(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
面内圧縮方向に周期的なうねりを形成させて表面摩擦係数を変化させ得る摩擦係数可変シート体であって、
弾性シート体の一主面に沿ってその直下に、縦糸と横糸とを直交させて編み込まれてなる織物を埋入させ、前記弾性シート体を前記縦糸又は前記横糸のいずれか一方が圧縮されるように面内圧縮せしめたときに他方が引っ張られて前記うねりに重畳して前記縦糸及び前記横糸の交差部に周期的に突起部が形成されることを特徴とする摩擦係数可変シート体。
【請求項２】
前記縦糸同士が離間され且つ前記横糸同士が離間されて、前記縦糸及び前記横糸が互いに平織されていることを特徴とする請求項１記載の摩擦係数可変シート体。
【請求項３】
前記縦糸及び前記横糸は断面略円形の単繊維からなることを特徴とする請求項２記載の摩擦係数可変シート体。
【請求項４】
前記単繊維はポリエステル類又はポリアミド類からなることを特徴とする請求項３記載の摩擦係数可変シート体。
【請求項５】
前記突起部の先端において前記交差部における前記縦糸又は前記横糸が前記弾性シート体から露出していることを特徴とする請求項２乃至４のうちの１つに記載の摩擦係数可変シート体。
【請求項６】
前記うねりの周期長は進行方向に離間して並ぶ前記縦糸又は前記横糸の中心間距離の５倍より大きいことを特徴とする請求項２乃至５のうちの１つに記載の摩擦係数可変シート体。
【請求項７】
前記弾性シート体の弾性率(Ｅａ)の前記縦糸及び前記横糸の糸軸方向の実効弾性率(Ｅｂ)に対する比(Ｅａ／Ｅｂ)を１０-1以下とすることを特徴とする請求項１乃至６のうちの１つに記載の摩擦係数可変シート体。
【請求項８】
請求項１乃至７のうちの１つに記載の摩擦係数可変シート体と、
前記縦糸又は前記横糸のいずれか一方を圧縮するように前記摩擦係数可変シート体を面内圧縮せしめて前記うねりを形成させる圧縮装置と、を備えることを特徴とする摩擦係数可変装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周期的なうねり形状を変化させることによってその表面上での摩擦係数を変化させ得るシート体及びこれを用いた装置に関し、特に、うねり形状に重畳して周期的に突起部を与えてより大なる摩擦係数の変化幅を与え得る摩擦係数可変シート体及び摩擦係数可変装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
周期的なうねりを可逆的に形成し得るシート体が知られている。例えば、高分子弾性体からなる基板の表面に相対的に硬い一様な薄膜を形成した積層シート体では、主面に沿った方向の応力を加えるとうねりを形成できて、応力を解放すると元に戻る(特許文献１及び２、非特許文献１)。かかる積層シート体の基板材料や薄膜材料については各種が提案されている(非特許文献１〜６)。また、周期的なうねり形状を可逆的に変化させる液体ポンプ(特許文献３)や光拡散板(特許文献４)なども提案されている。
【０００３】
ところで、表面形状とその表面の摩擦力には関連性があり、表面形状を変化させて用途に応じた摩擦係数を可変的に与えようとする摩擦係数可変シート体も提案されている。上記したような周期的なうねりを可逆的に形成し得るシート体においても、その表面形状を平坦とした状態からうねりを形成した状態となると摩擦係数を変化させ得る。
【０００４】
ここで、例えば、うねりの周期長と同程度の直径の球を接触させた場合では、シート体の表面にうねりを形成させたときにこの球がうねりの谷に入り込むため、シート体の表面に沿って球を移動させるときに尾根の部分を大きく変形させ、シート体の表面を平坦としたときに比べて摩擦係数を２０％程度増加させることになる(非特許文献７)。一方、接触させる物体の接触面がうねりの周期長より数倍以上大きい曲率半径を有する場合には、うねりを形成した状態で主に接触面積を減少させるから摩擦係数を１５％程度減少させ得るのである(非特許文献８)。
【０００５】
いずれにしろ、摩擦係数を可変とすることのできる摩擦係数可変シート体は、物体搬送用のロボットハンド、人が扱うハンドルやスマートフォン、可変な点字等において活用が期待される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２６６５７０号公報
【特許文献２】特開２００９−０９６０８１号公報
【特許文献３】特開２０１０−２０１６１０号公報
【特許文献４】特開２０１４−１５３５３０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Bowden, N.; Brittain, S.; Evans, A. G.; Hutchinson, J. W.; Whitesides, G. M. Nature 1998, 393, 146.
【非特許文献２】Bowden, N.; Huck, W. T. S.; Paul, K. E.; Whitesides, G. M. Appl. Phys. Lett. 1999, 75, 2557.
【非特許文献３】Huck, W. T. S.; Bowden, N.; Onck, P.; Pardoen, T.; Hutchinson, J. W.; Whitesides, G. M. Langmuir 2000, 16, 3497.
【非特許文献４】Ohzono, T.; Shimomura, M. Phys. Rev. B. 2004, 69, 132202.
【非特許文献５】Yoo, P. J.; Lee, H. H. Phys. Rev. Lett. 2003, 91, 154502.
【非特許文献６】Stafford, C. M.; Harrison, C.; Beers, K. L.; Karim, A.; Amis, E. J.; Vanlandingham, M. R.; Kim, H.; Volksen, W.; Miller, R. D.; Simonyi, E. E. Nat. Mat. 2004, 3, 545.
【非特許文献７】Suzuki, K.; Hirai, Y.; Ohzono, T. ACS Appl. Mater. Interfaces 2013, 6, 10121.
【非特許文献８】Suzuki, K.; Hirai, Y.; Shimomura, M.; Ohzono, T. Tribol. Lett. 2015, 60, 24.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ここまで提案の摩擦係数可変シート体での摩擦係数の可変幅は高々２０％程度である。この摩擦係数の可変幅をより大きくすることで応用範囲を拡大できる。特に、平坦な状態に比べてうねりを形成した状態において摩擦係数の低下するようにしたシート体、すなわち、シート体の表面を移動する物体の接触面を減じるように変化するシート体についての応用が期待される。
【０００９】
本発明は、かかる状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、面内圧縮方向に周期的なうねりを形成させて表面摩擦係数を変化させ得る摩擦係数可変シート体において、接触面積を減じるよう変化させて摩擦係数の変化幅をより大きくした摩擦係数可変シート体及びこれを用いた装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による摩擦係数可変シート体は、面内圧縮方向に周期的なうねりを形成させて表面摩擦係数を変化させ得る摩擦係数可変シート体であって、弾性シート体の一主面に沿ってその直下に、縦糸と横糸とを直交させて編み込まれてなる織物を埋入させ、前記弾性シート体を前記縦糸又は前記横糸のいずれか一方が圧縮されるように面内圧縮せしめたときに他方が引っ張られて前記うねりに重畳して前記縦糸及び前記横糸の交差部に周期的に突起部が形成されることを特徴とする。
【００１１】
かかる発明によれば、うねりの形成に時間的に同期させてうねりの尾根に位置的にも同期させて突起部を形成させて、表面に接触する物体との接触面積をより大きく変化させ得る。つまり、摩擦係数の変化幅をより大きくすることができる。
【００１２】
上記した発明において、前記縦糸同士が離間され且つ前記横糸同士が離間されて、前記縦糸及び前記横糸が互いに平織されていることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、突起部を周期的に所定位置に容易に形成させ得て、表面に接触する物体との接触面積を大きく変化させて、摩擦係数の変化幅をより大きくすることができる。
【００１３】
上記した発明において、前記縦糸及び前記横糸は断面略円形の単繊維からなることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、突起部を再現性よく周期的に所定位置に形成させ得て、表面に接触する物体との接触面積を大きく変化させて、摩擦係数の変化幅をより大きくすることができる。
【００１４】
上記した発明において、前記短繊維はポリエステル類又はポリアミド類からなることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、突起部を再現性よく周期的に所定位置に形成させ得て、表面に接触する物体との接触面積を大きく変化させて、摩擦係数の変化幅をより大きくすることができる。
【００１５】
上記した発明において、前記突起部の先端において前記交差部における前記縦糸又は前記横糸が前記弾性シート体から露出していることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、尖頭型の突起部を再現性よく周期的に所定位置に形成させ得て、表面に接触する物体との接触面積を大きく変化させて、摩擦係数の変化幅をより大きくすることができる。
【００１６】
上記した発明において、前記うねりの周期長は進行方向に離間して並ぶ前記縦糸又は前記横糸の中心間距離の５倍より大きいことを特徴としてもよい。かかる発明によれば、突起部とうねりの位置との相対関係からその表面に接触する物体との接触面積を大きく変化させて、摩擦係数の変化幅をより大きくすることができる。
【００１７】
上記した発明において、前記弾性シート体の弾性率(Ｅａ)の前記縦糸及び前記横糸の糸軸方向の実効弾性率(Ｅｂ)に対する比(Ｅａ／Ｅｂ)を１０-1以下とすることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、突起部を再現性よく周期的に所定位置に形成させ得て、表面に接触する物体との接触面積を大きく変化させて、摩擦係数の変化幅をより大きくすることができる。
【００１８】
さらに、本発明による摩擦係数可変装置は、上記した１つの摩擦係数可変シート体と、前記縦糸又は前記横糸のいずれか一方を圧縮するように前記摩擦係数可変シート体を面内圧縮せしめて前記うねりを形成させる圧縮装置と、を備えることを特徴とする。
【００１９】
かかる発明によれば、うねりの形成に時間的に同期させてうねりの尾根に位置的にも同期させて突起部を形成させて、表面に接触する物体との接触面積をより大きく変化させ得る。つまり、摩擦係数の変化幅をより大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明による摩擦係数可変シート体の実施例の(ａ)表面写真(拡大率大)、(ｂ)表面写真(拡大率小)、(ｃ)断面写真、及び、(ｄ)断面斜視図である。
【図２】摩擦係数可変シート体の周期的なうねりを生じた状態の表面写真である。
【図３】摩擦係数可変シート体の圧縮ひずみ(ａ)ｓ＝０及び(ｂ)ｓ＝０.１６の場合の圧縮方向に沿った表面形状を示す図である。
【図４】摩擦係数可変シート体において、うねりに重畳して形成される周期的な突起の(ａ)表面写真と圧縮方向に直行する方向の表面形状を示す図、及び(ｂ)突起の形成メカニズムを説明する織物の斜視図である。
【図５】摩擦係数可変装置の側面図である。
【図６】(ａ)圧縮ひずみなし、及び、(ｂ)圧縮ひずみありのそれぞれの摩擦係数可変シート体へのガラス球の接触状態を示す蛍光顕微鏡写真である。
【図７】摩擦係数可変シート体に接触したガラス球の垂直荷重に対する(ａ)平均動摩擦力、(ｂ)平均静摩擦力のグラフである。
【図８】摩擦係数可変シート体に用いられる他の２軸織物の平面写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明による摩擦係数可変シート体の代表的な実施形態について図１乃至図４を用いて説明する。
【００２２】
図１に示すように、摩擦係数可変シート体１０は弾性シート体１の主面に沿ってその直下に織物２を埋入させたものであり、その主面を全体として平坦に形成されている。織物２は、直行する縦糸２ａ及び横糸２ｂを編みこまれた２軸織物からなる。
【００２３】
このような摩擦係数可変シート体１０は、例えば、弾性シート体１の前駆体である未硬化又は溶融した液体状態の材料を織物２に浸透させてその空隙部分を満たし、別途用意した固体状の弾性シート体１の表面に圧着して前駆体を硬化又は凝固させる方法などで得ることができる。
【００２４】
図２に示すように、摩擦係数可変シート体１０は、織物２の縦糸２ａ又は横糸２ｂのいずれか一方が圧縮されるように、その主面に沿った方向に圧縮されることで、圧縮方向に尾根３ａ及び谷３ｂの繰り返される周期的なうねりを織物２の埋入されている側の主面に形成する。また、かかる圧縮を解除することで、もとの平坦な形状に戻る。つまり、うねりを可逆的に形成させることができる。このうねりの尾根３ａの谷３ｂに対する高さは圧縮方向のひずみに応じて変化し、例えば、うねりの周期長に対して０〜０.２倍の範囲内で推移する。このようなうねりの形成は表面座屈とも呼ばれる。
【００２５】
例えば、図３(ａ)に示すように、摩擦係数可変シート体１０は圧縮されていないときに主面を平坦としているが、図３(ｂ)に示すように、主面に沿った方向に圧縮されることで圧縮方向に沿って周期的なうねりを形成するのである。このようなうねりは、弾性シート体１を弾性率の低い材料とし、織物２を弾性率の高い材料とすることで形成し得る。このとき、例えば、弾性シート体１の弾性率(Ｅａ)の縦糸２ａ及び横糸２ｂの糸軸方向の実効弾性率(Ｅｂ)に対する比(Ｅａ／Ｅｂ)を１０-1以下とすることが好ましい。また、このうねりの周期長は、弾性シート体１及び織物２のヤング率の比と、織物２の厚みによって調整可能である。
【００２６】
さらに、図４に示すように、摩擦係数可変シート体１０は、上記のように圧縮したときに、縦糸２ａ及び横糸２ｂの交差部に周期的な突起４を上記したうねりに重畳させて形成させる。
【００２７】
すなわち、図４(ａ)に示すように紙面横方向の圧縮により、同方向のうねりが形成される。つまり、圧縮方向に直行する方向に延びる尾根３ａと谷３ｂを有するうねりを形成する。このとき、尾根３ａの頂部の高さを尾根３ａの延びる方向(紙面上下方向)に沿って計測すると、例えば１０μｍ程度の高さのピーク４ａが観察される。つまり、このピーク４ａの形状を有する突起４がうねりの尾根３ａに位置的に同期して形成されている。
【００２８】
図４(ｂ)を合わせて参照すると、このような突起４は、以下のようにして生じる。まず、織物２に応力の付与されていないときに、摩擦係数可変シート体１０の表面は平坦である。これに対し、例えば、横糸２ｂを圧縮させるように、弾性シート体１(図１参照)を主面に沿って圧縮すると、これと直行する方向、すなわち縦糸２ａの延びる方向の引っ張り応力が弾性シート体１に生じる。かかる引っ張り応力により、弾性シート体１が縦糸２ａの延びる方向に延伸し、これとともに縦糸２ａを引っ張って直線に近づけるように伸ばす。これによって、縦糸２ａの上下を通過するように編みこまれている横糸２ｂの交差部での曲りが大きくなる。このとき、縦糸２ａとの交差部のうち、横糸２ｂが表面側に位置する部分で突起４を形成するのである。すなわち、うねりの形成に時間的に同期して、つまり、うねりに重畳して周期的な突起４が形成されるのである。突起４の高さは、圧縮の付与されていないときに０である。つまり、縦糸２ａ及び横糸２ｂの交差部の高さはいずれも同じである。一方、横糸２ｂ方向の面内圧縮によって縦糸２ａを伸ばしたときに突起４の高さは最も高くなり、縦糸２ａを直線状にした場合に横糸２ｂの直径と同等の高さとなる。なお、縦糸２ａと横糸２ｂとの間で圧縮方向を換えても同様である。
【００２９】
摩擦係数可変シート体１０は、このように、圧縮応力の付与によってその主面の形状を平坦な形状からうねりを形成させるように変化させ、さらにこれと同時に突起４を形成させる。つまり、うねりと突起４とを重畳させた周期的な凹凸構造を形成するのである。ここで、うねりの谷３ｂに入りこまない形状の物体に対して接触する面積は、平坦なときの接触面積に比べてうねりを形成するだけでも小さくなるが、摩擦係数可変シート体１０はうねりの形成に時間的に同期して突起４を形成するので接触面積をさらに小さくする。これによって、接触する物体に対する表面の摩擦係数の変化幅を大きくすることができるのである。
【００３０】
このような摩擦係数可変シート体１０の構成部材である弾性シート体１及び織物２としては、以下のようなものが好ましい。
【００３１】
弾性シート体１は、その主面の面内方向の圧縮もしくは延伸(引張り)によるひずみをその絶対値において０.０５以上とすることが容易な柔軟性を有することが好ましく、０.２以上とすることが容易であることがさらに好ましい。このような弾性シート体１の材料としては、例えば、ポリジメチルシロキサン(ＰＤＭＳ)、ジフェニルシロキサンなどのポリシロキサン系ポリマー、シリコーン樹脂／シリコーンゴム、天然ゴムないし合成ゴム、ポリエチレンテレフタレート(ＰＥＴ)、アクリルゴム、ポリメチルメタクリレート(ＰＭＭＡ)、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン、ポリウレタン、ポリスチレン、フッ素化ポリマー(ＰＴＦＥ、ＰＶｄＦなど)、ポリ塩化ビニル、ポリメチルハイドロゲンシロキサン、ジメチルシロキサンとメチルハイドロジェンシロキサン単位のコポリマーなどのホモポリマー或いはコポリマー、さらにはこれらのブレンドが挙げられる。上記したような圧縮もしくは延伸(引張り)の可能な材料であれば他の材料でもよい。
【００３２】
織物２は、上記したように直行する縦糸２ａ及び横糸２ｂを織糸として編みこまれた２軸織物からなるが、平織によって形成されていることが好ましい。また、縦糸２ａ同士が離間され且つ横糸２ｂ同士も離間されていることが好ましい。平織とすることで、突起４を表面に緻密かつ均一に形成できて、物体を接触させたときの応力を分散しやすくなる。また、縦糸２ａ同士及び横糸２ｂ同士をそれぞれ離間させることで突起４の形成のための縦糸２ａ及び横糸２ｂの動きを容易とする。つまり、これらにより、突起４を周期的に尾根３ａの位置に容易に形成させ得るのである。また、縦糸２ａ及び横糸２ｂは断面を略円形とする単繊維であることが好ましく、これによって縦糸２ａ及び横糸２ｂの動きに応じて再現性よく容易に突起４を形成させ得る。つまり、うねりと突起４を形成したときの物体への接触面積をより小さくし得る。さらに、縦糸２ａ及び横糸２ｂの交差部において、上側の織糸が弾性シート体１から露出していることが好ましい。これにより、突起４を尖頭型として形成させ得て、接触面積をより小さくし得る。
【００３３】
このような縦糸２ａ及び横糸２ｂの材料としては、特に限定されないが、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレートなどのポリエステル類、ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン４６、ナイロン１２、ナイロン６１０、ナイロン６１２またはこれらの共重合体などのポリアミド類、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコールなどの合成ポリマーからなる繊維が挙げられる。中でも、ポリエステル類、ポリアミド類が好ましく用いられ、摩耗耐性にも優れるナイロン６、ナイロン６６が特に好ましい。
【００３４】
なお、うねりの周期長は、上記したように弾性シート体１及び織物２のヤング率の比と織物２の厚みによって調整可能であるが、弾性シート体１の弾性率(Ｅａ)と縦糸２ａ及び横糸２ｂの糸軸方向の実効弾性率(Ｅｂ)と、織物２の厚みｈを用いて、
Λ＝２ｈπ(Ｅｂ／３Ｅａ)1/3
と表すことができる。これは織物２を一様な薄膜とみなすことに基づいており、織物２の代わりに一様な薄膜を用いる従来のシート体において知られている。
【００３５】
ここで、突起４をより確実に所定位置であるうねりの尾根３ａに形成させるために、うねりの周期長Λは、縦糸２ａ同士又は横糸２ｂ同士の中心間距離、すなわち織糸周期長の５倍より大きくすることが好ましく、１０倍より大きくすることがより好ましい。うねりの周期長Λをこのような範囲とすることは、織物２を一様な薄膜とする上記した仮定を成立させるためにも好ましい。うねりの周期長Λをこのような範囲とするために、弾性シート体１の弾性率(Ｅａ)、縦糸２ａ及び横糸２ｂの糸軸方向の実効弾性率(Ｅｂ)、織糸周期長、織物２の厚みが選択される。
【００３６】
例えば、上記のような、弾性シート体１の弾性率(Ｅａ)は０.０１〜１００ＭＰａの範囲から選択でき、縦糸２ａ及び横糸２ｂの糸軸方向の実効弾性率(Ｅｂ)は０.１〜１００ＧＰａの範囲から選択でき、織糸周期長は０.０１〜１ｍｍの範囲から選択でき、織物２の厚みは０.０１〜１ｍｍの範囲から選択できる。
【００３７】
また、弾性シート体１の厚さは、弾性率(Ｅａ)にもよるが、例えば１〜５０ｍｍとすると上記した面内圧縮を行いやすく好ましい。また、弾性率(Ｅａ)の実効弾性率(Ｅｂ)に対する比(Ｅａ／Ｅｂ)を１０-1以下とすることが上記したようなうねりを形成させるために好ましく、この比は例えば、１０-5以上から選択され得る。
【００３８】
また、図５に示すように、摩擦係数可変シート体１０は、摩擦係数可変装置１１において用い得る。すなわち、摩擦係数可変装置１１は、ステージ１２の上に織物２の埋入された主面を上面とするように摩擦係数可変シート体１０を配置し、例えば、横糸２ｂの延びる方向に摩擦係数可変シート体１０を挟んで圧縮する圧縮子１３を備える。圧縮子１３はステージ１２に対して所望の変位となるよう摩擦係数可変シート体１０を圧縮する方向に移動可能とされる。例えば、図示しないボールねじの回転を制御してこれに螺合させた圧縮子１３を移動させることで、このような一軸圧縮ができる。圧縮子１３の変位を制御することで、摩擦係数可変シート体１０を面内圧縮させることができ、弾性シート体１をひずませて上記したような周期的な凹凸構造を形成させ得る。
【００３９】
なお、摩擦係数可変シート体１０は、外部から応力を付与されていない状態で上記した周期的な凹凸構造、つまりうねりに突起４を重畳させた表面形状を有するようにすることもできる。この場合、例えば、弾性シート体１の前駆体である未硬化又は溶融した液体状態の材料を織物２に浸透させてその空隙部分を満たし、別途用意した固体状の弾性シート体１を織物２の縦糸２ａ又は横糸２ｂのどちらか一方の糸軸方向に予め延伸した状態で圧着し、かかる延伸を維持したまま前駆体を硬化又は凝固させる方法で得ることができる。これにより、外部から応力を付与されていないときに、織物２を埋入した側の主面の近傍が一方の糸軸方向に圧縮されており、表面に上記した周期的な凹凸構造を呈し、外部から一方の糸軸方向に延伸する力を付与することで表面を平坦な形状とし得るのである。
【００４０】
この場合、摩擦係数可変シート体１０は外部からの応力のない状態で既にうねり及び突起４を生じているが、これを用いた摩擦係数可変装置１１としては、このうねりをさらに大きくする方向、うねりを小さくする方向、又は、うねりを小さくする方向及び大きくする方向の両方に摩擦係数可変シート体１０を圧縮又は延伸させるものをそれぞれ構成できる。
【００４１】
以上のような摩擦係数可変シート体１０及び摩擦係数可変装置１１は、形成するうねりの谷３ｂ(図２、図３参照)に入り込むことのないような、例えばうねりの周期長より大きな曲率半径を有する面を接触面とするような物体に対して、平坦な状態とうねり及び突起を形成させた状態とで接触面積をより大きく変化させ得る。これによって、摩擦係数の変化幅をより大きくすることができる。さらに、摩擦係数可変シート体１０との接触で変形しない硬い物体に対してであれば、比較的簡単に摩擦係数の変化幅を大きくできる。
【００４２】
また、摩擦係数可変シート体１０は、簡便な変位センサーとしても使用し得る。例えば、検知しようとする変位により摩擦係数可変シート体１０を面内圧縮するように配置し、これに物体を接触させてその摩擦力を測定することで変位を検知できる。また、指等による触覚によって摩擦係数可変シート体１０の表面形状を知覚することで変位を検知することもできる。
【００４３】
摩擦係数可変シート体１０は、上記したように、弾性シート体１の前駆体である未硬化の材料を織物２に浸透させてその空隙部分を満たし、固体状の弾性シート体１の表面に圧着して前駆体を硬化させるだけの簡単な方法で製造することができ、マイクロレンズの作製に利用される光リソグラフィなどの手間のかかるパターニング技術をその製造に必要としない。
【００４４】
なお、弾性体からなるシートに機械的な強度の向上を目的として織物等の繊維を埋入した繊維強化複合材料も知られているが、摩擦係数可変シート体１０は表面形状を変化させて摩擦係数を可変とする目的において、このような繊維強化複合材料とは異なるものである。
【００４５】
また、うねりに重畳させて形成される突起４のような突起は、織物２の代わりに一様な薄膜を用いた従来のシート体では形成され得ないことは明らかである。
【００４６】
本発明による摩擦係数可変シート体１０は、構造や製造方法が簡単であり、変形可能なシート体として提供でき、ロボットハンドや搬送用器具等の表面材として、物体の把持制御や固定−滑り状態の制御に好適に利用でき、また、接触型インターフェース等で、さわり心地を変化させる等の効果を持たせるために好適に応用することができる。
【００４７】
＜実施例＞
次に、平織された織物２を用いた摩擦係数可変シート体１０の実施例について、うねり及び突起４の形状、ガラス球との接触状態や摩擦力について測定した結果を示す。さらに他の２軸織物を用いて作製した摩擦係数可変シート体１０の実施例について、ガラス球との摩擦力を測定した。これらの結果について図１〜図４、図６〜図８を用いて説明する。
【００４８】
（摩擦係数可変シート体の作製）
図１を参照すると、織物２として、ナイロン６６の単繊維からなる平織物(アズワン株式会社製、Ｎ−ＮＯ.３０５Ｔ)を用いた。この単繊維の直径は０.０３５ｍｍであり、縦糸２ａおよび横糸２ｂの織糸周期長は、どちらも０.０８ｍｍである。５０ｍｍ角とした織物２を、平坦なガラス基板上に載せ、その上に、液体状のポリジメチルシロキサン(ＰＤＭＳ)弾性体(東レ・ダウコーニング株式会社製、Ｓｙｌｇａｒｄ１８４)の前駆体液を注ぎ、織物膜の空隙を満たして内部に空気が残らないように浸透させた。次いで、上側から予め硬化させたＰＤＭＳの厚み５ｍｍ×５０ｍｍ角の板状体を弾性体シート１として１２ｋＰａの圧力で押し付け、８０℃×３時間で熱処理して前駆体液を熱硬化させた。その後、ガラス基板から剥がして摩擦係数可変シート体１０を得た。
【００４９】
（うねりの形状の観察）
図２に示すように、摩擦係数可変シート体１０に小型圧縮機を用いて横糸２ｂの糸軸方向への１軸の面内圧縮を加えたところ、うねりが形成された。圧縮方向に垂直な方向に延びる尾根３ａ及び谷３ｂを有する周期的なうねりが肉眼でも確認できた。また、ひずみｓを、ｓ＝０(０％)及びｓ＝０.１６(１６％)としたときの表面の圧縮方向に沿った断面形状を触針段差計(株式会社アルバック製、ＤＥＫＴＡＫ８)で測定し、それぞれ図３(ａ)及び(ｂ)に示した。
【００５０】
図３に示すように、周期的なうねりの周期長Λは、約０.７ｍｍであり、谷３ｂに対する尾根３ａの高さは、０.０５ｍｍ以上であることが判る。また、このひずみに応じた平坦な状態とうねりを形成した状態との間の形状の変化は可逆的であり、ゆっくりとした０〜０.１６までのひずみの繰り返しに少なくとも１００回は耐え、その間に表面の破壊等は見られなかった。
【００５１】
（突起の形状の観察）
さらに、周期的なうねりの尾根３ａに沿った表面形状を図４に示した。図４(ａ)に示すように、織糸周期長(０.０８ｍｍ)の倍の約０.１６ｍｍの周期長をもち、高低差が約０.０１ｍｍのピーク４ａを確認できる。つまり、周期的なうねりに重畳されて周期的な突起４が尾根３ａの位置に形成されていた。
【００５２】
なお、うねりの周期長Λは、摩擦係数可変シート体１０を水平に載置し、隣接する２つの尾根３ａのうち、一方の尾根３ａの任意の頂点から、他方の尾根３ａの頂部までの水平方向の最短距離を無作為で選んだ１０箇所で測定した平均値とした。また、谷３ｂに対する尾根３ａの高さは、うねりの周期長Λを測定する際の、頂点から頂部までの測定方向の該頂点を含む面内での谷３ｂの底部に対する両側の尾根３ａの高さ(鉛直方向の距離)の平均を１０箇所で測定した平均値とした。
【００５３】
（接触状態の観察）
さらに、この摩擦係数可変シート体１０と、半径５ｍｍのガラス球との接触状態を以下のようにして観察した。荷重を制御できる摩擦試験機(株式会社井元製作所製、ＩＭＣ−９００６)にガラス球を装着して、その表面をピンク色の蛍光塗料を溶かしたエタノール溶液に浸したコットンで軽くふき、１分間以上乾燥させた。つまり、蛍光塗料の塗膜をガラス球表面に付与した。次いで、かかるガラス球の表面を摩擦係数可変シート体１０の表面に衝撃を加えないように３ｇの荷重で１５秒間接触させた。その後、蛍光顕微鏡(オリンパス株式会社製、ＢＸ−５１)を用いて、摩擦係数可変シート体１０の表面の蛍光像を観察した。この蛍光像の観察された場所やパターンによって接触状態が推定できる。摩擦係数可変シート体１０にｓ＝０及びｓ＝０.１６のひずみを付与した場合の蛍光像の写真を図６(ａ)及び(ｂ)にそれぞれ示した。明るい部分において蛍光物質が存在し、その場所で接触が起こっていることを示唆する。
【００５４】
図６に示すように、ｓ＝０においては、円形の広い領域において蛍光物質が観察されるのに対して、ｓ＝０.１６では、周期的なうねりの隣り合う２つの尾根３ａに沿って存在する突起４においてのみ蛍光物質が観察される。同条件で実験を９回繰り返して得られた蛍光像によるみかけの接触面積を見積もると、平均で、ｓ＝０では、０.５１±０.２０ｍｍ2、ｓ＝０.１６では、０.０１２±０.００４ｍｍ2となった。つまり、ひずみｓに応じて、みかけの接触面積を大きく変化させた。このように、周期的なうねりに重畳させた周期的な突起４が存在することで、平坦な面に比べて、うねりを形成させた面ではみかけの接触面積を大きく減少させ得ることが判る。これに伴い、摩擦力に直接関係する真の接触面積も大きく変化させているものと推測できる。
【００５５】
（摩擦力の測定）
この摩擦係数可変シート体１０と、半径５ｍｍのガラス球の摩擦力を以下のように測定した。ガラス球を、上記した摩擦試験機に装着し、３ｇから２０ｇまでの一定荷重(Ｐ)をかけて摩擦係数可変シート体１０の表面に押し付け、０.１ｍｍ／ｓの移動速度で、摩擦係数可変シート体１０に加えた圧縮ひずみｓと同じ方向に移動させた。また、ひずみｓ＝０から０.１６までの複数の状態での摩擦力を測定した。一般に、移動の開始直後に静止摩擦によって摩擦力が上昇し、その後、定常的な動摩擦状態となる。この静止摩擦状態から動摩擦状態に遷移する直前の摩擦力を静止摩擦力として５回測定し、平均の静止摩擦力Ｆsを算出し図７(ｂ)に示した。また、５ｍｍの移動における定常的な動摩擦状態での動摩擦力を５回測定し、平均の動摩擦力Ｆavを算出して図７(ａ)に示した。
【００５６】
図７に示すように、平均の静止摩擦力、平均の動摩擦力は共に、ｓ＝０の場合よりもｓ＝０.１６の場合のほうが格段に小さくなることが判る。上記した接触状態の観察の結果と合わせると、平坦な状態に対して接触面積を小さくすることと摩擦力を低下させることに相関があることも判る。つまり、摩擦係数可変シート体１０への面内圧縮の付与により、平坦な状態とうねり及び突起４を形成させた状態とで接触面積を大きく変化させ、摩擦係数の変化幅を大きくすることができたと言える。
【００５７】
（他の織物を用いた実施例）
上記した摩擦係数可変シート体１０と同様に、織物２’として図８に示す綾織の一種の２軸織物(アズワン株式会社製、Ｎ−ＮＯ.５０８Ｓ)を用いて摩擦係数可変シート体を作製した。織物２’は縦糸と横糸のそれぞれが、他方の２本ずつを上下交互に通過しており、その通過位置を隣接する縦糸同士又は横糸同士でそれぞれ他方の１本分ずつずらすようにして編みこまれている。織物２’の縦糸及び横糸の単繊維の直径は０.０３ｍｍであり、縦糸および横糸の織糸周期長は、どちらも０.０５ｍｍであった。
【００５８】
この織物２’を用いた摩擦係数可変シート体と、半径５ｍｍのガラス球の摩擦力を上記と同様に測定した。すなわち、ガラス球を上記した摩擦試験機に装着し、３ｇ又は２０ｇの一定荷重をかけて摩擦係数可変シート体の表面に押し付け、０.１ｍｍ／ｓの移動速度で、摩擦係数可変シート体に加えた圧縮ひずみｓと同じ方向に移動させた。またひずみｓ＝０又は０.１６の状態での動摩擦力を測定した。平均の動摩擦力は、ｓ＝０のとき、荷重３ｇで４０.０ｍＮ、荷重２０ｇで１５３.５ｍＮであり、ｓ＝０.１６のとき、荷重３ｇで３.２ｍＮ、荷重２０ｇで１３.６ｍＮであった。つまり、ｓ＝０の平坦な状態に対して、ｓ＝０.１６のうねり及び突起を形成させた状態において、動摩擦力を１／１０以下に小さくできた。このように平織以外の他の２軸織物を用いた場合でも、同様の効果を得られる。
【００５９】
以上、本発明による実施例及びこれに基づく変形例を説明したが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、様々な代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。
【符号の説明】
【００６０】
１    弾性シート体
２    織物
２ａ  縦糸
２ｂ  横糸
３ａ  尾根
３ｂ  谷
４    突起
１０  摩擦係数可変シート体
１１  摩擦係数可変装置
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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