JP4073700B2 - 硬度計 - Google Patents

Description

【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】
従来は、測定位置を決定する際、ＸＹステージにより載置台をＸＹ方向に移動させながら顕微鏡の対物レンズの仮想光軸を目視により測定目標位置に合わせる。しかるのち、対物レンズを供試体に接近させてピントを合わせ、測定箇所を観察しながら正確に測定目標位置を位置決めしている。目視により対物レンズの仮想光軸を測定位置に合致するように載置台を移動するため、位置決めの時間がかかったり、正確に位置決めできないことがある。
【０００４】
本発明の目的は、供試体上の測定目標位置を光により指示できるよう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、本発明に係る硬度計は、供試体Ｗを載置する試料台９０と、供試体Ｗ上に複数の測定目標位置を設定するにあたって、測定目標位置を指示するマーカー光を照射する照射装置７０と、マーカー光が供試体Ｗ上の任意の位置に照射可能なように、その照射位置を試料台の水平面内において２次元移動する移動機構２０，３０と、供試体Ｗ上の測定目標位置を観察するための観察装置７０と、測定目標位置において供試体Ｗへ負荷をかける圧子５５ａ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２３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２３はＹ方向に移動する。Ｙステージ２３の他方の脚部２３ｂ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３２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５５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３１ａ、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ＣＣＤ４５ａ、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３２，２３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２０１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４５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７０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４５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３０Ｅ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３２，２３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２３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３０，２０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４５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ＣＣＤ４５ａ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３２，２３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３０，２０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３０３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３０５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】
以上詳細に説明したように本発明によれば、照射装置により供試体に可視光を照射して測定位置を指示できるようにしたので、測定位置の決定が容易になる。
【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

Claims (1)

1. 供試体を載置する試料台と、
   前記供試体上に複数の測定目標位置を設定するにあたって、該測定目標位置を指示するマーカー光を照射する照射装置と、
   前記マーカー光が前記供試体上の任意の位置に照射可能なように、その照射位置を前記試料台の水平面内において２次元移動する移動機構と、
   前記供試体上の前記測定目標位置を観察するための観察装置と、
   前記測定目標位置において前記供試体へ負荷をかける圧子とを備えることを特徴とする硬度計。

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