JP2014035285A

JP2014035285A - 硬さ試験機および硬さ試験機における硬さ試験方法

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Publication number: JP2014035285A
Application number: JP2012177052A
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Inventors: Yukimitsu Iwanaga; 幸満岩永
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Filing date: 2012-08-09
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Abstract

【課題】硬さ試験を迅速に実行することが可能な硬さ試験機および硬さ試験機における硬さ試験方法を提供する。
【解決手段】載置台上に載置された試験片の表面における互いに異なる３点の位置で焦点合わせを行うことにより得た３点の位置のＺ座標値に基づいて試験片の表面の方程式を演算する方程式演算部８３と、試験片の表面の方程式を記憶する記憶部８１と、試験片の表面の方程式に基づいて試験片の表面における試験位置のＺ座標位置を演算するＺ座標演算部８４と、試験片の表面のＺ座標位置に基づいて載置台をＺ方向に移動させる移動機構を備える。
【選択図】図７

Description

この発明は、試験片の硬さを測定する硬さ試験機および硬さ試験機における硬さ試験方法に関する。

このような硬さ試験機は、試験片を載置する載置台と、この載置台を互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ方向（水平方向および鉛直方向）に移動させる移動機構と、試験片の表面に圧痕を形成するための圧子と、試験片における試験位置と対向する位置において圧子をＺ方向に移動させることにより圧子を試験片に押しつける負荷機構と、試験片の表面に形成された圧痕を撮影するためのカメラを備えた撮影機構と、載置台をＺ方向に移動させることにより撮影機構により撮影した試験片の画像の焦点合わせを行う焦点合わせ部とを備え、試験片の表面に形成された圧痕のサイズをカメラにより撮影した圧痕の画像に基づいて測定し、その圧痕のサイズを測定することにより、試験片の硬さを測定する構成となっている。

このような硬さ試験機においては、載置台の表面が正確に水平方向を向いていたとしても、試験片の表面が水平方向を向くとは限らない。このため、カメラにより試験片の表面を撮影して圧痕のサイズを測定する場合に、カメラにより撮影した画像を画像処理するとともに、この画像処理結果に基づいて試験片を載置台とともにＺ方向に移動させることにより、試験片の画像の焦点合わせ（オートフォーカス）を実行している。

特許文献１には、試料の傾きや平面度の誤差に依存せず自動試験を実行するために、試料の表面に焦点を合わせるためのＡＦ（Ｚ）ステージを備えた硬さ試験機が開示されている。

特開２０１１−２２０７９０号公報

このような硬さ試験機においては、載置台上に載置された試験片の表面が水平面と平行でない場合、試験位置毎に焦点合わせ動作を実行することが必要となる。このため、硬さ試験を行うために長い時間を要するという問題がある。このような問題は、硬さ試験を試験位置を変更して複数回連続して繰り返す自動試験を行う場合に、特に、顕著な影響を与える。

この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、硬さ試験を迅速に実行することが可能な硬さ試験機および硬さ試験機における硬さ試験方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、試験片を載置する載置台と、前記載置台を互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動させる移動機構と、前記試験片の表面に圧痕を形成するための圧子と、前記試験片における試験位置と対向する位置において前記圧子をＺ方向に移動させることにより前記圧子を前記試験片に押しつける負荷機構と、前記試験片の表面に形成された圧痕を撮影するための撮影機構と、前記載置台をＺ方向に移動させることにより前記撮影機構により撮影した試験片の画像の焦点合わせを行う焦点合わせ部と、を備えた硬さ試験機において、前記載置台上に載置された試験片の表面における互いに異なる３点の位置で焦点合わせを行うことにより得た３点の位置のＺ座標値に基づいて、前記試験片の表面の方程式を演算する方程式演算部と、前記方程式演算部により演算した試験片の表面の方程式を記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶した試験片の表面の方程式に基づいて、前記試験片における試験位置のＸ、Ｙ座標位置から、その位置における前記試験片の表面のＺ座標位置を演算するＺ座標演算部と、を備え、前記移動機構は、Ｚ座標演算部により演算した前記試験片の表面のＺ座標位置に基づいて、前記載置台をＺ方向に移動させることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記移動機構は前記載置台をＸ、Ｙ方向に移動させて前記試験片における試験位置を前記圧子と対向する位置に配置するときに、前記載置台をＺ方向に移動させることにより、前記試験片における試験位置の表面を、前記撮影機構により撮影する試験片の画像の合焦点位置に配置する。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記移動機構は、前記載置台のＺ方向への移動が、前記試験片の表面が前記圧子と離隔する方向である場合には、前記載置台をＺ方向に移動させた後にＸ、Ｙ方向に移動させ、前記載置台のＺ方向への移動が、前記試験片の表面が前記圧子に近接する方向である場合には、前記載置台をＸ、Ｙ方向に移動させた後にＺ方向に移動させる。

請求項４に記載の発明は、試験片を載置する載置台と、前記載置台を互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動させる移動機構と、前記試験片の表面に圧痕を形成するための圧子と、前記試験片における試験位置と対向する位置において前記圧子をＺ方向に移動させることにより前記圧子を前記試験片に押しつける負荷機構と、前記試験片の表面に形成された圧痕を撮影するための撮影機構と、前記載置台をＺ方向に移動させることにより前記撮影機構により撮影した試験片の画像の焦点合わせを行う焦点合わせ部と、を備えた硬さ試験機における硬さ試験方法において、前記載置台上に載置された試験片の表面における互いに異なる３点の位置で焦点合わせを行うことにより、前記３点の位置のＺ座標値を測定する座標値測定工程と、前記３点の位置のＺ座標値に基づいて、前記試験片の表面の方程式を演算する方程式演算工程と、前記方程式演算工程において演算した試験片の表面の方程式を記憶する方程式記憶工程と、前記方程式記憶工程において記憶した試験片の表面の方程式に基づいて、前記試験片における試験位置のＸ、Ｙ座標位置から、その位置における前記試験片の表面のＺ座標位置を演算するＺ座標演算工程と、前記移動機構により、Ｚ座標演算部により演算した前記試験片の表面のＺ座標位置に基づいて前記載置台をＺ方向に移動させることにより、試験片における試験位置の表面のＺ座標位置を、前記撮影機構により撮影する試験片の画像の合焦点位置に配置するとともに、前記載置台をＸ、Ｙ方向に移動させることにより、前記試験片における試験位置を前記圧子と対向する位置に配置する移動工程と、前記圧子をＺ方向に移動させることにより前記圧子を前記試験片に押しつける圧痕形成工程と、前記撮影機構により前記試験片の表面に形成された圧痕を撮影するための圧痕撮影工程とを備えたことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記移動工程においては、前記載置台のＺ方向への移動が、前記試験片の表面が前記圧子と離隔する方向である場合には、前記載置台をＸ、Ｙ方向に移動させて前記試験片における試験位置を前記圧子と対向する位置に配置する前に、前記載置台をＺ方向に移動させて前記試験片における試験位置の表面のＺ座標位置を前記撮影機構により撮影する試験片の画像の合焦点位置に移動させ、前記載置台のＺ方への移動が、前記試験片の表面が前記圧子に近接する方向である場合には、前記載置台をＸ、Ｙ方向に移動させて前記試験片における試験位置を前記圧子と対向する位置に配置した後に、前記載置台をＺ方向に移動させて前記試験片における試験位置の表面のＺ座標位置を前記撮影機構により撮影する試験片の画像の合焦点位置に移動させる。

請求項１、請求項２および請求項４に記載の発明によれば、硬さ試験を行う場合に、焦点合わせ動作を省略することができる。このため、硬さ試験を迅速に実行することが可能となる。また、試験片における試験位置の表面のＺ座標位置を一定にすることができることから、試験片の表面が水平面に対して大きな交差角を有している場合においても、圧子を確実に試験片に押しつけることが可能となる。

請求項３および請求項５に記載の発明によれば、載置台をＺ方向に移動するときの移動方向により、載置台のＸ、Ｙ方向の移動とＺ方向の移動のいずれを先に実行するかを選択することから、試験片の表面が水平面に対して大きな交差角を有している場合においても、試験片と圧子とが衝突することを未然に防止することが可能となる。

この発明に係る硬さ試験機の概要図である。載置台１２を昇降する昇降機構の概要図である。レボルバ２０に支持された対物レンズ等の配置を示す説明図である。圧子１９および圧子２１に対して試験力を付与するための負荷機構と、試験片１００に形成された圧痕を観察するための光学系の概要図である。圧子２１により試験片１００に圧痕を形成する様子を模式的に示す説明図である。試験片１００に形成された圧痕を示す平面図である。この発明に係る硬さ試験機の主要な制御系を示すブロック図である。この発明に係る硬さ試験機における硬さ試験方法のフローチャートである。試験片１００の表面の方程式の演算方法を示す説明図である。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係る硬さ試験機の概要図である。また、図２は、載置台１２を昇降するための昇降機構の概要図である。

この硬さ試験機は、テーブル１１と、このテーブル１１上に配置され試験片１００を載置する載置台１２とを備える。載置台１２は、試験片１００をＸ方向（図１における左右方向）およびＹ方向（図１における紙面に垂直な方向）に移動させるためのものである。この載置台１２には、試験片１００をＸ方向に移動させるためのモータ１３と、試験片１００をＹ方向に移動させるためのモータ１４とが付設されている。また、載置台１２は、図２に示す昇降機構の作用により、上下方向（Ｚ方向）に昇降する構成となっている。すなわち、載置台１２を支持する支持部５１は、その側面にラック５３が形成された昇降部材５２により支持されている。この昇降部材５２におけるラック５３は、モータ１５の駆動により回転するピニオン５４と噛合している。このため、載置台１２は、モータ１５の駆動により昇降する。

また、この硬さ試験機は、試験片１００を目視により観察するための接眼レンズ１６と、試験片１００を撮影するためのカメラ１７と、圧子２１および対物レンズ２３、２４等を支持して回転するレボルバ２０とを備える。このレボルバ２０は、つまみ２６を操作することにより、あるいは、後述するモータ３０の駆動により、鉛直方向を向く軸を中心に回転する。また、この硬さ試験機は、入力部および表示部としても機能するタッチパネル式の液晶表示部５９を備える。

図３は、レボルバ２０に支持された対物レンズ等の配置を示す説明図である。

レボルバ２０には、載置台１２上に載置された試験片１００に押し込まれる一対の圧子１９、２１と、５倍の対物レンズ２２、１０倍の対物レンズ２３、４０倍の対物レンズ２４および１００倍の対物レンズ２５とが配設されている。これらの圧子１９、２１および対物レンズ２２、２３、２４、２５は、レボルバ２０の回転中心を中心とした円上に配置されている。なお、対物レンズ２２、２３、２４、２５の倍率および配設個数はこれに限定されるものではない。

再度、図１を参照して、この材料試験機は、試験片１００の表面の像を表示するためのＣＲＴ等の表示部５５と、各種のデータを入力するための入力手段として機能するキーボード５７およびマウス５８と、本体５６とから構成されるコンピュータ５０と接続されている。

図４は、圧子１９および圧子２１に対して試験力を付与するための負荷機構と、試験片１００に形成された圧痕を観察するための光学系の概要図である。なお、図４は、図３において一点鎖線で示す位置における断面を示している。

この硬さ試験機は、圧子１９、２１の先端を試験片１００に対して押し込むための試験力を圧子１９、２１に対して付与する負荷機構と、載置台１２上に載置された試験片１００を照明するとともに圧痕を観察するための光学系とを備える。

図４に示すように、レボルバ２０は、軸筒２７がベアリング２９を介して回転軸２８に接続されており、つまみ２６を操作することにより、あるいは、後述するモータ３０の駆動により、鉛直方向を向く回転軸２８を中心に回転する。図４においては、レボルバ２０の回転により負荷伝達軸３６を介して圧子２１に試験力が与えられる場合、すなわち、圧子２１が図１に示す試験片１００と対向する位置に配置されている場合を示している。圧子１９に対して試験力を付与する場合には、圧子１９が、図４に示す圧子２１の位置に配置される。

負荷機構は、水平方向を向く軸３１を中心に揺動可能なレバー３２を備える。レバー３２の一端には、中空の押圧部３５が配設されている。この押圧部３５は、レバー３２の揺動に伴って、圧子２１に連結した負荷伝達軸３６の端部に付設された当接部３７を押圧する構成となっている。また、レバー３２の他端には、永久磁石３３が付設されている。この永久磁石３３の外部には、電磁コイル３４が配設されている。この永久磁石３３と電磁コイル３４とにより、ボイスコイルモータが構成される。このボイスコイルモータは、電磁式の負荷機構となり、電磁コイル３４に流れる電流を制御することにより、負荷伝達軸３６の先端に配設された圧子２１による試験片１００への試験力を制御することが可能となる。

なお、この実施形態においては、この時の試験力を、例えば、２ｋｇｆ、１ｋｇｆ、０．５ｋｇｆ、０．３ｋｇｆ、０．２ｋｇｆ、０．１ｋｇｆ、０．０５ｋｇｆ、０．０２５ｋｇｆ、０．０１ｋｇｆと、段階的に変化させることができる構成となっている。

負荷伝達軸３６は、上下の板バネ６１を支持部材６２を介してレボルバ２０の軸筒２７に固定したロバーバル構造により支持されており、負荷機構により与えられた試験力に応じて昇降可能となっている。負荷伝達軸３６には、この負荷伝達軸３６の移動量を検出する差動トランス式の変位検出器６０が接続されている。この変位検出器６０は、支持部材６３を介してレボルバ２０の軸筒２７に接続され、レボルバ２０の回転により負荷伝達軸３６と同期して移動する。なお、この変位検出器６０は、試験片１００の表面の検出に使用される。すなわち、圧子２１を極めて小さい力で下降させたときの移動量を常に検出し、圧子２１の移動が停止したときに圧子２１が試験片１００の表面と当接したと判断している。

光学系は、ＬＥＤ光源４１と、ＬＥＤ光源４１からの光を水平方向に導く光筒４２と、試験片１００を上から照明するために光筒４２により導かれた光を押圧部３５の中空部に導光するとともに、試験片１００の表面からの反射光をカメラ１７側に透過させるハーフミラー４３と、ハーフミラー４３を透過した試験片１００の表面からの反射光を接眼レンズ１６およびカメラ１７に分割するハーフミラー４４とを備える。対物レンズ２２が図４における負荷伝達軸３６の位置、すなわち試験片１００に形成された圧痕の観察位置に配置された場合には、試験片１００の表面からの反射光が、押圧部３５の中空部、対物レンズ２２、ハーフミラー４３、４４を介して、接眼レンズ１６およびカメラ１７に入射する。これにより、接眼レンズ１６により試験片１００の拡大像を観察することができるとともに、カメラ１７により撮影した拡大像をコンピュータ５０における表示部５５に表示することができる。その他の対物レンズ２３、２４、２５が圧痕の観察位置に配置された場合も、対物レンズ２２による場合と同様である。

図５は、圧子２１により試験片１００に圧痕を形成する様子を模式的に示す説明図であり、図６は、試験片１００に形成された圧痕を示す平面図である。

一対の圧子１９、２１のうち、圧子２１は、硬さ試験としてのビッカース硬さ試験を実行するためのものであり、その先端は四角錐形状となっている。この圧子２１は、図５に示すように、図４に示す負荷機構の作用により試験片１００の表面に深さｈだけ押し込まれる。次に、その試験力を解除し、図１に示すレボルバ２０を回転させて所望の倍率の対物レンズを試験片１００と対向する位置に移動させる。そして、対物レンズおよびカメラ１７を介して得られた試験片１００の表面に形成された圧痕（くぼみ）の画像から、圧痕の対角線長さｄ［ｄ＝（ｄｘ＋ｄｙ）／２］を測定する（図６参照）。ビッカース硬さは、試験力を、底面が正方形で頂点の角度が圧子２１と同じ角錐であると仮定したくぼみの表面積で割って得られる値に比例する。そして、圧痕の対角線長さｄ（ｍｍ：ミリメートル）から求められたくぼみの表面積と試験力から、ビッカース硬さが算出される。

ここで、試験力をＦ（Ｎ：ニュートン）とした場合に、ビッカース硬さＨＶは、下記の式で表される。

ＨＶ＝０．１８９１（Ｆ／ｄ^２）
なお、一対の圧子１９、２１のうち、他方の圧子１９としては、例えば、ヌープ硬さ試験に使用される菱形のピラミッド型の圧子が使用される。

図７は、この発明に係る硬さ試験機の主要な制御系を示すブロック図である。

この硬さ試験機は、装置全体を制御する制御部８０を備える。この制御部８０は、後述するように、載置台１２をＺ方向に移動させることによりカメラ１７により撮影した試験片１００の画像の焦点合わせを行う焦点合わせ部８２と、載置台１２上に載置された試験片１００の表面における互いに異なる３点の位置で焦点合わせを行うことにより得た３点の位置のＺ座標値に基づいて、試験片１００の表面の方程式を演算する方程式演算部８３と、この試験片１００の表面の方程式に基づいて、試験片１００における試験位置のＸ、Ｙ座標位置から、その位置における試験片１００の表面のＺ座標位置を演算するＺ座標演算部８４とを備える。

また、この制御部８０は、上述したカメラ１７、液晶表示部５９、ＬＥＤ光源４１、変位検出器６０、電磁コイル３４、コンピュータ５０、レボルバ２０を回転させるためのモータ３０および載置台１２をＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動させるためのモータ１３、１４、１５と接続されている。さらに、この制御部８０は、方程式演算部８３により演算した試験片１００の表面の方程式を記憶する記憶部８１とも接続されている。

なお、上述した焦点合わせ部８２は、試験片１００を載置台１２とともにＺ方向に移動させ、そのときにカメラ１７により撮影した試験片１００の表面の画像を画像処理することにより、合焦点となる試験片１００の表面の位置を認識するものである。この焦点合わせ部８２は、最初に試験片１００を高速広範囲でＺ方向に移動させて焦点の粗位置合わせをした後、試験片１００を低速狭範囲で移動させて焦点の精密位置合わせを行う構成を有している。これにより、高速かつ高精度に焦点合わせを実行することが可能となる。

次に、以上のような構成を有する硬さ試験機を使用して、硬さ試験を行う場合の動作について説明する。図８は、この発明に係る硬さ試験機における硬さ試験方法のフローチャートである。

硬さ試験を行う場合には、最初に、載置台１２上に試験片１００を載置する。そして、焦点合わせ部８２の作用により載置台１２上に載置された試験片１００の表面における互いに異なる３点の位置で焦点合わせを行うことにより、これらの３点の位置のＺ座標値を測定する（ステップＳ１）。このときには、対物レンズ２２、２３、２４、２５のいずれかを試験片１００と対向する位置に配置する。そして、載置台１２をＸ、Ｙ方向に移動させて３点の測定点のうちのいずれかを対物レンズ２２、２３、２４、２５と対向する位置に配置する。しかる後、載置台１２をＺ方向に移動させてカメラ１７により撮影した試験片１００の画像の焦点が合う位置に試験片１００の表面を配置することにより、焦点合わせを行う。この焦点合わせは、焦点合わせ部８２の作用により実行される。そして、そのときのＺ座標値が記憶部８１に記憶される。この動作は、測定点を変更して、合計３回実行される。

次に、座標測定工程（ステップＳ１）で求めた３点の位置のＺ座標値に基づいて、試験片１００の表面の方程式を演算する（ステップＳ２）。

図９は、試験片１００の表面の方程式の演算方法を示す説明図である。

この図に示すように、座標測定工程で求めた３点の測定点Ａ、Ｂ、Ｃの座標がＡ（Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ）、Ｂ（Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚ）、Ｃ（Ｃｘ，Ｃｙ，Ｃｚ）であったとする。また、このときの試験片１００の表面の方程式が下記の式（１）で表され、ベクトルＡＢとベクトルＡＣの外積が下記の式（２）で表されるものとする。

ａｘ＋ｂｙ＋ｃｚ＋ｄ＝０・・・（１）
ベクトルＡＢ×ベクトルＡＣ＝（ａ，ｂ，ｃ）・・・（２）
このときには、ベクトルＡＢおよびベクトルＡＣは、下記の式（３）および式（４）で表される。

ベクトルＡＢ＝（Ｂｘ−Ａｘ，Ｂｙ−Ａｙ，Ｂｚ−Ａｚ）・・・（３）
ベクトルＡＣ＝（Ｃｘ−Ａｘ，Ｃｙ−Ａｙ，Ｃｚ−Ａｚ）・・・（４）
従って、上記ａ、ｂ、ｃ、ｄは、以下の式（５）、式（６）、式（７）、式（８）のとおりとなる。

ａ＝（Ｂｙ−Ａｙ）（Ｃｚ−Ａｚ）−（Ｃｙ−Ａｙ）（Ｂｚ−Ａｚ）・・・（５）
ｂ＝（Ｂｚ−Ａｚ）（ｃｘ−Ａｘ）−（Ｃｚ−Ａｚ）（Ｂｘ−Ａｘ）・・・（６）
ｃ＝（Ｂｘ−Ａｘ）（Ｃｙ−Ａｙ）−（Ｃｘ−Ａｘ）（Ｂｙ−Ａｙ）・・・（７）
ｄ＝−（ａＡｘ＋ｂＡｙ＋ｃＡｚ）・・・（８）
これにより、試験片１００の表面の方程式を特定することが可能となる。この方程式は、記憶部８１に記憶される（ステップＳ３）。なお、この方程式に基づいて、試験片１００における試験位置のＸ、Ｙ座標が設定された場合には、その試験位置のＺ座標は、下記の式（９）により表されることになる。

Ｚ＝−（ａｘ＋ｂｙ＋ｄ）／ｃ・・・（９）
この状態で試験片１００における試験位置のＸ座標およびＹ座標が入力されるのを待つ（ステップＳ４）。この場合、異なる試験位置において複数回の硬さ試験を実行する場合には、複数の試験位置が予め記憶部８１に記憶されており、この試験位置のＸ座標およびＹ座標が制御部８０により読み出される。

試験片１００における試験位置のＸ座標およびＹ座標が入力されれば、このＸ座標値およびＹ座標値が上記の式（９）に入力され、その試験位置における試験片１００の表面のＺ座標値が演算される（ステップＳ５）。

次に、モータ１５の駆動により載置台１２を試験片１００とともにＺ方向に移動させ、試験片１００の表面を先に演算したＺ座標値の高さに配置するとともに、モータ１３およびモータ１４の駆動により、載置台１２を試験片１００とともにＸ方向およびＹ方向に移動させ、試験片１００における試験位置を圧子１９または圧子２１と対向する位置に配置する。なお、このときには、モータ３０の駆動によりレボルバ２０が回転し、対物レンズ２２、２３、２４、２５のいずれかにかえて圧子１９または圧子２１が、予め、試験片１００における試験位置と対向し得る位置に配置されている。

この場合においては、試験片１００の表面のＺ方向の移動が圧子１９または圧子２１に近接する方向の移動であるのか離隔する方向の移動であるのかにより、Ｚ方向の移動とＸ、Ｙ方向の移動とのいずれを先に実行するかが異なる。

すなわち、試験片１００の表面を圧子１９または圧子２１から離隔する方向に移動させる必要がある場合においては（ステップＳ６）、最初に試験片１００を載置台１２とともにＺ方向に移動させた後（ステップＳ７１）、Ｘ、Ｙ方向に移動させる（ステップＳ７２）。一方、試験片１００の表面を圧子１９または圧子２１に近接する方向に移動させる必要がある場合においては（ステップＳ６）、最初に試験片１００を載置台１２とともにＸ、Ｙ方向に移動させた後（ステップＳ７３）、Ｚ方向に移動させる（ステップＳ７４）。

これにより、試験片１００の表面と圧子１９または圧子２１とが衝突することを防止することが可能となる。すなわち、試験片１００の表面が水平面に対して大きな交差角を有している場合においては、載置台１２を試験片１００とともにＸ、Ｙ方向に移動させたときに、圧子１９または圧子２１の下端部と試験片１００の表面とが衝突する可能性がある。しかしながら、この硬さ試験機においては、試験片１００がＺ方向に移動するときの移動方向に応じて,試験片１００を先にＺ方向に移動させるか、Ｘ、Ｙ方向に移動させるかを選択することができることから、試験片１００の表面が水平面に対して大きな交差角を有している場合においても、試験片１００と圧子１９または圧子２１とが衝突することを未然に防止することが可能となる。

そして、このような構成を採用することに起因して、試験片１００における試験位置の表面のＺ座標位置を一定にすることができることから、圧子１９または圧子２１を確実に試験片１００に押しつけることが可能となる。すなわち、試験片１００の表面が水平面に対して大きな交差角を有している場合においては、圧子１９または圧子２１を下降させても、そのストロークが小さな場合には、圧子１９または圧子２１の先端が試験片１００の表面に到達しない可能性もある。しかしながら、この硬さ試験機においては、試験片１００における試験位置の表面のＺ座標位置を一定にすることができることから、試験片１００の表面が水平面に対して大きな交差角を有している場合においても、圧子１９または圧子２１を確実に試験片１００に押しつけることが可能となる。

試験片１００の移動が完了すれば、図４に示す負荷機構の作用により、圧子１９または圧子２１をＺ方向に移動させ、圧子１９または圧子２１を試験片１００に押しつける。これにより、試験片１００の表面に圧痕が形成される（ステップＳ８）。

そして、カメラ１７により試験片１００の表面に形成された圧痕を撮影する（ステップＳ９）。このときには、試験片１００の表面のＺ軸座標値は、既に合焦点位置と一致していることから、焦点合わせ動作を実行することなく、圧痕を撮影することが可能となる。これにより、硬さ試験を効率的に実行することができる。

但し、焦点をより高精度に合わせるために、再度、焦点合わせ動作を実行するようにしてもよい。この場合においても、試験片１００の表面のＺ軸座標値を合焦点位置に合わせていることから、試験片１００のＺ軸方向の移動量は極めて小さなものとなり、焦点合わせ動作を短時間で完了することができる。このときには、上述した試験片１００を高速広範囲でＺ方向に移動させて焦点の粗位置合わせを行う動作と、試験片１００を低速狭範囲で移動させて焦点の精密位置合わせを行う動作のうち、精密位置合わせ動作のみを実行すればよい。

試験片１００の表面に形成された圧痕の撮影が完了すれば、この圧痕のサイズを測定することにより、試験片１００の硬さを演算する（ステップＳ１０）。

１１テーブル
１２載置台
１３モータ
１４モータ
１５モータ
１６接眼レンズ
１７カメラ
１９圧子
２０レボルバ
２１圧子
２２対物レンズ
２３対物レンズ
２４対物レンズ
２５対物レンズ
２６つまみ
２７軸筒
２８回転軸
２９ベアリング
３０モータ
３１軸
３２レバー
３３永久磁石
３４電磁コイル
３５押圧部
３６負荷伝達軸
４１ＬＥＤ光源
４２光筒
４３ハーフミラー
４４ハーフミラー
５０コンピュータ
５３ラック
５４ピニオン
５５表示部
５６本体
５７キーボード
５８マウス
５９液晶表示部
６０変位検出器
６１板バネ
６２支持部材
６３支持部材
８０制御部
８１記憶部
８２焦点合わせ部
８３方程式演算部
８４Ｚ座標演算部
１００試験片

Claims

試験片を載置する載置台と、前記載置台を互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動させる移動機構と、前記試験片の表面に圧痕を形成するための圧子と、前記試験片における試験位置と対向する位置において前記圧子をＺ方向に移動させることにより前記圧子を前記試験片に押しつける負荷機構と、前記試験片の表面に形成された圧痕を撮影するための撮影機構と、前記載置台をＺ方向に移動させることにより前記撮影機構により撮影した試験片の画像の焦点合わせを行う焦点合わせ部と、を備えた硬さ試験機において、
前記載置台上に載置された試験片の表面における互いに異なる３点の位置で焦点合わせを行うことにより得た３点の位置のＺ座標値に基づいて、前記試験片の表面の方程式を演算する方程式演算部と、
前記方程式演算部により演算した試験片の表面の方程式を記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶した試験片の表面の方程式に基づいて、前記試験片における試験位置のＸ、Ｙ座標位置から、その位置における前記試験片の表面のＺ座標位置を演算するＺ座標演算部と、
を備え、
前記移動機構は、Ｚ座標演算部により演算した前記試験片の表面のＺ座標位置に基づいて、前記載置台をＺ方向に移動させることを特徴とする硬さ試験機。
請求項１に記載の硬さ試験機において、
前記移動機構は前記載置台をＸ、Ｙ方向に移動させて前記試験片における試験位置を前記圧子と対向する位置に配置するときに、前記載置台をＺ方向に移動させることにより、前記試験片における試験位置の表面を、前記撮影機構により撮影する試験片の画像の合焦点位置に配置する硬さ試験機。
請求項２に記載の硬さ試験機において、
前記移動機構は、前記載置台のＺ方向への移動が、前記試験片の表面が前記圧子と離隔する方向である場合には、前記載置台をＺ方向に移動させた後にＸ、Ｙ方向に移動させ、前記載置台のＺ方向への移動が、前記試験片の表面が前記圧子に近接する方向である場合には、前記載置台をＸ、Ｙ方向に移動させた後にＺ方向に移動させる硬さ試験機。
試験片を載置する載置台と、前記載置台を互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動させる移動機構と、前記試験片の表面に圧痕を形成するための圧子と、前記試験片における試験位置と対向する位置において前記圧子をＺ方向に移動させることにより前記圧子を前記試験片に押しつける負荷機構と、前記試験片の表面に形成された圧痕を撮影するための撮影機構と、前記載置台をＺ方向に移動させることにより前記撮影機構により撮影した試験片の画像の焦点合わせを行う焦点合わせ部と、を備えた硬さ試験機における硬さ試験方法において、
前記載置台上に載置された試験片の表面における互いに異なる３点の位置で焦点合わせを行うことにより、前記３点の位置のＺ座標値を測定する座標値測定工程と、
前記３点の位置のＺ座標値に基づいて、前記試験片の表面の方程式を演算する方程式演算工程と、
前記方程式演算工程において演算した試験片の表面の方程式を記憶する方程式記憶工程と、
前記方程式記憶工程において記憶した試験片の表面の方程式に基づいて、前記試験片における試験位置のＸ、Ｙ座標位置から、その位置における前記試験片の表面のＺ座標位置を演算するＺ座標演算工程と、
前記移動機構により、Ｚ座標演算部により演算した前記試験片の表面のＺ座標位置に基づいて前記載置台をＺ方向に移動させることにより、試験片における試験位置の表面のＺ座標位置を、前記撮影機構により撮影する試験片の画像の合焦点位置に配置するとともに、前記載置台をＸ、Ｙ方向に移動させることにより、前記試験片における試験位置を前記圧子と対向する位置に配置する移動工程と、
前記圧子をＺ方向に移動させることにより前記圧子を前記試験片に押しつける圧痕形成工程と、
前記撮影機構により前記試験片の表面に形成された圧痕を撮影するための圧痕撮影工程と、
を備えたことを特徴とする硬さ試験機における硬さ試験方法。
請求項４に記載の硬さ試験機において、
前記移動工程においては、前記載置台のＺ方向への移動が、前記試験片の表面が前記圧子と離隔する方向である場合には、前記載置台をＸ、Ｙ方向に移動させて前記試験片における試験位置を前記圧子と対向する位置に配置する前に、前記載置台をＺ方向に移動させて前記試験片における試験位置の表面のＺ座標位置を前記撮影機構により撮影する試験片の画像の合焦点位置に移動させ、前記載置台のＺ方向への移動が、前記試験片の表面が前記圧子に近接する方向である場合には、前記載置台をＸ、Ｙ方向に移動させて前記試験片における試験位置を前記圧子と対向する位置に配置した後に、前記載置台をＺ方向に移動させて前記試験片における試験位置の表面のＺ座標位置を前記撮影機構により撮影する試験片の画像の合焦点位置に移動させる硬さ試験機における硬さ試験方法。