JP4200216B2 - 摩擦試験装置及び摩擦試験方法 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦試験装置及び摩擦試験方法にかかり、特に、慣性力または慣性モーメントを用いて摩擦力等の摩擦に関する物理量を検出する摩擦試験装置及び摩擦試験方法に関する。

従来より、直動軸受のガイド部に支持された可動部を力センサに衝突させ、その間の速度変化から力センサに作用した真の力を推定することで、力センサの衝撃応答の評価を行なう評価装置が知られている（特許文献１）。

また、一対の回転ドラムに懸架された無端ベルトの外面に試料ホルダに保持された試料を押し当てて無端ベルトを回転させ、ロードセル等の力センサを用いて試料ホルダに作用する力を検出して、摩擦状態を検出する方法が知られている（特許文献２）。

そして、リニアモータにより駆動されるスライダに第１の試料を固定すると共に第１の試料の上に第２の試料を載置し、第２の試料の上に錘を載置した状態で、リニアモータを駆動させ、リニアモータのモータ電流値とリニアモータの推力定数から推力を求め、この推力を静摩擦力とする摩擦力測定装置が知られている（特許文献３）。この摩擦力測定装置では、リニアモータを定速で駆動し、リニアモータの電流−推力特性からモータ電流値に応じた推力を求め、この推力を動摩擦力としている。また、リニアエンコーダによりスライダの移動量を検出している。
特開２０００−２８３８７３号公報 特開２００１−１７４４００号公報 特開平１０−６２２７３号公報

しかしながら、特許文献１の技術は力センサの衝撃応答の評価装置に関するものであり、特許文献２の技術については、静的な力に対する力センサの検出出力の較正手法(静的較正法)については確立されているが、力センサに動的な力が作用した場合には、力の変化に対する検出出力の応答遅れ等の現象を生じ、力センサの検出出力を静的較正法で較正しても、動的な力を正確に計測することはできない。従って、被測定物（試料）間に作用する摩擦力が変化した場合には、その摩擦力を力センサで計測しても、計測精度を確保できず、被測定物間の摩擦特性を示す物理量を正確に検出することが困難である、という問題があった。

そして、特許文献３の技術では、動摩擦力を計測するためには、予めリニアモータの電流−推力特性を求めておく必要があると共に、細長い形状のリニアモータやリニアスライダを用いているため、ずれやゆがみが生じ易く、個精度良くが摩擦力を検出するのが困難である、という問題があった。

本発明は、上記問題点を解消するためになされたもので、力センサを用いることなく被測定物間の摩擦特性を示す摩擦力等の摩擦に関する物理量を動的な状態でも正確に検出することができる摩擦試験装置及び摩擦試験方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の摩擦試験装置は、ガイド部に沿って移動可能に該ガイド部に取付けられると共に第１の被測定物が取り付け可能な可動部と、前記可動部に取り付けられた前記第１の被測定物に押圧される第２の被測定物を取り付けるための取り付け部材と、前記可動部に固定された反射部材及び該反射部材に光を入射させる光源を備え、前記可動部に取付けられた第１の被測定物と前記取り付け部材に取付けられた第２の被測定物とを押圧させた状態で、前記反射部材、前記可動部、及び前記第１の被測定物を一体とした物体が前記第２の被測定物に対して相対移動したときの該反射部材からの反射光の状態変化を検出する光波干渉計と、前記光波干渉計で検出された反射光の状態変化に基づいて、前記物体の変位速度を検出し、検出した前記変位速度から前記物体の加速度を検出し、検出した前記加速度に基づいて検出される前記物体の慣性力を、前記第１の被測定物と前記第２の被測定物との間に作用する摩擦力として検出する物理量検出手段と、を含んで構成したものである。

本発明では、可動部に取付けられた第１の被測定物と取り付け部材に取付けられた第２の被測定物とを押圧させた状態で、反射部材、可動部、及び第１の被測定物を一体とした物体を第２の被測定物に対して相対移動させ、そのときの反射部材からの反射光の状態変化を光波干渉計で検出する。そして、光波干渉計で検出された反射光の状態変化に基づいて、物体の変位速度を検出し、検出した変位速度から物体の加速度を検出し、検出した加速度に基づいて検出される物体の慣性力を、第１の被測定物と第２の被測定物との間に作用する摩擦力として検出する。

ここで、反射部材、可動部、及び第１の被測定物を一体とした物体を第２の被測定物に対して相対移動させると、第１の被測定物から第２の被測定物に作用する力と第２の被測定物から第１の被測定物に作用する力とは、作用・反作用の法則により、大きさが等しい逆向きの力になる。そして、ガイド部と可動部との間に作用する内部摩擦力及び空気抵抗等の外力が無視できる条件下では、上記物体の慣性力は、２つの被測定物間に作用する摩擦力と等しい大きさになる。このため、慣性力を検出することにより、第１の被測定物と第２の被測定物との間に作用する摩擦に関する物理量としての摩擦力を高精度に検出することができる。

この物体の慣性力は、物体の質量と加速度との積に等しいので、物体の変位速度を光波干渉計により検出し、検出した変位速度を微分すれば物体の加速度を正確に検出することができ、この加速度と物体の質量とから物体の慣性力を正確に検出することができる。

本発明では、摩擦に関する物理量として、第１の被測定物と第２の被測定物との間に作用する摩擦力の他、物体の基準位置を基準とした変位を検出することができる。光波干渉計で検出した物体の変位速度を積分することにより物体の変位を検出するようにすれば、物体の変位を計測する計測手段を別途設ける必要がなくなるので、コスト的にも有利になる。

本発明によれば、力センサを用いていないので、変動する摩擦に関する物理量の計測精度を力センサを用いた従来方法に比較し飛躍的に向上させることができる。

本発明の可動部は、その運動が１自由度に制限されるように、静圧空気直動軸受や磁気直動軸受等の直動軸受で支持することが望ましい。静圧空気直動軸受は、高い運動精度（運動軸以外の５軸に関する高い安定性）と小さな摩擦という２つの大きな特徴を有している。この２つの特徴を持つ静圧空気直動軸受を用いれば、物体に作用する摩擦力を極力小さくして物体の慣性力と被測定物間に作用する摩擦力との偏差を極めて小さな値に減少できると共に、２つの被測定物の相対運動の精度（摩擦測定を高精度に行うためには、２つの被測定物の相対運動の幾何学的精度も、非常に重要である。）を高めることが可能となり、計測精度を向上することができる。

本発明では、前記第２の被測定物に作用する押圧力を検出する押圧力検出手段を更に設け、前記物理量検出手段によって、摩擦力を検出すると共に、前記押圧力検出手段によって検出された押圧力に対する前記第１の被測定物と前記第２の被測定物との間に作用する摩擦力の比で表される摩擦係数を検出するようにしてもよい。

この場合、ガイド部等で構成した可動軸を測定したい摩擦力の主成分の方向に対して垂直に設置した直動軸受機構を設けて可動軸に第2の被被測定物を取り付け、測定したい摩擦力の主成分の方向に対して垂直の方向の力成分を光波干渉計で検出することにより、摩擦力の主成分と垂直な成分の測定を、力センサを用いることなく、高精度に行うことが可能になる。

本発明では、可動部及び光波干渉計を含む計測ユニットを一対設けて摩擦試験装置を以下のように構成することができる。すなわち、第１のガイド部に沿って移動可能に該第１のガイド部に取付けられると共に第１の被測定物が取り付け可能な第１の可動部と、前記第１のガイド部に対して並列配置された第２のガイド部に沿って移動可能に該第２のガイド部に取付けられると共に前記第１の被測定物に押圧される第２の被測定物が取り付け可能な第２の可動部と、前記第１の可動部に固定された第１の反射部材及び該第１の反射部材に光を入射させる第１の光源を備え、前記第１の可動部に取付けられた第１の被測定物と前記第２の可動部に取付けられた第２の被測定物とを押圧させた状態で、前記第１の反射部材、前記第１の可動部、及び前記第１の被測定物を一体とした第１の物体が前記第２の被測定物に対して相対移動したときの該第１の反射部材からの反射光の状態変化を検出する第１の光波干渉計と、前記第２の可動部に固定された第２の反射部材及び該第２の反射部材に光を入射させる第２の光源を備え、前記第１の可動部に取付けられた第１の被測定物と前記第２の可動部に取付けられた第２の被測定物とを押圧させた状態で、前記第２の反射部材、前記第２の可動部、及び前記第２の被測定物を一体とした第２の物体が前記第１の被測定物に対して相対移動したときの該第２の反射部材からの反射光の状態変化を検出する第２の光波干渉計と、前記第１の光波干渉計及び前記第２の光波干渉計の少なくとも一方で検出された反射光の状態変化に基づいて、前記第１の物体及び前記第２の物体の少なくとも一方の物体の変位速度を検出し、検出した前記変位速度から前記物体の加速度を検出し、検出した前記加速度に基づいて検出される前記物体の慣性力を、前記第１の被測定物と前記第２の被測定物との間に作用する摩擦力として検出する物理量検出手段と、を含んで構成することができる。

この場合、前記第２の可動部に該第２の可動部に対して移動可能な第３の可動部を設け、前記第２の可動部に該第３の可動部を介して前記第２の被測定物を取り付けることもできる。

また、本発明の摩擦試験方法は、上記の摩擦試験装置を用いた摩擦試験方法であって、ガイド部に沿って移動可能に設けられた錘体に第１の被測定物を取付けると共に前記錘体に取り付けられた第１の被測定物に第２の被測定物を押圧し、第１の被測定物に第２の被測定物を押圧した状態で前記第１の被測定物及び前記錘体を一体とした物体を移動させ、該物体を移動させたときの該物体の慣性力を、前記第１の被測定物と前記第２の被測定物との間に作用する摩擦力として検出するようにしたものである。

以上説明したように本発明の摩擦試験装置によれば、力センサを用いることなく摩擦力を検出しているので、被測定物間の摩擦特性を示す摩擦力を動的な状態でも正確に検出することができる、という効果が得られる。

また、本発明の摩擦試験方法によれば、物体の慣性力に基づいて摩擦力を検出しているので、摩擦力を動的な状態でも正確に検出することができる、という効果が得られる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１に示すように、本発明の第１の実施の形態には、金属板等の第１の被測定物２１を取付けるための直動軸受１０、及び光波干渉計１２を備えた計測ユニットが設けられている。直動軸受１０は、摩擦抵抗の小さい直動静圧空気軸受で構成されており、直動静圧空気軸受としては、例えば、ＮＴＮ株式会社製のエアスライド(登録商標)を使用することができる。

直動軸受１０には、水平方向を向くようにベース（図７参照）に固定された直線状のガイド部１０Ｂと、ガイド部１０Ｂに沿って移動可能にガイド部１０Ｂに取付けられると共に錘体の一部として機能するブロック状の可動部１０Ｃとが設けられている。可動部１０Ｃには、貫通孔が穿設されており、図２に示すように、ガイド部１０Ｂはこの貫通孔を貫通して設けられている。この貫通孔の内周面とガイド部１０Ｂの外周面との間には、ガイド部１０Ｂの外周面全周に亘って圧縮空気層（約５〜１０μｍ）が形成されてている。これにより、可動部１０Ｃは、極めて小さい摩擦抵抗でガイド部１０Ｂの長さ方向に直進運動することが可能である。なお、図示を省略したが、圧縮空気はガイド部１０Ｂの一端から導入されて、ガイド部１０Ｂの中央部に形成された出口から可動部１０Ｃの内周に形成された溝を介して可動部１０Ｃの中央部に形成された入口に導かれ、可動部１０Ｃの内部配管を介して上記間隙に供給される。可動部１０Ｃに給気チューブを介して圧縮空気を直接導入すれば、給気通路の構造は更に簡単になるが、本実施の形態では給気チューブからの外力が可動部１０Ｃに作用することを防止するため、ガイド部１０Ｂから圧縮空気を導入している。

また、可動部１０Ｃの上面１０Ａは、金属板等の第１の被測定物２１を取付け可能に構成されており、可動部１０Ｃの側面後方には、光波干渉計を構成するコーナ・キューブ・プリズム１０Ｄが光入出射側を後方に向けて固定されている。

ガイド部１０Ｂの端部に対向するようにベース１４が立設されており、ベース１４のガイド部１０Ｂ側の側面上方には、可動部１０Ｃが当接するゴムブロック等で構成された緩衝材１４Ａが固定されている。

ベース１４と可動部１０Ｃとの間の可動部１０Ｃに接近した位置に設定された基準位置には、基準位置で鉛直方向に沿った光路を形成するように、レーザダイオード１６Ａとフォトダイオード１６Ｂとで構成された基準位置センサ１６が配置されている。基準位置センサ１６のフォトダイオード１６Ｂは、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤコンバータ１８を介してパーソナルコンピュータ２０に接続されている。パーソナルコンピュータ２０には、後述する計測ルーチンのブログラムを記憶したＲＯＭ、計測された時系列データを記憶するハードディスク等で構成された記憶媒体、及び記憶した時系列データを表示するＬＣＤやＣＲＴ等で構成された表示装置が設けられている。

可動部１０Ｃの上方には、可動部１０Ｃに取り付けられた第１の被測定物２１に押圧される、例えばミニチュアカー等の第２の被測定物２２を取り付けるための取付け部材２４が設けられている。取付け部材２４は、第２の被測定物２２に対して鉛直方向に作用する押圧力（垂直力Ｆｎ）を検出する力センサ２６を介して摩擦試験装置のベースに上下方向に移動可能に取付けられている。

力センサ２６は、力センサ出力を増幅する増幅器２８及び増幅器から出力された電流値を検出するデジタルマルチメータ３０を介してパーソナルコンピュータ２０及びパーソナルコンピュータ２０に接続されたＤＡコンバータ３２に接続されている。デジタルマルチメータに代えて、電圧計（例えば、ＨＰ製３４５８Ａ）を使用してもよい。

光波干渉計１２は、ゼーマンタイプのヘリウムネオンレーザ等から構成された光源３２を備えており、この光源３２から出射された光は偏光ビームスプリッタ３４で測定光と参照光とに分光される。測定光は、可動部１０Ｃに固定されたたコーナ・キューブ・プリズム１０Ｄに入射され、コーナ・キューブ・プリズム１０Ｄで反転されて光路が１８０°変更され、再度偏光ビームスプリッタ３４に入射される。ここで、偏光ビームスプリッタ３４とコーナ・キューブ・プリズム１０Ｄとの間の光路の方向は、ガイド１０Ｂの長さ方向、すなわち可動部１０Ｃの移動方向と平行なるように設定されており、測定光は、コーナ・キューブ・プリズム１０Ｄで反転する際に、可動部１０Ｃのガイドに沿った変位速度に応じたドップラシフト(ドップラ効果による周波数変化または位相変化)を生じ、反射光の状態が変化する。

一方、参照光は偏光ビームスプリッタ３４から第２のコーナ・キューブ・プリズム３６方向に反射され、第２のコーナ・キューブ・プリズム３６で反転されて再度偏光ビームスプリッタ３４に入射され、偏光ビームスプリッタ３４で第１のコーナ・キューブ・プリズム１０Ｄからの反射光（信号光）と干渉し、信号光と参照光との周波数の差分の周波数のビートを生ずる干渉光が生じる。すなわち、信号光に生じた状態変化（信号光の周波数のドップラーシフト、または信号光の位相の変化）が、干渉により光波干渉計によって検出される。

干渉光は、偏光ビームスプリッタ３４から反射ミラー３８と偏光板（例えば、グラン・トンプソン・プリズム)４０とを介してフォトダイオードで構成された光検出器４２に入射され、光検出器４２で干渉光のビート周波数ｆbeatに応じた電気信号に変換されて第１周波数カウンタ４４に入力される。そして、第１周波数カウンタ４４によりビート周波数ｆbeatの値を表すデジタルデータが生成され、このデジタルデータがパーソナルコンピュータ２０に入力される。

また、光源３２に内蔵された光検出器から、可動部１０Ｃの静止状態に対応する基準周波数ｆrestの電気信号が生成され、この電気信号が第２周波数カウンタ４６に入力される。そして、第２周波数カウンタ４６により基準周波数ｆrestの値を表すデジタルデータが生成され、このデジタルデータがコンピュータ２０に入力される。

次に、本実施の形態の計測ルーチンを図３を参照して説明する。まず、可動部１０Ｃの上面に第１の被測定物（例えば、金属板）２１を取付けると共に、取付け部材２４に第２の被測定物（例えば、ミニチュアカー）２２を取り付ける。これにより、第２の被測定物２２等の自重により、第２の被測定物２２によって第１の被測定物が押圧される。この場合、所定の押圧力が得られるように取付け部材２４を下方に移動させて第２の被測定物に鉛直下向きに荷重を加えて第１の被測定物が押圧るようにしても良い。

また、パーソナルコンピュータを立ち上げ、図３の計測処理ルーチンを起動させると共に、フォトダイオード１６Ｂ及び検出部４２にレーザ光が入射されるように、レーザダイオード１６Ａ及び光源３２からレーザ光を発振させておく。このように第１の被測定物と第２の被測定物とを押圧させた状態で、可動部１０Ｃをベース１４の長さ方向に初期の段階に手で押して、可動部１０Ｃを慣性で移動させる。これにより、第１のコーナ・キューブ・プリズム、可動部、及び第１の被測定物を一体とした物体（以下、錘体という）が慣性でガイド部に沿ってガイド部の長さ方向に移動する。なお、アクチュエータを設けてこのアクチュエータで錘体に初速（または、初期運動量、または初期運動エネルギー）を与えても良い。

ステップ１００において、基準位置センサ１６から基準位置信号が入力されたか否かを判断し、基準位置信号が入力されたと判断されると、ステップ１０２においてトリガ信号をデジタルマルチメータ３０、第１周波数カウンタ４４、及び第２周波数カウンタ４６に入力し、これらを起動する。これによって、デジタルマルチメータによる垂直力、カウンタによる周波数が同期して検出される。

次のステップ１０４では、デジタルマルチメータ３０、第１周波数カウンタ４４、及び第２周波数カウンタ４６から出力される信号を所定のサンプル時間間隔で取込み、ステップ１０６において錘体（第１のコーナ・キューブ・プリズム１０Ｄ、可動部１０Ｃ、及び第１の被測定物を一体とした物体）の速度ｖを以下の（１）式に従って演算し、錘体の変位速度ｖを検出する。錘体は、ガイド部に沿って移動するため、運動の自由度は、水平の一軸方向に制限されている。

ｖ＝λair・(ｆbeat−ｆrest)／２ ・・・（１）
ここで、λairは、空気の屈折率である。

次のステップ１０８では、この変位速度ｖをサンプル時間間隔で積分することによりガイド部の長さ方向の錘体の変位（すなわち、基準位置を基準とした位置)ｘを検出する。また、ステップ１１０において、変位速度ｖをサンプル時間間隔で微分することによりガイド部の長さ方向の錘体の加速度αを検出する。

ここで、錘体が直動静圧空気軸受のガイド部等で支持されていて、錘体とガイド部との間に作用する摩擦力を無視できる場合には、錘体の慣性力Ｆは、２つの被測定物間に作用する摩擦力に等しくなる。なお、錘体の慣性力Ｆは、錘体の質量をＭ、錘体の加速度をαとして、Ｆ＝Ｍ・αで表すことができる。

したがって、ステップ１１２では、検出された加速度αと予め記憶されている錘体の質量Ｍとを乗算することにより、ガイド部の長さ方向の錘体の慣性力Ｆを摩擦力として検出する。

次のステップ１１４では、慣性力Ｆを力センサ２６で検出された垂直力Ｆｎで除算することにより摩擦係数μを検出する。そして、ステップ１１６において、上記の演算によって検出した被測定物間に作用する摩擦に関する物理量である変位速度ｖ、加速度α、位置ｘ、慣性力Ｆ、及び摩擦係数μの各データを時系列的にハードディスク等の記憶媒体に記憶保持する。

次のステップ１１８では、錘体が基準位置を通過してから所定時間経過したか否かを判断することにより、計測終了時期か否かを判断し、計測終了時期でなければ上記のサンプル時間間隔で変位速度ｖ、加速度α、位置ｘ、慣性力Ｆ、及び摩擦係数μの各データの検出を継続する。

錘体が基準位置を通過してから所定時間経過して計測が終了したと判断されたときは、ステップ１２０において、キーボードの操作等により時系列データの表示指示があったか否かを判断し、表示指示があった場合にはステップ１２２において記憶媒体から時系列データを読み出して表示装置に表示する。また、時系列データをプリンタ等から適宜出力するようにしてもよい。

なお、上記では、サンプル時間間隔で変位速度ｖ等を検出する例について説明したが、測定は高速測定（周波数測定では、デットタイム（休止時間）ゼロの測定）が望ましいので、予めサンプリング数（測定記録データ数）を示すデータを通信回線（ＧＰＩＢ等）を介してパーソナルコンピュータからデジタルマルチメータやカウンタ等の測定器に送信し、測定器で予め定められたサンプリング数のデータを測定した後、測定器からパーソナルコンピュータに測定データを転送し、転送された測定データに基づいて変位速度ｖ等の摩擦に関する物理量を検出するようにしてもよい。このサンプリング数としては、例えば、１０００個、１４００個とすることができる。

また、上記では周波数カウンタを用いた例について説明したが、周波数カウンタを用いずに、光検出器４２から出力される電気信号を高性能の波形記録装置により記録し、記録した後に、記録された波形から時間変化に対する周波数変化、すなわちビート周波数ｆbeatの時間変化を求めるようにしてもよい。このようにビート周波数ｆbeatのを求めるようにすれば、より高精度な周波数測定が可能になる。

次に、ミニチュアカーと金属板とを用いて上記の摩擦試験装置によってサンプリング数を予め送信して摩擦に関する物理量を計測した結果を図４に示す。この計測では、錘体の質量は約８．９ｋｇとした。図４(ａ)〜（ｅ）にビート周波数ｆbeat、ビート周波数ｆbeatから算出した錘体の変位速度ｖ、変位速度ｖを積分して算出した錘体の変位ｘ、変位速度ｖを微分して算出した錘体の加速度α、錘体の質量Ｍに加速度αを乗算して算出した錘体の慣性力Ｆの計測結果を示す。図４(ｅ)に示す慣性力は、２つの被測定物（ミニカーと金属板）間に作用する摩擦力に等しい大きさを持っている。

また、図５（１）に、慣性力として測定された摩擦力F_F、力センサで計測された垂直力F_Nの変位に対する変化を示し、図５（２）に摩擦係数μの変位に対する変化を示す。そして、図６に、２回の計測実験における慣性力として測定された摩擦力の変化を重ねて示す。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図７に示すように、第２の実施の形態には、直動静圧空気軸受で構成された直動軸受及び光波干渉計からなる一対の計測ユニット５０、５２が設けられている。一対の計測ユニット５０、５２は、相互に接近する方向及び離反する方向に移動可能に設けられている。

計測ユニット５０は、第１の実施の形態の計測ユニットと同一構成であるので、直動軸受部分のみ図示し、他の部分は図示を省略する。また、計測ユニット５０の直動軸受部分の第１の実施の形態と対応する部分には同一の符号を付して説明を省略する。

計測ユニット５２には、計測ユニット５０と略同様の構成であるので、対応する部分に添字１を付した符号を付して説明すると、ガイド部１０Ｂと平行になるように設けられた直線状の上側ガイド部１０Ｂ₁と、上側ガイド部１０Ｂ₁の長さ方向に沿って移動可能に上側ガイド部１０Ｂ₁に取付けられたブロック状の上側可動部１０Ｃ₁とを備えた直動静圧空気軸受等で構成された直動軸受が設けられている。上側可動部１０Ｃ₁の下面には、力センサ５４が鉛直下方を向くように固定されている。

本実施の形態では、パーソナルコンピュータは１台設けられており、一対の光波干渉計の各々に設けられているデジタルマルチメータ、第１周波数カウンタ、及び第２周波数カウンタの各々は、このパーソナルコンピュータに接続されている。

本実施の形態において摩擦に関する物理量を計測する場合には、可動部の上面に支持板５８を介して第１の被測定物６０を取付け、力センサ５４の下端部に第２の被測定物５６を取付ける。そして、計測ユニットの各々が接近するように押圧し、この状態で可動部、力センサ、及び第１の被測定物を一体とした物体、または可動部、力センサ、及び第２の被測定物を一体とした物体（各々の物体は、第１の実施の形態の錘体に相当する）を慣性で移動させ、第１の実施の形態と同様に、２つの光波干渉計によって摩擦に関する物理量を検出する。

本実施の形態において用紙とボールペンとの摩擦に関する物理量を検出する場合には、図６に示すように、可動部の上面に支持板を介して用紙を取付け、力センサ５４の下端部にボールペンを取付ける。そして、用紙とボールペンの先とが押圧されるように計測ユニットの各々に荷重を加えて相互に押圧する。この状態で、可動部１０Ｃまたは可動部１０Ｃ₁を手で押して可動部１０Ｃまたは可動部１０Ｃ₁を慣性で移動させる。これにより、コーナ・キューブ・プリズムを備えた可動部、支持板、及び用紙を一体とした物体、またはコーナ・キューブ・プリズムを備えた可動部、力センサ、及びボールペンを一体とした物体が慣性でガイド部に沿ってガイド部の長さ方向に変位する。

したがって、第１の実施の形態と同様に、２つの光波干渉計によって摩擦に関する物理量を検出することができる。

本実施の形態では、摩擦を計測するための一対の計測ユニットを用いて２つの被測定物間に作用する変位速度、変位、加速度、及び摩擦力等の摩擦に関する物理量を計測しているので、任意の相対運動での摩擦状態を計測することがより容易になる。また、直動軸受の内部抵抗等の外力が無視できる条件下では、２つの錘体の各々に作用する慣性力は、大きさが等しく、向きが逆になることになる（作用と反作用の法則）ので、種々の条件下での２つの錘体の各々に作用する慣性力を測定して比較することにより、軸受の内部抵抗等の外力が無視できるとした仮定ことが妥当か否かを評価することができる。また、本実施の形態は、予期せぬ外力の存在（例えば、見過ごされた不確かさ要因）の探索等に有効な手法である。

次に、本発明の第３の実施の形態を図８を参照して説明する。図に示すように、第３の実施の形態には、直動軸受及び光波干渉計からなる一対の計測ユニット７０、７２が設けられている。計測ユニット７０は、第１の実施の形態の計測ユニットと同一構成であるので、直動軸受部分のみ図示し、他の部分は図示を省略する。また、計測ユニット７０の直動軸受部分の第１の実施の形態と対応する部分には同一の符号を付して説明を省略する。

計測ユニット７２は、計測ユニット５０と略同様の構成であるので、対応する部分には同一の符号に添字2を付して説明する。計測ユニット７２には、ガイド部１０Ｂと所定間隔隔てて水平方向を向きかつガイド部１０Ｂと直交するようにベースに固定された直線状の上側ガイド部１０Ｂ₂と、上側ガイド部１０Ｂ₂に沿って移動可能に上側ガイド部１０Ｂ₂に取付けられたブロック状の上側可動部１０Ｃ₂とを備えた直動静圧空気軸受等で構成された直動軸受が設けられている。

上側可動部１０Ｃ₂の上面には、光波干渉計を構成するコーナ・キューブ・プリズム１０Ｄ₂が固定されている。また、上側可動部１０Ｃ₂の側面には、鉛直方向に貫通した貫通孔が穿設された軸受６２が固定されている。この軸受６２には、鉛直方向に移動可能に鉛直ガイド部６４が挿入されている。この鉛直ガイド部６４の上端には、力センサ２６と同様に鉛直方向に作用する押圧力である垂直力Ｆｎを検出する力センサ６６が固定されている。

次に、本実施の形態における摩擦状態の計測方法について説明する。可動部１０Ｃの上面に第１の被測定物２１を取付け、鉛直ガイド部６４の下端面に第２の被測定物２２を取付ける。このとき、鉛直ガイド部６４の自重により第１の被計測部材と第２の被計測部材とが押圧される。なお、力センサ６６を介して荷重を作用させることにより、第１の被計測部材と第２の被計測部材とが押圧されるようにしてもよい。

この状態で、可動部１０Ｃ、上側可動部１０Ｃ₂、または可動部１０Ｃ及び上側可動部１０Ｃ₂の両方を手で押して可動部１０Ｃ、上側可動部１０Ｃ₂、または可動部１０Ｃ及び上側可動部１０Ｃ₂の両方を慣性で移動させる。これにより、コーナ・キューブ・プリズム１０Ｄ、可動部１０Ｃ、第１の被測定物２１を一体とした物体、またはコーナ・キューブ・プリズム１０Ｄ₂、上側可動部１０Ｃ₂、力センサ６６、軸受６２及び第２の被測定物２２を一体とした物体（各々の物体は、第１の実施の形態の錘体に相当する）が慣性でガイド部に沿ってガイド部の長さ方向に変位する。

したがって、第１の実施の形態と同様に、２つの光波干渉計によって摩擦に関する物理量を検出することができる。本実施の形態では、可動部１０Ｃ及び上側可動部１０Ｃ₂の両方を移動させることで、第１の被測定物と第２の被測定物とを相対的に２次元状に移動させたときの摩擦に関する物理量を検出することができる。また、第１の被測定物と第２の被測物との移動速度を異ならせたり、往復移動させることで、種々の軌跡に応じた運動状態における摩擦に関する物理量を検出することができる。

本実施の形態において、直動軸受に対してエアをガイド部１０Ｂ₂から供給すると、エアは可動部１０Ｃ₂に導かれる。このエアの一部を、ガイド部６４に供給するようにすれば、可動するガイド部６４へのエアパイプの接続をなくすことが可能になる。

上記では、力センサを用いて垂直力Ｆｎを検出する例について説明したが、力センサ６６に代えて光波干渉計を用いて垂直力Ｆｎを検出するようにしてもよい。この場合、垂直力は、ガイド部６４及び第２の被測定物からなる物体の慣性力Ｍａとこの物体に作用する重力Ｍｇの和として測定する。これにより、力センサを用いずに、垂直力を高精度に測定することができる。光波干渉計を用いて垂直力を検出する場合、光波干渉計は可動部１０Ｃ₂に固定することができる。この場合の光波干渉計の光源はＨｅ−Ｎｅレーザではなく、ＬＤが好適である。また、光波干渉計をガイド部６４の上方に配置し、可動部１０Ｃ₂の移動を計測する光波干渉計からの信号に基づいて、ガイド部６４の上方に配置した光波干渉計をガイド部１０Ｂ₂の長さ方向に可動部１０Ｃ₂の移動に追随するように移動させることも好適である。

本実施の形態では、ガイド部が直交するように配置された２つの計測ユニットを用いて２つの被測定物間に作用する変位速度、変位、加速度、及び摩擦力等の摩擦に関する物理量を計測しているので、任意の軌跡での摩擦状態を計測することがより容易になる。

次に、本発明の第４の実施の形態を図９を参照して説明する。図に示すように、第４の実施の形態には、直動軸受及び光波干渉計からなる計測ユニット８０が設けられているが、計測ユニット８０は、第１の実施の形態の計測ユニットと同一構成であるので、直動軸受部分のみ図示し、他の部分は図示を省略する。また、計測ユニット８０の直動軸受部分の第１の実施の形態と対応する部分には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施の形態では、可動部１０Ｃの底面に鉛直方向に延びる棒状の挿入部８２の基端が固定されている。

本実施の形態では、水槽に貯留された水等の流体中に挿入部８２をの先端部分を挿入させた状態で、可動部１０Ｃを手でガイド部に沿って移動させる。これによって、コーナ・キューブ・プリズム１０Ｄ、可動部１０Ｃ、及び挿入部８２を一体とした物体が慣性で移動し、この物体が移動したときのコーナ・キューブ・プリズム１０Ｄからの反射光の状態変化が光波干渉計によって検出され、第１の実施の形態で説明したのと同様に、挿入部に作用する流体摩擦抵抗に関する物理量を検出することができる。

本実施の形態によれば、流体工学の分野における自由表面を持つ流体中での海洋構造物、船舶、その他流体機械一般に代表される物体の流体抵抗を高精度に測定することができる。

また、本実施の形態において、ガイド部を水平方向に対して傾けて設置すると共に、挿入部の先端に被測定物を取り付け、可動部をガイド部に沿って自重でスライドさせ被測定物を流体中に突入させれば、重力のために自由な角度での設置が難しい被測定物（例えば、流体の自由表面、または、砂面など）に対する突入時の摩擦抵抗の計測等に利用することができる。

また、本実施の形態では、挿入部を可動部に対して着脱可能し、種々の形状の挿入部と交換して摩擦抵抗を計測するようににすれば、種々の形状の挿入部に対する摩擦抵抗を計測することができる。例えば、挿入部として船体モデルを用いれば、船体の流体に対する摩擦抵抗等を計測することができる。

次に本発明の第５の実施の形態について、図１０を参照して説明する。

上記の各実施の形態では、計測ユニットに直動軸受を用いる例について説明したが、タイヤと路面との間に作用する摩擦力や路面摩擦抵抗μ等を計測するの場合、タイヤの転動する距離を長くして計測しようとすると、可動部の上面の長さやガイド部の長さを長くする必要がある。このため、第５の実施の形態では、静圧空気直動軸受に代えて静圧空気回転軸受（ラジアル・スラスト軸受）等の回転軸受を用い、水平方向に移動する錘体に作用する慣性力を検出する代わりに、回転する錘体の角加速度を用いて摩擦に関する物理量を検出するようにしたものである。

図９に示すように、本実施の形態は、貫通孔が形成されたガイド部９０Ｂと、ガイド部９０Ｂの貫通孔に回転可能に挿入された回転体９０Ｃとから構成された静圧空気回転軸受９０が設けられている。

回転体９０Ｃの一端には、フライホイール９２が回転体９０Ｃと一体に回転可能に取付けられている。この場合、回転体とフライホイールとは、一体となった剛体と見なせることが好ましい。この回転体とフライホイールとは、一つの金属塊から削り出しにより製作しても良い。なお、回転体とフライホイールとの区別は、便宜上のものである。すなわち、回転体は回転軸受の回転部を意味し、フライホイールはその回転体と一体となって回転し、全体（回転体及びフライホイール）の慣性モーメントを大きくする目的、及び摩擦試験面を便利な位置にする目的の少なくとも一方の目的で導入される。

フライホイール９２の上方には、フライホイール９２の周面に被測定物を押圧可能に取付けるための取付部材９４が設けられている。本実施の形態においてタイヤ等の回転する被測定物をを用いる場合には、取付部材９４に被測定物を回転可能に取付ける。

また、本実施の形態には、回転体及びフライホイールからなる錘体の角加速度を検出する検出装置が設けれている。この検出装置は、錐体の角速度をフライホール外周面の速度から検出するレーザードップラー速度計と、角速度から角加速度αを検出する角加速度検出装置とから構成されている。角加速度αは、角速度ａをフライホイールの半径ｒで乗算して、α＝ａ／ｒとして求めることができる。

また、レーザードップラー速度計に代えて、非接触型の高精度ロータリーエンコーダを回転体に取り付けて角度を検出するようにしてもよい。この場合、角度を２回微分して角加速度を求めればよい。

以下本実施の形態のにおいてタイヤとフライホイール外周部との間に作用する摩擦力を測定する場合について説明する。静圧空気回転軸受内部の摩擦トルク等が無視できる条件下では、下記の式が有り立つ。

Ｔ＋Ｉα＝０ ・・・（２）
ここで、Ｔは、フライホイール外周面に作用する回転方向の力（フライホイール外周面に押し付けられた物体とフライホイール外周面との間に作用する摩擦力）によるトルク、Ｉはフライホイールと回転体を含めた回転体全体（回転する錘体）の慣性モーメント、αは回転する錘体の角加速度である。なお、Ｆを被測定物であるタイヤとフライホイールとの間に作用する摩擦力、ｒをフライホイール外周面と回転中心との距離（すなわち、フライホイールの半径）とすると、Ｔ＝ｒＦである。

フライホイールの半径ｒ及び慣性モーメントＩは既知の値であるので、角加速度αを検出することで、被測定物であるタイヤとフライホイールとの間に作用する摩擦力Ｆを検出することができる。

なお、本実施の形態では、回転する錘体を剛体とみなしたが、見なせない場合には、ＦＥＭ解析等によって補正することが望ましい。

なお、上記各実施の形態の摩擦試験装置において、被測定物の内部の加速度分布、速度分布、及び変位分布等を計測するため、各種全視野測定機器を導入することも可能である。また、有限要素法等の数値解析法と組み合わせることも可能であり、これにより、一層高度な摩擦特性評価が可能になる。また、錘体として１ｇ程度のものを用いることにより、１μＮ以下の微小な力に対する摩擦試験を行うことができる。従って、マイクロマシン、ナノマシン等で用いられる各種材料の力学的特性を試験することも可能になる。

なお、上記の各実施の形態では、摩擦試験装置の振動の影響を防止するため、ベースとして床に固定された重い定盤（例えば、鋳鉄製定盤）を用い、摩擦試験装置全体を強固に構成すると共に、光波干渉計をベースに対し緩衝材や防振材等を介して支持させか吊り下げ支持する等の防振対策を講ずることが望ましい。

また、例えば、ワイパーの摩擦測定、自由表面を含む液体中での摩擦抵抗の想定等、形状の変化が予想される摩擦測定においては、ＣＣＤカメラ等での画像の撮影を同時に行うことが現象の多角的把握を行う上で有効である。

本発明の第１の実施の形態の摩擦試験装置を示すブロック図である。 図１のII−II線端面図である。 第１の実施の形態の摩擦力等を検出する処理ルーチンを示す流れ図である。 (ａ)はビート周波数の測定データを示すグラフ、(ｂ)はビート周波数の測定データから算出した錘体の変位速度を示すグラフ、(ｃ)は変位速度から算出した錘体の変位を示すグラフ、(ｄ)は変位速度から算出した錘体の加速度を示すグラフ、(ｅ)は加速度から算出した錘体の慣性力を示すグラフである。 （１）は慣性力として測定された摩擦力F_F、及び力センサで測定された垂直力F_Nの変位を横軸として示したグラフ、（２）は摩擦係数の変化μの変位を横軸として示したグラフである。 ２回の測定実験における慣性力として測定された摩擦力を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態の摩擦試験装置を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態の摩擦試験装置を示すブロック図である。 本発明の第４の実施の形態の摩擦試験装置を示すブロック図である。 本発明の第５の実施の形態の摩擦試験装置を示すブロック図である。

符号の説明

１０ 直動軸受
１０Ｂ ガイド部
１０Ｃ 可動部
１０Ｄ コーナ・キューブ・プリズム
１２ 光波干渉計
１４ ベース
１６ 基準位置センサ
２６ 力センサ
３２ 光源
３４ 偏光ビームスプリッタ
５０ 計測ユニット
５２ 計測ユニット
５４ 力センサ

Claims (6)

1. ガイド部に沿って移動可能に該ガイド部に取付けられると共に第１の被測定物が取り付け可能な可動部と、
   前記可動部に取り付けられた前記第１の被測定物に押圧される第２の被測定物を取り付けるための取り付け部材と、
   前記可動部に固定された反射部材及び該反射部材に光を入射させる光源を備え、前記可動部に取付けられた第１の被測定物と前記取り付け部材に取付けられた第２の被測定物とを押圧させた状態で、前記反射部材、前記可動部、及び前記第１の被測定物を一体とした物体が前記第２の被測定物に対して相対移動したときの該反射部材からの反射光の状態変化を検出する光波干渉計と、
   前記光波干渉計で検出された反射光の状態変化に基づいて、前記物体の変位速度を検出し、検出した前記変位速度から前記物体の加速度を検出し、検出した前記加速度に基づいて検出される前記物体の慣性力を、前記第１の被測定物と前記第２の被測定物との間に作用する摩擦力として検出する物理量検出手段と、
   を含む摩擦試験装置。
2. 第１のガイド部に沿って移動可能に該第１のガイド部に取付けられると共に第１の被測定物が取り付け可能な第１の可動部と、
   前記第１のガイド部に対して並列配置された第２のガイド部に沿って移動可能に該第２のガイド部に取付けられると共に前記第１の被測定物に押圧される第２の被測定物が取り付け可能な第２の可動部と、
   前記第１の可動部に固定された第１の反射部材及び該第１の反射部材に光を入射させる第１の光源を備え、前記第１の可動部に取付けられた第１の被測定物と前記第２の可動部に取付けられた第２の被測定物とを押圧させた状態で、前記第１の反射部材、前記第１の可動部、及び前記第１の被測定物を一体とした第１の物体が前記第２の被測定物に対して相対移動したときの該第１の反射部材からの反射光の状態変化を検出する第１の光波干渉計と、
   前記第２の可動部に固定された第２の反射部材及び該第２の反射部材に光を入射させる第２の光源を備え、前記第１の可動部に取付けられた第１の被測定物と前記第２の可動部に取付けられた第２の被測定物とを押圧させた状態で、前記第２の反射部材、前記第２の可動部、及び前記第２の被測定物を一体とした第２の物体が前記第１の被測定物に対して相対移動したときの該第２の反射部材からの反射光の状態変化を検出する第２の光波干渉計と、
   前記第１の光波干渉計及び前記第２の光波干渉計の少なくとも一方で検出された反射光の状態変化に基づいて、前記第１の物体及び前記第２の物体の少なくとも一方の物体の変位速度を検出し、検出した前記変位速度から前記物体の加速度を検出し、検出した前記加速度に基づいて検出される前記物体の慣性力を、前記第１の被測定物と前記第２の被測定物との間に作用する摩擦力として検出する物理量検出手段と、
   を含む摩擦試験装置。
3. 前記第２の可動部に該第２の可動部に対して移動可能な第３の可動部を設け、前記第２の可動部に該第３の可動部を介して前記第２の被測定物を取り付け可能とした請求項２記載の摩擦試験装置。
4. 前記第２の被測定物に作用する押圧力を検出する押圧力検出手段を更に設け、
   前記物理量検出手段によって、前記摩擦力を検出すると共に、前記押圧力検出手段によって検出された押圧力に対する前記第１の被測定物と前記第２の被測定物との間に作用する摩擦力の比で表される摩擦係数を検出する請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の摩擦試験装置。
5. 前記物理量検出手段は、前記摩擦力を検出すると共に、検出した前記変位速度から前記物体の基準位置を基準とした変位を検出する請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の摩擦試験装置。
6. 請求項１〜請求項５の何れか１項記載の摩擦試験装置を用いた摩擦試験方法であって、
   ガイド部に沿って移動可能に設けられた錘体に前記第１の被測定物を取付けると共に前記錘体に取り付けられた第１の被測定物に前記第２の被測定物を押圧し、
   前記第１の被測定物に前記第２の被測定物を押圧した状態で前記第１の被測定物及び前記錘体を一体とした物体を移動させ、
   該物体を移動させたときの該物体の慣性力を、前記第１の被測定物と前記第２の被測定物との間に作用する摩擦力として検出する摩擦試験方法。