2024-162445 摩擦界面の観察方法および摩擦界面の観察装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024162445

(43)【公開日】2024-11-21

(54)【発明の名称】摩擦界面の観察方法および摩擦界面の観察装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 19/00 20060101AFI20241114BHJP

【ＦＩ】

G01N19/00 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023077950

(22)【出願日】2023-05-10

(71)【出願人】

【識別番号】000002901

【氏名又は名称】株式会社ダイセル

(71)【出願人】

【識別番号】513099603

【氏名又は名称】兵庫県公立大学法人

(74)【代理人】

【識別番号】110002239

【氏名又は名称】弁理士法人Ｇ－ｃｈｅｍｉｃａｌ

(72)【発明者】

【氏名】須貝 幸廉

(72)【発明者】

【氏名】木本 訓弘

(72)【発明者】

【氏名】池田 修悟

(57)【要約】

【課題】リングオンプレート試験において、明るさを維持しつつより明瞭な摩擦試験中の摩擦界面を広範囲で観察可能である、摩擦界面の観察方法および観察装置を提供する。
【解決手段】本開示の摩擦界面の観察方法は、透明プレート２の第１面２ａにリング状部材３を回転させて摺動させるリングオンプレート摩擦試験におけるリング状部材３と透明プレート２との摩擦界面を観察する方法である。前記観察方法は、透明プレート２の第１面２ａとは反対側の第２面２ｂ側に位置し、前記摩擦界面に向けて配置されるレンズ７と、レンズ７の光軸に対して平行となるように前記摩擦界面を光照射する光源６とを備える観察装置１を使用して、光源６が発する照射光の光量よりも前記照射光の反射光がレンズ７に入射する光量を軽減して前記摩擦界面を観察する観察工程を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

透明プレートの第１面にリング状部材を回転させて摺動させるリングオンプレート摩擦試験における前記リング状部材と前記透明プレートとの摩擦界面を観察する方法であり、
前記透明プレートの前記第１面とは反対側の第２面側に位置し、前記摩擦界面に向けて配置されるレンズと、前記レンズの光軸に対して平行となるように前記摩擦界面を光照射する光源とを備える観察装置を使用して、前記光源が発する照射光の光量よりも前記照射光の反射光が前記レンズに入射する光量を軽減して前記摩擦界面を観察する観察工程を備える、摩擦界面の観察方法。

【請求項2】

前記光軸は前記透明プレートの垂直方向に対して傾斜している請求項１に記載の観察方法。

【請求項3】

前記光軸の傾斜角は０．１～２°である請求項２に記載の観察方法。

【請求項4】

前記観察工程において前記摩擦界面を撮像する界面撮像工程と、ブランクとして白色シートを撮像してブランク画像を得るブランク撮像工程と、前記界面撮像工程で得られた画像から前記ブランク撮像工程で得られたブランク画像を差し引くブランク除去工程とを備える、請求項１または２に記載の観察方法。

【請求項5】

前記光照射は同軸照射である請求項１または２に記載の観察方法。

【請求項6】

前記リング状部材は樹脂製または金属製である請求項１または２に記載の観察方法。

【請求項7】

透明プレートと、
前記透明プレートの第１面側に位置し、回転により前記透明プレートと摺動して摩擦界面を形成するリング状部材と、
前記透明プレートの前記第１面とは反対側の第２面側に位置し、前記摩擦界面に向けて配置されるレンズと、
前記透明プレートの前記第２面側に位置し、前記レンズの光軸に対して平行となるように前記摩擦界面に光照射する光源とを備え、
前記光軸は前記透明プレートの垂直方向に対して傾斜している、摩擦界面の観察装置。

【請求項8】

前記光軸の傾斜角は０．１～２°である請求項７に記載の観察装置。

【請求項9】

前記光照射は同軸照射である請求項７または８に記載の観察方法。

【請求項10】

前記リング状部材は樹脂製または金属製である請求項７または８に記載の観察装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は摩擦界面の観察方法および摩擦界面の観察装置に関する。より具体的には、本開示は、摩擦界面の観察方法、および、上記観察方法に使用可能な摩擦界面の観察装置に関する。

【背景技術】

【0002】

部材同士が摺動する際の一定条件化における摩擦力や摩擦係数を測定する摩擦試験法としてリングオンプレート摩擦試験が知られている。リングオンプレート摩擦試験では、プレートの一方の面にリングを接触させ回転させてリングおよびプレート間に摩擦を生じさせ、その際の摩擦力および摩擦係数を測定する。

【0003】

摩擦試験において、試験中の摩擦界面の状態を観察することは非常に重要である。例えば、特許文献１には、摩擦試験中の可動部材と接触部材とが当接する当接部分を通過した流動性試料の自由界面を観察するための観察装置が開示されている。しかしながら、特許文献１の方法では、当接部分を通過した箇所を観察するのであり、摺動中の摩擦界面を観察することはできない。

【0004】

特許文献２には、球状の押圧部材と電子透過膜とを摺動させる摩擦試験法において、電子透過膜側から電子線ビームを摩擦界面に照射し、上記摩擦界面で発生した電子または電磁波を検出して摩擦領域の像を取得する観察方法により、摩擦中の摩擦界面で生じるサブミクロンオーダーの現象を観察することが可能であることが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１４－９２５３６号公報

【特許文献2】特開２０２０－１８０９２５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、サブミクロンオーダーの現象を観察する事を目的としているため、実用サイズの摩擦界面でおきている摩擦界面全体の、より広い範囲における摩擦界面を観察するものではない。実用サイズにおける摩擦界面の状態を観察する場合、リングオンプレート摩擦試験におけるリング状部材および透明プレートの摩擦面が平面であることから、ガラス板等の透明プレート越しに摩擦界面を観察する際、透明プレートからの反射光がそのまま多量にビデオカメラ等の光を検出可能な撮像装置等の検出部に入射し、取得される画像では透明プレートが光って見え、摩擦界面の正確な画像が得られにくい。一方、照射光の光量を落とすと透明プレートの反射光が少なくなるが、暗くなり、シャッター速度が遅くなるという問題がある。

【0007】

従って、本開示の目的は、リングオンプレート試験において、明るさを維持しつつより明瞭な摩擦試験中の摩擦界面を広範囲で観察可能である、摩擦界面の観察方法および観察装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示の発明者らは、上記課題を解決するため鋭意検討した結果、摩擦界面への照射光の光量よりもレンズへの反射光の光量を軽減して摩擦界面を観察することにより、リングオンプレート試験において、明るさを維持しつつより明瞭な摩擦試験中の摩擦界面を広範囲で観察可能であることを見出した。本開示は、これらの知見に基づいて完成されたものに関する。

【0009】

すなわち、本開示は、透明プレートの第１面にリング状部材を回転させて摺動させるリングオンプレート摩擦試験における上記リング状部材と上記透明プレートとの摩擦界面を観察する方法であり、
上記透明プレートの上記第１面とは反対側の第２面側に位置し、上記摩擦界面に向けて配置されるレンズと、上記レンズの光軸に対して平行となるように上記摩擦界面を光照射する光源とを備える観察装置を使用して、上記光源が発する照射光の光量よりも上記照射光の反射光が上記レンズに入射する光量を軽減して上記摩擦界面を観察する観察工程を備える、摩擦界面の観察方法を提供する。

【0010】

上記光軸は上記透明プレートの垂直方向に対して傾斜していることが好ましい。

【0011】

上記光軸の傾斜角は０．１～２°であることが好ましい。

【0012】

上記観察工程において上記摩擦界面を撮像する界面撮像工程と、ブランクとして白色シートを撮像してブランク画像を得るブランク撮像工程と、上記界面撮像工程で得られた画像から上記ブランク撮像工程で得られたブランク画像を差し引くブランク除去工程とを備えることが好ましい。

【0013】

上記光照射は同軸照射であることが好ましい。

【0014】

上記リング状部材は樹脂製または金属製であることが好ましい。

【0015】

また、本開示は、透明プレートと、
上記透明プレートの第１面側に位置し、回転により上記透明プレートと摺動して摩擦界面を形成するリング状部材と、
上記透明プレートの上記第１面とは反対側の第２面側に位置し、上記摩擦界面に向けて配置されるレンズと、
上記透明プレートの上記第２面側に位置し、上記レンズの光軸に対して平行となるように上記摩擦界面に光照射する光源とを備え、
上記光軸は上記透明プレートの垂直方向に対して傾斜している、摩擦界面の観察装置を提供する。

【0016】

上記光軸の傾斜角は０．１～２°であることが好ましい。

【0017】

上記光照射は同軸照射であることが好ましい。

【0018】

上記リング状部材は樹脂製または金属製であることが好ましい。

【発明の効果】

【0019】

本開示の摩擦界面の観察方法および観察装置によれば、リングオンプレート試験において、明るさを維持しつつより明瞭な摩擦試験中の摩擦界面を広範囲で観察することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本開示の観察装置の一実施形態を示す正面図である。

【図2】実施例１および比較例１で撮像した摩擦界面の画像を示す写真である。

【図3】実施例２において画像処理で得られた各画像を示す写真である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

［摩擦界面の観察装置］
本開示の摩擦界面の観察装置は、透明プレートとリング状部材とを摺動させて摩擦試験を行うリングオンプレート摩擦試験において、上記リング状部材と上記透明プレートとの摩擦界面を観察するための装置である。本開示の観察装置によれば、上記リング状部材と上記透明プレートとの摺動中において上記摩擦界面を広範囲で観察することができる。

【0022】

上記観察装置について、以下、実施形態を示しつつ説明する。図１に、本開示の観察装置の一実施形態の概略図（断面図）を示す。図１に示す観察装置１は、透明プレート２と、透明プレート２の第１面２ａ側に位置するリング状部材３と、リング状部材３を回転させるモーター４と、シリンダ５と、透明プレート２の第２面２ｂ側に位置する光源６と、レンズ７とを備える。

【0023】

透明プレート２はリングオンプレート摩擦試験におけるプレートであり、リング状部材３はリングオンプレート摩擦試験におけるリングである。透明プレート２は透明であることで、光源６から照射される光を透過して上記摩擦界面を照射し、摩擦界面を観察することができる。透明プレート２としては、リングオンプレート摩擦試験に使用される公知乃至慣用のプレートのうち透明であるものを使用することができ、例えば、ガラス板（例えば、ホウケイ酸塩ガラス、石英ガラス、サファイヤガラス等）、透明樹脂板（例えば、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）等の非晶性樹脂や、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等の結晶性樹脂等）などが挙げられ、摩擦力の測定を行う対象物を選択する。

【0024】

リング状部材３は、シリンダ５により、モーター４とともに透明プレート２の第１面２ａ側に下側から押し付けられ、モーター４により回転して透明プレート２の第１面２ａと摺動して摩擦界面を形成する。リング状部材３の材質は、特に限定されず、透明プレート２との摩擦力を測定する材料に応じて選択することができ、例えば、ＰＯＭ（ポリアセタール）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＥＫ（ポリエーテルケトン）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などの結晶性樹脂や、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ｍ－ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル）、ＰＥＳ（ポリエーテルスルホン）、ＰＳＵ（ポリスルホン）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）などの非晶性樹脂などの樹脂や、ＳＳ４００やＳＵＪ２といった鋼材やアルミニウム、ニッケル、銅などの典型的な金属などが挙げられる。モーター４はリング状部材３の下側に位置し、シリンダ５はモーター４の下側に位置する。摩擦試験を行う際は、シリンダ５でモーター４を上側に押し出すことによりリング状部材３を上側に押し出し、リング状部材３を透明プレート２に接触させることができる。また、シリンダ５の押し出し距離を調節することで透明プレート２にかかる荷重を調整することができる。

【0025】

光源６およびレンズ７は透明プレート２の第２面２ｂ側に位置し、上記摩擦界面に向けて配置され、互いの光軸が平行となるように設置される。光源６は上記摩擦界面を照らすように光照射する。レンズ７には光源６が発した光の反射光が入射する。光源６の光軸およびレンズ７の光軸は一致しており、すなわち同軸照射である。そして、光源６および検出部７の光軸は透明プレート２の垂直方向に対して傾斜している。光源６から照射される光Ｌは、光源６の光軸が透明プレート２の垂直方向に対して傾斜していることにより、摩擦界面での反射光がそのままレンズ７に向けて反射されず、レンズ７への入射光は光源６が発する照射光に対して光量が軽減される。これにより、照射光の光量を減らすことなく摩擦界面を照らすことができ、且つレンズ７に入射する反射光の光量を軽減することで、明るさを維持しつつより明瞭な摩擦試験中の摩擦界面を広範囲で観察することができる。

【0026】

光源６の光軸が透明プレート２となす角度（傾斜角）θは、０．１°以上が好ましく、より好ましくは０．３°以上、さらに好ましくは０．６°以上である。上記傾斜角θが０．１°以上であると、レンズ７に入射する光量をより軽減することができる。上記傾斜角θは、２°以下が好ましく、より好ましくは１．７°以下、さらに好ましくは１．３°以下である。上記傾斜角θが２°以下であると、レンズ７に入射する光量を適度とし明るさを維持できる。このため、上記傾斜角θが上記範囲内であると、明るさを維持しつつよりいっそう明瞭な摩擦試験中の摩擦界面を観察することができる。

【0027】

レンズ７としては、対物レンズや、カメラレンズ、ビデオカメラレンズ等の撮像可能な光学機器のレンズが挙げられる。上記観察装置はカメラやビデオカメラ等の撮像装置など、光を検出可能な検出部を有する電子機器を備えていてもよい。上記電子機器は、レンズ７をその一部として有するように、または、レンズ７を通過した反射光を検知可能な箇所に設置される。

【0028】

［摩擦界面の観察方法］
本開示の摩擦界面の観察方法は、透明プレートの第１面にリング状部材を回転させて摺動させるリングオンプレート摩擦試験におけるリング状部材と透明プレートとの摩擦界面を観察する方法である。上記観察方法では、上記透明プレートの上記第１面とは反対側の第２面側に位置し、上記摩擦界面に向けて配置されるレンズと、上記レンズの光軸に対して平行となるように上記摩擦界面を光照射する光源とを備える観察装置を使用する。

【0029】

上記観察方法は、上記光源が発する照射光の光量よりも上記照射光の反射光が上記レンズに入射する光量を軽減して上記摩擦界面を観察する観察工程を備える。上記レンズへの入射光が、光源が発する照射光に対して光量が軽減されることより、照射光の光量を減らすことなく摩擦界面を照らすことができ、且つレンズに入射する反射光の光量を軽減することで、明るさを維持しつつより明瞭な摩擦試験中の摩擦界面を広範囲で観察することができる。

【0030】

本開示の観察方法において使用される上記観察装置としては、上述の本開示の観察装置を好ましく使用することができる。本開示の観察装置によれば、上記光源が発する照射光の光量よりも上記照射光の反射光が上記レンズに入射する光量を軽減することができる。

【0031】

上記リングオンプレート摩擦試験では、透明プレートおよびリング状部材の摺動に際し、潤滑剤や初期なじみ用潤滑剤の存在下で行ってもよい。

【0032】

上記観察方法は、上記観察工程において上記摩擦界面を撮像する界面撮像工程を備えていてもよい。また、撮像された摩擦界面の画像をＰＣ等で処理を行ってもよい。さらに上記観察方法は、ブランクとして白色シートを撮像してブランク画像を得るブランク撮像工程と、上記界面撮像工程で得られた画像から上記ブランク撮像工程で得られたブランク画像を差し引くブランク除去工程とを備えることが好ましい。上記界面撮像工程で得られた画像を「元画像」と称する場合がある。

【0033】

上記界面撮像工程は、例えば、レンズにカメラやビデオカメラを備え付けた観察装置を使用して行うことができる。上記ブランク撮像工程における上記白色シートとしては白紙などの公知乃至慣用の白色を呈するシートを使用することができる。上記ブランク撮像工程では、透明プレート表面での照明の傾斜の情報を含んだ画像を撮像してブランク画像を取得する観点で、白色シートを透明プレート２の第２面２ａ側に敷き、透明プレート２およびリング状部材３の間に挟んだ状態で撮像する。このとき、ブレのないブランク画像を撮像する観点からリング状部材の回転を停止して撮像する。

【0034】

上記ブランク除去工程では、例えばＰＣにて公知乃至慣用の画像処理ソフトを使用し、上記元画像から上記ブランク画像を差し引く。元画像からブランク画像を除去することで、摩擦領域におけるがより鮮明となった画像を取得することができる。元画像からブランク画像を除去した画像を「ブランク除去画像」と称する場合がある。ブランク除去画像では、単に元画像から摩擦領域を切り出した画像に対して、摩擦領域をより鮮明に観察でき、透明プレートおよび／またはリング状部材の摩擦時の接触面積や摩耗部および摩耗量を確認できる場合がある。

【0035】

上記画像処理では上記ブランク除去画像を二値化処理してもよい。上記二値化処理することで、上記ブランク除去画像から照明の傾斜が除去され、元画像から摩擦領域を切り出した画像の二値化処理画像に対して、摩擦領域をより鮮明に観察することができる。

【0036】

本明細書に開示された各々の態様は、本明細書に開示された他のいかなる特徴とも組み合わせることができる。各実施形態における各構成およびそれらの組み合わせ等は、一例であって、本開示の趣旨から逸脱しない範囲内で、適宜、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本開示に係る各発明は、実施形態や以下の実施例によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

【実施例0037】

以下に、実施例に基づいて本開示の一実施形態をより詳細に説明する。

【0038】

実施例１
図１に示す観察装置（傾斜角θ：１°）を使用してリングオンプレート摩擦試験を行って摩擦界面を観察した。傾斜角をつけることで照射光の反射を斜め方向に逃がし、レンズに入射する光量を軽減させた。透明プレートとしてホウケイ酸塩ガラス板（商品名「テンパックス」、ＳＨＯＴＴ社製）を、リング状部材としてＰＯＭ（ポリアセタール）（商品名「ジュラコンＭ９０－４４」、ポリプラスチックス株式会社製））を使用した。リングオンプレート摩擦試験は、潤滑剤不使用下で、荷重５０Ｎ、すべり速度０．３ｍ／秒の条件で６分間行った。摩擦試験開始時から終了後まで、連続して摩擦界面の動画を撮影した。摩擦試験開始時の摩擦界面の撮像を行い、得られた画像を図２（ａ）に示す。

【0039】

比較例１
傾斜角θを０°とした観察装置（すなわち摩擦界面の鉛直上側に光源６およびレンズ７がある観察装置）を使用したこと以外は実施例１と同様にしてリングオンプレート摩擦試験を行って摩擦界面を観察した。この場合、照射光がそのまま反射してレンズに入射するので、レンズに入射する光量を軽減できない。摩擦試験開始時の摩擦界面の撮像を行った。得られた画像を図２（ｂ）に示す。

【0040】

図２に示されるように、比較例１で得られた摩擦界面の画像（図２（ｂ））は取り込まれた光量が多く摩擦界面を明瞭に観察しにくく、一方実施例１で得られた摩擦界面の画像（図２（ａ））は取り込まれた光量が適度であり、明るさを維持しつつ比較例１に対してより明瞭であった。

【0041】

実施例２
実施例１のリングオンプレート摩擦試験開始前に、リング状部材の回転を停止した状態で透明プレートとリング状部材の間に白紙を敷き、ブランク画像を撮像した。そして、実施例１で得られた画像（図２（ａ）に示す元画像）およびブランク画像をＰＣに取り込み、フリーの画像処理ソフト（商品名「ＧＩＭＰ２．１０」、Spencer Kimball、Peter Mattis and the GIMP Development Team作）を用いて元画像の画像処理を行った。元画像からブランク画像を差し引いて摩擦領域画像を得、その後二値化して二値化画像を得た（ブランク画像除去あり）。一方、元画像からブランク画像を差し引かずに摩擦領域を切り出して摩擦領域画像を得、その後二値化して二値化画像を得た（ブランク画像除去なし）。得られた各画像について図３に示す。

【0042】

図３に示すように、ブランク画像除去なしの場合は二値化画像において照明の傾斜が残っているのに対し、ブランク画像除去ありの場合は二値化画像において照明の傾斜が除去されており、より鮮明に摩擦領域を観察することができた。

【0043】

以下、本開示に係る発明のバリエーションを記載する。
［付記１］透明プレートの第１面にリング状部材を回転させて摺動させるリングオンプレート摩擦試験における前記リング状部材と前記透明プレートとの摩擦界面を観察する方法であり、
前記透明プレートの前記第１面とは反対側の第２面側に位置し、前記摩擦界面に向けて配置されるレンズと、前記レンズの光軸に対して平行となるように前記摩擦界面を光照射する光源とを備える観察装置を使用して、前記光源が発する照射光の光量よりも前記照射光の反射光が前記レンズに入射する光量を軽減して前記摩擦界面を観察する観察工程を備える、摩擦界面の観察方法。
［付記２］前記光軸は前記透明プレートの垂直方向に対して傾斜している付記１に記載の観察方法。
［付記３］前記光軸の傾斜角は０．１～２°である付記２に記載の観察方法。
［付記４］前記観察工程において前記摩擦界面を撮像する界面撮像工程と、ブランクとして白色シートを撮像してブランク画像を得るブランク撮像工程と、前記界面撮像工程で得られた画像から前記ブランク撮像工程で得られたブランク画像を差し引くブランク除去工程とを備える、付記１～３のいずれか１つに記載の観察方法。
［付記５］前記光照射は同軸照射である付記１～４のいずれか１つに記載の観察方法。
［付記６］前記リング状部材は樹脂製または金属製である付記１～５のいずれか１つに記載の観察方法。
［付記７］透明プレートと、
前記透明プレートの第１面側に位置し、回転により前記透明プレートと摺動して摩擦界面を形成するリング状部材と、
前記透明プレートの前記第１面とは反対側の第２面側に位置し、前記摩擦界面に向けて配置されるレンズと、
前記透明プレートの前記第２面側に位置し、前記レンズの光軸に対して平行となるように前記摩擦界面に光照射する光源とを備え、
前記光軸は前記透明プレートの垂直方向に対して傾斜している、摩擦界面の観察装置。
［付記８］前記光軸の傾斜角は０．１～２°である付記７に記載の観察装置。
［付記９］前記光照射は同軸照射である付記７または８に記載の観察方法。
［付記１０］前記リング状部材は樹脂製または金属製である付記７～９のいずれか１つに記載の観察装置。

【符号の説明】

【0044】

１ 観察装置
２ 透明プレート
３ リング状部材
４ モーター
５ シリンダ
６ 光源
７ レンズ

【図1】

【図2】

【図3】