JP2014181983A - 硬さ試験機 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧子および対物レンズの煩雑な位置調整作業を行う必要がなく、正確に硬さ試験を実行することが可能な硬さ試験機を提供する。
【解決手段】 制御部は、ターレットを回転させ、圧子を試験片１００の表面に対向配置させるとともに、設定された試験位置（ｉ、ｊ）と圧子２１の負荷軸の軸心が一致するように、ＸＹステージ１２を移動させる。ＸＹステージ１２のＸＹ座標平面での移動量を、試験位置（ｉ、ｊ）までの移動量だけではなく、対物レンズの視野中心と圧子の負荷軸の軸心とのズレ量分（ａ，ｂ）をさらに加えた移動量とすることで、設定された試験位置に正確にくぼみを形成することができる。
【選択図】 図９

Description

この発明は、試験片の硬さを測定する硬さ試験機に関する。

このような硬さ試験機は、試験片を載置して試験片をＸＹ平面上に位置決めするＸＹステージと、試験片の表面にくぼみを形成するための圧子と、試験位置において圧子を試験片に押し付けることにより圧子に試験力を付与する負荷機構と、試験片の表面に形成されたくぼみを観察するための対物レンズと、対物レンズおよび圧子の何れか一つを試験位置と対向させるように切り替えるターレットとを備えている。そして、試験片の表面に形成されたくぼみの大きさを計測し、そのくぼみの大きさに基づいて試験片の硬さを求める構成となっている（特許文献１参照）。

このように、硬さ試験機では、試験片に試験力を付与する負荷系の負荷軸と、試験片に形成されたくぼみを観察するための光学系の光軸とを同軸とし、試験片に対して圧子と対物レンズを移動させることで、負荷系と光学系とを切り替える構成が採用されている。

このような硬さ試験機においてビッカース硬さ試験を行うときには、先ず、ステージ上に載置した試験片を低倍率対物レンズにより観察して、試験片の形状検出と圧子を押し付ける試験位置を決めている。そして、決められた試験位置に圧子を押し付ける動作を実行した後に、試験片の表面に形成されたくぼみを、くぼみの大きさの計測に適した倍率の対物レンズにより観察することで、くぼみ計測を実行している。

特許文献１に記載されているように、ターレットを回転させることにより圧子と対物レンズを移動させる場合、圧子の負荷軸の軸心と、各対物レンズの視野中心が一致するように、圧子および対物レンズの位置を調整しておく必要がある。

図１５は、従来の硬さ試験機における、低倍率対物レンズの視野と高倍率対物レンズの視野およびくぼみの中心との位置関係を説明する模式図である。図１５（ａ）は、低倍率対物レンズの視野中心、高倍率対物レンズの視野中心および圧子の負荷軸の軸心が一致するように調整されている状態を示し、図１５（ｂ）は、低倍率対物レンズの視野中心、高倍率対物レンズの視野中心および圧子の負荷軸の軸心が相互にズレている状態を示している。なお、図中の実線で示す円は、低倍率対物レンズの視野範囲を示し、破線で示す円は、高倍率対物レンズの視野範囲を示す。また、図中の正方形は圧子により形成されるくぼみを示し、＋印は低倍率対物レンズの視野中心を示す。

圧子および対物レンズの位置調整が不十分であると、例えば、低倍率対物レンズの視野中心を試験位置と決めて圧子を押し付けたとしても、実際に形成されたくぼみの中心は、図１５（ｂ）に示すように低倍率対物レンズの視野中心と一致しないことになる。すなわち、オペレータが本来意図した試験位置に、くぼみが形成されないことになる。日本工業規格におけるビッカース硬さ試験の試験方法（ＪＩＳＺ２２４４）では、くぼみの中心から試験片の縁までの距離に関する規定があり、オペレータが表示装置に表示された低倍率対物レンズを介して得られた試験片の画像を見て、試験規格に規定された条件を満たす位置を試験位置に指定したとしても、低倍率対物レンズの視野中心と圧子の負荷軸の軸心とがズレていると、実際にくぼみが形成された位置は試験規格に規定された条件を満たさなくなり、試験が失敗となる場合もある。

さらに、くぼみを高倍率対物レンズで観察するときに、圧子の負荷軸の軸心と高倍率対物レンズの視野中心、もしくは、低倍率対物レンズの視野中心と高倍率の対物レンズの視野中心が相互に一致していなければ、大きさを計測すべきくぼみの一部が高倍率対物レンズの視野外となり、くぼみ計測が実行できなくなることがある（図１５（ｂ）参照）。また、複数のくぼみが対物レンズの視野内にある場合、くぼみ計測を行うべき計測対象の特定に時間がかかったり、計測対象の特定を間違ったりすることもある。

このため、従来は、ターレットの対物レンズ装着部に装着された心調整機構により、圧子の負荷軸の軸心に各対物レンズの視野中心を合わせる心調整が行われていた。例えば、圧子で試験片にくぼみを形成し、圧子および対物レンズの各々の位置を、１の圧子の負荷軸の軸心（実際に形成されているくぼみの中心）を基準として、対物レンズの視野中心がくぼみの中心とできるだけ一致するように（図１２（ａ）参照）、オペレータが対物レンズおよび接眼レンズを介して得られる試験片の拡大像を見ながら、心調整機構における調整ネジを操作することにより心調整は行われていた。

特開平９−１５１２８号公報

しかしながら、オペレータが対物レンズを介して得られる試験片像を見ながら、調整ネジを手で操作して行う対物レンズの位置調整は、煩雑な作業である。さらに、ターレットに配設される圧子の数および対物レンズの数が増えると、１の圧子の負荷軸の軸心を基準とした各対物レンズの位置調整に加えて、１の圧子の負荷軸の軸心に他の圧子の負荷軸の軸心を一致させなければならない。他の圧子の位置調整は、その圧子により試験片にくぼみを形成し、１の圧子の負荷軸の軸心と視野中心が一致するように調整された各対物レンズの視野中心に対して、他の圧子の負荷軸の軸心、すなわち調整対象となっている圧子により形成されたくぼみの中心が一致するように、その圧子の装着部に装着された心調整機構の調整ネジを、オペレータが対物レンズを介して得られる画像を見ながら操作することにより行われる。このような位置調整作業は、ターレットに配設される圧子の数および対物レンズの数が増えると、煩雑さが増すとともに、作業にかかる時間も増大する。

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、圧子および対物レンズの煩雑な位置調整作業を行う必要がなく、正確に硬さ試験を実行することが可能な硬さ試験機を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、ステージ上に載置された試験片をＸＹ平面上に位置決めするＸＹステージと、前記試験片の表面にくぼみを形成するための一つまたは複数の圧子と、試験位置において前記圧子を前記試験片に押し付けることにより前記圧子に試験力を付与する負荷機構と、前記試験片の表面を観察するための一つまたは複数の対物レンズと、前記圧子および前記対物レンズを支持するとともに、前記圧子または前記対物レンズのいずれかを前記試験片の表面と対向する位置に移動させる切替部材と、前記対物レンズを介して取得した画像を表示する表示部と、を備えた硬さ試験機において、予備試験において前記圧子により形成されたくぼみの中心と前記対物レンズの視野中心との位置関係を記憶する記憶部と、本試験において前記試験片の表面に設定される試験位置に前記圧子を押し付けるために、前記圧子を前記試験片の表面に対向配置させるときに、前記記憶部に記憶された前記予備試験において形成されたくぼみの中心と前記対物レンズの視野中心との位置関係を読み出し、試験を実行する試験位置に前記圧子の負荷軸の軸心が一致するように、前記ＸＹステージの位置を調整する制御部と、を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載された発明において、前記対物レンズは、前記試験片の表面に設定される試験位置を確認するための低倍率対物レンズと、前記試験片の表面に形成されたくぼみの大きさを計測するための高倍率対物レンズを含む。

請求項１または２に記載された発明において、前記圧子は、前記ビッカース硬度を測定するための第１の圧子と、ヌープ硬度を測定するための第２の圧子を含む。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の発明において、前記切替部材は、ターレットである。

請求項１から請求項４に記載の発明によれば、予備試験において形成されたくぼみの中心と対物レンズの視野中心との位置関係を記憶部に記憶させておき、硬さ試験を実行するために圧子を試験片の表面に対向配置するときには、記憶部からそれらの位置関係を読み出して、試験位置に圧子の負荷軸の軸心が一致するように、ＸＹステージの位置を調整することから、設定した試験位置に、くぼみを確実に形成させることができる。これにより正確な硬さ試験を実行することができる。

請求項２から請求項４に記載の発明によれば、予備試験において形成されたくぼみの中心と低倍率対物レンズの視野中心との位置関係、予備試験において形成されたくぼみの中心と高倍率対物レンズの視野中心との位置関係を記憶部に記憶させておき、硬さ試験を実行し、形成されたくぼみを計測するために高倍率対物レンズを試験片の表面に対向配置するときには、記憶部からそれらの位置関係を読み出して、高倍率対物レンズの視野中心に硬さ試験において形成されたくぼみの中心が一致するように、ＸＹステージの位置を調整することから、形成されたくぼみの一部または全部が、高倍率対物レンズの視野外となることが防止でき、くぼみ計測を確実かつ速やかに実行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。 ＸＹステージ１２を昇降する昇降機構の概要図である。 ターレット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に形成されたくぼみ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にくぼみを形成する様子を模式的に示す説明図である。 試験片１００に形成されたくぼみ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。 歯車の一部を構成する鋼製の試験片１００に対してくぼみが形成された状態を示す概要図である。 圧子２１の負荷軸の軸心と対物レンズ２２の視野中心との位置関係を示す説明図である。 ＸＹステージ１２の位置調整の概要を示す説明図である。 圧子２１の負荷軸の軸心と対物レンズ２４の視野中心との位置関係と、対物レンズ２２の視野中心と対物レンズ２４の視野中心との位置関係を示す説明図である。 ＸＹステージ１２の位置調整の概要を示す説明図である。 圧子２１の負荷軸の軸心の位置を、表示部５５に表示される画像上の原点としたときの、圧子２１の負荷軸の軸心と対物レンズ２２の視野中心との位置関係と、圧子２１の負荷軸の軸心と対物レンズ２４の視野中心の位置関係を示す説明図である。 ＸＹステージ１２の位置調整の概要を示す説明図である。 従来の硬さ試験機における、低倍率の対物レンズの視野と高倍率の対物レンズの視野およびくぼみの中心との位置関係を説明する模式図である。

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、ＸＹステージ１２を昇降する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を載置する載置台としてのＸＹステージ１２とを備える。ＸＹステージ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、このＸＹ平面上において試験片１００を位置決めするためのものである。このＸＹステージ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、ＸＹステージ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、ＸＹステージ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、ＸＹステージ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ターレット２０とを備える。このターレット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、ターレット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。

ターレット２０には、ＸＹステージ１２上に載置された試験片１００に押し込まれる圧子１９、２１と、２倍の対物レンズ２２、５倍の対物レンズ２３、４０倍の対物レンズ２４および５０倍の対物レンズ２５とが配設されている。すなわち、対物レンズ２２、２３は、この発明における低倍率対物レンズに相当し、対物レンズ２４、２５は、高倍率対物レンズに相当する。これらの圧子１９、２１および対物レンズ２２、２３、２４、２５は、ターレット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、この硬さ試験機は、試験片１００の表面の像を表示するための液晶モニタ等の表示部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に形成されたくぼみ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、ＸＹステージ１２上に載置された試験片１００を照明するとともにくぼみを観察するための光学系とを備える。

図４に示すように、ターレット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、ターレット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が支持部材６２を介してターレット２０の軸筒２７に固定され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を介してターレット２０の軸筒２７に接続され、ターレット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に形成されたくぼみ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がくぼみ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にくぼみ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に形成されたくぼみを示す平面図である。

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。そして、その試験力を解除し、図１に示すターレット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。対物レンズ、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くぼみの画像から、くぼみの対角線長さ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、くぼみの対角線長さ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（１）で表される。
ＨＶ ＝ ０．１８９１（Ｆ／ｄ^２ ） ・・・・・（１）

なお、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、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、ターレット２０を回転させるためのモータ３０およびＸＹステージ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、後述するように、予備試験において形成されたくぼみの中心と各対物レンズ２２、２３、２４、２５の視野中心との位置関係を、圧子２１の負荷軸の軸心と各対物レンズ２２、２３、２４、１５の視野中心との位置関係として記憶する記憶部８１と接続されている。

また、この制御部８０は、試験中において、試験片１００の表面に対向配置されるのが、圧子１９、２１、対物レンズ２２、２３、２４、２５のいずれであるかに応じて、後述する予備試験により取得された、圧子１９、２１の負荷軸の軸心と、各対物レンズ２２、２３、２４、２５の視野中心との相互の位置関係（例えば、相互の位置のズレ量や、表示部５５に表示される画像における座標平面での各座標）を読み出し、それらの位置関係に応じたＸＹステージ１２のＸＹ平面上での位置調整を実行する。なお、この制御部８０を、硬さ試験機の装置本体内に配設する代わりに、この制御部８０をコンピュータ５０における本体５６内に配設してもよい。

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、歯車の一部を構成する鋼製の試験片１００にくぼみが形成された状態を示す概要図である。図８に記載された正方形は、圧子２１により試験片１００に形成されたくぼみを示している。

図８に示す、歯車のように複雑な形状を有し、かつ、微小寸法の試験片１００に試験を行うときには、試験片１００の硬さに影響を及ぼさない方法で樹脂モールドするなどして試験片１００を保持し、表面を材料の特性に適した研磨法により研磨して被検面としている。この実施形態では、樹脂モールドされた歯車の一部を構成する鋼製の試験片１００に対する、ビッカース硬さ試験の動作について説明する。

試験中にズレないようにＸＹステージ１２上に載置された試験片１００に対して、予備試験が行われる。予備試験は、以下の手順により実行される。

まず、試験片１００の表面の任意の部分が圧子２１の直下に来るようＸＹステージ１２を駆動し、その位置に圧子２１を押し込み、くぼみを形成させる。次に、ターレット２０を回転させて対物レンズ２２を試験片１００の表面と対向する位置に移動させ、対物レンズ２２を介して取得された試験片１００の表面の画像を、表示部５５に表示させる。そして、オペレータがマウス５８を利用して表示部５５に表示されたくぼみの中心を指定することにより、制御部８０が、対物レンズ２２の視野中心とくぼみの中心との位置関係を特定するとともに、その位置関係が記憶部８１に記憶される。このときの位置関係は、例えば、対物レンズ２２の視野中心からくぼみの中心までのＸ方向およびＹ方向の距離である。圧子２１により形成されたくぼみの中心は、圧子２１の負荷軸の軸心と一致することから、対物レンズ２２の視野中心からくぼみの中心までのＸ方向およびＹ方向の距離は、対物レンズ２２の視野中心と圧子２１の負荷軸の軸心とのズレ量に相当する。

さらに、ターレット２０を回転させて、対物レンズ２３、２４、２５についても同様の手順により、各対物レンズ２３、２４、２５の視野中心とくぼみの中心との位置関係を特定し、それらの位置関係を記憶部８１に記憶させる。このような予備試験により、ビッカース硬さ試験に使用する圧子２１の負荷軸の軸心と、各対物レンズ２２、２３、２４、２５の視野中心との位置関係を、本試験の前に特定し、記憶部８１に予め記憶させておく。

続いて、本試験が実行される。本試験は以下の手順により実行される。なお、この実施形態では、試験片１００の表面に設定される試験位置を確認するための低倍率対物レンズとして対物レンズ２２が選択され、試験片１００の表面に形成されたくぼみの大きさを計測するための高倍率対物レンズとして、対物レンズ２４が選択されているものとして説明する。

まず、対物レンズ２２を試験片１００の表面に対向配置させ、対物レンズ２２を介して得られた画像から、樹脂モールドされた試験片１００の外形を検出する。そして、圧子２１を押し込む目標点である試験位置を設定する。この試験位置は、試験片１００の端縁からの距離やくぼみ中心間の距離など、試験規格に定められた条件を充足する位置を試験位置として設定するプログラムの実行、もしくは、オペレータが表示部５５に表示された画像上の位置をマウス５８で指定することなどにより設定される。

試験位置の設定が完了すると、制御部８０は、モータ３０を駆動してターレット２０を回転させ、圧子２１を試験片１００の表面に対向配置させるとともに、モータ１３およびモータ１４を駆動して設定された試験位置と圧子２１の負荷軸の軸心が一致するように、ＸＹステージ１２を移動させる。このときのＸＹステージ１２のＸ方向およびＹ方向の移動量は、対物レンズ２２の視野中心と設定された試験位置間の距離に、予備試験において形成されたくぼみの中心と対物レンズ２２との位置関係から求められる、対物レンズ２２の視野中心と圧子２１の負荷軸の軸心とのＸ方向とＹ方向のズレ量が考慮された距離となる。

そして、ＸＹステージ１２の移動が完了すると、制御部８０は、負荷機構を制御することにより、所定の試験力で圧子２１を試験片１００の表面に押し付ける。試験片１００の表面へのくぼみの形成が終わると、表示部５５に表示される画像の視野範囲を、くぼみの計測に適した視野範囲に切り替えるため、制御部８０は、モータ３０を駆動してターレット２０を回転させることにより、対物レンズ２４を試験片１００の表面に対向する位置に移動させる。

さらに、制御部８０は、モータ１３およびモータ１４を駆動してくぼみの中心と対物レンズ２４の視野中心が一致するように、ＸＹステージ１２を移動させる。このときのＸＹステージ１２のＸ方向およびＹ方向の移動量は、予備試験において形成されたくぼみの中心と対物レンズ２４との位置関係から求められる、対物レンズ２４の視野中心と圧子２１の負荷軸の軸心とのＸ方向とＹ方向のズレ量が考慮された距離となる。

ＸＹステージ１２の移動が完了すると、制御部８０は、図６に示すように、対物レンズ２４を介して得られた画像を用いて、くぼみの対角線長さｄを計測し、ビッカース硬さを算出する。

なお、上述したビッカース硬さ試験においては、予備試験と本試験を連続して行っているが、予備試験は、本試験を行う前に毎回行う必要はなく、例えば、ターレット２０に支持される圧子の種類や対物レンズが交換されたとき、あるいは、オペレータが表示部５５に表示される画像を見て、くぼみの中心と対物レンズの視野中心が一致していないと判断したときなどに適時実施して、記憶部８１に記憶させている内容を更新すればよい。

この発明の特徴である、本試験中のＸＹステージ１２の位置調整の詳細について、さらに、図９から図１２を参照して説明する。

まず、対物レンズ２２が試験片１００の表面に対向配置されている状態から、圧子２１を試験片１００の表面に対向配置するときの、ＸＹステージ１２の移動について説明する。図９は、圧子２１の負荷軸の軸心と対物レンズ２２の視野中心との位置関係を示す説明図であり、図１０は、ＸＹステージ１２の位置調整の概要を示す説明図である。また、図９（ａ）は、予備試験において取得された対物レンズ２２の視野中心と圧子２１の負荷軸の軸心との位置関係を示し、図９（ｂ）は、試験片１００に試験位置が設定された状態を示し、図９（ｃ）は、試験片１０表面上の点の位置を表す座標系Ｘ１−Ｙ１における、試験位置と、圧子２１の負荷軸の軸心と、対物レンズ２２の視野中心との位置関係を示している。なお、図９（ａ）から（ｃ）中に実線で示す＋印は、対物レンズ２２の視野中心を示す。

図９（ａ）に示すように、表示部５５に表示される対物レンズ２２を介して取得された画像上における対物レンズ２２の視野中心を原点として、座標軸をＸ１、Ｙ１とする座標系Ｘ１−Ｙ１において、予備試験において形成されたくぼみの中心の座標（ａ，ｂ）が、記憶部８１に記憶されているものとする。これは、圧子２１の負荷軸の軸心が、対物レンズ２２の視野中心からＸ方向にａ、Ｙ方向にｂだけ離れた位置にあることを示している。ここで、図９（ｂ）および（ｃ）に×印で示すように、座標系Ｘ１−Ｙ１における試験位置の座標を（ｉ，ｊ）とする。また、この試験位置が設定された時のＸＹステージ１２の位置を、座標系Ｘ２−Ｙ２における（Ｐ，Ｑ）とする。この座標系Ｘ２−Ｙ２は、ＸＹステージ１２の機械原点Ｏ（図１０の紙面左下の原点復帰位置Ｏ）を基点とし、座標軸をＸ２、Ｙ２とする上述した座標系Ｘ１−Ｙ１とは異なる座標系であり、ＸＹステージ１２に固定された物理的目印（例えば、ＸＹステージ１２が矩形の場合、４つあるエッジのうちの１つ）の移動距離を表すものである。

なお、座標系Ｘ１−Ｙ１の座標成分であるａ、ｂ、ｉおよびｊは、対物レンズ２２の視野中心を基準とした正負の数であり、その絶対値は、表示部５５に表示される画像の１画素当たりのＸ方向およびＹ方向の長さおよび対物レンズの倍率から換算される、μｍ（マイクロメートル）などの長さの単位で表されるＸ方向またはＹ方向の距離である。また、ＸＹステージ１２のＸＹ平面上の位置を表す座標系Ｘ２−Ｙ２の座標成分であるＰ、Ｑは、ＸＹステージ１２の機械原点ＯからのＸ方向またはＹ方向の移動量に対応する正負の数であり、μｍ（マイクロメートル）などの長さの単位で表されるＸ方向またはＹ方向の距離である。

設定されている試験位置は、図９（ｂ）に示すように、座標系Ｘ１−Ｙ１の座標平面の原点である対物レンズ２２の視野中心からＸ方向にｉ、Ｙ方向にｊだけ離れた位置である。したがって、従来のように、対物レンズ２２の視野中心と圧子２１の負荷軸の軸心が一致していることを前提とした場合、試験位置が対物レンズ２２の視野中心と一致するようにＸＹステージ１２を移動させることは、ＸＹステージ１２を座標系Ｘ２−Ｙ２における座標（Ｐ，Ｑ）から座標（Ｐ−ｉ，Ｑ−ｊ）に移動させるように（図１０参照）、制御部８０がモータ１３およびモータ１４を駆動することである。

しかしながら、図９（ａ）に示すように、圧子２１の負荷軸の軸心は、座標系Ｘ１−Ｙ１の原点である対物レンズ２２の視野中心からＸ方向にａ、Ｙ方向にｂだけズレた位置にある。このため、この実施形態においては、圧子２１により形成されるくぼみの中心を試験位置（ｉ，ｊ）に一致させるため、制御部８０がモータ１３およびモータ１４を駆動して、図１０に示すように、ＸＹステージ１２を座標系Ｘ２−Ｙ２における座標（Ｐ，Ｑ）から座標（Ｐ−ｉ＋ａ，Ｑ−ｊ＋ｂ）に移動させている。このように、この実施形態においては、ＸＹステージ１２のＸＹ平面上での移動量を、試験位置までの移動量（Ｘ方向の距離｜ｉ｜、Ｙ方向の距離｜ｊ｜）とするのではなく、試験位置までの移動量から対物レンズ２２の視野中心と圧子２１の負荷軸の軸心とのズレ量分（Ｘ方向の距離｜ａ｜、Ｙ方向の距離｜ｂ｜）をさらに加えた移動量とすることで、設定された試験位置に正確にくぼみを形成することができる。

次に、圧子２１が試験片１００の表面に対向配置されている状態から、対物レンズ２４を試験片１００の表面に対向配置するときの、ＸＹステージ１２の移動について説明する。図１１は、圧子２１の負荷軸の軸心と対物レンズ２４の視野中心との位置関係と、対物レンズ２２の視野中心と対物レンズ２４の視野中心との位置関係を示す説明図である。図１２は、ＸＹステージ１２の位置調整の概要を示す説明図である。図１１（ａ）は、予備試験において取得された対物レンズ２４の視野中心と圧子２１の負荷軸の軸心との位置関係を示し、図１１（ｂ）は、対物レンズ２２の視野中心と対物レンズ２４の視野中心との位置関係を示している。なお、図１１（ａ）、図１１（ｂ）中に破線で示す＋印は、対物レンズ２４の視野中心であり、図１１（ｂ）中に実線で示す＋印は、対物レンズ２２の視野中心である。また、図１１および図１２中の各座標のうち、図９および図１０中の各座標と同位置のものは同じ符号を付している。

図１１（ａ）に示すように、表示部５５に表示される対物レンズ２４を介して取得された画像上の対物レンズ２４の視野中心を原点として、予備試験によるくぼみの中心の座標（ｍ，ｎ）が、記憶部８１に記憶されているものとする。これは、圧子２１の負荷軸の軸心が、対物レンズ２４の視野中心からＸ方向にｍ、Ｙ方向にｎだけ離れた位置にあることを示している。なお、対物レンズ２４を介して表示部５５に表示される画面上の座標成分であるｍおよびｎは、対物レンズ２４の視野中心を基準とした正負の数であり、その絶対値は、図９（ａ）に示されたａ、ｂと同様に、表示部５５に表示される画像の１画素当たりのＸ方向およびＹ方向の長さおよび対物レンズの倍率から換算される、μｍ（マイクロメートル）などの長さの単位で表されるＸ方向またはＹ方向の距離である。

ここで、図１１（ｂ）に示すように、上述した、対物レンズ２２の視野中心を原点とした座標系Ｘ１−Ｙ１における、対物レンズ２４の視野中心の座標は（ａ−ｍ，ｂ−ｎ）となる。このように、対物レンズ２２の視野中心と対物レンズ２４の視野中心との位置関係は、予備試験により形成されたくぼみの中心（圧子２１の負荷軸の軸心）と対物レンズ２２の視野中心との位置関係（図９（ａ）参照）、および、予備試験により形成されたくぼみの中心（圧子２１の負荷軸の軸心）と対物レンズ２４の視野中心との位置関係（図１２（ａ）参照）から特定することができる。

図１２に示すように、この実施形態においては、対物レンズ２４の視野中心が試験位置に形成されたくぼみの中心に一致するように、ＸＹステージ１２を、座標系Ｘ２−Ｙ２における座標（Ｐ−ｉ＋ａ−ｍ，Ｑ−ｊ＋ｂ−ｎ）に移動させるよう、制御部８０が、モータ１３および１４を駆動している。このように、この実施形態においては、ＸＹステージ１２の移動を、試験位置までの移動で終わらせるのではなく、対物レンズ２２の視野中心と対物レンズ２４の視野中心とのズレ量分をさらに考慮した移動を行うことで、設定された試験位置に形成されたくぼみの中心を対物レンズ２４の視野中心に一致させ、くぼみの一部が視野外となることを防止している。これにより、くぼみの対角線長さｄの計測をスムースに行うことができる。

なお、試験片１００の表面に形成されたくぼみの大きさを計測するために、ターレット２０を回転させて対物レンズ２４を試験片１００の表面に対向配置するときには、ＸＹステージ１２は、試験位置が圧子２１の負荷軸の軸心と一致するように、座標系Ｘ２−Ｙ２における座標（Ｐ，Ｑ）から座標（Ｐ−ｉ＋ａ，Ｑ−ｊ＋ｂ）にすでに移動している状態である。したがって、このときの、対物レンズ２４の視野中心と試験位置に形成されたくぼみの中心とを一致させるためのＸＹステージ１２の移動量は、記憶部８１に記憶されている対物レンズ２４の視野中心と圧子２１の負荷軸の軸心との位置関係から求められる、両者のＸ方向およびＹ方向のズレ量分（Ｘ方向の距離｜ｍ｜、Ｙ方向の距離｜ｎ｜）となる。

図９から図１２を参照して説明した、圧子２１の負荷軸の軸心と対物レンズ２２の視野中心との位置関係、圧子２１の負荷軸の軸心と対物レンズ２４の視野中心と位置関係、および、それらの位置関係とＸＹステージ１２の移動量との関係では、表示部５５に表示される画像上の各位置を、対物レンズ２２の視野中心を原点とした座標（座標系Ｘ１−Ｙ１）として取り扱っている。しかし、表示部５５に表示される画像上の座標平面の原点は、予備試験により取得された圧子２１の負荷軸の軸心の位置としてもよい。

図１３は、圧子２１の負荷軸の軸心の位置を、表示部５５に表示される画像上の原点としたときの、圧子２１の負荷軸の軸心と対物レンズ２２の視野中心との位置関係と、圧子２１の負荷軸の軸心と対物レンズ２４の視野中心の位置関係を示す説明図である。図１４は、ＸＹステージ１２の位置調整の概要を示す説明図である。図１３（ａ）は、対物レンズ２２を介して取得された試験片１００の画像上における圧子２１の負荷軸の軸心、対物レンズ２２の視野中心、対物レンズ２４の視野中心および設定された試験位置を各々示し、図１３（ｂ）は、試験片１０表面上の点の位置を表す座標系Ｘ３−Ｙ３における試験位置と、圧子２１の負荷軸の軸心と、対物レンズ２２の視野中心と、対物レンズ２２４の視野中心との位置関係を示している。

図１３（ａ）に示すように、予備試験において形成されたくぼみの中心（圧子２１の負荷軸の軸心）を原点として、座標系Ｘ３−Ｙ３における対物レンズ２２の視野中心の座標（ｃ，ｅ）、対物レンズ２４の視野中心の座標（ｇ，ｋ）が、記憶部８１に記憶されているものとする。そして、表示部５５に表示される対物レンズ２２を介して取得された画像上の原点が圧子２１の負荷軸の軸心となっている状態で、図１３（ａ）に×印で示す試験位置（ｒ，ｓ）を設定すると、各座標成分の値が、すでに対物レンズ２２の視野中心と圧子２１の負荷軸の軸心とのズレ量分が考慮された、ＸＹテーブル１２のＸ方向およびＹ方向の移動量となる。言い換えると、試験位置（ｒ，ｓ）は、図１３（ｂ）に示すように対物レンズ２２の視野中心を原点とする座標系Ｘ１−Ｙ１において設定された試験位置の座標に、Ｘ方向に距離｜ｃ｜、Ｙ方向に距離｜ｅ｜のズレ量を考慮した座標位置として算出できる。なお、座標系Ｘ３−Ｙ３における座標成分であるｃ、ｅ、ｇ、ｋ、ｒおよびｓは、圧子２１の負荷軸の軸心を基準とした正負の数であり、その絶対値は、図９（ａ）に示されたａ、ｂと同様に、表示部５５に表示される画像の１画素当たりのＸ方向およびＹ方向の長さおよび対物レンズの倍率から換算される、μｍ（マイクロメートル）などの長さの単位で表されるＸ方向またはＹ方向の距離である。

このため、図１４に示すように、圧子２１を試験片１００の表面に押し込むときに、試験位置と圧子２１の負荷軸の軸心とを一致させるためには、ＸＹステージ１２を、試験位置を設定した時の座標系Ｘ２−Ｙ２における座標（Ｔ，Ｕ）から座標（Ｔ−ｒ，Ｕ−ｓ）に移動させるように、制御部８０によりモータ１３およびモータ１４の駆動を制御すればよい。

さらに、圧子２１によりくぼみが形成された後に、くぼみの大きさを計測するため、対物レンズ２４を試験片１００の表面に対向配置するときには、試験位置に形成されたくぼみの中心と対物レンズ２４の視野中心とを一致させるために、ＸＹステージ１２を、圧子２１を試験片１００の表面に押し込んだときの座標系Ｘ２−Ｙ２における座標（Ｔ−ｒ，Ｕ−ｓ）から座標（Ｔ−ｒ＋ｇ，Ｕ−ｓ＋ｋ）に移動させるように、制御部８０によりモータ１３およびモータ１４の駆動を制御すればよい。

なお、上述した図９から図１４を参照した説明では、発明の理解の便宜上、ＸＹステージ１２の座標（座標系Ｘ２−Ｙ２）と各対物レンズ２２、２４の視野である表示部５５に表示される画像上の座標（座標系Ｘ１−Ｙ１、座標系Ｘ３−Ｙ３）とを、個別の基点を有する絶対座標により表現しているが、ＸＹステージ１２の位置調整においては、絶対座標系による制御に限定されない。すなわち、この発明においては、予備試験によりくぼみを形成する圧子の負荷軸の軸心と各対物レンズの視野中心との位置関係を取得していることから、本試験におけるＸＹステージ１２の位置調整において相対座標系による制御を行うこともできる。

このように、この発明に係る硬さ試験機においては、くぼみを形成する圧子の負荷軸の軸心と各対物レンズの視野中心が、従来の心調整作業により完全に一致させることができていない場合でも、ＸＹステージ１２側で試験片１００の位置を微調整することから、ターレット２０に配設される圧子や対物レンズの数が増えるほど煩雑となる、圧子および対物レンズの位置調整に多くの時間を割く必要がなくなる。

なお、上述した実施形態においては、圧子１９、２１、対物レンズ２２、２３、２４、２５を支持するとともに、圧子１９、２１、対物レンズ２２、２３、２４、２５のいずれかを試験片１００の表面に対向する位置に移動させる切替部材として、回転により圧子１９、２１、対物レンズ２２、２３、２４、２５の位置を切り替える円盤状のターレット２０を採用しているが、この発明は、このような態様に限定されるものではない。例えば、圧子および対物レンズを支持したラックをスライド移動することにより圧子１９、２１、対物レンズ２２、２３、２４、２５の位置を切り替える場合においても、この発明を適用することにより、試験位置に確実にくぼみの形成することが可能となり、硬さ試験を正確に実行することが可能となる。

１１ テーブル
１２ ＸＹステージ
１３ モータ
１４ モータ
１５ モータ
１６ 接眼レンズ
１７ カメラ
１８ 表示部
１９ 圧子
２０ ターレット
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
３８ ネジ
４１ ＬＥＤ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
１００ 試験片

Claims (4)

1. ステージ上に載置された試験片をＸＹ平面上に位置決めするＸＹステージと、
   前記試験片の表面にくぼみを形成するための一つまたは複数の圧子と、
   試験位置において前記圧子を前記試験片に押し付けることにより前記圧子に試験力を付与する負荷機構と、
   前記試験片の表面を観察するための一つまたは複数の対物レンズと、
   前記圧子および前記対物レンズを支持するとともに、前記圧子または前記対物レンズのいずれかを前記試験片の表面と対向する位置に移動させる切替部材と、
   前記対物レンズを介して取得した画像を表示する表示部と、
   を備えた硬さ試験機において、
   予備試験において前記圧子により形成されたくぼみの中心と前記対物レンズの視野中心との位置関係を記憶する記憶部と、
   本試験において前記試験片の表面に設定される試験位置に前記圧子を押し付けるために、前記圧子を前記試験片の表面に対向配置させるときに、前記記憶部に記憶された前記予備試験において形成されたくぼみの中心と前記対物レンズの視野中心との位置関係を読み出し、試験を実行する試験位置に前記圧子の負荷軸の軸心が一致するように、前記ＸＹステージの位置を調整する制御部と、
   を備えたことを特徴とする硬さ試験機。
2. 請求項１に記載された硬さ試験機において、
   前記対物レンズは、前記試験片の表面に設定される試験位置を確認するための低倍率対物レンズと、前記試験片の表面に形成されたくぼみの大きさを計測するための高倍率対物レンズを含む硬さ試験機。
3. 請求項１または２に記載された硬さ試験機において、
   前記圧子は、前記ビッカース硬度を測定するための第１の圧子と、ヌープ硬度を測定するための第２の圧子を含む硬さ試験機。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の硬さ試験機において、
   前記切替部材は、ターレットである硬さ試験機。

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