(57)【要約】【課題】表面粗さが所望の粗さであり、かつ、平均突起高さも小さい摺動子を得る。【解決手段】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に用いられる摺動子において、前記摺動子は、湾曲面を有するガラス製基材と前記基材の表面に形成されたカーボン膜とを備え、測定時に前記測定対象物に接触する測定領域での前記カーボン膜表面の平均面粗さ(Ra)が0.4nm以上5nm以下である。【選択図】図８
2012088229.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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に用いられる摺動子において、
前記摺動子は、湾曲面を有するガラス製基材と前記基材の表面に形成されたカーボン膜とを備え、
測定時に前記測定対象物に接触する測定領域での前記カーボン膜表面の平均面粗さ(Ra)が0.4nm以上5nm以下であることを特徴とする摺動子。
【請求項２】
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に用いられる摺動子の製造方法において、
球状の素材に対して不活性ガスクラスターイオンの照射を行い、
その後、前記素材とは異なる素材からなる膜を前記素材の表面に形成しつつ前記不活性ガスクラスターイオンの照射を行い、
更にその後、前記形成された膜に対して多原子分子ガスクラスターイオンの照射を行うことを特徴とする摺動子の製造方法。
【請求項３】
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に用いられる測定装置において、
測定時に前記測定対象物に一部が接触する摺動子と、前記摺動子を支持する支持ばねと、前記摺動子の変位を測定する変位測定手段とを備え、
前記摺動子として、請求項１に記載された摺動子を用いたことを特徴とする測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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に用いられる摺動子、及び摺動子の製造方法、及び測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハードディスクドライブ等に用いられる磁気ディスクにはパーフルオロポリエーテル（PFPE)等の液体潤滑剤が、膜厚1nm〜2nmの潤滑膜として塗布されている。このような極薄膜の潤滑膜では、潤滑剤中の分子の配列状態が摩擦摩耗特性に大きくかかわっている。そのため、潤滑剤中の分子の配列状態の影響が顕著と思われる低荷重における２面間力（例えば凝着力）や摩擦力を高精度に測定する必要がある。
【０００３】
これに関し、２面間相互作用力や摩擦力の精密測定は、特許文献１、非特許文献１、非特許文献２に示されているように、BK7と呼ばれる材質のガラス製球面摺動子が使用されている。そして、表面を原子間力顕微鏡（AFM、以下同じ）で測定して評価した場合における、平均面粗さ(Ra)が約0.6nm、最大粗さ(Rmax)が約5nmといった摺動子を用いて測定されている。このように通常のガラス製球面摺動子では、平均面粗さ(Ra)と最大粗さ(Rmax)の差が大きい。言い換えると、平均面粗さ(Ra)に対して平均突起高さが大きく、このことから、表面粗さがばらついていると言える。
【０００４】
また、近年、２面間に作用するカシミール力の測定が行われている。ここで、非特許文献３には、通常ではカシミール引力が作用するが、２固体表面とその間に介在する液体との組み合わせによってはカシミール斥力が発生することが記載されている。このようなカシミール力は非常に小さく、かつ、２固体表面の表面粗さの影響を強く受ける。このようなカシミール力の測定にも、直径数10μmから100μmのガラスビーズが利用される。このガラスビーズも広い意味では前記摺動子の一種であると言えるが、前記摺動子とは曲率半径等が異なるものとされている。このようなガラスビーズは市販されているが、その表面粗さは平均面粗さ(Ra)で１nmから3nmと、前記と同様にばらついている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１２８６９３号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Y. He, Y. Fujikawa, H. Zhang, K. Fukuzawa and Y. Mitsuya, "Evaluations of tribological characteristics of PFPE lubricants on DLC surfaces of magnetic disks”, Tribology Letters, Vol. 27, No. 1, July 2007
【非特許文献２】H. Zhang, Y. Mitsuya, Y. Fujikawa A A. Fuwa,Y. He, K. Fukuzawa, "Changes in Friction Properties of Monolayer Lubricant Films Induced by Development of Molecules' Bonding", Tribol Lett (2007) 28:163？170.
【非特許文献３】Federico Capasso, Jeremy N. Munday, Davide Iannuzzi, H. B. Ch, "Casimir Forces and Quantum Electrodynamical Torques: Physics and Nanomechanics", IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 13, NO. 2, MARCH/APRIL 2007, pp.400-414.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、前記ガラス製球面摺動子は、射出成型による方法や機械研磨による方法で製造される。そのため、どうしても製造ばらつきによる表面粗さのばらつきが大きくなる。つまり、平均突起高さが大きくなる。このようなガラス製球面摺動子を用いた摩擦力等の測定前には、試料表面とのなじみ試験を行い、表面をある程度磨耗させて、表面粗さのばらつきの影響を抑える工夫が必要であった。しかしながら、このようななじみ試験を行うと、摺動子表面に磁気ディスクの表面皮膜が磨耗粉となって付着したり、潤滑剤が付着したりする等の問題が生じる。摺動子表面に摩耗粉が付着した場合は、潤滑膜への接触面積が摩耗粉で変動するため、摩擦力の測定結果に影響を与える場合がある。そして、摺動子表面に潤滑剤が付着すると、摺動子と磁気ディスク間に存在する潤滑剤の量が多くなり、摩擦力の測定結果に影響を与える場合がある。このことから、測定を正確に行うためには、摺動子をあらかじめ表面粗さを測定に適した任意の粗さとしておくことが望ましい。しかしながら、機械加工で球面を加工して、その表面粗さが小さく、表面粗さのばらつき（平均突起高さ）も小さいものとすることは非常に困難である。
【０００８】
また、前記カシミール力の測定に用いられるガラスビーズの製造方法は、一般的に球状化手段として表面張力を利用する方法と、前記表面張力の利用に加えて物理的な外力も併せて利用する方法に大別することができる。表面張力のみを利用する前者の方法としては、予めガラス化されたカレットや原料造粒物等を火炎中に投入して浮遊させて球状化する間接法と溶融したガラスから直接球状に成形する直接法がある。一方、物理的な外力も利用する後者の方法には、カーボン内張のロータリーキルンに粉末ガラスを投入して加熱しながら回転することによってガラスビーズを成形する方法がある。この方法は、生成したガラスビーズの洗浄操作等を必要とするが、直接法よりは精度の高いガラスビーズが得られる方法である。ところが、これらのガラスビーズ製造において、その表面粗さに注意は払われていないため、製造されたガラスビーズの表面粗さ及び表面粗さのばらつき（平均突起高さ）が大きかった。
【０００９】
そこで本発明は、表面粗さが所望の粗さであり、かつ、平均突起高さも小さい摺動子を得ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１は、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に用いられる摺動子において、前記摺動子は、湾曲面を有するガラス製基材と前記基材の表面に形成されたカーボン膜とを備え、測定時に前記測定対象物に接触する測定領域での前記カーボン膜表面の平均面粗さ(Ra)が0.4nm以上5nm以下であることを特徴としている。
【００１１】
なお、本発明における平均面粗さ等の評価は、測定領域での前記カーボン膜表面を原子間力顕微鏡（AFM）で測定して行うものとする。
【００１２】
前記構成によると、測定領域でのカーボン膜表面の平均面粗さ(Ra)が、0.4nm以上5nm以下であることから、なじみ試験を行わない初期状態で、２面間相互作用力あるいは摩擦力の測定が可能である。
【００１３】
そして本発明の第２は、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に用いられる摺動子の製造方法において、球状の素材に対して不活性ガスクラスターイオンの照射を行い、その後、前記素材とは異なる素材からなる膜を前記素材の表面に形成しつつ前記不活性ガスクラスターイオンの照射を行い、更にその後、前記形成された膜に対して多原子分子ガスクラスターイオンの照射を行うことを特徴としている。
【００１４】
前記構成によると、不活性ガスクラスターイオンの照射を行い、その後に、前記素材とは異なる素材からなる膜を形成しながら前記不活性ガスクラスターイオンの照射を行い、更にその後に、前記形成された膜に多原子分子のガスクラスターイオンの照射を行うことにより、表面粗さが所望の粗さで、かつ、平均突起高さも小さい摺動子を形成できる。
【００１５】
そして本発明の第３は、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に用いられる測定装置において、測定時に前記測定対象物に一部が接触する摺動子と、前記摺動子を支持する支持ばねと、前記摺動子の変位を測定する変位測定手段とを備え、前記摺動子として、本発明の第１に係る摺動子を用いたことを特徴としている。
【００１６】
前記構成によると、本発明の第１に係る摺動子を用いた測定装置により、２面間の相互作用力または摩擦力の測定を高精度、かつ、再現性よく行うことができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、表面粗さが所望の粗さで、かつ、平均突起高さも小さい摺動子を得ることができたものである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】（Ａ）は測定装置の一例を示す概略図であり、（Ｂ）は摺動子を示す断面概略図である。
【図２】比較例２及び３、ならびに、実施例１〜５の摺動子の、加工前の球形レンズの表面粗さ測定結果を示す。
【図３】比較例１の平凸レンズの表面粗さ測定結果を示す。
【図４】比較例２の表面粗さ測定結果を示す。
【図５】実施例５の表面粗さ測定結果を示す。
【図６】ガスクラスターイオンの照射による平均面粗さの変化を示す。
【図７】ガスクラスターイオンの照射による平均突起高さの変化を示す。
【図８】摩擦力の摺動子平均面面粗さ依存性を示す。
【図９】摩擦力の摺動子平均突起高さ依存性を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明を、一実施形態を取り上げて詳細に説明する。
【００２０】
まず、本実施形態の摺動子が用いられる測定装置の一例について説明する。この測定装置は、図１に示すように、潤滑剤が塗布された磁気ディスク等の測定対象物Ｄの表面に接触する摺動子１を備えており、この摺動子１は板ばね等からなる支持ばね２によって変位測定手段３と連結されている。摺動子１の変位は支持ばね２によって変位測定手段３に伝えられ、この変位測定手段３に設けられたセンサによって変位が検出される。なお、変位測定手段３は、レーザー光線を摺動子１に照射することにより変位を検出するもの等であっても良い。
【００２１】
摺動子１はガラス製で、湾曲面、より詳しくは球状の表面を有している。本実施形態の摺動子１ではBK7と呼ばれる材質からなるガラス球が基材１１として用いられているが、基材１１の材質はこれに限られず、種々のガラスを用いることができる。更には、ガラスに限らず、ステンレス合金等を用いることもできる。また、本実施形態の摺動子１は、表面の全部が球状とされたガラス球とされているが、平凸レンズ等、表面の一部のみが球状であっても良い。具体的には、測定時に測定対象物Ｄに接触する（測定対象物Ｄ上の潤滑膜にのみ接触する場合も含む）部分を含む測定領域１ａにおける形状が球状とされていれば良い。本実施形態の測定領域１ａは、前記測定対象物Ｄに接触する部分が中央となる領域であって、当該領域における表面の曲率中心からの角度で２０°の広がりを持つ領域とされている。
【００２２】
また、前記「球状の表面」とは、厳密な球状、つまり、前記表面の全領域にわたって曲率が完全に一定である面が形成されたものまでは要求されず、前記測定領域１ａの中に最も突出した箇所（頂部）があり、その頂部を通る湾曲面が形成された程度で良い。よって、前記表面における断面形状の外縁が、円（真円）、楕円、放物線の各々一部であったり、曲率が刻々と変化する曲線である面でも良い。
【００２３】
基材１１の表面にカーボン（炭素）膜１２が形成されている。本実施形態の摺動子１では、基材１１表面の全面にカーボン膜１２が形成されているが、必ずしも全面である必要はなく、少なくとも測定領域１ａに形成されていれば良い。また、基材１１の表面に形成される膜の素材はカーボン（炭素）に限定されず、基材１１の素材とは異なる素材であれば良い。例えば、銅や鉄が挙げられる。
【００２４】
本実施形態では、測定領域１ａに形成されたカーボン膜１２の平均面粗さ(Ra)が、0.4nm以上5nm以下とされている。この平均面粗さ(Ra)は、0.4nm以上1.5nm以下とすることが望ましく、0.4nm以上0.8nm以下あるいは0.8nm以上1.5nm以下とすることがより望ましい。ちなみに、0.4nm以上0.8nm以下の数値範囲はフッ素系潤滑油（PFPE）の主鎖の太さに相当する粗さの範囲であり、0.8nm以上1.5nm以下の数値範囲はPFPEの単分子膜厚に相当する粗さの範囲である。
【００２５】
次に、カーボン膜１２を形成する具体的方法について述べる。まず、基材１１の表面に対し、不活性ガス原子が集合して塊状になったものがイオン化した不活性ガスクラスターイオン、具体的にはArガスクラスターイオンの照射を行う。なお、この不活性ガスクラスターイオンの照射前に、基材１１に機械加工や化学処理等の前処理を行っておいても良い。
【００２６】
前記の照射は、前記イオン化した不活性ガスクラスターイオンを加速電極の間に通すことでイオン粒子を加速してなされる。この照射は、基材１１における前記測定領域１ａとする予定位置に正対する方向で行うことが望ましい。この照射により、基材１１の表面が荒らされ、後に形成されるカーボン膜１２の基材１１への密着性を高めることができる。
【００２７】
その後に、基材１１の表面にカーボン膜１２を形成しながら、前記不活性ガスクラスターイオンの照射を引き続き行う。本実施形態では、Ｃ６０フラーレンを、例えばＣＶＤ法により蒸着させることによりカーボン膜１２が形成される。このようにカーボン膜１２を形成しながら不活性ガスクラスターイオンの照射を行うこと（アシスト照射）により、カーボン膜１２が不活性ガスクラスターイオンの衝突圧力に曝されながら基材１１上に形成されるため、カーボン膜１２の表面が踏み締められたようになり、緻密で耐磨耗性に優れたカーボン膜１２を形成することができる。このようにして形成されたカーボン膜を「タフカーボン」と言う（以下、実施例の記載ではこの表記を用いる）。
【００２８】
更にその後、前記のように形成されたカーボン膜１２に多原子分子のガスクラスターイオン、具体的にはN2ガスクラスターイオンの照射を行う。照射の要領は前記不活性ガスクラスターイオンの場合と同じである。このN2ガスクラスターイオンの照射により、カーボン膜１２のうち、少なくとも測定領域１ａにおける表面形状を整えることができる。そのため、カーボン膜の表面粗さを所望の粗さにすることができ、かつ、平均突起高さも小さくできる。多原子分子としては、N2以外に、例えばO2、CO2、NH3を挙げることができる。
【００２９】
次に、発明者が種々の条件で摺動子を製作して評価したので、下記に説明する。
【００３０】
まず、比較例２及び３、ならびに、実施例１〜５の摺動子の、下記加工前の状態として、半径1.5mmで材質がBK7の球面レンズ（市販品）からなる摺動子の表面を原子間力顕微鏡（AFM）で測定した結果を図２に示す。図２のうち左側に示したものがAFMによる画像であり、右側に示したものが前記画像の範囲内の表面の凹凸をグラフ化したものである。AFMによる画像上の輝点は突起を示している。同様に、比較例１として、直径５mm、厚み２mm、曲率半径約５mmで材質BK7からなる小型平凸レンズ（球面レンズの一種）の表面をAFM測定した結果を図３に示す。
【００３１】
図２に示した球面レンズの場合、平均面粗さ(Ra)が2.6nmであり、平均突起高さは約15nmであった（ただし、表１には記載していない）。そして、図３に示した平凸レンズの場合には平均面粗さ(Ra)が約1.4nmである。平均突起高さは約10nmであった。なお、図３のうち左側に示したものに線状に映っているのは、ガラス表面に加工時に発生した傷である。
【００３２】
比較例２は、前記の加工前球面レンズを基材とし、表１記載の条件にて、この基材の表面にArガスクラスターイオンを照射して得た摺動子である。比較例３は、前記と同じ基材の表面にArガスクラスターイオンを照射した後、更にN2ガスクラスターイオンを照射して得た摺動子である。なお、各ガスクラスターイオン照射の際の加速電圧は15keVとした。
【００３３】
Arガスクラスターイオンだけを照射した比較例２では平均面粗さ(Ra)は4.3nmとなり（表１参照）、比較例１の測定結果よりも平均面粗さ(Ra)の数値が増加している。AFMで測定した面形状を図４に示す。
【００３４】
比較例２の場合には、Arガスクラスターイオンを照射したことによる再付着現象で突起が形成され、これにより平均面粗さ(Ra)が増加したものと推定される。しかし、N2ガスクラスターイオン照射を追加した比較例３の場合には、平均面粗さ(Ra)が1.08nmとなっており（表１参照）、表面粗さが比較例２に比べて小さくなり、N2ガスクラスターイオン照射の効果が表れていると言える。
【００３５】
次に、実施例１〜３は、前記の加工前球面レンズを基材とし、表１記載の条件にて、この基材の表面にArガスクラスターイオンを照射した後に、Arガスクラスターイオンのアシスト照射をしつつタフカーボン（膜厚300nm）を成膜して得た摺動子である。実施例４及び５は、表１記載の条件にて、前記と同じ基材の表面にArガスクラスターイオンを照射した後、Arガスクラスターイオンのアシスト照射をしつつタフカーボンを成膜し、その後にN2ガスクラスターイオンを照射して得た摺動子である。なお、各ガスクラスターイオン照射の際の加速電圧は15keVとした。このように、条件を種々に変えて摺動子を製作して得た摺動子の表面粗さを測定した。前記の比較例１〜３とともに、実施例１〜５の測定結果を表１に示す。表中の平均面粗さ、２乗平均粗さ、平均突起高さの各データは、測定領域の表面を原子間力顕微鏡（AFM）で測定することにより得た。
【００３６】
【表１】
2012088229.tif 000003
【００３７】
実施例１〜３では、Arガスクラスターイオンの照射量を増やしていくにつれ、平均突起高さがまずは減少していき、その後増加していることがわかる。これは、比較例２の場合と同様に再付着現象によるものと推定される。実施例４及び５は、Arガスクラスターイオン照射後にN2ガスクラスターイオンを照射した場合を示しているが、最初のArガスクラスターイオンの照射量が多いとN2ガスクラスターイオンを照射しても、表面粗さの平坦化効果が少ないことがうかがわれる。実施例５は本発明の実施例の中ではもっとも表面粗さが小さくなっており、Ra0.45nmと、基材を球面とした場合では考えられないような表面粗さを達成できている。そして、実施例５は平均突起高さも1.19nmと、本発明の実施例の中でもっとも小さく、このことから、平均突起高さも小さいものとなっている。実施例５の場合の面形状測定結果を図５に示す。図５上では輝点が見られず、画像からは突起が確認できないぐらい平坦な面となっている。
【００３８】
以上、平均面粗さ(Ra)による評価について記したが、表１に示した２乗平均荒さ(Rrms)によっても同様の評価となる。
【００３９】
次に、Arガスクラスターイオン照射後の表面粗さとN2ガスクラスターイオン照射後の表面粗さの関係を、N2ガスクラスターイオン照射量（ドーズ量）をパラメータとして、図６、図７に示す。図中の注記における「nm」はタフカーボン膜圧を示し、「Ar」の表示はArガスクラスターイオン照射量（ドーズ量）を示す。また、図中の「GCIB」は、ガスクラスターイオンビームのことである。
【００４０】
図６は平均面粗さ(Ra)の変化を、図７は平均突起高さの変化をそれぞれ示している。これらの結果から、N2ガスクラスターイオンの照射量（ドーズ量）が多い方が平均面粗さ及び平均突起高さが小さくなることがわかる。よって、初期のArガスクラスターイオン照射による表面粗さのコントロールと、仕上げとしてのN2ガスクラスターイオン照射による表面粗さのコントロールの組み合わせで、Raで0.4nmから5nmの間で任意の表面粗さとし、平均突起高さも小さい摺動子を製造することが可能となる。このことから、前記の方法で表面粗さを制御した摺動子を用いることで、従来必要であったなじみ試験を省略でき、初期状態で表面粗さが一定の摺動子で、２面間相互作用力あるいは摩擦力の測定が可能である。
【００４１】
なお、本発明は、前記の各実施例で示した各ガスクラスターイオンの照射条件の組み合わせによるものに限定されるものでないことは言うまでもない。つまり、不活性ガスクラスターイオンの照射（最初の照射、アシスト照射）、多原子分子ガスクラスターイオンの照射のうちいずれかを行わないこともあり得る。
【００４２】
次に、前記の各実施例及び比較例の摺動子を用いて、摺動子の表面粗さ依存性の確認のために磁気ディスクの摩擦力を測定した。摩擦力の測定は交洋製作所製CSSテスタFT-701を用いて行った。この試験機は、磁気ディスクをスピンドルモータに取り付け回転させ、その上に板ばねで荷重をかけた摺動子を接触させ摩擦力を測定する。この測定は、摺動子を取り付けた板ばねの根元にある、摺動方向にひずむ平行板ばねのひずみをひずみゲージで検出することでなされる。
【００４３】
ここでは、磁気ディスクとして平均面粗さ(Ra)が約0.2nmのディスク表面にパーフルオロポリエーテル潤滑剤D-4OH（株式会社モレスコ製）を厚さ0.8nmで塗布したものをサンプルに使用した。この磁気ディスクの回転数は1rpm（周速：約2.6mm/s）であり、摺動子の荷重は1gf、曲率半径は5mmである。磁気ディスクを1回転させて摩擦力を測定し、その摩擦力の平均値を求めた。その結果を図８、図９に示す。図８は平均面粗さ(Ra)と測定された摩擦力の関係を示し、図９は平均突起高さと測定された摩擦力の関係を示す。
【００４４】
摺動子の表面粗さが小さくなり、Raが約1nm以下、あるいは平均突起高さが約10nm以下で測定された摩擦力は大きく増加する傾向にある。すなわち、従来の表面粗さにばらつきのある摺動子では測定再現性を確保することが困難であると推定される。また、摺動子の表面粗さによってこのように測定された摩擦力が変化することから、測定対象物の表面粗さや潤滑膜の膜厚に最も適する表面粗さの摺動子を用い、実際の系に合わせて測定することが必要である。本発明は、このような用途に対して、任意の表面粗さとした摺動子をガスクラスターイオンの照射条件の設定により適切に製造することができるため、最適である。
【００４５】
なお、２面間相互作用力の測定に用いられるようなガラスビーズ等の球面摺動子でもガスクラスターイオンの照射により同様の効果があることは明らかであり、本発明はこのガラスビーズ等の球面摺動子に対しても非常に有効である。
【符号の説明】
【００４６】
１          摺動子
１ａ        測定領域
１１        基材
１２        カーボン（炭素）膜
２          支持ばね
３          変位測定手段
Ｄ          測定対象物
【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】
2012088229.tif 000009
【図７】
2012088229.tif 000010
【図８】
2012088229.tif 000011
【図９】
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