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技術 接着力測定装置

出願人 日本レーザ電子株式会社
発明者 栗原和枝田島晴雄
出願日 1999年11月24日 (21年10ヶ月経過) 出願番号 1999-332124
公開日 2001年5月29日 (20年4ヶ月経過) 公開番号 2001-147193
状態 未査定
技術分野 耐候試験、機械的方法による材料調査
主要キーワード 上向き表面 上下駆動部材 微小移動装置 物理的歪 表面相互間 微小制御 保持部材間 複合ばね
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2001年5月29日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (6)

課題

接着力直接測定することができ、測定作業を効率化することができる接着力測定装置を提供する。微小な接着力であっても高い精度で測定することができる接着力測定装置を提供する。

解決手段

ケース内にて移動可能に支持される可動部材の端部に取り付けられる第1保持部材駆動部材により移動させる。第1保持部材の移動方向に対して撓み変形可能で、予め決定されたばね定数からなり、物理的歪みに対応する電圧電気信号を出力する電歪素子を設ける。第1保持部材に相対する電歪素子に第2保持部材を設ける。表面に測定される物質が修飾された第1及び第2保持部材相互の表面を当接させた状態から駆動部材の駆動に伴なって第1保持部材を移動する。第1保持部材及び第2保持部材相互が離間した際における電歪素子からの電気信号に基づいて検出される電歪素子の撓み量と該電歪素子のばね定数とから物質相互の接着力を測定する。

概要

背景

概要

接着力直接測定することができ、測定作業を効率化することができる接着力測定装置を提供する。微小な接着力であっても高い精度で測定することができる接着力測定装置を提供する。

ケース内にて移動可能に支持される可動部材の端部に取り付けられる第1保持部材駆動部材により移動させる。第1保持部材の移動方向に対して撓み変形可能で、予め決定されたばね定数からなり、物理的歪みに対応する電圧電気信号を出力する電歪素子を設ける。第1保持部材に相対する電歪素子に第2保持部材を設ける。表面に測定される物質が修飾された第1及び第2保持部材相互の表面を当接させた状態から駆動部材の駆動に伴なって第1保持部材を移動する。第1保持部材及び第2保持部材相互が離間した際における電歪素子からの電気信号に基づいて検出される電歪素子の撓み量と該電歪素子のばね定数とから物質相互の接着力を測定する。

目的

本発明は、上記した従来の欠点を解決するために発明されたものであり、その課題とする処は、接着力を直接測定することができ、測定作業を効率化することができる接着力測定装置を提供することにある。

また、本発明の他の課題は、微小な接着力であっても高い精度で測定することができる接着力測定装置を提供することにある。

効果

実績

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請求項1

ケース内にて移動可能に支持される可動部材の端部に取り付けられる第1保持部材と、該第1保持部材を移動させる駆動部材と、第1保持部材の移動方向に対して撓み変形可能で、予め決定されたばね定数からなり、物理的歪みに対応する電圧電気信号を出力する電歪素子と、第1保持部材に相対する電歪素子に取り付けられた第2保持部材とを備え、第1及び第2保持部材の表面相互を当接させた状態から駆動部材の駆動に伴なって第1保持部材を移動して第2保持部材から離間した際における電歪素子からの電気信号に基づいて検出される電歪素子の撓み量と該電歪素子のばね定数とから第1及び第2保持部材の表面相互間に作用する接着力測定可能にした接着力測定装置

請求項2

ケース内にて移動可能に支持される可動部材の端部に取り付けられ、測定される物質で形成された第1保持部材と、該第1保持部材を移動させる駆動部材と、第1保持部材の移動方向に対して撓み変形可能で、予め決定されたばね定数からなり、物理的歪みに対応する電圧の電気信号を出力する電歪素子と、第1保持部材に相対する電歪素子に取り付けられた第2保持部材とを備え、第1及び第2保持部材の表面相互を当接させた状態から駆動部材の駆動に伴なって第1保持部材を移動し、第1及び第2保持部材相互が離間して電歪素子からの電気信号が急激に変化した際における第1保持部材の移動量と電歪素子のばね定数とに基づいて第1及び第2保持部材の表面相互間に作用する接着力を測定可能にした接着力測定装置。

請求項3

請求項1または2において、接着力が測定される物質は、第1及び第2保持部材の表面に修飾されてなる接着力測定装置。

請求項4

請求項1または2において、第1及び第2保持部材は接着力が測定される物質により形成された接着力測定装置。

請求項5

請求項1または2において、第1及び第2保持部材間に介在する物質は接着剤である接着力測定装置。

請求項6

請求項1または2において、電歪素子はバイモルフである接着力測定装置。

請求項7

請求項1または2において、電歪素子は圧電素子である接着力測定装置。

請求項8

請求項1または2において、電歪素子は歪みゲージである接着力測定装置。

請求項9

請求項6,7または8において、電歪素子は板ばねにバイモルフ、圧電素子または歪みゲージを取り付けた接着力測定装置。

--

0001

本発明は、接着剤や各種物質の表面間に作用する引力、原子間力等による接着力直接測定する接着力測定装置に関する。

発明が解決しようとする課題

0002

例えば接着剤の接着力を測定するには、固定された一方の保持部材とばね手段が取り付けられた他方の保持部材とを接着材により接着した状態で該ばね手段を保持部材相互が離間する方向へ移動して保持部材相互が離間した際におけるばね手段の変位量に基づいて接着剤の接着力を測定している。

0003

しかしながら、上記した接着力測定装置は、ばね手段の変位量を確認した後に、該変位量とばね手段のばね定数とにより接着力を換算しなければならず、測定に手間がかかっていた。また、該接着力測定装置は、比較的大きな接着力を測定するのには適しているが、物質表面相互間に作用する接着力自体、きわめて微小なため、ばね手段を使用した接着力測定装置では高い精度で測定することができなかった。

0004

また、微小な接着力を測定する手段としては、ドラム状の保持体外周面に測定される物質を付着させた状態で該ドラム状の保持体を回転し、該保持体から物質が離間した際における保持体の回転速度に基づいて算出される遠心力により接着力を測定している。

0005

しかし、この測定装置にあっては、回転する保持体から物質が離間する瞬間を検出することが事実上、極めて困難なため、接着力を高い精度で測定できなかった。また、測定可能な物質が粒状の固体に限定されると共に回転する保持体から離間した物質の質量を測定する必要があり、その測定作業に手間がかかる問題を有している。

0006

本発明は、上記した従来の欠点を解決するために発明されたものであり、その課題とする処は、接着力を直接測定することができ、測定作業を効率化することができる接着力測定装置を提供することにある。

0007

また、本発明の他の課題は、微小な接着力であっても高い精度で測定することができる接着力測定装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

0008

請求項1は、ケース内にて移動可能に支持される可動部材の端部に取り付けられる第1保持部材と、該第1保持部材を移動させる駆動部材と、第1保持部材の移動方向に対して撓み変形可能で、予め決定されたばね定数からなり、物理的歪みに対応する電圧電気信号を出力する電歪素子と、第1保持部材に相対する電歪素子に取り付けられた第2保持部材とを備え、第1及び第2保持部材の表面相互を当接させた状態から駆動部材の駆動に伴なって第1保持部材を移動して第2保持部材から離間した際における電歪素子からの電気信号に基づいて検出される電歪素子の撓み量と該電歪素子のばね定数とから第1及び第2保持部材の表面相互間に作用する接着力を測定可能にしたことを特徴とする。

0009

請求項2は、ケース内にて移動可能に支持される可動部材の端部に取り付けられ、測定される物質で形成された第1保持部材と、該第1保持部材を移動させる駆動部材と、第1保持部材の移動方向に対して撓み変形可能で、予め決定されたばね定数からなり、物理的歪みに対応する電圧の電気信号を出力する電歪素子と、第1保持部材に相対する電歪素子に取り付けられた第2保持部材とを備え、第1及び第2保持部材の表面相互を当接させた状態から駆動部材の駆動に伴なって第1保持部材を移動し、第1及び第2保持部材相互が離間して電歪素子からの電気信号が急激に変化した際における第1保持部材の移動量と電歪素子のばね定数とに基づいて第1及び第2保持部材の表面相互間に作用する接着力を測定可能にしたことを特徴とする。

0010

以下、本発明の実施形態を図に従って説明する。
実施形態1
図1は接着力測定装置の概略構造を示す説明図、図2測定部を拡大して示す説明図、図3及び図4は電歪素子の他の例を示す説明図である。

0011

接着力測定装置1のチャンバー3内にはスライド軸5が上下方向へ摺動可能に支持され、該スライド軸5はチャンバー3上面に設けられた上下駆動部材7が連結されている。上下駆動部材7としては、例えばステップモータ送りねじ機構(何れも図示せず)とからなり、ステップモータを数値制御してスライド軸5を移動制御可能な機構であってもよく、単にスライド軸5を上下方向へ移動させるシリンダーであってもよい。

0012

なお、スライド軸5の移動量を微小制御するには、ステップモータに印加される駆動パルス分割回路により所定数に分割して分割駆動パルスとし、該分割駆動パルスによりステップモータを高分解能駆動制御したり、例えば本出願人が先に特願平10−17914号(特開平11−202214号)において提案した差動ばね構造の微小移動装置であってもよい。差動ばね機構の微小移動装置の構造に付いては特開平11−202214号中に記載された事項を援用する。

0013

スライド軸5の軸下部には第1保持部材9がホルダ11を介して交換可能に取り付けられている。該第1保持部材9は金属製またはガラス製で、下向きの表面は円筒面、球面及び平面のいずれかに形成されている。

0014

一方、チャンバー3内には基端部が固定され、先端部が第1保持部材9の移動方向に対して撓み可能な電歪検出器13が配置されている。該電歪検出器13は所定のばね定数で、物理的な歪みに応じた電圧の電気信号を出力するもので、例えばバイモルフ圧電素子歪みゲージ等或いは板ばねにこれらを貼り付けたものが適用可能である。なお、板ばねにバイモルフ、圧電素子や歪みゲージを取り付けた電歪検出器13のばね定数は、板ばねとこれらの複合ばね定数になる。

0015

そして第1保持部材9に相対する電歪検出器13には第2保持部材15がホルダ17を介して交換可能に取り付けられている。該第2保持部材15は上記第1保持部材9と同様に金属製またはガラス製で、その上向き表面は円筒面、球面及び平面のいずれかからなる。

0016

第1保持部材9及び第2保持部材15の表面を局所的に球面と平面または球面と球面とに等価にするには、表面を円筒面に形成すると共に円筒面相互の軸線を直交させればよい。また、図示する電歪検出器13は単一の板状に形成したが、図3に示すように複数枚板体を等分割状に配置(図3は3枚構成のものを示す)し、中心に位置する先端部にホルダ17を取り付ける構成、または図4に示すように円盤状の電歪検出器13を使用し、該電歪検出器13の外周縁基台14に固定すると共にその中心部にホルダ17を取り付けて第2保持部材15を取り付け可能にした構成のいずれであってもよい。

0017

また、接着剤の接着力を測定する場合には、第1及び第2保持部材9・15の相対する表面に接着剤を塗布して相互を接着し、物質の表面相互間に作用する引力、原子間力等の接着力を測定する場合には第1及び第2保持部材9・15の相対する表面に測定しようとする物質の薄膜吸着法やLB膜法等により修飾させる。なお、セラミックス合成樹脂等の物質相互間の接着力を測定する場合には第1及び第2保持部材9・15をこれらの材料で直接形成してもよい。

0018

次に、接着力の測定作用を説明する。図5測定状態を示す説明図である。

0019

例えば接着剤の接着力を測定するには、第2保持部材15の表面に接着剤を塗布した状態で上下駆動部材7を駆動してスライド軸5を下方へ移動して第1保持部材9の表面を第2保持部材15の表面に当接させて両者を接着させる。

0020

なお、接着力の測定時にはチャンバー3内に液体不活性ガスアルゴン等)を充填したり、真空化することにより大気中における埃等の影響を遮断することにより接着力の測定精度を高くすることができる。

0021

また、物質相互間の接着力を測定するには、表面に測定しようとする物質薄膜を吸着法、LB製膜法で修飾した第1保持部材9及び第2保持部材15を夫々のホルダ11・17に取り付けた後、上下駆動部材7を駆動してスライド軸5を下方へ移動して第1及び第2保持部材9・15の表面相互を当接させる。このとき、電歪検出器13は非撓み状態または一定の撓み状態となるように保たれる。

0022

上記状態にて上下駆動部材7を上記と逆方向へ駆動してスライド軸5を上方へ微小移動すると、第1保持部材9及び第2保持部材15は接着剤の接着力または物質相互間に作用する接着力により相互が当接し合ったままの状態で上方へ移動し、これに伴なって電歪検出器13を撓ませる。

0023

この電歪検出器13は撓み量に応じた電圧の電気信号を出力し、そのばね力が第1保持部材9及び第2保持部材15相互間に作用する接着力以上になったとき、第2保持部材15は上方へ移動する第1保持部材9から離間して初期位置に弾性復帰される。

0024

このとき、電歪検出器13は第1及び第2保持部材9・15相互が接着し合っている状態では出力される電気信号の電圧が徐々に増大傾向になるが、第1及び第2保持部材9・15層後が離間した際には電気信号の電圧が急激にに戻る。このため、電歪検出器13から出力される電気信号の電圧が急激に零に戻る直前の電圧に基づいて電歪検出器13の撓み量を検出する。

0025

そして検出された電歪検出器13の撓み量とそのばね定数とにより第1及び第2保持部材9・15相互間における接着剤または物質相互間の接着力を測定する。これらの演算処理マイクロコンピュータ等により自動的に演算処理されて接着力に換算される。

0026

本実施形態は、電歪検出器13の撓み量に基づいて第1及び第2保持部材9・15相互間における接着剤または物質相互間の接着力を簡易かつ直接測定することができ、測定作業を効率化することができる。

0027

また、電歪検出器13は微小な撓み量をも電気信号として検出することができるため、比較的微小な接着力をも高い精度で測定することができる。

0028

実施形態2
実施形態1は、第1及び第2保持部材9・15が相互に密着した状態から第1保持部材9を上方へ移動し、この移動に伴って変形する電歪検出器13から出力される電気信号が急激に変化した際における電気信号により該電歪検出器13の変位量を検出し、該変位量とそのばね定数とにより第1及び第2保持部材9・15の表面間に作用する接着力を測定したが、本実施形態は以下のように接着力を測定する。なお、本実施形態による接着力測定装置1の構成については、実施形態1と同様であるため、その詳細な説明を省略する。

0029

即ち、第1及び第2保持部材9・15の表面相互が密着し合った状態で上下駆動部材7を数値制御して第1保持部材9を上方へ移動させる。このとき、電歪検出器13は第1保持部材9の移動に伴って変形し、その変形に応じた電圧の電気信号を出力する。

0030

そして第1保持部材9の移動により第2保持部材15から離間されると、電歪検出器13の弾性変形中断されることにより出力される電気信号電圧が急激に変化することに基づいて第1及び第2保持部材9・15層後が離間したことを検出すると共にこのタイミングで上下駆動部材7に印加されたパルス数に基づいて第1保持部材9の移動量を検出し、第1保持部材9の移動量と電歪検出器13のばね定数とにより第1及び第2保持部材9・15の表面相互間に作用する接着力を算出する。

0031

本実施形態は、第1保持部材9の移動に伴って変形する電歪検出器13から出力される電気信号電圧が急激に変化したタイミングで第1及び第2保持部材9・15相互の離間を検出すると共に該タイミングで上下駆動部材11に印加されたパルス数を検出して第1保持部材9の移動量、従って接着力を高い精度でかつ簡易に測定することができる。

0032

本発明は、第1及び第2保持部材9・15の表面に修飾された接着剤や物質相互の接着力を測定するものであるが、これら接着剤や物質の弾性変形量をも測定できる。

0033

即ち、上記と同様に測定しようとする接着剤や物質を介在させて第1保持部材9及び第2保持部材15相互を当接させた状態で上下駆動部材7を駆動して第1保持部材9を上方へ移動させる。この場合にあっては、上下駆動部材7としては分割駆動回路を備えたマイクロステップモータや、マイクロステップモータに差動ばね機構を組合わせて第1保持部材9をμmまたはnmオーダで微小移動させるものが適している。

0034

そして第1保持部材9の上動に伴って接着剤や物質の接着力により一体化した第2保持部材15が上動して電歪検出器13を撓ませるが、接着剤や物質に弾性がある場合には電歪検出器13の撓みが停止した状態で第2保持部材15に当接したままの状態で両者間に介在する接着剤や物質の弾性により第1保持部材9の移動が継続され、第1保持部材9の移動量が接着剤や物質の弾性変形量以上になったとき、第1保持部材9及び第2保持部材15相互が離間される。

0035

上記作業において電歪検出器13の撓みが一定になる変位量と第1保持部材9から第2保持部材15が離間する第1保持部材9の上動量とに基づいて第1保持部材9及び第2保持部材15間に介在する接着剤や物質の弾性変形量を求める。

0036

上記説明は、電歪検出器13の変位量または第1保持部材9の移動量と電歪検出器13のばね定数とにより第1及び第2保持部材9・15の表面相互間に作用する接着力や両者間に介在する接着剤の接着力全体を測定するものとしたが、接着力自体は単位面積当りの力として測定する必要がある。

0037

単位面積当りの接着力を直接測定するには、少なくとも第2保持部材15を光が透過可能なガラス材で形成すると共に該第2保持部材15の下方に、例えばCCDカメラを配置し、該CCDカメラによる撮像データに基づいて第1及び第2保持部材9・15における表面相互の密着面積接着面積を測定することにより単位面積当りの接着力を測定可能にすればよい。

発明の効果

0038

本発明は、接着力を直接測定することができ、測定作業を効率化することができる。また、微小な接着力であっても高い精度で測定することができる。

図面の簡単な説明

0039

図1接着力測定装置の概略構造を示す説明図である。
図2測定部を拡大して示す説明図である。
図3電歪素子の他の例を示す説明図である。
図4電歪素子の他の例を示す説明図である。
図5測定状態を示す説明図である。

--

0040

1−接着力測定装置、3−チャンバー、5−スライド軸、7−駆動部材、9−第1保持部材、13−電歪検出器、15−第2保持部材

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