JP2015072190A - せん断特性測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】せん断特性を精度良く測定できるせん断特性測定装置を提供する。
【解決手段】本発明のせん断特性測定装置は、主支持部材１に支持され所定の加振方向に振動するアクチュエータ２と、少なくとも加振方向の力を検出する荷重センサ３と、荷重センサ３とともにアクチュエータ２により加振される振動体４と、振動体４の加振方向の加速度、変位、又は速度を測定するセンサ５と、第一従支持部材６０に支持され、加振方向に対して垂直な方向である加振垂直方向とすると、振動体４の加振垂直方向における一端との間に第一被測定物Ｓ１を挟持可能な第一押し付け部６１と、第二従支持部材７０に支持され、振動体４の加振垂直方向における他端との間に第二被測定物Ｓ２を挟持可能な第二押し付け部７１と、第一押し付け部７１及び第二押し付け部７２の少なくとも一方に作用する加振垂直方向の力を測定する荷重計８と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、せん断特性を測定するせん断特性測定装置に関する。

従来、ブレーキ鳴きを抑制するシムの特性評価として、シムの厚み方向（当接面に垂直な方向）の剛性（弾性やバネ特性）及び減衰特性（振動減衰率や損失係数）の測定が行われている。この技術については、例えば特開２００５−１３４１７５号公報及び特開昭６３−２５０５４８号公報に記載されている。

特開２００５−１３４１７５号公報

しかしながら、シムの厚み方向の剛性や減衰特性とブレーキ鳴きとの相関が見られないケースがあり、従来の装置では、ブレーキ鳴きの要因の究明や、ブレーキ鳴きについてのさらなる研究が困難であった。そこで、従来の装置では測定できなかったせん断方向（当接面に平行な方向）の特性を精度良く測定することが、ブレーキ鳴きの研究における新たな課題として考えられる。

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、せん断特性を精度良く測定できるせん断特性測定装置を提供することを目的とする。

本発明の様相１に係るせん断特性測定装置は、主支持部材に支持され所定の加振方向に振動する加振部と、少なくとも前記加振方向の力を検出する荷重センサと、前記荷重センサとともに前記加振部により加振される振動体と、前記振動体の前記加振方向の加速度、変位、又は速度を測定するセンサと、第一従支持部材に支持され、前記加振方向に対して垂直な方向である加振垂直方向とすると、前記振動体の前記加振垂直方向における一端との間に第一被測定物を挟持可能な第一押し付け部と、第二従支持部材に支持され、前記振動体の前記加振垂直方向における他端との間に第二被測定物を挟持可能な第二押し付け部と、前記第一押し付け部及び前記第二押し付け部の少なくとも一方に作用する前記加振垂直方向の力を測定する荷重計と、を備える。

本発明の上記様相１によれば、荷重センサは、振動体４の両側で挟持された両被測定物と振動体４とのせん断方向の力を測定することができる。そして、センサの測定結果から、振動体の加速度、変位、又は速度の情報を得ることができる。振動体は、第一被測定物と第二被測定物に挟まれているため、振動方向が加振方向に規制され、レール等のスライド機構を設ける必要がない。つまり、上記様相１によれば、スライド機構による摺動抵抗の影響を排除でき、純粋にせん断方向の影響・特性を測定することができる。このように、本発明によれば、せん断特性を精度良く測定することができる。

本発明の様相２に係るせん断特性測定装置は、上記様相１において、前記第一従支持部材及び前記第二従支持部材の一方と前記主支持部材とを摺動可能に支持するスライド部材と、前記第一従支持部材及び前記第二従支持部材の一方を前記第一従支持部材及び前記第二従支持部材の他方に向けて付勢する付勢部と、をさらに備える。

本発明の上記様相２によれば、付勢部が一方の従支持部材を付勢し、両被測定物を挟持するように摺動させるだけで足りるため、作業が容易となる。付勢力の調整が容易となり、付勢力の測定精度も向上する。各押し付け部による挟持は、所定の付勢力により行われる。

本発明の様相３に係るせん断特性測定装置は、上記様相１又は２において、前記荷重センサは、前記加振部と面内均一の力で接触する接触面を有し、前記振動体の重心は、前記接触面の重心を通る前記加振方向に平行な直線上に位置している。

本発明の上記様相３によれば、振動体が重心及び接触面の重心を通る加振方向に平行な直線上を振動することになり、加振体の振動により生じる摩擦力以外の慣性力（Ｆ＝ｍａ）の影響を小さくすることができる。つまり、ノイズ成分を低減させることができ、精度を向上させることができる。

本実施形態のせん断特性測定装置の構成を示す正面図である。 本実施形態のせん断特性測定装置の構成を示す平面図である。 本実施形態のせん断特性測定装置の構成を示す斜視図である。 本実施形態のアクチュエータ、荷重センサ、及び振動体を説明するための模式図である。 本実施形態の荷重センサの接触面を説明するための模式図である。 本実施形態の被測定物の挟持状態を説明するための模式図である。

次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。各図は概念図であり、必ずしも細部構造の寸法まで規定するものではない。以下、図１をせん断特性測定装置の正面図として説明する。なお、図２及び図３では、制御部Ｚを省略したせん断特性測定装置を表している。説明における「上と下」、「左と右」、及び「前と後」は、「一方と他方」に換言することができる。

本実施形態のせん断特性測定装置は、図１〜図３に示すように、主支持部材１と、アクチュエータ（「加振部」に相当する）２と、荷重センサ３と、振動体４と、加速度センサ（「センサ」に相当する）５と、第一従支持部材６０と、第一押し付け部６１と、第二従支持部材７０と、第二押し付け部７１と、荷重センサ（「荷重計」に相当する）８と、スライド部材９と、付勢部Ｙと、制御部Ｚと、を備えている。

主支持部材１は、略凸形状の金属部材であって、スライド部材９に左右方向に摺動可能に支持されている。アクチュエータ２は、上下方向に振動する加振装置であって、下端部が主支持部材１の上面で支持されている。本実施形態では、アクチュエータ２の加振方向は、上下方向である。

アクチュエータ２は、具体的に、図４に示すように、ピエゾ素子を有する圧電アクチュエータ部２１と、圧電アクチュエータ部２１の一端（上端）に接着固定されたセンサ固定部２２と、を備えている。圧電アクチュエータ部２１は、四角柱形状に形成されている。圧電アクチュエータ部２１は、制御部Ｚ（そのうちのドライバ）からの電気信号により振動し、センサ固定部２２及び荷重センサ３を介して振動体４を加振する。圧電アクチュエータ部２１を駆動するドライバへの電気信号（振幅及び周波数）は、制御部Ｚ（そのうちのファンクションジェネレータ）が制御している。圧電アクチュエータ部２１は、任意の振幅及び周波数で微小振動を発生させる。

センサ固定部２２は、台座部２２１と、ボルト２２２と、を備えている。台座部２２１は、中央に貫通孔２２１ａを有する直方体形状の部材である。貫通孔２２１ａにはボルト２２２が挿通され、台座部２２１とボルト２２２が径方向に係合している。台座部２２１の下端面は、圧電アクチュエータ部２１の上端面に接着固定されている。ボルト２２２は、下側が頭部で上側が軸部となるように、台座部２２１の貫通孔２２１ａに係合されている。貫通孔２２１ａの形状は、ボルト２２２の頭部が収まる部分が軸部が収まる部分に比べて拡径した段差形状となっている。ボルト２２２の頭部と圧電アクチュエータ部２１の上端面との間には、荷重センサ３が力を受ける際に、接触面積が変化しないように、隙間Ｃが形成されている。荷重センサ３及び台座部２２１は、ボルト２２２に対して摺動可能となっている。

荷重センサ３は、荷重を検出するセンサであって、中央に貫通孔３ａを有するリング形状のセンサである。本実施形態の荷重センサ３は、加振方向（上下方向）の荷重のみを検出する１軸力センサである。本実施形態の荷重センサ３は、水晶圧電式の荷重センサである。貫通孔３ａにはボルト２２２が挿通され、荷重センサ３とボルト２２２が径方向に係合している。台座部２２１と荷重センサ３は、同軸的に固定されている。荷重センサ３の下端面は、台座部２２１の上端面に接触している。つまり、荷重センサ３は、アクチュエータ２の発生する力が伝達される接触面３ｂを有している。

接触面３ｂは、図５に示すように、リング形状の面である。接触面３ｂは、ボルト２２２が振動体４に固定されることで、面内均一（全面均一）の力（圧力）でアクチュエータ２の発生する力を伝達される。つまり、接触面３ｂの任意の一部位の面圧は、接触面３ｂの任意の他部位の面圧と同一となる。面圧値は測定中に変化するが、接触面３ｂは均一の面圧を受ける。面内均一の力を受ける構成とは、面と面が一様に接触し、当該面に対して同じような力が加わる構成である。

振動体４は、直方体形状の金属部材であって、荷重センサ３の上方に固定されている。具体的に、振動体４の下端部には、ボルト２２２が螺合する雌ねじ４ａが形成されている。雌ねじ４ａは、振動体４の重心Ｘを通り加振方向（上下方向）に平行な直線が中心軸となるように形成されている。荷重センサ３は、ボルト２２２が雌ねじ４ａに螺合することで、台座部２２１と振動体４とで挟まれて固定されている。

ここで、振動体４の重心Ｘは、接触面３ｂの中心（重心）Ｏを通り加振方向（上下方向）に平行な直線（仮想直線）Ａ上に位置している。重心Ｘの位置は、密度や形状等を考慮して演算により算出できる。各部の重心の位置は、配線を除いた各部の本体部分の重心で求める。接触面３ｂの中心Ｏは、リング（円環）の場合、円の中心（重心）である。さらに本実施形態では、振動体４の重心Ｘと、アクチュエータ２の重心Ｘ１と、荷重センサ３の重心Ｘ２とが、加振方向に延びる一直線上に位置している。

加速度センサ５は、振動体４の加速度を測定するセンサである。加速度センサ５は、振動体４の上端面に設置され、振動体４の加振方向（上下方向）の加速度を測定する。つまり、振動体４自身の加速度を直接的に測定することができる。加速度センサ５により測定される加速度に基づいて振動速度や変位なども演算できる。

第一従支持部材６０は、略凸形状の金属部材であって、主支持部材１の右側で基台Ｂに固定されている。第一押し付け部６１は、ブレーキロータを想定した直方体形状の金属部材であって、第一従支持部材６０の左側面上方に固定されている。第一押し付け部６１の左側面は、振動体４の右側面に対向している。加振方向（上下方向）に対して垂直な所定方向（左右方向）を「加振垂直方向」と称すると、この振動体４の右側面は、振動体４のうち加振垂直方向における一方の側面である。図６に示すように、後述する付勢部Ｙの力によって、第一押し付け部材６１と振動体４の間には第一被測定物Ｓ１が挟持される。

第二従支持部材７０は、略凸形状の金属部材であって、スライド部材９に左右方向にスライド可能に支持されている。第二押し付け部７１は、ブレーキロータを想定した直方体形状の金属部材であって、第二従支持部材７０の右側面上方に固定されている。第二押し付け部７１の右側面は、振動体４の左側面（加振垂直方向の他端面）に対向している。後述する付勢部Ｙの力によって、第二押し付け部材７１と振動体４の間には第二被測定物Ｓ２が挟持される。各被測定物Ｓ１、Ｓ２は、シムを想定した複合材であり、ここでは板状の鉄部材にゴム等の弾性部材がコーティングされたものである。

荷重センサ８は、付勢部Ｙにより第二従支持部材７０に加わる力を測定する荷重センサである。荷重センサ８は、ひずみ式荷重センサであり、第二従支持部材７０の左側面に固定されている。付勢部Ｙは、荷重センサ８を介して第二従支持部材７０を付勢する。

スライド部材９は、基台Ｂに固定された左右方向に延びるレールである。スライド部材９は、主支持部材１と第二従支持部材７０とを摺動可能に支持している。付勢部Ｙは、第二従支持部材７０を左側から右側（第一及び第二従支持部材６０、７０を近づける方向）に付勢する手段（装置）である。本実施形態の付勢部Ｙは、ハンドルねじＹ１を回すことで押し棒Ｙ２を右側へ移動させる手動の付勢機構である。付勢部Ｙ（押し棒Ｙ２）は、荷重センサ８に当接して付勢し、第二従支持部材７０をスライド部材９上を摺動させて右側に移動させる。

制御部Ｚは、せん断特性測定装置の制御及び計測機能を発揮する部位であって、各種ドライバ、コンピュータ、及び計測器で構成されている。本実施形態の制御部Ｚは、作業者の操作に応じてアクチュエータ２の駆動を制御する。つまり、本実施形態では、アクチュエータ２の振動周波数及びその振幅を制御部Ｚにより指令する。制御部Ｚは、各種センサ３、５、８からの情報を受信し記録する。そして、制御部Ｚでは、各種センサ３、５、８からの情報に基づいて、摩擦力、摩擦係数、及び振動速度などを演算し記録する。なお、制御部Ｚは、少なくともアクチュエータ２の制御が可能であれば良い。

（作用効果）
本実施形態のせん断特性測定装置によれば、付勢部Ｙにより第二従支持部材７０が付勢され、第二押し付け部７１が第二被測定物Ｓ２を介して振動体４に当接する。振動体４が押されることで主支持部材１はスライド部材９上を右側に摺動する。付勢部Ｙは、第二従支持部材７０とともに主支持部材１も右側に付勢し摺動させる。支持部材１が摺動していくと、振動体４の右側面は、第一被測定物Ｓ１を介して第一押し付け部６１に当接する。第一従支持部材６０は基台Ｂに固定されているため、第一被測定物Ｓ１は第一押し付け部６１と振動体４の間で挟持され、第二被測定物Ｓ２は第二押し付け部７１と振動体４の間で挟持される。

この状態で、制御部Ｚによりアクチュエータ２が駆動され、振動体４が加振方向（上下方向）に振動する。荷重センサ３は、両被測定物Ｓ１、Ｓ２と振動体４との間に生じるせん断方向（上下方向）の摩擦力を測定することができる。せん断方向の力には、振動体４と被測定物Ｓ１、Ｓ２との間に生じる力と、被測定物Ｓ１、Ｓ２と押し付け部６１、７１との間に生じる力とが含まれる。加速度センサ５の測定結果から、変位や振動速度（振動周波数）を演算することもできる。つまり、荷重センサ８で検出された荷重で挟持された被測定物Ｓ１、Ｓ２の、せん断特性とブレーキ鳴きとの相関などを測定することができる。

また、振動体４は、第一被測定物Ｓ１と第二被測定物Ｓ２に挟まれているため、振動方向が加振方向に規制され、レール等のスライド機構を設けることなく、加振方向に精度良く振動する。スライド機構を設けると、スライドガイド（レール）に係合するスライド部材を振動体４に設けなければならず、重量が増加するとともにスライド部材の摺動抵抗の影響を受けることとなる。本実施形態によれば、スライド機構による摺動抵抗の影響を排除でき、純粋にせん断方向の影響・特性を測定することができる。このように、本実施形態によれば、せん断特性を精度良く測定することができる。

また、本実施形態では、一方の従支持部材（第一従支持部材６０）を基台Ｂに固定し、他方の従支持部材（第二従支持部材７０）及び主支持部材１をスライドさせて被測定物Ｓ１、Ｓ２を挟持する。本構成によれば、一方の従支持部材に対して付勢するだけで足りるため、作業が容易となる。付勢力の調整が容易となり、付勢力の測定精度も向上する。また、本実施形態では、荷重計や付勢手段が１組で足りるため、製造コストの削減が可能となる。

また、本実施形態では、振動体４の重心Ｘは直線Ａ上に位置している。これにより、振動体４が重心Ｘを通る直線Ａ上を振動することになり、加振体４の振動により生じる摩擦力以外の慣性力（Ｆ＝ｍａ）の影響を小さくすることができる。つまり、ノイズ成分を低減させることができ、精度を向上させることができる。さらに本実施形態では、振動体４の重心Ｘと、アクチュエータ２の重心と、荷重センサ３の重心とが、加振方向に延びる一つの直線（直線Ａ）上に位置している。これにより、振動体４はすべての重心を通る直線上で振動することになり、より確実に且つ安定して慣性力の影響を低減することができる。また、設計も容易となる。

また、本実施形態では、３成分力センサに比べて小型で軽量な１軸力センサを荷重センサ３として採用しているため、アクチュエータ２が振動を与える対象（荷重センサ３及び振動体４）の質量を小さくすることができる。

（変形態様）
本発明は、上記実施形態に限定されない。例えば、第一従支持部材６０が基台Ｂに固定されずに、スライド部材９に摺動可能に支持されても良い。この場合、せん断特性測定装置は、第一従支持部材６０を右側から左側に付勢する付勢手段（例えば付勢部Ｙと同構成でも良い）を備える。付勢部Ｙの付勢力と同じ付勢力を付勢手段が与えることで、第一従支持部材６０と第二従支持部材７０が加振体４を安定して挟持することができる。

また、付勢部Ｙは、エア式加圧装置など制御可能な装置であっても良い。また、ボルト２２２は、振動体４の下端面から下方に、直線Ａを中心軸として突出するように形成されても良い。この場合、センサ固定部２２の台座部２２１の上端部に雌ねじが形成されていれば良い。つまり、アクチュエータ２と荷重センサ３と振動体４とは、直線Ａを中心軸とする締結部材により、荷重測定可能に固定されていれば良い。圧電アクチュエータ部２１は、円筒形状に形成されていても良い。この場合、ボルト２２２の頭部の直径を、圧電アクチュエータ部２１の内径よりも小さくすることで、隙間Ｃを形成しなくとも荷重センサ３での荷重の測定が可能となる。

また、加速度センサ５は、速度センサ又は変位センサに置換されても良い。各種センサは単純な計器を含み、荷重計は荷重センサを含む。また、被測定物Ｓ１、Ｓ２は、シムを想定したものに限られない。ただし、本実施形態は、シムを想定したもの（シムそのものを含む）を測定することに最も適している。また、上記実施形態において、接触面３ｂの中心（重心）Ｏは、荷重センサ３の計測軸上に位置している。また、上記実施形態では、接触面３ｂの中心（重心）Ｏは、アクチュエータ２の中心軸上に位置している。

１：支持部材、 ２：アクチュエータ（加振部）、 ３：荷重センサ、 ３ｂ：接触面、
４：振動体、 ５：加速度センサ（センサ）、
６０：第一従支持部材、 ６１：第一押し付け部、
７０：第二従支持部材、 ７１：第二押し付け部、 ８：荷重センサ（荷重計）、
９：スライド部材、 Ｙ：付勢部、 Ｚ：制御部、 Ｘ：重心、 Ｏ：中心（重心）

Claims (3)

1. 主支持部材に支持され所定の加振方向に振動する加振部と、
   少なくとも前記加振方向の力を検出する荷重センサと、
   前記荷重センサとともに前記加振部により加振される振動体と、
   前記振動体の前記加振方向の加速度、変位、又は速度を測定するセンサと、
   第一従支持部材に支持され、前記加振方向に対して垂直な方向である加振垂直方向とすると、前記振動体の前記加振垂直方向における一端との間に第一被測定物を挟持可能な第一押し付け部と、
   第二従支持部材に支持され、前記振動体の前記加振垂直方向における他端との間に第二被測定物を挟持可能な第二押し付け部と、
   前記第一押し付け部及び前記第二押し付け部の少なくとも一方に作用する前記加振垂直方向の力を測定する荷重計と、
   を備えるせん断特性測定装置。
2. 請求項１において、
   前記第一従支持部材及び前記第二従支持部材の一方と前記主支持部材とを摺動可能に支持するスライド部材と、
   前記第一従支持部材及び前記第二従支持部材の一方を前記第一従支持部材及び前記第二従支持部材の他方に向けて付勢する付勢部と、
   をさらに備えるせん断特性測定装置。
3. 請求項１又は２において、
   前記荷重センサは、前記加振部と面内均一の力で接触する接触面を有し、
   前記振動体の重心は、前記接触面の重心を通る前記加振方向に平行な直線上に位置しているせん断特性測定装置。
   
   

Images