微小機械の潤滑技術確立のためのナノ厚さ液体潤滑膜のリアルタイム可視化に関する研究

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これまで開発してきた二段結像型エリプソメトリー顕微鏡と,先端を球状に加工した光ファイバープローブを摺動子として用いた高感度な摩擦力測定法との同時計測による予備実験から,ナノメートル厚さの潤滑膜摺動時に発生する力は微小であり,光ファイバープローブを用いた測定法でも検出限界に近いことが解った.加えて,摺動時の潤滑膜の形状と摺動子の位置関係を把握するために,摺動子先端と固体基板間のすき間を高精度に制御する必要性が明らかとなった.そこで,予備実験で用いた光ファイバープローブを用いた測定法によって力学応答を測定することに方針を転換するものとした.本測定法では正弦波状に光ファイバープローブを振動させ,高精度なピエゾアクチュエータによって一定速度で接近させながら潤滑膜を摺動する.また,摺動子が固体基板と接触した際に励起されるランダム振動検出し,ピエゾアクチュエータの変位からすき間を定量的に決定することができる.まず,磁気ディスク上に塗布した平均膜厚6.4nmの潤滑膜を摺動した際の潤滑膜を観測する実験を行った.潤滑膜の変形とランダム振動の励起が同時に観測され,さらに潤滑膜へ摺動子を押し込むとランダム振動が急激に増大する固体接触が観測された.この結果から,すき間を高精度に制御した状況で潤滑膜変形の可視化を達成した.次に,顕微鏡の光源を発光させる時間を摺動実験毎に遅らせ,それらの実験結果を時間毎に並べて動画とすることにより摺動後の修復過程を観測した.修復の時間スケールは100μsオーダーであり,自然拡散よる修復時間スケールよりも短いことを示唆する実験結果であった.以上,本研究によって,ナノメートル厚さ潤滑膜を摺動した際の変形をリアルタイムに可視化可能な顕微法の開発し,微小機械における潤滑現象解明に向けた基礎的な知見の取得に成功した.