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JP2000180330A - 硬度計 - Google Patents

硬度計

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Publication number
JP2000180330A
JP2000180330A JP10354638A JP35463898A JP2000180330A JP 2000180330 A JP2000180330 A JP 2000180330A JP 10354638 A JP10354638 A JP 10354638A JP 35463898 A JP35463898 A JP 35463898A JP 2000180330 A JP2000180330 A JP 2000180330A
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JP
Japan
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stage
specimen
observation device
indenter
measurement
Prior art date
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Pending
Application number
JP10354638A
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English (en)
Inventor
Hideto Fujita
英人 藤田
Osamu Kudo
修 工藤
Yoshiyuki Fujita
良幸 藤田
Toyoichi Maeda
豊一 前田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
EDISON HAADO KK
Shimadzu Corp
Original Assignee
EDISON HAADO KK
Shimadzu Corp
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Publication date
Application filed by EDISON HAADO KK, Shimadzu Corp filed Critical EDISON HAADO KK
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Priority to US09/458,980 priority patent/US6301956B1/en
Priority to DE19960017A priority patent/DE19960017B4/de
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/40Investigating hardness or rebound hardness
    • G01N3/42Investigating hardness or rebound hardness by performing impressions under a steady load by indentors, e.g. sphere, pyramid
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/06Indicating or recording means; Sensing means
    • G01N2203/0641Indicating or recording means; Sensing means using optical, X-ray, ultraviolet, infrared or similar detectors
    • G01N2203/0647Image analysis

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  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】大型の供試体に対してXYステージのストロー
ク長を短くして小型化を図る。 【解決手段】照射装置70をXY2次元移動して載置台
10上にセットされた供試体W上にレーザー光を照射す
る。レーザー光を目視して測定目標位置を決定する。決
定された目標位置へ観察装置45をXY移動し、観察装
置45で供試体を観察する、結晶粒界上でなければ負荷
装置55を2次元移動し、測定目標位置に圧子55aで
圧痕を形成する。観察装置45で圧痕を画像として取り
込み、画像処理で圧痕の対角線長を計算して硬度を求め
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】しかしながら、従来の
硬度計では次のような問題がある。 載置台をXY平面内で移動させて測定位置を決定して
いるので、供試体が大きくなると載置台の移動長が長く
なり、XYステージが大型化する。XYステージの移動
面積は供試体の約4倍である。 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。 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】本発明の第1の目的は、XYステージのス
トローク長を短くした硬度計を提供することにある。本
発明の第2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。本発明の第3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。 (1)請求項1の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、圧子55aお
よび観察装置45を一体に保持し、それら圧子55aと
観察装置45を試料台90の面内において2次元移動す
る移動機構20,30とを備えることを特徴とする。 (2)請求項2の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
離接装置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。 (3)請求項3の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、供試体W上の
任意の位置に照射光を照射する照射装置70と、照射光
の照射位置を試料台90の面内において2次元移動する
移動機構20,30とを備えることを特徴とする。
【0006】
【作用】(1) 請求項1の発明によれば、圧子55a
と観察装置45は、移動機構20,30により試料台9
0の面内において2次元移動する。 (2)請求項2の発明によれば、観察装置45は第1の
離接機構40により、圧子55aは第2の離接機構50
により、それぞれ個別に供試体Wと離接する。 (3)請求項3の発明によれば、照射装置70は移動機
構20,30により試料台90の面内において2次元移
動し、そこから照射される可視光は、供試体W上の任意
の位置に照射される。
【0007】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。
【0008】
【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。
【0009】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。
【0010】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。
【0011】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。
【0012】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。
【0013】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。
【0014】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。
【0015】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。
【0016】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。
【0017】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。
【0018】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。
【0019】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。
【0020】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。
【0021】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。
【0022】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。
【0023】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。
【0024】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。
【0025】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。
【0026】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。
【0027】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。
【0028】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。
【0029】以上の実施の形態と請求項との対応におい
て、Xステージ装置30,Yステージ装置20が移動機
構、第1のZステージ装置40が第1の離接機構を、第
2のZステージ装置50が第2の離接機構をそれぞれ構
成する。
【0030】
【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明によれ
ば次のような効果を奏する。 (1)請求項1の発明によれば、圧子および観察装置を
一体に保持し、それら圧子と観察装置を試料台の面内に
おいて2次元移動するようにしたので、従来のようにス
テージ移動面積が供試体の約4倍の大きさになることを
防止することができ、硬度計の小型化を図ることができ
る。 (2)請求項2の発明によれば、 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。 (3)請求項3の発明によれば、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

Claims (3)

    【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、 前記圧子および前記観察装置を一体に保持し、それら圧
    子と観察装置を前記試料台の面内において2次元移動す
    る移動機構とを備えることを特徴とする硬度計。
  2. 【請求項2】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。
  3. 【請求項3】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、 前記供試体上の任意の位置に照射光を照射する照射装置
    と、 前記照射光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を備えることを特徴とする硬
    度計。
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