JPH03225252A - 微小押込み形材料物性試験装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、各種の固体材料の表面近傍の機械的特性等の
物性を測定する装置に関する。さらに特定すれば、本発
明は校正を自動的かつ正確におこなうことができ、高い
精度を維持することができる微小押込み形材料物性試験
装置に関するものである。

［従来の技術］ 各種の産業分野において、固体材料の表面近傍の数μｍ
の部分の機械的特性等の物性を測定することが要望され
ている。たとえば、原子力産業の分野では、材料の表面
の放射線による劣化、特性の変化等を把握するために、
この材料の表面近傍の物性を７ＩＩＩＪ定することが必
要である。また、この他にも、薄い合成樹脂フィルムの
物性を測定したり、被膜、塗料等の物性を測定する場合
にもこのような測定が必要である。また、半導体産業の
分野でも、チップの表面に被着した回路パターンの薄膜
の物性を７１Ｐ１定することが必要である。

従来、このような試験材料の表面近傍の物性をΔＦＪ定
するために、微小硬度計が使用される。この微小硬度計
は、基本的には従来の硬度計と同じであるが、圧子に作
用させる荷重を数十ｍｇとし、この圧子の押込み深さを
極めて浅くシ、試験材料の表面近傍の物性のみを測定で
きるようにしだものである。

しか、シ、このように圧子の押込み深さが極めて浅くな
ると、測定された硬度の精度が大きく低下する。すなわ
ち、この圧子が試験材料の表面に接触を開始したごく初
期の段階では、この表面の変形は圧子の形状に依存した
もので弾性変形が主成分であり、この圧子に対応した圧
痕が小さくなり、見掛は上硬度が極めて高くなるという
誤差を生じる。また、表面荒さもこのような７１ｐノ定
誤差の原因となる。この圧子の押込み深さが上記のよう
に極めて浅い場合には、従来の方法では、塑性変形骨を
分離して見積もることができず、したがって硬度ないし
引張り強さを正確に評価することができなかった。

従来の方法に改良を加えたものとして、［特開屏？６２
−６９１４１号」および「特開昭６２２３１１３６号」
に開示されているような微小硬度計がある。これらのも
のは、圧子の押込み荷重を変化させなから圧子を押込み
、各荷重と押込み深さとの関係を連続的または段階的に
測定し、誤差を少なくすることを目的としたものである
。しかし、これらのものは、圧子の荷重と押込み深さが
ほぼ比例すること、すなわち試験材料の表面が圧子の押
込みに対応して塑性変形することを前提としている。し
たがって、これらのものは、材料の表面の数μｍないし
数十μｍの範囲の測定を対象としている。

しかし、最近では、材料の表面近傍の物性の測定をさら
に高精度にすることが要望されている。

このようなａｌｌｌ定の高精度化の要求に対応するには
、材料の表面の１μｍまたはこれ以、下の極めて浅い部
分のみの物性を４−１定することが要求される。このよ
うな極めて浅い部分圧子を押し込む場合には、材料の弾
性変形および表面荒さの影響が極めて大きくなり、圧子
の荷重と押込み深さとの関係は複雑となり、精度が大幅
に低下する不具合を生じる。

このような不具合を改善するために、圧子に作用する荷
重を変化させながらこの圧子を試験材料表面の極めて浅
い領域に押込み、またこの荷重を変化させながらこの圧
子を引抜き、この押込み過程と引抜き過程において圧子
の荷重と押込み深さとの関係を連続的に４ＦＩ定・記録
し、これらの荷重と深さの関係からこの材料の引張り強
さやヤング率等の物性を７１１１Ｊ定する方法が開発さ
れた。

しかし、このような方法で使用される４Ｐ１定装置は、
圧子の押込み荷重が数十ｍｇ程度、押込み深さも数百ｎ
ｍ程度である。したがって、従来の押込み形の硬度計で
は精度が十分でなく、上記のような精密な４１定には適
していなかった。このため、上記のような精密な測定に
使用できるような精度の高い測定装置が開発された。し
かし、このような精密な測定装置は、温度変化等の経時
変化の影響を受けやすく、精度が低下することがある。

このような不具合を防止するには、この測定時の前、ま
たは所定の間隔て頻繁に校正を行なわなければならない
。しかし、このように頻繁に校正作業を行うと測定作業
の能率が低下し、また正確な校正を行うには熟練を要す
る等の不具合があった。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は以上の事情に基づいてなされたもので、校正を
自動的かつ熟練を要することなく能率的に行うことがで
きる微小押込み形材料物性試験装置を提供するものであ
る。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、圧子を保持する圧子アームにの変位を検出す
る押込み深さ検出器を精密位置決め装置でこの圧子アー
ムに対して変位できるように移動させるとともに、校正
を自動的に行う測定・制御装置を備え、この測定・制御
装置は上記の押込み深さ検出器を変位させる旨の指令を
出力するとともに、この押込み深さ検出器が変位される
ごとにその出力信号を受けて記憶し、この押込み深さ検
出器の変位とその出力との関係からこの押込み深さ検出
器の校正を行うものである。

［作用］ 本発明によれば、上記の押込み深さ検出器の校正を自動
的かつ正確に行うことができ、またこの校正作業に熟練
を要することがなく、能率的に校正作業を行うことがで
きる。

［実施例］ 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図には、この１ｉｌｌｌＪ定装置全体を概略的に示
す。

図中の１は測定機であり、この測定機は気密容器２内に
収容されている。またこのＡＰＩ定機１には、４１１１
定・制御装置３が接続されており、この測定・制御装置
３は上記の気密容器２の外側に配置されている。

上記の圧子アーム部３１の先端部の上方には、押込み深
さ検出器５０が配置されている。この押込み深さ検出器
５０は、非接触形の光学式の変位計を使用しており、こ
の圧子アーム部３１の先端部の変位をたとえば１０ｎｍ
の精度で険出し、この圧子の押込み深さを検出し、電気
信号に変換する。また、この押込み深さ検出器５０は精
密位置決め機構たとえば直動形のマイクロメータヘッド
５１によって精密に上下の位置決めができるように構成
され、上記の圧子アーム３０の先端部に対して精密に変
位司能である。

また、第２図には、上記の測定・制御装置３の構成を示
す。この測定・制御装置３内には、７Ｉｌｌｌ定・制御
回路９０が設けられており、この回路は後に説明するよ
うにこのＡＰＪ定機１の制御、校正および測定結果の処
理をなすものである。

Ａ１１ｌ定・制御回路９０には、以下のようにして上記
の押込み深さ検出器５０の校正を自動的に行うようにプ
ログラムかなされている。まず、校正に先立って圧子ア
ーム３０を回動しないようにロックする。つぎに、上記
のΔＰ１定・制御回路９０に校正の際の上記押込み深さ
検出器の１ステツプごとの移動量とステップ回数を入力
する。なお、このような設定は予めおこなっておいても
よい。そして、上記のＡｌ１定・制御装置３を作動させ
ると、上記の深さ検出器５０からの出力がこの測定・制
御回路９０に入力され、記録される。次に、このＪＩＩ
Ｊ定・制御回路９０からの信号によって、次のステップ
の校正を行う旨の指令がなされる。作業者は、この指令
にしたがって、上記の直動形のマイクロメータ５１を操
作し、予め設定された所定の変位量Δｌだけこの深さ検
出器５０を圧子アーム３０に対して移動させる。次に、
この測定・制御回路９０て上記の深さ検出器５０からの
出力を受け、記録する。以下、同様にして深さ検出器５
０の移動量とその出力をｎ１定する。このようにして測
定された移動ｆｆ１ｌと出力Ｖの関係は、第３図のよう
になる。このような特性から、これらｌとＶの関係を、 Ｖ−ｋ　　ｌ十Ｍ の関係式にあてはめ、この定数ｋを算出する。この定数
には、第３図に示す直線の傾斜、すなわちこの押込み深
さ検出器５０の感度である。そして、このＡｌ１定・制
御回路９０はこのｋの値を記憶し、実際の測定の際には
この感度ｋを使用してこの押込み深さ検出器５０からの
出力から圧子３６の実際の押込み深さを正確に算出する
。

なお、本発明は上記の実施例には限定されない。

［効果］ 上述の如く、本発明によれば、この測定・制御装置とマ
イクロメータヘッドを用いて自動的に押込み深さ検出器
の感度の校正ができ、この校正作業が能率的であるとと
もに、校正作業に熟練を要することがなく、常に正確な
校正をおこなうことができる等、その効果は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置全体の概略図、第２図は測定・制
御装置の概略構成図、第３図は深さ検出器の移動量と出
力の関係を示す線図である。 １・・・ａｌｌ定機、２・・・気密容器、３・・・測定
・制御装置、３０・・・圧子アーム、３３・・・荷重ア
ーム部、３６・・・圧子、４０・・・押込み荷重機構、
５０・・・押込み深さ検出器、５１・・・マイクロメー
タヘッド、６０・・・荷重検出器、７０・・・軸受は機
構。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）フレームと、このフレームに回転自在に支承され
   た圧子アームと、この圧子アームの先端部に取り付けら
   れた圧子と、この圧子アームにトルクを与え上記の圧子
   に押込み荷重を加える押込み荷重機構と、上記の圧子ア
   ームの先端部の変位を検出して上記の圧子の押込み深さ
   を検出する押込み深さ検出器と、この押込み深さ検出器
   を上記の圧子アームの先端部に対して移動させる精密位
   置決め装置と、上記押込み深さ検出器からの信号を受け
   るとともに、上記の精密位置決め装置を操作して上記の
   押込み深さ検出器を上記の圧子アームに対して変異させ
   る旨の指令を出力する測定・制御装置を備え、この測定
   ・制御装置は上記の押込み深さ検出器が移動されるごと
   にその出力を記憶し、これらの出力と上記の押込み深さ
   検出器の変位量の関係からこの押込み深さ検出器の校正
   を行うものであることを特徴とする微少押込み形材料物
   性試験装置。
2. （２）上記の押込み深さ検出器は、非接触形の光学変位
   検出器であることを特徴とする請求項１記載の微小押込
   み形材料物性試験装置。
3. （３）上記の精密位置決め装置はマイクロメータヘッド
   であることを特徴とする請求項１記載の微小押込み形材
   料物性試験装置。