(57)【要約】【課題】摩擦によって発生するマイクロプラズマより発せられる光のカラー画像を取得できるようにする。【解決手段】摩擦マイクロプラズマ平面像カラー写真撮像装置１は、真空槽２と、真空槽２の内部を排気するための排気系３と、この真空槽２中で摩擦によってプラズマを発生させる摩擦プラズマ発生機構４と、プラズマから放出される光を真空系外に透過させるための透明なビューポート５と、このビューポート５を通過してきた光６を集光してプラズマ像を拡大して冷却CCDカメラ７上に結像させるための光学レンズ系８と、冷却CCDカメラ７で検出したプラズマ像の光信号を処理し、プラズマ像を取得させるためのパーソナルコンピュータ９から構成される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の部材と、第１の部材と摩擦接触する第２の部材と、第１の部材と第２の部材との摩擦接触点のすき間に発生する微小なプラズマ（トライボマイクロプラズマ）から発せられる光（トライボエミッション）の画像をカラー撮像することのできるカラー撮像装置とを具備したことを特徴とする摩擦接触部評価装置。
【請求項２】
前記第１の部材と前記第２の部材とが、所望の元素のガスを導入することができ、そのガス圧を調整できる真空室内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦接触部評価装置。
【請求項３】
前記第１の部材が回転体であることを特徴とする請求項１または２に記載の摩擦接触部評価装置。
【請求項４】
前記第２の部材が、接触部が小面積のピン体であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の摩擦接触部評価装置。
【請求項５】
前記第２の部材には、第２の部材の第１の部材に対する接触圧を調整することのできる加圧調整機構接触部が付設されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の摩擦接触部評価装置。
【請求項６】
前記カラー撮像装置が、固体撮像装置であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の摩擦接触部評価装置。
【請求項７】
前記カラー撮像装置が、ＣＣＤカメラであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の摩擦接触部評価装置。
【請求項８】
前記固体撮像装置には、冷却手段が備えられていることを特徴とする請求項６または７に記載の摩擦接触部評価装置。
【請求項９】
前記固体撮像装置には、画像データの処理、解析を行うことのできるコンピュータが付設されていることを特徴とする請求項６から８のいずれかに記載の摩擦接触部評価装置。
【請求項１０】
前記カラー撮像装置が、感光性フィルムが装填されたカメラであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の摩擦接触部評価装置。
【請求項１１】
前記カラー撮像装置の光軸が、第１の部材と第２の部材との接触面と垂直、および／または、平行であることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の摩擦接触部評価装置。
【請求項１２】
前記カラー撮像装置の摩擦接触面側には、入射画像を拡大する光学レンズ系が付設されていることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の摩擦接触部評価装置。
【請求項１３】
特定のガスが特定の圧力に調整されている雰囲気下において、第１の部材と第２の部材とを摩擦接触させ、第１の部材と第２の部材との摩擦接触点のすき間に発生する微小なプラズマから発せられる光のカラー画像を取得することを特徴とする摩擦接触部評価方法。
【請求項１４】
前記特定のガスが、空気または希ガスであることを特徴とする請求項１３に記載の摩擦接触部評価方法。
【請求項１５】
前記プラズマの発生条件を変化させながら連続的にカラー画像を取得することを特徴とする請求項１３または１４に記載の摩擦接触部評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、摩擦接触部評価装置および摩擦接触部評価方法に関し、さらに詳しくは視覚的に解析・評価することのできる摩擦接触部評価装置とその方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
極めて近接し相対的に移動する２物体間に生じる現象を包括的に扱う技術分野はトライボロジー（tribology）と呼ばれる。この分野では、摩擦物体間で生じている諸現象の把握とその解析・評価が重要なテーマである。本発明者は、摩擦物体間に微細なプラズマ（マイクロプラズマ）が生じていることを見出し、そのプラズマから発せられる紫外光から近赤外までの光をフィルタを介して複数の波長幅に切り出して各波長幅ごとの強度分布パターンを得ることが摩擦による放電発光の発生メカニズムの研究の有力な手段になるとして、先に「摩擦フォトン二次元分布計測方法及び装置」を特許出願した（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２４３６４３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術では、あるバンド幅の特定の波長の光の強度分布を計測するものであるため、プラズマの蜜度分布を知ることはできるものの、現実の色彩分布や温度分布などの他の情報を得ることは困難であった。また、大気中のみで計測するものであったため、雰囲気ガスおよび気圧の変化によりプラズマがどのように変化するかの情報を得ることができず、摩擦面で生じている様々な現象の把握・評価に十分な情報が得られなかった。
本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解決することであって、その目的は、第１に、トライボマイクロプラズマのカラー画像が得られるようにすることであり、第２に、雰囲気ガスや気圧の変化に応じて変化するプラズマの状態を的確に把握できるようにすることであり、もって摩擦面にて生じている諸現象の解析・評価に豊富な情報を提供できるようにしようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明によれば、第１の部材と、第１の部材と摩擦接触する第２の部材と、第１の部材と第２の部材との摩擦接触点のすき間に発生する微小なプラズマ（トライボマイクロプラズマ）から発せられる光（トライボエミッション）の画像をカラー撮像することのできるカラー撮像装置とを具備したことを特徴とする摩擦接触部評価装置、が提供される。
【０００６】
また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、摩擦接触部評価装置の特定のガスが特定の圧力に調整されている雰囲気下において、第１の部材と第２の部材とを摩擦接触させ、第１の部材と第２の部材との摩擦接触点のすき間に発生する微小なプラズマから発せられる光のカラー画像を取得することを特徴とする摩擦接触部評価方法、が提供される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態を示す概略断面図である。図1において、１は、本発明の第１の実施の形態である、冷却ＣＣＤカメラを用いた摩擦マイクロプラズマ平面像カラー写真撮像装置である。本撮像装置は、真空槽２と、真空槽２の内部を排気するための排気系３と、この真空槽２中で摩擦によってプラズマを発生させる機構（以下、摩擦プラズマ発生機構と呼ぶ）４と、プラズマから放出される光（トライボエミッション）を真空系外に透過させるための透明なビューポート５と、このビューポート５を通過してきた光６を集光してプラズマ像を拡大して冷却CCDカメラ７上に結像させるための光学レンズ系８と、冷却CCDカメラ７で検出したプラズマ像の光信号を処理し、プラズマ像を取得させるためのパーソナルコンピュータ９からなる。ここで、冷却CCDカメラ７とパーソナルコンピュータ９とによりカラー像信号処理系１６が構成されている。
【０００８】
光学レンズ系８は、光学系移動機構１７に直結されており、その位置が調整できるようになされている。排気系３は、ターボ分子ポンプ１０とロータリーポンプ１１からなる。真空槽２は排気系３によって十分に排気され、その後、真空計１２でガス圧を計測しつつ、バリアブルリークバルブ１３により使用するガスを所定の圧力まで真空槽内に導入する。ガスは、乾燥空気もしくはＡｒ、Ｎｅなどの希ガスを選択して導入できるようになされている。摩擦プラズマ発生機構４は所定の速度で回転する回転ディスク１４とこの回転ディスク１４に所定の垂直力ＦＮで押し付けられる接触ピン１５からなる。回転ディスク１４は、回転数調整可能なモータが内蔵された駆動機構１８によって駆動される。接触ピン１５には、回転ディスク１４への押し付け垂直力ＦＮを調整するための機構（図示なし）が付設されている。回転ディスク１４とビューポート５は、可視光を透過させることができる特性をもつ。ビューポート５と駆動機構１８とは、Ｏリングを介してボルトにより真空槽２に取り付けられている。
【０００９】
所定のガス中にて所定のガス圧力において、所定の垂直力で接触ピン１５を所定の回転速度で回転するディスク１４に押し付け、この両者の摩擦接触点で発生したプラズマから放出された光は透明な回転ディスク１４と透明なビューポート５を通過し、光学レンズ系８により、冷却CCDカメラ7上に結像され、このCCDカメラ上に結像されたマイクロプラズマのカラー光二次元分布像の信号、すなわちマイクロプラズマのカラー像信号がパーソナルコンピュータ９により処理され、摩擦マイクロプラズマカラー像が取得される。これにより、摩擦接触点の隙間に発生した摩擦マイクロプラズマのカラー光二次元分布像、すなわち摩擦マイクロプラズマカラー平面像を取得できる。摩擦マイクロプラズマより放出される光は微弱であるため、通常のCCDカメラではノイズが強くプラズマ像を観測できない場合が起こり得る。冷却CCDカメラを使用することによりこのノイズの発生を十分に抑えることができ、それにより微弱なマイクロプラズマ光を効果的に検出し、プラズマカラー像を取得できる。
【００１０】
図２は、本発明の第２の実施の形態を示す概略断面図である。図２において、図１に示した第１の実施の形態の部分と同等の部分には同一の参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。上述した第１の実施の形態では、微弱なマイクロプラズマ光を暗電流を抑えてノイズの少ない画像を得るために冷却ＣＣＤカメラを用いたが、本実施の形態では冷却ＣＣＤカメラ７とパーソナルコンピュータ９とからなるカラー像信号処理系１６に代えて、微弱な光を検出することのできる高感度カラーフィルムが装填された光学カメラ１９を用いる。本実施の形態によれば、市販の光学カメラを使用することにより、トライボマイクロプラズマカラー写真を得ることができる。
【００１１】
図３は、本発明の第３の実施の形態を示す概略断面図である。図３において、図１に示した第１の実施の形態の部分と同等の部分には同一の参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。本実施の形態の図１に示した第1の実施の形態と相違する点は、第１の実施の形態では真空槽２の天井板に取り付けられていたビューポート５が真空槽２の側面に取り付けられ、そして光学レンズ系８と、カラー像信号処理系１６（冷却ＣＣＤカメラ７およびパーソナルコンピュータ９）が、真空槽２の側面に配置されている。この第３の実施の形態では、接触ピン１５と回転ディスク１４との摩擦接触点の隙間に発生した摩擦マイクロプラズマからの光６を横方向に取り出し、カラー側面画像を観測できるようにしたものである。第１の実施の形態では、回転ディスク１４は透明である必要があったが、本実施の形態では、必ずしも透明である必要はない。
【００１２】
図４は、本発明の第４の実施の形態を示す概略断面図である。図４において、図３に示した第３の実施の形態の部分と同等の部分には同一の参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。本実施の形態の図３に示した第３の実施の形態と相違する点は、第1の実施の形態で用いられていたカラー像信号処理系１６に代えて高感度カラーフィルムの装填された光学カメラ１９が用いられている点である。すなわち、本実施の形態は、図２に示した第２の実施の形態での光学カメラ１９による撮像を横方向からできるようにしたものである。
【００１３】
図５は、本発明の第５の実施の形態を示す概略断面図である。図５において、図１に示した第１の実施の形態の部分と同等の部分には同一の参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。本実施の形態の図１、図３に示した第１、第３の実施の形態と相違する点は、第１、第３の実施の形態では、光学撮像系が１種のみであったが、本実施の形態では、上面観測用と側面観測用と２種の光学撮像系が設けられている点である。すなわち、本実施の形態の撮像装置には、図５に示されるように、摩擦プラズマ発生機構４から放出される光６１、６２を真空系外に透過させるための透明なビューポート５１、５２と、このビューポート５１、５２を通過してきた光６１、６２を集光してプラズマ像を拡大して冷却CCDカメラ7１、７２上に結像させる、光学系移動機構１7１、１７２により位置合わせされる光学レンズ系８１、８２と、結像された画像データを取得してこれをパーソナルコンピュータ９へ伝達する冷却CCDカメラ７１、７２と、が備えられている。
【００１４】
本実施の形態によれば、１台の評価装置により、上面像と側面像とを取得することができる。また、上面像と側面像とを同時に観測することができる。さらに、本実施の形態によれば、２種の画像データをパーソナルコンピュータ９にて処理することにより立体画像を取得することができる。
【００１５】
図６は、本発明の第６の実施の形態を示す概略断面図である。図６において、図１に示した第１の実施の形態の部分と同等の部分には同一の参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。本実施の形態の図１に示した第１の実施の形態と相違する点は、第1の実施の形態における冷却ＣＣＤカメラに代えて冷却ＣＣＤビデオカメラ２０が用いられている点である。
第１の実施の形態では瞬間的なカラー画像が取得できるのみであったが、本実施の形態によれば、連続したカラー画像を取得することができる。そして、例えば、回転ディスク１４を停止状態から高速回転状態とし次いで回転数を低下させ、その一連の過程において発生するトライボエミッションのカラー画像を連続して取得することができる。
【００１６】
【実施例】
〔第１の実施例〕
図１に示すカラー写真撮像装置を用い、先端半径300μmのダイヤモンド半球ピンと厚さ1ｍｍのサファイヤディスクとを用いた。真空槽内を真空引きした後乾燥空気をガス圧力：P=１×105Pa（大気圧）に維持した。サファイヤディスクの接触点でのすべり速度＝337ｍｍ/ｓに調整し、垂直押し付け荷重＝96ｇ（0.94N）の条件で、発生したプラズマからの放出光をサファイヤディスクを通して冷却CCDカメラで撮影した。そのプラズマ平面像を図７に示す。図７において、中心の白色部分は摩擦接触点である。その接触点の下手側（接触点移動方向の反対側）に紫色の部分が広がっており、これが摩擦接触点のすき間に発生したプラズマの像であり、プラズマは主として紫色で輝いていることが分かる。（図７〜図１０の白ないし薄灰色で示される部分の実際の色は、白色を含む青色〜紫色である。）
【００１７】
〔第２の実施例〕
図１に示すカラー写真撮像装置を用い、先端半径500μmのダイヤモンド半球ピンと厚さ1ｍｍのサファイヤディスクとを用いた。ダイヤモンド半球ピンをサファイヤディスク上を、荷重＝96ｇ、すべり速度＝337ｍｍ/ｓの条件でをすべらせつつ、真空槽内部を排気した後、乾燥空気をガス圧力：P = 3×104Pa、P = 3×103Pa、P = 1×102Paの圧力に切り替えて維持し、発生したプラズマからの放出光をサファイヤディスクを通して冷却CCDカメラで撮影した。そのプラズマ平面像を図８に示す。図８の上、中、下の図は、それぞれガス圧力が、P = 3×104Pa、P = 3×103Pa、P = 1×102Paである場合を示す。図８より、ガス圧が低下するにつれて、プラズマの寸法が増大していく様子が分かる。
【００１８】
〔第３の実施例〕
図１に示すカラー写真撮像装置を用い、先端半径300μmのダイヤモンド半球ピンと厚さ1ｍｍのサファイヤディスクとを用いた。真空槽内を真空引きした後アルゴン（Ａｒ）を導入し、ガス圧力：P=１×105Pa（大気圧）に維持した。サファイヤディスクの接触点でのすべり速度＝337ｍｍ/ｓに調整し、垂直押し付け荷重＝96ｇの条件で、発生したプラズマをサファイヤディスクを通して冷却CCDカメラで撮影した。そのプラズマ平面像を図９に示す。
【００１９】
〔第４の実施例〕
図２に示すカラー写真撮像装置を用い、先端半径300μmのダイヤモンド半球ピンと厚さ1ｍｍのサファイヤディスクとを用いた。真空槽内を真空引きした後アルゴン（Ａｒ）を導入し、ガス圧力：：P = 5×103Paに維持した。サファイヤディスクの接触点でのすべり速度＝337ｍｍ/ｓに調整し、垂直押し付け荷重＝96ｇの条件で、発生したプラズマをサファイヤディスクを通して高感度カラーフィルムを装填したカメラで撮影した。そのプラズマ平面像を図１０に示す。
【００２０】
以上好ましい実施の形態、実施例について説明したが、本発明はこれらの実施の形態、実施例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適宜の変更が可能なものである。例えば、実施の形態、実施例では、冷却ＣＣＤカメラが用いられていたが、ＣＣＤカメラのノイズレベルがトライボエミッションの信号レベルに対して十分低い場合には冷却されない通常のＣＣＤカメラを用いることができる。また、ＩＣＣＤカメラとして知られる高感度ＣＣＤカメラを用いてもよい。また、第５の実施の形態では、２つのカラー像信号処理系を有するものであったが、ビューポートのみ２個所に設けカラー像信号処理系ないし光学カメラは１つのみ用意し、カラー像信号処理系ないし光学カメラは移動手段によりいずれかのビューポート上に移動できるようにしてもよい。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明はトライボマイクロプラズマから発せられるトライボエミッションのカラー画像を取得できるようにしたものであるので、この発明によれば、従来技術がプラズマの強度分布しか計測できなかったのに対し、強度分布と実際の色彩分布を同時に観測することができる。また、摩擦プラズマ発生機構を選択されたガスを所望の圧力にて供給することのできる真空槽内に配置したものであるので、ガス種およびガス圧によって変化するトライボエミッションカラー像を取得することができ、摩擦によって引き起こされる諸現象の把握・分析に大きく貢献する摩擦接触部評価装置および評価方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態であるトライボマイクロプラズマカラー平面像観測装置の概略断面図。
【図２】本発明の第２の実施の形態であるトライボマイクロプラズマカラー平面像観測装置の概略断面図。
【図３】本発明の第３の実施の形態であるトライボマイクロプラズマカラー側面像観測装置の概略断面図。
【図４】本発明の第４の実施の形態であるトライボマイクロプラズマカラー側面像観測装置の概略断面図。
【図５】本発明の第４の実施の形態であるトライボマイクロプラズマカラー平面像および側面像観測装置の概略断面図。
【図６】本発明の第６の実施の形態であるトライボマイクロプラズマカラー平面像観測装置の概略断面図。
【図７】本発明の第１の実施例の観測結果を示す写真。
【図８】本発明の第１の実施例の観測結果を示す写真。
【図９】本発明の第１の実施例の観測結果を示す写真。
【図１０】本発明の第１の実施例の観測結果を示す写真。
【符号の説明】
１  摩擦マイクロプラズマ平面像カラー写真撮像装置
２  真空槽
３  排気系
４  摩擦プラズマ発生機構
５  ビューポート
６  光
７  冷却ＣＣＤカメラ
８  光学レンズ系
９  パーソナルコンピュータ
１０  ターボ分子ポンプ
１１  ロータリーポンプ
１２  真空計
１３  バリアブルリークバルブ
１４  回転ディスク
１５  接触ピン
１６  カラー像信号処理系
１７  光学系移動機構
１８  駆動機構
１９  光学カメラ
２０  冷却ＣＣＤビデオカメラ
【図１】
2004198220.tif 000003
【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】
2004198220.tif 000010
【図９】
2004198220.tif 000011
【図１０】
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