JP2686200B2

JP2686200B2 - 摩擦力測定方法及びその測定装置

Info

Publication number: JP2686200B2
Application number: JP4013451A
Authority: JP
Inventors: 茂喜藤原
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1992-01-28
Filing date: 1992-01-28
Publication date: 1997-12-08
Anticipated expiration: 2012-12-08
Also published as: JPH05203510A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、摩擦力測定方法および
その測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の摩擦力測定装置としては特開昭６
１−２５８１４５号公報で示されたものがある。この摩
擦力測定装置は、磁気ディスクなどの回転する摺動部材
２２の摺動強度を測定するために摩擦力（接線力）を測
定するものである。具体的には、図１６に示すように、
摺動部材２２に接触する摺動要素２１が一端に取り付け
られたアーム部材２０を、ピン２７でフレーム２６に回
動自在に取り付け、アーム部材２０の基端部に取り付け
られるおもり２５により摺動部材２２に加わる荷重を調
整できる構造とし、上記の各構成部はフレーム２６の支
点２４により水平面内で回動自在となっており、この回
動力を阻止する力を付与しその際に加える力を摩擦力と
して検出する摩擦力検出手段２３を備える。

【０００３】この摩擦力測定装置の摩擦力を測定する原
理について図１７に基づいて説明する。ここで、支点５
から距離Ｂの位置に摩擦力検出手段２３を設け、支点５
から距離Ａのアーム部材２０の先端部に摺動要素２１を
取り付けてあるとする。いま、支点２４に図示状態の回
転モーメントが作用しているとし、そのとき摺動部材２
２に垂直荷重Ｆｌを加えているとすると、それに対応し
て摩擦力Ｆｔがｘ方向に働く。このときの摩擦力Ｆｔは
てこの作用によりＡ／Ｂに拡大される。このＡ／Ｂに拡
大された力と釣り合う反力Ｆｃを発生させることによ
り、釣り合い状態での摩擦力Ｆｔを測定する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが上記摩擦力測
定装置の場合には、アーム部材２０の基端部に取り付け
られるおもり２５により荷重を調整する構造であるの
で、荷重、つまりは垂直抗力を任意に調整することが難
しい。また、この測定装置の場合には摺動部材２２と測
定系とが一体的に連結されているために摩擦熱が発生
し、この摩擦熱の影響で正確な測定が行えない。また、
摺動要素２１に加える荷重により接触面の面積が変動
し、測定誤差を生じるという問題がある。つまり、容易
且つ高精度な摩擦力の測定が行えないという問題があっ
た。

【０００５】本発明は上述の点に鑑みて為されたもので
あり、その目的とするところは、容易且つ高精度に摩擦
力の測定が行える摩擦力測定方法およびその測定装置を
提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では、上記目的を
達成するために、測定機本体内に非接触状態で保持され
た可動体に起磁力を作用させて非接触で任意の垂直抗力
を与えて前記可動体を摩擦測定面に接触させ、この可動
体に非接触で起磁力を作用させて水平力を与えて摩擦力
を測定してある。

【０００７】なお、静止摩擦力及び静止摩擦係数を測定
する場合、可動体に加える水平力を増加させて、可動体
が滑り始めた時点の水平力を静止摩擦力とし、この静止
摩擦力と垂直抗力とから静止摩擦係数を算出するように
すればよい。また、動摩擦力を測定する場合には、任意
の垂直抗力で可動体を摩擦測定面に接触させた状態で、
測定装置本体を移動させることにより可動体も摩擦測定
面を滑らせ、このときの可動体の移動方向における保持
力を動摩擦力として測定するようにすればよい。

【０００８】さらに、動摩擦係数を測定する方法として
は、任意の垂直抗力で摩擦測定面に接触させた状態で、
任意の水平力を加えて任意距離だけ移動させ、このとき
の所要時間を測定して可動体の動摩擦係数を算出するよ
うにすればよい。また、測定機本体内に特定面内で可動
体を移動可能な状態として非接触状態で保持する保持手
段と、可動体に上記特定面に直交する方向及び水平な方
向において非接触で駆動力を付与する駆動手段と、可動
体の特定面内での位置を非接触で検出する位置検出手段
と、この位置検出手段の検出出力に応じて駆動手段の駆
動力の一定制御及び可変制御を行う制御手段とを備えれ
ば、上記夫々の測定方法を実現する摩擦力測定装置を構
成することができる。

【０００９】なお、上記駆動手段が３次元のすべての方
向において可動体を駆動自在であるものとすれば、測定
装置の設置状態に関係なく任意の方向において摩擦力を
測定できる。

【００１０】

【作用】本発明は、上述のように起磁力を作用させて可
動体を駆動することにより、例えば起磁力発生装置の電
流量を調整するなどにより任意の起磁力を発生させ、可
動体に加える力を任意に設定でき、可動体に対して非接
触状態で駆動力を付与することにより、摩擦熱の発生が
なく、しかも測定面に対して垂直に可動体を接触させて
摩擦力の測定が行え、可動体の接触面積の変動がなく、
高精度な摩擦力の測定が行える。

【００１１】

【実施例】本発明の実施例を以下に説明する。なお、初
めに摩擦力測定方法について説明し、その後にその測定
方法を実現する測定装置について説明する。静止摩擦力
及び静止摩擦係数の測定方法を図１乃至図３に従って説
明する。図１がその測定装置の概略構造であり、被測定
部材Ｘに対して接触する可動子１と、この可動子１に対
して摩擦力の測定のための駆動力を付与する測定機本体
２とからなる。ここで、可動体１は測定機本体２内に非
接触状態で保持され、且つ測定機本体２は測定面に対し
て垂直方向及び水平方向に任意の駆動力を付与すること
ができるものである。なお、このようにできる構成に関
する詳細な説明は測定装置の構造のところで説明する。

【００１２】この測定に際しては可動体１の被測定部材
Ｘの摩擦測定面への接触圧（垂直抗力Ｎ）を予め設定す
る。そして、その垂直抗力Ｎで可動体１を測定面に接触
させて、ラジアル方向（水平方向）の力を図３に示すよ
うに増加する。このとき同時に可動体１に滑りがあるか
どうかの判定を行う。この滑りの判定は図３に示す可動
体１の位置の相対変位から検出でき、後述する位置セン
サ７及び制御手段で検出することができる。そして、滑
りを生じた時点（滑り初めの時点）にラジアル方向に加
えられた力を静止摩擦力Ｆ₀とする。そして、この静止
摩擦力Ｆ₀と垂直抗力Ｎより静止摩擦係数（μ₀＝Ｆ₀
／Ｎ）を求める。なお、上記静止摩擦力及び静止摩擦係
数の測定手順を図２に示す。

【００１３】次に、動摩擦力の測定方法を図４乃至図６
に基づいて説明する。この測定に際しても、図４（ａ）
に示すように可動体１を測定面に予め設定した垂直抗力
Ｎで接触させ、この垂直抗力Ｎで可動体１を接触させた
状態で、同図（ｂ）に示すように測定機本体２を移動さ
せ、これに伴って可動体１を滑らせる。そして、この可
動体１が滑っているときのラジアル方向の保持力Ｆを測
定する。そして、この保持力Ｆを動摩擦力とする。な
お、その測定手順を図５に示し、図６に測定結果を示
す。

【００１４】動摩擦係数の測定方法を図７乃至図９で説
明する。この場合には、図７（ｂ）に示すように可動体
１を測定機本体２の端に位置決めし、同図（ｃ）に示す
ように予め設定した垂直抗力Ｎで可動体１を摩擦測定面
に接触させる。そして、可動体１にラジアル方向の静止
摩擦力Ｆ₀以上の力Ｆ₁（図９に示す）を加えて図７
（ｄ）に示すように移動させる。ここで、この移動距離
ｘ₁は位置測定可能な範囲内とする。そして、この移動
距離ｘ₁の所要時間ｔ₁を測定する。この測定結果から
次に示す（１）式を用いて加速度αを算出する。

【００１５】ｘ₁＝（１／２）αｔ₁ ² …（１）そして、求められた加速度αから次の（２）式を用いて
動摩擦係数μを算出する。ｍα＝Ｆ₁−μＮなお、その測定手順を図８に示し、図９に測定結果を示
す。

【００１６】図１０に３軸制御型の摩擦力測定装置を示
す。この測定装置では、可動体１を下面及び両側面から
内部までに空所を形成した測定機本体２内に収め、この
測定機本体２の両側部に形成された空気流入孔２ａを通
して圧縮空気を測定機本体２の空所内に流入し、可動体
１を低摩擦力で水平面内で拘束してある。つまりは、可
動体１はいわゆる空気軸受け構造で保持してある。

【００１７】可動体１は直流アクチュエータを用いて鉛
直方向、水平方向及び回転の３自由度の制御を行う構造
としてあり、この直流アクチュエータとしてはボイスコ
イルモータ（ＶＣＭ）３を用いてある。このボイスコイ
ルモータ３は、矩形環状のボイスコイル４と、このボイ
スコイル４が中央片５ａに非接触状態で嵌められたＥ字
状の永久磁石５とで構成され、ボイスコイル４に流す電
流を制御してボイスコイル４が中央片の長手方向で移動
自在としたものである。

【００１８】この摩擦力測定装置の場合には、図１０
（ａ）に示すように、可動体１の両側部と上部とに夫々
ボイスコイルモータ３を取り付けることにより、鉛直方
向、水平方向及び回転の３自由度の制御が行える構造と
なっている。なお、上記ボイスコイルモータ３は、図１
０（ａ），（ｃ）に示すように、測定機本体１に対して
永久磁石５を固定して取り付けると共に、ボイスコイル
４を可動体１に固定してある。そして、両側面のボイス
コイルモータ３は夫々ボイスコイル４が鉛直方向におい
て移動自在として取り付けてあり、上面に取り付けたボ
イスコイルモータ３はボイスコイル４が水平方向におい
て移動自在として取り付けてある。ここで、鉛直方向の
制御は、可動体１の両側部に取り付けられたボイスコイ
ルモータ３のボイスコイル４への電流の通電量を可変し
て行われ、水平方向の制御は、可動体１の上部に取り付
けられたボイスコイルモータ３のボイスコイル４への電
流の通電量を可変して行われる。また、垂直面（図１
（ａ）の紙面に平行な面）内における回転の制御は、上
記夫々のボイスコイルモータ３のボイスコイル４への電
流の通電量を可変して鉛直及び水平方向の夫々を調節す
ることにより行われる。

【００１９】夫々のボイスコイル４にはセンサターゲッ
ト６を取り付け、これらセンサターゲット６の位置を位
置センサ７で検出している。これら位置センサ７の出力
を用いてボイスコイル４の電流の通電量を制御して可動
体１の姿勢を３自由度の位置及び力の制御を自在として
ある。このボイスコイルモータ３の制御手段は、図１１
に示すように、３個のボイスコイルモータ３に作用する
力の相互作用を考慮してフィードバック制御を行う必要
がある。そこで、本実施例ではこの制御手段を行列演算
を高速処理できるマイクロコンピュータからなる演算処
理部を用いて構成してある。上記ボイスコイル４への通
電は電流供給部（例えば、アンプ）１２を介して行い、
位置センサ７の出力はインターフェース部１４を介して
演算処理部１１に与えられ、演算結果に応じた制御出力
を上記インターフェース部１４を介して電流供給部１２
に与えられる。なお、電流供給部１２は電源部１３から
電源の供給を受けて、ボイスコイル４に電流を供給す
る。

【００２０】この摩擦力測定装置を用いれば、上述した
各種の摩擦力測定方法を実施して静止摩擦力、静止摩擦
係数、動摩擦力及び動摩擦係数の測定が行える。しか
も、この摩擦力測定装置であれば、ボイスコイルモータ
３の制御により可動体１に加える垂直抗力を任意に設定
することができる。また、可動体１と測定機本体２とが
非接触であるので、摩擦熱の発生がなく、精度のよい摩
擦力の測定が可能となる。さらに、垂直抗力の大きさに
関係なく摩擦面に対して鉛直方向から垂直抗力を加える
ことができ、このため垂直抗力で摩擦力面の接触面積が
変わるということも少なく、理想的な面接触状態で摩擦
力を測定することができ、この点からも理想的に精度の
良く摩擦力を測定できることになる。なお、この摩擦力
測定装置によれば、ボイスコイルモータ３から可動体１
に加えられる力は、ボイスコイル４に流れる電流値に比
例するので、制御が容易となる利点がある。また、被測
定部材Ｘの測定面が球あるいは円筒面であるならば曲面
における摩擦力の測定も可能である。

【００２１】図１２に他の摩擦力測定装置の構造を示
す。上述した摩擦力測定装置の場合には、ボイスコイル
モータ３からなる直流アクチュエータを用いたものであ
ったが、この摩擦力測定装置は電磁石装置８を用い、こ
の電磁石装置８の吸引力を用いて図１０の摩擦力測定装
置と同様の鉛直、水平及び回転の３自由度の制御を行う
ものである。なお、電磁石装置８は、コ字状の鉄心９に
コイル１０を巻装して形成してある。

【００２２】この摩擦力測定装置では、可動体１として
Ｔ字状のものを用い、測定機本体２の可動体１の横片部
の両側面が対向する内面に夫々電磁石装置８を配置し、
横片の両側部の上下面が夫々対向する内面に夫々電磁石
装置８を配置して構成してある。この摩擦力測定装置の
場合には、可動体１の鉛直方向の制御は、上下に配置さ
れた４つの電磁石装置８の起磁力を制御して行い、水平
方向の制御は、両側に配置した２個の電磁石装置８の起
磁力を制御して行い、さらに回転は夫々の電磁石装置８
の制御により行う。

【００２３】この摩擦力測定装置の場合にも、上述した
各種の摩擦力測定方法を用いて静止摩擦力、静止摩擦係
数、動摩擦力及び動摩擦係数の測定が行え、図１０の摩
擦力測定装置の場合と同様の効果がある。しかも、この
摩擦力測定装置の場合、起磁力がコイル１０に流れる電
流Ｉを空隙の間隔ｗで除した値（Ｉ／ｗ）の２乗に比例
するので、空隙の小さい範囲で大きな出力を得ることが
できる。なお、この場合には可動体１を磁性体で形成す
る必要がある。また、必ずしも吸引力でなく反発力を利
用することも可能である。

【００２４】上記摩擦力測定装置の場合には可動体１を
平面的に姿勢制御できる（測定面においては直線的な摩
擦力の測定が行える）ものであったが、図１３に示すよ
うに測定面の任意の方向において摩擦力を測定可能な構
造とすることもできる。図１４にその摩擦力測定装置の
構造を示す。この摩擦力測定装置では、可動体１の上部
に１２０度異なる位置に夫々３つのボイスコイルモータ
３を取り付けると共に、これらボイスコイルモータ３の
取付位置の夫々の中間位置において夫々を位置させ且つ
互いに１２０度異なる位置に３つのボイスコイルモータ
３を取り付けて構成してあり、上部の３つのボイスコイ
ルモータ３は水平方向における制御を行い、下部の３つ
のボイスコイルモータ３で垂直方向の制御が行える構造
としてある。なお、図１４においては、ボイスコイルモ
ータ３の永久磁石５は１つしか示していないが、夫々ボ
イスコイル４と永久磁石５とで構成されていることは言
うまでもない。この構造とすれば３次元上の全ての方
向、即ち６軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ，θｘ，θｙ，θｚ）の制御
が可能となる。なお、Ｚ軸の回転θｚを除く５自由度制
御を行うようにしても、任意の方向における摩擦力測定
は可能である。

【００２５】さらに、上記摩擦力測定装置における応答
性を改善させたものを図１５に示す。この摩擦力測定装
置では、可動体１から水平に検出アーム１ｂを突設し、
この検出アーム１ｂの先端を下方に折曲し、この先端面
に球状の摩擦面１ａを形成してある。この構造とすれば
慣性力を小さくできる。

【００２６】

【発明の効果】本発明は上述のように、測定機本体内に
非接触状態で保持された可動体に起磁力を作用させて非
接触で任意の垂直抗力を与えて前記可動体を摩擦測定面
に接触させ、この可動体に非接触で起磁力を作用させて
水平力を与えて摩擦力を測定するようにしたものであ
り、起磁力を作用させて可動体を駆動することにより、
例えば起磁力発生装置の電流量を調整するなどにより任
意の起磁力を発生させ、可動体に加える力を任意に設定
でき、可動体に対して非接触状態で駆動力を付与するこ
とにより、摩擦熱の発生がなく、しかも測定面に対して
垂直に可動体を接触させて摩擦力の測定が行え、可動体
の接触面積の変動がなく、高精度な摩擦力の測定が行え
る。

【００２７】また、可動体に加える水平力を増加させ
て、可動体が滑り始めた時点の水平力を静止摩擦力と
し、この静止摩擦力と垂直抗力とから静止摩擦係数を算
出することにより、容易且つ高精度に静止摩擦力及び静
止摩擦係数を測定することができる。さらに、任意の垂
直抗力で可動体を摩擦測定面に接触させた状態で、測定
装置本体を移動させることにより可動体も摩擦測定面を
滑らせ、このときの可動体の移動方向における保持力を
動摩擦力として測定するようにすれば、容易且つ高精度
に動摩擦力を測定することができる。

【００２８】さらにまた、任意の垂直抗力で摩擦測定面
に接触させた状態で、任意の水平力を加えて任意距離だ
け移動させ、このときの所要時間を測定して可動体の動
摩擦係数を算出するようにすれば、容易且つ高精度に動
摩擦係数を測定することができる。また、測定機本体内
に特定面内で可動体を移動可能な状態として非接触状態
で保持する保持手段と、可動体に上記特定面に直交する
方向及び水平な方向において非接触で駆動力を付与する
駆動手段と、可動体の特定面内での位置を非接触で検出
する位置検出手段と、この位置検出手段の検出出力に応
じて駆動手段の駆動力の一定制御及び可変制御を行う制
御手段とを備えれば、上記夫々の測定方法を実現でき、
且つ夫々の摩擦力及び摩擦係数を容易且つ高精度に測定
できる。

【００２９】さらに、上記駆動手段が３次元のすべての
方向において可動体を駆動自在であるものとすれば、測
定装置の設置状態に関係なく任意の方向において摩擦力
を測定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の静止摩擦力及び静止摩擦係
数の測定方法を示す説明図である。

【図２】同上の測定手順を示すフローチャートである。

【図３】同上における測定出力の説明図である。

【図４】（ａ），（ｂ）は動摩擦力の測定方法を示す説
明図である。

【図５】同上の測定手順を示すフローチャートである。

【図６】同上における測定出力の説明図である。

【図７】（ａ）〜（ｅ）は動摩擦力係数の測定方法を示
す説明図である。

【図８】同上の測定手順を示すフローチャートである。

【図９】同上における測定出力の説明図である。

【図１０】（ａ）〜（ｃ）は夫々摩擦力測定装置を示す
正面断面図、側面断面図、及び平面断面図である。

【図１１】同上の制御回路の回路構成を示すブロック図
である。

【図１２】（ａ）〜（ｃ）は夫々他の摩擦力測定装置を
示す正面断面図、側面断面図、及び平面断面図である。

【図１３】さらに他の摩擦力測定装置の外観を示す斜視
図である。

【図１４】同上の構造を示す一部を破断した斜視図であ
る。

【図１５】同上の変形例の一部を破断した斜視図であ
る。

【図１６】従来例を示す斜視図である。

【図１７】同上の測定原理の説明図である。

【符号の説明】

１可動体２測定機本体Ｘ被測定部材

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】測定機本体内に非接触状態で保持された
可動体に起磁力を作用させて非接触で任意の垂直抗力を
与えて摩擦測定面に接触させ、この可動体に非接触で起
磁力を作用させて水平力を与えて摩擦力を測定して成る
ことを特徴とする摩擦力測定方法。
【請求項２】可動体に加える水平力を増加させて、可
動体が滑り始めた時点の水平力を静止摩擦力とし、この
静止摩擦力と垂直抗力とから静止摩擦係数を算出して成
ることを特徴とする請求項１記載の摩擦力測定方法。
【請求項３】任意の垂直抗力で可動体を摩擦測定面に
接触させた状態で、測定装置本体を移動させることによ
り可動体も摩擦測定面を滑らせ、このときの可動体の移
動方向における保持力を動摩擦力として測定することを
特徴とする請求項１記載の摩擦力測定方法。
【請求項４】任意の垂直抗力で摩擦測定面に接触させ
た状態で、任意の水平力を加えて任意距離だけ移動さ
せ、このときの所要時間を測定して可動体の動摩擦係数
を算出することを特徴とする摩擦力測定方法。
【請求項５】測定機本体内に特定面内で可動体を移動
可能な状態として非接触状態で保持する保持手段と、可
動体に上記特定面に直交する方向及び水平な方向におい
て非接触で駆動力を付与する駆動手段と、可動体の特定
面内での位置を非接触で検出する位置検出手段と、この
位置検出手段の検出出力に応じて駆動手段の駆動力の一
定制御及び可変制御を行う制御手段とを備えて成ること
を特徴とする摩擦力測定装置。
【請求項６】上記駆動手段が３次元のすべての方向に
おいて可動体を駆動自在であることを特徴とする請求項
５記載の摩擦力測定装置。