JP4500156B2

JP4500156B2 - Material property evaluation system

Info

Publication number: JP4500156B2
Application number: JP2004339016A
Authority: JP
Inventors: 光男村上
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2004-11-24
Filing date: 2004-11-24
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2024-11-24
Also published as: JP2006145474A

Description

本発明は、試料に対して圧子を所定の試験力で押圧することに基づいて試料の材料特性を評価する材料特性評価装置に関する。 The present invention relates to a material property evaluation apparatus that evaluates material properties of a sample based on pressing an indenter against the sample with a predetermined test force.

従来、レバーを揺動し、レバーに備えられた圧子により、試料表面に試験力を負荷することに基づいて、試料の材料特性を評価する材料特性評価装置があり、特に、材料特性としての硬さを評価する硬さ試験機が知られている（例えば、特許文献１参照。）。 Conventionally, there has been a material property evaluation apparatus that evaluates material properties of a sample based on swinging a lever and applying a test force to the sample surface by an indenter provided on the lever. A hardness tester for evaluating the thickness is known (for example, see Patent Document 1).

この硬さ試験機は、圧子を試料に所定の試験力で押し込んだ時の押込深さ（変位）や生じた窪みの大きさを測定し、その試験力と測定した押込深さや窪みの大きさから硬さを算出したり、或いは、算出したデータをグラフ化して材料の強度特性を解析する試験機である。 This hardness tester measures the indentation depth (displacement) when the indenter is pushed into the sample with a predetermined test force and the size of the resulting depression, and the test force and the measured indentation depth and the size of the depression. It is a testing machine that calculates the hardness from the graph or analyzes the strength characteristics of the material by graphing the calculated data.

硬さ試験機において、圧子を試料に押し込むための試験力負荷機構には、重錘により試験力を負荷する方式、ばねの変形により生じる試験力を負荷する方式、或いは電磁力による試験力を負荷する方式など、様々な試験力負荷方式が利用されている。
例えば、電磁力による試験力負荷方式を利用する硬さ試験機においては、直流磁界が形成された隙間に配設された電磁コイルに電流を供給することにより電磁力を発生する力発生部と、力発生部（電磁コイル）に電流を供給する電流調整部と、力発生部において発生した電磁力により支持部の回動軸を支点に回動するレバーと、このレバーの自由端部に備えられ、レバーの回動に伴い、試料を押圧する圧子等により構成されている。 In the hardness tester, the test force load mechanism for pushing the indenter into the sample is loaded with a test force by a weight, a test force generated by deformation of a spring, or a test force by electromagnetic force. Various test force loading methods are used, such as
For example, in a hardness tester using a test force loading method using electromagnetic force, a force generator that generates electromagnetic force by supplying current to an electromagnetic coil disposed in a gap in which a DC magnetic field is formed; A current adjusting unit that supplies current to the force generating unit (electromagnetic coil), a lever that rotates about the rotation axis of the support unit by the electromagnetic force generated in the force generating unit, and a free end of the lever are provided. The indenter presses the sample as the lever rotates.

そして、電磁コイルに流す電流量を調整すること等により所定の試験力（例えば、１００μＮ〜１００ｍＮ）を発生させることができる。即ち、この試験力負荷機構部においては、電流調整部が力発生部（電磁コイル）に電流を供給して発生した電磁力に基づく力がレバーを介して圧子に伝達され、圧子が試料表面に押し込まれるようになっている。
特開２０００−２８５０５号公報 A predetermined test force (for example, 100 μN to 100 mN) can be generated by adjusting the amount of current flowing through the electromagnetic coil. That is, in this test force load mechanism unit, the current adjustment unit supplies a current to the force generation unit (electromagnetic coil) and the force based on the electromagnetic force generated is transmitted to the indenter via the lever, and the indenter is applied to the sample surface. It is supposed to be pushed in.
JP 2000-28505 A

しかしながら、圧子と力発生部とがそれぞれ独立して設けられており、力発生部で発生する試験力がレバーを介して圧子に伝達される構成であると、装置が大型になるとともに、微小な試験力（例えば、１００μＮよりも小さい試験力）の精度を維持することが困難であるという問題点があった。
また、材料特性評価装置の設置場所の傾斜に伴ってレバーが傾いている場合や、装置に外力が付与されレバーが振動している場合、圧子を試料表面に対して垂直方向に正確に押込むことができず、測定精度が低下してしまうという問題点があった。 However, when the indenter and the force generation unit are provided independently, and the test force generated by the force generation unit is transmitted to the indenter via the lever, the apparatus becomes large and minute. There is a problem that it is difficult to maintain the accuracy of the test force (for example, test force smaller than 100 μN).
Also, when the lever is tilted with the inclination of the installation site of the material property evaluation device, or when the lever is vibrating due to external force applied to the device, the indenter is accurately pushed in the direction perpendicular to the sample surface. There is a problem that the measurement accuracy is lowered.

そこで、本発明の課題は、硬さ試験等の材料特性評価における評価精度をより向上させることができる材料特性評価装置を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a material property evaluation apparatus capable of further improving the evaluation accuracy in material property evaluation such as a hardness test.

上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、例えば、図１に示すように、
試料（Ｓ）表面に圧子（２）の先端部（例えば、圧子先端部２０４）を押込んでくぼみを形成させ、当該くぼみに基づいて試料の特性を評価する材料特性評価装置（１００）であって、
前記圧子を前記試料表面に対して移動可能に支持する支持部材（例えば、レバー３）と、
前記支持部材を移動させる力を発生する力発生部（例えば、電磁力発生部５）と、
前記支持部材の傾斜を検出する傾斜検出手段（例えば、傾斜計６）と、
前記傾斜検出手段によって検出された傾斜に基づいて、前記先端部が前記試料表面に対して垂直に押し込まれるように、前記力発生部に力を発生させて前記支持部材の姿勢を制御する姿勢制御手段（例えば、姿勢制御部４１）と、
を備えることを特徴とする。 In order to solve the above problem, the invention according to claim 1 is, for example, as shown in FIG.
A material property evaluation apparatus (100) for forming a recess by pushing a tip (for example, an indenter tip 204) of an indenter (2) into the surface of a sample (S) and evaluating the characteristics of the sample based on the recess. ,
A support member (for example, lever 3) that supports the indenter to be movable with respect to the sample surface;
A force generator (for example, an electromagnetic force generator 5) that generates a force to move the support member;
An inclination detecting means (for example, an inclinometer 6) for detecting an inclination of the support member;
Attitude control for controlling the attitude of the support member by generating a force on the force generating section so that the tip is pushed perpendicularly to the sample surface based on the inclination detected by the inclination detecting means. Means (for example, posture control unit 41);
It is characterized by providing.

請求項２記載の発明は、例えば、図１、図２に示すように、
試料（Ｓ）表面に圧子（２）の先端部（例えば、圧子先端部２０４）を押込んでくぼみを形成させ、当該くぼみに基づいて試料の特性を評価する材料特性評価装置（１００）であって、
前記圧子内に、
前記先端部に付与する静電力を発生させる静電力発生部（例えば、可動極板２０２、第１の固定極板２１１、第２の固定極板２２１）と、
前記静電力発生部によって発生した静電力を検出する静電力検出部（例えば、ピエゾ抵抗素子２０３）と、を備えるとともに、
前記静電力検出部によって検出された静電力に基づいて、前記静電力発生部によって発生する静電力をフィードバック制御する静電力制御手段（例えば、静電力制御部４３）を備えることを特徴とする。 The invention described in claim 2 is, for example, as shown in FIGS.
A material property evaluation apparatus (100) for forming a recess by pushing a tip (for example, an indenter tip 204) of an indenter (2) into the surface of a sample (S) and evaluating the characteristics of the sample based on the recess. ,
In the indenter,
An electrostatic force generator (e.g., movable electrode plate 202, first fixed electrode plate 211, second fixed electrode plate 221) that generates an electrostatic force applied to the tip part;
An electrostatic force detection unit (e.g., piezoresistive element 203) for detecting the electrostatic force generated by the electrostatic force generation unit,
An electrostatic force control means (for example, electrostatic force control unit 43) that feedback-controls the electrostatic force generated by the electrostatic force generation unit based on the electrostatic force detected by the electrostatic force detection unit is provided.

請求項３記載の発明は、請求項２記載の材料特性評価装置であって、
前記圧子を前記試料表面に対して移動可能に支持する支持部材（例えば、レバー３）と、
前記支持部材を移動させる力を発生する力発生部（例えば、電磁力発生部５）と、
前記支持部材の振動を検出する振動検出手段（例えば、加速度センサ７）と、
前記振動検出手段によって検出された振動に基づいて、前記力発生部に力を発生させて前記支持部材を静止させるように制御する静止制御手段（例えば、静止制御部４２）と、
を備えることを特徴とする。 Invention of Claim 3 is the material characteristic evaluation apparatus of Claim 2 , Comprising:
A support member (for example, lever 3) that supports the indenter to be movable with respect to the sample surface;
A force generator (for example, an electromagnetic force generator 5) that generates a force to move the support member;
Vibration detection means (for example, acceleration sensor 7) for detecting vibration of the support member;
Based on the vibration detected by the vibration detecting means, a stationary control means (for example, a stationary control section 42) that controls the force generating section to generate a force and to stop the support member;
It is characterized by providing.

請求項４記載の発明は、請求項２又は３記載の材料特性評価装置であって、
前記静電力発生部は、
シリコン基板（２０）に形成され、弾性部（２０１）によって変位自在に支持される可動極板（２０２）と、
硝子基板（例えば、第１の硝子基板２１、第２の硝子基板２２）に形成され、前記可動極板と対面する位置に固定される固定極板（例えば、第１の固定極板２１１、第２の固定極板２２１）と、
を備え、
前記可動極板と前記固定極板との間に発生する静電力を前記先端部に付与することを特徴とする。 Invention of Claim 4 is the material characteristic evaluation apparatus of Claim 2 or 3, Comprising:
The electrostatic force generator is
A movable electrode plate (202) formed on the silicon substrate (20) and movably supported by the elastic portion (201);
Fixed electrode plates (for example, the first fixed electrode plate 211, the first fixed electrode plate 211, the second glass substrate 22 and the first fixed electrode plate 211 formed on the glass substrate (for example, the first glass substrate 21 and the second glass substrate 22) are fixed at positions facing the movable electrode plate. 2 fixed electrode plates 221),
With
An electrostatic force generated between the movable electrode plate and the fixed electrode plate is applied to the tip portion.

請求項５記載の発明は、請求項４記載の材料特性評価装置であって、
前記可動極板と前記固定極板とによって形成され、前記先端部のくぼみ形成時における変位を検出する変位検出手段（例えば、変位センサａ）を備えることを特徴とする。 Invention of Claim 5 is the material characteristic evaluation apparatus of Claim 4, Comprising:
Displacement detecting means (for example, a displacement sensor a) formed by the movable electrode plate and the fixed electrode plate and detecting a displacement at the time of forming the recess of the tip end portion is provided.

請求項６記載の発明は、請求項４又は５記載の材料特性評価装置であって、
前記先端部が、前記可動極板に形成されていることを特徴とする。 The invention described in claim 6 is the material property evaluation apparatus according to claim 4 or 5,
The tip is formed on the movable electrode plate.

請求項７記載の発明は、請求項２〜６の何れか一項に記載の材料特性評価装置であって、前記圧子内に、
温度を検出する温度検出部（例えば、温度センサ２０５）を備えるとともに、
前記温度検出部によって検出された温度を表示する表示部（９）と、
を備えることを特徴とする。 Invention of claim 7, a material characterization device according to any one of claims 2-6, in said indenter,
A temperature detection unit (for example, temperature sensor 205) that detects the temperature is provided,
A display unit (9) for displaying the temperature detected by the temperature detection unit;
It is characterized by providing.

請求項１記載の発明によれば、材料特性評価装置を設置する場所が傾斜している場合においても、支持部材の傾斜が検出され、検出された傾斜に基づいて、圧子の移動方向が試料表面に対して垂直になるように支持部材の姿勢が制御される。従って、先端部が常に正確に試料に押し込まれることとなって、材料特性評価の精度をより向上させることができる。 According to the first aspect of the present invention, even when the place where the material property evaluation apparatus is installed is inclined, the inclination of the support member is detected, and the moving direction of the indenter is determined based on the detected inclination. The posture of the support member is controlled so as to be perpendicular to. Therefore, the tip portion is always accurately pushed into the sample, and the accuracy of material property evaluation can be further improved.

請求項２記載の発明によれば、圧子の先端部に付与する試験力（静電力）を圧子内で発生させるとともに、発生した静電力に基づいて試験力をフィードバック制御する。従って、従来のように試験力をレバー（支持部材）を介して圧子に伝達する必要がないので、微小な試験力（例えば、１００μＮより小さい試験力）の精度を維持することができることとなって、評価精度をより向上させることができる。
また、静電力発生部が圧子内部に組み込まれているので、別途試験力を発生させる機器等を設ける必要がなくなり、装置のコンパクト化を図ることができる。 According to the second aspect of the present invention, the test force (electrostatic force) applied to the tip portion of the indenter is generated in the indenter, and the test force is feedback-controlled based on the generated electrostatic force. Therefore, since it is not necessary to transmit the test force to the indenter via the lever (support member) as in the prior art, the accuracy of a minute test force (for example, a test force smaller than 100 μN) can be maintained. Evaluation accuracy can be further improved.
Further, since the electrostatic force generator is incorporated in the indenter, it is not necessary to provide a device for generating a test force separately, and the apparatus can be made compact.

請求項３記載の発明によれば、請求項２記載の発明の効果が得られるのは無論のこと、特に、材料特性評価装置に外力が付与され、支持部材が振動した場合、支持部材の振動が検出され、検出された振動に基づいて、支持部材が静止する。従って、外力の付与に影響を受けることなく材料特性評価を行うことができるので、評価精度をより向上させることができる。 According to the third aspect of the invention, the effect of the second aspect of the invention can of course be obtained. In particular, when the external force is applied to the material property evaluation apparatus and the support member vibrates, the vibration of the support member is caused. Is detected, and the support member is stationary based on the detected vibration. Therefore, since the material property evaluation can be performed without being affected by the application of external force, the evaluation accuracy can be further improved.

請求項４記載の発明によれば、請求項２又は３記載の発明の効果が得られるのは無論のこと、特に、圧子が、可動極板及び固定極板を備え、可動極板と固定極板との間に発生した静電力が圧子の先端部に付与される。従って、従来のように、電磁力を発生させるための電磁コイルや磁石が必要なくなり、板形状の極板を備える構成によって試験力を発生させることができるので、試験力の発生源そのものを小型化し、圧子内に好適に組み込むことができる。 According to the invention described in claim 4, the effect of the invention described in claim 2 or 3 is naturally obtained. In particular, the indenter includes the movable electrode plate and the fixed electrode plate, and the movable electrode plate and the fixed electrode are provided. The electrostatic force generated between the plate and the plate is applied to the tip of the indenter. This eliminates the need for electromagnetic coils and magnets for generating electromagnetic force as in the past, and allows the test force to be generated by a configuration having a plate-shaped electrode plate. Can be suitably incorporated in the indenter.

請求項５記載の発明によれば、請求項４記載の発明の効果が得られるのは無論のこと、特に、可動極板と固定極板とによって、先端部のくぼみ形成時における変位が検出される。従って、圧子内において先端部の変位が検出されることとなるので、変位を検出するための機器（例えば、変位計等）を別途設ける必要がなくなり、より一層装置のコンパクト化を図ることができる。 According to the fifth aspect of the present invention, it is obvious that the effect of the fourth aspect of the invention can be obtained. In particular, the displacement at the time of forming the indentation at the tip is detected by the movable plate and the fixed plate. The Accordingly, since the displacement of the tip portion is detected in the indenter, it is not necessary to separately provide a device (for example, a displacement meter) for detecting the displacement, and the device can be further downsized. .

請求項６記載の発明によれば、請求項４又は５記載の発明の効果が得られるのは無論のこと、特に、先端部が可動極板により形成されている。従って、先端部に試験力としての静電力が直接付与されるので、試験力の精度維持を好適に行うことができる。 According to the invention described in claim 6, it is needless to say that the effect of the invention described in claim 4 or 5 is obtained, and in particular, the tip portion is formed by the movable electrode plate. Therefore, since the electrostatic force as the test force is directly applied to the tip portion, the accuracy of the test force can be suitably maintained.

請求項７記載の発明によれば、請求項２〜６の何れか一項に記載の発明と同様の効果が得られるのは無論のこと、特に、圧子の温度検出部によって検出された温度が表示部に表示される。従って、試料の材料特性の温度依存性を知ることができ、材料特性評価をより好適に行うことができる。 According to the seventh aspect of the present invention, it is of course possible to obtain the same effect as that of any one of the second to sixth aspects. In particular, the temperature detected by the temperature detector of the indenter is Displayed on the display. Therefore, the temperature dependence of the material properties of the sample can be known, and the material properties can be evaluated more suitably.

以下、図面を参照して実施の形態としての本発明に係る材料特性評価装置について詳細に説明する。
図１は、材料特性評価装置の全体構成を示す模式図、図２は、図１の材料特性評価装置の圧子の断面図、図３は、図１の材料特性評価装置の要部構成を示すブロック図、図４は、図２の圧子の製造工程を示す断面図である。 Hereinafter, a material property evaluation apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
1 is a schematic diagram showing the overall configuration of the material property evaluation apparatus, FIG. 2 is a cross-sectional view of the indenter of the material property evaluation apparatus in FIG. 1, and FIG. 3 shows the main part configuration of the material property evaluation apparatus in FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the indenter of FIG.

材料特性評価装置１００は、図１に示すように、例えば、試料Ｓを載置する試料台１と、試料Ｓにくぼみを形成する圧子２と、一端部３ａに圧子２が設けられ、圧子２を試料Ｓ表面に対して移動可能に支持する支持部材としてのレバー３と、各部の制御を行う制御装置４等を備えて構成されている。また、制御装置４には、レバー３の他端部３ｂに設けられた力発生部としての電磁力発生部５が接続されている。 As shown in FIG. 1, the material property evaluation apparatus 100 includes, for example, a sample table 1 on which a sample S is placed, an indenter 2 that forms a recess in the sample S, and an indenter 2 at one end 3a. Is provided with a lever 3 as a support member that movably supports the surface of the sample S, a control device 4 that controls each part, and the like. The control device 4 is connected to an electromagnetic force generator 5 as a force generator provided at the other end 3 b of the lever 3.

先ず、圧子２について説明する。
圧子２は、図２に示すように、例えば、厚さ方向の中央に配置されたシリコン基板２０と、シリコン基板２０を上下両側から挟む硝子基板としての第１の硝子基板２１及び第２の硝子基板２２とにより構成されている。 First, the indenter 2 will be described.
As shown in FIG. 2, the indenter 2 includes, for example, a silicon substrate 20 disposed at the center in the thickness direction, and a first glass substrate 21 and a second glass as glass substrates sandwiching the silicon substrate 20 from both the upper and lower sides. The substrate 22 is configured.

シリコン基板２０の大部分は、シリコンからなる本体部２００によって構成されており、本体部２００には、弾性部２０１とこの弾性部２０１によって厚さ方向に変位自在に支持された平面視円形の可動極板２０２とがエッチング処理によって一体的に設けられている。 Most of the silicon substrate 20 is constituted by a main body portion 200 made of silicon, and the main body portion 200 is movable in a circular shape in plan view supported by the elastic portion 201 and the elastic portion 201 so as to be displaceable in the thickness direction. The electrode plate 202 is integrally provided by an etching process.

弾性部２０１は、可動極板２０２の周縁部に形成されている。この弾性部２０１は、可動極板２０２の周縁部における上側の表面と下側の表面とに上下２段に配設された梁から成っている。また、弾性部２０１は可動極板２０２の各表面よりも内側に窪んだ位置に配設されている。この弾性部２０１には、ピエゾ抵抗素子２０３が設けられている（後述）。 The elastic part 201 is formed at the peripheral edge of the movable electrode plate 202. The elastic portion 201 is composed of beams arranged in two upper and lower stages on the upper surface and the lower surface in the peripheral portion of the movable electrode plate 202. Further, the elastic part 201 is disposed at a position recessed inward from the respective surfaces of the movable electrode plate 202. The elastic portion 201 is provided with a piezoresistive element 203 (described later).

可動極板２０２の裏面部の略中央部には、試料Ｓ表面にくぼみを形成する先端部としての圧子先端部２０４が四角錘状に突出して形成されている。この圧子先端部２０４は、例えば、シリコン基板２０の酸化物により形成されている。 An indenter tip 204 as a tip that forms a recess on the surface of the sample S is formed in a substantially pyramid shape at the substantially central portion of the back surface of the movable electrode plate 202. The indenter tip portion 204 is made of, for example, an oxide of the silicon substrate 20.

また、可動極板２０２の弾性部２０１近傍には、温度検出部としての温度センサ２０５が設けられている。この温度センサ２０５は、白金、バイメタル、銅―コンスタンタン等の金属薄膜が蒸着やスパッタリングによりパタンニングされることにより成膜されている。そして、この金属薄膜間の抵抗或いは電圧等を測定することにより、温度が検出できるようになっている。そして、検出された温度は、測定データの補正用のデータ等として利用される。
なお、図３に示すように、温度センサ２０５による温度検出信号は、温度検出用電極（図示省略）によって制御装置へ出力されるようになっている。 Further, a temperature sensor 205 as a temperature detection unit is provided in the vicinity of the elastic part 201 of the movable electrode plate 202. The temperature sensor 205 is formed by patterning a metal thin film such as platinum, bimetal, or copper-constantan by vapor deposition or sputtering. The temperature can be detected by measuring the resistance or voltage between the metal thin films. The detected temperature is used as data for correcting measurement data.
As shown in FIG. 3, the temperature detection signal from the temperature sensor 205 is output to the control device by a temperature detection electrode (not shown).

次に、圧子２を構成する第１の硝子基板２１及び第２の硝子基板２２について説明する。
第１の硝子基板２１において、可動極板２０２と対面する位置には、これと数ミクロンのギャップ（隙間）を確保して、固定極板としての第１の固定極板２１１が形成されている。この第１の固定極板２１１は、例えば、蒸着やスパッタリング等の方法によって形成されている。
第１の固定極板２１１が占める領域は、投影視において弾性部２０１及び可動極板２０２が占める領域と一致している。この第１の固定極板２１１と可動極板２０２とにより、第１のキャパシタが形成される。
なお、第１のキャパシタの静電容量（静電容量Ｃ１とする）は、第１の固定極板２１１から延出された静電容量検出用電極（図示省略）によって、制御装置４の材料特性評価部４４（図３参照）へ出力されるようになっている。この静電容量検出用電極は、例えば、シリコン基板２０内に形成され、電気的に分離された島部（図示省略）に延設されている。 Next, the first glass substrate 21 and the second glass substrate 22 constituting the indenter 2 will be described.
In the first glass substrate 21, a first fixed electrode plate 211 as a fixed electrode plate is formed at a position facing the movable electrode plate 202 while securing a gap (gap) of several microns. . The first fixed electrode plate 211 is formed by a method such as vapor deposition or sputtering, for example.
The area occupied by the first fixed electrode plate 211 coincides with the area occupied by the elastic portion 201 and the movable electrode plate 202 in a projection view. The first fixed electrode plate 211 and the movable electrode plate 202 form a first capacitor.
The capacitance of the first capacitor (capacitance C1) is determined by the material characteristics of the control device 4 by the capacitance detection electrode (not shown) extended from the first fixed plate 211. The data is output to the evaluation unit 44 (see FIG. 3). The capacitance detection electrode is formed in, for example, the silicon substrate 20 and extends to an electrically isolated island (not shown).

図２に示すように、第２の硝子基板２２の略中央部には、貫通穴２２ａが形成されており、圧子先端部２０４が貫通するようになっている。
また、第２の硝子基板２２において、可動極板２０２と対面する位置には、これと数μｍのギャップを確保して、固定極板としての第２の固定極板２２１が形成されている。この第２の固定極板２２１も、例えば、蒸着やスパッタリング等の方法によって形成されている。
第２の固定極板２２１が占める領域は、投影視において弾性部２０１及び可動極板２０２が占める領域と一致している。この第２の固定極板２２１と可動極板２０２とにより、第２のキャパシタが形成される。また、第２の固定極板２２１の配置は、投影視において第１の固定極板２１１の配置と略一致している。
なお、第２のキャパシタの静電容量（静電容量Ｃ２とする）は、第２の固定極板２２１から延出された静電容量検出用電極（図示省略）によって、制御装置４の材料特性評価部４４（図３参照）へ出力される。この静電容量検出用電極は、例えば、シリコン基板２０内に形成され、電気的に分離された島部（図示省略）に延設されている。 As shown in FIG. 2, a through hole 22 a is formed at a substantially central portion of the second glass substrate 22, and the indenter tip portion 204 passes therethrough.
Further, in the second glass substrate 22, a second fixed electrode plate 221 as a fixed electrode plate is formed at a position facing the movable electrode plate 202 while securing a gap of several μm. The second fixed electrode plate 221 is also formed by a method such as vapor deposition or sputtering.
The area occupied by the second fixed electrode plate 221 coincides with the area occupied by the elastic portion 201 and the movable electrode plate 202 in a projected view. The second fixed electrode plate 221 and the movable electrode plate 202 form a second capacitor. Further, the arrangement of the second fixed electrode plate 221 is substantially the same as the arrangement of the first fixed electrode plate 211 in the projection view.
The capacitance of the second capacitor (capacitance C2) is determined by the material characteristics of the control device 4 by the capacitance detection electrode (not shown) extended from the second fixed plate 221. The data is output to the evaluation unit 44 (see FIG. 3). The capacitance detection electrode is formed in, for example, the silicon substrate 20 and extends to an electrically isolated island (not shown).

そして、可動極板２０２、第１の固定極板２１１、第２の固定極板２２１は、静電力発生部として機能し、例えば、可動極板２０２に電源（図示省略）から所定の電圧が印加されることによって、可動極板２０２と第１の固定極板２１１及び第２の固定極板２２１との間に静電力が発生する。
また、このとき発生した静電力は、弾性部２０１に設けられている静電力検出部としてのピエゾ抵抗素子２０３によって検出されるようになっている。より具体的には、可動極板２０２と第１の固定極板２１１及び第２の固定極板２２１との間に発生した静電力によって、可動極板２０２が厚さ方向に変位し、この変位に伴って弾性部２０１が撓んだときの抵抗値の変化に基づいて、静電力が検出されるようになっている。
そして、図３に示すように、ピエゾ抵抗素子２０３によって検出された静電力検出信号は、静電力検出用電極（図示省略）によって制御装置４の静電力制御部４３（後述）へ出力される。 The movable plate 202, the first fixed plate 211, and the second fixed plate 221 function as an electrostatic force generating unit, and for example, a predetermined voltage is applied to the movable plate 202 from a power source (not shown). As a result, an electrostatic force is generated between the movable plate 202 and the first fixed plate 211 and the second fixed plate 221.
The electrostatic force generated at this time is detected by a piezoresistive element 203 as an electrostatic force detection unit provided in the elastic part 201. More specifically, the movable plate 202 is displaced in the thickness direction by the electrostatic force generated between the movable plate 202 and the first fixed plate 211 and the second fixed plate 221. Accordingly, the electrostatic force is detected based on the change in resistance value when the elastic portion 201 is bent.
As shown in FIG. 3, the electrostatic force detection signal detected by the piezoresistive element 203 is output to an electrostatic force control unit 43 (described later) of the control device 4 by an electrostatic force detection electrode (not shown).

そして、可動極板２０２と、第１の固定極板２１１及び第２の固定極板２２１との間に発生する静電力によって、圧子先端部２０４に所定の試験力（例えば、１μＮ）が付与され、試料Ｓ表面に押圧されるようになっている。 A predetermined test force (for example, 1 μN) is applied to the indenter tip 204 by the electrostatic force generated between the movable plate 202 and the first fixed plate 211 and the second fixed plate 221. The sample S is pressed against the surface.

また、可動極板２０２、第１の固定極板２１１、第２の固定極板２２１は、圧子先端部２０４のくぼみ形成時における変位を検出する変位検出手段としての変位センサａを形成する。ここでは、圧子先端部２０４の変位とは、くぼみ形成時における押込深さを指すものとする。
ここで、圧子先端部２０４のくぼみ形成時の押込深さについて説明する。
例えば、試料Ｓについて試験力１μＮで材料特性評価としての硬さ試験を行う場合、圧子先端部２０４が試料Ｓに押し込まれる直前には、可動極板２０２と第１の固定極板２１１及び第２の固定極板２２１との間に試験力１μＮに対応する静電力が発生し、可動極板２０２が弾性部２０１に拘束されながら厚さ方向に変位し、第１のキャパシタの静電容量Ｃ１と第２のキャパシタの静電容量Ｃ２とが相互に増減し、両者の静電容量差が変動する。 In addition, the movable electrode plate 202, the first fixed electrode plate 211, and the second fixed electrode plate 221 form a displacement sensor a as a displacement detection means for detecting the displacement of the indenter tip 204 when the indentation is formed. Here, the displacement of the indenter tip 204 refers to the indentation depth when forming the recess.
Here, the indentation depth when the indenter tip 204 is formed will be described.
For example, when a hardness test as a material property evaluation is performed on the sample S with a test force of 1 μN, immediately before the indenter tip portion 204 is pushed into the sample S, the movable electrode plate 202, the first fixed electrode plate 211, and the second An electrostatic force corresponding to a test force of 1 μN is generated between the fixed plate 221 and the movable plate 202 is displaced in the thickness direction while being restrained by the elastic portion 201, and the capacitance C1 of the first capacitor The capacitance C2 of the second capacitor increases and decreases with each other, and the capacitance difference between the two varies.

そして、圧子先端部２０４が試料Ｓ表面に押し込まれると、第１のキャパシタの静電容量Ｃ１及び第２のキャパシタの静電容量Ｃ２との差が、圧子先端部２０４が押し込まれた分だけさらに変動する。
従って、圧子先端部２０４が試料Ｓ表面に押し込まれたときの静電容量差の変動分から、圧子先端部２０４が試料Ｓ表面に押し込まれる前（即ち、試験力１μＮのみが圧子先端部２０４に付与されている状態）の静電容量差の変動分を差し引くと、圧子先端部２０４の押込深さとみなすことができる。 When the indenter tip 204 is pushed into the surface of the sample S, the difference between the capacitance C1 of the first capacitor and the capacitance C2 of the second capacitor is further increased by the amount of pushing of the indenter tip 204. fluctuate.
Therefore, from the variation in the capacitance difference when the indenter tip 204 is pushed into the surface of the sample S, before the indenter tip 204 is pushed into the sample S surface (that is, only a test force of 1 μN is applied to the indenter tip 204. If the variation of the capacitance difference in the state of the indentation is subtracted, it can be regarded as the indentation depth of the indenter tip 204.

即ち、第１のキャパシタ（可動極板２０２及び第１の固定極板２１１から形成される）の静電容量Ｃ１と、第２のキャパシタ（可動極板２０２及び第２の固定極板２２１から形成される）の静電容量Ｃ２との容量差によって、圧子先端部２０４の押込深さが検出されるようになっている。従って、可動極板２０２、第１の固定極板２１１、第２の固定極板２２１は、変位センサａとして機能し、変位センサａと材料特性評価部４４とが、上記した静電容量検出用電極を介して接続されることとなる（図３）。 That is, the capacitance C1 of the first capacitor (formed from the movable plate 202 and the first fixed plate 211) and the second capacitor (formed from the movable plate 202 and the second fixed plate 221). The indentation depth of the indenter tip 204 is detected by the difference in capacitance from the electrostatic capacitance C2. Therefore, the movable electrode plate 202, the first fixed electrode plate 211, and the second fixed electrode plate 221 function as the displacement sensor a, and the displacement sensor a and the material property evaluation unit 44 are for detecting the capacitance described above. It will be connected via an electrode (FIG. 3).

次に、圧子２の製造方法について説明する。圧子２は、例えば、マイクロマシニング技術を用いて製造する。
この圧子２を製造する工程においては、先ず、第１の硝子基板２１に第１の固定極板２１１を形成しておくとともに、第２の硝子基板２２の略中央部に貫通穴２２ａに形成し、第２の第２の固定極板２２１を形成しておく。なお、貫通穴２２ａの形成は、例えば、ドライエッチング処理等により行い、各固定極板の形成は、例えば、蒸着やスパッタリング等により行う。 Next, a method for manufacturing the indenter 2 will be described. The indenter 2 is manufactured using, for example, a micromachining technique.
In the step of manufacturing the indenter 2, first, the first fixed electrode plate 211 is formed on the first glass substrate 21, and the through hole 22 a is formed in the substantially central portion of the second glass substrate 22. Then, a second second fixed electrode plate 221 is formed. The through holes 22a are formed by, for example, dry etching, and the fixed electrode plates are formed by, for example, vapor deposition or sputtering.

先ず、図４（ａ）に示すシリコン基板２０の裏面部２０ｂに、圧子先端部２０４を形成させる（図４（ｂ））。具体的には、例えば、シリコン基板２０を熱酸化し、裏面部２０ｂ全域に酸化シリコンを成長させた後、ドライエッチング処理によって、四角錘状に形成させる。ドライエッチング処理においては、圧子先端部２０４の大きさに合わせて、反応ガスの種類や反応時間を適宜設定する。ここで、圧子先端部２０４は、第１の硝子基板２１の貫通穴２２ａを貫通したときに、第１の硝子基板２１から突出する長さになるように形成する。 First, the indenter tip 204 is formed on the back surface 20b of the silicon substrate 20 shown in FIG. 4A (FIG. 4B). Specifically, for example, after the silicon substrate 20 is thermally oxidized and silicon oxide is grown over the entire back surface portion 20b, the silicon substrate 20 is formed into a quadrangular pyramid shape by a dry etching process. In the dry etching process, the type of reaction gas and the reaction time are appropriately set according to the size of the indenter tip 204. Here, the indenter tip portion 204 is formed so as to protrude from the first glass substrate 21 when passing through the through hole 22a of the first glass substrate 21.

次いで、シリコン基板２０に、弾性部２０１及び可動極板２０２を形成する。具体的には、例えば、シリコン基板２０の弾性部２０１及び可動極板２０２に対応するマスキングを施した後、シリコン基板２０にウエットエッチング処理により形成する（図４（ｃ））。
このとき、弾性部２０１にピエゾ抵抗素子２０３を、可動極板２０２に温度センサ２０５を、ぞれぞれ公知の方法によって形成する。 Next, the elastic part 201 and the movable electrode plate 202 are formed on the silicon substrate 20. Specifically, for example, after performing masking corresponding to the elastic portion 201 and the movable electrode plate 202 of the silicon substrate 20, the silicon substrate 20 is formed by wet etching (FIG. 4C).
At this time, the piezoresistive element 203 is formed on the elastic portion 201 and the temperature sensor 205 is formed on the movable electrode plate 202 by a known method.

次いで、シリコン基板２０の表面部２０ａに、第１の固定極板２１１が形成されている第１の硝子基板２１を陽極接合するとともに、シリコン基板２０の裏面部２０ｂに、第２の固定極板２２１が形成されている第２の硝子基板２２を陽極接合する（図４（ｄ））。このとき、シリコン基板２０の圧子先端部２０４が、第２の硝子基板２２の貫通穴２２ａに貫通するように接合する。 Next, the first glass substrate 21 on which the first fixed electrode plate 211 is formed is anodically bonded to the front surface portion 20 a of the silicon substrate 20, and the second fixed electrode plate is connected to the back surface portion 20 b of the silicon substrate 20. The second glass substrate 22 on which 221 is formed is anodic bonded (FIG. 4D). At this time, the indenter tip portion 204 of the silicon substrate 20 is joined so as to penetrate the through hole 22a of the second glass substrate 22.

次に、レバー３について説明する。
レバー３は、図１に示すように、例えば、装置本体（図示省略）に回動軸３ｃによって回動自在に軸支されている。このレバー３には、レバー３の傾斜を検出する傾斜検出手段としての傾斜計６と、レバー３の振動を検出する振動検出手段としての加速度センサ７とが設けられている。 Next, the lever 3 will be described.
As shown in FIG. 1, for example, the lever 3 is pivotally supported by an apparatus main body (not shown) by a pivot shaft 3c. The lever 3 is provided with an inclinometer 6 as an inclination detecting means for detecting the inclination of the lever 3 and an acceleration sensor 7 as a vibration detecting means for detecting the vibration of the lever 3.

傾斜計６は、レバー３の傾斜角度を検出する構成のものを用いる。
この傾斜計６は、例えば、図示しない振子、変位検出キャパシタ、コイル、モータ等を備えており、レバー３の傾斜によって振子が変位することにより、変位検出キャパシタの静電容量が変動し、この変位を相殺する電磁力を発生させるための電圧がモータのコイルに印加され、このコイルに流された電圧値に基づいて、傾斜角度が検出されるようになっている。なお、この検出された傾斜検出信号は、図３に示すように、制御装置４の姿勢制御部４１（後述）へ出力されるようになっている。 The inclinometer 6 is configured to detect the inclination angle of the lever 3.
The inclinometer 6 includes, for example, a pendulum, a displacement detection capacitor, a coil, a motor, and the like (not shown). When the pendulum is displaced by the inclination of the lever 3, the capacitance of the displacement detection capacitor is changed. A voltage for generating an electromagnetic force that cancels the voltage is applied to the coil of the motor, and the tilt angle is detected based on the voltage value applied to the coil. The detected inclination detection signal is output to an attitude control unit 41 (described later) of the control device 4 as shown in FIG.

加速度センサ７は、例えば、材料特性評価装置１００に外力が付与されたときのレバー３の加速度を検出する。この加速度センサ７にも、例えば、傾斜計６のような静電容量変化に基づく構成のものを用いる。
なお、この加速度センサ７によって検出された加速度検出信号は、制御装置４の静止制御部４２（後述）へ出力されるようになっている。
なお、レバー３は、ユーザによる操作部８の操作によって、圧子２を試料Ｓ表面に向かって移動させることができるようになっている。 For example, the acceleration sensor 7 detects the acceleration of the lever 3 when an external force is applied to the material property evaluation apparatus 100. As the acceleration sensor 7, for example, a sensor having a configuration based on a change in capacitance such as an inclinometer 6 is used.
The acceleration detection signal detected by the acceleration sensor 7 is output to a stationary control unit 42 (described later) of the control device 4.
Note that the lever 3 can move the indenter 2 toward the surface of the sample S by the operation of the operation unit 8 by the user.

次に、制御装置４について説明する。
制御装置４は、図３に示すように、例えば、姿勢制御部４１と、静止制御部４２と、静電力制御部４３と、材料特性評価部４４等を備えている。これらの制御部は図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、増幅器、ＡＤ変換器等から構成され、各種プログラム、各種データ等が記憶されており、各種演算処理がなされるようになっている。また、この制御装置４には、操作部８及び表示部９とが接続されている。 Next, the control device 4 will be described.
As shown in FIG. 3, the control device 4 includes, for example, an attitude control unit 41, a static control unit 42, an electrostatic force control unit 43, a material property evaluation unit 44, and the like. These control units are composed of a CPU, ROM, RAM, amplifier, AD converter, and the like (not shown), store various programs, various data, and the like, and perform various arithmetic processes. In addition, an operation unit 8 and a display unit 9 are connected to the control device 4.

姿勢制御部４１は、姿勢制御手段として機能し、例えば、傾斜計６によって検出されるレバー３の傾斜角度に基づいて、圧子先端部２０４が試料Ｓ表面に対して垂直に押し込まれるようにレバー３の姿勢を制御する。より具体的には、例えば、傾斜計６によって検出されるレバー３の傾斜角度を０度（即ち、レバー３と試料Ｓとが水平になる位置）にするための電磁力を電磁力発生部５に発生させる制御を行う。 The posture control unit 41 functions as a posture control means, and, for example, the lever 3 so that the indenter tip 204 is pushed perpendicularly to the surface of the sample S based on the tilt angle of the lever 3 detected by the inclinometer 6. To control the attitude. More specifically, for example, the electromagnetic force generator 5 generates an electromagnetic force for setting the inclination angle of the lever 3 detected by the inclinometer 6 to 0 degrees (that is, the position where the lever 3 and the sample S are horizontal). Control to be generated.

静止制御部４２は、静止制御手段として機能し、例えば、加速度センサ７によって検出されるレバー３の加速度に基づいて、レバー３の振動を抑止させ、レバー３を静止させる制御を行う。より具体的には、例えば、検出されるレバー３の加速度を０にするための電磁力を電磁力発生部５に発生させる制御を行う。 The stationary control unit 42 functions as a stationary control unit, for example, based on the acceleration of the lever 3 detected by the acceleration sensor 7, and controls the lever 3 to be suppressed and the lever 3 to be stationary. More specifically, for example, the electromagnetic force generation unit 5 is controlled to generate an electromagnetic force for setting the detected acceleration of the lever 3 to zero.

静電力制御部４３は、操作部８（後述）と接続されており、ユーザによる操作部８の操作に基づいて、静電力を発生させる制御を行う。より具体的には、例えば、可動極板２０２に電源（図示省略）から電圧を印加させ、静電力を発生させる。
また、この静電力制御部４３は、静電力制御手段として機能し、例えば、ピエゾ抵抗素子２０３によって検出される静電力に基づいて、可動電極に所定の電圧を印加させるフィードバック制御を行う。より具体的には、例えば、１μＮの試験力を圧子先端部２０４に付与する場合には、予め設定されている１μＮの試験力に対応する静電力と、ピエゾ抵抗素子２０３によって検出される静電力との差が０になるように、電圧を印加させる。 The electrostatic force control unit 43 is connected to the operation unit 8 (described later), and performs control to generate an electrostatic force based on the operation of the operation unit 8 by the user. More specifically, for example, a voltage is applied to the movable plate 202 from a power source (not shown) to generate an electrostatic force.
The electrostatic force control unit 43 functions as an electrostatic force control unit, and performs feedback control that applies a predetermined voltage to the movable electrode based on, for example, the electrostatic force detected by the piezoresistive element 203. More specifically, for example, when a 1 μN test force is applied to the indenter tip 204, an electrostatic force corresponding to a preset 1 μN test force and an electrostatic force detected by the piezoresistive element 203 are used. The voltage is applied so that the difference between the two is zero.

材料特性評価部４４は、試料Ｓの材料特性（例えば、硬さ）を評価する。具体的には、例えば、図３に示すように、変位センサａによって検出された圧子先端部２０４のくぼみ形成時における押込深さ検出信号の入力に基づいて、第１のキャパシタの静電容量Ｃ１と第２のキャパシタの静電容量Ｃ２との容量差に基づいて圧子先端部２０４の押込深さを上述したように算出し、算出した押込深さと、ピエゾ抵抗素子２０３によって検出される静電力とに基づいて、硬さを算出する。 The material property evaluation unit 44 evaluates the material property (for example, hardness) of the sample S. Specifically, for example, as shown in FIG. 3, the capacitance C1 of the first capacitor is based on the input of the indentation depth detection signal when the indentor tip 204 is formed by the displacement sensor a. The indentation depth of the indenter tip 204 is calculated as described above based on the capacitance difference between the second capacitor and the capacitance C2 of the second capacitor, and the calculated indentation depth and the electrostatic force detected by the piezoresistive element 203 are calculated. Based on the above, the hardness is calculated.

また、この材料特性評価部４４による評価結果は、表示部９へ出力されるようになっている。なお、材料特性評価部４４には、圧子先端部２０４によって形成されるくぼみの寸法算出や、試料Ｓの硬さ算出等の材料特性評価に関する各種プログラムや各種データ等が格納されている。
また、この材料特性評価部４４には、温度センサ２０５が接続されており、温度センサ２０５から出力される温度検出信号を材料特性とともに表示部９に表示させるようになっている。 The evaluation result by the material property evaluation unit 44 is output to the display unit 9. The material property evaluation unit 44 stores various programs and various data related to material property evaluation such as the calculation of the size of the dent formed by the indenter tip 204 and the hardness of the sample S.
In addition, a temperature sensor 205 is connected to the material property evaluation unit 44, and a temperature detection signal output from the temperature sensor 205 is displayed on the display unit 9 together with the material property.

操作部８は、例えば、キーボードやマウス等からなり、図３に示すように、静電力制御部４３に接続され、試料Ｓに負荷する試験力に関するコマンドを入力、或いは選択できるようになっている。
表示部９は、例えば、液晶モニタ等から構成されており、圧子先端部２０４の押込深さや、圧子先端部２０４に付与される試験力や、試料Ｓの硬さ等が表示されるようになっている。 The operation unit 8 includes, for example, a keyboard, a mouse, and the like, and is connected to the electrostatic force control unit 43 as shown in FIG. 3 and can input or select a command related to the test force applied to the sample S. .
The display unit 9 is composed of, for example, a liquid crystal monitor or the like, and displays the indentation depth of the indenter tip 204, the test force applied to the indenter tip 204, the hardness of the sample S, and the like. ing.

次に、電磁力発生部５について説明する。
電磁力発生部５は、図１に示すように、例えば、レバー３の他端部３ｂに設けられており、磁界が形成された隙間に配設されたコイル（図示省略）等を備えて構成されている。そして、コイルに電源（図示省略）から電圧が印加されることによって、電磁力が発生しレバー３を移動させるようになっている。 Next, the electromagnetic force generator 5 will be described.
As shown in FIG. 1, the electromagnetic force generator 5 is provided, for example, at the other end 3b of the lever 3 and includes a coil (not shown) disposed in a gap in which a magnetic field is formed. Has been. When a voltage is applied to the coil from a power source (not shown), electromagnetic force is generated and the lever 3 is moved.

より具体的には、例えば、制御装置４の姿勢制御部４１からの姿勢制御信号の入力に基づいて、レバー３を移動させて、圧子先端部２０４が試料Ｓ表面に対して垂直に押し込まれるように位置させるようにする。具体的には、例えば、レバー３の傾斜角度が０度（即ち、レバー３と試料Ｓとが水平になる位置）になるように制御を行う。
また、電磁力発生部５は、制御装置４の静止制御部４２からの静止制御信号の入力に基づいて、レバー３の外乱振動を相殺するための電磁力を発生させて、レバー３を静止させるようになっている。 More specifically, for example, the lever 3 is moved based on the input of the attitude control signal from the attitude control unit 41 of the control device 4 so that the indenter tip 204 is pushed perpendicularly to the surface of the sample S. To be located. Specifically, for example, control is performed so that the inclination angle of the lever 3 is 0 degree (that is, the position where the lever 3 and the sample S are horizontal).
Further, the electromagnetic force generation unit 5 generates an electromagnetic force for canceling disturbance vibration of the lever 3 based on the input of the stationary control signal from the stationary control unit 42 of the control device 4 to make the lever 3 stationary. It is like that.

次に、材料特性評価装置１００を用いて行う材料特性評価としての硬さ試験について説明する。
先ず、材料特性評価装置１００を基台（図示省略）上に設置し、試料台１に試料Ｓを載置する。このとき、基台が傾斜している場合、材料特性評価装置１００のレバー３も傾斜することになり、レバー３の傾斜角度が傾斜計６によって検出される。
次いで、傾斜計６から制御装置４の姿勢制御部４１へ傾斜検出信号が出力される。姿勢制御部４１は、傾斜検出信号の入力に基づいて、試料Ｓ表面に対してレバー３を水平にさせる（即ち、圧子２が試料Ｓ表面に対して垂直になるように位置させる）ための姿勢制御信号を電磁力発生部５へ出力する。電磁力発生部５は、姿勢制御信号の入力に基づいて、電磁力を発生させて、当該電磁力によりレバー３を移動させて、レバー３を試料Ｓ表面に対して水平とする。 Next, a hardness test as material property evaluation performed using the material property evaluation apparatus 100 will be described.
First, the material property evaluation apparatus 100 is installed on a base (not shown), and the sample S is placed on the sample table 1. At this time, when the base is inclined, the lever 3 of the material property evaluation apparatus 100 is also inclined, and the inclination angle of the lever 3 is detected by the inclinometer 6.
Next, an inclination detection signal is output from the inclinometer 6 to the attitude control unit 41 of the control device 4. The attitude control unit 41 is an attitude for causing the lever 3 to be horizontal with respect to the surface of the sample S (that is, to position the indenter 2 so as to be perpendicular to the surface of the sample S) based on the input of the tilt detection signal. A control signal is output to the electromagnetic force generator 5. The electromagnetic force generator 5 generates an electromagnetic force based on the input of the attitude control signal, moves the lever 3 by the electromagnetic force, and makes the lever 3 horizontal with respect to the surface of the sample S.

また、基台を通じて外部からの振動が材料特性評価装置１００に伝わった場合には、加速度センサ７によってレバー３の加速度が検出される。
次いで、加速度センサ７から制御装置４の静止制御部４２へ加速度検出信号が出力される。静止制御部４２は、加速度検出信号の入力に基づいて、レバー３の加速度が０になるような静止制御信号を電磁力発生部５へ出力する。電磁力発生部５は、静止制御信号の入力に基づいて、レバー３の加速度を０にするための電磁力を発生させ、レバー３を移動させて、静止させる。 When external vibration is transmitted to the material property evaluation apparatus 100 through the base, the acceleration sensor 7 detects the acceleration of the lever 3.
Next, an acceleration detection signal is output from the acceleration sensor 7 to the stationary control unit 42 of the control device 4. Based on the input of the acceleration detection signal, the stationary control unit 42 outputs a stationary control signal to the electromagnetic force generating unit 5 such that the acceleration of the lever 3 becomes zero. The electromagnetic force generator 5 generates an electromagnetic force for making the acceleration of the lever 3 zero based on the input of the stationary control signal, and moves the lever 3 to make it stationary.

そして、ユーザによる操作部８の操作によって、圧子２を試料Ｓ表面近傍に移動させる。次いで、ユーザによって静電力制御部４３へ静電力発生指示が出力され、所定の試験力（例えば、１μＮ）に対応する静電力を圧子２の可動極板２０２と第１の固定極板２１１との間に発生させ、圧子先端部２０４に試験力として付与する。このとき、発生した静電力は、圧子２のピエゾ抵抗素子２０３によって検出され、静電力検出信号として静電力制御部４３へ出力される。静電力制御部４３は、静電力検出信号の入力に基づいて、常に正確に１μＮの試験力に対応する静電力を発生させるように電圧を印加しフィードバック制御を行う。
また、第１のキャパシタの静電容量Ｃ１と第２のキャパシタの静電容量Ｃ２は常時材料特性評価部４４に出力されその容量差が算出されているが、１μＮの試験力が圧子先端部２０４に付与されると、その容量差が変動する。
また、静電力検出信号は、材料特性評価部４４へ出力される。 And the indenter 2 is moved to the surface vicinity of the sample S by operation of the operation part 8 by a user. Next, an electrostatic force generation instruction is output to the electrostatic force control unit 43 by the user, and an electrostatic force corresponding to a predetermined test force (for example, 1 μN) is applied between the movable electrode plate 202 of the indenter 2 and the first fixed electrode plate 211. It is generated between and applied to the indenter tip 204 as a test force. At this time, the generated electrostatic force is detected by the piezoresistive element 203 of the indenter 2 and output to the electrostatic force control unit 43 as an electrostatic force detection signal. The electrostatic force control unit 43 performs feedback control by applying a voltage so as to always generate an electrostatic force corresponding to a 1 μN test force accurately based on the input of the electrostatic force detection signal.
Further, the capacitance C1 of the first capacitor and the capacitance C2 of the second capacitor are always output to the material property evaluation unit 44 and the capacitance difference is calculated, but a test force of 1 μN is applied to the indenter tip 204. When it is given, the capacity difference fluctuates.
The electrostatic force detection signal is output to the material property evaluation unit 44.

次いで、圧子先端部２０４を試料Ｓ表面に押込んで、くぼみを形成させる。このとき、圧子先端部２０４が試料Ｓ表面に押し込まれることにより、第１のキャパシタの静電容量Ｃ１と第２のキャパシタの静電容量Ｃ２との容量差がさらに変動する。
そして、材料特性評価部４４において、圧子先端部２０４のくぼみ形成時における第１のキャパシタの静電容量Ｃ１と第２のキャパシタの静電容量Ｃ２との容量差の変動分から、押込前における容量差の変動分が差し引かれ、圧子先端部２０４の押込深さが算出され、硬さ算出に用いられる。 Next, the indenter tip 204 is pushed into the surface of the sample S to form a recess. At this time, when the indenter tip 204 is pushed into the surface of the sample S, the capacitance difference between the capacitance C1 of the first capacitor and the capacitance C2 of the second capacitor further varies.
Then, in the material property evaluation unit 44, the capacitance difference before the push-in is calculated from the variation in the capacitance difference between the capacitance C 1 of the first capacitor and the capacitance C 2 of the second capacitor when the indentation tip 204 is formed. And the indentation depth of the indenter tip 204 is calculated and used for the hardness calculation.

次いで、材料特性評価部４４において、ピエゾ抵抗素子２０３によって検出された静電力と、圧子先端部２０４の押込深さとに基づいて、試料Ｓの硬さが算出され、算出結果が表示部９に表示される。
また、この算出結果に対応付けて、圧子２の温度センサによって検出された温度を表示部９に表示させる。 Next, the material property evaluation unit 44 calculates the hardness of the sample S based on the electrostatic force detected by the piezoresistive element 203 and the indentation depth of the indenter tip 204, and the calculation result is displayed on the display unit 9. Is done.
In association with the calculation result, the temperature detected by the temperature sensor of the indenter 2 is displayed on the display unit 9.

以上説明した材料特性評価装置１００によれば、材料特性評価装置１００を設置する基台が傾斜している場合においても、レバー３の傾斜角度が検出され、検出された傾斜角度に基づいて、圧子先端部２０４が試料Ｓ表面に対して垂直になるようにレバー３の姿勢が制御される。従って、圧子２が常に正確に試料Ｓに押し込まれることとなって、硬さ試験の精度をより向上させることができる。 According to the material characteristic evaluation apparatus 100 described above, even when the base on which the material characteristic evaluation apparatus 100 is installed is inclined, the inclination angle of the lever 3 is detected, and the indenter is based on the detected inclination angle. The posture of the lever 3 is controlled so that the tip end portion 204 is perpendicular to the surface of the sample S. Therefore, the indenter 2 is always pushed accurately into the sample S, and the accuracy of the hardness test can be further improved.

また、材料特性評価装置１００に外力が付与され、レバー３が振動した場合、加速度センサ７によってレバー３の加速度が検出され、検出された加速度を０にする電磁力が発生し、当該電磁力によってレバー３が静止する。従って、外力の付与に影響を受けることなく硬さ試験を行うことができるので、試験精度をより向上することができる。
また、圧子先端部２０４に付与する試験力（静電力）を圧子２内で発生させるとともに、発生した静電力に基づいて試験力をフィードバック制御する。従って、従来のように試験力をレバー３を介して圧子２に伝達する必要がないので、微小な試験力（例えば、１００μＮより小さい試験力）の精度を維持することができることとなって、試験精度をより向上させることができる。 In addition, when an external force is applied to the material property evaluation apparatus 100 and the lever 3 vibrates, the acceleration sensor 7 detects the acceleration of the lever 3 and generates an electromagnetic force that makes the detected acceleration zero. The lever 3 stops. Therefore, since the hardness test can be performed without being affected by the application of external force, the test accuracy can be further improved.
Further, a test force (electrostatic force) applied to the indenter tip 204 is generated in the indenter 2 and the test force is feedback-controlled based on the generated electrostatic force. Therefore, since it is not necessary to transmit the test force to the indenter 2 via the lever 3 as in the prior art, it is possible to maintain the accuracy of a minute test force (for example, a test force smaller than 100 μN). The accuracy can be further improved.

また、圧子２が、可動極板２０２及び第１の固定極板２１１及び第２の固定極板２２１を備え、可動極板２０２と第１の固定極板２１１及び第２の固定極板２２１との間に発生した静電力が圧子先端部２０４に付与される。従って、従来のように試験力の発生源に電磁力を発生させるための電磁コイルや磁石が必要なくなり、板形状の極板を備える構成によって試験力を発生させることができるので、試験力の発生源そのものを小型化し、圧子２内に好適に組み込むことができる。 The indenter 2 includes a movable plate 202, a first fixed plate 211, and a second fixed plate 221, and the movable plate 202, the first fixed plate 211, and the second fixed plate 221. The electrostatic force generated during the period is applied to the indenter tip 204. This eliminates the need for electromagnetic coils and magnets to generate electromagnetic force at the source of the test force as in the prior art, and the test force can be generated by a configuration having a plate-shaped electrode plate. The source itself can be reduced in size and can be suitably incorporated in the indenter 2.

また、圧子２内に形成された変位センサａによって、圧子先端部２０４のくぼみ形成における押込深さが検出される。従って、圧子２内で圧子先端部２０４の押込深さが検出されることとなって、押込深さを検出するため機器（例えば、変位計等）を別途設ける必要がなくなり、より一層材料特性評価装置１００のコンパクト化を図ることができる。 Further, the displacement sensor a formed in the indenter 2 detects the indentation depth in the formation of the indentation at the indenter tip 204. Therefore, the indentation depth of the indenter tip portion 204 is detected in the indenter 2, and it is not necessary to separately provide a device (for example, a displacement meter) for detecting the indentation depth, thereby further evaluating material characteristics. The apparatus 100 can be made compact.

また、圧子先端部２０４は、シリコン基板２０の酸化物により形成されている。従って、圧子先端部２０４に試験力としての静電力が直接付与されるので、試験力の維持を好適に行うことができる。 The indenter tip 204 is made of an oxide of the silicon substrate 20. Therefore, since the electrostatic force as the test force is directly applied to the indenter tip portion 204, the test force can be suitably maintained.

また、温度センサ２０５によって検出された試験時の温度が表示部９に表示される。従って、試料Ｓの材料特性の温度依存性を知ることができ、材料特性評価をより好適に行うことができる。- In addition, the test temperature detected by the temperature sensor 205 is displayed on the display unit 9. Therefore, the temperature dependence of the material properties of the sample S can be known, and the material properties can be evaluated more suitably. -

なお、可動極板２０２における第１の硝子基板２１及び第２の硝子基板２２と対面する上下両側の表面には、ストッパをエッチング処理等により形成し、可動極板２０２が所定の振幅以上に亙って変位することを阻止する構成としてもよい。
また、ピエゾ抵抗素子２０３の形成位置は、弾性部２０１であればその如何を問わない。
また、温度センサ２０５の形成位置も、可動極板２０２に限定されるものではなく、例えば、第１の硝子基板２１に形成してもよい。 It should be noted that stoppers are formed on the upper and lower surfaces of the movable electrode plate 202 facing the first glass substrate 21 and the second glass substrate 22 by etching or the like so that the movable electrode plate 202 has a predetermined amplitude or more. It is good also as a structure which prevents that it displaces.
The formation position of the piezoresistive element 203 is not particularly limited as long as it is the elastic portion 201.
Further, the formation position of the temperature sensor 205 is not limited to the movable electrode plate 202, and may be formed on the first glass substrate 21, for example.

また、圧子先端部２０４は、シリコン基板２０の酸化物に限定されるものではなく、例えば、シリコン基板２０を直接加工すること等によって形成させてもよい。この場合は、圧子先端部２０４は、シリコン基板２０により形成されることとなる。
また、上記実施の形態においては、可動極板２０２と、第１の固定極板２１１及び第２の固定極板２２１との間に静電力が発生する構成を示したが、例えば、可動極板２０２と第１の固定極板２１１との間のみに静電力が発生する構成、或いは、可動極板２０２と第２の固定極板２２１との間のみに静電力が発生する構成としてもよい。
また、上記実施の形態においては、材料特性評価としての硬さ試験を示したが、硬さ以外の試料Ｓの材料特性のうち、弾性特性、密着力表面物性、対磨耗特性等を圧子先端部２０４の押込深さに基づいて評価してもよい。 Further, the indenter tip portion 204 is not limited to the oxide of the silicon substrate 20, and may be formed by directly processing the silicon substrate 20, for example. In this case, the indenter tip 204 is formed by the silicon substrate 20.
Moreover, in the said embodiment, although the structure which an electrostatic force generate | occur | produces between the movable pole plate 202, the 1st fixed pole plate 211, and the 2nd fixed pole plate 221 was shown, for example, a movable pole plate A configuration in which an electrostatic force is generated only between 202 and the first fixed plate 211 or a configuration in which an electrostatic force is generated only between the movable plate 202 and the second fixed plate 221 may be employed.
In the above embodiment, the hardness test as the material property evaluation is shown. Among the material properties of the sample S other than the hardness, the elastic property, the adhesion force surface property, the wear property, etc. You may evaluate based on the indentation depth of 204.

本発明にかかる材料特性評価装置の全体構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the whole structure of the material characteristic evaluation apparatus concerning this invention. 図１の材料特性評価装置の圧子の断面図である。It is sectional drawing of the indenter of the material characteristic evaluation apparatus of FIG. 図１の材料特性評価装置の要部構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the principal part structure of the material characteristic evaluation apparatus of FIG. 図２の圧子の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the indenter of FIG.

Explanation of symbols

２圧子
３レバー（支持部材）
５電磁力発生部（力発生部）
６傾斜計（傾斜検出手段）
７加速度センサ（振動検出手段）
９表示部
２０シリコン基板
２１第１の硝子基板（硝子基板）
２２第２の硝子基板（硝子基板）
４１姿勢制御部（姿勢制御手段）
４２静止制御部（静止制御手段）
４３静電力制御部（静電力制御手段）
１００材料特性評価装置
２０１弾性部
２０２可動極板（静電力発生部）
２０３ピエゾ抵抗素子（静電力検出部）
２０４圧子先端部（先端部）
２０５温度センサ（温度検出部）
２１１第１の固定極板（固定極板、静電力発生部）
２２１第２の固定極板（固定極板、静電力発生部）
ａ変位センサ（変位検出手段）
Ｓ試料 2 Indenter 3 Lever (support member)
5 Electromagnetic force generator (force generator)
6 Inclinometer (Inclination detection means)
7 Acceleration sensor (vibration detection means)
9 Display unit 20 Silicon substrate 21 First glass substrate (glass substrate)
22 Second glass substrate (glass substrate)
41 Attitude control unit (Attitude control means)
42 Stationary control unit (stationary control means)
43 Electrostatic force control unit (electrostatic force control means)
100 Material property evaluation system
201 Elastic part 202 Movable electrode plate (electrostatic force generating part)
203 Piezoresistive element (electrostatic force detector)
204 Indenter tip (tip)
205 Temperature sensor (temperature detector)
211 First fixed plate (fixed plate, electrostatic force generator)
221 Second fixed plate (fixed plate, electrostatic force generator)
a Displacement sensor (displacement detection means)
S sample

Claims

A material property evaluation apparatus for forming a recess by pushing the tip of an indenter into a sample surface and evaluating the characteristics of the sample based on the recess,
A support member that movably supports the indenter relative to the sample surface;
A force generator that generates a force to move the support member;
An inclination detecting means for detecting an inclination of the support member;
Attitude control for controlling the attitude of the support member by generating a force on the force generating section so that the tip is pushed perpendicularly to the sample surface based on the inclination detected by the inclination detecting means. Means,
A material property evaluation apparatus comprising:

A material property evaluation apparatus for forming a recess by pushing the tip of an indenter into a sample surface and evaluating the characteristics of the sample based on the recess,
In the indenter,
An electrostatic force generator for generating an electrostatic force applied to the tip, and
An electrostatic force detector that detects the electrostatic force generated by the electrostatic force generator, and
An apparatus for evaluating material characteristics, comprising: an electrostatic force control unit that feedback-controls the electrostatic force generated by the electrostatic force generator based on the electrostatic force detected by the electrostatic force detector.

A support member that movably supports the indenter relative to the sample surface;
A force generator that generates a force to move the support member;
Vibration detecting means for detecting vibration of the support member;
Based on the vibration detected by the vibration detection means, a stationary control means for controlling the support member to be stationary by generating a force in the force generation section;
The material property evaluation apparatus according to claim 2, further comprising:

The electrostatic force generator is
A movable electrode plate formed on a silicon substrate and supported movably by an elastic portion;
A fixed electrode plate formed on a glass substrate and fixed at a position facing the movable electrode plate;
With
4. The material property evaluation apparatus according to claim 2 , wherein an electrostatic force generated between the movable electrode plate and the fixed electrode plate is applied to the tip portion.

5. The material property evaluation apparatus according to claim 4, further comprising a displacement detection unit that is formed by the movable electrode plate and the fixed electrode plate, and detects a displacement at the time of forming the recess of the tip portion.

6. The material property evaluation apparatus according to claim 4, wherein the tip is formed on the movable electrode plate.

In the indenter,
A temperature detector for detecting the temperature is provided,
A display unit for displaying the temperature detected by the temperature detection unit;
The material property evaluation apparatus according to any one of claims 2 to 6, further comprising: