JP5730617B2 - 粘弾性測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、動的粘弾性測定装置に関し、データが真値を表す、いわゆる正確度の向上を目的とするものである。

動的変弾性測定装置（以下、ＤＭＡ）は、試料に経時的に変化（振動）する歪または応力を与え、それにより発生する当該試料の歪または応力を測定することにより、試料の力学的な性質を解析する装置である。この装置は、多くが測定対象となる試料を保持部材に固定するが、該試料の温度依存性を測定する場合に、熱膨張があっても保持部材の固定力が勝り、試料自身が湾曲するなどの問題があった。そのため、応力あるいは歪を与える方向へは不動としつつ、かつ、試料両端を結ぶ方向へは試料保持部材の弾性変形により伸縮可動な試料両端を保持する２つの試料保持部材とからなっている粘弾性装置が知られている（特許文献１参照）。

上記特許文献１に示される技術は、試料の両端を全方向に対し固定するのではなく、試料の両端をそれぞれ独立した２つの試料保持部材から成るようにしたために、試料の両端を結ぶ方向に可動となるものであり、温度依存性を有する試料であっても当該方向への温度変化による変形を妨げずに、複素弾性率の算出における試料形状の前提（直方体又は円柱であること）を崩すことなく、精度の良い算出結果を得ることができるとしている。具体的な弾性率の測定においては、正弦波発生器起源の正弦波が増幅器を介して力発生器に伝わり、検出棒を通して試料に試料面にほぼ垂直な方向の応力を発生させる。該応力は、該検出棒の一部に固定された検出器により、試料に生じた歪と一緒に検出される。この応力と歪との相関から、複素弾性率が算定されることとなる。該複素弾性率の算定においては、試料形状が直方体または円柱状であることが前提かつ算定精度への重要なファクターとなる。ここで、測定に当っては、温度条件の調整のために装備される加熱源により加熱調整される。この熱は、試料、２つの試料保持部材、弾性アームの一部、試料把持用チャックおよび検出棒の一部を通して試料へと熱伝導し、結果として試料が熱膨張する。よって、上述のように、精度の良い複素弾性率の算定に当っては、試料の熱膨張が、試料の両端を結ぶ方向にのみ現れて、その方向と垂直な方向（測定方向）への変形を抑えて、試料が直方体または円柱状を維持する必要がある。

特開平０２−０４５７３１号公報

上記従来技術に示されている課題は、試料保持部材を該試料の両端においてそれぞれ２つに分割することにより、試料の熱膨張力をその両端を結ぶ方向に逃がすことで該方向と垂直な方向への変形を抑えて、結果としてデータの正確度向上を目的とするものである。

しかしながら、高分子材料などの試料の膨張による剛性が試料両端を結ぶ方向の弾性アームの剛性よりも小さくなる場合は、試料保持部材間が試料の膨張分だけ広がらず、データ正確度の向上に繋がらない場合があった。特に、図６に示すようにガラス転移温度 Ｔｇを超えた領域では試料の熱膨張が不連続により大きくなるとともに軟化し試料の剛性が低下するため、弾性アームの剛性が相対的に大きくなり、試料の熱膨張を吸収するだけ弾性アームが試料膨張方向に広がらなくなる。この結果、試料両端を結ぶ方向の熱膨張の逃げがなくなることにより、試料は直方体状や円柱状といった形状を保てなくなり図５（ａ）のように試料が座屈したり、図５（ｂ）のように試料保持部材とチャックの間で試料が折れ曲がったりするなどの好ましくない変形を起こし、それによって本来の弾性率の測定が困難になり、データの正確度が悪化することとなる。

そこで、本発明は、試料両端を結ぶ方向のみの剛性を下げて当該方向へ弾性アームが弾性変形し易く、かつ、試料の測定方向への剛性の低下を招かぬよう当該弾性アームの一部に所定形状の細部を設けることにより上記問題を解決することとした。このようにすることで、試料に好ましくない変形が起こり難くなり、従って測定そのものの正確性が向上し、かつ、その後の算出工程における前提（試料形状が直方体又は円柱状であること）を崩すこともなく、結果の正確度が向上する。

本願発明にかかわる粘弾性測定装置は、ほぼ中央部にて試料を把持するチャックと、一端にてチャックを保持し、試料の厚み方向に配置された棒状の検出棒と、その検出棒の他端に設けられ、該検出棒およびチャックを介して試料に対してその厚み方向への力あるいは歪を負荷する力発生器あるいは歪発生器等の仕事実行器と、試料を加熱するための加熱源と、力発生器に正弦波状の仕事（力あるいは歪）を発生させるための正弦波を発生する正弦波発生器と、正弦波の振幅を調整する増幅器と、検出棒に一部固定され前記仕事による仕事量を検出する仕事量検出器と、仕事量検出器および増幅器のそれぞれの信号とを比較して振幅比を出力する振幅比較検出器と、仕事量検出器からの信号と増幅器からの信号とを比較して位相差を出力する位相差検出器と、仕事量検出器および仕事実行器とを収納する筺体と、その筺体内部にて検出棒の可動方向を直線に限定して弾性的に保持する検出棒支持部材と、一端が前記筐体の一部に固定され、他端が２以上に分割した複数の弾性アームを有し、当該他端において前記試料の両端を厚み方向にて保持する試料保持部材とを備え、前記弾性アームは、前記一端と前記他端の間の中間部を含み、前記一端及び前記他端における各弾性アームの断面積よりも前記中間部における弾性アームの断面積が小さく、かつ、前記中間部の断面形状において、前記試料の膨張方向の厚さがそれと直交する方向の厚さよりも薄くなる薄肉部を形成して、前記試料両端を結ぶ方向と垂直な方向への該試料の変形を抑えたことを特徴とする。このようにすることで、熱膨張などによる保持部材で両端を固定した試料が膨張する際にも、粘弾性の測定方向への変形を防止するため、複素弾性率の算定における試料形状の前提（直方体又は円柱であること）を損なうことなく、かつ、測定自体においてもより真値に近い結果を得ることが可能なことより高精度な複素弾性率の算出が可能となる。

また、本発明では、弾性アームを２つあるいは４つに分割させて、弾性アーム１つ当りの反力を弱めるとともに、必要な機能は複数のアームの結束により確保するものとする。このようにすることで、試料の変形に対する弾性アームの変形をし易くし、測定への影響を低減可能となる。

また、本発明に関わる粘弾性測定装置は、弾性アームの剛性としてその弾性率について、ガラス転移点あるいは軟化温度を超える温度領域の試料の弾性率の低下を考慮して設定することとした。このようにすることで、ガラス転移点あるいは軟化温度を超えた際の急激な試料の膨張する力の低下に対して、弾性アームの変形が抵抗とならずに測定上の正確度を保持できる。

また、本願発明にかかわる粘弾性測定装置は、上記の弾性アームの一部に設ける細部の寸法について、試料の寸法および熱膨張／収縮特性に応じて変更可能である。

本発明にかかわる粘弾性測定装置によれば、弾性アームの一部に試料の膨張力に見合った所定の細部を設けることにより試料両端を結ぶ方向への膨張に対して、よりたわみ易い形状となり、独立した保持部材がより効果的に可動することで加熱時であっても直方体状あるいは円柱状といった試料形状を維持し、種々の温度において最重要である試料両端を結ぶ方向と垂直となる測定方向への影響を低減できる。従って、複素弾性率の算出における試料形状の前提を崩さず、測定誤差を生じさせることがなくなり、より高精度な算定が可能となる。しかも試料保持部材および弾性アームの弾性変形を使用するため、構造が簡単で試料周辺をコンパクトに設計でき、加熱時の熱膨張、冷却時の熱収縮両方に対等の効果を有する。

また、試料がガラス転移温度を超えると図６のように不連続に膨張率が大きくなる。その一方で試料は軟化もするため弾性アームが試料の膨張方向に対してよりたわみやすい必要がある。従って、本発明は特にガラス転移温度を超えた試料の粘弾性測定に際してより効果的に働くこととなる。

本発明に関わる粘弾性測定装置全体の概略図である。 本発明に関わる応力制御型粘弾性測定装置主要部の詳細図である。 （ａ）本発明に関わる弾性アームの正面図である。（ｂ）本発明に関わる弾性アームの側面図である。（ｃ）３ａ−３ａ’の断面形状図である。（ｄ）３ｂ−３ｂ’の断面形状図である。 （ａ）従来の弾性アームの正面図である。（ｂ）従来の弾性アームの側面図である。（ｃ）４ａ−４ａ’の断面形状図である。 正確度に悪影響を与える試料の変形の例となる概略図である。 ガラス転移温度Ｔｇの前後における試料の熱膨張の概略図である。

本発明にかかわる応力制御型の粘弾性測定装置の実施形態について、図を用いて以下に説明する。

図１は粘弾性測定装置全体の概略図であり、仕事実行器／仕事量検出器１、測定対象となる試料を配置する試料部２、加熱するための加熱炉部３、制御や計算などを行う電装部４が備わる。加熱炉３は上下に動かすことができ、加熱を伴う測定を行う場合は、加熱３炉を上げて試料部２を覆うことになる。

図２は、図１を更に具体的に記述したものである。図２において、試料５の両端は、試料保持部材６により保持されている。

上記試料保持部材６はそれぞれ、筐体１８に一端を固定された弾性アーム８により弾性的に保持されている。

チャック７は、試料中央部を把持する。該チャック７は、検出棒９に固定され、検出棒９は検出棒支持部材１０により弾性的に支持され、かつ、検出棒９の可動方向は直線（一次元）に限定される。また、検出棒９の一部には、仕事量検出器に相当する変位検出器１１が取り付けられ、筐体１８との相対位置が検出される。さらに検出棒の一端には仕事実行器に相当する力発生器１２が固定されている。一方、前記試料５の周囲には試料５の温度環境を設定するための目的で加熱源１３が配置されている。

図２の正弦波発生器１５は、正弦波出力を発生し、該正弦波出力が増幅器１４により振幅を制御されて力発生器１２に加えられる。増幅器１４の出力は、振幅比較検出器１６と位相差検出器１７とに送られる。また、変位検出器１１の出力は振幅比較検出器１６と位相差検出器１７に送られる。振幅比較回路からは振幅比信号が出力され位相差検出器１７からは位相差信号が出力される。この２つの信号（振幅比信号と位相差信号）は、周知のように粘弾性特性を表現する量であり、前者は複素弾性率の大きさ、後者は損失正接を表す。本実施例による装置の加熱時の試料５周辺の動作を説明する。先ず、加熱源１３による熱で試料５、試料保持部材６、チャック７、弾性アーム８の一部及び検出棒９の一部が加熱される。加熱による試料の熱膨張により試料保持部材６は両端に押されると同時に弾性アームも試料膨張方向へと弾性変形し、熱膨張量に見合っただけ変位して試料５を保持する。従って、試料５の検出棒と平行な方向の変形はなく、試料５の試料膨張方向のみ変形し、試料５は直方体状または円柱状の形状を維持する。

ここで、図５には、弾性アーム８の剛性が過度に高い場合の試料５の変形の例を示す。同（ａ）は試料５の膨張により発生した力により試料５が座屈し、チャック７が試料保持部材６よりも上方へと押し上げられた例である。同（ｂ）はチャック７の試料保持部材６との相対位置は変化していないが、試料５の膨張により発生した力によりチャック７と試料保持部材６の間で試料５が折れ曲がった例である。これらの図５（ａ）及び（ｂ）に示す試料の変形は、何れが発生しても正確な弾性測定が困難となる。

このように、上記試料の変形は、図４に示すような試料膨張方向の剛性が高い弾性アームの場合に発生する。図４（ａ）は従来の粘弾性測定装置の弾性アーム８の正面図、同（ｂ）は従来の粘弾性測定装置の弾性アーム８の側面図、同（ｃ）は４ａ−４ａ’の断面図である。図中の矢印の方向は力が加わっている方向を、矢印の大きさは力の大きさを表している。また、白い矢印は試料５の膨張により生じた力を、黒い矢印は弾性アーム８がたわむために必要とする力を表している。これらの図から判るように、弾性アーム８はどの方向も同じ太さとなっており、その剛性は高く、試料の膨張方向への変し辛く、試料５の膨張による力と弾性アーム８がたわむために必要とする力が釣り合うことになる。従って、図５に示すような試料の変形を誘発する。

図６には、一般的なガラス転移温度を挟む温度域における試料の熱膨張の概略図である。Ｌは試料の基準となる長さ、ΔＬは試料の基準値Ｌから変化した長さ、Ｔは温度、Ｔｇはガラス転移温度を表している。よって、縦軸は貯蔵弾性率を表す。このように、試料がガラス転移温度を超えると不連続に膨張率が大きくなるとともに貯蔵弾性率は急速に低下する。あるいは、軟化温度が定まる試料においては、当該軟化温度前後の試料の弾性率の変化を同様に考慮すべきである。従って、ガラス点移転あるいは軟化温度を超えた温度領域の試料の膨張は、その力が非常に低下するため、弾性アームの剛性としての弾性率を十分に低下させ多値に設定することも考慮する。

（実施例）
図３は形状を規定し試料膨張方向の剛性を下げた弾性アーム８、およびその周辺部材である。図３（ａ）は本発明に関わる粘弾性測定装置の弾性アーム８の正面図、同（ｂ）は本発明に関わる粘弾性測定装置の弾性アーム８の側面図、同（ｃ）は３ａ−３ａ’の断面図及び同（ｄ）は３ｂ−３ｂ’の断面図である。図中の矢印の方向は力が加わっている方向を、矢印の大きさは力の大きさを表している。また、白い矢印は試料５の膨張により生じた力を、黒い矢印は弾性アーム８がたわむために必要とする力を表している。この図の（ａ）から分かるように、試料膨張方向の弾性アーム８を薄くしている。

これによって、弾性アーム８の試料膨張方向への剛性が低下し、弾性アーム８は試料膨張方向へよりたわみやすくなり、試料５の膨張による力よりも弾性アーム８がたわむために必要とする力が小さくなる。

本実施例では直径８ｍｍの弾性アーム８の両側を２ｍｍずつ削り、図３（ｃ）及び（ｄ）に示すように、試料の膨張方向のみ４ｍｍの幅を持つ弾性アーム８とした。

この場合、薄くしたことによる剛性の変化を構造解析計算によりばね定数として求めると、直径８ｍｍの弾性アーム８のばね定数は５．９１×１０⁵Ｎ／ｍ、直径８ｍｍの弾性アーム８の両側を２ｍｍ薄くした弾性アーム８では１．４９×１０⁵Ｎ／ｍとなり、ばね定数として約７５％低減する。一方、試料５としてポリメタクリル酸メチル樹脂（Ｐｏｌｙ ｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ ：ＰＭＭＡ）を想定すると、ガラス転移温度付近の弾性率は約６×１０⁸Ｐａとなる。この試料５の弾性率と試料５の形状因子α＝３×１０^-3ｍから試料５のばね定数を求めると１．８×１０⁶Ｎ／ｍとなる。試料５のばね定数に比べて８ｍｍの弾性アーム８のばね定数は１／３程度になっているが、試料５のばね定数に比べて薄くした４ｍｍの弾性アーム８は１／１０程度とより小さくなっており効果的に弾性アームの剛性を減じていることが判る。

また、ＰＭＭＡを想定した試料５の形状を変えて、形状因子α＝８．０×１０^-4ｍにした場合、試料５のばね定数は４．８×１０⁵Ｎ／ｍと約１／４まで小さくなる。この場合、８ｍｍの弾性アーム８のばね定数は試料５のばね定数より大きくなっているが、薄くした４ｍｍの弾性アーム８のばね定数は試料５のバネ定数よりも小さいままである。すなわち、弾性アーム８を薄くしたことにより粘弾性測定装置は同じ試料であってもより様々な試料形状に対応可能となることが分かる。

なお、弾性アーム８の幅は、前記の薄くした幅に規定されず、測定試料に応じて異なる剛性を示す弾性アーム幅を選択可能である。弾性アームの剛性を下げた結果、試料５が膨張しても弾性アーム８が試料膨張方向にたわむことにより試料内の応力が緩和され、後述する図５（ａ）のような試料の変形が起こりにくくなる結果、測定誤差が減り、正確度の高い測定が可能となる。また、図３（ｂ）に示すように、試料膨張に関与しない方向の弾性アーム８の太さは変更せずに、試料５の荷重方向と水平な方向の剛性を下げないようにしている。

また、本実施形態では弾性アーム８の断面形状は円柱であるが、楕円などの他の円形や角柱などをはじめとした多角形でもよく特に断面形状は定めない。弾性アームの試料の変形力がかかる部分に細部を構成することにより、試料の実質的な測定方向への影響を排除する効果を示すものであれば、本発明の技術的思想に該当することはいうまでもない。

１…仕事実行器／仕事検出器
２…試料部
３…加熱部
４…電装部
５…試料
６…試料保持部材
７…チャック
８…弾性アーム
９…検出棒
１０…検出棒支持部材
１１…変位検出器
１２…力発生器
１３…加熱源
１４…増幅器
１５…正弦波発生器
１６…振幅比較検出器
１７…位相差検出器
１８…筐体

Claims (4)

1. ほぼ中央部にて試料を把持するチャックと、
   一端にて前記チャックを保持し、前記試料の厚み方向に配置された棒状の検出棒と、
   前記検出棒の他端に設けられ、前記検出棒および前記チャックを介して前記試料に対してその厚み方向に仕事を負荷する仕事実行器と、
   前記試料を加熱するための加熱源と、
   前記仕事実行器に正弦波状の仕事を発生させるための正弦波を発生する正弦波発生器と、
   前記正弦波の振幅を調整する増幅器と、
   前記検出棒に一部固定され前記仕事による仕事量を検出する仕事量検出器と、
   前記仕事量検出器からの信号と前記増幅器からの信号とを比較して振幅比を出力する振幅比較検出器と、
   前記仕事量検出器からの信号と前記増幅器からの信号とを比較して位相差を出力する位相差検出器と、
   前記仕事量検出器および前記仕事実行器を収納する筐体と、
   該筐体の内部にて前記検出棒の可動方向を直線に限定して弾性的に保持する検出棒支持部材と、
   一端が前記筐体の一部に固定され、他端が２以上に分割した複数の弾性アームを有し、当該他端において前記試料の両端を厚み方向にて保持する試料保持部材と、
   を備え、
   前記弾性アームは、前記一端と前記他端の間の中間部を含み、前記一端及び前記他端における各弾性アームの断面積よりも前記中間部における弾性アームの断面積が小さく、かつ、前記中間部の断面形状において、前記試料の膨張方向の厚さがそれと直交する方向の厚さよりも薄くなる薄肉部を形成したことを特徴とする粘弾性測定装置。
2. 前記仕事実行器ならびに前記仕事量検出器が、
   （ｉ）前記試料の厚み方向に力を負荷する力発生器ならびに前記検出棒の位置を検出する変位検出器、又は、
   （ｉｉ）前記試料の厚み方向に歪を負荷する歪発生器ならびに該試料に負荷された応力を検出する応力検出器、
   である請求項１に記載の粘弾性測定装置。
3. 前記弾性アームが、前記中間部の弾性率が、前記試料のガラス転移温度以上の温度域における弾性率よりも低くなるよう前記薄肉部を形成したものである請求項１に記載の粘弾性測定装置。
4. 前記弾性アームが、前記中間部の弾性率が、前記試料の軟化温度以上の温度域における弾性率よりも低くなるよう前記薄肉部を形成したものである請求項１に記載の粘弾性測定装置。

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