JPH0814531B2 - Film adhesion tester - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、セラミックスコーティングを含む硬質被
膜の密着性のテストを行うのに適用される密着性試験装
置に関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an adhesion test apparatus applied for testing the adhesion of a hard coating including a ceramic coating.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

CVD、PVDなどによって形成された金属やセラミックス
材料の硬質被膜及び塗料等の高分子材料の軟質被膜の密
着性を、スクラッチ破壊方法によって試験することがで
きる。即ち、ダイヤモンドコーン等のスクラッチツール
を介して被膜面に垂直な荷重を徐々に加え、同時に被膜
面を水平方向に連続的に移動させると、或る箇所で被膜
面の剥離が生じる。この剥離が生じた時の荷重が密着性
の程度を示す臨界荷重として検出される。例えば、特開
昭57−86741号公報には、引っかき強度，引っかき抵抗
を測定する装置が示されている。The adhesion of a hard coating of a metal or ceramic material formed by CVD, PVD or the like and a soft coating of a polymeric material such as a paint can be tested by the scratch fracture method. That is, when a load perpendicular to the coating surface is gradually applied via a scratch tool such as a diamond cone, and at the same time the coating surface is continuously moved in the horizontal direction, peeling of the coating surface occurs at a certain position. The load when this peeling occurs is detected as a critical load indicating the degree of adhesion. For example, Japanese Unexamined Patent Publication No. 57-86741 discloses a device for measuring scratch strength and scratch resistance.

この測定装置は、水平アームの一端に引っかき用の針
が取り付けられ、水平アームの他端に歪ゲージ形の変換
器が設けられ、針を試験片に当接させた後に、水平アー
ムの一端に分銅によって所定の荷重を加え、試験片が載
置された移動台が所定方向に定速度で移動される。この
移動時に生じる変換器の出力信号から、試験片の引っか
き強度，引っかき抵抗が測定される。また、分銅を交換
することによって、種々の荷重が印加される。In this measuring device, a scratching needle is attached to one end of the horizontal arm, a strain gauge type transducer is provided at the other end of the horizontal arm, and after the needle is brought into contact with the test piece, one end of the horizontal arm is attached. A predetermined load is applied by the weight, and the moving table on which the test piece is placed is moved in a predetermined direction at a constant speed. The scratch strength and scratch resistance of the test piece are measured from the output signal of the converter generated during this movement. Also, various loads are applied by exchanging the weights.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

従来の密着性試験装置は、荷重をかけるために、分銅
を用い、非連続的に荷重を与えている。従って、前述の
ように、臨界荷重の検出を行う場合には、種々の重さの
分銅を使用して測定を繰り返す必要があり、特に臨界荷
重の分解能を高くするためには、多数の分銅を用い、何
回も測定を繰り返さねばならない煩わしさがあった。ま
た、従来の密着性試験装置では、被膜面に徐々に荷重を
かけるための加圧部と、センサとが全く独立した構成で
あるため、装置の大形化を招き、また、取り扱いが複雑
になる欠点があった。The conventional adhesion test apparatus uses a weight to apply a load and applies the load discontinuously. Therefore, as described above, when performing the detection of the critical load, it is necessary to repeat the measurement using the weights of various weights, and in particular, in order to increase the resolution of the critical load, a large number of weights are used. It was troublesome to use and repeat the measurement many times. Further, in the conventional adhesion test device, the pressurizing part for gradually applying a load to the coating surface and the sensor are completely independent, which leads to an increase in size of the device and complicates handling. There was a drawback.

従って、この発明の目的は、コンパクトな構造で、取
り扱いが簡単で、また、高い分解能でもって、臨界荷重
を検出することができる被膜の密着性試験装置を提供す
ることにある。Therefore, an object of the present invention is to provide a coating adhesion test apparatus which has a compact structure, is easy to handle, and can detect a critical load with high resolution.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

この発明では、モータ等の駆動源24により垂直方向に
変位可能とされた移動体２と、移動体２に取り付けられ
た荷重センサ４と、荷重センサ４に設けられた測定用ツ
ール５と、測定用ツール５と対向して設けられ、水平面
内の少なくとも一方向に移動可能とされた試料ステージ
６と、試料ステージ６に対して垂直方向に加わる力を緩
和するための上下緩和装置８と、試料ステージ６上に載
置された試料７に対して測定用ツール５を当接させ、移
動体２を徐々に変位させた時の荷重センサ４の検出信号
を処理する信号処理部23とが備えられている。In the present invention, the moving body 2 that can be displaced in the vertical direction by the driving source 24 such as a motor, the load sensor 4 attached to the moving body 2, the measurement tool 5 provided on the load sensor 4, and the measurement. Stage 6 which is provided so as to be opposed to the tool 5 and is movable in at least one direction in a horizontal plane, a vertical relaxation device 8 for relaxing a force applied in a direction perpendicular to the sample stage 6, and a sample A signal processing unit 23 for processing a detection signal of the load sensor 4 when the measuring tool 5 is brought into contact with the sample 7 placed on the stage 6 and the moving body 2 is gradually displaced is provided. ing.

〔作用〕[Action]

荷重センサ４と測定用ツール５とが一体に駆動源24に
よって変位され、試料７に対して荷重がかけられる。荷
重をかる部分と荷重検出部とが同軸的に配置されるの
で、装置をコンパクトにできると共に、取り扱いが簡単
となる。また、試料ステージ６に対して上下緩和装置８
が設けられているので、移動体２を変位させた時に、連
続的に荷重をかけることができる。従って、多種類の分
銅を使用する必要がなく、１回の測定により、臨界荷重
を正確に検出することができる。The load sensor 4 and the measuring tool 5 are integrally displaced by the drive source 24, and a load is applied to the sample 7. Since the load measuring portion and the load detecting portion are arranged coaxially, the device can be made compact and the handling becomes easy. In addition, the vertical relaxation device 8 with respect to the sample stage 6
Is provided, the load can be continuously applied when the moving body 2 is displaced. Therefore, it is not necessary to use many kinds of weights, and the critical load can be accurately detected by one measurement.

〔実施例〕〔Example〕

以下、この発明の一実施例について図面を参照して説
明する。第１図及び第２図は、この一実施例の機構部の
構成を示すもので、第１図において、１がケースを示
し、このケース１内には、Ｚ（上下方向）駆動モータ及
びＸ駆動モータが配設されている。これらのＺ駆動モー
タ及びＸ駆動モータは、パルスモータであり、Ｚ駆動モ
ータの送りピッチは、極めて細かいものとされている。
Ｚ駆動モータによって、アーム２が上下動される。アー
ム２は、ケース１の開口３から水平方向に突出される。An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 and FIG. 2 show the structure of the mechanical portion of this embodiment. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a case, and in this case 1, a Z (vertical direction) drive motor and an X drive motor are provided. A drive motor is provided. These Z drive motor and X drive motor are pulse motors, and the feed pitch of the Z drive motor is extremely fine.
The arm 2 is moved up and down by the Z drive motor. The arm 2 projects horizontally from the opening 3 of the case 1.

このアーム２の先端には、第２図にも示されるよう
に、荷重センサ４が取り付けられ、荷重センサ４の作動
部に対してスクラッチ用のツールとしてのダイヤモンド
コーン５が設けられている。従って、アーム２と一体に
荷重センサ４及びダイヤモンドコーン５が上下動する。
ダイヤモンドコーン５の下方には、ダイヤモンドコーン
５と対向する試料ステージ６が設けられ、試料ステージ
６上に試料７が固定される。試料７は、例えば金属のベ
ース上にセラミックスが被覆されたものである。荷重セ
ンサ４は、試料７の被膜の硬度に応じて交換可能とされ
ている。この荷重センサ４は、ピエゾ抵抗効果を利用し
た小型半導体センサである。荷重センサ４は、ストレイ
ンゲージに比してより小型，より高感度，より広い周波
数特性を有している。従って、CVD,PVD等で形成された
薄膜被膜面の硬質の破壊によって生じる瞬時的且つ微小
な荷重の変動を正確に検出することができる。As shown in FIG. 2, a load sensor 4 is attached to the tip of the arm 2, and a diamond cone 5 as a scratch tool is provided on the operating portion of the load sensor 4. Therefore, the load sensor 4 and the diamond cone 5 move up and down together with the arm 2.
A sample stage 6 facing the diamond cone 5 is provided below the diamond cone 5, and a sample 7 is fixed on the sample stage 6. The sample 7 is, for example, a metal base coated with ceramics. The load sensor 4 can be replaced depending on the hardness of the coating of the sample 7. The load sensor 4 is a small semiconductor sensor utilizing the piezoresistive effect. The load sensor 4 has a smaller size, higher sensitivity, and wider frequency characteristics than the strain gauge. Therefore, it is possible to accurately detect the momentary and minute change in load caused by the hard fracture of the thin film coating surface formed by CVD, PVD or the like.

また、AE（アコースティック・エミッション）センサ
を使用することもできるが、AEセンサの有効性は、臨界
荷重時に起こる被膜面のAEがAEセンサの周波数特性に等
しい場合に限られる。即ち、臨界荷重時の被膜面のAEの
周波数は、材料，密着性等に依存して異なるために、種
々の周波数特性を持ったAEセンサを必要とする問題があ
る。バンド幅が広いAEセンサを用いることが考えられる
が、このタイプのAEセンサは、高価となり、また、大型
となり、更に、感度が低く、S/Nが悪いのが普通であ
る。An AE (Acoustic Emission) sensor can also be used, but the effectiveness of the AE sensor is limited to the case where the AE of the coating surface that occurs during a critical load is equal to the frequency characteristic of the AE sensor. That is, since the frequency of AE on the coating surface under critical load differs depending on the material, adhesiveness, etc., there is a problem that AE sensors with various frequency characteristics are required. Although it is possible to use an AE sensor with a wide bandwidth, this type of AE sensor is usually expensive, large in size, low in sensitivity, and poor in S / N.

試料ステージ６は、上下緩和装置８を介してXYステー
ジ９上に支持されている。このXYステージ９は、試料７
の長手方向（Ｘ方向）に、Ｘ駆動モータによって自動的
に所定量（例えば５〜20〔mm〕）、定速移動される。一
方、試料７の幅方向（Ｙ方向）に関しては、調整ネジ10
によって手動で移動される。更に、押釦スイッチ11によ
り、Ｘ方向及びＺ方向に任意の量の変位を生じさせるこ
とが可能とされている。上下緩和装置８は、円筒状のハ
ウジング12と、このハウジング12に摺動自在に嵌合さ
れ、上部に試料ステージ６が固着されたスライダ13と、
スライダ13に対して上方向へ偏倚力を与えるためのスプ
リング14と、係止用のリング15とから構成されている。
この係止用のリング15は、脱着自在とされ、スプリング
14の交換が可能とされている。The sample stage 6 is supported on an XY stage 9 via a vertical relaxation device 8. This XY stage 9 is a sample 7
In the longitudinal direction (X direction), the X drive motor automatically moves at a constant speed by a predetermined amount (for example, 5 to 20 [mm]). On the other hand, with respect to the width direction (Y direction) of the sample 7, the adjusting screw 10
Manually moved by. Further, the push button switch 11 is capable of causing an arbitrary amount of displacement in the X and Z directions. The vertical relaxation device 8 includes a cylindrical housing 12, a slider 13 slidably fitted in the housing 12, and a sample stage 6 fixed on the slider 13.
The slider 13 is composed of a spring 14 for giving an upward biasing force and a locking ring 15.
This locking ring 15 is removable, and
14 exchanges are possible.

この上下緩和装置８は、一例であって、スライダ13を
設けずに、スプリング以外のダンパー手段を使用しても
良い。The vertical relaxation device 8 is an example, and a damper means other than a spring may be used without providing the slider 13.

上下緩和装置８によって、アナログ的に変化する荷重
をダイヤモンドコーン５を介して試料７に対して加える
ことができる。この発明と異なり、試料ステージ６が極
めて固い台上に置かれていると仮定する。Ｚ駆動モータ
によりダイヤモンドコーン５が試料７に当接した瞬間に
（ステップ的に）大きな荷重が発生し、破壊が生じた場
合に、臨界荷重を正確に検出することができない問題が
生じる。この問題を避けるために、極めて低速でダイヤ
モンドコーン５を下方に変位させることが考えられる
が、そのための構成が複雑となり、また、測定時間が長
くなる。この発明では、上下緩和装置８が設けられてい
るので、Ｚ駆動モータによってダイヤモンドコーン５を
徐々に下方に移動させた時に、連続的に増大する荷重を
発生することができる。By the vertical relaxation device 8, an analogly changing load can be applied to the sample 7 via the diamond cone 5. Unlike the present invention, it is assumed that the sample stage 6 is placed on a very solid table. When a large load is generated (in a stepwise manner) at the moment when the diamond drive cone 5 contacts the sample 7 by the Z drive motor, and a breakage occurs, there arises a problem that the critical load cannot be accurately detected. In order to avoid this problem, it is conceivable to displace the diamond cone 5 downward at an extremely low speed, but the structure for that purpose becomes complicated and the measurement time becomes long. In the present invention, since the vertical relaxation device 8 is provided, it is possible to generate a continuously increasing load when the diamond cone 5 is gradually moved downward by the Z drive motor.

第３図は、この一実施例のシステム全体の構成を示
し、破線で囲んで示す21が機構部,22が駆動部,23が測定
制御部である。FIG. 3 shows the configuration of the entire system of this embodiment, in which 21 is a mechanical section, 22 is a drive section, and 23 is a measurement control section, which are surrounded by broken lines.

機構部21は、前述のように、Ｚ駆動モータ24によって
上下動される荷重センサ４及びダイヤモンドコーン５
と、試料７が載置される試料ステージ６と、上下緩和装
置８と、XYステージ９とから構成され、XYステージ９と
関連してＸ駆動モータ25が設けられている。Ｚ駆動モー
タ24に対する駆動信号を発生するＺ駆動ドライバ26とＸ
駆動モータ25に対する駆動信号を発生するＸ駆動ドライ
バ27とが駆動部22に設けられている。As described above, the mechanism unit 21 includes the load sensor 4 and the diamond cone 5 which are moved up and down by the Z drive motor 24.
And a sample stage 6 on which the sample 7 is placed, a vertical relaxation device 8 and an XY stage 9, and an X drive motor 25 is provided in association with the XY stage 9. Z drive driver 26 for generating drive signals for Z drive motor 24 and X
An X drive driver 27 that generates a drive signal for the drive motor 25 is provided in the drive unit 22.

荷重センサ４からの検出信号がセンサアンプ31を介し
てオートゼロ回路32に供給される。このオートゼロ回路
32は、荷重センサ４のドリフトをキャンセルして、電気
的零調を行う回路である。オートゼロ回路32の出力信号
が記録用信号として出力端子33に取り出されると共に、
絶対値回路34に供給される。出力端子33には、例えばXY
レコーダが接続される。絶対値回路34によって、荷重セ
ンサ４の検出信号が正の電気信号に変換される。この絶
対値回路34の出力信号がピークホールド回路35,ピーク
検出回路36及びタッチ検出回路37に夫々供給される。A detection signal from the load sensor 4 is supplied to the auto zero circuit 32 via the sensor amplifier 31. This auto zero circuit
Reference numeral 32 is a circuit that cancels the drift of the load sensor 4 and performs electrical zero adjustment. While the output signal of the auto-zero circuit 32 is taken out to the output terminal 33 as a recording signal,
It is supplied to the absolute value circuit 34. The output terminal 33 has, for example, XY
The recorder is connected. The absolute value circuit 34 converts the detection signal of the load sensor 4 into a positive electric signal. The output signal of the absolute value circuit 34 is supplied to the peak hold circuit 35, the peak detection circuit 36, and the touch detection circuit 37, respectively.

ピークホールド回路35は、絶対値回路34の出力信号の
ピーク値を検出し、ホールドする。このピークホールド
回路35の出力信号がA/Dコンバータ38によってディジタ
ル信号に変換され、コンピュータ39に供給される。ピー
ク検出回路36の出力信号及びタッチ検出回路37の出力信
号もコンピュータ39に供給される。コンピュータ39は、
例えば16ビットパーソナルコンピュータであって、一連
の測定のシーケンスを制御すると共に、臨界荷重等の測
定データをCRT表示装置（図示せず）に表示する。A/Dコ
ンバータ39からのディジタルデータが測定データとして
コンピュータ39に取り込まれる。タッチ検出回路37の出
力信号からダイヤモンドコーン５の先端が試料７に接触
したことが検出され、ピーク検出回路36の出力信号から
試料７のスクラッチ破壊が検出される。The peak hold circuit 35 detects and holds the peak value of the output signal of the absolute value circuit 34. The output signal of the peak hold circuit 35 is converted into a digital signal by the A / D converter 38 and supplied to the computer 39. The output signal of the peak detection circuit 36 and the output signal of the touch detection circuit 37 are also supplied to the computer 39. Computer 39
For example, a 16-bit personal computer controls a series of measurement sequences and displays measurement data such as critical load on a CRT display device (not shown). Digital data from the A / D converter 39 is taken into the computer 39 as measurement data. The output signal of the touch detection circuit 37 detects that the tip of the diamond cone 5 contacts the sample 7, and the output signal of the peak detection circuit 36 detects the scratch destruction of the sample 7.

コンピュータ39のプログラムによって、連続的に荷重
を変化させると共に、試料７を移動させるスクラッチテ
ストの他に、試料７が固定される硬度テスト又は硬質被
膜の密着強度の分布のテスト等の種々のテストが可能と
されている。By the program of the computer 39, various tests such as a hardness test for fixing the sample 7 or a test of the distribution of the adhesion strength of the hard coating, in addition to the scratch test for continuously changing the load and moving the sample 7, are performed. It is possible.

前述の測定制御部23の出力端子33からの記録信号によ
り得られた測定結果の一例を第４図に示す。第４図は、
荷重を０から10〔kg〕迄に連続的に増大した結果を示
し、試料７の硬質被膜が破壊されると、40で示すよう
に、荷重が瞬時的に下降する。この荷重の瞬時的な低下
がピーク検出回路36によって検出され、また、ピークホ
ールド回路35の出力信号から臨界荷重が求められる。FIG. 4 shows an example of the measurement result obtained from the recording signal from the output terminal 33 of the measurement control unit 23 described above. Figure 4 shows
The result shows that the load is continuously increased from 0 to 10 [kg]. When the hard coating of the sample 7 is broken, the load is instantaneously lowered as indicated by 40. This instantaneous decrease in load is detected by the peak detection circuit 36, and the critical load is obtained from the output signal of the peak hold circuit 35.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

この発明では、荷重センサと測定用ツールとが一体で
上下動されると共に、試料ステージに上下緩和装置が設
けられている。従って、従来の構成とは異なり、分銅を
何種類も使用する必要がなく、連続的に変化する荷重を
試料に対して与えることができ、１回の測定で正確に臨
界荷重を検出することができ、また、測定シーケンスの
プログラム制御が可能となる。更に、荷重を試料にかけ
るための加圧部と、センサとが一体化されるので、装置
の小形化及び取り扱いの簡便化が実現できる。In the present invention, the load sensor and the measuring tool are moved up and down as a unit, and the sample stage is provided with the up-and-down relaxation device. Therefore, unlike the conventional configuration, it is not necessary to use any number of weights, a continuously changing load can be applied to the sample, and the critical load can be accurately detected with one measurement. This also enables program control of the measurement sequence. Furthermore, since the pressure unit for applying a load to the sample and the sensor are integrated, the device can be downsized and the handling can be simplified.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第１図はこの発明の一実施例における機構部の外観を示
す斜視図、第２図はこの一実施例における機構部のより
詳細な斜視図、第３図はこの一実施例のシステム全体の
ブロック図、第４図はこの一実施例により得られた測定
データの一例を示すグラフである。 図面における主要な符号の説明 2:アーム、4:荷重センサ、5:ダイヤモンドコーン、7:試
料、6:試料ステージ、8:上下緩和装置、9:XYステージ。FIG. 1 is a perspective view showing the external appearance of a mechanism portion in one embodiment of the present invention, FIG. 2 is a more detailed perspective view of the mechanism portion in this embodiment, and FIG. 3 is a whole system of this embodiment. The block diagram and FIG. 4 are graphs showing an example of the measurement data obtained by this embodiment. Description of main symbols in the drawings 2: Arm, 4: Load sensor, 5: Diamond cone, 7: Sample, 6: Sample stage, 8: Vertical relaxation device, 9: XY stage.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】モータ等の駆動源により垂直方向に変位可
能とされた移動体と、上記移動体に取り付けられた荷重
センサと、上記荷重センサに設けられた測定用ツール
と、上記測定用ツールと対向して設けられ、水平面内の
少なくとも一方向に移動可能とされた試料ステージと、
上記試料ステージに対して垂直方向に加わる力を緩和す
るための緩和手段と、上記試料ステージ上に載置された
試料に対して上記測定用ツールを当接させ、上記移動体
を徐々に変位させた時の上記荷重センサの検出信号を処
理する信号処理部とを備えたことを特徴とする被膜の密
着性試験装置。1. A moving body that is vertically displaceable by a driving source such as a motor, a load sensor attached to the moving body, a measuring tool provided on the load sensor, and the measuring tool. And a sample stage that is provided so as to be movable in at least one direction in a horizontal plane,
A relaxation means for relaxing the force applied to the sample stage in the vertical direction and the measurement tool are brought into contact with the sample placed on the sample stage to gradually displace the moving body. And a signal processing unit that processes a detection signal of the load sensor when the coating film is in contact with the load sensor.