JP2758760B2

JP2758760B2 - 硬度測定方法

Info

Publication number: JP2758760B2
Application number: JP4006740A
Authority: JP
Inventors: 寿壮一柳; 秀幸近藤; 元竹内; 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: 1998-05-28
Anticipated expiration: 2013-05-28
Also published as: JPH05196561A

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
自動的に行ない得る新規な硬度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方法
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
度を特定する方法」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硬度測定装置を用いて実施
される。

【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、２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。レボルバーには複数の対物レンズが設けられ、各対
物レンズの結像倍率は互いに異なる。ここに「圧子と２
以上の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各対
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所望の
対物レンズ光軸を基準軸に合致させることを、圧子もし
くは所望の対物レンズを「選択する」と称する。

【０００８】「照明系」は、撮像素子とレボルバーの間
に配備され、何れかの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、所望の対
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】この発明の硬度測定方法は上記の構成の硬
度測定装置を用い、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、１以上の走査エリア
に圧痕の形成を行う。

【００１２】測定試料に圧痕形成後、所定の走査エリア
の中央部を基準軸位置に移動させたのち、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って、上
記所定の走査エリア全体を撮像素子の受光面上に合焦
後、撮像を行い、上記走査エリア内の圧痕の位置を記憶
し、次に所望の高倍率の対物レンズを選択し、記憶され
た圧痕位置に基づき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、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所望の圧痕の対角線
長を測定する。

【００１３】

【作用】上記のようにこの発明の硬度測定方法では、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。
圧痕は２次元的なイメージで読み取られる。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
うことにより圧子と測定試料の間に距離をあけ、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。圧痕の形成は１以上の走査エリアに圧痕の形
成することにより行われる。

【００１４】測定試料に圧痕形成後、所望の走査エリア
の中央部を基準軸位置に移動させたのち、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って、上
記所望の走査エリア全体を撮像素子の受光面上に合焦
後、撮像を行い、走査エリア内の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、記憶された圧
痕位置に基づき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、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所望の圧痕の対角線長を
測定する。

【００１５】

【実施例】図１（ａ）は「この発明を実施するための硬
度測定装置」の１例を要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３
０は照明系、符号４０は２次元の撮像素子としてのＣＣ
Ｄカメラ、符号５０は画像処理部を示す。また、符号７
０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、図２に示すように１個の圧子２３と３個の対物
レンズ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃとが設けられている。な
お、図示の繁雑を避けるため、図１には３個の対物レン
ズを１個の対物レンズ２２として描いている。図２に示
すように、これら対物レンズ２２Ａ〜２２Ｃと圧子２３
とは、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２２Ａ〜２２Ｃの光軸の、回
転軸２５からの距離は、図２に回転軸２５と対物レンズ
２２Ｂの光軸との距離として例示するように、何れも距
離：Ｈに設定されている。勿論、レボルバーにおける対
物レンズの個数や、圧子および対物レンズの配置はこの
例に限らない。また、必要に応じ、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
（上記対物レンズ２２Ａ〜２２Ｃの何れか）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。

【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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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のうち「結像倍率の一番小さ
いもの」が選択され、基準軸Ｓの位置にあり、しかも選
択された対物レンズ２２と測定試料載置面とは近接した
状態にある。

【００２７】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、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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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
結像倍率は選択された対物レンズに応じて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１０Ｚ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、Ｃ
ＣＤ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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】上には、対物レンズ２２における対物レン
ズの選択以後を簡単に説明した。実際には、以下のよう
に行われる。

【００４０】前述のように、レボルバー２０の本体２１
には、図２に示すように１個の圧子２３と３個の対物レ
ンズ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃとが設けられているが、こ
れら対物レンズは互いに結像倍率が異なる。

【００４１】高い倍率の対物レンズは「硬度の大きい測
定試料」の測定に特に有用である。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。

【００４２】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。

【００４３】この発明においては、測定試料の硬度の如
何に拘らず、「圧痕形成後、先ず低倍率の対物レンズ
（例えば、対物レンズ２２Ａ）を選択してオートフォー
カスを行ない、合焦後、圧痕の位置をコンピュータ９０
に記憶し、次に所望の高倍率の対物レンズ（対物レンズ
２２Ｂあるいは対物レンズ２２Ｃ）を選択し、上記記憶
した圧痕位置のデータに基づき、移動ステージ１０によ
り、圧痕の位置を基準軸上に移動させ、選択された高倍
率の対物レンズを用いて再度オートフォーカスを行な
う」ことにより、良好な測定を実現する。圧痕は、１以
上の走査エリアに対して行う。

【００４４】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。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。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９
０に記憶される。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９０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９０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。

【００４５】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１
０により行なう。この状態で、先ず低結像倍率の対物レ
ンズ（図２の対物レンズ２２Ａ）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２２Ａ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」上に結像する。
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９０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。

【００４６】次に、高倍率の対物レンズ（対物レンズ２
２Ｂもしくは対物レンズ２２Ｃ、圧痕の大きさに応じて
適当な方を選択する）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、低倍率の対
物レンズ２２Ａを用いた圧痕位置の測定結果に基づき、
コンピューター９０により移動ステージの移動量を決定
して行なう。

【００４７】続いて、選択された「高倍率の対物レン
ズ」に対する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４０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）における画像処理部５０において「ＣＣＤカ
メラ４０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の走査エリアＤ₂ 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エリアに対して
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。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。先ず、移動ステージ１０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。

【００４９】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。

【００５０】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。

【００５１】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。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。

【００５２】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば新規な
硬度測定方法を提供できる。この発明の硬度測定方法
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。

【００５３】また、互いに結像倍率の異なる対物レンズ
を選択的に使用し、測定試料に圧痕を形成し、低倍率の
対物レンズによりオートフォーカスを行い、所望の圧痕
を含む走査エリアにおける圧痕の位置を記憶し、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、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、所望の圧
痕の対角線長を測定することにより、比較的多数の圧痕
を形成する場合に、所望の圧痕に対する測定を他の圧痕
に影響されずに行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施に用いる硬度測定装置の１例
と、この装置によるこの発明の硬度測定方法の測定手順
を示す図である。

【図２】図１（ａ）の例における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】硬度測定の手順の概略を説明するための図であ
る。

【図５】この発明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方法の実施に用いる装置に
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)発明者竹内元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 (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 (56)参考文献特開昭59−216038（ＪＰ，Ａ) 特開平１−267437（ＪＰ，Ａ) 特開昭51−8986（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−106539（ＪＰ，Ａ) 実開昭59−40839（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01N 3/40 - 3/54

Claims

(57)【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方法であって、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、結像倍率が
互いに異なる２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
上に設定された所望の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硬度測定装置を用い、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、１以上の走査エリアに圧痕の形成を行い、測定試料に圧痕形成後、所定の走査エリアの中央部を上
記基準軸位置に移動させたのち、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って、上記所定の
走査エリア全体を上記撮像素子の受光面上に合焦後、撮
像を行い、上記走査エリア内の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、記憶された圧痕
位置に基づき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。