(57)【要約】【課題】より正確に静止摩擦係数を測定することができる摩擦係数測定機を提供する。【解決手段】摩擦係数測定機は、測定対象１０を載置する載置台１と、この載置台１を傾斜させる傾斜部２と、載置台１に設定された基準点の高さを測定する測定部３と、この測定部３により測定された基準点の高さに基づいて、載置台１に載置された測定対象１０の静止摩擦係数を算出する算出部４とを備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象を載置する平面を有し、この平面が水平方向に沿った回転軸によって回転可能に土台に支持された載置台と、
この載置台を、前記平面と前記回転軸を通り水平方向に沿った軸線とがなす角度が大きくなるように傾斜させる傾斜部と、
前記載置台に設定された基準点の前記回転軸からの高さを測定する測定部と、
前記測定対象が前記載置台上を滑り出したときの、前記測定部によって測定された前記高さと前記基準点と前記回転軸との間の前記水平方向における距離とに基づいて前記測定対象の静止摩擦係数を算出する算出部と
を備えることを特徴とする摩擦係数測定機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象の静止摩擦係数を測定する摩擦係数測定機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より材料の界面での性質を知りたい場合には、その材料界面の一部を他の物体に接するようにして、この物体と材料の間に生じる力を測定することが行われている。材料の界面での性質のなかで代表的な性質として摩擦がある。摩擦とは、ある物体と他の物体との界面で生じる現象である。このような摩擦について、図４に示すように、全く変形のない平坦な理想面をもつ材料からなる物体１００と、一般の面粗さをもつ材料からなる粗面の物体２００との間に働く場合を例に以下に説明する。
【０００３】
図４に示すように、物体２００の粗面上に物体１００の理想面が載置されているとき、理想面と粗面は、粗面の理想面に向かって突出した箇所で接触している。このとき、それぞれの接触箇所ｉ（ｉ＝１、２、・・・、ｋ（ｋは自然数））の面積を、面積Ａ１、Ａ２、・・・、Ａｋとし、それぞれの接触箇所で理想面から粗面にかかる荷重を、荷重Ｗ１、Ｗ２、・・・、Ｗｋとする。
【０００４】
上述したような理想面との接触による降伏圧力ｐで粗面が塑性変形しているとき、粗面と理想面との接触面積の合計（真の接触面積）をＡｒ＝Ａ１＋Ａ２＋・・・＋Ａｋとすると、粗面にかかる総荷重Ｗは下式（１）で表すことができる。
【０００５】
Ｗ＝ΣＷｉ＝ｐΣＡｉ＝ｐＡｒ ・・・（１）
【０００６】
上式（１）から粗面と理想面との真の接触面積Ａｒは下式（２）で表すことができる。この下式（２）からわかるように、真の接触面積Ａｒは総荷重Ｗと降伏圧力ｐのみで決まる。
【０００７】
Ａｒ＝Ｗ／ｐ ・・・（２）
【０００８】
ここで、理想面と粗面の間に働く摩擦力は、これらの界面での一時的な凝着により生じるものと考えられている。したがって、表面自由エネルギー（界面自由エネルギーともいう）が小さい材料では一般的には働く摩擦力が小さくなる。
摩擦力の大きさは、この摩擦力を生じさせる凝着を断ち切るせん断力Ｆによって表すことができる。ここで、単位面積あたりのせん断強度をＳとすると、せん断力Ｆは下式（３）で表すことができる。
【０００９】
Ｆ＝ＡｒＳ   ・・・（３）
【００１０】
上式（３）に上式（２）を代入すると、下式（４）を得ることができる。
【００１１】
Ｆ＝Ｗ／ｐ・Ｓ ＝Ｓ／ｐ・Ｗ  ・・・（４）
【００１２】
上式（４）より、摩擦力は荷重（抗力）に比例することがわかる。これはクーロンの摩擦法則として一般に知られている。また、静止摩擦係数μは下式（５）表すことができる。この下式（５）から分かるように、静止摩擦係数μは材料固有値である。
【００１３】
μ＝Ｆ／Ｗ＝Ｓ／ｐ  ・・・（５）
【００１４】
このように、材料の界面の性質を測定する測定方法として、粗面が塑性変形をしたモデルで静止摩擦係数を測定することが知られている。そこで、そのようなモデルに基づいて静止摩擦係数を測定するためのさまざまな測定機が提案されている（例えば、特許文献１〜７、非特許文献１，２参照。）。なかでも、静止摩擦係数の測定によく用いられるのが傾斜法である。この傾斜法とは、測定対象を載置した載置台を水平状態から徐々に傾けてゆき、測定対象が滑り出したときの載置台の水平からの傾斜角度を測定し、この傾斜角度から静止摩擦係数を算出するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２０１０−２６１７５９号公報
【特許文献２】特開２０１０−２６１７５８号公報
【特許文献３】特開２０１０−２４９７０７号公報
【特許文献４】特開２０１０−２４９６６０号公報
【特許文献５】特開２０１０−２４３４７１号公報
【特許文献６】特開２０１０−２０４０７７号公報
【特許文献７】特開２０１０−２６６２９７号公報
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】Katsuyoshi Endoh, Tadayoshi Sayama, Daiki Takeda, Shimei Tanaka, Masashi Ohno, Satoru Shiobara, Naoki Okada and Matsuhiro Miyamoto、Development of the small size low-friction indoor cabe、International Wire & Cable Symposium、Proceedings of the 58th IWCS/IICIT、pp.42-47(2009)
【非特許文献２】Takeshita Yukitoshi, Handa Takao, Minami Hayato, Niwa Shinichi, Sugimoto Keiichiro、Dynamic friction property and mechanism of line-type thermoplastic polymer materials for new optical wiring technology、Nov 1, 2010、［平成２６年３月１４日検索］、インターネット、<http://www.thefreelibrary.com/_/print/PrintArticle.aspx?id=241531469>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、従来では載置台の傾斜角度から静止摩擦係数を算出していたが、その角度は長さなどと比べて正確に計測することが困難であるため、静止摩擦係数を精度よく測定することができなかった。
【００１８】
そこで、本発明は、より正確に静止摩擦係数を測定することができる摩擦係数測定機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】
【００１９】
上述したような課題を解決するために、本発明に係る摩擦係数測定機は、測定対象を載置する平面を有し、この平面が水平方向に沿った回転軸によって回転可能に土台に支持された載置台と、この載置台を、平面と回転軸を通り水平方向に沿った軸線とがなす角度が大きくなるように傾斜させる傾斜部と、載置台に設定された基準点の回転軸からの高さを測定する測定部と、測定対象が載置台上を滑り出したときの、測定部によって測定された高さと基準点と回転軸との間の水平方向における距離とに基づいて測定対象の静止摩擦係数を算出する算出部とを備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、測定対象が載置台上を滑り出したときの基準点の回転軸からの高さと基準点と回転軸との間の水平方向における距離とに基づいて測定対象の静止摩擦係数を算出するので、載置台の傾斜角度から静止摩擦係数を測定する場合よりも、より正確に静止摩擦係数を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る摩擦係数測定機の構成を示す図である。
【図２】図２は、静止摩擦係数の測定原理を説明するための図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態に係る摩擦係数測定機による摩擦係数の測定方法を示すフローチャートである。
【図４】図４は、粗面と理想面との間に働く摩擦力を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２３】
［摩擦係数測定機の構成］
図１に示すように、本実施の形態に係る摩擦係数測定機は、測定対象１０を載置する載置台１と、この載置台１を傾斜させる傾斜部２と、載置台１に設定された基準点の高さを測定する測定部３と、この測定部３により測定された基準点の高さに基づいて、載置台１に載置された測定対象１０の静止摩擦係数を算出する算出部４とを備えている。
【００２４】
載置台１は、測定対象１０を載置する平面からなる載置面１ａを有する部材である。本実施の形態において、載置台１は、平面視略矩形の板状に形成されており、鉛直上方の面が載置面１ａとなる。このような載置台１は、例えば地面上に固定された土台２０上に配設されている。このとき、載置台１ａの一側端（以下、「回転軸」とも言う。）１ｂは、水平状態に沿って配設され、かつ、土台２０によって回転自在に支持されている。
【００２５】
傾斜部２は、載置台１の回転軸１ｂの反対側の他側部１ｃ近傍を鉛直上方に移動させることにより、載置台１を水平方向に対して傾斜させる装置である。このような傾斜部２は、例えば、一端が載置台１の他側部１ｂ近傍の下面に当接した鉛直方向に延在するボールねじと、このボールねじの他端を回転させるモータとからなるアクチュエータである。
【００２６】
測定部３は、載置台１に設定された基準点の高さを測定する装置である。この基準点とは、載置台１上の任意の地点とすることができる。また、基準点の高さとは、基準点と載置台１の回転軸１ｂとの間の鉛直方向における距離である。本実施の形態において、基準点は、載置台１の一側端１ｂの反対側の他側部１ｃに設定されている。したがって、測定部３は、回転軸１ｂと載置台１の一側部１ｂとの間の鉛直方向における距離、すなわち、土台２０からの一側部１ｂの距離を測定する。
このような測定部３は、例えば、傾斜部２を構成するモータの回転数を検出するエンコーダと、このエンコーダの検出結果に基づいて載置台１の下面に当接するボールねじの一端の位置を測定する測定回路と、この測定回路による測定結果、載置台１の外形、傾斜部２の配置等に基づいて基準点の位置を演算する演算回路とから構成される。
【００２７】
算出部４は、測定部３により測定された基準点の高さに基づいて静止摩擦係数を算出する演算装置である。具体的には、算出部４は、基準点と載置台１の回転軸１ｂとの間の鉛直方向における距離と、基準点と載置台１の回転軸１ｂとの間の水平方向における距離とに基づいて、静止摩擦係数を算出する。
このような算出部４による静止摩擦係数の測定原理について、図２を参照して説明する。
【００２８】
載置面１ａ上に測定対象１０が載置された載置台１を傾斜部２により徐々に傾けたとき、測定対象１０にかかる重力は、測定対象１０の質量をｍ、重力加速度をｇとすると、ｍｇとなる。この重力ｍｇのうち、載置面１ａに沿った方向の分力成分は、載置台１と水平方向とがなす角度をθとすると、ｍｇｓｉｎθとなる。一方、載置面１ａに対して垂直な方向の分力成分は、ｍｇｃｏｓθとなる。このｍｇｃｏｓθに対する反作用が測定対象１０に対して載置台１が与える抗力である。したがって、載置台１の載置面１ａと測定対象１０との界面に働く摩擦力は、静止摩擦係数をμとすると、μｍｇｃｏｓθとなる。
【００２９】
載置台１がさらに傾斜して測定対象１０が載置面１ａ上を滑り出す直前に、重力の載置面１ａに対して垂直な方向の分力成分と摩擦力とは等しくなるので、下式（６）が成り立つ。この下式（６）を変形することにより、静止摩擦係数μは下式（７）で表すことができる。
【００３０】
ｍｇｓｉｎθ＝μｍｇｃｏｓθ  ・・・（６）
μ＝ｔａｎθ  ・・・（７）
【００３１】
上式（７）に示すように、載置台１の載置面１ａと測定対象１０との界面における静止摩擦係数μは、ｔａｎθで表される。したがって、基準点の高さ、すなわち、基準点と載置台１の回転軸１ｂとの間の鉛直方向における距離をｘ、水平方向における基準点と載置台１の回転軸１ｂとの距離をａとすると、静止摩擦係数μはａ／ｘとなる。
【００３２】
このように、静止摩擦係数μは、基準点と載置台１の回転軸１ｂと間の鉛直方向における距離と、基準点と載置台１の回転軸１ｂとの間の水平方向における距離という、角度よりも容易かつ正確に測定できる長さ（距離）から求めることができる。そこで、算出部４は、測定部３により測定された基準点の高さ、すなわち基準点と載置台１の回転軸１ｂとの間の鉛直方向における距離と、基準点と載置台１の回転軸１ｂとの間の水平方向における距離とに基づいて、静止摩擦係数μを算出する。これにより、従来のように載置台と水平面とがなす角度から静止摩擦係数μを測定する場合よりも、より正確に静止摩擦係数を測定することができる。
なお、基準点と載置台１の回転軸１ｂとの距離については、例えば、基準点を載置台１の他側部１ｃとした場合、載置台１の一側部１ｂと他側部１ｃの距離を予め測定しておくことにより、測定部３により測定された基準点の高さから算出することができる。
【００３３】
［静止摩擦係数の測定方法］
次に、図２を参照して、本発明の実施の形態に係る摩擦係数測定機による静止摩擦係数の測定方法について説明する。
【００３４】
まず、載置台１の載置面１ａ上に測定対象１０を載置した上で、傾斜部２は、載置面１ａが水平方向に沿った状態から、載置面１ａと水平方向とがなす角度が徐々に大きくなるように、載置台１を傾斜させる（ステップＳ１）。
【００３５】
載置台１を傾斜させているとき、測定部３は、基準点の高さを測定する（ステップＳ２）。
【００３６】
載置台１が傾斜してゆき載置面１ａ上に載置された測定対象１０が滑り出すと、算出部４は、測定対象１０が滑り出したときに測定部３が測定した基準点の高さに基づいて、静止摩擦係数を算出する（ステップＳ３）。具体的には、算出部４は、その測定部３が測定した基準点と載置台１の回転軸１ｂとの間の鉛直方向における距離と、基準点と載置台１の回転軸１ｂとの間の水平方向における距離とに基づいて、静止摩擦係数を算出する。
【００３７】
以上説明したように、本実施の形態によれば、基準点と載置台１の回転軸１ｂとの間の鉛直方向における距離と、基準点と載置台１の回転軸１ｂとの間の水平方向における距離という長さを測定することで静止摩擦係数μを算出するので、従来のように載置台と水平面とがなす角度から静止摩擦係数μを測定する場合よりも、より正確に静止摩擦係数を測定することができる。
【００３８】
なお、本実施の形態では、基準点の他に回転軸１ｂを基準として静止摩擦係数を測定する、すなわち、基準点と載置台１の回転軸１ｂとの間の鉛直方向における距離と、基準点と載置台１の回転軸１ｂとの間の水平方向における距離とに基づいて静止摩擦係数を算出する場合を例に説明したが、これらの距離の比が保たれるのであれば、回転軸１ｂ以外の点を基準として用いるようにしてもよい。例えば、載置面１ａや載置面１ａを含む平面上の任意の点を回転軸１ｂの代わりに静止摩擦係数を算出する基準として用いるようにしてもよい。この場合、基準点とその任意の点との間の鉛直方向における距離と、基準点とその任意の点との間の水平方向における距離とに基づいて静止摩擦係数を算出すればよい。
【００３９】
また、本実施の形態において、傾斜部２がモータとボールねじからなるアクチュエータである場合を例に説明したが、載置台１をその回転軸１ｂ回りに徐々に傾斜させることができるのであれば、傾斜部２は上述したような構成に限定されず、各種構成を用いることができる。
同様に、本実施の形態において、測定部３がエンコーダ、測定回路および演算回路とから構成される場合を例に説明したが、基準点の高さを測定できるのであれば測定部３は上述したような構成に限定されず、各種構成を用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、静止摩擦係数を測定する各種装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１…載置台、１ａ…載置面、２…傾斜部、３…測定部、４…算出部、１０…測定対象、２０…土台。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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