JP5912941B2 - 摩擦試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦力を測定し、物体の表面における例えば静摩擦係数や動摩擦係数、スティックスリップ現象等の摩擦特性を評価するための摩擦試験装置に関する。

従来、物体の表面における摩擦特性を評価する摩擦試験装置として、例えば特許文献１に記載されているような装置が存在している。この装置では、横アームを水平方向の中心軸（中央支点）を中心に揺動自在に配置し、横アームの一端に試料（試験片）に接触させる接触子（引掻針、標準片）を取り付けると共に、他端にカウンタウェイト（バランサー）を設けることで、接触子やアタッチメント等の自重が相殺されるようになっている。

これにより、接触子は、横アームの一端の接触子の直上に設けた受皿上に載置された錘（分銅）の重量と略同一の垂直荷重を受けて試料に押圧されることとなるため、この状態で、移動台によって試料を水平方向に移動させることで、試料と接触子の間の摩擦力を横アームに加わる力として測定することができる。さらに、測定した摩擦力および垂直荷重から試料と接触子の間の摩擦係数を求めることができる（例えば、特許文献１参照）。

特公平２−２５１３５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されているような従来の装置では、重量物である錘が受皿を介して直接接触子上に載置されているため、詳細な摩擦特性を評価することができないという問題があった。すなわち、摩擦力の測定には、接触子の僅かな変位を検出する必要があるところ、直上の錘が接触子と共に移動するように配置されているため、錘の慣性力によって接触子の移動の応答性が悪化し、例えば静止摩擦力から動摩擦力への変化を正確に測定することが困難であった。

また、スティックスリップ現象のように摩擦力が周期的に変化する際には、接触子の移動が摩擦力の変化に追随しない場合があり、測定結果が実際の摩擦現象を正確に反映していない可能性があるという問題があった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、各種物体の摩擦特性を詳細に評価することが可能な摩擦試験装置を提供しようとするものである。

（１）本発明は、接触子と接触する接触面に沿って試料を移動させるステージと、略水平方向の揺動中心回りに揺動自在に配置され、前記揺動中心に対する一端側に前記接触子が配置されるアームと、前記接触子を前記試料に向けて押圧する荷重を発生させる荷重発生部と、前記荷重発生部から前記接触子に付加される荷重を受ける荷重受部と、前記接触子に加わる摩擦力を測定する力測定器と、前記接触子から前記荷重受部に伝わる振動を減衰する減衰部と、を備え、前記減衰部は、前記アームと前記荷重受部を繋ぐように構成されることを特徴とする、摩擦試験装置である。

（２）本発明はまた、前記減衰部は、前記アームから延出する弾性部材から構成されることを特徴とする、上記（１）に記載の摩擦試験装置である。

（３）本発明はまた、前記減衰部は、前記接触子よりも前記アームの揺動中心に近い位置において前記アームから分岐するように構成されることを特徴とする、上記（２）に記載の摩擦試験装置である。

（４）本発明はまた、前記荷重受部は、前記接触子の下方に配置されることを特徴とする、上記（２）または（３）に記載の摩擦試験装置である。

（５）本発明はまた、接触子と接触する接触面に沿って試料を移動させるステージと、略水平方向の揺動中心回りに揺動自在に配置され、前記揺動中心に対する一端側に前記接触子が配置されるアームと、前記接触子を前記試料に向けて押圧する荷重を発生させる荷重発生部と、前記荷重発生部から前記接触子に付加される荷重を受ける荷重受部と、前記接触子に加わる摩擦力を測定する力測定器と、前記接触子から前記荷重受部に伝わる振動を減衰する減衰部と、を備え、前記減衰部は、前記アームから垂下されて前記アームと前記荷重受部を繋ぐ屈曲自在な紐状体から構成されることを特徴とする、摩擦試験装置である。

（６）本発明はまた、接触子と接触する接触面に沿って試料を移動させるステージと、略水平方向の揺動中心回りに揺動自在に配置され、前記揺動中心に対する一端側に前記接触子が配置されるアームと、前記接触子を前記試料に向けて押圧する荷重を発生させる荷重発生部と、前記荷重発生部から前記接触子に付加される荷重を受ける荷重受部と、前記接触子に加わる摩擦力を測定する力測定器と、前記接触子から前記荷重受部に伝わる振動を減衰する減衰部と、を備え、前記減衰部は、前記アームとは独立して揺動自在に配置され、前記荷重受部を支持する揺動支持部材から構成され、前記揺動支持部材は、回転自在に配置されたローラまたはボールを介して前記アームに上方から当接する当接部を備えることを特徴とする、摩擦試験装置である。

（７）本発明はまた、前記揺動支持部材は、自身の揺動中心に対する前記荷重受部の反対側にカウンタウェイトが配置されることを特徴とする、上記（６）に記載の摩擦試験装置である。

本発明に係る摩擦試験装置によれば、各種物体の摩擦特性を詳細に評価することが可能という優れた効果を奏し得る。

（ａ）および（ｂ）本発明の実施の形態に係る摩擦試験装置の概略図である。 （ａ）および（ｂ）摩擦試験装置による摩擦試験の様子を示した概略正面図である。 （ａ）は、弾性部材に曲折部を設けるようにした場合の一例を示した概略正面図である。（ｂ）コイルバネ状の弾性部材から減衰部を構成するようにした場合の一例を示した図である。 （ａ）および（ｂ）弾性部材をアームの側方に配置するようにした場合の一例を示した概略図である。 （ａ）および（ｂ）弾性部材をアームの下方に配置するようにした場合の例を示した概略正面図である。 （ａ）〜（ｃ）減衰部を紐状体から構成した場合の例を示した概略図である。 （ａ）および（ｂ）揺動支持部材から減衰部を構成した場合の例を示した概略正面図である。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。

まず、本発明の実施の形態に係る摩擦試験装置１について説明する。図１（ａ）および（ｂ）は、摩擦試験装置１の概略図である。なお、同図（ａ）は摩擦試験装置１の正面図であり、同図（ｂ）は摩擦試験装置１の平面図である。

本実施形態の摩擦試験装置１は、試料２に接触子３を接触させて所定の垂直荷重で押圧し、この状態で試料２を接触子３に対して相対的に水平方向に移動させた場合に接触子３に働く水平方向の力を測定することで摩擦力を測定するものである。同図に示されるように、摩擦試験装置１は、基台１０と、基台１０に立設された支柱２０と、支柱２０に揺動自在に支持されると共に接触子３を保持するアーム３０と、試料２を保持して移動させるステージ４０と、接触子３に加わる摩擦力を測定する力測定器５０と、摩擦試験装置１全体を制御する制御装置６０と、を備えている。

基台１０は、支柱２０、アーム３０、ステージ４０および力測定器５０等を支持すると共に、内部に制御装置６０を収容する部材である。基台１０は、ステージ４０上面の水平度を維持するために、高さ調整機構を備えた脚部１２を備えている。また、基台１０の上部には、必要に応じて装置全体を覆うカバーを取り付けることが可能となっており、温度や湿度等、試験雰囲気の状態を略一定に保つことができるようになっている。

支柱２０は、アーム３０を支持する部材であり、基台１０の略中央部やや後側に立設されている。支柱２０の上部には、第１の支軸２２が略水平面内の前後方向に配置されており、この第１の支軸２２を介して揺動部材２４が揺動自在に垂下されている。そして、揺動部材２４の下部（先端部）には、第２の支軸２６が第１の支軸２２と略平行に配置されており、アーム２０は、この第２の支軸２６を介して揺動自在に支持されている。

アーム３０は、略クランク状の部材であり、略中央部下側を第２の支軸２６に支持された状態で、左右方向に延出するように配置されている。すなわち、アーム３０は、天秤のような状態で、第２の支軸２６の軸芯を中心として上下に揺動自在に配置されている。また、アーム３０は、第１の支軸２２の軸芯を中心に揺動部材２４が揺動することによって左右方向に移動することが可能となっている。また、本実施形態では、アーム３０を略クランク状に構成することにより、アーム３０の揺動中心（すなわち、第２の支軸２６の軸芯）の高さを、接触子３と接触する試料２の上面２ａの高さと略一致させることを可能としている。

アーム３０の一端側（図の右側）には、接触子３を保持する保持部材３２が設けられており、接触子３は、試料２に上方から対向する状態で保持部材３２に保持されるようになっている。なお、保持部材３２による接触子３の保持方法は、例えばねじ留めや係合等、既知の各種手法を採用することができる。また、既知の手法により接触子３の高さを調整する高さ調整機構を、保持部材３２に設けるようにしてもよい。

アーム３０の一端側にはまた、接触子３に付加される垂直荷重を受ける荷重受部３４が設けられている。本実施形態では、錘３６の重量によって接触子３に垂直荷重を加えるようにしており、荷重受部３４は錘３６が載置される受皿となっている。すなわち、本実施形態では、接触子３を試料２に向けて押圧する垂直荷重を発生させる荷重発生部は、錘３６から構成されている。

荷重受部３４は、試料２と接触子３の接触範囲の中心Ｃの略鉛直線上に錘３６の重心Ｇが位置するように配置されており、錘３６の重量がそのまま接触子３を試料２に押圧する垂直荷重となるようになっている。なお、錘３６を荷重受部３４上に載置するだけではなく、適宜の固定手段によって錘３６を荷重受部３４に固定するようにしてもよい。

荷重受部３４は、弾性変形可能な弾性部材３０ａを介して、アーム３０に支持されている。弾性部材３０ａは、詳細には、アーム３０の略中央部から上方に突出した後にアーム３０の一端側の部分（図の右側部分）と略平行に延出する逆Ｌ字状に構成され、先端部に荷重受部３４が固定されている。すなわち、弾性部材３０ａは、アーム３０の略中央部から一端側に向けて分岐するように構成されている。

詳細は後述するが、本実施形態ではこのように、荷重受部３４を直接アーム３０に固定するのではなく、弾性部材３０ａを介してアーム３０に固定することで、試験中の接触子３の動きと錘３６の動きを分離させるようにしている。すなわち、弾性部材３０ａは、接触子３から荷重受部３４に伝わる振動を減衰する減衰部７０を構成している。

なお、弾性部材３０ａは、アーム３０と一体的に形成されるものであってもよいし、ボルト等による締結や係合等によってアーム３０に取り付けられるものであってもよい。また、弾性部材３０を構成する材質は、特に限定されるものではなく、例えば金属、樹脂、セラミックスまたは複合材料等、各種材質を採用することができる。

アーム３０の他端側（図の左側）には、カウンタウェイト３８が設けられている。このカウンタウェイト３８は、軸方向にスライドさせることによって第２の支軸２６からの距離を変更可能に配置されている。すなわち、アーム３０は、カウンタウェイト３８の位置を調整することによって左右のモーメントを釣り合わせ、自身の姿勢を略水平状態に維持すると共に、接触子３、保持部材３２、荷重受部３４、弾性部材３０ａおよび自身の一端側部分の重量を相殺し、これらの重量が垂直荷重に加算されないように構成されている。

ステージ４０は、試料２を接触子３との接触面である上面２ａに沿って移動させるものである。ステージ４０は、試料２の上面２ａが接触子３と対向するように保持部材３２の下方に配置されており、試料２が載置される移動部材４２と、移動部材４２に試料２を固定する固定部材４４と、移動部材４２を移動させる移動機構４６と、移動部材４２を昇降させる昇降機構４８と、を備えている。

移動部材４２は、略水平面内において第２の支軸２６に略直交する方向に直線往復移動するように配置されている。すなわち、ステージ４０は、試料２を上面２ａに沿って移動させ、第２の支軸２６に対して近接または離隔させるように構成されている。また、固定部材４４は、試料２の移動方向における両端部を固定するように２箇所に設けられており、試料２をいずれの方向に移動させた場合にも摩擦力に抗して試料２を保持すると共に、試料２が紙や布等の場合においても試験中の弛みを防止するようになっている。

なお、固定部材４４による固定方法は、例えばねじ留めや挟持等、既知の各種手法を採用することができる。また、移動機構４６および昇降機構４８としては、例えばステッピングモータおよびボールねじ伝動機構等、既知の各種構造を採用することができる。また、移動部材４２には、必要に応じて加熱装置または冷却装置を取り付けることが可能であり、試料２を任意の温度に保持した状態で試験を行うことが可能となっている。

力測定器５０は、ロードセルから構成されており、着力点５２の高さが第２の支軸２６の軸芯の高さと略一致するように、基台１０上に設けられた架台１４上に配置されている。そして、力測定器５０の着力点５２は、ロッド５４を介して第２の支軸２６に略直交する方向から第２の支軸２６に接続されている。すなわち、力測定器５０は、第２の支軸２６に対して略直角に作用する略水平方向の力を測定するように配置されており、これにより、試料２と接触子３の間に働く摩擦力を測定するようになっている（詳細は後述する）。なお、本実施形態では、力測定器５０を圧縮および引張の両方の力を測定可能に構成している。

制御装置６０は、ステージ４０の動作を制御すると共に、力測定器５０から出力された信号を荷重の値に変換して記憶する、または外部のＰＣ等に出力するものである。また、制御装置６０は、静摩擦係数や動摩擦係数の算出といった各種データ処理を行う。制御装置６０は、ＣＰＵ、ならびにＲＯＭ、ＲＡＭおよびフラッシュメモリ等の記憶手段を備えて構成されている。

また、図示は省略するが、制御装置６０には、摩擦試験装置１の操作やデータ入力等を行うための操作パネルや、試験結果等の各種情報を出力するための表示パネル等が設けられている。なお、制御装置６０を設ける代わりに、外部のＰＣ等によって摩擦試験装置１を制御するようにしてもよい。また、制御装置６０は摩擦試験装置１の制御のみを行い、測定結果のデータ処理は外部のＰＣ等によって行うようにしてもよい。

次に、摩擦試験装置１を用いた摩擦試験の手順について説明する。図２（ａ）および（ｂ）は、摩擦試験装置１による摩擦試験の様子を示した概略正面図である。摩擦試験では、まず試料２をステージ４０の移動部材４２にセットする。試料２の材質は、特に限定されるものではなく、例えば金属、樹脂、木材、紙、布、ゴムまたはゲル等、種々の材質について試験を行うことができる。次に、保持部材３２に接触子３をセットする。接触子３は、試料２の材質および試験の目的に応じた形状および材質のものを使用する。

接触子３をセットしたならば、カウンタウェイト３８の位置を調整してアーム３０のバランスを取る。そして、ステージ４０の昇降機構４８によって、試料２の上面２ａの高さを第２の支軸２６の軸芯の高さと略一致させる。これにより、接触子３は、略無荷重状態で試料２の上面２ａに略接触した状態となる。次に、荷重受部３４上に所定の重量の錘３６を載置して、接触子３に荷重を付加する。これにより、接触子３は、錘３６の重量と同一の垂直荷重で試料２の上面２ａに押圧されることとなる。

次に、ステージ４０の移動機構４６によって試料２を移動させる。同図（ａ）および（ｂ）では、試料２を第２の支軸２６に近接させる方向（図の左側に向かう方向）に移動させる場合の例を示しているが、試料２を第２の支軸２６から離隔させる方向（図の右側に向かう方向）に移動させるようにしてもよいし、試料２を所定の回数だけ往復移動させるようにしてもよい。

試料２と接触子３を接触面（上面２ａ）に沿って相対的に移動させることにより、試料２と接触子３の間に摩擦が発生し、接触子３には試料２の移動方向と同じ方向に摩擦力が加わることとなる。この摩擦力は、保持部材３２、アーム３０、第２の支軸２６およびロッド５４を介して力測定器５０の着力点５２を押圧する（または、引っ張る）。そして、力測定器５０は、着力点５２に作用した押圧力（または、引張力）に応じた信号を制御装置６０に出力する。

力測定器５０を構成するロードセルは、実際には、着力点５２の変位を検出し、この変位に応じた信号を制御装置６０に出力するようになっており、この変位は、着力点５２に対する押圧力が大きいほど大きくなる。すなわち、試験中にアーム３０は、同図（ａ）に示されるように、摩擦力の大きさに応じて接触子３と共に試料２の移動方向と同じ方向に移動することとなる。また、試験中に例えば静摩擦から動摩擦への移行や、スティックスリップ現象等が発生した場合には、摩擦力の大きさが変動するため、アーム３０は、同図（ｂ）に示されるように、摩擦力の変動に応じて振動することとなる。

摩擦力を高精度に測定するためには、摩擦力の変化に対して敏感にアーム３０の動きを追随させる必要がある。しかしながら、従来の摩擦試験装置では、アームおよび接触子と共に、重量物である錘が摩擦力に応じて移動するように構成されていたため、錘の慣性力によって摩擦力の変化を敏感に検出することが困難であった。

そこで、本実施形態では、弾性部材３０ａからなる減衰部７０を介して荷重受部３４をアーム３０に接続することにより、アーム３０の振動（移動）を弾性部材３０ａの弾性変形により減衰（吸収）し、アーム３０が移動した場合においても荷重受部３４および錘３６が殆ど動かないようにしている。すなわち、地震計と同様の原理により、アーム３０の動きと錘３６の動きを分離し、アーム３０を錘３６とは独立して移動可能とすることで、アーム３０の動きを摩擦力の変化に対して敏感に追随させることを可能としている。この結果、本実施形態では、摩擦力の微細な変化を高精度に測定することが可能であり、摩擦現象をより詳細に解析することが可能となっている。

なお、接触子３およびアーム３０の摩擦力による移動量は、力測定器５０の構造にもよるが、高々数μｍ程度であるため、弾性部材３０ａの弾性変形によって十分に減衰することが可能となっている。また、弾性部材３０ａの材質および寸法形状等を調整することで、適切な減衰能力を発生させることが可能となっている。

制御装置６０は、力測定器５０から入力した信号を所定のサンプリング周期で力の値に変換し、時系列データとして記憶する。そして、必要に応じて表示パネルまたは外部のＰＣ等に測定結果を出力する。また、制御装置６０は、力測定器５０によって測定した力、すなわち摩擦力の値と、予め入力された垂直荷重の値から、静摩擦係数および動摩擦係数を算出し、必要に応じて表示パネルまたは外部のＰＣ等に結果を出力する。

試料２を所定の距離または所定の時間だけ移動させたならば、試料２を停止させる。以上の手順により、１回の摩擦試験が終了する。さらに、錘３６を変更して垂直加重の値を変化させたり、試料２の移動速度を変更したり等して、異なる条件の基で複数回の摩擦試験を行うことにより、試料２の摩擦特性を詳細に評価することができる。

本実施形態では、上述のように、アーム３０と荷重受部３４の間に減衰部７０（弾性部材３０ａ）を設けることにより、接触子３およびアーム３０の移動の応答性を向上させているため、様々な摩擦現象を詳細に測定、解析することが可能となっている。

また、本実施形態では、第２の支軸２６の軸芯、すなわちアーム３０の揺動中心の高さを、接触子３と接触する試料２の上面２ａの高さと略一致させているため、発生した摩擦力によってアーム３０にモーメントが作用しないようになっている。すなわち、本実施形態では、アーム３０に作用するモーメントの影響を排除することができるため、より高精度な摩擦力の測定が可能となっている。

次に、摩擦試験装置１のその他の形態について説明する。なお、以下の説明においては、上述の例の摩擦試験装置１と共通の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

図３（ａ）は、弾性部材３０ａに曲折部３０ａ１を設けるようにした場合の一例を示した概略正面図である。この例では、弾性部材３０ａの途中に略Ｕ字状の曲折部３０ａ１を設けることで、弾性部材３０ａの弾性変形の程度および固有振動数を調整するようにしている。このようにすることで、減衰部７０を構成する弾性部材３０ａの減衰能力を適宜に設定することが可能となる。なお、弾性部材３０ａに略Ｓ字状の曲折部３０ａ１を設けるようにしてもよいし、曲折部３０ａ１を複数設けるようにしてもよい。また、同図（ａ）では、曲折部３０ａ１を垂直面内で曲折するように構成した例を示したが、水平面内や傾斜面内で曲折するように曲折部３０ａ１を構成してもよい。

図３（ｂ）は、コイルバネ状の弾性部材３０ａから減衰部７０を構成するようにした場合の一例を示した図である。このように、コイルバネ状の弾性部材３０ａを採用することによって、減衰部７０の減衰能力の設定が容易となる場合がある。なお、コイルバネ以外の各種バネから減衰部７０を構成するようにしてもよいことは言うまでもない。また、図示は省略するが、例えばゴムダンパやオイルダンパ等と弾性部材３０ａを組み合わせたものから減衰部７０を構成するようにしてもよい。

図４（ａ）および（ｂ）は、弾性部材３０ａをアーム３０の側方に配置するようにした場合の一例を示した概略図である。なお、同図（ａ）は正面図であり、同図（ｂ）は平面図である。この例では、アーム３０の第２の支軸２６が接続される部分の両側（正面視の手前側と奥側）に２つの突出部３０ｂを設け、この突出部３０ｂからアーム３０に沿って略平行に逆Ｌ字状の弾性部材３０ａをそれぞれ延出させるようにしている。そして、荷重受部３４は、２つの弾性部材３０ａの先端部を繋ぐ接続部材３０ａ２に固定され、アーム３０の先端部の上方に配置されている。すなわち、この例では、２つの弾性部材３０ａから減衰部７０を構成している。

このようにすることで、荷重受部３４の位置を低くすることが可能となるため、錘３６の位置を下げてアーム３０の安定性を増すと共に、摩擦試験装置１全体の高さを低くしてコンパクト化することができる。また、減衰部７０を複数の弾性部材３０ａから構成することにより、減衰能力の設定が容易となる場合がある。

なお、この例のように弾性部材３０ａの高さとアーム３０の高さを揃えるのではなく、弾性部材３０ａの高さとアーム３０の高さをずらすようにしてもよい。また、突出部３０ｂをこの例よりも高い位置に設け、弾性部材３０ａを直線的に延出させるようにしてもよい。また、アーム３０の両側に弾性部材３０ａを設けるのではなく、片側にのみ設けるようにしてもよい。また、この例においても、弾性部材３０ａの寸法形状は限定されるものではなく、弾性部材３０ａに曲折部３０ａ１を設ける等してもよいことは言うまでもない。

図５（ａ）および（ｂ）は、弾性部材３０ａをアーム３０の下方に配置するようにした場合の例を示した概略正面図である。同図（ａ）に示す例では、アーム３０の略中央部から下方に突出した後に接触子３の下方に向けて延出するＬ字状に弾性部材３０ａを設け、これを減衰部７０としている。そして、荷重受部３４は弾性部材３０ａの先端部の上部に固定され、錘３６は荷重受部３４上に載置されるようになっている。また、同図（ｂ）に示す例では、弾性部材３０ａをアーム３０の右側部分と上下対称に構成し、弾性部材３０ａの先端部の下部に固定した荷重受部３４に、ボルト３４ａおよびナット３４ｂによって下方から錘３６を固定するようにしている。

これらの例においても、試料２と接触子３の接触範囲の中心Ｃの略鉛直線上に錘３６の重心Ｇが位置するように、荷重受部３４が配置される。このように、弾性部材３０ａをアーム３０の下方に設けることにより、錘３６をより下方に配置することが可能になると共に、第２の支軸２６に対するアーム３０および弾性部材３０ａの重心位置を下げることができるため、よりアーム３０の安定性を増すことができる。

なお、同図（ａ）および（ｂ）に示す例では、支脚１６によってステージ４０の位置を高くすることで、弾性部材３０ａの先端部、ならびに荷重受部３４および錘３６をステージ４０の下方に配置するようにしているが、基台１０の内部に空間を設け、この空間内に弾性部材３０ａの先端部、ならびに荷重受部３４および錘３６を収容するようにしてもよい。また、同図（ｂ）の例における錘３６の固定方法は、その他の既知の方法であってもよい。また、この例においても、弾性部材３０ａの寸法形状は限定されるものではなく、弾性部材３０ａに曲折部３０ａ１を設ける等してもよいことは言うまでもない。

図６（ａ）〜（ｃ）は、減衰部７０を紐状体から構成した場合の例を示した概略図である。なお、同図（ａ）および（ｂ）は正面図であり、同図（ｃ）は同図（ｂ）の右側面図である。同図（ａ）に示す例では、アーム３０の先端部の両側（正面視で手前側および奥側）に、フック３０ｃを設け、このフック３０ｃから垂下させた２本の屈曲自在なワイヤ３０ｄから減衰部７０を構成している。そして、これら２本のワイヤ３０ｄを介して荷重受部３４をステージ４０の下方に吊下げると共に、荷重受部３４上に錘３６を載置するようにしている。なお、この例においても荷重受部３４は、試料２と接触子３の接触範囲の中心Ｃの略鉛直線上に錘３６の重心Ｇが位置するように配置される。

このように、減衰部７０は、アーム３０から垂下されるワイヤ３０ｄ等の紐状体から構成されるものであってもよい。この場合、錘３６は、振り子状態でアーム３０から吊下げられることとなるため、錘３６を略移動させることなく接触子３およびアーム３０を移動させることができる。

同図（ｂ）および（ｃ）は、アーム３０の先端部上に載置される支点部材３０ｅからワイヤ３０ｄを垂下するようにした例を示している。この例では、支点部材３０ｅは、下向きの略円錐状の支点部３０ｅ１、および支点部３０ｅ１の両側（正面視の手前側および奥側）から延出する２つのフック３０ｅ２を備えている。そして、支点部材３０ｅは、支点部３０ｅ１の頂点部分をアーム３０の上面に当接させた状態でアーム３０上に載置され、２つのフック３０ｅ２から垂下されたワイヤ３０ｄを介して荷重受部３４および錘３６が吊下げられている。

この場合、錘３６の重量による垂直荷重は、支点部３０ｅ１の頂点部分を介してアーム３０に加えられることとなるため、垂直荷重の作用点を中心Ｃの鉛直線上に高精度に位置決めすることが可能になる。また、試験中に錘３６の重心Ｇの位置がずれたような場合においても、支点部３０ｅ１の頂点部分を支点として支点部材３０ｅが揺動することにより、垂直荷重の作用点の位置を維持することが可能となっている。

なお、同図（ａ）〜（ｃ）では、２本のワイヤ３０ｄを介して荷重受部３４を吊下げるようにした例を示したが、例えば３本や４本等、その他の本数のワイヤ３０ｄで荷重受部３４を吊下げるようにしてもよい。また、ワイヤ３０ｄによって直接錘３６を吊下げるようにしてもよい。また、支脚１６を設けるのではなく、基台１０の内部の空間内に荷重受部３４および錘３６を収容するようにしてもよい。

また、図示は省略するが、アーム３０の先端部から垂下された弾性部材３０ａを介して荷重受部３４を吊下げるようにしてもよい。また、揺動部材２４と同様に揺動する部材をアーム３０の先端部から垂下し、これによって荷重受部３４を吊下げるようにしてもよい。

図７（ａ）および（ｂ）は、揺動支持部材８０から減衰部７０を構成した場合の例を示した概略正面図である。同図（ａ）に示す例では、揺動支持部材８０は、支柱２０に揺動自在に配置されてアーム３０に上方から当接する略棒状の部材であり、アーム３０の上方において、略中央部を第３の支軸２８に支持された状態で左右方向に延出するように配置されている。すなわち、揺動支持部材８０は、第３の支軸２８の軸芯を揺動中心とし、アーム３０の上方においてアーム３０とは独立して上下に揺動自在となっている。また、この例では、第３の支軸２８は、支柱２０の第１の支軸２２の直上において第１の支軸２２および第２の支軸２６と略平行に配置されている。従って、揺動支持部材８０の揺動中心は、アーム３０の揺動中心と略平行となっている。

荷重受部３４は、揺動支持部材８０の一端側（図の右側）の先端部上側に固定されており、載置された錘３６の重心Ｇが試料２と接触子３の接触範囲の中心Ｃの略鉛直線上に位置するように配置されている。そして、揺動支持部材８０は、アーム３０に上方から当接する当接部８２を、荷重受部３４の下方に備えている。

この当接部８２は、揺動支持部材８０の一端側（図の右側）の先端部下側から下方のアーム３０に向けて突設された突設部材８２ａと、突設部材８２ａの先端部分に回転自在に設けられたローラ８２ｂと、から構成されている。そして、ローラ８２ｂは、試料２と接触子３の接触範囲の中心Ｃの略鉛直線上においてアーム３０の上面と当接するように配置されている。すなわち、この例では、荷重受部３４からローラ８２ｂを介して接触子３に垂直荷重が付加されるようになっている。

また、ローラ８２ｂの回転中心は、第１の支軸２２および第２の支軸２６と略平行に配置されており、摩擦力によってアーム３０が移動した場合に、ローラ８２ｂはアーム３０の上面に対して転動するようになっている。すなわち、アーム３０は、揺動支持部材８０、荷重受部３４および錘３６とは独立して移動可能となっている。

揺動支持部材８０の他端側（図の左側）には、アーム３０と同様に、カウンタウェイト８４が設けられている。すなわち、揺動支持部材８０は、カウンタウェイト８４の位置を調整することによって、自身の姿勢を略水平状態に保つと共に、荷重受部３４および自身の一端側部分の重量を相殺し、これらの重量が垂直荷重に加算されないように構成されている。

このように、荷重受部３４を支持する揺動支持部材８０を、ローラ８２ｂを介してアーム３０に当接させるようにすることで、接触子３に加わる摩擦力はローラ８２ｂの転がり抵抗に減衰されて揺動支持部材８０に伝達されることとなる。これにより、摩擦力による接触子３およびアーム３０の振動（移動）は減衰（吸収）されることとなるため、アーム３０が移動した場合においても、荷重受部３４および錘３６が殆ど移動しないようにすることが可能となる。すなわち、この例においても、接触子３およびアーム３０の移動の応答性を向上させることが可能となっている。

また、揺動支持部材８０を揺動自在に配置すると共に、専用のカウンタウェイト８４を設けることで、荷重受部３４を支持する揺動支持部材８０をアーム３０とは分離して配置しながらも、錘３６以外の重量が接触子３に付加されるのを効率的に防止することが可能となっている。

なお、この例では、揺動支持部材８０の揺動中心とアーム３０の揺動中心が略平行となるようにしているが、揺動支持部材８０の揺動中心とアーム３０の揺動中心は平行でなくてもよい。また、揺動支持部材８０の配置および形状等は、特に限定されるものではなく、例えば第３の支軸２８を第２の支軸２６よりも接触子３側に配置する等、その他の配置や形状を採用するようにしてもよい。また、ローラ８２ｂの代わりに、転動自在なボールを当接部８２に備えるようにしてもよいし、ローラベアリングやボールベアリング等を備えるようにしてもよい。

同図（ｂ）は、揺動支持部材８０をアーム３０と同じ第２の支軸２６で支持すると共に、アーム３０の側方に配置するようにした場合の一例を示している。なお、この場合においても、揺動支持部材８０は、アーム３０とは独立して揺動するようになっている。また、この場合、第２の支軸２６はアーム３０と共に摩擦力に応じて移動することとなるため、揺動支持部材８０の弾性変形によって、接触子３およびアーム３０の振動（移動）を減衰（吸収）することとなる。揺動支持部材８０をこのように配置して減衰部７０を構成した場合、弾性変形の自由度が増すため、減衰能力をより効果的に向上させることができる場合がある。

以上説明したように、本実施形態に係る摩擦試験装置１は、接触子３と接触する接触面（上面２ａ）に沿って試料２を移動させるステージ４０と、略水平方向の揺動中心（第２の支軸２６の軸芯）回りに揺動自在に配置され、揺動中心に対する一端側に接触子３が配置されるアーム３０と、接触子３を試料２に向けて押圧する荷重を発生させる荷重発生部（錘３６）と、荷重発生部から接触子３に付加される荷重を受ける荷重受部３４と、接触子３に加わる摩擦力を測定する力測定器５０と、接触子３から荷重受部３４に伝わる振動を減衰する減衰部７０と、を備えている。

このような構成とすることで、接触子３の移動と錘３６の移動を分離し、接触子３の移動を摩擦力の変化に対して敏感に追随させることができる。これにより、摩擦力の微細な変化を高精度に測定することが可能となり、摩擦現象をより詳細に解析することができる。

また、減衰部７０は、アーム３０から延出してアーム３０と荷重受部３４を繋ぐ弾性部材３０ａから構成されるものであってもよい。このようにすることで、弾性部材３０ａの弾性変形によって効率的に振動を減衰することができる。また、弾性部材３０ａの材質や寸法形状等の設定により、減衰能力を適宜に調節することが可能となる。

この場合また、減衰部７０は、接触子３よりもアーム３０の揺動中心に近い位置においてアーム３０から分岐するように構成されるものであってもよい。このようにすることで、弾性部材３０ａを振動の減衰に必要な寸法形状に構成することが可能となるため、適切な減衰能力を確保することが容易となる。

この場合また、荷重受部３４は、接触子３の下方に配置されるものであってもよい。このようにすることで、錘３６の位置を低くすると共に、揺動中心に対するアーム３０および弾性部材３０ａの重心位置を下げることが可能となるため、アーム３０の安定性を増すことができる。

また、減衰部７０は、アーム３０から垂下されてアーム３０と荷重受部３４を繋ぐ屈曲自在な紐状体（ワイヤ３０ｄ）から構成されるものであってもよい。このようにすることで、紐状体の屈曲や伸縮等によって効率的に振動を減衰することができる。また、錘３６の位置を低くすることが可能となるため、アーム３０の安定性を増すことができる。

また、減衰部７０は、アーム３０とは独立して揺動自在に配置され、荷重受部３４を支持する揺動支持部材８０から構成され、揺動支持部材８０は、回転自在に配置されたローラ８２ｂまたはボールを介してアーム３０に上方から当接する当接部８２を備えるものであってもよい。このようにすることで、接触子３に対して直接的に垂直加重を付加しながらも、ローラ８２ｂまたはボールの転動によって効率的に振動を減衰することができる。

この場合また、揺動支持部材８０は、自身の揺動中心に対する荷重受部３４の反対側にカウンタウェイト８４が配置されるものであってもよい。このようにすることで、簡素な構成でありながらも、接触子３に付加する垂直加重に錘３６以外の重量が加算されるのを確実に防止することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の開封性試験装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば、摩擦試験装置１を構成する各部材および機構等の形状および配置構成は、上記実施形態で示したものに限定されるものではなく、その他の各種形状および配置構成を採用することができる。

また、上記実施形態では、アーム３０の揺動中心の高さを試料２と接触子３の接触面（上面２ａ）の高さと略一致させるようにした場合の例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、アーム３０の揺動中心の高さを試料２と接触子３の接触面（上面２ａ）の高さからずらすようにしてもよい。この場合、アーム３０をより簡素且つ軽量に構成できる場合がある。

また、上記実施形態では、図示を分かりやすくするために、第１の支軸２２、第２の支軸２６および第３の支軸２８を全て片持ち支持するようにした例を示したが、これらの支軸２２、２６、２８を両持ち支持するようにしてもよいことは言うまでもない。また、上記実施形態では、揺動部材２４によってアーム３０を左右水平方向に移動可能とした場合の例を示したが、例えばリニアガイド等、その他の既知の手法によりアーム３０を左右水平方向に移動可能に支持するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、試料２を直線往復移動させるようにステージ４０を構成した例を示したが、ステージ４０は、例えば円盤状の試料２を垂直方向の回転中心回りに回転させるものであってもよいし、円筒状または断面円弧状の試料２を水平方向の回転中心回りに回転させるものであってもよい。

また、上記実施形態では、力測定器５０を第２の支軸２６に接続するようにした例を示したが、例えばアーム３０の他の部分や保持部材３２に力測定器５０を接続するようにしてもよいし、接触子３に直接力測定器５０を接続するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、荷重発生部を錘３６から構成した場合の例を示したが、例えば油圧シリンダやエアシリンダ等から荷重発生部を構成するようにしてもよい。また、荷重受部３４は、弾性部材３０ａまたは揺動支持部材８０と一体的に形成されるものであってもよい。

また、上記実施形態において示した作用および効果は、本発明から生じる最も好適な作用および効果を列挙したものに過ぎず、本発明による作用および効果は、これらに限定されるものではない。

本発明に係る摩擦試験装置は、摩擦、摩耗および潤滑に関する各種試験等、表面科学やトライボロジーの分野において利用することができる。

１ 摩擦試験装置
２ 試料
２ａ 試料の上面
３ 接触子
２６ 第２の支軸
３０ アーム
３０ａ 弾性部材
３０ｄ ワイヤ
３４ 荷重受部
３６ 錘
４０ ステージ
５０ 力測定器
７０ 減衰部
８０ 揺動支持部材
８２ 当接部
８２ｂ ローラ
８４ 揺動支持部材のカウンタウェイト

Claims (7)

1. 接触子と接触する接触面に沿って試料を移動させるステージと、
   略水平方向の揺動中心回りに揺動自在に配置され、前記揺動中心に対する一端側に前記接触子が配置されるアームと、
   前記接触子を前記試料に向けて押圧する荷重を発生させる荷重発生部と、
   前記荷重発生部から前記接触子に付加される荷重を受ける荷重受部と、
   前記接触子に加わる摩擦力を測定する力測定器と、
   前記接触子から前記荷重受部に伝わる振動を減衰する減衰部と、を備え、
   前記減衰部は、前記アームと前記荷重受部を繋ぐように構成されることを特徴とする、
   摩擦試験装置。
2. 前記減衰部は、前記アームから延出する弾性部材から構成されることを特徴とする、
   請求項１に記載の摩擦試験装置。
3. 前記減衰部は、前記接触子よりも前記アームの揺動中心に近い位置において前記アームから分岐するように構成されることを特徴とする、
   請求項２に記載に摩擦試験装置。
4. 前記荷重受部は、前記接触子の下方に配置されることを特徴とする、
   請求項２または３に記載の摩擦試験装置。
5. 接触子と接触する接触面に沿って試料を移動させるステージと、
   略水平方向の揺動中心回りに揺動自在に配置され、前記揺動中心に対する一端側に前記接触子が配置されるアームと、
   前記接触子を前記試料に向けて押圧する荷重を発生させる荷重発生部と、
   前記荷重発生部から前記接触子に付加される荷重を受ける荷重受部と、
   前記接触子に加わる摩擦力を測定する力測定器と、
   前記接触子から前記荷重受部に伝わる振動を減衰する減衰部と、を備え、
   前記減衰部は、前記アームから垂下されて前記アームと前記荷重受部を繋ぐ屈曲自在な紐状体から構成されることを特徴とする、
   摩擦試験装置。
6. 接触子と接触する接触面に沿って試料を移動させるステージと、
   略水平方向の揺動中心回りに揺動自在に配置され、前記揺動中心に対する一端側に前記接触子が配置されるアームと、
   前記接触子を前記試料に向けて押圧する荷重を発生させる荷重発生部と、
   前記荷重発生部から前記接触子に付加される荷重を受ける荷重受部と、
   前記接触子に加わる摩擦力を測定する力測定器と、
   前記接触子から前記荷重受部に伝わる振動を減衰する減衰部と、を備え、
   前記減衰部は、前記アームとは独立して揺動自在に配置され、前記荷重受部を支持する揺動支持部材から構成され、
   前記揺動支持部材は、回転自在に配置されたローラまたはボールを介して前記アームに上方から当接する当接部を備えることを特徴とする、
   摩擦試験装置。
7. 前記揺動支持部材は、自身の揺動中心に対する前記荷重受部の反対側にカウンタウェイトが配置されることを特徴とする、
   請求項６に記載の摩擦試験装置。

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