JPH0714859Y2 - 微小押込み形材料物性試験装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本考案は、各種の固体材料の表面近傍の機械的特性等の
物性を測定する装置におけるベアリング支持機構に関す
る。さらに特定すれば、本考案は圧子を試験材料の表面
に微小な荷重で微小な浅い深さまで押込み、この圧子の
押込みおよび引抜きの際の荷重を変化させ、各荷重と押
込み深さとの関係からこの試験材料の表面近傍の物性を
測定する試験装置において、上記の圧子を保持する圧子
アームを正確に支持することができるベアリング支持機
構を提供するものである。

［従来の技術］ 各種の産業分野において、固体材料の表面近傍の数μｍ
の部分の機械的特性等の物性を測定することが要望され
ている。たとえば、原子力産業の分野では、材料の表面
の放射線による劣化、特性の変化等を把握するために、
この材料の表面近傍の物性を測定することが必要であ
る。また、この他にも、薄い合成樹脂フイルムの物性を
測定したり、被膜、塗料等の物性を測定する場合にもこ
のような測定が必要である。また、半導体産業の分野で
も、チップの表面に被着した回路パターンの薄膜の物性
を測定することが必要である。

従来、このような試験材料の表面近傍の物性を測定する
ために、微小硬度計が使用される。この微小硬度計は、
基本的には従来の硬度計と同じであるが、圧子に作用さ
せる荷重を数十mgとし、この圧子の押込み深さを極めて
浅くし、試験材料の表面近傍の物性のみを測定できるよ
うにしたものである。

しかし、このように圧子の押込み深さが極めて浅くなる
と、測定された硬度の精度が大きく低下する。すなわ
ち、この圧子が試験材料の表面に接触した初期の状態で
は、この表面の変形は弾性変形であり、この圧子に対応
した圧痕が小さくなり、見掛け上硬度が極めて高くなる
という誤差を生じる。また、表面荒さもこのような測定
誤差の原因となる。この圧子の押込み深さが上記のよう
に極めて浅い場合には、これらの誤差の影響が極めて大
きくなり、正確な測定ができない。

このような誤差を少なくするため、「特開昭62−69141
号」および「特開昭62−231136号」に開示されているよ
うな微小硬度計がある。これらのものは、圧子の押込み
荷重を変化させながら圧子を押込み、各荷重と押込み深
さとの関係を連続的または段階的に測定し、誤差を少な
くするものである。しかし、これらのものは、圧子の荷
重と押込み深さが略比例すること、すなわち試験材料の
表面が圧子の押込みに対応して塑性変形することを前提
としている。したがって、これらのものは、材料の表面
の数μｍないし数十μｍの範囲の測定を対象としてい
る。

しかし、最近では、材料の表面近傍の物性の測定をさら
に高精度にすることが要望されている。このような測定
の高精度化の要求に対応するには、材料の表面の１μｍ
またはこれ以下の極めて浅い部分のみの物性を測定する
ことが要求される。このような極めて浅い部分圧子を押
し込む場合には、材料の弾性変形および表面荒さの影響
が極めて大きくなり、圧子の荷重と押込み深さとの関係
は複雑となり、精度が大幅に低下してしまう不具合を生
じる。

このような不具合を改善するために、圧子に作用する荷
重を変化させながらこの圧子を試験材料表面の極めて浅
い領域に押込み、またこの荷重を変化させながらこの圧
子を引抜き、この押込み過程と引抜き過程において圧子
の荷重と押込み深さとの関係を連続的に測定・記録し、
これらの荷重と深さの関係からこの材料の引張り強さや
ヤング率等の物性を測定する方法が開発された。

しかし、このような方法で使用される測定装置は、圧子
の押込み荷重が数mg程度、押込み深さも１μｍ程度であ
る。したがって、従来の押込み形の硬度計では精度が十
分でなく、上記のような精密な測定には適していなかっ
た。

したがって、このような測定を実施するには、上記のよ
うに圧子の押込み荷重や押込み深さを極めて小さくする
必要があり、このためには上記の圧子を保持する圧子ア
ームをきわめて正確かつ円滑に支持する軸受け構造が必
要になる。

［考案が解決しようとする課題］ 本考案は以上の事情に基づいてなされたもので、圧子の
荷重および押込み深さが極めて小さい場合でも正確に測
定ができる精度の高い微小押込み形材料物性試験装置に
おいて、この圧子を保持する圧子アームを正確かつ円滑
に支承することができるベアリング支持機構を提供する
ものである。

［課題を解決するための手段］ 本考案は、圧子を保持する圧子アームの軸受け構造を改
善することにより、この部分の遊びを除去し、これによ
って精度を向上させるものである。本考案のベアリング
支持機構は圧子アームの両側に取り付けられたベアリン
グを備えている。また、フレーム側からは先端が円錐形
の一対のニードル軸が互いに対抗して突設され、これら
のニードル軸の先端部が上記のベアリング内に嵌合して
この圧子アームを支承している。そして、これらのニー
ドル軸の少なくとも一方はスプリングによって互いに近
接するように付勢されている。

［作用］ 本考案によれば、先端が円錐状のニードル軸がスプリン
グの付勢力によってベアリング内に嵌合しており、これ
らニードル軸とベアリングが正確に同心状に位置決めさ
れるとともに、これらのベアリングには軸方向の付勢力
が与えられているため、これらベアリング内やニードル
軸との間の遊びが完全に除去され、この試験装置の精度
が向上するものである。

［実施例］ 以下、図面を参照して本考案の実施例を説明する。ま
ず、本考案のベアリング支持機構を備えた測定装置につ
いて説明する。

第１図には、この測定装置全体を概略的に示す。図中の
１は測定機であり、この測定機は気密容器２内に収容さ
れている。またこの測定機１には、測定・制御装置３が
接続されており、この測定・制御装置３は上記の気密容
器２の外側に配置されている。また、この気密容器２に
は開閉弁５を介して真空ポンプ４が接続されており、こ
の気密容器２内を減圧または真空に排気するように構成
されている。また、６は開放弁であって、この開放弁６
を開弁することにより、この気密容器２内を大気圧に戻
すことができる。なお、７は圧力計であって、この圧力
計７によってこの気密容器２内の圧力が表示される。な
お、この気密容器２内は、必要に応じて不活性ガスに置
換され、試験材料等の酸化を防止する。

上記の気密容器２は、透明なアクリル樹脂板で形成され
た容器本体11を有し、この容器本体11の全面は開口して
おり、この開口部には開閉自在な扉13が枢着されてい
る。この扉13は、透明なアクリル樹脂板で形成され、ラ
ッチ機構14によって閉じた状態にロックされる。また、
この扉13と容器本体11との間はシール17によって気密が
維持される。また、この容器本体11および扉13は、透明
なアクリル樹脂板からなる補強リブ15,16によって補強
されている。また、この容器本体11の底部にはダンパ脚
12が設けられ、外部からの振動を遮断する。

上記の測定機１は、上記のような気密容器２内に収容さ
れ、測定時には扉を閉じてこの気密容器２内を真空に排
気するので、空気の振動や揺らぎがなく、測定精度が向
上する。

次に、第３図および第４図を参照して上記の測定機１の
構造を説明する。この測定機１はフレーム20を有してい
る。そして、このフレーム20上には、試料台21が設けら
れている。この試料台21には、複数のマイクロメータヘ
ッド22,23が設けられ、載置された試験材料（図示せ
ず）を水平および鉛直方向に正確に移動し、位置決めで
きるものである。

また、このフレーム20の上部には、圧子アーム30が設け
られている。この圧子アーム30は、後に説明するベアリ
ング支持機構70によって支承されている。この圧子アー
ム30は、水平に延長された圧子アーム部31と、下方に延
長された駆動アーム部32と、荷重アーム部33とを備えて
いる。この荷重アーム部33は、上記の圧子アーム部31と
反対の水平方向に延長され、その先端部にはバランスウ
エイト34が移動自在に取付けられている。そして、上記
の圧子アーム部31の先端部には、取付け機構35を介して
圧子36が取付けられている。また、上記のフレーム20に
は、マイクロメータ形のクランプ38,39が取り付けられ
ている。これらのクランプ38,39を前進させることによ
り、これらは上記の圧子アーム30の駆動アーム部32およ
び荷重アーム部33に当接し、この圧子アーム30が回動し
ないようにロックする。これらのクランプ38,39は後述
する押込み深さ検出器50の校正の際に使用するものであ
る。

上記の駆動アーム部32の先端部に対応して、押込み荷重
機構40が配置されている。この押込み荷重機構40は、ソ
レノイド42およびプランジャ41とから構成され、上記の
ソレノイド42は上記のフレーム20側に取付けられ、また
プランジャ41はこの駆動アーム部32側に取付けられてい
る。このソレノイド42には、第５図に示す負荷電流供給
装置43から電流が給電され、このプランジャ41を吸引し
てこの圧子アーム30にトルクを与え、上記の圧子36をこ
の負荷電流の値に対応した押込み荷重で試験材料に押し
込むように構成されている。なお、この圧子36の押込み
荷重は1mgから数ｇの範囲で調整することができる。

また、上記の圧子アーム部31の先端部の上方には、押込
み深さ検出器50が配置されている。この押込み深さ検出
器50は、光学形の変位計を使用しており、この圧子アー
ム部31の先端部の変位をたとえば10nmの精度で検出し、
この圧子の押込み深さを検出し、電気信号に変換する。
なお、この押込み深さ検出器50は直動形のマイクロメー
タヘッド51によって精密に上下の位置決めができるよう
に構成されている。

また、上記の荷重アーム部33の先端部に対応して、上記
のフレーム側には荷重検出器60が取付けられている。ま
たこの荷重アーム部33の先端部には、上記のベアリング
支持機構70に対して上記の圧子36と対称の位置に突子37
が突設されている。そして、この突子37は上記の荷重検
出器60の接触子62に当接する。この荷重検出器60は荷重
をmgの精度で検出することができるもので、この荷重検
出器60によってこの圧子アーム30のトルクを測定し、上
記の押込み荷重機構40の校正をおこなうものである。な
お、この荷重検出器60はマイクロメータヘッド61によっ
て移動され、測定の際にはその接触子62が上記の突子37
から1mm程度離間される。

また、上記のベアリング支持機構70の詳細を第４図に示
す。前述したフレーム20には上記の圧子アーム30の両側
に配置された支持部材71,72が突設されている。そし
て、これらの支持部材71,72からは、互いに対抗した一
対のニードル軸73,74が水平方向に突設されている。こ
れらのニードル軸73,74の先端部はそれぞれ円錐状に形
成されている。また、上記の圧子アーム30には水平方向
の孔が形成され、この孔内にはスペーサスリーブ75が挿
入され、セットスクリュー76で固定されている。そし
て、このスペーサスリーブ75の両側には、一対のベアリ
ング77が嵌合されており、上記のニードル軸73,74の先
端部はこれらのベアリング77のインナーレース内に嵌合
し、これらのベアリング77を介してこの圧子アーム30を
支承している。

上記の一方のニードル軸73は、一方の支持部材71にセッ
トスクリュー83によって固定されている。また他方のニ
ードル軸74は、他方の支持部材72の摺動自在に支持され
ている。また、この他方の支持部材72の背面側には、筒
状部材84が取付けられ、この筒状部材84の内面には螺孔
78が形成されている。この螺孔78内には、スプリング82
が収容され、このスプリング82によって上記のニードル
軸74が前進するように付勢され、このニードル軸74の先
端部がこのスプリング82の付勢力によってベアリング77
内に嵌合するように構成されている。したがって、この
圧子アーム30のベアリング77内には、両側から円錐形の
ニードル軸73,74の先端部がスプリング82の付勢力によ
って嵌合し、この軸受け部の遊びを除去し、精密かつ円
滑に支承するように構成されている。また、上記の螺孔
78内には、押し部材79が螺装され、この押し部材79を螺
進することによって、このスプリング82の付勢力を調整
することができる。なお、80はこの押し部材79のロック
ナットである。また、上記のニードル軸74の後端部から
はロッド81が突設され、このロッド81は上記の押し部材
79を摺動自在に貫通している。したがって、このロッド
81の先端部を引くことにより、上記のニードル軸74がス
プリング82の付勢力に抗して後退し、これらのニードル
軸73,74をベアリング77内から抜くことができ、これら
のベアリング77の交換等を簡単にできるように構成され
ている。

また、第５図には、上記の測定・制御装置３の構成を示
す。この測定・制御装置３内には、測定・制御回路90が
設けられており、この回路は後に説明するようにこの測
定機１の制御、校正および測定結果の処理をなすもので
ある。この測定・制御回路90は、前述した負荷電流供給
装置43に制御信号を送り、上記の押し込み荷重機構40の
ソレノイド42に供給する電流を制御し、所定のパターン
で上記の圧子36の押圧荷重を制御する。また、この負荷
電流供給装置43から供給される負荷電流は、電流検出器
94によって検出され、A/D変換器93でデジタル信号に変
換されたのち上記の測定・制御回路90にフイードバック
される。また、上記の押し込み深さ検出器50および荷重
検出器60からの信号も、それぞれ増幅機92,96で増幅さ
れ、A/D変換器91,95でデジタル信号に変換された後、上
記の測定・制御回路90に送られる。

また、この測定・制御回路90は、以下のようにして押し
込み荷重機構40の校正をなすようにプログラムされてい
る。まず、測定に先立って、または定期的に、上記の荷
重検出器60を下方に移動し、その接触子62を圧子アーム
30の突子37に接触させる。そして、この測定・制御装置
３を作動させると、この測定・制御回路90から上記の負
荷電流供給装置43に制御信号が出力され、この負荷電流
供給装置43からソレノイド42に供給される電流ｉは第６
図に示すように、一定の時間Δｔごとに一定のΔｉずつ
段階的に増加される。このソレノイド42が付勢されるこ
とにより、上記の圧子アーム30にトルクが発生し、突子
37が荷重検出器60の接触子62を押圧し、その荷重が検出
される。この突子37は、上記の圧子36と軸受け機構70に
対して対称の位置に配置されているので、この突子37に
作用する荷重は測定の際に圧子36に実際に作用する押し
込み荷重と等しい。そして、この荷重検出器60によって
検出される荷重ｗは、上記の負荷電流ｉの増加に対応し
てΔｗずつ段階的に増加する。そして、上記の測定・制
御回路90は、各段階ごとに第７図に示すような負荷電流
i_(1…n)および第８図に示すような荷重w_(1…n)をそれぞ
れ記録し、これらの電流と荷重との関係を第9A図に示す
ように ｗ＝Ｓ・ｉ＋Ｔ （１） の式に近似させる。なお、S,Tはそれぞれ定数である。
この第9A図から明らかなように、上記の定数Ｓは、この
負荷電流ｉの増加分に対する荷重Ｔすなわち押し込み荷
重の増加分であり、このＳはソレノイド42のコイル感度
である。したがって、このようにして、このＳおよびＴ
の値を算出しておくことにより、任意の押し込み荷重に
対応する負荷電流ｉを正確に決定することができる。な
お上記のような演算は上記の測定・制御回路90内で自動
的におこなわれ、自動的に記憶されるとともに、必要に
応じてこの結果がデイスプレイ表示またはプリントアウ
トされる。

さらに、この測定・制御回路90には、以下のようにして
上記の押込み深さ検出器50の校正を自動的に行うように
プログラムがなされている。まず、校正に先立って前記
のクランプ38,39を前進させ、圧子アーム30を回動しな
いようにロックする。次に、上記の測定・制御回路90の
校正の際の上記押込み深さ検出器の１ステップごとの移
動量とステップ回数を入力する。なお、このような設定
は予めおこなっておいてもよい。そして、上記の測定・
制御装置３を作動させると、上記の深さ検出器50からの
出力がこの測定・制御回路90に入力され、記録される。
次に、この測定・制御回路90からの信号によって、次の
ステップの校正を行う旨の指令がなされる。作業者は、
この指令にしたがって、上記の直動形のマイクロメータ
51を操作し、予め設定された所定の変位量Δ１だけこの
深さ検出器50を圧子アーム30に対して移動させる。次
に、この測定・制御回路90で上記の深さ検出器50からの
出力を受け、記録する。以下に、同様にして深さ検出器
50の移動量とその出力を測定する。このようにして測定
された移動量１と出力Ｖの関係は、第9B図のようにな
る。このような特性から、これら１とＶの関係を、 Ｖ＝ｋ・１＋Ｍ （２） の関係式にあてはめ、この定数ｋを算出する。この定数
ｋは、第9B図に示す直線の傾斜、すなわちこの押込み深
さ検出器50の感度である。そして、この測定・制御回路
90はこのｋの値を記憶し、実際の測定の際にはこの感度
ｋを使用してこの押込み深さ検出器50からの出力から圧
子36の実際の押込み深さを正確に算出する。

なお、本考案は上記の実施例には限定されない。たとえ
ば、本考案は、上述したベアリング支持機構の部分以外
の構成は、必ずしも上記の実施例のものには限定されな
い。

［効果］ 上述の如く、本考案によれば、圧子アームの軸受けの部
分の遊びを完全に除去し、この圧子アームを正確かつ円
滑に支承することができ、精密な測定をおこなうことが
できる等、その効果は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の装置全体の概略図、第２図は気密容器
の斜視図、第３図は測定機の正面図、第４図は第３図の
IV−IV線に沿う断面図、第５図は測定・制御装置の概略
構成図、第６図は供給される負荷電流の変化を示す線
図、第７図は電流検出器で検出された電流の状態を示す
線図、第８図は荷重検出器で検出された荷重の状態を示
す線図、第9A図は負荷電流と荷重との関係を示す線図、
第9B図は深さ検出器の移動量と出力の関係を示す線図で
ある。 １…測定機、２…気密容器、３…測定・制御装置、４…
真空ポンプ、30…圧子アーム、40…押込み荷重機構、50
…押込み深さ検出器、60…荷重検出器、70…ベアリング
支持機構、73,74…ニードル軸、77…ベアリング、82…
スプリング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特公 昭62−2253（ＪＰ，Ｂ２) 実公 昭41−16932（ＪＰ，Ｙ１)

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】フレームと、このフレームに回転自在に支
   承された圧子アームと、この圧子アームの先端部に取り
   付けられた圧子と、この圧子アームにトルクを与え上記
   の圧子に押込み荷重を加える押込み荷重機構と、上記の
   圧子アームを回転自在に支承するベアリング支持機構と
   を備えた微小押込み形材料物性試験装置において、この
   ベアリング支持機構は、上記の圧子アームの両側に設け
   られたベアリングと、先端部が円錐形に形成され上記の
   フレーム側から互いに対抗して突設され先端部が上記の
   ベアリング内に軸方向に嵌合して上記の圧子アームを支
   承する一対のニードル軸と、これらニードル軸の少なく
   とも一方をこれらニードル軸が互いに近接するように付
   勢するスプリングとを具備したことを特徴とする微小押
   込み形材料物性試験装置。
2. 【請求項２】上記のスプリングは、上記のフレーム側に
   移動自在に取り付けられた押し部材によって押圧されて
   おり、この押し部材を移動することによってこのスプリ
   ングの付勢力が調整できるものであることを特徴とする
   請求項１記載の微小押込み形材料物性試験装置。
3. 【請求項３】上記のスプリングで付勢されているニード
   ル軸の後端部からは上記の押し部材を摺動自在に貫通し
   たロッドが突設されており、このロッドを引くことによ
   り上記のニードル軸が上記のスプリングの付勢力に抗し
   て後退可能であることを特徴とする請求項１記載の微小
   押込み形材料物性試験装置。