JP2006509188A - 横方向力及び横方向のずれを測定するための試料テーブル - Google Patents

横方向力及び横方向のずれを測定するための試料テーブル Download PDF

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Abstract

本発明は、特にナノインデンタおよび引っ掻き摩耗試験機において、必要な場合に垂直荷重をかけながら横方向の力とずれを測定するための試料テーブルである。該試料テーブルは横方向に移動可能に軸受け支持され、横方向の力とずれは測定値検出装置を介して検出可能である。前記試料テーブル（１）は、垂直に設けられ、発生すべき前記試料テーブル（１）の横方向（水平方向）の移動方向において横方向に偏位可能な少なくとも２つの板バネ（３）の間に固定されている。

Description

本発明は、請求項１の前文に記載の横方向力及び横方向のずれを測定するための試料テーブルに関するものである。
横方向力と横方向のずれは同時に垂直荷重をかけながら測定する。横方向力と横方向のずれは、特にナノインデンタおよび引っ掻き摩耗試験機において測定される。
引っ掻きおよび摩耗試験機では通常、ダイアモンド圧子を介して検査すべき試料に垂直荷重をかけ、垂直荷重によって生じたずれを測定する。さらに圧子の下方において試料テーブルを相対移動させるために側方向に動かす。このような移動に必要な力と横方向のずれの値が測定される。
従来技術文献には引っ掻き硬さを試験する装置（引っ掻き試験機）が記載されている（例えば、特許文献１参照）。試料テーブルは接線方向に移動するように軸受け支持され、その移動は２つのＣ字形状の湾曲部材によって可能となっている。Ｃ字形状の湾曲部材の内縁にはそれぞれ刻みが形成されている。引っ掻き器具により試料に及ぼされる接線応力は試料テーブルにおいて測定値出力器を介して検出される。別の従来技術文献はコーティングの引っ掻き硬さを試験する装置（引っ掻き試験機）に関する（例えば、特許文献２参照）。この装置はインデンタ部と試料テーブルを有している。試料テーブルは、Ｉ字形状のブロックに固定された試料を把持する装置からなり、この試料把持装置は水平方向に設けられた４つのダイアフラムスプリングを介して保持ブロックに取り付けられているので、試料は横方向に移動することができる。接線応力がセンサを介して検出される一方、インデンタの先端部は試料表面を通過して引っ張られる。このときバネは予め引っ張り応力をかけられていない。そのうえ板バネの長手方向は垂直荷重の方向に対して水平であって、垂直ではないため、得られる作動システムは好適でないものとなる。
国際出願公開第０２／１６９０７号パンフレット 国際出願公開第９９／４６５７６号パンフレット
本発明の課題は、垂直方向の力とずれおよび横方向力と横方向のずれがそれぞれ互いに独立して高度な正確さを有して測定可能な試料テーブルを提供することであり、垂直方向の大きな力が作用しても試料テーブル自体がずれを生じさせないものを提供することである。
上記の課題は請求項１に記載の特徴部分の記載部分によって解決され、好適なさらなる構成は下位請求項に記載されている。
特にナノインデンタおよび引っ掻き摩耗試験機に用いられ、必要な場合には垂直荷重をかけながら横方向力と横方向のずれを測定するための試料テーブルは、横方向に移動可能に軸受け支持され、横方向力と横方向のずれは測定値検出装置を介して検出される。本発明によれば試料テーブルは、板バネの長手方向に垂直に設けられるとともに、発生されるべき試料テーブルの横方向（水平方向）の移動方向において横方向に偏位可能な少なくとも２つの板バネの間に固定されている。このとき板バネの下端と上端は、好適にあらかじめ付勢されて固定される。
板バネの下端と上端の間で試料テーブルは、例えば、一点で懸架される。このとき試料テーブルは板バネの中心に配設されるのが好ましく、板バネは２つが対をなして互いに対向するように設けられている。試料テーブルは複数の対の板バネの間に軸受け支持することもできる。
直線性を保つために、板バネの厚みは横方向の偏位よりも大きいか、等しくなくてはならない。試料テーブルはまた制振ユニットと接続されているのが好適である。そのため、試料テーブルの下方に設けられたオイルタンクを用いるのが好ましい。オイルタンクには試料テーブルに設けられた制振素子が浸されている。このような制振ユニットの大きさは、特に周囲の空間から来る振動が効果的に制振され、その際にテーブルの所望の横方向の移動に顕著な影響が及ぼされないように決定される。
試料の厚みが異なる場合でも試料の表面を同じ高さに調節できるように試料ホルダーは垂直に移動可能に構成されている。
測定値検出装置は横方向力と横方向のずれを検出するために軸を有し、軸は試料の近傍に係合する。この軸は垂直方向においてはバネの中心と試料表面の間にあり、水平方向においては試料ホルダーのちょうど中心となる領域に固定され、テーブルを横方向にずらすとともにこのようなずれを測定するために用いられる。この軸もまたバネ部材に軸受け支持され、バネ部材の偏位から直接的に横方向力が決定される。軸のずれは好適な測定手段（例えばＬＶＤＴ（訳者注：Ｌｉｎｅａｒ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ））によって測定される。
テーブルが横方向に周期的にずれることから、動的な測定も可能となる。動的な測定によって、例えば、走行中の歯車などによる摩擦学的な接触をシミュレーションすることができる。周囲から来る振動は試料テーブルの下方に設けられた制振ユニットによって低減される。
横方向力および横方向のずれを決定するための測定値の検出は光学的に行うこともできる。本発明による解決法では垂直に対向するように設けられた４つの板バネが設置され、これらのバネは引っ張り荷重をかけられて固定されている。試料テーブルは板バネの中心に複数の点で固定されている。このような構成により、フレームと試料テーブルはねじれと垂直荷重に対して非常に高剛性を有するようになる。
このように試料テーブルは板バネの中心に懸架され、それによって新たなより良い作動原理が実現される。この作動原理の特徴は、フレームも試料テーブルもねじれと垂直荷重に対して極めて高い剛性を有する点である。
本発明の主たる特徴は、比較的大きな垂直荷重をかけても試料テーブルが垂直方向にずれず、同時に試料テーブルを横方向にわずかにずらせる点である。このときずれの大きさはバネの偏位に正確に比例する。さらに垂直方向の力とずれおよび横方向力とずれがどちらも互いに関わりなく高い精度で測定できる。測定時の精度はバネの大きさと測定値受信器の解像度に依存する。システムに垂直方向のたわみが僅かに残っている場合であっても、検出し、ソフトウェアによって修正することができる。
ナノインデンタに本発明による解決法を用いることにより、試料におけるクラックや可塑変形の開始を正確に検出し、それによって試料材料の機械的パラメータに関する量的な表現が可能となる。本発明による新たな試料テーブルによって、横方向のずれは１ｎｍ以下、横方向の力は１μｍ以下の解像度まで実現可能である。さらに試料ホルダーや圧子が横方向にずれることによって生じるのではなく、垂直力によってのみ引き起こされる横方向の力とずれは本発明によって初めて測定が可能となった。
以下に、本発明を実施形態に基づいてより詳しく説明する。図示するのは、以下の通りである。
図１及び図２によれば、試料テーブル１は垂直方向に調整可能な試料ホルダー１．１（ナット１．２によって固定）と共に、固定部材２．１と固定部材の間に延在する長手方向支持体２を介して、全部で４つの垂直に設けられた板バネ３に固定されている。４つの板バネ３の上端と下端はフレーム４と基板５の間に、軸線方向に付勢された状態で固定されている。このときフレーム４は基板５に載置されている。基板５にはオイルタンク６が設けられ、ピストン棒７に固定されたピストン８が試料テーブル１の下側からオイルタンク内に達し、このような構成によって周囲の振動を制振させることができる。垂直方向において、２つの板バネ３と試料表面（図示せず）の間であって、水平方向において試料ホルダー１．１のちょうど中心の領域には、図２に示すように、水平軸９が先端９．１を有して固定されている。水平軸には２つのＬＶＤＴが設けられ、水平軸はテーブルを横方向にずらしたり、ＬＶＤＴを用いてずれを測定したりするのに用いられる。軸９はこのとき２つのバネ部材９．２によって、軸線方向にスライド可能に軸受け支持されている。バネ１２に対して支持されている水平支持体１１及び垂直支持体１３を介してＬＶＤＴと接続されている圧電素子１０によって、板バネ３に対するテーブル１のずれが引き起こされる。試料テーブル１．１を介して設けられているインデンタＩにより、垂直荷重がかけられる。
図３は板バネ３をフレーム４と基板５に固定する基本的な原理を示した見取り図である。試料ホルダー１．１を有してなる試料テーブル１は一点鎖線で示されているのみである。試料テーブルは２つの長手方向支持体２の上に設けられ、それぞれの長手方向支持体２の両端は暗示的にのみ表された固定部材２．１を介して垂直に設けられた板バネ３に連結されている。２つの長手方向支持体はさらに、点線で示すような試料テーブルを載せた横方向支持体２．２（または図示されないプレート）を介して互いに補強することもできる。基板５の上にはフレーム４が設けられ、フレームは２つのＵ字形の支持体４．１から成る。支持体４．１はそれぞれ互いに平行に設けられた２つの垂直脚部４．２によってフレーム４に配設され、支持体４．１の２つの垂直脚部４．２の間には水平部４．３が延在している。支持体４．１の水平部にはそれぞれ、２つの板バネ３の上端が上部緊締具Ｓｏによって固定されている。
基板５の中心１４．１には２つの固体連結部１４が設けられ、ネジ１５などによって固定されている。固体連結部１４の距離Ａは水平部４．３に固定された２つの板バネ３の距離に相当する。それぞれの固体連結部１４の長さＬは対向する２つの板バネ３の距離に相当する。板バネ３の下端はそれぞれ固体連結部１４の対応する端部１４．２において、下部緊締具Ｓｕを介して締め付けられている。それぞれの固体連結部１４の両端１４．２は基板５も対して間隙Ｓの分だけ離間されている。固体連結部１４のそれぞれの端部は、図に示されていない、基板５および固体連結部の端部１４．２と係合する緊締部材を介して基板の方向（矢印方向）にあらかじめ付勢され、それによって間隙Ｓが減少し、板バネ３は軸方向に付勢される。
横方向の力、垂直荷重を作り出す装置、インデンタおよびＬＶＤＴ、オイル制振装置は図３に示されていない。
図３に示す実施形態のほか、試料テーブルを２つあるいは３つの板バネのみで懸架したり、３対あるいはそれ以上の対の板バネで懸架したりすることもできる。
基本平面図である。 図１の正面図である。 バネの固定の原理を示す見取り図である。
符号の説明
１ 試料テーブル
１.１ 試料ホルダー
１.２ ナット
２ 長手方向支持体
２.１ 固定部材
２.２ 横方向支持体
３ 板ばね
４ フレーム
４.１ 支持体
４.２ 垂直脚部
４.３ 水平部
５ 基板
６ オイルタンク
７ ピストン棒
８ ピストン
９ 水平軸
９.１ 先端
９.２ バネ部材
１０ 圧電素子
１１ 水平支持体
１２ バネ
１３ 垂直支持体
１４ 固体連結部
１４.１ 中心
１４.２ 端部
１５ ネジ
Ａ 距離
Ｌ 固体連結部の長さ
Ｓ 間隙
Ｓｕ 下部締結具
Ｓｏ 上部緊締具Ｓｏ

Claims (14)

  1. 必要な場合は垂直荷重をかけながら横方向力と横方向のずれを測定するための試料テーブル、特にナノインデンタおよび引っ掻き摩耗試験機であって、該試料テーブルは横方向に移動可能に軸受支持され、横方向力と横方向のずれは測定値検出装置を介して検出可能である試料テーブルにおいて、
    前記試料テーブル（１）は、垂直に設けられ、発生すべき前記試料テーブル（１）の横方向（水平方向）の移動方向において横方向に偏位可能な少なくとも２つの板バネ（３）の間に固定されていることを特徴とする試料テーブル。
  2. 前記板バネ（３）の下端および上端がフレーム（４）に固定されていることを特徴とする、請求項１に記載の試料テーブル。
  3. 前記板バネ（３）は予備付勢／引っ張り付勢されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の試料テーブル。
  4. 前記試料テーブル（１）は前記板バネ（３）の下端および上端の間で前記板バネに固定されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の試料テーブル。
  5. 前記試料テーブル（１）は前記板バネ（３）のほぼ中央に固定されていることを特徴とする、請求項４に記載の試料テーブル。
  6. 前記試料テーブル（１）は前記板バネ（３）の長さに対して小さい平面において前記板バネ（３）に懸架されていることを特徴とする、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の試料テーブル。
  7. ２つの板バネ（３）ごとに対の板バネとして対向していることを特徴とする、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の試料テーブル。
  8. 前記試料テーブル（１）は並べて設けられた複数の対をなす板バネの間に設けられていることを特徴とする、請求項７に記載の試料テーブル。
  9. 前記板バネ（３）の厚みは板バネの横方向の偏位よりもほぼ大きいか、等しいことを特徴とする、請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の試料テーブル。
  10. 前記試料テーブル（１）は制振ユニットと接続されていることを特徴とする、請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の試料テーブル。
  11. 前記制振ユニットは前記試料テーブル（１）の下方に設けられたオイルタンク（６）であって、該オイルタンクに前記試料テーブル（１）に設けられた制振素子が浸されていることを特徴とする、請求項１０に記載の試料テーブル。
  12. 前記試料テーブル（１）は垂直方向に移動可能に構成されている試料ホルダー（１．１）を有していることを特徴とする、請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載の試料テーブル。
  13. 横方向力と横方向のずれを検出するための測定値検出装置が軸（９）を有し、該軸は前記試料の近くに係合されていることを特徴とする、請求項項１から請求項１２までのいずれか１項に記載の試料テーブル。
  14. 横方向力と横方向のずれを決定するための測定値の検出が光学的に行われることを特徴とする、請求項１から請求項１３までのいずれか１項に記載の試料テーブル。
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