(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
供試体の上部と下部との間に横方向の変位を加えて該供試体の強度を試験する材料試験機であって、
基台上に設けられて、前記供試体の下部を固定した下部供試体固定ブロックを支持するテーブルと、
前記基台に支持されて上記テーブルに対峙して該テーブルの上面に沿って移動自在に設けられ、前記供試体の上部を固定した上部供試体固定ブロックを支持するブロック支持体と、
前記基台に支持されて上記ブロック支持体の移動方向の軸線上に設けられ、第１の荷重センサを介して前記ブロック支持体の一側部に連結されて前記ブロック支持体に移動変位を生起する荷重を加える荷重機構と、
前記基台に支持されて前記ブロック支持体の移動方向の軸線上に設けられ、第２の荷重センサを介して前記ブロック支持体の他側部に連結されて前記ブロック支持体に上記荷重とは逆向きの一定荷重を与える予荷重機構と、
前記第１の荷重センサを介して検出される荷重に応じて該第１の荷重センサにその変位を零とするフィードバック制御電圧を印加すると共に、上記フィードバック制御電圧を前記第２の荷重センサに加えた状態で該第２の荷重センサを介して前記ブロック支持体に加えられた荷重を検出する荷重検出手段と
を具備したことを特徴とする材料試験機。
【請求項２】
前記基台は、前記テーブルが設けられる水平基準面をなす主体部と、この主体部の後端部に立設されて前記ブロック支持体を水平方向に移動自在に支持すると共に、前記ブロック支持体の移動方向の両側に前記荷重機構および前記予荷重機構をそれぞれ支持する壁部とを備えたＬ字型のブロック体からなることを特徴とする請求項１に記載の材料試験機。
【請求項３】
前記テーブルは、下部供試体固定ブロックの支持位置を調整可能なＸＹテーブル機構からなることを特徴とする請求項１に記載の材料試験機。
【請求項４】
前記荷重機構は、電圧の印加により長さまたは厚みが変化して、その変化方向に荷重を生起するピエゾ素子からなり、前記予荷重機構は、バネ長が可変設定されて弾性荷重が調整されるバネ機構からなることを特徴とする請求項１に記載の材料試験機。
【請求項５】
前記ブロック支持体は、前記荷重機構および予荷重機構から加えられる荷重が作用する軸線上に前記上部供試体固定ブロックを支持する枠体からなることを特徴とする請求項１に記載の材料試験機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、供試体にマイクロオーダの変位を加えて、その強度を試験するに好適な材料試験機に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
近時、マイクロマシンや電子デバイスのマイクロ接合部等の微小構造物における強度信頼性を如何にして評価するかが重要となっている。ちなみにこの種の微小構造物における強度問題は、専ら、温度変化等によって異種材接合構造に生じる熱応力に原因するものが多い。この為、機械的な試験法にてその強度試験を行う場合、従来一般的な荷重制御系を用いて微小構造物（供試体）に荷重を加えながら試験するよりも、むしろ変位制御系により微小構造物（供試体）に横方向の変位を加えながら試験する方が好ましいと言える。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述した微小構造物は、微小で複雑な構造を有するので、一般的な標準試験片（供試体）を一対のチャック間に保持して荷重や変位を加える如く構成された万能試験機を用いて、その強度試験を行うことは困難である。特にこの種の試験は、微小構造物（供試体）にマイクロオーダの微小な変位を加えながら行うことが必要であり、一般的な万能試験機を用いた試験を一層困難なものとしている。
【０００４】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、電子デバイス等の微小構造物からなる供試体にマイクロオーダの変位を加えながら、その異種材接合構造等の強度を高精度に計測することのできる簡易な構成の材料試験機を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するべく本発明に係る材料試験機は、電子デバイス等の微小構造物からなる供試体における異種材接合構造部等の強度を試験するに好適なものであって、
供試体の下部を固定した下部供試体固定ブロックを支持するテーブルを基台上に設けると共に、前記供試体の上部を固定した上部供試体固定ブロックを支持するブロック支持体を上記テーブルに対峙させて、且つ該テーブルの上面に沿って移動自在に前記基台に設ける。そして上記ブロック支持体を挟むようにして該ブロック支持体の移動方向の軸線上に、該ブロック支持体の移動方向の一側部に第１の荷重センサを介して連結されて前記ブロック支持体に移動変位を生起する荷重を加える荷重機構と、前記ブロック支持体の移動方向の他側部に第２の荷重センサを介して連結されて前記ブロック支持体に上記荷重とは逆向きの一定荷重を与える予荷重機構とを、前記基台に設ける。そして前記第１の荷重センサを介して検出される荷重に応じて該第１の荷重センサにその変位を零とするフィードバック制御電圧を印加すると共に、上記フィードバック制御電圧を前記第２の荷重センサに加えた状態で該第２の荷重センサを介して前記ブロック支持体に加えられた荷重を検出する（荷重検出手段）ようにしたことを特徴としている。
【０００６】
即ち、本発明に係る材料試験機は、基台上に設けられて供試体の下部を固定した下部供試体固定ブロックを支持するテーブルに対して、該供試体の上部を固定した上部供試体固定ブロックを支持するブロック支持体を、上記テーブルの上方位置に水平方向に移動自在に設け、このブロック支持体に対して、その移動方向の側部に第２の荷重センサを介して設けた予荷重機構から一定の荷重を加えながら、反対側の側部から荷重機構を用いて第１の荷重センサを介して荷重を加えることで該ブロック支持体に水平方向の微小変位を与えるようにし、特に前記第１の荷重センサにより検出される荷重に応じて該第１の荷重センサの変位を実質的に零とするように第１の荷重センサをフィードバック制御すると共に、このフィードバック制御電圧を前記第２の荷重センサに加えた状態で該第２の荷重センサを用いて前記ブロック支持体に加えられた真の荷重だけを検出するようにしたことを特徴としている。
【０００７】
好ましくは請求項２に記載するように、前記基台を、前記テーブルが設けられる水平基準面をなす主体部と、この主体部の後端部に立設された壁部とを備えたＬ字型のブロック体として実現し、この壁部に前記ブロック支持体を水平方向に移動自在に支持すると共に、前記ブロック体の移動方向の両側に前記荷重機構および前記予荷重機構をそれぞれ設けることを特徴としている。そして請求項３に記載するように前記テーブルを、下部供試体固定ブロックの支持位置を調整可能なＸＹテーブル機構として実現することを特徴としている。
【０００８】
更に好ましくは請求項４に記載するように前記荷重機構を、電圧の印加により長さまたは厚みが変化して、その変化方向に荷重を生起するピエゾ素子を駆動源として用い、また前記予荷重機構を、バネ長が可変設定されて弾性荷重が調整されるバネ機構として実現することを特徴としている。そして請求項５に記載するように前記ブロック支持体を、前記荷重機構および予荷重機構から加えられる荷重が作用する軸線上に前記上部供試体固定ブロックを支持する枠体として実現することを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る小型の材料試験機について説明する。この実施形態に係る材料試験機は、例えば電子デバイスや電子機器等に用いられる部品のように異種材マイクロ接合構造をなす供試体の強度やその機械的性質の評価に用いるに好適なものであり、電気を動力源として作動するディスクトップ型の装置として実現される。
【００１０】
図１はこの実施形態に係る材料試験機の全体的な概略構成を、その一部を分解して示す斜視図であり、図２（ａ）（ｂ）はその一部を断面として示した平面図および正面図である。
図において１は定盤等からなる基台であり、この基台１は水平基準面をなす主体部１ａと、主体部１ａの後端部に立設された壁部１ｂとを備えたＬ字型のブロック体として実現されている。この基台１は、図２（ｂ）に示すように机や床面２等の上に、脚部１ｃを介して高さ調整されて水平に設置される。
【００１１】
さて基台１（主体部１ａ）の略中央部には、後述する下部供試体固定ブロック６０を位置調整可能に支持するテーブル１０が設けられている。このテーブル１０はＸＹテーブル機構からなり、そのベース１１上にＸ方向に移動自在に設けたＸテーブル１２を前後一対のマイクロメータヘッド１２ａ，１２ｂにより位置調整し、またＸテーブル１２上にＹ方向に移動自在に設けたＹテーブル１３を左右一対のマイクロメータヘッド１３ａ，１３ｂにより位置調整し得るように構成されている。下部供試体固定ブロック６０は、このようなＸＹテーブル機構のマイクロメータヘッドを用いてＸＹ方向に位置調整されるＹテーブル１３上に固定される。尚、Ｙテーブル１３には、接触式変位計１６が組み込まれており、この接触式変位計１６を用いて後述するように上部供試体固定ブロック７０と下部供試体固定ブロック６０との変位が計測されるようになっている。
【００１２】
一方、前記テーブル１０の上方位置には、上部供試体固定ブロック７０を支持するブロック支持体２０が水平方向に移動自在に設けられている。このブロック支持体２０は、前記基台１の壁部１ｂの略中央部に固定されたガイドローラ機構２１に装着されることで、テーブル１０に対峙して水平方向に円滑に移動し得るように支持されている。ちなみにブロック支持体２０は、その中央部に上部供試体固定ブロック７０を嵌め込んで保持する枠体形状を有している。またブロック支持体２０の移動方向の両側部には荷重センサ２２，２３がそれぞれ装着されている。これらの荷重センサ２２，２３は、例えば物理的特性を同じくする一対のピエゾ素子からなり、後述するように一方の荷重センサ（ピエゾ素子）２２はブロック支持体２０に加えられる荷重を零にする為の補償用として、また他方の荷重センサ（ピエゾ素子）２３はブロック支持体２０に加えられる荷重の検出用としてそれぞれ用いられる。尚、荷重センサ２２，２３としてロードセルを用いることも可能である。
【００１３】
また前記基台１の壁部１ｂには、ブロック支持体２０の両側に位置して該ブロック支持体２０にその移動方向の一側部から荷重を加える荷重機構３０と、その反対側から一定の荷重（予荷重）を逆向きに加える予荷重機構４０とがそれぞれ設けられている。荷重機構３０は、例えば電圧の印加により長さまたは厚みが変化して、その変化方向に荷重を生起するピエゾ素子３１を駆動源とするアクチュエータからなり、その作動軸３２を前記荷重センサ２２を介してブロック支持体２０に連結して設けられる。また予荷重機構４０は、例えばバネ長が可変設定されて弾性荷重が調整されるバネ機構４１を備え、その作動軸４２を前記荷重センサ２３を介してブロック支持体２０に連結して設けられる。
【００１４】
尚、バネ機構４１は、その一端にて作動軸４２を水平方向に押圧するコイルばね４３と、このコイルばね４３の他端位置を軸方向に調整することでそのバネ力（予荷重）を調整する予荷重調整ネジ部４４と、この予荷重調整ネジ部４４により予荷重が調整された後、該予荷重調整ネジ部４４の作動を禁止するロック機構４５とからなる。
【００１５】
これらの荷重機構３０の作動軸３２および予荷重機構４０の作動軸４２は、その軸心を互いに一致させて設けられており、前記ブロック支持体２０に対して水平方向に互いに逆向きに荷重を作用させる。ブロック支持体２０は、このようにして荷重機構３０および予荷重機構４０からそれぞれ加えられる荷重の軸線上に前記上部供試体固定ブロック７０を支持するべく、前述した如く枠体形状をなしている。そしてブロック支持体２０は、予荷重機構４０から所定の予荷重が加えられた状態で前記荷重機構３０の作動により水平方向に所定の荷重が加えられ、これによって水平方向に微小幅だけ変位駆動される。特に荷重機構３０による荷重の印加を所定の周期で繰り返すことにより、ブロック支持体２０は水平方向にマイクロオーダの微小幅で往復駆動されるようになっている。
【００１６】
ここで前述した上部供試体固定ブロック７０と下部供試体固定ブロック６０とについて説明する。上部供試体固定ブロック７０は、例えば図３に示すように枠体形状をなすブロック支持体２０の枠部２０ａ内に嵌め込まれるブロック体からなり、その下面に供試体Ｓの上面が接着剤等を用いて固定される。尚、供試体Ｓが半導体チップのように、その本体部から突出したリードピンＳｐを有するような場合には、例えば図４に示すようにその底部にリードピンＳｐを挿通可能な孔部７０ａを備えた箱状のブロック体からなる上部供試体固定ブロック７０が用いられる。そしてその底部下面側から、孔部７０ａにリードピンＳｐを差し込んだ状態で該孔部７０ａに接着剤を充填する等して、上部供試体固定ブロック７０への供試体Ｓの固定が行われる。
【００１７】
しかしてその下面に供試体Ｓの上部を固定してなる上部供試体固定ブロック７０は、図３および図４に示すようにブロック支持体２０の枠部２０ａ内に嵌め込まれる。そして上部供試体固定ブロック７０は、該上部供試体固定ブロック７０と同時にその隙間に嵌め込まれるロック部材７１を用いてブロック支持体２０の枠部２０ａ内に強固に固定される。
【００１８】
ちなみにロック部材７１は板状の一対のブロック片７２，７２と、これらのブロック片７２，７２の互いに対向する内側面にそれぞれ上下に対をなして逆向きに設けられたテーパ面７３，７３間に挟み込まれる一対の楔部材７４，７４とからなる。これらの楔部材７４，７４は、上方の楔部材７４の孔部７４ａを挿通して下方の楔部材７４に設けられたネジ孔７４ｂに螺合するボルト７５により上下に連結されている。そしてこのような構造をなすロック部材７１は、ブロック支持体２０の枠部２０ａ内の上部供試体固定ブロック７０との隙間に嵌め込まれた状態で、ネジ孔７４ｂに対してボルト７５を締め付けることにより、楔部材７４，７４を接近させることでテーパ面７３，７３に対する楔作用を生起して一対のブロック片７２，７２を図４に示すように押し広げ、これによってブロック支持体２０の枠部２０ａ内に上部供試体固定ブロック７０を強固に固定する役割を呈する。
【００１９】
しかして上述した如くしてその上部を上部供試体固定ブロック７０に固定された供試体Ｓの下面には、下部供試体固定ブロック６０が固定される。そして供試体Ｓの下部を固定した下部供試体固定ブロック６０のテーブル１０への固定、具体的には前述したテーブル１０のマイクロメータヘッドを用いてＸＹ方向に位置調整されるＹテーブル１３上への固定は、適宜、適度な厚みを有するスペーサ６１を介して、その固定高さ位置を調整して行われる。尚、下部供試体固定ブロック６０への供試体Ｓの固定は、接着剤を用いる等して行われる。またスペーサ６１は、供試体Ｓの厚みに応じて設けられるもので、上部供試体固定ブロック７０を介してブロック支持体２０に固定される供試体Ｓの上部支持位置と、下部供試体固定ブロック６０を介してテーブル１０（Ｙテーブル１３）上に固定される供試体Ｓの下部支持位置とを調整する役割を担う。
【００２０】
かくして上述した如く構成された材料試験機に、供試体Ｓの上部および下部をそれぞれ固定した上部供試体固定ブロック７０および下部供試体固定ブロック６０を装着すれば、図５にその概念を示すように供試体Ｓの下部は下部供試体固定固定ブロック６０を介してテーブル１０に固定され、また供試体Ｓの上部は上部供試体固定ブロック７０を介して水平方向に変位が加えられるブロック支持体２０に固定されることになる。そしてブロック支持体２０には、予荷重機構４０により所定の予荷重が加えられ、この予荷重状態で上記ブロック支持体２０に荷重機構３０から所定の荷重が逆向きに加えられる。特に荷重機構３０は、その駆動部３３により所定の周期で駆動されて前記予荷重を越える荷重を発生し、予荷重機構４０と協働してブロック支持体２０に所定の周期で交番的に荷重を加えている。これによりブロック支持体２０は所定の周期で水平方向に往復駆動され、ブロック支持体２０に支持された上部供試体固定ブロック７０に水平方向の往復移動変位が加えられるようになっている。そして上部供試体固定ブロック７０（ブロック支持体２０）の水平方向の変位量は、前述したようにテーブル１０に組み込まれた接触式変位計１６により検出されるようになっている。
【００２１】
尚、ブロック支持体２０の両側部に装着された荷重センサ（ピエゾ素子）２２，２３は、上記の如く加えられる荷重に応じた電気的出力（電圧）を発生する。特に一方の荷重センサ（ピエゾ素子）２２の出力は、荷重検出用の増幅器３を介して検出され、フィードバック制御回路４を介してその荷重を打ち消して該荷重センサ（ピエゾ素子）２２の変位を実質的に零とするように駆動されている。またこのフィードバック制御電圧は、他方の荷重センサ（ピエゾ素子）２３に同時に加えられており、これによって該荷重センサ（ピエゾ素子）２３に生起される変位から、荷重機構３０からブロック支持体２０に加えられた真の荷重だけが、前記荷重センサ（ピエゾ素子）２２の変位を伴うことなしに荷重検出用の増幅器５を介して検出されるようになっている。
【００２２】
即ち、荷重機構３０からブロック支持体２０に荷重を加えて該ブロック体２０に対してマイクロオーダの変位を与える場合、上記荷重を直接検出するべく荷重機構３０とブロック支持体２０との間に荷重センサ２２を設けると、その荷重による荷重センサ２２自体の変位が誤差要因となる。このような誤差要因を排除するべく、荷重機構３０から加えられる荷重による荷重センサ２２の実質的な変位を零とし、この零変位制御に用いたフィードバック制御値を用いて荷重センサ２３を駆動することにより、該荷重センサ２３に生じる変位から上記荷重機構３０からブロック支持体２０に加えられる荷重を、高精度に計測するものとなっている。
【００２３】
かくしてこのように構成された材料試験機によれば、電子デバイスや電子機器等に用いられる部品のように異種材マイクロ接合構造をなす微小な供試体Ｓの下部を下部供試体固定ブロック６０を介してテーブル１０に固定し、その上部を上部供試体固定ブロック７０を介してブロック支持体２０に固定して水平方向に微小な往復移動変位を与えるので、供試体Ｓにおける異種材マイクロ接合構造の強度を簡易にして効果的に試験することができる。
【００２４】
しかもテーブル１０の上方に位置付けられたブロック支持体２０は、ガイドローラ機構２１を介して基台１の壁部１ａに支持され、供試体Ｓに対してその上下方向に余分な荷重を加えることなく水平方向に滑らかに移動し得るように設けられている。またこのブロック支持体２０に予荷重を与える予荷重機構４０および所定の周期で荷重を与えてブロック支持体２０を水平方向に変位させる荷重機構３０は、該ブロック支持体２０の両側にそれぞれ位置付けられて前記基台１の壁部１ａに固定されている。そして荷重機構３０および予荷重機構４０の各作動軸３２，４２を、ブロック支持体２０の移動軸上に設けた構造となっている。
【００２５】
この結果、荷重機構３０および予荷重機構４０からブロック支持体２０にそれぞれを加えられる荷重および予荷重は、曲げ応力（モーメント）等を生じることなくブロック支持体２０に直接的に作用することになり、ブロック支持体２０にマイクロオーダの変位を高精度に与えることが可能となる。特にＬ字型のブロック体からなる基台１は、テーブル１０のみならず、ブロック支持体２０、荷重機構３０、および予荷重機構４０をそれぞれ所定の位置に強固に支持するので、これらの位置関係を高精度に保ちながら、テーブル１０上に固定された供試体Ｓに対して水平方向に変位を安定に、しかも高精度に加えることができる等の効果が奏せられる。
【００２６】
ちなみにピエゾ素子を駆動源３１として用いた荷重機構３０によれば、上述した構成において、例えば±２０００Ｎの最大荷重で、最大変位幅±５０μｍの変位を０．０５μｍの分解能で与えることが可能である。またその剪断試験の往復変位周波数を、例えば０．１〜２０Ｈｚの範囲で可変設定することができる。更にはピエゾ素子の駆動電圧として、正弦波のみならず、三角波や台形波を用いることも勿論可能である。従って半導体集積回路等の電子デバイスにおける異種材マイクロ接合構造部分に往復振動を加えて、その強度を簡易にしかも高精度に試験することができる。
【００２７】
また上述した構成の材料試験機によれば、前述した下部供試体固定ブロック６０および上部供試体固定ブロック７０として、例えば図６に示すように、互いに対峙して供試体Ｓを囲繞する上下一対の箱形構造体６５，７５として実現することも可能である。この場合、供試体Ｓの厚みに応じたスペーサ６６，７６を介して該供試体Ｓの上下部を箱形構造体６５，７５の内側面にそれぞれ固定するようにすれば良い。
【００２８】
そして上下一対の箱形構造体６５，７５の内部にドライアイスを収納したり、温度管理用の媒体（例えば温風）を通流させる等して供試体Ｓの温度を、例えば−５０℃〜１２０℃の範囲で調整し、管理された温度環境下で供試体Ｓの強度を試験することも可能である。尚、箱形構造体６５，７５にヒータ等の加熱源を組み込むことも勿論可能である。
【００２９】
このような構造の箱形構造体６５，７５（下部供試体固定ブロック６０および上部供試体固定ブロック７０）を用いれば、大掛かりな恒温槽を用いることなく供試体Ｓの環境温度だけを局部的に制御することができるので、種々温度環境下における強度試験を簡易に実施することができる等の効果が奏せられる。
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えばここでは横置き型の装置として説明したが、縦方向に荷重を加える装置としても同様に実現することができる。この場合には、上述した構成の装置を全体的に縦型配置するように構成すればよい。また荷重センサ２２，２３としてロードセルを用いることも可能であり、荷重装置３０としてロードセルを利用することも可能である。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、供試体の下部を固定するテーブルの上方位置に、該供試体の上部を固定するブロック支持体が横方向に移動自在に設けられ、このブロック支持体に変位を加える荷重機構が、該ブロック支持体の側部にその軸心を合わせて設けられているので、曲げ応力等の問題を招くことなしに供試体に対して精度良く横変位を与えることができる。しかも荷重機構は、供試体を挟んで反対側に設けられた予荷重機構と協働して該供試体に対してマイクロオーダの変位を正確に与えることができる。従って電子デバイス等の供試体における異種材接合構造の強度を、簡易にしかも高精度に試験することができる等の実用上多大なる効果が奏せられる。
【００３１】
またＬ字型の基台にて装置各部をそれぞれ安定に支持するので、ブロック支持体に対する変位制御の精度も十分に高め得る等の効果が奏せられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る材料試験機の全体的な概略構成を、その一部を分解して示す斜視図。
【図２】図１に示す材料試験機の一部を断面として示した平面図および正面図。
【図３】ブロック支持体に対する上部供試体固定ブロックおよびロック部材の構造を示す斜視図。
【図４】ブロック支持体への上部供試体固定ブロックおよびロック部材の取り付け構造を示す図。
【図５】実施形態に係る材料試験機の制御系の概略的な構成と、供試体に対する作用を説明する為の図。
【図６】下部供試体固定ブロックおよび上部供試体固定ブロックの変形例を示す図。
【符号の説明】
１  基台
１ａ  主体部
１ｂ  壁部
１０  テーブル（ＸＹテーブル機構）
２０  ブロック支持体
２１  ガイドローラ機構
２２  荷重センサ
２３  荷重センサ
３０  荷重機構
３１  ピエゾ素子（アクチュエータ）
４０  予荷重機構
４１  バネ機構
６０  下部供試体固定ブロック
７０  上部供試体固定ブロック
７１  ロック部材
【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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