(57)【要約】【課題】低荷重から高荷重まで広範囲な荷重を付与した場合の摩擦力を精度良く測定することができ、特に、１００ｋｇｆ以上の高荷重に対して数十ｇｆ程度の低摩擦力であっても正確に測定できる摩擦試験機を提供する。【解決手段】バランスアーム５をバランス機構６によって略水平方向に揺動可能に支持し、このバランスアーム５の先端部に被測定物２を保持するホルダ４を取り付け、他端部に荷重変換器７を連結し、前記ホルダ４の上に荷重受け部８を設けた摩擦試験機１であって、この荷重受け部８に加圧部９４を介して荷重を与える高荷重付与手段９を備え、荷重受け部８とホルダ４との間に被測定物２に生じる摩擦力に応じて水平方向にスライド可能なスライド機構１０を設けて、荷重受け部８の荷重接点における摩擦の影響を抑制する。【選択図】　　　図１
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
被測定物を接触させて摩擦を生じさせる回転テーブルと、この回転テーブル上で被測定物を保持するホルダと、このホルダを先端部に備えているとともにバランス機構によって略水平方向に揺動可能に支持されたバランスアームと、このバランスアームの他端部に連結されて摩擦力を測定する荷重変換器と、前記ホルダの上に設けられ荷重を受ける荷重受け部とを有する摩擦試験機であって、
前記荷重受け部に当接する加圧部を備えているとともに、この加圧部を上下動可能に支持し高荷重を付与する高荷重付与手段を有し、前記荷重受け部と前記ホルダとの間に、被測定物に生じる摩擦力に応じて水平方向にスライド可能なスライド機構を設けたことを特徴とする摩擦試験機。
【請求項２】
請求項１において、荷重受け部には、この荷重受け部の側面からホルダの側面まで延出されたスライド規制板が固定されており、ホルダの側面には、ねじ穴が形成されており、前記スライド規制板には、前記ねじ穴に対向する高さ位置に前記ホルダのスライド範囲を規制するスライド規制用長孔が形成されており、前記ホルダのねじ穴には、前記スライド規制用長孔に挿通されたスライドストッパが螺合されており、このスライドストッパは、前記スライド規制用長孔の両端面に当接することでホルダのスライド範囲を規制し、かつ、さらにねじ穴にねじ込まれることによって前記スライド規制板を前記ホルダに固定してスライドさせないように機能することを特徴とする摩擦試験機。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、高荷重付与手段は、荷重受け部に当接する加圧部、この加圧部を上部に支持し回転テーブル下に垂下する荷重フレーム、この荷重フレームの下端部からさらに垂下するように固定された分銅支持棒、この分銅支持棒の下端部に固定された分銅載置板、および前記荷重フレームを上下方向にガイドするフレームガイドとから構成される荷重分銅台と、この荷重分銅台を退避位置から加圧部が荷重受け部に当接する位置まで上下動させるラック状押動部、ピニオンギアおよび駆動モータから構成される上下駆動部と、荷重分銅とを有することを特徴とする摩擦試験機。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかにおいて、回転テーブルには、液中での摩擦測定を行うために液体を保持する壁部を備えた液受けバッドが着脱自在に設けられていることを特徴とする摩擦試験機。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかにおいて、回転テーブルの下方には、この回転テーブルの回転軸に連結されて被測定物のスラスト摩耗を取得するトルク変換器が設けられているとともに、バランス機構および荷重変換器をスライド方向と直交する水平方向に移動可能に支持することでホルダに保持した被測定物を回転テーブルの同心軸上に移動し、あるいはその回転軸から所定の距離だけ離間させるための水平スライドステージを設けていることを特徴とする摩擦試験機。
【考案の詳細な説明】
【０００１】
【考案の属する技術分野】
本考案は、人工関節に使用される材料等のように、低荷重から高荷重まで広範囲の荷重を受ける材料の摩擦力を測定する摩擦試験機であって、特に、高荷重を受けた場合の低摩擦力を測定するのに好適な摩擦試験機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、摺動部分に使用される材料等の摩擦力を測定する装置として摩擦試験機が提案されており、例えば、特開平６−２０１５７２号には、コンパクトディスクやレーザディスク等が受ける低荷重での摩擦力を測定する目的で摩擦評価装置が提案されている。この摩擦評価装置は、回転する被検体に接触する接触ヘッドを先端に取り付けたヘッドアームと、このヘッドアームを揺動可能に支持するバランサ手段と、前記ヘッドアームのバランスを取るためのバランスウェイトと、前記被検体に荷重をかけたときに接触ヘッドに加わる摩擦力を測定するセンサ部とを備えていることを特徴とする。そして、バランスウェイトを操作することによりバランサ手段によってヘッドアームのバランスをとり、接触ヘッドを被検体に接触させるようになっているため、低荷重における摩擦測定を精度良く行えるようになっている。
【０００３】
【考案が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した特開平６−２０１５７２号公報に記載の摩擦評価装置は、低荷重下における摩擦力の測定のみを目的としている。したがって、仮に接触ヘッドの荷重受け部に大きい荷重の重りを搭載すると、この重りと荷重受け部との接触点における摩擦が発生し、ヘッドアームが自由に揺動することができないという問題が生じる。すなわち、接触ヘッドと被検体との間に低摩擦力が生じていても、高荷重が付与された荷重受け部の大きな摩擦力の影響によってヘッドアームが水平方向に移動できず、所望の摩擦力をセンサ部が検知できないという問題がある。
【０００４】
一方、１００ｋｇｆ程度まで高荷重をかける摩擦試験機では、一般に、油圧シリンダやエアシリンダによって荷重受け部を押し込み、この押し込み量をロードセルで検知しながら荷重に変換して所望の荷重を付与するようになっている。しかしながら、現実の摩擦面には凹凸が存在しており、ヘッドがバウジングしている。また、高荷重を付与すると被測定物の表面が削り取られてしまう。これらの挙動により荷重は敏感に変動するが、この変動に追従しようとするとフィードバックを極めてこまめに行わなければならない。このような精密なフィードバック制御はコストもかかるため、現実的には、実験条件が一定でなくなることを承知の上で摩擦力を測定している。ただし、高荷重で極めて低い摩擦力を測定することは想定しておらず、低摩擦力を精度良く測定できるものではない。
【０００５】
本考案は、このような問題点を解決するためになされたものであって、数ｇｆ程度の低荷重から１００ｋｇｆ程度の高荷重まで広範囲な荷重を付与した場合の摩擦力を精度良く測定することができ、特に、１００ｋｇｆの高荷重に対して数十ｇｆ程度の低摩擦力であっても正確に測定することができる摩擦試験機を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本考案に係る摩擦試験機の特徴は、被測定物を接触させて摩擦を生じさせる回転テーブルと、この回転テーブル上で被測定物を保持するホルダと、このホルダを先端部に備えているとともにバランス機構によって略水平方向に揺動可能に支持されたバランスアームと、このバランスアームの他端部に連結されて摩擦力を測定する荷重変換器と、前記ホルダの上に設けられ荷重を受ける荷重受け部とを有する摩擦試験機であって、前記荷重受け部に当接する加圧部を備えているとともに、この加圧部を上下動可能に支持し高荷重を付与する高荷重付与手段を有し、前記荷重受け部と前記ホルダとの間に、被測定物に生じる摩擦力に応じて水平方向にスライド可能なスライド機構を設けた点にある。
【０００７】
また、本考案は、ホルダのスライド可能範囲を規制し、あるいはスライドさせないように固定するために、荷重受け部には、この荷重受け部の側面からホルダの側面まで延出されたスライド規制板が固定されており、ホルダの側面には、ねじ穴が形成されており、前記スライド規制板には、前記ねじ穴に対向する高さ位置に前記ホルダのスライド範囲を規制するスライド規制用長孔が形成されており、前記ホルダのねじ穴には、前記スライド規制用長孔に挿通されたスライドストッパが螺合されており、このスライドストッパは、前記スライド規制用長孔の両端面に当接することでホルダのスライド範囲を規制し、かつ、さらにねじ穴にねじ込まれることによって前記スライド規制板を前記ホルダに固定してスライドさせないように機能することが好ましい。
【０００８】
さらに、本考案では、安定した高荷重を付与するために、高荷重付与手段は、荷重受け部に当接する加圧部、この加圧部を上部に支持し回転テーブル下に垂下する荷重フレーム、この荷重フレームの下端部からさらに垂下するように固定された分銅支持棒、この分銅支持棒の下端部に固定された分銅載置板、および前記荷重フレームを上下方向にガイドするフレームガイドとから構成される荷重分銅台と、この荷重分銅台を退避位置から加圧部が荷重受け部に当接する位置まで上下動させるラック状押動部、ピニオンギアおよび駆動モータから構成される上下駆動部と、荷重分銅とを有することが望ましい。
【０００９】
また、本考案では、回転テーブルには、液中での摩擦測定を行うために液体を保持する壁部を備えた液受けバッドが着脱自在に設けられていてもよい。
【００１０】
さらに、本考案では、スラスト摩擦も測定できるようにするために、回転テーブルの下方には、この回転テーブルの回転軸に連結されて被測定物のスラスト摩耗を取得するトルク変換器が設けられているとともに、バランス機構および荷重変換器をスライド方向と直交する水平方向に移動可能に支持することでホルダに保持した被測定物を回転テーブルの同心軸上に移動し、あるいはその回転軸から所定の距離だけ離間させるための水平スライドステージを設けるようにしてもよい。
【００１１】
【考案の実施の形態】
以下、本考案に係る摩擦試験機の実施形態の一例を図面を用いて説明する。
【００１２】
図１は、本考案に係る摩擦試験機の実施形態の正面図であり、図２は右側面図であり、図３は平面図である。本実施形態の摩擦試験機１は、主として、被測定物２を接触させて摩擦を生じさせる回転テーブル３と、この回転テーブル３上で被測定物２を保持するホルダ４と、このホルダ４を先端部に備えるバランスアーム５と、このバランスアーム５を略水平方向に揺動可能に支持するバランス機構６と、バランスアーム５の他端部に連結されて摩擦力を測定する荷重変換器７と、ホルダ４の上に設けられ荷重を受ける荷重受け部８と、この荷重受け部８に高荷重を付与する高荷重付与手段９と、荷重受け部８とホルダ４との間に設けられ水平方向にスライド可能なスライド機構１０とから構成されている。
【００１３】
本実施形態の各構成部についてより詳細に説明すると、回転テーブル３は、摩擦試験機１の水平基台１１に回転可能に軸支されている。この回転テーブル３の回転軸３１は略垂直方向となるように支持されており、この回転軸３１にトルクメータ３２、タイミングプーリ３３およびスリップリング３４が設けられている。一方、この回転テーブル３を回転させる回転テーブル駆動モータ３５は、その回転軸が略水平方向となるように摩擦試験機１に固定されている。そして、この回転テーブル駆動モータ３５の回転はウォームギヤ３６により垂直方向の回転に変換され、タイミングプーリ３３とタイミングベルト３７を介して回転テーブル３の回転軸３１に伝達されるようになっている。ここで、本実施形態では、回転テーブル３上に液体を保持する壁部３８ａを備えた液受けバッド３８が着脱自在に載置されており、液中での摩擦測定を行えるようになっている。
【００１４】
つぎに、バランスアーム５は、略水平方向に延在するようにバランス機構６に支持されており、その先端部にホルダ４を回転テーブル３上に位置させるように支持している。このバランスアーム５は、その略中間部に第１揺動軸５１が取り付けられており、この第１揺動軸５１をバランス機構６によって揺動自在に軸支されている。また、このバランスアーム５には、バランスを釣り合わせるためのバランス用分銅５２が設けられており、その取付位置が適宜変更し得るようになっている。
【００１５】
つぎに、バランス機構６は、水平基台１１に略垂直方向に立設される支持柱６１と、この支持柱６１の上端に軸支される第２揺動軸６２と、この第２揺動軸６２に揺動可能に軸支される縦アーム６３と、この縦アーム６３の下端に設けられる断面略コの字状の支持片６４とから構成されている。そして、この支持片６４に第１揺動軸５１がピボット式に軸支されるようになっている。この構成により、バランスアーム５は鉛直面内で略水平方向に揺動可能に支持されている。なお、バランス機構６にはバランスロック機構６５が設けられており、バランスアーム５を固定した状態で支持し得るようになっている。
【００１６】
荷重変換器７は、バランスアーム５の他端部に検出子７１を介して連結されており、バランスアーム５の変位に応じた信号を出力する。これにより、回転テーブル３との間に生じた摩擦により被測定物２が移動すると、その変位量がバランスアーム５を介して荷重変換器７に伝達されて摩擦力を検出するようになっている。なお、本実施形態の荷重変換器７は、低摩擦力を精度良く測定するため、容量が２ｋｇ、測定精度が±０．１ｋｇのものを用いている。
【００１７】
荷重受け部８は、重りを載置するために上端面が平面状に形成されている。この荷重受け部８とホルダ４との間には、スライド機構１０が設けられており、被測定物２に生じる摩擦力に応じて水平方向にスライドし得るようになっている。このスライド機構１０は、図４（ｃ）に示すように、長尺状の中央部材４１とこれの両側面に沿った両端部材８１との間にボールベアリング１０１が２列に並置された構造になっており、中央部材４１はホルダ４の上端面にボルト固定され、両端部材８１は荷重受け部８の下端面にボルト固定されている。
【００１８】
また、このスライド機構１０には、ホルダ４のスライド範囲を規制するためのスライド規制板１０２が荷重受け部８の側面にねじによって固定されている。このスライド規制板１０２は、荷重受け部８の側面からホルダ４の側面まで延出されており、ホルダ４に対応する適当な位置で水平方向に長いスライド規制用長孔１０３が形成されている。このスライド規制用長孔１０３に対向するホルダ４の側面にはねじ穴４２が形成されており、このねじ穴４２にスライド規制用長孔１０３に挿通されたスライドストッパ１０４が螺合されている。このスライドストッパ１０４は、スライド規制用長孔１０３の両端面に当接することでホルダ４のスライド範囲を規制する。また、このスライドストッパ１０４は、ねじ穴４２にねじ込まれることによってスライド規制板１０２をホルダ４に固定し、スライドさせないようになっている。このようにスライドを停止させるのは、スライドさせる必要のない低荷重をかける場合やスラスト摩擦を行う場合である。
【００１９】
つぎに、高荷重付与手段９は、荷重分銅台９１と、この荷重分銅台９１を上下動させる上下駆動部９２と、前記荷重分銅台９１に載せる荷重分銅９３とから構成される。荷重分銅台９１は、荷重受け部８に当接する加圧部９４と、この加圧部９４を支持する天板９５ａを備えているとともに回転テーブル３下に垂下された直方体骨組み構造の荷重フレーム９５と、この荷重フレーム９５の底板９５ｂにさらに垂下するように固定された分銅支持棒９６と、この分銅支持棒９６の下端部に固定された分銅載置板９７と、水平基台１１に保持され、前記荷重フレーム９５を上下方向にガイドするフレームガイド９８とから構成されている。また、上下駆動部９２は、荷重フレーム９５の底板９５ｂに当接するラック状押動棒９２ａと、このラック状押動棒９２ａを荷重分銅台９１の退避位置から加圧部９４が荷重受け部８に当接する荷重位置まで上下動させるピニオンギア（図示せず）を備えた駆動モータ９２ｂとから構成されている。これにより、上下動駆動部９２によって加圧部９４を荷重受け部８に当接させると、荷重分銅台９１の重量および載置した分銅の総重量が、荷重受け部８に付与される。
【００２０】
つぎに、水平基台１１には、バランスアーム５の長手方向と垂直な方向に水平ガイドレール１２が平行に２本設けられており、これらの水平ガイドレール１２に水平スライドステージ１３が摺動自在に設けられている。２本の水平ガイドレール１２の間には、手動ハンドル１４に連結された台形ねじ軸１５が配置されており、この台形ねじ軸１５に沿って直線移動するナット１６が螺合されており、このナット１６に水平スライドステージ１３が固定されている。さらに、この水平スライドステージ１３には、２カ所に垂直ガイドレール１７，１７が立設されており、それぞれバランス機構６および荷重変換器７が鉛直方向に上下動できるように取り付けられている。ここで、バランス機構６も台形ねじ機構によって上下にスライドするようになっており、荷重変換器７はラックとピニオンによって上下動するようになっている。そして、水平スライドステージ１３を水平方向にスライドさせると、被測定物２が回転テーブル３上の半径方向に移動し、回転中心から所定の位置に変位させられる。また、バランス機構６および荷重変換器７を垂直方向にスライドさせると、被測定物２の厚さに応じてホルダ４の高さ方向を調整できる。
【００２１】
つぎに、このような構成を備えた本実施形態における摩擦試験機１の作用について説明する。
【００２２】
本摩擦試験機１によって、被測定物２に低荷重を付与したときの摩擦力を測定する場合、図５に示すように、上下駆動部９２を駆動して荷重分銅台９１を上方に移動させる。これにより、加圧部９４が荷重受け部８から離れ、ホルダ４はバランス機構６により揺動可能に支持された状態になる。この状態でホルダ４に被測定物２を固定し、バランス用分銅５２の位置を適宜調節することでバランスアーム５のバランスを釣り合わせる。そして、水平スライドステージ１３を水平方向にスライドさせて回転テーブル３の半径方向の位置を合わせるとともに、バランス機構６および荷重変換器７を垂直ガイドレール１７に沿ってスライドさせて、被測定物２が回転テーブル３上の摩擦面に接触するように調節する。また、低荷重の場合には荷重点における摩擦の影響はなく、むしろスライド機構１０をフリーにしておくと揺れが生じるおそれがあるため、スライドストッパ１０４をねじ込み、ホルダ４を荷重受け部８に固定してスライドしないようにする。このように各部を調整した後、荷重受け部８に直接低荷重の重りを載置する。
【００２３】
その後、回転テーブル駆動モータ３５を駆動して回転テーブル３を回転させることにより、低荷重が付与された被測定物２と回転テーブル３との間に摩擦が発生する。この摩擦力に応じてバランスアーム５が長手方向に移動し、この変位を荷重変換器７が検出子７１を介して検出する。これにより、被測定物２と回転テーブル３との間の摩擦力が測定される。
【００２４】
一方、被測定物２に高荷重を付与したときの摩擦力を測定する場合、荷重分銅台９１により荷重を付与する。ホルダ４の位置を調整した後、スライドストッパ１０４を開放してホルダ４を水平方向にスライド可能にする。一方、付与したい荷重を予め計算し、必要な荷重分銅９３を分銅載置板９７に載せておく。その後、上下駆動部９２を駆動して加圧部９４が荷重受け部８に当接するまで荷重分銅台９１を下降する（図１参照）。これにより、荷重分銅台９１および荷重分銅９３を合計した総重量が被測定物２に付与される。
【００２５】
そして、回転テーブル駆動モータ３５を駆動して回転テーブル３を回転させることにより、高荷重が付与された被測定物２と回転テーブル３との間に摩擦力が発生する。このとき、荷重受け部８には高荷重が付与されているため、荷重接触点には大きな摩擦が生じているが、この影響を回避すべく、スライド機構１０によって被測定物２に生じる直線的な摩擦力の方向にホルダ４がスライドできるようになっている。これにより、被測定物２は、大きな垂直荷重を受けながらも摩擦力の生じる方向にその力に応じてスライドできる。そして、この変位をバランスアーム５を介して荷重変換器７に伝達し、摩擦力に変換される。
【００２６】
また、本摩擦試験機１において、被測定物２をスラスト摺動させて摩擦力を測定する場合には、水平スライドステージ１３を移動させて被測定物２の中心を回転テーブル３の回転軸３１と一致させる。そして、バランスロック機構６５およびスライドストッパ１０４によりバランスアーム５を固定した状態で被測定物２を回転テーブル３に当接させる。この状態で被測定物２と回転テーブル３との間に発生した摩擦力をトルクメータ３２により測定する。
【００２７】
以上のような本実施形態によれば、ホルダ４が荷重受け部８に対して水平方向にスライド自在に設けられているため、被測定物２に高荷重を付与した状態でもホルダ４が荷重接触点の摩擦力の影響を受けず、回転テーブル３との摩擦力に応じて変位することができ、高荷重の低摩擦力を精度良く測定できる。
【００２８】
また、スライドストッパ１０４とスライド規制板１０２とによってホルダ４のスライド範囲を規制するだけでなく、スライドさせないように規制することができる。
【００２９】
さらに、高荷重付与手段９は、分銅によって付与する荷重を調節するので、別途フィードバック制御する必要がなく、常に正確な荷重を付与した状態で摩擦力を測定することができる。また、高荷重付与手段９は上下駆動部９２により上下駆動されるので、加圧部９４を正確に荷重受け部８に当接させることができる。
【００３０】
なお、本考案に係る摩擦試験機１は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更することができる。
【００３１】
例えば、本実施形態では、荷重受け部８とホルダ４との間にスライド機構１０を設けることにより両者を互いにスライド可能にしている。しかしながらこれに限らず、荷重受け部８とホルダ４の互いに当接する面に、ポリテトラフルオロエチレンなどから構成される低摩擦材を貼付することにより、両者を互いに滑らかにスライドさせるようにしてもよい。
【００３２】
【考案の効果】
以上説明したように本考案によれば、数ｇｆの低荷重から１００ｋｇｆ程度の高荷重まで広範囲な荷重を付与した場合の摩擦力を精度良く測定することができ、特に、１００ｋｇｆの高荷重に対して数十ｇｆ程度の低摩擦力であっても正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本考案に係る摩擦試験機の一実施形態を示す正面図である。
【図２】図１の右側面図である。
【図３】図１の平面図である。
【図４】本実施形態の摩擦試験機におけるスライド機構を示す拡大図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は一部を断面にした右側面図である。
【図５】本実施形態の摩擦試験機における荷重分銅台を上方に移動した状態を示す正面図である。
【符号の説明】
１　摩擦試験機
２　被測定物
３　回転テーブル
４　ホルダ
５　バランスアーム
６　バランス機構
７　荷重変換器
８　荷重受け部
９　高荷重付与手段
１０　スライド機構
１１　水平基台
１２　水平ガイドレール
１３　水平スライドステージ
１４　手動ハンドル
１５　台形ねじ軸
１６　ナット
１７　垂直ガイドレール
３１　回転軸
３２　トルクメータ
３３　タイミングプーリ
３４　スリップリング
３５　回転テーブル駆動モータ
３６　ウォームギヤ
３７　タイミングベルト
３８　液保持壁
４１　中央部材
４２　ねじ穴
５１　第１揺動軸
５２　バランス用分銅
６１　支持柱
６２　第２揺動軸
６３　縦アーム
６４　支持片
６５　バランスロック機構
７１　検出子
８１　両端部材
９１　荷重分銅台
９２　上下駆動部
９２ａ　ラック状押動棒
９２ｂ　駆動モータ
９３　荷重分銅
９４　加圧部
９５　荷重フレーム
９５ａ　天板
９５ｂ　底板
９６　分銅支持棒
９７　分銅載置板
９８　フレームガイド
１０１　ボールベアリング
１０２　スライド規制板
１０３　スライド規制用長孔
１０４　スライドストッパ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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