JP2016099285A - 粘弾性測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】試料全体の粘弾性を測定することができる粘弾性測定装置を提供する。
【解決手段】試料２の粘弾性を測定する粘弾性測定装置１に関する。試料２が載置される試料台３と、試料２に接触する支点部４を有し、支点部４を支点として自由振動する振り子５と、振り子５に振動を加える加振装置６と、振り子５の変位を計測する変位計測装置７とを備える。支点部４が突起部８を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板上に形成した樹脂皮膜などの薄膜の粘弾性の測定に用いられる粘弾性測定装置に関する。

基板上に形成したソルダレジストなどの樹脂皮膜や、基板材料として用いられる樹脂フィルムの物性を把握する上で、粘弾性を測定することが重要である。

しかし、一般に用いられる粘弾性測定装置（ＤＭＳ：Dynamic Mechanical Spectrometer）等では上記のような薄膜の粘弾性を測定するのは困難である。

そこで、近年、振り子の支点部を試料の上に載せた後に振り子を振動させ、振り子の運動特性から試料の粘弾性を測定する振り子型粘弾性測定装置が普及してきた（例えば、特許文献１参照）。この振り子型粘弾性測定装置を用いた測定では、例えば試料の温度を変化させながら、試料に支点部を接触させた状態で振り子を振動させ、この振動の振幅の減衰の仕方（対数減衰率）や振動周期を解析することにより、試料の硬化度など力学的性質を評価することができる。

振り子型粘弾性測定装置に使用する振り子の支点部の形状としては、いわゆる丸棒タイプとエッジタイプとが知られており、これらのタイプは、試料の状態により使い分けることができる。丸棒タイプは、試料の表面の粘性や転がり摩擦の測定に適している。エッジタイプは、エッジを試料に食い込ませた状態で振り子を振動させることにより、エッジの側面が受ける試料からの弾性や粘性を測定するのに適している。

特開２００７−１７２２７号公報

しかしながら、従来の振り子型粘弾性測定装置では、固体の樹脂からなる薄膜状の試料について、試料全体の粘弾性を測定するのに適していない。

すなわち、丸棒タイプの振り子型粘弾性測定装置を使用した場合は、振り子の振動に応じて支点となる丸棒が試料の表面を転がり、主に試料の表面の粘性を測定することになるため、試料の表面状態に左右され、試料全体の粘弾性を測定するのに適していない。さらに、支点の試料との接点部分は丸棒が転がる際に試料の表面から垂直方向に移動することから考えると、試料の水平方向の粘弾性を測定するのに適していない。

また、エッジタイプの振り子型粘弾性測定装置を使用した場合は、試料が比較的軟らかい樹脂であると、エッジが試料を貫通して分断してしまうので、エッジが試料からの力を受けなくなり、試料の粘弾性を測定することができない。さらに、硬い樹脂で形成された試料を加熱しながら測定する場合においては、樹脂の温度が融点に達した段階で樹脂が軟化してエッジが樹脂に瞬時に食い込んでしまうので、エッジの位置が不安定となって適切な測定値が得られないばかりでなく、エッジが試料を貫通して分断してしまうので試料の粘弾性を測定することができない。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、試料全体の粘弾性を測定することができる粘弾性測定装置を提供することを目的とする。

本発明に係る粘弾性測定装置は、
試料の粘弾性を測定する粘弾性測定装置であって、
前記試料が載置される試料台と、
前記試料に接触する支点部を有し、前記支点部を支点として自由振動する振り子と、
前記振り子に振動を加える加振装置と、
前記振り子の変位を計測する変位計測装置と
を備え、
前記支点部が突起部を有していることを特徴とする。

前記支点部の前記試料に接触する面の断面は円弧状でもよい。

前記円弧状の断面の曲率半径Ｒは０．５ｍｍ以上であることが好ましい。

前記支点部が円柱状に形成され、
前記振り子の振動方向に沿って転がるように、前記支点部が前記試料に載置され、
前記支点部の前記試料に接触する面において、前記突起部が、前記振り子の振動方向に対して垂直な方向に細長く形成されていてもよい。

前記支点部の前記試料に接触する面の断面がくさび状であり、
前記くさび状の先端が前記支点となってもよい。

前記突起部の高さが１μｍ以上であることが好ましい。

本発明によれば、支点部が突起部を有していることによって、試料全体の粘弾性を測定することができる。

本実施形態の粘弾性測定装置の一例を示す斜視図である。 振り子の一例を示す正面図である。 振り子の支点部の一例を示す拡大断面図である。 振り子の支点部の他の一例を示す拡大断面図である。 振り子の振動の減衰曲線の一例である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

本実施形態の粘弾性測定装置１は、いわゆる振り子型粘弾性測定装置であり、試料２に接触して自由振動する振り子５の運動特性から試料２の粘弾性を測定するものである。試料２としては、特に限定されないが、例えば、液晶ポリマーフィルムを挙げることができる。

粘弾性測定装置１は、図１に示すように、試料台３と、振り子５と、加振装置６と、変位計測装置７とを備えている。

試料台３は、支柱９の上端から水平方向に設けられている。支柱９は、鉛直方向に基台１０上に設けられている。試料台３の上面には試料２が載置される。粘弾性の測定時に試料２を加熱する加熱装置が試料台３に設けられていてもよい。

振り子５は、図２に示すように、枠部５１と脚部５２とを有している。枠部５１は、四辺によって矩形状に形成され、開口５３を有している。枠部５１の上辺の下部に支点部４が設けられている。このようにして振り子５は支点部４を有している。支点部４は、振り子５が振動する際の支点を含む部分である。枠部５１の下辺の中央部から下向きに脚部５２が設けられている。脚部５２の長さは支柱９の長さよりも短い。脚部５２の下端には、加振片５４が設けられている。加振片５４は、例えば磁性体で形成されている。脚部５２において、枠部５１の下辺と加振片５４との間には変位片５５が設けられている。変位片５５は、振り子５の変位を計測する基準となる。図１に示すように、振り子５の開口５３に、試料２が載置された試料台３を挿入し、振り子５の支点部４を試料２の上に載せて、支点部４を試料２に接触させることができる。この状態で支点部４を支点として振り子５を自由振動させることができる。

振り子５の支点部４は、図３及び図４に示すように突起部８を有している。支点部４の形状は特に限定されないが、以下では、いわゆる丸棒タイプ及びエッジタイプの２つのタイプに分けて説明する。

まず丸棒タイプについて説明する。図３では支点部４は円柱状に形成されている。支点部４の全体は円柱状でなくてもよく、支点部４の試料２に接触する面の断面が円弧状であればよい。円弧状の断面の曲率半径Ｒは０．５ｍｍ以上であることが好ましい。この場合、支点部４が細くなり過ぎず、粘弾性測定時に支点部４で試料２が分断されることを抑制することができる。円弧状の断面の曲率半径Ｒの上限は特に限定されないが、実質的には１０．０ｍｍ以下であることが好ましい。この場合、振り子５の振動周期が大きくなり過ぎず、粘弾性の測定時間が長くなることを抑制することができ、また試料２の破損も抑制することができる。支点部４の試料２に接触する面は、振り子５が振動するときに試料２に接触する面を意味する。そのため、支点部４の表面において、振り子５が振動しても試料２に接触しない面は円弧状でなくてもよい。支点部４の試料２との接点が支点となって振り子５は振動する。支点部４は、振り子５の振動方向に沿って転がるように、試料２に載置されている。すなわち、振り子２の振動方向を左右方向とすると、振り子５が左側に振れると支点部４は試料２上を右側に転がり、振り子５が右側に振れると支点部４は試料２上を左側に転がる。突起部８は、支点部４の試料２に接触する面において、振り子５の振動方向に対して垂直な方向に細長く形成されている。従来の丸棒タイプでは試料２の表面の粘性を測定しているが、本実施形態の丸棒タイプでは、上記のように支点部４が突起部８を有しているので、突起部８が試料２に食い込むことによって、突起部８が試料２内部の弾性や粘性の影響も受けることとなり、試料２全体の粘弾性を測定することができる。図３では、突起部８は、紙面に垂直な方向に細長く形成されている。突起部８は、支点部４の真下に形成され、振り子５が静止しているときに支点部４の真下に位置している。突起部８の断面はくさび状であることが好ましい。突起部８の高さは１μｍ以上であることが好ましい。これにより、突起部８を試料２にしっかり食い込ませることができ、試料２の水平方向の粘弾性の測定に有利となる。なお、突起部８の高さの上限は特に限定されず、試料２の厚さに応じて適宜決定される。例えば、試料２の厚さが１００μｍである場合は、突起部８の高さの上限は５０μｍ以下であることが好ましい。

次にエッジタイプについて説明する。図４では支点部４は三角柱状に形成されている。支点部４の全体は三角柱状でなくてもよく、支点部４の試料２に接触する面の断面がくさび状であればよい。支点部４の試料２に接触する面は、第１面４１及び第２面４２でくさび状に形成されている。支点部４のくさび状の先端の角度α、すなわち第１面４１と第２面４２とのなす角度αは例えば１０〜９０°である。支点部４は、第１面４１及び第２面４２で形成される稜線の方向が振り子５の振動方向に対して垂直な方向となるように、試料２に載置されている。振り子５が振動するときに支点部４のくさび状の先端が支点となる。突起部８は、円錐状又は角錐状に形成され、第１面４１及び第２面４２において例えば格子状に０．５〜５．０ｍｍ間隔で複数設けられている。支点部４の先端の角度αを二等分する面を基準として、突起部８は、対称的に第１面４１及び第２面４２に設けられている。従来のエッジタイプでは試料２が軟らかい場合に試料２を分断するおそれがあるが、本実施形態のエッジタイプでは、上記のように支点部４が突起部８を有しているので、突起部８が試料２に食い込むことによって、突起部８が力学的な抵抗となって試料２の分断を抑制することとなり、試料２全体の粘弾性を測定することができる。突起部８の高さは１μｍ以上であることが好ましい。これにより、突起部８を試料２にしっかり食い込ませることができ、試料２の分断が一層抑制される。なお、突起部８の高さの上限は特に限定されず、試料２の厚さに応じて適宜決定される。例えば、試料２の厚さが１００μｍである場合は、突起部８の高さの上限は５０μｍ以下であることが好ましい。

加振装置６は、振り子５に振動を加えることができるように構成されている。例えば、加振装置６は、図１に示すように、電磁石６１と、電源６２とを有している。支柱９において、電磁石６１は、振り子５が静止しているときに加振片５４と対向する位置に設けられている。電源６２は、電磁石６１及び制御装置１１と電気的に接続されている。電源６２の電磁石６１への通電は制御装置１１によって制御されている。電磁石６１に通電して加振片５４を電磁石６１に引き寄せた後に通電を止めると、振り子５に振動を加えることができる。

変位計測装置７は、振り子５の変位を計測することができるように構成されている。例えば、変位計測装置７は、図１に示すように、変位センサー７１と、変位計７２とを有している。支柱９において、変位センサー７１は、振り子５が静止しているときに変位片５５と対向する位置に設けられている。変位センサー７１によって、変位片５５の変位を検知することができる。変位計７２は、変位センサー７１及び制御装置１１と電気的に接続されている。変位センサー７１の検知結果に基づいて変位計７２により振り子５の変位を計測することができる。そして、この計測結果から、制御装置１１により、変位の減衰特性における振幅の減衰率（対数減衰率）と振動周期とを算出し、試料２の粘弾性を解析することができる。

本実施形態の粘弾性測定装置１を用いて試料２の粘弾性を測定するにあたっては、まず試料台３の上面に試料２を載置し、この試料２の上面に振り子５の支点部４を載せて、試料２に支点部４を接触させる。このとき支点部４が丸棒タイプであれば、図３に示すように支点部４の外周面の一部が試料２の上面に接触し、突起部８が下向きに試料２に食い込む。一方、支点部４がエッジタイプであれば、図４に示すように支点部４の先端が下向きに試料２に食い込み、さらに突起部８が斜め下向きに試料２に食い込む。

そして、必要に応じて加熱装置により試料２を加熱して軟化させ、振り子５の自由振動周期及び振幅を測定する。

振り子５の自由振動周期及び振幅を測定するには、変位計測装置７を利用することができる。振り子５が静止しているか、振動していても振幅が変位計測装置７を利用できるより小さい場合には、加振装置６を用いることによって、変位計測装置７を利用できる振動状態を得ることができる。

本実施形態の粘弾性測定装置１によれば、支点部４が丸棒タイプであってもエッジタイプであっても試料２全体の粘弾性を測定することができる。すなわち、支点部４が丸棒タイプであれば、支点部４に設けられた突起部８が試料２に食い込むことによって、試料２全体の粘弾性を測定することができる。一方、支点部４がエッジタイプであれば、支点部４の先端の向きと突起部８の向きとが異なっていることによって、突起部８が試料２の分断を抑制し、試料２全体の粘弾性を測定することができる。

従来の粘弾性測定装置では、試料の部分的な粘弾性しか測定できないので、例えば、実際には熱履歴が異なっている２種の試料であるにもかかわらず、これらの対数減衰率を測定すると、両者に差が現れず、２種の試料は全く同じ物性を有すると誤解するおそれがある。

これに対して、本実施形態の粘弾性測定装置１によれば、試料２の部分的な粘弾性ではなく、全体的な粘弾性を測定することができるので、上記のように熱履歴が異なる２種の試料２であっても、これらの対数減衰率を測定すれば、両者には有意な差が現れる。したがって、これらの試料２は異なる物性を有すると的確に判断することができる。

以下、本発明を実施例によって具体的に説明する。

（実施例１）
試料２として、液晶ポリマーフィルムである株式会社クラレ製「ベクスターＣＴ−Ｚ」（厚さ１００μｍ、融点３３５℃）を用意した。

次に上記の試料２に２２０℃、１５分の条件で熱処理を行った。なお、この熱処理は、粘弾性測定装置の性能を評価するために、試料２の物性変化を意図して行ったものである。この他の実施例及び比較例における熱処理も同様である。

次に図１に示す粘弾性測定装置１を用意した。この粘弾性測定装置１における振り子５の支点部４は、図３に示す丸棒タイプであり、円柱状に形成されている。支点部４の断面の円弧状の断面の曲率半径Ｒ＝１．０ｍｍである。支点部４の試料２に接触する面には、振り子５の振動方向に対して垂直な方向に高さ５．０μｍの突起部８が断面くさび状に細長く形成されている。

次に上記の粘弾性測定装置１を用いて、上記の熱処理後の試料２の粘弾性を測定した。具体的には、試料２を２５０℃に加熱して対数減衰率を測定した。対数減衰率は、図５の波形モデルに示すように次式で算出することができる。

対数減衰率の測定結果は０．０８であった。

次に、金属箔として、銅箔（古河電気工業株式会社製「Ｆ２ＷＳ」、厚さ１２μｍ）を用意した。

そして、上記の金属箔、熱処理後の試料２を用いて、次のようにして金属張積層板を製造した。

試料２の両面に金属箔を重ねた。このとき、金属箔の試料２に重ねられる面はマット面である。上記のように重ねた状態で、３００℃、４ＭＰａ、５分間の成形条件で加熱加圧して成形することによって、両面金属張積層板を得た。

（実施例２）
実施例１において、試料２の熱処理を行わなかった以外は、実施例１と同様にして試料２の対数減衰率を測定した。対数減衰率の測定結果は０．１５であった。

次に、実施例１において、熱処理後の試料２の代わりに、上記の熱処理を行わなかった試料２を用いて、実施例１と同様にして、両面金属張積層板を得た。

（実施例３）
実施例１において、振り子５の支点部４における突起部８の高さを１５．０μｍとした以外は、実施例１と同様にして試料２の対数減衰率を測定した。対数減衰率の測定結果は０．１０であった。

次に、実施例１と同様にして、両面金属張積層板を得た。

（実施例４）
実施例２において、振り子５の支点部４における突起部８の高さを１５．０μｍとした以外は、実施例２と同様にして試料２の対数減衰率を測定した。対数減衰率の測定結果は０．２０であった。

次に、実施例２と同様にして、両面金属張積層板を得た。

（実施例５）
実施例１において、支点部４の断面の円弧状の断面の曲率半径Ｒ＝０．５ｍｍとした以外は、実施例１と同様にして試料２の対数減衰率を測定した。対数減衰率の測定結果は０．０７であった。

次に、実施例１と同様にして、両面金属張積層板を得た。

（実施例６）
実施例２において、支点部４の断面の円弧状の断面の曲率半径Ｒ＝０．５ｍｍとした以外は、実施例２と同様にして試料２の対数減衰率を測定した。対数減衰率の測定結果は０．１７であった。

次に、実施例２と同様にして、両面金属張積層板を得た。

（実施例７）
試料２として、実施例１と同様に熱処理したものを用意した。

次に図１に示す粘弾性測定装置１を用意した。この粘弾性測定装置１における振り子５の支点部４は、図４に示すエッジタイプであり、くさび状に形成されている。支点部４のくさび状の先端の角度αは３０°である。支点部４の試料２に接触する面を形成している第１面４１及び第２面４２には、高さ１．０μｍの突起部８が格子状に１．０ｍｍ間隔で形成されている。

次に上記の粘弾性測定装置１を用いて、上記の熱処理後の試料２の粘弾性を測定した。具体的には、試料２を２５０℃に加熱して対数減衰率を測定した。対数減衰率の測定結果は０．０５であった。

次に、実施例１と同様にして、両面金属張積層板を得た。

（実施例８）
実施例７において、試料２の熱処理を行わなかった以外は、実施例７と同様にして試料２の対数減衰率を測定した。対数減衰率の測定結果は０．１５であった。

次に、実施例７において、熱処理後の試料２の代わりに、上記の熱処理を行わなかった試料２を用いて、実施例７と同様にして、両面金属張積層板を得た。

（比較例１）
実施例１において、振り子５の支点部４に突起部８が形成されていない以外は、実施例１と同様にして試料２の対数減衰率を測定した。対数減衰率の測定結果は０．０８であった。

次に、実施例１と同様にして、両面金属張積層板を得た。

（比較例２）
実施例２において、振り子５の支点部４に突起部８が形成されていない以外は、実施例２と同様にして試料２の対数減衰率を測定した。対数減衰率の測定結果は０．０８であった。

次に、実施例２と同様にして、両面金属張積層板を得た。

（比較例３）
実施例７において、振り子５の支点部４に突起部８が形成されていない以外は、実施例７と同様にして試料２の対数減衰率を測定した。対数減衰率の測定結果は０．０３であった。

次に、実施例７と同様にして、両面金属張積層板を得た。

（比較例４）
実施例８において、振り子５の支点部４に突起部８が形成されていない以外は、実施例８と同様にして試料２の対数減衰率を測定した。対数減衰率の測定結果は０．０３であった。

次に、実施例８と同様にして、両面金属張積層板を得た。

（金属箔のピール強度）
実施例１〜８及び比較例１〜４の両面金属張積層板において、両面の金属箔のピール強度をＪＩＳ Ｃ ６４７１に準拠して測定した。両面の金属箔のピール強度のうち、低い方の測定値を表１及び表２に示す。

（金属箔のピール強度判定結果）
金属箔のピール強度は、０．７ｋＮ／ｍ以上を「ＯＫ」とし、０．７ｋＮ／ｍ未満を「ＮＧ」として合否を判定した。

比較例１、２に示すように、従来の丸棒タイプの粘弾性測定装置を用いて、両面金属張積層板を製造する前の試料の対数減衰率を測定すると、比較例１、２の結果に差は現れなかった。しかし、これらの試料を用いて両面金属張積層板を製造し、金属箔のピール強度を測定して合否判定をすると、比較例１はＯＫ、比較例２はＮＧであった。

このことから、従来の丸棒タイプの粘弾性測定装置では、材料段階で試料の良否を判断することができないことが分かる。

また比較例３、４に示すように、従来のエッジタイプの粘弾性測定装置を用いて、両面金属張積層板を製造する前の試料の対数減衰率を測定すると、比較例３、４の結果に差は現れなかった。しかし、これらの試料を用いて両面金属張積層板を製造し、金属箔のピール強度を測定して合否判定をすると、比較例３はＯＫ、比較例４はＮＧであった。

このことから、従来のエッジタイプの粘弾性測定装置でも、材料段階で試料の良否を判断することができないことが分かる。

これに対して、実施例１、２に示すように、本実施形態の丸棒タイプの粘弾性測定装置を用いて、両面金属張積層板を製造する前の試料の対数減衰率を測定すると、実施例１、２の結果に有意な差が現れた。そして、これらの試料を用いて両面金属張積層板を製造し、金属箔のピール強度を測定したところ、対数減衰率の測定結果と相関する結果が得られ、合否判定をすると、実施例１はＯＫ、実施例２はＮＧであった。

また実施例３、４についても、突起部の高さが異なるだけで、実施例１、２の場合と同様に対数減衰率の測定結果に有意な差が現れた。そして、対数減衰率の測定結果と相関するピール強度の測定結果が得られ、合否判定をすると、実施例３はＯＫ、実施例４はＮＧであった。

また実施例５、６についても、曲率半径が異なるだけで、実施例１、２の場合と同様に対数減衰率の測定結果に有意な差が現れた。そして、対数減衰率の測定結果と相関するピール強度の測定結果が得られ、合否判定をすると、実施例５はＯＫ、実施例６はＮＧであった。

このことから、本実施形態の丸棒タイプの粘弾性測定装置によれば、材料段階で試料の良否を判断することができることが分かる。

さらに実施例７、８に示すように、本実施形態のエッジタイプの粘弾性測定装置を用いて、両面金属張積層板を製造する前の試料の対数減衰率を測定すると、実施例７、８の結果にも有意な差が現れた。そして、これらの試料を用いて両面金属張積層板を製造し、金属箔のピール強度を測定したところ、対数減衰率の測定結果と相関する結果が得られ、合否判定をすると、実施例７はＯＫ、実施例８はＮＧであった。

このことから、本実施形態のエッジタイプの粘弾性測定装置によっても、材料段階で試料の良否を判断することができることが分かる。

したがって、例えば、対数減衰率が０〜０．１０の試料を良品（ＯＫ）、０．１０より大きい試料を不良品（ＮＧ）とあらかじめ決めておけば、未知の試料の対数減衰率を本実施形態の粘弾性測定装置で測定したときに、完成品（例えば両面金属張積層板）を製造することなく、未知の試料を材料段階で良品と不良品とに区別することができる。

１ 粘弾性測定装置
２ 試料
３ 試料台
４ 支点部
５ 振り子
６ 加振装置
７ 変位計測装置
８ 突起部

Claims (6)

1. 試料の粘弾性を測定する粘弾性測定装置であって、
   前記試料が載置される試料台と、
   前記試料に接触する支点部を有し、前記支点部を支点として自由振動する振り子と、
   前記振り子に振動を加える加振装置と、
   前記振り子の変位を計測する変位計測装置と
   を備え、
   前記支点部が突起部を有していることを特徴とする
   粘弾性測定装置。
2. 前記支点部の前記試料に接触する面の断面は円弧状であることを特徴とする
   請求項１に記載の粘弾性測定装置。
3. 前記円弧状の断面の曲率半径Ｒは０．５ｍｍ以上であることを特徴とする
   請求項２に記載の粘弾性測定装置。
4. 前記支点部が円柱状に形成され、
   前記振り子の振動方向に沿って転がるように、前記支点部が前記試料に載置され、
   前記支点部の前記試料に接触する面において、前記突起部が、前記振り子の振動方向に対して垂直な方向に細長く形成されていることを特徴とする
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の粘弾性測定装置。
5. 前記支点部の前記試料に接触する面の断面がくさび状であり、
   前記くさび状の先端が前記支点となることを特徴とする
   請求項１に記載の粘弾性測定装置。
6. 前記突起部の高さが１μｍ以上であることを特徴とする
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の粘弾性測定装置。

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