JPH04125437A

JPH04125437A - 接触面圧分布の測定方法及びこれに使用する接触面圧測定モジュール

Info

Publication number: JPH04125437A
Application number: JP24676490A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Ike; 池　浩
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 1990-09-17
Filing date: 1990-09-17
Publication date: 1992-04-24

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は塑性加工、機械設計などの分野において、固体
と固体、固体と流体等の接触面圧分布測定に係わり、特
に単調増加あるいは変動する荷重を受ける物体間の接触
面圧を同時かつ連続的に測定できる接触面圧分布測定方
法及びこれに使用する測定面圧測定用モジュールに関す
る。

（従来技術）各種加工や構造物の状態の制御において、接触面圧また
はその分布を効率良く測定する必要がある。

本発明者は、５０ＭＰａ以上の高圧力に適し、２次元接
触面圧測定を目的とする感圧箔を開発し、特開昭６４−
３９５３３号に開示した。第５図は感圧箔の厚さ方向の
断面模式図である。感圧箔は、塑性変形を生じる凹凸箔
、平滑平面を有しかつ比較的硬質の対向箔及び背面箔の
３枚の金属箔から成り、圧力を受ける界面での接触圧力
により、凹凸箔の表面突起が押しつぶされ（第６図参照
）、この押しつぶしの程度（接触率）を各種測定機器で
測定して、既知の接触圧力下で得た測定値と比較対照し
て、その分布から接触面圧力分布の情報を得るものであ
る。

上記接触率の測定は、第５図において、光学顕微鏡を用
いて１本１本の台形列のプラトー幅ａを直接計測してい
たが、作業が膨大となるため、特に、２次元面圧分布測
定においては、全体の界面のうちから部分的に計測して
、おおまかな情報を把握するにとどめていた。しかし、
実際の接触面圧分布は設計値や理論値から単離した不均
一かつ非対称な分布をとることが多い。そこで、本発明
者は、能率的かつ高精度の２次元分布測定を目的として
、圧力が転写された感圧箔の微視的凹凸面に光を投射し
て全般的な光の輝度分布から２次元接触面圧分布を能率
的かつ高精度に測定する方法を提案した（特願平２−１
５９７５８号「接触面圧分布の測定方法」）。

（発明が解決しようとする課題）上記感圧箔による測定では、除荷後に負荷過程における
最高面圧分布の記録を取り出して計測し、接触面圧分布
の情報を得るものであり、界面に作用する繰り返し荷重
等の変動に応じた接触面圧やその分布状態を同時かつ連
続して測定する場合には、上述した従来技術は不向きで
あった。従って、負荷過程が一様でなく、面圧が中途で
減少するような状況では検出が困難であった。更に、各
負荷段階での接触面圧分布を測定するには複数枚の感圧
箔を使用することから、その間の微小な変化を検討する
場合には困難であった。従って、接触面圧分布を同時か
つ連続して測定する方法が望まれていた。

一方、摩擦機構の解明を目的として、摩擦下の挙動を光
学的に検出して、画像解析し、プリズムと物体の接触面
における光の明暗のコントラストから固体接触面の真実
接触面積を測定する接触面顕微鏡が開発されている〔理
化学研究所報告、第５２巻、第２号、ｐ４９−ｐ５４　
（１９７６）曽田、同好〕。第４図は、前記接触面顕微
鏡の測定原理図である。光源９０からの光は、レンズ９
１で平行光にされ、直角プリズム９２の内部を透過し、
試料９３とプリズムとの接触面９４に当たり反射して対
物レンズ９５に入る。試料面の像は、ミラーの操作によ
り接眼レンズ９６及びカメラ９７によって観測される。

負荷された試料とプリズムとの間隙が入射波長程度にな
ると光が全反射せず、光の一部が試料に透過吸収される
ため周囲に比べて暗い像として認識される。前記明暗か
らなる像をカメラの代わりに画像解析装置を設置して、
一定濃度以上の暗い部分の面積和とその独立個数を計測
して真の接触面積を測定する装置である。

しかし、この接触面顕微鏡は、プリズムの直角と対向す
る斜面で被測定物が接触するためピントの合う範囲が光
軸上のごく近くに限られる問題があった。そのため測定
面全体を測定するには、ピントを測定箇所毎に調整し直
すか、被測定物を移動させる必要があり、面内の同時計
測及び連続計測ができなかった。また照明系と観察系の
光軸が直角を成しているため、装置が大きくなり、しか
も光窓を２面に設けるためプリズムが大きな負荷に耐え
られないという問題があった。

従って、本発明の目的は、単調増加あるいは変動する荷
重を受ける被測定物が接触する接触面の全範囲にピント
が合い、この接触面の接触面圧を同時かつ連続的に測定
できる接触面圧分布測定方法の提供と、これに使用する
小型でかつ大きい負荷に耐えられる測定面圧測定用モジ
ュールを提供することにある。

（課題を解決するための手段）上記の課題は、直角プリズムの直角を成す第１の面に感
圧箔の凹凸面を当接させ、直角プリズムの直角を成す第
２の面から光を入射させて、眩光を直角プリズムの直角
に対向した第３の面で反射させ、次いで第１の面で反射
させ、更に第３の面で再反射させ、第２の面から反射光
を検出して凹凸面の輝度分布を測定し、光の輝度分布か
ら接触面圧分布を測定することを特徴とする接触面圧分
布の測定方法により達成される。

更に、本発明によれば、直角プリズムと該直角プリズム
を保持するプリズムホルダから成り、感圧箔の凹凸面が
直角プリズムの直角を成す第１の面に当接されており、
プリズムホルダは、第１の面以外の４つの面にほぼ当接
する凹部を有し、プリズムホルダは、更に直角プリズム
の直角を成す第２の面から光を入射できるように開口部
を有する、ことを特徴とする接触面圧分布測定用モジュ
ールが提供される。

更に、本発明によれば、感圧箔が塑性材料から成ること
を特徴とする接触面圧分布測定用モジュールが提供され
、又、感圧箔が弾性材料から成ることを特徴とする接触
面圧分布測定用モジュールが提供される。

（作用）上記感圧箔のような塑性または弾性変形を生じる制御さ
れた微視的凹凸面を有する材料に、硬質かつ平滑な平面
を有する材料が当接し、圧力による塑性変形が生じると
、その凹凸面は、凸部で平滑化する。この表面に本発明
による方法により光を投射すると、平滑化された接触面
は明るく、非接触面は暗く検出される。従って、その反
射光から得られた輝度分布のデータに基づいて画像処理
することにより接触面圧及びその分布を得ることができ
る。

更に、本発明による方法によれば、被測定物が接触する
接触面の全範囲にピントが合い、この接触面の接触面圧
を同時かつ連続的に測定することができる。

更に、本発明による接触面圧測定用モジュールによれば
、入射光と反射光を１軸上で処理できるので接触面圧分
布測定モジュールを小型化でき、かつ負荷を受けるプリ
ズムが光窓を１面だけに有するプリズムホルダーにより
保持されるため比較的大きい負荷に耐えることができる
。

塑性材料を用いた凹凸箔では単調増゛加する荷重に対し
て好適であり、しかも最高接触面圧が凹凸面の塑性変形
として記録されるので都合が良い。

また、弾性材料から成る凹凸箔を用いることにより、変
動荷重であってもその弾性力により測定ができ、凹凸箔
の繰り返し使用もできる。

（実施例）以下に、本発明の実施例を詳細に説明する。

第１図は、本発明の接触面圧分布測定用モジュールｌＯ
の正面断面図及び画像処理システム３０の構成図である
。また、第２図は前記モジュール１０の全体を示す模式
図である。このモジュール１０は直角を成す一辺の長さ
が２１．２　ｍｍのガラス製直角プリズム１２、前記プ
リズム１２を保持する縦３８ｍｍＸ横３８ｍｍＸ高さ３
０ｍｍのプリズムホルダ１４、そしてプリズム１２の側
面を支持し、径が８　ｍｍの観測用の窓を有する厚さ１
０ｍｍのプリズムホルダーの側面板１６で構成されてい
る。直角プリズム１２は、直角を成す第１の面に凹凸箔
１８の凹凸面が当接され、残る第２の面に窓を有するプ
リズムホルダの側面板１６が当接する。プリズム１２と
プリズムホルダ１４及び１６の各当接面にはテフロン薄
膜のスペーサー（図示せず）が設けられており、プリズ
ム１２の局所的な応力集中を避け、またプリズム斜面（
第３の面）での全反射を保障する役割を果たしている。

塑性変形を生じる凹凸筒１８は、プリズム１２との当接
面（第１の面）に微細凹凸形状（縞状Ｖ溝、溝角度４５
°、溝ピッチ４０μｍ、山の高さ２０μｍ）が形成され
ており、凹凸筒１８の反対側には硬質かつ平面を有する
ステンレス製の背面筒２０（厚さ２５μｍ）を介して、
径が５　ｍｍの銅棒試験片２２を挟んで圧力を印加する
。凹凸筒１８はプリズム１２と接触して凸部面積に変化
が生じる。この凹凸面に側面板１６の窓１７から照射光
を導入する共に、検出器で凸部面積の輝度の変化を検出
し、画像処理を行って接触面圧分布を求める。

以下に画像処理システム３０を説明する。変動する接触
面圧の大きさを反映した凹凸を有する凹凸筒１８に光源
３２（光ファイバー照明装置ＭＳＧ−１１００８■モリ
テックス製、直流安定化電源ＭＨＦ−５０Ｆ（同社製）
）からハーフミラ−３４で導入し、プリズム１２との界
面での反射光を得る。この反射光は入射光と同一の光路
を経て光学レンズ３６（モリテックス（製）ズームマク
ロレンズｆ　＝　５５〜１１０　ｍｍ倍率０．８〜４．
０倍）で１■ 結像する。この像をＣＣＤカメラ３８（ＳＯＮＹＸＣ７
７）で検出し、カメラインターフェイス４０　（チック
メイト製眼力）、Ａ／Ｄコンバータ４２を経てパーソナ
ルコンピュータ４４　（ＮＥＣＰ　Ｃ９８０１−ＲＡ２
）に取り込む。ここで必要な画像処理を施しカラーデイ
スプレィ４６またはカラープリンタ４８に出力する。画
像は、ディスクドライブ５０によって保存並びに読み込
みもできる。

尚、アナログモニター５２は試験片の位置決めや焦点合
わせのために用いる。

本システムでの画像の大きさはプリズムホルダの窓の大
きさによって制限され、実寸８　ｍｍ　Ｘ　８　＋ｎ＋
ｎ程度である。各画素の輝度は２５６レベルで認識され
得るが、画面上の表示は８階調（カラー）である。

操作の手順は、以下のように行う。まず、２階調の画像
出力を利用して光学系、照明の調整を行い視野内の輝度
の均一性をチエツクする。基準試験片（未処理感圧箔並
びに鏡面筒）の出力を測定し、上下端の輝度の設定を行
う。ある変形量あるいは荷重を与えた後、負荷をかけた
まま装置を停止し、８階調の画像入力を行う。

第３Ａ図、第３Ｂ図は直径５　ｍｍ、高さ７　ｍｍの円
柱形Ｃｕ試験片（円柱形の端面には直径１　ｍｍ、深さ
１　ｍｍの穴が７箇所に設けである）を用いて連続的に
同一の感圧箔を使用して負荷したときの接触面圧分布図
である。第３Ａ図の負荷は１００ｋｇｆ、第３Ｂ図の負
荷は２００　ｋｇｆである。円柱形の端面の穴の周辺に
は加工時の塑性変形による微妙な盛り上がり部分が見ら
れ、２段階の負荷により、第３Ａ図では、前記穴の回り
から接触が開始され、第３Ｂ図では、接触面圧分布の不
均一性を示しながら平均面圧が増大していく様子が定量
的に測定されている。このような段階的変化は同一の感
圧箔を用い、連続的な負荷状態で測定しなくては得られ
ず、本装置の有効性が示された。

（発明の効果）本発明による接触面圧測定方法によれば、単調増加ある
いは変動する荷重を受ける被測定物が接触する接触面の
全範囲にピントが合い、この接触面の接触面圧を同時か
つ連続的に測定することができる。

塑性材料を用いた凹凸筒では単調増加する荷重に対して
好適であり、しかも最高接触面圧が凹凸面の塑性変形と
して記録されるので都合が良い。

また、弾性材料から成る凹凸筒を用いることにより、変
動荷重であってもその弾性力により測定ができ、凹凸筒
の繰り返し使用もできる。

本発明によって、小型の接触面圧測定装置を提供でき、
しかも大負荷過程における同時連続測定が可能になるの
で種々の負荷装置の間に組み込み、面圧分布状態のデー
タを得ることができる。従って、塑性加工における接触
面圧の単調増加、あるいは変動等のデータが得られるの
で機械設計を行う場合の貴重な指針となる。

また、感圧箔に弾性体を用いれば負荷の増加及び減少過
程も測定できるのでこれまで得られなかった未知の情報
が得られることになった。更に、弾性体から成る感圧箔
によって繰り返し測定が可能となり、めんどうな手間が
不要となり、同一条件下で連続測定することができるの
で信頼度の高いデータが得られることとなった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を実施するための接触面圧分布測定用
モジュールの正面断面図及び画像処理システムの構成図
、第２図は、接触面圧分布測定用モジュールの全体を示す
模式図、第３Ａ図及び第３Ｂ図は、本発明を実施して得られた接
触面圧分布図、第４図は、従来の接触面顕微鏡の測定原理図であり、第５図は、感圧箔の断面構造を示す模式図であり、第６図は、接触圧力により圧力が転写された感圧箔の断
面模式図である。１０・・・接触面圧分布測定用モジュール、１２・・・
プリズム、１４・・・プリズムホルダ、１６・・・プリズムホルダーの側面板、１８・・・凹凸
筒、２０・・・背面筒、２２・・・試験片、３０・・・画像処理システム、３２・・・光源、３４・・・ハーフミラ− ３６１１・・レンズ、３８・・・ＣＣＤカメラ、４０・・・カメラインターフェイス、４２・・・Ａ／Ｄコンバータ、４４・・・パーソナルコンピュータ、４６・・・カラーデイスプレィ、４８・・・カラープリンター５０・・・ディスクドライブ、９０　・９１　争９２　・９３拳９５　・９６　・９７　・・アナログモニター・光源、・レンズ、・直角プリズム、・試料、・接触部、・対物レンズ、・レンズ、・カメラ。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）直角プリズムの直角を成す第１の面に感圧箔の凹
凸面を当接させ、直角プリズムの直角を成す第２の面から光を入射させて
、該光を直角プリズムの直角に対向した第３の面で反射
させ、次いで上記第１の面で反射させ、更に上記第３の
面で再反射させ、上記第２の面から上記反射光を検出し
て上記凹凸面の輝度分布を測定し、上記光の輝度分布から接触面圧分布を測定することを特
徴とする接触面圧分布の測定方法。
（２）直角プリズムと該直角プリズムを保持するプリズ
ムホルダから成り、感圧箔の凹凸面が上記直角プリズムの直角を成す第１の
面に当接されており、上記プリズムホルダは、上記第１の面以外の４つの面に
ほぼ当接する凹部を有し、上記プリズムホルダは、更に直角プリズムの直角を成す
第２の面から光を入射できるように開口部を有する、こ
とを特徴とする接触面圧分布測定用モジュール。
（３）上記感圧箔が塑性材料から成ることを特徴とする
請求項第（２）項に記載の接触面圧分布測定用モジュー
ル。
（４）上記感圧箔が弾性材料から成ることを特徴とする
請求項第（２）項に記載の接触面圧分布測定用モジュー
ル。