JPH08136429A

JPH08136429A - 衝撃破壊試験方法および装置

Info

Publication number: JPH08136429A
Application number: JP30306794A
Authority: JP
Inventors: Megumi Yoshida; 恵吉田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1994-11-11
Filing date: 1994-11-11
Publication date: 1996-05-31

Abstract

(57)【要約】【目的】薄膜試料等のような基板と一体になった試料に
ついても強度測定ができる衝撃破壊試験方法および装置
を提供する。【構成】薄膜衝撃試験機において、重錘２は自由落下
し、半球状圧子２ａが傾斜試料台３に固定された基板１
３と一体をなす薄膜試料Ｓの表面に至り、試料Ｓを衝撃
破壊させながら運動エネルギーを失っていく。その一連
の重錘２の落下速度変化を光ファイバレーザドップラー
速度計（ＬＤＶ）が測定し、デジタルオシロスコープ６
がその時間プロファイルを捕捉する。そして演算手段１
２によって試料強度が計算される。すなわち、薄膜Ｓの
表面に到達時点での重錘２の落下速度ｖ₁と基板表面に
到達時点での落下速度ｖ₂を用いて薄膜材料Ｓの衝撃強
さＲがＲ＝ｍ（ｖ₁−ｖ₂）／２Ｖによって求められる。ここで、ｍは重錘２の質量、Ｖは
重錘下端の半球状圧子２ａの薄膜材料Ｓへの侵入体積で
あり、重錘落下速度プロファイルより見積られる薄膜材
料Ｓの膜厚及び圧子２ａの形状より求められる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、試料に衝撃を与えてそ
の強度を測定する衝撃破壊試験方法および装置、特に薄
膜試料の強度測定に適した衝撃破壊試験方法および装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、薄膜状でありながら高い機械的耐
久性を有する材料への要求が益々高まっている。例え
ば、ハード磁気ディスク装置における媒体保護膜がそれ
に相当する。ハード磁気ディスク装置では高速回転する
ディスク上を磁気ヘッドを搭載した浮動ヘッドスライダ
が流体力学的効果により１００ｎｍ以下という極めて微
小な隙間を保ちながら浮上している。従って、突発的な
外乱によりスライダ浮上姿勢が乱れ、やむを得ずスライ
ダがディスク表面に高速接触する場合も有り得るため、
ディスク上の媒体保護膜は１０〜２０ｎｍという膜厚で
そうした際の衝撃的ダメージから媒体損傷を防がなけれ
ばならない。そのような高い衝撃強さを持つ媒体保護膜
を開発する上で、薄膜材料に適用可能な衝撃破壊試験機
は必要不可欠である。しかしながら、薄膜材料に適用可
能な衝撃破壊試験機は従来全く見られない。

【０００３】バルク材料における衝撃破壊試験は一般に
シャルピー試験等の振子型衝撃試験あるいは落錘衝撃試
験が用いられる。これらの特性値は試験体を完全に曲げ
変形させ、その時の破壊エネルギーを求め、衝撃強さと
する。破壊エネルギーは、振子型衝撃試験では試験片を
完全分離破断した後の振子の振り上がり角度から、また
落錘衝撃試験では重錘の重量あるいは落下高さの何れか
一方のみを変化させて破壊エネルギーの臨界値を繰り返
し試験することによって求められる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記バルク材料におけ
る衝撃破壊試験法における破壊エネルギーの測定は、上
述のように振子型衝撃試験では試験片を完全分離破断し
た後の振子の振り上がり角度から、落錘衝撃試験では重
錘の重量あるいは落下高さの何れか一方のみを変化させ
て破壊エネルギーの臨界値を繰り返し試験することによ
り行われる。この様な手段を薄膜材料に適用しようとし
た場合、試験体である薄膜は基板と一体であるため、基
板と切り分けられた薄膜自体の特性値を得ることは極め
て困難と判断される。また、破壊エネルギー臨界値近傍
での繰り返し試験を必要とする落錘衝撃試験では特に、
種々の薄膜材料間の衝撃強さの微妙な大小関係を見極め
るに充分な精度と分解能を有しているとはとても言い難
い。

【０００５】本発明の目的は、薄膜試料等のような基板
と一体になった試料についても強度測定ができる衝撃破
壊試験方法および装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明においては、重錘等の衝撃部材を試料に衝突
させ、衝撃部材の速度を検出し、衝突後の衝撃部材の速
度変化に基づいて試料の強度を算出するようにした。

【０００７】特に、衝撃部材の速度変化に基づいて、試
料の衝撃破壊により消費されたエネルギー損失を算出す
ることによって試料の強度を求めることができる。

【０００８】衝撃部材の速度測定には、たとえば光ファ
イバレーザドップラー速度計（ＬＤＶ）を用いる。

【０００９】また、薄膜試料については、傾斜試料台を
用いることにより、薄膜材料の衝撃圧縮強さに加え、衝
撃せん断強さ及び基板との衝撃付着強さをも包括した総
合的な衝撃強さの測定が可能となる。

【００１０】

【作用】試料に衝突した衝撃部材の速度変化に基づいて
試料の強度を算出する。そのため、薄膜試料等のような
基板と一体になった試料についても強度を求めることが
できる。

【００１１】

【実施例】本発明による衝撃破壊装置の一実施例を図１
に示す。本実施例は薄膜試料の強度を測定する装置で、
落錘衝撃試験による装置である。すなわち、本実施例の
薄膜衝撃破壊試験機は、重錘落下用円筒１、重錘２及び
試料Ｓを截置する傾斜試料台３から成る重錘落下装置
と、光ファイバレーザドップラー速度計（ＬＤＶ）の光
学ヘッド４、ＬＤＶコントローラ５及びデジタルオシロ
スコープ６から成る重錘落下速度測定系とで構成され
る。

【００１２】さらに、図１において、７は重錘２を吊る
すワイヤ、８はワイヤ７を掛けるプーリ、９は円筒１を
支持するスタンドである。また、１０は光学ヘッド４と
コントローラ５を接続する光ファイバ、１１は光ヘッド
を支持するスタンドである。１２は試料の強度を計算す
る演算手段であって、たとえばコンピュータ（ＣＰＵ
等）により構成される。試料Ｓ（薄膜）は基板１３の表
面に形成され、基板１３は試料台３に固定されている。

【００１３】ＬＶＤは、ヘッド４、光ファイバ１０、コ
ントローラ５、デジタルオシロスコープ６により構成さ
れ、ヘッド４はレーザ光１４を重錘２に出射し、その反
射光を受光する。コントローラ５はヘッド４からの信号
を受けてデジタルオシロスコープ６に重錘２の速度を表
示させる。

【００１４】以上の装置によって試料の衝撃強さは次の
ように測定される。すなわち、まず重錘落下用円筒１に
ガイドされた重錘２は自由落下に近い状態で速度を増し
ながら下降する。やがて重錘２の下端に設けられた半球
状圧子２ａが傾斜試料台３に固定された基板と一体をな
す薄膜試料Ｓの表面に至り、試料Ｓを衝撃破壊させなが
ら運動エネルギーを失っていく。その一連の重錘２の落
下速度変化をＬＤＶが測定し、デジタルオシロスコープ
６がその時間プロファイルを捕捉する。

【００１５】図２は重錘２の落下速度の変化の様子を示
す図であり、たとえばオシロスコープ６によってこのよ
うな変化を見ることができる。なお図２は折れ線状に示
されているが、これは概念図であって実際はもっと滑ら
かに変化する。

【００１６】図２に示されるように、重錘の落下速度プ
ロファイルは薄膜Ｓ表面への到達時間ｔ₁と基板１３表
面への到達時間ｔ₂の２点で変曲点を持つ。この２つの
臨界点は落下速度プロファイルの微分波形を求めればよ
り明らかになる。このように基板表面に到達した時点で
変曲点を持つのは、前述したように薄膜材料と基板材料
とでは機械的特性が異なるからである。

【００１７】次にＬＤＶコントローラ５およびデジタル
オシロスコープ６からの信号に基づいて、演算手段１２
によって試料強度が計算される。すなわち、薄膜Ｓの表
面に到達時点での重錘２の落下速度ｖ₁と基板表面に到
達時点での落下速度ｖ₂を用いて薄膜材料Ｓの衝撃強さ
Ｒが下式により求められる。Ｒ＝ｍ（ｖ₁−ｖ₂）／２Ｖここで、ｍは重錘２の質量、Ｖは重錘下端の半球状圧子
２ａの薄膜材料Ｓへの侵入体積であり、重錘落下速度プ
ロファイルより見積られる薄膜材料Ｓの膜厚及び圧子２
ａの形状より求められる。上式からわかるように、衝撃
強さＲは、重錘２が薄膜Ｓの表面到達時ｔ₁の運動エネ
ルギーと基板１３表面到達時ｔ₂の運動エネルギーとの
差をＶで除した値である。

【００１８】次に、本実施例の薄膜衝撃破壊試験機の性
能を測定例により説明する。（測定例１）１０ｍｍ角のガラス基板上にカーボンを厚
さ１μｍマグネトロンスパッタ法により成膜した薄膜試
料について、図１に示す薄膜衝撃破壊試験機で衝撃強さ
を測定した。測定条件は、重錘質量５ｇ、重錘設定高さ
（重錘下端の圧子２ａから薄膜試料Ｓ表面までの距離）
５ｃｍ、重錘下端に設けられた半球状圧子２ａの材質は
ダイヤモンドで曲率半径５μｍのものを使用した。この
条件下で評価されたカーボン膜の衝撃強さは３．２×１
０¹²ｅｒｇ／ｃｍ³であった。

【００１９】（測定例２）測定例１と同様な測定条件下
で水素を添加したカーボン膜の衝撃強さを評価した。水
素添加カーボンは１０ｍｍ角のガラス基板上にマグネト
ロンスパッタ法で１μｍ成膜した。成膜時のチャンバー
雰囲気はアルゴン１．６ｍＴｏｒｒ、水素０．４ｍＴｏ
ｒｒとした。その結果、水素添加カーボンの衝撃強さは
３．９×１０¹²ｅｒｇ／ｃｍ³と評価された。水素添加
することにより、約２０％衝撃強さが向上した。

【００２０】以上のように、上記装置を用いれば、落錘
衝撃試験装置を基本構成とした衝撃破壊試験機におい
て、重錘２の落下速度の時間変化をレーザドップラー速
度計（ＬＤＶ）によってモニタすることにより、次の効
果をもたらすことができる。すなわち、ＬＤＶは速度分
解能が１μｍ／ｓｅｃ、また最大応答周波数も１ＭＨZ
と両特性とも極めて高く、レーザの周波数変化から速度
を求めるため、被測定物の表面状態に因らず安定した測
定が行える。このため、試料片の衝撃破壊によって消費
された重錘２のエネルギー損失（＝衝撃強さ）が高感度
・高精度に測定可能となる。薄膜材料Ｓとその基板材料
１３とは機械的特性が異なるため、衝撃破壊する際の破
壊モードも若干異なる。そのため、ＬＤＶによる重錘２
の速度プロファイルを観れば、重錘２が薄膜材料Ｓを衝
撃破壊し基板材料１３に到達した時間が特定でき、基板
材料１３と一体をなす薄膜材料Ｓ自体の衝撃強さの同定
が可能となる。

【００２１】また、薄膜材料Ｓの衝撃強さを議論する多
くの場合、押し込みに対する圧縮強さに加え、せん断強
さや基板１３との付着強さも問われる。そこで、上記装
置では薄膜衝撃破壊試験機の試料台として傾斜試料台３
を用いることにより試料面に衝撃圧縮力と同時に衝撃せ
ん断力をも意図的に発生させ、上記衝撃強さが総合的に
測定できる。

【００２２】上記装置によるこれらの効果は、高衝撃強
さを要求される薄膜材料の開発を著しく進展させるもの
である。

【００２３】上記実施例においては、薄膜試料について
説明したが、本発明は他の試料に付いても適用可能であ
る。また、上記例では落錘衝撃試験を例に取ったが、本
発明はその他の衝撃試験方法にも適用可能である。たと
えば衝撃部材（実施例では重錘２）の運動方向は鉛直方
向に限らず、水平方向でもよい。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
薄膜試料等のような基板と一体になった試料についても
測定することができる。

【００２５】また、薄膜試料片の試料台として傾斜試料
台を用いることにより、薄膜材料の衝撃圧縮強さに加
え、衝撃せん断強さ及び基板との衝撃付着強さをも包括
した総合的な衝撃強さの測定が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である薄膜衝撃破壊試験機の
概略構成図である。

【図２】重錘の落下速度−時間線図である。

【符号の説明】

１重錘落下用円筒２重錘３傾斜試料台４レーザドップラー速度計（ＬＤＶ）光学ヘッド５ＬＤＶコントローラ６デジタルオシロスコープ１２演算手段Ｓ試料

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】衝撃部材を試料に衝突させ、前記衝撃部
材の速度を検出し、衝突後の衝撃部材の速度変化に基づ
いて試料の強度を求めることを特徴とする衝撃破壊試験
方法。
【請求項２】前記衝撃部材の、前記試料に到達した時
と前記試料を破壊した時との運動エネルギーの差に基づ
いて強度を求める請求項１の方法。
【請求項３】衝撃部材を試料に衝突させる手段と、前
記衝撃部材の速度を検出する速度検出手段と、衝突後の
衝撃部材の速度変化に基づいて試料の強度を求める演算
手段とを備えたことを特徴とする衝撃破壊試験装置。
【請求項４】前記演算手段は、前記衝撃部材の前記試
料に到達した時と前記試料を破壊した時との運動エネル
ギーの差に基づいて強度を求める請求項３に記載の装
置。
【請求項５】前記試料は基板に形成された薄膜試料で
あり、前記速度検出手段はレーザドップラー速度計であ
り、前記演算手段は前記衝撃部材が前記薄膜試料の表面
に到達した時の運動エネルギーと前記基板の表面に到達
した時の運動エネルギーとの差に基づいて強度を求める
演算手段である請求項４に記載の装置。
【請求項６】前記衝撃部材を試料に衝突させる手段
は、傾斜試料台を備え、前記薄膜試料に対して斜めから
衝撃部材を衝突させる請求項５記載の装置。