JP2018173310A - Measurement accuracy evaluation method, elastic modulus measurement method, program, and scanning type probe microscope system - Google Patents

Measurement accuracy evaluation method, elastic modulus measurement method, program, and scanning type probe microscope system Download PDF

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池田 裕子
Hiroko Ikeda
裕子 池田
巧 大橋
Takumi Ohashi
巧 大橋
佐藤 智之
Tomoyuki Sato
智之 佐藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for evaluating validity of a measured elastic modulus quantitatively and quickly.SOLUTION: Provided is a method for evaluating accuracy of measurement by force mapping mode measurement of a scanning type probe microscope, comprising: a step S41 of acquiring force curve measurement data at a plurality of measurement points on a surface of a measurement object by force mapping mode measurement using the scanning type probe microscope; a step S42 of calculating, for each measurement point, a measured load displacement curve from the force curve measurement data; a step S43 of calculating an elastic modulus per measurement point from the measured load displacement curve using a theoretical formula; a step S44 of calculating, for each measurement point, a theoretical load displacement curve by substituting the elastic modulus and a measurement parameter in force mapping measurement for the theoretical formula; a step S45 of calculating, for each measurement point, a degree of disagreement between the measured load displacement curve and the theoretical load displacement curve, the degree of disagreement being represented by a dimensionless number.SELECTED DRAWING: Figure 8

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡を用いて弾性率を測定する技術に関し、特に、原子間力顕微鏡(AFM)を用いたフォースカーブマッピング測定の測定精度の評価、および、高精度化ならびに簡便化を実現する技術に関する。   The present invention relates to a technique for measuring elastic modulus using a scanning probe microscope, and in particular, to evaluate the measurement accuracy of force curve mapping measurement using an atomic force microscope (AFM), and to improve and simplify the accuracy. It relates to the technology to be realized.

微視的な局所領域を観察するための顕微鏡の一つに、先端に極めて微小な突起針(探針)が備えられた片持ち梁(カンチレバー)をプローブとして用い、該プローブを物質の表面をなぞるように走査させることで、凹凸等三次元形状などの表面状態を拡大観察する、走査型プローブ顕微鏡(SPM)がある。SPMはプローブ先端と試料表面との相互作用によるカンチレバーの変化を通じて、試料表面の起伏の様子、また、その表面物性の測定および検討を行うことができる。   One of the microscopes for observing microscopic local areas is a cantilever with a very small protruding needle (probe) at the tip as a probe. There is a scanning probe microscope (SPM) in which a surface state such as a three-dimensional shape such as unevenness is magnified and observed by scanning in a tracing manner. The SPM can measure and examine the undulation state of the sample surface and its surface properties through changes in the cantilever due to the interaction between the probe tip and the sample surface.

SPMの測定方式には大別してコンタクトモード測定(接触モード測定)、ダイナミックモード測定(タッピングモード測定)、フォースカーブ測定(力−距離曲線測定)の3つがあるが、特にソフトマテリアルの研究開発の場においては、ダイナミックモード測定とフォースカーブ測定が広く用いられている。   There are three types of SPM measurement methods: contact mode measurement (contact mode measurement), dynamic mode measurement (tapping mode measurement), and force curve measurement (force-distance curve measurement). In general, dynamic mode measurement and force curve measurement are widely used.

ダイナミックモード測定は、物質の表面形状のみならず、その粘弾性に関する情報をも検出し、位相(差)像として可視化できることから、ソフトマテリアルの表面観察および物性評価において非常に有用である。しかしながら、得られた位相像は定性的なデータであり、画像間および試料間での比較が難しいという欠点がある。   The dynamic mode measurement can detect not only the surface shape of a substance but also information related to its viscoelasticity and visualize it as a phase (difference) image, and thus is very useful in surface observation and physical property evaluation of a soft material. However, the obtained phase image is qualitative data, and has a drawback that comparison between images and samples is difficult.

一方、フォースカーブ測定は、試料表面の弾性計測に向いており、試料表面の定量的な物性値として弾性率を得ることが可能である。ソフトマテリアルの中でも、特にゴム材料の弾性率測定については活発な研究が行われており、カンチレバーと試料間の弾性接触現象を記述する接触力学の研究において、Hertzの接触力学モデル、DMT理論、JKR理論など、さまざまな理論が提案されている。例えばJKR理論を用いることにより、数マイクロメートル角の視野内でフォースカーブ測定を二次元的に行い、弾性率分布(弾性率マッピング像)を調べることが可能なフォースカーブマッピング測定手法が既に報告されている(特許文献1および非特許文献1)。   On the other hand, the force curve measurement is suitable for measuring the elasticity of the sample surface, and the elastic modulus can be obtained as a quantitative physical property value of the sample surface. Among the soft materials, there is active research on the elastic modulus measurement of rubber materials in particular. In the study of contact mechanics describing the elastic contact phenomenon between the cantilever and the sample, Hertz contact mechanics model, DMT theory, JKR Various theories such as theory have been proposed. For example, by using the JKR theory, a force curve mapping measurement method has been already reported that allows two-dimensional force curve measurement within a field of view of several micrometers square to examine the elastic modulus distribution (elastic modulus mapping image). (Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).

しかし、実際にこのフォースカーブマッピング測定を行い、信頼性ある弾性率マッピング像を得ることは容易なことではない。例えば非特許文献1で行われたフォースカーブマッピング測定を挙げると、一つのフォースカーブマッピング測定に対して128×128=16384点の測定点における実測データが得られる。これらの各実測データからJKR理論式によって各測定点における弾性率を算出し、当該弾性率から理論データ(JKR曲線)を求めると、実測データと理論データとがよく一致する測定点と、両者があまり一致しない点が存在する。   However, it is not easy to actually perform this force curve mapping measurement and obtain a reliable elastic modulus mapping image. For example, when the force curve mapping measurement performed in Non-Patent Document 1 is given, actually measured data at 128 × 128 = 16384 measurement points is obtained for one force curve mapping measurement. When the elastic modulus at each measurement point is calculated from each of these actual measurement data by the JKR theoretical formula and the theoretical data (JKR curve) is obtained from the elastic modulus, the measurement point where the actual measurement data and the theoretical data are in good agreement, There are points that do not match very much.

これに対し、非特許文献2では、実測データと理論データとの不一致の原因が、粘弾性によるエネルギー散逸であるとされており、エネルギー散逸量を全ての測定点において計算してマッピングした画像がFig 2. (g)に開示されている。また、非特許文献2では、実測データと理論データとのずれが大きい測定点では、JKR理論から導き出されたヤング率(弾性率)は信頼できないと記載されている。   On the other hand, in Non-Patent Document 2, the cause of the discrepancy between the measured data and the theoretical data is assumed to be energy dissipation due to viscoelasticity, and an image obtained by calculating and mapping the energy dissipation amount at all measurement points is obtained. It is disclosed in Fig 2. (g). In Non-Patent Document 2, it is described that the Young's modulus (elastic modulus) derived from the JKR theory is unreliable at measurement points where the difference between the actual measurement data and the theoretical data is large.

したがって、信頼性ある弾性率を得るためには、前述の各種理論より得られる理論データと実測データとの不一致度を確認し、理論計算によって求められた弾性率の精度を評価すること(妥当性の評価)が必須となる。しかし、非特許文献2のように、実測データと理論データとのずれを粘弾性によるエネルギー散逸量によって求めた場合、粘弾性によるエネルギー散逸量は、単位を持つ量であるため、値の範囲が不定、かつ、測定対象物や測定パラメータに強く依存する。そのため、実測データがどの程度理論計算データと一致していれば、求められた弾性率が妥当であると見なすことができるかの定量的な尺度を決定することができない。   Therefore, in order to obtain a reliable elastic modulus, the degree of inconsistency between the theoretical data obtained from the above-mentioned various theories and the measured data is confirmed, and the accuracy of the elastic modulus obtained by theoretical calculation is evaluated (validity Evaluation) is essential. However, as in Non-Patent Document 2, when the deviation between the measured data and the theoretical data is determined by the energy dissipation amount due to viscoelasticity, the energy dissipation amount due to viscoelasticity is a quantity having a unit, so the range of values is Indeterminate and strongly dependent on the measurement object and measurement parameters. For this reason, it is not possible to determine a quantitative measure of how much the actually measured data matches the theoretical calculation data, and whether the obtained elastic modulus can be regarded as appropriate.

また、実測データと理論計算データとが一致しない測定点が多い場合、測定された弾性率マッピング像が妥当であるとは言えないため、適切な測定パラメータを再設定する必要が生じるが、前述の通り妥当性の評価自体が困難な作業であるため、測定パラメータの再設定も同様に困難を極める作業となる。従って、有効な測定パラメータの探索を行うためには、測定された弾性率の妥当性の評価を定量的かつ迅速に行う必要がある。   In addition, when there are many measurement points where the actual measurement data and the theoretical calculation data do not match, the measured elastic modulus mapping image cannot be said to be valid, so it is necessary to reset appropriate measurement parameters. Since the validity evaluation itself is a difficult task as described above, the resetting of the measurement parameters is also extremely difficult. Therefore, in order to search for an effective measurement parameter, it is necessary to quantitatively and quickly evaluate the validity of the measured elastic modulus.

特開2016−105054号公報JP, 2006-105054, A

Ken Nakajima et al., J. Vac. Soc. Jpn., Vol.7, 2013, 258-266Ken Nakajima et al., J. Vac. Soc. Jpn., Vol. 7, 2013, 258-266 藤波想、他2名、「原子間力顕微鏡フォース測定によるエラストマーブレンドの粘弾性解析」、高分子論文集、Vol. 69、No. 7、2012、pp.435-442Fujinami, et al., “Viscoelastic analysis of elastomer blends by atomic force microscope force measurement”, Polymers, Vol. 69, No. 7, 2012, pp.435-442

本発明は、走査型プローブ顕微鏡システム、特に原子間力顕微鏡を用いたフォースカーブマッピング測定における上述の問題点を解決し、測定された弾性率の妥当性の評価を定量的かつ迅速に行うための方法を提供することを課題とする。   The present invention solves the above-mentioned problems in force curve mapping measurement using a scanning probe microscope system, particularly an atomic force microscope, and quantitatively and rapidly evaluates the validity of the measured elastic modulus. It is an object to provide a method.

本発明者らは、実測データと理論データとの不一致度として、無次元数で表わされる指標を用いることにより、弾性率の妥当性の評価を定量的かつ迅速に行うことができることを見出し、さらに検討を重ねて本発明を完成させた。   The present inventors have found that the validity of the elastic modulus can be quantitatively and rapidly evaluated by using an index represented by a dimensionless number as the degree of inconsistency between the measured data and the theoretical data. The present invention was completed through repeated studies.

本発明は例えば以下の項に記載の主題を包含する。
項1.
走査型プローブ顕微鏡のフォースマッピングモード測定による測定精度の評価方法であって、
前記走査型プローブ顕微鏡を用いたフォースマッピングモード測定によって、測定対象物の表面の複数の測定点におけるフォースカーブ測定データを取得するフォースカーブ取得ステップと、
前記フォースカーブ測定データから実測荷重変位曲線を前記測定点ごとに算出する実測データ算出ステップと、
前記実測荷重変位曲線から理論式を用いて前記測定点ごとの弾性率を算出する弾性率算出ステップと、
前記弾性率および前記フォースマッピングモード測定における測定パラメータを前記理論式に代入することによって、理論荷重変位曲線を前記測定点ごとに算出する理論データ算出ステップと、
前記実測荷重変位曲線と前記理論荷重変位曲線との不一致度を前記測定点ごとに算出する不一致度算出ステップと、
を有し、
前記不一致度は無次元数で表わされる、評価方法。
項2.
前記不一致度は、下記式7または式8によって求められるR−factorによって表わされる、項1に記載の評価方法。
data:実測荷重変位曲線において、前記測定対象物のある変形量における荷重、あるいは、ある荷重における前記測定対象物の変形量
calc:理論荷重変位曲線において、前記測定対象物のある変形量における荷重、あるいは、ある荷重における前記測定対象物の変形量
項3.
前記理論式はJKR理論による理論式であり、
前記不一致度は、下記式1によって求められるR−factorによって表わされる、項1または2に記載の評価方法。
δdata:実測荷重変位曲線において、ある荷重における前記測定対象物の変形量
δcalc:理論荷重変位曲線において、ある荷重における前記測定対象物の変形量
項4.
前記理論式はHertzの接触力学モデルまたはDMT理論による理論式であり、
前記不一致度は、下記式5によって求められるR−factorによって表わされる、項1または2に記載の評価方法。
data:実測荷重変位曲線において、前記測定対象物のある変形量における荷重
calc:理論荷重変位曲線において、前記測定対象物のある変形量における荷重
項5.
前記各測定点の不一致度を示す画像であって、各測定点に対応する領域が当該測定点の不一致度の大きさを視覚的に判別可能な態様で表示されたマッピング画像を生成するマッピング画像生成ステップをさらに有する、項1〜4のいずれかに記載の評価方法。
項6.
前記走査型プローブ顕微鏡は原子間力顕微鏡である、項1〜5のいずれかに記載の評価方法。
項7.
前記測定対象物はソフトマテリアル、金属、セラミック、または、それらの複合体である、項1〜6のいずれかに記載の評価方法。
項8.
走査型プローブ顕微鏡のフォースマッピングモード測定による測定対象物の表面の弾性率の測定方法であって、
前記走査型プローブ顕微鏡の1または複数の測定パラメータに基づいて、前記走査型プローブ顕微鏡が前記測定対象物の表面の複数の測定点におけるフォースカーブを測定する予備測定ステップと、
前記予備測定ステップにおいて測定された前記フォースカーブの測定データであるフォースカーブ測定データを取得し、前記フォースカーブ測定データから実測荷重変位曲線を前記測定点ごとに算出し、前記実測荷重変位曲線から理論式を用いて前記測定点ごとの弾性率を算出し、前記弾性率および前記フォースマッピングモード測定における測定パラメータを前記理論式に代入することによって、理論荷重変位曲線を前記測定点ごとに算出し、前記実測荷重変位曲線と前記理論荷重変位曲線との無次元数で表わされる不一致度を前記測定点ごとに算出する測定精度評価ステップと、
前記測定精度評価ステップにおいて算出された前記不一致度に基づいて、前記1または複数の測定パラメータから有効測定パラメータを決定する有効測定パラメータ決定ステップと、
前記有効測定パラメータに基づいて、前記予備測定ステップにおける測定点よりも多い測定点で、前記測定対象物の表面の弾性率を測定する本測定ステップと、
を有する、測定方法。
項9.
前記不一致度は、下記式7または式8によって求められるR−factorによって表わされる、項8に記載の測定方法。
data:実測荷重変位曲線において、前記測定対象物のある変形量における荷重、あるいは、ある荷重における前記測定対象物の変形量
calc:理論荷重変位曲線において、前記測定対象物のある変形量における荷重、あるいは、ある荷重における前記測定対象物の変形量
項10.
前記理論式はJKR理論による理論式であり、
前記不一致度は、下記式1によって求められるR−factorによって表わされる、項8または9に記載の測定方法。
δdata:実測荷重変位曲線において、ある荷重における前記測定対象物の変形量
δcalc:理論荷重変位曲線において、ある荷重における前記測定対象物の変形量
項11.
前記理論式はHertzの接触力学モデルまたはDMT理論による理論式であり、
前記不一致度は、下記式5によって求められるR−factorによって表わされる、項8または9に記載の測定方法。
data:実測荷重変位曲線において、前記測定対象物のある変形量における荷重
calc:理論荷重変位曲線において、前記測定対象物のある変形量における荷重
項12.
前記有効測定パラメータ決定ステップでは、全ての測定点の前記不一致度の平均が所定の基準値以下である測定パラメータを有効測定パラメータと決定する、項8〜11のいずれかに記載の測定方法。
項13.
前記走査型プローブ顕微鏡は原子間力顕微鏡である、項8〜12のいずれかに記載の測定方法。
項14.
項1〜13のいずれかに記載の各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラム。
項15.
項1〜13のいずれかに記載の各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラムを装備した走査型プローブ顕微鏡システム。
項16.
項1〜13のいずれかに記載の各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラムを装備した原子間力顕微鏡システム。
The invention encompasses, for example, the subject matter described in the following sections.
Item 1.
An evaluation method of measurement accuracy by force mapping mode measurement of a scanning probe microscope,
A force curve acquisition step of acquiring force curve measurement data at a plurality of measurement points on the surface of the measurement object by force mapping mode measurement using the scanning probe microscope;
Actual measurement data calculation step for calculating an actual load displacement curve from the force curve measurement data for each measurement point;
An elastic modulus calculation step of calculating an elastic modulus for each of the measurement points using a theoretical formula from the measured load displacement curve;
A theoretical data calculation step for calculating a theoretical load displacement curve for each measurement point by substituting the measurement parameters in the elastic modulus and the force mapping mode measurement into the theoretical formula;
A mismatch degree calculating step for calculating a mismatch degree between the measured load displacement curve and the theoretical load displacement curve for each measurement point;
Have
The evaluation method, wherein the inconsistency is expressed by a dimensionless number.
Item 2.
The evaluation method according to Item 1, wherein the degree of inconsistency is represented by an R-factor determined by the following Expression 7 or 8.
d data : a load at a certain deformation amount of the measurement object in the actual load displacement curve or a deformation amount of the measurement object at a certain load d calc : a deformation amount of the measurement object in the theoretical load displacement curve 2. Load or deformation amount term of the measurement object at a certain load
The theoretical formula is a theoretical formula based on the JKR theory,
Item 3. The evaluation method according to Item 1 or 2, wherein the degree of inconsistency is represented by an R-factor determined by the following Equation 1.
δ data : deformation amount of the measurement object at a certain load in the actually measured load displacement curve δ calc : deformation amount of the measurement object at a certain load in the theoretical load displacement curve
The theoretical formula is a theoretical formula based on Hertz's contact dynamic model or DMT theory,
Item 3. The evaluation method according to Item 1 or 2, wherein the degree of inconsistency is represented by an R-factor determined by the following Equation 5.
F data : Load at a certain deformation amount of the measurement object in the measured load displacement curve F calc : Load term at a certain deformation amount of the measurement object in the theoretical load displacement curve 5.
A mapping image for generating a mapping image in which an area corresponding to each measurement point is displayed in such a manner that a region corresponding to each measurement point can be visually discriminated from the size of the measurement point. Item 5. The evaluation method according to any one of Items 1 to 4, further comprising a generation step.
Item 6.
Item 6. The evaluation method according to any one of Items 1 to 5, wherein the scanning probe microscope is an atomic force microscope.
Item 7.
Item 7. The evaluation method according to any one of Items 1 to 6, wherein the measurement object is a soft material, a metal, a ceramic, or a composite thereof.
Item 8.
A method for measuring the elastic modulus of the surface of an object to be measured by force mapping mode measurement of a scanning probe microscope,
A preliminary measurement step in which the scanning probe microscope measures force curves at a plurality of measurement points on the surface of the measurement object based on one or more measurement parameters of the scanning probe microscope;
Force curve measurement data that is measurement data of the force curve measured in the preliminary measurement step is acquired, an actual load displacement curve is calculated for each measurement point from the force curve measurement data, and a theoretical value is calculated from the actual load displacement curve. Calculate the elastic modulus for each measurement point using an equation, and calculate the theoretical load displacement curve for each measurement point by substituting the measurement parameters in the elastic modulus and the force mapping mode measurement into the theoretical formula, A measurement accuracy evaluation step for calculating a degree of inconsistency represented by a dimensionless number between the measured load displacement curve and the theoretical load displacement curve for each measurement point;
An effective measurement parameter determining step for determining an effective measurement parameter from the one or more measurement parameters based on the inconsistency calculated in the measurement accuracy evaluation step;
Based on the effective measurement parameters, the main measurement step of measuring the elastic modulus of the surface of the measurement object at more measurement points than the measurement points in the preliminary measurement step;
A measuring method.
Item 9.
Item 9. The measurement method according to Item 8, wherein the degree of inconsistency is represented by an R-factor determined by the following Equation 7 or Equation 8.
d data : a load at a certain deformation amount of the measurement object in the actual load displacement curve or a deformation amount of the measurement object at a certain load d calc : a deformation amount of the measurement object in the theoretical load displacement curve 9. Load or deformation amount term of the measurement object at a certain load
The theoretical formula is a theoretical formula based on the JKR theory,
Item 10. The measurement method according to Item 8 or 9, wherein the degree of inconsistency is represented by an R-factor determined by the following Equation 1.
δ data : deformation amount of the measurement object at a certain load in the measured load displacement curve δ calc : deformation amount of the measurement object at a certain load in the theoretical load displacement curve
The theoretical formula is a theoretical formula based on Hertz's contact dynamic model or DMT theory,
Item 10. The measurement method according to Item 8 or 9, wherein the degree of inconsistency is represented by an R-factor determined by the following Equation 5.
F data : Load at a certain deformation amount of the measurement object in the measured load displacement curve F calc : Load term at a certain deformation amount of the measurement object in the theoretical load displacement curve 12.
Item 12. The measurement method according to any one of Items 8 to 11, wherein, in the effective measurement parameter determination step, a measurement parameter in which an average of the mismatches at all measurement points is equal to or less than a predetermined reference value is determined as an effective measurement parameter.
Item 13.
Item 13. The measuring method according to any one of Items 8 to 12, wherein the scanning probe microscope is an atomic force microscope.
Item 14.
Item 14. A program for causing a computer to execute each step according to any one of Items 1 to 13.
Item 15.
Item 14. A scanning probe microscope system equipped with a program for causing a computer to execute each step according to any one of Items 1 to 13.
Item 16.
Item 14. An atomic force microscope system equipped with a program for causing a computer to execute the steps according to any one of Items 1 to 13.

本発明によれば、弾性率の妥当性の評価を定量的かつ迅速に行うことができる。また、弾性率を測定するための有効な測定パラメータの探索も容易になる。   According to the present invention, the validity of the elastic modulus can be quantitatively and rapidly evaluated. Also, it becomes easy to search for effective measurement parameters for measuring the elastic modulus.

本発明の一実施形態に係る弾性率測定システムの概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram showing a schematic structure of an elastic modulus measuring system concerning one embodiment of the present invention. ある測定点におけるフォースカーブを示すグラフの一例である。It is an example of the graph which shows the force curve in a certain measurement point. ある測定点における実測荷重変位曲線および理論荷重変位曲線を示すグラフの一例である。It is an example of the graph which shows the actual measurement load displacement curve and theoretical load displacement curve in a certain measurement point. JKR理論を用いた弾性率測定における弾性率画像の一例である。It is an example of the elastic modulus image in the elastic modulus measurement using JKR theory. 図4に示す弾性率画像におけるR−factorの大きさの分布を視覚的に表現したマッピング画像の一例である。FIG. 5 is an example of a mapping image that visually represents the distribution of R-factor sizes in the elastic modulus image shown in FIG. 4. FIG. 本発明の一実施形態に係る弾性率の測定方法の各ステップを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows each step of the measuring method of the elasticity modulus which concerns on one Embodiment of this invention. (a)〜(c)はそれぞれ、予備測定において得られたマッピング画像の一例である。(A)-(c) is an example of the mapping image obtained in preliminary measurement, respectively. 本発明の一実施形態に係る測定精度の評価方法の各ステップを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows each step of the evaluation method of the measurement precision which concerns on one Embodiment of this invention. Hertzの接触力学モデルを用いた弾性率測定における弾性率画像の一例である。It is an example of the elasticity-modulus image in the elasticity-modulus measurement using the Hertz contact dynamics model. 図9に示す弾性率画像におけるR−factorの大きさの分布を視覚的に表現したマッピング画像の一例である。10 is an example of a mapping image that visually represents the distribution of R-factor sizes in the elastic modulus image shown in FIG. 9. 図10に示すマッピング画像において、R−factorが最も小さいブロックにおける、実測荷重変位曲線および理論荷重変位曲線を示すグラフである。11 is a graph showing an actual load displacement curve and a theoretical load displacement curve in a block having the smallest R-factor in the mapping image shown in FIG. R−factorの大きさの分布を視覚的に表現したマッピング画像の変形例である。It is a modification of the mapping image which expressed the size distribution of R-factor visually. マッピング画像と弾性率画像とを重畳した画像の一例である。It is an example of the image which superimposed the mapping image and the elasticity modulus image. (a)および(b)は、弾性率画像およびマッピング画像の一例である。(A) And (b) is an example of an elasticity-modulus image and a mapping image. 本発明の変形例に係る弾性率の測定方法の各ステップを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows each step of the measuring method of the elasticity modulus which concerns on the modification of this invention.

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not limited to the following embodiment.

(装置構成)
図1は、本発明の一実施形態に係る弾性率測定システム(走査型プローブ顕微鏡システム、原子間力顕微鏡システム)の概略構成を示すブロック図である。この弾性率測定システムは、測定対象物であるサンプルSの表面の弾性率を測定するものであり、原子間力顕微鏡(AFM)1および演算装置2を備えている。サンプルSは、例えばゴム材料であり、AFM1の所定の位置にセットされている。なお、本発明では、測定対象物はゴム材料に限定されず、ゴム材料以外のあらゆる物質を測定対象とすることができる。
(Device configuration)
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of an elastic modulus measurement system (scanning probe microscope system, atomic force microscope system) according to an embodiment of the present invention. This elastic modulus measurement system measures the elastic modulus of the surface of a sample S that is an object to be measured, and includes an atomic force microscope (AFM) 1 and an arithmetic device 2. The sample S is a rubber material, for example, and is set at a predetermined position of the AFM 1. In the present invention, the measurement object is not limited to the rubber material, and any substance other than the rubber material can be the measurement object.

AFM1は、先端を尖らせた微小なプローブ(探針)を用いて、物質の表面を走査しながら、表面状態(凹凸等の三次元情報)を拡大観察する走査型プローブ顕微鏡の中で、特に原子間力を利用した顕微鏡である。本実施形態では、AFM1は、サンプルSとカンチレバーに備えられたプローブとの距離を変えながら、カンチレバーのたわみ量とサンプルSに対する相対距離を測定する(フォースカーブ測定)。カンチレバーのたわみ量は光学的手段によって測定することができ、サンプルSとカンチレバーの相対距離はピエゾ素子によって測定することができる。この場合、サンプルSとカンチレバーの相対距離はピエゾ素子の変位量として表わされる。サンプルSとカンチレバーの相対距離本実施形態では、このフォースカーブ測定を、サンプルSの表面に対して、ナノメートルからマイクロメートルオーダーで二次元的に走査するように多点で行う(フォースマッピングモード測定)。これにより、例えば図2に示すようなカンチレバーのたわみ量とサンプルSに対する相対距離との関係を示すフォースカーブが各測定点について得られる。図2において、実線は、カンチレバーがサンプルSに接近している時のフォースカーブであり、破線は、カンチレバーがサンプルSから遠ざかる時のフォースカーブである。このフォースカーブ測定データは、AFM1に接続された演算装置2に送信される。   The AFM 1 is a scanning probe microscope that magnifies and observes the surface state (three-dimensional information such as irregularities) while scanning the surface of a substance using a minute probe (probe) having a sharp tip. This is a microscope using atomic force. In the present embodiment, the AFM 1 measures the amount of deflection of the cantilever and the relative distance to the sample S while changing the distance between the sample S and the probe provided in the cantilever (force curve measurement). The amount of deflection of the cantilever can be measured by optical means, and the relative distance between the sample S and the cantilever can be measured by a piezo element. In this case, the relative distance between the sample S and the cantilever is expressed as a displacement amount of the piezo element. Relative distance between sample S and cantilever In this embodiment, the force curve measurement is performed at multiple points so that the surface of the sample S is scanned two-dimensionally on the nanometer to micrometer order (force mapping mode measurement). ). Thereby, for example, a force curve showing the relationship between the amount of deflection of the cantilever and the relative distance to the sample S as shown in FIG. In FIG. 2, the solid line is a force curve when the cantilever is approaching the sample S, and the broken line is a force curve when the cantilever is moving away from the sample S. The force curve measurement data is transmitted to the arithmetic device 2 connected to the AFM 1.

演算装置2は、AFM1から受信したフォースカーブ測定データに基づいてサンプルSの表面の弾性率を演算するものであり、例えば汎用のパーソナルコンピュータによって構成される。演算装置2は、ハードウェア構成として、CPU(図示せず)、メモリ(図示せず)、補助記憶装置3などを備えており、CPUが各種プログラムをメモリに読み出して実行することにより、各種演算処理を実行する。また、演算装置2には、液晶ディスプレイ等の表示装置(図示せず)、および、キーボードまたはタッチパネル等の入力装置(図示せず)が接続されている。   The computing device 2 computes the elastic modulus of the surface of the sample S based on the force curve measurement data received from the AFM 1, and is constituted by a general-purpose personal computer, for example. The arithmetic device 2 includes a CPU (not shown), a memory (not shown), an auxiliary storage device 3 and the like as a hardware configuration, and the CPU reads various programs into the memory and executes them to execute various operations. Execute the process. Further, a display device (not shown) such as a liquid crystal display and an input device (not shown) such as a keyboard or a touch panel are connected to the arithmetic device 2.

図1に示すように、演算装置2は、機能ブロックとして、測定指示部4、測定パラメータ設定部5、精度評価部6および有効測定パラメータ決定部7を有している。これらの機能ブロックは、演算装置2のCPUが本実施形態に係るプログラムを実行することによって実現され、これにより、演算装置2は、後述する本発明に係る測定精度の評価方法および弾性率の測定方法を実行する。本実施形態に係るプログラムは、CD−ROMなどの非一時的なコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよく、当該記録媒体を演算装置2に読み取らせることにより、当該プログラムは補助記憶装置3に格納される。あるいは、演算装置2をインターネットなどの通信ネットワークと接続し、当該通信ネットワークを介して上記プログラムのプログラムコードをダウンロードしてもよい。   As shown in FIG. 1, the arithmetic device 2 includes a measurement instruction unit 4, a measurement parameter setting unit 5, an accuracy evaluation unit 6, and an effective measurement parameter determination unit 7 as functional blocks. These functional blocks are realized by the CPU of the arithmetic device 2 executing the program according to the present embodiment, whereby the arithmetic device 2 can measure the measurement accuracy and the elastic modulus measurement according to the present invention described later. Execute the method. The program according to the present embodiment may be recorded on a non-transitory computer-readable recording medium such as a CD-ROM. By causing the arithmetic device 2 to read the recording medium, the program is stored in the auxiliary storage device 3. Stored in Alternatively, the arithmetic device 2 may be connected to a communication network such as the Internet, and the program code of the program may be downloaded via the communication network.

測定指示部4は、入力装置を介したユーザの指示操作等に応じて、サンプルSに対するフォースマッピングモード測定を行うための指示信号をAFM1に送信する。これに応じて、AFM1は、サンプルSの表面の複数の測定点におけるカンチレバーのたわみ量とサンプルSに対するピエゾ素子の変位量および変位範囲を測定し、各測定点のフォースカーブ測定データを生成する。   The measurement instruction unit 4 transmits an instruction signal for performing force mapping mode measurement on the sample S to the AFM 1 in accordance with a user instruction operation or the like via the input device. In response to this, the AFM 1 measures the deflection amount of the cantilever at a plurality of measurement points on the surface of the sample S, the displacement amount and displacement range of the piezo element with respect to the sample S, and generates force curve measurement data at each measurement point.

測定パラメータ設定部5は、AFM1がフォースマッピングモード測定を行うための測定パラメータを設定する。測定パラメータとしては、カンチレバーのサンプルSに対する速度、カンチレバーの終了位置、サンプルSの表面における測定範囲および測定密度(測定点数)などが挙げられる。測定パラメータは、ユーザの入力装置を介した操作によって設定されてもよいし、後述する有効測定パラメータ決定部7等の機能により自動的に設定されてもよい。上述の測定指示部4がAFM1に対してフォースマッピングモード測定の指示を行う度に、測定パラメータ設定部5は、当該フォースマッピングモード測定における測定パラメータを補助記憶装置3に格納する。格納された測定パラメータは測定履歴Hとして記録される。   The measurement parameter setting unit 5 sets measurement parameters for the AFM 1 to perform force mapping mode measurement. Examples of the measurement parameters include the speed of the cantilever with respect to the sample S, the end position of the cantilever, the measurement range and the measurement density (number of measurement points) on the surface of the sample S, and the like. The measurement parameter may be set by an operation through a user input device, or may be automatically set by a function such as an effective measurement parameter determination unit 7 described later. Each time the measurement instruction unit 4 instructs the AFM 1 to perform force mapping mode measurement, the measurement parameter setting unit 5 stores the measurement parameters in the force mapping mode measurement in the auxiliary storage device 3. The stored measurement parameter is recorded as a measurement history H.

精度評価部6は、後述する本発明に係る測定精度の評価方法を実行するための機能ブロックであり、AFM1からのフォースカーブデータに基づき、サンプルSの表面の測定点における弾性率の測定および当該弾性率の測定精度の評価を行う機能を有している。この機能を実現するため、精度評価部6は、フォースカーブ取得部61、実測データ算出部62、弾性率算出部63、理論データ算出部64、不一致度算出部65およびマッピング画像生成部66を有している。   The accuracy evaluation unit 6 is a functional block for executing a measurement accuracy evaluation method according to the present invention, which will be described later. Based on force curve data from the AFM 1, measurement of the elastic modulus at the measurement point on the surface of the sample S and It has a function to evaluate the measurement accuracy of elastic modulus. In order to realize this function, the accuracy evaluation unit 6 includes a force curve acquisition unit 61, an actual measurement data calculation unit 62, an elastic modulus calculation unit 63, a theoretical data calculation unit 64, a mismatch degree calculation unit 65, and a mapping image generation unit 66. doing.

フォースカーブ取得部61は、AFM1と通信を行い、AFM1からフォースカーブ測定データを取得する機能を有している。   The force curve acquisition unit 61 has a function of communicating with the AFM 1 and acquiring force curve measurement data from the AFM 1.

実測データ算出部62は、フォースカーブ取得部61が取得したフォースカーブ測定データから実測に基づく実測荷重変位曲線(実測データ)を測定点ごとに算出する機能を有している。実測荷重変位曲線は、カンチレバーに加わる荷重とサンプルSの変形量との関係を示す曲線であり、例えば、図3における実線で示される。   The actual measurement data calculation unit 62 has a function of calculating an actual load displacement curve (measurement data) based on the actual measurement from the force curve measurement data acquired by the force curve acquisition unit 61 for each measurement point. The actually measured load displacement curve is a curve showing the relationship between the load applied to the cantilever and the deformation amount of the sample S, and is shown by a solid line in FIG. 3, for example.

弾性率算出部63は、実測データ算出部62が算出した実測荷重変位曲線から、サンプルSの弾性率を測定点ごとに算出する機能を有している。本実施形態では、JKR理論による理論式によって弾性率を算出している。図4は、測定点が32×32=1024の場合の弾性率を示す弾性率画像の一例である。この弾性率画像では、各ブロック(領域)が測定点の位置に対応し、弾性率の大きい(硬い)ブロックは赤色で表示され、弾性率の小さい(柔らかい)ブロックは青色で表示されている。   The elastic modulus calculation unit 63 has a function of calculating the elastic modulus of the sample S for each measurement point from the actual load displacement curve calculated by the actual measurement data calculation unit 62. In this embodiment, the elastic modulus is calculated by a theoretical formula based on the JKR theory. FIG. 4 is an example of an elastic modulus image showing the elastic modulus when the measurement point is 32 × 32 = 1024. In this elastic modulus image, each block (area) corresponds to the position of the measurement point, blocks with a large elastic modulus (hard) are displayed in red, and blocks with a small elastic modulus (soft) are displayed in blue.

理論データ算出部64は、弾性率算出部63が算出した弾性率、および、フォースマッピングモード測定における測定パラメータ(ピエゾ素子の変位範囲)を理論式に代入することによって、理論荷重変位曲線(理論データ)を測定点ごとに算出する機能を有している。理論荷重変位曲線は、実測データより算術された弾性率及び凝着エネルギーを用いて算出された、カンチレバーに加わる荷重とサンプルSの変形量との関係を示す曲線であり、例えば、図3における破線で示される。   The theoretical data calculation unit 64 substitutes the elastic modulus calculated by the elastic modulus calculation unit 63 and the measurement parameter (displacement range of the piezo element) in the force mapping mode measurement into the theoretical formula, thereby calculating the theoretical load displacement curve (theoretical data). ) For each measurement point. The theoretical load displacement curve is a curve showing the relationship between the load applied to the cantilever and the amount of deformation of the sample S, calculated using the elastic modulus and adhesion energy calculated from the measured data. For example, the broken line in FIG. Indicated by

不一致度算出部65は、実測データ算出部62が算出した実測荷重変位曲線と理論データ算出部64が算出した理論荷重変位曲線との不一致度を測定点ごとに算出する機能を有している。本実施形態では、前記不一致度は、下記式1によって求められるR−factorによって表わされる。
δdata:実測荷重変位曲線において、ある荷重におけるサンプルSの変形量
δcalc:理論荷重変位曲線において、ある荷重におけるサンプルSの変形量
The mismatch degree calculation unit 65 has a function of calculating the degree of mismatch between the actual load displacement curve calculated by the actual data calculation unit 62 and the theoretical load displacement curve calculated by the theoretical data calculation unit 64 for each measurement point. In the present embodiment, the degree of inconsistency is represented by an R-factor obtained by the following formula 1.
δ data : deformation amount of sample S at a certain load in the measured load displacement curve δ calc : deformation amount of sample S at a certain load in the theoretical load displacement curve

R−factorは0以上の値をとる無次元数であり、不一致度が小さいほど0に近くなり、不一致度が大きいほど大きな値をとる。そのため、R−factorは、不一致度を直感的に理解するための指標として好適である。また、R−factorの計算が容易であることから、本実施形態では、R−factorを、不一致度を定量的に示す指標としている。不一致度算出部65は、全ての測定点について、不一致度を示すR−factorを算出する。   R-factor is a dimensionless number having a value greater than or equal to 0. The smaller the mismatch degree, the closer to 0, and the larger the mismatch degree, the larger the value. Therefore, R-factor is suitable as an index for intuitively understanding the degree of mismatch. In addition, since the calculation of R-factor is easy, in this embodiment, R-factor is used as an index that quantitatively indicates the degree of mismatch. The mismatch degree calculation unit 65 calculates an R-factor indicating the degree of mismatch for all measurement points.

マッピング画像生成部66は、不一致度算出部65が算出した全ての測定点のR−factorに基づき、R−factorの大きさの分布を視覚的に表現したマッピング画像を生成する。図5は、測定点が32×32=1024の場合のマッピング画像の一例を示している。このマッピング画像では、各ブロック(領域)が測定点の位置に対応し、当該測定点のR−factorの大きさに応じた濃度および色彩で表示されている。具体的には、各ブロックは、R−factorが小さいほど薄く表示され、R−factorが大きいほど濃く表示される。   The mapping image generation unit 66 generates a mapping image that visually represents the distribution of the size of the R-factor based on the R-factor of all the measurement points calculated by the mismatch degree calculation unit 65. FIG. 5 shows an example of a mapping image when the measurement point is 32 × 32 = 1024. In this mapping image, each block (area) corresponds to the position of the measurement point, and is displayed with a density and color corresponding to the size of the R-factor of the measurement point. Specifically, each block is displayed lighter as the R-factor is smaller, and darker as the R-factor is larger.

マッピング画像のデータは、図示しない表示装置に送信され、表示装置にマッピング画像が表示される。ユーザは、マッピング画像に基づいて、弾性率算出部63によって算出された弾性率が全体として妥当であるか、直感的に把握することができる。よって、弾性率を得るための測定パラメータが適切であったか否かの判断も容易になる。   The mapping image data is transmitted to a display device (not shown), and the mapping image is displayed on the display device. The user can intuitively grasp whether the elastic modulus calculated by the elastic modulus calculation unit 63 is appropriate as a whole based on the mapping image. Therefore, it becomes easy to determine whether or not the measurement parameter for obtaining the elastic modulus is appropriate.

なお、マッピング画像の各ブロックは、R−factorの大きさを視覚的に判別可能な態様で表示されるのであれば、その表示態様は特に限定されない。例えば、グレーの濃淡のみでR−factorの大きさを表示する態様、ハッチング等の模様の粗密でR−factorが大きさを表示する態様、あるいは、R−factorが大きいほど暖色系の色彩で表示し、R−factorが小さいほど寒色系の色彩で表示するといった態様が挙げられる。   Note that the display form of each block of the mapping image is not particularly limited as long as it is displayed in a form in which the size of the R-factor can be visually discriminated. For example, a mode in which the size of the R-factor is displayed only in shades of gray, a mode in which the size of the R-factor is displayed in a dense pattern such as hatching, or a warmer color is displayed as the R-factor is larger. In addition, there is a mode in which the smaller the R-factor, the lower the color is displayed.

さらに本実施形態では、不一致度算出部65は、全ての測定点のR−factorの算出が完了すると、下記式2で示すR−factorの平均値R−factorave.を算出する。
i:横方向の座標
j:縦方向の座標
N:全測定点数
Further, in the present embodiment, when the calculation of the R-factor at all the measurement points is completed, the mismatch degree calculation unit 65 calculates the average value R-factor ave. Is calculated.
i: horizontal coordinate j: vertical coordinate N: total number of measurement points

不一致度算出部65は、算出したR−factorave.を測定パラメータと対応付けて測定履歴Hに記録する。 The mismatch degree calculation unit 65 calculates the calculated R-factor ave. Is associated with the measurement parameter and recorded in the measurement history H.

本実施形態では、後述するように、比較的少ない測定点数(例えば16×16=256)で測定パラメータを変えながらフォースマッピングモード測定を1回または複数回行う。そして、フォースマッピングモード測定が行われる毎に、当該フォースマッピングモード測定における測定パラメータと、不一致度算出部65が算出したR−factorave.とが対応付けられて、順次、測定履歴Hに蓄積される。 In this embodiment, as will be described later, force mapping mode measurement is performed once or a plurality of times while changing measurement parameters with a relatively small number of measurement points (for example, 16 × 16 = 256). Each time the force mapping mode measurement is performed, the measurement parameter in the force mapping mode measurement and the R-factor ave. Are sequentially stored in the measurement history H.

有効測定パラメータ決定部7は、測定履歴Hに記録されたR−factorave.が基準値(例えば、0.60)以下であるか否かを判定し、基準値以下である場合に、算出された弾性率の精度が許容できる精度であると評価し、当該R−factorave.に対応付けられた測定パラメータを有効測定パラメータとして決定する。有効測定パラメータ決定部7が、測定履歴Hに記録されたR−factorave.が基準値以下であるか否かを判定するタイミングは、フォースマッピングモード測定が行われる毎であってもよいし、所定回数のフォースマッピングモード測定が行われた後であってもよい。 The effective measurement parameter determination unit 7 reads the R-factor ave. Is less than or equal to a reference value (for example, 0.60), and if it is less than or equal to the reference value, it is evaluated that the accuracy of the calculated elastic modulus is acceptable, and the R-factor ave . Is determined as an effective measurement parameter. The effective measurement parameter determination unit 7 receives the R-factor ave. The timing for determining whether or not is less than or equal to the reference value may be every time force mapping mode measurement is performed, or after a predetermined number of times of force mapping mode measurement.

有効測定パラメータ決定部7によって有効測定パラメータが決定されると、測定パラメータ設定部5は、測定点数を増加させ(測定密度を高くして)、測定点数以外の設定値を有効測定パラメータにおける設定値と同一になるように測定パラメータを再設定する。測定指示部4は、再設定された測定パラメータに基づいて、フォースマッピングモード測定を行うようにAFM1に指示する。その後、AFM1が取得したフォースカーブ測定データが演算装置2に送信され、フォースカーブ取得部61、実測データ算出部62および弾性率算出部63によって、弾性率が算出される。   When an effective measurement parameter is determined by the effective measurement parameter determination unit 7, the measurement parameter setting unit 5 increases the number of measurement points (increases the measurement density), and sets a setting value other than the number of measurement points as a set value in the effective measurement parameter Reset the measurement parameters to be the same as. The measurement instruction unit 4 instructs the AFM 1 to perform force mapping mode measurement based on the reset measurement parameter. Thereafter, the force curve measurement data acquired by the AFM 1 is transmitted to the computing device 2, and the elastic modulus is calculated by the force curve acquisition unit 61, the actual measurement data calculation unit 62 and the elastic modulus calculation unit 63.

(弾性率の測定方法および測定精度の評価方法)
以下、本発明に係る弾性率の測定方法および測定精度の評価方法の一実施形態について、説明する。測定精度の評価方法は、弾性率の測定方法における一部のステップにおいて用いられるため、先に、弾性率の測定方法の全体的な流れを説明する。
(Elastic modulus measurement method and measurement accuracy evaluation method)
Hereinafter, an embodiment of an elastic modulus measurement method and measurement accuracy evaluation method according to the present invention will be described. Since the measurement accuracy evaluation method is used in some steps in the elastic modulus measurement method, the overall flow of the elastic modulus measurement method will be described first.

(測定方法)
図6は、本実施形態に係る弾性率の測定方法の各ステップを示すフローチャートである。本測定方法では、まずステップS1において、ユーザが測定対象物であるサンプルSをAFM1の所定位置にセットする。続いて、ステップS2において、測定パラメータ設定部5が、フォースマッピングモード測定における測定パラメータを設定する。測定パラメータユーザの入力装置を介した操作によって設定されてもよいし、あらかじめ用意された複数の測定パラメータから自動的に選択されたものであってもよい。ステップS2における測定パラメータでは、測定点数は比較的少なく設定されることが好ましく、本実施形態では、例えば16×16=256点である。なお、ステップS1およびS2の順序は特に限定されない。
(Measuring method)
FIG. 6 is a flowchart showing each step of the elastic modulus measurement method according to the present embodiment. In this measurement method, first, in step S1, the user sets the sample S, which is the measurement object, at a predetermined position of the AFM 1. Subsequently, in step S2, the measurement parameter setting unit 5 sets measurement parameters in the force mapping mode measurement. The measurement parameter may be set by an operation via a user's input device, or may be automatically selected from a plurality of measurement parameters prepared in advance. In the measurement parameter in step S2, the number of measurement points is preferably set to be relatively small. In this embodiment, for example, 16 × 16 = 256 points. The order of steps S1 and S2 is not particularly limited.

続いて、ステップS3(予備測定ステップ)において、設定された測定パラメータに基づき、予備測定を行う。具体的には、測定指示部4が測定パラメータを含む指示信号をAFM1に送信し、これに応じて、AFM1は、サンプルSに対してフォースマッピングモード測定を行い、各測定点におけるフォースカーブを測定する。フォースカーブの測定データ(フォースカーブ測定データ)は、AFM1から演算装置2に送信される。   Subsequently, in step S3 (preliminary measurement step), preliminary measurement is performed based on the set measurement parameters. Specifically, the measurement instruction unit 4 transmits an instruction signal including a measurement parameter to the AFM 1, and in response to this, the AFM 1 performs a force mapping mode measurement on the sample S and measures a force curve at each measurement point. To do. Force curve measurement data (force curve measurement data) is transmitted from the AFM 1 to the computing device 2.

続いて、ステップS4(測定精度評価ステップ)において、測定精度の評価を行う。この測定精度の評価は、本実施形態に係る測定精度の評価方法によって実施され、後述するように、測定精度の指標として、全ての測定点のR−factorの平均値R−factorave.が、ステップS2において設定された測定パラメータと対応付けられて、測定履歴Hに記録される。なお、ステップS4の具体的な内容は、図8に基づき後述する。 Subsequently, in step S4 (measurement accuracy evaluation step), the measurement accuracy is evaluated. This measurement accuracy evaluation is performed by the measurement accuracy evaluation method according to the present embodiment. As will be described later, as an index of measurement accuracy, the average value R-factor ave. Are recorded in the measurement history H in association with the measurement parameters set in step S2. The specific contents of step S4 will be described later with reference to FIG.

続いて、有効測定パラメータ決定部7が、ステップS4において算出された不一致度に基づいて、有効測定パラメータを決定する。本実施形態では、まずステップS5において、有効測定パラメータ決定部7が、ステップS4において記録されたR−factorave.が基準値以下であるかを判定する。基準値は、サンプルSの種類、用途、許容される測定時間、演算装置2の演算能力等に応じて適宜設定されるが、本実施形態では例えば0.60(60%)であることが好ましく、0.10(10%)であることがより好ましい。 Subsequently, the effective measurement parameter determination unit 7 determines an effective measurement parameter based on the degree of mismatch calculated in step S4. In the present embodiment, first, in step S5, the effective measurement parameter determination unit 7 determines that the R-factor ave. Is determined to be less than or equal to the reference value. The reference value is appropriately set according to the type of sample S, the application, the allowable measurement time, the calculation capability of the calculation device 2, and the like. In this embodiment, it is preferably 0.60 (60%), for example. 0.10 (10%) is more preferable.

R−factorave.が基準値以下である場合(ステップS5においてYES)、ステップS6に移行する。一方、R−factorave.が基準値より大きい場合(ステップS5においてNO)、ステップS2に戻る。そして、測定点数を除く測定パラメータを変更して(ステップS2)、再度、予備測定を行い(ステップS3)、測定精度を評価する(ステップS4)。R−factorave.が基準値以下であると判定されるまで(ステップS5においてYES)、これらのステップS2〜4を繰り返す。 R-factor ave. Is equal to or less than the reference value (YES in step S5), the process proceeds to step S6. On the other hand, R-factor ave. Is larger than the reference value (NO in step S5), the process returns to step S2. Then, the measurement parameters excluding the number of measurement points are changed (step S2), the preliminary measurement is performed again (step S3), and the measurement accuracy is evaluated (step S4). R-factor ave. These steps S2 to 4 are repeated until it is determined that is less than or equal to the reference value (YES in step S5).

なお、1回目の予備測定から得られたR−factorの平均値R−factorave.が基準値以下であった場合、ステップS2〜4は繰り返されないため、結果的に、1つの測定パラメータのみに基づいて予備測定を行うこととなる。一方、ステップS2〜4を繰り返した場合は、複数の測定パラメータに基づいて予備測定を行うこととなる。 In addition, the average value R-factor ave. Of R-factor obtained from the first preliminary measurement . If S is less than or equal to the reference value, steps S2 to S4 are not repeated, and as a result, preliminary measurement is performed based on only one measurement parameter. On the other hand, when steps S2 to S4 are repeated, preliminary measurement is performed based on a plurality of measurement parameters.

続いて、ステップS6において、有効測定パラメータ決定部7は、弾性率の測定精度が許容できる精度であると判断し、それまでの予備測定において用いられた1または複数の測定パラメータから、基準値以下となったR−factorave.に対応付けられた測定パラメータを有効測定パラメータとして決定する。 Subsequently, in step S6, the effective measurement parameter determination unit 7 determines that the measurement accuracy of the elastic modulus is acceptable, and from the one or more measurement parameters used in the preliminary measurement up to that point, the effective measurement parameter determination unit 7 R-factor ave. Is determined as an effective measurement parameter.

図7(a)〜(c)はそれぞれ、1回目〜3回目の予備測定において得られたマッピング画像の例である。1回目〜3回目の予備測定における測定パラメータは、表1〜表3に示す通りである。
FIGS. 7A to 7C are examples of mapping images obtained in the first to third preliminary measurements, respectively. The measurement parameters in the first to third preliminary measurements are as shown in Tables 1 to 3.

この例では、1回目および2回目の予備測定において得られたR−factorの平均値R−factorave.が基準値より大きく、3回目の予備測定において得られたR−factorの平均値R−factorave.が基準値以下であったとする。その場合、3回目の予備測定における測定パラメータが有効測定パラメータとなる。 In this example, the average value R-factor ave. Of R-factor obtained in the first and second preliminary measurements . Is larger than the reference value, and the average value R-factor ave. Of R-factor obtained in the third preliminary measurement . Is below the reference value. In that case, the measurement parameter in the third preliminary measurement becomes the effective measurement parameter.

続いて、ステップS7において、測定パラメータ設定部5は、測定点数を増加させ(測定密度を高くして)、測定点数以外のパラメータを上記有効測定パラメータと同一になるように測定パラメータを再設定する。再設定後の測定点数は、ステップS3の予備測定における測定点数よりも多ければ特に限定されないが、例えば、64×64=4096点である。   Subsequently, in step S7, the measurement parameter setting unit 5 increases the number of measurement points (increases the measurement density), and resets the measurement parameters so that parameters other than the number of measurement points are the same as the effective measurement parameters. . The number of measurement points after the resetting is not particularly limited as long as it is larger than the number of measurement points in the preliminary measurement in step S3. For example, 64 × 64 = 4096 points.

続いて、ステップS8(本測定ステップ)において、再設定された測定パラメータに基づいて、ステップS3における測定点よりも多い測定点で、本測定を行う。具体的には、測定指示部4が再設定された測定パラメータを含む指示信号をAFM1に送信し、これに応じて、AFM1は、サンプルSに対してフォースマッピングモード測定を行い、各測定点のフォースカーブデータを生成し、演算装置2に送信する。そして、フォースカーブ取得部61、実測データ算出部62および弾性率算出部63によって、各測定点の弾性率を算出する。これにより、高解像度の弾性率画像を効率よく得ることができる。   Subsequently, in step S8 (main measurement step), the main measurement is performed at more measurement points than the measurement points in step S3 based on the reset measurement parameters. Specifically, the measurement instruction unit 4 transmits an instruction signal including the reset measurement parameter to the AFM 1, and in response thereto, the AFM 1 performs force mapping mode measurement on the sample S, and performs measurement at each measurement point. Force curve data is generated and transmitted to the computing device 2. Then, the elastic modulus at each measurement point is calculated by the force curve acquisition unit 61, the actual measurement data calculation unit 62, and the elastic modulus calculation unit 63. Thereby, a high-resolution elastic modulus image can be obtained efficiently.

以上のように、本実施形態に係る弾性率の測定方法では、比較的少ない測定点数(低解像度)で、測定精度が許容できる精度であると判定されるまで、測定パラメータを変えながら予備測定を行い、許容できる精度であると判定された測定パラメータに基づいて、比較的多い測定点数(高解像度)で本測定を行う。これにより、信頼性ある弾性率のデータを、効率よく迅速に得ることができる。   As described above, in the elastic modulus measurement method according to this embodiment, preliminary measurement is performed while changing measurement parameters until it is determined that the measurement accuracy is acceptable with a relatively small number of measurement points (low resolution). Based on the measurement parameters determined to be acceptable accuracy, the main measurement is performed with a relatively large number of measurement points (high resolution). Thereby, reliable elastic modulus data can be obtained efficiently and quickly.

なお、全ての測定パラメータについてステップS2〜4を繰り返しても、R−factorave.が基準値以下であると判定されない場合(ステップS5においてNO)、有効測定パラメータが決定されることなく、弾性率の測定を終了する。 Even if steps S2 to S4 are repeated for all measurement parameters, R-factor ave. Is not determined to be equal to or less than the reference value (NO in step S5), the measurement of the elastic modulus is terminated without determining the effective measurement parameter.

(評価方法)
続いて、本実施形態に係る測定精度の評価方法について説明する。本実施形態に係る測定精度の評価方法は、上述のステップS4において用いられる。
(Evaluation method)
Next, a measurement accuracy evaluation method according to this embodiment will be described. The measurement accuracy evaluation method according to the present embodiment is used in step S4 described above.

図8は、本実施形態に係る測定精度の評価方法の各ステップを示すフローチャートである。本評価方法では、図6に示す予備測定(ステップS3)においてAFM1が測定したフォースカーブのデータをフォースカーブ取得部が取得する(ステップS41、フォースカーブ取得ステップ)。   FIG. 8 is a flowchart showing each step of the measurement accuracy evaluation method according to the present embodiment. In this evaluation method, the force curve acquisition unit acquires the force curve data measured by the AFM 1 in the preliminary measurement (step S3) shown in FIG. 6 (step S41, force curve acquisition step).

続いて、ステップS42(実測データ算出ステップ)において、実測データ算出部62が、フォースカーブ取得部61が取得したフォースカーブ測定データから実測に基づく実測荷重変位曲線(実測データ)を測定点ごとに算出する。   Subsequently, in step S42 (actual data calculation step), the actual data calculation unit 62 calculates actual load displacement curves (actual data) based on the actual measurement from the force curve measurement data acquired by the force curve acquisition unit 61 for each measurement point. To do.

続いて、ステップS43(弾性率算出ステップ)において、弾性率算出部63が、実測データ算出部62が算出した実測荷重変位曲線から、サンプルSの弾性率を測定点ごとに算出する。なお、弾性率算出部63は、図4に示すような弾性率画像を生成してもよい。   Subsequently, in step S43 (elastic modulus calculation step), the elastic modulus calculator 63 calculates the elastic modulus of the sample S for each measurement point from the actual load displacement curve calculated by the actual data calculator 62. The elastic modulus calculation unit 63 may generate an elastic modulus image as shown in FIG.

続いて、ステップS44(理論データ算出ステップ)において、理論データ算出部64が、弾性率算出部63が算出した弾性率、および、フォースマッピングモード測定における測定パラメータを理論式に代入することによって、理論荷重変位曲線(理論データ)を測定点ごとに算出する。   Subsequently, in step S44 (theoretical data calculation step), the theoretical data calculation unit 64 substitutes the elastic modulus calculated by the elastic modulus calculation unit 63 and the measurement parameter in the force mapping mode measurement into the theoretical formula. A load displacement curve (theoretical data) is calculated for each measurement point.

続いて、ステップS45(不一致度算出ステップ)において、不一致度算出部65が、実測データ算出部62が算出した実測荷重変位曲線と理論データ算出部64が算出した理論荷重変位曲線との不一致度を測定点ごとに算出する。本実施形態では、上述の式1によって求められるR−factorを不一致度として用いる。   Subsequently, in step S45 (mismatch degree calculation step), the mismatch degree calculation unit 65 determines the degree of mismatch between the actual load displacement curve calculated by the actual data calculation unit 62 and the theoretical load displacement curve calculated by the theoretical data calculation unit 64. Calculate for each measurement point. In the present embodiment, the R-factor obtained by the above equation 1 is used as the degree of mismatch.

続いて、ステップS46において、不一致度算出部65が、全ての測定点のR−factorの平均値R−factorave.を算出し、算出されたR−factorave.を測定パラメータと対応付けて測定履歴Hに記録する。なお、本実施形態では、測定履歴Hを補助記憶装置3に保存しているが、補助記憶装置3への保存は必須ではなく、測定履歴Hを作業用のメモリに記憶させてもよい。 Subsequently, in step S46, the mismatch degree calculation unit 65 determines that the average value R-factor ave. And calculated R-factor ave. Is associated with the measurement parameter and recorded in the measurement history H. In the present embodiment, the measurement history H is stored in the auxiliary storage device 3. However, the storage in the auxiliary storage device 3 is not essential, and the measurement history H may be stored in a working memory.

続いて、ステップS47(マッピング画像生成ステップ)において、マッピング画像生成部66が、不一致度算出部65が算出した全ての測定点のR−factorに基づき、R−factorの大きさの分布を視覚的に表現したマッピング画像(図5)を生成する。なお、このステップS47は、ステップS46の前に実施してもよいし、省略することも可能である。   Subsequently, in step S47 (mapping image generation step), the mapping image generation unit 66 visually determines the distribution of the size of the R-factor based on the R-factors of all the measurement points calculated by the mismatch degree calculation unit 65. The mapping image expressed in (5) is generated. This step S47 may be performed before step S46 or may be omitted.

以上により、1つの測定パラメータに対応する各測定点のR−factorの平均値R−factorave.が記録され、測定精度の評価を終了する。その後、図6に示すステップS5に移行し、基準値以下であると判定されたR−factorave.に対応付けられた測定パラメータを有効測定パラメータとして決定し(ステップS6)、当該有効測定パラメータに基づいて、予備測定よりも多くの測定点数で、本測定が行われる(ステップS8)。 As described above, the average value R-factor ave. Of R-factor at each measurement point corresponding to one measurement parameter . Is recorded and the evaluation of measurement accuracy is completed. Thereafter, the process proceeds to step S5 illustrated in FIG. 6, and R-factor ave. Is determined as an effective measurement parameter (step S6), and based on the effective measurement parameter, the main measurement is performed with a larger number of measurement points than the preliminary measurement (step S8).

このように、本実施形態では、R−factorを不一致度の指標として用いることにより、測定精度の評価を行っている。R−factorは無次元数であるので、サンプルSの種類や測定条件に依存しない。よって、弾性率の妥当性の評価を行うための基準値を一定値に設定することができ、評価を定量的かつ迅速に行うことができる。これにより、弾性率を測定するための有効な測定パラメータの探索も容易になり、高解像度の弾性率のデータを信頼性の高い精度で得ることができる。   As described above, in this embodiment, the measurement accuracy is evaluated by using the R-factor as an index of the degree of mismatch. Since R-factor is a dimensionless number, it does not depend on the type of sample S or measurement conditions. Therefore, the reference value for evaluating the validity of the elastic modulus can be set to a constant value, and the evaluation can be performed quantitatively and quickly. Accordingly, it becomes easy to search for effective measurement parameters for measuring the elastic modulus, and high-resolution elastic modulus data can be obtained with high reliability and accuracy.

なお、本測定ステップ(図6に示すステップS8)の後に、本測定における測定精度の評価を行ってもよい。具体的には、本測定において得られた実測データと理論データとの不一致度を示すR−factorの算出を測定点ごとに行い、算出されたR−factorに基づいて測定精度が妥当であるかを確認してもよい。   Note that the measurement accuracy in the main measurement may be evaluated after the main measurement step (step S8 shown in FIG. 6). Specifically, R-factor indicating the degree of inconsistency between the actual measurement data and the theoretical data obtained in this measurement is calculated for each measurement point, and whether the measurement accuracy is appropriate based on the calculated R-factor May be confirmed.

(変形例)
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。
(Modification)
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

例えば、上記実施形態では、図8に示すステップS45において、不一致度算出部65が算出する実測荷重変位曲線と理論荷重変位曲線との不一致度として、R−factorによって表わされる指標を用いているが、不一致度を示す指標としてR−factor以外の誤差を表すあらゆる指標を用いることができる。そのような指標として、例えば、下記式3で定義される残差二乗値が挙げられる。
δdata:実測荷重変位曲線において、ある荷重におけるサンプルSの変形量
δcalc:理論荷重変位曲線において、ある荷重におけるサンプルSの変形量
For example, in the above embodiment, an index represented by R-factor is used as the degree of mismatch between the actually measured load displacement curve and the theoretical load displacement curve calculated by the mismatch degree calculation unit 65 in step S45 shown in FIG. Any index representing an error other than the R-factor can be used as an index indicating the degree of mismatch. As such an index, for example, a residual square value defined by the following Equation 3 can be cited.
δ data : deformation amount of sample S at a certain load in the measured load displacement curve δ calc : deformation amount of sample S at a certain load in the theoretical load displacement curve

ただし、弾性率の妥当性を容易に評価するためには、不一致度がR−factorのような無次元数で表わされる指標であることが好ましい。無次元数で表わされる指標として、例えば下記の式4によって求められた値を用いてもよい。
δdata:実測荷重変位曲線において、ある荷重におけるサンプルSの変形量
δcalc:理論荷重変位曲線において、ある荷重におけるサンプルSの変形量
However, in order to easily evaluate the validity of the elastic modulus, it is preferable that the degree of inconsistency be an index represented by a dimensionless number such as R-factor. As an index represented by a dimensionless number, for example, a value obtained by the following expression 4 may be used.
δ data : deformation amount of sample S at a certain load in the measured load displacement curve δ calc : deformation amount of sample S at a certain load in the theoretical load displacement curve

理論データと実測データが揃えば、残差二乗値でもどのような理論を用いた場合でも定義・計算指標となる。ただし、単位を持った値となるために基準値として使用することは困難と考えられる。しかし、汎用性があり実用上問題のない誤差を示す指標なら、いずれの誤差の指標を使用してもよい。   If theoretical data and measured data are aligned, the residual square value can be used as a definition / calculation index for any theory. However, since it is a value having a unit, it is considered difficult to use it as a reference value. However, any error index may be used as long as it is an index indicating an error that is versatile and has no practical problem.

また、無次元数で表わされる指標を用いることにより、JKR理論を用いた弾性率測定のみならず、その他の弾性接触現象のモデル式を用いた弾性率測定にも本発明に係る評価方法を適用できる。例えば、サンプルSが金属、セラミック、ソフトマテリアル(溶液中)である場合、Hertzの接触力学モデルによる理論式を用いることができ、サンプルSが数GPa以上の弾性率を持つ材料である場合、DMT理論などのJKR理論以外の理論式にも用いることができる。   In addition, by using an index represented by a dimensionless number, the evaluation method according to the present invention is applied not only to elastic modulus measurement using the JKR theory but also to elastic modulus measurement using other elastic contact phenomenon model equations. it can. For example, when the sample S is a metal, ceramic, or soft material (in solution), a theoretical formula based on the Hertz contact dynamic model can be used. When the sample S is a material having an elastic modulus of several GPa or more, DMT It can also be used for theoretical formulas other than JKR theory, such as theory.

なお、Hertzの接触力学モデルまたはDMT理論による理論式を用いた弾性率測定の妥当性を評価する場合、実測荷重変位曲線と理論荷重変位曲線との不一致度を示す無次元数の指標は、以下の式5または式6で表わされる。
data:実測荷重変位曲線において、サンプルSのある変形量における荷重
calc:理論荷重変位曲線において、サンプルSのある変形量における荷重
data:実測荷重変位曲線において、サンプルSのある変形量における荷重
calc:理論荷重変位曲線において、サンプルSのある変形量における荷重
When evaluating the validity of the elastic modulus measurement using the Hertz contact dynamic model or the theoretical formula based on the DMT theory, the dimensionless number index indicating the degree of inconsistency between the actual load displacement curve and the theoretical load displacement curve is as follows: It is represented by Formula 5 or Formula 6.
F data : Load at a certain deformation amount of the sample S in the actually measured load displacement curve F calc : Load at a certain deformation amount of the sample S in the theoretical load displacement curve
F data : Load at a certain deformation amount of the sample S in the actually measured load displacement curve F calc : Load at a certain deformation amount of the sample S in the theoretical load displacement curve

図9は、Hertzの接触力学モデルを用いた弾性率測定における弾性率画像の一例であり、図10は、図9に示す弾性率画像におけるR−factorの大きさの分布を視覚的に表現したマッピング画像である。この例では、サンプルSとして、株式会社淀川ヒューテック製の厚さ2mmのYodoflon PTFE(F4)を用いた。また、図11は、図10に示すマッピング画像において、R−factorが最も小さい(R−factor=0.00294)ブロックにおける、実測荷重変位曲線および理論荷重変位曲線を示している。   FIG. 9 is an example of an elastic modulus image in the elastic modulus measurement using the Hertz contact mechanics model, and FIG. 10 visually represents the distribution of the size of R-factor in the elastic modulus image shown in FIG. It is a mapping image. In this example, as the sample S, Yodoflon PTFE (F4) having a thickness of 2 mm manufactured by Yodogawa Hutec Co., Ltd. was used. Further, FIG. 11 shows an actually measured load displacement curve and a theoretical load displacement curve in a block having the smallest R-factor (R-factor = 0.00294) in the mapping image shown in FIG.

また、不一致度としてR−factorを用いた場合、JKR理論以外の理論式を用いた弾性率測定にも適用できるという利点以外に、計算が容易である、不一致度が無い場合に0となるため不一致度を直感的に理解できる、判定の基準値を定めることが容易であるといった利点があるため、R−factorを用いることが最も好ましい。   In addition, when R-factor is used as the degree of inconsistency, it is 0 when there is no degree of inconsistency, which is easy to calculate, in addition to the advantage that it can be applied to elastic modulus measurement using a theoretical formula other than the JKR theory. The R-factor is most preferably used because there are advantages that the degree of inconsistency can be understood intuitively and it is easy to determine a reference value for determination.

なお、本発明における実施例としてJKR理論、Hertzの接触力学モデルおよびDMT理論による解析例を挙げたが、R−factorは実測データと理論データの組さえあれば定義・計算可能な指標であるため、例えばM−D理論、MYD理論、さらには将来新規に提案されるであろう未知の理論を使用した解析においても適用可能である。そのために一般化したR−factor、ならびに残差二乗値は、以下の式7、式8、式9で表される。
data:実測荷重変位曲線において、前記測定対象物のある変形量における荷重、あるいは、ある荷重における前記測定対象物の変形量
calc:理論荷重変位曲線において、前記測定対象物のある変形量における荷重、あるいは、ある荷重における前記測定対象物の変形量
As examples in the present invention, examples of analysis based on JKR theory, Hertz contact mechanics model and DMT theory are given. However, R-factor is an index that can be defined and calculated as long as there is a combination of measured data and theoretical data. For example, the present invention can be applied to analysis using an MD theory, an MYD theory, or an unknown theory that will be newly proposed in the future. Therefore, the generalized R-factor and the residual square value are expressed by the following Expression 7, Expression 8, and Expression 9.
d data : a load at a certain deformation amount of the measurement object in the actual load displacement curve or a deformation amount of the measurement object at a certain load d calc : a deformation amount of the measurement object in the theoretical load displacement curve Load or deformation amount of the measurement object at a certain load

なお、非特許文献2に記載の粘弾性によるエネルギー散逸量は、JKR理論を用いた場合に適用し得る量であるため、例えばHertzの接触力学モデル、DMT理論等による理論式を用いて算出した弾性率の評価には適用できない。   Note that the amount of energy dissipation due to viscoelasticity described in Non-Patent Document 2 is an amount that can be applied when using the JKR theory, and was calculated using, for example, a theoretical formula based on the Hertz contact dynamic model, DMT theory, or the like. It cannot be applied to the evaluation of elastic modulus.

また、上記実施形態では、図5に示すように、R−factorのマッピング画像は、各ブロックがR−factorの大きさに比例して濃度および色彩が変化する構成であるが、マッピング画像におけるR−factorの表示態様はこれに限定されない。例えば、R−factorが所定値以下のブロックは、R−factorの大きさに比例して濃度および/または色彩を変化させ、R−factorが所定値よりも大きいブロックは全て同一色および/または同一濃度で表示するといった態様であってもよい。具体的には、図12に示すマッピング画像では、R−factorが0.01より大きいブロックを全て黒色で表示している。このような表示態様であっても、ユーザは、マッピング画像に基づいて、測定された弾性率が全体として妥当であるか、直感的に把握することができる。   In the above embodiment, as shown in FIG. 5, the R-factor mapping image has a configuration in which the density and color of each block change in proportion to the size of the R-factor. The display mode of -factor is not limited to this. For example, blocks having an R-factor less than or equal to a predetermined value change density and / or color in proportion to the size of the R-factor, and blocks having an R-factor greater than a predetermined value are all the same color and / or the same. It may be an aspect of displaying by density. Specifically, in the mapping image shown in FIG. 12, all blocks having an R-factor greater than 0.01 are displayed in black. Even in such a display mode, the user can intuitively grasp whether the measured elastic modulus is appropriate as a whole based on the mapping image.

また、上記実施形態に係る弾性率の測定方法では、予備測定で得られた複数の不一致度に基づいて有効測定パラメータを決定するために、図6に示すステップS5のように、R−factorの平均値R−factorave.が基準値以下であるか否かを判定していたが、本発明はこれに限定されない。各予備測定における測定点数が同一であれば、平均値R−factorave.の代わりに、全ての測定点におけるR−factorの合計値を算出し、当該合計値が基準値(例えば、0.60×測定点数)以下であるか否に基づいて、有効測定パラメータを決定してもよい。 Further, in the elastic modulus measurement method according to the above embodiment, in order to determine an effective measurement parameter based on a plurality of inconsistencies obtained in the preliminary measurement, as shown in step S5 shown in FIG. Average value R-factor ave. However, the present invention is not limited to this. If the number of measurement points in each preliminary measurement is the same, the average value R-factor ave. Instead, the total value of R-factor at all measurement points is calculated, and the effective measurement parameter is determined based on whether the total value is a reference value (for example, 0.60 × number of measurement points) or less. May be.

また、図8に示すステップS47では、マッピング画像を生成するとともに、あるいは、マッピング画像を生成する代わりに、マッピング画像と弾性率画像とを重畳した画像を生成してもよい。例えば、各ブロックが、弾性率を示す色彩(あるいは濃淡)で表示された領域と、当該領域を囲み、R−factorを示す色彩(あるいは濃淡)で表示された領域とを有する画像を生成してもよい。これにより、弾性率の分布およびR−factorの分布を、一つの画像で確認することができる。   In step S47 shown in FIG. 8, a mapping image is generated, or instead of generating a mapping image, an image in which the mapping image and the elastic modulus image are superimposed may be generated. For example, each block generates an image having an area displayed in a color (or light and shade) indicating an elastic modulus, and an area surrounding the area and displayed in a color (or light and dark) indicating an R-factor. Also good. Thereby, the distribution of elastic modulus and the distribution of R-factor can be confirmed with one image.

マッピング画像と弾性率画像とを重畳した画像の一例を、図13に示す。図13に示す画像は、図14(a)に示す弾性率画像と図14(b)に示すマッピング画像とを重畳したものである。なお、図13および図14は、16×16の正方形画像の一部のみ示している。   An example of an image in which the mapping image and the elastic modulus image are superimposed is shown in FIG. The image shown in FIG. 13 is obtained by superimposing the elastic modulus image shown in FIG. 14A and the mapping image shown in FIG. 13 and 14 show only a part of a 16 × 16 square image.

また、マッピング画像を生成するとともに、あるいは、マッピング画像を生成する代わりに、R−factorの平均値R−factorave.を、対応する弾性率画像の近傍に表示してもよい。これによっても、ユーザは、弾性率算出部63によって算出された弾性率が全体として妥当であるかを容易に判断できる。 In addition, instead of generating a mapping image, or instead of generating a mapping image, the average value of R-factor R-factor ave. May be displayed in the vicinity of the corresponding elastic modulus image. Also by this, the user can easily determine whether the elastic modulus calculated by the elastic modulus calculator 63 is appropriate as a whole.

また、上記実施形態に係る弾性率の測定方法は、有効測定パラメータを迅速に探索するために適した方法であるが、より高精度の弾性率データを得るための方法を図15に示す。   The elastic modulus measurement method according to the above embodiment is a method suitable for quickly searching for effective measurement parameters. FIG. 15 shows a method for obtaining highly accurate elastic modulus data.

図15は、本発明の変形例に係る弾性率の測定方法の各ステップを示すフローチャートである。本変形例に係る測定方法は、図6に示すステップS5をステップS5’に置き換えたものである。具体的には、本変形例に係る測定方法では、あらかじめ複数の測定パラメータが用意されており、それらの全ての測定パラメータについて予備測定および測定精度の評価を行い、R−factorave.を各測定パラメータに対応づけて測定履歴Hに記録する。その後、ステップS6では、有効測定パラメータ決定部7は、測定履歴Hに記録されたR−factorave.の中で最も低いR−factorave.に対応する測定パラメータを有効測定パラメータとして決定する。 FIG. 15 is a flowchart showing each step of the elastic modulus measurement method according to the modification of the present invention. The measurement method according to this modification is obtained by replacing step S5 shown in FIG. 6 with step S5 ′. Specifically, in the measurement method according to the present modification, a plurality of measurement parameters are prepared in advance, preliminary measurement and evaluation of measurement accuracy are performed for all the measurement parameters, and R-factor ave. Is recorded in the measurement history H in association with each measurement parameter. Thereafter, in step S <b > 6, the effective measurement parameter determination unit 7 determines that the R-factor ave. The lowest R-factor ave. Is determined as an effective measurement parameter.

なお、用意する複数の測定パラメータは、ユーザが任意で設定してもよいし、AFM1で測定可能な全ての測定パラメータであってもよい。予備測定を行うための測定パラメータの数が多いほど測定時間は長くなるが、より高精度の弾性率データが得られる可能性が高くなる。特に、AFM1で測定可能な全ての測定パラメータについて予備測定および測定精度の評価を行うことにより、全ての測定パラメータの中で最適な測定パラメータを探索することができる。   Note that the plurality of measurement parameters to be prepared may be arbitrarily set by the user, or may be all measurement parameters that can be measured by the AFM 1. The greater the number of measurement parameters for performing the preliminary measurement, the longer the measurement time, but the higher the possibility of obtaining more accurate elastic modulus data. In particular, by performing preliminary measurement and evaluation of measurement accuracy for all measurement parameters that can be measured by the AFM 1, it is possible to search for an optimum measurement parameter among all measurement parameters.

本発明は、特に原子間力顕微鏡を用いたフォースカーブマッピング測定に好適であるが、これに限定されず、走査型トンネル顕微鏡、環境制御走査型プローブ顕微鏡、スピン偏極走査型トンネル顕微鏡などの走査型プローブ顕微鏡を用いた弾性率測定にも適用可能である。   The present invention is particularly suitable for force curve mapping measurement using an atomic force microscope. However, the present invention is not limited to this, and scanning of a scanning tunnel microscope, an environmental control scanning probe microscope, a spin-polarized scanning tunneling microscope, etc. The present invention can also be applied to elastic modulus measurement using a scanning probe microscope.

1 原子間力顕微鏡(AFM)
2 演算装置(コンピュータ)
3 補助記憶装置
4 測定指示部
5 測定パラメータ設定部
6 精度評価部
7 有効測定パラメータ決定部
61 フォースカーブ取得部
62 実測データ算出部
63 弾性率算出部
64 理論データ算出部
65 不一致度算出部
66 マッピング画像生成部
H 測定履歴
S サンプル(測定対象物)
S3 予備測定ステップ
S4 測定精度評価ステップ
S41 フォースカーブ取得ステップ
S42 実測データ算出ステップ
S43 弾性率算出ステップ
S44 理論データ算出ステップ
S45 不一致度算出ステップ
S47 マッピング画像生成ステップ
S6 有効測定パラメータ決定ステップ
S8 本測定ステップ
1 Atomic force microscope (AFM)
2 Computing device (computer)
3 Auxiliary storage device 4 Measurement instruction unit 5 Measurement parameter setting unit 6 Accuracy evaluation unit 7 Effective measurement parameter determination unit 61 Force curve acquisition unit 62 Actual data calculation unit 63 Elastic modulus calculation unit 64 Theoretical data calculation unit 65 Inconsistency degree calculation unit 66 Mapping Image generation unit H Measurement history S Sample (object to be measured)
S3 Preliminary measurement step S4 Measurement accuracy evaluation step S41 Force curve acquisition step S42 Actual data calculation step S43 Elastic modulus calculation step S44 Theoretical data calculation step S45 Inconsistency calculation step S47 Mapping image generation step S6 Effective measurement parameter determination step S8 Main measurement step

Claims (16)

走査型プローブ顕微鏡のフォースマッピングモード測定による測定精度の評価方法であって、
前記走査型プローブ顕微鏡を用いたフォースマッピングモード測定によって、測定対象物の表面の複数の測定点におけるフォースカーブ測定データを取得するフォースカーブ取得ステップと、
前記フォースカーブ測定データから実測荷重変位曲線を前記測定点ごとに算出する実測データ算出ステップと、
前記実測荷重変位曲線から理論式を用いて前記測定点ごとの弾性率を算出する弾性率算出ステップと、
前記弾性率および前記フォースマッピングモード測定における測定パラメータを前記理論式に代入することによって、理論荷重変位曲線を前記測定点ごとに算出する理論データ算出ステップと、
前記実測荷重変位曲線と前記理論荷重変位曲線との不一致度を前記測定点ごとに算出する不一致度算出ステップと、
を有し、
前記不一致度は無次元数で表わされる、評価方法。
An evaluation method of measurement accuracy by force mapping mode measurement of a scanning probe microscope,
A force curve acquisition step of acquiring force curve measurement data at a plurality of measurement points on the surface of the measurement object by force mapping mode measurement using the scanning probe microscope;
Actual measurement data calculation step for calculating an actual load displacement curve from the force curve measurement data for each measurement point;
An elastic modulus calculation step of calculating an elastic modulus for each of the measurement points using a theoretical formula from the measured load displacement curve;
A theoretical data calculation step for calculating a theoretical load displacement curve for each measurement point by substituting the measurement parameters in the elastic modulus and the force mapping mode measurement into the theoretical formula;
A mismatch degree calculating step for calculating a mismatch degree between the measured load displacement curve and the theoretical load displacement curve for each measurement point;
Have
The evaluation method, wherein the inconsistency is expressed by a dimensionless number.
前記不一致度は、下記式7または式8によって求められるR−factorによって表わされる、請求項1に記載の評価方法。


data:実測荷重変位曲線において、前記測定対象物のある変形量における荷重、あるいは、ある荷重における前記測定対象物の変形量
calc:理論荷重変位曲線において、前記測定対象物のある変形量における荷重、あるいは、ある荷重における前記測定対象物の変形量
The evaluation method according to claim 1, wherein the degree of inconsistency is represented by an R-factor obtained by the following formula 7 or formula 8.


d data : a load at a certain deformation amount of the measurement object in the actual load displacement curve or a deformation amount of the measurement object at a certain load d calc : a deformation amount of the measurement object in the theoretical load displacement curve Load or deformation amount of the measurement object at a certain load
前記理論式はJKR理論による理論式であり、
前記不一致度は、下記式1によって求められるR−factorによって表わされる、請求項1または2に記載の評価方法。
δdata:実測荷重変位曲線において、ある荷重における前記測定対象物の変形量
δcalc:理論荷重変位曲線において、ある荷重における前記測定対象物の変形量
The theoretical formula is a theoretical formula based on the JKR theory,
The evaluation method according to claim 1, wherein the degree of inconsistency is represented by an R-factor determined by the following formula 1.
δ data : deformation amount of the measurement object at a certain load in the actually measured load displacement curve δ calc : deformation amount of the measurement object at a certain load in the theoretical load displacement curve
前記理論式はHertzの接触力学モデルまたはDMT理論による理論式であり、
前記不一致度は、下記式5によって求められるR−factorによって表わされる、請求項1または2に記載の評価方法。
data:実測荷重変位曲線において、前記測定対象物のある変形量における荷重
calc:理論荷重変位曲線において、前記測定対象物のある変形量における荷重
The theoretical formula is a theoretical formula based on Hertz's contact dynamic model or DMT theory,
The evaluation method according to claim 1, wherein the degree of inconsistency is represented by an R-factor obtained by the following formula 5.
F data : Load at a certain deformation amount of the measurement object in the measured load displacement curve F calc : Load at a certain deformation amount of the measurement object in the theoretical load displacement curve
前記各測定点の不一致度を示す画像であって、各測定点に対応する領域が当該測定点の不一致度の大きさを視覚的に判別可能な態様で表示されたマッピング画像を生成するマッピング画像生成ステップをさらに有する、請求項1〜4のいずれかに記載の評価方法。   A mapping image for generating a mapping image in which an area corresponding to each measurement point is displayed in such a manner that a region corresponding to each measurement point can be visually discriminated from the size of the measurement point. The evaluation method according to claim 1, further comprising a generation step. 前記走査型プローブ顕微鏡は原子間力顕微鏡である、請求項1〜5のいずれかに記載の評価方法。   The evaluation method according to claim 1, wherein the scanning probe microscope is an atomic force microscope. 前記測定対象物はソフトマテリアル、金属、セラミック、または、それらの複合体である、請求項1〜6のいずれかに記載の評価方法。   The evaluation method according to claim 1, wherein the measurement object is a soft material, a metal, a ceramic, or a composite thereof. 走査型プローブ顕微鏡のフォースマッピングモード測定による測定対象物の表面の弾性率の測定方法であって、
前記走査型プローブ顕微鏡の1または複数の測定パラメータに基づいて、前記走査型プローブ顕微鏡が前記測定対象物の表面の複数の測定点におけるフォースカーブを測定する予備測定ステップと、
前記予備測定ステップにおいて測定された前記フォースカーブの測定データであるフォースカーブ測定データを取得し、前記フォースカーブ測定データから実測荷重変位曲線を前記測定点ごとに算出し、前記実測荷重変位曲線から理論式を用いて前記測定点ごとの弾性率を算出し、前記弾性率および前記フォースマッピングモード測定における測定パラメータを前記理論式に代入することによって、理論荷重変位曲線を前記測定点ごとに算出し、前記実測荷重変位曲線と前記理論荷重変位曲線との無次元数で表わされる不一致度を前記測定点ごとに算出する測定精度評価ステップと、
前記測定精度評価ステップにおいて算出された前記不一致度に基づいて、前記1または複数の測定パラメータから有効測定パラメータを決定する有効測定パラメータ決定ステップと、
前記有効測定パラメータに基づいて、前記予備測定ステップにおける測定点よりも多い測定点で、前記測定対象物の表面の弾性率を測定する本測定ステップと、
を有する、測定方法。
A method for measuring the elastic modulus of the surface of an object to be measured by force mapping mode measurement of a scanning probe microscope,
A preliminary measurement step in which the scanning probe microscope measures force curves at a plurality of measurement points on the surface of the measurement object based on one or more measurement parameters of the scanning probe microscope;
Force curve measurement data that is measurement data of the force curve measured in the preliminary measurement step is acquired, an actual load displacement curve is calculated for each measurement point from the force curve measurement data, and a theoretical value is calculated from the actual load displacement curve. Calculate the elastic modulus for each measurement point using an equation, and calculate the theoretical load displacement curve for each measurement point by substituting the measurement parameters in the elastic modulus and the force mapping mode measurement into the theoretical formula, A measurement accuracy evaluation step for calculating a degree of inconsistency represented by a dimensionless number between the measured load displacement curve and the theoretical load displacement curve for each measurement point;
An effective measurement parameter determining step for determining an effective measurement parameter from the one or more measurement parameters based on the inconsistency calculated in the measurement accuracy evaluation step;
Based on the effective measurement parameters, the main measurement step of measuring the elastic modulus of the surface of the measurement object at more measurement points than the measurement points in the preliminary measurement step;
A measuring method.
前記不一致度は、下記式7または式8によって求められるR−factorによって表わされる、請求項8に記載の測定方法。


data:実測荷重変位曲線において、前記測定対象物のある変形量における荷重、あるいは、ある荷重における前記測定対象物の変形量
calc:理論荷重変位曲線において、前記測定対象物のある変形量における荷重、あるいは、ある荷重における前記測定対象物の変形量
The measurement method according to claim 8, wherein the degree of inconsistency is represented by an R-factor determined by the following formula 7 or formula 8.


d data : a load at a certain deformation amount of the measurement object in the actual load displacement curve or a deformation amount of the measurement object at a certain load d calc : a deformation amount of the measurement object in the theoretical load displacement curve Load or deformation amount of the measurement object at a certain load
前記理論式はJKR理論による理論式であり、
前記不一致度は、下記式1によって求められるR−factorによって表わされる、請求項8または9に記載の測定方法。
δdata:実測荷重変位曲線において、ある荷重における前記測定対象物の変形量
δcalc:理論荷重変位曲線において、ある荷重における前記測定対象物の変形量
The theoretical formula is a theoretical formula based on the JKR theory,
The measurement method according to claim 8 or 9, wherein the degree of inconsistency is represented by an R-factor determined by the following formula 1.
δ data : deformation amount of the measurement object at a certain load in the actually measured load displacement curve δ calc : deformation amount of the measurement object at a certain load in the theoretical load displacement curve
前記理論式はHertzの接触力学モデルまたはDMT理論による理論式であり、
前記不一致度は、下記式5によって求められるR−factorによって表わされる、請求項8または9に記載の測定方法。
data:実測荷重変位曲線において、前記測定対象物のある変形量における荷重
calc:理論荷重変位曲線において、前記測定対象物のある変形量における荷重
The theoretical formula is a theoretical formula based on Hertz's contact dynamic model or DMT theory,
The measurement method according to claim 8 or 9, wherein the degree of inconsistency is represented by an R-factor obtained by the following formula 5.
F data : Load at a certain deformation amount of the measurement object in the measured load displacement curve F calc : Load at a certain deformation amount of the measurement object in the theoretical load displacement curve
前記有効測定パラメータ決定ステップでは、全ての測定点の前記不一致度の平均が所定の基準値以下である測定パラメータを有効測定パラメータと決定する、請求項8〜11のいずれかに記載の測定方法。   The measurement method according to claim 8, wherein in the effective measurement parameter determination step, a measurement parameter in which an average of the inconsistencies at all measurement points is equal to or less than a predetermined reference value is determined as an effective measurement parameter. 前記走査型プローブ顕微鏡は原子間力顕微鏡である、請求項8〜12のいずれかに記載の測定方法。   The measurement method according to claim 8, wherein the scanning probe microscope is an atomic force microscope. 請求項1〜13のいずれかに記載の各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラム。   The program for making a computer perform each step in any one of Claims 1-13. 請求項1〜13のいずれかに記載の各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラムを装備した走査型プローブ顕微鏡システム。   A scanning probe microscope system equipped with a program for causing a computer to execute each step according to claim 1. 請求項1〜13のいずれかに記載の各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラムを装備した原子間力顕微鏡システム。   An atomic force microscope system equipped with a program for causing a computer to execute each step according to claim 1.
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