(57)【要約】【課題】  実機の摺動面の隙間で発生するプラズマを用いて、その場でプラズマコーティングし、摺動しつつプラズマコーティングを行うことにより、コーティングと同時になじみ運転も行うことができる技術を提供する。また、摩擦または摺動により、薄膜には絶えず接線力を加えた状態でコーティングし、接線力による膜中の組織の配向を発生させ、極めて高い耐摩耗性、良潤滑性の膜をコーティングできる技術を提供する。【解決手段】  摺動体と回転体を摩擦又は摺動させることにより、これらの間にトライボマイクロプラズを発生させ、該摺動体と回転体の一方又は双方に、摺動体又は回転体を構成する物質の少なくとも一部からなる膜を形成することを特徴とするトライボマイクロプラズマコーティング方法。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一物質又は異なる物質の摩擦又は摺動面に、トライボマイクロプラズマ下で形成された該摩擦又は摺動材料の少なくとも一部の膜構成物質を備えていることを特徴とするトライボマイクロプラズマコーティング膜。
【請求項２】
同一物質又は異なる物質の摩擦又は摺動面に、トライボマイクロプラズマ下で形成された該摩擦又は摺動面に供給された有機又は無機材料ガスの構成物質の少なくとも一部の膜構成物質を備えていることを特徴とするトライボマイクロプラズマコーティング膜。
【請求項３】
同一物質又は異なる物質の摩擦又は摺動面の一方又は双方に形成された膜であることを特徴とする請求項１又は２記載のトライボマイクロプラズマコーティング膜。
【請求項４】
ポリマーコーティング膜、ダイヤモンド膜、ダイヤモンド状カーボン膜、サファイア膜であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のトライボマイクロプラズマコーティング膜。
【請求項５】
潤滑性皮膜であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のトライボマイクロプラズマコーティング膜。
【請求項６】
膜中の組織に配向性を備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のトライボマイクロプラズマコーティング膜。
【請求項７】
摺動体と回転体を摩擦又は摺動させることにより、これらの間にトライボマイクロプラズを発生させ、該摺動体と回転体の一方又は双方に、摺動体又は回転体を構成する物質の少なくとも一部からなる膜を形成することを特徴とするトライボマイクロプラズマコーティング方法。
【請求項８】
摺動体と回転体を摩擦又は摺動させることにより、これらの間にトライボマイクロプラズを発生させ、該摺動体と回転体の一方又は双方に、摺動体又は回転体を構成する物質の少なくとも一部からなる膜を形成することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のトライボマイクロプラズマコーティング膜のコーティング方法。
【請求項９】
摺動体と回転体の一方を正に他方を負に帯電させて皮膜を形成することを特徴とする請求項７又は８記載のトライボマイクロプラズマコーティング方法。
【請求項１０】
酸素雰囲気若しくは大気中又はアルゴン等の不活性雰囲気中で皮膜を形成することを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載のトライボマイクロプラズマコーティング方法。
【請求項１１】
摺動体と回転体との間に反応性ガスを供給して、ガス構成物質の少なくとも一部を、該摺動体と回転体の一方又は双方にコーティングすることを特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載のトライボマイクロプラズマコーティング方法。
【請求項１２】
すべり軸受用摺動面と歯車の摺動面に潤滑性薄膜を形成することを特徴とする請求項７〜１１のいずれかに記載のトライボマイクロプラズマコーティング方法。
【請求項１３】
摺動体と回転体を摩擦又は摺動させる装置、摺動体と回転体との間に摩擦又は摺動によりトライボマイクロプラズを発生させる装置、該摺動体と回転体の一方又は双方に、摺動体又は回転体構成物質の少なくとも一部を形成させる装置からなることを特徴とするトライボマイクロプラズマコーティング装置。
【請求項１４】
摺動体と回転体の一方を正に他方を負に帯電させことを特徴とする請求項１３記載のトライボマイクロプラズマコーティング装置。
【請求項１５】
酸素雰囲気若しくは大気又はアルゴン等の不活性雰囲気を形成する装置を備えていることを特徴とする請求項１３又は１４記載のトライボマイクロプラズマコーティング装置。
【請求項１６】
摺動体と回転体との間に反応性ガスを供給する装置を備え、該ガス構成物質の少なくとも一部を該摺動体と回転体の一方又は双方にコーティングすることを特徴とする請求項１３〜１５のいずれかに記載のトライボマイクロプラズマコーティング装置。
【請求項１７】
すべり軸受用摺動面と歯車、カムとタペット等を含む様々な機器の機械要素の摺動面を相対的に回転させ、潤滑性薄膜を形成する装置を備えていることを特徴とする請求項１３〜１６のいずれかに記載のトライボマイクロプラズマコーティング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械の摺動面などの、摩擦接触点の隙間で発生するトライボマイクロプラズマを用いて、該摺動面等にコーティング膜を形成するトライボマイクロプラズマコーティング方法、同コーティング膜及び同コーティング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、各種摩擦又は摺動機器の摺動面に、耐摩耗性などを持たせるための保護膜を形成する技術は、湿式または乾式によるコーティング技術が使用されており、これらの適用に際しては、歯車等の機器の機械要素に耐摩耗性硬質膜を予めプラズマコーティングし、その後、機器に組み込まれてきた。
【０００３】
一方、固体表面に薄膜を形成させるのにプラズマを用いることは周知の技術である。この既知のプラズマコーティング法には、プラズマＣＶＤ法やスパッタリング法等がある。  
これらの装置においては、いずれも真空槽の中に、試料やコーティング材等をいれ、さらに外部より高電圧を試料とターゲットの間に印加するものであり、またスパッタガスや反応性ガスを導入すること、あるいはイオン照射を行うなどのために、大掛かりで高価な装置を必要とするという問題があった。
【０００４】
上記のように、歯車等の機器に潤滑性の皮膜を形成する場合には、機械要素に耐摩耗性硬質膜を予めプラズマコーティングし、その後機器に組み込むため、このコーティングした膜を実機で使用する場合には、初期なじみ運転をしなければならないという問題もあった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記に鑑み、本発明は実機の摺動面の隙間で発生するプラズマを用いて、その場でプラズマコーティングし、摺動しつつプラズマコーティングを行うことにより、コーティングと同時になじみ運転も行うことができる技術を提供する。
また、摩擦または摺動により、薄膜には絶えず接線力を加えた状態でコーティングし、接線力による膜中の組織の配向を発生させ、極めて高い耐摩耗性、良潤滑性の膜をコーティングできるトライボマイクロプラズマコーティング膜、同コーティング方法及び同コーティング装置を提供する。 
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、摩擦接触点の隙間にトライボマイクロプラズマが発生することを発見した。すなわち、摩擦接触点で発生するプラズマの直接撮影に成功し、プラズマの存在が明らかになった。このことはプラズマコーティング技術が可能であることを示唆した。
そして、このプラズマは、絶縁体、半導体、金属酸化膜など、ほとんどあらゆる材料の摩擦接触点の隙間に発生することが分かった。本発明においては、摩擦接触点の隙間に自然に発生するこのトライボマイクロプラズマを利用して、その場でプラズマコーティングできるとの知見を得、本発明を完成させた。
【０００７】
上記知見に基づき、本発明は以下の発明を提供するものである。
１）同一物質又は異なる物質の摩擦又は摺動面に、トライボマイクロプラズマ下で形成された該摩擦又は摺動材料の少なくとも一部の膜構成物質を備えていることを特徴とするトライボマイクロプラズマコーティング膜。
２）同一物質又は異なる物質の摩擦又は摺動面に、トライボマイクロプラズマ下で形成された該摩擦又は摺動面に供給された有機又は無機材料ガスの構成物質の少なくとも一部の膜構成物質を備えていることを特徴とするトライボマイクロプラズマコーティング膜。
３）同一物質又は異なる物質の摩擦又は摺動面の一方又は双方に形成された膜であることを特徴とする上記１又は２記載のトライボマイクロプラズマコーティング膜。
４）ポリマーコーティング膜、ダイヤモンド膜、ダイヤモンド状カーボン膜、サファイア膜であることを特徴とする上記１〜３のいずれかに記載のトライボマイクロプラズマコーティング膜。
５）潤滑性皮膜であることを特徴とする上記１〜４のいずれかに記載のトライボマイクロプラズマコーティング膜。
６）膜中の組織に配向性を備えていることを特徴とする上記１〜５のいずれかに記載のトライボマイクロプラズマコーティング膜。
７）摺動体と回転体を摩擦又は摺動させることにより、これらの間にトライボマイクロプラズを発生させ、該摺動体と回転体の一方又は双方に、摺動体又は回転体を構成する物質の少なくとも一部からなる膜を形成することを特徴とするトライボマイクロプラズマコーティング方法。
８）摺動体と回転体を摩擦又は摺動させることにより、これらの間にトライボマイクロプラズを発生させ、該摺動体と回転体の一方又は双方に、摺動体又は回転体を構成する物質の少なくとも一部からなる膜を形成することを特徴とする上記１〜６のいずれかに記載のトライボマイクロプラズマコーティング膜のコーティング方法。
９）摺動体と回転体の一方を正に他方を負に帯電させて皮膜を形成することを特徴とする上記７又は８記載のトライボマイクロプラズマコーティング方法。
１０）酸素雰囲気若しくは大気中又はアルゴン等の不活性雰囲気中で皮膜を形成することを特徴とする上記７〜９のいずれかに記載のトライボマイクロプラズマコーティング方法。
１１）摺動体と回転体との間に反応性ガスを供給して、ガス構成物質の少なくとも一部を、該摺動体と回転体の一方又は双方にコーティングすることを特徴とする上記７〜１０のいずれかに記載のトライボマイクロプラズマコーティング方法。
１２）すべり軸受用摺動面と歯車の摺動面に潤滑性薄膜を形成することを特徴とする上記７〜１１のいずれかに記載のトライボマイクロプラズマコーティング方法。
１３）摺動体と回転体を摩擦又は摺動させる装置、摺動体と回転体との間に摩擦又は摺動によりトライボマイクロプラズマを発生させる装置、該摺動体と回転体の一方又は双方に、摺動体又は回転体構成物質の少なくとも一部を形成させる装置からなることを特徴とするトライボマイクロプラズマコーティング装置。
１４）摺動体と回転体の一方を正に他方を負に帯電させことを特徴とする上記１３記載のトライボマイクロプラズマコーティング装置。
１５）酸素雰囲気若しくは大気又はアルゴン等の不活性雰囲気を形成する装置を備えていることを特徴とする上記１３又は１４記載のトライボマイクロプラズマコーティング装置。
１６）摺動体と回転体との間に反応性ガスを供給する装置を備え、該ガス構成物質の少なくとも一部を該摺動体と回転体の一方又は双方にコーティングすることを特徴とする上記１３〜１５のいずれかに記載のトライボマイクロプラズマコーティング装置。
１７）すべり軸受用摺動面と歯車、カムとタペット等の様々な機械要素の摺動面を相対的に回転させ、潤滑性薄膜を形成する装置を備えていることを特徴とする上記１３〜１６のいずれかに記載のトライボマイクロプラズマコーティング装置。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によると、例えば機械の摺動面に、その場で発生するプラズマを利用して潤滑性皮膜をコーティングできるので、従来技術で用いてきたようなプラズマを発生させる高電圧を用いた高価なプラズマコーティング装置を必要とせず、実機の摺動面でそのままコーティングできるという大きな長所を有する。
さらに、従来の方法であれば、薄膜コーティングした後なじみ運転をしなければならないが、本発明においては、薄膜コーティングと同時になじみ運転も行われるため、極めて効率的に有効な薄膜コーティングを行うことができる。
さらに、摩擦による接線力の作用により薄膜をすべり方向に配向させることができ、極めて耐久性の高い潤滑性、耐摩耗性薄膜をコーティングできるという優れた効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を図示の例を用いて説明する。図１は本発明によるピンディスク（摺動体と回転体）接触型トライボマイクロプラズマコーティング装置の原理説明図である。本説明では、摺動体と回転体を便宜上、ピン摺動子２と回転ディスク３に置き換えて説明する。
ピンディスク接触型トライボマイクロプラズマコーティング装置１において、試料であるピン摺動子２と回転ディスク３の、両者の接触点の隙間にトライボマイクロプラズマ４が発生する。これを利用してトライボマイクロプラズマコーティングを行う。
【００１０】
先ず、大気中トライボマイクロプラズマＣＶＤ法において述べる。本ＣＶＤ法においては、反応性ガス５を、パイプ６を通して摩擦接触点に発生したプラズマ４中に吹き込むことによりトライボマイクロプラズマＣＶＤコーティングを行う。
雰囲気制御型トライボマイクロプラズマＣＶＤコーティング法においては、真空槽７内にピン２とディスク３の接触点を置き、一度真空槽７内部を、バルブ８を通して、ターボ分子ポンプ９、ロータリーポンプ１０により排気し、ガス圧力計１１にてガス圧を計測しつつ、反応性ガス５を可変リークバルブ１２通じて所定の圧力まで導入し、最も効率の良いガス圧にてＣＶＤコーティングを行う。
【００１１】
この際、負荷機構１３にて荷重を調整し、回転機構１４によりディスクの回転速度を調整して最適の摩擦条件を選定する。さらに広範囲の表面をＣＶＤコーティングするために、摺動子移動機構１５によりピン摺動子を半径方向に所定の距離移動してコーティングする。
プラズマ中には電子、正イオン、ラジカル、フォトン（光子）、励起分子などの活性な素粒子や反応中間体が存在するので、メタン、エタン、プロパンなどの有機分子ガスを初めとする様々な安定なガスでも、これらの分子のポリマーコーティングが可能である。
【００１２】
大気中はもとより空気圧を下げていくと、プラズマは大きく強くなり最大点を経て減少していく。このプラズマが最大となる圧力は上記の通り、空気、炭化水素ガスなどの場合には約１０００Ｐａである。したがって、プラズマＣＶＤコーティングには有利である。  
実際、ブタンガスで雰囲気制御型プラズマＣＶＤ装置を試作して実験したところでは、１０００Ｐａで、最も効率よくポリマー状の薄膜が形成され、摩擦・摩耗低減効果をもつことが分かった。すなわち、ダイヤモンドピン／窒素珪素ディスクの接触点で、この１０００Ｐａの気体圧力で、プラズマコーティングが最大となるのをブタンガス雰囲気で確認した。
また、アルゴン雰囲気中で、ダイヤモンドピン／サファイヤディスクを組み合わせたトライボマイクロプラズマコーティングにより、サファイヤ材料がピン表面にスパッタコートすることができた。    
【００１３】
プラズマは、絶縁性固体同士の摩擦帯電による高電界による周囲気体の放電により発生する。摩擦帯電には帯電列と呼ばれるものがあり、この帯電列の序列により固体が正に帯電するか負に帯電するか決定される。
例えばガラスとナイロンを摩擦させるとガラスは正にナイロンは負に帯電するので、前者をピンに後者をディスクに選べば、図１Ｃに示されているようにピンは正に、ディスクは負に帯電する。
逆に、前者をディスクに、後者をピンに選べば、ピンは負に、ディスクは正に帯電する。どちらの組み合わせが良いかは実験的に求める必要がある。
【００１４】
ＣＶＤコーティング膜１６、１７はディスク表面上、及びピン摺動子表面上のいずれにも形成されるが、どちらにより多く発生するかは、摩擦帯電列の組み合わせに依存する。  
例えば、原料の反応性ガスにシラン（ＳｉＨ４）を用いたアモルファスシリコン、有機金属などを用いた金属及び金属化合物膜、メタン、アセトン、一酸化炭素等、及びこれらのガスと水素の混合物によるダイヤモンド薄膜、メタンによるダイヤモンド状炭素膜（ＤＬＣ膜）など、従来のプラズマＣＶＤ法による薄膜が形成できると考えられる。
【００１５】
次に、トライボプラズマスパッタリング法であるが、この場合には、従来のスパッタリン法と同様に反応性ガスは必要としない。
ターゲットとしてピンを用いれば、ディスク表面にピンの材料をコーティング可能であるし、逆にディスクにターゲット材料を使用すればピンにディスク材料をコーティング可能である。
この場合、摩擦帯電の序列が重要であり、ターゲット材料が負に帯電する材料を選び、他方、コーティング膜を形成させるべき試料は摩擦帯電により正に帯電する材料の組み合わせとする必要がある。
【００１６】
試料としては、摩擦帯電を生ずる材料であれば、有機、無機を問わず、何でも良い。また、ターゲット材料としては摩擦帯電を生ずる絶縁性の材料であれば何でも良い。
例えば、従来のスパッタリングのターゲットとして用いられている窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化物、有機物ポリマー等である。
大気中トライボマイクロプラズマコーティング法では、当然スパッタガスに空気を使用することとなるが、この場合、膜の酸化が起こる可能性が高いことに注意する必要がある。
雰囲気制御型トライボプラズマコーティング装置においては、従来技術と同様にアルゴンガスなどの不活性ガスを使用することが勧められる。
【００１７】
次に、コーティングの行われる場所であるが、図２のコーティング膜形成平面図に示されているように、プラズマ発生領域１８、１９の範囲に発生する。プラズマ発生領域１８、１９とコーティング膜Ｂの形成される範囲は、それぞれ同一である。
実験によれば、プラズマの発生する範囲は、図２に示されるように摩擦トラック２０を大きく越えて発生するので、摩擦トラックよりも広い範囲にコーティングをすることが可能である。
また、トライボマイクロプラズマＣＶＤコーティングにおいては、ディスクの表面上に形成されたポリマーなどの潤滑性薄膜は、摺動中にピンの表面に移着することが実験で確かめられており、ピンとディスクの同時コーティングが可能である。
【００１８】
図３と図４はすべり軸受用摺動面と歯車の摺動面に潤滑性薄膜をコーティングするための原理を説明した図である。図３と図４では、すべり軸受けと歯車が真空槽の中にいれてあるが、ピンディスク型トライボマイクロプラズマコーティング装置と同様に、大気中でもコーティングが可能である。
いずれの場合も、すべり軸受けの軸２１と軸受け２２との間及び歯車２３と歯車２４の間に発生したトライボマイクロプラズマを利用して、トライボマイクロプラズマコーティングを行う。
試料のピンとディスクの組み合わせを、すべり軸受においては軸と軸受、歯車においては歯と歯に置き換えれば、コーティング装置、コーティング方法ともピンとディスクの組み合わせの場合と同じである。
【００１９】
このように、本発明は実機の摺動面の隙間で発生するプラズマを用いて、その場でプラズマコーティングし、摺動しつつプラズマコーティングを行うことができる。
また、摩擦または摺動により、薄膜には絶えず接線力を加えた状態でコーティングし、接線力による膜中の組織の配向を発生させることができるので、極めて高い耐摩耗性、良潤滑性の膜をコーティングできるトライボマイクロプラズマコーティング膜を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明によると、歯車、すべり軸受けなど、摺動部分をともなうあらゆる機器のコーティング膜の形成に使用することが可能であり、 機械産業、潤滑剤産業、ドライメッキ産業、薄膜コーティング産業など広範囲な技術に適用できるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ピンディスク（摺動体と回転体）接触型トライボマイクロプラズマコーティング装置の説明図である。
【図２】コーティング膜を形成する際のトライボマイクロプラズマ発生領域を示す説明図である。
【図３】すべり軸受用トライボマイクロプラズマコーティング装置の概略説明図である。
【図４】歯車用トライボマイクロプラズマコーティング装置の概略説明図である。
【符号の説明】
【００２２】
１：ピンディスク接触型トライボマイクロプラズマコーティング装置
２：ピン摺動子、  ３：回転ディスク
４：トライボマイクロプラズマ、  ５：反応性ガス
６：パイプ、  ７：真空槽、  ８：バルブ
９：ターボ分子ポンプ、  １０：ロータリーポンプ
１１：ガス圧力計、１２：リークバルブ
１３：負荷機構、  １４：回転機構、  １５：摺動子移動機構
１６、１７：ＣＶＤコーティング膜
１８、１９：プラズマ発生領域
２０：摩擦トラック、  ２１：すべり軸受けの軸、  ２２：軸受け
２３、２４：歯車
【図１】
2005082819.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2005082819.tif 000006