(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小押し込み式硬さ試験機において、
軸により機枠に対して回動可能に支持されるとともに先端部に圧子を設けられた圧子レバーと、
上記軸により機枠に対して回動可能に支持されるとともに先端部に上記圧子の貫通可能な中央貫通孔を有する接触子を設けられた接触子レバーと、
上記圧子レバーの先端部に設けられたコ字状電気絶縁体と、同コ字状電気絶縁体のコ字状の中に嵌入するように上記接触子レバーの先端部に取り付けられた電気絶縁板と、
上記のコ字状電気絶縁体と電気絶縁板との互いに対向する２個所にそれぞれ取り付けられた電極板により構成される第１および第２コンデンサとをそなえ、
上記接触子と機枠との間にＰＺＴが介装され、
同ＰＺＴを伸縮させるべくＰＺＴ制御電流を供給する電流制御回路が設けられ、
同電流制御回路に上記第１および第２コンデンサの各電気容量がそれぞれ入力されるように構成されていることを特徴とする、微小押し込み式硬さ試験機における基準位置確定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小押し込み式硬さ試験機に関し、特にその基準位置の確定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、押し込み荷重が１gf以下の微小荷重による硬さ試験機が、例えば半導体関係で成膜製品の表面層の材料試験に用いられている。
そして、このような試験機として、特開昭６３−２２３５３９号公報に記載されているようなものが知られており、これを図３〜10により説明すると、符号１は圧子を示しており、この圧子１は圧子レバー２の先端に固着して保持されている。
【０００３】
符号３は接触子を示していて、この接触子３は接触子レバー４の先端に固着して保持され、圧子レバー２と接触子レバー４とは、同一の軸５の軸線上にある圧子レバー十字ばね６および接触子レバーばね７によって軸支されている。圧子１と接触子３とは、圧子レバー２と接触子レバー４の先端部で圧子レバー２，接触子レバー４の十字ばね６，７を中心とする円弧上を、試料40の表面に垂直な軸線Ｂに沿って往復動するようになっており、圧子１の周辺部で接触子３が往復動する。
【０００４】
十字ばね６，７は図４，５に詳細を示すように、円弧状の固定部８は基台10に固定されており、それに対向して円弧状の揺動部９が設けられる。固定部８と揺動部９とは、ばね体11によって結ばれており、ばね体11は２個のばね体が図４の側面図において十字形を形成するよう取付けられている。またばね体11は図５に示すように、２つのばねによって構成されて固定部８と揺動部９とを結んでいるが、２つのばねは互いに接触せず独立に作動する。揺動部９は圧子レバー２，接触子レバー４に固着し、ばね体11の側面図における交点は、十字ばね６，７の軸５の上にあり、かつ十字ばね６，７の軸は圧子レバー２，接触子レバー４の中心軸線Ｃ上にあるように構成される。
【０００５】
そして圧子レバー２と接触子レバー４とは、十字ばね６，７を交点として静的に釣合いを取るようになっている。圧子レバー２および接触子レバー４は後述のように圧子および接触子を試料に押圧するものであるから、剛性が高い方が望ましいが、揺動の影響を少なくし、圧子１の移動速度を変化させる必要があるため、軽量で、十字ばね６，７を中心とする慣性モーメントが小さいことが必要であり、軽量，高剛性の構造とする。
【０００６】
そして圧子レバー２，接触子レバー４の十字ばね６，７は図６に示すように、圧子レバー２の十字ばね６は１個取付けられ、接触子レバー４の十字ばね７は、圧子レバー２の十字ばね６を中心としてその両側に取付けられる。このようにして圧子レバー２は、両端で接合して一体となった２本の接触子レバー４の間に挟まれ、しかも圧子レバー２と接触子レバー４とは接触せず、独立に移動するようになっている。そして接触子レバー４の先端部では圧子レバー２を取囲むようにして接触子３を保持し、圧子１は接触子３にあけられた孔を貫通して上下するようになっている。また圧子レバー２と接触子レバー４の他端部には、圧子レバー２，接触子レバー４を駆動するための負荷装置21，24が取付けられている。
【０００７】
圧子レバー２と接触子レバー４の先端部の詳細は図７に示すように、圧子１は圧子レバー２の先端部の下面に固着され、圧子レバー２の先端部の上面にはコ字状の電気絶縁体12が固着されている。接触子レバー４の先端部は図８に示すように、接触子レバー４の先端部下面に、圧子１の周辺を同心円状に取囲むようにして接触子３が固着しており、圧子１は接触子３を貫通して往復動する。接触子レバー４の先端部上面には電気絶縁板13が固着され、電気絶縁板13は圧子レバー２の電気絶縁体12のコ字状の中に嵌入するようになっている。電気絶縁体12のコ字状内面と、電気絶縁板13の外面との互いに相対する水平面の面上とには、１平方センチメートルあるいはそれ以上の電極板が貼着されている。圧子レバー２に固着した電気絶縁体12には電極板14，16が、接触子レバー４に固着した電気絶縁板13には電極板16，17が固着され、電極板14，16および15，17は、圧子１と接触子３との基準位置では、両者共約50μｍの微小間隔ｄ2，ｄ1で相対する。
【０００８】
電極板14，16および15，17は電気的コンデンサを形成し、圧子１と接触子３との相対変位が、電極板14，16によって形成される第１コンデンサ18と、電極板15，17によって形成される第２コンデンサ19との電気容量の差に比例する。
よって公知の電気容量変化検出用発振器および増幅器を用いて、圧子１と接触子３との相対変化を取出すことができ、これによって圧子変位計20が構成される。
【０００９】
圧子レバー２の十字ばね６を中心として圧子１の反対側には、負荷装置21が取付けられ、負荷装置21は駆動コイル22と永久磁石23とからなり、駆動コイル22に電流を流すことにより圧子レバー２は十字ばね６を支点として圧子１を駆動し、駆動コイル22の電流に比例した所定の荷重を圧子１に与える。
接触子レバー４の十字ばね７の反対側にも負荷装置24が取付けられ、負荷装置24は駆動コイル25と永久磁石26とからなり、駆動コイル25に電流を流すことにより接触子レバー４は十字ばね７を支点として接触子３を駆動し、駆動コイル25の電流に比例した所定の荷重を接触子３に与える。
【００１０】
しかしながら駆動コイル22によって与えられる駆動力は、圧子レバー２が傾斜するとき、十字ばね６のばねが撓むばね力として一部が消費され、圧子１を駆動する駆動力は、駆動コイルの電流によって与えられる力から十字ばね６のばね力を差引いたものとなるので、十字ばねのばね力を算定し、駆動力からこのばね力を差引き、圧子１が試料40を押圧する力を求める必要がある。これは変位計20の出力を利用し次のようにする。すなわち接触子３を試料40に押圧した後、変位計20が零になるまで圧子１の駆動力を増加し、その点の駆動力を基準点として予め検定した十字ばね６のばね定数と変位計20の出力とを掛算し、前記駆動力から差引けば、圧子１と試料間に生じる真の押圧力を求めることができる。
【００１１】
この微小領域強度試験装置によって測定を行なうには、試料40を微動台41を含む試料台44に載置し、顕微鏡43の下に置く。微動台41を上下して調整し焦点を合わせると、試料40の表面の上下位置は、試料移動機構45によって試料台44を圧子１の直下に移動させたとき、ちょうど測定すべき上下位置となるようになっている。また顕微鏡43の直下の位置に試料40が置かれている状態で、微動台41を水平方向に動かし、試料表面の測定すべき位置を顕微鏡43の視野の中央にくるように調整する。そうすると試料台44を試料移動機構45によって圧子１の直下に移動させたとき、顕微鏡43の視野の中央にあった試料40の表面の位置が、圧子１の先端に当接する位置となる。このとき圧子１と接触子３はまだ作動していないから、圧子１と試料40の表面との距離は１mm内外の決まった値になるように予め顕微鏡43と圧子１の位置をセットしておく。なお顕微鏡43は試料の位置決めに用いるだけでなく、圧子１を試料40に圧入した後、再び試料移動機構45によって顕微鏡43の下に移動させ、圧痕の大きさ形状等を測定するために用いることもできる。
【００１２】
次に圧子１によって試料40を押圧し、測定を行なう場合について述べる。
まず接触子レバー４の駆動コイル25に直流電流を与えると、接触子レバー４は十字ばね７を支点として回転し、接触子３を下方に下げて試料40の表面を押圧する。この場合の押圧力は0.05Ｎ（ニュートン）程度であって、駆動コイル25に流す電流を変化させて押圧力を調整する。この状態では圧子レバー２には何ら力は与えられないから、図８に示すように、接触子レバー４とともに接触子レバー４に固着している電気絶縁板13が下方に下がり、電気絶縁板13の電極16と圧子レバー２に固着している電気絶縁体12の電極14とが接触し、圧子レバー２も接触子レバー４とともに下方に押し下げられる。
【００１３】
次に圧子レバー２によって圧子１を駆動するのであるが、圧子１を駆動する力は精密に制御されていなければならないので、前述のように圧子１の変位計20によって十字ばね６のばね力を補償する。すなわち図10に示すように、圧子レバー２の駆動信号50は駆動増幅器51によって増幅され、電流値52となって駆動コイル22を駆動するが、電流値52と、変位計20とによって検出される十字ばね６のばね力に相当する電流値53との差を比較器34によって求め、圧子１が試料40を押圧する荷重のみを信号35として取り出すようにしている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、微小押し込み式硬さ試験機では、試験に先立って圧子１と接触子３との基準位置の設定を行なう必要があり、この基準位置の設定を、上述の従来のものでは、次のようにして行なっている。
まず圧子レバー２の駆動コイル22に直流電流を与え、圧子レバー２を十字ばね６を支点として回転させて圧子１を下方に下げる力を与える。すると電極板14，16が接触していたものが離れる。そこで圧子変位計20の電極板14，16によって形成される第１コンデンサ18と電極板15，17によって形成される第２コンデンサ19との電気容量が等しくなるように圧子変位計20の出力を見ながら駆動電流値32の値を調整する。それによって第１，第２のコンデンサ18，19の電極板の距離が共に50μｍとなってこの位置が圧子１と接触子３の基準位置となる。
【００１５】
ところで、上記基準位置の設定は、上述のとおり圧子変位計20の出力を見ながら、第１コンデンサの電気容量と第２コンデンサの電気容量とが等しくなるように、駆動コイル22の駆動電流値32の値を調整するという微調整作業であるため、その操作には熟練を要するほか、調整に長時間を要するという問題点がある。
本発明は、このような問題点の解決をはかった、微小押し込み式硬さ試験機における基準位置確定装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明の微小押し込み式硬さ試験機における基準位置確定装置は、軸により機枠に対して回動可能に支持されるとともに先端部に圧子を設けられた圧子レバーと、上記軸により機枠に対して回動可能に支持されるとともに先端部に上記圧子の貫通可能な中央貫通孔を有する接触子を設けられた接触子レバーと、上記圧子レバーの先端部に設けられたコ字状電気絶縁体と、同コ字状電気絶縁体のコ字状の中に嵌入するように上記接触子レバーの先端部に取り付けられた電気絶縁板と、上記のコ字状電気絶縁体と電気絶縁板との互いに対向する２個所にそれぞれ取り付けられた電極板により構成される第１および第２コンデンサとをそなえた微小押し込み式硬さ試験機において、上記接触子と機枠との間にＰＺＴを介装し、同ＰＺＴを伸縮させるべくＰＺＴ制御電流を供給する電流制御回路を設け、同電流制御回路に上記第１および第２コンデンサの各電気容量を入力するように構成して課題解決の手段としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の一実施形態としての微小押し込み式硬さ試験機における基準位置確定装置について説明すると、図１はその要部を示した側面図、図２は図１のＡ矢部の拡大図である。なお図１，２中図３〜10と同じ符号は同一の部材を示している。
【００１８】
この実施形態の微小押し込み式硬さ試験機も、上述の従来のものと同じ構成をそなえている。すなわち圧子１を保持する圧子レバー２と、接触子３を保持する接触子レバー４とをそなえ、圧子１は圧子レバー２の先端部の下面に固着され、圧子レバー２の先端部の上面にはコ字状の電気絶縁体１２が固着されている。接触子レバー４の先端部は図８に示すように、接触子レバー４の先端部下面に、圧子１の周辺を同心円状に取囲むようにして接触子３が固着しており、圧子１は接触子３を貫通して往復動する。接触子レバー４の先端部上面には電気絶縁板13が固着され、電気絶縁板13は圧子レバー２の電気絶縁体12のコ字状の中に嵌入するようになっている。電気絶縁体12のコ字状内面と、電気絶縁板13の外面との互いに相対する水平面の面上には、１平方センチメートルあるいはそれ以上の電極板が貼着されている。圧子レバー２に固着した電気絶縁体12には電極板14，15が、接触子レバー４に固着した電気絶縁板13には電極板16，17が固着され、電極板14，16および15，17は圧子１と接触子３との基準位置では、両者共50μｍの微小間隔（図７参照）で相対する。電極板14，16および15，17は電気的コンデンサを形成し、圧子１と接触子３との相対変位が、電極板14，16によって形成される第１コンデンサ18と、電極板15，17によって形成される第２コンデンサ19との電気容量の差に比較する。よって公知の電気容量変化検出用発振器および増幅器を用いて、圧子１と接触子３との相対変位を取り出すことができ、これによって圧子変位計20が構成される。なおこのようにして構成された圧子変位計20は、変位の測定が必要な圧子１について、その直近位置で検出が行なわれるので、圧子レバー２の剛性やその他の機械的な誤差の影響を受けにくいという点でも優れたものである。
【００１９】
さらに、両レバーの回動により圧子１と接触子３とを試料（表面）40に対して垂直な軸線に沿って往復動可能に支持する支持装置（従来装置における軸線５上の十字ばね６，13）、圧子レバー２と接触子レバー４とを回動させた後、圧子１を試料40に圧入させる圧子レバー負荷装置21，接触子レバー負荷装置24なども設けられている。
そして、圧子１と接触子３との基準位置を設定するために、次のような手段が付加されている。
すなわち、図１に示すように、軸５に接近した位置の接触子レバー４と機枠10との間に、ＰＺＴ（積層型圧電アクチュエータ）30が介装され、ＰＺＴ30に制御電流を付与するＣＰＵ31，Ａ/Ｄ変換器32，増幅器33からなるＰＺＴ制御器34が接続されいる。
【００２０】
ＣＰＵ31には、第１コンデンサ18および第２コンデンサ19の各電気容量が入力されており、両コンデンサの電気容量を等しくするように、ＰＺＴ30に制御電流が供給される。ＰＺＴ30はこの制御電流の供給を受けて伸縮して接触子レバー４を軸５を中心に回動させ、接触子レバー４の先端部における圧子レバー２との間の寸法ｄ1，ｄ2，すなわち両コンデンサの電気容量が等しくなる位置に、接触子レバー４を移動させる。これにより圧子１と接触子３とを基準位置に自動的に設定することができる。
【００２１】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の微小押し込み式硬さ試験機における基準位置確定装置によれば、圧子と接触子との基準位置の設定を自動化することができ、操作の容易性の向上と、基準位置設定時間の短縮化とをはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態としての微小押し込み式硬さ試験機における基準位置確定装置の側面図。
【図２】図１のＡ矢部の拡大図。
【図３】従来の微小押し込み式硬さ試験機の模式斜視図。
【図４】同十字ばねの正面図。
【図５】同十字ばねの側面図。
【図６】同圧子レバーと接触子レバーの平面図。
【図７】同圧子レバーと接触子レバーとの先端部拡大図。
【図８】同圧子レバー先端が図７の状態になる前に接触子レバーのみが作動した状態を示す図７と同様の拡大図。
【図９】試料台と圧子および顕微鏡の側面図。
【図10】同圧子レバー駆動装置の制御系のブロック図。
【符号の説明】
１  圧子
２  圧子レバー
３  接触子
４  接触子レバー
５  軸
６，７  十字ばね
10  基台
11  ばね体
12  コ字状電気絶縁体
13  電気絶縁板
14，15，16，17  電極板
18  第１コンデンサ
19  第２コンデンサ
20  圧子変位計
21  圧子レバーの負荷装置
22  駆動コイル
23  永久磁石
24  接触子レバーの負荷装置
25  駆動コイル
26  永久磁石
30  ＰＺＴ（積層型圧電アクチュエータ）
31  ＣＰＵ
32  Ａ／Ｄ変換器
34  ＰＺＴ制御器
40  試料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003631310.tif 000009
【図９】
0003631310.tif 000010
【図１０】
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