JPH03238342A - 表面機械特性測定装置 - Google Patents

表面機械特性測定装置

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JPH03238342A
JPH03238342A JP3394490A JP3394490A JPH03238342A JP H03238342 A JPH03238342 A JP H03238342A JP 3394490 A JP3394490 A JP 3394490A JP 3394490 A JP3394490 A JP 3394490A JP H03238342 A JPH03238342 A JP H03238342A
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Takanori Miyamoto
宮本 孝典
Reizo Kaneko
金子 礼三
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  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
  • A Measuring Device Byusing Mechanical Method (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] 本発明は固体の表面の機械特性測定装置に関し、特に磁
気ディスク装置、LSI、超伝導素子、光メモリ等のマ
イクロニュートンオーダの摩擦力や凝着力、ナノメート
ルオーダの摩耗、表面形状、加工力の測定装置に関する
[従来の技術] 従来の表面機械特性測定装置は、摩擦力、凝着力、微小
な加工力、および表面の微細な形状等の測定毎に個別の
装置となっていた。
[発明が解決しようとする課題] 上述した従来の表面機械特性測定装置は、摩擦力、凝着
力、加工力、および表面形状の測定毎に個別の装置とな
っており、同一の装置で測定しようとすると、測定面に
垂直な方向にたわむ垂直方向ばねの中心軸と、測定面に
平行な方向にたわむ平行方向ばねの中心軸が直交するた
め、この2方向のばねの変位を検出するための変位セン
サや、変位センサを微動させるための機構を同時に取付
けることが困難になり、同一装置で摩擦力、凝着力、加
工力、および表面形状の測定はできないという欠点があ
る。
本発明の目的は、1台の装置で摩擦力、凝着力、加工力
および表面形状のマイクロニュートン、ナノメートルオ
ーダの測定が可能な表面機械特性、測定装置を提供する
ことである。
[課題を解決するための手段] 本発明の表面機械特性測定装置は、 一方の端部がベースに固定された、測定面に平行な方向
にたわむばねの自由端に、ばねの中心軸が前記測定面に
平行な方向にたわむばねの中心軸の延長線上に一致し、
または該中心軸の延長線に平行になるように一方の端部
が固定され、他方の端部に圧子が取付けられた、測定面
に垂直な方向にたわむばねを有している。
[作用コ 測定面を圧子に接触させ、さらに、測定面に組成変形が
発生しない程度に押付け、測定面に垂直な方向に圧子な
引離すように測定面を下降させ、前記接触位置から引離
された点迄の垂直ばねの変位量を変位センサで読み、そ
の変位量と、ばね定数から凝着力を算出し、測定面を塑
性変形が発生しない程度に圧子に押付け、圧子に付勢し
て圧子を測定表土を測定面に平行に移動させたときの平
行方向にたわむばねの端部の変位量を変位センサで読み
、その変位量と、ばね定数と、平行方向にたわむばねが
支持体に接する点から平行方向にたわむばねの自由端の
変位測定点までの長さと、平行方向にたわむばねが支持
体に接する点から圧子の測定面に接する位置までの長さ
とから摩擦力を算出し、次に、測定面を圧子に接触して
測定面の表面にわずかに弾性変形が発生する程度に押付
は圧子を測定面に沿って摩擦力測定時と同じ方向に動か
し、その時の垂直方向にたわむばねの変位を読んで表面
形状を知り、圧子を測定面に加工深度に押込んで測定面
上を移動する時の測定面と平行方向にたわむばねの端部
の変位測定点の変位を読み、その変位量と、ばね定数と
、測定面に平行にたわむばねが支持体に接する点から該
平行方向にたわむばねの自由端の変位測定点までの長さ
と、該平行方向にたわむばねの支持体に接する点から圧
子が測定面に接する位置までの長さとから加工力を算出
することにより、この1台の表面機械特性測定装置で摩
擦力、凝着力、加工力および表面形状の測定を行なうこ
とができる。
[実施例] 次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
第1図は本発明の表面機械特性測定装置の一実施例の斜
視図、第2図は第1図のばね3を1枚ばねとした実施例
の斜視図、第3図は電磁石を用いた場合の実施例の斜視
図である。
この表面機械特性測定装置は圧子1と、ばね3.4と、
支持体5と、変位センサ6.7と、試片固定台11と、
ベース(不図示)からなる。圧子1はダイヤモンド製で
その先端は目的に応じて加工されているが測定先端の曲
率半径はサブミクロンオーダに仕上げられた角錐で、測
定面の形状をナノメートルオーダで測定可能にする。試
片固定台11はベース(不図示)に対して垂直方向に移
動させて固定することが可能なように取付けられ、表面
に被測定片が測定面2を水平に固定される被測定片の搭
載台である。ばね4は、ベース(不図示)に固定された
支持体5に一方の端部が固定され、測定面2に平行な方
向にたわむ2枚の板ばねな離間対向させた組合せばねで
ある。ばね3は一方の端部がばね4の自由端に中心軸が
ばね4の中心軸の延長線上に一致するように固定され、
測定面2に垂直な方向にたわむ、2枚の板ばねを離間対
向させた組合せばねで、自由端近くに圧子1が先端を測
定面2に垂直になるように固定されている。また、ばね
3,4の材質は弾性が高いステンレス鋼で、そのばね定
数は、マイクロニュートン以下の力を測定可能なように
N / mのオーダーあるいはそれ以下である。変位セ
ンサ6はばね3の端部の変位測定点の変位(ばね3のた
わみ量)を検出するセンサである。変位センサ7はばね
4の自由端位置の変位測定点の変位(ばね4のたわみ量
)を検出するセンサである。
次に、この実施例による測定について説明する。
まず凝着力の測定の場合は、試片固定台II上に被測定
片をその測定面2を水平にして固定する。
その後、試片固定台11を上昇させて測定面2を圧子1
に接触させ、ばね3の自由端の変位測定点の位置を変位
センサ6で読む。その後、さらに付勢手段により、測定
面2を表面に塑性変形が起きない程度の力で圧子1に押
付ける。つぎに、付勢手段により試片固定台11を徐々
に降下させて測定面2を圧子lから離反する方向に移動
する。前記離反動作を継続すると、圧子1と測定面2と
の間に作用する凝着力でばね3が測定面2の方向にたわ
む。さらに、離反動作を継続すると、ばね3がたわむこ
とによって発生する力が圧子1と測定面2との間に作用
する凝着力を超えて、圧子1が測定面2から離反する。
この離反したときのばね3の自由端の変位測定点の位置
を変位センサ6で読み、このようにして圧子1が測定面
2に接触した位置から、圧子1が測定面2から離反した
位置までのばね3自出端のたわみ量を、変位センサ6に
よってミクロンメートルあるいはそれ以下の精度で測定
すれば、圧子1と測定面2との間に作用するマイクロニ
ュートン以下の凝着力がばね3のたわみ量と、ばね3の
ばね定数から算出できる。さらに、付勢手段を用いて、
前記凝着力の測定を測定面2に沿った方向で、しかもげ
ね4がたわむ方向で繰り返し行なうことにより、凝着力
の分布を測定できる。
凝着力の分布の測定に引き続いて摩擦力を測定するには
、前記同様の付勢手段により、測定面2を表面間に塑性
変形が起きない程度の力で圧子1に押付け、ばね4の自
由端の変位測定点の位置を変位センサ7で読む。その後
に、付勢手段を用いて、圧子lを測定面に沿ってばね3
の軸に直角な方向に移動させる。圧子1を前記方向に移
動させた時、圧子1と測定面2との摩擦力によってばね
4がたわむので、ばね4の自由端の変位測定点の値を変
位センサ7で読み、このようにして圧子1を測定面に押
し付けた位置からのばね4の自由端のたわみ量を、変位
センサ7の測定によってミクロンメートルあるいはそれ
以下の精度で検出すれば、圧子1と測定面2との間に作
用するマイクロニュートン以下の摩擦力は、ばね4のた
わみ量と、ばね4のばね定数と、ばね4が支持体5に接
する点からばね4の変位測定点までの長さと、ばね4が
支持体5に接する点から圧子lが測定面2に接する位置
までの長さとから算出することができる。
摩擦力の測定に引き続いて表面形状を測定するには、ま
ず、付勢手段を用いて、試片固定台11を上昇させ圧子
1に測定面2を押付け、表面がわずかに弾性変形する程
度にし、このときのばね3の自由端の変位測定点の位置
を変位センサ6で読む。つぎに、付勢手段を用いて、測
定面2を前記摩擦力の測定を行なった方向に移動させる
。この時、ばね3は測定面の形状に応じて変位する。こ
の時の変位測定点の変位を変位センサ6によってミクロ
ンメートルあるはそれ以下の精度で測定すれば、ナノメ
ートルオーダの表面形状は測定面に沿う方向への圧子1
の移動量と測定面2に対向する方向へのばね3の変位を
知ることができる。
表面形状の測定に引き続いて加工力を測定するには、試
片固定台11を上昇させて、加工深度まで圧子1を測定
面2に押込み、このときのばね4の自由端の変位測定点
の位置を変位センサ7で読む。その後、付勢手段を用い
て、圧子1を測定面2に沿った方向で、しかも、ばね4
がたわむ測定面2に平行な方向に測定面2に沿って摩擦
力測定のときと同様に移動させる。この時、圧子1によ
り測定面2が加工される際の加工力によってばね4がた
わむので、圧子1を測定面に押付けた位置からのばね4
の自由端の変位測定点のたわみ量を、変位センサ7によ
ってミクロンメートルあるいはそれ以下の精度で測定す
れば、圧子1と測定面2との間に作用するマイクロニュ
ートン以下の加工力は、ばね4のたわみ量と、ばね4の
ばね定数と、ばね4が支持体5と接する点からばね4の
変位測定点までの長さと、ばね4が支持体5と接する点
から圧子1が測定面2に接する点までの長さとから算出
できる。
前述した凝着力、摩擦力、表面形状および加工量の測定
を測定面2上の複数の位置で繰り返し行なうことにより
、表面の機械特性を詳細に知ることができる。
このようにして、同一の装置でマイクロニュートン以下
の凝着力、摩擦力および加工力や、ナノメートルオーダ
の表面形状を繰り返し測定することが可能であり、表面
の機械特性を高精度で測定できる。
以上の実施例では、代表的な表面機械特性装置について
第1図により説明を行なったが、第2図に示すように、
測定面に垂直な方向にたわむばねが1枚のばね12であ
っても、凝着力、表面形状、摩擦力、加工力の測定がで
きる。また、試片固定台11を水平に移動可能とした場
合第3図に示すように、付勢手段を用いて、測定面2を
表面に塑性変形が起きない程度の力で圧子lに押付け、
その後に、付勢手段を用いて、測定面2をばね4がたわ
む測定面2に平行な方向に移動させる際に、圧子1と測
定面2との摩擦力によるばね4のたわみ量が零となるよ
うに、ベース(不図示)に固定された電磁石支持体IO
上に支持された電磁石8でばね4の測定点に固定されて
いる鉄片9を吸引する制御電流を制御し、前記制御電流
を測定することによっても、摩擦力が測定できる。
[発明の効果コ 以上述べたように、本発明は、一方の端部が固定され、
測定面に平行にたわむばねの他方の端部に、該ばねの中
心軸の延長線上または該延長線に平行な中心軸を有する
ように、一方の端部が固定され、他方の端部に圧子が取
付けられた垂直方向にたわむばねを用いることにより、
マイクロニュートン以下の凝着力、摩擦力および加工力
やナノメートルオーダの表面形状を同一の装置で容易に
観測することが可能になり、表面層や薄膜の機械特性を
高精度で測定できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の表面機械特性測定装置の一実施例の斜
視図、第2図は第1図のばね3を一枚ばねとした実施例
の斜視図、第3図は電磁石を用いた場合の実施例の斜視
図である。 1・・・圧子、     2・・・測定面、3.4.1
2・・・ばね、   5・・・支持体、6.7・・・変
位センサ、 8・・・電磁石、9・・・鉄片、    
 10・・・電磁石支持体、11・・・試片固定台。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、一方の端部がベースに固定され、測定面に対して平
    行または垂直のいずれか一方向にたわむばねと、該ばね
    の他方の端部に取付けられた圧子と、該圧子の測定面上
    の変位を検出する変位センサを有する表面機械特性測定
    装置において、 一方の端部がベースに固定された、測定面に平行な方向
    にたわむばねの自由端に、ばねの中心軸が前記測定面に
    平行な方向にたわむばねの中心軸の延長線上に一致し、
    または該中心軸の延長線に平行になるように一方の端部
    が固定され、他方の端部に圧子が取付けられた、測定面
    に垂直な方向にたわむばねを有することを特徴とする表
    面機械特性測定装置。
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