JP2007271455A

JP2007271455A - 被膜の摩擦寿命評価装置

Info

Publication number: JP2007271455A
Application number: JP2006097398A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Suda; 章一須田; Masayuki Takeda; 正行武田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2007-10-18

Abstract

【課題】被膜の摩擦寿命評価装置に関し、例えば固体潤滑膜の寿命を固体潤滑膜と試験ボールとの間の摩擦トルク及び電気抵抗から判定評価する構成を採ることで、評価ばらつきを低く抑え、また、評価試験時間を短縮できるようにする。
【解決手段】表面に導電膜が形成されたボール５ａを先端に保持部材５を介して保持すると共にボール５ａを回転するディスク１上の固定潤滑膜２と接触させて押圧する荷重負荷軸３と、ボール５ａと固定潤滑膜２との間の摩擦力を検出するロードセル９と、該ボール５ａに於ける該導電膜に流れる電流の変化を計測する計測記録部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば磁気ディスク表面に成膜した固体潤滑膜の寿命を高い制度で評価するのに好適な被膜の摩擦寿命評価装置に関する。

従来、固体潤滑膜の寿命評価装置としてボール・オン・ディスク型摩擦寿命評価装置が用いられていて、この装置では固体潤滑膜を成膜したディスクにボールを接触させ、ボールに垂直荷重を負荷し、その状態でディスクを回転させて、ボールとディスクとの間に発生する摩擦力を計測し、その摩擦力が急増するまでの摩擦回数又は摩擦距離でディスク面の固体潤滑膜の寿命を評価するようにしている。

図９はボール・オン・ディスク型摩擦寿命評価装置を例示する要部切断側面図であり、図に於いて、１はディスク、２はディスク１の表面に成膜した固体潤滑膜であって、ディスク１は回転軸１１で回転させ、その回転数は回転センサー（図示せず）でカウントするようになっている。

先端に軸受け７を介して垂直荷重負荷軸３を上下摺動可能に保持したアーム６は、負荷軸３がディスク１、従って固体潤滑膜２の面上に在るように、そして、軸８で回動自在に支持され、その支持箇所より後端側の所要箇所では、架台１０に固着された固定盤１０ａとの間でロードセル９を挟持している。

垂直軸３の下端には試験ボール２５ａを収容したボール保持器２５が取り付けられ、試験ボール２５a は固体潤滑膜２に接触し、且つ、負荷軸３の上端に取り付けた垂直荷重重り４の作用で固体潤滑膜２に押し付けられている。

ロードセル９はアーム６が揺動した場合、アーム６の変位量を固体潤滑膜２と試験ボール２５ａとの間の摩擦力として捉えて測定するようになっている。

垂直荷重重り４に依って一定の荷重を負荷し、試験ボール２５ａを固体潤滑膜２に押し付けた状態でディスク１を回転させた場合、固体潤滑膜２と試験ボール２５ａとの摩擦によってアーム６は軸８を中心にして僅かに回動して振れを生じる。

固体潤滑膜２の寿命に起因して、試験ボール２５ａとディスク１の接触に依る摩擦力は増大することとなるので、アーム６を介して摩擦力が急増する時点をロードセル９で測定し、ディスク１の回転数と試験ボール位置の半径から算出した摩擦距離で寿命を評価するようにしている。

前記説明した摩擦寿命評価装置の他、固体潤滑膜を成膜させたディスクに、荷重負荷梁の一方端を固定した固体潤滑膜を付着したピンを押し付け、この荷重負荷梁の中間をヒンジで支持し、他方端の位置変化と振動を検出して、固体潤滑膜の磨耗や部分的破談等に依る寿命を評価する装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。

また、磁気ディスク媒体を所定の回転数で回転させ、そして、磁気ヘッドに依って磁気ディスク媒体を半径方向にシークさせてから、若しくは、回転接線方向に対して所定の角度で磁気ヘッドを配置することで、磁気ヘッドと磁気ディスク媒体との摩擦力を測定することに依り、摩擦力を前者で１２ｍＮ以下、後者で１５ｍＮ以下、中心面平均表面粗さＲａが４ｎｍ以下、オージェ電子分光法で表面を測定した際のＣ／Ｆｅのピーク比が３０〜１２０とすることに依り、優れた特性を有する磁気ディスク媒体を提供する技術が提案されている（例えば、特許文献２を参照。）。

また、低荷重での摩擦測定を精度良く行うことができる摩擦評価装置の実現を目的として、被検体を保持して回転する回転保持体と、ヘッドアームに取り付けられて前記被検体と接触可能になされた接触ヘッドと、前記ヘッドアームを揺動可能に支持するバランサ手段と、前記ヘッドアームのバランスをとるためのバランスウェイトと、前記被検体に所望の荷重を加えるために重りを保持する荷重受け部と、前記接触ヘッドに加わる摩擦力を測定するセンサ部とを備え、前記バランサ手段は、同心状に配置されて互いに揺動可能に連結された２つの環状に形成された平衡環を有し、内側に位置する平衡環の内側に前記ヘッドアームを、前記揺動方向とは直交する方向へ揺動可能に支持することにより、前記ヘッドアームを水平方向及び垂直方向へ揺動可能に支持するようにした装置が提案されている（例えば、特許文献３を参照。）。

前記した従来の固体潤滑膜の摩擦寿命評価装置にあっては、例えばロードセル９に依って測定された摩擦トルクの値がある一定の規定値を超えたときの回転軸１１の累計回転数をもって固体潤滑膜の寿命を評価した場合、試験期間中の固体潤滑膜の特性変化は摩擦トルクの変化から判断される摩擦特性の変化しか判らず、固体潤滑膜の摩擦量等その他の特性は殆ど判らない。

また、固体潤滑膜の摩擦回転寿命は、成膜条件やリング及びその他ピン、ディスク等の下地処理の仕方に依ってもばらつきが大きくなることが多く、摩擦寿命が１０⁶回を超えるような長寿命の固体潤滑膜を評価する場合などに於いては、長期間の評価試験を何度か行う必要があり、効率的とはいえない旨の問題点があった。

更に、固体潤滑剤の摩擦トルクは非常に小さく、ある程度の感度を得ようとすると、ロードセル９の感度には限界があるという問題点があった。従って、ロードセル９により計測される摩擦トルクには誤差が含まれる可能性があり、長時間の評価試験中、計測精度を十分に維持確保する為には、温度、湿度等の周囲の環境や回転軸ならびにリング、ピン、ディスク等の加工精度にも注意を払わなければならないという問題があり、これらの諸問題を少しでも解決することが課題となっている。
特開平５−７２０９２号公報特開２００２−１０００３５号公報特許第３２９９８０８号明細書

本発明では、例えば固体潤滑膜など被膜の寿命を被膜と試験ボールとの間の摩擦トルク及び電気抵抗から判定評価する構成を採ることで、評価ばらつきを低く抑え、また、評価試験時間を短縮できるようにする。

本発明に依る被膜の摩擦寿命評価装置に於いては、表面に導電膜が形成されたボールを先端に保持部材を介して保持すると共に当該ボールを回転するディスク上の被膜と接触させて押圧する荷重負荷軸と、該ボールと該被膜との間の摩擦力を検出する機構と、該ボールに於ける該導電膜に流れる電流の変化を計測する計測部とを備えてなることが基本的な特徴となっている。

前記手段を採ることに依り、荷重負荷軸の摩擦トルクの増加に伴うロードセル出力の増加、及び、試験ボールの導電膜に於ける抵抗値が上昇した時点をもって、固体潤滑膜の寿命を判定することになる為、従来の摩擦トルクの上昇から固体潤滑膜など被膜の寿命を判定する装置と比較し、評価のばらつきが少ない結果が得られ、また、評価試験時間を短くすることができ、しかも、評価試験中における被膜の磨耗状況をも推し量ることが可能である旨の優れた効果がもたらされる。

図１は本発明に依る被膜の摩擦寿命評価装置を表す要部説明図で、（Ａ）は要部切断側面、（Ｂ）は要部平面であり、図２は試験ボール及び保持部材を表す要部切断側面図、図３は抵抗値変化計測記録部を説明する為の要部ブロック図をそれぞれ示している。尚、図９に於いて用いた記号と同じ記号で指示した部分は同一或いは同効の部分を表すものとする。

図に於いて、５は試験ボール保持部材、５ａは試験ボール、５ｂは保持電極、５ｃは試験ボール５ａの先端に形成した導電膜、１２は抵抗値変化計測記録部、Ａはディスク１が時計方向に回転した際に於ける荷重負荷軸３の変位、Ｂは荷重負荷軸３が変位することでアーム６が回動してロードセル９に及ぼす変位であって変位Ａと同じである。

本発明は、図９について説明した固定潤滑膜の摩擦寿命評価装置の改良である為、構成の一部、例えば、荷重負荷軸３を保持したアーム６の一部にトルクセンサとして作用する例えばロードセル９を取り付け、装置架台１０にマウントされた固定盤１０ａと前記ロードセル９との間のギャップの変化を検出することに依って、評価試験中における荷重負荷軸３の位置変化を検出する構成は類似している。

本発明に依る被膜の摩擦寿命評価装置では、上記構成に加え、図２に見られる試験ボール５ａの表面に成膜した導電膜５ｃの摩耗による抵抗の変化を図３に見られる抵抗値変化計測記録部１２に依って評価試験中に検出し、固体潤滑膜２の摩擦寿命評価を行うようにしている。

この評価結果を従来の評価試験装置による評価結果と比較したところ、摩擦トルクが一定の規定値を超える時期よりも早期に発生する固体潤滑膜２の摩耗及び部分的破断に伴う導電膜５ｃの急激な減耗により、導電膜５ｃの抵抗値が急増するという知見を得た。

図４は試験ボール５ａに導電膜５ｃを形成するのに用いるスパッタマスク１３を表す要部平面図であり、スパッタマスク１３には導電膜５ｃを形成する為のスリット１４が形成されている。

図５は試験ボール５ａに導電膜５ｃを形成する際のスパッタマスク１３の配置関係を表す要部切断側面図であり、図２及び図４に於いて用いた記号と同じ記号で指示した部分は同一或いは同効の部分を表すものとする。

試験ボール５ａの頭頂部に導電膜５ｃを成膜する場合、試験ボール５ａを保持電極５ｂで挟持した状態で実施すると試験ボール５ａの定位が簡単且つ確実で好都合である。尚、そのようにした場合、導電膜５ｃは試験ボール５ａの頭頂部のみならず、該頭頂部を表出させた保持電極５ｂの周縁にも必然的に成膜される。

図６はスパッタリング法を適用し、図５に見られるスパッタマスク１３を用いて成膜された白金（Ｐｔ）からなる導電膜５ｃの要部斜面図であり、導電膜５ｃに於ける中央の想定磨耗部５ｃ₂の長さＬ１は例えば２０μｍ、その両側に在る部分５ｃ₁、５ｃ₃の長さＬ２はそれぞれ４９０μｍであり、導電膜５ｃの幅Ｗは２０μｍである。

図７は導電膜の磨耗想定部分に於ける膜厚対抵抗値の変化を表す線図であり、縦軸に抵抗値、横軸に膜厚をそれぞれ採ってある。

導電膜５ｃの材料としては、図６に見られる形状にスパッタリング法を適用して形成する際の成膜性、或いは、図７に示す抵抗変化の計測の容易さからすれば、タングステン、白金、チタンなどが好適と考えられる。

本発明は、上記説明した知見に基づいてなされ、相互に摺動する二部材、即ち、固体潤滑膜２及び試験ボール５ａの導電膜５ｃを荷重負荷軸３を介し、両者を相互に押し付けて前記二部材のうちのディスク１に付着した固体潤滑膜２の摩擦寿命を評価する固体潤滑膜の摩擦寿命評価装置において、固体潤滑膜２の面内方向に於ける荷重負荷軸３の変位量をロードセル９で検出し、また、試験ボール５ａの表面に成膜した導電膜５ｃの抵抗変化を抵抗値変化計測記録部で検出するようにしている。

荷重負荷軸３の変位量を検出するロードセル９（図１参照）としては、アーム６と固定板１０ａとの間のギャップを検出するギャップセンサとすることができるが、このようなギャップセンサとしては種々な構造のものが知られている。

さらにまた、荷重負荷軸３に於ける変位量の表示及び抵抗値変化計測記録部１２に於ける抵抗変化の表示については、視覚的な表示、聴覚的な表示など適宜に選択することができ、また、各信号の処理結果を表示する場合も、視覚的な表示、聴覚的な表示、記録紙的な表示を行うことができる。

本発明に依る固体潤滑膜の摩擦寿命評価装置に於いては、前記説明した構成を採ることで、摩擦寿命評価試験中に荷重負荷軸からの信号及び試験ボールに於ける導電膜の抵抗値変化の信号を確認することで、固体潤滑膜の寿命を評価することができ、その評価はばらつきが少なく、また、短い評価試験時間で確実な評価を行うことが可能である。

図１乃至図３に於いて、試験ボール５ａはディスク１の固体潤滑膜２と接触し、回転するディスク１、従って、固体潤滑膜２に押し付けられ、試験ボール５ａと固体潤滑膜２との摩擦の変化をアーム６を介してロードセル９で検出すると共に導電膜５ｃに流れる電流の変化を計測して固体潤滑膜２の寿命を評価する。

ディスク１は表面に固定潤滑膜２が成膜されていて、固体潤滑膜２には荷重負荷軸３が圧接するようになっている。荷重負荷軸３は上端に重り４が配設され、また、下端には抵抗値変化計測記録部１２に個別に接続された２分割の保持電極５ｂが保持部材５を介して固着され、その２分割された保持電極５ｂは頭頂部表面に導電膜５ｃが成膜された試験ボール５ａを挟持している。

荷重負荷軸３を軸受け７を介して摺動自在に支持したアーム６は、中間を軸８で支持されて荷重負荷軸３の軸方向と直交する方向の面内で回動できるようになっていて、アーム６の動きに依って、固体潤滑膜２と試験ボール５ａに形成された導電膜５ｃとの間に於ける摩擦力をロードセル９で計測する。

ディスク１は、ディスクホルダー１１ａに保持され、ディスクホルダー１１ａと結合されている回転軸１１に依って回転され、その回転数は回転センサー（図示せず）でカウントされる。

保持部材５は、保持電極５ｂにより保持された試験ボール５ａを備え、この試験ボール５ａの表面には、保持電極５ｂと電気的に導通する導電膜５ｃが形成され、ディスク１上の固体潤滑膜２に押し付けられる。

固体潤滑膜２は試験ボール５ａ表面の導電膜５ｃのみに接触しているので、試験ボール５ａ表面の導電膜５ｃとディスク１の固体潤滑膜２表面との摩擦力に応じてアーム６が軸８を中心にして振れ、その移動量はロードセル９で摩擦力として計測されると共に試験ボール５ａ表面の導電膜５ｃの抵抗値変化が計測される。

この摩擦力と抵抗値の変化をモニターし、固体潤滑膜２が破損して試験ボール５ａとの摩擦力が急増する点、及び、試験ボール５ａ表面の導電膜５ｃに於ける抵抗値の上昇を計測して固体潤滑膜２の寿命評価を行う。

磁気ディスク表面に固定潤滑膜として厚さ５ｎｍのダイヤモンドライクカーボン膜を成膜し、その上に２ｎｍのパーフルオロカーボン系の潤滑剤をコーティングした試料、図４及び図５について説明したスパッタマスク１３を用いて図６に示す形状にＰｔからなる導電膜５ｃを形成した試験ボール５ａを用い、温度２２〜２６℃、湿度４５〜５５％の雰囲気中で、荷重４０ｇ、回転速度０．５ｍ／秒で摩擦トルクのサンプリング周期を４０ｍ／秒、抵抗値のサンプリング周期を１０ｍ秒として計測した結果が図８に示されている。

ロードセル９からの出力に依る評価では、パーフルオロカーボン系の潤滑剤コーティングが切れ始める回転距離９３ｍまではロードセル９の出力が略０．０８であったが、パーフルオロカーボン系の潤滑剤コーティングが完全に切れて、ダイヤモンドライクカーボン膜が露出するまでの回転距離１１３ｍ付近までロードセル９の出力が急激に変化し、その後、ロードセル９の出力は０．１３ぐらいで回転距離１７０ｍ付近まで安定しているが、１７５ｍで０．７以上になり、寿命に達したものと評価された。

これに対し、抵抗値変化からの評価ではロードセル出力に依る評価より若干早い１７０ｍに導電膜の破断に依る抵抗値の急激な上昇が明確に確認でき、これに依り、この試料の寿命は１７０ｍと決定できた。

本発明に於いては、前記説明した実施の形態を含め、多くの形態で実施することができるので、以下、それを付記として例示する。

（付記１）
表面に導電膜が形成されたボールを先端に保持部材を介して保持すると共に当該ボールを回転するディスク上の被膜と接触させて押圧する荷重負荷軸と、
該ボールと該被膜との間の摩擦力を検出する機構と、
該ボールに於ける該導電膜に流れる電流の変化を計測する計測記録部と
を備えてなることを特徴とする被膜の寿命評価装置。

（付記２）
保持部材は先端にボールを挟持する保持電極が設けられ、該保持電極はボールに於ける導電膜と電気的に導通すると共に計測記録部と結ばれてなること
を特徴とする（付記１）記載の被膜の寿命評価装置。

（付記３）
保持部材はボールの頭頂部である略中央に在る導電膜をディスク上の被膜に接触させて押圧するものであること
を特徴とする（付記１）記載の被膜の寿命評価装置。

（付記４）
導電膜がボールの頭頂部及びボールを挟持した保持電極の少なくとも先端一部に掛かって成膜されたものであること
を特徴とする（付記１）記載の被膜の寿命評価装置。

（付記５）
ボールに形成された導電膜がタングステン、白金、チタン及びそれ等の合金から選択された何れか一種類の膜からなること
を特徴とする（付記１）記載の被膜の寿命評価装置。

（付記６）
ボールに形成した導電膜の抵抗値変化を計測記録する為の計測記録部に於けるサンプリング周期がロードセルの記録周期の半分以下であること
を特徴とする（付記１）記載の被膜の寿命評価装置。

本発明に依る被膜の摩擦寿命評価装置を表す要部切断側面図である。試験ボール及び保持部材を表す要部切断側面図である。抵抗値変化計測記録部を説明する為の要部ブロック図である。スパッタマスクを表す要部平面図である。スパッタマスクの配置関係を表す要部切断側面図である。導電膜を表す要部斜面図である。導電膜の磨耗想定部分に於ける膜厚対抵抗値の変化を表す線図である。ロードセル出力及び導電膜抵抗値の経時変化を表す線図である。ボール・オン・ディスク型摩擦寿命評価装置を例示する要部切断側面図である。

符号の説明

１ディスク
２固体潤滑膜
３荷重負荷軸
４重り
５保持部材
５ａ試験ボール
５ｂ保持電極
５ｃ導電膜
６アーム
７軸受け
８軸
９ロードセル
１０架台
１０ａ固定盤
１１回転軸
１１ａディスクホルダー
１２抵抗値変化計測記録部
１３スパッタマスク
１４スリット

Claims

表面に導電膜が形成されたボールを先端に保持部材を介して保持すると共に当該ボールを回転するディスク上の被膜と接触させて押圧する荷重負荷軸と、
該ボールと該被膜との間の摩擦力を検出する機構と、
該ボールに於ける該導電膜に流れる電流の変化を計測する計測記録部と
を備えてなることを特徴とする被膜の寿命評価装置。
保持部材は先端にボールを挟持する保持電極が設けられ、該保持電極はボールに於ける導電膜と電気的に導通すると共に計測記録部と結ばれてなること
を特徴とする請求項１記載の被膜の寿命評価装置。
保持部材はボールの頭頂部である略中央に在る導電膜をディスク上の被膜に接触させて押圧するものであること
を特徴とする請求項１に記載の被膜の寿命評価装置。
導電膜がボールの頭頂部及びボールを挟持した両保持電極の少なくとも先端一部に掛かって成膜されたものであること
を特徴とする請求項１記載の被膜の寿命評価装置。
ボールに形成された導電膜がタングステン、白金、チタン及びこれ等の合金から選択された何れか一種類の膜からなること
を特徴とする請求項１記載の被膜の寿命評価装置。