JP2011237366A - 試料表層切削装置における試料設置方法および試料設置装置 - Google Patents

Abstract

【課題】試料の表面が水平になるように試料を設置する。
【解決手段】試料ホルダ（２３）に保持された試料（Ｓ）の表面に圧子（２２）を押しつけたときの垂直荷重（Ｆｖｏ）を維持しながら圧子（２２）を往復移動または旋回移動し、垂直位置（Ｈ）の変化振幅が最小になるようにアクチュエータ（２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ）を伸縮して試料ホルダ（２３）の傾きを調整する。
【効果】試料の厚さにμｍレベルの勾配があっても試料の表面から一定の深さを切削することが出来る。試料の表面のμｍレベルの傾斜を直接検出することよりも、安価に検出できる。
【選択図】図１０

Description

本発明は、試料表層切削装置における試料設置方法および試料設置装置に関し、さらに詳しくは、試料の厚さにμｍレベルの勾配があっても試料の表面から一定の深さを切削することが出来る試料表層切削装置における試料設置方法および試料設置装置に関する。

従来、試料ホルダに固定された試料の表層を切刃で切削することにより表層材料の機械的特性を評価する塗膜付着強度・せん断強度測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００３−２５４８９４号公報

上記従来の塗膜付着強度・せん断強度測定装置において、試料の表面から一定の深さを切削したい場合、試料ホルダの表面を水平に調整し、その試料ホルダの表面に一定厚さの試料を固定し、切刃による切込み深さ（＝切刃の先端が切込み開始点で試料表面に接触した垂直位置を基準とした切削中の切刃の先端の垂直位置）を一定に維持しながら、試料の表層を切削していた。この場合、試料の表面が真に水平であるなら、試料の表面から一定の深さを切削することが出来た。
しかしながら、μｍレベルでは試料の表面が水平でないことが多い。例えば表層が塗膜である場合、塗膜の厚さにμｍレベルの勾配があることが多いため、試料の裏面が試料ホルダにより水平に保持されていても、試料の表面には勾配が生じている。従って、試料の表面から一定の深さを切削しているつもりでも、実際には切込み深さが変動している。そして、その切込み深さの変動が、切込み深さもμｍレベルの場合には、測定に無視できない影響を与える問題点があった。
そこで、本発明の目的は、試料の厚さにμｍレベルの勾配があっても試料の表面から一定の深さを切削することが出来る試料表層切削装置における試料設置方法および試料設置装置を提供することにある。

第１の観点では、本発明は、試料表面の傾きを調整可能に試料を保持する試料保持手段と、切刃を保持する切刃保持手段と、前記試料保持手段に保持された試料の表層を前記切刃保持手段に保持された切刃で切削するために前記試料保持手段に対して前記切刃保持手段を相対移動する相対移動手段と、前記切刃の垂直位置および垂直荷重を測定する測定手段とを具備した試料切削装置において、前記切刃に換えて圧子を前記切刃保持手段に保持し、前記試料保持手段に保持された試料の表面に前記圧子の先端を押しつけたときの垂直位置を維持しながら前記相対移動手段により前記圧子を往復移動または旋回移動し、前記垂直荷重の変化振幅が最小になるように前記試料保持手段の傾きを調整することを特徴とする試料表層切削装置における試料設置方法を提供する。
試料に圧子が浅く沈むと試料からの反発力が小さいため垂直荷重は小さくなり、試料に圧子が深く沈むと試料からの反発力が大きいため垂直荷重は大きくなる。従って、上記第１の観点による試料表層切削装置における試料設置方法において、垂直位置を維持しながら圧子を移動させたとき、試料表面の垂直位置に勾配があれば、圧子は浅く沈む部分と深く沈む部分とを繰り返し通ることになり、大きな振幅で垂直荷重が変化する。そこで、垂直荷重の変化振幅が小さくなるように試料保持手段の傾きを調整すれば、結果的に圧子が試料の表面から一定の深さを移動していることになる。そして、試料表面のμｍレベルの傾斜を直接に検出することよりも、安価に検出できる。かくして、試料保手段の傾きを調整した後、圧子を切刃に戻して切削すれば、試料の厚さにμｍレベルの勾配があっても試料の表面から一定の深さを切削することが出来る。
なお、圧子で擦った部分の試料表面の物性に影響が無いなら同一部分を切削してもよいが、影響する可能性があるなら同一部分でなく近傍部分を切削するのが好ましい。

第２の観点では、本発明は、試料表面の傾きを調整可能に試料を保持する試料保持手段と、圧子を保持する圧子保持手段と、前記試料保持手段に保持された試料の表面に前記圧子保持手段に保持された圧子を押しつけて前記試料保持手段に対して前記圧子保持手段を相対移動する相対移動手段と、前記圧子の垂直位置および垂直荷重を測定する測定手段と、前記試料保持手段に保持された試料の表面に前記圧子の先端を押しつけたときの垂直位置を維持しながら前記相対移動手段により前記圧子を往復移動または旋回移動し前記垂直荷重の変化振幅が最小になるように前記試料保持手段の傾きを調整する調整手段とを具備したことを特徴とする試料設置装置を提供する。
試料に圧子が浅く沈むと試料からの反発力が小さいため垂直荷重は小さくなり、試料に圧子が深く沈むと試料からの反発力が大きいため垂直荷重は大きくなる。従って、上記第２の観点による試料設置装置において、垂直位置を維持しながら圧子を移動させたとき、試料表面の垂直位置に勾配があれば、圧子は浅く沈む部分と深く沈む部分とを繰り返し通ることになり、大きな振幅で垂直荷重が変化する。そこで、垂直荷重の変化振幅が小さくなるように試料保持手段の傾きを調整すれば、結果的に圧子が試料の表面から一定の深さを移動していることになる。そして、試料表面のμｍレベルの傾斜を直接に検出することよりも、安価に検出できる。かくして、試料保持手段の傾きを調整した後は、試料表面の垂直位置を一定にすることが出来る。

第３の観点では、本発明は、試料表面の傾きを調整可能に試料を保持する試料保持手段と、切刃を保持する切刃保持手段と、前記試料保持手段に保持された試料の表層を前記切刃保持手段に保持された切刃で切削するために前記試料保持手段に対して前記切刃保持手段を相対移動する相対移動手段と、前記切刃の垂直位置および垂直荷重を測定する測定手段とを具備した試料切削装置において、前記切刃に換えて圧子を前記切刃保持手段に保持し、前記試料保持手段に保持された試料の表面に前記圧子の先端を押しつけたときの垂直荷重を維持しながら前記相対移動手段により前記圧子を往復移動または旋回移動し、前記垂直位置の変化振幅が最小になるように前記試料保持手段の傾きを調整することを特徴とする試料表層切削装置における試料設置方法を提供する。
一定の垂直荷重で圧子を試料に押しつけたとき、垂直荷重に応じた一定の深さまで圧子は試料に沈む。従って、上記第３の観点による試料表層切削装置における試料設置方法において、垂直荷重を維持しながら圧子を移動させたとき、試料表面の垂直位置に勾配があれば、圧子の垂直位置にも勾配が生じることになり、大きな振幅で垂直位置が変化する。そこで、垂直位置の変化振幅が小さくなるように試料保持手段の傾きを調整すれば、結果的に圧子が試料の表面から一定の深さを移動していることになる。そして、試料表面のμｍレベルの傾斜を直接に検出することよりも、安価に検出できる。かくして、試料保持手段の傾きを調整した後、圧子を切刃に戻して切削すれば、試料の厚さにμｍレベルの勾配があっても試料の表面から一定の深さを切削することが出来る。
なお、圧子で擦った部分の試料表面の物性に影響が無いなら同一部分を切削してもよいが、影響する可能性があるなら同一部分でなく近傍部分を切削するのが好ましい。

第４の観点では、本発明は、試料表面の傾きを調整可能に試料を保持する試料保持手段と、圧子を保持する圧子保持手段と、前記試料保持手段に保持された試料の表面に前記圧子保持手段に保持された圧子を押しつけて前記試料保持手段に対して前記圧子保持手段を相対移動する相対移動手段と、前記圧子の垂直位置および垂直荷重を測定する測定手段と、前記試料保持手段に保持された試料の表面に前記圧子の先端を押しつけたときの垂直荷重を維持しながら前記相対移動手段により前記圧子を往復移動または旋回移動し前記垂直位置の変化振幅が最小になるように前記試料保持手段の傾きを調整する調整手段とを具備したことを特徴とする試料設置装置を提供する。
一定の垂直荷重で圧子を試料に押しつけたとき、垂直荷重に応じた一定の深さまで圧子は試料に沈む。従って、上記第４の観点による試料設置装置において、垂直荷重を維持しながら圧子を移動させたとき、試料表面の垂直位置に勾配があれば、圧子の垂直位置にも勾配が生じることになり、大きな振幅で垂直位置が変化する。そこで、垂直位置の変化振幅が小さくなるように試料保持手段の傾きを調整すれば、結果的に圧子が試料の表面から一定の深さを移動していることになる。そして、試料表面のμｍレベルの傾斜を直接に検出することよりも、安価に検出できる。かくして、試料保持手段の傾きを調整した後は、試料表面の垂直位置を一定にすることが出来る。

本発明の試料表層切削装置における試料設置方法によれば、試料の厚さにμｍレベルの勾配があっても、試料の表面から一定の深さを切削することが出来る。
また、本発明の試料設置装置によれば、試料の厚さにμｍレベルの勾配があっても、試料表面の垂直位置を一定にすることが出来る。
また、例えば分光干渉レーザー変位計（分解能：１ｎｍ）を用いて試料表面のμｍレベルの傾斜を直接に検出することよりも、安価に検出できる。

実施例１に係る試料表層切削装置を示す構成説明図である。 切刃を圧子に換えた状態を示す説明図である。 実施例１にかかる試料設置処理を示すフロー図である。 初期垂直荷重で圧子を押しつけたときの試料表面の沈み込み深さを示す説明図である。 圧子の垂直位置を維持して移動した場合の試料表面の沈み込み深さを示す説明図である。 圧子の垂直位置を維持して移動した場合の垂直荷重の変化を示す説明図である。 試料設置処理完了後の試料の保持状態を示す説明図である。 試料設置処理完了後に試料表層を切削する状態を示す説明図である。 実施例２にかかる試料設置処理を示すフロー図である。 圧子の垂直荷重を維持して移動した場合の試料表面の沈み込み深さの変化を示す説明図である。 圧子の垂直荷重を維持して移動した場合の垂直位置の変化を示す説明図である。 圧子の垂直荷重を維持して移動した場合の垂直位置の変化を示す説明図である。

以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。

−実施例１−
図１は、実施例１にかかる試料表層切削装置１００の正面説明図である。
この試料表層切削装置１００において、支持部材１に、圧電素子駆動微動ステージ３０ｈが固定されている。
この圧電素子駆動微動ステージ３０ｈは、圧電素子駆動によりステージ３６ｈがフレーム３５ｈに対して一方向に相対移動する装置（商品名ナノステージ；株式会社ナノコントロール）である。
圧電素子駆動微動ステージ３０ｈのフレーム３５ｈは、ステージ３６ｈが水平方向に移動するように支持部材１に固定されている。ステージ３６ｈの水平移動範囲は、例えば３００μｍである。

圧電素子駆動微動ステージ３０ｈのステージ３６ｈには、連結棒３２の下端側が固定されている。
連結棒３２の他端側には、圧電素子駆動微動ステージ３０ｖが固定されている。
この圧電素子駆動微動ステージ３０ｖは、圧電素子駆動によりステージ３６ｖがフレーム３５ｖに対して一方向に相対移動する装置（商品名ナノステージ；株式会社ナノコントロール）である。
圧電素子駆動微動ステージ３０ｖのステージ３６ｖは、フレーム３５ｖが垂直方向に移動するように連結棒３２に固定されている。フレーム３５ｖの垂直移動範囲は、例えば１００μｍである。

圧電素子駆動微動ステージ３０ｖのフレーム３５ｖには、垂直荷重検知器１５の一端が固定されている。
垂直荷重検知器１５は、はかり用ロードセル（商品名ＣＢ１７；ミネベア株式会社）であり、他端にかかる垂直方向の荷重を検知する。

垂直荷重検知器１５の他端には、連結具１６を介して、水平荷重検知器１７の第１端が固定されている。
水平荷重検知器１７は、はかり用ロードセル（商品名ＣＢ１７；ミネベア株式会社）であり、第２端にかかる水平方向の荷重を検知する。

水平荷重検知器１７の第２端には切刃１８が固定されている。

試料Ｓを上面に固定する試料ホルダ２３は、上面のｘ方向およびｙ方向の傾きを調整するためのアクチュエータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ（ただし、２４ｄは、２４ｂの背後にあるため、図に現れていない。）を介して支持部材１に支持されている。

圧電素子駆動微動ステージ３０ｈ，３０ｖおよびアクチュエータ２４ａ〜２４ｄは、出力インタフェース３８ａを介して、パソコン２８に接続されている。
垂直荷重検知器１５および水平荷重検知器１７は、入力インタフェース２８ｂを介して、パソコン２８に接続されている。

パソコン２８は、操作者の指示に応じて、圧電素子駆動微動ステージ３０ｈ，３０ｖを駆動し、試料Ｓの表層を切削する。そして、その時の垂直荷重検知器１５の出力から垂直荷重Ｆｖを検知し、水平荷重検知器１７の出力から水平荷重Ｆｈを検知し、圧電素子駆動微動ステージ３０ｈのステージ３６ｈの移動量から水平移動量を検知し、圧電素子駆動微動ステージ３０ｖのフレーム３５ｖの移動量から垂直移動量を検知する。また、検知した垂直荷重Ｆｖ，水平荷重Ｆｈ，水平移動量および垂直移動量をグラフ化し、ディスプレイに表示したり、プリンタで印字する。

図２に示すように、切刃１８を圧子２２に交換することが出来る。圧子２２は、例えばロックウエル硬度計で用いられるダイヤモンド球形圧子（ｒ＝０．２）である。
操作者は、切刃１８を圧子２２に交換した後、図３に示す試料設置処理を起動する。

図３は、試料表層切削装置１００による試料設置処理の動作を示すフロー図である。
ステップＰ１では、操作者は、パソコン２８に、初期垂直荷重Ｆｖｏ，ｘ軸周期Ｔｘ，ｘ軸振幅Ｌｘ，ｙ軸周期Ｔｙ，ｙ軸振幅Ｌｙを設定する。
これらパラメータの適当な値は、試行により求めることが出来る。すなわち、予め種々の試料について種々のパラメータ値で試行を繰り返し、圧子２２が試料に適当な深さ（例えば５μｍ）まで沈むような値を求めておき、評価する試料Ｓと同種の試料について求めて置いたパラメータ値を設定すればよい。
例えば、試料ＳがＰＣＶ板（タキロン社 Ｓ６０４（プレス成形） ＥＳＳ８８００Ａ）であるとき、Ｆｖｏ＝１０ｍＮとし、ｘ方向に直線移動するとき、Ｔｘ＝３０秒，Ｌｘ＝１００μｍ，Ｔｙ＝０秒，Ｌｙ＝０μｍとする（パラメータ値が０は、その方向に移動しないことを意味する。）。

ステップＰ２では、パソコン２８は、設定された初期垂直荷重Ｆｖｏで試料Ｓに圧子２２を押しつける。
図４に示すように、圧子２２は、試料Ｓの表面から初期垂直荷重Ｆｖｏに応じた深さＤまで沈む。
ステップＰ３では、パソコン２８は、圧子２２の垂直位置Ｈ１を測定し、記憶する。

ステップＰ４では、パソコン２８は、記憶した圧子２２の垂直位置Ｈ１を維持するように帰還制御しながら、圧子２２を、ｘ方向についてはｘ＝Ｌｘ・sin（２・π・ｔ／Ｔｘ）で移動し、ｙ方向についてはｙ＝Ｌｙ・cos（２・π・ｔ／Ｔｙ）で移動する。

図５に示すように、試料ホルダ２３により試料Ｓの底面が水平に保持されているにも拘わらず、試料Ｓの表面がｘ方向に下向きに傾斜している（厚さが薄くなっている）とすると、圧子２２の垂直位置Ｈ１を維持したままで圧子２２をｘ方向に移動したとき、試料Ｓの表面から圧子２２が沈む深さは浅くなる。よって、垂直荷重Ｆｖは小さくなる。そこで、直線移動を繰り返したとき、図６の（ａ）に示すように、垂直荷重Ｆｖは余弦波で変動する。

ステップＰ５では、操作者またはパソコン２８は、図６の（ｂ）に示すように、垂直荷重Ｆｖの変動振幅が最小になるように、アクチュエータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを伸縮して試料ホルダ２３の傾きを調整する。そして、処理を終了する。

図７に示すように、試料設置処理の終了後は、試料Ｓの表面がｘ方向に水平となるように、試料ホルダ２３が傾斜して試料Ｓの底面を保持した状態となる。

そこで、図８に示すように、圧子２２を切刃１８に戻して、ｘ方向に水平に切削すれば、試料Ｓの表面から一定の深さｄを切削することが出来る。
なお、圧子２２で擦った部分の試料Ｓの表面物性に影響が無いなら同一部分を切削してもよいが、影響する可能性があるなら同一部分でなく近傍部分を切削するのが好ましい。例えば切刃１８の幅が１００μｍの場合は、圧子２２で擦った部分から１００μｍ程度離れた部分を切削するのが好ましい。

実施例１の試料表層切削装置１００によれば、試料Ｓの厚さにμｍレベルの勾配があっても試料Ｓの表面から一定の深さｄを切削することが出来る。また、試料Ｓの表面のμｍレベルの傾斜を直接検出することよりも、安価に検出できる。

−実施例２−
実施例２にかかる試料表層切削装置のハードウエア構成は実施例１と同じである。

図９は、実施例２にかかる試料表層切削装置による試料設置処理の動作を示すフロー図である。
ステップＰ１では、操作者は、パソコン２８に、初期垂直荷重Ｆｖｏ，ｘ軸周期Ｔｘ，ｘ軸振幅Ｌｘ，ｙ軸周期Ｔｙ，ｙ軸振幅Ｌｙを設定する。

ステップＰ２では、パソコン２８は、設定された初期垂直荷重Ｆｖｏで試料Ｓに圧子２２を押しつける。
図１０に示すように、圧子２２は、試料Ｓの表面から初期垂直荷重Ｆｖｏに応じた深さＤまで沈む。

ステップＰ４’では、パソコン２８は、垂直荷重Ｆｖを初期垂直荷重Ｆｖｏに維持するように帰還制御しながら、圧子２２を、ｘ方向についてはｘ＝Ｌｘ・sin（２・π・ｔ／Ｔｘ）で移動し、ｙ方向についてはｙ＝Ｌｙ・cos（２・π・ｔ／Ｔｙ）で移動する。

図１１に示すように、試料ホルダ２３により試料Ｓの底面が水平に保持されているにも拘わらず、試料Ｓの表面がｘ方向に下向きに傾斜している（厚さが薄くなっている）とすると、圧子２２の垂直荷重Ｆｖを初期垂直荷重Ｆｖｏに維持したままで圧子２２をｘ方向に移動したとき、試料Ｓの表面から圧子２２が沈む深さは、初期垂直荷重Ｆｖｏに応じた深さＤで一定になる。よって、垂直位置Ｈは、図１０のＨ１から図１１のＨ２へと小さくなる。そこで、直線移動を繰り返したとき、図１２の（ａ）に示すように、垂直位置Ｈは余弦波で変動する。

ステップＰ５’では、操作者またはパソコン２８は、図１２の（ｂ）に示すように、垂直位置Ｈの変動振幅が最小になるように、アクチュエータ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを伸縮して試料ホルダ２３の傾きを調整する。そして、処理を終了する。

図７に示すように、試料設置処理の終了後は、試料Ｓの表面がｘ方向に水平となるように、試料ホルダ２３が傾斜して試料Ｓの底面を保持した状態となる。

そこで、図８に示すように、圧子２２を切刃１８に戻して、ｘ方向に水平に切削すれば、試料Ｓの表面から一定の深さｄを切削することが出来る。
なお、圧子２２で擦った部分の試料Ｓの表面物性に影響が無いなら同一部分を切削してもよいが、影響する可能性があるなら同一部分でなく近傍部分を切削するのが好ましい。例えば切刃１８の幅が１００μｍの場合は、圧子２２で擦った部分から１００μｍ程度離れた部分を切削するのが好ましい。

実施例２の試料表層切削装置によれば、試料Ｓの厚さにμｍレベルの勾配があっても試料Ｓの表面から一定の深さｄを切削することが出来る。また、試料Ｓの表面のμｍレベルの傾斜を直接検出することよりも、安価に検出できる。

−他の実施例−
実施例１，２では、切刃１８と圧子２２を付け替えたが、切刃１８と圧子２２とを同時に保持可能な構成としてもよい。

本発明の試料表層切削装置における試料設置方法および試料設置装置は、例えば表面材料の機械的特性を調べるのに利用できる。

１８ 切刃
２２ 圧子
２３ 試料ホルダ
２４ａ〜２４ｄ アクチュエータ
２８ パソコン
１００ 試料表層切削装置
Ｓ 試料

Claims (4)

1. 試料表面の傾きを調整可能に試料を保持する試料保持手段と、切刃を保持する切刃保持手段と、前記試料保持手段に保持された試料の表層を前記切刃保持手段に保持された切刃で切削するために前記試料保持手段に対して前記切刃保持手段を相対移動する相対移動手段と、前記切刃の垂直位置および垂直荷重を測定する測定手段とを具備した試料切削装置において、前記切刃に換えて圧子を前記切刃保持手段に保持し、前記試料保持手段に保持された試料の表面に前記圧子の先端を押しつけたときの垂直位置を維持しながら前記相対移動手段により前記圧子を往復移動または旋回移動し、前記垂直荷重の変化振幅が最小になるように前記試料保持手段の傾きを調整することを特徴とする試料表層切削装置における試料設置方法。
2. 試料表面の傾きを調整可能に試料を保持する試料保持手段と、圧子を保持する圧子保持手段と、前記試料保持手段に保持された試料の表面に前記圧子保持手段に保持された圧子を押しつけて前記試料保持手段に対して前記圧子保持手段を相対移動する相対移動手段と、前記圧子の垂直位置および垂直荷重を測定する測定手段と、前記試料保持手段に保持された試料の表面に前記圧子の先端を押しつけたときの垂直位置を維持しながら前記相対移動手段により前記圧子を往復移動または旋回移動し前記垂直荷重の変化振幅が最小になるように前記試料保持手段の傾きを調整する調整手段とを具備したことを特徴とする試料設置装置。
3. 試料表面の傾きを調整可能に試料を保持する試料保持手段と、切刃を保持する切刃保持手段と、前記試料保持手段に保持された試料の表層を前記切刃保持手段に保持された切刃で切削するために前記試料保持手段に対して前記切刃保持手段を相対移動する相対移動手段と、前記切刃の垂直位置および垂直荷重を測定する測定手段とを具備した試料切削装置において、前記切刃に換えて圧子を前記切刃保持手段に保持し、前記試料保持手段に保持された試料の表面に前記圧子の先端を押しつけたときの垂直荷重を維持しながら前記相対移動手段により前記圧子を往復移動または旋回移動し、前記垂直位置の変化振幅が最小になるように前記試料保持手段の傾きを調整することを特徴とする試料表層切削装置における試料設置方法。
4. 試料表面の傾きを調整可能に試料を保持する試料保持手段と、圧子を保持する圧子保持手段と、前記試料保持手段に保持された試料の表面に前記圧子保持手段に保持された圧子を押しつけて前記試料保持手段に対して前記圧子保持手段を相対移動する相対移動手段と、前記圧子の垂直位置および垂直荷重を測定する測定手段と、前記試料保持手段に保持された試料の表面に前記圧子の先端を押しつけたときの垂直荷重を維持しながら前記相対移動手段により前記圧子を往復移動または旋回移動し前記垂直位置の変化振幅が最小になるように前記試料保持手段の傾きを調整する調整手段とを具備したことを特徴とする試料設置装置。

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