JP2018091697A

JP2018091697A - Microhardness tester

Info

Publication number: JP2018091697A
Application number: JP2016234676A
Authority: JP
Inventors: 貴浩關; Takahiro Seki
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2016-12-02
Filing date: 2016-12-02
Publication date: 2018-06-14
Anticipated expiration: 2036-12-02
Also published as: JP6648676B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a microhardness tester which has simple structure, and nonetheless, allows for suppression of a rise of temperature in an atmosphere where the microhardness tester is installed, and allows for highly accurate hardness test.SOLUTION: When performing hardness test, excitation is turned on by supplying electric power to motors 21, 22 and, after moving an XY stage 12 to a position where a position on a sample 100 at which hardness test is to be performed next is located directly below an indenter 13, excitation is turned off by stopping the supply of electric power to the motors 21, 22. A load is added to the sample 100 in this state, and after holding that state for a necessary duration, the indenter is lifted and the load to the sample 100 is released. Meanwhile, test data such as the amount of fall of the indenter 13 at this time, etc., is output to a personal computer 2 via a body control unit 5.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

この発明は、微小硬度計に関する。 The present invention relates to a microhardness meter.

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。 The micro hardness tester is used to measure the hardness of a very thin film or the like, or to measure the hardness of a micro area. Such a microhardness meter includes a stage that can move in a horizontal direction with a sample placed thereon, and an indenter that contacts the surface of the sample, and pushes the indenter into a predetermined location on the surface of the sample with a predetermined load. The hardness of the sample is obtained from the relationship between the load and the push-in amount (the displacement of the indenter).

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。 When measuring the hardness of a very thin film or micro area, or when measuring the hardness of a very soft material, a micro indenter is pushed into the sample with a micro load. Since the indentation load is minute, the displacement of the indenter is very small. For this reason, in order to prevent the wind from affecting the test results, the micro hardness tester is configured to execute the hardness test in a state of being housed in the windshield case.

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）。 On the other hand, in recent years, a microhardness meter is required to perform hardness measurement on multiple points in a sample. For this reason, a microhardness meter is also used that automatically performs multipoint measurement continuously by moving the stage on which the sample is placed in the horizontal direction (XY direction) by driving a motor (Patent Document). 1).

特開２００４−２７１３１８号公報JP 2004-271318 A

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。 In a micro hardness tester that moves a stage in a horizontal direction by a motor, power is always supplied to the motor after the apparatus is started regardless of whether the stage is driven or stopped. That is, when a stepping motor (pulse motor) is used as a motor, a static torque is obtained by bringing the motor into an excited state. When a servo motor is used as the motor, the stationary torque is generated by performing position control.

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。 On the other hand, as described above, the microhardness meter performs the hardness test in a state where it is housed in the windshield case. For this reason, when the motor is always in an excited state, the motor exists as a heat source in the space inside the windshield case, and the ambient temperature where the microhardness meter is installed rises. When the ambient temperature rises in this way, there arises a problem that the measurement result of hardness changes.

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。 For this reason, it is conceivable to take measures such as controlling the temperature by a cooling mechanism so that the temperature inside the windshield case is constant, or cooling the motor as a heat source by water cooling or the like. However, the configuration of the apparatus is complicated, and additional equipment is required, resulting in a cost increase.

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。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and is capable of suppressing an increase in the ambient temperature in which a micro hardness tester is installed, while performing a simple configuration, and performing a hardness test with high accuracy. An object of the present invention is to provide a microhardness meter capable of satisfying the requirements.

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。 According to the first aspect of the present invention, a stage that can move in the horizontal direction with the sample placed thereon, an indenter that contacts the surface of the sample by moving in the vertical direction, and the stage is moved in the horizontal direction. And a power supply unit for supplying power to the motor, wherein the power supply unit supplies power to the motor only when the stage is moved in the horizontal direction. It is characterized by doing.

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。 According to a second aspect of the present invention, in the microhardness meter according to the first aspect, the motor is a stepping motor or a servo motor.

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。 According to the first and second aspects of the invention, since electric power is supplied to the motor only when the stage is moved in the horizontal direction, an increase in the ambient temperature in which the micro hardness tester is installed can be suppressed. it can. For this reason, it is possible to execute the hardness test with high accuracy without preparing a special device for temperature control.

この発明に係る微小硬度計の概要図である。It is a schematic diagram of the micro hardness tester concerning this invention. 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。It is a flowchart which shows operation | movement when performing a hardness test with the micro hardness tester which concerns on this invention.

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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view of a microhardness meter according to the present invention.

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。 The microhardness meter includes an apparatus main body 1 having an XY stage 12, a main body control unit 5 for controlling various operations of the apparatus main body 1, and an XY according to the present invention for controlling the horizontal movement operation of the XY stage 12. An XY stage control unit 4 that also functions as a power supply unit for the stage 12 and a personal computer 2 that is connected to the main body control unit 5 and the XY stage control unit 4 and includes the display unit 3 are configured. When the hardness test is executed, the apparatus main body 1 is installed in a windshield case 6 indicated by a virtual line in FIG.

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。 The XY stage 12 in the apparatus main body 1 is movable in the horizontal direction (XY direction) while being guided by a guide member (not shown) in a state where the sample 100 is placed via the vice 11 or the like. The moving mechanism of the XY stage 12 includes a ball screw 25 connected to the motor 21 via a shaft 23 that is rotatably supported by a support member 24. The ball screw 25 is screwed with a nut (not shown) provided inside the XY stage 12. When the ball screw 25 is rotated by driving the motor 21, the XY stage 12 reciprocates in the X direction (left and right direction in FIG. 1). Further, with the same configuration as above, the XY stage 12 reciprocates in the Y direction (direction perpendicular to the paper surface in FIG. 1) by driving the motor 22. Further, the XY stage 12 is moved up and down in the Z direction (vertical direction in FIG. 1) together with the vice 11 and the motors 21 and 22 by manually operating the handle 26.

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。 The apparatus body 1 is provided with an indenter 13 that can be moved up and down in the Z direction by a test force loading mechanism (not shown) and forms an indentation on the surface of the sample 100 by contacting the sample 100 supported by the vise 11. Yes. The apparatus main body 1 is provided with an objective lens 14 in a microscope. A plurality of objective lenses 14 are provided for the apparatus main body 1, and the objective lens 14 to be used can be switched by operating the lever 15. Further, an eyepiece 16 in a microscope for observing the sample 100 is disposed on the upper part of the apparatus main body 1.

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。 Next, an operation when the hardness test is performed by the micro hardness tester having the above-described configuration will be described. FIG. 2 is a flowchart showing an operation when a hardness test is performed by the micro hardness tester according to the present invention. This flowchart is for the case where the hardness test is performed at N positions on the surface of the sample 100. Prior to the hardness measurement, the test position is determined while confirming the surface of the sample 100 fixed to the vice 11 with a microscope while manually moving the XY stage 12. When the XY stage 12 is driven manually, power is supplied to the motors 21 and 22, but when the XY stage 12 is stopped, power supply to the motors 21 and 22 is stopped. When the XY stage 12 is moved only in any one of the XY directions, power is supplied only to either the motor 21 or the motor 22. The same applies to the following description.

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）。 First, the number of times i is set to zero (step S1). Then, 1 is added to the number of times i (step S2), and then the excitation is turned on by supplying power to the motors 21 and 22 (step 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。 Then, by driving the motors 21 and 22, the XY stage 12 is moved to a position where the next position where the hardness test is to be performed on the sample 100 is arranged directly below the indenter 13 (step S4). When the movement is completed (step S5), the supply of power to the motors 21 and 22 is stopped to turn off the excitation (step S6). At this time, there is no static torque in the motors 21 and 22, but the XY stage 12 is movable in the horizontal direction, and gravity does not act in the direction of moving the XY stage 12, so the XY stage 12 moves. Never do.

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。 In this state, the indenter 13 is lowered by a test force loading mechanism (not shown) and a load is applied to the sample 100. After the state is maintained for a necessary time, the indenter 13 is raised and the load on the sample 100 is released. The unloading is performed (step S7). Then, test data such as the descending amount of the indenter 13 at that time is output to the personal computer 2 via the main body control unit 5 (step S8). In the personal computer 2, the hardness of the sample 100 is calculated from the magnitude of the load at this time and the descending amount of the indenter 13 (the amount by which the indenter 13 is pushed into the sample 100).

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）。 The above operation is repeated until the hardness test at the point N in the sample 100 is completed (step 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）。 If the N point hardness test is completed (step S9), the number of times i is set to zero (step S10). Then, the XY stage 12 is moved manually or automatically by an operator's operation in order to execute observation with a microscope. At this time, when an operation is performed by the operator, 1 is added to the number of times i (step S11), and then the excitation is turned on by supplying electric power to the motors 21 and 22 (step S12). Then, the XY stage 12 is moved to a position where the sample 100 can be observed by the objective lens 14 by driving the motors 21 and 22 (step S13). When the movement is completed (step S14), the excitation is turned off by stopping the supply of electric power to the motors 21 and 22 (step 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。 Thereafter, the sample 100 is observed with a microscope (step S16). At this time, the sample 100 observed with the microscope is displayed on the display unit 3. When it is necessary to obtain the hardness from the size of the indentation in addition to the hardness calculated in step S8, the operator uses the index on the screen of the display unit 3 to display the indentation by the indenter 13 formed on the sample 100. The size is measured. Then, the size of the indentation at this time is output as observation data to the personal computer 2 via the main body control unit 5 (step S17). In the personal computer 2, the hardness of the sample 100 is calculated from the size of the indentation at this time.

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。 After the above operation is repeated until the observation of the N point on the sample 100 is completed (step S18), the hardness test operation on the sample 100 is terminated.

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。 In the above-described embodiment, two types of hardness are calculated, the hardness obtained from the indentation amount of the indenter 13 with respect to the sample 100 and the hardness obtained from the size of the indentation. Which is adopted as the hardness of the sample 100? The operator may determine appropriately. Further, either one of the operations may not be performed from the beginning.

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。 As described above, according to the microhardness meter according to the present invention, the XY stage 12 is moved in the XY direction in both cases of the manual operation of the XY stage 12 and the operation of the XY stage 12 in a series of automatic operations. Since power is supplied to the motors 21 and 22 only occasionally, an increase in temperature in the windshield case 6 in which the device body 1 of the microhardness meter is installed can be suppressed. For this reason, it is possible to execute the hardness test with high accuracy without preparing a special device for temperature control. Thereby, for example, automatic continuous operation or the like can be performed with high accuracy at night.

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Apparatus main body 2 Personal computer 3 Display part 4 XY stage control part 5 Main body control part 6 Windshield case 11 Vise 12 XY stage 13 Indenter 14 Objective lens 21 Motor 22 Motor 25 Ball screw 26 Handle 100 Sample

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。 A stage that can move in the horizontal direction with the sample placed thereon
An indenter that contacts the surface of the sample by moving in a vertical direction;
A motor for moving the stage in a horizontal direction;
A power supply unit for supplying power to the motor;
In micro hardness tester equipped with
The microhardness meter, wherein the power supply unit supplies power to the motor only when the stage is moved in a horizontal direction.

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。
In the microhardness meter according to claim 1,
The motor is a micro hardness tester that is a stepping motor or a servo motor.