(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
上記軸により上記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、
上記圧子レバー上で上記軸に関して上記圧子と反対側の端部に設けられた圧子負荷装置と、
上記接触子レバー上で上記軸に関して接触子と反対側の端部に設けられた接触子負荷装置とをそなえ、
上記圧子負荷装置が、上記機枠に取り付けられた電磁装置で構成され、
同電磁装置に、上記圧子の試料表面探査用の分解能の高いゼロコイルと、上記圧子の試料押し込み用の分解能の低いフオースコイルとが設けら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圧子負荷装置。
【請求項２】
上記ゼロコイルの分解能が、上記フオースコイルの分解能よりも２桁高く設定されていることを特徴とする、請求項１に記載の微小押し込み式硬さ試験機における圧子負荷装置。
【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、特にその圧子負荷装置の改良に関する。
【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Ａ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を固定する円弧状の固定部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、各十字ばねを構成するばね体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１４，１５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。
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。
【００１２】
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５４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５５として取り出すようにしている。
なお、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。
【００１４】
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５２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】
【発明が解決しようとする課題】
上述のとおり、従来の微小押し込み式硬さ試験機の圧子負荷機構は、図３に示すように、圧子レバー２の端部に設けた、駆動コイル２２と永久磁石２３とからなる負荷装置２１で構成されており、負荷（力）を発生させる電磁コイル２２は１つであって、この１つの電磁コイル２２によって試料表面の検出行程および試料への押し込み行程を行なう構成となっている。
ところで、試料への押し込みを行なう電磁コイルは、大きな荷負レンジをそなえる必要があるため分解能の低いものが用いられており、このような性能の電磁コイルを試料表面の検出用に兼用した従来のものでは、試料表面検出時にオーバーロード現象が発生し、圧子の試料接触点を正確に検出できないという問題点がある。
【００１６】
本発明は、このような問題点の解決をはかろうとするもので、圧子の負荷装置に用いられる電磁コイルとして、試料表面探査用の分解能の高い電磁コイル（Ｚｅｒｏコイル）と、試料負荷用の分解能の低い電磁コイル（Ｆｏｒｃｅ  コイル）との２種類のものを設けて、試料表面の探査時と試料に対して測定負荷付与時とで電磁コイルを選択して作動させるようにした点を特徴とするものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、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、上記軸により上記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、上記圧子レバー上で上記軸に関して上記圧子と反対側の端部に設けられた圧子負荷装置と、上記接触子レバー上で上記軸に関して接触子と反対側の端部に設けられた接触子負荷装置とをそなえた微小押し込み式硬さ試験機において、上記圧子負荷装置を上記機枠に取り付けられた電磁装置で構成し、同電磁装置に、上記圧子の試料表面探査用の分解能の高いゼロコイルと、上記圧子の試料押し込み用の分解能の低いフオースコイルとを設けて課題解決の手段としている。
また上記ゼロコイルの分解能を、上記フオースコイルの分解能よりも２桁高く設定して課題解決の手段としている。
【００１８】
【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圧子負荷装置について説明すると、図１はその要部を模式化して示す側面図、図２（ａ），（ｂ）はその作用説明図である。
【００１９】
この実施形態の微小押し込み式硬さ試験機も、図３に示した従来のものとほぼ同一の構成をそなえているが、ただ圧子の負荷装置２１が、図１に示すように、分解能の高い電磁コイル（以下「ゼロコイル」という）２２ａと、分解能の低い電磁コイル（以下「フオースコイル」という）２２ｂとの２種類の電磁コイルにより構成されている。（なお、この外の構成は、図３〜図１０のものと同一であるため、詳細な説明は省略する）
ゼロコイル２２ａとしては、その分解能が、例えば図２（ａ）に示すように、フオースコイル２２ｂの分解能よりも２桁高いものが用いられる。
【００２０】
図２（ａ）は、ゼロコイル２２ａおよびフオースコイル２２ｂの各分解能を示すもので、（横軸が供給電流，縦軸が圧子の押圧力を示す）折線Ａがゼロコイル２２ａの分解能を、折線Ｄがフオースコイル２２ｂの分解能をそれぞれ示している。
また、ゼロコイル２２ａおよびフオースコイル２２ｂにはそれぞれＣＰＵ（図示せず）により制御電流が供給されるようになっている。
【００２１】
上述の構成において、接触子レバーの負荷装置２４を作動して接触子レバー４を図１において時計方向に回動させて接触子３（図１参照）で試料を試料４０（図７，８参照）に押圧した後、圧子の負荷装置２１を作動して、圧子１を試料の表面に接触させる（試料表面の検出）のであるが、この際、分解能の高いゼロコイル２２ａにのみ通電して、圧子レバー２を図１において時計方向に回動させる。
【００２２】
ゼロコイル２２ａは分解能が高い（電流値を一段階高めたときに発生する負荷トルクの増加分が低い）ため、試料にオーバーロードを発生させるおそれがない。すなわち、図２（ａ），（ｂ）の折線Ｄが示すような分解能の低い電磁コイルで試料表面の探査を行なう場合、試料表面に圧子の先端部が丁度到達するロード、すなわち試料表面探査に適した負荷が、図２（ｂ）の点Ｘであるとき、電流Ｉ１では負荷力がＸ１で未だＸには達していないが、Ｉ１より１段階高いＩ２ではＸを超えたＸ２となり、（Ｘ２−Ｘ）が試料にオーバーロードとして作用することになる。
【００２３】
しかし、分解能の高い電磁コイルを用いると（Ｘ２−Ｘ１）の値が極めて小さいため、試料にオーバーロードを与えることなく、試料の表面探査が可能となる。試料が例えばゴム状のものの場合、オーバーロードによる反発がおこり、試料誤差の原因となるが、この実施形態のように、分解能の高い電磁コイル２２ａにより圧子の試料表面探査を行なわせることにより、上記のような不都合を解消することができ、安定した測定が可能となる。
なお、負荷用電磁コイル（フオースコイル）２２ｂに、分解能の高い電磁コイルを用いると、全ストロークが小さくなって実用性をそこなうおそれがある。
【００２４】
つまり、通常、微小押し込み式硬さ試験機では、圧子レバーに１０ｍｇから１００ｇに至る大きな荷負レンジ幅をもたせており、このような大きな荷負レンジ幅をもたせながら、試料表面を、試料にオーバーロードを与えることなく探査することができる電磁コイルを、１個の電磁コイルで得ることは不可能であり、本実施形態のように表面探査用と負荷付与用とに、負荷装置の電磁コイルを分割することにより、はじめて大きな荷負レンジ幅を維持した上で試料にオーバーロードを与えない負荷装置を得ることができる。
【００２５】
【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圧子負荷装置によれば、次のような効果ないし利点が得られる。
（１）圧子レバーの負荷装置に試料表面探査用の分解能の高い電磁コイル（ゼロコイル）を設けたことにより、同負荷装置に設けられたフオースコイルの分解能に左右されることなく、試料の表面探査を行なうことができる。
（２）ゼロコイルの分解能をフオースコイルの分解能よりも２桁高いものとしたことにより、試料表面検出時におけるオーバーロードによる試料への影響を殆ど０にすることができ、試料の計測に際し、圧子の試料接触点を確出することができ計測誤差をなくすことが可能となる。
特にゴム状試料の計測に際しこの効果は顕著である。
【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圧子負荷装置の模式側面図。
【図２】（ａ）  同作用説明図。
（ｂ）  同作用説明図。
【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
２２ａ  ゼロコイル
２２ｂ  フオースコイル
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
【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】
0003617156.tif 000008
【図８】
0003617156.tif 000009
【図９】
0003617156.tif 000010
【図１０】
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