超音波振動を応用した微小摩擦の理解および精密リアルタイム摩擦制御に関する研究

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超精密加工および微小部品搬送に関する分野において，それぞれ，微細な切りくずによる加工面損傷，および部品同士や搬送機への付着が問題となっている．本研究では，その課題解決のために，要因となっている微小摩擦現象を正確に測定し，その摩擦を防止したり制御したりする手法を提案する．摩擦の測定および防止や制御の手法として，切削面や搬送界面に超音波振動を導入する．摩擦の測定においては，超音波振動を利用して微小摩擦特有の液架橋力などの各種微小力を同定する．摩擦の制御に関しては，超音波振動により，摩擦を精密にリアルタイムに制御する技術を開発する．研究初年度の実績として，実験装置の構築に関しては，摺動面には直径80mmのものを設計，製作した．超音波振動数は20kHzとし，振幅は0.05～0.2μmの範囲とした．微小な試験片には，最大のもので重量1.4g（1.0×0.5×0.5mm），最小のもので重量0.022g（0.25×0.125×0.125mm）のセラミックコンデンサーのチップを使用した．研究成果に関しては，はじめに，通常の条件において，実験した最大の試験片では最大静止摩擦係数が0.41であったものが，最小の試験片では，それが0.96に上昇することを確認した．つぎに，摩擦面に超音波振動を導入することで，試験片の大きさに係わらず，摩擦係数が0.1以下に低減することを明らかにした．当年度の研究により，第一に，微小試験片においては，重力以外の付着力が摩擦係数に大きく影響していることを同定することができた．第二に，摺動面に振幅50nm程度の微小な超音波振動を導入することで，付着力の影響をキャンセルすることができ，物体の大きさにかかわらず一定の摩擦係数とすることが可能となることがわかった．すなわち，超音波振動の振幅を調整することで，摩擦係数をリアルタイムにコントロールすることができる可能性を明らかにすることができた．