JP2001133376A - 硬さ試験機における力校正機構および硬さ試験機における力校正方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 力校正を迅速かつ正確に行うことが可能な硬
さ試験機における力校正機構および力校正方法を提供す
る。 【解決手段】 力を発生させる力発生部（２）と、前記
力発生部で発生した力を圧子（４１）に伝達する力伝達
部（４：力伝達レバー）と、を備え、所定の荷重が前記
圧子に負荷される位置に錘（Ｗ）を載置し、当該錘の荷
重と平衡する力を力発生部により発生させることに基づ
いて力校正を行う硬さ試験機における力校正機構であっ
て、前記力伝達部のゆれを減衰させる減衰手段（９：電
磁ダンパ）を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料に圧子を押し
込んで圧痕を形成させることに基づいて硬さを算出する
硬さ試験機における力校正機構および硬さ試験機におけ
る力校正方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体素子表面の材料特性を評価
する試験機として微小硬さ試験機が知られている。この
微小硬さ試験機は、四角錐圧子、若しくは三角錐圧子を
試料に微小荷重で押し込んだ時の押し込み深さを測定
し、荷重と押し込み深さから硬さを算出したり、或いは
算出したデータをグラフ化して材料の強度特性を解析す
る試験機である。

【０００３】上記従来の微小硬さ試験機において、試料
に圧子により荷重を負荷する荷重負荷機構部は、例え
ば、図４に示すようになっている。即ち、微小硬さ試験
機の荷重負荷機構部１００は、電磁力を発生させるフォ
ースコイル１０１と、このフォースコイル１０１によっ
て発生した力を圧子に伝達する荷重レバー１０２と、こ
の荷重レバー１０２によって伝達された力で試料を押圧
する圧子１０３と、この圧子１０３による押し込み深さ
を計測する押し込み深さ計測部１０４などにより構成さ
れている。

【０００４】前記押し込み深さ計測部１０４は、例え
ば、圧子１０３の押し込み深さを電気容量方式で計測す
るものである。そして、圧子１０３が試料Ｓに接触し、
荷重を増加させていくと、圧子１０３が試料Ｓに侵入し
ていく。そのときの押し込み深さ量を、押し込み深さ計
測部１０４により計測することにより硬さを算出するよ
うになっている。

【０００５】ところで、従来、荷重レバー１０２により
試料Ｓに作用させる力の校正は、以下に示す方法により
行われていた。まず、既知の重量の錘Ｗを荷重レバー１
０２の圧子１０３側の端部の上に載置させて荷重を加え
る。次いで、この荷重をキャンセルさせて荷重レバー１
０２を平衡状態に戻すように、フォースコイル１０１に
通常試験時とは逆方向の電磁力をステップ的に上昇させ
る。次いで、荷重レバー１０２が平衡状態となったとき
のフォースコイル１０１の電流値を求める。そして、上
記作業を幾つかの水準の重量の錘で行うことにより力校
正を行っていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
力校正方法では、電磁力を発生させた場合に荷重レバー
１０２のゆれが発生していたので、力校正を正確に行う
ためには、ゆれが無くなるまで待たなければならず、力
校正に要する時間が長くかかってしまう。一方、荷重レ
バー１０２のゆれをなるべく小さくするため、電磁力の
上昇ステップを小さくすると、平衡状態になるまでの電
磁力上昇までの時間が長くかかり、結果として、同じく
力校正に要する時間が長くかかってしまうという問題点
があった。

【０００７】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものであって、力校正を迅速かつ正確に行うことが
可能な硬さ試験機における力校正機構および力校正方法
を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１記載の発明は、例えば、図１〜３に示すよ
うに、力を発生させる力発生部（２）と、前記力発生部
で発生した力を圧子（４１）に伝達する力伝達部（４：
力伝達レバー）と、を備え、所定の荷重が前記圧子に負
荷される位置に錘（Ｗ）を載置し、当該錘の荷重に抗す
る力を前記力発生部により発生させて前記錘と平衡させ
ることに基づいて力校正を行う硬さ試験機における力校
正機構（１）であって、前記力伝達部のゆれを減衰させ
る減衰手段（９：電磁ダンパ）を備えたことを特徴とし
ている。

【０００９】請求項１記載の発明によれば、減衰手段に
よって力伝達部のゆれを強制的に減衰させることができ
るので、力校正時における力伝達部のゆれが無くなるま
での待ち時間が少なくなるとともに、力の上昇ステップ
の幅を従来より大きくすることが出来ることとなって、
力校正にかかる時間を短縮させることが出来る。即ち、
予め錘の荷重をキャンセルするのに必要な電磁力の近く
まで一気に上げても減衰手段により力伝達部のゆれを減
衰させることが出来ることとなって、力校正にかける時
間を短縮出来る。

【００１０】ここで、減衰手段は、例えば、ばねを使用
し、力伝達部のゆれを機械的に減衰させるものであって
もよいし、或いは電磁力を利用して減衰させるものであ
ってもよい。また、流体ダンパを用いてもよい。

【００１１】請求項２記載の発明は、請求項１記載の力
校正機構において、前記力伝達部は、支持部（３）を支
点として回動自在に支持された力伝達レバー（４）を備
え、当該力伝達レバーの一方の端部に前記力発生部が取
り付けられるとともに、他方の端部に前記圧子が取り付
けられ、前記力発生部で発生した力を前記圧子により試
料に伝達し、所定の荷重が前記圧子に負荷される位置に
前記錘を載置し、前記減衰手段により前記力伝達レバー
のゆれを減衰させ、当該錘の荷重と平衡する力を力発生
部により発生させることに基づいて力校正を行うように
構成されていることを特徴としている。

【００１２】請求項２記載の発明によれば、力伝達部が
支持部を支点として回動自在な力伝達レバーとなってい
るのでゆれ易い構造であるが、減衰手段によりゆれを減
衰させることが出来、請求項１記載の発明の効果を顕著
に発揮させることが出来る。

【００１３】請求項３の発明は、請求項１又は２記載の
硬さ試験機における力校正機構において、前記減衰手段
は、前記力伝達部と非接触の電磁ダンパ（９）であるこ
とを特徴としている。

【００１４】請求項３記載の発明によれば、請求項１又
は２記載の発明と同様の効果が得られることは無論こ
と、特に、減衰手段は力伝達部と非接触の電磁ダンパで
あるので、微妙な釣り合い状態をより正確に測定するこ
とが出来る。

【００１５】請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何
れかに記載の硬さ試験機における力校正機構を用いた力
校正方法において、試料台に載置された試料に圧子を接
触させ、この状態で前記圧子の軸上であって、前記圧子
に所定の荷重が負荷される位置に錘を載置し、次いで、
この状態で前記力発生部により前記錘の荷重に対抗する
力を発生させるとともに、前記減衰手段により前記力伝
達部のゆれを減衰させて、前記錘の荷重と前記力発生部
で発生する力とを釣り合わせて力校正を行うことを特徴
としている。

【００１６】請求項４記載の発明によれば、試料台に載
置された試料に圧子が接触され、この状態で圧子の軸上
の力伝達部に所定の荷重の錘が載置され、次いで、この
状態で力発生部により錘の荷重に対抗する力が発生され
るとともに、減衰手段により力伝達部のゆれを減衰させ
て、錘の荷重と力発生部で発生する力とを釣り合わせて
力校正が行われるので、力校正時における力伝達部のゆ
れが無くなるまでの待ち時間が少なくなるとともに、力
の上昇ステップの幅を従来より大きくすることが出来る
こととなって、力校正にかかる時間を短縮させることが
出来る。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図を参照して本発明に係る
硬さ試験機における力校正機構および力校正方法の実施
の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る硬さ試
験機の力校正機構部の要部構成を示した図である。図１
に示す硬さ試験機の力校正機構部１は、力発生部２と、
硬さ試験機のベース３０に取り付けられた支持部３に回
動自在に支持され、前記力発生部２によって発生した力
を自由端部４ａに取り付けられた圧子４１に伝達する力
伝達レバー４（力伝達部）と、前記支持部３に回動自在
に支持されたコンタクトレバー５と、前記圧子４１によ
る試料Ｓへの押し込み深さを計測する押し込み深さ計測
部６と、前記コンタクトレバー５を駆動させる駆動部７
と、前記コンタクトレバー５に当接可能な位置に配置さ
れたストッパー８と、前記力伝達レバー４のゆれを減衰
させる電磁ダンパ９（減衰手段）などにより構成され、
力発生部２の力校正制御は、力校正制御部１０により行
われる。

【００１８】前記力発生部２は、試料Ｓに荷重を負荷す
るためのフォースコイル２１と圧子ゼロコイル（図示省
略）を備えている。前記フォースコイル２１は、直流磁
界が形成された隙間に配設されたコイルに電流を供給す
ることによって電磁力を発生させるものである。そし
て、このフォースコイル２１で発生した力は、力伝達レ
バー４を介して圧子４１に伝達される。前記圧子ゼロコ
イル（図示省略）は、直流磁界が形成された隙間に配設
されたコイルに電流を供給することによって電磁力を発
生させるものである。そして、この圧子ゼロコイルに微
小電流をステップ毎に流していき、圧子４１が試料Ｓに
接触するまでは、加えた電流分、一定の比で圧子４１を
試料Ｓに向かって降下させてゆく。圧子４１が接触する
と、圧子４１の降下変位量が降下時と異なるため、この
降下変位量の傾きが異なる折れ点が試料の接触点とな
る。

【００１９】前記支持部３は、その軸に十字ばね３１を
備え、前記力伝達レバー４および前記コンタクトレバー
５を回動自在に支持する。前記力伝達レバー４は、その
一端が前記フォースコイル２１に取り付けられ、該フォ
ースコイル２１によって発生した力を支持部３を支点と
して圧子４１に伝達する。

【００２０】前記コンタクトレバー５は、前記力伝達レ
バー４と同一の軸を支点としており、前記圧子４１側の
端部５ａには、後述する押し込み深さ計測部６のベース
電極板６２、６３が取り付けられている。また、反対側
の端部５ｂには、前記駆動部７が取り付けられるととも
に、前記ストッパー８が当接可能となっている。前記押
し込み深さ計測部６は、圧子４１の押し込み深さを電気
容量方式で計測するものであり、図２に示すように、圧
子４１の上方に位置して力伝達レバー４に取り付けられ
た圧子電極板６１と、前記コンタクトレバー５の一方の
端部５ａに取り付けられ、前記圧子電極板６１をすき間
を有しつつ挟む位置にベース電極板６２、６３を備えて
いる。前記圧子電極板６１とベース電極板６２、６３
は、セラミックスで形成され、各電極板の対向する面は
金蒸着されている。そして、圧子４１を試料Ｓに接触さ
せ、荷重を増加させていくと、圧子４１が試料Ｓに侵入
していく。そのとき、圧子電極板６１も圧子４１と連動
して移動するので、圧子電極板６１とベース電極板６
２、６３の間の距離が変化し、各電極板間の電気容量が
変化する。

【００２１】また、圧子４１側の端部５ａには、圧子４
１の軸線上に力校正用の錘Ｗを取り付けることが出来る
錘取付台５２が備えられていて、当該錘取付台５２に所
定の重さの錘Ｗを取り付けることにより、圧子４１に所
定の荷重を負荷することが出来るようになっている。こ
こで、力校正用に用いられる錘Ｗの重さの種類は、例え
ば、０．８ｇ、１．０ｇ、４．０ｇ、２０．０ｇ、４
０．０ｇの５種類であり、その間の重さは各錘の計測結
果により補間される。

【００２２】前記駆動部７は、コンタクトレバー５を回
動させるための駆動コイル７１を備えている。駆動コイ
ル７１は、直流磁界が形成された隙間に配設されたコイ
ルに電流を供給することによって電磁力を発生させるも
のである。そして、この駆動コイル７１に電流が印加さ
れると、コンタクトレバー５が支持部３を支点として回
動し、これにより、ベース電極板６２、６３が移動して
圧子電極板６１とベース電極板６２、６３の間の距離を
変化させることが出来るようになっている。

【００２３】前記ストッパー８は、マイクロメータによ
り構成され、ストッパー８の移動量が測定出来るように
なっている。このストッパー８には、当該ストッパー８
を昇降させる駆動モータ（図示省略）を備え、駆動モー
タ（図示省略）を駆動させることによりストッパー８を
上下動させて圧子電極板６１の中立位置調整が出来るよ
うになっている。前記電磁ダンパ９は、前記ベース３０
に取り付けられた支柱９１と、この支柱９１から前記力
伝達レバー４をすき間を持たせた状態で狭持するように
突出した２つの電磁アーム９２、９２と、を備えてい
る。前記電磁アーム９２、９２には電磁コイル９２ａが
巻かれ、当該電磁コイル９２ａに電流を通すことによ
り、２つの電磁アーム９２、９２間に電磁力を発生させ
ることが出来るようになっている。従って、この電磁力
により力伝達レバー４のゆれを減衰させることが出来
る。

【００２４】前記力校正制御部１０は、図２に示すよう
に、増幅器１１、Ａ／Ｄ変換器１２、比較演算回路１
３、駆動回路１４、Ｄ／Ａ変換器１５、メモリ１６など
を具備している。増幅器１１は、押し込み深さ計測部６
により測定された２つの電極板間の電気容量信号を増幅
し、Ａ／Ｄ変換器１２に出力する。具体的には、錘Ｗに
より圧子４１に押し込まれたときの押し込み深さ計測部
６の計測結果を入力して増幅した後、Ａ／Ｄ変換器１２
に出力する。Ａ／Ｄ変換器１２は、増幅された電気容量
信号をＡ／Ｄ変換して比較演算回路１３に出力する。比
較演算回路１３は、Ａ／Ｄ変換された電気容量データ
と、予め設定された中立点における電気容量データとを
比較し、この比較結果を駆動回路１４に出力する。

【００２５】駆動回路１４は、この比較結果に基づいて
前記フォースコイル２１の駆動を制御する駆動制御信号
をＤ／Ａ変換器１５に出力する。Ｄ／Ａ変換器１５は、
駆動制御信号をＤ／Ａ変換して力発生部２に出力する。
メモリ１６は、押し込み深さ計測部６の圧子電極板６１
が中立位置となったときの力伝達レバー４に作用する力
をフォースコイル２１の電流値として記憶する。そし
て、硬さ試験時においては、メモリ１６に記憶された各
錘Ｗの荷重に相当する力を逆方向に加えて試験を行う。

【００２６】次に、上記硬さ試験機における力校正動作
（方法）について説明する。まず、圧子ゼロコイル（図
示省略）に微小電流をステップ毎に流していき、圧子４
１が試料台３１に載置された試料Ｓに接触するまで降下
させる。次いで、この状態で、押し込み深さ計測部６の
圧子電極板６１とベース電極板６２間のおよび圧子電極
板６１とベース電極板６３間の電気容量を測定し、圧子
電極板６１が、ベース電極板６２、６３の中立位置とな
るようにストッパー８を上下動させて中立点補正処理を
行う。次いで、この状態で前記圧子４１の軸線上のコン
タクトレバー５の錘取付台５２に所定の荷重の錘Ｗを載
置する。

【００２７】続いて、この状態で前記力発生部２により
前記錘Ｗの荷重に対抗する電磁力（通常の試験時と逆向
きの力）を発生させるとともに、電磁ダンパ９を稼動さ
せる。このとき、前記錘Ｗの荷重と釣り合うために必要
と想定される電磁力まで一気に上げる。次に、押し込み
深さ計測部６の変位の出力をモニタして、力伝達レバー
４のゆれを電磁ダンパ９で抑えつつ、圧子電極板６１が
中立位置となるまで力発生部２の電磁力を増減させる。
そして、圧子電極板６１が中立位置となったら、そのと
きの力発生部２により出力された電磁力を電流値として
メモリ１６に記憶する。

【００２８】より具体的には、押し込み深さ計測部６の
変位は、電気容量信号として力校正制御部１０の増幅器
１１に出力されて増幅され、Ａ／Ｄ変換器１２に出力さ
れる。次いで、Ａ／Ｄ変換器１２により増幅された電気
容量信号は、Ａ／Ｄ変換されて比較演算回路１３に出力
される。

【００２９】次いで、比較演算回路１３により、Ａ／Ｄ
変換された電気容量データと、予め設定された中立点に
おける設定電気容量データとが比較され、この比較結果
が駆動回路１４に出力される。次いで、駆動回路１４に
より、前記測定された電気容量データと前記設定電気容
量データとが等しくなるように、ベース電極板６２、６
３の位置を変更するための駆動信号を生成され、力発生
部２に出力される。次いで、力発生部２により駆動信号
に応じた電磁力が力伝達レバー４に作用して、力伝達レ
バー４が動く。

【００３０】再び、この状態で、押し込み深さ計測部６
の圧子電極板６１とベース電極板６２間および圧子電極
板６１とベース電極板６３間の電気容量を測定して、圧
子電極板６１が中立位置となるまで上記動作を繰り返し
て行う。そして、圧子電極板６１が中立位置となったと
きの電流値をメモリ１６に記憶する。次に、錘Ｗを順次
換えて上記動作を行い、得られたデータから荷重と電流
値の対応テーブルを作成し、このテーブルに従って硬さ
試験を行う。

【００３１】以上説明した本発明に係る硬さ試験機にお
ける力校正機構１によれば、電磁ダンパ９によって力伝
達レバー４のゆれを強制的に減衰させることができるの
で、力校正時における力伝達レバー４のゆれが無くなる
までの待ち時間が少なくなるとともに、力の上昇ステッ
プの幅を従来より大きくすることが出来ることとなっ
て、力校正にかかる時間を短縮させることが出来る。加
えて、減衰手段として力伝達レバー４と非接触の電磁ダ
ンパ９を用いたので、微妙な釣り合い状態をより正確に
測定することが出来る。

【００３２】また、本発明に係る硬さ試験機における力
校正方法によれば、試料台３１に載置された試料Ｓに圧
子４１が接触され、この状態で圧子４１の軸上の力伝達
レバー４に所定の荷重の錘Ｗが載置され、次いで、この
状態で力発生部２により錘Ｗの荷重に対抗する力が発生
されるとともに、電磁ダンパ９により力伝達レバー４の
ゆれを減衰させて、錘Ｗの荷重と力発生部２で発生する
力とを釣り合わせて力校正が行われるので、力校正時に
おける力伝達レバー４のゆれが無くなるまでの待ち時間
が少なくなるとともに、力の上昇ステップの幅を従来よ
り大きくすることが出来ることとなって、力校正にかか
る時間を短縮させることが出来る。

【００３３】なお、力伝達部は、上記実施の形態のよう
にレバー式のものに限るものではなく、錘を負荷した際
に、ゆれが発生する機構のものであればよい。

【００３４】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、減衰手段
によって力伝達部のゆれを強制的に減衰させることがで
きるので、力校正時における力伝達部のゆれが無くなる
までの待ち時間が少なくなるとともに、力の上昇ステッ
プの幅を従来より大きくすることが出来ることとなっ
て、力校正にかかる時間を短縮させることが出来る。

【００３５】請求項２記載の発明によれば、力伝達部が
支持部を支点として回動自在な力伝達レバーとなってい
るのでゆれ易い構造であるが、減衰手段によりゆれを減
衰させることが出来、請求項１記載の発明の効果を顕著
に発揮させることが出来る。

【００３６】請求項３記載の発明によれば、請求項１又
は２記載の発明と同様の効果が得られることは無論こ
と、特に、減衰手段は力伝達部と非接触の電磁ダンパで
あるので、微妙な釣り合い状態をより正確に測定するこ
とが出来る。

【００３７】請求項４記載の発明によれば、試料台に載
置された試料に圧子が接触され、この状態で圧子の軸上
の力伝達部に所定の荷重の錘が載置され、次いで、この
状態で力発生部により錘の荷重に対抗する力が発生され
るとともに、減衰手段により力伝達部のゆれを減衰させ
て、錘の荷重と力発生部で発生する力とを釣り合わせて
力校正が行われるので、力校正時における力伝達部のゆ
れが無くなるまでの待ち時間が少なくなるとともに、力
の上昇ステップの幅を従来より大きくすることが出来る
こととなって、力校正にかかる時間を短縮させることが
出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る硬さ試験機の力校正機構部の要部
構成を示した図である。

【図２】押し込み深さ計測部の要部構成を示した図であ
る。

【図３】力校正制御部の要部構成を示したブロック図で
ある。

【図４】従来の硬さ試験機の力校正機構部の要部構成を
示した図である。

【符号の説明】

１ 力校正機構部 ２ 力発生部 ３ 支持部 ４ 力伝達レバー（力伝達部） ５ コンタクトレバー ６ 押し込み深さ計測部 ７ 駆動部（駆動手段） ８ ストッパー ９ 電磁ダンパ（減衰手段） １０ 力校正制御部 ２１ フォースコイル ４１ 圧子 ６１ 圧子電極板 ６２ ベース電極板 ６３ ベース電極板

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 力を発生させる力発生部と、 前記力発生部で発生した力を圧子に伝達する力伝達部
   と、を備え、 所定の荷重が前記圧子に負荷される位置に錘を載置し、
   当該錘の荷重に抗する力を前記力発生部により発生させ
   て前記錘と平衡させることに基づいて力校正を行う硬さ
   試験機における力校正機構であって、 前記力伝達部のゆれを減衰させる減衰手段を備えたこと
   を特徴とする硬さ試験機における力校正機構。
2. 【請求項２】 請求項１記載の力校正機構において、 前記力伝達部は、支持部を支点として回動自在に支持さ
   れた力伝達レバーを備え、 当該力伝達レバーの一方の端部に前記力発生部が取り付
   けられるとともに、他方の端部に前記圧子が取り付けら
   れ、前記力発生部で発生した力を前記圧子により試料に
   伝達し、 所定の荷重が前記圧子に負荷される位置に前記錘を載置
   し、前記減衰手段により前記力伝達レバーのゆれを減衰
   させ、当該錘の荷重と平衡する力を力発生部により発生
   させることに基づいて力校正を行うように構成されてい
   ることを特徴とする硬さ試験機における力校正機構。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の硬さ試験機におけ
   る力校正機構において、 前記減衰手段は、前記力伝達部と非接触の電磁ダンパで
   あることを特徴とする硬さ試験機における力校正機構。
4. 【請求項４】 請求項１〜３の何れかに記載の硬さ試験
   機における力校正機構を用いた硬さ試験機における力校
   正方法において、 試料台に載置された試料に圧子を接触させ、この状態で
   前記圧子に所定の荷重が負荷される位置に錘を載置し、 次いで、この状態で前記力発生部により前記錘の荷重に
   対抗する力を発生させるとともに、前記減衰手段により
   前記力伝達部のゆれを減衰させて、前記錘の荷重と前記
   力発生部で発生する力とを釣り合わせて力校正を行うこ
   とを特徴とする硬さ試験機における力校正方法。