JP2005156413A - Apparatus for evaluating characteristics of material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、試料表面に圧子を押し付けてくぼみを形成させ、該くぼみに基づいて試料の所定の材料特性を評価する材料特性評価装置に関する。 The present invention relates to a material property evaluation apparatus that forms a recess by pressing an indenter against a sample surface and evaluates a predetermined material property of a sample based on the recess.
従来、試料表面に圧子により荷重を負荷して、くぼみを形成させ、該くぼみに基づいて試料の所定の材料特性を評価する材料特性評価装置が知られている。また、近年では、試料を加熱した状態で硬さ等の物性値を測定する材料特性評価装置も知られており、試料の材料特性の温度依存性を調べることができるようになっている(例えば、特許文献1)。このような材料特性評価装置は、特に薄膜等の硬さの温度依存性を調べる微小硬さ試験に用いられている。 2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a material property evaluation apparatus that applies a load to a sample surface with an indenter to form a recess and evaluates a predetermined material property of the sample based on the recess. In recent years, a material property evaluation apparatus that measures a physical property value such as hardness while the sample is heated is also known, and the temperature dependency of the material property of the sample can be examined (for example, Patent Document 1). Such a material property evaluation apparatus is used in a micro hardness test for examining the temperature dependence of hardness of a thin film or the like.
特許文献1記載の材料特性評価装置は、例えば、試料が載置される試料台と、この試料台上の試料に圧子を押圧する押圧機構と、この圧子の押し込み荷重を検出する荷重検出器と、この圧子の変位量を検出する変位検出器と、試料台上の試料及び圧子を加熱する加熱機構と、試料を加熱する試料台ヒータ等を備えている。 The material property evaluation apparatus described in Patent Literature 1 includes, for example, a sample table on which a sample is placed, a pressing mechanism that presses an indenter against the sample on the sample table, and a load detector that detects an indentation load of the indenter. A displacement detector for detecting the displacement amount of the indenter, a heating mechanism for heating the sample and the indenter on the sample table, a sample table heater for heating the sample, and the like are provided.
そして材料特性評価試験においては、試料を試料台に載置して、加熱機構によって圧子及び試料を加熱すると同時に、試料台ヒータによって試料台を熱伝導により全体的に加熱する。次いで、試料が設定された温度になったときに押圧機構によって圧子を所定の押込み圧力で試料に押圧させて、試料にくぼみを形成させる。そして、荷重検出器が圧子の押込み荷重を検出するとともに、変位検出器が圧子の押込み変位を検出して、これらの値の関係から試料の硬さ等の物性値を測定する。
しかしながら、圧子が試料に押込まれる際に、加熱により試料台が膨張することがあり、測定誤差が生じてしまうという問題点があった。 However, when the indenter is pushed into the sample, there is a problem that the sample stage may expand due to heating, resulting in a measurement error.
そこで、本発明の課題は、試料台を加熱して試料の所定の材料特性を評価する材料特性評価装置において、圧子動作中における試料台の熱膨張に起因する測定誤差を低減させて、より精度の高い材料特性評価を行うことのできる材料特性評価装置を提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to reduce the measurement error caused by the thermal expansion of the sample stage during the operation of the indenter in the material property evaluation apparatus that heats the sample stage and evaluates the predetermined material characteristic of the sample, and thus more accurate. It is to provide a material characteristic evaluation apparatus capable of performing high material characteristic evaluation.
上記課題を解決するため、請求項1記載の発明は、図2に示すように、
試料(S)表面に圧子(3)を押し付けてくぼみを形成させ、該くぼみに基づいて試料の所定の材料特性を評価する材料特性評価装置であって、
前記試料を載置する試料台(2)と、
前記試料台を加熱する加熱部(例えば、ヒータ6)と、
前記試料台における前記試料近傍の温度を検出する温度センサ(7)と、
前記温度センサの検出温度に基づいて、前記加熱部を制御して前記試料台の温度を制御する温度制御手段(例えば、CPU13)と、
を備え、
前記試料台は、セラミックスにより構成されていることを特徴とする。
ここで、所定の材料特性とは、例えば、試料の硬さ、弾性係数、密着力表面物性、対磨耗特性等の材料特性を指す。
In order to solve the above-mentioned problem, as shown in FIG.
A material property evaluation apparatus for forming a recess by pressing an indenter (3) on the surface of a sample (S) and evaluating a predetermined material property of the sample based on the recess,
A sample stage (2) on which the sample is placed;
A heating unit (for example, heater 6) for heating the sample stage;
A temperature sensor (7) for detecting the temperature in the vicinity of the sample on the sample stage;
Temperature control means (for example, CPU 13) for controlling the temperature of the sample stage by controlling the heating unit based on the temperature detected by the temperature sensor;
With
The sample stage is made of ceramics.
Here, the predetermined material characteristics refer to, for example, material characteristics such as sample hardness, elastic modulus, adhesion force surface properties, and wear resistance characteristics.
請求項2記載の発明は、請求項1記載の材料特性評価装置であって、
前記圧子のくぼみ形成時における押込深さを測定する押込深さ測定手段(例えば、変位計9)を備えることを特徴とする。
Invention of
Indentation depth measuring means (for example, displacement meter 9) for measuring the indentation depth when the indenter is formed is provided.
請求項3記載の発明は、請求項1又は2記載の材料特性評価装置であって、
前記セラミックスの材質は、窒化ホウ素であることを特徴とする。
Invention of
The material of the ceramic is boron nitride.
請求項1記載の発明によれば、材料特性評価装置の試料台は、セラミックスにより構成されているので、熱膨張係数が小さいため、試料台の熱膨張を低減させることができる。従って、加熱時の試料台の熱膨張に起因する測定誤差を低減させて材料特性評価の精度を向上させることができる。 According to the first aspect of the present invention, since the sample stage of the material property evaluation apparatus is made of ceramics, since the thermal expansion coefficient is small, the thermal expansion of the sample stage can be reduced. Therefore, the measurement error resulting from the thermal expansion of the sample stage during heating can be reduced, and the accuracy of the material property evaluation can be improved.
請求項2記載の発明によれば、請求項1記載の発明と同様の効果が得られるのは無論のこと、特に、押込深さ測定手段により圧子のくぼみ形成時における押込深さを測定することができる。従って、この押込深さを材料特性評価のパラメータとして用いて、くぼみの寸法を算出することができるので、くぼみを直接観察できない薄膜等の材料特性評価が可能となる。また、硬さ以外の試料の材料特性のうち、弾性特性、密着力表面物性、対磨耗特性等を圧子の押込深さに基づいて評価することができる。
According to the invention described in
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のは無論のこと、特に、セラミックスの材質は窒化ホウ素であるので、熱膨張係数及び熱膨張長さが極めて小さいため、圧子動作中の加熱により生じる試料台の熱膨張を大幅に抑えることができる。従って、材料特性評価の精度を格段に向上させることができる。 According to the third aspect of the invention, it is of course possible to obtain the same effect as that of the first or second aspect of the invention. In particular, since the ceramic material is boron nitride, the thermal expansion coefficient and the thermal expansion length. Therefore, the thermal expansion of the sample stage caused by heating during the operation of the indenter can be greatly suppressed. Therefore, the accuracy of material property evaluation can be significantly improved.
以下、図を参照して実施の形態としての本発明に係る材料特性評価装置について詳細に説明する。
図1は、本発明に係る材料特性評価装置の構成の模式図、図2は、図1の材料特性評価装置の温度制御系のブロック図である。
Hereinafter, a material property evaluation apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram of a configuration of a material property evaluation apparatus according to the present invention, and FIG. 2 is a block diagram of a temperature control system of the material property evaluation apparatus of FIG.
材料特性評価装置1は、図1に示すように、試料Sを載置する試料台2と、試料Sにくぼみを形成する圧子3と、先端部に圧子3を備える圧子軸4と、圧子軸4に所定の試験力を負荷する荷重負荷機構部5と、圧子3のくぼみ形成時における押込深さを測定する押込深さ測定手段としての変位計9と、試料台2の温度制御を行う温度制御部10と、試料Sの硬さを算出する硬さ算出部20等を備えている。
As shown in FIG. 1, the material property evaluation apparatus 1 includes a
試料台2は、セラミックスにより構成されており、試料台2を加熱するための加熱部としてのヒータ6と、試料S近傍の温度を検出する温度センサ7等を備えている。なお、セラミックスの材質は、窒化ホウ素であることが望ましい。窒化ホウ素は、熱膨張係数が、例えば0.8×10-6と小さいからである。また、温度が1℃変化したときの熱膨張長さは、アルミニウムの約1/100程度と極めて小さい。さらに、熱伝導率も高く、耐蝕性にも優れている点で、試料台2を構成するセラミックスの材質として好適である。
The
荷重負荷機構部5は、磁界内に配置される駆動コイル(図示省略)と、駆動コイルに駆動電流を供給する電源(図示省略)等を備えている。この荷重負荷機構部5においては、操作部8の操作に基づいて、所定の試験力が設定され、次いで駆動コイルに駆動電流が供給されることにより設定された所定の試験力が発生する構成となっている。
また、荷重負荷機構部5は、試験力を試験力信号として硬さ算出部20に出力する。試験力を硬さを算出するためのパラメータとして用いるためである。なお、ここでいう試験力信号とは、例えば、駆動コイルに駆動電流を供給する際の電圧信号等を指す。
The
Further, the load
温度制御部10は、図2に示すように、温度センサ7から出力される温度信号を増幅する増幅器11と、増幅された温度信号をA/D変換するA/D変換器12と、各種演算処理を行うCPU13と、各種処理の作業領域と記憶領域とを備えるRAM14と、温度制御に係る各種プログラムやデータ等を格納するROM15等から構成されている。この温度制御部10には、ヒータ6、温度センサ7、操作部8等が接続されている。
As shown in FIG. 2, the
CPU13は、ROM15に格納されている各種プログラムの中から指定されたプログラムをRAM14の作業領域に展開して、この指定プログラムに従った各種処理を実行する。
具体的には、CPU13は、温度センサ7の検出温度に基づいて、ヒータ6を制御して試料台2の温度を制御する温度制御手段として機能する。例えば、温度センサ7の検出温度を入力し、この検出温度と予め設定された設定温度との関係に基づいて、電源(図示省略)から電圧を所定の周期でヒータ6内の駆動回路(図示省略)に出力させてヒータ6のオンオフをPID制御する。
The
Specifically, the
変位計9は、操作部8の操作により、荷重負荷機構部5に設定された所定の試験力を負荷したときにおける、圧子3の試料Sに対する押込深さを測定する。この変位計9は、例えば、静電容量差に基づいて圧子3の押込深さを検出する静電容量型の変位計を用いる。
The
硬さ算出部20は、図2に示すように、荷重負荷機構部5及び変位計9と接続されている。この硬さ算出部20は、荷重負荷機構部5から出力される試験力信号を増幅する増幅器21aと、増幅された試験力信号をA/D変換するA/D変換器22aと、変位計9から出力される変位信号を増幅する増幅器21bと、増幅された変位信号をA/D変換するA/D変換器22bと、各種演算処理を行うCPU23と、各種処理の作業領域と記憶領域とを備えるRAM24と、形成されるくぼみの寸法算出や試料Sの硬さ算出等に係る各種プログラムやデータ等を格納するROM25等から構成されている。
As shown in FIG. 2, the
CPU23は、ROM25に格納されている各種プログラムの中から指定されたプログラムをRAM24の作業領域に展開して、この指定プログラムに従った各種処理を実行する。
具体的には、CPU23は、変位計9から出力される圧子3の変位信号(押込深さ)に基づいてくぼみの寸法を算出して、次いで、算出されたくぼみの寸法及び荷重負荷機構部5から出力される試験力信号に基づいて試料Sの硬さ等の材料特性を評価する。
The
Specifically, the
なお、温度センサ7は、図1に示すように、試料S近傍に設置されており、温度センサ7は試料S近傍の温度を検出するので、この検出温度を実際の試料温度とみなすものとする。
また、操作部8は、例えばキーボードやマウス等からなり、ヒータ6の設定温度等の数値データや材料特性評価に関するコマンドを入力、或いは選択するためのものである。
As shown in FIG. 1, the
The
次に、上記構成の材料特性評価装置1の材料特性評価としての硬さ試験における温度制御について説明する。この温度制御に入る前提として、図1に示すように、材料特性評価装置1の試料台2に試料Sが載置され、設定温度が設定されているものとする。例えば、設定温度が300℃と設定されている場合は、試料Sが300℃のときの硬さを測定することとなる。
Next, temperature control in the hardness test as the material property evaluation of the material property evaluation apparatus 1 having the above configuration will be described. As a premise for entering this temperature control, as shown in FIG. 1, it is assumed that the sample S is placed on the
温度制御では、先ずCPU13が、温度センサ7の検出温度に基づいて、ヒータ6を制御して、試料台2の温度を制御する。具体的には、温度センサ7によって試料台2における試料S近傍の温度が検出され、その検出温度が温度信号として温度制御部10に入力される。この温度信号は、温度制御部10内の増幅器11によって増幅され、次いでA/D変換器12によってA/D変換される。そして、増幅された温度信号がCPU13に入力される。次いで、CPU13がその温度信号と設定温度との関係に基づいて、電源から所定周期のヒータ印加電圧を出力させて、ヒータ6のオンオフをPID制御する。
In the temperature control, first, the
次いで、設定温度に温度制御された状態で、材料特性評価装置1の操作部8を操作すると、この操作入力に基づいて、荷重負荷機構部5が、駆動コイル(図示省略)に所定の駆動電流を供給して駆動力を発生させる。この駆動力により圧子軸4をその軸方向に押圧して、移動させて試料S表面にくぼみを形成させて、このくぼみに基づいて試料Sの硬さを測定する。
Next, when the
より具体的には、例えば、くぼみ形成時に荷重負荷機構部5から出力される試験力信号が硬さ算出部20の増幅器21aによって増幅された後、A/D変換器22aによってA/D変換されて、CPU23に入力されるとともに、くぼみ形成時の圧子3の押込深さが変位計9により測定され、この変位計9から出力される変位信号が硬さ算出部20の増幅器21bによって増幅された後、A/D変換器22bによってA/D変換されて、CPU23に入力される。
そして、CPU23は、入力した変位信号に基づいて圧子3により試料Sに形成されたくぼみの寸法を算出して、次いで、算出されたくぼみの寸法及び入力した試験力信号に基づいて、試料Sの硬さを算出する。
More specifically, for example, a test force signal output from the load /
Then, the
以上説明した本発明に係る材料特性評価装置1によれば、試料台2が熱膨張係数の小さいセラミックスにより構成されているので、試料台2の熱膨張を抑えることができる。従って、圧子動作中の試料台2の熱膨張に起因する測定誤差を低減させて、より精度の高い硬さ試験を行うことができる。
According to the material property evaluation apparatus 1 according to the present invention described above, since the
なお、温度制御をCPU13により行うとしているが、他に制御回路等を備える構成としてもよい。
また、上記実施形態では、硬さ算出部20を備えて、材料特性評価として試料Sの硬さ試験を行っているが、これに限定されるものではない。例えば、試料Sの弾性係数を算出するプログラムをROM25に格納しておき、試料Sに対する圧子3の押込中の押込深さを経時的に測定することにより、試料Sの弾性係数を測定することも可能である。その他、試料Sの密着力表面物性や対磨耗特性等の物性値も評価することができる。
Although the temperature control is performed by the
Moreover, in the said embodiment, although the
1 材料特性評価装置
2 試料台
3 圧子
6 ヒータ(加熱部)
7 温度センサ
9 変位計(押込深さ測定手段)
13 CPU(温度制御手段)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Material
7
13 CPU (temperature control means)
Claims (3)
前記試料を載置する試料台と、
前記試料台を加熱する加熱部と、
前記試料台における前記試料近傍の温度を検出する温度センサと、
前記温度センサの検出温度に基づいて、前記加熱部を制御して前記試料台の温度を制御する温度制御手段と、
を備え、
前記試料台は、セラミックスにより構成されていることを特徴とする材料特性評価装置。 A material property evaluation apparatus for forming a recess by pressing an indenter on a sample surface and evaluating a predetermined material property of the sample based on the recess,
A sample stage on which the sample is placed;
A heating unit for heating the sample stage;
A temperature sensor for detecting the temperature in the vicinity of the sample on the sample stage;
Temperature control means for controlling the temperature of the sample stage by controlling the heating unit based on the temperature detected by the temperature sensor;
With
2. The material property evaluation apparatus according to claim 1, wherein the sample stage is made of ceramics.
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2007047068A (en) * | 2005-08-11 | 2007-02-22 | Mitsutoyo Corp | Push-in testing machine, indentor shaft, and displacement measurement method |
JP2007183108A (en) * | 2006-01-04 | 2007-07-19 | Mitsutoyo Corp | Indenter shaft, and material testing machine |
JP2007218712A (en) * | 2006-02-16 | 2007-08-30 | Mitsutoyo Corp | Shift quantity estimation mechanism, sample measuring instrument and material tester |
JP2017223444A (en) * | 2016-06-13 | 2017-12-21 | 株式会社ミツトヨ | Hardness tester and hardness test method |
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