JPH02251737A - 薄膜体の強度測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、材料の強度測定装置に係り、特に、極薄板で
硬脆材の薄膜体に、好適な非接触の強度測定装置に関す
る。

〔従来の技術〕

従来の装置は、文献「第５０期　日本潤滑学会春季研究
発表会予稿集、昭和６１年５月、ｐ１５７〜１４０」な
どに論じられている様に薄膜体の表面に圧子を押しっけ
その押し込み量から硬度を測定し、硬さを媒体として強
度を推定していた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、薄膜体の表面に肖てられた圧子の押し
込み食から、ビッカース硬度法に準じて間接的に上記薄
膜体の強度を測定するため、押し込み量の測定誤差、圧
子の位置による押し込み量のバラツキ、同押し込量から
強度を求める変換の誤差等が鳥積し、また、薄膜体表面
を傷つけ、連続測定が困難という難点があった。

本発明の目的は薄膜体に空気等の流体による圧力を与え
、上記薄膜体の面の変位を非接触で測定するととくより
、上記強度を圧子を用いることなく直接的に精度良く測
定することにある。

〔問題点を解決する友めの手段〕

本発明の目的は、薄膜体の本質的な変形に対する抵抗性
すなわち応力と歪の関係を直接測定すれば達成できるの
で、薄膜体の片面に圧力を加える圧力発生装置と、上記
圧力を測定する圧力測定器と、上記圧力により生じた上
記薄膜体の面の変位を測定する非接触変位計を備え、上
記圧力と上記変位により薄膜体の強度を測定する薄膜体
強度測定装置によ〕達成される。

〔作用〕

以上のように構成した薄膜体強度測定装置は、流体の圧
力を利用して薄膜体を張り出し、圧力を発生させるので
、薄膜体端部の欠陥の影響を受けにくいうえ、上記流体
の圧力を微少に変化させ、上記面の微少な変位を非接触
により測定で自るので、とくに変形範囲が小さく、硬脆
な薄膜体の強度を精度良く測定することができる。

さらに上記本発明の薄膜体強度測定装置は中空弾性体を
上記薄膜体のシール部材として使用し、その内部を加圧
膨張させてシールするので、上記薄膜体シール部を破損
させることがなく、ま念、圧力負荷速度緩和体を介して
上記圧力を印加するので、急激な加圧による上記薄膜体
の破損も防止できる。

さらに、上記圧力を所定のパターンに従って、増加させ
ることができるので上記応力限界を必要な精度で測定で
き、また、上記薄膜体の破損の手前で上記圧力の増加を
停止させ、上記破損を防止することもできる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図、第２図及び第３図に
より説明する。

第１図において、１は試験に供する薄膜体であり、その
端部を中空弾性体１１を介して上盤２および、下釜３に
よって圧着支持されている。支持台３１は下ｍ３ｔ−支
持すると同時に、薄膜体１と下型５および支持台３１で
構成される内部空間３２を密閉する。この内部空間５２
の中和流体回路８を通じて、圧力発生装［１３で発生さ
れた圧力゛が圧力制御装置７、流量制御装置６、高感度
圧力測定装置５および、例えば多孔質体からなる圧力負
荷速度緩和体１０を介して伝えられる。以下この装置に
よる薄膜体１０強度の測定法くついて説明する。

まず、上ｆｆ１２、および下型３の間に中空弾性体１１
ｔ−介して薄膜体１を置く。次に、圧力発生装置１３を
起動し、その圧力を圧力制御装置７と流量制御装置６、
流体回路９を介して、シール溝１５内にある中空弾性体
１１内に導き、中空弾性体１１を膨張させて薄膜体１を
圧接する。このときの中空弾性体１１の内圧ｆｔｐｓと
すると、内圧Ｐ８は、薄膜体１を破損しない範囲の低圧
値である。次に圧力制御装置７、流量制御装置６、高感
度圧力測定装置５と流体口％８を介して、薄膜体１に圧
力を負荷する。このときの圧力媒体は、空気である。但
しこの圧力媒体は、気体、液体いずれでもよい。この圧
力媒体は、流速を流量制御装置６により制御され、かつ
圧力負荷速度緩和体１０を通して内部空間３２に導かれ
るので薄膜体１は極めて除々に加圧されて第２図に示す
ように変形する。このときの内部空間３２の圧力をｐｆ
とすると、 ｐｆはｐｔ　＜　ｐｇの関係を維持するように圧力制御
装置７で制御される。

第２図に示す薄膜体１の変位量ｙは、非接触変位計４に
より測定され、線路１４１ｃ介して制御装置１２に伝達
される。次に成形圧力Ｐｆｔ−零にして、薄膜体１の変
位量ｙを測定する。この時点で変位量ｙが零になれば成
形圧力Ｐｆ、による薄膜体１の変形は、弾性変形である
。変位量ｙが零にならない場合は、成形圧力により薄膜
体１が、降伏し塑性変形を生じたことになる。成形圧力
ｐｆと薄膜体１に生じている応力σとの間には、ｐ！＝
　２ａ−ｔ、／ρ　　　　・・・・・・（１）の関係が
成立する。

但し、ｔは変形後の薄膜体１の板厚である。またρは頂
点部近傍の曲率半径で、第２図に示す変形後の薄膜体１
０周辺境界部の２点Ａ、Ｂと頂点Ｃの３点の座標値から
計算で求める。

さて、上記した方法により薄膜体１の応力、強度等を原
理的に測定できる訳であるが、最初から大きな圧力を薄
膜体１に加えると、そこで降伏してしまい、加えた圧力
の途中の何処から降伏が始まったのかを知ることができ
ない。そこで、加える圧力を除々に増加させながら、く
り返し測定を行う。

第３図は上記の〈シ返し測定結果の一例を示す図である
。横軸の１〜３ｔでの数字は第１回目から第３回目まで
の測定に対応する。まづ、第１回目の測定結果をみると
、中空弾性シール１１に圧力ｐｓｌが加えられ、次込で
内部空間３２に圧力ｐｆ１が加えられる。圧力ｐｆ１は
圧力負荷速度緩和体を介して加えられるので内部空間３
２内の圧力は緩やかに増加し、次いで一定の値に落ちつ
くので、これに対応して変位量ｙも初期変形量ｙＯから
緩やかに増加し、一定の値に落ちつく。

このような加圧方法によって薄膜体１に不用意な衝撃が
加わると破損せしめることを防止できるのである。初期
変位量ｙＯは薄膜体１の初期のたるみ、しわ等により測
定誤差を除くため微弱な圧力を加えたときの変形量であ
、る。

次にｐｆｌおよびＰ８１．を零に戻すと変形量ｙは、ｙ
Ｏに復帰する。し九がって、加圧前後の変位の差分ｙ１
＃′ｉ零であり、弾性変形が行われたことを示している
。第２回目の測定では中空弾性体の内圧ｐｍおよび内部
空間の圧力Ｐｆが共に夫々、ｐ　ｓ　２　ｅ　ｐ　ｆ　
２に増加された結果、薄膜体１の永久変形が発生し、加
圧前の変位量は加圧後に１２だけ増加する。同様にして
、内部空間の圧力ｐｔを薄膜体１に脂性不安定であるく
びれ、或は割れが発生する値ｐＢ［まで増加すると加圧
前後の変位量ｙの差分は７Ｂとなシ、引張強さ＃Ｂは、
σＢ　＝　ｐＢＩＩ＃Ｂ／　（２ｔＢ）・・・（２）で
与えられる。

但し、ｐＢ　、ｔＢは割れた時点での曲率半径と板厚で
ある。

上記した応力σ、引張）強さσＢ等を精度良く測定する
には第３図に示し比ような測定段階を更に細く設定する
必要がある。このためには、例えば、そのときの変位量
ｙをツイード・バック制御のデータとして、次の圧力流
量金白動的に設定制御して測定の精度と効率を向上させ
る必要がある。

第１図において、制御装置１２には測定すべき薄膜体１
の性質から予測される測定条件として、例えば第３因に
示した第１回目の測定時（印加する内圧ｐｆ１の値が設
定されている。この内圧Ｐｆ１の値に応じて、制御装置
１２は（ｐｆｉ（ｐｓｌ）を満たす条件下で中空弾性体
１１の内圧Ｐ８１の値を計算し、その結果と上記ｐｆ１
の値に基づいて圧力制御装置７１流量制御装置６に線路
１４を介して指令信号を伝え、中空弾性体１１の内圧が
最終的にｐｓｌに達するように制御する。

次いで、このｐＨ１１の印加よシ遅れて上記ｐｆｌが内
部空間５２に印加され、その値が高感度圧力測定装置５
により検出されて、制御装置１２にフィードバックされ
て比較される。また同時に薄膜体１の変位量が非接触変
位計４によって検出され、初期位Ｒｙｏからの変位ｙが
計算される。

この変位量ｙは内部空間３２内の圧力の増加と共に増加
するので、制御装置１２はこのｙを監視して、ｙが予め
設定した値を起えぬよう、自動的に上記ｐｆ１の値を修
正する。こともできる。

次いで、第３図に示すよ゛うに上記ｐｆｌが解除され上
記ｙＯ値は減少する。このときのｙの値と前記ｙＯＯ差
分、即ち残留変位ｙ１が零と見做せる程度の小さな値で
あれば薄膜体１は上記ｐｆ１に対し弾性変形をしたこと
くなるので、第２回目の測定では第３図に示すように上
記ｐｓ１　、ｐｆｌは共にｐｓ２．およびｐｆ２に増加
され、同様の手順に従って、残留変位ｙ２が測定される
。

なお、ｐｓｌは第３図に示したように一旦、零に戻さず
にｐｇｌからｐｇ２に向かって直接増加せしめて４よい
。中空弾性体１１の内圧を測定の都度、緩めると、薄膜
体１に新たなしわ、たるみ等が発生する場合があるから
である。

上記の測定がくり返され、例えば、第３図に示すように
第３回目の測定における残留変位７３の値が予め設定さ
れた値ｙａを越えていれば、前述の式（２）に従って引
張強さσＢを求めることができる。

なお、上記の方法では測定の精度を高めるためには内圧
ｐｆの増加分を細かく設定して、測定回数を増やすこと
が行われる。しかし、それ程の精度を必要としない場合
には、第４図に示すように内部空間３２の圧力ｐｆと中
空弾性体シールの内圧ｐｓとを経時的に漸増させて測定
することもできる。薄膜体１の変位ｙは弾性変形の範囲
内では上記ｐｆに対応して略直線的に増加が、降伏点近
傍から応力が減少して急激に増加する。したがうて、制
御装置１２により上記ｐｆとｙの対応関係を監視し、上
記比例関係からの逸脱を検出した時点で上記ｐｆを零に
戻して、そのときの残留変位Δｙの大きさから引張強さ
ｏｆ３その他の特性値を推定することもできる。上記比
例関係からの逸脱の判定論理は通常、従来の経験則に基
いて決定され、制御装置１２の中に記憶される。

〔発明の効果〕

本発明によれば、板厚がμｍオーダ以下の極めて薄い薄
膜体の強度を直接法により、高精度に測定でき、信頼度
の大なる薄膜体強度特性値データが得られるので、薄膜
プロセスにより形成される部品の強度設計、寿命評価等
が有効に行え、薄膜部品を用いた製品の信頼度を高める
という効が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の装置の概略図、第２図は、本発明の
薄膜体の変形図、第３および４図は、本発明和よる測定
時の圧力スケジュールと変形量の模式図である。 符号の説明 １・・・・・・薄膜体、　　２・・・・・・土星、　　
５・・・・・・下型、４・・・・・・非接触変位計、 ５・・・・・・高感度圧力測定装置、 ６・・・・・・流量制御装置、　　７・・・・・・圧力
制御装置、８．９・・・・・・流体回路、 １０・・・・・・圧力負荷速度緩和体、１１・・・・・
・中空弾性体、　　１２・・・・・・制御装置、１５・
・・・・・圧力発生装置、１４・・・・・・線路、１５
・・・・・・シール溝、　　　５１・・・・・・支持台
、３２・・・・・・内部空間。 第　１図 第 ５図 第 ｚ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、薄膜体の片面に圧力を加え、上記圧力を測定する手
   段、上記圧力により生じた上記薄膜体の面の変位を非接
   触に測定する手段を備え、上記圧力と上記変位により上
   記薄膜体の強度を測定することを特徴とする薄膜体強度
   測定装置。 ２、請求項１において、 上記薄膜体の端部を挾んで保持する中空弾性体を備え、
   上記中空の弾性体内部を加圧して上記薄膜体の片面に印
   加する上記圧力を封止したことを特徴とする薄膜体強度
   測定装置。 ３、請求項１において、 上記圧力を緩和する圧力速度緩和体を備え、上記薄膜体
   の片面に印加される圧力を緩和したことを特徴とする薄
   膜体強度測定装置。 ４、請求項１において、 上記薄膜体の片面に印加する上記圧力を所定の時系列パ
   ターンに従って変化させるための制御装置を備えたこと
   を特徴とする薄膜体強度測定装置。 ５、薄膜体の片面に圧力を加え、上記圧力を測定し、上
   記圧力によって生じた上記薄膜体の面の変位を非接触で
   測定し、上記圧力と上記変位より上記薄膜体の強度を算
   定するようにしたことを特徴とする薄膜体強度測定方法
   。