JP2021099224A - 被検体の状態測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造で正確な測定を行える被検体の状態測定装置を提供する。【解決手段】工具１００に垂直方向の荷重を加えながら被検体と工具１００とを相対的に水平方向に移動させることによって工具１００を被検体に作用させて被検体の状態を測定する測定装置において、工具保持部６の上部に錘１２を載せる載置台７を設け、この載置台７に載せる錘１２の重量によって工具１００に加える垂直方向の荷重を調節する。水平方向の移動は、駆動モータ２２によって被検体Ｗを水平移動させる。このとき工具１００に作用する水平方向の荷重は、支柱部３に上下方向に移動可能に連結され、かつ、支柱部３に揺動可能に支持されたアーム部５に吊り下げられた測定部４で測定する。【選択図】 図１

Description

この発明は被検体の状態測定装置に関し、より詳細には、被検体の表層強度あるいは、被検体の表面に形成された塗膜の硬さや付着強度などの測定に用いる装置に関する。

従来、被検体の表面に形成された塗膜の強度や硬さや付着強度などの測定は、切削刃で塗膜に切込みを行いつつ塗膜を切削・剥離する際に、切削刃に作用する垂直方向の力と水平方向の力を測定し、これらの測定値から塗膜の強度や硬さや付着強度を計算によって求めている。

特許文献１はこの種の測定装置を示している。特許文献１に示すように、この種の測定装置では、切削刃の垂直方向および水平方向の移動には、それぞれステッピングモータなどの動力源（垂直移動モータと水平移動モータ）を用い、これらの動力源によって切削刃を移動させる際に、切削刃に加わる垂直方向の荷重と水平方向の荷重とをそれぞれ圧力検知器（垂直圧力検知器と水平圧力検知器と）で検知するように構成されている。そして、この種の測定装置には、測定モードとして、切削刃を一定の速度で移動させながら垂直・水平方向の荷重を測定する定速度モードと、切削刃に一定の荷重を加えながら水平方向の荷重を測定する定荷重モードの2種類の測定モードが備えられている。

特開２００３−２５４８９４号公報

しかしながら、このような測定装置には以下のような問題があった。
すなわち、従来の測定装置で被検体の測定試験、特に、定荷重モードでの測定試験を行う場合、切削刃に加わる垂直荷重を制御しながら被検体の状態変化を監視しなければならないことから、切削刃に垂直の荷重を加える垂直移動モータにはフィードバック制御が用いられているが、フィードバック制御では被検体の強度や硬さあるいは水平速度が速くなるなどの測定条件によってはハンチングが発生し、切削刃に加える荷重が安定し難い欠点がある。とりわけ、この種の測定装置で実施する試験には微小な荷重の変化によって測定結果が左右される試験が含まれるため、従来の方式では測定結果が不正確になるおそれがあった。

また、従来のように切削刃の垂直および水平方向の移動を双方ともにモータで行わせる構成では、モータが２基必要となるとともに、それぞれのモータを制御しなければならないため、装置全体の構造が複雑になり、装置の製造コストが高くなるという問題もあった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、簡易な構造で正確に測定を行える被検体の状態測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１に係る被検体の状態測定装置は、工具に垂直方向の荷重を加えながら被検体と上記工具とを相対的に水平方向に移動させることによって上記工具を上記被検体に作用させて被検体の状態を測定する測定装置であって、ベースと、上記ベースに垂直に設けられる支柱部と、上記支柱部に上下方向に移動可能に連結され、上記工具に作用する水平方向の荷重を測定する測定部と、上記支柱部に設けられた支点上に揺動可能に支持され、一端にバランス調整用の調整錘を備え、他端に上記測定部を吊り下げる吊り下げ部を備えるアーム部と、上記測定部において上記支柱部と対面する面と反対側の面に設けられ、上記工具を着脱自在に保持する工具保持部と、上記工具保持部の上部に設けられ、上記工具に垂直方向の荷重を加える錘を載置する載置台と、上記ベース上において上記工具保持部の下方位置に配置されて上記被検体を保持するチャック部と、上記チャック部に保持された上記被検体と上記工具の作用部との接触状態を調節するための接触角度調節部と、上記チャック部に保持された被検体を上記工具に対して相対的に水平方向に移動させる水平駆動機構部とを備えることを特徴とする。

そして、本発明に係る被検体の状態測定装置は、その好適な実施態様として、以下の構成が採用される。

（１）上記アーム部には、上記支点から調整錘までの距離を任意に変更できる調整錘スライド機構が備えられている。

（２）上記載置台の上下方向の変位量を測定する変位センサを備えている。

（３）上記測定部は、上記工具に作用する水平方向の荷重を電気信号に変換するロードセルで構成されている。

（４）上記チャック部は、上記被検体を吸着保持するバキュームベースの形態とされている。

（５）上記接触角度調節部は、上記チャック部を支持するゴニオステージで構成されている。

（６）上記工具は、被検体に切込みを加える切削刃で構成されている。

本発明によれば、工具に加えられる垂直方向の荷重は、載置台に載置された錘の重量によって決まるので、垂直方向の荷重を加えるにあたり複雑な制御が不要であり、垂直方向の荷重が安定する。その結果、水平方向の荷重の測定を従来より正確に行うことができるようになる。

また、工具に加えられる垂直方向の荷重が錘の重量によることになるので、垂直方向の荷重を加えるための駆動部や、垂直方向の荷重を測定するための測定部が不要なため、装置全体の構成がシンプルになり、装置全体を従来品よりも大幅にコンパクトに構成することができ、ひいては、低コストで被検体の状態測定装置を提供することができる。

本発明に係る被検体の状態測定装置の一例を示す正面図である。 同被検体の状態測定装置の平面図である。 同被検体の状態測定装置の側面図である。 同被検体の状態測定装置におけるアーム部の天秤機構の改変例を模式的に示した説明図である。 同被検体の状態測定装置のチャック部に用いる真空チャックの一例を模式的に示した説明図である。 同被検体の状態測定装置の第２の実施形態の一例を示す正面図である。 同被検体の状態測定装置の第３の実施形態の一例を示す正面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、図面全体にわたって同一の符号は同一の構成部材または要素を示している。
実施形態１
本発明に係る被検体の状態測定装置１は、工具１００に垂直方向の荷重を加えながら被検体Ｗと工具１００とを相対的に水平方向に移動させることによって、工具１００を被検体Ｗに作用させて被検体Ｗの状態を測定する測定装置である。

本発明に係る状態測定装置１は、ベース２と、ベース２に設けられる支柱部３と、工具１００に作用する水平方向の荷重を測定する測定部４と、支柱部３揺動可能に支持されたアーム部５と、工具１００を着脱自在に保持する工具保持部６と、工具１００に垂直方向の荷重を加える錘１２を載置する載置台７と、被検体Ｗを保持するチャック部８と、被検体Ｗと工具１００の作用部との接触状態を調節するための接触角度調節部９と、被検体Ｗを工具１００に対して相対的に水平方向に移動させる水平駆動機構部１０と、制御部１１とを主要部として構成される。

ベース２は、水平な盤面を有する装置の基台であって、この盤面上に支柱部３、水平駆動機構部１０などが装置される。本実施形態では、このベース２は、装置支持台１３の上に固定されている。

支柱部３は、ベース２の盤面上に垂直に設けられた柱状の部材で構成される。この支柱部３の上端部には、アーム部５に備えられた支点ブレード１４と係合することによってアーム部５を揺動可能に支持するブレード受部１５が設けられており、このブレード受部１５がアーム部５の揺動支点を構成するようになっている。具体的には、図１および図２に示すように、ブレード受部１５の上端面には支点ブレード１４の刃先部分と篏合するブレード支持溝１６が形成されており、このブレード支持溝１６内に支点ブレード１４の刃先部分が収容される構造となっている。

また、支柱部３には、ブレード受部１５の高さ位置を調節する昇降ステージ１７が備えられている。昇降ステージ１７はブレード受部１５の高さ位置を上下（垂直方向）に調節可能な構造を備えており、この昇降ステージ１７の高さ位置を調節することによって、後述する測定部４の高さ位置の調節ができるようになっている。これにより、工具１００の先端を被検体Ｗの表面に合わせる（接触させる）ことができる。すなわち、被検体Ｗの厚さに合わせて工具１００の高さを昇降ステージ１７で合わせる。具体的には、昇降ステージ１７を上下させて工具１００が被検体Ｗの表面に軽く接触するように調節する。なお、その際、後述する調整錘１９の重量を調節してアーム部５は常に水平になるよう調節する。

測定部４は、工具１００に作用する水平方向の荷重（圧力）を電気信号に変換する測定装置（たとえば、ロードセル）で構成されており、支柱部３に上下方向に移動可能に連結されいる。具体的には、測定部４の一端（測定部４の背面の下部）がスライダ１８を介して支柱部３と連結されており、このスライダ１８によって測定部４が上下（垂直方向）に自由移動できるように構成されている。なお、本実施形態では、この測定部４は制御部１１と電気的に接続されており、測定部４での測定結果は制御部１１に入力されるようになっている。

アーム部５は、上記ブレード受部１５（支点ブレード１４）を揺動支点とする天秤機構において、測定部４を吊り下げるための天秤棒となる部材であって、一端にバランス調整用の調整錘１９が備えられるとともに、他端に測定部４を吊り下げるための吊り下げ部２０が備えられている。なお、本実施形態では、このアーム部５には筒状の金属製パイプが用いられている。

調整錘１９は、吊り下げ部２０に測定部４を吊り下げた状態でアーム部５のバランスをとるための錘であって、アーム部５の一端に着脱自在に取り付けられており、異なる重量の錘に取り換えることによって適宜重量を調節できるようになっている。なお、調整錘１９によるバランス調整にあたっては、調整錘１９の取り換え（交換）に代えて、または、交換とともに、支点ブレード１４から調整錘１９までの距離を変更可能に構成することにより、調整錘１９によって作用する力のモーメントを変更できるようにしておくことも可能である。たとえば、図４に示すように、アーム部５の一端に調整錘１９を左右（水平）にスライド可能に装着しておき、この調整錘１９を調整錘スライド機構５０を使って左右にスライドさせるように構成することができる。具体的には、図４に示す例では、調整錘スライド機構５０として、取り付けアーム５１を介して昇降ステージ１７などに取り付けられて、調整錘用マイクロメータ５２の先端側に固定的に設けられて調整錘１９を挟持状に保持するスライド補助部５３が備えられており、調整錘用マイクロメータ５２の回転操作量に応じてスライド補助部５４を左右に移動させて調整錘１９の位置を変更できるようにしている。

吊り下げ部２０は、アーム部５の他端に測定部４を着脱自在に取り付けるための部品であって、本実施形態では、この吊り下げ部２０として金属製のリングが用いられている。具体的には、複数（図示例では２個）のリングを鎖状に連結した連結リングの形態とされ、その一端がアーム部５の他端に連結されるとともに、その他端が測定部４の上端に連結されることによって、測定部４がアーム部５に吊り下げられている。

そして、アーム部５のほぼ中央には、アーム部５を天秤棒として機能させる揺動支点を構成する支点ブレード１４が備えられており、この支点ブレード１４の刃先部分がブレード受部１５のブレード支持溝１６によって支持されている。

工具保持部６は、工具１００を着脱自在に保持するためのクランプ装置であって、図１に示すように、測定部４の支柱部３と対面する面とは反対側の面に、工具１００を概ね下向き、かつ、測定部４の下方に工具１００を突出させた状態で保持するように設けられている。ここで、工具保持部６が設けられる測定部４は、上述したように、アーム部５の吊り下げ部２０に吊り下げられ、かつ、スライダ１８によって上下移動できるように支柱部３に連結されていることから、工具保持部６の高さ位置は、測定部４の上下位置を調節することによって調節できるようになっている。

本実施形態では、工具１００として切削刃、具体的には、少なくとも切刃稜が超硬材料、たとえば、超硬合金や超硬ダイヤモンドなどで形成された切削刃を用いた場合を示している。そのため、本実施形態に示す工具保持部６は、この切削刃を保持するのに適した形状のクランプ装置で構成されている。

なお、工具保持部６の具体的な形状は、保持する工具１００の態様に応じて適宜設計変更される。たとえば、本実施形態では工具１００として切削刃を用いた場合を示したが、薄刃の刃物（いわゆるカッター）や鉛筆、針状の工具など他の態様の工具１００を用いる場合には、工具保持部６はそれらの工具１００を着脱自在に保持可能な形状で構成される。このように、工具保持部６は使用する工具１００の態様に応じてその形状が変更されるので、測定部４には着脱交換可能に取り付けられているのが好ましい。

載置台７は、工具１００に加える垂直方向の荷重を調節する錘１２を載置するためのスペースであって、工具保持部６の上部に設けられ、載置台７に載置された錘１２の重量が工具保持部６に保持された工具１００に加えられるようになっている。したがって、工具１００に加える垂直方向の荷重の調節は、載置台７に載置する錘１２の重量を調節することによって自由に調節することができる。なお、図示例では、載置台７の錘載置面を平面に形成した場合を示したが、たとえば、錘１２が載置台７から容易に脱落しないように、載置面の周囲を立ち上げた皿状に構成するなどしてもよい。また、載置台７を工具保持部６とは別体に構成し、工具保持部６に着脱可能に取り付けるように構成してもよい。

チャック部８は、被検体Ｗ（図示せず）を着脱可能に保持するチャック装置であって、工具保持部６の下方位置に配置される。すなわち、工具保持部６に工具１００を保持した状態で工具保持部６の高さ位置を調節することで、工具１００を被検体Ｗに作用させることができるように配置されている。本実施形態では、このチャック部８として被検体Ｗを吸着保持するバキュームベースを採用しているが、被検体Ｗを着脱可能に保持できる構造であればバキュームベース以外のチャック機構を採用してもよい。たとえば、図５に示すように、ベースとなる樹脂製板８１の表面に溝８２を格子状に形成するとともに、この溝８２の適所数か所（図示例では２か所）に貫通孔８３を形成し、さらに、この貫通孔８３に図示しない真空ポンプをつないで構成した簡易式の真空チャックを用いてもよい。その場合、たとえば、樹脂製板８１の表面に多孔質膜や多孔質フィルムなど多孔質の材料を配置して、溝８２による凹凸を緩衝した構造としてもよい。さらには、公知の構成からなるメカニカル式のチャック装置を用いてもよい。なお、チャック部８としてバキュームベースを用いる場合、バキュームベース上で被検体Ｗの横滑りを防止するストッパ（図示せず）をバキュームベースの吸着保持面に設けておくのが好ましい。

接触角度調節部９は、チャック部８に保持された被検体Ｗと工具１００の作用部（本実施形態では切削刃の刃先）との接触状態を調節するために、チャック部８の角度を微調節する機構であって、本実施形態ではチャック部８の下部に配置されたゴニオステージで構成されている。すなわち、チャック部８は、このゴニオステージ上に配置される構造となっている。接触角度調節部９を構成するゴニオステージは、切削刃の切刃稜の稜線に直交する向き（換言すれば、チャック部８側から支柱部３側に向かう方向）に配置された回転中心を持ち、そこを中心にした円弧に沿ってステージ上面を旋回移動させる構造を備えている。これにより、被検体Ｗの表面を切削刃の切刃稜と平行に配置させ、被検体Ｗと切削刃とが隙間なく密接させたり、あるいは切削刃に対して被検体Ｗを所定の傾きをもって当接させたりすることができるようになっている。

なお、接触角度調節部９による切削刃と被検体Ｗの位置合わせにあたっては、たとえば、切削刃の背面側からバックライトを切刃稜（切削刃の刃先側）に照射し、隙間光を前方の顕微鏡３１（図６の符号３１参照）で観察することによって、切削刃と被検体Ｗの位置合わせを容易かつ確実に行えるので、工具保持部６の背面側（支柱部３側）に光源（図６の符号２４参照）を配置しておくのが好ましい。

水平駆動機構部１０は、チャック部８に保持された被検体Ｗを工具１００に対して相対的に水平方向に移動させるための機構であって、本実施形態では、支柱部３に向かって前進後退移動可能な水平移動ステージ２１と、ボールねじなどの駆動連結機構２３を介して水平移動ステージ２１と駆動連結された駆動モータ２２とを主要部として構成されている。

具体的には、水平移動ステージ２１はベース２の盤面上に配置されており、この水平移動ステージ２１の上に接触角度調節部９（切削刃稜に試料表面を平行に合わせるための回転台）およびチャック部８が配置される構造となっている。駆動モータ２２は、たとえばステッピングモータで構成され、後述する制御部１１と電気的に接続されて、制御部１１の制御によって水平移動ステージ２１が支柱部３に向かって前進後退移動可能になっている。なお、本実施形態では、被検体Ｗと工具１００の相対的な水平移動に際し、被検体Ｗ側、すなわち、チャック部８側を移動させる場合を示したが、支柱部３側、すなわち、工具１００側を移動させるように構成してもよい。

制御部１１は、上述した駆動モータ２２の制御と測定部４で測定された測定結果のデータ処理を行う装置であって、たとえば、パーソナルコンピュータで構成される。そのため、このパーソナルコンピュータには、少なくとも駆動モータ２２の制御用ソフトウェアと測定結果のデータ処理用のソフトウェアとが備えられている。

このように、本発明に係る被検体の状態測定装置１では、制御部１１によって駆動制御されるアクチュエータは水平駆動機構部１０のみである。その他の作動部分、具体的には、工具保持部６、チャック部８、接触角度調節部９および昇降ステージ１７における各作動部分はいずれも手動で動作させる構造となっている。

なお、上述した実施形態では特に図示していないが、本発明に係る被検体の状態測定装置１では、これらの構成に加えて、たとえば、工具（切削刃）１００による被検体Ｗへの切込み深さを測定する切込み深さ測定部を備えるように構成してもよい。

たとえば、切込み深さ測定部として差動トランスを用い、この差動トランスのセンサー部分を錘１２の載置台７の表面に接触させおく。工具１００が被検体Ｗの表面から内部に切込まれると、それに伴って工具１００の高さ位置が垂直方向に変位するので、その変位を差動トランスで測定することで被検体Ｗへの切込み深さの測定が可能になる。なお、この切込み深さ測定部での測定結果のデータは、測定部４の測定結果のデータと同様に、制御部１１に入力されるように構成しておくのが好ましい。

次に、このように構成された被検体Ｗの状態測定装置１の基本操作の一例を説明する。
以下の説明では、工具１００に切削刃を用い、この切削刃で被検体Ｗに切込みを加えながら切削刃に作用する垂直方向の力と水平方向の力を測定する場合について説明する。

（１）チャック部８に被検体Ｗを固定する。
この工程では、チャック部８のバキュームベースを起動し、チャック部８の吸着保持面に被検体Ｗを固定する。その際、上述したようにストッパを用いるなどして測定作業中に被検体Ｗの位置がずれないようにしておく。

（２）水平駆動機構部１０を操作して、チャック部８を工具（切削刃）１００の下方位置、具体的には、被検体Ｗを測定試験開始位置に水平移動させる。この操作は、制御部１１で駆動モータ２２を操作することによって行う。

（３）昇降ステージ１７を操作して、工具１００の高さ位置を調節する。具体的には、昇降ステージ１７を操作し、工具１００の先端が被検体Ｗの表面と当接するように、工具１００の高さ位置を調節する。そして、この作業と並行して、調整錘１９の重量を調節し、工具１００が被検体Ｗに荷重「０」の状態で接触するようにする。すなわち、調整錘１９の重量を調整し、工具（切削刃）１００と調整錘１９とが吊り合うようにバランス調整を行う。この作業は、載置台７に錘１２を載せずに行う。これにより、工具（切削刃）１００に対する垂直方向の荷重が「０」の状態で測定試験を開始することができるようになる。

（４）そして最後に、接触角度調節部９で被検体Ｗの位置を微調整し、工具（切削刃）１００の切刃稜と被検体Ｗの表面とを当接させて、測定試験の準備を完了する。なお、この被検体Ｗの位置の微調整後に再び調整錘１９で被検体Ｗへの荷重が「０」になるように調整錘１９の重量を再調整してもよい。

以上の手順を経て測定試験の準備が完了すると、工具（切削刃）１００に加える垂直方向の荷重に応じた錘１２を載置台７に載せ、制御部１１を操作して水平駆動機構部１０を駆動して被検体Ｗを水平移動させる。これにより、工具（切削刃）１００による被検体Ｗへの切込みが始まるので、工具（切削刃）１００に加えらえる水平方向の荷重（荷重の変化）を測定部４で測定することができるようになる。

このようにして測定試験を行うことにより、工具１００に加えられる水平方向の荷重（水平力）は測定部４で、工具１００に加えられる垂直方向の荷重は錘１２の重量でそれぞれ測定することができるので、たとえば、これらに工具（切削刃）１００の刃幅や切込み深さなど他の測定値を加味することによって、計算によって塗膜の深さや硬さ、付着強度など被検体Ｗに対する様々な測定試験を行うことができる。

以下、測定試験の一例を説明する。
Ａ：せん断強度の計算
被検体Ｗのせん断強度を測定する場合、工具１００に切削刃を用い、本発明に係る被検体の状態測定装置１で測定した水平力Ｆｈと垂直力Ｆｖと、切削刃の刃幅ｂと、切込み深さ測定部で測定した切込み深さｄと、せん断角Φとを用いて、以下の数式（１）によりせん断強度を計算する。なお、この数式（１）は切込み２次元切削の降伏せん断応力τｓを求める計算式である。また、せん断角Φは数式（２）によって計算する。
τｓ＝sinΦ／ｂｄ（ＦｈcosΦ‐ＦｖsinΦ） ・・・（１）
Φ＝π／４−１／２arctan（Ｆｖ／Ｆｈ) ・・・・（２）

Ｂ：トライボロジーモードにおける摩擦係数μの計算
トライボロジーモードでは、工具１００として圧子を用いる。そして、本発明に係る被検体Ｗの状態測定装置１で測定した水平力Ｆｈと垂直力Ｆｖとから摩擦係数μを以下の数式（３）によって計算する。
摩擦係数μ＝Ｆｈ／Ｆｖ ・・・・・・・・・・・・・（３）

Ｃ：切削モードにおけるせん断角Φの計算
切削モードでは、工具１００として切削刃を用い、本発明に係る被検体の状態測定装置１で測定した水平力Ｆｈと垂直力Ｆｖとからせん断角Φを以下の数式（４）によって計算する。
せん断角Φ＝４５−arctan（Ｆｖ／Ｆｈ） ・・・・・（４）

Ｄ：剥離モードにおける付着強度Ｐの計算
剥離モードでは、工具１００として切削刃を用い、本発明に係る被検体の状態測定装置１で測定した水平力Ｆｈと剥離幅とから付着強度Ｐを以下の数式（５）によって計算する。
付着強度Ｐ＝水平力／剥離幅 ・・・・・・・・・・・（５）

なお、上述したＡ〜Ｄの各計算は、いずれも制御部１１のデータ処理用のソフトウェアによって計算できるように構成される。すなわち、制御部１１には、これらの計算を行うための各種の動作モード（たとえば、上述したトライボロジーモードや切削モードなど）を備えさせておき、これらの動作モードを切り替えることによってそれぞれの計算を制御部１１が行うように構成される。その際、水平力Ｆｈと切込み深さｄは、制御部１１と電気的に接続された測定部４および切込み深さ測定部から自動入力されるように構成しておくのが好ましいが、これらの値を含むすべてを手動で入力するように構成してもよいのは勿論である。

本発明によれば、工具に加えられる垂直方向の荷重は、載置台７に載置された錘１２の重量によって決まるので、垂直方向の荷重を加えるにあたり複雑な制御が不要であり、垂直方向の荷重が安定する。その結果、水平方向の荷重の測定を従来より正確に行うことができるようになる。しかも、本発明の状態測定装置では、錘１２の重量や載置台７の重量、測定部４の重量などがスライダ１８の下部を支柱部３側に押し付けるように作用するので、工具１００と被検体Ｗの間の微小空間が減少し、より安定した測定を実現することができる。

また、工具に加えられる垂直方向の荷重が錘の重量によることになるので、垂直方向の荷重を加えるための駆動部や、垂直方向の荷重を測定するための測定部が不要なため、装置全体の構成がシンプルになり、装置全体を従来品よりも大幅にコンパクトに構成することができ、ひいては、低コストで被検体の状態測定装置を提供することができる。

実施形態２
次に、本発明の第２の実施形態を図６に基づいて説明する。この図６に示す状態測定装置は、実施形態１に示す状態測定装置の改変例であって、主たる変更点は、載置台７の近傍に載置台７の上下（垂直）方向の変位量を測定する変位センサ２５を設けた点と、アーム部５を水平に調整するアーム部水平調整機構３０を設けた点にある。なお、実施形態１の状態測定装置と構成が共通する部分には同一の符号を付して説明を省略し、相違点を中心に説明する。

なお、図６において、符号２４は、工具１００の切刃稜などを背面側から照射するバックライトの光源を示している。また、この実施形態では、昇降ステージ１７は支柱部３の側部に設けている。さらに、この実施形態では、水平移動ステージ２１は、駆動モータ２２によってチャック部８を支柱部３に向かって前進後退移動させるＸステージ２１ａと、Ｘステージと直交する向きにチャック部８を移動させるＹステージ２１ｂとで構成している。

変位センサ２５は、たとえば、静電容量変位計やレーザ変位計などナノオーダーで変位量測定が可能な測定装置で構成されている。図示例では、静電容量変位計を用いた場合を示しており、載置台７の上方に配置されている。符号２６は、変位センサ２５の上下位置を調節するための変位センサ位置調整機構（たとえば、精密なねじ機構を用いて変位センサ２５の上下位置を変更する機構）を示しており、この変位センサ位置調整機構２６は、たとえば支柱部３に取り付けられ、このセンサ位置調整機構２６を調節することによって、変位センサ２５の上下位置を微調整できるようになっている。

アーム部水平調整機構３０は、アーム部５を水平状態に調整するための機構であって、水平状態を保つように配置された水平調整バー２９を上下方向に移動させるマイクロメータ２８と、支点ブレード１４を挟んだ左右等距離の位置（図示例では２カ所）に上方からアーム部５に当接されるアーム部水平調整バー２９とを主要部として備えており、マイクロメータ２８を操作してアーム部水平調整バー２９をアーム部５に軽く押し付けることによって、アーム部５を強制的に水平状態にすることができるようになっている。変位センサ２５のゼロ点合わせ、すなわち、変位センサ２５の上下位置の微調整は、この強制的な水平状態で、変位センサ２５を上下方向に動かして測定範囲内に入るように変位センサ２５の位置を調整することにより行われる。

なお、アーム部５を水平状態にする調整は、まず、アーム部水平調整バー２９でアーム部を強制的に水平状態にした後にアーム部水平調整バー２９を一旦わずかに上方に退避させてアーム部５の拘束を解いてアーム部５をフリーな状態とし、この状態で調整錘スライド機構５０を操作して変位センサー２５の表示を見ながらこの値がゼロになるように調節すればよい（工具１００と調整錘１９とが吊り合うようにバランス調整を行う）。

このように、本実施形態に示す状態測定装置では、アーム部５の水平状態を正確に作出できるとともに、変位センサ２５により載置台７の上下方向の変位量を正確に測定できるので、載置台７と一体に上下移動する工具１００での切込み深さなど、工具１００の上下方向の変位量が関係する各種測定も実施できるようになる。

具体的は、たとえば、上述した実施形態１で説明した各種測定試験に加えて、以下のような測定試験ができる。
Ｅ：スクラッチ係数Ｓの測定
スクラッチ係数Ｓの測定は、工具１００として針を用いる。そして、この針を被検体Ｗの表面に押し当てて、所定の荷重（錘１２による荷重）で被検体Ｗに押し付け、所定の速度で水平に移動させて被検体Ｗを引掻き、このときの水平力Ｆｈと錘１２による押込み深さｄとから数式（６）により計算する。
スクラッチ係数Ｓ＝Ｆｈ／ｄ ・・・・・・・（６）
ここで、測定に用いる針の形状は木綿針と類似品とし、材質は焼入れ超鋼材料、先端径は1μm程度とする。

Ｆ：弾性回復率の測定
被検体Ｗが高分子材料である場合、被検体Ｗに加圧後力を抜くと、押込み変形が回復する現象がある。この回復量を測定するる場合、工具１００として針を用い、この針に錘１２により所定の荷重を加える。このとき針は水平移動させない。そして、次に荷重を減らして押込み深さを測定し、次の数式（７）を用いて弾性回復率を計算する。
弾性回復率＝（ｄ１−ｄ２）／ｄ１ ・・・・・（７）
ただし、初期荷重時の深さ：ｄ１、 荷重除去時の深さ：ｄ２

さらには、摩擦係数測定時の錘１２の荷重で被検体Ｗが圧縮変形するときの圧縮係数Ｃの測定、被検体Ｗの粘性係数の測定、表面張力係数の測定、加圧によるクリープ特性の測定、チキソトロピー性の測定、表面粗さの測定、被検体Ｗの膨潤の測定、ブリスターの測定、寸法変化の測定など、工具１００の上下方向の変位量を測定することによってさまざまな試験を実施することができる。

また、本実施形態に示す状態測定装置では、たとえば、被検体Ｗを加熱する加熱手段（たとえば、ヒータ、赤外線照射器、ペルチェ素子など）をチャック部８やその近傍に配置して、被検体Ｗを加熱できるように構成しておくことで、加熱による被検体Ｗの垂直変位（上下方向の変位量）を変位センサ２５で測定できる。そのため、たとえば、被検体Ｗの線膨張率や、被検体Ｗの軟化温度や、被検体Ｗの加熱復元性、被検体Ｗの加熱寸法変化なども測定することができる。

また、このような各種測定に加え、本実施形態の状態測定装置では、アーム部水平調整機構３０によってアーム部５を強制的に水平状態に固定できるので、たとえば、工具１００の交換作業時にアーム部５が固定しておくことで、工具１００の交換作業時にアーム部５ががたつくのを防止することができる。

実施形態３
本実施形態は図７に示されており、工具保持部６に保持される工具１００を改変した場合を示している。この実施形態では、工具１００として鉛筆を用いた場合を示しており、この場合、工具保持部６の形状が鉛筆を着脱可能に保持するのに適した形状となっている点で上述した実施形態１の状態測定装置１とは構成が異なる。なお、その他の構成は実施形態１と共通するので共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。

このように、工具１００の態様に応じて工具保持部６の形状を変更することで、たとえば、鉛筆を用いて被検体Ｗの引っ掻き試験を行うことも可能である。

なお、上述した実施形態はあくまでも本発明の好適な実施態様を示すものであって、本発明はこれらに限定されることなくその範囲内で種々の設計変更が可能である。

たとえば、上述した実施形態では、接触角度調節部９としてゴニオステージを用いた場合を示したが、ゴニオステージ以外の機構を採用することも可能である。

また、上述した実施形態では、工具１００の高さ位置の調節を支柱部３に設けられた昇降ステージ１７によって行わせる場合を示したが、、昇降ステージ１７に代えて、または、昇降ステージ１７と併せて、チャック部８の下部に、チャック部８の高さ位置を調節する昇降機構（図示せず）を設け、チャック部８側で高さ位置の調節を行うように構成してもよい。

また、本実施形態では、制御部１１が、駆動モータ２２の制御と測定部４による測定結果のデータ処理の双方を行うように構成した場合を示したが、これらを別々のコンピュータで行わせるように構成してもよい。たとえば、駆動モータ２２の制御を行うコンピュータを状態測定装置１の筐体内に収容し、データ処理用のコンピュータを外部に配置するように構成してもよい。

１ 状態測定装置
２ ベース
３ 支柱部
４ 測定部
５ アーム部
６ 工具保持部
７ 載置台
８ チャック部
９ 接触角度調節部
１０ 水平駆動機構部
１１ 制御部
１２ 錘
１３ 装置支持台
１４ 支点ブレード
１５ ブレード受部
１６ ブレード支持溝
１７ 昇降ステージ
１８ スライダ
１９ 調整錘
２０ 吊り下げ部
２１ 水平移動ステージ
２２ 駆動モータ
２３ 駆動連結機構
２４ バックライトの光源
２５ 変位センサ
２６ 変位センサ位置調整機構
２８ マイクロメータ
２９ アーム部水平調整バー
３０ アーム部水平調整機構
３１ 顕微鏡
５０ 調整錘スライド機構
５１ 取り付けアーム
５２ 調整錘用マイクロメータ
５３ スライド補助部
１００ 工具
Ｗ 被検体

Claims (7)

1. 工具に垂直方向の荷重を加えながら被検体と前記工具とを相対的に水平方向に移動させることによって前記工具を前記被検体に作用させて被検体の状態を測定する測定装置であって、
   ベースと、
   前記ベースに垂直に設けられる支柱部と、
   前記支柱部に上下方向に移動可能に連結され、前記工具に作用する水平方向の荷重を測定する測定部と、
   前記支柱部に設けられた支点上に揺動可能に支持され、一端にバランス調整用の調整錘を備え、他端に前記測定部を吊り下げる吊り下げ部を備えるアーム部と、
   前記測定部において前記支柱部と対面する面と反対側の面に設けられ、前記工具を着脱自在に保持する工具保持部と、
   前記工具保持部の上部に設けられ、前記工具に垂直方向の荷重を加える錘を載置する載置台と、
   前記ベース上において前記工具保持部の下方位置に配置されて前記被検体を保持するチャック部と、
   前記チャック部に保持された前記被検体と前記工具の作用部との接触状態を調節するための接触角度調節部と、
   前記チャック部に保持された被検体を前記工具に対して相対的に水平方向に移動させる水平駆動機構部とを備える
   ことを特徴とする被検体の状態測定装置。
2. 前記アーム部には、前記支点から調整錘までの距離を任意に変更できる調整錘スライド機構が備えられていることを特徴とする請求項１に記載の被検体の状態測定装置。
3. 前記載置台の上下方向の変位量を測定する変位センサを備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の被検体の状態測定装置。
4. 前記測定部は、前記工具に作用する水平方向の荷重を電気信号に変換するロードセルで構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の被検体の状態測定装置。
5. 前記チャック部は、前記被検体を吸着保持するバキュームベースの形態とされていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の被検体の状態測定装置。
6. 前記接触角度調節部は、前記チャック部を支持するゴニオステージで構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の被検体の状態測定装置。
7. 前記工具は、被検体に切込みを加える切削刃で構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の被検体の状態測定装置。
   

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