(57)【要約】  【課題】低コストで、互いに摺動する二摺動面間の摩擦力を動的制御することが可能な摺動機構及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、抵抗膜４２で被覆された第二の摺動面３１が第一の摺動面２１と相対する端面３３に形成された金属円筒３、摺動面２１、３１間に介在するイオン液体５、金属平板２と電気的に接続する電極棒６１、金属円筒３と電気的に接続する電極ブラシ６２、電極ブラシ６２と電極棒６１との間に電圧を印加する可変直流電源７、及び可変直流電源７を制御する制御装置９を備える。イオン液体５の分解電圧以上の第一、第二の電圧を電極ブラシ６２と電極棒６１との間に選択的に印加すると摺動面２１、３１間の摩擦力が増減することを利用して、制御装置９による可変直流電源７の制御及びスイッチ９１のオンオフ制御により摺動面２１、３１間の摩擦力を動的制御する。【選択図】図１
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【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減少させるために必要な電圧および増大させるために必要な電圧を選択的に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、
前記摩擦力を減少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であって、電圧が印加されていない初期状態における前記両摺動面間の摩擦力より小さな摩擦力を生じさせる第一の電圧を印加し、
前記摩擦力を増大させるために必要な電圧として、前記第一の電圧より高い電圧であって、電圧が印加されていない初期状態における前記両摺動面間の摩擦力より大きな摩擦力を生じさせる第二の電圧を印加する
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、ＢＭＩ−ＰＦ６、ＯＭＩ−ＴＦＳＩ、およびＢＭＩ−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、
前記摺動を促進する場合に、前記２つの摺動面間の摩擦力を減少させるために必要な電圧を当該摺動面間に印加し、
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は、基油にイオン液体を含む潤滑油を摺動面間に介在させているため、電場を印加しなくても、摺動面間の摩擦係数が十分に小さい。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摺動面間に発生させることはできるが、逆に所望の高い摩擦力を摺動面間に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、両摺動面間の摩擦力を減少させるために必要な電圧および増大させるために必要な電圧を選択的に両摺動面間に印加するようにした。ここで、両摺動面間の摩擦力を減少させるために必要な電圧は、例えば、イオン液体の電気分解に必要な電圧（分解電圧）以上の電圧であって、電圧が印加されていない初期状態における両摺動面間の摩擦力よりも小さな摩擦力を生じさせる第一の電圧に設定される。一方、両摺動面間の摩擦力を増大させるために必要な電圧は、この第一の電圧よりも高い電圧であって、電圧が印加されていない初期状態における両摺動面間の摩擦力よりも大きな摩擦力を生じさせる第二の電圧に設定される。
【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減少させるために必要な電圧および増大させるために必要な電圧を選択的に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減することを見出した。特に、両摺動面間に印加する電圧として、イオン液体の分解電圧以上の電圧であって、電圧が印加されていない初期状態における両摺動面間の摩擦力より低い摩擦力を生じさせる第一の電圧が存在することを見出すとともに、この第一の電圧より高い電圧であって、電圧が印加されていない初期状態における両摺動面間の摩擦力より大きな摩擦力を生じさせる第二の電圧が存在することを見出した。本発明によれば、イオン液体を介して互いに摺動する２つの摺動面間への第一および第二の電圧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に示す条件に従い可変直流電源７の発生電圧を変化させながらスイッチ９１をオンオフした場合における第一の摺動面２１および第二の摺動面３１間の印加電圧と摩擦係数の変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の一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可変直流電源７と、可変直流電源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、その表面は抵抗膜４１で被覆されている。
【００１５】
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が挿入されている。これにより、金属平板２と電極棒６１とが電気的に接続している。
【００１６】
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、その表面は抵抗膜４２で被覆されている。
【００１７】
金属円筒３の側面３２には、抵抗膜４２が周方向に剥がれて金属円筒３の金属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が接触している。これにより、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。
【００１８】
金属平板２および金属円筒３の抵抗膜４１、４２は、膜厚方向に抵抗値を有する膜厚２．５μｍ程度の薄膜である。それぞれの抵抗膜４１、４２には、例えば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。なお、ＤＬＣとして、例えば、日本コーティング株式会社製のスリックコート−Ｆ（商標）がある。
【００１９】
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、例えば、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。
【００２０】
【化１】
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【００２１】
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。
【００２２】
可変直流電源７は、制御装置９の指示に従い複数レベルの直流電圧を選択的に発生させて、電極ブラシ６２および電極棒６１間に電圧を印加する。
【００２３】
制御装置９は、電極棒６１あるいは電極ブラシ６２と可変直流電源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間に対する電圧印加の有無を制御する。また、可変直流電源７の発生電圧の電圧値を制御する。
【００２４】
本発明者は、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減することを見出した。特に、両摺動面２１、３１間に印加する電圧として、イオン液体５の電気分解に必要な電圧（分解電圧）以上の電圧であって、電圧が印加されていない初期状態における両摺動面２１、３１間の摩擦力よりも小さな摩擦力を生じさせる第一の電圧が存在することを見出すとともに、この第一の電圧より高い電圧であって、電圧が印加されていない初期状態における両摺動面２１、３１間の摩擦力よりも大きな摩擦力を生じさせる第二の電圧が存在することを見出し、この知見に基づき、２つの摺動面２１、３１を摺動させる摺動機構１において、これらの摺動面２１、３１間の摩擦力を動的に制御可能であるとの着想を得た。
【００２５】
本発明者は、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測定し、この測定トルクから両摺動面２１、３１間の摩擦係数を算出するとともに、両摺動面２１、３１間の印加電圧を測定する試験を、制御装置９により可変直流電源７の発生電圧を変えながらスイッチ９１をオンオフして行った。
【００２６】
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、この電圧計で両摺動面２１、３１間の印加電圧を測定した。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
図２は、表１に示す条件に従い可変直流電源７の発生電圧を変化させながらスイッチ９１をオンオフした場合における両摺動面２１、３１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）、横軸は時間（ｍｉｎ）である。また、符号２０１（実線）は両摺動面２１、３１間の印加電圧を示しており、符号２０２（点線）は、図示していないロードセルで測定した金属平板２の回転方向Ｒにおけるトルクから算出した両摺動面２１、３１間の摩擦係数を示している。
【００２９】
図示するように、スイッチ９１をオフにして、両摺動面２１、３１間に電圧を印加していない場合（印加電圧を０Ｖとした場合）、両摺動面２１、３１間の摩擦係数は０．０８前後であった（符号２０３〜２０５）。これに対して、スイッチ９１をオンにするとともに、可変直流電源７を制御して両摺動面２１、３１間の印加電圧を、イオン液体５の分解電圧（約３Ｖ）より高い５Ｖとした場合、両摺動面２１、３１間の摩擦係数が０．０３程度にまで低下する一方（符号２０６）、両摺動面２１、３１間の印加電圧を、５Ｖよりもさらに高い６Ｖとした場合には、両摺動面２１、３１間の摩擦係数が０．５程度にまで急激に上昇した（符号２０７）。
【００３０】
なお、図示していないが、両摺動面２１、３１間の印加電圧をイオン液体５の分解電圧（約３Ｖ）より低くした場合、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間の摩擦係数に大きな変化はなかった。また、両摺動面２１、３１間の印加電圧を５．５Ｖとした場合、両摺動面２１、３１間の摩擦係数は、当初、両摺動面２１、３１間に電圧を印加していない場合と同程度であったが、時間経過に従い変化して安定しなかった。
【００３１】
このことから、両摺動面２１、３１間の印加電圧として、イオン液体５の分解電圧以上の電圧であって、電圧が印加されていない状態における両摺動面２１、３１間の摩擦力より小さな摩擦力を生じさせる第一の電圧（例えば５Ｖ）が存在するとともに、この第一の電圧より高い電圧であって、電圧が印加されていない状態における両摺動面２１、３１間の摩擦力より大きな摩擦力を生じさせる第二の電圧（例えば６Ｖ）が存在することが分かった。そして、制御装置９によりスイッチ９１および可変直流電源７を制御して、両摺動面２１、３１間の印加電圧として、０Ｖ（印加電圧なし）、第一の電圧、および第二の電圧のいずれかを選択することにより、両摺動面２１、３１間の摩擦力を三段階に増減できることが分かった。
【００３２】
以上、本発明の実施の形態を説明した。
【００３３】
本実施の形態によれば、互いに摺動する第一の摺動面２１および第二の摺動面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、イオン液体５の分解電圧以上の電圧であって、電圧が印加されていない状態における両摺動面２１、３１間の摩擦力より小さな摩擦力を生じさせる第一の電圧を両摺動面２１、３１間に印加することにより、両摺動面２１、３１間の摺動を促進することができる。また、第一の電圧より高い電圧であって、電圧が印加されていない状態における両摺動面２１、３１間の摩擦力より大きな摩擦力を生じさせる第二の電圧を両摺動面２１、３１間に印加することにより、両摺動面２１、３１間の摺動を抑制することができる。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、摺動面間の摩擦力を動的に制御することが可能となる。
【００３４】
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ることができる。ここで、通常速度で走行する場合、スイッチ９１をオフにして、両摺動面２１、３１間に電圧を印加しないことにより、両摺動面２１、３１間の摩擦力を標準の大きさにして、ステアリングホイールを適度な操舵力とする。また、車庫入れ等の所定以下の速度で走行する場合、スイッチ９１をオンにするとともに可変直流電源７を制御して、両摺動面２１、３１間に第一の電圧を印加することにより、両摺動面２１、３１間の摩擦力を標準より小さくして、ステアリングホイールの操舵力を軽くし、ステアリング操作を容易にする。そして、高速道路等の所定以上の速度で走行する場合、スイッチ９１をオンにするとともに可変直流電源７を制御して、両摺動面２１、３１間に第二の電圧を印加することにより、両摺動面２１、３１間の摩擦力を標準より大きくして、ステアリングホイールの操舵力を重くし、走行安定性を向上させる。
【００３５】
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ることができる。ここで、通常速度でモータを回転させる場合、スイッチ９１をオフにして、両摺動面２１、３１間に電圧を印加しないことにより、両摺動面２１、３１間の摩擦力を標準の大きさにして適度な負荷トルクとする。また、所定速度以上でモータを回転させる場合、スイッチ９１をオンにするとともに可変直流電源７を制御して、両摺動面２１、３１間に第一の電圧を印加することにより、両摺動面２１、３１間の摩擦力を標準より小さくして負荷トルクを軽減させる。これにより、より高速にモータを回転させることができる。そして、モータの回転を停止させる場合、スイッチ９１をオンにするとともに可変直流電源７を制御して、両摺動面２１、３１間に第二の電圧を印加することにより、両摺動面２１、３１間の摩擦力を標準より大きくして負荷トルクを増大させる。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。
【００３６】
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。
【００３７】
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で被膜されていればよい。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（抵抗膜間の接触抵抗）が１００Ω〜４０００Ω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。
【００３８】
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。本発明者は、ＢＭＩ−ＰＦ６、ＯＭＩ−ＴＦＳＩ、およびＢＭＩ−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。
【００３９】
ここで、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２に示す構造を有する。
【００４０】
【化２】
2015031337.tif 000005
【００４１】
また、ＯＭＩ−ＴＦＳＩは、１−オチクル−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ニル）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。
【００４２】
【化３】
2015031337.tif 000006
【００４３】
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ニル）イミド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。
【００４４】
【化４】
2015031337.tif 000007
【００４５】
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。
【００４６】
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つの対向面（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】
【００４７】
１：摺動機構、  ２：金属平板、  ３：金属円筒、  ５：イオン液体、  ７：可変直流電源、  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：金属円筒の金属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】
2015031337.tif 000008
【図２】
2015031337.tif 000009