JP2637329B2 - 硬度測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は硬度測定装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】測定試料に所定の圧力で四辺形形状の圧
痕を印し、この圧痕の対角線長を測定することにより測
定試料の硬度を特定する方法は、従来からビッカース硬
度計に関連して広く知られ、このような測定方法を実施
する装置として、従来から特公平３−３４８１９号公報
開示の装置が知られている。

【０００３】この装置では、測定結果が測定試料の表面
状態により影響され易く、同一硬度を有する測定試料で
も、圧痕を形成する表面の状態が異なると、測定値に差
がでることがあるという問題があった。また、測定試料
の硬度によっては測定に長時間を要するという問題もあ
った。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この発明は上述した事
情に鑑みてなされたもので、測定試料の表面状態や硬度
によらず、常に適正・迅速な硬度測定を行ない得る、新
規な硬度測定装置の提供を目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明の硬度測定装置
は「測定試料に所定の圧力で四辺形形状の圧痕を印し、
この圧痕の対角線長を測定することにより測定試料の硬
度を特定する」装置であって、移動ステージと、撮像素
子と、レボルバーと、照明系と、レボルバー・圧子駆動
手段と、オートフォーカス手段と、ディスプレイ手段
と、制御・演算手段とを有する。

【０００６】「移動ステージ」は、測定試料を支持し、
互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚ方向へ平行移動させる。この
移動ステージは、必要に応じて、Ｚ方向に平行な軸の回
りに回転する機能を付加されることができる。「撮像素
子」は２次元のもので、上記Ｚ方向と平行に設定された
所定の基準軸上に配備される。撮像素子としては、例え
ばＣＣＤカメラが好適である。「レボルバー」は、所定
の回転軸の周りに回転可能で、上記Ｚ方向に変位可能で
あり、１以上の対物レンズと圧痕形成用の圧子とを上記
回転軸から所定距離離れた位置に配備され、上記回転軸
の回りの回転により、所望の圧痕もしくは対物レンズを
上記基準軸位置に設定させる。「照明系」は、撮像素子
とレボルバーの間に配備され、上記基準軸上に設定され
た対物レンズを介して測定試料を照明する。

【０００７】「レボルバー・圧子駆動手段」は、レボル
バーを回転軸の周りに回転させて対物レンズと圧子の選
択を行ない、圧子が選択されたとき、選択された圧子を
回転軸方向に変位させて測定試料に圧痕を印す。「オー
トフォーカス手段」は、レボルバーの対物レンズが選択
されたとき、選択された対物レンズによる測定試料像を
撮像素子の受光面上に結像させる。「ディスプレイ手
段」は、撮像素子の受光状態を表示する。「制御・演算
手段」は、撮像素子の出力に応じて所定の演算により測
定試料の硬度を算出するとともに、上記移動ステージ、
撮像素子、レボルバー、照明系、レボルバー・圧子駆動
手段、ディスプレイ手段およびオートフォーカス手段を
制御する。

【０００８】上記制御・演算手段は、オートフォーカス
手段を制御するオートフォーカスプログラムとして、ピ
ーク検出モードと積分モードを選択可能に有するととも
に、オートフォーカスのオフセット調整を行なうパラメ
ータ：Ｏと、上記移動ステージにおける少なくともＺ方
向の移動に対して、ステージ位置を制御するパラメー
タ：Ｊ，Ｓ，Ｂ、ステージの移動を制御するパラメー
タ：ＴＬ，ＴＨ，ＡＰを、それぞれが変更可能および／
または複数値設定可能に有する。

【０００９】ここに、Ｊ：ステージ移動の最小単位（１
ユニット）を設定するパラメータ， Ｓ：１ユニットのステージ移動の間に行なうべきサンプ
リング回数を設定するパラメータ， Ｂ：バックラッシュ除去のための動作量を設定するパラ
メータ， ＴＬ：ステージを起動するときのステージ駆動パルスを
設定するパラメータ ＴＨ：起動されたステージが加速され、等速移動すると
きのステージ駆動パルスを設定するパラメータ ＡＰ：ステージを起動してから等速移動状態に到るまで
の加速期間を設定するパラメータ である。

【００１０】上記ピーク検出モードは、相対的に高い周
波数で合焦検出を行なう高周波ピークモードと、相対的
に低い周波数で合焦検出を行なう低周波ピークモードを
選択可能に有することができ、上記積分モードは、相対
的に高い周波数で合焦検出を行なう高周波積分モード
と、相対的に低い周波数で合焦検出を行なう低周波積分
モードを選択可能に有することができる（請求項２）。

【００１１】また、複数種の代表的な測定試料に応じ
て、上記ピーク検出モード，積分モード，パラメータ：
Ｏ，Ｊ，Ｓ，Ｂ，ＴＬ，ＴＨ，ＡＰの組合せを設定でき
るようにしても良い（請求項３）。

【００１２】

【作用】前述のように、従来の硬度測定装置において
は、同じ硬度の測定試料を測定しても、測定試料の表面
の状態、例えば鏡面であるか研磨面であるか、あるいは
粗面であるかエッチング面であるか等により測定値が異
なったものとなり易い。この原因は、測定試料表面に印
された圧痕像を撮像素子の受光面上に結像させるオート
フォーカスの誤差にある。

【００１３】オートフォーカスには大別して、ピーク検
出による方法と、ピーク値の積分による方法とがある。

【００１４】ピーク検出による方法では、撮像素子の出
力の各ラスターについて、空間周波数の高い信号成分を
求め、その正負の成分のピーク値の差の最大状態として
合焦状態を検出する。

【００１５】例えば、撮像素子のある１ラスターの出力
信号が、図３の（Ａ）の如きものであったとすると、こ
の信号をハイパスフィルター（例えば微分回路）を通す
と、図３（Ｂ）に示すような高い空間周波数の信号成分
が得られる。ピーク検出による方法では、この高い空間
周波数の信号成分のピーク値を、正・負について検出
し、正・負信号成分とも、絶対値で「より大きいピーク
値」をホールドする。そして、正・負の最大ピーク値の
差：ＭＰを出力する。対物レンズを移動させつつ上記
値：ＭＰが最大となる位置を合焦状態とするのである。

【００１６】このオートフォーカス方式は測定試料の圧
痕形成面が鏡面である場合に適しており、かかる場合に
は極めて精度良く合焦状態を実現できる。反面、測定試
料表面がエッチングされた面や研磨面、粗面等では、上
記表面の微小な凹凸が、高い空間周波数の信号にノイズ
成分を生じやすく、ピーク検出により得られた合焦状態
は実際の合焦状態と異なったものとなり易い。このよう
にオートフォーカスにより自動的に実現された合焦状態
と、実際の合焦状態とにおける対物レンズ位置のずれを
オートフォーカスの「オフセット」とよぶ。また、測定
試料の表面が錆びた状態などでは、高い空間周波数の信
号成分のピーク値の絶対値が大きくなりにくいため、や
はりオフセットが生じ易い。

【００１７】一方、ピーク値の積分による方法では、撮
像素子の各ラスターについて空間周波数の高い信号成分
を求め、その正負の成分につき積分を行ない、正の積分
値と、負の積分値の差の最大状態として合焦状態を検出
する。

【００１８】例えば、上記図３の例では、同図（Ｂ）に
示す高い空間周波数の信号成分のピーク値を正・負につ
いて別個に積分し、図３（Ｄ）に示すように正の部分の
積分値と負の部分の積分値との差：ＭＱを出力する。こ
の差：ＭＱが最大となる位置が合焦状態とされる。

【００１９】この積分によるオートフォーカス方式は、
測定試料の表面が研磨面や粗面、エッチングされた面で
あるような場合に適しているが、表面の状態により、若
干のオフセットが発生する。

【００２０】このように、オートフォーカスに誤差が生
じると、勿論、圧痕の対角線長を正確に測定できないか
ら、測定硬度に誤差が生じるのは当然である。

【００２１】そこで、この発明では前述のように、制御
・演算手段が、オートフォーカス手段を制御するオート
フォーカスプログラムとして、ピーク検出モード（上記
ピーク値により合焦状態を判別する方式）と積分モード
（ピーク値の積分により合焦状態を判別する方式）を選
択可能に有し、オートフォーカスのオフセット調整を行
なうパラメータ：Ｏを変更可能および／または複数値設
定可能に有するようにした。従って、測定試料の表面状
態によって、それに適したオートフォーカス方式を選択
することが可能になり、測定試料に応じて適正なパラメ
ータ：Ｏを設定することにより、適正な合焦状態を実現
できる。

【００２２】また測定試料の硬度が変わると試料表面に
形成される圧痕の大きさも異なる。従って測定硬度に応
じて結像倍率の異なる対物レンズを選択する場合も必要
となるが、オートフォーカスの際に測定試料を対物レン
ズ光軸方向（基準軸方向）に移動させる「移動の１ユニ
ット」は、対物レンズの焦点深度の１／５〜１／１０に
設定するのが良い。

【００２３】そこでこの発明では、前述のように、パラ
メータ：Ｊを変更可能および／または複数値設定可能と
する。パラメータ：Ｊのみならず、パラメータ：Ｓ，
Ｂ，ＴＬ，ＴＨ，ＡＰをそれぞれ変更可能および／また
は複数値設定可能とすることにより、測定試料の硬度お
よび表面状態に応じて、常に適切なオートフォーカスを
行なうことが可能になる。

【００２４】

【実施例】以下、具体的な実施例に即して説明する。

【００２５】図１は、この発明を実施した硬度測定装置
の１例を用部のみ略示している。図中、符号１０は移動
ステージ、符号２０はレボルバー、符号３０は照明系、
符号４０は２次元の撮像素子としてのＣＣＤカメラ、符
号５０は画像処理部を示す。また、符号７０はレボルバ
ー・圧子駆動装置、符号８０はステージコントローラ
ー、符号９０はコンピューター、符号１００は操作部を
示している。これらは図示されない支持手段により全体
が適宜に支持されている。

【００２６】移動ステージ１０は、図１（ａ）の図面に
直交する方向に対応するＸ方向に変位するＸ方向ステー
ジ１０Ｘ、同図左右方向に対応するＹ方向に変位するＹ
方向ステージ１０Ｙおよび、同図上下方向に対応するＺ
方向に変位するＺ方向ステージ１０Ｚを組み合わせて構
成され、且つ、全体が、Ｚ方向に平行な所定のＺ軸の周
りに回転可能となっている。

【００２７】Ｘ方向ステージ１０ＸをＸ方向に移動させ
るにはステップモーターＭＸを動作させ、Ｙ，Ｚ方向ス
テージ１０Ｙ，１０Ｚを各々Ｙ，Ｚ方向へ変位させるに
はステップモーターＭＹ，ＭＺを動作させる。また、移
動ステージ１０全体をＺ軸の周りに回転させるには、ス
テップモーターＭθを動作させる。測定試料０は、移動
ステージ１０のＸ方向ステージ１０Ｘ上に載置される。

【００２８】図１（ａ）に符号Ｓで示す鎖線は硬度測定
装置における「基準軸」を示している。基準軸Ｓは、移
動ステージ１０に置けるＺ方向ステージ１０Ｚの移動方
向であるＺ方向と平行に測定装置空間に固定的に設定さ
れ、この装置例では上述のＺ軸に合致している。

【００２９】レボルバー２０は、基準軸Ｓに平行な回転
軸２５を有する本体２１に圧子２３と対物レンズ２２と
を設けたものであり、回転軸２５の周りに回転可能であ
り、且つ、回転軸２５の方向（基準軸Ｓに平行な方向）
に移動可能である。回転軸２５は基準軸Ｓから所定の距
離：Ｈだけ離れて設定されている。

【００３０】レボルバー２０の回転・移動はレボルバー
・圧子駆動装置７０により行なう。レボルバー・圧子駆
動装置７０は、レボルバー２０を回転軸２５の周りに回
転させるためのステップモーターと、レボルバー２５を
回転軸２５の方向に変位させるためのモーターと、圧痕
形成時に圧子２３を駆動するための圧子駆動装置２３Ａ
を作動させるための手段を有する。

【００３１】この実施例では、レボルバー２０の本体２
１には、１個の圧子２３と２個の対物レンズ２２とが設
けられている。これら対物レンズ２２と圧子２３とは、
図２（ａ）に示すように回転軸２５に対して軸対称に設
けられ、圧子２３の尖端部および対物レンズ２２Ａ，２
２Ｂの光軸の、回転軸２５からの距離は何れも距離：Ｈ
に設定されている。レボルバーにおける圧子，対物レン
ズの配置はこの例に限らず、図２（ｂ）に示すように、
圧子２３の他に３個の対物レンズ２２Ａ，２２Ｂ，２２
Ｃ、あるいは４個以上の対物レンズを設けることもでき
る。また必要に応じて、レボルバー本体に２種以上の圧
子を設けても良い。圧子２３の先端は頂角９０度の正４
角錐状の尖端部を形成している。

【００３２】図１（ａ）に示す実施例では、レボルバー
２０の回転軸２５は基準軸Ｓと平行であるが、図２
（ｃ）に示すレボルバー２０Ａのように、その回転軸２
５Ａを基準軸Ｓに対して傾けて配設することも可能であ
る。この場合でもレボルバー２０は基準軸Ｓの方向へ変
位可能である。

【００３３】図１（ａ）に戻ると、基準軸Ｓ上にはＣＣ
Ｄカメラ４０が設けられており、レボルバー２０とＣＣ
Ｄカメラ４０との間には照明系３０が配備されている。
照明系３０は、ケーシング３１内に光源ランプ３２とコ
リメートレンズ３３と半透鏡３４とを配してなる。半透
鏡３４は基準軸Ｓ上に位置し、基準軸Ｓに対して４５度
傾けられている。基準軸Ｓが通る部分のケーシング部は
窓に形成されている。この例の照明系３０は無限長光学
系であり、図示のように対物レンズ２２が選択されて基
準軸Ｓ位置にあるとき、光源ランプ３２を発光させると
光はコリメートレンズ３３により平行光束化され、半透
鏡３４に反射され、対物レンズ２２を介して測定試料０
を照明する。測定試料０からの反射光は対物レンズ２２
と半透鏡３４とを介してＣＣＤカメラ４０の受光面に入
射する。照明系は有限長光学系のものも可能であり、そ
の場合は、レボルバーに設けられた対物レンズの後側焦
点位置に光源の像を結ぶようにすれば良い。

【００３４】以下、図１（ａ）に示す装置例に即して硬
度測定を説明する。硬度測定は、図１（ｂ）に示すよう
に試料セット工程、圧痕形成工程、対物レンズ選択工
程、撮像・演算工程の順に行なわれる。以下これらの各
工程を説明する。先ず「試料セット工程」であるが、こ
の工程は、測定試料０を移動ステージ１０上に載置する
ことに始まり、レボルバー２０における圧子２３が選択
されて圧痕形成の準備完了とともに完了する。

【００３５】操作部１０００の操作によって硬度測定装
置を測定モードにすると、移動ステージ１０とレボルバ
ー２０は基準の始動位置を占める。移動ステージ１０の
Ｘ方向ステージ１０Ｘの上には測定試料０をセットする
べき位置が印されており、この位置は上記始動位置にお
いて基準軸ＳがＸ方向ステージ１０Ｘの測定試料載置面
と交わる位置である。まず、この位置に硬度を測定すべ
き測定試料０をセットする。

【００３６】続いて操作部１００上の測定開始用スイッ
チを「オン」にすると、以下の手順で圧子の選択が行な
われる。即ち、図１（ａ）に示すレボルバー・圧子駆動
装置７０のステップモーターによりレボルバー２０が回
転され、圧子２３が作動位置にセットされる。セットさ
れた圧子は、その尖端部が基準軸Ｓの位置に合致する。
かくして「試料セット工程」が完了する。

【００３７】続いて「圧痕形成工程」が実行される。圧
痕形成は、レボルバー・圧子駆動装置７０により圧子駆
動装置２３Ａを動作させて圧子２３を測定試料０の方へ
移動させ、所定の圧力で圧子２３の尖端部を測定試料０
の表面に押し込むことにより行なわれる。この動作によ
り、測定試料表面には図２（ｄ）に示すような四辺形形
状の圧痕ＡＫが形成される。同図（ｅ）は圧痕ＡＫの断
面形状である。圧痕ＡＫにおける角γは、圧子尖端部の
形状に応じて９０度である。

【００３８】圧子２３の尖端部を押し込む圧力は「所定
の圧力」で一定であるから、測定試料０の硬度が大きい
ほど形成される圧痕ＡＫの大きさは小さくなる。従っ
て、圧痕ＡＫの大きさを対角線Ｌ１，Ｌ２により測定す
れば、対角線Ｌ１，Ｌ２の大きさと測定試料の硬度とは
対応関係にあるので、この対応関係に応じて硬度を算出
することができる。なお、圧子を押し込む圧力を複数段
階用意し、測定試料の固さに応じて押し込み圧力を選択
して、適当な圧痕を形成して良いことは言うまでもな
い。

【００３９】上記圧子選択のためのレボルバー２０の回
転と、圧痕形成のために圧子駆動装置２３Ａにより圧子
を移動させるためのレボルバー・圧子駆動装置７０の動
作はコンピューター９０により制御される。従って、レ
ボルバー・圧子駆動装置７０と圧子駆動手段２３Ａと、
これらを制御するコンピューター９０とはレボルバー・
圧子駆動手段を構成する。

【００４０】上記のようにして圧痕が形成されると圧子
２３はレボルバー方向へ戻される。続いてレボルバー２
０が回転し、対物レンズ２２の一方の選択が行なわれ
る。この選択により選択された対物レンズの光軸が基準
軸Ｓに合致させられる。これが「対物レンズ選択工程」
である。

【００４１】続いて「撮像・演算工程」が行なわれる。
この工程の手順はオートフォーカス動作により始まる。
対物レンズ２２の選択に伴い結像倍率は一義的に定ま
る。従ってコンピューター９０は、先ずレボルバー・圧
子駆動装置７０によりレボルバー２０を回転軸２５に沿
って移動させて上記結像倍率に応じた位置（これは、Ｃ
ＣＤカメラ４０との相対的な位置関係で定まる）へ配備
する。続いてコンピューター９０の制御に基づき、ステ
ージコントローラー８０により移動ステージ９０のＺ方
向ステージ１０Ｚを駆動し、測定試料０もろとも移動ス
テージ１０をＺ方向へ所定ステップで移動させる。この
とき照明系３０により照明を行ない、ＣＣＤカメラ４０
からの出力をコンピューター内に取り込みオートフォー
カスプログラムを実行する。上記所定ステップは、パラ
メータ：Ｊにより設定される１ユニットであり、この１
ユニットの移動の間に、パラメータ：Ｓで指定される回
数の情報サンプリングが行なわれる。

【００４２】オートフォーカス動作が完了すると、ＣＣ
Ｄカメラ４０の受光面には、測定試料０に印された圧痕
の拡大像が結像している。従って、レボルバー・圧子駆
動装置７０とステージコントローラー８０とＺ方向ステ
ージ１０ＺとＣＣＤカメラ４０とコンピューター９０と
が、オートフォーカス手段を構成することになる。

【００４３】この状態で圧痕は基準軸Ｓの上にあり、従
って圧痕の拡大像はＣＣＤカメラ４０の受光面の中央部
に結像するはずであるが、実際には機械的な誤差や、振
動等の外部要因等により測定試料０が移動ステージ上で
動くこともあり、圧痕像が必ずしもＣＣＤカメラ４０の
受光面上の最適の位置からずれている場合もある。この
ように、圧痕像が最適位置にない場合にもコンピュータ
ー９０は、入力情報に基づき、移動ステージ１０のステ
ップモーターＭＸ，ＭＹ，Ｍθを制御して圧痕の位置を
基準軸Ｓ上に自動的に修正する。

【００４４】続いて、ＣＣＤカメラ４０の出力により圧
痕の対角線長を算出し、それに基づき測定試料１０の硬
度を演算算出する。対角線長から硬度を算出する算出演
算は従来から知られた演算を用いる。かくして演算され
た硬度を測定試料の硬度として出力する。従って、制御
・演算手段はコンピューター９０である。以上が、硬度
測定の基本的なプロセスである。

【００４５】さて、制御演算手段の一部を構成する操作
部１００には表示部があり、硬度測定装置を測定モード
にすると、前述した「試料セット工程」に先立ち、例え
ば試料表面の状態を指定するための表示が現われる。こ
の表示は、例えば「試料の表面状態を番号で選択して下
さい。１．鏡面，２．その他」というようなものであ
る。この表示に従って「１．鏡面」を選ぶと、オートフ
ォーカス方式として「ピーク検出モード」と、このピー
ク検出モードによるオートフォーカスに伴う「オフセッ
ト量」に応じたパラメータ：Ｏ₀が選択される。この場
合のオフセット量は一般に「０」とすることができる。
測定試料に対してより細かく対応するために、ピーク検
出モードを更に細かく「相対的に高い周波数で合焦検出
を行なう高周波ピークモードと、相対的に低い周波数で
合焦検出を行なう低周波ピークモード」に分けて選択可
能にしても良い。

【００４６】また、上記表示で「２．その他」を選択す
ると、オートフォーカス方式として自動的に「積分モー
ド」が選択される。この積分モードも所望により「相対
的に高い周波数で合焦検出を行なう高周波積分モード
と、相対的に低い周波数で合焦検出を行なう低周波積分
モード」を選択可能にしても良い。

【００４７】上記表示「２．その他」を選ぶと、表示部
にはさらに、例えば「１．研磨面，２．粗面，３．エッ
チング面」が表示され、これらの一つを選ぶと更に
「１．錆びていない，２．錆びている」の表示が現われ
る。そして、上記研磨面・粗面・エッチング面と、錆び
ている、錆びていないの６党利の組合せに応じて、オフ
セット調整用のパラメータ：Ｏ₁〜Ｏ₆の何れかが選択さ
れる。

【００４８】即ち、この実施例においては、予めオート
フォーカスのモードと測定試料表面状態の組合せに応じ
て、パラメータ：Ｏ₀〜Ｏ₆が設定されており、測定試料
の表面状態を指定することで自動的に、適正なパラメー
タ：Ｏが選択されるようになっている。

【００４９】パラメータ：Ｏ₀〜Ｏ₆は、予め測定試料の
表面状態の典型例毎に測定により決定され、コンピュー
タ９０に設定される。即ち、測定試料の表面状態に応じ
てオートフォーカス方式を選択して、オートフォーカス
を行ない、ディスプレイ６０上に得られる実際の合焦状
態と、オートフォーカスにより自動的に得られた合焦状
態における、Ｚ方向の距離差を求め、この距離差をＺス
テージの駆動パルス数：Ｏとして設定するのである。

【００５０】また、測定試料の硬度を測定する場合に、
その硬度が全く未知である場合はむしろ稀であり、一般
には、正確な硬度は分からないものの、凡その硬度に就
いては分かっている場合が多い。このように凡その硬度
が分かっている場合には、測定試料に形成される圧痕の
大きさも予め、ある程度は予想がつく。そこで、この実
施例では、上記表示部におよその硬度の範囲を所定種類
表示し、その内の一つを選択すると、それに応じて、適
正な結像倍率の対物レンズが選択されるようになってい
る。

【００５１】前述のように対物レンズの結像倍率に応じ
て、適正なパラメータ：Ｊの値があるので、この実施例
では、選択された対物レンズの結像倍率に応じてパラメ
ータ：Ｊとして適正な値を選択する。さらにこの実施例
では、パラメータ：Ｊのみならず、パラメータ：Ｓ，
Ｂ，ＴＬ，ＴＨ，ＡＰも適当な値を選択するのである。
即ち、この実施例では、「複数種の代表的な測定試料」
に応じて、ピーク検出モード，積分モード，パラメー
タ：Ｏ，Ｊ，Ｓ，Ｂ，ＴＬ，ＴＨ，ＡＰの組合せを設定
できるようになっている。

【００５２】パラメータ：Ｊ，Ｓ，Ｂ，ＴＬ，ＴＨ，Ａ
Ｐも、前述のパラメータ：Ｏの場合と同様に、予め代表
的な測定試料毎に実験的に適正な値を決定して、コンピ
ュータ９０に設定しておくのである。

【００５３】ここでパラメータ：Ｊ，Ｓ，Ｂ，ＴＬ，Ｔ
Ｈ，ＡＰの内容を簡単に説明する。前述のように、パラ
メータ：Ｊは、ステージ移動の最小単位（１ユニット）
を設定するパラメータであり、オートフォーカスに関連
しては、オートフォーカス動作のときにＺステージによ
り測定試料をＺ方向（基準軸Ｓの方向）に変位させると
きの変位の１単位即ち１ユニットであり、Ｚステージを
駆動するパルスモーターのパルス数として設定される。
また、パラメータ：Ｓは測定試料を上記１ユニットの距
離、Ｚ方向へ移動させる間に情報サンプリングを行なう
回数である。

【００５４】また、パラメータ：Ｂは、バックラッシュ
除去のための動作量を設定するパラメータである。移動
ステージの移動には、ステージ構造上の「ガタ」による
位置誤差が不可避である。この「ガタ」による誤差がバ
ックラッシュである。このバックラッシュは、ステージ
を基準位置および目標位置へ移動させるとき、必ず同一
の向きに移動させることにより除去できる。

【００５５】図４を参照して説明すると、図中のＢＲは
バックラッシュ除去用に設定された距離である。Ｚステ
ージは最初、前回合焦位置にあり、オートフォーカス動
作を開始させると、一旦、ＡＦ原点（オートフォーカス
用基準位置）に復帰するが、このとき、ＡＦ原点を距
離：ＢＲだけ越えた位置まで移動し、この位置からＡＦ
原点へ移動する（（１）原点復帰）。

【００５６】続いてオートフォーカス動作が行なわれ
る。このとき前述のようにＺステージの変位の１ステッ
プ即ち１ユニットは、ステップモーターのＪパルス分で
あり、１ユニットごとに情報サンプリングはＳ回行なわ
れる（（２）コントラストデータサンプリング）。移動
ステージの駆動により、測定試料がＡＦサーチ範囲を移
動すると、コントラスト（図３における出力ＭＰもしく
はＭＱは、合焦位置で最大となるので、ＡＦサーチ範囲
内でのコントラスト最大の位置として合焦位置を特定で
きる（（３）合焦位置検出）。

【００５７】そこ移動ステージをＺ方向へ駆動して、測
定試料表面を検出された合焦位置へ移動させる訳である
が（（４）合焦位置移動）、このときも一旦、合焦位置
を距離：ＢＲだけ越えた位置へ移動させてから、合焦位
置（目標位置）へ移動する。このように、基準位置，目
標位置へ近づくときには、必ず所定の側から近づくよう
にするこよりバックラッシュを除去できる。

【００５８】バックラッシュは上述のように、移動ステ
ージの機械的な「ガタ」に起因する誤差であるから、ス
テージごと、換言すれば硬度測定装置毎に異なるもので
あり、パラメータ：Ｂを設定可能にすることは、硬度測
定装置を構成するステージにおけるバックラッシュのバ
ラツキに容易に対処できることを意味し、ステージの製
造精度に余裕を与えることができることを意味する。

【００５９】パラメータ：Ｂは、距離：ＢＲに対凹する
ユニット数である。即ち、距離：ＢＲの変位は、ステッ
プモーターのＪ×Ｂパルスに対応するのである。

【００６０】以上のパラメータ：Ｊ，Ｓ，Ｂは、移動ス
テージの位置制御に関するパラメータであるが、以下に
説明するパラメータ：ＴＬ，ＴＨ，ＡＰは、移動ステー
ジの動的制御に関するパラメータである。

【００６１】先ず、パラメータ：ＴＬはステージを起動
するときのステージ駆動パルスを設定するパラメータで
ある。起動とはステージの始動および停止を意味する。
即ち、パラメータ：ＴＬは、ステージを始動または停止
するときの速度を指定する。パラメータ：ＴＨは、起動
され、加速されたステージが加速され、等速移動すると
きのステージ駆動パルスを設定するパラメータである。
さらに、パラメータ：ＡＰは、ステージを起動してから
等速移動状態に到るまでの加速期間を設定するパラメー
タである。

【００６２】例えばステージを始動させてから、等速運
動まで加速する場合を例にとると、ステージは当初、Ｔ
Ｌ×１０μｓｅｃ間隔の駆動パルスで駆動され、駆動パ
ルスの間隔がＴＨ×１０μｓｅｃになるまで加速され
る。またパラメーター：ＡＰは始動から等速運動に到る
までの加速期間をパルス数で設定する。１例として、Ａ
Ｐ＝５０パルス、ＴＬ＝１００、ＴＨ＝５０とし、２５
０パルス分変位させる場合の図を、図５に示す。ステー
ジは最初５０パルス分だけ加速され（駆動パルスのパル
ス間隔を１０００μｓｅｃから５００μｓｅｃへ次第に
小さくすること、換言すればパルスレートを１０００か
ら２０００ｐｐｓ（パルス／秒）へと直線的に大きくす
ることにより行なわれる）、パルス間隔が５００μｓｅ
ｃになると、それから１５０パルス分は、同一のパルス
レート：２０００で等速変位し、その後始動時と逆の減
速運動で目標位置へ変位する。

【００６３】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば新規な
硬度測定装置を提供できる。この装置は上記の如き構成
となっているから、測定試料の硬度や表面状態に応じ
て、適正なオートフォーカスを実現出来、オートフォー
カス誤差による測定誤差を有効に防止することができ
る。なお、測定試料の表面の色や経時的変化等をも考慮
してオートフォーカス方式や各種パラメータの設定を行
なうことも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の１実施例を説明するための図であ
る。

【図２】レボルバーと、圧子により形成される圧痕を説
明するための図である。

【図３】オートフォーカス方式としてのピーク検出モー
ドと積分モードを説明する図である。

【図４】パラメータ：Ｂを説明するための図である。

【図５】パラメータ：ＴＬ，ＴＨ，ＡＰを説明するため
の図である。

【符号の説明】

１０ 移動ステージ ２０ レボルバー ２２ 対物レンズ ２３ 圧子 ３０ 照明系 １００ 操作部

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】測定試料に所定の圧力で四辺形形状の圧痕
   を印し、この圧痕の対角線長を測定することにより測定
   試料の硬度を特定する装置であって、 測定試料を支持し、互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚ方向へ平
   行移動させるための移動ステージと、 上記Ｚ方向と平行に設定された所定の基準軸上に配備さ
   れた２次元の撮像素子と、 所定の回転軸の周りに回転可能で、且つ上記Ｚ方向に変
   位可能であり、１以上の対物レンズと圧痕形成用の圧子
   とを上記回転軸から所定距離離れた位置に配備され、上
   記回転軸の回りの回転により、所望の圧痕もしくは対物
   レンズを上記基準軸位置に設定させるレボルバーと、 上記撮像素子とレボルバーの間に配備され、上記基準軸
   上に設定された対物レンズを介して、測定試料を照明す
   る照明系と、 上記レボルバーを上記回転軸の周りに回転させて、対物
   レンズと圧子の選択を行ない、上記圧子が選択されたと
   き、選択された圧子を上記回転軸方向に変位させて測定
   試料に圧痕を印すためのレボルバー・圧子駆動手段と、 上記レボルバーの対物レンズが選択されたとき、選択さ
   れた対物レンズによる測定試料像を撮像素子の受光面上
   に結像させるためのオートフォーカス手段と、 上記撮像素子の受光状態を表示するディスプレイ手段
   と、 上記撮像素子の出力に応じて所定の演算により測定試料
   の硬度を算出するとともに、上記移動ステージ、撮像素
   子、レボルバー、照明系、レボルバー・圧子駆動手段、
   ディスプレイ手段およびオートフォーカス手段を制御す
   る制御・演算手段とを有し、 上記制御・演算手段が、オートフォーカス手段を制御す
   るオートフォーカスプログラムとしてピーク検出モード
   と積分モードとを選択可能に有するとともに、オートフ
   ォーカスのオフセット調整を行なうパラメータ：Ｏと、
   上記移動ステージにおける少なくともＺ方向の移動に対
   して、ステージ位置を制御するパラメータ：Ｊ，Ｓ，
   Ｂ、ステージの移動を制御するパラメータ：ＴＬ，Ｔ
   Ｈ，ＡＰ ここに、Ｊ：ステージ移動の最小単位（１ユニット）を
   設定するパラメータ， Ｓ：１ユニットのステージ移動の間に行なうべきサンプ
   リング回数を設定するパラメータ， Ｂ：バックラッシュ除去のための動作量を設定するパラ
   メータ， ＴＬ：ステージを起動するときのステージ駆動パルスを
   設定するパラメータ ＴＨ：起動されたステージが加速され、等速移動すると
   きのステージ駆動パルスを設定するパラメータ ＡＰ：ステージを起動してから等速移動状態に到るまで
   の加速期間を設定するパラメータ を、それぞれが変更可能および／または複数値設定可能
   に有することを特徴とする硬度測定装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の硬度測定装置において、 ピーク検出モードが、相対的に高い周波数で合焦検出を
   行なう高周波ピークモードと、相対的に低い周波数で合
   焦検出を行なう低周波ピークモードを選択可能に有し、 積分モードが、相対的に高い周波数で合焦検出を行なう
   高周波積分モードと、相対的に低い周波数で合焦検出を
   行なう低周波積分モードを選択可能に有することを特徴
   とする硬度測定装置。
3. 【請求項３】請求項１または２記載の硬度測定装置にお
   いて、 複数種の代表的な測定試料に応じて、上記ピーク検出モ
   ード，積分モード，パラメータ：Ｏ，Ｊ，Ｓ，Ｂ，Ｔ
   Ｌ，ＴＨ，ＡＰの組合せを設定できることを特徴とする
   硬度測定装置。