JP2002357524A - 硬度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 凹部内の硬度測定を可能とし、また、凹凸あ
る供試体上に複数の測定位置を設定するティーチング操
作を簡単にする。 【解決手段】 第１の離接機構４０により観察装置を試
料台９０に近接させ、供試体Ｗの凹部内を観察する。測
定位置として適切であれば、観察装置４５を凹部から離
し、第２の離接機構５０により圧子５５ａを試料台９０
に近接させ、凹部内の測定位置に接触させて圧痕を形成
する。これにより凹部内の硬度測定が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は硬度計に関し、とく
に圧子による測定個所を観察しながら設定する硬度計に
関する。

【０００２】

【従来の技術】圧子に所定の荷重を負荷して供試体に圧
痕を形成し、この圧痕の形状から供試体の硬度を計測す
る硬度計が知られている。このような硬度計において
は、例えば実公平５−４５９６４号公報に記載されてい
るように、供試体はＸＹ移動可能な載置台にセットさ
れ、載置台の上方に配置した顕微鏡により測定位置を決
定しながら圧子で供試体表面に圧痕を形成する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の硬度計では、Ｚ
ステージで載置台を昇降することにより、圧子と載置台
との距離、あるいは顕微鏡と載置台との距離を調節して
いるので、凹部内の硬度を測定できないことがある。ま
た、凹凸のある供試体に対して複数の測定個所を設定す
るティーチング作業が煩雑である。すなわち、このよう
な作業では従来から次のようにしてティーチングが行わ
れている。一の測定個所を顕微鏡で観察して位置決めし
てその位置を記憶した後、供試体の凸部を避けるためい
ったん載置台を下げて対物レンズを供試体から離す。そ
の後、載置台をＸＹ移動させて、次の測定個所を目視で
位置決めする。そして、載置台を顕微鏡の合焦領域まで
上昇させ、顕微鏡により供試体表面を観察して位置決め
を行って記憶する。

【０００４】本発明の目的は、凹部内の硬度を測定可能
とし、また、凹凸ある供試体上に複数の測定位置を設定
するティーチング操作を簡単にした硬度計を提供するこ
とにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】一実施の形態を示す図
１、２を参照して説明すると、本発明による硬度計は、
供試体Ｗを載置する試料台９０と、供試体Ｗへ負荷をか
ける圧子５５ａと、供試体Ｗを観察する観察装置４５
と、観察装置４５を試料台９０に対して離接させる第１
の離接機構４０と、圧子５５ａを試料台９０に対して離
接させる第２の離接機構５０と、第１および第２の離接
機構４０，５０を独立に駆動する制御装置２０１とを備
えることを特徴とする。

【０００６】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段の項では、本発明を分かり易くする
ために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本
発明が実施の形態に限定されるものではない。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態について説明する。図１および図２は本発明の実
施の形態に係る硬度計の構成を示す図であり、（ａ）が
平面図、（ｂ）が正面図である。また図２は図１（ｂ）
の右側面図である。なお、図１および図２において図示
のようにＸＹＺ軸をとる。

【０００８】図１および図２に示すように、本実施の形
態に係る硬度計は、載置台１０が設けられた基台１１
と、基台１１上にＹ軸方向に延在するＹステージガイド
レール２１およびＹステージ駆動装置２２と、Ｙステー
ジガイドレール２１およびＹステージ駆動装置２２に設
けられＹ軸方向に移動する門形のＹステージ２３と、こ
のＹステージ２３上でＸ軸方向に延在するＸ軸駆動装置
３１によりＸ軸方向に移動するＸステージ３２と、この
Ｘステージ３２に設けられ、観察装置４５が設置された
第１のＺステージ４１をＺ軸方向に昇降する第１のＺス
テージ駆動装置４２と、Ｘステージ３２に設けられ、負
荷装置５５が設置された第２のＺステージ５１をＺ軸方
向に昇降する第２のＺステージ駆動装置５２と、各ステ
ージを駆動指示するためのジョイスティック６０と、Ｘ
ステージ３２に設けられ、供試体Ｗ上に測定目標位置を
指示するマーカー光を照射するレーザ照射装置７０と、
観察装置４５で観察した画像を表示するモニタ８０とを
有する。供試体Ｗは底面にコロを設けた試料台９０上に
セットされ、試料台９０を載置台１０上に固定して測定
が行われる。試料台９０は搬入装置１００により載置台
１０上に搬入される。

【０００９】Ｙステージ駆動装置２２は、Ｙ軸方向に延
在するねじ棒（不図示）と、このねじ棒を回転駆動する
Ｙステージ駆動モータ２２ａとを有する。Ｙステージ２
３の一方の脚部２３ａの基端部は、Ｙステージ駆動装置
２２により回転する上記ねじ棒に螺合し、Ｙステージ駆
動モータ２２ａによりねじ棒が回転するとＹステージ２
３はＹ方向に移動する。Ｙステージ２３の他方の脚部２
３ｂの基端部はＹステージガイドレール２１と係合して
Ｙステージ２３のＹ軸方向の移動をガイドする。Ｙステ
ージガイドレール２１と、Ｙステージ駆動装置２２と、
Ｙステージ２３とによりＹステージ装置２０が構成され
る。

【００１０】Ｘステージ駆動装置３１は、Ｘ軸方向に延
在するねじ棒（不図示）と、このねじ棒を回転駆動する
Ｘステージ駆動モータ３１ａとを有する。Ｘステージ３
２は、Ｘステージ駆動装置３１により回転する上記ねじ
棒に螺合し、Ｘステージ駆動モータ３１ａによりねじ棒
が回転するとＸ軸方向に移動する。Ｘステージ駆動装置
３１と、Ｘステージ３２とによりＸステージ装置３０が
構成される。

【００１１】第１のＺステージ駆動装置４２は、Ｚ軸方
向に延在するねじ棒（不図示）と、このねじ棒を回転駆
動するＺステージ駆動モータ４２ａとを有する。第１の
Ｚステージ４１は、Ｚステージ駆動装置４２により回転
する上記ねじ棒に螺合し、Ｚステージ駆動モータ４２ａ
によりねじ棒が回転するとＺ軸方向に移動する。第１の
Ｚステージ４１と、Ｚステージ駆動装置４２とにより第
１のＺステージ装置（第１の離接機構）４０が構成され
る。

【００１２】第１のＺステージ装置４０によりＺ軸方向
に昇降する観察装置４５は、供試体Ｗの表面をＣＣＤの
ような撮像素子で撮像してモニタ８０に表示する。好ま
しくは、観察装置４５に焦点検出装置を設け、その検出
結果に応じて第１のＺステージ４１を昇降させてピント
合わせを行う。観察装置４５を光学顕微鏡として測定者
が目視で供試体表面を観察してもよい。

【００１３】第２のＺステージ駆動装置５２は、Ｚ軸方
向に延在するねじ棒（不図示）と、このねじ棒を回転駆
動するＺステージ駆動モータ５２ａとを有する。第２の
Ｚステージ５１は、Ｚステージ駆動装置５２により回転
する上記ねじ棒に螺合し、Ｚステージ駆動モータ５２ａ
によりねじ棒が回転するとＺ軸方向に昇降する。第２の
Ｚステージ５１と、Ｚステージ駆動装置５２とにより第
２のＺステージ装置（第２の離接機構）５０が構成され
る。この第２のＺステージ５１に設置された負荷装置５
５は周知のように、圧子５５ａと、圧子５５ａを供試体
Ｗに押圧する重り（不図示）とを備え、Ｚステージ駆動
装置５２ａによりねじ棒が回転するとＺ方向に昇降す
る。

【００１４】図３は硬度計の制御系を示す図である。こ
の制御系は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭなどを有する制御
回路２０１を備え、上述したＸステージ駆動モータ３１
ａ、Ｙステージ駆動モータ２２ａ、第１および第２のＺ
ステージ駆動モータ４２ａ、５２ａ、観察装置４５のＣ
ＣＤ４５ａ、負荷装置５５，照射装置７０，モニタ８０
はそれぞれ制御回路２０１により制御される。制御回路
２０１には、Ｘステージ３２の位置を検出するＸエンコ
ーダ３０Ｅ,Ｙステージ２３の位置を検出するＹエンコ
ーダ２０Ｅ，第１のＺステージ４１の位置を検出する第
１のＺエンコーダ４０Ｅ，第２のＺステージ５１の位置
を検出する第２のＺエンコーダ５０Ｅから位置信号が入
力される。この制御回路２０１には、上述したジョイス
ティック６０あるいはキーボード８１も接続されてい
る。制御回路２０１は、ティーチング操作で取り込んだ
位置信号を記憶し、位置信号から後述するように観察装
置４５や負荷装置５５の目標位置を演算する。また、後
述するように、画像処理により圧痕の対角線長を演算し
て硬度を算出する。

【００１５】次いで、本実施の形態の動作について説明
する。まず供試体Ｗを試料台９０の上にセットし、図２
に示す搬入装置１００により試料台９０を載置台１０上
に搬入して固定する。照射装置７０からマーカー光を照
射させ、ジョイスティック６０を操作してマーカー光が
所望の測定位置を照明するようにＸＹステージ３２，２
３を駆動して位置決めする。このとき、供試体Ｗに凹凸
があっても照射装置７０が凸部に衝突しないように照射
装置７０を供試体Ｗから十分離しておく。この場合、照
射装置７０を供試体Ｗから離してもマーカー光のスポッ
ト径が１ｍｍ程度になるように照射装置７０の光学系を
構成する。測定者はマーカー光を目視して測定目標位置
を決定する。目標位置が決定されたら、ジョイスティッ
ク６０により位置記憶指示を行い、そのとき制御回路２
０１に取り込まれているＸおよびＹエンコーダ３０Ｅお
よび２０Ｅからの位置信号を図示しない記憶装置に記憶
する。このような操作を複数回行って、複数の測定目標
位置のティーチングを行う。

【００１６】次に、ティーチングした位置に観察装置４
５の光軸が一致するようにＸＹステージ３２，２３を駆
動する。Ｘステージ３２には観察装置４５と照射装置７
０が一体的に設置され、ＸＹ座標系内での両者の相対位
置関係は既知である。したがって、照射光で決定して記
憶した測定目標位置および、照射装置７０と観察装置４
５の光軸の相対位置関係に基づいて、観察装置４５の光
軸の目標位置が演算され、観察装置４５を正確に位置決
めできる。

【００１７】まず、観察装置４５を第１番目の測定位置
に合わせるようにＸＹステージ３２，２３を駆動する。
観察装置４５のＣＣＤ４５ａで第１番目の測定個所を撮
像してモニタ８０上に表示し、測定箇所として適切か判
断する。適切であればその位置を第１の測定位置として
記憶装置に記憶する。この場合も上述したように、制御
回路２０１に取り込まれているＸおよびＹエンコーダ３
０Ｅおよび２０Ｅの位置信号を記憶する。たとえば観察
位置が結晶粒界上の場合には硬度測定個所として適切で
ないので、ジョイスティック６０によりＸＹステージ３
２，２３を駆動して測定位置を変更する。そして、この
測定位置が適切ならばジョイスティック６０でその位置
を記憶する指示を行い、同様に、ＸおよびＹエンコーダ
３０Ｅ，２０Ｅからの位置信号を記憶する。このような
操作を全測定個所に対して行い、複数の硬度測定位置の
ティーチングを終了する。

【００１８】Ｘステージ３２には観察装置４５と負荷装
置５５が一体的に保持され、ＸＹ座標系での両者の相対
位置関係は既知である。したがって、上記ティーチング
により適切な測定位置として記憶されたＸＹ座標位置お
よび、観察装置４５の光軸と負荷装置５５の圧子５５ａ
との相対位置関係とに基づいて、圧子５５ａで負荷すべ
き測定位置を演算し、その位置へ圧子５５ａを位置決め
することができる。以上のようにして、複数の測定位置
のティーチングが終了したら、実際の硬度測定を開始す
る。

【００１９】まず、Ｘステージ３２およびＹステージ２
３を移動して圧子５５ａを第１の測定位置に対峙させ、
第２のＺステージ駆動装置５２により負荷装置５５を所
定の高さまで降下して、圧子５５ａを供試体Ｗの表面に
接触させる。その状態で、負荷装置５５に内蔵された重
りを圧子５５ａに作用させて供試体Ｗに圧痕を形成す
る。圧痕が形成されたら負荷装置５５を第２のＺステー
ジ駆動装置５２により上昇させ、ＸＹステージ装置３
０，２０により圧子５５ａを次の測定位置に対峙させ
る。そして、同様にして圧子５５ａで供試体Ｗに圧痕を
形成する。このような操作を繰り返し行って予めティー
チングして決定した複数の測定位置にそれぞれ圧痕を形
成する。

【００２０】次に、複数の測定位置に形成された圧痕を
観察装置４５のＣＣＤ４５ａで撮像し、その画像を画像
処理することにより、圧痕の対角線の長さを計算して硬
さを算出する。そのため、まず、Ｘステージ３２および
Ｙステージ２３を移動して第１の測定位置に観察装置４
５の光軸を対峙させる。観察装置４５のピントを圧痕に
合わせるため、第１のＺステージ駆動装置４２で観察装
置４５を所定の高さに設定する。この状態でＣＣＤ４５
ａで撮像している画像を取り込み、２値化してデジタル
画像としてバッファメモリに格納する。第１の測定位置
に対する画像の取り込みが終了したら，ＸＹステージ３
２，２３を移動して観察装置４５を第２の測定位置と対
峙させて第２の測定位置の圧痕を撮像して、同様にデジ
タル画像としてメモリに格納する。このような処理を繰
り返し行って全ての測定位置の圧痕の画像を記憶する。
記憶された全ての画像に対して所定の画像処理を施して
複数の圧痕の対角線長を算出し、圧子５５ａによる負荷
荷重と対角線長とに基づいて複数の測定個所の硬さを計
算する。

【００２１】このような硬度計によれば、供試体Ｗを移
動せずに観察装置４５と負荷装置５５をＸＹ面内で移動
するようにしたので、供試体Ｗが大型化しても供試体Ｗ
の載置台１０がそれにともなって大型化することがな
い。その結果、硬度計を小型化できる。

【００２２】供試体Ｗの表面に凹凸がある場合でも、照
射装置７０を供試体Ｗから十分離しておけば、凹凸のた
びに照射装置７０をＺ方向に昇降させることなく、Ｘス
テージ３２とＹステージ２３により照射装置７０をＸＹ
水平面内で２次元移動することができる。その結果、凹
凸のある供試体Ｗに対する測定位置のティーチング時間
が短縮できる。供試体Ｗ上に照射されたマーカー光を目
視することにより硬度測定位置を大まかに決定すること
ができるので、従来のように、対物レンズの仮想光軸を
供試体Ｗ上に設定して目視で位置決めをするのに比べ
て、目標測定位置を決めやすくなる。

【００２３】観察装置４５と負荷装置５５を第１および
第２のＺステージ装置４０，５０に各々設置して個別に
Ｚ軸方向に昇降できるようにしたので、供試体Ｗに凹凸
がある場合に、測定位置をティーチングする操作が簡単
になる。また、従来は難しかった供試体Ｗの凹部内の硬
さを測定できる。すなわち、ＸＹステージ装置３０，２
０により観察装置４５の光軸を測定位置と対峙させ、第
１のＺステージ装置４０により観察装置４５をＺ軸方向
に降下させる。つまり、観察装置４５の鏡筒を凹部内に
進入させ、供試体表面の測定位置にピントを合わせ観察
する。測定位置として適切であれば、その位置を記憶す
る。観察装置４５を上昇させ、記憶した位置に基づいて
圧子５５ａの目標ＸＹ座標位置を算出する。ＸＹステー
ジ装置３０，２０により圧子５５ａを目標ＸＹ座標位置
に移動して凹部内の測定位置と対峙させる。第２のＺス
テージ装置５０により負荷装置５５の圧子５５ａを供試
体Ｗの測定位置に接触させ、圧子５０ａを介して供試体
Ｗに負荷を加えて圧痕を形成する。このように、観察装
置４５と負荷装置５５をＸＹ平面内で一体に移動させ、
かつ、Ｚ軸方向には個別に昇降するようにしたので、従
来難しかった凹部の硬さが測定できる。

【００２４】なお、上記実施の形態においては、観察装
置４５をＣＣＤ４５ａによる撮像装置としたが光学顕微
鏡としてもよく、この場合、圧痕の対角線長は画像処理
ではなく、光学顕微鏡を用いて目視により測定する。ま
た、複数の測定目標位置を順次決定し、決定された複数
の目標位置で供試体を順次観察して測定位置を決定し、
複数の測定位置で順次圧痕を形成し、複数の測定位置の
圧痕の画像を順次取り込んで硬度を演算するようにした
が、１つの測定目標位置に対して供試体を観察して測定
位置を決定し、圧痕を形成し、画像を取り込んで硬度を
演算し、次いで次の測定目標位置に対して同様な手順で
硬度を演算するようにしても良い。また、照射装置７０
をＸステージ３２上に設置して２次元移動させるように
したが、供試体がそれほど大きくなければ、固定した照
射装置７０から出射される光を走査する走査機構を設け
てもよい。この場合、走査機構が照射光の移動機構であ
る。

【００２５】図４は、本発明によるレーザー光照射装置
を従来の硬度計に設け、マーカー光により測定目標位置
を可視化するものである。図４に示すように、ＸＹＺス
テージ３０１上に供試体を載置し、ステージ３０１と対
峙する上方に回転可能に設置されたレボルバ３０２に
は、顕微鏡対物レンズ３０３と圧子３０４とレーザ照射
装置３０５とが設けられている。３０６は対物レンズ３
０３とともに光学顕微鏡を構成する接眼レンズ、３０７
は供試体表面を撮像するＣＣＤ撮像素子である。

【００２６】図４に示す硬度計により硬度を測定する手
順を説明する。レボルバ３０２を回転させて照射装置３
０５を供試体と対峙させ、レーザースポット光を供試体
に照射する。測定者は、供試体上のスポット光を目視し
ながらＸＹＺステージ３０１を移動して供試体の測定目
標位置にレーザ光が照射するようにする。測定目標が決
まったらレボルバ３０２を回転させて目標位置に対物レ
ンズ３０３を対峙し、ピントを合わせて供試体表面を観
察する。結晶粒界上でなければレボルバ３０２を回転し
て圧子３０５を測定位置に対峙させ、圧子３０４により
測定値に圧痕を形成する。

【００２７】図４に示した硬度計においても、測定目標
位置が可視光で指示されるので目標位置の決定が極めて
容易になる。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、圧子と観察装置を独立
に供試体に対して離接できるようにしたので、凹凸のあ
る供試体のティーチング作業が簡単になり、また、凹部
の測定箇所を観察装置で観察し、その後で、凹部測定位
置に圧子を押し付けることができるので、従来難しかっ
た凹部の硬さを簡単に測定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る硬度計の構成を示す
図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が正面図

【図２】図１（ｂ）の右側面図

【図３】図１および２の硬度計の制御系を示すブロック
図

【図４】硬度計の他の実施の形態を示す図であり、
（ａ）が正面図、（ｂ）が側面図

【符号の説明】

２０ Ｙステージ装置 ２３ Ｙステージ ３０ Ｘステージ装置 ３２ Ｘステージ ４０ 第１のＺステージ装置 ４１ 第１のＺステージ ４５ 観察装置 ５０ 第２のＺステージ装置 ５１ 第２のＺステージ ５５ 負荷装置 ５５ａ 圧子 ９０ 試料台 Ｗ 供試体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 工藤 修 京都市下京区中堂寺前田町13 エジソンハ ード株式会社内 (72)発明者 藤田 良幸 京都市下京区中堂寺前田町13 エジソンハ ード株式会社内 (72)発明者 前田 豊一 京都市中京区西ノ京桑原町１番地 株式会 社島津製作所三条工場内 Ｆターム(参考） 2H052 AC04 AC34 AD20 AD33 AF02

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 供試体を載置する試料台と、 前記供試体へ負荷をかける圧子と、 前記供試体を観察する観察装置と、 前記圧子を前記試料台に対して離接させる第１の離接機
   構と、 前記観察装置を前記試料台に対して離接させる第２の離
   接機構と、 前記第１および第２の離接機構を独立に駆動する制御装
   置とを備えることを特徴とする硬度計。