JP5932341B2 - 硬さ試験機及びプログラム - Google Patents
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Description
本発明は、硬さ試験機及びプログラムに関する。
従来、試料の表面に所定の荷重を負荷した圧子を押込んでくぼみを形成する過程において、試験力（圧子に負荷される力）と、押込み深さ（圧子の変位量）とを連続して計測し、得られた押込み曲線を解析することにより、材料の機械的性質を求める計装化押込み試験（ナノインデンテーション）と称される試験方法が知られている。
一般的に、計装化押込み試験では、圧子に一定の試験力を加えて試料に一定速度で近づけていき、圧子が試料に接触した際の当該圧子の変位量の変化点又は速度変化点を検出して、その点を試料表面（ゼロ点）として試験を開始している。
このため、圧子が試料に接触する点（ゼロ点）の検出の正確さが計装化押込み試験の試験結果の精度を左右するので、ゼロ点の検出方法に関しては従来より様々な工夫が行われている。
例えば、特許文献１には、圧子を微小振動させて試料に接近させ振動状態の変化を検出することで、試料に接触した点を検出する技術が開示されている。
また、特許文献２には、圧子が試料に当たる前から荷重データ及び変位データを取得しておき、接触後あるいは試験後に圧子の接近状態の変化を検出してゼロ点を決定する技術が開示されている。
このため、圧子が試料に接触する点（ゼロ点）の検出の正確さが計装化押込み試験の試験結果の精度を左右するので、ゼロ点の検出方法に関しては従来より様々な工夫が行われている。
例えば、特許文献１には、圧子を微小振動させて試料に接近させ振動状態の変化を検出することで、試料に接触した点を検出する技術が開示されている。
また、特許文献２には、圧子が試料に当たる前から荷重データ及び変位データを取得しておき、接触後あるいは試験後に圧子の接近状態の変化を検出してゼロ点を決定する技術が開示されている。
しかしながら、上記特許文献１、２の方法であっても、振動等の外乱の影響で圧子が変位した場合にはそこをゼロ点と見なしてしまい、ゼロ点検出に大きな誤差が生じてしまうという問題がある。
また、ゼロ点検出が失敗したデータを見極めるのには、試験機使用者（データ解析者）にある程度の経験が必要であるため、試験機使用者によっては適切にゼロ点が検出できているかどうかを判別できないという問題がある。
また、ゼロ点検出が失敗したデータを見極めるのには、試験機使用者（データ解析者）にある程度の経験が必要であるため、試験機使用者によっては適切にゼロ点が検出できているかどうかを判別できないという問題がある。
本発明の課題は、計装化押込み試験において、圧子が試料に接触する点の検出を正確に行うことができる硬さ試験機及びプログラムを提供することである。
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
圧子に所定の荷重を負荷し、荷重が負荷された前記圧子を試料の表面に押込んでくぼみを形成するくぼみ形成機構と、
当該くぼみの形成時の前記圧子の押込み深さと前記圧子に負荷された試験力とを検出して押込み曲線を計測する計測手段と、
を備える硬さ試験機において、
測定開始前に、測定条件に応じて、試料への接近過程における前記圧子の変位、速度、又は加速度の設計値を予め設定して、前記設計値を含む所定範囲を予想範囲として設定する設定手段と、
測定開始後に、試料への接近過程における前記圧子の変位、速度、又は加速度の値を測定し、測定値が前記予想範囲に入らない場合にはゼロ点の検出ミスと判別する判別手段と、
を備えることを特徴とする。
圧子に所定の荷重を負荷し、荷重が負荷された前記圧子を試料の表面に押込んでくぼみを形成するくぼみ形成機構と、
当該くぼみの形成時の前記圧子の押込み深さと前記圧子に負荷された試験力とを検出して押込み曲線を計測する計測手段と、
を備える硬さ試験機において、
測定開始前に、測定条件に応じて、試料への接近過程における前記圧子の変位、速度、又は加速度の設計値を予め設定して、前記設計値を含む所定範囲を予想範囲として設定する設定手段と、
測定開始後に、試料への接近過程における前記圧子の変位、速度、又は加速度の値を測定し、測定値が前記予想範囲に入らない場合にはゼロ点の検出ミスと判別する判別手段と、
を備えることを特徴とする。
また、請求項２に記載の発明は、
圧子に所定の荷重を負荷し、荷重が負荷された前記圧子を試料の表面に押込んでくぼみを形成するくぼみ形成機構と、
当該くぼみの形成時の前記圧子の押込み深さと前記圧子に負荷された試験力とを検出して押込み曲線を計測する計測手段と、
を備える硬さ試験機において、
測定開始前に、試料への接近過程における前記圧子の変位、速度、又は加速度の値の予想範囲を設定する設定手段と、
測定開始後に、試料への接近過程における前記圧子の変位、速度、又は加速度の値を測定し、測定値が前記予想範囲に入らない場合にはゼロ点の検出ミスと判別する判別手段と、
予め設定された基準試験環境下から外れた複数の異なる試験環境下で測定を行った場合にそれぞれ得られる試料への接近過程における前記圧子の変位、速度、又は加速度の値のパターンデータと、当該パターンデータが得られる試験環境を改善するための改善方法に関する改善情報とを記憶する記憶手段と、
前記判別手段によりゼロ点の検出ミスと判別された場合、前記記憶手段に記憶されたパターンデータと測定値とを比較して試験環境を推定し、当該試験環境の改善方法に関する改善情報をユーザに報知する報知手段と、
を備えることを特徴とする。
圧子に所定の荷重を負荷し、荷重が負荷された前記圧子を試料の表面に押込んでくぼみを形成するくぼみ形成機構と、
当該くぼみの形成時の前記圧子の押込み深さと前記圧子に負荷された試験力とを検出して押込み曲線を計測する計測手段と、
を備える硬さ試験機において、
測定開始前に、試料への接近過程における前記圧子の変位、速度、又は加速度の値の予想範囲を設定する設定手段と、
測定開始後に、試料への接近過程における前記圧子の変位、速度、又は加速度の値を測定し、測定値が前記予想範囲に入らない場合にはゼロ点の検出ミスと判別する判別手段と、
予め設定された基準試験環境下から外れた複数の異なる試験環境下で測定を行った場合にそれぞれ得られる試料への接近過程における前記圧子の変位、速度、又は加速度の値のパターンデータと、当該パターンデータが得られる試験環境を改善するための改善方法に関する改善情報とを記憶する記憶手段と、
前記判別手段によりゼロ点の検出ミスと判別された場合、前記記憶手段に記憶されたパターンデータと測定値とを比較して試験環境を推定し、当該試験環境の改善方法に関する改善情報をユーザに報知する報知手段と、
を備えることを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の硬さ試験機において、
試料への接近過程における前記圧子の変位、速度、又は加速度の測定値と共に、前記予想範囲を表示する表示手段を備えることを特徴とする。
試料への接近過程における前記圧子の変位、速度、又は加速度の測定値と共に、前記予想範囲を表示する表示手段を備えることを特徴とする。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の硬さ試験機において、
前記判別手段によりゼロ点の検出ミスと判別された場合、測定を中止する中止手段を備えることを特徴とする。
前記判別手段によりゼロ点の検出ミスと判別された場合、測定を中止する中止手段を備えることを特徴とする。
また、請求項５に記載の発明は、
硬さ試験機が有するコンピュータを、
所定の荷重を負荷した圧子を試料の表面に押込んでくぼみを形成し、当該くぼみ形成時の前記圧子の押込み深さと前記圧子に負荷された試験力とを検出して押込み曲線を計測する計測手段、
測定開始前に、測定条件に応じて、試料への接近過程における前記圧子の変位、速度、又は加速度の設計値を予め設定して、前記設計値を含む所定範囲を予想範囲として設定する設定手段、
測定開始後に、試料への接近過程における前記圧子の変位、速度、又は加速度の値を測定し、測定値が前記予想範囲に入らない場合にはゼロ点の検出ミスと判別する判別手段、
として機能させるためのプログラムである。
硬さ試験機が有するコンピュータを、
所定の荷重を負荷した圧子を試料の表面に押込んでくぼみを形成し、当該くぼみ形成時の前記圧子の押込み深さと前記圧子に負荷された試験力とを検出して押込み曲線を計測する計測手段、
測定開始前に、測定条件に応じて、試料への接近過程における前記圧子の変位、速度、又は加速度の設計値を予め設定して、前記設計値を含む所定範囲を予想範囲として設定する設定手段、
測定開始後に、試料への接近過程における前記圧子の変位、速度、又は加速度の値を測定し、測定値が前記予想範囲に入らない場合にはゼロ点の検出ミスと判別する判別手段、
として機能させるためのプログラムである。
本発明によれば、測定開始前に、試料への接近過程における圧子の変位、速度、又は加速度の値の予想範囲を設定する設定手段と、測定開始後に、試料への接近過程における圧子の変位、速度、又は加速度の値を測定し、測定値が予想範囲に入らない場合にはゼロ点の検出ミスと判別する判別手段と、を備えている。
このため、予め予想範囲が設定されることで、圧子が外乱の影響等により予想範囲から外れた場合にも、これをゼロ点の検出ミスとして自動的に判別することができる。
これにより、ゼロ点の検出をミスした失敗データを定量的に排除することができるので、ユーザが経験を有さないものであっても、適切にゼロ点が検出できているかどうかを見誤ることがない。
よって、圧子が試料に接触する点（ゼロ点）の検出を、正確かつ安定して行うことができる。
このため、予め予想範囲が設定されることで、圧子が外乱の影響等により予想範囲から外れた場合にも、これをゼロ点の検出ミスとして自動的に判別することができる。
これにより、ゼロ点の検出をミスした失敗データを定量的に排除することができるので、ユーザが経験を有さないものであっても、適切にゼロ点が検出できているかどうかを見誤ることがない。
よって、圧子が試料に接触する点（ゼロ点）の検出を、正確かつ安定して行うことができる。
以下、図を参照して、本発明に係る硬さ試験機について、詳細に説明する。
本実施形態における硬さ試験機１００は、圧子３に負荷する荷重（試験力）と、圧子３の変位（押込み深さ）とを連続してモニター可能な計装化押込み試験機である。
硬さ試験機１００には、例えば、図１及び図２に示すように、各構成部材が配設される硬さ試験機本体１と、硬さ試験機本体１を統括的に制御する制御部１０と、などが備えられている。
試験機本体１は、くぼみ形成機構として、試料ＳをＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動させるＸＹＺステージ（試料台）２と、試料Ｓにくぼみを形成する圧子３を一端に有する荷重レバー４と、荷重レバー４に所定の荷重（試験力）を負荷する荷重負荷部５と、圧子３の変位量を検出する変位計６と、試料Ｓの表面に形成されたくぼみ等を撮影する撮影部７と、表示部８と、操作部９と、などを備えて構成される。
ＸＹＺステージ２は、制御部１０から入力される制御信号に従って、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向（即ち、水平方向及び垂直方向）に移動するよう構成されており、試料Ｓは、ＸＹＺステージ２によって前後左右及び上下に移動されて、圧子３に対する位置が調整されるようになっている。
また、ＸＹＺステージ２は、試験測定中に上面に載置された試料Ｓがずれないように試料保持台２ａにより試料Ｓを保持している。なお、ＸＹＺステージ２の表面と、試料Ｓの試験面とは必ずしも平行とは限らない。
また、ＸＹＺステージ２は、試験測定中に上面に載置された試料Ｓがずれないように試料保持台２ａにより試料Ｓを保持している。なお、ＸＹＺステージ２の表面と、試料Ｓの試験面とは必ずしも平行とは限らない。
また、試料Ｓとしては、例えば、ＤＬＣ、シリコンゴム、天然ゴム等が挙げられる。即ち、本実施形態の硬さ試験機１００は、蒸着膜、半導体材料などの薄膜、表面処理層、各種プラスチック、各種ゴム、微細繊維、ガラス、セラミックスなどの脆性材料、微小電子部品、等に対して測定を行うことができる。
圧子３は、試料Ｓの載置されるＸＹＺステージ２の上方に上下移動可能に備えられている。圧子３は、所定の荷重が負荷されて、試料Ｓの上面（試験面）に対して垂直にその下端部（先端部）３１が押込まれ、その際に、当該試料Ｓの上面にくぼみを形成するものである。
具体的に、圧子３は、例えば、ビッカース用の四角錐圧子（対面角が１３６±０．５°）、バーコビッチ用の三角錐圧子（圧子軸と面のなす角が６５．０３°、または６５．２７°）、円錐圧子（頂角が１２０±０．３５°等）、及びヌープ用の菱形錐（対菱角が１７２°３０’、１３０°）等の錐形圧子を使用することができる。
具体的に、圧子３は、例えば、ビッカース用の四角錐圧子（対面角が１３６±０．５°）、バーコビッチ用の三角錐圧子（圧子軸と面のなす角が６５．０３°、または６５．２７°）、円錐圧子（頂角が１２０±０．３５°等）、及びヌープ用の菱形錐（対菱角が１７２°３０’、１３０°）等の錐形圧子を使用することができる。
荷重レバー４は、例えば、略棒状に形成されており、中央部付近が十字バネ４ａを介して台座上に固定されている。
荷重レバー４の一端には、試料保持台２ａ上に載置された試料Ｓの上方から試料Ｓに対して接離自在に設けられ、試料Ｓの表面に押し付けて試料Ｓの表面にくぼみを形成する圧子３が設けられている。
また、荷重レバー４の他端には、荷重負荷部５を構成するフォースコイル５ａが設けられている。
荷重レバー４の一端には、試料保持台２ａ上に載置された試料Ｓの上方から試料Ｓに対して接離自在に設けられ、試料Ｓの表面に押し付けて試料Ｓの表面にくぼみを形成する圧子３が設けられている。
また、荷重レバー４の他端には、荷重負荷部５を構成するフォースコイル５ａが設けられている。
荷重負荷部５は、例えば、フォースモータであり、荷重レバー４に取り付けられたフォースコイル５ａと、フォースコイル５ａに対向するように固定された固定磁石５ｂと、などを備えて構成される。
荷重負荷部５は、例えば、制御部１０から入力される制御信号に従って、固定磁石５ｂがギャップにつくる磁界と、ギャップの中に設置されたフォースコイル５ａに流れる電流と、の電磁誘導により発生する力を駆動力として用い、荷重レバー４を回動させる。これにより、荷重レバー４の圧子３側の端部は下方に移動して、圧子３は試料Ｓに押し込まれることになる。
荷重負荷部５は、例えば、制御部１０から入力される制御信号に従って、固定磁石５ｂがギャップにつくる磁界と、ギャップの中に設置されたフォースコイル５ａに流れる電流と、の電磁誘導により発生する力を駆動力として用い、荷重レバー４を回動させる。これにより、荷重レバー４の圧子３側の端部は下方に移動して、圧子３は試料Ｓに押し込まれることになる。
変位計６は、例えば、静電容量式変位センサであり、荷重レバー４の圧子３側の端部に設けられた可動極板６ａと、可動極板６ａと対向するように固定された固定極板６ｂと、などを備えて構成される。
変位計６は、例えば、可動極板６ａと固定極板６ｂとの間の静電容量の変化を検出することによって、圧子３が試料Ｓにくぼみを形成する際に移動した変位量（圧子３を試料Ｓに押し込んだ際の押込み深さ）を検出し、この検出した変位量に基づく変位信号を制御部１０に出力する。
なお、変位計６として、静電容量式変位センサを例示したが、これに限定されるものではなく、例えば、光学式変位センサやうず電流式変位センサであっても良い。
変位計６は、例えば、可動極板６ａと固定極板６ｂとの間の静電容量の変化を検出することによって、圧子３が試料Ｓにくぼみを形成する際に移動した変位量（圧子３を試料Ｓに押し込んだ際の押込み深さ）を検出し、この検出した変位量に基づく変位信号を制御部１０に出力する。
なお、変位計６として、静電容量式変位センサを例示したが、これに限定されるものではなく、例えば、光学式変位センサやうず電流式変位センサであっても良い。
撮影部７は、例えばカメラ等を備え、制御部１０から入力される制御信号に従って、例えば、試料保持台２ａ上において、圧子３により試料Ｓの表面に形成されたくぼみ等を撮影する。
表示部８は、例えば、液晶表示パネルであって、制御部１０から入力される制御信号に従って、撮影部７により撮影された試料Ｓの表面画像や、各種試験結果等の表示処理を行う。
具体的に、例えば、表示部８には、圧子３が試料Ｓに押し込まれて試料Ｓにくぼみが形成される過程で計測される押込み曲線（図３参照）や、圧子３が試料Ｓに接触する以前の圧子３が試料Ｓに接近する過程（以下、接近過程という）において計測される圧子３の変位又は速度と時間との関係を示すグラフ（図４〜８参照）などが表示される。
具体的に、例えば、表示部８には、圧子３が試料Ｓに押し込まれて試料Ｓにくぼみが形成される過程で計測される押込み曲線（図３参照）や、圧子３が試料Ｓに接触する以前の圧子３が試料Ｓに接近する過程（以下、接近過程という）において計測される圧子３の変位又は速度と時間との関係を示すグラフ（図４〜８参照）などが表示される。
操作部９は、例えば、キーボードなどの操作キー群であって、ユーザにより操作されると、その操作に伴う操作信号を制御部１０に出力する。なお、操作部９は、マウスやタッチパネルなどのポインティングデバイスやリモートコントローラなど、その他の操作装置を備えるようにしてもよい。
この操作部９は、ユーザが試料Ｓの硬さ試験を行う指示入力（測定開始指示）を行う場合や、圧子３の試料Ｓへの接近過程における圧子３の変位又は速度の予想範囲を設定する指示入力（予想範囲設定指示）を行う場合の他、圧子３に負荷する試験力すなわち荷重を設定する場合などに操作される。
この操作部９は、ユーザが試料Ｓの硬さ試験を行う指示入力（測定開始指示）を行う場合や、圧子３の試料Ｓへの接近過程における圧子３の変位又は速度の予想範囲を設定する指示入力（予想範囲設定指示）を行う場合の他、圧子３に負荷する試験力すなわち荷重を設定する場合などに操作される。
制御部１０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)１１と、ＲＡＭ(Random Access Memory)１２と、記憶部１３と、等を備えて構成され、システムバスなどを介して、ＸＹＺステージ２と、荷重負荷部５と、変位計６と、撮影部７と、表示部８と、操作部９と、等と接続されている。
ＣＰＵ１１は、例えば、記憶部１３に記憶されている硬さ試験機用の各種処理プログラムに従って、各種制御処理を行う。
ＲＡＭ１２は、例えば、ＣＰＵ１１によって実行される処理プログラムなどを展開するためのプログラム格納領域や、入力データや処理プログラムが実行される際に生じる処理結果などを格納するデータ格納領域などを備えている。
記憶部１３は、例えば、硬さ試験機１００で実行可能なシステムプログラムや、そのシステムプログラムで実行可能な各種処理プログラム、これら各種処理プログラムを実行する際に使用されるデータ、ＣＰＵ１１によって演算処理された各種処理結果のデータなどを記憶する。なお、プログラムは、コンピュータが読み取り可能なプログラムコードの形で記憶部１３に記憶されている。
具体的には、記憶部１３には、例えば、計測プログラム１３１、設定プログラム１３２、判別プログラム１３３、表示制御プログラム１３４、報知プログラム１３５、中止プログラム１３６、パターンデータ記憶部１３７、等が格納されている。
計測プログラム１３１は、例えば、圧子３に所定の荷重を負荷し、試料Ｓの表面に押込んでくぼみを形成し、かかるくぼみの形成時の圧子３の変位（押込み深さ（ｈ））と圧子３に負荷された試験力（Ｆ）とを検出した押込み曲線を計測する機能を、ＣＰＵ１１に実現させるプログラムである。
ＣＰＵ１１は、ユーザが操作部９に対して測定開始指示を行うと、これに応じて計測プログラム１３１を実行し、試料Ｓに対して計装化押込み試験（硬さ試験）を実行して、図３に示す押込み曲線の計測を実行する。
ＣＰＵ１１は、ユーザが操作部９に対して測定開始指示を行うと、これに応じて計測プログラム１３１を実行し、試料Ｓに対して計装化押込み試験（硬さ試験）を実行して、図３に示す押込み曲線の計測を実行する。
以下、押込み曲線の計測を実行する際のＣＰＵ１１の具体的な処理について説明する。
先ず、試料保持台２ａ上に試料Ｓが載置された後、操作部９から測定を行うよう指示する操作信号が入力されると、ＣＰＵ１１は、圧子３に予め設定された一定の試験力を加えて試料Ｓに一定速度で近づけていき、圧子３が試料Ｓに接触した際の当該圧子３の下降変位量又は下降速度の変化を検出することで、試料表面（ゼロ点）の検出を行う。つまり、圧子３が試料Ｓに接触することで圧子３の下降変位量又は下降速度が変化した（小さくなった）点がゼロ点として検出される。
ＣＰＵ１１は、ゼロ点を検出すると、圧子３に加える試験力を所定の試験力に切り換え、これにより試料Ｓに所定の試験力が加えられた状態で試験が開始される。
次に、ＣＰＵ１１は、くぼみ形成時における圧子３の試料Ｓへの押込み深さ（ｈ）［ｎｍ］と、くぼみ形成時における試験力（Ｆ）［ｍＮ］と、を連続的に計測し、図３に示す押込み曲線を得る。
先ず、試料保持台２ａ上に試料Ｓが載置された後、操作部９から測定を行うよう指示する操作信号が入力されると、ＣＰＵ１１は、圧子３に予め設定された一定の試験力を加えて試料Ｓに一定速度で近づけていき、圧子３が試料Ｓに接触した際の当該圧子３の下降変位量又は下降速度の変化を検出することで、試料表面（ゼロ点）の検出を行う。つまり、圧子３が試料Ｓに接触することで圧子３の下降変位量又は下降速度が変化した（小さくなった）点がゼロ点として検出される。
ＣＰＵ１１は、ゼロ点を検出すると、圧子３に加える試験力を所定の試験力に切り換え、これにより試料Ｓに所定の試験力が加えられた状態で試験が開始される。
次に、ＣＰＵ１１は、くぼみ形成時における圧子３の試料Ｓへの押込み深さ（ｈ）［ｎｍ］と、くぼみ形成時における試験力（Ｆ）［ｍＮ］と、を連続的に計測し、図３に示す押込み曲線を得る。
より具体的には、試料Ｓが試料保持台２ａ上に載置され、操作信号が入力されると、ＣＰＵ１１は、荷重負荷部５に制御信号を出力し、荷重負荷部５の固定磁石５ｂがギャップにつくる磁界と、ギャップの中に設置されたフォースコイル５ａに流れる電流との電磁誘導により発生する力を駆動力として用い、荷重レバー４を回動させることにより、荷重レバー４の圧子３側の端部を一定速度で下方に移動させて圧子３を試料Ｓに近づけ、試料表面（ゼロ点）を検出すると、荷重負荷部５に制御信号を出力し、駆動力が大きくなるよう切り換えて圧子３を試料Ｓの表面に押込んでくぼみ形成を開始する。
くぼみの形成時においては、ＣＰＵ１１は、設定した最大試験力に到達するまで圧子３に負荷する荷重を漸増させていき、この過程において荷重負荷曲線を得る。
また、ＣＰＵ１１は、圧子３に負荷された荷重が最大試験力に到達したと判断すると、駆動コイルへの電流の供給量を制御して荷重負荷部５を動作させ、圧子３に負荷する荷重を漸減させ、この過程において荷重除荷曲線を得る。
くぼみの形成時においては、ＣＰＵ１１は、設定した最大試験力に到達するまで圧子３に負荷する荷重を漸増させていき、この過程において荷重負荷曲線を得る。
また、ＣＰＵ１１は、圧子３に負荷された荷重が最大試験力に到達したと判断すると、駆動コイルへの電流の供給量を制御して荷重負荷部５を動作させ、圧子３に負荷する荷重を漸減させ、この過程において荷重除荷曲線を得る。
ＣＰＵ１１は、かかる計測プログラム１３１を実行することにより、計測手段として機能している。
上記したような押込み曲線の計測にあたっては、ゼロ点（試料表面：圧子３が試料Ｓに接触する点）の検出の正確さが試験結果の精度を左右している。
そこで、本実施形態の硬さ試験機１００においては、ゼロ点を精度良く検出すべく、設定プログラム１３２、判別プログラム１３３、表示制御プログラム１３４、報知プログラム１３５、中止プログラム１３６、パターンデータ記憶部１３７等を備えた構成となっている。
そこで、本実施形態の硬さ試験機１００においては、ゼロ点を精度良く検出すべく、設定プログラム１３２、判別プログラム１３３、表示制御プログラム１３４、報知プログラム１３５、中止プログラム１３６、パターンデータ記憶部１３７等を備えた構成となっている。
設定プログラム１３２は、例えば、測定開始前に、試料Ｓへの接近過程における圧子３の変位（圧子下降変位（ｈ））又は速度（圧子下降速度（ｖ））の値の予想範囲を設定する機能を、ＣＰＵ１１に実現させるプログラムである。
具体的に、ＣＰＵ１１は、試料Ｓの硬さ試験の測定開始前に、ユーザが操作部９に対して予想範囲設定指示を行うと、これに応じて設定プログラム１３２を実行し、試料Ｓへの接近過程における圧子３の変位又は速度の値の予想範囲を設定する。
具体的に、ＣＰＵ１１は、試料Ｓの硬さ試験の測定開始前に、ユーザが操作部９に対して予想範囲設定指示を行うと、これに応じて設定プログラム１３２を実行し、試料Ｓへの接近過程における圧子３の変位又は速度の値の予想範囲を設定する。
ここで、予想範囲の設定にあたっては、圧子３及び試料Ｓの種類や測定条件に応じて、試料表面位置が設計値として予め設定されている。また、圧子３の試料Ｓへの接近過程における時間（ｔ）に対する圧子３の下降変位（ｈ）や下降速度（ｖ）も、設計値として予め設定されている。
なお、図４（ａ）は、時間（ｔ）に対する圧子３の下降変位（ｈ）の設計値を示したグラフであり、図４（ｂ）は、時間（ｔ）に対する圧子３の下降速度（ｖ）の設計値を示したグラフである。
なお、図４（ａ）は、時間（ｔ）に対する圧子３の下降変位（ｈ）の設計値を示したグラフであり、図４（ｂ）は、時間（ｔ）に対する圧子３の下降速度（ｖ）の設計値を示したグラフである。
そして、圧子３の変位の値に対して予想範囲を設定する場合には、図５（ａ）に示すように、ＣＰＵ１１は、接近過程の任意の時間（ｔ＝ｔ１）における圧子３の変位の設計値（ｈ＝ｈ１）に対して、予め設定された演算処理を実行し、この設計値を含む数％以内の範囲を予想範囲Ｈとして設定する。
なお、予想範囲Ｈの範囲は、ユーザが任意で変更することも可能である。
同様に、圧子３の速度の値に対して予想範囲を設定する場合には、図５（ｂ）に示すように、ＣＰＵ１１は、接近過程の任意の時間（ｔ＝ｔ１）における圧子３の速度の設計値（ｖ＝ｖ１）に対して、予め設定された演算処理を実行し、この値を含む任意の数％以内の範囲を予想範囲Ｈとして設定する。
なお、予想範囲Ｈの範囲は、ユーザが任意で変更することも可能である。
同様に、圧子３の速度の値に対して予想範囲を設定する場合には、図５（ｂ）に示すように、ＣＰＵ１１は、接近過程の任意の時間（ｔ＝ｔ１）における圧子３の速度の設計値（ｖ＝ｖ１）に対して、予め設定された演算処理を実行し、この値を含む任意の数％以内の範囲を予想範囲Ｈとして設定する。
ＣＰＵ１１は、かかる設定プログラム１３２を実行することにより、設定手段として機能している。
判別プログラム１３３は、例えば、測定開始後に、試料Ｓへの接近過程における圧子３の変位又は速度の値を測定し、測定値が予想範囲に入らない場合にはゼロ点の検出ミスと判別する機能を、ＣＰＵ１１に実現させるプログラムである。
具体的に、ＣＰＵ１１は、試料Ｓへの接近過程における圧子３の変位又は速度の値を測定し、図６（ａ）（ｂ）に示すように、測定値（図６（ａ）（ｂ）における実線）が予想範囲に入っている場合、ゼロ点が適切に検出されたと判断する。
一方、ＣＰＵ１１は、図７（ａ）（ｂ）、８（ａ）（ｂ）に示すように、測定値が予想範囲から外れた場合、ゼロ点が適切に検出できていないと判別する。
なお、図７（ａ）（ｂ）は、振動や風等の外乱の影響で、圧子が揺れながら接近している状態であることを示した一例である。
また、図８（ａ）（ｂ）は、試料が著しく柔らかいことにより、圧子が試料に深く進入した状態でも、ゼロ点を検出できていない状態を示した一例である。
ＣＰＵ１１は、かかる判別プログラム１３３を実行することにより、判別手段として機能している。
具体的に、ＣＰＵ１１は、試料Ｓへの接近過程における圧子３の変位又は速度の値を測定し、図６（ａ）（ｂ）に示すように、測定値（図６（ａ）（ｂ）における実線）が予想範囲に入っている場合、ゼロ点が適切に検出されたと判断する。
一方、ＣＰＵ１１は、図７（ａ）（ｂ）、８（ａ）（ｂ）に示すように、測定値が予想範囲から外れた場合、ゼロ点が適切に検出できていないと判別する。
なお、図７（ａ）（ｂ）は、振動や風等の外乱の影響で、圧子が揺れながら接近している状態であることを示した一例である。
また、図８（ａ）（ｂ）は、試料が著しく柔らかいことにより、圧子が試料に深く進入した状態でも、ゼロ点を検出できていない状態を示した一例である。
ＣＰＵ１１は、かかる判別プログラム１３３を実行することにより、判別手段として機能している。
表示制御プログラム１３４は、試料Ｓへの接近過程における圧子３の変位又は速度の測定値と共に、予想範囲を表示する機能を、ＣＰＵ１１に実現させるプログラムである。
具体的に、ＣＰＵ１１は、表示制御プログラム１３４を実行することにより、測定中に上述した図４〜８のグラフを表示部８に表示する。
ユーザは、表示部８に、図４〜８に例示さるグラフが表示されることで、圧子３が適切に試料Ｓに接近し、問題なくゼロ点検出が行われたか否かを視覚的に判断できることとなる。
ＣＰＵ１１は、かかる表示制御プログラム１３４を実行することにより、表示部８と共に表示手段として機能している。
具体的に、ＣＰＵ１１は、表示制御プログラム１３４を実行することにより、測定中に上述した図４〜８のグラフを表示部８に表示する。
ユーザは、表示部８に、図４〜８に例示さるグラフが表示されることで、圧子３が適切に試料Ｓに接近し、問題なくゼロ点検出が行われたか否かを視覚的に判断できることとなる。
ＣＰＵ１１は、かかる表示制御プログラム１３４を実行することにより、表示部８と共に表示手段として機能している。
報知プログラム１３５は、例えば、判別プログラム１３３の実行によりゼロ点の検出ミスと判別された場合、パターンデータ記憶部１３７に記憶されたパターンデータと測定値とを比較して試験環境を推定し、当該試験環境の改善方法に関する改善情報をユーザに報知する機能を、ＣＰＵ１１に実現させるプログラムである。
具体的に、ＣＰＵ１１は、上記した判別プログラム１３３の実行によりゼロ点の検出ミスが判別された場合、報知プログラム１３５を実行することで、パターンデータ記憶部１３７に記憶されたパターンデータと測定値とを比較して、値のばらつきの傾向が類似した（波形が類似した）パターンデータを選択することで、測定を行った際の試験環境を推定する。
次いで、ＣＰＵ１１は、選択したパターンデータに紐づけられてパターンデータ記憶部１３７に記憶されたメッセージを、当該試験環境の改善方法に関する改善情報として表示部８に表示することでユーザに報知を行う。
例えば、図７（ａ）（ｂ）の例では、振動や風等の外乱により圧子が揺れながら接近している状態と推定できるため、ＣＰＵ１１は、「測定環境を改善して下さい」等のメッセージを表示部８に表示する。
また、図８（ａ）（ｂ）の例では、試料が著しく柔らかい状態であると推定できるため、ＣＰＵ１１は、「測定レベルを変更して下さい」等のメッセージを表示部８に表示する。
ＣＰＵ１１は、かかる報知プログラム１３５を実行することにより、表示部８と共に報知手段として機能している。
具体的に、ＣＰＵ１１は、上記した判別プログラム１３３の実行によりゼロ点の検出ミスが判別された場合、報知プログラム１３５を実行することで、パターンデータ記憶部１３７に記憶されたパターンデータと測定値とを比較して、値のばらつきの傾向が類似した（波形が類似した）パターンデータを選択することで、測定を行った際の試験環境を推定する。
次いで、ＣＰＵ１１は、選択したパターンデータに紐づけられてパターンデータ記憶部１３７に記憶されたメッセージを、当該試験環境の改善方法に関する改善情報として表示部８に表示することでユーザに報知を行う。
例えば、図７（ａ）（ｂ）の例では、振動や風等の外乱により圧子が揺れながら接近している状態と推定できるため、ＣＰＵ１１は、「測定環境を改善して下さい」等のメッセージを表示部８に表示する。
また、図８（ａ）（ｂ）の例では、試料が著しく柔らかい状態であると推定できるため、ＣＰＵ１１は、「測定レベルを変更して下さい」等のメッセージを表示部８に表示する。
ＣＰＵ１１は、かかる報知プログラム１３５を実行することにより、表示部８と共に報知手段として機能している。
中止プログラム１３６は、例えば、判別プログラム１３３の実行によりゼロ点の検出ミスと判別された場合、測定を中止する機能を、ＣＰＵ１１に実現させるプログラムである。
具体的に、ＣＰＵ１１は、上記した判別プログラム１３３によりゼロ点の検出ミスが判別された場合には、圧子３に負荷する荷重を漸減させて測定を中止する。
ＣＰＵ１１は、かかる中止プログラム１３６を実行することにより、中止手段として機能している。
具体的に、ＣＰＵ１１は、上記した判別プログラム１３３によりゼロ点の検出ミスが判別された場合には、圧子３に負荷する荷重を漸減させて測定を中止する。
ＣＰＵ１１は、かかる中止プログラム１３６を実行することにより、中止手段として機能している。
パターンデータ記憶部（記憶手段）１３７には、上記報知プログラム１３５の実行の際に参照されるパターンデータと、表示部８に表示されるメッセージ（改善情報）と、が紐づけられて記憶されている。
パターンデータとは、予め設定された基準試験環境下から外れた複数の異なる試験環境下で測定を行った場合に、その複数の異なる試験環境それぞれで得られる試料Ｓへの接近過程における圧子３の変位、速度、又は加速度の値である。
なお、「基準試験環境」は、外乱等の影響がなく試験を行える理想的な試験環境である。
また、「基準試験環境下から外れた試験環境」は、例えば、外乱等の影響が大きく正確な試験を行えない、或いは測定レベルが試料Ｓの硬さに合っていないため正確な試験を行えないと考えられる試験環境である。
このようなパターンデータは、事前にユーザが基準試験環境下から外れた試験環境において測定して得た実測値でも良いし、ＣＰＵ１１のシミュレーションにより得た値であっても良い。
また、メッセージとは、パターンデータが得られる試験環境を改善するための改善方法に関する改善情報であって、パターンデータ毎に紐づけられて記憶され、ユーザに試験環境の改善方法を示唆するためのものである。
パターンデータとは、予め設定された基準試験環境下から外れた複数の異なる試験環境下で測定を行った場合に、その複数の異なる試験環境それぞれで得られる試料Ｓへの接近過程における圧子３の変位、速度、又は加速度の値である。
なお、「基準試験環境」は、外乱等の影響がなく試験を行える理想的な試験環境である。
また、「基準試験環境下から外れた試験環境」は、例えば、外乱等の影響が大きく正確な試験を行えない、或いは測定レベルが試料Ｓの硬さに合っていないため正確な試験を行えないと考えられる試験環境である。
このようなパターンデータは、事前にユーザが基準試験環境下から外れた試験環境において測定して得た実測値でも良いし、ＣＰＵ１１のシミュレーションにより得た値であっても良い。
また、メッセージとは、パターンデータが得られる試験環境を改善するための改善方法に関する改善情報であって、パターンデータ毎に紐づけられて記憶され、ユーザに試験環境の改善方法を示唆するためのものである。
以上の構成を具備する硬さ試験機１００では、測定開始前に圧子３の試料Ｓへの接近過程における時間に対する圧子３の変位又は速度が予測範囲として設定され、実際の測定時に圧子３の動作が予期せぬ振動などにより予測範囲から外れた場合に、ゼロ点検出ミスと自動的に判断がなされる。
また、測定時、接近過程において時間に対する圧子３の変位又は速度を示すグラフを表示部８に表示することで、ゼロ点検出が適正に行われているか否かをユーザが視覚的に認識可能である。
また、ゼロ点検出ミスと判断がなされた場合、試験環境の改善方法が促されると共に、その測定が中止される。
また、測定時、接近過程において時間に対する圧子３の変位又は速度を示すグラフを表示部８に表示することで、ゼロ点検出が適正に行われているか否かをユーザが視覚的に認識可能である。
また、ゼロ点検出ミスと判断がなされた場合、試験環境の改善方法が促されると共に、その測定が中止される。
以上のように、本実施形態によれば、硬さ試験機１００は、測定開始前に、試料Ｓへの接近過程における圧子３の変位又は速度の値の予想範囲を設定する設定手段（ＣＰＵ１１、設定プログラム１３２）と、測定開始後に、試料Ｓへの接近過程における圧子３の変位又は速度の値を測定し、測定値が予想範囲に入らない場合にはゼロ点の検出ミスと判別する判別手段（ＣＰＵ１１、判別プログラム１３３）と、を備えている。
このため、予め予想範囲が設定されることで、圧子３が外乱の影響等により予想範囲から外れた場合にも、これをゼロ点の検出ミスとして自動的に判別することができる。
これにより、ゼロ点の検出をミスした失敗データを定量的に排除することができるので、ユーザが経験を有さない者であっても、適切にゼロ点が検出できているかどうかを見誤ることがない。
よって、圧子３が試料Ｓに接触する点（ゼロ点）の検出を、正確かつ安定して行うことができる。
このため、予め予想範囲が設定されることで、圧子３が外乱の影響等により予想範囲から外れた場合にも、これをゼロ点の検出ミスとして自動的に判別することができる。
これにより、ゼロ点の検出をミスした失敗データを定量的に排除することができるので、ユーザが経験を有さない者であっても、適切にゼロ点が検出できているかどうかを見誤ることがない。
よって、圧子３が試料Ｓに接触する点（ゼロ点）の検出を、正確かつ安定して行うことができる。
また、本実施形態によれば、硬さ試験機１００は、試料Ｓへの接近過程における圧子３の高さの測定値と共に、予想範囲を表示する表示手段（ＣＰＵ１１、表示制御プログラム１３４、表示部８）を備えている。
このため、接近過程の圧子３の変位又は速度が予想範囲と共に表示部８に表示されるので、適切に圧子３が試料Ｓ表面に接近・接触したかどうかをユーザが視覚的に認識することができる。
このため、接近過程の圧子３の変位又は速度が予想範囲と共に表示部８に表示されるので、適切に圧子３が試料Ｓ表面に接近・接触したかどうかをユーザが視覚的に認識することができる。
また、本実施形態によれば、硬さ試験機１００は、予め設定された基準試験環境下から外れた複数の異なる試験環境下で測定を行った場合にそれぞれ得られる試料Ｓへの接近過程における圧子３の変位、速度、又は加速度の値のパターンデータと、当該パターンデータが得られる試験環境を改善するための改善方法に関する改善情報とを記憶する記憶手段と（パターンデータ記憶部１３７）、判別手段によりゼロ点の検出ミスと判別された場合、パターンデータ記憶部１３７に記憶されたパターンデータと測定値とを比較して試験環境を推定し、当該試験環境の改善方法に関する改善情報（メッセージ）をユーザに報知する報知手段（ＣＰＵ１１、報知プログラム１３５）と、を備えている。
このため、ゼロ点検出ミスと判別された場合に、ユーザに適切な改善対策を促すことができる。
このため、ゼロ点検出ミスと判別された場合に、ユーザに適切な改善対策を促すことができる。
また、本実施形態によれば、硬さ試験機１００は、判別手段によりゼロ点の検出ミスと判別された場合、測定を中止する中止手段（ＣＰＵ１１、中止プログラム１３６）を備えている。
このため、ゼロ点検出ミスと判別された場合に、速やかにくぼみ形成を中止することができ、作業を効率化することができる。
このため、ゼロ点検出ミスと判別された場合に、速やかにくぼみ形成を中止することができ、作業を効率化することができる。
なお、上記実施形態においては、設定手段が、圧子３の変位又は速度の値の予想範囲を設定する構成を例示して説明したが、圧子３の変位や速度の代わりに加速度の値で予想範囲を設定する構成とすることも可能である。
また、上記実施形態においては、計測手段、設定手段、及び判別手段の他に、表示手段、報知手段、中止手段を備える構成を例示して説明したが、このうち表示手段を備えない構成とすることもできる。
この場合には、報知手段及び中止手段の少なくとも一方を備える構成となる。
即ち、表示手段を備えない場合には、ユーザは、接近過程において圧子３が予想範囲を外れたことを、報知手段及び中止手段の少なくとも一方により認識できることとなる。
この場合には、報知手段及び中止手段の少なくとも一方を備える構成となる。
即ち、表示手段を備えない場合には、ユーザは、接近過程において圧子３が予想範囲を外れたことを、報知手段及び中止手段の少なくとも一方により認識できることとなる。
また、計測手段、設定手段、及び判別手段の他に、表示手段を備える場合には、報知手段及び中止手段は何れも備えない構成しても良いし、どちらか一方のみを備える構成としても良い。
即ち、表示手段を備え、報知手段及び中止手段は何れも備えない場合には、ユーザは、表示部８に表示されたグラフを目視して、必要に応じて、任意でくぼみ形成を中止し、任意で測定環境の変更や測定レベルの変更を行う。
また、表示手段及び報知手段を備え、中止手段は備えない場合には、ユーザは、表示部８に表示されたグラフを目視して、必要に応じて、任意でくぼみ形成を中止し、報知手段により報知されたメッセージを参考として測定環境の変更や測定レベルの変更を行う。
また、表示手段及び中止手段を備え、報知手段を備えない場合には、ユーザは、表示部８に表示されたグラフを目視して、任意で測定環境の変更や測定レベルの変更を行う。
即ち、表示手段を備え、報知手段及び中止手段は何れも備えない場合には、ユーザは、表示部８に表示されたグラフを目視して、必要に応じて、任意でくぼみ形成を中止し、任意で測定環境の変更や測定レベルの変更を行う。
また、表示手段及び報知手段を備え、中止手段は備えない場合には、ユーザは、表示部８に表示されたグラフを目視して、必要に応じて、任意でくぼみ形成を中止し、報知手段により報知されたメッセージを参考として測定環境の変更や測定レベルの変更を行う。
また、表示手段及び中止手段を備え、報知手段を備えない場合には、ユーザは、表示部８に表示されたグラフを目視して、任意で測定環境の変更や測定レベルの変更を行う。
１００ 硬さ試験機
１ 試験機本体（くぼみ形成機構）
２ ステージ
２ａ 試料保持台
３ 圧子
４ 荷重レバー
４ａ 十字バネ
５ 荷重負荷部
５ａ フォースコイル
５ｂ 固定磁石
６ 変位計
６ａ 可動極板
６ｂ 固定極板
７ 撮影部
８ 表示部（表示手段、報知手段）
９ 操作部
１０ 制御部
１１ ＣＰＵ（計測手段、設定手段、判別手段、表示手段、報知手段、中止手段）
１２ ＲＡＭ
１３ 記憶部
１３１ 計測プログラム（計測手段）
１３２ 設定プログラム（設定手段）
１３３ 判別プログラム（判別手段）
１３４ 表示制御プログラム（表示手段）
１３５ 報知プログラム（報知手段）
１３６ 中止プログラム（中止手段）
１３７ パターンデータ記憶部（記憶手段）
Ｓ 試料
１ 試験機本体（くぼみ形成機構）
２ ステージ
２ａ 試料保持台
３ 圧子
４ 荷重レバー
４ａ 十字バネ
５ 荷重負荷部
５ａ フォースコイル
５ｂ 固定磁石
６ 変位計
６ａ 可動極板
６ｂ 固定極板
７ 撮影部
８ 表示部（表示手段、報知手段）
９ 操作部
１０ 制御部
１１ ＣＰＵ（計測手段、設定手段、判別手段、表示手段、報知手段、中止手段）
１２ ＲＡＭ
１３ 記憶部
１３１ 計測プログラム（計測手段）
１３２ 設定プログラム（設定手段）
１３３ 判別プログラム（判別手段）
１３４ 表示制御プログラム（表示手段）
１３５ 報知プログラム（報知手段）
１３６ 中止プログラム（中止手段）
１３７ パターンデータ記憶部（記憶手段）
Ｓ 試料
Claims (5)
- 圧子に所定の荷重を負荷し、荷重が負荷された前記圧子を試料の表面に押込んでくぼみを形成するくぼみ形成機構と、
当該くぼみの形成時の前記圧子の押込み深さと前記圧子に負荷された試験力とを検出して押込み曲線を計測する計測手段と、
を備える硬さ試験機において、
測定開始前に、測定条件に応じて、試料への接近過程における前記圧子の変位、速度、又は加速度の設計値を予め設定して、前記設計値を含む所定範囲を予想範囲として設定する設定手段と、
測定開始後に、試料への接近過程における前記圧子の変位、速度、又は加速度の値を測定し、測定値が前記予想範囲に入らない場合にはゼロ点の検出ミスと判別する判別手段と、
を備えることを特徴とする硬さ試験機。 - 圧子に所定の荷重を負荷し、荷重が負荷された前記圧子を試料の表面に押込んでくぼみを形成するくぼみ形成機構と、
当該くぼみの形成時の前記圧子の押込み深さと前記圧子に負荷された試験力とを検出して押込み曲線を計測する計測手段と、
を備える硬さ試験機において、
測定開始前に、試料への接近過程における前記圧子の変位、速度、又は加速度の値の予想範囲を設定する設定手段と、
測定開始後に、試料への接近過程における前記圧子の変位、速度、又は加速度の値を測定し、測定値が前記予想範囲に入らない場合にはゼロ点の検出ミスと判別する判別手段と、
予め設定された基準試験環境下から外れた複数の異なる試験環境下で測定を行った場合にそれぞれ得られる試料への接近過程における前記圧子の変位、速度、又は加速度の値のパターンデータと、当該パターンデータが得られる試験環境を改善するための改善方法に関する改善情報とを記憶する記憶手段と、
前記判別手段によりゼロ点の検出ミスと判別された場合、前記記憶手段に記憶されたパターンデータと測定値とを比較して試験環境を推定し、当該試験環境の改善方法に関する改善情報をユーザに報知する報知手段と、
を備えることを特徴とする硬さ試験機。 - 試料への接近過程における前記圧子の変位、速度、又は加速度の測定値と共に、前記予想範囲を表示する表示手段を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の硬さ試験機。
- 前記判別手段によりゼロ点の検出ミスと判別された場合、測定を中止する中止手段を備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の硬さ試験機。
- 硬さ試験機が有するコンピュータを、
所定の荷重を負荷した圧子を試料の表面に押込んでくぼみを形成し、当該くぼみ形成時の前記圧子の押込み深さと前記圧子に負荷された試験力とを検出して押込み曲線を計測する計測手段、
測定開始前に、測定条件に応じて、試料への接近過程における前記圧子の変位、速度、又は加速度の設計値を予め設定して、前記設計値を含む所定範囲を予想範囲として設定する設定手段、
測定開始後に、試料への接近過程における前記圧子の変位、速度、又は加速度の値を測定し、測定値が前記予想範囲に入らない場合にはゼロ点の検出ミスと判別する判別手段、
として機能させるためのプログラム。
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