JP2010038614A - Contact area measurement device and method for measuring contact area - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、新規な接触面積測定装置に関する。また、本発明は、新規な接触面積測定方法に関する。 The present invention relates to a novel contact area measuring apparatus. The present invention also relates to a novel contact area measurement method.
摩擦面において、接触している２面間の真実接触部は接線力の付与により、塑性材料では真実接触部の成長が生じる。また弾性材料では、「滑り域」と「固着域」の両領域（図１参照）の占める割合が変化して最終的に全真実接触部が「滑り域」となり巨視的滑りに至ると考えられている（非特許文献１参照）。 In the friction surface, the true contact portion between the two contacting surfaces is imparted with a tangential force, and the true contact portion grows in the plastic material. In elastic materials, the ratio of both the “sliding zone” and “adhering zone” (see FIG. 1) changes, and it is thought that the total true contact area eventually becomes the “sliding zone” and leads to macroscopic sliding. (See Non-Patent Document 1).
従来、相関法を用いた滑り接触状態（非特許文献２参照）や粒子追跡流速測定法（PTV:Particle Tracking Velocimetry)を用いた転がり−滑り接触状態（非特許文献３参照）にある接触面における固着・滑り領域を判別して可視化を試みた研究が報告されている。これらの広義の粒子画像流速測定法（PIV:Particle Image Velocimetry）を用いた方法は、片方の物体にトレーサ（追跡マーカ）をつけた接触面を何らかの方法（例えば真実接触面はコントラストが異なることを利用）で可視化し、それらの可視化連続画像のみを用意すれば、２画像間マーカ位置のずれを検出して固着・滑りの接触状態の解析・可視化を可能としていた。
あるいはまた、「滑り」の検出は、加速度センサーあるいは水晶振動子（非特許文献４参照）を取り付け、その信号変化より行っていた。
Conventionally, on a contact surface in a sliding contact state using a correlation method (see Non-Patent Document 2) or a rolling-sliding contact state using a particle tracking velocity measurement method (PTV: Particle Tracking Velocimetry) (see Non-Patent Document 3). Studies have been reported that try to visualize the sticking / sliding region. The method using particle image velocimetry (PIV: Particle Image Velocimetry) in a broad sense is that the contact surface with a tracer (tracking marker) attached to one object (for example, the true contact surface has a different contrast). Use), and preparing only those visualized continuous images, it was possible to detect the displacement of the marker position between the two images and to analyze and visualize the contact state of the sticking / sliding.
Alternatively, “slip” is detected by attaching an acceleration sensor or a crystal resonator (see Non-Patent Document 4) and changing the signal.
しかしながら、(1)従来の観察方法では接触面の可視化にコントラスト法を用いているため対象材質が限定され、また真実接触領域の抽出精度の点で劣ること、(2)観察面に追跡マーカを付与しなければならないこと、(3)解析に当たり、PIVでは一辺を数〜数十ピクセルとする観察ウインドウを設定する必要があること、(4)PIVの演算量が多く高速なコンピュータを必要とすること、という欠点があった。
あるいはまた、「滑り」の検出を、加速度センサーあるいは水晶振動子を取り付け、その信号変化より行うと、その適用には取り付け場所の確保や取り付け場所による感度変化などの種々の問題があった。
However, (1) the conventional observation method uses the contrast method to visualize the contact surface, so the target material is limited, and the accuracy of extracting the true contact area is inferior. (2) The tracking marker is placed on the observation surface. (3) For analysis, it is necessary to set an observation window with a side of several to several tens of pixels, and (4) a large amount of PIV computation and a high-speed computer are required for analysis. There was a drawback that.
Alternatively, when “slip” is detected by attaching an acceleration sensor or a crystal resonator and changing the signal, the application has various problems such as securing the mounting location and changing the sensitivity depending on the mounting location.
そのため、このような課題を解決する、新規な接触面積測定装置および接触面積測定方法の開発が望まれている。 Therefore, development of a novel contact area measuring device and a contact area measuring method that solve such problems is desired.
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、新規な接触面積測定装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、新規な接触面積測定方法を提供することを目的とする。
This invention is made | formed in view of such a subject, and it aims at providing a novel contact area measuring apparatus.
Another object of the present invention is to provide a novel contact area measurement method.
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の接触面積測定装置は、試料に接する光透過性基板と、前記試料と前記光透過性基板を相対的に移動させる駆動手段と、前記試料とは反対側から、前記光透過性基板に白色光を照射する照射手段と、前記試料からの反射光と前記光透過性基板からの反射光とから生じる干渉画像を取得する干渉画像取得手段と、前記干渉画像の輝度値情報から輝度値ヒストグラムを作成する輝度値ヒストグラム作成手段と、前記輝度値ヒストグラムから輝度値差分ヒストグラムを算出する画像解析演算手段を有する。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object of the present invention, a contact area measuring apparatus of the present invention comprises a light-transmitting substrate in contact with a sample, and a driving means for relatively moving the sample and the light-transmitting substrate. An interference image for acquiring an interference image generated from the irradiation means for irradiating the light transmissive substrate with white light from the side opposite to the sample, and the reflected light from the sample and the reflected light from the light transmissive substrate. An acquisition unit; a luminance value histogram generation unit that generates a luminance value histogram from the luminance value information of the interference image; and an image analysis calculation unit that calculates a luminance value difference histogram from the luminance value histogram.
ここで、限定されるわけではないが、輝度値ヒストグラム作成手段は、干渉画像の輝度値情報をRGB輝度値情報に分離し、G輝度値ヒストグラムを作成することが好ましい。また、限定されるわけではないが、画像解析演算手段は、輝度値ヒストグラムから輝度値差分ヒストグラムを算出し、前記輝度値差分ヒストグラムのうち正の値を有する領域を決定することが好ましい。 Here, although not necessarily limited, it is preferable that the brightness value histogram creation means separates the brightness value information of the interference image into RGB brightness value information to create a G brightness value histogram. Although not limited thereto, it is preferable that the image analysis calculation means calculates a luminance value difference histogram from the luminance value histogram and determines a region having a positive value in the luminance value difference histogram.
本発明の接触面積測定装置は、試料に接する光透過性基板と、前記試料と前記光透過性基板を相対的に移動させる駆動手段と、前記試料とは反対側から、前記光透過性基板に白色光を照射する照射手段と、前記試料からの反射光と前記光透過性基板からの反射光とから生じる干渉画像を取得する干渉画像取得手段と、前記干渉画像の輝度値情報を追跡マーカとする画像解析演算手段を有する。 The contact area measuring apparatus according to the present invention includes a light-transmitting substrate in contact with a sample, a driving unit that relatively moves the sample and the light-transmitting substrate, and the light-transmitting substrate from the opposite side of the sample. Irradiating means for irradiating white light; interference image acquiring means for acquiring an interference image generated from reflected light from the sample and reflected light from the light-transmitting substrate; and tracking marker for luminance value information of the interference image; Image analysis calculation means.
ここで、限定されるわけではないが、干渉画像取得手段は、干渉画像と前記干渉画像の輝度値情報を取得することが好ましい。また、限定されるわけではないが、画像解析演算手段は、干渉画像の輝度値情報を追跡マーカとし、速度ベクトルを算出することが好ましい。 Here, although not necessarily limited, it is preferable that the interference image acquisition unit acquires the interference image and the luminance value information of the interference image. Although not limited, it is preferable that the image analysis calculation means calculates the velocity vector using the luminance value information of the interference image as a tracking marker.
本発明の接触面積測定方法は、試料に光透過性基板を接触させ、前記試料と前記光透過性基板を相対的に移動させ、前記試料とは反対側から、前記光透過性基板に白色光を照射し、前記試料からの反射光と前記光透過性基板からの反射光とから生じる干渉画像を取得し、前記干渉画像の輝度値情報から輝度値ヒストグラムを作成し、前記輝度値ヒストグラムから輝度値差分ヒストグラムを算出する方法である。 According to the contact area measuring method of the present invention, a light transmissive substrate is brought into contact with a sample, the sample and the light transmissive substrate are relatively moved, and white light is applied to the light transmissive substrate from the side opposite to the sample. To obtain an interference image generated from the reflected light from the sample and the reflected light from the light-transmitting substrate, create a luminance value histogram from the luminance value information of the interference image, and luminance from the luminance value histogram This is a method of calculating a value difference histogram.
ここで、限定されるわけではないが、輝度値ヒストグラム作成は、干渉画像の輝度値情報をRGB輝度値情報に分離し、G輝度値ヒストグラムを作成することが好ましい。また、限定されるわけではないが、輝度値ヒストグラムから輝度値差分ヒストグラムを算出し、前記輝度値差分ヒストグラムのうち正の値を有する領域を決定することが好ましい。 Here, although not limited thereto, it is preferable that the luminance value histogram is generated by separating the luminance value information of the interference image into RGB luminance value information and generating a G luminance value histogram. Although not limited, it is preferable to calculate a luminance value difference histogram from the luminance value histogram and determine a region having a positive value in the luminance value difference histogram.
本発明の接触面積測定方法は、試料に光透過性基板を接触させ、前記試料と前記光透過性基板を相対的に移動させ、前記試料とは反対側から、前記光透過性基板に白色光を照射し、前記試料からの反射光と前記光透過性基板からの反射光とから生じる干渉画像を取得し、前記干渉画像の輝度値情報を追跡マーカとする方法である。 According to the contact area measuring method of the present invention, a light transmissive substrate is brought into contact with a sample, the sample and the light transmissive substrate are relatively moved, and white light is applied to the light transmissive substrate from the side opposite to the sample. , The interference image generated from the reflected light from the sample and the reflected light from the light transmissive substrate is acquired, and the luminance value information of the interference image is used as a tracking marker.
ここで、限定されるわけではないが、干渉画像の取得は、干渉画像と前記干渉画像の輝度値情報を取得することが好ましい。また、限定されるわけではないが、干渉画像の輝度値情報を追跡マーカとし、速度ベクトルを算出することが好ましい。 Here, although not limited, it is preferable to acquire the interference image and the luminance value information of the interference image. Although not limited, it is preferable to calculate the velocity vector using the luminance value information of the interference image as a tracking marker.
本発明は、以下に記載されるような効果を奏する。 The present invention has the following effects.
本発明の接触面積測定装置は、試料に接する光透過性基板と、前記試料と前記光透過性基板を相対的に移動させる駆動手段と、前記試料とは反対側から、前記光透過性基板に白色光を照射する照射手段と、前記試料からの反射光と前記光透過性基板からの反射光とから生じる干渉画像を取得する干渉画像取得手段と、前記干渉画像の輝度値情報から輝度値ヒストグラムを作成する輝度値ヒストグラム作成手段と、前記輝度値ヒストグラムから輝度値差分ヒストグラムを算出する画像解析演算手段を有するので、新規な接触面積測定装置を提供することができる。 The contact area measuring apparatus according to the present invention includes a light-transmitting substrate in contact with a sample, a driving unit that relatively moves the sample and the light-transmitting substrate, and the light-transmitting substrate from the opposite side of the sample. Luminance value histogram based on luminance value information of the interference image, irradiation means for irradiating white light, interference image acquisition means for acquiring an interference image generated from the reflected light from the sample and the reflected light from the light-transmissive substrate Since there is a brightness value histogram creating means for creating the image and an image analysis calculating means for calculating a brightness value difference histogram from the brightness value histogram, a novel contact area measuring device can be provided.
本発明の接触面積測定装置は、試料に接する光透過性基板と、前記試料と前記光透過性基板を相対的に移動させる駆動手段と、前記試料とは反対側から、前記光透過性基板に白色光を照射する照射手段と、前記試料からの反射光と前記光透過性基板からの反射光とから生じる干渉画像を取得する干渉画像取得手段と、前記干渉画像の輝度値情報を追跡マーカとする画像解析演算手段を有するので、新規な接触面積測定装置を提供することができる。 The contact area measuring apparatus according to the present invention includes a light-transmitting substrate in contact with a sample, a driving unit that relatively moves the sample and the light-transmitting substrate, and the light-transmitting substrate from the opposite side of the sample. Irradiating means for irradiating white light; interference image acquiring means for acquiring an interference image generated from reflected light from the sample and reflected light from the light-transmitting substrate; and tracking marker for luminance value information of the interference image; Therefore, a novel contact area measuring device can be provided.
本発明の接触面積測定方法は、試料に光透過性基板を接触させ、前記試料と前記光透過性基板を相対的に移動させ、前記試料とは反対側から、前記光透過性基板に白色光を照射し、前記試料からの反射光と前記光透過性基板からの反射光とから生じる干渉画像を取得し、前記干渉画像の輝度値情報から輝度値ヒストグラムを作成し、前記輝度値ヒストグラムから輝度値差分ヒストグラムを算出する方法であるので、新規な接触面積測定方法を提供することができる。 According to the contact area measuring method of the present invention, a light transmissive substrate is brought into contact with a sample, the sample and the light transmissive substrate are relatively moved, and white light is applied to the light transmissive substrate from the side opposite to the sample. To obtain an interference image generated from the reflected light from the sample and the reflected light from the light-transmitting substrate, create a luminance value histogram from the luminance value information of the interference image, and luminance from the luminance value histogram Since it is a method of calculating a value difference histogram, a novel contact area measurement method can be provided.
本発明の接触面積測定方法は、試料に光透過性基板を接触させ、前記試料と前記光透過性基板を相対的に移動させ、前記試料とは反対側から、前記光透過性基板に白色光を照射し、前記試料からの反射光と前記光透過性基板からの反射光とから生じる干渉画像を取得し、前記干渉画像の輝度値情報を追跡マーカとする方法であるので、新規な接触面積測定方法を提供することができる。 According to the contact area measuring method of the present invention, a light transmissive substrate is brought into contact with a sample, the sample and the light transmissive substrate are relatively moved, and white light is applied to the light transmissive substrate from the side opposite to the sample. , The interference image generated from the reflected light from the sample and the reflected light from the light-transmitting substrate is obtained, and the luminance value information of the interference image is used as a tracking marker. A measurement method can be provided.
以下、接触面積測定装置および接触面積測定方法にかかる発明を実施するための最良の形態について説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the invention according to the contact area measuring apparatus and the contact area measuring method will be described.
接触面積測定装置は、試料に接する光透過性基板と、前記試料と前記光透過性基板を相対的に移動させる駆動手段と、前記試料とは反対側から、前記光透過性基板に白色光を照射する照射手段と、前記試料からの反射光と前記光透過性基板からの反射光とから生じる干渉画像を取得する干渉画像取得手段と、前記干渉画像の輝度値情報から輝度値ヒストグラムを作成する輝度値ヒストグラム作成手段と、前記輝度値ヒストグラムから輝度値差分ヒストグラムを算出する画像解析演算手段を有するものである。 The contact area measuring device includes a light transmissive substrate in contact with a sample, a driving unit that relatively moves the sample and the light transmissive substrate, and white light from the opposite side of the sample to the light transmissive substrate. A brightness value histogram is created from brightness value information of the interference image, an interference image acquisition means for acquiring an interference image generated from the irradiation means for irradiation, the reflected light from the sample and the reflected light from the light transmissive substrate, and A luminance value histogram creating means and an image analysis calculating means for calculating a luminance value difference histogram from the luminance value histogram are provided.
接触面積測定方法は、試料に光透過性基板を接触させ、前記試料と前記光透過性基板を相対的に移動させ、前記試料とは反対側から、前記光透過性基板に白色光を照射し、前記試料からの反射光と前記光透過性基板からの反射光とから生じる干渉画像を取得し、前記干渉画像の輝度値情報から輝度値ヒストグラムを作成し、前記輝度値ヒストグラムから輝度値差分ヒストグラムを算出する方法である。 In the contact area measurement method, a light transmissive substrate is brought into contact with a sample, the sample and the light transmissive substrate are relatively moved, and white light is irradiated to the light transmissive substrate from the opposite side of the sample. Obtaining an interference image generated from the reflected light from the sample and the reflected light from the light-transmitting substrate, creating a luminance value histogram from luminance value information of the interference image, and calculating a luminance value difference histogram from the luminance value histogram Is a method of calculating
接触面積測定装置の干渉画像取得手段においては、干渉画像と前記干渉画像の輝度値情報を取得する。試料の材質・表面性状に依存しない白色偏光干渉法を使用して接触部の可視化画像の取得を行う。試料を光透過性基板に押し付けた際に界面に生じる微小なすきまを実体顕微鏡と白色偏光干渉法によって可視化して、その接触部周辺に生じる干渉縞画像をビデオカメラにて取得する。このとき、白色光の持つ低可干渉性のために、真実接触部とは無関係な高次の暗部干渉縞の強度（輝度）が低下するので、真実接触部のみを取り出しやすい。
光透過性基板としては、ガラス、サファイヤ、またはポリカーボネイトなどを採用することができる。
The interference image acquisition means of the contact area measuring device acquires the interference image and the luminance value information of the interference image. A visualization image of the contact portion is obtained using white polarization interferometry that does not depend on the material and surface properties of the sample. A minute gap generated at the interface when the sample is pressed against the light-transmitting substrate is visualized by a stereoscopic microscope and white polarization interferometry, and an interference fringe image generated around the contact portion is acquired by a video camera. At this time, due to the low coherence of white light, the intensity (brightness) of higher-order dark interference fringes unrelated to the true contact portion is reduced, so that only the true contact portion can be easily taken out.
As the light transmissive substrate, glass, sapphire, polycarbonate or the like can be employed.
接触面積測定装置の輝度値ヒストグラム作成手段においては、干渉画像の輝度値情報をRGB輝度値情報に分離し、G輝度値ヒストグラムを作成する。カラービデオカメラを使用する場合、画像処理ソフトによって、取得画像に対してRGB輝度値情報への分離を行い、その後、その内のG画像輝度値情報に対し輝度値ヒストグラム作成を行う。これは、G要素が最も感度が高いためである。
なお、G輝度値ヒストグラムばかりでなく、R輝度値ヒストグラムまたはB輝度値ヒストグラムを用いても、本発明の目的を達成することができる。
In the brightness value histogram creating means of the contact area measuring device, the brightness value information of the interference image is separated into RGB brightness value information, and a G brightness value histogram is created. When using a color video camera, the image processing software separates the acquired image into RGB luminance value information, and then generates a luminance value histogram for the G image luminance value information. This is because the G element has the highest sensitivity.
Note that the object of the present invention can be achieved by using not only the G luminance value histogram but also the R luminance value histogram or the B luminance value histogram.
接触面積測定装置の画像解析演算手段においては、輝度値ヒストグラムから輝度値差分ヒストグラムを算出し、前記輝度値差分ヒストグラムのうち正の値を有する領域を決定する。静止状態（接線力係数φ=0）画像を基準として任意（φ=任意）との間で輝度値ヒストグラム差分を順次演算して、輝度値差分ヒストグラムが正領域から負領域への変化点を決定する。その正の値を有する領域を真実接触部中の固着域の減少分と決定する。 The image analysis calculation means of the contact area measuring device calculates a luminance value difference histogram from the luminance value histogram, and determines a region having a positive value in the luminance value difference histogram. Luminance value histogram difference is calculated sequentially with any (φ = arbitrary) image with reference to the still state (tangential force coefficient φ = 0) image, and the change point of the luminance value difference histogram from the positive region to the negative region is determined To do. The area having the positive value is determined as a decrease in the fixed area in the true contact portion.
接触面積測定装置は、試料に接する光透過性基板と、前記試料と前記光透過性基板を相対的に移動させる駆動手段と、前記試料とは反対側から、前記光透過性基板に白色光を照射する照射手段と、前記試料からの反射光と前記光透過性基板からの反射光とから生じる干渉画像を取得する干渉画像取得手段と、前記干渉画像の輝度値情報を追跡マーカとする画像解析演算手段を有するものである。 The contact area measuring device includes a light transmissive substrate in contact with a sample, a driving unit that relatively moves the sample and the light transmissive substrate, and white light from the opposite side of the sample to the light transmissive substrate. Irradiation means for irradiating, interference image acquisition means for acquiring an interference image generated from reflected light from the sample and reflected light from the light-transmitting substrate, and image analysis using luminance value information of the interference image as a tracking marker It has a calculation means.
接触面積測定方法は、試料に光透過性基板を接触させ、前記試料と前記光透過性基板を相対的に移動させ、前記試料とは反対側から、前記光透過性基板に白色光を照射し、前記試料からの反射光と前記光透過性基板からの反射光とから生じる干渉画像を取得し、前記干渉画像の輝度値情報を追跡マーカとする方法である。 In the contact area measurement method, a light transmissive substrate is brought into contact with a sample, the sample and the light transmissive substrate are relatively moved, and white light is irradiated to the light transmissive substrate from the opposite side of the sample. In this method, an interference image generated from the reflected light from the sample and the reflected light from the light transmissive substrate is acquired, and luminance value information of the interference image is used as a tracking marker.
接触面積測定装置の干渉画像取得手段は、上述のとおりである。 The interference image acquisition means of the contact area measuring device is as described above.
接触面積測定装置の画像解析演算手段においては、干渉画像の輝度値情報を追跡マーカとし、速度ベクトルを算出する。 In the image analysis calculation means of the contact area measuring apparatus, the velocity vector is calculated using the luminance value information of the interference image as a tracking marker.
接触面積測定装置および接触面積測定方法は、つぎの技術分野に適用することができる。ブレーキやクラッチなどの摩擦材の材料開発や性能評価、およびタイヤ・靴底等の接触・摩擦保持改善に直接関わる試作・技術開発データを必要とする分野である。また、コピー機に代表される事務機などの摩擦を利用した紙搬送システムやフリクションドライブ、超音波モータなどの摩擦駆動システムの信頼性・機能改善・性能向上に関わるデータを必要とする分野である。また、ロボットハンドの把持部制御のためのデータ供給、あるいはヒトの指肢部機能障害発生後の機能改善リハリビなどに使用する「滑りそうか否か」という触覚情報判断の呈示装置へのデータ供給を必要とする分野である。 The contact area measuring device and the contact area measuring method can be applied to the following technical fields. This field requires material development and performance evaluation of friction materials such as brakes and clutches, as well as prototype / technological development data directly related to improving contact and friction retention of tires and shoe soles. In addition, it is a field that requires data related to the reliability, function improvement, and performance improvement of friction drive systems such as paper transport systems, friction drives, ultrasonic motors, etc. that use friction such as office machines such as copiers. . Also, supply data to the presentation device for tactile information judgment of whether or not it seems to be used for data supply for controlling the gripping part of the robot hand or for function improvement rehabilitation after the human limb functional disorder occurs Is a field that requires
接触面積測定装置および接触面積測定方法について、具体的な例を説明する。 Specific examples of the contact area measuring device and the contact area measuring method will be described.
本例で用いた実験装置の概要について説明する。本例で用いる実験装置の概略を図２に示す。本装置は往復動摩擦試験部と可視化システム部に大別できる。往復動摩擦試験部の駆動部分は、変位拡大機構を組込むことにより、大変位仕様（変位±400μm）へ変更可能である。ファンクションジェネレータ３５で生成した加振電圧波形は、アクチュエータドライバ３６を介し圧電アクチュエータ３８に入力され、それを伸縮させる。変位拡大機構３７は、ガラス板保持部に連結されており、ガラス板３１は水平方向に往復動を行う。ガラス板３１の変位振幅は変位計により、接触面に負荷した垂直力および接線力は平行板ばねに貼付したひずみゲージにより測定され、AD変換後コンピュータ３９に記録される。これと同時に、実体顕微鏡２８を用いた可視化システム部では、3CCDカラービデオカメラ２７による動画の記録を行う。
An outline of the experimental apparatus used in this example will be described. An outline of the experimental apparatus used in this example is shown in FIG. This device can be roughly divided into a reciprocating friction test section and a visualization system section. The drive portion of the reciprocating friction test unit can be changed to a large displacement specification (displacement ± 400 μm) by incorporating a displacement magnifying mechanism. The excitation voltage waveform generated by the
実験装置の各部位について詳細な説明を行う。
本例では、白色偏光干渉法を用いて真実接触部の可視化を行う。白色干渉法を用いた測定システムについて説明する。測定システムは、本体である標準的な実体顕微鏡と同軸光ファイバ照明装置から構成されている。測定原理は以下のとおりである。
Detailed description will be given for each part of the experimental apparatus.
In this example, the true contact portion is visualized using white polarization interferometry. A measurement system using the white light interferometry will be described. The measurement system is composed of a standard stereomicroscope as a main body and a coaxial optical fiber illumination device. The measurement principle is as follows.
ハロゲンランプからの白色光は、光ファイバからなるライトガイドによって偏光子に導入される。その光は直線偏光となってビームスプリッタに入射する。ここで光は2分される。一方の光は試料を照射する方向に向かう。もう一方の光は検光子の方向に向かう。検光子は偏光子に対して位相を角度90°ずらしてあるため、光は検光子を通過することが出来ない。試料に向かう光は、レンズを通過した後、1／4波長板によって円偏光に変換される。ガラス板下面で一部は反射し、また、もう一方の光も試料面で反射する。これらのガラス板下面および試料面での反射光がガラス板下面で干渉を生じる。その干渉光は１／4波長板で直線偏光に戻され、ビームスプリッタを通過して、検光子に入射する。この干渉光は、先の偏光子を出た白色光に対し位相が角度90°ずれているために検光子を通過できる。こうして、干渉光はレンズを通過した後、カラーイメージセンサーによって検出され、比較的コントラストのある画像が得られる。 本装置ではカラーイメージセンサーとして、3CCDカラービデオカメラ（Victor KY-F550）を使用した。 White light from the halogen lamp is introduced into the polarizer by a light guide made of an optical fiber. The light becomes linearly polarized light and enters the beam splitter. Here the light is split in two. One light goes in the direction of irradiating the sample. The other light goes in the direction of the analyzer. Since the analyzer is phase-shifted by 90 ° with respect to the polarizer, light cannot pass through the analyzer. The light toward the sample is converted into circularly polarized light by the quarter wave plate after passing through the lens. Part of the light is reflected by the lower surface of the glass plate, and the other light is also reflected by the sample surface. Reflected light on the lower surface of the glass plate and the sample surface causes interference on the lower surface of the glass plate. The interference light is returned to linearly polarized light by the quarter wavelength plate, passes through the beam splitter, and enters the analyzer. This interference light can pass through the analyzer because its phase is shifted by 90 ° with respect to the white light emitted from the previous polarizer. Thus, after the interference light passes through the lens, it is detected by the color image sensor, and an image having a relatively high contrast is obtained. This device used a 3CCD color video camera (Victor KY-F550) as a color image sensor.
本装置の駆動部について説明する。本装置の駆動部は圧電アクチュエータ、アクチュエータドライバ、ファンクションジェネレータより構成されている。ファンクションジェネレータ(Hewlett Packard 社製 HP33120A)で波形、周波数、振幅を設定し、アクチュエータドライバでバイアス電圧とゲインを調整する。この圧電アクチュエータ(日本電装社製 PH22100)は積層型のもので、発生力が大きく応答性に優れ、圧電セラミックスを用いているので電磁ノイズが発生しない等の特徴がある。 The drive part of this apparatus is demonstrated. The drive unit of this device is composed of a piezoelectric actuator, an actuator driver, and a function generator. Set the waveform, frequency, and amplitude with the function generator (HP33120A manufactured by Hewlett Packard), and adjust the bias voltage and gain with the actuator driver. This piezoelectric actuator (Nippon Denso Co., Ltd. PH22100) is of a laminated type, has a large generated force and excellent responsiveness, and uses piezoelectric ceramics, so that there is no electromagnetic noise.
変位拡大機構について説明する。変位拡大機構は、図３に示すように、8箇所のばね節点を持ったリンク機構となっている。圧電アクチュエータ３８を中心部に設置すると、その伸縮はリンク機構により、90°対向した向きへ変換される。その時の伸縮の倍率は、節点同士の距離の比で決定される。本機構の場合には、5mm：50mmであり、10倍の拡大仕様となっている。圧電アクチュエータ３８の伸縮が、変位拡大機構３７を介し、X軸ステージ２９のスライダに案内されてガラス板３１へ伝達される。
The displacement enlarging mechanism will be described. As shown in FIG. 3, the displacement enlarging mechanism is a link mechanism having eight spring nodes. When the
垂直力負荷機構について説明する。垂直力負荷機構は、ガラス板と試験片の間に垂直力を負荷するものである。おもりを吊るすことで試験片を鉛直方向に変位させ、接触部に作用する垂直力を適宜調節する機構になっている。 The vertical force load mechanism will be described. The normal force loading mechanism applies a vertical force between the glass plate and the test piece. The test piece is displaced in the vertical direction by suspending a weight, and the vertical force acting on the contact portion is appropriately adjusted.
荷重測定部について説明する。本試験機の測定系では、ガラス板と試験片間の接触部に負荷した垂直力と、相対運動時に生じた接線力を測定する。垂直力の測定は垂直力測定用ゲージにて行う。接線力は接線力測定用ゲージにて行う。垂直力測定用ゲージおよび接線力測定用ゲージの出力は直流増幅器で増幅され、A/D変換ボードを介してコンピュータに取り込んでいる。 The load measuring unit will be described. In the measurement system of this testing machine, the normal force applied to the contact portion between the glass plate and the test piece and the tangential force generated during relative movement are measured. The normal force is measured with a normal force measuring gauge. Tangent force is measured with a gauge for measuring tangential force. The outputs of the vertical force measuring gauge and the tangential force measuring gauge are amplified by a DC amplifier and taken into a computer through an A / D conversion board.
変位測定について説明する。ガラス板の変位は変位計により測定した。変位計は、差動トランス式変位計を用いた。変位計の出力は、A/D変換ボードを介してパソコンに取り込まれる。 The displacement measurement will be described. The displacement of the glass plate was measured with a displacement meter. A differential transformer type displacement meter was used as the displacement meter. The output of the displacement meter is taken into the personal computer via the A / D conversion board.
データ記録部について説明する。本試験機の画像取得には、デジタルビデオカメラ（Victor社製 KY-F550、720×480画素、256階調、シャッター速度：1/60秒）を使用した。 The data recording unit will be described. A digital video camera (Victor KY-F550, 720 x 480 pixels, 256 gradations, shutter speed: 1/60 sec) was used for image acquisition of this testing machine.
画像処理部について説明する。取得した画像の解析にソフトウェアを使用した。
本例では、真実接触部の解析を、干渉画像の輝度ヒストグラムに着目して行う。取得した画像から、輝度ヒストグラムを作成するにはソフトウェアMATLABを使用した。画像（640×480，720×480）は、RGB（赤緑青）の3要素の輝度データを各8ビット（256階調）ずつ所有している。各要素の画素数をカウントし、輝度ヒストグラムを作成する。
The image processing unit will be described. Software was used to analyze the acquired images.
In this example, the true contact portion is analyzed by focusing on the luminance histogram of the interference image. The software MATLAB was used to create a luminance histogram from the acquired images. The image (640 × 480, 720 × 480) possesses RGB (red, green, blue) three-element luminance data for each 8 bits (256 gradations). The number of pixels of each element is counted and a luminance histogram is created.
ソフトウェアOriginでは、グラフ解析機能を使用し、ソフトウェアMATLABを用いて得られたヒストグラムの解析を行った。後に述べる正規分布フィッティングは、ソフトウェアOriginを使用したマルカート法による最適化処理を用いた。 The software Origin used the graph analysis function to analyze the histogram obtained using the software MATLAB. The normal distribution fitting described later used an optimization process by the Marquardt method using the software Origin.
試験片について説明する。本例では接触する二平面の真実接触部を、平面と球体との間に生じる点接触で簡易化して実現している。簡易化を行うことによりつぎの利点が挙げられる。すなわち、接触部を明確に限定して可視化でき、また試験片の物性値と形状から、ヘルツの接触理論の援用が可能となり、また基礎実験としての実験装置の信頼性を確かめることができる。 The test piece will be described. In this example, the two-plane real contact portion that is in contact is simplified and realized by a point contact generated between the plane and the sphere. The following advantages can be given by simplifying. That is, the contact part can be clearly defined and visualized, the Hertz contact theory can be used from the physical property value and shape of the test piece, and the reliability of the experimental apparatus as a basic experiment can be confirmed.
上部試験片について説明する。上部試験片には平面で且つ透明体である必要があるため、ガラス板を用いた。材質は合成石英である。外径はφ30mm、厚さは3.0mm、面精度は20nm、ヤング率は72 GPa、ポアソン比は0.16である。 The upper test piece will be described. Since the upper test piece needs to be flat and transparent, a glass plate was used. The material is synthetic quartz. Outer diameter is φ30mm, thickness is 3.0mm, surface accuracy is 20nm, Young's modulus is 72 GPa, Poisson's ratio is 0.16.
上部試験片は、ガラス板に限定されるものではない。このほか上部試験片としては、サファイヤ板あるいは光学的に透明なポリカーボネイト板やアクリル板などを採用することができる。 The upper test piece is not limited to a glass plate. In addition, as the upper test piece, a sapphire plate, an optically transparent polycarbonate plate, an acrylic plate, or the like can be used.
下部試験片について説明する。下部試験片には実用的な表面の想定と摩擦状況下において、その弾性率の低さゆえ、より顕著な接触面挙動の変化観察を期待して薄ゴム試験片を用いた。この薄ゴム試験片は半径5mmの鋼製半球上に、厚さ0.5mmの天然ゴム薄板を引っ張りながら接着させたものである。 The lower test piece will be described. A thin rubber specimen was used for the lower specimen in anticipation of a more noticeable change in contact surface behavior due to its low elastic modulus under the assumption of a practical surface and friction. This thin rubber test piece is obtained by adhering a thin natural rubber plate having a thickness of 0.5 mm on a steel hemisphere having a radius of 5 mm while pulling.
下部試験片は、薄ゴム試験片に限定されるものではない。このほか下部試験片としては、中実ゴム試験片や湿式ペーパ系摩擦材などを採用することができる。 The lower test piece is not limited to a thin rubber test piece. In addition, as the lower test piece, a solid rubber test piece, a wet paper friction material, or the like can be used.
取得画像の前処理について説明する。撮影した画像の輝度情報には、光干渉による接触面とその近傍の情報とともに、照明照度の不均一さやガラス面のキズなど、接触面の解析には必要でない情報も含まれている。 The preprocessing of the acquired image will be described. The luminance information of the captured image includes information not necessary for analysis of the contact surface, such as non-uniformity of illumination illuminance and scratches on the glass surface, as well as information on the contact surface and its vicinity due to light interference.
そこで、画像解析の前処理として照明照度の不均一さを補正する「背景補正処理」を行った。下部試験片を鉛直下向きに変位させ、ガラス板と下部試験片を接触させずに、30〜40μm程度の空間をつくる。この距離は干渉縞が生じない十分離れた距離であり、これによりガラス下面からの反射光のみを捉えた画像を得ることができる。つぎに、同倍率にて撮影した真実接触部の画像を作成する。この2枚の画像の輝度を、それぞれのピクセル毎に差を取ることにより、照度の不均一さを相殺する。また、以上の演算によって輝度の値を負にしないために、輝度125を加算し、その結果撮影画像の背景部分の最頻値が輝度約125となるようにした。この背景補正処理により、照度の不均一さが解消された。 Therefore, a “background correction process” for correcting the non-uniformity of illumination illuminance was performed as a pre-process for image analysis. The lower test piece is displaced vertically downward, and a space of about 30 to 40 μm is created without contacting the glass plate and the lower test piece. This distance is a sufficiently long distance in which no interference fringes are generated, whereby an image capturing only the reflected light from the lower surface of the glass can be obtained. Next, an image of the true contact portion photographed at the same magnification is created. By taking the difference between the brightness of the two images for each pixel, the non-uniformity of illuminance is offset. Further, in order to prevent the luminance value from being negative by the above calculation, luminance 125 is added, and as a result, the mode value of the background portion of the photographed image is set to about 125 luminance. By this background correction process, the uneven illuminance was eliminated.
なお、本例では低可干渉性を有する白色光干渉を用いているが、輝度解析のためには単一要素の輝度を用いる。RGB各要素内のどの要素が解析に適当であるか検討を行った。 R、G、B要素それぞれについて背景補正を施した後、輝度ヒストグラムを作成した結果、G要素が他に比べ、分布幅が狭く最も高感度である。したがって、以後、G要素の輝度を用いて解析を行った。 In this example, white light interference having low coherence is used, but the luminance of a single element is used for luminance analysis. We examined which elements in each RGB element are suitable for analysis. After performing background correction for each of the R, G, and B elements, a luminance histogram is created. As a result, the G element has a narrower distribution width and the highest sensitivity than the others. Therefore, the analysis was performed using the luminance of the G element thereafter.
滑り出し過程のデータ取得について説明する。静止状態から接線力を与え巨視的な滑りへ遷移する様子、すなわち滑り出し過程に着目した実験を行った。実験は無潤滑、垂直荷重2.5Nの下で行った。 The data acquisition in the sliding process will be described. An experiment focusing on the state of transition from a static state to a macroscopic slip by applying a tangential force, that is, the sliding process was conducted. The experiment was conducted without lubrication and under a vertical load of 2.5N.
滑り出し過程の時間線図および接線力係数φ、速度Ｖ−変位Ｘ線図を図４，５に示す。三角波状の電圧を印加し、変位約400μmにわたり記録したものである。速度は変位の計測データから多項式適合法による19点平滑化微分演算[5]を行い、時々刻々のガラス板駆動速度Vを求めた。AD変換速度は33.3サンプル／秒とした。 FIGS. 4 and 5 show a time diagram, a tangential force coefficient φ, and a velocity V-displacement X-ray diagram of the sliding process. A triangular wave voltage is applied and recorded over a displacement of about 400 μm. The velocity was calculated from the displacement measurement data using a 19-point smoothing differential calculation [5] by polynomial fitting method to obtain the glass plate driving velocity V every moment. The AD conversion speed was 33.3 samples / second.
図４は、横軸に測定開始からの計測時間、縦軸に接線力係数φとガラス板変位X（1/10に縮小して表示）および速度Vを示したグラフである。φは接線力を垂直力で除した値である。本図を見ると、計測時間約1秒付近からガラス板の駆動が始まり、X，φ，Vが変化を開始して約14秒付近（Xが380μm）でガラス変位方向が逆転し、X，φ，Vの向きが右下がりへと転換している。本例では、この約1秒から14秒までの区間である「滑り出し過程」に着目して検討を行った。三角波状の電圧を印加しているにもかかわらず、ガラス板の駆動速度は一定ではない。これは圧電アクチュエータの伸縮過程における非線形ヒステリシス現象によるためである。 FIG. 4 is a graph showing the measurement time from the start of measurement on the horizontal axis, the tangential force coefficient φ, the glass plate displacement X (reduced to 1/10), and the speed V on the vertical axis. φ is a value obtained by dividing the tangential force by the normal force. Looking at this figure, the glass plate starts to be driven from about 1 second of measurement time, X, φ, V starts to change, and the glass displacement direction is reversed around 14 seconds (X is 380μm). The direction of φ and V has turned to the lower right. In this example, the examination was conducted by paying attention to the “sliding process” which is a section from about 1 second to 14 seconds. Despite applying a triangular wave voltage, the driving speed of the glass plate is not constant. This is because of a nonlinear hysteresis phenomenon in the expansion / contraction process of the piezoelectric actuator.
図５は、図４で示した接線力係数φ、ガラス板変位X、速度Vのデータから、時間項を消去し横軸を変位Xで示した線図である。ガラス板が横軸の原点からプラス方向へ変位するに伴い、φとVが増加し、向きが逆転するまでの過程を示す。静止状態から固着域と滑り域が混在する微小滑り発生区間を経て、巨視的な滑り状態へと移行している。φ−X線図上に示した弾性変形線（Ke=0.021N/μm）は、初期20μm区間の勾配で、この線上では弾性変位Xeは生じているが、接触界面での相対変位（以下、微小滑り変位と呼称）Xrはゼロの状態を示す。したがって、全体の変位がXの時、微小滑り変位はXrで代表され、このXrが滑り出し過程の挙動を本質的に代表する[6]。図中の微小滑り速度VrはこのXrの速度を速度Vと同様の方法を用いて計算したものである。測定される変位Xは、圧電アクチュエータによって駆動されるガラス板変位なので、ガラス板とゴム試験片の間に滑りがない（固着状態）状態では、接線力（つまり接線力係数）と変位の関係はせん断時の線形のばねと同一となる。この状態が初期20μm区間にみられた。したがって、弾性変位Xeのみが直線的に増大するが、微小滑り変位Xrはゼロの状態を維持している。接触面ではばね要素と滑り要素が直列に接続されていると考えると、接線力の増大により滑りが生じてくると、全体の変位Xには微小滑り変位Xrが加算されることになる。この微小滑り変位Xrを時間微分すれば微小滑り速度Vrが求まる。Xrの発生が少ない領域では、VとVrの差は大きい。図４にもこのVrを示した。図４，５のφデータ、Xデータでは明瞭ではないが、V、Vrの速度データを詳細に見るとφ=0.55，X=180μmにおいて急激に増加していることが指摘できる。このφ点を静摩擦係数μ=0.55点とみなせるか否かについては、後述する輝度ヒストグラムやPIV処理の結果等も含めて再び検討する。 FIG. 5 is a diagram in which the time term is deleted from the data of the tangential force coefficient φ, the glass plate displacement X, and the velocity V shown in FIG. As the glass plate is displaced in the plus direction from the origin of the horizontal axis, the process until φ and V increase and the direction reverses is shown. From a stationary state to a macroscopic sliding state through a micro-slip generating section where a fixed region and a sliding region are mixed. The elastic deformation line (Ke = 0.021N / μm) shown on the φ-X diagram is the gradient of the initial 20μm section, and the elastic displacement Xe occurs on this line, but the relative displacement at the contact interface (hereinafter, Xr indicates a zero state. Therefore, when the total displacement is X, the microsliding displacement is represented by Xr, and this Xr essentially represents the behavior of the sliding process [6]. The micro slip velocity Vr in the figure is calculated by using the same method as the velocity V for the velocity of Xr. Since the measured displacement X is a glass plate displacement driven by a piezoelectric actuator, when there is no slip between the glass plate and the rubber specimen (adhered state), the relationship between the tangential force (that is, the tangential force coefficient) and the displacement is It is the same as a linear spring during shearing. This state was observed in the initial 20 μm section. Therefore, only the elastic displacement Xe increases linearly, but the minute slip displacement Xr maintains a zero state. Assuming that the spring element and the sliding element are connected in series on the contact surface, if slip occurs due to an increase in the tangential force, a minute slip displacement Xr is added to the entire displacement X. The minute slip velocity Vr can be obtained by differentiating the minute slip displacement Xr with respect to time. In the region where the generation of Xr is small, the difference between V and Vr is large. FIG. 4 also shows this Vr. Although it is not clear in the φ data and X data in FIGS. 4 and 5, it can be pointed out that the speed data of V and Vr increase rapidly when φ = 0.55 and X = 180 μm. Whether or not this φ point can be regarded as a static friction coefficient μ = 0.55 point will be examined again including a luminance histogram and a result of PIV processing which will be described later.
輝度値の解析に用いる代表的なG（緑）画素真実接触部干渉画像を図６に示す。明らかにφの増大と共に網目状の黒い部分がやや疎らになり、真実接触部が変化していく様子がわかる。 FIG. 6 shows a typical G (green) pixel true contact portion interference image used for luminance value analysis. Obviously, as the φ increases, the mesh-like black part becomes slightly sparse and the true contact part changes.
滑り出し過程における輝度データの統計的解析について説明する。 A statistical analysis of luminance data in the sliding process will be described.
解析には、背景補正したG画素干渉縞輝度データを用いた。これは画像解析時の照明輝度の不均一さの影響を避けるため、干渉縞が生じていない参照像を取得し、その画像との差分をとり背景補正したものである。G画素を用いたのは、感度と分解能（短波長程良い）との兼ね合いからである。画像解析の方法については、既報[1]で報告したが、画像取得、RGB分離、G画素の背景補正、輝度データ取得、および輝度ヒストグラム作成の工程によって、基礎データを取得した。 In the analysis, G pixel interference fringe luminance data with background correction was used. In this method, in order to avoid the influence of non-uniform illumination brightness at the time of image analysis, a reference image without interference fringes is acquired, and the background is corrected by taking the difference from that image. The G pixel is used because of a balance between sensitivity and resolution (shorter wavelength is better). The method of image analysis was reported in the previous report [1], but basic data was acquired through the steps of image acquisition, RGB separation, G pixel background correction, luminance data acquisition, and luminance histogram creation.
輝度ヒストグラムについて説明する。滑り出し過程を代表する、10水準の接線力係数φにおける輝度ヒストグラムの結果を図７に示す。これは真実接触部の情報にかかわる低輝度側の分布のみを拡大したものである。まず、全体的に分布は輝度43〜47にピークを持ち、その左端低輝度側は度数（画素数）0へと急激に減少している。この部分は既報[1]で述べたように真実接触部を反映する領域Iの分布である。一方、右端は一定の度数値への収束傾向にあるが、これも粗面ではその巨視的にみた接触域において、数十nmのすきまを有する領域IIが無数存在することを反映[1]するものである。
The luminance histogram will be described. FIG. 7 shows the result of the luminance histogram at 10 levels of the tangential force coefficient φ representing the sliding process. This is an enlargement of only the distribution on the low luminance side related to the information of the true contact portion. First, the distribution as a whole has a peak at
次に、接線力係数φの増大に伴うピーク位置の度数および輝度値に着目する。度数は、φ=0からφ=0.50への変化によって大幅に減少しているが、φ=0.55〜0.62の間での変化は小さい。それに対応し、輝度値もφ=0〜0.5の区間では輝度43〜44であるのに対し、φ=0.55〜0.62の区間では輝度46〜47と高輝度側、つまり接触面間のすきまが増大する方向へ2〜3輝度増加している。このような変化は、ピークの度数減少および高輝度側へのシフトに伴い、ピークの形状が急峻からなだらかな状態への変化をもたらしている。接線力付与に伴う輝度ヒストグラムの変化は、固着域と滑り域が混在している真実接触部での接触状態（すきま）の変化を反映した結果と考えられる。
Next, attention is focused on the frequency and luminance value of the peak position as the tangential force coefficient φ increases. The frequency is greatly reduced by the change from φ = 0 to φ = 0.50, but the change between φ = 0.55 and 0.62 is small. Correspondingly, the luminance value is 43 to 44 in the section of φ = 0 to 0.5, whereas in the section of φ = 0.55 to 0.62, the clearance between the
正規分布へのフィッティングと真実接触部について説明する。滑り出し過程における接触状態の統計的解析の検討を以下に試みる。ピークの低輝度側分布は、既報[1]で示した真実接触部を意味する正規分布形状の領域Iの形成が推測された。接線力変化によっても、領域Iは次の式(1) The fitting to the normal distribution and the true contact part will be explained. The following is an attempt to investigate the statistical analysis of the contact state during the sliding process. As for the low-luminance distribution of the peak, it was estimated that the region I having a normal distribution shape indicating the true contact portion shown in the previous report [1] was formed. Even if the tangential force changes, the region I is expressed by the following equation (1)
で示される正規確率分布P(I)を維持しつつ、その形が変化するものとみられる。ここで、I：輝度値、Im：輝度の平均値、σ：標準偏差である。そこで、「固着域」と「滑り域」がそれぞれ明らかに100%を占める接線力係数φ=0とφ=0.62における輝度ヒストグラムを例にとり、それらのヒストグラム分布が正規分布を示す領域Iおよび残差の２領域に分別できることを図８に示す。既報[1]と同様に、対象とするヒストグラムを最適化手法（グラフ解析ソフトのOrigin8，マルカート法を使用）を用いてフィッティングを行った。最適化した正規分布フィッティング結果は低輝度側のマーカに沿う実線で示し、高輝度側のマーカに沿う破線は残差を表わす。これをみると、ピーク左側の分布は、いずれのφ値でも正規分布に良く当てはまり、また残差は同一の形状を保っている。
While maintaining the normal probability distribution P (I) shown in FIG. Here, I is a luminance value, Im is an average value of luminance, and σ is a standard deviation. Therefore, taking as an example a luminance histogram with tangential force coefficients φ = 0 and φ = 0.62, where the “sticking zone” and “sliding zone” clearly account for 100%, respectively, the region I showing the normal distribution and the residual FIG. 8 shows that it can be classified into two areas. As in the previous report [1], the target histogram was fitted using an optimization method (using
そこで、各φ値で算出された残差のヒストグラムを図９に示す。この残差は、真実接触部近傍の非接触部である領域IIを含む分布[1]で、その最大度数（画素数）および形状はほぼ一定を維持し、全体がφの増加と共に右側にシフトしている。これはフィッティングが良好に行われていることを示し、輝度情報に基づく統計的な接触面の状態解析の可能性を示すものである。 Therefore, FIG. 9 shows a histogram of residuals calculated for each φ value. This residual is a distribution [1] that includes region II, which is a non-contact part near the true contact part. Its maximum frequency (number of pixels) and shape remain almost constant, and the whole shifts to the right as φ increases. is doing. This indicates that fitting is performed well, and indicates the possibility of statistical state analysis of the contact surface based on luminance information.
さて、図１０，１１に滑り出し過程の進行に対し、フィッティングした正規分布（領域I）の累積度数および正規分布パラメータ（平均輝度Im，標準偏差σ）の変化を示す。領域Iの度数は、φ=0〜0.3の過程では微増あるいは水平で、その後φ=0.5までは減少傾向をたどる。それ以降は不安定で振動的だがほぼ一定値で推移し、多少の増減はあるが最終的に収束すると思われる。接線力の付与により、一旦は減少を始めた領域I度数がφ=0.51を超えた点で減少が止まり、挙動が変化したのは、巨視的な滑りへの移行過程に推移したことを示唆する。平均輝度Imは徐々に増加しつつも、領域I度数変化点と同じφ=0.51で急激に上昇し、その後も増加を続ける。σもほとんど一定であったものが、φ=0.51で急激に上昇し、φ=0.54で一端、極小点に減少後、また上昇に転じている。先の図４，５に示した滑り出し過程の速度Vはφ=0.55を変曲点として増大していた。接線力係数、変位の測定値には明確な変化が現れていない程、この変化は微小であったが、ここに示した接触界面での統計的な解析結果は明確な変化が生じていることを示している。つまり、φ=μ=0.55とみなせる。 10 and 11 show changes in the cumulative frequency of the fitted normal distribution (region I) and normal distribution parameters (average luminance Im, standard deviation σ) as the sliding process progresses. The frequency in region I increases slightly or horizontally in the process of φ = 0 to 0.3, and then decreases until φ = 0.5. After that, it is unstable and oscillating, but it stays at a constant value. By applying tangential force, once the region I started to decrease, the frequency stopped when the frequency exceeded φ = 0.51, and the change in behavior suggests that the transition to a macroscopic slip was made. . While the average luminance Im gradually increases, it rapidly increases at φ = 0.51 which is the same as the region I frequency change point, and continues to increase thereafter. Although σ was almost constant, it suddenly increased at φ = 0.51, and once at φ = 0.54, it decreased to a minimum point and then began to increase again. The speed V of the sliding process shown in FIGS. 4 and 5 increased with φ = 0.55 as an inflection point. This change was so small that there was no clear change in the measured values of the tangential force coefficient and displacement, but the statistical analysis results at the contact interface shown here showed a clear change. Is shown. That is, it can be considered that φ = μ = 0.55.
真実接触部と輝度ヒストグラム特性値について説明する。滑り出し過程の進行に伴う輝度ヒストグラム変化の特徴は、ヒストグラムの最大傾き（輝度当たりの度数変化）や最大度数（画素数）値といった変化にも現れる。その結果を図１２に示し、領域Iの累積度数の変化も併記した。これら３つの特性値は、接線力係数φ=0.3以後、φ=0.5までは一貫して減少している。これ以降、(1)傾きは振動的振る舞いを示しつつ減少するが、φ=0.55で減少傾向が収まる、(2)最大度数値はさらに減少が続くが、φ=0.55で変曲点を持ち、その減少傾向が緩やかになる。これらの傾きおよび最大度数の変化は、ほぼ同一の傾向を示し、また累積度数の変化傾向との対応関係もみられる。 The true contact portion and the luminance histogram characteristic value will be described. The characteristic of the luminance histogram change accompanying the progress of the slide-out process also appears in changes such as the maximum inclination of the histogram (frequency change per luminance) and the maximum frequency (number of pixels) value. The result is shown in FIG. 12, and the change in the cumulative frequency of region I is also shown. These three characteristic values are consistently decreased from tangential force coefficient φ = 0.3 to φ = 0.5. From this point on, (1) the slope decreases while exhibiting oscillatory behavior, but the decreasing trend stops at φ = 0.55, (2) the maximum power value continues to decrease further, but has an inflection point at φ = 0.55, The decreasing trend becomes moderate. These changes in slope and maximum frequency show almost the same tendency, and there is a corresponding relationship with the change tendency in cumulative frequency.
真実接触面積と界面に働く実せん断応力について説明する。滑り出し過程の変位増加に伴う真実接触面積の変化を図１３に示す。真実接触面積は上述した領域Iの累積度数より換算した。静止状態から動摩擦状態へと遷移する過程において、真実接触面積は小さくなり、ある値まで減少すると巨視的なすべり状態へ移行し、その後の面積変化は小さい。 The real contact area and the actual shear stress acting on the interface will be explained. FIG. 13 shows a change in the real contact area with an increase in displacement during the sliding process. The true contact area was converted from the cumulative frequency of region I described above. In the process of transition from the static state to the dynamic friction state, the real contact area decreases, and when it decreases to a certain value, it shifts to a macroscopic slip state, and the area change thereafter is small.
滑り出し過程を理解するには、接触界面に働く実平均せん断応力を知ることも一つの方法である。界面の実平均せん断応力を次の式(2) One way to understand the sliding process is to know the actual average shear stress acting on the contact interface. The actual average shear stress at the interface is expressed by the following equation (2)
で算出した結果を図１４に示す。横軸にガラス板変位Xをとり、縦軸に算出した実平均せん断応力の値を示す。図１４をみると、はじめの変位150μmの区間では、せん断応力がほぼ線形的に増加している。その後の変位220μm（φ=0.5〜0.58）までの区間ではほぼ一定値を示し、その後さらに増加している。この図は、材料試験における応力-ひずみ線図に匹敵するトライボロジー現象の基本線図と捉えることも可能であろう（本実験ではせん断ひずみは未測定であるが、表面粗さの値を考慮すれば近似的に概算可能である）。これによって静摩擦から動摩擦への摩擦遷移を一貫した界面せん断破断過程として捉えられる[6]。 The result calculated in FIG. 14 is shown in FIG. The horizontal axis represents the glass plate displacement X, and the vertical axis represents the calculated actual average shear stress. Referring to FIG. 14, the shear stress increases almost linearly in the first interval of 150 μm displacement. In the subsequent interval of 220 μm (φ = 0.5 to 0.58), it shows a substantially constant value and then further increases. This figure can be regarded as a basic diagram of tribological phenomena comparable to the stress-strain diagram in material testing (in this experiment, shear strain is not measured, but the surface roughness value is considered). Approximate). As a result, the transition from static friction to dynamic friction can be regarded as a consistent interfacial shear fracture process [6].
PIV解析による可視化について説明する。 Visualization by PIV analysis will be explained.
取得干渉画像暗部の一部には、微小なすきまの非接触部も反映されているため、正確には真実接触部そのものを可視化している訳ではない。そこで、上述と同一のデータ（干渉画像）を用いて、真実接触点を追跡マーカとしたPIV法(粒子画像流速測定法)による解析を行えば、真実接触部かどうか、また、その点が固着か滑りかの判別が可能と考えた。 A part of the dark part of the acquired interference image also reflects a non-contact part of a minute gap, so that the true contact part itself is not accurately visualized. Therefore, using the same data (interference image) as described above, if the analysis is performed by the PIV method (particle image velocimetry) using the true contact point as a tracking marker, whether or not it is a true contact part and the point is fixed. It was thought that it was possible to distinguish between slipping and slipping.
解析方法と結果について説明する。解析には専用ソフトウェアであるFlowPIVを用いた。これは本来、画像の輝度情報（粒子位置）を利用して流れのベクトルを測定する手法であるが、真実接触点を粒子と考え、その粒子の移動（固着か滑りかに基づく）に着目する点では同様である[3,4]。解析時の設定を表１に示す。 The analysis method and results will be described. FlowPIV, which is dedicated software, was used for the analysis. This is a method of measuring the flow vector using the luminance information (particle position) of the image, but considers the true contact point as a particle and focuses on the movement of the particle (based on sticking or sliding). The point is similar [3,4]. Table 1 shows the settings at the time of analysis.
設定項目について説明する。今回は、各φ値の干渉画像と、その10フレーム後（0.33秒後）の画像との間でPIV処理をおこなった。結果は速度のベクトルで出力され、その長さと頻度を得ることができる。格子間隔として、ベクトルを計測する点の縦横の間隔を設定する。また、追跡サイズとして、計測点がどこに移動したのか探す範囲を画素で指定する。計測点を中心に追跡サイズ内の点をすべて検索する。また、基準サイズとして、濃度むらパターンを比較する画素のサイズを指定する。計測点を中心にこのサイズ内の画像を比較して追跡を行う。
The setting items will be described. This time, PIV processing was performed between the interference image of each φ value and the
本試験機において、摩擦下にある接触面を見た場合を考える。球体試験片とガラス面の接触部に、接線力を与えたとき、固着域と滑り域が生じたとする。このとき、顕微鏡から接触面を見た場合には、固着域は、ガラスと密着しているため、ガラスに引かれて移動している。一方、滑り域は、ガラス板と動摩擦状態にあるため、その場にとどまり、移動はしない。したがって、本試験機にてPIV解析をした場合、固着域ではガラス板の速度に応じたベクトルが生じ、滑り域ではベクトルが生じないということになる。 Consider the case where the contact surface under friction is viewed on the testing machine. It is assumed that when a tangential force is applied to the contact portion between the spherical specimen and the glass surface, a fixed area and a sliding area are generated. At this time, when the contact surface is viewed from the microscope, the fixing area is in close contact with the glass, and is thus drawn and moved by the glass. On the other hand, since the sliding area is in a state of dynamic friction with the glass plate, it remains in place and does not move. Therefore, when PIV analysis is performed with this testing machine, a vector corresponding to the speed of the glass plate is generated in the fixed region, and no vector is generated in the sliding region.
図１５にPIV解析によって追跡マーカ点の速度ベクトルを求め、その結果を横軸に速度、縦軸にその速度ベクトルの出現頻度を示すヒストグラムとして示す。前述したように、本実験のガラス板駆動速度は一定ではない。固着域にある速度ベクトルはガラス板駆動速度と同一の値になるため、その速度で出現頻度が最大になるはずである。事実、測定された各φ値における速度ヒストグラムのピーク点速度は±0.5μm/s以内の誤差で図４，５に示したガラス板駆動速度（矢印）に等しく、φ値の増大と共に右にシフトしながら、その頻度も低下する。φ=0.58でピークが消失しているのは、巨視的な滑り状態となり、固着域が消失したためである。また、速度ベクトル度数が幅をもって分布している理由を以下で検討する。 FIG. 15 shows the velocity vector of the tracking marker point by PIV analysis, and the result is shown as a histogram indicating the velocity on the horizontal axis and the appearance frequency of the velocity vector on the vertical axis. As described above, the glass plate driving speed in this experiment is not constant. Since the speed vector in the fixing area has the same value as the glass plate driving speed, the appearance frequency should be maximized at that speed. In fact, the peak speed of the speed histogram at each measured φ value is equal to the glass plate driving speed (arrow) shown in FIGS. 4 and 5 with an error within ± 0.5 μm / s, and shifts to the right as the φ value increases. However, the frequency also decreases. The disappearance of the peak at φ = 0.58 is due to the macroscopic slipping and the disappearance of the fixed area. The reason why the velocity vector frequency is distributed with a width will be discussed below.
固着域の判別について説明する。図１５におけるピーク点をもつ駆動速度近傍の分布は、追跡点が固着状態のまま変化しない状態にあり、追跡点の移動距離そのものより速度が算出された結果である。本例ではφ値を低速度側にある時のガラス板駆動速度点で定義しているので、測定されるベクトル速度は、ガラス板速度Vより最大1μm/s程度増加する。さらに、これに計測上のばらつきが加算されたと考えられる。 The determination of the sticking area will be described. The distribution in the vicinity of the driving speed having the peak point in FIG. 15 is a result of the speed being calculated from the movement distance itself of the tracking point, in which the tracking point remains in a fixed state and does not change. In this example, since the φ value is defined by the glass plate driving speed point when it is on the low speed side, the measured vector speed increases by about 1 μm / s at maximum from the glass plate speed V. Furthermore, it is considered that measurement variations were added to this.
ピーク点より低速度側の分布では、追跡点である真実接触点はある確率で滑りを生じている。追跡点が固着状態から滑り状態に変化した場合に、滑りの発生により移動距離は減少する。この追跡点のベクトル速度はこの減少した移動距離に基づき算出されるが、φ値を定義した出発点では固着状態にあった。したがって、測定した速度ベクトルが固着域にあると判断する下限のベクトル速度には、上述のことが確率的に反映された微小滑り速度Vrが適当とした。 In the distribution on the lower speed side than the peak point, the true contact point as the tracking point slips with a certain probability. When the tracking point changes from the fixed state to the sliding state, the moving distance decreases due to the occurrence of the sliding. The vector speed of this tracking point is calculated based on this reduced moving distance, but it was in a fixed state at the starting point where the φ value was defined. Therefore, the minute slip velocity Vr in which the above is stochastically reflected is appropriate as the lower limit vector velocity at which the measured velocity vector is determined to be in the fixing range.
図１６はPIV処理の結果得られた速度ベクトルの濃淡表示によるマッピング図である。表示バーは、わかりやすさを優先して全体を４階調の濃淡として濃い方が高速、淡い方が低速の表示になっている。凡例にある通り、図中の最も濃い階調の分布が、そのφ値における微小滑り速度Vr（上述したようにガラス板駆動速度Vより若干低速度側にあり、固着域のしきい値に相当）以上の領域、すなわち固着域である。それ以外の領域は、滑り域と推測できる。このように、固着域と滑り域が混在した環状滑り[3]状態を本装置により再現・可視化できた。 FIG. 16 is a mapping diagram of the speed vector obtained as a result of the PIV process by gray scale display. The display bar gives priority to ease of understanding, and the entire display is shaded with four gradations, and the darker one is faster and the lighter one is slower. As shown in the legend, the distribution of the darkest gradation in the figure is the minute slip speed Vr at the φ value (slightly lower than the glass plate driving speed V as described above, which corresponds to the threshold value of the fixing area) ) The above region, that is, the fixing region. The other area can be estimated as a slip area. In this way, the device was able to reproduce and visualize the annular slip [3] state in which the fixed area and the sliding area were mixed.
「固着域」に関する統計的解析について説明する。 A statistical analysis related to “fixed area” will be described.
PIVを用いれば局所的な固着域をマッピングできた。したがって固着域の占める割合の概略的推移の検討も可能であるが、ここでは、より簡便なその固着域占有率の統計的算出方法について検討する。 Using PIV, it was possible to map the local fixation area. Therefore, it is possible to examine a rough transition of the ratio of the fixed area, but here, a simpler statistical calculation method of the fixed area occupation ratio will be examined.
輝度差分ヒストグラムについて説明する。接線力係数φ=0を基準として、任意のφ値との間でヒストグラム差分を求めれば、滑り出し過程における真実接触部の輝度情報変化を統計的に明らかにできると考えた。この輝度差分ヒストグラム算出の説明を、明らかに巨視的滑り状態にあるφ=0.62の場合を例にとり図１７に示す。度数（画素数）差ゼロの水平軸を横切るゼロクロス点（輝度49）によって、輝度42を中心と正規分布に近い正領域と、輝度49より高輝度側で緩やかに一定値に漸近する負領域に明確に区分された。この差分ヒストグラムの正領域は接線力増加に伴って失われた固着域の画素数を、負領域の絶対値は増加した滑り域の画素数をそれぞれ意味している。
The luminance difference histogram will be described. It was considered that the luminance information change of the true contact portion in the sliding process can be statistically clarified by obtaining the histogram difference from the arbitrary φ value on the basis of the tangential force coefficient φ = 0. This luminance difference histogram calculation is illustrated in FIG. 17 by taking the case of φ = 0.62 clearly in a macroscopic slip state as an example. A zero crossing point (luminance 49) across the horizontal axis with zero frequency (number of pixels) difference results in a positive area close to the normal distribution centered on the
図１８に滑り出し過程の代表的な接線力係数における差分ヒストグラムを示す。巨視的滑り開始以後と思われるφ=0.55〜0.62では、正領域の分布には中心値を輝度42とした正規分布性がある。一方、巨視的すべり開始以前のφ=0.3〜0.5では、輝度42中心とした正規分布性は弱く、ゼロクロス点の輝度も49より左に移動している。このように、滑り出し過程の進行と共に、差分ヒストグラムの正領域の大きさは増加し、平均値点も移動する。その正規分布性は、接触する2面が静摩擦状態なのか、動摩擦状態なのかという、接触の状態変化との相関が考えられる。
FIG. 18 shows a difference histogram in a typical tangential force coefficient in the sliding process. At φ = 0.55 to 0.62 that seems to be after the start of macroscopic sliding, the distribution in the positive region has a normal distribution with a center value of
そこで、正領域分布の統計的な特徴を示す(1)平均値、(2)標準偏差σ、(3)ゆがみ度s、(4)とがり度kの各特性値を求め、その結果を図１９に示す。正規分布に近い分布であれば、(1)平均値はその対称性から分布の中央値、(3)ゆがみ度はゼロ、(4)とがり度は３の値が期待できる。(3)ゆがみ度については、ここで検討する分布の算出方法に由来する負領域が存在するので、ややプラス側になると考えられる。さて、(1),(2),(3)の傾向はほぼ同一で、φ=0.55で極小を示す。(2)標準偏差を例にとれば、正規分布性と巨視的滑り開始の関連を充分に指摘できる。(4)とがり度はφ=0.55ではなく、φ=0.58〜0.61で３よりわずかに小さく極小となっているが、上述の分布算出方法のためである。 Accordingly, characteristic values of (1) average value, (2) standard deviation σ, (3) distortion degree s, (4) degree of skewness k indicating statistical characteristics of the positive region distribution are obtained, and the results are shown in FIG. Shown in If the distribution is close to the normal distribution, (1) the average value can be expected to be the median value of the distribution, (3) the degree of distortion is zero, and (4) the degree of skewness is 3. (3) Regarding the degree of distortion, since there is a negative region derived from the distribution calculation method considered here, it is considered to be slightly positive. Now, the tendency of (1), (2), (3) is almost the same, and shows a minimum at φ = 0.55. (2) Taking the standard deviation as an example, the relationship between normal distribution and the start of macroscopic slip can be fully pointed out. (4) The degree of sharpness is not φ = 0.55 but φ = 0.58 to 0.61, which is slightly smaller than 3 and minimal, but this is because of the distribution calculation method described above.
固着域占有率について説明する。滑り出し過程の静止状態から動摩擦状態に至る間に、真実接触部における「固着域」の占める割合は１から0になる。その中間において「固着域」と「滑り域」が混在する微小滑り発生域となる。平滑面のヘルツ接触における理論的関係[3]を図２０に示す。ここで、P：垂直荷重、T：接線力、p：ヘルツ接触圧力分布、K：試験片の材質等で決まる定数である。 The fixed area occupation ratio will be described. The ratio of the “adhesion zone” in the true contact portion becomes 1 to 0 during the sliding process from the stationary state to the dynamic friction state. In the middle, it becomes a micro-slip generation area in which “fixed area” and “sliding area” are mixed. FIG. 20 shows a theoretical relationship [3] in Hertz contact on a smooth surface. Here, P: vertical load, T: tangential force, p: hertz contact pressure distribution, K: constant determined by the material of the test piece.
このような真実接触部の接触状態の変化を図２１に示す解析結果より検討する。横軸には接線力係数φと静摩擦係数μとの比φ/μをとり、縦軸は以下に定義する固着域占有率である。 The change in the contact state of the true contact portion will be examined from the analysis result shown in FIG. The horizontal axis represents the ratio φ / μ between the tangential force coefficient φ and the static friction coefficient μ, and the vertical axis represents the occupancy ratio defined below.
「固着域占有率」算出の一つ目は、差分ヒストグラムを用いて次の式（3）で算出した「固着域占有率1」によるものである。
The first calculation of “fixed area occupancy” is based on “fixed
差分ヒストグラムの正領域の画素数は、その接線力係数φ時でφ=0時と比較し失った固着域画素数である。静摩擦係数μ時で最終的に失う固着域画素数との比をとれば、そのφ時点で失う固着域画素数の消失率が求まる。この消失率を１から差し引けば、固着域の残存率となる。これをμ=0.55で巨視的滑りが開始したと考え、図中に「Ratio 1」という名称でプロットした。この場合、μ=0.55で全真実接触部は滑り域にあるので、この時の差分ヒストグラムの正領域画素数は領域I（真実接触部に相当）画素数に等しいはずである。しかし、実際のそれらの比（μ=0.55時の正領域画素数/μ=0.55時の領域I画素数）は21200/31700＝0.669であり、１ではない。一方、μ=0.62とした場合、この比は30100/30000＝1.00となり１に等しい。そこで、算出の二つ目として、次の式(4)で算出した「固着域占有率2」を求めた。
The number of pixels in the positive area of the difference histogram is the number of pixels in the fixed area that is lost when the tangential force coefficient is φ and when φ = 0. If the ratio of the number of pixels in the fixed area that is finally lost at the static friction coefficient μ is taken, the disappearance rate of the number of pixels in the fixed area that is lost at the time φ can be obtained. If this disappearance rate is subtracted from 1, the remaining rate of the fixed area is obtained. This was considered to have started macroscopic slip at μ = 0.55, and was plotted as “
しかし、占有率1と占有率2を比較しても、おおむね占有率2のφ/μ＝0.58/0.62＝0.94以上を除けば、両者の変化は重なり、滑り出し過程の特徴の概略が簡易に差分ヒストグラムのみで算出可能な占有率1で表現できることが分かった。
However, even if
「固着域占有率」の算出の三つ目は、PIV解析によって、次の式(5)で算出した「固着域占有率PIV」（μ=0.55）である。 The third calculation of “fixed area occupancy” is “fixed area occupancy PIV” (μ = 0.55) calculated by the following equation (5) by PIV analysis.
これは、図１５に示した計測速度ベクトルのヒストグラムにおいて、各φ値における速度Vrをしきい値として、それよりも高速度側のベクトル数の総和を固着域と考えたものである。φ/μ=1付近での若干のベクトル数総和の残存を除けば、データで示した範囲内で、「固着域占有率1」、「固着域占有率2」、「固着域占有率PIV」の各固着域占有率は、おおよそ一致している。
In the histogram of measured velocity vectors shown in FIG. 15, the velocity Vr at each φ value is used as a threshold value, and the total number of vectors on the higher velocity side is considered as a fixed region. Except for some remaining vector number summation around φ / μ = 1, within the range shown in the data, “Fixed
さらに、同図には平滑ゴム面を対象とした加藤らの相関法の実験結果[2]、およびMindlinの理論値[3]も示した。本実験結果は、低φ/μ値で加藤らのPIVの結果より、全域でMindlinの理論値より大きい値を示している。この違いが生じた原因を以下に検討する。 Furthermore, the figure also shows the results of Kato et al.'S correlation method for smooth rubber surfaces [2] and Mindlin's theoretical value [3]. This experimental result shows a value larger than the theoretical value of Mindlin in the whole area from the result of PIV of Kato et al. At a low φ / μ value. The cause of this difference is discussed below.
固着域占有率と微小滑り変位について説明する。図２２は固着域占有率を、滑り出し過程を正規化した変位X/Xslip（Xslip：μにおける変位）に対してプロットしたものである。Mindlinの理論値[3]は-1の傾きを持つ直線で表される。上述した「固着域占有率１」の結果を無修正の変位Xを用いて示したのが「Ratio1」としたプロットである。一方、同じ「固着域占有率１」に対して、図５で示した弾性変形線分を差し引いた微小滑り変位Xrを用いてプロットしたのが「Modified-Ratio1」である。低φ/μ（低正規化変位）側の値が修正され、ほぼMindlinの理論値に一致して直線的に減少する。同様に、「固着域占有率２」と「固着域占有率PIV」に対しても、無修正の変位Xを用いてプロットしたのが「Ratio2」と「PIV」である。これらに対し上記と同様な修正を加えてプロットしたのが、「Modified-Ratio2」と「Modified-PIV」である。これらの場合もMindlinの理論値にほぼ一致して直線的に減少するように修正された。ただし、「Ratio2」、「Modified-Ratio2」とも、正規化変位を求めるに当たり、Xslipの値はφ (=μ)＝0.60となる点より求めた。これは巨視的滑りが発生している領域では、わずかなφの違いでもXslipの値は大幅に変化するので、X/Xslip値の結果に大きな影響を及ぼす。今回、φ＝0.60におけるXslip値が最適であった。
The sticking area occupancy and the minute slip displacement will be described. FIG. 22 is a plot of the sticking area occupancy with respect to the displacement X / Xslip (Xslip: displacement in μ) obtained by normalizing the sliding process. Mindlin's theoretical value [3] is represented by a straight line with a slope of -1. The plot of “
滑り出し過程の挙動は接触界面での微小滑り変位Xrが重要であることを示している。同様に、先の「固着域占有率PIV」でも固着域の抽出に、速度のしきい値として微小滑り速度Vr[7]を使用すべきことを示唆している。図２１で示した本実験結果がMindlinの理論値を上回った要因として、本例で用いた試験片が弾性率の異なる平面-球面接触であることに加え、球面がゴム粗面であることも影響を及ぼしていると考えられる。加藤らも実験結果のMindlin解からの偏り[4]もゴム試験片使用によるものと考察している。差分ヒストグラムによる「固着域占有率」の算出は、接触面の輝度情報の変化のみに依存し簡便で、また個々の真実接触点の移動を統計的に算出するので測定時のノイズに対するロバステ性が高い利点がある。 The behavior of the sliding process shows that the small sliding displacement Xr at the contact interface is important. Similarly, the previous “fixed area occupancy PIV” suggests that the microslip velocity Vr [7] should be used as the speed threshold for extracting the fixed area. As a factor that the result of this experiment shown in FIG. 21 exceeded Mindlin's theoretical value, the test piece used in this example was a plane-spherical contact with a different elastic modulus, and the spherical surface was a rough rubber surface. It is thought to have an influence. Kato et al. Also consider that the bias [4] from the Mindlin solution of the experimental results is due to the use of rubber specimens. The calculation of “adhesion area occupancy” using the difference histogram is simple and depends only on the change in the luminance information on the contact surface, and the movement of each true contact point is statistically calculated. There are high advantages.
以上まとめると、無潤滑下の粗面ゴム半球−ガラス面間の接触部を白色干渉法によって可視化し、その干渉画像輝度情報を用いて滑り出し過程にある真実接触部の接触状態の解析を行い、以下の結果を得た。
(1)干渉画像輝度ヒストグラムの最も低輝度側の分布領域に対し正規分布をフィッティングさせ、抽出した領域を真実接触部と考えた。この真実接触部は接線力負荷の増大と共に減少し、巨視的滑りの発生によりほぼ一定となった。
(2)輝度ヒストグラムや抽出した正規分布の形状を示す特性値は、「静止状態」から「微小滑り発生状態」および「巨視的滑り発生状態」への接触状態の推移と対応関係にあった。
(3)接線力を真実接触面積で除した実せん断応力は、ガラス板変位の増大と共に微小滑り発生状態では直線的に増大し、巨視的滑り発生状態では、ほぼ一定となった。
(4)φ=0を基準とした輝度差分ヒストグラムを用いれば、接線力負荷（微小滑りの発生）の増大と共に減少する真実接触部内の固着域占有率の統計的算出が可能となった。
(5)真実接触点を追跡マーカとしたPIV解析を行い、速度ベクトルに基づく真実接触部内の「固着域・滑り域」分布の可視化に成功した。この結果より求めた固着域占有率は、差分ヒストグラムを用いた結果とほぼ一致した。
(6)差分ヒストグラムより求めた固着域占有率は、「接触界面における相対変位（微小滑り）」の増大と共に直線的に1から0に減少し、Mindlinの理論解と一致する傾向を示した。
Summarizing the above, the contact part between the rough rubber half sphere and the glass surface under non-lubrication is visualized by the white interference method, and the contact state of the true contact part in the sliding process is analyzed using the interference image luminance information. The following results were obtained.
(1) A normal distribution was fitted to the distribution region on the lowest luminance side of the interference image luminance histogram, and the extracted region was considered as a true contact portion. This true contact portion decreased with increasing tangential force load and became almost constant due to the occurrence of macroscopic slip.
(2) The luminance histogram and the characteristic value indicating the shape of the extracted normal distribution corresponded to the transition of the contact state from the “still state” to the “small slip occurrence state” and the “macroscopic slip occurrence state”.
(3) The actual shear stress obtained by dividing the tangential force by the true contact area increased linearly in the microslip occurrence state with increasing glass plate displacement, and was almost constant in the macroslip occurrence state.
(4) Using the luminance difference histogram based on φ = 0, it is possible to statistically calculate the occupancy ratio in the real contact area that decreases as the tangential force load (occurrence of microslip) increases.
(5) PIV analysis was performed using the true contact point as a tracking marker, and the distribution of “sticking area / sliding area” in the true contact area based on the velocity vector was successfully visualized. The sticking area occupation rate obtained from this result almost coincided with the result using the difference histogram.
(6) The occupancy rate obtained from the difference histogram decreased linearly from 1 to 0 with the increase of “relative displacement at the contact interface (small slip)” and showed a tendency to agree with Mindlin's theoretical solution.
なお、本発明は上述の発明を実施するための最良の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。 The present invention is not limited to the best mode for carrying out the above-described invention, and various other configurations can be adopted without departing from the gist of the present invention.
参考文献
[1] 芝宮孝・江口正夫・山本隆司：光干渉輝度値を用いた真実接触面積測定，日本トライボロジー学会トライボロジー会議予稿集，(東京 2008-5）11．
[2] 劉軍・大場光太郎・加藤康司・猪岡光：相関法による接触面内局所すべりの可視化，可視化情報，15,57(1995)133-139.
[3] Mindlin, R. D: Compliance of Elastic Bodies in Contact, J. Applied Mechanics,16,(1949)259.
[4] 加藤康司：ゴムの摩擦駆動におけるマイクロスリップ，トライボロジスト，42,5(1997)369-374.
[5] 南茂夫編：科学計測のための波形データ処理，CQ出版社(1986)181．
[6] 日本トライボロジー学会編：摩擦摩耗試験とその活用，養賢堂(2007)120．
[7] 日本トライボロジー学会編：トライボロジーハンドブック，養賢堂（2001）15．
References
[1] Takashi Shibamiya, Masao Eguchi, Takashi Yamamoto: Real contact area measurement using optical interference luminance values, Tribology Conference Proceedings of the Japan Tribology Society, (Tokyo 2008-5).
[2] Liu Army, Kotaro Oba, Koji Kato, Hikaru Kajioka: Visualization of local slip in contact surface by correlation method, visualization information, 15, 57 (1995) 133-139.
[3] Mindlin, R. D: Compliance of Elastic Bodies in Contact, J. Applied Mechanics, 16, (1949) 259.
[4] Koji Kato: Micro-slip, tribologist in rubber friction drive, 42, 5 (1997) 369-374.
[5] Shigeo Minami: Waveform data processing for scientific measurement, CQ Publishing Co. (1986) 181.
[6] Tribology Society of Japan: Friction and wear test and its utilization, Yokendo (2007) 120.
[7] Japan Tribology Society: Tribology Handbook, Yokendo (2001) 15.
２１‥‥垂直荷重、２２‥‥接線力、２３‥‥真実接触部、２４‥‥非接触部、２５‥‥固着部、２６‥‥滑り部、２７‥‥カメラ、２８‥‥実体顕微鏡、２９‥‥Ｘ軸ステージ、３０‥‥薄ゴム試験片、３１‥‥ガラス板、３２‥‥おもり、３３‥‥ひずみゲージ、３４‥‥アンプ、３５‥‥ファンクションジェネレータ、３６‥‥アクチュエータドライバ、３７‥‥変位拡大機構、３８‥‥圧電アクチュエータ、３９‥‥コンピュータ、４２‥‥可動台、４３‥‥固定台、４４‥‥ばね節点、４５‥‥観察用孔、４６‥‥上部フレーム、４７‥‥鋼製半球、４８‥‥ゴム薄板、４９‥‥基板 21 ... Vertical load, 22 ... Tangent force, 23 ... Truth contact part, 24 ... Non-contact part, 25 ... Adhering part, 26 ... Sliding part, 27 ... Camera, 28 ... Stereo microscope, 29 X axis stage, 30 Thin rubber test piece, 31 Glass plate, 32 Weight, 33 Strain gauge, 34 Amplifier, 35 Function generator, 36 Actuator driver, 37 Displacement magnifying mechanism, 38 Piezoelectric actuator, 39 Computer, 42 Movable base, 43 Fixed base, 44 Spring point, 45 Observation hole, 46 Upper frame, 47 Steel hemisphere, 48 ... Rubber thin plate, 49 ... Substrate
Claims (12)
前記試料と前記光透過性基板を相対的に移動させる駆動手段と、
前記試料とは反対側から、前記光透過性基板に白色光を照射する照射手段と、
前記試料からの反射光と前記光透過性基板からの反射光とから生じる干渉画像を取得する干渉画像取得手段と、
前記干渉画像の輝度値情報から輝度値ヒストグラムを作成する輝度値ヒストグラム作成手段と、
前記輝度値ヒストグラムから輝度値差分ヒストグラムを算出する画像解析演算手段を有する
接触面積測定装置。 A light transmissive substrate in contact with the sample;
Driving means for relatively moving the sample and the light-transmitting substrate;
Irradiation means for irradiating the light transmissive substrate with white light from the side opposite to the sample;
Interference image acquisition means for acquiring an interference image generated from the reflected light from the sample and the reflected light from the light-transmitting substrate;
A brightness value histogram creating means for creating a brightness value histogram from the brightness value information of the interference image;
A contact area measurement device comprising image analysis calculation means for calculating a luminance value difference histogram from the luminance value histogram.
請求項１記載の接触面積測定装置。 The contact area measuring device according to claim 1, wherein the brightness value histogram creating means separates the brightness value information of the interference image into RGB brightness value information and creates a G brightness value histogram.
請求項１記載の接触面積測定装置。 The contact area measurement device according to claim 1, wherein the image analysis calculation means calculates a luminance value difference histogram from the luminance value histogram, and determines a region having a positive value in the luminance value difference histogram.
前記試料と前記光透過性基板を相対的に移動させる駆動手段と、
前記試料とは反対側から、前記光透過性基板に白色光を照射する照射手段と、
前記試料からの反射光と前記光透過性基板からの反射光とから生じる干渉画像を取得する干渉画像取得手段と、
前記干渉画像の輝度値情報を追跡マーカとする画像解析演算手段を有する
接触面積測定装置。 A light transmissive substrate in contact with the sample;
Driving means for relatively moving the sample and the light-transmitting substrate;
Irradiation means for irradiating the light transmissive substrate with white light from the side opposite to the sample;
Interference image acquisition means for acquiring an interference image generated from the reflected light from the sample and the reflected light from the light-transmitting substrate;
A contact area measuring device having image analysis calculation means using the luminance value information of the interference image as a tracking marker.
請求項４記載の接触面積測定装置。 The contact area measurement apparatus according to claim 4, wherein the interference image acquisition unit acquires the interference image and luminance value information of the interference image.
請求項４記載の接触面積測定装置。 The contact area measurement apparatus according to claim 4, wherein the image analysis calculation means calculates a velocity vector using the luminance value information of the interference image as a tracking marker.
前記試料と前記光透過性基板を相対的に移動させ、
前記試料とは反対側から、前記光透過性基板に白色光を照射し、
前記試料からの反射光と前記光透過性基板からの反射光とから生じる干渉画像を取得し、
前記干渉画像の輝度値情報から輝度値ヒストグラムを作成し、
前記輝度値ヒストグラムから輝度値差分ヒストグラムを算出する
接触面積測定方法。 Contact the sample with a light-transmitting substrate,
Relatively moving the sample and the light transmissive substrate;
Irradiate the light transmissive substrate with white light from the opposite side of the sample,
Obtaining an interference image generated from the reflected light from the sample and the reflected light from the light-transmitting substrate;
Create a brightness value histogram from the brightness value information of the interference image,
A contact area measurement method for calculating a luminance value difference histogram from the luminance value histogram.
請求項７記載の接触面積測定方法。 The contact area measurement method according to claim 7, wherein the brightness value histogram creation creates a G brightness value histogram by separating brightness value information of an interference image into RGB brightness value information.
請求項７記載の接触面積測定方法。 The contact area measurement method according to claim 7, wherein a brightness value difference histogram is calculated from the brightness value histogram, and a region having a positive value is determined in the brightness value difference histogram.
前記試料と前記光透過性基板を相対的に移動させ、
前記試料とは反対側から、前記光透過性基板に白色光を照射し、
前記試料からの反射光と前記光透過性基板からの反射光とから生じる干渉画像を取得し、
前記干渉画像の輝度値情報を追跡マーカとする
接触面積測定方法。 Contact the sample with a light-transmitting substrate,
Relatively moving the sample and the light transmissive substrate;
Irradiate the light transmissive substrate with white light from the opposite side of the sample,
Obtaining an interference image generated from the reflected light from the sample and the reflected light from the light-transmitting substrate;
A contact area measurement method using luminance value information of the interference image as a tracking marker.
請求項１０記載の接触面積測定方法。 The contact area measurement method according to claim 10, wherein the interference image is acquired by acquiring an interference image and luminance value information of the interference image.
請求項１０記載の接触面積測定方法。 The contact area measurement method according to claim 10, wherein the velocity vector is calculated using luminance value information of the interference image as a tracking marker.
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Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102435516A (en) * | 2011-09-14 | 2012-05-02 | 西南交通大学 | Apparatus for real time observation and recording of fretting wear |
| JP2013061927A (en) * | 2011-09-12 | 2013-04-04 | Disney Enterprises Inc | Techniques for processing image data generated from three-dimensional graphic models |
| CN108519325A (en) * | 2018-05-07 | 2018-09-11 | 河北工业大学 | It is a kind of research hand contacted with object between friction coefficient and contact area relationship method and apparatus |
| JP2018194738A (en) * | 2017-05-19 | 2018-12-06 | キヤノン株式会社 | Position measurement device, lithography device, and article production method |
| JP2019100812A (en) * | 2017-11-30 | 2019-06-24 | Ｔｏｙｏ Ｔｉｒｅ株式会社 | Rubber material contact state analysis method |
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|---|---|---|---|---|
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11351984A (en) * | 1998-05-19 | 1999-12-24 | Borg Warner Automot Inc | Improved friction meter |
| JP2000254884A (en) * | 1999-03-10 | 2000-09-19 | Keiogijuku | Method for controlling grasp of object by hand or manipulator |
| JP2005257343A (en) * | 2004-03-09 | 2005-09-22 | Nagoya Industrial Science Research Inst | Optical tactile sensor, and sensing method and system, object operation force control method and device, object gripping force control device, and robot hand using optical tactile sensor |
| WO2006030570A1 (en) * | 2004-09-14 | 2006-03-23 | National University Corporation Nara Institute Ofscience And Technology | Tactile sensor and use of the same |
-
2008
- 2008-08-01 JP JP2008199469A patent/JP5003974B2/en active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11351984A (en) * | 1998-05-19 | 1999-12-24 | Borg Warner Automot Inc | Improved friction meter |
| JP2000254884A (en) * | 1999-03-10 | 2000-09-19 | Keiogijuku | Method for controlling grasp of object by hand or manipulator |
| JP2005257343A (en) * | 2004-03-09 | 2005-09-22 | Nagoya Industrial Science Research Inst | Optical tactile sensor, and sensing method and system, object operation force control method and device, object gripping force control device, and robot hand using optical tactile sensor |
| WO2006030570A1 (en) * | 2004-09-14 | 2006-03-23 | National University Corporation Nara Institute Ofscience And Technology | Tactile sensor and use of the same |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013061927A (en) * | 2011-09-12 | 2013-04-04 | Disney Enterprises Inc | Techniques for processing image data generated from three-dimensional graphic models |
| CN102435516A (en) * | 2011-09-14 | 2012-05-02 | 西南交通大学 | Apparatus for real time observation and recording of fretting wear |
| JP2018194738A (en) * | 2017-05-19 | 2018-12-06 | キヤノン株式会社 | Position measurement device, lithography device, and article production method |
| JP2019100812A (en) * | 2017-11-30 | 2019-06-24 | Ｔｏｙｏ Ｔｉｒｅ株式会社 | Rubber material contact state analysis method |
| JP2019100813A (en) * | 2017-11-30 | 2019-06-24 | Ｔｏｙｏ Ｔｉｒｅ株式会社 | Rubber material contact state analysis method |
| CN108519325A (en) * | 2018-05-07 | 2018-09-11 | 河北工业大学 | It is a kind of research hand contacted with object between friction coefficient and contact area relationship method and apparatus |
| CN108519325B (en) * | 2018-05-07 | 2023-08-04 | 河北工业大学 | Method and device for researching relationship between friction coefficient and contact area between hand and object |
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