JP6721306B2 - 硬さ試験機 - Google Patents

Description

本発明は、硬さ試験機に関する。

試料の表面に圧子を押し込んでくぼみを形成し、そのくぼみの寸法を計測することにより、或いは当該くぼみ形成時の圧子の押し込み深さを計測することにより試料の硬さを測定する硬さ試験機が知られている。
こうした硬さ試験機においては、圧子の押し込みを開始する前、押し込み位置（試料の試験ポイント）が圧子の真下になっているかを確認する必要がある。例えば、ロックウェル硬さ試験機やブリネル硬さ試験機の場合、押し込み機構部直下に配置された上下ステージを上昇させながら試験ポイントを圧子に近づけ目視にて確認する方法がある。また、ビッカース硬さ試験機の場合、試験機のくぼみ長さ測定用顕微鏡を用いて、試料表面全体を見渡しつつ試験ポイントを所定位置に合わせる方法がある。
しかしながら、目視で確認する方法の場合、押し込み方向に対して直上ではなく斜め側方から観察しつつ試料と圧子を接近させる作業を行うため、期待する位置に対してずれが生じる可能性があり、且つ調整に手間が掛かる。
また、顕微鏡で確認する方法の場合、まず低倍率の対物レンズを使用して、おおよその試料の試験位置を特定したうえで、高倍率の対物レンズに切り替えて試料の試験位置を特定する必要があり、調整に手間が掛かる。また、高倍率の対物レンズのみを使用することとすると、その視野が狭いため、試料の試験位置を特定するのは困難である。

これに対して、例えば、特許文献１には、試料の試験ポイントを一度で確実に決めることを目的として、圧子軸と同心円状に取り付けられた複数の光源により試料の表面にリング状の照光パターンを形成し、試料の試験ポイントがその照光パターンの中心となるように試料を微調整して位置合わせする技術が提案されている。

特許第４７５０３１４号公報

しかしながら、上記特許文献１の装置では、試料の試験ポイントが照光パターンの中心となるよう目測で調整するため、依然として調整した位置が実際の試験ポイントからずれる可能性があった。

本発明の課題は、試験ポイントの調整作業が容易であって、調整した試験ポイントにずれることなく実際の試験を実行することができる硬さ試験機を提供することである。

前記課題を解決するために、
請求項１に記載の発明は、
試料の表面に圧子により所定の試験力を負荷してくぼみを形成させ、当該くぼみを用いて試料の硬さを測定する硬さ試験機において、
前記試料の表面に光を照射してスポットを有する照光パターンを形成する照光部と、
前記試料の表面における、前記照光部により形成された前記照光パターンのスポットの位置を試験ポイントとして、当該試験ポイントに前記圧子の頂点の垂線が重なった状態で
前記圧子を前記試料に接触させてくぼみを形成させる制御部と、
を備え、
前記照光部は、互いに近づく方向に向けて光を出射する二つの光源を備え、
前記二つの光源から出射された光が交差する点である前記スポットに前記圧子の頂点の垂線が位置するように構成され、
前記制御部は、予め記憶された試料の厚みに基づいて、前記二つの光源から出射された光が交差する点と試料の表面とが重なるように前記試料の高さ位置を制御することを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の硬さ試験機において、
前記二つの光源から出射された光は、帯状であ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、
前記照光部は、レーザ光を出射する光源を備えることを特徴とする。

本発明によれば、試験ポイントの調整作業が容易であって、調整した試験ポイントにずれることなく実際の試験を実行することができる。

本発明に係る硬さ試験機の全体図である。 第１の実施の形態に係る硬さ試験機の制御構造を示すブロック図である。 図２の硬さ試験機の試験機本体を示す模式図である。 試料の移動を説明するための図である。 第２の実施の形態に係る硬さ試験機の制御構造を示すブロック図である。 図５の硬さ試験機の試験機本体を示す模式図である。 第１及び第２の実施の形態に係る硬さ試験機の変形例について説明するための模式図である。 第３の実施の形態に係る硬さ試験機の制御構造を示すブロック図である。 図８の硬さ試験機の試験機本体を示す模式図である。 図８の試験機本体の要部構成を説明するための図である。 第３の実施の形態に係る硬さ試験機の変形例について説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の第１の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、第１の実施の形態に係る硬さ試験機の全体図である。
図２は、図１の硬さ試験機の制御構造を示すブロック図である。図３は、図２の硬さ試験機の試験機本体を示す模式図である。

図１〜図３に示すように、硬さ試験機１００は、試験機本体１０と、制御部１７と、操作部１８と、モニター１９と、を備えて構成されている。
かかる硬さ試験機１００は、例えば、ロックウェル硬さ試験機である。なお、以下の説明において、図１、３におけるＸ方向を左右方向とし、Ｙ方向を前後方向とし、Ｚ方向を上下方向とする。また、Ｘ−Ｙ面を水平面とする。

試験機本体１０は、例えば、試料Ｓに対して光を照射する光源（照光部）１１と、試料Ｓを水平方向に移動させるためのＸＹステージ（移動部）１２と、ＸＹステージ１２を昇降する上下ステージ１３と、試料Ｓにくぼみを形成する圧子１４ａを備えた圧子軸１４と、を備えて構成されている。

光源１１は、例えば、ＬＤ（Laser Diode）等を備え、レーザ光を発生させて出射する。光源１１は、圧子軸１４と並列に設けられ、Ｚ方向、即ち圧子軸１４の移動方向と略平行な方向に向かって光を出射し、下方に位置する試料Ｓに光を照射する。かかる光源１１により、ＸＹステージ１２に載置された試料Ｓの一点にスポット状の照光パターンが表示されるようになっている。本実施形態では、試料Ｓの表面における、光源１１により形成されたスポットの位置が試験ポイントとなる。
なお、装置構成を安価にする観点から、上記したように、光源１１としてレーザ光を発生するものを用いることとするが、これ以外にも、例えば、ハロゲンやＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの光源を用いることもできる。

ＸＹステージ１２は、その上面が試料Ｓを載置可能な試料載置部１２１であり、Ｘ方向に移動可能な第１ステージ１２ａと、Ｙ方向に移動可能な第２ステージ１２ｂとを備えた公知の構成を有する。ＸＹステージ１２は、制御部１７が出力する制御信号に応じて駆動され、載置された試料ＳをＸ−Ｙ方向にスライド移動させる。これにより、試料Ｓの表面の試験ポイントが、圧子１４ａの頂点の垂線と重なる状態となるように、試料Ｓを移動させることができる。

上下ステージ１３は、制御部１７が出力する制御信号に応じて駆動され、ＸＹステージ１２をＺ方向に移動させる。

圧子軸１４は、制御部１７が出力する制御信号に応じて駆動される負荷機構部により試料Ｓに向けて移動され、先端部に備えた圧子１４ａを試料Ｓの表面に所定の試験力で押し付ける。これにより、試料Ｓの表面にくぼみが形成される。
使用される圧子１４ａとしては、例えば、先端半径０．２ｍｍで先端角１２０度の円錐のダイヤモンド圧子や、１／１６インチ、１／８インチなどの鋼球を用いた圧子などが挙げられる。

制御部１７は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１７１と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１７２と、記憶部１７３と、を備えて構成され、記憶部１７３に記憶された所定のプログラムが実行されることにより、所定の硬さ試験を行うための動作制御等を行う機能を有する。

具体的に、ＣＰＵ１７１は、記憶部１７３に格納された処理プログラム等を読み出して、ＲＡＭ１７２に展開して実行することにより、硬さ試験機１００全体の制御を行う。

ＲＡＭ１７２は、ＣＰＵ１７１により実行された処理プログラム等をＲＡＭ１７２内のプログラム格納領域に展開するとともに、入力データや上記処理プログラムが実行される際に生じる処理結果等をデータ格納領域に格納する。

記憶部１７３は、例えば、プログラムやデータ等を記憶する記録媒体を有しており、ＣＰＵ１７１が硬さ試験機１００全体を制御する機能を実現させるための各種データ、各種処理プログラム、これらプログラムの実行により処理されたデータ等を記憶する。
例えば、記憶部１７３には、予め、試料載置部１２１の上面における、光源１１からの光により照光パターンのスポットが形成される位置と、圧子１４ａの頂点の垂線が通る位置との相対位置座標が記憶されており、ＣＰＵ１７１は、これに基づきＸＹステージ１２を移動させる。

操作部１８は、キーボードやマウス等を備えて構成され、硬さ試験を行う際のユーザによる入力操作を受け付ける。操作部１８は、ユーザによる所定の入力操作を受け付けると、その入力操作に応じた所定の操作信号を生成して、制御部１７へと出力する。
例えば、操作部１８は、ユーザが、硬さ試験機１００による硬さ試験を実施する際の試験条件を入力する操作を受け付ける。試験条件値とは、例えば、試料Ｓの材質、圧子１４ａにより試料Ｓに負荷される試験力（Ｎ）、光源１１と圧子１４ａとの位置座標の値などである。

モニター１９は、例えば、ＬＣＤ（liquid crystal display）などの表示装置により構成されている。モニター１９は、操作部１８において入力された硬さ試験の試験条件、及び硬さ試験の結果等を表示する。

次に、本実施形態に係る硬さ試験機１００の試験ポイントの位置合わせの方法について説明する。
先ず、ユーザは、ＸＹステージ１２の上面に硬さ試験の対象となる試料Ｓを載置し、光源１１から試料Ｓに対して光を照射させる。そして、光のスポット状の照光パターンを指標として、試料Ｓの所望の試験ポイントがこれに一致するように微調整を行う。これにより、スポットの位置が試験ポイントＰとなる。
この状態において、ユーザが試験開始の指示を行うと、図４に示すように、制御部１７はＸＹステージ１２を記憶部１７３に記憶された位置座標に基づいて移動させる。これにより、試料Ｓの試験ポイントＰが、圧子１４ａの頂点の垂線Ｌの位置に重なるようになる。
その後、制御部１７は、圧子１４ａを動作させて試料Ｓ表面の試験ポイントにくぼみを形成させ、所定のデータ解析を実行して、試料Ｓの硬さを算出する。

以上のように、本実施形態によれば、試料Ｓの表面に圧子１４ａにより所定の試験力を負荷してくぼみを形成させ、当該くぼみを用いて試料の硬さを測定する硬さ試験機１００において、試料Ｓの表面に光を照射してスポットを有する照光パターンを形成する光源１１と、試料Ｓの表面における、光源１１により形成された照光パターンのスポットの位置を試験ポイントとして、当該試験ポイントに圧子１４ａの頂点の垂線が重なった状態で圧子１４ａを試料Ｓに接触させてくぼみを形成させる制御部１７と、を備える。
このため、試料Ｓの所望の試験ポイントにスポット状の光を照射させて試験ポイントの確認を行った後、その確認した試験ポイントにくぼみを形成することで、簡単な調整作業でありながら、試験前に調節した試験ポイントからずれることなく、試験を実行することができる。

また、本実施形態によれば、試料Ｓを載置する試料載置部１２１と、試料載置部１２１を水平方向に移動させるＸＹステージ１２と、を備え、光源１１は、圧子１４ａと並列に設けられ、上下方向と略平行に光を出射する一の光源であって、制御部１７は、試料Ｓの表面における試験ポイントに圧子１４ａの頂点の垂線が位置するように、ＸＹステージ１２により試料載置部１２１を水平方向に移動させる。
このため、光源１１と圧子１４ａが重ならない装置構成のため、試験ポイントの確認を行いやすくすることができる。

また、本実施形態によれば、ＸＹステージ１２は、試料載置部１２１を水平面内の二方向に往復移動可能であって、圧子１４ａの位置と、照光パターンのスポットが形成される位置との相対位置座標を記憶する記憶部１７３を備え、制御部１７は、記憶部１７３に記憶された相対位置座標に基づいて、ＸＹステージ１２により試料載置部１２１を移動させる。
このため、試験前に調節した試験ポイントからずれることなく、試験を実行することができる。

また、本実施形態によれば、光源１１は、レーザ光を出射するレーザ光源である。
このため、装置構成を安価にすることができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
なお、第１の実施の形態と同一の構成については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
図５は、第２の実施の形態に係る硬さ試験機の制御構造を示すブロック図である。図６は、図５の硬さ試験機の試験機本体を示す模式図である。

図５、６に示すように、硬さ試験機２００は、試験機本体２０と、制御部２７と、操作部１８と、モニター１９と、を備えて構成されている。

試験機本体２０は、第１の実施の形態のＸＹステージ１２の代わりに、試料Ｓを載置した状態で左右方向に移動可能に構成された試料台２２を備えている。
なお、試験機本体２０のそれ以外の構成は、第１の実施の形態の試験機本体１０と同一である。

試料台２２は、試料Ｓを載置する試料載置部２２ａと、試料載置部２２ａを下方から支持し、当該試料載置部２２ａを左右方向にスライド移動させる移動ステージ２２ｂと、を備えている。

制御部２７は、ＣＰＵ２７１と、ＲＡＭ２７２と、記憶部２７３と、を備えて構成される。ＣＰＵ２７１、ＲＡＭ２７２、記憶部２７３それぞれの基本的な構成及び機能は、ＣＰＵ１７１、ＲＡＭ１７２、記憶部１７３と同一である。
本実施の形態の記憶部２７３においては、予め、試料載置部２２ａの上面における、光源１１からの光により照光パターンのスポットが形成される位置と、圧子１４ａの頂点の垂線が通る位置とのＸ方向の相対距離が記憶されており、ＣＰＵ２７１は、これに基づき移動ステージ２２ｂを駆動させることで、試料Ｓの表面における試験ポイントに、圧子１４ａの頂点の垂線が位置するように、試料Ｓを水平方向に移動させることができる。

次に、本実施形態に係る硬さ試験機２００の試験ポイントの位置合わせの方法について説明する。
先ず、ユーザは、試料台２２の試料載置部２２ａの上面に試料Ｓを載置し、光源１１から試料Ｓに対して光を照射させた状態で、光のスポット状の照光パターンと試料Ｓの所望の試験ポイントが一致するように微調整を行う。これにより、スポットの位置が試験ポイントとなる。
この状態において、ユーザが試験開始の指示を行うと、制御部２７は移動ステージ２２ｂを記憶部２７３に記憶された距離だけ移動させることで試料載置部２２ａを移動させ、試料Ｓの所望の試験ポイントと圧子１４ａとを対向させる。
その後、制御部２７は、圧子１４ａを動作させて試料Ｓ表面の試験ポイントにくぼみを形成させ、所定のデータ解析により、試料Ｓの硬さを算出する。

以上のように、本実施形態によれば、硬さ試験機２００は、試料Ｓを載置する試料載置部２２ａと、試料載置部２２ａを下方から支持した状態で水平面内の一方向に往復移動可能な移動ステージ２２ｂと、を備えた試料台２２を備える。
このため、試料Ｓの所望の試験ポイントに光を照射させて試験ポイントの確認を行った後、その確認した試験ポイントに正確にくぼみを形成できることとなる。

なお、上記第２の実施の形態においては、試料台２２は、試料載置部２２ａが移動ステージ２２ｂにより移動する構成を例示して説明したが、試料載置部２２ａをユーザが手動で移動させる構成としても良い。この場合、図示は省略するが、例えば、左右の所定箇所にストッパーを備えたステージにより試料載置部２２ａを支持し、ユーザがステージ上で試料載置部２２ａをスライド移動させるように構成すれば良い。
かかる構成の場合、先ず、ユーザは、試料載置部２２ａを一のストッパーに当接させて試料載置部２２ａに試料Ｓを載置し、光源１１から試料Ｓに対して光を照射させた状態で、光の照光パターンと試料Ｓの所望の試験ポイントが一致するように微調整を行う。次いで、ユーザは、試料載置部２２ａをステージ上でスライド移動させて他のストッパーに当接させる。

また、上記第１の実施の形態及び第２の実施の形態においては、試料Ｓ（ＸＹステージ１２又は試料台２２）が水平面内を移動する構成を例示して説明したが、試料Ｓと、光源１１及び圧子１４ａとの相対的な位置関係を変更できるものであれば、試料Ｓ（ＸＹステージ１２又は試料台２２）が固定され、光源１１及び圧子１４ａが水平面内を移動する構成であっても良い。

この構成としては、例えば、図７に示すように、試験機本体２０Ａは、試料Ｓを載置する試料載置部２８と、圧子１４ａを水平方向に移動させるターレット（移動部）２９と、を備える。また、ターレット２９には、圧子１４ａと並列に設けられ、上下方向と略平行に光を出射する一の光源１１も搭載される。制御部２７は、試料Ｓの表面に光源１１によりスポット状の光を照射させて試験ポイントの確認を行った後、ターレット２９の回転により圧子１４ａを水平方向に移動させ、試験ポイントに、圧子１４ａの頂点の垂線が位置するようにする。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。
なお、第１の実施の形態と同一の構成については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
図８は、第２の実施の形態に係る硬さ試験機の制御構造を示すブロック図である。図９は、図８の硬さ試験機の試験機本体を示す模式図である。図１０は、本実施の形態の試験機本体の要部構成を示す図である。

図８、９に示すように、硬さ試験機３００は、試験機本体３０と、制御部３７と、操作部１８と、モニター１９と、を備えて構成されている。

試験機本体３０は、例えば、試料Ｓに対して光を照射する２つの光源（照光部）３１，３２と、試料Ｓを載置する試料台３３と、試料台３３を昇降する上下ステージ３４と、試料Ｓにくぼみを形成する圧子１４ａを備えた圧子軸１４と、を備えて構成されている。

２つの光源３１，３２は、例えば、ＬＤ等を備え、レーザ光を発生させて出射する。
図１０に示すように、２つの光源３１，３２は、その下端が互いに近づく方向に傾いて設置され、２つの光源３１，３２から出射された光は、互いに近づく方向に延びて圧子１４ａの真下、即ち、圧子１４ａの頂点の垂線上で交わるように設定されている。

試料台３３は、上面が試料Ｓを載置可能な水平面に形成された台座であり、上下ステージ３４に支持されている。

上下ステージ３４は、制御部３７が出力する制御信号に応じて駆動され、試料台３３をＺ方向に移動させる。上下ステージ３４は、２つの光源３１，３２から出射された光が交わった点が試料Ｓの表面に位置するように試料台３３の高さを調整するものであって、これにより、試料台３３に載置された試料Ｓの一点にスポット状の照光パターンが表示される。

制御部３７は、ＣＰＵ３７１と、ＲＡＭ３７２と、記憶部３７３と、を備えて構成される。ＣＰＵ３７１、ＲＡＭ３７２、記憶部３７３それぞれの基本的な構成及び機能は、ＣＰＵ１７１、ＲＡＭ１７２、記憶部１７３と同一である。
本実施の形態の記憶部３７３には、試験前に、予め試料Ｓ表面の高さ（試料Ｓの厚み）が記憶されており、ＣＰＵ３７１は、これに基づき上下ステージ３４の高さを調節することで、試料Ｓ表面上にスポット状の照光パターンを表示させる。

次に、本実施形態に係る硬さ試験機３００の試験ポイントの位置合わせについて説明する。
先ず、ユーザは、試料台３３の上面に試料Ｓを載置する。
次いで、ユーザの指示により、制御部３７は、２つの光源３１，３２から試料Ｓに対して光を照射させ、上下ステージ３４により試料台３３をＺ方向に移動させて、試料台３３に載置された試料Ｓの一点にスポット状の照光パターンを表示させる。
その状態においてユーザは、光の照光パターンと試料Ｓの所望の試験ポイントが一致するように微調整を行う。
その後、ユーザの指示により、制御部３７は、圧子１４ａを動作させて試料Ｓ表面の試験ポイントにくぼみを形成させ、所定のデータ解析により、試料Ｓの硬さを算出する。

以上のように、本実施の形態によれば、硬さ試験機３００は、互いに近づく方向に向けて光を出射する二つの光源３１，３２を備え、二つの光源３１，３２から出射された光が交差する点であるスポットに圧子１４ａの頂点の垂線が位置するように構成され、制御部３７は、二つの光源３１，３２から出射された光が交差する点と試験ポイントとが重なるように試料Ｓの高さ位置を制御する。
このため、試料Ｓの所望の試験ポイントにスポット状の光を照射させて試験ポイントの確認を行った後、その確認した試験ポイントにくぼみを形成できるので、簡単な調整作業でありながら、試験前に調節した試験ポイントからずれることなく、試験を実行することができる。

なお、上記第３の実施の形態においては、２つの光源３１，３２から線状の光を出射する構成を例示して説明したが、図１１に示すように、２つの光源３１，３２から、帯状のレーザ光を出射するよう構成することもできる。
このように構成することで、高さの制限が緩和され、高さ方向においてある幅の区間で光のラインが交わり、その交点（スポット）を試験ポイントとすることができる。

また、上記第１〜第３の実施の形態においては、ロックウェル硬さ試験機を例示して説明したが、本発明を適用可能な硬さ試験機としては、これ以外にも例えばビッカース硬さ試験機などであっても良い。

１００、２００、３００ 硬さ試験機
１０、２０、２０Ａ、３０ 試験機本体
１１、３１、３２ 光源（照光部）
１２１、２２ａ、２８ 試料載置部
１２ ＸＹステージ（移動部）
２２ｂ 移動ステージ（移動部）
２９ ターレット（移動部）
１４ａ 圧子
１４ 圧子軸
１７、２７、３７ 制御部
Ｓ 試料
Ｐ 試験ポイント

Claims (3)

1. 試料の表面に圧子により所定の試験力を負荷してくぼみを形成させ、当該くぼみを用いて試料の硬さを測定する硬さ試験機において、
   前記試料の表面に光を照射してスポットを有する照光パターンを形成する照光部と、
   前記試料の表面における、前記照光部により形成された前記照光パターンのスポットの位置を試験ポイントとして、当該試験ポイントに前記圧子の頂点の垂線が重なった状態で前記圧子を前記試料に接触させてくぼみを形成させる制御部と、
   を備え、
   前記照光部は、互いに近づく方向に向けて光を出射する二つの光源を備え、
   前記二つの光源から出射された光が交差する点である前記スポットに前記圧子の頂点の垂線が位置するように構成され、
   前記制御部は、予め記憶された試料の厚みに基づいて、前記二つの光源から出射された光が交差する点と試料の表面とが重なるように前記試料の高さ位置を制御することを特徴とする硬さ試験機。
2. 前記二つの光源から出射された光は、帯状であることを特徴とする請求項１に記載の硬さ試験機。
3. 前記照光部は、レーザ光を出射する光源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。

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