マイクロマシンの摩擦・潤滑機構に関する研究

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マイクロマシンにおいては、スケール効果により重力、慣性力に比べて物体の表面間に働く分子間力などの影響が大きくなり、従来の摩擦法則が成り立たなくなることが知られている。そこで、微小荷重条件下での摩擦力に対する表面力の影響を調べるため、球面と平面の間に働く凝着力、摩擦力の測定素の設計、製作を行った。平面試料には、マイクロマシン材料として多用される単結晶シリコンを用い、球面には先端半径が、2,10,100μmのダイヤモンド触針を用いた。微小な凝着力、摩擦力の検出は、平行板ばねのたわみを静電容量型変位センサで測定することにより行った。平行板ばねの厚さを変えることにより0.1μNから2000μNまでの力を測定できるようにした。摩擦駆動にはピエゾアクチュエータと弾性ステージを用いて、バックラッシュのないなめらかな運動を実現した。また床の振動や気流の影響を防ぐため、実験装置を除振台の上に設置し、装置全体をアクリルの容器で覆った。また、環境湿度の影響を調べるため、湿度発生装置により容器内の湿度を20%〜80%まで任意に設定できるようにした。製作した実験装置を用いて摩擦力・凝着力の測定を行い、以下の結果を得た。1先端半径が100μmのダイヤモンド触針に働く凝着力は、湿度によらずほぼ10μNであった。理論と実験の比較から、凝着力の主な要因はファンデルワールス力であると考えられる。2荷重が100μN以上では摩擦係数はほぼ0.07で一定であり、この領域では表面力の影響は小さいと考えられる。3荷重が100μN以下になると摩擦係数は増大する傾向にあり、表面力の影響が大きくなることが確かめられた。