(57)【要約】【課題】  剥離した膜の盛り上がり量を計測し、その形状から膜内に残留している応力を演算により求めることにより、極めて簡単なモーメントのつりあい条件から膜の残留応力を求めることができる残留応力測定装置とその方法を提供する。【解決手段】  本実施形態に係る残留応力測定装置１は、パルスレーザを発射するパルスレーザ装置２と、パルスレーザ光を集光する光学系３と、衝撃波を生成する衝撃波生成部４と、表面改質膜の形状を検出する検出部５と、検出部５の形状から残留応力を演算するＰＣ６と、を備えて構成される。【選択図】  図１
2007212141.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材の表面から剥離させた表面改質膜の形状に基づいて該表面改質膜の残留応力を測定する残留応力測定装置であって、
前記表面改質膜を前記基材の表面から剥離させるための衝撃波を生成する衝撃波生成手段と、該衝撃波生成手段にエネルギを供給するエネルギ供給手段と、前記衝撃波生成手段により生成された衝撃波により前記基材の表面から剥離した表面改質膜の形状を計測する計測手段と、該計測手段により計測された表面改質膜の形状値に基づいて該表面改質膜の残留応力を演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする残留応力測定装置。
【請求項２】
前記演算手段は、前記計測手段により計測された前記基材の表面から剥離させた前記表面改質膜の隆起部の半径ａ及び前記隆起部の前記基材面からの高さｈを取得し、測定時の大気圧をｐ、前記表面改質膜の膜厚をｔとしたとき、該表面改質膜の残留応力σRを、
σR＝ｐ・ａ2／６・ｔ・ｈ
により求めることを特徴とする請求項１に記載の残留応力測定装置。
【請求項３】
前記表面改質膜の残留応力は該表面改質膜の物性に関係なく前記表面改質膜の隆起部の形状により求まることを特徴とする請求項１又は２に記載の残留応力測定装置。
【請求項４】
前記基材表面の平滑性に関係なく前記表面改質膜の残留応力を測定可能としたことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の残留応力測定装置。
【請求項５】
前記表面改質膜は、前記基材の表面から剥離させた際に形成される隆起部の内部が真空となるように前記基材に形成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の残留応力測定装置。
【請求項６】
前記衝撃波生成手段は、前記エネルギ供給手段によりパルスレーザ光が照射された際に発生するブレークダウン現象により前記衝撃波を生成することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の残留応力測定装置。
【請求項７】
基材の表面から剥離させた表面改質膜の形状に基づいて該表面改質膜の残留応力を測定する残留応力測定方法であって、
前記基材側から表面改質膜に向かって衝撃波を与えて前記基材の表面から前記表面改質膜を剥離させ、該剥離により隆起した表面改質膜の形状を計測し、該計測値に基づいて、前記表面改質膜の残留応力を演算することを特徴とする残留応力測定方法。
【請求項８】
前記基材の表面から剥離させた前記表面改質膜の隆起部の半径ａ及び前記隆起部の前記基材面からの高さｈを計測して取得し、測定時の大気圧をｐ、前記表面改質膜の膜厚をｔとしたとき、該表面改質膜の残留応力σRを、
σR＝ｐ・ａ2／６・ｔ・ｈ
により求めることを特徴とする請求項７に記載の残留応力測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、残留応力測定装置及び残留応力測定方法に関し、さらに詳しくは、表面改質膜の残留応力を膜形状から測定する残留応力測定装置及びその測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
コーティッド工具（ＴｉＮやダイヤモンド）や光触媒機能（ＴｉＯｘ）を持った窓ガラスや建材に見られるように、材料の表面に機能性を付与する表面改質技術は近年において新しい産業を創成し開拓する可能性がある。また真空とビーム技術を用いる気相蒸着法は、半導体分野でも不可欠な手法になっている。即ち、ＣＶＤ（化学気相蒸着）やＰＶＤ（物理気相蒸着）、溶射、めっき、溶射法は、基材の上に特殊な物質を堆積する方法であるが、堆積された皮膜の密着力と残留応力が常に問題になる。つまりＣＶＤやＰＶＤは多くの場合、高温真空中でなされるため、基材と堆積膜の熱膨張係数の違いによる大きな応力が膜中に残留する。たとえば、工具鋼に堆積されているＴｉＮやＴｉ（ＣＮ）では、膜の破壊強さに匹敵するほどの圧縮応力が残留している。またダイヤモンドやＴｉＯｘ膜中にも大きな圧縮応力が発生するため、場合によっては成膜中に剥離することもある。
【０００３】
このように改質膜を用いた機能性製品を製作する場合には、膜の密着力と残留応力を簡便に測定することが極めて重要となる。このため、同一出願人より、レーザ・スポーレーション法を用いて密着強さの絶対値を求める方法（付着強度の測定法）と装置について出願している（特許文献１参照）。この方法では、パルスレーザを用いて膨張衝撃波を発生させ、これを用いて膜を剥離させる。密着強さは、膜表面の面外変位をレーザ干渉計で測定し、変位の速度成分と基材の密度、縦波速度の積として求めている。これは密着強さの絶対値を測定する唯一の方法である。
【特許文献１】特開２００５−３００２７３公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
残留応力を測定する方法には、大きく分けて１）開放変位を用いる方法、２）Ｘ線を用いる方法、３）ラマンスペクトルを用いる方法に分類できる。
１）は、切断や穿孔して残留応力を開放させ、それによる変形を測定する方法である。変形が微小な場合にはストレンゲージやレーザ変位計等を使用する。変形が大きい場合は、バルク材料の残留応力測定法として用いられ、硬質膜の残留応力測定には不向きである。たとえば、ダイヤモンド膜では穿孔ができないし、切断もできないからである。また改質膜が薄くなると、膜自身の残留応力を測定することはほとんど不可能であるといった問題がある。
【０００５】
２）は現在最もよく使用されている方法である。残留応力が存在すると結晶格子面の間隔が変化するので、その変化量をＸ線で測定する方法である。この方法では、堆積膜のヤング率とポアソン比が必要になるが、薄膜のこれらの物性はバルク材料の物性とは違うことが多く、計算された残留応力の信憑性に問題がある。また、薄膜のポアソン比やヤング率を測定することは容易ではない。また装置の価格が高いこと、取り扱いが面倒で危険であること、技術を要することなどの問題がある。更に、基材が湾曲している場合（製品）では、計測が難しい。そして薄膜自身の残留応力測定を測定するためには、Ｘ線浸透深さを短くする必要があることから、入射角を大きくした装置（薄膜Ｘ線装置）などがあるが、材質によっては測定できない。Ｘ線応力測定に利用する回折線には、独立したピークであること、回折強度が高いこと、２θが１８０°に近いことが望まれるが、材質によってはこのような条件が満たされず測定できない。またＣＶＤダイヤモンドでは、結晶粒が小さくなると、Ｘ線では測定することはできない。またＣＶＤやＰＶＤでは、非晶質膜も結構多いが、Ｘ線では、当然のことながら非晶質膜の残留応力は測定できない。また強い指向性をもって成長した膜では、残留応力測定に理想的な回折ピークが得にくいことから、残留応力が求まらないことがあるといった多くの課題を抱えている。
【０００６】
３）ラマン散乱法は、応力による固体の格子振動数変化を利用する方法である。ラマン散乱では、この格子振動数に相当する波数のところにラマン線（ピーク）が観測され。圧縮応力や引張応力が負荷されると、ラマン線のピーク波数はそれぞれ正方向（高波数側）と負方向（低波数側）にシフトする。シフト量と残留応力の関係が実験的に調べられている場合にのみ、ピーク波数シフトの方向から応力の正負が、シフト量から応力の大きさが評価できる。また、Ｘ線応力測定法と同様、材料によってはシャープなピークが得られない（図９Ｔｙｐｅ−Ｂ、Ｃ参照）ため測定できない。さらに、測定環境の温度変化から分光器が歪むことによってピークがシフトとしたり、レーザ照射による試料方面の温度上昇でピークがシフトしたりするため、場合によっては補正が必要あるいは測定不可能となる課題がある。
以上のように、従来技術では、薄膜の残留応力を定量的に計測できる方法は現存しないといっても過言ではない。
【０００７】
本発明は、かかる課題に鑑み、剥離した膜の盛り上がり量を計測し、その形状から膜内に残留している応力を演算により求めることにより、極めて簡単なモーメントのつりあい条件から膜の残留応力を求めることができる残留応力測定装置とその方法を提供することを目的とする。
また他の目的は、膜の材質、結晶性、厚さ、基盤形状を問わない測定法であるという特徴のほか、膜物性を使用しないという画期的な方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、基材の表面から剥離させた表面改質膜の形状に基づいて該表面改質膜の残留応力を測定する残留応力測定装置であって、前記表面改質膜を前記基材の表面から剥離させるための衝撃波を生成する衝撃波生成手段と、該衝撃波生成手段にエネルギを供給するエネルギ供給手段と、前記衝撃波生成手段により生成された衝撃波により前記基材の表面から剥離した表面改質膜の形状を計測する計測手段と、該計測手段により計測された表面改質膜の形状値に基づいて該表面改質膜の残留応力を演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする。
本発明では、表面改質膜の残留応力を求めるために、表面改質膜に衝撃を与えて盛り上がらせる必要がある。そして衝撃により基材表面から剥離した表面改質膜の盛り上がりの形状を測定して、予め求めた式により各パラメータを入力して残留応力を計算により求めるものである。
【０００９】
請求項２は、前記演算手段は、前記計測手段により計測された前記基材の表面から剥離させた前記表面改質膜の隆起部の半径ａ及び前記隆起部の前記基材面からの高さｈを取得し、測定時の大気圧をｐ、前記表面改質膜の膜厚をｔとしたとき、該表面改質膜の残留応力σRを、σR＝ｐ・ａ2／６・ｔ・ｈにより求めることを特徴とする。
表面改質膜に作用する力として応力と反力がある。表面改質膜が剥離すると内部が真空状態となり、その表面には大気圧ｐが作用している。大気圧の作用方向は実際には膜に垂直であるが、盛り上がり高さがμｍ程度であること、モーメントのつりあいでは投影面積を考えるので、下向きの作用線を考えても問題はない。膜の端には、垂直方向反力Ｒと膜残留応力σRが作用する。σRは、剥離膜の中心に向かって作用しており、これが膜を座屈させ盛り上がらせる。いま、空間上のＱ点周りのモーメントＭ１，Ｍ２を考えると（１）式になる。
2007212141.tif 000003
・・（１）
（１）式から、残留応力σRと半径ａ、盛上がり高さｈ、大気圧ｐとの関係は（２）式になる。
σR＝ｐ・ａ2／６・ｔ・ｈ・・（２）
すなわち、ａとｈを測定すれば残留応力が求まる。この計算においては膜物性は一切必要ない。
【００１０】
請求項３は、前記表面改質膜の残留応力は該表面改質膜の物性に関係なく前記表面改質膜の隆起部の形状により求まることを特徴とする。
σR＝ｐ・ａ2／６・ｔ・ｈ・・（２）
すなわち、（２）式から明らかなように、隆起部の半径ａと高さｈを測定すれば残留応力が求まる。この計算においてはヤング率や熱膨張係数などの膜物性は一切必要なくなる。
請求項４は、前記基材表面の平滑性に関係なく前記表面改質膜の残留応力を測定可能としたことを特徴とする。
本発明の大きな特徴は、σR＝ｐ・ａ2／６・ｔ・ｈから明らかな通り、表面改質膜の形状から一義的に求まるため、表面改質膜を形成した基材の表面が平滑でなくとも、基材表面を基準として表面改質膜の高さを計測すれば残留応力を求めることができる。
【００１１】
請求項５は、前記表面改質膜は、前記基材の表面から剥離させた際に形成される隆起部の内部が真空となるように前記基材に形成されていることを特徴とする。
基材側から表面改質膜に向かって衝撃波を与えた場合、表面改質膜が盛り上がった内部は真空となる。即ち、表面改質膜の内部が真空となることにより、σR＝ｐ・ａ2／６・ｔ・ｈの式から大気圧に比例した残留応力として計算することができる。
請求項６は、前記衝撃波生成手段は、前記エネルギ供給手段によりパルスレーザ光が照射された際に発生するブレークダウン現象により衝撃波を生成することを特徴とする。
衝撃波生成手段は、パルスレーザ光が照射されたときブレークダウン現象により衝撃波を生成する。ここでブレークダウン現象とは、物体にパルス状のエネルギが与えられた時、そのエネルギにより急速に体積膨張し、直後に急速に収縮する現象をいい、この急速な体積の膨張と収縮に伴い、周囲に衝撃的な力を及ぼすことを言う。
【００１２】
請求項７は、基材の表面から剥離させた表面改質膜の形状に基づいて該表面改質膜の残留応力を測定する残留応力測定方法であって、前記基材側から表面改質膜に向かって衝撃波を与えて前記基材の表面から前記表面改質膜を剥離させ、該剥離により隆起した表面改質膜の形状を計測し、該計測値に基づいて、前記表面改質膜の残留応力を演算することを特徴とする。
本発明は請求項１と同様の作用効果を奏する。
請求項８は、前記基材の表面から剥離させた前記表面改質膜の隆起部の半径ａ及び前記隆起部の前記基材面からの高さｈを計測して取得し、測定時の大気圧をｐ、前記表面改質膜の膜厚をｔとしたとき、該表面改質膜の残留応力σRを、σR＝ｐ・ａ2／６・ｔ・ｈにより求めることを特徴とする。
本発明は請求項２と同様の作用効果を奏する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、表面改質膜の残留応力を求めるために、表面改質膜に衝撃を与えて盛り上がらせ、その盛り上がりの形状を測定して、予め求めた式により各パラメータを入力して残留応力を計算により求めるので、測定しようとする表面改質膜に衝撃を与えて盛り上がらせただけで簡単に残留応力を求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の実施形態に係る残留応力測定装置の構成図である。本実施形態に係る残留応力測定装置（以下、単に測定装置と呼ぶ）１は、パルスレーザを発射するパルスレーザ装置２と、パルスレーザ光を集光する光学系３と、衝撃波を生成する衝撃波生成部４と、表面改質膜の形状を測定するレーザ干渉計５６と、レーザ干渉計５６により計測された形状から残留応力を演算するＰＣ６と、を備えて構成される。
【００１５】
本実施形態では、被検体４０は、基材４１と、基材４１の一方の面に付着された表面改質膜（以下、単に改質膜と呼ぶ）４２を含む。測定装置１は、被検体４０の改質膜４２の残留応力を測定する。また、基材４１に付着する改質膜４２は、例えば、めっき、ＣＶＤ、ＰＶＤ、溶射等により合成された表面改質膜や、耐酸化保護皮膜等の膜や、層状構造材料（層状体）、加工変質層、あるいは金属、セラミックス、樹脂、ガラス等の接合部材を含む。
パルスレーザ装置２は、例えばＰＣ６による制御により、光学系３を介して衝撃波生成部４に向けて、設定された照射強度（エネルギ）のパルスレーザ光を照射する。本実施形態ではパルスレーザ装置２は、例えばテーブルトップ型Ｑ−ｓｗｉｔｃｈｅｄＮｄ：ＹＡＧレーザ装置であり、レーザ光の波長は１０６４ｎｍ、最高出力エネルギは、たとえば３００ｍＪである。
光学系３は、パルスレーザ装置２から出力されたパルスレーザ光を衝撃波生成部４に集光させる。
被検体４０は、一方の面に改質膜４２が付着され、他方の面に衝撃波生成部４が配設されている。詳細には、被検体４０において、例えば本実施形態では図１に示すように、基材４１が１対の平行に対向する面を有し、基材４１の一方の面に改質膜４２が形成され、他方の対向する面に衝撃波生成部４が配設されている。
【００１６】
衝撃波生成部４は、パルスレーザ装置２によるパルスレーザ光が照射されたときブレークダウン現象により衝撃波を生成する。ここでブレークダウン現象とは、物体にパルス状のエネルギが与えられた時、そのエネルギで急速に体積膨張し、直後に急速に収縮する現象をいい、この急速な体積の膨張と収縮に伴い、周囲に衝撃的な力を及ぼす。
衝撃波生成部４は、パルスレーザ装置２によるパルスレーザ光が照射されたときブレークダウン現象により衝撃波を生成する材料、例えばシリコングリース等のグリースにより構成される。グリースは半固体状の粘稠な潤滑材であり、潤滑油に金属セッケンを混和して作られる。またシリコングリースは、半固体状の粘稠な潤滑材であり、例えば基油としてのシリコーン油に、ステアリン酸ナトリウム、ステアリン酸リチウムなどの金属セッケンを混和したものであり、脂肪酸ジュステルを更に加えたものなどである。シリコングリースは揮発性が少なく凝固点が低く粘性が高いので、シリコングリースにパルスレーザ光を照射したときに、シリコングリースは気化して急激に膨張し、直後に急速に収縮する熱変形に柔軟な性質を有する。
【００１７】
さらに、シリコングリースに、２硫化モリブデン（ＭｏＳ2）粉末を懸濁液として加えることが好ましい。２硫化モリブデンはレーザ光に用いる波長領域でエネルギ吸収率が高い性質を有する。シリコングリースに、ＭｏＳ2粉末を加えるとさらに粘性が高まり、またエネルギ吸収率が高くなり、パルスレーザ光が照射されたときに大きな衝撃波を発生する。発明者等の実験によれば、衝撃波生成部４にＭｏＳ2粉末入りのシリコングリースを用い、シリコングリースに波長１０６４ｎｍのパルスレーザ光を照射したときに大きな衝撃波が発生することが確認できた。また、本実施形態では、基材４１の層状体４２が形成された面と対向する他の面に、ＭｏＳ2粒子入りのシリコングリースが拘束板４３により封止されている。
【００１８】
拘束板４３は、例えばパルスレーザ装置２によるレーザ光を透過する光透過性部材により構成され、例えば透明な溶融石英板等により構成され、拘束板４３のレーザ照射面にはレーザ照射面におけるレーザ光の反射を防止して、照射されたレーザのエネルギーロスを低減させる反射防止膜（ＡＲコート：Anti Reflection coat）が形成されている。
発明者等の実験によれば、拘束板４３により封止した上述のシリコングリースにパルスレーザ光を照射した場合と、封止されていないシリコングリースにパルスレーザ光を照射した場合とを比較すると、拘束板４３により封止したシリコングリースにパルスレーザ光を照射した場合のほうが、大きな膨張波が発生することが確認された。例えば本実施形態では、被検体４０は、ＭｏＳ2粒子入りのシリコングリースを基材４１に塗布し、透明な溶融石英板、例えば厚さ６ｍｍにより封止して生成される。グリース層の厚さは例えばシックネスゲージにより正確に制御する。また溶融石英板のレーザ照射面に反射防止膜を塗布する。
また、レーザ干渉計５６は、衝撃波生成部４が生成した衝撃波で基材４１内に衝撃波を発生させた状態で、例えば波長６３３ｎｍのレーザ光を改質膜４２に照射し、改質膜４２からの反射光との干渉により弾性波を検出し、検出結果を示す信号をＰＣ６に出力する。ＰＣ６は検出結果に基づいて、後述する演算式により改質膜４２の残留応力を演算する。
【００１９】
図２はパルスレーザスポーレーションで剥離させたダイヤモンド膜の剥離形状のモデル図（図２（ａ））と、剥離した膜の表面写真（図２（ｂ））を示す。膜を剥離させる限界パワー以上のパルスレーザを用いれば、改質膜は写真のように盛り上がる。この盛り上がりは、改質膜の圧縮残留応力によって座屈した結果であるので、盛り上がり形状を精密に計測すれば残留応力が推定できる。
図３は、盛り上がり形状をレーザ干渉計で測定した結果の図である。盛り上がり直径ｄは約１ｍｍ、盛上がり高さｈは１μｍである。残留応力の測定に使用する剥離膜は、図３のように、直径は数ｍｍ、高さが１μｍ程度の極めて扁平なもので、周囲は基材に密着している。そして盛り上がった中は真空状態である。残留応力の測定には、このような形状の剥離を適切なパワーのパルスレーザを用いて生成すればよい。
図４は本発明の有効性を証明するために使用した３種類のＣＶＤダイヤモンド膜の表面電子顕微鏡写真の図である。Ｔｙｐｅ−Ａは比較的大きな粒からなるダイヤモンド膜、ＴｙｐｅＢは結晶粒の小さな膜、Ｔｙｐｅ−Ｃはｎｍオーダーの微結晶粒である。Ｘ−線応力測定法では、Ｔｙｐｅ−Ａの残留応力は計測できたが、Ｔｙｐｅ−Ｂ、−Ｃの応力は測定できなかった。
【００２０】
図５は本発明の残留応力測定法を説明する模式図である。図５（ａ）は改質膜の盛り上がり形状を上面から見た図であり、図５（ｂ）は中心断面の１／２を示す断面図である。図５の矢印は剥離膜に作用する応力、反力である。真空状態の剥離膜には大気圧ｐが作用している。大気圧の作用方向は実際には膜に垂直であるが、盛り上がり高さがμｍ程度であること、モメントの釣り合いでは投影面積を考えるので、下向きの作用線を考えても問題はない。膜の右端には、垂直方向反力Ｒと膜残留応力σRが作用する。σRは、剥離膜の中心Ｏに向かって作用しており、これが膜を座屈させ盛り上がらせる。
いま、空間上のＱ点周りのモーメントＭ１，Ｍ２を考えると（１）式になる。
2007212141.tif 000004
・・（１）
（１）式から、残留応力と半径ｒ、盛上がり高さｈ、大気圧ｐとの関係は（２）式となる。
2007212141.tif 000005
・・（２）
ここで、ｔは膜厚を表す。すなわち、ａとｈを測定すれば残留応力が求まる。この計算においては膜物性は一切必要ない。
【００２１】
図６はレーザエネルギを変化させたときのお椀状に盛り上がった膜の断面形状の図である。形状測定にはレーザ干渉計を用いているが、ｎｍオーダーの測定精度を持っていれば触針式粗さ計でもよい。レーザパワーを４６ｍＪ（ａ）から６９ｍＪ（ｃ）にあげていくと、剥離半径ａと剥離高さｈは増加する。剥離高さや半径が小さすぎると、形状測定精度が悪くなり、残留応力が正しく計測しにくいので、直径は１ｍｍから２ｍｍ程度にするのがよい。即ち、レーザパワーを４６ｍＪでは図６（ａ）のように、ａ＝０．５７ｍｍ、ｈ＝２４９ｎｍとなり、レーザパワーを５５ｍＪでは図６（ｂ）のように、ａ＝０．８０ｍｍ、ｈ＝５３１ｎｍとなり、レーザパワーを６９ｍＪでは図６（ｃ）のように、ａ＝０．９８ｍｍ、ｈ＝７０８ｎｍとなるのが解る。
【００２２】
図７は図４の膜質Ｔｙｐｅ−ＡからＴｙｐｅ−Ｃにおける式（２）により計算した残留応力測定結果を示す図である。この方法では、Ｔｙｐｅ−Ａ、Ｂ、Ｃすべての膜がお椀状の盛上りを示したので、残留応力が測定できた。Ｔｙｐｅ−Ａではエネルギーレベルを変えて３回の測定（３個の○）を行ったが、残留応力は−３３８±２２ＭＰａと推定された。なお、符号のマイナスは圧縮応力を意味し、図６の応力方向である。Ｔｙｐｅ−Ｂでは４回の測定を行い−３００±２７ＭＰａ、Ｔｙｐｅ−Ｃでは６回の測定を行い−２５９±２９ＭＰａとなった。誤差はほぼ±１０％である。この程度の誤差は、Ｘ線応力測定でも見られる。この実験では、結晶粒が小さくなると残留応力も小さくなるという、期待された結果を示した。
図８はＴｙｐｅ−Ａ膜のＸ線応力測定法（ｓｉｎ2φ法）による残留応力測定結果を示す図である。計測された残留応力の妥当性を検証するため、Ｘ線（ｓｉｎ2φ法）を用いてＴｙｐｅ−Ａサンプルの残留応力を測定した。Ｔｙｐｅ−Ａでは、極めてよい直線がえられ、残留応力は−３４７±１７ＭＰａになった。図７の結果（３３８±２２ＭＰａ）と比較すると、極めてよく一致している。Ｘ線測定法は、Ｔｙｐｅ−Ｂと−Ｃにも応用したが、図８のような結果は得られず、測定不可能であった。即ち、本発明の残留応力測定方法では、Ｘ線では測定不可能な膜の残留応力も測定できるという大きな特徴が証明された。
【００２３】
以上で説明したとおり、本発明によれば、表面改質膜４２の残留応力を求めるために、表面改質膜４２に衝撃を与えて盛り上がらせ、その盛り上がりの形状を測定して、予め求めた（２）式により各パラメータを入力して残留応力を計算により求めるので、測定しようとする表面改質膜に衝撃を与えて盛り上がらせだけで簡単に残留応力を求めることができる。
また、ＰＣ６は、計測手段５により計測された基材の表面から剥離させた表面改質膜４２の隆起部の半径ａ及び隆起部の中心高さｈを取得し、測定時の大気圧をｐ、表面改質膜の膜厚をｔとしたとき、表面改質膜の残留応力σRを、σR＝ｐ・ａ2／６・ｔ・ｈにより求めるので、簡単な式により隆起部の半径ａ及び隆起部の中心高さｈを取得するだけで残留応力を求めることができる。
また、表面改質膜４２の残留応力は表面改質膜の物性に関係なく表面改質膜の隆起部の形状により求まるので、ヤング率や熱膨張係数等の表面改質膜の物性がわからなくとも、残留応力を形状から一義的に求めることができる。
【００２４】
また、基材の表面の平滑性に関係なく表面改質膜の残留応力を測定可能としたので、基材の表面が複雑な形状をしたものでも、その表面の改質膜の残留応力を計算することができる。
また、表面改質膜は、基材の表面から剥離させた際に形成される隆起部の内部が真空となるように基材に形成されているので、大気圧をパラメータとする計算式により残留応力を計算することができる。
また、衝撃波生成部４は、パルスレーザ装置２によりパルスレーザ光が照射された際に発生するブレークダウン現象により衝撃波４４を生成するので、簡単な構成により且つ容易に衝撃波４４を発生することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態に係る残留応力測定装置の構成図である。
【図２】パルスレーザスポーレーションで剥離させたダイヤモンド膜の剥離形状のモデル図及び剥離した膜の表面写真の図である。
【図３】盛り上がり形状をレーザ干渉計で測定した結果の図である。
【図４】本発明の有効性を証明するために使用した３種類のＣＶＤダイヤモンド膜の表面電子顕微鏡写真の図である。
【図５】本発明の残留応力測定法を説明する模式図である。
【図６】レーザエネルギを変化させたときのお椀状に盛り上がった膜の断面形状の図である。
【図７】図４の膜質Ｔｙｐｅ−ＡからＴｙｐｅ−Ｃにおける式（２）により計算した残留応力測定結果を示す図である。
【図８】Ｔｙｐｅ−Ａ膜のＸ線応力測定法（ｓｉｎ2φ法）による残留応力測定結果を示す図である。
【図９】従来のラマン散乱法により測定した各タイプ別の測定結果を表す図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  残留応力測定装置、２  パルスレーザ装置、３  光学系、４  衝撃波生成部、５  検出部、６  ＰＣ、３１  ハーフミラー、３２  レンズ、４０  被検体、４１  基材、４２  表面改質膜、５０  ＡＥセンサ、５１  プリアンプ、５２  フィルタ、５３  デジタイザ、５４  フォトダイオード、５５  デジタルオシロスコープ、５６  レーザ干渉計、５７  光学顕微鏡
【図１】
2007212141.tif 000006
【図３】
2007212141.tif 000007
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図２】
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【図４】
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