(57)【要約】【課題】本発明の目的は、油圧ポンプ等に使用可能な摺動性に優れた材料および高速鉄道の先頭車両に適用可能な、空気抵抗の低減に有効な材料、さらに、それらの製造方法を提供することにある。【解決手段】表面または側面または両面に、周期構造を有する構造体１１ａを成型した成型体１１を用いることで摩擦係数の低減、また空気抵抗の低減が達成できる。前記周期構造は、同一形状の構造体を同一方向に成型することや、異なる形状の構造体を２個以上組み合わせて一組とし、同一方向に等間隔の周期で成型することを特徴とする。また、前記構造体の表面（上面）又は底面、更に上面部分、低面部分の両方の表面粗さが１０ｎｍ以下の平滑性を有することで、摺動性に対する信頼性が向上する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面または側面または両面に構造体を有する成型体において、前記構造体が任意の周期で配列され、前記構造体の上面部分および底面部分が平坦で有ることを特徴とする周期構造の構造体が形成された成型体。
【請求項２】
請求項１において、前記構造体の上面部分または底面部分、更に上面部分、低面部分の両方の表面粗さ(Ｒａ)が１０ｎｍ以下であることを特徴とする周期構造の構造体が形成された成型体。
【請求項３】
請求項１または２において、周期構造を成型する材料は、セラミックスであることを特徴とする周期構造の構造体が形成された成型体。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記構造体は、同一形状を有する構造体が同一方向に周期的に成型されていることを特徴とする周期構造の構造体が形成された成型体。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、前記構造体は、異なる形状の構造体が交互に同一方向に同一周期で成型されていることを特徴とする周期構造の構造体が形成された成型体。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記構造体は、形状の異なる構造体を２個以上組み合わせて一つの組をとし、前記構造体の組が同一方向に等間隔の周期で成型されていることを特徴とする周期構造の構造体が形成された成型体。
【請求項７】
金属からなる金型を用いて、前記金属材料及び前記金型またはいずれか一方を加熱しながら加圧することで、表面または側面に構造体を形成することを特徴とする周期構造の構造体が形成された成型体の製造方法。
【請求項８】
請求項７において、構造体を形成する為に、Ｓｉや石英等の半導体プロセスに用いる材料をモールド（金型原盤）材に用いることを特徴とする周期構造の構造体が形成された成型体の製造方法。
【請求項９】
請求項７または８において、構造体の製造には、誘導加熱を用いて金型を加熱し、加圧ローラで加圧すること特徴とする周期構造の構造体が形成された成型体の製造方法。
【請求項１０】
請求項７乃至９のいずれかにおいて、構造体の製造には、上下にヒータを内蔵したステージを有するプレス装置を用いて、加熱しながら、加圧することを特徴とする周期構造の構造体が形成された成型体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建設機械に用いられる油圧ポンプや自動車用エンジンの主軸受け等の摺動部材や、高速鉄道車両の車体等広い分野で応用できる、任意の周期構造を有する構造体を形成した成型体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、液晶ディスプレイの反射防止フィルム、導光板等の光学部品、細胞培養シート等のバイオデバイス、太陽電池、あるいは発光装置等の電子デバイスの分野において、製品の性能向上を図り、また、所望の機能を発現させることを目的に、被転写材料の被転写面に微細な凹凸形状のパターンを形成することが行われている。
【０００３】
被転写材料の被転写面に、このようなパターンを形成する技術としては、ナノインプリント技術が知られている。ナノインプリント技術とは、ナノメートルオーダー（ナノサイズ）の凹凸形状のパターンを形成したモールドを、被転写材料の被転写面に設けた樹脂に型押しして転写する技術である。
【０００４】
最近になり、バイオミメティックスと呼ばれる「自然に学ぶものつくり」に関する研究開発がクローズアップされ、表面の微細構造により様々な効果が得られることが知られている。その様な微細構造を形成する技術として上記ナノインプリント技術が最適である。
【０００５】
これまでのナノインプリントは、樹脂等の被転写材料にパターニングを行ってきた。広い分野への応用を考えると、樹脂以外の材料、例えば金属材料等への展開が必要である。
【０００６】
特許文献１には、ナノ構造のインプリントで使用される金属製スタンプの製造方法について開示されており、ナノインプリントリソグラフィを用いて、レジスト層にパターン形成する方法が記載されている。
【０００７】
特許文献２には、コイン等の表面に構造色を生成する為の方法及び装置が開示されており、旋盤、母型腐食あるいはレーザーアブレーション(レーザー研磨)によりナノメートル領域でダイが形成されている。
【０００８】
特許文献３には、１０００ｎｍ内の公差を持つ部品を製作するシステムと方法が記載されており、前記システムはパンチ及びダイを支持する１つ又は連続式スタンプ加工ステージを有し、スタンプ加工ステーションは、小さい公差でダイに対し正確に整列させてパンチを案内する新規な構造を有している。システムは、特定のスタンプ加工を行うのに必要な力をスタンプ加工ステーションに供給するプレスを有している。
【０００９】
特許文献４には缶等の表面に、ロールや打ち抜き加工により浮き彫りを施し、更にその表面に透明な層を被覆する製造方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開2010−274650号公報
【特許文献２】特表2006−516108号公報
【特許文献３】特表2005−538848号公報
【特許文献４】特表2004−501775号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
これまでの技術では、同一形状のパターンを配列するレイアウトのみが記載されており、複雑な形状のパターン配列については考慮されていない。また、形成したパターンおよびパターン以外の部分の表面粗さについての記載がされていない。摺動性向上や空気抵抗の低減には、パターン形状や配列、パターンの表面(上部)及び底面(下部)の表面粗さ（Ｒａ）の影響が大きいと考えられる。
【００１２】
以上の状況を踏まえ、本発明の目的は、油圧ポンプ等に使用可能な摺動性に優れた材料および高速鉄道の先頭車両に適用可能な、空気抵抗の低減に有効な材料、さらに、それらの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
周期構造の構造体が形成された成型体は、表面または側面または両面に構造体を有する成型体において、前記構造体が任意の周期で配列され、前記構造体の上面部分および底面部分が平坦で有ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、油圧ポンプ等に使用可能な摺動性に優れた材料および高速鉄道の先頭車両に適用可能な、空気抵抗の低減に有効な材料、さらに、それらの製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る周期構造を有する成型体の一実施の形態の基本構造を示す図である。
【図２】本発明に係る周期構造を有する成型体の一実施の形態の基本構造を示す断面図である。
【図３】本発明に係る周期構造を有する成型体の一実施の形態の基本構造を示す図である。
【図４】本発明に係る周期構造を有する成型体の一実施の形態の基本構造を示す図である。
【図５】本発明に係る周期構造を有する成型体の一実施の形態の基本構造を示す断面図である。
【図６】本発明に係る周期構造を有する成型体の一実施の形態の摺動特性を示す図である。
【図７】本発明に係る周期構造を有する成型体の一実施の形態の転写装置の加熱、加圧部を示す図である。
【図８】本発明に係る周期構造を有する成型体の一実施の形態の構造を示す図である。
【図９】本発明に係る周期構造を有する成型体の一実施の形態の構造を示す断面図である。
【図１０】本発明に係る周期構造を有する成型体の一実施の形態の構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を用いて、本発明の実施形態について説明する。本実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【００１７】
図１は、本発明に係る周期構造を有する成型体の一実施形態の基本構造を示す図で、同一形状を有する構造体１１が周期的に形成されている。
【００１８】
図２は、図１のＡ―Ａ’部分の断面構成を示す図である。図２を用いて、本発明の原理について説明する。
【００１９】
本発明の一実施形態では、成型体１００の表面に、凸形状１１ａと凹形状１１ｂと、からなり、周期構造を有する構造体１１が形成されている。凹凸を成型することで、摩擦係数を低減する効果が得られる。また、本発明は、凸部の上面部分１１ａと凹部の底面部分１１ｂの表面粗さが１０ｎｍ以下であることを特徴としている。表面粗さを１０ｎｍ以下にすることで摺動性に対する信頼性が向上する。構造体の表面粗さが粗い場合、相手材とのギャップが狭くなると、接触する可能性が大きくなり、摺動性が低下すると考えられる。本発明は、構造体の表面粗さを１０ｎｍ以下にすることで、相手材とのギャップが狭くなっても、接触するリスクが少なくなり、摺動性に対する信頼性が向上する。
【００２０】
前記１０ｎｍ以下の粗さを実現する為には、半導体材料であるシリコン等をモールド(金型原盤)としてプリント用金型を作製することで達成できる。該シリコンは、平滑性に優れていることから、表面にパターン形成したシリコンをモールドとすることで、該シリコンモールドより作製したプリント用金型も平滑性を有する。その結果、１０ｎｍ以下の表面粗さを有する構造体を得ることが可能となる。なお、必要に応じて、平坦化処理を加えても良い。パターン形成の際に生じた加工部分の微細な表面荒れを平坦化することが可能となる。
【００２１】
また、シリコン基板上に窒化ケイ素、次いで酸化ケイ素を積層した基板をモールドに用いても良い。ドライエッチング等で、酸化ケイ素をパターニングし、窒化ケイ素を露出した構造にすることで、構造体の上面及び底面が平坦化され、１０ｎｍ以下の表面粗さを得ることが可能となる。
【００２２】
本発明の構造体は、同一形状の構造体を同一方向に成型しても、形状の異なる構造体を交互に同一方向に成型しても、形状の異なる構造体を２個以上組み合わせて一つの組とし、該構造体の組を同一の方向に等間隔で成型しても良い。上記周期構造にすることで、摺動特性が向上する効果が得られる。
【００２３】
周期構造の構造体を成型した時の効果の一つとして、摺動部材の場合、不均一な接触圧力分布が次第に均一化されて接触状態が改善する「なじみ」と呼ばれる過程がある。本発明を用いることで、なじみの時間を大幅に短縮できる効果がある。周期構造を有する構造体により、潤滑剤の保持機能や摩耗粉の排出等の効率が良くなり、周期構造を有する構造体の無い場合に比べて、摺動初期のなじみ過程が短縮できる。
【００２４】
本発明では、構造体の形状に特に限定は無く、用途あるいは要求特性に応じた複雑な形状でも成型することが可能である。
【００２５】
本発明では、周期構造を有する構造体を成型する材料に限定が無く、金属材料全般を対象にすることが可能である。また、ガラス等のセラミックスに対しても、周期構造を有する構造体を成型することが可能である。
【００２６】
周期構造を成型する場合、被転写材の金属材料の硬さより、硬い材質の金型を用いることで、周期構造を有する構造体を成型することが可能である。例えば、ＮｉまたはＮｉ合金等は、ビッカース硬さが高くメッキにより容易に転写用金型を作製することができる為好適である。
【００２７】
本発明では、金属からなる金型を用いて、被転写材料及び金型またはいずれか一方を加熱しながら加圧することで周期構造の構造体を成型することが可能である。例えば、上下にヒータを内蔵したステージを有するプレス装置を用いても良い。また、誘導加熱を用いて金型又は金型と被転写材の両方を加熱し、加圧ローラで加圧する製造方法を用いると、長いサイズの被転写材にも成型することが可能である。
【実施例１】
【００２８】
図１に示すように、成型体１００の表面に、Ｎｉ−Ｗ製金型を用いて、周期構造を有する構造体を形成した。該Ｎｉ−Ｗ製金型には、直径２００μｍ、高さ１００μｍ、３００μｍピッチの円柱形で凸型のパターンが形成されている。該金型は、電子ビーム描画装置を用いてシリコン基板にパターン形成しモールドとした。該シリコン基板から、メッキ法によりＮｉ−Ｗ製金型を作製した。始めに、無電解メッキにより、厚さ１００μｍのＮｉ−Ｗをパターン形状に沿って形成した。次いで、電解メッキにより厚み４００μｍのＮｉ−Ｗを形成した。Ｎｉ−Ｗを形成後、シリコン基板から剥離することで表面にパターンが形成されたＮｉ−Ｗ金型を作製した。最後に、該Ｎｉ−Ｗ金型を３００℃で熱処理し転写に用いた。
【００２９】
該Ｎｉ−Ｗ金型を用いて、Ａｌ−２ｗｔ％Ｍｇ合金の表面に転写した。転写には、上下にヒータを内蔵したステージを有する平行平板型熱ナノインプリント装置を用いた。転写条件は、加熱温度を３００℃、加圧力を１５ＭＰａとした。転写後、該Ａｌ−Ｍｇ合金より、該Ｎｉ−Ｗ金型を剥離することで、表面に周期構造の構造体が成型されたＡｌ−Ｍｇ合金の成型体１００を作製した。なお、本発明では、必要に応じて、金型に離型剤をコーティングしても良い。離型剤をコーティングすることで、金型の離型性が向上し、剥し易くなる効果が得られる。
【００３０】
図２に示すＡｌ−Ｍｇ成型体１００のパターン上面部分１１ａ及び底面部分１１ｂの表面粗さ（Ｒａ）を原子間力顕微鏡(ＡＦＭ)で測定した。いずれも、表面粗さ（Ｒａ）＝  ０．７６ｎｍと低い値を示した。これより、本発明の特徴である、平坦性を有する周期構造の構造体が、表面に成型できることを確認した。該Ａｌ−Ｍｇ合金の成型体１００の摺動特性を回転式摩耗試験装置で評価した。摩耗試験には、相手材に球状アクリル材、潤滑油としてパラフィンオイルを用いた。比較として、構造体の無いＡｌ−Ｍｇ合金も評価した。
【００３１】
図６に、評価結果を示す。本発明のＡｌ−Ｍｇ合金成型体１００は、構造体の無いＡｌ−Ｍｇ合金に比べて、摺動試験開始の初期段階から摩擦係数が低く、また、摺動回数を増やしても摩擦係数が低く摺動性に優れている。
【００３２】
本実施例では、シリコン基板をモールドに用いた例を示したが、シリコン基板上に窒化ケイ素と酸化ケイ素を積層した基板をモールドに用いても、周期構造の構造体を形成することが可能で有る。
【実施例２】
【００３３】
本実施例では、Ａｌ―Ｚｎ―Ｍｇ合金（７０７５）板の表面に、三角形の構造体４１ａを成型した。
【００３４】
図３に、本実施例の三角形の構造体４１ａを形成したＡｌ―Ｚｎ―Ｍｇ合金成型体４００の表面を真上から見た図を示す。構造体４１ａの寸法は、三角形の底辺部長さ １００μｍ、三角形の高さ方向 ３００μｍである。また、高さは５００μｍである。さらに、該構造体４１ａと１８０°向きの異なる三角形の構造体４１１ａを、交互に１００μｍ間隔で配列した周期構造である。
【００３５】
実施例１と同様の方法を用いて、Ｎｉ−Ｗ合金の金型を作製した。該Ｎｉ−Ｗ合金金型を用いて、Ａｌ―Ｚｎ―Ｍｇ合金の表面に構造体４１ａ並びに４１１ａを形成し、Ａｌ―Ｚｎ―Ｍｇ合金の成型体４００を作製した。
【００３６】
該構造体４１ａ、４１１ａおよび４１ｂの表面粗さを評価した結果、０．９ｎｍと低い表面粗さであった。
【００３７】
該Ａｌ―Ｚｎ―Ｍｇ合金成型体４００の摺動特性を往復式摺動性試験装置で評価した。試験条件は、球状のアクリルを相手材とし、潤滑油としてパラフィンオイルを用いた。比較として、構造体の無いサンプルを作製し試験した。試験の結果、実施例１と同様の傾向を示し、本実施例の方が構造体の無い場合に比べて、摩擦係数が低く、摺動性に優れている。
【実施例３】
【００３８】
図４及び図５は、金属表面に異なる形状の構造体を成型した実施例である。本実施例では、プリハードン鋼板表面に、高さ５００μｍ、幅６００μｍの凹凸形状の構造体５１ａおよび構造体５１ａの凹部に高さ２５０μｍの三角形の構造体５１ｃが配置されている構造である。
【００３９】
前記形状を、シリコン基板上に電子ビーム描画装置によりパターニングしシリコンモールドを作製した。次に、実施例１と同様に、メッキ法によりＮｉ−Ｗ金型を作製した。
【００４０】
該Ｎｉ−Ｗ金型を用いてプリハードン鋼に表面に転写した。転写は、誘導加熱を用いて金型を加熱し、瞬時に加圧ローラで加圧する方法で実施した。図７に、装置転写部分の概略図を示す。金属板８４上に、金型８３をセットし、誘導加熱８２と上下の加圧ローラ８１を移動させながら金型の加熱及び加圧を瞬時に行う方式である。
【００４１】
該装置を用いて、該プリハードン鋼板の表面に、該Ｎｉ−Ｗ金型のパターンを転写した。転写後、Ｎｉ−Ｗ金型を剥離し、表面に構造体を形成したプリハードン鋼成型体５００を作製した。
【００４２】
図５に、図４に示す成型体のＢ−Ｂ‘部の断面図を示す。該プリハードン鋼成型体５００の表面に、構造体５１ａが形成され、さらに構造体５１ａの凹部に、三角形状の構造体５１ｃが形成されている構造である。該プリハードン鋼成型体５００の摺動特性を評価した。比較として、構造体の無いプリハードン鋼を用いて試験した。試験条件は、相手材にリング状のＳＵＳ３０４を、潤滑油にパラフィンオイルを用いた。実施例１と同様に初期段階から摩擦係数が低く、また、摺動回数を増やしても摩擦係数が低く摺動性に優れている。
【実施例４】
【００４３】
図８に、低温軟化ガラスの表面に三角形溝９１ａを周期的に成型した低温軟化ガラス成型体９００を示す。本実施例では、酸化物換算の重量％で、Ｖ2Ｏ5：５７％、Ｐ2Ｏ5：２０％、Ｓｂ2Ｏ3：２０％、ＢａＯ：３％からなる低温軟化ガラスを作製し、該低温軟化ガラスの表面に、高さ４００μｍの三角形の溝９１ａが放射状に配置されている構造である。実施例１と同様に、パターニングしたシリコン基板をモールドとし、メッキ法を用いてＮｉ−Ｗ製の金型を作製した。
【００４４】
該低温軟化ガラスへの転写は、実施例１と同様に上下にヒータを内蔵したステージを有する平行平板型の熱ナノインプリント装置を用いて行った。転写条件は、加圧温度 ４００℃、加圧力 ３０ＭＰａ加圧とした。
【００４５】
該成型体の表面部分９１ｂの表面粗さをＡＦＭで評価した結果、Ｒａが０．５ｎｍと平坦性を有している。
【００４６】
図９に、図８に示す成型体のＣ−Ｃ’部分の断面図を示す。高さ４００μｍの三角形の溝９１ａが周期的に形成されている。
【００４７】
該試験片の摺動性をリングオンディスクで評価した。比較として、構造体の無い試験片も作製し、実施例３と同様に評価した。測定の結果、図６と同様の傾向を示し、本発明は、摩擦係数が低く、摺動性に優れている。
【００４８】
本実施例では、低温軟化ガラスを用いて実施したが、他に、Ａｌ2Ｏ3等のセラミックスを用いても周期構造の構造体を形成することが可能である。
【実施例５】
【００４９】
以下に示す方法で、本実施例の成型体１１００を作製した。
【００５０】
本実施例では、被転写材料にＡｌ−Ｓｉ合金を用いた。具体的には、Ａｌ−５ｗｔ％Ｓｉ合金板の表面に、巾１００μｍ、深さ１００μｍのライン＆スペース形状の構造体１１１を成型した。該構造体１１１の成型は、Ｎｉメッキで作製した金型を用いた。金型の作製には、石英基板をモールド材とした。該石英基板表面に、電子ビーム描画装置を用いて、巾１００μｍ、高さ１００μｍの凸形状を１００μｍ間隔でパターニングした。該石英のモールドより、無電解および電解Ｎｉメッキ法を用いて、転写用Ｎｉ金型を作製した。
【００５１】
該Ｎｉ金型を用いて、実施例１と同様の方法で、Ａｌ−５ｗｔ％Ｓｉ合金板の表面に転写した。
【００５２】
図１０に、表面にライン＆スペース形状の構造体１１１を成型したＡｌ−５ｗｔ％Ｓｉ成型体１１００を示す。得られた構造体１１１を走査型電子顕微鏡(ＳＥＭ)で観察した結果、同一形状の構造体が等間隔に形成されていた。該Ａｌ−５ｗｔ％Ｓｉ成型体１１００の摺動特性をリングオンディスク摺動試験で評価した。比較として、構造体の無い試験片も作製し評価した。測定の結果、図６と同様の傾向を示し、本発明は、摩擦係数が低く、摺動性に優れている。
（比較例１）
実施例１と同様の方法を用いて成型体を作製した。比較材として、構造体の表面粗さが１μｍの成型体を作製し摺動試験した。
【００５３】
摺動試験の初期の摩擦係数を比較すると、実施例１の成型体の摩擦係数は０．０２であった。一方、比較例１の成型体の摩擦係数は０．２５であった。
【００５４】
以上の結果から、表面粗さが低い構造体を成型した成型体の方が、耐摩耗性に優れていることが実証された。
【符号の説明】
【００５５】
１００、４００、５００、９００、１１０…成型体
１１、４１、５１、９１、１１１…構造体
１１ａ、４１ａ、４１１ａ、５１ａ、５１ｃ、９１ａ、…凹または凸形状の構造体
１１ｂ、４１ｂ、９１ｂ…構造体以外の凹または凸部分
８１…加圧ロール
８２…誘導加熱機構
８３…金型
８４…金属板
【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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