JP4064705B2 - 硬度計 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は硬度計に関し、とくに圧子による測定個所を観察しながら設定する硬度計に関する。
【0002】
【従来の技術】
圧子に所定の荷重を負荷して供試体に圧痕を形成し、この圧痕の形状から供試体の硬度を計測する硬度計が知られている。このような硬度計においては、例えば実公平5−45964号公報に記載されているように、供試体はXY移動可能な載置台にセットされ、載置台の上方に配置した顕微鏡により測定位置を決定しながら圧子で供試体表面に圧痕を形成する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
従来の硬度計では、Zステージで載置台を昇降することにより、圧子と載置台との距離、あるいは顕微鏡と載置台との距離を調節しているので、凹部内の硬度を測定できないことがある。
また、凹凸のある供試体に対して複数の測定個所を設定するティーチング作業が煩雑である。すなわち、このような作業では従来から次のようにしてティーチングが行われている。一の測定個所を顕微鏡で観察して位置決めしてその位置を記憶した後、供試体の凸部を避けるためいったん載置台を下げて対物レンズを供試体から離す。その後、載置台をXY移動させて、次の測定個所を目視で位置決めする。そして、載置台を顕微鏡の合焦領域まで上昇させ、顕微鏡により供試体表面を観察して位置決めを行って記憶する。
【0004】
本発明の目的は、凹部内の硬度を測定可能とし、また、凹凸ある供試体上に複数の測定位置を設定するティーチング操作を簡単にした硬度計を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
一実施の形態を示す図1、2を参照して説明すると、本発明による硬度計は、供試体Wを載置する試料台90と、水平面内において2次元駆動され、供試体Wへ負荷をかける圧子55aと、水平面内において前記圧子と一体に2次元駆動され、少なくとも測定目標位置の決定にあたって供試体Wを観察するための観察装置45と、観察装置45を試料台90に対して離接させる第1の離接機構40と、圧子55aを試料台90に対して離接させる第2の離接機構50と、第1および第2の離接機構40,50を独立に駆動する制御装置201とを備えることを特徴とする。
【0006】
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。
【0007】
【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および図2は本発明の実施の形態に係る硬度計の構成を示す図であり、(a)が平面図、(b)が正面図である。また図2は図1(b)の右側面図である。なお、図1および図2において図示のようにXYZ軸をとる。
【0008】
図1および図2に示すように、本実施の形態に係る硬度計は、載置台10が設けられた基台11と、基台11上にY軸方向に延在するYステージガイドレール21およびYステージ駆動装置22と、Yステージガイドレール21およびYステージ駆動装置22に設けられY軸方向に移動する門形のYステージ23と、このYステージ23上でX軸方向に延在するX軸駆動装置31によりX軸方向に移動するXステージ32と、このXステージ32に設けられ、観察装置45が設置された第1のZステージ41をZ軸方向に昇降する第1のZステージ駆動装置42と、Xステージ32に設けられ、負荷装置55が設置された第2のZステージ51をZ軸方向に昇降する第2のZステージ駆動装置52と、各ステージを駆動指示するためのジョイスティック60と、Xステージ32に設けられ、供試体W上に測定目標位置を指示するマーカー光を照射するレーザ照射装置70と、観察装置45で観察した画像を表示するモニタ80とを有する。供試体Wは底面にコロを設けた試料台90上にセットされ、試料台90を載置台10上に固定して測定が行われる。試料台90は搬入装置100により載置台10上に搬入される。
【0009】
Yステージ駆動装置22は、Y軸方向に延在するねじ棒(不図示)と、このねじ棒を回転駆動するYステージ駆動モータ22aとを有する。Yステージ23の一方の脚部23aの基端部は、Yステージ駆動装置22により回転する上記ねじ棒に螺合し、Yステージ駆動モータ22aによりねじ棒が回転するとYステージ23はY方向に移動する。Yステージ23の他方の脚部23bの基端部はYステージガイドレール21と係合してYステージ23のY軸方向の移動をガイドする。Yステージガイドレール21と、Yステージ駆動装置22と、Yステージ23とによりYステージ装置20が構成される。
【0010】
Xステージ駆動装置31は、X軸方向に延在するねじ棒(不図示)と、このねじ棒を回転駆動するXステージ駆動モータ31aとを有する。Xステージ32は、Xステージ駆動装置31により回転する上記ねじ棒に螺合し、Xステージ駆動モータ31aによりねじ棒が回転するとX軸方向に移動する。Xステージ駆動装置31と、Xステージ32とによりXステージ装置30が構成される。
【0011】
第1のZステージ駆動装置42は、Z軸方向に延在するねじ棒(不図示)と、このねじ棒を回転駆動するZステージ駆動モータ42aとを有する。第1のZステージ41は、Zステージ駆動装置42により回転する上記ねじ棒に螺合し、Zステージ駆動モータ42aによりねじ棒が回転するとZ軸方向に移動する。第1のZステージ41と、Zステージ駆動装置42とにより第1のZステージ装置(第1の離接機構)40が構成される。
【0012】
第1のZステージ装置40によりZ軸方向に昇降する観察装置45は、供試体Wの表面をCCDのような撮像素子で撮像してモニタ80に表示する。好ましくは、観察装置45に焦点検出装置を設け、その検出結果に応じて第1のZステージ41を昇降させてピント合わせを行う。観察装置45を光学顕微鏡として測定者が目視で供試体表面を観察してもよい。
【0013】
第2のZステージ駆動装置52は、Z軸方向に延在するねじ棒(不図示)と、このねじ棒を回転駆動するZステージ駆動モータ52aとを有する。第2のZステージ51は、Zステージ駆動装置52により回転する上記ねじ棒に螺合し、Zステージ駆動モータ52aによりねじ棒が回転するとZ軸方向に昇降する。第2のZステージ51と、Zステージ駆動装置52とにより第2のZステージ装置(第2の離接機構)50が構成される。この第2のZステージ51に設置された負荷装置55は周知のように、圧子55aと、圧子55aを供試体Wに押圧する重り(不図示)とを備え、Zステージ駆動装置52aによりねじ棒が回転するとZ方向に昇降する。
【0014】
図3は硬度計の制御系を示す図である。この制御系は、CPU,ROM,RAMなどを有する制御回路201を備え、上述したXステージ駆動モータ31a、Yステージ駆動モータ22a、第1および第2のZステージ駆動モータ42a、52a、観察装置45のCCD45a、負荷装置55,照射装置70,モニタ80はそれぞれ制御回路201により制御される。制御回路201には、Xステージ32の位置を検出するXエンコーダ30E,Yステージ23の位置を検出するYエンコーダ20E,第1のZステージ41の位置を検出する第1のZエンコーダ40E,第2のZステージ51の位置を検出する第2のZエンコーダ50Eから位置信号が入力される。この制御回路201には、上述したジョイスティック60あるいはキーボード81も接続されている。制御回路201は、ティーチング操作で取り込んだ位置信号を記憶し、位置信号から後述するように観察装置45や負荷装置55の目標位置を演算する。また、後述するように、画像処理により圧痕の対角線長を演算して硬度を算出する。
【0015】
次いで、本実施の形態の動作について説明する。まず供試体Wを試料台90の上にセットし、図2に示す搬入装置100により試料台90を載置台10上に搬入して固定する。照射装置70からマーカー光を照射させ、ジョイスティック60を操作してマーカー光が所望の測定位置を照明するようにXYステージ32,23を駆動して位置決めする。このとき、供試体Wに凹凸があっても照射装置70が凸部に衝突しないように照射装置70を供試体Wから十分離しておく。この場合、照射装置70を供試体Wから離してもマーカー光のスポット径が1mm程度になるように照射装置70の光学系を構成する。測定者はマーカー光を目視して測定目標位置を決定する。目標位置が決定されたら、ジョイスティック60により位置記憶指示を行い、そのとき制御回路201に取り込まれているXおよびYエンコーダ30Eおよび20Eからの位置信号を図示しない記憶装置に記憶する。このような操作を複数回行って、複数の測定目標位置のティーチングを行う。
【0016】
次に、ティーチングした位置に観察装置45の光軸が一致するようにXYステージ32,23を駆動する。Xステージ32には観察装置45と照射装置70が一体的に設置され、XY座標系内での両者の相対位置関係は既知である。したがって、照射光で決定して記憶した測定目標位置および、照射装置70と観察装置45の光軸の相対位置関係に基づいて、観察装置45の光軸の目標位置が演算され、観察装置45を正確に位置決めできる。
【0017】
まず、観察装置45を第1番目の測定位置に合わせるようにXYステージ32,23を駆動する。観察装置45のCCD45aで第1番目の測定個所を撮像してモニタ80上に表示し、測定箇所として適切か判断する。適切であればその位置を第1の測定位置として記憶装置に記憶する。この場合も上述したように、制御回路201に取り込まれているXおよびYエンコーダ30Eおよび20Eの位置信号を記憶する。たとえば観察位置が結晶粒界上の場合には硬度測定個所として適切でないので、ジョイスティック60によりXYステージ32,23を駆動して測定位置を変更する。そして、この測定位置が適切ならばジョイスティック60でその位置を記憶する指示を行い、同様に、XおよびYエンコーダ30E,20Eからの位置信号を記憶する。このような操作を全測定個所に対して行い、複数の硬度測定位置のティーチングを終了する。
【0018】
Xステージ32には観察装置45と負荷装置55が一体的に保持され、XY座標系での両者の相対位置関係は既知である。したがって、上記ティーチングにより適切な測定位置として記憶されたXY座標位置および、観察装置45の光軸と負荷装置55の圧子55aとの相対位置関係とに基づいて、圧子55aで負荷すべき測定位置を演算し、その位置へ圧子55aを位置決めすることができる。以上のようにして、複数の測定位置のティーチングが終了したら、実際の硬度測定を開始する。
【0019】
まず、Xステージ32およびYステージ23を移動して圧子55aを第1の測定位置に対峙させ、第2のZステージ駆動装置52により負荷装置55を所定の高さまで降下して、圧子55aを供試体Wの表面に接触させる。その状態で、負荷装置55に内蔵された重りを圧子55aに作用させて供試体Wに圧痕を形成する。圧痕が形成されたら負荷装置55を第2のZステージ駆動装置52により上昇させ、XYステージ装置30,20により圧子55aを次の測定位置に対峙させる。そして、同様にして圧子55aで供試体Wに圧痕を形成する。このような操作を繰り返し行って予めティーチングして決定した複数の測定位置にそれぞれ圧痕を形成する。
【0020】
次に、複数の測定位置に形成された圧痕を観察装置45のCCD45aで撮像し、その画像を画像処理することにより、圧痕の対角線の長さを計算して硬さを算出する。そのため、まず、Xステージ32およびYステージ23を移動して第1の測定位置に観察装置45の光軸を対峙させる。観察装置45のピントを圧痕に合わせるため、第1のZステージ駆動装置42で観察装置45を所定の高さに設定する。この状態でCCD45aで撮像している画像を取り込み、2値化してデジタル画像としてバッファメモリに格納する。第1の測定位置に対する画像の取り込みが終了したら,XYステージ32,23を移動して観察装置45を第2の測定位置と対峙させて第2の測定位置の圧痕を撮像して、同様にデジタル画像としてメモリに格納する。このような処理を繰り返し行って全ての測定位置の圧痕の画像を記憶する。記憶された全ての画像に対して所定の画像処理を施して複数の圧痕の対角線長を算出し、圧子55aによる負荷荷重と対角線長とに基づいて複数の測定個所の硬さを計算する。
【0021】
このような硬度計によれば、供試体Wを移動せずに観察装置45と負荷装置55をXY面内で移動するようにしたので、供試体Wが大型化しても供試体Wの載置台10がそれにともなって大型化することがない。その結果、硬度計を小型化できる。
【0022】
供試体Wの表面に凹凸がある場合でも、照射装置70を供試体Wから十分離しておけば、凹凸のたびに照射装置70をZ方向に昇降させることなく、Xステージ32とYステージ23により照射装置70をXY水平面内で2次元移動することができる。その結果、凹凸のある供試体Wに対する測定位置のティーチング時間が短縮できる。供試体W上に照射されたマーカー光を目視することにより硬度測定位置を大まかに決定することができるので、従来のように、対物レンズの仮想光軸を供試体W上に設定して目視で位置決めをするのに比べて、目標測定位置を決めやすくなる。
【0023】
観察装置45と負荷装置55を第1および第2のZステージ装置40,50に各々設置して個別にZ軸方向に昇降できるようにしたので、供試体Wに凹凸がある場合に、測定位置をティーチングする操作が簡単になる。また、従来は難しかった供試体Wの凹部内の硬さを測定できる。すなわち、XYステージ装置30,20により観察装置45の光軸を測定位置と対峙させ、第1のZステージ装置40により観察装置45をZ軸方向に降下させる。つまり、観察装置45の鏡筒を凹部内に進入させ、供試体表面の測定位置にピントを合わせ観察する。測定位置として適切であれば、その位置を記憶する。観察装置45を上昇させ、記憶した位置に基づいて圧子55aの目標XY座標位置を算出する。XYステージ装置30,20により圧子55aを目標XY座標位置に移動して凹部内の測定位置と対峙させる。第2のZステージ装置50により負荷装置55の圧子55aを供試体Wの測定位置に接触させ、圧子50aを介して供試体Wに負荷を加えて圧痕を形成する。このように、観察装置45と負荷装置55をXY平面内で一体に移動させ、かつ、Z軸方向には個別に昇降するようにしたので、従来難しかった凹部の硬さが測定できる。
【0024】
なお、上記実施の形態においては、観察装置45をCCD45aによる撮像装置としたが光学顕微鏡としてもよく、この場合、圧痕の対角線長は画像処理ではなく、光学顕微鏡を用いて目視により測定する。また、複数の測定目標位置を順次決定し、決定された複数の目標位置で供試体を順次観察して測定位置を決定し、複数の測定位置で順次圧痕を形成し、複数の測定位置の圧痕の画像を順次取り込んで硬度を演算するようにしたが、1つの測定目標位置に対して供試体を観察して測定位置を決定し、圧痕を形成し、画像を取り込んで硬度を演算し、次いで次の測定目標位置に対して同様な手順で硬度を演算するようにしても良い。また、照射装置70をXステージ32上に設置して2次元移動させるようにしたが、供試体がそれほど大きくなければ、固定した照射装置70から出射される光を走査する走査機構を設けてもよい。この場合、走査機構が照射光の移動機構である。
【0025】
図4は、本発明によるレーザー光照射装置を従来の硬度計に設け、マーカー光により測定目標位置を可視化するものである。図4に示すように、XYZステージ301上に供試体を載置し、ステージ301と対峙する上方に回転可能に設置されたレボルバ302には、顕微鏡対物レンズ303と圧子304とレーザ照射装置305とが設けられている。306は対物レンズ303とともに光学顕微鏡を構成する接眼レンズ、307は供試体表面を撮像するCCD撮像素子である。
【0026】
図4に示す硬度計により硬度を測定する手順を説明する。レボルバ302を回転させて照射装置305を供試体と対峙させ、レーザースポット光を供試体に照射する。測定者は、供試体上のスポット光を目視しながらXYZステージ301を移動して供試体の測定目標位置にレーザ光が照射するようにする。測定目標が決まったらレボルバ302を回転させて目標位置に対物レンズ303を対峙し、ピントを合わせて供試体表面を観察する。結晶粒界上でなければレボルバ302を回転して圧子305を測定位置に対峙させ、圧子304により測定値に圧痕を形成する。
【0027】
図4に示した硬度計においても、測定目標位置が可視光で指示されるので目標位置の決定が極めて容易になる。
【0028】
【発明の効果】
本発明によれば、圧子と観察装置を独立に供試体に対して離接できるようにしたので、凹凸のある供試体のティーチング作業が簡単になり、また、凹部の測定箇所を観察装置で観察し、その後で、凹部測定位置に圧子を押し付けることができるので、従来難しかった凹部の硬さを簡単に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る硬度計の構成を示す図であり、(a)が平面図、(b)が正面図
【図2】図1(b)の右側面図
【図3】図1および2の硬度計の制御系を示すブロック図
【図4】硬度計の他の実施の形態を示す図であり、(a)が正面図、(b)が側面図
【符号の説明】
20 Yステージ装置
23 Yステージ
30 Xステージ装置
32 Xステージ
40 第1のZステージ装置
41 第1のZステージ
45 観察装置
50 第2のZステージ装置
51 第2のZステージ
55 負荷装置
55a 圧子
90 試料台
W 供試体
Claims (1)
- 供試体を載置する試料台と、
水平面内において2次元駆動され、前記供試体へ負荷をかける圧子と、
水平面内において前記圧子と一体に2次元駆動され、少なくとも測定目標位置の決定にあたって前記供試体を観察するための観察装置と、
前記圧子を前記試料台に対して離接させる第1の離接機構と、
前記観察装置を前記試料台に対して離接させる第2の離接機構と、
前記第1および第2の離接機構を独立に駆動する制御装置とを備えることを特徴とする硬度計。
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