(57)【要約】  【課題】低コストで互いに摺動する２つの摺動面間の摩擦力を動的に制御することが可能な摺動機構および摺動制御方法を提供する。  【解決手段】抵抗膜４１で被覆された第一の摺動面２１が上面２４に形成された金属平板２と、絶縁膜４２で被覆された第二の摺動面３１が第一の摺動面２１と相対する一方の端面３３に形成された金属円筒３と、第一の摺動面２１と第二の摺動面３１との間に介在するイオン液体５と、金属平板２と電気的に接続する電極棒６１と、金属円筒３と電気的に接続する電極ブラシ６２と、電極ブラシ６２および電極棒６１間に電圧を印加する直流電源７と、直流電源７を制御する制御装置９と、を備える。電極ブラシ６２および電極棒６１間に電圧が印加されると、第一、第二の摺動面２１、３１間の摩擦力が増加することを利用して、制御装置９におけるスイッチ９１のオンオフ制御により、第一、第二の摺動面２１、３１間の摩擦力を動的に制御する。【選択図】図１
2014088512.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに摺動する２つの摺動面を備えた摺動機構であって、
対向する前記２つの摺動面間に介在するイオン液体と、
前記２つの摺動面間に当該摺動面間の摩擦力を増大させるために必要な電圧を印加する電圧印加手段と、
前記電圧印加手段を制御する制御手段と、を有する
ことを特徴とする摺動機構。
【請求項２】
請求項１に記載の摺動機構であって、
前記電圧印加手段は、
前記摩擦力を増大させるために必要な電圧として、前記イオン液体の分解電圧以上の電圧を印加する
ことを特徴とする摺動機構。
【請求項３】
請求項１または２に記載の摺動機構であって、
それぞれ前記摺動面が形成された２つの金属部材と、
膜厚方向に抵抗値を有し、前記２つの摺動面の少なくとも一方を被覆する抵抗膜と、をさらに有し、
前記電圧印加手段は、前記２つの金属部材間に電圧を印加する
ことを特徴とする摺動機構。
【請求項４】
請求項３に記載の摺動機構であって、
前記抵抗膜は、ダイヤモンドライクカーボンで形成されている
ことを特徴とする摺動機構。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の摺動機構であって、
前記イオン液体は、ＢＭＩ−ＢＦ４、ＥＭＩ−ＴＦＳＩ、ＢＭＩ−ＴＦＳＩ、ＢＭＩ−ＰＦ６、およびＢＭＰ−ＴＦＳＩのいずれかである
ことを特徴とする摺動機構。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか一項に記載の摺動機構であって、
前記２つの摺動面は、互いに当接する方向に荷重が加えられている
ことを特徴とする摺動機構。
【請求項７】
互いに摺動する２つの摺動面の摺動制御方法であって、
対向する前記２つの摺動面間にイオン液体を介在させ、前記摺動を抑制する場合に、前記２つの摺動面間の摩擦力を増大させるために必要な電圧を当該摺動面間に印加する
ことを特徴とする摺動制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸受等の摺動機構に関し、特に、互いに摺動する摺動面間の摩擦力を動的に制御する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、新たな材料としてイオン液体が注目されている。イオン液体は、有機カチオンとアニオンとがイオン結合して形成された化合物であり、ＮａＣｌ等のイオン結晶に比べてイオン間距離が長く、イオン同士の結合力が弱い。このため、融点が低く、常温下（１００〜１５０度以下）において、液体状態で存在する。イオン液体は、熱的、化学的、および電気化学的安定性に優れ、さらに、低揮発性、難燃性、高熱伝導性、高通電性等の特徴を備えており、電気二重層キャパシタ、燃料電池等の電解質、リチウムイオン電池等の添加剤、有機および無機合成の反応溶媒、潤滑剤等の様々な用途への適用が期待されている。
【０００３】
特許文献１には、イオン液体を含む基油を用いた潤滑油を、相対する２つの摺動面間に介在させ、この潤滑油に電場を印加することにより、この潤滑油の潤滑特性を制御する技術が開示されている。この技術によれば、基油にイオン液体を含む潤滑油に電場を印加することにより、潤滑油の潤滑特性を改善して、この潤滑油を介して相対する２つの摺動面間の摩擦係数をさらに下げることができる。したがって、特許文献１に記載の技術を用いることにより、単にイオン液体を含む基油を用いた潤滑油よりも低摩擦係数を実現可能な、摺動性能に優れた摺動機構を実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００５／０３５７０２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、自動車のクラッチ、モータ、ステアリングホイール、ダンパ等に用いる滑り軸受等の摺動機構では、摩擦力を低減させたい場合だけでなく、逆に摩擦力を増大させたい場合もある。しかし、特許文献１に記載の技術において、イオン液体を含む潤滑油は、電場を印加されない場合でも、摩擦係数が十分に低い。このため、特許文献１に記載の技術を適用した摺動機構では、所望の低い摩擦力を発生させることはできるが、逆に所望の高い摩擦力を発生させることができない。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、互いに摺動する摺動面間の摩擦力を動的に制御することが可能な摺動機構および摺動制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、互いに摺動する２つの摺動面を備えた摺動機構において、イオン液体を介在させて両摺動面を対向させ、必要に応じて、両摺動面の摩擦力を増大させるために必要な電圧を印加するようにした。好ましくは、イオン液体の電気分解に必要な電圧（分解電圧）以上の電圧を両摺動面間に印加することにより、この両摺動面間の摩擦力を急増させるようにした。
【０００８】
例えば、本発明は、互いに摺動する２つの摺動面を備えた摺動機構であって、
対向する前記２つの摺動面間に介在するイオン液体と、
前記２つの摺動面間に当該摺動面間の摩擦力を増大させるために必要な電圧を印加する電圧印加手段と、
前記電圧印加手段を制御する制御手段と、を有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明者等は、互いに摺動する２つの摺動面間にイオン液体を介在させ、両摺動面間に電圧を印加することにより、両摺動面間の摩擦力が増大することを見出だした。特に、両摺動面間にイオン液体の分解に必要な電圧以上の電圧を印加することにより、両摺動面間の摩擦力が急増することが分かった。本発明によれば、イオン液体を介して互いに摺動する２つの両摺動面間への電圧印加を制御することにより、両摺動面間の摩擦力を動的に制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態に係る摺動機構１の概略構成図である。
【図２】図２は、表１に示す条件に従いスイッチ９１のオンオフを繰り返しながら直流電源７の電源電圧を徐々に上げた場合における第一の摺動面２１と第二の摺動面３１との間の印加電圧および摩擦係数の変化を示す図である。
【図３】図３は、図２に示す印加電圧および摩擦係数の変化を印加電圧と摩擦係数平均値との関係に改めた図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は、本実施の形態に係る摺動機構１の概略構成図である。
【００１３】
図示するように、本実施の形態に係る摺動機構１は、第一の摺動面２１が上面２４に形成された金属平板２と、第一の摺動面２１と相対する第二の摺動面３１が一方の端面３３に形成された金属円筒３と、第一の摺動面２１と第二の摺動面３１との間に介在するイオン液体５と、金属平板２と電気的に接続する電極棒６１と、金属円筒３と電気的に接続する電極ブラシ６２と、電極棒６１およびアース６５間に挿入された第一の抵抗６３と、電極ブラシ６２およびアース６５間に挿入された第二の抵抗６４と、電極ブラシ６２および電極棒６１間に電圧を印加する直流電源７と、直流電源７を制御する制御装置９と、を備えている。
【００１４】
金属平板２は、例えばＳ４５Ｃ等の炭素鋼で形成されており、その表面には抵抗膜４１が形成されている。また、金属平板２の側面２３には、抵抗膜４１を貫いて金属平板２に達する穴２２が形成されており、この穴２２に電極棒６１が挿入されて、金属平板２と電極棒６１とが電気的に接続している。
【００１５】
金属円筒３も、金属平板２と同様、例えばＳ４５Ｃ等の炭素鋼で形成されており、その表面には抵抗膜４２が形成されている。金属円筒３の側面３２には、抵抗膜４２が剥がれて金属円筒３の表面が露出している環状領域３５が形成されており、この環状領域３５に電極ブラシ６２が接触して、金属円筒３と電極ブラシ６２とが電気的に接続している。また、金属円筒３は、軸心Ｏ回りに回転可能に取り付けられており、これにより、第二の摺動面３１が第一の摺動面２１に対して相対的に回転可能に配置される。
【００１６】
抵抗膜４１、４２は、膜厚方向に抵抗値を有する膜厚２μｍ程度の薄膜である。抵抗膜４１、４２には、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）が用いられる。ＤＬＣは、炭化水素あるいは炭素の同素体からなるアモルファス硬質膜であり、表面平滑性、耐焼付き性に優れる。抵抗膜４１、４２にＤＬＣを用いることにより、イオン液体５が途切れて、第一の摺動面２１と第二の摺動面３１とが直接接触しても、両者が焼付いたり、傷付いたりするのを極力防止することができる。
【００１７】
イオン液体５は、第一の摺動面２１と第二の摺動面３１との間に介在しており、より具体的には、第一の摺動面２１および第二の摺動面３１の真実接触面以外の表面のくぼみの部分に存在している。イオン液体５には、ＢＭＩ−ＢＦ４が用いられる。ＢＭＩ−ＢＦ４は、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムを有機カチオンとし、テトラフルオロボレートをアニオンとするイオン液体であり、以下の化１に示す構造を有する。ＢＭＩ−ＢＦ４は、イオン液体のなかでは比較的安価で入手し易い。
【００１８】
【化１】
2014088512.tif 000003
【００１９】
第一の抵抗６３および第二の抵抗６４は、金属平板２および金属円筒３が帯電した場合にその電荷をアース６５へ放電するために用いられる。
【００２０】
制御装置９は、電極棒６１あるいは電極ブラシ６２と直流電源７とを繋ぐ電源ライン８上に挿入されたスイッチ９１を備え、このスイッチ９１のオンオフ制御により、電極棒６１および電極ブラシ６２を介して第一の摺動面２１と第二の摺動面３１との間に印加する電圧を制御する。
【００２１】
本発明者等は、抵抗膜４１で被覆された第一の摺動面２１と抵抗膜４２で被覆された第二の摺動面３１との間にイオン液体５を介在させ、両摺動面２１、３１間に電圧を印加することにより、両摺動面２１、３１間に生ずる摩擦力が増大することを見出だした。特に、このイオン液体５の電気分解に必要な電圧（分解電圧）以上の電圧を両摺動面２１、３１間に印加することにより、両摺動面間に生ずる摩擦力が急増することが分かった。
【００２２】
本発明者等は、以下の表１に示す条件において、軸心Ｏ方向（摺動面２１、３１に対して垂直方向）の荷重Ｎを金属平板２の下面２５に加えて、イオン液体５を介して金属円筒３に金属平板２を押し当てながら、軸心Ｏ回りの回転方向Ｒに金属円筒３を回転させ、そのときの金属平板２の回転方向Ｒにおけるトルクを、図示していないロードセルで検出し、この検出トルクから第一の摺動面２１と第二の摺動面３１との間の摩擦係数を測定するとともに、第一の摺動面２１と第二の摺動面３１との間の印加電圧を測定する試験を、直流電源７の電源電圧を変えながらスイッチ９１をオンオフして行った。
【００２３】
なお、本実施の形態では、金属円筒３と接触する電極ブラシ６２を陽極とし、金属平板２と接触する電極棒６１を陰極として、電極ブラシ６２および電極棒６１間に電圧を印加した。また、第一の抵抗６３および第二の抵抗６４の抵抗値をともに１ＭΩとし、電極ブラシ６２および第二の抵抗６４間の接点Ａと、電極棒６１および第一の抵抗６３間の接点Ｂとの間に電圧計を接続し、この電圧計で第一の摺動面２１と第二の摺動面３１との間の印加電圧を測定した。また、スイッチ９１のオンオフは、５分（滑り距離約５３．５ｍ）毎に行った。
【００２４】
【表１】
2014088512.tif 000004
【００２５】
図２は、表１に示す条件に従いスイッチ９１のオンオフを繰り返しながら直流電源７の電源電圧を徐々に上げた場合における第一の摺動面２１と第二の摺動面３１との間の印加電圧および摩擦係数の変化を示している。ここで、左側の縦軸は摩擦係数、右側の縦軸は印加電圧（Ｖ）、横軸は第一の摺動面２１および第二の摺動面３１間の滑り距離（ｍ）であり、符号２０１は第一の摺動面２１および第二の摺動面３１間の印加電圧を示しており、符号２０２は第一の摺動面２１および第二の摺動面３１間の摩擦係数を示している。また、図３は、図２に示す印加電圧および摩擦係数の変化を印加電圧と摩擦係数平均値との関係に改めた図である。ここで、縦軸は摩擦係数、横軸は印加電圧の印加順番である。
【００２６】
図２および図３に示すように、印加電圧１〜６Ｖでは、印加電圧０Ｖ（電圧を印加しない場合）に比べて摩擦係数に大きな変化はなく（０．０５程度）、印加電圧の有無で顕著な違いは見られなかった（図２の符号２０３、図３の符号３０１）。しかし、印加電圧７Ｖになると、印加電圧０Ｖに比べて摩擦係数が４倍程度にまで増加し（０．２〜０．３程度）、印加電圧の有無で違いが見られた（図２の符号２０４、図３の符号３０２）。そして、イオン液体５の電気分解が発生する印加電圧８Ｖでは、印加電圧０Ｖに比べて摩擦係数が１７倍程度にまで増加し（０．８〜０．９程度）、印加電圧の有無でより顕著な違いが見られた。その後も、印加電圧０Ｖを挟んで印加電圧８Ｖを繰り消すと、同様に、摩擦係数の急増現状が現れた（図２の符号２０５、図３の符号３０３）。
【００２７】
このことから、イオン液体５の分解電圧以上の電圧を電極ブラシ６２と電極棒６１との間に印加することにより、第一の摺動面２１と第二の摺動面３１との間の摩擦力が急増して、例えば金属円筒３が慣性力で回転している場合に、この回転により生じている第一の摺動面２１と第二の摺動面３１との間の摺動トルクを増大させるのに必要な摩擦力を発生させることが可能なことが分かった。したがって、第一の摺動面２１と第二の摺動面３１との間の摩擦力を急増させる場合には、直流電源７は、イオン液体５の分解電圧以上の電圧を出力できることが好ましい。
【００２８】
以上、本発明の実施の形態を説明した。
【００２９】
本実施の形態によれば、互いに摺動する二面の摺動面２１、３１間にイオン液体５を介在させた状態で適切な荷重を加えて、両摺動面２１、３１間に、両摺動面２１、３１間の摩擦力を増大させるために必要な電圧を印加することにより、両摺動面２１、３１間の摺動を抑制することができる。特に、両摺動面２１、３１間に、イオン液体５の分解電圧以上の電圧を印加する場合、両摺動面２１、３１間に電圧を印加しない場合に比べて両摺動面２１、３１間の摩擦力を急増させることができる。このため、自動車のクラッチ、モータ、ステアリングホイール、ダンパ等に用いる滑り軸受等、様々な運動部の摺動機構として、本実施の形態に係る摺動機構１を採用することにより、摩擦力を動的に制御することが可能となる。
【００３０】
例えば、金属円筒３をステアリングホイールのシャフトに連結するとともに、金属平板２を車両のボディに固定して、本実施の形態に係る摺動機構１をステアリングホイールのシャフトの滑り軸受として用いた場合、通常の走行中は、スイッチ９１をオフにして、第一の摺動面２１と第二の摺動面３１との間の摩擦力を小さくすることにより、ステアリングホイールの動きを軽くしておき、所定以上の速度で走行中の場合にのみ、スイッチ９１をオンにして、第一の摺動面２１と第二の摺動面３１との間の摩擦力を大きくする。これにより、所定以上の速度で走行中の場合にのみステアリングホイールの動きを重くすることができる。
【００３１】
また、例えば、金属円筒３をモータのシャフトに連結するとともに、金属平板２を何らかの固定手段に固定して、本実施の形態に係る摺動機構１をモータのシャフトの滑り軸受として用いた場合、モータ駆動中は、スイッチ９１をオフにして、第一の摺動面２１と第二の摺動面３１との間の摩擦力を小さくしておき、モータ停止時には、モータが完全に停止するまでスイッチ９１をオンにして、第一の摺動面２１と第二の摺動面３１との間の摩擦力を大きくする。これにより、モータが完全に停止するまでの時間を短縮することができる。
【００３２】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。
【００３３】
例えば、上記の実施の形態では、金属平板２の第一の摺動面２１および金属円筒３の第二の摺動面３１の両方を被覆するように抵抗膜４１、４２を形成しているが、第一の摺動面２１および第二の摺動面３１の少なくとも一方が抵抗膜４１、４２で被膜されればよい。また、上記の実施の形態では、抵抗膜４１、４２をＤＬＣで形成しているが、抵抗膜４１、４２はＤＬＣに限定されない。抵抗膜４１、４２は、膜厚方向にある程度の抵抗値を有する薄膜であればよい。本発明者等は、第一の摺動面２１と第二の摺動面３１との間にイオン液体５を介在させることなく両摺動面２１、３１を互いに接触させて通電させた場合における電極棒６１および電極ブラシ６２間の抵抗が１００Ω〜２０００Ωとなる抵抗膜４１、４２を形成することにより、上述の試験において同様の傾向を示す良好な結果が得られることを確認した。
【００３４】
また、上記の実施の形態では、イオン液体５としてＢＭＩ−ＢＦ４を用いているが、イオン液体５はＢＭＩ−ＢＦ４に限定されない。本発明者等は、ＥＭＩ−ＴＦＳＩ、ＢＭＩ−ＴＦＳＩ、ＢＭＩ−ＰＦ６、およびＢＭＰ−ＴＦＳＩをイオン液体５として用いた場合でも、上述の試験において同様の傾向を示す良好な結果が得られることを確認した。
【００３５】
ここで、ＥＭＩ−ＴＦＳＩは、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムを有機カチオンとし、ビス（トリフルオロ  メタンスルフォン）イミドをアニオンとするイオン液体であり、以下の化２に示す構造を有する。
【００３６】
【化２】
2014088512.tif 000005
【００３７】
また、ＢＭＩ−ＴＦＳＩは、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムを有機カチオンとし、ビス（トリフルオロ  メタンスルフォン）イミドをアニオンとするイオン液体であり、以下の化３に示す構造を有する。
【００３８】
【化３】
2014088512.tif 000006
【００３９】
また、ＢＭＩ−ＰＦ６は、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムを有機カチオンとし、ヘキサフルオロホスフェートをアニオンとするイオン液体であり、以下の化４に示す構造を有する。
【００４０】
【化４】
2014088512.tif 000007
【００４１】
また、ＢＭＰ−ＴＦＳＩは、１−ブチル−１−メチルピロリジニウムを有機カチオンとし、ビス（トリフルオロ  メタンスルフォン）イミドをアニオンとするイオン液体であり、以下の化５に示す構造を有する。
【００４２】
【化５】
2014088512.tif 000008
【００４３】
また、上記の実施の形態では、金属円筒３を陽極、金属平板２を陰極としているが、これとは逆に、金属円筒３を陰極とし、金属平板２を陽極としてもよい。
【００４４】
また、上記の実施の形態に係る摺動機構１では、金属円筒３の端面に形成された第二の摺動面３１を、イオン液体５を介して金属平板２の第一の摺動面２１で支持する構造を採用しているが、本発明はこれに限定されない。本発明は、相対的に運動する二面の向面（２つの摺動面）間にイオン液体を介在させることが可能な構造を有する摺動機構であれば、用途、各部の形状を問わず様々な摺動機構に適用可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１：摺動機構、  ２：金属平板、  ３：金属円筒、  ５：イオン液体、  ７：直流電源、  ８：電源ライン、  ９：制御装置、  ２１：第一の摺動面、  ２２：電極棒挿入用の穴、  ２３：金属平板の側面、  ２４：金属平板の上面、  ２５：金属平板の下面、  ３１：第二の摺動面、  ３２：金属円筒の側面、  ３３：金属円筒の一方の端面、  ３５：金属円筒の表面が露出している環状領域、  ４１、４２：抵抗膜、  ６１：電極棒、  ６２：電極ブラシ、  ６３：第一の抵抗、  ６４：第二の抵抗、  ６５：アース、  ９１：スイッチ
【図１】
2014088512.tif 000009
【図２】
2014088512.tif 000010
【図３】
2014088512.tif 000011