(57)【要約】本発明は、固体粒子が混ぜられたガス流れによって試験体表面の引掻抵抗性を調べるデバイスに関している。かかるデバイスは、試験される表面を備えた試験体ホルダー（２）に向かってガス流れを導く少なくとも１つのパイプ（１）を有して成る。ガスを流すために、パイプの入口にベンチレーターまたはパイプの出口に吸引デバイス（３）を設けている。また、ガス流れに固体粒子を供給するために、供給デバイス（７）をパイプの入口またはパイプの下流側に設けている。パイプはパイプの出口領域においてある角度で曲げられている。パイプの曲がり部には、パイプ（１）に対して取外しできるように試験体ホルダー（２）が接続される開口部（６）を設けている。または、そのような開口部（６）の代わりに、パイプの曲がり部の内側に試験体ホルダー（２）が設けられてもよい。開口部に設けられた試験体ホルダー、または、パイプの内側に配置された試験体ホルダーは、そのような試験体ホルダーに向かってガス流れが導かれるように配置されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体粒子が混ぜられたガス・ストリームによって、試験体の表面の引掻抵抗性を調べるデバイスであって、
調べる対象の表面を有する試験体ホルダー（２）上にガス・ストリームを導く取替え可能なパイプ（１）を少なくとも有して成り、
それによって、ガス・ストリームが生じるように、パイプの入口にブロアーまたはパイプの出口に吸引デバイス（３）が設けられ、また
ガス・ストリームに加えられる固体粒子が計量されるようにパイプの入口またはパイプ（１）の下流側に計量デバイス（７）が設けられたデバイスであって、
パイプ（１）がその出口領域においてある角度で曲げられており、また、
パイプの曲がり部に開口部（６）がその角度で設けられ、そのパイプ（１）の開口部（６）に試験体ホルダー（２）が取外し可能にて接続され、ガス・ストリームが試験体ホルダー（２）に導かれるように試験体ホルダー（２）が開口部に設けられるか、または
そのような開口部（６）を設ける代わりに、パイプの曲がり部の内側に試験体ホルダー（２）がパイプの曲がり角度で設けられ、ガス・ストリームが試験体ホルダーに導かれるように試験体ホルダー（２）がパイプの内側に配置される
ことを特徴とするデバイス。
【請求項２】
開口部（６）が存在する領域のパイプ（１）の曲がり角度が、５°〜９０°であることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
パイプ（１）の直径と、計量デバイス（７）と開口部（６）との間のパイプ（１）の長さとが、１：５〜１：１００の比、好ましくは１：２０〜１：３０の比であることを特徴とする、請求項１または２に記載のデバイス。
【請求項４】
パイプ（１）の断面は、四角形であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のデバイス。
【請求項５】
流速を制御するコントロール・バルブ（５）がパイプ（１）に設けられていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のデバイス。
【請求項６】
固体粒子が混ぜられたガス・ストリームの流速を、１ｍ／ｓ〜１００ｍ／ｓ、好ましくは５ｍ／ｓ〜５０ｍ／ｓの範囲内に制御できることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のデバイス。
【請求項７】
粒子サイズは、１０μｍ〜２０００μｍであることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載のデバイス。
【請求項８】
固体粒子の密度は、５００ｋｇ／ｍ３〜２２０００ｋｇ／ｍ３、好ましくは１０００ｋｇ／ｍ３〜１００００ｋｇ／ｍ３であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載のデバイス。
【請求項９】
ガス・ストリーム内に含まれる固体粒子の量は、０．１ｇ／ｍ３〜５００ｇ／ｍ３であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、表面の引掻抵抗性（ｓｃｒａｔｃｈ  ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を調べるデバイスに関する。引掻抵抗性は、固体粒子が混ぜられたガス・ストリームを、調べる対象の表面へと流すことによって調べられる。特に、本発明のデバイスは、実際と同様の条件下で、空気ストリーム中に存在するほこり又は空気中の砂等の粒子が自動車に作用することに起因する引掻プロセスをシミュレート（または模倣）することができる。
【０００２】
表面の引掻抵抗性を調べる種々の方法は、ある場合では標準化されており、従来技術として既知である。このような方法の一般的な特徴としては、接触を伴う相対的な運動を伴って、幾つかの接触点を有する非常に硬い固体（例えば、ばらばらの状態の粒子もしくは結合した状態の粒子）又は単一の接触点を有する非常に硬い固体（例えばダイヤモンドの先端）で試験体の表面をスクラッチしている（または傷付けている）。そのような方法は、一般的に表面をスクラッチした後に、表面の光学的および／または立体的な特性を調べている。それは、例えば、ヘーズ（ｏｐｔｉｃａｌ  ｈａｚｅ）もしくは光沢を測定することによって実施され、または、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡もしくは原子間力顕微鏡を用いた測定によって実施される。
【０００３】
引掻抵抗性を調べる標準的な方法に落散法（ｓａｎｄ−ｔｒｉｃｋｌｉｎｇ  ｍｅｔｈｏｄ）がある（ＤＩＮ５２３４８）。落砂法では、垂直に取り付けたパイプを通して特定の標準的な砂を１６５０ｍｍの高さから落とすことによって試験体の表面をスクラッチしている。この方法では、砂の量が３ｋｇと決められている。砂の衝撃速度は、（空気との摩擦に関係なく）落とされる高さから直接的に求められるものであり、５．６９ｍ／ｓである。しかしながら、空気ストリーム中の砂（空気で運ばれた砂）又はほこり等の粒子に起因する自動車パーツ（または乗り物のパーツ）の表面の摩耗量をシミュレートすることについては、落砂法では衝撃速度が遅すぎる。空気ストリーム中の粒子の衝撃速度は、約３０ｋｍ／ｈ〜２００ｋｍ／ｈ、即ち、８．３３ｍ／ｓ〜５５．５６ｍ／ｓであることが通常である。
【０００４】
別の標準的な試験方法は、テーバー摩耗試験と呼ばれる摩耗輪法である（ＤＩＮ５２３４７）。テーバー摩耗試験では、相互に反対方向に回転する２つの摩耗輪を用いることによって、摩耗試験装置の回転プレートに配置された試験体表面をこするように摩耗させる。テレダイン・テーバー社（Ｔｅｌｅｄｙｅ  Ｔａｂｅｒ（米国））によって製造された摩耗輪（型式：ＣＳ１０Ｆ）では、ゴムに一定の細かい研磨材が組み込まれている。テーバー摩耗試験では、空気中の砂又はほこり等の粒子に起因して空気ストリーム中の自動車パーツ表面が摩耗される量をシミュレートするには、摩耗媒体が試験体に及ぼす接触圧力（ｃｏｎｔａｃｔ−ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｆｏｒｃｅ）が２．７Ｎ〜５．３Ｎとなり、自動車に対しては大きくなりすぎるので不利益である。なお、モデルに基づいた見積もりでは、空気ストリーム中の粒子の接触圧力は約０．５Ｎである。更に、この接触圧力は、僅か１μｓ未満の間で生じるものである。
【０００５】
ジェイ・オイル・カラー・ケム・アソシン（Ｊ．Ｏｉｌ  Ｃｏｌｏｕｒ  Ｃｈｅｍ．  Ａｓｓｏｃｎ．（１９２８年））第１１巻の第２３０頁〜第２５９頁（イー・ダブリュ・ジェイ・マードレス（Ｅ．Ｗ．Ｊ．Ｍａｒｄｌｅｓ））、およびサーフェイス・アンド・コーティングス・テクノロジー（Ｓｕｒｆａｃｅ  ａｎｄ  Ｃｏａｔｉｎｇｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、（１９９５年））第７１（１）巻の第１頁〜第８頁（アイ・エム・ハッチングス（Ｉ．Ｍ．Ｈｕｔｃｈｉｎｇｓ））には、空気ストリームを用いて摩耗粒子を試験体表面に衝突させる方法が記載されている。この方法では、摩耗媒体と試験体表面との間で７７ｍ／ｓ未満という比較的高い相対速度が生じるものの、入射する流れの角度を変えることができないという不利益な点を有している。ＡＳＴＭ  Ｇ７６−９５およびオノーム（ＯＥＯＲＭ）Ｍ８１２６という標準規格に記載されている方法であっても、粒子のストリームについては同様であり、粒子のストリームが速い速度で表面に導かれる。しかしながら、これら全ての方法に共通の特徴としては、試験体表面にガス粒子ストリームを導くノズルパイプ等の出口が、空間中に保持される試験体からは離隔していることである。つまり、ガス粒子ストリームは、ノズルパイプの出口と試験体表面との間では自由に流れることになり、その結果、試験体表面の領域において渦流現象（または旋回流現象）および乱流現象が生じてしまう場合がある。従って、一定の流れを得ることができず、結果的に、試験体表面において再現性のあるスクラッチ量（または引掻量）を得ることができない。
【０００６】
本発明の目的は、表面の引掻抵抗性を調べるデバイスであって、上述のような不利益を伴わないデバイスを提供することである。
【０００７】
そのような目的は、請求項１に記載された特徴を有する本発明によって達成される。
【０００８】
本発明は、
固体粒子が混ぜられたガス・ストリーム（またはガス流れ）によって、試験体の表面の引掻抵抗性を調べるデバイスであって、
調べる対象の表面を有する試験体ホルダー上にガス・ストリームを導く取替え可能なパイプを少なくとも有して成り、
ガス・ストリームが生じるように、パイプの入口にブロアーまたはパイプの出口に吸引デバイスが設けられ、また
ガス・ストリームに加えられる固体粒子が計量されるようにパイプの入口またはパイプの下流側に計量デバイスが設けられたデバイスであって、
パイプがその出口領域においてある角度で曲げられており、また、
パイプの曲がり部に開口部がその角度で設けられ、そのパイプの開口部に試験体ホルダーが取外し可能にて接続され、ガス・ストリームが試験体ホルダーに導かれるように試験体ホルダーが開口部に設けられるか、または
そのような開口部を設ける代わりに、パイプの曲がり部の内側に試験体ホルダーがパイプの曲がり角度で設けられ、ガス・ストリームが試験体ホルダーに導かれるように試験体ホルダーがパイプの内側に配置される
ことを特徴とするデバイスを提供する。
【０００９】
試験体ホルダーは、パイプの曲がり部において試験体表面がパイプの曲がり角度で設けられるように（即ち、流れ方向に関して曲がり部の下流側になるように）、側方開口部に試験体表面を取り付ける機能を有している。側方開口部は、調べる対象の表面を備えた試験体ホルダー上にガス・ストリームが導かれるように配置されている。別法において、粒子を含んだガス・ストリームが試験体ホルダーへと導かれるように、試験体ホルダーをパイプの内側に設けてもよい。その場合、パイプの曲がり角度で開口部を設けなくてよい。
【００１０】
試験体ホルダーは、調べる対象の表面が設けられるようなプレート状ホルダーもしくはブロック状ホルダーであってよく、または、試験体表面をパイプ開口部に押し当てるようなプレート状ホルダーもしくはブロック状ホルダーであってもよい。従って、試験体ホルダーはパイプに取外し可能な状態で接続されることになる。例えば、試験体ホルダーは、ねじ込み式接続もしくはクランプ連結によって固定してよく、または、スプリングによって圧力もしくは引張力で固定してもよい。このようにすると、試験体ホルダーを開口部に繰り返して取り付けることが可能となる。ガス・ストリームを生じる吸引デバイスを利用する場合、吸引力を適宜変更することによって試験体ピースを開口部に取り付けるのに十分な吸引力を供することが可能となるので、その場合は付加的な取付手段を用いなくてもよい。
【００１１】
固体粒子が混ぜられたガス・ストリームを流すパイプは交換することができる。即ち、そのようなパイプは、デバイスの他の要素（特に、計量デバイス、試験体ホルダーおよび吸引デバイスまたはガス・ストリームを発生させる機能を有する同様な要素）に対して取外しできるように接続される。そのため、簡単な操作によって、異なるパイプに交換して異なる角度を供することができる。このようにして、調べられる試験体表面に対して入射する流れの角度を変更することができる。パイプの曲がり角度、従って、流れ角度（即ち、試験体表面に対して入射する流れの角度）は、好ましくは５°〜９０°である。
【００１２】
パイプ（１）の断面は、どのような形状であってもよい。しかしながら、パイプ（１）の断面は四角形（または正方形）であることが好ましい。パイプの直径は、パイプの全長にわたって実質的に一定となっている。できるだけ均一に表面をスクラッチするために、つまり、再現性を高めるために、一様な流れ特性を形成する必要がある。そのため、パイプの直径とパイプの長さとの比が重要であり、計量デバイスと開口部との間のパイプ長さ又は計量デバイスと試験体表面を有する試験ホルダーとの間のパイプ長さが重要である。つまり、パイプの直径と当該パイプ長さ（計量デバイスと開口部との間のパイプ長さ又は計量デバイスと試験体表面を有する試験ホルダーとの間のパイプ長さ）との比が、１：５〜１：１００であることが好ましく、１：２０〜１：３０であることが特に好ましい。パイプ断面が正方形の場合は、パイプの直径がパイプのエッジ長さに相当することが理解されよう。特にパイプの断面を四角形にすることによって、断面の変化を回避することができ、従って、曲がり部領域（即ち、試験体表面の領域）での局所的な速度変化を回避することができる。
【００１３】
本発明の際立った特徴は、パイプの曲がり部領域に設けられた側方開口部に試験体ホルダーを取り付けて、開口部を完全にカバーしてしまうことである。パイプの入口および出口に存在する開口部を除いて（適当な場合は、ガス・ストリーム内に加えられる固体粒子を計量するための付加的な開口部も除いて）、パイプは結果的には閉鎖される。従って、調べられる試験体表面が、パイプ内部の方に向いているので周囲の環境から保護される。パイプが試験体に接続されておらず、それから離隔するように試験体に向くように設けられていると、ガス・ストリームは、パイプ出口と試験体との間で自由に流れることになってしまう。その場合、ガス・ストリームの流れプロファイルは、パイプから排出されると歪められるので、試験体表面の領域にスワール流（または渦流もしくは旋回流）が生じ、結果的には、試験体表面が不均一にスクラッチされることになる。
【００１４】
コンプレッサーもしくはブロアー等で昇圧することによって、または、真空ポンプもしくはアスピレーター等で減圧することによって、ガス・ストリーム（例えば空気ストリーム）を形成する。固体粒子は、制御して又は制御せずにガス・ストリームに加えることができる。なお、制御することによって一定の時間幅で固体粒子をガス・ストリームに加えることが好ましい。これは、例えば、重力測定法を用いて制御する計量デバイスによって行ってもよい。しかし、別法にて、砂時計の原理で操作される漏斗を計量デバイスとして用いてもよい。制御バルブが、流速を制御するためにパイプに取り付けられる。固体粒子が混ぜられたガス・ストリームの流速は、好ましくは１ｍ／ｓ〜１００ｍ／ｓの範囲内となるように制御することができ、特に好ましくは５ｍ／ｓ〜５０ｍ／ｓの範囲内となるように制御することができる。ガス・ストリームを形成する吸引デバイスまたはブロアーを適切に選択することによって、流速をより速くすることができる。
【００１５】
デバイスは、例えば、ガラス、金属、セラミックまたは合成材料（例えばラッカー）から成る表面に対して試験するのに適している。なお、ガラス、金属、セラミックまたは合成材料（例えばラッカー）等の材料は、試験の対象のコーティングが設けられる基板の材料として用いてもよい。
【００１６】
用いることが可能な粒子は、例えば、砂、金属または酸化金属等から成る粒状固体である。粒子サイズは１０μｍ〜２０００μｍであることが好ましい。固体粒子の密度は、好ましくは５００ｋｇ／ｍ３〜２２０００ｋｇ／ｍ３であり、特に好ましくは１０００ｋｇ／ｍ３〜１００００ｋｇ／ｍ３である。
【００１７】
通常、１ｇ〜１０ｇの重さの粒子が計量されてガス・ストリームに加えられることになる。しかしながら、粒子の種類または調べられる表面に応じて、より軽い又はより重い粒子を適宜用いてもよい。ガス・ストリーム内に含まれる固体粒子の量は、０．１ｋｇ／ｍ３〜５００ｋｇ／ｍ３であることが好ましい。
【００１８】
以下において、図１を参照することによって本発明をより詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明のデバイスの好ましい態様を模式的に示している。
【００２０】
アスピレーター３によって生じる空気ストリームは、３６ｍｍという内側エッジ長さを有する四角形状のパイプ内を流れる。垂直に配置されたパイプ１の上端部では、ある質量の砂等が漏斗７を介して供給されることになる。漏斗７は、開口部が４０°の角度を成して５０ｍｍの高さ及び２ｍｍの出口開口部を有している。漏斗は、パイプ１の入口開口部の上方においてスペーサーを用いて配置されており、その結果、側部において空気がパイプの開口部内へと流れることができるようになっている。スペーサーの高さを変えることによって、側方にて空気が供給されるギャップ幅（または高さ）を変更することができるので、空気の速度を変えることが可能となる。その結果、パイプの入口領域での空気ストリームの乱れによって、粒子と空気ストリームとの混合ができるだけ均一となるように最適化できる。
【００２１】
図１に示す態様において、垂直に配置されるパイプ１は、下端部にて４５°の角度を成す曲がり部を有しており、その曲がり部に開口部６が設けられている。開口部６は、５７ｍｍ×３４ｍｍのサイズを有しており、特に、四角形状パイプ１の外側となる曲がり部の下方（即ち、流れ方向に見て曲がり部の下流側に）に設けられる。試験体ホルダー２が、パイプの開口部６に取り付けられる。それゆえ、ガス・ストリームが試験体に導かれるように、試験体ホルダー２が角度を成して配置される。試験体ホルダー２は、特に、パイプ１に対して取外しできるように取り付けられる。図示される態様において、試験体ホルダー２はプレート状となっており、例えば、コイルバネ（または渦巻きバネ）によってパイプの開口部へと押圧される。このような構成では、試験体ホルダー２上の調べられる表面が、パイプ１内部の方向に向いており、その結果、開口部６では試験体ホルダー２に設けられた調べられる表面がパイプ内面を構成している。粒子が混ぜられた空気ストリームは、結果的に、試験体表面に対して４５°という一定の角度で流れることになる。パイプ１は、排気ホース８等に対して取外しできるように接続されている。特に、パイプ１は、ねじ込み式接続またはフランジ接続によって排気ホース８に連結されている。そのため、パイプ１を、異なる角度を有するパイプへと直接交換できるようになっている。垂直に配置されたパイプ部の長さ（即ち、計量デバイス７と開口部６との間のパイプ長さまたは計量デバイス７と試験体ホルダーとの間のパイプ長さ）は１ｍである。
【００２２】
流量（即ち、流速）は、制御バルブ５（図示される態様では排気ホース８に取り付けられている）によって制御される。アスピレーター３においては、サイクロンおよびフィルターが用いられているので、空気ストリームに混ぜられていた粒子が分離される。このようにして浄化されて排出される空気の流速は、熱式流量センサー４で記録されることになる。
【００２３】
実施例
図１に示すデバイスを用いることによって、バイエル（Ｂａｙｅｒ）製のマクロロン（Ｍａｋｒｏｌｏｎ（登録商標））というポリカーボネートから成る表面を有した試験体について表面の引掻抵抗性を調べた。表面に対しては耐引掻性コーティングを付加的に設けなかった。試験体は、厚さが２ｍｍで４０ｍｍ×６０ｍｍのサイズを有するものであった。パイプの開口部は、３４ｍｍ×５７ｍｍであり、試験体表面の面積に相当している。固体粒子として、１２５μｍ〜２５０μｍの粒子サイズ分布を有する珪砂を用いた。漏斗（開口部が４０°の角度を成して５０ｍｍの高さを有し、２ｍｍの出口開口部を有する）で計量して、１５００ｋｇ／ｍ３の密度を有する３．５ｇの珪砂を空気ストリームに加えた。漏斗からパイプへと珪砂を供給する（または落下させる）時間幅は、空気ストリームの選択される流速にもよるが、最大１５秒であった。この時間幅は、試験体表面が継続的に摩耗される量に相当する。
【００２４】
計量デバイスが設けられたパイプ入口開口部と試験体表面との間のパイプ長さは、１ｍであった。パイプの内側エッジの長さは３６ｍｍであった。入射させる流れ角度は４５°であった。空気ストリームは、アスピレーターによって発生させた。
【００２５】
いずれの場合であっても、試験の再現性を調べるために、入射流速を１０ｍ／ｓ、２０ｍ／ｓ、３０ｍ／ｓおよび４０ｍ／ｓとすることによって３つの試験体表面ついて試験した。空気ストリームに含まれる粒子の量は、１０ｍ／ｓでは１８ｇ／ｍ３、２０ｍ／ｓでは９ｇ／ｍ３、３０ｍ／ｓでは６ｇ／ｍ３、および４０ｍ／ｓでは４．５ｇ／ｍ３であった。
【００２６】
表面をスクラッチした後、標準的なＡＳＴＭ  Ｄ１０００３−９５に準じて、ハンターラボ（ＨｕｎｔｅｒＬａｂ）製のヘーズメーター（モデルＤ２５Ｄ２Ｐ）を用いてヘーズを測定した。この測定では、濁透明な試験体に平行な光の束（または光束）を透過させており、試験体に起因して広範に散乱する光の割合（全光量と比較した割合）を確認した。この測定に際しては、直径２５ｍｍを有する光の束を用いて、円形に切り取った試験体表面について調べた。
【００２７】
測定の結果を表１に示す。ヘーズ値（％）は、試験体に起因して広範に散乱した光の割合（光の全光量と比較した割合）に相当している。流速に対するヘーズの依存性が明確に理解できる。測定された値は非常に高い再現性を有している。相対標準偏差は、２．３％未満である。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
スリット（またはレンズ）によって直径を１０ｍｍと減少させた光束を散乱させることによって、試験体（４０ｍ／ｓの入射流れ速度および４５°の入射流れ角度でスクラッチさせた試験体）に対して更なるヘーズ測定を行い、散乱の均一性を調べた。この測定手法では、より小さく切り取られた試験体表面に光束を透過させることができるので、生じるヘーズ値がより小さくなった。
【００３０】
３４ｍｍ×５７ｍｍの試験体表面では、１２（３×４のマトリクス形態）の測定点でヘーズを測定した。測定された値を表２に示す。測定によって、調べた表面ではスクラッチの均一性が高いことが示された。相対標準偏差は１．８３％であった。
【００３１】
【表２】
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【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、本発明のデバイスの好ましい態様を模式的に示している。
【図１】
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【国際調査報告】
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