JP2007225519A

JP2007225519A - 材料試験方法

Info

Publication number: JP2007225519A
Application number: JP2006049037A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Tokuoka; 信行徳岡
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2006-02-24
Filing date: 2006-02-24
Publication date: 2007-09-06

Abstract

【課題】安価で外部振動に強く、破壊初期の試験力を正確なタイミングで捉えられる材料試験方法を提供する。
【解決手段】試験片２に荷重を加えてその荷重、変位を測定する荷重／変位測定手段と導通の有無を検知する導通検知手段を備えた材料試験装置１と薄膜パターンが形成された試験片２を用いて材料試験を行う。試験片２を薄膜パターン側を下にして支持体１１で支持し加圧体１０を下降させて荷重を加え曲げ試験を行う。荷重の増加によって試験片２にクラックが入り薄膜パターンが切断されるが、前記材料試験装置１により切断が検知され、この時点の変位、試験荷重が測定される。
【選択図】図１

Description

本発明はセラミックス、シリコンウエハ、金属などの材料の強度を試験する材料試験方法に関するものである。

従来、セラミックスなどの材料の強度試験としては、日本工業規格ＪＩＳＲ１６０１に規定されているような３点または４点曲げ強度試験が一般に用いられている。図７に示すように３点曲げ強度試験の場合（Ａ）は、加圧体１０１の先端を荷重点、２本の支持体１０３の先端を支点とし、また４点曲げ強度試験の場合（Ｂ）は、２本の加圧体１０１の先端を荷重点、２本の支持体１０３の先端を支点として試験片１０２に荷重Ｗを加えて折れたときの最大曲げ応力を測定している。

前記試験片１０２にクラック（亀裂）が入り破損する瞬間を検出する方法には、この時発生するアコースティックエミッション（音響出力）をマイクロフォンを介して検出する方法（例えば特許文献１）や試験片１０２に加わっている荷重Ｗ（試験力）の急激な変化を検出する方法が用いられている。
特開２００１−１９４３４６号公報

従来のようなアコースティックエミッションを破損時の信号として検出する方法では、この信号が微弱な信号であり、この微弱信号を増幅するためのアンプや破損を分別するためのＦＦＴ（高速フーリエ変換）アナライザなどの高価な機器を必要とする上、試験装置の振動などの外部からのノイズの影響を受け易いという問題がある。また試験力の変化として検出する方法では、クラックなど破損の初期段階では試験力変化がほとんど無く、正確なタイミングを捉えることが難しいという問題がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、安価な方法であって、破損の瞬間を正確に捉えることができる材料試験方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の材料試験方法は試験片の所定部位に荷重を負荷して、その荷重値と変位量を測定して材料の強度試験を行う材料試験方法において、前記試験片の表面に導体の薄膜パターンを形成するとともに、前記薄膜パターンの両端の導通を検出する手段を設け、試験による前記導体の薄膜パターンの断線を検出することにより、試験片の破断時を捉えるものである。
さらに本発明は薄膜パターンにおける導体がくし形または渦巻形をなしているもの、またはくし形をなし、その折点部分から切断検知用の引き出し線を形成されているもの、または２系統以上形成されているものである。
本発明の材料試験方法は、上記のように構成されており、試験片の破損の瞬間を的確に捉え、その時点での試験力を測定することができる。

本発明による材料試験方法は薄膜パターンの切断を監視して試験片の破損時の瞬間を正確に捉えることができ、また薄膜パターンの部分ごとに切断の監視を行うので破損箇所を特定することができ、さらに薄膜パターンを２系統以上形成してその切断を監視するので、破損の進行状態を把握することができる。これにより、部品材料の破損状態、ばらつきなどを的確に把握することができ、部品材料の開発、改良に顕著に寄与する。

本発明が提供する材料試験方法はつぎのような特徴を有している。第１の特徴は試験片の所定部位に荷重を負荷して、その荷重値と変位量を測定して材料の強度試験を行う材料試験方法において、前記試験片の表面に導体の薄膜パターンを形成するとともに、前記パターンの両端の導通を検出する手段を設け、試験による前記導体の薄膜パターンの切断線を検出することにより、試験片の破断時を捉える点にあり、第２の特徴は薄膜パターンをくし形または渦巻形にする点である。また第３の特徴は薄膜パターンがくし形をなし、その折点部分から切断検知用の引出線が形成されている点であり、第４の特徴は薄膜パターンが２系統形成されている点である。したがって最良の形態は材料試験の目的に応じて第２から第４などの薄膜パターンを選択使用し、薄膜パターンには金またはアルミニューム材を使用して薄膜蒸着した試験片と、薄膜パターンの切断を検知する切断検知手段を有する材料試験装置を用いて材料試験を行う方法である。

以下、図面を参照しながら本発明による材料試験方法を詳細に説明する。図１は三点曲げ治具を用いて試験片に曲げ変位を与え、その曲げ強度を測定する場合に用いられる材料試験装置１の構成図である。本材料試験装置１は、試験片２に曲げ荷重を加えてその試験力を測定するための制御、演算処理を行う演算制御部３、該演算制御部３からの制御信号により制御されるモータ４、このモータ４からの回転力をネジ軸５、１３に伝達するためにベルト６１、連動用プーリ６２を連結したギヤー機構６を内蔵した機台７と、両端を前記ネジ軸５、１３に螺合してその回転に伴い上下方向に移動するクロスヘッド８およびこのクロスヘッド８の中心部に固設されたロードセル９と、このロードセル９に固着され試験片２を加圧する棒状の加圧体１０と、試験片２を支持する２本の棒状の支持体１１を固着し前記機台７上に固設された支持台１２と、前記ネジ軸５、１３の両端を回転可能に支持する筐体１４から構成されている。

本材料試験に使用する試験片２の形状を図２に示す。試験片２としてシリコンウエハ２１を用いる場合は、その片面にあらかじめ金またはアルミニュームなどの金属材料を蒸着により図２に示すような両端に電極部２２を設けたくし形状の導体の薄膜パターン２３を形成しておく。また、試験片２が金属材料である場合は、あらかじめその表面を酸化シリコンなどの絶縁膜を蒸着して絶縁した後、上記と同様な方法で薄膜パターン２３を形成する。

前記演算制御部３のブロック構成図を図３に示す。演算制御部３は、前記ロードセル９から出力される試験力検出信号を増幅するアンプ３１とこの出力をディジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器３２からなる試験力検出部３３と、薄膜パターンを形成した試験片２、基準電圧源３４および抵抗器３５を結合した閉回路、抵抗器３５の電圧降下と基準電圧源３６を比較して薄膜パターンが切断したときに出力が０レベルからハイレベルに変換される比較器３７からなる試験片２の破損を検出する破損検出回路３８と、演算処理部３９から構成されている。

前記演算処理部３９は材料試験装置１を制御し、曲げ試験特性を得るための演算制御プログラムを記憶しておくＲＯＭ３９ａ、演算処理結果を記憶しておくＲＡＭ３９ｂ、演算処理を実行するＣＰＵ３９ｃおよび入出力インターフェース３９ｄから構成され、この入出力インターフェース３９ｄを介して前記Ａ／Ｄ変換器３２、比較器３７の出力信号および前記機台７に配設される操作器１５からの各種操作信号が演算処理部３９に採り込まれ
る。演算処理部３９は前記モータ４に制御信号を送信するとともに、前記Ａ／Ｄ変換器３２の出力を演算処理し、算出した曲げ試験特性を前記機台７に配設した表示器１６に表示する。

次に上記構成の材料試験装置１と試験片２を用いて曲げ試験を行う方法を説明する。先ず、操作器１５を操作して３点曲げ治具を構成する前記加圧体１０と支持体１１間隔を開いておき、試験片２の薄膜パターン２３面を下側にして加圧体１０と支持体１１間に試験片２を設置した後、操作器１５から測定開始信号を送信して測定を開始する。

前記演算制御部３からの制御信号によりモータ４は一定速度で回転し、前記クロスヘッド８は所定の速度で下降し、加圧体１０と支持体１１の上下間隔が一定速度で接近し、試験片２に曲げ試験力が加えられシリコンウエハ２１の中央部を下方に押し曲げる。この試験力信号は一定周期毎に演算処理部３９に採り込まれ、所定の演算処理が行われて表示器１６に変位に対する試験力が表示される。そして、試験力が試験片２の曲げ耐力を超えると、シリコンウエハ２１にクラックが生じ瞬間的に破壊される。この時試験片２の薄膜パターン２３が切断し電極部２２間の導通がなくなり、比較器３７の出力信号は０からハイレベル信号に変化し、演算処理部３９にとりこまれ、この時点での試験力値が特定記録される。また破損の瞬間を高速度カメラで撮影する場合には、ハイレベル信号をトリガ信号として用いることにより、破壊の瞬間を映像として撮影することができる。

前記薄膜パターン２３は、導電性の塗料を塗布することにより形成することも可能である。ただしこの場合には塗料の弾性により微小クラックの追随性が落ちることがあるので適用範囲が限定される。また、形成する薄膜パターンは試験目的、試験方法、試験材料により種々の形状のパターンを形成して使用することができる。例えば図４に示すような電極部２２Ａ、２２Ａ間に渦巻形の薄膜パターン２３Ａを形成した試験片２Ａを使用することにより点線で示すような放射状に発生するクラックを効率よく検出することができる。また図５の薄膜パターン２３Ｂのａからｈに示すように前記試験片２の各折り曲がり点毎に電極部２２Ｂを設けた試験片２Ｂにおいて例えば左右のｂ、ｂの電極部２２Ｂ、２２Ｂ間の導通を検出することによりクラックの発生を検出することができ、さらに図６に示すように電極部２２Ｃ、２２Ｃ間に薄膜パターン２３Ｃ、電極部２２Ｄ、２２Ｄ間に薄膜パターン２３Ｄの異なる２系統のパターンを形成した試験片２Ｃにおいて、この２系統の切断を検出することによりクラックの進行方向や進行速度を測定することが可能となる。さらに薄膜パターンを場所により粗密度を変えるたり半導体材料で形成することも可能である。

なお、上記実施例では３点曲げ治具を用いて材料試験を行う場合を示しているが、試験目的に応じて、４点曲げ治具を用いたり、つかみ具を装着した引張試験装置により前記試験片２、２Ａ〜２Ｃの引張試験を行うこともできる。

本発明はセラミックス、シリコンウエハ、金属などの材料の強度を試験する材料試験方法に用いられる。

本発明に係わる材料試験装置１の一部断面構成図である。本発明に係わる試験片２の平面図である。本発明に係わる演算制御部３の構成図である。本発明に係わる試験片２Ａの平面図である。本発明に係わる試験片２Ｂの平面図である。本発明に係わる試験片２Ｃの平面図である。３点曲げ治具（Ａ）及び４点曲げ治具（Ｂ）の構成図である。

符号の説明

１材料試験装置
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、１０２試験片
２１シリコンウエハ
２２、２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ電極部
２３、２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄ薄膜パターン
３演算制御部
３１アンプ
３２Ａ／Ｄ変換器
３３試験力検出部
３４基準電圧源
３５抵抗器
３６基準電圧源
３７比較器
３８破損検出回路
３９演算処理部
３９ａＲＯＭ
３９ｂＲＡＭ
３９ｃＣＰＵ
３９ｄ入出力インターフェース
４モータ
５ネジ軸
６ギヤー機構
６１ベルト
６２連動用プーリ
７機台
８クロスヘッド
９ロードセル
１０、１０１加圧体
１１、１０３支持体
１２支持台
１３ネジ軸
１４筐体
１５操作器
１６表示器

Claims

試験片の所定部位に荷重を負荷して、その荷重値と変位量を測定して材料の強度試験を行う材料試験方法において、前記試験片の表面に導体の薄膜パターンを形成するとともに、前記薄膜パターンの両端の導通を検出する手段を設け、試験による前記導体の薄膜パターンの断線を検出することにより、試験片の破断時を捉えることを特徴とする材料試験方法。
薄膜パターンにおける導体がくし形または渦巻形をなしていることを特徴とする請求項１記載の材料試験方法。
薄膜パターンにおける導体がくし形をなし、その折点部分から断線検出用の引き出し線が形成されていることを特徴とする請求項２記載の材料試験方法。
薄膜パターンが２系統以上形成されていることを特徴とする請求項１記載の材料試験方法。