(57)【要約】【課題】シート、フィルム等の厚みの薄い試験対象についても、十分な精度により効率良く物性値を測定することができる押込試験方法及び押込試験装置を提供する。【解決手段】試料に圧子を押し込んで押込量及び押込荷重とを計測する押込試験方法において、第１のアクチュエータ１５により圧子と試料とを接近させる可動ステップと、第２のアクチュエータ１６により圧子を試料に押込みながら、押込量及び押込荷重を計測する押込ステップとを備える。第２のアクチュエータ１６が、第１のアクチュエータ１に比して細かなピッチにより可動可能なアクチュエータである。【選択図】図５
2014105998.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に圧子を押し込んで押込量及び押込荷重とを計測する押込試験方法において、
第１のアクチュエータにより前記圧子と前記試料とを接近させる可動ステップと、
第２のアクチュエータにより前記圧子を前記試料に押込みながら、前記押込量及び押込荷重を計測する押込ステップとを備え、
前記第２のアクチュエータが、前記第１のアクチュエータに比して細かなピッチにより可動可能なアクチュエータである
押込試験方法。
【請求項２】
前記第２のアクチュエータが、ボイスコイルモータによるアクチュエータである
請求項１に記載の押込試験方法。
【請求項３】
前記押込ステップで計測した前記押込量と前記押込荷重により前記試料の物性値を算出する物性値算出ステップを備える
請求項１又は請求項２に記載の押込試験方法。
【請求項４】
前記物性値が、ヤング率である
請求項３に記載の押込試験方法。
【請求項５】
試料に圧子を押し込んで押込量及び押込荷重とを計測する押込試験装置において、
前記押込量を検出する押込量検出部と、
前記圧子による押込荷重を計測する押込荷重計測部と、
前記圧子と前記試料とを接近させる第１のアクチュエータと、
前記圧子を前記試料に押込む第２のアクチュエータとを備え、
前記第２のアクチュエータが、前記第１のアクチュエータに比して細かなピッチにより可動可能なアクチュエータである
押込試験装置。
【請求項６】
前記第２のアクチュエータが、ボイスコイルモータによるアクチュエータである
請求項５に記載の押込試験方法。
【請求項７】
前記押込量及び押込荷重から、前記試料のヤング率を算出するヤング率算出部を備える
請求項５又は請求項６に記載の押込試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、押込試験方法及び押込試験装置に関し、厚みの薄いシート、フィルム等についても十分な精度により物性値を測定できるようにするものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属等の各種の材料に関して変形等の物性値を調べる試験として引張試験が行われている。引張試験は、客観性を有する評価方法として一般的ではあるものの、試験片を作製することが必要であり、このため試験対象によっては適用が困難であった。
【０００３】
これに対して押込試験は、試験片を作製する必要が無いことから、低侵襲計測が可能である。
【０００４】
この押込試験に関して、従来からＨｅｒｔｚの弾性接触理論を適用できることが知られている（非特許文献１）。従って押込試験は、引張試験を適用できない試験対象についても、充分に物性値を計測することができる。
【０００５】
特許文献１には、このＨｅｒｔｚの弾性接触理論の拡張により、押圧により大きく変形する軟材料について、試験対象の厚みの影響を受けることなく、ヤング率を計測する方法が提案されている。また特許文献２には、押込試験により粘弾性を計測する方法が提案されている。またさらに特許文献３には、筋肉等の生体組織に関して、その物性値を計測する方法が提案されている。
【０００６】
ここで押込試験は、試料に圧子を押圧して試料の物性値を計測するものである。このような押圧の機構に関して、特許文献４には、加工装置に関して、周波数特性の異なる２種類のアクチュエータを同時並列的に使用して広い周波数帯域で一定の荷重を印加する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ２０１０／０８４８４０号パンフレット
【特許文献２】特開２０１１−１３７６６７号公報
【特許文献３】特開２０１１−２５７３２１号公報
【特許文献４】特許第４９６６３９４号公報
【０００８】
【非特許文献１】T.  Sawa,  Practical  Material  Mechanics,  (2007),  pp.258-279,  Nikkei  Business  Publications,  Inc.(in  Japanese)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで従来の押込試験では、シート、フィルム等の厚みの薄い試験対象については、十分な精度により物性値を測定できない問題があった。またこの種の試験では、当然に、効率良く試験できることが求められる。
【００１０】
本発明は、上述した問題点に留意してなされたものであり、シート、フィルム等の厚みの薄い試験対象についても、十分な精度により効率良く物性値を測定することができる押込試験方法及び押込試験装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（１）  試料に圧子を押し込んで押込量及び押込荷重とを計測する押込試験方法において、
第１のアクチュエータにより前記圧子と前記試料とを接近させる可動ステップと、
第２のアクチュエータにより前記圧子を前記試料に押込みながら、前記押込量及び押込荷重を計測する押込ステップとを備え、前記第２のアクチュエータが、前記第１のアクチュエータに比して細かなピッチにより可動可能なアクチュエータである。
【００１２】
（１）によれば、高速度で試料に球圧子を接近させた後、細かなピッチにより圧子を押込んで押込量及び押込荷重を計測することができ、これにより押込みに伴う押込荷重の増加が顕著になる場合であっても、短時間で、十分な精度により物性値を計測することができる。従ってシート、フィルム等の厚みの薄い試験対象についても、精度良く、効率良く物性値を計測することができる。
【００１３】
（２）  （１）において、前記第２のアクチュエータが、ボイスコイルモータによるアクチュエータであるようにする。
【００１４】
（２）によれば、より具体的な構成により、シート、フィルム等の厚みの薄い試験対象についても、効率良く、精度良く物性値を計測することができる。
【００１５】
（３）  （１）又は（２）において、前記押込ステップで計測した前記押込量と前記押込荷重により前記試料の物性値を算出する物性値算出ステップを備える。
【００１６】
（３）によれば、押込量及び押込荷重を別途処理することなく物性値を算出することができる。
【００１７】
（４）  （３）において、前記物性値が、ヤング率である。
【００１８】
（４）によれば、ヤング率による物性値を計測することができる。
【００１９】
（５）  試料に圧子を押し込んで押込量及び押込荷重とを計測する押込試験装置において、
前記押込量を検出する押込量検出部と、
前記圧子による押込荷重を計測する押込荷重計測部と、
前記圧子と前記試料とを接近させる第１のアクチュエータと、
前記圧子を前記試料に押込む第２のアクチュエータとを備え、
前記第２のアクチュエータが、前記第１のアクチュエータに比して細かなピッチにより可動可能なアクチュエータである。
【００２０】
（５）によれば、高速度で試料に球圧子を接近させた後、細かなピッチにより圧子を押込んで押込量及び押込荷重を計測することができ、これにより押込みに伴う押込荷重の増加が顕著になる場合であっても、短時間で、十分に物性値を計測することができる。従ってシート、フィルム等の厚みの薄い試験対象についても、精度良く、効率良く物性値を計測することができる。
【００２１】
（６）  （５）において、前記第２のアクチュエータが、ボイスコイルモータによるアクチュエータである。
【００２２】
（６）によれば、より具体的な構成により、シート、フィルム等の厚みの薄い試験対象についても、精度良く物性値を計測することができる。
【００２３】
（７）  （５）又は（６）において、前記押込量及び押込荷重から、前記試料のヤング率を算出するヤング率算出部を備える。
【００２４】
（７）によれば、ヤング率による物性値を計測することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、シート、フィルム等の厚みの薄い試験対象についても、十分な精度により効率良く物性値を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る物性値の評価方法の説明に供する図である。
【図２】押込量と押込荷重との関係を示す特性曲線図である。
【図３】球圧子が試料に接触するまでに距離を有する場合の特性曲線図である。
【図４】粗動用垂直アクチュエータ及び微動用垂直アクチュエータの構成に係る本体部の構成を示す側面図である。
【図５】押込試験装置の全体構成を示す図である。
【図６】制御部の処理手順の説明に供する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２８】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る評価方法の説明に供する図である。半無限体試料１に対して十分に硬い球圧子２を押込む場合、球圧子２の押込に係る押込荷重Ｆと押込量δとの関係は、Ｈｅｒｔｚの弾性接触理論によって次式により表される。
【００２９】
【数１】
2014105998.tif 000003
【数２】
2014105998.tif 000004
【００３０】
ここでφは球圧子２の直径、Ｅは試料１のヤング率、νは試料１のポアソン比である。またＡは係数であり、以下、適宜、柔さ係数と呼ぶ。
【００３１】
これにより押込量δを可変して押込荷重Ｆを計測すれば、図２に示すような特性曲線を得ることができる。従って例えば計測値（符号Ｘにより示す）を使用して最小二乗法等により柔さ係数Ａを求めることができ、またさらには（２）式を変形した次式によりヤング率Ｅを求めることができる。
【００３２】
【数３】
2014105998.tif 000005
【００３３】
なお試料１に向けて球圧子２の押込を開始した後、実際に球圧子２が試料１に接触するまでに距離を有する場合、図２に示す特性曲線に代えて、図３に示す特性曲線が得られる。従ってこの場合、球圧子２が試料１に接触する時点での押込量δ０を押込量δより減算することにより、押込量δを補正して柔さ係数Ａ、ヤング率Ｅを求めることができる。
【００３４】
しかしながら試料１の厚みが薄くなると、押込みに伴う押込荷重の増加が顕著になり、Ｈｅｒｔｚの弾性接触理論による（１）式を精度良く適用できなくなる。この場合、次式の適用により、押込荷重Ｆと押込量δとの関係を精度良く表現することができる。
【００３５】
【数４】
2014105998.tif 000006
【００３６】
ここでＢは、試料の薄さが荷重へ与える影響を表す係数である。従ってこのように厚みの薄い試料でも、（１）式及び（２）式について上述したと同様に、押込荷重Ｆと押込量δとの測定結果より荷重への影響を表す係数Ｂを求め、柔さ係数Ａ、ヤング率Ｅを求めることができる。
【００３７】
ところでこの実施形態では、このように試料に球圧子２を押込んで押込荷重Ｆと押込量δとを計測して試料の物性値を計測することにより、押込荷重Ｆと押込量δとを精度良く計測することが必要になる。特に試料の厚みが薄い場合には、少しの押込量δで押込荷重Ｆが大きく変化することにより、押込量δを精度良く微少量づつ可変して計測することが必要になる。
【００３８】
このためには高い分解能により押込量δを制御、計測することが必要になる。しかしながら単純に押込量δを微小量づつ可変して計測したのでは、図３について上述したように、試料１に向けて球圧子２の押込を開始した後、実際に球圧子２が試料１に接触するまでに距離を有する場合、計測に無駄な時間を要することになり、効率が著しく劣化することになる。
【００３９】
そこでこの実施形態では、粗動用のアクチュエータである粗動用垂直アクチュエータ（第１のアクチュエータ）と、微動用のアクチュエータであり、粗動用垂直アクチュエータに比して細かなピッチにより可動可能な微動用垂直アクチュエータ（第２のアクチュエータ）とによる２種類のアクチュエータにより球圧子２を可動できるように構成し、この２種類のアクチュエータの駆動を切り換えて押込試験を実行する。
【００４０】
すなわち図４は、この実施形態に係る押込試験装置における本体部を示す図である。この本体部１１は、試料１を載置するテーブル１２が設けられ、テーブル１２の上方に球圧子２を保持するようにアーム１３が設けられる。本体部１１は、水平アクチュエータ１４がアーム１３に設けられ、矢印Ａにより示すように、この水平アクチュエータ１４によりテーブル１２の面内方向（Ｘ、Ｙ方向である）に球圧子２を可動させる。これにより押込試験装置は、この水平アクチュエータ１４の駆動により球圧子２を水平方向に移動させて、試料１の種々の箇所を試験できるように構成される。
【００４１】
本体部１１は、さらに粗動用垂直アクチュエータ１５、微動用垂直アクチュエータ１６を順次介して、矢印Ｂにより示すように上下方向に可動可能にステージ１７が設けられる。またこのステージ１７に、ロードセル１８、荷重軸１９を順次介して球圧子２が設けられる。ここで粗動用垂直アクチュエータ１５は、例えばボールナットによる可動機構であり、モータを回転させてステージ１７を高速に上下方向に可動可能に構成される。これに対して微動用垂直アクチュエータ１６は、例えばボイスコイルモータにより構成され、ステージ１７を細かなピッチで精度良く上下方向に移動可能に構成される。なおこの実施形態において、微動用垂直アクチュエータ１６は、十分な長さによりヨークが構成され、これにより垂直方向に十分な可動距離を確保できるように構成される。これらにより押込試験装置は、矢印Ｃにより示すように、粗動用垂直アクチュエータ１５により球圧子２を高速度で試料１に接近させた後、微動用垂直アクチュエータ１６の駆動により細かなピッチで精度良く試料１に押込むことができるように構成される。また押込による押込荷重をロードセル１８により検出できるように構成される。
【００４２】
図５は、押込試験装置の全体構成を示す図である。さらに本体部１１は、球圧子２の水平方向の位置検出用に水平位置検出部２１が設けられる。なお水平位置検出部２１は、例えばポテンションメータと、このポテンションメータの駆動に供する周辺回路とにより構成される。また本体部１１は、粗動用垂直アクチュエータ１５による球圧子２の垂直方向の位置検出用に粗動用垂直位置検出部２２が設けられる。ここで粗動用垂直位置検出部２２は、例えばポテンションメータと、このポテンションメータの駆動に供する周辺回路とにより構成される。また本体部１１は、微動用垂直アクチュエータ１６による球圧子２の垂直方向の位置検出用に微動用垂直位置検出部２３が設けられる。ここで微動用垂直位置検出部２３は、例えばレーザーを使用した光学的な位置検出機構により構成され、これにより高い精度で押込量を計測できるように構成され、またこの位置検出機構による検出結果に基づいた制御により高精度かつ細かなピッチで押込量を制御できるように構成される。
【００４３】
押込試験装置３１は、本体部１１を制御部３２に接続して構成される。ここで制御部３２は、本体部１１の動作を制御すると共に、本体部１１による計測結果を処理する部位である。制御部３２は、例えばコンピュータにより構成され、この押込試験装置３１に係るプログラムの実行により図５に示す各機能ブロックが構成される。
【００４４】
制御部３２において、押込開始位置制御部３３は、粗動用垂直アクチュエータ１５の駆動に供する機能ブロックであり、この実施形態ではオペレータの操作により粗動用垂直アクチュエータ１５を可動して試料１に球圧子２が接触する直前まで球圧子２を試料１に接近させて停止させた後、粗動用垂直アクチュエータ１５を当該停止位置に保持する。なおこの球圧子２が接触する直前の、粗動用垂直アクチュエータ１５の駆動を停止するタイミングにあっては、事前に球圧子２を上下させてロードセル１８により押込荷重を計測して自動的に求めるようにしてもよく、さらにはオペレータによる試料厚み等の入力により設定してもよい。
【００４５】
押込量制御部３４は、微動用垂直アクチュエータ１６の駆動に供する機能ブロックであり、押込開始位置制御部３３により試料１に接触する直前に保持された球圧子２を試料１に押し込む。なおこの押込にあっては、例えば微動用垂直位置検出部２３より押込量をモニタしながら、オペレータにより設定されたピッチにより、さらには事前に入力された試料の厚みに応じたピッチにより実行される。
【００４６】
係数算出部３５は、微動用垂直位置検出部２３で検出される押込量と、ロードセル１８により検出される荷重とにより、柔さ係数Ａ、試料の薄さが荷重へ与える影響を表す係数Ｂを算出し、ヤング率算出部３６は、この係数算出部３５の算出結果を使用してヤング率Ｅを計算する。記憶装置部３７は、この計算したヤング率Ｅを、測定した押込量、押込荷重等と共に記録して保持する。なお制御部３２は、これらの機能ブロックの他に、オペレータの入力を受け付ける機能ブロック、水平アクチュエータ１４を駆動する機能ブロック等が構成される。
【００４７】
図６は、これらの機能ブロックによる制御部３２の処理手順を示すフローチャートである。押込試験装置３１においては、押込試験装置に係る処理プログラムの開始によりオペレータから計測位置等の設定を受け付け、水平アクチュエータ１４等を可動する（ステップＳＰ１、ＳＰ２）。また続いてオペレータによる測定開始の指示により、粗動用垂直アクチュエータ１５を駆動し、球圧子２を試料１の表面近傍に移動させる（ステップＳＰ３、ＳＰ４）。続いて微動用垂直アクチュエータ１６により球圧子２を一定のピッチで試料１に押込ながらロードセル１８により押込荷重を計測し（ステップＳＰ５）、この押込荷重の計測結果と、対応する押込量とから係数Ａ、Ｂを算出し（ステップＳＰ６）、この算出した係数Ａ、Ｂを使用して所定押込量におけるヤング率を計算する（ステップＳＰ７）。
【００４８】
以上の構成によれば、第１のアクチュエータである粗動用垂直アクチュエータと、これより細かなピッチにより可動可能な第２のアクチュエータである微動用垂直アクチュエータとによる２種類のアクチュエータにより球圧子２を可動できるように構成し、この２種類のアクチュエータの駆動を切り換えて押込試験を実行することにより、押込みに伴う押込荷重の増加が顕著になる場合であっても、短時間で、十分に物性値を計測することができる。これによりシート、フィルム等の厚みの薄い試験対象についても、精度良く、かつ効率良く物性値を計測することができる。
【００４９】
またこの第２のアクチュエータが、ボイスコイルモータによるアクチュエータであることにより、より具体的な構成により、シート、フィルム等の厚みの薄い試験対象についても、精度良く物性値を計測することができる。
【００５０】
また計測した押込量と押込荷重により試料の物性値を算出する物性値算出ステップを設けることにより、押込量及び押込荷重を別途処理することなく物性値を算出することができる。
【００５１】
またさらにこの物性値が、ヤング率であることにより、ヤング率による物性値を計測することができる。
【００５２】
〔他の実施形態〕
以上、本発明の実施に好適な具体的な構成を詳述したが、本発明は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上述の実施形態の構成を種々に変更することができる。
【００５３】
すなわち上述の実施形態では、押込量と押込荷重とによりヤング率を求める場合について述べたが、本発明はこれに限らず、圧子の押込により例えば粘弾性を測定する場合等に広く適用して測定に要する時間を短縮し、さらには測定精度を向上することができる。
【００５４】
また上述の実施形態では、第１アクチュエータにより試料の近傍にまで球圧子を接近させる場合について述べたが、本発明はこれに限らず、第１のアクチュエータと共に第２のアクチュエータを使用して試料の近傍に球圧子を接近させるようにしてもよい。
【００５５】
また上述の実施形態では、試料に対して球圧子を可動させる場合について述べたが、本発明はこれに限らず、要は試料と球圧子とを接近させて、試料に球圧子を押込めば良く、これにより第１及び又は第２のアクチュエータでテーブル側を可動させるようにしてもよい。
【００５６】
また上述の実施形態では、試料をテーブルの上に載置するとの前提により、第１及び第２のアクチュエータにより球圧子を上下方向に可動する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、水平方向に可動して押込試験する場合にも広く適用することができる。
【００５７】
また上述の実施形態では、球状の圧子である球圧子を使用して押込試験する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、円柱形状による圧子を使用する場合等、種々の形状による圧子を使用した押込試験に広く適用することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１  試料
２  球圧子
１１  本体部
１２  テーブル
１３  アーム
１４  水平アクチュエータ
１５  粗動用垂直アクチュエータ
１６  微動用垂直アクチュエータ
１７  ステージ
１８  ロードセル
１９  荷重軸
２１  水平位置検出部
２２  粗動用垂直位置検出部
２３  微動用垂直位置検出部
３１  押込試験装置
３２  制御部
３３  押込開始位置制御部
３４  押込量制御部
３５  係数算出部
３６  ヤング率算出部
【図１】
2014105998.tif 000007
【図２】
2014105998.tif 000008
【図３】
2014105998.tif 000009
【図４】
2014105998.tif 000010
【図５】
2014105998.tif 000011
【図６】
2014105998.tif 000012