JP4519353B2 - 硬さ試験機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、硬さ試験機に関し、詳細には、ビッカース硬さ試験機や微小硬さ試験機のように、試料表面に形成されたくぼみの大きさから硬さを計測する硬さ試験機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ビッカース硬さ試験機には、くぼみの形状を計測するための光学顕微鏡とくぼみを形成するための四角錐形の圧子が設けられており、硬さ試験を実施する際には、まず試料表面と光学顕微鏡の焦点合わせを行った後、所定の荷重を圧子により試料表面に加えてくぼみを形成し、再び光学顕微鏡によりくぼみの対角線の長さを計測することにより硬さを算出する。
【０００３】
光学顕微鏡の焦点合わせを自動で行うビッカース硬さ試験機には、試料台を上下移動させる駆動機構部と、光学顕微鏡の焦点を検出する焦点検出機構部が設けられており、焦点検出機構部は試料表面のコントラストを検出し、コントラストが極大となった位置で駆動機構部を停止させ、焦点合わせを行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光学顕微鏡の焦点検出機構は試料表面のコントラストのみに基づいて、焦点合わせを実施するため、くぼみの焦点合わせを実施する際、くぼみの周囲に形成された陥没や盛り上がりの影響を受けることがあり、正しい合焦位置よりずれた位置を合焦位置として認識してしまい、くぼみの測定データの信頼性が損なわれるという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、信頼性の高いくぼみの測定データを取得する硬さ試験機を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
対物レンズ５を介して試料Ｓの表面を照射する光源（ランプハウス１４）と、前記試料もしくは前記対物レンズの少なくとも一方を前記対物レンズの光軸に沿って移動させる移動手段（駆動部８）と、前記試料もしくは前記対物レンズの少なくとも一方を、前記移動手段により移動させて前記対物レンズの焦点合わせを行う自動焦点合わせ手段と、（ＣＣＤカメラ９、制御部１０）を有する硬さ試験機において、前記自動焦点合わせ手段により、前記対物レンズと前記試料表面の第１の焦点合わせ、および前記対物レンズと前記試料表面に形成されたくぼみの第２の焦点合わせを実施し、各焦点合わせにおける試料高さ位置を取得する取得手段（制御部１０）と、前記取得手段により取得した前記第１の焦点合わせにおける試料高さ位置と、前記第２の焦点合わせにおける試料高さ位置との差が所定の範囲を超えた場合に、第２の焦点合わせは正確に実施されていないと判別する判別手段（制御部１０）と、前記判別手段により前記第２の焦点合わせは正確に実施されていないと判別した場合に、当該くぼみの測定データを不採用データとするデータ選択手段（制御部１０）と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
請求項１記載の発明によれば、第１の焦点合わせにおける試料表面の高さと、第２の焦点合わせにおけるくぼみの高さの差が所定の範囲を超えた場合に、当該くぼみの測定データはくぼみの周囲の盛り上がりや陥没等の影響で合焦位置が正しく認識できなかったと判別し、データを選択するため、信頼性の高いくぼみの測定データが取得できる。
【０００８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の硬さ試験機において、前記対物レンズと前記光源の間には、前記光源から発した光の一部を遮断する遮光部（ガラス板１９）が設けられており、前記遮光部は、その投影像が前記対物レンズの焦点を含む前記対物レンズに平行な平行面に結像する位置に配置され、前記自動焦点合わせ手段は、前記投影像に焦点を合わせることで前記第１の焦点合わせを実施すること特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の発明によれば、対物レンズの焦点を含む平面には、遮光部によって形成された投影像が投影される。そのため、自動焦点合わせ手段は、よりコントラストが明瞭な前記投影像の焦点を合わせることで試料表面と対物レンズの焦点を合わせられ、対物レンズと試料表面の焦点合わせが正確にできるようになる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用したビッカース硬さ試験機を詳細に説明する。
【００１１】
図１に示すように、ビッカース硬さ試験機１は、本体部２と、本体部２の上側に取り付けられる光学顕微鏡３と、この光学顕微鏡３の下部に設けられ回転することにより圧子４と対物レンズ５との切り換えが可能なターレット６と、前記ターレット６と対向配置された試料台７と、試料台７を上下に移動させる駆動部８と、駆動部８の駆動制御を行う制御部１０と、制御部１０から送信されるデータを記憶する記憶部２０などにより構成されている。
【００１２】
光学顕微鏡３は、図２に示すように、対物レンズ５の他、試料表面に光を供給する光源部１３と、試料表面からの反射光の角度を変更させる反射鏡１２と、反射鏡１２によって角度が変更された反射光を通す鏡筒１１と、前記鏡筒１１に接続され、鏡筒１１を通過した反射光を受光し試料表面の像を撮像するＣＣＤカメラ９などにより構成される。
【００１３】
光源部１３は、図３に示すように、電灯を内蔵するランプハウス１４、このランプハウス１４に接続されランプハウス１４からの光の通路となる光路管１５などを備えている。
光路管１５の先端部１５ａの端面は斜めになっており、先端部１５ａは鏡筒１１に挿入されている。また、この先端部１５ａの端面には、ハーフミラー２１が取り付けられている。
【００１４】
そして、ランプハウス１４より放出された光はハーフミラー２１に反射され、対物レンズ５を通って試料表面に落射照明するようになっている。
また、試料表面から反射した光は対物レンズ５、ハーフミラー２１を通り、ＣＣＤカメラ９に取り込まれるようになっている。
【００１５】
光路管１５の内部には、図４に示すように凸レンズ１６、半凸レンズ１７からなるコリメータレンズと、凸レンズ１６、半凸レンズ１７に挟まれた開口リング１８が設けられており、ランプハウス１４から放出された光は凸レンズ１６、開口リング１８、半凸レンズ１７を通って鏡筒１１に放射される。
【００１６】
開口リング１８は、図５に示すように、ランプハウス１４からの光を通過させるように開口部１８ａが設けられており、この開口リング１８には、開口部１８ａを塞ぐようにガラス板１９が取り付けられている。
このガラス板１９には一本の直線模様２０が描かれており、ガラス板１９の直線模様２０は、図５に示すように光路の中心からはずれた位置に配置され、開口リング１８を光が通過した場合、直線模様の影が試料表面に投影されるようになっている。
即ち、ランプハウス１４から放射された光は、開口リング１８、ハーフミラー２１、反射鏡１２、対物レンズ５を介して試料表面に到達する。そのため、試料表面には開口リング１８に描かれた直線模様の影が投影される。
【００１７】
このとき、開口リング１８を通過した際に投影される直線模様の影が合焦する位置と、対物レンズ５と試料表面との合焦する位置とが等しくなるように設計されている。
すなわち、試料表面と対物レンズ５、対物レンズ５と半凸レンズ１７の間の距離は決まっているので、この距離と、対物レンズ５と半凸レンズ１７の屈折率からガラス板１９の直線模様と対物レンズ５の焦点が合致する位置が算出され、その位置にガラス板１９を配置することにより、対物レンズ５が試料表面で合焦する位置と模様が試料表面で合焦する位置が等しくなる。
【００１８】
この影と対物レンズ５の合焦点が等しくなるように設計されているため、対物レンズ５と試料表面の焦点が合っていないときには影のコントラストが小さくなり、対物レンズ５の焦点が合っているときには光と影のコントラストが大きくなる。このように、ガラス板１９の直線模様の影を試料表面に投影すると、試料表面のコントラストの変化が大きくなり、コントラストの小さい試料であっても焦点が検出しやすくなっている。
【００１９】
また、ガラス板１９の直線模様２０は、ビッカース硬さ試験機１の最大計測長、すなわち、ビッカース硬さ試験機１が計測できるくぼみの大きさ最大の長さよりも外側に投影され、くぼみの計測に影響を与えないようになっている。
【００２０】
ＣＣＤカメラ９は、複数の受光素子が２次元に配列された構成をしており、試料表面からの反射光を取り込むと、各受光素子が試料表面の光の強さを検出し、電気信号（光度情報）に変換して制御部１０に送信する。
【００２１】
制御部１０は、図７に示すように、ＣＣＤカメラ９および駆動部８と接続されており、ＣＣＤカメラ９から送信される電気信号に基づいて対物レンズ５と試料表面の合焦を検出し、試料台７の昇降動作を制御する。
制御部１０の合焦検出方法は、例えば、コントラスト検出方式であり、ＣＣＤカメラ９から送信される電気信号の振り幅を検出して、電気信号の振り幅が極大になると制御部１０は駆動部８に制御信号を送信し、試料台７の昇降動作を中止させるとともに、制御部１０は試料表面の合焦位置の高さを記憶部２０に記録する。
【００２２】
さらに、制御部１０はくぼみの焦点合わせを行う。
試料表面に圧子４を押し込み、試料Ｓにくぼみを形成すると、制御部１０はくぼみの面積を計測するためにくぼみの輪郭に焦点を合わせる。
試料表面にくぼみを形成すると、くぼみの周囲に盛り上がりや陥没ができることがあり、この盛り上がりや陥没データの影響のため、制御部１０は、合焦位置を誤認し、その位置で計測が行われるため、硬さデータの信頼性が失われてしまうことがある。
そのため、制御部１０には試料ごとの許容範囲が記録されており、くぼみの合焦位置と試料表面との高さの差が許容範囲内にない場合には、そのくばみを不採用データをして排除することにより、データの信頼性を向上することが出来るようになっている。
【００２３】
この許容範囲とは、十分な回数の試験の結果、統計的に得られたデータであり、試料の種類などに応じて各々許容範囲が設定されている。
【００２４】
次に、対物レンズ５の焦点合わせ動作について説明する。
まず、オペレータが試料Ｓをビッカース硬さ試験機１の試料台７に載せ、試料の種類を入力し、硬さ試験の開始を指示すると、ターレット６が回転して、試料Ｓと対物レンズ５が対向するとともに、ランプハウス１４の電灯が点灯し、試料Ｓの表面を照らす。
【００２５】
そして、制御部１０が試料台７の駆動部８を駆動させ、試料台７の上昇操作が開始する。このとき、ランプハウス１４からの光は凸レンズ１６、開口リング１８、半凸レンズ１７を通って試料表面に向かうが、この光の一部は開口リング１８のガラス板１９に描かれた直線模様に遮られ、試料表面には図６に示すように直線模様の影が投影される。
【００２６】
次いで、試料表面に投影された直線模様の影は対物レンズ５を介してＣＣＤカメラ９に取り込まれるが、対物レンズ５と試料表面の焦点が合っていないときは、ＣＣＤカメラ９に取り込まれる影の像のコントラストは小さくなるが、対物レンズ５と試料表面の焦点が合うとコントラストが大きくなる。
そして、試料表面のコントラストが大きくなるとＣＣＤカメラ９の各受光素子が検出する光度情報の差も大きくなる。
【００２７】
そのため、制御部１０はＣＣＤカメラ９から送信される光度情報の振り幅から試料表面の像のコントラストを検出し、コントラストが極大になると、駆動部８に制御信号を送信して、試料台７の昇降操作を停止させるとともに、当該試料台７の高さの位置を記憶部２０に記録する。
【００２８】
次いで、制御部１０はターレット６を回転させ、試料Ｓの上方に圧子４を配置させる。この状態で、制御部１０は試料Ｓの表面に圧子４を押し込みくぼみを形成させたのち、くぼみの焦点合わせを開始する。
【００２９】
くぼみの焦点合わせにおいて制御部１０は、まず、駆動部８により再び試料台７を昇降させ、くぼみの輪郭に焦点を合わせる。次いで、くぼみの輪郭のコントラストが極大となった試料台７の高さ位置と、記憶部２０に記憶した試料表面の高さ位置とを比較する。そして、例えば、くぼみの盛り上がりや陥没による高さ方向のずれが許容範囲内にない場合には、制御部１０は、当該くぼみデータを排除する。一方、焦点位置のずれ許容範囲内にある場合には、くぼみの表面積を計測して試料の硬さデータを取得する。
【００３０】
以上のように本発明におけるビッカース硬さ試験機１は、一部に影のある光を試料表面に照射し、光と影のコントラストを比較することにより合焦位置を検出するため、表面を鏡面に磨いた試料であっても、試料のコントラストがはっきりし、焦点合わせが容易になる。
【００３１】
さらに、本発明のビッカース硬さ試験機は、試料ごとに許容範囲を設定し、くぼみの輪郭と試料表面の高さの差が許容範囲に含まれない場合に、当該くぼみデータを排除するので、くぼみの周囲の盛り上がりや陥没による測定データの誤差を排除できることとなって、硬さ試験のデータの信頼性が向上する。
【００３２】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形・改良等は本発明に含まれるものとする。
例えば、本実施例では、本発明をビッカース硬さ試験機に適用したが、必ずしもビッカース硬さ試験機である必要はなく、本発明はブリネル硬さ試験機やヌープ硬さ試験機などのように、試料表面にくぼみを形成しそのくぼみの形状によって硬さを計測する硬さ試験機に適用される。
【００３３】
また、本実施例では対物レンズ５と試料表面の焦点検出方法としてＣＣＤカメラ９のコントラスト検出方式を用いたが、必ずしもこの方法で焦点を検出する必要はなくその他の焦点検出法を用いてもよい。
【００３４】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、第１の焦点合わせにおける試料表面の高さと、第２の焦点合わせにおけるくぼみの高さの差が所定の範囲を超えた場合に、当該くぼみの測定データはくぼみの周囲の盛り上がりや陥没等の影響で合焦位置が正しく認識できなかったと判別し、データを選択するため、信頼性の高いくぼみの測定データが取得できる。
【００３５】
請求項２記載の発明によれば、対物レンズの焦点を含む平面には、遮光部によって形成された投影像が投影される。そのため、自動焦点合わせ手段は、よりコントラストが明瞭な前記投影像の焦点を合わせることで試料表面と対物レンズの焦点を合わせられ、対物レンズと試料表面の焦点合わせが正確にできるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したビッカース硬さ試験機の構造を示す概略正面図である。
【図２】光学顕微鏡の構造を示す光学顕微鏡要部の縦断面図である。
【図３】光源部の構造を示す正面図である。
【図４】光源部の内部構造を示す断面図である。
【図５】開口リングの構造を示す斜視図である。
【図６】試料表面の投影像を示す図である。
【図７】制御構造を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 硬さ試験機
４ 圧子
５ 対物レンズ
８ 駆動部
９ ＣＣＤカメラ
１０ 制御部
１４ ランプハウス
１９ ガラス板
Ｓ 試料

Claims (2)

1. 対物レンズを介して試料の表面を照射する光源と、
   前記試料もしくは前記対物レンズの少なくとも一方を前記対物レンズの光軸に沿って移動させる移動手段と、
   前記試料もしくは前記対物レンズの少なくとも一方を、前記移動手段により移動させて前記対物レンズの焦点合わせを行う自動焦点合わせ手段と、
   を有する硬さ試験機において、
   前記自動焦点合わせ手段により、
   前記対物レンズと前記試料表面の第１の焦点合わせ、および前記対物レンズと前記試料表面に形成されたくぼみの第２の焦点合わせを実施し、各焦点合わせにおける試料高さ位置を取得する取得手段と、
   前記取得手段により取得した前記第１の焦点合わせにおける試料高さ位置と、前記第２の焦点合わせにおける試料高さ位置との差が所定の範囲を超えた場合に、前記第２の焦点合わせは正確に実施されていないと判別する判別手段と、
   前記判別手段により前記第２の焦点合わせは正確に実施されていないと判別した場合に、当該くぼみの測定データを不採用データとするデータ選択手段と、
   を備えることを特徴とする硬さ試験機。
2. 請求項１記載の硬さ試験機において、
   前記対物レンズと前記光源の間には、前記光源から発した光の一部を遮断する遮光部が設けられており、
   前記遮光部は、その投影像が前記対物レンズの焦点を含む前記対物レンズに平行な平行面に結像する位置に配置され、
   前記自動焦点合わせ手段は、前記投影像に焦点を合わせることで前記第１の焦点合わせを実施することを特徴とする硬さ試験機。

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