JP2014157050A - 硬さ試験機、及び定圧ユニット機構 - Google Patents

Abstract

【課題】計装化押込み試験を含む試験方法の異なる硬さ試験を行うことができ、且つ安価である硬さ試験機、及び当該硬さ試験機に備えられる定圧ユニット機構を提供する。
【解決手段】圧子４ａの侵入量に基づいて硬さを算出する手段（ＣＰＵ６１）と、くぼみの寸法に基づいて硬さを算出する手段（ＣＰＵ６１）と、圧子４ａの侵入量を検出する際の基準面を有する押込み深さ測定基準部７１と、基準面に試料Ｓを定圧で押し付ける定圧ユニット１０と、定圧ユニット１０を上下方向に移動させるステージ昇降部９と、を備える。定圧ユニット１０は、試料台１１の上方への移動を規制する上規制部１２ａを有し、試料台１１を上下方向に移動可能に支持する定圧ユニットケース１２と、試料Ｓ及び試料台１１を上方に付勢する押さえばね１４と、を備え、基準面に試料Ｓが押し付けられた際に、試料台１１と上規制部１２ａとの間に隙間が生じるように形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、硬さ試験機、及び当該硬さ試験機に備えられる定圧ユニット機構に関する。

従来、圧子を用いて試料の表面に試験力を負荷し、くぼみを形成させることによって試料の硬さを測定する硬さ試験機が知られている。
上記のような硬さ試験機として、所定の試験力で圧子を試料に押し付ける際に、圧子が試料に押し込まれて侵入する深さ（圧子が試料に形成するくぼみの深さ）を計測し、当該計測された押込み深さに基づいて硬さを算出するロックウェル硬さ試験機が知られている。
また、所定の試験力で圧子を試料に押し付けて形成したくぼみの対角線の長さを計測し、当該計測された対角線の長さに基づいて硬さを算出するビッカース硬さ試験機が知られている。

また、試験方法が異なる硬さ試験、即ち、押込み深さに基づいて硬さを算出する試験（例えば、ロックウェル硬さ試験）とくぼみの寸法に基づいて硬さを算出する試験（例えば、ビッカース硬さ試験）との両方を１台で行うことができる硬さ試験機が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
また、押込み深さに基づいて硬さを算出する試験であり、ＩＳＯ１４５７７に規定されている計装化押込み試験を精度よく行うことができる硬さ試験機が知られている（例えば、特許文献３参照）。

特許第３９４３４９１号公報 特許第３８７５６３９号公報 特許第５０１７０８１号公報

しかしながら、上記した３つの試験を１台で行うことができる硬さ試験機は実現されていない。上記特許文献１、２記載の硬さ試験機において計装化押込み試験を行う場合、機枠ひずみや、機枠及び試料の温度ドリフトの影響を強く受けるため、精度よく試験を行うことができないという問題点がある。
一方、上記特許文献３記載の硬さ試験機において、形成されたくぼみの寸法を測定する装置を取り付けることで、計装化押込み試験を含む試験方法の異なる硬さ試験（例えば、計装化押込み試験とビッカース硬さ試験）を行うことはできるが、高価であるという問題点がある。

本発明は、計装化押込み試験を含む試験方法の異なる硬さ試験を行うことができ、且つ安価である硬さ試験機、及び当該硬さ試験機に備えられる定圧ユニット機構を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、
圧子と、
前記圧子に試験力を負荷し、前記圧子を試料の表面に押し込む試験力負荷手段と、
前記試験力負荷手段により前記試料の表面に押し込まれた前記圧子の侵入量を検出する侵入量検出手段と、
前記試験力負荷手段により前記圧子が前記試料の表面に押し込まれて形成されたくぼみの寸法を検出するくぼみ寸法検出手段と、
前記侵入量検出手段により検出された前記圧子の侵入量に基づいて前記試料の硬さを算出する第１の硬さ算出手段と、
前記くぼみ寸法検出手段により検出された前記くぼみの寸法に基づいて前記試料の硬さを算出する第２の硬さ算出手段と、
前記侵入量検出手段が前記圧子の侵入量を検出する際の基準面を有する基準部と、
前記試料を保持可能な試料保持部を有し、前記基準部の基準面に前記試料又は前記試料保持部を定圧で押し付ける定圧ユニットと、
前記定圧ユニットを上下方向に移動させる上下装置と、を備え、
前記定圧ユニットは、
前記試料保持部の上方への移動を規制する上規制部を有し、前記試料保持部を上下方向に移動可能に支持する支持部と、
前記試料及び前記試料保持部を上方に付勢する弾性部材と、を備えるとともに、
前記上下装置により上方に移動されて前記基準部の基準面に前記試料又は前記試料保持部が押し付けられた際に、前記試料保持部と前記上規制部との間に上下方向の隙間が生じるように形成されてい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、
前記試料保持部は、上面に前記試料を載置可能であり、
前記弾性部材は、前記試料保持部を下面側から付勢し、
前記基準部の基準面に前記試料が定圧で押し付けられることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の硬さ試験機において、
前記試料保持部は、
前記試料を上下方向に移動可能に収納する収納部と、
前記収納部の上端に設けられ、前記試料の上方への移動を規制する試料規制部と、を有し、
前記弾性部材は、前記試料を下面側から付勢し、
前記基準部の基準面に前記試料が定圧で押し付けられることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の硬さ試験機において、
前記試料保持部は、
前記試料を上下方向に移動可能に収納する収納部と、
前記収納部の上端に設けられ、前記試料の上方への移動を規制する試料規制部と、を有し、
前記弾性部材は、前記試料を下面側から付勢し、
前記基準部の基準面に前記試料規制部が定圧で押し付けられることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の硬さ試験機において、
前記試料保持部は、上面に前記試料を載置可能であり、
前記弾性部材は、前記試料保持部を側方から支持して上方に付勢し、
前記基準部の基準面に前記試料が定圧で押し付けられることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、定圧ユニット機構において、
圧子の侵入量を検出する際の基準面を有する基準部と、
試料を保持可能な試料保持部を有し、前記基準部の基準面に前記試料又は前記試料保持部を定圧で押し付ける定圧ユニットと、を備え、
前記定圧ユニットは、
前記試料保持部の上方への移動を規制する上規制部を有し、前記試料保持部を上下方向に移動可能に支持する支持部と、
前記試料及び前記試料保持部を上方に付勢する弾性部材と、を備えるとともに、
前記基準部の基準面に前記試料又は前記試料保持部が押し付けられた際に、前記試料保持部と前記上規制部との間に上下方向の隙間が生じるように形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、くぼみの寸法に基づいて硬さを算出する試験を行うことができる。また、押込み試験時に、試料又は試料保持部は基準部の基準面に押し付けられ、押込み深さ測定の基準が試料の表面となるので、機枠ひずみや機枠ひずみの非線形性、機枠のヒステリシスの影響を排除することができる。また、押込み試験時は、試料保持部と支持部の上規制部との間に隙間があり、弾性部材の剛性は試験機本体や基準部より十分小さいので、試料、試料保持部、試験機本体などの力の経路に関わる部分が温度変動により伸縮した場合であっても、基準部の基準面に試料を押し付ける力が定圧となり、押込み深さ測定の安定性を保つことができる。従って、計装化押込み試験を含む試験方法の異なる硬さ試験を行うことができ、且つ安価である硬さ試験機を提供することができる。

本発明に係る硬さ試験機の全体構成を示す右側面図である。 ターレットを回転させて試料の上方に対物レンズを配置させた一例を示す右側面図である。 本発明に係る硬さ試験機の制御構造を示すブロック図である。 押込み深さ測定基準部に試料を押し当てた一例を示す右側面図である。 定圧ユニットの一変形例を示す右側面図である。 押込み深さ測定基準部の一変形例を示す右側面図である。 定圧ユニットの一変形例を示す右側面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の説明において、図中のＸ方向を左右方向とし、Ｙ方向を前後方向とし、Ｚ方向を上下方向とする。また、Ｘ−Ｙ面を水平面とする。

硬さ試験機１は、例えば、圧子４ａの平面形状が矩形状に形成されたビッカース硬さ試験機であり、図１〜図４に示すように、荷重アーム２と、試験力発生部３と、先端部に圧子４ａを備える圧子軸４と、対物レンズ５と、ターレット６と、圧子軸変位検出部７と、試料ステージ８と、ステージ昇降部９と、定圧ユニット１０と、撮像部２０と、等を備えて構成されている。なお、硬さ試験機１では、図３に示す制御部１００により、各部の動作制御が行われる。

荷重アーム２は、前端部が回動軸２１により硬さ試験機１の試験機本体１ａに回動自在に軸支されている。荷重アーム２の下面側には、コイルばね等の弾性部材により弾性支持される荷重軸２２が備えられている。
また、荷重アーム２の後端部には、荷重アーム２を作動させる電磁力を発生させる第１フォースモータ３１が接続されている。荷重アーム２は、第１フォースモータ３１の動作に伴い、回動軸２１を中心として時計回り下方向に回動する。そして、この荷重アーム２の下方向への回動に伴って、荷重軸２２を介して圧子軸４に所定の荷重が作用し、圧子軸４は軸下方向に移動する。そして、圧子軸４の先端部に備えられた圧子４ａが、試料Ｓに対して所定の試験力で押し付けられる。
即ち、荷重アーム２は、圧子４ａに所定の試験力を伝達する機能を有する。

試験力発生部３は、荷重アーム２の後端部に設けられ、荷重アーム２を電磁力により回動させて圧子４ａに所定の試験力（第１の試験力）を負荷する第１フォースモータ３１と、圧子軸４の上端部に設けられ、圧子軸４を電磁力により軸下方向に移動させて圧子４ａに所定の試験力（第１の試験力よりも小さい第２の試験力）を負荷する第２フォースモータ３２と、を備えて構成される。
第１フォースモータ３１及び第２フォースモータ３２は、例えば、フォースコイルと、フォースコイルに対向するように固定された固定磁石と、等を備えて構成されている。第１フォースモータ３１及び第２フォースモータ３２は、制御部１００から入力される制御信号に従って、固定磁石がギャップにつくる磁界と、ギャップの中に設置されたフォースコイルに流れる電流と、の電磁誘導により発生する力（電磁力）を発生させる。
そして、第１フォースモータ３１は、発生させた電磁力により荷重アーム２を回動させて圧子４ａに試験力を負荷し、圧子４ａを試料Ｓの表面に押し込む。即ち、第１フォースモータ３１は、本発明の試験力負荷手段として機能する。

圧子軸４は、試験力発生部３の動作により、下方に設けられた試料台１１上に載置された試料Ｓに向けて移動され、先端部に備えた圧子４ａを試料Ｓの表面に所定の試験力で押し付ける。圧子４ａが試料Ｓを所定の試験力で押圧することにより、試料Ｓの表面にくぼみが形成される。
圧子４ａは、例えば、ビッカース用の四角錐圧子（対面角が１３６±０．５°）や、計装化押込み試験用の圧子などを使用することができ、使用目的に応じて適宜交換することができる。

対物レンズ５は、撮像部２０に付随するレンズ部であり、ターレット６の下面に保持されている。対物レンズ５は、図２に示すように、ターレット６（ターレット本体６１）を回転させて対物レンズ５を撮像部２０に対応する配置に切り替えた際に、撮像部２０による試料Ｓの撮像を可能とする。

ターレット６は、下面に圧子軸４及び対物レンズ５を取り付け可能に構成され、回転軸６ａにより試験機本体１ａに回転自在に軸支されている。なお、圧子軸４は、圧子軸保持部４１を介してターレット６に取り付けられるようになっている。そして、ターレット６が、回転軸６ａを中心に回転することによって、圧子軸４及び対物レンズ５の何れか一つを試料Ｓの上方に配置可能なように構成されている。即ち、例えば、圧子軸４を試料Ｓの上方に配置することで試料Ｓの表面にくぼみを形成することができ、対物レンズ５を試料Ｓの上方に配置することで形成されたくぼみを観察することができるようになっている。

圧子軸保持部４１は、圧子軸ベース４１ａと、圧子軸４に沿うように圧子軸ベース４１ａ上に備えられた圧子軸ガイド４１ｂと、圧子軸ガイド４１ｂから水平方向に延出する板ばね４１ｃと、を備えて構成されている。圧子軸４は、板ばね４１ｃにより弾性支持され、試料台１１の試料Ｓの載置面、特に、試料台１１上に載置された試料Ｓの表面（上面）に対して垂直となるように備えられている。また、圧子軸ベース４１ａの下面には、圧子軸変位検出部７が圧子４ａの侵入量を検出する際の基準面を有する基準部としての押込み深さ測定基準部７１が取り付けられている。
そして、図１に示すように、ターレット６（ターレット本体６１）を回転させて圧子軸４を荷重軸２２に対応する配置に切り替えることにより、荷重アーム２の回動に伴い荷重軸２２が下方へ移動する動作の作用力を圧子軸４に伝達することが可能となる。これにより、圧子４ａを試料Ｓに押し当て、押し込むことが可能となる。

また、圧子軸ベース４１ａ上には、圧子軸４の変位量を検出する圧子軸変位検出部７が備えられている。
圧子軸変位検出部７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４ａが試料Ｓに押し込まれる際の圧子軸４の変位量（即ち、試料Ｓに押し込まれた圧子４ａの侵入量（押込み深さ））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制御部１００に出力する。
即ち、圧子軸変位検出部７は、試料Ｓの表面に押し込まれた圧子４ａの侵入量を検出する侵入量検出手段として機能する。

押込み深さ測定基準部７１は、圧子軸ベース４１ａの下面に取り付けられており、圧子軸４の先端部に備えられた圧子４ａの先端部の上下方向の位置基準となる部材である。また、押込み深さ測定基準部７１は、中央部に圧子４ａを挿通可能な孔部７１ａを備え、底面視においてドーナツ円形状を有している。また、押込み深さ測定基準部７１の下面の孔部７１ａ近傍には、下方に向けて突出した試料表面接触部７１ｂが備えられている。この試料表面接触部７１ｂの下面は、圧子軸４に垂直な面（水平面）となるように形成されている。そして、この試料表面接触部７１ｂの下面が試料Ｓの表面に当接した状態で押込み試験を行うことで、当該試料表面接触部７１ｂの下面（試料Ｓの表面）を基準面として圧子軸変位検出部７により圧子４ａの侵入量を検出することができる。
なお、押込み深さ測定基準部７１は、圧子４ａの交換時やビッカース硬さ試験を行うとき等に取り外すことができるように、ねじ等により着脱可能に取り付けられている。

試料ステージ８は、ターレット６に対向するように配置され、上面に定圧ユニット１０を載置可能に構成されている。試料ステージ８は、例えば、水平面上を移動可能なＸＹステージであり、制御部１００が出力する制御信号に応じて駆動する駆動機構部（図示省略）により駆動され、定圧ユニット１０を圧子４ａの移動方向（上下方向）に垂直な方向（水平方向）に移動させる。なお、本実施形態では、例えば、ビッカース硬さ試験を行う際には、試料ステージ８上に定圧ユニット１０を載置せず、試料ステージ８上に試料Ｓを直接載置することもある。
ステージ昇降部（上下装置）９は、試料ステージ８の下面側に設けられ、制御部１００が出力する制御信号に応じて駆動され、試料ステージ８及び定圧ユニット１０を上下方向に移動させる。

定圧ユニット１０は、試料Ｓを保持可能な試料保持部としての試料台１１と、試料台１１を上下方向に移動可能に支持する試料保持部支持部としての定圧ユニットケース１２と、試料台ガイド１３と、試料Ｓを上方に付勢する弾性部材としての押さえばね１４と、を備えて構成されている。
試料台１１は、略角柱状の部材により形成され、上面に試料Ｓを載置することができるようになっている。また、試料台１１は、下端部側に凹部１１ａが形成されている。
定圧ユニットケース１２は、試料ステージ８の上面に載置され、転がりとして機能する試料台ガイド１３を介して試料台１１を上下方向に移動可能に側方から支持している。また、定圧ユニットケース１２は、試料台１１の凹部１１ａに収容された押さえばね１４を介して試料台１１を下面側から支持している。また、定圧ユニットケース１２の上端部には、試料台１１の上方への移動を規制する上規制部（試料保持部規制部）１２ａが設けられている。
押さえばね１４は、試料台１１に対して、上方から負荷される試験力よりも大きな力で、下面側から付勢している。なお、押さえばね１４の剛性は、試験機本体１ａや押込み深さ測定基準部７１より十分小さいものとなっている。
即ち、定圧ユニット１０は、通常時は、図１及び図２に示すように、押さえばね１４の付勢力により、試料台１１の肩部１１ｂが定圧ユニットケース１２の上規制部１２ａに押し付けられた状態となっている。また、定圧ユニット１０は、ステージ昇降部９により試料Ｓを押込み深さ測定基準部７１の試料表面接触部７１ｂの下面に押し付けた際に、押さえばね１４の付勢力により試料Ｓを定圧で押し付ける。

撮像部２０は、顕微鏡部２０ａと、顕微鏡部２０ａに取り付けられたＣＣＤカメラ２０ｂ（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）と、等を備えて構成されており、定圧ユニット１０上の試料Ｓの表面に形成されたくぼみの撮像を行う。そして、撮像部２０（ＣＣＤカメラ２０ｂ）は、撮像したくぼみの画像データを制御部１００に出力する。

制御部１００は、図３に示すように、ＣＰＵ１０１と、ＲＡＭ１０２と、記憶部１０３と、を備えて構成され、記憶部１０３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の動作制御等を行う機能を有する。
ＣＰＵ１０１は、記憶部１０３に格納された処理プログラム等を読み出して、ＲＡＭ１０２に展開して実行することにより、硬さ試験機１全体の制御を行う。
ＲＡＭ１０２は、ＣＰＵ１０１により実行された処理プログラム等を、ＲＡＭ１０２内のプログラム格納領域に展開するとともに、入力データや上記処理プログラムが実行される際に生じる処理結果等をデータ格納領域に格納する。
記憶部１０３は、例えば、プログラムやデータ等を記憶する記録媒体（図示省略）を有しており、この記録媒体は、半導体メモリ等で構成されている。また、記憶部１０３は、ＣＰＵ１０１が硬さ試験機１全体を制御する機能を実現させるための各種データ、各種処理プログラム、これらプログラムの実行により処理されたデータ等を記憶する。

例えば、ＣＰＵ１０１は、所定の試験力（荷重）で圧子４ａを試料Ｓに作用させるため、第１フォースモータ３１及び第２フォースモータ３２の駆動を制御する制御信号を第１フォースモータ３１及び第２フォースモータ３２に出力する。

また、ＣＰＵ１０１は、第１の硬さ算出手段として、圧子軸変位検出部７から入力された圧子軸変位信号に基づいて、試料Ｓの硬さを算出する。具体的には、この第１の硬さ算出手段は、試料Ｓに押し込まれた圧子４ａの侵入量（押込み深さ）に基づいて、試料Ｓの硬さを測定する。

また、ＣＰＵ１０１は、くぼみ寸法検出手段として、圧子４ａが試料Ｓの表面に押し込まれて形成されたくぼみの寸法を検出する。具体的には、このくぼみ寸法検出手段は、撮像部２０から入力されたくぼみの画像データに所定の画像処理を施すなどしてくぼみの画像データを解析し、くぼみの寸法を自動計測してくぼみの対角線の長さを算出する。

また、ＣＰＵ１０１は、第２の硬さ算出手段として、くぼみ寸法検出手段により検出されたくぼみの寸法に基づいて、試料Ｓの硬さを算出する。具体的には、この第２の硬さ算出手段は、圧子４ａが試料Ｓの表面に押し込まれて形成されたくぼみの対角線の長さに基づいて、試料Ｓの硬さを測定する。

次に、本実施形態に係る硬さ試験機１における硬さ試験を行う際の動作について説明する。
まず、計装化押込み試験時の動作について説明する。

まず、圧子軸４に計装化押込み試験用の圧子４ａを取り付け、圧子軸ベース４１ａの下面に、押込み深さ測定基準部７１を取り付ける。
次に、定圧ユニット１０を試料ステージ８の上面に取り付け、定圧ユニット１０の試料台１１上に試料Ｓを載置する。
次に、ターレット６を回転して対物レンズ５を試料Ｓの上方に配置させ、ステージ昇降部９を駆動させて焦点を合わせる。次いで、撮像部１０により試料Ｓの表面を観察し、試料ステージ８を駆動させて所望の試験位置に配置させる。
次に、ターレット６を回転して圧子軸４を試料Ｓの上方（荷重軸２２下）に配置させる（図１参照）。
次に、ステージ昇降部９を駆動させて上昇させ、試料Ｓを押込み深さ測定基準部７１の試料表面接触部７１ｂの下面（基準面）に押し当てる。これにより、試料Ｓが温度変動により伸縮した場合であっても、その伸縮分をステージ昇降部９の駆動量で自動的に調整することができるので、基準面に試料Ｓを押し付ける力を定圧とすることができる。そして、更にステージ昇降部９を駆動させて上昇させ、試料表面接触部７１ｂにより上昇を制限される試料台１１と、上昇する定圧ユニットケース１２の上規制部１２ａと、の間に隙間Ｐ１を生じさせる（図４参照）。このとき、試料台１１の上面と定圧ユニットケース１２の上面とが略面一となるようになっている。即ち、定圧ユニット１０は、ステージ昇降部９により上方に移動されて押込み深さ測定基準部７１の試料表面接触部７１ｂの下面に試料Ｓが押し付けられた際に、試料台１１と上規制部１２ａとの間に上下方向の隙間Ｐ１が生じるように形成されている。
次に、制御部１００により第１フォースモータ３１を駆動させて、荷重アーム２を下方向へと回動させる。この荷重アーム２の下方向への回動に伴い、荷重軸２２が押圧されて軸下方向へと移動し、荷重軸２２と当接する圧子軸４が軸下方向へと移動する。そして、圧子軸４の先端部に備えられた圧子４ａが、所定の試験力で試料Ｓに押し込まれる。また、試験力を微小に調整したい場合には、制御部１００により第２フォースモータ３２を駆動させて、圧子軸４に対して微小な試験力を負荷させる。
次に、圧子５が試料Ｓにくぼみを形成している際の圧子軸６の変位量（押込み深さ）が圧子軸変位検出部２０により検出され、当該検出された変位量に基づく圧子軸変位信号が制御部１００に出力される。そして、制御部１００は、入力された圧子軸変位信号に基づいて、試料Ｓの硬さや様々な材料特性を算出する。
連続して押込み試験を行う場合は、ステージ昇降部９を駆動させて下降させ、押込み深さ測定基準部７１と試料Ｓとの接触状態を解消する。
そして、ターレット６を回転して対物レンズ５を試料Ｓの上方に配置させ、ステージ昇降部９を駆動させて焦点を合わせる。次いで、撮像部１０により試料Ｓの表面を観察し、試料ステージ８を駆動させて所望の試験位置に配置させる。以下、上記の処理を繰り返すことにより、所望する全ての試験位置において押込み試験が行われる。

次に、ビッカース硬さ試験時の動作について説明する。
まず、圧子軸４にビッカース硬さ試験用の圧子４ａを取り付ける。次いで、試料ステージ８上に試料Ｓを載置する。なお、ここでの説明では、試料ステージ８上に定圧ユニット１０を載置せず、試料Ｓを直接載置するものとする。
次に、ターレット６を回転して対物レンズ５を試料Ｓの上方に配置させ、ステージ昇降部９を駆動させて焦点を合わせる。次いで、撮像部１０により試料Ｓの表面を観察し、試料ステージ８を駆動させて所望の試験位置に配置させる。
次に、ターレット６を回転して圧子軸４を試料Ｓの上方（荷重軸２２下）に配置させる。
次に、制御部１００により第１フォースモータ３１を駆動させて、荷重アーム２を下方向へと回動させる。この荷重アーム２の下方向への回動に伴い、荷重軸２２が押圧されて軸下方向へと移動し、荷重軸２２と当接する圧子軸４が軸下方向へと移動する。そして、圧子軸４の先端部に備えられた圧子４ａが、所定の試験力で試料Ｓに押し込まれ、くぼみが形成される。また、試験力を微小に調整したい場合には、制御部１００により第２フォースモータ３２を駆動させて、圧子軸４に対して微小な試験力を負荷させる。
次に、ターレット６を回転して対物レンズ５を試料Ｓの上方に配置させ、ステージ昇降部９を駆動させて焦点を合わせる。次いで、撮像部１０により試料Ｓの表面を撮像し、試料Ｓに形成されたくぼみの画像データを制御部１００に出力する。そして、制御部１００は、入力された画像データを解析し、ビッカース硬さ試験用の圧子４ａにより形成された略四角形のくぼみの対角線の長さを算出し、算出された対角線の長さに基づいて試料Ｓの硬さを算出する。

以上のように、本実施形態に係る硬さ試験機１は、圧子４ａに試験力を負荷し、圧子４ａを試料Ｓの表面に押し込む第１フォースモータ３１と、第１フォースモータ３１により試料Ｓの表面に押し込まれた圧子４ａの侵入量を検出する圧子軸変位検出部７と、第１フォースモータ３１により圧子４ａが試料Ｓの表面に押し込まれて形成されたくぼみの寸法を検出するくぼみ寸法検出手段（ＣＰＵ６１）と、圧子軸変位検出部７により検出された圧子４ａの侵入量に基づいて試料Ｓの硬さを算出する第１の硬さ算出手段（ＣＰＵ６１）と、くぼみ寸法検出手段により検出されたくぼみの寸法に基づいて試料Ｓの硬さを算出する第２の硬さ算出手段（ＣＰＵ６１）と、圧子軸変位検出部７が圧子４ａの侵入量を検出する際の基準面を有する押込み深さ測定基準部７１と、試料Ｓを保持可能な試料台１１を有し、押込み深さ測定基準部７１の基準面（試料表面接触部７１ｂの下面）に試料Ｓを定圧で押し付ける定圧ユニット１０と、定圧ユニット１０を上下方向に移動させるステージ昇降部９と、を備える。また、硬さ試験機１は、定圧ユニット１０は、試料台１１の上方への移動を規制する上規制部１２ａを有し、試料台１１を上下方向に移動可能に支持する定圧ユニットケース１２と、試料Ｓを上方に付勢する押さえばね１４と、を備えるとともに、ステージ昇降部９により上方に移動されて押込み深さ測定基準部７１の基準面に試料Ｓが押し付けられた際に、試料台１１と上規制部１２ａとの間に上下方向の隙間Ｐ１が生じるように形成されている。
従って、本実施形態に係る硬さ試験機１によれば、くぼみの長さに基づいて硬さを算出する試験（例えば、ビッカース硬さ試験）を行うことができる。また、押込み試験時に、試料Ｓは押込み深さ測定基準部７１の基準面に押し付けられ、押込み深さ測定の基準が試料Ｓの表面となるので、機枠ひずみや機枠ひずみの非線形性、機枠のヒステリシスの影響を排除することができる。また、押込み試験時は、試料台１１と定圧ユニットケース１２の上規制部１２ａとの間に隙間Ｐ１があり、押さえばね１４の剛性は試験機本体１ａや押込み深さ測定基準部７１より十分小さいので、試料Ｓ、試料台１１、試験機本体１ａなどの力の経路に関わる部分が温度変動により伸縮した場合であっても、押込み深さ測定基準部７１の基準面に試料Ｓを押し付ける力が定圧となり、押込み深さ測定の安定性を保つことができる。従って、計装化押込み試験を含む試験方法の異なる硬さ試験を行うことができ、且つ安価である硬さ試験機を提供することができる。

以上、本発明に係る実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

（変形例１）
例えば、図５に示す例では、実施形態と比べ、試料Ｓの構成及び定圧ユニット１０の構成が異なっている。なお、説明の簡略化のため、実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
具体的には、図５に示す例では、試料として樹脂材料Ｓ１１の中に金属製の試料片Ｓ１２が埋め込まれた樹脂埋め込み試料Ｓ１を使用している。なお、樹脂埋め込み試料Ｓ１は、試料片Ｓ１２の水平方向の幅が、試料表面接触部７１ｂの水平方向の幅以上となるように形成される。
変形例１に係る定圧ユニット１０Ａは、試料Ｓを保持可能な試料保持部としての試料ホルダ１５と、定圧ユニットケース１２と、試料台ガイド１３と、押さえばね１４と、を備えて構成されている。
試料ホルダ１５は、樹脂埋め込み試料Ｓ１及び樹脂埋め込み試料Ｓ１の下面側に載置された押さえばね１４を収納する収納部１５１を備えている。また、試料ホルダ１５は、定圧ユニットケース１２により試料台ガイド１３を介して上下方向に移動可能に外方（側方）から支持されている。また、試料ホルダ１５の収納部１５１の上端部には、定圧ユニットケース１２により押さえばね１４を介して下面側から支持される樹脂埋め込み試料Ｓ１の上面側を係止して上方への移動を規制する試料規制部１５ａが設けられている。
定圧ユニット１０Ａは、通常時は、図５に示すように、押さえばね１４の付勢力により、樹脂埋め込み試料Ｓ１を介して、試料ホルダ１５の肩部１５ｂが定圧ユニットケース１２の上規制部１２ａに押し付けられた状態となっている。そして、実施形態と同様、ステージ昇降部９を駆動させて上昇させ、樹脂埋め込み試料Ｓ１の試料片Ｓ１２を押込み深さ測定基準部７１の試料表面接触部７１ｂの下面（基準面）に押し付け、試料表面接触部７１ｂにより上昇を制限される試料ホルダ１５と、上昇する定圧ユニットケース１２と、の間に隙間Ｐ１を生じさせる。

以上のように、変形例１に係る硬さ試験機１の定圧ユニット１０Ａは、樹脂埋め込み試料Ｓ１の上方への移動を規制する試料規制部１５ａを有するとともに、樹脂埋め込み試料Ｓ１を側方から支持する試料ホルダ１５と、樹脂埋め込み試料Ｓ１を下面側から上方に付勢する押さえばね１４と、を備え、押込み深さ測定基準部７１の基準面に樹脂埋め込み試料Ｓ１を定圧で押し付ける。従って、変形例１に係る硬さ試験機１によれば、温度変動で樹脂材料Ｓ１１に伸縮が起こった場合であっても、押さえばね１４の付勢力により樹脂埋め込み試料Ｓ１を上方に押し上げることができるので、押込み深さ測定基準部７１の基準面に樹脂埋め込み試料Ｓ１を押し付ける力が定圧となり、押込み深さ測定の安定性を保つことができる。

（変形例２）
また、図６に示す例では、変形例１と比べ、押込み深さ測定基準部７１の形状が異なっている。なお、説明の簡略化のため、実施形態及び変形例１と同様の構成については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
具体的には、変形例２に係る押込み深さ測定基準部７２は、実施形態及び変形例１に係る押込み深さ測定基準部７１の試料表面接触部７１ｂと比べ、試料表面接触部７２ｂの水平方向の幅が広くなるように形成されている。
従って、変形例２に係る硬さ試験機１で押込み試験を行う場合、試料表面接触部７２ｂの下面（基準面）は、樹脂埋め込み試料Ｓ１の表面ではなく、試料ホルダ１５の試料規制部１５ａと接触することとなる。即ち、変形例２に係る硬さ試験機１によれば、定圧ユニット１０Ａは、基準面に試料規制部１５ａを定圧で押し付けるので、基準面が樹脂埋め込み試料Ｓ１と直接接触することがなくなり、表面に凹凸のある樹脂埋め込み試料Ｓ１に対しても押込み試験を行うことが可能となる。

（変形例３）
また、図７に示す例では、実施形態と比べ、定圧ユニット１０の構成が異なっている。なお、説明の簡略化のため、実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
具体的には、変形例３に係る定圧ユニット１０Ｂは、試料台１１Ｂと、定圧ユニットケース１２Ｂと、を備えて構成されている。
試料台１１Ｂは、略矩形状の板状部材により形成され、上面に試料Ｓを載置することができるようになっている。また、試料台１１Ｂの周端面には、下端から水平方向に突出した突部１１１Ｂが形成されている。
定圧ユニットケース１２Ｂは、試料ステージ８上に載置される下端部１２１Ｂと、下端部１２１Ｂの上面に載置されるばね支持部１２２Ｂと、一端部がばね支持部１２２Ｂに固定され、他端部が試料台１１Ｂに固定される弾性部材としてのダイヤフラムばね１２３Ｂと、ばね支持部１２２Ｂの上面に載置される上規制部１２４Ｂと、を備えて構成されている。ここで、ダイヤフラムばね１２３Ｂは、試料台１１Ｂを側方から支持して上方に付勢するようになっている。
定圧ユニット１０Ｂは、通常時は、図７（Ａ）に示すように、ダイヤフラムばね１２３Ｂの付勢力により、試料台１１Ｂの突部１１１Ｂが定圧ユニットケース１２Ｂの上規制部１２４Ｂに押し付けられた状態となっている。そして、実施形態と同様、ステージ昇降部９を駆動させて上昇させ、図７（Ｂ）に示すように、試料Ｓを押込み深さ測定基準部７１の試料表面接触部７１ｂの下面（基準面）に押し付け、試料表面接触部７１ｂにより上昇を制限される試料台１１Ｂと、上昇する定圧ユニットケース１２Ｂと、の間に隙間Ｐ２を生じさせる。
従って、変形例３に係る硬さ試験機１によれば、試料台１１Ｂを側方から支持して上方に付勢するダイヤフラムばね１２３Ｂを備えるので、試料台１１Ｂを下面側からではなく、側方から付勢することができることとなって、定圧ユニット１０Ｂの高さを低くすることができる。

（その他の変形例）
例えば、上記実施形態では、ビッカース硬さ試験を行う際に、試料ステージ８上に定圧ユニット１０を載置せず、試料Ｓを直接載置する構成を例示して説明しているが、これに限定されるものではない。即ち、押込み深さ測定基準部７１を圧子軸ベース４１ａの下面に取り付けるとともに、定圧ユニット１０を試料ステージ８上に載置した状態で、ビッカース硬さ試験を行うことも可能である。即ち、ビッカース硬さ試験を行う場合、押込み深さ測定基準部７１及び定圧ユニット１０は、取り付けられていても取り付けられていなくてもよい。

また、上記実施形態では、ビッカース硬さ試験を行うことができる硬さ試験機に、押込み深さ測定基準部７１及び定圧ユニット１０からなる定圧ユニット機構を取り付けることで、計装化押込み試験を行うことを可能としているが、これに限定されるものではない。例えば、計装化押込み試験を行うことができる硬さ試験機であって、圧子軸変位検出部７の位置が固定されているものに対して、定圧ユニット１０を取り付けることで、押込み深さ測定の安定性を保つことができる。
即ち、押込み深さ測定基準部７１及び定圧ユニット１０からなる定圧ユニット機構は、ビッカース硬さ試験を行うことができる硬さ試験機に取り付けることもできるし、計装化押込み試験を行うことができる硬さ試験機であって、圧子軸変位検出部７の位置が固定されているものに対しても取り付けることができる。

また、上記実施形態では、試験力発生部３として、第１フォースモータ３１を例示して、電磁力で試験力を制御できる機構に本発明を適用するようにしているが、これに限定されるものではない。例えば、フォースモータの代わりに重錘を利用して、重量を調整することで試験力を切り替える機構に本発明を適用してもよい。
また、上記実施形態では、荷重アーム２を回動させて圧子４ａに試験力を負荷する構成を例示して説明しているが、これに限定されるものではない。例えば、荷重アーム２を設けずに、圧子軸４に直接試験力を負荷する構成に本発明を適用してもよい。

その他、硬さ試験機を構成する各装置の細部構成及び各装置の細部動作に関しても、本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。

１ 硬さ試験機
１ａ 試験機本体
２ 荷重アーム
２１ 回動軸
２２ 荷重軸
３ 試験力発生部
３１ 第１フォースモータ（試験力負荷手段）
３２ 第２フォースモータ
４ 圧子軸
４ａ 圧子
４１ 圧子軸保持部
４１ａ 圧子軸ベース
４１ｂ 圧子軸ガイド
４１ｃ 板ばね
５ 対物レンズ
６ ターレット
６ａ 回転軸
７ 圧子軸変位検出部（侵入量検出手段）
７１、７２ 押込み深さ測定基準部（基準部）
７１ａ、７２ａ 孔部
７１ｂ、７２ｂ 試料表面接触部
８ 試料ステージ
９ ステージ昇降部（上下装置）
１０、１０Ａ、１０Ｂ 定圧ユニット
１１、１１Ｂ 試料台（試料保持部）
１１ａ 凹部
１１ｂ、１１１Ｂ 肩部
１２、１２Ｂ 定圧ユニットケース（支持部）
１２ａ、１２４Ｂ 上規制部
１３ 試料台ガイド
１４ 押さえばね（弾性部材）
１２１Ｂ 下端部
１２２Ｂ ばね支持部
１２３Ｂ ダイヤフラムばね（弾性部材）
１５ 試料ホルダ（試料保持部）
１５１ 収納部
１５ａ 試料規制部
１５ｂ 突部
２０ 撮像部
２０ａ 顕微鏡部
２０ｂ ＣＣＤカメラ
１００ 制御部
１０１ ＣＰＵ
１０２ ＲＡＭ
１０３ 記憶部
Ｓ 試料

Claims (6)

1. 圧子と、
   前記圧子に試験力を負荷し、前記圧子を試料の表面に押し込む試験力負荷手段と、
   前記試験力負荷手段により前記試料の表面に押し込まれた前記圧子の侵入量を検出する侵入量検出手段と、
   前記試験力負荷手段により前記圧子が前記試料の表面に押し込まれて形成されたくぼみの寸法を検出するくぼみ寸法検出手段と、
   前記侵入量検出手段により検出された前記圧子の侵入量に基づいて前記試料の硬さを算出する第１の硬さ算出手段と、
   前記くぼみ寸法検出手段により検出された前記くぼみの寸法に基づいて前記試料の硬さを算出する第２の硬さ算出手段と、
   前記侵入量検出手段が前記圧子の侵入量を検出する際の基準面を有する基準部と、
   前記試料を保持可能な試料保持部を有し、前記基準部の基準面に前記試料又は前記試料保持部を定圧で押し付ける定圧ユニットと、
   前記定圧ユニットを上下方向に移動させる上下装置と、を備え、
   前記定圧ユニットは、
   前記試料保持部の上方への移動を規制する上規制部を有し、前記試料保持部を上下方向に移動可能に支持する支持部と、
   前記試料及び前記試料保持部を上方に付勢する弾性部材と、を備えるとともに、
   前記上下装置により上方に移動されて前記基準部の基準面に前記試料又は前記試料保持部が押し付けられた際に、前記試料保持部と前記上規制部との間に上下方向の隙間が生じるように形成されていることを特徴とする硬さ試験機。
2. 前記試料保持部は、上面に前記試料を載置可能であり、
   前記弾性部材は、前記試料保持部を下面側から付勢し、
   前記基準部の基準面に前記試料が定圧で押し付けられることを特徴とする請求項１に記載の硬さ試験機。
3. 前記試料保持部は、
   前記試料を上下方向に移動可能に収納する収納部と、
   前記収納部の上端に設けられ、前記試料の上方への移動を規制する試料規制部と、を有し、
   前記弾性部材は、前記試料を下面側から付勢し、
   前記基準部の基準面に前記試料が定圧で押し付けられることを特徴とする請求項１に記載の硬さ試験機。
4. 前記試料保持部は、
   前記試料を上下方向に移動可能に収納する収納部と、
   前記収納部の上端に設けられ、前記試料の上方への移動を規制する試料規制部と、を有し、
   前記弾性部材は、前記試料を下面側から付勢し、
   前記基準部の基準面に前記試料規制部が定圧で押し付けられることを特徴とする請求項１に記載の硬さ試験機。
5. 前記試料保持部は、上面に前記試料を載置可能であり、
   前記弾性部材は、前記試料保持部を側方から支持して上方に付勢し、
   前記基準部の基準面に前記試料が定圧で押し付けられることを特徴とする請求項１に記載の硬さ試験機。
6. 圧子の侵入量を検出する際の基準面を有する基準部と、
   試料を保持可能な試料保持部を有し、前記基準部の基準面に前記試料又は前記試料保持部を定圧で押し付ける定圧ユニットと、を備え、
   前記定圧ユニットは、
   前記試料保持部の上方への移動を規制する上規制部を有し、前記試料保持部を上下方向に移動可能に支持する支持部と、
   前記試料及び前記試料保持部を上方に付勢する弾性部材と、を備えるとともに、
   前記基準部の基準面に前記試料又は前記試料保持部が押し付けられた際に、前記試料保持部と前記上規制部との間に上下方向の隙間が生じるように形成されていることを特徴とする定圧ユニット機構。

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