CN102967518A

CN102967518A - 硬度试验机

Info

Publication number: CN102967518A
Application number: CN2012101502557A
Authority: CN
Inventors: 有我幸三; 川添胜
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2012-05-15
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2032-05-15
Also published as: EP2565619A3; US20130047712A1; JP5841379B2; EP2565619A2; JP2013050382A; CN102967518B; EP2565619B1; US9207156B2

Abstract

一种硬度试验机，该硬度试验机测量压痕的尺寸以确定样品的硬度。该硬度试验机包括成像单元、显示单元、指向装置和位置调整单元。成像单元摄取样品的表面的图像。显示单元显示样品的表面图像和光标。指向装置接收通过光标的移动而指示出现于显示单元的样品的表面图像的移动的第一指令和通过光标的移动而指示样品台的高度的改变的第二指令。位置调整单元在水平方向上和竖直方向上移动样品台。

Description

硬度试验机

技术领域

本发明涉及硬度试验机。

背景技术

在典型的硬度试验机中，将压头向样品的表面推压以形成压痕，并基于压痕的尺寸来确定样品的硬度。

例如，为了利用维氏硬度试验机确定样品的硬度，将样品在水平方向上定位使得样品的表面上待压的点位于压头正下方，同时在该点在竖直方向上定位（调焦）。然后转动旋转台以使得压头面对样品，并且将预定的测试力通过压头施加到样品表面以形成压痕。然后测量压痕的对角线长度，并且基于测量的压痕的对角线长度来计算样品的硬度。

对于使用硬度试验机的该定位，监视器显示由相机捕获并出现于主屏幕的样品的表面图像和用于调整出现于主屏幕的表面图像的水平位置和竖直位置的操作杆（operational bar）。使用者在观察主屏幕上的表面图像的同时利用键盘或鼠标通过操作杆的操作来调整样品的位置。

不幸的是，该试验机涉及独立于主屏幕设置的操作杆的操作；因此，对于操作杆的每一个操作，使用者必须将其目光从主屏幕转到操作杆上。这降低了试验机的可操作性。

为解决该问题，例如已经提出了使用于显微镜的台面或车床的工作台的技术（见日本特开平8-262327号公报），在该技术中通过鼠标操作而将开始点和停止点设定在屏幕上，检测开始点和停止点的各X-Y坐标，基于坐标值设定在X-Y台面的X方向和Y方向上的移动距离，由此X-Y台面可以自动地移动到目标位置。

根据该技术，能够仅通过开始点和停止点的设定而在任意方向上将X-Y台面简单地、精确地移动到适当的位置。

不幸的是，由于日本特开平8-262327号公报中说明的技术仅仅涉及通过鼠标操作在屏幕上设定开始点和停止点，图像不能够连续地在屏幕上移动，导致精微地位置调整的困难。结果，该技术不能够应用到用于精确测量的需要精微的位置调整的硬度试验机，导致试验机的低的可操作性。

此外，日本特开平8-262327没有对竖直位置调整作出说明；因此，该技术不能够解决竖直位置的调整的低的可操作性的问题。

发明内容

考虑到上述情况而做出本发明，本发明的一个主要目的是提供一种硬度试验机，该硬度试验机对于样品在水平方向和竖直方向上的位置的调整均是高度可操作的。

为了实现上述优势中的任意一个，根据本发明的一个方面，提供一种硬度试验机，所述硬度试验机通过压头向放置在样品台上的样品的表面施加预定的测试力来形成压痕并测量所述压痕的尺寸来确定所述样品的硬度，所述硬度试验机包括：

成像单元，所述成像单元通过物镜摄取所述样品的表面的图像；

显示单元，所述显示单元显示由所述成像单元摄取的所述样品的表面图像和光标；

指向装置，所述指向装置能够接收通过所述光标的移动而指示出现于所述显示单元的所述样品的表面图像的移动的第一指令和通过所述光标的移动而指示所述样品台的高度的改变的第二指令；和

位置调整单元，所述位置调整单元响应于来自使用者的所述第一指令根据所述光标的移动而使所述样品台在水平方向上移动，以及响应于来自使用者的所述第二指令根据所述光标的移动而使所述样品台在竖直方向上移动。

附图说明

从下述结合附图的详细说明中，会更完全地理解本发明以及本发明的上述目的、特征和优势。在附图中，

图1是示出本发明的硬度试验机的整体构造的示意图；

图2是示出图1中示出的硬度试验机的主单元的示意图；

图3是示出图1中示出的硬度试验机的测量单元的示意图；

图4是示出图1中示出的硬度试验机的控制结构的框图；

图5A和图5B是本发明的硬度试验机的操作的示意性说明图；

图6A和图6B是本发明的硬度试验机的另一操作的示意性说明图；

图7A和图7B是本发明的硬度试验机的另一操作的示意性说明图；

图8A和图8B是本发明的硬度试验机的另一操作的示意性说明图。

具体实施方式

现在参照附图详细地说明根据实施方式的硬度试验机。

说明本实施方式的硬度试验机100的构造。

如图1所示，在下述说明中，将硬度试验机100的左右方向限定为X方向，将硬度试验机100的前后方向限定为Y方向，将上下方向限定为Z方向。

图1中示出的硬度试验机100是例如维氏硬度试验机，该维氏硬度试验机包括主单元10、控制器6、操作单元7和监视器8。

参照图2，主单元10例如包括：测定单元1，该测定单元1测定样品S的硬度；样品台2，在该样品台2上放置样品S；XY定位台（XY stage）3，该XY定位台在水平方向（XY方向）上移动样品台2；自动调焦（AF）（Z）台4，该自动调焦台4将焦点调整到样品S的表面；和升降机构5，该升降机构5竖直地移动样品台2以及XY定位台3和AF（Z）台4。

参照图3，测定单元1例如包括：照明装置11，该照明装置11对样品S的表面进行照明；相机12，该相机12摄取样品S的表面的图像；具有压头14a的压头轴14；物镜15和旋转台（turret）16，该旋转台16是可旋转的以使得压头轴14和其中一个物镜15相互切换。

照明装置11是利用光来对样品S的表面进行照明的照明单元。照明装置11输出的光经由透镜1a、半反射镜（half mirror）1d、反射镜1e和物镜15到达样品S的表面。

相机12是成像单元。例如，如图3所示，相机12基于其接收的从样品S的表面经由物镜15、反射镜1e、半反射镜1d、反射镜1g和透镜1h传来的反射光来摄取样品S的表面的图像和由压头14a形成在样品S的表面的图像，因此获得图像数据并将图像数据输出至控制器6。

压头轴14由加载机构（未示出）移动到放置在样品台2上的样品S，并以预定的力向样品S的表面推压压头轴14端部的压头14a。其中，所述加载机构响应于控制器6输出的控制信号而被驱动。

物镜15包括多个具有不同放大倍数的聚光透镜，该多个聚光透镜保持于旋转台16的底面。通过旋转台16的旋转而将各聚光透镜定位于样品S上方，以将来自照明装置11的光均匀地施于样品S的表面。

具体地，物镜15包括高倍透镜15a和低倍透镜15b，低倍透镜15b的放大倍数小于高倍透镜15a的放大倍数。

优选地，高倍透镜15a的放大倍数例如为20倍以上。具有该放大倍数的透镜具有浅的焦深，该焦深不超过样品S的压痕的允许高度，导致样品S的竖直定位精度的改善。相反，优选地，低倍透镜15b的放大倍数例如为5倍以下。具有该放大倍数的透镜能够获得宽视野的图像，因此能够容易地获得宽范围的图像。

旋转台16通过旋转台驱动机构16A绕沿着Z轴方向的轴线转动，该旋转台驱动机构16A响应于控制器6输出的控制信号而进行操作。

旋转台16的底面具有压头轴14和物镜15（高倍透镜15a和低倍透镜15b），并且旋转台16绕沿着Z轴方向的轴线转动以使得压头轴14和物镜15之一以可切换的方式定位于样品S上方。具体地，压头轴14定位于样品S上方，然后被降低以在样品S的表面形成压痕，然后其中一个物镜15定位于样品S上方以观察形成的压痕。

样品台2具有将布置于样品台2顶面的样品S固定的样品固定部2a。

XY定位台3由响应于控制器6输出的控制信号而进行操作的驱动机构3A驱动，并且在与压头14a的移动方向（Z方向）垂直的X方向和Y方向上移动样品台2。

AF台4响应于控制器6输出的控制信号而被驱动，并且基于由相机12摄取的图像数据而精微地上下移动样品台2，以将焦点调整到样品S的表面。

升降机构5响应于控制器6输出的控制信号而被驱动，并且竖直地移动样品台2以及XY定位台3和AF（Z）台4，以改变样品台2和物镜15之间的相对距离。

监视器8是诸如液晶显示器（LCD）等的显示单元，该显示单元例如显示由相机12摄取的样品S的表面图像和形成于样品S的表面的压痕的图像。

除了图像之外，监视器8也能够显示通过鼠标72（下面将说明）的操作而在监视器8上移动的光标K。

监视器8还显示来自操作单元7的硬度测试的设定条件以及硬度测试的结果。

操作单元7包括键盘71和鼠标72。

如图5A所示，鼠标72包括左键（第一按键）72a、右键（第二按键）72b和中键（第三按键）72c，并且是接受使用者的拖动操作和其他操作的指向装置。

具体地，鼠标72接收来自使用者的下述第一指令到第四指令，并且响应于第一指令到第四指令向控制器6输出操作信号。

第一指令是通过光标K的移动来移动显示在监视器8上的样品S的图像，并且例如通过在按住左键72a的情况下鼠标72的在适当方向上的拖动操作来执行（见图5A）。

第二指令是通过光标K的移动来改变样品台2的高度，并且例如通过在按住右键72b的情况下鼠标72的在预定的第一方向（这里为Y方向）上的拖动操作来执行，其中预定的第一方向是预先设定的（见图6A）。

第三指令是通过光标K的移动来改变监视器8的屏幕的亮度，并且例如通过在按住右键72b的情况下鼠标72的在预定的第二方向（这里为X方向）上的拖动操作来执行，其中预定的第二方向是预先设定的（见图7A）。

第四指令是改变物镜15的放大倍数，并且例如通过按住中键72c来执行（见图8A）。

鼠标72的执行第一到第四指令的具体操作可以非限制地适当地设定。

图5A、6A和7A中的箭头是用于说明拖动操作的虚拟图像，不在实际的监视器8出现。

操作单元7用于诸如设定利用硬度试验机100进行硬度测试的各种条件的其他使用者操作。具体地，通过接收使用者的预定的操作，操作单元7向控制器6发送与操作对应的预定信号。

各种条件例如包括：诸如样品S的材料、从压头14a施加到样品S的负荷（N）和各物镜15的放大倍数等测试条件；测试起始点；行数和列数；以及节距（pitch）等。

如图4所示，控制器6包括中央处理器（CPU）61、随机存取存储器（RAM）62和存储单元63，并且通过执行存储于存储单元63中的程序来控制用于预定的硬度测试的操作。

CPU 61读取包括存储于存储单元63中的处理程序的程序，在RAM 62中展开程序，并执行程序以控制整个硬度试验机100。

RAM 62在它的程序存储区域展开由CPU 61执行的处理程序和其他程序，并在它的数据存储区域存储输入的数据和处理程序的执行过程中的处理结果。

存储单元63例如具有包括用于存储程序和数据的半导体存储器的记录介质（未示出），并且存储允许CPU 61控制整个硬度试验机100的各种类型的数据、各种处理程序和程序执行过程中处理的数据。

具体地，存储单元63例如存储XY定位台控制程序631、自动调焦程序632、位置调整程序633、光量调整程序634、旋转台转动程序635和测量单元控制程序636。

CPU 61执行XY定位台控制程序631以控制XY定位台3的位置，例如使得样品S在放置于样品台2上之后面对相机12。

具体地，CPU 61执行XY定位台控制程序631并起动驱动机构3A以移动XY定位台3，使得样品S的表面的预定区域位于相机12的正下方。

例如，CPU 61执行自动调焦程序632以自动地将焦点调整到样品S的表面。

具体地，CPU 61执行自动调焦程序632并竖直地移动AF（Z）台4，以基于来自测量单元1的相机12的图像信息而将焦点调整到样品S的表面。

例如，在执行过XY定位台控制程序631和自动调焦程序632之后，如果鼠标72接收到来自使用者的第一指令，那么CPU 61执行位置调整程序633以根据光标K的移动在水平方向（X方向和Y方向）上移动样品台2。如果鼠标72接收到来自使用者的第二指令，那么CPU 61执行位置调整程序633以根据光标K的移动在竖直方向（Z方向）上移动样品台2。

具体地，如果鼠标72接收到来自使用者的第一指令或第二指令，那么鼠标72向CPU 61发送包括关于光标K的移动方向和移动距离的信息的操作信号。

如果鼠标72接收到第一指令，则CPU 61执行位置调整程序633并起动驱动机构3A以在与光标K的移动方向对应的方向上以与光标K的移动距离对应的距离移动XY定位台3，使得根据光标K的移动在水平方向上移动样品台2。

如果鼠标72接收到第二指令，则CPU 61执行位置调整程序633并在与光标K的移动方向对应的方向上以与光标K的移动距离对应的距离移动AF（Z）台4，使得根据光标K的移动在竖直方向上移动样品台2。

结果，监视器8上的图像根据光标K的移动而移动。

在该操作过程中，CPU 61读取面对样品台2的物镜15的放大倍数并控制各组件，使得物镜15的放大倍数的增大减小样品台2在水平方向和竖直方向上的与光标K的移动距离对应的移动距离。

具体地，如果光标K的移动距离为屏幕的大约一半尺寸，那么对于放大倍数为50×的高倍物镜15a，样品台2在水平方向和竖直方向上与光标K的移动距离对应的移动距离为50μm，而对于放大倍数为10×的低倍物镜15b为，样品台2在水平方向和竖直方向上与光标K的移动距离对应的移动距离为250μm。

结果，即使在物镜15的放大倍数切换之后图像的范围改变，也能够以适合图像的节距移动样品台2。

通过位置调整程序633的执行，CPU 61与驱动机构3A和AF（Z）台4一起用作位置调整部件。

例如，如果鼠标72接收到来自使用者的第三指令，则CPU61执行光量调整程序634以根据光标K的移动改变来自照明装置11的光量。

具体地，如果鼠标72接收到来自使用者的第三指令，那么鼠标72向CPU 61发送包括关于光标K的移动方向和移动距离的信息的操作信号。

然后CPU 61执行光量调整程序634，以基于来自鼠标72的操作信号以与光标K的移动距离对应的量增大或减小来自照明装置11的光量。

通过光量调整程序634的执行，CPU 61用作光量调整部件。

例如，如果鼠标72接收到来自使用者的第四指令，那么CPU61执行旋转台转动程序635以转动旋转台16。

具体地，如果鼠标72接收到来自使用者的第四指令，那么鼠标72向CPU 61发送包括关于中键72c的按住时间的信息和其他信息的操作信号。

然后CPU 61执行旋转台转动程序635，使得如果CPU 61确定按住时间超过预定长度，那么CPU 61控制旋转台驱动机构16A以启动旋转台16的转动并持续该转动直到按住操作停止。

在特定的构造中，如果在按住中键72c的情况下鼠标72被向右拖动，那么旋转台16沿顺时针方向转动，如果在按住中键72c的情况下鼠标72被向左拖动，那么旋转台16沿逆时针方向转动。

通过旋转台转动程序635的执行，CPU 61和旋转台驱动程序16A一起用作旋转台转动部件。

例如，CPU 61执行测量单元控制程序636，使得测量单元1执行预定的操作。

具体地，CPU 61执行测量单元控制程序636，因此使得以预定的测试力向样品S的表面推压压头14a以在表面上形成压痕，基于来自相机12的样品S的表面的图像信息测量压痕的对角线长度，并由测量的压痕的对角线长度来计算样品S的硬度。

本实施方式的硬度试验机100可以不包括XY定位台控制程序631和自动调焦程序632。

现在说明本实施方式的硬度试验机100的功能。

在具有上述构造的硬度试验机100中，XY定位台3、AF（Z）台4、照明装置11、旋转台16等可以通过鼠标72的操作来控制。

例如，如图5A和图5B所示，如果响应于第一指令在按住左键72a的情况下在适应的方向上拖动鼠标72，那么XY定位台3在水平方向上被移动，使得监视器8上的图像根据光标K的移动而移动。

此外，如图6A和图6B所示，如果响应于第二指令在按住右键72b的情况下在预定的第一方向（这里为Y方向）上拖动鼠标72，那么AF（Z）台4根据监视器8上光标K的移动而在竖直方向上移动。

此外，如图7A和图7B所示，如果响应于第三指令在按住右键72b的情况下在预定的第二方向（这时为X方向）上拖动鼠标72，那么出现于监视器8的图像的亮度根据监视器8上光标K的移动而被适当地控制。

此外，如图8A和图8B所示，如果响应于第四指令按信中键72c，那么旋转台16被转动以切换物镜15。

如上所述，本实施方式的硬度试验机100包括：相机12，该相机12通过物镜15摄取样品S的表面的图像；监视器8，该监视器8显示由相机12摄取的样品S的表面的图像；光标K；鼠标72，该鼠标72接收通过光标K的移动而指示出现于监视器8的样品S的表面图像的水平移动的第一指令和通过光标K的移动而指示样品台2的高度的改变的第二指令；和位置调整部件，该位置调整部件包括CPU 61和位置调整程序633，该位置调整部件响应于来自使用者的第一指令根据光标K的移动而在水平方向上移动样品台2，并响应于来自使用者的第二指令根据光标K的移而在竖直方向上移动样品台2。

鼠标72具有左键72a和右键72b，并且接受使用者的拖动操作。通过在按住左键72a的情况下拖动鼠标72的操作来执行第一指令。通过在按住右键72b的情况下在预定的第一方向（Y方向）上拖动鼠标72的操作来执行第二指令。

结果，仅通过鼠标72的操作而在水平方向和竖直方向上移动样品台2。

此外，使用者可以在观察出现于监视器8的图像的同时在水平方向和竖直方向上容易地、精微地调整样品S的位置。

此外，除了显示样品S的表面图像的屏幕之外，用于位置调整和其他操作的操作杆不需要显示在监视器8上，因此简化了监视器8的屏幕构造。

结果，能够改善测量的可操作性。

此外，本实施方式的硬度试验机100包括：鼠标72，该鼠标72可以接受通过光标K的移动而改变出现于监视器8的屏幕的亮度的第三指令；照明装置11，该照明装置11利用光对样品S的表面进行照明；和光量调整部件，该光量调整部件包括CPU61和光量调整程序634，该光量调整部件响应于来自使用者的第三指令根据光标K的移动改变来自照明装置11的光量。

通过由使用者在按住右键72b的情况下在预定的第二方向（X方向）上拖动鼠标72的操作来执行第三指令。

结果，仅通过鼠标72的操作来改变从照明装置11到样品S的表面的光量，由此使用者能够在观察出现于监视器8的图像的同时调整监视器的亮度。

结果，能够进一步改善测量的可操作性。

此外，本实施方式的硬度试验机100包括：鼠标72，该鼠标72接受第四指令以切换物镜15的放大倍数；旋转台16，该旋转台16具有位于旋转台16上的压头14a和多个物镜15；和旋转台转动部件，该旋转台转动部件包括CPU 61和旋转台转动程序635，该旋转台转动部件响应于来自使用者的第四指令而转动旋转台16。

鼠标72具有中键72c，并且通过使用者按住中键72c来执行第四指令。

结果，通过鼠标72的操作能够彼此切换物镜15，导致测量的可操作性的进一步的改善。

根据本实施方式的硬度试验机100，位置调整部件控制各组件使得物镜15的放大倍数的增大减小与光标K在水平方向和竖直方向上的移动距离对应的样品台2的移动距离。

结果，即使硬度试验机100具有放大倍数不同的多个物镜15并且物镜15彼此切换，也以与相关的放大倍数相应的节距移动样品台2，导致测量的可操作性的进一步的改善。

尽管已经说明了具有典型的构造的实施方式，在该典型的构造中XY定位台3或AF（Z）台4（样品台2）通过鼠标操作响应于第一指令或第二指令而被移动，可以改为相机12（物镜15的位置）在水平方向和竖直方向二者上被移动。

此外，方向可以显示在出现于监视器8的光标K的周围以引导鼠标72的指令操作和硬度试验机100的组件的相应的操作。

根据本发明的优选的实施方式的一个方面，提供一种硬度试验机，所述硬度试验机通过压头向放置在样品台上的样品的表面施加预定的测试力来形成压痕并测量所述压痕的尺寸来确定所述样品的硬度，所述硬度试验机包括：

根据本发明，显示单元显示样品的表面图像和光标，而样品台通过指向装置基于来自使用者的预定指令与显示单元上的光标的移动相关联地在水平方向或竖直方向上移动。

因此，能够仅通过指向装置的操作而在水平方向和竖直方向上移动样品台。

此外，使用者能够在观察出现于显示单元的图像的同时在水平方向和竖直方向二者上容易地、精微地调整样品的位置。

此外，除了显示样品的表面图像的屏幕之外，用于位置调整和其他操作的操作杆不需要显示于显示单元，简化了显示单元的屏幕构造。

结果，能够改善测量的可操作性。

优选地，在所述硬度试验机中，所述指向装置具有第一按键和第二按键，并接受使用者的拖动操作；

当由使用者按住所述第一按键同时拖动所述指向装置的时候执行所述第一指令；和

当由使用者按住所述第二按键同时在预定的第一方向上拖动所述指向装置的时候执行所述第二指令。

优选地，在所述硬度试验机中，所述指向装置能够接受第三指令，所述第三指令用于通过所述光标的移动而改变在所述显示单元上出现的屏幕的亮度；并且所述硬度试验机包括：

照明装置，所述照明装置向所述样品的表面供给光；和

光量调整单元，所述光量调整单元响应于来自使用者的所述第三指令根据所述光标的移动而改变来自所述照明单元的光量。

优选地，在所述硬度试验机中，当由使用者按住所述第二按键同时在不同于所述第一方向的预定的第二方向上拖动所述指向装置的时候执行所述第三指令。

优选地，在所述硬度试验机中，所述指向装置能够接受第四指令，所述第四指令用于切换所述物镜的放大倍数，并且所述硬度试验机包括：

旋转台，所述旋转台上具有压头和多个所述物镜；和

旋转台转动单元，所述旋转台转动单元响应于来自使用者的所述第四指令而使所述旋转台转动。

优选地，在所述硬度试验机中，所述指向装置具有第三按键；和

在由使用者按住所述第三按键时执行所述第四指令。

优选地，在所述硬度试验机中，在所述物镜的放大倍数增大的情况下，所述位置调整单元减小与所述光标的移动距离对应的所述样品台在水平方向和竖直方向二者上的移动距离。

虽然示出和说明了各种典型的实施方式，但是本发明不限于示出的实施方式。因此，本发明的范围意图仅由所附的权利要求的范围来限定，而并非由上述说明限定，并且本发明意图涵盖落入所附权利要求和它们的等同表示的范围内变型和改变。

Claims

1.一种硬度试验机，所述硬度试验机通过压头向放置在样品台上的样品的表面施加预定的测试力来形成压痕并测量所述压痕的尺寸来确定所述样品的硬度，所述硬度试验机包括：

2.根据权利要求1所述的硬度试验机，其特征在于，所述指向装置具有第一按键和第二按键，并接受使用者的拖动操作；

3.根据权利要求1所述的硬度试验机，其特征在于，

所述指向装置能够接受第三指令，所述第三指令用于通过所述光标的移动而改变在所述显示单元上出现的屏幕的亮度；并且所述硬度试验机包括：

照明装置，所述照明装置向所述样品的表面供给光；和

4.根据权利要求3所述的硬度试验机，其特征在于，当由使用者按住所述第二按键同时在不同于所述第一方向的预定的第二方向上拖动所述指向装置的时候执行所述第三指令。

5.根据权利要求1所述的硬度试验机，其特征在于，

所述指向装置能够接受第四指令，所述第四指令用于切换所述物镜的放大倍数，并且所述硬度试验机包括：

旋转台，所述旋转台上具有压头和多个所述物镜；和

6.根据权利要求5所述的硬度试验机，其特征在于，

所述指向装置具有第三按键；和

在由使用者按住所述第三按键时执行所述第四指令。

7.根据权利要求1所述的硬度试验机，其特征在于，在所述物镜的放大倍数增大的情况下，所述位置调整单元减小与所述光标的移动距离对应的所述样品台在水平方向和竖直方向二者上的移动距离。