JP3182252U - Mechanical property measurement test equipment - Google Patents
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Abstract
【課題】材料の機械的物性値を低温から高温までの温度領域に渡って測定できる力学特性計測試験装置を提供する。
【解決手段】被検試料に圧入される透明な圧子13と、該試料と接触する圧子13の表面を圧子13を通して観察する光学的手段17と、圧子13を試料に圧入する荷重負荷手段と、圧入する荷重を計測する荷重計測手段と、試料表面における圧子13の接触面の画像を撮影する画像撮影手段と、画像の記録・解析手段とを備え、圧子13を、水平で透明な圧子保持板14の下面に取り付けて、この圧子保持板14の上方に前記光学的手段17を配して、圧子13の試料との接触面を圧子保持板14を介して観察可能とし、かつ、試料を加熱・冷却状態に保持するための恒温装置19を配設して、圧子13が圧入される試料との接触面積を光学的に連続計測することにより、加熱・冷却状態における試料の機械的物性値の計測を可能とした。
【選択図】図1A mechanical property measuring and testing apparatus capable of measuring a mechanical property value of a material over a temperature range from a low temperature to a high temperature.
A transparent indenter 13 press-fitted into a test sample, an optical means 17 for observing the surface of the indenter 13 in contact with the sample through the indenter 13, a load loading means for press-fitting the indenter 13 into the sample, A load measuring means for measuring a load to be press-fitted, an image photographing means for photographing an image of a contact surface of the indenter 13 on the sample surface, and an image recording / analyzing means. The indenter 13 is a horizontal and transparent indenter holding plate. The optical means 17 is disposed above the indenter holding plate 14 so that the contact surface of the indenter 13 with the sample can be observed through the indenter holding plate 14 and the sample is heated. -By providing a constant temperature device 19 for holding in a cooled state and optically continuously measuring the contact area with the sample into which the indenter 13 is pressed, the mechanical property value of the sample in the heated / cooled state Measurement was possible.
[Selection] Figure 1
Description
本考案は、力学特性計測試験装置に関するものであり、更に詳しくは、硬度、ヤング率、降伏応力、クリープコンプライアンス、緩和弾性率などの材料の機械的物性値を、低温から高温までの温度領域に渡って測定するための、力学特性計測試験装置に関するものである。 The present invention relates to a mechanical property measuring and testing apparatus. More specifically, the mechanical properties of materials such as hardness, Young's modulus, yield stress, creep compliance, and relaxation elastic modulus are set in a temperature range from a low temperature to a high temperature. The present invention relates to a mechanical property measurement test apparatus for cross-sectional measurement.
計装化インデンテーションとは、力学物性値を評価する試験法の一種であり、微小圧子を測定対象物の表面に押し込む際の負荷荷重と接触面積、圧子の形状・特性を組み合わせることにより、測定対象物の各種機械的特性を評価するものである。 Instrumented indentation is a type of test method for evaluating mechanical properties, and is measured by combining the load applied when a micro indenter is pushed into the surface of the object to be measured, the contact area, and the shape and characteristics of the indenter. It evaluates various mechanical properties of the object.
計装化インデンテーションでは、圧子押し込み深さを計測し、その計測値から接触面積を換算して求める解析手法が一般的であり、その装置は、計測分解能や測定レンジに応じて、マクロインデンター、マイクロインデンター、ナノインデンター、ピコインデンターなどと呼ばれる各種装置が上市されている。 In instrumentation indentation, an analysis method is generally used in which the indenter indentation depth is measured and the contact area is converted from the measured value, and the device uses a macro indenter according to the measurement resolution and measurement range. Various devices called micro indenters, nano indenters, pico coin denters, etc. are on the market.
近年、これら各種インデンターが広範囲な産業の研究分野で活用され、急速に進展している。その理由は、従来の巨視的な材料試験の手法が適用できない極小機械部品や、基板上に形成された機能性薄膜・厚膜やフィルムなどが広く実用化され始め、計装化インデンテーションが、これら新素材の機械的特性評価に最も適した試験法であると認識され始めたことが背景にある。 In recent years, these various indenters have been utilized in a wide range of industrial research fields and are making rapid progress. The reason for this is that miniaturized mechanical parts to which conventional macroscopic material testing methods cannot be applied, and functional thin films / thick films and films formed on substrates have begun to be put into widespread use. The background is that it has started to be recognized as the most suitable test method for evaluating the mechanical properties of these new materials.
圧子を被検試料の表面に押し込んだ際の表面変形の挙動が、被検試料が持つ塑性や粘弾性的特性によって、著しく完全弾性体で推察される表面変形の挙動から逸脱する場合には、圧子の押し込み深さから換算される接触面積の計算値に大きな誤差が含まれ、その結果として見積もられる機械的特性の評価値が、不正確なものとなることが問題とされていた。 If the behavior of the surface deformation when the indenter is pushed into the surface of the test sample deviates significantly from the surface deformation behavior estimated by a completely elastic body due to the plasticity and viscoelastic properties of the test sample, There has been a problem that the calculated value of the contact area converted from the indentation depth of the indenter contains a large error, and as a result, the estimated value of the mechanical property is inaccurate.
この問題を解決できる計装化インデンテーションの一種に、顕微インデンテーションと呼ばれる試験法がある(特許文献1)。この顕微インデンテーションは、一般の計装化インデンテーションとは測定原理が異なる試験法である。従来の計装化インデンテーションでは、接触面積を圧子押し込み深さから換算していたのに対して、顕微インデンテーションは、可視光に透明性を有する圧子の光学特性を活用し、圧子と試料表面との接触面を光学的に直接計測する試験法である。このため、顕微インデンテーションでは、被検試料が如何なる塑性や粘弾性的特性を含む場合でも、接触面積の正確な計測が可能であり、機械的特性を高い精度で評価することができる。 One type of instrumented indentation that can solve this problem is a test method called microindentation (Patent Document 1). This microindentation is a test method having a measurement principle different from that of general instrumented indentation. In contrast to conventional instrumented indentation, the contact area was converted from the indentation depth, while microindentation uses the optical properties of an indenter that is transparent to visible light. This is a test method that directly optically measures the contact surface. For this reason, in microindentation, the contact area can be accurately measured regardless of the plasticity or viscoelasticity of the sample to be examined, and the mechanical properties can be evaluated with high accuracy.
顕微インデンテーションは、このような優れた特長を有する故に、弾性・弾塑性・塑性の各非時間依存型特性であるヤング率、硬度、降伏応力、加工硬化指数、塑性変形の尺度などのほか、粘弾性特性の時間依存型特性であるクリープコンプライアンス、緩和弾性率など、レオロジー特性を評価することもできる(特許文献1、非特許文献1、非特許文献2)。
Since microindentation has such excellent features, in addition to Young's modulus, hardness, yield stress, work hardening index, plastic deformation scale, etc., which are non-time-dependent properties of elasticity, elastoplasticity, and plasticity, Rheological properties such as creep compliance and relaxation modulus, which are time-dependent properties of viscoelastic properties, can also be evaluated (
顕微インデンテーションによって、低温から高温までの任意の温度で粘弾性試験(レオロジー試験)を実施するには、被検試料を任意の時間だけ恒温状態に保持できる装置であって、試料と圧子とを接触させるように微小量だけ駆動し、圧子の可視光透明性を活用し圧子と試料表面との接触挙動を光学的に観察でき、負荷荷重の計測を高精度に行うことが必要である。しかしながら、特許文献1に記載の試験装置は、被検試料を任意の時間だけ恒温状態に保持できる機能は備わっていない。
In order to perform a viscoelasticity test (rheological test) at any temperature from low to high temperature by microindentation, it is a device that can hold a test sample in a constant temperature state for an arbitrary time. It is necessary to drive only a minute amount so as to make contact, optically observe the contact behavior between the indenter and the sample surface using the visible light transparency of the indenter, and measure the load load with high accuracy. However, the test apparatus described in
負荷荷重の絶対値計測と光学計測用の光路確保を同時に実現し、被検試料を低温もしくは高温に冷却もしくは加熱し保持する方法として、発熱体もしくは冷却体と試料、圧子が直列接続する配置がある(非特許文献1、非特許文献2)。その場合、発熱体もしくは冷却体にエネルギーを伝達する給電用ケーブルや冷却水用循環ホースなどが荷重計測計に載ることになる。
An arrangement in which a heating element or a cooling body, a sample, and an indenter are connected in series is a method for simultaneously holding an absolute value measurement of the load and securing an optical path for optical measurement, and cooling or heating the test sample to a low or high temperature. (Non-Patent
しかしながら、荷重計測手段と加熱・冷却手段とサンプル試料と圧子とが直列に結合した力学系に対し、並列に配置された加熱・冷却手段への給電ケーブルや熱電対、冷却循環水用チューブなどの配線や配管は、弾性バネとしても作用する。これらは、荷重計測において無視できない重大な誤差要因であると同時に、荷重計測手段の精度を低下させる要因となる。すなわち、並列バネによって支持される荷重分は荷重計測手段に伝わらないため、荷重計測手段によって計測される値は、正味の負荷荷重からバネによって支持される荷重分を差し引いた常に低い負荷荷重値となってしまう。この弾性バネ効果による誤差は、バネを構成する材質、太さ、数量、設置角度に依存する。しかも、チャンバー内の温度変化により弾性的性質(弾性係数)は変動するため、弾性バネ効果を補正などの手段によって除去することは技術的に極めて困難である。 However, for a dynamic system in which the load measuring means, heating / cooling means, sample specimen, and indenter are connected in series, the power supply cable, thermocouple, cooling circulation water tube, etc. to the heating / cooling means arranged in parallel Wiring and piping also act as elastic springs. These are serious error factors that cannot be ignored in load measurement, and at the same time reduce the accuracy of the load measurement means. That is, since the load supported by the parallel spring is not transmitted to the load measuring means, the value measured by the load measuring means is always a low load load value obtained by subtracting the load supported by the spring from the net load load. turn into. The error due to the elastic spring effect depends on the material constituting the spring, the thickness, the quantity, and the installation angle. In addition, since the elastic property (elastic coefficient) fluctuates due to temperature changes in the chamber, it is technically very difficult to remove the elastic spring effect by means such as correction.
恒温槽に光学的機能を組み合わせ、恒温槽の内部に置かれた被検試料を光学観察することが可能な環境試験装置が開発されている(特許文献2)。しかしながら、この試験装置には、顕微インデンターの試料加熱装置として必要な駆動機構や荷重計測に関する力学的機能は具備されていない。 An environmental test apparatus capable of optically observing a test sample placed inside a thermostat by combining an optical function with the thermostat has been developed (Patent Document 2). However, this test apparatus does not have a driving mechanism or a mechanical function related to load measurement necessary as a sample heating apparatus for a micro indenter.
恒温槽の内部にある被検試料を一定温度とする手段として、温風もしくは冷風を試料近傍に送り込む方式、又は、還流させる方式の恒温槽が提案されている(特許文献3、特許文献4)。しかしながら、この恒温槽では、温風もしくは冷風の揺らぎが試料を振動させ、微小荷重検出の妨げとなるため、高精度な負荷荷重を計測することはできない。これらのことから、当技術分野においては、被検試料の機械的物性値を、低温から高温までの温度領域に渡って測定するための、力学特性計測試験装置を開発することが強く要請されていた。
As a means for setting the test sample inside the thermostat to a constant temperature, a thermostat of a system in which warm air or cold air is sent to the vicinity of the sample or a system in which the air is refluxed has been proposed (
本考案は、上記した従来技術の問題点に鑑み、開発されたものであって、加熱・冷却状態における被検試料の試験片への圧子の圧入状態の連続的な観察を可能として、高精度に計測された負荷荷重と同時刻に光学画像から動画像解析の手法で計測された接触面積との定量的な関係性から被検試料の持つ種々の機械的物性値を高精度に評価することを可能とする新しい力学特性計測試験装置を提供することを課題とするものである。 The present invention has been developed in view of the above-mentioned problems of the prior art, and enables continuous observation of the indentation state of the indenter into the test piece of the test sample in a heated / cooled state with high accuracy. To evaluate the various physical properties of the specimen with high accuracy from the quantitative relationship with the contact area measured by the method of moving image analysis from the optical image at the same time It is an object of the present invention to provide a new mechanical property measuring and testing apparatus that enables the above.
上記の課題を解決するための本考案は、以下の手段から構成される。
(1)被検試料に圧入される透明な圧子と、該試料と接触する圧子の表面を圧子を通して観察する光学的手段と、圧子を試料に圧入する荷重負荷手段と、圧入する荷重を計測する荷重計測手段と、試料表面における圧子の接触面の画像を撮影する画像撮影手段と、画像の記録・解析手段とを、備える力学特性計測試験装置であって、
圧子を、水平で透明な圧子保持板の下面に取り付けて、この圧子保持板の上方に前記光学的手段を配して、圧子の試料との接触面を圧子保持板を介して観察可能とし、かつ、試料を加熱・冷却状態に保持するための恒温装置を配設して、圧子が圧入される試料との接触面積を光学的に連続計測することにより、加熱・冷却状態における試料の機械的物性値の計測を可能としたことを特徴とする力学特性計測試験装置。
(2)試料が保持された試料ホルダーと、恒温装置の加熱・冷却手段と、前記荷重負荷手段とを、内部フレームの台盤上に載置させ、圧子が取り付けられた圧子保持板を、前記台盤と分離して立設した支柱に支持させて、加熱・冷却手段と荷重負荷手段の自重、及び、これらの手段に接続された給電ケーブル、循環水ホース、熱電対の弾発力が、荷重計測手段にかかるのを回避して、圧子の圧入荷重の計測を行うようにした、前記(1)に記載の力学特性計測試験装置。
(3)荷重計測分解能が、0.01mgf以上である、前記(2)に記載の力学特性計測試験装置。
(4)試料ホルダーに加熱・冷却手段を当接させて、試料の加熱・冷却を行うようにした、前記(2)又は(3)に記載の力学特性計測試験装置。
(5)加熱・冷却手段が、ペルチェ素子である、前記(2)〜(4)の何れかに記載の力学特性計測試験装置。
(6)光学的手段の下方を、乾燥気体を充満させたチャンバーで覆って、結露・氷結の発生を防止した、前記(2)〜(5)の何れかに記載の力学特性計測試験装置。
(7)光学的手段と圧子保持板との間のチャンバーの天井面に、観察窓を設けて、圧子の試料との接触面を光学的手段により観察可能とした、前記(6)に記載の力学特性試験装置。
(8)試料ホルダーに、圧子の高さと試料厚さの合計よりも浅い凹部を設けて、この凹部に試料を載置することにより、試料ホルダーと圧子保持板とを空間的に近接させて、試料と試料ホルダーと圧子と圧子保持板の恒温保持温度を均一化した、前記(2)〜(7)の何れかに記載の力学特性計測試験装置。
(9)圧子保持板に保持する圧子を断熱材を介して支持し、熱の出入りを遮断した、前記(2)〜(8)の何れかに記載の力学特性計測試験装置。
The present invention for solving the above problems comprises the following means.
(1) A transparent indenter that is press-fitted into the test sample, an optical means for observing the surface of the indenter in contact with the sample through the indenter, a load-loading means for press-fitting the indenter into the sample, and a load to be pressed are measured A mechanical property measurement test apparatus comprising: a load measuring unit; an image capturing unit that captures an image of a contact surface of an indenter on a sample surface; and an image recording / analyzing unit.
An indenter is attached to the lower surface of a horizontal and transparent indenter holding plate, and the optical means is arranged above the indenter holding plate so that the contact surface of the indenter with the sample can be observed through the indenter holding plate. In addition, a thermostatic device for holding the sample in a heated / cooled state is arranged, and the contact area with the sample into which the indenter is press-fitted is optically continuously measured. A mechanical property measurement tester characterized by enabling measurement of physical properties.
(2) The sample holder holding the sample, the heating / cooling means of the thermostatic device, and the load applying means are placed on the base plate of the internal frame, and the indenter holding plate to which the indenter is attached is The weight of the heating / cooling means and load loading means, and the elasticity of the power supply cable, circulating water hose and thermocouple connected to these means, The mechanical property measuring test apparatus according to (1), wherein the load measuring means is avoided and the press-fitting load of the indenter is measured.
(3) The mechanical property measurement test apparatus according to (2), wherein the load measurement resolution is 0.01 mgf or more.
(4) The mechanical property measurement test apparatus according to (2) or (3), wherein the sample holder is brought into contact with a heating / cooling unit to heat / cool the sample.
(5) The mechanical property measurement test apparatus according to any one of (2) to (4), wherein the heating / cooling means is a Peltier element.
(6) The mechanical property measuring and testing apparatus according to any one of (2) to (5), wherein the lower part of the optical means is covered with a chamber filled with a dry gas to prevent the occurrence of condensation and icing.
(7) The observation window is provided on the ceiling surface of the chamber between the optical means and the indenter holding plate so that the contact surface of the indenter with the sample can be observed by the optical means. Mechanical property test equipment.
(8) The sample holder is provided with a recess shallower than the sum of the height of the indenter and the sample thickness, and the sample is placed in this recess so that the sample holder and the indenter holding plate are spatially close to each other, The mechanical property measurement test apparatus according to any one of (2) to (7), wherein the constant temperature holding temperature of the sample, the sample holder, the indenter, and the indenter holding plate is made uniform.
(9) The mechanical property measuring and testing apparatus according to any one of (2) to (8), wherein an indenter held on an indenter holding plate is supported via a heat insulating material to block heat from entering and exiting.
次に、本考案について更に詳細に説明する。
本考案に係る力学特性計測試験装置は、被検試料に圧入される透明な圧子と、試料と接触する圧子の表面を圧子を通して観察する光学的手段と、圧子を試料に圧入する荷重負荷手段と、圧入荷重を計測する荷重計測手段と、試料表面における圧子の接触面の画像を撮影する画像撮影手段と、画像の記録・解析手段とを、備えることを特徴とするものである。
Next, the present invention will be described in more detail.
A mechanical property measuring and testing apparatus according to the present invention includes a transparent indenter that is press-fitted into a test sample, an optical means for observing the surface of the indenter in contact with the sample through the indenter, and a load loading means that presses the indenter into the sample. And a load measuring means for measuring the press-fitting load, an image photographing means for photographing an image of the contact surface of the indenter on the sample surface, and an image recording / analyzing means.
本考案では、上記圧子を、水平で透明な圧子保持板の下面に取り付けて、この圧子保持板の上方に前記光学的手段を配して、圧子の試料との接触面を圧子保持板を介して観察可能とし、かつ、試料を加熱・冷却状態に保持するための恒温装置を配設して、圧子が圧入される試料との接触面を光学的に連続観察することにより、加熱・冷却状態における試料の機械的物性値の計測を可能としたことを特徴としている。 In the present invention, the indenter is attached to the lower surface of a horizontal and transparent indenter holding plate, the optical means is disposed above the indenter holding plate, and the contact surface of the indenter with the sample is interposed via the indenter holding plate. And a constant temperature device for holding the sample in a heated / cooled state, and by continuously observing the contact surface with the sample into which the indenter is press-fitted in an optically heated / cooled state. It is possible to measure the mechanical properties of samples in
本考案においては、試料が保持された試料ホルダーと、恒温装置の加熱・冷却手段と、前記荷重負荷手段とを、内部フレームの台盤上に載置するとともに、圧子が取り付けられた圧子保持板を、前記台盤と分離して立設した支柱に支持させて、加熱・冷却手段と荷重負荷手段の自重、及び、これらの手段に接続された給電ケーブル、循環水ホース、熱電対の弾発力が荷重計測手段にかかるのを回避して、圧子の圧入荷重の計測を高精度に行うようにすることが望ましい。 In the present invention, a sample holder holding a sample, heating / cooling means of a constant temperature device, and the load loading means are placed on a base plate of an internal frame, and an indenter holding plate to which an indenter is attached Is supported on a stand that is separated from the base plate, and the weight of the heating / cooling means and the load-loading means, and the feeding cable, circulating water hose, and thermocouple are connected to these means. It is desirable to measure the press-fit load of the indenter with high accuracy by avoiding the force from being applied to the load measuring means.
本考案においては、荷重計測分解能を、0.01mgf以上とすることができ、また、試料ホルダーに加熱・冷却手段を当接させて、試料の加熱・冷却を高精度かつ迅速に行うようにすることができ、また、加熱・冷却手段として、ペルチェ素子やセラミックヒーターなどを用いることができる。 In the present invention, the load measurement resolution can be set to 0.01 mgf or more, and heating / cooling means is brought into contact with the sample holder so that the sample is heated / cooled with high accuracy and speed. Moreover, a Peltier element, a ceramic heater, etc. can be used as a heating / cooling means.
本考案では、光学的手段の下方を、乾燥気体を充満させたチャンバーで覆って、結露・氷結の発生を防止することができ、また、光学的手段と圧子保持板と間のチャンバーの天井面に、観察窓として観察用透明板などを設けて、圧子と試料との接触面を光学的手段により観察可能とすることができる。 In the present invention, the bottom of the optical means can be covered with a chamber filled with dry gas to prevent the formation of condensation and icing, and the ceiling surface of the chamber between the optical means and the indenter holding plate can be prevented. In addition, an observation transparent plate or the like can be provided as an observation window so that the contact surface between the indenter and the sample can be observed by optical means.
試料ホルダーに、圧子の高さと試料厚さの合計よりも浅い凹部を設けて、この凹部に試料を載置することにより、試料ホルダーと圧子保持板とを空間的に近接させて、試料と試料ホルダーと圧子と圧子保持板の恒温保持温度を均一化することができ、また、圧子保持板を断熱材を介して固定し、熱の出入りを遮断することができる。 The sample holder is provided with a recess shallower than the sum of the height of the indenter and the sample thickness, and the sample is placed in this recess so that the sample holder and the indenter holding plate are spatially close to each other. The constant temperature holding temperature of the holder, the indenter, and the indenter holding plate can be made uniform, and the indenter holding plate can be fixed via a heat insulating material to block heat from entering and leaving.
本考案では、試料が保持された試料ホルダーと、恒温装置の加熱・冷却手段と、前記荷重負荷手段とを、台盤上に載置させる。また、圧子が取り付けられた圧子保持板を、前記台盤と分離して立設した支柱に支持させる。それにより、加熱・冷却手段と荷重負荷手段の自重、及び、これらの手段に接続された給電ケーブル、循環水ホース、熱電対の弾発力が、荷重計測手段にかかるのを回避して、圧子の圧入荷重の計測を行うことが可能となる。 In the present invention, the sample holder holding the sample, the heating / cooling means of the thermostatic device, and the load loading means are placed on the platform. In addition, the indenter holding plate to which the indenter is attached is supported by a support column that is erected separately from the base plate. Accordingly, the weight of the heating / cooling means and the load loading means, and the elastic force of the power supply cable, circulating water hose, and thermocouple connected to these means are avoided from being applied to the load measuring means. It is possible to measure the press-fit load.
本考案では、透明な圧子については適宜の形状・構造並びに種類のものを用いることができる。光学的手段については、試料と接触する圧子の表面を圧子を通して観察できる手段であれば適宜の手段を用いることができる。 In the present invention, an appropriate shape, structure and type of transparent indenter can be used. As the optical means, any means can be used as long as it can observe the surface of the indenter in contact with the sample through the indenter.
圧子を試料に圧入する荷重負荷手段、圧入する荷重を計測する荷重計測手段については、これらの機能を有するものであれば適宜の手段を用いることができる。画像撮影手段や画像の記録・解析手段については、試料表面における圧子の接触面の画像の撮影、記録及び解析できるものであれば適宜の手段を用いることができる。 As load load means for press-fitting the indenter into the sample and load measurement means for measuring the load to be press-fitted, any appropriate means can be used as long as it has these functions. As the image photographing means and the image recording / analyzing means, any means can be used as long as it can photograph, record and analyze the image of the contact surface of the indenter on the sample surface.
圧子保持板については、照明用光路及び接触面観察用光路が透明であれば、他の部分は不透明でも良く、適宜の材質を用いることができる。また、圧子を圧子保持板に固定する方法は、計測試験温度が接着剤の対応範囲内であれば適宜の接着剤を使用することができる。接着剤は、照明用光路及び接触面観察用光路を確保して圧子が固定できれば、硬化後に不透明となる材質でも良い。もちろん、硬化後に透明かつ高剛性となる接着剤を選択すれば、圧子と圧子保持板との間を接着箇所とすることができる。接着剤の使用範囲を超える低温・高温の各温度領域では、セットボルトや袋ナットのネジ込みなどを使用する機械的手段による固定法や、圧子保持板と圧子とを同一部材から削り出す一体成型法などから適宜選択することができる。恒温装置については、試料を加熱・冷却状態に保持する手段であれば適宜の手段を用いることができる。 As for the indenter holding plate, as long as the illumination optical path and the contact surface observation optical path are transparent, other portions may be opaque and an appropriate material can be used. In addition, as a method for fixing the indenter to the indenter holding plate, an appropriate adhesive can be used as long as the measurement test temperature is within the corresponding range of the adhesive. The adhesive may be made of a material that becomes opaque after curing as long as the indenter can be fixed by securing the illumination optical path and the contact surface observation optical path. Of course, if an adhesive that is transparent and has high rigidity after curing is selected, the area between the indenter and the indenter holding plate can be used as an adhesion location. In low and high temperature ranges that exceed the range of use of adhesives, fixing methods using mechanical means such as screwing set bolts and cap nuts, and integrated molding that cuts the indenter holding plate and indenter from the same member It can be selected as appropriate from the law. As the thermostat, any appropriate means can be used as long as it is a means for holding the sample in a heated / cooled state.
本考案の力学特性計測試験装置において、圧子13と該圧子が取り付けられた圧子保持板14は、断熱型支持具11により支持され、ロードセル型電子天秤30を介してZ軸ステージに支持されている。一方、試料1が保持された試料ホルダー2と恒温装置の加熱・冷却手段19と荷重負荷手段であるZ軸ピエゾアクチュエーター25は、内部フレーム32の台盤33の上に載置される。
In the mechanical property measuring and testing apparatus of the present invention, an
図1において、1はサンプル試料、2は試料ホルダー、3はチャンバー、4は観察窓、5はハーメチックコネクタ、6は乾燥気体の入口、7は乾燥気体の出口、8は冷却循環水の入口、9は冷却循環水の出口、10は冷却循環水用チューブ、11は断熱型支持具、12は照明、13はダイヤモンド、サファイアなどの透明圧子、14は圧子を保持するための圧子保持板、15は光学顕微鏡の対物レンズ、16は光学焦点のずれを補正するために対物レンズを微動させるアクチュエーター、17は光学顕微鏡、18は観察窓の曇り防止用のヒーター、19はペルチェ素子、セラミックヒーターなどからなる加熱・冷却手段、20は加熱・冷却手段用給電ケーブル、21はピエゾアクチュエーター用給電ケーブル、22〜24と35はX〜Zステージ用信号ケーブル、25〜28はX〜Zステージ、29はサンプル試料を交換するためのZ軸粗動ステージ、30はロードセル型電子天秤、31はロードセル型電子天秤の信号ケーブル、32は内部フレーム、33は内部フレームの台盤、34は熱電対、である。 In FIG. 1, 1 is a sample sample, 2 is a sample holder, 3 is a chamber, 4 is an observation window, 5 is a hermetic connector, 6 is an inlet for dry gas, 7 is an outlet for dry gas, 8 is an inlet for cooling circulating water, 9 is an outlet for cooling circulating water, 10 is a tube for cooling circulating water, 11 is a heat insulating support, 12 is illumination, 13 is a transparent indenter such as diamond or sapphire, 14 is an indenter holding plate for holding the indenter, 15 Is an objective lens for an optical microscope, 16 is an actuator for finely moving the objective lens to correct optical focus shift, 17 is an optical microscope, 18 is a heater for preventing fogging of the observation window, 19 is a Peltier element, ceramic heater, etc. Heating / cooling means 20, 20 is a power supply cable for heating / cooling means, 21 is a power supply cable for piezo actuator, 22 to 24 and 35 are X to Z steps. Signal cable, 25 to 28 are X to Z stages, 29 is a Z-axis coarse movement stage for exchanging samples, 30 is a load cell type electronic balance, 31 is a signal cable for the load cell type electronic balance, and 32 is an internal frame , 33 is a base of the internal frame, and 34 is a thermocouple.
図1の表示において、荷重に関わる部位のみを斜線によって塗りつぶし表示とし、荷重計測に関連しない部位との区別が明確にしてある。更に、ロードセル型電子天秤30は、外部の計算機(コンピュータ)との通信機能(RS232Cなどの通信インターフェース)を備えており、そのインターフェイスを介したデータ転送率は、最大で毎秒92のものである。したがって、ロードセル型電子天秤によって計測される荷重値は、アナログ式ロードセルと同等の速度で逐次集録が可能なものである。
In the display of FIG. 1, only the part related to the load is displayed by hatching, and the distinction from the part not related to the load measurement is made clear. Furthermore, the load cell type
これらの手段については、必要に応じて他の同効の手段で代替することが可能であり、また、本考案の範囲内でその一部の手段を省略することも適宜可能である。 These means can be replaced by other means having the same effect as necessary, and some of the means can be omitted as appropriate within the scope of the present invention.
各種の力学特性を簡便かつ厳密に算出するための手順及び評価式を、以下に示す(非特許文献2、非特許文献3)。なお、各種の力学特性値を算出する評価式は,これらと異なる評価式を選択することも可能であり限定されるものではない。
Procedures and evaluation formulas for calculating various mechanical properties simply and precisely are shown below (
まず、弾塑性パラメータとして知られる硬さHのうちマイヤー硬度HMの評価法を説明する。マイヤー硬度HMは、その先端が鋭角である圧子、例えば、三角錐圧子や四角錐圧子、円錐圧子など、を用いた接触において、負荷荷重Pを投影接触面積Aで除した値と定義される。サンプル試料の圧子圧入部位が一様な特性からなる均質であると言える場合、先端が鋭角である圧子を用いる試験によって評価されるマイヤー硬度HMの値は負荷荷重に依存しない。したがって、時間軸で同期させた任意の負荷荷重Pと接触面積Aとの一組の計測値を実測することからマイヤー硬度HMは、次式から計算できる。 First, the evaluation method of Mayer hardness H M of the hardness H, which is known as elastic-plastic parameters. Meyer hardness H M is indenter its tip is an acute angle, for example, in contact with, such as a triangular pyramid indenter and a quadrangular pyramid indenter, cone indenter is defined as divided by the projected contact area A of the applied load P . If Indentation site of sample specimen is said to be homogeneous of homogeneous properties, the value of Meyer hardness H M tip is evaluated by a test using the indenter is an acute angle does not depend on the applied load. Accordingly, Meyer hardness H M from actually measuring a set of measured values of any applied load P and the contact area A in synchronization with the time axis can be calculated from the following equation.
更に、マイヤー硬度HMの算出精度を向上するためには、負荷荷重PをY軸に、接触面積AをX軸にプロットした負荷荷重Pと接触面積Aとの関係(P−A関係)のグラフを描き、その初期直線を最小二乗法などで近似した勾配としてマイヤー硬度HMを算出すれば良い。 Furthermore, in order to improve the calculation accuracy of Mayer hardness H M is the applied load P to the Y axis, the contact area A the relation between the applied load P and the contact area A, plotted on the X axis (P-A relation) draw a graph may be calculated Meier hardness H M the initial linear as the slope approximated by a least square method.
次に、弾性パラメータであるヤング率E’の評価法を説明する。ヤング率E’は、その先端が鋭角である圧子を用いた接触を除荷する過程において、時間軸で同期させた負荷荷重Pと接触面積Aの連続的な計測値の組を用いることにより評価できる。すなわち、負荷荷重P−接触面積Aの関係(P−A関係)のグラフにおける除荷開始直後の直線を最小二乗法で近似して見積もられる勾配Mを、次式に代入すれば、ヤング率E’は算出できる。ここに、βは用いた圧子の面傾斜角であり、三角錐圧子(Berkovich型)では24.97°であり、四角錐圧子(Vickers型)では22.0°である。 Next, a method for evaluating the Young's modulus E ′, which is an elastic parameter, will be described. The Young's modulus E ′ is evaluated by using a set of continuously measured values of the load P and the contact area A synchronized with the time axis in the process of unloading the contact using an indenter whose tip is acute. it can. That is, if the gradient M estimated by approximating the straight line immediately after the start of unloading in the graph of the relationship between the load P and the contact area A (PA relationship) by the least square method is substituted into the following equation, the Young's modulus E 'Can be calculated. Here, β is the surface inclination angle of the used indenter, which is 24.97 ° for the triangular pyramid indenter (Berkovich type) and 22.0 ° for the quadrangular pyramid indenter (Vickers type).
また、ヤング率E’は、その先端が球形(先端曲率半径:R)である圧子を用いた接触の負荷過程からも評価することも可能である。まず、時間軸で同期させた負荷荷重Pと接触円半径aとの連続的な計測値の組を用い、負荷荷重P−接触円半径a3の関係(P−a3関係)をプロットしたグラフを作成する。そして、その負荷直線を最小二乗法などで近似し直線の傾き(勾配)kを見積もり、その値を、次式に代入すれば、ヤング率E*は算出できる。 The Young's modulus E ′ can also be evaluated from a contact loading process using an indenter whose tip is spherical (tip radius of curvature: R). First, a graph plotting the relationship between the load P and the contact circle radius a 3 (P−a 3 relationship) using a set of continuous measurement values of the load P and the contact circle radius a synchronized on the time axis. Create Then, the Young's modulus E * can be calculated by approximating the load straight line by the least square method or the like to estimate the slope (gradient) k of the straight line and substituting the value into the following equation.
ここに、Rは、試験に用いた球形圧子の曲率半径である。なお、この式によって求まるヤング率E*は、サンプル試料のヤング率E’と圧子を構成する物質のヤング率Eiとの複合ヤング率であり、サンプル試料のヤング率E’へは、次式で変換できる。 Here, R is the radius of curvature of the spherical indenter used in the test. The Young's modulus E * obtained by this equation is a composite Young's modulus of the Young's modulus E ′ of the sample sample and the Young's modulus E i of the material constituting the indenter. Can be converted.
次に、塑性パラメータである降伏応力Yの評価法を説明する。降伏応力Yは、応力−歪み曲線において負荷初期の直線関係からの逸脱点として定義される。ここで、圧子圧入試験における応力は、平均接触圧力pmで、また、歪みは、接触円半径aを球形圧子の曲率半径Rで除した値として定義される。したがって、上記のヤング率の試験の場合と同様に、その先端が球形である圧子を用いる接触試験において、時間軸で同期させた負荷荷重Pと接触円半径aの連続的な計測値の組を計測すれば、次式によって表現される応力−歪み曲線を、グラフとして得ることができる。 Next, an evaluation method of the yield stress Y that is a plastic parameter will be described. Yield stress Y is defined as the point of departure from the linear relationship at the initial stage of load in the stress-strain curve. Here, the stress in the indentation test has an average contact pressure p m, also, distortion is defined a contact circle radius a as a value obtained by dividing the radius of curvature R of the spherical indenter. Therefore, as in the case of the Young's modulus test, in a contact test using an indenter whose tip is spherical, a set of continuous measurement values of the load P and the contact circle radius a synchronized on the time axis is obtained. If measured, a stress-strain curve expressed by the following equation can be obtained as a graph.
接触のための負荷荷重が低い条件では、接触は弾性範囲内で生じ、応力−歪み曲線の負荷初期はヤング率に基づく一定値を取るため、応力−歪み曲線は線形関係を示す。更に、その線形関係を示す直線からの逸脱は、弾塑性変形を支配する挙動に遷移したことを明確に示している。したがって、降伏応力Yは、応力−歪み曲線のグラフにおいて、負荷初期の直線関係から逸脱する点として求められる。 Under the condition that the load applied for contact is low, the contact occurs within the elastic range, and the stress-strain curve exhibits a constant value based on the Young's modulus in the initial load of the stress-strain curve, so that the stress-strain curve shows a linear relationship. Further, the deviation from the straight line indicating the linear relationship clearly indicates that the transition to the behavior governing elasto-plastic deformation has occurred. Therefore, the yield stress Y is obtained as a point deviating from the linear relationship at the initial stage of load in the stress-strain curve graph.
また、降伏応力Yを評価する第2の方法として、その先端が鋭角である圧子を用いる方法を説明する。降伏応力Yは、塑性特性であるため弾塑特性と弾性特性との差として求めることができる。すなわち、本考案の試験装置を用いる上述の方法で既に弾塑特性と弾性特性は実測されることから、塑性特性である降伏応力Yは、次式によって算出できる。 As a second method for evaluating the yield stress Y, a method using an indenter whose tip is an acute angle will be described. Since the yield stress Y is a plastic property, it can be obtained as a difference between the elastic-plastic property and the elastic property. That is, since the elasto-plastic characteristics and elastic characteristics are already measured by the above-described method using the test apparatus of the present invention, the yield stress Y, which is a plastic characteristic, can be calculated by the following equation.
ここに、係数Cは定数であり、2.65の値を取ることが知られている。更に、係数fは弾性変形と塑性変形との力学的相互作用因子であり、弾性接触面積Aeと塑性接触面積Apとの比Ap/Aeを塑性変形の尺度xとすると、次式で表現される。 Here, the coefficient C is a constant and is known to take a value of 2.65. Furthermore, the coefficient f is dynamic interactors of elastic deformation and plastic deformation, when the ratio A p / A e of the elastic contact area A e and plastic contact area A p to measure x of plastic deformation, the following equation It is expressed by
次に、時間依存型変形挙動を示す高分子材料やプラスチックス、低融点の金属などの機械的特性をレオロジー関数として記述する評価法を説明する。まず、代表的なレオロジー関数として知られる緩和弾性率E’(t)である。緩和弾性率E’(t)は、温度と時間の関数であり、本考案の装置では、サンプル試料を加熱・冷却手段によって所定の温度に保持した上で、接触面積を一定値Aにした状態で、荷重が時間の経過に従い緩和する挙動を計測することによって決定できる。 Next, an evaluation method for describing the mechanical properties of a polymer material, plastics, a metal having a low melting point, etc. exhibiting time-dependent deformation behavior as a rheological function will be described. First, it is a relaxation elastic modulus E '(t) known as a typical rheological function. The relaxation elastic modulus E ′ (t) is a function of temperature and time. In the apparatus of the present invention, the sample area is held at a predetermined temperature by heating / cooling means, and the contact area is set to a constant value A. Thus, it can be determined by measuring the behavior that the load relaxes over time.
まず、本考案の装置の駆動制御としては、ピエゾアクチュエーターなどの駆動機構をできるだけ高速に動作させ、所定の接触面積に過不足なく到達したら可及的速やかに駆動機構の速度を調整し、その接触面積値が一定値Aを維持するよう駆動機構の位置制御モードを定面積保持制御に変更する。すなわち、接触面積Aと時間tとの関係のプロットにおいて、接触面積が階段状(ステップ状)となるよう駆動機構を制御することになる。 First, as a drive control of the device of the present invention, a drive mechanism such as a piezo actuator is operated as fast as possible, and the speed of the drive mechanism is adjusted as soon as possible after reaching a predetermined contact area without excess or deficiency. The position control mode of the drive mechanism is changed to constant area holding control so that the area value maintains a constant value A. That is, in the plot of the relationship between the contact area A and time t, the drive mechanism is controlled so that the contact area is stepped (stepped).
一方、本考案の装置の計測としては、接触面積が階段状に立ち上がる時間をゼロと定義し、負荷荷重の変化(荷重緩和)P(t)を連続的に計測する。緩和弾性率E’(t)は、次式で算出される。 On the other hand, as the measurement of the device of the present invention, the time for the contact area to rise stepwise is defined as zero, and the load change (load relaxation) P (t) is continuously measured. The relaxation elastic modulus E ′ (t) is calculated by the following equation.
ここに、Aveは、接触面積から塑性成分を取り除いた粘弾性接触面積であり、次式で表される。 Here, Ave is a viscoelastic contact area obtained by removing a plastic component from the contact area, and is represented by the following equation.
ここに、係数Cは2.65の値を取る定数であり、Yは(6)式と(7)式から求められる降伏応力である。なお、本考案の装置を使わなければ、接触面積一定条件での緩和試験は、実現不可能である。 Here, the coefficient C is a constant having a value of 2.65, and Y is a yield stress obtained from the expressions (6) and (7). If the device of the present invention is not used, a relaxation test under a constant contact area condition cannot be realized.
更に、代表的レオロジー関数であるクリープコンプライアンスD’(t)を定荷重クリープ試験によって評価する方法を説明する。クリープコンプライアンスD’(t)は、温度と時間の関数であり、本考案の装置では、サンプル試料を加熱・冷却手段によって所定の温度に保持した上で、負荷荷重を一定値P0とした状態で、接触面積A(t)が時間の経過に従い増大する挙動を計測することによって決定できる。 Further, a method for evaluating a creep compliance D ′ (t), which is a representative rheological function, by a constant load creep test will be described. Creep compliance D ′ (t) is a function of temperature and time. In the apparatus of the present invention, the sample specimen is held at a predetermined temperature by heating / cooling means, and the load is set to a constant value P 0. Thus, it can be determined by measuring the behavior in which the contact area A (t) increases with the passage of time.
まず、本稿案の装置の駆動制御としては、ピエゾアクチュエーターなどの駆動機構をできるだけ高速に動作させ、所定の負荷荷重P0に過不足なく到達したら可及的速やかに駆動機構の速度を調整し、その負荷荷重値が一定値P0を維持するよう駆動機構の位置制御モードを定荷重保持制御に変更する。すなわち、負荷荷重P0と時間tとの関係のプロットにおいて、負荷荷重が階段状(ステップ状)となるよう駆動機構を制御することになる。 First, the drive control device of this paper proposed to operate as fast as possible the driving mechanism such as a piezoelectric actuator, by adjusting the speed of as soon as possible driving mechanisms when it reaches just proportion to a predetermined applied load P 0, as applied load value changes the position control mode of the drive mechanism so as to maintain a constant value P 0 the constant load holding control. That is, in the plot of the relationship between the load load P 0 and time t, the drive mechanism is controlled so that the load load is stepped (stepped).
一方、本考案の装置の計測側としては、負荷荷重が階段状に立ち上がる時間をゼロと定義し、接触面積の増大A(t)を連続的に計測する。クリープコンプライアンスD’(t)は、次式で算出される。 On the other hand, on the measurement side of the device of the present invention, the time for the load to rise in a staircase pattern is defined as zero, and the contact area increase A (t) is continuously measured. The creep compliance D ′ (t) is calculated by the following equation.
ここに、Ave(t)は、接触面積の増大A(t)から塑性成分を取り除いた粘弾性接触面積であり、次式で表される。 Here, A ve (t) is a viscoelastic contact area obtained by removing the plastic component from the increase A (t) of the contact area, and is expressed by the following equation.
ここに、係数Cは2.65の値を取る定数であり、Yは(6)式と(7)式から求められる降伏応力である。 Here, the coefficient C is a constant having a value of 2.65, and Y is a yield stress obtained from the expressions (6) and (7).
また、クリープコンプライアンスD’(t)は、定速度負荷試験によっても評価することが可能である。クリープコンプライアンスD’(t)は、温度と時間の関数であり、本考案の装置では、サンプル試料を加熱・冷却手段によって所定の温度に保持した上で、負荷速度が一定値Vとなるように負荷の形式を制御した状態で、接触面積の時間変化挙動を計測することによって決定できる。 The creep compliance D ′ (t) can also be evaluated by a constant speed load test. The creep compliance D ′ (t) is a function of temperature and time. In the apparatus of the present invention, the sample specimen is held at a predetermined temperature by the heating / cooling means, and the load speed becomes a constant value V. It can be determined by measuring the time-varying behavior of the contact area while controlling the load type.
まず、本考案の装置の駆動制御としては、ピエゾアクチュエーターなどの駆動機構を負荷荷重の単位時間当たりの増分(負荷速度)が一定Vを維持するように駆動機構を調整する。すなわち、負荷荷重P0と時間tとの関係を示すプロットが線形(P=Vt)となるよう駆動機構を制御することになる。 First, as drive control of the device of the present invention, the drive mechanism of the drive mechanism such as a piezo actuator is adjusted so that the increment (load speed) per unit time of the load load is kept constant V. That is, the drive mechanism is controlled so that the plot indicating the relationship between the load P 0 and the time t is linear (P = Vt).
一方、本稿案の装置の計測側としては、負荷荷重が線形に増大を始める時間をゼロと定義し、接触面積の増大A(t)を連続的に計測する。クリープコンプライアンスD’(t)は、次式で算出される。 On the other hand, on the measurement side of the apparatus of the present draft, the time when the load load starts to increase linearly is defined as zero, and the contact area increase A (t) is continuously measured. The creep compliance D ′ (t) is calculated by the following equation.
ここに、dAve/dtは、接触面積の増大A(t)から塑性成分を取り除いた粘弾性接触面積であり、次式で表される。 Here, dA ve / dt is a viscoelastic contact area obtained by removing a plastic component from the increase A (t) of the contact area, and is expressed by the following equation.
ここに、係数Cは2.65の値を取る定数であり、Yは(6)式と(7)式から求められる降伏応力である。 Here, the coefficient C is a constant having a value of 2.65, and Y is a yield stress obtained from the expressions (6) and (7).
本考案に係る力学特性計測試験装置により、以下の効果が奏される。
(1)圧子と圧子保持板とを透明材料で構成したうえに、光学的手段を圧子保持板の上方に配置して、圧子の試料との接触面を圧子保持板を介して視認可能としたので、被検試料の試験片への圧子の圧入状態を連続的に観察することができる。
(2)更に、恒温装置を配設したので、加熱・冷却状態に保持された試料の機械的物性値を計測することができる。
The mechanical effect measuring and testing apparatus according to the present invention has the following effects.
(1) The indenter and the indenter holding plate are made of a transparent material, and the optical means is arranged above the indenter holding plate so that the contact surface of the indenter with the sample can be visually recognized through the indenter holding plate. Therefore, it is possible to continuously observe the indentation state of the indenter into the test piece of the test sample.
(2) Furthermore, since a thermostat is provided, the mechanical property value of the sample held in a heated / cooled state can be measured.
(3)また、本考案に係る力学特性計測試験装置では、試料ホルダーと、恒温装置の加熱・冷却手段と、荷重負荷手段とを、台盤上に載置させるとともに、圧子保持板を、前記台盤と分離して立設した支柱に支持させて、この支柱を荷重計測手段と独立させたので、加熱・冷却手段と荷重負荷手段の自重、及び、これらの手段に接続された給電ケーブル、循環水ホース、熱電対の弾発力が荷重計測手段にかかるのを回避して、荷重計測手段は、圧子を押圧する圧入荷重のみを高精度に計測することができる。 (3) Further, in the mechanical property measurement test apparatus according to the present invention, the sample holder, the heating / cooling means of the thermostatic apparatus, and the load loading means are placed on the base plate, and the indenter holding plate is mounted on the base plate. Since it was supported by a stand that was separated from the base and made independent of the load measuring means, the weight of the heating / cooling means and the load loading means, and the power supply cable connected to these means, By avoiding the elastic force of the circulating water hose and the thermocouple from being applied to the load measuring means, the load measuring means can measure only the press-fit load that presses the indenter with high accuracy.
(4)本考案の装置を用いることにより、サンプル試料と圧子の温度を精密に制御した状態で、圧子を試料表面に任意の速度で接触させ、時間軸で同期した負荷荷重Pと接触面積Aとの関係を連続的に計測することができる。
(5)計測された負荷荷重P、又は、接触面積Aのどちらか一方を制御パラメータとして利用し、接触状態を自在にコントロールするクローズド・ループ式制御が可能となるため、本考案の装置によって、サンプル試料に様々な力学刺激をその速度を自在に制御して与えることが可能となる。
(6)このことにより、本考案の装置を用いることにより、非時間依存型特性、もしくは、時間依存型特性の何れか、あるいは、両方の特性を併せ持つサンプル試料であっても、その機械的特性を定量的に評価することが可能となる。
(7)評価したいと所望する力学特性は、弾性的特性や弾塑性的特性、塑性的特性、粘弾性的特性、粘性特性、流動特性、などの評価式を最適に選択することにより、定量的に評価することが可能となり、更に、これらの評価結果に基づき解析を進めることによって温度の関数として各種の力学物性値を評価すること、更には、活性化エネルギーなどの熱化学特性値が決定できる。
(4) By using the device of the present invention, with the temperature of the sample specimen and the indenter precisely controlled, the indenter is brought into contact with the sample surface at an arbitrary speed, and the load P and the contact area A synchronized with the time axis. Can be measured continuously.
(5) Since either one of the measured load P or the contact area A is used as a control parameter, the closed loop control for freely controlling the contact state is possible. It is possible to give various dynamic stimuli to the sample specimen by freely controlling the speed thereof.
(6) By using the apparatus of the present invention, the mechanical characteristics of a sample specimen having both non-time-dependent characteristics, time-dependent characteristics, or both characteristics can be obtained. Can be quantitatively evaluated.
(7) The mechanical characteristics desired to be evaluated are quantitatively determined by optimally selecting evaluation formulas such as elastic characteristics, elasto-plastic characteristics, plastic characteristics, viscoelastic characteristics, viscosity characteristics, and flow characteristics. In addition, it is possible to evaluate various mechanical properties as a function of temperature by proceeding with the analysis based on these evaluation results, and to determine thermochemical characteristic values such as activation energy. .
次に、本考案の実施形態に付いて具体的に説明するが、以下の実施例は、本考案の好適な例を示すものであり、本考案は、該実施例によって何ら限定されるものではない。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail. The following examples show preferred examples of the present invention, and the present invention is not limited to the examples. Absent.
本考案について、加熱・冷却用サーモ・モジュールとしてペルチェ素子を用いる装置構成を例として説明する。ペルチェ素子を恒温装置に採用する理由として、ペルチェ素子が、以下に列挙する優れた特徴を有することが挙げられる。ペルチェ素子は、精密計測技術が要求される顕微インデンテーションによる粘弾性特性や塑性評価に好適な利点を有している。
1)可動部分が無い固体デバイスであること。
2)電流方向の切り換えで加熱・冷却の2つの機能を有すること。
3)温度制御が精密にできること。
4)温度範囲が−100℃から+100℃までと広いこと。
5)液体窒素などの冷却媒体が必要ないこと。
6)冷却媒体の流れが無いため静かで振動が無いこと。
7)小型軽量であること。
8)局所的な加熱冷却ができること。
The present invention will be described by taking as an example an apparatus configuration using a Peltier element as a heating / cooling thermo-module. The reason why the Peltier element is employed in the thermostatic device is that the Peltier element has the excellent characteristics listed below. The Peltier device has advantages suitable for viscoelastic characteristics and plasticity evaluation by microindentation, which requires precision measurement technology.
1) A solid device having no moving parts.
2) Have two functions of heating and cooling by switching the current direction.
3) The temperature can be precisely controlled.
4) Wide temperature range from -100 ° C to + 100 ° C.
5) A cooling medium such as liquid nitrogen is not required.
6) Because there is no flow of cooling medium, it must be quiet and free from vibration.
7) It must be small and light.
8) Local heating and cooling are possible.
しかしながら、上述の4)の温度範囲を超えた領域における力学試験が必要となるケースも当然考えられる。その際には、低温側では例えば液体窒素が、また、高温側ではセラミックヒーターなどを選択することができ、更に、液体媒体を循環させる方式の加熱・冷却手段も用いることが可能である。これらは、液体媒体を循環させるためのホースやチューブなどの配管、もしくは、ヒーターへの電力供給用配線を必要とする加熱・冷却手段であるが、本考案で示される装置構成とすれば、これらを加熱・冷却手段として使用することも問題は無い。 However, a case where a mechanical test in a region exceeding the temperature range of 4) described above is naturally considered. In this case, for example, liquid nitrogen can be selected on the low temperature side, a ceramic heater or the like can be selected on the high temperature side, and heating / cooling means of a system that circulates the liquid medium can also be used. These are heating / cooling means that require piping such as hoses and tubes for circulating the liquid medium, or wiring for supplying power to the heater. There is no problem to use as a heating / cooling means.
図1は、本考案の実施例の装置の概略を示す断面図である。サンプル1は、凹みを有する試料ホルダー2に置かれ、加熱・冷却手段19と直接的に接触している。これらは、内部フレーム32の台盤33の上に置かれているため、ロードセル型電子天秤30とは独立している。一方、ダイヤモンド、サファイアなどからなる透明圧子13は、照明用光路及び接触面観察用光路が透明で高剛性な圧子保持板に固定され、断熱型支持具11を経てロードセル型電子天秤30と直結している。
FIG. 1 is a sectional view schematically showing an apparatus according to an embodiment of the present invention. The
圧子13とサンプル1との位置調整は、粗動用XYZの各ステージ26、27、28で行うことができ、最終的に被検試料のサンプル1と圧子13とを接触させるための微動は、ピエゾアクチュエーター25によって行う。これら電動ステージとピエゾアクチュエーターによる駆動用電源及び信号ケーブルも、内部フレーム32の上に置かれており、ロードセル型電子天秤30とは独立している。
The position adjustment of the
恒温装置は、乾燥した空気や窒素ガスなどを充満できる容器(チャンバー3)で囲まれており、被検試料のサンプル1を冷却する際に、結露や氷の付着(氷結)が防止される。更に、チャンバー3に開けられた観察窓4は、ヒーター18によって露点以上の適温に加熱することによって、光学顕微鏡側の面の結露も防止されるため、光学計測が可能となる。したがって、被検試料のサンプル1と圧子13との接触面積Aは、観察窓4を透して対物レンズ15を有する光学顕微鏡17によって計測することができる。
The thermostat is surrounded by a container (chamber 3) that can be filled with dry air, nitrogen gas, or the like, and when the
図2は、本考案の第二の実施例の装置の概略を示す正面断面図である。図3は、本考案の第二の実施例の装置の概略を示す側面断面図である。この例では、内部フレーム32は無く、圧子13は圧子保持板14と断熱型支持治具11を介して電子天秤30に直接接続されているため、加熱・冷却手段とアクチュエーターの給電ケーブル20,21及び電動ステージの信号ケーブル22〜24、給電ケーブル及び循環冷却水のチューブ10、熱電対34、とは独立している。
FIG. 2 is a front sectional view showing the outline of the apparatus of the second embodiment of the present invention. FIG. 3 is a side sectional view showing an outline of the apparatus of the second embodiment of the present invention. In this example, there is no
図4は、本考案の第三の実施例の装置の概略を示す正面断面図である。図5は、本考案の第三の実施例の装置の概略を示す側面断面図である。この例では、内部フレーム32は無く、サンプル試料1と加熱・冷却手段19は、Z軸微動アクチュエーター25に接続された腕である駆動力伝達治具37によって支えられているため、この場合も電子天秤30とは独立している。
FIG. 4 is a front sectional view showing the outline of the apparatus of the third embodiment of the present invention. FIG. 5 is a side sectional view showing an outline of the apparatus of the third embodiment of the present invention. In this example, there is no
更に、ロードセル型電子天秤30、及び、アクチュエーター25と電動ステージ26〜28とによる駆動手段は、ベローズ36を介してチャンバー3の外部に置かれており、チャンバー3の容積は小さい。そして、加熱・冷却手段19とサンプル試料ホルダーの外周の四面を囲う様に、断熱型支持治具11は配置されており、加熱・冷却手段と外界との熱の出入りが少ない。このように、断熱性を高めることは、サンプル試料近傍の均熱領域を拡大し、均熱となる到達時間が早くなり、温度制御を容易なものとし、試験に掛かる総時間の短縮に繋がる、という効果を奏する。
Furthermore, the load cell type
図6は、本考案の加熱・冷却手段の実施例の概略を示す断面図である。ペルチェ素子105と試料ホルダーとの固定においては、温度差ΔTを大きく取るために、試料ホルダー2とスペーサーブロック107を介して熱的に接触させる加熱・冷却面と廃熱水が流れるヒートシンク104と接触させる廃熱面との間に断熱が必要である。一般的には、エンジニアリングポリマーなどの断熱型連結ボルト103が活用できる。また、ペルチェ素子105の吸熱量は比較的小さいことから、閉気孔スポンジなどの断熱材108による囲いを施すことが必要である。
FIG. 6 is a sectional view schematically showing an embodiment of the heating / cooling means of the present invention. In fixing the
図7は、本考案の加熱・冷却手段の第二の実施例の概略を示す断面図である。図8は、本考案の加熱・冷却手段の第三の実施例の概略を示す断面図である。吸熱量の増大を図るため、図7の加熱・冷却手段では、一段のペルチェ素子105を2個使用し、図8の加熱・冷却手段では、三段のペルチェ素子を2個使用し、試料ホルダーを左右から挟み込む形態を取っている。ペルチェ素子105と試料ホルダーとの固定においては、この場合も、加熱・冷却面と廃熱面とを断熱し、温度差ΔTを大きく取るために、エンジニアリングポリマーなどの断熱型連結ボルト103によって締結する。
FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a second embodiment of the heating / cooling means of the present invention. FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a third embodiment of the heating / cooling means of the present invention. In order to increase the amount of heat absorption, the heating / cooling means in FIG. 7 uses two one-
図9は、凹みを有する角形の試料ホルダー2の実施例を示している。凹みと連結させた切り欠き窓を設けることによって、圧子先端とサンプル試料の表面との位置関係を側面から観察することが可能となり、該試料ホルダーは、指標表面を圧子先端に近接させる粗動の操作性を向上させることに寄与する。また、チャンバー3に長作動型のマイクロメータ38を取り付けておけば、試料ホルダーの切り欠きを透して圧子とサンプル試料の表面とが近接する様子の確認が、直視、もしくは、モニター画面への拡大表示によって可能となる。
FIG. 9 shows an embodiment of a
試料ホルダー2に、圧子13の高さと試料厚さの合計よりも浅い凹部を設けてあり、この凹部にサンプル試料を載置することにより、試料ホルダー2と圧子保持板14とを空間的に近接させて、被検試料のサンプル1と試料ホルダー2と圧子13と圧子保持板14の恒温保持温度を均一化することができる。
The
図10は、圧子13の保持手段の一例を示している。接点の接触面積を小さくすることによって、熱の流入流出を食い止める遮熱効果が向上するため、エンジニアリングポリマーなどの高剛性断熱材109を介した三点支持が望ましい。
FIG. 10 shows an example of a holding means for the
以上詳述したように、本考案は、上記した従来技術の問題点に鑑み、開発されたもので、力学特性計測試験装置に係るものであって、本考案は、加熱・冷却状態における被検試料の試験片への圧子の圧入状態の連続的な観察を可能として、高精度に計測された負荷荷重と同時刻に光学画像から動画像解析の手法で計測された接触面積との定量的な関係性から被検試料の持つ種々の機械的物性値を高精度に評価することを可能とする新しい力学特性計測試験装置を提供することを実現するものとして有用である。 As described above in detail, the present invention has been developed in view of the above-described problems of the prior art, and relates to a mechanical property measurement / testing apparatus. Enables continuous observation of the indentation state of the indenter into the specimen of the specimen, and enables quantitative measurement of the load load measured with high precision and the contact area measured by optical image analysis from the optical image at the same time. The present invention is useful for realizing a new mechanical property measuring and testing apparatus capable of evaluating various mechanical property values of a test sample with high accuracy from the relationship.
1 サンプル試料
2 試料ホルダー
3 チャンバー
4 観察窓
5 ハーメチックコネクタ
6 乾燥気体の入口
7 乾燥気体の出口
8 循環冷却水の入口
9 循環冷却水の出口
10 循環冷却水用チューブ
11 断熱型支持具
12 照明
13 透明圧子(ダイヤモンド、サファイヤなど)
14 圧子保持板
15 光学顕微鏡用対物レンズ
16 合焦用アクチュエーター
17 光学顕微鏡
18 観察窓の曇り防止用ヒーター
19 加熱・冷却手段
20 加熱・冷却手段用給電ケーブル
21 ピエゾアクチュエーター用給電ケーブル
22 X軸ステージ制御信号ケーブル
23 Y軸ステージ制御信号ケーブル
24 Z軸ステージ制御信号ケーブル
25 Z軸ピエゾアクチュエーター
26 X軸ステージ
27 Y軸ステージ
28 Z軸ステージ
29 Z軸粗動ステージ
30 電子天秤
31 電子天秤の信号ケーブル
32 内部フレーム
33 台盤
34 熱電対
35 Z軸粗動ステージ制御信号ケーブル
36 ベローズ
37 駆動力伝達治具
38 長作動マイクロスコープ
101 廃熱循環水の入口
102 廃熱循環水の出口
103 断熱型連結ボルト
104 ヒートシンク
105 ペルチェ素子
106 ペルチェ素子給電ケーブル
107 スペーサーブロック
108 断熱材(閉気孔型スポンジなど)
109 高剛性断熱材(エンジニアリングポリマーなど)
DESCRIPTION OF
14
109 Highly rigid insulation materials (engineering polymers, etc.)
Claims (9)
圧子を、水平で透明な圧子保持板の下面に取り付けて、この圧子保持板の上方に前記光学的手段を配して、圧子の試料との接触面を圧子保持板を介して観察可能とし、かつ、試料を加熱・冷却状態に保持するための恒温装置を配設して、圧子が圧入される試料との接触面積を光学的に連続計測することにより、加熱・冷却状態における試料の機械的物性値の計測を可能としたことを特徴とする力学特性計測試験装置。 A transparent indenter that is press-fitted into the test sample, an optical means for observing the surface of the indenter in contact with the sample through the indenter, a load-loading means that press-fit the indenter into the sample, and a load-measuring means that measures the load to be pressed A mechanical property measurement test apparatus comprising: an image photographing means for photographing an image of a contact surface of an indenter on a sample surface; and an image recording / analyzing means,
An indenter is attached to the lower surface of a horizontal and transparent indenter holding plate, and the optical means is arranged above the indenter holding plate so that the contact surface of the indenter with the sample can be observed through the indenter holding plate. In addition, a thermostatic device for holding the sample in a heated / cooled state is arranged, and the contact area with the sample into which the indenter is press-fitted is optically continuously measured. A mechanical property measurement tester characterized by enabling measurement of physical properties.
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