JP4793445B2 - 押込型材料試験機、試験方法、および試験用プログラム製品 - Google Patents

Description

本発明は、圧子などを試料に微小荷重で押圧して材料を評価する押込型材料試験機、試験方法、および試験用プログラム製品に関する。

特許文献１には、圧子を試料に押圧し、その押圧荷重に対する圧子の変位量を検出して試料の硬さを測定する微小硬度計が開示されている。この種の微小硬度計では、圧子の試料への押圧荷重が非常に微小なため、周囲の騒音や振動により硬度計そのものが振動して、測定結果に悪影響を与えることがある。

一方、特許文献２には、試験片に作用する試験力や伸びの検出出力取り出し回路中に予め選択したフィルタを介装し、検出信号中のノイズを除去する試験機が開示されている。この試験機では、予め設定した複数のフィルタ特性の中から選択したフィルタ特性を使用して検出出力のノイズ除去が行われる。

特開平５−８５０１９号公報 特開２００５−３３１２５６号公報

微小硬度計のように持ち運び自在の試験機では、その設置場所ごとに外乱が異なる。したがって、特許文献２に記載されている複数のフィルタ特性の中に、その設置場所の外乱に適したフィルタ特性が存在しなければ、適切に外乱が除去できない場合がある。

（１）本発明による押込型材料試験機は、試料に押し込まれる圧子と、圧子を介して試料に負荷を与える負荷装置と、圧子の変位を測定する変位センサと、無負荷状態で変位センサから得られた変位検出信号に基づいて、変位検出信号中の外乱成分を除去するフィルタ特性を算出する算出装置と、算出装置で算出したフィルタ特性を記憶する記憶装置と、記憶装置に記憶されたフィルタ特性で変位検出信号をフィルタ処理するフィルタ装置とを備える。
（２）この押込型材料試験機において、フィルタ特性を算出するために変位検出信号をサンプリングする準備モードと、材料評価データを算出するために変位検出信号をサンプリングする試験モードのいずれかを選択する選択部材を含むようにしても良い。この場合、準備モードが選択されると、圧子を無負荷状態の位置に保持したまま変位検出信号をサンプリングする。
（３）また本発明の他の態様の押込み型材料試験機は、試料に押し込まれる圧子と、圧子を介して試料に負荷を与える負荷装置と、圧子の変位を測定する変位センサと、負荷状態で変位センサから得られた変位検出信号に基づいて、変位検出信号中の外乱成分を除去するフィルタ特性を算出する算出装置と、算出装置で算出したフィルタ特性を記憶する記憶装置と、記憶装置に記憶されたフィルタ特性で変位検出信号をフィルタ処理するフィルタ装置とを備える。
（４）この押込型材料試験機の算出装置は、圧子の押し込み開始初期にサンプリングされた変位検出信号に基づいてフィルタ特性を算出することもできる。この場合、フィルタ装置は、フィルタ特性が算出された後はリアルタイムでフィルタ処理を行うことができる。
（５）上記押込型材料試験機において、フィルタ装置でフィルタ処理された変位センサの検出信号と、負荷装置による圧子の押圧力とにより、圧子押込深さ−試験力曲線を算出して試料の硬さを演算する演算装置をさらに備えることができる。
（６）本発明による試験方法は、圧子を試料に押圧し、圧子の変位を検出し、圧子により試料に働く試験力を検出し、検出された圧子の変位検出信号に対してＦＦＴ解析などを行ってノイズの周波数帯域を検出し、検出した周波数帯域に基づいてフィルタ特性を算出し、算出されたフィルタ特性により変位検出信号をフィルタ処理し、フィルタ処理後の変位検出信号と試験力とに基づいて試料の物性を評価する。
（７）この試験方法において、ノイズの周波数帯域を検出するために使用する変位検出信号は圧子が試料に接触していない無負荷状態でサンプリングした信号とすることができる。また、この試験方法において、ノイズの周波数帯域を検出するために使用する変位検出信号は圧子が試料を押圧している負荷状態でサンプリングした信号とすることもできる。
（８）本発明による試験プログラム製品は、圧子を試料に押圧する処理と、圧子の変位を検出する処理と、圧子により試料に働く試験力を検出する処理と、記検出された圧子の変位検出信号に対してノイズの周波数帯域を検出する処理と、検出した周波数帯域に基づいてフィルタ特性を算出する処理と、算出されたフィルタ特性により変位検出信号をフィルタ処理する処理と、フィルタ処理後の変位検出信号と試験力とに基づいて試料の物性を評価する処理とをコンピュータで実行させる。

本発明によれば、試験機設置場所の振動などによる外乱を適切に除去するフィルタ特性を算出して検出信号を取得することができる。

本発明による押込型材料試験機の構成を模式的に示す図 モニタに表示される各種ボタンを説明する図 電源オンでスタートするプログラムを説明するフローチャート フィルタ特性事前測定方式のフィルタ定数算出処理を説明するフローチャート フィルタ特性事前測定方式の試験処理を説明する図4に続くフローチャート フィルタ特性事後測定方式の試験処理を説明するフローチャート

符号の説明

４：圧子 ５：負荷装置
２０：制御装置 ２１：ＣＰＵ

図１は本発明による押込型材料試験機を微小硬度計に適用した場合の一実施の形態である。この実施の形態の微小硬度計は、設置場所での外乱の周波数特性を測定する機能と、外乱ノイズの周波数特性を解析してフィルタ定数を決定する機能と、変位検出出力に対してフィルタ定数で規定されるフィルタ処理を施して外乱の影響を抑制する機能とを備える。

微小硬度計は、フレーム１と、フレーム１に昇降可能に設けられる試料台２と、試料台２上に設置されて互いに直交するＸＹ方向に移動可能なステージ３とを備える。ステージ３上に保持される試料ＴＰは圧子４で押圧される。フレーム１内には、圧子４を介して試料ＴＰに試験力を与える負荷装置５と、圧子４の変位を測定する変位センサ６とを備えている。またフレーム１には、レボルバに装着された複数の対物レンズ７が設けられ、対物レンズ７に入射した観察光は結像光学系８および接眼光学系９により接眼部１０で観察される。この接眼部１０に図示しない撮像装置が設けられ、撮像装置からの観察画像はＡ／Ｄ変換器１１を介して制御装置２０に入力される。

変位センサ６は、例えば、差動トランス式変位検出器で構成される。変位センサ６のアナログ出力は、アンプ１２からＡ／Ｄ変換器１３に入力され、デジタル信号に変換されて制御装置２０に入力される。上記負荷装置５は、例えば、電子天秤タイプの可変式負荷装置で構成される。この負荷装置５は、負荷電流供給装置１４で調整された電流が供給される電磁コイル５１を有し、電磁コイル５１の電磁力により圧子４が試料ＴＰに押圧される。押圧荷重は負荷電流供給装置１４からの供給電流で制御される。制御装置２０により電磁コイル５１への負荷電流指令値を監視し、圧子４による押圧荷重を検出する。

制御装置２０は、ＣＰＵ２１、ＲＯＭ２２、ＲＡＭ２３、Ｉ／Ｏ２４、タッチパネルモニタ２５，レコーダ２６などを有し、ＣＰＵ２１は、ＲＯＭ２２に記憶された試験プログラムにより後述する各種処理を実行する。タッチパネルモニタ２５には、試験条件設定画面、試験データ表示画面、試験結果表示画面などが表示される。また、タッチパネルモニタ２５には、後述する各種ボタンスイッチも表示される。Ｉ／Ｏ２４にはレコーダ２６が接続され、計測データが記録される。

ＣＰＵ２１は、変位センサ６で検出される押込深さと、圧子４による試料ＴＰへの押圧荷重（試験力）を対応付けて検出し、試験力−押込深さ曲線から試料ＴＰの硬さを求める。この処理は通常の計測処理である。また、ＣＰＵ２１は計測処理に加えてフィルタ定数を決定する処理も実行する。すなわち、変位センサ６の出力信号に基づいて外乱による周波数特性を解析し、その解析結果に基づいてフィルタ定数を演算する。この処理をフィルタ定数演算処理と呼ぶ。そして、ＣＰＵ２１は、変位センサ６からの変位検出出力に対してフィルタ定数で規定されるフィルタ処理を行い、外乱による振動成分を除去する。フィルタ定数は、デジタルフィルタのフィルタ特性を定めるパラメータである。

本実施の形態の微小硬度計では、試験に先立って無負荷状態での変位検出信号によりフィルタ定数を算出するフィルタ特性事前測定方式と、試験開始後の負荷状態での変位検出信号によりフィルタ定数を算出するフィルタ特性事後測定方式のいずれかで硬さ測定試験を行うことができる。

フィルタ特性事前測定方式では、試験に先立って無負荷状態で測定した変位検出信号に重畳されたノイズの周波数成分を測定してフィルタ定数を算出し、変位検出信号に対してフィルタ処理を施しながらデータをサンプリングしてノイズを除去する。圧子４が所定押込深さまで押し込まれるまで、または押込力が所定値になるまで全データをサンプリングする。なお、変位検出信号の全てをサンプリングした後に、事前に算出したフィルタ定数によりフィルタ処理を行っても良い。

フィルタ特性事後測定方式では、圧子を試料に押し込みながら変位検出信号をサンプリングし、その変位検出信号に重畳されたノイズ周波数を分析してフィルタ定数を算出する。そして、サンプリングした変位検出信号に対して、フィルタ定数で規定されるフィルタ処理を施してノイズを除去する。

以上のように、この実施の形態の微小硬度計では、フィルタ特性事前測定方式とフィルタ特性事後測定方式を選択するため、タッチパネルモニタ２５の試験条件設定画面には、図２に示すモード選択ボタンとしてフィルタ特性事前測定方式ボタン２５ａとフィルタ特性事後測定方式ボタン２５ｂとが設けられる。また、フィルタ特性事前測定方式を選択した場合は、フィルタ定数を決定するためのフィルタ定数算出ボタン２５ｃと、硬さ計測データをサンプリングするための試験開始ボタン２５ｄも表示される。図２の例では、フィルタ特性事前測定方式ボタン２５ａとフィルタ定数算出ボタン２５ｃとが操作された場合を示す。

−フィルタ特性事前測定方式−
まず、フィルタ特性事前測定方式を採用した試験手順を説明する。試験に先立って、以下の手順１〜手順５により、微小硬度計を設置した場所に適したフィルタ定数を決定する。

フィルタ特性事前測定方式ボタン２５ａによりフィルタ特性事前測定方式が選択され、フィルタ定数算出ボタン２５ｃがオン操作されると次の処理が開始される。
手順１：負荷電流供給装置１４を制御して圧子４を空中の所定位置に保持する。
手順２：変位センサ６の変位検出信号を所定時間サンプリングしてＲＡＭ２３に記憶する。
手順３：サンプリングした変位検出信号列をＲＡＭ２３から読み出し、ＦＦＴ解析を行う。
手順４：ＦＦＴ解析結果に基づいてノイズの周波数特性を検出して、ノイズを除去するためのフィルタ定数を算出する。このフィルタ定数は、例えば、ローパスフィルタの通過周波数やバンドパスフィルタのスレッシュホールド値を表す。
手順５：フィルタ定数をＲＡＭ２３に記憶する。

次に、決定されたフィルタ定数を用い、以下の手順１１〜１５により試料ＴＰの硬さを計測する。
手順１１：試験開始ボタン２５ｄの操作により、ＲＡＭ２３に記憶したフィルタ定数を読み込む。
手順１２：予め定めた変位速度で圧子４を試料ＴＰに押圧して圧痕を作成する。このとき、変位検出信号（押し込み深さ）と負荷電流指令値（試験力）をサンプリングし、互いに対応付けしてＲＡＭ２３に記憶する。ＲＡＭ２３に変位検出信号を記憶する際、読み込まれたフィルタ定数を変位検出信号に適用してデジタルフィルタ処理を施してノイズが除去される。また、フィルタ処理後の変位検出信号列と負荷電流指令値とに基づいて、試験力−押込深さ曲線を作成する。
手順１３：試験力−押込深さ曲線に基づいて試料ＴＰの硬さを評価する。

次に、フィルタ特性事後測定方式を採用した試験手順を説明する。
手順２１：フィルタ特性事後測定方式ボタン２５ｂによりフィルタ特性事後測定方式が選択され、試験開始ボタン２５ｄが操作されると、予め定めた変位速度で圧子４を試料ＴＰに押圧して圧痕を作成する。このとき、変位センサ６の変位検出信号をサンプリングするとともに、同じタイミングで試験力を示す電流指令値をサンプリングする。変位検出信号（押し込み深さ）と電流指令値（試験力）は、互いに対応付けられてＲＡＭ２３に記憶される。
手順２２：所定押込深さが検出されると、または所定押込力が検出されると圧子４の押込を終了する。

手順２３：ＲＡＭ２３から変位センサ６の変位検出信号列を読み出し、ＦＦＴ解析を行い、ノイズの周波数帯域を検出してフィルタ定数を決定する。
手順２４：決定されたフィルタ定数を制御装置２０のＲＡＭ２３に記憶する。
手順２５：変位センサ６の変位検出信号とフィルタ定数をＲＡＭ２３から読み取り、変位検出信号列に対して、読み込まれたフィルタ定数でデジタルフィルタリング処理を施し、外乱の影響が除去された変位検出信号をＲＡＭ２３に記憶する。

手順２６： 外乱が除去された変位検出信号と、その変位検出信号に対応する試験力を読み出し、試験力−押込深さ曲線を作成する。
手順２７：試験力−押込深さ曲線に基づいて試料ＴＰの硬さを評価する。

図３〜図６は上記各処理をＣＰＵ２１で実行するプログラムのフローチャートである。微小硬度計の電源が投入されると、図３のプログラムが起動する。ステップＳ１０において、フィルタ特性事前測定方式ボタン２５ａによりフィルタ特性事前測定方式が選択されると、ステップＳ２０のフィルタ特性事前測定方式処理に進み、フィルタ特性事後測定方式ボタン２５ｂによりフィルタ特性事後測定方式が選択されると、ステップＳ３０のフィルタ特性事後測定方式処理に進む。

図４はフィルタ特性事前測定方式処理のフローチャートである。ステップＳ２１でフィルタ定数算出ボタン２５ｃがオン操作されるとステップＳ２２に進み、負荷電流供給装置１４を制御して圧子４を空中の所定位置に保持する。次にステップＳ２３において、所定時間、変位センサ６の変位検出信号をサンプリングしてＲＡＭ２３に記憶する。所定時間経過後、ステップＳ２４において、サンプリングした変位検出信号列をＲＡＭ２３から読み出し、ＦＦＴ解析を行う。ステップＳ２５では、ＦＦＴ解析結果に基づいて、変位検出信号列に含まれるノイズの周波数帯域を検出してフィルタ定数を算出し、ステップＳ２６において、フィルタ定数をＲＡＭ２３に記憶する。このようにしてフィルタ定数を事前に取得した後、ステップＳ２７において、試験処理を実行する。

図５はその試験処理のフローチャートである。ステップＳ２７１において、試験開始ボタン２５ｄが操作されると、ステップＳ２７２において、ＲＡＭ２３に記憶したフィルタ定数を読み込む。ステップＳ２７３に進むと、予め定めた変位速度で圧子４を試料ＴＰに押圧して圧痕を作成する。圧子４が移動中に、ステップＳ２７３〜ステップＳ２７７を繰り返し実行する。すなわち、ステップＳ２７４において変位検出信号を、ステップＳ２７５において電流指令値をそれぞれ読み込み、ステップＳ２７６において変位検出信号と電流指令値を対応付けてＲＡＭ２３に記憶する。

ステップＳ２７７において、圧子４の押込深さが所定値に達すると、または押込力が所定値に達すると、ステップＳ２７８で圧子４を停止してステップＳ２７９に進む。ステップＳ２７９では、ステップＳ２７２で読み込んだフィルタ定数を用いて変位検出信号列に対してデジタルフィルタ処理を施す。これにより、変位検出信号に重畳されているノイズが除去される。そして、ステップＳ２８０において、フィルタ処理後の変位検出信号と電流指令値とに基づいて、試験力−押込深さ曲線を作成する。試験力は、上述したように負荷電流供給装置１４への電流指令値により検出できる。ステップＳ２８１において、試験力−押込深さ曲線に基づいて試料ＴＰの硬さを評価する。

次に、フィルタ特性事後測定方式を採用した試験処理を図６のフローチャートにより説明する。
ステップＳ４１において、試験開始ボタン２５ｄが操作されると、ステップＳ４２において、予め定めた変位速度で圧子４を試料ＴＰに押圧して圧痕を作成する。このとき、変位センサ６からの変位検出信号をステップＳ４３において、試験力を表す負荷電流指令値をステップＳ４４においてそれぞれサンプリングし、ステップＳ４５において、変位検出信号と負荷電流指令値とを対応付けてＲＡＭ２３に記憶する。ステップＳ４６において、圧子４による所定押込深さが所定値になったこと、または押込力が所定値になったことを判定すると、ステップＳ４７において圧子４の押込を終了する。

ステップＳ４８において、ＲＡＭ２３から変位検出信号列を読み出し、ＦＦＴ解析を行う。ステップＳ４９では、ＦＦＴ解析結果に基づいて、変位検出信号列に含まれるノイズの周波数帯域を検出してフィルタ定数を算出し、フィルタ定数をＲＡＭ２３に記憶する。ステップＳ５０において、変位センサ６の変位検出信号およびフィルタ定数をＲＡＭ２３から読み出し、変位検出信号に対してフィルタ定数でデジタルフィルタリング処理を施す。そして、ステップＳ５１において、フィルタ処理後の変位検出信号と電流指令値とに基づいて、試験力−押込深さ曲線を作成する。試験力は、上述したように負荷電流供給装置１４への電流指令値により検出できる。ステップＳ５２において、試験力−押込深さ曲線に基づいて試料ＴＰの硬さを評価する。

以上説明した微小硬度計によれば、微小硬度計を種々の場所に設置しても、その設置場所の振動による外乱を適切に除去するフィルタ定数を使用してノイズを除去できる。設置場所がたびたび変更するような使用環境や、外乱が時々刻々変化するような環境下では、フィルタ特性事後測定方式でその都度フィルタ定数を算出するのが好ましい。設置場所を頻繁に変更せず、その外乱が変動しないような使用環境下では、フィルタ特性事前測定方式を選択して試験に先立ってフィルタ定数を算出するのが、試験時間を短縮する上で好ましい。

とくに、本発明は、薄膜の物性評価試験のように、試験力が微小であり、その結果、押し込み深さが１μm以下の試験条件での材料評価を可能とする押し込み型材料試験機に好適である。

以上説明したフィルタ特性事後測定方式では、予め定めた押し込み深さまで圧子を押込みつつサンプリングした変位検出信号列によりフィルタ定数を決定するようにした。すなわち、試験データをすべてサンプリングした後に変位検出信号列に対してＦＦＴ解析を行った。しかし、押し込み開始初期の所定時間にサンプリングした変位検出信号列に対してＦＦＴ解析を行ってフィルタ定数を算出し、その後のサンプルデータに対しては、リアルタイムでフィルタリング処理を行ってもよい。ノイズの周波数成分をＦＦＴ解析以外の手法で検出してもよい。

以上では、試験に際だって、フィルタ特性事前測定方式とフィルタ特性事後測定方式のいずれか一方の方式を選択するものとした。しかし、いずれか一方の方式のみを搭載した押込型材料試験機としても良い。

また以上では、変位検出信号に対するフィルタ処理をＣＰＵ内でのデジタル処理としたが、ノイズ成分を除去するアナログのローパスフィルタやバンドパスフィルタなどを使用しても良い。この場合のフィルタ特性は、ＣＰＵからの指令により可変とする必要がある。

以上では、微小硬度計について説明したが、試料に圧子を押し込み、少なくとも変位検出信号を用いて材料の物理的な性能を評価する試験であれば、本発明は、上述した微小硬度計に限らない。例えば、除荷曲線から弾性率等を測定する試験機にも本発明を適用できる。

本発明は、既存の材料試験機に実装されている試験プログラムを書き換えることにより、既存の材料試験機に上述したフィルタ定数算出機能、プログラマブルフィルタ処理機能を付与することができる。すなわち、本発明による試験用プログラム製品は、圧子を試料に押圧する処理と、圧子の変位を検出する処理と、圧子により試料に働く試験力を検出する処理と、記検出された圧子の変位検出信号に対してＦＦＴ解析を行ってノイズの周波数帯域を検出する処理と、検出した周波数帯域に基づいてフィルタ特性を算出する処理と、算出されたフィルタ特性により変位検出信号をフィルタ処理する処理と、フィルタ処理後の変位検出信号と試験力とに基づいて試料の物性を評価する処理とをコンピュータで実行させるものである。

本発明はさらに、検出信号に重畳される外乱ノイズの周波数特性を測定する測定装置と、周波数特性を解析してフィルタ定数を決定する演算装置と、検出信号に対してフィルタ定数で規定されるフィルタ処理を施すフィルタ装置と、フィルタ装置でフィルタ処理された検出信号を用いて材料を評価する評価装置とを備える材料試験機として実現することもできる。さらにまた、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

Claims (9)

1. 試料に押し込まれる圧子と、
   圧子を介して試料に負荷を与える負荷装置と、
   圧子の変位を測定する変位センサと、
   無負荷状態で前記変位センサから得られた変位検出信号に基づいて、変位検出信号中の外乱成分を除去するフィルタ特性を算出する算出装置と、
   前記算出装置で算出した前記フィルタ特性を記憶する記憶装置と、
   前記記憶装置に記憶された前記フィルタ特性で前記変位検出信号をフィルタ処理するフィルタ装置とを備える押込型材料試験機。
2. 請求項１の押込型材料試験機において、
   前記フィルタ特性を算出するために変位検出信号をサンプリングする準備モードと、材料評価データを算出するために変位検出信号をサンプリングする試験モードのいずれかを選択する選択部材を含み、
   前記準備モードが選択されると、前記圧子を無負荷状態の位置に保持したまま前記変位検出信号をサンプリングする。
3. 試料に押し込まれる圧子と、
   圧子を介して試料に負荷を与える負荷装置と、
   圧子の変位を測定する変位センサと、
   負荷状態で前記変位センサから得られた変位検出信号に基づいて、変位検出信号中の外乱成分を除去するフィルタ特性を算出する算出装置と、
   前記算出装置で算出した前記フィルタ特性を記憶する記憶装置と、
   前記記憶装置に記憶された前記フィルタ特性で前記変位検出信号をフィルタ処理するフィルタ装置とを備える押込型材料試験機。
4. 請求項３の押込型材料試験機において、
   前記算出装置は、前記圧子の押し込み開始初期にサンプリングされた変位検出信号に基づいて前記フィルタ特性を算出し、
   前記フィルタ装置は、その後に出力される前記変位検出信号に対して前記フィルタ特性でフィルタ処理を行う。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項の押込型材料試験機において、
   前記フィルタ装置でフィルタ処理された変位センサの検出信号と、前記負荷装置による前記圧子の押圧力とにより、圧子押込深さ−試験力曲線を算出して前記試料の硬さを演算する演算装置をさらに備える。
6. 圧子を試料に押圧し、
   前記圧子の変位を検出し、
   前記圧子により試料に働く試験力を検出し、
   前記検出された前記圧子の変位検出信号に対してノイズの周波数帯域を検出し、
   前記検出した周波数帯域に基づいてフィルタ特性を算出し、
   前記算出されたフィルタ特性により前記変位検出信号をフィルタ処理し、
   フィルタ処理後の変位検出信号と前記試験力とに基づいて前記試料の物性を評価する試験方法。
7. 請求項６の試験方法において、
   前記ノイズの周波数帯域を検出する際の変位検出信号は圧子が試料に接触していない無負荷状態でサンプリングした信号である。
8. 請求項６の試験方法において、
   前記ノイズの周波数帯域を検出する際の変位検出信号は圧子が試料を押圧している負荷状態でサンプリングした信号である。
9. 圧子を試料に押圧する処理と、
   前記圧子の変位を検出する処理と、
   前記圧子により試料に働く試験力を検出する処理と、
   前記検出された前記圧子の変位検出信号に対してノイズの周波数帯域を検出する処理と、
   前記検出した周波数帯域に基づいてフィルタ特性を算出する処理と、
   前記算出されたフィルタ特性により前記変位検出信号をフィルタ処理する処理と、
   フィルタ処理後の変位検出信号と前記試験力とに基づいて前記試料の物性を評価する処理とをコンピュータで実行させる試験用プログラム製品。

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