(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超高真空状態に維持されたチャンバ(10)内に設けられたステージ(14)上の被試験体ホルダ(17)に保持された被試験体(16)の表面に潤滑用薄膜(15)を真空蒸着により形成する蒸着装置(52)と、
前記ステージ(14)上に設けられ前記蒸着により形成された潤滑用薄膜(15)の厚さを測定する水晶振動子式膜厚計(18)と、
前記チャンバ内に設けられ試料(20)を前記被試験体(16)上の潤滑用薄膜に対向するように保持する試料ホルダ(21)と、
前記チャンバ内に設けられ前記試料ホルダ(21)を先端に支持する第１リーフスプリング(26,27)を有しかつ前記試料(20)の被試験体(16)上の潤滑用薄膜に対する摩擦力を検出する摩擦力センサ(22)と、
前記チャンバ内に設けられ前記第１リーフスプリング(26,27)と同一方向にかつリーフ面を直交して前記第１リーフスプリング(26,27)の基端に連結された第２リーフスプリング(31)を有し前記試料(20)の前記被試験体(16)上の潤滑用薄膜に加わる荷重を検出する荷重センサ(23)と、
前記チャンバ内からチャンバ外にかけて設けられ前記第２リーフスプリング(31)の基端にレバー先端が連結された内部負荷レバー(34)と、
前記チャンバ外に設けられ前記内部負荷レバー(34)の前記チャンバ外に延びる部分を大気と遮断して超高真空状態に維持するように被包するベローズ(47)と、
前記チャンバ外に設けられ前記内部負荷レバー(34)の基端に連結された外部負荷レバー(44)と、
前記チャンバ外に設けられ前記両レバー(34,44)及び両リーフスプリング(26,27,31)を介して前記試料(20)に前記被試験体(16)上の潤滑用薄膜に対して荷重を与える加重手段(46)と、
前記チャンバ外に設けられ前記両レバー(34,44)及び両リーフスプリング(26,27,31)を介して両リーフスプリング(26,27,31)の連結方向に直交するｘ又はｘ’方向に前記試料(20)を前記被試験体(16)上の潤滑用薄膜に対して摺動させる摺動手段(37)と、
前記チャンバ外に設けられ前記試料(20)を両リーフスプリング(26,27,31)の連結方向のｙ方向に移動させる手段と、
前記チャンバ外に設けられ前記試料(20)の摺動時の前記荷重センサ(22)及び前記摩擦力センサ(23)の各検出出力を前記試料(20)の被試験体(16)上の潤滑用薄膜に対する摩擦係数として記録するペンレコーダ(50)と
を備えた超高真空中における蒸着装置付き摩擦試験装置。
【請求項２】
被試験体ホルダ(17)に保持された被試験体(16)に通電加熱する通電加熱装置(56)を更に備えた請求項１記載の摩擦試験装置。
【請求項３】
超高真空に維持されたチャンバ(10)内に設けられた被試験体ホルダ(17)に被試験体(16)を保持する工程と、
前記被試験体(16)の表面に潤滑用薄膜(15)を前記チャンバ(10)内において所定の膜厚で真空蒸着により形成する工程と、
前記被試験体(16)の表面に形成された潤滑用薄膜(15)の上に試料(20)を配置する工程と、
前記被試験体(16)の表面に形成された潤滑用薄膜(15)にリーフスプリング(26,27,31)を介して試料(20)を前記チャンバ(10)内において所定の荷重で押し当ててリーフスプリング(26,27,31)の連結方向に直交する方向に摺動する工程と、
前記摺動時の試料(20)の潤滑用薄膜に対する摩擦係数を測定する工程と
をこの順序で連続して行うことを特徴とする超高真空中における摩擦試験方法。
【請求項４】
潤滑用薄膜(15)を形成する前にチャンバ(10)内で被試験体ホルダ(17)に保持された被試験体(16)に通電加熱する工程を更に含む請求項３記載の摩擦試験方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超高真空中に保持した被試験体の表面に潤滑用薄膜を真空蒸着した後で、被試験体上の潤滑用薄膜に対して試料を摺動して試料の潤滑用薄膜に対する摩擦係数を測定する蒸着装置付き摩擦試験装置及びその試験方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
航空宇宙産業の発展に伴い、航空宇宙環境すなわち超高真空中において低摩擦・低摩耗を実現するためにＭｏＳ2やＡｇ等の潤滑用薄膜が実用化され、それらの固体潤滑用薄膜の特性を調べる研究が行われてきた（例えば、上村正雄：二硫化モリブデンの真空中における潤滑機構、トライポロジスト、Vol.34, No.12 (1989) 855-859）。
従来、この種の超高真空中での試験装置として、真空環境試験装置が提案されている（特公平２−１５８１２）。この試験装置は、超高真空状態に維持されたチャンバ内に、被試験体を回転可能に固定する被試験体受け具と、試料を被試験体に対向するように保持する試料ホルダと、試料ホルダを先端に支持する１枚の第１リーフスプリングを有しかつ被試験体の回転時の摩擦力を検出する摩擦力センサと、このリーフスプリングと同一方向にかつリーフ面を直交してこのスプリングの基端に連結された１枚の第２リーフスプリングを有し試料の被試験体に加わる荷重を検出する荷重センサとを備える。またこの試験装置はチャンバ内からチャンバ外にかけて第２リーフスプリングの基端に先端が連結された内部負荷レバーが設けられる。更にこの試験装置は、チャンバ外に、内部負荷レバーのチャンバ外に延びる部分を大気と遮断して超高真空状態に維持するように被包するベローズと、内部負荷レバーに連結する外部負荷レバーと、上記両レバー及び両リーフスプリングを介して試料に被試験体に対する荷重を与える加重手段と、被試験体を回転させて試料に対して摩擦を生じさせる回転手段と、上記荷重センサ及び摩擦力センサの各検出出力を試料の被試験体に対する摩擦係数として記録するペンレコーダとを備える。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記真空環境試験装置は被試験体を回転させて試料に対して摩擦を生じさせるものであるため、往復移動でない、一方向の摩擦現象しか試験できず、しかも固定した被試験体上を試料自体が繰返し摺動する摩擦現象を解析し評価することができない不具合があった。
また上記真空環境試験装置を初めとして、これまでの試験装置には、被試験体の表面に潤滑用薄膜を形成しようとしても、超高真空中で適切に成膜する手段がなく、超高真空中において極めて薄い潤滑用薄膜自体の摩擦・摩耗特性を試験する雰囲気の影響を受けずに調べることができなかった。
【０００４】
本発明の目的は、超高真空中において被試験体の表面に蒸着により潤滑用薄膜を形成した後、引き続いて固定した被試験体に対して試料を繰返し摺動して摩擦・摩耗の特性を調べることができる摩擦試験を実施する摩擦試験装置及びその試験方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、被試験体が半導体又は金属である場合に、蒸着前に被試験体を超高真空中で清浄化し得る摩擦試験装置又はその試験方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図１〜図４に示すように超高真空状態に維持されたチャンバ１０内に設けられたステージ１４上の被試験体ホルダ１７に保持された被試験体１６の表面に潤滑用薄膜１５を真空蒸着により形成する蒸着装置５２と、ステージ１４上に設けられ蒸着により形成された潤滑用薄膜１５の厚さを測定する水晶振動子式膜厚計１８と、チャンバ内に設けられ試料２０を被試験体１６上の潤滑用薄膜に対向するように保持する試料ホルダ２１と、チャンバ内に設けられこの試料ホルダ２１を先端に支持する第１リーフスプリング２６，２７を有しかつ試料２０の被試験体１６上の潤滑用薄膜に対する摩擦力を検出する摩擦力センサ２２と、チャンバ内に設けられ第１リーフスプリング２６，２７と同一方向にかつリーフ面を直交してスプリング２６，２７の基端に連結された第２リーフスプリング３１を有し試料２０の被試験体１６上の潤滑用薄膜に加わる荷重を検出する荷重センサ２３と、チャンバ内からチャンバ外にかけて設けられ第２リーフスプリング(31)の基端にレバー先端が連結された内部負荷レバー３４と、チャンバ外に設けられ内部負荷レバー３４のチャンバ外に延びる部分を大気と遮断して超高真空状態に維持するように被包するベローズ４７と、チャンバ外に設けられ内部負荷レバー３４の基端に連結された外部負荷レバー４４と、チャンバ外に設けられ両レバー３４，４４及び両リーフスプリング２６，２７，３１を介して試料２０に被試験体１６上の潤滑用薄膜に対して荷重を与える加重手段４６と、チャンバ外に設けられ両レバー３４，４４及び両リーフスプリング２６，２７，３１を介して両リーフスプリング２６，２７，３１の連結方向に直交するｘ又はｘ’方向に試料２０を被試験体１６上の潤滑用薄膜に対して摺動させる摺動手段３７と、チャンバ外に設けられ試料２０を両リーフスプリング２６，２７，３１の連結方向のｙ方向に移動させる手段と、チャンバ外に設けられ試料２０の摺動時の荷重センサ２２及び摩擦力センサ２３の各検出出力を試料２０の被試験体１６上の潤滑用薄膜に対する摩擦係数として記録するペンレコーダ５０とを備えた超高真空中における蒸着装置付き摩擦試験装置である。
【０００６】
請求項１に係る摩擦試験装置では、超高真空中において被試験体１６を固定した上でこの被試験体１６に対して試料２０を往復移動して摩擦現象を解析できる。また被試験体１６の表面に潤滑用薄膜１５を所定の膜厚で真空蒸着により形成した上で摩擦試験を行うことができるため、広範囲でかつ多様な潤滑用薄膜を有する被試験体１６が得られ、かつ試験時の雰囲気分子の影響を取除いた試験を実現できる。
【０００７】
また試料２０を支持するリーフスプリング２６，２７，３１の長手方向に直交する方向に摺動させることにより摩擦・摩耗に対する繰返しの摺動効果を確かめることができる利点がある。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、被試験体ホルダ１７に保持された被試験体１６に通電加熱する通電加熱装置５６を更に備えた摩擦試験装置である。
被試験体１６が半導体又は金属である場合に、通電加熱することにより被試験体の成膜面を清浄化することができる。
【０００９】
請求項３に係る発明は、超高真空に維持されたチャンバ１０内に設けられた被試験体ホルダ１７に被試験体１６を保持する工程と、この被試験体１６の表面に潤滑用薄膜１５をチャンバ１０内において所定の膜厚で真空蒸着により形成する工程と、被試験体１６の表面に形成された潤滑用薄膜１５の上に試料２０を配置する工程と、被試験体１６の表面に形成された潤滑用薄膜１５にリーフスプリング２６，２７，３１を介して試料２０をチャンバ１０内において所定の荷重で押し当ててリーフスプリング２６，２７，３１の連結方向に直交する方向に摺動する工程と、摺動時の試料２０の潤滑用薄膜に対する摩擦係数を測定する工程とをこの順序で連続に行うことを特徴とする超高真空中における摩擦試験方法である。
被試験体１６を固定して試料２０を摺動するため、試料自体の往復移動の摩擦現象を解析できる。また超高真空中で所望の潤滑用薄膜１５を蒸着してから摩擦試験を行うため、広範囲でかつ多様な潤滑用薄膜を有する被試験体１６が得られ、かつ試験時の雰囲気分子の影響を取除いた試験を実現できる。
【００１０】
また試料を支持するリーフスプリング２６，２７，３１の長手方向に直交する方向に摺動させることにより摩擦・摩耗に対する繰返しの摺動効果を確かめることができる利点がある。
【００１１】
請求項４に係る発明は、請求項３に係る発明であって、潤滑用薄膜１５を形成する前にチャンバ１０内で被試験体ホルダ１７に保持された被試験体１６に通電加熱する工程を更に含む摩擦試験方法である。
被試験体１６が半導体又は金属である場合に、通電加熱することにより被試験体１６の成膜面を清浄化することができる。
なお、本明細書で「超高真空」とは１０-5〜１０-8Ｐａ程度の真空状態をいう。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１及び図２に示すように、この実施の形態の摩擦試験装置は、ピンオンプレート型摩擦試験装置であって、気密性のある円筒状のチャンバ１０を有する。チャンバ１０の内部雰囲気は３つのポンプ１１〜１３により１．３×１０-7Ｐａ以下の超高真空状態が作り出される。ポンプ１１は超高真空領域での排気を行うためのイオンポンプである。ポンプ１２はターボ分子ポンプであって図示しない高速で回転する翼列により、吸入されたチャンバ内の気体に一定方向の運動量を与え、この気体を圧縮して排気口に集めた後、ロータリポンプ１３により排気するようになっている。１１ａ、１２ａ、１２ｂ及び１３ａはポンプ吸気通路又は排気通路に設けられたバルブである。
このチャンバ１０内のほぼ中央にはステージ１４が設けられ、ステージ上には被試験体１６を保持する被試験体ホルダ１７と水晶振動子式膜厚計１８の水晶振動子１８ａが設けられる。この膜厚計１８は後述する被試験体１６の表面に蒸着により潤滑用薄膜１５（図４の部分拡大図参照）を形成するときにその膜厚を測定するためのものである。膜厚計１８は水晶振動子１８ａの他に、コルピッツ発振回路１８ｂ、デジタルオシロスコープ１８ｃ及び周波数カウンタ１８ｄを備える。水晶振動子１８ａと発振回路１８ｂは電線１８ｅにより接続される。
【００１３】
ステージ１４の上方（図１のｚ方向）には先端が球面をなすピン型の試料２０が設けられ、この試料２０は被試験体１６に対向するように試料ホルダ２１に保持される。図３及び図４に示すように、この摩擦試験装置では矢印ｘ方向又はｘ´方向に試料２０が所定の荷重ｆを受けて被試験体１６上を摺動するときのその摩擦力を測定することができる。そのために摩擦試験装置には試料２０の摺動時の摩擦力を検出するための摩擦力センサ２２と試料２０の被試験体１６に与える荷重を検出する荷重センサ２３が用いられる。
試料２０には摩擦力センサ２２及び荷重センサ２３がこの順序で設けられる。摩擦力センサ２２はこの実施の形態ではそれぞれ同形同大の２枚のリーフスプリング２６，２７を同一方向に互いに平行に配置して構成される。試料２０は試料ホルダ２１を介してこれらのリーフスプリング２６，２７の自由端である各先端に固着される。リーフスプリング２７には摩擦力検出用の歪みゲージ２９が取付けられる。これらのリーフスプリング２６，２７の各基端には荷重センサ２３の１枚のリーフスプリング３１の先端が連結される。このリーフスプリング３１はリーフスプリング２６，２７と同一方向ではあるが、リーフ面が互いに直交するように延びて設けられる。このリーフスプリング３１には荷重検出用の歪みゲージ３２が取付けられ、このリーフスプリング３１の基端にはネジ３３により内部負荷レバー３４の先端が連結される。リーフスプリング２６，２７及び３１はオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）により作られる。
【００１４】
図１及び図２に戻って、チャンバ１０には窓孔１０ａ及びそのフレーム１０ｂが設けられる。内部負荷レバー３４はチャンバ内から窓孔１０ａ及びフレーム１０ｂを通ってチャンバ外に延びて設けられる。チャンバ１０の外部にはｘ−ｙステージ３６が設けられ、このステージ３６上には架台３８がｘ又はｘ´方向（図３参照）、或いはｙ方向に移動可能に配置される。架台３８はｘ又はｘ´方向にはステッピングモータ３７により動かされ、ｙ方向にはステージ上の図示しないガイドレールに沿ってスライダにより粗く動かされた後、手動マイクロメータ（図示せず）により微細に動かされる。ステッピングモータ３７を用いることにより試料２０の摺動速度と繰返しの摺動回数の双方を容易に制御することができる。
架台３８に２本の支柱３９が立設され、これらの支柱間には軸４１に支持された揺動体４２が設けられる。前述した内部負荷レバー３４の基端は揺動体４２に固着されるとともにこの基端には中間ロッド４３が立設される。ロッド４３の先端には外部負荷レバー４４がネジ４５で固着され、このレバー４４上にはウエイト４６が図のｙ方向に往復移動できるように設けられる。フレーム１０ｂと揺動体４２との間には内部負荷レバー３４のチャンバ外に延びる部分を大気と遮断して超高真空状態に維持するように被包するベローズ４７が設けられる。ステッピングモータ３７にはコントローラ４８の制御出力が接続される。また前述した歪みゲージ２９及び３２には図示しない電気的配線がなされ、これらの検出出力は歪み増幅器４９を介してペンレコーダ５０に接続され、このペンレコーダ５０により摩擦係数が求められる。
【００１５】
更にチャンバ１０には蒸着装置５２が被試験体１６の表面に潤滑用薄膜１５（図４）を蒸着するように設けられる。５２ａは棒状の蒸着材であり、５３はそのシャッタであり、５４及び５５はそれぞれ電子加速用直流電圧調整器及び熱電子供給用直流電流調整器である（図１）。蒸着材５２ａには被試験体１６を構成する元素と異なる元素を有する材料が用いられる。例えば被試験体１６がシリコン基板であれば、Ａｇ棒が用いられる。このように被試験体１６として、半導体や金属の基板を用いて試験する場合には、図２に示すように被試験体ホルダ１７にこのホルダに保持された被試験体１６に通電加熱する通電加熱装置５６の端子板５６ａ，５６ｂが設けられる。チャンバ１０の外壁には端子板１０ｃが設けられ、これらの端子板５６ａ，５６ｂと端子板１０ｃの間、及び前述した水晶振動子１８ａと端子板１０ｃとの間には電線５６ｃ及び前述した電線１８ｅがそれぞれ接続される。
【００１６】
このように構成された摩擦試験装置では、被試験体１６を被試験体ホルダ１７に、また試料２０を試料ホルダ２１にそれぞれ保持した後、チャンバ内を３つのポンプ１１〜１３を運転して１．３×１０-7Ｐａ以下の超高真空雰囲気にする。次いで被試験体１６が半導体や金属である場合には、図２に示した端子板１０ｃから電線５６ｃを介して端子板５６ａ及び５６ｂに電圧を印加し、被試験体１６を通電加熱する。これにより被試験体表面上の自然酸化膜又は被試験体表面の吸着分子が取り除かれ、被試験体表面が清浄化される。
次に１０-6Ｐａ台の超高真空雰囲気でこの蒸着装置５２により被試験体１６の表面に水晶振動子式膜厚計１８により潤滑用薄膜１５の厚さを測定しながら所定の厚さの潤滑用薄膜１５を真空蒸着する。蒸着した後、架台３８をｘ方向又はｙ方向に移動させて試料２０の先端を潤滑用薄膜１５の形成された被試験体１６の上に配置する。ウエイト４６の位置を移動することにより外部負荷レバー４４及び内部負荷レバー３４を軸４１を支点に回転させて試料２０に被試験体１６への荷重を与え、これを荷重センサ２３の歪みゲージ３２で検出し、図４に示す所望の値（ｆ）に調整する。チャンバ内の雰囲気を１．３×１０-7Ｐａ以下にしてステッピングモータ３７を駆動して試料２０をｘ方向又はｘ´方向に往復移動させる。単一のベローズ４７は内部負荷レバー３４が垂直方向（ｚ方向）に移動することと、水平方向（ｘ方向又はｘ´方向）に移動することを許容する。試料２０の摺動時に摩擦力センサ２２の歪みゲージ２９により被試験体１６に対する試料２０の摩擦力を検出し、これを増幅器４９で増幅し、ペンレコーダ５０で記録し、摺動時の試料の摩擦係数を求める。
【００１７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の蒸着装置付き摩擦試験装置によれば、超高真空中において被試験体の表面に蒸着で他元素による潤滑用薄膜を形成した後、引き続いて固定した被試験体上の潤滑用薄膜に対して試料を繰返し摺動して摩擦・摩耗の特性を調べることができる。
特に本発明の蒸着装置付き摩擦試験装置では、内部負荷レバーが垂直方向（ｚ方向）にも水平方向（ｘ方向又はｘ´方向）にもベローズ内で移動することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の摩擦試験装置の図２のＢ−Ｂ線断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図。
【図３】本発明の摩擦センサ及び荷重センサの平面図。
【図４】本発明の摩擦センサ及び荷重センサの側面図。
【符号の説明】
１０  チャンバ
１５  潤滑用薄膜
１６  被試験体
１７  被試験体ホルダ
１８  水晶振動子式膜厚計
２０  試料
２１  試料ホルダ
２２  摩擦力センサ
２３  荷重センサ
２６，２７，３１  リーフスプリング
３４  内部負荷レバー
３７  ステッピングモータ（摺動手段）
４４  外部負荷レバー
４６  ウエイト（加重手段）
４７  ベローズ
５２  蒸着装置
５６  通電加熱装置
【図１】
0003664292.tif 000002
【図２】
0003664292.tif 000003
【図３】
0003664292.tif 000004
【図４】
0003664292.tif 000005