JP2005114608A - 硬さ試験機 - Google Patents

Abstract

【課題】硬さ試験について熟練を積んでいない者でも容易に硬さ試験を行えるようにする。
【解決手段】試料の硬さを測定する硬さ試験機（１）は、圧子を試料（Ｓ）表面に押し込む所定の試験力を付与する試験力付与手段（４）と、圧子が試料に押し込まれて圧痕が形成されたときに、試料への圧子の侵入量を検出する侵入量検出手段（２０）と、検出された侵入量に基づき、圧痕の所定の特徴点間の距離を算出する距離算出手段（１００）と、算出された圧痕の所定の特徴点間の距離に基づいて複数の対物レンズ（７）の中から所定の対物レンズを選択する対物レンズ選択手段（１００）と、選択された所定の対物レンズの仕様を通知する通知手段と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、試料表面に圧痕を形成させて試料の硬さを測定する硬さ試験機に関する。

従来から、圧子によって、試料表面に荷重を負荷し、圧痕を形成することに基づいて、試料の硬さを評価、測定する硬さ試験機が使用されている。
このような硬さ試験機として、所定の荷重で圧子を試料に押しつけて形成した圧痕の大きさ（例えば、圧痕の所定点間の長さ（対角線の長さ））を計測し、硬さを算出するビッカース硬さ試験機が知られている（例えば、特許文献１参照。）。ビッカース硬さ試験機には、試料に圧痕を形成するための圧子、圧子により形成された圧痕をモニタに拡大表示させるための対物レンズが設けられている。この対物レンズは、圧痕のあらゆる大きさに対応できるよう、通常は複数設けられている。
特開２０００−２９２３３３号公報

ところで、圧痕を最適な大きさでモニタに表示させるためには、圧痕の大きさに応じて最適な倍率の対物レンズを選択する必要があるが、ユーザが経験に基づいて圧痕の大きさから対物レンズを選択していたため、オペレータには相応の熟練度が必要とされていた。

そこで、本発明の課題は、硬さ試験について熟練を積んでいない者でも容易に硬さ試験を行うことができる硬さ試験機を提供することである。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、例えば、図１に示すように、圧子（例えば、圧子５）により試料（例えば、試料Ｓ）表面に形成された圧痕を表示部に拡大表示させるための複数の対物レンズ（例えば、対物レンズ７）を備え、前記圧痕に基づいて試料の硬さを測定する硬さ試験機（例えば、硬さ試験機１）であって、前記圧子を試料表面に押し込む所定の試験力を付与する試験力付与手段（例えば、アーム作動部４）と、前記試験力付与手段により付与された試験力によって前記圧子が前記試料に押し込まれて圧痕が形成されたときに、前記試料への前記圧子の侵入量を検出する侵入量検出手段（例えば、圧子軸変位検出部２０）と、前記侵入量検出手段により検出された侵入量に基づき、前記圧痕の所定の特徴点間の距離を算出する距離算出手段（例えば、制御部１００）と、前記距離算出手段により算出された前記圧痕の所定の特徴点間の距離に基づいて前記複数の対物レンズの中から所定の対物レンズを選択する対物レンズ選択手段（例えば、制御部１００）と、前記対物レンズ選択手段により選択された前記所定の対物レンズの仕様を通知する通知手段と、を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の硬さ試験機において、例えば、図１に示すように、前記圧子と前記複数の対物レンズを支持する支持手段（例えば、ターレット８）と、前記圧子と前記複数の対物レンズとが移動可能となるように前記支持手段を駆動させる駆動手段（例えば、駆動モータ８３）と、前記圧痕の形成後に、前記圧子を移動させるとともに、前記対物レンズ選択手段により選択された前記所定の対物レンズを前記圧痕の上方に移動させるように前記駆動手段を制御する駆動制御手段（例えば、制御部１００）と、を備えることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、例えば、図１に示すように、圧子（例えば、圧子５）により試料（例えば、試料Ｓ）表面に形成された圧痕を表示部に拡大表示させるための複数の対物レンズ（例えば、対物レンズ７）を備え、前記圧痕に基づいて試料の硬さを測定する硬さ試験機（例えば、硬さ試験機１）であって、前記圧子を試料表面に押し込む所定の試験力を付与する試験力付与手段（例えば、アーム作動部４）と、前記試験力付与手段により付与された試験力によって前記圧子が前記試料に押し込まれて圧痕が形成されたときに、前記試料への前記圧子の侵入量を検出する侵入量検出手段（例えば、圧子軸変位検出部２０）と、前記侵入量検出手段により検出された侵入量に基づき、前記圧痕の所定の特徴点間の距離を算出する距離算出手段（例えば、制御部１００）と、前記距離算出手段により算出された前記圧痕の所定の特徴点間の距離に基づいて前記複数の対物レンズの中から所定の対物レンズを選択する対物レンズ選択手段（例えば、制御部１００）と、前記圧子と前記複数の対物レンズを支持する支持手段（例えば、ターレット８）と、前記圧子と前記複数の対物レンズとが移動可能となるように前記支持手段を駆動させる駆動手段（例えば、駆動モータ８３）と、前記圧痕の形成後に、前記圧子を移動させるとともに、前記対物レンズ選択手段により選択された前記所定の対物レンズを前記圧痕の上方に移動させるように前記駆動手段を制御する駆動制御手段（例えば、制御部１００）と、を備えることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の硬さ試験機において、例えば、図１〜図３に示すように、前記対物レンズ選択手段は、前記複数の対物レンズのうち、前記圧痕が前記表示部に最も大きく表示される対物レンズを選択することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、試験力付与手段により所定の試験力を圧子に付与すると、圧子が試料に押し込まれて圧痕が形成される。このとき、侵入量検出手段は、試料への圧子の侵入量を検出し、距離算出手段は、検出された侵入量に基づき、圧痕の所定の特徴点間の距離を算出する。そして、対物レンズ選択手段は、圧痕の所定の特徴点間の距離に基づいて複数の対物レンズの中から所定の対物レンズを選択し、通知手段は、選択された所定の対物レンズの仕様を通知する。すなわち、従来ユーザが経験に基づいて行っていた圧痕に応じた対物レンズの選択を硬さ試験機が自動的に行うこととなる。
これにより、硬さ試験を行う硬さ試験機のユーザは、自らの経験や知識によって対物レンズを選択する必要がなくなるので、硬さ試験について熟練を積んでいない者でも容易に硬さ試験を行うことができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１の効果に加え、駆動制御手段は、圧痕の形成後に圧子を移動させるとともに、選択された所定の対物レンズを圧痕の上方に移動させるように駆動手段を制御する。
これにより、硬さ試験を行う硬さ試験機のユーザは、自らの経験や知識によって対物レンズを選択する必要がなく、更には、圧痕に応じた対物レンズを自らの手でセットする必要がなくなるので、硬さ試験について熟練を積んでいない者でも容易に硬さ試験を行うことができる。

請求項３に記載の発明によれば、試験力付与手段により所定の試験力を圧子に付与すると、圧子が試料に押し込まれて圧痕が形成される。このとき、侵入量検出手段は、試料への圧子の侵入量を検出し、距離算出手段は、検出された侵入量に基づき、圧痕の所定の特徴点間の距離を算出する。そして、対物レンズ選択手段は、圧痕の所定の特徴点間の距離に基づいて複数の対物レンズの中から所定の対物レンズを選択し、駆動制御手段は、圧痕の形成後に圧子を移動させるとともに、選択された所定の対物レンズを圧痕の上方に移動させるように駆動手段を制御する。すなわち、従来ユーザが経験に基づいて行っていた圧痕に応じた対物レンズの選択を硬さ試験機が自動的に行うこととなる。
これにより、硬さ試験を行う硬さ試験機のユーザは、自らの経験や知識によって対物レンズを選択する必要がなく、更には、圧痕に応じた対物レンズを自らの手でセットする必要がなくなるので、硬さ試験について熟練を積んでいない者でも容易に硬さ試験を行うことができる。

請求項４に記載の発明によれば、対物レンズ選択手段は、複数の対物レンズのうち、圧痕が表示部に最も大きく表示される対物レンズを選択するので、ユーザは、圧痕の特徴を把握しやすくなる。

以下、図面を参照して、本発明である硬さ試験機の最良の形態について詳細に説明する。
図１、図２に示されるように、硬さ試験機１は、各構成部材が配設される試験機本体２と、試験機本体２に回動自在に支持される荷重アーム３と、荷重アーム３に試験力を付与し、荷重アーム３を作動させる試験力付与手段としてのアーム作動部４と、荷重アーム３の下方の試験機本体２に回転自在に備えられた支持手段としてのターレット８と、このターレット８に取り付けられ、先端部に圧子５を備える圧子軸６と、ターレット８に取り付けられた対物レンズ７と、ターレット８に対向配置され、試料Ｓが載置される試料台９と、試料台９上の試料Ｓに形成された圧痕を撮像する撮像部１０、圧痕が拡大表示される表示部１６等により構成されている。なお、硬さ試験機１は、図３に示される制御部１００により、各部の動作制御が行われる。

荷重アーム３は、アーム本体３１と、アーム本体３１の一端部３１ａを試験機本体２に軸支する回動軸３２とを有している。アーム本体３１の他端側は第１の他端部３１ｂと第２の他端部３１ｃとの二股に分岐しており、第１の他端部３１ｂは、可撓性を有する板ばね状に形成されている。
また、アーム本体３１の下面側には、アーム本体３１の下面と試験機本体２との間にコイルばね３３ａにより弾性支持される荷重軸３３が備えられている。また、アーム本体３１には、荷重アーム３（アーム本体３１）が作動した際の、第１の他端部３１ｂと第２の他端部３１ｃとの開き量を検出するアーム変位検出部３４が備えられている。

アーム本体３１は、アーム本体３１の一端部３１ａが回動軸３２により試験機本体２に回動自在に軸支されるとともに、第１の他端部３１ｂに荷重アーム３を作動させる試験力としての作用力を発生させるアーム作動部４が接続されている。そして、アーム作動部４の動作に伴い、アーム本体３１は、回動軸３２を中心とした回動を行う。このアーム本体３１の下方への回動に伴い、アーム本体３１は、荷重軸３３を下方へ押圧し、移動させる。そして、荷重軸３３は、アーム本体３１（荷重アーム３）の駆動、動作を圧子軸６に伝達する（図１参照）。

アーム変位検出部３４は、例えば、所定の間隔の目盛が刻まれたスケールと、そのスケールの目盛を光学的に読み取るリニアエンコーダとからなり、アーム本体３１が回動するとともに、圧子軸６を介して圧子５を試料Ｓに押し込む際の第１の他端部３１ｂと第２の他端部３１ｃとの開き量（ばね変位量）を検出し、その検出した開き量に基づくアーム変位信号を制御部１００に出力する。なお、この開き量（ばね変位量）は、圧子５が試料Ｓを押し込む押圧力（試験力）、或いは試料Ｓに加わる荷重に対応している。

アーム作動部４は、サーボモータ４１と、ボールネジ４３と、サーボモータ４１のモータ軸４１ａとボールネジ４３のネジ軸４３ａに掛け渡されるタイミングベルト４２と、ボールネジ４３に保持される固定治具４４等により構成されている。なお、アーム作動部４は、固定治具４４の板ばね４４ａが、アーム本体３１の第１の他端部３１ｂに固定されて荷重アーム３に接続されている。

サーボモータ４１は、制御部１００から入力された駆動制御信号に基づき駆動する。そして、サーボモータ４１の駆動により回転するサーボモータ４１のモータ軸４１ａの駆動力は、タイミングベルト４２を介してボールネジ４３のネジ軸４３ａに伝達されて、ボールネジ４３は回転する。そのボールネジ４３の回転駆動により固定治具４４は上下に移動される。
このように、アーム作動部４は、サーボモータ４１の駆動に基づき固定治具４４を上下動させて、固定治具４４と接続しているアーム本体３１の第１の他端部３１ｂに、その駆動（駆動力）を伝達し、アーム本体３１（荷重アーム３）を回動させる。なお、アーム作動部４が荷重アーム３を動作させる際、板ばね４４ａは撓む。

試料台９は、試料Ｓが載置される試料ステージ９１と、試料ステージ９１の下面に設けられたステージ昇降部９２等により構成されている。このステージ昇降部９２は、ねじ部９２ａを有し、ねじ部９２ａを回転させることによって試料ステージ９１を、試験機本体２に対して上下に移動可能としている。

ターレット８は、ターレット本体８１と、ターレット本体８１を試験機本体２に回転自在に軸支する回転軸８２等により構成されている。
ターレット本体８１には、圧子軸６と、対物レンズ７と、圧子軸６の変位量を検出する侵入量検出手段としての圧子軸変位検出部２０とが備えられている。なお、圧子軸６は、圧子軸保持部６１を介してターレット本体８１に備えられている。ターレット本体８１は、駆動手段としての駆動モータ８３に接続されており、制御部１００から駆動モータ８３に電流が供給されることにより駆動モータ８３が起動し、ターレット本体８１が回転することによって、圧子軸６や対物レンズ７の配置が切り替えられる。

圧子軸保持部６１は、縦保持部材６１ａと、縦保持部材６１ａから横方向に延出する板ばね６１ｂ、６１ｂにより構成されており、圧子軸６は、板ばね６１ｂ、６１ｂに弾性支持され、試料ステージ９１の試料Ｓの載置面、特に試料ステージ９１に載置された試料の表面（上面）に対して垂直に備えられている。
また、圧子軸６の下端部には圧子５が交換可能に備えられている。
そして、図１に示されるように、ターレット８（ターレット本体８１）を回転させ、圧子軸６を荷重軸３３に対応する配置に切り替えることにより、荷重アーム３の回動に伴い荷重軸３３が下方へ移動する動作の作用力を圧子軸６に伝達可能となる。そして、圧子５を試料Ｓに押し当て、押し込むことが可能となる。

対物レンズ７は、後述する撮像部１０の顕微鏡部１１に付随するレンズ部であり、図２に示されるように、ターレット８（ターレット本体８１）を回転させ、対物レンズ７を撮像部１０に対応する配置に切り替えた際に、撮像部１０による試料Ｓの撮像が可能になる。

圧子軸変位検出部２０は、例えば、所定の間隔の目盛が刻まれたスケールと、そのスケールの目盛を光学的に読み取るリニアエンコーダとからなり、圧子軸６が試料Ｓに圧痕を形成する際に移動した変位量（つまり、試料Ｓに圧子５が押し込まれた侵入量、圧痕の深さ）を検出し、その検出した変位量に基づく圧子軸変位信号を後述する制御部１００に出力する。

撮像部１０は、顕微鏡部１１と、その顕微鏡部１１に取り付けられたＣＣＤカメラ１０ａ（図３参照）と、試料Ｓの観察位置を照らす照明装置（図示省略）などにより構成されており、試料Ｓの表面に形成された圧痕の撮像を行う。そして、撮像部１０（ＣＣＤカメラ１０ａ）は、撮像した圧痕の画像データを後述する制御部１００に出力する。

表示部１６は、例えば、液晶モニタ等から構成されており、撮像した圧痕の画像データを表示する。また、表示部１６は、制御部１００により算出された、圧子５を試料Ｓ表面に押し込む試験力を表示する。

制御部１００は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を含む演算装置で構成され、ＲＯＭに記憶された所定のプログラムが実行されることにより、所定の硬さ試験を行うため予め設定された所定の動作条件（各硬さ試験用の動作条件）に基づく圧痕形成のための各部の動作制御を行う機能を有する。

例えば、制御部１００は、アーム変位検出部３４から入力されたアーム変位信号と、予め設定された設定アーム変位データとの比較を行い、所定の試験力（荷重）で圧子５を試料Ｓに作用させるように荷重アーム３を回動させるため、アーム作動部４（サーボモータ４１）の駆動を制御する駆動制御信号をサーボモータ４１に出力する機能を有する。

また、制御部１００は、圧子軸変位検出部２０により検出された圧子５の試料Ｓへの侵入量に基づき、圧痕の所定の特徴点間の距離を算出する距離算出手段として機能する。
更に、制御部１００は、算出された圧痕の所定の特徴点間の距離に基づいて、ターレット８に支持された複数の対物レンズ７の中から圧痕を拡大表示するのに最適な対物レンズ７を選択する対物レンズ選択手段として機能する。ここで、対物レンズ７の選択基準は、圧痕を表示部１６に最も大きく表示させることができる対物レンズ７が最適とされる。
また、制御部１００は、圧痕の形成後に、圧子軸６を移動させるとともに、選択された所定の対物レンズ７を圧痕の上方に移動させるようにターレット８に接続された駆動モータ８３を制御する駆動制御手段として機能する。

次に、硬さ試験機１を用いた硬さ試験方法について説明する。
最初に、圧子軸６に圧子５を取り付け、試料台９に試料Ｓを載せ、ターレット８や試料台９の調整を行う。
次いで、制御部１００がアーム作動部４を駆動させることにより、荷重アーム３は下方へ回動し、荷重軸３３を介して圧子軸６を下方へ移動させる。すると、圧子軸６の先端に取り付けられた圧子５は、試料Ｓに押し込まれ、試料Ｓに略四角形状の圧痕が形成される。
試料Ｓに圧痕が形成されると、制御部１００は、圧子軸変位検出部２０を制御することにより、試料Ｓへの圧子５の侵入量、すなわち、圧痕の深さを検出する。次いで、制御部１００は、検出された圧痕の深さから圧痕の対角線の長さを算出する。なお、圧痕の対角線の長さの算出にあたっては、圧痕の深さと対角線の長さとの関係を示す関係式を用いる。
圧痕の対角線の長さが算出されると、制御部１００は、圧痕の大きさに最も適した対物レンズ７を選択する。なお、対物レンズ７の選択にあたっては、硬さ試験機１に備え付けの表示部（図示しない）に圧痕を表示させる際に、圧痕が歪むことのない視認性の良い大きさに拡大されるような倍率を有する対物レンズ７を選択する。

次いで、制御部１００は、駆動モータ８３を制御することにより、ターレット８を回転させ、図２に示すような選択された対物レンズ７を圧痕観察のための位置、すなわち、対物レンズ７が撮像部１０に対応する位置になるように切り替える。そして、撮像部１０は、試料Ｓに形成された圧痕を撮像し、撮像した圧痕の画像データを制御部１００に出力すると、制御部１００は圧痕を表示部に表示させる。

本発明に係る硬さ試験機１によれば、アーム作動部４により試験力を圧子５に付与すると、圧子５が試料Ｓに押し込まれて試料Ｓには圧痕が形成される。このとき、圧子軸変位検出部２０は、試料Ｓへの圧子５の侵入量を検出し、制御部１００は、検出された侵入量に基づき、圧痕の対角線の長さを算出する。そして、制御部１００は、圧痕の対角線の長さに基づいて複数の対物レンズ７の中から最適な対物レンズ７を選択し、ターレット８を回転させて、選択された対物レンズ７を圧痕の上方に移動させる。すなわち、従来ユーザが経験に基づいて行っていた圧痕に応じた対物レンズ７の選択を硬さ試験機１が自動的に行うこととなる。
これにより、硬さ試験を行う硬さ試験機１のユーザは、自らの経験や知識によって対物レンズ７を選択する必要がなく、更には、圧痕に応じた対物レンズを自らの手でセットする必要がなくなるので、硬さ試験について熟練を積んでいない者でも容易に硬さ試験を行うことができる。
また、制御部１００は、複数の対物レンズ７のうち、圧痕が表示部１６に最も大きく表示される対物レンズ７を選択するので、ユーザは、圧痕の特徴を把握しやすくなる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。上記実施の形態においては、最適な対物レンズ７が選択されると、ターレット８を回転させて選択された対物レンズ７を自動的に試料Ｓの上方に位置するような構成としたが、選択した対物レンズ７を通知手段としてのスピーカ（図示しない）からの音声や表示部への表示によりユーザに知らせるものでも良いし、これらを兼ね備えたものであっても良い。その他、本発明は、発明の要旨を逸脱しない範囲内で自由に変更、改良が可能である。

本発明に係る硬さ試験機の概略断面図である。 本発明に係る硬さ試験機の概略断面図である。 本発明に係る硬さ試験機の概略構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 硬さ試験機
４ アーム作動部（試験力付与手段）
５ 圧子
７ 対物レンズ
８ ターレット（支持手段）
２０ 圧子軸変位検出部（侵入量検出手段）
８３ 駆動モータ（駆動手段）
１００ 制御部（距離算出手段、対物レンズ選択手段、駆動制御手段）
Ｓ 試料

Claims (4)

1. 圧子により試料表面に形成された圧痕を表示部に拡大表示させるための複数の対物レンズを備え、前記圧痕に基づいて試料の硬さを測定する硬さ試験機であって、
   前記圧子を試料表面に押し込む所定の試験力を付与する試験力付与手段と、
   前記試験力付与手段により付与された試験力によって前記圧子が前記試料に押し込まれて圧痕が形成されたときに、前記試料への前記圧子の侵入量を検出する侵入量検出手段と、
   前記侵入量検出手段により検出された侵入量に基づき、前記圧痕の所定の特徴点間の距離を算出する距離算出手段と、
   前記距離算出手段により算出された前記圧痕の所定の特徴点間の距離に基づいて前記複数の対物レンズの中から所定の対物レンズを選択する対物レンズ選択手段と、
   前記対物レンズ選択手段により選択された前記所定の対物レンズの仕様を通知する通知手段と、
   を備えることを特徴とする硬さ試験機。
2. 前記圧子と前記複数の対物レンズを支持する支持手段と、
   前記圧子と前記複数の対物レンズとが移動可能となるように前記支持手段を駆動させる駆動手段と、
   前記圧痕の形成後に、前記圧子を移動させるとともに、前記対物レンズ選択手段により選択された前記所定の対物レンズを前記圧痕の上方に移動させるように前記駆動手段を制御する駆動制御手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の硬さ試験機。
3. 圧子により試料表面に形成された圧痕を表示部に拡大表示させるための複数の対物レンズを備え、前記圧痕に基づいて試料の硬さを測定する硬さ試験機であって、
   前記圧子を試料表面に押し込む所定の試験力を付与する試験力付与手段と、
   前記試験力付与手段により付与された試験力によって前記圧子が前記試料に押し込まれて圧痕が形成されたときに、前記試料への前記圧子の侵入量を検出する侵入量検出手段と、
   前記侵入量検出手段により検出された侵入量に基づき、前記圧痕の所定の特徴点間の距離を算出する距離算出手段と、
   前記距離算出手段により算出された前記圧痕の所定の特徴点間の距離に基づいて前記複数の対物レンズの中から所定の対物レンズを選択する対物レンズ選択手段と、
   前記圧子と前記複数の対物レンズを支持する支持手段と、
   前記圧子と前記複数の対物レンズとが移動可能となるように前記支持手段を駆動させる駆動手段と、
   前記圧痕の形成後に、前記圧子を移動させるとともに、前記対物レンズ選択手段により選択された前記所定の対物レンズを前記圧痕の上方に移動させるように前記駆動手段を制御する駆動制御手段と、
   を備えることを特徴とする硬さ試験機。
4. 前記対物レンズ選択手段は、前記複数の対物レンズのうち、前記圧痕が前記表示部に最も大きく表示される対物レンズを選択することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の硬さ試験機。

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