JP2012145352A - 被膜の内部応力測定用試験片および被膜の内部応力測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より簡便且つ高精度に被膜の内部応力を測定可能な被膜の内部応力測定用試験片および被膜の内部応力測定方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る試験片１は、表面１０ａに試験被膜が形成される平板状の被膜形成板１０と、被膜形成板１０を保持する保持部材２０と、からなり、被膜形成板１０は、保持部材２０に固定される固定部と、保持部材２０に固定されない非固定部と、を備えると共に、非固定部には、試験被膜が形成された後に被膜形成板１０から切離される切離し部が設けられ、被膜形成板１０から切離した切離し部の変形に基づいて試験被膜の内部応力を求めるように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種部材の表面に形成した塗料やメッキ等の被膜の内部に残留する応力を測定する場合に使用される被膜の内部応力測定用試験片、および被膜の内部応力の測定方法に関する。

従来、各種素材の表面に、塗装、メッキ、蒸着または溶射等の手法によって被膜を形成し、素材表面の性質を向上させる表面改質技術が、様々な分野で広く利用されている。このような表面改質技術において形成される被膜の内部には、一般的に内部応力（残留応力）が生じていることが多い。

この被膜の内部応力は、例えば塗装においては、塗料が乾燥固化する際の体積変化や、加熱乾燥時における素材の熱膨張等によって発生する。また、蒸着や溶射等においては、高温下で被膜形成した後の冷却過程における冷却速度の違いや、素材と被膜材料の熱膨張率差によって内部応力が発生する。

このようにして、被膜内部に残留した内部応力は、被膜の密着力低下の原因となり、その大きさによっては被膜に亀裂や膨出、剥離が生じる等、表面改質処理の品質に大きく影響するため、適切に評価しておくことが必要である。このため、被膜の内部応力を特定する方法として、種々の方法が提案されている（例えば、特許文献１または２参照）。

特開平６−２６９４４号公報 特開２００５−２４９６０８号公報

上記特許文献１または２に示されるように、被膜の内部応力は、被膜を形成した試験片（基板）の変形量から算出することができる。しかしながら、従来の測定方法では、被膜の内部応力が小さい場合や被膜の膜厚が薄い場合には、試験片の変形量が小さくなるため、高精度な測定を行うことが難しいという問題があった。試験片の変形量を大きくするためには試験片の厚さを薄くすればよいが、この場合、試験片の強度および剛性が著しく低下するため、試験片の取り扱いおよび試験片への被膜の形成が非常に難しくなるという問題が生じていた。

これに対し、上記特許文献２では、エッチングによって被膜形成後の試験片（基板）を薄くするようにしているものの、エッチング液から被膜を保護する必要がある等、測定に多大な手間と時間を要するという問題があった。また、エッチングによっては試験片を均一の厚さにすることが難しいだけではなく、試験片ごとの厚さにもばらつきが生じるため、高精度な測定を行うことが難しいという問題があった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、より簡便且つ高精度に被膜の内部応力を測定可能な被膜の内部応力測定用試験片および被膜の内部応力測定方法を提供しようとするものである。

（１）本発明は、表面に試験被膜が形成される平板状の被膜形成板と、前記被膜形成板を保持する保持部材と、からなり、前記被膜形成板は、前記保持部材に固定される固定部と、前記保持部材に固定されない非固定部と、を備えると共に、前記非固定部には、前記試験被膜が形成された後に前記被膜形成板から切離される切離し部が設けられ、前記被膜形成板から切離した前記切離し部の変形に基づいて前記試験被膜の内部応力を求めることを特徴とする、被膜の内部応力測定用試験片である。

（２）本発明はまた、前記保持部材は、保持している前記被膜形成板の非固定部における裏面と当接する保持面を備えることを特徴とする、上記（１）に記載の被膜の内部応力測定用試験片である。

（３）本発明はまた、前記切離し部は、略矩形状に構成されることを特徴とする、上記（１）または（２）に記載の被膜の内部応力測定用試験片である。

（４）本発明はまた、前記切離し部は、前記被膜形成板が面内弾性異方性を示す場合に、前記被膜形成板の最小弾性率または最大弾性率を示す方向に対して自身のいずれかの辺が３０乃至６０度の角度で交差するように構成されることを特徴とする、上記（３）に記載の被膜の内部応力測定用試験片である。

（５）本発明はまた、前記被膜形成板は、圧延金属板から構成され、前記切離し部は、前記被膜形成板の圧延方向に対して自身のいずれかの辺が３０乃至６０度の角度で交差するように構成されることを特徴とする、上記（３）に記載の被膜の内部応力測定用試験片である。

（６）本発明はまた、前記被膜形成板は、前記試験被膜の膜厚の６０％以上の厚さに構成されることを特徴とする、上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の被膜の内部応力測定用試験片である。

（７）本発明はまた、前記切離し部は、前記被膜形成板から切離した場合の自重による撓みの最大変位が自身のいずれかの辺の長さの２％以下となる寸法に構成されることを特徴とする、上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の被膜の内部応力測定用試験片である。

（８）本発明はまた、前記被膜形成板は、前記切離し部を前記被膜形成板から切離した場合に、前記試験被膜の内部応力によって前記切離し部が３００ｍｍ以下の曲率半径で湾曲するように構成されることを特徴とする、上記（１）乃至（７）のいずれかに記載の被膜の内部応力測定用試験片である。

（９）本発明はまた、保持部材に保持された平板状の被膜形成板の表面に試験被膜を形成する第１のステップと、前記被膜形成板から前記保持部材に固定されていない部分の少なくとも一部を切離す第２のステップと、前記被膜形成板から切離した部分の変形の曲率半径を測定する第３のステップと、前記曲率半径から前記試験被膜の内部応力を算出する第４のステップと、を有することを特徴とする、被膜の内部応力測定方法である。

（１０）本発明はまた、前記第２のステップにおいて、略矩形状の部分を前記被膜形成板から切離すことを特徴とする、上記（９）に記載の被膜の内部応力測定方法である。

（１１）本発明はまた、前記被膜形成板が面内弾性異方性を示す場合に、前記第２のステップにおいて、前記被膜形成板の最小弾性率または最大弾性率を示す方向に対していずれかの辺が３０乃至６０度の角度で交差する略矩形状の部分を前記被膜形成板から切離すことを特徴とする、上記（１０）に記載の被膜の内部応力測定方法である。

（１２）本発明はまた、前記第２のステップにおいて、前記被膜形成板から切離した場合の自重による撓みの最大変位が自身のいずれかの辺の長さの２％以下となる寸法の略矩形状の部分を前記被膜形成板から切離すことを特徴とする、上記（１０）または（１１）に記載の被膜の内部応力測定方法である。

本発明に係る被膜の内部応力測定用試験片および被膜の内部応力測定方法によれば、より簡便且つ高精度に被膜の内部応力を測定可能という優れた効果を奏し得る。

（ａ）本発明の実施の形態に係る試験片の外観斜視図である。（ｂ）試験片の分解斜視図である。 （ａ）試験片の平面図である。（ｂ）試験片の断面図である。 （ａ）〜（ｃ）試験被膜の形成後に被膜形成板から切離した切離し部の状態を示した写真である。 本発明の実施の形態に係る測定方法の手順を示した概略図である。 （ａ）曲率半径の測定方法の一例を示した概略図である。切離し部および試験被膜の応力状態を示した概略図である。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。

まず、本実施形態に係る被膜の内部応力測定用試験片１（以下、単に試験片１と呼ぶ）の構成について説明する。図１（ａ）は、本実施形態に係る試験片１の外観斜視図であり、同図（ｂ）は、試験片１の分解斜視図である。これらの図に示されるように、本実施形態の試験片１は、試験被膜が形成される被膜形成板１０と、被膜形成板１０を保持する保持部材２０と、被膜形成板１０を保持部材２０に固定する固定部材３０と、から構成されている。

この試験片１は、保持部材２０に保持された状態の被膜形成板１０に試験被膜を形成した後に、試験被膜と共に被膜形成板１０の一部を切離し、この切離した部分の変形量に基づいて試験被膜の内部応力（残留応力）を測定するためのものである。

被膜形成板１０は、試験被膜を形成するための部材であり、略矩形状の平板から構成されている。被膜形成板１０は、保持部材２０上に重ねて配置され、固定部材３０によって外周部分を保持部材２０に固定されている。そして、外部に露出している表面１０ａに試験被膜が形成される。

被膜形成板１０を構成する材料は、特に限定されるものではなく、試験被膜が形成可能であると共に、形成した試験被膜の内部応力によって弾性変形可能な材料であればよい。従って、被膜形成板１０を構成する材料としては、例えばステンレス、鋼、燐青銅、チタンまたはアルミ等の金属や各種樹脂、セラミックス等の種々の材料を使用することができる。

また、被膜形成板１０の厚さは、特に限定されるものではなく、試験被膜の内部応力によって弾性変形可能な厚さであればよい。従って、被膜形成板１０の厚さは、想定される試験被膜の内部応力および被膜形成板１０を構成する材料の弾性率に応じて、適宜に設定すればよい。

但し、試験被膜の膜厚に対して被膜形成板１０の厚さが薄い場合には、切離した部分が試験被膜の内部応力によって変形する際に皺が生じてしまう場合があり、この場合には正確な変形量の測定が困難となる。このため、被膜形成板１０の厚さは、試験被膜の膜厚と同等以上の厚さであることが好ましい。具体的には、被膜形成板１０の厚さは、試験被膜の膜厚の少なくとも６０％以上の厚さであることが好ましく、試験被膜の膜厚の８０％以上の厚さであればより好ましく、試験被膜の膜厚以上の厚さであることが最も好ましい。

本実施形態では、被膜形成部材１０を厚さ０．１ｍｍ以下のステンレス箔から構成している。ステンレス箔は、適度な強度および弾性率を有しているため、厚さを薄く構成した場合にも容易に塑性変形や破壊を起こすことがなく、取り扱いが容易となっている。また、ステンレス箔は、耐食性に優れているため、長期保管が可能であると共に、腐食等の影響を排除した高精度な測定を行うことが可能となっている。

厚さ０．１ｍｍ以下のステンレス箔は、隙間調整用のシムテープ（フィラーゲージ）として一般的に流通しており、例えば０．００５〜０．１ｍｍの範囲で各種厚さのものを容易に入手することができる。本実施形態では、一般に流通しているシムテープを切断して被膜形成板１０を構成している。なお、被膜形成板１０の形状は、矩形状に限定されるものではなく、例えば円形状等、その他の形状であってもよい。

保持部材２０は、試験片１をハンドリングする際や試験被膜を形成する際に被膜形成板１０が変形や破壊等しないように保持するための部材である。本実施形態では、保持部材２０を、被膜形成板１０よりもやや大きい略矩形状の平板から構成しており、保持部材２０の一方の面は、被膜形成板１０の裏面１０ｂと略当接する保持面２０ａとなっている。

なお、保持部材２０の形状は、特に限定されるものではなく、被膜形成板１０を安定して保持可能な形状であればどのような形状であってもよい。また、保持部材２０を構成する材料は、特に限定されるものではなく、各種金属や樹脂、セラミックス等を使用することができる。

固定部材３０は、被膜形成板１０の外周部分を上から押えて保持部材２０に固定するための部材である。本実施形態では、固定部材３０を枠状に構成することにより、被膜形成板１０の外周部分を全周にわたって保持部材２０に固定するようにしている。固定部材３０による被膜形成板１０の固定方法は、特に限定されるものではなく、接着、溶接またはロウ付けや、ネジ締結、クランプまたは係合等、既知の各種手法を採用することができる。また、固定部材３０を構成する材質は、特に限定されるものではなく、各種金属や樹脂、セラミックス等を使用することができる。

本実施形態では、固定部材３０を、ポリイミド樹脂フィルムを基材とする耐熱粘着テープから構成している。このように、固定部材３０を粘着テープから構成することにより、試験片１の製作を容易にすることができる。また、耐熱性を有する粘着テープを使用することにより、例えば塗料の加熱乾燥やスパッタリング等、試験被膜を形成する際に熱が加えられる場合においても、試験片１を使用可能とすることができる。

なお、固定部材３０は、被膜形成板１０の外周部分を全周にわたって固定するのではなく、部分的に固定するものであってもよい。また、固定部材３０による固定は、被膜形成板１０の外周部分のみに限定されるものではなく、例えば中央部等、その他の部分を固定するようにしてもよい。

さらに、固定部材３０を使用することなく、被膜形成板１０を接着剤や溶接、ロウ付け等によって直接保持部材２０に固定するようにしてもよい。この場合においても、被膜形成板１０を固定する部分は、外周部分に限定されるものではなく、その他の部分を固定するようにしてもよい。

図２（ａ）は、試験片１の平面図であり、同図（ｂ）は、試験片１の断面図である。なお、同図（ｂ）においては、厚さ方向の寸法を誇張して示している。これらの図に示されるように、試験片１において被膜形成板１０は、固定部材３０によって保持部材２０に固定される固定部１２と、保持部座２０に固定されない非固定部１４と、を備えている。そして、被膜形成板１０の非固定部１４には、試験被膜を形成した後に被膜形成板１０から切離して変形量を測定する部分である切離し部１６が設けられている。

本実施形態では、このように、被膜形成板１０に固定部１２および非固定部１４を備えると共に、切離し部１６を保持部材２０に固定されていない非固定部１４に設けることにより、切離し部１６を被膜形成板１０および保持部材２０から容易に切離すことを可能としている。

また、被膜形成板１０の裏面１０ｂに保持部材２０の保持面２０ａを当接させることにより、非固定部１４を設けながらも安定して被膜形成板１０を保持すると共に、被膜形成板１０が不用意に変形や破壊等しないようにしている。特に、本実施形態では、被膜形成板１０の外周部分の全周にわたって固定部１２を設けているため、非固定部１４の裏面１０ｂを安定的に保持部材２０ａに当接させた状態で確実に被膜形成板１０を保持することが可能となっている。

なお、保持部材２０の保持面２０ａは、本実施形態のように被膜形成板１０の裏面１０ｂ全体と当接するのではなく、非固定部１４における裏面１０ｂのみと当接するように形成されるものであってもよい。さらに、保持面２０ａは、本実施形態のように被膜形成板１０の非固定部１４における裏面１０ｂ全体と当接するのではなく、非固定部１４における裏面１０ｂと部分的に当接するように形成されるものであってもよい。すなわち、必要に応じて、保持面２０ａに窪みや溝、孔等を設けるようにしてもよい。

また、本実施形態では、被膜形成板１０の外周部分に固定部１２を設けることにより、非固定部１４を１つの広い領域に構成することができるため、切離し部１６の位置、大きさおよび個数を設定する際の自由度が向上している。なお、本実施形態では、３つの切離し部１６を設けるようにしているが、切離し部１６の個数が３つに限定されないことは言うまでもない。

切離し部１６は、同図（ａ）に示されるように、略矩形状に構成されている。本実施形態では、このように切離し部１６を、４つの内角が略直角となる略矩形状に構成することにより、切離した後の切離し部１６の変形状態を安定的に保つことを可能としている。なお、切離し部１６は、同図（ａ）に示されるように、長辺１６ａおよび短辺１６ｂを有する長方形状に構成してもよいし、正方形状に構成してもよい。

図３（ａ）〜（ｃ）は、試験被膜の形成後に被膜形成板１０から切離した切離し部１６の状態を示した写真である。試験被膜の形成後に被膜形成板１０から切離された切離し部１６は、固定部１２および保持部材２０の保持面２０ａによる規制が解除されるため、試験被膜の内部応力によって湾曲するように変形（弾性変形）することとなる。

本実施形態では、切離し部１６を略矩形状に構成することにより、切離し部１６を長辺１６ａまたは短辺１６ｂのいずれかに沿って湾曲させ、切離し部１６の変形状態を図３（ａ）および（ｂ）に示されるような形態、すなわち円筒を軸方向に切断した部分円筒状の形態に、安定的に保持することが可能となっている。

但し、被膜形成板１０を構成する材料が、例えば圧延金属板のように面内弾性異方性を示す場合、すなわち面内の方向によって弾性率が変化する場合には、切離し部１６の設定によっては、同図（ｃ）の左側に示されるように、変形状態が捩れた状態となることがある。

このように、切離し部１６の変形状態が捩れた状態となると、変形量の測定が困難となる場合がある。このため、本実施形態では、被膜形成板１０を構成する材料が面内弾性異方性を示す場合に、図２（ａ）に示されるように、被膜形成板１０の最小弾性率または最大弾性率を示す方向Ｄに対し、切離し部１６の長辺１６ａまたは短辺１６ｂのいずれか（この例では長辺１６ａ）が所定の角度θで交差するように、切離し部１６を構成している。このようにすることで、略矩形状の切離し部１６において湾曲しやすい方向を適宜にバランスさせることができるため、切離し部１６の変形状態を、上述の部分円筒状の形態に保つことが可能となる。

ここで、最小弾性率または最大弾性率を示す方向Ｄに対する切離し部１６の長辺１６ａまたは短辺１６ｂの角度θは、捩れ量を低減するためには、少なくとも３０〜６０度の範囲内であることが好ましく、４０〜５０度の範囲内であればより好ましく、４３〜４７度の範囲内であることが最も好ましい。

なお、被膜形成板１０を圧延金属板から構成している場合には、切離し部１６の長辺１６ａまたは短辺１６ｂのいずれかが、被膜形成板１０の圧延方向Ｄに対して所定の角度θで交差するようにしても同様の効果を得ることができる。この場合においても、角度θは、捩れ量を低減するためには、少なくとも３０〜６０度の範囲内であることが好ましく、４０〜５０度の範囲内であればより好ましく、４３〜４７度の範囲内であることが最も好ましい。

本実施形態では、被膜形成板１０を圧延金属板であるステンレス箔から構成しているため、被膜形成板１０の（ステンレス箔の）圧延方向Ｄに対し、切離し部１６の長辺１６ａおよび短辺１６ｂがそれぞれ略４５度の角度で交差するように、切離し部１６を構成している。

また、本実施形態では、試験片１（保持部材２０）の平面視の形状を略矩形状に構成すると共に、圧延方向Ｄが試験片１（保持部材２０）の平面視におけるいずれかの辺と略平行となるように、被膜形成板１０を配置している。これにより、切離し部１６を切離す際に、長辺１６ａおよび短辺１６ｂの方向、すなわち切断方向を容易に判別することが可能となっている。

なお、切離し部１６の長辺１６ａおよび短辺１６ｂの長さは、特に限定されるものではないが、変形量を高精度に測定するためには、自重による変形（撓み）の影響を無視できる寸法であることが好ましい。具体的には、前記被膜形成板から切離した場合の自重による撓みの最大変位が、長辺１６ａまたは短辺１６ｂの長さの少なくとも２％以下、より好ましくは１％以下、最も好ましくは０．５％以下となるように切離し部１６を構成することが好ましい。

すなわち、例えば試験被膜の内部応力によって切離し部１６が短辺１６ｂに沿って湾曲する場合には、自重による撓みの最大変位が短辺１６ｂの長さの少なくとも２％以下となるようにすることが好ましく、試験被膜の内部応力によって切離し部１６が長辺１６ａに沿って湾曲する場合には、自重による撓みの最大変位が長辺１６ａの長さの少なくとも２％以下となるようにすることが好ましい。

自重による撓みの最大変位は、例えば次の式（１）または式（２）によって求めることができる。なお、式（１）は片持梁の撓みにおける最大変位の式であり、式（２）は両端支持梁の撓みにおける最大変位の式である。

ここで、ｙ_ｍａｘは、撓みの最大変位であり、Ｅは、梁の弾性率であり、ｌは、梁の長さである。また、Ｉは、梁の断面二次モーメントであり、梁の幅をｂ、梁の高さ（厚さ）をｈとすると、次の式（３）で表される。また、ｗは、単位長さ当りの荷重であり、梁の密度をρ、梁の幅をｂ、梁の高さ（厚さ）をｈとすると、式（４）で表される。

式（３）および式（４）を式（１）および式（２）に代入すると、次の式（５）および式（６）となる。

この式（５）または式（６）を用いて、自重による最大変位が長辺１６ａまたは短辺１６ｂの長さの少なくとも２％以下となるように設定することができる。すなわち、ｌを設定する長辺１６ａまたは短辺１６ｂの長さ、ｈを切離し部１６（被膜形成板１０）の厚さとし、被膜形成板１０を構成する材料の弾性率Ｅおよび密度ρに応じてｙ_ｍａｘがｌ（長辺１６ａまたは短辺１６ｂの長さ）の少なくとも２％以下となるように、ｌ（長辺１６ａまたは短辺１６ｂの長さ）およびｈ（被膜形成板１０の厚さ）を設定すればよい。

なお、式（１）および式（２）以外の自重による撓みの式に基づいて切離し部１６の寸法を決定するようにしてもよいことは言うまでもない。また、式（１）、式（２）またはその他の式のいずれを使用するかは、切離し部１６の変形量の測定方法や、測定時における切離し部１６の支持方法等に応じて決定すればよい。

次に、本実施形態に係る被膜の内部応力測定方法（以下、単に測定方法と呼ぶ）について説明する。

図４は、本実施形態に係る測定方法の手順を示した概略図である。本実施形態の測定方法の第１のステップでは、試験片１の被膜形成板１０の表面１０ａに試験被膜１００を形成する。この試験被膜１００の形成は、刷毛やスプレー等による塗布であってもよいし、めっき、蒸着、スパッタリングまたは溶射等であってもよい。なお、この第１のステップには、被膜の乾燥工程や冷却工程も含まれる。

本実施形態の試験片１は、固定部材３０が保持部材２０および被膜形成板１０の固定部１２をマスクするようになっているため、試験被膜１００は、被膜形成板１０の非固定部１４に形成されることとなる。また、保持部材２０には試験被膜１００は形成されないため、保持部材２０は再利用可能となっている。

次に、第２のステップでは、試験被膜１００が形成された被膜形成板１０の非固定部１４から切離し部１６を切離す。上述のように、本実施形態では、切離し部１６は、被膜形成板１０の圧延方向Ｄに対して各辺がそれぞれ略４５度の角度で交差するように設定されている。また、被膜形成板１０は、圧延方向Ｄが略矩形状の試験片１（保持部材２０）の平面視におけるいずれかの辺と略平行となるように配置されている。従って、ここでは、試験片１に対して略４５度の角度で傾いた略矩形状の部分を非固定部１４から切離せばよい。

また、上述のように、被膜形成板１０の材料および厚さに応じた適宜の寸法で略矩形状の部分を切離すことにより、自重による影響を排除した高精度な測定を行うことができる。すなわち、ここでは、被膜形成板１０から切離した場合の自重による撓みの最大変位がいずれかの辺の長さの少なくとも２％以下となる寸法の略矩形状の部分を非固定部１４から切離すことが好ましい。なお、切離し部１６の切離しは、カッター等を用いて容易に行うことができる。

次に、第３のステップでは、被膜形成板１０から切離した切離し部１６の変形の曲率半径ｒを測定する。本実施形態では、切離し部１６を略矩形状に構成しているため、被膜形成板１０から切離した切離し部１６は、同図に示されるように、例えば短辺１６ｂに沿って湾曲した形態となる。従って、ここでは、この短辺１６ｂに沿った湾曲の曲率半径ｒを測定する。

図５（ａ）は、曲率半径ｒの測定方法の一例を示した概略図である。湾曲の曲率半径ｒは、同図に示されるように、所定の幅２ａにおける高さの差をδとした場合、次の式（７）から求められる。

幅２ａおよび高さの差δは、例えば定盤４０上に切離し部１６を上に凸となるように載置して撮像した画像（例えば、図３（ｂ）に示した画像）を画像処理することにより、測定することができる。このような画像処理による曲率半径ｒの測定方法は、液滴を撮像して行う接触角の測定方法と類似しているため、既存の接触角計等を活用することができる。曲率半径ｒの測定は、この他にもレーザ変位計等を用いて行うことができる。すなわち、切離し部１６の変形の曲率半径ｒを測定する曲率半径測定装置として、既存の接触角計やレーザ変位計等を使用することができる。

なお、測定する曲率半径ｒが大きい場合、幅２ａに対する高さの差δの値が小さくなると共に、重力による影響が大きくなるため、測定誤差が大きくなる。このため、高精度な測定を行うためには、曲率半径ｒは、なるべく小さいことが好ましい。具体的には、測定する曲率半径ｒは、測定誤差を許容範囲内に収めるためには、少なくとも３００ｍｍ以下であることが好ましく、２００ｍｍ以下であればより好ましく、１００ｍｍ以下であることが最も好ましい。曲率半径ｒの大凡の設定は、被膜形成板１０を構成する材料の弾性率に応じて、被膜形成板１０の厚さを適宜に設定することにより、行うことができる。

次に、第４のステップでは、測定した曲率半径ｒから試験被膜１００の内部応力Ｐ_０を算出する。本実施形態では、切離し部１６におけるモーメントの釣り合いから内部応力Ｐ_０を算出するようにしている。図５（ｂ）は、切離し部１６および試験被膜１００の応力状態を示した概略図である。

被膜形成板１０から切離した切離し部１６は、試験被膜１００内に生じた内部応力Ｐ_０（残留応力）が引張り応力である場合、同図に示されるように、試験被膜１００側に凹となるように湾曲（曲げ変形）する。この湾曲の中立面を切離し部１６と試験被膜１００の界面Ｂと仮定すると、湾曲によって切離し部１６の内部に発生する応力分布Ｐ_１（ｘ）は、次の式（８）で表される。また、試験被膜１００の内部の応力分布Ｐ_２（ｘ）は、湾曲によって試験被膜１００の表面１００ａにおける応力が０となるため、式（９）で表される。

ここで、ｘは、界面Ｂからの厚さ方向の距離である。また、Ｅ_１は、切離し部１６の（すなわち、被膜形成板１０を構成する材料の）弾性率であり、Ｅ_２は、試験被膜１００の弾性率である。

試験被膜１００の弾性率Ｅ_２は、例えば試験被膜１００が形成された他の切離し部１６について引張り試験等を行い、被膜形成板１０を構成する材料と試験被膜１００の複合弾性率Ｇを測定することによって求めることができる。複合弾性率Ｇは、次の式（１０）で表されるため、試験被膜１００の弾性率Ｅ_２は、式（１１）から求めることができる。なお、試験被膜１００の弾性率Ｅ_２が既知である場合には、その値を使用すればよい。

中立面である界面Ｂの両側のモーメントＭ_１およびＭ_２は釣り合っているため、次の式（１２）が成立する。そして、切離し部１６の（すなわち、被膜形成板１０の）厚さをｄ_１、試験被膜の厚さ（膜厚）をｄ_２とした場合、モーメントＭ_１およびＭ_２は、それぞれ次の式（１３）および式（１４）で表される。

式（１３）および式（１４）を式（１２）に代入すると、次の式（１５）となる。式（１５）を変形すると、式（１６）を経て式（１７）となり、この式（１７）から試験被膜１００の内部応力Ｐ_０が求められる。また、試験被膜１００の内部歪みεは、式（１８）から求められる。

以上の式に基づき、被膜形成板１０から切離した切離し部１６の変形の曲率半径ｒ、被膜形成板１０を構成する材料の弾性率Ｅ_１、試験被膜１００の弾性率Ｅ_２、被膜形成板の厚さｄ_１、および試験被膜１００の厚さｄ_２から、試験被膜１００の内部応力Ｐ_０および内部歪みεを算出することができる。この内部応力Ｐ_０および内部歪みεの算出は、既存のコンピュータ等の演算装置を使用することにより、容易に行うことができる。

なお、第４のステップにおける内部応力Ｐ_０の算出は、上述の式以外の式に基づくものであってもよい。例えば、従来提案されている次の式（１９）または式（２０）によっても、曲率半径ｒから内部応力Ｐ_０を求めることができる。

ここで、ν_１は、切離し部１６の（すなわち、被膜形成板１０を構成する材料の）ポアソン比であり、ν_２は、試験被膜１００のポアソン比である。

本実施形態の測定方法では、以上の手順により、試験被膜１００の内部応力Ｐ_０を測定する。なお、上記第１〜４のステップは、測定者が手動により行ってもよいし、専用の装置により自動的に行ってもよい。また、試験片１と、被膜形成板１０から切離した切離し部１６の変形の曲率半径ｒを測定する曲率半径測定装置と、曲率判定測定装置によって測定した曲率半径ｒから試験被膜１００の内部応力Ｐ_０を算出する演算装置と、から被膜の内部応力測定装置を構成するようにしてもよい。さらに、この被膜の内部応力測定装置は、所定の切断器具によって試験片１から切離し部１６を切離す切離し装置を備えるものであってもよい。

以上説明したように、本実施形態に係る試験片１は、表面１０ａに試験被膜１００が形成される平板状の被膜形成板１０と、被膜形成板１０を保持する保持部材２０と、からなり、被膜形成板１０は、保持部材２０に固定される固定部１２と、保持部材２０に固定されない非固定部１４と、を備えると共に、非固定部１４には、試験被膜１００が形成された後に被膜形成板１０から切離される切離し部１６が設けられ、被膜形成板１０から切離した切離し部１６の変形に基づいて試験被膜１００の内部応力Ｐ_０を求めることを特徴とする、被膜の内部応力測定用試験片である。

このような構成とすることで、より簡便且つ高精度に被膜の内部応力Ｐ_０を測定することができる。具体的には、保持部材２０によって保持することにより、試験被膜１００を形成する被膜形成板１０の取り扱いが容易となる。また、被膜形成板１０に固定部１２と、非固定部１４を備えることにより、被膜形成板１０を確実に保持しながらも、変形量を測定する切離し部１６を容易に被膜形成板１０から切離すことができる。これにより、測定を簡便且つ迅速に行うことが可能となる。また、試験被膜１００を薄く構成することができるため、測定精度を高めることが可能になると共に、微小な内部応力Ｐ_０であっても測定することが可能となる。

また、保持部材２０は、保持している被膜形成板１０の非固定部１４における裏面１０ｂと当接する保持面２０ａを備えている。このようにすることで、被膜形成板１０を安定的に保持することが可能となるため、試験被膜１００の形成時や切離し部１６の切離し時等における被膜形成板１０の不用意な変形や破壊を防止することができる。

また、切離し部１６は、略矩形状に構成されている。このようにすることで、被膜形成板１０から切離した後の切離し部１６の弾性変形の状態を安定的に保つことが可能となるため、切離し部１６の取り扱いを容易にすると共に、測定精度を高めることができる。

また、切離し部１６は、被膜形成板１０が面内弾性異方性を示す場合に、被膜形成板１０の最小弾性率または最大弾性率を示す方向Ｄに対して自身のいずれかの辺（長辺１６ａまたは短辺１６ｂ）が３０乃至６０度の角度で交差するように構成されている。このようにすることで、被膜形成板１０から切離した後の切離し部１６の弾性変形における捩れを解消することが可能となるため、測定精度を高めることができる。

また、被膜形成板１０は、圧延金属板から構成され、切離し部１６は、被膜形成板１０の圧延方向Ｄに対して自身のいずれかの辺（長辺１６ａまたは短辺１６ｂ）が３０乃至６０度の角度で交差するように構成されている。この場合においても、被膜形成板１０から切離した後の切離し部１６の弾性変形における捩れを解消することが可能となるため、測定精度を高めることができる。

また、被膜形成板１０は、試験被膜１００の膜厚の６０％以上の厚さに構成されることが好ましい。このようにすることで、被膜形成板１０から切離した切離し部１６が変形する際に皺等が発生するのを防止し、整った形状の円弧状に湾曲させることができる。これにより、曲率半径ｒの測定を容易にすると共に、測定精度を高めることができる。

また、切離し部１６は、被膜形成板１６から切離した場合の自重による撓みの最大変位が自身のいずれかの辺（長辺１６ａまたは短辺１６ｂ）の長さの２％以下となる寸法（長辺１６ａの長さ、短辺１６ｂの長さ、および厚さ）に構成されることが好ましい。このようにすることで、曲率半径ｒの測定および内部応力Ｐ_０の算出の際に、切離し部１６の自重による変形の影響を排除（無視）することができる。これにより、曲率半径ｒの測定および内部応力Ｐ_０の算出を容易にすると共に、測定精度を高めることができる。

また、被膜形成板１０は、切離し部１６を前記被膜形成板から切離した場合に、試験被膜１００の内部応力Ｐ_０によって切離し部１６が３００ｍｍ以下の曲率半径ｒで湾曲するように構成されることが好ましい。このようにすることで、曲率半径ｒ等の変形量を測定する際の誤差要因を少なくすることが可能となるため、測定精度を高めることができる。

また、被膜形成板１０は、厚さが０．１ｍｍ以下のステンレス箔から構成されている。このようにすることで、適度な強度および弾性率を有する被膜形成板１０を構成することができるため、被膜形成板１０および切離し部１６の取り扱いを容易にすると共に、測定精度を向上させることができる。また、市販のシムテープ等を活用して、被膜形成板１０を容易に構成することができる。

なお、本実施形態では、切離し部１６の変形の曲率半径ｒから試験被膜１００の内部応力Ｐ_０を測定する例を示したが、本実施形態の試験片１は、例えば反りの高さ等、曲率半径ｒ以外の変形量に基づいて内部応力Ｐ_０を測定する場合にも使用可能であることは言うまでもない。

また、本実施形態に係る測定方法は、保持部材２０に保持された平板状の被膜形成板１０の表面１０ａに試験被膜を形成する第１のステップと、被膜形成板１０から保持部材２０に固定されていない部分（すなわち、非固定部１４）の少なくとも一部（すなわち、切離し部１６）を切離す第２のステップと、被膜形成板１０から切離した部分（すなわち、切離し部１６）の変形の曲率半径ｒを測定する第３のステップと、曲率半径ｒから試験被膜１００の内部応力Ｐ_０を算出する第４のステップと、を有することを特徴とする、被膜の内部応力測定方法である。

このような構成とすることで、より簡便且つ高精度に被膜の内部応力Ｐ_０を測定することができる。具体的には、保持部材２０によって被膜形成板１０を確実に保持しながらも、変形量を測定する部分を容易に被膜形成板１０から切離すことができる。これにより、測定を簡便且つ迅速に行うことが可能となる。また、試験被膜１００を薄く構成することができるため、測定精度を高めることが可能になると共に、微小な内部応力Ｐ_０であっても測定することが可能となる。

また、被膜形成板１０から切離した部分の変形の曲率半径ｒを測定するため、既存の接触角計等で確立された測定技術を活用して、高精度な測定を簡便且つ迅速に行うことができる。

また、本実施形態に係る測定方法は、第２のステップにおいて、略矩形状の部分（すなわち、切離し部１６）を被膜形成板１０から切離す。このようにすることで、被膜形成板１０から切離した部分の弾性変形の状態を安定的に保つことが可能となるため、切離した部分の取り扱いを容易にすると共に、測定精度を高めることができる。

また、本実施形態に係る測定方法は、被膜形成板１０が面内弾性異方性を示す場合に、第２のステップにおいて、被膜形成板１０の最小弾性率または最大弾性率を示す方向に対していずれかの辺（すなわち、長辺１６ａまたは短辺１６ｂ）が３０乃至６０度の角度で交差する略矩形状の部分（すなわち、切離し部１６）を被膜形成板１０から切離す。このようにすることで、被膜形成板１０から切離した部分の弾性変形における捩れを解消することが可能となるため、測定精度を高めることができる。

また、本実施形態に係る測定方法では、第２のステップにおいて、被膜形成板１０から切離した場合の自重による撓みの最大変位が自身のいずれかの辺（すなわち、長辺１６ａまたは短辺１６ｂ）の長さの２％以下となる寸法（長辺１６ａの長さ、短辺１６ｂの長さ、および厚さ）の略矩形状の部分（すなわち、切離し部１６）を被膜形成板１０から切離すことが好ましい。このようにすることで、曲率半径ｒの測定および内部応力Ｐ_０の算出の際に、切離し部１６の自重による変形の影響を排除（無視）することができる。これにより、曲率半径ｒの測定および内部応力Ｐ_０の算出を容易にすると共に、測定精度を高めることができる。

なお、曲率半径ｒの測定方法、および曲率半径ｒに基づく内部応力Ｐ_０の算出方法は、本実施形態において示した例に限定されるものではなく、その他の既知の方法を用いてもよいことは言うまでもない。また、本実施形態では、切離し部１６が試験被膜１００側に凹となるように湾曲する場合を示したが、本発明は、切離し部１６が逆方向に湾曲する場合にも適用可能であることは言うまでもない。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の被膜の内部応力測定用試験片および被膜の内部応力測定方法は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の被膜の内部応力測定用試験片および被膜の内部応力測定方法は、各種被膜の内部応力の測定の分野において利用することができる。

１ 試験片
１０ 被膜形成板
１０ａ 被膜形成板の表面
１２ 固定部
１４ 非固定部
１６ 切離し部
１６ａ 切離し部の長辺
１６ｂ 切離し部の短辺
２０ 保持部材
２０ａ 保持面
１００ 試験被膜
Ｄ 最小弾性率もしくは最大弾性率を示す方向または圧延方向
Ｐ_０ 内部応力

Claims (12)

1. 表面に試験被膜が形成される平板状の被膜形成板と、
   前記被膜形成板を保持する保持部材と、からなり、
   前記被膜形成板は、前記保持部材に固定される固定部と、前記保持部材に固定されない非固定部と、を備えると共に、前記非固定部には、前記試験被膜が形成された後に前記被膜形成板から切離される切離し部が設けられ、
   前記被膜形成板から切離した前記切離し部の変形に基づいて前記試験被膜の内部応力を求めることを特徴とする、
   被膜の内部応力測定用試験片。
2. 前記保持部材は、保持している前記被膜形成板の非固定部における裏面と当接する保持面を備えることを特徴とする、
   請求項１に記載の被膜の内部応力測定用試験片。
3. 前記切離し部は、略矩形状に構成されることを特徴とする、
   請求項１または２に記載の被膜の内部応力測定用試験片。
4. 前記切離し部は、前記被膜形成板が面内弾性異方性を示す場合に、前記被膜形成板の最小弾性率または最大弾性率を示す方向に対して自身のいずれかの辺が３０乃至６０度の角度で交差するように構成されることを特徴とする、
   請求項３に記載の被膜の内部応力測定用試験片。
5. 前記被膜形成板は、圧延金属板から構成され、
   前記切離し部は、前記被膜形成板の圧延方向に対して自身のいずれかの辺が３０乃至６０度の角度で交差するように構成されることを特徴とする、
   請求項３に記載の被膜の内部応力測定用試験片。
6. 前記被膜形成板は、前記試験被膜の膜厚の６０％以上の厚さに構成されることを特徴とする、
   請求項１乃至５のいずれかに記載の被膜の内部応力測定用試験片。
7. 前記切離し部は、前記被膜形成板から切離した場合の自重による撓みの最大変位が自身のいずれかの辺の長さの２％以下となる寸法に構成されることを特徴とする、
   請求項１乃至６のいずれかに記載の被膜の内部応力測定用試験片。
8. 前記被膜形成板は、前記切離し部を前記被膜形成板から切離した場合に、前記試験被膜の内部応力によって前記切離し部が３００ｍｍ以下の曲率半径で湾曲するように構成されることを特徴とする、
   請求項１乃至７のいずれかに記載の被膜の内部応力測定用試験片。
9. 保持部材に保持された平板状の被膜形成板の表面に試験被膜を形成する第１のステップと、
   前記被膜形成板から前記保持部材に固定されていない部分の少なくとも一部を切離す第２のステップと、
   前記被膜形成板から切離した部分の変形の曲率半径を測定する第３のステップと、
   前記曲率半径から前記試験被膜の内部応力を算出する第４のステップと、を有することを特徴とする、
   被膜の内部応力測定方法。
10. 前記第２のステップにおいて、略矩形状の部分を前記被膜形成板から切離すことを特徴とする、
    請求項９に記載の被膜の内部応力測定方法。
11. 前記被膜形成板が面内弾性異方性を示す場合に、前記第２のステップにおいて、前記被膜形成板の最小弾性率または最大弾性率を示す方向に対していずれかの辺が３０乃至６０度の角度で交差する略矩形状の部分を前記被膜形成板から切離すことを特徴とする、
    請求項１０に記載の被膜の内部応力測定方法。
12. 前記第２のステップにおいて、前記被膜形成板から切離した場合の自重による撓みの最大変位が自身のいずれかの辺の長さの２％以下となる寸法の略矩形状の部分を前記被膜形成板から切離すことを特徴とする、
    請求項１０または１１に記載の被膜の内部応力測定方法。