JP2006194605A - Mechanical characteristic calculating program and mechanical characteristic measuring instrument - Google Patents

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JP2006194605A JP2005003714A JP2005003714A JP2006194605A JP 2006194605 A JP2006194605 A JP 2006194605A JP 2005003714 A JP2005003714 A JP 2005003714A JP 2005003714 A JP2005003714 A JP 2005003714A JP 2006194605 A JP2006194605 A JP 2006194605A
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Keiko Kawahito
圭子 川人
Yoshinobu Momoi
義宣 桃井
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Panasonic Electric Works Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a mechanical characteristic calculating program capable of precisely calculating elastic modulus and yield stress even in a micro-displacement region, and a mechanical characteristic measuring instrument. <P>SOLUTION: The mechanical characteristic calculating program is set so as to allow a computer to perform a step S2 for inputting the measuring result of the load-displacement characteristics of a sample D measured by applying pressure to the sample D by a penetrator 1b, a step S3 for specifying the continuous region CA straddling an elastic region AEP of load-displacement characteristics and an elastoplastic region AEL, a step S5 for setting the initial value of the elastic modulus and yield stress of the sample D, a step S6 for calculating the load-displacement characteristics by forming the numerical value model of a measuring state containing the shape of the sample D and the shape of the penetrator 1b to perform dynamical simulation and steps S6, S7, S8 and S10 for calculating the elastic modulus and the yield stress by comparing the measuring result of the load-displacement characteristics and the result of the dynamical simulation to change the elastic modulus and the yield stress until becoming almost the same in the continuous region CA to perform convergence calculation. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、微小サイズの試料の弾性率と降伏応力を算出する微小部品の機械的特性算出プログラムと機械的特性計測装置に関するものである。   The present invention relates to a mechanical property calculation program and a mechanical property measurement apparatus for a micro component for calculating the elastic modulus and yield stress of a micro sample.

従来より、弾性率と降伏応力などの機械的特性を計測するために、引張試験機や硬度計が用いられてきた。引張試験機は、機械的特性を計測する対象の材料で試験片を作製し、その両端を引っ張ることにより機械的特性を計測するものである。また、微小硬度計は、計測対象の微小部品に圧子を押し込むことにより機械的特性を計測するものである。   Conventionally, tensile testers and hardness meters have been used to measure mechanical properties such as elastic modulus and yield stress. The tensile testing machine measures a mechanical property by producing a test piece from a material to be measured for a mechanical property and pulling both ends thereof. The micro hardness meter measures mechanical characteristics by pushing an indenter into a micro part to be measured.

近年、装置の小型化、薄型化及びマイクロマシンの開発などにより、微小部品の機械的特性を計測する必要性が増してきている。しかしながら、上述の引張試験機を、微小部品の機械的特性の計測に用いようとすると、試料として微小な試験片を作製する必要があり、微小で壊れやすい試験片を引張試験機に取り付ける際に破壊したり、試験片の軸と引張の軸が一致せずに応力が加えられるなどの問題がある。特許文献１に示すように、この問題点について改善したものも存在するが、試験片を指定の材料試験デバイスに加工する必要があり、単結晶シリコンのようなエッチングによる加工が可能である材料でなければ、適用することが難しい。さらに、微小部品の機械的特性は、製造方法や製造条件で大きく変化することが知られており、機械的特性を知りたい使用状態以外の形状にして計測することは困難である。   In recent years, the necessity of measuring the mechanical characteristics of minute parts has increased due to the downsizing and thinning of devices and the development of micromachines. However, if the above-described tensile tester is used to measure the mechanical properties of micro parts, it is necessary to prepare a micro test piece as a sample, and when attaching a micro and fragile test piece to the tensile test machine. There are problems such as failure, and stress is applied because the axis of the specimen does not coincide with the axis of tension. As shown in Patent Document 1, there is an improvement on this problem, but it is necessary to process a test piece into a specified material test device, and it is a material that can be processed by etching such as single crystal silicon. Without it, it is difficult to apply. Furthermore, it is known that the mechanical characteristics of microparts vary greatly depending on the manufacturing method and manufacturing conditions, and it is difficult to measure in a shape other than the usage state in which the mechanical characteristics are desired.

一方、微小硬度計を用いた計測では、微小部品を圧子により直接に変位させるので、微小部品そのものの荷重−変位特性を得ることができる。このようにして実測した荷重−変位特性から降伏応力や加工硬化係数などの機械的特性を得る技術は、例えば特許文献２に記載されている。
特開平９−２１８１４２号公報 特開平９−２８８０５０号公報 On the other hand, in the measurement using the micro hardness meter, the micro part is directly displaced by the indenter, so that the load-displacement characteristic of the micro part itself can be obtained. A technique for obtaining mechanical characteristics such as yield stress and work hardening coefficient from the load-displacement characteristics actually measured in this manner is described in Patent Document 2, for example.
JP-A-9-218142 JP-A-9-288050

しかしながら、特許文献２に記載された技術では、荷重−変位特性にフィッティングする二次関数の係数と機械的特性とを対応付けたデータベースを用いて、荷重−変位特性から上述の機械的特性を導出している。そのため、結果的に降伏応力が一定となったところで荷重−変位特性とフィッティングすることになる。しかしながら、微小変位の領域では、降伏応力の値が変位によって変化するので、特許文献２に記載された技術では、精度よく機械的特性を得ることができない。   However, in the technique described in Patent Document 2, the above-described mechanical characteristics are derived from the load-displacement characteristics using a database in which the coefficient of the quadratic function fitting to the load-displacement characteristics is associated with the mechanical characteristics. is doing. Therefore, as a result, when the yield stress becomes constant, the fitting with the load-displacement characteristic is performed. However, since the value of the yield stress varies depending on the displacement in the minute displacement region, the technique described in Patent Document 2 cannot obtain the mechanical characteristics with high accuracy.

本願発明は、上述のような課題を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、微小部品の微小変位領域においても弾性率と降伏応力とを精度よく算出できる機械的特性算出プログラムと機械的特性計測装置を提供することにある。   The present invention has been made in consideration of the above-described problems, and the object of the invention is a mechanical property calculation program capable of accurately calculating an elastic modulus and a yield stress even in a minute displacement region of a minute part. And providing a mechanical characteristic measuring apparatus.

上述の課題を解決するため、請求項１に係る発明は、圧子により試料に圧力をかけて計測した試料の荷重−変位特性の計測結果を入力するステップと、前記荷重−変位特性の弾性領域と弾塑性領域にまたがる連続領域を特定するステップと、前記試料の弾性率と降伏応力との初期値を設定するステップと、前記試料の形状と圧子の形状を含む計測状態の数値モデルを生成して力学的シミュレーションを行うことにより荷重−変位特性を求めるステップと、荷重−変位特性の計測結果と前記力学的シミュレーションの結果とを比較して前記連続領域において略同一となるまで弾性率と降伏応力を変化させて収束計算を行い、弾性率と降伏応力を求めるステップとをコンピュータに行わせる機械的特性算出プログラムとしている。   In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 1 includes a step of inputting a measurement result of a load-displacement characteristic of a sample measured by applying pressure to the sample with an indenter, an elastic region of the load-displacement characteristic, Generating a numerical model of a measurement state including a step of specifying a continuous region extending over an elasto-plastic region, a step of setting initial values of elastic modulus and yield stress of the sample, and a shape of the sample and a shape of an indenter. The step of obtaining the load-displacement characteristic by performing a mechanical simulation, and the measurement result of the load-displacement characteristic and the result of the mechanical simulation are compared, and the elastic modulus and the yield stress are obtained until they are substantially the same in the continuous region. It is a mechanical characteristic calculation program that causes a computer to perform convergence calculation by changing the value and calculate the elastic modulus and yield stress.

したがって、弾性率と降伏応力の影響が共に現れる弾性領域と弾塑性領域にまたがる連続領域において、押し込み試験により得られた荷重−変位特性の計測結果と計測状態の数値モデルによる力学的シミュレーションにより得られた荷重−変位特性とを比較し、弾性率と、降伏応力を変化させつつこれらの荷重−変位特性が略同一になるまで収束計算を行うので、微小変位領域においても弾性率と降伏応力とを精度よく算出することができる。また、押し込み試験により荷重−変位特性を用いるので、計測のために試料を作成することなく微小部品そのものの状態で弾性率と降伏応力とを精度よく算出することができる。   Therefore, in the continuous region spanning the elastic region and the elasto-plastic region where both the elastic modulus and the yield stress affect both, the measurement results of the load-displacement characteristics obtained by the indentation test and the mechanical simulation using the numerical model of the measured state are obtained. The load-displacement characteristics are compared, and the convergence calculation is performed until the load-displacement characteristics are substantially the same while changing the elastic modulus and yield stress. It can be calculated with high accuracy. In addition, since the load-displacement characteristic is used by the indentation test, the elastic modulus and yield stress can be accurately calculated in the state of the micropart itself without preparing a sample for measurement.

請求項２に係る発明は、請求項１記載の機械的特性算出プログラムにおいて、前記連続領域は、荷重−変位特性において変位が大きくなるにつれ弾性領域から弾塑性領域に変化する領域を用いることを特徴としている。   The invention according to claim 2 is the mechanical property calculation program according to claim 1, wherein the continuous region uses a region that changes from an elastic region to an elastic-plastic region as the displacement increases in the load-displacement property. It is said.

したがって、変位が大きくなるにつれ弾性領域から弾塑性領域に変化する領域は、弾性領域と弾塑性領域にまたがる連続領域のうち最小のものであるので、最小の変位領域における弾性率と降伏応力とを求めることができる。   Therefore, the region that changes from the elastic region to the elastoplastic region as the displacement increases is the smallest of the continuous regions that span the elastic region and the elastoplastic region, so the elastic modulus and yield stress in the smallest displacement region are Can be sought.

請求項３に係る発明は、請求項１記載の機械的特性算出プログラムにおいて、前記連続領域は、荷重−変位特性において負荷状態の弾塑性領域から除荷状態の弾性領域に変化する領域を用いることを特徴としている。   The invention according to claim 3 is the mechanical property calculation program according to claim 1, wherein the continuous region uses a region that changes from an elastic-plastic region in a loaded state to an elastic region in an unloaded state in a load-displacement characteristic. It is characterized by.

したがって、負荷状態から除荷状態に転換する変位を変化させることにより、任意の変位領域を弾性領域と弾塑性領域にまたがる連続領域とすることができるので、任意の変位における弾性率と降伏応力とを求めることができる。   Therefore, by changing the displacement that changes from the loaded state to the unloaded state, the arbitrary displacement region can be made a continuous region that spans the elastic region and the elastic-plastic region. Can be requested.

請求項４に係る発明は、試料を固定する固定部と、試料の一部に接触可能な圧子と、圧子を試料方向に移動させる駆動部と、圧子に加わる荷重を計測する荷重センサと、圧子の変位を計測する変位計測部と、駆動部を制御する制御部とを有し、荷重−変位特性を取得する特性計測部と、請求項１乃至３のいずれかに記載の機械的特性算出プログラムにより弾性率と降伏応力とを求める特性算出部と、を備える機械的特性計測装置としている。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a fixing unit for fixing a sample, an indenter capable of contacting a part of the sample, a driving unit for moving the indenter toward the sample, a load sensor for measuring a load applied to the indenter, and an indenter A mechanical property calculation program according to any one of claims 1 to 3, further comprising: a displacement measurement unit that measures the displacement of the motor; a control unit that controls the drive unit; and a characteristic measurement unit that acquires load-displacement characteristics. Thus, the mechanical property measuring device is provided with a property calculating unit that obtains the elastic modulus and the yield stress.

したがって、弾性率と降伏応力の影響が共に現れる弾性領域と弾塑性領域にまたがる連続領域において、特性計測部により得られた荷重−変位特性の計測結果と特性算出部による力学的シミュレーションにより得られた荷重−変位特性とを比較し、弾性率と、降伏応力を変化させつつこれらの荷重−変位特性が略同一になるまで収束計算を行うので、微小変位領域においても弾性率と降伏応力とを精度よく算出することができる。また、押し込み試験により荷重−変位特性を用いるので、計測のために試料を作成することなく微小部品そのものの状態で弾性率と降伏応力とを精度よく算出することができる。   Therefore, in the continuous region spanning the elastic region and the elasto-plastic region where both the elastic modulus and the yield stress affect both, the measurement result of the load-displacement characteristic obtained by the characteristic measurement unit and the dynamic simulation by the characteristic calculation unit were obtained. The load-displacement characteristics are compared, and the convergence calculation is performed until the load-displacement characteristics are substantially the same while changing the elastic modulus and yield stress. It can be calculated well. In addition, since the load-displacement characteristic is used by the indentation test, the elastic modulus and yield stress can be accurately calculated in the state of the micropart itself without preparing a sample for measurement.

本願発明によれば、弾性率と降伏応力の影響が共に現れる弾性領域と弾塑性領域にまたがる連続領域において、弾性率と、降伏応力を変化させつつ、計測結果と力学的シミュレーション結果の荷重−変位特性とが略同一になるまで収束計算を行うので、微小変位領域においても弾性率と降伏応力とを精度よく算出することができる機械的特性算出プログラム及び機械的特性計測装置を提供することができる。   According to the present invention, the load-displacement of the measurement result and the dynamic simulation result while changing the elastic modulus and the yield stress in the continuous region spanning the elastic region and the elasto-plastic region where both the elastic modulus and the yield stress appear. Since convergence calculation is performed until the characteristics are substantially the same, it is possible to provide a mechanical characteristic calculation program and a mechanical characteristic measurement device that can accurately calculate the elastic modulus and yield stress even in a minute displacement region. .

次に、本願発明の機械的特性計測装置（以後、単に特性計測装置と称する）の実施形態を図１〜図６を用いて説明する。この特性計測装置は、特性計測部１と、処理部２と、記憶部３と、入力部４と、出力部５とを有して構成されている。   Next, an embodiment of a mechanical characteristic measuring apparatus (hereinafter simply referred to as a characteristic measuring apparatus) of the present invention will be described with reference to FIGS. This characteristic measurement apparatus includes a characteristic measurement unit 1, a processing unit 2, a storage unit 3, an input unit 4, and an output unit 5.

特性計測部１は、試料Ｄを固定する金属製の固定部１ａと、試料Ｄの一部と接触して試料Ｄに圧力を加える圧子１ｂと、固定部１ａに直交するように立てた状態で固定部１ａに設けられる支柱１ｆと、支柱１ｆに設けられたレール（図示せず）上を動作する駆動部１ｄと、駆動部１ｄに設けられ圧子１ｂを支持する圧子支持体１ｇと、圧子支持体１ｇに設けられ圧子１ｂに加わる荷重を計測する荷重センサ１ｃと、駆動部１ｄを制御するとともに駆動部１ｄの変位と荷重センサ１ｃの出力とを取得する入出力部１ｅとを有して構成され、荷重−変位特性を取得するものである。   The characteristic measuring unit 1 is a metal fixing unit 1a that fixes the sample D, an indenter 1b that contacts a part of the sample D and applies pressure to the sample D, and stands upright to the fixing unit 1a. A support column 1f provided on the fixing unit 1a, a drive unit 1d operating on a rail (not shown) provided on the support column 1f, an indenter support 1g provided on the drive unit 1d and supporting the indenter 1b, and an indenter support A load sensor 1c that measures the load applied to the indenter 1b provided on the body 1g, and an input / output unit 1e that controls the drive unit 1d and acquires the displacement of the drive unit 1d and the output of the load sensor 1c. The load-displacement characteristic is acquired.

固定部１ａは、真鍮やステンレスで直方体形状に形成された金属板であり圧子１ｂにより加えられる圧力に対して変形しない十分な強度を有しており、計測時には、水平面に配置される。この固定部１ａは、試料Ｄを固定するための固定手段（図示せず）を有しており、試料Ｄは、圧子１ｂにより圧力が加えられも動かないように固定されている。この固定手段としては、例えば、固定部１ａにねじ止めされる２つの板片により、試料Ｄの両端部を固定部１ａの試料Ｄを置く面との間で挟み込むものでよい。   The fixing portion 1a is a metal plate formed of brass or stainless steel in a rectangular parallelepiped shape, has a sufficient strength not to be deformed against the pressure applied by the indenter 1b, and is arranged on a horizontal plane at the time of measurement. The fixing portion 1a has fixing means (not shown) for fixing the sample D, and the sample D is fixed so as not to move even when pressure is applied by the indenter 1b. As this fixing means, for example, two plate pieces screwed to the fixing portion 1a may be used to sandwich both ends of the sample D between the surfaces of the fixing portion 1a where the sample D is placed.

支柱１ｆは、例えば真鍮やステンレスなどの金属で四角柱状形成されたものであり、固定部１ａの一側面の幅方向の中央に、固定部１ａの試料Ｄを置く面に直交するように設けられている。この支柱１ｆは、長さ方向にレールが設けてあり、駆動部１ｄがレールに沿って動作できるようにしている。   The support column 1f is formed in a quadrangular prism shape with a metal such as brass or stainless steel, for example, and is provided at the center in the width direction of one side surface of the fixed portion 1a so as to be orthogonal to the surface on which the sample D of the fixed portion 1a is placed. ing. This support post 1f is provided with a rail in the length direction so that the drive unit 1d can operate along the rail.

駆動部１ｄは、リニアステッピングモータであり、支柱１ｆのレールは、リニアステッピングモータの固定部側となっている。この駆動部１ｄは、ケーブルＣ２により入出力部１ｅと接続されており、入出力部１ｅにより制御される。そして、この駆動部１ｄは、側面視でＬ字状の圧子支持体１ｇにより圧子１ｂと接続され、駆動部１ｄが上下に動くと、圧子１ｂが試料Ｄの方向に上下に動作するようになっている。   The drive part 1d is a linear stepping motor, and the rail of the support column 1f is on the fixed part side of the linear stepping motor. The drive unit 1d is connected to the input / output unit 1e via the cable C2, and is controlled by the input / output unit 1e. The driving unit 1d is connected to the indenter 1b by an L-shaped indenter support 1g in a side view. When the driving unit 1d moves up and down, the indenter 1b moves up and down in the direction of the sample D. ing.

圧子１ｂは、例えばダイヤモンドで三角錐形状に形成されたものあり、十分な強度を有し、圧力により変形しないように形成されている。この圧子１ｂは、取り付け部に圧子の形状などの種類に応じて一意的に定まる電極パターンを有している。圧子１ｂの形状としては、三角錐形状の他に、円錐や角錐の形状であってもよい。 The indenter 1b is made of, for example, diamond and has a triangular pyramid shape. The indenter 1b has sufficient strength and is not deformed by pressure. The indenter 1b has an electrode pattern that is uniquely determined according to the type of the indenter, such as the shape of the indenter. The shape of the indenter 1b may be a cone or a pyramid in addition to the triangular pyramid shape.

圧子支持体１ｇは、例えば真鍮やステンレスなどの金属で側面視でＬ字状に形成されたものであり、一方の端部には駆動部１ｄが接続され、もう一方の端部には圧子１ｂを試料Ｄに接触可能なように接続する圧子接続部１ｇａを有している。圧子接続部１ｇａは、ケーブルＣ３により入出力部１ｅと接続されており、入出力部１ｅにより圧子１ｂが接続されると圧子１ｂの電極パターンの情報を検出できるようにしている。また、圧子支持体１ｇは、圧子接続部１ｇａの側に荷重センサ１ｃを介在させ、圧子１ｂに加わる荷重、つまり、圧子１ｂが試料Ｄに加えた荷重を計測するようにしている。   The indenter support 1g is made of, for example, a metal such as brass or stainless steel and is formed in an L shape in a side view. The drive unit 1d is connected to one end, and the indenter 1b is connected to the other end. Is connected to the sample D so as to be in contact with the sample D. The indenter connecting portion 1ga is connected to the input / output portion 1e by a cable C3, and when the indenter 1b is connected by the input / output portion 1e, information on the electrode pattern of the indenter 1b can be detected. The indenter support 1g has a load sensor 1c interposed on the indenter connecting portion 1ga side, and measures the load applied to the indenter 1b, that is, the load applied to the sample D by the indenter 1b.

荷重センサ１ｃは、例えばロードセルであり、ケーブルＣ１により入出力部１ｅに接続され、入出力部１ｅによりロードセルの出力が検出できるようにされている。   The load sensor 1c is, for example, a load cell, and is connected to the input / output unit 1e by a cable C1 so that the output of the load cell can be detected by the input / output unit 1e.

入出力部１ｅは、制御部１ｅａと、計測情報取得部１ｅｂとを有して構成され、計測装置の内部で処理部２に接続されており、処理部２から計測信号が入力されると、圧子１ｂの変位に対する荷重を出力する。また、処理部２から計測条件取得信号が入力されると、例えば圧子１ｂに固有の番号など、圧子１ｂの種類の情報を出力する。   The input / output unit 1e includes a control unit 1ea and a measurement information acquisition unit 1eb. The input / output unit 1e is connected to the processing unit 2 inside the measurement apparatus. When a measurement signal is input from the processing unit 2, The load with respect to the displacement of the indenter 1b is output. When a measurement condition acquisition signal is input from the processing unit 2, information on the type of the indenter 1b, such as a number unique to the indenter 1b, is output.

制御部１ｅａは、ケーブルＣ２を介して駆動部１ｄに接続されており、制御信号を駆動部１ｄに出力することにより駆動部１ｄを制御して移動させるとともに、その移動による変位を取得することができる。したがって、この実施形態においては、制御部１ｅａは、圧子１ｂの変位を計測する変位計測部の機能を兼ねている。ただし、制御部１ｅａが変位計測部の機能を兼ねている必要は特になく、例えばレーザ変位計などのような変位計測部を単体で備えていてもよい。   The control unit 1ea is connected to the drive unit 1d via the cable C2, and can control and move the drive unit 1d by outputting a control signal to the drive unit 1d, and can acquire a displacement due to the movement. it can. Therefore, in this embodiment, the control unit 1ea also functions as a displacement measuring unit that measures the displacement of the indenter 1b. However, it is not particularly necessary that the control unit 1ea also functions as a displacement measuring unit, and a displacement measuring unit such as a laser displacement meter may be provided alone.

計測情報取得部１ｅｂは、ケーブルＣ１により荷重センサ１ｃと接続されており、荷重センサ１ｃから荷重に比例する電圧値を取得し、記憶部の計測パラメータ情報に記憶されている荷重センサ１ｃに対する変換係数をその電圧値に掛けて荷重に変換する。一方、計測情報取得部１ｅｂは、ケーブルＣ３により圧子接続部１ｇａと接続されており、圧子接続部１ｇａから圧子１ｂの電極パターン情報を取得し、記憶部の計測パラメータ情報３ｂに記憶されている圧子情報の中から取得した電極パターン情報を検索し、圧子１ｂの種類を取得する。   The measurement information acquisition unit 1eb is connected to the load sensor 1c via the cable C1, acquires a voltage value proportional to the load from the load sensor 1c, and a conversion coefficient for the load sensor 1c stored in the measurement parameter information of the storage unit. Is multiplied by the voltage value to convert it into a load. On the other hand, the measurement information acquisition unit 1eb is connected to the indenter connection unit 1ga by the cable C3, acquires the electrode pattern information of the indenter 1b from the indenter connection unit 1ga, and is stored in the measurement parameter information 3b of the storage unit. The acquired electrode pattern information is searched from the information, and the type of the indenter 1b is acquired.

記憶部３は、揮発性メモリと不揮発性メモリで構成され、機械的特性算出プログラム３ａ（以後、単に特性算出プログラム３ａと称する）と、計測パラメータ情報３ｂと、計測結果データ３ｃと、解析モデルデータ３ｄとを記憶する。特性算出プログラム３ａは、不揮発性メモリ上に記憶され、後述の処理部２の特性算出部２ａにより読み出されて実行される。   The storage unit 3 includes a volatile memory and a nonvolatile memory, and includes a mechanical characteristic calculation program 3a (hereinafter simply referred to as a characteristic calculation program 3a), measurement parameter information 3b, measurement result data 3c, and analysis model data. 3d is stored. The characteristic calculation program 3a is stored in a non-volatile memory, and is read and executed by the characteristic calculation unit 2a of the processing unit 2 described later.

計測パラメータ情報３ｂは、不揮発性メモリ上に記憶され、荷重センサ１ｃの種類ごとの変換係数と、圧子１ｂに関する情報を収めた圧子情報とを有している。変換係数は、荷重センサ１ｃから出力される電圧値を荷重に変換するための数値である。また、圧子情報は、圧子１ｂの種類と電極パターンとを対応づけた電極パターン情報と、圧子１ｂの種類ごとの形状を示した圧子形状情報とを有している。   The measurement parameter information 3b is stored in a non-volatile memory, and has conversion coefficients for each type of the load sensor 1c and indenter information containing information on the indenter 1b. The conversion coefficient is a numerical value for converting the voltage value output from the load sensor 1c into a load. The indenter information includes electrode pattern information that associates the type of the indenter 1b with the electrode pattern, and indenter shape information that indicates the shape of each type of the indenter 1b.

計測結果データ３ｃは、特性計測部１により計測した荷重−変位特性を、変位と荷重を対にした点列で揮発性メモリ上に記憶されている。解析モデルデータ３ｄは、計測時の状態をモデル化したものであり、外形データ及び有限要素法用の分割図のデータが揮発性メモリ上に記憶されている。ここで、外形データは、閉領域を形成する頂点座標と、各頂点の接続関係とを有している。有限要素法用の分割図のデータは、空間を分割する要素データと、要素を形成する節点データと、節点の座標データなどを有している。   The measurement result data 3c is stored on the volatile memory in a point sequence in which the load-displacement characteristic measured by the characteristic measurement unit 1 is a pair of displacement and load. The analysis model data 3d is obtained by modeling a state at the time of measurement, and external shape data and data of a finite element method division diagram are stored in a volatile memory. Here, the outer shape data has vertex coordinates that form a closed region and a connection relationship between the vertices. The division diagram data for the finite element method includes element data for dividing a space, node data for forming elements, coordinate data for nodes, and the like.

処理部２は、中央処理装置を有するコンピュータであり、入出力部１ｅと、記憶部３と、入力部４と、出力部５と接続され、プログラムを処理することにより各部を制御する。この処理部２は、記憶部３に記憶された特性算出プログラム３ａを読み込み、実行することで弾性率と降伏応力とを求める特性算出部２ａを有して構成されている。   The processing unit 2 is a computer having a central processing unit, and is connected to the input / output unit 1e, the storage unit 3, the input unit 4, and the output unit 5, and controls each unit by processing a program. The processing unit 2 includes a characteristic calculation unit 2a that obtains an elastic modulus and a yield stress by reading and executing the characteristic calculation program 3a stored in the storage unit 3.

特性算出部２ａは、記憶部３から特性解析プログラム３ａを読み込み、実行する。この特性算出部２ａの動作を図２を用いて説明する。まず、入力部４から計測開始の指示を入力すると、特性計測装置は、計測動作を開始する。すると、特性算出部２ａは、出力部５を介して計測条件を入力するように要求する。ここで、計測条件とは、計測モードと、圧子１ｂを押し込む変位の範囲と、圧子１ｂを１回に移動させる変位刻み、試料Ｄの外形データであり、特性計測装置の使用者は、これらの計測条件を入力部４から入力する（ステップＳ１）。上述の入力された情報は、記憶部３に計測パラメータ情報３ｂとして記憶される。   The characteristic calculation unit 2a reads the characteristic analysis program 3a from the storage unit 3 and executes it. The operation of the characteristic calculator 2a will be described with reference to FIG. First, when a measurement start instruction is input from the input unit 4, the characteristic measurement apparatus starts a measurement operation. Then, the characteristic calculation unit 2 a requests to input measurement conditions via the output unit 5. Here, the measurement conditions are the measurement mode, the displacement range in which the indenter 1b is pushed in, the displacement increment that moves the indenter 1b at a time, and the external data of the sample D. Measurement conditions are input from the input unit 4 (step S1). The input information described above is stored in the storage unit 3 as measurement parameter information 3b.

ここで、計測モードとは、荷重−変位特性の弾性領域と弾塑性領域にまたがる連続領域ＣＡとして、変位が大きくなるにつれ弾性領域から弾塑性領域に変化する領域を用いるか、負荷状態の弾塑性領域から除荷状態の弾性領域に変化する領域を用いるかの違いを定めている。本明細書においては、前者をモード１、後者をモード２と呼ぶことにする。   Here, the measurement mode refers to the use of a region that changes from the elastic region to the elastoplastic region as the displacement increases as the continuous region CA spanning the elastic region of the load-displacement characteristic and the elastoplastic region. The difference between whether to use the region that changes from the region to the unloaded elastic region is defined. In the present specification, the former is called mode 1 and the latter is called mode 2.

また、圧子１ｂを押し込む変位の範囲は、その指定の仕方が計測モードによって異なる。計測モードがモード１の場合は、図３に示すように、変位の始点ＳＰと終点ＥＰとを入力する。計測モードがモード２の場合は、図４に示すように、変位の始点ＳＰと、除荷開始点ＲＰと、終点ＥＰとを入力する。ここで、圧子１ｂが試料Ｄに接する状態の変位を０として、圧力が大きくなる変位の方向を正方向としている。また、圧子１ｂを１回に移動させる変位は、小さければ小さいほど計測点は多くなる。   Further, the range of displacement for pushing the indenter 1b differs depending on the measurement mode. When the measurement mode is mode 1, as shown in FIG. 3, the displacement start point SP and end point EP are input. When the measurement mode is mode 2, as shown in FIG. 4, a displacement start point SP, an unloading start point RP, and an end point EP are input. Here, the displacement when the indenter 1b is in contact with the sample D is 0, and the displacement direction in which the pressure increases is the positive direction. Further, the smaller the displacement for moving the indenter 1b at a time, the more measurement points.

さらに、試料Ｄの外形データは、基本的に試料の輪郭を形成する点の座標を入力することにより行うが、直方体のような簡単な形状のときには、縦、横、厚みを要求し、特性算出部２ａは、各点の座標を発生させるようにしてもよい。   Furthermore, the outline data of the sample D is basically entered by inputting the coordinates of the points that form the outline of the sample. However, when it is a simple shape such as a rectangular parallelepiped, it requires vertical, horizontal, and thickness to calculate characteristics. The unit 2a may generate the coordinates of each point.

特性計測部２ａは、計測条件の入力がされると、入力された圧子１ｂを押し込む変位の範囲で荷重−変位特性の計測を行う（ステップＳ２）。荷重−変位特性の計測は、詳細には次のように行う。まず、特性算出部２ａは、駆動部１ｄにより圧子１ｂを変位の始点ＳＰまで移動させるように入出力部１ｅに制御信号を出力し、さらに計測信号を入出力部１ｅに出力する。すると、入出力部１ｅは、制御部１ｅａにより得られる変位と、計測情報取得部１ｅｂにより得られる荷重とを特性算出部２ａに出力する。そして、特性算出部２ａは、取得した変位と荷重を、記憶部３の計測結果データ３ｃに記憶させる。特性算出部２ａは、上述の変位刻みの分だけ正方向に圧子１ｂを変位させるように入出力部１ｅに制御信号を出力し、さらに計測信号を入出力部１ｅに出力する。そして、特性算出部２ａは、入出力部１ｅから取得する変位と荷重を、記憶部３の計測結果データ３ｃに記憶させる。特性算出部２ａは、この動作を変位の終点ＥＰまで継続する。   When the measurement condition is input, the characteristic measurement unit 2a measures the load-displacement characteristic within the range of displacement for pushing the input indenter 1b (step S2). The load-displacement characteristics are measured in detail as follows. First, the characteristic calculation unit 2a outputs a control signal to the input / output unit 1e so that the driving unit 1d moves the indenter 1b to the displacement start point SP, and further outputs a measurement signal to the input / output unit 1e. Then, the input / output unit 1e outputs the displacement obtained by the control unit 1ea and the load obtained by the measurement information acquisition unit 1eb to the characteristic calculation unit 2a. And the characteristic calculation part 2a memorize | stores the acquired displacement and load in the measurement result data 3c of the memory | storage part 3. FIG. The characteristic calculation unit 2a outputs a control signal to the input / output unit 1e so as to displace the indenter 1b in the positive direction by the above-mentioned displacement increments, and further outputs a measurement signal to the input / output unit 1e. And the characteristic calculation part 2a memorize | stores the displacement and load which are acquired from the input-output part 1e in the measurement result data 3c of the memory | storage part 3. FIG. The characteristic calculation unit 2a continues this operation until the end point EP of the displacement.

ここで、計測モードがモード２の場合には、特性算出部２ａは、除荷開始点ＲＰを超えた後は、変位刻みの分だけ負方向に圧子１ｂを変位させるように制御する。特性算出部２ａは、始点ＳＰから終点ＥＰまでの荷重−変位特性が求まると、出力部５に図３及び図４に示すような荷重−変位特性のグラフＣ，Ｃ’を出力する。したがって、このステップにより、圧子１ｂにより試料Ｄに圧力をかけて計測した試料Ｄの荷重−変位特性の計測結果が記憶部３の計測結果データ３ｃに入力される。ここで、弾性領域は、ＡＥＬ及びＡＥＬ’で表される領域であり、弾塑性領域は、ＡＥＰ及びＡＥＰ’で表される領域である。   Here, when the measurement mode is mode 2, the characteristic calculation unit 2a performs control so as to displace the indenter 1b in the negative direction by the increment of the displacement after exceeding the unloading start point RP. When the load-displacement characteristic from the start point SP to the end point EP is obtained, the characteristic calculation unit 2a outputs the load-displacement characteristic graphs C and C 'as shown in FIGS. Therefore, in this step, the measurement result of the load-displacement characteristic of the sample D measured by applying pressure to the sample D by the indenter 1 b is input to the measurement result data 3 c of the storage unit 3. Here, the elastic region is a region represented by AEL and AEL ′, and the elastic-plastic region is a region represented by AEP and AEP ′.

また、特性算出部２ａは、計測終了時に使用された圧子１ｂの電極パターンの情報を計測情報取得部１ｅｂを介して取得し、記憶部３に計測パラメータ情報３ｂとして記憶する。   Further, the characteristic calculation unit 2a acquires information on the electrode pattern of the indenter 1b used at the end of the measurement via the measurement information acquisition unit 1eb, and stores the information as measurement parameter information 3b in the storage unit 3.

次に、特性算出部２ａは、計測された荷重−変位特性から弾性領域と弾塑性領域にまたがる連続領域ＣＡを特定する（ステップＳ３）。具体的には、計測モードがモード１の場合には、連続領域ＣＡは、図３に示すように、連続領域ＣＡの変位の始点ＡＳと、終点ＡＥとを特性計測装置の使用者が入力部４から入力することにより２点で特定される。また、計測モードがモード２の場合には、始点ＡＳと、終点ＡＥとの間に除荷開始点ＲＰが補われて３点により特定される。なお、ここでは、特性計測装置の使用者が入力部４から変位の範囲を入力することにより連続領域ＣＡを特定する場合について説明したが、計測モードがモード１の場合には、荷重−変位特性において弾性領域と弾塑性領域との間が変曲点となっていることを利用して変曲点を探索し、その変曲点の両側の所定の範囲を連続領域ＣＡとするように特性算出部２ａにより自動的に定めてもよい。また、計測モードがモード２の場合には、除荷開始点ＲＰの両側の所定の領域を連続領域ＣＡとするように、特性算出部２ａにより自動的に定めてもよい。連続領域ＣＡの情報は、記憶部３の解析モデルデータ３ｄに記憶される。   Next, the characteristic calculation unit 2a specifies a continuous area CA that spans the elastic area and the elastic-plastic area from the measured load-displacement characteristic (step S3). Specifically, when the measurement mode is mode 1, as shown in FIG. 3, the user of the characteristic measurement apparatus uses the input unit to input the start point AS and the end point AE of the displacement of the continuous area CA. By inputting from 4, it is specified by 2 points. When the measurement mode is mode 2, the unloading start point RP is supplemented between the start point AS and the end point AE, and is specified by three points. Here, the case where the user of the characteristic measurement device specifies the continuous area CA by inputting the displacement range from the input unit 4 has been described. However, when the measurement mode is mode 1, the load-displacement characteristic is described. Inflection points are searched using the inflection point between the elastic region and the elasto-plastic region in Fig. 1, and the characteristics are calculated so that the predetermined range on both sides of the inflection point is the continuous region CA. You may determine automatically by the part 2a. When the measurement mode is mode 2, the characteristic calculation unit 2a may automatically determine the predetermined area on both sides of the unloading start point RP as the continuous area CA. Information on the continuous area CA is stored in the analysis model data 3d of the storage unit 3.

さらに、特性算出部２ａは、計測条件の情報に基づいて数値解析の解析モデルを作成する（ステップＳ４）。具体的には、計測情報取得部１ｅｂにより取得された圧子１ｂの電極パターンと、計測パラメータ情報３ｂに記憶された電極パターン情報と、圧子形状情報とを用いて導出した圧子１ｂの外形データと、ステップＳ１で入力された試料Ｄの外形データとを用いて、ドロネイ変換法、格子法、逐次法、バブル法、デラウニー法などの自動メッシュ手法により有限要素解析に用いる数値解析モデルである分割図データを生成する。すると、例えば、四面体要素の場合には図５のように、六面体要素であれば図６のようにモデル生成がされる。ここでは、計算時間を短くするため、モデルの対称性を利用して計測モデルの半分のみを数値モデルにしている。得られた数値解析モデルは、記憶部３に解析モデルデータ３ｄとして記憶される。   Furthermore, the characteristic calculation unit 2a creates an analysis model for numerical analysis based on the measurement condition information (step S4). Specifically, the outer shape data of the indenter 1b derived using the electrode pattern of the indenter 1b acquired by the measurement information acquisition unit 1eb, the electrode pattern information stored in the measurement parameter information 3b, and the indenter shape information, Division diagram data, which is a numerical analysis model used for finite element analysis by automatic mesh methods such as Delaunay transformation method, lattice method, sequential method, bubble method, Delauney method, etc. using the external data of sample D input in step S1 Is generated. Then, for example, a model is generated as shown in FIG. 5 for a tetrahedral element and as shown in FIG. 6 for a hexahedral element. Here, in order to shorten the calculation time, only half of the measurement model is a numerical model using the symmetry of the model. The obtained numerical analysis model is stored in the storage unit 3 as analysis model data 3d.

そして、特性算出部２ａは、特性算出プログラム３ａ内に初期値データとして有している所定の値を試料Ｄの弾性率と降伏応力の初期値として設定する（ステップＳ５）。ここでは、初期値として、弾性率と降伏応力の３つの組を設定し、弾性率と降伏応力の座標系における点間の距離が等しくなるように設定する。さらに、特性算出部２ａは、解析モデルデータ３ｄに記憶された数値解析モデルについて、連続領域ＣＡを弾性率と降伏応力の３組の初期値において、上述の計測で求めた圧子を変位させたときの荷重−変位特性を有限要素法を用いた力学的シミュレーションを行うことにより算出する（ステップＳ６）。ここで用いる力学的シミュレーション手法では、変位に対する受ける応力（もしくは荷重）と変形量を考慮することができるように弾塑性構成式を有限要素法により離散化したものであり、市販されている有限要素法プログラムでは、例えば、ABAQUS Inc.のABAQUS Standard(R)などを用いれば良い。また、上述の機能を有する有限要素法プログラムは、一般的なものであるため、専用プログラムとして作成しても良い。   And the characteristic calculation part 2a sets the predetermined value which has as initial value data in the characteristic calculation program 3a as an initial value of the elasticity modulus and yield stress of the sample D (step S5). Here, three sets of elastic modulus and yield stress are set as initial values, and the distance between points in the coordinate system of elastic modulus and yield stress is set to be equal. Furthermore, when the characteristic calculation unit 2a displaces the indenter obtained by the above-described measurement in the initial value of three sets of the elastic modulus and the yield stress in the continuous area CA for the numerical analysis model stored in the analysis model data 3d. The load-displacement characteristic is calculated by performing a mechanical simulation using the finite element method (step S6). In the dynamic simulation method used here, the elasto-plastic constitutive equation is discretized by the finite element method so that the stress (or load) and deformation amount to the displacement can be taken into account. In the legal program, for example, ABAQUS Standard (R) of ABAQUS Inc. may be used. Moreover, since the finite element method program having the above-described functions is a general program, it may be created as a dedicated program.

荷重−変位特性を有限要素法で解析している状態を図６（ａ）〜（ｃ）に示す。図６を見ると、圧子１ｂが変位するとともに試料Ｄの表面が変形して、圧子１ｂが試料Ｄにめり込んでいく状態がよくわかる。このようにして、特性算出部２ａは、連続領域ＣＡにおいて荷重−変位特性を算出することができ、３つの離散的な点列で得ることができる。図３及び図４では、複数の点列のうち１つのみを白丸で示している。   FIGS. 6A to 6C show a state in which the load-displacement characteristic is analyzed by the finite element method. 6 that the indenter 1b is displaced and the surface of the sample D is deformed, so that the indenter 1b is sunk into the sample D. In this way, the characteristic calculation unit 2a can calculate the load-displacement characteristic in the continuous area CA and can obtain three discrete point sequences. 3 and 4, only one of the plurality of point sequences is indicated by a white circle.

次に、荷重−変位特性の計測値と算出値を比較して以下の評価関数fの値を算出する（ステップＳ７）。   Next, the value of the following evaluation function f is calculated by comparing the measured value and the calculated value of the load-displacement characteristic (step S7).

Figure 2006194605
Figure 2006194605

ここで、x1は、降伏応力、x2は、弾性率、djは、変位、Fm(dj)は、荷重−変位特性の計測値、Fc(dj,xi)は、荷重−変位特性の算出値、Nは、評価するポイント数である。ここでは、初期値として弾性率と降伏応力の３つの組で算出しているので、評価関数の値としても３つの値が求まることになる。 Where x 1 is the yield stress, x 2 is the elastic modulus, d j is the displacement, Fm (d j ) is the measured value of the load-displacement characteristic, and Fc (d j , x i ) is the load− The calculated value of the displacement characteristic, N, is the number of points to be evaluated. Here, since the three values of the elastic modulus and the yield stress are calculated as the initial values, three values are also obtained as the evaluation function values.

次に、複数の評価関数fの値の差が所定値以下かどうかで収束判定を行う（ステップＳ８）。収束していれば（Ｙｅｓ）、そのときの弾性率と降伏応力の値をそれぞれ平均して出力部５に出力して終了する（ステップＳ９）。ここで、収束した結果、荷重−変位特性の計測結果と力学的シミュレーションの結果とは、連続領域ＣＡにおいて略同一となっている。   Next, convergence determination is performed based on whether or not the difference between the values of the plurality of evaluation functions f is equal to or less than a predetermined value (step S8). If it has converged (Yes), the values of the elastic modulus and yield stress at that time are averaged and output to the output unit 5 and the process is terminated (step S9). Here, as a result of convergence, the measurement result of the load-displacement characteristic and the result of the dynamic simulation are substantially the same in the continuous region CA.

一方、収束していなければ（Ｎｏ）、NelderとMeadによって提案されたシンプレックス法により、降伏応力と弾性率の値の再設定を行う（ステップＳ１０）。具体的には、初期値として設定した降伏応力と弾性率の組を頂点xk(k=1〜3)とし、そのうち評価関数fの値が最大となったものをxh、評価関数fの値が２番目に大きいものをxs、評価関数fの値が最小であったものをxl、xkのうちxh以外のものを平均したxaの４点を特徴的な点として区別する。そして、次に示す鏡映点xr、拡張点xe、収縮点xcを求める手続と、頂点xkを縮小する手続との４つの手続を行って降伏応力と弾性率の探索点を再設定する（ここで、a=1、b=2、c=1/2としている）。 On the other hand, if not converged (No), the values of yield stress and elastic modulus are reset by the simplex method proposed by Nelder and Mead (step S10). Specifically, a set of yield stress and elastic modulus set as initial values is apex x k (k = 1 to 3), of which the evaluation function f has the maximum value x h and the evaluation function f The second largest value is x s , the one with the smallest value of the evaluation function f is x l , and the x a that is the average of x k other than x h is distinguished as a characteristic point To do. Then, the search points for yield stress and elastic modulus are re-established by performing the following four procedures: the procedure for obtaining the reflection point x r , the expansion point x e , and the contraction point x c, and the procedure for reducing the vertex x k. Set here (a = 1, b = 2, c = 1/2).

Figure 2006194605
Figure 2006194605

そして、再設定された降伏応力の探索点、すなわち、鏡映点xr、拡張点xe、収縮点xc、及び、頂点xkについて荷重−変位特性を算出し（ステップＳ６）、それぞれの探索点について評価関数の値を求め（ステップＳ７）、複数の評価関数fの値の差が所定値以下かどうかで収束判定を行う（ステップＳ８）。収束していれば（Ｙｅｓ）、そのときの弾性率と降伏応力の値をそれぞれ平均して出力部５に出力して終了する（ステップＳ９）。一方、収束していなければ（Ｎｏ）、上述のシンプレックス法の手続により、降伏応力と弾性率の探索点の再設定を行う（ステップＳ１０）。このステップＳ６→ステップＳ７→ステップＳ８→ステップＳ１０のループをステップＳ８で収束判定されるまで繰り返し行う。 Then, load-displacement characteristics are calculated for the reset search points for the yield stress, that is, the reflection point x r , the expansion point x e , the contraction point x c , and the vertex x k (step S6). A value of the evaluation function is obtained for the search point (step S7), and a convergence determination is performed based on whether the difference between the values of the plurality of evaluation functions f is equal to or less than a predetermined value (step S8). If it has converged (Yes), the values of the elastic modulus and yield stress at that time are averaged and output to the output unit 5 and the process is terminated (step S9). On the other hand, if not converged (No), the search points for the yield stress and the elastic modulus are reset by the procedure of the simplex method described above (step S10). This loop of step S6 → step S7 → step S8 → step S10 is repeated until convergence is determined in step S8.

本願発明の特性計測装置によれば、弾性率と降伏応力の影響が共に現れる弾性領域と弾塑性領域にまたがる連続領域ＣＡにおいて、押し込み試験により得られた荷重−変位特性の計測結果と計測状態の数値モデルによる力学的シミュレーションにより得られた荷重−変位特性とを比較し、弾性率と、降伏応力を変化させつつこれらの荷重−変位特性が略同一になるまで収束計算を行うので、微小変位領域においても弾性率と降伏応力とを精度よく算出することができる。また、押し込み試験により荷重−変位特性を用いるので、計測のために試料を作成することなく微小部品そのものの状態で弾性率と降伏応力とを精度よく算出することができる。   According to the characteristic measurement device of the present invention, in the continuous region CA that spans the elastic region and the elasto-plastic region where both the elastic modulus and the yield stress appear, the measurement result of the load-displacement characteristic obtained by the indentation test and the measurement state Compare the load-displacement characteristics obtained by dynamic simulation with a numerical model, and perform convergence calculations until the load-displacement characteristics are approximately the same while changing the elastic modulus and yield stress. The elastic modulus and yield stress can be calculated with high accuracy. In addition, since the load-displacement characteristic is used by the indentation test, the elastic modulus and yield stress can be accurately calculated in the state of the micropart itself without preparing a sample for measurement.

さらに、計測モードとしてモード１を用いることにより、弾性領域と弾塑性領域にまたがる連続領域ＣＡのうち最小のものを設定できるので、最小の変位領域における弾性率と降伏応力とを求めることができる。一方、計測モードとしてモード２を用いることにより、任意の変位領域を弾性領域と弾塑性領域にまたがる連続領域ＣＡとすることができるので、任意の変位における弾性率と降伏応力とを求めることができる。   Furthermore, by using mode 1 as the measurement mode, the minimum one of the continuous areas CA extending over the elastic area and the elasto-plastic area can be set, so that the elastic modulus and yield stress in the minimum displacement area can be obtained. On the other hand, by using mode 2 as the measurement mode, an arbitrary displacement region can be a continuous region CA that extends between the elastic region and the elasto-plastic region, so that the elastic modulus and yield stress at an arbitrary displacement can be obtained. .

なお、この実施形態においては、入力部４は、キーボードであり、出力部５は、液晶ディスプレイであるが、通信線のような他の入力装置や出力装置を用いることも可能である。そのようにすれば、例えば、上述の外形データをCAD(Computer Aided Design)システムのモデル情報を外部から直接入力することもでき、計測結果を外部に出力することができる。   In this embodiment, the input unit 4 is a keyboard and the output unit 5 is a liquid crystal display, but other input devices and output devices such as communication lines may be used. By doing so, for example, model information of a CAD (Computer Aided Design) system can be directly input from the outside, and the measurement result can be output to the outside.

また、別の実施形態として、本願発明の特性算出プログラムは、特性計測部１を有する特性計測装置内で用いるだけでなく、荷重−変位特性の計測結果を有していれば、汎用のコンピュータ上で動作させて降伏応力及び弾性率を算出することができる。この実施形態について、図７及び図８を用いて説明する
図７に示す汎用コンピュータ１０は、内部に中央処理装置とハードディスクを備えるとともに、入力部４であるキーボードと、出力部５であるディスプレイと、フレキシブルディスクにアクセスできるフレキシブルディスクドライブ１１と、ＣＤ−ＲＯＭにアクセスできるＣＤ−ＲＯＭドライブ１２が接続されている。そして、この汎用コンピュータ１０は、実行するプログラムをフレキシブルディスク、ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭなどの記憶媒体から読み込んで、オペレーティングシステム上で実行させ動作させる。 As another embodiment, the characteristic calculation program of the present invention is not only used in the characteristic measuring apparatus having the characteristic measuring unit 1 but also has a measurement result of the load-displacement characteristic. Yield stress and elastic modulus can be calculated. This embodiment will be described with reference to FIGS. 7 and 8. The general-purpose computer 10 shown in FIG. 7 includes a central processing unit and a hard disk inside, a keyboard that is the input unit 4, and a display that is the output unit 5. A flexible disk drive 11 that can access the flexible disk and a CD-ROM drive 12 that can access the CD-ROM are connected. The general-purpose computer 10 reads a program to be executed from a storage medium such as a flexible disk, a hard disk, a CD-ROM, and executes the program on the operating system.

ここで、特性算出プログラム３ａ’は、記憶媒体であるＣＤ−ＲＯＭ１３に記憶されており、初回使用時に汎用コンピュータ１０のハードディスクにインストールされることにより、汎用コンピュータ１０で使用できるようになる。また、弾性率と降伏応力の影響が共に現れる弾性領域と弾塑性領域にまたがる連続領域ＣＡを含んで計測機器で計測された荷重−変位特性の計測結果データ３ｃ’は、荷重と変位を対にした数値データとしてフレキシブルディスク１４に記憶されている。   Here, the characteristic calculation program 3a 'is stored in the CD-ROM 13 as a storage medium, and can be used in the general-purpose computer 10 by being installed in the hard disk of the general-purpose computer 10 at the first use. In addition, the measurement result data 3c ′ of the load-displacement characteristic measured by the measuring instrument including the continuous region CA extending over the elastic region and the elasto-plastic region in which both the elastic modulus and the yield stress appear, is a pair of load and displacement. Is stored in the flexible disk 14 as numerical data.

次に、特性算出プログラム３ａ’の動作を図８を用いて説明する。特性算出プログラム３ａ’の動作は、上述の特性算出プログラム３ａの動作に類似しており、同じ処理内容については同じ符号を付け、説明を省略する。   Next, the operation of the characteristic calculation program 3a 'will be described with reference to FIG. The operation of the characteristic calculation program 3a 'is similar to the operation of the characteristic calculation program 3a described above, and the same processing contents are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

まず、特性算出プログラム３ａ’を起動すると、特性算出プログラム３ａ’はディスプレイに計測条件を入力するように要求する。ここで、計測条件とは、計測機器で計測されたときの計測モードと、試料Ｄの外形データ、及び圧子の外形データであり、使用者は入力部４からこれらのデータを入力する（ステップＳ１１）。ここで、データ形式は、先の実施形態のものと同様である。   First, when the characteristic calculation program 3a 'is activated, the characteristic calculation program 3a' requests the display to input measurement conditions. Here, the measurement conditions are the measurement mode when measured by the measuring device, the external data of the sample D, and the external data of the indenter, and the user inputs these data from the input unit 4 (step S11). ). Here, the data format is the same as that of the previous embodiment.

そして、特性算出プログラム３ａ’は、フレキシブルディスク１４に記憶された荷重−変位特性の計測結果データ３ｃ’を読み込む（ステップＳ１２）。このデータ内容から圧子１ｂを押し込む変位の範囲と、圧子１ｂを１回に移動させる変位刻みを取得する。その後の処理は、特性算出プログラム３ａと同様である。   Then, the characteristic calculation program 3a 'reads the load-displacement characteristic measurement result data 3c' stored in the flexible disk 14 (step S12). The range of displacement for pushing the indenter 1b and the displacement increment for moving the indenter 1b at a time are acquired from the data contents. The subsequent processing is the same as that of the characteristic calculation program 3a.

このように、荷重−変位特性を計測器で計測し、計測結果を読み込むようにしても、弾性率と降伏応力の影響が共に現れる弾性領域と弾塑性領域にまたがる連続領域ＣＡにおいて、押し込み試験により得られた荷重−変位特性の計測結果と計測状態の数値モデルによる力学的シミュレーションにより得られた荷重−変位特性とを比較し、弾性率と、降伏応力を変化させつつこれらの荷重−変位特性が略同一になるまで収束計算を行うので、微小変位領域においても弾性率と降伏応力とを精度よく算出することができる。   Thus, even if the load-displacement characteristic is measured with a measuring instrument and the measurement result is read, in the continuous area CA that spans the elastic area and the elastoplastic area where both the elastic modulus and the influence of the yield stress appear, the indentation test The obtained load-displacement characteristics measurement results are compared with the load-displacement characteristics obtained by dynamic simulation using a numerical model of the measurement state, and these load-displacement characteristics are changed while changing the elastic modulus and yield stress. Since the convergence calculation is performed until they are substantially the same, the elastic modulus and yield stress can be calculated with high precision even in a minute displacement region.

なお、特性算出プログラム３ａ’や計測結果データ３ｃ’を、記憶媒体を用いて汎用コンピュータ１０に入力するものについて説明したが、それに限ることはなく、汎用コンピュータ１０が通信機能を有し、ネットワークに接続しているのであれば、ネットワーク経由で入力しても良い。   Although the description has been given of the case where the characteristic calculation program 3a ′ and the measurement result data 3c ′ are input to the general-purpose computer 10 using a storage medium, the present invention is not limited to this, and the general-purpose computer 10 has a communication function and is connected to the network. If connected, it may be entered via the network.

なお、実施形態において、特性算出プログラム３ａ，３ａ’の収束計算にシンプレックス法を用いるものについて説明したが、それに限るものではなく、他の収束計算手法を用いても良い。   In the embodiment, although the simplex method is used for the convergence calculation of the characteristic calculation programs 3a and 3a ', the invention is not limited to this, and other convergence calculation methods may be used.

機械的特性計測装置の実施形態を示すブロック図である。It is a block diagram which shows embodiment of a mechanical characteristic measuring apparatus. 機械的特性計測装置の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of a mechanical characteristic measuring apparatus. 計測モードがモード１のときの荷重−変位特性を示すグラフである。It is a graph which shows a load-displacement characteristic when a measurement mode is mode 1. 計測モードがモード２のときの荷重−変位特性を示すグラフである。It is a graph which shows a load-displacement characteristic when measurement mode is mode 2. 力学的シミュレーションの数値解析モデル（分割図）の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the numerical analysis model (division figure) of dynamic simulation. 圧子が試料に押し込まれたときの数値解析モデルを示す図である。It is a figure which shows a numerical analysis model when an indenter is pushed into the sample. 機械的特性算出プログラムを動作させる汎用コンピュータの外観図である。It is an external view of the general purpose computer which operates a mechanical characteristic calculation program. 機械的特性算出プログラムの動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of a mechanical characteristic calculation program.

符号の説明Explanation of symbols

１ 特性計測部
１ａ 固定部
１ｂ 圧子
１ｃ 荷重センサ
１ｄ 駆動部
１ｅ 入出力部
１ｅａ 制御部（変位計測部）
１ｅｂ 計測情報取得部
１ｆ 支柱
１ｇ 圧子支持体
２ 処理部
２ａ 特性算出部
３ 記憶部
３ａ，３ａ’ 機械的特性算出プログラム
３ｂ 計測パラメータ情報
３ｃ，３ｃ’ 計測結果データ
３ｄ 解析モデルデータ
４ 入力部
５ 出力部
１０ 汎用コンピュータ
ＡＥＬ，ＡＥＬ’ 弾性領域
ＡＥＰ，ＡＥＰ’ 弾塑性領域
ＣＡ 連続領域
Ｄ 試料 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Characteristic measurement part 1a Fixed part 1b Indenter 1c Load sensor 1d Drive part 1e Input / output part 1ea Control part (displacement measurement part)
1eb Measurement information acquisition unit 1f Strut 1g Indenter support 2 Processing unit 2a Characteristic calculation unit 3 Storage unit 3a, 3a 'Mechanical characteristic calculation program 3b Measurement parameter information 3c, 3c' Measurement result data 3d Analysis model data 4 Input unit 5 Output Part 10 General-purpose computer AEL, AEL 'Elastic region AEP, AEP' Elastic-plastic region CA Continuous region D Sample

Claims (4)

圧子により試料に圧力をかけて計測した試料の荷重−変位特性の計測結果を入力するステップと、前記荷重−変位特性の弾性領域と弾塑性領域にまたがる連続領域を特定するステップと、前記試料の弾性率と降伏応力との初期値を設定するステップと、前記試料の形状と圧子の形状を含む計測状態の数値モデルを生成して力学的シミュレーションを行うことにより荷重−変位特性を求めるステップと、荷重−変位特性の計測結果と前記力学的シミュレーションの結果とを比較して前記連続領域において略同一となるまで弾性率と降伏応力を変化させて収束計算を行い、弾性率と降伏応力を求めるステップとをコンピュータに行わせる機械的特性算出プログラム。   A step of inputting a measurement result of a load-displacement characteristic of the sample measured by applying pressure to the sample with an indenter; a step of specifying a continuous region extending over an elastic region and an elastic-plastic region of the load-displacement property; A step of setting initial values of elastic modulus and yield stress; a step of obtaining a load-displacement characteristic by generating a numerical model of a measurement state including the shape of the sample and the shape of the indenter and performing a mechanical simulation; A step of obtaining a modulus of elasticity and a yield stress by comparing a measurement result of a load-displacement characteristic and a result of the dynamic simulation, changing a modulus of elasticity and a yield stress until they are substantially the same in the continuous region, and performing a convergence calculation. A mechanical characteristic calculation program that causes a computer to 前記連続領域は、荷重−変位特性において変位が大きくなるにつれ弾性領域から弾塑性領域に変化する領域を用いることを特徴とする請求項１記載の機械的特性算出プログラム。   The mechanical property calculation program according to claim 1, wherein the continuous region uses a region that changes from an elastic region to an elastic-plastic region as the displacement increases in the load-displacement characteristic. 前記連続領域は、荷重−変位特性において負荷状態の弾塑性領域から除荷状態の弾性領域に変化する領域を用いることを特徴とする請求項１記載の機械的特性算出プログラム。   2. The mechanical property calculation program according to claim 1, wherein the continuous region uses a region that changes from an elastic-plastic region in a loaded state to an elastic region in an unloaded state in a load-displacement characteristic. 試料を固定する固定部と、試料の一部に接触可能な圧子と、圧子を試料方向に移動させる駆動部と、圧子に加わる荷重を計測する荷重センサと、圧子の変位を計測する変位計測部と、駆動部を制御する制御部とを有し、荷重−変位特性を取得する特性計測部と、
請求項１乃至３のいずれかに記載の機械的特性算出プログラムにより弾性率と降伏応力とを求める特性算出部と、
を備える機械的特性計測装置。 A fixing unit for fixing the sample, an indenter capable of contacting a part of the sample, a drive unit for moving the indenter in the direction of the sample, a load sensor for measuring a load applied to the indenter, and a displacement measuring unit for measuring the displacement of the indenter A control unit that controls the drive unit, and a characteristic measurement unit that acquires load-displacement characteristics;
A characteristic calculation unit for obtaining an elastic modulus and a yield stress by the mechanical characteristic calculation program according to claim 1;
A mechanical characteristic measuring device comprising:
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