(57)【要約】【課題】  確実かつ有効な低摩擦効果を得られるゴム等のエラストマーを提供する。【解決手段】  本発明のエラストマーは、表面に多数の微小凹凸を有する。この微小凹凸は、表面の断面曲線をフーリエ変換して波長に対するパワースペクトルを導出し、このうち、３０〜２５０μｍの波長領域を逆フーリエ変換した時、その変換波形の表面粗さＲａが、０．６〜３．０μｍの範囲内にある。【選択図】図３
2006306935.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に多数の微小凹凸を有するエラストマーであって、
表面の断面曲線をフーリエ変換して波長に対するパワースペクトルを導出し、このうち、３０μｍ〜２５０μｍの波長領域を逆フーリエ変換して得た変換波形の表面粗さＲａが、０．６μｍ〜３．０μｍの範囲内にある微小凹凸を有するエラストマー。
【請求項２】
導出したパワースペクトルのうち、７μｍ〜３０μｍの波長領域を逆フーリエ変換して得た変換波形の表面粗さＲａが、０．２μｍ〜０．７μｍの範囲内にある請求項１記載の微小凹凸を有するエラストマー。
【請求項３】
前記変換波形の平均凹凸間隔が、６０μｍ〜１５０μｍの範囲内にある請求項１記載の微小凹凸を有するエラストマー。
【請求項４】
粗面化した型で成形されている請求項１記載の微小凹凸を有するエラストマー。
【請求項５】
請求項１〜４何れか記載のエラストマーで形成された摺動用の機械部品。
【請求項６】
表面に多数の微小凹凸を有するエラストマーの摩擦特性を評価する方法であって、
表面の断面曲線をフーリエ変換して波長に対するパワースペクトルを導出し、この波形のうち、３０〜２５０μｍの波長領域を逆フーリエ変換して得た変換波形の表面粗さＲａの大きさで摩擦特性を評価することを特徴とする、微小凹凸を有するエラストマーの摩擦特性評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面に微小凹凸を有するゴム等のエラストマーおよびその摩擦特性評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
タイヤ、工業用ベルト等の滑り止めを目的とするゴム製品では、ゴム自身が高い摩擦係数を有することが望まれる。その一方、近年では、Ｏリングやパッキンといった機械部品において（例えばズームカメラレンズ内に用いられるＯリング）、ゴム本体で衝撃を吸収しつつ、表面は相手部材に対して滑動させたいという要望が増えつつある。このような低摩擦性ゴム製品に対する需要は、ズームカメラを始めとするＯＡ機器に止まらず、摺動用機械部品として今後ますます拡大すると予想される。
【０００３】
従来から、ゴム表面に微細凹凸を形成すれば低摩擦化に有効であることが知られており、その一例として、下記特許文献１には、フッ素ゴム、シリカ粉末、ポリアミン系架橋剤を含有するフッ素ゴム組成物を加熱成形後、１５０℃〜３００℃の熱気流中で二次架橋することにより、表面に皺状の微細凹凸構造を付与したフッ素ゴム成形体が開示されている。また、同文献の段落０００２には、ゴム表面に微細凹凸構造を付与する方法として、表面に微細構造を付与した金型を用いて加熱成形する方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−２９３９５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献は、架橋ゴムの表面粗さと摩擦係数との関係を示唆しているにすぎない。ゴムの低摩擦化は、摺動相手材に対する真実接触面積の減少が寄与するものと考えられるが、ゴム成形体の表面は、試料の初期形状、ゴム自身が本来有する微小凹凸、さらには粗面化した金型成形面に対応するうねり成分等が複合した複雑な形態を有するものであるから、単にゴム成形体の表面粗さを測定するだけでは、真実接触面積の程度を評価することは困難であり、ゴム製品の摩擦特性を管理する指標としては不適当と考えられる。
【０００５】
本発明は、以上の事情に鑑み、確実かつ有効な低摩擦効果を得ることができるゴム等のエラストマーを提供し、併せてゴム製品の摩擦特性を管理する上で最適な指標を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明にかかるエラストマーは、表面に多数の微小凹凸を有するエラストマーであって、表面の断面曲線をフーリエ変換して波長に対するパワースペクトルを導出し、このうち、３０μｍ〜２５０μｍの波長領域を逆フーリエ変換して得た変換波形の表面粗さＲａが、０．６μｍ〜３．０μｍの範囲内にあるものである。
【０００７】
なお、ここでいうエラストマーは、ゴム状弾性体の意であり、天然ゴム、合成ゴムの他、いわゆる熱可塑性エラストマーもこれに含まれる。
【０００８】
この場合、導出したパワースペクトルのうち、７μｍ〜３０μｍの波長領域を逆フーリエ変換して得た変換波形の表面粗さＲａが、０．２μｍ〜０．７μｍの範囲内にあるものが好ましい。
【０００９】
また、前記変換波形の平均凹凸間隔が、６０μｍ〜１５０μｍの範囲内にあるものが好ましい。
【００１０】
以上に述べたエラストマーは、例えば粗面化処理した型で成形することにより得ることができる。
【００１１】
以上に述べたエラストマーで形成された摺動用の機械部品は、対衝撃吸収性に富む一方、低摩擦であるという特徴を有する。
【００１２】
また、本発明は、表面に多数の微小凹凸を有するエラストマーの摩擦特性を評価するに際して、表面の断面曲線をフーリエ変換して波長に対するパワースペクトルを導出し、この波形のうち、３０μｍ〜２５０μｍの波長領域を逆フーリエ変換して得た変換波形の表面粗さＲａの大きさで摩擦特性を評価するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、低摩擦性を有するエラストマーが確実に得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
【００１５】
本発明において、エラストマーとしてのゴム材の摩擦特性は、摩擦面の断面曲線を計測するステップ、断面曲線をフーリエ変換して波長に対するパワースペクトルを導出するステップ、パワースペクトルの一定の波長領域を逆フーリエ変換するステップを経て求めた波形の表面粗さＲａで評価される。以下、各ステップについて詳細に説明する。
【００１６】
（１）ゴム材の製作
ゴム材は、例えばゴム成分に架橋剤、その他の各種添加剤を配合し、これを公知のゴム混練装置を用いて混練りした後、金型を用いて成形と同時に架橋させるという常法にて製作される。本実施形態では、ゴム材として、天然ゴムにカーボンブラック、その他の添加剤を配合し、これを温度１５０℃、圧力１９．６ＭＰａで１０分間加硫を行って図１に示す半球状（半径６ｍｍ、高さ３ｍｍ）に金型成形したものを使用した。
【００１７】
金型の材質は特に問わないが、例えばステンレス鋼が使用される。この金型の成型面は、ピーニング処理により予め粗面化させておく。ピーニング処理は、例えば材質：ＦＨＳ♯１５０（鉄系）、サイズ：φ１００μｍの略球形の微粒子（ショット）を投射圧力０．２ＭＰａで噴射することにより行われる。このピーニング処理により、金型の成型面では、図２に示すように微粒子の衝突によって成型面が削れ、あるいは塑性変形が生じる。次々に衝突する微粒子によりこの現象が繰り返されるため、成型面は次第に粗面化され、その表面には多数の微小凹凸がミクロンオーダーで形成される。
【００１８】
（２）断面曲線の計測
この金型を用いて加硫を行うと、ゴム試料の表面に金型の成型面の形状が転写され、ゴム材の表面に、多数のミクロンオーダーの微小凹凸がランダムに形成される。図３（Ａ）（Ｂ）は、上記ピーニング処理で粗面化した金型で成形したゴム材（以下、Peening材という：Ａ図）の球面と、ピーニング処理を施していない平滑な金型で成形したゴム材（以下、Non-peening材という：Ｂ図）の球面とを、それぞれレーザ変位計（VK8500：株式会社キーエンス製）で計測した３次元形状の俯瞰図である。計測位置は、試料表面の中央付近とし、計測範囲は７４５．７２８μｍ×５５９．２９６μｍ、Ｘ−Ｙ 方向のサンプリ
ング間隔０．７２８２５μｍ、高さ分解能０．１μｍとした。この計測結果からも、金型成形面のピーニング処理が、ゴム表面に微小凹凸を付与する手段として有効であることが理解できる。この微小凹凸は、個々の凹部や凸部が一定方向に連続するのではなく、規則性なくランダムに分布した形態をなし、この点で上記特許文献１に記載される皺状の微小凹凸とは異なる形態を有する。
【００１９】
図４に、図３に示す高さデータの濃淡化画像を基に算出したPeening材とNon-peening材の各断面曲線を示す。図中下段の太線がPeening材の断面曲線を、図中上段の細線がNon-peening材の断面曲線を表す。これら二つの断面曲線は、図３に示す３次元形状計測によって得た高さデータの濃淡化画像をＸ方向と平行に７４５．７２８μｍのラインで等間隔に切断して得た１６本の断面曲線のうちの一つである。図４から明らかなように、Non-peening材の断面曲線は、ゴム材の摩擦面の輪郭（本実施形態でいえば円弧状）の上に、ゴム表面に元々存在する微小凹凸が重なった形態をなし、Peening材では、これらに加えて、さらにピーニング処理によって形成された凹凸に対応する大きなうねりと、さらにその凹凸の上に存在する細かい凹凸とが重なった形態をなす。
【００２０】
（３）フーリエ変換
次に１６個の断面曲線についてそれぞれフーリエ変換を行い、各断面曲線について各波長領域に対するパワースペクトルを求めた。
【００２１】
フーリエ変換後のパワースペクトルは、一般的に高周波数のところで激しく振動し、不安定であるので、安定したスペクトルを推定するために平滑化処理が行われる。平滑化処理としては、同一条件の下で得られた数回のスペクトルの平均値をとることによりノイズを除去する統計平均の他、これと併せて周波数平滑化を採用することもできる。周波数平滑化は、スペクトルウィンドウにより平滑化を行う手法であり、例えば前後４点のデータを用いた箱型ウィンドウを適用することにより、平滑化することができる。図５に、上記フーリエ変換で得た１６個のパワースペクトルを統計平均のみで平滑化したものを示す。
【００２２】
一般に表面形状のパワースペクトルＰ（λ）と波長λが、以下の（Ａ）式のようなべき乗の関係にあるとき、その表面形状はフラクタル性を示す。そして、（Ｂ）式から、べき指数βに基づいてフラクタル次元を求めることができる。
Ｐ（λ）∝λβ              …（Ａ）
【００２３】
Ｄ＝２                    ０≦β＜１
Ｄ＝（５−β）／２        １≦β≦３
Ｄ＝１                    ３＜β          …（Ｂ）
【００２４】
図５に示すパワースペクトルでは、（Ａ）式の関係が成立する傾きの異なる４つの領域が存在しており、各波長領域においてフラクタル性を示している。なお、これらの領域におけるフラクタル次元の算出は、そのフラクタル次元が成立する領域に、最小二乗法による直線の当てはめを行い、その傾きにより決定するが、その安定性の判断は主観によるものとした。この傾きから求めるフラクタル次元は、波長の形状の特徴を定量化したもので、傾きの異なる領域が複数あるということは、幾つかの形状の特徴を持つ波長が重なり合った階層構造にあることを意味する。
【００２５】
以上の観点から検討したところ、図５のパワースペクトルでは、領域Ａと領域Ｂの境界波長λ１は２５０μｍ、領域Ｂと領域Ｃの境界波長λ２は３０μｍ、領域Ｃと領域Ｄの境界波長λ３は７μｍとなった。
【００２６】
図５からも明らかなように、各領域を直線近似した場合、領域Ｂにおいて、明らかにピーニング処理ありの方がなしよりも傾きは小さい。これは、波長減少によるパワースペクトルの低下率が少ないこと、すなわちフラクタル次元が大きく、断面曲線がより複雑な形状を有していることを示している。
【００２７】
（３）逆フーリエ変換
次に、図５に示す各波長領域のフーリエ変換データを逆フーリエ変換することにより、波形の分離を行った。この波形分離の結果を図６（Ａ）〜（Ｃ）に示す。図６（Ａ）は領域Ａ、図６（Ｂ）は領域Ｂ、図６（Ｃ）は領域Ｃの各波長領域の成分に相当する波形（変換波形）である。各図において、細線で示す上段はNon-peening材の波形を、太線で示す下段はPeening材の波形を示す。なお、領域Ｄはほとんどノイズと考えられ、ピーニング処理の有無による波形の相違はほとんど現れなかったため、これに対応する逆フーリエ変換データの図示は省略している。
【００２８】
図６（Ａ）〜（Ｃ）のうち、同図（Ａ）の両者の波形を比較すると、うねりの大きさ、形状はピーニング処理の有無を問わずほとんど同じである。従って、領域Ａの波形は、ゴム材の試料形状（本実施形態では半球状）を表すものであると考えられる。
【００２９】
一方、同図（Ｂ）においては、Non-peening材の波形はうねりが小さく、ほぼ平滑な形状であるのに対し、Peening材では、うねりが大きく複雑な形状となっている。このことから、領域Ｂはピーニング処理により粗面化された成型面の形状に対応するうねり形状を表していると考えられる。同図（Ｃ）に示す領域Ｃの波形は、領域Ｂのうねり形状の上に重なった粗さ形状を示すと考えられる。同図（Ｂ）（Ｃ）ではNon-peening材とPeening材の波形の相違が顕著になっており、このことからピーニング処理の有無は、領域Ｂおよび領域Ｃの双方（特に領域Ｂ）の波形に大きな影響を与えると考えられる。
【００３０】
図５および図６に示す波形に対応するゴム材について摩擦試験を行い、摩擦係数の経時変化を測定したところ、図９に示す結果が得られた。なお、この摩擦試験において、試験機は、図１０に示す高速低荷重往復滑り試験機（株式会社村山製作所製）を使用した。本試験機は、水平移動台に強化ガラスを固定し、そのガラスにゴム材の試験片を下方より押し付け、ガラス板を往復運動させる事によって、摩擦試験を行う。ゴム材の球面は、エアシリンダにより所定の加重でガラス板に押し付けられている。ゴム材とガラス板の間に発生する摩擦力はゴム試料固定部の下方に取り付けられたせん断力センサによって測定した。なお、運動方向の切り替わりに要する時間は０．１秒以内である。試験条件は滑り速度２０ｍ／ｓ、往復幅（ストローク）２００ｍｍ、荷重条件は２．９４Ｎで、ドライ状態下で試験を行った。なお、図９は試験開始後３０分経過時の時点における、ガラス板が一方向にのみ動いている状態での各試料の摩擦係数の経時変化を示す。
【００３１】
図９の試験結果から、Non-peening材とPeening材どちらの試料も、移動方向の切り替わり直後に当たるｔ＝０ｓ〜ｔ＝１ｓの間に摩擦係数が急激に上昇し、ｔ＝１〜５ｓでは摩擦係数は徐々に上昇し始め、ｔ＝５ｓ付近で摩擦係数はピークを迎え、その低下するといった傾向を示した。次に、Non-peening材とPeening材の摩擦係数を比較すると、ｔ＝０ｓ付近では摩擦係数はどちらも約０．５で同程度の値を示している。しかし、ｔ＝０〜１ｓの間で、Non-peening材の摩擦係数がPeening材の摩擦係数よりも大きく上昇したため、Peening材の方がNon-peening材よりも摩擦係数は低くなっていることが理解できる。
【００３２】
なお、図９に示す試験結果は、ゴム硬度（スプリング硬さ）Ｈｓ＝７０についてのものである。ゴム硬度を変えて同条件で試験を行ったところ、Ｈｓが６０以上であれば低摩擦化に顕著な効果が得られることが判明した。これは、ゴム硬度が低すぎると摩耗が進展するため、Non-peening材とPeening材の表面形状の特徴差が減少するためと考えられる。
【００３３】
以上のようにPeening材は、一定以上の硬度を有するゴム材の低摩擦化に有効であることが判明したが、上記波形考察から、領域Ｂが摩擦係数の低下に対する寄与度が一番大きく、領域Ｃがその次に摩擦係数の低下に寄与すると考えられる。従って、何らかの形で領域ＢおよびＣの変換波形を表す特徴量を定めれば、これをもってゴム材の摩擦特性を評価することができると考えられる。
【００３４】
領域ＢおよびＣの変換波形の波形特徴量を検討したところ、以下の結果が得られた。
【００３５】
（１）表面粗さ
図６（Ｂ）（Ｃ）に示す領域ＢおよびＣの変換波形を断面曲線と仮定し、ＪＩＳに規定の中心線平均粗さの定義に準拠して表面粗さＲａを求めた。その結果、図６（Ｂ）に示す領域Ｂの波形では、Non-peening材でＲａ＝０．４４μｍ、Peening材でＲａ＝０．８５μｍとなり、図６（Ｃ）に示す領域Ｃの波形では、Non-peening材でＲａ＝０．１２μｍ、Peening材でＲａ＝０．３６μｍとなった。さらに検討を進めたところ、Peening材における領域ＢのＲａが、０．６μｍ≦Ｒａ≦３．０μｍの範囲（好ましくは０．６μｍ≦Ｒａ≦２．０μｍの範囲）内であれば低摩擦化に顕著な効果が得られることが判明した。領域Ｃについても検討したところ、領域ＣのＲａが、０．２μｍ≦Ｒａ≦０．７μｍの範囲内であれば、さらなる低摩擦化を達成できることが判明した。
【００３６】
（２）平均凹凸間隔
次に図６（Ｂ）に示す領域ＢのPeening材およびNon-peening材の各変換波形について、平均凹凸間隔Ｌを求めた。ここで、平均凹凸間隔Ｌは、図７（Ａ）（Ｂ）に示すように、断面曲線の１周期の長さの平均値をいう（図中の中心線は上記中心線平均粗さの中心線と同様に定義される）。例えば図７（Ａ）に示すNon-peening材では、１周期の長さ（凹凸間隔）は、１８０μｍ〜２２０μｍの範囲にあり、平均凹凸間隔Ｌは概ね２００μｍとなったが、図７（Ｂ）に示すPeening材では、凹凸間隔は、４０μｍ〜１４０μｍの範囲となり、平均凹凸間隔Ｌは概ね８５μｍとなった。このようにPeening材の平均凹凸間隔Ｌは、Non-peening材の平均凹凸間隔Ｌよりも小さくなる傾向にある。本発明者のさらなる検討によれば、低摩擦化の効果は、領域Ｂの平均凹凸間隔Ｌが６０μｍ≦Ｌ≦１５０μｍの範囲内（より好ましくは８０μｍ≦Ｌ≦１２０μｍの範囲）のゴム材で特に顕著に認められた。
【００３７】
（３）波形の平均高さ
別の特徴量として、図６（Ｂ）（Ｃ）に示す領域Ｂ、Ｃに示す波形の平均高さＨを算出した。この「平均高さＨ」として、本実施形態では、図８に示すように、波形の凸部の頂上および凹部の底と上記中心線との距離を求め、凸部の最大５個、凹部の最大５個の計１０個について、その絶対値の和を５で除した値とした。その結果、図６（Ｂ）に示す領域Ｂの波形では、Non-peening材でＨ＝１．４μｍ、Peening材でＨ＝３．８μｍとなり、図６（Ｃ）に示す領域Ｃの波形では、Non-peening材でＨ＝０．６μｍ、Peening材でＨ＝２．２μｍとなった。この結果からも領域Ｂは領域Ｃに比べてより凹凸の大きい波形となることが理解できる。
【００３８】
以上のように、本発明によれば、ピーニング処理した金型で成型されたゴム材の表面形状のうち、特に摩擦特性との関係が深い領域を抽出し、当該領域について、低摩擦化に有効な波形を形状的に特定しているので、単にゴム材の表面粗さを測定するだけの場合に比べ、より確実にゴム材の低摩擦化を図ることができる。
【００３９】
なお、本発明にかかるエラストマーは、上述のＯリングやパッキンに限らず、相手材と摺動する摺動用機械部品として広く適用することができる。また、このエラストマーは、摺動面に水や油を介在させたウェットな状態でなくても（これらを介在させないドライな状態でも）、低摩擦化を達成できるというメリットを有する。ウェットな状態で使用する場合、エラストマーには耐水性や耐油性も必要となり、それだけ材料選択の余地が狭まるのであるが、ドライ状態でも低摩擦化を達成できる本発明品であれば、この種の配慮は不要となる。もちろん本発明品をウェット状態で使用することもでき、この場合、表面の微小凹凸が潤滑剤の貯留部となるので、単に潤滑剤を介在させる場合に比べ、低摩擦化により一層有効となる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】ゴム試料を示す斜視図である。
【図２】ピーニング処理の際の金型表面を模式的に示す拡大断面図である。
【図３】ゴム材表面の３次元形状の俯瞰図であり、（Ａ）図はPeening材を、（Ｂ）図はNon-peening材を示す。
【図４】Non-peening材（上図）とPeening材（下図）の断面曲線を示す図である。
【図５】ゴム材の断面形状のパワースペクトル密度関数を示す図である。
【図６】逆フーリエ変換後の波形を示す図で、（Ａ）図は図５中のＡ領域、（Ｂ）図は同図中のＢ領域、（Ｃ）図は同図中のＣ領域を示す。
【図７】逆フーリエ変換後のＢ領域波形における平均凹凸間隔Ｌを説明する図で、（Ａ）図はNon-peening材を、（Ｂ）図はPeening材を示す。
【図８】逆フーリエ変換後のＢ領域波形における平均高さを説明する図である。
【図９】摩擦試験結果を示す図である。
【図１０】摩擦試験で使用した往復滑り試験機の構成を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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