(57)【要約】【課題】往復摺動試験で試験体の接触面で生じる相対変位を高精度に計測する。【解決手段】２つの試験体１ａ，１ｂの間に接触面圧を付加する面圧付加装置３と、試験体１ａ，１ｂが互いに往復摺動するように試験体１ａを接触面に沿う方向に直進往復運動させる往復駆動装置１１と、互いの接触面が写るように試験体１ａ，１ｂを撮影する撮影装置１５ａ，１５ｂと、撮影装置１５ａ，１５ｂで撮影した画像から試験体１ａ，１ｂの接触面間の相対変位を演算する第１演算装置１８ａを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの試験体の間に接触面圧を付加する面圧付加装置と、
前記試験体が互いに往復摺動するように前記試験体の少なくとも一方を前記試験体の接触面に沿う方向に直進往復運動させる往復駆動装置と、
互いの接触面が写るように前記試験体を撮影する撮影装置と、
前記撮影装置で撮影した画像から前記試験体の接触面間の相対変位を演算する第１演算装置を備えたことを特徴とする往復摺動試験装置。
【請求項２】
請求項１の往復摺動試験装置において、前記面圧付加装置は、前記試験体に対してそれぞれ球面で接触する２本のロッドを備え、前記ロッドの少なくとも一方が進退することで前記試験体間に接触面圧をかけることを特徴とする往復摺動試験装置。
【請求項３】
請求項２の往復摺動試験装置において、前記面圧付加装置は、前記試験体を囲むように配置され前記２本のロッドで支持された１つのリングを備えており、前記ロッドの少なくとも一方が前記リングに対して進退可能であることを特徴とする往復摺動試験装置。
【請求項４】
請求項１の往復摺動試験装置において、前記２つの試験体のそれぞれ接触面に沿う方向の端部を保持する２つのホルダを備えており、前記往復駆動装置の作動によって前記２つのホルダの間の距離が変化することによって前記試験体が互いに往復摺動することを特徴とする往復摺動試験装置。
【請求項５】
請求項１の往復摺動試験装置において、前記第１演算装置は、前記撮影装置で撮影した画像を基に、前記試験体の接触面に交差する線上の複数点の変位から前記試験体の接触面間の相対変位を演算することを特徴とする往復摺動試験装置。
【請求項６】
請求項１の往復摺動試験装置において、
時刻計測装置と、
前記接触面に作用する接線力を計測する荷重計と、
前記接線力とその計測時刻、及び前記第１演算装置で演算された相対変位及びその計測時刻を基に、同時刻における接線力と相対変位を演算する第２演算装置を備えたことを特徴とする往復摺動試験装置。
【請求項７】
請求項６の往復摺動試験装置において、同時刻における相対変位と接線力を出力する出力装置を備えたことを特徴とする往復摺動試験装置。
【請求項８】
請求項１の往復摺動試験装置において、前記第１演算装置で演算された相対変位を基に前記往復駆動装置を制御する制御装置を備えたことを特徴とする往復摺動試験装置。
【請求項９】
請求項１の往復摺動試験装置において、前記撮影装置で撮影された画像を記憶する記憶装置を備えたことを特徴とする往復摺動試験装置。
【請求項１０】
２つの試験体の間に接触面圧を付加し、
前記試験体が互いに往復摺動するように前記試験体の少なくとも一方を前記試験体の接触面に沿う方向に直進往復運動させ、
互いの接触面が写るように前記試験体を撮影し、
撮影した画像から前記試験体の接触面間の相対変位を演算することを特徴とする往復摺動試験方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、往復摺動試験装置及び往復摺動試験方法、特に試験体の接触面間の相対変位を高精度に計測できる装置と方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一の試験体に対して他の試験体を一方向に摺動させるすべり摩耗試験装置として、ピンオンディスクやリングオンディスク等が知られている。これらの試験装置では、試験開始直後を除いて相対変位は非可逆なすべり域の変位に一致するため、可逆な固着域の変位と非可逆なすべり域の変位とに相対変位を分けて評価する必要がない。それに対し、一の試験体に対して他の試験体をアクチュエータの微量な往復動作によって往復摺動させる往復摺動試験では、アクチュエータの往復動作の振幅に占める可逆な固着域の変位の割合が大きい。そのため往復摺動試験では、可逆な固着域の変位と非可逆なすべり域の変位に分けて相対変位を評価することが重要になる。
【０００３】
従来の往復摺動試験では、接触式の変位計で計測した試験体の変位やアクチュエータのストローク変位で試験体間の相対変位を計測していた。しかしこうして計測される相対変位には、試験体の接触面間の相対変位（真の相対変位）以外に双方の試験体の弾性変形やアクチュエータの要素の変形の影響を受ける値が含まれる。そのため、試験体の接触面間の相対変位の正確な値を知ることはできず、可逆な固着域の変位と非可逆なすべり域の変位に分けて相対変位を評価することは困難であった。特許文献１に試験体の変位を非接触式の光波干渉計で計測する方法が開示されているが、単にセンサが非接触式に変わっただけで、試験体の弾性変形の影響を受けた値が計測値に含まれる事情は変わりない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３３１２８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、往復摺動試験で試験体の接触面で生じる相対変位を高精度に計測することができる往復摺動試験装置及び往復摺動試験方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、２つの試験体の間に接触面圧を付加し、前記試験体が互いに往復摺動するように前記試験体の少なくとも一方を前記試験体の接触面に沿う方向に直進往復運動させ、互いの接触面が写るように前記試験体を撮影し、撮影した画像から前記試験体の接触面間の相対変位を演算する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、往復摺動試験で試験体の接触面で生じる相対変位を高精度に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る往復摺動試験装置の全体図
【図２】図１の往復摺動試験装置にセットされた試験体の拡大図
【図３】図１の往復摺動試験装置に備えられた撮影装置の撮影視野の説明図
【図４】図１の往復摺動試験装置を用いた試験手順を表すフローチャート
【図５】図４の手順に含まれる画像計測処理の手順を表すフローチャート
【図６】試験体の変位分布の計測例を示すグラフ
【図７】相対変位の計測時刻と同時刻における接線力の演算方法を表すグラフ
【図８】接線力と相対変位の計測例を示すグラフ
【図９】一実施例で得られた接触面圧と接線剛性に関する計測例を示すグラフ
【図１０】本発明の第２実施形態に係る往復摺動試験装置の全体図
【図１１】本発明の第３実施形態に係る往復摺動試験装置の全体図
【図１２】図１１の往復摺動試験装置にセットされた試験体の拡大図
【図１３】図１１の往復摺動試験装置にセットされた試験体の他の例の拡大図
【図１４】本発明の第４実施形態に係る往復摺動試験装置の全体図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
１．往復摺動試験装置
図１は本発明の第１実施形態に係る往復摺動試験装置の全体図、図２は図１の往復摺動試験装置にセットされた試験体の拡大図、図３は図１の往復摺動試験装置に備えられた撮影装置の撮影視野の説明図である。図１−図３に示した往復摺動試験装置（以下、試験装置）は、ホルダ８ａ，８ｂ、面圧付加装置３、往復駆動動装置１１、荷重計１３、制御装置１２、撮影装置１５ａ，１５ｂ、記憶装置１７、時刻計測装置１９、演算装置１８、出力装置２２等を備えている。
【００１１】
・ホルダ
ホルダ８ａ，８ｂは２つの試験体１ａ，１ｂをそれぞれ保持する部材であり、試験体１ａ，１ｂの相対変位方向（図１では上下方向（ｙ方向））の端部を保持している。本実施形態ではホルダ８ａが試験体１ａの上端部、ホルダ８ｂが試験体１ｂの下端部を保持している。ホルダ８ａ，８ｂは試験体１ａ，１ｂと反対側にそれぞれ低剛性部１０ａ，１０ｂを有している。低剛性部１０ａ，１０ｂは試験体１ａ，１ｂやホルダ８ａ，８ｂ、固定壁９ａ，９ｂ、往復駆動装置１１等の周辺構造物よりも剛性が低く構成された部材又は部位である。ホルダ８ａは往復駆動装置１１を介して固定壁９ａに支持されており、ホルダ８ｂは固定壁９ｂに支持されている。固定壁９ｂは試験装置の下部フレーム或いは試験装置を設置した部屋の床等であり、固定壁９ａは試験装置の上部フレーム或いは試験装置を設置した部屋の天井等である。固定壁９ｂは固定壁９ａに対して固定関係にある。
【００１２】
２体の試験体１は本実施形態では形状及び大きさが同一であり、ホルダ８ａ，８ｂにセットされた状態では側面（図２等では紙面に直交方向の手前側の表面）から見て１８０°点対象の配置となる。試験体１ａ，１ｂはホルダ８ａ，８ｂにセットされた状態で一定面積の平面で接触する。両者の接触面は、縦方向（ｙ方向）の長さがＬで横方向の長さが試験体１ａ，１ｂの幅（本実施形態では試験体１ａ，１ｂは同幅）に等しい矩形状の平面となる。試験体１ａ，１ｂの側面（以降、この側面を評価面と記載する）における接触面（評価面において接触面は線状である）の両端部をそれぞれ点Ｐ，Ｑとする（線分ＰＱの長さ＝Ｌ）。試験体１ａ，１ｂの幅は、図１−図３の紙面に垂直する方向に採った寸法とする。長さＬ（試験体１ａ，１ｂの重複距離）と試験体１ａ，１ｂの幅をパラメータとすることにより接触面の形状を様々に変えて往復摺動試験ができる。但し、試験体１ａ，１ｂの接触面の各部の接触面圧をできるだけ均等にするためには、試験体１ａ，１ｂの厚みＴａ，Ｔｂ（本実施形態ではＴａ＝Ｔｂ）は接触面の長さＬの１／２以上であることが望ましい。試験体１ａ，１ｂの厚みとは、接触面に直交する方向（ｘ方向）に採った試験体１ａ，１ｂの寸法である。
【００１３】
なお、試験体１ａ，１ｂの評価面には、撮影装置１５ａ，１５ｂにより被写される範囲（以下、撮影視野）にランダムな斑点模様１４が施工されている。斑点模様１４は例えばスプレーによる塗料の吹き付けで施工することが望ましい。この場合、斑点模様１４のコントラストを上げるため、例えば基調となる白色の塗料を試験体１ａ，１ｂの評価面に塗布した後、黒の斑点模様をスプレー等で塗布する。但し、後述する画像相関法により識別可能な模様が試験体自体に元々存在している場合には、斑点模様の施工は不要である。
【００１４】
・面圧付加装置
面圧付加装置３は、２つの試験体１ａ，１ｂの間に接触面圧を付加する装置であり、本実施形態では１つのみのリング４と２本のロッド５ａ，５ｂを備えている。図２等に示したように、２本のロッド５ａ，５ｂは試験体１ａ，１ｂに対して接触面と反対側からそれぞれボールジョイント（例えば鋼球）６ａ，６ｂを介し、つまり球面で接触している。補足すると、試験体１ａ，１ｂ及びロッド５ａ，５ｂの対向面には球面状の窪みが形成されており、これら窪みでボールジョイント６が保持されている。ボールジョイント６の表面には潤滑剤を塗布することが望ましい。またリング４は、試験体１ａ，１ｂを囲むように配置され、ロッド５ａ，５ｂのみで支持されている。上記ロッド５ａ，５ｂの少なくとも一方（本実施形態においては双方）はネジ部を有していて、リング４に対してねじ込まれてリング４の法線方向に延び、リング４の法線方向に進退可能である。ロッド５ａ，５ｂはリング４に対して１８０°ピッチで配置され、同軸上に延びている。ロッド５ａ，５ｂの少なくとも一方（本実施形態においては双方）が進退することで試験体１ａ，１ｂ間に接触面に垂直な方向の力（法線力Ｆ１）がかかり、試験体１ａ，１ｂ間に接触面圧がかかる。
【００１５】
なお、図１に示したように、リング４には法線力Ｆ１を計測する手段として歪ゲージ７が設けられている。ロッド５ａ，５ｂの操作により試験体１ａ，１ｂにかかる法線力Ｆ１と出力の関係について較正しておくことにより、出力から法線力Ｆ１が計測できる。計測精度を考慮すると、歪ゲージ７はリング４に対して１８０°ピッチで２つ配置することが望ましい。歪ゲージ７で計測した法線力Ｆ１は制御装置１２に出力される。
【００１６】
・往復駆動装置
往復駆動装置１１は試験体１ａ，１ｂが互いに往復摺動するように試験体１ａ，１ｂの少なくとも一方（本例では試験体１ａ）を試験体１ａ，１ｂの接触面に沿う方向に直進往復運動させる装置であり、例えば油圧アクチュエータを用いることができる。往復駆動装置１１はホルダ８ａ（低剛性部１０ａ）と固定壁９ａの間に介在している。
【００１７】
往復駆動装置１１によって試験体１ａ，１ｂの接触面で相対変位を変動させるための力が与えられ、往復駆動装置１１が作動することによりホルダ８ａ，８ｂの間の距離が変化して試験体１ａ，１ｂが互いに往復摺動する。摺動距離（振幅）は微小距離（例えば１００μｍ程度）である。試験体１ａ，１ｂの相対変位を変動させるための力は接触面に平行にかかる力（接線力Ｆ２）に相当する。
【００１８】
・荷重計
荷重計１３は試験体１ａ，１ｂの接触面に作用する接線力Ｆ２を計測するセンサであり、本実施形態では荷重計１３を用いている。荷重計１３は往復駆動装置１１とホルダ８ａ（低剛性部１０ａ）の間に介在している。荷重計１３で計測した接線力Ｆ２は制御装置１２に出力される。なお、荷重計１３で計測した接線力Ｆ２と歪ゲージ７で計測した法線力Ｆ１の比を接線力係数と定義する。２固体間の摩擦挙動を評価する上で、接線力係数は重要な物理量である。試験体１ａ，１ｂの接触面の間に非可逆なすべりが発生する場合には、接線力係数は一般的に知られている摩擦係数に相当する。
【００１９】
・制御装置
制御装置１２は、第１演算装置１８ａ（後述）で演算された試験体１ａ，１ｂの接触面間の相対変位を基に、往復駆動装置１１を制御する機能等を備えた装置である。往復駆動装置１１の制御方式については、荷重制御とすると接触面ですべりが生じた場合に試験体１ａ，１ｂが分離するおそれがあるため、ストローク変位制御とすることが望ましい。変動波形の形状は、周期的に変動する正弦波又は三角波が望ましい。画像計測（後述）により第１演算装置１８ａで算出された接触面間の相対変位とその目標値（設定値）との差が許容値（設定値）内となるように、制御装置１２によって往復駆動装置１１のストローク変位がフィードバック制御される。制御装置１２の構成要素については、後でフローチャートの説明の際に適時に紹介する。
【００２０】
・撮影装置
撮影装置１５ａ，１５ｂは、試験体１ａ，１ｂ互いの接触面が写る（撮影視野に含まれる）ように、斑点模様１４を施した試験体１ａ，１ｂの評価面を撮影するカメラ（例えばＣＣＤカメラ：Charge Coupled Device Camera）である。配線経路は限定されないが、本実施形態では撮影装置１５ａ，１５ｂは制御装置１２に接続してある。撮影装置１５ａ，１５ｂにより撮影される画像（撮影視野）が四角形ＡＢＣＤであり、試験体１ａ，１ｂの接触面（線分ＰＱの全域）と接触面を挟んだ試験体１ａ，１ｂの評価面が含まれる。この例では四角形ＡＢＣＤの摺動方向の寸法（線分ＡＢ，ＣＤの長さ）は線分ＰＱの長さＬに等しく、点Ｐ，Ｑは線分ＡＣ，ＢＤの各中点となるようにしてある。撮影装置１５ａ，１５ｂの撮影視野は例えば白色光源のライト１６ａ，１６ｂにより照明される。
【００２１】
なお、本実施形態では２台の撮影装置１５ａ，１５ｂを用いたことで、ステレオ撮影による３次元計測ができる。ステレオ撮影のメリットは、撮影装置が１台のみの撮影と比較して試験体に撮影装置を正確に正対させる必要がない点、また試験体の面外方向への変形による変位も計測できる点である。但し、２台の撮影装置を用いることは発明の必須要件ではなく、撮影装置は１台であっても良い。またＣＣＤカメラの代わりに、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）カメラを用いてもよい。一般に、ＣＣＤカメラは感度が高くノイズが少ない長所があるが、構造が複雑で高価である。照度が低い環境ではＣＣＤカメラが優位であるが、高画素で高いフレームレートが必要な場合にはＣＭＯＳカメラを用いることが好ましい。
【００２２】
・記憶装置
記憶装置１７は撮影装置１５ａ，１５ｂで撮影された画像を記憶する装置であり、本実施形態ではＨＤＤ（Hard Disk Drive）を用いている。配線経路は限定されないが、本実施形態では記憶装置１７は制御装置１２に接続してあり、撮影装置１５ａ，１５ｂで撮影された画像のデータは制御装置１２を介して記憶装置１７に保存される。記憶装置１７には、ＨＤＤよりも高速なＳＳＤ（Solid State Drive）やＲＡＭ（Random Access Memory）を用いることもできる。またフラッシュメモリであるＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリやＳＤ（Secure Digital）メモリカード等を記憶装置１７に用いても良い。
【００２３】
・時刻計測装置
時刻計測装置１９は、撮影装置１５ａ，１５ｂによる画像の撮影時刻、及び荷重計１３による接線力Ｆ２の計測時刻を計測するための装置である。時刻計測装置１９には、ＰＣのクロックやタイマーを用いることができる。配線経路は限定されないが、本実施形態では時刻計測装置１９は制御装置１２に接続してある。
【００２４】
・演算装置
演算装置１８は往復摺動試験に係る各種データを演算する装置であり、主要な要素として第１演算装置１８ａと第２演算装置１８ｂを備えている。第１演算装置１８ａは、撮影装置１５ａ，１５ｂで撮影した画像から試験体１ａ，１ｂの接触面間の相対変位を演算する装置である。第２演算装置１８ｂは、接線力Ｆ２とその計測時刻ｔｆ、及び第１演算装置１８ａで演算された相対変位及びその計測時刻（撮影時刻ｔｐ）を基に、同時刻における接線力と相対変位を演算する装置である。詳細は後述するが、第１演算装置１８ａは、画像相関法により撮影画像の輝度値分布からランダムなパターンを追跡して評価面の変形量と方向を算出する。例えば、第１演算装置１８ａは撮影装置１５ａ，１５ｂで撮影した画像を基に、試験体１ａ，１ｂの接触面に交差する線（図３の評価ライン３１）上の複数点（後述するサブセット）の変位から試験体１ａ，１ｂの接触面間の相対変位を演算する。一般にサブセット数は１０〜１００程度である。サブセット数を大きくすると計測精度は向上するが演算コストが増加する。
ここでは、評価ライン３１は線分ＰＱの中心を通り接触面に垂直な線分ＫＬ（図３）とする。相対変位の具体的な演算方法は、後でフローチャートを用いて説明する。
【００２５】
・出力装置
出力装置２２は同時刻における試験体１ａ，１ｂの相対変位と接線力Ｆ２を出力する装置であり、本実施形態では例えば表示装置（ディスプレイ）を用いるが、プリンタ等で代替することもできる。配線経路は限定されないが、本実施形態では出力装置２２は制御装置１２に接続してあり、制御装置１２から出力された信号に基づいて表示等の出力をする。
【００２６】
２．試験方法
図４は本実施形態に係る往復摺動試験の手順を表すフローチャートである。この図を用いて往復摺動試験の手順について説明する。
【００２７】
・工程Ｓ５１
まず準備をする。具体的には、試験体１ａ，１ｂに対する斑点模様１４の施工、試験装置への試験体１ａ，１ｂの取り付け、較正作業、面圧付加装置３による面圧（法線力Ｆ１）の付加などを実施する。画像相関法の実行には先行して較正作業が必要となる。較正作業は、寸法が既知な模様が描かれた較正プレートを用い、この模様の位置を変化させながら複数枚の画像を撮影し、較正プレートの実際の座標と画像上の座標の関連付けをすることで行う。一般に較正には１０枚以上の画像を撮影して実行することが望ましい。加えて、画像計測の回数Ｎｍ、画像計測の回数Ｎｍ、往復駆動装置１１のストローク変位、撮影装置１５ａ，１５ｂによる撮影のフレームレートや目標とする相対変位ｄｔや許容値ε等を必要に応じて例えば制御装置１２に入力し設定する。これらの設定値は記憶装置１７に保存される。
【００２８】
・工程Ｓ５２
次に、画像相関法の実行に先行して、撮影装置１５ａ，１５ｂにより評価面の基準画像を撮影する。この基準画像は、試験時の試験体１ａ，１ｂの撮影画像との差を演算する際の基準となる。また、評価ライン３１（図３）上の任意の点を中心としたＮ×Ｎ画素の領域（サブセット）を基準画像上で予め複数指定しておく。基準画像やサブセットは記憶装置１７に保存される。ここまでの手順を終えたら、制御装置１２に操作入力し、試験装置を駆動して画像相関法による画像計測を実行する。この後の手順は制御装置１２による手順となる。
【００２９】
・工程Ｓ５３
制御装置１２は、基準画像、計測回数Ｎｍ、ストローク変位、フレームレート、目標相対変位ｄｔ、許容値ε等の各種設定を記憶装置１７から読み込む。制御装置１２は、工程Ｓ５３でまず記憶装置１７のデータを読み込んで画像計測の回数Ｎｍを設定する。なお制御装置１２には、この読込処理を実行する読込部１２ａ（図１）や計測回数Ｎｍの設定を実行する計測回数設定部１２ｂが備わっている。
【００３０】
・工程Ｓ５４
画像計測の回数Ｎｍの設定が完了したら、制御装置１２は往復駆動装置１１のストローク変位を設定する。なお制御装置１２には、このストローク変位の設定を実行するストローク変位設定部１２ｃ（図１）が備わっている。工程Ｓ５３，Ｓ５４の順序は逆でも良い。
【００３１】
・工程Ｓ５５
工程Ｓ５５に手順を移すと、制御装置１２は設定したストローク変位に応じて往復駆動装置１１を駆動して変動荷重を負荷する（試験体１ａ，１ｂが互いに往復摺動するように試験体１ａを試験体１ａ，１ｂの接触面に沿う方向に直進往復運動させる）。なお制御装置１２には、往復駆動装置１１に制御信号を出力する往復駆動装置制御部１２ｄ（図１）が備わっている。
【００３２】
・工程Ｓ５６
続く工程Ｓ５６で制御装置１２は、試験体１ａ，１ｂに変動荷重を付加した状態で、設定されたフレームレートで撮影装置１５ａ，１５ｂによる評価面の画像撮影を実行し、演算装置１８により画像計測処理を実行する。言うまでもないが、画像撮影は、試験体１ａ，１ｂの互いの接触面と評価ライン３１が写るように行う。この工程における画像計測処理には、撮影画像から試験体１ａ，１ｂの接触面間の相対変位を演算する処理が含まれており、その詳細については後述する。なお制御装置１２には、撮影装置１５ａ，１５ｂを制御する撮影装置制御部１２ｅ（図１）が備わっている。
【００３３】
・工程Ｓ５７
画像計測処理を実行したら、制御装置１２は、演算装置１８で算出した相対変位ｄｍと目標とする相対変位ｄｔの差（例えば絶対値）が許容値ε以下であるかを判定する。なお制御装置１２には、相対変位ｄｍ，ｄｔの差が許容値ε以下かを判定する相対変位判定部１２ｆ（図１）が備わっている。
【００３４】
・工程Ｓ５８
工程Ｓ５７で相対変位ｄｍ，ｄｔの差が許容値εより大きいと判定した場合、制御装置１２は工程Ｓ５８に手順を移し、相対変位ｄｍ，ｄｔの差が許容値ε以下になるように往復駆動装置１１のストローク変位の補正値を算出して工程Ｓ５４に手順を戻す。この場合、工程Ｓ５４で制御装置１２は補正値を加味してストローク変位を再設定する。また、工程Ｓ５８の実行の際、制御装置１２は画像計測の実行回数ｉ（初期値＝１）をカウントアップする（ｉ＝ｉ＋１）。なお制御装置１２には、ストローク変位を補正するストローク変位補正部１２ｇ（図１）や画像計測の実行回数をカウントする計数部１２ｈ（図１）が備わっている。
【００３５】
・工程Ｓ５９
工程Ｓ５７で相対変位ｄｍ，ｄｔの差が許容値ε以下であると判定した場合、制御装置１２は工程Ｓ５９に手順を移し、画像計測の実効回数ｉ（初期値＝１）が設定値Ｎｍに達したかどうかを判定する。実効回数ｉが設定値Ｎｍより小さい場合には、制御装置１２は実行回数ｉをカウントアップして（ｉ＝ｉ＋１）、工程Ｓ５７に手順を戻す。なお制御装置１２には、画像計測の実行回数が設定回数Ｎｍに到達したか否か判定する実行回数判定部１２ｉ（図１）が備わっている。実効回数ｉが設定値Ｎｍに到達した場合には、制御装置１２は図４の試験手順を終了する。
【００３６】
３．画像計測処理
図５は図４の手順に含まれる画像計測処理（工程Ｓ５６）の手順を表すフローチャートである。画像計測処理を開始すると、制御装置１２は撮影装置１５ａ，１５ｂで試験体１ａ，１ｂの評価面を撮影し（工程Ｓ７１）、撮影時刻ｔｐと撮影画像のデータを記憶装置１７に記録する（工程Ｓ７２，Ｓ７３）。続いて制御装置１２は、荷重計１３の信号を入力して接線力Ｆ２を計測し（工程Ｓ７４）、接線力Ｆ２の計測時刻ｔｆを記録する（工程Ｓ７５）。また制御装置１２は、撮影画像のデータを記憶装置１７から読み出し、演算装置１８によって試験体１ａ，１ｂの接触面の間の相対変位をデジタル画像相関法で算出する（工程Ｓ７６）。
【００３７】
工程Ｓ７６の画像相関法において、第１演算装置１８ａは、工程Ｓ５２で撮影された基準画像上のサブセットと輝度値分布で高い相関性を示すサブセットを、工程Ｓ７１で撮影された画像上で数値解析により探索する。両画像の最も相関性が高いサブセットの中心点間の距離を変位量とする。この処理を評価ライン３１に沿って設定された多数のサブセットについて実行することにより、評価ライン３１上の変位分布が得られる。また本実施形態では、輝度分布の相関性を求める方法として、画素単位の計測精度で変位量を求める粗探査と、１画素以下の精度で変位量を求める精密探査を用いる。粗探査では、接線力Ｆ２を付加する前後の残差が最小となる位置から、最も高い相関が得られた最近接画素を探査する。精密探査では、最近接画像とその周辺に位置する画素の相関値を利用して、線形や２次曲線などの補間により変位を算出する。一般的に精密探査による計測精度は０．０５〜０．１画素である。
【００３８】
図６は試験体１ａ，１ｂの評価ライン上の点の摺動方向（ｙ方向）の変位分布の計測例を示すグラフである。このグラフを用いて工程Ｓ７６の処理について説明する。図６では、評価ライン３１上の各点の接線力Ｆ２の付与前後における変位を線形近似して得られる。試験体１ａ側の評価ライン３１の変位は近似線３５ａで、試験体１ｂ側の評価ライン３１の変位は近似線３５ｂで表されている。これら近似線３５ａ，３５ｂから評価ライン３１上の点の変位は、試験体１ａ，１ｂの接触面３３でステップ状（離散的）に変化していることが分かる。このステップ状の変化量３４が、計測時刻における試験体１ａ，１ｂの接触面間（対向面間）の相対変位に相当する。第１演算装置１８ａでは、近似線３５ａ，３５ｂと接触面３３との各交点の距離から相対変位が演算される。近似線３５ａ，３５ｂを求めるにあたり、点Ｒのように他点から求められる近似線３５ａ，３５ｂから大きく乖離する変位計測データは除去する。点Ｒのような変位計測データは、試験体１ａ，１ｂの接触面の幅方向の端部の面取りの影響等で斑点模様１４の判別精度が低下して生じるものと考えられる。なお、近似線３５ａ，３５ｂを求める方法は、線形近似以外にも２次曲線等を用いた曲線近似を適用することができる。
【００３９】
続く工程Ｓ７７では、制御装置１２は第２演算装置１８ｂにより、接線力Ｆ２の計測時刻ｔｆと撮影時刻ｔｐの時間差を補正して、相対変位の計測時刻（＝撮影時刻ｔｐ）と同時刻における接線力Ｆ２＿Ｔｐを算出する。接線力Ｆ２＿Ｔｐの演算方法を表すグラフを図７に示す。図７に示すグラフは、接線力Ｆ２の計測値とその計測時刻のデータから例えば線形近似又は曲線近似により得られた近似曲線である。この計測時刻と接線力の関係から、撮影時刻ｔｐにおける接線力Ｆ２＿ｔｐを補間計算により推定できる。また第１演算装置１８ａによる相対変位の計測時刻（＝撮影時刻ｔｐ）の関係に関する近似線を求め、接線力Ｆ２の計測時刻ｔｆにおける相対変位を推定演算しても良い。いずれの場合にも接線力Ｆ２と相対変位の同時刻における値を求めることができる。
【００４０】
続く工程Ｓ７８では、制御装置１２は演算装置１８から入力された信号に基づいて出力装置２２に信号を出力し、同時刻における接線力と相対変位を出力装置２２に出力（本例では表示）させ、工程Ｓ５６の処理を終える。図８は接線力と相対変位の計測例を示すグラフである。このグラフは異なる時刻における複数点（接線力及び相対変位）のデータをプロットして得られる。図８に示した接線力と相対変位のヒステリシス３８の形状から、微小な相対変位を可逆な固着域の相対変位３６と非可逆なすべり域の相対変位３７に分離して評価することができる。ヒステリシス３８の面積が試験体１ａ，１ｂの相対摺動の１サイクル当たりの消費エネルギーに相当する。これはフレッティング摩耗量と相関がある重要な物理量である。接線力Ｆ２を法線力Ｆ１で除した値が接線力係数である。また、固着域の相対変位に対する接線力の傾き３９から接線剛性が高精度に演算できる。これも摩擦挙動の評価に重要な物理量である。可逆な固着域の相対変位３６、非可逆なすべり域の相対変位３７、１サイクルあたりの消費エネルギー、接線力係数、接線剛性等は、いずれも演算装置１８で算出することができる。制御装置１２を操作することで、必要に応じてこれら値を出力装置２２に選択的に出力することができる。
【００４１】
４．実施例
一実施例の試験結果を紹介する。２体の１２Ｃｒ鋼を試験体とし、試験体の厚みは２０ｍｍ、接触面の長さＬは１５ｍｍ、試験体の幅は１０ｍｍとした。試験体の撮影には、焦点距離７５ｍｍのレンズを持つＣＣＤカメラを２台使用した。撮影視野は６５ｍｍ×５５ｍｍ、画像解像度は２４４８×２０５０、撮影のフレームレートは１Ｈｚである。画像相関法のサブセットの大きさはＮ＝１６とし、接触面の中心を通り接触面に垂直な線分ＫＬを評価ラインとした。先に例示した評価ライン上の変位計測の例（図６）、接線力と相対変位の計測例（図８）も、本実施例により得られたものである。図９は本実施例で得られた接触面圧と接線剛性に関する計測例を示すグラフである。このグラフでは面圧をパラメータとして１２Ｃｒ鋼の接線剛性を計測している。接線剛性は面圧の増加に伴って増加する傾向がある。
【００４２】
５．効果
（１）真の接触面間の相対変位の計測
本実施形態によれば、相対変位の計測対象である試験体１ａ，１ｂの接触面の直接的観察画像を撮影し、その撮影画像から接触面間の相対変位を演算により直接計測することができる。相対変位を可逆な固着領域の変位と非可逆なすべり領域の変位に分離して評価することができ。非可逆なすべり領域の変位はエネルギー散逸や摩耗等、発熱に繋がる物理量である。試験体１ａ，１ｂの往復摺動に伴って変動する他の物理量の計測値から接触面間の相対変位を推定する場合と異なり、往復摺動試験で試験体１ａ，１ｂの接触面で生じる相対変位を高精度に計測することができる。
【００４３】
（２）面圧の均等化
本実施形態ではロッド５ａ，５ｂを進退させて試験体１ａ，１ｂの間に面圧をかける構成である。このとき、試験体１ａ，１ｂに対してロッド５ａ，５ｂはそれぞれ球面で接触しモーメント拘束がフリーとなるので、押し付け荷重が接線力等として散逸することを抑制することができる。これによりロッド５ａ，５ｂの押し付け荷重を効率良く法線力Ｆ１に変換することができ、接触面間にかかる面圧を均一化することができる。
【００４４】
（３）画像計測への適応
試験体１ａ，１ｂを囲うように配置したリング４に対してロッド５ａ，５ｂを進退可能に取り付け、かつリング４が試験体１ａ，１ｂに球面で接触したロッド５ａ，５ｂでのみ支持されている。またロッド５ａ，５ｂはリング４の中心を通ってリング４の径方向に延びる線に沿って同軸状に配置されている。従ってロッド５ａ，５ｂの先端の球面（ボールジョイント６）を支点としてリング４の角度が調整できる。撮影装置１５ａ，１５ｂのカメラアングルに応じてリング４の角度を適宜調整することで、撮影装置１５ａ，１５ｂの視野にリング４が干渉することが避けられ、試験体１ａ，１ｂの鮮明な撮影画像を得ることができる。こうした工夫により、本実施形態の試験装置は画像計測に適した構成となっている。
【００４５】
また、試験体１ａ，１ｂのそれぞれ摺動方向の端部をホルダ８ａ，８ｂで保持したことで、試験体１ａ，１ｂの接触面及びその周囲を広く露出させることができ、接触面間の相対摺動が撮影し易くなる。この構成も画像計測に好適である。
【００４６】
（４）画像計測の精度確保
接触面近傍では試験体１ａ，１ｂの幅方向の端部（面取りをした角部）の形状が画像判別精度に影響を与え得るが、評価ライン３１に沿った複数の箇所（サブセット）の変位分布を用いた演算により接触面間の相対変位が高精度に演算できる。
【００４７】
また、本実施形態の場合、評価ライン３１を接触面に垂直に設定したことで、演算された各サブセットの変位を接線方向成分と法線方向成分に分離し易い利点もある。但し、評価ライン３１は、必ずしも接触面の中心を通らなくても、また接触面に垂直でなくても、接触面上の点を含んでさえいれば、画像計測により発明の本質的効果である上記効果（１）は得られる。また評価ライン３１は本実施形態のように１本でなはなく複数としても良い。複数の評価ラインを用いた場合、演算量の増加により計測時間は長くなるが、より精度の高い計測結果が期待できる。
【００４８】
加えて、特に周波数が高い試験条件では、撮影時刻と接線力の計測時刻の僅かな時間差により、接線力と相対変位の関係が正しく評価できない場合がある。それに対し、本実施形態では撮影時刻と接線力Ｆ２の計測時刻との間に生じ得る僅かな時間差を第２演算装置１８ｂで補正することにより、接線力Ｆ２と相対変位の関係が高い精度で求められる。
【００４９】
（５）接線力係数、接線剛性の計測
本実施形態では、相対変位を可逆な固着領域の変位と非可逆なすべり領域の変位に分離して評価することができ、かつ同時刻における接線力と相対変位が計測できる。これにより、摩擦挙動の評価に重要な物理量として、摺動１サイクル当たりの消費エネルギーや接線剛性が高精度に計測できる。接線剛性の計測はこれまで計測困難であった。また法線力Ｆ１を計測することで、同じく摩擦挙動の評価に重要な物理量として、接線力係数も計測することができる。これらの値は出力装置２２に出力することで容易に確認できる。
【００５０】
（６）摺動試験の妥当性の向上
一般に、アクチュエータのストローク変位には試験体の弾性変形や駆動装置の変形等が含まれるため、ストローク変位は接触面の相対変位より大きくなる。それに対し本実施形態では、撮影画像で計測した相対変位をフィードバックして往復駆動装置１１を制御することにより、試験体１ａ，１ｂの相対変位を目標値に近付けた試験をすることができる。
【００５１】
（７）その他の効果
撮影画像等を記憶装置１７に保存しておくことで、事後的に詳細な分析が必要になったときに撮影画像を活用できる。またホルダ８ａ，８ｂに設けた低剛性部１０ａ，１０ｂは、試験体１ａ，１ｂの接触面圧の均一化に貢献する。
【００５２】
（第２実施形態）
図１０は本発明の第２実施形態に係る往復摺動試験装置の全体図であり、図１に対応する図である。第１実施形態で説明済みの要素には既出図面と同符号を付して説明を省略する。本実施形態の第１実施形態との相違点は、面圧付加装置の構成にある。本実施形態の面圧付加装置３Ａは、アクチュエータ４１、固定壁４２ａ，４２ｂ、ロッド４３ａ，４３ｂ及びボールジョイント４４ａ，４４ｂで構成されている。ボールジョイント４４ａ，４４ｂを介した試験体１ａ，１ｂに対するロッド４３ａ，４３ｂの関係は、第１実施形態におけるボールジョイント６ａ，６ｂを介した試験体１ａ，１ｂに対するロッド５ａ，５ｂの関係に等しい。面圧付加装置３と異なる点は、面圧付加装置３Ａでは試験体１ａ，１ｂに接触面圧をかける装置としてアクチュエータ４１（例えば油圧アクチュエータ）が採用され、法線力Ｆ１を荷重計としてのロードセル４５で計測することである。ロードセル４５の信号は制御装置１２に出力される。制御装置１２はロードセル４５の値が設定値となるようにアクチュエータ４１の出力を制御する。試験の進捗に伴って摩耗の進行により試験体１ａ，１ｂの接触状態が変化しても一定の法線力Ｆ１を保つことができるメリットがある。本実施形態の他の点については第１実施形態と同じであり、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００５３】
（第３実施形態）
図１１は本発明の第３実施形態に係る往復摺動試験装置の全体図、図１２は図１１の往復摺動試験装置にセットされた試験体の拡大図であり、図１１及び図１２は図１及び図２に対応する図である。第１及び第２実施形態で説明済みの要素には既出図面と同符号を付して説明を省略する。本実施形態が既に説明した実施形態と相違する主な点は、面圧付加装置やホルダの構成である。本実施形態の面圧付加装置３Ｂは、固定ホルダ８５、アーム８６、支柱８７、ワイヤ８８、受け皿８９及び錘９０から構成されている。本実施形態では、図１２に示すように２体の試験体８１，８２が上下に平面で接触する（接触面が水平である）。接触面の長さＬは線分ＰＱの長さに等しい。可動側の試験体８２の幅Ｗ１と固定側の試験体８１の幅Ｗ２は異なり、可動側の幅Ｗ１が固定側の幅Ｗ２よりも長い。このように試験体８１，８２の幅Ｗ１，Ｗ２が異なることで、試験中の接触面の長さＬを一定に保つことができる。幅Ｗ１，幅Ｗ２の長短関係が逆でも良い。
【００５４】
図１１に示したように、上記の支柱８７に対してヒンジ９１でアーム８６が上下に回動可能に連結されている。アーム８６は水平方向に延在している。アーム８６には固定ホルダ８５が固定され、固定ホルダ８５には下部側に試験体８１が固定されている。アーム８６の先端にはワイヤ８８が垂れ下がっており、ワイヤ８８の先に受け皿８９が取り付けられている。受け皿８９に所定の合計重量の錘９０を置くことで、試験体８１，８２の接触面に所定の法線力Ｆ１が加わる。アーム８６の根元（ヒンジ９１と固定ホルダ８５の間）には低剛性部９２が設けられている。このような低剛性部９２を設けることにより、アーム８６が撓み易くなり、試験体８１，８２の接触面圧が均一化される。このような機構とすることにより、試験中に摩耗の進行等により試験体８１，８２の接触状態が変化しても、第２実施形態と同じく法線力Ｆ１を一定に保つことができる。
【００５５】
試験体８１，８２の接触面間で相対変位を発生させる力をかける装置は、可動ホルダ９３、往復駆動装置９４、シャフト９５、固定壁９６から構成されている。可動ホルダ９３はローラ等のリニアスライダ９７で支持部材の水平面に接地していて、試験体８１，８２の接触面に平行に（往復駆動装置９４のストローク方向に）往復直進できる構造である。この可動ホルダ９３はシャフト９５を介して往復駆動装置９４に連結されている。往復駆動装置９４は既述した実施形態の往復駆動装置１１と同様のアクチュエータであり、本例ではロッドを水平方向に延ばした姿勢で固定壁９６に固定されている。この往復駆動装置９４のストローク変位を制御装置１２で制御して、試験体８１，８２の接触面に平行に変動荷重（接線力Ｆ２）をかける。この相対変位を変動させるための力は荷重計９８で計測する。荷重計９８は例えばロードセルであり、本例ではシャフト９５と往復駆動装置９４の間に介在している。荷重計９８の検出値は制御装置１２に出力される。
【００５６】
既述した実施形態と同様、試験体８１，８２の接触領域を含む評価面をライト１６ａ，１６ｂで照明し、撮影装置１５ａ，１５ｂで撮影する。撮影装置１５ａ，１５ｂの撮影視野には接触領域の全長が含まれるようにする。また試験体８１，８２の評価面には斑点模様１４を施工しておく点も同様である。
【００５７】
図１２に示すように、撮影視野には２体の試験体８１，８２とそれらの接触領域（線分ＰＱ）が含まれる。評価ライン３１は試験体８１，８２の接触面の中心を通り接触面に垂直な線分ＫＬである。前述した通り、評価ライン３１を接触面に垂直に設定することで変位の計測結果を接線方向成分と法線方向成分に分離し易い。その他の構成、各種値の演算方法等は既述した実施形態と同様である。
【００５８】
なお、例えば固定側の試験体８１の形状は、図１３に示すように評価面と直交する方向から見て外形が例えば半円形状でも良い。この場合、試験体８１，８２が線接触し、接触領域の面圧のばらつきが小さくなる。撮影視野には、少なくとも２体の試験体８１，８２と両者の接触点Ｓを含める。評価ライン３１は可動側の試験体８２の接触面に垂直で接触点Ｓを通る線分ＫＬとする。固定側の試験体８１を図１２に示した形状とし、可動側の試験体８２を半円形状としても良い。また、第１又は第２実施形態において試験体１ａ，１ｂのいずれか一方をこのように半円形状にしても良い。次に説明する第４実施形態においても同様である。
【００５９】
（第４実施形態）
図１４は本発明の第４実施形態に係る往復摺動試験装置の全体図であり、図１に対応する図である。既述した実施形態で説明済みの要素には既出図面と同符号を付して説明を省略する。本実施形態は第２実施形態と第３実施形態の組み合わせの実施形態であり、面圧付加装置の構成が異なる点を除いて第３実施形態と同様である。本実施形態の面圧付加装置３Ｃは、ロッド１００、アクチュエータ１０１、固定壁１０２、ボールジョイント１０３から構成されている。試験体８１，８２の接触面の中心を通る直線上で、アーム８６とロッド１００がボールジョイント１０３を介して接触している。第１実施形態と同様、ボールジョイント１０３には潤滑剤を塗布しておくことが望ましい。固定壁１０２に固定されたアクチュエータ１０１（例えば油圧アクチュエータ）により試験体８１，８２に法線力Ｆ１がかけられる。法線力Ｆ１を計測する荷重計としてロードセル１０５がロッド１００とアクチュエータ１０１の間に介在している。ロードセル１０５で計測される法線力Ｆ１が目標値となるように、アクチュエータ１０１の出力が制御装置１２で制御される。その他の構成、各種値の演算方法等は既述した実施形態と同様である。
【００６０】
（変形例）
以上の各実施形態では試験中の試験体の温度制御について説明していないが、例えば面圧付加装置及び往復駆動装置等と共に２つの試験体を透明な試験曹で囲い、試験曹を介して試験体を撮影する構成とすることもできる。この場合、試験曹の内部温度を空調装置で制御することで、任意の温度環境下で往復摺動試験を実施することができる。
【００６１】
また、往復摺動する部品であれば各実施形態の試験装置の試験体となり得るが、例えば軸流タービンの翼の先端部に備わったシュラウド等も試験体とすることができる。このシュラウドはタービンロータの回転方向に隣接する翼のシュラウドと接触し、運転中に隣接するシュラウドと擦れ合うため、その耐久性の評価に各実施形態の試験装置を用いることができる。またシュラウドは高温環境にさらされる部品でもあるため、先に述べたように試験装置に温度制御機能を付加する場合にも試験体として有意義である。
【符号の説明】
【００６２】
１ａ，１ｂ…試験体、３，３Ａ−３Ｃ…面圧付加装置、４…リング、５ａ，５ｂ…ロッド、８ａ，８ｂ…ホルダ、１１…往復駆動装置、１２…制御装置、１３…荷重計、１５ａ，１５ｂ…撮影装置、１７…記憶装置、１８ａ…第１演算装置、１８ｂ…第２演算装置、１９…時刻計測装置、２２…出力装置、３１…評価ライン（試験体の接触面に交差する線）、４３ａ，４３ｂ…ロッド、８１，８２…試験体、８５…固定ホルダ、９３…可動ホルダ、９４…往復駆動装置、９８…荷重計、Ｆ１…法線力（接触面圧）、Ｆ２…接線力
【図１】
2019035611.tif 000003
【図２】
2019035611.tif 000004
【図３】
2019035611.tif 000005
【図４】
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【図５】
2019035611.tif 000007
【図６】
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【図７】
2019035611.tif 000009
【図８】
2019035611.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2019035611.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2019035611.tif 000016