(57)【要約】【課題】測定対象物である試料１１との間の相互作用力あるいは摩擦力を測定するために用いられる摺動子アセンブリ１４において、試料１１と摺動子１２の相対運動中に、摺動子アセンブリ１４の振動がなく、高精度の摩擦力の測定を可能とする摺動子アセンブリ１４を得る。【解決手段】摺動子アセンブリ１４の構成において、摺動子１２を保持するばね性をもった支持体１３の一端において、摺動子１２を固定する位置に、摺動子１２が通り抜けできないような貫通穴１５を開けて、支持体１３の一方の側から、摺動子１３をこの貫通穴１５に押し当て、穴の内側が摺動子１２の表面と係合して、摺動子１２の一部が支持体１３の反対側に突き出るように構成し、突き出た側が測定対象物である試料１１と接するように構成した。【選択図】図４
2014052255.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物である試料との間の相互作用力あるいは摩擦力を測定するために用いられる摺動子アセンブリであって、
前記試料と接触する摺動子と、
前記摺動子を支持する弾性をもった支持体と、
を備え、
前記支持体は、
一端側に、前記摺動子が通り抜けできない貫通穴を有し、
前記摺動子は、
前記支持体の前記貫通穴の前記試料と接触する側と反対側に、前記摺動子の一部が前記貫通穴を介して前記試料側に突き出して、前記試料と接触するように、前記貫通穴に固定されていることを特徴とする摺動子アセンブリ。
【請求項２】
請求項１に記載された摺動子アセンブリにおいて、
前記支持体における前記摺動子の前記突き出し量が０．８ｍｍ以下であることを特徴とする摺動子アセンブリ。
【請求項３】
測定対象物である試料との間の相互作用力あるいは摩擦力を測定するための、摺動子と前記摺動子を支持するための支持体とを有する摺動子アセンブリの製造方法であって、
前記試料と接触する摺動子と前記摺動子を支持する弾性を有する支持体とを、
前記摺動子を支持する支持体の一端側に、前記摺動子が通り抜けできないような貫通穴を設け、
前記支持体の、前記試料と接触する側と反対側に、前記摺動子の一部が前記貫通穴を介して前記試料側に突き出して、先記試料と接触するように、前記摺動子を前記貫通穴に固定することにより製造することを特徴とする摺動子アセンブリの製造方法。
【請求項４】
測定対象物である試料との間の相互作用力あるいは摩擦力を測定するために用いられる摩擦力測定装置であって、
請求項１又は請求項２に記載の摺動子アセンブリと、
前記摺動子アセンブリが固定され、かつ、前記摺動子アセンブリに印加される摩擦力によって変形する起歪体と、
前記起歪体の変位を測定する変位センサと、
を備えたことを特徴とする摩擦力測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに相対運動する２面間に作用する摩擦力、凝着力、分子間力などの相互作用を測定するための摺動子の構造、および製造法、および測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロマシン、マイクロファブリケーション、遺伝子操作、ヘッド媒体インタフェースなど、ナノメートルの加工・運動・制御を対象とするナノテクロジーの分野（ナノテク）においては、ナノメートルの相対運動を精確かつ安定に実現することが重要な課題になっている。このためには、ナノレベルの表面精度に仕上げられた高精度固体表面、および固体表面上に数分子程度の厚さの膜（以下ナノ分子膜とよぶ）の存在する分子膜付き表面において、摩擦力、凝着力、表面力、分子間力（以下これらを総称して相互作用とよぶ）を精密に測定するとともに、測定結果に基づいて、相対運動に対して所望される機能・性能を付与する潤滑技術を確立することが必要である。このような測定対象物の場合には、一般には、表面が超高精度に仕上げられているため、摺動に対して微妙な損傷や摩耗の影響を受けやすく、またナノ分子膜には微視的には過大な面圧が作用するために、剥離・破断・分解などの影響を受けやすい。このため、測定においては、表面性状やナノ分子膜への影響ができるだけ小さくなる低負荷条件において測定する必要がある。
【０００３】
このような高精度固体表面間の相互作用、あるいは分子膜付き表面間の相互作用の測定に適用できる測定法としては、ピンオンディスク摩擦試験器（ＰＯＤＴ：ｐｉｎ  ｏｎ  ｄｉｓｋ  ｆｒｉｃｔｉｏｎ  ｔｅｓｔｅｒ）、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｐｒｏｂｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）、表面力測定装置（ＳＦＡ：ｓｕｒｆａｃｅ  ｆｏｒｃｅ  ａｐｐａｒａｔｕｓ）などがある。
【０００４】
これらの装置の基本的な構成要素は、測定対象である第１の部材、この試料と係合して相互作用を発生させる第２の部材、第２の部材を保持するとともに、ばね作用によって第２の部材に負荷を与える第３の部材で構成される。ここでは、図１に示すように、第１の部材を試料（１）、第２の部材を摺動子（２）、第３の部材を支持体（３）とよぶ。また、摺動子（２）が支持体（３）に固定された組立体を摺動子アセンブリ（４）とよぶ。試料の下面のＡが、摺動子の最上面Ｂの位置において係合し、試料Ａの回転運動Ｖによって、相対運動が付与される。
【０００５】
さらに、測定装置は、相対運動を付与するための試料あるいは摺動子の移動機構、摺動子に法線方向の力を加えるための負荷機構、摺動子に作用する摩擦力を検出するための摺動子変位測定系によって構成される。摺動子にはばねを介して負荷を与える方法が簡便であり、このため支持体はばね作用をもつ軟らかい板状の部材で構成されることが多い。ただし、大型の摩擦試験機では、摩擦力の小さい自在関節（ジンバル）で支持された支持体が利用され、直接摺動子に負荷が直接付与されるものもある。
【０００６】
ＰＯＤＴは、図１に示したように、直径が数ｍｍのボール（２）、あるいは曲率半径が数ｍｍの半球が摺動子として使用され、これをばね作用をもつ支持体（３）（カンティレバーとよばれる）の一端に固定して摺動子アセンブリを構成する。測定対象の試料（１）は、回転運動スピンドルあるいは往復運動するステージ上に搭載され、モータ駆動することができるため、高速の試験を行うことは、原理的には可能である。
【０００７】
ＳＰＭは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：ａｔｏｍｉｃ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）の原理を応用したものであり、図２に示すように、先端が尖った摺動子（２’）（チップとよばれる）を、ばね作用をもつ支持体（３’）（カンティレバーとよばれる）の一端に固定した摺動子アセンブリ（４’）を使用し、測定すべき表面との相互作用を検出できるまで、チップを測定対象の試料表面に接近、あるいは接触させて、この状態で試料を搭載したステージ、あるいはカンティレバーを走査することによって、チップと表面との相互作用を測定するものである。チップを表面に接触させて摩擦力を測定する場合には、摩擦力顕微鏡（ＦＦＭ：ｆｒｉｃｔｉｏｎ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）とよばれる。チップの先端の曲率半径は、十〜数百ｎｍ程度の鋭利なものが一般的であるが、チップの代わりに直径が数μｍ〜数十μｍ程度の微小なボールを接着固定したものもある。
【０００８】
ＳＦＡは、原子レベルに平滑な表面の凝着力を測定するために開発されたもので、図３に示すように、摺動子としてガラス円筒（２”）、あるいは半球が使用され、支持体として二対平行ばね（３”）が使用され、その一端に摺動子が固定されて、摺動子アセンブリ（４”）を構成する。円筒面の曲率半径は、一般的には数ｍｍ〜数ｃｍ程度であり、表面を雲母板で覆ったものが使用される。
【０００９】
ＳＰＭやＳＦＡでは、摺動子アセンブリあるいは試料を搭載したステージが、位置決め精度の高いピエゾ素子によって駆動されるため、走査距離や走査速度には限界があり、走査距離の上限は〜百μｍ程度、また走査速度の上限は、現状ではＦＦＭでは〜百μｍ／ｓ、ＳＦＡでは、ピエゾ移動ステージ式では、〜数百μｍ／ｓ程度、スピンドル組み込み回転式では、〜数ｍｍ／ｓ程度となっている。
【００１０】
現実のトライボロジー現象は、より高速で、しかも接触面積もより大きい場合が多い。例えば、表面にナノ潤滑膜が塗布されている磁気ディスクでは、速度は数ｍ／ｓ〜十数ｍ／ｓであり、またヘッドの摺動面の面積は数ｍｍ2であり、ＳＰＭやＳＦＡを用いた測定条件に比べれば、はるかに高速で、かつ接触領域が広いため、これらが桁違いに小さいＳＰＭやＳＦＡを用いた結果によって、有効な評価が得られるとは限らない。このため、より現実的な条件において、摩擦摩耗試験を実行できる装置が必要になっていた。
【００１１】
一方、ＰＯＤＴでは、測定対象の試料を、回転運動スピンドルあるいは往復運動するステージ上に搭載して、モータ駆動すれば摺動速度や摺動距離は、モータの回転数あるいは往復周波数に依存して高速化できるため、原理的にはこれらの条件に制限はないことになる。
【００１２】
しかし、現実には、高速条件では、摩擦の増大や摩擦変動の増大などよって、摺動子アセンブリに大きな振動が誘起され、試料と摺動子アセンブリとの接触状態が不安定になり、測定値に大きな振動が観測されて、摩擦力測定の信頼性が著しく低下する。すなわち、実質的には、安定に摩耗力を測定することが不可能になる。このため、従来では測定の上限が、せいぜい数ｍｍ／ｓ〜十数ｍｍ／ｓ程度までであった。このような振動の増大は、回転運動する機構を搭載したＳＦＡにおいても、観測されており、速度１０ｍ／ｓでは、摩擦力の検出が不可能であることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特許公開２００８−１２８６９３  特許第３９７５４５０号
【特許文献２】特開平６−２４１７６２
【特許文献３】特開平９−１５１３７
【特許文献４】特許公開２０１１−３８８５１
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Ｙ．Ｈｅ，Ｙ．Ｆｕｊｉｋａｗａ，Ｈ．Ｚｈａｎｇ，Ｋ．Ｆｕｋｕｚａｗａ，Ｙ．Ｍｉｔｓｕｙａ，“Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ  ｏｆ  ＰＦＰＥ  ｌｕｂｒｉｃａｎｔｓ  ｏｎ  ＤＬＣ  ｓｕｒｆａｃｅｓ  ｏｆ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｄｉｓｋｓ”，Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．１（２００７）ｐｐ．１−１１．
【非特許文献２】張賀東，三矢保永，藤川陽介，不破暁，賀銀波，福澤健二，“磁気ディスク表面における潤滑剤分子の配列構造の形成に伴う摩擦特性の変化”，日本機械学会論文集（Ｃ編），７４巻，７３７号（２００８）ｐｐ．１６２−１６８．
【非特許文献３】安藤泰久，高橋秀亨，平塚健一，“異種金属間の摩擦係数を支配する因子の実験的検討”，トライボロジスト，５２巻，１１号（２００７）ｐｐ．８０１−８０８．
【非特許文献４】三宅正二郎，松本安哲，押元幸一，黒坂渡，“薄膜ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜のマイクロトライボロジー特性”，トライボロジスト，５３巻，１２号（２００８）ｐｐ．８２７−８３４．
【非特許文献５】Ｎ．Ｋ．Ｍｙｓｈｋｉｎ，Ａ．Ｙａ．Ｇｒｉｇｏｒｉｅｖ，Ａ．Ｍ．Ｄｕｂｒａｖｉｎ，Ｏ．Ｙｕ．Ｋｏｍｋｏｖ，Ａ．Ｖ．Ｋｏｖａｌｅｖ，“Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ｆｏｒ  ａｄｈｅｓｉｏｎ  ａｎｄ  ｆｒｉｃｔｉｏｎ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ａｔ  ｍｉｃｒｏ／ｎａｎｏ  ｓｃａｌｅ”Ｖｉｅｎｎａｎｏ０５−Ｍａｒｃｈ９−１１（２００５）Ｖｉｅｎｎａ，Ａｕｓｔｒｉａ．
【非特許文献６】Ｇ．Ｌｕｅｎｇｏ，Ｆ．−Ｊ．Ｓｃｈｍｉｔｔ，Ｒ．Ｈｉｌｌ，Ｊ．Ｉｓｒａｅｌａｃｈｖｉｌｉ，“Ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍ  ｒｈｅｏｌｏｇｙ  ａｎｄ  ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ  ｏｆ  ｃｏｎｆｉｎｅｄ  ｐｏｌｙｍｅｒ  ｍｅｌｔｓ：ｃｏｎｔｒａｓｔｓ  ｗｉｔｈ  ｂｕｌｋ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ”，Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ，Ｖｏｌ．３０（１９９７）ｐｐ．２４８２−２４９４．
【非特許文献７】Ｊ．Ｉｓｒａｅｌａｃｈｖｉｌｉ，Ｙ．Ｍｉｎ，Ｍ．Ａｋｂｕｌｕｔ，Ａ．Ａｌｉｇ，Ｇ．Ｃａｒｖｅｒ，Ｗ．Ｇｒｅｅｎｅ，Ｋ．Ｋｒｉｓｔｉａｎｓｅｎ，Ｅ．Ｍｅｙｅｒ，Ｎ．Ｐｅｓｉｋａ，Ｋ．Ｒｏｓｅｎｂｅｒｇ，Ｈ．Ｚｅｎｇ，“Ｒｅｃｅｎｔ  ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｆｏｒｃｅｓ  ａｐｐａｒａｔｕｓ  （ＳＦＡ）  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ”，Ｒｅｐ．Ｐｒｏｇ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．７３，Ｎｏ．０３６６０１（２０１０）ｐｐ．１−１６．
【非特許文献８】Ｄ．Ｄ．Ｌｏｗｒｅｙ，Ｋ．Ｔａｓａｋａ，Ｊ．Ｈ．Ｋｉｎｄｔ，Ｘ．Ｂａｎｑｕｙ，Ｎ．Ｂｅｌｍａｎ，Ｙ．Ｍｉｎ，Ｎ．Ｓ．Ｐｅｓｉｋａ，Ｇ．Ｍｏｒｄｕｋｈｏｖｉｃｈ，Ｊ．Ｎ．Ｉｓｒａｅｌａｃｈｖｉｌｉ，“Ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ  ｆｒｉｃｔｉｏｎ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ｕｓｉｎｇ  ａ  ｍｏｄｉｆｉｅｄ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｆｏｒｃｅｓ  ａｐｐａｒａｔｕｓ”，Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．１（２０１１）ｐｐ．１１７−１２７．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
試料と摺動子が相対運動する状態においては、試料表面は完全には均一ではなく、ミクロ的にみれば、局所的に性状がばらついている。例えば、表面の仕上げ痕跡や欠陥、および仕上げうねりや面粗さなどの幾何学的なばらつき、硬度や腐食な酸化などの性状のばらつき、またミクロ的にも転移や格子欠陥、格子配列なの原子的なばらつきなどがあり、軽負荷条件においては、これらのばらつきの占める割合が、軽い負荷に対して相対的に増大する。このため、後述の図９の実験結果において詳述するように、ばらつきによる負荷変動の影響を受けやすくなり、これによって振動などが誘起されて測定が困難になるという問題がある。また、高速条件では、剪断速度の増加に伴い摩擦力が増大し、これによって摺動子には大きな力が作用するため、摺動子アセンブリや負荷機構、センサシステムを加振することになり、安定な測定が困難になるという問題がある（非特許文献８）。
【００１６】
そこで、本発明では、試料と摺動子の相対運動において、摺動子アセンブリの振動がなく、高精度の摩擦力の測定を可能とする摺動子アセンブリを得ることを課題とする。とくに、これまで困難であった分子膜の付与された固体表面において、相対的に負荷変動が増大する軽負荷条件で摺動させる場合、および摩擦力の増大や機構振動が増大する高速で摺動させる場合に、安定に摩擦力の測定を可能にする装置を提供することを課題とする。
【００１７】
従来の摺動子アセンブリの構成は、細部には差異はあるものの、基本的には板ばねの表面に摺動子を固定する構造を採用している。
このような構造においては、図５に示すように摺動子（２）の先端に負荷が加えられたときに、先端に作用する力は、試料表面に垂直方向の負荷力と試料表面に平行方向の摩擦力である。これらの力が摺動子アセンブリにどのように作用するかについて考察する。単純化のために摺動子がボールの場合を考える。ボールには、ボールの支持点に負荷力Ｐと、また接触点に負荷力に釣り合う反力−Ｐが作用する。一方、接触点には摺動による摩擦力Ｆが作用し、この力は摩耗力に釣り合う反力−Ｆとしてボールの支持点に作用する。
【００１８】
摺動子アセンブリを加振させる直接的な原因は変動する力であり、負荷力の変動量ΔＰ、摩擦力の変動量ΔＦが振動源になる。負荷力とその反力は一直線上にあるため、これらによるモーメントは存在しない。一方、摩擦力とその反力は一直線上にはなく、摺動子の高さｈ分だけずれているため、摩擦力の変動によって、モーメントの変動ΔＭ＝ΔＦｈが発生することになる。したがった、加振源となる変動としては、ΔＰ、ΔＦ、ΔＭが存在することになる。このうち、負荷力の変動は、試料の表面に生じる反力と釣り合う関係にあるので、支持体を加振させる直接的な原因とはなりにくい（摺動子に上下の変位を与えて直接的に加振する場合を除く）。そこで、支持体を直接的に加振する加振源としては、ΔＦ、ΔＭ考えればよいことになる。
【００１９】
一方、支持体は、ばね性を得るために細長い板のような形状をもつ。このような形状の振動特性は、面内方向（長手方向）、すなわち、摩擦力の変動ΔＦが加振源になる方向には、伸縮モードであるため、固有振動数が高く、励振されにくいが、面外方向（板面に対して法線方向）、すなわち、モーメント変動ΔＭが加振源になる方向には、曲げモードで固有振動数が低く、励振されやすい。このような考察によって、モーメント変動を抑制することが、もっとも有効であることが予測できる。
【００２０】
そこで、本発明では、摺動子アセンブリの振動を抑制するために、摺動子アセンブリに作用するモーメント変動を抑制できる新規な構造を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
この欄においては、発明に対する理解を容易にするため、必要に応じて「発明を実施するための形態」欄において用いた符号を付すが、この符号によって請求の範囲を限定することを意味するものではない。
【００２２】
上記「発明が解決しようとする課題」において述べた問題を解決するためになされた本発明の第１は、測定対象物である試料（１１）との間の相互作用力あるいは摩擦力を測定するために用いられる摺動子アセンブリ（１４）であって、試料（１１）と接触する摺動子（１２）と、摺動子（１２）を支持する弾性をもった支持体（１３）と、
を備え、支持体（１３）は、一端側に、摺動子（１２）が通り抜けできない貫通穴（１５）を有し、摺動子（１２）は、支持体（１３）の貫通穴（１５）の試料（１１）と接触する側と反対側に、摺動子（１２）の一部が貫通穴（１５）を介して試料（１１）側に突き出して、試料（１１）と接触するように、貫通穴（１５）に固定されていることを特徴とする摺動子アセンブリ（１４）である。
【００２３】
このような摺動子アセンブリ（１４）では、支持体（１３）からの突き出し量を、原理的には極限まで、小さくできるため、上記のモーメント変動量ΔＭを、極限まで抑圧できる。このため、摩擦力を測定するために、試料（１１）と摺動子（１２）を摺動させた場合にも、誘起される振動を極限まで、抑圧することが可能となり、したがって摩擦特性を高速の領域まで、安定にかつ高精度に測定することが可能となる。
【００２４】
本発明の第２は、請求項１に記載された摺動子アセンブリ（１４）において、支持体（１３）における摺動子（１２）の突き出し量が０．８ｍｍ以下であることを特徴とする。
突き出し量を小さくすれば小さいほど、モーメント変動量Ｍ＝ΔＦｈを小さくすることができるため、摩擦誘起振動を抑圧する点では有利である。しかし、突き出し量が小さすぎると、作業中や測定中に支持体（１３）が試料（１１）と接触したり、摺動子（１２）の位置決めの確認が困難になったりするなど、作業性が悪くなる。このため、作業性の観点からは、ある程度突き出し量が大きいほうが好都合である。このため、突き出し量を０．８ｍｍまで大きく設定しても、本摺動子アセンブリ（１４）の有効性が損なわれることなく、安定かつ高精度の測定が可能となる。
【００２５】
本発明の第３は、測定対象物である試料（１１）との間の相互作用力あるいは摩擦力を測定するための、摺動子（１２）と摺動子（１２）を支持するための支持体（１３）とを有する摺動子アセンブリ（１４）の製造方法であって、試料（１１）と接触する摺動子（１２）と摺動子（１２）を支持する弾性を有する支持体（１３）とを、
摺動子（１２）を支持する支持体（１３）の一端側に、摺動子（１２）が通り抜けできないような貫通穴（１５）を設け、支持体（１３）の、試料（１１）と接触する側と反対側に、摺動子（１２）の一部が貫通穴（１５）を介して試料（１１）側に突き出して、先記試料（１１）と接触するように、摺動子（１２）を貫通穴（１５）に固定することにより製造することを特徴とする摺動子アセンブリ（１４）の製造方法である。
【００２６】
このような摺動子アセンブリ（１４）の製造方法によれば、第１の発明に係る摺動子アセンブリ（１４）の特徴を有する摺動子アセンブリ（１４）を製造することができる。
本発明の第４は、測定対象物である試料（１１）との間の相互作用力あるいは摩擦力を測定するために用いられる摩擦力測定装置（１０）であって、請求項１又は請求項２に記載の摺動子アセンブリ（１４）と、摺動子アセンブリ（１４）が固定され、かつ、摺動子アセンブリ（１４）に印加される摩擦力によって変形する起歪体（１６）と、起歪体（１６）の変位を測定する変位センサ（１８）と、を備えたことを特徴とする摩擦力測定装置（１０）である。
【００２７】
このように測定部品を配列することによって、低速条件から高速条件の範囲にわたって、摺動子アセンブリ（１４）にかかる摩擦力を安定かつ高精度の測定することが可能となる。
【００２８】
本発明の第５は、請求項１に記載された摺動子アセンブリ（１４）において、上記の貫通穴（１５）が四角形であり、摺動子（１２）が円筒凸レンズ状であり、円形の貫通穴（１５）の内側の対向する二つの辺が、円筒凸レンズ状摺動子（１２）の円筒表面と係合し、貫通穴（１５）の残りの二つの辺が、円筒凸レンズ状摺動子（１２）の側面と係合するように構成したことを特徴とする。
【００２９】
このような摺動子アセンブリ（１４）では、二つの相似形の摺動子アセンブリ（１４）を上下に対向して、かつクロス十字になるように配置することにより、接触面を解析が容易な円形に変形させることができるため、低速条件から高速条件の範囲にわたって、摩擦特性を安定にかつ高精度に解析することが可能となる。
【００３０】
本発明の第６は、請求項１に記載された摺動子アセンブリ（１４）において、支持体（１３）に開けた貫通穴（１５）の形状が円形であり、また、摺動子（１２）が中心軸に対して回転体（円錐体を含む）であり、両者を係合したときに、支持体（１３）の貫通穴（１５）と摺動子（１２）の表面とが全周にわたって係合することを特徴とする。
【００３１】
このような摺動子アセンブリ（１４）では、摺動子（１２）と貫通穴（１５）が軸対称であるため、任意の位置で摺動子（１２）を固定することができるため、摺動子（１２）の固定位置に注意を払う必要はなく、作業性が向上する。また両者の係合長が長いので、嵌め合わせた場合、あるいは接着固定した場合には、両者を強固に固定できるため、強い摩擦力の測定を可能となる。
【００３２】
本発明の第７は、請求項１に記載された摺動子アセンブリ（１４）において、支持体（１３）に開けた貫通穴（１５）の形状が多角形であり、また摺動子（１２）が多角錐体であり、多角錐体の表面が貫通穴（１５）の内側と係合するように構成したことを特徴とする。
【００３３】
このような摺動子アセンブリ（１４）では、摺動子（１２）の形状を変えて摩擦試験を行うときに、摺動子（１２）の位置を確認することができるため、常に同一の位置関係で摩擦試験を行うことが可能となり、摺動子（１２）の形状に依存した再現性の高い摩擦摩耗実験を行うことが可能となる。
【００３４】
本発明の第８は、請求項１に記載された摺動子アセンブリ（１４）において、摩擦力の作用方向に変位する変形体（以下起歪体（１６）とよぶ）を支持体（１３）に固定し、摺動子（１２）に作用する摩擦力によりこの起歪体（１６）を変形させ、起歪体（１６）の変位量を測定することにより、摺動子アセンブリ（１４）に作用する力の大きさを測定することを特徴とする。
【００３５】
請求項１に記載された摺動子アセンブリ（１４）を用いて、このように測定部品を配列することによって、低速条件から高速条件の範囲にわたって、摺動子アセンブリ（１４）にかかる摩擦力を安定かつ高精度の測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】測定対象物の２面間相互作用力あるいは摩擦力を測定するための原理図
【図２】走査型プローブ顕微鏡用摺動子の基本構造
【図３】表面力測定装置用摺動子の基本構造
【図４】本発明による摺動子アセンブリの実施形態の例
【図５】摺動子に作用する力およびモーメントの説明図
【図６】本発明による摺動子アセンブリの実施形態の例
【図７】従来の摺動子アセンブリの実施形態の例
【図８】本発明の効果を確認するために実施した振動測定の方法の説明図
【図９】従来の摺動子アセンブリを使用した場合に誘起される振動の測定結果
【図１０】本発明の摺動子アセンブリを使用した場合に誘起される振動の測定結果（摺動子の突き出し量ｈ＝０．８１ｍｍ）
【図１１】本発明の摺動子アセンブリを使用した場合に誘起される振動の測定結果（摺動子の突き出し量ｈ＝０．４１ｍｍ）
【図１２】従来の摺動子アセンブリと本発明の摺動子アセンブリを用いて測定した摩擦力の比較結果
【図１３】本発明の他の実施形態の例
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明が適用された実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明の実施の形態は、下記の実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採りうる。
［第１実施形態］
本発明を、一実施形態を取り上げて説明する。まず、本実施形態の摺動子アセンブリが用いられた測定装置について説明する。図４に示すように、本測定装置は、ボール状の摺動子１２とばね性をもつ支持体１３の組立体である摺動子アセンブリ１４を備えている。
【００３８】
この摺動子アセンブリ１４の上方に、摩擦力の測定対象である試料１１として磁気ディスクが配置されている。ばね性をもつ支持体１３の一端にボール状の摺動子１２が通り抜けできないような貫通穴１５を開けて、支持体１３の裏側から、摺動子１２をこの貫通穴１５に押し当てて、摺動子１２の一部がばね性をもつ支持体１３の表側に突き出るように構成されている。このとき、貫通穴１５の内径が摺動子１２の表面と接触して位置が固定される。
【００３９】
さらに、支持体１３の他端は、支持体１３の長手方向（＝摩擦力の作用方向）に変形する機能をもつ起歪体１６に固定され、この起歪体１６はアーム１７に固定されている。アーム１７上には、起歪体１６の変位を測定するための変位センサ１８が取り付けられている。センサ１８の出力信号は信号ケーブル１９を介して高周波信号を遮断するための高周波遮断フィルタ２０に接続されている。
【００４０】
この装置を作動させる方法は、まずアーム１７を上下方向に移動させて、摺動子１２の先端Ｂを、試料の下面Ａに接触させる。このとき、接触開始点から、さらに押し込むと支持体が撓む。撓み量を測定し、この撓み量にあらかじめ測定しておいた支持体１３のばね定数を掛け算することによって、負荷力を知ることができる。
【００４１】
つぎに、磁気ディスク１１を回転させると、摺動子１２の接触点Ｂに摩擦力が作用し、この摩擦力によって起歪体１６が変形する。この変形量を、変位センサ１８によって測定する。測定した起歪体１６の変位に起歪体のばね定数を掛け算することによって、接触点に作用している摩擦力を知ることができる。
【００４２】
本実施形態の摺動子アセンブリの有効性を確認するために、測定対象である試料として、磁気ディスク装置に使用されている磁気ディスクを用いて、摩擦力測定試験を実施した。使用した試験装置の構成は、基本的には図４と同じである。
【００４３】
本実施形態で用いた摺動子アセンブリの構造を図６に示す。支持体１３の先端に貫通穴を開け、ここに裏面からボール状の摺動子１２を押し当てて、摺動子１２の先端部が表面から突き出るように貫通穴１５の大きさを定め、支持体１３の背面から摺動子１２を支持体１３に接着固定した。
【００４４】
ボール状の摺動子１２は、光学ガラス（ＢＫ７）製で、直径は２ｍｍで、表面が光学用に研磨仕上げされたものである。（表面粗さは、Ｒａ＝１．６ｎｍ、Ｒｒｍｓ＝２．０ｎｍ、Ｒｍａｘ＝１０ｎｍ）。
【００４５】
摺動子１２先端部の突き出し量としては０．８１ｍｍ、および０．４１ｍｍの２種類を準備した。
支持体１３は、実用されている磁気ディスク装置の磁気ヘッドを保持している支持体１３の先端部２１を切断除去したものである。支持体１３の板厚は約０．１ｍｍで、支持体１３の有効長さは１１．５ｍｍ、支持体１３の板幅は付け根で約６ｍｍ、先端部で約３ｍｍである。
【００４６】
支持体１３の板の中央部分の幅の縁近傍２２を約９０度に折り曲げて剛性を高めておき、また支持体１３の板の付け根近傍２３で折り曲げておき、摺動子１２に負荷力を与えたとき、支持体１３の板が磁気ディスクに対しておおむね水平になるようにして使用した。支持体１３のばね定数は３３Ｎ／ｍであった。
【００４７】
本発明の有効性を確認するために摩擦試験に使用した従来型の摺動子アセンブリの実施例を図７に示す。
支持体１３としては、実用されている磁気ディスク装置の磁気ヘッドを保持している支持体をそのまま使用した。すなわち、図６において、先端部２１を切断除去しないものと同一である。ばねの有効長さは約１５ｍｍで、ばね定数は約２０Ｎ／ｍであった。
【００４８】
従来の方法を用いて、図７に示すように、支持体１３の先端の表面にボール状の摺動子１２を直接接着固定した。摺動子１２は、光学ガラス（ＢＫ７）製で、直径は１．５ｍｍで、表面が光学レンズ用に研磨仕上げされたものである（表面粗さは、Ｒａ＝６．１ｎｍ、Ｒｒｍｓ＝７．９ｎｍ、Ｒｍａｘ＝５２．９ｎｍ）。
【００４９】
摩擦試験に使用した試料１１は、直径が２．５インチの磁気ディスクであり、その表面には直鎖状分子構造をもつパーフロオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）系の潤滑剤Ｆｏｍｂｌｉｎ  Ｚｄｏｌ４０００の分子膜（厚さ：１．４８ｎｍ）を、ディップ法により塗布した。
【００５０】
摩擦測定の安定性を阻害する主要因が摩擦によって誘起される振動であるために、摺動子アセンブリの評価には、摩擦によって誘起される振動を測定した。
摺動子１２は支持体１３によって保持されているために、前記したように支持体１３には、面外方向の振動が卓越して発生する。また、この振動によって、起歪体には摩擦力に直接的には係わらない振動による変位が誘起される。このため、振動測定には図８に示すように、Ｅ方向から支持体１３の上下方向の振動（面外振動）を、またＦ方向から起歪体１６の左右方向の振動（面内振動）を測定した。
【００５１】
まず始めに、従来型の摺動子アセンブリにおける問題点を明らかにするために、図７に示した従来型摺動子アセンブリの振動特性の測定例を図９に示す。
この図において、左欄は支持体１３の面外振動、右欄は起歪体１６の面内振動、第１段目は、低速の場合（１ｒｐｍ＝２．１ｍｍ／ｓ）、第２段目は中速の場合（１０ｒｐｍ＝２１ｍｍ／ｓ）、第３段目は高速（１００ｒｐｍ＝２１０ｍｍ／ｓ）である。
【００５２】
各図は、振動の周波数分析を行った振幅の周波数スペクトラムであり、横軸は振動周波数ｆ、縦軸は振幅ａである。また、各図におけるパラメータは負荷力Ｐであり、赤線は負荷力がゼロ（Ｐ＝０：摺動子１２が試料１１であるディスクから分離している）、青線はＰ＝０．１６ｍＮ、緑線はＰ＝０．５６ｍＮ、黒線はＰ＝０．９６ｍＮの場合である。
【００５３】
支持体１３の面外振動について、低速の場合から説明する。図（ａ−１）に示す負荷力がゼロの場合には、摺動子アセンブリが試料１１であるディスク面から離れているので、片持ちはりの固定支持・自由端の振動モードが現れ、１次たわみ（約２００Ｈｚ）、１次ねじれ（約２．０ｋＨｚ）の振動が卓越して現れる。
【００５４】
しかし、負荷力を与えると、試料１１であるディスク面と接触して、ディスクの固有振動１．２ｋＨｚ、２．１５ｋＨｚの振動が支持体１３に伝達される。また固定支持・自由支持のモードに移行して、１次ねじれ（約１．７ｋＨ）、１次たわみ（約２．２ｋＨｚ）、２次ねじれ（４．３ｋＨｚ）、２次たわみ（７ｋＨｚ）が卓越して現れること、また、２．５ｋＨｚ以下の低周波領域では、負荷力には依存しないが、２．５ｋＨｚ以上の高周波領域では、負荷力の増大とともに、振幅が増大することがわかる。
【００５５】
つぎに同じ条件における起歪体の振動について説明する。図（ａ−２）に示す起歪体には、１．７ｋＨｚ、２．２ｋＨｚの振動が卓越して現れる。それぞれ、支持体１３の１次ねじれ、１次たわみによって誘起されたものと推察される。
【００５６】
また、振幅は、負荷が大きくなっても、振幅はほぼ一定であり、負荷の影響を受けないことがわかる。卓越して現れる１．７ｋＨｚ、２．２ｋＨｚの振動は、センサによって検知されて、摩擦力変動とは無関係な信号として、そのまま検知されることになる。
【００５７】
しかし、例えば、５００Ｈｚを遮断周波数とする高周波遮断フィルタを用いて、振動波形を遮断することによって、定常的な摩擦力を検出することができる。
つぎに、速度を１０ｒｐｍに高くした場合（図（ｂ−１）、図（ｂ−２））について説明する。支持体１３の振動については、負荷を与えた場合には、低速の場合と類似したスペクトラム波形が、大幅に増加していることがわかる。
【００５８】
とくに２次ねじれ（４．３ｋＨｚ）、２次たわみ（７ｋＨｚ）の増加が顕著である。一方、起歪体の振動（図（ｂ−２））については、１０ｒｐｍの場合とほとんど同じであることがわかる。すなわち、高周波遮断フィルタ２０を用いて、高周波の振動波形を遮断することによって、定常的な摩擦力を検出することができる。
【００５９】
さらに、速度を１００ｒｐｍまで高くした場合（図（ｃ−１）、図（ｃ−２））について説明する。
支持体１３の振動については、振幅が劇的に増大するとともに、負荷にも依存し、とくに軽負荷の場合には、全周波数にわたって、振幅が底上げされることがわかる。また、起歪体の振動についても、同様に振幅が増大し、この傾向は軽負荷の場合ほど、顕著であることがわかる。
【００６０】
すなわち、起歪体１６の運動は、摩擦力に対応したものではなくなり、支持体１３の振動に起因した運動が支配的になる。また、低周波領域の振幅も増大するため、高周波遮断フィルタ２０を用いたとしても、遮断することができない。すなわち、起歪体１６の変位を検出して摩擦力を測定することができなくなることがわかる。
【００６１】
つぎに、本発明の実施形態である図６の摺動子アセンブリを用いた場合の振動特性を図１０に説明する。これは、支持体１３の表面からの摺動子の突き出し量が、ｈ＝０．８１ｍｍの場合である。
【００６２】
図（ａ−１）に示す負荷力がゼロの場合には、摺動子アセンブリがディスク面から離れているので、片持ちはりの固定支持・自由端の振動モードが現れ、１次たわみ（約２００Ｈｚ）、１次ねじれ（約１．８ｋＨｚ）の振動が卓越して現れる。
【００６３】
しかし、負荷力を与えると、ディスクの固有振動１．２ｋＨｚ、２．１ｋＨｚの振動が支持体に伝達される。また、固定支持・自由支持のモードに移行して、１次ねじれ（約１．８ｋＨｚ）、１次たわみ（約２．１ｋＨｚ：ディスクの固有振動数と重なる）が卓越して現れ、また、２次たわみ（約６．４ｋＨｚ）にも弱い振動が現れる。負荷力を変えた波形が重なることから、負荷力には依存しないことがわかる。
【００６４】
つぎに同じ条件における起歪体１６の振動について説明する。図（ａ−２）に示す起歪体１６には、２．１ｋＨ、６．３ｋＨｚの振動が卓越して現れる。それぞれ、支持体１３の１次たわみ、２次たわみによって誘起されたものと推察される。
【００６５】
また、振幅は、負荷力が大きくなっても、振幅はほぼ一定であり、負荷力の影響を受けないことがわかる。卓越して現れる２．１ｋＨｚ、６．３ｋＨｚの振動は、センサによって検知されて、出力信号に現れることになるが、例えば、例えば、５００Ｈｚを遮断周波数とする高周波遮断フィルタ２０を用いて、遮断することができるため、定常的な摩擦力を安定に検出することができる。
【００６６】
つぎに、速度を１０ｒｐｍに高くした場合（図（ｂ−１）、図（ｂ−２））について説明する。
図（ａ−１）と図（ｂ−１）を比較すればわかるように、負荷力を付与した場合の振幅が増大しているが、波形自体には大きな変化がないことがわかる。一方、起歪体１６の振動（図（ｂ−２））については、１０ｒｐｍの場合とほとんど同じであることがわかる。すなわち、高周波遮断フィルタ２０を用いて、振動波形を遮断することによって、定常的な摩擦力を安定に検出することができる。
【００６７】
さらに、速度を１００ｒｐｍに高くした場合（図（ｃ−１）、図（ｃ−２））について説明する。３ｋＨｚ以下の低周波数領域においては、振幅に大きな変化はないが、３ｋＨｚ以上の高周波数領域においては、周波数とともに振幅が増大し、高周波数になるほど増大量が大きいことがわかる。
【００６８】
一方、起歪体１６の振動（図（ｃ−２））については、１ｒｐｍ、１０ｒｐｍの場合とほとんど同じであることがわかる。すなわち、高周波遮断フィルタ２０を用いて、高周波数の振動を遮断することによって、定常的な摩擦力を検出することができる。
【００６９】
以上の実験によって、本発明の摺動子アセンブリを用いることによって、高速の場合（１００ｒｐｍ＝２１０ｍｍ／ｓ）にも、摩擦力とは直接関連しない低周波の振動が起歪体に誘起されることが抑制されたことがわかる。このため、本発明の摺動子アセンブリを用いれば、高周波遮断フィルタ２０を利用して、定常的な摩擦力を測定することが可能となる。
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態として、ボール状の摺動子１２の突き出し量をｈ＝０．４１ｍｍとした場合の振動特性を図１１において説明する。
【００７０】
摺動子１２の突き出し量がｈ＝０．４１ｍｍの場合の図１０と図１１を比較すると、各速度において、支持体のスペクトラム波形、起歪体のスペクトラムともに、ほとんど同じであることがわかる。
【００７１】
すなわち、摺動子１２の突き出し量をｈ＝０．４１ｍｍの場合にも、摺動子１２の突き出し量をｈ＝０．８１ｍｍの場合と同様に、高周波遮断フィルタ２０を用いて、高周波数の振動を遮断することによって、定常的な摩擦力を安定に検出することができる。
【００７２】
図５を用いて説明したモーメント変動の理論的な考察より、突き出し量ｈが小さいほど、モーメント変動の影響が小さいことがわかっており、振動抑圧という観点からは、突き出し量ｈは小さいほど有利である。一方、突き出し量ｈを小さくすると、支持体１３が試料１１であるディスクと接触しやすくなり、パラメータ変更や操作ミスによる接触損傷の危険性が増大する。
【００７３】
これを回避するためには、振動抑圧に十分の効果を発揮できる範囲内で、突き出し量ｈをできるだけ大きくするほうが、操作性や作業性の観点から好都合である。
すなわち、突き出し量の上限値を規定することは、実用上からは有用である。図１０と図１１の結果を勘案すれば、突き出し量を少なくともｈ＝０．８１ｍｍより小さくすれば、振動抑圧には十分な効果があり、定常的な摩擦力を安定に検出することができる、と結論つけることができる。このため、突き出し量の上限値として、ｈ＝０．８ｍｍを規定することができる。
【００７４】
従来の摺動子アセンブリと本発明の摺動子アセンブリを用いて、摩擦力測定を行い、その有効性を確認した結果を図１２に示す。この図において、図（ａ）は、従来の摺動子アセンブリによる結果、図（ｂ）は、本発明の摺動子アセンブリによる結果である。横軸はディスクの速度、縦軸は測定した摩擦力の大きさである。また、パラメータは負荷力の大きさである。
【００７５】
両者を比較すれば明瞭にわかるように、従来の摺動子アセンブリを用いた場合には、ばらつきが大きく、測定が不安定であること、負荷力が小さい場合には、速度の上昇にともない摩擦力が減少するという境界潤滑としては特異な特性が擬似的に観測されていることなど、測定の信頼性が疑問視される結果になっている。
【００７６】
一方、本発明の摺動子アセンブリを用いた図（ｂ）では、速度の上昇とともに、摩擦力がほぼ一様に上昇し、また、パラメータである負荷力の増大に対しても、ほぼ一様に増大する関係が測定され、ばらつきもほとんどないことがわかる。
【００７７】
これらの比較から、本発明の摺動子アセンブリは、測定が困難な軽荷重条件や、振動の影響を受けやすい高速条件においても、安定に摩擦力を測定できる優れた性能をもっていることがわかる。
【００７８】
以上、実際の測定結果に基づいて、摩擦力測定の場合について本発明の効果を説明した。本発明は、支持体の振動抑圧に顕著な効果を発揮するため、振動の加振源が、摩擦力に限らず、相対運動を発生させるための運動機構、あるいは外部から伝達される外乱などによって誘起される振動に対しても、有効であることは自明である。
【００７９】
このため、摩擦力測定の場合に限らず、凝着力、表面力、分子間力などの２面間の相互作用力の測定用の摺動子（チップ）として使用しても、その効果が発揮されることは、自明である。すなわち、本発明の用途は、摩擦力を含めて、一般的に２面間の相互作用力の測定に拡張できることは、論をまたない。
［その他実施形態］
本発明のその他の実施形態について図１３に基づき説明する。図１３（ａ）は摺動子が円筒面の摺動部をもつ実施形態である。
【００８０】
円筒面をもつ摺動子３２とばね性をもつ支持体３３の組立体である摺動子アセンブリ３４を備えている。この摺動子アセンブリ３４の下方に、相互作用力あるいは摩擦力の測定対象である試料１が配置されている。
【００８１】
支持体３３の一端に円筒面が通り抜けできないような貫通矩形穴３５を開けて、支持体３３の上側から、円筒面摺動子３２をこの貫通穴３５に押し当てて、円筒面の一部が支持体３３の下側に突き出るように構成されている。このとき、貫通矩形穴の対向稜が円筒面の表面と接触して位置が固定される。
【００８２】
図１３（ｂ）は摺動子が円錐面の摺動部をもつ実施形態である。円錐面をもつ摺動子４２とばね特性をもつ支持体４３の組立体である摺動子アセンブリ４４を備えている。
この摺動子アセンブリ４４の下方に、相互作用力あるいは摩擦力の測定対象である試料１が配置されている。支持体４３の一端に円錐面が通り抜けできないような円形貫通穴４５を開けて、支持体４３の上側から、円錐摺動子４２をこの貫通穴４５に押し当てて、円錐面の一部が支持体の下側に突き出るように構成されている。このとき、円形貫通穴４５の内周が円錐面の表面と接触して位置が固定される。
【００８３】
図１３（ｃ）は摺動子が三角錐面の摺動部をもつ実施形態である。三角錐面をもつ摺動子５２とばね性をもつ支持体５３の組立体である摺動子アセンブリ５４を備えている。
この摺動子アセンブリ５４の下方に、相互作用力あるいは摩擦力の測定対象である試料１が配置されている。支持体５３の一端に三角錐面が通り抜けできないような三角形貫通穴５５を開けて、支持体５３の上側から、三角錐摺動子５２をこの貫通穴５５に押し当てて、三角錐面の一部が支持体５３の下側に突き出るように構成されている。このとき、三角形貫通穴５５の内側の稜が三角錐面の表面と接触して位置が固定される。
【００８４】
図１３（ｄ）は摺動子が四角錐面の摺動部をもつ実施形態である。四角錐面をもつ摺動子６２とばね性をもつ支持体６３の組立体である摺動子アセンブリ６４を備えている。
この摺動子アセンブリ６４の下方に、相互作用力あるいは摩擦力の測定対象である試料１が配置されている。支持体６３の一端に四角錐面が通り抜けできないような四角形貫通穴６５を開けて、支持体６３の上側から、四角錐摺動子６２をこの貫通穴に押し当てて、四角錐面の一部が支持体６３の下側に突き出るように構成されている。このとき、四角形貫通穴６５の内側の稜が四角錐面の表面と接触して位置が固定される。
【００８５】
なお、図には詳述しないが、一般的には、支持体に貫通穴を開けて、この貫通穴を通り抜けできないような摺動子を用いれば、摺動子を押し当てる側と反対側に摺動子の一部を突き出させることが可能となるため、本発明は、摺動子の形状に係わらず、適用することが可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００８６】
１、１１  試料
２、２’、２”、１２、  ３２、４２、５２、６２  摺動子
３、３’、３”、１３、  ３３、４３、５３、６３  支持体
４、４’、４”、１４、  ３４、４４、５４、６４  摺動子アセンブリ
１５、  ３５、４５、５５、６６  貫通穴
１６  起歪体
１７  アーム
１８  変位センサ
１９  信号ケーブル
２０  高周波遮断フィルタ
２１  支持体の先端部
２２  支持体の幅縁近傍
２３  支持体の折り曲げ部
【図１】
2014052255.tif 000003
【図２】
2014052255.tif 000004
【図３】
2014052255.tif 000005
【図４】
2014052255.tif 000006
【図５】
2014052255.tif 000007
【図６】
2014052255.tif 000008
【図７】
2014052255.tif 000009
【図８】
2014052255.tif 000010
【図９】
2014052255.tif 000011
【図１０】
2014052255.tif 000012
【図１１】
2014052255.tif 000013
【図１２】
2014052255.tif 000014
【図１３】
2014052255.tif 000015