(57)【要約】  機械試験システムであり、フレームと、サンプルを保持するステージとを有する。アームにより、そのサンプルの表面にツールを押しつける。そのフレームに一次アクチュエータを連結し、それにより一次力を印加しサンプルに対しツールを駆り立てることでフレームを撓ませる。一次力印加時にサンプル内へとプローブが進む距離を含む第１成分と、一次力印加時のフレームの撓み具合の指標を含む第２成分と、を併せ２個の成分を含む変位値を変位センサにより計測する。フレームに補償アクチュエータを連結し、変位値の第２成分を減らす補償力をそれにより印加する。
2019514024.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレームと、
サンプルを保持するステージと、
そのサンプルの表面にツールを押しつけるアームと、
上記フレームに連結されており、一次力を印加し上記ツールを上記サンプルに対し駆動することで当該フレームを撓ませる一次アクチュエータと、
２個の成分を含む変位値を計測する変位センサであり、それら成分のうち第１成分が、一次力印加時に上記サンプルに対し上記ツールが進んだ距離を含み、第２成分が、一次力印加時の上記フレームの撓み具合の指標を含む変位センサと、
上記フレームに連結されており、上記変位値の第２成分を減らす補償力を印加する補償アクチュエータと、
を備える機械試験システム。
【請求項２】
請求項１に記載の機械試験システムであって、上記補償アクチュエータが、上記フレーム上の別々の位置に配置された複数個の補償アクチュエータで構成される機械試験システム。
【請求項３】
請求項１に記載の機械試験システムであって、上記補償アクチュエータが上記一次アクチュエータから見て上記ステージの逆側に配置されている機械試験システム。
【請求項４】
請求項１に記載の機械試験システムであって、上記一次アクチュエータが電磁、静電、圧電、水圧、機械及び気圧のうち少なくとも一種類である機械試験システム。
【請求項５】
請求項１に記載の機械試験システムであって、上記補償アクチュエータが電磁、静電、圧電、水圧、機械及び気圧のうち少なくとも一種類である機械試験システム。
【請求項６】
請求項１に記載の機械試験システムであって、上記変位センサにてキャパシタ及びレーザのうち少なくとも一方が上記変位の計測に用いられる機械試験システム。
【請求項７】
請求項１に記載の機械試験システムであって、上記補償力により上記変位値の第２成分が完全に消される機械試験システム。
【請求項８】
請求項１に記載の機械試験システムであって、上記補償力により上記フレームの見かけ剛性が約１０００万Ｎ／ｍまで補正される機械試験システム。
【請求項９】
フレームと、
サンプルを保持するステージと、
そのサンプルの表面にツールを押しつけるアームと、
上記フレームに連結されており、一次力を印加し上記ツールを上記サンプル内へと駆り立てることで当該フレームを撓ませる一次アクチュエータであり、電磁、静電、圧電、水圧、機械及び気圧のうち少なくとも一種類である一次アクチュエータと、
２個の成分を含む変位値を計測する変位センサであり、それら成分のうち第１成分が、一次力印加時に上記サンプル内へと上記ツールが進んだ距離を含み、第２成分が、一次力印加時の上記フレームの撓み具合の指標を含む変位センサと、
上記フレームに連結されており、上記変位値の第２成分を減らす補償力を印加する複数個の補償アクチュエータであり、その補償力によりそのフレームの見かけ剛性が約１０００万Ｎ／ｍまで補正される複数個の補償アクチュエータと、
を備える機械試験システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の機械試験システムであって、補償アクチュエータが電磁、静電、圧電、水圧、機械及び気圧のうち少なくとも一種類である機械試験システム。
【請求項１１】
請求項９に記載の機械試験システムであって、上記変位センサにてキャパシタ及びレーザのうち少なくとも一方が上記変位の計測に用いられる機械試験システム。
【請求項１２】
請求項９に記載の機械試験システムであって、上記補償力により上記変位値の第２成分が完全に消される機械試験システム。
【請求項１３】
サンプルの硬度及び弾性係数のうち少なくとも一方を試験する方法であって、
フレームにより支えられているステージ上に試験対象サンプルを載せるステップと、
上記フレームにより支えられている一次アクチュエータを用い一次力を印加し上記サンプルの表面内へとツールを駆り立てることでそのフレームを撓ませるステップと、
変位センサで以て変位値を計測するステップであり、その変位値が２個の成分を含み、そのうちの第１成分が、一次力印加時に上記サンプル内へと上記ツールが進んだ距離を含み、第２成分が、一次力印加時の上記フレームの撓み具合の指標を含むステップと、
上記フレームに連結されている補償アクチュエータで以て、上記変位値の第２成分を減らす補償力を印加するステップと、
を有する方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法であって、上記補償アクチュエータが、上記フレーム上の別々の位置に配置された複数個の補償アクチュエータで構成される方法。
【請求項１５】
請求項１３に記載の方法であって、上記補償アクチュエータが上記一次アクチュエータから見て上記ステージの逆側に配置されている方法。
【請求項１６】
請求項１３に記載の方法であって、上記一次アクチュエータが電磁、静電、圧電、水圧、機械及び気圧のうち少なくとも一種類である方法。
【請求項１７】
請求項１３に記載の方法であって、上記補償アクチュエータが電磁、静電、圧電、水圧、機械及び気圧のうち少なくとも一種類である方法。
【請求項１８】
請求項１３に記載の方法であって、上記変位センサにてキャパシタ及びレーザのうち少なくとも一方が上記変位の計測に用いられる方法。
【請求項１９】
請求項１３に記載の方法であって、上記補償力により上記変位値の第２成分が完全に消される方法。
【請求項２０】
請求項１３に記載の方法であって、上記補償力により上記フレームの見かけ剛性が約１０００万Ｎ／ｍまで補正される方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は素材の機械試験の分野に関する。より具体的には、本発明はサンプルの機械特性の補償計測に関する。
【背景技術】
【０００２】
素材の機械試験には、その素材のサンプルに力を印加しその素材に生じた変位を計測することか、或いはそのサンプルに変位を引き起こしその変位をなすのに必要な力を計測することがつきものである。いずれの場合でも、そのサンプルの形状変化がその実験における重要なパラメタとなる。
【０００３】
その形状変化は、サンプルの一部分が他部分に対し呈する変位を以て計測される。これは、通常、サンプル上の参照点の位置を例えばその点にてそのサンプルをクランプすることで固定し、そのサンプルに力を印加し、そしてそのサンプル上の試験点が参照点に対し呈する動きを計測することによって、果たされる。その意図は参照点をできるだけ不動に保持することにある。しかしながら、クランプシステムが無限に堅固でなければ参照点は動くであろう。参照点が固定されているとの仮定に基づき計測がなされているのに固定されていなければ、その変位計測に誤差が入り込む。
【０００４】
この考え方が適用される具体的な例は押し込み試験である。押し込みは機械試験であり、硬度の計測にしばしば用いられる。これは、試験サンプルの表面に接触しているプローブのチップ（尖端）を介し既知の時間長に亘り既知の力を印加し、生じた窪みの表面積を遺留痕跡の撮像により計測することによって、実行される。印加した力をその表面積で除することでそのサンプルの硬度が求まる。そのサンプルの他の物理特性を、その力が印加されているときに集めたデータから計算することができる。
【０００５】
しかしながら、硬い表面に小さめの負荷が印加されたときには、例えばプローブチップがこしらえる窪みは小さめになる。ある点までくると、そうした小さな窪みを計測するのに必要な撮像テクノロジが制約要因かコスト決定要因となりかねない。そのため、システムによっては、力が印加されている間に計測された変位信号及びチップの既知な幾何形状を用い窪みの面積が計算され、窪みを撮像する必要性がそれにより排除される。これは器具押し込みの分野に関する基礎をなしており、特に、小さめの長さスケールでは在来の硬度計測に対し多くの長所を有している。加えて、力が印加されている間に変位を計測することで接触剛性の計算が可能となり、それを用い硬度に加え弾性係数を求めることができる。
【０００６】
先に触れた変位は変位センサにより計測されるものであり２個の成分を含んでいる。そのうち第１成分は、主要関心事であるところの、サンプル内方向へのチップの変位である。第２成分は試験フレーム、別称負荷フレームの変位又は撓みである。ある種の負荷フレームでは、また特に高負荷時には、この第２成分が顕著になることがあり得、サンプル特性の計測にその悪影響が及ぶこととなろう。
【０００７】
理論的には、仮に無限剛性を呈する負荷フレーム付でシステムが設計されたとしたら、変位センサにより計測される変位への負荷フレームの寄与が０になるであろうし、それにより非常に正確な器具押し込み試験が実現されるであろう。しかしながら、無限の負荷フレーム剛性を呈するようシステムを設計することは、通常はそうしたシステムに多数の部材が組み込まれ設計上それら部材が呈する剛性が本質的に不足することからすれば、よく言っても困難なことである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第８３０２４５６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
必要とされるのは、従って、問題例えば上述したそれを少なくとも部分的に軽減するシステムである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の要請及びその他の要請は、フレームと、サンプルを保持するステージと、を有する機械試験システムにより充足される。アームによりそのサンプルの表面にツールを押しつける。一次アクチュエータをフレームに連結し、その一次アクチュエータにより一次力を印加してそのツールをサンプル内へと駆り立てることで、そのフレームを撓ませる。変位センサにより２個の成分を含む変位値、即ち一次力印加時にサンプル内へとツールが進んだ距離を含む第１成分と、一次力印加時のフレームの撓み具合の指標を含む第２成分と、を含む変位値を計測する。補償アクチュエータをフレームに連結し、変位値の第２成分を減らす補償力をその補償アクチュエータにより印加する。
【００１１】
本発明のこの態様に係る諸実施形態では、その補償アクチュエータが、フレーム上の別々の位置に配置された複数個の補償アクチュエータを有する。幾つかの実施形態では、その補償アクチュエータが、一次アクチュエータから見てステージの逆側に配置される。幾つかの実施形態では、その一次アクチュエータが電磁、静電、圧電、水圧、機械及び気圧のうち少なくとも一種類とされる。幾つかの実施形態では、その補償アクチュエータが電磁、静電、圧電、水圧、機械及び気圧のうち少なくとも一種類とされる。幾つかの実施形態では、その変位センサにてキャパシタ及びレーザのうち少なくとも一方が変位の計測に用いられる。幾つかの実施形態では、補償力により変位値の第２成分が完全に消される。幾つかの実施形態では、補償力によりフレームの見かけ剛性が約１０００万Ｎ／ｍまで補正される。
【００１２】
本発明のもう一つの態様に従い、サンプルの硬度及び弾性係数のうち少なくとも一方を試験する方法であり、フレームにより支えられているステージ上に試験対象サンプルを載せることによるものが記述される。そのフレームにより支えられている一次アクチュエータにより、一次力を印加しそのサンプルの表面内へとツールを駆り立てることで、そのフレームを撓ませる。変位センサで以て変位値を計測する。その変位値は２個の成分を含み、そのうちの第１成分が、一次力印加時にサンプル内へとツールが進んだ距離を含み、第２成分が、一次力印加時のフレームの撓み具合の指標を含む。そのフレームに連結されている補償アクチュエータで以て、変位値の第２成分を減らす補償力を印加する。
【００１３】
本発明の更なる長所は、その詳細記述を参照すると共に図面を考慮することで明らかになる；それら図面が等比縮尺でないのは細部をより明瞭に示すためであり、類似する参照符号は幾枚かの図面を通じ類似する要素を指し示しており、且つそれら図面は以下の如きである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る機械試験システムの模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係る機械試験システム上での位置例を補償アクチュエータに関し示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る機械試験システム上での位置例を補償アクチュエータに関し示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る機械試験システム上での位置例を補償アクチュエータに関し示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の諸実施形態によれば、１個又は複数個の補償アクチュエータを用い、変位センサにおける参照点とサンプル上の点との間の相対的な変位を固定的な（０又は非０の）変位に保つことで、無限剛性に近い負荷フレーム剛性が達成される。これは後述の要領にて成し遂げられる。
【００１６】
まず、図面には諸実施形態に係る機械試験システム１００が示されている。この機械試験システム１００は負荷フレーム１０２を有しており、そこにはそのテスタ１００に備わる他の諸部材が搭載されている。例えば、サンプル１１２をそのテスタ１００上、例えばステージ１１３上に載せ、そのステージ１１３を用いそのサンプルの諸部分をプローブ１０８の下方に位置決めすることができる。そのプローブ１０８の端にあるチップ１１０を、力が作用していない静止状態にあるサンプル１１２の上表面に接触させて、例えば変位センサ１０６で以てそのチップ１１０の位置を計測する。これが機械特性計測用の基線位置とされる。
【００１７】
一次アクチュエータ１０４は、プローブ１０８をサンプル１１２に向けて下降させ、それによりチップ１１０をそのサンプル１１２の表面内へと押し込むことで、そのサンプル１１２上に負荷を印加し始める。これを実行するのに必要な力の量は、そのサンプル１１２の硬度とめり込み深度とによって変わる。一次アクチュエータ１０４によって力が印加されている間に、基線からの距離即ちプローブ１０８が動いた距離を変位センサ１０６が計測する。変位センサ１０６によりその変位を計測すること、例えば可変キャパシタ又はレーザを用い計測することができる。
【００１８】
先に触れた通り、変位センサ１０６により計測される動きの一部はフレーム１０２の撓みによるものであり、これはチップ１１０のめり込みに対するサンプル１１２の抵抗が原因で発生する。フレーム１０２が撓む度合は多種の要因、例えばフレーム１０２の構成及び印加された力により左右されるが、程度の差はあれほとんど全ての機械試験システムに撓みが現れる。
【００１９】
フレーム１０２が撓むのに加えシステム１００の他部材も撓み又は押し縮まるかもしれず、それにより更に、距離を計測する変位センサ１０６により引き起こされる見かけ上の誤差のうち、サンプル１１２内へのチップ１１０のめり込みで全てを説明できない誤差がかさましされる。
【００２０】
これらの要因をシステム１００内で補償するため、１個又は複数個の補償アクチュエータ１１４が、負荷フレーム１０２の回路内のいずこかに配置される。補償アクチュエータ１１４の目的は、一次アクチュエータ１０４による印加方向とは逆方向に補償力を印加することで、変位センサ１０６により計測される距離に、チップ１１０がサンプル１１２の表面にめり込んだ実際の距離が、正確に反映されるようにすることにある。図２には、システム１００の一例構成であり重り、バネ及びダッシュポットを用いるものの模式的構成が示されている。
【００２１】
補償アクチュエータ１１４により作用させる必要がある力の量は、機械試験システム１００の構成により少なくとも部分的に左右される。補償力の所要量は、経験的な手法、理論的な手法又はそれらの組合せといった様々な手法に従い所与器具について求めることができ、またそれをその器具１００の動作プログラムへと書き下すことができる。幾つかの実施形態では、１個又は複数個の補償アクチュエータ１１４により印加される補償力が、一次アクチュエータ１０４により印加される力と共に変化する。他の諸実施形態では、１個又は複数個の補償アクチュエータ１１４により印加される補償力が、一次アクチュエータ１０４により印加される力によらず相対的に均一とされる。
【００２２】
構築する際には、大抵の機械試験システム１００に備わるフレーム１０２が、１００万〜２００万Ｎ／ｍオーダのいずこかの内在剛性を有するものとなる。本願記載の装置及び方法を用いた場合、約１０００万Ｎ／ｍ以上の見かけ剛性を呈するようフレーム１０２に補償を施すことができる。とはいえ、大抵の用途では約１０００万Ｎ／ｍへの補償が適切であり、それにより硬度その他の機械特性計算における誤差を相対的に顕著でないレベルまで減らすことができる。
【００２３】
一次アクチュエータ１０４及び補償アクチュエータ１１４は、電磁、静電、圧電、水圧、機械、気圧等とすることができる。そのシステム１００の一例構成の概要が図１に示されている。示されているのは、一次アクチュエータ１０４及び補償用の電磁アクチュエータ１１４、変位センサ１０６、負荷フレーム１０２、チップ１１０並びにサンプル１１２である。補償力は、一次アクチュエータ１０４との関係で、同期的又は非同期的に、静的又は動的に印加することができる。
【００２４】
本発明の諸実施形態についての上掲の記述は例証及び記述を目的に提示されたものである。開示されているまさにその形態以外を排除することや、その形態に本発明を限定することを意図していない。上掲の教示に照らし自明な修正又は変形をなすことができる。それら実施形態は、本発明の諸原理及びその現実的用途についての例証を提示し、それにより本件技術分野に習熟した者（いわゆる当業者）が本発明を諸実施形態にて利用すること及び考慮されている特定の用途に見合う様々な修正を付すことを可能にする、という狙いで選ばれ述べられたものである。そうした修正及び変形は皆、それらが公正、合法且つ公平に授権された幅に従い解釈した場合、別項の特許請求の範囲により定められるところの本発明の技術的範囲内となる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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