JP5858855B2 - 摩擦特性計測装置及び摩擦特性計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、弾性体の摩擦特性計測方法に関するものであり、特に、ゴム等の弾性体の摩擦特性をより高精度に計測可能とする弾性体の摩擦特性計測方法に関するものである。

一般的な弾性体の摩擦特性を計測する装置として特許文献１に開示された摩擦係数測定装置がある。
この装置は、半球型の弾性体試験片を回転する円盤平板に押し付け、力検出器で円盤の接線方向の力を計測し、荷重（Ｗ）と接線方向の力（Ｆ）から動的な摩擦係数（μ＝Ｆ／Ｗ）を求めている。試験片を半球型としていることで、直方体や円盤の試験片のように接地端部で接触圧が急増する現象がなく、また接地端部が局所的に摩耗する現象が生じない。さらには、接地端部が局所的に浮き上がる現象も無いので、精度の高い摩擦係数値を得ることが出来る。また、半球型部分の半径が異なる複数種類の試験片を用いて、摩擦係数の測定を行うと、各々の試験片において平板との接触面積が異なることになり、単位面積当たりの荷重（即ち、平板に対する接触圧）が異なることになる。
弾性体の摩擦係数は、接触圧依存性があることが知られており、これにより、試験片に付加する荷重を変更することなく様々な接触圧における摩擦計測が可能である。

特開２００７−１２７５５１号公報

しかしながら、上記従来の摩擦計測方法には次のような問題があった。
特許文献１の方法では、測定した荷重（Ｗ）と接線方向の力（Ｆ）から動的な摩擦係数（μ＝Ｆ／Ｗ）を算出している。また、半球型部分の半径が異なる複数種類の試験片を用いて、接触圧依存性を計測している。しかし、この方法では、半球型試験片を押し当てたときに接触圧分布が生じるため、圧分布をもった荷重（Ｗ）と接線方向の力（Ｆ）から算出した摩擦係数では、接触圧依存性を正確に求めることができない。

本発明はこのような技術的課題を解決するためのものであり、部分的なせん断、巻き込み変形を生じず、弾性体の厚みの影響から起きる応力集中を防止し、かつ接触圧分布を抑制し、高精度な弾性体の摩擦特性計測を可能とする技術の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第一態様は、弾性体と試料のあいだの摩擦特性を計測する摩擦特性計測装置であって、平らな表面を有する試料と、弾性体からなる第１のシートに前記第１のシートよりも低伸縮性の第２のシートが接着されているシートセットであって、前記第１のシート側の面が前記試料の表面に当接するように配置される、シートセットと、平らな加圧面を有し、前記加圧面が前記シートセットの前記第２のシート側の面に当接するように配置される、圧子と、前記圧子に対し、前記試料の表面に垂直な方向の荷重を印加する荷重手段と、前記シートセットと前記試料とを、前記試料の表面に平行な方向に相対的に移動させる移動手段と、前記荷重を印加した状態で前記シートセットと前記試料を相対的に移動させたときに、前記シートセットと前記試料のあいだに作用する摩擦力を検出する力検出手段と、を備えることを特徴とする摩擦特性計測装置を提供する。

本発明の第二態様は、弾性体と試料のあいだの摩擦特性を計測する摩擦特性計測方法であって、平らな表面を有する試料と、弾性体からなる第１のシートに前記第１のシートよりも低伸縮性の第２のシートが接着されているシートセットと、平らな加圧面を有する圧子とを用意し、前記シートセットの前記第１のシート側の面が前記試料の表面に当接し、かつ、前記圧子の前記加圧面が前記シートセットの前記第２のシート側の面に当接するように、前記試料、前記シートセット、及び前記圧子を配置し、前記圧子に対し前記試料の表面に垂直な方向の荷重を印加した状態で、前記シートセットと前記試料とを前記試料の表面に平行な方向に相対的に移動させたときに、前記シートセットと前記試料のあいだに作用する摩擦力を検出することを特徴とする摩擦特性計測方法を提供する。

本発明によれば、弾性体の摩擦特性を計測する際に、弾性体の部分的なせん断、巻き込み変形を生じない。また、弾性体の厚みの影響から起きる応力集中を防止し、かつ接触圧分布を抑制できる。よって、弾性体の摩擦特性を高精度に計測可能である。

第１実施形態における摩擦特性計測装置の概要図である。 第２実施形態における摩擦特性計測装置の概要図である。 ゴムシートの接触圧分布（静止時）を示すグラフである。 シリコンゴムとＰＴＦＥ板の垂直応力に対する摩擦力のグラフである。 シリコンゴムとＰＴＦＥ板の垂直応力に対する摩擦係数のグラフである。

本発明は、ゴム等の「弾性体」と樹脂や金属等の「試料」のあいだの摩擦特性を計測するための装置及び方法に関する。まずは図１を参照して、本発明の基本構成を簡単に説明する。本発明では、平らな表面１４ａを有する試料１４と、弾性体からなる第１のシート１０に低伸縮性の第２のシート１１が接着されているシートセット１２と、平らな加圧面１３ａを有する圧子１３とを用意する。第２のシート１１は、第１のシート１０よりも低伸縮で、かつ、可撓性を有していれば、どのような材料のシートでもよい。これらは、シートセット１２の第１のシート側の面１２ａが試料表面１４ａに当接し、かつ、圧子１３の加圧面１３ａがシートセット１２の第２のシート側の面１２ｂに当接するように、配置される。計測時には、圧子１３に対し試料表面１４ａに垂直な方向の荷重Ｎを印加した状態で、シートセット１２と試料１４とを試料表面１４ａに平行な方向に相対的に移動させる（シートセット１２と試料１４のいずれを動かしてもよいし、両方を動かしてもよい。）。そして、このときにシートセット１２の面１２ａと試料表面１４ａのあいだに作用する摩擦力Ｆを力検出手段１９によって検出する。このような構成により、弾性体のせん断や巻き込みの発生を防止できると共に、圧子１３により均一な圧を安定的にかけることができるため、接触圧依存性のある弾性体の摩擦特性を高精度に計測することができる。
以下、本発明を実施するための好適な形態について、さらに詳しく説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態における摩擦特性計測装置を示す装置概要図である。１０はゴムシート（第１のシート）、１１は柔軟シート（第２のシート）、１２はシートセット、１３は剛体圧子（圧子）、１４は平板試料（試料）、１５はステージ、１６は移動手段、１７は荷重手段、１８は支持手段、１９は力検出手段である。

柔軟シート１１は、ゴムシート１０に比べて面内の伸縮性が低いシート（又は非伸縮性のシート）であり、例えば、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレンなどの材料からなるシートがよい。ここでは柔軟シート１１としてＰＥＴシートを用いる。摩擦特性を
測定するゴムシート１０と柔軟シート１１を接着したものをシートセット１２と呼ぶ。

移動手段１６は、ステージ１５をリニアモータやボールねじ等で移動する手段である。荷重手段１７は、例えば、エアープレッシャーや錘などを用いる。支持手段１８は、接着や挟むなどして固定する手段である。力検出手段１９は、例えば、ロードセルなどであり、図１の水平方向の力を測定する。

シートセット１２の端辺は、支持手段１８に固定されている。剛体圧子１３は、面積Ｓの平らな加圧面１３ａを有しており、この加圧面１３ａがシートセット１２の柔軟シート１１側の面１２ｂに接着される。平板試料１４はステージ１５に固定されており、移動手段１６により任意の速度で、矢印の方向に並進移動できるようになっている。荷重手段１７により任意の荷重Ｎを剛体圧子１３に対して、平板試料１４の表面１４ａに垂直な方向に印加できるようになっている。シートセット１２が固定されている支持手段１８は、力検出手段１９と連結されている。力検出手段１９は、移動手段１６が作動して、ステージ１５と平板試料１４が移動した際に、ゴムシート１０と平板試料１４の間に働く摩擦力Ｆを検出する。

次に、第１実施形態における摩擦特性計測装置の動作及び摩擦特性計測方法を説明する。
まず、試験片のセットを行う。ゴムシート１０と柔軟シート１１を接着したシートセット１２の端辺を支持手段１８に固定し、さらに剛体圧子１３をシートセット１２の柔軟シート１１側の面１２ｂに固定する。平板試料１４をステージ１５に固定する。

次に、摩擦力を測定するために、シートセット１２のゴムシート１０側の面１２ａを平板試料１４の表面１４ａに当接させる。荷重手段１７が、剛体圧子１３に対し、試料表面１４ａに垂直な方向の荷重Ｎを与える。この荷重Ｎに基づく圧力が剛体圧子１３の面積Ｓの加圧面１３ａからシートセット１２に加えられる。この状態で、移動手段１６を用いてステージ１５と平板試料１４を並進移動させて、力検出手段１９で、シートセット１２のゴムシート１０側の面１２ａと試料表面１４ａのあいだに作用する摩擦力Ｆを計測する。

荷重Ｎを変化させて上記の測定を繰り返し、各荷重Ｎに対する摩擦力Ｆをプロットすることで、ゴムシート１０と平板試料１４とのあいだの摩擦特性を導出することができる。

第１実施形態の装置構成は、次の利点を有している。まず、ゴム試料をシート状にしたことで、シート面には角がないため、ゴム先端の巻き込みやせん断を防止している。また、ゴムシート１０には薄いものを用い、柔軟シート１１と接着させシートセット１２とすることで、ゴムシート１０の面内方向の伸びを防止している。さらに、剛体圧子１３を用いることにより、押し付け面積Ｓを規定し、ゴムシート１０に対して均一な圧を印加することができる。

（第２実施形態）
続いて、本発明の第２実施形態における装置構成を説明する。
図２は、第２実施形態における弾性体の摩擦特性計測装置を示す装置概要図である。符号１０〜１９は、図１で示した第１実施形態のものと同じである。２０は支持剛体板（剛体部材）、２１は潤滑剤を示している。

第２実施形態の構成が第１実施形態の構成と異なる部分は、試料表面１４ａと平行な面２０ａを有する支持剛体板２０を設けたことである。支持剛体板２０は、金属板やアクリル板などの剛体板を用いる。支持手段１８は、支持剛体板２０に固定されている。支持剛体板２０は、その下面２０ａが剛体圧子１３の加圧面１３ａとは反対の側の面１３ｂに摺
動可能に当接するように配置される。この支持剛体板２０に対して、荷重手段１７により、平板試料１４に垂直方向に荷重Ｎを与えた状態で、移動手段１６を用いてステージ１５と平板試料１４を並進移動させて、力検出手段１９で、ゴムシート１０と平板試料１４の間に働く摩擦力Ｆを計測する。摺動時に、剛体圧子１３の上面１３ｂと支持剛体板２０の下面２０ａのあいだに発生するせん断力を抑制するために、支持剛体板２０と剛体圧子１３の間には潤滑剤２１を介在させている。他の部分については、第１実施形態の構成と同様である。なお、図２では、平行平板状の支持剛体板２０を例示しているが、支持剛体板２０の下面（剛体圧子１３と接触（摺動）する面）２０ａが平板試料１４の表面１４ａに対して平行になれば、支持剛体板２０の全体形状はどのようなものでも構わない。

次に、第２実施形態における摩擦特性計測装置の動作及び摩擦特性計測方法を説明する。
試料のセットの手順及び計測方法は第１実施形態とほぼ同様であるが、支持剛体板２０の下面２０ａを試料表面１４ａと平行になるように設置し、支持剛体板２０に対して、垂直方向に荷重手段１７で荷重Ｎを与える。計測後の摩擦特性の導出は、第１実施形態と同様である。

第２実施形態の装置構成によれば、剛体圧子１３に摺動可能に当接させた支持剛体板２０を介して荷重を印加したことで、摺動時においても、剛体圧子１３に対する荷重Ｎを平板試料１４に垂直方向に安定的に与えることができる。また、シートセット１２を支持する支持手段１８を支持剛体板２０に固定している（つまりシートセット１２の一部を支持剛体板２０に固定している）ので、シートセット１２の水平方向の移動に伴って、剛体圧子１３及び支持剛体板２０も同じように移動する。これにより、荷重Ｎの印加が一層安定する。

上記第１、第２実施形態では、ゴムシート１０と平板試料１４の間に働く摩擦力Ｆを支持手段１８を介して計測したが、シートセット１２と剛体圧子１３を並進移動させ、ステージ１５に作用する力を計測してもよい。

（実施例）
本発明の効果を確かめるために、上記第２実施形態の摩擦特性計測装置を用いて、シリコンゴムとＰＴＦＥの摩擦特性を計測した例について説明する。

試験片として、ゴムシートはシリコンゴム（硬度７０度、厚さ１００ｕｍ）、柔軟シートはＰＥＴ（厚さ５０ｕｍ）、平板試料はＰＴＦＥ板（厚さ１ｍｍ）を用いた。剛体圧子は、３ｍｍ角（厚さ１ｍｍ）の直方体である。

まず、ＦＥＭによる２次元構造計算により、シリコンゴムシートをＰＴＦＥ板に当接させ、剛体圧子に垂直に力を印加した際の接触圧分布の状態を計算した。図３は、剛体圧子に１ＭＰａ垂直荷重をかけたときの平板試料に対するゴムの接触圧分布の計算結果である。横軸は位置ｘ［ｍ］を表し、縦軸は接触圧［ＭＰａ］を表している。点線の内側は、剛体圧子により規定した３ｍｍ幅を示している。この圧分布の結果から、ゴムシートにはほぼ均一な圧がかかり、応力分布のない系となっていることが分かる。これは、ゴムの厚みを薄くし、シート状にしたことに加え、剛体圧子により荷重する面積を規定したためである。このように、ゴムシートと剛体圧子を用いることにより、従来技術で課題となっていた当接時の圧の均一性を改善することができた。

次に、摩擦力の測定を行った。剛体圧子３ｍｍ角（厚さ１ｍｍ）を用いて、垂直荷重を０〜８０Ｎまで変化させ、ステージの移動速度１００ｍｍ／ｍｉｎ（試験片接地位置にて）、計測時間６秒の条件において実施し、単位面積当たりの摩擦力を計測した。各垂直荷
重Ｎｉとそのとき計測された摩擦力Ｆｉを剛体圧子で規定した押し付け面積Ｓ（＝９ｍｍ^２）で割って、垂直応力Ｐ_Ｎｉ（＝Ｎｉ／Ｓ）、単位面積当たりの摩擦力Ｐ_Ｆｉ（＝Ｆｉ／Ｓ）にそれぞれ変換した。

上記で変換した垂直応力Ｐ_Ｎを横軸に、単位面積当たりの摩擦力Ｐ_Ｆを縦軸に、それぞれプロットしたものを図４に示す。ここで、垂直応力が大きくなると単位面積当たりの摩擦力は大きくなり、あるところで飽和することがわかる。これは、剛体同士の摩擦力は、荷重または垂直応力に比例するのに対し、ゴムの場合は、摩擦力が垂直応力に依存する非線形の摩擦力となることを示している。

次に、計測した摩擦力Ｆを摩擦係数μに変換した。上記の垂直応力Ｐ_Ｎｉ（＝Ｎｉ／Ｓ）と単位面積当たりの摩擦力Ｐ_Ｆｉ（＝Ｆｉ／Ｓ）を用いて下式から摩擦係数μを求めた。

このμが、垂直応力Ｐ_Ｎｉのときの摩擦係数である。

この計算を、荷重Ｎｉを変化させ計測した各値について行い、各垂直応力Ｐ_Ｎｉに対する摩擦係数μをプロットしたものを図５に示す。摩擦係数は、垂直応力Ｐ_Ｎが大きくなると小さくなり、摩擦力Ｆ同様に圧依存性があることがわかる。

発明者の検討によれば、本実施形態による摩擦特性計測では、１０ＭＰａ程度の高い接触圧をかけて実施しても、スティックスリップが発生せず、安定的に計測可能であった。これは、ゴムシートを用いることにより、局所的なせん断や先端巻き込みが発生せず、かつ図３の結果で示したように、剛体圧子により均一な接触圧を与えることができたためによるものである。

また、荷重を変えた場合にもばらつくことなく、安定した摩擦力を測定できている。以上から、本実施形態による摩擦特性計測装置は、ゴムの接触圧依存性を考慮した摩擦特性を正確に測定することができる。

１０：ゴムシート、１１：柔軟シート、１２：シートセット、１３：平板試料、１４：剛体圧子、１５：ステージ、１６：移動手段、１７：荷重手段、１８：支持手段、１９：力検出手段、２０：支持剛体板、２１：潤滑剤

Claims (4)

1. 弾性体と試料のあいだの摩擦特性を計測する摩擦特性計測装置であって、
   平らな表面を有する試料と、
   弾性体からなる第１のシートに前記第１のシートよりも低伸縮性の第２のシートが接着されているシートセットであって、前記第１のシート側の面が前記試料の表面に当接するように配置される、シートセットと、
   平らな加圧面を有し、前記加圧面が前記シートセットの前記第２のシート側の面に当接するように配置される、圧子と、
   前記圧子に対し、前記試料の表面に垂直な方向の荷重を印加する荷重手段と、
   前記シートセットと前記試料とを、前記試料の表面に平行な方向に相対的に移動させる移動手段と、
   前記荷重を印加した状態で前記シートセットと前記試料を相対的に移動させたときに、前記シートセットと前記試料のあいだに作用する摩擦力を検出する力検出手段と、を備える
   ことを特徴とする摩擦特性計測装置。
2. 前記試料の表面と平行な面を有し、前記平行な面が前記圧子の前記加圧面とは反対の側に摺動可能に当接するように配置される、剛体部材をさらに備え、
   前記荷重手段が、前記剛体部材を介して前記圧子に対し荷重を印加する
   ことを特徴とする請求項１に記載の摩擦特性計測装置。
3. 前記シートセットの一部が前記剛体部材に固定されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の摩擦特性計測装置。
4. 弾性体と試料のあいだの摩擦特性を計測する摩擦特性計測方法であって、
   平らな表面を有する試料と、弾性体からなる第１のシートに前記第１のシートよりも低伸縮性の第２のシートが接着されているシートセットと、平らな加圧面を有する圧子とを用意し、
   前記シートセットの前記第１のシート側の面が前記試料の表面に当接し、かつ、前記圧子の前記加圧面が前記シートセットの前記第２のシート側の面に当接するように、前記試料、前記シートセット、及び前記圧子を配置し、
   前記圧子に対し前記試料の表面に垂直な方向の荷重を印加した状態で、前記シートセットと前記試料とを前記試料の表面に平行な方向に相対的に移動させたときに、前記シートセットと前記試料のあいだに作用する摩擦力を検出する
   ことを特徴とする摩擦特性計測方法。

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