JPH0833331B2

JPH0833331B2 - 接触面圧分布の測定方法

Info

Publication number: JPH0833331B2
Application number: JP2159458A
Authority: JP
Inventors: 浩池
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 1990-06-18
Filing date: 1990-06-18
Publication date: 1996-03-29
Anticipated expiration: 2011-03-29
Also published as: JPH0448232A

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箔を開発し、特開昭64−3953
3号に開示した。第11図は、感圧箔の圧さ方向の断面模
式図である。図示の感圧箔は、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
接計測してきたが、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適な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乖離した不均一か
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 p−49−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。プラトー部分は対向箔を解して圧力が負
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、プラトー部分は暗く検出
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箔の微視的
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）上記感圧箔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じると、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（プラトー部）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0.04mm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り、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（プラトー
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く、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を詳細に説明する。

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（S
ONY XC−77.45mm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DA変換処理するカメラインター
フェイス（テックメイト眼力）13に導入し、この信号を
パーソナルコンピューター（NEC PC9801−RA2）14とA/D
コンバータ15でつなぐ。アナログモニター（TEAC K12−
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テッ
クメイト（GNRK−981VM）を用いた。600×378ドットの
画像がプリンター18上では203×120mm、14インチ・ディ
スプレイ19上で239×145mmに表示されるが、本システム
の光学系では、これは実寸法16.0×9.6mmに相当し、倍
率で12.6倍（ディスプレー上では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、ディスプレイ内の輝度の均一性を確認する。
基準試験片の出力をチェックする。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（A1100−Ｈ、
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次元分布が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、一旦、除荷して感圧箔を工具表面に固定し、板押え
力2000kgf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箔の接触率分布を
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図と同一の感圧箔を画像処理により
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箔の接触面圧分布
（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箔の断
面模式図であり、第11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……ディスクドライブ、18……プリンター、
19……ディスプレイ、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。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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、上記照射した光の上記凹凸の未平滑部分からの反射光を
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。