(57)【要約】 【課題】金属製作業表面をラッピングする装置を提供する。【解決手段】  本発明のラッピングする装置は、（ａ）金属製作業表面を有するワークピースと、（ｂ）前記作業表面に対向して配置される接触表面と、前記接触表面と前記作業表面とは相対的に動き、（ｃ）前記接触表面と前記作業表面の間に配置される複数の研削材料と、（ｄ）前記作業表面と前記接触表面の少なくとも一方に関連し、前記相対運動を行わせ負荷を前記接触表面と前記作業表面にかける機構とを有し、前記接触表面は、前記複数の研削材料と少なくとも部分的に弾性相互作用を提供し、前記接触表面に、粒子状添加材が配置され、前記機構が活性化すると、前記負荷により前記研削材料の一部が前記作業表面に接触し、前記負荷のかかった状態での相対運動により、前記粒子状添加材の一部が前記金属製作業表面に組み込まれる。【選択図】  図１Ａ
2010510890.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属作業表面をラッピングする機械装置において、
（ａ）  金属製作業表面を有するワークピースと、
（ｂ）  前記作業表面に対向して配置される接触表面と、
前記接触表面と前記作業表面とは相対的に動き、
（ｃ）  前記接触表面と前記作業表面の間に配置される複数の研削材料と、
（ｄ）  前記作業表面と前記接触表面の少なくとも一方に関連し、前記相対運動を起こさせ、負荷を前記接触表面と前記作業表面にかける機構と、
を有し、
前記接触表面は、前記複数の研削材料との少なくとも部分的な弾性相互作用を提供し、
前記接触表面に、粒子状添加材が配置され、
前記機構が活性化すると、前記負荷により、前記研削材料の一部が前記作業表面に接触し、
前記負荷のかかった状態での相対運動により、前記粒子状添加材の一部が前記作業表面に組み込まれる
ことを特徴とするラッピングする機械装置。
【請求項２】
前記接触表面のショアＤ硬度は、４０−９０の範囲内にある
ことを特徴とする請求項１記載の機械装置。
【請求項３】
前記粒子状添加材は、固体潤滑剤を含む
ことを特徴とする請求項１記載の機械装置。
【請求項４】
前記研削材料は、前記接触表面と作業表面の間に自由に配置される
ことを特徴とする請求項１記載の機械装置。
【請求項５】
前記粒子状添加材は、前記接触表面内に配置され、
前記機構が活性化されると、前記相対運動により、前記粒子状添加材の少なくとも一部は、機械的に前記接触表面から移されて、前記粒子状添加材を前記作業表面に組み込ませる
ことを特徴とする請求項１記載の機械装置。
【請求項６】
前記接触表面は、ポリマー材料を含有し、
前記粒子状添加材は、前記ポリマー材料内に緊密に分散している
ことを特徴とする請求項１記載の機械装置。
【請求項７】
前記ポリマー材料は、エポキシ材料を含む
ことを特徴とする請求項６記載の機械装置。
【請求項８】
前記粒子状添加材は、固体潤滑剤を含む
ことを特徴とする請求項６記載の機械装置。
【請求項９】
前記粒子状添加材は、固体潤滑剤を含む
ことを特徴とする請求項５記載の機械装置。
【請求項１０】
前記ショアＤ硬度は、６５−８５の範囲内にある
ことを特徴とする請求項５記載の機械装置。
【請求項１１】
前記ショアＤ硬度は、６５−９０の範囲内にあり、
前記衝撃耐性は、４−１２ｋＪ／ｍ２の範囲内にある
ことを特徴とする請求項５記載の機械装置。
【請求項１２】
前記ショアＤ硬度は、７０−８０の範囲内にあり、
前記衝撃耐性は、５−８ｋＪ／ｍ２の範囲内にある
ことを特徴とする請求項５記載の機械装置。
【請求項１３】
前記接触表面は、ラップ盤上に配置される
ことを特徴とする請求項１記載の機械装置。
【請求項１４】
前記研削材料は、アルミナ粒子を含む
ことを特徴とする請求項１記載の機械装置。
【請求項１５】
前記接触表面の組成は、エポキシ材料とポリウレタンとを含有し、
前記ショアＤ硬度は、６５−９０の範囲内にあり、
前記衝撃耐性は、４−９ｋＪ／ｍ２の範囲内にある
ことを特徴とする請求項１記載の機械装置。
【請求項１６】
前記接触表面の組成は、エポキシ材料とポリウレタンとを２５：７５から９０：１０の重量比率で含有する
ことを特徴とする請求項１記載の機械装置。
【請求項１７】
前記接触表面の組成は、ポリウレタンを３重量％−７５重量％の範囲で含む
ことを特徴とする請求項１記載の機械装置。
【請求項１８】
前記接触表面の組成は、エポキシ材料を３０重量％−９０重量％の範囲内で含む
ことを特徴とする請求項１記載の機械装置。
【請求項１９】
前記作業表面は、スチール製作業表面を有する
ことを特徴とする請求項１記載の機械装置。
【請求項２０】
前記機構は、前記接触表面にかかる負荷を、前記接触表面と作業表面に対し法線方向からかける
ことを特徴とする請求項１記載の機械装置。
【請求項２１】
前記粒子状添加材は、モース硬度（Mohs hardness）が５未満である
ことを特徴とする請求項１記載の機械装置。
【請求項２２】
前記粒子状添加材は、モース硬度（Mohs hardness）が３未満である
ことを特徴とする請求項１記載の機械装置。
【請求項２３】
ラッピングする方法において、
（ａ）  以下を含むシステムを用意するステップと、
（ｉ）  金属製作業表面を有する金属ワークピースと、
（ｉｉ）  前記作業表面に対向して配置される接触表面と、
前記接触表面と前記作業表面とは相対運動をし、
（ｉｉｉ）  前記接触表面と前記作業表面の間に配置される複数の研削粒子と、
（ｉｖ）  前記接触表面に関連する複数の固体粒子と
（ｂ）  前記接触表面と前記作業表面の法線方向から負荷をかけるステップと、
（ｃ）  前記ワークピースを、前記作業表面と前記接触表面との間に相対運動をかけることにより、ラッピングするステップと、
を有し、その結果、
（ｉ）  前記接触表面と前記研削粒子との間に少なくとも部分的な弾性相互作用を行わせ、前記研削粒子の少なくとも一部が前記作業表面と前記接触表面に食い込み、
（ｉｉ）  前記粒子状添加材が前記作業表面に組み込まれる
ことを特徴とするラッピング方法。
【請求項２４】
（ｄ）  リセスを生成するために、前記作業表面にマイクロレリーフを施すステップ
をさらに有する
ことを特徴とする請求項２３記載のラッピング方法。
【請求項２５】
前記粒子状添加材は、塩化コバルト、二硫化モリブデン、グラファイト、フレーレン、二硫化タングステン、窒化ボロン、銀硫酸塩、塩化カドミウム、ヨウ化カドミウム、ホウ砂、ホウ酸、ヨウ化鉛から選択された少なくとも一種類の材料を含む
ことを特徴とする請求項２４記載のラッピング方法。
【請求項２６】
ワークピースの金属製作業表面をラッピングする機械装置において、
前記金属製作業表面に向かい合って配置される接触表面を有し、
前記接触表面は、前記作業表面に対し相対運動をし、
前記接触表面は、
（ａ）  少なくとも１つのポリマー材料と、
（ｂ）  前記ポリマー材料内に分散する粒子状物質と
を有し、
前記接触表面のショアＤ硬度は、６５−９０の範囲内にあり、
前記接触表面は、前記ワークピースの前記金属製作業表面のラッピングの間、前記粒子状物質が前記接触表面から前記金属製作業表面に移行し組み込まれる
ことを特徴とする機械装置。
【請求項２７】
前記粒子状物質は、固体潤滑剤を含む
ことを特徴とする請求項２６記載の機械装置。
【請求項２８】
前記ポリマー材料は、エポキシ材料を含む
ことを特徴とする請求項２６記載の機械装置。
【請求項２９】
前記ポリマー材料は、ポリウレタンを含む
ことを特徴とする請求項２６記載の機械装置。
【請求項３０】
前記粒子状物質は、前記ポリマー材料内の充填材料である
ことを特徴とする請求項２６記載の機械装置。
【請求項３１】
前記粒子状物質のモース硬度は、５未満である
ことを特徴とする請求項２６記載の機械装置。
【請求項３２】
前記粒子状物質のモース硬度は、３未満である
ことを特徴とする請求項２６記載の機械装置。
【請求項３３】
前記粒子状物質の少なくとも９０％は、２０ミクロン未満の直径を有する
ことを特徴とする請求項２６記載の機械装置。
【請求項３４】
前記粒子状物質の少なくとも９０％は、１０ミクロン未満の直径を有する
ことを特徴とする請求項２６記載の機械装置。
【請求項３５】
前記粒子状物質の少なくとも９０％は、２ミクロン未満の直径を有する
ことを特徴とする請求項２６記載の機械装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子状添加材（例、個体潤滑剤）を有する作業面に関し、特にこのような粒子状添加材を金属製作業面に組み込む方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械的に相互作用する表面の摩擦と摩耗とを減らすために、潤滑剤が相互作用する領域に導入される。図１Ａに示すように、向かい合う表面３２，３４は相対速度Ｖで動く。理想的な潤滑状態においては、対向する表面の間の潤滑フィルム２０は、可動表面が潤滑剤と相互作用できるような相互作用しない層（interact layer）を形成する。このような状態においては、表面３２と３４との間の接触は全く起こらず、潤滑層が、対向する表面の間に存在する負荷Ｐを担持すると言われている。潤滑剤の供給が不十分であると、潤滑の効率が下がり、これにより表面間の相互作用が発生する。
【０００３】
図１Ｂに示すように、潤滑剤の供給が、あるレベル以下になると、相対移動する対向する表面３２と３４との距離が、負荷Ｐのために減少し、その結果表面の突起（即ち表面から突出した表面材料の山部）が相互作用するようになる。かくして、例えば表面３４の突起部３６は、表面３２の突起部３８と物理的に接触し、相互作用することになる。極端な状態においては、表面３２，３４の突起が、相互作用する表面の間に存在する負荷の全てを担持する。この状態においては、時に境界潤滑（boundary lubirication）状態と称するが、潤滑剤は効かず、摩擦と摩耗が激しい。
【０００４】
【非特許文献１】M.Levitin and B.Shamshidov in "A Disc on Flat Wear Test Under Starved L.ubrication", Tribotest Journal 4-2, December,(4), 159,
【非特許文献２】Levitin, M, and Shamshidov, B.,"A Laboratory Study of Friction in Hip Implants", Tribotest Journal 5-4, June 1999
【０００５】
研削（Grinding）とラッピング（lapping ）は、表面の粗さを改善し、中でも様々な摩耗のアプリケーションにおける作業面を生成する従来の方法である。図１Ｃ(i)-(ii)は、従来のラッピングプロセスで調整され（条件付けられ）た作業面を示す。図１Ｃ(i)においては、ワークピース３１の作業面３２は、ラップ盤３４の接触面３５と向かい合う。研削材（abrasive）粒子を含む研削材ペーストが、その一部を研削材粒子３６として示すが、作業面３２と接触面３５との間に配置される。ラップ盤３４の接触面３５は、作業面３２に比較して軟らかい材料で形成されている。研削材粒子の組成とサイズの分布は、設計に従って例えば所定の最終前仕上げを達成するために、表面の粗さを減らすために、作業面３２を容易に摩耗させるよう、選択される。
【０００６】
負荷が、作業面３２と接触面３５の法線方向にかけられ、これにより研削材粒子３６が作業面３２と接触面３５に食い込み、圧力Ｐが作業面３２内に食い込んだ研削材粒子３６の断面にかかる。研削材粒子３６が作業面３２内に食い込む深さをha1とし、研削材粒子３６が接触面３５内に食い込む深さをhb1とする。一般的に、研削材粒子３６がラップ盤３４内に組み込む量hb1は、ワークピース３１への食い込み量ha1よりも大きい。即ちhb1>>ha1である。
【０００７】
図１Ｃ(ii)において、ワークピース３１とラップ盤３４とは、相対速度Ｖで移動する。ワークピース３１とラップ盤３４との間の相対速度Ｖと圧力Ｐは、研削材粒子３６が、ナイフのように機能して、ワークピース３１から表面材料のチップを削り取るような大きさである。
【０００８】
低速の相対速度においては、研削材粒子３６はぼほ静止している。しかし図１Ｃ(ii)に示すように、相対速度Ｖは、対応する剪断力Ｑが大きくなるよう選択される。研削材粒子３６に接触しているラップ盤３４の材料は、研削材ペースト内の粒子に比較し、堅い（即ち低弾性の）ために、これらの粒子は、通常急速に削られ、その結果研削材ペーストは、頻繁に供給しなければならない。
【０００９】
公知の技術においては、研削（grinding）、ラッピング（lapping）、研磨（polishing）、切削（cutting）は、例えば金属、セラミック、ガラス、プラスッチック、木材等の材料に対し行われ、結合された研削材、例えば砥石車、コーティングされた研削材、非固定／浮遊研削材、研削材・切削工具等を用いて、行なわれる。研削材粒子は、研削プロセスの切削手段でもあるが、天然材か人工（合成）材のいずれかであるが、被切削材料よりも遙かに硬い材料である。結合、塗布、浮遊の研削材・アプリケーションで最も一般的に用いられる研削材は、ガーネット、アルファアルミナ、シリコンカーバイト、ボロンカーバイト、立方晶ボロンナイトライド、ダイアモンドである。これらの材料の相対硬度を以下の表に示す。
【００１０】
研削材（abrasive）の選択は、通常、経済性、必要とされる最終仕上げ、被研削材料に支配される。下記の研削材のリストは硬度が大きくなる順であるが、同時に値段の高い順でもある。ガーネットが最も安くダイアモンドが最も高い。
【００１１】
材料                  Knoop硬度番号
ガーネット                   1360
アルファ−アルミナ           2100
シリコンカーバイト           2480
ボロンカーバイト             2750
立方晶ボロンナイトライド     4500
ダイアモンド（単結晶）       7000
【００１２】
一般的に軟らかい研削材は軟らかな材料を削るために、硬い研削材は硬い材料を削るために選択されるが、これは、様々な研削材のコストの観点から決められる。当然のことながら例外もある。例えば硬い材料を実際に効率的に切削できる非常に粘着性の高い材料もある。更に、研削材粒子が硬くなるにつれて、研削材の単位体積あるいは単位重量あたりの研削材が除去できる量も増える。超研削材は、ダイアモンドと立方晶ボロンナイトライドを含み、両者は共に様々なアプリケーションで用いられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
公知のラッピングの方法とシステムは、幾つかの欠点がある。それを下記する。
（１）  ラップ盤の接触面は、最終的に研削材により消耗され取り替える必要がある。ある一般的なアプリケーションにおいては、ラップ盤の接触面は、ワークピースを約５０個処理した後、取り替える必要がある。
（２）  ラッピングプロセスは、一般的に数段のラッピング段で行なわれ、各段で様々な物理的特性を有する研削材ペーストを用いる必要がある。
（３）  研削材ペーストの特性（ペーストの形成を含む）と、研削材粒子の硬度と、研削材粒子の粒子サイズ分布に影響される。
（４）  ラッピングプロセスにおける様々な処理パラメータに影響される。
【００１４】
従来公知のラッピング技術の欠点を解決する新規のラッピング・システムのニーズがある。更に改善された摩擦特性を有する作業表面を生成するラッピング・システムが必要とされている。
【００１５】
本発明の一態様によれば、金属製作業表面をラッピングする装置は、（ａ）作業表面を有するワークピースと、（ｂ）前記作業表面に対向して配置される接触表面と、前記接触表面と前記作業表面とは相対的に動き、（ｃ）前記接触表面と前記作業表面の間に配置される複数の研削材料と、（ｄ）前記作業表面と前記接触表面の少なくとも一方に関連し、前記相対運動と負荷を前記接触表面と前記作業表面に掛ける機構とを有する。前記接触表面は、前記複数の研削材料と少なくとも部分的に弾性相互作用を提供し、前記接触表面に、粒子状添加材が配置され、前記機構が活性化すると、前記負荷により前記研削材料の一部が前記作業表面に接触し、前記負荷のかかった状態での相対運動により、前記粒子状添加材の一部が前記金属作業表面に組み込まれる。
【００１６】
本発明の一態様によれば、ワークピースの金属作業表面をラッピングする装置は、金属製作業表面に向かい合って配置される接触表面を有し、前記接触表面は、前記作業表面に対し相対運動をする。前記接触表面は、（ａ）少なくとも１種類のポリマー材料と、（ｂ）前記ポリマー材料内に分散する粒子状物質とを有する。前記接触表面のショアＤ硬度は、６５−９０の範囲内にある。前記接触表面は、前記ワークピースの金属製作業表面のラッピングの間、前記粒子状物質が前記接触表面から前記金属製作業表面に移行し、組み込まれる。
【００１７】
本発明の一態様によれば、本発明のラッピングする方法は、（ａ）以下を含むシステムを用意するステップと、（ｉ）金属製作業表面を有する金属製ワークピースと、（ｉｉ）前記作業表面に対向して配置される接触表面と、前記接触表面と前記作業表面とは相対的に動き、（ｉｉｉ）  前記接触表面と前記作業表面の間に配置される複数の研削粒子と、（ｉｖ）  前記接触表面に配置される複数の固体粒子と（ｂ）前記接触表面と前記金属作業表面の法線方向に負荷をかけるステップと、（ｃ）前記ワークピースを、前記金属作業表面と前記接触表面との間に相対運動を行わせることにより、ラッピングするステップとを有する。その結果、（ｉ）前記接触表面と前記研削粒子との間に少なくとも部分的な弾性相互作用を行わせ、前記研削粒子の少なくとも一部が前記作業表面と前記接触表面とに食い込み、（ｉｉ）前記粒子状添加材が前記金属作業表面に組み込まれる。
【００１８】
本発明の一実施例によれば、前記接触表面のショアＤ硬度は、４０−９０の範囲内にある。
【００１９】
本発明の一実施例によれば、前記ショアＤ硬度は、６５−８５の範囲内にある。  
【００２０】
本発明の一実施例によれば、前記研削材料は、前記接触表面と作業表面に両方に同時に接触する。
【００２１】
本発明の一実施例によれば、前記研削材料の少なくとも一部は、前記作業表面に食い込む。
【００２２】
本発明の一実施例によれば、前記粒子状添加材は、固体潤滑剤を含む。
【００２３】
本発明の一実施例によれば、前記研削材料は、前記接触表面と作業表面との間に自由に配置される。
【００２４】
本発明の一実施例によれば、前記粒子状添加材は、前記接触表面内に配置され、前記機構の活性化されると、前記相対運動により、前記粒子状添加材の少なくとも一部は、機械的に前記接触表面から移されて、前記粒子状添加材を前記金属作業表面に組み込む。
【００２５】
本発明の一実施例によれば、前記接触表面はポリマー材料を含有し、前記粒子状添加材は前記ポリマー材料内に緊密に分散している。
【００２６】
本発明の一実施例によれば、前記ポリマー材料は、エポキシ材料を含む。
【００２７】
本発明の一実施例によれば、前記エポキシ材料は、ポリウレタンを含む。
【００２８】
本発明の一実施例によれば、前記ショアＤ硬度は、６５−９０の範囲内にあり、前記衝撃耐性は、４−１２ｋＪ／ｍ２の範囲内にある。
【００２９】
本発明の一実施例によれば、前記ショアＤ硬度は、７０−８０の範囲内にあり、前記衝撃耐性は、５−８ｋＪ／ｍ２の範囲内にある。
【００３０】
本発明の一実施例によれば、前記接触表面は、ラップ盤上に配置される。
【００３１】
本発明の一実施例によれば、前記研削材料は、アルミナ粒子を含む。
【００３２】
本発明の一実施例によれば、前記接触表面の組成は、エポキシ材料とポリウレタンとを含有し、前記ショアＤ硬度は、６５−９０の範囲内にあり、前記衝撃耐性は、４−９ｋＪ／ｍ２の範囲内にある。
【００３３】
本発明の一実施例によれば、前記接触表面の組成は、エポキシ材料とポリウレタンとを２５：７５から９０：１０の重量比率で含有する。
【００３４】
本発明の一実施例によれば、前記接触表面の組成は、ポリウレタンを３重量％−７５重量％の範囲で含む。
【００３５】
本発明の一実施例によれば、前記接触表面の組成は、エポキシ材料を３０重量％−９０重量％の範囲内で含む。
【００３６】
本発明の一実施例によれば、前記金属作業表面は、スチール製の作業表面を有する。
【００３７】
前記機構は、前記接触表面にかかる負荷を、前記接触表面と作業表面に対し法線方向からかける。
【００３８】
本発明の一実施例によれば、前記粒子状添加材は、モース硬度（Mohs hardness）が５未満である。
【００３９】
本発明の一実施例によれば、前記粒子状添加材は、モース硬度（Mohs hardness）が３未満である。
【００４０】
本発明の一実施例によれば、本発明のラッピング方法は、（ｄ）リセスを生成するために、前記金属作業表面にマイクロレリーフを施すステップをさらに有する。
【００４１】
本発明の一実施例によれば、前記粒子状添加材は、塩化コバルト、二硫化モリブデン、グラファイト、フレーレン、二硫化タングステン、窒化ボロン、銀硫酸塩、塩化カドミウム、ヨウ化カドミウム、ホウ砂、ホウ酸、ヨウ化鉛から、選択された少なくとも一種類の材料を含む。
【００４２】
本発明の一実施例によれば、前記粒子状物質は、前記ポリマー材料内の充填材料である。
【００４３】
本発明の一実施例によれば、前記粒子状物質の少なくとも９０％は、２０ミクロン未満の直径を有する。
【００４４】
本発明の一実施例によれば、前記粒子状物質の少なくとも９０％は、１０ミクロン未満の直径を有する。
【００４５】
本発明の一実施例によれば、前記粒子状物質の少なくとも９０％は、２ミクロン未満の直径を有する。
【実施例】
【００４６】
本発明によれば、相対的な滑り動作を行う潤滑状態の表面を処理して、相互作用の間、摩耗と摩擦を減らす。最も一般的には、本発明の方法は、作業面を２つの領域に変える。一方の領域は高度に潤滑剤を排斥し、他方の領域は潤滑剤を滞留させる。
【００４７】
図２を参照して、本発明を以下説明する。複数のゾーンの組み合わせからなる作業表面が示される。ゾーンＡは、潤滑剤が集まる領域で、ゾーンＲは、潤滑剤を排斥する領域である。
【００４８】
本発明の好ましい実施例においては、潤滑剤を滞留させる／吸引する点に関する領域の差は、構造上の差異が関係している。本発明のこの実施例のシステムの構造的態様を、図３Ａ−Ｂを参照して説明する。
【００４９】
図３Ａにおいて、シリンダ５０の表面構造は、１つあるいは複数の溝例えば螺旋溝５２がその表面に刻まれている。通常このような溝の最大深さは５−３０ミクロンの範囲で、幅は１００−１０００ミクロンの範囲である。元の表面に残った部分は、「うね」（山部、凸部）であり、この実施例においては螺旋状隆起（うね）５４である。かくしてシリンダ５０の外側は２つの領域を含む。即ち「うね」を含む凸部（皮相）領域と、溝を含む凹部領域である。
【００５０】
図３Ｂにおいて、金属スラブ６０が本発明に従って処理される。作業面は、他の要素（図示せず）との摩擦的相互作用が行われると、溝６２が形成され、凹部領域を構成し、別の「隆起部」６４は、金属スラブ６０の作業面の皮相（凸部）領域を形成する。
【００５１】
領域パターン
図４Ａ−Ｆには、「凹部」例えば微細溝の代表的なパターンが示されている。これは本発明の実施例の構造態様に適したものである。図４Ａ、４Ｂは様々な密度の正弦波パターンを示す。図４Ｃは重なり合った正弦波を含むパターンを示す。図４Ｄは丸孔のパターンを示す。図４Ｅは菱形孔のパターンを示す。図４Ｆは螺旋パターンを示す。これらの選択的事項としてのパターンの種類は非常に多く、ここに示した例は代表例の一部を示すに過ぎない。
【００５２】
作業表面の処理
作業表面をコンディショニングするプロセスにおいて、図５に示すように、作業表面は、研削と／またはラッピングにより機械加工し（ステップ９０）、高いレベルの平坦さと表面最終処理を得る。ステップ９２において、選択的事項としてのリセス領域が形成される。ステップ９４において、作業表面の皮相ゾーンがラッピング・ステップでコンディショニングされる。
【００５３】
表面（皮相）ゾーンのラッピングは、非常に良好な平坦さと非常に良好な最終処理を達成できることが、見出された。このラッピング技術は、浮遊した（free-flowing）研削材料（abrasive material）を用いる。これは、固定した研削材料を用いるグラインディングとは対象的である。ラッピング・プロセスは、研磨プロセスとは明確に区別される。この研磨プロセスは、ラッピング・プロセスよりもより高速で且つ低負荷である。ワークピースの表面に対する影響も異なる。ラッピング・プロセスにおいては、ワークピースの表面とラップ盤の表面の間の負荷と相対移動により研削粒子（abrasive particle）が表面からストック（stock）を切り出す。これに対し、研磨プロセスは、研削ツールとワークピースの表面との間の相対的運動は、ワークピースの表面の局部的な溶融（localized melting）を生ずるほど、極めて大きい。
【００５４】
本明細書と特許請求の範囲においては、本発明の「ラッピング」は、このような研磨システムと方法を排除する。
【００５５】
図６Ａに、本発明に従って処理される相互表面１００と作業表面１０２を示す。この表面の断面を図６Ｂに示す。図７Ａ−Ｃがこの断面図の拡大図である。図７Ａに、機械加工された表面１０６が示される。図７Ｂにおいては、表面１０６が選択的事項としてのマイクログルーブあるいは凹部のマイクロ構造体１０８が形成された後を示す。図７Ｃには、作業表面が本発明のラッピング・プロセスで水平に（レベル化）され、変換されたものである。新たな塑性変形した領域１１０が、表皮（superficial）のゾーン上に形成される。
【００５６】
ラッピング・ステップは、微細溝を形成するステップ（microgrooving step）の後に行われるのが好ましい。その理由は、表面に凹んだマイクロ構造体を形成すると、マイクロ構造体の周囲の表面の盛り上がり（bulging）が発生するからである。この盛り上がりは、構造の変化がレーザー切断によって行われても、表れる。これを図８Ａ−Ｂに示す。図８Ａにおいては、凹んだマイクロ構造体、即ちマイクログルーブ１２１が作業表面１２０に形成される。凹んだマイクロ構造体１２１のエッジの周囲に、隆起部１２２が形成され、これは、マイクロ構造体１２１の形成で生成される。本発明のラッピング・プロセスの後、隆起部が水平化され、塑性変形領域１２４が作業表面１２０の表面近傍に生成される（図８Ｂ）。
【００５７】
ラッピングは、本発明によれば、機械的要素の作業表面の特性を得るために好ましい機械的仕上げ方法である。ラッピングは、ラップ盤を用いて行われる。ラップ盤の表面は、処理される機械部品の作業表面よりも柔らかく、また研削グリッド（abrasive grid）を含有するペーストよりも柔らかい。このペーストは、従来のラッピング・プロセスで用いられるペーストでもよい。ラッピングの効果を上げるためには、研削グリッド（abrasive grid）は、ラップ盤の表面よりも遙かに硬く、処理された作業表面よりも硬くなければならない。本発明によれば、酸化アルミナは、様々なラッピング表面と作業表面に対し適切な研削材料である。
【００５８】
図９Ａ−Ｂは、本発明のラッピングプロセスの進行中のステップを表わし、これにより作業面のコンディショニングが促進される。本発明のラッピングシステム１３０の一態様における初期状態を図９Ａに示す。（ワークピース１３１上に配置される）作業面１３２の不規則形状が、ラップ盤１３４に向かい合っており、それらの間の距離は不規則である。研削材粒子１３６は、ラップ盤１３４の接触表面１３５内に一部食い込んでおり、かつそれよりは少ない量だが、作業面１３２にも食い込んでいる。作業表面１３２と接触表面１３５が、機構１３８により相対運動をする。この運動は、瞬間的な速度Ｖを有する。機構１３８は、負荷すなわち圧力Ｐ１をかける。この圧力は、接触表面１３５と作業表面１３２の法線方向に向かう力である。
【００５９】
図９Ｂにおいて、ある程度のラッピング動作が行なわれと、作業面１３２の不規則性が減る。表面間の相対的運動の結果として、研削材粒子１３９が、ある程度丸められ、表面に対して「こする作業」の間に、鋭いエッジの一部が失われる。
【００６０】
最初は、研削材粒子１３６が作業面１３２内に食い込み、プロセスが継続するにつれて、材料をそこから削り取り、研削材粒子１３９は丸みを帯び、処理済みの部分からは更に材料は取り除かれない。代わりに、ラッピング動作がワークピース１３１の作業面１３２の塑性変形を引き起こし、その結果作業面１３２の微細領域硬度（micro-hardness）を増加させる。作業面１３２上の硬くなった層が、潤滑剤に対する排斥特性に特に関与する。
【００６１】
図９Ｃ(i)-(iii)は、本発明のラッピングプロセスとシステムにより、コンディショニングされた作業面を表わす。図９Ｃ(i)において、ワークピース１３１の作業面１３２は、ラップ盤１３４の接触面１３５に向かい合う。図示されたような一般的な研削材粒子１３６を有する研削材ペーストが、作業面１３２と接触面１３５との間に配置される。従来のラッピング技術と同様に、ラップ盤１３４の接触面１３５は、作業面１３２よりも大きな耐摩耗性と低い硬度とを有する材料から形成される。研削材粒子の組成とサイズの分布は、意図した通り作業面１３２を容易に摩耗させるよう、例えば所定の粗さ（凹凸）程度まで表面の凹凸を減らすように、選択される。
【００６２】
負荷が、作業面１３２と接触面１３５の法線方向からかけられ、これにより研削材粒子１３６が作業面１３２と接触面１３５に食い込み、圧力Ｐが作業面１３２内に食い込まれた研削材粒子１３６の断面にかかる。研削材粒子１３６が作業面１３２内に食い込む深さをha2とし、研削材粒子１３６が接触面１３５内に食い込む深さをhb2とする。一般的に研削材粒子３６がラップ盤３４内に組み込む量hb2は、ワークピース３１への食い込み量ha1よりもはるかに大きい、hb2>>ha2である。重要なことは、本発明の接触面１３５の変形は弾性特性を有するため、研削材粒子１３６の接触面１３５への食い込み量は、同一の研削材粒子が従来技術の接触面（同一の圧力Ｐがかかった状態で）への食い込み量よりも遙かに大きい。即ちhb2>hb1,である。ここで、hb1は図１Ｃ(i)で定義されている。研削材粒子１３６の作業面１３２へ内での食い込み量ha2は、従来技術のha1よりも遙かに小さい。ha2<ha1である。
【００６３】
図９Ｃ(ii)において、ワークピース１３１とラップ盤１３４は相対速度Ｖで移動するものとする。ワークピース１３１とラップ盤１３４との間の相対速度Ｖと圧力Ｐとは、研削材粒子１３６が、ナイフのように機能して、ワークピース１３１から表面材料のチップを削り取るような大きさである。このチップは、通常従来技術のラッピング技術により作業面から削り取られるチップよりも、遙かに小さい。
【００６４】
図９Ｃ(ii)-(iii)において、相対速度Ｖは、速度に対応する剪断力Ｑが圧力Ｐに対し十分大きく、その結果研削材粒子１３６上の合成力ベクトルＦの方向により、研削材粒子１３６が回転するような大きさである。この回転の間、ラップ盤１３４と接触面１３５の弾性により、従来技術に比較して、研削材粒子１３６内の内部歪みは小さくなる。その結果通常の研削材粒子１３６は、粉砕あるいは破壊せず、表面の角は丸みを帯びる。この丸くなった現象の理想的状態を図９(iii)に示す。
【００６５】
本発明の作業面は、表面の様々な微細特性に影響を及ぼす固有の微細構造を有する。本発明のラッピングシステムは、作業面の微細構造を改善するために、作業面に塑性変形を引き起こし、作業表面の微細構造を改善する（必ずしもこの理論に拘こだわるものではないが）と考えられる。この変化したマイクロ構造の大きさがマイクロ構造の硬さを増加させる。
【００６６】
本発明者らが意外にも見出したことは、ポリマー製のラップ盤の表面は、上記で示したように、少なくとも１つの材料で充填することができる。この材料は、動作中にワークピースの表面の性能を高める。好ましくは、表面の性能強化材は、ポリマー材料と親和的に混合される。充填材料は、ポリマー材料に対し不活性である。
具体的に述べると、ポリマー製ラップ盤表面内の充填材料により、ラッピング中にワークピースの表面内に移転し、組み込まれて、摩擦的に優れた特性を有するワークピース表面が得られる。このような充填材料は、これに限定されるわけではないが、固体潤滑剤を含む。
固体潤滑剤は、無機化合物、有機化合物、金属を、フィルムあるいは粒子材料の形態で含有し、スライド表面に対しバリア層型の潤滑を提供する。このような材料は室温以上で固体であるが、ある場合には室温以上で流体のこともある。
【００６７】
この無機化合物は、例えば塩化コバルト（cobalt chloride）、二硫化モリブデン（molybden disulfide）、グラファイト（graphite）、二硫化タングステン（tungsten disulfide）、マイカ（mica）、窒化ボロン（boron nitride）、硫酸銀（silver sulfate）、塩化カドミウム（cadmium chloride）、ヨウ化カドミウム（cadmium iodide）、ホウ砂（borax）、ホウ酸（boric acid）、ヨウ化鉛（lead iodide）のような材料を含む。これらの化合物は、いわゆる層−格子固体を示し、この固体中では強力な共有力あるいはイオン力形態の結合が個々の層の間の原子間で起こりながら、弱いファン・デル・ワールス力（Van der Waals force）が層間の結合を形成する。これらは高温でのアプリケーションでの用途が見出されるが、その理由は、溶融点が高く、真空中での高い熱的安定性と、低い蒸発率と、良好な放射抵抗を有するからである。特に優れた材料は、調剤したグラファイトと二硫化モリブデン（formulated graphite and molybdenum disulfide）である。二硫化モリブデンとグラファイトの両方共、層−格子構造を有し、格子間で強い結合力があり、層間で弱い結合力を有する。硫黄−モリブデン−硫黄−格子（sulfur-molybdenum-sulfur lattice）が、強い結合を生み出し、層間の弱い硫黄−硫黄結合により、層が互いに容易にスライドする。それ故に、二硫化モリブデンとグラファイトは、特に重要な固体無機潤滑剤である。
フラーレンス（fullerence）は、本発明のポリマー製のラップ盤表面内に組み込むための粒子状の添加材料として優れたものである。層−格子構造を有さない他の適宜の無機材料は、塩基性鉛白（basic carbonate white lead）すなわち塩基性炭酸鉛（basic carbonate white lead）、酸化亜鉛（zinc oxide）、一酸化鉛（lead monoxide）である。
固体有機潤滑化合物は、高い溶融点を有する有機粉末を有する。例えば、フェナントレン（phenanthrene）、銅フタロシアニン（copper phthalocyanine）、有機化合物との混合物、および他の潤滑剤を含む。二硫化モリブデンと混合した銅フタロシアニン（copper phthalocyanine）は、良好なローラー・ベアリング潤滑剤として知られている。
上記した固体粒子のモース硬度は、室温で２．５以下である。多くの材料のモース硬度は、１以下である。
【００６８】
金属潤滑剤は、軟質金属を含む。例えば、ガリウム、インジウム、タリウム、鉛、すず、金、銀、銅、ロジウム、パラジウム、プラチナである。これらの材料の硬さは、温度が上がるにつれて柔らかくなる傾向がある。卑金属のカルコゲニド（chalcogenide）も用いることができる。特に酸化物、セレナイド（selenide）、硫化物（sulfide）である。
従来の方法と従来のワークピース表面は、固体潤滑剤と様々なバインダとの組み合わせを必要とする。このバインダが、移動するワークピース表面上に潤滑剤を留める。バインダは、固体潤滑剤あるいは粒子状潤滑剤を採用するドライ潤滑剤のアプリケーションでは必須であり、時に結合した固体潤滑剤と称する。様々な熱硬化性と熱可塑性と硬化バインダ系は、フェノリック（phenolic）、ビニル（vinyl）、アクリック（acrylic）、アルキド（alkyd）、ポリウレタン（polyurethane）、シリコン（silicone）、エポキシ・レジン（epoxy resin）を含む。
本発明においては、固体潤滑剤はラッピング機械加工の間、ワークピースの表面に組み込まれ、その結果バインダは不必要である。本発明のワークピース表面は、結合固体潤滑剤（bound solid lubricant）を有する従来のワークピース表面に対し、優れた摩擦特性を有する。
さらに、本発明のワークピース表面（と本発明のラップ盤表面と方法）を用いると、固体潤滑剤は、確実に且つほぼ永久的に組み込まれる。本明細書と特許請求の範囲において、「組み込まれる」と「組み込み」の用語は、粒子及び作業表面に関し用いられ、作業表面に強く固着されることを意味する。粒子は、作業表面が洗浄プロセスを行った後でも、作業表面に固着している。
本明細書と特許請求の範囲において、用語「洗浄」と「洗浄された」、「洗浄プロセス」は、作業表面に用いられ、以下のプロセスを言う。
（ステップ１）  作業表面をイソプロパノールまたはエタノールを満たした浴内に浸し、この浸された作業表面を超音波処理に少なくとも１分間かけるプロセス。
（ステップ２）  エタノール中で洗浄し、その後作業表面をエタノールを浸した布で拭うプロセス。
（ステップ３）  少なくとも１０−８トール（好ましくは１０−１０トール）の真空に少なくとも５分間さらすステップ。
超音波処理のパラメータとエタノール中での洗浄と布で拭く作業は、浮遊した粒子物質と有機ゴミを取り除くために行われる。
ラッピングの後、本発明の作業表面は、厳しい洗浄プロセスにさらして、浮遊する粒子物質と有機ゴミを除去する。
【００６９】
別の構成として、固体粒子（例、固体潤滑剤）は、ワークピースの表面内に組み込まれる。これは、ポリマー製ラップ盤表面を用い、これらの固体粒子を、ラッピング方法を行う前に、浮遊する固体粒子として、これらの粒子をラッピング・システムに添加することにより行われる。浮遊する固体粒子は、様々なラッピング方法で用いられる研削ペーストに添加される、あるいはこの研削ペーストとは別に添加される。
一般的に、組み込まれた固体粒子の少なくとも９０％は２０μｍ未満の直径を有する。好ましくは、組み込まれた固体粒子の少なくとも９０％は１０μｍ以下の直径で、より好ましくは５μｍ以下で、最も好ましくは２μｍ以下である。
本発明のラップ盤表面は、次のようにして合成される。エポキシ・レジンとポリオール（polyol）とジ・イソシアネート（di-isocyanate）を室温以上１５０℃以下の温度で反応させる。その後、より硬い固体潤滑剤粒子を添加して混合する。当業者に明らかなように、必要な硬化条件は、特定の品質と上記の成分の比率に大きく依存する。ポリマーは、バルク・ポリマーあるいはモールド・ポリマーとして生成できる。さらに、本発明の装置と方法と共に使用される必要な機械的、物理的特性を有するポリマーまたはポリマーの混合物は、当業者により供給可能である。
エポキシとポリウレタンの好ましい比率を以下に示す。しかし、様々なポリマーあるいはポリマーの組み合わせも、本発明で使用できる。
【００７０】
ラップ盤の接触面に対する機械的基準
幾分弾性的な層で有機ポリマー表面を有するラップ盤を用いてラッピングすると、作業面の微細硬度と摩擦特性の両方を促進する。本発明のポリーマー表面が適合すべき機械的特性は、以下を含む。
（１）ラッピングプロセスを用いられる研削材ペーストに対する耐摩耗性。
（２）個々の研削材粒子が層内に入り保持されるような弾性変形。個々の研削材粒子が作業面と接触している間回転すると、弾性変形により、粒子と作業面との間にかかる様々な圧力に従って、様々な深さの層内に粒子が食い込む。従って、研削材粒子は、作業面に対し回転し、時間と共により丸みを帯びるが、粉砕される（より微細な粉末に砕かれる）ことはない。
（３）ポリマー表面の硬さは、弾性層が研削粉末を破損したり細かくしないように選択される。かくして、ラップ盤１３４の接触表面１３５（図９Ａー９Ｂ、図９Ｃ（ｉ）−９Ｃ（ｉｉｉ）に示す）は、有機ポリマー表面である。接触表面１３５が機械的に支持されていると、接触表面１３５は、少なくとも０．５ｍｍの厚さＴ（図９ｂ）を有する。別の構成として、有機ポリマー接触表面１３５は少なくとも５ｍｍの厚さＴ、より好ましくは８−１０ｍｍの厚さを有する。その結果、接触表面１３５は、自立型である。
【００７１】
エポキシ・セメントとポリウレタンの２５：７５から９０：１０の重量比の混合物が、ラップ盤の接触表面を形成するのに適している。エポキシ・セメント／ポリウレタン混合物では、エポキシが、硬度を提供し、ポリウレタンが、必要な弾性特性（elasticity）と耐摩耗性（wear-resistance）を与える。ポリウレタンは、作業表面の少なくとも一部上への有機の出来ればポリマー製のナノレイヤの堆積に十分に寄与する。これについては以下詳述する。エポキシ・セメント／ポリウレタン混合物の生成は、公知の合成技術と製造技術を用いて行うことができる。
【００７２】
より好ましくは、エポキシ・セメント対ポリウレタンの重量比は、１：２から２：１の範囲であり、より好ましくは３：５から７：５の範囲である。
【００７３】
組成の絶対量に関しては、ラッピング盤の表面は、ポリウレタンを含み、少なくとも１０重量％、より好ましくは２０重量％から７５重量％の間、より好ましくは４０重量％から７５重量％の間、最も好ましくは４０重量％以上６５重量％以下のポリウレタンを含むのがよい。
【００７４】
本発明のラップ盤の接触表面は、エポキシを含まなければならず、好ましくは少なくとも１０重量％、より好ましくは、少なくとも３５重量％、更に好ましくは、少なくとも４０重量％、更に好ましくは、４０重量％から７０重量％の間のエポキシを含むのがよい。ある種のアプリケーションでは、弾性層は、少なくとも６０重量％、ある場合には、少なくとも８０％のエポキシを含む。
【００７５】
好ましくは本発明の接触表面（ラップ盤表面）は、以下の物理的特性と機械的特性の組み合わせを有しなければならない。
・Shore D 硬度は、４０−１００の間で、より好ましくは、６０−９０の間であり、好ましくは６５−８２の間であり、最も好ましくは７０−８０の間である。
・ASTM 標準D256-97による耐衝撃性（ノッチによる）は、３−２０J/m２の範囲内で、好ましくは、３−１２J/m２の範囲内であり、より好ましくは、４−９J/m２の範囲内であり、最も好ましくは、５−８J/m２の範囲内である。
当業者は、上記の物理的特性と機械的特性を満たす様々な材料及びそれらの組み合わせを容易に見いだすことができる。
【００７６】
図１０は、本発明のラップ盤６００の一部の断面図である。このラップ盤６００は、ベース６１０とそれに付着したポリマー層６２０とを有する。このポリマー層６２０は、ラップ盤内で接触表面を形成し、図９Ａ−９Ｃで説明したように作用する。
【００７７】
ポリマー層６２０内に大量の固体粒子６３０が分散している。固体粒子６３０の好ましい材料は、軟質の固体潤滑粒子である。例えば二硫化モリブデン（molybdenum disulfide）、グラファイト、フラーレンス（fullerence）である。
【００７８】
図１１を参照すると、本発明のラップ盤と方法を用いると、極端に薄い通常ナノメートル級の固体の有機層４２０が作業表面４１０上に形成される。
【００７９】
実質的に有機層の源（これに限るわけではないが）は、本発明のラップ盤の表面上の有機材料である。
【００８０】
有機層の源は、別の構成としてあるいはこれに付加するものとして、ラッピング・プロセスで使用される研削ペーストに付加される有機粒子および有機材料（例えばポリマー材料）である。
【００８１】
図１１に、固体粒子６３０が作業表面４１０内にしっかりと組み込まれた状態を示す。
【００８２】
通常凹凸４１２、４１４は、作業表面４１０から突出しているが、コーティング層４２０によりカバーされる。図１２において、これは図１１の作業表面４１０の一部を示すが、コーティング層４２０は、凹凸をカバーする領域で特に摩耗する。
【００８３】
最終的に、凹凸そのもの、例えば凹凸４１４は摩耗する。この状態においては、凹凸４１４の露出した表面領域４１６は、露出した表面４２２により大きく覆われる。
【００８４】
従って、露出した表面領域４１６の近傍のどの潤滑剤も、凹凸４１４の露出した表面４２２から露出した表面領域４１６内に向かって移行し、その結果、優れた潤滑状態が維持される。
【００８５】
図１１の作業表面は、従来のコーティングされた作業表面とは、様々な基本的な点で異なる。
これらの相違点は、以下のものを含む。
（１）図１１の層は、ナノメートル級層で、最大２００ｎｍの平均厚さ、より好ましくは５−２００ｎｍの平均厚さを有する。通常、ナノメートル級層の平均厚さは、５−１００ｎｍである。優れた実験結果が、平均厚さが５−５０ｎｍのナノメートル級の層の作業表面に対し得られた。
（２）  ナノメートル級層の堆積は、本発明のラッピング方法で実現される。
（３）  ナノメートル級層の材料源は、ラップ盤の本発明の接触表面から、あるいはペースト内の材料からである。
（４）  層に大量の柔らかい固体粒子（例えば、固体潤滑材料）が組み込まれる。
（５）  ナノメートル級の層は、作業表面のナノメートル級の形状を充填し、作業表面に緊密に結合される。
（６）従って、この層は、従来のコーティングの特徴であった剥げたり、小片化したり、砕けたりすることはない。
（７）  マイクロレリーフの形成は、ナノメートル級の層の堆積の前に、実行される。
【００８６】
ナノメートル級のフィルムが、一方の側でワークピースの表面に結合され、反対側で、ナノメートル級のフィルムは、ワークピースの作業表面となり、潤滑材とそして作業表面とその対向表面と（その上に負荷がかかる）との相対運動から生じる摩擦力とに晒される。
【００８７】
図１３は、本発明の摩擦システム５００を表す図である。摩擦システム５００は、負荷Ｌを胆持する作業表面５０３を有する回転ワークピース５０２（回転メカニズムは、図示しないが標準のものである）と、固定要素（ブッシング）５０４内に配置される対向表面と、回転ワークピース５０２と固定要素（ブッシング）５０４との間に配置される潤滑剤（図示せず）とを有する。作業表面５０３が本発明の作業表面である。凹んだ領域（溝５０６）は、潤滑剤の貯蔵庫（供給源）及び屑のたまり場として機能する。
【００８８】
本発明のラッピング方法とそれにより生成される本発明の作業表面は、作業表面に溝パターンを形成した後、同一の溝パターンと組み合わせた従来のラッピング表面に比較して、驚くべき高性能を示した。これは、実験的に立証されている（例、実験例３と表４を参照のこと）。
【００８９】
本発明の他の実施例によれば、本発明の作業表面は、流体の輸送に使用される容器あるいは導管の表面の内壁に用いられ、この内壁の表面の摩擦を減らし、それに応じて流体をポンプで送出する圧力損失とエネルギーコストを減らす。
【００９０】
本明細書及び特許請求の範囲において、用語「導管」とは、少なくとも一種類の流体の移送に使用される容器を意味する。特に、「導管」は、チューブ、パイプ、開放導管、ポンプの内部表面を意味する。
【００９１】
図１４は、導管１８２内で輸送される流体の速度プロファイル１８０を示す。本発明の表面構造の独自の表面構造とエネルギーにより、壁１８４の内側作業表面１８３への接着力（固着力）が大幅に減る。内側作業表面１８３に隣接する境界層の厚さも大幅に減り、その結果、バルク相流（bulk-phase-flow）が従来の導管よりも遙かに壁１８４の近くで起こる。
【００９２】
本発明の他の実施例においては、本発明の作業表面と本発明のラッピング方法とラップ盤は、人工関節例えば股関節の製造で用いられる。従来の人工股関節はいくつかの欠点があり、使用中にその有効性が失われ、その寿命を短くしてしまう。
【００９３】
第１に、関節の取り替え手術の後、身体に生成される滑液が大幅に薄まり、かくして元の滑液よりも８０％も低い粘性になり、人工関節構成要素は、流体フィルムで互いに完全には分離されない。
【００９４】
人工関節に使用される材料と摩擦系のパラメータにより２種類の潤滑が可能となる。すなわち、（ｉ）混合潤滑（mixed lubrication）、（ｉｉ）境界潤滑（boundary lubrication）が可能となる。その結果、負荷が、プラスチック製または金属製の股臼ソケット表面をスライドする金属製の大腿部のヘッド表面により、搬送される。この結果、構成要素の摩耗が加速し、摩擦力が増加し、関節構成要素がゆるくなり、最終的に関節の誤動作につながる。
【００９５】
超高重量ポリエチレン（ultra-high-weight-polyethylene (UHWPE)）製のカップの摩耗速度が速いために、金属の大腿部ヘッドが股臼カップ内に入り込む量が増加して、異常な生体機構になり、これにより股臼カップの緩みの原因となる。さらに、ポリエチレン製のゴミが、股臼カップの摩耗時に発生するが、好ましくない組織反応を引き起こし、補綴構成要素の両方の緩みを引き起こし、他の合併症を引き起こす。摩耗が増加すると、金属製の摩耗粒子が発生し、これが補綴構成要素近傍の組織内に入り込む。
【００９６】
さらに、繊維性のカプセル（コラーゲンにより主に形成されるが）は、金属製あるいはプラスチック製の摩耗粒子をよく包囲する。この金属製構成要素の摩耗は、金属イオンを生成し、この金属イオンを、他の粒子と一体になって、患者の移植されたプロテーゼから様々な内部器官に移送する。この現象はプロテーゼの使用に悪影響を及ぼす。
【００９７】
さらに、骨粒子と骨セメント粒子は、外科手術の間、大腿部股臼カップ内に留まるかあるいは関節駆動中にヒップと股臼カップとの間の接触領域の中に入り込んで、股臼カップ表面の中に埋設される傾向がある。
【００９８】
この埋設された骨粒子によりヘッドに損傷を与え、このヘッドが、股臼カップの摩耗をさらに引き起こす。
【００９９】
マイクロ構造技術を用いて、ヘッド摩擦表面を処理することは、これにより摩擦表面の摩耗を減らすが、このことは、非特許文献１に開示されている。
【非特許文献１】Levitin, M., and Shamshidov, B., "A Laboratory Study of Friction in Hip Implants", Tribotest Journal 5-4, June 1999
【０１００】
マイクロレリーフ技術は、潤滑特性と摩擦特性を改善して、摩耗くずと骨の片と骨セメント粒子を、関節の雄型構成要素と雌型構成要素の間の摩擦ゾーンから、取り除くことが容易となる。
【０１０１】
人工関節の摩擦と摩耗を減らす更なる改善が必要とされていることは、よく知られている。図１５に示す本発明の他の実施例においては、金属製の関節ヘッド４４１が金属製カップ４４２内に係合する。
【０１０２】
選択的事項として、金属製関節ヘッド４４１は、従来公知のマイクロ構造技術により、溝４４４（リセスあるいはポア等）を有する。  金属製関節ヘッド４４１は、本発明のラッピング方法で処理して、本発明の作業表面を生成する。
【０１０３】
人工関節の摩擦と摩耗を減らす更なる改善が必要とされていることは、よく知られている。。図１５に示す本発明の他の実施例においては、金属製の関節ヘッド４４１が金属製カップ４４２内に係合する。選択的事項として、金属製ジョイント・ヘッド４４１は、従来公知のマイクロ構造技術により、溝４４４（リセスあるいはポア等）を有する。
【０１０４】
金属製関節ヘッド４４１は、本発明のラッピング方法で処理して、本発明の作業表面を生成する。好ましくは、金属製関節ヘッド４４１の作業表面４４３は少なくとも部分的に有機層でカバーされている。
【０１０５】
図１１に示すように、固体潤滑剤粒子を作業表面４４３に組み込むことが望ましい。
【０１０６】
実験例１
実験装置を図１６に示す。交換可能な直径３０ｍｍのカーボンスチール製のディスクの組を、例えば軸の周囲を回転可能なディスク１８６の交換可能な組を、平坦なカウンター・プレート１９２に対し回転させて、摩耗を測定する。このディスク１８６は、カーボンスチール製のグレード１０４５で、２７−３０のＨＲＣを有する。電気モータ１９０が、回転トルクを与える。カウンター・プレート１９２は、銅合金（ＵＮＳ Ｃ９３７００（ＨＲＣ＝２２−２４））製で、平均粗さ（Ｒａ）が０．４マイクロ・メータまで研磨される。カウンター・プレート１９２は、サポート１９４を有する。このサポート１９４は、ディスク１８６にかかる力を制御するため、調整可能な高さを有する。
【０１０７】
制御ディスクは、従来のグラインド仕上げ（Ｒａ＝０．４マイクロ・メータ）を有し、一方テスト用ディスクは、ディスクを微細溝面１９６により更に処理され、その後本発明によりラッピングされた。実験中１００Ｎの永続負荷が、カウンター・プレート１９２の方向にディスクに加えられる。Amoco Industrial Oil ３２（ＡＳＴＭ１５０Turbine Oilの同等品）の一滴が、乾燥した摩擦表面上に散布された。その後モータを駆動して一定の回転速度２５０ｒｐｍを達成した。焼き付け（停止）時間、回転の開始時から動きが焼き付けにより停止するまでの累積時間が、測定された。
【０１０８】
１６−１８分後に全ての制御ディスクが焼き付けで停止した。対照的に、本発明によりマイクロ微細溝を形成しラッピング処理されたディスクは、停止せずに４０時間以上回転し続けたが、その時点で実験を終了した。本発明で処理されたディスクの焼き付けは起こらなかった。
【０１０９】
他の実験においては、ディスクは１８０ｒｐｍで回転させた。制御ディスクの群は、グラインドにより最終処理が施された。第２群のディスクには微細加工溝が形成された。第３群のディスクには、微細加工溝が形成され、本発明によりラッピングが施された。油一滴を垂らしたテスト結果を表１に示す。焼き付けまでのディスクの走行距離と、摩擦係数と、摩耗強度（カウンター・プレート上に形成されたピークの深さをディスクの摩擦結果として測定した）とが計算された。
【０１１０】
表２：カウンター・プレートに対し回転するディスクの実験結果
ディスクの            焼き付け迄の      摩擦係数      摩耗強度
表面処理              計算長さ（Km）                 mm3/Km
Ｇ                          1.5         0.1−0.2         0.2  
Ｇ＋Ｍ                      8.7         0.08−0.12       0.02
Ｇ＋Ｍ＋Ｌ  （少なくとも  ）29.7        0.03−0.04       0.001
Ｇ：研削(グラインド)
Ｍ：微細溝加工
Ｌ：ラッピング
【０１１１】
本発明の作業面は、摩擦力に関係する様々な機械要素内に組み込まれ、摩擦と摩耗と焼き付けのリスクを低減し、この要素の動作寿命の長期化が得られる。穴あけ作業のアプリケーションにおいては、作業面の品質が改善され、最大３０％の電力消費が観測された。
【０１１２】
内燃機関においては、本発明の作業面とそれを生成する本発明のシステムが、１２０ｍｍのスリーブで１０８ｍｍの直径のシリンダのディーゼルエンジン（オートバイ用）に適用された。テスト結果は、所定の性能レベルに対しては、本発明の作業面を有するスリーブの使用は、従来のスリーブに比較して、燃料消費を低減させた。更に、本発明の作業面を有するスリーブは、特に長い寿命とオイル消費の減少が認められた。
【０１１３】
実験例２
ブロック・トリボ・テスタ(block tribo-tester)上のローラを用いて、本発明により処理されたワンドロップテストでのローラの摩擦特性を評価した。テストリングは図１７に示す。回転ローラ２をある負荷Ｐで固定ブロック３に接触させ、非常に少量の潤滑剤（ワンドロップ）が接触面に塗布された。力伝達機４を用いて摩擦力Ｆを測定し、近接プローブ９でギャップの変動を測定した。かくして回転ローラ２と力伝達機３の全摩耗量が得られる。摩擦と摩耗の両方は、時間の経過と共に連続的にモニターされ記録された。テストは次の３つ事象のいずれかが発生したときに停止した。（ａ）摩擦係数Ｆ／Ｐが０．３の値に達したとき、（ｂ）焼き付けがローラとブロックの間で始まった時（突然鋭い摩擦の増加とそれに対応したノイズの増加が特徴である）、（ｃ）摩擦が最大値に達しその後減少を開始した時点。テスト継続時間は、テストの開始時から上記の事象（ａ）又は（ｂ）のいずれかが発生したことによりテストの終了時まで経過した時間、あるいは事象（ｃ）の場合には、最大摩擦に達する時間までと定義した。この特殊なケース（ｃ）の場合には、テストは完全に停止するまでテスト持続時間を２０分超えるまで継続された。各新たなテストに対しては、力伝達機３は、ホルダ６内を水平方向に移動して新しい接触点を提供した。
【０１１４】
テストが、６個のスチール製のローラ試験片に対し、カウンター表面としてブロンズ（青銅）製ブロックを用いて、行なわれた。ローラ＃１とローラ＃６は、以下の表２に示すように、参考用ローラである。ローラ＃２−５に、本発明により様々なマイクロレリーフと様々な溝パターンと溝領域が形成された。室温におけるＳＥＡ４０を潤滑剤として用いた。オイルの一滴が、回転ローラ２上に落とされ、その後ブロンズ（青銅）製ブロック３と軽く接触（１８Ｎ負荷）させ、手動で円周全体に渡ってオイルを拡散するよう、２回転させた。ブロックに加えられた過剰なオイルの量は、クリーンなペーパータオルで拭い取られ、ローラのみが潤滑状態にある。負荷をＰ＝１５０Ｎレベルまで増加させ、テストは、１０５±５ｒｐｍのローラ速度で開始した。
【０１１５】
表３は、各ローラの分単位のテスト持続時間を表わし、テストの停止の原因となった事象の種類を示した。図１８は、各ローラに対するテストの停止点における摩擦係数を示す。
【０１１６】
参考用ローラ＃１は、非常に短い６分後に摩擦係数０．２３で焼き付けで停止した。ローラ＃６は、連続的に増加する摩擦を示し、テストは２１分後に摩擦係数は０．３で停止し、焼き付けが発生した。本発明により処理された全てのローラ（＃２−＃５）は、ある最大値までは摩擦が増加し、その後摩擦が減少した。この４個のローラの最大摩擦係数は、最大０．１８である。ローラ＃５は、０．１１の摩擦係数を有し、これは６個のローラの内の最低摩擦係数であった。
【０１１７】
摩擦長さ（Ｌ）の関数として、摩擦係数（μ）と摩耗（ｈ）のグラフを、図１９に示す。
【０１１８】
表３
ローラ#      1（参考用） 2          3          4          5          6（参考用）
ローラ材料 SAE4340   SAE4340   SAE4340  SAE4340     SAE4340    SAE4340
ローラ処理 研削表面  CMR      CMR      CMR       CMR     無突起微細凹凸
Ra=0.2μ   Ra=0.2μ Ra=0.2μ  Ra=0.2μ   Ra=0.2μ   Ra=0.2μ
熱処理    HRC 52-54  HRC 52-54  HRC 52-54  HRC 52-54  HRC 52-54  HRC 52-54
試験期間（分）  6      52         53         25           37           21  
停止原因        B      C          C          C           C         A&B
注：ＳＡＥ４３４０は、スチール製ＳＡＥ４３４０である。
ＣＭＲは、本発明のＣＭＲ表面である。
【０１１９】
実験例３
ブロック・トリボ・テスタ(block tribo-tester) のローラを用いて、ワンドロップテスト(one drop test)により、ローラの摩擦特性を評価した。滑り距離テストを、４個の硬化処理したスチール製のローラ試験品のそれぞれに、硬化処理したスチール製ブロックを対向表面として用いて、行った。
【０１２０】
（１）  ローラ試験片Ｉは、従来のラッピング方法を用いて準備した。
（２）  ローラ試験片ＩＩは、本発明のラッピング方法を用いて準備した。
（３）  ローラ試験片ＩＩＩは、溝を形成した後、ローラ試験片Iを準備する際に用いられた従来のラッピング方法により準備した。
（４）  ローラ試験片ＩＶは、溝を形成した後、ローラ試験片IIを準備する際に用いられた本発明のラッピング方法により準備した。
【０１２１】
滑り試験の結果を表４に示す。本発明のラッピング方法を用いて準備されたローラ試験片IIは、滑り距離が１３７３メートルで、従来のラッピング方法により準備された基準となるローラ試験片Iのほぼ２倍の距離であった。驚いたことに、溝を形成したあと、ローラ試験片IIを準備した際に用いた本発明のラッピング方法により準備したローラ試験片IVは、９０６０メートルの滑り距離を達成し、これは、溝を形成した後ローラ試験片Iを準備するのに用いた従来のラッピング方法により準備されたローラ試験片IIIのそれの４倍であった。かくして本発明のラッピング方法は、従来のラッピング方法よりも良好な結果を示すが、本発明のラッピング方法と標準（従来）の溝形成方法との組み合わせにより、従来の溝形成とラッピング方法に対し、驚くほど高い性能を示した。
【０１２２】
表４
試験片                    滑り距離（メートル）
ローラ試験片Ｉ                709
ローラ試験片ＩＩ              1373
ローラ試験片ＩＩＩ            2061
ローラ試験片ＩＶ              9060
【０１２３】
実験例４
ブロック・トリボ−テスター（block tribo-tester）上のローラを用いて「ワン・ドロップ・テスト（one drop test）」におけるローラの摩擦特性を評価した。スライド距離テストを４個の同一の硬化したスチール製のローラ試験片で実施した。これは、硬化スチールブロックを反対表面として用いて行った。
試験用ローラＩの表面は、ラッピング処理をしていない。
試験用ローラＩＩの表面は、キャスト・アイロン、すなわち従来のラッピング材料を用いてラッピングした。
試験用ローラＩＩＩの表面は、エポキシ／ポリウレタン製のラッピング表面を用いてラッピングした。
試験用ローラＩＶの表面は、エポキシ／ポリウレタン製で本発明により硫化モリブデン（Acros Organi接触表面（登録商標）, New Jersey, USA）の粒子を含有したラッピング表面を用いてラッピングした。硫化モリブデンは、ダークグレイ・パウダーで、−３２４メッシュであった。
【０１２４】
摩擦テスト条件：
ワン・ドロップ・テスト：ローラ−オン−ブロック、両方ともスチールＳＡＥ４３４０製であり、ロックウェルＣ（ＨＲｃ）硬さは５２−５４、半径方向の力４００Ｎ、線速度は０．６５ｍ／ｓｅｃ、潤滑剤ＳＮ−９０（塩基性中性オイル）を用いた。
【０１２５】
スライド・テストの結果を表５に示す。試験用ローラＩとＩＩは、それぞれラッピング・プロセスなしと従来のラッピング・プロセスで準備されたが、１０００メータより遙かに下のスライド距離しか達成できなかった。試験用ローラＩＩＩは、FRICOS（登録商標）技術社から市販されているよりエポキシ／ポリウレタン・ポリマーのラッピング表面を用いて準備したが、５０００メートルの滑り距離を達成した。
【０１２６】
表５
試験片番号              Ｉ              ＩＩ        ＩＩＩ          ＩＶ        
ラッピング材料                        
テスト・パラメータ    ラッピングなし    キャスト    エポキシ／      ＭｏＳ２を含
・アイロン    ポリウレタン    有する本発明
ポリマー        のポリマー  
スライド距離（ｍ）    ４００          ６００        ５，１００      ３０，０００
摩擦係数              ０．１５        ０．１１      ０．０５        ０．０４    
【０１２７】
意外なことに、試験用ローラＩＶは、試験片ＩＩＩと同一のエポキシ／ポリウレタン・ポリマー製のラッピング表面で準備されたが、二硫化モリブデン粒子を含み、本発明のラッピング方法と装置を用いて組み込まれたが、約３０，０００メートルのスライド距離を達成し、これは、試験片ＩＩＩのスライド距離の６倍であり、試験片ＩとＩＩで達成したスライド距離の少なくとも４０倍である。
【０１２８】
試験用ローラＩＶの摩擦係数は、試験片ＩＩＩのそれよりも低く、試験片ＩとＩＩのそれよりも遙かに低い。
【０１２９】
本明細書及び特許請求の範囲に記載した、用語「耐衝撃力」は 、ASTM STANDARD D 256-97と／又は ISO 標準STANDARD 180:1993により決められた kJ/m２ 単位で表され、ノッチによる耐衝撃力を示す。
【０１３０】
プラスチックと硬いゴムの硬度テストは、通常Shore D テストで測定され、数値が大きくなると、より強い耐衝撃強さを有する。
【０１３１】
本明細書及び特許請求の範囲に記載した、用語「Shore D 硬度」は、標準のASTMテスト（Ｄ２２４０−９７）により、刻印に対する材料の強さの尺度である。
【０１３２】
本明細書及び特許請求の範囲に記載した、用語「自由に配置される」とは、研削粒子に対して用いられ、従来の通常のラッピング方法と同様に、研削粒子が、自由に移動する（流れる）状態を示す。
【０１３３】
本明細書及び特許請求の範囲に記載したように、用語「緊密に結合される」は、フィルム（即ち層）と作業表面に対し用いられ、作業表面のマイクロ形状に合うような形状を有するナノメートル級の接着フィルムに対し用いられ、その結果、フィルムは、作業面の全体形状に沿って、作業表面の強固に接着される。
【０１３４】
以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するために用いてはならない。また、同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。
【図面の簡単な説明】
【０１３５】
【図１Ａ】間に潤滑層を間に有する機械的相互作用表面の断面図（従来技術）。
【図１Ｂ】相互作用する突起を有する機械的相互作用表面の拡大断面図（従来技術）。
【図１Ｃ】(i)-(ii)従来のラッピングプロセスで調整された作業面を表わす図。
【図２】本発明の一態様を一般化した技術概念を表わす図。
【図３Ａ】本発明による溝付きシリンダの側面図。
【図３Ｂ】本発明による溝附き作業面と金属プレートを表わす図。
【図４Ａ】本発明の一実施例による高密度正弦波形状溝のパターンを表わす図。
【図４Ｂ】本発明の一実施例による正弦波形状溝のパターンを表わす図。
【図４Ｃ】本発明による重なり合った正弦波を有する溝のパターンを表わす図。
【図４Ｄ】本発明による孔の溝のパターンを表わす図。
【図４Ｅ】本発明の一実施例による菱形の溝のパターンを表わす図。
【図４Ｆ】本発明の一実施例による螺旋溝のパターンを表わす図。
【図５】本発明の一実施例による作業面を調整するプロセスのフローチャート図。
【図６Ａ】本発明のラッピング技術により相互作用する表面を表わす図。
【図６Ｂ】図６Ａの相互作業表面の側面図。
【図７Ａ】機械加工された表面の断面図。
【図７Ｂ】微細溝を形成した後の表面の断面図。
【図７Ｃ】本発明のラッピングプロセスにより、溝付き表面の断面図。
【図８Ａ】隆起部により包囲された微細溝が形成された後の作業面の断面図。
【図８Ｂ】本発明のラッピングプロセスの後の図８Ａの表面の断面図。
【図９Ａ】本発明によるラッピングする前のラップ盤−作業面の断面図。
【図９Ｂ】本発明によるラッピング後のラップ盤−作業面の断面図。
【図９Ｃ】(i)-(iii)本発明のラッピングプロセスにより調整（条件）された作業面の更なる断面を表わす図。
【図１０】本発明により、粒子状添加材料を含有するポリマー層を有するラップ盤の一部の断面図。
【図１１】本発明により作業表面上に形成され、固体粒子を組み込んだ固体有機層を示す断面図。
【図１２】作業表面の複数個のナノレイヤを除去した後の部分を表す図。
【図１３】本発明による代表的な摩擦システムを表す図。
【図１４】本発明による内部作業表面を有する導管内を移送される流体の断面速度プロファイルを示す図。
【図１５】生体に移植するための人工関節を表す断面図。
【図１６】本発明により条件付けられたディスクをテストする為の実験装置の斜視図。
【図１７】本発明により処理されたローラの摩擦特性を「ワンドロップ」テストで評価するテスト装置を表わす図
【図１８】各ローラに対するテストの停止時の摩擦係数を表わす図で、横軸が「ローラ番号」を、縦軸が「摩擦係数」を、図中が「焼き付け」表す。
【図１９】摩擦係数（μ）と摩耗（ｈ）を摩擦長さ（Ｌ）の関数としてプロットした図。
【符号の説明】
【０１３６】
２  回転ローラ
３  固定ブロック
４  力伝達機構
９  近接プローブ
２０  潤滑フィルム
３１  ワークピース
３２，３４  対向表面
３２  作業面
３４  ラップ盤
３５  接触面
３６  研削材粒子
３８  突起
４０  標準サンプル
５０  シリンダ
５４  ラセンうね
６０  金属スラブ
６２  溝
６４  交互隆起部
９０  作業面を機械加工する
９２  凹部相を形成する
９４  皮相面を調整する（条件付ける）
１００  相互作業表面
１０２  作業表面
１０６  前機械加工表面
１０８  微細溝
１０９  皮相領域
１２０  微細溝
１２２  隆起部
１２４  塑性変形層
１３１  ワークピース
１３２  作業面
１３４  ラップ盤
１３５  接触面
１３６  研削材粒子
１３８  矢印
１３９  研削材粒子
１５０  作業表面
１５２  プラスチックコーティング層
１５３  隆起部
１５４  リセス
１６０  作業面
１６２  プラスチック多孔性シート
１６４  孔
１８０  速度プロファイル
１８２  管
１８３  内側作業面
１８４  壁
１８６  ディスク
１９２  カウンター・プレート
１９４  サポート
４０３  スティール・サンプル（ＡＩＳＩ１０４０）
４１０  作業表面
４１２，４１４  突起
４１６  露出表面領域
４２０  コーティング層
４２２  露出コーティング領域
４４１  金属製ジョイント・ヘッド
４４２  金属製キャップ
４４４  溝
５００  摩擦システム
５０２  回転ワークピース
５０３  作業面
５０４  固定要素（ブッシング）
５０６  微細溝
図中英文の翻訳
図１Ａ、１Ｂ：  従来技術
図１Ｃ（ｉ）、１Ｃ（ｉｉ）：  従来技術
図５：  ９０  作業面を機械加工する
９２  凹部相を形成する
１  皮相面を調整する（条件付ける）
図１８：  図中  焼き付け
縦軸  摩擦係数
横軸  ローラ番号
図１９：  焼き付け
【図１Ａ】
2010510890.tif 000003
【図１Ｂ】
2010510890.tif 000004
【図１Ｃ（ｉ）】
2010510890.tif 000005
【図１Ｃ（ｉｉ）】
2010510890.tif 000006
【図２】
2010510890.tif 000007
【図３Ａ】
2010510890.tif 000008
【図３Ｂ】
2010510890.tif 000009
【図４Ａ】
2010510890.tif 000010
【図４Ｂ】
2010510890.tif 000011
【図４Ｃ】
2010510890.tif 000012
【図４Ｄ】
2010510890.tif 000013
【図４Ｅ】
2010510890.tif 000014
【図４Ｆ】
2010510890.tif 000015
【図５】
2010510890.tif 000016
【図６Ａ】
2010510890.tif 000017
【図６Ｂ】
2010510890.tif 000018
【図７Ａ】
2010510890.tif 000019
【図７Ｂ】
2010510890.tif 000020
【図７Ｃ】
2010510890.tif 000021
【図８Ａ】
2010510890.tif 000022
【図８Ｂ】
2010510890.tif 000023
【図９Ａ】
2010510890.tif 000024
【図９Ｂ】
2010510890.tif 000025
【図９Ｃ（ｉ）】
2010510890.tif 000026
【図９Ｃ（ｉｉ）】
2010510890.tif 000027
【図９Ｃ（ｉｉｉ）】
2010510890.tif 000028
【図１０】
2010510890.tif 000029
【図１１】
2010510890.tif 000030
【図１２】
2010510890.tif 000031
【図１３】
2010510890.tif 000032
【図１４】
2010510890.tif 000033
【図１５】
2010510890.tif 000034
【図１６】
2010510890.tif 000035
【図１７】
2010510890.tif 000036
【図１８】
2010510890.tif 000037
【図１９】
2010510890.tif 000038