JPH01138437A - ひっかき試験機 - 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） 本発明は固体表面を圧子によりひつかき、その材料のひ
っかき変形強度を測定するひっかき試験機に関する。

（従来の技術） 現在の超精密機械加工技術においては、仕上げ面あらさ
１０ｎｍ、形状精度１ｐｍ程度あるいはそれを越える精
度が達成されており、実際に多くの光学機器や磁気ディ
スク用基板の生産ラインに超精密加工が組み込まれてい
る。このような超精密加工は、工作機械に用いられる軸
受・や交錯台の高精度化、工具や材料の管理、防振や防
塵など加工環境の高精度制御、微小な変位量の計測や駆
動技術の確立によって支えられてきた。しかし、その加
工精度は通常の計測技術の限界を越えつつあるとされて
おり、計測技術の革新が今後の加工精度の向上のために
は必要不可欠な条件であるといわれている。一方では、
現在の加工精度を維持しつつ、今よりも高い生産性を有
、した精密加工プロセスを１ｉｎｉＬないという要求も
ある。例えば、前述した磁気ディスク用基板の加工工程
においては、基板材料であるＡ１合金が軟質な延性材料
であるために、切削時にパリが発生しやすく、規格値を
満足する良品率は極めて低い値に留っている。また、工
具の刃先にＡ１合金が付着しやすいために、工具寿命の
短縮化や、工具の交換に多くの時間がさかれてしまうと
いう問題点も指摘されている。このような課題を克服す
るためには、加工条件の最適化し、加工現象に影響する
因子を定量的に把握する必要があり、微小切削に伴うパ
リの形成過程や、材料表面の変形強度および挙動を研究
する必要性が指摘されている。

以上のような現状認識にたって、材料表面が受ける変形
状態に関する情報を得る手段としてひつかき試験機およ
び試験法がいくつか提案されてきた。例えば、特開昭６
２−２４５１３１号公報に記載されたひっかき試験機は
、（１）従来の低速型ひっかき試験機と異なり、切削速
度と同程度の速度領域で材料表面のひっかき変形抵抗が
測定できるｂ　１．（２）従来、の試験機に比較してミ
クロン以下の極めて薄い表面層の変形抵抗が測定可能で
ある。の２点を特徴としており、前述した超精密加工現
象に影響する因子の定量化に有効な手段を提供するもの
である。

（発明が解決しようとする問題点） しかし、前述のひっかき試験機は、ひっかき深さを実験
中実時間で、かつ正確に測定できる点に問題がある。す
なわち、前記ひっかき試験機には、ひっかき深さを精密
に制御する駆動機構と変位測定部が設置されているもの
の、圧子と試料表面との接触や、圧子が表面をひっかく
深さを検知・測定する手段がなんら設けら・れていない
のである。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、一端を回転軸に固定され、他端にひっかき用
の圧子が固定された自由振動する振子と、該圧子の回転
角を測定する角度検出器と、該振子の下方に位置する試
験片と該試験片を固定した試料台を鉛直方向に移動させ
る駆動器と、該試料台の移動量を検知することにより試
験１片の表面と振子の他端に固定された圧子とのひ、っ
かき深さを決定する変位計と、圧子が試料表面を接触し
、その後ひっかく過程で発生する音波を検出することに
よりひっかき深さを測定する音波検知センサを備えたこ
とを特徴とするひっかき試験機である。

すなわち、本発明は、従来の技術の項に示したのひっか
き試験機の特徴である、数１００ｃｍ／ｓｅｃ以下の速
度で振動する振子の先端に固定した圧子が試料表面をひ
っかく際に費やされるエネルギーを測定する角度検出器
と、試料を昇降させることによって圧子と試料表面との
ひっかき深さを変化させる駆動器及び該駆動器の駆動量
を測定する変位計の他に、圧子と試料との接触およびひ
っかき深さを測定する音波検知センサを備えたひっかき
試験機である。

（作用） 音波検知センサ（以下、ＡＥセンサと呼ぶ。）は、物質
が変形もしくは破壊する際に発生する弾性波を検出する
機能を有している。はとんどすべての材料は、高ひずみ
速度条件下、すなわち高速で変形を受けると弾性波を放
出する、いわゆるアコースティックエミッション現象を
示すことはよく知られている。本試験機においても、圧
子が試料表面をひっかく過程において圧子が試料と接触
し、ひっかき過程を終えるまで試料は弾性波を放出し続
ける。この弾性波の持続時間を先のＡＥセンサによって
測定することにより、圧子が試料表面をひっかいた長さ
と深さを精密に測定するものである。

また、変形抵抗は以下のようにして測定する。

先端に圧子を固定した振子の持上げ角α、圧子が表面を
ひっかいた後の振子の振上がり角ｐ、表面に形成された
弧状のひっかき溝の体積■を用いて、ひっかき変形抵抗
Ｒを Ｒ＝ｍｇｒ（ｃｏｓｐ−ｃｏｓα）／Ｖ　　　　　（１
）と定義した。ただし、ｍは圧子に作用する振子系全体
の等価慣性質量、ｇは重力加速度、ｒは振子の半径であ
る。角度α、ｐは角度検出器により精密測定が可能であ
る。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例を表わす図である。試料１は
試料台２の上に真空チャックによって固定されている。

試料台２は、マイクロメーターによりＸ。

Ｙ、Ｚの３方向にｌｐｍの精度で手動で動かせるＸＹｚ
テーブルであり、駆動器として用いた圧電アクチュエー
ター３により２方向（矢印方向）の微調駆動が可能であ
る。試料台２の駆動量を測定する光ファイバー４（商品
名フォトニックプローブ）からの光５は試料台２の上に
真空チャックによって固定された鏡６に反射して再び光
ファイバー４に戻り、その反射光の強度によって変位量
を測定する。光ファイバー４と鏡６との距離を、圧電ア
クチュエーター３に印加する電圧を制御することにより
所定の値に設定することができる。すなわち、ひっかき
深さは、圧電アクチュエーター３に印加する電圧信号と
、光フアイバー変位計からの変位信号とを連動させるこ
とにより制御した。圧子７は振子８の先端に固定されて
おり、振子８のもう一端は角度検出器として用いた光ロ
ータリ−エンコーダー９の回転軸に取付けられている。

光ロータリ−エンコーダー９は振子の持上げ角αと、ひ
つかき後の振子の振上がり角ｐを検知する。

振子８を鉛直方向に静止させ、試料台を２方向に手動で
上昇させる。その後、圧電アクチュエーター３に印加す
る電圧を増加していき、試料１と圧子７を接触させる。

この接触時に発生する弾性波をＡＥセンサ１０により検
出し、接触位置を決定す“る。

ＡＥセンサ１０は試料１の表面か、もしくは試料台２に
接着剤により固定する。接触位・置を高い感度で測定し
たい場合には、ＡＥセンサ１０を試料表面に固定するこ
とが望ましい。接触位置を決定した後に、振子を所定の
持上げ角αまで持上げ、圧電アクチュエーター３に印加
する圧電をさらに増加し、ひっかき深さを設定する。振
子を自由落下させ、ひっかき試験を行う。このひっかき
過程で発生する弾性波をＡＥセンサ１０により測定し、
実際のひっかき深さを実時間で測定する。ひっかき後の
振上がり角ｐは、やはり光ロータリ−エンコーダ７９に
よって測定する。

第２図は本発明の一実施例を示すブロック図である。フ
ォトニックプローブ４からの変位信号に連動した、パー
ソナルコンピューター１１からの制御信号をデジタルｌ
アナログ変換器１２、定電圧電源１３、電圧増幅器１４
を介して圧電アクチュエーター３に加えることにより試
料台２の移動量を制御した。また、光ロータリ−エンコ
ーダー９からの信号はデジタルカウンタ１５、パーソナ
ルコンピューター１１を介してデータ処理され、ひつか
き試験中の振子の角度変化としてデイスプレィ１６ある
いはプリンター１７に出力される。なお、フォトニック
プローブ４からの変位信号はフォトニックセンサ１８、
アナログｌデジタル変換器１９を通してパーソナルコン
ピューター１１に入力される。ひつかき過程において発
生する弾性波はＡＥセンサ１０によって検知され、プリ
アンプ２０．　ＡＥ解析装置２１、デジタルオシロスコ
ープ２２を介してパーソナルコンピューター１１に入力
さ、れる。パーソナルコンピューター１１では弾性波の
持続時間からひつかき深さと長さの計算が行われる。最
終的に、光ロータリ−エンコーダー９からの信号によっ
て求めたエネルギー損失需と、ひっかき深さから算出さ
れたひつかき体積より、（１）式に基づいてひっかき変
形抵抗が測定される。

次に、本発明のひつかき試験機の性能を測定例により説
明する。

（測定例）　　１０ｍｍ角のガラス基板上にＣｒ膜を厚
さｌｐｍマグネトロンスパッタ法により被覆した試料に
ついて第１図、第２図に示したひ、つかき試験機を用い
て、ひっかき変形抵抗を測定しな。測定条件は振子の半
径ニアｃｍ、振子持上げ角：９０°、圧子：頂角１２０
°のダイヤモンド円錐圧子、圧子に作用する慣性質量：
１２ｇ、ひっかき溝の設定最大深さ：　０．４ｐｍ、ひ
っかき速度：　９３ｃｍ／ｓｅｅである。持上げ角α；
９０°、振上がり角１３＝８７．２°であった。また、
ＡＥセンサにより測定した実際の最大ひっかき深さは０
．４９ｐｍであった。ひっかき深さの設定値と測定値が
異なるのは最初の接触位置の設定操作におい６て、試料
表面が変形を受けたことと、接触位置確認後変形を受け
ていない表面についてひっかき試験をするため試料を移
動させたことに原因している。試験後表面あらさ計によ
り実際にひっかき溝の深さを測定したところ、０．４９
３ｐｍであり、有効数字２桁の範囲内でＡＥセンサによ
る測定値に一致している。また、測定データより算出し
たＣｒ膜のひっかき変形抵抗は６．５　Ｘ　１１０１２
ｅｒ／ａｍ３であった。

（発明の効果） 以上に示したように、本発明によるひつかき試験機では
、ひっかき深さの実時間・高精度測定が可能となったた
めに、高ひっかき速度の領域で、ひっかき深さ０．１ｐ
ｍレベルでの表面層のひっかき変形抵抗を高精度かつ迅
速に測定できることが分かった。また、接触位置確認後
や、同一試料について多数回の測定を行う際に試料台を
ＸＹ力方向手動で移動させる必要があるが、この時にも
試料と圧子の接触位置を検知することなく、実際のひっ
かき深さを検知できることも利点である。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図は本発明のひっかき試験機の一実施例の
構造とブロック図の例を示す図である。 図面において、１は試料、２は試料台、３は圧電アクチ
ュエーター、４はフォトニックプローブ、５は光、６は
鏡、７は圧子、８は振子９は光エンコーダ−１０はＡＥ
センサ、１１はパーソナルコンピューター、１２はデジ
タルｌアナログ変換器、１３は定電圧電源、１４は電圧
増幅器、１５はデジタルカウンタ、１６はデイスプレィ
、１７はプリンター、１８はフォトニックセンサ、１９
はアナログｌデジタル変換器、２０はプリアンプ、２１
はＡＥ解析装置、２２・はデジタルオシロスコープであ
る。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 一端を回転軸に固定され、他端にひっかき用の圧子が固
   定された自由振動する振子と、該圧子の回転角を測定す
   る角度検出器と、該振子の下方に位置する試験片および
   該試験片を固定した試料台を鉛直方向に移動させる駆動
   器と、該試料台の移動量を検知することにより試験片の
   表面と振子の他端に固定された圧子とのひっかき深さを
   決定する変位計と、圧子が試料表面をひっかく過程で発
   生する音波を検出する音波検知センサを備えたことを特
   徴とするひっかき試験機。