AFM技術を用いた液体超薄膜の面内・面外高速流動特性に関する実験的研究

• Project/Area Number: 14702026
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: 設計工学・機械要素・トライボロジー
• Research Institution: Tottori University
• Principal Investigator: 松岡 広成 国立大学法人鳥取大学, 工学部, 助教授 (10314569)
• Project Period (FY): 2002 – 2004
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2004)
• Budget Amount: ¥29,380,000 (Direct Cost: ¥22,600,000、Indirect Cost: ¥6,780,000); Fiscal Year 2004: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2003: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2002: ¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000)
• Keywords: マイクロ / ナノトライボロジー / 液体超薄膜 / 原子間力顕微鏡(AFM) / 分子間力 / メニスカス力 / 振動応答特性 / マイクロメカニズム / 磁気ディスク装置

Research Abstract

本研究の目的は、液体超薄膜(厚さ数nm)の面内・面外高速流動特性を実験的に解明し、学術的考察のみならず、微小機械の潤滑設計指針を得ることである。具体的には、i)原子間力顕微鏡(AFM)を用い、液体超薄膜の高速流動特性を超高精度に測定する手法を確立し、次に、これを用いて、ii)面外高速振動に対する液体超薄膜の流動特性、およびiii)面内高速摺動に対する液体超薄膜の流動特性を、種々の実験条件下で解明する。
平成16年度は、超薄膜液体の高速流動特性のさらなる高精度計測に向けて、AFMカンチレバーの振動特性および一般的にAFMに用いられている光てこ法による振動計測について、理論的・実験的に検討を行った。まず、カンチレバー先端に集中質量がある場合(探針を想定)の振動特性解析を行った。その結果、カンチレバー全体の質量と集中質量との質量比により、補正係数が変化することを定性的に明らかにした。ここで補正係数とは、光てこ法がカンチレバーのたわみ角を測定しているため、これを変位振幅に変換する係数のことである。補正係数は、振動周波数にも依存している。次に、カンチレバー先端にばねが付加された場合(ファンデルワールス力やメニスカス力など、試料との相互作用を想定)の振動解析を行った。その結果、カンチレバーの静的ばね定数と先端付加ばねとのばね定数比によって補正係数が変化することを示した。さらに、本研究で製作したピエゾ素子振動特性測定装置を用いて加振部の振動特性計測を行うとともに、AFMでカンチレバー先端の振動特性計測を行った。得られた2つの結果から、カンチレバーの振幅比を実験的に求めることに成功した。

Research Products

• [Journal Article] Dynamic Meniscus Models for MEMS Elements (2005)
  • Author(s): S.Matsumoto, Y.Nishine, A.Yamaguchi, H.Morishita, H.Matsuoka, S.Fukui
  • Journal Title: Micro Systems Technologies Vol.11(in press)
• [Journal Article] Flying Characteristics of a Slider with Ultrasmall Spacing Considering Surface Force (2005)
  • Author(s): H.Matsuoka, S.Ohkubo, S.Fukui
  • Journal Title: Micro Systems Technologies Vol.11(in press)
• [Journal Article] Dynamic Characteristics of Flying Head Slider with Ultra-thin Spacing (CIP Method and Linearized Method) (2005)
  • Author(s): S.Fukui, H.Matsui, K.Yamane, H.Matsuoka
  • Journal Title: Micro Systems Technologies Vol.11(in press)
• [Journal Article] Flying Characteristics in the Free Molecular Region (Influence of Accommodation Coefficients) (2005)
  • Author(s): S.Fukui, H.Shimada, K.Yamane, H.Matsuoka
  • Journal Title: Micro Systems Technologies Vol.11(in press)
• [Journal Article] 光てこ法によるAFMダイナミック計測における補正手法の研究(周囲流体による減衰を考慮した理論解析) (2005)
  • Author(s): 保科有希, 松岡広成, 福井茂寿
  • Journal Title: 日本機械学会中国四国支部第43期総会・講演会講演論文集 Pages: 285-286
• [Journal Article] 光てこ法によるAFMダイナミック計測における補正手法の研究 (2004)
  • Author(s): 保科有希, 小林真也, 坂本佳奈, 松岡広成, 福井 茂寿
  • Journal Title: 日本機会学会2004年度年次大会講演論文集 Vol.7 Pages: 321-322
• [Publications] H.Matsuoka, S.Ohkubo, S.Fukui: "Dynamic Characteristics of Flying Head Slider Considering van der Waals Forces(Analyses Based on the Corrected van der Waals Force Equation for Multilayers)"Proceedings of the 2003 Magnetic Storage Symposium, Frontiers of Magnetic Hard Disk Drive Tribology and Technology. ASME Trib-Vol.15. 51-57 (2003)
• [Publications] 松岡広成, 福井茂寿: "近接する複合層に働くファンデルワールス力の汎用的近似式の導出(超微小すきま浮動形磁気ヘッドスライダの静的浮上解析への適用)"日本機械学会論文集,C編. 第69巻・686号. 2810-2817 (2003)
• [Publications] 山口明利, 松本俊二, 法浄華, 松岡広成, 福井茂寿: "メニスカスの振動伝達に関する実験的研究"日本機械学会IIP2004情報・知能・精密機器部門講演会講演論文集. No.04-7. 54-57 (2004)
• [Publications] 松本俊二, 山口明利, 松岡広成, 福井茂寿: "液体メニスカスが局在する固体面間に生ずる液体反力の解析"日本機械学会IIP2004情報・知能・精密機器部門講演会講演論文集. No.04-7. 58-63 (2004)
• [Publications] 小林真也, 松岡広成, 福井茂寿: "AFM カンチレバーの静的たわみによる4分割フォトダイオード電圧出力特性に関する理論解析"日本機械学会中国四国学生会第34回学生員卒業研究発表講演会 講演前刷集. 204 (2004)
• [Publications] 保科有希, 松岡広成, 福井茂寿: "AFMカンチレバーの非減衰強制振動とその4分割フォトダイオードによる測定に開する理論解析"日本機械学会中国四国学生会第34回学生員卒業研究発表講演会 講演前刷集. 206 (2004)
• [Publications] H.Matsuoka, T.Kato, S.Fukui: "Nanomeniscus Forces in Undersaturated Vapors: Observable Limit of Macroscopic Characteristics"Langmuir. Vol.18, No.18. 6796-6801 (2002)
• [Publications] H.Matsuoka, S.Fukui, H.Morishita: "Dynamics of Liquid Meniscus Bridge of Intermittent Contact Slider"IEEE Transactions on Magnetics. Vol.38, No.5. 2135-2137 (2002)
• [Publications] 松本俊二, 森下裕司, 松岡広成, 福井茂寿: "液体メニスカスが局在する固体面間に生ずる液体反力の解析(接触角が変化する場合の力学系の応答解析)"日本トライボロジー学会トライボロジー会議予稿集. 297-198 (2002)
• [Publications] 松本俊二, 森下裕司, 松岡広成, 福井茂寿: "液体メニスカスが局在する曲面・平面間に生ずる液体反力の解析(接触角が変化する場合)"日本機械学会2002年度年次大会講演論文集. 219-220 (2002)