JP2009145140A - 摩擦計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】所望する一定速度での相対移動時の摩擦を測定することができる摩擦測定装置を提供する。
【解決手段】摩擦計測装置は、試料に対して前記圧子を遠近させる一方向をＺ軸とし、当該Ｚ軸に対し直交する一方向をＸ軸とし、この両者に対して直交する方向をＹ軸とし、前記圧子を少なくとも前記Ｚ軸とＸ軸又はＹ軸の2方向に所望の速度で平行移動させる駆動構造を有し、前記圧子には、Ｚ軸とＸ軸又はＹ軸方向との荷重を感知する荷重センサーが設けられ、前記センサーからの検出信号に基づきＺ軸方向の荷重を所定の一定値に保ちながらＸ軸又はＹ軸方向に圧子を移動させる駆動構造の自動制御手段が設けられ、このときのＸ軸又はＹ軸方向での荷重を摩擦抵抗として検出する手段を有していることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

試料と当該試料に接触する圧子との動摩擦を計測する摩擦計測装置に関する。

従来は試料の摩擦評価を天秤型の摩擦測定装置で測定するのが通常であったが、その場合には、測定時間が長いため、サンプル数が多い場合には、評価に時間を有していた。
また、圧子への加速度変化などで、試料との相対速度に変化が生じるなどの要因により必ずしも正確な数値を得るのは困難であった。

本発明は、このような実情に鑑み、所望する一定速度での相対移動時の摩擦を測定することができる摩擦測定装置を提供することを課題とする。

発明１の摩擦計測装置は、試料に対して前記圧子を遠近させる一方向をＺ軸とし、当該Ｚ軸に対し直交する一方向をＸ軸とし、この両者に対して直交する方向をＹ軸とし、前記圧子を少なくとも前記Ｚ軸とＸ軸又はＹ軸の2方向に所望の速度で平行移動させる駆動構造を有し、前記圧子には、Ｚ軸とＸ軸又はＹ軸方向との荷重を感知する荷重センサーが設けられ、前記センサーからの検出信号に基づきＺ軸方向の荷重を所定の一定値に保ちながらＸ軸又はＹ軸方向に圧子を移動させる駆動構造の自動制御手段が設けられ、このときのＸ軸又はＹ軸方向での荷重を摩擦抵抗として検出する手段を有していることを特徴とする。

発明２は、発明1の摩擦計測装置において、前記センサーが3軸センサーであることを特徴とする。

発明３は、発明1又は2の摩擦計測装置において、前記駆動構造がＺＸＹの3軸駆動であることを特徴とする。

本発明により、圧子と試料との接触圧を一定に保ちながら一定の速度で相対移動させ、その相対移動方向（Ｘ又はＹ軸）における摩擦を計測することが出来るようになった。
このようにすることで、従来には望み得ない高い精度での摩擦計測が可能になったので、今までは計測不能とされたミクロン以下のナノレベルでの表面の相違も、摩擦計測により分析できる可能性を得るに至った。
なお、3軸センサーを用いることにより、駆動構造の駆動方向に対するセンサーのセンシング方向の誤差を何ら問題にせずに、駆動方向での摩擦を正確に測定することができるようになる。
また、3軸駆動構造を採用すれば、センサーの感知方向に合わせた方向での試料と圧子の相対移動を容易に実現でき、製造時の組み立て誤差を無視出来るほどに普遍的な摩擦測定結果を得ることが可能になる。
さらに、3軸センサーとともに使用することで、試料のあらゆる方向での摩擦測定が可能となり、摩擦の指向性などを容易に把握できるに至った。

以下に本発明の実施例を説明する。圧子を移動させる駆動構造（1）は市販のステップモータ付きのステージ（10）（20）（30）を組合せて構成してあるが、この様な市販品に限らず、モータによる強制駆動により、Ｚ軸、Ｘ軸、Ｙ軸に対し、所望の定速度でステージを移動させるものであれば下記実施例と同様な効果を発揮しえるものである。
また、圧子に対する荷重の3軸方向での分力を計測するのに、市販の力覚センサー（40）を用いたが、これに限らず、3軸若しくは6軸にて荷重を計測するセンサーを用いることも可能である。
試料テーブル（50）は、市販の真空チャックを用いたが、このような空気式のものに限らず、機械式或いは電磁式のチャックを用いることも可能である。
なお試料テーブル（50）をＸ軸、Ｙ軸の双方に移動させるスタンド（60）として市販のメカニカルスタンドを用いたが、これは、試料の大きさに対応する為であり、測定する試料の大きさが前記駆動構造（1）の移動範囲内に限られたものである場合は、必要としない。

（1）は、駆動構造であり、Ｚ軸方向での動きを市販のＺ昇降ステージ（商品名：ＡＬＶ−600-Ｈ1Ｍ）（30）と、Ｘ軸方向とＹ軸方向の動きを市販のＸステージ（商品名：ＡＬＳ-602-Ｈ1Ｍ）（10）（20）により行うように、前記Ｚ昇降ステージ（30）の基盤（31）に第二Ｘステージ（20）の基盤（21）を固定し、このＸステージ（20）のステージ（22）にもう第一Ｘステージ（30）のステージ（12）を固定し、このＸステージ（30）の基盤（11）を剛性フレーム（70）に固定してある。
なお、第一、第二Ｘステージ（10）（20）は、前記Ｚ昇降ステージ（30）の昇降方向（Ｚ軸方向）に直交すると共に互いにも直交する方向にステージ（22）（12）を移動するように、相互に組み合わせてある。
なお（13）（23）（33）はそれぞれのステージを駆動するステップモータであり、別途説明する駆動プログラムに基づき制御されるようにしてある。

また、（14）（24）（34）は、それぞれのステージを手動にて動かす為のダイヤルである。
（40）は、前記Ｚ昇降ステージ（30）のステージ（32）の中央に固定した市販の静電容量型3軸力覚センサ（商品名：ＰＤ3-30-10-015）であって、圧子（45）に与えられた荷重を前記Ｚ、Ｘ，Ｙの3軸方向の分力として計測する為のものである。
前記圧子（45）は、前記3軸力覚センサ（40）の中央にある取付フランジ（41）に、一端御の基部を固定してあり、他端の頂面には、摩擦表面材（Ｓ1）を接着可能にしてある。
具体的には、この頂面は、図中垂直となる平滑な面に形成されていて、摩擦試験の設定条件に基づき、そのまま、又は所定の材料を塗布固定して、試料（Ｓ2）に接触させることが可能なものである。

（50）は、前記試料（Ｓ2）を着脱自在に固定する試料テーブルであって、真空チャック（商品名：ＶＡ-931）より構成してある。そのテーブル（51）は中空で、内部の空気を吸い出し口（52）に繋いだ真空ポンプ（図外）により、吸い出し、前記テーブル（51）のチャック面に形成した多数の小穴を減圧して、これに板状の試料（Ｓ2）を吸着して固定するようにしてある。
この試料テーブル（50）は、市販のYZメカニカルスタンド（商品名：LM-212-2CL）（60）を介して、フレーム（70）に固定してある。このYZスタンド（60）は、手動によりZ軸方法とY軸方向に前記試料テーブル（50）を移動させ、計測前の初期位置を調整できるようにしてある。
具体的には、基盤（63）に対しＺ軸方向に移動自在に取り付けた中間可動子（62）にＹ軸方向で移動自在にテーブル（61）が取り付けられ、このテーブル（61）の前記フレーム（70）に対する位置を、ダイヤル（64））によりZ軸方向（基盤（63）に対する中間可動子（62）の移動）で調整し、ダイヤル（65）によりＹ軸方向（中間可動子（62）に対するテーブル（61）の移動）で調整するようにしてある。
なお、（67）はＺ軸方向の位置を固定するストッパーダイヤル、（66）は、Ｙ軸方向での位置を固定するストッパーダイヤルである。
このようにして試料テーブル（50）の前記フレーム（70）に対するＺ，Ｙ方向での位置を設定可能にしてある。

なお、フレーム（70）は、窓枠状の剛性フレームで、前記駆動構造やＹＺテーブルの駆動などによっても、圧子（45）と試料（Ｓ2）との間の位置関係に一切の狂いが生じない剛性を有さしめてある。
このフレーム（70）を窓枠状にすることにより、Ｘ軸周りに90度回転させて、設置することが出来るようになった。これにより、圧子（45）と試料（Ｓ2）の相対位置（Ｚ軸方向）を水平、垂直に変更して、摩擦についての重力による影響の有無やその程度を計測することも可能なようにしてある。

前記駆動構造（1）のステップモータ（13）（23）（33）は、駆動制御システム（入力基づき、ステップモータ（13）（23）（33）の駆動速度、駆動時間及び回転の正逆を司るプログラム）により制御されている。
具体的には、以下のフローによるプログラムで制御した。
NI製PID制御プログラムを使用し、Z軸センサー値になるようにZ軸をフィードバック制御した。つまり、Z軸センサー値が設定値よりもかなり小さい場合にはZ軸ステージを高速に伸長し、その差が小さくなるに従いZ軸ステージの伸長速度を抑え、逆に設定値よりもZ軸センサー値が大きくなった時点で、Z軸ステージを伸縮させることで、一定値にフィードバックした。

また、前記センサー（40）は、その出力を分力解析システム（ＸＹＺ軸の設定、及び設定したXYZ軸方向での荷重ならびに摩擦力を解析し、XYZ軸分力を電子出力するプログラム）により、前記圧子（45）の与えられた荷重ならびに摩擦力を出力するようにしてある。
具体的には以下のようなフローに基づきＸＹＺ軸分力を解析し、出力するようにしてある。
荷重については、センサーZ軸分力測定値をそのまま使用し、摩擦力についてはセンサーX軸分力ならびにY軸分力の摩擦方向への射影成分を使用している。

3軸力覚センサーによる三軸荷重算定方法。
駆動構造（1）とセンサー（40）との軸合わせ。
前記駆動構造（1）のＸＹＺ軸とセンサー（40）により測定されるＸＹＺ軸分力とは、初期段階では、組み立て誤差などにより必ずしも一致しない。
これを調整するため、センサー（40）のＸＹＺ軸を駆動構造（1）のＸＹＺ軸と一致させる必要があるため、以下の調整を行った。
校正用の微小力測定ロードセルを用い、センサー(40)に設置しているプローブ（S1） 下部にこれを設置し、Z軸ステージを伸長させることによりプローブをロードセルに押し当て、ロードセルで検出される力を基準としてZ軸センサー値を校正した。同様にプローブ（S1）の先端側面に微小力測定ロードセルを配置し、X軸ステージを移動させることによりプローブでロードセルを押し、その力を基準としてセンサーのX軸ならびにY軸分力を校正した。

測定結果
当方の標準サンプルであるSUS304ステンレス鋼材料（Ry＝40nm）を基板に用い、同様の材料を圧子に用いて摩擦係数の測定を行った。その結果、摩擦係数は、0.17となった。

比較例

従来の重り式による測定方法は、次のとおりである。測定プローブとバランスおもりで天秤構造を構築し、初めにそれらをつりあいの状態にする。次にプローブ側上部に設けられた受け皿に印加したい荷重に見合ったおもりを載せることにより荷重印加する。そして、プローブに基板をつりあいの位置になるまで押し付けていき、その後基板を掲載しているステージを水平方向にスキャンし、摩擦力を発生させる。摩擦力は、板ばね式の力測定方法により検出した。その結果、前述と同じ標準サンプルの摩擦係数は、0.15〜0.2となった。
＜測定結果の比較＞
実施例と比較例の測定結果により、摩擦係数の測定結果は、15％以内の測定差で一致している。一般的に測定装置の違いによる摩擦係数の相違は、20％が通常とされており、15％の相違は、許容範囲であると考えられる。実施例は、このように有意な摩擦係数の測定値を簡易的なプロセスで簡便に測定可能であるために、サンプル設置時間、測定時間、測定者の労力を大幅に軽減できる。また、繰り返し同じサンプルの摩擦測定データを取得する場合や、同一サンプルの違う場所における測定、また複数サンプルを並べておいて自動で測定することが可能であり、多くのサンプル測定にも優位であるといえる。また、摩擦のためのスキャン機構が全てプローブ側に取り付けてあることから、サンプル側の設置条件に幅を持たせることができ、たとえばサンプルの冷却や加熱なども自由に行うことができる。また、設置方向に制限がないため測定できるサンプル形状の制限も緩和される。

実施例の装置を示す正面図 図1のＡ-Ａ断面図 圧子を示す拡大正面図

符号の説明

（1）駆動構造
（10）ステップモータ付きのステージ
（11）、（21）、（31）、（63） 基盤
（12）、（22）、（32） ステージ
（13）、（23）、（33） ステップモータ
（14）、（24）、（34） 手動ダイヤル
（20） 第二Ｘステージ
（30） 第一Ｘステージ
（40） 力覚センサー
（41） 取付フランジ
（45） 圧子
（50） 試料テーブル
（51）、（61） テーブル
（52） 吸い出し口
（60） スタンド
（62） 中間可動子
（64）、（65） ダイヤル
（66） ストッパーダイヤル
（70） 剛性フレーム
（Ｓ1） 摩擦表面材
（Ｓ2） 試料

Claims (3)

1. 試料と当該試料に接触する圧子との動摩擦を計測する摩擦計測装置であって、試料に対して前記圧子を遠近させる一方向をＺ軸とし、当該Ｚ軸に対し直交する一方向をＸ軸とし、この両者に対して直交する方向をＹ軸とし、前記圧子を少なくとも前記Ｚ軸とＸ軸又はＹ軸の2方向に所望の速度で平行移動させる駆動構造を有し、前記圧子には、Ｚ軸とＸ軸又はＹ軸方向との荷重を感知する荷重センサーが設けられ、前記センサーからの検出信号に基づきＺ軸方向の荷重を所定の一定値に保ちながらＸ軸又はＹ軸方向に圧子を移動させる駆動構造の自動制御手段が設けられ、このときのＸ軸又はＹ軸方向での荷重を摩擦抵抗として検出する手段を有していることを特徴とする。
2. 請求項1に記載の摩擦計測装置において、前記センサーが3軸センサーであることを特徴とする。
3. 請求項1又は2に記載の摩擦計測装置において、前記駆動構造がＺＸＹの3軸駆動であることを特徴とする。