(57)【要約】【課題】潤滑油の引き込み性および保持性が高く、油膜切れの生じにくい摺動部材を提供する。【解決手段】潤滑剤の介在下で相手部材と相対摺動を行う部材であって、少なくとも周縁部において斜面又は曲面を有し、潤滑剤溜まりとなる凹部を備え、凹部にグレーティング状の周期構造が形成されており、グレーティング状の周期構造の配向方向における凹部の周縁部の斜度が、４５°以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
潤滑剤の介在下で相手部材と相対摺動を行う摺動部材において、
摺動面に潤滑剤溜まりとなる凹部が設けられ、前記凹部にグレーティング状の周期構造が形成されており、前記凹部は少なくとも周縁部において斜面又は曲面を有し、グレーティング状の周期構造の配向方向における凹部の周縁部の斜面又は曲面の斜度が４５°以下であることを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
前記凹部に形成されたグレーティング状の周期構造は、周期ピッチと深さが異なる周期構造が重畳して形成されてい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】
前記グレーティング状の周期構造は、凸部頂点が非平坦面となって連続的に高さが変化していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の摺動部材。
【請求項４】
前記グレーティング状の周期構造の周期ピッチが、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項に記載の摺動部材。
【請求項５】
少なくとも一部の前記グレーティング状の周期構造の配向方向と摺動方向のなす角度が４５°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項に記載の摺動部材。
【請求項６】
前記請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の摺動部材を備えたエンジン部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動部材およびエンジン部品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
環境対応技術への関心が高まり、摺動部材を有する機械分野（例えば自動車メーカ等）では摺動部の低摩擦化が重要な課題となっている。そのため、潤滑剤の低粘度化が進められている。潤滑剤の低粘度化は流体潤滑領域の低摩擦化には有効であるが、油膜切れが生じやすくなり、焼付きの発生が問題となる。
【０００３】
摺動特性の改善手法の一つとして、油溜りとなるディンプル状の凹部を形成する技術が知られている（特許文献１）。特許文献１のものは、二つの摺動部材の少なくとも一方の摺動部材の摺動面全域、あるいは摺動面の一定の領域に、ディンプル状の凹部が略均一に設けられたものである。これにより、凹部に潤滑油を保持させ、摩擦損失や摩耗を低減する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−０２１５９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、潤滑油の低粘度化の進行により、特許文献１に記載されたようなディンプル状の凹部では、十分に潤滑油を保持することができず、油膜破断による焼付きが生じることがある。特に、ピストンなど上下方向に摺動する摺動面では、潤滑油の流出が生じやすくなるという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みて、潤滑油の引き込み性および保持性が高く、油膜切れの生じにくい摺動部材およびエンジン部品を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の摺動部材は、潤滑剤の介在下で相手部材と相対摺動を行う摺動部材において、
摺動面に潤滑剤溜まりとなる凹部が設けられ、前記凹部にグレーティング状の周期構造が形成されており、前記凹部は少なくとも周縁部において斜面又は曲面を有し、グレーティング状の周期構造の配向方向における凹部の周縁部の斜面又は曲面の斜度が４５°以下であるものである。ここで、斜度とは、凹部の周縁部が斜面である場合は、摺動面に対する斜面の傾斜角度であり、凹部の周縁部が曲面である場合は、摺動面に対する曲面（凹部の周縁部）の接線角度をいう。
【０００８】
本発明の摺動部材によれば、少なくとも周縁部において斜面又は曲面を有する凹部を備え、前記凹部にグレーティング状の周期構造が形成されており、グレーティング状の周期構造の配向方向における凹部の周縁部の斜度を４５°以下とすることで、表面積増加による濡れ性向上、毛管現象の効果が加わり、斜面又は曲面を介して凹部への潤滑油の引き込み性が向上するとともに、凹部からの潤滑油の供給性も向上することで、摺動部材の油膜切れを防止することができる。
【０００９】
前記凹部に形成されたグレーティング状の周期構造は、周期ピッチと深さが異なる周期構造が重畳して形成されていてもよい。これにより、表面積増加による濡れ性向上、毛管現象の効果が増強され、潤滑油の引き込み性、保持性を向上することができる。
【００１０】
前記構成において、前記グレーティング状の周期構造は、凸部頂点が非平坦面となって連続的に高さが変化するものであってもよい。これにより、開口部が広くなり、斜面又は曲面を介して潤滑油をスムーズに凹部に引き込むことができる。
【００１１】
前記グレーティング状の周期構造の周期ピッチが、１０μｍ以下であってもよい。これにより、毛管現象の効果が顕著となり、潤滑油の引き込み性が向上する。
【００１２】
少なくとも一部の前記グレーティング状の周期構造の配向方向と摺動方向のなす角度が４５°以下とするのが好ましい。これにより、凹部から摺動面に速やかに潤滑油が供給され、摺動部材の油膜切れを防止することができる。
【００１３】
本発明の摺動部材を備えたエンジン部品は、低粘度の潤滑油使用時においても、潤滑油の流出が生じにくいため、焼付きの発生を防止できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の摺動部材およびエンジン部品は、潤滑油の引き込み性および保持性が高く、油膜切れの生じにくいものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態を示す摺動部材の簡略斜視図である。
【図２】前記図１の摺動部材に形成された凹部の簡略断面図であり、（ａ）は摺動面が平面かつ凹部の周縁部が斜面であり、（ｂ）は摺動面が平面かつ凹部の周縁部が曲面であり、（ｃ）は摺動面が曲面かつ凹部の周縁部が斜面であり、（ｄ）は摺動面が曲面かつ凹部の周縁部が曲面である。
【図３】前記凹部に形成されたグレーティング状の周期構造を示す平面図である。
【図４】実施例の周期構造を示し、（ａ）は周期構造の拡大図であり、（ｂ）は周期構造が形成されたプレート試験片（直交プレート）の平面図であり、（ｃ）は周期構造が形成されたプレート試験片（平行プレート）の平面図である。
【図５】直交プレートにおける潤滑油の持ち上げの推移を示し、（ａ）は浸漬１分後の正面図であり、（ｂ）は浸漬１０分後の正面図であり、（ｃ）は浸漬３０分後の正面図であり、（ｄ）は浸漬６０分後の正面図である。
【図６】平行プレートにおける潤滑油の持ち上げの推移を示し、（ａ）は浸漬１分後の正面図であり、（ｂ）は浸漬１０分後の正面図であり、（ｃ）は浸漬３０分後の正面図であり、（ｄ）は浸漬６０分後の正面図である。
【図７】各プレート試験片の潤滑油の持ち上げ高さの推移を示すグラフ図である。
【図８】平行プレートにおける油滴の濡れ広がりを示す平面図である。
【図９】重畳して形成した周期構造の拡大斜視図である。
【図１０】矩形ディンプルが潤滑油を保持する様子を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下本発明の実施の形態を図１〜図１０に基づいて説明する。
【００１７】
本発明に係る摺動部材は、図示省略の相手部材と潤滑下で相対的に摺動するものであり、例えばエンジン部品に適用することができる。摺動部材および相手部材は、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、摺動部材や相手部材の材質は、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。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態では摺動部材を例えば平板体とし、表面（本実施形態では上面）が、相手部材と接触する摺動面１となる。摺動面１には、潤滑剤溜まりとなる凹部２が離散的に複数設けられている。この凹部２は、図２に示すように、少なくとも周縁部３（つまり、摺動面１と凹部２との境界となる部分）において斜面４（図２（ａ）（ｃ）参照）又は曲面５（図２（ｂ）（ｄ）参照）を有する。斜面４とは、摺動面１（本実施形態では水平方向）に対して傾斜した面をいう。凹部２の周縁部３における斜面４又は曲面５の斜度θは４５°以下としている。斜度θとは、図２（ａ）のように摺動面１が平面であって凹部２の周縁部３が斜面４である場合は、摺動面１に対する斜面４の傾斜角度θ１であり、図２（ｂ）のように摺動面１が平面であって凹部２の周縁部３が曲面５である場合は、摺動面１に対する曲面５（凹部２の周縁部３）の接線角度θ２をいう。図２（ｃ）のように、摺動面１が曲面であって凹部２の周縁部３が斜面４である場合は、周縁部３における摺動面１の接線方向を基準とした斜面４の傾斜角度θ１であり、図２（ｄ）のように摺動面１が曲面であって凹部２の周縁部３が曲面５である場合は、周縁部３における摺動面１の接線方向を基準とした曲面５（凹部２の周縁部３）の接線角度θ２をいう。なお、周縁部３において斜面４又は曲面５を有していれば、凹部２の底部は、図２（ａ）のような曲面や、図２（ｂ）のような平面等、どのような形状であってもよい。
【００１９】
凹部２には、図３に示すようなグレーティング状の周期構造６が形成されている。または，図９に示すような周期ピッチと深さが異なる周期構造が重畳して形成された重畳周期構造６Ａが形成されていてもよい。重畳周期構造６Ａは、図９に示すように、第１の周期構造（粗い周期構造）７と、第１の周期構造７よりも周期ピッチと深さが小さい第２の周期構造（細かい周期構造）８とを有している。第１の周期構造７は、微小の凹部９と微小の凸部１０とが交互に所定ピッチで配設されてなるものである。第２の周期構造８は、第１の周期構造７の配向方向と略直交し、凹部９および凸部１０よりもさらに微小な凹部１１と凸部１２とが交互に所定ピッチで配設されてなるものである。凸部１０、１２の頂点は、非平坦面となって連続的に高さが変化している。また、周期構造６、周期構造７および周期構造８の凹凸ピッチは１０μｍ以下とするのが好ましい。なお，いずれの周期構造も多少の乱れがあっても問題はない。
【００２０】
本実施形態では、グレーティング状の周期構造６または第１の周期構造７か第２の周期構造８のいずれかの配向方向と摺動方向のなす角度を４５°以下としている。すなわち、図３の場合，周期構造６の配向方向から±４５°以内となる範囲α内のいずれかの方向を摺動方向とする。図９の場合，全ての摺動方向で第１の周期構造７か第２の周期構造８の配向方向が±４５°以内となるため，摺動方向は不問となる。
【００２１】
このように、少なくとも周縁部３において斜面４又は曲面５を有する凹部２を備え、凹部２にグレーティング状の周期構造６または重畳周期構造６Ａが形成されており、いずれかの周期構造の配向方向における凹部２の周縁部３の斜度を４５°以下とすることで、表面積増加による濡れ性向上、毛管現象の効果が加わり、斜面４又は曲面５を介して凹部２への潤滑油の引き込み性が向上するとともに、凹部２からの潤滑油の供給性も向上することで、摺動部材の油膜切れを防止することができる。
【００２２】
また、凹部２に形成された重畳周期構造６Ａは、周期ピッチと深さが異なる周期構造７、８が重畳して形成されていることで、表面積増加による濡れ性向上、毛管現象の効果が増強され、潤滑油の引き込み性、保持性を向上することができる。
【００２３】
グレーティング状の周期構造６または重畳周期構造６Ａは、凸部頂点が非平坦面となって連続的に高さが変化するものとしているため、開口部が広くなり、斜面４又は曲面５を介して潤滑油をスムーズに凹部２に引き込むことができる。また、グレーティング状の周期構造６または重畳周期構造６Ａの周期ピッチを、１０μｍ以下としているため、毛管現象の効果が顕著となり、潤滑油の引き込み性が向上する。
【００２４】
少なくとも一部の前記グレーティング状の周期構造６または重畳周期構造６Ａの配向方向と摺動方向のなす角度を４５°以下としているため、凹部２から摺動面１に速やかに潤滑油が供給され、摺動部材の油膜切れを防止することができる。
【００２５】
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、摺動部材の摺動面１としては、平面ではなく円筒面（筒体の内径面や外径面、中実体の外径面）等であってもよい。また、摺動部材と相手部材との摺動は、面接触、線接触、および点接触のいずれであってもよい。摺動部材の摺動方法としては、摺動部材側を固定して相手部材を摺動部材１に対して摺動させても、逆に、相手部材側を固定して摺動部材を相手部材に対して摺動させても、摺動部材と相手部材とを摺動させてもよい。また，第１の周期構造７と第２の周期構造８の配向方向が略直交でなくてもよい。
【００２６】
凹部２の開口部の大きさ、底部までの深さ、断面形状、平面形状、数、位置は種々のものとすることができ、潤滑の必要性に応じて適宜決定することができる。
【００２７】
周期構造形成には、フェムト秒レーザ、ピコ秒レーザ、およびナノ秒レーザといったパルスレーザを使用することができる。
【実施例１】
【００２８】
図４に周期構造を形成したプレート試験片を示す。ＳＵＳ３０４基板に超短パルスレーザを加工しきい値近傍のエネルギー密度で照射し、図４（ａ）に示すようなグレーティング状の周期構造（ピッチ約９００ｎｍ、深さ約２５０ｎｍ）を帯状領域（幅３ｍｍ、長さ１５ｍｍ）に形成した。周期構造の配向方向は帯状領域に対して直交（直交プレート、図４（ｂ）参照）、および平行（平行プレート、図４（ｃ）参照）とした。
【００２９】
周期構造の潤滑油に対する引き込み性を評価するため、ディップ試験装置を用いて、周期構造を形成した帯状領域端部を潤滑油に浸漬し、潤滑油の持ち上げ高さを測定した。潤滑油にはＰＡＯ２[６．５ｃＰ（２５℃）]を使用した。
【００３０】
図５に直交プレート、図６に平行プレートを潤滑油に浸漬した際の、潤滑油持ち上げの様子を示す。また、潤滑油持ち上げ高さの推移を図７に示す。直交プレート、平行プレートともに潤滑油を持ち上げることが可能であった。図５及び図６における三角印が潤滑油の持ち上げ高さを示しており、図５、図６、及び図７に示すように、平行プレートの潤滑油持ち上げ高さは、直交プレートの２倍となった。図示省略するが、未加工部では潤滑油の持ち上げは認められなかった。
【００３１】
原子間力顕微鏡の測定結果から、周期構造の表面積は未加工部に対して１．７８倍であった。表面積倍率ｒである粗面の見かけの接触角θWと平滑面の接触角θeの関係は、凹部まで液体が入り込むＷｅｎｚｅｌモデルの場合、ｃｏｓθW＝ｒｃｏｓθeで表される。見かけの接触角θWが０°となれば、拡張濡れに移行する。すなわち、前記数式において、θW＝０°およびｒ＝１．７８である場合、θeは５６°であり、平滑面の接触角θeが５６°以下の液体は、拡張濡れに移行する。本実施例において使用したＰＡＯ２の接触角は１０°以下であるため、直交プレート、平行プレートともに潤滑油を持ち上げることとなった。平行プレートは、周期構造の配向方向と潤滑油の持ち上げ方向が合致するため、毛管現象の効果が加わり、潤滑油の引き込み性が向上したと考えられる。
【００３２】
また、水平配置したプレート試験片の帯状領域端部に１μｌのＰＡＯ２を点着し、油滴の濡れ広がりの様子を観察した。帯状領域は周縁部に斜面を有する凹状とし、斜面の傾斜角は約３３°とした。
【００３３】
図８に、油滴の濡れ広がりの様子を示す。周期構造と未加工部にまたがって点着した潤滑油は周期構造側に引き込まれて帯状領域全体に濡れ広がった。潤滑油は帯状領域に保持され、安定した。斜面を有する凹部に周期構造を形成することで、未加工部から潤滑油をスムーズに引き込み、保持することが可能となる。
【００３４】
さらに、潤滑油の引き込み性、保持性を向上するため、周縁部に前記斜面を有する矩形ディンプル状凹部（縦横３ｍｍ、深さ１０μｍ）に、図９に示すような粗い周期構造７（ピッチ約３５００ｎｍ、深さ約６００ｎｍ）と細かい周期構造8（ピッチ約９００ｎｍ、深さ約２５０ｎｍ）を重畳して形成し、潤滑油を０．２μｌ保持させた様子を図１０に示す。潤滑油がディンプル内でのみ濡れ広がり、保持された。
【００３５】
以上より、周期構造により直交プレート、平行プレートともに潤滑油を上方に引き込むことが可能であることがわかった。特に、平行プレートは毛管現象の効果が加わり、潤滑油の引き込み性が向上することがわかった。また、斜面を有する凹部に形成した周期構造と未加工部にまたがって点着した潤滑油は周期構造側に引き込まれ、周期構造に保持されることがわかった。さらには、凹部に周期ピッチと深さが異なるグレーティング状の周期構造が重畳して形成したディンプルでは、潤滑油がディンプル内でのみ濡れ広がり、保持されることがわかった。
【符号の説明】
【００３６】
１   摺動面
２   凹部
３   周縁部
４   斜面
５   曲面
６   周期構造
【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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