JP2002506221A - フィルム又はコーティングの表面損傷抵抗を測定する試験装置および方法 - Google Patents

フィルム又はコーティングの表面損傷抵抗を測定する試験装置および方法

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Abstract

(57)【要約】 この発明は、フィルム又はコーティングより詳細には自動車用コーティングの引掻き傷及び表面傷のふるまいの量的及び質的評価に使用される試験装置及び方法に関する。該装置は、試験結果を測定し、分析しそして比較する手段と同様に、適用される力、圧子の圧入の長さと深さ及び乱されたコーティング表面の外形を測定する相互に関係する要素と一緒に特徴づけられるべくコーティングに圧入し、コーティングを引掻く微小圧子を含んでいる。

Description

【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、１９
９１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１１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CR
T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 Mod
el 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１１へ伝えられる。これらのデ
ータに基づいて、手段１１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３
２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１１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１
１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３
２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５
６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１１
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Po
lytec 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。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年４月１１日（２０００．４．１１）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正内容】
【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５
６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。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正内容】
【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。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正内容】
【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M
odel 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。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正内容】
【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５
６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１２
Ａ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 & C
o.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。
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正内容】
【図３】

Claims (23)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 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、 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そこに前記試験用試
    料を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、 を備えて成ることを特徴とする試験用試料の表面損傷抵抗を測定する装置。
  2. 【請求項２】 前記試験用試料管理手段は、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
    を備えて成ることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 ソフトウェアプログラムに従って前記圧子及び前記試験用試
    料の動きを制御するために、前記圧子案内手段及び前記試験用試料管理手段への
    及び該手段からの入出力信号を調整する手段と、 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。
  4. 【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。
  5. 【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。
  6. 【請求項６】 前記圧子駆動手段は、 前記柱のアームに固定されている静止ブラケットと、 移動可能なブラケットに単一の自由度を与える第１たわみ手段を介して前記静
    止ブラケットに柔軟に連結されている前記移動可能なブラケットに動きを与える
    ための前記静止ブラケットに固定された電圧印加手段と、 前記電圧印加手段が電圧を印加されると、前記移動可能なブラケット及びそこ
    に配置されている前記圧子を有する圧子把持体が前記試験用試料の表面に直交す
    る方向にのみ運動するように、圧子把持体に単一の自由度を与える第２たわみ手
    段を介して前記移動可能なブラケットに柔軟に連結されている圧子把持体と、 を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記電圧印加手段は、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６に記載の装置。
  8. 【請求項８】 前記第１及び第２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６に記載の装置。
  9. 【請求項９】 前記第１たわみ手段は、前記移動可能なブラケットと前記静
    止ブラケット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６に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 前記第２たわみ手段は、前記圧子把持体と前記移動可能な
    ブラケット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６に記載の装置。
  11. 【請求項１１】 前記第１たわみ手段は、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と前記静止ブラケット
    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６に記載の装置。
  12. 【請求項１２】 前記圧子の前記運動感知手段は、 前記試験用試料への前記圧子の圧入度を測定する第１感知手段と、 前記圧子が前記試験用試料へ圧入する時、前記試験用試料が経験する垂直力を
    測定する第２感知手段と、 を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  13. 【請求項１３】 前記第１感知手段は、 前記静止ブラケットに固定されている支柱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１２に記載の装置。
  14. 【請求項１４】 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１３に記載の装
    置。
  15. 【請求項１５】 前記第２感知手段は、 前記移動可能なブラケットに固定された静止第２感知要素と、 前記圧子把持体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１２に記載の装置。
  16. 【請求項１６】 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１５に記載の装
    置。
  17. 【請求項１７】 前記圧子の前記先端は、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。
  18. 【請求項１８】 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。
  19. 【請求項１９】 装置の展開手段に前記試験用試料を確保し、 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の表面を引掻くために
    、設定された方向に設定された速度で前記圧子に接する方向に前記試験用試料を
    前後に動かし、 て成ることを特徴とする試験用試料の表面損傷抵抗を測定する方法。
  20. 【請求項２０】 さらに、 前記試験用試料の前記引掻きに応答して信号を作り出し、前記信号を加工可能
    なデータに変換し、 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請求項１９に記載の方法。
  21. 【請求項２１】 装置の展開手段に前記試験用試料を確保し、 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圧子を配置し、 設定された方向であって前記圧子に接する方向に前記試験用試料を覆って前記
    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、前記試験用試料の表
    面の表面を倣い、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の前記先端を駆動し、
    一方同時に、前記試験用試料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に接する方向に前記
    試験用試料を前後に動かし、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の表面損傷抵抗を測定する方法。
  22. 【請求項２２】 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２１に記載の方法。
  23. 【請求項２３】 さらに、 前記先端が前記試験用試料の中へ駆動される時前記試験用試料が経験する垂直
    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、 前記試験用試料を前記引掻きの間前記試験用試料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２１に記載の方法。
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