JPH0755741A - 脆性材料のクラック進行速度を測定する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 測定精度が良く、有効測定範囲の広い脆性材
料のクラック進行速度を測定する方法を提供することに
ある。 【構成】 脆性材料中に生じるクラックの進行速度を測
定する方法において、脆性材料表面に上記クラックの進
行方向と交差する方向に沿って導電性の薄膜からなる複
数の細線状電極を形成し、これら複数の細線状電極を定
電圧源に並列に接続し、クラックの進行による細線状電
極の切断に伴う電流変化量を測定する脆性材料のクラッ
ク進行速度を測定する方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミクス、ガラス、
セメント等の脆性材料で発生するクラックの進行速度を
測定する方法に係り、例えば、イメージセンサ等に使用
するような比較的複雑な形状のガラスを形成する等の目
的でガラスに故意にクラックを発生せしめるような場合
に利用して、クラックで形成する形状の精度に影響する
クラックの進行速度を一定に制御したり、他にも、セメ
ントやガラス等でできた構造物や建造物において発生す
るひび割れの進行速度を測定する時に利用したりするク
ラックの進行速度を測定する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来において、クラック進行速度を測定
する方法としては特開昭５９−１２８４４１に開示され
ている絶縁性脆性材料のき裂成長測定方法がある。

【０００３】この方法は、図３に示すように、絶縁性脆
性材料１表面に一対の電圧入力端子７と一対の電流出力
端子８とを有する金属薄膜９をクラック２の進行方向と
交差する向きに固着し、一対の電圧入力端子７間には定
電圧源を接続し、また、一対の電流出力端子８間には流
れている電流を測定する測定手段を接続し、これによっ
て脆性材料１に生じたクラック２の成長に伴って金属薄
膜９が切断されてゆくことにより生じる電流変化を上記
測定手段で測定してクラック２の成長を測定するもので
ある。

【０００４】すなわち、図３において、絶縁性脆性材料
１にクラック２が発生し、これに伴ってその表面に固着
されている金属薄膜９にもクラックが発生する。ところ
で、定電圧Ｖ（Ｖ）の定電圧源が接続された金属薄膜９
の抵抗値Ｒは、横幅ｗ（ｍｍ）、長さｌ（ｍｍ）でＲ₀
（Ω／□）のシート抵抗を有する長方形状の面状抵抗体
として機能しており、

【０００５】

【数１】

【０００６】と表すことができる。そこで、クラックの
進行に伴い上記横幅ｗが一律に減少すると考えると、そ
こに流れる測定電流Ｉは、

【０００７】

【数２】

【０００８】と表されるので、図４の破線に示すよう
に、横幅ｗが狭くなるのに比例して減少し、また、その
大きさは横幅ｗに対して一義的に決まる。その為、この
測定電流Ｉを適宜測定すれば、その時点でのクラック２
の長さが求められ、そして、二つの時点での長さの差を
その間の時間間隔で割ればその間のクラック進行速度を
求めることができる。

【０００９】しかしながら、この方法では、主として以
下に示す二つの理由により、絶縁性脆性材料１に発生し
ているクラック２の長さと測定電流Ｉから求められるク
ラックの長さとの対応性が悪く、それより求められるク
ラック２の進行速度の精度も悪いという問題点を有す
る。

【００１０】すなわち、第一の理由は以下の通りであ
る。金属薄膜９にクラックが発生し切断されていく過程
を観察してみると、金属薄膜９も脆性材料であるため
に、絶縁性脆性材料１のクラック２による応力で金属薄
膜９自体にも独自のクラックが発生し、これが絶縁性脆
性材料１のクラック２の成長に伴って進行していく。従
って、金属薄膜９のクラックは、絶縁性脆性材料１のク
ラック２と類似形状ではあるが、完全には一致せず、特
に、絶縁性脆性材料１のクラック２の進行速度が速い場
合あるいは屈曲して進行した場合などのように、クラッ
クの先端に大きな応力が生じる場合には、絶縁性脆性材
料１のクラック２よりも先行して発生したり、先端が枝
毛形状に分岐する現象が発生し、絶縁性脆性材料１のク
ラック２の形状との違いが大きくなる。それ故、図４に
おいて二本の実線で示したように、測定電流変化特性
は、絶縁性脆性材料１のクラック２の長さに対して変動
し、一義的に決まらなくなるので対応性が悪い。

【００１１】また、第二の理由は以下の通りである。金
属薄膜９の抵抗値は、クラックの成長に伴い横幅が狭く
なって抵抗値が上がる部分とクラックが成長しても横幅
が変わらず一定の抵抗値を示す部分とが直列に接続され
た抵抗として表される。従って、その抵抗値で定電圧を
割って求められる測定電流Ｉは一定の変化量にならな
い。それ故、図４に示すように、前記の式（２）に従っ
て求められる測定電流変化特性（破線で示すもの）との
誤差はクラックが成長するほど大きくなることになるの
で対応性が悪い。

【００１２】また、この方法をイメージセンサ等に使用
する比較的複雑な形状のガラスを形成する時に利用する
場合、クラック２の進行速度がその形状の精度を決定す
るので、クラック２の進行速度を一定に制御する必要が
あるのだが、このクラック２の成長に伴って速度誤差が
大きくなる特性が障害となっていた。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】そこで、発明者らは、
このように脆性材料のクラック進行速度を測定する従来
の方法における問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた結
果、脆性材料表面にクラックの進行方向と交差する方向
に沿って導電性の薄膜からなる複数の細線状電極を形成
することでクラックの成長に対して対応性の良い測定が
できることを見出し、本発明を完成した。

【００１４】従って、本発明の目的は、測定精度が良
く、有効測定範囲の広い脆性材料のクラック進行速度を
測定する方法を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、脆性
材料中に生じるクラックの進行速度を測定する方法にお
いて、脆性材料表面に上記クラックの進行方向と交差す
る方向に沿って導電性の薄膜からなる複数の細線状電極
を形成し、これら複数の細線状電極を定電圧源に並列に
接続し、クラックの進行による細線状電極の切断に伴う
電流変化量を測定する脆性材料のクラック進行速度を測
定する方法である。

【００１６】本発明は、セラミクス、ガラス、セメント
等の脆性材料で発生するクラックの進行速度を測定する
場合に利用でき、特に、イメージセンサ等に使用する複
雑な形状のガラスを形成する時や構造物に発生するひび
割れの進行速度を測定する時に利用できる。

【００１７】細線状電極は、上記クラックの進行によっ
て順次切断されるために脆性材料表面にクラックの進行
方向と交差する方向に沿って複数形成された薄膜であ
り、また、導電性と脆性材料に近い引っ張り強度とを有
してクラックの進行と同時に切断される必要があること
から、その材料としては、金、銀、銅、ニッケル等の金
属導電材料、酸化ルテニウム、酸化錫等の酸化物導電材
料、カーボン等の抵抗材料又はこれらの材料にガラス、
セラミクス等の無機材料やエポキシ樹脂等の有機材料を
混合した複合材料等が使用される。また、その形状は、
脆性材料のクラック進行に伴い速やかに切断される必要
があるため、且つ、脆性材料中のクラック進行をできる
だけ妨げないために、数百μｍ以下の幅に形成される必
要があり、その長さは、脆性材料の寸法及びクラックの
進行が予測される方向又は範囲等から決められる。

【００１８】各細線状電極間のピッチは、測定の精度に
大きく影響するので、測定用途に合わせて、小さな範囲
を詳細で精度よく速度測定を行うためにはピッチを小さ
く、広範囲の速度測定を行うためにはピッチを大きく又
はこれらを組み合せて設定し、また、等ピッチに設定す
れば、電流の変化時点の間隔が一定になって測定による
誤差は均等に分配され少なくすることができる。

【００１９】それぞれの細線状電極の幅及び長さは、測
定するピッチや測定電流の精度等から必要な測定電流の
変化が得られる抵抗値になるように決められ、例えば、
長さが全て等しく幅が順次二倍になるような形状に形成
しても構わないが、各細線状電極は同じ線幅で同じ長さ
に形成し、かつ、互いに平行に配設すれば、各細線状電
極を切断するために必要な力が一定になって切断時点が
安定し、同時に、総電流量に対する電流の変化量が一定
になって電流変化を測定する上での測定による誤差を少
なくできる。

【００２０】そして、このような細線状電極を脆性材料
上に形成する主な方法としては以下に示す二つのものが
ある。第一の方法は、厚膜印刷、メッキ、蒸着等で細線
状電極を脆性材料上に形成するものであり、この方法は
細線状電極を脆性材料上に直接に形成するため、脆性材
料にクラックを成長させる力が直接細線状電極に伝わる
ので切断のタイミング精度が高い。第二の方法は、細線
状電極を薄膜上に化学メッキ、蒸着、厚膜印刷等の方法
で固定しその薄膜を脆性材料上に形成するものである。
薄膜には、クラックの成長と細線状電極の切断との対応
性が悪くならないように脆性材料のクラックの成長に合
わせて切り裂かれるような機械的強度が小さな材質を持
つ材料、例えば塩化ビニル樹脂等を薄く形成したものを
使用する。また、その薄膜を脆性材料上に形成する方法
としては、シアノアクリレート系の接着剤等を用いて固
着する方法等がある。このように予め薄膜上に細線状電
極を形成した場合、セメント等の構造物に発生するクラ
ックを測定する時には薄膜を構造物に貼り付ければ測定
が可能になるので使用する時の作業が簡略化し、また、
絶縁性の薄膜を使用した場合、導電性の脆性材料に成長
するクラックの進行速度を測定することができる。

【００２１】そして、複数の細線状電極の切断時点を観
測するために細線状電極は定電圧源に並列に接続され
る。その為には、各細線状電極の片側同士を定電圧源の
正側に、残りの片側同士を負側に接続すればよいので、
各細線状電極を脆性材料上に形成した後でそれぞれを配
線しても構わないが、細線状電極を脆性材料上等に形成
する際に細線状電極と同一材料、同一工程により、各細
線状電極の片側同士及び残りの片側同士を一つにまとめ
る並列接続用の一対の電極線を同時に形成したほうが、
それらを定電圧源に接続する方が配線する工数等が少な
くて済む。このとき、一対の電極線が測定電流に影響し
ないように、並列接続用の一対の電極線の幅は太く形成
し、その抵抗値が細線状電極と比べて十分小さくなるよ
うにする。

【００２２】定電圧源に並列に接続された複数の細線状
電極に流れる電流を測定する装置としては、各細線状電
極の切断による電流変化の発生間隔を測定できればよい
ので、ハイブリッドレコーダー、オシロスコープ等が使
用できる。そして、複数の細線状電極は細い線幅に形成
されてクラックの成長に伴い速やかに切断されるため、
その切断と共に生じる測定電流の変化は立ち下がりがシ
ャープで非連続な階段状の変化特性を示すので、電流変
化時点を精度よく測定することができる。なお、細線状
電極の本数は、使用した測定器が測定可能な電流の大き
さや使用したレンジの精度等によって制限され、通常は
十〜数十本程度にするとよい。

【００２３】そして、クラックの進行距離は各細線状電
極間のピッチ寸法として予め設定することができ、それ
をその間の所要時間で割ることでクラックの進行速度が
求められる。また、この方法をイメージセンサ等に使用
する複雑な形状のガラスを形成する時等に利用する場
合、各細線状電極を等線幅、等長さに形成し、かつ、互
いに平行で等間隔に配設した時は、測定電流の変化は間
隔の等しい階段状の特性になるので測定した測定電流の
変化点の時間間隔を進行速度に計算することなくそのま
ま速度制御用の信号として利用することができる。

【００２４】なお、細線状電極の合成抵抗Ｒ（Ω）及び
電流Ｉ（Ａ）は、細線状電極の数をｎ（本）、各細線状
電極の抵抗値をｒ（Ω）、各細線状電極を並列に接続し
た並列回路の合成抵抗をＲ（Ω）、並列回路に印加する
電圧をＶ（Ｖ）、並列回路に流れる電流をＩ（Ａ）とし
た場合には、クラックが成長する前の初期状態では、

【００２５】

【数３】

【００２６】一本目の細線状電極が切断された状態で
は、

【００２７】

【数４】

【００２８】細線状電極が順次切断され、最後の細線状
電極のみが残った状態では、

【００２９】

【数５】

【００３０】そして、全ての細線状電極が切断された状
態では、

【００３１】

【数６】

【００３２】と変化し、どの細線状電極が切断されたと
きにも、電流ＩはＶ／ｒ（Ａ）ずつ減少することにな
り、細線状電極の本数ｎにかかわらず、電流変化量は等
しくなる。

【００３３】

【作用】本発明においては、従来方法における金属薄膜
が各細線状電極に分割され、また、各細線状電極は微小
な線幅で形成されているため、脆性材料のクラック成長
に伴い各細線状電極は速やかに切断されるので、クラッ
クの成長に対する測定電流変化特性の対応性が良い。並
列に接続した複数の細線状電極の切断を定電圧下におけ
る電流変化特性によって測定しているので、細線状電極
の本数は、測定装置の測定可能な電流量等によって決ま
り、測定にあった測定装置を使用して適当に設定でき
る。

【００３４】

【実施例】以下、添付図面を参照しながら本発明の実施
例を説明する。

【００３５】図１に示すように、脆性材料１として厚み
１ｍｍの板ガラスを用い、ダイヤモンド工具等を用いて
この表面にスクライブＡを形成した。そして、脆性材料
１の表面に、厚み１０μｍの加熱硬化型カーボン抵抗ペ
ースト材料からなる７本の細線状電極３_a、３_b、・・
・、３_g及びこれらを並列に接続する測定用電極１０
ａ，１０ｂを厚膜印刷し、数十℃で乾燥、更に、硬化さ
せて一括に形成した。ここで、細線状電極３_a、３_b、・
・・、３_gは互いに平行であり、それぞれ幅１００μ
ｍ、長さ４０ｍｍ、ピッチ５ｍｍに形成し、また、並列
接続用の測定用電極１０ａ，１０ｂは幅２０ｍｍに形成
した。更に、測定用電極１０ａ，１０ｂを電圧Ｖ＝５Ｖ
_DCの直流定電圧電源４を介して配線し、そこに生じる電
流変化をオシロスコープ６に接続した電流測定用プロー
ブ５を用いて測定した。

【００３６】ちなみに、使用した加熱硬化型カーボン抵
抗ペースト材料の厚み１０μｍにおけるシート抵抗値は
２Ω／ｍｍ²であり、各細線状電極３_a、３_b、・・・、
３_gの抵抗値ｒは２×４０／０．１＝８００Ωと、ま
た、測定用電極１０ａ，１０ｂの抵抗値は２×３０／２
０＝３Ωとなっており、測定用電極１０ａ，１０ｂの抵
抗値は細線状電極３_a、３_b、・・・、３_gの抵抗値ｒと
比較して十分小さく無視でき、回路全体の合成抵抗Ｒ及
びそこを流れる電流値Ｉは、図２に示すように、初期状
態においては、

【００３７】

【数７】

【００３８】最初の細線状電極３ａが切断された状態で
は、

【００３９】

【数８】

【００４０】となり、順次切断されて最後の細線状電極
のみが残った状態では、

【００４１】

【数９】

【００４２】全ての線状電極が切断された状態では、

【００４３】

【数１０】

【００４４】と変化する。また、各細線状電極切断時の
電流変化は６．３ｍＡの等間隔の変化となり、経過時間
に対する明瞭な電流変化特性が得られる。

【００４５】そして、これらの電流変化点の間隔をオシ
ロスコープ６で測定し、そこから得られるクラック２の
進行速度をもとに、クラック２の進行速度が一定になる
ように板ガラス１に加える力を制御したところ、クラッ
ク２は曲がったり分岐したりすることなくスクライブＡ
に沿って進行し、所望の通りに板ガラス１を形成するこ
とができた。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、脆性材料上に形成され
た複数の微小な線幅の細線状電極が脆性材料のクラック
成長に伴い切断されるので、クラックの成長に対する各
細線状電極の切断タイミングの対応性が良く、同時に、
切断に伴う電流の変化特性が階段状になって切断時点の
検出精度が高いので、それを基に算出される脆性材料の
クラック進行速度の精度は高い。また、各細線状電極の
切断に伴う測定電流変化は非連続な階段状の特性になる
ため、細線状電極の本数を多くしてもそれぞれの切断タ
イミングは測定できるので、細線状電極の本数を多くし
て広い範囲を測定したり、ピッチを狭くして精度を上げ
て測定したりできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例に係るクラック進行速度を測
定する方法の構成図。

【図２】 本発明の実施例で測定した測定電流変化特性
図。

【図３】 従来の金属薄膜を固着した絶縁性脆性材料。

【図４】 従来の測定電流変化特性図。

【符号の説明】

１：脆性材料、２：脆性材料に発生するクラック、３ａ
〜３ｇ：細線状電極、４：定電圧源。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 脆性材料中に生じるクラックの進行速度
   を測定する方法において、脆性材料表面に上記クラック
   の進行方向と交差する方向に沿って導電性の薄膜からな
   る複数の細線状電極を形成し、これら複数の細線状電極
   を定電圧源に並列に接続し、クラックの進行による細線
   状電極の切断に伴う電流変化量を測定することを特徴と
   する脆性材料のクラック進行速度を測定する方法。
2. 【請求項２】 複数の細線状電極が、互いに等しい線幅
   及び長さを有し、かつ、平行に形成されている請求項１
   記載の脆性材料のクラック進行速度を測定する方法。
3. 【請求項３】 絶縁性脆性材料の薄膜の表面に複数の細
   線状電極を形成し、この薄膜を脆性材料表面に固定する
   請求項１又は２に記載の脆性材料のクラック進行速度を
   測定する方法。