JP6094457B2 - 硬さ試験機 - Google Patents

Description

この発明は、試験片の硬さを測定する硬さ試験機に関する。

硬さ試験機は、試験片を載置してＸＹ平面上に位置決めするＸＹステージと、試験片の表面にくぼみを形成するための圧子と、試験位置において圧子を試験片に押し付けることにより圧子に試験力を付与する負荷機構と、試験片の表面に形成されたくぼみを観察するための対物レンズと、対物レンズおよび圧子の何れか一つを試験位置と対向させるように切り替えるターレットとを備えている。そして、試験片の表面に形成されたくぼみの大きさを計測し、そのくぼみ大きさに基づいて試験片の硬さを求める構成となっている（特許文献１参照）。

このように、硬さ試験機では、試験片に試験力を付与する負荷系の負荷軸と、試験片に形成されたくぼみを観察するための光学系の光軸とを同軸とし、試験片に対して圧子と対物レンズを移動させることで、負荷系と光学系とを切り替える構成が採用されている。

このような硬さ試験機においてビッカース硬さ試験を行うときには、先ず、ステージ上に載置した試験片を低倍率対物レンズにより観察して、試験片の形状検出と圧子を押し付ける試験位置を決めている。そして、決められた試験位置に圧子を押し付ける動作を実行した後に、試験片の表面に形成されたくぼみを、くぼみの大きさの計測に適した倍率の対物レンズにより観察することで、くぼみ計測を実行している。

特開平９−１５１２８号公報

ところで、対物レンズは高倍率であるほど、開口数が大きくされているため、対物レンズとＸＹステージ上の試験片との距離とが変化したときの、焦点が合っている範囲（焦点深度）は、低倍率対物レンズのほうが高倍率対物レンズより広い。また、高倍率対物レンズは視野範囲が狭いため、複数の試験位置を試験片の表面に設定する場合には、低倍率対物レンズを介して取得した広範囲画像を利用するほうが効率的である。

一方で、低倍率対物レンズではＺ方向の広い範囲で焦点が合ってしまうため、低倍率対物レンズを介して取得した画像を利用して設定した試験位置では、Ｚ方向の位置の違いに起因したＸＹ方向の設定精度が、高倍率対物レンズを介して取得した画像を利用した場合よりも低下する。このため、低倍率対物レンズを介して取得した画像を利用して試験位置を設定したときに、意図していない位置にくぼみが形成されることがある。

この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、低倍率対物レンズを介して取得した試験片の画像を利用して設定した試験位置の設定精度を向上させた硬さ試験機を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、試験片を載置するとともに、当該試験片をＸＹ方向に位置決めするステージと、前記ステージをＺ方向に移動させる昇降機構と、前記試験片の表面にくぼみを形成するための圧子と、試験位置において前記圧子を前記試験片の表面に押し付けることにより前記圧子に試験力を付与する負荷機構と、前記試験片の形状および前記試験片の表面に形成されたくぼみを観察するための倍率の異なる複数の対物レンズと、前記圧子および前記対物レンズを支持するとともに、前記圧子または前記対物レンズのいずれかを前記試験片と対向する位置に移動させる切替部材と、前記対物レンズを介して取得した画像を表示する表示部と、を備えた硬さ試験機において、複数の前記対物レンズは、前記試験片の広範囲画像を取得するための第１の対物レンズと、前記第１の対物レンズよりも高倍率であって、前記試験片の狭範囲画像を取得するための第２の対物レンズを含み、前記対物レンズにより取得した画像から前記試験片の形状外縁を検出するエッジ検出部と、前記第１の対物レンズを介して取得された広範囲画像上で、前記エッジ検出部により検出された第１の形状外縁からの距離Ｌに基づいて複数の試験位置を設定する試験位置設定部と、前記試験位置設定部により設定された複数の試験位置のうちの一つの位置を、前記広範囲画像の中心となるように前記試験片が載置された前記ステージの位置調整を行う位置調整部と、前記位置調整部による位置調整が行われた後に前記切替部材により前記第２の対物レンズを前記試験片と対向する位置に移動させ、前記第２の対物レンズを介して取得された狭範囲画像上で前記エッジ検出部により検出された第２の形状外縁からの距離が前記距離Ｌと等しくなる位置であるとして特定される試験すべき位置と前記一つの位置との差分を、前記試験位置設定部において設定した試験位置を補正するための補正量として算出する補正量算出部と、前記補正量算出部において算出された補正量を、前記試験位置設定部により設定された全ての試験位置に加えることにより試験位置を補正する試験位置補正部と、を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、試験片を載置するとともに、当該試験片をＸＹ方向に位置決めするステージと、前記ステージをＺ方向に移動させる昇降機構と、前記試験片の表面にくぼみを形成するための圧子と、試験位置において前記圧子を前記試験片の表面に押し付けることにより前記圧子に試験力を付与する負荷機構と、前記試験片の形状および前記試験片の表面に形成されたくぼみを観察するための倍率の異なる複数の対物レンズと、前記圧子および前記対物レンズを支持するとともに、前記圧子または前記対物レンズのいずれかを前記試験片と対向する位置に移動させる切替部材と、前記対物レンズを介して取得した画像を表示する表示部と、を備えた硬さ試験機において、複数の前記対物レンズは、前記試験片の広範囲画像を取得するための第１の対物レンズと、前記第１の対物レンズよりも高倍率であって、前記試験片の狭範囲画像を取得するための第２の対物レンズを含み、前記対物レンズにより取得した画像から前記試験片の形状外縁を検出するエッジ検出部と、前記第１の対物レンズを介して取得された広範囲画像上で、前記エッジ検出部により検出された第１の形状外縁からの距離Ｌに基づいて複数の試験位置を設定する試験位置設定部と、前記試験位置設定部により設定された複数の試験位置のうちの一つの位置を、前記広範囲画像の中心となるように前記試験片が載置された前記ステージの位置調整を行う位置調整部と、前記位置調整部による位置調整が行われた後に前記切替部材により前記第２の対物レンズを前記試験片と対向する位置に移動させ、前記第２の対物レンズを介して取得された狭範囲画像上で入力手段により指定された前記試験片の形状外縁相当部からの距離が前記距離Ｌと等しくなる位置であるとして特定される試験すべき位置と前記一つの位置との差分を、前記試験位置設定部において設定した試験位置を補正するための補正量として算出する補正量算出部と、前記補正量算出部において算出された補正量を、前記試験位置設定部により設定された全ての試験位置に加えることにより試験位置を補正する試験位置補正部と、を備えることを特徴とする。

請求項１および請求項２に記載の発明によれば、補正量算出部において算出された補正量を、試験位置設定部により設定された全ての試験位置に加えることにより試験位置を補正することから、第１の対物レンズを介して取得した広範囲画像上で設定した試験位置を、第２の対物レンズを介して取得した狭範囲画像を利用して求めた補正量により補正することができ、試験位置の設定精度を向上させることが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、コーティング膜やメッキ層を考慮して、試験片に試験位置を設定することが可能となる。

この発明に係る硬さ試験機の概要図である。 ＸＹステージ１２を昇降する昇降機構の概要図である。 ターレット２０に支持された対物レンズ等の配置を示す説明図である。 圧子１９および圧子２１に対して試験力を付与するための負荷機構と、試験片１００に形成されたくぼみを観察するための光学系の概要図である。 圧子２１により試験片１００にくぼみを形成する様子を説明する模式図である。 試験片１００に形成されたくぼみを示す平面図である。 この発明に係る硬さ試験機の主要な制御系を示すブロック図である。 試験位置を設定する手順を説明するフローチャートである。 試験位置の補正する補正量の算出手順を説明するフローチャートである。 広範囲画像上での試験位置の設定例を示す模式図である。 試験位置の補正を説明する模式図である。 試験位置の補正する補正量の算出手順の変形例を説明するフローチャートである。 試験位置の補正の変形例を説明する模式図である。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係る硬さ試験機の概要図である。図２は、ＸＹステージ１２を昇降する昇降機構の概要図である。

この硬さ試験機は、テーブル１１と、このテーブル１１上に配置され試験片１００を載置するＸＹステージ１２とを備える。ＸＹステージ１２は、試験片１００をＸ方向（図１における左右方向）およびＹ方向（図１における紙面に垂直な方向）に移動させ、このＸＹ平面上において試験片１００を位置決めするためのものである。このＸＹステージ１２には、ＸＹステージ１２をＸ方向に水平移動させるためのモータ１３と、ＸＹステージ１２をＹ方向に移動させるためのモータ１４とが付設されている。

微小寸法の試験片１００に試験を行うときには、試験片１００の硬さに影響を及ぼさない方法で試験片１００を樹脂モールドしたものを試料とし、試料形状に応じた固定具を利用して、試験片１００をＸＹステージ１２上に配置している。

また、ＸＹステージ１２は、図２に示す昇降機構の作用により、上下方向（Ｚ方向）に移動する構成となっている。すなわち、ＸＹステージ１２を支持する支持部５１は、その側面にラック５３が形成された昇降部材５２により支持されている。この昇降部材５２におけるラック５３は、モータ１５の駆動により回転するピニオン５４と噛合している。このため、ＸＹステージ１２は、モータ１５の駆動により昇降する。

また、この硬さ試験機は、試験片１００を目視により観察するための接眼レンズ１６と、試験片１００を撮影するためのカメラ１７と、圧子２１および対物レンズ２３、２４等を支持して回転するターレット２０とを備える。このターレット２０は、つまみ２６を操作することにより、あるいは、後述するモータ３０の駆動により、鉛直方向を向く軸を中心に回転する。また、この硬さ試験機は、入力部および表示部としても機能するタッチパネル式の液晶表示部５９を備える。

図３は、ターレット２０に支持された対物レンズ等の配置を示す説明図である。

ターレット２０には、ＸＹステージ１２上に載置された試験片１００に押し込まれる圧子１９、２１と、２倍の対物レンズ２２、５倍の対物レンズ２３、４０倍の対物レンズ２４および５０倍の対物レンズ２５とが配設されている。これらの圧子１９、２１および対物レンズ２２、２３、２４、２５は、ターレット２０の回転中心Ｃを中心とした円上に配置されている。なお、対物レンズ２２、２３、２４、２５の倍率および配設個数はこれに限定されるものではない。

再度、図１を参照して、この材料試験機は、試験片１００の表面の像を表示するための液晶モニタ等の表示部５５と、各種のデータを入力するための入力手段として機能するキーボード５７およびマウス５８と、本体５６とから構成されるコンピュータ５０と接続されている。このコンピュータ５０は、本体５６内にＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶装置と論理演算を実行するＣＰＵを備える。

図４は、圧子１９および圧子２１に対して試験力を付与するための負荷機構と、試験片１００に形成されたくぼみを観察するための光学系の概要図である。なお、図４は、図３において一点鎖線で示す位置における断面を示している。

この硬さ試験機は、圧子１９、２１の先端を試験片１００に対して押し込むための試験力を圧子１９、２１に対して付与する負荷機構と、ＸＹステージ１２上に載置された試験片１００を照明するとともにくぼみを観察するための光学系とを備える。

ターレット２０は、軸筒２７がベアリング２９を介して回転軸２８に接続されており、つまみ２６を操作することにより、あるいは、後述するモータ３０の駆動により、鉛直方向を向く回転軸２８を中心に回転する。図４においては、ターレット２０の回転により負荷伝達軸３６を介して圧子２１に試験力が与えられる場合、すなわち、圧子２１が試験片１００と対向する位置に配置されている場合を示している。圧子１９に対して試験力を付与する場合には、圧子１９が、図４に示す圧子２１の位置に配置される。

負荷機構は、水平方向を向く軸３１を中心に揺動可能なレバー３２を備える。レバー３２の一端には、中空の押圧部３５が配設されている。この押圧部３５は、レバー３２の揺動に伴って、圧子２１に連結した負荷伝達軸３６の端部に付設された当接部３７を押圧する構成となっている。また、レバー３２の他端には、永久磁石３３が付設されている。この永久磁石３３の外部には、電磁コイル３４が配設されている。この永久磁石３３と電磁コイル３４とにより、ボイスコイルモータが構成される。このボイスコイルモータは、電磁式の負荷機構となり、電磁コイル３４に流れる電流を制御することにより、負荷伝達軸３６の先端に配設された圧子２１による試験片１００への試験力を制御することが可能となる。

なお、この実施形態においては、この時の試験力を、例えば、２ｋｇｆ、１ｋｇｆ、０．５ｋｇｆ、０．３ｋｇｆ、０．２ｋｇｆ、０．１ｋｇｆ、０．０５ｋｇｆ、０．０２５ｋｇｆ、０．０１ｋｇｆと、段階的に変化させることができる構成となっている。

負荷伝達軸３６は、上下の板バネ６１が支持部材６２を介してターレット２０の軸筒２７に固定されたロバーバル構造により支持されており、負荷機構により与えられた試験力に応じて昇降可能となっている。負荷伝達軸３６には、この負荷伝達軸３６の移動量を検出する差動トランス式の変位検出器６０が接続されている。この変位検出器６０は、支持部材６３を介してターレット２０の軸筒２７に接続され、ターレット２０の回転により負荷伝達軸３６と同期して移動する。なお、この変位検出器６０は、試験片１００の表面の検出に使用される。すなわち、圧子２１を極めて小さい力で下降させたときの移動量を常に検出し、圧子２１の移動が停止したときに圧子２１が試験片１００の表面と当接したと判断している。

光学系は、ＬＥＤ光源４１と、ＬＥＤ光源４１からの光を水平方向に導く光筒４２と、試験片１００を上から照明するために光筒４２により導かれた光を押圧部３５の中空部に導光するとともに、試験片１００の表面およびその周辺領域からの反射光をカメラ１７側に透過させるハーフミラー４３と、ハーフミラー４３を透過した試験片１００の表面からの反射光を接眼レンズ１６およびカメラ１７に分割するハーフミラー４４とを備える。対物レンズ２２が図４における負荷伝達軸３６の位置、すなわち試験片１００に形成されたくぼみの観察位置に配置された場合には、試験片１００の表面からの反射光が、対物レンズ２２、押圧部３５の中空部、ハーフミラー４３、４４を介して、接眼レンズ１６およびカメラ１７に入射する。これにより、接眼レンズ１６により試験片１００の拡大像を観察できるとともに、カメラ１７により撮影した拡大像をコンピュータ５０における表示部５５に表示することができる。その他の対物レンズ２３、２４、２５がくぼみの観察位置に配置された場合も、対物レンズ２２による場合と同様である。

図５は、圧子２１により試験片１００にくぼみを形成する様子を模式的に示す説明図であり、図６は、試験片１００に形成されたくぼみを示す平面図である。

圧子１９、２１のうち、圧子２１は、硬さ試験としてのビッカース硬さ試験を実行するためのものであり、その先端は四角錐形状となっている。この圧子２１は、図５に示すように、図４に示す負荷機構の作用により試験片１００の表面に深さｈだけ押し込まれる。そして、その試験力を解除し、図１に示すターレット２０を回転させて所望の倍率の対物レンズを試験片１００と対向する位置に移動させる。対物レンズ、カメラ１７を介して得られた試験片１００の表面に形成されたくぼみの画像から、くぼみの対角線長さｄ［ｄ＝（ｄｘ＋ｄｙ）／２］を測定する（図６参照）。ビッカース硬さは、試験力を、底面が正方形で頂点の角度が圧子２１と同じ角錐であると仮定したくぼみの表面積で割って得られる値に比例する。そして、くぼみの対角線長さｄ（ｍｍ：ミリメートル）から求められたくぼみの表面積と試験力から、ビッカース硬さが算出される。

ここで、試験力をＦ（Ｎ：ニュートン)とした場合に、ビッカース硬さＨＶは、下記の式（１）で表される。

ＨＶ ＝ ０．１８９１（Ｆ／ｄ^２） ・・・・・（１）
なお、圧子１９、２１のうち、他方の圧子１９としては、例えば、ヌープ硬さ試験に使用される菱形のピラミッド型の圧子が使用される。

図７は、この発明に係る硬さ試験機の主要な制御系を示すブロック図である。

この硬さ試験機は、試験機本体内に試験機の動作を制御する試験機制御部８０を備える。この試験機制御部８０は、上述したカメラ１７、液晶表示部５９、ＬＥＤ光源４１、変位検出器６０、電磁コイル３４、コンピュータ５０の本体５６、ターレット２０を回転させるためのモータ３０およびＸＹステージ１２をＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動させるためのモータ１３、１４、１５と接続されている。さらに、この試験機制御部８０は、硬さ試験機を動作させるための各種情報を記憶する記憶部８１と接続されている。

コンピュータ５０は、本体５６内に、制御部７０と記憶部７６を備える。そして制御部７０は、機能的構成として、試験片１００の表面に試験位置を設定するための試験位置設定部７１と、各対物レンズ２２、２３、２４、２５を介して取得した画像における試験片１００の形状外縁（エッジ）を検出するエッジ検出部７２と、試験位置を補正するための補正量を高倍率の対物レンズ２４または高倍率の対物レンズ２５を介して取得した狭範囲画像を利用して計算する補正量算出部７４と、補正量算出部７４において算出された補正量を全ての試験位置に適用して試験位置の補正を実行する試験位置補正部７５を備える。さらに、制御部７０は、試験片１００に対向させる対物レンズを切り替えるときに試験位置設定部７１により設定された試験位置のうちの一つの位置が低倍率の対物レンズ２２、２３を介して取得した広範囲画像の中心となるようにＸＹステージ１２の位置調整を行う位置調整部７３を備える。

記憶部７６は、試験位置設定部７１により試験位置を設定するときに利用される試験位置と試験片１００のエッジＥとの間の距離を含むパラメータや、設定された各試験位置の座標等の各種情報を記憶する。

次に、以上のような構成を有する硬さ試験機を使用して、硬さ試験を行う場合の、試験位置の設定動作について説明する。図８は、試験位置を設定する手順を説明するフローチャートである。図９は、試験位置を補正する補正量の算出手順を説明するフローチャートである。図１０は、広範囲画像上での試験位置の設定例を示す模式図である。図１１は、試験位置の補正を説明する模式図である。なお、図１０においては、各試験位置をビッカース圧子の圧痕形状である白四角で示している。また、図１１においては、試験位置を十字で示し、図１１における矩形枠は、表示部５５の画面上での試験片１００の画像表示枠を示している。図１１（ａ）は低倍率の対物レンズ２３を介して取得した広範囲画像、図１１（ｂ）は高倍率の対物レンズ２４を介して取得した狭範囲画像を各々示している。

微小寸法の試験片１００に試験を行うときには、試験片１００の硬さに影響を及ぼさない方法で試験片１００を樹脂モールドし、表面を材料の特性に適した研磨法により研磨して被検査面としている。図１０に示すように、歯車の一部である鋼製の試験片１００に試験を行うときには、樹脂モールドした試験片１００を試験中にズレないように固定具を利用してＸＹステージ１２上に載置する。

まず、ターレット２０を回転させて、低倍率の対物レンズ２３を試験片１００と対向する位置に移動させ、対物レンズ２３を介して試験片１００の広範囲画像を取得する（ステップＳ１）とともに、表示部５５に画像を表示させる。続いて、試験片１００の広範囲画像における試験片１００のエッジＥ（第１の形状外縁）を検出する（ステップＳ２）。

次に、オペレータがキーボード５７およびマウス５８を利用して表示部５５に表示された試験片１００に対して圧子２１を押し込んで硬さを計測する試験位置を、試験位置設定部７１の作用により設定する（ステップＳ３）。この実施形態において試験片１００として示す歯車は、互いに噛み合う歯面の耐摩耗性を確保するために焼入れが行われる。試験位置とこれに対応する試験力等の試験条件は、焼入れによる硬化層深さに応じて、試験片１００内の位置により異なるものとなる。このため、この硬さ試験機では、複数の試験位置がパターン化された設定パターンを、予めパーソナルコンピュータ５０の本体５６内の記憶部７６または試験機制御部８０に接続された記憶部８１に記憶させている。

設定パターンは、試験片１００の材質や形状に応じて複数用意されている。したがって、設定パターンの試験片１００への適用は、所望の設定パターンをオペレータが入力手段５７（５８）を介して選択することにより作動するプログラムにより実現される。このようなプログラムの実行により、試験片１００の形状外縁（エッジ）からの距離やくぼみ中心間の距離等、試験規格に定められた条件を充足する位置が試験位置として設定される。

図１０（ａ）は、試験片１００の硬化層の硬さを計測するために、試験片１００の形状外縁に沿って複数の試験位置を設定する設定パターンを適用した例を示し、図１０（ｂ）は、試験片１００の硬さから焼入れ深さを知るために、試験片１００の歯車の先端部から垂直な方向に複数の試験位置を設定する設定パターンを適用した例を示している。こうして設定された各試験位置の座標情報は、記憶部７６に記憶される（ステップＳ４）。

対物レンズ２３を介して取得した広範囲画像上での試験位置の設定が終わると、ステップＳ４で記憶した座標のうち、一つの試験位置、例えば、最初に圧子２１が押し込まれる１番目の試験位置（Ｘ１，Ｙ１）が対物レンズ２３の視野中心に一致するように、位置調整部７３の作用によりＸＹステージ１２を動作させて試験片１００を移動させる（ステップ５）。このときに選択する位置は、後述する補正量を計算するために選択される任意の試験位置であって、最初に圧子２１が押し込まれる１番目の試験位置に限定されるものではない。例えば、入力手段５７（５８）を介してオペレータから入力された位置（選択された位置）に応じたＸＹステージ１２の動作信号を位置調整部７３において作出することにより、位置調整を行えばよい。

次に、ターレット２０を回転させて、対物レンズ２３より高倍率の対物レンズ２４を試験片１００に対向する位置に移動させる（ステップＳ６）。このとき、対物レンズ２３の視野中心と対物レンズ２４の視野中心は同一の位置になるよう十分に調整されているものとする。

上述したステップＳ２における試験片１００のエッジ検出においては、画像の輝度差を利用して試験片１００とモールド樹脂との境界に等間隔に点を配置し、それらの点を接点とする接線をつなぎ合わせることで、画像上での試験片１００の輪郭情報を得ている。したがって、図１１（ａ）に示す対物レンズ２３を介して取得した広範囲画像における試験位置（Ｘ１，Ｙ１）とエッジＥ間の距離Ｌは、試験位置の設定（ステップＳ３）において試験位置を設定するときのパラメータとして記憶されている試験片１００のエッジＥからの距離であって、試験位置（Ｘ１，Ｙ１）に最も近い試験片１００の輪郭を構成する接線から試験位置（Ｘ１，Ｙ１）までの距離である。また、距離Ｌは、試験位置（Ｘ１，Ｙ１）に最も近い接線から試験位置（Ｘ１，Ｙ１）までの垂線の長さでもある。なお、このようなエッジ検出は、エッジ検出部７２により実行される。

対物レンズの切り替えが終わると、対物レンズ２４を介して試験片１００の狭範囲画像を取得する（ステップＳ７）。なお、この対物レンズ２４は、圧子２１により形成されたくぼみを観察するために使用される高倍率の対物レンズである。

低倍率の対物レンズ２３はＺ方向の移動に対して焦点が合っている距離が長いのに対し、高倍率の対物レンズ２４ではＺ方向の移動に対して焦点が合っている距離が短い。したがって、対物レンズ２３では焦点が合っていても、Ｚ方向の位置の違いによるＸＹ方向の設定精度への影響が、高倍率の対物レンズ２４よりも大きくなる傾向にある。このため、対物レンズ２３から対物レンズ２４に切り替えたときに、対物レンズ２３を介して取得した広範囲画像上で求めた試験位置を、対物レンズ２４を介して取得した狭範囲画像上にそのまま当てはめると、試験位置（Ｘ１，Ｙ１）とエッジＥ間の距離Ｌが広範囲画像上と狭範囲画像上では等しくならない。そうすると、例えば、図１０（ａ）に示すように、焼き入れによる硬化層の硬さを計測するために、広範囲画像での試験片１００のエッジＥから所定の位置の硬化層内に試験位置を設定しても、狭範囲画像上では、試験位置が硬化層から外れた位置となることがある。また、図１０（ｂ）に示すように、広範囲画像での試験片１００の歯車先端から垂直方向に試験位置を設定しても、エッジＥから試験位置までの距離Ｌが違ってくると、焼入れがどの深さまでされているのかを正確に知ることができなくなる。

試験片１００に広範囲にわたって複数の試験位置を設定するには、低倍率の対物レンズ２３を介して取得した広範囲画像上で各試験位置を設定するのが効率的であるが、高倍率の対物レンズ２４を介して取得した狭範囲画像上で試験位置を設定するほうが、試験位置の位置精度は高くなる。このため、この発明では、広範囲画像上で設定した試験位置を、狭範囲画像を利用して算出した補正量により補正するようにしている。

補正量の計算（ステップＳ８）は、以下の手順で実行される（図９参照）。まず、狭範囲画像における試験片１００のエッジＥ（第２の形状外縁）を検出する（ステップＳ１８１）。なお、このようなエッジ検出は、エッジ検出部７２により実行される。

続いて、先に広範囲画像において設定された試験位置（Ｘ１，Ｙ１）とこの試験位置を設定するときに利用した距離Ｌを、記憶部７６から読み出す（ステップＳ１８２）。そして、図１１（ｂ）に示すように、狭範囲画像における試験片１００のエッジＥから距離Ｌの位置にある座標（Ｘ２，Ｙ２）を算出する（ステップＳ１８３）。すなわち、ステップ１８３では、この発明の狭範囲画像上でエッジ検出部７２が検出した試験片１００の第２の形状外縁からの距離が距離Ｌと等しい位置を、試験すべき位置として特定している。この試験すべき位置は、仮に狭範囲画像上で試験位置を設定した場合の試験位置と同等の位置である。なお、試験片１００のエッジＥは、上述したように画像上では接線をつなぎ合わせて試験片１００の輪郭を表したものであるから、試験位置（Ｘ１，Ｙ１）に最も近い接線からの垂線上の位置であって、接線から距離Ｌだけ離れた位置が、目的とする座標（Ｘ２，Ｙ２）となる。

そして、広範囲画像上で設定された試験位置（Ｘ１，Ｙ１）と狭範囲画像における位置（Ｘ２，Ｙ２）の差分（ΔＸ，ΔＹ）を求める（ステップＳ１８４）。すなわち、広範囲画像において試験片１００のエッジＥ（第１の形状外縁）から距離Ｌだけ離れた位置として記憶された試験位置（Ｘ１，Ｙ１）と、狭範囲画像において試験片１００のエッジＥ（第２の形状外縁）から距離Ｌだけ離れている位置として算出された位置（Ｘ２，Ｙ２）との差分（△Ｘ，△Ｙ）を求めることは、試験片１００のエッジＥからの距離Ｌを基準として広範囲画像で設定した位置と狭範囲画像における位置とのズレ量を求めることに等しい。ここで、△Ｘ＝Ｘ２−Ｘ１、△Ｙ＝Ｙ２−Ｙ１、である。なお、このような補正量計算は、補正量算出部７４において実行される。しかる後、この差分を広範囲画像において設定した全ての試験位置に対する補正量として記憶部７６に記憶させる（ステップＳ１８５）。

補正量の計算が終わると、ステップＳ３において設定した全試験位置に補正量を加算することで、全試験位置を補正する（ステップＳ９）。この全試験位置の補正は、試験位置補正部７５により実行される。なお、補正後の各試験位置の座標は、ＸＹステージ１２の移動に対応付けられた座標系に変換され、試験機制御部８０を介して記憶部８１に記憶される。そして、後に試験が実行されるときに、ＸＹステージ１２の移動量の算出に利用される。

次に、試験位置を補正する補正量の計算（ステップＳ８）の変形例について説明する。図１２は、試験位置の補正する補正量の算出手順の変形例を説明するフローチャートである。図１３は、試験位置の補正の変形例を説明する模式図である。なお、図１３における矩形枠は、図１１と同様に、表示部５５の画面上での試験片１００の画像表示枠を示している。また、図１３は、高倍率の対物レンズ２４を介して取得した狭範囲画像を示している。

歯車のような部品には、例えば、錆止めを目的としたコーティングやメッキ加工が施されている場合がある。上述した実施形態では、ステップＳ２およびステップＳ１８１において、エッジ検出部７２の作用により、試験片１００のエッジＥ（第１の形状外縁および第２の形状外縁）を自動的に検出ししている。しかしながら、このようなエッジＥの自動検出では、コーティング膜やメッキ層の外側を試験片１００の形状外縁として認識してしまう。そうすると、例えば、図１０（ａ）に示すように、試験片１００のエッジＥから所定の位置に試験位置を設定しても、コーティング膜やメッキ層の厚みの分だけ、試験位置が意図した位置より外側に設定されることになる。このため、この変形例では、上述した実施形態のように、狭範囲画像での試験片１００のエッジＥ（第２の形状外縁）を自動検出する（ステップＳ１８１）のではなく、オペレータが入力手段を利用して指定した画面上の位置に基づいて、試験片１００のエッジＥ２を設定するようにしている（ステップＳ２８１）。

図１３にハッチングで示すように、金属部分ではないコーティング膜やメッキ層が存在する試験片１００では、自動検出により試験片１００の外縁とされるエッジＥよりもコーティング膜やメッキ層の厚みの分だけ内側に、金属部分の外縁である真の試験片１００のエッジＥ２があることになる。この変形例では、オペレータが、試験片１００の金属部分とコーティング膜またはメッキ層との境界点（図１３に白丸で示す）を、マウス５８を用いて指定することにより、この境界点を接点とする接線を試験片１００のエッジＥ２としている。しかる後、先にステップＳ３において試験位置を設定したときの距離Ｌを記憶部７６から読み出し（ステップＳ２８２）、狭範囲画像において指定した試験片１００のエッジＥ２から距離Ｌの位置の座標（Ｘ２，Ｙ２）を算出する（ステップＳ２８３）。この場合において、図１３に白丸で示された境界点は、形状外縁に相当するとされる点であり、形状外縁相当部ということができる。すなわち、ステップ２８３では、形状外縁相当部からの距離が距離Ｌと等しい位置を、試験すべき位置として特定している。

そして、広範囲画像上で設定された試験位置（Ｘ１，Ｙ１）と狭範囲画像における位置（Ｘ２，Ｙ２）の差分（ΔＸ，ΔＹ）を求め（ステップＳ２８４）、この差分を補正量として記憶部７６に記憶させる（ステップＳ２８５）。

このように、この変形例では、コーティング膜やメッキ層の厚みを補正量に加味して試験位置の補正を行うことができるため、意図する金属部分での硬さ試験をより確実に実行することが可能となる。

試験片１００の全ての試験位置の設定が完了すると、各試験位置に圧子２１を押し込む試験が、順次実行される。このとき、試験機制御部８０は、モータ３０を駆動してターレット２０を回転させ、圧子２１を試験片１００の表面に対向配置させるとともに、モータ１３およびモータ１４を駆動して設定された試験位置と圧子２１の負荷軸の軸心が一致するように、ＸＹステージ１２を移動させる。そして、ＸＹステージ１２の移動が完了すると、試験機制御部８０は、負荷機構を制御することにより、所定の試験力で圧子２１を試験片１００の表面に押し付ける。

また、試験片１００の表面へのくぼみの形成が終わると、表示部５５に表示される画像の視野範囲を、くぼみの計測に適した視野範囲に切り替えるため、試験機制御部８０は、モータ３０を駆動してターレット２０を回転させることにより、対物レンズ２４を試験片１００の表面に対向する位置に移動させる。試験機制御部８０は、図６に示すように、対物レンズ２４を介して得られた画像を用いて、くぼみの対角線長さｄを計測し、ビッカース硬さを算出する。

上述したように、この発明に係る硬さ試験機においては、第１の対物レンズ（対物レンズ２２、２３）を介して取得した広範囲画像上で設定した試験位置を、第１の対物レンズより高倍率の第２の対物レンズ（対物レンズ２４、２５）を介して取得した狭範囲画像を利用して求めた補正量により補正することで、試験位置の設定精度を向上させることが可能となる。

１１ テーブル
１２ ＸＹステージ
１３ モータ
１４ モータ
１５ モータ
１６ 接眼レンズ
１７ カメラ
１８ 表示部
１９ 圧子
２０ ターレット
２１ 圧子
２２ 対物レンズ
２３ 対物レンズ
２４ 対物レンズ
２５ 対物レンズ
２６ つまみ
２７ 軸筒
２８ 回転軸
２９ ベアリング
３０ モータ
３１ 軸
３２ レバー
３３ 永久磁石
３４ 電磁コイル
３５ 押圧部
３６ 負荷伝達軸
３８ ネジ
４１ ＬＥＤ光源
４２ 光筒
４３ ハーフミラー
４４ ハーフミラー
５０ コンピュータ
５３ ラック
５４ ピニオン
５５ 表示部
５６ 本体
５７ キーボード
５８ マウス
５９ 液晶表示部
６０ 変位検出器
６１ 板バネ
６２ 支持部材
６３ 支持部材
７０ 制御部
７１ 試験位置設定部
７２ エッジ検出部
７４ 補正量算出部
７５ 試験位置補正部
７６ 記憶部
８０ 試験機制御部
８１ 記憶部
１００ 試験片

Claims (2)

1. 試験片を載置するとともに、当該試験片をＸＹ方向に位置決めするステージと、
   前記ステージをＺ方向に移動させる昇降機構と、
   前記試験片の表面にくぼみを形成するための圧子と、
   試験位置において前記圧子を前記試験片の表面に押し付けることにより前記圧子に試験力を付与する負荷機構と、
   前記試験片の形状および前記試験片の表面に形成されたくぼみを観察するための倍率の異なる複数の対物レンズと、
   前記圧子および前記対物レンズを支持するとともに、前記圧子または前記対物レンズのいずれかを前記試験片と対向する位置に移動させる切替部材と、
   前記対物レンズを介して取得した画像を表示する表示部と、
   を備えた硬さ試験機において、
   複数の前記対物レンズは、前記試験片の広範囲画像を取得するための第１の対物レンズと、前記第１の対物レンズよりも高倍率であって、前記試験片の狭範囲画像を取得するための第２の対物レンズを含み、
   前記対物レンズにより取得した画像から前記試験片の形状外縁を検出するエッジ検出部と、
   前記第１の対物レンズを介して取得された広範囲画像上で、前記エッジ検出部により検出された第１の形状外縁からの距離Ｌに基づいて複数の試験位置を設定する試験位置設定部と、
   前記試験位置設定部により設定された複数の試験位置のうちの一つの位置を、前記広範囲画像の中心となるように前記試験片が載置された前記ステージの位置調整を行う位置調整部と、
   前記位置調整部による位置調整が行われた後に前記切替部材により前記第２の対物レンズを前記試験片と対向する位置に移動させ、前記第２の対物レンズを介して取得された狭範囲画像上で前記エッジ検出部により検出された第２の形状外縁からの距離が前記距離Ｌと等しくなる位置であるとして特定される試験すべき位置と前記一つの位置との差分を、前記試験位置設定部において設定した試験位置を補正するための補正量として算出する補正量算出部と、
   前記補正量算出部において算出された補正量を、前記試験位置設定部により設定された全ての試験位置に加えることにより試験位置を補正する試験位置補正部と、
   を備えることを特徴とする硬さ試験機。
2. 試験片を載置するとともに、当該試験片をＸＹ方向に位置決めするステージと、
   前記ステージをＺ方向に移動させる昇降機構と、
   前記試験片の表面にくぼみを形成するための圧子と、
   試験位置において前記圧子を前記試験片の表面に押し付けることにより前記圧子に試験力を付与する負荷機構と、
   前記試験片の形状および前記試験片の表面に形成されたくぼみを観察するための倍率の異なる複数の対物レンズと、
   前記圧子および前記対物レンズを支持するとともに、前記圧子または前記対物レンズのいずれかを前記試験片と対向する位置に移動させる切替部材と、
   前記対物レンズを介して取得した画像を表示する表示部と、
   を備えた硬さ試験機において、
   複数の前記対物レンズは、前記試験片の広範囲画像を取得するための第１の対物レンズと、前記第１の対物レンズよりも高倍率であって、前記試験片の狭範囲画像を取得するための第２の対物レンズを含み、
   前記対物レンズにより取得した画像から前記試験片の形状外縁を検出するエッジ検出部と、
   前記第１の対物レンズを介して取得された広範囲画像上で、前記エッジ検出部により検出された第１の形状外縁からの距離Ｌに基づいて複数の試験位置を設定する試験位置設定部と、
   前記試験位置設定部により設定された複数の試験位置のうちの一つの位置を、前記広範囲画像の中心となるように前記試験片が載置された前記ステージの位置調整を行う位置調整部と、
   前記位置調整部による位置調整が行われた後に前記切替部材により前記第２の対物レンズを前記試験片と対向する位置に移動させ、前記第２の対物レンズを介して取得された狭範囲画像上で入力手段により指定された前記試験片の形状外縁相当部からの距離が前記距離Ｌと等しくなる位置であるとして特定される試験すべき位置と前記一つの位置との差分を、前記試験位置設定部において設定した試験位置を補正するための補正量として算出する補正量算出部と、
   前記補正量算出部において算出された補正量を、前記試験位置設定部により設定された全ての試験位置に加えることにより試験位置を補正する試験位置補正部と、
   を備えることを特徴とする硬さ試験機。

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