JP7271063B2 - 測定装置 - Google Patents

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Description

本発明は、試験片の抗折強度を測定する測定装置に関する。
ＩＣ（Integrated Circuit）、ＬＳＩ（Large Scale Integration）等のデバイスが形成された半導体ウェーハを分割することにより、デバイスをそれぞれ備える複数のデバイスチップが製造される。このデバイスチップは、携帯電話やパーソナルコンピュータに代表される様々な電子機器に内蔵される。
半導体ウェーハの分割には、例えば、半導体ウェーハを保持するチャックテーブルと、半導体ウェーハを切削する環状の切削ブレードが装着される切削ユニットとを備える切削装置が用いられる。切削ブレードを回転させて半導体ウェーハに切り込ませることにより、半導体ウェーハが切削され、複数のデバイスチップに分割される。
また、近年では、電子機器の小型化、薄型化に伴い、デバイスチップにも薄型化が求められている。そこで、分割前の半導体ウェーハを研削して薄化する手法が用いられている。半導体ウェーハの研削には、例えば、半導体ウェーハを保持するチャックテーブルと、半導体ウェーハを研削する研削砥石を備える研削ホイールが装着される研削ユニットとを備える研削装置が用いられる。
上記の切削装置や研削装置を用いて半導体ウェーハを加工すると、半導体ウェーハには加工歪み（切削歪み、研削歪み等）が形成されることがある。この加工歪みが半導体ウェーハの分割によって得られたデバイスチップに残存すると、デバイスチップの強度が低下し、デバイスチップが破損しやすくなる。そのため、半導体ウェーハの加工条件は、デバイスチップの強度が一定以上に維持されるように設定される。
デバイスチップの強度は、例えば、デバイスチップを試験片として用いた３点曲げ試験によって測定される。３点曲げ試験では、試験片の両端を支持した状態で、試験片の中央部を圧子によって押圧し、その際に圧子にかかる荷重を計測する。そして、計測された荷重に基づいて試験片の抗折強度（曲げ強度）が算出される。特許文献１には、試験片の強度を測定するための測定装置（機械的強度測定装置）が開示されている。
特開平９－２２９８３８号公報
試験片の強度の評価に測定装置を用いる場合には、試験片を圧子で押圧した際に圧子にかかる荷重が測定装置によって測定される。そして、試験片の強度を評価する作業者は、測定装置から出力された荷重の値と、測定条件（試験片のサイズ、試験片を支持する支持部材の寸法等）とに基づいて、試験片の抗折強度を算出する。このようにして算出された抗折強度に基づいて、試験片の強度が評価される。
抗折強度に基づいて試験片の強度を評価する場合、作業者は、試験片のサイズや支持部材の寸法の確認、測定装置によって測定された荷重の値の抽出、抗折強度の算出等の作業を行う必要がある。そのため、試験片の抗折強度の取得には手間と時間がかかる。特に、多数の試験片の抗折強度を取得する場合には、上記の作業を試験片毎に個別に実施する必要があり、試験片の強度を評価する工程がより煩雑になる。
本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであり、試験片の抗折強度を簡易に取得することを可能とする測定装置の提供を目的とする。
本発明の一態様によれば、試験片の抗折強度を測定する測定装置であって、互いに離隔された状態で配置され、該試験片の下面側を支持する第１支持部と第２支持部とを有する支持手段と、該支持手段より上方で、且つ、該第１支持部と該第２支持部との間の領域と重なる位置に配置され、該試験片を押圧する圧子と、該支持手段によって支持された該試験片に対して該圧子を相対的に接近及び離隔させる移動手段と、該圧子が該支持手段によって支持された該試験片を押圧する際に該圧子にかかる荷重を計測する荷重計測手段と、該試験片の厚さ及び幅と、該第１支持部と該第２支持部との間隔と、該荷重計測手段によって計測された荷重の最大値と、に基づいて、該試験片の抗折強度を算出する算出部を有する制御手段と、を備える測定装置が提供される。なお、好ましくは、該測定装置は、該第１支持部と該第２支持部とを互いに接近及び離隔させて、該第１支持部と該第２支持部との間隔を調整する支持部移動手段を更に備える。また、好ましくは、該測定装置は、該試験片を撮像する撮像手段を更に備え、該制御手段は、該撮像手段によって取得された該試験片の画像に基づいて該試験片の厚さと幅とを検出する検出部を更に有する。
本発明の他の一態様によれば、試験片の抗折強度を測定する測定装置であって、該試験片の下面側を支持する支持面と、該支持面で露出する開口とを有する支持手段と、該支持手段より上方で、且つ、該開口と重なる位置に配置され、該開口に挿入可能な球状の圧子と、該支持手段によって支持された該試験片に対して該圧子を相対的に接近及び離隔させる移動手段と、該圧子が該支持手段によって支持された該試験片を押圧する際に該圧子にかかる荷重を計測する荷重計測手段と、該試験片のサイズと、該開口のサイズと、該圧子のサイズと、該荷重計測手段によって計測された荷重の最大値と、に基づいて、該試験片の抗折強度を算出する算出部を有する制御手段と、を備える測定装置が提供される。なお、好ましくは、該測定装置は、該試験片を撮像する撮像手段を更に備え、該制御手段は、該撮像手段によって取得された該試験片の画像に基づいて該試験片のサイズを検出する検出部を更に有する。
また、好ましくは、該移動手段は、ボールネジを備える。また、好ましくは、該測定装置は、該支持手段が設けられる開口部を有する下部容器と、該下部容器の開口部に挿入可能な大きさの上部容器と、を更に備え、該支持手段によって支持された該試験片が該圧子によって押圧される際、該上部容器が該試験片を覆うように位置付けられる。
本発明の一態様に係る測定装置は、圧子が試験片を押圧する際に圧子にかかる荷重を荷重計測手段によって計測し、荷重計測手段によって計測された荷重に基づいて試験片の抗折強度を制御部によって算出する。これにより、試験片の抗折強度が測定装置によって自動で算出され、試験片の抗折強度を簡易に取得できる。
測定装置を示す斜視図である。 支持ユニットを示す斜視図である。 押圧ユニットを示す斜視図である。 撮像ユニット及び移動機構を示す斜視図である。 試験片が支持ユニットによって支持された状態の測定装置を示す断面図である。 試験片が一対の支持部と接触した状態の測定装置を示す断面図である。 試験片が破壊された状態の測定装置を示す断面図である。 球抗折試験によって試験片の抗折強度を測定する測定装置を示す斜視図である。 抗折強度の測定条件を示す模式図である。
以下、添付図面を参照して本発明の一態様に係る実施形態を説明する。まず、本実施形態に係る測定装置の構成例について説明する。図１は、試験片の抗折強度（曲げ強度）を測定する測定装置２を示す斜視図である。
測定装置２によって、デバイスチップ等の試験片の抗折強度（曲げ強度）が測定される。デバイスチップは、例えば、互いに交差するように配列された複数の分割予定ライン（ストリート）によって区画された各領域にそれぞれＩＣ（Integrated Circuit）、ＬＳＩ（Large Scale Integration）等のデバイスが形成されたシリコンウェーハを、分割予定ラインに沿って分割することにより製造される。
ただし、測定装置２によって抗折強度が測定される試験片の種類、材質、形状、構造、大きさ等に制限はない。例えば試験片は、表面側にデバイスが形成されておらず、裏面側が所定の条件で研削又は研磨されたウェーハを分割することによって製造された、試験用のチップであってもよい。このようなチップの抗折強度を測定装置２によって測定した結果は、半導体ウェーハの加工条件の選定等に利用することができる。また、試験片は、シリコン以外の半導体（ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ等）、サファイア、ガラス、セラミックス、樹脂、金属等の材料でなるウェーハを分割して得られるチップであってもよい。
測定装置２は、直方体状に形成された箱型の下部容器（収容部）４を備える。下部容器４には、下部容器４の上面４ａ側で上方に向かって開口する直方体状の開口部４ｂが形成されている。この開口部４ｂの内部には、測定装置２によって強度が測定される試験片を支持する支持ユニット（支持手段）６が設けられている。
図２は、支持ユニット６を示す斜視図である。支持ユニット６は、試験片を支持する一対の支持台８を備える。一対の支持台８はそれぞれ直方体状に形成され、一対の支持台８の間に隙間１０が設けられるように互いに離隔された状態で配置されている。また、一対の支持台８は、その上面８ａの長手方向がＸ軸方向（第１水平方向、前後方向）に沿うように配置されている。この一対の支持台８上に、抗折強度が測定される試験片が配置される（図５等の試験片１１参照）。
一対の支持台８の上面８ａ側にはそれぞれ、上面８ａから上方に突出して試験片の下面側を支持する柱状（棒状）の支持部８ｂが形成されている。一対の支持部８ｂ（第１支持部及び第２支持部）は、例えばステンレス鋼材等の金属でなり、支持台８の隙間１０側の端部に配置されている。また、一対の支持部８ｂは、その長さ方向がＸ軸方向に沿うように配置されており、隙間１０を挟んで互いに離隔されている。なお、図２では、一対の支持部８ｂの上面が曲面状に形成されている例を示している。
また、一対の支持台８の上面８ａ側にはそれぞれ、支持部８ｂよりも柔軟な材質（ゴムスポンジ等）でなる板状の接触部材１２が設けられている。一対の接触部材１２は、平面視で矩形状に形成され、一対の支持部８ｂの両側に設けられている。すなわち、接触部材１２はそれぞれ支持部８ｂの隙間１０とは反対側に配置されており、一対の支持部８ｂは一対の接触部材１２の間に配置されている。
接触部材１２の上面は、試験片の下面側と接触して試験片を支持する接触面１２ａを構成する。なお、接触部材１２は、接触面１２ａが支持部８ｂの上端よりも上方（例えば、支持部８ｂの上端から１ｍｍ程度上方）に配置されるように設けられている。そのため、試験片を一対の支持台８上に配置すると、試験片の下面側は支持部８ｂとは接触せず、接触部材１２の接触面１２ａと接触する。なお、支持部８ｂ及び接触部材１２と試験片との接触態様の詳細については後述する（図５、図６、図７参照）。
一対の支持台８の後方側には、一対の支持台８をそれぞれＸ軸方向と垂直なＹ軸方向（第２水平方向、左右方向）に沿って移動させる支持部移動機構（支持部移動手段）１４が設けられている。支持部移動機構１４は、直方体状の支持構造１６を備え、支持構造１６の前面側（表面側）には一対のガイドレール１８がＹ軸方向に沿って所定の間隔で固定されている。
一対のガイドレール１８の間には、一対のガイドレール１８と概ね平行に配置された一対のボールネジ２０が設けられている。一対のボールネジ２０の一端部にはそれぞれ、ボールネジ２０を回転させるパルスモータ２２が連結されている。
さらに、支持部移動機構１４は、支持台８の後面側にそれぞれ固定される一対の移動プレート２４を備える。一対の移動プレート２４はそれぞれ、支持構造１６の前面側に設けられた一対のガイドレール１８にスライド可能に装着されている。
一対の移動プレート２４の後面側（裏面側）にはそれぞれ、ナット部（不図示）が設けられている。一対の移動プレート２４の一方に設けられたナット部は一対のボールネジ２０の一方に螺合され、一対の移動プレート２４の他方に設けられたナット部は一対のボールネジ２０の他方に螺合されている。
パルスモータ２２によってボールネジ２０を回転させると、ボールネジ２０に螺合された移動プレート２４がガイドレール１８に沿ってＹ軸方向に移動し、一対の支持台８それぞれのＹ軸方向における位置が制御される。このように、支持部移動機構１４は、一対の支持部８ｂを互いに接近及び離隔させて、一対の支持部８ｂの間隔及び隙間１０の幅を調整する。
なお、図１に示す下部容器４及び開口部４ｂの形状、大きさ等に制限はなく、支持ユニット６及び支持部移動機構１４の形状、大きさ等に応じて適宜変更される。
下部容器４の上方には、押圧ユニット（押圧手段）２６が設けられている。押圧ユニット２６は、支持ユニット６によって支持された試験片を押圧するとともに、試験片の押圧の際に押圧ユニット２６にかかる荷重を測定する。
図３は、押圧ユニット２６を示す斜視図である。押圧ユニット２６は、移動機構（移動手段）４０に接続された移動基台２８を備える。移動基台２８には、移動基台２８の下面から下方に向かって配置された円筒状の第１支持部材３０が接続されており、第１支持部材３０の下端側には、ロードセル等でなる荷重計測器（荷重計測手段）３２が固定されている。
荷重計測器３２の下端側には、円筒状の第２支持部材３４を介して挟持部材３６が接続されている。挟持部材３６は、正面視で略門型形状に形成されており、互いに対向する一対の挟持面３６ａを備える。この一対の挟持面３６ａの間には、支持ユニット６（図１参照）によって支持された試験片を押圧する圧子３８が固定されている。
圧子３８の先端部（下端部）は、下方に向かって幅が狭くなる先細りの形状に形成されている。すなわち、圧子３８の先端部の両側面は鉛直方向に対して傾斜している。また、圧子３８の先端（下端）は丸みを帯びた形状（Ｒ形状）に形成されている（図５参照）。ただし、圧子３８の形状は上記に限定されない。
また、圧子３８は、その下端がＸ軸方向に沿うように挟持部材３６によって挟持されている。すなわち、圧子３８の下端と、支持ユニット６が備える一対の支持部８ｂ（図２参照）とは、互いに概ね平行に配置されている。
また、押圧ユニット２６の後方側（裏面側）には、押圧ユニット２６をＺ軸方向（鉛直方向、上下方向）に沿って移動させる移動機構４０が設けられている。移動機構４０は、直方体状の支持構造４２を備え、支持構造４２の前面側（表面側）には、一対のガイドレール４４がＺ軸方向に沿って所定の間隔で固定されている。
一対のガイドレール４４の間には、一対のガイドレール４４と概ね平行に配置されたボールネジ４６が設けられている。ボールネジ４６の一端部には、ボールネジ４６を回転させるパルスモータ４８が連結されている。
押圧ユニット２６の移動基台２８の後面側（裏面側）は、一対のガイドレール４４にスライド可能に装着されている。また、移動基台２８の後面側にはナット部（不図示）が設けられており、このナット部はボールネジ４６に螺合されている。
パルスモータ４８によってボールネジ４６を回転させると、移動基台２８がガイドレール４４に沿ってＺ軸方向に移動する。これにより、押圧ユニット２６のＺ軸方向における位置が制御される。そして、移動機構４０によって押圧ユニット２６をＺ軸方向に沿って移動させることにより、支持ユニット６（図１参照）によって支持された試験片に対して圧子３８が相対的に接近及び離隔する。
また、図１に示すように、移動基台２８の両側面には、板状に形成された一対の接続部材５０が固定されている。接続部材５０は、移動基台２８の側面から下方に向かって設けられており、接続部材５０の下端は挟持部材３６の下端よりも下方に配置されている。
一対の接続部材５０の下端部には、圧子３８側に向かって突出する一対の上部容器支持部５０ａが形成されている。この一対の上部容器支持部５０ａの間には、圧子３８の先端部を覆う直方体状の上部容器（カバー）５２が固定されている。上部容器５２は、下部容器４の上方に配置されており、上部容器５２の両側面は一対の上部容器支持部５０ａによって支持されている。
上部容器５２は、例えば透明な材質（ガラス、プラスチック等）でなり、箱型に形成されている。上部容器５２には、上部容器５２の下面５２ａ側で下方に向かって開口する直方体状の開口部５２ｂ（図５参照）が形成されている。また、上部容器５２の上面５２ｃ側には圧子挿入穴５２ｄが形成されており、この圧子挿入穴５２ｄには圧子３８の先端部が挿入されている。そのため、圧子３８の先端部は上部容器５２によって覆われている。なお、図１では、上部容器５２によって覆われた圧子３８の一部を破線で表している。
上部容器５２は、下部容器４の開口部４ｂに挿入可能な大きさに形成されており、平面視で下部容器４の開口部４ｂの内側に配置されている。また、上部容器５２の開口部５２ｂ（図５参照）は、支持ユニット６を収容可能な大きさに形成されている。そのため、移動機構４０によって押圧ユニット２６を下方に移動させると、上部容器５２が下部容器４の開口部４ｂに挿入され、支持ユニット６の上側が上部容器５２によって覆われる。
また、上部容器５２の側壁５２ｅには、ノズル挿入穴５２ｆが設けられている。このノズル挿入穴５２ｆには、圧子３８の先端部にエアーを吹き付けるエアー供給ユニット（エアー供給手段）５４が接続される。
エアー供給ユニット５４は、圧子３８に向かってエアーを噴射するノズル５６を備える。ノズル５６の一端側はノズル挿入穴５２ｆを介して上部容器５２の内部に挿入され、ノズル５６の他端側はバルブ５８を介してエアー供給源６０に接続されている。また、ノズル５６の一端側の先端５６ａ（図５参照）は、圧子３８の先端部の側面に向かって開口している。
エアー供給源６０からバルブ５８及びノズル５６を介して圧子３８の先端部の側面にエアーを吹き付けると、圧子３８の先端部等に付着した異物が除去される。なお、エアー供給ユニット５４の動作の詳細については後述する。
また、下部容器４の底部には、下部容器４の開口部４ｂの底から下部容器４の下面（底面）４ｃに貫通する破片排出口４ｄが形成されている。この破片排出口４ｄには、下部容器４の内部に存在する試験片の破片を排出する破片排出ユニット（破片排出手段）６２が接続されている。
破片排出ユニット６２は、試験片の破片を排出するための経路を構成する破片排出路６４を備える。破片排出路６４の一端側は破片排出口４ｄに接続され、破片排出路６４の他端側はバルブ６６を介して吸引源６８に接続されている。
また、破片排出路６４中には、試験片の破片を回収する破片回収部７０が設けられている。破片回収部７０は、フィルター等によって構成されており、破片排出路６４を通過する試験片の破片を捕獲する。バルブ６６を開くと、下部容器４の開口部４ｂの内部に散乱する試験片の破片が破片排出口４ｄから吸引され、破片回収部７０で回収される。なお、破片排出ユニット６２の動作の詳細については後述する。
また、下部容器４の後方には、カメラ等によって構成される撮像ユニット（撮像手段）７２が設けられている。撮像ユニット７２は、支持ユニット６によって支持された試験片、圧子３８等を後方から撮像する。また、撮像ユニット７２は、撮像ユニット７２をＸ軸方向に沿って移動させる移動機構（移動手段）７４に接続されている。
図４は、撮像ユニット７２及び移動機構７４を示す斜視図である。移動機構７４は、平面視で矩形状に形成された板状の支持プレート７６を備えており、支持プレート７６の上面側（表面側）には一対のガイドレール７８がＸ軸方向に沿って所定の間隔で固定されている。
一対のガイドレール７８の間には、一対のガイドレール７８と概ね平行に配置されたボールネジ８０が設けられている。また、ボールネジ８０の一端部には、ボールネジ８０を回転させるパルスモータ８２が連結されている。
一対のガイドレール７８には、平面視で矩形状に形成された板状の移動プレート８４がスライド可能に装着されている。移動プレート８４の下面側（裏面側）にはナット部（不図示）が設けられており、このナット部はボールネジ８０に螺合されている。また、移動プレート８４の上面側（表面側）には、撮像ユニット７２が固定されている。
パルスモータ８２によってボールネジ８０を回転させると、移動プレート８４がガイドレール７８に沿ってＸ軸方向に移動する。これにより、撮像ユニット７２のＸ軸方向における位置が制御される。そして、移動機構７４によって撮像ユニット７２をＸ軸方向に沿って移動させると、支持ユニット６（図１参照）によって支持された試験片及び圧子３８に対して、撮像ユニット７２が相対的に接近及び離隔する。
また、図１に示すように、下部容器４の前方には、撮像ユニット７２に向かって光を照射する光源８６が設けられている。光源８６から光を照射しつつ、撮像ユニット７２で試験片や圧子３８の先端部を撮像することにより、例えば、試験片のサイズ、試験片が圧子３８で押圧されている様子、圧子３８の先端部の状態（異物の付着の有無、欠けの有無等）が確認される。なお、撮像ユニット７２による撮像が十分に明るい環境下で行われる場合には、光源８６を省略してもよい。
さらに、下部容器４の側方には、カメラ等によって構成される撮像ユニット（撮像手段）８８が設けられている。撮像ユニット８８は、支持ユニット６によって支持された試験片、圧子３８等を側方から撮像する。また、撮像ユニット８８は、撮像ユニット８８をＹ軸方向に沿って移動させる移動機構（移動手段）９０に接続されている。なお、撮像ユニット８８、移動機構９０の構成はそれぞれ、撮像ユニット７２、移動機構７４と同様である。
また、測定装置２は、試験片の強度の測定に関する各種の情報を表示する表示部（表示手段）９２を備える。表示部９２は、例えばユーザーインタフェースとして機能するタッチパネル式のモニターによって構成される。この場合、測定装置２のオペレータは、該モニターを用いて測定装置２に測定条件等の情報を入力できる。
さらに、測定装置２は、測定装置２を構成する各構成要素（支持部移動機構１４、荷重計測器３２、移動機構４０、エアー供給ユニット５４、破片排出ユニット６２、撮像ユニット７２、移動機構７４、光源８６、撮像ユニット８８、移動機構９０、表示部９２等）に接続された制御部（制御手段）１００を備える。制御部１００は、例えばコンピュータ等によって構成され、測定装置２の各構成要素の動作を制御する。
また、支持ユニット６によって支持された試験片を圧子３８で押圧した際に圧子３８にかかる荷重（Ｚ軸方向の力）が、荷重計測器３２によって計測され、制御部１００に入力される。そして、制御部１００は、入力された荷重に基づいて、試験片の抗折強度を算出する。なお、抗折強度の算出時における制御部１００の動作の詳細については後述する。
上記の測定装置２によって、試験片の３点曲げ試験が行われるとともに、試験片の抗折強度が自動で算出される。以下、測定装置２の具体的な動作例について説明する。
測定装置２で試験片の抗折強度を測定する際は、まず、支持部移動機構１４（図２参照）によって一対の支持台８のＹ軸方向における位置が調整される。一対の支持台８の位置は、一対の支持部８ｂの間隔が所定の値となるように調整される。
次に、一対の支持台８上に試験片１１が搬送される。図５は、試験片１１が支持ユニット６によって支持された状態の測定装置２を示す断面図である。試験片１１は、両端部が一対の支持台８によって支持され、中央部が隙間１０と重畳するように配置される。また、圧子３８は、一対の支持部８ｂの上方で、且つ、一対の支持部８ｂの間の領域（隙間１０）と重なる位置に配置されている。
なお、試験片１１を一対の支持台８上に配置する際に、試験片１１の下面側が支持部８ｂと接触すると、配置の際の衝撃によって試験片１１の下面側が傷つくことがある。この場合、試験片１１の抗折強度が変化してしまい、複数の試験片１１の抗折強度を同一の条件で測定することが困難になることがある。
しかしながら、測定装置２では、支持台８の上面８ａ側に柔軟な材料でなる接触部材１２が設けられており、接触部材１２の接触面１２ａは支持部８ｂの上端よりも上方に位置する。そのため、試験片１１を一対の支持台８上に配置すると、試験片１１は支持部８ｂに接触することなく接触部材１２の接触面１２ａと接触し、接触面１２ａで支持される。これにより、試験片１１を配置する際に試験片１１の下面側が支持部８ｂと接触して傷つくことを防止でき、試験片１１の強度の変化が防止される。
次に、支持ユニット６によって支持された試験片１１のサイズが検出される。試験片１１のサイズは、図１に示す制御部１００によって検出される。図１に示すように、制御部１００は、試験片１１のサイズを検出する検出部１０２と、制御部１００による処理に用いられる各種のデータを記憶する記憶部１０４とを備える。
例えば検出部１０２は、撮像ユニット８８によって取得された試験片１１の画像に基づいて、試験片１１のサイズを検出する。具体的には、まず、撮像ユニット８８で試験片１１を側方から撮像することにより、試験片１１の画像が取得される。この画像には、試験片１１の側面（Ｘ軸方向及びＺ軸方向と平行な面）が表示される。撮像ユニット８８によって取得された画像は、制御部１００に出力され、記憶部１０４に記憶される。
そして、検出部１０２は、例えば試験片１１の画像にエッジ検出等の画像処理を施すことにより、試験片１１のサイズ（厚さ、幅等）を検出する。なお、試験片１１の幅は、一対の支持部８ｂ（図２参照）の長さ方向（Ｘ軸方向）における試験片１１の長さに相当する。
具体的には、検出部１０２は、試験片１１の画像の濃淡に基づいて、試験片１１の上端、下端、前端、後端の座標を特定する。そして、上端の座標と下端の座標との差分から試験片１１の厚さを算出するとともに、前端の座標と後端の座標との差分から試験片１１の幅を算出する。検出部１０２によって検出された試験片１１の厚さ及び幅は、記憶部１０４に記憶される。
なお、試験片１１のサイズの検出方法に制限はない。例えば、試験片１１を支持ユニット６上に搬送する際、試験片１１の搬送経路の途中に設けられた他の撮像ユニット（撮像手段）によって試験片１１を撮像してもよい。この場合、検出部１０２は、該撮像ユニットによって取得された画像に基づいて試験片１１のサイズを検出する。また、試験片１１のサイズは、予め他の方法で測定され、その値が記憶部１０４に記憶されていてもよい。この場合には、検出部１０２による試験片１１のサイズの検出を省略できる。
次に、移動機構４０によって押圧ユニット２６を下降させる。押圧ユニット２６を下降させていくと、圧子３８の先端が試験片１１の上面側に接触し（図６参照）、試験片１１が圧子３８によって下方に向かって押圧される。また、圧子３８で試験片１１を押圧した際に圧子３８にかかる荷重が、荷重計測器３２（図１参照）によって計測される。荷重計測器３２によって計測された荷重の値は、制御部１００に出力され、記憶部１０４に記憶される。
押圧ユニット２６を更に下降させると、試験片１１が圧子３８によって更に押圧され、試験片１１を支持する接触部材１２が変形するとともに試験片１１が撓む。その結果、試験片１１の下面側が支持台８の支持部８ｂと接触する。なお、このとき、接触部材１２の柔軟性や試験片１１の剛性によっては、接触部材１２の変形のみが生じ試験片１１の撓みが生じない場合もある。
図６は、試験片１１が一対の支持部８ｂと接触した状態の測定装置２を示す断面図である。試験片１１が一対の支持部８ｂと接触すると、試験片１１が一対の支持部８ｂによって支持され、試験片１１を押圧する圧子３８にかかる荷重が増大する。
押圧ユニット２６を更に下降させると、試験片１１は一対の支持部８ｂで支持された状態で圧子３８によって更に押圧され、試験片１１に撓みが生じる。そして、圧子３８から試験片１１に付与される押圧力が所定の値を超えると、試験片１１が破壊される。
図７は、試験片１１が破壊された状態の測定装置２を示す断面図である。試験片１１が破壊されると、荷重計測器３２（図１参照）によって計測される荷重が最大値からゼロに減少する。そのため、荷重計測器３２によって計測された荷重値の変化から、試験片１１が破壊されたタイミングを検出できる。また、荷重計測器３２によって計測された荷重の最大値（試験片１１が破損した時に計測された荷重値）が、試験片１１の強度に対応する。
ここで、図１に示すように、制御部１００は、試験片１１の抗折強度を算出する算出部１０６を備える。算出部１０６は、試験片１１のサイズと、一対の支持部８ｂの間隔と、荷重計測器３２によって計測された荷重とに基づき、試験片１１の抗折強度を算出する。なお、一対の支持部８ｂの間隔は、試験片１１を支持する一対の支持部８ｂの上端間の距離に相当する。
試験片１１の抗折強度σは、試験片１１を押圧する圧子３８にかかる荷重の最大値をＷ［Ｎ］、一対の支持部８ｂの間隔をＬ［ｍｍ］、試験片１１の厚さをｈ［ｍｍ］、試験片１１の幅をｂ［ｍｍ］とすると、σ＝３ＷＬ／２ｂｈ２で表される。検出部１０２は、この式に基づいて試験片１１の抗折強度σを算出する。
なお、試験片１１の厚さｈ及び幅ｂは、例えば検出部１０２によって検出され、記憶部１０４に記憶されている。また、荷重の最大値Ｗは、試験片１１が圧子３８の押圧によって破損した時に荷重計測器３２によって計測された荷重に相当し、記憶部１０４に記憶されている。さらに、一対の支持部８ｂの間隔Ｌは、予め測定され、記憶部１０４に記憶されている。そして、検出部１０２は、記憶部１０４に記憶されたこれらの値を用いて、試験片１１の抗折強度σを算出する。
なお、一対の支持部８ｂの間隔Ｌの取得方法に制限はない。例えば、支持部移動機構１４（図２参照）には、一対の支持部８ｂの位置を示す座標値が付されたスケールと、スケールの座標値を読みとる読み取りヘッドとを備えていてもよい。この場合、読み取りヘッドでスケールの座標値を読み取ることにより、一対の支持部８ｂのＹ軸方向における座標が取得される。そして、一対の支持部８ｂの座標の差分から一対の支持部８ｂの間隔Ｌが算出される。
また、試験片１１の抗折強度の測定は、一対の支持部８ｂを予め設定された所定の位置に固定した状態で実施してもよい。この場合、一対の支持部８ｂの間隔Ｌは、固定値として予め記憶部１０４に記憶される。
算出部１０６によって算出された試験片１１の抗折強度は、例えば表示部９２に表示される。これにより、測定装置２のオペレータは試験片１１の抗折強度を確認することができる。また、算出された抗折強度は、測定装置２の外部に出力されてもよい。
上記の通り、本実施形態に係る測定装置２は、試験片１１のサイズと、一対の支持部８ｂの間隔と、荷重計測器３２によって計測された荷重とに基づいて、試験片１１の抗折強度を算出する制御部１００を備えており、試験片１１の抗折強度を自動で算出できる。これにより、作業者が抗折強度を手動で算出する作業が不要となり、試験片１１の抗折強度を簡易に取得可能となる。
なお、試験片１１の抗折強度を測定する際に、図７に示すように試験片１１が破壊されると、試験片１１の破片１１ａが飛散する。しかしながら、測定装置２では、試験片１１が圧子３８によって押圧される際、上部容器５２が試験片１１及び支持ユニット６の上側を覆うように位置付けられる。その結果、試験片１１の破片１１ａが測定装置２の外部に飛散することが防止される。
このように、上部容器５２によって破片１１ａの飛散が防止されるため、試験片１１の抗折強度を測定する際、測定装置２のオペレータはゴーグル等の保護具の着用を省略できる。これにより、保護具の着用による測定装置２の構成要素（圧子３８等）や試験片１１の視認性の低下が防止される。
また、圧子３８によって試験片１１を押圧すると、圧子３８に異物（試験片１１の破片１１ａ等）が付着することがある。この異物は試験の精度に影響を与えることがあるため、除去されることが好ましい。そこで、試験片１１の試験を行った後には、エアー供給ユニット５４によって圧子３８にエアーを吹き付け、圧子３８に付着した異物を除去することが好ましい。
具体的には、エアー供給ユニット５４のバルブ５８を開き、エアー供給源６０から供給されたエアーをノズル５６の先端５６ａから圧子３８の先端部の側面に向かって噴射する。これにより、圧子３８の先端部に付着した異物が吹き飛ばされ、除去される。なお、エアー供給ユニット５４を用いて異物を除去するタイミングに制限はない。例えば、異物の除去は、一の試験片１１の試験が完了した後、次の試験片１１の試験が行われるまでの間に、必要に応じて実施される。
また、圧子３８の先端部に向かって噴射されたエアーは、上部容器５２の内部を流動し、一対の支持台８上にも吹き付けられる。その結果、支持部８ｂや接触部材１２の接触面１２ａに付着した異物（試験片１１の破片１１ａ等）がエアーによって吹き飛ばされて除去される。これにより、次の試験を行う際、試験片１１の下面側に異物が接触して試験片１１が傷つくことを防止できる。
なお、ノズル５６の先端５６ａが支持台８の上面８ａに向かって配置されていると、ノズル５６から噴射されたエアーが支持台８の上面８ａ側に強く吹き付けられる。この場合、支持部８ｂや接触部材１２に付着した異物が、エアーによって吹き飛ばされて上部容器５２の内部で舞い上がった後、再度支持部８ｂや接触部材１２に付着することがある。よって、異物が支持台８の上面８ａ側から適切に除去されにくい。
そのため、ノズル５６の先端５６ａは、図７に示すように圧子３８の先端部の側面に向かって配置されることが好ましい。これにより、支持台８の上面８ａに吹き付けられるエアーの勢いが適度に弱められ、異物が支持台８の上面８ａ側から適切に除去される。
試験片１１の試験やエアー供給ユニット５４による異物の除去を繰り返すと、下部容器４（図１参照）の内部には試験片１１の破片１１ａが蓄積される。この場合には、破片排出ユニット６２（図１参照）を用いて下部容器４の内部に蓄積された破片１１ａを回収することが好ましい。
具体的には、破片排出ユニット６２のバルブ６６を開き、下部容器４の開口部４ｂの底に設けられた破片排出口４ｄから開口部４ｂの内部に蓄積された破片１１ａを吸引する。吸引された破片１１ａは、破片排出路６４を通過し、破片回収部７０で回収される。このように、破片排出ユニット６２を用いると、下部容器４の開口部４ｂの内部を手作業で清掃することなく、破片１１ａを素早く除去できる。
ここで、測定装置２では、上部容器５２が下部容器４の開口部４ｂよりも小さく形成されており、また、上部容器５２には圧子３８が挿入される圧子挿入穴５２ｄ等が形成されている。そのため、上部容器５２を下部容器４に向かって下降させても、下部容器４の開口部４ｂは上部容器５２によって密閉されない。これにより、破片排出口４ｄから試験片１１の破片１１ａを吸引する際、開口部４ｂに外気が容易に取り込まれ、試験片１１の破片１１ａの吸引を円滑に行うことができる。
なお、上記の実施形態では、３点曲げ試験によって試験片１１の抗折強度が測定される例について説明した。ただし、本発明の一態様に係る測定装置は、球抗折試験や４点曲げ試験によって試験片１１の抗折強度を測定してもよい。
図８は、球抗折試験によって試験片１１の抗折強度を測定する測定装置１１０を示す斜視図である。図８に示す測定装置１１０は、支持ユニット６（図１参照）に代えて支持部（支持手段）１１２を備え、挟持部材３６及び圧子３８に代えて第３支持部材１１４及び圧子１１６を備える点において、測定装置２と異なる。なお、測定装置１１０を構成する他の構成要素は、図１に示す測定装置２と同様である。ただし、図８では、押圧ユニット２６、移動機構４０、撮像ユニット７２、制御部１００、支持部１１２以外の構成要素の図示を省略している。
支持部１１２は、試験片１１（図５等参照）を支持する板状の部材（支持部材）であり、押圧ユニット２６の下方に配置されている。例えば支持部１１２は、ステンレス鋼材等の金属でなり、平面視で矩形状に形成される。支持部１１２の上面は、試験片１１の下面側を支持する支持面１１２ａを構成する。また、支持部１１２の中央には、上端側が支持面１１２ａで露出する円柱状の開口１１２ｂが形成されている。例えば開口１１２ｂは、支持部１１２を上下に貫通するように形成される。なお、支持面１１２ａで試験片１１を支持可能であれば、支持部１１２に形状に制限はない。
また、押圧ユニット２６が備える第２支持部材３４の下端側には、柱状の第３支持部材１１４が固定されている。そして、第３支持部材１１４の下端部には、球状の圧子１１６が固定されている。測定装置１１０は、支持部１１２で支持された試験片１１を圧子１１６で押圧することにより、試験片１１の強度を測定する。
なお、支持部１１２の開口１１２ｂは、その直径が圧子１１６の直径よりも大きくなるように形成されており、圧子１１６は開口１１２ｂに挿入可能となっている。また、圧子１１６は、支持部１１２より上方で、且つ、支持部１１２の開口１１２ｂと重なる位置に配置されている。
測定装置１１０を用いて試験片１１の抗折強度を測定する際は、まず、試験片１１を支持部１１２の支持面１１２ａ上に配置する。試験片１１は、支持部１１２の開口１１２ｂの上端側を覆うように配置される。
次に、移動機構４０で押圧ユニット２６を下方に移動させ、圧子１１６を試験片１１側に向かって移動させる。これにより、圧子１１６が試験片１１と接触し、試験片１１が撓む（図６参照）。圧子１１６を更に試験片１１側に向かって移動させると、試験片１１が破壊される（図７参照）。また、圧子１１６が試験片１１を押圧する際に圧子１１６にかかる荷重が、荷重計測器３２によって計測される。
そして、制御部１００が備える算出部１０６は、試験片１１のサイズと、支持部１１２の開口１１２ｂのサイズと、圧子１１６のサイズと、荷重計測器３２によって計測された荷重とに基づき、試験片１１の抗折強度を算出する。なお、試験片１１、開口１１２ｂ、及び圧子１１６のサイズは、予め記憶部１０４に記憶されている。
例えば、試験片１１が円盤状である場合には、試験片１１の厚さと、試験片１１の半径とが、試験片１１のサイズとして記憶部１０４に記憶される。また、試験片１１が平面視で正方形状である場合には、試験片１１の厚さと、試験片１１の幅の１／２に相当する長さとが、試験片１１のサイズとして記憶部１０４に記憶される。また、開口１１２ｂの半径と、圧子１１６の半径とが、それぞれ開口１１２ｂ、圧子１１６のサイズとして記憶部１０４に記憶される。
なお、試験片１１、支持部１１２の開口１１２ｂ、圧子１１６のサイズの取得方法に制限はない。例えば測定装置１１０は、撮像ユニット７２によって試験片１１及び支持部１１２を撮像し、この撮像によって得られた画像に基づいて、検出部１０２で試験片１１、開口１１２ｂ、及び圧子１１６のサイズを検出してもよい。また、試験片１１、支持部１１２の開口１１２ｂ、及び圧子１１６のサイズは、予め他の方法で測定され、記憶部１０４に記憶されていてもよい。
図９は、抗折強度の測定条件を示す模式図である。球抗折試験においては、試験片１１の抗折強度σは以下の式（１）で表される。
Figure 0007271063000001
なお、式（１）におけるａ１は、試験片１１に接触する圧子１１６の接触半径であり、接触半径ａ１は以下の式（２）で表される。
Figure 0007271063000002
また、式（１）及び式（２）において、Ｗは試験片１１を押圧する圧子１１６にかかる荷重の最大値［Ｎ］、ｒは圧子１１６の半径［ｍｍ］、ｈは試験片１１の厚さ［ｍｍ］、ａは支持部１１２の開口１１２ｂの半径［ｍｍ］、ａ０は試験片１１の半径［ｍｍ］、ν１は試験片１１のポアソン比、ν２は圧子１１６のポアソン比、ε１は試験片１１のヤング率［ＭＰａ］、ε２は圧子１１６のヤング率［ＭＰａ］を表す。
試験片１１の厚さｈ及び半径ａ０と、圧子１１６の半径ｒとは、例えば検出部１０２によって検出され、記憶部１０４に記憶されている。また、荷重の最大値Ｗは、試験片１１が圧子１１６の押圧によって破損した時に荷重計測器３２によって計測された荷重に相当し、記憶部１０４に記憶されている。また、抗折強度の算出に用いられるその他のパラメータ（ν１、ν２、ε１、ε２）はそれぞれ、予め記憶部１０４に予め記憶されている。
そして、算出部１０６は、記憶部１０４に記憶されたこれらの値を用いて、式（１）及び式（２）に基づき試験片１１の抗折強度σを算出する。このように、測定装置１１０は、球抗折試験の結果に基づいて試験片１１の抗折強度を自動で算出できる。
その他、上記実施形態に係る構造、方法等は、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施できる。
１１ 試験片
１１ａ 破片
２ 測定装置
４ 下部容器（収容部）
４ａ 上面
４ｂ 開口部
４ｃ 下面（底面）
４ｄ 破片排出口
６ 支持ユニット（支持手段）
８ 支持台
８ａ 上面
８ｂ 支持部
１０ 隙間
１２ 接触部材
１２ａ 接触面
１４ 支持部移動機構（支持部移動手段）
１６ 支持構造
１８ ガイドレール
２０ ボールネジ
２２ パルスモータ
２４ 移動プレート
２６ 押圧ユニット（押圧手段）
２８ 移動基台
３０ 第１支持部材
３２ 荷重計測器（荷重計測手段）
３４ 第２支持部材
３６ 挟持部材
３６ａ 挟持面
３８ 圧子
４０ 移動機構（移動手段）
４２ 支持構造
４４ ガイドレール
４６ ボールネジ
４８ パルスモータ
５０ 接続部材
５０ａ 上部容器支持部
５２ 上部容器（カバー）
５２ａ 下面
５２ｂ 開口部
５２ｃ 上面
５２ｄ 圧子挿入穴
５２ｅ 側壁
５２ｆ ノズル挿入穴
５４ エアー供給ユニット（エアー供給手段）
５６ ノズル
５６ａ 先端
５８ バルブ
６０ エアー供給源
６２ 破片排出ユニット（破片排出手段）
６４ 破片排出路
６６ バルブ
６８ 吸引源
７０ 破片回収部
７２ 撮像ユニット（撮像手段）
７４ 移動機構（移動手段）
７６ 支持プレート
７８ ガイドレール
８０ ボールネジ
８２ パルスモータ
８４ 移動プレート
８６ 光源
８８ 撮像ユニット（撮像手段）
９０ 移動機構（移動手段）
９２ 表示部（表示手段）
１００ 制御部（制御手段）
１０２ 検出部
１０４ 記憶部
１０６ 算出部
１１０ 測定装置
１１２ 支持部（支持手段）
１１２ａ 支持面
１１２ｂ 開口
１１４ 第３支持部材
１１６ 圧子

Claims (7)

  1. 試験片の抗折強度を測定する測定装置であって、
    互いに離隔された状態で配置され、該試験片の下面側を支持する第１支持部と第２支持部とを有する支持手段と、
    該支持手段より上方で、且つ、該第１支持部と該第２支持部との間の領域と重なる位置に配置され、該試験片を押圧する圧子と、
    該支持手段によって支持された該試験片に対して該圧子を相対的に接近及び離隔させる移動手段と、
    該圧子が該支持手段によって支持された該試験片を押圧する際に該圧子にかかる荷重を計測する荷重計測手段と、
    該試験片の厚さ及び幅と、該第１支持部と該第２支持部との間隔と、該荷重計測手段によって計測された荷重の最大値と、に基づいて、該試験片の抗折強度を算出する算出部を有する制御手段と、を備えることを特徴とする測定装置。
  2. 該第１支持部と該第２支持部とを互いに接近及び離隔させて、該第１支持部と該第２支持部との間隔を調整する支持部移動手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
  3. 該試験片を撮像する撮像手段を更に備え、
    該制御手段は、該撮像手段によって取得された該試験片の画像に基づいて該試験片の厚さと幅とを検出する検出部を更に有することを特徴とする請求項１または２に記載の測定装置。
  4. 試験片の抗折強度を測定する測定装置であって、
    該試験片の下面側を支持する支持面と、該支持面で露出する開口とを有する支持手段と、
    該支持手段より上方で、且つ、該開口と重なる位置に配置され、該開口に挿入可能な球状の圧子と、
    該支持手段によって支持された該試験片に対して該圧子を相対的に接近及び離隔させる移動手段と、
    該圧子が該支持手段によって支持された該試験片を押圧する際に該圧子にかかる荷重を計測する荷重計測手段と、
    該試験片のサイズと、該開口のサイズと、該圧子のサイズと、該荷重計測手段によって計測された荷重の最大値と、に基づいて、該試験片の抗折強度を算出する算出部を有する制御手段と、を備えることを特徴とする測定装置。
  5. 該試験片を撮像する撮像手段を更に備え、
    該制御手段は、該撮像手段によって取得された該試験片の画像に基づいて該試験片のサイズを検出する検出部を更に有することを特徴とする請求項４に記載の測定装置。
  6. 該移動手段は、ボールネジを備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の測定装置。
  7. 該支持手段が設けられる開口部を有する下部容器と、該下部容器の開口部に挿入可能な大きさの上部容器と、を更に備え、
    該支持手段によって支持された該試験片が該圧子によって押圧される際、該上部容器が該試験片を覆うように位置付けられることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の測定装置。
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