JP5559617B2 - 押込み試験機 - Google Patents
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Description
また、押込み後に形成されたくぼみを観察する代わりに、その押込み過程において、試験力(圧子に負荷される力)と、押込み深さ(圧子の変位量)とを連続して計測し、得られた押込み曲線を解析することにより、材料の機械的性質を求めるナノインデンテーション(計装化押込み試験)と称される試験方法が知られている(例えば、特許文献1参照。)。
しかしながら、例えばフィルム材のような薄い試料では、上から押さえても試験部分は露出させる必要があるためこの部分は押さえることができず、どうしても試料台との間に隙間が出来やすい。
また、ビッカース硬さ試験に対しても、試料の浮き上がりは、くぼみ観察時のピントのズレや圧子の押込みが不安定になる原因になる。
そこで、例えば、接着剤を用いて試料を試料台に固定する固定方法があるが、この方法では、接着しにくいものや接着剤によって変質するものもあり、また、試料を汚損してしまうことも問題であった。
これに対し、空気引力により試料を試料台に密着させる固定方法がある。しかしながら、この固定方法では、試料が薄くなると試料台の表面の凹凸(空気吸引孔など)に倣い試料表面に凹凸が出来てしまうことがあり、試料表面に影響がでない程度に空気吸引孔を微細に設けようとすると、製造が困難であった。
請求項1に記載の発明は、
試料台の上面に載置されたフィルム状の試料に対して、所定の荷重を負荷した圧子を押込んでくぼみを形成する押込み試験機において、
前記試料台は、
上面部の一部が多孔質材料からなる試料吸着部材により構成されたチャンバーと、
前記チャンバーの内部の空気を吸引する空気吸引手段と、
前記試料吸着部材が前記空気吸引手段による空気の吸引に伴って試料に及ぼす吸引力を調整する調整手段と、を備え、
前記調整手段は、
前記試料吸着部材の下面に当接し、開閉操作可能なシャッター部材を有し、
前記シャッター部材の開度により前記吸引力を調整することを特徴とする。
前記調整手段は、
前記チャンバー内部から吸引される空気の流量又は圧力を測定する測定手段を備え、
前記測定手段による測定値に基づいて、前記吸引力を調整することを特徴とする。
前記空気吸引手段は、前記チャンバーと連結される空気室を備え、
前記空気室は、弾性変形可能な弾性部を備え、
前記空気室は、前記弾性部が押圧され収縮した状態で前記チャンバーに取り付けられ、前記弾性部の復元力により前記空気室が拡張する際に前記チャンバーの内部の空気を吸引することを特徴とする。
前記試料吸着部材の上面には、当該試料吸着部材の上面の露出面積を変更するための被覆膜が着脱自在に載置されることを特徴とする。
また、当該試料吸着部材は加工の必要がなく設置するだけで良いため、装置全体の製造が容易である。
なお、本実施形態における押込み試験機100は、圧子3に付与する試験力と、圧子3の押込み深さとを連続してモニター可能な計装化押込み試験機である。
また、この押込み試験機100は、例えば、セロハンなどのフィルム状の極薄の試料Sに対して好適に測定を行うことのできる構成を備えたものである。
まず、構成について説明する。
押込み試験機100は、図1〜3に示すように、試料Sが載置される試料台10と、試料台10上の試料Sに試験力を付与する試験機本体1と、等を備えて構成されている。
試料台10は、図1、2に示すように、上面部の一部が多孔質材料からなる試料吸着部材14により構成されたチャンバー11と、チャンバー11の内部の空気を吸引する空気吸引手段12と、空気吸引手段12の吸引力を調整する調整手段13と、を備えている。
チャンバー11の上面部には、試料吸着部材14の設置用の開口部11aが設けられている。また、チャンバー11の側面部には、空気が通るための排気孔16が備えられている。
また、壁部11bの下端部には、試料吸着部材14の下面に当接するように、シャッター部材15が備えられている。
この試料吸着部材14は、その上面に試料Sが載置された際に、空気吸引手段12によるチャンバー11の内部の空気の吸引に伴って試料Sに負圧(吸引力)を与え、これにより試料Sを好適に密着保持するものである。
ここで、カーボン製の多孔質材料とは、炭素材料が元々持っている気孔を一定の大きさにそろえ、均一な密度に調整したものである。この多孔質材料は、連続した気孔を持つため気体などの流体を透過する性質を有している。
また、この多孔質材料は、カーボン製であるため、耐熱衝撃性、寸法安定性に優れ、導電性があるため帯電しないという性質も有している。また、耐食性が高く、溶剤などに侵されないという特性もあり、これらの点から扱いやすく、試料吸着部材14を構成する材質として好適である。
この試料吸着部材14は、表面が機械研磨された平滑面となっており、試料Sが、例えば、薄くて撓みやすい形状であっても均一に密着保持することができる。
また、試料吸着部材14は、平均気孔径が、例えば1μm〜10μm程度とされている。気孔径がこの大きさであることで、吸引により多孔質材料に試料S密着しても、孔の形状が試料Sに転写することがないようになっている。
具体的に、シャッター部材15は、例えば、図4に示すように、円を成すように重ね合わされ互いに連動する複数の絞り羽根15a・・・からなり、この複数の絞り羽根15a・・・を動かすことで中央部Pの面積を変更するものである。シャッター部材15の中央部Pの大きさは、試料吸着部材14の下面の露出部Tの面積と同一となるため、シャッター部材15の中央部Pの開度により、試料吸着部材14の下面の露出部Tの面積を変更することとなり、これにより、試料吸着部材14が試料Sに及ぼす吸引力が調整可能である。つまり、露出部Tの面積が大きいほど吸引力が大きくなる。
シャッター部材15は、試料Sの大きさなどを考慮して、ユーザが任意に開閉操作できるため、吸引力の微調整を行うのに好適である。
例えば、シャッター部材として、スライド可能な2枚の板体を備え、2枚の板体の間隙を変更することで試料吸着部材14の下面の露出面積を変更することとしても良い。
或いは、シャッター部材として、所定幅の格子を備えたスライド可能な2枚の板体を備え、2枚の板体の格子の重ね合わせる面積を変更することで試料吸着部材14の下面の露出面積を変更することとしても良い。
測定手段13bは、チャンバー11内部から排気孔16に吸引される空気の流量を測定する流量計、又は排気孔16を流れる空気の圧力を測定する圧力計などから構成される。
ユーザは、測定手段13bの測定値を確認しながら、バルブ13aの開閉量を調節する。つまり、排気孔16を流れる空気の流量又は圧力を調節することで、吸引力が所定の値となるように調節できるようになっている。
試験機本体1は、試料SをX、Y、Z方向に移動させるXYZステージ2と、試料Sにくぼみを形成する圧子3と、圧子3を一端に有する荷重レバー4と、荷重レバー4に所定の荷重(試験力)を負荷(付与)する荷重負荷部5と、圧子3の変位量を検出する変位計6と、試料Sの表面に形成されたくぼみ等を撮影する撮影部7と、表示部8と、操作部9と、制御部20と、などを備えて構成される。
具体的に、XYZステージ2は、位置制御手段として、制御部20からの制御信号に応じて、くぼみの形成位置が試料吸着部材14に形成された孔と重ならないように、試料台10の水平方向の位置を制御する。このため、より正確に測定を行うことができる。
荷重レバー4の一端には、試料台10上に載置された試料Sの上方から試料Sに対して接離自在に設けられ、試料Sの表面に押し付けて試料Sの表面にくぼみを形成する圧子3が設けられている。
また、荷重レバー4の他端には、荷重負荷部5を構成するフォースコイル5aが設けられている。
荷重負荷部5は、例えば、制御部20から入力される制御信号に従って、固定磁石5bがギャップにつくる磁界と、ギャップの中に設置されたフォースコイル5aに流れる電流と、の電磁誘導により発生する力を駆動力として用い、荷重レバー4を回動させる。これにより、荷重レバー4の圧子3側の端部は下方に傾き、圧子3は試料Sに押し込まれることになる。
変位計6は、例えば、可動極板6aと固定極板6bとの間の静電容量の変化を検出することによって、圧子3が試料Sにくぼみを形成する際に移動した変位量(圧子3を試料Sに押し込んだ際の押込み深さ)を検出し、この検出した変位量に基づく変位信号を制御部20に出力する。
なお、変位計6として、静電容量式変位センサを例示したが、これに限定されるものではなく、例えば、光学式変位センサやうず電流式変位センサであっても良い。
この操作部9は、ユーザが試料Sの硬さ試験を行う指示入力を行う際、圧子3に負荷する試験力すなわち荷重を設定する際、などに操作される。
具体的に、CPU21は、例えば、くぼみ形成前に、撮影部7を用いて試料吸着部材14の表面の孔が存在しない箇所の位置座標を特定する。そして、押込み試験に際して、試料Sの圧子が接する位置が、特定された位置座標となるようXYZステージ2により位置調整を実行する。このため、より正確に測定を行うことができるようになる。
CPU21は、かかる位置制御プログラム231を実行することにより、XYZステージ2と共に、位置制御手段として機能している。
具体的には、CPU21は、例えば、操作部9から、測定を行うよう指示する操作信号が入力されると、試料台10上に載置された試料Sに所定の試験力を与えるよう、荷重負荷部5を制御する。そして、CPU21は、例えば、くぼみ形成時における圧子3の試料Sへの押込み深さと、くぼみ形成時における試験力と、を連続的に計測して、試験力−押込み深さ曲線(押込み曲線)を測定する。
押込み試験機100においては、測定を行う場合、試料台10の試料吸着部材14の上面に試料Sを載置した状態で、空気吸引手段12を動作させる。
すると、空気吸引手段12の動作に応じて、排気孔16を介してチャンバー11内部の空気が排気され、試料吸着部材14の気孔内の空気も吸引排気される。このため、試料Sには、試料吸着部材14から負圧(吸引力)が掛かって、当該試料吸着部材14に試料Sが均一に吸着保持されることとなる。
このとき、ユーザは、調整手段13(シャッター部材15、バルブ13a及び測定手段13b)により、試料Sに適した吸引力を設定することができ、また、吸引力を所定の値に保つことができるため、試料Sは常に適した一定の吸着力で固定される。
また、押込み試験に際して、くぼみの形成位置が試料吸着部材14に形成された孔と重ならないように制御されるため、より正確に測定を行うことができる。
また、当該試料吸着部材14は加工の必要がなく設置するだけで良いため、装置全体の製造が容易である。
次に、本発明の第2実施形態について、第1実施形態と異なる点を中心に説明する、
なお、第1実施形態と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。
空気室30は、チャンバー11の内部の空気を吸引するのに、動力源を有さない吸引機構を備えたものであり、具体的には、空気室30は、例えば、弾性変形可能な弾性部31と、チャンバー11の排気孔16に取り付ける吸引口32と、を備えている。
弾性部31は、例えば、蛇腹形状を有し、通常状態では拡張しているが、押圧時には収縮し、押圧の開放時には元の形状に復元する。
弾性部31の材料としては、弾性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエステル、ポリカーボネート、熱可塑性エラストマー等の樹脂などが挙げられる。
なお、吸引口32は、その外径が排気孔16の内径に合致するようになっている。
つまり、空気室30を用いてチャンバー11の内部の空気を吸引する場合、空気の吸引量が有限であるため、試料吸着部材14を試料Sにて完全に覆うのが好ましく、このため、試料Sの大きさに応じて、被覆膜Kを試料吸着部材14の上面に設置する。
まず、空気室30は、弾性部31が押圧されて収縮した状態で、吸引口32がチャンバー11の排気孔16に差し込まれ固定される。なお、このとき、吸引口32と排気孔16との間に隙間はほぼできないため、この連結部から空気が漏れることはない。
そして、弾性部31の復元力により空気室30が拡張する際に、逆流防止弁33を介してチャンバー11の内部の空気が空気室30の方に吸引される。
このため、チャンバー11の内部の空気を吸引するための(空気室30内の内圧を昇降するための)特別な構造が不要であり、簡単な構成で空気吸引手段12Aを形成することができる。また、動力源を使用しないため、振動が発生することがなく、硬さ試験をより精度よく行うことができる。
このため、試料Sの大きさに合わせて試料吸着部材14の上面の露出面積を変更でき、好適に空気吸引を行うことができる。
100 硬さ試験機
10 試料台
11 チャンバー
11a 開口部
11b 壁部
12 空気吸引手段
13 調整手段
13a バルブ
13b 測定手段
14 試料吸着部材
15 シャッター部材
15a・・・ 絞り羽根
16 排気孔
1 試験機本体
2 XYZステージ(位置制御手段)
3 圧子
20 制御部
231 位置制御プログラム(位置制御手段)
S 試料
T 露出部
(第2実施形態)
200 硬さ試験機
10A 試料台
12A 空気吸引手段
30 空気室
31 弾性部
32 吸引口
33 逆流防止弁
K 被覆膜
Claims (4)
- 試料台の上面に載置されたフィルム状の試料に対して、所定の荷重を負荷した圧子を押込んでくぼみを形成する押込み試験機において、
前記試料台は、
上面部の一部が多孔質材料からなる試料吸着部材により構成されたチャンバーと、
前記チャンバーの内部の空気を吸引する空気吸引手段と、
前記試料吸着部材が前記空気吸引手段による空気の吸引に伴って試料に及ぼす吸引力を調整する調整手段と、を備え、
前記調整手段は、
前記試料吸着部材の下面に当接し、開閉操作可能なシャッター部材を有し、
前記シャッター部材の開度により前記吸引力を調整することを特徴とする押込み試験機。 - 前記調整手段は、
前記チャンバー内部から吸引される空気の流量又は圧力を測定する測定手段を備え、
前記測定手段による測定値に基づいて、前記吸引力を調整することを特徴とする請求項1に記載の押込み試験機。 - 前記空気吸引手段は、前記チャンバーと連結される空気室を備え、
前記空気室は、弾性変形可能な弾性部を備え、
前記空気室は、前記弾性部が押圧され収縮した状態で前記チャンバーに取り付けられ、前記弾性部の復元力により前記空気室が拡張する際に前記チャンバーの内部の空気を吸引することを特徴とする請求項1に記載の押込み試験機。 - 前記試料吸着部材の上面には、当該試料吸着部材の上面の露出面積を変更するための被覆膜が着脱自在に載置されることを特徴とする請求項3に記載の押込み試験機。
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