JP2011220790A - 硬さ試験機及び硬さ試験方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】試料台2と、圧子14aと、圧子14aを所定位置まで第1速度で降下させ、所定位置以降は第2速度で降下させる速度制御プログラム63eと、CCDカメラ12と、硬さを算出する硬さ算出プログラム63gと、を備え、試料台2に載置される試料Sに対して複数のくぼみを形成する硬さ試験機100において、くぼみを形成する前に、試料Sの表面の任意の点における高さを検出する検出手段(焦点合わせプログラム63a、測定プログラム63b)と、検出した高さを記憶する移動量記憶部63cと、くぼみを形成する際に、移動量記憶部63cに記憶された任意の点における高さに基づいて、当該任意の点における高さが所定の高さとなるように当該試料台2の高さ調整を行う調整プログラム63dと、を備える。
【選択図】図5
Description
このような硬さ試験機において、例えば、マイクロビッカース試験機のように、試料と圧子の接触速度(圧子を押し込む速度)を小さくしなければならない試験機の場合には、圧子が待機位置から下降して試料に接触するまでの間も前記接触速度で下降させたとすると、測定作業が完了するまでの時間(タクトタイム)が不必要に長くなって効率が悪くなってしまう。例えば、待機時の圧子と試料の隙間が1mmの試験機の場合、60μm/sで降下させると約17sの時間を要し、10μm/sで降下させると100sの時間を要する。
そこで、例えば、980μmまでは比較的高速で圧子を降下させ、残り20μmを60μm/sや10μm/sで降下させるといった速度制御がなされている。
つまり、上記の速度制御を行おうとすると、硬さ試験機が許容する以上の傾きや段差などの高低差(上記の例では20μm)が試料にあった場合に、自動試験が行えないという問題があった。
試料を載置する試料台と、
前記試料台の上方に位置し、前記試料台に載置された試料にくぼみを形成するための圧子と、
前記圧子を所定位置まで第1速度で降下させ、当該所定位置以降は前記第1速度よりも低速な第2速度で降下させる速度制御手段と、
前記圧子により形成されたくぼみの画像の画像データを取得する撮像手段と、
前記撮像手段により取得されたくぼみの画像の画像データからくぼみの寸法を求めて試料の硬さを算出する硬さ算出手段と、を備え、
前記試料台に載置される試料に対して複数のくぼみを形成する硬さ試験機において、
くぼみを形成する前に、試料の表面の任意の点における高さを検出する検出手段と、
前記検出手段により検出した前記任意の点における高さを記憶する記憶手段と、
くぼみを形成する際に、前記記憶手段に記憶された前記任意の点における高さに基づいて、当該任意の点における高さが所定の高さとなるように当該試料台の高さ調整を行う調整手段と、
を備えることを特徴とする。
前記検出手段は、
前記試料の表面の前記任意の点を焦点合わせ点とし、くぼみを形成する前に、前記試料台を移動させることで前記焦点合わせ点において焦点合わせを行う焦点合わせ手段と、
前記焦点合わせ手段により前記焦点合わせ点において焦点が合った時点での、前記試料台の移動量を測定する測定手段と、を備え、
前記記憶手段は、前記検出手段により検出した前記試料台の移動量を記憶し、
前記調整手段は、くぼみを形成する際に、前記記憶手段に記憶された前記試料台の移動量に基づいて、当該試料台の高さ調整を行うことを特徴とする。
前記焦点合わせ点をユーザが設定するための設定手段を備えることを特徴とする。
前記測定手段が測定した前記試料の表面における複数の焦点合わせ点での前記試料台の移動量の値の差に基づいて、前記試料の傾斜を検出すると共に、前記値の差がなくなるように補正可能な傾斜調整機構を備えることを特徴とする。
前記撮像手段によりくぼみの画像の画像データを取得する場合に、前記記憶手段に記憶された前記試料台の移動量に基づいて、当該試料台の高さ調整を行う第2調整手段を備えることを特徴とする。
請求項1記載の硬さ試験機における硬さ試験方法であって、
前記検出手段により、くぼみを形成する前に、試料の表面の任意の点における高さを検出する検出工程と、
前記記憶手段により、前記検出手段により検出した前記任意の点における高さを記憶する記憶工程と、
前記調整手段により、くぼみを形成する際に、前記記憶手段に記憶された前記任意の点における高さに基づいて、当該任意の点における高さが所定の高さとなるように当該試料台の高さ調整を行う調整工程と、
を有することを特徴とする。
このため、くぼみを形成する際に、試料台を適した高さに調整することが可能となるので、試料の傾きや平面度の誤差に依存せず、自動試験を行うことができる。
なお、以下では、硬さ試験機の左右方向をX方向、前後方向をY方向、高さ方向をZ方向とする。
硬さ試験機100は、例えば、マイクロビッカース硬さ試験機であって、図1〜5に示すように、試験機本体10と、制御部6と、操作部7と、モニタ8と、等を備えている。
この硬さ試験機100は、例えば、図6に示すように、試料台2に載置される試料Sに対して複数のくぼみを形成する多点試験を実行可能な硬さ試験機である。
なお、試料台2に載置される試料Sの数は1つでも複数でも良い。即ち、多点試験として、1つの試料Sに対して複数のくぼみを形成しても良いし、複数の試料Sに対して全体として複数のくぼみを形成しても良い。
これにより、CCDカメラ12は、撮像手段として機能する。
ここで、待機時における圧子14aから試料Sの表面までの距離は、予め設定された所定の寸法となっている。以下の説明においては、当該距離を1mmとして説明する。なお、当該距離は設計時に適宜変更可能であり、発明の範囲を1mmに限定するものではない。
そして、圧子軸14は、後述の速度制御プログラム63eの実行により、くぼみの形成時には、2段階の速度で降下するよう制御される。このため、圧子14aは、例えば、図7に示すように、所定位置(速度切り替わり点)まで第1速度で降下し、当該所定位置以降は前記第1速度よりも低速な第2速度で降下する。
具体的には、圧子14aは、0.98mmまでは第1速度(高速)で下降し、0.98mm以降の0.02mmは第1速度よりも低速な第2速度で降下する。
なお、第1速度、第2速度、及び速度切り替わり点は、操作部7により設定される。
XYステージ3は、制御部6が出力する制御信号に応じて駆動する駆動機構部(図示省略)により駆動され、試料台2を圧子14aの移動方向(Z軸方向)に垂直な方向(X軸,Y軸方向)に移動させる。
AF(Z)ステージ4は、制御部6が出力する制御信号に応じて駆動され、CCDカメラ12が撮像した画像データに基づき試料台2を微細に昇降させ、試料Sの表面に焦点を合わせる。
昇降機構部5は、制御部6が出力する制御信号に応じて駆動され、試料台2(XYステージ3、AF(Z)ステージ4)を上下方向に移動させることで、試料台2と対物レンズ15との間の相対距離を変化させる。
具体的に、操作部7は、後述の焦点合わせプログラム63aの実行時に、試料の表面の任意の点を、焦点合わせの対象となる焦点合わせ点としてユーザが指定する際に利用される。
この焦点合わせ点としては、1つの試料Sに対して一点でも良いし、1つの試料Sに対して複数点指定しても良い。これにより、操作部7は、設定手段として機能する。
なお、特に指定がない場合には、各試料Sで最初に形成されるくぼみの位置が、焦点合わせ点として設定されている。
また、操作部7は、当該硬さ試験機100による硬さ試験を実施する際の各種の条件の設定を、ユーザが行う際に利用される。
ここで、各種の条件の設定とは、例えば、試験条件(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)、対物レンズ15の倍率、等の値)や、試験開始点、行・列数、ピッチ等の設定である。
また、操作部7は、2段階の速度で降下する圧子軸14の2つの降下速度と、2つの降下速度が切り替わる速度切り替わり点を、ユーザが設定する際に利用される。なお、2つの降下速度や切り替わり点は、試料Sの材質や試験力の大きさなどに応じて設定される。
具体的には、例えば、CPU61は、焦点合わせプログラム63aを実行すると、昇降機構部5を駆動させて試料台2(AF(Z)ステージ4)を上下方向(Z軸方向)に所定量ずつ(例えば、制御部6の制御信号により指定される量)移動させ、CCDカメラ12により試料Sの表面を連続画像として撮像する。そして、得られた各画像に対してAF値の算出を行い、得られたAF値が所定値となった場合、その時点を焦点位置(焦点の合った時点)とする。
ここで、焦点位置は、圧子14aが第2速度で降下する範囲内に位置している。つまり、CPU61は、操作部7を介してユーザが2つの降下速度や切り替わり点を指定すると、これに基づいて、AF値を算出する範囲を決定しており、圧子14aが第2速度で降下する範囲内において、焦点が合うようになっている。
また、「AF値」とは、所定の評価関数による合焦度合いを示す値である。
上記AF値の算出方法は、例えば、画像の任意の点に着目したとき、当該任意の点の画素とその画素から所定画素数離間した位置にある画素との光強度の差(微分画像)の評価により行う。
CPU61は、くぼみを形成する前に、焦点合わせ点の全てに対して、このような焦点合わせを実行する。
CPU61は、かかる焦点合わせプログラム63aを実行することで、AF(Z)ステージ4及びCCDカメラ12と共に、焦点合わせ手段として機能する。
具体的に、例えば、CPU61は、焦点合わせプログラム63aを実行することによって焦点合わせ点において焦点が合うと、試料台2(AF(Z)ステージ4)の上下方向(Z軸方向)の移動量を検出する。
CPU61は、くぼみを形成する前に、焦点合わせ点の全てに対して、このような試料台2の移動量の検出を実行する。
CPU61は、かかる測定プログラム63bを実行することで、測定手段として機能する。
これにより、移動量記憶部63cは、記憶手段として機能する。
具体的に、例えば、CPU61は、くぼみを形成する場合、調整プログラム63dを実行し、移動量記憶部63cに格納された値を参照する。そして、昇降機構部5を駆動させて試料台2(AF(Z)ステージ4)を上下方向(Z軸方向)に所定量移動させる。
つまり、試料Sは、焦点位置においてくぼみの形成が行われることとなる。
なお、複数のくぼみが形成される一の試料Sに対して、1つのくぼみ位置が焦点合わせ点として指定されていた場合、当該一の試料Sに形成される全てのくぼみに対して、前記1つの焦点合わせ点に対して検出された移動量が参照される。
CPU61は、かかる調整プログラム63dを実行することで、昇降機構部5と共に調整手段として機能する。
具体的に、例えば、CPU61は、試料Sにくぼみを形成する際、速度制御プログラム63eを実行することによって圧子軸14が2段階の速度で降下するよう制御する。
より具体的には、圧子14aと試料Sとの隙間が1mmである場合、0.98mmまでは第1速度(高速)で、0.98mm以降の0.02mmは第1速度よりも低速な第2速度で降下する。
なお、圧子14aは、第2速度で降下している間に試料Sの表面とぶつかり、圧子14aは試料Sの表面に押し込まれ、くぼみが形成される。
CPU61は、かかる速度制御プログラム63eを実行することにより速度制御手段として機能する。
具体的に、例えば、CPU61は、くぼみの形成後にこれを撮像する際に、第2調整プログラム63fを実行し、移動量記憶部63cに格納された値を参照する。そして、昇降機構部5を駆動させて試料台2(AF(Z)ステージ4)を上下方向(Z軸方向)に所定量移動させる。つまり、試料Sは、焦点位置に移動することとなる。
そして、その後、CCDカメラ12により試料Sの表面の撮像が行われる。
CPU61は、かかる第2調整プログラム63fを実行することにより、昇降機構部5と共に第2調整手段として機能する。
具体的に、CPU61は、くぼみ4辺の画面内の概略位置を検出して4つのくぼみ頂点を特定し、それら4つの頂点の座標上の位置から互いに交差する2本の対角線長さ(くぼみ寸法)を取得し、くぼみ寸法を演算してくぼみ面積(くぼみの大きさ)(A)を算出する。
次に、CPU61は、そのくぼみの形成時にかかっていた試験力(F)を、算出したくぼみ面積(A)で除すことで、硬さ(HV)を算出する。即ち、下記式(1)により、硬さ(HV)を算出する。
HV=F/A (1)
CPU11は、かかる硬さ算出プログラム63gを実行することによって、硬さ算出手段として機能する。
先ず、ステップS1において、ユーザは、試料のセットを行う。
次いで、ステップS2において、ユーザは、各種条件の設定(試験条件、試験開始点、具行・列数、ピッチ等の指定)を行う。
次いで、ステップS3において、CPU11は、測定を開始する。
次いで、ステップS4において、CPU11は、焦点合わせ点に対して、試料台2を移動させることで焦点合わせを行う(検出工程)。
次いで、ステップS5において、CPU11は、焦点合わせ点において焦点が合った時点での、試料台2の移動量を測定(検出)する(検出工程)。
次いで、ステップS6において、CPU11は、検出した試料台2の移動量を記憶する(記憶工程)。
次いで、ステップS7において、CPU11は、指定された全ての点において焦点合わせが終わっているか否かを判断し、終わっていない場合には(ステップS7:NO)、上記ステップS4に戻って以降の処理を繰り返す。
一方、指定された全ての点において焦点合わせが終わっている場合には(ステップS7:YES)、続くステップS8において、CPU11は、形成するくぼみの位置に応じて試料台2の移動量を参照し、当該試料台2の高さ位置の調整を行う(調整工程)。
次いで、ステップS9において、CPU11は、試料台の水平位置が所定の位置となるように試料台の水平位置の調整を行う。
次いで、ステップS10において、CPU11は、試料台上の試料に対してくぼみの形成を行う。
次いで、ステップS11において、CPU11は、設定された全ての点においてくぼみの形成が終わっているか否かを判断し、終わっていない場合には(ステップS11:NO)、上記ステップS8に戻って以降の処理を繰り返す。
一方、設定された全ての点においてくぼみの形成が終わっている場合には(ステップS11:YES)、続くステップS12において、画像を取得するくぼみの位置に応じて試料台2の移動量を参照し、当該試料台2の高さ位置の調整を行う。
次いで、ステップS13において、CPU11は、試料台の水平位置が所定の位置となるように試料台の水平位置の調整を行う。
次いで、ステップS14において、CPU11は、くぼみの画像を取得する。
次いで、ステップS15において、CPU11は、全てのくぼみについて画像の取得が終わっているか否かを判断し、終わっていない場合には(ステップS15:NO)、上記ステップS12に戻って以降の処理を繰り返す。
一方、全てのくぼみについて画像の取得が終わっている場合には(ステップS15:YES)、続くステップS16において、CPU11は、くぼみの画像の画像データからくぼみの寸法を求めて試料の硬さを算出し、本処理を終了する。
このため、くぼみを形成する際に、試料台2を適した高さに調整することが可能となるので、試料Sの傾きや平面度の誤差に依存せず、自動試験を行うことができる。
このため、試料Sの特性に合わせて焦点合わせを行う位置やタイミングをユーザが自由に設定でき、効率よく測定を行うことができる。
このため、くぼみの画像を取得する際に、焦点合わせの制御を行うことなしにピント位置の調整を行うことができる。
このため、くぼみを形成する際に、試料台を適した高さに調整することが可能となるので、試料の傾きや平面度の誤差に依存せず、自動試験を行うことができる。
次に、本発明の第2実施形態について第1実施形態と異なる点を中心に説明する。なお、第1実施形態と同じ構成には第1実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態の硬さ試験機200は、表面の傾斜が大きい試料Sに対して、当該表面を水平にする傾斜調整機構を備えている。
具体的に、硬さ試験機200は、図9、10に示すように、試験機本体10Aと、制御部6Aと、操作部7と、モニタ8と、等を備えている。
試験機本体10Aは、硬さ測定部1と、試料台2と、XYステージ3と、AF(Z)ステージ4と、試料台2(XYステージ3、AF(Z)ステージ4)を昇降する昇降機構部5の他、傾斜ステージ9を備えている。
この傾斜ステージ9は、CPU61Aの制御信号に応じて一辺を支点として他片を上下(Z)に駆動することで、その上面の傾斜を調整するものである。
傾斜検出プログラム63hは、CPU61Aに、測定プログラム63bが測定した試料Sの表面における複数の焦点合わせ点での試料台2の移動量の値の差に基づいて、試料Sの傾斜を検出する機能を実現させるプログラムである。
具体的に、CPU61Aは、一の試料Sの2つ以上の焦点合わせ点で試料台2の移動量を測定した場合、その値の差が所定以上であった場合には試料Sの表面が傾いていると判断することで、試料Sの傾斜を検出し、傾斜ステージ9を駆動させて、前記値の差がなくなるように制御する。
つまり、傾斜ステージ9は、傾斜検出プログラム63hの実行によって、試料Sの表面が圧子14aの移動方向(Z方向)に対して垂直となるように傾斜角度が補正される。
CPU61Aは、かかる傾斜検出プログラム63hを実行することにより、傾斜ステージ9とともに傾斜調整機構として機能する。
このような制御は、例えば、試料の材質などに依存して、くぼみの形成前後で表面の高さが異なる場合などに有効である。
2 試料台
2a 試料固定部
3 XYステージ
4 AF(Z)ステージ(焦点合わせ手段、検出手段)
5 昇降機構部(調整手段、第2調整手段)
6 制御部
7 操作部(設定手段)
8 モニタ
9 傾斜ステージ(傾斜調整機構)
10 試験機本体
11 照明装置
12 CCDカメラ(撮像手段、焦点合わせ手段、検出手段)
14 圧子軸
14a 圧子
15 対物レンズ
16 ターレット
17 フレームグラバ
61 CPU
62 RAM
63 記憶部
63a 焦点合わせプログラム(焦点合わせ手段、検出手段)
63b 測定プログラム(測定手段、検出手段)
63c 移動量記憶部(記憶手段)
63d 調整プログラム(調整手段)
63e 速度制御プログラム(速度制御手段)
63f 第2調整プログラム(第2調整手段)
63g 硬さ算出プログラム(硬さ算出手段)
63h 傾斜検出プログラム(傾斜調整機構)
71 キーボード
72 マウス
100、200 硬さ試験機
S 試料
Claims (6)
- 試料を載置する試料台と、
前記試料台の上方に位置し、前記試料台に載置された試料にくぼみを形成するための圧子と、
前記圧子を所定位置まで第1速度で降下させ、当該所定位置以降は前記第1速度よりも低速な第2速度で降下させる速度制御手段と、
前記圧子により形成されたくぼみの画像の画像データを取得する撮像手段と、
前記撮像手段により取得されたくぼみの画像の画像データからくぼみの寸法を求めて試料の硬さを算出する硬さ算出手段と、を備え、
前記試料台に載置される試料に対して複数のくぼみを形成する硬さ試験機において、
くぼみを形成する前に、試料の表面の任意の点における高さを検出する検出手段と、
前記検出手段により検出した前記任意の点における高さを記憶する記憶手段と、
くぼみを形成する際に、前記記憶手段に記憶された前記任意の点における高さに基づいて、当該任意の点における高さが所定の高さとなるように当該試料台の高さ調整を行う調整手段と、
を備えることを特徴とする硬さ試験機。 - 前記検出手段は、
前記試料の表面の前記任意の点を焦点合わせ点とし、くぼみを形成する前に、前記試料台を移動させることで前記焦点合わせ点において焦点合わせを行う焦点合わせ手段と、
前記焦点合わせ手段により前記焦点合わせ点において焦点が合った時点での、前記試料台の移動量を測定する測定手段と、を備え、
前記記憶手段は、前記検出手段により検出した前記試料台の移動量を記憶し、
前記調整手段は、くぼみを形成する際に、前記記憶手段に記憶された前記試料台の移動量に基づいて、当該試料台の高さ調整を行うことを特徴とする請求項1に記載の硬さ試験機。 - 前記焦点合わせ点をユーザが設定するための設定手段を備えることを特徴とする請求項2に記載の硬さ試験機。
- 前記測定手段が測定した前記試料の表面における複数の焦点合わせ点での前記試料台の移動量の値の差に基づいて、前記試料の傾斜を検出すると共に、前記値の差がなくなるように補正可能な傾斜調整機構を備えることを特徴とする請求項2又は3に記載の硬さ試験機。
- 前記撮像手段によりくぼみの画像の画像データを取得する場合に、前記記憶手段に記憶された前記試料台の移動量に基づいて、当該試料台の高さ調整を行う第2調整手段を備えることを特徴とする請求項2〜4の何れか一項に記載の硬さ試験機。
- 請求項1記載の硬さ試験機における硬さ試験方法であって、
前記検出手段により、くぼみを形成する前に、試料の表面の任意の点における高さを検出する検出工程と、
前記記憶手段により、前記検出手段により検出した前記任意の点における高さを記憶する記憶工程と、
前記調整手段により、くぼみを形成する際に、前記記憶手段に記憶された前記任意の点における高さに基づいて、当該任意の点における高さが所定の高さとなるように当該試料台の高さ調整を行う調整工程と、
を有することを特徴とする硬さ試験方法。
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