(57)【要約】  【課題】  高分解能であり、且つ、構造の簡単な微小硬度計を提供する。  【解決手段】  圧子１１と一緒に移動する反射器１２の反射面を曲面状とする。被測定物３０への押し込みにより圧子１１が移動したとき、反射面で反射されるレーザービームは大きく振れる。これにより、圧子１１の僅かの移動でも大きく検出することができるようになる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧子を被測定物に垂直に押し込むことにより該被測定物の硬さを測定する硬度計において、
圧子に固定された曲面状の反射面を有する反射器と、反射器にビーム光を照射するための光源と、反射器で反射されたビーム光の位置を検出する検出器とを備えることを特徴とする微小硬度計。
【請求項２】
前記反射器の反射面が円筒形であることを特徴とする請求項１に記載の微小硬度計。
【請求項３】
反射器で反射されたビーム光を検出器上に集束する光学素子を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の微小硬度計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非常に薄い磁性膜等の硬さを測定したり、微小領域の硬さを測定したりするために用いられる微小硬度計に関する。
【背景技術】
【０００２】
微小硬度計では、被測定物の表面に所定の荷重で圧子を押し込み、荷重と押し込み量（圧子の変位）の関係から、被測定物の硬さを求める。
非常に薄い膜や微小領域の硬さを測定する際、或いは非常に柔らかい材料の硬さを測定する際は、微小な圧子を被測定物に微小な荷重で押し込む。押し込み荷重が微小であることから、圧子の変位も非常に小さなものとなる。
被測定物に押し込んだ際の圧子の微小な変位を測定するためには、通常、測定光と参照光の干渉を利用する干渉型のレーザー変位計や、電極間の距離の変化に伴う静電容量の変化を利用する静電容量変位計が用いられる（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開2003-130774号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
厚さ数μmの膜や大きさ数μmの微小領域の硬さの測定を行う場合、圧子の変位は数μm〜数百nmのオーダーとなる。また、そのようなオーダーの変位量で硬さを再現性良く測定するためには、その変位の更に百分の一程度のオーダーの分解能が要求される。しかし、干渉型のレーザー変位計や静電容量変位計を用いた場合、そのようなオーダーの変位を測定したり、更にはその百分の一の分解能を得ることは非常に困難である。
また、干渉型のレーザー変位計や静電容量変位計は構造が複雑であり、装置が高価であるという問題もある。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、数μm程度の厚さの膜や、同程度の大きさの領域の硬さを再現性良く測定することができるとともに、安価に製造することのできる微小硬度計を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために成された本発明は、圧子を被測定物に垂直に押し込むことにより該材料の硬さを測定する硬度計において、圧子に固定された曲面状の反射面を有する反射器と、反射器にビーム光を照射するための光源と、反射器で反射されたビーム光の位置を検出する検出器とを備えることを特徴とする。
【０００７】
被測定物の硬さを測定する際は、圧子を被測定物に垂直に押し込みつつ、ビーム光を反射器に照射する。反射器は曲面状の反射面を有しているため、圧子の押し込みにより反射器が変位すると、ビーム光の反射角が変化して、検出器におけるビーム光の検出位置が大きく変化する。従って、圧子の微小な変位も高精度に測定できるようになる。反射面の曲率を大きくすると、圧子の変位に対する反射面の傾きの変化がより大きくなるため、より高精度で硬さを測定することができるようになる。
【０００８】
反射面の曲面形状としては、円筒形、球形等の形状を採用することができる。また、ビーム光の光源に向かって凹面としてもよい。反射器の大きさや反射面の曲率は、微小硬度計の測定範囲（圧子の押し込み深さの範囲）や所望の分解能に合わせて適宜設定する。反射器を大きくすると、大きな変位にも対応することができ、測定範囲を広げることができる。また、反射面に曲率の大きいものを用いると、圧子の変位による反射レーザー光の反射角度の変化が大きくなるため、より高分解能で測定することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る微小硬度計は、圧子の僅かの変位をビーム光の振れ角により拡大して検出するため、微小硬さを高精度で測定することができる。しかも、その構造が単純であるため、従来の干渉型のレーザー変位計や静電容量変位計を用いた装置と比較して安価に製造することができる。
【００１０】
また、反射器の反射面の曲率を大きくすることにより、圧子の押し込み量の変化に対するビーム光の反射角度の変化の割合を大きくすることができるため、より高精度の微小硬度計も容易に作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、本発明の一実施例である微小硬度計の概略構成図である。本実施例の微小硬度計は、被測定物３０に圧子１１の押し込みを行う測定部１０と、圧子１１の押し込み量の解析や装置全体の動作の制御を行う制御部２０を備える。
【００１２】
測定部１０は、圧子１１、圧子１１の背面に固定された反射器１２、反射器１２にレーザービームを照射するレーザー光源１３、反射器１２で反射されたレーザービームを集束させるレンズ１４、反射レーザービームの位置を検出する検出器１５等を備える。圧子１１は圧子ベース１７の下部に固定され、圧子ベース１７はアクチュエータ１８により上下される。レーザー光源１３、集束レンズ１４及び検出器１５は、圧子ベース１７に対して位置が固定されている。
【００１３】
圧子ベース１７を図２により詳しく説明する。圧子１１は板バネ１９を介して圧子ベース１７に固定されている。板バネ１９の中央長手方向には２本のスリット１９ａが設けられ、両スリット１９ａにより挟まれた弾性部１９ｂの中央の下部に圧子１１が固定されている。圧子１１が固定された弾性部１９ｂの真上には、反射器１２が固定されている。反射器１２の上面は、半円筒状の反射面となっている。圧子ベース１７は、アーム部１７ａによりアクチュエータ１８に水平な状態で取り付けられている。
【００１４】
アクチュエータ１８は、圧子ベース１７を垂直に上下させる機構の他、圧子ベース１７に掛かる垂直方向の力を検出する力センサ（ロードセル）を備えている（図示せず）。圧子ベース１７に掛かる力は、すなわち、圧子１１による被測定物３０への押し込み力である。この押し込み力の信号は、後述の制御装置２１に送られる。
【００１５】
レンズ１４は、反射器１２の円筒状の反射面に対応して、シリンドリカルレンズを用いる。なお、反射器１２の反射面は半球状としてもよいが、その場合は凸形状のレンズを用いる。反射器１２の反射面を凹面とした場合は、その凹面鏡によりレーザービームが検出器１５上に集束するようにすれば、レンズ１４を設ける必要がない。
【００１６】
本実施例では、検出器１５として４分割フォトダイオードを使用する。なお、２分割フォトダイオード等、ビーム光の位置変化を検出できるものであれば他の光検出器でも本発明を実施することは可能である。圧子１１の変位の測定の分解能を高めるために、検出器１５は、反射器１２との距離が十分長くなるように設置することが望ましい。圧子１１が何も負荷を受けていない状態では、光源１３から発射され、反射器１２で反射されてレンズ１４で集束されるレーザービームは４分割フォトダイオードのほぼ中央を照射するように、それらの位置関係が調整されている。
【００１７】
制御部２０は、圧子１１の動きを制御するとともに、圧子１１の変位に関する信号と押し込み荷重に関する信号を検出器１５及びアクチュエータ１８から受け、硬さ値を算出する制御装置２１、圧子の押し込み荷重等の測定条件等を入力したり、算出された硬さ値に関するデータ処理を行うパーソナルコンピュータ２２、測定条件や測定結果等を表示するCRT２３等を備える。
【００１８】
本実施例に係る微小硬度計による硬さ測定の手順を示す。まず、xyz方向に移動可能な試料ステージ３１に被測定物３０を載置する。その後、制御装置２１により試料ステージ３１を移動させ、被測定物３０の目的測定部位が圧子１１の真下に位置するようにする。
【００１９】
測定部位を定めた後、硬さの測定を開始する。まず、アクチュエータ１８により、圧子１１が被測定物３０に接するまで圧子ベース１７を降下させる。レーザ光源１３、レンズ１４及び検出器１５は圧子ベース１７に対して位置が固定されているため、圧子１１が被測定物３０に接するまでは検出器１５の出力に変化はない。しかし、圧子１１が被測定物３０の表面に接触した時点で、被測定物３０からの反力により圧子１１が圧子ベース１７に対して上方に変位し始める。従って、制御装置２１は、反射器１２が変位を開始した時点で、圧子１１が被測定物３０に接したことを検知する。この時点以降、制御装置２１は圧子の降下速度を低速に変え、予め定められた荷重となるまで圧子１１を被測定物３０に押し込んでゆく。
【００２０】
圧子１１が被測定物３０に接した後、被測定物３０に押し込まれるにつれて、圧子１１は被測定物３０より反力を受け、板バネ１９の弾性部１９ｂは上方にたわんでゆく。これにより、反射器１２が圧子ベース１７に対して上方に移動することになるため、図３に示すように、レーザービームの反射面上での照射位置が変化する。なお、図３では被測定物３０を基準として図を描いているため、圧子１１及び反射器１２の方が下方に移動するように描かれている。反射面が曲面であるため、このレーザービームの照射位置の変化は、反射されるレーザービームの方向の変化に大きく現れ、検出器１５により高分解能で検出されるようになる。検出器１５で検出されたレーザービームの照射位置の変化、すなわち、圧子の押し込み深さの信号は、アンプ１６を介して制御装置２１に送られる。
【００２１】
制御装置２１では、検出器１５から送られてくる圧子１１の変位の信号と、アクチュエータ１８から送られてくる圧子１１の押し込み荷重の信号に基づき、例えば図４に示すような押し込み深さと押し込み力（試験力）の関係を表すグラフを作成し、これに基づいて被測定物３０の硬さを決定する。なお、これはあくまで一例であり、その他の基準により硬さ値を決定するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施例である微小硬度計の概略構成図。
【図２】圧子ベースの、(a)正面図、(b)平面図、及び、(c)側面図。
【図３】硬さ測定時の圧子とレーザービームの変位の様子を表した説明図。
【図４】圧子の押し込み深さと押し込み力（試験力）の関係を表すグラフの一例。
【符号の説明】
【００２３】
１０…測定部
１１…圧子
１２…反射器
１３…レーザー光源
１４…集束レンズ
１５…検出器
１７…圧子ベース
１８…アクチュエータ
１９…板バネ
１９ａ…スリット
１９ｂ…弾性部
２０…制御部
３０…被測定物
３１…試料ステージ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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