JPH0448232A - 接触面圧分布の測定方法 - Google Patents

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、固体と固体、固体と流体等の界面の接触圧力
及びその分布の測定方法に関し、特に、圧力により塑性
変形を生じる物体の接触面圧及びその分布を測定する方
法に関する。

（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性がある。

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部を開発し、特開昭６４−
３９５３３号に開示した。第１１図は、感圧部の厚さ方
向の断面模式図である。図示の感圧部は、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筒及
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１０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の分布を得るも
のである。

（発明が解決しようとする課題） これまで、上記接触率の測定では、工具顕微鏡を用いて
１本１本の台形列のプラトー幅（第１０図のａ部）を直
接計測してきたか、作業が膨大となるため、１次元の測
定にとどめるか、あるいは２次元の分布を得たい場合に
は、全体の界面のうちから部分的に計測して全体的な２
次元の分布をおおまかに把握していた。しかし、実際に
は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。従って、能率的かつ
高精度の２次元分布測定方法が望まれていた。

従来、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、河野〕。第９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９１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
プリズムとの接触部９４に当たり反射して対物レンズ９
５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識別される。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、上記の装置では局所的な接触部分の分布を測定
しているに過ぎず、接触部と非接触部の平均した接触面
圧の推定に対する情報は何ら与えられない。

第１０図は、感圧後の凹凸箔の厚さ方向の断面模式図で
ある。プラトーの領域は対向箔に接触して押しつぶされ
た部分であり、この部分の比率が接触率（Ｒ＝ａ／ｂ″
＝、ａ／ｂ′）である。プラト一部分は対向箔を介して
圧力が負荷された面であって鏡面化しており、非接触領
域（Ｖ溝部）は凹凸箔作成時のザラザラした面性状をそ
のまま維持している。従って、前記凹凸箔に光を斜め方
向から照射し、凹凸箔の正面に光検出部を設置して測定
すると、非接触部は乱反射して明るく、プラト一部分は
暗く検出される。この性質を利用して、個々のプラトー
の接触率を測定するのではなく、凹凸表面に反映される
光の輝度分布から接触率分布が求められることを見い出
した。

つまり、本発明は、圧力が転写された感圧部の微視的凹
凸表面の全般的な光の輝度分布から能率的かつ高精度な
２次元接触面圧分布測定方法を提供するものである。な
お、本発明は第９図に示した接触面顕微鏡とは異なり、
計測時にガラス面と試料面との接触を必ずしも必要とせ
ず、明暗創出原理は全く異なる。

（課題を解決するための手段） 上記の課題は、凹凸表面を有する塑性材料から成る感圧
部材の圧力が転写されて一部平滑化した凹凸表面に光を
照射し、上記照射した光の反射光を検出して上記凹凸表
面の光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
定方法によって解決することができる。

（作用） 上記感圧部のような塑性変形を生じる制御された微視的
凹凸表面を有する材料に、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しると、その凹
凸面は、凸部で平滑化する。

この表面に斜め方向から光を投射すると、凹凸面の正面
に設置した光学系では、平滑化された接触面（プラト一
部）は暗く、非接触面（谷部）は明るく検出される。こ
の輝度と接触率の関係を定量的に測定した結果を第２図
に示す。第２図は、アルミニウムの板材にピッチ０．０
４ｗでＶ型溝部を形成した表面に負荷して、この輝度を
測定した結果を示す。第２図から、接触率が低い状態で
は輝度は明るく、接触率が高くなるほど輝度は暗くなリ
、輝度と接触率はほぼ直線的に変化していることがわか
る。従って、上記実験で得られた第２図に示す輝度と凹
凸箔の接触率の関係及び第３図に示す接触面圧と凹凸箔
の接触率の関係をあらかじめコンピューターに入力して
おけば、圧力による塑性変形が生じた凹凸表面に光を投
射して、この反射光を検出し、上記実験データに基づい
て画像処理することにより輝度の分布を求め、この輝度
を変換して接触面圧及びその分布を得ることができる。

上記試料面に光を投射するその他の方法としては、同軸
落射照明で垂直に照明し、このとき接触部（プラト一部
）を明部、非接触部（谷部）を暗部として検出すること
も可能である。

（発明の効果） 本発明によれば、ＣＣＤカメラに市販のパソコンを連動
させ、検出光を画像処理して、感圧箔の凹凸表面に負荷
された接触圧力に比例した輝度を測定することができる
。従って、従来のような繁雑な手間がな（、測定に要す
る時間を大幅に縮小できるので、高能率かつ高精度の２
次元接触面圧分布測定が可能になった。

（実施例） 以下、添付図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明を実施するための画像処理システムの
構成図である。感圧箔等の既に圧力が転写された凹凸表
面を有する試験片１０に、棒状の蛍光灯１１．１１′を
用いて凹凸表面の平坦部に対して４５°の角度から左右
２灯で照射する。凹凸箔のＶ溝は、２個の蛍光灯と平行
になるように配置する。試験片からの反射光は、ＣＣＤ
カメラ（ＳＯＮＹ　ＸＣ−７７，４５關マクロレンズ使
用）１２で検出する。ＣＣＤカメラで検出した信号をＤ
Ａ変換処理するカメラインターフェイス（チックメイト
眼力）１３に導入し、この信号をパーソナルコンピュー
ター（ＮＥＣＰＣ９８０１−ＲＡ２）　１４とＡ／Ｄコ
ンバータ１５でつなぐ。アナログモニター（ＴＥＡＣＫ
１２−２０５０Ｔ）　１６は、試験片位置を決めるため
に使用する。ディスクドライブ１７の画像処理ソフトと
しては市販のチックメイト（ＧＮＲＫ−９８１ＶＭ）を
用いた。

６００Ｘ　３７８ドツトの画像がプリンター１８上では
２０３Ｘ１２０ｍｍ、　　１４インチ・デイスプレィ１
９上で２３９Ｘ　１４５ｍｍに表示されるが、本システ
ムの光学系では、これは実寸法１６．０　Ｘ　９．６　
ｎｕｎに相当し、倍率で１２．６倍（デイスプレー上で
は１５倍）となる。各画素の輝度は２５６レベルで認識
されうるが、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、照明系の調整
を行い、デイスプレィ内の輝度の均一性を確認する。基
準試験片の出力をチエツクする。

測定試験片の輝度の中央値及び上下端の設定を行う。８
階調の画像入力を行う。画像の保存・出力・ヒストグラ
ム作成等の操作を行う。

第４図は円柱の純アルミニウム試験片（ＡＩｌｏｏ−Ｈ
１高さ／直径＝　２．０　）を無潤滑で３０％単純圧縮
したときの工具／試験片界面の接触面圧ノア分布を感圧
箔の画像処理によって得た例である。第５図は、同一の
感圧箔を工具顕微鏡で第４図の直径ＡＡ’に沿って接触
率の分布を測定し、第３図を用いて得た接触面圧の１次
元分布図である。第４図は、第５図と基本的には一致し
た結果を示しているが、２次元分布か詳細に表されてお
り、情報量ははるかに多い。例えば、理想的な実験では
軸対称の接触面圧分布が発生すると考えられるが、実際
には非対称の偏りが生じている様子が明確に現れている
。この画像を取り込むのに必要な時間は約１５秒であっ
たが、システムを向上させればほぼ瞬間的に処理するこ
とも可能である。尚、第５図の接触面圧分布を積分して
得た垂直力と実測による圧縮荷重とはほぼ一致した。

更に、複雑かつ実際の塑性加工に近い例として、板材の
Ｕ字型の曲げ加工におけるパンチの丸み部分の接触面圧
分布測定を行った。この種の曲面に沿った接触面圧分布
測定は平面での測定より一般的に言ってはるかに困難な
ものである。第６図は、そのときの工具（Ａ）並びに試
験片の寸法形状（Ｂ）を示す。予備的な成形を行った後
、−旦、除荷して感圧箔を工具表面に固定し、仮押え力
２０００ｋｇ　ｆで再度負荷してわずかな付加的変形を
与えた。第７図は、工具顕微鏡で前記感圧筒の接触率分
布を測定し、試験片の長手方向の接触面圧分布として示
したものである。一般に板材は工具には板の剛性のため
に一様に巻き付くことは無く、工具丸みに沿って２ない
し３ケ所のピークを示す。この場合、パンチ荷重と接触
面圧のパンチ移動方向成分の和（左右一対）はほぼ一致
した。第８図は、第７図と同一の感圧筒を画像処理によ
り２次元の接触面圧分布を得た例である。板の長手方向
のピークの形態は第７図と同様であるが、板材の幅方向
の接触面圧の分布も同時に把握することができ、尚且つ
高能率である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の方法を実施するための画像処理シス
テム全体の構成図、及び感圧箔拡大断面における画像処
理の原理図であり、 第２図は、輝度と微視的凹凸を有する箔の負荷時の接触
率との関係を示す図であり、 第３図は、微視的表面凹凸を有する箔の負荷時の接触率
と接触面圧の関係を示す図であり、第４図は、画像処理
によって得た感圧筒の接触面圧分布（円柱の単純圧縮試
験）を示す図であり、第５図は、第４図と同一の測定例
を工具顕微鏡でデータ処理した結果を示す図であり、第
６図は、Ｕ曲げ成形における工具と試験片の寸法を示す
図であり、 第７図は、Ｕ曲げ成形におけるパンチ丸み部の子午線方
向接触面圧分布を工具顕微鏡により測定した結果を示す
図であり、 第８図は、第７図と同一の試験片を本発明により測定し
た接触面圧分布図であり、 第９図は、従来の接触面顕微鏡の測定原理図であり、 第１０図は、接触圧力により圧力が転写された感圧筒の
断面模式図であり、 第１Ｉ図は、感圧素子の断面構造を示す模式図である。 （符号の説明） １０゛・°試験片、１１．１１’−・蛍光灯、１２・・
・−ＣＣＤカメラ、１３−°−・・カメラインターフェ
イス、１４・・・・パーソナルコンピューター、１５　
゛Ａ　／　Ｄコンバータ、１６°゛°アナログモニター
　１７−ゾイスクドライブ、１８−プリンター、１９−
デイスプレィ、９０°゛光源、９１−　レンズ、９２−
直角プリズム、９３−°試料、９４°−接触部、９５対
物レンズ、９６−゛レンズ、９７−　カメラ。 第１図 拡大図 第２図 ２゜ ４゜ 接触率 ％ 第４図 第３図 接触面圧／　Ｉ［Ｐａ 第５図 直径ＡＡ 上の位置 （ｒｒｕｎ） 第６図 第８図 第７図 パンチ丸み部分の角度位置１０ 第９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 凹凸表面を有する塑性材料から成る感圧部材に圧力が転
   写されて一部平滑化した凹凸表面に光を照射し、 上記照射した光の反射光を検出して上記凹凸表面の光の
   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。