JPH0312538A - 超微小硬度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 利用産業分野 この発明は、薄膜試料などの硬度を測定する超微小硬度
計の改良に係り、試験片支持具の撓みや機械的かな及び
支持具と試験片との隙間などによる測定誤差を、支持具
の孔部に配置した試験片の変位を測定する変位量センサ
ーで測定し実硬度を算出する超微小硬度計に関する。

背景技術 薄膜試料などの硬度を測定する装置として、試験片表面
に三角錐状の圧子を所要荷重で押圧し、このときの圧子
の移動量を測定して、測定した移動量より試験片の硬度
を算出する超微小硬度計が提案されている。

超微小硬度計の一例の概要は、第２図の装置構成図に示
す如く、試験片（１）は、試験片支持具（２）にクラン
プされ、回転盤（３）に載置されて測定部位を光学顕微
鏡（４）で確認したのち、１８０度回転して圧子（５）
の直下に移動する構成からなる。

圧子（５）は支点部（７）にてバランスしたＬ型アーム
（６）の一端に固着され、アーム（６）の他端は負荷発
生機構（８）に接続されており、発生負荷力が圧子（５
）に作用して試験片（１）を押圧可能に構成しである。

負荷発生機構（８）には、永久磁石とフォースコイルよ
り電磁力を発生させる構成を用い、フォースコイル電流
を所定時間毎に増加するよう計測演算器（１０）にて制
御し、例えば、１０ｍｇｆ［９，８Ｘ　１Ｏ−５Ｎ）の
低荷重など所要の負荷力を発生させる。また、圧子（５
）の降下速度も計測演算器（１０）にて、例えば０．１
ｍｍ／ｓｅｃ〜１８５ｐｍ／ｓｅｅの範囲で設定される
。

また、圧子（５）にはダイヤモンド三角錐が採用され、
その稜間角度は６５°、１００°、１１５°等があり、
例えば、稜間角度１１５°の場合は先端曲率半径が約１
１００ｎ、稜間角度１００°の場合は先端曲率半径が約
５０ｎｍであり、試験片（１）の材質に応じて、種々の
稜間角度が選定される。

このように試験片（１）は圧子（５）により押圧され、
差動トランス（９）により圧子（５）の微小変位を測定
し、その押込深さが測定され、測定値が計測演算器（１
０）に人力される。例えば、測定精度は分解能が０．０
１　ｐｍ、直線性が±２％以内、最大測定範囲が２０１
１ｍ程度である。

測定原理を説明すると、まず、フォースコイルの電流を
一定の割合で増加させると、圧子（５）は−定速度で降
下し、試験片（１）表面に接触すると試験片（１）の変
形に対する抵抗力が発生し、圧子（５）の降下速度が急
激に減少するため、この点を表面位置として試験片（１
）の検出を行う。

引き続いて押込み荷重の負荷を行なう。圧子を押込んで
行く過程の負荷と押込み深さから得られる硬度を、動的
押込み硬さＤＨと定義すると、下記式となる。

ＤＨａα・Ｐ／Ｄ２ Ｐ：押込み負荷（ｇｆ）、Ｄ＋押込み深さ（１，１ｍ）
、α：圧子形状による定数 このときの押込み深さは、負荷状態での試料の変形に基
づくものであり、月料の塑性変形だけでなく、弾性変形
も含んでいる。

したがって、圧子（５）への負荷を解除した後、材料の
くぼみの大きさを調べる通常の微小硬度測定法の硬度値
に比べ、弾性変形に相当する分だけ、低い硬度値を示す
ことになる。

そこで、負荷−除荷試験を行う、すなわち、前記の所要
負荷を除去すると、弾性変形がなくなり塑性変形のみに
よる変位を求めることができ、これにより、負荷した状
態での塑性変形による変位と、弾性変形による変位を独
立して、定量的に把握することができる。

従来技術の問題点 上述した超微小硬度計において、繰返し負荷試験を行い
、塑性変形分及び弾性変形分が繰返し負荷によって変化
していく状態をみると、例えば、樹脂材料を用いて繰返
し負荷試験した場合、第１回目での除荷過程での深さ変
位の減少は全体の１／３程度の０．４４　ｐｍとなり、
弾性変形分が大きいことを示していたが、繰返しによっ
て増加する深さの変位は、初回に比べて３回目では、約
０．１ｐｍの増加となっている。

すなわち、初めに大きく弾性変形した後は、同じ負荷繰
返しではわずがな塑性変形しが発生しないことを示し、
また、除荷過程での深さ変位の減少は初回でも３回目で
もほぼ同じであり、弾性変形分による変位はほぼ同じと
考えられる。このときの押込み負荷の精度をロードセル
を用いて測定すると、±１％以内あるいは±２ｍｇｒ以
内のいずれか大きい方であった。

したがって、従来の超微小硬度計は、圧子の移動量は差
動トランスにより検出し、所要の測定結果を得るが、塑
性変形、弾性変形及び装置系内の誤差を含み、実際の塑
性変形の変位のみを測定していないといえる。

また、上述した超微小硬度計において、負荷発生機構に
電歪素子を用い、測定用差動トランスに変えて光学セン
サーを用いた構成が提案（特開昭６３−１６８５３４号
公報）されている。しかし、測定原理などの基本的な構
成は同等であるが、実硬度は測定できない問題があった
。

発明の目的 この発明は、上述した超微小硬度計の問題点を解消し、
負荷−除荷試験において、実際の塑性変形の変位のみを
測定でき、試験片の実硬度を算出表示できる超微小硬度
計の提供を目的としている。

発明の概要 この発明は、試験片の実硬度を算出表示できる超微小硬
度計を目的に種々検討した結果、測定誤差が試験片支持
具の撓みや機械的かな及び支持具と試験片との隙間など
に起因していることに着目し、支持具の孔部に配置した
試験片の変位を測定する変位量センサーで該誤差を測定
できることを知見し、実硬度を算出する超微小硬度計を
完成したものである すなわち、この発明は、 盤上に試験片支持具を介して試験片を載置し、負荷発生
機構に連結された所要形状の圧子を試験片上面に垂直に
当接させ、所要荷重時の圧子の垂直方向の移動量を移動
量センサーにて測定し、測定した移動量より試験片の硬
度を算出する計測演算器を有する超微小硬度計において
、 試験片支持具の圧子の直下に穿孔した孔部に、試験片面
の変位を測定する変位量センサーを配置し、載置した試
験片裏面の変位を測定可能となし、 移動量センサーによる移動量がら測定誤差として変位量
センサーによる変位量を減じ、実硬度を算出する計測演
算器を有することを特徴とする超微小硬度計である。

図面に基づ〈発明の開示 第１図はこの発明による超微小硬度計の試験片支持具を
示す縦断説明図である。

前述した如く、第２図に示す構成の超微小硬度針におい
て、圧子（５）の移動量は差動トランス（９）により検
出するが、試験片（１）の実際の変位変化は測定してい
ない。

そこで、圧子（５）の押込み移動量と実変位との関係を
調査したところ、下記の問題を知見した。

負荷発生機構（８）により圧子（５）に負荷を加えると
、 ■試験片支持具の機械的かな ■試験片と支持具との隙間 ■試験片支持具の撓み 等の誤差要因により、圧子（５）の押込み移動量と実変
位、すなわち試験片（１）の変形との間に差が生じるこ
とが判明した。

これは第３図の圧子の移動領域と測定変位Ｘ、すなわち
圧子の押込み移動量及び実変位Ｓとの関係図に示す如く
、差動トランス（９）により検出した測定変位Ｘに含ま
れる誤差は、圧子の移動領域工では、上記の要因■■が
支配的であり、同ＩＩの領域では、要因■が加わるため
、実変位Ｓは圧子の移動量より小さいことが分かる。

従って、圧子の押込み移動量、測定変位Ｘと実変位Ｓの
関係は、第３図より Ｘ＝Ｓ＋ΔＳ１＋ΔＳ２ であることが分かる。

この偏差ΔＳ１、ΔＳ２を測定すれば、実際の変位Ｓを
知ることができ、試験片（１）に負荷を加え、負荷−除
荷試験を行うことにより、塑性変形及び弾性変形量を正
確に測定できる。

そこで、この発明では実変位Ｓを測定するため、試験片
（１）の変形以外の変位の変化ΔＳ（ΔＳ＝ΔＳ１＋Δ
Ｓ２）、すなわち、試験片（１）面での変位の変化を測
定することにした。

ここでは試験片（１）面での変位の変化ΔＳを検出する
ために、静電容量型変位センサーを用いた。変位センサ
ーには、他にレーザー変位計等微小変位測定器が利用で
きる。

詳述すると、第１図に示す構成の超微小硬度計における
回転盤（３）に、変位量センサー（２３）を配設するた
めの孔部を有する試験片支持具（２）を固着する。

第１図に示す如く、センサー本体（２３）は、クランプ
及び昇降機構を有する上部支持部（２４）が取付けられ
、上部支持部（２４）は昇降機構を有する下部支持部（
２５）により、固定枠体（２２）上方に取付けられる。

また、試験片支持具（２）と回転盤（３）の所要部には
貫通孔（２０）（２１）が設けられ、前記孔内に変位量
センサー（２３）が上部支持部（２３）にクランプされ
て配置される。

上部支持部（２４）は、変位量センサー（２３）と試験
片（１）の空隙調整用昇降機構とセンサーのクランプ機
構を有し、下部支持部（２５）は回転盤（３）の回転時
、変位量センサー（２３）を回転盤の下方に下降させる
昇降機構を有する。

すなわち、昇降機構により上昇時、変位量センサー（２
３）の上端部が貫通孔（２０）上部の試験片（１）下面
に所定空隙、例えば１１００ｐの空隙を介して配置され
る。

変位量センサー（２３）は、圧子（５）により試験片（
１）に負荷が加えられると、撓み等による変位６８分だ
けの変化量を、前記空隙の変化として検出し、その電気
信号が計測演算器に人力される。

計測演算器では、負荷発生機構を制御して発生負荷力及
び圧子（５）の降下速度を制御し、試験片（１）に所定
荷重を加え、さらに前述した負荷−除荷試験を行うこと
により、差動トランス（９）並びに変位量センサー（２
３）からの計測値を電気信号処理し、演算回路にて試験
片（１）の塑性変形量のみを演算出力し、さらに硬度値
への換算演算を行ない表示出力する。

実施例 第２図に示す従来の超微小硬度計と下記のこの発明によ
る超微小硬度計を用い、試験片としてアルミナ基板に被
着した寸法５０ｐｍ角×厚み２０００人のカーボン薄膜
の硬度を測定した。

負荷発生機構；フォースモータコイル 移動量センサー；差動トランス 試験片支持具の穿孔の孔部寸法：１５ｍｍΦ変位量セン
サー：静電容量センサー 試験片と変位量センサー先端部との距離；８０ｐｍ この発明の硬度計を用いて硬度測定することにより、従
来の硬度計による測定硬度より実硬度の精度が２０％以
上向上した。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による超微小硬度計の試験片支持具を
示す縦断説明図である。 第２図は超微小硬度計の概略説明図である。 第３図は圧子の移動領域と測定変位Ｘ及び実変位Ｓとの
関係図である。 １・・・試験片、２・・・試験片支持具、３・・・回転
盤、４・・・光学顕微鏡、５・・・圧子、６・・・アー
ム、７・・・支点部、８・・・負荷発生機構、９・・・
差動トランス、１０・・・計測演算器、１１・・・記録
計、２０．２１・・・貫通孔、２２・・・枠体、２３・
・・変位量センサー、２４・・・上部支持部、２５・・
・下部支持部。 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 盤上に試験片支持具を介して試験片を載置し、負荷発生
   機構に連結された所要形状の圧子を試験片上面に垂直に
   当接させ、所要荷重時の圧子の垂直方向の移動量を移動
   量センサーにて測定し、測定した移動量より試験片の硬
   度を算出する計測演算器を有する超微小硬度計において
   、 試験片支持具の圧子の直下に穿孔した孔部に、試験片面
   の変位を測定する変位量センサーを配置し、載置した試
   験片裏面の変位を測定可能となし、 移動量センサーによる移動量から測定誤差として変位量
   センサーによる変位量を減じ、実硬度を算出する計測演
   算器を有することを特徴とする超微小硬度計。