WO2016185991A1 - しゅう動膜及びその製造方法並びにしゅう動部材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

所望の表面粗さ、表面形状を有する硬質炭素素材を主成分とするしゅう動膜及びその製造方法並びにしゅう動部材及びその製造方法を提供する。　ダイヤモンド膜２０は、滑らかな転写面２１を有し、当該転写面２１がしゅう動面２１である。しゅう動部材５０は、基材３０にダイヤモンド膜２０を接着する接着層４０を有する。成膜されたダイヤモンド膜２０を基板１０から取り出し、ダイヤモンド膜２０の基板１０側の転写面２１をしゅう動面２１とし、転写面２１とは反対側の成膜面２２を接着剤４０を介して基材３０に取り付け固定する。

Description

しゅう動膜及びその製造方法並びにしゅう動部材及びその製造方法

　本発明は、軸受、シール、金型、切削工具等しゅう動を伴う機械要素に用いられるしゅう動膜及びその製造方法並びにしゅう動部材及びその製造方法に関する。

　従来、ポンプ、タービン等の回転機械や流体圧シリンダ等の直動機械用の軸受やシール、成型に用いる金型、バイト等の切削工具は、固定部材と可動部材との間又は可動部材と可動部材との間が相対的に接しながら移動するしゅう動部を有している。

　装置・機器の小型化、摩耗、寿命等の観点から、上記しゅう動部には耐摩耗性に優れるしゅう動部材が用いられている。このようなしゅう動部材として、基材の表面に耐摩耗性に優れる被膜を施すものがあり、その被膜として耐摩耗性に優れるダイヤモンド膜を採用するものがあった。（例えば、特許文献１、２、３）。

特開平２－３００５６９号公報（第3ページ左下欄第7行-第10行、第2図） 特表２０１１－５０５５３２号公報（［0007］） 特開２００６－２７５２８６号公報（［0014］）

　一般にダイヤモンド膜は成膜されたままの状態では表面が粗いため研磨して表面を平滑にしていた。しかしながら、ダイヤモンド膜はそれ自体が硬く研磨に時間を要していた。そこで、特許文献３では、ダイヤモンド膜の上層にダイヤモンド膜よりも硬度の低い硬質炭素膜をさらにコーティングし、研磨することが提案されている。しかしながら、特許文献３のものは、ダイヤモンド膜の上層に硬質炭素をさらにコーティングする必要があるため、２層の成膜及び研磨が必要となるのみならず、しゅう動面の表面プロファイルの形成が煩雑であった。また、しゅう動部材の構造体を形成する基材にダイヤモンド膜をエピタキシャル成長させて成膜していたため、ダイヤモンド膜を成膜させる基材の選択の幅が狭かった。

　本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、所望の表面粗さ、表面形状を有する硬質炭素素材を主成分とするしゅう動膜及びその製造方法を提供することを目的とする。
　また、硬質炭素素材を主成分とするしゅう動膜を種々の基材に設けることができるしゅう動部材及びその製造方法を提供することを目的とする。

　（第Ａ１項）本発明のしゅう動膜は、
　滑らかな転写面を有し、当該転写面がしゅう動面である硬質炭素素材を主成分とする。
　このことから、しゅう動面が転写面であるため、硬質炭素素材を主成分とするしゅう動膜のしゅう動面の表面粗さ、表面形状の精度が高い。

　（第Ａ２項）第Ａ１項において、前記硬質炭素素材はダイヤモンドである。
　このことから、硬く加工のしにくいダイヤモンドであっても、しゅう動面の表面粗さ、表面形状の精度が高い。

　（第Ａ３項）第Ａ１項又は第Ａ２項において、使用前において、しゅう動面の粗さよりも当該しゅう動面とは反対側の面の粗さが粗い。
　このことから、滑らかな側の面をしゅう動面としたため、ラッピング等の加工を不要乃至少なくすることができる。

　（第Ｂ１項）本発明のしゅう動膜の製造方法は、
　滑らかな表面の基板上に硬質炭素素材を主成分とするしゅう動膜を成膜する成膜工程と、
　前記成膜工程で成膜されたしゅう動膜を前記基板から取り出す取出工程と
を含む。
　このことから、基板の滑らかな表面がしゅう動膜に転写されるため、転写されたしゅう動面の表面粗さ、表面形状の精度が高い。

　（第Ｂ２項）第Ｂ１項において、前記取出工程では前記基板を溶かして前記しゅう動膜を取り出す。
　このことから、基板の表面が正確にしゅう動膜に転写される。

　（第Ｂ３項）第Ｂ１項又は第Ｂ２項において、前記基板には凸部又は凹部の少なくともいずれか一方が形成されている。
　このことから、しゅう動膜に、凸部や凹部に対応する凹部や凸部を簡単に形成することができる。

　（第Ｂ４項）第Ｂ１項乃至第Ｂ３項のいずれかにおいて、前記硬質炭素素材はダイヤモンドである。
　このことから、硬く加工のしにくいダイヤモンドであっても、しゅう動面の表面粗さ、表面形状の精度が高い。

　（第Ｂ５項）第Ｂ１項乃至第Ｂ４項のいずれかにおいて、前記基板の表面の粗さよりも、前記基板とは反対側のしゅう動膜の面の粗さは粗い。
　このことから、しゅう動膜の基板とは反対側の面は粗くてもよいため、成膜の速度を高められる。

　（第Ｃ１項）本発明のしゅう動部材は、
　基材と、
　しゅう動面を有し硬質炭素素材を主成分とするしゅう動膜と
　前記基材に前記しゅう動膜を接着する接着層と
を備えている。
　このことから、接着層の接着によりしゅう動膜は基材に固定されているため、しゅう動膜が固定されている基材の材質の選択の幅が広い。

　（第Ｃ２項）第Ｃ１項において、前記硬質炭素素材はダイヤモンドである。
　このことから、ダイヤモンドが成膜される基板の材質に関係なくしゅう動膜を固定できるため、基材の材質の選択の幅が広い。

　（第Ｃ３項）第Ｃ１項又は第Ｃ２項において、前記しゅう動膜は、接着層側の表面粗さがしゅう動面側の表面粗よりも粗い。
　このことから、しゅう動膜は接着層と接触する表面積が広いため、しゅう動膜を基材に強固に固定することができる。

　（第Ｃ４項）第Ｃ１項乃至第Ｃ３項のいずれかにおいて、しゅう動面は転写面である。
　このことから、しゅう動面が転写面であるため、しゅう動面の表面粗さ、表面形状の精度が高い。

　（第Ｃ５項）第Ｃ１項乃至第Ｃ４項のいずれかにおいて、前記接着層は、前記基材と前記しゅう動膜とを接着し固定した状態において、前記基材及び前記しゅう動膜よりもヤング率が小さい。
　このことから、しゅう動時に接着層がいわゆる緩衝材として機能し、基材としゅう動膜との間に作用する力の影響を小さくすることができる。

　（第Ｄ１項）本発明のしゅう動部材の製造方法は、
　成膜工程で成膜された硬質炭素素材を主成分とするしゅう動膜を前記基板から取り出す取出工程と、
　前記取出工程で取り出した前記しゅう動膜を基材に接着する接着工程と
を含む。
　これによれば、基板にダイヤモンド膜を接着するため、ダイヤモンド膜を固定する基材の材質の選択の幅が広い。

　（第Ｄ２項）第Ｄ１項において、前記成膜工程は、滑らかな表面の基板上に硬質炭素素材を主成分とするしゅう動膜を成膜する。
　このことから、基板の滑らかな表面がしゅう動膜に転写されるため、転写されたしゅう動面の表面粗さ、表面形状の精度が高い。

　（第Ｄ３項）第Ｄ１項又は第Ｄ２項において、前記取出工程では前記基板を溶かして前記しゅう動膜を取り出す。
　このことから、基板の表面が正確にしゅう動膜に転写される。

　（第Ｄ４項）第Ｄ１項乃至第Ｄ３項のいずれかにおいて、前記基板には凸部又は凹部の少なくともいずれか一方が形成されている。
　このことから、しゅう動膜に、凸部や凹部に対応する凹部や凸部を簡単に形成することができる。

　（第Ｄ５項）第Ｄ１項乃至第Ｄ４項のいずれかにおいて、前記硬質炭素素材はダイヤモンドである。
　このことから、硬く加工のしにくいダイヤモンドであっても、しゅう動面の表面粗さ、表面形状の精度が高い。

　（第Ｄ６項）第Ｄ１項乃至第Ｄ５項のいずれかにおいて、前記基板の表面の粗さよりも、前記基板とは反対側のしゅう動膜の面の粗さは粗い。
　このことから、しゅう動膜の基板とは反対側の面は粗くてもよいため、成膜の速度を高められる。

実施例１におけるしゅう動部材及びその製造方法を示す断面図であり、（ａ）は基板、（ｂ）は基板にダイヤモンド膜が成膜された状態、（ｃ）は基板からダイヤモンド膜を取り出した状態、（ｄ）はダイヤモンド膜を基材に接着する状態、（ｅ）はしゅう動部材をそれぞれ示す断面図である。 しゅう動面を研磨する状態を示す参考断面図であり、（ａ）は共削りにより研磨をする状態、（ｂ）は研磨されたしゅう動部材をそれぞれ示す断面図である。 実施例２におけるしゅう動部材及びその製造方法を示す断面図であり、（ａ）は基板、（ｂ）は基板にダイヤモンド膜が成膜された状態、（ｃ）は基板からダイヤモンド膜を取り出した状態、（ｄ）はダイヤモンド膜を基材に接着する状態、（ｅ）はしゅう動部材をそれぞれ示す断面図である。 しゅう動面に凹溝をレーザ加工により形成する参考断面図であり、（ａ）はレーザ加工をする状態、（ｂ）はレーザ加工されたしゅう動部材をそれぞれ示す断面図である。 実施例３におけるしゅう動部材を示す断面図である。

　本発明に係るしゅう動膜及びその製造方法並びにしゅう動部材及びその製造方法を実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。以下、図１の紙面上下左右方向を上下左右として説明する。

　しゅう動膜としては、硬質炭素素材を主成分として成膜された膜であればよく、例えば、炭素のＳＰ^３結合による結晶体であるダイヤモンド、主に炭素のＳＰ^３結合からなるアモルファスからなるＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）等が挙げられる。以下の説明では、物理的化学的により安定しているダイヤモンドを主成分として成膜されたダイヤモンド膜の例について説明する。

　ここで、ダイヤモンド膜の製造方法は、高圧合成法、気相合成法等が知られており、特に問わないが、その成膜という観点から気相合成法が好ましい。気相合成法として、プラズマＣＶＤ、熱フィラメントＣＶＤ、マイクロ波プラズマＣＶＤ等を採用することができる。

　ダイヤモンド膜を成長させる基板としてＳｉ（シリコン）、ＳｉＣ（炭化珪素）、ＷＣ（タングステンカーバイト）を用い、当該基板上にダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長乃至高配向の多結晶成長をさせる。これらの基板を用いる際には、周知のように基板に傷付け、バイアス電界、種付け等の前処理を施すことが望ましい。
　なお、基板として単結晶ダイヤモンドを用い、当該基板上にダイヤモンドをホモエピタキシャル成長させてもよい。

　原料ガスとしては、炭素を含むガス、好ましくはメタンを水素で希釈したガスを用いることができる。必要に応じて、原料ガスに、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素を少量添加してもよい。原料ガスは、プラズマ、熱等により分解され、原料ガスから生成された気相の活性種等により、加熱された基板上で結晶化がすすみダイヤモンド膜が成膜される。原料ガスから解離生成された水素原子によって非ダイヤモンド構造の炭素がエッチングされダイヤモンド相のみが得られる。

　以下、図１を参照して実施例１について説明する。
　（ステップａ）所定の平坦面１１を有するＳｉＣからなる基板１０を準備する。
　（ステップｂ）熱ＣＶＤにより原料ガスからダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させてダイヤモンド膜２０を基板１０の平坦面１１上に成膜する。
　（ステップｃ）成膜後、フッ素系のエッチングガスを用いてドライエッチングにより、基板１０又はその表面を溶かし、基板１０からダイヤモンド膜２０を取り出す。
　（ステップｄ）しゅう動部材５０の構造体を構成する基材３０に接着剤４０（接着層）を塗布し、ダイヤモンド膜２０を上下反転させて、成膜時に上面であった成膜面２２を下側すなわち基材３０側に押圧して取り付ける。
　（ステップｅ）しゅう動面２１（転写面２１）が転写により形成されたしゅう動部材５０を得ることができる。

　ステップａにおいて、平坦面１１は、滑らかな面であり、滑らかな程度は、ＪＩＳ　０６０１－１９７６に準拠したＲｍａｘ（最大高さ）、Ｒｚ（十点平均粗さ）、Ｒａ（中心線平均粗さ）等の表面粗さにより定義する。実施例１では、所定の平坦面１１は表面が滑らかであればよく、例えば表面のＲａは１．６ａ以下のものを滑らかな面と定義する。ステップｃにおいて、基板１０から取り出されたダイヤモンド膜２０は、その下面である転写面２１は基板１０の平坦面１１が転写されたものであるため、その表面のＲａは平坦面１１のＲａに略等しく１．６ａである。一方、ダイヤモンド膜２０は、その上面である成膜面２２は、転写面２１よりも有意に粗い。なお、図１において、説明の便宜上、成膜面２２はその表面を極端に描いている。また、基板１０からダイヤモンド膜２０を取り出す手段はドライエッチング以外の手段、例えば物理的に剥がす手段であってよい。なお、ドライエッチングやウェットエッチングによる場合には、ダイヤモンド膜２０を溶かすことなく基板１０のみを溶かすエッチング剤を用いることが好ましい。

　また、ステップｄに用いる接着剤４０は、ステップｅにより基材３０とダイヤモンド膜２０とを接着し固定した状態（接着剤が硬化した状態）において、基材３０及びダイヤモンド膜２０よりもヤング率が小さいものを用いる。また、構造体は例えばハウジング、回転軸等の機械・機器の機械要素を構成する部材であり、基材３０は構造体の一部を構成する。

　以上のように、ダイヤモンド膜２０は、しゅう動面２１が転写面２１であるため、しゅう動面２１の表面粗さ、表面形状の精度が高い。このことから、硬く加工のしにくいダイヤモンドを主成分とするダイヤモンド膜２０であっても、表面粗さ、表面形状の精度が高い。

　また、使用前において、しゅう動面２１の粗さよりも当該しゅう動面２１とは反対側の成膜面２２の粗さが粗い。つまり滑らかな側の面をしゅう動面２１としたため、ラッピング等の加工を不要乃至少なくすることができる。すなわち、図２に示されるように、従来のしゅう動部材１５０おいて必要とされていた、基材となる基板１３０上に成膜されたダイヤモンド膜１２０の成膜面１２２を、研磨用のダイヤモンド膜１４０により共削りして研磨して平坦なしゅう動面１２２’を得るための加工を不要乃至少なくすることができる。

　また、ダイヤモンド膜２０は基材３０に接着剤４０の接着により固定されているため、接着剤４０により接着可能な材質であれば固定することができ、ダイヤモンド膜２０が固定される基材３０の材質の選択の幅が広い。すなわち、ダイヤモンド膜２０が成膜される基板１０の材質に関係なくダイヤモンド膜２０を固定できる。なお、基材３０に接着するダイヤモンド膜２０は、基材３０の表面方向において、一部材であってもよいし複数部材であってよい。複数部材とすることにより広い面積のしゅう動面を容易に形成することができる。

　また、ダイヤモンド膜２０は、接着剤４０側の成膜面２２の粗さがしゅう動面２１の表面粗よりも粗く、成膜面２２は接着剤４０と接触する表面積が広いため、ダイヤモンド膜２０を基材３０に強固に固定することができる。また、接着剤４０側の成膜面２２の粗さは粗くてもよいため、成膜の速度を高められる。一方、しゅう動面２１は転写面２１であるため、表面粗さ、表面形状の精度が高い。

　また、接着剤４０は、基材３０とダイヤモンド膜２０とを接着し固定した状態において、基材３０及びダイヤモンド膜２０よりもヤング率が小さいため、しゅう動時に接着剤４０による中間の層がいわゆる緩衝材として機能する。すなわち、基材３０が熱膨張により変形しても接着剤による中間の層により緩衝されて、基材３０とダイヤモンド膜２０との間に作用する力の影響を小さくすることができる。

　次に、実施例２に係るしゅう動部材につき、図３を参照して説明する。実施例２では、しゅう動面２１に凹部が設けられている点が実施例１と主に相違する。なお、実施例１と同一構成で重複する構成を省略する。

　図３に示されるように、基板１０には、基部１２の平坦面１１から上側に突出する断面台形の凸部１３が形成されている。基板１０上にダイヤモンド膜２０を成膜することにより、ダイヤモンド膜２０の転写面２１（しゅう動面２１）側には、凸部１３の形状に沿った凹部２４が形成される。このようにして、しゅう動面２１に特定の機能（例えば潤滑剤を保持する機能。）を付与する凹部２４を設けることができる。凹部２４の深さはダイヤモンド膜２０の基部２３の厚さよりも浅く（短く）すると、ダイヤモンド膜２０の機械的な強度を確保できるため好ましい。

　以上のように、基板１０には凸部１３が形成され、この凸部１３は、ダイヤモンド膜２０に転写されて凹部２４が形成されるため、所望の形状の凹部２４を簡単に形成することができる。すなわち、図４に示されるように、従来のしゅう動部材１５０において必要とされていた、基材となる基板１３０上に成膜されたダイヤモンド膜１２０の成膜面１２２を、凹部１２４を得るためのレーザ１６０による加工が不要となる。

　なお、基板１０に凸部１３が形成され、ダイヤモンド膜２０に凹部２４が転写される例について説明したが、基板１０に凹部が形成され、ダイヤモンド膜２０に凸部が形成されるようにして、しゅう動面２１に特定の機能を付与するようにしてもよい。さらに、しゅう動面に特定の機能を付与する凸部と凹部と両方を設けてもよい。

　次に、実施例３に係るしゅう動部材につき、図５を参照して説明する。実施例３では、ダイヤモンド膜２０が設けられる基材３０の形状が実施例１と主に相違する。なお、実施例１と同一構成で重複する構成を省略する。

　図５に示されるように、基材３０は長辺部３１と短辺部３２とが連結された断面略逆Ｊ字形状をしており、ダイヤモンド膜２０は長辺部３１の上面に沿って取り付け固定されている。このように、ダイヤモンド膜２０を接着剤４０により基材３０に取り付け固定しているため、長辺部３１と短辺部３２とがなす空間の凹所にもダイヤモンド膜２０を配置することができる。すなわち、直接長辺部３１の上面にダイヤモンド膜２０を成膜する場合には、短辺部３２に遮られ領域Ａには成膜できないが、ダイヤモンド膜２０を接着剤４０により基材３０に取り付けるため、領域Ａにもダイヤモンド膜２０を設けることができ基材３０の形状の自由度が高い。

　以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

　上述の実施例では、基材３０のダイヤモンド膜２０を取り付ける部位の表面が平坦状である例について説明したが、当該面は曲面状であってもよい。この場合、平面状のダイヤモンド膜２０を基材３０に取り付ける際に、基材３０の表面に沿って変形させて取り付けてもよいし、基材３０の表面に沿った形状の曲面状の基板１０に成膜して得た曲面状のダイヤモンド膜２０を基材３０の表面に取り付け固定してもよい。前者の場合には、ダイヤモンド膜２０が平面状の形状であるためダイヤモンド膜２０の製造が簡単であり、一方、後者の場合には、ダイヤモンド膜２０を変形させないため基材３０に取り付け固定したダイヤモンド膜２０に内部応力が略発生しないから好ましい。

１０　　　　基板
１１　　　　平坦面
１３　　　　凸部
２０　　　　ダイヤモンド膜（しゅう動膜）
２１　　　　転写面、しゅう動面
２２　　　　成膜面
２４　　　　凹部
３０　　　　基材
４０　　　　接着剤（接着層）
５０　　　　しゅう動部材

Claims (19)

1. 　滑らかな転写面を有し、当該転写面がしゅう動面である硬質炭素素材を主成分とすることを特徴とするしゅう動膜。
2. 　前記硬質炭素素材はダイヤモンドであることを特徴とする請求項１に記載のしゅう動膜。
3. 　使用前において、しゅう動面の粗さよりも当該しゅう動面とは反対側の面の粗さが粗いことを特徴とする請求項１又は２に記載のしゅう動膜。
4. 　滑らかな表面の基板上に硬質炭素素材を主成分とするしゅう動膜を成膜する成膜工程と、
   　前記成膜工程で成膜されたしゅう動膜を前記基板から取り出す取出工程と、
   　を含むことを特徴とするしゅう動膜の製造方法。
5. 　前記取出工程では前記基板を溶かして前記しゅう動膜を取り出すことを特徴とする請求項４に記載のしゅう動膜の製造方法。
6. 　前記基板には凸部又は凹部の少なくともいずれか一方が形成されていることを特徴とする請求項４項又は５に記載のしゅう動膜の製造方法。
7. 　前記硬質炭素素材はダイヤモンドであることを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載のしゅう動膜の製造方法。
8. 　前記基板の表面の粗さよりも、前記基板とは反対側のしゅう動膜の面の粗さは粗いことを特徴とする請求項４項乃至７のいずれかに記載のしゅう動膜の製造方法。
9. 　基材と、
   　しゅう動面を有し硬質炭素素材を主成分とするしゅう動膜と、
   　前記基材に前記しゅう動膜を接着する接着層と、
   　を備えていることを特徴とするしゅう動部材。
10. 　前記硬質炭素素材はダイヤモンドであることを特徴とする請求項９に記載のしゅう動部材。
11. 　前記しゅう動膜は、接着層側の表面粗さがしゅう動面側の表面粗よりも粗いことを特徴とする請求項９又は１０に記載のしゅう動部材。
12. 　しゅう動面は転写面であることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれかに記載のしゅう動部材。
13. 　前記接着層は、前記基材と前記しゅう動膜とを接着し固定した状態において、前記基材及び前記しゅう動膜よりもヤング率が小さいことを特徴とする請求項９乃至１２のいずれかに記載のしゅう動部材。
14. 　成膜工程で成膜された硬質炭素素材を主成分とするしゅう動膜を前記基板から取り出す取出工程と、
    　前記取出工程で取り出した前記しゅう動膜を基材に接着する接着工程と、
    　を含むことを特徴とするしゅう動部材の製造方法。
15. 　前記成膜工程は、滑らかな表面の基板上に硬質炭素素材を主成分とするしゅう動膜を成膜することを特徴とする請求項１４に記載のしゅう動部材の製造方法。
16. 　前記取出工程では前記基板を溶かして前記しゅう動膜を取り出すことを特徴とする請求項１４又は１５に記載のしゅう動部材の製造方法。
17. 　前記基板には凸部又は凹部の少なくともいずれか一方が形成されていることを特徴とする請求項１４乃至１６のいずれかに記載のしゅう動部材の製造方法。
18. 　前記硬質炭素素材はダイヤモンドであることを特徴とする請求項１４乃至１７のいずれかに記載のしゅう動部材の製造方法。
19. 　前記基板の表面の粗さよりも、前記基板とは反対側のしゅう動膜の面の粗さは粗いことを特徴とする請求項１４乃至１８のいずれかに記載のしゅう動部材の製造方法。

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