JPH10275403A

JPH10275403A - 摩耗摩擦試験方法

Info

Publication number: JPH10275403A
Application number: JP8090197A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Umemura; 茂梅村; Shigeru Hirono; 滋廣野; Yasuko Ando; 康子安藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1997-03-31
Filing date: 1997-03-31
Publication date: 1998-10-13

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明の課題は、ＡＦＭを用いた超低荷重条件
における摩耗摩擦特性評価試験において、ＡＦＭのラス
タースキャン方式では摺動速度の高速化に限界がある欠
点を克服して、ＡＦＭを用いても高摺動速度の摩耗摩擦
試験方法を実現することにある。【解決手段】本発明は、円筒型ＰＺＴアクチュエータ１
のＸ電極２に余弦波、Ｙ電極３に正弦波の電圧を同時に
印加して該円筒型ＰＺＴアクチュエータ１に回転運動を
生じさせ、円筒型ＰＺＴアクチュエータ１上に固着させ
た平板状試料６に触針８を押圧して該触針８と該平板状
試料６間に摩耗および摩擦を生じさせることを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は相互に摺動する物質
間の摩耗摩擦試験方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】物質の面と面が接触し相互に摺動する機
構は非常に多くの装置で用いられており、その装置およ
び機構等の評価、開発のために、摩耗摩擦に関する様々
な試験方法がある。例えば、パーソナルコンピュータ等
に用いられている磁気ディスク装置ではコンタクト・ス
タート・ストップ（ＣＳＳ）方式が採用されており、デ
ィスクの始動時および停止時に磁気ヘッドを搭載したス
ライダとディスクが摺動するため、スライダとディスク
間の摩耗摩擦特性の評価が必要となる。

【０００３】図７はこの磁気ディスク摩耗摩擦試験機の
主要部を説明する図である。ここで、３０は磁気ディス
ク、３１は磁気ヘッド、３２はサスペンション、３３は
サスペンション支持部材、３４は摩擦力検出センサを示
す。磁気ディスク３０は回転機構（図示せず）上に固定
され、磁気ヘッド３１はサスペンション３２を介して、
磁気ディスク３０表面に押圧されている。コンタクト・
スタート・ストップ（ＣＳＳ）方式では、磁気ディスク
３０の停止時に磁気ヘッド３１は磁気ディスク３０に接
触した状態で置かれており、磁気ディスク３０が始動す
ると、磁気ディスク３０と磁気ヘッド３１は相互に摺動
する運動を受け、両者に摩擦および摩耗も生ずる。磁気
ディスク３０の回転数があるレベルに達すると、磁気デ
ィスク３０と磁気ヘッド３１の間に流入する空気の圧力
によって磁気ヘッド３１は浮上し、その摩擦力は極めて
小さな値を示すようになる。さらに、磁気ディスク３０
が停止する際は、磁気ヘッド３１は再度、磁気ディスク
３０表面に接し、ここで摩擦および摩耗を生じる。磁気
ディスクの摩耗摩擦試験では、これらＣＳＳ時の摩擦特
性を評価する必要があり、ＣＳＳ時の摩擦力を測定する
ため、サスペンション支持部材３３に摩擦力検出センサ
３４が取り付けられている。この、摩擦力検出センサ３
４には歪みゲージがよく用いられている。このような測
定系は実際のハードディスク装置に近いものであり、磁
気ヘッド３１の押圧力は実際の装置と同様、１０ｍＮの
オーダにある。図７に示すような試験機は、実際のハー
ドディスク装置に近い形での試験が可能な利点があるも
のの、例えば、磁気ディスク３０の表面に形成されてい
る保護膜に関して、より低荷重から摩耗摩擦特性を評価
するという場合には不向きな試験方法である。

【０００４】一方、最近、原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉ
ｃＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＡＦＭ）を用
いて、超低荷重条件における表面の微少な領域での摩耗
摩擦特性を評価することが盛んに行われるようになって
きており、磁気ディスク用保護膜などの極薄膜の摩耗摩
擦特性評価にも使われている。しかし、ＡＦＭの主用途
が表面の超微細な形状観察であることから、円筒型ＰＺ
Ｔアクチュエータの駆動は図６に示すラスタースキャン
方式が用いられており、ＡＦＭの触針・試料表面間の相
対摺動速度は低速であるという欠点があった。なお、図
６はＡＦＭのラスタースキャン方式の概略を示し、１が
円筒型ＰＺＴアクチュエータ、５が試料ホルダ、６が平
板状試料、７がカンチレバー、８が触針である。ＡＦＭ
による摩耗試験では高荷重条件でのスキャンで図に示す
ような方法で摩耗痕を形成し、低荷重条件で表面形状を
測定して、摩耗痕形状、摩耗痕深さなど摩耗特性に関す
る情報を得る。

【０００５】一般に、摩耗の状況は荷重（圧力）と摺動
速度によって大きく影響を受け、金属摩耗の場合には、
圧力と摺動速度をパラメータとしてマイルドウェア、シ
ビアウェアの領域分けがなされている。ＡＦＭを用いた
摩耗試験においても、荷重と摺動速度で摩耗がどのよう
に変化するかを明らかにし、摩耗が極微少である条件を
見いだすことができれば、超低摩耗が必要な分野への応
用展開が期待できる。そのため、ＡＦＭによる摩耗試験
でも高摺動速度の摩耗試験方法が望まれていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の事情に
鑑みてなされたもので、ＡＦＭを用いた超低荷重条件に
おける摩耗摩擦特性評価試験において、ＡＦＭのラスタ
ースキャン方式では摺動速度の高速化に限界がある欠点
を克服して、ＡＦＭを用いても高摺動速度の摩耗摩擦試
験方法を確立することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の摩耗摩擦試験方法は、少なくとも直交する２
つの異なる水平方向へステージを変位させる駆動手段を
有する試料ホルダに対し、前記駆動手段の一方向の成分
を余弦波、もう一方向の成分を正弦波とすることによ
り、前記ステージに円運動させるステップと、前記ステ
ージ上に固定された平板状試料に対し、弾性体であるカ
ンチレバーに固定された触針を押圧して、前記試料と前
記触針との間に摩擦を発生させるとともに前記試料に摩
耗を生じさせるステップとを具備することを特徴とす
る。

【０００８】また本発明は、上記摩耗摩擦試験方法にお
いて、前記摩擦を発生させている状態で、摩擦により前
記触針に印加される、前記円運動の接線方向の成分の力
を測定するステップを有することを特徴とする。

【０００９】また本発明は、上記摩耗摩擦試験方法にお
いて、前記摩擦を発生させている状態で、前記押圧に伴
う前記触針の前記試料面に対する法線方向の変位を一定
に保つことにより、前記触針の前記試料に対する押圧を
一定に保つステップを有することを特徴とするまた本発明は、上記摩耗摩擦試験方法において、前記摩
耗を生じさせた後に、前記試料面に押圧された前記触針
を前記試料平面内で移動させた場合の、前記触針の前記
試料面に対する法線方向の変位を測定することにより、
前記摩耗により形成された摩耗痕跡の形状及び深さを含
む摩耗量を測定するステップを有することを特徴とす
る。

【００１０】以下に本発明の基本的構成を説明する。本
発明では、ＡＦＭ装置の円筒型ＰＺＴアクチュエータの
Ｘ電極に余弦波、Ｙ電極に正弦波の電圧を同時に印加し
て円筒型ＰＺＴアクチュエータに回転運動を生じさせ、
円筒型ＰＺＴアクチュエータ上の平板状試料に触針を押
圧して、触針と平板状試料間に摩耗摩擦を生じさせる方
法を考案した。さらに、本方法と摩耗痕深さおよび形状
を測定する方法を組み合わせて摩耗量を測定可能とする
試験方法、および、本方法と触針・平板状試料間の摩擦
力を測定する方法を組み合わせることによって、摩擦力
測定を可能とする試験方法を考案した。

【００１１】ＡＦＭの主用途は前述のように表面の微細
な形状観察であり、形状情報のサンプリングレートは一
定であることから、触針のスキャン速度が一定であるラ
スタースキャン方式が用いられている。ラスタースキャ
ンを行うためには円筒型ＰＺＴアクチュエータの駆動に
三角波が用いられる。しかし、三角波駆動の場合は基本
周波数の奇数次の高調波成分が駆動波に含まれるため、
駆動周波数を上げていくと、奇数次の高調波成分が円筒
型ＰＺＴアクチュエータ共振周波数に近づいたところ
で、円筒型ＰＺＴアクチュエータの共振が生じる。しか
も、この共振はブロードが多くの帯域で生じるため、共
振の合間をぬって駆動周波数を選択できる自由度は小さ
い。例えば、実験では、Ｘ電極あるいはＹ電極の印加電
圧が±２２０Ｖのとき最大１５μｍ変位する円筒型ＰＺ
Ｔアクチュエータに平板状試料を搭載した場合、共振周
波数は約１．４ｋＨｚであったのに対して、外部から三
角波の駆動電圧を加えると、約６０Ｈｚという低周波数
から共振の兆候がみられた。円筒型ＰＺＴアクチュエー
タに共振が現れると、摺動速度にばらつきが生じるた
め、共振は避けなければならない。したがって、上記よ
り、約５０Ｈｚがラスタースキャンの駆動上限といえ
る。円筒型ＰＺＴアクチュエータのスキャン範囲とこの
駆動上限を考え合わせると、ラスタースキャン方式での
最大摺動速度は１×１０^-3ｍ／ｓのオーダとなる。ま
た、摩耗摩擦試験を行う場合、摺動速度は可変であり、
かつ特定の摺動速度に一定に保てるようでなければなら
ない。

【００１２】一方、円筒型ＰＺＴアクチュエータを正弦
波で駆動する場合は駆動波形に高調波成分が含まれない
ため、円筒型ＰＺＴアクチュエータの共振周波数近くま
で駆動周波数を高めることが可能である。さらに、円筒
型ＰＺＴアクチュエータを等速円運動させれば、触針と
試料間の摺動速度も等速度にできる。この、円筒型ＰＺ
Ｔアクチュエータの等速円運動は、図３に示すように、
円筒型ＰＺＴアクチュエータのＸ電極、Ｙ電極にそれぞ
れ位相のそろった余弦波、正弦波の駆動電圧を印加すれ
ば可能である。本発明では、この点に着目して、ＡＦＭ
装置の円筒型ＰＺＴアクチュエータのＸ電極、Ｙ電極に
位相のそろった余弦波、正弦波の駆動電圧を印加して円
筒型ＰＺＴアクチュエータを回転運動させる。これによ
り、摺動速度を高速化した摩耗摩擦試験方法が実現でき
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態例を詳細に説明する。本発明の第１の実施形態例
を図１に示す。図１は、通常のＡＦＭ装置に円筒型ＰＺ
Ｔアクチュエータを回転運動させるための外部駆動電源
を接続したものである。ここで、１は円筒型ＰＺＴアク
チュエータ、２はＸ電極、３はＹ電極、４はＺ電極、５
は試料ホルダ、６は平板状試料、７はカンチレバー、８
は触針、９はカンチレバーホルダ、１０はカンチレバー
位置合わせ用アクチュエータ、１１はカンチレバー保持
機構、１２は変位センサ、１３は変位センサプローブ、
１４はカンチレバー保持機構支持部、１５は支持台、１
６は２出力可変位相発振器、１７はＸ電極用増幅器、１
７′はＹ電極用増幅器、１８は制御回路、１９はＺ電極
用増幅器であり、１６，１７，１７′が円筒型ＰＺＴア
クチュエータ１を回転運動させるための外部駆動電源で
ある。なお、図１で、ＡＦＭ装置本来に備わっている円
筒型ＰＺＴアクチュエータ１をラスタースキャンさせる
ための電源は図示されていない。円筒型ＰＺＴアクチュ
エータ１の上部には試料ホルダ５が固定されており、そ
の上に平板状試料６が固定される。カンチレバー７はカ
ンチレバーホルダ９に固定され、さらにカンチレバーホ
ルダ９はカンチレバー位置合わせ用アクチュエータ１０
の下部に固定されている。カンチレバーホルダ９とカン
チレバー位置合わせ用アクチュエータ１０は、カンチレ
バー保持機構１１によって、３次元的に、すなわち、
Ｘ，Ｙ，Ｚ軸に沿っての移動および各軸を中心とする回
転で位置合わせされる。これの他、カンチレバー７はカ
ンチレバー位置合わせ用アクチュエータ１０によってＺ
軸方向位置の微調整がなされる。カンチレバー７の先端
には触針８が取り付けられ、触針８の材料には通常ダイ
ヤモンドやサファイヤを三角錐状に研摩したものが使用
される。また、触針８がカンチレバー７のばね力によっ
て平板状試料６に押圧された状態で円筒型ＰＺＴアクチ
ュエータ１がスキャン運動すると、平板状試料６の表面
形状に応じてカンチレバー７が変位する。この変位を変
位センサ１２、変位センサプローブ１３によって測定す
ると、平板状試料６の表面形状に対応した情報が得られ
る。特に、円筒型ＰＺＴアクチュエータ１をラスタース
キャンし、カンチレバー７の変位をサンプリングして、
それとサンプリング時のＸ，Ｙ座標を組み合わせると、
平板状試料６の表面形状に関する３次元情報が収集さ
れ、これを画像化すると表面形状が可視化できる。これ
が、ＡＦＭの基本原理である。一方、今述べたことは、
平板状試料６の表面形状に応じてカンチレバー７が変位
する、すなわち表面形状によって表面にかかる押圧力は
変化する。これに対して、カンチレバー７の変位量が常
に一定になるように制御回路１８およびＺ電極用増幅器
１９によって、円筒型ＰＺＴアクチュエータ１をＺ方向
に変位させると、表面にかかる押圧力を一定に保つこと
ができるとともに、円筒型ＰＺＴアクチュエータ１のＺ
方向を変位させる制御回路１８の信号が、平板状試料６
の表面形状に対応したものになる。この制御回路１８の
信号を較正すれば、同時に表面形状の絶対値測定も可能
である。この測定方法は平板状試料６の表面形状にかか
る触針８の押圧力が一定のため、ＡＦＭにおいて力一定
のモードと呼ばれている。これに対して、前に述べた測
定法は高さ一定のモードと呼ばれている。なお、以上に
述べた各構成要素は、カンチレバー保持機構支持部１４
を介して全体が支持台１５上に配置されている。

【００１４】次に、本発明の主眼である円筒型ＰＺＴア
クチュエータ１を回転させる駆動方法とそれによって得
られた結果例について説明する。まず、ＡＦＭ装置に備
わっている円筒型ＰＺＴアクチュエータ１のＸ軸、Ｙ軸
方向の駆動回路を切り、外部より円筒型ＰＺＴアクチュ
エータ１の回転のための電源を接続する。この電源は、
２出力可変位相発振器１６とＸ電極用増幅器１７、Ｙ電
極用増幅器１７′により、容易に構成することができ
る。円筒型ＰＺＴアクチュエータ１を回転運動させると
きは、図３に示すように、円筒型ＰＺＴアクチュエータ
１のＸ電極２、Ｙ電極３にそれぞれ位相のあった余弦
波、正弦波の駆動電圧を印加する。これにより、カンチ
レバー７の押圧力、円筒型ＰＺＴアクチュエータ１の回
転周波数、総回転数をパラメータとする摩耗実験が可能
である。なお、円筒型ＰＺＴアクチュエータ１の回転中
のカンチレバー７の押圧力は、前記の力一定の測定モー
ドを使用すれば一定に保つことができ、また、前記の高
さ一定の測定モードであれば、平板状試料６にかかるカ
ンチレバー７の押圧力は平板状試料６の傾き度合によっ
て１回転のなかでばらつきを持つが、カンチレバー７の
変位量は変位センサ１２によって測定可能のため、この
変位量とカンチレバー７のばね定数から押圧力を求める
ことができる。摩耗試験を終えたあと、ＡＦＭ装置に備
わっている円筒型ＰＺＴアクチュエータ１のＸ軸、Ｙ軸
方向の駆動回路を元に戻し、ラスタースキャン方式で平
板状試料６の表面形状を測定すれば、摩耗痕の形状や深
さについての情報を得ることができる。または単に、Ｘ
軸またはＹ軸方向に円筒型ＰＺＴアクチュエータ１を移
動させ、このときのカンチレバー７の変位量測定から摩
耗痕深さについての情報を得ることもできる。このよう
な摩耗試験結果の例として、触針８にダイヤモンドを使
用、平板状試料６に非晶質カーボン膜を使用、回転周波
数１００Ｈｚ、総回転数１×１０⁴ 回、荷重２０〜６０
μＮ（高さ一定の測定モードを使用のため１回転内でば
らつきを持つ）のときの摩耗痕形状を図４に示す。図の
ように円形の摩耗痕が形成されており、円筒型ＰＺＴア
クチュエータ１が確実に回転運動していることを示して
いる。また、もう一つの実施例として、摩耗高さの摺動
速度および荷重（Ｌｏａｄ）依存性の測定例を図５に示
す。図５に示すように、これまでラスタースキャン方式
では困難であった摩耗痕深さの摺動速度依存性のデータ
が得られている。本実験で使用した円筒型ＰＺＴアクチ
ュエータ１の共振周波数は平板状試料６搭載時で約１．
４ｋＨｚであり、回転駆動により約１ｋＨｚまでは安定
に回転することを光学顕微鏡観察によって確認してい
る。これにより、本実験の最大回転周波数は１ｋＨｚと
した。このときの摺動速度は２×１０^-2ｍ／ｓである。
本実験の結果をもとに考えると、円筒型ＰＺＴアクチュ
エータの選択、駆動電源容量の増量により、摺動速度を
１×１０^-1ｍ／ｓのオーダまで高めることは容易に可能
である。本発明により、ラスタースキャン方式での最大
摺動速度を２桁上回ることが可能である。

【００１５】次に、図１に示した実施形態例による摩擦
力計測について説明する。平板状試料６が回転すると触
針８の先端の摩擦力によって、カンチレバー７は長手方
向の軸に沿ってねじれを生じる。図１に示した変位セン
サ１２は、臨界角プリズム方式光変位センサ、光てこ方
式変位センサがよく使用されているが、両変位センサと
もカンチレバー７のＺ方向の変位を測定するのみなら
ず、カンチレバー７の長手方向の軸に沿ってのねじれを
測定する機能を持っている。したがって、変位センサ１
２によってカンチレバー７のねじれ量を測定し、カンチ
レバー７のねじりばね定数より、摩擦力を求めることが
できる。すなわち、図１に示した第１の実施形態例は摩
耗試験装置のみならず、摩擦試験装置としての機能も持
っている。

【００１６】次に、本発明の第２の実施形態例を図２に
示す。図２中、図１と同一部分は同一符号を付してその
説明を省略する。図２に示す第２の実施形態例が図１に
示す第１の実施形態例と異なる点は、カンチレバーホル
ダ９に摩擦力検出センサ２１が取り付けられ、さらに摩
擦力検出センサ２１のための摩擦力検出回路２０が備え
られていることである。この第２の実施形態例は変位セ
ンサ１２が、例えば静電容量変位センサ、光干渉変位セ
ンサのようにＺ方向の変位測定機能のみを持つ場合に対
して、摩擦力測定を行う場合に有効な構成例である。こ
の第２の実施形態例で、摩耗試験、摩耗量測定の手順、
機能等は、前記の第１の実施形態例について説明した内
容と何等変わりはない。図２に示す実施形態例では、平
板状試料６と触針８に摩擦力が働くと、その力はカンチ
レバーホルダ９に水平方向の力となって作用するため、
例えば歪みゲージなどのセンサでその水平力を測定する
方式を採用している。このため、図２の実施形態例にお
けるカンチレバーホルダ９は水平方向にたわみやすくす
る必要があり、これは図７に示したサスペンション支持
部材３３と同様な形状にすれば実現することができる。

【００１７】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、ＡＦ
Ｍを用いた超低荷重条件における摩耗摩擦特性評価試験
において、ＡＦＭのラスタースキャン方式では摺動速度
の高速化に限界がある欠点を克服して、ＡＦＭを用いて
も高摺動速度の摩耗摩擦試験方法を実現した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態例である摩耗摩擦試験
装置の主要部を示す構成説明図である。

【図２】本発明の第２の実施形態例である摩耗摩擦試験
装置の主要部を示す構成説明図である。

【図３】本発明に係る円筒型ＰＺＴアクチュエータのＸ
電極に余弦波、Ｙ電極に正弦波の電圧を同時に印加して
該円筒型ＰＺＴアクチュエータに回転運動を生じさせる
ことを示す説明図である。

【図４】本発明に係る円筒型ＰＺＴアクチュエータの回
転運動によって生じた円形摩耗痕の測定例を示す顕微鏡
写真である。

【図５】本発明に係る摺動速度と摩耗深さの関係の一例
を示す特性図である。

【図６】従来のＡＦＭのラスタースキャン方式による摩
耗試験方法を説明する斜視図である。

【図７】従来の磁気ディスク媒体と磁気ヘッド間の摩耗
および摩擦を試験する試験方法を説明する斜視図であ
る。

【符号の説明】

１円筒型ＰＺＴアクチュエータ２Ｘ電極３Ｙ電極４Ｚ電極５試料ホルダ６平板状試料７カンチレバー８触針９カンチレバーホルダ１０カンチレバー位置合わせ用アクチュエータ１１カンチレバー保持機構１２変位センサ１３変位センサプローブ１４カンチレバー保持機構支持部１５支持台１６２出力可変位相発振器１７Ｘ電極用増幅器１７′ Ｙ電極用増幅器１８制御回路１９Ｚ電極用増幅器２０摩擦力検出回路２１摩擦力検出センサ３０磁気ディスク３１磁気ヘッド３２サスペンション３３サスペンション支持部材３４摩擦力検出センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも直交する２つの異なる水平方
向へステージを変位させる駆動手段を有する試料ホルダ
に対し、前記駆動手段の一方向の成分を余弦波、もう一
方向の成分を正弦波とすることにより、前記ステージに
円運動させるステップと、前記ステージ上に固定された平板状試料に対し、弾性体
であるカンチレバーに固定された触針を押圧して、前記
試料と前記触針との間に摩擦を発生させるとともに前記
試料に摩耗を生じさせるステップとを具備することを特
徴とする摩耗摩擦試験方法。
【請求項２】前記摩擦を発生させている状態で、摩擦
により前記触針に印加される、前記円運動の接線方向の
成分の力を測定するステップを有することを特徴とする
請求項１記載の摩耗摩擦試験方法。
【請求項３】前記摩擦を発生させている状態で、前記
押圧に伴う前記触針の前記試料面に対する法線方向の変
位を一定に保つことにより、前記触針の前記試料に対す
る押圧を一定に保つステップを有することを特徴とする
請求項１記載の摩耗摩擦試験方法。
【請求項４】前記摩耗を生じさせた後に、前記試料面
に押圧された前記触針を前記試料平面内で移動させた場
合の、前記触針の前記試料面に対する法線方向の変位を
測定することにより、前記摩耗により形成された摩耗痕
跡の形状及び深さを含む摩耗量を測定するステップを有
することを特徴とする請求項１記載の摩耗摩擦試験方
法。