電着銅、薄膜による
接触面圧計測法に関する研究
A Research on Measuremen t Method o f Con t a c t Pressure by Electrodeposited Copper F o i l
2006 年 7 月
長 谷 川 透 過
自
本 論 文 で 使 用 す る 主 な 記 号
第 1 章 緒 論
1・1 接 触 面 任 測 定 の 必 要 性 1・2 本 論 文 の 目 的 お よ び 概 要 参 考 文 献
次
V
2 4
第 2章 電 着 錦 薄 膜 に よ る 接 触 商 圧 計 測 法 (
1)の概要 7
2 . 1 緒 言 2・2 実 験 方 法
2・2・1 庄 力 負 荷 装 置 2・2・2 電 着 銅 薄 膜 の 作 製 2・2・3 実 験 方 法
7 7 7 8 8
2 . 3 実 験 結 果 ( 成 長 粒 子 発 生 密 度 D の 圧 力 繰 返 し 数 依 存 性 ) 9
参 考 文 献 12
第
3 章 微 小 突 起 を 有 す る 電 着 銅 薄 膜 に よ る
静 庄 測 定 法 (
1)の概要 14
3 . 1 卒者 =仁=ココ 14
3・2 実 験 方 法 14
3・2・1 微 小 突 起 を 有 す る 着 銅 薄 膜 の 作 製 14
3・2・2 圧 力 負 荷 装 置 15
3 . 2・3 実 験 方 法 17
3・3 実 験 結 果 お よ び 考 察 17
3・3・1 微 小 突 起 の 変 形 の 静 任 依 存 性 17 3・3・2 rl ，/ rl と 静 圧
ps
の 関 係 の 定 式 20 3・3・3 微 小 突 起 の 変 形 を 利 用 し た 静 圧 分 布 の 淵 定 21参 考 文 献 24
第 4 章 エ ン ジ ン の シ リ ン ダ ヘ ッ ド ガ ス ケ ッ ト に 対 す る
新 た な 菌 庄 灘 定 法 (
1 )2 6
4
・1
緒 言26
4・2 測 定 方 法 27
4・2・1 測 定 エ ン ジ ン
4・2・2 電 着 銅 薄 膜 に よ る 接 触 回 圧 計 概 法
27 28
4・2・2・i 電 着 銅 薄 膜 ゲ ー ジ 28
4・2・2・2 電 着 銅 薄 膜 の 測 定 範 囲 と 測 定 精 度 29 4・2・3 電 着 鏑 薄 膜 の 測 定 笛 所 お よ び 測 定 方 法 30
4・3 測 定 結 果 お よ び 検 討 32
4・3・i 自 動 車 整 備 書 に 基 づ く 締 付 け 塑 性 域 回 転 角 度 法
に お け る ボ ア 間 の 面 圧 32
4・3・1・1 ガ ス シ ー ル 構 造 が ワ イ ヤ タ イ プ の 場 合 32 4・3・1・2 ガ ス シ ー ル 構 造 が ピ ー ド タ イ プ の 場 合 33 4・3・2 岳 動 車 整 備 書 の 規 定 以 外 の ボ ル ト の 軸 力 を
7t
( 6 8 . 6 k N )
と し た 締 付 け に お け る ボ ア 開 の 面 庄34
4・3・3 FEM解 析 に よ る ボ ア 関 の 面 在 374・4 結 言 38
参 考 文 献 39
11
第 5 章 微 小 突 起 を 有 す る 電 着 錦 薄 膜 に よ る
繰 返 し 圧 力 の 測 定 (
1 )4 0
5・1 緒 言 o
l
‑
‑ 2 2 4 4 4 4 4 4 4 4 4 5・2 実 験 方 法
5・2・1 微 小 突 起 を 有 す る 電 着 銅 薄 膜 の 作 製 5・2・2 庄 力 負 荷 装 置 お よ び 試 験 機
5・2・3 実 験 項 目 5・3 実 験 結 果 お よ び 考 察
5 . 3・1 微 小 突 起 の 変 形 の 繰 返 し 圧 力 依 存 性
5・3・2 A
，
IAの 平 均 圧 力 お よ び 圧 力 振 椙 に よ る 定 式 化 48 5・3・3 微 小 突 起 の 変 形 を 利 用 し た 動 圧 分 布 の 測 定 51 5・4 結 臼参 考 文 献
ぷU
勺fベ
d z J
第 6 章 電 鷲 錦 薄 膜 に よ る 接 触 面 圧 計 測 法
粒 子 成 長 と 表 面 組 さ を 利 用 し た 測 定 (
1 )5 8
6 . 1 緒 吉
5 8
59 6・2 実 験 方 法
6・2. 1 電 着 銅 薄 膜 の 作 製 59
6・2・2 圧 力 負 荷 装 置 お よ び 試 験 機 59 6・2・3 表 面 粗 さ お よ び 成 長 粒 子 発 生 密 度 の 測 定 60
6・2・4 実 験 方 法 60
6・3 実 験 結 果 お よ び 考 察 61
6・3. 1 薄 膜 の 表 面 粗 さ に 及 ぼ す 繰 返 し 圧 力 の 影 響 61 6・3・2 薄 膜 の 表 面 粗 さ に 及 ぼ す 繰 返 し 数 の 影 響 63 6・3・3 成 長 粒 子 発 生 密 度 の 繰 返 し 圧 力 依 存 性 63
m
6・3・4 平 均 圧 力 が 成 長 粒 子 発 生 密 度 に 及 ぼ す 影 響 68 6・3・5 平 均 正 力 お よ び 圧 力 掠 幅 の 計 測 69 6・4 走者 自
参 考 文 献
70 71
第 7 章 回 転 ロ ー ラ 開 に 生 ず る 接 触 庄 力 の 灘 定 へ の
微 小 突 起 を 有 す る 金 属 薄 膜 の 適 用 72
7・1 緒 言 72
7・2 実 験 方 法 72
7・2・1 め っ き 基 板 の 作 製
7・2・2 微 小 突 起 を 有 す る 電 着 銅 薄 膜 の 作 製 7・2・3 実 験 方 法
7 . 2・3・1 静 圧 試 験 7・2・3・2 繰 返 し 圧 力 7・2・3・3 ロ ー ラ
3
式5
食7・3 実 験 結 果 お よ び 考 察
7・3・1 突 起 先 端 部 の 塑 性 変 形 最 と 静 庄 の 関 係 7・3・2 繰 返 し 圧 力 試 験
7・3・3 ローラ試馬食 7・4 結 日
参 考 文 献
2 3 4 4 5 6 7 7 8 1 1 A 5 5
勺f勺f勺f寸I勺IウI
巧 / 勺
I勺
I O O Q O Q O
第 8 章 結 論 8 7
認 辞 9 1
lV
本論文で使用する主な記号
A
，
α
D
d
dD Id人f
E
f
H k
J V
刀
P
Prl
P
rI*
PF Pm Pm*
P
r/P
r/ Iprl r. I
prlO
: 突 起 先 端 の 平 担 部 の 面 積 ( 真 実 接 触 面 積 ) : 微 小 突 起 の 底 面 積
: 接 触 酉 の 半 幅 : 成 長 粒 子 発 生 密 度 :圧痕間隔
: 成 長 粒 子 発 生 密 度 の 増 加 速 度 : 縦 弾 性 係 数 ( = ヤ ン グ 率 ) :周波数
: Pmrlr.E.lpmdl.i
: 圧 力 負 荷 冶 具 の 接 触 面 積 / 突 起 部 の 総 底 面 積 : 繰 返 し 数
: ロ ー ラ の 回 転 数
: 圧 縮 荷 重 ( 口 ロ ー ラ の 単 位 幅 あ た り の 荷 重 ) : 荷 重 振 幅
: 実 際 に 負 荷 し た 荷 重 振 幅 :全庄
:静荷重
: 実 際 に 負 荷 し た 静 荷 重 : 繰 返 し 圧 力 ( 圧 力 振 幅 ) : 真 実 圧 力 抜 幅
: 試 験 開 始 時 に 作 用 す る 真 実 圧 力 振 幅 : 平 均 圧 力 振 幅
V
pm
: 平 均 圧 力P川 x (立2pr{ ) : 繰 返 し 数 人7に お い て の 最 大 圧 力
pmdr : pm
にp r l
が 重 畳 す る 場 合 の 最 大 真 実 接 触 圧 力pmdr
，c
: 試 験 終 了 時 点 の p川にp r t
が 重 畳 す る 場 合 のpm
r/r，i7
Jmeanpml
PIP
、po
R
R r x
R!J
γ γ
。
T
V
W w γ
5
最 大 真 実 接 触 圧 力
: 試 験 開 始 時 点 の p川に
p r l
が 重 畳 す る 場 合 の 最 大 真 実 接 触 圧 力: ロ ー ラ の 接 触 面 に 作 用 す る 圧 力 : 真 実 接 触 圧 力
: 真 実 接 触 面 に 作 思 す る 圧 力 :静圧
:公称、圧力(=負荷
P/
iT 1々o2) : 応 力 比: 算 術 平 均 粗 さ : 最 大 高 さ
: 円 柱 の 中 心 か ら の 距 離 : 円 柱 の 半 径
: 雰 囲 気 絶 対 温 度 : ポ ア ソ ン 比
ク ロ ス ヘ ッ ド の 荷 重 ロ ー ラ の 接 触 栢
: 圧 力 負 荷 治 具 と 銅 薄 膜 と の 接 触 面 積 割 合 : 繰 返 し 応 力
羽
第 1 章 緒
1. 1
接 触 面 圧 測 定 の 必 要 性忌企、語岡
工 作 機 械 の ボ ル ト 締 結 部 を は じ め ， 各 種 の 機 概 要 素 間 の 接 触 面 に お い て は ， 静 圧 ( 平 均 圧 力 ) に 繰 返 し 圧 力 が 重 畳 し て 作 用 す る 場 合 が 多 く(i)， こ れ ら の 静 迂 や 繰 返 し 圧 力 は ， 要 素 関 の 摩 、 擦 や 摩 耗 に 関 連 し ， 機 械 の 剛 性 や 疲 労 強 度 な ど に 影 響 を 与 え る . 一 方 で ， 近 年 ， 各 種 の 機 械 ， 構 造 物 は 機 能 性 と 経 済 性 の 向 上 を 目 的 と し て 軽 量 化 ， 高 速 化 ， 精 密 化 が 進 み ， こ れ に 伴 っ て よ り 過 酷 な 条 件 下 で 使 用 さ れ る 要 素 が 多 く
な っ て き て い る . こ の よ う な 要 素 が 安 全 性 を 有 し な お か つ 必 要 と さ れ る 機 龍 を 発 揮 す る に は ， 接 触 面 に 作 用 す る 静 圧 や 繰 返 し 圧 力 の 大 き
さ を よ り 正 確 に 評 価 す る こ と が 要 求 さ れ る .
接 触 富 の 圧 力 を 求 め る に は ， 弾 性 論 を 用 い た 理 論 解 析 (2)， さ ら に 近 年 で は 複 雑 な 形 状 に 適 用 で き る 有 限 要 素 法 な ど の 数 値 解 析 (3 )が行 わ れ て き て い る . し か し な が ら ， こ の よ う な 数 値 解 析 法 で は ， 実 際 に は 複 雑 な 現 象 を 種 々 の 仮 定 の 下 に 単 純 化 し て 推 論 す る た め ， す べ て の 場 合 に 対 し で も 有 効 で あ る と い う わ け で は な い . 例 え ば ， 機 械 ・ 構 造 物 の 稼 働 時 に お い て 各 構 成 要 素 に 作 活 す る 外 力 は ， 他 の 多 数 の 要 素 と 互 い に 影 響 を 及 ぼ し あ う た め ， そ の 推 定 が 困 難 な 場 合 が 少 な く な い . し た が っ て ， 実 際 の 要 素 に 対 し ， 実 験 的 手 法 に よ っ て 接 触 面 の 正 力 を 測 定 す る こ と が 不 可 欠 で あ り 種 々 の 実 験 的 測 定 法 が 考 案 さ れ て き た .
こ の 実 験 的 測 定 法 に は 三 次 元 光 弾 性 法 (4)， 感 圧 フ ィ ル ム 法 (5)， 表 面 粗 さ 法 ( 6 ) ( 8 )， 超 音 波 法 ( 9 ) ( l O )，側
E E
ピ ン 法 { 1 1 )， パ イ プ 型ひ ず み ゲ ー ジ 法 ( 1 2 )， 圧 電 セ ラ ミ ッ ク ス 法 (1 3 ) な ど が あ る . しかし な が ら ， 測 定 精 度 や 測 定 の 簡 便 さ の 点 に お い て ， 各 測 定 法 と も ま だ
分 と は い え ず ， 実 機 に 応 用 す る こ と は 必 ず し も 容 易 で は な い . ま た ， 実 機 に お い て は 工 作 機 械 の ボ ル ト 締 結 部 に 見 ら れ る よ う に ， 平 均 圧 力 に 繰 返 し 圧 力 が 重 畳 し て 作 用 す る 場 合 も 多 い が (1)， こ れ ら の 測 定 で は 静 圧 の 測 定 は 可 能 で あ っ て も ， こ れ ら を 分 離 し て 測 定 で き る も の は 少 な い .
1. 2
本 論 文 の 自 的 お よ び 概 要前 述 し た よ う に 実 機 の 接 触 面 に 多 く 見 ら れ る 平 均 圧 力 ( 静 圧 ) に 操 返 し 圧 力 が 重 畳 し て 作 用 す る 場 合 に こ れ ら は 機 械 の 剛 性 や 疲 労 強 度 な ど に 影 響 を 与 え る こ と か ら そ の 大 き さ を 正 確 に 評 価 す る こ と が 重 要 と な る . し か し な が ら ， 従 来 の 実 験 的 測 定 法 で 静 圧 と 繰 返 し 圧 力 の 両 者 を 分 離 し て 計 測 で き る も の は 殆 ど 見 当 た ら な い .
以 上 の 観 点 か ら ， 本 研 究 で は 平 均 在 力 ( 静 圧 ) と 繰 返 し 圧 力 の 両 者 の 計 測 を 可 能 と す る 圧 力 ゲ ー ジ の 開 発 を 主 た る 目 的 と す る . す な わ ち ， 電 着 に よ り 製 作 し た 微 小 突 起 を 有 す る 銅 薄 を 種 々 の 平 均 圧 力 に 繰 返 し 庄 力 が 重 畳 し て 作 用 す る 閤 体 接 触 面 に 適 用 し ， 突 起 先 端 部 の 変 形 量 に 着 百 し た 平 均 圧 力 ( 静 庄 ) お よ び 繰 返 し 圧 力 の 測 定 の 可 龍 性 を 検 討 す る . ま た ， 平 均 圧 力 ( 静 圧 ) お よ び 繰 返 し 圧 力 を よ り 簡 便 に 測 定 す る こ と を 目 的 と し て ， 竜 着 銅 薄 膜 の 成 長 粒 子 の 発 生 現 象 と 薄 膜 の 表 面 粗 さ 変 化 を 併 用 し た 測 定 法 を 検 討 す る . さ ら に ， 微 小 突 起 を 有 す る 電 着 銅 薄 膜 に よ る 接 触 顕 在 測 定 法 の 実 機 へ の 適 用 例 と し て ， デ イ ー ゼ ル エ ン ジ ン の シ リ ン ダ ヘ ッ ド ガ ス ケ ッ ト の 締 付 け に よ る 圧 力 測 定 を 実 施 し ， 従 来 の 実 験 的 応 力 解 析 法 と 比 較 し て そ の 右 ‑ 効 ' 性 を 実 証 す る . 実 機 に お い て は こ の 適 用 例 と は 異 な り ， 接 触 直 が 回 転 を 伴 つ 場 合 も 多 い . そ こ で ， 試 作 し た ロ ー ラ 試 験 機 に よ り 回 転 を 伴 う 議 触 面 へ の 微 小 突 起 を 有
2‑
す る 銅 薄 膜 の 適 用 の 可 否 も 検 討 す る .
本 論 文 は こ れ ら の 内 容 に 緒 論 ・ 結 論 を 併 せ て
8
章 よ り 成 っ て い る . 第 1章 は 緒 論 で あ っ て ， 本 論 文 の 自 的 お よ び 概 要 を 述 べ て い る . 第 2章 で は ， 第 6章 に 記 述 す る 平 均 圧 力 に 繰 返 し 圧 力 が 重 畳 す る 圧 力計測の基礎となる電着銅薄膜を用いた接触困圧計測法の基礎実験(1 4 )につ いて概説する.第
3
章 で は ， 第4
章 ， 第5
章 で そ の 測 定 原 理 が 利 用 さ れ る ピ ラ ミ ッ ド 状 の 微 小 突 起 を 有 す る 電 着 銅 薄 膜 に よ る 静 注 視1
定 法 (1 5 ) に つ い て 概 説 す る . す な わ ち ， 突 起 部 の 変 形 の 度 合 い を 容 易 に 把 握 で き る ピ ラ ミ ッ ド 状 の 微 小 突 起 が 多 数 規 則 的 に 配 列 す る 電 着 に よ り 作 製 し た 銅 薄 膜 に 作 用 す る 静 圧 と 突 起 部 の 変 形 量 の 関 係 を 利 用 し た 接 触 面 の 静 圧 澗 定 法 の 概 要 と 測 定 精 度 に つ い て 述 べ る .第 4章 で は ， 第 3章 の 結 果 を 踏 ま え て ， 微 小 な 出 凸 を 有 す る 電 着 銅 薄 膜 に よ る 静 圧 測 定 法 の 実 機 へ の 応 用 例 に つ い て 述 べ る (1 6 ) す な わ ち ， デ ィ ー ゼ ル エ ン ジ ン の 2つ の タ イ プ の シ リ ン ダ ヘ ッ ド ガ ス ケ ッ ト を 対 象 と し ， そ の 国 圧 の 実 態 を こ の 薄 膜 に よ り 把 握 す る こ と を 目 的 と する.
感 圧 フ ィ ル ム 法 で は ， 測 定 可 能 な 在 力 の 上 限 が 低 い た め ， シ ー ル 性 に と っ て 重 要 な ボ ア 間 の 接 触 面 圧 の 発 生 状 態 を 正 確 に 把 握 で き な い 恐 れ が あ る . そ こ で ， 上 述 の 電 着 鍋 薄 膜 に よ り そ の 面 圧 発 生 状 態 を 測 定 す る と と も に ， 有 限 要 素 法 に よ る 結 果 と 比 較 し て こ の 方 法 の 宥 効 性 を 検 証 す る .
第
5
章 で は ， ピ ラ ミ ッ ド 状 の 微 小 突 起 を 有 す る 電 着 銅 薄 膜 に よ る 平 均 圧 力 お よ び 繰 返 し 圧 力 の 測 定 の 可 能 性 に つ い て 検 討 す る (1 7 ) す な わ ち ， 種 々 の 平 均 圧 力p
川 と 圧 力 振IIJ高Pd
の 組 合 せ に 対 し て 突 起 先 端ー3‑
部 の 変 形 量 を 調 査 し ， 平 均 圧 力 に よ る 突 起 部 の 加 工 硬 化 と 繰 返 し 圧 力 に よ る 加 工 軟 化 に 着 目 し ， 突 起 先 端 部 の 変 形 量 と
pm
お よ びP
rLの 関 係 を 定 式 化 す る と と も に ， そ の 測 定 精 度 を 調 査 し こ の 手 法 の 有 効 性を 実 証 す る .
第 6章 で は ， 電 着 銅 薄 膜 の 粒 子 成 長 現 象 (1 8 ) と 表 面 粗 さ 変 化 を 利 用 し た 屈 体 接 触 面 に 作 用 す る 平 均 圧 力 と 圧 力 振 幅 の 測 定 の 可 能 性 に つ い て 検 討 す る (1 9 ) す な わ ち ， 平 均 圧 力
pm
と 圧 力 振11話Pd
を 種 々 に 設 定 し ， 繰 返 し 数 人7を 変 え て 片 振 圧 縮 試 験 を 実 施 し ， 薄 膜 に 発 生 す る 成 長 粒 子 の 発 生 密 度 と 薄 膜 の 表 面 粗 さ に 及 ぼ すpm
，P
r!お よ び Nの 影 響 を 調 査 す る . さ ら に ， 各 現 象 と p川 ，Pd
お よ び Nの 関 係 の 定 式 化 を3
えみる.第 7章 で は ， 微 小 突 起 を 有 す る 電 着 銅 薄 膜 に よ る 由 転 を 伴 う 接 触 面 の 国 臣 測 定 の 可 否 を 検 討 す る . す な わ ち ， 試 作 し た ロ ー ラ 試 験 機 の ロ ー ラ 接 触 部 に お け る 接 触 商 圧 を 測 定 し ， 接 触 問 題 の 弾 性 解 (2 0 )と比 較 し て そ の 妥 当 性 を 検 証 す る .
第
8
章 は 結 論 で あ り ， 各 章 で 得 ら れ た 結 果 を 総 括 す る .参 考 文 献
(1)加勢晋再 ，
i
栗 田 茂 生 ， 機 械 要 素 ( ね じ ) の 研 究 と 手 法 ， 精 密 工 学 会誌， 60帽し(1994)，27‑30.(2)宮 本 博 ， 弾 性 接 触 の 理 論 ， 塑 性 と 加 工 ， 12白 124，(1971)， 360‑368.
(3)香川博之，市Jl
I
昌 弘 ， 高 松 徹 ， 桑 野 時 喜 ， 球 庄 子 押 し 込 み に よ る 薄 膜 ・ 基 板 接 合 体 の 弾 塑 性 有 張 要 素 解 析 ( 薄 膜 の 破 壊 強 度 評 価 を 目 的 と し て ) ， 日 本 機 械 学 会 論 文 集 (A編)， 60‑570， (1994)，409‑415.
叩4‑
(4) Jl
I
田 雄 一 他 ， 材 料 強 度 工 学 ハ ン ド ブ ッ ク ， ( 1976)，248， 朝 倉 書 届.(5)小)1I欽 也 ， 感 圧 紙 を 用 い た 錆 撃 力 の 可 視 化 ， 日 本 材 料 学 会 ， 1‑47， (1998)， 20司 25.
(6)加 藤 仁 ， 山 口 勝 美 ， 加 藤 隆 雄 ， 表 面 あ ら さ 変 化 に よ る 金 高 接 触 商 の 圧 力 分 布 測 定 法 ( 第 l報 ， 基 礎 実 験 ) ， 日 本 機 誠 学 会 論 文 集 (C緬)， 44‑381，(1978)，1742‑1751.
(7)加 藤 仁 ， 山 口 勝 美 ， 加 藤 隆 雄 ， 表 面 あ ら さ 変 化 に よ る 金 属 接 触 国 の 庄 力 分 布 測 定 法 ( 第 2報 ， 円 環 庄 子 の 接 触 面 圧 分 布 ) ，日本 機 械 学 会 論 文 集 (C繍)， 46‑404， (1980)， 438‑444.
(8)加 藤 仁 ， 山 口 勝 美 ， 加 藤 隆 雄 ， 表 面 あ ら さ 変 化 に よ る 金 属 接 触 面 の 庄 力 分 布 測 定 法 ( 第 3報 ， ラ ン ダ ム な あ ら さ を も っ 金 属 面 の 場 合 ) ， 日 本 機 械 学 会 論 文 集 (C編)， 48司427，(1982)， 408叩413. (9) Quinn， A.M.，ひrinkwater，B.W. and DwyeトJoyce， R.S." The
measurement in machine elements using ultrasound， Ultrasonics， 39‑7 (2002)， 495‑502.
(10) Quinn， A. M.， Drinkwater， B. W. and Dwyer‑Joyce， R. S.， The measurement of contact pressure in machine elements using ultrasound， Ultrαsonics ， 39‑7， (2002)， 698‑704.
(11 ) 大 橋 義 夫 ， 偏 光 流 性 実 験 法 の 塑 性 加 工 へ の 応 用 ， 塑 性 と 加 工 ， 8‑83， ( 1967)，678‑685.
(12)小 島 之 夫 ， パ イ プ 形 ひ ず み ゲ ー ジ を 用 い た 接 触 面 庄 の 測 定 機 論 ， 日 本 機 械 学 会 論 文 集 (A編)， 59‑567， (1993)， 2599‑2604.
(13)尾 田 十 八 ， 品 田 智 宏 ， 井 上 二 郎 ， 花 本 康 二 ， 電 庄 セ ラ ミ ッ ク を 用 い た 接 触 庄 力 分 布 の 測 定 用 セ ン サ シ ス テ ム の 開 発 ， 日 本 機 械 学 会
‑5‑
論 文 集 (A編)， 54‑498，(1988)， 399‑404.
(14)北岡征一郎，間宮武司，電着銅薄膜による接触面圧計測法(第 l報 基 礎実験) ， 日 本 機 械 学 会 論 文 集 (A編)， 60‑573，(1994)，1288‑1293.
(15)北 関 征 一 郎 ， 坪 田 淳 一 郎 ， 永 橋 豆蹴 出'i':， )千 武保，電着銅薄膜による 接触面圧計測法(第 2報 微 小 突 起 を 存 す る 薄 膜 に よ る 静 在 測 定 )，日 本 機 械 学 会 論 文 集 (A編)， 64‑619，A (1998)，689‑695.
(16)ま0，H.N.，担asegawa.T.， Kitaoka， S. and T，Udagawa， A method of Measuring Contact Pressure of Cylinder Head Gasket， Small Engine Technology Conference & Exposition， SAE International，
2004‑32時0068(2004).
(17)北岡征一郎，長谷川達也，電着銅薄膜による接触面圧計測法(第2報 微 小 突 起 を 有 す る 薄 膜 に よ る 静 圧 測 定 ) ， 日 本 機 械 学 会 論 文 集 (A
f
肩)， 68叩 670，(2002)， 930ω935.(18 ) 北 関 征 一 郎 ， 小 林 聡 宏 ， 大 嶋 和 彦 ， 御 厨 照 明 ， 電 養 銅 の 粒 子 成 長 過 程 に着自した応力測定法(第 l報 ， 粒 子 生 成 と 粒 子 成 長 ) ， 自 本 機 械 学 会 論 文 集 (A編)， 53‑487， (1987)， 646‑652.
(19) Tatsuya Hasegawa and Seiichiro Kitaoka， Measurement of Contact Pressure by Electrodeposited Copper・Foil(Measurement of Cyclic Pressure U sing Grain Growth and Surface Roughness of
Electrodeposited Copper Foil)， Review of Automotive Engineering JSAE， 26 (2005)， 327‑333.
(20) Timoshenko， S. P. and Goodier， 1. N.， Theory of Elasticity， 3rd Ed.， (1970)，418，民1cGraw‑Hill.
‑6‑
第 2 章 電 着 銅 薄 膜 に よ る 接 触 面 圧 計 測 法 (
1)の概要
2. 1
緒 言実 験 的 時 力 解 析 法 の 一 つ で あ る 銅 め っ き 応 力 測 定 法 (2 )は，繰返し 待 重 を 受 け る 要 素 表 面 に 生 ず る 局 所 せ ん 断 応 、 力 抜 幅 や そ の 面 分 布 を 計 測 す る の に 極 め て 有 効 な 測 定 法 で あ る . す な わ ち ， 自 由 表 面 を 有 す る 要 素 に 電 着 に よ り 作 製 し た 薄 膜 を 接 着 し ， 要 素 に 作 用 す る 繰 返 し 応 、 力 に よ っ て 薄 膜 に 発 生 す る 成 長 粒 子 を 利 用 し て ， 応 力 振111高を測定する.
測 定 手 法 と し て は ， 成 長 粒 子 の 発 生 繰 返 し 数 と 作 用 応 力 の 関 係(2)， 電 着 層 に お け る 成 長 粒 子 の 発 生 密 度 と 作 用 志 力 の 関 係 (3) ， 成 長 粒 子 の 成 長 速 度 と 作 用 応 力 の 関 係 (4) ‑ (6) の い ず れ か が 利 用 さ れ る .
と こ ろ で ， こ の 測 定 法 の 基 礎 と な る 電 着 層 の 成 長 粒 子 の 発 生 は ， こ れ に 作 用 す る 3次 元 最 大 せ ん 断 応 、 力 掠 幅 に 支 配 さ れ る か ら ， 従 来 の 適 用 例 と は 異 な っ て 薄 膜 表 面 に 繰 返 し 負 荷 が 作 用 し で も ， 同 様 に 成 長 粒 子 の 発 生 が 期 待 で き る . こ の 観 点 か ら ， 電 着 銅 薄 膜 に よ る 接 触 面 圧 計 測 法 (1 )が開発された.
本 章 で は ， 銅 め っ き 法 を 基 礎 と し た こ の 電 着 銅 薄 膜 に よ る 接 触 面 圧 計 測 法 の 概 要 に つ い て 述 べ る .
2. 2
実 験 方 法2. 2. 1
圧 力 負 荷 装 置繰 返 し 圧 力 の 作 用 に よ る 電 着 銅 薄 膜 の 成 長 粒 子 の 発 生 状 況 を 調 査 す る た め の 圧 力 負 荷 装 置 の 概 観 を 図 lに 示 す . 関 示 の よ う に ， 炭 素 工 具 鋼 SKづ 製 の 同 一 直 径 を 存 す る 円 柱 が 2個 使 用 さ れ た . 圧 力 伝 達 面 と
な る 端 面 は ， 旋 削 ， 研 削 の 後 ， 0.05μmの ア ル ミ ナ 粉 末 に よ り 研 磨 が 施
叩7‑
さ れ て い る . ま た ， 接 触 面 に 垂 藍 に 負 荷 が 作 用 し て 一 様 に 臣 力 が 発 生 す る よ う に ， 装 置 の 一 端 に は ベ ア リ ン グ 用 ボ ー ル を 埋 め 込 み ， 点 接 触 に よ る 一 様 な 負 持 の 伝 達 を 可 龍 に し て い る .
2.2. 2
電 着 銅 薄 膜 の 作 製電 着 銅 薄 膜 は ， 硫 酸 銅 を 主 体 と す る 常 温 浴 を 用 い ， 鏡 面 仕 上 げ を 施 し た ス テ ン レ ス 円 簡 を 陰 極 と し て 従 来 と 同 ー の 条 件 (1 ) に よ り 作 製 さ れ ， そ の 厚 さ は 約 1511mで あ る .
2.2. 3
実 験 方 法図 lの 圧 力 負 荷 装 寵 の 端 面 開 に ， こ れ と 同 一 寵 径 に 切 り 出 し た 銅 薄 膜 を 挟 み ， こ れ を MTS材 料 試 験 装 置 (50Hz) に 装 若 し ， 繰 返 し 圧 力 ]Jr[を 種 々 に 設 定 し て 片 振 り 圧 縮 試 験 ( 応 力 比 R与0.05) を 実 施 し ，]J rl
と 成 長 粒 子 発 生 密 度 Dお よ び 繰 返 し 数 人fの関連が調査された.また，
Contact surface
し
Bearingba11Upper block
〆
Lower block
〆
Fig.l Apparatus for measuring pressure distribution
‑8‑
繰 返 し 圧 力 の 作 用 に よ る 薄 膜 表 面 の 粗 さ 変 化 の 測 定 に は ， 触 針 式 表 面 粗 さ 測 定 器 ( 小 坂 研 究 所 製 SE‑3H型 ) が ， 成 長 粒 子 の 観 察 に は 倍 率 200 倍 の 光 学 顕 微 鏡 が 使 用 さ れ た .
2. 3
実 験 結 果 ( 成 長 粒 子 発 生 密 度D
の 圧 力 繰 返 し 数 依 存 性 ) 図 2に 得 ら れ た 圧 力 繰 返 し 数 N の 増 加 に 伴 う 成 長 粒 子 の 発 生 状 況 の 変 化 の 観 察 例 を 示 す . 図 2か ら わ か る よ う に Nの 増 加 に つ れ て 黒圃園 ¥. ¥ . .. ..../~. 'ヌ; .~ . r '. '"':
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・・・・1I・
(a) N = 1.0X 106(c) N=2.4X 106
(b) N = 1. 7 X 106
(d) N=3.1 X 106
Fig.2 Change of grown grain occurance with the increase of the number of cycles (Prl二 63MPa)
‑9‑
色 部 分 が 多 く な る こ と よ り ， 成 長 粒 子 の 発 生 密 度 が 増 加 す る こ と が わ かる.
種々の]JrIに対して得られた成長粒子の発生密t度
D
と 繰 返 し 数N
の 関 係 を 図3
に 示 す . 図3
よ り ， 成 長 粒 子 発 生 の 初 期 段 階 で は，Nの 増 加 に 対 す るD
の 増 加 割 合 が 大 き く ， そ の 後D
の 増 加 割 合 は 次 第 に 一 定 値 に 近 づ き ，D‑N
関 係 は 明 確 な 圧 力 依 存 性 を 示 す .こ の 現 象 が 生 ず る 要 因 と し て 銅 薄 膜 の 表 面 に 存 在 す る 凹 凸 が 繰 返 し 圧 力 に よ り 塑 性 変 形 し ， 表 面 の 粗 さ が 減 少 し て 負 荷 治 具 と 銅 薄 膜 の 真 実 接 触 面 積 が 変 化 す る こ と が 考 え ら れ た . す な わ ち ， 繰 返 し 圧 力 が 作 用 す る と ， ま ず 薄 膜 表 面 の 凸 部 に お い て 負 荷 治 具 と の 接 触 が 生 じ ，
こ の 部 分 に 高 い 繰 返 し 圧 力 が 作 用 し て 塑 性 変 形 が 進 行 す る . こ の 結 果 ，
5 0
「ー一一o
]JrI = 94.8 MPa ム ]Jrl= 75.4 MPa4 0 ‑ r I 口
]Jrl= 56.1 MPaと 界
ζミ
〉、
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3 0
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悌吋
2 0
OJ) 主主
。
~l‑<
。 1 0
。 。 1 2 3 4
Number of cycles ァX 106
Fig.3 Relationship between grown grain density and number of cycles
‑10‑
真 実 接 触 面 積 は 繰 返 し 数 と と も に 次 第 に 増 加 し ， 真 実 接 触 部 の 繰 返 し 圧 力 が 低 下 し て 薄 膜 の 変 形 は 進 行 を 停 止 し ， 繰 返 し 庄 力 が 一 定 値 に な
る こ と に よ り ， 図 3の
D‑
関 係 が 生 じ た も の と 推 定 さ れ た (4 )そ こ で 上 述 の 現 象 の 生 起 を 確 認 す る た め ， 庄 力 負 荷 治 具 の 表 面 お よ び 初 期 電 着 面 に よ じ べ て 粗 さ が 格 段 に 大 き い 銅 薄 膜 の 最 終 電 着 面 の 試 験 前 お よ び Pd=75.4MPa，N =1.0XI06を 与 え た 後 に お け る 粗 さ が 調 査 された (4 ) こ こ で ， 図 4に 初 期 電 着 面 と 最 終 電 着 面 の 模 式 留 を 示 す . こ の 結 果 ， 薄 膜 の 算 術 平 均 粗 さ R!iお よ び 最 大 高 さ R!Jは い ず れ も 試 験 後 に 減 少 し て い る こ と が 確 か め ら れ ， 上 述 の 推 論 が 裏 付 け ら れ た .
図
3
に お い て ， 成 長 粒 子 発 生 密 度 の 増 加 速 度 は = 1 .0XI06で は ほ ぼ 一 定 と み な せ る . そ こ で ， こ の 領 域 に 対 しc lD / c l
を求め ，Pd
と の 関 係 を 図5
に示す.inal
て
ing CopperStainless steel plate
lnitial plating
Fig.4 Schematic diagram of initial plating surface and final plating surface
ま た ， 粒 子 成 長 速 度 が 速 度 過 程 (6 ) で あ る こ と か ら ， 図
5
に お い てP r t
とc L D / c l
の 閣 に は ほ ぼ 次 式 が 成 立 す る .P
r{= αl o g c l D / c l
十戸 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ( 1 ) こ の 関 係 を 利 用 し て 接 触 酉 の 微 小 な 領 域 に 作 吊 す る 繰 返 し 圧 力 の 定 が 実 施 で き る こ と が 示 唆 さ れ た .‑11嶋
1 0 0
8 0
仏
2 2
4円f
『
、百v
~ 叫
6 0
zロ:/J cω Cn L
‑ ーEーJ
4 0
υ ~ 、
2 0
。
1 0
Grain growth rate ci /) /ci
v
X 106Fig.5 Relatioship between grain growth rate and cyclic pressure
参 考 文 献
(1)北関征一郎，間宮武司，電着銅薄膜による接触面圧計測法(第 1報 基
礎実験) ， 日 本 機 械 学 会 論 文 集
(A
編)，60
明573
，(19 9 4 )
，1 2 8 8 ‑ 1 2 9 3 . ( 2 )
大 久 保 肇 ， 銅 め っ き 応 力 測 定 法 ， (19 6 5 )
，朝倉書自.(3)北関征一郎，御厨照明，細野喜久雄，電着銅の成長粒子発生密度変化を 利用した応力測定法(画像処理の適用)，
B
本 機 械 学 会 論 文 集 (A編)，57‑534
， (19 9 1 )
，442
姐4 4 7 .
( 4 )
北 関 征 一 郎 ， 小 林 聡 宏 ， 大u鴎和彦，御厨照明，電着鏑の粒子成長過程 に着思した応力測定法(第 l報 ， 粒 子 生 成 と 粒 子 成 長 ) ， 自 本 機 械 学 会 論 文 集 (A縮)，53‑487
，( 1 9 8 7 )
，6 4 6 ‑ 6 5 2 .
(5)北関征一部，大鵠和彦，電着銅の粒子成長過程に着目した応力測定法
‑ 1 2
(第
2
報 ， 予 加 熱 処 理 と 予 ひ ず み 処 理 人 日 本 機 械 学 会 論 文 集( A
編)，
54‑498
，(19 8 8 )
，3 8 5 ‑ 3 9 2 .
(6)北 関 征 一 郎 ， 大41喜和彦，電着銅の粒子成長過程に着目した応力測定法 (第
3
報 ， 粒 子 成 長 速 度 を 利 用 し た 応 力 測 定 法 の 低 温 下 へ の 適 用) ， 日 本 機 械 学 会 論 文 集(A
編)，55‑520
，(19 8 9 )
，2503‑2509.
時 13‑
第 3 章 微 小 突 起 を 有 す る 電 着 銅 薄 膜 に よ る 静 庄 測 定 法 (
1)の概要
3. 1
緒 居第 2章 に お い て は ， 銅 め っ き 応 力 測 定 法 (2 ) を 利 用 し た こ 物 体 問 の 接 触 面 に 生 ず る 繰 返 し 圧 力 の 計 測 法 (3 ) の 概 要 を 紹 介 し た . す な わ ち ， 成 長 粒 子 発 生 密 度 の 増 加 速 度 と 繰 返 し 圧 力 の 関 係 が 定 式 化 さ れ ， こ の 構 成 式 を 利 用 す れ ば ， 接 触 回 の 微 小 な 領 域 に 作 用 す る 繰 返 し 圧 力 の 計 測 が 可 能 に な る こ と が 示 さ れ た . し か し な が ら ， 成 長 粒 子 は 荷 重 が 変 動 す る 場 合 に の み 発 生 す る か ら ， 第 2章 の 方 法 で は 静 圧 を 測 定 す る こ
と は 不 可 能 で あ る .
こ の 観 点 か ら ， 規 則 的 に 配 列 し た ピ ラ ミ ッ ド 状 の 微 小 な 突 起 を 存 す る 薄 膜 を 電 着 に よ り 作 製 し ， 0.1 m m 2オ ー ダ の 微 小 な 領 域 に 作 用 す る 静 圧 を 測 定 す る 手 法 (1 ) が 開 発 さ れ た .
本 章 で は ， こ の 微 小 突 起 を 有 す る 電 着 銅 薄 膜 に よ る 静 圧 測 定 の 概 要 に つ い て 述 べ る .
3闘 2 実 験 方 法
3. 2. 1
綴 小 突 起 を 存 す る 電 着 錦 薄 膜 の 作 製微 小 突 起 を 有 す る 電 着 銅 薄 膜 は ， 陰 極 と な る ス テ ン レ ス 板 に 対 し ，
#
800の ベ ー パ 仕 上 げ を 施 し た 後 マ イ ク ロ ピ ッ カ ー ス 硬 さ 計 (9.8N) に よ り ， 圧 痕 の 間 隔d
を (1)d
キ 100μm，(2) c l
キ200μmに と っ て 圧 痕 を 打 ち 込 み こ れ に 従 来 と 同 一 の 条 件 (3 ) で め っ き を 施 し て 作 製さ れ た . 図 1 (a)， (b) に こ の 銅 薄 膜 の 表 面 状 況 を 示 す .
‑14‑
100μm
( i )
c l
キ1 00
~lm (ii)c l
キ200μm ( a ) C o n f i g u r a t i o n o f micro p r o j e c t i o n
1 4 μ
日112μm
(b)Schematic o f m i c r o p r
・o j e c t i o n s
(clキf100μm)
F i g . l Copper f o i l w i t h micro p r o j e c t i o n s
圧 力 測 定 に は ， こ の 銅 薄 膜 と こ れ に 大 気 中 で
1 5 0
0C， 2 hの 焼 な ま し を 施 し た 銅 薄 膜 が 使 用 さ れ た . 以 後 ， 電 着 銅 薄 膜 お よ び 焼 な ま し 銅 薄 膜 を そ れ ぞ れ1
，立，圧痕間隔 d 三千 100~m ，c l
王子200μm
を そ れ ぞ れ (1
，)( 2
) で 表 示 す る .3.2. 2
圧 力 負 荷 装 置較 正 試 験 に は ， 炭 素 工 具 鋼 SK‑3製 の 庄 力 負 待 装 置 を 用 い ら れ た .
‑ 1 5 ‑
図 2に ， 平 田 底 円 柱 と 平 面 と の 圧 力 分 布 測 定 用 の 負 荷 装 置 の 概 観 を 示 す . 平 面 底 円 柱 に は 上 述 の SK‑3を ， 平 面 に は 直 径 40mm，高さ 35mm の 黄 銅 お よ び 焼 な ま し を 施 し た SK‑3が 用 い ら れ た .
表 1に 黄 銅 お よ び 焼 な ま し を 施 し た SK‑3の 機 械 的 性 質 を 示 す .
G/Bearing
• •
• •
• •
• •
• •
‑ ‑
• •
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• •
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A 吋 ム
σb ‑
‑e A
EA
Table 1間echanicalproperty of materials Brass SK‑3 annealed SI<二‑3quenched
E GPa 108 206 206
G GPa 41 80 80
註v 126 211 961
ー16‑
3. 2. 3
実 験 方 法 (1 )図 2の 圧 力 負 荷 装 霞 の 端 面 聞 に ， こ れ と 開 一 直 径 に 切 り 出 し た 銅 薄 膜 を 挟 み ， こ れ を MTS材 料 試 験 装 置 に 装 着 し ， 種 々 の 負 待 を 与 え て 微 小 突 起 の 変 形 の 度 合 い と 静 圧 pメ と の 関 係 が 調 査 さ れ た . さ ら に ， こ の 結 果 に 基 づ き ， 図
2
の 負 荷 装 置 の 接 触 面 の 静 正 分 布 が 調 査 さ れ た . な お ， 突 起 部 の 変 形 景 は ， 走 査 形 レ … ザ 顕 微 鏡 ( オ リ ン パ ス 製 OLS1000 形 ) に よ り 測 定 さ れ た .3. 3
実 験 結 果3.3. 1
微 小 突 起 の 変 形 の 静 圧 依 存 性間
3
に ， 圧 縮 負 荷 に よ り 変 形 し た 薄 膜I
削(1
) の 突 起 先 端 部 の 観 察 例 を 示 す . 静 圧 p，が 増 す に つ れ て 突 起 部 の 変 形 が 進 行 し ， 圧 力 負 荷 冶 具 と の 真 実 接 触 面 と な る 突 起 先 端 の 平 坦 部 の 面 積r L
が 増 加 し ， 両 者 の 間 に は 国 有 の 関 係 が 成 り 立 つ こ と か ら ，A ，
を1NU定 す る こ と に よ り 接 触 面 の 圧 力 j則 定 を 行 う こ と が 可 能 に な る .間 4に ， 薄 膜 1‑( 1 ) お よ び II‑ (1) に 対 し て 得 ら れ た 圧 力 の 負 荷 時 間 と 真 実 接 触 面 積 A
，
を 微 小 突 起 の 底 面 積 」 で 無 次 元 化 し た A，
/Aの 関 係 を 示 す . こ こ に ，
[ 1
，は接触面のイ壬意の4
~5
箇 所 に お け る 16~20 価の突起より得られた値の平均より決定されている.負荷開始直
後 に お い て 突 起 部 の 変 形 が 容 易 に 進 行 し ， 接 触 面 積 が 急 激 に 増 加 す る が ， そ の 後 徐 々 に 一 定 鑑 に 近 づ い て い く . し た が っ て
，
A，
に 基 づ い て 圧 力 測 定 を 行 う に は 負 荷 時 間 tを 設 定 し て お く こ と が 必 要 で あ り ， 図 4よりA ，
の変化が穏、やかとなるt =
30sが 以 後 の 実 験 に お い て 採 用 さ れた.各 薄 膜 に 対 し て 得 ら れ た 静
E E p .
，とA ， / A
の 関 係 を 国5
に 示 す . こ れ也 17‑
ら の 関 係 を 利 用 す れ ば ， J7を 測 定 す る こ と に よ り 接 触 面 の 庄 力 分 布 を 計 関 す る こ と が 可 能 と な る .
ま た ， 図
5
の 各 測 定 点 は 16‑‑‑20個 の 微 小 突 起 よ り 求 め ら れ る か ら ， 本 手 法 で は 自 体 接 触 面 の O.lmm2オ ー ダ の 微 小 な 領 域 に 作 用 す る 圧 力を言十測できる.
ま た ， 図 5か ら 明 ら か な よ う に ， 圧 痕 開 問 dの 相 違 や 熱 処 理 の 有 無 により p，と
A
，/.clの関係が異なることから，庄痕間隔や薄膜に対する 熱 処 理 操 作 に よ り ， 圧 力 計 測 の 感 度 を 制 御 す る こ と が 可 能 で あ る と いえる.
A
(a) p，，=98 MPa (b) p，，=196 MPa
(c) p，=294 MPa (d) P方=392MPa
Fig.3 Configulation of micro projections deformed by static pressure [1‑(1)]
‑18‑
@
0 . 7
0.6 0.5
。 繍4
一 九
¥L
一 べ
0.3
鳳
晶 一
曹
0.2
才一一一
曹O . 1
600 500
300 400 Pressurized time s 100 200
。 。
Fig.4 Relationship between pressurized time and contact area (p" =98MPa)
一 噛 ー 叩 11‑(2)
~ 1 ‑(2)
ー 留 一 11‑(1)
‑ 一 回
1‑(1)0 . 8
0.6
0.4
0.2
司
︑ 司
。 。
400 500MPa 300
N ominal static pressure 200
100
Pろ
Fig.5 1ミelatioshipbetween nominal static pressure and contact area
‑19‑
3. 3. 2
Ar/A と 静 圧 psの 関 係 の 定 式 化図
5
より ，A r / A
は pべ の 関 数 と な る か ら ， こ れ を 次 式 で 表 示 す る . A，
/A=f(p，，) ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ( 1 ) 最 小 二 乗 法 を 用 い ， 図5
の 出 稼 を 次 式 の 二 次 曲 線 で 近 似 す る .f(p
，)=ヱap/+bp
，十c. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (
2 ) 表 2に 係 数 a，b， cの 値 を 示 し た .また，
l Z l
1に お い て 薄 膜 の 突 起 部 の 総 底 面 積 と 圧 力 負 持 冶 具 の 接 触 面 積 の 割 合 を 1 : k，薄 膜 の 突 起 先 端 部 の 真 実 接 触 面 に 作 活 す る 圧 力を p
，
と す れ ば ， 力 の 釣 合 い よ り ， 次 式 が 成 立 す る . な お ，k は 微 突 起 の 間 隔 よ り ， 薄 膜 (1)，(2)に 対 し ， そ れ ぞ れ た キ2.13，た三千7.41となる.
P f‑b一一一̲'引
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 3 )
A ， / A
Pr=kp，/(ap，2十
bp
、十c )
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ (4 )
こ の 関 係 は ， 後 述 の 圧 力 分 布 の 測 定 に 利 用 さ れ た .式 (
4
) よ り 各 薄 膜 に つ い て p，
とP
ハ の 関 係 を 求 め た 結 果 を 図6
に 示 す .p，
は p、 の 上 昇 に つ れ て 増 加 し ， 加 工 硬 化 が 進 行 す る . ま た ， 熱Table 2 Corfficients a，b and c
1 ‑(1) 1 ‑(2) II ‑(1) II ‑(2) a 明 7.2007X 10同5 叩 9.1887X106 明2.8206X 10‑6 ‑7.9214X 10叩7
b 0.017148 0.007456 0.0033598 0.0020662
C ‑0.00442 0.0392 0.0085103 ‑0.0022143
‑20‑
。 。 。
認
。
。
滋酒 車
騒 温
1400 1200
600
200 400 1000 800
必内山室
九︹ 民一
ω ‑ H 2
∞ ∞
GH
ハ 同 判
uハ
dM
口︒
υω
ロ ト
FH
L
。 。
400 500恥1Pa 300
N ominal static pressure 200
100
p s
Fig.6 Relatioship between nominal static pressure p"
and real contact pressure
pr
処 理 の 有 舵 に よ っ て
p ，
とp、 の 関 係 は 変 化 す る が ， 圧 痕 間 関 に よ ら ず 隔 の 薄 膜 に 対 す る し た が っ て 任 意 の 庄 痕膜 に 固 有 の も の と な る .
A r / A
と p"の 関 係 を 予 測 で き る .微 小 突 起 の 変 形 を 利 用 し た 静 注 分 布 の 測 定
3 .
33 .
製 の 平 面jま 円 柱 を 黄 銅 製 の 平 面 SK‑3
¥}/ を用い，
噌li / l︑ ︑ 図
7
に 薄 膜1‑
なお，認
i
は 得 ら れ たAr / A
と に 押 付 け て 得 ら れ たA ，
の 測 定 例 を 示 す .次 元 化 し た γ/γ。の関係 円 柱 の 中 心 か ら の 距 離 γ を円柱の半径ァ。で
間
7
中 の 各 測 定 点 は 円 柱 の 中 心 を 通 り 互 い に 直 交 す を表す.る 二 直 線 上 の 個 々 の 微 小 突 起 よ り 得 ら れ た 値 で あ る .
P
にを求 つ い で ， 圧 縮 荷 重 Pを 円 柱 の 底 面 積 πγ02で除した公材、正力po
‑21‑
を 用 い て 各 笛 所 の 静 庄 ( 2 )
図 ? の 測 定 結 果 か ら 式 (1 ，) めた.
︒HVE
︐ ︐ ︐
EEEE・E・‑ ‑ ‑ ‑
‑ ‑ d F
U晶
︑
bF 4
= 町
3叩F︐ K F h
一 /
幽園a
︐ ︐
J' zg
一‑2223
:︒
二
E T E
po= 294 MPa po=
196MPa
需動
。
0 . 8
0 . 6
0.2 0.4
吋
¥ ι 一 九
。 。
0.2 0.40 . 6 0 . 8
γ/γ
。
可a
aa J
︑ ︐
F
i1 F
〆 ︐
Eτi F客§§
and
γ/γ。
(Combination o f s t e e l and b r a s s ) F i g . 7 R e l a t i o n s h i p between A
，/A
計 三 司
po=
196弘1Pa
岡 山 田 岡 幽
po=294 MPa
1.
6
0.4 0.2 1.
4
1.20 . 8 0 . 6
C A
¥ /
八 円
。 。
0.2 0.40 . 6
鴫。8γ/r
。
F i g . 8 P r
・e s s u r ed i s t r i b u t i o n a t t h e bottom o f c i r c u l a r c y l i n d e r compressed t o f l a t s u r f a c e
問
2 2 ‑
d * and e *
αヰ
b * c * d * e * Po=294
MPa 3.7079 同5.8482 3.3432 ‑0.24032 0.78432po=196
恥1Pa 2.0059 ‑2.5147 1.3565 ‑0.24032 0.78432c *
，b*
，T a b l e 3 C o r f f i c i e n t s α * ，
K=E/Eo
「円
2
1.5
………一一………一一一……一竹……醐
，;p
‑
・ 圃 回 圃 岡 国
OR
¥y R
‑‑‑一五=∞
一 一 五=1
……一まコO
0 . 5
。 。
0.2 0.4 0.60 . 8
γ/γ
。
F i g .
9‑T h e o r e t i c a l v a l u e and c a l c u l a t e d v a l u e o f p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n
こ れ を 最 小 二 乗 γ/γ。の関係を求め，
p、 を 除 し て 無 次 元 化 し ， により
図
8
となる.法 に よ り 次 式 の 四 次 曲 線 で 近 似 す れ ば ，
e *
(γIr率。)‑・・・・・・・ (
5 )
叩 23‑
2+ d *
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Table 4 Ratio of
P
ι，toP Po MPa I 196 I 294
P ι /
PI
1.02 I 0 . 9 6
こ こ に ， 係 数 d ， ド，c*， d
図 9に は ， 剛 体 円 柱 を 半 無 限 体 に 押 付 け た 場 合 の 理 論 解 (4 ) お よ び 弾 性 円 柱 を 押 付 け た 場 合 の 数 値 解 (5 ) を 示 し た .
国 8に お い て ， 公 材 、 在 力
po
を 変 え て も 圧 力 分 布 の 形 状 は ほ ぼ 一 致 す る . ま た ， 円 柱 縁 近 傍 の 測 定 値 は 理 論 解 や 計 算 値 に 比 較 し て 低 く な る . 対 象 と す る 要 素 の 形 状 の 相 違 も 圧 力 分 方 に 影 響 す る が (5)， こ の 結 果 は ， 主 と し て こ の 領 域 に お い て 平 面 を 形 成 す る 黄 銅 に 塑 性 変 形 が 生 じ る こ と が 要 因 に な っ て い る .測 定 値 の 妥 当 性 を 検 証 す る 一 方 法 と し て ， 得 ら れ た 圧 力 分 布 か ら 全 圧
P;
が 求 め ら れ た .p，とP!
，'の 間 に は 次 式 が 成 立 す る .L
'O加 p，clγコ Pf ・ … ・ ・ ー(6)
式
(5)
，(6)
よりP
r:を 求 め ， 実 際 に 与 え た 負 荷P
との比をとり，表
4
に 示 し た .P!
/ ，'P
は1
に 近 い 値 と な り ， ほ ぼ 妥 当 な 圧 力 分 布 が 得 ら れ た も の と 考 え ら れ る .参 考 文 献
( 1 ) 北 関 征 一 郎 ， 坪 田 淳 一 郎 ， 永 橋 豊 ， 岸 武 保 ， 電 着 銅 薄 膜 に よ る 接触面圧計測法(第
2
報 微 小 突 起 を 有 す る 薄 膜 に よ る 静 庄 測 定 )，日 本 機 械 学 会 論 文 集 (A繍)，64‑619
，(19 9 8 )
，6 8 9 ‑ 6 9 5 .
( 2 )
大 久 保 肇 ， 銅 め っ き 応 力 測 定 法 ，( 1 9 6 5 )
， 朝 倉 害 賠 .(3)北 関 征 一 郎 ， 間 宮 武 司 ， 電 着 銅 薄 膜 に よ る 接 触 面 圧 計 測 法 ( 第 1報 基
幽
2 4
倫礎実験) ， 日 本 機 械 学 会 論 文 集 (A編)， 60‑573，(1994)，1288‑1293.
(4) Timoshenko， S. P. and Goodier， J. N.， Theory of Elasticity， (1970)，408， McgrawωHill.
(5)相 原 民 彦 ， 円 柱 平 端 面 と 弾 性 体 平 田 と の 弾 性 接 触 応 力 ( 第 1報 実 円 柱 と 半 無 限 体 と の 軸 対 象 接 触 ) ， 日 本 機 械 学 会 論 文 集 ， 40‑333， (1974)，1287‑1297.
叩25‑
第 4 章 エ ン ジ ン の シ リ ン ダ ヘ ッ ド ガ ス ケ ッ ト に 対 す る 新 た な 面 圧 測 定 法 (
1 )4. 1 緒 一 一 語
種 々 の 機 械 に お い て ， そ の 構 成 要 素 に 作 用 す る 面 圧 を 把 握 す る 必 要 性 は 高 い .
自 動 車 の シ リ ン ダ ヘ ッ ド ガ ス ケ ッ ト は エ ン ジ ン の 作 動 に よ っ て 生 じ る 高 温 ・ 高 圧 の 燃 焼 ガ ス や 潤 滑 オ イ ル お よ び 冷 却 水 を 同 時 に シ ー ル す る 重 要 な 役 割 を 果 た す 部 品 で あ る (2 ) そ の た め ， シ リ ン ダ ヘ ッ ド や シ ワ ン ダ ブ ロ ッ ク の 装 着 面 と シ リ ン ダ ヘ ッ ド ガ ス ケ ッ ト 表 面 は 響 着 し ， さ ら に 所 定 の 締 付 け 荷 重 を 負 荷 し た 時 ， 各 シ ー ル 部 に は 適 正 な 甜 在 の 領 域 が 発 生 し て い な け れ ば な ら な い . こ の 面 庄 の 実 態 を 把 握 す る
こ と は ， 設 計 上 重 要 な 項 目 で あ る と と も に ， 自 動 車 整 備 の 観 点 か ら も 認 識 す べ き 重 要 な 事 柄 で あ る が ， 面 庄 の 実 測 に は 感 圧 フ ィ ル ム 法 (3 )
な ど の 一 部 の 方 法 が 利 用 さ れ て い る の が 現 状 で あ る .
本 章 で は ， 前 章 の 電 着 銅 薄 膜 に よ る 接 触 面 圧 計 測 法 ( *') の 実 機 へ の 応 用 例 と し て ， デ イ ー ゼ ル エ ン ジ ン の 2つ の タ イ プ の シ リ ン ダ ヘ ッ ド ガ ス ケ ッ ト を 対 象 と し ， そ の 面 庄 の 実 態 、 を 把 握 す る こ と を 目 的 と し た .
接 触 面 圧 ， 特 に シ ー ル 性 に と っ て 重 要 な ボ ア 間 の 接 触 面 圧 に 着 自 す る 場 合 ， 感 庄 フ ィ ル ム 法 で は ， 面 圧 発 生 状 態 を 正 確 に 把 擦 で き な い 恐 れ が あ る . す な わ ち ， 市 販 の 感 圧 フ ィ ル ム で は ， 測 定 可 能 な 圧 力 の 上 限 値 が シ リ ン ダ ヘ ッ ド ガ ス ケ ッ ト 表 面 に 発 生 す る 最 大 圧 力 を 下 回 る 可 能 性 が あ る た め で あ る . そ こ で ， 電 着 銅 薄 膜 に よ る 接 触 面 圧 計 測 法 に よ り ， そ の 酉 圧 発 生 状 態 、 を 比 較 す る と と も に ， FEM解 析 を 行 っ て そ の 有 効 性 を 検 証 し た .
世 26‑
