JPH07103881A

JPH07103881A - 摩擦測定装置

Info

Publication number: JPH07103881A
Application number: JP27118193A
Authority: JP
Inventors: Hidetoshi Honda; 秀利本多; Taketoshi Sato; 武俊佐藤
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1993-10-05
Filing date: 1993-10-05
Publication date: 1995-04-21

Abstract

(57)【要約】【目的】動摩擦係数だけでなく静止摩擦係数を高い精度
で測定することができる摩擦測定装置を提供する。【構成】摩擦測定装置は、接触面３１を備え、この接触
面３１と被測定物３０との間の静止摩擦係数及び動摩擦
係数を測定する摩擦測定装置であって、被測定物を動か
す速度を制御する速度制御機構１０を備えていることを
特徴とする。速度制御機構はリニアモータ機構から構成
することができる。摩擦測定装置には、被測定物の動き
を測定するための位置測定装置を備えていることが望ま
しい。また、被測定物として磁気記録テープを挙げるこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、動摩擦係数及び静止摩
擦係数を測定することができる摩擦測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ある技術分野においては、製品や部品の
設計や品質を決定するために、あるいは又、製品の特性
を保証する検査工程において、摩擦測定を行う必要があ
る。例えば、磁気記録テープは、走行中に各種ガイドロ
ーラと接触する。従って、磁気記録テープとガイドロー
ラとの間の摩擦係数を測定することは、磁気記録テープ
の設計、あるいは製品としての磁気記録テープの品質管
理において不可欠である。

【０００３】固定されたローラ状のガイドから成る接触
面を備え、そして接触面と被測定物との間の動摩擦係数
を測定する従来の摩擦測定装置においては、被測定物を
接触面に接触させた状態で被測定物を引っ張り、被測定
物を静止状態から一定速度とし、一定速度になった後の
被測定物を引っ張る力を測定して動摩擦係数を求める。
従来の摩擦測定装置においては、被測定物を動かす速度
は一定であり、変化させることができない。

【０００４】動摩擦係数の測定原理図を図７に示す。一
般に、動摩擦係数の測定はオイラー法にて行われる。図
７に示した系では、動摩擦係数μ’は、ｅｘｐ（μ’・θ）＝Ｆ’／Ｗ（１）で求めることができる。ここで、θは被測定物３０とロ
ーラ状のガイド（接触面３１）との接触角であり、通常
９０゜である。また、Ｆ’は測定された引っ張り力であ
り、Ｗは一定荷重のバックテンション（重り３２の質
量）である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような動摩擦係数
の測定における引っ張り力（Ｆ’）と時間（Ｔ）の関係
を図８に模式的に示す。動摩擦係数は、被測定物が静止
している状態から有限の時間をかけて被測定物が一定の
速度に達した後の引っ張り力（Ｆ’）を測定することに
よって求めることができる。静止摩擦係数は、被測定物
が動き出す瞬間の引っ張り力を求めることによって理論
的には求めることができる。しかしながら、被測定物が
動き出した直後の引っ張り力（Ｆ’）には髭状のパルス
が発生する。この髭状のパルスは静止摩擦係数を反映す
るものの、髭状のパルスの高さは、測定時の被測定物に
加わる加速度、測定回路の時定数等に依存する。そのた
め、この髭状のパルスから静止摩擦係数の値そのものを
得ることはできない。

【０００６】また、動摩擦係数の測定において、被測定
物が動き始めた直後に、引っ張り力（Ｆ’）が低下する
という現象が認められる。この現象は、被測定物が動き
出した瞬間に最大静止摩擦力から動摩擦力へ変化する過
渡的現象に起因する。このような過渡的現象のために、
被測定物を動かす速度を制御することができない従来の
摩擦測定装置においては、正確に動摩擦係数を測定でき
ないという問題がある。

【０００７】更には、静止摩擦係数が大きい場合、被測
定物を引っ張る際の急激な速度変化によって、被測定物
が破損する場合もある。

【０００８】走行中の磁気記録テープは、固定ガイドロ
ーラだけでなく、回転ガイドローラにも接触する。この
場合、磁気記録テープと回転ガイドローラとの間の相対
速度は０である。磁気記録テープに幅方向の張力が加わ
った場合、磁気記録テープは、回転ガイドローラの軸線
と平行に回転ガイドローラ上を移動する。このような状
況では、磁気記録テープと回転ガイドローラとの間の静
止摩擦が問題となる。ところが、従来の摩擦測定装置で
は、被測定物が動き出す瞬間の引っ張り力（Ｆ’）には
髭状のパルスが発生し、被測定物の静止摩擦係数を正確
に測定できない。

【０００９】従って、本発明の目的は、動摩擦係数だけ
でなく静止摩擦係数を高い精度で測定することができる
摩擦測定装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明の摩擦測定装置は、接触面を備え、この接触
面と被測定物との間の静止摩擦係数及び動摩擦係数を測
定する摩擦測定装置であって、被測定物を動かす速度を
制御する速度制御機構を備えていることを特徴とする。
速度制御機構はリニアモータ機構から構成することがで
きる。摩擦測定装置には、被測定物の動きを測定するた
めの位置測定装置を備えていることが望ましい。また、
被測定物として磁気記録テープを挙げることができる。

【００１１】

【作用】本発明の摩擦測定装置においては、被測定物を
動かす速度を制御する速度制御機構を備えているので、
被測定物を動かす速度を最適化することによって、引っ
張り力（Ｆ’）に髭状のパルスが発生することを防ぐこ
とができ、しかも被測定物が動き出す瞬間に被測定物に
加えられた力を正確に測定できるので、正確な静止摩擦
係数及び動摩擦係数の測定を行うことが可能になる。

【００１２】また、速度制御機構としてリニアモータ機
構を採用することによって、速度可変範囲が広くしかも
応答性に優れ、起動トルクが大きく、被測定物が動き出
す瞬間に被測定物に加えられた力を求めることができる
速度制御機構を得ることができる。

【００１３】

【実施例】以下、図面を参照して、実施例に基づき本発
明の摩擦測定装置を説明する。

【００１４】図１に本発明の摩擦測定装置の概要を示
す。摩擦測定装置は、被測定物を動かす速度を制御する
速度制御機構を備えている。具体的には、本発明の摩擦
測定装置における速度制御機構としては、速度可変範囲
が広くしかも応答性に優れ、起動トルクが大きいリニア
モータ機構１０を使用した。このリニアモータ機構１０
によって、例えば磁気記録テープ等の被測定物３０は、
図１の矢印の方向に引っ張られ移動させられる。

【００１５】摩擦測定装置には、更に、引っ張り力
（Ｆ’）を検出するための検出器２０、被測定物３０と
接触するローラ状の接触面３１、検出器２０からの信号
を増幅する増幅器４０、信号処理を行う小型コンピュー
タ４１、測定結果を表示する表示装置４２、信号処理を
行った結果に基づき最適な条件でリニアモータ機構１０
を動かすための電力制御装置４３、リニアモータ機構１
０の移動状態をモニターするための位置測定装置が備え
られている。検出器２０はリニアモータ機構１０に取り
付けられている。被測定物３０の一端は検出器２０に取
り付けられる。また、被測定物３０の他端には質量Ｗの
重り３２が取り付けられる。被測定物３０と接触面３１
との間の静止摩擦係数及び動摩擦係数を測定する。接触
面３１は、具体的には、直径６ｍｍのＳＵＳ３０４から
成る固定された丸棒から構成されている。

【００１６】図２に、実施例にて使用したリニアモータ
機構１０を模式的に示す。リニアモータ機構１０は、磁
石１１、コイル１２、保持部１３、ヨーク１４から構成
されている。使用した磁石１１は、０．３Ｔの磁界を有
する稀土類の永久磁石であり、図２に矢印で示すような
磁束がヨーク１４を介して形成される。ヨーク１４間に
は保持部１３が配置され、保持部１３にはコイル１２が
取り付けられている。コイル１２に対して、図２に矢印
で示した方向の電流を流すと、コイル１２は図２の左手
方向に移動する。コイル１２の巻き数を２００ターン、
コイル１２を流れる電流を１Ａとした場合、コイル１２
に発生する力は６０Ｎにも達し、保持部１３、コイル１
２及び検出器２０の合計質量を２００ｇ、重り３２の質
量を１０ｇとした場合に発生する加速度は３００ｍ／ｓ
²にもなる。

【００１７】引っ張り力（Ｆ’）を検出するための検出
器２０が保持部１３に取り付けられている。検出器２０
には、市販の圧電素子を利用した力センサーを使用し
た。具体的には、新光製作所製のＵ−ＧＡＧＥＵＴ−
５００を使用した。

【００１８】位置測定装置は保持部１３等の位置を測定
できるならば如何なる機構でもよいが、実施例では、レ
ーザダイオード１５、コリメータ１６、フォトダイオー
ド１７、アパーチャ１８及び反射板１９から構成した。
反射板１９はリニアモータ機構１０の外部に固定されて
いる。位置測定装置のその他の構成部品は、保持部１３
に取り付けられている。図３に模式的に示すように、レ
ーザダイオード１５から射出されたレーザ光をコリメー
タ１６で平行光にした後、アパーチャ１８によって６０
μｍφに規制し、かかるレーザ光で固定された反射板１
９を照射する。反射板１９には、幅６０μｍの光反射部
と幅６０μｍの光吸収部が交互に配列されている。反射
板１９の光反射部で反射された光をフォトダイオード１
７で受光する。フォトダイオード１７の出力を計測する
ことによって、保持部１３の位置や動き、更にはこの位
置測定に基づき移動速度を知ることができる。

【００１９】引っ張り力（Ｆ’）に相当する検出器２０
からの信号を増幅する増幅器４０は、出来るだけ測定の
際の信号波形の歪みが少なく、しかも応答性に優れたも
のを使用する必要があるが、現在市販されている通常の
低オフセットオペレーショナルアンプリファイアーでも
リニアモータ機構１０の動きに比べれば十分な応答性を
有している。増幅器４０として、ＰＭＩ社製のＯＰ７７
を使用した。

【００２０】増幅器４０によって増幅されたアナログ信
号を、分解能１２ビット、５μ秒のアナログデジタル変
換器（図示せず）を使用してデジタル信号に変換し、小
型コンピュータ４１に入力する。小型コンピュータ４１
では、データ処理ルーチンに基づき、信号の解析を行
う。データ処理ルーチンでは、入力されたデジタル信号
を任意の時間当りで積分を行い、信号の値の平均化を行
うこともできる。また、位置測定装置と組み合わせるこ
とにより、走行中の被測定物の速度を求めることがで
き、速度制御と摩擦測定のための基礎データを得ること
ができる。小型コンピュータ４１の出力の一部は表示装
置４２に送られて表示されると同時にプリンター（図示
せず）に出力される。

【００２１】リニアモータ機構１０の速度を制御するた
めの速度制御用信号が、小型コンピュータ４１からリニ
アモータ機構を動かすための電力制御装置４３に送られ
る。電力制御装置４３では、速度制御用信号に基づき、
デジタルアナログ変換法として一般に用いられているＰ
ＷＭ（パルス幅変調方式）を用いて、コイル１２に流す
電流の制御を行う。

【００２２】本発明の摩擦測定装置を用いた静止摩擦係
数及び動摩擦係数の測定方法を以下説明する。

【００２３】磁気記録テープである被測定物３０の一端
を検出器２０に取り付け、他端には重り３２を取り付け
る。被測定物３０と接触面３１とを接触状態にする。そ
して、コイル１２に所定の直流電流を流してリニアモー
タ機構１０を駆動し、被測定物３０を引っ張り始める。
しかしながら、被測定物３０と接触面３１との間の最大
静止摩擦力Ｆ_STATICが、リニアモータ機構１０によって
被測定物３０に与えられる力Ｆより大きい間は、保持部
１３は静止したままである。即ち、被測定物３０は静止
したままである。リニアモータ機構１０によって被測定
物３０に与えられる力Ｆは、コイル１２に流れる直流電
流値Ｉに比例する。この状態においては、ｃ₁、ｃ₂を定
数、μを静止摩擦係数とすれば、Ｆ＝ｃ₁Ｉ＜Ｆ_STATIC＝ｃ₂μ である。

【００２４】コイル１２に流れる直流電流値Ｉを、例え
ば直線的にＩmaxまで増加させていく。すると、ある直
流電流値Ｉ_S（≦Ｉmax）となった時点で、リニアモータ
機構１０によって被測定物３０に与えられる力ＦはＦ_S
（＝ｃ₁Ｉ_S）となり、Ｆ_S＞Ｆ_STATICを満たした瞬間に
保持部１３が動き始める。即ち、被測定物３０が動き始
める。保持部１３が動き始める瞬間は、位置測定装置に
よって検出することができる。コイル１２に流れる直流
電流値Ｉの時間変化を図４の（Ａ）に示す。

【００２５】即ち、予め、定数ｃ₁、ｃ₂の値を求めてお
けば、位置測定装置によって検出された保持部１３が動
き始める瞬間における直流電流値Ｉ_Sを検出することに
よって、静止摩擦係数μの値を求めることができる。

【００２６】保持部１３が動き始めると、直流電流値Ｉ
は、一瞬Ｉmaxを越えるが、直ちに一定値（Ｉmax）とな
る。摩擦測定装置にも依るが、電流値Ｉmaxにおいてリ
ニアモータ機構１０が等速運動となるように（即ち、系
が平衡状態となるように）摩擦測定装置を設計すること
が、動摩擦係数の測定上望ましい。しかしながら、電流
値Ｉmaxにおいてリニアモータ機構１０が等加速度運動
になってもよい。

【００２７】検出器２０によって検出された引っ張り力
（Ｆ’）の時間変化を図４の（Ｂ）に示す。引っ張り力
（Ｆ’）が平衡になったときの値Ｆ’_Kを求めれば、先
に述べた式（１）から動摩擦係数μ’を求めることがで
きる。

【００２８】実際には、先ず、直流電流値Ｉmaxの値を
大きめの適当な値Ｉmax_{_1}に設定して、Ｉ_{S_1}及びＦ’
_{K_1}を測定し、これらの値から静止摩擦係数μ₁及び動摩
擦係数μ’₁を求める。このときのコイル１２に流れる
直流電流値Ｉの時間変化、及び検出器２０によって検出
された引っ張り力（Ｆ’）の時間変化を図５の（Ａ）に
示す。

【００２９】直流電流値Ｉmax_{_1}が大き過ぎる場合、図
５の（Ａ）に示すように、被測定物が一定速度で移動し
始めた直後に、引っ張り力（Ｆ’）に髭状のパルスが発
生し、その後引っ張り力（Ｆ’）が低下し、次いで、引
っ張り力（Ｆ’）の値が安定するという現象が認められ
る。この現象は、被測定物３０に加えられた力（Ｆ’）
が大き過ぎること、及び、そのために被測定物が動き出
した瞬間に最大静止摩擦力から動摩擦力へ変化する過渡
的現象が大き過ぎることに起因する。

【００３０】次に、直流電流値Ｉmaxの値をＩmax_{_1}より
小さい適当な値Ｉmax_{_2}に設定して、Ｉ_{S_2}及びＦ’_{K_2}
を測定し、これらの値から静止摩擦係数μ₂及び動摩擦
係数μ’₂を求める。このときの直流電流値Ｉの時間変
化、及び引っ張り力（Ｆ’）の時間変化を図５の（Ｂ）
に示す。

【００３１】直流電流値Ｉmax_{_2}がＩmax_{_1}より小さいの
で、図５の（Ｂ）に示すように、被測定物が一定速度で
移動し始めた直後に、引っ張り力（Ｆ’）に発生する髭
状のパルスは小さくなる。また、その後に生じる張り力
（Ｆ’）の低下も少なくなる。理論的には、式（１）に
示すように、被測定物３０の移動速度に拘らず動摩擦係
数μ’は一定になるが、実際には、被測定物３０の移動
速度が遅くなるに従って、動摩擦係数μ’は減少する。

【００３２】更に、直洛電流値Ｉmaxの値をＩmax_{_2}より
小さい適当な値Ｉmax_{_3}に設定して、Ｉ_{S_3}及びＦ’_{K_3}
を測定し、これらの値から静止摩擦係数μ₃及び動摩擦
係数μ’₃を求める。この操作を繰り返し、引っ張り力
（Ｆ’）の時間変化を調べ、図４の（Ａ）に示すよう
に、引っ張り力（Ｆ’）に髭状のパルスが発生せず、且
つ動摩擦係数（μ’_N-1−μ’_N）の値がほぼ０となるよ
うな、Ｉmax_{_N}を求める。尚、添字Ｎは今回の測定を意
味し、Ｎ−１は前回の測定を意味する。このときの静止
摩擦係数μ及び動摩擦係数μ’の値が、最も正確な静止
摩擦係数μ及び動摩擦係数μ’の値である。尚、動摩擦
係数（μ’_N-1−μ’_N）の値が負になった場合には、直
流電流値Ｉmaxの値をＩmax_{_N}より大きな適当な値Ｉmax
_{_N+1}に設定して、Ｉ_{S_N+1}及びＦ’_{K_N+1}を測定し、これ
らの値から静止摩擦係数μ_N+1及び動摩擦係数μ’_N+1を
求める。

【００３３】コイル１２に流れる直流電流値Ｉの時間に
対する変化量（ｄＩ／ｄｔ）を電力制御装置４３にて制
御すれば、即ち、ｄＩ／ｄｔを最適化することによっ
て、高い精度でコイルに流れる直流電流値Ｉ_Sを求める
ことができる。

【００３４】本発明の摩擦測定装置、及び被測定物を動
かす速度を制御することができず一定速度で被測定物を
動かす機構のみを備えている従来の摩擦測定装置を用い
て、磁気記録テープの静止摩擦係数及び動摩擦係数を測
定した。その結果を図６に示す。尚、従来の摩擦測定装
置を用いて測定した静止摩擦係数は、髭状のパルスから
求めた値であり、参考値である。

【００３５】また、磁気記録テープのジッターの出現頻
度を測定した。ジッターの測定には、ソニー株式会社製
８ｍｍビデオテープレコーダーＣＣＤ−ＴＲ７０５を用
いた。ジッターは、このビデオテープレコーダーからの
再生出力を目黒電波測器社製ＭＫ−６１１Ａに入力し
て、「Jitter Out」の出力が５０秒間で０．１Ｖを越え
る頻度を測定することによって得た。一般に、磁気記録
テープの摩擦係数が高いほど、ガイドローラとの間の磁
気記録テープの動きが滑らかでなくなり、磁気記録テー
プからの再生出力に不要なピークが出現する。即ち、ジ
ッターの出現頻度が高くなる。

【００３６】動摩擦係数とジッター測定結果の相関関係
を調べた。本発明の摩擦測定装置においては、相関係数
ｒ＝０．９３であった。一方、従来の摩擦測定装置にお
いては、相関係数ｒ＝０．７０であった。また、本発明
の摩擦測定装置において求められた静止摩擦係数とジッ
ター測定結果の相関関係を調べた。相関係数ｒ＝０．９
９であった。この結果から、本発明の摩擦測定装置にお
いては、静止摩擦係数及び動摩擦係数とジッター測定結
果の間に極めて良い相関関係がある。即ち、本発明の摩
擦測定装置で測定された磁気記録テープの静止摩擦係数
及び動摩擦係数が小さいほど、ジッターも少なくなる。

【００３７】以上、本発明の摩擦測定装置を好ましい実
施例に基づき説明したが、本発明はこの実施例に限定さ
れるものではない。速度制御機構は、リニアモータ機構
１０に限定されず、例えば通常の回転モータの回転運動
を直線運動に変換し得る機構を有し、速度や加速度を正
確に制御し得るものであれば、如何なる速度制御機構を
も用いることができる。例えば、カムシャフト機構や、
ラックピニオン機構を例示することができる。位置測定
装置も、反射板の代わりに溝を検出する形式、あるいは
又、帯電方式やレーザ変位測定器を用いることができ
る。また、保持部１３の位置を測定する代わりに、重り
３２の動きを検出してもよい。

【００３８】引っ張り力（Ｆ’）を検出するための検出
器２０が引っ張り力（Ｆ’）を検出した瞬間にコイル１
２を流れる直流電流値を測定すれば、このときの直流電
流値がＩ_Sに相当する。従って、位置測定装置を備えて
いなくとも、静止摩擦係数μを求めることが可能であ
る。

【００３９】引っ張り力（Ｆ’）に相当する検出器２０
からの信号をデジタル信号に変換する必要は必ずしもな
い。例えば、増幅器４０及び小型コンピュータ４１を、
電圧制御型のフィルター回路を組み込んだ一般的なアナ
ログ制御回路で代替することができる。電力制御装置４
３も、速度制御機構の速度や加速度を正確に制御し得る
装置であれば如何なる装置も用いることができる。

【００４０】被測定物は磁気記録テープに限定されず、
如何なるものであってもよい。動摩擦係数の測定原理は
オイラー法に限定されない。例えば、接触面を板状と
し、かかる接触面上に被測定物を置き、被測定物と接触
面との間の静止摩擦係数及び動摩擦係数を測定すること
もできる。この場合、板状の接触面を水平に設置しても
よいし、場合によっては傾斜させて配置してもよい。

【００４１】

【発明の効果】本発明の摩擦測定装置によれば、従来の
摩擦測定装置と比較して、動摩擦係数だけでなく静止摩
擦係数を高い精度で測定することができる。本発明の摩
擦測定装置における静止摩擦係数及び動摩擦係数の測定
方法は、従来の摩擦測定装置における測定方法と比較し
ても、何等複雑になることはない。従って、従来の摩擦
測定装置を用いた場合と同等の簡単な測定にて静止摩擦
係数及び動摩擦係数を求めることができる。それ故、非
常に高い効率で、摩擦係数が品質を決定するような製品
や部品の検査・開発を行うことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の摩擦測定装置の概要を示す図である。

【図２】駆動装置の詳細を示す模式的な図である。

【図３】位置測定装置を示す模式的な図である。

【図４】リニアモータ機構のコイル１２に流れる直流電
流値Ｉの時間変化、及び検出器によって検出された引っ
張り力（Ｆ’）の時間変化を示す図である。

【図５】図４とは別の、リニアモータ機構のコイル１２
に流れる直流電流値Ｉの時間変化、及び検出器によって
検出された引っ張り力（Ｆ’）の時間変化を示す図であ
る。

【図６】本発明の摩擦測定装置、及び従来の摩擦測定装
置を用いて、磁気記録テープの静止摩擦係数及び動摩擦
係数を測定した結果である。

【図７】動摩擦係数の測定原理を説明する図である。

【図８】従来の摩擦測定装置を用いた動摩擦係数の測定
における、引っ張り力（Ｆ’）と時間（Ｔ）の関係を示
す図である。

【符号の説明】

１０リニアモータ機構１１磁石１２コイル１３保持部１４ヨーク１５レーザダイオード１６コリメータ１７フォトダイオード１８アパーチャ１９反射板２０検出器３０被測定物３１接触面３２重り４０増幅器４１小型コンピュータ４２表示装置４３電力制御装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】接触面を備え、該接触面と被測定物との間
の静止摩擦係数及び動摩擦係数を測定する摩擦測定装置
であって、被測定物を動かす速度を制御する速度制御機
構を備えていることを特徴とする摩擦測定装置。
【請求項２】速度制御機構はリニアモータ機構から成る
ことを特徴とする請求項１に記載の摩擦測定装置。
【請求項３】被測定物の動きを測定するための位置測定
装置を備えていることを特徴とする請求項１又は請求項
２に記載の摩擦測定装置。
【請求項４】被測定物は磁気記録テープであることを特
徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の
摩擦測定装置。