JPH02152152A - 走査型電子顕微鏡付き材料試験機 - 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】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は走査型電子顕微鏡付き材料試験機に関し、特に
繰り返し荷重と同期するとともに負荷軸を表示画面の水
平または垂直軸に合致させて試験片の状態を画像化する
ものである。

Ｂ、従来の技術 例えば、サーボアクチュエータによって疲労試験を行な
いつつ試験片を走査型電子顕微鏡でとらえ、この走査型
電子顕微鏡と同期走査される表示装置（例えばＣＲＴ）
に拡大像を表示する走査型電子顕微鏡付き疲労試験機が
知られている。一般には、負荷軸を表示画面の水平軸に
合致させて試験片の画像を表示するが、この種の装置で
は、試駒片に働く繰り返し荷重のために走査型電子顕微
鏡の視野内で試験片が振動し、ＣＲＴなどの表示装置上
の画像が負荷軸方向である両面水平軸方向に振動する。

そこで、試験片に与える繰り返し荷重に相当する負荷パ
ターンを走査型電子顕微鏡の偏向コイルに与え、表示画
像の振動を防止することが試みられている。

Ｃ０発明が解決しようとする課題 一方、走査型電子顕微鏡と材料試験機とのマツチングに
よっては、走査型電子顕微鏡の対物レンズの焦点距離を
調節する必要があり、焦点距離を調節すると試験片上で
の電子線の衝突位置が変り、ＣＲＴ表示画面の水平軸と
試験片の負荷軸とが必ずしも一致せず、上述した負荷パ
ターンを偏向コイルに与えないときには、第５図（ａ）
のように画面の水平軸に所定の傾きを持って画像が矢印
のように振動する。そして、上述したように負荷パター
ンに相応する信号を偏向コイルに与えると水平方向（負
荷軸方向）の振動は止まるが、垂直方向の振動は止まら
ず、その画像は第５図（ｂ）の矢印のように振動する。

そのため、従来は、偏向コイルそのものを所定角度回転
させることにより垂直方向の画像の振動を防止しており
、その調整作業が煩雑であり、電気的に補償することが
望まれている。

本発明の技術的課題は、偏向コイルを機械的に回転させ
ることなく表示画面上での画像の垂直または水平方向の
振動を防止することにある。

Ｄ６問題点を解決するための手段 本発明は、試験片を負荷するアクチュエータと、試験片
を所定の負荷パターンで負荷するようアクチュエータを
制御するサーボ装置と、試験片の表面を負荷軸方向のＸ
軸およびこれに直交するＹ軸に関して２次元走査して検
出出力を得る走査型電子顕微鏡と、この走査型電子顕微
鏡の走査と同期して検出出力を走査して画面の水平また
は垂直軸に負荷軸を合致させて拡大像を表示するように
する表示装置とを備えた走査型電子顕微鏡付き材料試験
機に適用される。

そして、上述の技術的課題は次の構成により解決される
。

表示画面の水平または垂直軸に対する任意の角度θを設
定するθ設定手段と、その角度θの余弦ｃｏｓ　Ｏを演
算する余弦演算手段と、０の正弦ｓｉｎθを演算する正
弦手段と、負荷パターンによる繰り返し荷重の振幅Δａ
を表わす振幅信号を出力する振幅信号出力手段と、Δａ
とｃｏｓθとの積を求める第１の乗算手段と、Δａとｓ
ｉｎθとの積を求める第２の乗算手段とを具備する。

そして、Δａとｃｏｓ　Ｏの積だけ電子線をＸ軸方向に
偏向し、Δａとｓｉｎθとの積だけ電子線をＹ軸方向に
偏向しつつ走査する。

Ｅ１作用 本発明のように電子線を偏向させない場合、繰り返し荷
重に伴いおよび焦点距離の調節による試験片上での電子
線の衝突位置の変動に伴い、第５図（ａ）のように表示
画面上で画像が両面の水平方向に対しである角度θを持
って振動する。そこで本発明では、このように振動する
画像のうち水平軸方向の成分は、Δａとｃｏｓθの積だ
け電子線をＸ軸方向に偏向して消滅せしめる。また垂直
軸方向の成分は、Δａとｓｉｎθとの積だけ電子線をＹ
軸方向に偏向して消滅せしめる。したがって、電子線の
２次元走査と共に上述のＸ、Ｙ軸方向の偏向を行うこと
により、表示両面には１両面の原点に走査中心が静止し
た状態で試験片の拡大像が映しだされる。

Ｆ、実施例 第１図〜第４図により一実施例を説明する。

全体構成を示す第１図において、１０は走査型電子顕微
鏡であり、電子銃１１、走査用偏向コイル１２、同期観
察用偏向コイル１５、検出部１３゜試験片室１４を有し
、試料室１４には、把持具２１．２２で把持される試験
片ＴＰが挿入される。

走査型電子顕微鏡１０でとらえられる試験片ＴＰの拡大
像は表示装置、例えばＣＲＴ５１で可視化される。すな
わち、走査用偏向コイル１２とＣＲＴ５１の走査は同期
走査回路５２により同期がとられており、偏向コイル１
２により電子線で試験片ＴＰ上をＸ軸、Ｙ軸（第２図）
に関して２次元走査し、試験片ＴＰの表面から放出され
て検出部１３で検出される２次電子または反射電子の強
度変化を、走査型電子顕微鏡１ｏの電子線と同期してＣ
ＲＴ５１上で走査して拡大像を表示する。

同期観察用偏向コイル１５は、第２図に示すようにＸ軸
側向コイル１５Ｘ□、１５Ｘ２と、Ｙ軸偏向コイル１５
Ｙ１，１５Ｙ２とを有し、Ｘ軸側向コイル１５Ｘ□、１
５Ｘ２は負荷軸方向であるＸ軸方向に電子線を偏向し、
Ｙ軸方向偏向コイル１５Ｙ工、１５Ｙ２は負荷軸の方向
と直交するＹ軸方向に電子線を偏向する。その制御は後
述する。

疲労試験機の一方の把持具２１は固定され、他方の把持
具２２は負荷ロッド２３．ロードセル２４を介してサー
ボアクチュエータ２５に接続され、この把持具２２を介
して試験片ＴＰが負荷される。サーボアクチュエータ２
５には油圧源２７から圧油が供給される。

操作盤３１は、繰り返し荷重を与える負荷パターンを設
定するため第３図に示すような荷重平均値Ｍｅａｎと荷
重振幅Δａ′とを入力する操作部と。

スロースキャンとラピッドスキャンとを選択する走査速
度選択部と、同期観察用偏向コイル１５を手動で制御す
る手動偏向信号を入力する入力部とを有し、各部からの
信号がコントローラ３２に入力される。コントローラ３
２は荷重平均値と荷重振幅を表わす信号を発振回路３３
に送り、発振回路３３は繰り返し荷重の負荷パターンに
応じた制御設定信号を加え合せ点３４に供給する。この
加え合せ点３４にはロードセル２４からロードアンプ２
６を介して荷重フィードバック信号も供給され、両人力
信号の偏差信号が増幅器３５を介してサーボアクチュエ
ータ２５に供給され、サーボアクチュエータ２５は設定
された負荷パターンで試験片ＴＰを負荷する。

同期観察回路６０は、繰り返し荷重に伴いおよび焦点距
離の調節による試験片上での電子線の衝突位置の変動に
伴い、第５図（ａ）のようにＣＲＴ５１両面上で画像が
ＣＲＴ画面の水平軸方向に対し′Ｃある角度Ｏを持って
振動するのを防止し、ＣＲＴ画面上の原点○に試験片の
走査中心を静止して映しだすものである。この同期観察
回路６０には、コントローラ３２から平均値信号と手動
設定信号とが入力されるとともに、ロードアンプ２６か
ら検出荷重信号が入力される。

このような、同期観察回路６０の詳細を第４図に示す。

θ設定器６１は、繰り返し荷重に伴い振動する拡大像の
振動方向がＸ軸となす角度Ｏを設定するもので、調節さ
れる対物レンズの焦点距離に応じて予め決定される角度
θを記憶する。減算器６２は、ロードアンプ２６の出力
である繰り返し荷重の検出信号からコントローラ３２の
出力である平均値信号を減算し、繰り返し荷重成分から
振動成分のみの信号Δａ′を形成する。ゲイン設定器６
３は、このΔａ′に所定のゲインｇを掛けΔａ　　（＝
Δａ’Ｘｇ）を演算する。ここで、このゲインは試験片
の剛性などに従って決定されるもので、表示画面上で歪
量を表示できるように定められる。一方、余弦関数発生
器６４および正弦関数発生器６５は、設定器６１から出
力される角度信号θの余弦ｃｏｓθ、正弦ｓｉｎθを演
算する。乗算器６６．６７は、ｃｏｓＯ，５ｊｎＯにΔ
ａをそれぞれ乗じΔａ−ｃｏｓＯ，Δａ−ｓｉｎθを演
算する。スイッチ６８．６９は、自動設定の場合にａ接
点が閉じ、手動設定の場合にｂ接点が閉じる。自動設定
の場合、Δａ−ｃｏｓＯがＸ軸偏向コイル１５Ｘ工。

１５Ｘ２に、Δａ−ｓｉｎθがＹ軸偏向コイル１５Ｙ工
、１５Ｙ２にそれぞれ入力される。手動設定の場合、操
作盤３１から入力されるＸ軸偏向信号。

Ｙ軸偏向信号が各コイル１５Ｘ□〜１５Ｙ２に入力され
る。

すなわち、この同期ｗｔ祭回路６０は、第２図のように
Ｘ軸に対して角度Ｏ９振幅Δａで振動する画像に対して
、Ｘ軸方向には常時Δａ’ｃｏｓθだけ電子線を偏向さ
せ、Ｙ軸方向には常時Δａ・ｓｉｎ　Ｏだけ電子線を偏
向させる。

一方、コントローラ３２は走査速度設定信号を同期走査
回路５２に供給し、走査型電子顕微鏡１０およびＣＲＴ
５１の電子線の走査速度を設定する。例えば、走査速度
は１両面１／６０秒〜数百秒の範囲で設定され、ＣＲＴ
５１で通常の映像を表示する場合は１／６０秒に設定さ
れ、カメラでＣＲＴ５１上の表示映像を撮影する場合に
は、映像の明るさなどに応じて十分に露光するに足りる
時間、例えば１００秒に設定される。

次にこのように構成された制御装置の動作を説明する。

なお、自動設定が選択されスイッチ６８゜６９がａ接点
に切換っているとする。

サーボアクチュエータ２５により、第３図に示す荷重平
均値Ｍｅａｎ、荷重振幅Δａ′の負荷パターンにて繰り
返し疲労試験を行うとする。したがって、コントローラ
３２は、荷重平均値Ｍｅａｎを表わす信号と、荷重振幅
Δａ′を表わす信号とを発振回路３３に送り、発振回路
３３は第３図に示す波形信号を加え合せ点３４に供給す
る。またこのときコントローラ３２は、走査速度設定信
号により同期走査回路５２にラピッドスキャンを指令し
、同期走査回路５２は１画面を１／６０秒で走査するよ
うに走査型電子顕微鏡１０およびＣＲＴ５１を制御する
。

試験片に働く荷重はロードセル２４で検出されロードア
ンプ２６で増幅され加え合せ点３４にフィードバックさ
れる。この加え合せ点３４で負荷パターンの波形信号と
荷重信号との偏差がとられ、アンプ３５を介してその偏
差に相応する信号がサーボアクチュエータ２５に入力さ
れる。これにより、サーボアクチュエータ２５が駆動さ
れ、試験片に繰り返し荷重が働く。

このとき、ロードアンプ２６の検出信号が同期観察回路
６０の減算器６２に入力され、ここで検出信号から平均
値Ｍｅａｎが減算され振幅を表わす信号Δａ′が演算さ
れる。そして、ゲイン設定器６３でΔａが演算され、乗
算器６６．６７からΔａ　’ｃｏｓθおよびΔａ−ｓｉ
ｎθが演算されて、それぞれＸ軸部向コイル１５Ｘ工、
１５Ｘ２とＹ軸側向コイル１５Ｙｉ、１５Ｙ２に入力さ
れる。その結果、電子線は、常時、第２図に示す試験片
の観察領域の原点０に衝突するようにｘ、ｙ軸方向に偏
向される。この電子線は、走査用偏向コイル１２により
試験片上を２次元走査するようにも偏向されるから、Ｃ
ＲＴ画面上には上記ＷＡ察領領域静止拡大像が表示され
る。

以上では、負荷軸を表示画面の水平方向に合致させる場
合について説明したが、場合によっては垂直方向に負荷
軸を合致させても良い。また、実荷重から入力平均値を
減算して振幅を求めたが、実荷重から計算で振幅を求め
たり、操作部から入力される振幅を直接用いてもよい。

Ｇ１発明の効果 本発明は以上のように構成したから、偏向コイルを機械
的に回転させることなく、電気的な制御により、表示画
面上の試験片の拡大像がいずれの方向にも振動しない静
止画像を形成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本発明の一実施例を示すもので、第１
図が全体の概略構成を示すブロック図、第２図が同期１
１ＨＩ用偏向コイルと表示画面上の画像の振動を模式的
に示す斜視図、第３図が負荷パターンを説明するグラフ
、第４図が同期観察回路の詳細を示すブロック図である
。 第５図は従来の問題点を説明する図である。 １０：走査型電子顕微鏡 １２：走査用偏向コイル １３：検出部　　　　　１４：試料室 １５．１５Ｘ１，１５Ｘ２：Ｘ軸部向コイル１５Ｙ工、
１５Ｙ２：Ｙ軸部向コイル ２１．２２：把持具　　２４：ロードセル２５：サーボ
アクチュエータ ２６：ロードアンプ　　３１：操作盤 ３２：コン１−ローラ　　３３：発振回路５１：ＣＲＴ
　　　　　　５２：同期走査回路６０：同期観察回路　
　６１：θ設定器６２：減算器　　　　　６３ニゲイン
設定器６４：余弦関数発生器　６５：正弦関数発生器６
６．６７：乗算器 特許出願人　　株式会社島津製作所 代理人弁理士　　　永　井　冬　紀 第２図 第５図 第３図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 試験片を負荷するアクチュエータと、前記試験片を所定
   の負荷パターンで負荷するようアクチュエータを制御す
   るサーボ装置と、前記試験片の表面を負荷軸方向のＸ軸
   およびこれに直交するＹ軸に関して２次元走査して検出
   出力を得る走査型電子顕微鏡と、この走査型電子顕微鏡
   の電子線走査と同期して前記検出出力を走査して画面の
   水平または垂直軸に負荷軸を合致させて拡大像を表示す
   るようにする表示装置とを備える走査型電子顕微鏡付き
   材料試験機において、前記表示画面の水平または垂直軸
   に対する任意の角度θを設定するθ設定手段と、前記角
   度θの余弦ｃｏｓθを演算する余弦演算手段と、前記θ
   の正弦ｓｉｎθを演算する正弦手段と、前記負荷パター
   ンによる繰り返し荷重の振幅Δａを表わす振幅信号を出
   力する振幅信号出力手段と、前記Δａとｃｏｓθとの積
   を求める第１の乗算手段と、前記Δａとｓｉｎθとの積
   を求める第２の乗算手段とを具備し、前記Δａとｃｏｓ
   θの積だけ前記電子線をＸ軸方向に偏向し、前記Δａと
   ｓｉｎθとの積だけ前記電子線を前記Ｙ軸方向に偏向し
   つつ走査することを特徴とする走査型電子顕微鏡付き材
   料試験機。