マイクロマシンの摩擦・潤滑機構に関する研究

微型机械摩擦与润滑机理研究

基本信息

批准号：
07750160
负责人：
鈴木健司
金额：
$ 0.64万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
财政年份：
1995
资助国家：
日本
起止时间：
1995 至无数据
项目状态：
已结题

项目摘要

マイクロマシンにおいては、スケール効果により重力、慣性力に比べて物体の表面間に働く分子間力などの影響が大きくなり、従来の摩擦法則が成り立たなくなることが知られている。そこで、微小荷重条件下での摩擦力に対する表面力の影響を調べるため、球面と平面の間に働く凝着力、摩擦力の測定素の設計、製作を行った。平面試料には、マイクロマシン材料として多用される単結晶シリコンを用い、球面には先端半径が、2,10,100μmのダイヤモンド触針を用いた。微小な凝着力、摩擦力の検出は、平行板ばねのたわみを静電容量型変位センサで測定することにより行った。平行板ばねの厚さを変えることにより0.1μNから2000μNまでの力を測定できるようにした。摩擦駆動にはピエゾアクチュエータと弾性ステージを用いて、バックラッシュのないなめらかな運動を実現した。また床の振動や気流の影響を防ぐため、実験装置を除振台の上に設置し、装置全体をアクリルの容器で覆った。また、環境湿度の影響を調べるため、湿度発生装置により容器内の湿度を20%〜80%まで任意に設定できるようにした。製作した実験装置を用いて摩擦力・凝着力の測定を行い、以下の結果を得た。1先端半径が100μmのダイヤモンド触針に働く凝着力は、湿度によらずほぼ10μNであった。理論と実験の比較から、凝着力の主な要因はファンデルワールス力であると考えられる。2荷重が100μN以上では摩擦係数はほぼ0.07で一定であり、この領域では表面力の影響は小さいと考えられる。3荷重が100μN以下になると摩擦係数は増大する傾向にあり、表面力の影響が大きくなることが確かめられた。

众所周知，在微机械中，尺度效应导致物体表面之间的分子间力的作用大于重力和惯性力，使得传统的摩擦定律不再有效。因此，为了研究微载荷条件下表面力对摩擦力的影响，我们设计并制造了用于测量球面与平面之间作用的附着力和摩擦力的元件。平面样品使用常被用作微机械材料的单晶硅，球形样品使用尖端半径为2、10和100μm的金刚石触针。通过使用电容式位移传感器测量平行板簧的挠度来检测微小粘附力和摩擦力。通过改变平行板弹簧的厚度，我们能够测量 0.1μN 至 2000μN 的力。压电致动器和弹性平台用于摩擦驱动，以实现无间隙的平滑运动。此外，为了防止地板振动和气流的影响，实验设备放置在隔振台上，整个设备用亚克力容器覆盖。另外，为了研究环境湿度的影响，使用湿度发生器使容器内的湿度在20%至80%之间任意设定。我们使用我们创建的实验设备测量了摩擦力和粘附力，并获得了以下结果。无论湿度如何，作用在尖端半径为 100 μm 的金刚石触针上的粘附力约为 10 μN。通过理论与实验的比较，认为粘合力的主要影响因素是范德华力。 2当载荷为100μN或更大时，摩擦系数保持恒定在约0.07，并且认为在此区域表面力的影响很小。 3 经证实，当载荷小于100μN时，摩擦系数趋于增大，且表面力的影响变大。