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JP5977557B2 - 硬さ試験機 - Google Patents

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Description

本発明は、硬さ試験機に関する。
一般に、金属部品では、部品に求められる機械的性質の向上を目的として、熱処理により表面の硬さを硬くする処理が行われる。そして、この熱処理により「表面の硬さが要求される硬さになったか否か」、或いは「表面から一定の深さまで規定の硬さが得られたか否か」などが、硬さ試験を行うことにより評価される。
従来、ビッカース硬さ試験法、ヌープ硬さ試験法など、平面形状が多角形の圧子を試料の表面に押し付け、試料表面に生じる多角形のくぼみの対角線長さより硬度を測定する硬さ試験機を用いた押し込み式の硬さ試験法はよく知られており、これは金属材料の機械的性質の評価に多く用いられている(例えば、特許文献1参照)。
周知のように、ビッカース硬さ試験法は、ダイヤモンド正四角錘による圧子を使用し、試料表面に生じる正四角錘形状のくぼみの二つの対角線長さの平均値と圧子の試料に対する押し付け荷重との関係において硬度を示すものであり、ヌープ硬さ試験法は、ダイヤモンド長四角錘による圧子を使用し、試料表面に生じる長四角錘形状のくぼみの長い方の対角線長さと圧子の試料に対する押し付け荷重との関係において硬度を示すものである。
通常、硬さ試験機で対象の金属部品(以下、試料と称する)の硬さを評価する場合、ユーザは予め試料の試験位置を決定し、XYステージを移動させて目標の試験位置にくぼみが形成されるように試料を位置決めし、硬さ試験処理を行う。図10に示すように、試験位置P、…は、多くの場合、試料Sの端部から水平方向の内側の方向に向かう直線L1、L2、…上に所定のピッチ毎に指定される。なお、試料Sの形状は複雑な形状であるので、上記の試験位置P、…は、様々な方向に向かう直線L1、L2、…上に指定される。
自動で駆動制御されるXYステージを備える硬さ試験機においては、試験位置P、…のレイアウトなどをPC上で行い、試料Sの位置決めに際しては、目標の試験位置P、…をくぼみが形成される位置に配置させるまでの移動量をPCが自動で計算することにより、自動的にXYステージを移動させて試料Sを位置決めさせるようになっている。
特開2004−286541号公報
しかしながら、手動式のXYステージを備える硬さ試験機において硬さ試験を行う場合、ユーザが自分で計算して上記移動量を求める必要があるため、手間が生じていた。また、XYステージを手動で移動させる際にどの程度移動させたかを容易に把握することができないため、算出した移動量分だけXYステージを移動させる作業が困難であった。
本発明は、手動式のXYステージを備える場合であっても、容易に試料の位置決めを行うことができる硬さ試験機を提供することを目的とする。
請求項1に記載の発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、
試料台に載置された試料の表面に圧子により所定の試験力を負荷してくぼみを形成させ、当該くぼみの寸法を計測することにより試料の硬さを測定する硬さ試験機において、
前記試料台を水平方向に移動させるXYステージと、
対物レンズを介して前記試料の表面を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段により撮像された前記試料の表面の画像を表示する表示手段と、
前記表示手段に表示された前記画像上で、前記くぼみを形成させる試験位置を指定する試験位置指定手段と、
前記XYステージの移動に伴い、前記くぼみ形成時における前記圧子の中心位置である前記画像の中心位置と、前記試験位置と、の水平方向のずれ量を算出し、当該算出されたずれ量を前記表示手段に表示させる制御手段と、
を備えることを特徴とする。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の硬さ試験機において、
前記制御手段は、前記算出されたずれ量に基づいて、前記試験位置から前記圧子の中心位置までの距離の遠近を報知手段により報知させることを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の硬さ試験機において、
前記制御手段は、前記算出されたずれ量が0になった場合に、前記試験位置が前記圧子の中心位置に到達したことを報知手段により報知させることを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか一項に記載の硬さ試験機において、
前記制御手段は、前記算出されたずれ量に基づいて、前記試験位置が前記圧子の中心位置から遠ざかっていると判定した場合に、反対方向への移動であることを報知手段により報知させることを特徴とする。
本発明によれば、試料の試験位置を実際にくぼみが形成される圧子の位置に配置させるまでの移動すべき量をXYステージの移動に伴いリアルタイムで表示手段に表示させることができることとなって、手動式のXYステージを備える場合であっても、容易に試料の位置決めを行うことができる。
本発明に係る硬さ試験機の全体構成を示す斜視図である。 本発明に係る硬さ試験機の試験機本体を示す模式図である。 本発明に係る硬さ試験機の硬さ測定部を示す模式図である。 本発明に係る硬さ試験機の制御構造を示すブロック図である。 本発明に係る硬さ試験機の動作を示すフローチャートである。 モニタに表示される試料の表面の画像の一例を示す図である。 図6の画像上で試験位置がレイアウトされた様子の一例を示す図である。 図7の画像上で最初の試験位置が画像の中心位置に配置されるまでのXYステージの移動量が表示された様子の一例を示す図である。 図8の状態から、最初の試験位置が画像の中心位置に配置されるように試料を移動させた様子の一例を示す図である。 従来技術に係る硬さ試験機において、試験位置が指定された様子の一例を示す図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明において、図1におけるX方向を左右方向とし、Y方向を前後方向とし、Z方向を上下方向とする。また、X−Y面を水平面とする。
本実施形態に係る硬さ試験機100は、例えば、ビッカース硬さ試験機であり、図1及び図2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等を備えている。
試験機本体10は、試料Sの硬さ測定を行う硬さ測定部1と、試料Sを載置する試料台2と、試料台2を水平方向に移動させるXYステージ3と、試料Sの表面に焦点を合わせるために試料台2及びXYステージ3を上下方向に昇降する昇降機構部5等を備えている。
硬さ測定部1は、図3に示すように、試料Sの表面を照明する照明装置11と、試料Sの表面を撮像するCCDカメラ12と、圧子141を備える圧子軸14と対物レンズ15を備え、回転することにより圧子軸14と対物レンズ15との切り替えが可能なターレット16等により構成されている。
照明装置11は、光を照射することにより試料Sの表面を照明するものであり、照明装置11から照射される光は、レンズ1a、ハーフミラー1d、ミラー1e、対物レンズ15を介して試料Sの表面に到達する。
CCDカメラ12は、試料Sの表面から対物レンズ15、ミラー1e、ハーフミラー1d、ミラー1g、及びレンズ1hを介して入力された反射光に基づき、当該試料Sの表面や圧子141により試料Sの表面に形成されるくぼみを撮像して画像データを取得し、複数フレームの画像データを同時に蓄積、格納可能なフレームグラバ17を介して、制御部6に出力する。
即ち、CCDカメラ12は、撮像手段として機能する。
圧子軸14は、ターレット16の下面に複数保持されており、ターレット16の回転により試料Sの上方に配置されることで、制御部6が出力する制御信号に応じて駆動される負荷機構部(図示省略)により、試料台2に載置された試料Sに向け移動され、先端部に備えたダイヤモンド正四角錘による圧子141を試料Sの表面に所定の試験力で押し付ける。
対物レンズ15は、それぞれ異なる倍率からなる集光レンズであり、ターレット16の下面に複数保持されており、ターレット16の回転により試料Sの上方に配置されることで、照明装置11から照射される光を一様に試料Sの表面に照射させる。
ターレット16は、下面に圧子軸14と複数の対物レンズ15を取り付け、Z軸方向を中心に回転することにより、当該圧子軸14と複数の対物レンズ15の中の何れか一つを切り替えて、試料Sの上方に配置可能なように構成されている。つまり、圧子軸14を試料Sの上方に配置することで試料Sの表面にくぼみを形成し、対物レンズ15を試料Sの上方に配置することで当該形成されたくぼみを観察することが可能となる。
試料台2は、上面に載置される試料Sを試料固定部2aで固定する。
XYステージ3は、ユーザにより手動で駆動され、試料台2を圧子141の移動方向(Z軸方向)に垂直な方向(X軸,Y軸方向)、即ち、水平方向に移動させる。
昇降機構部5は、ユーザにより手動で駆動され、試料台2及びXYステージ3を上下方向(Z軸方向)に昇降させることで、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。
操作部7は、キーボード71、マウス72等により構成されており、硬さ試験を行う際のユーザによる入力操作を実行させる。そして、操作部7により所定の入力操作がなされると、その入力操作に応じた所定の操作信号が制御部6に出力される。
例えば、操作部7は、ユーザに、当該硬さ試験機100による硬さ試験を実施する際の試験条件値を入力させることができる。そして、入力された試験条件値は制御部6に送信される。ここで、試験条件値とは、例えば、試料Sの材質、圧子141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、等の値である。
また、操作部7は、ユーザに、モニタ8に表示された試料Sの表面の画像上で、くぼみを形成させる試験位置を指定させることができる。
即ち、操作部7は、試験位置指定手段として機能する。
モニタ8は、例えば、LCDなどの表示装置により構成されており、操作部7において入力された硬さ試験の設定条件、試験位置のレイアウト、硬さ試験の結果、CCDカメラ12が撮像した試料Sの表面や試料Sの表面に形成されるくぼみの画像等を表示する。
即ち、モニタ8は、表示手段として機能する。
制御部6は、図4に示すように、CPU(Central Processing Unit)61、RAM(Random Access Memory)62、記憶部63等を備えて構成され、記憶部63に記憶された所定のプログラムが実行されることにより、所定の硬さ試験を行うための動作制御等を行う機能を有する。
CPU61は、記憶部63に格納された処理プログラム等を読み出して、RAM62に展開して実行することにより、硬さ試験機100全体の制御を行う。
RAM62は、CPU61により実行された処理プログラム等を、RAM62内のプログラム格納領域に展開するとともに、入力データや上記処理プログラムが実行される際に生じる処理結果等をデータ格納領域に格納する。
記憶部63は、例えば、プログラムやデータ等を記憶する記録媒体(図示省略)を有しており、この記録媒体は、半導体メモリ等で構成されている。また、記憶部63は、CPU61が硬さ試験機100全体を制御する機能を実現させるための各種データ、各種処理プログラム、これらプログラムの実行により処理されたデータ等を記憶する。
次に、本実施形態に係る硬さ試験機100の動作について、図5のフローチャートを参照して説明する。
まず、CCDカメラ12により試料Sの表面の画像データを取得する(ステップS1)。具体的には、ユーザは、試料台2に硬さ試験の対象となる試料Sを載置して試料固定部2aで固定し、ターレット16を回転させて対物レンズ15を試料Sの上方に配置させる。CCDカメラ12は、対物レンズ15を介して試料Sの表面を撮像して画像データを取得し、制御部6に出力する。
次に、試料Sの表面の画像をモニタ8に表示する(ステップS2)。具体的には、CPU61は、CCDカメラ12から出力された試料Sの表面の画像データに基づいて、試料Sの表面の画像Gをモニタ8に表示させる(図6参照)。
次に、目標となる試験位置を画像G上でレイアウトする(ステップS3)。具体的には、ユーザは、操作部7を操作して、モニタ8に表示された試料Sの表面の画像G上で、くぼみを形成させる所望の試験位置P1、P2、…を指定する(図7参照)。ユーザは、試験位置P1、P2、…の指定が全て完了すると、操作部7を操作して試験位置の指定完了を示す指示を入力する。
次に、画像Gの中心位置Oと、最初の試験位置P1と、のXY方向(水平方向)のずれ量を表示する(ステップS4)。具体的には、CPU61は、試験位置の指定完了を示す指示の入力操作に応じた操作信号を操作部7から受け付けると、試料Sにくぼみが形成される際の圧子141の中心位置である画像Gの中心位置Oと、目標である最初の試験位置P1と、のXY方向のずれ量を算出し、当該算出されたずれ量、即ち、最初の試験位置P1が画像Gの中心位置Oに配置されるまでのXYステージ3の移動すべき量をモニタ8に表示させる(図8参照)。例えば、図8に示す例では、最初の試験位置P1は、画像Gの中心位置OからX方向に「−5.00」、Y方向に「1.00」ずれていることが示されている。
即ち、CPU61は、XYステージ3の移動に伴い、くぼみ形成時における圧子141の中心位置と、試験位置P1、P2、…と、のXY方向のずれ量を算出し、当該算出されたずれ量をモニタ8に表示させる制御手段として機能する。
次に、最初の試験位置P1が画像Gの中心位置Oに配置されるように試料Sを位置決めする(ステップS5)。具体的には、ユーザは、ステップS4で表示されたXY方向のずれ量を参照して、XYステージ3をXY方向に移動させる。このとき、CPU61は、画像Gの中心位置Oと、最初の試験位置P1と、のXY方向のずれ量を随時算出し、当該算出されたXY方向のずれ量をモニタ8にリアルタイムで表示させる。そして、ユーザは、上記XY方向のずれ量がX方向、Y方向ともに「0」となる位置までXYステージ3を移動させる(図9参照)。
次に、圧子141により最初の試験位置P1にくぼみを形成する(ステップS6)。具体的には、ユーザは、ターレット16を回転させて、圧子141を試料Sの上方に配置させ、操作部7を操作してくぼみ付けの指示を入力する。CPU61は、上記入力操作に応じた操作信号を操作部7から受け付けると、負荷機構部を駆動することにより、圧子141を下降させ、最初の試験位置P1にくぼみを形成させる。以下、残りの試験位置P2、…において、ステップS34〜ステップS36の処理を繰り返すことにより、全ての試験位置P1、P2、…においてくぼみを形成させる。
次に、CCDカメラ12により試料Sの表面の画像データを取得する(ステップS7)。具体的には、ユーザは、ターレット16を回転させて、対物レンズ15を試料Sの上方に配置させる。CCDカメラ12は、対物レンズ15を介して試料Sの表面を撮像して画像データを取得し、制御部6に出力する。
次に、試料Sの表面に形成されたくぼみに基づいて、試料Sの硬さ値を算出する(ステップS8)。具体的には、CPU61は、CCDカメラ12から出力された試料Sの表面の画像データを解析し、試料Sの表面に形成されたくぼみの対角線長さを計測し、当該計測された対角線長さに基づいて試料Sの硬さ値を算出する。
以上のように、本実施形態に係る硬さ試験機100によれば、試料台2を水平方向に移動させるXYステージ3と、対物レンズ15を介して試料Sの表面を撮像するCCDカメラ12と、CCDカメラ12により撮像された試料Sの表面の画像Gを表示するモニタ8と、モニタ8に表示された画像G上で、くぼみを形成させる試験位置P1、P2、…を指定する操作部7と、XYステージ3の移動に伴い、くぼみ形成時における圧子141の中心位置と、試験位置P1、P2、…と、のXY方向のずれ量を算出し、当該算出されたずれ量をモニタ8に表示させるCPU61と、を備えるので、試料Sの試験位置P1、P2、…を実際にくぼみが形成される圧子141の位置に配置させるまでの移動すべき量をXYステージ3の移動に伴いリアルタイムでモニタ8に表示させることができることとなって、手動式のXYステージ3を備える場合であっても、容易に試料Sの位置決めを行うことができる。
以上、本発明に係る実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
(変形例1)
例えば、上記実施形態では、試料Sにくぼみが形成される際の圧子141の中心位置である画像Gの中心位置Oと、目標の試験位置P1、P2、…と、のXY方向のずれ量を算出し、当該算出されたずれ量をモニタ8に表示させるようにしているが、これに加えて、CPU61の制御により、上記算出されたずれ量に基づいて、目標の試験位置P1、P2、…から画像Gの中心位置Oまでの距離の遠近をユーザに報知させるようにしてもよい。
例えば、目標の試験位置P1、P2、…が画像Gの中心位置Oから所定の距離内に接近した場合に、上記ずれ量を赤く表示させ、目標の試験位置P1、P2、…が画像Gの中心位置Oから所定の距離以上離れた場合に、上記ずれ量を青く表示させるようにしてもよい。この場合、モニタ8が報知手段として機能する。
また、音声を出力可能なスピーカ(図示省略)等を設けるようにし、上記所定の距離内に接近した場合に、「目標位置まであと少しです」と音声を出力させ、上記所定の距離以上離れた場合に、「目標位置から遠くなりました」と音声を出力させるようにしてもよい。この場合、スピーカが報知手段として機能する。
また、上記所定の距離内に接近した場合に、XYステージ3を振動させ、上記所定の距離以上離れた場合に、XYステージ3を移動させる際の負荷を増加させるようにしてもよい。この場合、XYステージ3が報知手段として機能する。
なお、上記した色や音声、操作感の組み合わせについては一例に過ぎず、ユーザに遠近を報知できる範囲で適宜変更することが可能である。
以上のように、変形例1に係る硬さ試験機100によれば、CPU61は、算出されたずれ量に基づいて、目標の試験位置P1、P2、…から圧子141の中心位置(画像Gの中心位置O)までの距離の遠近を報知手段(モニタ8、スピーカ、XYステージ3)により報知させるので、ユーザはXYステージ3を移動させながら目標までの距離の遠近を把握することができることとなって、更に容易に試料Sの位置決めを行うことができる。
(変形例2)
また、例えば、上記変形例1では、目標の試験位置P1、P2、…から圧子141の中心位置(画像Gの中心位置O)までの距離の遠近をユーザに報知させるようにしているが、これに加えて、CPU61の制御により、算出されたずれ量が0になった場合に、目標の試験位置P1、P2、…が画像Gの中心位置Oに到達したことをユーザに報知させるようにしてもよい。
例えば、算出されたずれ量が0になった場合に、モニタ8に表示される「0」の文字を黄色く表示させるようにしてもよい。また、「0」の文字を点滅表示させるようにしてもよい。
また、算出されたずれ量が0になった場合に、「目標位置に到達しました」と音声を出力させるようにしてもよい。
また、算出されたずれ量が0になった場合に、XYステージ3をロックさせるようにしてもよい。
なお、上記した色や音声、操作感については一例に過ぎず、ユーザに到達を報知できる範囲で適宜変更することが可能である。
以上のように、変形例2に係る硬さ試験機100によれば、CPU61は、算出されたずれ量が0になった場合に、目標の試験位置P1、P2、…が圧子141の中心位置に到達したことを報知手段(モニタ8、スピーカ、XYステージ3)により報知させるので、ユーザはXYステージ3を移動させながら目標位置への到達を把握することができることとなって、更に容易に試料Sの位置決めを行うことができる。
(変形例3)
例えば、上記変形例1では、目標の試験位置P1、P2、…から圧子141の中心位置(画像Gの中心位置O)までの距離の遠近をユーザに報知させるようにし、上記変形例2では、目標の試験位置P1、P2、…が画像Gの中心位置Oに到達したことをユーザに報知させるようにしているが、これに加えて、CPU61の制御により、算出されたずれ量に基づいて、目標の試験位置P1、P2、…が画像Gの中心位置Oから遠ざかっていると判定した場合に、反対方向への移動であることをユーザに報知させるようにしてもよい。
例えば、目標の試験位置P1、P2、…が画像Gの中心位置Oから遠ざかっていると判定した場合に、モニタ8に表示されるずれ量を緑色で表示させるようにしてもよい。また、ずれ量の表示を消去させるようにしてもよい。
また、目標の試験位置P1、P2、…が画像Gの中心位置Oから遠ざかっていると判定した場合に、「目標位置とは反対の方向です」と音声を出力させるようにしてもよい。
また、目標の試験位置P1、P2、…が画像Gの中心位置Oから遠ざかっていると判定した場合に、XYステージ3を移動させる際の負荷を増加させるようにしてもよい。
なお、上記した色や音声、操作感については一例に過ぎず、ユーザに反対方向への移動であることを報知できる範囲で適宜変更することが可能である。
以上のように、変形例3に係る硬さ試験機100によれば、CPU61は、算出されたずれ量に基づいて、目標の試験位置P1、P2、…が圧子141の中心位置から遠ざかっていると判定した場合に、反対方向への移動であることを報知手段(モニタ8、スピーカ、XYステージ3)により報知させるので、ユーザはXYステージ3を移動させながら誤った方向への操作を把握することができることとなって、試料Sの位置決めを効率的に行うことができる。
なお、変形例1〜3についてはそれぞれ単独で適用することもできるし、任意に組み合わせることも可能である。
また、上記実施形態では、硬さ試験機100としてビッカース硬さ試験機を例示して説明しているが、これに限定されるものではない。例えば、ダイヤモンド長四角錘による圧子を備えるヌープ硬さ試験機や、圧子の形状が球形状に形成されたブリネル硬さ試験機に適用することも可能である。
その他、硬さ試験機100を構成する各装置の細部構成及び細部動作に関しても、本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。
100 硬さ試験機
10 試験機本体
1 硬さ測定部
11 照明装置
12 CCDカメラ(撮像手段)
14 圧子軸
141 圧子
15 対物レンズ
16 ターレット
17 フレームグラバ
2 試料台
3 XYステージ(報知手段)
5 昇降機構部
6 制御部
61 CPU(制御手段)
62 RAM
63 記憶部
7 操作部(試験位置指定手段)
8 モニタ(表示手段、報知手段)
S 試料
G 画像
P1〜P9 試験位置

Claims (4)

  1. 試料台に載置された試料の表面に圧子により所定の試験力を負荷してくぼみを形成させ、当該くぼみの寸法を計測することにより試料の硬さを測定する硬さ試験機において、
    前記試料台を水平方向に移動させるXYステージと、
    対物レンズを介して前記試料の表面を撮像する撮像手段と、
    前記撮像手段により撮像された前記試料の表面の画像を表示する表示手段と、
    前記表示手段に表示された前記画像上で、前記くぼみを形成させる試験位置を指定する試験位置指定手段と、
    前記XYステージの移動に伴い、前記くぼみ形成時における前記圧子の中心位置である前記画像の中心位置と、前記試験位置と、の水平方向のずれ量を算出し、当該算出されたずれ量を前記表示手段に表示させる制御手段と、
    を備えることを特徴とする硬さ試験機。
  2. 前記制御手段は、前記算出されたずれ量に基づいて、前記試験位置から前記圧子の中心位置までの距離の遠近を報知手段により報知させることを特徴とする請求項1に記載の硬さ試験機。
  3. 前記制御手段は、前記算出されたずれ量が0になった場合に、前記試験位置が前記圧子の中心位置に到達したことを報知手段により報知させることを特徴とする請求項1又は2に記載の硬さ試験機。
  4. 前記制御手段は、前記算出されたずれ量に基づいて、前記試験位置が前記圧子の中心位置から遠ざかっていると判定した場合に、反対方向への移動であることを報知手段により報知させることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の硬さ試験機。
JP2012070584A 2012-03-27 2012-03-27 硬さ試験機 Active JP5977557B2 (ja)

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