JP2005037361A - マイクロ・ナノ材料用疲労試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ試験片の疲労寿命・応力−破断繰返し数の関係を高精度に測定評価できる疲労試験装置を提供すること。
【解決手段】微小試験片１を片持ち式に支持する試料ホルダ１０と、この試験片１の自由端に当接するように配置した可撓性のカンチレバー２，２’と、試料ホルダ１０又はカンチレバー２，２’に、その一方が他方に対して当接、離間する方向に微小往復振動を付与する手段とを設け、微小試験片１にカンチレバー２，２’の撓み弾力に対応する繰返し微小荷重を負荷し、試験片１又はカンチレバー２，２’の撓み量から、試験片１に作用する荷重を計測してマイクロ・ナノ材料の疲労寿命を評価する。
【選択図】図４

Description

本発明は、マイクロ・ナノ材料の疲労寿命（破断繰返し数）を測定する装置に関する。

マイクロマシン、例えば、マイクロタービンなどに用いる超小型デバイスは、マイクロ・ナノ材料を用いて構成されている。この超小型デバイスは、起動と停止とを繰り返し行うため、それによって生じる機械的負荷に加え、熱収縮による圧縮ひずみが生じる。すなわち、超小型デバイスには、周期的な繰り返し荷重が負荷されるので、これによる疲労寿命を高精度に評価することが、非常に重要である。超小型デバイスの破断繰返し数、すなわち、疲労寿命を正確に評価するには、マイクロ・ナノ微小寸法下で疲労試験を実施し、その測定結果を設計に適用する必要がある。しかし、従来の技術において、マイクロ・ナノ材料、例えば半導体シリコン系薄膜などの疲労寿命を、高精度に評価することは極めて難しい。

試験片の疲労寿命を評価するための試験方法として、例えば、下記の特許文献１又は２の発明が提供されている。特許文献１の発明は、試験片の上下部にロッドを装着し、各ロッドをアクチュエータで上下動して、試験片に引張り、圧縮の繰り返し荷重を負荷し、この試験片にレーザビームを照射することにより、試験片の歪みや負荷応力を測定するものである。また、特許文献２の発明は、試験片の端部を支持部材に挟み、各支持部材を圧電セラミックスによって移動させて、試験片に繰り返し荷重を負荷し、この試験片を走査電子顕微鏡で観察することにより、試験片の歪みを測定することが知られている。

しかし、マイクロ・ナノスケール試験片を、前記の発明に適用すれば、試験片の中央部分が即座に座屈してしまい、疲労試験を正しく実施することができない。一方、試験片を円柱状にすれば、中央部分の座屈を回避できるが、薄膜などのマイクロ・ナノスケール材料では、円柱状に成形することは極めて困難であるため、実質上適用できない。
特開平５−３０２８８０号公報 特開平９−７２８３９号公報

そこで、本発明は、上記の問題点を解決するためのもので、マイクロ・ナノ材料の疲労寿命・応力−破断繰返し数の関係を高精度に測定評価できる疲労試験装置を提供する。

本発明に係るマイクロ・ナノ材料用疲労試験装置は、微小試験片を片持ち式に支持する試料ホルダと、この試験片の自由端に、試験片の両側から当接するように配置した可撓性のカンチレバーと、試料ホルダ又はカンチレバーに、その一方が他方に対して当接、離間する方向に微小往復振動を付与する手段とを設け、微小試験片にカンチレバーの撓み弾力に対応する繰返し微小荷重を負荷することを特徴とする。

さらに、本発明は、試験片又はカンチレバーの撓み量を検出する手段を備え、この撓み量から疲労を測定する。この場合、試験片又はカンチレバーの撓み量から試験片に作用する荷重を算出し、同時に試験片またはカンチレバーに付与する振動数を測定するか、又は疲労限界に達するまでの振動付与時間を計測して疲労寿命を評価しても良く、更に両者のデータの相関出力を検出して寿命評価を行っても良い。

前記した撓み量は、光学的な方式によって検出するのが望ましいが、これを圧電又は電歪素子によって検出しても良い。

従来の技術によれば、上述した通り、マイクロマシンなどに用いられるマイクロ・ナノスケール材料の疲労試験を精度良く実施することができない。しかし、本発明によれば、特殊な加工をすることなく、微小試験片に対する疲労試験が可能である。そして、小型の振動アクチュエータを採用することにより、疲労試験装置全体を小型化でき、比較的容易な操作にも拘らず、正確な疲労寿命データを得ることができる。また、疲労試験装置を小型化することにより、高温試験時に用いる真空チャンバーも小型化でき、真空排気するための消費エネルギも小さくなり、経済的であると共に、試験結果データの精度も向上する。そして、このマイクロ・ナノ材料の疲労強度を高精度に測定することによって、マイクロ・ナノ材料を用いたマイクロマシンの設計やシュミレーションをする際などに極めて広範囲に利用することができる。

以下、添付図面に従って、本発明について詳細に説明する。

先ず、本発明に係る疲労試験装置を示す外観図である図１及び２に基づいて説明する。図１は、疲労試験装置を上方から観た斜視図、図２は、正面図である。この疲労試験装置は、ベース本体１００を基盤としており、その上両側には、一対の粗動ステージ１０１，１０１’を備えている。そして、各粗動ステージ１０１，１０１’上には、微動ステージ１０２，１０２’が設けられている。さらに、微動ステージ１０２，１０２’の上には、レーザ変位計４，４’が設けられている。また、粗動ステージ１０１，１０１’の間には、振動アクチュエータ５が設けられており、この振動アクチュエータ５は、試料ホルダ１０用の取付けジグ５０を有しており、試料ホルダ１０が微小寸法の試験片１を片持ち支持している。そして、各レーザ変位計４，４’は、カンチレバー２，２’を有しており、各カンチレバー２，２’は向かい合い、その間に、試験片１が配置されている。

粗動ステージ１０１，１０１’は、三軸方向（ＸＹＺ方向）に粗動するステージであり、微動ステージ１０２，１０２’は、三軸方向に微動するステージである。各ステージ１０１，１０１’，１０２，１０２’の移動は、試験片１を交換する際に使用し、カンチレバー２，２’を互いに近接・離間し、微細な位置調節を可能とする。振動アクチュエータ５は、後述で詳細に説明するが、試料ホルダ１０をニ軸方向（ＸＹ方向）に周期的に振動する。

図３は、疲労試験装置の一部を示す図であって、レーザ変位計４，４’の内部を示す。レーザ変位計４，４’は、カンチレバー２，２’を保持するレバーホルダ２０，２０’を有しており、カンチレバー２，２’は先端に圧子３，３’を有する。そして、カンチレバー２，２’は、互いに向き合って配置され、その先端に設けた圧子３，３’も、互いに向き合っており、これらの間に試験片１が配置されている。そして、振動アクチュエータ５が、試料ホルダ１０を、矢印１０Ａの方向に両振り振動することによって、試験片１を各圧子３，３’に押し付ける（後述で詳細に説明する）。また、カンチレバー２，２’の撓み量を計測するレーザ変位計４，４’は、レーザビーム４４，４４’を照射するレーザビーム発光器４０，４０’と、レーザビーム４４，４４’を集光する集光レンズ４１，４１’と、レーザビーム４４，４４’を屈折するミラー４２，４２’と、レーザビーム４４，４４’の位置を検知するディテクタ４３，４３’とを有する。

図４は、試験片１を両振り振動させる場合の動作説明図である。図４Ａは試験片１が左に移動した状態、Ｃは右に移動した状態、Ｂはそれらの中間の状態を示す。試験片１が移動するストローク量１００，１００’を、駆動制御装置（図示略）に予め設定し、試験片１をストローク量１００，１００’だけ両振り振動させる。それにより、試験片１端部が、カンチレバー２，２’の圧子３，３’に押し付けられ、試験片１端部に両側から交互に集中荷重が負荷される。これにより、試験片１の固定端に引張り、圧縮の繰り返し荷重が負荷される。

試験片１に負荷される集中荷重の大きさは、レーザ変位計４，４’で計測する。試験片１に圧子３，３’を押し付けていない状態、すなわち、試験片１に集中荷重が負荷されていない状態（図４Ｂ参照）でのレーザビーム位置をディテクタ４３，４３’で検知し、さらに、圧子３，３’を押し付けた状態、すなわち、試験片１に集中荷重が負荷された状態（図４Ａ及びＣ参照）でのレーザビーム位置をディテクタ４３，４３’で検知する。これらの光路差４５，４５’から、カンチレバー２，２’の撓み量を計測し、この撓み量と、カンチレバー２，２’のヤング率、圧子３，３’の押し込み位置（荷重位置）から、集中荷重の値を算出する。

この実施例では、試験片１に対する繰返し荷重の大きさを、カンチレバー２，２’の撓みを介して、レーザビームの光路シフトによって検出する方式を説明したが、試験片１のヤング率が既知であれば、直接試験片１にレーザビームを照射して、その撓み量を計測することも可能である。また、この実施例では、試験片１の両側に圧子３，３’を押し付けて、試験片１に両振り荷重を負荷しているが、試験片１を片振りにすることにより、試験片１に片振りの繰返し荷重を与えるようにしても良い。

振動アクチュエータ５の駆動は、駆動制御装置で制御されており、この駆動制御装置は、制御情報が入力されたコンピュータで制御全般を司り、駆動源である圧電素子の印加電圧を制御する。このコンピュータは、試験片１のストローク量１００，１００’を予め設定可能であり、さらに、予め入力されたカンチレバー２，２’のヤング率、荷重位置と、ディテクタ４３，４３’が検知したレーザビームの光路差４５，４５’とから、試験片１に負荷した集中荷重を計算可能である。そして、カンチレバー２，２’の撓みが、急に小さくなった時、すなわち、試験片１に負荷する集中荷重が、急に小さくなった時が、試験片１が破壊した時であるので、その時のストローク回数を出力することにより、試験片１の破断繰返し数を記録できる。

さらに、高温での試験を行う場合には、この疲労試験装置を真空チャンバー内に配置し、試料ホルダ１０に内蔵したヒータを加熱することにより、試験片１の酸化などを防止した状態で、高温試験を行うことができる。

次に、図５及び６に基づいて、振動アクチュエータ５を詳細に説明する。この振動アクチュエータ５は、全体を小型化するために小型のピエゾ式アクチュエータ５５を用いている。図５Ａは振動アクチュエータ５を示す外観斜視図、Ｂは底面斜視図である。前記した通り、振動アクチュエータ５は、取付けジグ５０を有しており、この取付けジグ５０は振動体５２に固着されている。振動体５２はフレーム５３で囲繞されており、この振動体５２とフレーム５３はアーム５４により連結されている。フレーム５３の底面には、ピエゾ式アクチュエータ５５を収納するための収納部５３０が設けられており、ピエゾ式アクチュエータ５５の動作部が、アーム５４の作用点５４２を押す。

図６Ａは振動アクチュエータ５の底面図、Ｂはバネ部５６を示す拡大図である。前記した通り、振動体５２はフレーム５３で囲繞され、この振動体５２とフレーム５３はアーム５４で連結されている。振動体５２、フレーム５３及びアーム５４は、これらの周囲に設けられた微小間隔（スリット）５７によって全体的に分離されているが、第１連結部５４０によってフレーム５３とアーム５４が、第２連結部５４２によってアーム５４と振動体５２が部分的に連結されている。そして、振動体５２の四隅には、スリットで形成したバネ部５６，５６’，５６’’，５６’’’が設けられている。ピエゾ式アクチュエータ５５の動作部が、アーム５４の第１連結部５４０近くの作用点５４２を押し、それによって、第１連結部５４０がアーム５４の支点となり、第２連結部５４１が力点となって、振動体５２を移動する。これにより、ピエゾ式アクチュエータ５５が作用点５４２を４０μｍ移動すると、力点５４１が１８０μｍ移動するので、小型のピエゾ式アクチュエータでも比較的大きなストローク量を得ることができる。

ピエゾ式アクチュエータ５５は、圧電素子により伸縮するので、伸長方向には付勢されているが、縮小方向には付勢されないので、伸長方向と縮小方向の移動速度が異なる。従って、振動速度を等しくするため、縮小方向に付勢するバネ部５６，５６’，５６’’，５６’’’を、振動体５２の四隅に設け、伸長方向と縮小方向の移動速度を等しくする。図６Ｂは、振動体５２の右上に設けたバネ部５６の拡大図であって、振動体５２とフレーム５３の間に設けたスリット５７で形成されており、第１、第２及び第３スリット５６０，５６１，５６２により構成される。第１及び第３スリット５６０，５６２は、側辺のスリット５７を二股にしたもので、第２スリット５６１は、上辺のスリット５７を下方にのばし、第１及び第３スリット５６０，５６２の間に配置したものである。このバネ部５６，５６’，５６’’，５６’’’が、振動体５２の四隅に設けられている。

前記した実施例においては、試験片１を振動して、試験片１を圧子３，３’に押し付けて、両振り荷重を負荷しているが、カンチレバー２，２’のいずれか一方の圧子３，３’にのみ押し付けて、片振り荷重を負荷することもできる。さらに、カンチレバー２，２’を振動して、試験片１に圧子３，３’を押し付けて、両振り又は片振り荷重を負荷しても良く、試験片１及びカンチレバー２，２’の双方を逆方向に振動させて、試験片１に両振り又は片振り荷重を負荷しても良い。

前記によれば、カンチレバー２，２’の撓み量を、光てこを用いて検出する方式について説明したが、電波の反射を捕らえることによって撓み量を検出する変位センサーでも良い。更に、図７に基づいて、別の方式による検出手段について説明する。図７は、疲労試験装置の一部を示す平面図である。図７の如く、各カンチレバー２，２’の表面に、薄膜のピエゾ抵抗体６０，６０’が取り付けられており、このピエゾ抵抗体６０，６０’には、電気抵抗を測定する電気接続を行うための電極６１，６１’が設けられている。そして、この電極６１，６１’は、配電線６２，６２’を介して出力回路（図示略）へ接続されており、この回路の出力による電気信号によって、ピエゾ抵抗体６０，６０’の抵抗値の変化を得ることができ、それによって、カンチレバー２，２’の撓みを測定することができる。この方式によれば、このピエゾ抵抗体６０，６０’は、種々の圧電・電歪素子からなる薄膜型のストレーンゲージを用いることができる。又、カンチレバー２，２’に、ピエゾ抵抗素子を埋め込む構成とすることもできる。光てこ方式などによる検出手段は、液中で試験を行う場合や、レーザビームが試料に影響を及ぼすような場合などでは用いることができないので、その場合は、圧電又は電歪素子を用いた検出手段により撓み量を検出する。更に、前記撓み量ないし撓み弾力の計測と共に、アクチュエータによって与えられる単位時間当りの振動数や積算振動回数を計測したり、又座屈ないし破壊に至るまでの振動付与時間を計測する手段を併せ設け、これらのデータを総合的に取り込むことにより、より精度の高い疲労度評価が可能となる。

次に、図８に基づいて、本発明に係るマイクロ・ナノ材料用疲労試験装置を用いた試験の手順について説明する。図８は、試験手順を示すフローチャートである。先ず、振動アクチュエータ５を作動させ（Ｓ１０１）、試料ホルダ１０及び試験片１の両振り振動を行う（Ｓ１０２）。それにより、試験片１の自由端を、カンチレバー２，２’の圧子３，３’に押し付け、試験片１の固定端に、引張り・圧縮の繰返し荷重を負荷する（Ｓ１０３）。その状態で、光てこ方式や電気抵抗方式などの検出手段によって、カンチレバー２，２’の撓み量を計測する（Ｓ１０４）。この撓み量に基づいて、試験片１に負荷される集中荷重の値を、計算機により算出する（Ｓ１０５）。そして、撓み量が急に大きくなった時、すなわち試験片１が破壊した時のストローク回数を出力し（Ｓ１０６）、試験片１の疲労寿命（破断繰返し数）を評価する。

疲労試験装置を示す外観斜視図である。 疲労試験装置を示す正面図である。 疲労試験装置の一部を示す平面図である。 試験片を両振りする状態を示す模式図である。 振動アクチュエータを示す外観斜視図である。 振動アクチュエータの説明図である。 疲労試験装置の一部を示す平面図である。 試験手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 試験片
２ カンチレバー
３ 圧子
４ レーザ変位計
５ 振動アクチュエータ
１０ 試料ホルダ
５０ 取付けジグ
５２ 振動体
５３ フレーム
５４ アーム
５５ ピエゾ式アクチュエータ
５６ バネ部
５７ スリット
６０ ピエゾ抵抗体
１００ ベース本体
１０１ 粗動ステージ
１０２ 微動ステージ

Claims (5)

1. 微小試験片を片持ち式に支持する試料ホルダと、この試験片の自由端に両側から当接するように配置した可撓性のカンチレバーと、前記試料ホルダ又はカンチレバーに、その一方が他方に対して当接、離間する方向に微小往復振動を付与する手段とを設け、微小試験片にカンチレバーの撓み弾力に対応する繰返し微小荷重を負荷することを特徴とするマイクロ・ナノ材料用疲労試験装置。
2. 前記試験片又はカンチレバーの撓み量を検出する手段によって疲労を測定することを特徴とする請求項１に記載のマイクロ・ナノ材料用疲労試験装置。
3. 前記試験片又はカンチレバーの撓み量から、微小試験片に作用する荷重を測定する手段と、前記微小往復振動付与手段による振動数又は振動付与時間を計測する手段とを備え、何れか一方又は双方の出力によって疲労寿命を評価することを特徴とする請求項１に記載のマイクロ・ナノ材料用疲労試験装置。
4. 前記撓み量を、光学的な方式によって検出することを特徴とする請求項２又は３に記載のマイクロ・ナノ材料用疲労試験装置。
5. 前記撓み量を、圧電又は電歪特性をもつ素子によって検出することを特徴とする請求項２又は３に記載のマイクロ・ナノ材料用疲労試験装置。

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