JP2005274217A - Micro-hardness tester - Google Patents

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JP2005274217A JP2004084932A JP2004084932A JP2005274217A JP 2005274217 A JP2005274217 A JP 2005274217A JP 2004084932 A JP2004084932 A JP 2004084932A JP 2004084932 A JP2004084932 A JP 2004084932A JP 2005274217 A JP2005274217 A JP 2005274217A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a micro-hardness tester having high resolution and a simple structure. <P>SOLUTION: The reflecting surface of a reflector 12 moving together with an indenter 11 is a curved surface. When the indenter 11 is moved by pressing onto a measuring object 30, a laser beam reflected by the reflecting surface is greatly swung. Hereby, even a slight movement of the indenter 11 can be detected largely. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、非常に薄い磁性膜等の硬さを測定したり、微小領域の硬さを測定したりするために用いられる微小硬度計に関する。   The present invention relates to a microhardness meter used for measuring the hardness of a very thin magnetic film or the like, or measuring the hardness of a microscopic region.

微小硬度計では、被測定物の表面に所定の荷重で圧子を押し込み、荷重と押し込み量(圧子の変位)の関係から、被測定物の硬さを求める。
非常に薄い膜や微小領域の硬さを測定する際、或いは非常に柔らかい材料の硬さを測定する際は、微小な圧子を被測定物に微小な荷重で押し込む。押し込み荷重が微小であることから、圧子の変位も非常に小さなものとなる。
被測定物に押し込んだ際の圧子の微小な変位を測定するためには、通常、測定光と参照光の干渉を利用する干渉型のレーザー変位計や、電極間の距離の変化に伴う静電容量の変化を利用する静電容量変位計が用いられる(特許文献1参照)。
In the micro hardness tester, an indenter is pushed into the surface of the object to be measured with a predetermined load, and the hardness of the object to be measured is obtained from the relationship between the load and the amount of pushing (displacement of the indenter).
When measuring the hardness of a very thin film or minute region, or when measuring the hardness of a very soft material, a minute indenter is pushed into the object to be measured with a minute load. Since the indentation load is minute, the displacement of the indenter is very small.
In order to measure the minute displacement of the indenter when it is pushed into the object to be measured, an interference-type laser displacement meter that normally uses the interference between the measurement light and the reference light, or the electrostatic force that accompanies changes in the distance between the electrodes. A capacitance displacement meter using a change in capacitance is used (see Patent Document 1).

特開2003-130774号公報JP 2003-130774 A

厚さ数μmの膜や大きさ数μmの微小領域の硬さの測定を行う場合、圧子の変位は数μm〜数百nmのオーダーとなる。また、そのようなオーダーの変位量で硬さを再現性良く測定するためには、その変位の更に百分の一程度のオーダーの分解能が要求される。しかし、干渉型のレーザー変位計や静電容量変位計を用いた場合、そのようなオーダーの変位を測定したり、更にはその百分の一の分解能を得ることは非常に困難である。
また、干渉型のレーザー変位計や静電容量変位計は構造が複雑であり、装置が高価であるという問題もある。
When measuring the hardness of a film having a thickness of several μm or a minute region having a size of several μm, the displacement of the indenter is on the order of several μm to several hundreds of nm. Further, in order to measure the hardness with such a displacement amount with good reproducibility, a resolution on the order of about one-hundredth of the displacement is required. However, when an interference type laser displacement meter or a capacitance displacement meter is used, it is very difficult to measure such a displacement or to obtain a resolution that is one hundredth of that.
In addition, the interference type laser displacement meter and the capacitance displacement meter have a complicated structure, and there is a problem that the apparatus is expensive.

本発明が解決しようとする課題は、数μm程度の厚さの膜や、同程度の大きさの領域の硬さを再現性良く測定することができるとともに、安価に製造することのできる微小硬度計を提供することである。   The problem to be solved by the present invention is that the hardness of a film having a thickness of about several μm or a region of the same size can be measured with good reproducibility and can be manufactured at a low cost. Is to provide a total.

上記課題を解決するために成された本発明は、圧子を被測定物に垂直に押し込むことにより該材料の硬さを測定する硬度計において、圧子に固定された曲面状の反射面を有する反射器と、反射器にビーム光を照射するための光源と、反射器で反射されたビーム光の位置を検出する検出器とを備えることを特徴とする。   In order to solve the above problems, the present invention provides a hardness meter that measures the hardness of a material by pushing the indenter vertically into an object to be measured, and has a reflective surface having a curved surface fixed to the indenter. And a light source for irradiating the reflector with the beam light, and a detector for detecting the position of the beam light reflected by the reflector.

被測定物の硬さを測定する際は、圧子を被測定物に垂直に押し込みつつ、ビーム光を反射器に照射する。反射器は曲面状の反射面を有しているため、圧子の押し込みにより反射器が変位すると、ビーム光の反射角が変化して、検出器におけるビーム光の検出位置が大きく変化する。従って、圧子の微小な変位も高精度に測定できるようになる。反射面の曲率を大きくすると、圧子の変位に対する反射面の傾きの変化がより大きくなるため、より高精度で硬さを測定することができるようになる。   When measuring the hardness of the object to be measured, the light beam is applied to the reflector while pushing the indenter vertically into the object to be measured. Since the reflector has a curved reflecting surface, when the reflector is displaced by pushing the indenter, the reflection angle of the beam light changes, and the detection position of the beam light in the detector changes greatly. Therefore, a minute displacement of the indenter can be measured with high accuracy. When the curvature of the reflecting surface is increased, the change in the inclination of the reflecting surface with respect to the displacement of the indenter becomes larger, so that the hardness can be measured with higher accuracy.

反射面の曲面形状としては、円筒形、球形等の形状を採用することができる。また、ビーム光の光源に向かって凹面としてもよい。反射器の大きさや反射面の曲率は、微小硬度計の測定範囲(圧子の押し込み深さの範囲)や所望の分解能に合わせて適宜設定する。反射器を大きくすると、大きな変位にも対応することができ、測定範囲を広げることができる。また、反射面に曲率の大きいものを用いると、圧子の変位による反射レーザー光の反射角度の変化が大きくなるため、より高分解能で測定することができる。   As the curved surface shape of the reflecting surface, a cylindrical shape, a spherical shape or the like can be adopted. Moreover, it is good also as a concave surface toward the light source of beam light. The size of the reflector and the curvature of the reflecting surface are appropriately set according to the measurement range (indentation depth range of the indenter) of the micro hardness tester and the desired resolution. When the reflector is enlarged, a large displacement can be dealt with and the measurement range can be expanded. In addition, when a reflective surface having a large curvature is used, the change in the reflection angle of the reflected laser light due to the displacement of the indenter becomes large, and therefore measurement can be performed with higher resolution.

本発明に係る微小硬度計は、圧子の僅かの変位をビーム光の振れ角により拡大して検出するため、微小硬さを高精度で測定することができる。しかも、その構造が単純であるため、従来の干渉型のレーザー変位計や静電容量変位計を用いた装置と比較して安価に製造することができる。   Since the micro hardness meter according to the present invention detects a slight displacement of the indenter by enlarging the deflection angle of the beam light, the micro hardness can be measured with high accuracy. In addition, since the structure is simple, it can be manufactured at a lower cost than a conventional apparatus using an interference type laser displacement meter or capacitance displacement meter.

また、反射器の反射面の曲率を大きくすることにより、圧子の押し込み量の変化に対するビーム光の反射角度の変化の割合を大きくすることができるため、より高精度の微小硬度計も容易に作製することができる。   In addition, by increasing the curvature of the reflecting surface of the reflector, the ratio of the change in the reflection angle of the beam light with respect to the change in the indenter pressing amount can be increased, so a highly accurate micro hardness tester can be easily manufactured. can do.

図1は、本発明の一実施例である微小硬度計の概略構成図である。本実施例の微小硬度計は、被測定物30に圧子11の押し込みを行う測定部10と、圧子11の押し込み量の解析や装置全体の動作の制御を行う制御部20を備える。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a micro hardness tester according to an embodiment of the present invention. The microhardness meter of the present embodiment includes a measuring unit 10 that pushes the indenter 11 into the object to be measured 30, and a control unit 20 that analyzes the amount of pushing of the indenter 11 and controls the operation of the entire apparatus.

測定部10は、圧子11、圧子11の背面に固定された反射器12、反射器12にレーザービームを照射するレーザー光源13、反射器12で反射されたレーザービームを集束させるレンズ14、反射レーザービームの位置を検出する検出器15等を備える。圧子11は圧子ベース17の下部に固定され、圧子ベース17はアクチュエータ18により上下される。レーザー光源13、集束レンズ14及び検出器15は、圧子ベース17に対して位置が固定されている。   The measuring unit 10 includes an indenter 11, a reflector 12 fixed to the back surface of the indenter 11, a laser light source 13 for irradiating the reflector 12 with a laser beam, a lens 14 for focusing the laser beam reflected by the reflector 12, a reflected laser A detector 15 for detecting the position of the beam is provided. The indenter 11 is fixed to the lower part of the indenter base 17, and the indenter base 17 is moved up and down by an actuator 18. The positions of the laser light source 13, the focusing lens 14, and the detector 15 are fixed with respect to the indenter base 17.

圧子ベース17を図2により詳しく説明する。圧子11は板バネ19を介して圧子ベース17に固定されている。板バネ19の中央長手方向には2本のスリット19aが設けられ、両スリット19aにより挟まれた弾性部19bの中央の下部に圧子11が固定されている。圧子11が固定された弾性部19bの真上には、反射器12が固定されている。反射器12の上面は、半円筒状の反射面となっている。圧子ベース17は、アーム部17aによりアクチュエータ18に水平な状態で取り付けられている。   The indenter base 17 will be described in detail with reference to FIG. The indenter 11 is fixed to the indenter base 17 via a leaf spring 19. Two slits 19a are provided in the longitudinal direction of the center of the leaf spring 19, and the indenter 11 is fixed to the lower part of the center of the elastic part 19b sandwiched between the two slits 19a. A reflector 12 is fixed immediately above the elastic portion 19b to which the indenter 11 is fixed. The upper surface of the reflector 12 is a semi-cylindrical reflecting surface. The indenter base 17 is attached to the actuator 18 in a horizontal state by an arm portion 17a.

アクチュエータ18は、圧子ベース17を垂直に上下させる機構の他、圧子ベース17に掛かる垂直方向の力を検出する力センサ(ロードセル)を備えている(図示せず)。圧子ベース17に掛かる力は、すなわち、圧子11による被測定物30への押し込み力である。この押し込み力の信号は、後述の制御装置21に送られる。   In addition to a mechanism for vertically moving the indenter base 17, the actuator 18 includes a force sensor (load cell) that detects a vertical force applied to the indenter base 17 (not shown). The force applied to the indenter base 17 is the pushing force of the indenter 11 onto the object to be measured 30. This pushing force signal is sent to the control device 21 described later.

レンズ14は、反射器12の円筒状の反射面に対応して、シリンドリカルレンズを用いる。なお、反射器12の反射面は半球状としてもよいが、その場合は凸形状のレンズを用いる。反射器12の反射面を凹面とした場合は、その凹面鏡によりレーザービームが検出器15上に集束するようにすれば、レンズ14を設ける必要がない。   The lens 14 uses a cylindrical lens corresponding to the cylindrical reflecting surface of the reflector 12. The reflecting surface of the reflector 12 may be hemispherical, but in that case, a convex lens is used. If the reflecting surface of the reflector 12 is a concave surface, the lens 14 need not be provided if the laser beam is focused on the detector 15 by the concave mirror.

本実施例では、検出器15として4分割フォトダイオードを使用する。なお、2分割フォトダイオード等、ビーム光の位置変化を検出できるものであれば他の光検出器でも本発明を実施することは可能である。圧子11の変位の測定の分解能を高めるために、検出器15は、反射器12との距離が十分長くなるように設置することが望ましい。圧子11が何も負荷を受けていない状態では、光源13から発射され、反射器12で反射されてレンズ14で集束されるレーザービームは4分割フォトダイオードのほぼ中央を照射するように、それらの位置関係が調整されている。   In this embodiment, a quadrant photodiode is used as the detector 15. It should be noted that the present invention can be implemented with other photodetectors as long as it can detect a change in the position of the beam light, such as a two-divided photodiode. In order to increase the resolution of the measurement of the displacement of the indenter 11, the detector 15 is desirably installed so that the distance from the reflector 12 is sufficiently long. In a state where the indenter 11 is not subjected to any load, the laser beam emitted from the light source 13, reflected by the reflector 12 and focused by the lens 14, irradiates almost the center of the quadrant photodiode. The positional relationship has been adjusted.

制御部20は、圧子11の動きを制御するとともに、圧子11の変位に関する信号と押し込み荷重に関する信号を検出器15及びアクチュエータ18から受け、硬さ値を算出する制御装置21、圧子の押し込み荷重等の測定条件等を入力したり、算出された硬さ値に関するデータ処理を行うパーソナルコンピュータ22、測定条件や測定結果等を表示するCRT23等を備える。   The control unit 20 controls the movement of the indenter 11, receives a signal related to displacement of the indenter 11 and a signal related to the indentation load from the detector 15 and the actuator 18, and calculates a hardness value, an indenter indentation load, and the like. A personal computer 22 for inputting the measurement conditions and the like and processing data on the calculated hardness value, and a CRT 23 for displaying the measurement conditions and measurement results.

本実施例に係る微小硬度計による硬さ測定の手順を示す。まず、xyz方向に移動可能な試料ステージ31に被測定物30を載置する。その後、制御装置21により試料ステージ31を移動させ、被測定物30の目的測定部位が圧子11の真下に位置するようにする。   The procedure of the hardness measurement by the microhardness meter according to the present embodiment is shown. First, the DUT 30 is placed on the sample stage 31 that can move in the xyz direction. Thereafter, the sample stage 31 is moved by the control device 21 so that the target measurement site of the object to be measured 30 is positioned directly below the indenter 11.

測定部位を定めた後、硬さの測定を開始する。まず、アクチュエータ18により、圧子11が被測定物30に接するまで圧子ベース17を降下させる。レーザ光源13、レンズ14及び検出器15は圧子ベース17に対して位置が固定されているため、圧子11が被測定物30に接するまでは検出器15の出力に変化はない。しかし、圧子11が被測定物30の表面に接触した時点で、被測定物30からの反力により圧子11が圧子ベース17に対して上方に変位し始める。従って、制御装置21は、反射器12が変位を開始した時点で、圧子11が被測定物30に接したことを検知する。この時点以降、制御装置21は圧子の降下速度を低速に変え、予め定められた荷重となるまで圧子11を被測定物30に押し込んでゆく。   After determining the measurement site, the measurement of hardness is started. First, the indenter base 17 is lowered by the actuator 18 until the indenter 11 contacts the object to be measured 30. Since the positions of the laser light source 13, the lens 14, and the detector 15 are fixed with respect to the indenter base 17, the output of the detector 15 does not change until the indenter 11 comes into contact with the object to be measured 30. However, when the indenter 11 comes into contact with the surface of the device under test 30, the indenter 11 starts to be displaced upward with respect to the indenter base 17 due to the reaction force from the device under test 30. Therefore, the control device 21 detects that the indenter 11 is in contact with the device under test 30 when the reflector 12 starts to be displaced. After this time, the control device 21 changes the indenter descending speed to a low speed and pushes the indenter 11 into the object to be measured 30 until a predetermined load is reached.

圧子11が被測定物30に接した後、被測定物30に押し込まれるにつれて、圧子11は被測定物30より反力を受け、板バネ19の弾性部19bは上方にたわんでゆく。これにより、反射器12が圧子ベース17に対して上方に移動することになるため、図3に示すように、レーザービームの反射面上での照射位置が変化する。なお、図3では被測定物30を基準として図を描いているため、圧子11及び反射器12の方が下方に移動するように描かれている。反射面が曲面であるため、このレーザービームの照射位置の変化は、反射されるレーザービームの方向の変化に大きく現れ、検出器15により高分解能で検出されるようになる。検出器15で検出されたレーザービームの照射位置の変化、すなわち、圧子の押し込み深さの信号は、アンプ16を介して制御装置21に送られる。   As the indenter 11 comes into contact with the object to be measured 30 and is pushed into the object to be measured 30, the indenter 11 receives a reaction force from the object to be measured 30, and the elastic portion 19b of the leaf spring 19 bends upward. As a result, the reflector 12 moves upward with respect to the indenter base 17, so that the irradiation position of the laser beam on the reflecting surface changes as shown in FIG. In FIG. 3, since the drawing is based on the device under test 30, the indenter 11 and the reflector 12 are drawn so as to move downward. Since the reflecting surface is a curved surface, the change in the irradiation position of the laser beam appears greatly in the change in the direction of the reflected laser beam and is detected by the detector 15 with high resolution. A change in the irradiation position of the laser beam detected by the detector 15, that is, a signal of the indentation depth of the indenter is sent to the control device 21 via the amplifier 16.

制御装置21では、検出器15から送られてくる圧子11の変位の信号と、アクチュエータ18から送られてくる圧子11の押し込み荷重の信号に基づき、例えば図4に示すような押し込み深さと押し込み力(試験力)の関係を表すグラフを作成し、これに基づいて被測定物30の硬さを決定する。なお、これはあくまで一例であり、その他の基準により硬さ値を決定するようにしてもよい。   In the control device 21, based on the displacement signal of the indenter 11 sent from the detector 15 and the push load signal of the indenter 11 sent from the actuator 18, for example, as shown in FIG. A graph representing the relationship of (test force) is created, and the hardness of the DUT 30 is determined based on the graph. This is merely an example, and the hardness value may be determined based on other criteria.

本発明の一実施例である微小硬度計の概略構成図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The schematic block diagram of the microhardness meter which is one Example of this invention. 圧子ベースの、(a)正面図、(b)平面図、及び、(c)側面図。(A) Front view, (b) Plan view, and (c) Side view of an indenter base. 硬さ測定時の圧子とレーザービームの変位の様子を表した説明図。Explanatory drawing showing the state of the displacement of the indenter and the laser beam during the hardness measurement. 圧子の押し込み深さと押し込み力(試験力)の関係を表すグラフの一例。An example of the graph showing the relationship between the indentation depth and indentation force (test force).

符号の説明Explanation of symbols

10…測定部
11…圧子
12…反射器
13…レーザー光源
14…集束レンズ
15…検出器
17…圧子ベース
18…アクチュエータ
19…板バネ
19a…スリット
19b…弾性部
20…制御部
30…被測定物
31…試料ステージ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Measuring part 11 ... Indenter 12 ... Reflector 13 ... Laser light source 14 ... Condensing lens 15 ... Detector 17 ... Indenter base 18 ... Actuator 19 ... Leaf spring 19a ... Slit 19b ... Elastic part 20 ... Control part 30 ... Measured object 31 ... Sample stage

Claims (3)

圧子を被測定物に垂直に押し込むことにより該被測定物の硬さを測定する硬度計において、
圧子に固定された曲面状の反射面を有する反射器と、反射器にビーム光を照射するための光源と、反射器で反射されたビーム光の位置を検出する検出器とを備えることを特徴とする微小硬度計。
In a hardness meter that measures the hardness of the measured object by pushing the indenter vertically into the measured object,
A reflector having a curved reflecting surface fixed to an indenter, a light source for irradiating the reflector with beam light, and a detector for detecting the position of the beam light reflected by the reflector. A micro hardness tester.
前記反射器の反射面が円筒形であることを特徴とする請求項1に記載の微小硬度計。   2. The micro hardness tester according to claim 1, wherein the reflecting surface of the reflector is cylindrical. 反射器で反射されたビーム光を検出器上に集束する光学素子を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の微小硬度計。   The microhardness meter according to claim 1 or 2, further comprising an optical element that focuses the beam light reflected by the reflector onto the detector.
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