JP2005331446A

JP2005331446A - マイクロ材料試験装置

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Publication number: JP2005331446A
Application number: JP2004151514A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Nagamura; 俊彦長村; Yoshimasa Isono; 吉正磯野
Original assignee: UNISOKU CO Ltd
Current assignee: UNISOKU CO Ltd
Priority date: 2004-05-21
Filing date: 2004-05-21
Publication date: 2005-12-02
Anticipated expiration: 2024-05-21
Also published as: JP4344850B2

Abstract

【課題】マイクロ材料の力学特性を引張り試験法により測定するマイクロ材料試験装置において、試験片に加える引張り荷重の大きさをより高精度に検出可能とする手段を提供する。
【解決手段】本マイクロ材料試験装置１は、試験片２に荷重を負荷する荷重負荷手段４と、該荷重負荷手段４によって負荷される荷重の大きさを検出する荷重検出手段５とを具備し、荷重負荷手段４が、試験片２の両端部をそれぞれ保持する一対のブロック体１２，１３と、該各ブロック体１２，１３を離間又は近接させることで試験片２に荷重を負荷する荷重負荷部材８と、各ブロック体１２，１３のうち一方のブロック体１２を移動不能に支持する支持部材９とを具備し、荷重検出手段５が、一方のブロック体１２に生じた歪を検出するカンチレバー機構２４であることを特徴とするものである。
【選択図】図５

Description

本発明は、マイクロ材料の機械的性質、例えばその力学的特性を高精度に測定するマイクロ材料試験装置に関するものである。

半導体加工技術の進歩により、マイクロマシン等に用いられる電子デバイスの高集積化、高性能化が進んでいるが、これに伴ってこれらマイクロデバイスの信頼性を向上するためには、その力学特性を高精度に測定評価することが重要である。又これらデバイスの保護膜や機能性薄膜として構成されるシリコン系マイクロ材料の力学特性を評価するには、そのデバイスの性質を微小寸法下で測定し、これによるデータを設計に適用する必要がある。しかし、このシリコン系マイクロ材料、例えば半導体シリコン系薄膜やダイヤモンドライクカーボン薄膜等は、寸法構成が極めて小さく、その力学特性を高精度に評価することは極めて難しい。

従来、マイクロ材料の力学特性を所謂引張り試験法により測定するマイクロ材料試験装置が提唱されている（特許文献１参照）。図１１は、従来例に係るマイクロ材料試験装置８０を示す概略斜視図である。図に示すように、マイクロ材料試験装置８０は、力学特性を測定すべき試験片８１が固着され、該試験片８１に引張り又は圧縮荷重を負荷する引張り試験機構８２と、荷重が負荷されることで前記試験片８１に生じる微小な歪を測定するための走査型プローブ顕微鏡８３と、を具備してなるものである。

図１２は、前記引張り試験機構８２を示す概略平面図である。図に示すように、引張り試験機構８２は、試験片８１を保持するためのチャック部８４と、該チャック部８４を介して試験片８１に引張り荷重や圧縮荷重を負荷する圧電素子アクチュエータ８５ａ，８５ｂと、試験片８１への引張り荷重の大きさを検出するロードセル８６とを備えている。ここで、圧電素子アクチュエータ８５ａはチャック部８４に超微動を与える微動用アクチュエータ、圧電素子アクチュエータ８５ｂはチャック部８４を大きく移動させる粗動用アクチュエータであって、試験片８１の力学特性又は測定目的に応じて使い分けるものとなっている。一方、前記走査型プローブ顕微鏡８３は、図１１に示すように、所謂原子間力顕微鏡であって、先端に探針８７が突設されたカンチレバー８８を備えてなり、探針８７を試験片８１の表面に渡って走査し、該探針８７と試験片８１との間に生じる原子間力を検出することにより試験片８１の表面の形状を精密に測定するものである。

試験片８１の測定に際しては、まず、試験片８１をチャック部８４に取り付け、圧電素子アクチュエータ８５ａ，８５ｂを操作してチャック部８４を移動させることにより、試験片８１に引張り荷重を負荷する。ここで、試験片８１の表面には、微小な格子状のラインパターン８９が形成されており、試験片８１に引張り荷重を負荷することでこのラインパターン８９が変化するものとなっている。このラインパターン８９の変化を走査型プローブ顕微鏡８３を用いて観察し、これにより試験片８１に生じた縦歪及び横歪を計測する。以上より、引張り荷重、縦歪、及び横歪を用いて試験片８１のヤング率及びポアソン比を算出することができる。

特開２００３−２０７４３２号公報

しかし、従来のマイクロ材料試験装置８０では、試験片８１に加えられる荷重の大きさを検出するためにロードセル８６が用いられているが、このロードセル８６は、歪ゲージの電気抵抗が歪に応じて変化することを利用したものであり、その検出感度は１．０グラムオーダ程度しかない。ここで、試験片８１の微小な縦歪及び横歪が、走査型プローブ顕微鏡８３を用いた観察によりナノメートルオーダで測定されることを考慮すれば、試験片８１の力学特性をより高精度に測定するためには、試験片８１に加える荷重の大きさをより高精度に検出することが必要とされる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、マイクロ材料の力学特性を引張り試験法により測定するマイクロ材料試験装置において、試験片に加える荷重の大きさをより高精度に検出可能とすることにより、試験片の力学特性をより高精度に測定可能とする手段を提供する。

上記目的を達成するための請求項１の発明は、測定すべき試験片に対して引張り又は圧縮荷重を負荷する荷重負荷手段と、該荷重負荷手段によって負荷される荷重の大きさを検出する荷重検出手段と、を具備してなるマイクロ材料試験装置において、前記荷重負荷手段が、前記試験片の両端部をそれぞれ保持する一対のブロック体と、該各ブロック体を離間又は近接させることで前記試験片に荷重を負荷する荷重負荷部材と、前記各ブロック体のうち一方のブロック体を移動不能に支持する支持部材と、を具備し、前記荷重検出手段が、前記一方のブロック体に生じた歪を検出するカンチレバー機構である。

請求項２の発明は、前記カンチレバー機構は、先端部を前記一方のブロック体の荷重負荷方向端縁に接触又は近接させて配置されたカンチレバー本体と、一端が前記カンチレバー本体の基端部に他端が前記支持部材にそれぞれ取り付けられた圧電素子アクチュエータと、前記カンチレバー本体の撓み量を検出する変位検出部と、前記カンチレバー本体の撓みを打ち消すように前記圧電素子アクチュエータに印加する電圧を制御するサーボ部と、を具備してなるものである。

請求項３の発明は、前記カンチレバー機構は、前記一方のブロック体に取り付けられた剛体と、基端部を前記支持部材に固定され先端部を前記剛体に接触又は近接させて配置されたカンチレバー本体と、一端が前記一方のブロック体に他端が前記剛体にそれぞれ取り付けられた圧電素子アクチュエータと、前記カンチレバー本体の撓み量を検出する変位検出部と、前記カンチレバー本体の撓みを打ち消すように前記圧電素子アクチュエータに印加する電圧を制御するサーボ部と、を具備してなるものである。

請求項４の発明は、前記荷重負荷手段が前記試験片に対して繰り返し荷重を負荷することによって、前記試験片の疲労強度を測定するものである。

本発明に係るマイクロ材料試験装置によれば、測定すべき試験片に対して引張り又は圧縮荷重を負荷する荷重負荷手段と、該荷重負荷手段によって負荷される荷重の大きさを検出する荷重検出手段と、を具備してなるマイクロ材料試験装置において、前記荷重負荷手段が、前記試験片の両端部をそれぞれ保持する一対のブロック体と、該各ブロック体を離間又は近接させることで前記試験片に荷重を負荷する荷重負荷部材と、前記各ブロック体のうち一方のブロック体を移動不能に支持する支持部材と、を具備し、前記荷重検出手段が、前記一方のブロック体に生じた歪を検出するカンチレバー機構なので、試験片に負荷された荷重の大きさを高精度に検出することができ、試験片の力学特性であるヤング率やポアソン比を高精度に測定することができる。

また、本マイクロ材料試験装置によれば、前記カンチレバー機構は、先端部を前記一方のブロック体の荷重負荷方向端縁に接触又は近接させて配置されたカンチレバー本体と、一端が前記カンチレバー本体の基端部に他端が前記支持部材にそれぞれ取り付けられた圧電素子アクチュエータと、前記カンチレバー本体の撓み量を検出する変位検出部と、前記カンチレバー本体の撓みを打ち消すように前記圧電素子アクチュエータに印加する電圧を制御するサーボ部と、を具備してなるので、圧電素子アクチュエータに電圧が印加されて伸縮することにより、カンチレバー本体の位置調整が行われて該カンチレバー本体の撓みが打ち消される。この時、打ち消しに要した電圧を、サーボ部の微小変位出力として測定することにより、カンチレバー本体の撓み量を電圧に変換して検出することができる。このように、印加する電圧当たりの変化量が非常に小さく高分解能な圧電素子を用いてカンチレバー本体の撓み量を測定したことにより、試験片に負荷した荷重の大きさをより高精度に検出することができる。従って、試験片の力学特性をより高精度に測定することができる。

また、本マイクロ材料試験装置によれば、前記カンチレバー機構は、前記一方のブロック体に取り付けられた剛体と、基端部を前記支持部材に固定され先端部を前記剛体に接触又は近接させて配置されたカンチレバー本体と、一端が前記一方のブロック体に他端が前記剛体にそれぞれ取り付けられた圧電素子アクチュエータと、前記カンチレバー本体の撓み量を検出する変位検出部と、前記カンチレバー本体の撓みを打ち消すように前記圧電素子アクチュエータに印加する電圧を制御するサーボ部と、を具備してなるので、圧電素子アクチュエータに電圧が印加されて伸縮することにより、カンチレバー本体の撓みを打ち消すように剛体の位置調整が行われる。この時、打ち消しに要した電圧を、サーボ部の微小変位出力として測定することにより、カンチレバー本体の撓み量を電圧に変換して検出することができる。このように、印加する電圧当たりの変化量が非常に小さく高分解能な圧電素子を用いてカンチレバー本体の撓み量を測定したことにより、試験片に負荷した荷重の大きさをより高精度に検出することができる。従って、試験片の力学特性をより高精度に測定することができる。

また、本マイクロ材料試験装置によれば、前記荷重負荷手段が前記試験片に対して繰り返し荷重を負荷することにより、試験片の疲労強度を測定することができる。

以下、本発明の実施例１に係るマイクロ材料試験装置について図面に基づいて説明する。図１は、本マイクロ材料試験装置１を示す概略斜視図である。図に示すように、マイクロ材料試験装置１は、測定すべき試験片２が載置される試料台３と、該試料台３上の試験片２に対して引張り又は圧縮荷重を負荷する引張り試験手段（荷重負荷手段）４と、該引張り試験手段４によって負荷される荷重の大きさを検出する微小荷重検出手段（荷重検出手段）５と、荷重が負荷された時に試験片２に生じる微小歪を測定するための走査型プローブ顕微鏡６と、を具備してなるものである。

図２乃至図４は、前記引張り試験手段４の構成を示す図であり、図２は概略平面図、図３は図２におけるＡ−Ａ断面を示す概略縦断面図、図４は図２におけるＢ−Ｂ断面を示す概略縦断面図である。図２に示すように、引張り試験手段４は、測定すべき試験片２が固定されて前記試料台３上に載置される一対のブロック体７と、該一対のブロック体７に対して引張り又は圧縮荷重を負荷する一対の荷重負荷用アクチュエータ（荷重負荷部材）８と、一対のブロック体のうち一方を移動不能に支持する支持部材９と、ブロック体７の移動距離を検出する移動距離検出センサ１０と、を備えてなるものである。

ブロック体７は、図２及び図３に示すように、略直方体の一端部に平面視が略Ｔ字型の段落ち部１１が形成されてなるベースブロック１２と、該ベースブロック１２の段落ち部１１の上面に載置されたＴブロック１３とからなるものである。ベースブロック１２には、その幅方向両端部に一対の横溝１４が形成されると共に、一方の横溝１４の端部から他方の横溝１４の端部に向かって縦溝１５が形成されている。横溝１４は、前記荷重負荷用アクチュエータ８を収容するためのものであり、ベースブロック１２の長辺に平行するようにそれぞれ形成されている。また、縦溝１５は、ベースブロック１２の中央部へ向かって逆コの字型に曲折して形成された曲折部１５ａと、該曲折部１５ａの両端からベースブロック１２の短辺に平行するように形成された直線部１５ｂとを有している。一方、Ｔブロック１３は、その横断面形状がベースブロック１２の段落ち部１１の平面形状より若干小さいＴ字型であって、その高さ寸法が段落ち部１１の高さ寸法と略等しいものである。このＴブロック１３は、図３に示すように、段落ち部１１の上面に、ベースブロック１２と所定間隔の隙間１６を空けて載置されている。この時、Ｔブロック１３の高さ寸法が段落ち部１１の高さ寸法と等しいため、Ｔブロック１３の上面とベースブロック１２の上面とは略面一となっている。

試験片２は、例えば半導体シリコン系薄膜等のマイクロ薄膜材料であって、図２に示すように、本実施例では縦５０μｍ×横１００μｍ×厚さ５μｍの薄膜の中央部に幅狭のブリッジ部１７を形成している。このブリッジ部１７には、微小な格子状のラインパターン１８が設けられており、このラインパターン１８の変化を前記走査型プローブ顕微鏡６で観察することにより、試験片２に生じた微小な歪を測定することが可能となっている。尚、図に詳細は示さないが、このラインパターン１８に替えて、ブリッジ部１７に、所定間隔をあけて２個のマークを設け、荷重負荷時における各マーク間の距離の変化を走査型プローブ顕微鏡６で観察することにより、試験片２の微小歪を測定することも可能である。

この試験片２は、図２に示すように、その一端部がベースブロック１２に、他端部がＴブロック１３にそれぞれ取り付けられている。より詳細に説明するに、図４に示すように、Ｔブロック１３の端部には、周囲より段落ちした取付段部１９が形成される一方、ベースブロック１２における前記曲折部１５ａを挟んだ両側にも、周囲より段落ちした取付段部２０，２１がそれぞれ形成されている。試験片２は、前記縦溝１５の曲折部１５ａ及び前記隙間１６を跨ぐようにして、横溝１４と平行して配置され、その一端部が取付段部１９の上面に、他端部が取付段部２１の上面にそれぞれ載置されている。この試験片２の両端部には、該試験片２の上面に当接するようにして鉤形の押圧部材２２がそれぞれ配設されており、該各押圧部材２２は、ネジ等の固定具２３によりベースブロック１２及びＴブロック１３にそれぞれ固定されている。これにより、固定具２３を締め付けることで該固定具２３によって試験片２は下方に押圧されて位置固定されるので、荷重負荷時に試験片２が位置ズレしないものとなっている。このようにして、試験片２は、ベースブロック１２及びＴブロック１３の厚み方向略中央部に配置され、その両端部がベースブロック１２及びＴブロック１３にそれぞれ固定されている。

荷重負荷用アクチュエータ８は、図に詳細は示さないが、チューブ状に積層された圧電変換素子に電極が設けられてなり、所謂圧電効果により、電圧が印加されることで伸縮するものである。この荷重負荷用アクチュエータ８は、図２及び図３に示すように、横溝１４の内部に配置され、その一端部が横溝１４の側壁に、他端部がＴブロック１３の側壁に接着剤等でそれぞれ固定されている。これにより、該荷重負荷用アクチュエータ８に電圧が印加されて伸縮すると、ベースブロック１２とＴブロック１３には、荷重負荷用アクチュエータ８の軸方向に沿って逆向きの力がそれぞれ作用する。この時、ベースブロック１２は、その一端部が支持部材９によって移動不能に支持されているので、Ｔブロック１３がベースブロック１２から遠ざかる方向又は近づく方向へ移動し、試験片２に対して引張り又は圧縮荷重が負荷されるものとなっている。また、荷重負荷用アクチュエータ８は、図３に示すように、その頂部がベースブロック１２の上面及びＴブロック１３の上面と同一平面上に位置するように配置されている。このように、荷重負荷用アクチュエータ８をベースブロック１２の内部に埋め込むようにして配設したことにより、ベースブロック１２及びＴブロック１３の厚み方向略中央部に配置された試験片２に対して、引張り又は圧縮荷重のみが負荷され、試験片２を上下方向に撓ませる荷重が負荷されにくくなっている。

尚、荷重負荷手段は、本実施例の引張り試験手段４に限られず、例えば、図に詳細は示さないが、２個のブロック部材で試験片２を両側から挟むと共に、一方のブロック部材における試験片２とは逆側の端部に圧電素子アクチュエータを当接させて配置し、該圧電素子アクチュエータに電圧を印加して伸縮させることにより、試験片２に対して圧縮力を負荷する構成としてもよい。

前記微小荷重検出手段５は、引張り試験手段４によって試験片２に負荷された荷重の大きさを検出するものであり、図５は、微小荷重検出手段５の構成を示す図である。図に示すように、微小荷重検出手段５は、ベースブロック１２に生じた微小な歪を検出するカンチレバー機構２４として構成されている。該カンチレバー機構２４は、先端部に突設された探針２５をベースブロック１２に接触させて配置されたカンチレバー本体２６と、該カンチレバー本体２６に生じる撓みを打ち消すための打消し用アクチュエータ（圧電素子アクチュエータ）２７と、カンチレバー本体２６の撓み量を検出して変位信号を発する変位検出部２８と、変位信号を増幅するアンプ２９と、増幅された変位信号に基づいて打消し用アクチュエータ２７に印加する電圧をフィードバック制御するサーボ部３０と、初期状態におけるベースブロック１２の位置調整を行うためのゼロ点調整用マイクロメータ３１と、を具備してなるものである。

カンチレバー本体２６は、荷重が負荷されることでベースブロック１２に生じる微小な歪を検知するためのものであり、図５に示すように、その先端部に先鋭な形状の探針２５が設けられている。このカンチレバー本体２６は、その基端部が打消し用アクチュエータ２７に取り付けられて片持ち支持されると共に、先端部の探針２５をベースブロック１２の荷重負荷方向端縁３２に接触させて配置されている。これにより、荷重が負荷されてベースブロック１２に歪が生じた時に、該ベースブロック１２に押圧されてカンチレバー本体２６には微小な撓みが生じるものとなっている。尚、本実施例ではカンチレバー本体２６の探針２５をベースブロック１２に接触させているが、探針２５をベースブロック１２の荷重負荷方向端縁３２に近接させて配置し、探針２５とベースブロック１２との間に作用する原子間力の変化によりカンチレバー本体２６に撓みが生じることを利用してもよい。

打消し用アクチュエータ２７は、カンチレバー本体２６に生じる撓みを打ち消すためのものである。該打消し用アクチュエータ２７は、前記荷重負荷用アクチュエータ８と同様の構成・機能を有するものであり、図５に示すように、荷重負荷方向と平行して配置され、その一端部が支持部材９に固定されると共に、他端部にカンチレバー本体２６が取り付けられている。この打消し用アクチュエータ２７に電圧を印加して伸縮させることにより、カンチレバー本体２６の位置を１ナノメートル以下から数マイクロメートルの範囲で調整してその撓み量を制御することが可能となっている。図６は、打消し用アクチュエータ２７の動作の一例を示す概略平面図である。図６（ａ）に示すように、例えば、ベースブロック１２に荷重が負荷されて歪が生じた場合、該ベースブロック１２に探針２５を接触させて配置されたカンチレバー本体２６にはｄｘだけの撓みが生じる。この時、図６（ｂ）に示すように、打消し用アクチュエータ２７は前記サーボ部３０の制御を受けてｄｘだけ縮み、カンチレバー本体２６がベースブロック１２から遠ざかる方向に移動することにより、該カンチレバー本体２６の撓みが打ち消されるものとなっている。

変位検出部２８は、カンチレバー本体２６の撓み量を検出するものである。この変位検出部２８は、図７に示すように、カンチレバー本体２６の表面に貼設された圧電抵抗薄膜３３、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、可変抵抗Ｒ３、及び電源３４によって所謂ウイーンブリッジを構成してなるものである。圧電抵抗薄膜３３は、圧電変換素子からなる薄膜状の部材であって、所謂ピエゾ抵抗効果により、応力を受けることで抵抗率が変化するものである。この圧電性抵抗薄膜３３をカンチレバー本体２６に貼設することで、カンチレバー本体２６に撓みが生じるとその撓み量に比例して圧電性抵抗薄膜３３の抵抗値が変化するものとなっている。ここで、カンチレバー本体２６の撓み量が０の状態、すなわち試験片２に負荷される荷重が０の状態において、変位電圧が０となるように可変抵抗Ｒ３の抵抗値を調整しておく。これにより、カンチレバー本体２６の撓み量を圧電性抵抗薄膜３３の抵抗変化として検出することが可能となっている。

図８は、他の実施例に係る変位検出部３５の構成を示す図である。図に示すように、変位検出部３５は、カンチレバー本体２６を振動させる励振用圧電体３６と、カンチレバー本体２６に取り付けられた圧電性薄膜３７と、該圧電性薄膜３７から発せられる変位信号を増幅するアンプ３８と、変位信号の周波数を測定する周波数検波部３９と、を具備してなるものである。励振用圧電体３６は、圧電変換素子からなる板状の部材であって、所謂逆圧電効果により、電圧が印加されることで振動するものである。この励振用圧電体３６がカンチレバー本体２６の基端部に取り付けられている。また、圧電性薄膜３７は、圧電変換素子からなる薄膜状の部材であって、所謂圧電効果により、応力を受けることで電圧が発生するものである。この変位検出部３５では、図８に示すように、励振用圧電体３６、圧電性薄膜３７、及びアンプ３８によって発振回路Ｃが構成されている。ここで、カンチレバー本体２６に撓みが生じると、圧電性薄膜３７から変位信号が発せられ、この変位信号がアンプ３８によって増幅されて励振用圧電体３６に加えられることにより、励振用圧電体３６がディレイ発振するものとなっている。一方、圧電性薄膜３７から発せられた変位信号は、周波数検波部３９によりその周波数が測定されるものとなっている。ここで、カンチレバー本体２６に撓みが生じると、その撓み量に応じて変位信号の周波数が変化するので、カンチレバー本体２６の撓み量を変位信号の周波数変化として検出することが可能となっている。

サーボ部３０は、カンチレバー本体２６の撓み量に基づいて、打消し用アクチュエータ２７に印加する電圧をフィードバック制御するものである。即ち、サーボ部３０は、図５に示すように、前記変位検出部２８，３５から発せられた変位信号に基づいて、カンチレバー本体２６の撓みを打ち消すように、打消し用アクチュエータ２７に印加する電圧を制御する。この時、打ち消しに要した電圧をサーボ部３０の変位出力として検出することにより、カンチレバー本体２６の撓み量を電圧に変換してナノメートルオーダで測定することができる。このカンチレバー本体２６の撓み量とカンチレバー本体２６のバネ定数から、試験片２に負荷された荷重の大きさを算出することができ、荷重の大きさをより高精度に測定することが可能となっている。

ゼロ点調整用マイクロメータ３１は、試験片２に荷重を負荷する前である初期状態において、カンチレバー本体２６の撓み量が０となるようにベースブロック１２の位置調整を行うためのものである。該ゼロ点調整用マイクロメータ３１は、図５に示すように、ベースブロック１２に当接して配置された支持部材９に設けられ、その操作により、ベースブロック１２の位置を荷重負荷方向に沿って微調整することが可能となっている。このように、初期状態におけるベースブロック１２の位置調整を行うのは、圧電変換素子の有するヒステリシス特性を補正するためである。即ち、打消し用アクチュエータ２７は圧電変換素子からなり、この圧電変換素子はヒステリシス特性、即ち、印加電圧の昇圧時と降圧時とで素子の変位特性が異なる性質を有している。このため、カンチレバー本体２６には、初期状態において位置ズレが生じる場合がある。本実施例では、この位置ズレを補正して、初期状態においてカンチレバー本体２６の撓み量が０となるようにベースブロック１２の位置調整を行うものとしている。

前記走査型プローブ顕微鏡６は、所謂原子間力顕微鏡であって、図１に示すように、基端部が片持ち支持され先端部に探針４０が突設されてなるカンチレバー４１と、探針４０をＸＹＺ軸方向に精密走査するスキャナ４２とを具備してなるものである。この走査型プローブ顕微鏡６では、探針４０が、スキャナ４２によって試験片２表面をＸＹ軸方向に走査され、この間、探針４０と試験片２との間に作用する原子間力が一定となるようにＺ軸方向への走査が制御される。この時、ＸＹ軸方向の位置に対応したＺ軸方向のフィードバック量をスキャナ４２の出力電圧として検出し、これを演算装置を介して３次元画像として画面上に出力することにより、試験片２表面の形状を超精密に測定することが可能となっている。この走査型プローブ顕微鏡６を用い、ここでは詳細な説明は省略するが、試験片２の表面に設けられたラインパターン１８の変化を観察することにより試験片２に生じた微小な歪を測定する。この結果に加え、前記微小荷重検出手段５による測定結果、即ち試験片２に負荷した荷重の大きさから、試験片２の力学特性であるヤング率やポアソン比を算出することが可能となっている。図９は、荷重検出手段５によって検出された荷重の大きさＰを縦軸に、走査型プローブ顕微鏡６で測定した試験片２の歪量εを横軸にとって両者の関係をグラフにしたものであり、この曲線の勾配ｄＰ／ｄεを求めることにより、試験片２のヤング率を求めることができる。

次に、本発明の実施例２に係るマイクロ材料試験装置について図面に基づいて説明する。図１０は、本実施例に係るマイクロ材料試験装置５０を示す概略平面図である。図に示すように、本マイクロ材料試験装置５０も、前記マイクロ材料試験装置１と同様に、引張り試験手段（荷重負荷手段）５１と微小荷重検出手段（荷重検出手段）５２とを備えてなるものであり、微小荷重検出手段５２がカンチレバー機構５３として構成されている。該カンチレバー機構５３は、ブロック体５４の一端部に取り付けられた剛体５５と、該剛体５５の微小な変位を検知するためのカンチレバー本体５６と、該カンチレバー本体５６に生じる撓みを打ち消すための打消し用アクチュエータ（圧電素子アクチュエータ）５７と、カンチレバー本体５６の撓み量を検出して変位信号を発する変位検出部２８，３５と、変位信号を増幅するアンプ２９と、増幅された変位信号に基づいて打消し用アクチュエータ５７に印加する電圧をフィードバック制御するサーボ部３０と、初期状態におけるベースブロック１２の位置調整を行うためのゼロ点調整用マイクロメータ３１と、を具備してなるものである。尚、図１０において図５と同じ構成については同じ符号を付し、ここでは詳細な説明は省略する。

より詳細に説明するに、図１０に示すように、棒状に形成された剛体５５は、荷重負荷方向と直交して配置され、その中央部に設けられた取付部５８においてブロック体５４に取り付けられている。また、カンチレバー本体５６は、基端部を前記支持部材９に固定されると共に、先端部に突設された探針５９を剛体５５に接触させて配置されている。また、一対の打消し用アクチュエータ５７が、荷重負荷方向と平行して配置され、一端部をブロック体５４の端部に形成された取付溝６１の側壁に、他端部を剛体５５の一端部に固定してそれぞれ設けられている。

このように構成されるマイクロ材料試験装置５０では、ブロック体５４に荷重が負荷されると、該ブロック体５４に歪が生じることで剛体５５が微小に変位し、該剛体５５に押圧されてカンチレバー本体５６には撓みが生じるものとなっている。このカンチレバー本体５６の撓み量が変位検出部２８，３５によって検出され、変位検出部２８，３５から発せられた変位信号がアンプ２９によって増幅される。サーボ部３０は、この増幅された変位信号に基づいて、カンチレバー本体５６の撓みを打ち消すように、各打消し用アクチュエータ５７に印加する電圧をフィードバック制御するものとなっている。ここで、本実施例の場合、各打消し用アクチュエータ５７に電圧が印加されて伸縮することにより、剛体５５の両端部に打消し用アクチュエータ５７の軸方向への力がそれぞれ作用し、剛体５５の位置が微調整される。これにより、カンチレバー本体５６と剛体５５との間の距離を調整して、カンチレバー本体５６に生じた撓みを打ち消すものとなっている。このようにして、カンチレバー本体５６の撓み量が一定に制御され、その打ち消しに要した電圧をサーボ部３０の変位出力として検出することにより、カンチレバー本体５６の撓み量を検出することが可能となっている。

以上述べたように、マイクロ材料試験装置１，５０によれば、試験片２に負荷する微小な荷重の大きさをカンチレバー本体２６，５６を用いて測定するものとし、該カンチレバー本体２６，５６の撓み量を検出するため、印加する電圧当たりの変化量が非常に小さく高分解能な圧電変換素子を用いて撓み量を電圧に変換して検出している。これにより、カンチレバー本体２６，５６の撓み量をナノメートルオーダで測定することができ、試験片２に負荷された荷重の大きさ、更には試験片２の力学特性であるヤング率やポアソン比をより高精度に測定することが可能となっている。また、実施例１及び２では、試験片２の力学特性の一例としてヤング率やポアソン比を求めたが、これに限られず、試験片２の疲労強度を求めることも可能である。この場合、荷重負荷手段４として、試験片２に対して引張り荷重を繰り返し負荷できるものを使用し、この荷重負荷手段４によって負荷される荷重の大きさを荷重検出手段５で測定すればよい。

本発明の実施例１に係るマイクロ材料試験装置１を示す概略斜視図。引張り試験手段４を示す概略平面図。図２におけるＡ−Ａ断面を示す概略縦断面図。図２におけるＢ−Ｂ断面を示す概略縦断面図。微小荷重検出手段５を示す概略平面図。打消し用アクチュエータ２７の動作の一例を示す概略平面図。変位検出部２８を示す模式図。他の実施例に係る変位検出部３５を示す模式図。試験片２に負荷された荷重の大きさＰと試験片２の歪量εの関係を示す図。本発明の実施例２に係るマイクロ材料試験装置５０を示す概略平面図。従来例に係るマイクロ材料試験装置８０を示す概略斜視図。引張り試験機構８２を示す概略平面図。

符号の説明

１，５０マイクロ材料試験装置
２試験片
４，５１引張り試験手段（荷重負荷手段）
５，５２微小荷重検出手段（荷重検出手段）
７，５４ブロック体
８荷重負荷用アクチュエータ（荷重負荷部材）
９支持部材
１２ベースブロック（一方のブロック体）
２４，５３カンチレバー機構
２６，５６カンチレバー本体
３２，６０荷重負荷方向端縁
２７，５７打消し用アクチュエータ（圧電素子アクチュエータ）
２８，３５変位検出部
３０サーボ部
５５剛体

Claims

測定すべき試験片に対して引張り又は圧縮荷重を負荷する荷重負荷手段と、該荷重負荷手段によって負荷される荷重の大きさを検出する荷重検出手段と、を具備してなるマイクロ材料試験装置において、
前記荷重負荷手段が、前記試験片の両端部をそれぞれ保持する一対のブロック体と、該各ブロック体を離間又は近接させることで前記試験片に荷重を負荷する荷重負荷部材と、前記各ブロック体のうち一方のブロック体を移動不能に支持する支持部材と、を具備し、
前記荷重検出手段が、前記一方のブロック体に生じた歪を検出するカンチレバー機構であることを特徴とするマイクロ材料試験装置。
前記カンチレバー機構は、先端部を前記一方のブロック体の荷重負荷方向端縁に接触又は近接させて配置されたカンチレバー本体と、一端が前記カンチレバー本体の基端部に他端が前記支持部材にそれぞれ取り付けられた圧電素子アクチュエータと、前記カンチレバー本体の撓み量を検出する変位検出部と、前記カンチレバー本体の撓みを打ち消すように前記圧電素子アクチュエータに印加する電圧を制御するサーボ部と、を具備してなることを特徴とする請求項１記載のマイクロ材料試験装置。
前記カンチレバー機構は、前記一方のブロック体に取り付けられた剛体と、基端部を前記支持部材に固定され先端部を前記剛体に接触又は近接させて配置されたカンチレバー本体と、一端が前記一方のブロック体に他端が前記剛体にそれぞれ取り付けられた圧電素子アクチュエータと、前記カンチレバー本体の撓み量を検出する変位検出部と、前記カンチレバー本体の撓みを打ち消すように前記圧電素子アクチュエータに印加する電圧を制御するサーボ部と、を具備してなることを特徴とする請求項１記載のマイクロ材料試験装置。
前記荷重負荷手段が前記試験片に対して繰り返し荷重を負荷することによって、前記試験片の疲労強度を測定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のマイクロ材料試験装置。