JP3905235B2 - 摩擦力試験装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、荷重検出器を備えてなる摩擦力試験装置、例えば、回転駆動されるディスク媒体である磁気ディスクと、その表面と対向する位置に配設された摺動部材であるスライダ、つまり、磁気ヘッドを搭載したスライダとの間で発生する摩擦力を測定するための摩擦力試験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、コンピュータ等の記録媒体としては磁気ディスク装置が広く用いられており、その多くにはコンタクト・スタート・ストップ方式（ＣＳＳ方式）といわれる起動停止方式が採用されている。そして、このＣＳＳ方式においては、磁気ディスクが回転停止している状態下では磁気ディスクの表面と固体接触していたスライダが磁気ディスクの回転数が高まるのに伴って徐々に浮上し、磁気ディスクと磁気ヘッドとの間で記録再生が行われる一定の回転数、例えば、５４００ｒｐｍの回転数に達したときには、スライダが磁気ディスクの表面から完全に浮上しているようにされる。さらに、この磁気ディスク及びスライダの耐久性に関する評価は、磁気ディスクの起動及び停止を数万回以上にわたって繰り返し、起動停止時の磁気ディスクとスライダとの固体接触による摩擦力を測定する試験、いわゆるＣＳＳ試験に基づいて行われる。
【０００３】
ところで、ＣＳＳ試験は摩擦力試験装置、例えば、特開平５−２８８６７０号公報で開示されているような摩擦力試験装置を使用して行われることになっており、摩擦力試験装置は図１５で示すような構成を有している。すなわち、この図１５における符号１０１はディスク媒体、例えば、磁気ディスク装置で用いられる磁気ディスクとしてのディスク媒体、１０２は回転駆動装置であり、支持軸１０３でもって支持されたディスク媒体１０１はその外周面に接する伝達ローラ１０４を介したうえで回転駆動装置１０２によって回転駆動させられる。
【０００４】
そして、図中の符号１０５は摺動部材、つまり、ディスク媒体１０１の表面と対向する位置に配設されたスライダとしての摺動部材、１０６は支持アーム、１０７は荷重検出器であり、摺動部材１０５を一端側で支持する支持アーム１０６の他端側に配設された荷重検出器１０７は、ディスク媒体１０１及び摺動部材１０５間で発生する摩擦力を検出している。また、図中の符号１０８はアンプ、１０９は回転数制御手段、１１０はコンピュータとしての計算処理手段を示しており、アンプ１０８は荷重検出器１０７の出力を増幅し、回転数制御手段１０９は回転駆動装置１０２を介してディスク媒体１０１の回転数を制御する一方、計算処理手段１１０は回転数制御手段１０９を制御するとともに、荷重検出器１０７でもって検出される摩擦力を記録するものとなっている。
【０００５】
さらに、図１６で示すように、荷重検出器１０７は剛体からなる直方体ブロック１２１を具備しており、この直方体ブロック１２１は、ディスク媒体１０１の回転方向の接線方向（第１の方向）と合致する座標軸Ｘに沿った側面Ａ，Ｂと、回転方向の法線方向（第２の方向）と合致する座標軸Ｙに沿った側面Ｃ，Ｄとを有している。なお、図中の座標軸Ｚは、座標軸Ｘ，Ｙのいずれとも直交する方向（第３の方向）を示している。
【０００６】
そして、この直方体ブロック１２１には、座標軸Ｙに沿いながら側面Ａ，Ｂ間を貫通する断面視略楕円形状の貫通孔１２２，１２３が空隙部１２４を介したうえで上下に形成されており、貫通孔１２２を挟んで対向する薄肉部１２２ｆ，１２２ｆ′によっては第１の平行平板構造が構成される一方、貫通孔１２３を挟んで対向する薄肉部１２３ｆ，１２３ｆ′によっては第２の平行平板構造が構成されている。また、この直方体ブロック１２１の側面Ｃ，Ｄ上、つまり、薄肉部１２２ｆ，１２２ｆ′，１２３ｆ，１２３ｆ′それぞれの外面上には、歪み検出用素子である歪みゲージＳ１３１，Ｓ１３２，Ｓ１３３，Ｓ１３４が貼着されており、これらの歪みゲージＳ１３１，Ｓ１３２，Ｓ１３３，Ｓ１３４は図１７で示すようなホイートストンブリッジ回路を構成している。
【０００７】
次に、摩擦力試験装置を使用して実行されるＣＳＳ試験の説明を行う。まず、荷重検出器１０７が備える直方体ブロック１２１に対して座標軸Ｘと合致する方向の力成分Ｆｘが摩擦力として作用すると、直方体ブロック１２１に形成された薄肉部１２２ｆ，１２３ｆ’の外面側には圧縮歪みが発生する一方、薄肉部１２２ｆ’，１２３ｆの外面側には伸張歪みが発生するので、直方体ブロック１２１は図１８で例示するような変形をきたすことになる。そして、歪みゲージＳ１３１，Ｓ１３２，Ｓ１３３，Ｓ１３４でもって構成されたホイートストンブリッジ回路からは、作用した力成分Ｆｘに見合う測定出力が得られる。従って、ディスク媒体１０１の起動及び停止を繰り返しながらディスク媒体１０１及び摺動部材１０５間で発生する摩擦力を測定すれば、摩擦力の変化状態からディスク媒体１０１及び摺動部材１０５の耐久性を評価することが可能になる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、摩擦力試験装置を構成する荷重検出器１０７の直方体ブロック１２１に対して座標軸Ｚと合致する方向の力成分Ｆｚが作用した際には、直方体ブロック１２１に形成された薄肉部１２２ｆ，１２２ｆ’，１２３ｆ，１２３ｆ’全ての外面側に伸張歪みが発生するので、直方体ブロック１２１は図１９で示すような変形をきたすことになる。そして、この変形による力成分Ｆｚに伴う歪みゲージＳ１３１，Ｓ１３２，Ｓ１３３，Ｓ１３４からの出力は、図１７で示すホイートストンブリッジ回路によりキャンセルされる。
【０００９】
しかしながら、実際の使用時における直方体ブロック１２１に対して力成分Ｆｘ，Ｆｚが同時的に作用している場合、力成分Ｆｘによって図１８で示すような変形をきたしたところに力成分Ｆｚが作用することになる。この場合、力成分Ｆｚは、薄肉部１２２ｆ，１２３ｆ’の外面側には圧縮歪みとして作用し、薄肉部１２２ｆ’，１２３ｆの外面側には伸張歪みとして作用する。つまり、すべての薄肉部１２２ｆ，１２２ｆ’，１２３ｆ，１２３ｆ’において、力成分Ｆｚは力成分Ｆｘと同方向の歪みを発生させることになり、図１７で示すホイートストンブリッジ回路では、座標軸Ｘと合致する方向に沿って作用する力成分Ｆｘと、座標軸Ｚと合致する方向に沿って作用する力成分Ｆｚとを分離したうえでの高精度な検出を行うことができ難くなる。
【００１０】
さらにまた、最近では、ディスク媒体１０１及び摺動部材１０５の耐久性向上を実現する観点から、ディスク媒体１０１の表面に対する摺動部材１０５の固体接触力を低減することが図られているため、検出される摩擦力の値も小さくなっている。ところが、検出される摩擦力の値が小さくなってくると、ディスク媒体１０１及び摺動部材１０５の固体接触による摩擦力に比べて微小であるために従来は考慮されていなかった空気粘性摩擦力、つまり、ディスク媒体１０１の回転駆動に伴って発生する空気流の影響による摩擦力が相対的に増大し、この空気粘性摩擦力を無視することができなくなる。そして、荷重検出器１０７でもって検出される摩擦力から空気粘性摩擦力の影響を排除しなければ、ディスク媒体１０１及び摺動部材１０５間の固体接触力によって発生する摩擦力を正確には測定できないことになってしまう。
【００１１】
本発明はこのような不都合に鑑みて創案されたものであって、力成分を作用方向ごとに分離することが可能であり、かつ、空気粘性摩擦力の影響を排除することも可能な構成とされた摩擦力試験装置の提供を目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る摩擦力試験装置は、このような目的を達成するため、回転駆動されるディスク媒体と、該ディスク媒体の表面と対向する位置に配設された摺動部材との間で発生する摩擦力を検出する荷重検出器が、前記ディスク媒体の回転方向の法線方向に沿う２つの貫通孔が形成された直方体ブロックと、前記貫通孔を挟んで対向する前記直方体ブロックの４つの薄肉部それぞれの外面上に貼着された４つの歪み検出用素子とを具備したものであり、前記ディスク媒体の表面に対する前記摺動部材の押し付け方向の力成分をキャンセル可能に前記４つの歪検出用素子がホイートストンブリッジを構成するように接続されており、前記薄肉部のそれぞれは前記直方体ブロックの外方または内方へと向かって湾曲していることを特徴としている。この発明によれば、作用方向の異なる力成分が同時に作用している場合であっても力成分を作用方向ごとに分離することが可能となるため、高精度の摩擦力検出を行うことができるという利点が得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に係る摩擦力試験装置は、回転駆動されるディスク媒体と、該ディスク媒体の表面と対向する位置に配設された摺動部材と、該摺動部材を一端側で支持する支持アームの他端側に配設され、かつ、前記ディスク媒体及び摺動部材間で発生する摩擦力を検出する荷重検出器と、計算処理手段とを備えてなるものであって、前記荷重検出器は、前記ディスク媒体の回転方向の法線方向に沿う２つの貫通孔が形成された直方体ブロックと、前記貫通孔を挟んで対向する前記直方体ブロックの４つの薄肉部それぞれの外面上に貼着された４つの歪み検出用素子とを具備したものであり、前記ディスク媒体の表面に対する前記摺動部材の押し付け方向の力成分をキャンセル可能に前記４つの歪検出用素子がホイートストンブリッジを構成するように接続されており、前記薄肉部のそれぞれは前記直方体ブロックの外方または内方へと向かって湾曲していることを特徴とする。この構成を採用した際には、直方体ブロックに作用する力成分を分離したうえで検出し得るという作用が確保される。
【００１５】
本発明の請求項２に係る摩擦力試験装置は、請求項１に記載したものであって、歪み検出用素子である歪みゲージは、直方体ブロックの薄肉部の外面上に貼着されるベースフィルムと、該ベースフィルムと一体化された歪み検出部とを具備したものであり、前記ベースフィルムの前記薄肉部の対向方向及び前記貫通孔の貫通方向のいずれとも直交する第３の方向における長さは、前記直方体ブロックに形成された貫通孔の前記第３の方向における幅よりも長く設定されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項３に係る摩擦力試験装置は、請求項１に記載した摩擦力試験装置であって、歪み検出用素子である歪みゲージは、直方体ブロックの薄肉部の外面上に貼着されるベースフィルムと、該ベースフィルムと一体化された歪み検出部と、該歪み検出部に通電するリード線とを具備したものであり、該リード線と前記歪み検出部との接続端子部は、前記直方体ブロックに形成されて前記薄肉部同士間に介在する剛体部分の外面上に配置されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明の請求項４に係る摩擦力試験装置は、請求項１ないし３のいずれかに記載した摩擦力試験装置であって、計算処理手段は、ディスク媒体及び摺動部材間の相対速度と前記ディスク媒体の回転駆動に伴って発生する空気粘性摩擦力との相関関係を示す関係式が内蔵されており、かつ、該関係式に従って算出された前記空気粘性摩擦力を荷重検出器で検出される摩擦力から分離するものであることを特徴とする。この構成を採用した際には、荷重検出器でもって測定される摩擦力から空気粘性摩擦力の影響が排除されていることになり、ディスク媒体及び摺動部材間の固体接触力によって発生する摩擦力が正確に検出されるという作用が確保される。
【００１８】
本発明の請求項５に係る摩擦力試験装置は、請求項４に記載した摩擦力試験装置であり、ディスク媒体及び摺動部材間の相対速度と前記ディスク媒体の回転駆動に伴って発生する空気粘性摩擦力との相関関係を示す関係式は、回転停止しているディスク媒体の表面から摺動部材が十分に離間している際の荷重検出器で検出される摩擦力と、前記ディスク媒体の回転駆動に伴って発生する空気流の影響を受けて前記摺動部材がディスク媒体の表面から完全に浮上している際の前記荷重検出器で検出される摩擦力とに基づいて導出されたものであることを特徴とする。
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は本発明に係る摩擦力試験装置を簡略化して示す全体構成図、図２は実施の形態１に係る荷重検出器を示す外観斜視図であり、図３は実施の形態１に係る歪み検出用素子である歪みゲージによって構成されるホイートストンブリッジ回路を示す説明図である。
【００２２】
実施の形態１に係る摩擦力試験装置は、図１で示すように、磁気ディスク装置で用いられる磁気ディスク等であるディスク媒体１と、このディスク媒体１を回転駆動するスピンドルモータ２と、ディスク媒体１の表面と対向する位置に配設された摺動部材、例えば、磁気ヘッドを搭載したスライダである摺動部材３とを備えている。そして、摺動部材３を一端側で支持する支持アーム４の他端側には荷重検出器５が配設されており、この荷重検出器５はディスク媒体１及び摺動部材３間で発生する摩擦力を検出することになっている。また、荷重検出器５の出力はアンプ６で増幅されることになっており、この際におけるアンプ６は、荷重検出器５が具備する歪み検出用素子であるところの歪みゲージでホイートストンブリッジ回路を構成するブリッジボックスと、動歪み測定器とを具備している。
【００２３】
さらに、図１中の符号７は回転数制御手段、８は回転数検出手段、９は計算処理手段であり、回転数制御手段７はスピンドルモータ２を介してディスク媒体１の回転数を制御し、回転数検出手段８はスピンドルモータ２の回転数を検出するものである。一方、計算処理手段９は、回転数制御手段７を制御するとともに、荷重検出器５でもって検出される摩擦力を記録するコンピュータであり、具体的には、回転数検出手段８で検出される回転数からディスク媒体１及び摺動部材３間の相対速度を演算して算出し、かつ、荷重検出器５でもって検出される摩擦力とディスク媒体１及び摺動部材３間の相対速度との相関関係等を演算するものとなっている。
【００２４】
次に、図２を参照しながら荷重検出器５の構成を説明する。ここでの荷重検出器５は、好ましくはアルミニウム等の金属材料である剛体からなる直方体ブロック１１を具備して構成されたものであり、この直方体ブロック１１は、ディスク媒体１の回転方向の接線方向、つまり、摩擦力試験時のディスク媒体１と摺動部材３との間で発生する摩擦力の作用方向（第１の方向）と合致する座標軸Ｘに沿った側面Ａ，Ｂと、回転方向の法線方向（第２の方向）と合致する座標軸Ｙに沿った側面Ｃ，Ｄとを有している。なお、図中の座標軸Ｚは、座標軸Ｘ，Ｙのいずれとも直交する方向、つまり、ディスク媒体１の表面に対する摺動部材３の押しつけ方向（第３の方向）を示している。そして、直方体ブロック１１には、座標軸Ｙに沿いながら側面Ａ，Ｂ間を貫通する断面視略楕円形状の貫通孔１２，１３が空隙部１４を介したうえでの上下位置に形成されており、貫通孔１２を挟んで対向しあう薄肉部１２ｆ，１２ｆ′によっては第１の平行平板構造が構成される一方、貫通孔１３を挟んで対向する薄肉部１３ｆ，１３ｆ′によっては第２の平行平板構造が構成されている。
【００２５】
また、この際における薄肉部１２ｆ，１２ｆ′，１３ｆ，１３ｆ′それぞれの肉厚は０．１ｍｍであり、これら薄肉部１２ｆ，１２ｆ′，１３ｆ，１３ｆ′は直方体ブロック１１の外方へと向かって湾曲した形状を有している。すなわち、この直方体ブロック１１を製作する際には、まずもって側面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄそれぞれの平面を確保したうえでのワイヤカット放電加工によって貫通孔１２，１３が形成されるため、加工歪みによって薄肉部１２ｆ，１２ｆ′，１３ｆ，１３ｆ′のそれぞれが数μｍから十数μｍ程度の範囲にわたって湾曲することになる。さらに、この直方体ブロック１１の側面Ｃ，Ｄ上、つまり、薄肉部１２ｆ，１２ｆ′，１３ｆ，１３ｆ′それぞれの外面上には、歪み検出用素子である歪みゲージＳ２１，Ｓ２２，Ｓ２３，Ｓ２４が貼着されており、これらの歪みゲージＳ２１，Ｓ２２，Ｓ２３，Ｓ２４は図３で示すようなホイートストンブリッジ回路を構成している。
【００２６】
なお、本実施の形態では、直方体ブロック１１に２つの貫通孔１２，１３を形成するとしているが、このような構成に限定されることはないのであり、貫通孔の個数が１つや３つ以上であってもよい。また、本実施の形態においては、薄肉部１２ｆ，１２ｆ′，１３ｆ，１３ｆ′のそれぞれが直方体ブロック１１の外方へと向かって湾曲した形状を有するとしているが、これらの薄肉部１２ｆ，１２ｆ′，１３ｆ，１３ｆ′が直方体ブロック１１の内方へと向かって湾曲した形状であってもよいことは勿論である。
【００２７】
引き続き、ＣＳＳ試験時における摩擦力試験装置の動作を説明する。まず、ディスク媒体１の表面に対して摺動部材３を３０ｍＮの押しつけ荷重で押圧し、ディスク媒体１をスピンドルモータ２によって回転させると、ディスク媒体１が回転駆動するのに従ってディスク媒体１及び摺動部材３間には固体接触に伴う大きな摩擦力、つまり、座標軸Ｘと合致する方向の力成分Ｆｘが作用する。そして、ディスク媒体１の回転数が大きくなってくると、ディスク媒体１の回転駆動に伴って空気流が発生するため、摺動部材３はディスク媒体１の表面上から浮上することになり、力成分Ｆｘは小さくなる。
【００２８】
そのため、荷重検出器５が具備している直方体ブロック１１の薄肉部１２ｆ，１２ｆ′，１３ｆ，１３ｆ′のそれぞれにはディスク媒体１と摺動部材３との間で発生する力成分Ｆｘに比例した歪みが発生し、歪みゲージＳ２１，Ｓ２２，Ｓ２３，Ｓ２４でもって構成されたホイートストンブリッジ回路からは力成分Ｆｘに見合った測定出力が得られることになり、この測定出力は計算処理手段９に対して伝達される。なお、この際におけるスピンドルモータ２は、計算処理手段９で制御される回転数制御手段７から出力されてくるモータクロック信号によって１ｒｐｍから２００００ｒｐｍの間で変速回転可能である一方、このスピンドルモータ２の回転数は、内蔵されたロータリーエンコーダから出力されてくる矩形パルスをカウントする回転数検出手段８から計算処理手段９へと伝達されることになっている。
【００２９】
ところで、この種の荷重検出器５に必要とされる力成分Ｆｘ（摩擦力）の測定範囲は１００ｍＮ程度までであり、この程度である限りは、荷重検出器５が具備している直方体ブロック１１の薄肉部１２ｆ，１２ｆ′，１３ｆ，１３ｆ′における歪みによる変形量は１μｍ程度となる。そして、本実施の形態においては、薄肉部１２ｆ，１２ｆ′，１３ｆ，１３ｆ′のそれぞれを当初から１μｍ程度だけ湾曲させているから、力成分Ｆｘが作用している状態下で座標軸Ｚと合致する方向の力成分Ｆｚが同時的に作用しても、薄肉部１２ｆ，１２ｆ’，１３ｆ，１３ｆ’のそれぞれの外面側では伸張歪みが発生することになり、その結果として歪みゲージＳ２１，Ｓ２２，Ｓ２３，Ｓ２４でもって構成されたホイートストンブリッジ回路からは、力成分Ｆｚがキャンセルされた力成分Ｆｘのみに見合った測定出力が得られる。
【００３０】
（実施の形態２）
図４は実施の形態２に係る荷重検出器を示す外観斜視図であり、図５は実施の形態２に係る歪みゲージによって構成されるホイートストンブリッジ回路を示す説明図である。そして、図６は、歪みゲージの出力及び周波数の分析結果を示す説明図である。
【００３１】
本実施の形態２に係る摩擦力試験装置は、図１で示したのと同様、ディスク媒体１と、スピンドルモータ２と、摺動部材３と、支持アーム４と、荷重検出器５と、アンプ６と、回転数制御手段７と、回転数検出手段８と、コンピュータである計算処理手段９とを備えており、荷重検出器５は図４で示すような構成とされている。すなわち、この荷重検出器５は、剛体からなる直方体ブロック３１を具備して構成されたものであり、直方体ブロック３１は、ディスク媒体１の回転方向の接線方向（第１の方向）と合致する座標軸Ｘに沿った側面Ａ，Ｂと、その回転方向の法線方向（第２の方向）と合致する座標軸Ｙに沿った側面Ｃ，Ｄとを有している。
【００３２】
そして、直方体ブロック３１には、座標軸Ｙに沿いながら側面Ａ，Ｂ間を貫通する断面視略楕円形状の貫通孔３５，３６が空隙部３７を介したうえでの上下位置に形成されており、貫通孔３５を挟んで対向し、かつ、肉厚が０．１ｍｍ程度とされた薄肉部３５ｆ，３５ｆ′によっては第１の平行平板構造が構成される一方、貫通孔３６を挟んで対向し、かつ、肉厚が０．１ｍｍ程度とされた薄肉部３６ｆ，３６ｆ′によっては第２の平行平板構造が構成されている。
【００３３】
また、直方体ブロック１１の側面Ｃ，Ｄ上、つまり、薄肉部３６ｆ，３６ｆ′それぞれの外面上には、歪み検出用素子である一対ずつの歪みゲージＳ４１，Ｓ４２，Ｓ４３，Ｓ４４が貼着されており、歪みゲージＳ４１，Ｓ４２，Ｓ４３，Ｓ４４を用いて構成された図５のホイートストンブリッジ回路からは、座標軸Ｘに沿って作用する力成分Ｆｘ等のような摩擦力が検出されることになっている。なお、図中の符号３２，３３，３３′，３４のそれぞれは直方体ブロック３１における剛体部分を示しており、座標軸Ｚは座標軸Ｘ，Ｙのいずれとも直交する方向（第３の方向）を示している。
【００３４】
ところで、図６（ａ）は薄肉部３５ｆ，３５ｆ’に歪みゲージを貼着した際における出力及び周波数の分析結果、また、図６（ｂ）は薄肉部３６ｆ，３６ｆ’に歪みゲージを貼着した際における出力及び周波数の分析結果を示しており、これらを比較すると、薄肉部３６ｆ，３６ｆ’に貼着された歪みゲージよりも薄肉部３５ｆ，３５ｆ’に貼着された歪みゲージにおける共振点の方が低いことが分かる。すなわち、この際においては、薄肉部３５ｆ，３５ｆ’の先端質量（剛体部分３３，３３’，３４の質量の和）と薄肉部３６ｆ，３６ｆ’の先端質量（剛体部分３４の質量）とが異なるため、薄肉部３５ｆ，３５ｆ’に貼着された歪みゲージの共振点が１．７ｋＨｚであるのに対し、薄肉部３６ｆ，３６ｆ’に貼着された歪みゲージの共振点が２．５ｋＨｚとなっている。
【００３５】
従って、本実施の形態に係る荷重検出器５が具備する直方体ブロック１１に形成された薄肉部３５ｆ，３５ｆ’，３６ｆ，３６ｆ′それぞれの外面上に歪みゲージＳ４１，Ｓ４２，Ｓ４３，Ｓ４４を貼着し、これらの歪みゲージＳ４１，Ｓ４２，Ｓ４３，Ｓ４４によってホイートストンブリッジ回路を構成すると、摩擦力を検出し得る測定帯域が薄肉部３５ｆ，３５ｆ’に貼着された歪みゲージの共振点以下にまで制限されることになる。しかしながら、本実施の形態では、薄肉部３６ｆ，３６ｆ′の外面上のみに歪みゲージＳ４１，Ｓ４２，Ｓ４３，Ｓ４４を貼着し、これらの歪みゲージＳ４１，Ｓ４２，Ｓ４３，Ｓ４４によってホイートストンブリッジ回路を構成しているので、直方体ブロック３１の構成を従来の形態と同様としながらも摩擦力の測定帯域を拡大し得ることになる。
【００３７】
（実施の形態３）
図７は実施の形態３に係る荷重検出器を示す外観斜視図、図８は歪みゲージの取着部近傍を拡大して示す平面図であり、図９は直方体ブロックの薄肉部における応力分布状態を示す説明図である。なお、本実施の形態に係る摩擦力試験装置及び荷重検出器それぞれの構成は実施の形態２と基本的に異ならないので、ここでの詳しい説明は省略することとし、図７において図４と同一の部品及び部分には同一符号を付している。
【００３８】
実施の形態３に係る荷重検出器５は剛体からなる直方体ブロック３１を具備しており、この直方体ブロック３１は、座標軸Ｘに沿った側面Ａ，Ｂと、座標軸Ｙに沿った側面Ｃ，Ｄとを有している。そして、直方体ブロック３１には、座標軸Ｙに沿いながら側面Ａ，Ｂ間を貫通する断面視略楕円形状の貫通孔３５，３６が空隙部３７を介したうえで形成されており、貫通孔３５を挟んで対向する薄肉部３５ｆ，３５ｆ′によっては第１の平行平板構造が構成される一方、貫通孔３６を挟んで対向する薄肉部３６ｆ，３６ｆ′によっては第２の平行平板構造が構成されている。また、この直方体ブロック３１における薄肉部３６ｆ，３６ｆ′それぞれの外面上には歪みゲージＳ５１，Ｓ５２，Ｓ５３，Ｓ５４の一対ずつが貼着されており、これらの歪みゲージＳ５１，Ｓ５２，Ｓ５３，Ｓ５４によってはホイートストンブリッジ回路が構成されている。
【００３９】
さらに、歪みゲージＳ５１，Ｓ５２，Ｓ５３，Ｓ５４の各々は、図８（ａ）で示すように、薄肉部３６ｆ，３６ｆ′それぞれの外面上に貼着されるベースフィルム５５と、このベースフィルム５５と一体化された歪み検出部５６とを具備したものであり、この際におけるベースフィルム５５の座標軸Ｚに沿った長さは直方体ブロック３１に形成された貫通孔３６の座標軸Ｚに沿った幅よりも長く設定されている。すなわち、図８（ａ）中の符号Ａ，Ｂ，Ｃそれぞれは、貫通孔３６の上縁位置，中心位置，下縁位置に対応するようにして直方体ブロック３１の側面Ｃ，Ｄ上に設定された仮想線を示しており、仮想線Ａ，Ｂ，Ｃそれぞれ同士の離間間隔は１ｍｍ程度であることになっている。
【００４０】
そして、これら歪みゲージＳ５１，Ｓ５２，Ｓ５３，Ｓ５４の各々は、その歪み検出部５６が仮想線Ｂ、つまり、貫通孔３６を挟んで対向する薄肉部３６ｆ，３６ｆ′それぞれの最薄肉厚部と合致する仮想線Ｂ上に位置し、かつ、そのベースフィルム５５が仮想線Ａ，Ｂ，Ｃの全てに跨がるように位置決めしたうえで貼着されている。なお、図８（ｂ）は、歪みゲージＳ５１，Ｓ５２，Ｓ５３，Ｓ５４が具備するベースフィルム５５の座標軸Ｚに沿った長さが短いため、このベースフィルム５５が仮想線Ｂのみに跨がって貼着された状態を示しており、ここでは仮想線Ｂからベースフィルム５５の上縁端部及び下縁端部に至るまでの長さが０．５ｍｍ程度とされている。
【００４１】
ところで、図９は摩擦力である力成分Ｆｘが作用した際における直方体ブロック３１の薄肉部３６ｆに生じる応力の分布状態を示しており、図９（ａ）は図８（ａ）の取着状態、また、図９（ｂ）は図８（ｂ）の取着状態に対応している。そして、これらの図９（ａ），（ｂ）によれば、歪みゲージＳ５１，Ｓ５２，Ｓ５３，Ｓ５４の各々を構成するベースフィルム５５の長さが貫通孔３６の幅よりも長い場合には、最薄肉厚部である貫通孔３６の中心位置と対応している仮想線Ｂ上にのみ応力が集中するのに対し、ベースフィルム５５の長さが貫通孔３６の幅よりも短い場合には、仮想線Ｂ上のみならず、ベースフィルム５５の上縁端部及び下縁端部と対応する位置にも応力が集中していることが分かる。さらに、図９（ａ），（ｂ）を比較してみると、仮想線Ｂ上での応力は図８（ｂ）の取着状態よりも図８（ａ）の取着状態の方が大きいことも確認される。
【００４２】
すなわち、本実施の形態によると、歪みゲージＳ５１，Ｓ５２，Ｓ５３，Ｓ５４のそれぞれが、薄肉部３６ｆ，３６ｆ′の外面上に貼着されるベースフィルム５５と、ベースフィルム５５と一体化された歪み検出部５６とを具備したものとし、かつ、ベースフィルム５５の座標軸Ｚに沿った長さを貫通孔３６の幅端部を越えるまで長くしたうえで取着しておけば、ベースフィルム５５の上縁端部及び下縁端部と対応する位置に応力を集中させることなく、貫通孔３６の中心位置と対応している仮想線Ｂ上でのみ大きな応力を得ることが可能となる。従って、直方体ブロック３１の形状を何ら変更することなく、歪み検出部５６で検出される歪み量を大きくし得ることとなり、いいかえれば荷重検出器５の測定分解能を高くすることができるという利点が確保される。
【００４３】
（実施の形態４）
図１０は実施の形態４に係る荷重検出器を示す外観斜視図、図１１は歪みゲージの取着部近傍を拡大して示す平面図であり、図１２は直方体ブロックの薄肉部における応力分布状態を示す説明図である。なお、本実施の形態に係る摩擦力試験装置及び荷重検出器それぞれの構成は実施の形態２，３と基本的に異ならないので、ここでの詳しい説明は省略することとし、図１０において図４，図７と同一の部品及び部分には同一符号を付している。
【００４４】
実施の形態４に係る荷重検出器５は剛体からなる直方体ブロック３１を具備しており、この直方体ブロック３１には、座標軸Ｙに沿いながら側面Ａ，Ｂ間を貫通する断面視略楕円形状の貫通孔３５，３６が空隙部３７を介したうえで形成されている。そして、貫通孔３５を挟んで対向し、肉厚が０．１ｍｍ程度とされた薄肉部３５ｆ，３５ｆ′によっては第１の平行平板構造が構成される一方、貫通孔３６を挟んで対向し、かつ、肉厚が０．１ｍｍ程度とされた薄肉部３６ｆ，３６ｆ′によっては第２の平行平板構造が構成されており、薄肉部３５ｆ，３６ｆ及び３５ｆ′，３６ｆ′のそれぞれ同士間には厚肉の剛体部分３３，３３′が介在している。また、この際における直方体ブロック３１の座標軸Ｙに沿った側面Ｃ，Ｄ上、つまり、薄肉部３６ｆ，３６ｆ′それぞれの外面上には歪みゲージＳ６１，Ｓ６２，Ｓ６３，Ｓ６４の一対ずつが貼着されている。
【００４５】
そして、歪みゲージＳ６１，Ｓ６２，Ｓ６３，Ｓ６４の各々は、図１１（ａ）で示すように、薄肉部３６ｆ，３６ｆ′それぞれの外面上に貼着されるベースフィルム６５と、ベースフィルム６５と一体化された歪み検出部６６と、歪み検出部６６に通電するためのリード線６７、例えば、直径が０.１４ｍｍ程度の銅合金からなるリード線６７とを具備したものであり、リード線６７と歪み検出部６６との間を接続する接続端子部６８は、直方体ブロック３１に形成されて薄肉部３５ｆ，３６ｆ及び３５ｆ′，３６ｆ′同士間に介在する剛体部分３３，３３′の外面上に配置されている。なお、図中の符号Ａ，Ｂ，Ｃは貫通孔３６の上縁位置，中心位置，下縁位置に対応するように直方体ブロック３１の側面Ｃ，Ｄ上に設定された仮想線であり、仮想線Ａ，Ｂ，Ｃそれぞれ同士の離間間隔は１ｍｍ程度とされている。
【００４６】
すなわち、これら歪みゲージＳ６１，Ｓ６２，Ｓ６３，Ｓ６４のそれぞれは、歪み検出部６６が仮想線Ｂ上に位置するようにしたうえで薄肉部３６ｆ，３６ｆ′の外面上に貼着されており、歪み検出部６６から２ｍｍ程度だけ離間した位置にある接続端子部６８は、剛体部分３３，３３′の外面上に配置されている。なお、図１１（ｂ）は、歪み検出部６６と接続端子部６８との離間間隔が０．７ｍｍ程度と短い歪みゲージＳ６１，Ｓ６２，Ｓ６３，Ｓ６４の取着状態を示しており、このような歪みゲージＳ６１，Ｓ６２，Ｓ６３，Ｓ６４である場合には、歪み検出部６６のみならず、接続端子部６８までもが薄肉部３６ｆ，３６ｆ′の外面上に配置されていることになる。
【００４７】
さらに、図１２は摩擦力である力成分Ｆｘが作用した際における直方体ブロック３１の薄肉部３６ｆに生じる応力の分布状態を示しており、この図１２で示す応力の分布状態は歪みゲージＳ６１，Ｓ６２，Ｓ６３，Ｓ６４のそれぞれを図１１（ｂ）で示すように取着した場合と対応している。なお、歪みゲージＳ６１，Ｓ６２，Ｓ６３，Ｓ６４の各々を図１１（ａ）で示すような状態として取着した際における直方体ブロック３１の薄肉部３６ｆに生じる応力の分布状態は、図９（ａ）と同様になる。そして、図１２及び図９（ａ）によれば、歪みゲージＳ６１，Ｓ６２，Ｓ６３，Ｓ６４の接続端子部６８までもが薄肉部３６ｆ，３６ｆ′の外面上に配置されている場合には、これら接続端子部６８と対応する位置で応力の集中が生じる結果、貫通孔３６の中心位置と対応する仮想線Ｂ上での応力集中が小さくなり、歪み検出部６６でもって検出される歪み量が小さくなることが分かる。
【００４８】
すなわち、本実施の形態によれば、歪みゲージＳ６１，Ｓ６２，Ｓ６３，Ｓ６４が具備している接続端子部６８を直方体ブロック３１における剛体部分３３，３３′の外面上に配置しておくと、貫通孔３６の中心位置と対応する仮想線Ｂ上に配置された歪み検出部６６で検出される歪み量が大きくなるとの事実が確認されたことになり、直方体ブロック３１の形状を何ら変更することなく、歪み検出部６６で検出される歪み量を大きくし、荷重検出器５の測定分解能を高め得るという利点が確保される。ところで、このような構成とした場合には、歪み検出部６６及び接続端子部６８の離間間隔が長いので、歪み検出部６６を大きくすることが可能となり、貼着精度が低くても差し支えないため、歪みゲージＳ６１，Ｓ６２，Ｓ６３，Ｓ６４の取着作業が容易になるという利点も確保される。
【００４９】
（実施の形態５）
図１３は摩擦力試験の結果を示す説明図、図１４はディスク媒体の回転速度と摩擦力との相関関係を示す説明図であり、図１３の説明図には、図１の摩擦力試験装置が備える荷重検出器５でもって検出された摺動部材３に加わる摩擦力と、ディスク媒体の始動時から停止時までの回転数とが時間の経過に従いながら示されている。なお、この実施の形態５では、摩擦力試験装置が図１に示した構成を有し、かつ、荷重検出器５が図２で示した構成を有するとしている。
【００５０】
図１３で示すように、摩擦力試験装置では、まず、ディスク媒体１の始動時においてディスク媒体１と摺動部材３との固体接触による大きな摩擦力、つまり、固体接触摩擦力が検出されることになり、ディスク媒体１の回転数が大きくなると、ディスク媒体１の回転駆動に伴って空気流が発生し、発生した空気流によって摺動部材３がディスク媒体１の表面上から離間して浮上するため、固体接触摩擦力は減少することになる。しかしながら、ディスク媒体１の回転数が大きくなると、空気粘性摩擦力が再び増加し始めることになり、ディスク媒体１が定速回転している間の空気粘性摩擦力は一定となる。
【００５１】
すなわち、例えば、ディスク媒体１及び摺動部材３間の相対速度が３．５ｍ／ｓよりも大きいと、摺動部材３はディスク媒体１の表面上から完全に浮上しているため、この際の荷重検出器５で検出される摩擦力は、ディスク媒体１及び摺動部材３間に発生している空気流の影響による摩擦力、つまり、空気粘性摩擦力であり、ディスク媒体１及び摺動部材３間の相対速度が３．５ｍ／ｓよりも小さいときに検出される摩擦力は、固体接触摩擦力と空気粘性摩擦力との和であることになる。そこで、上記した摩擦力試験の結果を踏まえながら実験し、かつ、数値計算を行ってみると、ディスク媒体１及び摺動部材３間の相対速度とディスク媒体１の回転駆動に伴って発生する空気粘性摩擦力との相関関係は図１４で示すような関係式でもって表される。
【００５２】
なお、関係式中の実験値は、回転停止しているディスク媒体１の表面から摺動部材３が十分に離間している際の荷重検出器５で検出される摩擦力と、ディスク媒体１の回転駆動に伴って発生する空気流の影響を受けて摺動部材３がディスク媒体１の表面から完全に浮上している際の荷重検出器５で検出される摩擦力、つまり、摺動部材３をディスク媒体１に対して３０ｍＮの押しつけ荷重で押圧した後、ディスク媒体１及び摺動部材３間の相対速度が３．５ｍ／ｓ以上の状態で回転駆動中のディスク媒体１から摺動部材３が空気流によって完全に浮上している際の摩擦力とから求めたものである。また、関係式中の計算値は、有限要素法を利用したうえでのディスク媒体１及び摺動部材３間における空気流のシミュレーションを行って求めたものである。
【００５３】
そこで、このようにして得られた関係式をコンピュータである計算処理手段９に内蔵しておき、摩擦力試験時の回転数検出手段８から計算処理手段９へと伝達されてくるスピンドルモータ２の回転数、つまり、ディスク媒体１の回転数に基づいて時刻ごとの空気粘性摩擦力を算出し、かつ、荷重検出器５から出力されたうえで計算処理手段９に伝達されてくる摩擦力のうちから空気粘性摩擦力を分離して差し引くこととすれば、ディスク媒体１と摺動部材３との間における固体接触摩擦力のみが測定されることになる。すなわち、このような構成を採用した際には、荷重検出器５でもって測定される摩擦力から空気粘性摩擦力の影響が排除されていることになり、ディスク媒体１及び摺動部材３間の固体接触力によって発生する摩擦力が正確に検出される。その結果、ディスク媒体１及び摺動部材３の耐久性を評価するのに必要な固体接触摩擦力のみをＣＳＳ試験によって確実に検出し得ることとなる。
【００５４】
なお、本実施の形態では、ディスク媒体１の回転数と摺動部材３に作用する空気粘性摩擦力との関係式が予め計算処理手段９に内蔵されているが、このような構成のみに限定されることはないのであり、例えば、摺動部材３が浮上した後の荷重検出器５で検出される摩擦力、つまり、空気粘性摩擦力の値を用いたうえでディスク媒体１及び摺動部材３間の相対速度と摺動部材３に作用している空気粘性摩擦力との関係式を摩擦力試験時のたびごとに求めるようにしてもよいことは勿論である。そして、このような構成であれば、例えば、摩擦力試験の過程において摺動部材３が摩耗したことに伴って空気粘性摩擦力が変化した場合にも補正が可能になるという利点が確保される。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る摩擦力試験装置によれば、作用方向の異なる力成分が同時に作用している場合であっても力成分を作用方向ごとに分離することが可能となり、高精度の摩擦力検出を行うことができるという効果が得られる。そして、直方体ブロックの形状を従来同様としながらも共振点を高くすることが可能であり、力成分の検出帯域を広くできることになる。また、荷重検出器でもって測定される摩擦力から空気粘性摩擦力を分離して排除することが可能であり、ディスク媒体及び摺動部材間の固体接触力によって発生する摩擦力を正確に検出することができるという効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る摩擦力試験装置を簡略化して示す全体構成図である。
【図２】実施の形態１に係る荷重検出器を示す外観斜視図である。
【図３】歪みゲージによって構成されるホイートストンブリッジ回路を示す説明図である。
【図４】実施の形態２に係る荷重検出器を示す外観斜視図である。
【図５】歪みゲージによって構成されるホイートストンブリッジ回路を示す説明図である。
【図６】歪みゲージの出力及び周波数の分析結果を示す説明図である。
【図７】実施の形態３に係る荷重検出器を示す外観斜視図である。
【図８】歪みゲージの取着部近傍を拡大して示す平面図である。
【図９】直方体ブロックの薄肉部における応力分布状態を示す説明図である。
【図１０】実施の形態４に係る荷重検出器を示す外観斜視図である。
【図１１】歪みゲージの取着部近傍を拡大して示す平面図である。
【図１２】直方体ブロックの薄肉部における応力分布状態を示す説明図である。
【図１３】摩擦力試験の結果を示す説明図である。
【図１４】ディスク媒体の回転速度と摩擦力との相関関係を示す説明図である。
【図１５】従来の形態に係る摩擦力試験装置を簡略化して示す全体構成図である。
【図１６】従来の形態に係る荷重検出器を示す外観斜視図である。
【図１７】歪みゲージによって構成されるホイートストンブリッジ回路を示す説明図である。
【図１８】荷重検出器の変形状態を示す説明図である。
【図１９】荷重検出器の変形状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１ ディスク媒体
３ 摺動部材
４ 支持アーム
５ 荷重検出器
９ 計算処理手段
１１ 直方体ブロック
１２ 貫通孔
１２ｆ 薄肉部
１２ｆ′薄肉部
１３ 貫通孔
１３ｆ 薄肉部
１３ｆ′薄肉部
１４ 空隙部
Ｓ２１ 歪みゲージ
Ｓ２２ 歪みゲージ
Ｓ２３ 歪みゲージ
Ｓ２４ 歪みゲージ

Claims (5)

1. 回転駆動されるディスク媒体と、該ディスク媒体の表面と対向する位置に配設された摺動部材と、該摺動部材を一端側で支持する支持アームの他端側に配設され、かつ、前記ディスク媒体及び摺動部材間で発生する摩擦力を検出する荷重検出器と、計算処理手段とを備えてなる摩擦力試験装置であって、
   前記荷重検出器は、前記ディスク媒体の回転方向の法線方向に沿う２つの貫通孔が形成された直方体ブロックと、前記貫通孔を挟んで対向する前記直方体ブロックの４つの薄肉部それぞれの外面上に貼着された４つの歪み検出用素子とを具備したものであり、前記ディスク媒体の表面に対する前記摺動部材の押し付け方向の力成分をキャンセル可能に前記４つの歪検出用素子がホイートストンブリッジを構成するように接続されており、前記薄肉部のそれぞれは前記直方体ブロックの外方または内方へと向かって湾曲していることを特徴とする摩擦力試験装置。
2. 請求項１に記載した摩擦力試験装置であって、
   歪み検出用素子である歪みゲージは、直方体ブロックの薄肉部の外面上に貼着されるベースフィルムと、該ベースフィルムと一体化された歪み検出部とを具備したものであり、前記ベースフィルムの前記薄肉部の対向方向及び前記貫通孔の貫通方向のいずれとも直交する第３の方向における長さは、前記直方体ブロックに形成された貫通孔の前記第３の方向における幅よりも長く設定されていることを特徴とする摩擦力試験装置。
3. 請求項１に記載した摩擦力試験装置であって、
   歪み検出用素子である歪みゲージは、直方体ブロックの薄肉部の外面上に貼着されるベースフィルムと、該ベースフィルムと一体化された歪み検出部と、該歪み検出部に通電するリード線とを具備したものであり、該リード線と前記歪み検出部との接続端子部は、前記直方体ブロックに形成されて前記薄肉部同士間に介在する剛体部分の外面上に配置されていることを特徴とする摩擦力試験装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載した摩擦力試験装置であって、
   計算処理手段は、ディスク媒体及び摺動部材間の相対速度と前記ディスク媒体の回転駆動に伴って発生する空気粘性摩擦力との相関関係を示す関係式が内蔵されており、かつ、該関係式に従って算出された前記空気粘性摩擦力を荷重検出器で検出される摩擦力から分離するものであることを特徴とする摩擦力試験装置。
5. 請求項４に記載した摩擦力試験装置であって、
   ディスク媒体及び摺動部材間の相対速度と前記ディスク媒体の回転駆動に伴って発生する空気粘性摩擦力との相関関係を示す関係式は、回転停止しているディスク媒体の表面から摺動部材が十分に離間している際の荷重検出器で検出される摩擦力と、前記ディスク媒体の回転駆動に伴って発生する空気流の影響を受けて前記摺動部材がディスク媒体の表面から完全に浮上している際の前記荷重検出器で検出される摩擦力とに基づいて導出されたものであることを特徴とする摩擦力試験装置。

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