JP4829770B2 - 硬さ試験機 - Google Patents
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Description
ところで、自動で試料の硬さを測定する際、当該試料表面に傷や汚れ等がある場合、その傷や汚れを誤ってくぼみとして読み取ってしまったり、また、くぼみを正しく読み取った場合でも、焦点を合わせる際に、誤って試料表面の傷や汚れに焦点を合わせてしまい、測定結果に不都合が生じるという問題があった。
そこで、かかる問題を解消するため、圧子押圧前後の試料試験面を撮像して、得られた画像データ夫々の黒色画素数の差分を圧子押圧によって生じたくぼみの面積相当量として、その面積と圧子押圧荷重とから硬度を求める自動硬度計が知られている(特許文献1及び2参照)。
圧子により試料表面に形成されたくぼみを表示部に拡大表示させるための対物レンズを備え、前記くぼみに基づいて試料の硬さを測定する硬さ試験機であって、
前記圧子を試料表面に押し込む所定の試験力を付与する試験力付与手段と、
前記試験力付与手段により付与された試験力の除荷終了時における前記試料への前記圧子の侵入量を計測する侵入量計測手段と、
前記侵入量計測手段により計測された侵入量と前記圧子の幾何学的形状に基づき、前記くぼみの所定の特徴点間の距離を算出する距離算出手段と、
前記距離算出手段により算出された前記くぼみの所定の特徴点間の距離と所定の基準位置の座標に基づいてくぼみの大きさと位置を推定する推定手段と、
異なる倍率の複数の対物レンズと、
前記推定手段により推定されたくぼみの大きさが所定範囲内の大きさとなる倍率の対物レンズを前記複数の対物レンズの中から選択する対物レンズ選択手段と、
前記試料の材質に関する情報を入力する材質入力手段と、
前記試料の材質と、合焦位置の指定条件と、を対応付けて記憶する記憶手段と、
前記材質入力手段により入力された材質に対応する合焦位置の指定条件を前記記憶手段から抽出し、前記推定手段により推定されたくぼみの大きさと位置及び前記抽出した指定条件に基づいて合焦位置を指定する合焦位置指定手段と、
前記合焦位置指定手段により指定された合焦位置において前記くぼみの焦点を合わせる自動合焦手段と、
を備えることを特徴とする。
従って、推定されたくぼみの大きさと位置に基づき、くぼみに対して焦点を合わせる合焦位置を指定できることとなり、測定に時間をかけることなく、形成されたくぼみの寸法を読み取る際の誤認を好適に防止することができる。また、推定されたくぼみの大きさが所定範囲内の大きさとなる倍率の対物レンズを選択することができるので、くぼみの焦点調整を行う際、最適な倍率の対物レンズを選択できることとなり、自動合焦精度を高めることができ、ひいては、硬さ試験の測定精度を高めることができる。また、試料の材質に応じて、くぼみの最適な合焦位置を指定して焦点調整を行うことができるので、自動合焦精度をより高めることができ、ひいては、硬さ試験の測定精度をより高めることができる。
図1〜図3に示されるように、硬さ試験機1は、各構成部材が配設される試験機本体2と、試験機本体2に回動自在に支持される荷重アーム3と、荷重アーム3に試験力を付与し、荷重アーム3を作動させる試験力付与手段としてのアーム作動部4と、荷重アーム3の下方の試験機本体2に回転自在に備えられたターレット8と、このターレット8に取り付けられ、先端部に圧子5を備える圧子軸6と、ターレット8に取り付けられた対物レンズ7と、ターレット8に対向配置され、試料Sが載置される試料台9と、試料台9上の試料Sに形成されたくぼみを撮像する撮像部10と、試料Sの材質に関する情報を入力する入力部15と、くぼみを拡大表示する表示部16等により構成されている。なお、硬さ試験機1は、図3に示される制御部100により、各部の動作制御が行われる。
また、アーム本体31の下面側には、アーム本体31の下面と試験機本体2との間にコイルばね33aにより弾性支持される荷重軸33が備えられている。また、アーム本体31には、荷重アーム3(アーム本体31)が作動した際の、第1の他端部31bと第2の他端部31cとの開き量を検出するアーム変位検出部34が備えられている。
このように、アーム作動部4は、サーボモータ41の駆動に基づき固定治具44を上下動させて、固定治具44と接続しているアーム本体31の第1の他端部31bに、その駆動(駆動力)を伝達し、アーム本体31(荷重アーム3)を回動させる。なお、アーム作動部4が荷重アーム3を動作させる際、板ばね44aは撓む。
また、圧子軸6の下端部には圧子5が交換可能に備えられている。
そして、図1に示すように、後述するターレット8(ターレット本体81)を回転させ、圧子軸6を荷重軸33に対応する配置に切り替えることにより、荷重アーム3の回動に伴い荷重軸33が下方へ移動する動作の作用力を圧子軸6に伝達可能となる。そして、圧子5を試料Sに押し当て、押し込むことが可能となる。
なお、図2に示すように、後述するターレット8(ターレット本体81)を回転させ、対物レンズ7を撮像部10に対応する配置に切り替えた際に、撮像部10による試料Sの撮像が可能になる。
ターレット本体81には、圧子軸6と、対物レンズ7と、圧子軸6の変位量を検出する圧子軸変位検出部20とが備えられている。なお、圧子軸6は、圧子軸保持部61を介してターレット本体81に備えられている。ターレット本体81は、駆動モータ83に接続されており、制御部100から駆動モータ83に電流が供給されることにより駆動モータ83が駆動し、ターレット本体81が回転することによって、圧子軸6や対物レンズ7の配置が切り替えられる。
なお、本発明における入力部15は、試料Sの材質に関する情報を入力する際に使用される。これにより、入力部15は、材質入力手段として機能する。
具体的には、例えば、材質別合焦位置指定テーブル103aには、試料Sの材質が「金属類」の場合、CPU101が合焦位置指定プログラム103fを実行することにより指定される合焦位置の指定条件は、「形成されたくぼみの隅部」が記憶され、また、試料Sの材質が「樹脂類」の場合、CPU101が合焦位置指定プログラム103fを実行することにより指定される合焦位置の指定条件は、「くぼみの略中央」が記憶されている。
これにより、材質別合焦位置指定テーブル103aは、記憶手段として機能する。
具体的には、例えば、図4に示すように、CPU101は、侵入量計測プログラム103bを実行することにより、圧子5を試料S表面に押し込む試験力を付与し、所定の試験力を一定の時間保持し、試験力の除荷終了時における試料Sへの圧子5の侵入量(h3)を計測する。
CPU101は、かかる侵入量計測プログラム103bを実行することで、侵入量計測手段として機能する。
具体的には、例えば、図5に示すように、ビッカース硬さ試験機に用いられる対面角136°の正四角錘である圧子の場合、CPU101は、距離算出プログラム103cを実行することにより、侵入量計測プログラム103bの実行により計測された圧子5の侵入量hに基づき、それに相当するくぼみの所定の特徴点間の距離(くぼみの対角線の長さd)を算出する。
CPU101は、かかる距離算出プログラム103cを実行することで、距離算出手段として機能する。
具体的には、例えば、CPU101は、推定プログラム103dを実行することによって、距離算出プログラム103cの実行により算出されたくぼみの対角線の長さdとくぼみの中心位置座標とに基づいて、当該くぼみの大きさと位置は、図6に示すように、対角線の長さdを一辺とする正方形で囲まれる領域内であると推定する。
CPU101は、かかる推定プログラム103dを実行することで、推定手段として機能する。
具体的には、CPU101は、対物レンズ選択プログラム103eを実行することによって、推定プログラム103dの実行により推定されたくぼみの大きさが所定範囲内の大きさとなる倍率の対物レンズ7を複数の対物レンズ7の中から選択し、図2に示すように、最適な倍率の対物レンズ7を撮像部10に対応する配置に切り替える。
CPU101は、かかる対物レンズ選択プログラム103eを実行することで、対物レンズ選択手段として機能する。
具体的には、CPU101は、合焦位置指定プログラム103fを実行することによって、入力部15により入力された材質に対応する合焦位置の指定条件を材質別合焦位置指定テーブル103aから抽出し、抽出した指定条件に基づいて、試料S表面上の所定の合焦位置を指定する。
より具体的には、例えば、ビッカース硬さ試験において、入力部15により、試料Sの材質として「金属類」が入力された場合、CPU101は、合焦位置指定プログラム103fを実行することにより、材質別合焦位置指定テーブル103aから試料Sの材質「金属類」に対応する合焦位置の指定条件として「形成されたくぼみの隅部」を抽出し、図6に示すように、形成されたくぼみの角隅部Cを合焦位置に指定する。また、例えば、入力部15により、試料Sの材質として「樹脂類」が入力された場合には、合焦位置指定プログラム103fを実行することにより、材質別合焦位置指定テーブル103aから試料Sの材質「樹脂類」に対応する合焦位置の指定条件として「くぼみの略中央」を抽出し、形成されたくぼみの略中央を合焦位置に指定する。
CPU101は、かかる合焦位置指定プログラム103fを実行することで、合焦位置指定手段として機能する。
具体的には、例えば、図6に示すように、CPU101は、自動合焦プログラム103gを実行することによって、指定された合焦位置(形成されたくぼみの角隅C)において、くぼみの焦点を合わせる。
CPU101は、かかる自動合焦プログラム103gを実行することで、自動合焦手段として機能する。
最初に、ユーザは、硬さを測定する試料Sを試料台9に載置して固定するとともに、試料S表面のくぼみ形成位置や試験力等の試験条件や試料Sの材質に関する情報を入力部15により入力する。
次いで、制御部100は、入力部15により入力された各種試験条件に基づき、試料S表面上にくぼみの形成を行う。具体的には、図4に示すように、まず、圧子5が試料S表面に接触し、圧子5を試料S表面の所定位置に押し込む所定の試験力の負荷が開始され、圧子5の侵入量hが増加する。そして、所定の試験力に達すると、試験力の負荷を終了し、一定の時間、当該試験力を保持する。このとき、圧子5の侵入量は、h1からh2に増加する。次いで、試験力の除荷を行い、試験力除荷の終了により、試料S表面上にくぼみが形成される。なお、このとき、CPU101は、侵入量計測プログラム103bを実行することにより、試験力の除荷終了時における試料Sへの圧子5の侵入量(h3)を計測する。
次いで、CPU101は、距離算出プログラム103cを実行することにより、侵入量計測プログラム103bの実行により計測された圧子5の侵入量と圧子5の幾何学的形状との関係からくぼみの所定の特徴点間の距離を算出する。
次いで、CPU101は、推定プログラム103dを実行することにより、距離算出プログラム103cの実行により算出されたくぼみの所定の特徴点間の距離と所定の基準位置の座標に基づいてくぼみの大きさと位置を推定する。
次いで、CPU101は、対物レンズ選択プログラム103eを実行することによって、推定プログラム103dの実行により推定されたくぼみの大きさが所定範囲内の大きさとなる倍率の対物レンズ7を複数の対物レンズ7の中から選択する。
次いで、CPU101は、合焦位置指定プログラム103fを実行することによって、入力部15により入力された材質に対応する合焦位置の指定条件を材質別合焦位置指定テーブル103aから抽出し、抽出した指定条件に基づいて合焦位置を指定する。
次いで、CPU101は、自動合焦プログラム103gを実行することによって、合焦位置指定プログラム103fの実行により指定された合焦位置においてくぼみの焦点を合わせる。
従って、推定されたくぼみの大きさと位置に基づき、くぼみに対して焦点を合わせる合焦位置を指定できることとなり、測定に時間をかけることなく、形成されたくぼみの寸法を読み取る際の誤認を好適に防止することができる。
また、CPU101は、対物レンズ選択プログラム103eを実行することによって、推定プログラム103dの実行により推定されたくぼみの大きさに基づいて、推定されたくぼみの大きさが所定範囲内の大きさとなる倍率の対物レンズ7を選択することができる。
従って、くぼみの焦点調整を行う際、最適な倍率の対物レンズを選択できることとなり、自動合焦精度を高めることができ、ひいては、硬さ試験の測定精度を高めることができる。
また、入力部15により、試料Sの材質に関する情報が入力され、試料Sの材質と、CPU101が合焦位置指定プログラム103fを実行することにより指定される合焦位置の指定条件と、が対応付けられて材質別合焦位置指定テーブル103aに記憶され、CPU101は、合焦位置指定プログラム103fを実行することにより、入力部15により入力された材質に対応する合焦位置の指定条件が材質別合焦位置指定テーブル103aから抽出され、抽出された指定条件に基づいて合焦位置を指定することができ、自動合焦プログラム103gの実行によって、合焦位置指定プログラム103fの実行により指定された合焦位置においてくぼみの焦点を合わせることができる。
従って、試料の材質に応じて、最適な合焦位置を指定して焦点調整を行うことができることとなり、自動合焦精度をより高めることができ、ひいては、硬さ試験の測定精度をより高めることができる。
4 アーム作動部(試験力付与手段)
5 圧子
7 対物レンズ
8 ターレット(対物レンズ選択手段)
15 入力部(材質入力手段)
16 表示部(材質入力手段)
20 圧子軸変位検出部(侵入量計測手段)
100 制御部
101 CPU(侵入量計測手段、距離算出手段、推定手段、対物レンズ選択手段、合焦位置指定手段、自動合焦手段)
103 記憶部
103a 材質別合焦位置指定テーブル
103b 侵入量計測プログラム(侵入量計測手段)
103c 距離算出プログラム(距離算出手段)
103d 推定プログラム(推定手段)
103e 対物レンズ選択プログラム(対物レンズ選択手段)
103f 合焦位置指定プログラム(合焦位置指定手段)
103g 自動合焦プログラム(自動合焦手段)
S 試料
Claims (1)
- 圧子により試料表面に形成されたくぼみを表示部に拡大表示させるための対物レンズを備え、前記くぼみに基づいて試料の硬さを測定する硬さ試験機であって、
前記圧子を試料表面に押し込む所定の試験力を付与する試験力付与手段と、
前記試験力付与手段により付与された試験力の除荷終了時における前記試料への前記圧子の侵入量を計測する侵入量計測手段と、
前記侵入量計測手段により計測された侵入量と前記圧子の幾何学的形状に基づき、前記くぼみの所定の特徴点間の距離を算出する距離算出手段と、
前記距離算出手段により算出された前記くぼみの所定の特徴点間の距離と所定の基準位置の座標に基づいてくぼみの大きさと位置を推定する推定手段と、
異なる倍率の複数の対物レンズと、
前記推定手段により推定されたくぼみの大きさが所定範囲内の大きさとなる倍率の対物レンズを前記複数の対物レンズの中から選択する対物レンズ選択手段と、
前記試料の材質に関する情報を入力する材質入力手段と、
前記試料の材質と、合焦位置の指定条件と、を対応付けて記憶する記憶手段と、
前記材質入力手段により入力された材質に対応する合焦位置の指定条件を前記記憶手段から抽出し、前記推定手段により推定されたくぼみの大きさと位置及び前記抽出した指定条件に基づいて合焦位置を指定する合焦位置指定手段と、
前記合焦位置指定手段により指定された合焦位置において前記くぼみの焦点を合わせる自動合焦手段と、
を備えることを特徴とする硬さ試験機。
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