JP4097338B2 - 硬さ試験機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料表面に対して所定の試験力を圧子によって加えて形成されるくぼみを、光学顕微鏡を含む光学システムを介して観察し、その大きさから前記試料の硬さを求める硬さ試験機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧子によって試験力をかけて形成されるくぼみの大きさから、試料の硬さを測定する硬さ試験機には、くぼみを観察するための光学顕微鏡が備えられている。この光学顕微鏡の測定範囲は、主に対物レンズの倍率から限定され、たとえば、１０倍の対物レンズで観察した場合、観察できる範囲の最大長さは５００μｍ程度である。さらに、近年増加しているＴＶモニタ付きのタイプでは、１０倍の対物レンズでも２００μｍ程度の範囲内の測定となる。
上記硬さ試験機によって硬さを測定する場合、試験者はステージに試料をセットし、任意に試験力を決めて圧子によるくぼみ付けを行い、形成されたくぼみを観察し、大きさの測定をするが、一般的に、くぼみの大きさが、上記のような測定可能な範囲の２分の１から３分の２程度であれば、測定しやすく、誤差も生じにくい。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、試料の硬さに比較して試験力が大き過ぎる場合、光学系の測定範囲より大きいくぼみが形成されてしまうことがある。このようなときは、試験力を変更して再度くぼみ付けを行わなければならず、その分、時間と手間を要していた。
逆に、試験対象となる試料の硬度に対して、試験力が小さ過ぎる場合には、形成されるくぼみが小さくなり、正確な観察および測定ができにくくなり、誤差が生じる可能性があった。
【０００４】
上記課題に鑑み、本発明は、硬さ試験機に備えられている光学系の性能から限定される測定範囲内において、適切な大きさでくぼみを形成することが可能であって、迅速に、かつ正確に測定できる、硬さ試験機を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決すべく、請求項１に記載の発明は、
試料表面に対して所定の試験力を圧子によって加えることにより形成されるくぼみを、光学顕微鏡を含む光学システムを介して観察し、そのくぼみの大きさから前記試料の硬さを求める硬さ試験機において、
前記試料の硬さの予想値を入力する予想値入力手段と、
前記予想値入力手段により入力された前記予想値に基づいて、前記光学システムの性能上観察に適した範囲の大きさのくぼみが形成されるように、前記試験力を設定する、設定手段と、
前記設定手段により設定された試験力で、前記圧子が試料を押圧するよう、試験力を制御する試験力制御手段とを、備えることを特徴とする。
【０００６】
測定対象となる試料については、余程未知の材料でないかぎり、試験者は硬さを予想できるものであり、本発明は、この点について利用したものである。
すなわち、請求項１に記載の発明によれば、予想値入力手段によって、試験者が予想する試料の硬さの値を入力する。これを受けて、設定手段によって、光学システムの性能上観察に適した範囲の大きさのくぼみが形成されるように、試験力が設定され、試験中は、試験力制御手段によって、その設定した試験力で圧子が試料を押圧するよう、試験力が制御される。
したがって、この硬さ試験機において、試験を行う場合、光学システムの性能上観察に適した大きさのくぼみを形成されるので、光学系の有する測定範囲を超えて大き過ぎるくぼみが形成されくぼみ付けをやり直すことになったり、小さ過ぎるくぼみが形成されて測定誤差が大きくなってしまったりといった事態が起きにくくなるので、迅速に、かつ正確に測定できる。
【０００７】
ここで、「光学システムの性能上観察に適した範囲」とは、たとえば、対物レンズの倍率から決まる測定可能な範囲の２分の１〜３分の２程度の大きさであること、等であるが、これに限定されず、硬さ試験機における試料の観察に関わる光学システムの性能を総合的に鑑みて、適切であると判断される大きさである。
また、予想値入力手段は操作パネル等に設けられているもので、たとえば、操作することで数字を連続的に変更することができるアップ／ダウンキーや、数字を直接入力できるテンキーなどが挙げられる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、
試料表面に対し、一定の範囲内で設定可能な所定の試験力を、圧子によって加えることにより形成されるくぼみを、複数の対物レンズを有する光学顕微鏡を含む光学システムを介して観察し、そのくぼみの大きさから前記試料の硬さを求める硬さ試験機において、
前記試料の硬さの予想値を入力する予想値入力手段と、
設定可能な試験力の値のデータである試験力データと、前記光学システムの性能上観察に適した範囲のくぼみの大きさのデータとして、前記複数の対物レンズごとに定められているくぼみデータとを記憶する記憶手段と、
前記予想値入力手段により入力された前記予想値と前記記憶手段に記憶された試験力データとに基づいて、前記試験力の値ごとに試料に形成され得るくぼみの大きさを演算し、該演算により得られたくぼみの大きさを、前記くぼみデータと比較し、該比較結果に基づいて、適切な試験力と対物レンズとを設定する設定手段と、
前記設定手段により設定された試験力で、前記圧子が試料を押圧するよう、試験力を制御する試験力制御手段と、
前記設定手段により設定された対物レンズを用いて前記観察が行われるよう、この対物レンズを駆動する対物レンズ駆動手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明によれば、予想値入力手段によって試験者が予想する試料の硬さの値を入力する。これを受けて、設定手段によって、試験力データと予想値から試料に実際に形成され得るくぼみの大きさが、試験力として加え得る値ごとに演算により求められ、次に、この演算により求めたくぼみの大きさと、光学システムの性能上観察に適した範囲のくぼみの大きさのデータであって、前記複数の対物レンズごとに定められている、くぼみデータが比較され、この比較結果に基づいて、適切な試験力と対物レンズが設定される。
試験中は、試験力制御手段によってその設定した試験力で圧子が試料を押圧するよう、試験力が制御されて、光学システムの性能上観察に適した大きさのくぼみが形成され、観察時には、設定手段で設定された対物レンズが、対物レンズ駆動手段によって駆動され、この対物レンズを用いて観察できるようになる。
したがって、この硬さ試験機において、試験を行う場合、対物レンズの倍率も考慮して光学システムの性能上適切である大きさのくぼみが形成されるので、光学系の有する測定範囲を超えて大き過ぎるくぼみが形成されくぼみ付けをやり直すことになったり、小さ過ぎるくぼみが形成されて測定誤差が大きくなってしまったりといった事態が起きにくくなるので、迅速に、かつ正確に測定できる。
【００１０】
ここで、予想値入力手段、あるいは「光学システムの性能上観察に適した範囲の大きさ」は請求項１同様である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の硬さ試験機の一例としてのビッカース試験機を示したものである。
ビッカース試験機１は、四角錐のダイヤモンド圧子によって、試料の表面を、設定した所定の試験力で押しつけ、形成されたくぼみ（圧痕）の大きさから、試料の硬さを求める試験を行うもので、本体１０、ＴＶモニタ３０、および操作パネル５０とから構成され、ＴＶモニタ３０はケーブル３１によってＴＶカメラ１２に接続され、操作パネル５０はケーブル５１によって本体１に接続されている。
【００１２】
本体１０は、試料ステージ１１、ＴＶカメラ１２、ハロゲンランプ１３等を備える。
試料ステージ１１は、試料が載置されるもので、水平面内でＸＹ方向に調節できるようになっている。
前記ハロゲンランプ１３は、くぼみの観察時に、試料に対して光りを照射するもので、後述するＣＰＵ２１の制御の元、光量調節部２６（図２参照）によって、光量の調節が行われるようになっている。
【００１３】
また、試料ステージ１１に対向する位置に、四角錐のダイヤモンド圧子（図示せず）が設けられている。このダイヤモンド圧子は、上下方向に可動に構成され、ＣＰＵ２１が設定した試験力、あるいは試験者が試験力設定ノブ１４で設定した試験力で、試験力制御機構２７の制御の元、対向する位置に載置されている、試料表面を押して、くぼみを形成するものである。
試料に加えることができる試験力は、一定の範囲内であって、たとえば、９．８０７Ｎ〜４９０．３Ｎ（１ｋｇｆ〜５０ｋｇｆ）の範囲であったり、あるいは、１．９６１Ｎ〜１９６．１Ｎ（０．２ｋｇｆ〜２０ｋｇｆ）の範囲である。
【００１４】
さらに、本体１０は、試料ステージ１１上の載置された試料を観察するための光学顕微鏡（図示せず）を内蔵している。この光学顕微鏡は、１０倍の接眼レンズと、１０倍および２０倍の２つの対物レンズを備えた、デジタルタイプの顕微鏡である。２つの対物レンズは、後述する対物レンズ駆動機構２５によって自動的に切り換えられるようになっている。
光学顕微鏡で拡大された試料表面の画像は、ＴＶカメラ１２によって撮影され、ケーブル５１を介してＴＶモニタ３０に表示されるようになっている。
【００１５】
操作パネル５０は、試験者が測定時に指令を行い、また、試験中の各種情報を表示するもので、ＬＣＤ（liquid crystal display）画面を有し、該画面に表示されている各種スイッチで操作するタッチパネル方式のものである。
【００１６】
この操作パネル５０には、図３に示すように、アップキー５１、ダウンキー５２が設けられ、試験者は、この２つのキーを操作することによって、予め、試料の硬さの予想される値（予想値）を入力できるようになっていて、その値は、たとえば、図３のような状態で、硬さ値表示部５３に表示されるようになっている。これらアップキー５１、ダウンキー５２が、本発明の予想値入力手段となる。
試験者がスタートスイッチ５４に触れると試験が開始し、試験が終了し硬さの値が算出されると、硬さ値表示部５３に、予想値とは異なる表示方法で、たとえば、図４に示すような状態で、表示されるようになっている。
その他、操作パネル５０には、くぼみの大きさを表示するくぼみ値表示部５５、試験力表示部５６、試験力保持時間表示部５７などが、設けられている。
【００１７】
本体１０は、図２に示すように、ビッカース試験機１の動作を制御する制御システム２０を内蔵している。
制御システム２０は、ＣＰＵ（central processing unit）２１、Ｉ／Ｏポート２２、ＲＯＭ（read only memory）２３、ＲＡＭ（ramdom access memory）２４等から構成されている。
ＣＰＵ２１は、ＲＯＭ２３に格納されているプログラムやデータにしたがって、ＲＡＭ２４をメモリ領域として利用しながら、Ｉ／Ｏポート２２を介して、この試験機１の各部のドライバを制御するものである。
このＲＯＭ２３（記憶手段）には、前述の一定の範囲内において試験力として取り得る値のデータである試験力データが記憶されている。また、前記光学顕微鏡を含めた光学システム全体の性能上観察に適した範囲のくぼみの大きさのデータである、くぼみデータも、２つの対物レンズごとに、記憶されている。
【００１８】
ＣＰＵ２１は、操作パネル５０から硬さの予想値がアップキー５１、ダウンキー５２によって入力されると、その硬さに応じて、適正な試験力と対物レンズを設定するもので、すなわち、ＣＰＵ２１が本発明の設定手段となっている。
【００１９】
以下、試験力と対物レンズを設定する手順について述べる。
アップキー５１あるいはダウンキー５２によって試料の硬さの予想値が入力されると、ＣＰＵ２１は、この予想値とＲＯＭ２３内の試験力データから、この試料に形成され得るくぼみの大きさを、試験力として取り得る試験力の値ごとに演算により求める。
この演算により得られた試験力ごとのくぼみの大きさを、前述の対物レンズごとのくぼみデータと比較し、くぼみデータと重複するくぼみの大きさとなるときの試験力を、測定における試験力として設定する。また、この重複するくぼみデータを有する対物レンズを、観察用の対物レンズとして設定する。
たとえば、ＣＰＵ２１が演算により求めた、ある試験力（ａ（Ｎ））のときのくぼみの大きさと、１０倍の対物レンズにおけるくぼみデータの値が、重複する場合は、試験力としてａ（Ｎ）が設定され、対物レンズとして１０倍のものが設定されるのである。
【００２０】
試料の硬さによっては、くぼみデータと、ＣＰＵ２１の演算により求めたくぼみの大きさの範囲がかなり重複する場合、つまり、設定できる試験力が複数あったり、あるいは、両方の対物レンズが設定可能な場合もあるが、これらの場合については、適宜、最終的に試験力や対物レンズが設定されるようルールを定めておく。たとえば、複数の試験力が選択可能な場合には、より大きなくぼみが形成されるように、大きな試験力を選択するといったことや、どちらの対物レンズでもいい場合には、１０倍のレンズを優先する等、定めておく。
【００２１】
そして、試験中は、ＣＰＵ２１の制御の下で、上記のように設定した試験力で試料を押圧するよう、試験力制御機構（試験力制御手段）２７によってダイヤモンド圧子が制御され、測定後は、対物レンズ駆動機構（対物レンズ駆動手段）２５によって、上記のように設定した対物レンズが試料に対向する位置に来るよう、駆動されるようになっている。
【００２２】
くぼみ観察部２８は光学顕微鏡の接眼レンズ等から構成され、ＣＰＵ２１の制御の下、試料表面のくぼみを観察し、さらに、くぼみの大きさを計測し、得られた試料表面の画像と計測されたデータを、ＣＰＵ２１に出力するようになっている。
ＣＰＵ２１は送られてきた画像をＴＶカメラ１２（図１）を介して、ＴＶモニタ３０に出力するとともに、計測されたデータから、硬さを算出し、操作パネル５０の硬さ値表示部５３に表示するようになっている。
【００２３】
なお、本体１０には、試験力切換ノブ１４が備えられていて、予め、適切な試験力を予測できた場合や、ＪＩＳ等の規格が定められている試験を行う場合には、試験者が自分で試験力を設定できるようになっている。
【００２４】
次に、上記構成を有するビッカース試験機１を使用しての硬さ試験の手順を説明する。
まず、試験者は、操作パネル５０のアップキー５１、ダウンキー５２を操作して、試験対象である試料の硬さの予想値を入力する。その値は、図３に示すように、硬さ値表示部５３に表示される。
ＣＰＵ２１によって、前述したように、この入力された予想値に基づいて、適切な試験力と観察に適した対物レンズが設定される。
【００２５】
試験者が、試料ステージ１１に試料を載置し、操作パネル５０のスタートスイッチ５４を押すと、試験力制御機構２７の制御の下で、前記ダイヤモンド圧子が下方に進行し、設定した試験力で試料表面を押圧し、所定時間経過後、圧子は上昇して試料表面から離れる。これにより、試料表面に圧子の四角錐による圧痕（くぼみ）が形成される。
次に、対物レンズ駆動機構２５の制御により、先に設定された対物レンズが試料の上方に位置する。この対物レンズを介して、試料表面の様子が観察され、その画像がＴＶカメラ１２を通じて、ＴＶモニタ３０に映し出される。また、くぼみ観察部２８によって、くぼみの大きさが自動的に計測されるとともに、その大きさと加えた試験力の値から、既存の計算式により硬さの値が算出され、実際の硬さの値が、図４に示すように、操作パネル５０の硬さ表示部５３に表示される。
【００２６】
以上のビッカース試験機１によれば、ＣＰＵ２１によって、試験力データと予想値から試料に実際に形成され得るくぼみの大きさが、試験力として加え得る試験力ごとに演算によって求められ、この演算により求められたくぼみの大きさと、光学システムの性能上観察に適した範囲のくぼみの大きさのデータであって、２つの対物レンズごとに定められている、くぼみデータとが比較され、重複するときの試験力と対物レンズが、測定における試験力と観察に用いる対物レンズとして設定される。
試験中は、その設定された試験力で圧子が試料を押圧し、光学システムの性能上観察に適した大きさのくぼみが形成され、観察時には、設定された対物レンズを用いて観察される。
【００２７】
したがって、この硬さ試験機において、試験を行う場合、対物レンズの倍率も考慮して光学システムの性能上観察に適した大きさのくぼみが形成されるので、光学系の有する測定範囲を超えて大き過ぎるくぼみが形成されくぼみ付けをやり直すことになったり、小さ過ぎるくぼみが形成されて測定誤差が大きくなってしまったりといった事態が起きにくくなるので、迅速に、かつ正確に測定できる。
【００２８】
なお、本発明の硬さ試験機においては、取り付けられる対物レンズの種類、個数は限定されず、その場合、ＲＯＭ２３には取り付けられる全ての対物レンズごとにくぼみデータが格納されるようになる。
さらに、対物レンズは１個であってもよく、その場合くぼみデータは１種類であり、予想値が入力されると適切な試験力が設定されるように構成すればよい。
【００２９】
また、ＴＶモニタによってくぼみの観察を行うタイプのビッカース試験機１について例示したが、本発明はこれに限らず、たとえば、図５に示すように、前記操作パネル５０と同様の操作パネル１０３が接続されていて、本体１０１に備えられた接眼レンズによって直接くぼみを観察するタイプのビッカース試験機１００であってもよい。
【００３０】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、予想値入力手段によって、試験者が予想する試料の硬さの値を入力する。これを受けて、設定手段によって、光学システムの性能上観察に適した範囲の大きさのくぼみが形成されるように、試験力が設定され、試験中は、試験力制御手段によって、その設定した試験力で圧子が試料を押圧するよう、試験力が制御される。
したがって、この硬さ試験機において、試験を行う場合、光学システムの性能上観察に適した大きさのくぼみを形成されるので、光学系の有する測定範囲を超えて大き過ぎるくぼみが形成されくぼみ付けをやり直すことになったり、小さ過ぎるくぼみが形成されて測定誤差が大きくなってしまったりといった事態が起きにくくなるので、迅速に、かつ正確に測定できる。
【００３１】
請求項２に記載の発明によれば、予想値入力手段によって試験者が予想する試料の硬さの値を入力する。これを受けて、設定手段によって、試験力データと予想値から試料に実際に形成され得るくぼみの大きさが、試験力として加え得る値ごとに演算により求められ、次に、この演算により求めたくぼみの大きさと、光学システムの性能上観察に適した範囲のくぼみの大きさのデータであって、前記複数の対物レンズごとに定められている、くぼみデータが比較され、この比較結果に基づいて、適切な試験力と対物レンズが設定される。
したがって、この硬さ試験機において、試験を行う場合、光学システムの性能上観察に適した大きさのくぼみを形成されるので、光学系の有する測定範囲を超えて大き過ぎるくぼみが形成されくぼみ付けをやり直すことになったり、小さ過ぎるくぼみが形成されて測定誤差が大きくなってしまったりといった事態が起きにくくなるので、迅速に、かつ正確に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の硬さ試験機の一例を示す斜視図である。
【図２】図１の硬さ試験機の制御システムの構成を示すブロック図である。
【図３】図１の操作パネルに、硬さの予想値を入力した状態を示す平面図である。
【図４】図１の操作パネルに、硬さの実際の値が表示された状態を示す平面図である。
【図５】本発明の硬さ試験機の他の例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１、１００ 硬さ試験機
１０、１０１ 本体
２０ 制御システム
２１ ＣＰＵ（設定手段）
２３ ＲＡＭ
２４ ＲＯＭ（記憶手段）
２５ 対物レンズ駆動機構（対物レンズ駆動手段）
２７ 試験力制御機構（試験力制御手段）
３０ ＴＶモニタ
５０、１０３ 操作パネル
５１ アップキー（予想値入力手段）
５２ ダウンキー（予想値入力手段）
５３ 硬さ値表示部
５４ スタートスイッチ
５５ くぼみ値表示部

Claims (2)

1. 試料表面に対して所定の試験力を圧子によって加えることにより形成されるくぼみを、光学顕微鏡を含む光学システムを介して観察し、そのくぼみの大きさから前記試料の硬さを求める硬さ試験機において、
   前記試料の硬さの予想値を入力する予想値入力手段と、
   前記予想値入力手段により入力された前記予想値に基づいて、前記光学システムの性能上観察に適した範囲の大きさのくぼみが形成されるように、前記試験力を設定する、設定手段と、
   前記設定手段により設定された試験力で、前記圧子が試料を押圧するよう、試験力を制御する試験力制御手段とを、備えることを特徴とする硬さ試験機。
2. 試料表面に対し、一定の範囲内で設定可能な所定の試験力を、圧子によって加えることにより形成されるくぼみを、複数の対物レンズを有する光学顕微鏡を含む光学システムを介して観察し、そのくぼみの大きさから前記試料の硬さを求める硬さ試験機において、
   前記試料の硬さの予想値を入力する予想値入力手段と、
   設定可能な試験力の値のデータである試験力データと、前記光学システムの性能上観察に適した範囲のくぼみの大きさのデータとして、前記複数の対物レンズごとに定められているくぼみデータとを記憶する記憶手段と、
   前記予想値入力手段により入力された前記予想値と前記記憶手段に記憶された試験力データとに基づいて、前記試験力の値ごとに試料に形成され得るくぼみの大きさを演算し、該演算により得られたくぼみの大きさを、前記くぼみデータと比較し、該比較結果に基づいて、適切な試験力と対物レンズとを設定する設定手段と、
   前記設定手段により設定された試験力で、前記圧子が試料を押圧するよう、試験力を制御する試験力制御手段と、
   前記設定手段により設定された対物レンズを用いて前記観察が行われるよう、この対物レンズを駆動する対物レンズ駆動手段と、を備えることを特徴とする硬さ試験機。

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