JP4775579B2

JP4775579B2 - 微小圧縮試験機

Info

Publication number: JP4775579B2
Application number: JP2006300389A
Authority: JP
Inventors: 司西村
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2006-11-06
Filing date: 2006-11-06
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2026-11-06
Also published as: JP2008116349A

Description

本発明は、粒径が数μｍ〜数百μｍ程度の粒状の試料の圧縮強度等を評価するための微小圧縮試験機に関する。

例えば金属やセラミックスの粉末等、粒径が数μｍ〜数百μｍ程度の粒状（略球形状）の圧縮特性を評価する試験機として、微小圧縮試験機と称される試験機が知られている。従来のこの種の微小圧縮試験機は、下部圧盤（試料台）上の上方に下面が平坦面に形成された圧子（上部圧盤）を設け、その圧子を負荷機構により駆動して下部圧盤上に載せられた粒状試料を加圧する構造を採り、下部圧盤はＸ−Ｙステージにより水平面に沿って移動することができるとともに、Ｚステージにより鉛直方向に移動できるようになっている。また、圧子の配設位置の側方には、光学観測装置（顕微鏡）の対物レンズが配置されており、スライドステージによって、下部圧盤はＸ−ＹステージおよびＺステージとともに、圧子の直下と光学観測装置の対物レンズの直下の間で移動できるようになっている（例えば特許文献１参照）。

試験に際しては、圧子により１個の粒状試料に圧縮荷重を加えられるように、光学観測装置で圧盤上にランダムにばら撒かれた粒状試料を認識し、試験予定位置、つまり圧子の直下にまで移動する。この作業はオペレータが手動によりＸ−Ｙステージやスライドステージを操作することによって行われる。

ここで、以上の試験動作を自動化する場合には、Ｘ−ＹステージおよびＺステージを電動化するとともに、下部圧盤上にあらかじめ格子状の正確な位置に試料をセットし、ｘ方向およびｙ方向のピッチを設定して各ステージを駆動する手法が採られる。
特開平５−９３６８３号公報

ところで、上記した従来の微小圧縮試験機においては、下部圧盤上にランダムにばら撒かれた粒状試料に対し、自動的に逐次試験を行うことができない。そして、このような試験のための操作は、オペレータに多大な労力が必要である。すなわち、例えば粒状試料が分散しにくい性状のものである場合には試料間隔が狭くなり、圧子のサイズとの関係で１個の粒状試料が他と十分に離れているものを探す必要があるのであるが、適切な試料が見つからずに労力を要する。また、分散は簡単であるが、粒状試料が非常にまばらに分散されてしまった場合には、試料を見つけるのに多くの労力を要する。いずれの場合も、試料が小さいために大きな視野の拡大率の低い顕微鏡では確認できず、視野の狭い高倍率の顕微鏡を使って試料を探す必要があるためである。

更に、自動試験ができないが故に、試験中の待ち時間も試験機の近傍で待機しておく必要があり、時間的なロスも大きいという問題もある。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、下部圧盤上にランダムにばら撒かれた粒状試料に対し、逐次自動的に圧縮試験を行うことができ、もってオペレータの負担を軽減することのできる微小圧縮試験機の提供をその課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明の微小圧縮試験機は、粒状試料が載せられる下部圧盤と、その下部圧盤を保持して水平面に沿って移動させるＸ−Ｙステージと、上記下部圧盤を鉛直方向に沿って移動させるＺステージと、上記下部圧盤の上方に設けられ、平坦な下面を有する圧子と、その圧子を鉛直方向に沿って駆動して上記下部圧盤上の粒状の試料に圧縮負荷を加える負荷機構と、上記圧子の配設位置と水平方向に所定の距離だけ離れた位置に設けられた対物レンズを含む試料の撮像手段と、上記下部圧盤を上記Ｘ−Ｙステージごと上記圧子の下方と上記対物レンズの下方の間で移動させるスライドステージを備えた微小圧縮試験機において、上記Ｘ−Ｙステージ、Ｚステージおよびスライドステージがそれぞれ電動ステージによって構成されているとともに、上記下部圧盤上にランダムに載せられた複数の粒状試料の上記撮像手段による撮像出力を取り込み、あらかじめ入力されている粒状試料のパターンを用いて上記下部圧盤上の粒状試料の位置情報を求める画像処理手段と、その画像処理手段による粒状試料の位置情報と、あらかじめ入力されている条件に基づき、その粒状試料の周囲の所定の距離内に他の物品が存在しているか否かにより当該粒状試料が単体で圧縮試験が可能か否かを判別する判別手段と、その判別手段により当該粒状試料が単体での試験が可能であると判別されたとき、上記スライドステージおよび上記Ｘ−Ｙステージを駆動して当該粒状試料を圧子の直下に位置決めした後、上記Ｚステージを駆動してその粒状粒子と圧子との距離を規定の試験開始前距離とした後、上記負荷機構を駆動して圧縮試験を行う制御手段を備えていることによって特徴づけられる（請求項１）。

ここで、本発明においては、上記撮像手段の視野を順次変更して、上記画像処理手段、判別手段および制御手段による動作を繰り返し実行するように構成すること（請求項２）ができる。

本発明は、下部圧盤上にランダムにばら撒かれた粒状試料を撮影し、あらかじめ入力した粒状試料のパターンを用いた画像処理により視野内の粒状試料の位置情報を得て、その位置情報とあらかじめ設定されている条件から、その粒状試料が単体で圧縮試験が可能か否かを判別し、可能である場合には電動Ｘ−Ｙステージの駆動により自動的に圧子の直下に位置決めし、電動Ｚステージの駆動により圧子と粒状試料との鉛直方向距離を規定距離とした上で、負荷機構を駆動して圧縮試験を行うことで、課題を解決しようとするものである。

すなわち、本発明では、下部圧盤上にランダムにばら撒かれた粒状試料を撮影し、その視野内の粒状試料の位置情報を得た後、その粒状粒子があらかじめ入力されている条件、例えば圧子の下面のサイズと粒状試料のサイズにより定まる領域に他の粒状粒子が存在しないか否か等、に基づき、その粒状試料が単体で圧縮試験を行うことのできる状態であるか否かを自動的に判別し、単体で試験可能と判別された場合には、電動のスライドステージ、Ｘ−Ｙステージ並びにＺステージを自動的に駆動して圧縮試験を行うことで、試験開始後はオペレータが関与することなく、粒状試料の探索から試験まで自動的に行うことのできる微小圧縮試験機が実現する。

請求項２に係る発明のように、撮像手段の視野を順次変更して同じ動作を繰り返すことにより、より多数個の粒状試料の圧縮試験を連続して自動的に行うことができる。

本発明によれば、下部圧盤上に粒状試料をランダムにばら撒いた状態でも、自動的に粒状試料を探して試験を行うので、オペレータの作業負荷を軽減することができる。また、請求項２に係る発明のように粒状試料の探索と試験を連続的に行うように構成すれば、多数個の試料についての長時間にわたる試験中において、オペレータは他の作業を行うことが可能となる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態の構成図で、機械的構成を表す正面図とシステム構成を表すブロック図とを併記して示す図である。

試験機本体１は、ベッド１１の一端（図において奥側）にコラム１２を立てた構造を有し、ベッド１１側に下部圧盤１３が、コラム１２側に圧子１４と対物レンズ１５がそれぞれ配されている。

下部圧盤１３は、モータ１６ａ，１６ｂの駆動によって水平面上で互いに直交する２方向（ｘ方向，ｙ方向）に移動するＸ−Ｙステージ１６上につかみ具１７によって固定されており、そのＸ−Ｙステージ１６は、モータ（図示せず）の駆動によりｘ方向に規定量だけ移動するスライドステージ１８上に載せられている。そして、これらの全体が、モータ１９ａの駆動により鉛直方向（ｚ方向）に移動するＺステージ１９上に載せられている。

コラム１２は下部圧盤１３の上方に迫り出しており、その迫り出し部分に圧子１４と対物レンズ１５が配置されている。圧子１４は、例えば電磁力発生装置を利用して微小荷重を負荷することのできる公知の負荷機構により鉛直下方に微小変位し、下部圧盤１３上の粒状試料に対して圧縮負荷を加えることができる。

対物レンズ１５は、圧子１４の配設位置に対してｘ方向に一定の距離だけ離れた位置に配置されており、前記したスライドステージ１８はこれらの間で下部圧盤１３を移動させるものであって、スライドステージ１８の規定量の移動により、下部圧盤１３上で対物レンズ１５の直下に位置する部位が圧子１４の直下に到来するように構成されている。
対物レンズ１５への入射光はプリズム等の他の光学要素を介してＣＣＤカメラ２０の撮像面に導かれ、この対物レンズ１５を介してその直下に位置決めされた下部圧盤１３上の粒状試料の像を設定された拡大率のもとに撮影することができる。

ＣＣＤカメラ２０の出力は画像取り込み回路３１を介して画像処理部３２に導かれ、この画像処理部３２では、あらかじめ入力されている粒状試料のパターンおよび下部圧盤１３の上面のパターンを用いて粒状試料を認識し、ＣＣＤカメラ２０の視野内に粒状試料が存在していればその位置情報（ｘ，ｙ座標情報）を求める。また、この画像処理部３２はオートフォーカス機能を有し、粒状試料の輪郭が明確となるように後述する制御部３４を介してＺステージ１９を駆動する。

画像処理部３２による位置情報は判別部３３に送られ、この判別部３３では、後述するように、その粒状試料が単体で圧縮試験が可能か否かを判別する。

判別部３３の判別結果に基づき、ＣＣＤカメラ２０の視野内に単体で圧縮試験が可能な粒状試料が存在している場合には、モータ制御回路３５を介してＸ−Ｙステージ１６を駆動して、該当の試料が対物レンズ１５の直下に位置するように位置決めし、同じくモータ制御回路３５を介してスライドステージ１９を駆動して、下部圧盤１３を圧子１４の下に移動させる。これにより、該当の粒状試料が圧子１４の直下に位置決めされることになり、その状態で負荷機構を駆動して圧縮試験を行う。

上記のモータ制御回路３５は制御部３４の制御下に置かれており、この制御部３４には、後述する条件等を入力したり、あるいは各種指令を与えるための操作部３６と、ＣＣＤカメラ２０により撮影された試料の像や試験結果等表示するための表示器３７、および操作部３６による入力情報やＣＣＤカメラ２０からの画像データ等を記憶するメモリ３８が接続されている。なお、この制御部３４と、前記した画像処理部３２並びに判別部３３は、実際にはコンピュータとその周辺機器によって構成され、コンピュータにインストールされているプログラムに従って各種動作を実行するのであるが、この図１においては、説明のためにプログラムが実行する機能に対応するブロック図で表している。

図２は上記した動作を表すフローチャートであり、この図２を参照しつつ本発明の作用を詳細に説明する。
まず、下部圧盤１３上に粒状試料をばら撒くとともに、必要な情報を入力する。この情報としては、圧子１４のサイズ、対物レンズ１５等の光学系を含んだＣＣＤカメラ２０の撮影倍率、試験対象である粒状試料の外観（サイズ・形状等）、下部圧盤１３の外観（明るさ等）、最小試料間距離、および試料探索範囲等である。

以上の入力を終わって試験開始の旨の指令を与えると、以降、自動的に以下の動作が実行される。まず、下部圧盤１３の表面上の規定の角隅部がＣＣＤカメラ２０の視野に入るようにＸ−Ｙステージ１６を位置決めした後、オートフォーカスを行って画像データを取り込む。先に入力されている試料と下部圧盤１３のパターン情報を用いて、粒状試料を探索する。その際、後述する理由により、あらかじめ設定されている範囲内、具体的にはＣＣＤカメラ２０の視野の外縁から最小試料間距離だけ内側の範囲に存在する試料のみを候補とする。

ＣＣＤカメラ２０の視野内に試料があれば、その試料の周囲のあらかじめ設定されている最小試料間距離内に他の試料やごみなどがないか否かを判別する。この最小試料間距離は、主として圧子１４のサイズ（下面の平坦面のサイズ）に基づいて決定される。すなわち、図３にＣＣＤカメラ２０による画像の例を示すように、試料Ｗ１の周囲の半径Ｃで示される最小試料間距離内に他の試料等が存在しなければ単体で圧縮試験が可能と判別し、試料Ｗ２はこれを中心とする半径Ｃ内に他の試料Ｗ３が存在するため、圧子１４による加圧時に試料Ｗ３が同時に加圧される可能性があるために単体で試験不可能と判別する。また、前記した試料探索範囲は、最小試料間距離に準ずるものであり、視野の外縁近傍の試料Ｗ４については、最小試料間距離が当該視野の外縁に掛かってしまうため、当初から試験可能試料の判別のための候補とはしない。これが前記したように視野の外縁から最小試料間距離だけ内側の範囲内の試料のみを候補とする理由である。

さて、視野中に単体で圧縮試験が可能な試料があると判別された場合には、その試料がＣＣＤカメラ２０の視野中央に位置するようにＸ−Ｙステージ１６を移動させ、再度オートフォーカスを行って試料サイズ（縦と横の長さ）を読み取る。この試料サイズは試料の強度計算に必要なものであり、その読み取りは画像処理部３２において行われ、メモリ３８に記憶される。次に、試料サイズの平均値の半分の距離分、Ｚステージ１９を下降させる。これにより試料の頂点に焦点があう。このように試料の頂点に焦点があった状態で、その試料を圧子１４の直下に移動させると、これら両者のｚ方向への位置関係が直ちに圧縮試験行える状態となるように、あらかじめ対物レンズ１５と圧子１４のｚ方向への相対位置が設定されている。その状態でスライドステージ１８を駆動して、試料を圧子直下に移動させた後、負荷機構を駆動して圧縮試験を行う。

試験の実行後、スライドステージ１８を駆動して、下部圧盤１３を対物レンズ１５の下方の当初位置に移動させる。次の試験を続けて行う場合には、Ｘ−Ｙステージ１６を駆動してＣＣＤカメラ２０の視野をずらし、上記と同じ動作を繰り返す。ＣＣＤカメラ２０の視野の移動は、あらかじめ設定されている試料探索範囲の内側であり、ｘ方向移動量並びにｙ方向に個別に移動させて試料探索範囲をカバーしていくのであるが、各回の移動の仕方は、図４に例示するように、ｘ方向へは（視野のｘ方向サイズ）−（最小試料間距離）×２とし、同じくｙ方向へは（視野のｙ方向サイズ）−（最小試料間距離）×２とする。これにより、前回の視野中において視野の外縁にあるが故に候補とならなかった図４においてＷ５で示される試料が、今回の探索で候補となる可能性が生じる。

そして、全探索範囲を探索し終われば試験を終了する。視野中に単体での試験が可能な粒子がない場合にも、ＣＣＤカメラ２０の視野を上記と同様に移動させ、同等の動作を行う。

以上の本発明の実施の形態によると、オペレータは最初に粒状試料を下部圧盤１３の上にばら撒くとともに、必要な条件を設定入力するだけで、あとは全て試験機が自動的に実行するため、従来のこの種の試験機のように個々の粒状粒子を顕微鏡で探索して試験を行う場合に比して、その労力が飛躍的に軽減される。また、画像処理により試料サイズを読み取る方法を採用すれば、オペレータがサイズを読み取る場合のような個人差が生じず、試験の信頼性ないしは再現性が向上する。

なお、試料の材質等によっては、圧縮試験後に圧子に試料が付着しやすいものもあるが、このような場合、圧子に付着した試料を自動的に除去する機能を追加すれば、より広い範囲の試料に対して自動試験が行えるようになる。

本発明の実施の形態の構成図で、機械的構成を表す正面図とシステム構成を表すブロック図とを併記して示す図である。本発明の実施の形態における自動試験動作の手順を示すフローチャートである。本発明の実施の形態において単体で圧縮試験が可能か否かを判別する手法の説明図である。本発明の実施の形態においてＣＣＤカメラの視野を移動させる手法の説明図である。

符号の説明

１試験機本体
１１ベッド
１２コラム
１３下部圧盤
１４圧子
１５対物レンズ
１６Ｘ−Ｙステージ
１７つかみ具
１８スライドステージ
１９Ｚステージ
２０ＣＣＤカメラ
３１画像データ取り込み回路
３２画像処理部
３３判別部
３４制御部
３５モータ制御回路
３６操作部
３７表示器
３８メモリ

Claims

粒状試料が載せられる下部圧盤と、その下部圧盤を保持して水平面に沿って移動させるＸ−Ｙステージと、上記下部圧盤を鉛直方向に沿って移動させるＺステージと、上記下部圧盤の上方に設けられ、平坦な下面を有する圧子と、その圧子を鉛直方向に沿って駆動して上記下部圧盤上の粒状の試料に圧縮負荷を加える負荷機構と、上記圧子の配設位置と水平方向に所定の距離だけ離れた位置に設けられた対物レンズを含む試料の撮像手段と、上記下部圧盤を上記Ｘ−Ｙステージごと上記圧子の下方と上記対物レンズの下方の間で移動させるスライドステージを備えた微小圧縮試験機において、
上記Ｘ−Ｙステージ、Ｚステージおよびスライドステージがそれぞれ電動ステージによって構成されているとともに、上記下部圧盤上にランダムに載せられた複数の粒状試料の上記撮像手段による撮像出力を取り込み、あらかじめ入力されている粒状試料のパターンを用いて上記下部圧盤上の粒状試料の位置情報を求める画像処理手段と、その求められた位置情報とあらかじめ入力されている条件に基づき、その粒状試料の周囲の所定の距離内に他の物品が存在しているか否かにより当該粒状試料が単体で圧縮試験が可能か否かを判別する判別手段と、その判別手段により当該粒状試料が単体での試験が可能であると判別されたとき、上記スライドステージおよび上記Ｘ−Ｙステージを駆動して当該粒状試料を圧子の直下に位置決めした後、上記Ｚステージを駆動してその粒状粒子と圧子との距離を規定の試験開始前距離とした後、上記負荷機構を駆動して圧縮試験を行う制御手段を備えていることを特徴とする微小圧縮試験機。
上記撮像手段の視野を順次変更して、上記画像処理手段、判別手段および制御手段による動作を繰り返し実行することを特徴とする請求項１に記載の微小圧縮試験機。