JP6765668B2 - Friction force control method and friction force control device - Google Patents
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Description
本発明は摩擦力の制御に関し、特に光照射によって摩擦力を変化させる方法及び装置に関する。 The present invention relates to control of frictional force, and particularly to a method and apparatus for changing frictional force by light irradiation.
ｍｍオーダー以下のサイズを有する超小型機械であるマイクロマシン（ＭＥＭＳ）に関する研究分野では、ナノオーダーで摩擦力の制御を行うことに対し、大きな関心が持たれている（非特許文献１〜４）。ＭＥＭＳの性能を変えるためには、ＭＥＭＳのマイクロコンポーネント間の摩擦力もしくは接着力の相互作用をナノスケールで変える必要がある。例えば、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）（非特許文献５）、自己組織化単分子（ＳＡＭ）（非特許文献６）、生体模倣プロセス（非特許文献７）、湿度制御（非特許文献８）などのコーティングによる表面改質方法が、摩擦力および密着力を変えることに用いられている。また、Liangらは、ナノスケールオーダーの固体潤滑材として厚さの制御可能なフッ素含有有機膜で覆われたシリコン（Ｓｉ）の摩擦力や摩耗寿命に関して報告している（非特許文献９）。 In the research field on micromachines (MEMS), which are micromachines having a size on the order of mm or less, there is great interest in controlling frictional force on the order of nano (Non-Patent Documents 1 to 4). In order to change the performance of MEMS, it is necessary to change the interaction of frictional force or adhesive force between the microcomponents of MEMS on a nanoscale. For example, diamond-like carbon (DLC) (Non-Patent Document 5), self-assembling single molecule (SAM) (Non-Patent Document 6), biomimetic process (Non-Patent Document 7), humidity control (Non-Patent Document 8), etc. A surface modification method by coating is used to change the frictional force and adhesion force. In addition, Liang et al. Report on the frictional force and wear life of silicon (Si) covered with a fluorine-containing organic film having a controllable thickness as a nanoscale-order solid lubricant (Non-Patent Document 9).
しかしながら、それらの方法を用いて、コンポーネント間の界面の摩擦特性を人為的に短い応答時間で繰り返し制御することは困難である。もし、これが可能になればマイクロマシンの運動が外部から制御できることになり、新たな可能性が広がる。 However, it is difficult to artificially repeatedly control the frictional properties of the interface between components with a short response time using these methods. If this becomes possible, the movement of the micromachine can be controlled from the outside, opening up new possibilities.
ナノスケールオーダーで摩擦力を制御するための方法の一つは、光照射により表面との接着力を変えることである。２０１３年に後藤らは、水中環境下において、ピレン分子コーティングした窒化ケイ素カンチレバーとサファイア基板との間の摩擦力を、光照射することにより減少させることに成功した（非特許文献１０）。ただし、この方法では、光照射直後に摩擦力の減少は生じたが、いったん減少した摩擦力は光照射をオフにした後でも直ぐには元に戻らず、時間をかけてゆっくり回復した。しかしながら、リアルタイムでＭＥＭＳの運動を制御するためには、摩擦力変化の応答速度が高いことが望まれる。
One of the methods for controlling the frictional force on the nanoscale order is to change the adhesive force with the surface by light irradiation. In 2013, Goto et al. Succeeded in reducing the frictional force between a silicon nitride cantilever coated with pyrene molecules and a sapphire substrate in an underwater environment by irradiating light (Non-Patent Document 10). However, in this method, the frictional force decreased immediately after the light irradiation, but the frictional force once decreased did not recover immediately even after the light irradiation was turned off, and recovered slowly over time. However, in order to control the movement of the MEMS in real time, it is desired that the response speed of the frictional force change is high.
本発明の課題は、ナノスケールオーダーに至るまでの微小領域の摩擦力を、制御信号として与えられる光照射の変化に高速で追随して制御することにある。 An object of the present invention is to control the frictional force in a minute region up to the nanoscale order by following the change of light irradiation given as a control signal at high speed.
本発明の一側面によれば、第１の物体と、前記第１の物体の表面と摺動する表面を有する第２の物体と、前記第１の物体の表面と前記第２の物体の表面の少なくとも一方が光によって励起されて電子状態が変化する分子を有し、前記光によって励起されて電子状態が変化する分子を有する面を真空中において光照射を行うことでその摩擦力を変化させる、
摩擦力制御方法が与えられる。
ここで、前記光はレーザー光またはＬＥＤ光であってよい。
また、前記分子は、クマリン、クマリン誘導体、フタロシアニン、フタロシアニン誘導体、ポルフィリン、ポルフィリン誘導体、アントラセン、アントラセン誘導体、ピレン、ピレン誘導体、ペリレン、ペリレン誘導体、ペンタセン、ペンタセン誘導体、フルオレセイン、フルオレセイン誘導体、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＺｎＳ及びＣｄＳからなる群から選択された少なくとも一種類の分子であってよい。
また、前記第１の物体と前記第２の物体の少なくとも一方は前記照射される光を透過し、前記光照射は前記光を透過する物体を介して行われてよい。
本発明の他の側面によれば、第１の物体と、前記第１の物体と接触し得る第２の物体と、前記第１の物体と前記第２の物体との接触面に光を選択的に照射する光源と
を設けるとともに、前記第１の物体と前記第２の物体の少なくとも一方の前記接触面に、前記光源から照射される光によって励起されて電子状態が変化する分子を設けた、二つの物体の間の摩擦力を制御する摩擦力制御装置が与えられる。
ここで、前記光源はレーザーまたはＬＥＤであってよい。
また、前記分子は、クマリン、フタロシアニン、ポルフィリン、アントラセン、ピレン、ペリレン、ペンタセン、フロレッセイン、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＺｎＳ及びＣｄＳからなる群から選択された少なくとも一種類の分子であってよい。
また、前記第１の物体と前記第２の物体の少なくとも一方は前記照射される光を透過し、前記光源は前記光を透過する物体を介して前記接触面を照射してよい。
また、前記第１の物体と前記第２の物体の少なくとも一方は回転部材であってよい。
また、前記第１の物体の表面の少なくとも一部の領域に前記分子が設けられ、前記領域中の前記第１の部材と前記第２の部材とが現在接触している前記接触面を少なくとも含む部分に不均一な光照射を行うことで、前記部分内の摩擦力を不均一化してよい。
また、少なくとも前記接触面内で前記不均一な光照射を行ってよい。
また、前記部分は前記接触面の隣接領域であって、少なくとも前記隣接領域の一部に前記不均一な光照射を行ってよい。
本発明の更に他の側面によれば、前記何れかの摩擦力制御装置を含むマイクロマシンが与えられる。
本発明の更に他の側面によれば、第１の物体と、前記第１の物体の表面と摺動する表面を有する第２の物体と、前記第１の物体の表面が光によって励起されて電子状態が変化する同定対象の分子を有し、前記同定対象の面を真空中において波長可変のレーザー光を照射しながら測定した前記第２の物体との摩擦力に基づいて前記分子を同定する、分子同定方法が与えられる。
ここで、前記第１の物体の表面と摺動する前記第２の物体の表面は第２の物体とナノメートルサイズの領域で接触してよい。
また、更に前記前記照射を行わずに測定した前記摩擦力に基づいて前記分子を同定してよい。
According to one aspect of the present invention, a first object, a second object having a surface sliding with the surface of the first object, a surface of the first object and a surface of the second object. At least one of the above has a molecule whose electronic state is changed by being excited by light, and the surface having the molecule whose electronic state is changed by being excited by light is irradiated with light in a vacuum to change its frictional force. ,
A frictional force control method is given.
Here, the light may be laser light or LED light.
The molecules include coumarin, coumarin derivative, phthalocyanine, phthalocyanine derivative, porphyrin, porphyrin derivative, anthracene, anthracene derivative, pyrene, pyrene derivative, perylene, perylene derivative, pentacene, pentacene derivative, fluorescein, fluorescein derivative, CdTe, CdSe, It may be at least one kind of molecule selected from the group consisting of ZnS and CdS.
Further, at least one of the first object and the second object transmits the irradiated light, and the light irradiation may be performed through the object that transmits the light.
According to another aspect of the present invention, light is selected for the contact surface between the first object, the second object that can come into contact with the first object, and the contact surface between the first object and the second object. A light source for irradiating the object is provided, and a molecule whose electronic state is changed by being excited by the light emitted from the light source is provided on at least one of the contact surfaces of the first object and the second object. , A frictional force control device is provided that controls the frictional force between two objects.
Here, the light source may be a laser or an LED.
In addition, the molecule may be at least one molecule selected from the group consisting of coumarin, phthalocyanine, porphyrin, anthracene, pyrene, perylene, pentacene, floresane, CdTe, CdSe, ZnS and CdS.
Further, at least one of the first object and the second object may transmit the irradiated light, and the light source may irradiate the contact surface through the object that transmits the light.
Further, at least one of the first object and the second object may be a rotating member.
Further, the molecule is provided in at least a part of the surface of the first object, and includes at least the contact surface in which the first member and the second member in the region are currently in contact with each other. By irradiating the portion with non-uniform light, the frictional force in the portion may be made non-uniform.
In addition, the non-uniform light irradiation may be performed at least in the contact surface.
Further, the portion is an adjacent region of the contact surface, and at least a part of the adjacent region may be irradiated with the non-uniform light.
According to yet another aspect of the invention, a micromachine comprising any of the frictional force control devices described above is provided.
According to yet another aspect of the present invention, the first object, the second object having a surface sliding with the surface of the first object, and the surface of the first object are excited by light. It has a molecule to be identified whose electronic state changes, and identifies the molecule based on the frictional force with the second object measured while irradiating the surface to be identified with a laser beam of variable wavelength in vacuum. , Molecular identification method is given.
Here, the surface of the second object that slides on the surface of the first object may come into contact with the second object in a nanometer-sized region.
Further, the molecule may be further identified based on the frictional force measured without performing the irradiation.
本発明により、光照射という遠隔的、非接触的な操作によって摩擦力を可逆的にしかも高速で制御することができる。
According to the present invention, the frictional force can be reversibly and at high speed controlled by a remote, non-contact operation called light irradiation.
本願発明者は、真空中で摺動し得る２つの物体のうちの少なくとも一方の表面に、光によって励起されて電子状態が変化する分子をコーティング等することで設けることで、摺動時にレーザー等の光を照射した場合と照射しなかった場合とで、当該摺動面の摩擦力が異なることを見出した。なお、真空中で光照射を行うのは、大気中や液中では水等の分子が介在するために、電子励起状態の相互作用変化だけではなく、それに伴う液体の反応が関与することになり、すばやい応答ができなくなるからである。本願発明者は、上記知見に基づいて本願発明を完成させるに至った。 The inventor of the present application provides a surface of at least one of two objects that can slide in a vacuum by coating a molecule that is excited by light and changes its electronic state, such as a laser. It was found that the frictional force of the sliding surface differs between the case where the light is irradiated and the case where the light is not irradiated. In addition, since light irradiation in a vacuum involves molecules such as water in the atmosphere or liquid, not only the interaction change of the electron excited state but also the reaction of the liquid accompanying it is involved. This is because a quick response cannot be made. The inventor of the present application has completed the invention of the present application based on the above findings.
この摩擦力変化については、充分長期間光照射を行っていなかった摺動面の摩擦力（以下、初期摩擦力とも称する）から光照射を受けて変化した摩擦力（以下、励起摩擦力とも称する）へ、また光照射を打ち切ることによる励起摩擦力から初期摩擦力への変化の何れも極めて早いことがわかった。このように摩擦力変化の時定数が小さくまた光の照射開始の際の時定数と照射打ち切りの際の時定数の差が小さいことは、この摩擦力変化現象を応用するに当たって非常に好都合である。このような応用としては、特にこれに制限する意図はないが、非限定的に例示すれば、マイクロマシンにおいて小型のギアなどのパーツを回転させる場合に、その回転速度を光のオン・オフのみで制御できるようになる。 Regarding this change in frictional force, the frictional force changed by receiving light irradiation (hereinafter, also referred to as excitation frictional force) from the frictional force of the sliding surface that has not been irradiated with light for a sufficiently long period (hereinafter, also referred to as initial frictional force). ), And the change from the excitation frictional force to the initial frictional force by discontinuing the light irradiation was found to be extremely fast. It is very convenient to apply this frictional force change phenomenon that the time constant of the frictional force change is small and the difference between the time constant at the start of light irradiation and the time constant at the time of discontinuing the irradiation is small. .. There is no particular intention to limit this to such applications, but to give a non-limiting example, when rotating parts such as small gears in a micromachine, the rotation speed can be set only by turning light on and off. You will be able to control it.
あるいは面上を部材が摺動しながら移動するという構造において、当該面に光によって励起されて電子状態が変化する分子をコーティング等することによりその面内の摩擦力を光照射で制御できるようにしておけば、摺動面上だけでなく、摺動部材の現在位置の周囲の領域上で光ビームを高速で走査する等の処理を行うことで、摺動面及びこの領域上を不均一に照射して、摺動面及びこの領域に不均一な摩擦力（つまり摩擦係数）の分布を動的に形成することができる。この分布を、例えば低摩擦力の経路の両側が高摩擦領域で囲まれた形状の分布とすれば、摺動部材にある方向の力及び／または振動を与えることで、摺動部材が、摩擦力を制御できる面上に光照射によって上記動的に描かれた経路に沿って移動するように導くことができる。 Alternatively, in a structure in which a member slides and moves on a surface, the frictional force in the surface can be controlled by light irradiation by coating the surface with molecules that are excited by light and change the electronic state. Then, by performing processing such as scanning the light beam at high speed not only on the sliding surface but also on the region around the current position of the sliding member, the sliding surface and this region become non-uniform. By irradiating, a non-uniform frictional force (that is, coefficient of friction) distribution can be dynamically formed on the sliding surface and this region. If this distribution is, for example, a distribution having a shape in which both sides of a low frictional force path are surrounded by a high friction region, the sliding member is rubbed by applying a force and / or vibration in a certain direction to the sliding member. It can be guided to move along the dynamically drawn path by light irradiation on a surface where the force can be controlled.
更には、経路の両側を囲む代わりに、摩擦力が相対的に大きな領域を設けることで、摺動部材がその領域を避けて移動するようにもできる。もちろん、このような経路や領域を摺動が起こる面全体に形成しておく必要はなく、各時点で実際にこのような摺動が起こっているごく狭い範囲内だけに動的に形成すればよい。また、以下で説明する実施例のように、この分子が面上ではなく、摺動する部材の先端部のような狭い領域にコーティングされている場合であっても、同じような手法によりこの部材の移動を制御できる。具体的には、例えば先端部の小さな摺動領域（あるいは更にその周辺の近傍領域も）に不均一な光照射を行うことでこの領域内の摩擦力が不均一化されている状態で摺動部材に力及び／または振動を与えることにより、先端部のうちで摩擦力が相対的に小さい方へ向かって摺動部材を導くことができる。このようにして、本発明を用いることにより、面上での摺動部材の動的な位置制御や移動経路制御を簡単に実現することができる。 Further, by providing a region having a relatively large frictional force instead of surrounding both sides of the path, the sliding member can move while avoiding the region. Of course, it is not necessary to form such a path or region on the entire surface where sliding occurs, and if it is dynamically formed only within a very narrow range where such sliding actually occurs at each time point. Good. Further, even when the molecule is coated not on the surface but in a narrow region such as the tip of the sliding member as in the embodiment described below, the member is coated by the same method. Can control the movement of. Specifically, for example, by irradiating a small sliding region at the tip portion (or a region near the periphery thereof) with non-uniform light, the frictional force in this region is made non-uniform. By applying a force and / or vibration to the member, the sliding member can be guided toward the tip portion where the frictional force is relatively small. In this way, by using the present invention, it is possible to easily realize dynamic position control and movement path control of the sliding member on the surface.
なお、ここで不均一に光照射するとは、対象としている範囲内の一部だけに光照射を行い、範囲内の残りの箇所には光を全く照射しない場合と、範囲内の残りの箇所にも異なる強さで光照射を行う場合の両方を意味することに注意する必要がある。 In this case, non-uniform light irradiation means that only a part of the target area is irradiated with light and the remaining part of the range is not irradiated with light at all, or the remaining part of the range is irradiated with light. It should be noted that also means both when irradiating light with different intensities.
更に別の応用として、本発明に基づいて分子同定を行うことができる。ごく最近、試料をカンチレバーとともにレーザーで光励起して、両者の間の相互作用の変化から試料の分子を同定する方法が見いだされた（非特許文献１１）。非特許文献１１ではレーザー光の波長を変化させて相互作用を変化させ、これをＡＦＭのノンコンタクトモードで観測することで、分子の同定を行う方法が見いだされた。本発明を応用すれば、上記情報の最終段階であるＡＦＭによる観測に代えて、相互作用の変化を摩擦力の測定によって検出することで、分子の同定を行うことができる。 As yet another application, molecular identification can be performed based on the present invention. Most recently, a method has been found in which a sample is photoexcited with a cantilever together with a cantilever and the molecule of the sample is identified from the change in the interaction between the two (Non-Patent Document 11). In Non-Patent Document 11, a method for identifying a molecule has been found by changing the wavelength of laser light to change the interaction and observing this in the non-contact mode of AFM. By applying the present invention, the molecule can be identified by detecting the change in the interaction by measuring the frictional force instead of the observation by AFM, which is the final stage of the above information.
具体的には、レーザー光による分子の電子励起により、分子の電子分布状態が変化する。この電子分布の状態は、分子に固有のものであり、いわば分子同定のための指紋となる。もちろん、レーザー光の未照射状態の分子も、それ特有のナノトライボロジー特性（本発明の場合で言えば、上述のようにして測定された摩擦力）を有してはいるが、そのナノレベルの摩擦力の違いから分子種を判断できるほどの正確な情報を得ることは困難であった。そこで、前述のレーザー光による電子励起状態のナノトライボロジー特性と合わせて評価することにより、分子種の位置選択的な同定を行うことができる。 Specifically, the electronically excited state of a molecule by laser light changes the electron distribution state of the molecule. This state of electron distribution is unique to the molecule and is, so to speak, a fingerprint for molecular identification. Of course, the unirradiated molecule of the laser beam also has its own nanotribological properties (in the case of the present invention, the frictional force measured as described above), but at the nano level. It was difficult to obtain accurate information that could determine the molecular species from the difference in frictional force. Therefore, regioselective identification of molecular species can be performed by evaluating in combination with the nanotribological characteristics of the electron excited state by the laser light described above.
これに対して、上でも言及した非特許文献１０で報告されている摩擦力変化では、光照射を打ち切った時の摩擦力の変化時間が光照射を開始した場合の摩擦力の変化時間に比べて非常に長くなるため、例えばＭＥＭＳの機械的動作を摩擦力変化によって制御しようとする場合に高速制御の妨げになり、その応用が制限されてしまう。 On the other hand, in the frictional force change reported in Non-Patent Document 10 mentioned above, the change time of the frictional force when the light irradiation is stopped is compared with the change time of the frictional force when the light irradiation is started. Therefore, for example, when trying to control the mechanical operation of MEMS by a change in frictional force, high-speed control is hindered and its application is limited.
また、本発明では光照射に当たって、摺動面を真空状態とするため、特定の液体や気体は摺動面に存在しない。このため、本発明の摩擦力制御を利用した装置の構造が簡単になる。また、使用を継続した際の液体や気体の交換や補充も当然不要であるため、装置の保守が簡易化される。 Further, in the present invention, since the sliding surface is evacuated when irradiated with light, a specific liquid or gas does not exist on the sliding surface. Therefore, the structure of the device utilizing the frictional force control of the present invention becomes simple. In addition, since it is not necessary to replace or replenish the liquid or gas when the use is continued, the maintenance of the device is simplified.
本発明の一態様では、摩擦力を制御したい領域にレーザー光等の光を照射しながら摺動させる。光の照射を打ち切ると摩擦力は短時間で初期摩擦力に復帰するため、通常は、摺動している間、この摺動面に光照射を継続することになる。摺動面へ光を照射するためには、例えば摺動面で接触している二つの部材の一方を透明とし、この透明部材を通して摺動面にある光照射で摩擦力の変化する分子へ光を到達させることができる。以下で説明する実施例では、先端にクマリン６をコーティングしたカンチレバーを透明なサファイア基板上で摺動させながら、サファイア基板の裏面からこの摺動が起こっている個所へ向けてレーザーを照射することで、摩擦力の制御を行なった。 In one aspect of the present invention, the region where the frictional force is desired to be controlled is slid while being irradiated with light such as laser light. When the light irradiation is stopped, the frictional force returns to the initial frictional force in a short time. Therefore, normally, the light irradiation is continued on the sliding surface while sliding. In order to irradiate the sliding surface with light, for example, one of the two members in contact with the sliding surface is made transparent, and light is applied to the molecules whose frictional force changes by light irradiation on the sliding surface through this transparent member. Can be reached. In the embodiment described below, a cantilever whose tip is coated with coumarin 6 is slid on a transparent sapphire substrate, and a laser is irradiated from the back surface of the sapphire substrate toward a place where this sliding occurs. , The frictional force was controlled.
なお、ここで透明というのは摺動面に必要とされる光を到達させることができる程度に光を通すということであるので、必ずしも完全に透明でなくてもよいことに注意されたい。また、摺動面に必要な光を供給することができる手段であれば、上述した構成以外を採用することもできる。また、光源はレーザーに限定されるものではなく、ＬＥＤ等の他の光源を使用することもできる。 It should be noted that the term "transparent" here means that light is transmitted to the extent that the required light can reach the sliding surface, so that it does not necessarily have to be completely transparent. Further, any means other than the above-described configuration can be adopted as long as the means can supply the required light to the sliding surface. Further, the light source is not limited to the laser, and other light sources such as LEDs can also be used.
また、上の説明や実施例では、先端が極めて細いカンチレバー先端を平面上で摺動させ、また光によって励起されて電子状態が変化する分子（実施例ではクマリン６）はカンチレバー先端にコーティングした。この構成としたのは、極細のカンチレバー先端にこの分子をコーティングした方が平面上の広い領域にコーティングした場合に比べて摺動する領域内でのコーティングむらが少なくなり、またサファイア基板の裏面を介してカンチレバー表面を光照射する方がこの分子の層の表面に確実に光照射することができるなどの実験の都合によるだけであり、この構成は本発明の必須の条件ではない。水平力顕微鏡で使用されるカンチレバー先端よりもはるかに曲率半径の大きな部材を摺動させてもよいし、また摺動する相手側部材表面も必ずしも平面でなくてもよい。また、光によって励起されて電子状態が変化する分子を設置する部材は、鋭い先端部を有している側ではなく、平面等の曲率半径が大きな方の部材であってもよい。なお、平面や曲率半径の大きな面上にこの分子をコーティング等によって設置する際には、その均一性が高いことが望ましい。 Further, in the above description and the examples, the tip of the cantilever having an extremely thin tip is slid on a flat surface, and a molecule (coumarin 6 in the example) whose electronic state is changed by being excited by light is coated on the tip of the cantilever. With this configuration, coating the tip of an ultra-fine cantilever with this molecule reduces coating unevenness in the sliding region compared to coating a wide area on a flat surface, and the back surface of the sapphire substrate is covered. Irradiating the surface of the cantilever through the cantilever is only for the convenience of experiments such as being able to reliably irradiate the surface of the layer of this molecule, and this configuration is not an essential condition of the present invention. A member having a radius of curvature much larger than the tip of the cantilever used in a horizontal force microscope may be slid, and the surface of the sliding mating member may not necessarily be flat. Further, the member on which the molecule that is excited by light and whose electronic state changes is installed may not be the side having a sharp tip portion, but may be a member having a large radius of curvature such as a flat surface. When this molecule is placed on a flat surface or a surface having a large radius of curvature by coating or the like, it is desirable that the molecule has high uniformity.
また、光によって励起されて電子状態が変化する分子は、光照射によって分解されにくいものであることが好ましい。実施例で使用されるクマリン６はレーザー色素として使用されるものであって、光に対する耐久性が高いため、本発明で好適に使用することができる。本発明に好適なこの種の分子はクマリン６に限定されるものではなく、例としてクマリン及びその誘導体、フタロシアニン及びその誘導体、ポルフィリン及びその誘導体、アントラセン及びその誘導体、ピレン及びその誘導体、ペリレン及びその誘導体、ペンタセン及びその誘導体、フルオレセイン及びその誘導体を挙げることができる。更に、無機ナノ粒子であるＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＺｎＳ、ＣｄＳ等も使用することができる。なお、本発明は光による電子状態の励起を利用しているため、この現象を発現させるためのフォトンのエネルギーには分子毎に決まる下限が存在するが、これよりもエネルギーが小さい場合であっても非常に強い光を照射すると多光子吸収が生じて分子が励起されることがある。 Further, it is preferable that the molecule whose electronic state is changed by being excited by light is not easily decomposed by light irradiation. The coumarin 6 used in the examples is used as a laser dye and has high durability against light, so that it can be suitably used in the present invention. This kind of molecule suitable for the present invention is not limited to coumarin 6, and examples thereof include coumarin and its derivatives, phthalocyanine and its derivatives, porphyrin and its derivatives, anthracene and its derivatives, pyrene and its derivatives, perylene and its derivatives. Derivatives, pentacene and its derivatives, fluorescein and its derivatives can be mentioned. Further, inorganic nanoparticles such as CdTe, CdSe, ZnS, and CdS can also be used. Since the present invention utilizes the excitation of the electronic state by light, the energy of photons for expressing this phenomenon has a lower limit determined for each molecule, but the energy is smaller than this. However, when irradiated with very strong light, multiphoton absorption may occur and the molecule may be excited.
また、以下の実施例ではナノメートルスケールで摩擦力測定を行ったが、本発明の摩擦力制御の対象となる領域の大きさには原理的には制限がない。例えば、マイクロマシン等には数十〜数百ミクロンレベルのものがある。本発明を利用することで、これらの駆動部の全体あるいは一部に光を照射してその摩擦力を制御することで、マイクロマシンの各種の動作を制御することが可能である。その用途によって絞る光ビームのスポットサイズが決定される。例えば、レーザービームスポットは、原理的には波長程度までは容易に絞ることが可能である。あるいは必要に応じて通常のマイクロマシンのサイズよりも大きな領域における摩擦力制御を行なってもよい。 Further, in the following examples, the frictional force was measured on a nanometer scale, but in principle, there is no limitation on the size of the region subject to the frictional force control of the present invention. For example, there are micromachines and the like at the level of tens to hundreds of microns. By utilizing the present invention, it is possible to control various operations of a micromachine by irradiating all or a part of these drive units with light and controlling the frictional force thereof. The spot size of the light beam to be focused is determined by the application. For example, the laser beam spot can be easily narrowed down to about the wavelength in principle. Alternatively, if necessary, frictional force control may be performed in a region larger than the size of a normal micromachine.
また、摩擦力には動摩擦力と静止摩擦力とがあるが、本発明はこれら二種類の摩擦力の両方を制御できることに注意されたい。
Further, the frictional force includes a dynamic frictional force and a static frictional force, and it should be noted that the present invention can control both of these two types of frictional forces.
以下、実施例に基づいて本発明を説明する。当然のことではあるが、この実施例は本発明の理解を助けるためのものであって、本発明をこれに限定する意図はないことに注意すべきである。 Hereinafter, the present invention will be described based on examples. It should be noted, of course, that this example is intended to aid in the understanding of the invention and is not intended to limit the invention to this.
本実施例では、図１に示すように、水平力顕微鏡（ＬＦＭ）のカンチレバーの先端部にクマリン６（Ｃ６）をコーティングし、このカンチレバーを用いてＬＦＭによる通常の摩擦力測定を行った。具体的にはカンチレバーをサファイア基板上でカンチレバーの長軸と直角な方向に摺動させた。この摺動によりカンチレバー先端とサファイア基板表面との間に摩擦力が発生し、カンチレバーがその長軸の周りで捩れる。この捩れは、図１に示すようにＬＦＭ内に設けられたレーザーからミラーを介してカンチレバーの上側表面に照射された光の反射方向の変化を引き起こす。従って、この反射光をミラーを介して位置検出素子（ＰＳＤ）に導入することで、捩れの大きさがわかる。カンチレバーの力学的なパラメータが既知であれば、捩れ量から摩擦力を求めることができる。このような摩擦力を測定するための構成及び動作はＬＦＭの通常の構成及び動作そのものであって当業者には周知であるので、これ以上の説明は省略する。 In this example, as shown in FIG. 1, the tip of the cantilever of the horizontal force microscope (LFM) was coated with coumarin 6 (C6), and the normal frictional force was measured by the LFM using the cantilever. Specifically, the cantilever was slid on the sapphire substrate in a direction perpendicular to the long axis of the cantilever. This sliding creates a frictional force between the tip of the cantilever and the surface of the sapphire substrate, causing the cantilever to twist around its long axis. This twist causes a change in the reflection direction of the light emitted from the laser provided in the LFM to the upper surface of the cantilever via the mirror as shown in FIG. Therefore, by introducing this reflected light into the position detection element (PSD) via the mirror, the magnitude of the twist can be known. If the mechanical parameters of the cantilever are known, the frictional force can be obtained from the amount of twist. Since the configuration and operation for measuring such frictional force are the usual configuration and operation of the LFM and are well known to those skilled in the art, further description thereof will be omitted.
本実施例では、図１右側に示す別のレーザーからのレーザー光をサファイア基板の背面（図１ではサファイア基板の下側の面）からカンチレバー先端に照射することで、カンチレバー先端とサファイア基板表面との間の摩擦力を制御した。このレーザー光のオン／オフによる摩擦力の変化を、上述した構成・動作により測定した。また、比較のため、Ｃ６コーティングを行っていない通常のカンチレバーを使用して同じ測定を行った。 In this embodiment, the tip of the cantilever and the surface of the sapphire substrate are formed by irradiating the tip of the cantilever from the back surface of the sapphire substrate (the lower surface of the sapphire substrate in FIG. 1) with a laser beam from another laser shown on the right side of FIG. The frictional force between them was controlled. The change in the frictional force due to the on / off of the laser beam was measured by the above-described configuration and operation. Also, for comparison, the same measurements were made using a normal cantilever without C6 coating.
以下で、実際に行った摩擦力制御及びその測定を更に具体的に説明する。 The actual frictional force control and its measurement will be described in more detail below.
ナノスケールオーダーで摩擦力を制御できることを実証するため、ＬＦＭを用いて摩擦力を測定し、真空環境下においてレーザー光照射をＯＮ／ＯＦＦをしながら評価を行った。ナノスケール領域での摩擦力測定は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）のＬＦＭモードを使用して行った。使用装置はＳＩＩ製の環境制御型走査型プローブ顕微鏡E-sweepであった。試料基板には単結晶サファイアを用い、相手材にはＳｉカンチレバー（ＳＩＩ製ＳＩ−ＤＦ３）を用いた。なお、ＡＦＭ等に使用されるカンチレバー先端の曲率半径は１０〜２０ｎｍである場合が多いことから、カンチレバーの先端ともう一方の物体とが接触して摺動する場合の接触領域の大きさについては、上記もう一方の物体が大きく変形しない限り、通常はカンチレバー先端の曲率半径範囲と同じく半径が１０〜２０ｎｍ程度の領域となる。 In order to demonstrate that the frictional force can be controlled on the nanoscale order, the frictional force was measured using LFM, and the evaluation was performed while turning on / off the laser beam irradiation in a vacuum environment. Friction force measurements in the nanoscale region were performed using the LFM mode of an atomic force microscope (AFM). The device used was an environment-controlled scanning probe microscope E-sweep manufactured by SII. Single crystal sapphire was used as the sample substrate, and Si cantilever (SI-DF3 manufactured by SII) was used as the mating material. Since the radius of curvature of the tip of the cantilever used for AFM and the like is often 10 to 20 nm, the size of the contact region when the tip of the cantilever and the other object slide in contact with each other is determined. Unless the other object is significantly deformed, the radius is usually about 10 to 20 nm, which is the same as the radius of curvature range at the tip of the cantilever.
図１に示す概略構成により、光照射下でのＬＦＭ観察を行った。クロロホルムにクマリン６（Sigma-Aldrich製、純度９９％以上）を溶解させたものにＳｉカンチレバーの先端部を浸漬し、引き揚げて乾燥させることにより、Ｓｉカンチレバー先端部表面にクマリン６分子を修飾させた。 LFM observation was performed under light irradiation according to the schematic configuration shown in FIG. The tip of the Si cantilever was immersed in chloroform 6 (manufactured by Sigma-Aldrich, with a purity of 99% or more) dissolved in it, and then lifted and dried to modify the surface of the tip of the Si cantilever with 6 molecules of coumarin. ..
サンプルを照射するために使用したレーザー光は、図１右下に図示したレーザーから、ＮＤフィルター、ビームエキスパンダー、アイリス絞り、ミラーを介してチャンバーの右下隅付近に設けられた側面ビューポートから導入し、試料ホルダブロックの下部に設置された小さなミラーを使用してサファイア基板の背面から導入した。このレーザーとして、波長４０５ｎｍの青色レーザー（RGBLase LLC., FBB-405-200-FS-C-1-0）を使用した。環境制御用の真空チャンバーの到達圧力は、２×１０−４Ｐａ以下とした。 The laser beam used to irradiate the sample was introduced from the laser shown in the lower right corner of FIG. 1 through the ND filter, beam expander, iris diaphragm, and mirror from the side viewport provided near the lower right corner of the chamber. , Introduced from the back of the sapphire substrate using a small mirror installed at the bottom of the sample holder block. As this laser, a blue laser having a wavelength of 405 nm (RGBLase LLC., FBB-405-200-FS-C-1-0) was used. The ultimate pressure of the vacuum chamber for environmental control was 2 × 10 -4 Pa or less.
摩擦力測定条件としては、カンチレバーの走査周波数は０．２Ｈｚ（一定）、走査距離１０μｍ、往復１回、光照射なし−光照射あり−光照射なしをワンセットとし、荷重１０〜１３ｎＮで測定を行った。つまり、片道２．５秒の走査を一往復させた後、光照射なし／ありを切り替え、都合三往復の走査を行った。ワンセットの走査動作の最初と最後の両方で光照射なしの走査を行ったのは、光照射を止めることによって最初の光照射なしの摩擦力に復帰するか否かを確認するためである。ここで、走査速度は一定とし、ワンセットの操作を行っている間には走査の休止は行わなかった。なお、動摩擦力のみ評価対象とするため、走査行程の始端及び終端である前後２μｍのデータは評価には用いないこととした。もちろん、本発明によって静止摩擦力も同様に制御することができる。しかし、静止摩擦力は非線形性が大きく、光による静止摩擦力への影響を定量的に評価するのは困難であることから、ここでは動摩擦力だけを測定した。 As the frictional force measurement conditions, the scanning frequency of the cantilever is 0.2 Hz (constant), the scanning distance is 10 μm, one round trip, no light irradiation-with light irradiation-without light irradiation, and the measurement is performed with a load of 10 to 13 nN. went. That is, after one-way scanning for 2.5 seconds was reciprocated once, it was switched between with and without light irradiation, and scanning was performed three times for convenience. The reason why the scanning without light irradiation was performed at both the beginning and the end of the scanning operation of one set is to confirm whether or not the frictional force without the initial light irradiation is restored by stopping the light irradiation. Here, the scanning speed was kept constant, and the scanning was not paused during the one-set operation. Since only the dynamic friction force is evaluated, the data of 2 μm before and after the start and end of the scanning stroke are not used for the evaluation. Of course, according to the present invention, the static frictional force can be controlled in the same manner. However, since the static friction force has a large non-linearity and it is difficult to quantitatively evaluate the influence of light on the static friction force, only the dynamic friction force is measured here.
図２には、荷重１０ｎＮのときの摩擦力に与える光照射の影響を示す。（ａ）は未コーティングのＳｉカンチレバーを使用した場合の摩擦力を示し、また（ｂ）にはＣ６をコーティングしたＳｉカンチレバーの摩擦力を示す。未コーティングＳｉカンチレバーの摩擦力と比べて、Ｃ６をコーティングした場合の摩擦力は相対的に小さくなっている。これは、Ｃ６分子をコーティングすることによりサファイア基板との相互作用が小さくなり、摩擦力が相対的に下がったと考えられる。図２（ａ）の結果より、未コーティングのＳｉカンチレバーでは、レーザー光照射前、照射中及び照射後の摩擦力の間には違いがみられなかった。一方、Ｃ６をコーティングしたカンチレバーを使用した図２（ｂ）の結果から、レーザー光照射前と照射後の摩擦力は同程度の値を示しているが、レーザー光を照射している間の摩擦力は高くなっている。 FIG. 2 shows the effect of light irradiation on the frictional force when the load is 10 nN. (A) shows the frictional force when an uncoated Si cantilever is used, and (b) shows the frictional force of a C6 coated Si cantilever. The frictional force when C6 is coated is relatively smaller than the frictional force of the uncoated Si cantilever. It is considered that this is because the interaction with the sapphire substrate was reduced by coating the C6 molecule, and the frictional force was relatively reduced. From the results of FIG. 2 (a), in the uncoated Si cantilever, there was no difference in the frictional force before, during, and after the laser irradiation. On the other hand, from the result of FIG. 2 (b) using the cantilever coated with C6, the frictional force before and after the laser irradiation shows the same value, but the friction during the laser irradiation. The power is high.
更に、摩擦力の荷重依存性を調べた。図３は未コーティングのＳｉカンチレバーにおける摩擦力の荷重依存性を示す。また、Ｃ６をコーティングしたカンチレバーでの結果を図４に示す。Ｃ６コーティングを行うことにより、レーザー光照射前と照射後の摩擦力は荷重を変化させてもほぼ同じ値を示すが、光の照射中は、各荷重下での摩擦力は未照射時と比べ１．１〜１．２５倍になることが明らかとなった。光照射前と光照射中の摩擦係数が違う原因は、レーザー光照射によりＣ６分子が光励起させられ、電子状態が変化することにより、基板を構成するサファイアとの相互作用が変わったことに起因すると考えられる。 Furthermore, the load dependence of the frictional force was investigated. FIG. 3 shows the load dependence of the frictional force in the uncoated Si cantilever. The results of the cantilever coated with C6 are shown in FIG. By applying C6 coating, the frictional force before and after laser irradiation shows almost the same value even if the load is changed, but during light irradiation, the frictional force under each load is compared with that without irradiation. It became clear that it increased by 1.1 to 1.25 times. The reason why the coefficient of friction is different before and during light irradiation is that C6 molecules are photoexcited by laser light irradiation and the electronic state changes, which changes the interaction with the sapphire that constitutes the substrate. Conceivable.
更に、光照射のオン／オフを行った際の摩擦力変化に要する時間の測定も行った。光による励起は一般にフェムト秒〜ピコ秒という極めて短い時間スケールで起こる現象であり、この励起により直接的に引き起こされる摩擦力変化もこの時間スケールで起こるものと考えられるが、短時間での摩擦力変化の時定数を実際に測定することはかなりの困難を伴う。今回の測定では上で説明した摩擦力測定と同等の構成の測定系を使用したが、測定系中の機械要素及び電気回路の時間遅れや、更には光のオン／オフのためのシャッター操作に手作業が介在していたこと等、測定にかなりの時間遅れや遷移時間が導入されたため、摩擦力変化に要する時間だけを正確に測定することはできなかった。それでも、これらの各種の遅れを全て含んだ形での摩擦力変化の未補償の応答時間（光オン／オフから摩擦力変化が完了するまでの時間）は３０ミリ秒以下であるという結果が得られた。ここで測定中に導入された各種の遅れを検討するに、３０ミリ秒という測定値の大部分はこれらの遅れによるものと見積もられるので、真の応答時間は３０ミリ秒以下という未補償の測定値に比べて非常に短いと判断される。
Furthermore, the time required for the change in frictional force when the light irradiation was turned on / off was also measured. Excitation by light is a phenomenon that generally occurs on an extremely short time scale of femtoseconds to picoseconds, and it is thought that the frictional force change directly caused by this excitation also occurs on this time scale, but the frictional force in a short time. Actually measuring the time constant of change is quite difficult. In this measurement, we used a measurement system with the same configuration as the frictional force measurement explained above, but for time delays of mechanical elements and electric circuits in the measurement system, and for shutter operation for turning light on / off. Since a considerable time delay and transition time were introduced in the measurement due to the intervention of manual work, it was not possible to accurately measure only the time required for the change in frictional force. Even so, the result shows that the uncompensated response time (time from light on / off to completion of frictional force change) in the form including all of these various delays is 30 milliseconds or less. Was done. Considering the various delays introduced during the measurement here, it is estimated that most of the measurements of 30 ms are due to these delays, so the true response time is an uncompensated measurement of 30 ms or less. It is judged to be very short compared to the value.
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、光照射という遠隔的、非接触的な操作によって摩擦力の高速制御を行なうことが可能となる。これによって、光照射が可能である限り、各種の素子や装置中の任意の領域の摩擦力の大小を制御することができるので、例えばＭＥＭＳ中の機械的動作を行う部材の運動、停止、また運動の軌道等の制御を容易に行うことができるようになるなど、産業上大いに利用することが可能である。
As described in detail above, according to the present invention, it is possible to perform high-speed control of the frictional force by a remote, non-contact operation called light irradiation. As a result, as long as light irradiation is possible, the magnitude of the frictional force in any region in various elements and devices can be controlled. Therefore, for example, the movement, stop, and movement of the member that performs the mechanical operation in MEMS can be controlled. It can be widely used industrially, for example, it becomes possible to easily control the trajectory of motion.
Claims (16)
前記第１の物体の表面と摺動する表面を有する第２の物体と、
前記第１の物体の表面と前記第２の物体の表面の少なくとも一方が光によって励起されて電子状態が変化する分子を有し、
前記光によって励起されて電子状態が変化する分子を有する面を２×１０ −４ Ｐａ以下の圧力の真空中において光照射を行うことでその摩擦力を変化させる、
摩擦力制御方法。 The first object and
A second object having a surface that slides on the surface of the first object,
At least one of the surface of the first object and the surface of the second object has a molecule whose electronic state is changed by being excited by light.
The frictional force is changed by irradiating the surface having molecules excited by the light and whose electronic state changes with light in a vacuum at a pressure of 2 × 10 -4 Pa or less .
Friction force control method.
前記光照射は前記光を透過する物体を介して行われる、
請求項１から３の何れかに記載の摩擦力制御方法。 At least one of the first object and the second object transmits the irradiated light, and the light is transmitted.
The light irradiation is performed through an object that transmits the light.
The frictional force control method according to any one of claims 1 to 3.
前記第１の物体と接触し得る第２の物体と、
前記第１の物体と前記第２の物体との接触面に光を選択的に照射する光源と、
前記接触面を２×１０ −４ Ｐａ以下の圧力の真空状態とする手段と
を設けるとともに、
前記第１の物体と前記第２の物体の少なくとも一方の前記接触面に、前記光源から照射される光によって励起されて電子状態が変化する分子を設けた、
前記真空状態において二つの物体の間の摩擦力を制御する摩擦力制御装置。 The first object and
A second object that can come into contact with the first object,
A light source that selectively irradiates the contact surface between the first object and the second object with light .
A means for putting the contact surface in a vacuum state with a pressure of 2 × 10 -4 Pa or less is provided, and
A molecule whose electronic state is changed by being excited by light emitted from the light source is provided on at least one of the contact surfaces of the first object and the second object.
A frictional force control device that controls the frictional force between two objects in the vacuum state .
前記光源は前記光を透過する物体を介して前記接触面を照射する、
請求項５から７の何れかに記載の摩擦力制御装置。 At least one of the first object and the second object transmits the irradiated light, and the light is transmitted.
The light source irradiates the contact surface through an object that transmits the light.
The frictional force control device according to any one of claims 5 to 7.
前記領域中の前記第１の物体と前記第２の物体とが現在接触している前記接触面を少なくとも含む部分に不均一な光照射を行うことで、前記部分内の摩擦力を不均一化する、
請求項５から９の何れかに記載の摩擦力制御装置。 The molecule is provided in at least a part of the surface of the first object.
Non-uniform light irradiation is performed on a portion of the region including at least the contact surface where the first object and the second object are currently in contact, thereby making the frictional force in the portion non-uniform. To do,
The frictional force control device according to any one of claims 5 to 9.
前記第１の物体の表面と摺動する表面を有する第２の物体と、
前記第１の物体の表面が光によって励起されて電子状態が変化する同定対象の分子を有し、
前記同定対象の分子を有する前記第１の物体の表面を２×１０ −４ Ｐａ以下の圧力の真空中において波長可変のレーザー光を照射しながら測定した前記第２の物体との摩擦力に基づいて前記分子を同定する、
分子同定方法。 The first object and
A second object having a surface that slides on the surface of the first object,
The surface of the first object has a molecule to be identified whose electronic state is changed by being excited by light.
The frictional force between the first object and the second object was measured while irradiating a laser beam having a wavelength-tunable in the front surface 2 × 10 -4 Pa or less in a vacuum at a pressure of having a molecule of the identified object Identify the molecule based on
Molecular identification method.
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