JPH05196561A

JPH05196561A - 硬度測定装置および硬度測定方法

Info

Publication number: JPH05196561A
Application number: JP674092A
Authority: JP
Inventors: Toshitake Ichiyanagi; 寿壮一柳; Hideyuki Kondo; 秀幸近藤; Hajime Takeuchi; 元竹内; Masao Yajima; 正男矢島
Original assignee: Sankyo Seiki Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Nidec Instruments Corp
Priority date: 1992-01-17
Filing date: 1992-01-17
Publication date: 1993-08-06
Anticipated expiration: 2013-05-28
Also published as: JP2758760B2

Abstract

(57)【要約】【目的】一旦、測定試料をセットすると圧痕の形成から
硬度の算出まで自動的に行ない、迅速かつ的確な測定を
行なう硬度測定装置を実現する。【構成】移動ステージ１０上に測定試料０を載置し、レ
ボルバー２０の圧子２３を基準軸Ｓ位置に持ち来して圧
痕を形成し、レボルバー２０の回転により対物レンズ２
２を基準軸上に持ち来し、照明系３０により照明を行な
いつつオートフォーカス手段１０，７０，９０，８０に
よりオートフォーカスを行なって、圧痕の拡大像を基準
軸Ｓ上に配備された２次元の撮像素子４０の受光面上に
結像せしめ、撮像素子４０により圧痕像を読み取り、撮
像素子４０の出力に応じて所定の演算を制御・演算手段
９０により行なって測定試料０の硬度を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は硬度測定装置および、
この装置を使用して行なう硬度測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】測定試料に所定の圧力で四辺形形状の圧
痕を印し、この圧痕の対角線長を測定することにより測
定試料の硬度を特定する方法は、従来からビッカース硬
度計に関連して広く知られ、このような測定方法を実施
する装置として、従来から特公平３−３４８１９号公報
開示の装置が知られている。

【０００３】この従来装置では、圧痕の読み取りを１次
元の撮像素子を用いて行なっているため、圧痕の形成さ
れた測定試料に対物レンズのピントを合わせるオートフ
ォーカスに時間がかかり、ひいては硬度測定に長時間を
要するという問題がある。また１次元の撮像素子で読み
取った画像から圧痕の対角線長を算出すると、目視によ
る判断とのずれが生じやすく、硬度算出の目盛合わせが
容易でない。またこの従来装置では、圧痕の形成された
測定試料を手動でステージ上にセットする必要があり、
測定試料のセットにも時間がかかるという問題がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この発明は上述した事
情に鑑みてなされたものであって、一旦、測定試料をセ
ットすると、圧痕の形成から硬度算出までのプロセスを
完全に自動的に行ない得る新規な硬度測定装置と、この
装置を使用して行なう測定方法の提供を目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明の硬度測定装置
は「測定試料に所定の圧力で四辺形形状の圧痕を印し、
この圧痕の対角線長を測定することにより測定試料の硬
度を特定する装置」であって、移動ステージと、撮像素
子と、レボルバーと、照明系と、レボルバー・圧子駆動
手段と、オートフォーカス手段と、ディスプレイ装置
と、制御演算手段とを有する。

【０００６】「移動ステージ」は、測定試料を支持し、
互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚ方向へ平行移動させる。この
移動ステージには必要に応じて、Ｚ方向と平行な所定の
Ｚ軸の周りにステージ全体を回転させる機能を付加して
も良い。「撮像素子」は、Ｚ方向と平行に設定された所
定の「基準軸」上に配備され、２次元の撮像機能を持
つ。即ち、撮像素子は２次元エリアの画像を読み取る機
能を持つ。この２次元の撮像素子の具体例はＣＣＤカメ
ラである。

【０００７】「レボルバー」は、基準軸から所定距離離
れた回転軸の周りに回転可能で、且つ上記回転軸方向に
変位可能であり、１以上の対物レンズと圧痕形成用の圧
子を上記回転軸から上記所定距離離れた位置に配備され
る。圧子はレボルバーに２種以上を設けることもでき
る。レボルバーに複数の対物レンズを設ける場合は、各
対物レンズの結像倍率を互いに異ならせることができる
（請求項２）。ここに「圧子と対物レンズがレボルバー
の回転軸から所定距離離れた位置に配備される」とは、
圧子の尖端部および対物レンズの光軸が、回転軸から所
定距離離れていることを意味する。この所定距離はレボ
ルバーの回転軸と上記基準軸との間の距離に等しいか
ら、機械的な誤差を度外視すれば、レボルバーの回転の
みにより圧子尖端部もしくは所望の対物レンズの光軸を
上記基準軸に合致させることができる。このように、圧
子尖端部もしくは対物レンズ光軸を基準軸に合致させる
ことを、圧子もしくは対物レンズを「選択する」とい
う。

【０００８】「照明系」は、撮像素子とレボルバーの間
に配備され、対物レンズが選択されたとき基準軸上に設
定された対物レンズを介して測定試料を照明する。「レ
ボルバー・圧子駆動手段」は、レボルバーを回転軸の周
りに回転させて対物レンズと圧子の選択を行ない、圧子
が選択されたときは測定試料に圧痕を印すために、選択
された圧子を上記回転軸方向に変位させる。「オートフ
ォーカス手段」は、レボルバーの対物レンズが選択され
たとき、選択された対物レンズによる測定試料像を撮像
素子の受光面上に結像させる。

【０００９】「ディスプレイ手段」は、撮像素子の受光
状態を表示する。

【００１０】「制御・演算手段」は、撮像素子の出力に
応じて所定の演算により測定試料の硬度を算出するとと
もに、上記移動ステージ、撮像素子、レボルバー、照明
系、レボルバー・圧子駆動手段、ディスプレイ手段、オ
ートフォーカス手段を制御する。この制御・演算手段は
コンピューターにより実現できる。

【００１１】請求項３の硬度測定方法は上記の構成を有
する硬度測定装置を用いて硬度測定を行なう方法であっ
て、「移動ステージ上に測定試料を設置後、先ずオート
フォーカスを行ない、しかる後にレボルバーを回転させ
て圧子を選択し、圧痕の形成を行なう」ことを特徴とす
る。

【００１２】請求項４の硬度測定方法は請求項２の装
置、即ち、レボルバーが結像倍率の異なる複数の対物レ
ンズを有する硬度測定装置で硬度測定を行なう方法であ
って、「測定試料に圧痕形成後、先ず、低倍率の対物レ
ンズを選択してオートフォーカスを行ない、合焦後、圧
痕の位置を記憶し、次に所望の高倍率の対物レンズを選
択し、上記圧痕の位置を基準軸上に移動させて再度オー
トフォーカスを行なう」ことを特徴とする。

【００１３】請求項５の硬度測定方法は、請求項４の方
法において、「測定試料に複数の圧痕を形成し、所望の
高倍率の対物レンズ選択後、所望の圧痕を基準軸上に移
動させ、撮像素子の受光面全域を対象としてオートフォ
ーカスを行ない、上記所望の圧痕の位置を決定後、所望
の圧痕のみを含む画像領域にウインドウをかけて、上記
所望の圧痕の対角線長を測定する」ことを特徴とする。

【００１４】

【作用】上記のようにこの発明では、移動ステージ上に
測定試料をセットすると、圧痕の形成から硬度の算出ま
でのプロセスが自動的に行なわれる。圧子が選択される
とき、圧子の尖端部は基準軸上にあり、対物レンズが選
択されるとき対物レンズ光軸は基準軸に合致しているか
ら、機械的な誤差を度外視すれば圧痕は選択された対物
レンズの光軸上にある。圧痕は２次元的なイメージで読
み取られる。

【００１５】

【実施例】図１（ａ）は、この発明を実施した硬度測定
装置の１例を用部のみ略示している。図中、符号１０は
移動ステージ、符号２０はレボルバー、符号３０は照明
系、符号４０は２次元の撮像素子としてのＣＣＤカメ
ラ、符号５０は画像処理部を示す。また、符号７０はレ
ボルバー・圧子駆動装置、符号８０はステージコントロ
ーラー、符号９０はコンピューターを示している。これ
らは図示されない支持手段により全体が適宜に支持され
ている。

【００１６】移動ステージ１０は、図１（ａ）の図面に
直交する方向に対応するＸ方向に変位するＸ方向ステー
ジ１０Ｘ、同図左右方向に対応するＹ方向に変位するＹ
方向ステージ１０Ｙおよび、同図上下方向に対応するＺ
方向に変位するＺ方向ステージ１０Ｚを組み合わせて構
成され、且つ、全体が、Ｚ方向に平行な所定のＺ軸の周
りに回転可能となっている。

【００１７】Ｘ方向ステージ１０ＸをＸ方向に移動させ
るにはステップモーターＭＸを動作させ、Ｙ，Ｚ方向ス
テージ１０Ｙ，１０Ｚを各々Ｙ，Ｚ方向へ変位させるに
はステップモーターＭＹ，ＭＺを動作させる。また、移
動ステージ１０全体をＺ軸の周りに回転させるには、ス
テップモーターＭθを動作させる。測定試料０は、移動
ステージ１０のＸ方向ステージ１０Ｘ上に載置される。

【００１８】図１（ａ）に符号Ｓで示す鎖線は硬度測定
装置における「基準軸」を示している。基準軸Ｓは、移
動ステージ１０に置けるＺ方向ステージ１０Ｚの移動方
向であるＺ方向と平行に測定装置空間に固定的に設定さ
れ、この装置例では上述のＺ軸に合致している。

【００１９】レボルバー２０は、基準軸Ｓに平行な回転
軸２５を有する本体２１に圧子２３と対物レンズ２２と
を設けたものであり、回転軸２５の周りに回転可能であ
り、且つ、回転軸２５の方向（基準軸Ｓに平行な方向）
に移動可能である。回転軸２５は基準軸Ｓから所定の距
離：Ｈだけ離れて設定されている。

【００２０】レボルバー２０の回転・移動はレボルバー
・圧子駆動装置７０により行なう。レボルバー・圧子駆
動装置７０は、レボルバー２０を回転軸２５の周りに回
転させるためのステップモーターと、レボルバー２５を
回転軸２５の方向に変位させるためのモーターと、圧痕
形成時に圧子２３を駆動するための圧子駆動装置２３Ａ
を作動させるための手段を有する。

【００２１】この実施例では、レボルバー２０の本体２
１には、１個の圧子２３と１個の対物レンズ２２とが設
けられている。これら対物レンズ２２と圧子２３とは、
図２（ａ）に示すように回転軸２５に対して軸対称に設
けられ、圧子２３の尖端部および対物レンズ２２の光軸
の、回転軸２５からの距離は何れも距離：Ｈに設定され
ている。レボルバーにおける圧子，対物レンズの配置は
この例に限らず、図２（ｂ）に示すように、圧子２３の
他に複数の対物レンズ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ等を設け
ることもできる。また必要に応じて、レボルバー本体に
２種以上の圧子を設けても良い。圧子２３の先端は頂角
９０度の正４角錐状の尖端部を形成している。

【００２２】図１（ａ）に戻ると、基準軸Ｓ上にはＣＣ
Ｄカメラ４０が設けられており、レボルバー２０とＣＣ
Ｄカメラ４０との間には照明系３０が配備されている。
照明系３０は、ケーシング３１内に光源ランプ３２とコ
リメートレンズ３３と半透鏡３４とを配してなる。半透
鏡３４は基準軸Ｓ上に位置し、基準軸Ｓに対して４５度
傾けられている。基準軸Ｓが通る部分のケーシング部は
窓に形成されている。図示のように、対物レンズ２２が
選択されて基準軸Ｓ位置にあるとき光源ランプ３２を発
光させると、光はコリメートレンズ３３により平行光束
化され、半透鏡３４に反射され、対物レンズ２２を介し
て測定試料０を照明する。測定試料０からの反射光は対
物レンズ２２と半透鏡３４とを介してＣＣＤカメラ４０
の受光面に入射する。なお、レボルバーに設けられた対
物レンズによっては、照明系からの照明光束が平行光束
とならない場合もある。

【００２３】以下、図１（ａ）に示す装置例に即して硬
度測定を説明する。硬度測定は、図１（ｂ）に示すよう
に試料セット工程、圧痕形成工程、レボルバー回転工
程、撮像・演算工程の順に行なわれる。以下これらの各
工程を説明する。先ず試料セット工程であるが、この工
程は、測定試料０を移動ステージ１０上に載置すること
に始まり、レボルバー２０における圧子２３が選択され
て圧痕形成の準備完了とともに完了する。

【００２４】硬度測定装置を測定モードにすると、移動
ステージ１０とレボルバー２０は基準の始動位置を占め
る。移動ステージ１０のＸ方向ステージ１０Ｘの上には
測定試料０をセットするべき位置が印されており、この
位置は上記始動位置において基準軸ＳがＸ方向ステージ
１０Ｘの測定試料載置面と交わる位置である。まず、こ
の位置に硬度を測定すべき測定試料０をセットする。

【００２５】続いて測定開始用スイッチ（図示されず）
を「オン」にすると、以下の手順で圧子の選択が行なわ
れる。即ち、上記基準の始動位置においてはレボルバー
２０の対物レンズ２２が選択されて基準軸Ｓの位置にあ
り、しかも対物レンズ２２と測定試料載置面とは近接し
た状態にある。この状態を図４（ｂ）に示す。測定試料
０は上記の如く載置された状態では「破線で示す位置」
にある。この状態でいきなりレボルバーを回転して圧子
の選択を行なうと、圧子２３が測定試料０の側面部に衝
突して圧子の方向が狂ったり、著しい場合には圧子が損
傷を受けたりする。そこでこの実施例では、圧子の選択
を行なうに先立って先ずオートフォーカスを行なう。図
４（ｂ）において測定試料０の「実線で示す位置」はオ
ートフォーカス後の位置であって、この状態でならレボ
ルバーを回転しても圧子２３が測定試料０に接触するこ
とがない。この状態で試料セットが完了し、レボルバー
２０の回転による圧子選択が行なわれる。即ち、図１
（ａ）に示すレボルバー・圧子駆動装置７０のステップ
モーターによりレボルバー２０が回転され、圧子２３が
作動位置にセットされる。セットされた圧子は、その尖
端部が基準軸Ｓの位置に合致する。かくして「試料セッ
ト工程」が完了する。図４（ａ）は上述した試料セット
工程の手順をフローとして示している。

【００２６】なお、このような試料セット工程は請求項
１の装置の動作プログラムにおける一つの選択であり、
上記基準の始動位置においてレボルバーと移動ステージ
の間隔を十分に大きくとり、測定試料の載置後、直ちに
圧子の選択と圧痕形成を行なうようにすることもでき
る。

【００２７】図１に戻ると、この試料セット工程に続い
て「圧痕形成工程」が実行される。圧痕形成は、レボル
バー・圧子駆動装置７０により圧子駆動装置２３Ａを動
作させて圧子２３を測定試料０の方へ移動させ、所定の
圧力で圧子２３の尖端部を測定試料０の表面に押し込む
ことにより行なわれる。この動作により、測定試料表面
には図３（ａ）に示すような四辺形形状の圧痕ＡＫが形
成される。図３（ｂ）は圧痕ＡＫの断面形状である。圧
痕ＡＫにおける角γは一般に９０度である。

【００２８】圧子２３の尖端部を押し込む圧力は「所定
の圧力」で一定であるから、測定試料０の硬度が大きい
ほど形成される圧痕ＡＫの大きさは小さくなる。従っ
て、圧痕ＡＫの大きさを対角線Ｌ１，Ｌ２により測定す
れば、対角線Ｌ１，Ｌ２の大きさと測定試料の硬度とは
対応関係にあるので、この対応関係に応じて硬度を算出
することができる。なお、圧子を押し込む圧力を複数段
階用意し、測定試料の固さに応じて押し込み圧力を選択
して、適当な圧痕を形成して良いことは言うまでもな
い。

【００２９】上記圧子選択のためのレボルバー２０の回
転と、圧痕形成のために圧子駆動装置２３Ａにより圧子
を移動させるためのレボルバー・圧子駆動装置７０の動
作はコンピューター９０により制御される。従って、レ
ボルバー・圧子駆動装置７０と圧子駆動手段２３Ａと、
これらを制御するコンピューター９０とはレボルバー・
圧子駆動手段を構成する。

【００３０】上記のようにして圧痕が形成されると圧子
２３はレボルバー方向へ戻される。レボルバー２０が回
転し、対物レンズ２２の選択が行なわれる。この選択に
より対物レンズ２２の光軸が基準軸Ｓに合致させられ
る。これが「レボルバー回転工程」である。

【００３１】続いて「撮像・演算工程」が行なわれる。
この工程の手順は図４（ｃ）に示すように、オートフォ
ーカス動作により始まる。対物レンズ２２の選択に伴い
結像倍率は１義的に定まる。従ってコンピューター９０
（図１（ａ））は、先ずレボルバー・圧子駆動装置７０
によりレボルバー２０を回転軸２５に沿って移動させて
上記結像倍率に応じた位置（これは、ＣＣＤカメラ４０
との相対的な位置関係で定まる）へ配備する。続いてコ
ンピューター９０の制御に基づき、ステージコントロー
ラー８０により移動ステージ９０のＺ方向ステージ１０
Ｚを駆動し、測定試料０もろとも移動ステージ１０をＺ
方向へ所定ステップで移動させる。このとき照明系３０
により照明を行ない、ＣＣＤカメラ４０からの出力をコ
ンピューター内に取り込みオートフォーカスプログラム
を実行する。

【００３２】オートフォーカスは種々の方式が知られて
おり、具体的には公知の適宜のものを利用すれば良い。
例えば、ＣＣＤカメラ４０の全画素の出力の最大と最小
を求め、Ｚ方向ステージ１０Ｚにより測定試料０が１ス
テップ、Ｚ方向へ移動するたびに上記最大と最小の差を
演算し、この演算結果が最大となる位置を探すようにＺ
方向ステージ１０Ｚを制御する方法でもよい。

【００３３】このようにして、オートフォーカス動作が
完了すると、ＣＣＤカメラ４０の受光面には、測定試料
０に印された圧痕の拡大像が結像している。従って、レ
ボルバー・圧子駆動装置７０とステージコントローラー
８０とＺ方向ステージ１０ＺとＣＣＤカメラ４０とコン
ピューター９０とが、オートフォーカス手段を構成する
ことになる。

【００３４】この状態で圧痕は基準軸Ｓの上にあり、従
って圧痕の拡大像はＣＣＤカメラ４０の受光面の中央部
に結像するはずであるが、実際には機械的な誤差や、振
動等の外部要因等により測定試料０が移動ステージ上で
動くこともあり、圧痕像が必ずしもＣＣＤカメラ４０の
受光面上の最適の位置からずれている場合もある。この
ように、圧痕像が最適位置にない場合にもコンピュータ
ー９０は、入力情報に基づき、移動ステージ１０のステ
ップモーターＭＸ，ＭＹ，Ｍθを制御して圧痕の位置を
基準軸Ｓ上に自動的に修正する。

【００３５】続いて、ＣＣＤカメラ４０の出力により圧
痕の対角線長を算出し、それに基づき測定試料１０の硬
度を演算算出する。対角線長から硬度を算出する算出演
算は従来から知られた演算を用いる。かくして演算され
た硬度を測定試料の硬度として出力する。従って、制御
・演算手段はコンピューター９０である。以上が、硬度
測定の基本的なプロセスである。

【００３６】測定試料０の圧痕の形成された面は、必ず
しも基準軸Ｓに対して直交的でなく基準軸Ｓに対して傾
いている場合もある。このような場合、従来の測定装置
のように１次元の撮像素子で圧痕像の読み取りを行なう
場合だと、圧痕形成面が対物レンズ光軸に対して傾いて
いる場合、オートフォーカスが極めて難しくなるが、こ
の発明では２次元の撮像素子を用いてオートフォーカス
を行なうので上記の如き場合にも適切なオートフォーカ
スを実行できる。また１次元の撮像素子で読取を行なう
と、圧痕形成面の傷等がノイズとして影響し易いが、２
次元の撮像素子を用いると情報量が大きいので、上記の
如きノイズの影響が少ない。

【００３７】上に説明した例ではレボルバーに設けられ
た対物レンズは１個であるが、レボルバーには図２
（ｂ）に示す例のように２以上の対物レンズを配備し、
各対物レンズごとに結像倍率を変えることができる。高
い倍率の対物レンズは硬度の大きい測定試料の測定に有
用である。即ち測定試料の硬度が大きくなると、圧子に
より形成される圧痕の大きさ（対角線長）が小さくなる
ので、圧痕の対角線長を正確に測定するには、ＣＣＤカ
メラの受光面に結像させる圧痕像の結像倍率を大きくす
る必要がある。

【００３８】この場合、圧痕形成後直ちに結像倍率の高
い対物レンズを選択すると以下の如き問題が生じる。即
ち、この場合、選択された対物レンズの結像倍率が大き
いので、基準軸、圧痕位置、対物レンズの光軸の３者に
機械的な誤差があると、この誤差が対物レンズの高倍率
で拡大されるため、ＣＣＤカメラの受光面に対する圧痕
像の位置が適正な位置から大きく離れる場合があり、圧
痕の対角線長の測定の妨げとなる場合があるのは勿論、
それ以前の段階でオートフォーカスが精度良く行なわれ
ない等の問題がある。

【００３９】このような場合、請求項４の方法のように
「圧痕形成後、先ず低倍率の対物レンズを選択してオー
トフォーカスを行ない、合焦後、圧痕の位置を記憶し、
次に所望の高倍率の対物レンズを選択し、圧痕の位置を
基準軸上に移動させて再度オートフォーカスを行なう」
ようにすれば、良好な測定を実現できる。

【００４０】硬度測定は、時として測定試料の複数個所
に対して行なわれる場合がある。請求項５の測定方法
は、このような場合に有効な方法である。以下この方法
の１実施例を図５を参照して説明する。

【００４１】説明を一般的にするために、測定試料の検
査面領域（圧痕を形成する領域）が図５（ｂ）のよう
に、複数の走査エリアＤ₁，Ｄ₂，Ｄ₃．．，Ｄ_m，．．に
分割され、各走査エリアに１以上の圧痕が形成されるも
のとする。

【００４２】硬度測定に際しては、全ての圧痕を測定試
料に形成したのち、各圧痕の対角線長を測定し、圧痕ご
とに硬度を演算算出する。図５（ａ）のフロー図を参照
すると、「ｍ」とあるのは一般に走査エリアＤ_mを表す
指標であり、「ｎ」とあるのは各走査エリアにおける圧
痕を表す指標である。

【００４３】圧痕形成は、圧子を選択した状態において
移動ステージをＸ，Ｙ方向へ変位させて圧痕形成位置を
選択し、各位置毎に圧痕の形成を行なう。圧痕形成位置
は予め選択されてコンピューターに記憶させられる。従
って、圧痕形成が終了した状態において各圧痕の位置は
コンピューターに記憶されている。しかし圧痕形成の途
上で測定試料が動いたりすることがあるため、コンピュ
ータに記憶されている圧痕位置は実際の圧痕位置に対し
て近似的なものである。

【００４４】全ての圧痕が形成されたら図５（ａ）に示
すように、先ず走査エリアＤ₁を基準軸位置に移動させ
る。即ち、基準軸位置が走査エリアＤ₁の略中央部に位
置するようにする。この移動は移動ステージにより行な
う。この状態で先ず低結像倍率の対物レンズを選択して
オートフォーカスを行なう。すると対物レンズの倍率が
低く且つ走査エリアＤ₁の大きさも比較的小さいため、
オートフォーカスが終了した状態では、走査エリアＤ₁
の全域がＣＣＤカメラの受光面状に結像する。この状態
で走査エリアＤ₁内の各圧痕の位置を測定し（各圧痕の
位置をディスプレイ上で指定し、指定位置の座標を求め
る）この測定値により、コンピュータ内に記憶された走
査エリアＤ₁内の各圧痕の位置を修正する。

【００４５】次に高倍率の対物レンズを選択してレンズ
交換を行ない、走査エリアＤ₁内にある最初の圧痕（ｎ
＝１）を基準軸の位置に移動させる。この移動は上記の
圧痕位置の測定結果に基づき、コンピューターにより移
動ステージの移動量を決定して行なう。

【００４６】続いてオートフォーカスを行なうと、上記
最初の圧痕の拡大像がＣＣＤカメラの受光面内の略適切
な位置に結像することになる。この状態において今一
度、最初の圧痕の位置を測定し、この圧痕のみを含むよ
うにウインドウをかける。このウインドウがけは、図１
（ａ）において符号５０で示す画像処理部においてＣＣ
Ｄカメラの出力領域を制限することにより行なわれる。
ウインドウの設定はディスプレイ画面上で行なう。この
ようにウインドウをかけた状態で圧痕の対角線長を測定
し、硬度の算出を行なう。続いて、走査エリアＤ₁内の
第２の圧痕を基準軸位置へ持ち来し、オートフォーカス
から硬度の算出にいたるプロセスを繰り返す。同様のプ
ロセスを走査エリアＤ₁内の全ての圧痕に就いて行なっ
たら、第２の走査領域に就いて上記のプロセスを行な
い、同様にして全ての走査領域に対して上記プロセスを
繰り返して全ての圧痕に就いて硬度の算出を行なう。以
上が、請求項５の方法の具体例である。

【００４７】ところで、上記のように圧痕の形成から硬
度の算出に到る一連のプロセスを自動的に行なう場合に
は、硬度測定装置の「目盛合わせ」を予め十分に調整し
て置かないと正確な硬度測定はできず、硬度測定値が熟
練者による測定値と一致しない。またオートフォーカス
は測定試料の表面の状態（研磨された状態や錆びを生じ
た状態）等によっても影響を受ける。従って、迅速・的
確な測定のためには、測定試料の表面状態を入力し、そ
れに応じて適切なオートフォーカスを行なうようにする
のが望ましい。

【００４８】以下、このような測定試料に応じたオート
フォーカスと目盛合わせに就いて簡単に説明する。図６
は上記オートフォーカスと目盛合わせの適正化を行なう
手順を示している。

【００４９】先ず移動ステージ上に「基準試料」をセッ
トする。この基準試料は予め正確に硬度を測定された試
料である。この状態でオートフォーカスのプログラムに
おける各種のパラメータを適当に与えてオートフォーカ
スを行なう。

【００５０】硬度測定装置により自動的に実現された合
焦状態をディスプレイにより確認し、上記「合焦状態」
が正しい状態であるか否かをチェックする。もし、実現
された合焦状態が、正しい状態、即ち対物レンズによる
ピントがあった状態を与えて居ないときは上記パラメー
タを適宜変更して、ディスプレイ上に得られる適正な合
焦状態を装置が自動的に与えるようになるまで上記プロ
セスを繰り返してパラメーターの調整を行なう。

【００５１】さらに、このような適正なオートフォーカ
スが可及的に短時間で実現されるようにパラメーターの
調整を行なう。オートフォーカスのパラメーターとして
は、対物レンズの焦点深度の１／５ないし１／１０の精
細ピッチ：Ｊ、Ｚ方向ステージの移動速度をステップモ
ーターＭＺが脱調しない範囲でなるべく早く動作するよ
うにするパラメーター：ＴＨ，ＴＬ，ＡＰ、Ｚ方向ステ
ージのバックラッシュを補正するパラメーター：Ｂ等が
ある。これらパラメーターを最適に調整したら、そのと
きの基準試料の表面状態（研磨されているか、表面が粗
いか、錆びが生じているか等）とともにコンピューター
に記憶させる。

【００５２】続いて前述の如き手順で硬度測定を行な
い、測定された硬度が正しく基準試料の硬度を与えるか
否かをチェックする。測定硬度が基準試料の硬度と一致
しないときは、測定用のパラメーター（閾値等）を調整
して、測定硬度と基準試料の硬度が一致するようにす
る。このとき必要とあれば、先に決定したオートフォー
カス用のパラメーターの再調整も行なう。

【００５３】このようなプロセスを、多くの基準試料に
就き行なうことにより、測定試料に応じて迅速・的確な
硬度測定を行なうことが可能となる。

【００５４】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば新規な
硬度測定装置および硬度測定方法を提供できる。この発
明の硬度測定装置は、一旦測定試料をセットした後は、
圧痕の形成から硬度の算出まで、測定工程が自動的に行
なわれるので、熟練者に依らずに正確な硬度測定が可能
である。また、圧痕の像の読取に２次元の撮像素子を用
いているので、圧痕形成面が基準軸に対して傾いている
ような場合にも適正なオートフォーカスが可能で、圧痕
形成面の傷等のノイズの影響を受けにくく正確な硬度測
定が可能である。

【００５５】請求項２の装置のように、互いに結像倍率
の異なる対物レンズをレボルバーに装備して、これらを
選択的に使用することにより、広い硬度範囲の測定が可
能である。さらに請求項３の方法を実施することによ
り、圧子の損傷を有効に防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の硬度測定装置の１実施例と、この装
置による硬度測定の手順を示す図である。

【図２】レボルバーを説明するための図である。

【図３】圧子により印される圧痕を説明するための図で
ある。

【図４】請求項３の方法を説明するための図である。

【図５】請求項５の実施例を説明するためのフロー図で
ある。

【図６】この発明の硬度測定装置における、オートフォ
ーカス調整と目盛合わせを説明するためのフロー図であ
る。

【符号の説明】

１０移動ステージ２０レボルバー２２対物レンズ２３圧子３０照明系Ｓ基準軸

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者矢島正男長野県諏訪郡下諏訪町5329番地・株式会社三協精機製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定試料に所定の圧力で四辺形形状の圧痕
を印し、この圧痕の対角線長を測定することにより測定
試料の硬度を特定する装置であって、測定試料を支持し、互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚ方向へ平
行移動させるための移動ステージと、上記Ｚ方向と平行に設定された所定の基準軸上に配備さ
れた２次元の撮像素子と、上記基準軸から所定距離離れた回転軸の周りに回転可能
で、且つ上記回転軸方向に変位可能であり、１以上の対
物レンズと圧痕形成用の圧子とを上記回転軸から上記所
定距離離れた位置に配備されたレボルバーと、上記撮像素子とレボルバーの間に配備され、上記基準軸
上に設定された対物レンズを介して、測定試料を照明す
る照明系と、上記レボルバーを回転軸の周りに回転させて、対物レン
ズと圧子の選択を行ない、上記圧子が選択されたとき、
選択された圧子を上記回転軸方向に変位させて測定試料
に圧痕を印すためのレボルバー・圧子駆動手段と、上記レボルバーの対物レンズが選択されたとき、選択さ
れた対物レンズによる測定試料像を撮像素子の受光面上
に結像させるためのオートフォーカス手段と、上記撮像素子の受光状態を表示するディスプレイ手段
と、上記撮像素子の出力に応じて所定の演算により測定試料
の硬度を算出するとともに、上記移動ステージ、撮像素
子、レボルバー、照明系、レボルバー・圧子駆動手段、
ディスプレイ手段およびオートフォーカス手段を制御す
る制御・演算手段とを有することを特徴とする硬度測定
装置。
【請求項２】請求項１において、レボルバーが２以上の対物レンズを有し、これら対物レ
ンズの結像倍率が互いに異なることを特徴とする硬度測
定装置。
【請求項３】請求項１または２の硬度測定装置により硬
度測定を行なう方法であって、移動ステージ上に測定試料を設置後、先ず、オートフォ
ーカスを行ない、しかる後にレボルバーを回転させて圧
子を選択し、圧痕の形成を行なうことを特徴とする硬度
測定方法。
【請求項４】請求項２の硬度測定装置で硬度測定を行な
う方法であって、測定試料に圧痕形成後、先ず低倍率の対物レンズを選択
してオートフォーカスを行ない、合焦後、圧痕の位置を
記憶し、次に所望の高倍率の対物レンズを選択し、上記
圧痕の位置を基準軸上に移動させて再度オートフォーカ
スを行なうことを特徴とする硬度測定方法。
【請求項５】請求項４において、測定試料に複数の圧痕を形成し、所望の高倍率の対物レ
ンズ選択後、所望の圧痕を基準軸上に移動させ、撮像素
子の受光面全域を対象としてオートフォーカスを行な
い、上記所望の圧痕の位置を決定後、所望の圧痕のみを
含む画像領域にウインドウをかけて、上記所望の圧痕の
対角線長を測定することを特徴とする硬度測定方法。