機械的特性算出プログラムおよび機械的特性計測装置

【課題】微小変位領域においても弾性率と降伏応力とを精度よく算出できる機械的特性算出プログラムと機械的特性計測装置を提供する。
【解決手段】圧子１ｂにより試料Ｄに圧力をかけて計測した試料Ｄの荷重－変位特性の計測結果を入力するステップＳ２と、荷重－変位特性の弾性領域ＡＥＰと弾塑性領域ＡＥＬにまたがる連続領域ＣＡを特定するステップＳ３と、試料Ｄの弾性率と降伏応力との初期値を設定するステップＳ５と、試料Ｄの形状と圧子１ｂの形状を含む計測状態の数値モデルを生成して力学的シミュレーションを行うことにより荷重－変位特性を求めるステップＳ６と、荷重－変位特性の計測結果と力学的シミュレーションの結果とを比較して連続領域ＣＡにおいて略同一となるまで弾性率と降伏応力を変化させて収束計算を行い、弾性率と降伏応力を求めるステップＳ６，Ｓ７，Ｓ８，Ｓ１０とをコンピュータに行わせる機械的特性算出プログラムとしている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小サイズの試料の弾性率と降伏応力を算出する微小部品の機械的特性算出プログラムと機械的特性計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、弾性率と降伏応力などの機械的特性を計測するために、引張試験機や硬度計が用いられてきた。引張試験機は、機械的特性を計測する対象の材料で試験片を作製し、その両端を引っ張ることにより機械的特性を計測するものである。また、微小硬度計は、計測対象の微小部品に圧子を押し込むことにより機械的特性を計測するものである。
【０００３】
近年、装置の小型化、薄型化及びマイクロマシンの開発などにより、微小部品の機械的特性を計測する必要性が増してきている。しかしながら、上述の引張試験機を、微小部品の機械的特性の計測に用いようとすると、試料として微小な試験片を作製する必要があり、微小で壊れやすい試験片を引張試験機に取り付ける際に破壊したり、試験片の軸と引張の軸が一致せずに応力が加えられるなどの問題がある。特許文献１に示すように、この問題点について改善したものも存在するが、試験片を指定の材料試験デバイスに加工する必要があり、単結晶シリコンのようなエッチングによる加工が可能である材料でなければ、適用することが難しい。さらに、微小部品の機械的特性は、製造方法や製造条件で大きく変化することが知られており、機械的特性を知りたい使用状態以外の形状にして計測することは困難である。
【０００４】
一方、微小硬度計を用いた計測では、微小部品を圧子により直接に変位させるので、微小部品そのものの荷重－変位特性を得ることができる。このようにして実測した荷重－変位特性から降伏応力や加工硬化係数などの機械的特性を得る技術は、例えば特許文献２に記載されている。
【特許文献１】特開平９－２１８１４２号公報
【特許文献２】特開平９－２８８０５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２に記載された技術では、荷重－変位特性にフィッティングする二次関数の係数と機械的特性とを対応付けたデータベースを用いて、荷重－変位特性から上述の機械的特性を導出している。そのため、結果的に降伏応力が一定となったところで荷重－変位特性とフィッティングすることになる。しかしながら、微小変位の領域では、降伏応力の値が変位によって変化するので、特許文献２に記載された技術では、精度よく機械的特性を得ることができない。
【０００６】
本願発明は、上述のような課題を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、微小部品の微小変位領域においても弾性率と降伏応力とを精度よく算出できる機械的特性算出プログラムと機械的特性計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するため、請求項１に係る発明は、圧子により試料に圧力をかけて計測した試料の荷重－変位特性の計測結果を入力するステップと、前記荷重－変位特性の弾性領域と弾塑性領域にまたがる連続領域を特定するステップと、前記試料の弾性率と降伏応力との初期値を設定するステップと、前記試料の形状と圧子の形状を含む計測状態の数値モデルを生成して力学的シミュレーションを行うことにより荷重－変位特性を求めるステップと、荷重－変位特性の計測結果と前記力学的シミュレーションの結果とを比較して前記連続領域において略同一となるまで弾性率と降伏応力を変化させて収束計算を行い、弾性率と降伏応力を求めるステップとをコンピュータに行わせる機械的特性算出プログラムとしている。
【０００８】
したがって、弾性率と降伏応力の影響が共に現れる弾性領域と弾塑性領域にまたがる連続領域において、押し込み試験により得られた荷重－変位特性の計測結果と計測状態の数値モデルによる力学的シミュレーションにより得られた荷重－変位特性とを比較し、弾性率と、降伏応力を変化させつつこれらの荷重－変位特性が略同一になるまで収束計算を行うので、微小変位領域においても弾性率と降伏応力とを精度よく算出することができる。また、押し込み試験により荷重－変位特性を用いるので、計測のために試料を作成することなく微小部品そのものの状態で弾性率と降伏応力とを精度よく算出することができる。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の機械的特性算出プログラムにおいて、前記連続領域は、荷重－変位特性において変位が大きくなるにつれ弾性領域から弾塑性領域に変化する領域を用いることを特徴としている。
【００１０】
したがって、変位が大きくなるにつれ弾性領域から弾塑性領域に変化する領域は、弾性領域と弾塑性領域にまたがる連続領域のうち最小のものであるので、最小の変位領域における弾性率と降伏応力とを求めることができる。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項１記載の機械的特性算出プログラムにおいて、前記連続領域は、荷重－変位特性において負荷状態の弾塑性領域から除荷状態の弾性領域に変化する領域を用いることを特徴としている。
【００１２】
したがって、負荷状態から除荷状態に転換する変位を変化させることにより、任意の変位領域を弾性領域と弾塑性領域にまたがる連続領域とすることができるので、任意の変位における弾性率と降伏応力とを求めることができる。
【００１３】
請求項４に係る発明は、試料を固定する固定部と、試料の一部に接触可能な圧子と、圧子を試料方向に移動させる駆動部と、圧子に加わる荷重を計測する荷重センサと、圧子の変位を計測する変位計測部と、駆動部を制御する制御部とを有し、荷重－変位特性を取得する特性計測部と、請求項１乃至３のいずれかに記載の機械的特性算出プログラムにより弾性率と降伏応力とを求める特性算出部と、を備える機械的特性計測装置としている。
【００１４】
したがって、弾性率と降伏応力の影響が共に現れる弾性領域と弾塑性領域にまたがる連続領域において、特性計測部により得られた荷重－変位特性の計測結果と特性算出部による力学的シミュレーションにより得られた荷重－変位特性とを比較し、弾性率と、降伏応力を変化させつつこれらの荷重－変位特性が略同一になるまで収束計算を行うので、微小変位領域においても弾性率と降伏応力とを精度よく算出することができる。また、押し込み試験により荷重－変位特性を用いるので、計測のために試料を作成することなく微小部品そのものの状態で弾性率と降伏応力とを精度よく算出することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本願発明によれば、弾性率と降伏応力の影響が共に現れる弾性領域と弾塑性領域にまたがる連続領域において、弾性率と、降伏応力を変化させつつ、計測結果と力学的シミュレーション結果の荷重－変位特性とが略同一になるまで収束計算を行うので、微小変位領域においても弾性率と降伏応力とを精度よく算出することができる機械的特性算出プログラム及び機械的特性計測装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、本願発明の機械的特性計測装置（以後、単に特性計測装置と称する）の実施形態を図１～図６を用いて説明する。この特性計測装置は、特性計測部１と、処理部２と、記憶部３と、入力部４と、出力部５とを有して構成されている。
【００１７】
特性計測部１は、試料Ｄを固定する金属製の固定部１ａと、試料Ｄの一部と接触して試料Ｄに圧力を加える圧子１ｂと、固定部１ａに直交するように立てた状態で固定部１ａに設けられる支柱１ｆと、支柱１ｆに設けられたレール（図示せず）上を動作する駆動部１ｄと、駆動部１ｄに設けられ圧子１ｂを支持する圧子支持体１ｇと、圧子支持体１ｇに設けられ圧子１ｂに加わる荷重を計測する荷重センサ１ｃと、駆動部１ｄを制御するとともに駆動部１ｄの変位と荷重センサ１ｃの出力とを取得する入出力部１ｅとを有して構成され、荷重－変位特性を取得するものである。
【００１８】
固定部１ａは、真鍮やステンレスで直方体形状に形成された金属板であり圧子１ｂにより加えられる圧力に対して変形しない十分な強度を有しており、計測時には、水平面に配置される。この固定部１ａは、試料Ｄを固定するための固定手段（図示せず）を有しており、試料Ｄは、圧子１ｂにより圧力が加えられも動かないように固定されている。この固定手段としては、例えば、固定部１ａにねじ止めされる２つの板片により、試料Ｄの両端部を固定部１ａの試料Ｄを置く面との間で挟み込むものでよい。
【００１９】
支柱１ｆは、例えば真鍮やステンレスなどの金属で四角柱状形成されたものであり、固定部１ａの一側面の幅方向の中央に、固定部１ａの試料Ｄを置く面に直交するように設けられている。この支柱１ｆは、長さ方向にレールが設けてあり、駆動部１ｄがレールに沿って動作できるようにしている。
【００２０】
駆動部１ｄは、リニアステッピングモータであり、支柱１ｆのレールは、リニアステッピングモータの固定部側となっている。この駆動部１ｄは、ケーブルＣ２により入出力部１ｅと接続されており、入出力部１ｅにより制御される。そして、この駆動部１ｄは、側面視でＬ字状の圧子支持体１ｇにより圧子１ｂと接続され、駆動部１ｄが上下に動くと、圧子１ｂが試料Ｄの方向に上下に動作するようになっている。
【００２１】
圧子１ｂは、例えばダイヤモンドで三角錐形状に形成されたものあり、十分な強度を有し、圧力により変形しないように形成されている。この圧子１ｂは、取り付け部に圧子の形状などの種類に応じて一意的に定まる電極パターンを有している。圧子１ｂの形状としては、三角錐形状の他に、円錐や角錐の形状であってもよい。
【００２２】
圧子支持体１ｇは、例えば真鍮やステンレスなどの金属で側面視でＬ字状に形成されたものであり、一方の端部には駆動部１ｄが接続され、もう一方の端部には圧子１ｂを試料Ｄに接触可能なように接続する圧子接続部１ｇａを有している。圧子接続部１ｇａは、ケーブルＣ３により入出力部１ｅと接続されており、入出力部１ｅにより圧子１ｂが接続されると圧子１ｂの電極パターンの情報を検出できるようにしている。また、圧子支持体１ｇは、圧子接続部１ｇａの側に荷重センサ１ｃを介在させ、圧子１ｂに加わる荷重、つまり、圧子１ｂが試料Ｄに加えた荷重を計測するようにしている。
【００２３】
荷重センサ１ｃは、例えばロードセルであり、ケーブルＣ１により入出力部１ｅに接続され、入出力部１ｅによりロードセルの出力が検出できるようにされている。
【００２４】
入出力部１ｅは、制御部１ｅａと、計測情報取得部１ｅｂとを有して構成され、計測装置の内部で処理部２に接続されており、処理部２から計測信号が入力されると、圧子１ｂの変位に対する荷重を出力する。また、処理部２から計測条件取得信号が入力されると、例えば圧子１ｂに固有の番号など、圧子１ｂの種類の情報を出力する。
【００２５】
制御部１ｅａは、ケーブルＣ２を介して駆動部１ｄに接続されており、制御信号を駆動部１ｄに出力することにより駆動部１ｄを制御して移動させるとともに、その移動による変位を取得することができる。したがって、この実施形態においては、制御部１ｅａは、圧子１ｂの変位を計測する変位計測部の機能を兼ねている。ただし、制御部１ｅａが変位計測部の機能を兼ねている必要は特になく、例えばレーザ変位計などのような変位計測部を単体で備えていてもよい。
【００２６】
計測情報取得部１ｅｂは、ケーブルＣ１により荷重センサ１ｃと接続されており、荷重センサ１ｃから荷重に比例する電圧値を取得し、記憶部の計測パラメータ情報に記憶されている荷重センサ１ｃに対する変換係数をその電圧値に掛けて荷重に変換する。一方、計測情報取得部１ｅｂは、ケーブルＣ３により圧子接続部１ｇａと接続されており、圧子接続部１ｇａから圧子１ｂの電極パターン情報を取得し、記憶部の計測パラメータ情報３ｂに記憶されている圧子情報の中から取得した電極パターン情報を検索し、圧子１ｂの種類を取得する。
【００２７】
記憶部３は、揮発性メモリと不揮発性メモリで構成され、機械的特性算出プログラム３ａ（以後、単に特性算出プログラム３ａと称する）と、計測パラメータ情報３ｂと、計測結果データ３ｃと、解析モデルデータ３ｄとを記憶する。特性算出プログラム３ａは、不揮発性メモリ上に記憶され、後述の処理部２の特性算出部２ａにより読み出されて実行される。
【００２８】
計測パラメータ情報３ｂは、不揮発性メモリ上に記憶され、荷重センサ１ｃの種類ごとの変換係数と、圧子１ｂに関する情報を収めた圧子情報とを有している。変換係数は、荷重センサ１ｃから出力される電圧値を荷重に変換するための数値である。また、圧子情報は、圧子１ｂの種類と電極パターンとを対応づけた電極パターン情報と、圧子１ｂの種類ごとの形状を示した圧子形状情報とを有している。
【００２９】
計測結果データ３ｃは、特性計測部１により計測した荷重－変位特性を、変位と荷重を対にした点列で揮発性メモリ上に記憶されている。解析モデルデータ３ｄは、計測時の状態をモデル化したものであり、外形データ及び有限要素法用の分割図のデータが揮発性メモリ上に記憶されている。ここで、外形データは、閉領域を形成する頂点座標と、各頂点の接続関係とを有している。有限要素法用の分割図のデータは、空間を分割する要素データと、要素を形成する節点データと、節点の座標データなどを有している。
【００３０】
処理部２は、中央処理装置を有するコンピュータであり、入出力部１ｅと、記憶部３と、入力部４と、出力部５と接続され、プログラムを処理することにより各部を制御する。この処理部２は、記憶部３に記憶された特性算出プログラム３ａを読み込み、実行することで弾性率と降伏応力とを求める特性算出部２ａを有して構成されている。
【００３１】
特性算出部２ａは、記憶部３から特性解析プログラム３ａを読み込み、実行する。この特性算出部２ａの動作を図２を用いて説明する。まず、入力部４から計測開始の指示を入力すると、特性計測装置は、計測動作を開始する。すると、特性算出部２ａは、出力部５を介して計測条件を入力するように要求する。ここで、計測条件とは、計測モードと、圧子１ｂを押し込む変位の範囲と、圧子１ｂを１回に移動させる変位刻み、試料Ｄの外形データであり、特性計測装置の使用者は、これらの計測条件を入力部４から入力する（ステップＳ１）。上述の入力された情報は、記憶部３に計測パラメータ情報３ｂとして記憶される。
【００３２】
ここで、計測モードとは、荷重－変位特性の弾性領域と弾塑性領域にまたがる連続領域ＣＡとして、変位が大きくなるにつれ弾性領域から弾塑性領域に変化する領域を用いるか、負荷状態の弾塑性領域から除荷状態の弾性領域に変化する領域を用いるかの違いを定めている。本明細書においては、前者をモード１、後者をモード２と呼ぶことにする。
【００３３】
また、圧子１ｂを押し込む変位の範囲は、その指定の仕方が計測モードによって異なる。計測モードがモード１の場合は、図３に示すように、変位の始点ＳＰと終点ＥＰとを入力する。計測モードがモード２の場合は、図４に示すように、変位の始点ＳＰと、除荷開始点ＲＰと、終点ＥＰとを入力する。ここで、圧子１ｂが試料Ｄに接する状態の変位を０として、圧力が大きくなる変位の方向を正方向としている。また、圧子１ｂを１回に移動させる変位は、小さければ小さいほど計測点は多くなる。
【００３４】
さらに、試料Ｄの外形データは、基本的に試料の輪郭を形成する点の座標を入力することにより行うが、直方体のような簡単な形状のときには、縦、横、厚みを要求し、特性算出部２ａは、各点の座標を発生させるようにしてもよい。
【００３５】
特性計測部２ａは、計測条件の入力がされると、入力された圧子１ｂを押し込む変位の範囲で荷重－変位特性の計測を行う（ステップＳ２）。荷重－変位特性の計測は、詳細には次のように行う。まず、特性算出部２ａは、駆動部１ｄにより圧子１ｂを変位の始点ＳＰまで移動させるように入出力部１ｅに制御信号を出力し、さらに計測信号を入出力部１ｅに出力する。すると、入出力部１ｅは、制御部１ｅａにより得られる変位と、計測情報取得部１ｅｂにより得られる荷重とを特性算出部２ａに出力する。そして、特性算出部２ａは、取得した変位と荷重を、記憶部３の計測結果データ３ｃに記憶させる。特性算出部２ａは、上述の変位刻みの分だけ正方向に圧子１ｂを変位させるように入出力部１ｅに制御信号を出力し、さらに計測信号を入出力部１ｅに出力する。そして、特性算出部２ａは、入出力部１ｅから取得する変位と荷重を、記憶部３の計測結果データ３ｃに記憶させる。特性算出部２ａは、この動作を変位の終点ＥＰまで継続する。
【００３６】
ここで、計測モードがモード２の場合には、特性算出部２ａは、除荷開始点ＲＰを超えた後は、変位刻みの分だけ負方向に圧子１ｂを変位させるように制御する。特性算出部２ａは、始点ＳＰから終点ＥＰまでの荷重－変位特性が求まると、出力部５に図３及び図４に示すような荷重－変位特性のグラフＣ，Ｃ’を出力する。したがって、このステップにより、圧子１ｂにより試料Ｄに圧力をかけて計測した試料Ｄの荷重－変位特性の計測結果が記憶部３の計測結果データ３ｃに入力される。ここで、弾性領域は、ＡＥＬ及びＡＥＬ’で表される領域であり、弾塑性領域は、ＡＥＰ及びＡＥＰ’で表される領域である。
【００３７】
また、特性算出部２ａは、計測終了時に使用された圧子１ｂの電極パターンの情報を計測情報取得部１ｅｂを介して取得し、記憶部３に計測パラメータ情報３ｂとして記憶する。
【００３８】
次に、特性算出部２ａは、計測された荷重－変位特性から弾性領域と弾塑性領域にまたがる連続領域ＣＡを特定する（ステップＳ３）。具体的には、計測モードがモード１の場合には、連続領域ＣＡは、図３に示すように、連続領域ＣＡの変位の始点ＡＳと、終点ＡＥとを特性計測装置の使用者が入力部４から入力することにより２点で特定される。また、計測モードがモード２の場合には、始点ＡＳと、終点ＡＥとの間に除荷開始点ＲＰが補われて３点により特定される。なお、ここでは、特性計測装置の使用者が入力部４から変位の範囲を入力することにより連続領域ＣＡを特定する場合について説明したが、計測モードがモード１の場合には、荷重－変位特性において弾性領域と弾塑性領域との間が変曲点となっていることを利用して変曲点を探索し、その変曲点の両側の所定の範囲を連続領域ＣＡとするように特性算出部２ａにより自動的に定めてもよい。また、計測モードがモード２の場合には、除荷開始点ＲＰの両側の所定の領域を連続領域ＣＡとするように、特性算出部２ａにより自動的に定めてもよい。連続領域ＣＡの情報は、記憶部３の解析モデルデータ３ｄに記憶される。
【００３９】
さらに、特性算出部２ａは、計測条件の情報に基づいて数値解析の解析モデルを作成する（ステップＳ４）。具体的には、計測情報取得部１ｅｂにより取得された圧子１ｂの電極パターンと、計測パラメータ情報３ｂに記憶された電極パターン情報と、圧子形状情報とを用いて導出した圧子１ｂの外形データと、ステップＳ１で入力された試料Ｄの外形データとを用いて、ドロネイ変換法、格子法、逐次法、バブル法、デラウニー法などの自動メッシュ手法により有限要素解析に用いる数値解析モデルである分割図データを生成する。すると、例えば、四面体要素の場合には図５のように、六面体要素であれば図６のようにモデル生成がされる。ここでは、計算時間を短くするため、モデルの対称性を利用して計測モデルの半分のみを数値モデルにしている。得られた数値解析モデルは、記憶部３に解析モデルデータ３ｄとして記憶される。
【００４０】
そして、特性算出部２ａは、特性算出プログラム３ａ内に初期値データとして有している所定の値を試料Ｄの弾性率と降伏応力の初期値として設定する（ステップＳ５）。ここでは、初期値として、弾性率と降伏応力の３つの組を設定し、弾性率と降伏応力の座標系における点間の距離が等しくなるように設定する。さらに、特性算出部２ａは、解析モデルデータ３ｄに記憶された数値解析モデルについて、連続領域ＣＡを弾性率と降伏応力の３組の初期値において、上述の計測で求めた圧子を変位させたときの荷重－変位特性を有限要素法を用いた力学的シミュレーションを行うことにより算出する（ステップＳ６）。ここで用いる力学的シミュレーション手法では、変位に対する受ける応力（もしくは荷重）と変形量を考慮することができるように弾塑性構成式を有限要素法により離散化したものであり、市販されている有限要素法プログラムでは、例えば、ABAQUS Inc.のABAQUS Standard(R)などを用いれば良い。また、上述の機能を有する有限要素法プログラムは、一般的なものであるため、専用プログラムとして作成しても良い。
【００４１】
荷重－変位特性を有限要素法で解析している状態を図６（ａ）～（ｃ）に示す。図６を見ると、圧子１ｂが変位するとともに試料Ｄの表面が変形して、圧子１ｂが試料Ｄにめり込んでいく状態がよくわかる。このようにして、特性算出部２ａは、連続領域ＣＡにおいて荷重－変位特性を算出することができ、３つの離散的な点列で得ることができる。図３及び図４では、複数の点列のうち１つのみを白丸で示している。
【００４２】
次に、荷重－変位特性の計測値と算出値を比較して以下の評価関数fの値を算出する（ステップＳ７）。
【００４３】
【数１】

【００４４】
ここで、x₁は、降伏応力、x₂は、弾性率、d_jは、変位、Fm(d_j)は、荷重－変位特性の計測値、Fc(d_j,x_i)は、荷重－変位特性の算出値、Nは、評価するポイント数である。ここでは、初期値として弾性率と降伏応力の３つの組で算出しているので、評価関数の値としても３つの値が求まることになる。
【００４５】
次に、複数の評価関数fの値の差が所定値以下かどうかで収束判定を行う（ステップＳ８）。収束していれば（Ｙｅｓ）、そのときの弾性率と降伏応力の値をそれぞれ平均して出力部５に出力して終了する（ステップＳ９）。ここで、収束した結果、荷重－変位特性の計測結果と力学的シミュレーションの結果とは、連続領域ＣＡにおいて略同一となっている。
【００４６】
一方、収束していなければ（Ｎｏ）、NelderとMeadによって提案されたシンプレックス法により、降伏応力と弾性率の値の再設定を行う（ステップＳ１０）。具体的には、初期値として設定した降伏応力と弾性率の組を頂点x^k(k=1～3)とし、そのうち評価関数fの値が最大となったものをx^h、評価関数fの値が２番目に大きいものをx^s、評価関数fの値が最小であったものをx^l、x^kのうちx^h以外のものを平均したx^aの４点を特徴的な点として区別する。そして、次に示す鏡映点x^r、拡張点x^e、収縮点x^cを求める手続と、頂点x^kを縮小する手続との４つの手続を行って降伏応力と弾性率の探索点を再設定する（ここで、a=1、b=2、c=1/2としている）。
【００４７】
【数２】

【００４８】
そして、再設定された降伏応力の探索点、すなわち、鏡映点x^r、拡張点x^e、収縮点x^c、及び、頂点x^kについて荷重－変位特性を算出し（ステップＳ６）、それぞれの探索点について評価関数の値を求め（ステップＳ７）、複数の評価関数fの値の差が所定値以下かどうかで収束判定を行う（ステップＳ８）。収束していれば（Ｙｅｓ）、そのときの弾性率と降伏応力の値をそれぞれ平均して出力部５に出力して終了する（ステップＳ９）。一方、収束していなければ（Ｎｏ）、上述のシンプレックス法の手続により、降伏応力と弾性率の探索点の再設定を行う（ステップＳ１０）。このステップＳ６→ステップＳ７→ステップＳ８→ステップＳ１０のループをステップＳ８で収束判定されるまで繰り返し行う。
【００４９】
本願発明の特性計測装置によれば、弾性率と降伏応力の影響が共に現れる弾性領域と弾塑性領域にまたがる連続領域ＣＡにおいて、押し込み試験により得られた荷重－変位特性の計測結果と計測状態の数値モデルによる力学的シミュレーションにより得られた荷重－変位特性とを比較し、弾性率と、降伏応力を変化させつつこれらの荷重－変位特性が略同一になるまで収束計算を行うので、微小変位領域においても弾性率と降伏応力とを精度よく算出することができる。また、押し込み試験により荷重－変位特性を用いるので、計測のために試料を作成することなく微小部品そのものの状態で弾性率と降伏応力とを精度よく算出することができる。
【００５０】
さらに、計測モードとしてモード１を用いることにより、弾性領域と弾塑性領域にまたがる連続領域ＣＡのうち最小のものを設定できるので、最小の変位領域における弾性率と降伏応力とを求めることができる。一方、計測モードとしてモード２を用いることにより、任意の変位領域を弾性領域と弾塑性領域にまたがる連続領域ＣＡとすることができるので、任意の変位における弾性率と降伏応力とを求めることができる。
【００５１】
なお、この実施形態においては、入力部４は、キーボードであり、出力部５は、液晶ディスプレイであるが、通信線のような他の入力装置や出力装置を用いることも可能である。そのようにすれば、例えば、上述の外形データをCAD(Computer Aided Design)システムのモデル情報を外部から直接入力することもでき、計測結果を外部に出力することができる。
【００５２】
また、別の実施形態として、本願発明の特性算出プログラムは、特性計測部１を有する特性計測装置内で用いるだけでなく、荷重－変位特性の計測結果を有していれば、汎用のコンピュータ上で動作させて降伏応力及び弾性率を算出することができる。この実施形態について、図７及び図８を用いて説明する
図７に示す汎用コンピュータ１０は、内部に中央処理装置とハードディスクを備えるとともに、入力部４であるキーボードと、出力部５であるディスプレイと、フレキシブルディスクにアクセスできるフレキシブルディスクドライブ１１と、ＣＤ－ＲＯＭにアクセスできるＣＤ－ＲＯＭドライブ１２が接続されている。そして、この汎用コンピュータ１０は、実行するプログラムをフレキシブルディスク、ハードディスク、ＣＤ－ＲＯＭなどの記憶媒体から読み込んで、オペレーティングシステム上で実行させ動作させる。
【００５３】
ここで、特性算出プログラム３ａ’は、記憶媒体であるＣＤ－ＲＯＭ１３に記憶されており、初回使用時に汎用コンピュータ１０のハードディスクにインストールされることにより、汎用コンピュータ１０で使用できるようになる。また、弾性率と降伏応力の影響が共に現れる弾性領域と弾塑性領域にまたがる連続領域ＣＡを含んで計測機器で計測された荷重－変位特性の計測結果データ３ｃ’は、荷重と変位を対にした数値データとしてフレキシブルディスク１４に記憶されている。
【００５４】
次に、特性算出プログラム３ａ’の動作を図８を用いて説明する。特性算出プログラム３ａ’の動作は、上述の特性算出プログラム３ａの動作に類似しており、同じ処理内容については同じ符号を付け、説明を省略する。
【００５５】
まず、特性算出プログラム３ａ’を起動すると、特性算出プログラム３ａ’はディスプレイに計測条件を入力するように要求する。ここで、計測条件とは、計測機器で計測されたときの計測モードと、試料Ｄの外形データ、及び圧子の外形データであり、使用者は入力部４からこれらのデータを入力する（ステップＳ１１）。ここで、データ形式は、先の実施形態のものと同様である。
【００５６】
そして、特性算出プログラム３ａ’は、フレキシブルディスク１４に記憶された荷重－変位特性の計測結果データ３ｃ’を読み込む（ステップＳ１２）。このデータ内容から圧子１ｂを押し込む変位の範囲と、圧子１ｂを１回に移動させる変位刻みを取得する。その後の処理は、特性算出プログラム３ａと同様である。
【００５７】
このように、荷重－変位特性を計測器で計測し、計測結果を読み込むようにしても、弾性率と降伏応力の影響が共に現れる弾性領域と弾塑性領域にまたがる連続領域ＣＡにおいて、押し込み試験により得られた荷重－変位特性の計測結果と計測状態の数値モデルによる力学的シミュレーションにより得られた荷重－変位特性とを比較し、弾性率と、降伏応力を変化させつつこれらの荷重－変位特性が略同一になるまで収束計算を行うので、微小変位領域においても弾性率と降伏応力とを精度よく算出することができる。
【００５８】
なお、特性算出プログラム３ａ’や計測結果データ３ｃ’を、記憶媒体を用いて汎用コンピュータ１０に入力するものについて説明したが、それに限ることはなく、汎用コンピュータ１０が通信機能を有し、ネットワークに接続しているのであれば、ネットワーク経由で入力しても良い。
【００５９】
なお、実施形態において、特性算出プログラム３ａ，３ａ’の収束計算にシンプレックス法を用いるものについて説明したが、それに限るものではなく、他の収束計算手法を用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】機械的特性計測装置の実施形態を示すブロック図である。
【図２】機械的特性計測装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】計測モードがモード１のときの荷重－変位特性を示すグラフである。
【図４】計測モードがモード２のときの荷重－変位特性を示すグラフである。
【図５】力学的シミュレーションの数値解析モデル（分割図）の一例を示す図である。
【図６】圧子が試料に押し込まれたときの数値解析モデルを示す図である。
【図７】機械的特性算出プログラムを動作させる汎用コンピュータの外観図である。
【図８】機械的特性算出プログラムの動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６１】
１特性計測部
１ａ固定部
１ｂ圧子
１ｃ荷重センサ
１ｄ駆動部
１ｅ入出力部
１ｅａ制御部（変位計測部）
１ｅｂ計測情報取得部
１ｆ支柱
１ｇ圧子支持体
２処理部
２ａ特性算出部
３記憶部
３ａ，３ａ’ 機械的特性算出プログラム
３ｂ計測パラメータ情報
３ｃ，３ｃ’ 計測結果データ
３ｄ解析モデルデータ
４入力部
５出力部
１０汎用コンピュータ
ＡＥＬ，ＡＥＬ’ 弾性領域
ＡＥＰ，ＡＥＰ’ 弾塑性領域
ＣＡ連続領域
Ｄ試料

【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧子により試料に圧力をかけて計測した試料の荷重－変位特性の計測結果を入力するステップと、前記荷重－変位特性の弾性領域と弾塑性領域にまたがる連続領域を特定するステップと、前記試料の弾性率と降伏応力との初期値を設定するステップと、前記試料の形状と圧子の形状を含む計測状態の数値モデルを生成して力学的シミュレーションを行うことにより荷重－変位特性を求めるステップと、荷重－変位特性の計測結果と前記力学的シミュレーションの結果とを比較して前記連続領域において略同一となるまで弾性率と降伏応力を変化させて収束計算を行い、弾性率と降伏応力を求めるステップとをコンピュータに行わせる機械的特性算出プログラム。
【請求項２】
前記連続領域は、荷重－変位特性において変位が大きくなるにつれ弾性領域から弾塑性領域に変化する領域を用いることを特徴とする請求項１記載の機械的特性算出プログラム。
【請求項３】
前記連続領域は、荷重－変位特性において負荷状態の弾塑性領域から除荷状態の弾性領域に変化する領域を用いることを特徴とする請求項１記載の機械的特性算出プログラム。
【請求項４】
試料を固定する固定部と、試料の一部に接触可能な圧子と、圧子を試料方向に移動させる駆動部と、圧子に加わる荷重を計測する荷重センサと、圧子の変位を計測する変位計測部と、駆動部を制御する制御部とを有し、荷重－変位特性を取得する特性計測部と、
請求項１乃至３のいずれかに記載の機械的特性算出プログラムにより弾性率と降伏応力とを求める特性算出部と、
を備える機械的特性計測装置。

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

【図６】

【図７】

【図８】