JP6648676B2

JP6648676B2 - 微小硬度計

Info

Publication number: JP6648676B2
Application number: JP2016234676A
Authority: JP
Inventors: 貴浩關
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2016-12-02
Filing date: 2016-12-02
Publication date: 2020-02-14
Anticipated expiration: 2036-12-02
Also published as: JP2018091697A

Description

この発明は、微小硬度計に関する。

微小硬度計は、非常に薄い膜等の硬さを測定したり、微小領域の硬さを測定したりするために用いられる。このような微小硬度計は、試料を載置した状態で水平方向に移動可能なステージと、試料の表面に当接する圧子とを備え、試料の表面の所定の箇所に所定の荷重で圧子を押し込み、荷重と押し込み量（圧子の変位量）との関係から、試料の硬さを求める構成を有する。

非常に薄い膜や微小領域の硬さを測定する場合や、非常に柔らかい材料の硬さを測定する場合においては、微小な圧子を試料に微小な荷重で押し込む。押し込み荷重が微小であることから、圧子の変位も非常に小さなものとなる。このため、微小硬度計は、風が試験結果に影響を与えることを防止するために、風防ケースに収納した状態で硬度試験を実行するようにしている。

一方、近年、微小硬度計においては、試料における多点に対して硬度測定を行うことが要請されている。このため、試料を載置するステージをモータの駆動で水平方向（ＸＹ方向）に移動させることにより、多点の測定を連続して自動的に実行する微小硬度計も使用されている（特許文献１参照）。

特開２００４−２７１３１８号公報

ステージをモータにより水平方向に移動させる微小硬度計においては、ステージの駆動または停止にかかわらず、装置を起動させた後には、常に、モータに対して電力が供給されていた。すなわち、モータとしてステッピングモータ（パルスモータ）を使用した場合においては、モータを励磁状態とすることにより、静止トルクを得ていた。また、モータとしてサーボモータを使用した場合においては、位置制御を行うことにより、静止トルクを発生させていた。

一方、上述したように、微小硬度計は風防ケース内に収納された状態で硬度試験を実行する。このため、モータが常に励磁状態となっている場合においては、風防ケース内の空間にモータが熱源として存在することになり、微小硬度計が設置された雰囲気温度が上昇する。このように雰囲気温度が上昇した場合においては、硬度の測定結果が変化するという問題が生ずる。

このため、風防ケース内の温度が一定となるように冷却機構による温度制御を行うことや、熱源となるモータを水冷等により冷却するという対応を取ることも考えられるが、いずれの場合であっても、装置構成が複雑となり、また、追加の設備が必要となってコストアップの要因となる。

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、簡易な構成でありながら、微小硬度計が設置された雰囲気温度の上昇を抑制することができ、硬度試験を高精度に実行することが可能な微小硬度計を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、試料を載置した状態で水平方向に移動可能なステージと、鉛直方向に移動することにより前記試料の表面に当接する圧子と、前記ステージを水平方向に移動させるためのモータと、前記モータに電力を供給するための電力供給部と、を備えた微小硬度計において、前記電力供給部は、前記ステージを水平方向に移動させるときにのみ前記モータに電力を供給することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の微小硬度計において、前記モータは、ステッピングモータまたはサーボモータである。

請求項１および請求項２に記載の発明によれば、ステージを水平方向に移動させるときにのみモータに電力を供給することから、微小硬度計が設置された雰囲気温度の上昇を抑制することができる。このため、温度制御のための特別な機器を用意することなく、硬度試験を高精度に実行することが可能となる。

この発明に係る微小硬度計の概要図である。この発明に係る微小硬度計により硬度試験を行うときの動作を示すフローチャートである。

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、この発明に係る微小硬度計の概要図である。

この微小硬度計は、ＸＹステージ１２を備えた装置本体１と、装置本体１の各種の動作を制御する本体制御部５と、ＸＹステージ１２の水平移動動作を制御するためのこの発明に係るＸＹステージ１２に対する電力供給部としても機能するＸＹステージ制御部４と、本体制御部５およびＸＹステージ制御部４と接続されるとともに表示部３を備えたパーソナルコンピュータ２とから構成されている。装置本体１は、硬度試験を実行するときには、図１において仮想線で示す風防ケース６内に設置される。

装置本体１におけるＸＹステージ１２は、バイス１１等を介して試料１００を載置した状態で、図示しないガイド部材により案内されて水平方向（ＸＹ方向）に移動可能となっている。このＸＹステージ１２の移動機構は、支持部材２４に回転可能に支持された軸２３を介してモータ２１に接続されたボールねじ２５を備える。このボールねじ２５は、ＸＹステージ１２の内部に設けられた図示しないナットと螺合している。このボールねじ２５がモータ２１の駆動により回転すれば、ＸＹステージ１２は、Ｘ方向（図１における左右方向）に往復移動する。また、このような構成と同様の構成により、ＸＹステージ１２は、モータ２２の駆動によりＹ方向（図１における紙面に垂直な方向）に往復移動する。さらに、ＸＹステージ１２は、ハンドル２６を手動で操作することにより、バイス１１やモータ２１、２２等とともに、Ｚ方向（図１における上下方向）に昇降する。

装置本体１には、図示しない試験力負荷機構によりＺ方向に昇降可能であり、バイス１１に支持された試料１００と当接することにより試料１００の表面に圧痕を形成する圧子１３が配設されている。また、装置本体１には、顕微鏡における対物レンズ１４が配設されている。この対物レンズ１４は、装置本体１に対して複数配設されており、レバー１５を操作することにより使用する対物レンズ１４を切り替えることが可能となっている。また、装置本体１の上部には、試料１００を観察するための顕微鏡における接眼レンズ１６が配設されている。

次に、上述した構成を有する微小硬度計により硬度試験を行うときの動作について説明する。図２は、この発明に係る微小硬度計により硬度試験を行うときの動作を示すフローチャートである。なお、このフローチャートは、試料１００の表面におけるＮ箇所の位置で硬度試験を行う場合のものである。試験位置は、硬度測定に先立って、操作者がＸＹステージ１２を手動で動かしつつバイス１１に固定された試料１００の表面を顕微鏡で確認しながら決定していく。ＸＹステージ１２を手動で駆動する際にはモータ２１、２２に電力が供給されるが、ＸＹステージ１２を停止したときにはモータ２１、２２への電力供給が止められる。なお、ＸＹ方向のうちいずれか一方向に対してのみＸＹステージ１２を移動させるときには、モータ２１またはモータ２２のいずれか一方に対してのみ電力を供給する。これは、以下の説明においても同様である。

最初に、回数ｉをゼロに設定する（ステップＳ１）。そして、回数ｉに対して１を加算した後（ステップＳ２）、モータ２１、２２に電力を供給することにより励磁をＯＮとする（ステップＳ３）。

そして、モータ２１、２２の駆動によりＸＹステージ１２を、試料１００における次に硬度試験を実行すべき位置が圧子１３の直下に配置される位置まで移動させる（ステップＳ４）。移動が完了すれば（ステップＳ５）、モータ２１、２２への電力の供給を停止することにより励磁をＯＦＦとする（ステップＳ６）。このときには、モータ２１、２２における静止トルクはなくなるが、ＸＹステージ１２は水平方向に移動可能な状態となっており、重力はＸＹステージ１２を移動させる方向に作用しないことから、ＸＹステージ１２が移動することはない。

この状態で、図示しない試験力負荷機構により圧子１３を下降させ、試料１００に対して負荷を付与するとともに、必要な時間だけその状態を保持した後、圧子１３を上昇させ試料１００に対する負荷を解除する徐荷を行う（ステップＳ７）。そして、そのときの圧子１３の下降量等の試験データが、本体制御部５を介してパーソナルコンピュータ２に出力される（ステップＳ８）。パーソナルコンピュータ２では、このときの負荷の大きさと圧子１３の下降量（試料１００に対する圧子１３の押し込み量）から、試料１００の硬度が演算される。

以上の動作を、試料１００におけるＮ点での硬度試験が完了するまで繰り返す（ステップＳ９）。

Ｎ点の硬度試験が完了すれば（ステップＳ９）、回数ｉをゼロに設定する（ステップＳ１０）。そして、顕微鏡による観察を実行するためオペレータの操作により手動的または自動的にＸＹステージ１２を移動させる。このときには、オペレータによる操作がなされたときに、回数ｉに１を加算した後（ステップＳ１１）、モータ２１、２２に電力を供給することにより励磁をＯＮとする（ステップＳ１２）。そして、モータ２１、２２の駆動によりＸＹステージ１２を、対物レンズ１４により試料１００を観察できる位置まで移動させる（ステップＳ１３）。そして、移動が完了すれば（ステップＳ１４）、モータ２１、２２への電力の供給を停止することにより励磁をＯＦＦとする（ステップＳ１５）。

しかる後、顕微鏡により試料１００を観察する（ステップＳ１６）。このときには、顕微鏡により観察した試料１００が表示部３に表示される。そして、ステップＳ８で演算した硬度とは別に圧痕のサイズから硬度を求める必要がある場合、オペレータにより、表示部３の画面上において指標等を使用して試料１００に形成された圧子１３による圧痕のサイズが測定される。そして、このときの圧痕のサイズ等が観察データとして、本体制御部５を介してパーソナルコンピュータ２に出力される（ステップＳ１７）。パーソナルコンピュータ２では、このときの圧痕の大きさから、試料１００の硬度が演算される。

以上の動作を、試料１００におけるＮ点の観察が完了するまで繰り返した後（ステップＳ１８）、試料１００に対する硬度試験動作を終了する。

なお、上述の実施形態においては、試料１００に対する圧子１３の押し込み量から得られる硬度と、圧痕の大きさから得られる硬度の２種類が計算されるが、試料１００の硬度としてどちらを採用するかについては適宜操作者が判断すればよい。また、初めからいずれか片方の動作を行わないようにしてもよい。

以上のように、この発明に係る微小硬度計によれば、手動によるＸＹステージ１２の動作と一連の自動運転におけるＸＹステージ１２の動作のいずれの場合においても、ＸＹステージ１２をＸＹ方向に移動させるときにのみモータ２１、２２に電力を供給することから、微小硬度計の装置本体１が設置された風防ケース６内の温度の上昇を抑制することができる。このため、温度制御のための特別な機器を用意することなく、硬度試験を高精度に実行することが可能となる。これにより、例えば、夜間において自動連続運転等を高精度に実行することも可能となる。

１装置本体
２パーソナルコンピュータ
３表示部
４ＸＹステージ制御部
５本体制御部
６風防ケース
１１バイス
１２ＸＹステージ
１３圧子
１４対物レンズ
２１モータ
２２モータ
２５ボールねじ
２６ハンドル
１００試料

Claims

試料を載置した状態で水平方向に移動可能なステージと、
鉛直方向に移動することにより前記試料の表面に当接する圧子と、
前記ステージを水平方向に移動させるためのモータと、
前記モータに電力を供給するための電力供給部と、
を備えた微小硬度計において、
前記電力供給部は、前記ステージを水平方向に移動させるときにのみ前記モータに電力を供給することを特徴とする微小硬度計。
請求項１に記載の微小硬度計において、
前記モータは、ステッピングモータまたはサーボモータである微小硬度計。