JP7215744B2 - 摩耗試験装置の較正方法及び摩耗試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、摩耗試験装置の較正（キャリブレーション）方法及び摩耗試験装置に関するものである。

日本産業規格ＪＩＳ（旧称は日本工業規格）のＣ６００６８第２－７０部は、「指及び手の擦れによる印字の摩滅試験」と題され、使用中に指及び手で擦られる力が加わることがある電気部品、例えば，スイッチ，プラグ，ハンドル上の印字に対する試験方法を規定する。この試験方法では、被試験面に対し、４５°±５°の角度で、所定荷重をかけながら、試験ピストンを所定回数繰り返し摺動させたのち、被試験面の濡れ接触角（ＷＣＡ）などの特性値を評価する。

ＪＩＳ Ｃ６００６８－２－７０

上述した摩滅試験ＪＩＳ Ｃ６００６８－２－７０では、試験ピストンに印加する押付荷重が規定されているが、試験装置の較正（キャリブレーション）が適切でないと、繰り返し荷重を印加する際に、上記ＪＩＳで規定された所定荷重が正確に印加できないという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、正確な荷重を印加できる摩耗試験装置の較正方法及び摩耗試験装置を提供することである。

本発明は、被試験面に対し、試験ピストンの軸方向の位置が調節できるウェイトを用いて、所定の角度で、所定荷重をかけながら、試験ピストンを所定回数往復摺動させたのち、被試験面の特性値を評価する摩耗試験装置の較正方法において、
前記試験ピストンが前記被試験面に対して摺動している間の、前記被試験面に作用する荷重を検出し、
前記被試験面に作用する荷重が、前記所定荷重を含む許容範囲に属するように前記摩耗試験装置の前記ウェイトの位置を較正することによって上記課題を解決する。

また本発明は、テストピースの被試験面に対し、所定の角度で所定荷重をかける試験ピストンを備え、前記試験ピストンを所定回数往復摺動させたのち、被試験面の摩耗特性値を評価する摩耗試験装置において、
前記試験ピストンが前記被試験面に対して摺動している間の、前記被試験面に作用する荷重を検出する荷重センサと、
前記試験ピストンに設けられ、前記試験ピストンの軸方向の位置が調節できるウェイトと、を有し、
前記荷重センサが検出した荷重が前記所定荷重を含む許容範囲に属するように、前記ウェイトの位置を較正する摩耗試験装置によって上記課題を解決する。

本発明によれば、試験ピストンが被試験面を摺動している間の荷重を検出し、これを摩耗試験装置の較正基準値とするので、正確な荷重を印加した試験を行うことができる。

本発明の摩耗試験装置の較正方法に関連する試験装置の一例を示す概略図である。 本発明に係る摩耗試験装置の要部を示す側面図である。 本発明に係る摩耗試験装置の要部を示す平面図である。 試験ピストンからテストピースの被試験面ＳＦに作用する荷重を示す図である。 図１の摩耗試験装置の動作を示す要部側面図（その１）である。 図１の摩耗試験装置の動作を示す要部側面図（その２）である。 図１の摩耗試験装置の印加荷重の測定結果を示すグラフである。 図１の摩耗試験装置の較正方法を説明するための側面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。最初に、図１を参照して、本発明の摩耗試験装置の較正方法に関連する試験方法の一例を説明する。図１は、日本産業規格ＪＩＳ Ｃ６００６８－２－７０にて規定された指、及び手の擦れによる印字の摩滅試験に用いて好ましい試験装置の一例を示す概略図である。この規格は、使用中に指、及び手で擦られる力が加わることがある電気部品、例えば、キーボード，スイッチ，プラグ，ハンドルなどに形成された印字に対する試験方法について規定し、手で取り扱われるキーボードなどの平らな面又は曲面の印字の摩滅に対する耐久性を定義するための標準的な手法について規定する。また、この試験方法は、通常の使用環境下において生じる液体に対する耐久性を試験するのにも適している。

図１に示す摩耗試験装置１は、被試験面ＳＦを有するテストピースＴＰを固定する基台１１と、テストピースＴＰの被試験面ＳＦに対して４５°±５°の角度で支持され、エアシリンダのロッド１２などを介して往復移動する試験ピストンＰＳと、試験ピストンＰＳと被試験面ＳＦとの間に設置される布片１３とを備える。

試験ピストンＰＳは、たとえば、試験溶液に反応しない弾性材料からなり、ショアＡ硬度が４７±５の材料、例えば合成ゴムからなる。先端部の弾力性により、被試験面ＳＦに適合して変形できるようにされている。試験ピストンＰＳの大きさは、供試品の形状・大きさ及び印字の種類によって所定の２種類から選択される。たとえば、直径が２０ｍｍ，先端面のＲ＝２０ｍｍである。試験ピストンＰＳの材質，硬さ，形状及び動作角度については、人の指と同じように加圧及び摩擦がかかるように選択される。

試験ピストンＰＳは、エアシリンダのロッド１２の往復運動により、テストピースＴＰの被試験面ＳＦに対して４５°±５°の角度で接触しながら摺動する。試験ピストンＰＳの摺動幅Ｌは１ｍｍ～４ｍｍ、摺動速度は６０±３０ｍｍ／秒、加圧時間は０．２秒以上、試験サイクルは２±０．５回／秒とされる。摺動幅Ｌ、摺動速度、及び試験サイクルは、試験対象とされる製品の規格にて定められる。試験ピストンＰＳの表面圧迫時間と試験ピストンＰＳの昇降時間とがほぼ等しくなるように設定されている。

これにより、被試験面ＳＦは、試験ピストンから繰り返しストレスを受ける。試験ピストンＰＳから被試験面ＳＦに作用する面直方向の力Ｆと摺動の繰り返し回数Ｎは、試験対象とされる製品の規格にて定められる。たとえば、力Ｆは、１Ｎ±０．２Ｎ，５Ｎ±１Ｎ，１０Ｎ±２Ｎ，５０Ｎ±１０Ｎ，１００Ｎ±２０Ｎである。また、たとえば、繰り返し回数Ｎは、１０回，１００回，１０００回，１万回，１０万回，１００万回，１０００万回である。

以上の摩耗試験を終えたテストピースＴＰの摺動部分について、摩耗特性値を測定し、試験対象とされる製品の評価が行われる。たとえば、ガラス基板の表面に形成した保護膜の摩耗試験であれば、被試験面ＳＦの濡れ接触角（ＷＣＡ）を測定することで、その保護膜の品質や信頼性が評価される。

図２Ａは、本実施形態の摩耗試験装置１の要部を示す側面図、図２Ｂは平面図である。本実施形態の摩耗試験装置１は、基台１１と、３組の試験ピストンＰＳ１～ＰＳ３と、３つのテストピースＴＰ１～ＴＰ３をそれぞれ保持する３組のホルダＨ１～Ｈ３と、布片１３を巻き付けておく３組のローラＲ１～Ｒ３と、布片１３に人口汗などの溶液を塗布するための３組のノズル（不図示）とを備える。試験ピストンＰＳ１～ＰＳ３のそれぞれは、進退移動するロッド１２を有するエアシリンダ１４の当該ロッド１２の先端に装着されている。エアシリンダ１４は、基台１１に対して軸Ｃ１を中心に回転可能に支持され、ロッド１２を後退させて試験ピストンＰＳ１～ＰＳ３をテストピースＴＰ１～ＴＰ３から離した状態では、エアシリンダ１４の後端がストッパ１５に当接することより、ロッド１２の軸方向と水平方向とのなす角度θが、４５±５°となる。

エアシリンダ１４は、一定圧力の駆動エアにより進退移動するので、テストピースＴＰ１～ＴＰ３への印加荷重は一定値になるが、テストピースＴＰ１～ＴＰ３への印加荷重を変動させるために、エアシリンダ１４の軸Ｃ１より試験ピストン側に、エアシリンダ１４の軸方向への位置が調節できるウェイトＷが設けられている。すなわち、ウェイトＷをエアシリンダ１４の先端側（試験ピストン側）に移動すると、試験ピストンの先端に発生するモーメント、すなわちテストピースへの印加荷重が大きくなり、逆にウェイトＷをエアシリンダ１４の後端側（試験ピストンとは反対側）に移動すると、試験ピストンの先端に発生するモーメント、すなわちテストピースへの印加荷重が小さくなる。このように、エアシリンダ１４の駆動エアの圧力を基準にして、ウェイトＷの位置を調節することで、図１に示す摩耗試験の力Ｆを設定することができる。

図３は、試験ピストンＰＳ１～ＰＳ３からテストピースＴＰ１～ＴＰ３の被試験面ＳＦに作用する荷重を示す図である。エアシリンダ１４のロッドが前進して試験ピストンＰＳの先端が被試験面ＳＦに当接すると、エアシリンダ１４の駆動エア圧による押付荷重Ｆ１が、接点から斜め上のθ方向に作用する。これと同時に、軸Ｃ１を回転中心とするエアシリンダ１４の重量（ウェイトＷを含む）によるモーメントＦ２が、接点から斜め下のθ方向に作用する。被試験面ＳＦに対して面直に作用する力Ｆは、同図に示すように、Ｆ１の面直方向の分力Ｆ１ｘと、Ｆ２の面直方向の分力Ｆ２ｘの和となる。

図４及び図５の（Ａ）～（Ｄ）は、本実施形態の摩耗試験装置１の動作を示す要部側面図であり、図４（Ａ）は、エアシリンダ１４のロッド１２が後退位置にあって試験ピストンＰＳ１～ＰＳ３の先端がテストピースＴＰ１～ＴＰ３の被試験面ＳＦから離れている状態を示す。図４（Ｂ）は、エアシリンダ１４のロッド１２が前進し始めて試験ピストンＰＳ１～ＰＳ３の先端がテストピースＴＰ１～ＴＰ３の被試験面ＳＦに接触した状態を示す。図５（Ｃ）は、エアシリンダ１４のロッド１２がさらに前進して試験ピストンＰＳ１～ＰＳ３の先端がテストピースＴＰ１～ＴＰ３の被試験面ＳＦに接触しながら上昇し、摺動幅Ｌだけ摺動した状態を示す。図５（Ｄ）は、エアシリンダ１４のロッド１２が後退し始めて試験ピストンＰＳ１～ＰＳ３の先端がテストピースＴＰ１～ＴＰ３の被試験面ＳＦに接触しながら下降する状態を示す。

本実施形態の摩耗試験装置１は、図４（Ａ）に示す状態から摩耗試験を開始すると、エアシリンダ１４のロッドが往復移動することで、図４（Ｂ）→図５（Ｃ）→図５（Ｄ）を１サイクルとした摺動運動を繰り返す。なお、試験ピストンＰＳの先端がテストピースＴＰの被試験面ＳＦに所定荷重Ｆを印加するのは、図４（Ｂ）から図５（Ｃ）の間の摺動運動であり、図５（Ｃ）から図５（Ｄ）に至る動作では、所定荷重Ｆは印加されない。

さて、このように構成された本実施形態の摩耗試験装置１は、上述したとおり所定荷重ＦをウェイトＷの位置により調節することができ、ＪＩＳ Ｃ６００６８－２－７０など所望の摩耗試験を始める前に、印加荷重の較正作業（キャリブレーション作業）が行われる。具体的には、ウェイトＷの位置を調節することで、図３に示すモーメントＦ２を調節し、Ｆ＝Ｆ１ｘ＋Ｆ２ｘが所定荷重になるようにキャリブレーションする。ここで、図４（Ｂ）→図５（Ｃ）→図５（Ｄ）を１サイクルとした摺動運動において被試験面ＳＦに印加される荷重は、図６のように変動する。図６は、本実施形態の摩耗試験装置１の印加荷重の測定結果を示すグラフであり、横軸は時間、縦軸は印加荷重を示す。

すなわち、図４（Ｂ）に示すように試験ピストンＰＳの先端がテストピースＴＰの被試験面ＳＦに接触し、ここからさらにエアシリンダ１４のロッド１２が前進しても、試験ピストンＰＳの先端と被試験面ＳＦとの間には静止摩擦力が作用するため、被試験面ＳＦに作用する荷重が一時的に大きくなる（図６の時間軸が「接触」～「摺動開始」）。続いてさらにエアシリンダ１４のロッド１２が前進して被試験面ＳＦに作用する荷重が静止摩擦力を越えると、試験ピストンＰＳの先端が被試験面ＳＦに対して摺動し始める（図６の時間軸が「摺動開始」）。そして、試験ピストンＰＳの先端が被試験面ＳＦに対して摺動し始めると、静止摩擦力より小さい動摩擦力が作用しながら摺動を終える（図６の時間軸が「摺動開始」～「摺動終了」）。たとえば、摩耗試験において被試験面ＳＦに印加する荷重として、静止摩擦力が作用している間の荷重ＦＳではなく、動摩擦力が作用している間の荷重ＦＤを用いることができる。

そのため、本実施形態の摩耗試験装置１のキャリブレーションは、試験ピストンＰＳが被試験面ＳＦに対して摺動している間の、被試験面ＳＦに作用する荷重ＦＤを測定し、この被試験面ＳＦに作用する荷重ＦＤが、所定荷重を含む許容範囲ＦＤ_０±Δ１に属するように、摩耗試験装置１のウェイトＷの位置を較正する。

また、本実施形態の摩耗試験装置１のキャリブレーションは、上記荷重ＦＤが、所定荷重を含む許容範囲ＦＤ_０±Δ１に属することに加え、試験ピストンＰＳが被試験面ＳＦに対して「接触」～「摺動開始」までの荷重ＦＳを測定し、この被試験面ＳＦに作用する荷重ＦＳが、所定荷重を含む許容範囲ＦＳ_０±Δ２に属するように、摩耗試験装置１のウェイトＷの位置を較正してもよい。

また、本実施形態の摩耗試験装置１のキャリブレーションは、試験ピストンＰＳが被試験面ＳＦに対して「接触」～「摺動開始」までの荷重ＦＳを測定するとともに、試験ピストンＰＳが被試験面ＳＦに対して摺動している間の、被試験面ＳＦに作用する荷重ＦＤを測定し、これらの被試験面ＳＦに作用する荷重ＦＳ＋ＦＤが、所定荷重を含む許容範囲（ＦＳ_０＋ＦＤ_０）±Δ３に属するように、摩耗試験装置１のウェイトＷの位置を較正してもよい。

図７は、本実施形態の摩耗試験装置１の較正方法を説明するための側面図である。具体的には、まず図２に示すホルダＨ１～Ｈ３を、図７に示すように荷重センサＭＳを有する測定用ホルダＨＭに交換し、荷重センサＭＳの出力端子を記録装置ＰＲに接続する。そして、この測定用ホルダＨＭにテストピースＴＰを装着し、ローラＲ１～Ｒ３に巻回した布片１３を切り出し、試験ピストンＰＳ１～ＰＳ３に固定するか、又はローラＲ１～Ｒ３に巻回した布片１３を試験ピストンＰＳ１～ＰＳ３とテストピースＴＰ１～ＴＰ３との間に垂下させ、図４（Ｂ）→図５（Ｃ）→図５（Ｄ）を１サイクルとした摺動運動を何回か繰り返し、このとき荷重センサＭＳにて測定される荷重を記録装置ＰＲに記録する。続いて、記録された出力グラフから、図６に示すように、試験ピストンＰＳの先端がテストピースの被試験面ＳＦに対して摺動している間に測定される荷重ＦＤ，ＦＤとＦＳ又はＦＳ＋ＦＤが、目的とする試験の所定荷重の範囲に属するように、ウェイトＷの位置を調節したのち、再び図４（Ｂ）→図５（Ｃ）→図５（Ｄ）を１サイクルとした摺動運動を何回か繰り返し、調節が適切に行われたかを確認する。

このようにキャリブレーションされた本実施形態の摩耗試験装置１によれば、試験ピストンＰＳが被試験面ＳＦを摺動している間の荷重を検出し、これを摩耗試験装置１の較正基準値とするので、正確な荷重を印加した試験を行うことができる。

本実施形態にて説明した摩耗試験の各種条件、たとえば試験ピストンＰＳの摺動幅Ｌ、摺動速度、加圧時間、試験サイクル等の具体的数値などは、特に限定されるものではなく、試験対象とされる製品の規格によって任意に変更することができる。

１…摩耗試験装置
１１…基台
１２…ロッド
１３…布片
１４…エアシリンダ
１５…ストッパ
ＰＳ，ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３…試験ピストン
Ｃ１…軸
Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３…ホルダ
ＨＭ…測定用ホルダ
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３…ロール
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３…ガイド
Ｗ…ウェイト
ＭＳ…荷重センサ
ＰＲ…記録装置
ＴＰ，ＴＰ１，ＴＰ２，ＴＰ３…テストピース
ＳＦ…被試験面

Claims (6)

1. テストピースの被試験面に対し、試験ピストンの軸方向の位置が調節できるウェイトを用いて所定の角度で所定荷重をかけながら、前記試験ピストンを所定回数往復摺動させたのち、被試験面の摩耗特性値を評価する摩耗試験装置の較正方法において、
   前記試験ピストンが前記被試験面に対して摺動している間の、前記被試験面に作用する荷重を検出し、
   前記被試験面に作用する荷重が、前記所定荷重を含む許容範囲に属するように前記摩耗試験装置の前記ウェイトの位置を較正する摩耗試験装置の較正方法。
2. 前記摩耗試験装置は、日本産業規格ＪＩＳ Ｃ６００６８第２－７０部の指及び手の擦れによる印字の摩滅試験に準拠する請求項１に記載の摩耗試験装置の較正方法。
3. 前記摩耗試験装置には、前記試験ピストンが複数設けられ、複数のテストピースの摩耗試験を同時に実行する請求項１又は２に記載の摩耗試験装置の較正方法。
4. テストピースの被試験面に対し、所定の角度で所定荷重をかける試験ピストンを備え、前記試験ピストンを所定回数往復摺動させたのち、被試験面の摩耗特性値を評価する摩耗試験装置において、
   前記試験ピストンが前記被試験面に対して摺動している間の、前記被試験面に作用する荷重を検出する荷重センサと、
   前記試験ピストンに設けられ、前記試験ピストンの軸方向の位置が調節できるウェイトと、を有し、
   前記荷重センサが検出した荷重が前記所定荷重を含む許容範囲に属するように、前記ウェイトの位置を較正する摩耗試験装置。
5. 前記荷重センサから出力された荷重を記録する記録装置を備え、前記記録装置に記録された荷重に基づき、前記ウェイトの位置を較正する請求項４に記載の摩耗試験装置。
6. 前記試験ピストンが複数設けられ、複数のテストピースの摩耗試験を同時に実行する請求項４又は５に記載の摩耗試験装置。

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