JP4350612B2 - 粘弾性測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、試料に交流的応力または歪を試料に付与し、その際の試料に発生する歪または応力を検出し、応力と歪の相関から試料の粘弾性を測定する粘弾性測定装置に関する。

従来、この種の発明に関しては、試料に交流的な応力または歪みを付与し、その際の試料に発生する歪または応力を検出し、応力と歪の間の相関から試料の複素弾性率を測定するように構成したものがある（例えば特許文献１参照）
特開平11-218483号公報

上記従来装置においては、試料に発生する歪が非常に小さすぎまたは大きすぎて弾性率を正常に算出できない場合、測定不能エラーとなり直ちに測定を終了する構成や、または測定不能エラーを無視して測定を続ける構成となっていた。

一般に、測定試料は温度が高くなると軟らかくなっていく。特に樹脂であれば、ガラス転移や融解という現象があり、高温で軟らかくなる。逆に熱硬化性樹脂の場合は、低温ではゲル状で軟らかく、高温では硬化反応により硬くなるものもある。
未知の試料を測定する場合、試料の硬さが測定可能範囲に入っているのはどの程度の温度範囲か、実際に測定してみないと分からない。

そのため従来装置においては、経験的に見当を付けた温度範囲により測定を行ってみて、測定中に測定不能エラーを生じた場合にはオペレータが温度範囲を少しずつ変えながら繰り返し検出測定するという試行錯誤的な方法が行われていた。

その結果、未知の試料を測定する場合、測定可能な温度範囲を見つけるまでに何回も測定を試行しなければならず、多くの手間と時間がかかっていた。

また、エラーを無視して測定を続ける構成の場合には、無駄な測定を繰り返し実施してしまうため、測定効率が悪いという問題があった。

本願発明は、上記問題点を解決し、手間と時間を低減させ、また、高速にあるいは精度よく測定可能な温度を見出すことを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明における粘弾性測定装置は、実際の測定に先立って試験的な温度制御と交流力印加により試料の測定可能な温度域を調べる検出測定を行い、検出測定により得られた温度域内で実際の測定を行う機能を備える。

すなわち、本発明における粘弾性測定装置は、試料の周囲に設けられ試料の加熱を行う加熱炉と、セットされた、温度範囲及び時間に対する温度関数とからなる温度プログラムに従って、温度プログラム関数を発生する温度プログラム関数発生器と、前記温度プログラム関数発生器に接続され、該温度プログラム関数発生器から出力される温度プログラム関数に基づいて前記加熱炉の温度制御を行う加熱炉制御器と、試料に応力を印加する応力印加手段と、セットされた、周波数及び周波数モードからなる交流力プログラムに従って、正弦波信号を交流力プログラム関数として発生する交流力プログラム関数発生器と、前記交流力プログラム関数発生器に接続され、該交流力プログラム関数発生器から出力される交流力プログラム関数に基づいて正弦波応力信号を出力し、前記応力印加手段に前記正弦波応力を出力するよう前記応力印加手段を制御する交流力制御器と、前記応力印加手段からの正弦波応力の印加により発生する試料の変位を正弦波歪信号として検出する変位検出器と、交流力制御器の出力する正弦波応力信号と変位検出器の出力する正弦波歪信号の相関から試料の複素弾性率を算出して粘弾性率信号として出力し、該複素弾性率があらかじめ設定された上限基準値を超えるか下限基準値を下回ったときには計測不能エラーを出力する粘弾性率計算器と、実際の測定に先立って、所定の温度プログラムを前記温度プログラム関数発生器にセットし、所定の交流力プログラムを前記交流力プログラム関数発生器にセットし、前記温度プログラム関数発生器および前記交流力プログラム関数発生器を動作させ、かつ、前記粘弾性率計算器の出力をモニターし、計測不能エラーが出ている間は計測を続行し、計測不能エラーが出なくなった時はその時の温度を試料の弾性率計測可能な上限温度あるいは下限温度として出力する計測可能温度検出用測定制御器と、前記計測可能温度検出用測定制御器によりセットされた温度プログラムにおける温度範囲を、前記計測可能温度検出用測定制御器により出力された計測可能上限温度あるいは下限温度に基づいた計測可能な温度範囲に書き換えると共に、所望の温度プログラム、交流力プログラムに設定しなおして、温度プログラム関数発生器及び交流力プログラム関数発生器に出力し、粘弾性率計算器の出力をモニターすることで実際の測定を行う本測定制御器とを備える。

この発明によれば、弾性率計測可能温度が未知の試料に対しても自動で測定可能な温度を調べて測定することができるため、人手により測定可能な温度を何度も調べる必要が無くなり、省力化と時間短縮が実現できる。

又、本測定制御器の他に、計測可能温度検出用測定制御器を設けたことで任意の温度プログラム、あるいは交流力プログラムで計測可能温度検出ができるようにしたことにより、必要に応じて高速あるいは高精度に計測可能温度の検出ができる。

又、検出測定交流力プログラムにおいては、周波数リストにある複数の周波数のうち一番周波数の高いものだけを使用するようにしたので、高速に計測可能温度の検出ができる。

本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１中１は試料であり、試料１の両端はチャック２により保持されている。プローブ３は筐体に弾性的に保持され、その一端は試料１の中央部に固定され、もう一端にはコイル５が固定されている。コイル５とそれを取り巻く形で配置されたマグネット６により交流力発生器を構成している。プローブ３の途中にはコア８が取り付けられ、コア８を取り巻く形で配置された差動トランス７との間でプローブ３の相対的な変位を検出する。

チャック２の形状により、試料１の変形モードとして、曲げ、引張り、圧縮、ずり、ねじり等各種のものが可能である。

温度プログラム関数発生器１０は、セットされた温度プログラムに従って温度プログラム信号を出力する。加熱炉制御器９は温度プログラム関数発生器１０の出力に基づき加熱炉４を制御する。

交流力プログラム関数発生器１２は、セットされた交流力プログラムに従って周波数信号を出力する。交流力制御器１１は交流力プログラム関数発生器１２の出力に基づきコイル５とマグネット６により構成される交流力発生器を制御する。

変位検出器１３はコア８と差動トランス７間の変位を歪信号として出力する。

粘弾性率計算器１４は、変位検出器１３からの歪信号と交流力制御器１１からの応力信号とを入力し、歪と応力の相関から複素弾性率を算出し出力する。歪信号が大きすぎるまたは小さすぎる等の理由で弾性率を正しく算出できない場合は、測定不能エラーを出力する。

測定制御器１５は、温度プログラム関数発生器１０と交流力プログラム関数発生器１２を制御して試料１への加熱と交流力印加を行い測定を実行するとともに、粘弾性率計算器１４の出力を測定データとして記録する。

温度プログラム保持器１７は温度プログラムを保持する。温度プログラムは、昇温冷却速度および測定温度範囲とからなり、これらはオペレータが選択が可能である。また温度プログラムの昇温冷却の仕方として等速モードとステップモードある。等速モードとステップモードの例を図２に示す。本実施例では温度プログラムが等速モードの場合について説明するが、温度プログラムがステップモードの場合でも同様に実施可能である。また検出測定の温度プログラムモードと本測定の温度プログラムモードが異なる構成にすることも可能である。計測可能温度検出測定にあたっては、温度プログラムの開始温度は、試料が硬すぎて測定不能と予想される温度から開始するように設定する。高温で軟らかくなる試料を昇温測定する場合は開始温度を低めに設定し、低温で軟らかくなる試料を冷却測定する場合は開始温度を高めに設定する。

検出測定条件保持器１８は、検出測定の測定条件を保持する。本実施例のように検出測定を等速モードで行う場合には検出測定の昇温速度を保持する。これはオペレータが選択可能である。検出昇温速度は、時間が掛かってもよいから計測可能温度の検出を精度よく行いたいときは遅く設定する。精度が落ちてもよいから検出測定を短時間で行いたいときは速く設定する。

交流力プログラム保持器１９は測定時に試料１に印加する交流力プログラムを保持する。交流力プログラムは、図３に示すように、複数の周波数からなる周波数リストと、複数周波数の印加の仕方（正弦波を連続的に印加するか、ひとつの合成波として印加するか）を選択する周波数モードから構成され、これらはオペレータにより選択可能になっている。

計測可能温度検出用測定制御器１６は、弾性率の計測が可能な最低温度を調べるための検出測定を制御する。

検出測定は、検出測定温度プログラムと検出測定交流力プログラムを用いて行う。

検出測定温度プログラムは、本測定に用いられる温度プログラムと同じ温度範囲を持ち、検出測定条件保持器１８に設定された検出昇温速度を持つ。

図４、図５に検出測定と本測定における温度制御の例を示す。図４は、検出昇温速度が本測定の昇温速度より遅く設定され、検出の精度を高めている例である。図５は、検出昇温速度が本測定の昇温速度より速く設定され、短時間で検出測定を行う例である。

検出測定交流力プログラムは図７に示される交流力プログラムに含まれる周波数リストのうちから、最も周波数の高いものひとつを取り出したものである。一般に、ほとんどの試料は応力の周波数が高いほど弾性率が高いという性質があるため、ある周波数において測定可能ならばそれより低い周波数において必ず測定可能である。このため検出測定は最大周波数のみについて行えばよく、これにより複数周波数で行う場合に比べ検出測定に要する時間を大きく短縮することができる。

計測可能温度検出用測定制御器１６はオペレータからの計測可能温度検出測定開始指示を受けると、まず、温度プログラム保持器１７の温度プログラムと検出測定条件保持器１８の検出昇温速度を基に検出測定温度プログラムを作成して温度プログラム関数発生器１０にセットし、交流力プログラム保持器１９の交流力プログラムから検出測定周波数を選択し交流力プログラム関数発生器１２にセットする。

次に計測可能温度検出用測定制御器１６は、温度プログラム関数発生器１０と交流力プログラム関数発生器１２に動作開始指示を出力し、検出測定を開始する。検出測定が開始されると、計測可能温度検出用測定制御器１６は粘弾性率計算器１４の出力を監視する。通常、粘弾性率計算器１４は、検出測定を開始した直後は試料が硬いため測定不能エラーを出力しており、検出測定温度プログラムが進行し試料が柔らかくなると正常な弾性率値を出力するようになる。計測可能温度検出用測定制御器は、粘弾性率計算器１４の出力が正常な弾性率値であることを感知したら、その時の温度を弾性率計測可能温度として記憶したのち、温度プログラム関数発生器１０と交流力プログラム関数発生器１２に動作終了指示を出力し検出測定を終了する。

計測可能温度検出用測定制御器１６は検出測定が終了したら、上記測定した弾性率計測可能温度を基に新しい本測定温度プログラムを作成する。図４、図５に示すように、本測定温度プログラムは、開始温度が弾性率計測可能温度であり、それ以外のパラメータ（終了温度、昇温速度）は温度プログラム保持器１７に保持されている温度プログラムと同じものである。すなわち、温度プログラム保持器１７に保持されている温度プログラムのうち、開始温度だけを上記測定した計測可能温度に設定しなおす。計測可能温度検出用測定制御器１６は、作成した本測定温度プログラムを温度プログラム関数発生器１０にセットし、交流力プログラム保持器１９の交流力プログラムを交流力プログラム関数発生器１２にセットしたのち、本測定制御器１５に測定開始指示を出力し測定を実行する。

これにより、実際の測定が本測定温度プログラムと交流力プログラムに基づいて行われる。

もし、検出測定温度プログラムが終了するまで粘弾性率計算器１４の出力がずっと測定不能エラーだった場合は、計測可能温度検出用測定制御器１６はオペレータへ弾性率計測可能温度が見付からず検出測定が失敗した旨のメッセージを表示し、検出測定を終了する。

実際の測定に則して計測可能温度検出測定を説明する。例えば、ゴムの場合、室温では軟らかく簡単に曲げ、引張り、ずり変形させることが出来て測定可能であっても、一般に使用されているゴムのガラス転移温度は−３０℃から−６０℃程度が多いので、−１００℃程度まで冷却すればほとんどのゴムはガラス転移温度を下回り、弾性率が２桁以上大きくなって変形し難くなってしまう。図７にゴムの弾性測定結果の一例を示す。このような粘弾性挙動のゴム材料を、室温付近で高い測定精度が得られるように、ゴムの歪信号がガラス転移後の状態で計測しやすい範囲になるような条件に設定したとする。ここで、計測し易さに大きな影響を与える条件は、主に試料の変形モード、形状、大きさである。大きな試料であれば非常に軟らかな状態でも、しっかりした応答を得ることができる。

ガラス転移温度も材料の粘弾性特性として重要な測定データであるので、通常はガラス転移温度以下まで冷却してから測定を開始する。このとき、試料の大きさが大きすぎた場合は、弾性率が２桁以上大きくなると、弾性率計測の上限値を超えてしまうことがある。何度の温度から測定可能になるかは不明なので、少しずつ温度を上昇させながら、計測不能エラーが発生しない温度まで達したことを確認して、本測定に移ることになる。このように計測可能な温度範囲を確認しなければならないことがあり、材料の品質管理用のデータを測定する場合などは、一定した条件で試験を行うので、毎回試行錯誤的な作業をする装置ユーザーもおり、負荷低減のために自動化が求められる事情があった。

また、計測不能エラーを出力する粘弾性率計算器は、貯蔵弾性率Ｅ’を指標にした。動的粘弾性測定では、損失弾性率Ｅ”や、両者の比であるｔａｎδ（＝Ｅ”／Ｅ’）の値も得られるが、ガラス転移温度近傍などの一部を除いて、ｔａｎδは０．１よりも小さいことが多い。つまり、ｔａｎδは小さく、Ｅ”はＥ’より桁違いに小さいことが多いということなので、貯蔵弾性率Ｅ’を計測可能温度検出測定の指標として使用するのが適当である。

なお、複素弾性率Ｅ＊は、Ｅ'、Ｅ"、虚数単位ｉを用いて、Ｅ＊＝Ｅ'＋ｉＥ"と表現される。装置が試料に加えた応力と、装置が計測する試料歪の大きさの比は、Ｅ＊の大きさで表現される。Ｅ＊の大きさは、ｔａｎδが小さいことからも分かるように、Ｅ’の大きさが大部分を占める。ということは、試料の応答の大きさは、大部分がＥ’の大きさで占められる。本発明は、試料が硬すぎる領域で上限基準値よりも大きいと判断させるときが特に有効であるので、試料が硬いときに感度が良いＥ’の大きさを指標とするのが適当である。しかし、複素弾性率をＥ＊を指標として用いることも可能である。

次に本発明の粘弾性測定装置の動作を図８に示したフローチャートに沿って説明する。
（ステップ１）本発明の粘弾性測定装置が動作を開始する。
（ステップ２）オペレータは温度プログラムと交流力プログラムと検出昇温速度をそれぞれ温度プログラム保持器１７と検出測定条件保持器１８と交流力プログラム保持器１９にセットする。

前述のように、温度プログラムの開始温度は、試料が硬すぎて測定不能と予想される温度から開始するように設定する。
（ステップ３）オペレータは計測可能温度検出用測定制御器１６に検出測定開始を指示する。
（ステップ４）計測可能温度検出用測定制御器１６は検出測定開始指示を受け取ると、検出測定温度プログラムを作成し温度プログラム関数発生器１０にセットする。
（ステップ５）計測可能温度検出用測定制御器１６は、検出測定交流力プログラムを作成し、交流力プログラム関数発生器１２にセットする。
（ステップ６）計測可能温度検出用測定制御器１６は、温度プログラム関数発生器１０に動作開始指示を出力する。加熱炉の温度制御が開始される。
（ステップ７）計測可能温度検出用測定制御器１６は、交流力プログラム関数発生器１２に動作開始指示を出力する。試料への交流力印加が開始される。

この時点から検出測定温度プログラムと検出測定交流力プログラムに従った検出測定が開始される。

以降、（ステップ８）〜（ステップ１２）から成る検出測定制御ループに入る。
（ステップ８）交流力制御器１１は試料に加えた交流力の大きさを応力信号として粘弾性率計算器１４に出力する。
（ステップ９）変位検出器１３は差動トランス７とコア８で検出した試料の変位を歪信号として粘弾性率計算器１４に出力する。
（ステップ１０）粘弾性率計算器１４は応力信号と歪信号の相関から試料の複素弾性率を算出し計測可能温度検出用測定制御器１６に出力する。試料が硬すぎまたは柔らかすぎて弾性率が計算可能なレンジに入らないときは、計測不能エラーを出力する。
（ステップ１１）計測可能温度検出用測定制御器１６は、正常な弾性率が入力されたのか計測不能エラーが入力されたのか判定する。正常な弾性率が入力された場合はステップ１7に進む。計測不能エラーが入力された場合はステップ１２に進み、検出測定制御ループを継続する。
（ステップ１２）検出測定温度プログラムが終了していない場合はステップ８に戻り、検出測定制御ループを繰り返す。ステップ１２において検出測定温度プログラムが終了した場合、検出測定温度プログラムの温度範囲において測定可能温度が検出できなかったことを示す。その場合、計測可能温度検出用測定制御器１６は温度プログラム関数発生器１０と交流力プログラム関数発生器１２に動作終了指示を出力し（ステップ１３、１４）、ディスプレイに測定可能温度が検出できなかった旨のメッセージを表示し（ステップ１５）、検出測定を終了する（ステップ１７）。
（ステップ１７）計測可能温度検出用測定制御器１６は、ステップ１１において正常な弾性率が粘弾性率計算器１４から入力された場合、その時の試料温度を弾性率計測可能温度下限値（あるいは上限値）として記憶する。
（ステップ１８）計測可能温度検出用測定制御器１６は、温度プログラム関数発生器１０に終了指示を出力し検出測定温度プログラムを終了する。
（ステップ１９）計測可能温度検出用測定制御器１６は、交流力プログラム関数発生器１２に終了指示を出力し検出測定交流力プログラムを終了する。
（ステップ２０）計測可能温度検出用測定制御器１６はステップ１７で記憶した弾性率計測可能温度を開始温度とした本測定温度プログラムを作成し、温度プログラム関数発生器１０にセットする。
（ステップ２１）計測可能温度検出用測定制御器１６は、交流力プログラム保持器１９の交流力プログラムにある周波数リスト及び周波数モードを、交流力プログラム関数発生器１２にセットする。すなわち、周波数リストにある複数の周波数を連続的に交流力として与えるか、あるいはそれらの合成波を交流力として与えるかをセットする。
（ステップ２２）計測可能温度検出用測定制御器１６は、本測定制御器１５に測定開始指示を出力する。本測定制御器１５は測定開始指示を受け取ると、温度プログラム関数発生器１０と交流力プログラム関数発生器１２とを制御して本測定を実行する。これにより、本測定温度プログラムに基づいた複素弾性率測定（粘弾性測定）が実行される。
（ステップ２３）本発明の粘弾性測定装置が動作を終了する。

なお、本実施例においては応力制御型の粘弾性測定装置の場合について説明しているが、歪制御型の粘弾性測定装置の場合についても同様に実施可能である。

本発明の一実施例を示す粘弾性装置の概略断面図である。 温度プログラムの例を示す図である。 交流力プログラムの構成要素を示す図である。 検出測定と本測定における温度制御の例１（高精度検出）である 検出測定と本測定における温度制御の例２（高速検出）である 交流力プログラムと検出測定交流力プログラムの関係を示す図である。 ゴムの粘弾性測定結果の一例を示す図である。 本発明の粘弾性測定装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の粘弾性測定装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の粘弾性測定装置の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 試料
２ チャック
３ プローブ
４ 加熱炉
５ コイル
６ マグネット
７ 差動トランス
８ コア
９ 加熱炉制御器
１０ 温度プログラム関数発生器
１１ 交流力制御器
１２ 交流力プログラム関数発生器
１３ 変位検出器
１４ 粘弾性率計算器
１５ 本測定制御器
１６ 計測可能温度検出用測定制御器
１７ 温度プログラム保持器
１８ 検出測定条件保持器
１９ 交流力プログラム保持器

Claims (7)

1. 試料の周囲に設けられ試料の加熱を行う加熱炉と、
   セットされた、温度範囲及び時間に対する温度関数とからなる温度プログラムに従って、温度プログラム関数を発生する温度プログラム関数発生器と、
   前記温度プログラム関数発生器に接続され、該温度プログラム関数発生器から出力される温度プログラム関数に基づいて前記加熱炉の温度制御を行う加熱炉制御器と、
   試料に応力を印加する応力印加手段と、
   セットされた、周波数及び周波数モードからなる交流力プログラムに従って、正弦波信号を交流力プログラム関数として発生する交流力プログラム関数発生器と、
   前記交流力プログラム関数発生器に接続され、該交流力プログラム関数発生器から出力される交流力プログラム関数に基づいて正弦波応力信号を出力し、前記応力印加手段に前記正弦波応力を出力するよう前記応力印加手段を制御する交流力制御器と、
   前記応力印加手段からの正弦波応力の印加により発生する試料の変位を正弦波歪信号として検出する変位検出器と、
   交流力制御器の出力する正弦波応力信号と変位検出器の出力する正弦波歪信号の相関から試料の複素弾性率を算出して粘弾性率信号として出力し、前記複素弾性率があらかじめ設定された上限基準値を超えるか下限基準値を下回ったときには計測不能エラーを出力する粘弾性率計算器と、
   実際の測定に先立って、所定の温度プログラムを前記温度プログラム関数発生器にセットし、所定の交流力プログラムを前記交流力プログラム関数発生器にセットし、前記温度プログラム関数発生器および前記交流力プログラム関数発生器を動作させ、かつ、前記粘弾性率計算器の出力をモニターし、計測不能エラーが出ている間は計測を続行し、計測不能エラーが出なくなった時はその時の温度を試料の弾性率計測可能な上限温度あるいは下限温度として出力する計測可能温度検出用測定制御器と、
   前記計測可能温度検出用測定制御器によりセットされた温度プログラムにおける温度範囲を、前記計測可能温度検出用測定制御器により出力された計測可能上限温度あるいは下限温度に基づいた計測可能な温度範囲に書き換えると共に、所望の温度プログラム、交流力プログラムに設定しなおして、温度プログラム関数発生器及び交流力プログラム関数発生器に出力し、粘弾性率計算器の出力をモニターすることで実際の測定を行う本測定制御器とを備えたことを特徴とする粘弾性測定装置。
2. 前記計測可能温度検出用測定制御器は、前記温度プログラム関数発生器に昇温プログラムセットし、試料の弾性率が計測可能な下限温度を調べる検出測定を行う請求項1記載の粘弾性測定装置。
3. 前記計測可能温度検出測定制御器は、前記温度プログラム関数発生器に冷却プログラムをセットし、試料の弾性率を計測可能な上限温度を調べる検出測定を行う請求項1記載の粘弾性測定装置。
4. 前記計測可能温度検出測定制御器によって交流力プログラム発生器にセットされる交流力プログラムの周波数は、実際の測定に使用される複数の周波数のうち最大の周波数を用いることを特徴とする請求項１記載の粘弾性測定装置。
5. 前記計測可能温度検出測定制御器によって温度プログラム発生器にセットされる温度プログラムの温度変化の割合は、実際の測定に比べて大きいことを特徴とする請求項１記載の粘弾性測定装置。
6. 前記計測可能温度検出測定制御器によって、温度プログラム発生器にセットされる温度プログラムの温度変化の割合は、実際の測定に比べて小さいことを特徴とする請求項１記載の粘弾性測定装置。
7. 前記計測可能温度検出測定制御器がモニターする粘弾性率計算器の出力は、貯蔵弾性率であることを特徴とする請求項１記載の粘弾性測定装置。
   
   

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