摺動面構造
【課題】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。
【解決手段】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摺動面構造である。第１部材１と第２部材２との少なくともいずれか一方の摺動面１ａに、グレーティング状凹凸の周期構造部３と周期構造未形成部４とが摺動方向に沿って交互に形成される。周期構造部３は摺動面周縁１ｂに連通される。周期構造部３の凸部高さ位置１０を未形成部４の高さ位置１１よりも低く設定した。
【解決手段】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摺動面構造である。第１部材１と第２部材２との少なくともいずれか一方の摺動面１ａに、グレーティング状凹凸の周期構造部３と周期構造未形成部４とが摺動方向に沿って交互に形成される。周期構造部３は摺動面周縁１ｂに連通される。周期構造部３の凸部高さ位置１０を未形成部４の高さ位置１１よりも低く設定した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動面構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
そこで、従来においては、摺動面に、周期構造部の凸部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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１２４５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
また、凸部を形成することによって、周期構造部にて形成される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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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、グレーティング状凹凸の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るとともに、前記周期構造部は摺動面周縁に連通され、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したものである。
【００１１】
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、摺動起動時及び摺動停止時における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）。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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の摺動面構造では、摺動起動時及び摺動停止時における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。
【００１７】
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、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も周期構造部がほとんど荷重支持することなく摺動することになる。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。
【００１８】
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。
【００１９】
周期構造部の凹凸ピッチを１０μｍ以下とした場合、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、動圧発生時の浮上量の変動を減少でき、剛性向上に寄与する。
【００２０】
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。
【００２１】
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、周期構造部と前記高低差を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態を示す摺動面構造の要部拡大断面図である。
【図２】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。
【図３】前記摺動面に形成される周期構造部の拡大図である。
【図４】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。
【図５】周期構造部の溝方向が摺動方向に沿って交互に相反する方向とされた摺動面の簡略図である。
【図６】往復動摺動パターンの周期構造部が形成された摺動面の簡略図である。
【図７】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簡略図である。
【図８】ステップパターンの周期構造部が形成された摺動面の簡略図である。
【図９】掘り下げ深さと負荷容量との関係を示すグラフ図である。
【図１０】掘り下げ深さと負荷容量との関係を示すグラフ図である。
【図１１】すべり速度と摩擦係数との関係を示すグラフ図である。
【図１２】算術平均粗さの定義を説明するためのグラフ図である。
【図１３】最大高さ粗さの定義を説明するためのグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下本発明の実施の形態を図１〜図１３に基づいて説明する。
【００２４】
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。
【００２５】
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が周方向に所定ピッチで複数個形成される。すなわち、グレーティング状凹凸の周期構造部３と周期構造未形成部４とが摺動方向に沿って交互に形成される。
【００２６】
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。
【００２７】
周期構造部３はスパイラル状に湾曲し、各周期構造部３の湾曲方向が同一に設定され、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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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４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１０と未形成部４の高さ位置１１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４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。
【００３２】
算術平均粗さＲａは、図１２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。
【数１】
【００３３】
また、最大高さ粗さＲｚは、図１３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。
【００３４】
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１０までを掘り下げ深さ（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。
【００３５】
また、周期構造部３と前記高低差（掘り下げ深さ）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。
【００３６】
本発明の摺動面構造では、周期構造部３の凸部高さ位置１０を未形成部４の高さ位置１１よりも低く設定したことによって、摺動起動時及び摺動停止時における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と呼ぶ）。周期構造部３と未形成部４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１０を未形成部４の高さ位置１１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４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４とを設けることによって、周期構造部３の凸部高さ位置１０と未形成部４の高さ位置１１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。
【００３７】
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１０が周期構造未形成部４の高さ位置１１よりも低くなることによる影響が小さい。
【００３８】
すなわち、本発明の摺動面構造では、摺動起動時及び摺動停止時における周期構造部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。
【００３９】
周期構造部３の凸部高さ位置１０と未形成部４の高さ位置１１との高低差を前記摺動面の算術平均粗さ以上とすれば、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も周期構造部３がほとんど荷重支持することなく摺動するため、周期構造部３の攻撃性を大幅に低減することができる。
【００４０】
前記周期構造部３の凸部高さ位置１０と未形成部４の高さ位置１１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。
【００４１】
周期構造部３の凹凸ピッチを１０μｍ以下とした場合、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、動圧発生時の浮上量の変動を減少でき、剛性向上に寄与する。
【００４２】
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。
【００４３】
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、周期構造部３と前記高低差を形成することができる。
【００４４】
次に、図５は周方向に隣り合う周期構造部３において、対称形としている。すなわち、例えば、第２部材２の回転方向が時計まわり方向（矢印Ａ方向）であれば、３ａの周期構造部において、潤滑剤Ｌが内部に導入される潤滑剤導入効果が発揮される。このため、この場合であっても、流体導入効果とステップ効果とを併せ持つことになる。なお、３ａ、３ａ間の３ｂの周期構造部３においては、潤滑剤Ｌが内部から周縁１ｂに排出される。
【００４５】
図５に示す摺動面構造において、第２部材２の回転方向が反時計まわり方向（矢印Ｂ方向）であれば、３ｂの周期構造部において、潤滑剤Ｌが内部に導入される潤滑剤導入効果が発揮される。このため、この場合であっても、流体導入効果とステップ効果とを併せ持つことになる。なお、３ｂ、３ｂ間の３ａの周期構造部においては、潤滑剤Ｌが内部から周縁１ｂに排出される。
【００４６】
前記各実施形態では、摺動方向が回転方向であったが、図６では摺動方向が直線方向である摺動面構造の摺動面１ａを示している。この場合、摺動方向に沿って、周期構造部３と周期構造未形成部４とが交互に形成されている。
【００４７】
また、摺動方向に沿って隣り合う周期構造部３の向きを対称となるように形成している。すなわち、第２部材２の摺動方向が矢印Ｃ方向である場合、３ｃの周期構造部は潤滑剤Ｌを矢印Ｅのように内部に導入する潤滑剤導入効果を発揮し、３ｄの周期構造部は潤滑剤Ｌを矢印Ｆのように外部へ排出する潤滑剤排出効果を発揮する。また、第２部材２の摺動方向が矢印Ｄ方向である場合、３ｄの周期構造部は潤滑剤Ｌを内部に導入する潤滑剤導入効果を発揮し、３ｃの周期構造部は潤滑剤Ｌを外部へ排出する潤滑剤排出効果を発揮する。従って、この場合であっても、流体導入効果とステップ効果とを併せ持つことになる。
【００４８】
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、配設ピッチ等は、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。
【００４９】
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を往復動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の双方を摺動させるものであってもよい。
【００５０】
図２と図５に示す実施形態においては、周期構造部３が６個であり、未形成部４が６個であり、図６に示す実施形態においても、摺動方向に沿って周期構造部３が６個配設されたものであったが、これらに限るものではなく、周期構造部３の増減は任意である。また、一の周期構造部３及び未形成部４の周方向長さや径方向長さ等も任意に設定できる。しかし、ステップ効果は周期構造部３及び未形成部４の周方向長さや径方向長さに影響を受けるため、周期構造部３の周方向長さは径方向長さの１〜５倍程度にすることが好ましい。また、未形成部４の周方向長さは周期構造部３の周方向長さの０．２〜２．０倍程度にするのが好ましい。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【実施例１】
【００５３】
掘り下げ深さＴの負荷容量に及ぼす影響について調べた。まず、周期構造部（ピッチ０．７μｍ、深さ０．２μｍ）をスパスイラル状に形成したスパイラルパターン（図７）と同心円状の周期構造部３を間欠的に形成したステップパターン（図８）の負荷容量を無限溝数理論を用いて計算した。すなわち、図８では、周方向に沿って形成される周期構造部３（３ｅ）と、この周期構造部３ｅ間に周期構造部３が形成されない未形成部４とが、周方向に交互に配設されたものである。この場合、周期構造部３は摺動面周縁１ｂに連通されていない。
【００５４】
図７に示すスパイラルパターンを形成した摺動面構造では主に周期構造部３の流体導入効果によるポンピング作用で負荷容量が発生する。このとき半径方向に大きな圧力勾配が生じるが、円周方向（摺動方向）には周期構造部の間隔が微細であるため、ほとんど圧力勾配は生じない。一方、図８に示すステップパターンを形成した摺動面構造では円周方向に配置された周期構造部と未形成部の境界で圧力が発生するため、円周方向（摺動方向）に大きな圧力勾配が生じる。しかしながら、周期構造部３は摺動面周縁１ｂに連通されていないので、流体導入効果を有さない。
【００５５】
平滑部すきまＳを０．２μmとし、両パターンの周期構造部形成領域を最適化した際の掘り下げ深さＴと負荷容量の関係を図９に示す。図７に示すスパイラルパターンを形成した摺動面構造では掘り下げ深さＴが０では大きな負荷容量が得られるが、掘り下げ深さＴの増加に対して負荷容量が指数的に減少する。また、図８に示すステップパターンを形成した摺動面構造では掘り下げ深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。すなわち、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掘り下げ深さＴの影響を受けにくく、掘り下げ深さＴが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。
【００５６】
これに対して、図２に示す間欠スパイラルパターン（本発明のパターン）のように、摺動面周縁１ｂに連通した周期構造部３と未形成部４を摺動方向に沿って交互に配置したものでは、流体導入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部３の攻撃性を緩和できる摺動面構造とすることができる。
【００５７】
図１０は図９に間欠スパイラルパターンの負荷容量の計算結果を追加したものである。間欠スパイラルパターンはスパイラルパターンとステップパターンの特性を併せもち、全領域でステップパターンを上回る負荷容量が得られている。なお、図９と図１０の縦軸は任意単位（ａ．ｕ．）である。
【００５８】
次に、リングオンディスク試験装置を用いた実験を行った。第２部材２を構成するディスク試験片を固定側試験片とし、第１部材１を構成するリング試験片を回転側試験片とした。各試験片は表面粗さＲａ０．０２μｍ、Ｒｚ０．１５μｍ程度に仕上げた。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）はスパイラルパターン（図７）と間欠スパイラルパターン（図２）（本発明品）の２種類とした。各周期構造部３のピッチは約０．７μｍ、深さは約０．２μｍとした。また本発明品での掘り下げ深さＴは約０．１μｍとした。潤滑剤には純水を用いた。荷重を１０Ｎで固定し、静止状態からすべり速度１．２ｍ／ｓで起動させた後、５分毎にすべり速度を０．１５ｍ／ｓまで段階的に低下させながら摩擦係数を測定し、各すべり速度における平均摩擦係数を算出した。
【００５９】
各すべり速度における摩擦係数の実験結果を図１１に示す。高すべり速度領域ではスパイラルパターン、間欠スパイラルパターンともにすべり速度の低下に対して摩擦係数が減少する流体潤滑状態となった。スパイラルパターンはすべり速度が０．３５ｍ／ｓ以下になると摩擦係数が上昇し、混合潤滑に移行した。一方、流体導入効果とステップ効果を併せもつ間欠スパイラルパターン（本発明品）は０．２４ｍ／ｓまで流体潤滑を維持しており、スパイラルパターンより高い負荷容量を得られることが確認された。
【符号の説明】
【００６０】
１ 第１部材
１ｂ 周縁
１ａ、２ａ 摺動面
２ 第２部材
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ 周期構造部
４ 周期構造未形成部
５ 凹部
６ 凸部
１０、１１ 高さ位置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動面構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
そこで、従来においては、摺動面に、周期構造部の凸部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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１２４５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
また、凸部を形成することによって、周期構造部にて形成される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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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、グレーティング状凹凸の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るとともに、前記周期構造部は摺動面周縁に連通され、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したものである。
【００１１】
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、摺動起動時及び摺動停止時における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）。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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の摺動面構造では、摺動起動時及び摺動停止時における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。
【００１７】
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、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も周期構造部がほとんど荷重支持することなく摺動することになる。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。
【００１８】
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。
【００１９】
周期構造部の凹凸ピッチを１０μｍ以下とした場合、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、動圧発生時の浮上量の変動を減少でき、剛性向上に寄与する。
【００２０】
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。
【００２１】
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、周期構造部と前記高低差を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態を示す摺動面構造の要部拡大断面図である。
【図２】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。
【図３】前記摺動面に形成される周期構造部の拡大図である。
【図４】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。
【図５】周期構造部の溝方向が摺動方向に沿って交互に相反する方向とされた摺動面の簡略図である。
【図６】往復動摺動パターンの周期構造部が形成された摺動面の簡略図である。
【図７】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簡略図である。
【図８】ステップパターンの周期構造部が形成された摺動面の簡略図である。
【図９】掘り下げ深さと負荷容量との関係を示すグラフ図である。
【図１０】掘り下げ深さと負荷容量との関係を示すグラフ図である。
【図１１】すべり速度と摩擦係数との関係を示すグラフ図である。
【図１２】算術平均粗さの定義を説明するためのグラフ図である。
【図１３】最大高さ粗さの定義を説明するためのグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下本発明の実施の形態を図１〜図１３に基づいて説明する。
【００２４】
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。
【００２５】
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が周方向に所定ピッチで複数個形成される。すなわち、グレーティング状凹凸の周期構造部３と周期構造未形成部４とが摺動方向に沿って交互に形成される。
【００２６】
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。
【００２７】
周期構造部３はスパイラル状に湾曲し、各周期構造部３の湾曲方向が同一に設定され、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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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４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１０と未形成部４の高さ位置１１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４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。
【００３２】
算術平均粗さＲａは、図１２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。
【数１】
【００３３】
また、最大高さ粗さＲｚは、図１３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。
【００３４】
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１０までを掘り下げ深さ（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。
【００３５】
また、周期構造部３と前記高低差（掘り下げ深さ）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。
【００３６】
本発明の摺動面構造では、周期構造部３の凸部高さ位置１０を未形成部４の高さ位置１１よりも低く設定したことによって、摺動起動時及び摺動停止時における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と呼ぶ）。周期構造部３と未形成部４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１０を未形成部４の高さ位置１１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４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４とを設けることによって、周期構造部３の凸部高さ位置１０と未形成部４の高さ位置１１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。
【００３７】
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１０が周期構造未形成部４の高さ位置１１よりも低くなることによる影響が小さい。
【００３８】
すなわち、本発明の摺動面構造では、摺動起動時及び摺動停止時における周期構造部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。
【００３９】
周期構造部３の凸部高さ位置１０と未形成部４の高さ位置１１との高低差を前記摺動面の算術平均粗さ以上とすれば、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も周期構造部３がほとんど荷重支持することなく摺動するため、周期構造部３の攻撃性を大幅に低減することができる。
【００４０】
前記周期構造部３の凸部高さ位置１０と未形成部４の高さ位置１１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。
【００４１】
周期構造部３の凹凸ピッチを１０μｍ以下とした場合、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、動圧発生時の浮上量の変動を減少でき、剛性向上に寄与する。
【００４２】
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。
【００４３】
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、周期構造部３と前記高低差を形成することができる。
【００４４】
次に、図５は周方向に隣り合う周期構造部３において、対称形としている。すなわち、例えば、第２部材２の回転方向が時計まわり方向（矢印Ａ方向）であれば、３ａの周期構造部において、潤滑剤Ｌが内部に導入される潤滑剤導入効果が発揮される。このため、この場合であっても、流体導入効果とステップ効果とを併せ持つことになる。なお、３ａ、３ａ間の３ｂの周期構造部３においては、潤滑剤Ｌが内部から周縁１ｂに排出される。
【００４５】
図５に示す摺動面構造において、第２部材２の回転方向が反時計まわり方向（矢印Ｂ方向）であれば、３ｂの周期構造部において、潤滑剤Ｌが内部に導入される潤滑剤導入効果が発揮される。このため、この場合であっても、流体導入効果とステップ効果とを併せ持つことになる。なお、３ｂ、３ｂ間の３ａの周期構造部においては、潤滑剤Ｌが内部から周縁１ｂに排出される。
【００４６】
前記各実施形態では、摺動方向が回転方向であったが、図６では摺動方向が直線方向である摺動面構造の摺動面１ａを示している。この場合、摺動方向に沿って、周期構造部３と周期構造未形成部４とが交互に形成されている。
【００４７】
また、摺動方向に沿って隣り合う周期構造部３の向きを対称となるように形成している。すなわち、第２部材２の摺動方向が矢印Ｃ方向である場合、３ｃの周期構造部は潤滑剤Ｌを矢印Ｅのように内部に導入する潤滑剤導入効果を発揮し、３ｄの周期構造部は潤滑剤Ｌを矢印Ｆのように外部へ排出する潤滑剤排出効果を発揮する。また、第２部材２の摺動方向が矢印Ｄ方向である場合、３ｄの周期構造部は潤滑剤Ｌを内部に導入する潤滑剤導入効果を発揮し、３ｃの周期構造部は潤滑剤Ｌを外部へ排出する潤滑剤排出効果を発揮する。従って、この場合であっても、流体導入効果とステップ効果とを併せ持つことになる。
【００４８】
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、配設ピッチ等は、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。
【００４９】
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を往復動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の双方を摺動させるものであってもよい。
【００５０】
図２と図５に示す実施形態においては、周期構造部３が６個であり、未形成部４が６個であり、図６に示す実施形態においても、摺動方向に沿って周期構造部３が６個配設されたものであったが、これらに限るものではなく、周期構造部３の増減は任意である。また、一の周期構造部３及び未形成部４の周方向長さや径方向長さ等も任意に設定できる。しかし、ステップ効果は周期構造部３及び未形成部４の周方向長さや径方向長さに影響を受けるため、周期構造部３の周方向長さは径方向長さの１〜５倍程度にすることが好ましい。また、未形成部４の周方向長さは周期構造部３の周方向長さの０．２〜２．０倍程度にするのが好ましい。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【実施例１】
【００５３】
掘り下げ深さＴの負荷容量に及ぼす影響について調べた。まず、周期構造部（ピッチ０．７μｍ、深さ０．２μｍ）をスパスイラル状に形成したスパイラルパターン（図７）と同心円状の周期構造部３を間欠的に形成したステップパターン（図８）の負荷容量を無限溝数理論を用いて計算した。すなわち、図８では、周方向に沿って形成される周期構造部３（３ｅ）と、この周期構造部３ｅ間に周期構造部３が形成されない未形成部４とが、周方向に交互に配設されたものである。この場合、周期構造部３は摺動面周縁１ｂに連通されていない。
【００５４】
図７に示すスパイラルパターンを形成した摺動面構造では主に周期構造部３の流体導入効果によるポンピング作用で負荷容量が発生する。このとき半径方向に大きな圧力勾配が生じるが、円周方向（摺動方向）には周期構造部の間隔が微細であるため、ほとんど圧力勾配は生じない。一方、図８に示すステップパターンを形成した摺動面構造では円周方向に配置された周期構造部と未形成部の境界で圧力が発生するため、円周方向（摺動方向）に大きな圧力勾配が生じる。しかしながら、周期構造部３は摺動面周縁１ｂに連通されていないので、流体導入効果を有さない。
【００５５】
平滑部すきまＳを０．２μmとし、両パターンの周期構造部形成領域を最適化した際の掘り下げ深さＴと負荷容量の関係を図９に示す。図７に示すスパイラルパターンを形成した摺動面構造では掘り下げ深さＴが０では大きな負荷容量が得られるが、掘り下げ深さＴの増加に対して負荷容量が指数的に減少する。また、図８に示すステップパターンを形成した摺動面構造では掘り下げ深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。すなわち、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掘り下げ深さＴの影響を受けにくく、掘り下げ深さＴが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。
【００５６】
これに対して、図２に示す間欠スパイラルパターン（本発明のパターン）のように、摺動面周縁１ｂに連通した周期構造部３と未形成部４を摺動方向に沿って交互に配置したものでは、流体導入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部３の攻撃性を緩和できる摺動面構造とすることができる。
【００５７】
図１０は図９に間欠スパイラルパターンの負荷容量の計算結果を追加したものである。間欠スパイラルパターンはスパイラルパターンとステップパターンの特性を併せもち、全領域でステップパターンを上回る負荷容量が得られている。なお、図９と図１０の縦軸は任意単位（ａ．ｕ．）である。
【００５８】
次に、リングオンディスク試験装置を用いた実験を行った。第２部材２を構成するディスク試験片を固定側試験片とし、第１部材１を構成するリング試験片を回転側試験片とした。各試験片は表面粗さＲａ０．０２μｍ、Ｒｚ０．１５μｍ程度に仕上げた。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）はスパイラルパターン（図７）と間欠スパイラルパターン（図２）（本発明品）の２種類とした。各周期構造部３のピッチは約０．７μｍ、深さは約０．２μｍとした。また本発明品での掘り下げ深さＴは約０．１μｍとした。潤滑剤には純水を用いた。荷重を１０Ｎで固定し、静止状態からすべり速度１．２ｍ／ｓで起動させた後、５分毎にすべり速度を０．１５ｍ／ｓまで段階的に低下させながら摩擦係数を測定し、各すべり速度における平均摩擦係数を算出した。
【００５９】
各すべり速度における摩擦係数の実験結果を図１１に示す。高すべり速度領域ではスパイラルパターン、間欠スパイラルパターンともにすべり速度の低下に対して摩擦係数が減少する流体潤滑状態となった。スパイラルパターンはすべり速度が０．３５ｍ／ｓ以下になると摩擦係数が上昇し、混合潤滑に移行した。一方、流体導入効果とステップ効果を併せもつ間欠スパイラルパターン（本発明品）は０．２４ｍ／ｓまで流体潤滑を維持しており、スパイラルパターンより高い負荷容量を得られることが確認された。
【符号の説明】
【００６０】
１ 第１部材
１ｂ 周縁
１ａ、２ａ 摺動面
２ 第２部材
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ 周期構造部
４ 周期構造未形成部
５ 凹部
６ 凸部
１０、１１ 高さ位置
【特許請求の範囲】
【請求項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、グレーティング状凹凸の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るとともに、前記周期構造部は摺動面周縁に連通され、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したことを特徴とする摺動面構造。
【請求項２】
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に記載の摺動面構造。
【請求項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最大高さ粗さ以下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。
【請求項４】
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３のいずれか１項に記載の摺動面構造。
【請求項５】
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４のいずれか１項に記載の摺動面構造。
【請求項６】
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５のいずれか１項に記載の摺動面構造。
【請求項７】
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６に記載の摺動面構造。
【請求項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、グレーティング状凹凸の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るとともに、前記周期構造部は摺動面周縁に連通され、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したことを特徴とする摺動面構造。
【請求項２】
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に記載の摺動面構造。
【請求項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最大高さ粗さ以下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。
【請求項４】
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３のいずれか１項に記載の摺動面構造。
【請求項５】
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４のいずれか１項に記載の摺動面構造。
【請求項６】
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５のいずれか１項に記載の摺動面構造。
【請求項７】
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６に記載の摺動面構造。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−３６５６１（Ｐ２０１３−３６５６１Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７３８６０（Ｐ２０１１−１７３８６０）
【出願日】平成２３年８月９日（２０１１．８．９）
【出願人】（０００１１０８５９）キヤノンマシナリー株式会社 (179)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月９日（２０１１．８．９）
【出願人】（０００１１０８５９）キヤノンマシナリー株式会社 (179)
【Ｆターム（参考）】
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