JP2005249590A

JP2005249590A - 特性評価試験装置

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Publication number: JP2005249590A
Application number: JP2004060671A
Authority: JP
Inventors: Yakichi Higo; 矢吉肥後
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-03-04
Filing date: 2004-03-04
Publication date: 2005-09-15

Abstract

【課題】汎用性を高めつつ、水平面上において安定させた状態での設置が困難なミクロンサイズの微小部材につき機械的特性を高精度に評価する。
【解決手段】ワークセット治具２２により支持されたミクロンオーダ供試体３１に接触可能なロッド２７と、このロッド２７が一端に取り付けられたアクチュエータ２５とを有し、そのアクチュエータ２５の伸縮によりロッド２７を介して供試体３１に水平方向の荷重を負荷し、また供試体３１に負荷された実荷重やその水平方向の変位量を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ミクロンサイズの供試体における機械的特性を評価する際に好適な特性評価試験装置に関する。

マイクロマシンやＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）デバイスに代表されるように、電子工学や機械工学を始めとしたあらゆる分野で機器の微小化が進められている。例えば、医療用に開発が進められているマイクロカテーテルやステントでは、部品の最小サイズがミクロンオーダになることが予測されている。またＭＥＭＳデバイスでは、シリコン基板上に薄膜を生成させ、それを選択エッチングや異方性エッチング等によって加工することにより微小可動部品を作製しているが、かかる薄膜の厚さは、通常約数μｍから数十μｍであることから、これらＭＥＭＳデバイスにおける部材のサイズもミクロンからサブミクロンオーダとなる。

このためＭＥＭＳデバイスでは、ミクロンサイズの微小部材で荷重を支持することになり、しかも可動部では繰り返し負荷を受けることになる。従って、マイクロマシン、或いはＭＥＭＳデバイスの設計を行い、またこれらの信頼性や耐久性を評価するためには、そのようなミクロンサイズ、或いはそれ以下のサブミクロンサイズの部品や材料に対して強度や靱性、更には疲労特性といった機械的性質を正確に評価する必要がある。

特に、これらデバイスを医療機器用の部品として適用する場合には、診断時や治療時にこれらが一部でも破壊された場合には、重大な医療事故を引き起こす要因ともなり得る。従って、ＭＥＭＳデバイスの信頼性や耐久性を評価することは極めて重要になる。

ところで、かかるミクロンオーダのサイズで構成される微小部材は、体積に対する表面積の比が極めて大きくなるとともに、材料のサイズが結晶粒径と同等のサイズになるため、通常のサイズで構成される部材と比較して機械的性質が大きく異なることが予想される。また、基板上に積層させた薄膜は、マクロサイズの材料とは製造方法も異なるため、膜の成長方向とそれに直交する方向との間で機械的特性が大きく異なることがあるため、製膜された基板自体につき力学的異方性が生じる可能性もある。

即ち、ミクロンサイズの微小部材の機械的性質を評価する場合には、マクロサイズの材料から測定した材料物性値をそのまま転用するのではなく、実際にミクロンサイズの微小試験片を作製し、これに対しての機械的強度や破壊靱性、疲労特性等を総合的に評価する必要がある。

これまでにも、このようなミクロンサイズの微小部材に対して機械的性質を計測する試験装置が提案されているが、力学物性値の基本である引張試験、信頼性評価に対して重要な役割を果たす破壊試験、耐久性を調べる疲労試験等、大型の万能試験機で可能な試験の全てを一つの試験装置で行うことができないという問題点があった。

また、上述したＭＥＭＳデバイスを高温環境下で用いる場合を想定した場合に、これらの信頼性や耐久性をかかる環境下で評価する必要が生じる。微小部材の高温特性を評価する場合には、例えば、図５に示すようないわゆる縦型の試験装置５の如く、評価対象としての微小部材５１を、熱伝導によりこれに熱を加えるヒータ５２の水平な設置面５２ａ上に設置し、またかかる設置面５２ａに対して鉛直方向に移動するアクチュエータ５３の先端に形成されたミクロンサイズの金属ロッド５３ａを介して微小部材５１を押圧するとともに、ヒータ５２の下方に設けられるロードセル５４により当該微小部材５１に負荷された実荷重を測定する。即ち、微小部材５１に対して鉛直方向から荷重を負荷しつつ、ヒータ５２を介して熱を加え続けることで、高温環境下における機械的特性を評価することができる。

しかし、微小部材５１に対して下方から熱を加える試験装置５では、ヒータから発せられる熱が空気中を介して下から上へ対流することになる。このため、あくまで熱伝導でのみ微小部材５１へ熱を加えることを想定しているにも拘わらず、上述した対流による熱も加わることになるため、負荷する金属製ロッド５３ａ自体が熱膨張する。よって、かかる微小部材５１の高精度な高温評価が困難になるという問題点があった。

また、例えば撓みのあるミクロンサイズの薄膜や繊維等のように水平面上において安定させた状態での設置が困難な微小部材も存在し、またこれら微小部材を無理に設置するために余計な微細加工や変形処理が施されることになれば、得られる機械的特性は、ＭＥＭＳデバイス等に適用する状態における機械的特性とかけ離れてしまうという問題点も生じる。即ち、ＭＥＭＳデバイスに適用する微小部材につき余計な変形処理や加工処理を施すことなく、できるだけそのままの状態で機械的特性を評価するためには、評価対象としての微小部材を上述した設置面５２ａ等の水平面上に設置する構成から脱却する必要がある。

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、水平面上において安定させた状態での設置が困難な微小部材に対して余計な処理を施すことなく機械的特性を評価し得る特性評価試験装置を提供することにあり、また、常温下における各種機械的性質のみならず高温環境下における特性も高精度に測定することができる汎用性の高い特性評価試験装置を提供することにある。

本発明者は、上述した課題を解決するために、支持されたミクロンオーダ供試体に接触可能な接触子と、この接触子が一端に取り付けられた圧電アクチュエータとを有し、その圧電アクチュエータの伸縮により接触子を介して供試体に水平方向の荷重を負荷し、供試体に負荷された実荷重やその水平方向の変位量を検出することにより、機械的特性を評価試験する特性評価試験装置を発明した。

即ち、本発明に係る特性評価試験装置は、ミクロンサイズの供試体の機械的特性を評価する特性評価試験装置において、供試体を支持する支持手段と、支持手段により支持された上記供試体に接触可能な接触子と、この接触子が一端に取り付けられた圧電アクチュエータとを有し、圧電アクチュエータの伸縮により接触子を介して供試体に水平方向の荷重を負荷する負荷手段と、負荷手段により供試体に負荷された実荷重及び／又は上記供試体における水平方向への変位量を検出する検出手段とを備える。

本発明に係る特性評価試験装置は、支持されたミクロンオーダ供試体に接触可能な接触子と、この接触子が一端に取り付けられた圧電アクチュエータとを有し、その圧電アクチュエータの伸縮により接触子を介して供試体に水平方向の荷重を負荷することにより、供試体に負荷された実荷重やその水平方向の変位量を検出する。

これにより、本発明に係る特性評価試験装置は、ミクロンサイズの微小部材の機械的性質をそのままのサイズ、形状を維持しつつ評価することができるため、マクロサイズの材料から測定した材料物性値をそのまま転用する場合と比較して、より高精度な特性評価を行うことができる。

また本発明に係る特性評価試験装置は、水平面上において安定させた状態での設置が困難な微小部材に対して余計な処理を施すことなく機械的特性を評価することができ、また、常温下における各種機械的性質のみならず高温環境下における特性も高精度に測定することができ、装置全体の汎用性を高めることが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態として、ミクロンサイズの供試体の機械的特性を評価する特性評価試験装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。

この特性評価試験装置１は、図１に示すように、特性評価試験装置１本体の各機構を支持するための台としての下部架台１１と、この下部架台１１上に除振台１３を介して設置される試験用ユニット１４とを備えている。

除振台１３は、床からの振動や、試験用ユニット１４を移動操作した際に生じる振動等を抑制するために配設される。この除振台１３は、下部架台１１上に着設させた複数の除振ゴム１３ａと、これら除振ゴム１３ａ上に架設されるベース１３ｂとを有し、床からの振動や、試験用ユニット１４を移動操作した際に生じる振動等を速やかに軽減させる。

試験用ユニット１４は、評価対象としての供試体３１を支持するともに、これを所定の測定位置へと移動させるためのセッティングユニット１５と、このセッティングユニット１５により支持された供試体３１に対して水平方向から荷重を負荷する荷重負荷ユニット１６と、上記測定位置を拡大して検視するための光学ユニット１７に詳細に分類される。

セッティングユニット１５は、ベース１３ｂ上に設置されたＸステージ１８と、このＸステージ１８上に設置されたＸＹステージ１９と、ＸＹステージ１９上に設置されたＺステージ２０と、Ｚステージ２０上に設置されたピエゾステージ２１と、ピエゾステージ２１上に設置され、上記供試体３１を設置するためのワークセット治具２２とを有している。

Ｘステージ１８は、ユーザによるハンドル２３の回転操作に応じて、供試体３１が設置されるワークセット治具２２等を水平方向に移動させる。供試体３１のワークセット治具２２への着脱操作を行う場合には、このハンドル２３を回転させることにより、これらＸＹステージ１９〜ワークセット治具２２を、図１中のスペースＨまで移動させてこれを実行する。このスペースＨでは、光学ユニット１７自体が障壁とならないため、供試体３１の着脱操作を容易に実行することができる。

ＸＹステージ１９は、Ｘステージ１８により測定位置へ接近させたワークセット治具２２の位置を互いに直交する水平方向へ手動で微調整するためのステージである。また、Ｚステージ２０は、鉛直方向に移動するステージであり、ワークセット治具２２の高さを手動で微調整するためのものである。ちなみに供試体３１における機械的特性の評価時には、かかる供試体３１の評価部分が後述する荷重負荷ユニット１６との間で適当な高さとなるようにこのＺステージ２０を介して調整されることになる。このＸＹステージ１９並びにＺステージ２０を設けることにより、供試体３１の位置合わせ精度を±０．５μｍ程度まで向上させることができる。

ピエゾステージ２１は、ワークセット治具２２の位置を、上述したＸＹステージ１９やＺステージ２０と比較してさらに細かいピッチで自動的に微調整するためのステージである。このピエゾステージ２１は、図示しないピエゾコントローラから供給される電気的な駆動信号に基づき制御されることになる。

ワークセット治具２２は、ミクロンサイズ、或いはサブミクロンサイズの供試体３１を支持し得る治具である。このワークセット治具２２は、荷重負荷ユニット１６により水平方向から荷重が与えられるように、当該荷重負荷ユニット１６に対向する位置でこれを支持する。ちなみに、この供試体３１の支持方法については、供試体３１の形状に応じて作製した試験片ホルダー上に設置してもよいし、またマイクロ接着によりこれを固定してもよい。

このワークセット治具２２を、供試体３１の加工、特性評価、評価後の観察までの一連の過程で共有させるようにしてもよい。これにより供試体３１をワークセット治具２２に一度取り付ければ、その後取り外すことなく全ての評価プロセスを実行することができるため、特にミクロンサイズに至る微小な供試体３１を評価する本発明において、迅速化、効率化を図ることが可能となる。

荷重負荷ユニット１６は、ベース１３ｂ上に設置された支持台２４と、支持台２４につき、上記セッティングユニット１５に対向する側面から突設されてなるアクチュエータ２５と、このアクチュエータ２５の伸縮方向の一端にロードセル２６を介して取り付けられたロッド２７を備え、さらに、この支持台２４上に設置された変位計２８と、この変位計２８上に設置された微調整部２９と、測定位置を上方から拡大観察するための観察用カメラ３０とを備えている。

アクチュエータ２５は、駆動信号に応じて長軸方向Ａ（水平方向）に伸縮する圧電素子を始めとした電気機械変換素子で形成された圧電アクチュエータである。このアクチュエータ２５は、ロッド２７を長軸方向Ａに対してナノオーダのストロークで移動させるいわゆる微動アクチュエータとして機能させることができ、変位分解能を５ｎｍ程度まで向上させることができる。ちなみに、圧電素子としては、圧電材料からなる多層構造のＰＺＴが用いられ、また上記駆動信号は、後述するパワーアンプ４４を介して供給されることになる。

このアクチュエータ２５を形成する圧電素子が伸張状態になる場合に、その先端に設けられたロッド２７が図２に示すように供試体３１を水平方向から押圧するように位置調整される。

ちなみに、このアクチュエータ２５では、圧電素子の代替として電磁力を用いたリニアモータ素子を駆動源として用いてもよい。しかし、あくまでかかる駆動源として圧電素子を利用することにより、かかるリニアモータ素子を駆動源とする場合に必須となる軸受等の構成要素を省略することができる。また軸受を構成要素とする場合に特有の問題点ともいえる埃の混入も生じなくなることから、ナノオーダの変位分解能まで要求される本発明において圧電素子を用いることは、特に有利となる。また、このアクチュエータ２５の駆動源として圧電素子を用いることにより、磁歪素子を用いる場合と比較して、各部品が磁気的な影響を受けることを防止することができる。

ロードセル２６は、図２に示すようにロッド当接面２６ａに固着されたロッド２７に対して供試体３１から与えられる荷重を感知し、これを電気信号に変換する。このロードセル２６として、いわゆる歪ゲージ型のロードセルを用いることにより、荷重分解能を１０μＮまで向上させることができ、供試体３１から与えられる僅かな荷重をも感知することができる。即ち、このロードセル２６は、アクチュエータ２５が伸張状態になる場合に、その先端に設けられたロッド２７により供試体３１を水平方向から押圧し、その結果供試体３１に負荷された実荷重を計測することができる。ちなみに、このロードセル２６は、この特性評価試験装置１により実行する機械的試験の種類に応じて、ワークセット治具２２側に取り付けるようにしてもよい。また、このロードセル２６においては、供試体３１の形状や種類に応じて圧電型に切り替えるようにしてもよい。

ロッド２７は、金属材料等を微細加工することにより作製され、例えば図２に示すように一端を先鋭化させた形状で構成され、他端をロッド当接面２６ａに配設可能な構成とされる。このロッド２７先端の形状は、ミクロンサイズの供試体３１に接触可能な形状や大きさになるように、通常、半径５μｍ程度の球状で構成されるが、これに限定されるものではなく、いかなる形状で構成してもよい。また、このロッド２７先端を加工する代わりに、例えば半径５μｍの球形ダイヤモンドチップを設け、これを介して供試体３１に荷重を負荷するようにしてもよい。さらに、この特性評価試験装置１により引張試験を行う場合には、ロッド２７先端にマイクロ接着、或いはマイクロピンを用いて供試体３１を固定するようにしてもよい。

変位計２８は、アクチュエータ２５先端に設けられたロッド２７における長軸方向Ａの変位を測定する。この変位計２８は、例えば光ファイバから出射された光をアクチュエータ２５の伸縮部分に設けられた反射板２８ａへ出射し、この反射板２８ａにより反射された光を受光することにより、伸縮により生じる変位を測定する。ちなみに、この変位計２８により、アクチュエータ２５におけるストローク精度を測定とともに、ストロークを制御する信号とすることができる。

微調整部２９は、測定位置へ接近させたロッド２７における長軸方向Ａの位置をユーザ自身が手動で微調整するためものである。即ち、このロッド２７に対する供試体３１の長軸方向の位置関係については、セッティングユニット１５におけるＸＹステージ１９と、この微調整部の双方で微調整することができる。

観察用カメラ３０は、測定位置を拡大観察するための高倍率なＣＣＤ(Charge Coupled Device)カメラである。この観察用カメラ３０は、図示しないランプにより測定位置にある供試体３１やロッド２７の先端を照明する。そしてこれら供試体３１やロッド２７先端からの戻り光で構成される像をレンズで拡大し、その拡大像をＣＣＤにより撮像する。ユーザは、この観察用カメラにより撮像された測定位置の拡大像を視認することにより、このロッド２７に対する供試体３１の位置関係や、供試体３１における水平方向の変位等をより詳細に確認することが可能となる。ちなみに、この観察用カメラ３０自身に対しても、これを水平方向、鉛直方向へ移動させるステージにより微調整するようにしてもよい。

光学ユニット１７は、上述した測定位置における鉛直方向からの拡大像を取得するための顕微鏡等で構成される。この光学ユニット１７を介して測定位置付近を観察する場合においても図示しないランプにより測定位置にある供試体３１やロッド２７先端を照明する。そしてこれら供試体３１やロッド２７先端からの鉛直方向への戻り光レンズで拡大し、さらにこの拡大像をＣＣＤにより撮像し、或いは接眼レンズを介して観察されることになる。

ちなみに、この光学ユニット１７は、あくまで測定位置を鉛直方向から撮像することとなるため、レンズやＣＣＤ等の構成をこの測定位置の真上に配設する必要がある。かかる場合において、この光学ユニット１７全体を、図示しないスタンドを介してセッティングユニット１５の背面から固定するようにしてもよい。

なお、この特性評価試験装置１では、室内の空気の流れによる荷重計測誤差を抑えるべく、試験用ユニット１４全体を風防箱の中に実装するようにしてもよい。また、この特性評価試験装置１は、微小荷重、微小変位を計測するため、温度や湿度に加えて、室内の埃が計測結果に大きく影響を与える可能性がある。このため、特性評価試験装置１自体を恒温、恒湿のクリーンルーム内に設置するようにしてもよい。

次に、本発明を適用した特性評価試験装置１における制御系の構成につき、図３を参照して詳細に説明する。

この特性評価試験装置１における制御系は、各特性評価試験装置１全体を制御するためのパーソナルコンピュータ（ＰＣ）４１と、少なくとも接続されたＰＣ４１と荷重負荷ユニット１６との通信を媒介するＰＣインターフェース４２と、ＰＣインターフェース４２に接続されるとともに、さらに荷重負荷ユニット１６における変位計２８からの信号出力を受信するフィードバック制御部４３と、このフィードバック制御部４３並びにアクチュエータ２５にそれぞれ接続されてなるパワーアンプ４４とを備えている。

ＰＣ４１は、特性評価試験装置１全体を制御するためのいわゆる中央制御装置としての役割を担い、各構成部によるＰＣインターフェース４２を介した要求に応じて、必要な情報信号を送信する。またこのＰＣ４１は、所望の情報を入力するためのキーボードやマウス等のユーザインターフェースが接続され、これらを介して、供試体３１に実際に荷重を負荷するにあたり必要な情報を入力することができる。このＰＣ４１は、荷重負荷ユニット１６により測定された供試体３１への実荷重や供試体３１の水平方向への変位につきＰＣインターフェース４２を介して受信し、これらを自身のメモリへそれぞれ格納するとともに、必要な場合には図示しないディスプレイ等の各種表示手段を介してこれらをユーザに表示する。更にＰＣ４１は、変位計２８により測定されたアクチュエータ２５、ロッド２７の変位や、アクチュエータ２５へ送信すべき駆動信号Ｊ１についても、同様にＰＣインターフェース４２を介して取得し、これを管理するとともにメモリへ格納する。

フィードバック制御部４３は、ＰＣ４１よりＰＣインターフェース４２を介して制御される。このフィードバック制御部４３は、ロードセル２６により検出された実荷重を表す荷重信号Ｓ１がＰＣインターフェース４２を経由して供給され、また変位計２８により測定されたアクチュエータ２５の変位も供給され、これらとＰＣ４１側において設定された目標値の偏差が解消される形となるようにフィードバック制御する。特にこのフィードバック制御部４３は、供試体３１の疲労特性を評価する場合に、アクチュエータ２５の変位や供試体３１に負荷した荷重をフィードバック制御する必要があるところ、これらが図３に示されるような閉ループで構成されることになる。なお、供試体３１から検出した水平方向の変位量をフィードバック制御する場合についても同様な閉ループを構成することにより実現することができる。

パワーアンプ４４は、フィードバック制御部４３によりフィードバック制御された荷重や変位量に応じた駆動信号Ｊ１が供給される。このパワーアンプ４４は、これら駆動信号Ｊ１を増幅し、これをアクチュエータ２５へ供給する。

次に、本発明を適用した特性評価試験装置１の動作につき説明をする。

この特性評価試験装置１により、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）デバイス等の可動部品に適用されるミクロンサイズの微小部材の曲げ特性を評価する場合には、先ず、図４に示すような形状の供試体３１を準備する。この供試体３１は、例えばＡｌ合金上に無電解めっきで生成させたＮｉ-Ｐアモルファス合金薄膜より集束イオンビーム加工機を用いて切り出したものであり、ＭＥＭＳデバイス等の稼動部品を模擬するために、長さ５０μｍ、幅（＝Ｂ）１０μｍ、厚さ（＝Ｗ）１２μｍの片持ち梁としている。

このような形状からなる供試体３１を、ワークセット治具２２の側面に取り付ける。この供試体３１のワークセット治具２２への取付操作は、図１に示すスペースＨで行われ、その後ハンドル２３の回転操作により当該スペースＨから測定位置へワークセット治具２２自体を近接させた上で、上述のＸＹステージ１９、Ｚステージ２０、ピエゾステージ２１により、ロッド２７先端を介して水平方向から図４の荷重点６１に荷重が加えられるように位置調整される。

次に、この供試体３１に対して実際に荷重を負荷する場合には、ＰＣ４１による制御に基づきその旨の情報信号が、ＰＣインターフェース４２を介してフィードバック制御部４３へ送信される。この情報信号を受けたフィードバック制御部４３は、それに応じた駆動信号Ｊ１を生成し、これをパワーアンプ４４へ出力する。この出力された駆動信号Ｊ１は、パワーアンプ４４により増幅されてアクチュエータ２５へ送信される。

アクチュエータ２５を形成する圧電素子は、かかる駆動信号Ｊ１に応じて長軸方向Ａへ伸張する。即ち、このアクチュエータ２５自身が伸張することにより、その先端に取り付けられたロッド２７を長軸方向Ａへナノオーダのストロークで移動する。また、このアクチュエータ２５並びにロッド２７の変位量については、変位計２８により順次検出される。この検出された変位量は、ＰＣ４１やフィードバック制御部４３等へ送信されることになる。

ロッド２７が徐々に長軸方向Ａへ移動し、その先端が供試体３１の荷重点６１に接触することにより、これに実荷重が負荷される。ちなみにアクチュエータ２５先端に取り付けられたこのロッド２７は、かかる荷重点６１への接触後においてもナノオーダのストロークで長軸方向Ａへ移動するため、供試体３１自身が弾性変形、塑性変形するとともに、実荷重が増加していくことになる。これら供試体３１における水平方向への変位量は、観察用カメラ３０により検出され、また実荷重はロードセル２６により随時検出される。

ちなみに、ロードセル２６により実荷重が検出された場合には、この検出した実荷重に応じた荷重信号Ｓ１が生成され、ＰＣインターフェース４２を介してＰＣ４１やフィードバック制御部４３へ送信されることになる。ＰＣ４１は、かかる荷重信号Ｓ１を介して供試体３１に負荷された実荷重や変位及びこれらを解析してこれをユーザに表示し、或いはこれをメモリに書き込むことで保存する。このときＰＣ４１は、得られた荷重信号Ｓ１から得られる波形を自動的に取り込み、これをメモリに保存するようにプログラミングされていてもよい。

このようにして、特性評価試験装置１では、片持ち梁状の供試体３１に対して負荷された実荷重、或いは供試体３１自身の水平方向への変位量を検出することができ、これを解析することにより曲げ特性を評価することができる。一般的に、ミクロンオーダのサイズで構成される微小部材は、体積に対する表面積の比が極めて大きくなるとともに、材料のサイズが結晶粒径と同等のサイズになるため、通常のサイズで構成される部材と比較して機械的性質が大きく異なる。しかしながら、この特性評価試験装置１は、ミクロンサイズの微小部材の機械的性質をそのままのサイズ、形状を維持しつつ評価することができるため、マクロサイズの材料から測定した材料物性値をこれに転用する場合と比較して、より高精度な特性評価を行うことができ、ひいてはＭＥＭＳデバイスの信頼性や耐久性を極めて正確に評価することができる。

特に、この特性評価装置１では、例えば撓みのあるミクロンサイズの薄膜や繊維等のように水平面上に載置する際に安定しない微小部材を上記供試体３１とする場合においても、これを荷重負荷ユニット１６に対向するワークセット治具２２側面で支持し、水平方向から荷重を負荷することができる。このため、供試体３１自身が水平面上において安定するか否かに拘わらず、より正確な荷重を負荷することができる。また、従来のように余計な微細加工や変形処理を施すことなく、できるだけそのままの状態で機械的特性を評価することができる。

なお、この特性評価試験装置１では、上述した荷重点６１に切欠を導入し、曲げ荷重を負荷して供試体３１を破壊することにより、破壊靱性を評価することもできる。

ちなみに供試体３１の引張特性を評価する場合においても同様のプロセスで実行することができる。かかる場合には、供試体３１の一端をロッド２７先端に固定し、他端をワークセット治具２２に固定する。そして、この供試体３１が固定されたロッド２７を長軸方向Ａと反対方向へ移動させることにより、これに引張応力を負荷することができる。

また、この特性評価試験装置１では、マイクロサイズの供試体３１における疲労特性をも評価することができる。

この疲労特性を評価する場合において、上述した図４に示される片持ち梁状の供試体３１をワークセット治具２２の側面に取り付け、ロッド２７先端を介して水平方向から図４の荷重点６１に荷重が加えられるように位置調整される。

この供試体３１に対して実際に繰り返し荷重を負荷する場合には、ＰＣ４１から周期的な正弦波信号等で表される情報信号を、ＰＣインターフェース４２を介してフィードバック制御部４３へ送信する。この情報信号を受けたフィードバック制御部４３は、かかる正弦波信号に応じた駆動信号Ｊ１を生成し、これをパワーアンプ４４へ出力する。この出力された駆動信号Ｊ１は、パワーアンプ４４により増幅されてアクチュエータ２５へ送信される。

アクチュエータ２５を形成する圧電素子は、かかる駆動信号Ｊ１に応じて長軸方向Ａへ伸縮する。即ち、このアクチュエータ２５自身を周期的に伸縮することにより、その先端に取り付けられたロッド２７自身も長軸方向Ａへナノオーダのストロークで繰り返し変位することになる。かかる状態においてロッド２７が供試体３１の荷重点６１に接触している場合には、これに繰り返し荷重又は変形を与えることが可能となる。

ちなみに、疲労特性の評価時においては、ロードセル２６により検出された実荷重示す荷重信号Ｓ１と、変位計２８により検出されたアクチュエータ２５の変位量がＰＣ４１、フィードバック制御部４３へ随時送信される。フィードバック制御部４３は、これら送信された荷重信号Ｓ１並びに変位量につきフィードバック制御した駆動信号Ｊ１生成する。この生成された駆動信号Ｊ１は、そのままアクチュエータ２５の伸縮に寄与することになる。

実際に、この特性評価試験装置１により、図４に示される供試体３１の荷重点６１に対して、深さ３μｍ、先端半径０．２５μｍの切欠を応力集中部として導入し、さらにこの荷重点６１に対してロッド２７を介して、周波数１０Ｈｚで、かつ±０．５μｍの繰り返し変位を与えたところ、０．７ｍＮを平均荷重として±０．２５ｍＮの実荷重をロードセル２６を介して検出できることが確認されている。また、疲労特性試験後の供試体３１は、切欠き先端よりき裂が進展しており、波面にはストライエーションが観察されたことから、疲労により供試体３１が破壊されたことを確認することができる。これは、特性評価試験装置１により、上述の如き動作を繰り返し実行することにより、ミクロンサイズに至る微小な供試体３１の疲労特性を評価することができることを意味している。

このように、本発明を適用した特性評価試験装置１は、力学物性値の基本である引張試験や曲げ試験、信頼性評価に対して重要な役割を果たす破壊試験、更には耐久性を調べる疲労試験等、大型の万能試験機で可能な試験の全てを行うことができ、汎用性を高めることができる。

なお、この特性評価試験装置１の評価対象としての供試体３１は、あくまで０．１μｍ〜１０μｍを想定しているが、かかる場合に限定されるものではなく、１ｍｍ以下のミクロンサイズであればよい。なお、本実施の形態でいうミクロンサイズとは、１μｍ以下のサブミクロンサイズをも含む概念である。

また、この特性評価試験装置１による供試体の評価例は上述の形態に限定されるものではなく、応力腐食試験や腐食疲労試験等を行うことができ、さらにワークセット治具２２や試験法の改良により、薄膜の接着強度の測定や微小アクチュエータの発生力の測定等への展開が可能となる。

またＭＥＭＳデバイスを高温環境下で用いる場合を想定した場合に、これらの信頼性や耐久性をかかる環境下で評価する必要が生じる。かかる場合には、例えば図２に示すようにワークセット治具２２につき、供試体３１が取り付けられる一側面に対して反対側の側面にホルダー取付面２２ａを設け、ここに図示しない加熱ホルダーを取り付けることにより、図中矢印方向の熱伝導のみに基づき供試体３１へ熱を加えることができる。図示しない加熱ホルダーから発せられる熱が空気中を介して下から上へ対流することになるが、かかるホルダー取付面２２ａを供試体３１及びロッド２７とほぼ同等の高さに設定しておくことで、対流による熱がこれに加わることがなくなり、またこれに伴うロッド２７の熱膨張を抑えることができる。このため、伝導により熱を加えつつ、水平方向から荷重を負荷することにより、高温環境下における機械的特性を正確に評価することができる。

また、このようなミクロンサイズの材料を強化する場合、従来のようにマイクロメータオーダでの材料強化機構を用いることができない。従って、強度、耐久性に優れるミクロンサイズの材料を開発するためには、ナノメータオーダに基づいた材料強化機構を案出する必要がある。特性評価試験装置１では、そのようなナノ構造を制御した微小材料の機械的性質を評価するための評価装置としても極めて有用である。

即ち、この特性評価試験装置１は、ＭＥＭＳデバイスの構成部材のみならず、ナノマテリアルの開発や極微電子デバイス等のナノテクノロジー技術の開発に対しても、極めて重要な役割を担うことができる。

本発明を適用した特性評価試験装置の構成につき示す図である。本発明を適用した特性評価試験装置における測定位置の詳細につき説明するための図である。本発明を適用した特性評価試験装置における制御系の構成につき説明するための図である。ミクロンサイズの微小部材の曲げ特性を評価する供試体の形状につき示す図である。従来の縦型の試験装置の問題点につき説明するための図である。

符号の説明

１特性評価試験装置、１１下部架台、１３除振台、１４試験用ユニット、１５セッティングユニット、１６荷重負荷ユニット、１７光学ユニット、１８Ｘステージ、１９ＸＹステージ、２０Ｚステージ、２１ピエゾステージ、２２ワークセット治具、２４支持台、２５アクチュエータ、２６ロードセル、２７ロッド、２８変位計、２９微調整部、３０観察用カメラ、３１供試体

Claims

ミクロンサイズの供試体の機械的特性を評価する特性評価試験装置において、
上記供試体を支持する支持手段と、
上記支持手段により支持された上記供試体に接触可能な接触子と、この接触子が一端に取り付けられた圧電アクチュエータとを有し、上記圧電アクチュエータの伸縮により上記接触子を介して上記供試体に水平方向の荷重を負荷する負荷手段と、
上記負荷手段により上記供試体に負荷された実荷重、及び／又は上記供試体における上記水平方向への変位量を検出する検出手段とを備えること
を特徴とする特性評価試験装置。