JP4833051B2

JP4833051B2 - 摩擦試験装置及び摩擦試験方法

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Publication number: JP4833051B2
Application number: JP2006342924A
Authority: JP
Inventors: 博之村瀬; 昌孝海道; 厚鈴木; 聖一寺田; 弘明飛永; 伸英新井; 聡戸田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2026-12-20
Also published as: JP2008151753A

Description

本発明は、試験片の摩擦係数を測定する摩擦試験装置、摩擦荷重印加方法及び摩擦荷重検定方法に関する。

材料表面の摩擦係数を測定する試験装置としては、被摩擦試験材料の試験片を回転或いは往復運動或いは揺動或いはスパイラル運動させ、その上からバランス型荷重印加機構を採用したビームの先端のピンやボールなどを当接し、これらピンやボールを介して、試験片に所定の荷重を印加し、試験片とピンやボールとの間の摩擦による摩擦力を測定し、印加荷重と摩擦力から摩擦係数を演算する測定装置が広く知られている。

上記従来の試験装置で、ごく最表面の摩擦係数を測定しようとすると、印加荷重を小さくして、非常に小さな摩擦力を測定する必要がある。しかし、ビームを支持する構造が面接触であると、この部分の摩擦力が無視できなくなり、試験片とピンやボールとの間の摩擦力を精度よく測定できなかった。

ビームを支持する部分の摩擦力を小さくする試験装置も提案されている（例えば、特許文献１参照。）が、これは、上下方向のピボット軸受けで軸支された環状体に左右方向のピボット軸受けで軸支されたビームに荷重錘を載置して、印加荷重を小さくすると共に、軸支部分の摩擦力を小さくするものであった。
特開２００５−３７２６２号公報

しかしながら、従来の摩擦試験装置は、上記のように、ピボット軸受けで軸支されたビームに荷重錘を載置して、荷重を印加するため、ピボット軸受けの摩擦力の影響を受け、荷重錘の荷重が直接試験片にかかることがなく、荷重錘と印加荷重（摩擦荷重）が一致しない。その結果、高精度の摩擦係数を求めることができない。また、印加荷重の調整が荷重錘をビームに載置する位置で行なわれるため、測定に時間がかかる問題があった。さらに、ピボット軸受けが４カ所もあり、機構が非常に複雑で且つ繊細であり、測定精度を維持することが難しかった。

本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたもので、試験片にかかる荷重を直接測定することができ、機構が比較的単純で測定精度の維持が容易且つ測定時間の短い摩擦試験装置を提供することを課題とする。

課題を解決するためになされた請求項１に係る発明は、Ｘ−Ｙ面とＹ−Ｚ面を有するＬ字状基台と、前記基台の前記Ｘ−Ｙ面に設けられ、一方の被摩擦試験片を固定載置して該一方の被摩擦試験片を前記Ｘ−Ｙ面に平行な面内で回転させる試験台と、前記基台の前記Ｙ−Ｚ面に設けられ、他方の被摩擦試験片を固定して該他方の摩擦試験片を前記一方の摩擦試験片に当接させて前記他方の摩擦試験片を介して前記一方の摩擦試験片にＺ軸方向の摩擦荷重を印加するＺ軸移動手段と、前記Ｚ軸移動手段と前記他方の被摩擦試験片との間に設けられて、該Ｚ軸移動手段で印加される前記摩擦荷重によりＺ軸方向に変位するＺ軸変位部材と、前記Ｚ軸移動手段と前記他方の被摩擦試験片との間に設けられて、該他方の被摩擦試験片と前記一方の被摩擦試験片との間の摩擦力で前記Ｘ−Ｙ面に平行な面内でＹ軸方向に変位する面内変位部材と、前記Ｚ軸変位部材のＺ軸方向変位を検出するＺ軸変位センサと、前記面内変位部材のＹ軸方向変位を検出する面内変位センサと、を有する摩擦試験装置であって、前記試験台は、前記一方の被摩擦試験片を回転させるエアスピンドルモータを備え、前記Ｚ軸変位部材は、Ｚ軸方向に配置された二つの剛体がＸ−Ｚ面内で折れ曲がった多段折れ板で連結された多段折れ板バネ構造部材であり、前記面内変位部材は、Ｙ軸方向に配置された二つの剛体腕部がＸ−Ｙ面内で折れ曲がった多段折れ板で連結された多段折れ板バネ構造部材であり、前記Ｚ軸変位センサで前記摩擦荷重を測定し、前記面内変位センサで前記摩擦力を測定することを特徴とする摩擦試験装置である。

Ｚ軸移動手段でＺ軸変位部材に取り付けられた被摩擦試験片と一方の被摩擦試験片に荷重が印加され、該印加荷重に対する被摩擦試験片からの反力でＺ軸変位部材が変位し、その変位から印加荷重を求めるので、印加される荷重すなわち摩擦荷重を直接測定することができる。また、一方の被摩擦試験片に当接させる他方の被摩擦試験片とＺ軸移動手段との間にＺ軸変位部材と面内変位部材とを備えているので、ピボット軸受けを必要とせず、機構が非常に簡単で高い測定精度を維持することができる。前記試験台は、前記一方の被摩擦試験片を回転させるエアスピンドルモータを備えているので、被摩擦試験片を超低速で回転させることができ、潤滑条件での摩擦試験でも潤滑剤の攪拌抵抗をキャンセルすることができる。その結果、摩擦力を攪拌抵抗の影響なしに測定して、真の摩擦係数を求めることができる。

バネ定数の異なるＺ軸変位部材および面内変位部材を用いることで、摩擦荷重を小さくして、非常に小さな摩擦力を測定することができる。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の摩擦試験装置であって、前記Ｚ軸移動手段と前記Ｚ軸変位部材の間に荷重変動抑制手段を有することを特徴としている。

被摩擦試験片のうねりや粗さによる上下（±Ｚ方向）動での荷重変動が抑えられ、高精度の測定を安定して行うことができる。

また、請求項３に係る発明は、請求項２に記載の摩擦試験装置であって、前記荷重変動抑制手段は、電気アクチュエータであることを特徴としている。

うねりや粗さによる上下動を電気的なフィードバック制御より一定荷重に調節することができる。

また、請求項４に係る発明は、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の摩擦試験装置であって、前記Ｚ軸変位センサの信号で前記Ｚ軸移動手段及び或いは前記荷重変動抑制手段をフィードバック制御するコントローラを有することを特徴としている。

Ｚ軸移動手段で一方の被摩擦試験片に他方の被摩擦試験片を当接させ、所定の摩擦荷重を安定して印加することができる。被摩擦試験片のうねり等による荷重変動がある場合でも、荷重変動をＺ軸変位センサで検出して、その信号でコントローラが荷重変動抑制手段をフィードバック制御するので、摩擦荷重を安定させることができる。

また、請求項５に係る発明は、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の摩擦試験装置を用いる摩擦試験方法であって、前記Ｚ軸移動手段を下降させて前記他方の被摩擦試験片を前記一方の被摩擦試験片に接触させるＺ軸移動手段下降工程１と、前記Ｚ軸移動手段を前記Ｚ軸変位部材のＺ軸方向変位が所定の値になるまでさらに下降させるＺ軸移動手段下降工程２と、前記Ｚ軸移動手段で前記他方の被摩擦試験片を介して前記一方の被摩擦試験片に所定の摩擦荷重を印加する摩擦荷重印加工程と、を有することを特徴としている。

Ｚ軸移動手段下降工程１で他方の被摩擦試験片を一方の被摩擦試験片に接触させてから、Ｚ軸移動手段下降工程２でＺ軸方向変位が所定の値になるまでごく低速でさらに下降させるので、被摩擦試験片に損傷を与えることがない。

また、請求項６に係る発明は、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の摩擦試験装置を用いる摩擦試験方法であって、前記他方の被摩擦試験片の下部に棒とエッジとからなる梃子の該棒の一端部を当接し、該エッジと該棒の支点から該一端部までの距離Ｌ１より該支点から該棒の他端部までの距離Ｌ２を大にして該距離Ｌ２と該距離Ｌ１との差分に比例する該棒の自重を該他方の被摩擦試験片に印加する梃子荷重印加工程と、前記梃子荷重印加工程で印加された荷重により変位する前記Ｚ軸変位部材の変位量を前記Ｚ軸変位センサで測定するＺ軸変位測定工程と、を有することを特徴としている。

超微小荷重をその場校正することができる。

Ｚ軸移動手段でＺ軸変位部材と他方の被摩擦試験片を介して一方の被摩擦試験片に荷重が印加され、該印加荷重に対する一方の被摩擦試験片からの反力でＺ軸変位部材が変位する。その変位から印加荷重を求めるので、印加される荷重すなわち摩擦荷重を直接測定することができる。また、一方の被摩擦試験片に当接させる他方の被摩擦試験片とＺ軸移動手段との間にＺ軸変位部材と面内変位部材とを備えているので、ピボット軸受けを必要とせず、機構が非常に簡単で高い測定精度を維持することができる。

以下、本発明の好適な実施の形態について、添付図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る摩擦試験装置の概略構成図。図２は、図１におけるＺ軸変位部材の一例で、Aは、上面（Ｘ−Ｙ平面）模式図、Ｂは、側面（Ｘ−Ｚ平面）模式図、である。図３は、図１における面内変位部材の一例で、Aは、上面（Ｘ−Ｙ平面）模式図、Ｂは、矢印Ｃ方向（図１参照）から見た矢視模式図である。

図１に示す摩擦試験装置は、Ｌ字状基台１と、一方の被摩擦試験片９aを固定載置して回転ないし移動させる試験台２と、固定された他方の被摩擦試験片９bを降下させて一方の摩擦試験片９aに当接させて一方の被摩擦試験片９aと被摩擦試験片９ｂの間にＺ軸方向の摩擦荷重を印加するＺ軸ステージ（Ｚ軸移動手段）３と、荷重変動抑制手段４と、荷重印加用Ｚ軸移動ステージ３と荷重変動抑制手段４で印加される摩擦荷重によりＺ軸方向に変位するＺ軸変位部材５と、他方の被摩擦試験片９bと一方の被摩擦試験片９aとの間の摩擦力でＸ−Ｙ面に平行な面内で変位する面内変位部材６と、Ｚ軸変位部材５のＺ軸方向変位を検出するＺ軸変位センサ７と、面内変位部材６の面内変位を検出する面内変位センサ８と、を備えている。

１１は、Ｚ軸変位部材５を荷重変動抑制手段４に連結する上側連結部材であり、１２は、Ｚ軸変位部材４を面内変位部材６に連結する下側連結部材である。１３は、Ｚ軸変位センサ７を保持するアームである。試験台２は、Ｘ軸移動ステージ２１と回転ステージ２２を備えている。また、荷重印加用Ｚ軸移動ステージ３、荷重変動抑制手段４、Ｚ軸変位センサ７、面内変位センサ８、回転ステージ２２、Ｘ軸移動ステージ２１、等は、図示しないコントローラに電気的に接続されている。

Ｚ軸移動ステージ３は、粗動と微動が切り替わるモータ（例えば、サーボモータ）を備え、被摩擦試験片９aに粗動で近づけ、微動（１μｍ／ｓ程度）の速度で荷重をかけることができる。また、後述するように、フィードバック制御することで他方の被摩擦試験片９bと一方の被摩擦試験片９aを接触させた状態で、さらに所定の摩擦荷重を印加することができる。

被摩擦試験片のうねりや粗さによる上下（±Ｚ方向）動での荷重変動を抑える荷重変動抑制手段４は、一種のアクチュエータで、電気、液圧、気圧を用いたものいずれでもよい。電気アクチュエータとしては、電歪現象を用いたアクチュエータ、すなわちピエゾアクチュエータが好適である。ピエゾアクチュエータは、運転中のうねりや粗さ等の微小な上下動による荷重変化をフィードバック制御により一定荷重にする。

Ｚ軸変位部材５は、図２Aに示すように、Ｘ−Ｙ平面でコの字状をしており、剛体腕部５１aと５１bの間をＺ軸変位センサ７が通り、後述するセンサターゲット１０にアクセスできるようになっている。また、本実施形態のＺ軸変位部材５は、図２Ｂに示すように、多段折れ板バネ構造部材であり、剛体である上面５１と剛体である下面５２が多段折れ板５３で連結されている。図２Ｂも上述のように模式図であり、縮尺が比例しないが、例えば、Al合金製で、ｗ＝２５ｍｍ、ｔ＝１．０ｍｍ、ｈ＝０．１ｍｍである。なお、このような多段折れ板バネ構造部材は、たとえば、レーザ加工や、放電加工などで作製することができる。

面内変位部材６は、図３Aに示すように、剛体基部６１の剛体腕部６１a、６１bが多段折れ板６２で連結された多段折れ板バネ構造部材であり、多段折れ板６２はＹ軸方向に変位することができる。一方、Ｚ軸方向には剛性構造であり、多段折れ板６２はＹ軸方向にのみ変位することになる（Ｚ軸方向へのクロストークがない）。多段折れ板６２の中間部分（基部６１の反対側の）には、図３Bに示すように、上向き（＋Ｚ方向）にサイコロ状センサターゲット１０が、下向き（−Ｚ方向）に他方の被摩擦試験片９bが、それぞれ固定されている。また、腕部６１bの基部６１の反対側の凸部６１ｃには、センサターゲット１０のＹ方向変位を検出する面内変位センサ８が取り付けられている。センサターゲット１０は、被摩擦試験片９ｂの真上に一体となるように固定されることが望ましい。被摩擦試験片９ｂの動きを面内変位センサ８でスムーズに且つタイムラグなしに測定することができる。図３Aも模式図であり、縮尺が比例しないが、例えば、Al合金製で、ｗ’＝３５ｍｍ、ｔ’＝１．０ｍｍ、ｈ’＝０．１ｍｍである。

Ｚ軸変位センサ７及び面内変位センサ８は、静電容量型変位センサや３角測量型レーザセンサ等、非接触変位センサであれば、特に限定されない。

本実施形態では、上記のように多段折れ板バネ構造体のＺ軸変位部材５と面内変位部材６を別々に設けたが、大きな荷重印加の場合は、図４、図５のように断面形状が矩形の片もちバネ構造体５６とすることができる。図４は、Ｚ軸変位部材と面内変位部材の代わりに片もちバネ構造体を用いた摩擦試験装置の概略構成図であり、図５は、図４で矢印Ｃ´方向から見た要部矢視模式図である。同じ構成要素には同一の符号を付し説明を省略する。図４において、断面形状が矩形の棒状バネ構造体５６の一端部が連結部材１１に固定され片もち状態となっている。バネ構造体５６の他端部には、下向き（−Ｚ方向）に被摩擦試験片９ｂが固定され、被摩擦試験片９ｂの反対側（バネ構造体５６の上面側）にＺ軸変位センサ７が対向配置されている（図５参照）。また、バネ構造体５６の側面側には、面内変位センサ８が対向配置されている（図５参照）。断面形状を長方形とすることで、上下（Ｚ軸）方向と左右（Ｙ軸）方向のバネ定数を変えることができる。

ここで、本実施形態の動作について以下に説明する。

回転ステージ２２に固定されて回転している一方の被摩擦試験片９aに他方の被摩擦試験片９bが接触するまでＺ軸ステージ３を移動させる。次に他方の被摩擦試験片９bと一方の被摩擦試験片９aとの間に所定の荷重が加わるようにＺ軸ステージ３モータを駆動する。このモータを駆動しても、一方の被摩擦試験片９aが他方の被摩擦試験片９ｂに当接しているので、Ｚ軸方向に移動することができず、一方の被摩擦試験片９aからの反力でＺ軸変位部材５が縮む。同時に他方の被摩擦試験片９bには、一方の被摩擦試験片９aの回転による接線方向の摩擦力が加わり、センサターゲット１０と一緒に接線方向（Ｙ軸方向）に変位する。センサターゲット１０は、Ｚ軸変位部材５が縮むことによりＺ軸方向（上方）に変位する。センサターゲット１０がＺ軸方向に変位すると、Ｚ軸変位センサ７との距離が変化し、その変化した距離をＺ軸変位センサ７で測定することで、摩擦荷重を求めることができる。センサターゲット１０がＹ軸方向に変位すると、面内変位センサ８との距離が変化し、その変化した距離を面内変位センサ８で測定することで、摩擦力を求めることができる。

なお、上記のようにセンサターゲット１０の変位量から摩擦荷重と摩擦力を求めることは、Ｚ軸変位部材５と面内変位部材６の変位−荷重（力）校正直線を予め求めておくことで達成できる。

荷重印加用Ｚ軸ステージ３でＺ軸変位部材５と他方の被摩擦試験片９bが降下して被摩擦試験片９aとの間に荷重が印加され、印加荷重に対する一方の被摩擦試験片９aからの反力でＺ軸変位部材５が変位する。その変位から印加荷重を求めるので、印加される荷重すなわち摩擦荷重を直接測定することができる。また、一方の被摩擦試験片９aに当接させる他方の被摩擦試験片９bとＺ軸ステージ３との間にＺ軸変位部材５と面内変位部材６とを備えているので、ピボット軸受けを必要とせず、機構が非常に簡単で高い測定精度を維持することができる。

Ｚ軸変位部材５と面内変位部材６は、多段折れ板バネ構造の形状と寸法を設計することで、それぞれ大荷重〜小荷重、大摩擦力〜小摩擦力をカバーするものとすることができる。発明者等の設計によれば、例えば摩擦荷重を０．１〜２ｍＮ（０．０１〜０．２ｇ）の範囲測定できる小荷重用Ｚ軸変位部材と、摩擦力を０．１μＮ〜０．２ｍＮ（０．０４〜２０ｍｇ）の範囲測定できる小摩擦力用面内変位部材を作ることができた。これら小荷重用Ｚ軸変位部材と小摩擦力用面内変位部材とを使用することで、ボールオンディスク（一方の被摩擦試験片９aがディスクで、他方の被摩擦試験片９bのディスクに接触する部分がボール状）形態試験において、ボール径が１００ｍｍ、摩擦荷重０．２ｍＮのとき、接触応力が５．９MPaの低面圧試験が可能であった。

回転ステージ２２は、電気アクチュエータで回転するものであれば、特に限定されないが、回転機構部にＤＣモータを採用したエアスピンドルモータが好適である。潤滑条件での摩擦力は流体攪拌抵抗の影響を受け、摩擦係数の誤差要因となる。本実施形態のエアスピンドルモータは、最小回転速度０．０１ｒｐｍが得られ、被摩擦試験片９aがディスクの場合、回転半径１ｍｍの位置で１μｍ／ｓの摺動速度になり、上記流体攪拌抵抗の影響をなくすことができる。

エアスピンドルモータ２２に対してディスク９aの位置を正確に取り付けることで、ディスク状被摩擦試験片９aのセクター情報（円周角度方向と径方向の情報）をモータの回転角度情報から監視可能とすることができる。そのために、本実施形態の摩擦試験装置は、エアスピンドルモータ２２に、センタリング用のインロー部２２bと位置決めピン２２cを備えた連結用フランジ２２aが取り付けられている（図１参照）。セクター情報を監視することで、例えば、ディスクのある領域に皮膜をコーティングしてその部位の摩擦係数を知ることができる。

インロー部２２bと位置決めピン２２cとの２カ所でタイトな位置決め下でスムーズな取付を行うため、ディスク９aは、エアスピンドルモータ２２内を通過してくるバキュームライン（図示せず）により吸着させる構造にすることも可能である。さらにバキューム破壊ライン（正圧をかけ、ディスク９aを浮き上がらせる）を取り付けることで、取り外しも容易にすることができる。これによりほぼワンタッチで良好な再現性のあるディスク着脱が可能となる。なお、連結用フランジ２２aをエンジニアリングセラミックス製とすることで、加熱状態でディスクを試験する際、ディスクの保温効果とエアスピンドルモータへの熱遮断、吸振効果を向上させることができる。

上記のように、本実施形態の摩擦試験装置は、低摩擦加重を印加して低摩擦力を測定することができるが、それを可能にするために行った振動対策について以下に説明する。

摩擦試験に影響を与える振動は、大別して１）床面等からの外乱、２）装置自体が起振源となる外乱、の２種類がある。１）を除去するために、本装置においては、図１に示すように、Ｌ字状基台１をメカ式パッシブ除振台１４に載置し、上下左右方向共に除振作用を得るようにした。メカ式パッシブ除振台１４は、従来のエアバネ式除振台では除振できない低周波領域の振動も除振することができた。２）を除去するために、起振源となるエアスピンドルモータ２２からの振動を、その上部に位置する被摩擦試験片９b及び計測デバイス（Ｚ軸変位部材５、面内変位部材６、Ｚ軸変位センサ７、面内変位センサ８）への振動パス（エアスピンドルモータ２２→Ｘ軸移動ステージ２１→Ｌ字状基台１→Ｚ軸ステージ３）を剛性構造体とし、振動を下方に落とし、それをＬ字状基台１を構成する石定盤１aのマスで吸収するようにした。なお、石定盤１aは、吸振作用と低熱膨張化にも寄与する。さらに、Ｚ軸移動ステージ３、荷重変動抑制手段４、Ｚ軸変位センサ７、面内変位センサ８、回転ステージ２２、Ｘ軸移動ステージ２１、等に接続されている配線とバキュームライン等の配管とを伝搬してくる振動に関しては、特殊な防振材を非可動部に取り付け、そこをクランプして振動を遮断した。

また、摩擦試験装置全体をカバーで覆い、試験前にガス置換し、その後密閉して行うようにすることもできる。例えば、ドライエアーで置換し、湿度を調整した後、試験を開始することで、安定した湿度条件での評価が可能となる。

本摩擦試験装置は、非常に微小な摩擦荷重を印加するため、Ｚ軸方向が鉛直方向の場合、構造上（Ｚ軸変位部材５の重力方向に面内変位部材６や被摩擦試験片９bがぶら下がっている）、僅かな振動外乱及び被摩擦試験片９bを被摩擦試験片９aに当接させるまでの移動に伴う振動により、Ｚ軸変位部材５にぶら下がっている部品のマス分に加速度が与えられ、荷重値として検出されてしまう恐れがある。また、被摩擦試験片９bを被摩擦試験片９aに当接させるまでの移動時には、Ｚ軸移動ステージ３で所定の荷重を印加するように制御する荷重制御を有効に行うための荷重反力が得られないので、発振などの制御不能に陥り、正確な当接開始位置同定時にエラーを発生させる恐れもある。さらに、不用意な当接移動−荷重印加の切換は、この切換時に発生するショック等により被摩擦試験片９aの表面に損傷を与える恐れがある。

そこで、上記の加速度、発振、損傷等の恐れを回避するために、摩擦荷重印加方法を考案した。以下に、考案した摩擦荷重印加方法を図６、７を参照しながら説明する。図６は、摩擦試験の概略フロー図であり、図７Aは、Ｚ軸変位センサ７の出力電圧の時間変化を、図７bは、被摩擦試験片９aと被摩擦試験片９bとの間隔の時間変化を、それぞれ模式的に示す。

先ず、初期状態（Ｚ軸ステージ３が上方に所定の距離移動した状態）で回転ステージ２２に被摩擦試験片９aを、センサターゲット１０に被摩擦試験片９bを取り付け、回転ステージ２２を駆動する。

＜Ｚ軸ステージ下降工程１＞次にステップＳ１でＺ軸ステージ３をＴ１時刻まで高速に下降（粗動高速移動）させる。このとき、Ｚ軸変位部材５には荷重による反力がかからないので、センサターゲット１０は変位せず、図７Aに示すように、Ｚ軸変位センサ７の出力電圧Ｖは、初期値Ｖ0のままである。それに対して、図７Bに示すように、被摩擦試験片９aと被摩擦試験片９bとの間隔は、Ｚ2からＺ1に線形に減少する。

＜Ｚ軸ステージ下降工程２＞次にステップＳ２でＺ軸ステージ３を低速に下降（粗動低速移動）させ、ステップＳ３で被摩擦試験片９bと９aの当接を判定する。当接するまでＺ軸ステージ３を下降させる。当接のタイミングＴ２（図７A参照）は、Ｚ軸変位センサ７の出力電圧ＶがＶ0を越えることで知ることができる。一方、図７Bに示すように、被摩擦試験片９aと被摩擦試験片９bとの間隔は、Ｔ１からＴ２の間Ｚ１から０に減少する。

時刻Ｔ２を過ぎると、Ｚ軸変形部材５が収縮し、センサターゲット１０が上方に変位する。すると、図７Aに示すように、Ｚ軸変位センサ７の出力電圧Ｖが増大するので、Ｖ＝Ｖ０＋ΔＶになるまで（時刻Ｔ３まで）Ｚ軸移動ステージ３をさらに降下させる。ΔＶは、たとえば、６０ｍＶで、これは、Ｚ軸方向変位が０．７５μｍに相当する。ステップＳ３でＹの場合（Ｖ＝Ｖ０＋ΔＶの場合）ステップＳ４に進む。

＜摩擦荷重印加工程＞次にステップＳ４でＺ軸ステージ３を微動移動制御する。次にステップＳ５でＺ軸変位センサ出力が所定の値（所定の摩擦荷重値）になるまでステップＳ４のＺ軸ステージ３を駆動制御する。すなわち、所定の摩擦荷重値に対応する出力値をＶ_ｆとすると、Ｖ＝Ｖ_ｆまでＺ軸ステージ３を駆動制御する。ステップＳ５でＮの場合（Ｖ≠Ｖ_ｆの場合）ステップＳ４に戻り、Ｖ＝Ｖ_ｆまでＺ軸ステージ３の駆動制御を繰り返す。具体的には、たとえば、Ｚ軸変位センサ７から信号を受けてコントローラがＺ軸ステージ３をフィードバック制御する。なお、被摩擦試験片９aのうねり等による荷重変動がある場合でも、荷重変動をＺ軸変位センサ７で検出して、その信号でコントローラが荷重変動抑制手段４をフィードバック制御するようにして、摩擦荷重を安定させることもできる。

＜摩擦力測定工程＞ステップＳ５でＹの場合（Ｖ＝Ｖ_ｆの場合）ステップＳ６に進み、面内変位センサ８の出力測定が行われ、摩擦力が求められる。

上記のように、摩擦荷重を印加して、摩擦力を測定することで、振動などの外乱がある条件下でも正確に摩擦荷重を印加して、摩擦力を正確に測定することができる。

印加された摩擦荷重を所定の摩擦荷重にするためには、本摩擦試験装置を検定する必要がある。Ｚ軸変形部材５を試験装置から取り外し、基準錘を積載することにより検定を行うことができるが、その場（in situ）検定が理想である。以下に図８、９を参照してその場検定方法を説明する。図８は、その場検定方法を説明するための図で、図１の摩擦試験装置から回転ステージ２２、連結用フランジ２２a、被摩擦試験片９aを取り外し、検定用梃子１５を取り付けた図である。図９は、梃子１５の部分拡大図である。なお、図１と同一要素には同一の符号が付してある。

梃子１５は、梃子棒１５aとナイフエッジ１５bを備え、ナイフエッジ１５bのエッジの反対側がＸ軸移動ステージ２１に固定されている。梃子棒１５aは、たとえば、断面がa×aの正方形で長さがＬのSUS製の棒であり、一端部が被摩擦試験片９bの下端面に当接されている。支点Oから被摩擦試験片９bに当接する側の梃子棒の長さをＬ１、反対側の長さをＬ２とし、支点Oからセンサターゲット１０と被摩擦試験片９bのＸ−Ｚ面内での中心線ＣＬまでの距離をＬ３とすると、被摩擦試験片９bには
Ｗ＝a×a×（Ｌ２−Ｌ１）×ρ（Ｌ１＋（Ｌ２−Ｌ１））／Ｌ３（１）
だけの荷重が上向きに（＋Ｚ方向に）かかる。ここで、（Ｌ１＋（Ｌ２−Ｌ１））／Ｌ３は、重心の差である。

たとえば、例１：a＝０．２ｃｍ、Ｌ＝４．６ｃｍ、Ｌ１＝２．２７ｃｍ、Ｌ２＝２．３３ｃｍ、Ｌ３＝２．０７ｃｍ、ρ＝７．９ｇ／ｃｍ^２、の場合、（１）式からＷ≒０．０２１ｇ≒０．０２ｇとなる。このときのＺ軸変位センサ７の出力電圧を記録することで、摩擦荷重０．０２ｇを検定することができる。

また、上記例１で支点Oをずらす場合、たとえば、例２：a＝０．２ｃｍ、Ｌ＝４．６ｃｍ、Ｌ１＝２．１６ｃｍ、Ｌ２＝２．４４ｃｍ、Ｌ３＝１．９６ｃｍ、ρ＝７．９ｇ／ｃｍ^２、の場合、Ｗ≒０．１０４ｇ≒０．１ｇの検定ができる。

同様に、上記例１で支点Oをずらす場合、たとえば、例３：a＝０．２ｃｍ、Ｌ＝４．６ｃｍ、Ｌ１＝２．０３ｃｍ、Ｌ２＝２．５７ｃｍ、Ｌ３＝１．８３ｃｍ、ρ＝７．９ｇ／ｃｍ^２、の場合、Ｗ≒０．２１ｇ≒０．２ｇの検定ができる。

Ｌ１＝２．２７ｃｍ、Ｌ１＝２．１６ｃｍ、Ｌ１＝２．０３ｃｍとなる支点Oの位置に、たとえば、図７に示すように切りかきを設けておくことにより、検定荷重の調節が容易になる。なお、切りかきを設ける場合は、その体積相当の重量を計算で補正する必要がある。

次に、摩擦荷重検定方法を上記例１の梃子を用いて検定する場合について説明する。

＜準備工程＞Ｘ軸移動ステージ２１にナイフエッジ１５bを固定する。

＜梃子荷重印加工程＞次に、a＝０．２ｃｍ、Ｌ＝４．６ｃｍ、ρ＝７．９ｇ／ｃｍ^２の梃子棒１５aのＬ１＝２．２７ｃｍ、Ｌ２＝２．３３ｃｍとなる切りかきをナイフエッジ１５bに当接させる。これにより、被摩擦試験片９bに０．０２ｇの荷重が＋Ｚ方向にかかる。すると、Ｚ方向変位部材５が収縮してセンサターゲット１０が＋Ｚ方向に変位する。

＜Ｚ軸変位測定工程＞次に、前記＋Ｚ方向に変位したセンサターゲット１０の変位をＺ軸変位センサ７で測定してそのときの出力を記録する。

上記のように、梃子を用いたその場検定である本発明の摩擦荷重検定方法を用いれば、様々な誤差やノイズに埋もれてしまうような０．０１ｇオーダといった微小荷重でも検定することできる。

機械産業の材料摩擦選定や材料表面摩擦改質に利用される可能性が極めて高い。

本発明に係る摩擦試験装置の概略構成図である。図１におけるＺ軸変位部材の一例で、Aは、上面（Ｘ−Ｙ平面）模式図、Ｂは、側面（Ｘ−Ｚ平面）模式図、である。図１における面内変位部材の一例で、Aは、上面（Ｘ−Ｙ平面）模式図、Ｂは、矢印Ｃ方向（図１参照）から見た矢視模式図である。別の実施形態の摩擦試験装置の概略構成図である。図４において矢印Ｃ´方向から見た要部矢視模式図である。本発明に係る摩擦試験装置での摩擦試験の概略フロー図である。Ｚ軸変位センサの出力電圧の時間変化と、被摩擦試験片間の間隔の時間変化を、模式的に示す図である。摩擦荷重をその場検定する方法を説明するための図である。摩擦荷重検定用梃子の部分拡大図である。

符号の説明

１・・・・・・Ｌ字状基台
２・・・・・・試験台
３・・・・・・Ｚ軸ステージ（Ｚ軸移動手段）
４・・・・・・荷重変動抑制手段
５・・・・・・Ｚ軸変位部材
６・・・・・・面内変位部材
７・・・・・・Ｚ軸変位センサ
８・・・・・・面内変位センサ
９a・・・・・一方の被摩擦試験片
９ｂ・・・・・他方の被摩擦試験片

Claims

Ｘ−Ｙ面とＹ−Ｚ面を有するＬ字状基台と、
前記基台の前記Ｘ−Ｙ面に設けられ、一方の被摩擦試験片を固定載置して該一方の被摩擦試験片を前記Ｘ−Ｙ面に平行な面内で回転させる試験台と、
前記基台の前記Ｙ−Ｚ面に設けられ、他方の被摩擦試験片を固定して該他方の被摩擦試験片を前記一方の被摩擦試験片に当接させて前記他方の被摩擦試験片を介して前記一方の被摩擦試験片にＺ軸方向の摩擦荷重を印加するＺ軸移動手段と、
前記Ｚ軸移動手段と前記他方の被摩擦試験片との間に設けられて、該Ｚ軸移動手段で印加される前記摩擦荷重によりＺ軸方向に変位するＺ軸変位部材と、
前記Ｚ軸移動手段と前記他方の被摩擦試験片との間に設けられて、該他方の被摩擦試験片と前記一方の被摩擦試験片との間の摩擦力で前記Ｘ−Ｙ面に平行な面内でＹ軸方向に変位する面内変位部材と、
前記Ｚ軸変位部材のＺ軸方向変位を検出するＺ軸変位センサと、
前記面内変位部材のＹ軸方向変位を検出する面内変位センサと、
を有する摩擦試験装置であって、
前記試験台は、前記一方の被摩擦試験片を回転させるエアスピンドルモータを備え、
前記Ｚ軸変位部材は、Ｚ軸方向に配置された二つの剛体がＸ−Ｚ面内で折れ曲がった多段折れ板で連結された多段折れ板バネ構造部材であり、
前記面内変位部材は、Ｙ軸方向に配置された二つの剛体腕部がＸ−Ｙ面内で折れ曲がった多段折れ板で連結された多段折れ板バネ構造部材であり、
前記Ｚ軸変位センサで前記摩擦荷重を測定し、前記面内変位センサで前記摩擦力を測定することを特徴とする摩擦試験装置。
さらに、前記Ｚ軸移動手段と前記Ｚ軸変位部材の間に荷重変動抑制手段を有することを特徴とする請求項１に記載の摩擦試験装置。
前記荷重変動抑制手段は、電気アクチュエータであることを特徴とする請求項２に記載の摩擦試験装置。
さらに、前記Ｚ軸変位センサの信号で前記Ｚ軸移動手段及び或いは前記荷重変動抑制手段をフィードバック制御するコントローラを有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の摩擦試験装置。
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の摩擦試験装置を用いる摩擦試験方法であって、
前記Ｚ軸移動手段を下降させて前記他方の被摩擦試験片を前記一方の被摩擦試験片に接触させるＺ軸移動手段下降工程１と、
前記Ｚ軸移動手段を前記Ｚ軸変位部材のＺ軸方向変位が所定の値になるまでさらに下降させるＺ軸移動手段下降工程２と、
前記Ｚ軸移動手段で前記他方の被摩擦試験片を介して前記一方の被摩擦試験片に所定の摩擦荷重を印加する摩擦荷重印加工程と、を有することを特徴とする摩擦試験方法。
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の摩擦試験装置を用いる摩擦試験方法であって、
前記他方の被摩擦試験片の下部に棒とエッジとからなる梃子の該棒の一端部を当接し、該エッジと該棒の支点から該一端部までの距離Ｌ１より該支点から該棒の他端部までの距離Ｌ２を大にして該距離Ｌ２と該距離Ｌ１との差分に比例する該棒の自重を該他方の被摩擦試験材料に印加する梃子荷重印加工程と、
前記梃子荷重印加工程で印加された荷重により変位する前記Ｚ軸変位部材の変位量を前記Ｚ軸変位センサで測定するＺ軸変位測定工程と、を有することを特徴とする摩擦試験方法。