JPS61193047A - 微小硬度測定機 - Google Patents

微小硬度測定機

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JPS61193047A
JPS61193047A JP3384085A JP3384085A JPS61193047A JP S61193047 A JPS61193047 A JP S61193047A JP 3384085 A JP3384085 A JP 3384085A JP 3384085 A JP3384085 A JP 3384085A JP S61193047 A JPS61193047 A JP S61193047A
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JP
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indenter
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displacement
load
displacement gauge
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JP3384085A
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Masahiro Yanagisawa
雅広 柳沢
Yoshihiro Motomura
嘉啓 本村
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NEC Corp
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NEC Corp
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/40Investigating hardness or rebound hardness
    • G01N3/42Investigating hardness or rebound hardness by performing impressions under a steady load by indentors, e.g. sphere, pyramid
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/003Generation of the force
    • G01N2203/005Electromagnetic means
    • G01N2203/0051Piezoelectric means

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  • Pathology (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

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) 本発明は極く表面層あるいは薄膜の微小硬度を測定する
微小硬度測定機に関する。
(従来技術とその問題点) 近年、産業上重要となってきている薄膜の機械特性の1
つとして硬度を測定するfcRが種々考案されてき九〇 例えばプレティン・オプ・ザ・ジャパニーズ・ソサエテ
ィ・オプ・グレシジッン・エンジニアリング(Bull
、 Jap、 8oc、 Prec、 Bng、、 3
 、1(1968)13)3巻、1号、1968年、1
3頁に記載されている様な装置は平衝型の天秤を用いて
片方のはりを電磁石によシ上下させて他方に取シ付けた
圧子を試料に押し付けて圧こんを観察するものがあるが
圧こんを観察することおよび電磁石を使用しているとと
から荷重の精度は0.19と精度が悪く膜厚0.1μm
程度の薄膜の硬度を測定することは困難である。
また固体物理、8巻、5号、1973年、29頁−33
頁に記載されている様な装置はスジインゲージに取)付
けら九九圧子を電流計の指針によって力を加えて圧子を
試料表面に押しつけると同時に圧子に取シ付けられた電
気容量式の変位計を用いて押込み量を測定するものがあ
るが、圧子と試料の接触を検出することが困難な上、電
流計の指針を使って荷重を加えていることから設定荷重
を変えて複数回の試験を行なわなければならず、また押
込み荷重の精度が悪い。また変位検出の精度も0.01
μmと0.1μmレベルの膜厚の硬度測定には精度が不
足である。
またジャール・オプ・フィツクス・E:サイエンス・イ
ンスツルメント(J 、Phys、 E: 8ei。
Instrum舎 、vol   15.  1982
.  119   122)15巻、1982年、11
9頁−122頁に記載されている様な装置は、静電気力
によって圧子を試料に押し付け、圧子に取シ付けた電気
容量式の変位計によシ押し込み深さを測定しているが、
荷重の精度がh4と悪く、圧子と試料の接触を精度良く
検出することも困難であシ、データの信頼性に問題が有
る口また変位測定に用いた電気容量式変位計の電荷によ
る力が荷重の測定値に影響を与える。また空気中の湿度
により容量の変化を受は易く装置の環境も制御する必要
かあ)、装置は複雑で信頼性に劣る。
本発明の目的は荷重および変位の両測定において高精度
の値が得られ、0.1μmレベルの薄膜の硬度を高精度
で求めることが出来る微小硬度計を提供することにある
0 (発明の構成) 本発明はその上部に試料が取付可能な荷重変換器と、該
荷重変換器の上方に位置し圧子を試料に押込む押込み駆
動器と、該押込み駆動器と連動し荷重変換器と圧子との
変位を測定する変位計とを備えたことを特徴とする微小
硬度測定機である。
(構成の詳細な説明) 次に図面を参照して本発明の詳細な説明する。
第1図は本発明の微小硬度計の一実施例を表わす図で、
試料1は荷重変換器として用いられる電子天秤2の試料
皿3の上に乗せられている。先端が半径0.1μmにイ
オンミリングによりて仕上げられた圧子として用いる五
角錐ダイアモンド圧子4は押し込み駆動器として用いら
れる圧電アクチュエータ5によフ試料面に押込まれる。
圧子4に取付けられた変位計として用いられるフォトニ
ックプローブ7(商品名)からの光8は皿3に乗せられ
たW2Oに反射して該プローブ7に戻シ、プローブと鏡
の変位すなわち、圧子の試料に対する押込め量が測定さ
れる口なおこの場合、鏡の代)に試料自身を用いること
もできる口圧子による押込み荷重は試料が乗せられた電
子天秤で測定される。
第2図は本発明の微小硬度計の一実施例を示すブロック
図でパーソナルコンビエータ9からの制御信号をデジタ
ル/アナログ変換器10.定電圧電源11および電圧増
巾器12t−介して圧電アクチェエータ5に加えること
によシ駆動制御を行なう。押込みによる荷重の信号は電
子天秤2からデジタル信号として直接パーソナルコンピ
ュータ9を通してX−Yプロッタ13のY軸に加えられ
るかまたはデジタル/アナログ変換器14t−通してX
−Yレコーダ15のY軸に加えられる。押し込み深さは
7オトニツクプロープ7からの元″f、7tトニック七
ンサ16(商品名、米国フォトニクス社製)で検出する
ことによって測定され、その信号はアナログ信号として
直接X−Yレコーダ15のY軸に加えられるかまたはア
ナログ/デジタル変換器17からパーソナルコンビエー
タ9全通してX−Yブロック13のY軸に加えられる。
前記の例で荷重変換器として用いた電子天秤2の精度は
0.1μgまで使用することが出来るが、通常のプラス
ナック又は金属材料であればO,Olm、9の精度で実
用上十分である。圧子4と試料1との接触は0.1μ9
までの精度で検出可能である。
前記フォトニックプローブ又はフォトニックセンサ−は
W2Oとして金又は銀をスパッタリング又は蒸着によシ
ガラス板に被覆したものを用いれば変位量0.004μ
mまで検出することが出来る。なお試料自身を用いるこ
ともできる。
たとえばダイアモンド圧子4は先端が一点になる様に五
角錐が用いられる。頂角は出来るだけ小さい方が好まし
いが、加工の歩出シから80°程度が適当である。先端
は研磨だれにより大きな曲率半径を持つので、0.01
〜0.1μmの半径に仕上げる為にアルゴンイオンによ
るイオンエツチング法を用いる〇 微小硬度計は荷重を加える駆動系と、変位検出部が一体
となって動き、かつそれらと荷重検出部は独立になって
いる為、駆動系のヒステリシスには全く影響されない。
また変位検出部に光を用いているので、変位検出が荷動
検出に影響を与えることもない。また荷重検出部に電子
天秤を用いることによシきわめて高精度の荷重検出能を
有することが出来る。また駆動系に圧電アクチェエータ
を用いることによシ、毎秒I Elmから毎秒1100
n程度の範囲で±lnm程度きわめて微小な押込み量を
制御することが出来る。
また本発明に用いられる荷重変換器には前述の電子天秤
以外にも平衝型化学天秤、動ひずみ型荷重変換器(スト
レインゲージ)なども用いることが出来るが精度および
取扱いの簡便さを考えると電子天秤が最も適している。
電子天秤は測定試料の荷重による天秤の平衡からのずれ
をフォトダイオード/7オトセ/す等で検出、シ、先の
平衡位置へ天秤を電磁石によシ戻す時に必要な電圧から
荷重に換算するもので、極めて感度が良<O,xplま
で検出が可能である◎ また本発明に用いられる変位計としては、静電容量の変
位、電磁誘導(リアクタンス)の変化、磁界の変化など
金利用する変位計も使用するととが出来るが変位測定に
際し、荷重がかかることにより精度が悪いことおよび空
気中の湿度の影響を受は易い。また光干渉計を利用した
変位計も有るが、0.O1μm程度の変位を測定するに
は変位計と被測定物の間を極めて近づけなければならず
非接触で測定することは困難である口そこで最も適して
いる変位計は以下説明するフォトニックセンサ(商品名
、米国フオトニクス社製)である。フォトニックセンサ
は元ケーブルからの光を被測定物に反射させ、戻シ元の
強度によシ変位を検出するもので、非接触でしかも被測
定物に力などの影響を与えずに高精度に変位を測定する
ことが出来る。また本発明に用いられる押し込み駆動器
としては電磁石による電磁気力を用いるもの油圧又は空
気圧を用いるもの等も使用することが出来るが圧子の微
小な変位を精度良く制御することは難しい0また静電力
を利用するものもあるが空気中の湿度の影響を受は易く
制御がきわめて難しい。そこで最も適した押し込み駆動
器は圧電アクチェエータである。圧電アクチェエータは
ピエゾ素子の積層体からなっておシ印加電圧を変えるこ
とにょシ全体が伸縮する・ 実施例 次に実施例によシ本発F!Aを詳細に説明する。
(実施例1) 10ミリ角のガラス板上<*to、lyμmスパッタリ
ング法により被覆して試料1を作製し九0この試料を第
1図、第2図に示した微小硬度計で硬度を測定した。こ
こで用いた電子天秤は荷重精度10μgであシ7オトニ
ックプロープの変位精度40Xであった。とこで圧電ア
クチュエータによる押込み速度は毎秒7 nmで行なっ
た0この結果X−Yレコーダ上に描かれた荷重−押込み
深さ曲線は第3図の様てあシ、錫の膜厚まで圧子が押込
まれると、ガラス基板の硬度の為に曲線の勾配は急峻と
なる。この図よシ錫の押込み硬度は1.953X109
/TIであった口 (実施例2) 実施例1と同様にして但し、ガラス板上にコバルトto
、18μmスパッタリング法によシ被覆して試料1を作
製した。得られた荷重−押込み深さ曲線は第4図の様で
あシ、コバルトの膜厚まで圧子が押込まれると曲線が変
化する。この図よシコパルトの押込み硬度は2.249
 X l 09/1yxrであった〇(発明の効果) 実施例1および2で示す様にきわめて高精度で硬度の変
化する所を検出出来、その硬度を求めることが出来るこ
とが分る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の微小硬度計の一実施例の構造を示す図
、第2図は微小硬度計のブロック図の例を示す図、第3
図、第4図は押込み荷重−押込み深さ曲線図。 図において、l、試料、2.′電子天秤、3.試料皿、
4.ダイアモンド圧子、5.圧電アクチュエータ、6.
 鏡、7.  フォトニックプローブ、8゜元、9.パ
ーソナルコンピュータ、lO,デジタル/アナログ変換
器、11.定電圧電源、12゜電圧増巾器、13.X−
Yプロッタ、14.デジタル/アナログ変換器、15.
X−Yレコーダ、16.フォトニラクセ/す、17.ア
ナログ/デジタル変換器である口 〈−冬

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. その上部に試料が取付可能な荷重変換器と、該荷重変換
    器の上方に位置し圧子を試料に押込む押込み駆動器と、
    該押込み駆動器と連動し荷重変換器と圧子との変位を測
    定する変位計とを備えたことを特徴とする微小硬度測定
    機。
JP60033840A 1985-02-22 1985-02-22 薄膜硬度測定器 Expired - Lifetime JP2551931B2 (ja)

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