(57)【要約】【課題】温度ドリフトが少なく、かつ、良好な直先生のもとに高い分解能で圧子の変位を検出することができ、ひいては試料硬さを高い精度のもとに計測することのできる押し込み型の硬度計を提供する。【解決手段】圧子３の押し込み方向への変位により回動するカンチレバー式の反射鏡５にレーザ光を照射し、その反射光を光検出手段８ａ，８ｂで受光するとともに、その光検出手段８ａ，８ｂによる検出出力の変化を打ち消すように当該光検出手段８ａ，８ｂを移動させ、その移動量から圧子３の変位を求めることにより、光てこの原理を用いた零位法に基づく測定の採用により、課題を解決する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷機構の駆動により、試料表面に圧子を押し込むことによってその試料の硬度を計測する硬度計において、
上記圧子の押し込み方向への変位により回動するカンチレバー式の反射鏡と、その反射鏡の表面にレーザ光を照射するレーザ光源と、そのレーザ光の反射鏡による反射光を受光する光検出手段と、その光検出手段による検出出力の変化を打ち消すように当該光検出手段を移動させるサーボ機構を備え、その光検出手段の移動量から上記圧子の押し込み方向への変位量を求めることを特徴とする硬度計。
【請求項２】
上記光検出手段が、互いに隣接して配置された２つの光センサからなり、上記サーボ機構は、これら２つの光センサの出力が互いに一致するように当該２つの光センサを一体に移動させることを特徴とする請求項１に記載の硬度計。
【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、更に詳しくは、圧子を試料表面に押し込んでその硬度を求める、いわゆる押し込み型の硬度計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
押し込み型の硬度計においては、一般に、圧子を所定の荷重のもとに試料表面に押し込み、その押し込み量（窪み深さ）から試料の硬度を求める。圧子の試料表面への押し込み量は、圧子が試料表面に接触した後の変位量から求められる。
このような硬度計における圧子の変位検出手段としては、従来、差動トランスが主として用いられている（例えば特許文献１参照）。また、静電容量式の変位センサが用いられる場合もある。
【０００３】
【特許文献１】
特公平６−２５７２１号公報（第２頁、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、以上のような従来の硬度計に用いられている変位センサのうち、差動トランスは温度ドリフトに弱いという欠点があり、静電容量式の変位センサでは、特に測定範囲の端部においてリニアリティに問題があり、極めて高精度に圧子の変位量を、ひいては試料の硬さを測定することが困難である。
【０００５】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、温度ドリフトが少なく、かつ、良好な直線性のもとに高い分解能で圧子の変位を検出することができ、もって試料硬さを極めて高い精度のもとに計測することのできる硬度計の提供を目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の硬度計は、負荷機構の駆動により、試料表面に圧子を押し込むことによってその試料の硬度を計測する硬度計において、上記圧子の押し込み方向への変位により回動するカンチレバー式の反射鏡と、その反射鏡の表面にレーザ光を照射するレーザ光源と、そのレーザ光の反射鏡による反射光を受光する光検出手段と、その光検出手段による検出出力の変化を打ち消すように当該光検出手段を移動させるサーボ機構を備え、その光検出手段の移動量から上記圧子の押し込み方向への変位量を求めることによって特徴づけられる（請求項１）。
【０００７】
ここで、本発明においては、光検出手段を、互いに隣接して配置された２つの光センサによって構成し、サーボ機構は、これら２つの光センサの出力が互いに一致するように当該２つの光センサを一体に移動させる構成（請求項２）を好適に採用することができる。
【０００８】
本発明は、光てこを応用した零位法によって圧子の変位を検出することにより、所期の目的を達成しようとするものである。
【０００９】
すなわち、圧子の押し込み方向への変位により回動するカンチレバー式の反射鏡にレーザ光を照射すると、その反射光の光路は反射鏡の回動角度の２倍だけ回動する。その反射光を光検出手段により検出し、その検出結果の変化を打ち消すように光検出手段を移動させると、その移動量は圧子の変位量を拡大したものとなる。従ってこの光検出手段の移動量から圧子の押し込み方向への変位量を求めれば、圧子の変位を高い分解能のもとに測定することができる。しかも、この測定方式では温度ドリフトの発生が殆どなく、かつ、良好なリニアリティのもとに測定を行うことができる。
【００１０】
また、請求項２に係る発明のように、光検出手段として２つの光センサを隣接配置し、これらの各センサへの入射光量が互いに等しい状態を保つようにサーボ機構を動作させる構成の採用により、比較的簡単な構成のもとに高精度のサーボ機構を構築することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態の全体構成図であり、機械的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図である。また、図２はその要部の構成を拡大して示す模式図である。
【００１２】
略コ字形をした本体フレーム１に、被測定試料Ｗを載せるためのステージ２が設けられており、その上方に圧子３が支持部材３ａを介して負荷装置４に装着された状態で配置されている。負荷装置４は、例えば圧電式アクチュエータ、あるいは電磁力発生装置などの公知の機構であり、圧子３を図中上下方向に変位させることができる。この負荷装置４は、制御部１０から供給される制御信号によって駆動制御される。
【００１３】
圧子３に隣接して、カンチレバー式の反射鏡５が配置されている。この反射鏡５は、フレーム１に固定された固定台６にその一端側がヒンジ６ａを中心として回動自在に支持されており、他端側が圧子３の支持部材３ａの上端のエッジに当接支持されている。従って、この反射鏡５は、圧子３の上下動に応じた角度で傾斜する。
【００１４】
反射鏡５には、レーザ光源７からのレーザ光が照射される。そして、反射鏡５により反射されたレーザ光は、互いに隣接した状態で相互に一体化された２つのフォトディテクタ８ａ，８ｂによって受光される。このフォトディテクタ８ａ，８ｂは、駆動機構９の駆動により図中上下方向に移動するようになっている。この駆動機構９は、フォトディテクタ８ａ，８ｂの出力が互いに一致するように、センサ位置決め制御回路１１によってフィードバック制御される。そして、このセンサ位置決め制御回路１１から、駆動機構９によるフォトディテクタ８ａ，８ｂの移動量に比例した信号が出力され、その信号は制御部１０に取り込まれる。制御部１０では、そのセンサ位置決め制御回路１１から取り込んだ信号から、圧子３の移動量を求める。
【００１５】
図３にセンサ位置決め制御回路１１の構成例をブロック図で示す。この例は、駆動機構９の駆動源としてパルスモータ９ａを用いた例を示しており、２つのフォトディテクタ８ａ，８ｂの出力をそれぞれ増幅するアンプ１１ａ，１１ｂと、一方のアンプ１１ａの出力と他方のアンプ１１ｂの反転出力を加算してこれら両出力の偏差を求める加算点１１ｃと、その加算点１１ｃからの偏差信号に対してＰＩＤ（比例・積分・微分）などの演算を加える調節器１１ｄ、その調節器１１ｄの出力に応じて駆動機構９の駆動源であるパルスモータ９ａに対してパルスを供給するドライバ１１ｅを備えるとともに、そのドライバ１１ｅからパルスモータ９ａに供給したパルス数をカウントするカウンタ１１ｆを主体として構成されている。
【００１６】
以上の構成において、負荷機構４を駆動して圧子３を図中下方に移動させると、図２に矢印で示すように、反射鏡５がヒンジ６ａを中心として右まわりに回動し、これにより、その反射鏡５に照射されているレーザ光の反射角度が変化して、上側のフォトディテクタ８ａに入射する光量の方が下側のフォトディテクタ８ｂに入射する光量よりも多くなる。これにより、各フォトディテクタ８ａ，８ｂの出力に差が生じ、センサ位置制御回路１１の調節器１１ｄに入力する偏差が増大する。この偏差の増大により調節器１１ｄからの出力が大きくなり、ドライバ１１ｅから駆動機構９のパルスモータ９ａに対して駆動信号が供給され、偏差が０となるように、つまり２つのフォトディテクタ８ａ，８ｂへの入射光量が互いに等しくなるようにフォトディテクタ８ａ，８ｂが上方に移動する。
【００１７】
カウンタ１１ｆのカウント値は、従って、圧子３の下方への移動量に比例したものとなる。制御部１０では、そのカウンタ１１ｆの刻々のカウント値を取り込み、圧子３の移動量を算出する。また、制御部１０では、圧子３が被測定試料Ｗの表面に接触したことを公知の手段により検知し、その検知時点からのカウンタ１１ｆのカウント値の増加量から、圧子３の被測定試料Ｗへの押し込み量を求める。なお、制御部１０では、試験の終了時にはカウンタ１１ｆに対してリセット指令を与えるとともに、圧子３が原点に復帰して次の試験を開始するときに、カウンタ１１ｆに対してカウントのスタート指令を与える。
【００１８】
ここで、以上の実施の形態において特に注目すべき点は、反射鏡５がθだけ回動したとき、反射光の光路は２θだけ回転して、光てこの原理によりその回動量が拡大される点と、反射鏡５とフォトディテクタ８ａ．８ｂとの距離を長くすればするほど、圧子３の一定量の移動による、反射光のフォトディテクタ８ａ．８ｂへの入射位置の変化量を多くすることができる点である。従って、反射鏡５とフォトディテクタ８ａ，８ｂとのなす距離を適宜に設定することによって、圧子３の僅かな移動によりフォトディテクタ８ａ，８ｂが相当量移動することになり、従って、カウンタ１１ｆによるカウント値により、極めて高い分解能のもとに圧子３の移動量を計測することが可能となり、ひいては圧子３の被測定試料Ｗへの押し込み量を極めて高い分解能のもとに計測することができる。
【００１９】
なお、以上の実施の形態では、フォトディテクタ８ａ，８ｂの駆動機構９の駆動源にパルスモータ９ａを用いた例を示したが、他のモータやピエゾアクチュエータ等であってもよく、このような場合、ＰＩＤ演算を行う調節器１１ｄの積分結果のみを抽出することによって、フォトディテクタ８ａ，８ｂの移動量を求めることができる。
【００２０】
また、以上の実施の形態においては、２つのフォトディテクタ８ａ，８ｂに反射鏡５からの反射光を照射し、各フォトディテクタ８ａ，８ｂへの入射光量が互いに等しくなるようにこれらのフォトディテクタ８ａ，８ｂを移動させる例を示したが、反射光の光路変化に追随して光検出手段を移動させる方法は他の方法を採用することができる。例えば、反射鏡の回動の向きを別途検知する手段を設けることにより、１つのフォトディテクタを用いて、その入射光量を一定に維持するように当該フォトディテクタを移動させる方法等を採用することもできる。
【００２１】
また、以上の実施の形態においては、カンチレバー式の反射鏡５を固定台６に対してヒンジ６ａによって回動自在に支持し、その自由端を圧子３の支持部材３ａに当接させた例を示したが、このカンチレバー式の反射鏡５を、圧子３の支持部材３ａ側にヒンジ等を介して回動自在に支持し、自由端を固定台６に当接させてもよい。更に、カンチレバー式の反射鏡５を回動自在に支持する支持構造としては、ヒンジに代えて、反射鏡５自体の支持端近傍に可撓性を持たせ、その弾性変形により反射鏡５の角度が変化するように構成することもできる。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、圧子の負荷方向への変位量をカンチレバー式の反射鏡の回動変位に変換するとともに、この反射鏡にレーザ光を照射してその反射光を光検出手段に導き、その光検出手段による反射光の検出出力の変化を打ち消すように当該光検出手段を移動させ、その移動量から圧子の負荷方向への移動量を求めるので、光てこの原理と零位法に基づき、圧子の移動量を高い分解能のもとに正確に計測することができる。しかも、温度ドリフトが生じにくく、良好なリニアリティのもとに計測可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の全体構成図であり、機械的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図である。
【図２】図１の実施の形態の要部の構成を拡大して示す模式図である。
【図３】本発明の実施の形態におけるセンサ位置決め制御回路１１の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  本体フレーム
２  ステージ
３  圧子
３ａ  支持部材
４  負荷装置
５  反射鏡
６  固定台
６ａ  ヒンジ
７  レーザ光源
８ａ，８ｂ  フォトディテクタ
９  駆動機構
１０  制御部
１１  センサ位置決め制御回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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