(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置（１）の柱（４）に据え付けられている圧子案内手段（６）が、
そこに配置されている圧子（３２）を有する圧子駆動手段（７）と、
前記試験用試料の表面に向かう及び該試料の表面から離れる前記圧子の運動感知手段（９）と、
を備え、
前記装置の基部（２）に配置されている試験用試料管理手段（８）が、
前記圧子（３２）と直交関係にある前記試験用試料（５６）の表面を含めてそこに前記試験用試料（５６）を確保する把持手段（１３）と、
前記圧子（３２）の先端が前記試験用試料（５６）の中へ同時に駆動される時、引掻き傷が前記フィルム又はコーティングの表面に作成されるように、前記圧子に接する方向に前記試験用試料を前後に動かす展開手段（１１）と、
を備え、
前記圧子駆動手段が、
前記柱（４）のアーム（５）に固定されている静止ブラケット（１４）と、
移動可能なブラケット（２０）に単一の自由度を与える第１たわみ手段（２２）を介して前記静止ブラケット（１４）に柔軟に連結されている前記移動可能なブラケット（２０）に動きを与えるための前記静止ブラケット（１４）に固定された電圧印加手段（１６）と、
前記電圧印加手段（１６）が電圧を印加されると、前記移動可能なブラケット（２０）及びそこに配置されている前記圧子（３２）を有する圧子把持体（２８）が前記試験用試料（５６）の表面に直交する方向にのみ運動するように、圧子把持体（２８）に単一の自由度を与える第２たわみ手段（３０）を介して前記移動可能なブラケット（２０）に柔軟に連結されている圧子把持体（２８）と、
を備えることを特徴とする試験用試料（５６）の表面損傷抵抗を測定する装置（１）。
【請求項２】
前記試験用試料管理手段（８）は、さらに、前記圧子による前記試験用試料の引掻きの間前記試験用試料が経験する接線力を測定する第３感知手段（５１）を備えて成ることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
ソフトウェアプログラムに従って前記圧子（３２）及び前記試験用試料（５６）の動きを制御するために、前記圧子案内手段（６）及び前記試験用試料管理手段（８）への及び該手段からの入出力信号を調整する手段（１２Ａ）と、
前記試験用試料の表面の引掻きから生ずる加工可能なデータを作成する手段と、
前記加工可能なデータを格納する手段と、
前記加工可能なデータを目に見えるすなわちグラフの形で表示する手段と、
から成るコンピュータ手段（１０）をさらに備えて成ることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記加工可能なデータは、
表面が前記先端に引掻かれる前に前記先端が前記試験用試料の表面に沿って前後に動かされる時生ずる引掻き前のプロフィールデータと、
前記先端が前記試験用試料の中へ駆動される時生ずる先端−変位プロフィールデータと、
前記先端が引掻き傷に沿って前後に動かされる時生ずる引掻き後のプロフィールデータと、
前記先端が前記試験用試料の中へ駆動される時生ずる垂直力プロフィールデータと、
を備えて成ることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記加工可能なデータは、さらに、前記試験用試料の引掻きの間に生ずる接線力プロフィールデータを備えることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記電圧印加手段（１６）は、低電圧の圧電トランスレータから成ることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記第１（２２）及び第２（３０）たわみ手段各々は、一対のダイアフラムバネから成ることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記第１たわみ手段（２２）は、前記移動可能なブラケット（２０）と前記静止ブラケット（１４）との両方の端部で連結されている一対のダイアフラムバネから成ることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記第２たわみ手段（３０）は、前記圧子把持体（２８）と前記移動可能なブラケット（２０）との両方の端部で連結されている一対のダイアフラムバネから成ることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１たわみ手段（２２）は、各対の前記ダイアフラムバネが他の対と１２０゜離れるように、前記移動可能なブラケット（２０）と前記静止ブラケット（１４）の３位置において半径方向に連結されている３対のダイアフラムバネから成ることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記圧子（３２）の前記運動感知手段（９）は、
前記試験用試料（５６）への前記圧子（３２）の圧入度を測定する第１感知手段（３４）と、
前記圧子（３２）が前記試験用試料（５６）へ圧入する時、前記試験用試料（５６）が経験する垂直力を測定する第２感知手段（３４）と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記第１感知手段（３４）は、
前記静止ブラケット（１４）に固定されている支柱（３８）に据え付けられている静止第１感知要素と、
前記圧子把持体（２８）に固定されている移動可能な第２感知要素と、
を備えることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記静止第１感知要素と前記移動可能な第１感知要素は、一対の静電容量型センサを形成していることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記第２感知手段（３６）は、
前記移動可能なブラケット（２０）に固定された静止第２感知要素と、
前記圧子把持体（２８）に固定された移動可能な第２感知要素と、
を備えることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１５】
前記静止第２感知要素と前記移動可能な第２感知要素は、一対の静電容量型センサを形成していることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記圧子（３２）の前記先端は、ダイアモンド、コランダム、トパーズ又は石英であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記コーティングは、自動車の車体、処方めがね、レンズ、木製支持体、プラスチック製支持体又は紙製支持体を覆って適用される透明コーティングであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
装置（１）の展開手段（１１）に前記試験用試料（５６）を確保し、
圧子（３２）の先端が前記試験用試料（５６）の表面と接触するように、前記試験用試料（５６）の露出された表面に直交する関係に圧子を配置し、
設定された方向であって前記圧子（３２）に接する方向に前記試験用試料（５６）を覆って前記先端を前後に動かすことにより、設定された距離に対して、前記試験用試料（５６）の表面を倣い、そこから生ずる引掻き前のプロフィールデータを格納し、
設定された速度で前記試験用試料の表面の中へ前記圧子（３２）の前記先端を駆動し、一方同時に、前記試験用試料（５６）の前記表面上に引掻き傷を作成するために、前記引掻き前のプロフィールデータを参照することにより得られる前記設定された距離に対して、前記設定された方向に設定された速度で前記圧子（３２）に接する方向に前記試験用試料（５６）を前後に動かし、そしてそこから生ずる先端−変位プロフィールデータを格納し、
前記設定された距離に対して前記設定された方向であって前記圧子（３２）に接する方向に引掻き傷を覆って前記先端を前後に動かすことにより前記試験用試料（５６）の表面上の引掻き傷を倣い、そこから生ずる引掻き後のプロフィールデータを格納し、
前記引掻き前、前記先端−変位及び引掻き後のプロフィールデータを加工可能なデータに処理し、
前記加工可能なデータを目に見えるすなわちグラフの形で表示し、
て成ることを特徴とする試験用試料（５６）の表面損傷抵抗を測定する方法。
【請求項１９】
表面を倣う前記ステップ及び表面の引掻き傷を倣う前記ステップは、
表面又は引掻き傷を変えることなくその輪郭を決定するのに十分なプロフィールレベルで前記先端が表面又は引掻き傷に触れる垂直力を設定し、
閉ループ制御システムからの連続フィードバックを利用することにより、表面を倣う前記ステップ及び表面の引掻き傷を倣う前記ステップの間、前記プロフィールレベルで前記垂直力を維持し、
て成ることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
さらに、
前記先端が前記試験用試料（５６）の中へ駆動される時前記試験用試料（５６）が経験する垂直力を測定し、そこから生ずる垂直力プロフィールデータを格納し、
前記試験用試料（５６）を前記引掻きの間前記試験用試料（５６）が経験する接線力を測定し、そこから生ずる接線力プロフィールデータを格納し、
前記加工可能なデータ内に前記垂直力プロフィールデータと接線力プロフィールデータをまとめ、
て成ることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の背景）
この発明は、概ね、フィルム及びコーティングの機械的性質を試験することに向けられている。より詳しくは、コーティングの表面損傷抵抗を試験すること及びそれに使用される試験装置に向けられている。
【０００２】
原則として、表面を傷つけるプロセスは、塗布された表面にストレスを誘発する動いている固体に塗布された表面が接触することにより引き起こされる。表面を傷つけるプロセスの一例は、ほこり、泥、車の洗浄中及び風雨にさらす行動中に表面を傷めることのような磨耗要素による損傷に典型的に曝されている自動車の車体のコーティングに見られる。塗布された表面を傷つけることは、結果として美的な外観を失うことになる。特に、塗布された表面を引掻いたり、傷つけたりすることは、高光沢を有する着色された又は透明なコーティングにおいては、望ましくない。コーティングの表面損傷抵抗は、コーティング組成物の降伏応力、靭性、ヤング率及び硬度のような物理的性質による。前記物理的性質は、コーティング組成物に含まれる高分子化合物のガラス転移温度や化学構造のような性質により非常に影響される。したがって、コーティングの表面損傷抵抗を測定することは、コーティング組成物に使用される高分子化合物のような成分を選択するのに非常に重要になる。例えば、ある種類の高分子化合物を含むコーティング組成物の表面損傷抵抗を別の高分子化合物を含む抵抗と対比して比較することにより、最高の長期間にわたる光沢や他の物理的性質を有するコーティングを用意するために、どの高分子化合物がより適しているかを決定するために使用されてもよい。
【０００３】
１つの方法は、塗布された表面の損傷を引き起こすために塗布された表面に対して所定の方法でかなり明確に定められた構造を有するサンドペーパーをこすりつけることを規定している。サンドペーパーの砂粒子の複合的な接触点が、この場合典型的には数字１０が損傷が全く無いことをあらわし、０が完全に損傷していることを表す０から１０の等級で見た目には定量化されている損傷を引き起こす。他には、１つのコーティング上に引き起こされた損傷が、どちらのコーティングがより損傷が少ないかを決定するために、同じテスト条件の下で、別のコーティング組成物からのコーティングの損傷に対して見た目比較される。それにもかかわらず、人によって違う傾向にある見た目の観察の主観的な性質のために、前記テストは、十分には客観的でない。さらに、サンドペーパーは、標準化されているけれども、コーティングに作られる損傷に非常に影響し得る異なる粒子構造を有する傾向にある。サンドペーパーの砂粒子の複合的接触点により作成される損傷を量的に測定することがまた非常に難しい。加えて、所定のこすりつけ動作中に試験者により加えられる指の圧力が変化する傾向にある。結果として、それから生ずる損傷は、また、試験者により違う傾向にある。したがって、主観的でなく、現在使用に際し主観的な非再現性の試験手順よりもより再現性可能である表面損傷抵抗を試験する装置に対する必要性が存在する。
【０００４】
ジャーナル・マスタ・リサーチ、Ｖｏｌ６、Ｎｏ２、４０７〜４２６頁、１９９１年２月（材料研究協会）において、ウ（Ｗｕ）氏により、文献中に１つの装置が説明されている。その論文で明らかにされた装置は、高処理量の条件の下での種々様々な塗布された支持体の再現可能な測定に対して十分にしっかりしたものではない。
【０００５】
（発明の概要）
本発明は、試験用試料の表面損傷抵抗を測定する装置に向けられている。該装置は、
前記装置の柱に据え付けられている圧子案内手段が、
そこに配置されている圧子を有する圧子駆動手段と前記試験用試料の表面に向かう及び該試料の表面から離れる前記圧子の運動感知手段と、
を備え、及び
前記装置の基部に配置されている試験用試料管理手段が、
前記圧子と直交関係にある前記試験用試料の表面を含めて前記試験用試料をそこに確保する把持手段と、前記圧子の先端が前記試験用試料の中へ同時に駆動される時、引掻き傷が前記フィルム又は表面の表面に作成されるように、前記圧子に接する方向に前記試験用試料を前後に動かす展開手段と、
を備えて成る。
【０００６】
また、本発明は、試験用試料の表面損傷抵抗を測定する方法に向けらている。該方法は、
装置の展開手段に前記試験用試料を確保し、
前記圧子の先端が前記試験用試料の表面と接触するように前記試験用試料の露出された表面に直交する関係に前記圧子を配置し、
設定された速度で前記試験用試料の表面へ前記圧子の前記先端を駆動し、一方同時に、その上に引掻き傷を作成するべく前記試験用試料表面を引掻くために、前記圧子に接する方向に設定された速度で設定された方向に前記試験用試料を前後に動かし、
て成る。
【０００７】
（好ましい実施態様の詳細な説明）
ここで使用されるように、
「フィルム」は、ポリエステルフィルム又はシートのような実質的に平面のそれ自体独立した層を意味し、
「コーティング」は、支持体表面を覆って適用されているコーティング組成物からなる密着性層を意味する。
【０００８】
この発明の装置及び方法は、フィルム又はコーティングの表面損傷抵抗を測定することに向けられている。装置は、フィルム又は塗布された表面上に典型的に観察される引掻き傷や表面傷の損傷に非常によく似ている微小引掻傷を塗布された試験表面上に作成する。引掻傷や表面傷の損傷の現象は、複雑である。そして出願人は、引掻き傷や表面傷の損傷中塗布された表面上に残された典型的な微小足跡又は溝が２つの全く異なった要素を有すること決定した。図１に示されるように表面傷の損傷は、フィルム又はコーティングの粘可塑性変形中に作成される実質的に滑らかな足跡からなる形状である。あるいは、図２に見られるように、その損傷は、フィルム又はコーティングの破断変形中に作成される裂かれた足跡からなる形状である。これら２つの異なったタイプの損傷の観察者による見た目の結果は、著しく異なる。出願人は、図１に示される損傷は、素人よりも熟練者にとってより注目に値する。一方、図２に示される損傷は、そのような欠陥を探すのに熟練していない素人にとってさえも注目に値する。したがって、本発明は、設定された再現性可能な条件のもとでコーティング上にこれらの損傷を引き起こすことができるより客観的な試験を提供する。
【０００９】
本発明は、概ね、試験表面を変形させるすなわち微小な引掻き傷をつくる手段、試験表面上に変形情報を目に見えかつグラフの形で捕捉する手段及び引掻き傷の損傷を分析する手段を有する試験装置を提供する。
【００１０】
図３の概略図は、本発明の試験装置１のいろいろな構成要素を備える。装置１は、装置１への振動の伝達を実質的に妨げるために振動から実質的に隔離されているプラットフォーム３上に配置される基部２を含んでいる。空気緩衝装置（図示されていない）のような慣用の減衰手段が、プラットフォーム３を支持するのによく適している。減衰手段の１実施例としては、カリフォルニア州アービン、Newport Corporationにより供給されるResearch Series Table Top Model
No. RS 4000-48-12がある。基部２は、それに据え付けられたアーム５を有する柱４を備える。アーム５は、アーム５が柱４上を上下に位置し得るように調節可能であることが好ましい。圧子案内手段６が、アーム５に固定される。試験用試料管理手段８が、基部２に配置されている。装置１は、さらに、ワシントン州、レドモンドのMicrosoft Corporationから入手可能であるWindows（登録商標）NT operating systemで使えるIBM−compatible computerのような慣用のコンピュータ手段１０を含んでいる。コンピュータ手段１０は、圧子案内手段６に配置されている圧子３２及びフィルム又は支持体を覆って適用されているコーティングからなる形状をなしている試験用試料５６（図６、８に示されている）の動きを制御するために、圧子案内手段６や試験用試料管理手段８への及びこれらの手段からの入出力信号を調整する手段１２Ａを含んでいる。圧子３２や試験用試料５６の動きは、テキサス州、オースチンのNational Instrument Companyから入手可能であるLABVIEW（登録商標）Version 5.0.1 Programmable Softwareにより供給されるソフトウエアプログラムに従って制御される。コンピュータ手段１０は、また、試験用試料５６の表面を引掻くことから生ずる加工可能なデータを作成する慣用手段、該加工可能なデータを格納する慣用手段及び加工可能なデータをCRTスクリーン１２又はグラフプロッタ（図示されていない）のような目に見える、グラフの形で表示する慣用手段を含んでいる。
【００１１】
テレビ映像システム１４は、実験中試験用試料５６表面上に起きる変形を捕捉し、その後引掻き傷の損傷の分析を行うために利用される。テレビ映像システム１４は、また、圧子３２を配置し、試験用試料５６を水平にし、実験を準備するのに非常に役立つ。テレビ映像システム１４は、慣用のシステムであり、該システムは、実験中テレビ映像システムで作成された映像を格納するために、慣用のテレビ映像記録システム（図示されていない）に連結されることが好ましい。随意的に、顕微鏡（図示されていない）が試験用コーティングに対する損傷を見るために使用されてもよい。装置１は、装置１の構成要素全てを一定温度好ましくは室温に維持するために、熱的に絶縁された室（図示されていない）内に置かれることが好ましい。一連の光源が、装置１のいろいろな構成要素に対する調整をし、試験中試験用試料５６の表面上に作られる引掻き傷をテレビ映像で録画している間、圧子３２の先端及び試験用試料５６の表面を照らすために、熱絶縁室内の要所要所に配置されることが好ましい。
【００１２】
より詳細に述べると、図４、５は、圧子案内手段６の詳細を示している。該圧子案内手段６は、そこに配置されている圧子３２を有する圧子駆動手段７及び試験用試料５６に向かい及びそれから離れて行く圧子３２の運動感知手段９を含んでいる。
【００１３】
圧子駆動手段７は、アーム５に固定された静止ブラケット１４を含んでいる。移動可能なブラケット２０の両端部は、移動可能なブラケット２０に対する単一自由度を与えるように、静止ブラケット１４のブラケット端部１８に接続されている第１たわみ手段２２を介して静止ブラケット１４に接続されている。移動可能なブラケット２０のブラケット端部２４は、圧子把持体２８に対する単一の自由度を与えるために、第２たわみ手段３０を介して圧子把持体２８の両端部に接続されている。第１たわみ手段及び第２たわみ手段各々は、静止ブラケット１４及び移動可能なブラケット２０の各ブラケット端部１８、２４においてそれぞれ接続されている一対のダイアフラムバネを含んでいる。ダイアフラムバネは、ペンシルバニア州、ランカスタのHamilton Precision Metals, Inc.から入手可能であるニッケル−鉄合金から作られている。該合金は、大きな温度範囲にわたって一定の弾性率と高降伏強さを有するばかりでなく、他のバネ材料に比較してより低い熱膨張率を有する。第１たわみ手段と第２たわみ手段の前記固定端部二重片持ち梁構造は、単一の自由度のみが、一般的には垂直方向に、許されるように、曲げモーメント及び接線力に耐えるために設計されている。圧子３２は、圧子３２が唯一の移動自由度、すなわち回転的または角度的移動の全くない、を与えられることをさらに確保するために、圧子プレート２８の両端部から等距離に圧子プレート２８上中心的に配置されている。圧子３２の先端の形状は、１ミクロンから１０ミクロンの範囲の半径を持つ丸みがつけられている。他には、その形状は、ピラミッド形状であってもよい。圧子３２の先端は、ダイアモンド、コランダム、トパーズ又は石英から作られる。先端の望ましい堅さの度合いは、試験用試料５６の堅さによる。ダイアモンドチップが好ましい。圧子３２の代表例は、スイス、リスのSynton Companyから入手可能である圧子である。この圧子は、３ミクロンの半径の丸みがつけられた先端を有する。
【００１４】
圧子駆動手段７は、さらに、静止プレート１４に配置されている電圧印加手段１６を含んでいる。電圧印加手段１６の作動コア１７は、電圧印加手段１６が電圧印加されると、移動可能なブラケット２０及びそこに配置されている圧子２８を有する圧子プレート２８が試験用試料５６の表面に直交する方向にのみ運動するように、移動可能なブラケット２０に固定されている。電圧印加手段１６は、低電圧の圧電トランスレータ（LVPZT）及び低電圧の圧電トランスレータにエネルギを与える制御器を含んでいることが好ましい。これらのトランスレータは、電圧がこれらに加えられると、伸びる。したがって、１つは、所定の方法で圧子３２に対する正確で連続した運動を与えることができる。２ナノメータの分解能で約９０マイクロメータまでの圧子３２の総移動量は、１２０ボルトまでの作動電圧を持ち、マサチューセッツ州オーバーンのPolytec PI Inc.を通してその親会社であるPhysik Instremente、(PI) GmbH & Co.から入手可能であるLVPZT Model Nos. P-840.60又はP-841.60をその制御器と一緒に使用することにより得られる。結果として生じる、試験用資料５６の表面が経験する垂直力は、２マイクロニュートンの分解能で１００ミリニュートンまでとなる。
【００１５】
試験用試料５６の表面へ向いて及び該表面から離れる圧子３２の運動感知手段９は、圧子３２の先端の試験用試料５６への圧入量を測定する第１感知手段３４及び圧子３２の先端が試験用試料５６へ圧入するとき試験用試料５６が経験する垂直力を測定する第２感知手段３６を含んでいる。第１感知手段３４及び第２感知手段３６は、それぞれ先端圧入量及び垂直力のデータを発生させる。該データは、コンピュータ手段１０の入出力信号調整手段１２Ａへ伝えられる。これらのデータに基づいて、手段１２Ａは、コンピュータ手段１０を通して与えられるソフトウエアプログラムに従って、電圧印加手段１６へ供給されるエネルギ及び圧子３２と試験用試料５６の運動を制御する。
【００１６】
第１感知手段３４の静止第１要素が、静止ブラケット１４及び移動可能なブラケット２０の両側に配置されている一対の支柱３８に据え付けられている。静止ブラケット１４に固定された支柱３８は、移動可能なブラケット２０と圧子把持体２８がその範囲内で動くことを許す。第１感知手段３４の移動可能な第１要素は、圧子把持体が運動すると第１感知手段３４の静止第１要素と移動可能な第１要素との間の隙間が圧子把持体２８の移動に従って変化するように、圧子把持体２８に据え付けられている。それによって、入出力信号調整手段３７Ａに伝えられるアナログ出力を発生させる。同様に、第２感知手段３６の静止第２要素が、移動可能なブラケット２０に据え付けられ、第２感知手段３６の移動可能な第２要素が、圧子把持体２８が運動すると第２感知装置の静止第２要素と移動可能な第２要素との間の隙間が試験用試料５６が経験する垂直力に従って変化するように、圧子把持体２８に据え付けられている。それによって、入出力信号調整手段１２Ａに伝えられるアナログ出力を発生させる。第１感知手段３４及び第２感知手段３６は、例えば、マサチューセッツ州オーバーンのPolytec PI Inc.を通してその親会社であるPhysik Instremente、(PI) GmbH & Co.から入手可能であるModel D-050-00静電容量型センサのような同じものであってもよい。
【００１７】
図６、７及び８は、試験用試料管理手段８の詳細を提供する。図６は、圧子３２の先端が同時に試験用試料５６に駆動されるとき、試験用試料５６の表面に引掻き傷が作成されるように、圧子３２に接する方向に試験用試料５６を前後に動かす展開手段１１の詳細を提供する。図６、７及び８は、圧子３２と直交する関係にある圧子の露出された表面とともにその上に試験用試料を確保する把持手段１３の詳細を提供する。
【００１８】
図６に示されるように、展開手段１１は、第２展開ブロック４２の上に固定された把持手段１３がｘ、ｙ軸に沿って移動され、精密に配置され得るように、装置１の基部２に固定された第１展開ブロック４０と第１ブロックの上に固定された第２展開ブロック４２とを含んでいる。コンピュータ手段１０からの入力信号により、第１展開ブロック４０の駆動手段６０及び第２展開ブロック４２の駆動手段５８は、第２展開ブロック４２の上に固定された把持手段１３に対してＸ、Ｙ軸に沿う運動を与える。適切な展開システムの１つは、カリフォルニア州、アーヴィンのMellers Griotから入手可能であるNanomover（登録商標）Systemである。この微小位置決め器は、±１ミクロンの絶対精度を持つ５０ナノメータの分解能と２５ｍｍの総移動量を有する。
【００１９】
図６、７及び８に示されるように、把持手段１３は、第２展開ブロック４２の上に確保されている試料把持器支持ブロック４４を含んでいる。もし望むならば、シリコン化合物からなる減衰フィルム６２は、第２展開ブロック４２から試料把持器支持ブロック４４への高周波数ノイズの伝達をさらに減少させるために、試料把持器支持ブロック４２と第２展開ブロック４２との間に備えられてもよい。互いに９０゜に配置されている一対の慣用の単一軸傾斜プラットフォーム（図示されていない）が、把持手段１３に確保された試験用試料５６を水平にすることを容易にするために、試料把持器支持ブロック４４と第２展開ブロック４２との間に備えられていることが好ましい。例えば、カリフォルニア州、アーヴィンのNewport Companyから入手可能な単一軸傾斜プラットフォーム（Model No. TGN 80）が、この目的のために適している。これらのプラットフォームは、分解能２０アークセカント、感度２アークセカントで移動範囲２．５゜を有する。
【００２０】
一対のウェッジブロック４９が、試料把持器支持ブロック４４に確保され、Ｉ形ブロック４６が、図示される方向に沿ってＩ形ブロック４６に対し単一の自由度を備えるＩ形の脚部に連結されている第３たわみ手段４８を介してウェッジブロック４９に連結されている。第３たわみ手段４８各々は、ウェッジブロックの各側部及びＩ形ブロック４６の各脚部に連結されている一対のダイアフラムバネを含んでいる。ダイアフラムバネは、ニッケル−鉄合金から作られており、ペンシルバニア州、ランカスタのHamilton Precision Metals Inc.から入手可能である。Ｉ形ブロック４６は、図示されている矢印に沿って自由な前後方向の移動を許すために、試料把持器支持ブロック４４の表面上に配置されている。試料把持器５０は、Ｉ形ブロック４６の上に固定されている。試料把持器５０は、一対の据付ロッド上に載っている一対の試料把持器用クランプ５２を備えている。各試料把持器用クランプ５２は、試験用試料５６が留めネジ５４で試験用試料５６周囲に把持器用クランプ５２をしっかりと締め付けることにより確保され得るように、留めネジ５４を備えている。
【００２１】
装置１は、さらに、圧子の先端が試験用試料５６の表面を横切って前後に動く時、圧子３２の先端による試験用試料５６の引掻きの間該試験用試料５６が経験する接線力を測定する第３感知手段５１を含んでいる。圧子３２が試験用試料５６の表面を引掻く時、第３感知手段５１の静止第３要素と移動可能な第３要素との間の隙間が試験用試料５６が経験する接線力に従って変化するように、第３感知手段５１の静止第３要素が、試料把持器用支持ブロック４４上に据え付けられ、第３感知手段５１の移動可能な第３要素がＩ形ブロック４６の側面に据え付けられている。そして、そこから生ずるアナログ出力は、入出力信号調整手段１２Ａへ送られる。第３感知手段５１は、例えば、マサチューセッツ州オーバーンのPolytec PI Inc.を通してその親会社であるPhysik Instremente、(PI) GmbH & Co.から入手可能であるModel D-050-00静電容量型センサのような第１感知手段又は第２感知手段と同じセンサであってもよい。
【００２２】
第１たわみ手段２２、第２たわみ手段３０及び第３感知手段５１におけるダイアフラムバネの大きさ及び電力印加手段１６の電力により、試験装置１は、いろいろな試験の適用に適した異なる度合いの試験能力及び分解能を持つ装置１を提供すべく変更され得る。
【００２３】
装置１は、それらの表面損傷抵抗を測定するために、１〜１０００ミクロンの範囲の厚さを有するコーティング又はフィルム上に微小引掻き傷を作成することが可能である。そのような試験を実行するのに、試験用試料５６は、試料把持器５０に確保される。それから、試験用試料５６は、気泡水準器を使用することによりそして試験用試料５６を走査することにより試験用試料５６の露出された表面を実質的に水平にするべく好ましくは単一軸傾斜プラットフォームで、最初に水平にされる。調整可能なアーム５を使用することにより、圧子５６は、試験用試料５６に近接して配置され、次に、映像システム１４を使用することにより、圧子３２の先端は、試験用試料５６の露出された表面の５ミクロン以内にまで接近させられる。そして、このことは、圧子先端とその反射像が実質的に互いに触れるときに起きる。最終的な調整は、概ね、電圧印加手段１６により与えられる運動を使用することによりなされる。該電圧印加手段１６は、電圧が印加されると、移動可能なブラケット２０を押す。次に、該ブラケット２０は、試験用試料５６の露出された表面に接触させるべくそこに圧子３２を有する圧子把持器２８を押す。このような接触が生ずると、第２感知手段３６が、試験用試料５６の表面が経験す垂直力を与える。該垂直力は、下に横たわる試験用試料５６の表面に重大な損傷を作成するには十分でない一定の垂直力に調整される。典型的には、そのような垂直力は、樹脂コーティングに対しておよそ２０マイクロニュートン（μＮ）である。
【００２４】
最初に、引掻きされるべき試験用試料５６の表面は、設定された距離、典型的には３ｍｍ、にわたって、展開手段１１に電力を供給することにより与えられる設定された速度で、表面上を設定された方向に圧子３２の先端を走査することにより、そして、その表面を変える又は損傷させることなくその輪郭を決定するのに十分なプロフィールレベルで圧子３２の先端が試験用試料５６の表面に触れる垂直力を定めることにより、すなわち２０マイクロニュートン（μＮ）の垂直力で、倣われる。垂直力は、展開手段１１とコンピュータ手段１０とにより提供される閉ループ制御システムからの連続フィードバックを利用することにより、該表面を倣っている間該プロフィールレベルに維持される。結果として生ずるデータは、引掻き前のプロフィールデータとしてコンピュータ手段１０の記憶手段に格納される。
【００２５】
次に、圧子３２の先端を設定された速度で試験用試料５６の表面の中へ駆動することにより、一方同時に、格納された引掻き前のプロフィールデータを参照して同じ設定方向に同じ設定距離にわたって展開手段１１に与えられた速度で試験用試料５６の表面を前後に動かすことによりランプ形引掻きが実行される。従って、試験用試料５６の表面をランプ形引掻きする間、この引掻き前のプロフィールデータを利用することにより、試験用試料５６の表面変化、すなわち凹凸、により寄与されるかもしれないどんなエラーも除かれる。結果として、圧子の先端は、試験用試料５６の表面変化に影響を受けない望んだ深さの引掻き傷を作成する。結果生じた信号は、コンピュータ手段１０の記憶手段に先端−変位プロフィールデータとして格納される。概ね、ランプ形引掻きの間、試験用試料５６の表面が経験する垂直力は０で始まる。次に、５秒の遅延時間後、試験用試料５６が動きつづけている間に、垂直力は、定められた最大値まで０．０２ミリニュートンパーセコンドの割合で一様に増加される。もし望むならば、その割合は、段階ごとに増加されてもよいし、あるいは、一定レベルに維持されてもよい。
最後に、引掻き傷の表面が、表面の引掻き前の倣い中に確立された同じ設定方向に、同じプロフィールレベルの垂直力、すなわち２０μＮの垂直力で、同じ設定距離にわたって、展開手段１１に電力を供給して与えられる設定された速度で、引掻き傷の表面が圧子３２の先端で、その傷を走査することにより倣われる。垂直力は、展開手段１１とコンピュータ手段１０とで与えられる閉ループ制御システムからの連続フィードバックを利用することにより、引掻き傷の倣いの間そのプロフィールレベルに維持される。結果生じた信号は、引掻き後のプロフィールデータとしてコンピュータ手段１０の記憶手段に格納される。引掻き前、先端−変位及び引掻き後のプロフィールデータは、加工可能なデータに処理される。該加工可能なデータは、試験用試料５６の表面損傷抵抗を決定するために表示手段１２上に目に見える又はグラフの形で表示されてもよい。
【００２６】
さらに、先端が試験用試料５６の中へ駆動される時、試験用試料５６が経験する垂直力が、測定され、垂直力プロフィールデータとして格納される。試験用試料５６の引掻きの間試験用試料５６が経験する接線力が、また、測定され、接線力プロフィールデータとして格納される。垂直力及び接線力のプロフィールデータは、加工可能なデータ中にまとめられる。
【００２７】
本発明の方法及び装置１を使用することにより試験された試験用試料５６は、いろいろなコーティングを含んでいる。図９は、黒色の基部塗層を覆って適用されたスチレン化−アクリル系誘導体／メラミン組成物から作成された〜３０μｍの厚さを有する上部透明塗層上で得られた微小引掻き実験の結果を示している。１μｍを有するダイアモンドチップを持つ圧子３２が使用された。
【００２８】
図１０、１１は、２つの異なった透明コーティング組成物を使用することにより得られた微小引掻き実験の結果を示している。
【００２９】
図９、１０、１１のグラフにおけるトレースＡは、試験用試料５６の損傷のない表面の引掻き前のプロフィールを表している。トレースＤは、圧子先端が所定距離にわたって試験用試料５６の中へ圧入する時の圧子３２の先端の先端−変位プロフィールを表している。トレースＢは、引掻き傷の引掻き後のプロフィールを表している。トレースＤ及びＢから分かるように、コーティングは、表面の引掻き後かなりの回復をしている。トレースＥ及びＤは、実験の間試験用試料５６が経験した垂直力及び接線力である。コーティングに対する損傷は、トレースＢの引掻き後のプロフィールの深さからトレースＡの引掻き前のプロフィールの深さを差し引くことにより得られる。
【００３０】
引掻き傷の初期領域では、トレースＡ及びＢは、重ねられている。これは、コーティングの変形が全体的に回復している、すなわち変形が弾性的であることを意味する。負荷が増すにつれて、２つのトレースは分かれ始める。このことは、粘可塑性変形が始まることを意味する。そして、拡大版が図１に示されている。変形量は、垂直力が増加するにつれて滑らかに増加する。図９（垂直力３μＮ）における約４．１ｍｍ及び図１０における約２．１５ｍｍ（垂直力１．８ｍＮ）の距離において、トレースＢの特性は、急な変化を受けた。トレースＤのプロフィールにより示されるような接線力及びトレースＣにより示されるような先端−変位プロフィールが、裂け目が生じたことを示しながら急激に変動し始めた。その拡大版が、図２に示されている。垂直力がさらに増加するにつれて、周波数と亀裂の大きさの両方が増大し、結局破片が発生した。図９、１０を比較することにより、図１１に描かれたコーティングの試験データは、微小引掻き傷が作成された時裂け目状態が非常に早くに生じたことから、図１１に描かれたコーティングがより小さい表面損傷抵抗を有していいることを示している。さらに、コーティングが弾性または粘可塑性領域に留まる期間が長ければ長いほど及びトレースＢがトレースＡについて行くのが近ければ近いほど、コーティングの表面損傷抵抗が良くなる。
【００３１】
本発明は、また、設定された速度及び設定された垂直力で、一様な設定された深さに、圧子３２を圧入することにより、いろいろな表面の表面損傷抵抗を比較するのに使用されてもよいし、いろいろな表面に作成される微小引掻き傷を比較するのに使用されてもよい。あるいは、本発明の装置は、試験用試料の表面を倣うことにより又は圧子先端をフィルムの厚さ全体を貫通させることによりコーティング又はフィルムの厚さの一様性を測定するためのような、コーティング又はフィルムの表面粗さ、フィルム又はコーティングの硬さを決定するのに使用されてもよい。
【００３２】
本発明は、自動車用、メンテナンス用、木用、プラスチック用あるいは紙用コーティングとして使用される透明な及び着色されたコーティングのようないろいろなタイプのコーティング、めがね（スペクタクル）用レンズを覆って適用される引掻き抵抗コーティング、カメラ及び双眼鏡用レンズを覆って適用される反射防止用及び防眩用コーティング、電気鍍金、金属支持体のクロム及び二酸化チタン（ＴＩＮ）コーティング及び金属支持体を覆って適用される無電解のニッケル、銅、銀及び金のコーティングのようないろいろな金属性コーティングの表面損傷抵抗を測定するのに良く適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】  フィルム又はコーティングの粘可塑性変形中に作り出された微小引掻き傷の３次元原子間力顕微鏡写真（ＡＭＦ）である。
【図２】  フィルム又はコーティングの破断変形中に作り出された微小引掻き傷の３次元ＡＦＭである。
【図３】  本発明の装置のいろいろな構成要素の概略配置図である。
【図４】  本発明装置の圧子案内手段の３次元概観図である。
【図５】  本発明装置の圧子案内手段の立面図である。
【図６】  本発明装置の試験用試料管理手段の３次元分解組立図である。
【図７】  本発明装置の試験用試料管理手段の把持手段及び展開手段の一部の平面図である。
【図８】  図７に断面線８−８に沿って得られた側面図である。
【図９】  本発明装置を使用することにより得られた典型的な引掻き実験の結果を示すグラフである。
【図１０】  本発明装置を使用することにより得られた典型的な引掻き実験の結果を示すグラフである。
【図１１】  本発明装置を使用することにより得られた典型的な引掻き実験の結果を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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