JP4983371B2 - 摩擦力測定方法及び摩擦力測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦力を測定する摩擦力測定方法及び摩擦力測定装置に関するものである。

プリンタやコピー機などにおいては、紙などのシートを搬送する装置が備えられている。このような装置においては、シートジャムの発生を抑制するために、シートを安定的に搬送することが重要である。シートの搬送は、一般的にローラにより行われる。ローラによるシートの搬送は、ローラとシートとの間での摩擦力を利用したものである。シートを安定的に搬送するためには、ローラとシートとの間で滑りが生じないようにすることが必要である。

特に、シート給送部においては、トレーに複数積載されているシートのうちの一枚を送り出す必要がある。一般的には、複数積載されたシートのうち最も上部にあるシートに対してローラが当接し、最上部の１枚のシートだけを下流側に送り出す機構が用いられる。この場合、複数のシートが重なって搬送されてしまうことを防止するために、ローラとシートとの間の摩擦力が十分に高いことが必要であり、少なくともシート同士の摩擦力よりも高くなければならない。

ゴムは、各種材料の中で特に摩擦力が高く、ローラ（ローラの表層）の材料として、一般的に用いられる。なお、金属や樹脂の場合には、押し付け荷重（垂直抗力）に対する摩擦力が１倍未満であるのに対して、ゴムの場合には、１〜２倍程度の摩擦力が発生する。また、ゴムの場合には、弾性的に大きく変形可能であることから、段差を有するようなものもローラによって搬送できるという利点もある。

ここで、摩擦力には、大きく分けて、静止摩擦力と動摩擦力の２つがある。静止摩擦力は物体間に相対的な移動がない場合に生じる摩擦力であり、その最大値が最大静止摩擦力である。なお、この最大静止摩擦力が単に静止摩擦力と呼ばれることもある。一方、動摩擦力は物体間に相対的な移動がある場合に生じる摩擦力である。

上述のシート給送部に用いられるローラの場合には、ローラとシートとの間に静止摩擦力と動摩擦力が作用する。安定的な給送を行うためには、最大静止摩擦力を大きくすることが重要である。

ローラとシートとの間の摩擦力を測定する方法として、種々の方法が知られている（非特許文献１，２参照）。摩擦力の測定は、測定対象となる２つの部材を当接させたままの状態で、かつ両者を一定の力で押し付けた状態で、一方を固定し、他方を移動させて、経過時間に対する両者の摩擦力を測定するのが一般的である。

このように、一般的に知られている摩擦力の測定方法によって、経時時間に対する摩擦力の推移を測定することができる。これにより、横軸を経過時間、縦軸を摩擦力とするグラフによるデータを得ることができる。

いずれも非弾性体（剛体など）である２部材間の摩擦力を測定すると、２部材同士に相対的な移動が発生していない間は摩擦力が徐々に増加して、相対的な移動が発生した瞬間に摩擦力が低下し、その後摩擦力が一定になることは良く知られている。つまり、上記のように横軸を経過時間、縦軸を摩擦力とするグラフをとると、ピークが現れた後に摩擦力が低下して、その後摩擦力が一定となるようなグラフが得られる。この場合、ピークとな
る摩擦力が最大静止摩擦力であり、一定となる摩擦力が動摩擦力である。

これに対して、ゴムのように弾性変形量の大きな弾性体（超弾性体）と、非弾性体との間で摩擦力を測定した場合には、ピークが現れるようなグラフは得られない。弾性体と非弾性体との間で摩擦力を測定した場合には、摩擦力は徐々に増加していき、その後、摩擦力は低下することなく一定となる。

この測定時の目視観察と測定結果、及び非弾性体同士の場合の摩擦力に関する知識から、弾性体と非弾性体との間の摩擦力に関しては、最大静止摩擦力と動摩擦力は等しいと看做されてきた。

しかしながら、最大静止摩擦力と動摩擦力が等しいという考え方は、十分な検証による裏付けが取れたものではなかった。一方で、弾性体と非弾性体との間の摩擦力を測定する場合、両者を当接させたままの状態で非弾性体を移動させると、非弾性体が移動しても弾性体の一部が非弾性体に追随して変形するだけで、両者の間に相対的な移動が生じていない状態が発生する。そして、ある程度弾性体の一部が変形した後に、瞬間的に両者の間に相対的な移動が始まる。そのため、最大静止摩擦力と動摩擦力が等しいという考え方に疑義が生じた。

一方で、上記の通り、シート給送部に用いられるローラの場合には、最大静止摩擦力が重要である。そのため、仮にグラフ上で最大となる摩擦力が実際には最大静止摩擦力ではない場合であっても、従来の考え方では最大となる摩擦力を最大静止摩擦力と認定していたために、評価が不適切になるおそれがある。

しかしながら、従来の測定方法や測定装置では、どの値が最大静止摩擦力であるのかを、正確に検証することができなかった。
小林祐子著、日本機械学会情報・知能・精密機器部門講演会講演論文集「高速度領域を含めた搬送ゴムローラの摩擦特性と試験方法による差異の検討」、２００２年発行、Ｐ２３８〜２４１ 和田法明著、日本ゴム協会誌「第７０巻 第４号 （１９９７）」、Ｐ３４−４２

本発明の目的は、静止摩擦力と最大静止摩擦力と動摩擦力をより正確に測定可能とする摩擦力測定方法及び摩擦力測定装置を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。

すなわち、本発明の摩擦力測定方法は、
互いに接触した状態にある弾性体と非弾性体（剛体のほか、紙などのシートのように可撓性を有するものを含む（以下、同じ））のうち弾性体を固定させた状態で、これらが接触した状態を保ちながら非弾性体を一定の速度で移動させることによって、これら弾性体と非弾性体との間の摩擦力を測定する摩擦力測定方法において、
前記非弾性体を移動させている間中、前記弾性体と非弾性体との間の摩擦力を測定し続けると共に、
前記非弾性体を移動させる前の時点で前記弾性体のうち前記非弾性体に接している部分近傍の局所的な部分の移動を、前記非弾性体を移動させている間中監視することによって、これら弾性体と非弾性体間に相対的な移動が生じた瞬間を特定することにより、静止摩擦力と動摩擦力の測定を行うことを特徴とする。

本発明によれば、弾性体のうち非弾性体に接している部分近傍の局所的な部分の移動を監視することにより、弾性体と非弾性体との間に相対的な移動が生じた瞬間をより正確に把握することができる。従って、静止摩擦状態から動摩擦状態に移行した瞬間を、より正確に把握することができる。

ここで、非弾性体を移動させる場合に、初めのうちは、弾性体の一部が非弾性体に追随して変形するだけで、両者の間に相対的な移動は生じない。このように、弾性体の一部が非弾性体に追随している過程では、追随している付近の部分の移動速度は、非弾性体の移動速度とほぼ同じとなるため、当該部分の移動速度も一定となる。しかし、両者に相対的な移動が生じた瞬間に、当該部分の移動速度は変化する。

そこで、前記局所的な部分の移動速度が一定以上変化したときの摩擦力を最大静止摩擦力として認定するとよい。

また、本発明の摩擦力測定装置は、上記の摩擦力測定方法に用いるものであって、
前記弾性体と非弾性体との間の摩擦力を測定する装置と、
前記局所的な部分の移動を撮影するズームレンズを有するカメラと、
該カメラによって撮影された画像を処理する画像処理装置と、
を備え、
前記画像処理装置によって、経過時間と、前記局所的な部分の経過時間に対する移動量とを対応付けたデータが得られることを特徴とする。

本発明によれば、カメラによって弾性体の局所的な部分の移動を撮影しながら、画像処理装置によって画像の処理を行うことで、経過時間と、局所的な部分の経過時間に対する移動量とを対応付けたデータが得られる。これにより、局所的な部分の移動速度が分かるので、静止摩擦状態から動摩擦状態に移行した瞬間をより正確に把握することができる。

前記画像処理装置は、前記カメラによって撮影される撮影画像から前記弾性体に対して予め定めた部分の移動を追跡可能であるとよい。

なお、上記各構成は、可能な限り組み合わせて採用し得る。

以上説明したように、本発明によれば、静止摩擦力と最大静止摩擦力と動摩擦力をより正確に測定することができる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（実施例）
図１〜図４を参照して、本発明の実施例に係る摩擦力測定方法及び摩擦力測定装置について説明する。

＜摩擦力測定装置＞
図１を参照して、本発明の実施例に係る摩擦力測定装置について説明する。図１は本発明の実施例に係る摩擦力測定装置の概略構成図である。本実施例では、表層がゴム材（弾性体）で構成されたローラ１０と、シートである紙２０（非弾性体）との間の摩擦力を測定する場合について説明する。

図１に示すように、紙２０を一対のローラによって挟み込んだ状態とする。この一対のローラのうちの一方が、摩擦力を測定する対象となるローラ１０である。そして、他方は、その表面が摩擦抵抗の低い金属ローラ２００である。摩擦力を測定する対象となるローラ１０は固定されており、回転できないように配置される。一方、金属ローラ２００は、紙２０との間で摩擦力が作用しないように、回転自在な状態で配置される。また、金属ローラ２００は、紙２０に対して垂直に一定の力がかかるように構成されている。これにより、紙２０とローラ１０との間に、一定の垂直荷重Ｎがかかる。

このような状態で、一対のローラに挟み込まれた紙２０を一定の速度で、一定の方向（矢印Ｔ）に引っ張る。そして、このときの引っ張り力をロードセル１００によって測定する。この引っ張り力と垂直荷重Ｎからローラ１０と紙２０との間の摩擦力を算出できる。

そして、本実施例においては、ローラ１０と紙２０との接触部分を、高速度カメラ３０１とズームレンズ３０２とからなるカメラ３００によって、側面側から撮影するように構成されている。また、このカメラ３００によって撮影された画像は、画像表示部４０１を有する画像処理装置４００によって処理される。この画像処理装置４００においては、撮影画像と、ロードセル１００を通じて得られる経過時間に対する摩擦力とを対応付けた処理を行うことができる。

＜摩擦力測定方法＞
特に、図２〜図４を参照して、本発明の実施例に係る摩擦力測定方法について説明する。図２は図１の一部（Ｘ部分）を拡大した拡大図である。図３は摩擦力を測定中のローラと紙との挙動を説明する説明図である。図４は摩擦力の測定結果を示すグラフである。

まず、紙２０を引っ張る前の状態で、カメラ３００によって撮影された画像上で、画像処理装置４００によって、ローラ１０の１点（局所的な部分）にマーカ（以下、トレーサ
１１と称する）を付ける。画像処理装置４００は、このトレーサ１１を追跡処理する画像処理ソフトを備えている。ここで、トレーサ１１は、ローラ１０のうち紙２０に接している部分近傍に付ける。

そして、紙２０を一定の速度で引っ張り、引っ張り初めからのトレーサ１１の移動量を測定すると共に、摩擦力も測定する。これにより、画像処理装置４００によって、経過時間に対するトレーサ１１の移動量と、経過時間に対する摩擦力とを対応付けたデータを取る。

図３（Ａ）は紙２０を移動させる前の様子を示したものである。上記の通り、ローラ１０のうち紙２０に接している部分近傍に、撮影画像上でトレーサ１１を付ける。図３では説明の便宜上、紙２０側にも、紙２０が引っ張られる前の状態でローラ１０に接している部分近傍に×印２１を示している。ただし、この×印２１は、実際の測定時に画像上に付す必要はない。

図３（Ｂ）は紙２０を移動させた直後の様子を示したものである。図に示すように、紙２０の移動直後は、トレーサ１１と×印２１との位置関係は変化しない。つまり、紙２０は移動しても、ローラ１０は、その一部が紙２０に追随して、部分的に変形するだけで、両者の間に相対的な移動は生じていない。

図３（Ｃ）はローラ１０と紙２０との間に相対的な移動が発生した瞬間の様子を示したものである。トレーサ１１は、ローラ１０と紙２０との間に相対的な移動が発生した後も、紙２０の移動方向に少し移動するが、その後反対側に引き戻される。

なお、その後、トレーサ１１が前後に揺れる自励振動が発生した後に、減衰効果により振動が減衰し、一定の位置に落ち着いていく。

図４は測定結果の一例を示すグラフである。図示のように、トレーサ１１は、初めのうちは、経過時間に対する移動量がほぼ一定に増加する。つまり、初めのうちはトレーサ１１の移動速度はほぼ一定である。これは、紙２０が一定の速度で移動し、トレーサ１１もこれに追随するからである。なお、グラフ中、Ａは紙２０を引っ張り始めた時点を示しており、Ｂはトレーサ１１が一定の速度で移動している期間を示している。

そして、グラフ中、経過時間が０．５秒の辺りで、経過時間に対する移動量の傾きが低下する。つまり、トレーサ１１の移動速度が低下する（グラフ中、Ｄ期間）。これは、ローラ１０と紙２０との間に相対的な移動が発生したことにより、トレーサ１１の移動速度が紙２０の移動速度よりも遅くなったことによるものである。これは、撮影画像からも検証できる。

このように、トレーサ１１の移動速度が変化した時点（実際上は、Ｂの期間でも完全に移動速度が一定という訳ではないので、移動速度が一定以上変化した時点）が静止摩擦の状態から動摩擦の状態に移行したと認定することができる。したがって、このときの摩擦力（グラフ中のＣ点の摩擦力）が最大静止摩擦力である。

その後、経過時間に対するトレーサ１１の移動量が不安定になる期間Ｅが生じる。これは、上述の自励振動によるものである。その後は、上記の通り、トレーサ１１の移動量は安定していく。一般的には、安定した際の摩擦力が動摩擦力とされる。

以上のように、グラフ中、Ｂで示す期間が静止摩擦の状態で、Ｄ，Ｅで示す期間が動摩擦の状態である。そして、ＢからＤに変わる時点Ｃにおける摩擦力が最大静止摩擦力であ
る。そして、このグラフから分かるように、静止摩擦の状態から動摩擦の状態に変化した後も、摩擦力は増加している。

以上のことから、最大静止摩擦力と動摩擦力が等しいという考え方は不適切であることが確認できた。実際には、最大静止摩擦力は、摩擦力が最大となる値よりも低いことが分かった。

このように、ローラ１０の１点にトレーサ１１を付して、このトレーサ１１の移動を追跡することによって、ローラ１０と紙２０との間に相対的な移動が生じた瞬間をより正確に把握することができる。これにより、静止摩擦状態から動摩擦状態に移行した瞬間を、より正確に把握することができる。したがって、静止摩擦力の推移、動摩擦力の推移、及び、最大静止摩擦力をより正確に測定することができる。これに伴い、例えば、ローラの摩擦力の評価もより適切に行うことができる。

なお、上記実施例では、引っ張り力に基づいて摩擦力を測定する方法及び装置を例にして説明したが、本発明においては、摩擦力の測定方法及び装置に関しては、上記実施例で説明したものには限定されず、その他の公知技術を適用しても良い。例えば、回転モーメントの釣り合いから摩擦力を測定する方法及び装置を適用することもできる。

図１は本発明の実施例に係る摩擦力測定装置の概略構成図である。 図２は図１の一部（Ｘ部分）を拡大した拡大図である。 図３は摩擦力を測定中のローラと紙との挙動を説明する説明図である。 図４は摩擦力の測定結果を示すグラフである。 図５は測定中の紙同士の様子を示す説明図である。 図６は摩擦力の測定結果を示すグラフである。

符号の説明

１０ ローラ
１１ トレーサ
２０ 紙
２１ ×印
３０ 紙
３１ トレーサ
４０ 紙
１００ ロードセル
２００ 金属ローラ
３００ カメラ
３０１ 高速度カメラ
３０２ ズームレンズ
４００ 画像処理装置
４０１ 画像表示部

Claims (4)

1. 互いに接触した状態にある弾性体と非弾性体のうち弾性体を固定させた状態で、これらが接触した状態を保ちながら非弾性体を一定の速度で移動させることによって、これら弾性体と非弾性体との間の摩擦力を測定する摩擦力測定方法において、
   前記非弾性体を移動させている間中、前記弾性体と非弾性体との間の摩擦力を測定し続けると共に、
   前記非弾性体を移動させる前の時点で前記弾性体のうち前記非弾性体に接している部分近傍の局所的な部分の移動を、前記非弾性体を移動させている間中監視することによって、これら弾性体と非弾性体間に相対的な移動が生じた瞬間を特定することにより、静止摩擦力と動摩擦力の測定を行うことを特徴とする摩擦力測定方法。
2. 前記局所的な部分の移動速度が一定以上変化したときの摩擦力を最大静止摩擦力として認定することを特徴とする請求項１に記載の摩擦力測定方法。
3. 請求項１または２に記載の摩擦力測定方法に用いる摩擦力測定装置において、
   前記弾性体と非弾性体との間の摩擦力を測定する装置と、
   前記局所的な部分の移動を撮影するズームレンズを有するカメラと、
   該カメラによって撮影された画像を処理する画像処理装置と、
   を備え、
   前記画像処理装置によって、経過時間と、前記局所的な部分の経過時間に対する移動量とを対応付けたデータが得られることを特徴とする摩擦力測定装置。
4. 前記画像処理装置は、前記カメラによって撮影される撮影画像から前記弾性体に対して予め定めた部分の移動を追跡可能であることを特徴とする請求項３に記載の摩擦力測定装置。

Images