(57)【要約】【課題】積層構造体の材質に影響を受けることなく、積層構造体の最弱境界部分の位置を正確に把握することができ、その最弱境界部分に沿って切削刃を移動させて最弱境界部分の破壊強度を直接測定することができる破壊強度測定方法を提供する。【解決手段】切削刃１を、積層構造体１０に対して所定の水平速度で前進移動させると共に下方に所定の押圧力で押圧して上層１１側から切り込み、切削刃１の刃先２を下層１２内まで到達させた後に、押圧力を低減させて切削刃１が上昇を開始する押圧力に保持し、切削刃１が上昇を停止するまで切削刃１を移動させ、切削刃１が上昇を停止した状態で切削刃１の移動により切削刃１に作用する層面方向の力を測定する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低硬度の上層と高硬度の下層とを有する積層構造体を切削刃で切削して前記積層構造体の境界部分の破壊強度を測定する破壊強度測定方法において、
前記切削刃を、前記積層構造体に対して該積層構造体の層面方向に沿って所定の水平速度で移動させると共に前記積層構造体の積層方向に沿って相対的に下方に所定の押圧力で押圧して前記上層側から切り込み、
前記切削刃の刃先を前記下層内まで到達させた後に、
前記押圧力を低減させて前記切削刃が上昇を開始する押圧力に保持し、
前記切削刃が上昇を停止するまで前記切削刃を移動させ、
前記切削刃が上昇を停止した状態で前記切削刃の移動により前記切削刃に作用する前記層面方向の力を測定し、
該測定した力に基づいて前記境界部分の破壊強度を算出することを特徴とする破壊強度測定方法。
【請求項２】
前記切削刃の刃先を前記下層内まで到達させた後に、
前記押圧力を漸次低減させて、
前記切削刃が上昇を開始するか否かを監視し、
該切削刃が上昇を開始した場合に、前記押圧力の低減を停止して、前記押圧力を前記切削刃が上昇を開始した押圧力に保持することを特徴とする請求項１に記載の破壊強度測定方法。
【請求項３】
前記積層構造体の前記上層及び前記下層は、多孔質な材質によって構成され、前記上層は、粒径が前記下層よりも大径の粒状体の集合からなり、前記下層は、粒径が前記上層よりも小径の粒状体の集合からなることを特徴とする請求項１または２に記載の破壊強度測定方法。
【請求項４】
前記積層構造体の前記上層と前記下層は、脆性材料によって構成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の破壊強度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層構造体を切削刃で切削して積層構造体の境界部分の破壊強度を測定する破壊強度測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
積層構造体の最も弱い部分における密着強度（剥離強度）やせん断強度等の破壊強度を測定する技術が、従来から種々提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、積層構造体の上層と下層との界面近傍を切削刃で切削して積層構造体の破壊強度を測定する２つの方法が示されている。第１の方法では、切削片が刃先に残っている状況を保つように刃先の深さを維持しながら、界面より少し上層側の深さ位置で界面に略平行に切削刃を移動させ、そのときに切削刃にかかる界面に略平行な方向の力を測定し、その力を積層構造体の破壊強度を評価するための尺度としている。
【０００４】
また、第２の方法では、切削刃に作用する界面に略平行な方向の力が増加と減少とを交互に繰り返す状態を保つような深さに刃先を維持しながら、界面に略平行に切削刃を移動させ、そのときに切削刃にかかる界面に略平行な方向の力を測定し、その力を積層構造体の破壊強度を評価するための尺度としている。
【０００５】
そして、上記の第１及び第２の方法によれば、切削刃の移動によって界面近傍の最も強度が弱い部分（最弱境界部分）の破壊を起こすことができ、上層と下層との界面の位置が判然としない積層構造体でも、その破壊強度を表す結果を得ることが可能との記載がなされている。
【特許文献１】特開２００２−１９５９３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記した従来の方法では、界面に対して切削刃を略平行に移動させる方法を採用しているが、上層と下層が混じり合っている場合にはその混じり合っている領域の略中間を通る仮想的な平面又は凹凸のない曲面を界面とみなし、また、界面に凹凸がある場合にはその凹凸を均した仮想的な平面又は凹凸のない曲面を界面とみなしている。従って、最弱境界部分の位置を正確に把握してその最弱境界部分に沿って切削刃を移動させるものではなく、最弱境界部分の破壊強度を直接測定したものではないので、破壊強度の正確性に欠けるおそれがある。
【０００７】
また、例えば積層構造体が脆性材料によって構成されている場合には、切削時に切削片が刃物に残らず、第１の方法を適用することは困難である。また、例えば積層構造体が多孔質材料によって構成されている場合には、疎密の程度に応じて破壊強度が異なるおそれがあり、また、切削時に切削刃に対して常に増加と減少を交互に繰り返すように荷重が作用するので、第２の方法を適用することは困難である。そして、界面に凹凸がある場合や非定常の場合には、その凹凸に沿って略平行に切削刃を移動させることは困難であり、第２の方法を適用することは困難である。
【０００８】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、積層構造体の材質に影響を受けることなく、積層構造体の境界部分の位置を正確に把握して、その境界部分に沿って切削刃を移動させて境界部分の破壊強度を直接測定することができる破壊強度測定方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決する破壊強度測定方法の発明は、低硬度の上層と高硬度の下層とを有する積層構造体を切削刃で切削して積層構造体の境界部分の破壊強度を測定する破壊強度測定方法において、切削刃を、積層構造体に対して積層構造体の層面方向に沿って所定の水平速度で移動させると共に積層構造体の積層方向に沿って相対的に下方に所定の押圧力で押圧して上層側から切り込み、切削刃の刃先を下層内まで到達させた後に、押圧力を低減させて切削刃が上昇を開始する押圧力に保持し、切削刃が上昇を停止するまで切削刃を移動させ、切削刃が上昇を停止した状態で切削刃の移動により切削刃に作用する層面方向の力を測定し、その測定した力に基づいて境界部分の破壊強度を算出することを特徴としている。
【００１０】
本発明は、切削刃を積層構造体の層面に沿って移動させながら押圧して上層から切り込み、切削刃の刃先を下層内まで到達させた後に、切削刃の押圧力を、切削刃が切り込んでいくことができない押圧力まで低減することで、切削刃が下層から掃き出される性質を利用したものである。
【００１１】
本発明によれば、切削刃の押圧力を低減させることによって、切削刃に作用する力のうち、積層方向に沿う上下の合力を不均衡とし、下層内に居続けることができない状態とする。これにより、切削刃は安定な地点に移行すべく上昇を開始する。そして、切削刃の刃先が下層内から下層と上層との間の境界部分に到達すると、切削刃に作用する上下の合力が均衡して、切削刃は上昇を停止し、境界部分を捉えることができる。
【００１２】
従って、境界部分を切削刃で切削することができ、切削刃に作用する層面方向の力を測定することによって、境界部分の破壊強度を測定することができる。従って、例えば境界部分が層面に対して凹凸するように連続する場合やその形状が非定常の場合、境界部分が判然としない場合でも、境界部分を切削刃で切削することができ、境界部分の破壊強度を正確に測定することができる。
【００１３】
また、例えば脆性材料のように切削時に瞬時に破壊が生じて境界部分の破壊状況を捉えにくい材質のものや、多孔質材料のように疎密により切削時に切削刃に作用する力が増加と減少を繰り返すものであっても、境界部分を切削刃で切削することができ、境界部分の破壊強度を正確に測定することができる。
【００１４】
また、本発明によれば、切削刃の刃先を下層内まで到達させた後に、押圧力を漸次低減させて、切削刃が上昇を開始するか否かを監視し、切削刃が上昇を開始した場合に、押圧力の低減を停止することによって、押圧力を切削刃が上昇を開始した押圧力に保持することができる。従って、切削刃が上昇を開始する押圧力に簡単に調整することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、積層構造体の境界部分を迅速且つ正確に検知でき、積層構造体の破壊強度を正確に測定することができる。そして、例えば多孔質セラミックス材料などの脆性材料で且つ多孔質な材質のものについては、従来はテープ剥離試験等の定性的な測定しかできなかったが、本発明によれば、境界部分の破壊強度を正確に測定することができるので、このような脆性材料で且つ多孔質な材質のものであっても、その母材強度や、同一材料間又は異種材料間の接合強度を定量的に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。
［第１実施の形態］
図１は、第１実施の形態における破壊強度測定方法を模式的に示す図、図２は、第１実施の形態における破壊強度測定方法を説明するフローチャートである。
【００１７】
本実施の形態における測定対象物１０は、図１に示すように、低硬度の上層１１と、高硬度の下層１２とからなる積層構造体を有しており、上層１１と下層１２との界面には、強度が最も弱い部分である最弱境界部分１３が形成されている。そして、測定対象物１０の層面方向Ｘが水平に延在し、積層方向Ｙが垂直に延在して上層１１と下層１２が上下に位置する姿勢状態で保持されている。なお、本明細書における「水平」及び「上下」は、測定対象物１０の層面を基準とするものであり、地上を基準とするものではない。
【００１８】
本実施の形態における破壊強度測定方法では、図２のフローチャートに示すように、まず、切削刃１を測定対象物１０に対して層面方向Ｘに沿って一定水平速度で相対的に前進移動させると共に積層方向Ｙに沿って相対的に下方に所定の押圧力で押圧して上層１１側から切り込み（ステップＳ１）、切削刃１の刃先２を下層１２内まで到達させる（ステップＳ２でＹＥＳ）。
【００１９】
そして、切削刃１を前進移動させながら切削刃１の押圧力を漸次低減させて（ステップＳ３）、切削刃１が上昇を開始したか否かを監視し（ステップＳ４）、切削刃１が上昇を開始した場合に（ステップＳ４でＹＥＳ）、押圧力の低減を停止して、切削刃１が上昇を開始した押圧力を保持し（ステップＳ５）、かかる押圧力で押圧した状態で切削刃１を前進移動させる。
【００２０】
そして、切削刃１が上昇を停止したか否かを監視し（ステップＳ６）、切削刃１が上昇を停止するまで切削刃１を前進移動させ、上昇の停止を検知した場合に（ステップＳ６でＹＥＳ）、その切削刃１が上昇を停止した状態において前進移動によって切削刃１に作用する層面方向Ｘの力を測定する（ステップＳ７）。そして、その測定した測定値に基づいて、密着強度やせん断強度等の破壊強度を算出する（ステップＳ８）。
【００２１】
上記の破壊強度測定方法では、切削刃１を移動させる手段として公知の位置制御手段が用いられ、また、測定対象物１０を着脱可能に固定する手段として公知の固定手段が用いられる。
【００２２】
位置制御手段は、例えばＸ−Ｙテーブル装置等の公知の位置制御装置によって構成されており、固定手段に固定された測定対象物１０に対して、切削刃１を層面方向Ｘに沿って一定水平速度で前進移動させると共に、積層方向Ｙに沿って所定の押圧力で押圧して上層１１側から切り込み可能な構成を有する。
【００２３】
位置制御手段には、切削刃１に作用する層面方向Ｘの力と積層方向Ｙの力を検出する、例えばロードセルなどの公知の応力測定手段（図示せず）と、切削刃１の積層方向Ｙの位置を検出する、例えば垂直変位計等の公知の変位測定手段（図示せず）が設けられている。
【００２４】
切削刃１は、測定対象物１０の上層１１と下層１２を切り込むことが可能な強度を備えており、所定の刃角、刃幅を有する略くさび形状を有している。そして、測定対象物１０との間に所定のすくい角をなすように、位置制御手段に装着される。
【００２５】
図３は、切削時に切削刃１及び測定対象物１０に作用する力を説明する図である。
【００２６】
切削刃１は、切削時に切削刃１に作用する垂直方向の力のうち、下方に向かう押圧力Ｗが上方に向かう掃出力Ｆｖよりも大きい場合は測定対象物１０を切り込む方向に移動し、押圧力Ｗと掃出力Ｆｖとが等しい場合は層面方向Ｘに沿って水平に移動し、掃出力Ｆｖが押圧力Ｗよりも大きい場合は測定対象物１０から掃き出される方向に移動する。
【００２７】
この掃出力Ｆｖは、切削刃１を水平に移動させるときに切削刃１に作用する垂直方向の抵抗力であり、測定対象物１０の硬度に依存し、切削刃１のすくい角αと切削刃１を下方に押圧する押圧力Ｗとのバランスで決定される。
【００２８】
なお、切削刃１に作用する抵抗力Ｒ’は、切削刃１のすくい面に作用する摩擦力Ｆと垂直応力Ｎとの合力に対向する反力、測定対象物１０に作用する抵抗力Ｒは、水平力ＦＨと掃出力Ｆｖとの合力に対向する反力であり、抵抗力Ｒ’と抵抗力Ｒは互いに等しい（Ｒ＝Ｒ’）。そして、切削刃１に作用する力のつり合いは、以下の式（１）〜（３）によって表される。
【００２９】
摩擦係数μ＝Ｆ／Ｎ＝tanβ＝（ＦＶ＋ＦＨtanα）／（ＦＨ−ＦＶtanα）……（１）
摩擦角β＝α+tan-1（ＦＶ／ＦＨ）……（２）
摩擦力Ｆ＝ＦＨsinα+ＦＶcosα……（３）
（α：すくい角、β：摩擦角、φ：せん断角）
上記した破壊強度測定方法によれば、切削刃１で上層１１側から切り込み、切削刃１の刃先２を下層１２内まで到達させた後に、切削刃１の押圧力を低減させて切削刃１が上昇を開始する押圧力に保持するので、切削刃１は、積層方向Ｙに沿う上下の合力が不均衡になり、下層１１内に居続けることができなくなり、安定な地点に移行すべく上昇を開始する。
【００３０】
そして、切削刃１が上昇して、切削刃１の刃先２が下層１２内から下層１２と上層１１との間の最弱境界部分１３に到達すると、切削刃１に作用する上下の合力が均衡して、切削刃１は上昇を停止し、最弱境界部分１３を捉えることができる。
【００３１】
従って、切削刃１の刃先２を最弱境界部分１３に沿って前進移動させることができ、切削刃１に作用する層面方向Ｘの力を測定することによって、最弱境界部分１３の破壊強度を得ることができる。例えば最弱境界部分１３の密着強度(剥離強度)は、切削刃１の刃幅あたりの切削刃１に作用する層面方向Ｘの力で算出でき、せん断強度は切削理論に基づいて算出できる。
【００３２】
上記の破壊強度測定方法によれば、測定対象物１０の最弱境界部分１３の位置を迅速且つ正確に把握して、その最弱境界部分１３に沿って切削刃１を移動させることができる。従って、例えば測定対象物１０の最弱境界部分１３に凹凸がある場合や、最弱境界部分１３の形状が非定常の場合、最弱境界部分１３が判然とせず視認できない場合でも、最弱境界部分１３に沿って切削刃１を移動させることができ、最弱境界部分１３の破壊強度を正確に測定することができる。
【００３３】
そして、測定対象物１０が、例えば脆性材料のように切削時に瞬時に破壊が生じて最弱境界部分１３の破壊状況を捉えにくい材質のものや、多孔質材料のように疎密により切削時に切削刃１に作用する力が増加と減少を繰り返すものであっても、最弱境界部分１３に沿って切削刃１を移動させることができ、破壊強度を正確に測定することができる。
【００３４】
[第２実施の形態]
図４は、本実施の形態の破壊強度測定方法を模式的に示す図、図５は、図４のＩ部拡大図、図６は、本実施の形態の破壊強度測定方法を説明するフローチャート、図７は、切り込み深さの変化を示すグラフである。
【００３５】
本実施の形態における測定対象物２０は、図４に示すように、丸棒状の焼結体２１と、その焼結体２１の外側を覆う所定の厚みを有する下層２２と、下層２２の外側を覆う所定厚みを有する上層２３とからなる積層構造体を有する。
【００３６】
焼結体２１は、緻密素子によって構成され、下層２２と上層２３は、粒子の粒径が互いに相違する多孔質セラミックス材料によって構成されている。下層２２を構成する多孔質セラミックス材料は、粒径が小径の粒子Ａ(図５を参照)の集合からなり、上層２３を構成する多孔質セラミックス材料は、粒径が大径の粒子Ｂ(図５を参照)の集合からなる。下層２２と上層２３は、その疎密の関係から、下層２２が高硬度で上層２３が低硬度となる。
【００３７】
下層２２と上層２３との間には、図５に示すように、粒子Ａと粒子Ｂとが混じり合った領域の境界層２４が形成される。この境界層２４の下側は、小径の粒子Ａが大径の粒子Ｂの間に入り込み、疎密が入り組んだ状態となっており、その破壊強度は強くなっている。一方、境界層２４の上側の境界部分は、大径の粒子Ｂの配列が乱れており、粒子同士の結びつきが少なく、破壊強度が弱くなっている。
【００３８】
従って、測定対象物２０の破壊強度が最も弱い部分である最弱境界部分２４ａは、境界層２４の下側に形成される粒子Ａと粒子Ｂとの界面ではなく、境界層２４の上側の境界部分に形成される。なお、説明の便宜上、図５では最弱境界部分２４ａを一点差線を用いて明示したが、実際には、多孔質な材料の場合は最弱境界部分２４ａは判然とせず、視認することは困難である。
【００３９】
上記した測定対象物２０を、図４に示すように、層面方向Ｘが水平に延在し、積層方向Ｙが上下に延在する姿勢状態で公知の固定手段に固定する。そして、公知の位置制御手段によって、切削刃１を測定対象物２０に対して層面方向Ｘに沿って一定水平速度で前進移動させると共に積層方向Ｙに沿って下方に所定の押圧力で押圧して上層２３側から切り込む（ステップＳ１１）。このときの押圧力は、上層２３と下層２２を切り込み、切削刃１の刃先２を下層２２と焼結体２１との界面まで到達させることができるのに十分な値に設定されている。
【００４０】
切削刃１は、切削刃１の刃先２が下層２２と焼結体２１との界面に到達すると、焼結体２１に沿って移動し、垂直方向に変位することができなくなり、移動方向が水平に切り替わる。この移動方向の水平への切り替わりは、図７(ａ)のｔ１、ｔ２に示すように、切り込み深さの変化で判別することができる。従って、切削刃１の刃先２が仮想２２と焼結対２１との界面まで到達したか否かを容易に判断することができる。
【００４１】
切削刃１の刃先２が下層２２と焼結体２１との界面に到達したのを確認した後（ステップＳ１２でＹＥＳ）、切削刃１を一定水平速度で前進移動させながら切削刃１の押圧力を漸次低減させて（ステップＳ１３）、切削刃１が上昇を開始したか否かを監視し（ステップＳ１４）、切削刃１が上昇を開始した場合に（ステップＳ１４でＹＥＳ）、押圧力の低減を停止して、切削刃１が上昇を開始した押圧力を保持し（ステップＳ１５）、かかる押圧力で押圧した状態で切削刃１を前進移動させる。
【００４２】
そして、切削刃１が上昇を停止したか否かを監視し（ステップＳ１６）、切削刃１が上昇を停止するまで切削刃１を前進移動させ、上昇の停止を検知した場合に（ステップＳ１６でＹＥＳ）、その切削刃１が上昇を停止した状態において前進移動によって切削刃１に作用する層面方向Ｘの力を測定する（ステップＳ１７）。そして、その測定した測定値に基づいて、密着強度やせん断強度等の破壊強度を算出する（ステップＳ１８）。
切削刃１は、図７(ａ)のｔ３に示すように、下層２２内を上昇し続け、切削刃１の刃先２が境界層２４の最弱境界部分２４ａに到達したところで上昇を停止し、最弱境界部分２４ａに沿って切り込み深さを略一定に保ちながら前進移動する。
【００４３】
切削刃１の切り込み深さは、図７(ａ)のII部を拡大した図７(ｂ)に示すように、切削刃１に作用する押圧力と掃出力との合力が均衡する位置である最弱境界部分２４ａに沿って変化する。従って、例えば測定対象物２０の最弱境界部分２４ａに凹凸がある場合や、最弱境界部分２４ａの形状が非定常の場合、最弱境界部分２４ａが判然としない場合でも、最弱境界部分２４ａに沿って切削刃１を移動させることができ、最弱境界部分２４ａの破壊強度を正確に測定することができる。
【００４４】
上記の破壊強度測定方法によれば、測定対象物２０の最弱境界部分２４ａの位置を迅速且つ正確に検知でき、その最弱境界部分２４ａに沿って切削刃１を移動させることができる。そして、切削刃１の刃先２を下層２２と焼結体２１との界面まで切り込ませた後に、押圧力を漸次低減させて切削刃１が上昇を開始する押圧力に保持するだけでよく、押圧力の調整が容易であり、複雑な制御が不要で、簡単に実施することができる。
【００４５】
そして、測定対象物２０のような例えば多孔質セラミックス材料などの脆性材料で且つ多孔質な材質のものについては、従来はテープ剥離試験等の定性的な測定しかできなかったが、本方法によれば、切削刃１を最弱境界部分２４ａに沿って移動させて最弱境界部分２４ａの破壊強度を正確に測定することができるので、脆性材料や多孔質な材質のものであっても、その母材強度や、同一材料間又は異種材料間の接合強度を定量的に測定することができる。
【００４６】
以上、本発明の第１及び第２実施の形態について図を用いて詳述したが、具体的な構成は上述の各実施の形態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における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【００４７】
例えば、第１及び第２実施の形態では、切削刃１を移動させた場合を例に説明したが、切削刃１を固定して測定対象物１０、２０を移動させてもよく、また、切削刃１と測定対象物１０、２０の両方を相対的に移動させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】第１実施の形態の破壊強度測定方法を模式的に示す図。
【図２】第１実施の形態の破壊強度測定方法を説明するフローチャート。
【図３】切削刃に作用する力を説明する図。
【図４】第２実施の形態の破壊強度測定方法を模式的に示す図。
【図５】図４のＩ部拡大図。
【図６】第２実施の形態の破壊強度測定方法を説明するフローチャート。
【図７】切り込み深さの変化を示すグラフ。
【符号の説明】
【００４９】
１  切削刃
２  刃先
１０  測定対象物(積層構造体)
１１  上層
１２  下層
１３  最弱境界部分
２０  測定対象物（積層構造体）
２１  焼結体
２２  下層
２３  上層
２４  境界層
２４ａ  最弱境界部分
【図１】
2010002279.tif 000003
【図２】
2010002279.tif 000004
【図３】
2010002279.tif 000005
【図４】
2010002279.tif 000006
【図５】
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【図６】
2010002279.tif 000008
【図７】
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