JP2012181107A - Method and device for evaluating mechanical characteristic - Google Patents

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周 北島
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and device for evaluating a mechanical characteristic, which can preliminarily set the magnitude of impact force and friction force to be loaded and properly evaluate a mechanical characteristic, such as impact resistance and abrasion resistance of a sample.SOLUTION: Impact force and friction force to be mechanically loaded on a sample are preliminarily set, a probe is vibrated in a direction (Z direction) perpendicular to the sample arranged opposedly from the probe, the probe and the sample are relatively vibrated in a direction (XY direction) horizontal to the sample, the vibrated probe and sample are brought into contact with each other to load impact force and friction force, the depth of a trace by the impact force and friction force is measured, and the impact resistance and abrasion resistance of the sample are evaluated from data of the measured depth of the trace, data of the set impact force and data of the set friction force.

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡の技術を利用して、試料の耐衝撃性や耐摩耗性等の機械的特性を評価する方法および装置に関するものである。   The present invention relates to a method and an apparatus for evaluating mechanical characteristics such as impact resistance and wear resistance of a sample by utilizing the technique of a scanning probe microscope.

機械式時計のテンプ部等の機械部品において、長期使用時の磨耗劣化を低減することを目的として、ＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）薄膜等の高強度膜をコーティングする試みが行われているが、この機械部品には、実機での使用時に繰り返し衝撃や摩擦が加わるため、コーティングした薄膜の耐衝撃性・耐摩耗性を評価する技術が求められている。   Attempts have been made to coat high-strength films such as DLC (Diamond Like Carbon) thin films for the purpose of reducing wear deterioration during long-term use in mechanical parts such as the balance of mechanical watches. Since these mechanical parts are repeatedly subjected to impact and friction when used in an actual machine, a technique for evaluating the impact resistance and wear resistance of the coated thin film is required.

これに対して、例えば、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）とエキソ電子計数器を複合した装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。   On the other hand, for example, an apparatus that combines a scanning probe microscope (SPM) and an exo-electron counter has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

この装置では、ＳＰＭの一つである走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や振動モード原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を利用して圧子（探針）を微小かつ高速で振動させて試料に衝撃力を負荷し、そのとき放出されるエキソ電子を計数することにより、衝撃による破壊状態を定量できるとしている。また、その後ＳＴＭや振動モードＡＦＭで試料表面の形状を測定することにより、破壊状態を観察できるとしている。   This device uses a scanning tunneling microscope (STM) or vibration mode atomic force microscope (AFM), which is one of the SPMs, to vibrate the indenter (probe) at high speed and load the sample with impact force. In addition, by counting the exoelectrons emitted at that time, it is said that the destruction state due to impact can be quantified. Further, the fracture state can be observed by measuring the shape of the sample surface by STM or vibration mode AFM.

また、類似のものとして、ＳＰＭの一つであるコンタクトモードＡＦＭを用いた方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。   As a similar method, a method using a contact mode AFM, which is one of SPMs, has also been proposed (see, for example, Patent Document 2).

この方法では、コンタクトモードＡＦＭを利用して探針を試料に押圧し、それによってできるくぼみの深さをコンタクトモードＡＦＭで測定することにより、試料の硬度を評価できるとしている。   In this method, the hardness of the sample can be evaluated by pressing the probe against the sample using the contact mode AFM and measuring the depth of the indentation thereby formed by the contact mode AFM.

特開平０５−１１８９７７号公報JP 05-118977 A 特開平０５−２８１１１９号公報JP 05-281119 A

しかし、これらの装置や方法には、次のような課題があった。
特許文献１の装置では、エキソ電子を利用して耐衝撃性を評価しているが、エキソ電子の計数には通常、「ガイガーミュラー計数管」（または「ガイガーカウンター」）と呼称される測定器が用いられる。しかし、エキソ電子はエネルギーが小さいため、その測定は通常、試料を直接ガイガーミュラー計数管の計数室内に挿入して行われる。従って、これをＳＰＭと複合する特許文献１の装置は実現が困難だった。 However, these apparatuses and methods have the following problems.
In the apparatus of Patent Document 1, the impact resistance is evaluated using exoelectrons, but a measuring instrument generally called “Geiger-Muller counter” (or “Geiger counter”) is used for counting exoelectrons. Is used. However, since the energy of exoelectrons is small, the measurement is usually performed by inserting the sample directly into the counting chamber of the Geiger-Muller counter. Therefore, the device of Patent Document 1 that combines this with SPM has been difficult to realize.

また、特許文献１の装置では、負荷する衝撃力の大きさをどのように設定するかの記載がなく、負荷した衝撃力と計数されたエキソ電子の量の関係、すなわち耐衝撃性を適切に評価することができなかった。   Further, in the apparatus of Patent Document 1, there is no description of how to set the magnitude of the impact force to be applied, and the relationship between the applied impact force and the amount of exoelectrons counted, that is, the impact resistance is appropriately set. Could not be evaluated.

さらに、特許文献１の装置では、試料の垂直方向への力の負荷のみに注目しており、面内方向への力の負荷については何ら考慮されていない。このため、耐摩耗性を同時に評価することができなかった。   Furthermore, in the apparatus of Patent Document 1, attention is paid only to the force load in the vertical direction of the sample, and no consideration is given to the force load in the in-plane direction. For this reason, the wear resistance could not be evaluated at the same time.

一方、特許文献２の方法では、試料の硬度のみに注目しており、耐摩耗性を評価することができなかった。また、コンタクトモードＡＦＭを利用しており、振動源を有さないため、耐衝撃性の評価もできなかった。   On the other hand, the method of Patent Document 2 focuses only on the hardness of the sample and cannot evaluate the wear resistance. Further, since contact mode AFM is used and there is no vibration source, the impact resistance cannot be evaluated.

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、負荷する衝撃力の大きさを予め設定することができ、試料の耐衝撃性や耐摩耗性等の機械的特性を適切に評価することができる、ＳＰＭの技術を利用した機械的特性評価方法および装置を提供することである。   The present invention has been made in consideration of such circumstances, and its purpose is to set the magnitude of the impact force to be applied in advance, and to provide mechanical characteristics such as impact resistance and wear resistance of the sample. It is an object to provide a method and apparatus for evaluating mechanical properties using SPM technology, which can appropriately evaluate the above.

上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
本発明に係る機械的特性評価方法は、試料に機械的に与える負荷力を設定する負荷力設定工程と、前記試料と対向配置されたプローブを該試料に対して水平な方向（ＸＹ方向）および／または垂直な方向（Ｚ方向）に振動させる振動工程と、振動させた前記プローブを前記試料に接触させて前記負荷力を負荷する負荷工程と、該負荷力の負荷による痕跡の深さを測定する痕跡深さ測定工程と、該痕跡深さ測定工程により得られた痕跡の深さのデータおよび前記設定した負荷力のデータから前記試料の機械的特性を評価する評価工程とを有することを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, the present invention provides the following means.
The mechanical property evaluation method according to the present invention includes a load force setting step for setting a load force that is mechanically applied to a sample, a probe disposed opposite to the sample in a direction horizontal to the sample (XY direction), and And / or a vibration step of vibrating in a vertical direction (Z direction), a loading step of bringing the vibrating probe into contact with the sample and applying the load force, and a depth of a trace due to the load of the load force being measured A trace depth measuring step, and an evaluation step for evaluating the mechanical characteristics of the sample from the trace depth data obtained by the trace depth measurement step and the set load force data. It is what.

また、本発明に係る機械的特性評価方法は、上記本発明の機械的特性評価方法において、前記負荷力設定工程が、負荷力として衝撃力を設定する工程であり、前記痕跡深さ測定工程が、前記衝撃力由来の痕跡深さを測定する工程であり、前記評価工程で評価する機械的特性が耐衝撃性であることを特徴とするものである。   The mechanical property evaluation method according to the present invention is the mechanical property evaluation method according to the present invention, wherein the load force setting step is a step of setting an impact force as a load force, and the trace depth measurement step is In this step, the trace depth derived from the impact force is measured, and the mechanical property evaluated in the evaluation step is impact resistance.

また、本発明に係る機械的特性評価方法は、上記本発明の機械的特性評価方法において、前記負荷力設定工程が、負荷力として摩擦力を設定する工程であり、前記痕跡深さ測定工程が、前記摩擦力由来の痕跡深さを測定する工程であり、前記評価工程で評価する機械的特性が耐摩耗性であることを特徴とするものである。   The mechanical property evaluation method according to the present invention is the mechanical property evaluation method according to the present invention, wherein the load force setting step is a step of setting a frictional force as a load force, and the trace depth measurement step is In this step, the trace depth derived from the frictional force is measured, and the mechanical property evaluated in the evaluation step is wear resistance.

また、本発明に係る機械的特性評価方法は、上記本発明の機械的特性評価方法において、前記負荷力設定工程が、負荷力として衝撃力および摩擦力の両方を設定する工程であり、前記痕跡深さ測定工程が、該衝撃力および該摩擦力の両方に由来する痕跡深さを測定する工程であり、前記評価工程で評価する機械的特性が耐衝撃性および耐摩耗性の両方であることを特徴とするものである。   Further, in the mechanical property evaluation method according to the present invention, in the mechanical property evaluation method of the present invention, the load force setting step is a step of setting both impact force and friction force as load force, and the trace The depth measurement step is a step of measuring a trace depth derived from both the impact force and the friction force, and the mechanical properties evaluated in the evaluation step are both impact resistance and wear resistance. It is characterized by.

また、本発明に係る機械的特性評価方法は、上記本発明の機械的特性評価方法において、前記負荷力設定工程で設定される衝撃力が、前記プローブが前記試料と接触している時の前記プローブのＺ方向の振動振幅と前記プローブが前記試料と接触していない時の前記プローブのＺ方向の振動振幅とにより設定されるものであることを特徴とするものである。   Further, the mechanical property evaluation method according to the present invention is the mechanical property evaluation method according to the present invention, wherein the impact force set in the load force setting step is when the probe is in contact with the sample. The vibration amplitude in the Z direction of the probe is set by the vibration amplitude in the Z direction of the probe when the probe is not in contact with the sample.

また、本発明に係る機械的特性評価方法は、上記本発明の機械的特性評価方法において、前記負荷力設定工程で設定される摩擦力が、前記試料に対して水平な方向（ＸＹ方向）の前記プローブと前記試料との前記相対的な振動の振幅により設定されるものであることを特徴とするものである。   The mechanical property evaluation method according to the present invention is the mechanical property evaluation method according to the present invention, wherein the frictional force set in the load force setting step is in a horizontal direction (XY direction) with respect to the sample. It is set by the relative vibration amplitude of the probe and the sample.

また、本発明に係る機械的特性評価装置は、上記本発明の機械的特性評価方法を実施する機械的特性評価装置であって、プローブと、該プローブと対向配置する試料を載置する試料台と、前記プローブと前記試料とを相対的に三次元（ＸＹＺ方向）に走査する微動機構と、前記プローブを前記試料に対して垂直な方向（Ｚ方向）に振動させる第一の振動源と、前記Ｚ方向の振動量を設定する振動量設定手段とを有することを特徴とするものである。   The mechanical characteristic evaluation apparatus according to the present invention is a mechanical characteristic evaluation apparatus that implements the mechanical characteristic evaluation method of the present invention, and is a sample stage on which a probe and a sample disposed to face the probe are placed. A fine movement mechanism that scans the probe and the sample relatively three-dimensionally (XYZ direction), a first vibration source that vibrates the probe in a direction perpendicular to the sample (Z direction), And a vibration amount setting means for setting the vibration amount in the Z direction.

また、本発明に係る機械的特性評価装置は、上記本発明の機械的特性評価方法を実施する機械的特性評価装置であって、プローブと、該プローブと対向配置する試料を載置する試料台と、前記プローブと前記試料とを相対的に三次元（ＸＹＺ方向）に走査する微動機構と、前記プローブと前記試料とを、前記試料に対して水平な方向（ＸＹ方向）に相対的に振動させる第二の振動源と、前記ＸＹ方向の振動量を設定する振動量設定手段とを有することを特徴とするものである。   The mechanical characteristic evaluation apparatus according to the present invention is a mechanical characteristic evaluation apparatus that implements the mechanical characteristic evaluation method of the present invention, and is a sample stage on which a probe and a sample disposed to face the probe are placed. A fine movement mechanism that scans the probe and the sample relatively three-dimensionally (XYZ direction), and the probe and the sample vibrate relatively in a direction horizontal to the sample (XY direction). And a vibration amount setting means for setting the vibration amount in the XY directions.

また、本発明に係る機械的特性評価装置は、上記本発明の機械的特性評価方法を実施する機械的特性評価装置であって、プローブと、該プローブと対向配置する試料を載置する試料台と、前記プローブと前記試料とを相対的に三次元（ＸＹＺ方向）に走査する微動機構と、前記プローブを前記試料に対して垂直な方向（Ｚ方向）に振動させる第一の振動源と、前記プローブと前記試料とを、前記試料に対して水平な方向（ＸＹ方向）に相対的に振動させる第二の振動源と、前記Ｚ方向の振動量を設定する第一の振動量設定手段と、前記ＸＹ方向の振動量を設定する第二の振動量設定手段とを有することを特徴とするものである。   The mechanical characteristic evaluation apparatus according to the present invention is a mechanical characteristic evaluation apparatus that implements the mechanical characteristic evaluation method of the present invention, and is a sample stage on which a probe and a sample disposed to face the probe are placed. A fine movement mechanism that scans the probe and the sample relatively three-dimensionally (XYZ direction), a first vibration source that vibrates the probe in a direction perpendicular to the sample (Z direction), A second vibration source that vibrates the probe and the sample relatively in a horizontal direction (XY direction) with respect to the sample; and a first vibration amount setting unit that sets a vibration amount in the Z direction. And a second vibration amount setting means for setting the vibration amount in the XY direction.

また、本発明に係る機械的特性評価装置は、上記本発明の機械的特性評価装置において、前記プローブが、それに備わるレバー部の先端に探針を有すると共に、該レバー部の基端側が本体部に片持ち状態に支持されたカンチレバーであることを特徴とするものである。   The mechanical characteristic evaluation apparatus according to the present invention is the mechanical characteristic evaluation apparatus according to the present invention described above, wherein the probe has a probe at a tip of a lever part provided in the probe, and a base end side of the lever part is a main body part. It is a cantilever supported in a cantilever state.

また、本発明に係る機械的特性評価装置は、上記本発明の機械的特性評価装置において、前記第一の振動源が、前記カンチレバーを共振周波数またはその近傍の周波数で振動させるものであることを特徴とするものである。   The mechanical property evaluation apparatus according to the present invention is the mechanical property evaluation apparatus according to the present invention, wherein the first vibration source vibrates the cantilever at a resonance frequency or a frequency in the vicinity thereof. It is a feature.

本発明に係る機械的特性評価方法または装置によれば、負荷する衝撃力や摩擦力の大きさを予め設定することができるので、試料の耐衝撃性や耐摩擦力を適切に評価することができる。   According to the mechanical property evaluation method or apparatus according to the present invention, the magnitude of the impact force or friction force to be applied can be set in advance, so that it is possible to appropriately evaluate the impact resistance and friction resistance of the sample. it can.

また、本発明に係る機械的特性評価方法または装置によれば、衝撃力と摩擦力を同時に負荷できるので、耐衝撃性と耐摩耗性を同時に評価することができる。   Further, according to the mechanical property evaluation method or apparatus according to the present invention, the impact force and the friction force can be applied simultaneously, so that the impact resistance and the wear resistance can be evaluated simultaneously.

本発明に係る機械的特性（耐衝撃性）評価装置の一実施形態を示す構成図である。It is a block diagram which shows one Embodiment of the mechanical characteristic (impact resistance) evaluation apparatus which concerns on this invention. 本発明に係る機械的特性（耐衝撃性および耐摩耗性）評価装置の一実施形態を示す構成図である。It is a block diagram which shows one Embodiment of the mechanical characteristic (impact resistance and abrasion resistance) evaluation apparatus which concerns on this invention.

以下、本発明に係る機械的特性評価方法および装置の一である、耐衝撃性評価方法および装置、並びに耐衝撃性・耐摩耗性評価方法および装置の実施形態を、図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of an impact resistance evaluation method and apparatus, and an impact resistance / abrasion resistance evaluation method and apparatus, which are one of the mechanical property evaluation method and apparatus according to the present invention, will be described with reference to the drawings. .

（実施例１）
本発明の第１実施形態を、図１を参照して説明する。図１に示す装置２０は、本発明に係る耐衝撃性評価装置の一実施形態である。 Example 1
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. An apparatus 20 shown in FIG. 1 is an embodiment of an impact resistance evaluation apparatus according to the present invention.

本装置２０は、試料７を載置する試料台８と、試料７に対向配置される探針４を先端に有するカンチレバー５と、カンチレバー５の変位を検出する光てこ系を構成する光源２および受光部３と、カンチレバー５を試料７に対して平行な方向（ＸＹ方向）および垂直な方向（Ｚ方向）に走査する微動機構１と、カンチレバー５をＺ方向に振動させる振動板６と、振動板６に電圧を供給する第１加振電源９と、その振動量を設定し第１加振電源９を駆動する第１振動量設定部１０と、微動機構１をＸＹ方向に駆動するＸＹ駆動部１１およびＺ方向に駆動するＺ駆動部１２と、第１振動量設定部１０からの駆動信号および受光部３からの出力信号に基づいてＺ駆動部１２を制御する制御部１３と、ＸＹ駆動部１１およびＺ駆動部１２から出力される各駆動信号のデータ、および受光部３からの出力信号のデータを処理して試料７の耐衝撃性を示すデータを出力するデータ処理部１４と、データ処理部１４から出力されたデータを表示する表示部１５とを備えている。   The apparatus 20 includes a sample stage 8 on which the sample 7 is placed, a cantilever 5 having a probe 4 disposed at the tip thereof facing the sample 7, a light source 2 that constitutes an optical lever system that detects displacement of the cantilever 5, and The light receiving unit 3, the fine movement mechanism 1 that scans the cantilever 5 in the direction parallel to the sample 7 (XY direction) and the direction perpendicular to the sample (Z direction), the diaphragm 6 that vibrates the cantilever 5 in the Z direction, and the vibration A first vibration power source 9 for supplying voltage to the plate 6, a first vibration amount setting unit 10 for setting the vibration amount and driving the first vibration power source 9, and an XY drive for driving the fine movement mechanism 1 in the XY directions A control unit 13 for controlling the Z drive unit 12 based on a drive signal from the first vibration amount setting unit 10 and an output signal from the light receiving unit 3, and an XY drive Output from the unit 11 and the Z drive unit 12 A data processing unit 14 that processes the data of the drive signal and the data of the output signal from the light receiving unit 3 to output data indicating the impact resistance of the sample 7 and a display that displays the data output from the data processing unit 14 Part 15.

次に、このように構成された耐衝撃性評価装置２０により試料７の耐衝撃性を評価する場合について説明する。   Next, a case where the impact resistance of the sample 7 is evaluated by the impact resistance evaluation apparatus 20 configured as described above will be described.

Ｚ方向に振動させたカンチレバー５の自由端の探針４を試料７に接触させると、カンチレバー５の振動振幅は減衰する。すなわち、この振動振幅の減衰量が、試料７に負荷された衝撃力を示す。従って、振動振幅の減衰量を予め設定し、これが一定になるよう微動機構１のＺ方向の動きを制御することにより、一定の衝撃力を負荷することができる。   When the probe 4 at the free end of the cantilever 5 vibrated in the Z direction is brought into contact with the sample 7, the vibration amplitude of the cantilever 5 is attenuated. That is, the attenuation amount of the vibration amplitude indicates the impact force applied to the sample 7. Therefore, by setting the attenuation amount of the vibration amplitude in advance and controlling the movement of the fine movement mechanism 1 in the Z direction so as to be constant, a constant impact force can be applied.

このことを基に、まず始めに、探針４が試料７と接触していない時のカンチレバー５の振動振幅Ａ０および探針４が試料７と接触している時のカンチレバー５の振動振幅Ａを、第１振動量設定部１０に設定する。   Based on this, first, the vibration amplitude A0 of the cantilever 5 when the probe 4 is not in contact with the sample 7 and the vibration amplitude A of the cantilever 5 when the probe 4 is in contact with the sample 7 are obtained. And set in the first vibration amount setting unit 10.

次に、設定に基づいて第１振動量設定部１０が第１加振電源９を駆動し、振動板６によりカンチレバー５を振動振幅Ａ０で振動させる。   Next, the first vibration amount setting unit 10 drives the first excitation power source 9 based on the setting, and the diaphragm 6 vibrates the cantilever 5 with the vibration amplitude A0.

次に、図示しない粗動機構がカンチレバー５と試料７を近づけ、探針４と試料７を接触させる。このとき、制御部１３は、カンチレバー５の振動振幅が一定値Ａになるよう、Ｚ駆動部１２を介して微動機構１を制御する。
これにより、衝撃力による痕跡が試料７に刻まれる。 Next, a coarse movement mechanism (not shown) brings the cantilever 5 and the sample 7 closer to bring the probe 4 and the sample 7 into contact with each other. At this time, the control unit 13 controls the fine movement mechanism 1 via the Z drive unit 12 so that the vibration amplitude of the cantilever 5 becomes a constant value A.
Thereby, a trace due to the impact force is carved on the sample 7.

その後、ＳＰＭの形状測定手法によって本装置２０を動作させることにより、データ処理部１４が痕跡の深さを測定する。そして、データ処理部１４が、測定された痕跡の深さ値と振動振幅の減衰量（Ａ０−Ａ）とを関連づける処理を行い、結果を表示部１５に表示する。   Thereafter, the data processing unit 14 measures the depth of the trace by operating the apparatus 20 by the SPM shape measurement method. Then, the data processing unit 14 performs a process of associating the measured trace depth value with the vibration amplitude attenuation amount (A0-A), and displays the result on the display unit 15.

以上の工程を、振動振幅Ａを変えながら複数回繰り返すことで、痕跡の深さと振動振幅の減衰量の関係がわかるので、それにより試料の耐衝撃性を評価することができる。   By repeating the above steps a plurality of times while changing the vibration amplitude A, the relationship between the depth of the trace and the attenuation amount of the vibration amplitude can be understood, whereby the impact resistance of the sample can be evaluated.

（実施例２）
本発明の第２実施形態を、図２を参照して説明する。図２に示す装置２１は、本発明に係る耐衝撃性・耐摩耗性評価装置の一実施形態である。 (Example 2)
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. An apparatus 21 shown in FIG. 2 is an embodiment of an impact resistance / abrasion resistance evaluation apparatus according to the present invention.

本装置２１は、図１の耐衝撃性評価装置２０の構成に加えて、微動機構１をＸ方向またはＹ方向に振動させる第２加振電源１６と、その振動量を設定し第２加振電源１６を駆動する第２振動量設定部１７とを備えている。   In addition to the configuration of the impact resistance evaluation apparatus 20 of FIG. 1, the present apparatus 21 sets a second excitation power source 16 that vibrates the fine movement mechanism 1 in the X direction or the Y direction, and sets the amount of vibration. And a second vibration amount setting unit 17 for driving the power supply 16.

次に、このように構成された耐衝撃性・耐摩耗性評価装置２１により試料７の耐衝撃性・耐摩耗性を評価する場合について説明する。   Next, a case where the impact resistance / abrasion resistance evaluation apparatus 21 configured as described above is used to evaluate the impact resistance / abrasion resistance of the sample 7 will be described.

探針４と試料７を接触させた状態で、両者をＸ方向またはＹ方向に相対的に振動させると、試料７にＸ方向またはＹ方向の摩擦力が負荷される。この摩擦力の大きさは、相対的な振動の振幅による。従って、この振動の振幅を予め設定することにより、一定の摩擦力を負荷することができる。   When the probe 4 and the sample 7 are in contact with each other, if both are vibrated relatively in the X direction or the Y direction, a frictional force in the X direction or the Y direction is applied to the sample 7. The magnitude of this frictional force depends on the relative vibration amplitude. Therefore, a constant frictional force can be applied by setting the amplitude of this vibration in advance.

このことを基に、まず始めに、Ｘ方向またはＹ方向への相対的な振動の振幅Ａ１を、第２振動量設定部１７に設定する。   Based on this, first, the relative vibration amplitude A1 in the X direction or the Y direction is set in the second vibration amount setting unit 17.

また、実施例１と同様、探針４が試料７と接触していない時のカンチレバー５の振動振幅Ａ０および探針４が試料７と接触している時のカンチレバー５の振動振幅Ａを、第１振動量設定部１０に設定する。   As in the first embodiment, the vibration amplitude A0 of the cantilever 5 when the probe 4 is not in contact with the sample 7 and the vibration amplitude A of the cantilever 5 when the probe 4 is in contact with the sample 7 are 1 vibration amount setting unit 10 is set.

次に、設定に基づいて第２振動量設定部１７が第２加振電源１６を駆動し、微動機構１をＸ方向またはＹ方向に振動振幅Ａ１で振動させる。
また、設定に基づいて第１振動量設定部１０が第１加振電源９を駆動し、振動板６によりカンチレバー５を振動振幅Ａ０で振動させる。 Next, based on the setting, the second vibration amount setting unit 17 drives the second excitation power supply 16 to vibrate the fine movement mechanism 1 with the vibration amplitude A1 in the X direction or the Y direction.
Further, based on the setting, the first vibration amount setting unit 10 drives the first excitation power source 9 and the diaphragm 6 vibrates the cantilever 5 with the vibration amplitude A0.

次に、図示しない粗動機構がカンチレバー５と試料７を近づけ、探針４と試料７を接触させる。このとき、制御部１３は、カンチレバー５の振動振幅が一定値Ａになるよう、Ｚ駆動部１２を介して微動機構１を制御する。
これにより、衝撃力および摩擦力による痕跡が試料７に刻まれる。 Next, a coarse movement mechanism (not shown) brings the cantilever 5 and the sample 7 closer to bring the probe 4 and the sample 7 into contact with each other. At this time, the control unit 13 controls the fine movement mechanism 1 via the Z drive unit 12 so that the vibration amplitude of the cantilever 5 becomes a constant value A.
As a result, traces due to the impact force and frictional force are engraved on the sample 7.

その後、ＳＰＭの形状測定手法によって本装置２１を動作させることにより、データ処理部１４が痕跡の深さを測定する。そして、データ処理部１４が、測定された痕跡の深さ値とカンチレバー５のＺ方向の振動振幅の減衰量（Ａ０−Ａ）、および痕跡の深さ値と微動機構１のＸ方向またはＹ方向の振動振幅を、それぞれ関連づける処理を行い、結果を表示部１５に表示する。   Thereafter, the data processing unit 14 measures the depth of the trace by operating the apparatus 21 using the SPM shape measurement technique. Then, the data processing unit 14 determines the depth value of the measured trace and the attenuation amount (A0-A) of the vibration amplitude in the Z direction of the cantilever 5, and the depth value of the trace and the X direction or the Y direction of the fine movement mechanism 1. Are associated with each other, and the results are displayed on the display unit 15.

以上の工程を、振動振幅Ａを変えながら複数回繰り返すことで、痕跡の深さとカンチレバーのＺ方向の振動振幅の減衰量の関係、および痕跡の深さと微動機構のＸ方向またはＹ方向の振動振幅の関係がわかるので、それらにより試料の耐衝撃性・耐摩耗性を評価することができる。   By repeating the above steps a plurality of times while changing the vibration amplitude A, the relationship between the depth of the trace and the attenuation amount of the vibration amplitude in the Z direction of the cantilever, and the vibration depth in the X direction or the Y direction of the fine movement mechanism. Thus, the impact resistance and wear resistance of the sample can be evaluated.

なお、本発明の技術範囲は、上記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において、種々の変更を加えることが可能である。   The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

例えば、上記実施形態では、先端に探針を有するカンチレバーをプローブとして用いているが、カンチレバー形状ではない探針（金属針等）を用いることもできる。   For example, in the above embodiment, a cantilever having a probe at the tip is used as a probe, but a probe (metal needle or the like) that is not in the shape of a cantilever can also be used.

また、上記実施形態では、プローブ側に微動機構を有し、プローブを試料に対して三次元（ＸＹおよびＺ）方向に移動させるプローブスキャン方式を採っているが、試料側に微動機構を有する試料スキャン方式を採ることもできる。   In the above embodiment, a probe scanning method is adopted in which the probe has a fine movement mechanism on the probe side and the probe is moved in three dimensions (XY and Z) with respect to the sample. However, the sample has a fine movement mechanism on the sample side. A scanning method can also be adopted.

また、上記実施形態では、カンチレバーの変位を光てこ系で検出しているが、光てこ系を用いずに、自己検知方式のカンチレバーを用いることもできる。   In the above embodiment, the displacement of the cantilever is detected by the optical lever system, but a self-detecting cantilever can be used without using the optical lever system.

この他、上記実施形態において、カンチレバーを共振周波数またはその近傍の周波数で振動させることもできる。このようにすると、衝撃力の負荷と痕跡の深さの測定の両方に、ＳＰＭの一である振動モードＡＦＭの手法を共通的に用いることができるので、装置構成がよりシンプルになり、小型化もより容易になる。また、動的手法で痕跡の深さを測定できるので、静的手法に比べて測定の精度を上げることができ、よって評価の精度も上げることができる。   In addition, in the above embodiment, the cantilever can be vibrated at the resonance frequency or a frequency in the vicinity thereof. In this way, the method of vibration mode AFM, which is one of SPM, can be commonly used for both the load of impact force and the measurement of the depth of the trace, so that the device configuration becomes simpler and smaller in size. Will also be easier. In addition, since the depth of the trace can be measured by a dynamic method, the measurement accuracy can be increased as compared with the static method, and thus the evaluation accuracy can be increased.

１ 微動機構
２ 光源
３ 受光部
４ 探針
５ カンチレバー
６ 振動板
７ 試料
８ 試料台
９ 第１加振電源
１０ 第１振動量設定部
１１ ＸＹ駆動部
１２ Ｚ駆動部
１３ 制御部
１４ Ｚ信号モニタ
１５ 補正部
１６ データ処理部
１７ 表示部
１８ 第２加振電源
１９ 第２振動量設定部
２０ 耐衝撃性評価装置
２１ 耐衝撃性・耐摩耗性評価装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fine movement mechanism 2 Light source 3 Light-receiving part 4 Probe 5 Cantilever 6 Diaphragm 7 Sample 8 Sample stand 9 1st vibration power source 10 1st vibration amount setting part 11 XY drive part 12 Z drive part 13 Control part 14 Z signal monitor 15 Correction unit 16 Data processing unit 17 Display unit 18 Second excitation power source 19 Second vibration amount setting unit 20 Impact resistance evaluation device 21 Impact resistance / wear resistance evaluation device

Claims (11)

試料に機械的に与える負荷力を設定する負荷力設定工程と、
前記試料と対向配置されたプローブを該試料に対して水平な方向（ＸＹ方向）および／または垂直な方向（Ｚ方向）に振動させる振動工程と、
振動させた前記プローブを前記試料に接触させて前記負荷力を負荷する負荷工程と、
該負荷力の負荷による痕跡の深さを測定する痕跡深さ測定工程と、
該痕跡深さ測定工程により得られた痕跡の深さのデータおよび前記設定した負荷力のデータから前記試料の機械的特性を評価する評価工程とを有することを特徴とする機械的特性評価方法。 A load force setting step for setting a load force mechanically applied to the sample;
A vibration step of vibrating a probe disposed opposite to the sample in a horizontal direction (XY direction) and / or a vertical direction (Z direction) with respect to the sample;
A loading step in which the probe is vibrated and brought into contact with the sample to apply the load force;
A trace depth measuring step of measuring the depth of the trace due to the load of the load force;
A mechanical property evaluation method comprising: an evaluation step of evaluating the mechanical properties of the sample from the data of the depth of the trace obtained by the trace depth measurement step and the data of the set load force. 前記負荷力設定工程が、負荷力として衝撃力を設定する工程であり、
前記痕跡深さ測定工程が、前記衝撃力由来の痕跡深さを測定する工程であり、
前記評価工程で評価する機械的特性が耐衝撃性である請求項１に記載の機械的特性評価方法。 The load force setting step is a step of setting an impact force as a load force,
The trace depth measurement step is a step of measuring the trace depth derived from the impact force,
The mechanical property evaluation method according to claim 1, wherein the mechanical property evaluated in the evaluation step is impact resistance. 前記負荷力設定工程が、負荷力として摩擦力を設定する工程であり、
前記痕跡深さ測定工程が、前記摩擦力由来の痕跡深さを測定する工程であり、
前記評価工程で評価する機械的特性が耐摩耗性である請求項１に記載の機械的特性評価方法。 The load force setting step is a step of setting a friction force as a load force,
The trace depth measurement step is a step of measuring a trace depth derived from the frictional force,
The mechanical property evaluation method according to claim 1, wherein the mechanical property evaluated in the evaluation step is wear resistance. 前記負荷力設定工程が、負荷力として衝撃力および摩擦力の両方を設定する工程であり、
前記痕跡深さ測定工程が、該衝撃力および該摩擦力の両方に由来する痕跡深さを測定する工程であり、
前記評価工程で評価する機械的特性が耐衝撃性および耐摩耗性の両方である請求項１に記載の機械的特性評価方法。 The load force setting step is a step of setting both impact force and friction force as load force,
The trace depth measurement step is a step of measuring a trace depth derived from both the impact force and the friction force,
The mechanical property evaluation method according to claim 1, wherein the mechanical properties evaluated in the evaluation step are both impact resistance and wear resistance. 前記負荷力設定工程で設定される衝撃力が、前記プローブが前記試料と接触している時の前記プローブのＺ方向の振動振幅と前記プローブが前記試料と接触していない時の前記プローブのＺ方向の振動振幅とにより設定されるものである請求項２または４に記載の機械的特性評価方法。   The impact force set in the load force setting step includes the vibration amplitude in the Z direction of the probe when the probe is in contact with the sample and the Z of the probe when the probe is not in contact with the sample. 5. The mechanical property evaluation method according to claim 2, wherein the mechanical property evaluation method is set according to a vibration amplitude in a direction. 前記負荷力設定工程で設定される摩擦力が、前記試料に対して水平な方向（ＸＹ方向）の前記プローブと前記試料との前記相対的な振動の振幅により設定されるものである請求項３または４に記載の機械的特性評価方法。   4. The frictional force set in the load force setting step is set by an amplitude of the relative vibration between the probe and the sample in a direction horizontal (XY direction) with respect to the sample. Or 5. the mechanical property evaluation method according to 4; プローブと、
該プローブと対向配置する試料を載置する試料台と、
前記プローブと前記試料とを相対的に三次元（ＸＹＺ方向）に走査する微動機構と、
前記プローブを前記試料に対して垂直な方向（Ｚ方向）に振動させる第一の振動源と、
前記Ｚ方向の振動量を設定する振動量設定手段と、を有する請求項１または２に記載の機械的特性評価方法を実施する機械的特性評価装置。 A probe,
A sample stage on which a sample placed opposite to the probe is placed;
A fine movement mechanism that relatively scans the probe and the sample in three dimensions (XYZ directions);
A first vibration source for vibrating the probe in a direction perpendicular to the sample (Z direction);
The mechanical characteristic evaluation apparatus which implements the mechanical characteristic evaluation method of Claim 1 or 2 which has a vibration amount setting means which sets the vibration amount of the said Z direction. プローブと、
該プローブと対向配置する試料を載置する試料台と、
前記プローブと前記試料とを相対的に三次元（ＸＹＺ方向）に走査する微動機構と、
前記プローブと前記試料とを、前記試料に対して水平な方向（ＸＹ方向）に相対的に振動させる第二の振動源と、
前記ＸＹ方向の振動量を設定する振動量設定手段と、を有する請求項１または３に記載の機械的特性評価方法を実施する機械的特性評価装置。 A probe,
A sample stage on which a sample placed opposite to the probe is placed;
A fine movement mechanism that relatively scans the probe and the sample in three dimensions (XYZ directions);
A second vibration source that vibrates the probe and the sample relatively in a horizontal direction (XY direction) with respect to the sample;
The mechanical characteristic evaluation apparatus which implements the mechanical characteristic evaluation method of Claim 1 or 3 which has a vibration amount setting means which sets the vibration amount of the said XY direction. プローブと、
該プローブと対向配置する試料を載置する試料台と、
前記プローブと前記試料とを相対的に三次元（ＸＹＺ方向）に走査する微動機構と、
前記プローブを前記試料に対して垂直な方向（Ｚ方向）に振動させる第一の振動源と、
前記プローブと前記試料とを、前記試料に対して水平な方向（ＸＹ方向）に相対的に振動させる第二の振動源と、
前記Ｚ方向の振動量を設定する第一の振動量設定手段と、
前記ＸＹ方向の振動量を設定する第二の振動量設定手段と、を有する請求項１または４に記載の機械的特性評価方法を実施する機械的特性評価装置。 A probe,
A sample stage on which a sample placed opposite to the probe is placed;
A fine movement mechanism that relatively scans the probe and the sample in three dimensions (XYZ directions);
A first vibration source for vibrating the probe in a direction perpendicular to the sample (Z direction);
A second vibration source that vibrates the probe and the sample relatively in a horizontal direction (XY direction) with respect to the sample;
First vibration amount setting means for setting the vibration amount in the Z direction;
The mechanical characteristic evaluation apparatus which implements the mechanical characteristic evaluation method of Claim 1 or 4 which has a 2nd vibration amount setting means which sets the vibration amount of the said XY direction. 前記プローブが、それに備わるレバー部の先端に探針を有すると共に、該レバー部の基端側が本体部に片持ち状態に支持されたカンチレバーである請求項７または９に記載の機械的特性評価装置。   The mechanical characteristic evaluation apparatus according to claim 7 or 9, wherein the probe is a cantilever having a probe at a tip of a lever portion provided in the probe, and a base end side of the lever portion supported in a cantilever state by a main body portion. . 前記第一の振動源が、前記カンチレバーを共振周波数またはその近傍の周波数で振動させるものである請求項１０に記載の機械的特性評価装置。   The mechanical characteristic evaluation apparatus according to claim 10, wherein the first vibration source vibrates the cantilever at a resonance frequency or a frequency in the vicinity thereof.
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