2015 年度実施状況報告書

触覚型プローブによる顕微インデンテーション計測システムに関する研究

研究課題

研究課題/領域番号	26630326
研究機関	国立研究開発法人産業技術総合研究所
研究代表者	宮島達也国立研究開発法人産業技術総合研究所, 構造材料研究部門, 主任研究員 (10358129)
研究期間 (年度)	2014-04-01 – 2017-03-31
キーワード	ナノマイクロ構造解析・評価・試験法 / インデンテーション / 力学物性 / 圧子 / 押し込み試験
研究実績の概要	本研究は、押し込み試験用微小圧子に計測機能を付与した新しい多機能型圧子（触覚プローブ）を開発することにより、従来の押し込み深さ計測式インデンテーション法における致命的な課題である接触面積問題の解決を図ることを目的としている。多機能型圧子は新しい概念であり、顕微インデンター用透明圧子として優位性や有用性を既に実証してきた。具体的には、ダイヤモンドが有する機械的特性（高剛性、耐摩耗性）と光学的特性（透光性）とを協働させ、接触面積を光学的に定量計測する技術を確立してきた。しかしながら、可視光による顕微方式には測長限界がミクロ領域であるという課題が残されている。そこで、多機能型圧子の新たな原理としてヒトの指の触覚機能を模倣した触覚プローブの開発を目指している。昨年度までに、触覚プローブを試験体表面に接触させた際の背面変位分布（BDP: Back-face Displacement Profile）が触覚センサの機能を発現することを見出している。今年度は、プローブ形状として中実な半球体および円錐体に焦点を当て、有限要素法（大規模構造解析ソルバ（FrotISTR））を用いた静的非線形解析により、触覚プローブとして充分な感度を示す形状を探索した。中実な半球体（または円錐体）の背面は試験体表面と平行であるため、変位分布を計測する走査型プローブ顕微鏡のプローブとのカップリングが容易であると期待される。基本となる半球体（または円錐体）の半径を一定値（5ミクロン）とした条件下で、高さや試験体との弾性率比を変化させてプローブ背面に発生する応力・歪み、変位分布（BDP）を有限要素法により解析した。その結果、中空な球殻構造体（シェル）の場合と同様、背面変位分布は試験体の力学特性に敏感であることが明らかとなり、中実体平面の背面変位分布が接触に対する触覚パラメータとして有用であることが確認できた。
現在までの達成度 (区分)	現在までの達成度 (区分) 3: やや遅れている理由昨年度までに有用性を明らかにしてきた球殻構造体（シェル）による多機能型圧子（触覚型プローブ）の結果をもとに、今年度は背面に平坦な面を持つ中実な半球体（または円錐体）を圧子とした場合の定量性を検討した。これは、走査型プローブ顕微鏡とのカップリングの容易性や操作性を考慮すると中空な球殻構造体（シェル）よりも中実圧子の方が触覚型プローブの候補として優位性および実用性が高いと考えられたためである。このため、DLC球殻（ダイヤモンド・ライク・カーボン・シェル）による触覚型プローブをモデル的に作製する予定であった今年度の当初計画を変更し、中実な平凸レンズ状圧子およびコーン状圧子を対象とした有限要素解析に注力するよう方針転換した。背面に発生する応力・歪み、変位分布（BDP）などを有限要素法により数値解析した結果、中実な球面圧子や円錐圧子であっても球殻と同様、背面変位分布は試験体の力学特性に敏感なパラメータとして定量性を有することを明らかにした。
今後の研究の推進方策	中実な突起物を触覚型プローブとした際の機能や精度等を実験的に検証するため、先ず、共焦点型レーザー顕微鏡を用いたミクロ領域におけるモデル実験を行う。そのために中実型触覚型プローブのプロトタイプを、構成素材として加工が容易なガラスを用いて作製する。機械的特性が既知であるモデル材との接触試験をレーザー顕微鏡の対物レンズ下で行い、ミクロ領域での背面変位分布（BDP: Back-face Displacement Profile）を精密に計測する。この値と昨年度実施したシミュレーション結果との比較を行い、触覚型プローブとしての機能や定量性を検証する。実用性があると確認できた場合、評価対象をナノ領域に拡張させる装置高度化に挑戦する。汎用の走査型トンネル顕微鏡（STM）の探針と触覚型プローブをカップリングさせた触覚型顕微インデンターのプロトタイプを試作し、その基本性能を評価する予定である。
次年度使用額が生じた理由	当初計画を効率的・効果的に進めた結果、直接経費を節約できた。
次年度使用額の使用計画	平成28年度には、ミクロおよびナノ領域における新規な力学物性評価技術としての定量性や実用性をモデル実験により検証するための研究を計画している。