JP4247796B2 - 微小押し込み試験装置 - Google Patents

Description

本発明はダイヤモンド圧子を材料表面に押圧し，負荷荷重と押し込み深さの関係を得ることで表面の力学特性を測定する微小押し込み試験装置において，負荷荷重の校正と押し込み深さの校正の両方を試験装置自体で非接触で行うことができる微小押し込み試験装置に関する。

従来の微小押し込み試験装置は負荷荷重の発生を電磁コイルと永久磁石からなる電磁力又は三軸広域サーボモータ（例えば、下記特許文献１参照）により行っていた。押し込み変位計測については，静電容量型の変位計または差動トランス型の変位計を用いることが多い。
特開２００１−２２１７３０号公報

上記従来例は以下のような欠点があった。超微小押し込み試験により材料表面の力学特性を測定するためには，微小な荷重を正確に負荷する必要がある。それには荷重負荷機構の発生する荷重を正確に校正する必要がある。従来の超微小押し込み試験装置では荷重負荷機構の荷重校正では負荷機構に質量の測定された分銅をつり下げ，分銅に働く重力と荷重負荷機構の発生する力とを釣り合わせるのに必要な電流値を測定することにより荷重校正を行うのが一般的であった。分銅に働く重力は分銅の質量と校正を行う場所における重力加速度の積であり，重力加速度は被校正装置の設置された地理上の位置や周囲に存在する質量によって変化するため，正確な校正を行うためには被校正装置が設置された場所の重力加速度をあらかじめ測定する必要がある。また，分銅をつり下げるのは手作業によって行われるため，振動の影響を受けやすく正確な荷重校正を行うには熟練を要するという欠点があった。
本発明の目的は、以上の問題点に鑑み、装置の校正を正確で且つ簡単・容易に行うことができると共に、測定を正確且つ簡単に行えるようにした微小押し込み試験装置を提供することにある。

前述の課題を解決するため，本発明は，電磁コイルと永久磁石から成る荷重負荷機構について，電磁コイルに流れる電流値と荷重負荷機構の発生する荷重値との関係および圧子の押し込み変位を，電気的測定手段および光学的測定手段により，非接触かつインラインで行うことができるように構成したことを特徴とするものである。
荷重負荷機構はダイヤモンド圧子，圧子軸，弾性板バネ，電磁コイル，永久磁石から成る。
電磁コイルまたは永久磁石のどちらか一方を圧子軸方向に並進移動させる並進移動機構を有する。
電磁コイルまたは永久磁石の一方を圧子軸に固定し，電磁コイルまたは永久磁石の残りの一方を並進移動機構に固定する。並進移動機構を移動させたとき，電磁コイルと永久磁石の間の相対移動速度を測定する速度測定手段を設ける。
電磁コイルと永久磁石の間の相対運動の速度に比例して生ずる電磁コイルの誘導起電力を測定する電圧変化測定手段を有する。

誘導起電力の大きさと，電磁コイルと永久磁石の相対運動の速度の大きさとの比を求める。この比は電磁コイルに電流を流したときに，電磁コイルと永久磁石の間に働く電磁力と電磁コイルに流れる電流との比に等しい。このことから，電磁コイルと永久磁石との間に働く電磁力と電流との関係を求めること，すなわち、荷重校正を分銅による実荷重負荷による手段によらずに行うことができる。
電磁コイルと永久磁石の間の相対移動速度を測定する手段は、レーザドップラー干渉計，レーザ干渉計，非干渉式レーザ変位計等の光学式速度手段または静電容量式変位計，渦電流式変位計等の電気式速度測定手段の非接触式測定手段により構成する。
圧子の押し込み深さを測定する手段を設ける。圧子の押し込み深さを測定する手段は、レーザ干渉計，非干渉式レーザ変位計等の光学式測定手段または静電容量式変位計，渦電流式変位計等の電気式速度測定手段の非接触式測定手段により構成する。

具体的には、以下の手段を採用する。
（１）微小押し込み試験装置は、一端に圧子を設け、他端に永久磁石を設けた圧子軸を中立復帰するようにバネで支持した圧子装置と、駆動電流により励磁され前記永久磁石に磁気吸引反発力を作用する電磁コイルと、該電磁コイルを前記圧子の移動方向に移動可能に設けた並進移動機構と、電磁コイルの位置データと永久磁石の位置データと電磁コイルへの供給電流値に基づいて圧子の押し込み力を求めると共に押し込み力対変位特性を求める信号処理部を備えたコントローラとからなることを特徴とする。
（２）上記（１）記載の微小押し込み試験装置は、前記コントローラは、前記永久磁石の変位および前記電磁コイルの変位並びに前記各変位のときの速度を測定する変位および速度測定手段と、前記電磁コイルに駆動電流を流す可変電流源と、前記変位および速度測定手段で測定した変位の量と、前記電流測定値に基づき圧子の押し込み力の演算および圧子の押し込み力対変位特性を求める信号処理部とを備えたものとして構成したことを特徴とする。

（３）上記（１）又は（２）記載の微小押し込み試験装置は、前記永久磁石の変位および前記電磁コイルの変位並びに前記各変位のときの速度を測定する変位および速度測定手段と、発振器と、
前記発振器の出力信号により動作し前記並進移動機構に該並進移動機構を前記永久磁石に接近離反する方向に移動させるように制御信号を印加するステージドライバと、前記電磁コイルが前記永久磁石の接近離反により発生した誘起電圧を測定する電圧計と、前記変位および速度測定手段の速度ｖの測定値と、前記電圧計の測定電圧Ｅを、前記発振器の発振タイミングに同期して取り込み、下記数２の式により
（数２）
比例係数（∂φ／∂Ｚ）を前記永久磁石と前記電磁コイルの距離を変えて求め、両者の距離に応じて補正を行うために、比例係数（∂φ／∂Ｚ）を前記永久磁石と前記電磁コイルの距離の関数として記録する信号処理部と、を備えたことを特徴とする。
（４）上記（１）乃至（３）のいずれか１項記載の微小押し込み試験装置は、前記変位および速度測定手段として、静電容量式変位計、渦電流式変位計、レーザドップラー干渉計、レーザ干渉計、非干渉式レーザ変位計のいずれか１つを用いたことを特徴とする。

以上説明した本発明によれば，ダイヤモンド圧子を材料表面に押圧し，負荷荷重と押し込み深さの関係を得ることで表面の力学特性を測定する微小押し込み試験装置において，別途校正手段を用意することなく，負荷荷重の校正を試験装置自体で非接触かつインラインで行うことができる。さらに，変位および速度測定手段としてレーザ干渉式の光学測定手段を用いれば，負荷荷重と押し込み変位の校正の両方を試験装置自体で非接触かつインラインで行うことが可能となる。また，本発明の負荷荷重発生機構は、微小押し込み試験装置のみならず，正確な微小荷重を必要とする試験装置や荷重負荷機構に応用できる。

本発明の実施の形態を図に基づいて詳細に説明する。

以下，本発明に係わる微小押し込み試験装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の微小押し込み試験装置の全体を示す構成図である。
図２は、図１の微小押し込み試験装置の具体例を示す構成図である。
本発明の微小押し込み試験装置のコイルの並進速度と誘導起電力の関係から電磁力対電流の比例係数を求めるための手順を図２に基づいて示す。
圧子支持機構は、ダイヤモンドの圧子（１）を一方端に設けた圧子軸（２）を弾性板バネ（３）で中立復帰可能に支持し，圧子軸（２）の他方端に永久磁石（４）と変位計測用ターゲットＡ（５）を設けて構成する。
並進移動機構は、永久磁石（４）の周囲に設けたリング状の電磁コイル（６）と、電磁コイル（６）を圧子移動方向に移動自在とするＺステージ（並進アクチュエータ）から並進移動機構（７）で構成する。電磁コイル（６）を励磁することにより永久磁石（４）を吸引又は反発させる。並進移動機構は負荷荷重発生機構でもある。電磁コイル（６）は並進移動機構（７）に固定される。並進移動機構（７）には変位計測用ターゲットＢ（８）が設けられる。電磁コイル（６）に電流を流すことにより圧子軸（２）には電磁力が働き，ダイヤモンド圧子（１）を介してＸＹＺステージ（１０）に固定された試験片（１１）の材料表面に荷重が負荷される。以下，ダイヤモンド圧子（１）の軸方向をｚ方向，紙面の縦方向をｘ方向，紙面垂直方向をｙ方向とする。
コントローラ（１２）は、電磁コイル（６）と永久磁石（４）の変位および速度を測定すると共に、並進移動機構（７）を駆動し、電磁コイル（６）を励磁するように制御する。

具体的には図２および図５のように構成する。
永久磁石（４）と電磁コイル（６）の間に働く電磁力Ｆ１と負荷荷重発生機構が発生する押し込み荷重Ｆ２との間には次の数３の式の関係が成り立つ。
（数３）
Ｆ１は永久磁石（４）が電磁コイル（６）から受ける電磁力，kは弾性板バネ（３）のバネ定数，Zは弾性板バネ（３）の変位である。永久磁石（４）が電磁コイル（６）から受ける電磁力Ｆ１は電磁コイル（６）に流れる電流Ｉと次の数４の式の比例関係が成り立つ。
（数４）
比例係数（∂Φ／∂ｚ）は永久磁石（４）のもつ磁束密度と分布，電磁コイル（６）の形状や巻き数，永久磁石（４）と電磁コイル（６）との相対的位置関係などによって決まる定数である。
従来は比例係数である（∂Φ／∂ｚ）を決定するためにつり下げ分銅による重力を用いていた。

本発明では，電磁コイル（６）に並進移動機構（７）を設けることにより，比例係数（∂Φ／∂ｚ）を求めようというものである。電磁コイル（６）を並進移動機構（７）によりコイル中心軸方向に速度ｖで並進移動させる。並進移動速度ｖは光学的または電気式の非接触速度測定手段により測定される。このとき，電磁コイル（６）の端子間には永久磁石（４）が作る磁場中を運動することにより電磁誘導の法則に従い，誘導起電力Ｅが生じる。電磁コイル（６）に生ずる誘導起電力Ｅと電磁コイル（６）の移動速度ｖとの間には次の数５の式の比例関係が成り立つ。
（数５）
ここで比例係数（∂Φ／∂ｚ）は電磁気学の法則から数４におけるものとまったく同一のものであることが証明できる。したがって，数４と数５から次の数６の式
（数６）
が得られる。数式４から，電磁コイル（６）に流れる電流Ｉと，電磁コイル（６）と永久磁石（４）との間に働く電磁力Ｆ１の比例定数を決定すること，すなわち荷重の校正は電磁コイル（６）の移動速度ｖの測定とそれによって発生する誘導起電力Ｅの測定に還元される。
比例係数（∂Φ／∂ｚ）は次のようにして求める。

図２は図１の微小押し込み試験装置の具体例を示す構成図である。
図２は図１の実施例における前記比例係数を求める場合のコントローラ（１２）の構成要素を明示した例である。
コントローラ（１２）は、電磁コイル（６）および永久磁石（４）の変位および速度を測定するための変位および速度測定手段（９），永久磁石（４）が挿脱されることにより電磁コイル（６）に誘起される誘導電圧を測定する電圧計（１６）、発振器（１５）、発振器（１５）の発振周波数を有する発振信号によってＸＹステージとなる並進移動機構（７）を駆動するステージドライバ（１４）、変位および速度測定手段（９）の出力である速度ｖおよび各変位の測定信号と、電圧計（１６）の出力である電磁コイル（６）の誘導電圧信号を発振器（１５）の発振周波数に同期して取り込み数３の式により比例係数（∂Φ／∂ｚ）を求める演算を行う。この比例係数（∂Φ／∂ｚ）は永久磁石（４）と電磁コイル（６）の距離を変えて多数求め、
比例係数（∂Φ／∂ｚ）特性として抽出する。

図３は、本発明の微小押し込み試験装置におけるコイルの並進速度と誘導起電力の時間変化の関係とそれらの比例関係を示す図である。
図４は、本発明の微小押し込み試験装置におけるコイルの並進速度と誘導起電力の比例係数の電磁コイルと永久磁石の距離依存性を示す模式図である。
図３のように並進移動機構（７）はステージドライバを介して発振器で発生された正弦波電圧に比例した正弦波の時間変化を示す速度vで往復運動を行う。このとき，図３で示すように電磁コイル（６）の端子間には並進移動機構（７）の往復運動速度ｖに比例した正弦波の時間変化を示す誘導起電力Eが発生する。並進移動機構（７）の速度ｖ，および誘導起電力Eを同じ発振器の周波数でそれぞれ同期検波を行い，図３のように誘導起電力Eと並進移動機構（７）の速度vとの比を求めれば，比例係数（∂Φ／∂ｚ）が求められる。
比例係数（∂Φ／∂ｚ）は，一般のソレノイイド，ボイスコイルモータ等の電磁式リニアアクチュエータの発生力対ストロークと同様にコイルと永久磁石との距離に依存する。その関係は一般に非線形であるため，上記のような比例係数（∂Φ／∂ｚ）を求める手続きを永久磁石（４）と電磁コイル（６）との距離を変えて行い，図４のように両者の距離の関数として記録しておき，両者の距離に応じて補正を行う。

図５は、本発明の微小押し込み試験装置の他の具体例を示す構成図である。押し込み力負荷と押し込み変位測定の手順を図５に示す。
コントローラ（１２）は、電磁コイル（６）および永久磁石（４）の変位および速度を測定するための変位および速度測定手段（９），電磁コイル（６）の励磁電流を制御する可変電流源（１８）およびその電流を測定する電流計（１７）と、電流計（１７）の電流測定値Ｉと既に求めた比例係数（∂Φ／∂ｚ）から押し込み力を演算すると共に、変位および速度測定手段（９）の出力である押し込み変位ｈと既に求めた押し込み力の関係を押し込み力対変位曲線として求める演算処理を行う信号処理部（１３）を備える。
数式１においてZ＝０，すなわち圧子軸（２）を固定し，弾性板バネ（３）の変形を０にすれば，電磁コイル（６）と永久磁石（４）の間に働く電磁力Ｆ１と電流Ｉとの関係を求めることができる。

図６は、本発明の微小押し込み試験装置における磁力とコイルに流す電流の時間変化の関係とそれらの比例関係を示す説明図である。
ダイヤモンド圧子（１）を材料表面にふれることなく自由にしておけば，電磁力は弾性板バネ（３）のみに働くので，電磁力と弾性板バネ（３）の変位を光学的変位測定手段により測定することにより，弾性板バネ（３）のバネ定数を決定できる。以上のように，荷重発生機構の発生する荷重値は電磁コイル（６）に流す電流Ｉの測定，電磁コイル（６）の移動速度ｖの測定，電磁コイル（６）の誘導起電力Ｅの測定，弾性板バネ（３）の変位の測定といった，電気的測定と光学的測定にすべて置き換えることが可能となる。
電磁コイル（６）と永久磁石（４）の間の相対移動速度ｖはそれぞれに設けられた変位計測用ターゲットＡ（５）と変位計測用ターゲットＢ（８）の間隔の時間微分を測定することによって求める。
ダイヤモンド圧子（１）を試料表面に押し込んでいるときの変位Ｚは電磁コイル（６）を固定しておき，そのときの変位計測用ターゲットＡ（５）と変位計測用ターゲットＢ（８）の間隔を測定することによって求める
速度および変位測定手段として，静電容量式変位計，渦電流式変位計等の電気的測定手段を用いる場合は変位計測用ターゲットＡ（５）および同Ｂ（６）として導電性の材質の電極を用いればよい。

速度および変位測定手段として，ヘテロダインレーザドップラー干渉計，ヘテロダインレーザ干渉計，ホモダインレーザ干渉計，非干渉式レーザ変位計等の光学式測定手段を用いる場合は変位計測用ターゲットＡ（５）および同Ｂ（６）として反射鏡を用いればよい。
速度および変位測定手段として，電気式測定手段またはホモダインレーザ干渉計，非干渉式の光学式測定手段を用いた場合には以下のようにして測定を行う。
電磁コイル（６）と永久磁石（４）の間の相対速度ｖは電気式測定手段またはホモダインレーザ干渉計，非干渉式光学式測定手段の出力する変位の値をＺとして次の数７の式
（数７）
で求める。
ダイヤモンド圧子（１）を材料表面に押し込んでいるときの変位Ｚは電磁コイル（６）を固定し，電気式測定手段または非干渉式光学式測定手段の出力する，電磁コイル（６）と永久磁石（４）の間隔Ｚとして測定される。

速度および変位測定手段として，電気式測定手段またはホモダインレーザ干渉計，非干渉式の光学式測定手段を用いた場合はダイヤモンド圧子（１）の変位，電磁コイル（６）と永久磁石（４）の相対速度は測定手段の出力する変位信号，およびその時間微分で求められるから，同一の測定手段で測定が可能である。
速度および変位測定手段として，ヘテロダインレーザドップラー干渉計，ヘテロダインレーザ干渉計等のヘテロダインレーザ干渉式の光学式測定手段を用いる場合は以下のようにして測定を行う。
電磁コイル（６）と永久磁石（４）の間の相対移動速度ｖはそれぞれに設けられた変位計測用ターゲットＡ（５）と変位計測用ターゲットＢ（８）から反射されたレーザ光のビート信号のドップラー効果による周波数変化分 Δｆをヘテロダインレーザドップラー干渉計（９）で測定することにより次の数８の式
（数８）
で求める。ただし，ｃは光の速度，ｆ０はレーザ光の周波数である。

ダイヤモンド圧子を材料表面に押し込んでいるときの変位Ｚは電磁コイルを固定し，変位計測用ターゲットＡ（５）と変位計測用ターゲットＢ（８）で反射されたレーザ光のビート信号の位相差Δφをヘテロダインレーザ干渉計（９）で測定することにより，次の数９の式
（数９）
で求める。ただしλはレーザ光の波長，nはレーザ干渉計の光路の形式によって決まる整数である。
電磁コイルと永久磁石の相対運動に伴うビート信号のドップラー効果による周波数変化分 Δｆおよびダイヤモンド圧子が押し込まれるときのビート信号の位相差Δφは同一の光学系からなるヘテロダインレーザ干渉光学系（９）で実現できるから，両者の測定は単一の光学系で測定可能である。
上記のように，ダイヤモンド圧子（１）の変位測定および電磁コイル（６）と永久磁石（４）の相対速度測定については電気式測定手段，光学式測定手段のどちらを用いても同一の測定手段により測定することが可能であることが示される。

図７は、本発明の実施形態に係わる微小押し込み試験装置のダイヤモンド圧子の変位とコイルに流す電流の関係を示す図である。
本発明の微小押し込み試験機で試料に対し微小押し込み試験を行い得られる結果は図７に示すような，電磁コイル（７）に流す電流対ダイヤモンド圧子（７）の変位の関係である。図７において電流値Iが小さい間はダイヤモンド圧子（１）が試料に接触する前は電磁力はダイヤモンド圧子（１）を支える弾性板バネ（３）の弾性変形の力に等しいから，次の数１０の式のようにダイヤモンド圧子（１）の変位に比例する。
（数１０）
ダイヤモンド圧子（１）が試料片（１１）の表面に接触し，侵入していく過程では試料片（１１）の表面の抗力Ｆ２と弾性板バネ（３）の弾性力ｋＺの和に等しいから，次の数１１の式
（数１１）
となる。この関係はダイヤモンド圧子（１）が試料片（１１）の表面に接触している間，常に成り立つ。

ダイヤモンド圧子（１）の侵入深さhはダイヤモンド圧子（１）の変位Ｚから，接触する瞬間の変位Ｚ０を差し引いて次の数１２の式
（数１２）
で求められる。
微小押し込み試験で測定すべき量はダイヤモンド圧子（１）を試料片（１１）に押し込んでいくときの抗力Ｆ２と侵入深さhとの関係であり，これは次の数１３の式
（数１３）
で与えられる。数１２と数１３で求められる押し込み力Ｆ２と押し込み変位hをグラフにすると図８のようになる。
図８は、本発明の微小押し込み試験装置のダイヤモンド圧子の押し込み変位と押し込み力の関係を説明する図である。
これが試料の微小押し込み力学特性を表す押し込み力対押し込み変位曲線である。
（発明の他の実施の形態）
本発明は電磁コイルと永久磁石の相対運動によって発生する誘導起電力の測定に基づくものであるから，電磁コイルと永久磁石の位置関係を逆にしても本発明は実施が可能である。

本発明の微小押し込み試験装置の全体を示す構成図である。 図１の微小押し込み試験装置の具体例を示す構成図である。 本発明の微小押し込み試験装置における電磁コイルの並進速度と誘導起電力の時間変化の関係とそれらの比例関係を示す図である。 本発明の微小押し込み試験装置における電磁コイルの並進速度と誘導起電力の比例係数の電磁コイルと永久磁石の距離依存性を示す模式図である。 本発明の微小押し込み試験装置の他の具体例を示す構成図である。 本発明の微小押し込み試験装置における磁力と電磁コイルに流す電流の時間変化の関係とそれらの比例関係を示す説明図である。 本発明の微小押し込み試験装置のダイヤモンド圧子の変位とコイルに流す電流の関係を示す図である。 本発明の微小押し込み試験装置のダイヤモンド圧子の押し込み変位と押し込み力の関係を説明する図である。

符号の説明

１ ダイヤモンド圧子
２ 圧子軸
３ 弾性板バネ
４ 永久磁石
５ 変位測定用ターゲットＡ
６ 電磁コイル
７ 並進移動機構
８ 変位測定用ターゲットＢ
９ 変位および速度測定手段
１０ ＸＹＺステージ
１１ 試験片

Claims (4)

1. 一端に圧子を設け、他端に永久磁石を設けた圧子軸を中立復帰するようにバネで支持した圧子装置と、駆動電流により励磁され前記永久磁石に磁気吸引反発力を作用する電磁コイルと、該電磁コイルを前記圧子の移動方向に移動可能に設けた並進移動機構と、電磁コイルの位置データと永久磁石の位置データと電磁コイルへの供給電流値に基づいて圧子の押し込み力を求めると共に押し込み力対変位特性を求める信号処理部を備えたコントローラとからなることを特徴とする微小押し込み試験装置。
2. 前記コントローラは、前記永久磁石の変位および前記電磁コイルの変位並びに前記各変位のときの速度を測定する変位および速度測定手段と、前記電磁コイルに駆動電流を流す可変電流源と、
   前記変位および速度測定手段で測定した変位の量と、前記電流測定値に基づき圧子の押し込み力の演算および圧子の押し込み力対変位特性を求める信号処理部とを備えたものとして構成したことを特徴とする請求項１記載の微小押し込み試験装置。
3. 前記永久磁石の変位および前記電磁コイルの変位並びに前記各変位のときの速度を測定する変位および速度測定手段と、発振器と、前記発振器の出力信号により動作し前記並進移動機構に該並進移動機構を前記永久磁石に接近離反する方向に移動させるように制御信号を印加するステージドライバと、前記電磁コイルが前記永久磁石の接近離反により発生した誘起電圧を測定する電圧計と、前記変位および速度測定手段の速度ｖの測定値と、前記電圧計の測定電圧Ｅを、前記発振器の発振タイミングに同期して取り込み、下記数１の式により
   （数１）
   比例係数（∂φ／∂Ｚ）を前記永久磁石と前記電磁コイルの距離を変えて求め、両者の距離に応じて補正を行うために、比例係数（∂φ／∂Ｚ）を前記永久磁石と前記電磁コイルの距離の関数として記録する信号処理部と、を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の微小押し込み試験装置。
4. 前記変位および速度測定手段として、静電容量式変位計、渦電流式変位計、レーザドップラー干渉計、レーザ干渉計、非干渉式レーザ変位計のいずれか１つを用いたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の微小押し込み試験装置。