポート２１３に吸入されるようになっている。また、排気の一部は、ＥＧＲクーラ２６０によって冷却されて、ＥＧＲバルブ２７０によって流量調節されて、再び吸気ポート２１３に吸入されるようになっている。
【００６７】
上記のような構成を備えるエンジンシステム２００において、第１、第２実施形態で説明した摺動部材１０、１０Ａは、例えば、エンジン２１０におけるピストン２１１と、シリンダ２１２との摺動部に適用することができる。
【００６８】
摺動部材１０を適用した場合では、ピストン２１１とシリンダ２１２との少なくとも一方の表面に硬質炭素被膜１３と中間層１４とによる２層構造の被膜を形成することで、大気中であってもピストン２１１とシリンダ２１２との摩擦負荷を低減することができる。また、ピストン２１１、およびシリンダ２１２は、エンジン２１０の燃焼部（熱源部）に隣接して配設され、燃焼時の高温雰囲気に置かれることから、摺動部は燃焼部による加熱効果を受けることができるので、更に良好な低摩擦状態を維持することができる。
【００６９】
また、摺動部材１０Ａを適用した場合では、ピストン２１１とシリンダ２１２との少なくとも一方の表面に硬質炭素被膜（窒化炭素被膜、非晶質炭素被膜、ダイヤモンド被膜）１３Ａによる被膜を形成することができ、摺動部は燃焼部による加熱効果を受けることができるので、良好な低摩擦状態を実現することができる。
【００７０】
あるいは、摺動部材１０、１０Ａは、例えば、図１５に示すように、インジェクタ２２０に適用することができる。インジェクタ２２０は、ソレノイド２２１の磁力（吸引力）と、スプリング２２２の付勢力とによって、ニードル弁２２３がホルダ部２２４内を摺動するようになっている。摺動部材１０、１０Ａとしては、ニードル弁２２３とホルダ部２２４との少なくとも一方の表面に硬質炭素被膜１３と中間層１４とによる２層構造の被膜、あるいは、硬質炭素被膜（窒化炭素被膜、非晶質炭素被膜、ダイヤモンド被膜）１３Ａを形成することで、上記ピストン２１１とシリンダ２１２の場合と同様に、大気中であってもニードル弁２２３とホルダ部２２４との摩擦負荷を低減することができる。
【００７１】
（第４実施形態）
第４実施形態を図１６、図１７に示す。第４実施形態は、エンジンシステム２００における熱源部による摺動部の加熱温度を調節しながら、低摩擦状態を実現するようにしたものである。
【００７２】
摺動部材１０、１０Ａは、図１６、図１７に示すＥＧＲバルブ２７０に適用されている。ＥＧＲバルブ２７０は、円板状のバルブ２７１に回動軸２７２が設けられており、回動軸２７２が軸受け２７３に支持されている。バルブ２７１は排気流通部２７４内に配設され、回動軸２７２が図示しないモータによって回動されるようになっている。バルブ２７１の回動位置に応じて排気流通部２７４を流通する排気の流量が調節されるようになっている。
【００７３】
摺動部材１０、１０Ａは、回動軸２７２と軸受け２７３との摺動部に適用されている。摺動部材１０、１０Ａは、回転軸２７２と軸受け２７３との少なくとも一方の表面に硬質炭素被膜１３と中間層１４とによる２層構造の被膜、あるいは、硬質炭素被膜（窒化炭素被膜、非晶質炭素被膜、ダイヤモンド被膜）１３Ａを形成している。
【００７４】
エンジンシステム２００におけるＥＧＲクーラ２６０には、排気の温度を調節する温度調節部２６１が設けられている。温度調節部２６１は、例えばＥＧＲクーラ２６０を流通する排気の流量を変化させる、あるいは、ＥＧＲクーラ２６０の有効冷却部の大きさを変化させる（排気が流れるチューブの本数を都度調節する）等により排気の温度調節を可能としている。ＥＧＲクーラ２６０によって冷却された後の排気温度は、例えば６０℃〜１００℃の範囲で調節されるようになっている。
【００７５】
第４実施形態においては、ＥＧＲバルブ２７０の起動時、あるいは通常動作時において、少なくとも１回以上、上記第２実施形態において加熱温度を変化させる場合と同様に、排気温度が調節される。これにより、回動軸２７２と軸受け２７３とに摺動部材１０が適用されるものにおいては、大気中であっても２層構造の被膜による低摩擦効果による低摩擦状態の実現と、加熱効果による低摩擦状態の安定的な維持が可能となる。また、回動軸２７２と軸受け２７３とに摺動部材１０Ａが適用されるものにおいては、大気中であっても硬質炭素被膜１３Ａに対する加熱温度変化の効果による低摩擦状態を実現できる。
【００７６】
（その他の実施形態）
上記第３、第４実施形態における摺動部１０、１０Ａを加熱する熱源部として、エンジンシステム２００における排気の熱を活用するものとして説明したが、これに限らず、エンジン冷却時に放出される廃熱（冷却水、ラジエータからの廃熱）、あるいは、空調用の廃熱（コンデンサからの廃熱）等を活用したものとしても良い。
【符号の説明】
【００７７】
１０、１０Ａ 摺動部材
１１ 基材
１２ 基材
１３ 硬質炭素被膜（非晶質炭素被膜）
１３Ａ 硬質炭素被膜（窒化炭素被膜）
１４ 中間層
２０ ヒータ（加熱手段）
３０ 制御部（制御手段）
１００ 摺動システム
２００ エンジンシステム
２６１ 温度調節部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気中において良好な低摩擦を実現する摺動部材およびこの摺動部材を用いた摺動システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の摺動装置として、例えば、特許文献１に示されるものが知られている。特許文献１の摺動装置は、相対向して摺動する２つの摺動部材のうち少なくとも一方の摺動部材の表面に窒化炭素膜が形成されており、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されている。
【０００３】
特許文献１の摺動装置においては、摺動時の雰囲気を窒素ガス雰囲気とすることで、窒化炭素膜の酸化を抑制し、摩擦係数が０．０１以下となるような低摩擦を実現している。
【０００４】
また、例えば、非特許文献１では、摺動部材の一方の表面に窒化炭素膜を形成して、雰囲気湿度に応じて摺動部を所定の温度で連続的に加熱することで、大気中であっても低摩擦が得られることが記載されている。非特許文献１では、摩擦係数が０．０５以下となる低摩擦が得られる加熱温度として、相対湿度６０〜７０％大気中では約１２５℃以上、相対湿度２０〜５０％大気中では約１００℃以上、相対湿度５％以下の大気中では７５℃以上であることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３３９０５６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】吉川雄也、野老山貴行、梅原徳治著 日本機械学会論文集（Ｃ編）７４巻７４７号（２００８−１１） 「大気中におけるＣＮｘ膜の摩擦磨耗特性の基板温度による制御」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１の摺動装置では、窒素ガス雰囲気を形成するための窒素容器や、窒素吹出しノズル等が必要となるため、摺動設備として構成が複雑となり、コスト高となる。
【０００８】
また、上記非特許文献１では、大気中での低摩擦を実現すると言いながらも、摩擦係数は０．０５以下のレベルであり、摩擦係数０．０１以下となるような更なる低摩擦の実現には至っていない。
【０００９】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、大気中においても、摩擦係数０．０１以下となる低摩擦を実現する摺動部材およびこの摺動部材を用いた摺動システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
【００１１】
請求項１に記載の発明では、相互に摺動する一対の基材（１１、１２）のうち、少なくとも一方（１１）に硬質炭素被膜（１３）が形成された摺動部材において、
基材（１１）と硬質炭素被膜（１３）との間に、珪素と酸素とを含む化合物によって形成される中間層（１４）を設けたことを特徴としている。
【００１２】
この発明によれば、明確なメカニズムは定かではないが、図３、図５にて後述するように、大気中においても摩擦係数０．０１以下となる低摩擦を実現することができている。
【００１３】
請求項２に記載の発明では、硬質炭素被膜（１３）は、ラマンスペクトルにおける１５８０ｃｍ−１の強度ＩＧと、１３５０ｃｍ−１の強度ＩＤとの関係がＩＧ／ＩＤ≧１となる非晶質炭素被膜であることを特徴としている。
【００１４】
この発明によれば、硬質炭素被膜（１３）を、ＩＧ／ＩＤ≧１となる非晶質炭素被膜とすることで、グラファイト構造を強くすることができるため、低摩擦機能を向上させることができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明では、中間層（１４）は、珪素のエルネススペクトルにおいて、エネルギーロスが１０８ｅＶの強度ＩＳｉＯ２と、１１１ｅＶの強度ＩＳｉＯとの関係がＩＳｉＯ／ＩＳｉＯ２≧１となる非晶質酸化珪素被膜であることを特徴としている。
【００１６】
この発明によれば、中間層（１４）を、ＩＳｉＯ／ＩＳｉＯ２≧１となる非晶質酸化珪素被膜とすることで、低摩擦機能を向上させることができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明では、摺動システムにおいて、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の摺動部材（１０）と、
摺動部材（１０）を加熱する加熱手段（２０）と、
摺動部材（１０）における加熱温度を上昇および下降変化させた後に、所定温度範囲に維持させるように加熱手段（２０）を制御する制御手段（３０）とを備えることを特徴としている。
【００１８】
この発明によれば、加熱手段（２０）と制御手段（３０）によって摺動部材（１０）への加熱温度を変化させた後に、所定温度範囲に維持して加熱することによって、摺動部材（１０）における低摩擦を安定的に維持することができる。
【００１９】
請求項５に記載の発明のように、制御手段（３０）は、摺動部材（１０）の摺動が起動される起動時に少なくとも１回、加熱温度を変化させるようにすると良い。
【００２０】
また、請求項６に記載の発明のように、制御手段（３０）は、摺動部材（１０）の摺動が行われている通常動作時に少なくとも１回、加熱温度を変化させるようにしても良い。
【００２１】
請求項７に記載の発明では、摺動システムにおいて、加熱用の熱源部に隣接して配設される請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の摺動部材（１０）と、
熱源部による摺動部材（１０）の加熱温度を上昇および下降変化させた後に、所定温度範囲に維持させる温度調節部（２６１）とを備えることを特徴としている。
【００２２】
この発明によれば、熱源部の熱を活用して、摺動部材（１０）への加熱温度を変化させた後に、所定温度範囲に維持して加熱することによって、摺動部材（１０）における低摩擦を安定的に維持することができる。
【００２３】
請求項８に記載の発明のように、温度調節部（２６１）は、摺動部材（１０）の摺動が起動される起動時に少なくとも１回、加熱温度を変化させるようにすると良い。
【００２４】
また、請求項９に記載の発明のように、温度調節部（２６１）は、摺動部材（１０）の摺動が行われている通常動作時に少なくとも１回、加熱温度を変化させるようにしても良い。
【００２５】
請求項１０に記載の発明では、摺動システムにおいて、相互に摺動する一対の基材（１１、１２）のうち、少なくとも一方（１１）に硬質炭素被膜（１３Ａ）が形成された摺動部材（１０Ａ）と、
摺動部材（１０Ａ）を加熱する加熱手段（２０）と、
摺動部材（１０Ａ）における加熱温度を上昇および下降変化させた後に、所定温度範囲に維持させるように加熱手段（２０）を制御する制御手段（３０）とを備えることを特徴としている。
【００２６】
この発明によれば、硬質炭素被膜（１３Ａ）によって低摩擦機能を持たすことができ、更に、加熱温度を変化させた後に、所定温度範囲に維持して加熱することで摺動部材（１０Ａ）における低摩擦を安定的に維持することができる。よって、大気中においても摩擦係数０．０１以下となる低摩擦を実現することができる。
【００２７】
請求項１１に記載の発明のように、制御手段（３０）は、摺動部材（１０Ａ）の摺動が起動される起動時に少なくとも１回、加熱温度を変化させるようにすると良い。
【００２８】
また、請求項１２に記載の発明のように、制御手段（３０）は、摺動部材（１０Ａ）の摺動が行われている通常動作時に少なくとも１回、加熱温度を変化させるようにしても良い。
【００２９】
請求項１３に記載の発明では、摺動システムにおいて、加熱用の熱源部に隣接して配設されると共に、相互に摺動する一対の基材（１１、１２）のうち、少なくとも一方（１１）に硬質炭素被膜（１３Ａ）が形成された摺動部材（１０Ａ）と、
熱源部による摺動部材（１０Ａ）の加熱温度を上昇および下降変化させた後に、所定温度範囲に維持させる温度調節部（２６１）とを備えることを特徴としている。
【００３０】
この発明によれば、硬質炭素被膜（１３Ａ）によって低摩擦機能を持たすことができ、更に、熱源部の熱を活用して、摺動部材（１０Ａ）への加熱温度を変化させた後に、所定温度範囲に維持して加熱することによって、摺動部材（１０Ａ）における低摩擦を安定的に維持することができる。よって、大気中においても摩擦係数０．０１以下となる低摩擦を実現することができる。
【００３１】
請求項１４に記載の発明のように、温度調節部（２６１）は、摺動部材（１０Ａ）の摺動が起動される起動時に少なくとも１回、加熱温度を変化させるようにすると良い。
【００３２】
また、請求項１５に記載の発明のように、温度調節部（２６１）は、摺動部材（１０Ａ）の摺動が行われている通常動作時に少なくとも１回、加熱温度を変化させるようにしても良い。
【００３３】
請求項１６に記載の発明のように、硬質炭素被膜（１３Ａ）としては、窒化炭素被膜、非晶質炭素被膜、あるいはダイヤモンド被膜のいずれか１つを用いて好適である。
【００３４】
尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】第１実施形態の基材表面を示す拡大断面図である。
【図２】摺動部材の成形方法を示す概略図である。
【図３】摺動部材の摩擦係数を示すグラフである。
【図４】非晶質炭素被膜におけるラマン散乱強度を示すグラフである。
【図５】ラマンＩＧ／ＩＤに対する摩擦係数を示すグラフである。
【図６】中間層における吸収強度を示すグラフである。
【図７】非晶質炭素被膜の膜厚サンプルの水準を示す表である。
【図８】摩擦係数を確認するための要領を示す概略図である。
【図９】膜厚１００ｎｍにおける摩擦係数を示すグラフである。
【図１０】膜厚１０００ｎｍにおける摩擦係数を示すグラフである。
【図１１】第２実施形態における摺動システムを示す概略図である。
【図１２】加熱温度を変化させたときの摩擦係数を示すグラフである。
【図１３】摩擦係数が０．０１以下となる温度範囲を示すグラフである。
【図１４】第３実施形態におけるエンジンシステムを示す概略図である。
【図１５】インジェクタを示す概略図である。
【図１６】第４実施形態におけるエンジンシステムを示す概略図である。
【図１７】ＥＧＲバルブを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
【００３７】
（第１実施形態）
以下、第１実施形態における摺動部材１０について、図１〜図６を用いて説明する。図１は基材１１（１２）の表面１１ａ（１２ａ）を示す拡大断面図、図２は摺動部材１０の成形方法を示す概略図、図３は摺動部材１０の摩擦係数μを示すグラフ、図４は非晶質炭素被膜１３におけるラマン散乱強度を示すグラフ、図５はラマンＩＧ／ＩＤに対する摩擦係数を示すグラフ、図６は中間層１４における吸収強度を示すグラフである。
【００３８】
摺動部材１０は、図２に示すように、互いに摺動する一対の基材１１、１２を有している。図１に示すように、各基材１１、１２の少なくとも一方の表面１１ａ（表面１１ａあるいは／および表面１２ａ）には硬質炭素被膜１３が形成されている。そして、表面１１ａと硬質炭素被膜１３との間には、中間層１４が形成されている。硬質炭素被膜１３は、１〜５００ｎｍの膜厚を有するものであり、本実施形態では２０〜３０ｎｍ程度に形成されている。また、中間層１４は、１〜１０００ｎｍの膜厚を有するものであり、本実施形態では５０〜６０ｎｍ程度に形成されている。
【００３９】
上記の摺動部材１０は、図２に示す要領にて形成することができる。即ち、基材１１として、例えば窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）から成るボールを準備する。また基材１２として、同様に窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）から成る円板状のディスクを準備する。基材１１、１２の互いに対向する表面１１ａ、１２ａにはそれぞれ高硬度の耐摩耗薄膜としての窒化炭素被膜（ＣＮｘ）を形成しておく。そして、基材１１を図示しない測定子に固定すると共に、基材１２の上側（表面１２ａ側）に配設する。基材１１は、測定子に固定されることにより非回転状態となっている。そして、基材１１の上側から所定の荷重（例えば４００ｍＮ）を付加する。次に、基材１１の非回転の状態を維持して、基材１２を外部モータによって所定の回転数（例えば２５０ｒｐｍ）で回転させ、基材１１と基材１２とを互いに摺動させる。両基材１１、１２の摺動は、例えばアルゴンガス、窒素ガス、あるいはヘリウムガス等の不活性ガス１００％（空気、あるいは酸素０％）の雰囲気中において実施する。
【００４０】
上記のような条件下において、基材１１、１２を互いに摺動させることにより、両表面１１ａ、１２ａのうち、少なくとも一方には図１で説明した硬質炭素被膜１３と中間層１４との２層構造の被膜が形成され、本実施形態の摺動部材１０を得ることができる。図３に示すように、この２層構造の被膜が形成されると低摩擦を維持することができる。基材１２の１回転を１サイクルとしたときのサイクル数に対する摺動部における摩擦係数μ（動摩擦係数）を見ると、初期状態にて摩擦係数μは０．１程度を示すものの、徐々に低下していき、およそ２０００サイクル以降では、摩擦係数μ＝０．０１となる低摩擦状態が維持されている。
【００４１】
２層構造の被膜における硬質炭素被膜１３は、原子間秩序において短距離秩序の成立する非晶質炭素被膜（アモルファスＣ）１３として形成されている。非晶質炭素被膜１３は、初期段階において基材１１、１２の表面に設けられた窒化炭素膜（ＣＮｘ）中の炭素から形成されている。この非晶質炭素皮膜１３は、ラマンスペクトルにおいて、波数１５８０ｃｍ−１のラマン散乱強度ＩＧと、波数１３５０ｃｍ−１のラマン散乱強度ＩＤとの関係が、ＩＧ／ＩＤ≧１となっている。
【００４２】
図４は、基材１１と、基材１２とが互いに摺動し合う摺動部における複数の箇所（例えば８箇所）でラマンスペクトル分析を行った結果である。複数の箇所におけるＩＧ／ＩＤの値の平均値は、１．０７８として得られている。ＩＧ／ＩＤの値が１以上となるということは、非晶質炭素皮膜１３においてグラファイト構造（ＩＧ）が多く形成されていることを意味している。
【００４３】
図５に示すように、本実施形態の摺動部材１０は、ＩＧ／ＩＤ≧１（ＩＧ／ＩＤ＝１．０７８）であり、摩擦係数μ＝０．０１を実現している。尚、図５中における他のプロット結果は、摺動部材１０を形成する際の雰囲気ガス条件を不活性ガス＋酸素（酸素濃度１〜１００％等）としたものである。他のプロット結果において、ＩＧ／ＩＤ≧１であっても摩擦係数μが０．０１を超えているものは、非晶質炭素被膜１３のみが形成されて、中間層１４が形成されていないもの等である。
【００４４】
２層構造の被膜における中間層１４は、硬質炭素被膜１３と同様に原子間秩序において短距離秩序の成立する非晶質酸化珪素被膜（アモルファスＳｉＯ）１４として形成されている。非晶質酸化珪素被膜１４は、珪素と酸素とを含む化合物によって形成されている。非晶質酸化珪素被膜１４は、基材１１、１２（窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４））中の珪素に酸素が結合して形成されている。図６に示すように、非晶質酸化珪素被膜１４は、珪素のエルネススペクトルにおいて、エネルギーロスが１０８ｅＶの強度ＩＳｉＯ２と、１１１ｅＶの強度ＩＳｉＯとの関係がＩＳｉＯ／ＩＳｉＯ２≧１となっている。
【００４５】
図６に示すように、本実施形態の摺動部材１０は、ＩＳｉＯ／ＩＳｉＯ２≧１（ＩＳｉＯ／ＩＳｉＯ２＝１．７０）であり、摩擦係数μ＝０．０１を実現している。尚、図６中の比較例は、摺動部材１０を形成する際の雰囲気ガス条件を大気中としたものであり、２層構造の被膜のうち、酸化珪素被膜のみが形成されたものである（摩擦係数μ＝０．２）。
【００４６】
以上のように本実施形態においては、明確なメカニズムは定かではないが、上記のように（図３、図５）、大気中においても摩擦係数０．０１以下となる低摩擦を実現することができている。
【００４７】
尚、本実施形態では、摺動部材１０において、非晶質炭素被膜（硬質炭素被膜）１３の膜厚は、２０〜３０ｎｍのものにおいて、摩擦係数μ＝０．０１を得たが、以下に、非晶質炭素被膜１３の膜厚についての考察結果を示す。
【００４８】
テストサンプルとして、図７に示すように、実施例と比較例とを準備した。即ち、実施例および比較例の非晶質酸化珪素被膜１４については、膜厚が１０００ｎｍとなるように熱酸化法により形成した。また、実施例の非晶質炭素被膜１３については、膜厚が１００ｎｍとなるように、また比較例の非晶質炭素被膜１３については膜厚が１０００ｎｍとなるようにプラズマＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成した。
【００４９】
摩擦係数μの測定にあたっては、図８に示すように、窒素雰囲気中において、基材１１に４００ｍＮの荷重を付加し、基材１２を２５０ｒｐｍで回転させて、サイクル（回転数）毎の摩擦係数μを測定子により測定した。
【００５０】
図９に示すように、非晶質炭素被膜１３の膜厚１００ｎｍにおける実施例では、摩擦係数μとしては、０．０４が得られた。また、図１０に示すように、非晶質炭素被膜１３の膜厚１０００ｎｍにおける比較例では、摩擦係数μとしては、０．１が得られた。尚、非晶質炭素被膜１３の膜厚２０〜３０ｎｍにおける上記第１実施形態では、摩擦係数μとしては、０．０１が得られている。
【００５１】
このことから、非晶質炭素被膜１３の膜厚が厚いほど、摩擦係数μは大きくなる傾向にあり、非晶質炭素被膜１３の膜厚は、所定の膜厚よりも薄く設定することで、低摩擦状態が得られるものと推察できる。
【００５２】
（第２実施形態）
第２実施形態の摺動システム１００を図１１に示す。摺動システム１００は、摺動部材１０Ａに、ヒータ２０、および制御部３０を設けたものである。
【００５３】
摺動部材１０Ａは、互いに摺動する一対の基材１１、１２を有している。基材１１は、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）から成るボールであり、基材１２は、同様に窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）から成る円板状のディスクである。基材１１、１２の互いに対向する表面１１ａ、１２ａにはそれぞれ硬質炭素被膜１３Ａが形成されている。ここでは、硬質炭素被膜１３Ａは、高硬度の耐摩耗薄膜としての窒化炭素被膜（ＣＮｘ）が採用されている。
【００５４】
そして、基材１１は図示しない測定子に固定されると共に、基材１２の上側（表面１２ａ）に配設されている。基材１１は、測定子に固定されることにより非回転状態となっている。そして、基材１１の上側から所定の荷重（例えば４００ｍＮ）が付加されている。また、基材１２は外部モータによって所定の回転数（例えば２５０ｒｐｍ）で回転されるようになっている。外部モータによる基材１２の回転によって、基材１１の非回転状態が維持されつつ、基材１１と基材１２は、互いに摺動されるようになっている。基材１２の１回転は、摺動における１サイクルとしている。
【００５５】
ヒータ２０は、摺動部材１０Ａを加熱する加熱手段である。ヒータ２０は、摺動部材１０Ａに近接する外部に配設されて、摺動部材１０Ａにおいて互いに摺動する部位を集中的に加熱するようになっている。ヒータ２０は、例えば電気ヒータであり、電源がオンされることで摺動部材１０Ａを加熱可能としている。尚、ヒータ２０は、摺動部材１０Ａの外部に配設されるものに限らず、基材１１、あるいは基材１２の内部に埋め込まれたものとしても良い。
【００５６】
制御部３０は、ヒータ２０の作動を制御する制御手段であり、ヒータ２０の電源をオンオフ制御することで、ヒータ２０による摺動部の加熱温度を変化させる制御を行うようになっている。制御部３０は、摺動部材１０Ａの摺動が起動される起動時、あるいは摺動が行われている通常動作時に、少なくとも１回、ヒータ２０による摺動部の加熱温度を変化させるようになっている。ここでは、制御部３０は、上記の加熱温度の変化を、摺動の起動時に実施するようになっている。
【００５７】
ここで、摺動の起動時とは、摺動が開始されたと同時のタイミング、あるいは直後のタイミングを意味する。通常動作時とは、上記起動時から所定時間経過した後に定常的に摺動が行われている時を意味する。また、加熱温度を変化させるという意味は、摺動部の温度を上昇および下降させるものであって、例えば常温から第１温度まで上昇させ、更に第１温度から常温に下降させるものである。更に、制御部３０は、このような温度変化をさせた後に、最終的に摺動部の加熱温度を所定温度の範囲内に維持するようにヒータ２０を制御する。
【００５８】
摺動システム１００は、大気中において、外部モータの作動により基材１２が回転され、基材１１は測定子によって非回転の状態が維持されて、基材１１と基材１２とが互いに摺動される。そして、図１２に示すように、摺動の起動時に制御部３０によって、複数回のヒータ２０のオンオフが実行され、摺動部に対する加熱温度の変化が与えられる。ここでは、２回のヒータ２０のオンオフが実行され、更に３回目のヒータ２０のオン状態がそのまま維持されるようになっている。尚、ヒータ２０のオン時は、摺動部の温度が８０℃まで上昇するようにし、また、ヒータ２０のオフ時は、摺動部の温度が４０℃程度まで下降するようになっている。このようなヒータ２０のオンオフの実施、およびオン状態の維持の後において、摺動部材１０Ａにおいて、摩擦係数μ＝０．０１となる低摩擦状態が得られた。
【００５９】
ここで、摺動部材１０Ａの通常動作時において、ヒータ２０の加熱温度を変化させたときの摩擦係数μは、図１３に示すように、加熱温度が６０℃〜１１０℃に上昇するときに、０．０１以下となっており、ヒータ２０によって摺動部を加熱維持する加熱温度範囲としては、６０℃〜１１０℃が好適ある。この加熱温度範囲（６０℃〜１１０℃）は、本発明の所定の温度範囲に対応する。
【００６０】
以上のように、本実施形態では、基材１１、１２の表面１１ａ、１２ａに硬質炭素被膜（窒化炭素被膜）１３Ａを設けた摺動部材１０Ａにおいて、ヒータ２０および制御部３０によって、加熱温度の変化を与えることで、大気中であっても摺動部材１０Ａにおける低摩擦（摩擦係数μが０．０１以下）を安定的に維持することができる。
【００６１】
尚、摺動部の加熱温度の変化は、起動時に限らず、通常動作時に付加するようにしても良い。また、基材１１、１２の表面１１ａ、１２ａに形成する硬質炭素被膜（窒化炭素被膜）１３Ａは、これに限定されるものでは無く、その他にも非晶質炭素被膜、あるいはダイヤモンド被膜等としても良い。
【００６２】
更には、基材１１、１２の表面１１ａ、１２ａに形成される被膜としては、上記硬質炭素被膜（窒化炭素被膜）、非晶質炭素被膜、あるいはダイヤモンド被膜に代えて、上記第１実施形態で説明した、非晶質炭素被膜１３と非晶質酸化窒素被膜１４とから成る２層構造の被膜としても良い。第１実施形態の２層構造の被膜では、それだけで、摩擦係数μ＝０．０１を実現するものであるが、上記のような加熱温度の変化を与えることにより、更に安定した低摩擦が維持できる。
【００６３】
（第３実施形態）
第３実施形態の摺動システムを図１４、図１５に示す。第３実施形態は、エンジンシステム２００を形成する部品に本摺動部材１０、１０Ａを適用したものとしている。
【００６４】
図１４に示すように、エンジンシステム２００は、エンジン２１０、インジェクタ２２０、過給機２３０、インタークーラ２４０、吸気スロットル２５０、ＥＧＲクーラ２６０、およびＥＧＲバルブ２７０等を備えている。
【００６５】
エンジン２１０は、例えばディーゼル用エンジンであり、吸気ポート２１３から吸入される吸気とインジェクタ２２０から噴射される燃料とを混合、圧縮、爆発させて、シリンダ２１２内におけるピストン２１１を往復動させて、回転駆動力を発生させる。爆発後の排気は、排気ポート２１４から排出される。
【００６６】
吸気は、排気ポート２１４から排出される排気のエネルギーによって回転駆動される過給機２３０によって加圧され、インタークーラ２４０によって冷却され、更に吸気スロットル２５０によって流量調節されて吸気ポート２１３に吸入されるようになっている。また、排気の一部は、ＥＧＲクーラ２６０によって冷却されて、ＥＧＲバルブ２７０によって流量調節されて、再び吸気ポート２１３に吸入されるようになっている。
【００６７】
上記のような構成を備えるエンジンシステム２００において、第１、第２実施形態で説明した摺動部材１０、１０Ａは、例えば、エンジン２１０におけるピストン２１１と、シリンダ２１２との摺動部に適用することができる。
【００６８】
摺動部材１０を適用した場合では、ピストン２１１とシリンダ２１２との少なくとも一方の表面に硬質炭素被膜１３と中間層１４とによる２層構造の被膜を形成することで、大気中であってもピストン２１１とシリンダ２１２との摩擦負荷を低減することができる。また、ピストン２１１、およびシリンダ２１２は、エンジン２１０の燃焼部（熱源部）に隣接して配設され、燃焼時の高温雰囲気に置かれることから、摺動部は燃焼部による加熱効果を受けることができるので、更に良好な低摩擦状態を維持することができる。
【００６９】
また、摺動部材１０Ａを適用した場合では、ピストン２１１とシリンダ２１２との少なくとも一方の表面に硬質炭素被膜（窒化炭素被膜、非晶質炭素被膜、ダイヤモンド被膜）１３Ａによる被膜を形成することができ、摺動部は燃焼部による加熱効果を受けることができるので、良好な低摩擦状態を実現することができる。
【００７０】
あるいは、摺動部材１０、１０Ａは、例えば、図１５に示すように、インジェクタ２２０に適用することができる。インジェクタ２２０は、ソレノイド２２１の磁力（吸引力）と、スプリング２２２の付勢力とによって、ニードル弁２２３がホルダ部２２４内を摺動するようになっている。摺動部材１０、１０Ａとしては、ニードル弁２２３とホルダ部２２４との少なくとも一方の表面に硬質炭素被膜１３と中間層１４とによる２層構造の被膜、あるいは、硬質炭素被膜（窒化炭素被膜、非晶質炭素被膜、ダイヤモンド被膜）１３Ａを形成することで、上記ピストン２１１とシリンダ２１２の場合と同様に、大気中であってもニードル弁２２３とホルダ部２２４との摩擦負荷を低減することができる。
【００７１】
（第４実施形態）
第４実施形態を図１６、図１７に示す。第４実施形態は、エンジンシステム２００における熱源部による摺動部の加熱温度を調節しながら、低摩擦状態を実現するようにしたものである。
【００７２】
摺動部材１０、１０Ａは、図１６、図１７に示すＥＧＲバルブ２７０に適用されている。ＥＧＲバルブ２７０は、円板状のバルブ２７１に回動軸２７２が設けられており、回動軸２７２が軸受け２７３に支持されている。バルブ２７１は排気流通部２７４内に配設され、回動軸２７２が図示しないモータによって回動されるようになっている。バルブ２７１の回動位置に応じて排気流通部２７４を流通する排気の流量が調節されるようになっている。
【００７３】
摺動部材１０、１０Ａは、回動軸２７２と軸受け２７３との摺動部に適用されている。摺動部材１０、１０Ａは、回転軸２７２と軸受け２７３との少なくとも一方の表面に硬質炭素被膜１３と中間層１４とによる２層構造の被膜、あるいは、硬質炭素被膜（窒化炭素被膜、非晶質炭素被膜、ダイヤモンド被膜）１３Ａを形成している。
【００７４】
エンジンシステム２００におけるＥＧＲクーラ２６０には、排気の温度を調節する温度調節部２６１が設けられている。温度調節部２６１は、例えばＥＧＲクーラ２６０を流通する排気の流量を変化させる、あるいは、ＥＧＲクーラ２６０の有効冷却部の大きさを変化させる（排気が流れるチューブの本数を都度調節する）等により排気の温度調節を可能としている。ＥＧＲクーラ２６０によって冷却された後の排気温度は、例えば６０℃〜１００℃の範囲で調節されるようになっている。
【００７５】
第４実施形態においては、ＥＧＲバルブ２７０の起動時、あるいは通常動作時において、少なくとも１回以上、上記第２実施形態において加熱温度を変化させる場合と同様に、排気温度が調節される。これにより、回動軸２７２と軸受け２７３とに摺動部材１０が適用されるものにおいては、大気中であっても２層構造の被膜による低摩擦効果による低摩擦状態の実現と、加熱効果による低摩擦状態の安定的な維持が可能となる。また、回動軸２７２と軸受け２７３とに摺動部材１０Ａが適用されるものにおいては、大気中であっても硬質炭素被膜１３Ａに対する加熱温度変化の効果による低摩擦状態を実現できる。
【００７６】
（その他の実施形態）
上記第３、第４実施形態における摺動部１０、１０Ａを加熱する熱源部として、エンジンシステム２００における排気の熱を活用するものとして説明したが、これに限らず、エンジン冷却時に放出される廃熱（冷却水、ラジエータからの廃熱）、あるいは、空調用の廃熱（コンデンサからの廃熱）等を活用したものとしても良い。
【符号の説明】
【００７７】
１０、１０Ａ 摺動部材
１１ 基材
１２ 基材
１３ 硬質炭素被膜（非晶質炭素被膜）
１３Ａ 硬質炭素被膜（窒化炭素被膜）
１４ 中間層
２０ ヒータ（加熱手段）
３０ 制御部（制御手段）
１００ 摺動システム
２００ エンジンシステム
２６１ 温度調節部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互に摺動する一対の基材（１１、１２）のうち、少なくとも一方（１１）に硬質炭素被膜（１３）が形成された摺動部材において、
前記基材（１１）と前記硬質炭素被膜（１３）との間に、珪素と酸素とを含む化合物によって形成される中間層（１４）を設けたことを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
前記硬質炭素被膜（１３）は、ラマンスペクトルにおける１５８０ｃｍ−１の強度ＩＧと、１３５０ｃｍ−１の強度ＩＤとの関係がＩＧ／ＩＤ≧１となる非晶質炭素被膜であることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
【請求項３】
前記中間層（１４）は、珪素のエルネススペクトルにおいて、エネルギーロスが１０８ｅＶの強度ＩＳｉＯ２と、１１１ｅＶの強度ＩＳｉＯとの関係がＩＳｉＯ／ＩＳｉＯ２≧１となる非晶質酸化珪素被膜であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の摺動部材。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の摺動部材（１０）と、
前記摺動部材（１０）を加熱する加熱手段（２０）と、
前記摺動部材（１０）における加熱温度を上昇および下降変化させた後に、所定温度範囲に維持させるように前記加熱手段（２０）を制御する制御手段（３０）とを備えることを特徴とする摺動システム。
【請求項５】
前記制御手段（３０）は、前記摺動部材（１０）の摺動が起動される起動時に少なくとも１回、前記加熱温度を変化させることを特徴とする請求項４に記載の摺動システム。
【請求項６】
前記制御手段（３０）は、前記摺動部材（１０）の摺動が行われている通常動作時に少なくとも１回、前記加熱温度を変化させることを特徴とする請求項４に記載の摺動システム。
【請求項７】
加熱用の熱源部に隣接して配設される請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の摺動部材（１０）と、
前記熱源部による前記摺動部材（１０）の加熱温度を上昇および下降変化させた後に、所定温度範囲に維持させる温度調節部（２６１）とを備えることを特徴とする摺動システム。
【請求項８】
前記温度調節部（２６１）は、前記摺動部材（１０）の摺動が起動される起動時に少なくとも１回、前記加熱温度を変化させることを特徴とする請求項７に記載の摺動システム。
【請求項９】
前記温度調節部（２６１）は、前記摺動部材（１０）の摺動が行われている通常動作時に少なくとも１回、前記加熱温度を変化させることを特徴とする請求項７に記載の摺動システム。
【請求項１０】
相互に摺動する一対の基材（１１、１２）のうち、少なくとも一方（１１）に硬質炭素被膜（１３Ａ）が形成された摺動部材（１０Ａ）と、
前記摺動部材（１０Ａ）を加熱する加熱手段（２０）と、
前記摺動部材（１０Ａ）における加熱温度を上昇および下降変化させた後に、所定温度範囲に維持させるように前記加熱手段（２０）を制御する制御手段（３０）とを備えることを特徴とする摺動システム。
【請求項１１】
前記制御手段（３０）は、前記摺動部材（１０Ａ）の摺動が起動される起動時に少なくとも１回、前記加熱温度を変化させることを特徴とする請求項１０に記載の摺動システム。
【請求項１２】
前記制御手段（３０）は、前記摺動部材（１０Ａ）の摺動が行われている通常動作時に少なくとも１回、前記加熱温度を変化させることを特徴とする請求項１０に記載の摺動システム。
【請求項１３】
加熱用の熱源部に隣接して配設されると共に、相互に摺動する一対の基材（１１、１２）のうち、少なくとも一方（１１）に硬質炭素被膜（１３Ａ）が形成された摺動部材（１０Ａ）と、
前記熱源部による前記摺動部材（１０Ａ）の加熱温度を上昇および下降変化させた後に、所定温度範囲に維持させる温度調節部（２６１）とを備えることを特徴とする摺動システム。
【請求項１４】
前記温度調節部（２６１）は、前記摺動部材（１０Ａ）の摺動が起動される起動時に少なくとも１回、前記加熱温度を変化させることを特徴とする請求項１３に記載の摺動システム。
【請求項１５】
前記温度調節部（２６１）は、前記摺動部材（１０Ａ）の摺動が行われている通常動作時に少なくとも１回、前記加熱温度を変化させることを特徴とする請求項１３に記載の摺動システム。
【請求項１６】
前記硬質炭素被膜（１３Ａ）は、窒化炭素被膜、非晶質炭素被膜、あるいはダイヤモンド被膜のいずれか１つであることを特徴とする請求項１０〜請求項１５のいずれか１つに記載の摺動システム。
【請求項１】
相互に摺動する一対の基材（１１、１２）のうち、少なくとも一方（１１）に硬質炭素被膜（１３）が形成された摺動部材において、
前記基材（１１）と前記硬質炭素被膜（１３）との間に、珪素と酸素とを含む化合物によって形成される中間層（１４）を設けたことを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
前記硬質炭素被膜（１３）は、ラマンスペクトルにおける１５８０ｃｍ−１の強度ＩＧと、１３５０ｃｍ−１の強度ＩＤとの関係がＩＧ／ＩＤ≧１となる非晶質炭素被膜であることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
【請求項３】
前記中間層（１４）は、珪素のエルネススペクトルにおいて、エネルギーロスが１０８ｅＶの強度ＩＳｉＯ２と、１１１ｅＶの強度ＩＳｉＯとの関係がＩＳｉＯ／ＩＳｉＯ２≧１となる非晶質酸化珪素被膜であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の摺動部材。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の摺動部材（１０）と、
前記摺動部材（１０）を加熱する加熱手段（２０）と、
前記摺動部材（１０）における加熱温度を上昇および下降変化させた後に、所定温度範囲に維持させるように前記加熱手段（２０）を制御する制御手段（３０）とを備えることを特徴とする摺動システム。
【請求項５】
前記制御手段（３０）は、前記摺動部材（１０）の摺動が起動される起動時に少なくとも１回、前記加熱温度を変化させることを特徴とする請求項４に記載の摺動システム。
【請求項６】
前記制御手段（３０）は、前記摺動部材（１０）の摺動が行われている通常動作時に少なくとも１回、前記加熱温度を変化させることを特徴とする請求項４に記載の摺動システム。
【請求項７】
加熱用の熱源部に隣接して配設される請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の摺動部材（１０）と、
前記熱源部による前記摺動部材（１０）の加熱温度を上昇および下降変化させた後に、所定温度範囲に維持させる温度調節部（２６１）とを備えることを特徴とする摺動システム。
【請求項８】
前記温度調節部（２６１）は、前記摺動部材（１０）の摺動が起動される起動時に少なくとも１回、前記加熱温度を変化させることを特徴とする請求項７に記載の摺動システム。
【請求項９】
前記温度調節部（２６１）は、前記摺動部材（１０）の摺動が行われている通常動作時に少なくとも１回、前記加熱温度を変化させることを特徴とする請求項７に記載の摺動システム。
【請求項１０】
相互に摺動する一対の基材（１１、１２）のうち、少なくとも一方（１１）に硬質炭素被膜（１３Ａ）が形成された摺動部材（１０Ａ）と、
前記摺動部材（１０Ａ）を加熱する加熱手段（２０）と、
前記摺動部材（１０Ａ）における加熱温度を上昇および下降変化させた後に、所定温度範囲に維持させるように前記加熱手段（２０）を制御する制御手段（３０）とを備えることを特徴とする摺動システム。
【請求項１１】
前記制御手段（３０）は、前記摺動部材（１０Ａ）の摺動が起動される起動時に少なくとも１回、前記加熱温度を変化させることを特徴とする請求項１０に記載の摺動システム。
【請求項１２】
前記制御手段（３０）は、前記摺動部材（１０Ａ）の摺動が行われている通常動作時に少なくとも１回、前記加熱温度を変化させることを特徴とする請求項１０に記載の摺動システム。
【請求項１３】
加熱用の熱源部に隣接して配設されると共に、相互に摺動する一対の基材（１１、１２）のうち、少なくとも一方（１１）に硬質炭素被膜（１３Ａ）が形成された摺動部材（１０Ａ）と、
前記熱源部による前記摺動部材（１０Ａ）の加熱温度を上昇および下降変化させた後に、所定温度範囲に維持させる温度調節部（２６１）とを備えることを特徴とする摺動システム。
【請求項１４】
前記温度調節部（２６１）は、前記摺動部材（１０Ａ）の摺動が起動される起動時に少なくとも１回、前記加熱温度を変化させることを特徴とする請求項１３に記載の摺動システム。
【請求項１５】
前記温度調節部（２６１）は、前記摺動部材（１０Ａ）の摺動が行われている通常動作時に少なくとも１回、前記加熱温度を変化させることを特徴とする請求項１３に記載の摺動システム。
【請求項１６】
前記硬質炭素被膜（１３Ａ）は、窒化炭素被膜、非晶質炭素被膜、あるいはダイヤモンド被膜のいずれか１つであることを特徴とする請求項１０〜請求項１５のいずれか１つに記載の摺動システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１２−２４６５４５（Ｐ２０１２−２４６５４５Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２０５０６（Ｐ２０１１−１２０５０６）
【出願日】平成２３年５月３０日（２０１１．５．３０）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月３０日（２０１１．５．３０）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]