JP3839512B2 - 超微小硬度測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超微小硬さ試験機やマイクロビッカース硬さ試験機などにおける負荷開始点を正確に検出するようにした超微小硬度測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の硬度測定装置、例えば超微小硬さ試験機では、電磁力により試料に所定の荷重を負荷して測定を行うようにしている。このような硬度測定装置では、磁石とコイル部とを有する電磁式圧子駆動部に電流を加えて圧子を試料に向けて降下させる。このとき、電流は徐々に増加、例えば時間に比例して増加するようになっており、圧子が試料に接触した時点の電流値を基準にして、その値からの電流の増加分を求めて負荷荷重を制御している。
【０００３】
また、この種の硬度測定装置においては、圧子の変位を差動トランスなどの変位検出部でモニタしているが、圧痕の深さの測定においても、圧子が試料に接触した時点の差動トランスの出力を基準にしている。したがって、圧子が試料表面と接触した時点を負荷開始点として正確に検出することが必要となる。そこで、変位検出部により検出された圧子の変位を変化率検出器に入力し、圧子の変位量が略零になった点を圧子が試料に接触した変化点、すなわち、負荷開始点として検出する材料試験機が提案されている（実公平６−８５３１号公報）。
【０００４】
一方、このような硬度測定装置においては、測定するデータ量が多いほど変化点の検出精度が向上するが、データ数を増やせば、検出のための処理に要する時間が増大する。また、変化点の検出をリアルタイムに行うものであるため、試験機自体の振動、あるいは空気振動などの外乱による影響を受けやすいという問題がある。そこで、試験開始、すなわち圧子の降下開始から変化点が検出されるまでの間のデータをも採取することにより、圧子が試料表面と接触してから接触時点を判定処理する間のデータの欠落を防止して、外乱による影響を少なくした硬度測定装置が提案されている（特公平７−３３８６号公報）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実公平６−８５３１号公報あるいは実公平７−３３８６号公報に記載された硬度測定装置においては、測定されたデータはデジタルデータとして得られるため、データ値が連続していないものである。このため、実際の変化点があるデータとそれに近接するデータとの中間地点に存在する場合においては、いずれかのデータを変化点として検出してしまうため、検出結果が実際の変化点と微妙にずれたものとなる。このような変化点のずれは、試験の測定誤差となり、とくに試料表面に形成された薄膜の強度などを測定する超微小硬度測定装置においては、その測定データは数μｍ間隔で変化するものであるため、僅かな変化点のずれが重大な測定誤差となるおそれがある。
【０００６】
本発明の目的は、圧子が試料に接触する変化点を正確に検出することができる超微小硬度測定装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
一実施の形態を示す図１および図２を参照して説明すると、本発明による超微小硬度測定装置は、圧子３を試料Ｔの表面に押し込むことにより、試料Ｔの硬度を測定する超微小硬度測定装置に適用され、圧子３により試料Ｔに負荷される試験荷重を検出する荷重検出手段１１と、圧子３の変位量を検出する変位検出手段７と、荷重検出手段１１および変位検出手段７からの荷重データおよび変位データに基づいて、圧子３が試料Ｔに当接する前後の、直線または曲線の変位−荷重関数Ｆ１，Ｆ２を算出する関数算出手段２０，２１と、各変位−荷重関数Ｆ１，Ｆ２の交点Ｐ２を圧子３が試料Ｔに当接した変化点として検出する変化点検出手段２２とを備えたことにより上記目的を達成する。
【０００８】
本発明による超微小硬度測定装置においては、荷重検出手段１１により検出された荷重データおよび変位検出手段７により検出された変位データから、関数算出手段２０，２１により圧子３が試料Ｔに当接する前後の変位−荷重関数Ｆ１，Ｆ２を算出する。変化点検出手段２２により各変位−荷重関数Ｆ１，Ｆ２の交点Ｐ２を求め、この交点Ｐ２を圧子３が試料Ｔに当接した変化点として検出する。
【０００９】
なお、本発明の構成を説明する上記課題を解決するための手段の項では、本発明を分かり易くするために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本発明が実施の形態に限定されるものではない。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明による超微小硬度測定装置の一実施の形態を示す概略構成図である。図１に示すように、圧子駆動部１はコイル部１ａおよび永久磁石１ｂを有し、コイル部１ａには圧子３が取り付けられるとともに、略Ｌ字状の変位検出バー５が取り付けられている。変位検出バー５の先端は差動トランス７の鉄心７ｂとされている。すなわち、差動トランス７は、円筒状のボビンに巻回されたコイル部７ａと、コイル部７ａの中心に挿通される鉄心７ｂ（変位検出バー５の先端部に接続されたもの）を有する。圧子駆動部コイル１ａは制御回路９と接続され、電流の向きを制御することにより圧子３を上昇、降下できる。また、コイル１ａと制御回路９との間には負荷検出部１１が介装され、コイル１ａへの供給負荷電流が測定される。また、差動トランス７のコイル部７ａも制御回路９に接続され、変位検出バー５、すなわち圧子３の変位量に応じた電圧が制御回路９に入力される。また、試料Ｔは試料台１３に載置される。制御回路９には試料に加える負荷荷重を設定する負荷荷重設定器１７が接続されている。また、試験中の変位と荷重との関係を表示するための表示部３０も制御回路９に接続されている。
【００１１】
制御回路９は、差動トランス７および負荷検出部１１からの出力信号を受けて圧子３の変位と荷重との関係を演算する演算部２０と、演算部２０による演算結果に基づいて、変位と荷重との関係において圧子３が試料Ｔに接触する前後の互いに傾きが異なる変位−荷重関数をそれぞれ算出する関数算出部２１と、関数算出部２１により算出された各変位−荷重関数の交点を圧子３が試料Ｔに接触した変化点として検出する変化点検出部２２とからなる。なお、本実施の形態においては、圧子駆動部１および負荷荷重設定器１７も制御回路９により制御されるが、その詳細な制御形態については省略する。
【００１２】
次いで、本発明の動作について説明する。試料台１３に試料Ｔを載置し、制御回路９からコイル１ａに負荷電流を供給することにより、圧子３は下降を開始する。これとともに、差動トランス７および負荷検出部１１からの検出信号が制御回路９に入力され、制御回路９はこれらの検出信号に基づいて、変位−荷重の関係を表示部３０に表示する。図４および図５はその一例を示している。図４は２００ｇｆの荷重で試験した際の圧子３が試料Ｔに当接する際のデータを、図５は０．２ｇｆの荷重で試験した際の圧子３が試料Ｔに当接する際のデータをそれぞれ示す図である。図４および図５に示すように、圧子３が試料Ｔに接触するまでの間は、荷重はある一定の変化率により増加するが、圧子３が試料Ｔに接触した後は、接触する前よりも大きな変化率により荷重が増加する。
【００１３】
図２は図４あるいは図５において荷重の変化率が変化する部分のデータを拡大して示す図である。ここで、図２に示すように制御回路９に入力されるデータはデジタルデータであるため、上記実公平６−８５３１号公報や特公平７−３３８６号公報に記載された方法により、圧子３が試料Ｔに接触した変化点を検出すると、変化点は点Ｐ１として算出される。しかしながら、実際の変化点が点Ｐ１と点Ｐ０との間にある場合には、検出された変化点は誤差を含んでいるものとなり、その結果測定される硬度についても誤差を含んでいることとなる。本発明は、このように実際の変化点が点Ｐ１と点Ｐ０との間に存在する場合であっても、変化点を正確に検出することができる。以下その手順を図３に示すフローチャートを参照して説明する。
【００１４】
まず、ステップＳ１において変位と荷重との関係を算出して表示部３０に表示する。これは、演算部２０において変位データと荷重データとの関係を算出し、この関係をデジタルデータとして表示部３０にプロットすることにより行う。ステップＳ２において、表示部３０にプロットされた変位と荷重との関係において、変位と荷重との関係の傾きが異なる部分、すなわち圧子３が試料Ｔに接触する前後でのそれぞれの変位−荷重関数を関数算出部２１により最小二乗法などによって算出する。ここで、変位と荷重との関係の傾きが異なる部分とは、図２におけるＡ部分とＢ部分とのことであり、Ｂ部分の方がＡ部分と比較して傾きが大きくなっている。そして、Ａ部分における変位−荷重関数Ｆ１とＢ部分における変位−荷重関数Ｆ２とをそれぞれ求める。ここで、変位−荷重関数Ｆ１は一般的に直線として表されるが、変位−荷重関数Ｆ２は、弾性変形しない材料の場合は直線であり、弾性変形する材料の場合は曲線で表される。
【００１５】
次のステップＳ３においては、変位−荷重関数同志の交点を求める。すなわち、変化点検出部２２において変位−荷重関数Ｆ１と変位−荷重関数Ｆ２との交点Ｐ２が求められる。そしてステップＳ４において、この求められた交点Ｐ２が圧子３が試料Ｔに接触した変化点として検出され、処理を終了する。
【００１６】
このようにして、変位と荷重の関係において、荷重の変化率が異なる部分の変位−荷重関数を求め、この変位−荷重関数同志の交点を圧子３が試料Ｔに接触した変化点として検出することにより、隣接するデジタルデータ間に実際の変化点が存在するような場合であっても、変化点を正確に検出することができる。したがって、変化点すなわち接触開始点に基づいて算出する試料Ｔの硬度をより正確に検出できることとなり、検出精度を向上することができる。
【００１７】
以上の実施の形態と請求項との対応において、差動トランス７が変位検出手段を、負荷検出部１１が荷重検出手段を、演算部２０および関数算出部２１が関数算出手段を、変化点検出部２２が変化点検出手段をそれぞれ構成する。
【００１８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明による超微小硬度測定装置によれば、圧子が試料に接触する前後の変位−荷重関数をそれぞれ求め、この変位−荷重関数同志の交点を圧子が試料に接触した変化点として検出するようにしたため、隣接するデジタルデータ間に実際の変化点が存在するような場合であっても、変化点を正確に検出することができる。したがって、変化点に基づいて算出する試料Ｔの硬度をより正確に検出できることとなり、検出精度を向上することができる。そしてこれにより、試料の硬度を精度良く求めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の構成を示すブロック図
【図２】変位と荷重との関係において荷重の変化量が変化する部分の拡大図
【図３】本実施の形態において行われる処理を説明するフローチャート
【図４】変位と荷重との関係をプロットしたグラフ
【図５】変位と荷重との関係をプロットしたグラフ
【符号の説明】
１ 圧子駆動部
３ 圧子
７ 差動トランス
９ 制御回路
１１ 負荷検出部
１３ 試料台
１７ 負荷荷重設定器
２０ 演算部
２１ 関数算出部
２２ 変化点検出部

Claims (1)

1. 圧子を試料表面に押し込むことにより、該試料の硬度を測定する超微小硬度測定装置において、
   前記圧子により前記試料に負荷される試験荷重を検出する荷重検出手段と、
   前記圧子の変位量を検出する変位検出手段と、
   前記荷重検出手段および前記変位検出手段からの荷重データおよび変位データに基づいて前記圧子が前記試料に当接する前後の変位−荷重関数をそれぞれ算出する関数算出手段と、
   前記各変位−荷重関数の交点を前記圧子が前記試料に当接した変化点として検出する変化点検出手段とを備えたことを特徴とする超微小硬度測定装置。

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