(57)【要約】【課題】  試験片の表面に導体の薄膜パターンを形成するような手間をかけず、破損の瞬間を正確に捉えることができる材料試験装置を提供する。【解決手段】  試験片２の所定部位に荷重を負荷しながら、負荷した荷重の荷重値Ｗ及び変位量を測定することにより、試験片２の強度試験を行う材料試験装置１であって、試験片２の一端面から試験片２の内部に光Ｌを入射させる光源部２１と、試験片２の他端面から出射してきた光Ｔの強度Ｐを検出する光検出器２２とを備え、光検出器２２で検出された光強度に基づいて、試験片２の破断時を捉えることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験片の所定部位に荷重を負荷しながら、負荷した荷重の荷重値及び変位量を測定することにより、当該試験片の強度試験を行う材料試験装置であって、
前記試験片の一端面から前記試験片の内部に光を入射させる光源部と、
前記試験片の他端面から出射してきた光の強度を検出する光検出器とを備え、
前記光検出器で検出された光強度に基づいて、前記試験片の破断時を捉えることを特徴とする材料試験装置。
【請求項２】
前記試験片が破断したと判定するための光強度閾値を記憶する記憶部と、
前記光検出器で検出された光強度及び光強度閾値に基づいて、前記試験片の破断時を捉える制御部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の材料試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックス、シリコンウエハ等の材料で作製された試験片の強度を試験する材料試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、セラミックス等の材料の強度試験としては、日本工業規格ＪＩＳ Ｒ １６０１に規定されているような３点又は４点曲げ強度試験が一般に用いられている。図６（ａ）は、３点曲げ強度試験を説明するための図であり、図６（ｂ）は、４点曲げ強度試験を説明するための図である。図６（ａ）に示すように、３点曲げ強度試験では、加圧体１０１の先端を荷重点とし、２本の支持体１０３の先端を支点として、板形状の試験片１０２に荷重Ｗを加えて折れたときの最大曲げ応力を測定している。一方、図６（ｂ）に示すように、４点曲げ強度試験では、２本の加圧体１０１の先端を荷重点とし、２本の支持体１０３の先端を支点として、板形状の試験片１０２に荷重Ｗを加えて折れたときの最大曲げ応力を測定している。
【０００３】
このとき、試験片１０２にクラック（亀裂）が入り破損する瞬間を検出する必要がある。この検出方法には、破損する瞬間に発生するアコースティックエミッション（音響出力）をマイクロフォンを介して検出する方法（例えば、特許文献１参照）や、試験片１０２に加わっている荷重Ｗ（試験力）の急激な変化を検出する方法が用いられている。
【０００４】
しかしながら、アコースティックエミッションを検出する方法では、破損時の信号が微弱な信号であるため、この微弱な信号を増幅するアンプや、破損時の信号とそれ以外の信号とを分別するＦＦＴ（高速フーリエ変換）アナライザ等の高価な機器が必要である。
一方、試験力の変化を検出する方法では、クラック等の破損の初期段階では試験力の変化がほとんどないため、破損する瞬間を正確に捉えることが難しいという問題があった。
【０００５】
そこで、破損する瞬間を正確に捉える材料試験方法として、試験片１０２の表面に導体の薄膜パターンを形成するとともに、薄膜パターンの両端の導通を検出する手段を設け、強度試験による導体の薄膜パターンの断線を検出することにより、試験片１０２の破断時を捉えるものが開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１９４３４６号公報
【特許文献２】特開２００７−２２５５１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述したような材料試験方法では、試験片１０２の表面に導体の薄膜パターンを形成する必要があるため、非常に手間がかかる。さらに、試験片１０２の表面に導体の薄膜パターンを形成するための設備（例えば、真空蒸着機等）が必要になる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そこで、本件発明者は、上記課題を解決するために、破損する瞬間を正確に捉える材料試験方法について検討を行った。アコースティックエミッションを検出する方法のように破壊音による方式では、音速の限界から破壊音と破損する瞬間との間に、数ｍｓ〜数十μｓオーダーの遅れがあるとともに、破壊音の大きさや破損する瞬間のバラツキも大きい。よって、音でなく光を用いて破損する瞬間を捉えることを考えた。そこで、試験片の一端面から試験片の内部にレーザ光等を入射させて、試験片の他端面から出射してきたレーザ光（透過光）の強度を光検出器で検出しつづけて、透過光の強度の時間変化から破損する瞬間を捉えることを見出した。
【０００９】
ここで、図３は、試験片にクラックが入る前の光路を説明するための図であり、図４は、試験片にクラックが入ったときの光路を説明するための図である。また、図５は、光検出器で検出された光強度の時間変化を示すグラフの一例である。例えば、試験片２がガラス（屈折率１．５）で作製された場合、試験片２にクラックが入ると、クラック端面でのガラスから空気への反射率がＲ１＝０．０４となり、クラック端面での空気からガラスへの反射率がＲ２＝０．０４となるので、クラックが入る前と比較して合計８％の減衰となる。これにより、例えば、透過光Ｔの強度Ｐ（ｔ）が５％以上減衰した瞬間を破断（破損する瞬間）ｔ’と捉えられることがわかった。
【００１０】
すなわち、本発明の材料試験装置は、試験片の所定部位に荷重を負荷しながら、負荷した荷重の荷重値及び変位量を測定することにより、当該試験片の強度試験を行う材料試験装置であって、前記試験片の一端面から前記試験片の内部に光を入射させる光源部と、前記試験片の他端面から出射してきた光の強度を検出する光検出器とを備え、前記光検出器で検出された光強度に基づいて、前記試験片の破断時を捉えるようにしている。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように、本発明の材料試験装置によれば、試験片の表面に導体の薄膜パターンを形成するような手間をかけることなく、破損の瞬間を正確に捉えることができる。
【００１２】
（他の課題を解決するための手段及び効果）
また、上記の発明において、前記試験片が破断したと判定するための光強度閾値を記憶する記憶部と、前記光検出器で検出された光強度及び光強度閾値に基づいて、前記試験片の破断時を捉える制御部とを備えるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態である材料試験装置を示す概略構成図。
【図２】図１に示す演算制御部を示す概略構成図。
【図３】試験片にクラックが入る前の光路を説明するための図。
【図４】試験片にクラックが入ったときの光路を説明するための図。
【図５】光検出器で検出された光強度の時間変化を示すグラフ。
【図６】強度試験を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。
【００１５】
図１は、本発明の実施形態である材料試験装置を示す概略構成図であり、図２は、図１に示す演算制御部を示す概略構成図である。なお、地面に水平な一方向をＸ方向とし、地面に水平でＸ方向と垂直な方向をＹ方向とし、Ｘ方向とＹ方向とに垂直な方向をＺ方向とする。
材料試験装置１は、機台７と、上下方向（Ｚ方向）が回転軸となる２本のネジ軸５、１３を回転可能に支持する筐体１４と、機台７上面の中央部に固設された支持台１２と、ネジ軸５、１３に螺合してネジ軸５、１３の回転に伴い機台７に対して上下方向に移動することが可能なクロスヘッド８と、クロスヘッド８下面の中心部に固設されたロードセル９と、レーザ光Ｌを出射するレーザ光源（光源部）２１と、レーザ光（透過光）Ｔの強度Ｐ（ｔ）を検出するフォトセンサ（光検出器）２２と、制御や演算処理を行う演算制御部３とを備える。
【００１６】
機台７の内部には、演算制御部３からの制御信号により制御されるモータ４と、モータ４からの回転力をネジ軸５、１３に伝達するベルト６１と、連動用プーリ６２を連結したギヤー機構６とが配置されている。これにより、モータ４が回転することで、２本のネジ軸５、１３が回転して、クロスヘッド８を機台７に対して上下方向に移動させるようになっている。
【００１７】
支持台１２上面には、試験片２の下面を支持するための上下方向に伸びた２本の棒状の支持体１１が形成されている。一方、ロードセル９下面には、試験片２の上面を加圧するための上下方向に伸びた１本の棒状のアンビル（加圧体）１０が形成されている。これにより、板形状の試験片２は２本の棒状の支持体１１の先端を支点として配置されるとともに、１本のアンビル１０の先端を荷重点として試験片２の所定部位に荷重が負荷されるようになっている。また、ロードセル９で検出された荷重値Ｗ及び変位量を示す試験力検出信号は演算制御部３に所定時間間隔で出力されるようになっている。
【００１８】
レーザ光源２１は、Ｘ方向にレーザ光Ｌを出射するように筐体１４の左方に配置されている。これにより、支持体１１の先端を支点として配置された試験片２の一端面から試験片２の内部にレーザ光Ｌを入射させるようになっている（図３，４参照）。このとき、試験片２の一端面と垂直となる方向からレーザ光Ｌを入射させてもよく、試験片２の一端面と垂直でない方向からレーザ光Ｌを入射させてもよい。試験片２の一端面と垂直でない方向からレーザ光Ｌを入射させたときには、レーザ光Ｌは試験片２の上面や下面に反射しながら試験片２の他端面に導かれることになる。なお、試験片２は、レーザ光Ｌに対して透明となっている。
【００１９】
フォトセンサ２２は、Ｘ方向からのレーザ光（透過光）Ｔの強度Ｐ（ｔ）を検出するように筐体１４の右方に配置されている。これにより、支持体１１の先端を支点として配置された試験片２の他端面から出射してきたレーザ光Ｔの強度Ｐ（ｔ）を検出するようになっている（図３，４参照）。そして、フォトセンサ２２で検出されたレーザ光Ｔの強度Ｐ（ｔ）を示す光強度検出信号は演算制御部３に所定時間間隔で出力されるようになっている（図５参照）。
【００２０】
演算制御部３においては、ＣＰＵ（制御部）３５と、メモリ（記憶部）３４と、ロードセル９から出力される試験力検出信号を増幅するアンプ３１及びこの出力をディジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器３２からなる試験力検出部３３とを備え、さらに操作器１５と、表示器１６とが連結されている。ここで、ＣＰＵ３５が処理する機能をブロック化して説明すると、モータ４に制御信号を送信するモータ制御部３５ａと、ロードセル９からの試験力検出信号を演算処理し、算出した曲げ試験特性を表示させる試験力取得制御部３５ｂと、フォトセンサ２２からの光強度検出信号を取得する光強度取得制御部３５ｃと、試験片２の破断時を捉える判定部３５ｄとを有する。また、メモリ３４は、試験片２が破断したと判定するための光強度閾値（例えば、測定開始時の光強度の９５％）Ｐｔｈを予め記憶する。
【００２１】
ここで、材料試験装置１を用いて試験片２の強度を試験する材料試験方法について説明する。まず、測定者は支持体１１の先端を支点として試験片２を配置する。次に、測定者は操作器１５から測定開始信号を入力して測定を開始させる。
測定開始信号が入力されると、モータ制御部３５ａからの制御信号により、モータ４は一定速度で回転し、クロスヘッド８は所定の速度で下降し、アンビル１０と支持体１１との上下間隔が一定速度で接近し、その結果、試験片２に曲げ試験力が加えられ試験片２の中央部（所定部位）を下方に押し曲げていく。このとき、試験力検出信号が一定周期毎に試験力取得制御部３５ｂに採り込まれ、所定の演算処理が行われて表示器１６に変位に対する試験力が表示される。
【００２２】
一方、測定開始信号が入力されると、光強度取得制御部３５ｃからの制御信号により、レーザ光源２１はＸ方向にレーザ光Ｌを出射するとともに、フォトセンサ２２で検出された光強度検出信号が一定周期毎に光強度取得制御部３５ｃに採り込まれる（図３，５参照）。
その後、試験力が試験片２の曲げ耐力を超えると、試験片２にクラックが生じ瞬間的に破壊される（図４参照）。このとき、試験片２がガラス（屈折率１．５）で作製された場合、クラック端面でのガラスから空気への反射率がＲ１＝０．０４となり、クラック端面での空気からガラスへの反射率がＲ２＝０．０４となるので、クラックが入る前と比較して合計８％の減衰となる。
そして、判定部３５ｄは、フォトセンサ２２で検出されたレーザ光Ｔの強度Ｐ（ｔ）が光強度閾値Ｐｔｈ以下になった時間ｔ’を、試験片２の破断時とする。
【００２３】
以上のように、材料試験装置１によれば、試験片２の表面に導体の薄膜パターンを形成するような手間をかけることなく、破損の瞬間ｔ’を正確に捉えることができる。
【００２４】
＜他の実施形態＞
上述した材料試験装置１では、１個のレーザ光源２１と１個のフォトセンサ２２とを備えるような構成を示したが、Ｙ方向に並ぶ２個のレーザ光源と２個のフォトセンサとを備えるような構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は、例えば、セラミックス、シリコンウエハ等の材料で作製された試験片の強度を試験する材料試験装置等に利用することができる。
【符号の説明】
【００２６】
１  材料試験装置
２  試験片
２１  レーザ光源（光源部）
２２  フォトセンサ（光検出器）
【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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