JPH0387637A - 表面特性測定装置 - 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】 Ａ．産業上の利用分野 本発明は固体表面や薄膜の力学特性を測定する装置に関
し，特に接触針が試料表面に対して平行運動するように
加振機構を改良したものである。

Ｂ．従来の技術 例えば真空蒸着法、スパッタ法、プラズマＣＶＤ法等に
よって製造した金属、無機質などの薄膜について、膜と
基板との付着力，特にこの付着力の指標ともなる摩擦係
数、硬度、表面粗さなどの特性を測定する表面特性測定
装置が知られている。

第６図は従来装置の一例を示し、箱型の加振装置５１に
接触針５２が弾性体５３を介して接続されている。測定
時に接触針５２は、ｘ−ｙ軸微動装置を組み込んだ試料
台５４上に固定された試料ｓｐの表面に接する。加振装
置５１は、Ｚ軸微動装置５５と、２つの発振器５６と、
各々の発振器５６に接続するスピーカー５７と、このス
ピーカー５７の前面に接続した振動伝達板５８とによっ
て構成される。接触針５２のカートリッジから出力され
る振動信号は増幅器５９を介してオシロスコープ６０に
よってｉ察することができる。

また第７図は，先に本出願人が出願した表面特性測定装
置における加振機構を示す図である。

７１が負荷機構のロードセルに連接される固定枠で，接
触針７２を保持するカートリッジ７３はこの固定枠７１
の下方部に板はね（弾性体）７４を介して取り付けられ
ている。この両板ばね７４の上端は取付板７５で連結さ
れているが、この取付板７５には連結枠７６を介してコ
イル体７７が連結されている。このコイル体７７は固定
枠２１の両側に固定された永久磁石７８と協働するムー
ビングコイル機構を構成し、したがって、このコイル体
７７のコイルに交流信号が印加されるとコイル体７７に
振動が与えられ取付板７５に垂設された接触針７２が振
動する。

Ｃ１発明が解決しようとする課題 しかしながら、第６図、第７図に示す装置にあっては、
振動伝達板５８あるいは板ばね７４がその上部連結端を
支点として左右に揺動するから接触針５２あるいは７２
は円弧運動する。その結果、接触針が試料ｓｐの表面で
振動接触する際に、上記円弧運動に応じて負荷の大きさ
が変化してしまい、正確に表面特性が測定できないとい
う問題がある。

本発明の技術的課題は、接触針を試料表面に対して正確
に水平運動させることにある。

０１課題を解決するための手段 一実施例を示す第１図に対応づけて本発明を説明すると
、本発明に係る表面特性測定装置は、先端が試料表面に
接触する接触針２３と、接触針２３を試料表面に一定の
負荷で接触させる負荷機構りと、その負荷方向と直交す
る方向に振動して接触針２３を試料表面に対して平行運
動で往復動させる加振手段Ｂと、加振時の接触針２３の
試料ＳＰに対する摩擦力に対応する振動の大きさを検出
する検出手段りとを具備する。

Ｅ２作用 加振手段Ｂが試料ｓｐと平行に振動すると接触針２３が
試料ＳＰの表面に対して平行運動で往復動する。そのた
め、接触針２３が試料ＳＰと接触するどの領域でも一定
の接触圧となる。

なお、本発明の詳細な説明する上記り項およびＥ項では
、本発明を分かり易くするために実施例の図を用いたが
、これにより本発明が実施例に限定されるものではない
。

Ｆ、実施例 以下、図面に示す実施例にしたがってこの発明を説明す
る。

第１図はこの発明による測定装置の全体を理解しやすく
模式的に示す図で、Ａが測定本体部、Ｃが計測制御部、
Ｒが記録計である。

まず測定本体部Ａについてこの構成を説明すると、１は
測定本体枠で下方には試料ｓｐを載置するｘ−Ｙステー
ジ３，４が昇降台２の上面に設置されている。試料ＳＰ
の上方の枠部には、測定負荷部りと加振部Ｂが設けられ
るとともに、試料ＳＰの表面を観察するための光学系に
も並設されている。ここでＳは接眼レンズ、Ｔは対物レ
ンズ、■は照明光学系を示す。

測定負荷部りは電子天びんの原理による電磁力方式が採
用されている。すなわち、６は本体側１側に固設され計
測制御部Ｃから所要の電力が供給される電磁用コイル、
７はそのコア（鉄心）である。この鉄心７は支点Ｅを中
心に揺動自在なレバー８の一端に連結され、レバー８の
他端には負荷板９が連結されている。この負荷板９の下
方にはロードセル１０を介して加振部Ｂの固定枠３１が
連接されている。ロードセル１０からの負荷値は電気信
号として計測制御部Ｃに入力されており、計測制御部Ｃ
はロードセル１０からの出力信号に応じてコイル６への
電力供給をフィードバック制御し、これにより一定の負
荷を設定したり、低速で負荷を増減制御することもでき
る。

加振部Ｂは、第２図に模式的に示す検、１０部りの接触
針２３を試料ｓｐに対して平行運動で加振するものであ
り、検出部りは加振部Ｂの固定枠３１に固設されている
。

第２図は、レコード針などのピックアップとして周知な
検出部りの先端部を模式的でかつ斜視的に示す図である
。図において、２１はカートリッジ、２２はカートリッ
ジ２１を着脱可能に保持する保持杆であり、保持杆２２
は固定枠３１に取付けられる。接触針２３はカートリッ
ジ２１に対し、支持部Ｚで揺動自在に支持されたレバー
２４の先端に保持されている。このレバー２４の他端に
はマグネットＭが付設されていて、レバー２４が支持部
Ｚを中心にｍｆｌ］ｔ、てマグネットＭが左右に振れる
と、これを検出コイル２５が検出し電気信号として出力
するつ 第３図は加振部Ｂと検出部りの取付けの詳細を示す概略
図である。枠体３１の内部空間３１　ａにはスラスト軸
受３２が設けられている。一方、内部空間３１ａの出力
開口端には一対の電歪素子３３Ｌ、３３Ｒが設置され、
その自由端側に上述した検出部りの保持柱２２が固着さ
れている。電歪素子３３Ｌには発振器３４から交流信号
が印加され、電歪素子３３Ｒには反転器３５を介して発
振Ｗ３４から交流信号が印加されるので、電歪素子３３
Ｌ、３３Ｒは互いに逆モードで水平方向に振動し、保持
柱２２を左右に加振する。保持柱２２の上端面はスラス
ト軸受３２と当接しており、検出部りには固定枠３１．
スラスト軸受３２を介して負荷機横丁４から垂直方向に
荷重が与えられる。

検出部りはスラスト軸受３２を介して加振部Ｂと接して
いるから電歪素子３３Ｌ、３３Ｒにより検出部りを加振
するとき両者間の摺動抵抗は小さく、検出精度に悪影響
を与えることがないのに加えて、試験に先立ってスラス
ト軸受３２の面を試料ＳＰの表面と平行にしておけば、
接触針２３を試料ＳＰの表面に対して平行運動させるこ
とができる。

さて以上のような構成において試料ＳＰの表面の摩擦特
性や薄膜の付着力の測定は次のとおり行われる。

カートリッジ２工と接触針２３は加振機構によって第２
図の矢印方向に加振される。この場合、カートリッジ２
１の強制振動に応じて接触針２３は、試料ＳＰに一定の
負荷で付勢されているものの引きずられて動く。しかし
、振動の極限の付近では接触針２３は動きを止め逆方向
に働く復元力が摩擦力を上回るまでの開停止する。他方
カートリッジ２１は加振を続けるからレバー２４とカー
トリッジ２１との相対的変位がコイル２５にて検出され
る。この検出信号は第４図にも示すとおり計測制御部Ｃ
に入力されるようになっており、この信号値で特性の測
定が行われるのである。この場合ロードセル１０からの
荷重値も重要な要素となる。

具体的には摩擦係数と付着力はつぎの形で測定される。

１）摩擦係数の測定 摩擦力（μＷ）がレバー２４の最大復元力（ｋＸｏ）よ
り大きくなった時、接触針２３の動きはカートリッジ２
１の強制振動に追随していかなくなり、カートリッジ２
１の出力電圧が飽和してしまう。よってカートリッジ出
力電圧が飽和する荷重Ｗｓがわかれれば、摩擦係数は、
ｘｏ：カートリッジの振幅 に：保持柱２２の水平バネ定数 で求められる。

２）付着力の測定 薄膜などにこの装置を用いると、付着力を測定すること
ができる。荷重を増していくと、薄膜に破壊を生じる。

この破壊された膜の破片などによりカートリッジ出力電
圧にノイズ状の信診を与える。よってこの信号変化によ
り剥離時の荷重（Ｗｃ）を知ることができる。

付着力の決定には、以下に示すＢｅｎｊａ＋ａｉｎ　ａ
ｎｄＷｅａｖｅｒの式を用いる。

ここで、Ｆは付着力、Ｈはブリネル硬さ、ＷＣＬよ剥離
の臨界荷重、Ｒは接触針の先端の半径である。

なお、付着力はＢｅｎｊａ＋ｉｉｎ　ａｎｄ　ｔｉｌｅ
ａｖａｒの式のような単純な式で表わせないという指摘
もあるが、試験条件の異なるデータを比較検討するため
の便宜としてこの式で求める。

測定において、試料ＳＰを水平（Ｙ軸）方向に変位され
ることによって時間の経過ごとにおける摩擦力とか付着
力の変化を記録計Ｒにて記録することができる。この場
合、試料ＳＰはＹ軸棒動台４がモータ５によって台３に
対して変位させられる。すなわちモータ５の回転により
、ねじ送り機構が作動し移動台３が紙面垂直方向に変位
する。

なお、具体的な測定操作は第５図に示すようなフローチ
ャートにしたがって行われる。

この発明の一実施例は以上のとおりであるが、本発明は
上記ならびに図示例に限定されるものではなく、穐々の
変形実施例をも包含するものである。特に負荷機構につ
いて図示例では電子天びんの原理でレバー８を使用し、
電磁力にて負荷する方式としたが、天びん方式でなく直
接的に電磁力を作用させるようにしてもよいし、電磁力
以外の負荷方式でもよい。例えば、電歪素子を使用して
負荷力を発生させるようにしてもよい。接触針の支持構
造、検出機構も図示例に限定されるものではない。さら
に、負荷の方式として接触針を上方から付勢させる形の
みでなく、下方の移動台の方を動かせる形とすることが
できる。

この発明はこれらすべての変形例を包含する。

Ｇ１発明の効果 この発明が提供する表面特性測定装置によれば、接触針
が試料表面に対して平行運動で往復動するから、接触針
が試料と接触するどの領域でも接触針の負荷圧力が一定
となり精度の高い測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による測定装置全体の構成を模式的に
示す図、第２図、第３図は測定装置の構成要素の一部を
拡大して示す図、第４図は電気回路図、第５図はフロー
チャート図、第６図および第７図は先行技術を説明する
図である。 Ａ：測定本体部　　　Ｂ：加振部 Ｃ二計測制御部　　　Ｄ＝検出部 Ｅ：支持部　　　　　Ｌ：測定負荷部 Ｍ：マグネット　　　Ｒ：記録計 １：測定本体部　　　３，４：移動台 ５：モータ　　　　　６：コイル ７：鉄心　　　　　　８ニレバー ９：負荷板　　　　１０：ロードセル ２１：カートリッジ　２２：保持柱 ２３＝接触針　　　　２４ニレバー ３１：固定枠　　　　３２ニスラスト軸受３３Ｌ、３３
Ｒ：電歪素子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　先端が試料表面に接触する接触針と、接触針を前記試
   料表面に一定の負荷で接触させる負荷機構と、その負荷
   方向と直交する方向に振動して前記接触針を試料表面に
   対して平行運動で往復動させる加振手段と、加振時の接
   触針の試料に対する摩擦力に対応する振動の大きさを検
   出する検出手段とを具備することを特徴とする表面特性
   測定装置。