JP2006145474A - 材料特性評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 硬さ試験等の材料特性評価における評価精度をより向上させることができる材料特性評価装置を提供する。
【解決手段】 試料Ｓ表面に圧子２の圧子先端部２０４を押込んでくぼみを形成させ、当該くぼみに基づいて試料の特性を評価する材料特性評価装置１００であって、圧子を試料表面に対して移動可能に支持するレバー３と、レバーを移動させる力を発生する電磁力発生部５と、レバーの傾斜を検出する傾斜計６と、傾斜計によって検出された傾斜に基づいて、圧子先端部が試料表面に対して垂直に押し込まれるように、電磁力発生部に力を発生させてレバーの姿勢を制御する姿勢制御部４１と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、試料に対して圧子を所定の試験力で押圧することに基づいて試料の材料特性を評価する材料特性評価装置に関する。

従来、レバーを揺動し、レバーに備えられた圧子により、試料表面に試験力を負荷することに基づいて、試料の材料特性を評価する材料特性評価装置があり、特に、材料特性としての硬さを評価する硬さ試験機が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この硬さ試験機は、圧子を試料に所定の試験力で押し込んだ時の押込深さ（変位）や生じた窪みの大きさを測定し、その試験力と測定した押込深さや窪みの大きさから硬さを算出したり、或いは、算出したデータをグラフ化して材料の強度特性を解析する試験機である。

硬さ試験機において、圧子を試料に押し込むための試験力負荷機構には、重錘により試験力を負荷する方式、ばねの変形により生じる試験力を負荷する方式、或いは電磁力による試験力を負荷する方式など、様々な試験力負荷方式が利用されている。
例えば、電磁力による試験力負荷方式を利用する硬さ試験機においては、直流磁界が形成された隙間に配設された電磁コイルに電流を供給することにより電磁力を発生する力発生部と、力発生部（電磁コイル）に電流を供給する電流調整部と、力発生部において発生した電磁力により支持部の回動軸を支点に回動するレバーと、このレバーの自由端部に備えられ、レバーの回動に伴い、試料を押圧する圧子等により構成されている。

そして、電磁コイルに流す電流量を調整すること等により所定の試験力（例えば、１００μＮ〜１００ｍＮ）を発生させることができる。即ち、この試験力負荷機構部においては、電流調整部が力発生部（電磁コイル）に電流を供給して発生した電磁力に基づく力がレバーを介して圧子に伝達され、圧子が試料表面に押し込まれるようになっている。
特開２０００−２８５０５号公報

しかしながら、圧子と力発生部とがそれぞれ独立して設けられており、力発生部で発生する試験力がレバーを介して圧子に伝達される構成であると、装置が大型になるとともに、微小な試験力（例えば、１００μＮよりも小さい試験力）の精度を維持することが困難であるという問題点があった。
また、材料特性評価装置の設置場所の傾斜に伴ってレバーが傾いている場合や、装置に外力が付与されレバーが振動している場合、圧子を試料表面に対して垂直方向に正確に押込むことができず、測定精度が低下してしまうという問題点があった。

そこで、本発明の課題は、硬さ試験等の材料特性評価における評価精度をより向上させることができる材料特性評価装置を提供することである。

上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、例えば、図１に示すように、
試料（Ｓ）表面に圧子（２）の先端部（例えば、圧子先端部２０４）を押込んでくぼみを形成させ、当該くぼみに基づいて試料の特性を評価する材料特性評価装置（１００）であって、
前記圧子を前記試料表面に対して移動可能に支持する支持部材（例えば、レバー３）と、
前記支持部材を移動させる力を発生する力発生部（例えば、電磁力発生部５）と、
前記支持部材の傾斜を検出する傾斜検出手段（例えば、傾斜計６）と、
前記傾斜検出手段によって検出された傾斜に基づいて、前記先端部が前記試料表面に対して垂直に押し込まれるように、前記力発生部に力を発生させて前記支持部材の姿勢を制御する姿勢制御手段（例えば、姿勢制御部４１）と、
を備えることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、例えば、図１に示すように、
試料（Ｓ）表面に圧子（２）の先端部（例えば、圧子先端部２０４）を押込んでくぼみを形成させ、当該くぼみに基づいて試料の特性を評価する材料特性評価装置（１００）であって、
前記圧子を前記試料表面に対して移動可能に支持する支持部材（例えば、レバー３）と、
前記支持部材を移動させる力を発生する力発生部（例えば、電磁力発生部５）と、
前記支持部材の振動を検出する振動検出手段（例えば、加速度センサ７）と、
前記振動検出手段によって検出された振動に基づいて、前記力発生部に力を発生させて前記支持部材を静止させるように制御する静止制御手段（例えば、静止制御部４２）と、
を備えることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、例えば、図１、図２に示すように、
試料（Ｓ）表面に圧子（２）の先端部（例えば、圧子先端部２０４）を押込んでくぼみを形成させ、当該くぼみに基づいて試料の特性を評価する材料特性評価装置（１００）であって、
前記圧子内に、
前記先端部に付与する静電力を発生させる静電力発生部（例えば、可動極板２０２、第１の固定極板２１１、第２の固定極板２２１）と、
前記静電力発生部によって発生した静電力を検出する静電力検出部（例えば、ピエゾ抵抗素子２０３）と、を備えるとともに、
前記静電力検出部によって検出された静電力に基づいて、前記静電力発生部によって発生する静電力をフィードバック制御する静電力制御手段（例えば、静電力制御部４３）を備えることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の材料特性評価装置であって、
前記静電力発生部は、
シリコン基板（２０）に形成され、弾性部（２０１）によって変位自在に支持される可動極板（２０２）と、
硝子基板（例えば、第１の硝子基板２１、第２の硝子基板２２）に形成され、前記可動極板と対面する位置に固定される固定極板（例えば、第１の固定極板２１１、第２の固定極板２２１）と、
を備え、
前記可動極板と前記固定極板との間に発生する静電力を前記先端部に付与することを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項４記載の材料特性評価装置であって、
前記可動極板と前記固定極板とによって形成され、前記先端部のくぼみ形成時における変位を検出する変位検出手段（例えば、変位センサａ）を備えることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項４又は５記載の材料特性評価装置であって、
前記先端部が、前記可動極板に形成されていることを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項３〜６の何れか一項に記載の材料特性評価装置であって、前記圧子内に、
温度を検出する温度検出部（例えば、温度センサ２０５）を備えるとともに、
前記温度検出部によって検出された温度を表示する表示部（９）と、
を備えることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、材料特性評価装置を設置する場所が傾斜している場合においても、支持部材の傾斜が検出され、検出された傾斜に基づいて、圧子の移動方向が試料表面に対して垂直になるように支持部材の姿勢が制御される。従って、先端部が常に正確に試料に押し込まれることとなって、材料特性評価の精度をより向上させることができる。

請求項２記載の発明によれば、材料特性評価装置に外力が付与され、支持部材が振動した場合、支持部材の振動が検出され、検出された振動に基づいて、支持部材が静止する。従って、外力の付与に影響を受けることなく材料特性評価を行うことができるので、評価精度をより向上させることができる。

請求項３記載の発明によれば、圧子の先端部に付与する試験力（静電力）を圧子内で発生させるとともに、発生した静電力に基づいて試験力をフィードバック制御する。従って、従来のように試験力をレバー（支持部材）を介して圧子に伝達する必要がないので、微小な試験力（例えば、１００μＮより小さい試験力）の精度を維持することができることとなって、評価精度をより向上させることができる。
また、静電力発生部が圧子内部に組み込まれているので、別途試験力を発生させる機器等を設ける必要がなくなり、装置のコンパクト化を図ることができる。

請求項４記載の発明によれば、請求項３記載の発明の効果が得られるのは無論のこと、特に、圧子が、可動極板及び固定極板を備え、可動極板と固定極板との間に発生した静電力が圧子の先端部に付与される。従って、従来のように、電磁力を発生させるための電磁コイルや磁石が必要なくなり、板形状の極板を備える構成によって試験力を発生させることができるので、試験力の発生源そのものを小型化し、圧子内に好適に組み込むことができる。

請求項５記載の発明によれば、請求項４記載の発明の効果が得られるのは無論のこと、特に、可動極板と固定極板とによって、先端部のくぼみ形成時における変位が検出される。従って、圧子内において先端部の変位が検出されることとなるので、変位を検出するための機器（例えば、変位計等）を別途設ける必要がなくなり、より一層装置のコンパクト化を図ることができる。

請求項６記載の発明によれば、請求項４又は５記載の発明の効果が得られるのは無論のこと、特に、先端部が可動極板により形成されている。従って、先端部に試験力としての静電力が直接付与されるので、試験力の精度維持を好適に行うことができる。

請求項７記載の発明によれば、請求項３〜６の何れか一項に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、圧子の温度検出部によって検出された温度が表示部に表示される。従って、試料の材料特性の温度依存性を知ることができ、材料特性評価をより好適に行うことができる。

以下、図面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、材料特性評価装置の全体構成を示す模式図、図２は、図１の材料特性評価装置の圧子の断面図、図３は、図１の材料特性評価装置の要部構成を示すブロック図、図４は、図２の圧子の製造工程を示す断面図である。

材料特性評価装置１００は、図１に示すように、例えば、試料Ｓを載置する試料台１と、試料Ｓにくぼみを形成する圧子２と、一端部３ａに圧子２が設けられ、圧子２を試料Ｓ表面に対して移動可能に支持する支持部材としてのレバー３と、各部の制御を行う制御装置４等を備えて構成されている。また、制御装置４には、レバー３の他端部３ｂに設けられた力発生部としての電磁力発生部５が接続されている。

先ず、圧子２について説明する。
圧子２は、図２に示すように、例えば、厚さ方向の中央に配置されたシリコン基板２０と、シリコン基板２０を上下両側から挟む硝子基板としての第１の硝子基板２１及び第２の硝子基板２２とにより構成されている。

シリコン基板２０の大部分は、シリコンからなる本体部２００によって構成されており、本体部２００には、弾性部２０１とこの弾性部２０１によって厚さ方向に変位自在に支持された平面視円形の可動極板２０２とがエッチング処理によって一体的に設けられている。

弾性部２０１は、可動極板２０２の周縁部に形成されている。この弾性部２０１は、可動極板２０２の周縁部における上側の表面と下側の表面とに上下２段に配設された梁から成っている。また、弾性部２０１は可動極板２０２の各表面よりも内側に窪んだ位置に配設されている。この弾性部２０１には、ピエゾ抵抗素子２０３が設けられている（後述）。

可動極板２０２の裏面部の略中央部には、試料Ｓ表面にくぼみを形成する先端部としての圧子先端部２０４が四角錘状に突出して形成されている。この圧子先端部２０４は、例えば、シリコン基板２０の酸化物により形成されている。

また、可動極板２０２の弾性部２０１近傍には、温度検出部としての温度センサ２０５が設けられている。この温度センサ２０５は、白金、バイメタル、銅―コンスタンタン等の金属薄膜が蒸着やスパッタリングによりパタンニングされることにより成膜されている。そして、この金属薄膜間の抵抗或いは電圧等を測定することにより、温度が検出できるようになっている。そして、検出された温度は、測定データの補正用のデータ等として利用される。
なお、図３に示すように、温度センサ２０５による温度検出信号は、温度検出用電極（図示省略）によって制御装置へ出力されるようになっている。

次に、圧子２を構成する第１の硝子基板２１及び第２の硝子基板２２について説明する。
第１の硝子基板２１において、可動極板２０２と対面する位置には、これと数ミクロンのギャップ（隙間）を確保して、固定極板としての第１の固定極板２１１が形成されている。この第１の固定極板２１１は、例えば、蒸着やスパッタリング等の方法によって形成されている。
第１の固定極板２１１が占める領域は、投影視において弾性部２０１及び可動極板２０２が占める領域と一致している。この第１の固定極板２１１と可動極板２０２とにより、第１のキャパシタが形成される。
なお、第１のキャパシタの静電容量（静電容量Ｃ１とする）は、第１の固定極板２１１から延出された静電容量検出用電極（図示省略）によって、制御装置４の材料特性評価部４４（図３参照）へ出力されるようになっている。この静電容量検出用電極は、例えば、シリコン基板２０内に形成され、電気的に分離された島部（図示省略）に延設されている。

図２に示すように、第２の硝子基板２２の略中央部には、貫通穴２２ａが形成されており、圧子先端部２０４が貫通するようになっている。
また、第２の硝子基板２２において、可動極板２０２と対面する位置には、これと数μｍのギャップを確保して、固定極板としての第２の固定極板２２１が形成されている。この第２の固定極板２２１も、例えば、蒸着やスパッタリング等の方法によって形成されている。
第２の固定極板２２１が占める領域は、投影視において弾性部２０１及び可動極板２０２が占める領域と一致している。この第２の固定極板２２１と可動極板２０２とにより、第２のキャパシタが形成される。また、第２の固定極板２２１の配置は、投影視において第１の固定極板２１１の配置と略一致している。
なお、第２のキャパシタの静電容量（静電容量Ｃ２とする）は、第２の固定極板２２１から延出された静電容量検出用電極（図示省略）によって、制御装置４の材料特性評価部４４（図３参照）へ出力される。この静電容量検出用電極は、例えば、シリコン基板２０内に形成され、電気的に分離された島部（図示省略）に延設されている。

そして、可動極板２０２、第１の固定極板２１１、第２の固定極板２２１は、静電力発生部として機能し、例えば、可動極板２０２に電源（図示省略）から所定の電圧が印加されることによって、可動極板２０２と第１の固定極板２１１及び第２の固定極板２２１との間に静電力が発生する。
また、このとき発生した静電力は、弾性部２０１に設けられている静電力検出部としてのピエゾ抵抗素子２０３によって検出されるようになっている。より具体的には、可動極板２０２と第１の固定極板２１１及び第２の固定極板２２１との間に発生した静電力によって、可動極板２０２が厚さ方向に変位し、この変位に伴って弾性部２０１が撓んだときの抵抗値の変化に基づいて、静電力が検出されるようになっている。
そして、図３に示すように、ピエゾ抵抗素子２０３によって検出された静電力検出信号は、静電力検出用電極（図示省略）によって制御装置４の静電力制御部４３（後述）へ出力される。

そして、可動極板２０２と、第１の固定極板２１１及び第２の固定極板２２１との間に発生する静電力によって、圧子先端部２０４に所定の試験力（例えば、１μＮ）が付与され、試料Ｓ表面に押圧されるようになっている。

また、可動極板２０２、第１の固定極板２１１、第２の固定極板２２１は、圧子先端部２０４のくぼみ形成時における変位を検出する変位検出手段としての変位センサａを形成する。ここでは、圧子先端部２０４の変位とは、くぼみ形成時における押込深さを指すものとする。
ここで、圧子先端部２０４のくぼみ形成時の押込深さについて説明する。
例えば、試料Ｓについて試験力１μＮで材料特性評価としての硬さ試験を行う場合、圧子先端部２０４が試料Ｓに押し込まれる直前には、可動極板２０２と第１の固定極板２１１及び第２の固定極板２２１との間に試験力１μＮに対応する静電力が発生し、可動極板２０２が弾性部２０１に拘束されながら厚さ方向に変位し、第１のキャパシタの静電容量Ｃ１と第２のキャパシタの静電容量Ｃ２とが相互に増減し、両者の静電容量差が変動する。

そして、圧子先端部２０４が試料Ｓ表面に押し込まれると、第１のキャパシタの静電容量Ｃ１及び第２のキャパシタの静電容量Ｃ２との差が、圧子先端部２０４が押し込まれた分だけさらに変動する。
従って、圧子先端部２０４が試料Ｓ表面に押し込まれたときの静電容量差の変動分から、圧子先端部２０４が試料Ｓ表面に押し込まれる前（即ち、試験力１μＮのみが圧子先端部２０４に付与されている状態）の静電容量差の変動分を差し引くと、圧子先端部２０４の押込深さとみなすことができる。

即ち、第１のキャパシタ（可動極板２０２及び第１の固定極板２１１から形成される）の静電容量Ｃ１と、第２のキャパシタ（可動極板２０２及び第２の固定極板２２１から形成される）の静電容量Ｃ２との容量差によって、圧子先端部２０４の押込深さが検出されるようになっている。従って、可動極板２０２、第１の固定極板２１１、第２の固定極板２２１は、変位センサａとして機能し、変位センサａと材料特性評価部４４とが、上記した静電容量検出用電極を介して接続されることとなる（図３）。

次に、圧子２の製造方法について説明する。圧子２は、例えば、マイクロマシニング技術を用いて製造する。
この圧子２を製造する工程においては、先ず、第１の硝子基板２１に第１の固定極板２１１を形成しておくとともに、第２の硝子基板２２の略中央部に貫通穴２２ａに形成し、第２の第２の固定極板２２１を形成しておく。なお、貫通穴２２ａの形成は、例えば、ドライエッチング処理等により行い、各固定極板の形成は、例えば、蒸着やスパッタリング等により行う。

先ず、図４（ａ）に示すシリコン基板２０の裏面部２０ｂに、圧子先端部２０４を形成させる（図４（ｂ））。具体的には、例えば、シリコン基板２０を熱酸化し、裏面部２０ｂ全域に酸化シリコンを成長させた後、ドライエッチング処理によって、四角錘状に形成させる。ドライエッチング処理においては、圧子先端部２０４の大きさに合わせて、反応ガスの種類や反応時間を適宜設定する。ここで、圧子先端部２０４は、第１の硝子基板２１の貫通穴２２ａを貫通したときに、第１の硝子基板２１から突出する長さになるように形成する。

次いで、シリコン基板２０に、弾性部２０１及び可動極板２０２を形成する。具体的には、例えば、シリコン基板２０の弾性部２０１及び可動極板２０２に対応するマスキングを施した後、シリコン基板２０にウエットエッチング処理により形成する（図４（ｃ））。
このとき、弾性部２０１にピエゾ抵抗素子２０３を、可動極板２０２に温度センサ２０５を、ぞれぞれ公知の方法によって形成する。

次いで、シリコン基板２０の表面部２０ａに、第１の固定極板２１１が形成されている第１の硝子基板２１を陽極接合するとともに、シリコン基板２０の裏面部２０ｂに、第２の固定極板２２１が形成されている第２の硝子基板２２を陽極接合する（図４（ｄ））。このとき、シリコン基板２０の圧子先端部２０４が、第２の硝子基板２２の貫通穴２２ａに貫通するように接合する。

次に、レバー３について説明する。
レバー３は、図１に示すように、例えば、装置本体（図示省略）に回動軸３ｃによって回動自在に軸支されている。このレバー３には、レバー３の傾斜を検出する傾斜検出手段としての傾斜計６と、レバー３の振動を検出する振動検出手段としての加速度センサ７とが設けられている。

傾斜計６は、レバー３の傾斜角度を検出する構成のものを用いる。
この傾斜計６は、例えば、図示しない振子、変位検出キャパシタ、コイル、モータ等を備えており、レバー３の傾斜によって振子が変位することにより、変位検出キャパシタの静電容量が変動し、この変位を相殺する電磁力を発生させるための電圧がモータのコイルに印加され、このコイルに流された電圧値に基づいて、傾斜角度が検出されるようになっている。なお、この検出された傾斜検出信号は、図３に示すように、制御装置４の姿勢制御部４１（後述）へ出力されるようになっている。

加速度センサ７は、例えば、材料特性評価装置１００に外力が付与されたときのレバー３の加速度を検出する。この加速度センサ７にも、例えば、傾斜計６のような静電容量変化に基づく構成のものを用いる。
なお、この加速度センサ７によって検出された加速度検出信号は、制御装置４の静止制御部４２（後述）へ出力されるようになっている。
なお、レバー３は、ユーザによる操作部８の操作によって、圧子２を試料Ｓ表面に向かって移動させることができるようになっている。

次に、制御装置４について説明する。
制御装置４は、図３に示すように、例えば、姿勢制御部４１と、静止制御部４２と、静電力制御部４３と、材料特性評価部４４等を備えている。これらの制御部は図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、増幅器、ＡＤ変換器等から構成され、各種プログラム、各種データ等が記憶されており、各種演算処理がなされるようになっている。また、この制御装置４には、操作部８及び表示部９とが接続されている。

姿勢制御部４１は、姿勢制御手段として機能し、例えば、傾斜計６によって検出されるレバー３の傾斜角度に基づいて、圧子先端部２０４が試料Ｓ表面に対して垂直に押し込まれるようにレバー３の姿勢を制御する。より具体的には、例えば、傾斜計６によって検出されるレバー３の傾斜角度を０度（即ち、レバー３と試料Ｓとが水平になる位置）にするための電磁力を電磁力発生部５に発生させる制御を行う。

静止制御部４２は、静止制御手段として機能し、例えば、加速度センサ７によって検出されるレバー３の加速度に基づいて、レバー３の振動を抑止させ、レバー３を静止させる制御を行う。より具体的には、例えば、検出されるレバー３の加速度を０にするための電磁力を電磁力発生部５に発生させる制御を行う。

静電力制御部４３は、操作部８（後述）と接続されており、ユーザによる操作部８の操作に基づいて、静電力を発生させる制御を行う。より具体的には、例えば、可動極板２０２に電源（図示省略）から電圧を印加させ、静電力を発生させる。
また、この静電力制御部４３は、静電力制御手段として機能し、例えば、ピエゾ抵抗素子２０３によって検出される静電力に基づいて、可動電極に所定の電圧を印加させるフィードバック制御を行う。より具体的には、例えば、１μＮの試験力を圧子先端部２０４に付与する場合には、予め設定されている１μＮの試験力に対応する静電力と、ピエゾ抵抗素子２０３によって検出される静電力との差が０になるように、電圧を印加させる。

材料特性評価部４４は、試料Ｓの材料特性（例えば、硬さ）を評価する。具体的には、例えば、図３に示すように、変位センサａによって検出された圧子先端部２０４のくぼみ形成時における押込深さ検出信号の入力に基づいて、第１のキャパシタの静電容量Ｃ１と第２のキャパシタの静電容量Ｃ２との容量差に基づいて圧子先端部２０４の押込深さを上述したように算出し、算出した押込深さと、ピエゾ抵抗素子２０３によって検出される静電力とに基づいて、硬さを算出する。

また、この材料特性評価部４４による評価結果は、表示部９へ出力されるようになっている。なお、材料特性評価部４４には、圧子先端部２０４によって形成されるくぼみの寸法算出や、試料Ｓの硬さ算出等の材料特性評価に関する各種プログラムや各種データ等が格納されている。
また、この材料特性評価部４４には、温度センサ２０５が接続されており、温度センサ２０５から出力される温度検出信号を材料特性とともに表示部９に表示させるようになっている。

操作部８は、例えば、キーボードやマウス等からなり、図３に示すように、静電力制御部４３に接続され、試料Ｓに負荷する試験力に関するコマンドを入力、或いは選択できるようになっている。
表示部９は、例えば、液晶モニタ等から構成されており、圧子先端部２０４の押込深さや、圧子先端部２０４に付与される試験力や、試料Ｓの硬さ等が表示されるようになっている。

次に、電磁力発生部５について説明する。
電磁力発生部５は、図１に示すように、例えば、レバー３の他端部３ｂに設けられており、磁界が形成された隙間に配設されたコイル（図示省略）等を備えて構成されている。そして、コイルに電源（図示省略）から電圧が印加されることによって、電磁力が発生しレバー３を移動させるようになっている。

より具体的には、例えば、制御装置４の姿勢制御部４１からの姿勢制御信号の入力に基づいて、レバー３を移動させて、圧子先端部２０４が試料Ｓ表面に対して垂直に押し込まれるように位置させるようにする。具体的には、例えば、レバー３の傾斜角度が０度（即ち、レバー３と試料Ｓとが水平になる位置）になるように制御を行う。
また、電磁力発生部５は、制御装置４の静止制御部４２からの静止制御信号の入力に基づいて、レバー３の外乱振動を相殺するための電磁力を発生させて、レバー３を静止させるようになっている。

次に、材料特性評価装置１００を用いて行う材料特性評価としての硬さ試験について説明する。
先ず、材料特性評価装置１００を基台（図示省略）上に設置し、試料台１に試料Ｓを載置する。このとき、基台が傾斜している場合、材料特性評価装置１００のレバー３も傾斜することになり、レバー３の傾斜角度が傾斜計６によって検出される。
次いで、傾斜計６から制御装置４の姿勢制御部４１へ傾斜検出信号が出力される。姿勢制御部４１は、傾斜検出信号の入力に基づいて、試料Ｓ表面に対してレバー３を水平にさせる（即ち、圧子２が試料Ｓ表面に対して垂直になるように位置させる）ための姿勢制御信号を電磁力発生部５へ出力する。電磁力発生部５は、姿勢制御信号の入力に基づいて、電磁力を発生させて、当該電磁力によりレバー３を移動させて、レバー３を試料Ｓ表面に対して水平とする。

また、基台を通じて外部からの振動が材料特性評価装置１００に伝わった場合には、加速度センサ７によってレバー３の加速度が検出される。
次いで、加速度センサ７から制御装置４の静止制御部４２へ加速度検出信号が出力される。静止制御部４２は、加速度検出信号の入力に基づいて、レバー３の加速度が０になるような静止制御信号を電磁力発生部５へ出力する。電磁力発生部５は、静止制御信号の入力に基づいて、レバー３の加速度を０にするための電磁力を発生させ、レバー３を移動させて、静止させる。

そして、ユーザによる操作部８の操作によって、圧子２を試料Ｓ表面近傍に移動させる。次いで、ユーザによって静電力制御部４３へ静電力発生指示が出力され、所定の試験力（例えば、１μＮ）に対応する静電力を圧子２の可動極板２０２と第１の固定極板２１１との間に発生させ、圧子先端部２０４に試験力として付与する。このとき、発生した静電力は、圧子２のピエゾ抵抗素子２０３によって検出され、静電力検出信号として静電力制御部４３へ出力される。静電力制御部４３は、静電力検出信号の入力に基づいて、常に正確に１μＮの試験力に対応する静電力を発生させるように電圧を印加しフィードバック制御を行う。
また、第１のキャパシタの静電容量Ｃ１と第２のキャパシタの静電容量Ｃ２は常時材料特性評価部４４に出力されその容量差が算出されているが、１μＮの試験力が圧子先端部２０４に付与されると、その容量差が変動する。
また、静電力検出信号は、材料特性評価部４４へ出力される。

次いで、圧子先端部２０４を試料Ｓ表面に押込んで、くぼみを形成させる。このとき、圧子先端部２０４が試料Ｓ表面に押し込まれることにより、第１のキャパシタの静電容量Ｃ１と第２のキャパシタの静電容量Ｃ２との容量差がさらに変動する。
そして、材料特性評価部４４において、圧子先端部２０４のくぼみ形成時における第１のキャパシタの静電容量Ｃ１と第２のキャパシタの静電容量Ｃ２との容量差の変動分から、押込前における容量差の変動分が差し引かれ、圧子先端部２０４の押込深さが算出され、硬さ算出に用いられる。

次いで、材料特性評価部４４において、ピエゾ抵抗素子２０３によって検出された静電力と、圧子先端部２０４の押込深さとに基づいて、試料Ｓの硬さが算出され、算出結果が表示部９に表示される。
また、この算出結果に対応付けて、圧子２の温度センサによって検出された温度を表示部９に表示させる。

以上説明した材料特性評価装置１００によれば、材料特性評価装置１００を設置する基台が傾斜している場合においても、レバー３の傾斜角度が検出され、検出された傾斜角度に基づいて、圧子先端部２０４が試料Ｓ表面に対して垂直になるようにレバー３の姿勢が制御される。従って、圧子２が常に正確に試料Ｓに押し込まれることとなって、硬さ試験の精度をより向上させることができる。

また、材料特性評価装置１００に外力が付与され、レバー３が振動した場合、加速度センサ７によってレバー３の加速度が検出され、検出された加速度を０にする電磁力が発生し、当該電磁力によってレバー３が静止する。従って、外力の付与に影響を受けることなく硬さ試験を行うことができるので、試験精度をより向上することができる。
また、圧子先端部２０４に付与する試験力（静電力）を圧子２内で発生させるとともに、発生した静電力に基づいて試験力をフィードバック制御する。従って、従来のように試験力をレバー３を介して圧子２に伝達する必要がないので、微小な試験力（例えば、１００μＮより小さい試験力）の精度を維持することができることとなって、試験精度をより向上させることができる。

また、圧子２が、可動極板２０２及び第１の固定極板２１１及び第２の固定極板２２１を備え、可動極板２０２と第１の固定極板２１１及び第２の固定極板２２１との間に発生した静電力が圧子先端部２０４に付与される。従って、従来のように試験力の発生源に電磁力を発生させるための電磁コイルや磁石が必要なくなり、板形状の極板を備える構成によって試験力を発生させることができるので、試験力の発生源そのものを小型化し、圧子２内に好適に組み込むことができる。

また、圧子２内に形成された変位センサａによって、圧子先端部２０４のくぼみ形成における押込深さが検出される。従って、圧子２内で圧子先端部２０４の押込深さが検出されることとなって、押込深さを検出するため機器（例えば、変位計等）を別途設ける必要がなくなり、より一層材料特性評価装置１００のコンパクト化を図ることができる。

また、圧子先端部２０４は、シリコン基板２０の酸化物により形成されている。従って、圧子先端部２０４に試験力としての静電力が直接付与されるので、試験力の維持を好適に行うことができる。

また、温度センサ２０５によって検出された試験時の温度が表示部９に表示される。従って、試料Ｓの材料特性の温度依存性を知ることができ、材料特性評価をより好適に行うことができる。-

なお、可動極板２０２における第１の硝子基板２１及び第２の硝子基板２２と対面する上下両側の表面には、ストッパをエッチング処理等により形成し、可動極板２０２が所定の振幅以上に亙って変位することを阻止する構成としてもよい。
また、ピエゾ抵抗素子２０３の形成位置は、弾性部２０１であればその如何を問わない。
また、温度センサ２０５の形成位置も、可動極板２０２に限定されるものではなく、例えば、第１の硝子基板２１に形成してもよい。

また、圧子先端部２０４は、シリコン基板２０の酸化物に限定されるものではなく、例えば、シリコン基板２０を直接加工すること等によって形成させてもよい。この場合は、圧子先端部２０４は、シリコン基板２０により形成されることとなる。
また、上記実施の形態においては、可動極板２０２と、第１の固定極板２１１及び第２の固定極板２２１との間に静電力が発生する構成を示したが、例えば、可動極板２０２と第１の固定極板２１１との間のみに静電力が発生する構成、或いは、可動極板２０２と第２の固定極板２２１との間のみに静電力が発生する構成としてもよい。
また、上記実施の形態においては、材料特性評価としての硬さ試験を示したが、硬さ以外の試料Ｓ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先端部２０４の押込深さに基づいて評価してもよい。

本発明にかかる材料特性評価装置の全体構成を示す模式図である。 図１の材料特性評価装置の圧子の断面図である。 図１の材料特性評価装置の要部構成を示すブロック図である。 図２の圧子の製造工程を示す断面図である。

符号の説明

２ 圧子
３ レバー（支持部材）
５ 電磁力発生部（力発生部）
６ 傾斜計（傾斜検出手段）
７ 加速度センサ（振動検出手段）
９ 表示部
２０ シリコン基板
２１ 第１の硝子基板（硝子基板）
２２ 第２の硝子基板（硝子基板）
４１ 姿勢制御部（姿勢制御手段）
４２ 静止制御部（静止制御手段）
４３ 静電力制御部（静電力制御手段）
１００ 材料特性評価装置
２０１ 弾性部
２０２ 可動極板（静電力発生部）
２０３ ピエゾ抵抗素子（静電力検出部）
２０４ 圧子先端部（先端部）
２０５ 温度センサ（温度検出部）
２１１ 第１の固定極板（固定極板、静電力発生部）
２２１ 第２の固定極板（固定極板、静電力発生部）
ａ 変位センサ（変位検出手段）
Ｓ 試料

Claims (7)

1. 試料表面に圧子の先端部を押込んでくぼみを形成させ、当該くぼみに基づいて試料の特性を評価する材料特性評価装置であって、
   前記圧子を前記試料表面に対して移動可能に支持する支持部材と、
   前記支持部材を移動させる力を発生する力発生部と、
   前記支持部材の傾斜を検出する傾斜検出手段と、
   前記傾斜検出手段によって検出された傾斜に基づいて、前記先端部が前記試料表面に対して垂直に押し込まれるように、前記力発生部に力を発生させて前記支持部材の姿勢を制御する姿勢制御手段と、
   を備えることを特徴とする材料特性評価装置。
2. 試料表面に圧子の先端部を押込んでくぼみを形成させ、当該くぼみに基づいて試料の特性を評価する材料特性評価装置であって、
   前記圧子を前記試料表面に対して移動可能に支持する支持部材と、
   前記支持部材を移動させる力を発生する力発生部と、
   前記支持部材の振動を検出する振動検出手段と、
   前記振動検出手段によって検出された振動に基づいて、前記力発生部に力を発生させて前記支持部材を静止させるように制御する静止制御手段と、
   を備えることを特徴とする材料特性評価装置。
3. 試料表面に圧子の先端部を押込んでくぼみを形成させ、当該くぼみに基づいて試料の特性を評価する材料特性評価装置であって、
   前記圧子内に、
   前記先端部に付与する静電力を発生させる静電力発生部と、
   前記静電力発生部によって発生した静電力を検出する静電力検出部と、を備えるとともに、
   前記静電力検出部によって検出された静電力に基づいて、前記静電力発生部によって発生する静電力をフィードバック制御する静電力制御手段を備えることを特徴とする材料特性評価装置。
4. 前記静電力発生部は、
   シリコン基板に形成され、弾性部によって変位自在に支持される可動極板と、
   硝子基板に形成され、前記可動極板と対面する位置に固定される固定極板と、
   を備え、
   前記可動極板と前記固定極板との間に発生する静電力を前記先端部に付与することを特徴とする請求項３記載の材料特性評価装置。
5. 前記可動極板と前記固定極板とによって形成され、前記先端部のくぼみ形成時における変位を検出する変位検出手段を備えることを特徴とする請求項４記載の材料特性評価装置。
6. 前記先端部が、前記可動極板に形成されていることを特徴とする請求項４又は５記載の材料特性評価装置。
7. 前記圧子内に、
   温度を検出する温度検出部を備えるとともに、
   前記温度検出部によって検出された温度を表示する表示部と、
   を備えることを特徴とする請求項３〜６の何れか一項に記載の材料特性評価装置。

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