(57)【要約】【課題】    機械用油、脂肪酸、液晶等の非導電性液体に係わる特性を、圧力の印加や周囲の温度等実使用状態と同様な条件下で、評価できる方法及び評価装置を提供する。【解決手段】固体間に挟まれた非導電性液体の評価方法において、金属球２と半導体板１の間に該液体４を薄く挟みこみ、薄膜とされた該液体に加重物６によって圧力をかけ、半導体レーザ９、対物レンズ１０を用いて該半導体板１に光を照射することで発生する光励起電子が、該半導体板から薄膜とされた該液体を越えて金属固体へと移動する際の電流値を、微小電流計３によって測定する。さらに、本装置は恒温槽１２内に設置されており、実使用状態と同様な条件下で、薄膜とされた該液体の安定性等の特性を評価することができる。【選択図】  図１
2006300710.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体間に挟まれてなる非導電性液体の評価方法において、非導電性液体を金属固体と半導体の間に挟んで薄膜とし、該半導体に光を照射することで発生する光励起電子が、該半導体から非導電性液体薄膜を越えて金属固体へと移動する際の電流値を測定することによって、該非導電性液体の特性を調べることを特徴とする非導電性液体の評価方法。
（複数の固体間の接触面にはさんだ液体のトライボロジー特性を調べる検査法において、該固体間の真実接触面における該液体の分子層としての安定性を、静的に配置した固体間真実接触面を流れるトンネル電流が一定に保たれる時間の長さの統計的特性から評価することを特徴とする検査方法。）
【請求項２】
前記接触点への圧力及びその周囲の温度を制御することを特徴とする特許請求範囲第1項記載の非導電性液体の評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体間の接触面において、実際に固体同士が力を及ぼしあうほどに接触している領域である真実接触面に存在する非導電性液体(機械用油、脂肪酸、液晶等)薄膜の安定性等を評価する方法、及びその接触圧力や周囲の温度を変えることで、それら薄膜特性の変化を測定する方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
境界潤滑や混合潤滑等の潤滑状態は、大きな力の掛かる機械のしゅう動部や回転部、圧延部などに存在し、その潤滑特性を評価することは、機械の高性能化、高寿命化を図るために重要な因子である。またプレスや圧延等の高圧下での塑性加工において潤滑特性は表面粗さを決める重要な因子であり、適切な潤滑油剤の評価が精密な加工面を得るための鍵となっている。そのため従来から、液体全体の粘性や酸化度合いの評価の他に、動的な固体間接触下での潤滑液体の性能を評価する手法として数多くの摩擦試験法が考案されてきた。例えば、非特許文献1のJIS規格K2519では曽田式４球試験機が、非特許文献2のASTM規格D4172ではシェル式４球試験機が、非特許文献3のASTM規格D2782ではチムケン試験機が提案されており、また特許文献1では接触熱起電力を測定するなどして潤滑液体の境界潤滑や混合潤滑での特性評価が行われている。
【０００３】
一方、機械要素に致命的な欠損を生じさせるのは、一般に焼き付きや摩耗などの固体間の真実接触面における境界潤滑における挙動であり、境界潤滑の環境下での潤滑液体の性能を評価することは重要である。潤滑液体の性能は、微量な添加剤にも大きく影響され、脂肪酸や硫化モリブデンの添加による潤滑性能の向上が観察されている。また近年は、液晶等の新たな潤滑液体の模索も続けられており、より適した潤滑液体の選択には、工業的により重要となる境界潤滑の環境下での潤滑液体の評価法の開発が重要となってきている。
【０００４】
【特許文献１】特開平10-026581号公報
【０００５】
【非特許文献１】曽田式４球試験機、JIS規格K2519
【非特許文献２】シェル式４球試験機、ASTM規格D4172
【非特許文献３】チムケン試験機、ASTM規格D2782
【非特許文献４】Becker T. and Mugele F., Physical Review Letters, 91巻16号（2003）p.166104
【非特許文献５】小竹茂夫、桜田寛、鈴木泰之、妹尾允史, 日本機械学会論文集, 65C-632 (1999) 1677-1683
【０００６】
他方、近年の固体間に挟まれた数原子層の液体の挙動が研究されており、この成果として、長鎖状分子からなる液体は、固体間の接触面において分子層を作ることが報告されている。この分子層はその層数の整数倍で安定であり、層数を反映させた物性は、量子的に変化する。例えば、非特許文献４では、半円筒のガラスに挟まれた潤滑液体の光の透過率の変化を測定し、透過率が量子的に変化する様子を報告している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、固体間接触面には、液体膜分子が数分子層しか存在しない境界潤滑の他に、流体潤滑の状態も共存しているため、従来の摩擦試験法では混合潤滑での液体の潤滑特性を調べることになり、純粋に固体間の真実接触面における境界潤滑状態での潤滑液体の性能を調べることはできなかった。また動的測定であるため、固体間接触面の液体膜分子は経時的に大きく変動を受け、静的状態で表れる分子膜本来の特性を評価することができなかった。
【０００８】
そこで、本発明の固体間の真実接触面における非導電性液体の評価方法及び装置は、そのような従来の方法が有する問題点を解決するために考えられたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、固体間の真実接触面における非導電性液体(機械用油、脂肪酸、液晶等)の安定性の評価方法において、非導電性液体を挟み静的に接触させた半導体と金属の間に半導体側からバンドギャップ以上のエネルギーを持つ光を照射することにより、該固体間に電圧を生じさせ、その際、電子のトンネル現象により固体間真実接触界面を流れるμAからnAオーダーの電流を微小電流アンプにより検出し、その時間変化を測定するもので、電流が一定時間安定に保つ時間の平均や分散等の統計的値の接触圧や温度に対する変化を測定することを特徴とする。又、その評価方法において、固体間の接触圧力や非導電性液体を挟んだ該固体の温度を一定に保持することを特徴とする。さらに、数百秒から数十時間に渡り固体間の接触圧力や非導電性液体を挟んだ該固体の温度を、任意の圧力や任意の温度に制御することを特徴とする評価装置である。二つの固体の一方は、例えば鉄などの金属であり、またもう一方の半導体とは、ドーピングされたシリコン（Si）単結晶基板やガラス基板上のゲルマニウム（Ge）蒸着膜などを指す。又、真実接触面における非導電性液体とは、例えば、潤滑油等の機械油、脂肪酸、及び液晶等の液体であり、本発明のように、固体間の界面で薄膜を構成して、一次元、もしくは二次元に広がった分子鎖となる場合が多い。又、微小電流アンプとは、例えばオペアンプなどの回路により、μAからnAオーダーの電流を検出可能な電圧に変換する電流-電圧変換機能を持つものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明の固体間の真実接触面における非導電性液体の安定性の評価方法によれば、液体を挟んだ固体間を流れる電流が一定に保たれる時間の平均値の変化から、固体間界面の真実接触面において境界潤滑状態にある液体が数分子厚の潤滑膜の層を作り、この安定性を明らかにすることができる。これにより従来の摩擦試験法では分離できなかった固体間の混合潤滑のうち真実接触面における該液体の境界潤滑特性を独立に評価することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１に示すように、接触させる半導体板１をステージ１３に乗せ、その上にもう一方の金属球２を置き、さらにこれらの上に乗せた加重物６等により一定荷重で接触させる。この際、半導体板１は表面の自乗平均粗さを数十nm以下に十分に研磨した板状の試料を用い、もう一方は、針状、又は球状の形態をとる金属球２を用い、真実接触点を接触点近傍の領域に限定させる。
【００１２】
アンプにより増幅された電圧信号は、A/D変換器を通してコンピューターに記録させるが、その際、サンプリング時間は、液体の平均安定時間の数百分の一以下とし、全測定時間は液体の平均安定化時間の数十から数百倍以上とする。これにより十分に信頼性のある液体の安定化時間の統計的情報を得ることができる。
【００１３】
液体を挟み込んだ接触固体は、全体が恒温槽１２に設置されており、接触部の温度が一定に保たれるように制御されている。これら温度と固体間にかける荷重を変化させたり、液体に添加物を混ぜるなどの操作をすることにより、液体の安定化時間のそれらのパラメーターによる変化を得る。
【実施例】
【００１４】
本発明の固体間の真実接触面における非導電性液体の安定性の評価方法を以下に記す。接触固体の材料としては、直径8ｍｍの鋼鉄球２と0.4ｍｍ厚、直径50ｍｍのSi単結晶板１を用いる。Si単結晶板１は少なくとも片面が光学研磨されており、自乗平均粗さを数十nm以下に十分に研磨した板状の試料を用いる。これらの試料を図1に示すように、Si単結晶板１を位置の微調整（二次元方向）をするため、ステージ１３上に乗せ、Si単結晶板１の光学研磨面上に鋼鉄球２を乗せ、上から10〜150ｇの荷重を掛ける。ステージ１３には後述する光を導入するための直径10mmの穴が開いており、Si単結晶板１はこの穴を覆うように配置する。両固体は接触点を除いて絶縁されており、鋼鉄球２から取った電極とSi単結晶板１から取った電極を微小電流計３に接続することにより、両固体間を流れるnAオーダーの微小電流を測定する。こうしてセットした固体間試料の接触点に今回測定する潤滑油等の液体を数滴垂らし、その後、装置ごと均一の温度に保たれた恒温槽１２に配置する。
【００１５】
次に、ステージ１３の真下より、Si単結晶板１と上記液体との接触面とは反対側の面に向けて、波長780nm、強度50mWの半導体レーザ9より出射した光を照射させる。レーザ光源は恒温槽１２の外側に配置し、恒温槽１２の窓から光を導入し、ミラー等で照射位置を調整し、拡大倍率10倍の対物レンズ１０により、Si単結晶板１の当該面に光を集光させるようにステージ13をz方向に調整する。固体間を流れる電流量は以下の理由により照射位置に依存するため、xyzステージ１１により照射点と接触点の位置を最大の電流値が流れるように微調整し、接触点真下を照射させる。
【００１６】
集光されたレーザ光は、エネルギーがSiのバンドギャップよりも大きいため、光によってSi単結晶板裏面の電子が荷電子帯から伝導帯に励起され、Si単結晶板全体に拡散する。このような光によって励起された電流を光誘起電流と呼ぶ。励起された伝導帯上の電子は、荷電子帯上の電子空孔と再結合し、Si単結晶板内部を拡散するに従って徐々に減少する。この時、半導体と金属の真実接触点が光の照射点に近い場合には、接触点に届いた励起電子は、トンネル効果により真実接触点の非導電性液体の境界潤滑層を越えて金属側へと透過し、液体を挟んで二つの固体間を流れる電流となる。また励起された電子で金属に透過できなかったものは、電子空孔と再結合して消滅することから、金属-半導体界面での接触状態が電流量を決めることになる。これは普通に電圧を印加した場合には得られない特性である。
【００１７】
半導体-金属界面の接触点を通過する光誘起電流のトンネル確率は、真実接触点における液体の境界潤滑膜厚により指数関数的に減少するため、電流は液体の作る分子層の層数の変化によるÅオーダーの固体間の接触距離の変化も十分に測定可能となる。
【００１８】
また半導体-金属界面の接触点を通過する光誘起電流のトンネル確率は、電子の持つエネルギー準位の増加に伴い、指数関数的に大きくなるため、計測される電流は光により伝導帯に励起された電子のみからなる。よって周期的な光照射下で電流を位相検波することにより、微小電流のノイズを大幅に減少させることも可能である。
【００１９】
一方、二つの固体間に掛かる電圧は半導体-金属界面間のショットキー障壁の作る表面準位に依存し、半導体のn型、p型の不純物半導体の種類や金属の仕事関数とも関係するが、ここでは電流の経時変化のみを必要とするため、大きな問題とはならない。
【００２０】
こうして得られた二つの固体間の真実接触点を流れる電流は、図２に示すようにある時間一定値をとり、その後急激に変化して、再び一定値をとるような階段状の変化を示す。これは潤滑油など、長鎖状分子からなる液体では広く確認され、液晶のような液体においても同様な傾向が見られる一般的な現象であり、この傾向は時間が経過しても変わることはなかった。
【００２１】
一方、図３に示すように、同じ実験における結果を時間スケールを伸ばして電流の長時間にわたる変化を見た場合、階段状の変化が増加と減少方向にランダムに起こっており、この一定の電流値を保つ保持時間の逆数である遷移確率は、図４に示すように、ポアソン分布に従い、この遷移が極めてまれにしか起こらないことを意味していた。
【００２２】
非特許文献４でも報告されているように、固体間の接触面において長鎖状分子からなる液体は層数の整数倍で安定となる分子層を作ることが知られており、ある分子層から別の分子層への変化は、極めてまれにしか起こらず、これにより真実接触面の液体分子層を流れる電流が階段状に変化するものと考えられる。
【００２３】
よって一定の電流値を保つ保持時間の逆数である遷移確率は、固体間真実接触界面に存在する境界潤滑状態の液体の分子層の遷移確率を意味し、遷移確率が小さいほど安定な分子層であることを示唆する。
【００２４】
この電流が一定値を示す保持時間やその逆数である遷移確率は、液体の種類に大きく依存し、図３に示したように、n-デカンでは保持時間が100秒程度であるのに対し、図５に示すように5CB（ペンチルシアノビフェニル）液晶では10000秒以上と２桁の大きな変化を示す。これは液晶が分子間の相互作用が強い液体であり、強調現象により、分子層がより安定化するためと考えられる。
【００２５】
またn-デカンにステアリン酸等の脂肪酸を微量に添加した場合には、図６に示すように、遷移確率の減少が見られる。これは固体間真実接触界面に存在する液体の分子層が、脂肪酸により安定化したことを示唆し、一般的な潤滑油に対する脂肪酸の効果と一致する。これらの結果から、固体真実接触界面の液体の作る分子層の安定性は、本発明による測定法により、定量的に評価できることが分かる。
【００２６】
一方、図６に示すように、分子層の遷移確率は温度に依存し、温度の上昇に伴って増加する。これは境界潤滑状態の分子層の遷移確率が熱揺らぎによって増加するためと考えられ、温度による変化をアレニウス・プロットすることにより、該液体の境界潤滑状態における分子層の各層間の遷移における活性化エネルギーを求めることができる。従来、境界潤滑における分子層の活性化エネルギーを求める評価法は見当たらず、液体の潤滑等の性能評価に有益であると考えられる。
【００２７】
また液晶等の相転移を示す液体の遷移確率は、転移温度で急激に不安定になるλ転移などの特徴ある変化を示し、接触圧による変化も見積もれることから、一軸応力の掛かる液晶等の相転移の様子など、液体のトライボロジーへの応用の評価にも有益であると考えられる。
【００２８】
他方、分子層の遷移確率は、接触荷重の増加により、大きく減少する。図７に示すように、液晶の場合、その効果は顕著である。機械のしゅう動部や回転部、圧延部や切削用油剤など大きな力の掛かる面における潤滑油の圧力特性を評価することは重要であり、極圧状態における添加剤の添加による分子層の安定性などが評価可能となる。また圧力による遷移確率の変化から、各分子層間の結合エネルギーを見積もることもできることから、従来の手法では得られなかった境界潤滑状態の液体の評価が可能となる。
【００２９】
本実施例では、固体間の接触圧力を上に掛ける荷重を変化させることにより、接触
圧力を変化させていたが、重りの代わりに磁気力を利用することも可能であり、一方
の固体試料に取り付けた鉄心の周りの電磁石等に与える電流により接触圧を経時的に
変化させることも可能である。
【００３０】
また、光誘起電流による固体間真実接触面での電気伝導は光の照射点近傍に限定されるため、半導体と金属の双方共板状の試料を用いることもできる。この場合、レーザの2次元（xy方向）走査により電流の極大値から真実接触点を見つける必要がある。
【００３１】
また本実施例では、固体の表面粗さが影響して真実接触界面が複数存在し、計られる遷移確率は複数の接触点が遷移する現象を重ね合わせて評価していることから、図８で示すように表面にマイカ板を巻き付けた半円柱状のシリンダーレンズを垂直に接触させ、原子的に平滑な接触界面を作り、真実接触面を1点に限定させることにより、より精密に遷移確率を評価することもできる。この際、半円柱状のシリンダーレンズの一方に、金などの金属を蒸着したマイカを用い、もう一方にGeなどの半導体を蒸着したマイカを巻き、用いる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明による固体間の真実接触面における非導電性液体の評価方法を用いると、機械用油（エンジン等駆動機械用の駆動系潤滑油、トラクション油、油圧ポンプ、圧延機械等の圧力機械に用いる圧縮機油、油圧作動油、工作機械用の工作機械用潤滑油、機械加工油、切削油、歯車・ギヤ・ベアリング等機械部品に用いるギヤ油、他、潤滑を目的とするグリース等の潤滑油）等の境界潤滑時における真実接触界面の分子層の安定性を評価することで、摩擦・摩耗等のトライボロジーに関する特性評価やプレス加工や圧延加工における加工面粗さの制御に関する性能評価に極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】実験装置の概略図である。
【図２】本発明により測定されたSi単結晶板と鋼鉄球に挟まれたn-デカンを流れる電流の時間的変化を示した図である（横軸の幅は200秒）。
【図３】本発明により測定されたSi単結晶板と鋼鉄球に挟まれたn-デカンを流れる電流の長時間にわたる時間的変化を示した図である（横軸の幅は5000秒、図２と同じ条件）。
【図４】本発明により測定されたSi単結晶板と鋼鉄球に挟まれたn-デカンを流れる電流が示す平均遷移確率の頻度とこれに合うポアソン分布を示した図である。
【図５】本発明により測定されたSi単結晶板と鋼鉄球に挟まれた5CB（ペンチルシアノビフェニル）液晶を流れる電流の時間的変化を示した図である（横軸の幅は50000秒）。
【図６】本発明により測定されたSi単結晶板と鋼鉄球に挟まれたn-デカンとステアリン酸を添加したn-デカンを流れる電流が示す平均遷移確率の温度による変化を示した図である。
【図７】本発明により測定されたSi単結晶板と鋼鉄球に挟まれた5CB液晶を流れる電流が示す平均遷移確率の接触荷重による変化を示した図である。
【図８】本発明の実施の一形態において、真実接触面を一点にするために配置を工夫した半導体と金属の接触部を示した図である。
【符号の説明】
【００３４】
1  半導体板
2  金属球（鋼鉄球）
3  微小電流計
4  非導電性液体
5  金属棒
6  荷重物
7  ガイド
8  絶縁管
9  半導体レーザ
10 対物レンズ
11  xyzステージ
12  恒温槽
13      
ステージ
14      
電流が一定値を示す領域
15      
階段状の電流の変化
16      
半円筒状のシリンダーレンズ
17      
半導体を蒸着したマイカ板
18      
金属を蒸着したマイカ板
【図１】
2006300710.tif 000003
【図２】
2006300710.tif 000004
【図３】
2006300710.tif 000005
【図４】
2006300710.tif 000006
【図５】
2006300710.tif 000007
【図６】
2006300710.tif 000008
【図７】
2006300710.tif 000009
【図８】
2006300710.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成17年4月27日(2005.4.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
固体間に挟まれてなる非導電性液体の評価方法において、非導電性液体を金属固体と半導体の間に挟んで薄膜とし、該半導体に光を照射することで発生する光励起電子が、該半導体から非導電性液体薄膜を越えて金属固体へと移動する際の電流値を測定することによって、該非導電性液体の特性を調べることを特徴とする非導電性液体の評価方法。