(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧子によって試料表面に圧痕を形成させることに基づいて当該試料の材料特性を測定する試験機に用いられる圧痕形成機構であって、
前記試料表面に圧痕を形成させる押込力を圧子に作用させる為の力を付与する力付与手段と、
前記力付与手段によって付与された力を前記圧子に伝達する弾性部材と、
前記弾性部材の弾性変位量を検出する弾性変位量検出手段と、
前記弾性変位量検出手段の検出結果の変化に基づいて前記圧子に作用する押込力の増加率を算出する増加率算出手段と、
前記増加率算出手段によって算出された前記増加率と、予め設定された目標増加率との比較に基づいて、前記増加率が前記目標増加率に追随するよう前記力付与手段をフィードバック制御する増加率制御手段と、
前記弾性変位量検出手段の検出結果に基づいて前記圧子に作用している押込力を算出する押込力算出手段と、
前記押込力算出手段によって算出された押込力が、予め設定された目標押込力未満の所定の臨界押込力に達したか否かを判定する押込力判定手段と、
前記押込力判定手段によって前記押込力が前記臨界押込力に達したと判定された場合に、当該押込力が前記目標押込力に収束するよう前記力付与手段を制御する押込力制御手段と、を備え、
前記増加率制御手段は、前記押込力判定手段によって前記押込力が前記臨界押込力に達していないと判定された場合に、前記力付与手段のフィードバック制御を行うことを特徴とする圧痕形成機構。
【請求項２】
圧子によって試料表面に圧痕を形成させることに基づいて当該試料の材料特性を測定する試験機に用いられる圧痕形成機構であって、
前記試料表面に圧痕を形成させる押込力を圧子に作用させる為の力を付与する力付与手段と、
前記力付与手段によって付与された力を前記圧子に伝達する弾性部材と、
前記弾性部材の弾性変位量を検出する弾性変位量検出手段と、
前記弾性変位量検出手段の検出結果の変化に基づいて前記圧子に作用する押込力の増加率を算出する増加率算出手段と、
前記増加率算出手段によって算出された前記増加率と、予め設定された目標増加率との比較に基づいて、前記増加率が前記目標増加率に追随するよう前記力付与手段をフィードバック制御する増加率制御手段と、
前記圧子の前記試料への侵入量を検出する侵入量検出手段と、
前記侵入量検出手段によって検出された前記侵入量が、予め設定された制限侵入量未満の所定の臨界侵入量に達したか否かを判定する侵入量判定手段と、
前記侵入量判定手段によって前記侵入量が、前記臨界侵入量に達したと判定された場合に、当該侵入量が前記制限侵入量に収束するよう前記力付与手段を制御する侵入量制御手段と、を備え、
前記増加率制御手段は、前記侵入量判定手段によって前記侵入量が前記臨界侵入量に達していないと判定された場合に、前記力付与手段のフィードバック制御を行うことを特徴とする圧痕形成機構。
【請求項３】
請求項１または２記載の圧痕形成機構において、
前記増加率算出手段は、任意の時点における前記弾性変位量検出手段の検出結果と、前記時点から所定のサンプリング周期が経過した後における前記弾性変位量検出手段の検出結果と、の差分に基づいて前記増加率を算出することを特徴とする圧痕形成機構。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載の圧痕形成機構と、
前記圧痕形成機構によって前記試料に形成された圧痕の形態に関する所定の測定結果に基づいて当該試料の硬さを算出する硬さ算出手段と、
を備えたことを特徴とする硬さ試験機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧子を試料表面に押し込んで圧痕を形成させる事に基づいて当該試料の材料特性を評価する試験機に用いられる圧痕形成機構、及びこの圧痕形成機構を備えた硬さ試験機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
切削工具、鋳物、プラスチツク、ＩＣウエハその他の固体試料の表面近傍における物性を評価するものとして押込式の硬さ試験機が用いられている。この硬さ試験機は、試料の測定面に圧子を押し付け、当該押込力が目標値に達した後、その目標値を所定時間保持し、次いで圧子の侵入量すなわち押込深さや圧痕の表面積等に基づいて当該試料の硬さを計測するものである。なお、目標値を所定時間保持するのは、試料の弾性変形に起因して押込深さが小さくなってしまい、見掛け上硬度が極めて高くなってしまうと云う誤差を回避する為である。
【０００３】
この様な押込式の硬さ試験機には、特開２０００−３０４６７０号公報に開示されてある様に、圧子の押込力を予め定めた目標値に追随できるものも提供されている。この硬さ試験機は、弾性部材である板バネを介して圧子に押込力を与えるサーボモータを具備しており、このサーボモータが駆動する過程で板バネのバネ変位量から圧子の押込力を算出し、算出した押圧力に基づいてサーボモータをフィードバック制御する事により、その時点における押込力を所与の目標値に追随させるものであった。
この硬さ試験機によれば、圧子の押込力が目標値をオーバーシュートするのを回避できるので、規格通りの硬さ試験を行うことが実現される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の様な硬さ試験機では、圧子の侵入過程において、圧子の押込力の増加率すなわち負荷速度を所望の値に維持する制御は実現できなかった。従って、試料毎に負荷速度の変動の仕方が異なってしまう場合があり、複数の試料を厳密に等しい条件下で試験するのは困難であった。
また、利便性の観点から、押込力が目標値に達するまでの時間（以下、「負荷時間」という。）と、目標値を保持する時間（以下、「保持時間」という。）との合計に当たる試験荷重負荷時間を予め設定できる試験機にあっては、試料によって負荷速度が異なるので、結果として試料毎に保持時間が変わってしまうと云う弊害が生じていた。このため、素材の異なる試料について試験を行う毎に予備試験を行って当該試料の負荷時間を調べ、試験荷重負荷時間を設定し直す必要が生じていた。
【０００５】
本発明は、かかる問題点に鑑み成されたものであり、規格通りの負荷速度で以って硬さ試験を正確に行う技術を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する為、請求項１記載の発明は、例えば図１〜図８に示すように、圧子（３）によって試料（Ｓ）表面に圧痕を形成させることに基づいて当該試料の材料特性を測定する試験機に用いられる圧痕形成機構（１０）であって、
前記試料表面に圧痕を形成させる押込力を圧子に作用させる為の力を付与する力付与手段（例えば、サーボモータ６１等）と、前記力付与手段によって付与された力を前記圧子に伝達する弾性部材（例えば、板バネ７等）と、前記弾性部材の弾性変位量を検出する弾性変位量検出手段（例えば、バネ変位量センサ６４等）と、前記弾性変位量検出手段の検出結果の変化に基づいて前記圧子に作用する押込力の増加率を算出する増加率算出手段（例えば、微分器６５等）と、前記増加率算出手段によって算出された前記増加率と、予め設定された目標増加率との比較に基づいて、前記増加率が前記目標増加率に追随するよう前記力付与手段をフィードバック制御する増加率制御手段（例えば、荷重アーム作動制御部６７等）と、
前記弾性変位量検出手段の検出結果に基づいて前記圧子に作用している押込力を算出する押込力算出手段（例えば、バネ変位量センサ６４等）と、前記押込力算出手段によって算出された押込力が、予め設定された目標押込力未満の所定の臨界押込力に達したか否かを判定する押込力判定手段（例えば、判定部６６１等）と、前記押込力判定手段によって前記押込力が前記臨界押込力に達したと判定された場合に、当該押込力が前記目標押込力に収束するよう前記力付与手段を制御する押込力制御手段（例えば、荷重アーム作動制御部６７等）と、を備え、前記増加率制御手段は、前記判定手段によって前記押込力が前記臨界押込力に達していないと判定された場合に、前記力付与手段のフィードバック制御を行うことを特徴とする。
【０００７】
ここで、試料表面に圧子により圧痕を形成させることに基づいて試料の材料特性を測定する試験機とは、例えば、硬さを測定する硬さ試験機、圧痕形成中の試料の電気抵抗を測定する試験機などであるがこれらに限られず、圧痕形成機構を具備する試験機全てを含む。
力付与手段は、例えば、モータ駆動や、油圧や、空圧によりピストンを駆動するもの等があるが、これらに限られるものではなく、力を付与可能なものであればどのようなものであってもよい。
弾性部材とは、板バネやコイルバネ等である。
弾性変位量検出手段としては、リニアスケール、コンデンサピック（電荷容量型変位センサ）、ＬＶＤＴ（作動変圧器）、或いは電気マイクロメータ等を使用するが、これに限るものではなく、弾性部材の弾性変形量を測定可能なものであればどのようなものであってもよい。
【０００８】
請求項１記載の発明によれば、弾性変位量検出手段によって弾性部材の弾性変位量が検出され、増加率算出手段によって弾性変位量検出手段の検出結果の変化に基づいて圧子に作用する押込力の増加率（負荷速度）が算出され、増加率制御手段によって、増加率算出手段によって算出された増加率と予め設定された目標増加率との比較に基づいて、増加率が目標増加率に追随するよう力付与手段が制御されるので、試料に作用する負荷速度が試験の過程で常に目標値に維持される。従って、規格通りの負荷速度で以って硬さ試験を正確に行うことができる。
また、圧子の押込力が臨界押込力に達するまでは、増加率制御手段によって圧子の負荷速度が一定となるよう力付与手段が制御され、圧子の押込力が臨界押込力に達した後は押込力制御手段によって当該押込力が目標押込力に収束するよう力付与手段が制御されるので、圧子の押込力が目標押込力をオーバーシュートしてしまう事を確実に回避できる。
【０００９】
請求項２記載の発明は、例えば図１〜図８に示すように、圧子（３）によって試料（Ｓ）表面に圧痕を形成させることに基づいて当該試料の材料特性を測定する試験機に用いられる圧痕形成機構（１０）であって、
前記試料表面に圧痕を形成させる押込力を圧子に作用させる為の力を付与する力付与手段（例えば、サーボモータ６１等）と、前記力付与手段によって付与された力を前記圧子に伝達する弾性部材（例えば、板バネ７等）と、前記弾性部材の弾性変位量を検出する弾性変位量検出手段（例えば、バネ変位量センサ６４等）と、前記弾性変位量検出手段の検出結果の変化に基づいて前記圧子に作用する押込力の増加率を算出する増加率算出手段（例えば、微分器６５等）と、前記増加率算出手段によって算出された前記増加率と、予め設定された目標増加率との比較に基づいて、前記増加率が前記目標増加率に追随するよう前記力付与手段をフィードバック制御する増加率制御手段（例えば、荷重アーム作動制御部６７等）と、
前記圧子の前記試料への侵入量を検出する侵入量検出手段（例えば、アーム位置センサ８等）と、前記侵入量検出手段によって検出された前記侵入量が、予め設定された制限侵入量未満の所定の臨界侵入量に達したか否かを判定する侵入量判定手段（例えば、荷重アーム作動制御部６７等）と、前記侵入量判定手段によって前記侵入量が、前記臨界侵入量に達したと判定された場合に、当該侵入量が前記制限侵入量に収束するよう前記力付与手段を制御する侵入量制御手段（例えば、荷重アーム作動制御部６７等）と、を備え、前記増加率制御手段は、前記侵入量判定手段によって前記侵入量が前記臨界侵入量に達していないと判定された場合に、前記力付与手段のフィードバック制御を行うことを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明によれば、弾性変位量検出手段によって弾性部材の弾性変位量が検出され、増加率算出手段によって弾性変位量検出手段の検出結果の変化に基づいて圧子に作用する押込力の増加率（負荷速度）が算出され、増加率制御手段によって、増加率算出手段によって算出された増加率と予め設定された目標増加率との比較に基づいて、増加率が目標増加率に追随するよう力付与手段が制御されるので、試料に作用する負荷速度が試験の過程で常に目標値に維持される。従って、規格通りの負荷速度で以って硬さ試験を正確に行うことができる。
また、圧子の侵入量が臨界侵入量に達するまでは、増加率制御手段によって圧子の負荷速度が一定となるよう力付与手段が制御され、圧子の侵入量が臨界侵入量に達した後は侵入量判定手段によって圧子の侵入量が制限侵入量に収束するよう力付与手段が制御されるので、圧子の侵入量が目標侵入量をオーバーシュートしてしまう事を確実に回避できる。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載の圧痕形成機構において、前記増加率算出手段は、任意の時点における前記弾性変位量検出手段の検出結果と、前記時点から所定のサンプリング周期が経過した後における前記弾性変位量検出手段の検出結果と、の差分に基づいて前記増加率を算出することを特徴とする。
【００１２】
請求項３記載の発明によれば、請求項１または２に記載の発明の効果が得られるのは勿論のこと、増加率算出手段によって、任意の時点における弾性変位量検出手段の検出結果と、当該時点から所定のサンプリング周期が経過した後における弾性変位量検出手段の検出結果と、の差分に基づいて増加率が算出されるので、増加率を迅速に算出することができる。このような増加率算出手段はソフトウエアによって実現できる。
【００１３】
請求項４記載の発明の硬さ試験機（１）は、請求項１〜３の何れかに記載の圧痕形成機構（１０）と、前記圧痕形成機構によって前記試料に形成された圧痕の形態に関する所定の測定結果に基づいて当該試料の硬さを算出する硬さ算出手段（例えば、硬さ算出部９）と、を備えたことを特徴とする。
【００１４】
請求項４記載の発明によれば、請求項１〜３の何れかに記載の圧痕形成機構を具備するので、規格通りの負荷速度で以って硬さ試験を正確に行える硬さ試験機の提供が可能となる。
ここで、硬さ算出手段は、例えば、圧痕の深さに基づいて当該試料の硬さを算出するものであってもよいし、平面視における圧痕の対角線長さに基づいて当該試料の硬さを算出するものであってもよい。
また、硬さ試験機は、例えば、ロックウェル硬さ試験機、ビッカース硬さ試験機、ブリネル硬さ試験機、或いはマルテンス硬さ試験機等である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図１から図８を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、実施の形態による硬さ試験機の要部構成を示す図である。
図１に示す様に、硬さ試験機１は、試験機本体２と、この試験機本体２に回動自在に支持され、自由端部に圧子３が取付けられた荷重アーム４と、圧子３の下方の試験機本体２に設けられ、試料Ｓを載置する試料台５と、荷重アーム４の下方に設けられ、荷重アーム４の自由端側を回動させ、試料表面に圧痕を形成させる為の押圧力を作用させる力を付与する荷重アーム作動部６と、荷重アーム作動部６が作動した際に発生した力を荷重アーム４に伝達する板バネ７などにより構成された圧痕形成機構部１０を備えると共に、圧子３によって形成された圧痕の深さを測定するアーム位置センサ８と、このアーム位置センサ８による測定に基づいて試料Ｓの硬さを算出する硬さ算出部９（図３参照）を備えている。
【００１８】
また、硬さ試験機１は、目標押込力や負荷速度などの試験条件を入力する為の入力装置（図示せず）と、後述する試験条件入力画面（図７参照）や硬さ算出部９によって算出された硬さを表示出力する出力装置１１（図３参照）と、を有している。
なお、これら入力装置及び出力装置は、硬さ試験機１に着脱自在に外付けされたものであってもよい。
【００１９】
試験機本体２は、その内部に荷重アーム作動部６と、荷重アーム作動部６の駆動源となる電装部２１などを備えている。荷重アーム４は、試験機本体２に十字バネ４１或いは転がり軸受などにより回動自在に支持されると共に、自由端部には圧子３が着脱自在に取付けられている。また、この荷重アーム４は板バネ７と一体化されている。板バネ７と荷重アーム４との間には、長手方向に沿って溝部７ａが設けられ、圧子３側の溝部７ａの先端部は開口している。
【００２０】
試料台５は、その下面に角ネジ５１が設けられ、この角ネジ５１によって試験機本体２に上下動可能に取付けられている。更に、試料Ｓと圧子３が接触した際に自動的に試料台５を停止するオートブレーキ機構５２も備えている。荷重アーム作動部６は、電気的作動手段としてのサーボモータ６１と、ボールネジ６２と、ボールネジ６２の先端部に取付けられ、板バネ７に固定される固定治具６３と、を備えている。従って、サーボモータ６１が駆動してボールネジ６２が上下動する事により、板バネ７と一体化された荷重アーム４が回動するようになっている。固定治具６３は、荷重アーム４と荷重アーム作動部６を繋ぐもので、荷重アーム４の回動運動と板バネ７の弾性変形による板バネ７の軸と荷重アーム作動部６の軸のミスアライメントを吸収する機能を有し、例えば、薄い板、ピアノ線などの線材、或いはナイフエッジと十字バネの組合せ、ユニバーサルジョイントなどを単独或いは併用して構成されている。
【００２１】
この荷重アーム４の作動制御は、図２に示すように、荷重アーム４及び板バネ７に取付けられてこれらの開き量すなわち板バネ７のバネ変形量を検出するバネ変位量センサ６４と、このバネ変位量センサ６４の検出結果を時間微分する微分器６５と、バネ変位量センサ６４の検出結果または微分器６５の微分結果を選択的に採用して出力する切換部６６と、この切換部６６からの出力に基づいてサーボモータ６１のフィードバック制御を行う荷重アーム作動制御部６７と、により行われる。
【００２２】
バネ変位量センサ６４は、例えばガラススケールを光学的に読み取る変位センサユニット（リニアスケール）から成り、ボールネジ６２の下方への作動によって、板バネ７と荷重アーム４の間における溝部７ａの開き量からバネ変位量を検出し、検出したバネ変位量をＡ／Ｄ変換して切換部６６へ出力する。
ここで、バネ変位量は、圧子３の押圧力或いは試料Ｓに加わる試験荷重と等価である。
【００２３】
微分器６５は、ソフトウエアによって実現されるもので、現時点においてバネ変位量センサ６４によって検出されたバネ変位量と、現時点から所定のサンプリング周期前においてバネ変位量センサ６４によって検出されたバネ変位量とを差分することによりバネ変位量の時間微分を近似的に算出する。すなわち、微分器６５では、バネ変位量センサ６４の検出結果を所定のサンプリング周期で離散的に取得して得られる時系列データを差分することとしている。
尚、微分器６５は、微分回路等によるアナログハードウエア、或いは上記デジタルシーケンスをハードウエアによって実現することもできる。
【００２４】
切換部６６は、バネ変位量センサ６４によって検出された押込力が、予め設定された目標押込力未満の所定の臨界押込力に達したか否かを判定する判定部６６１を備え、判定部６６１によって押込力が臨界押込力に達していないと判定された場合には、微分器６５の微分結果を荷重アーム作動制御部６７に出力する一方、判定部６６１によって押込力が臨界押込力に達したと判定された場合には、バネ変位量センサ６４の検出結果を荷重アーム作動制御部６７に出力する。
なお、判定部６６１は、ソフトウエアによる比較判定命令によって実現することもできるし、コンパレータ等のようなハードウエアによって実現することもできる。
【００２５】
荷重アーム作動制御部６７は、第１のサーボゲイン演算回路６７１、荷重制御回路６７２、第２のサーボゲイン演算回路６７３、荷重アーム位置制御回路６７４、Ｄ／Ａ変換器６７５、サーボモータ駆動回路６７６、などにより構成されている。
【００２６】
第１のサーボゲイン演算回路６７１は、切換部６６から出力されたバネ変位量若しくは負荷速度、及び、アーム位置センサ８によって検出されたアーム位置信号とに基づいて、荷重の変化量と圧子３の侵入量の変化からバネ定数を算出して初期サーボゲイン（Ｇｆ）を決定する。
また、第１のサーボゲイン演算回路６７１は、所定回数のフィードバックステップの間にエラーの変化がない場合にはサーボゲインＧｆを増加させ、また、サーボゲインＧｆが所定以上となったら元に戻す制御を行う。第１のサーボゲイン演算回路６７１によって決定されたサーボゲインＧｆは、荷重制御回路６７２に出力される。尚、第１のサーボゲイン演算回路６７１は、演算結果を記憶するメモリ（図示せず）を備えている。
【００２７】
荷重制御回路６７２は、切換部６６からの出力と、予め設定された目標荷重とを比較し、これらの差分に当たる荷重制御信号に、第１のサーボゲイン演算回路６７１によって算出されたサーボゲインＧｆを乗じてＤ／Ａ変換器６７５に出力する。
【００２８】
第２のサーボゲイン演算回路６７３は、切換部６６から出力されたバネ変位量若しくは負荷速度、及びアーム位置センサ８によって検出されたアーム位置信号とに基づいて、荷重の変化量と圧子３の侵入量の変化からバネ定数を算出して初期サーボゲイン（Ｇｐ）を決定する。
【００２９】
荷重アーム位置制御回路６７４は、アーム位置センサ８によって検出されたアーム位置信号と、予め設定された目標位置データとを比較し、これらの差分に当たる位置制御信号に、サーボゲインＧｐを乗じてＤ／Ａ変換器６７５に出力する。
【００３０】
サーボモータ駆動回路６７６は、Ｄ／Ａ変換器６７５によってＤ／Ａ変換された荷重制御信号および位置制御信号を入力とし、微分要素と積分要素を加味して電流増幅器６７６ａで増幅した後、サーボモータ６１に出力する。
【００３１】
アーム位置センサ８は、バネ変位量センサ６４と同様に、例えば、ガラススケールを光学的に読み取る変位センサユニット（リニアスケール）から成り、荷重アーム４の上下方向の移動量を測定する。
ここで、荷重アーム４の上下方向の移動量は、圧子３の試料Ｓへの侵入量と等価である。
【００３２】
硬さ算出部９は、図３に示すように、増幅器９１、Ａ／Ｄ変換器９２、演算回路９３、出力回路９４などを具備している。
【００３３】
増幅器９１は、アーム位置センサ８により検出されたアーム位置変位信号を増幅し、Ａ／Ｄ変換器９２に出力する。Ａ／Ｄ変換器９２は、増幅されたアーム位置変位信号をＡ／Ｄ変換して演算回路９３に出力する。演算回路９３は、Ａ／Ｄ変換されたアーム位置変位信号を内蔵された演算プログラムに従って演算して硬さを算出して出力回路９４に出力する。出力回路９４は、演算回路９３によって算出された硬さデータを所定の出力形式のデータに加工して硬さ試験機１に接続された出力装置１１に出力する。
ここで、出力装置１１は、例えば、硬さデータをモニタする表示装置、或いは硬さデータを紙に印字して出力する印刷装置などである。
【００３４】
そして、サーボモータ駆動回路６７６によって制御されるサーボモータ６１の駆動により、ボールネジ６２が回転し、下方に作動する。その際、ボールネジ６２に取付けられた板バネ７と、これと一体化された荷重アーム４が下方に軸回転し、荷重アーム４の自由端に取付けられた圧子３が試料Ｓと接触する。このとき、板バネ７と荷重アーム４の間における溝部７ａの開き量がバネ変位量信号としてバネ変位量センサ６４によって検出され、検出されたバネ変位量信号が増幅されて、サーボゲイン演算回路６５１に出力される。
【００３５】
次に、硬さ試験機１の動作について図４及び図５に示すフローチャートに従って説明する。
先ず、図４を参照して、負荷速度一定制御（負荷速度フィードバック制御）における動作について説明する。
前提として、電源が投入されると図示せぬ表示装置には、図７に示す様な試験条件入力画面７０が表示される。図７において、符号７１は圧子の目標試験力（目標押込力）[Ｎ]を入力する為の入力枠である。符号７２は圧子の侵入量を予め制限するか否かを選択する為のチェックボックスである。符号７３は圧子の侵入量を制限する場合にその制限値[μｍ]を入力する為の入力枠である。
【００３６】
符号７４は試験の条件を負荷速度で指定するか或いは負荷時間で指定するかを選択する為のチェックボックスである。符号７５は試験の条件を負荷速度で指定する場合にその負荷速度［Ｎ／ｓｅｃ］を入力する為の入力枠である。符号７６は試験の条件を負荷時間で指定する場合にその負荷時間[ｓｅｃ]を入力する為の入力枠である。なお、ここで負荷時間を入力した場合には、当該負荷時間で以って入力枠７１に入力された目標試験力を割算する事により負荷速度が算出され、算出された負荷速度が入力枠７５に自動的に表示される。符号７７は圧子の試験力が目標試験力に達した場合に、当該負荷を保持する時間[ｓｅｃ]を入力する為の入力枠である。
【００３７】
ここで、ユーザは、入力装置（図示省略）を用いて入力枠７１に目標試験力を入力する。これにより、当該目標試験力がパラメータ「targetF」に代入されて硬さ試験機１に内蔵されたメモリ（図示省略）に設定される。
次いで、ユーザは入力枠７６に負荷時間を入力するか或いは入力枠に負荷速度を入力する。これにより、目標負荷速度がパラメータ「targetVF」に代入されて図示しないメモリに設定される。
【００３８】
以上のような前提のもと、ステップＳ１において、荷重アーム作動制御部６７は、各変数の初期化を行う。すなわち、荷重アーム作動制御部６７は、サーボゲイン（Gain；Ｇｆ）、アーム位置（DIFP）、荷重すなわち圧子３の押込力（DIFF）等のそれぞれの値を初期化する。
より具体的には、サーボゲイン（Ｇｆ）の初期値は１であり、アーム位置、および過重の初期値はそれぞれ０である。
【００３９】
規格試験（ロックウエル、ビッカース、ブリネルの各スケール）の試験を行う場合は、前述の任意試験力発生のための設定方法では不便である。そこで、試験スケールを選択することで、発生する試験力を設定し、負荷速度の設定により、負荷時間が決定される。或いは、負荷時間を設定し、負荷速度が決定されるような設定インターフェースを提供する。
【００４０】
次いで、ステップＳ２では、バネ変位量センサ６４の検出結果である押込力すなわち荷重が判定部６６１に入力される。この時点においては、荷重は０に初期化されているので、判定部６６１は、当該荷重が未だ臨界押込力に達していないと判定する。従って、微分器６５の演算結果が切換部６６によって選択され、荷重アーム作動制御部６７に入力される。
【００４１】
なお、臨界押込力の値は目標試験力（targetF）未満であれば特に限定されないが、この値が大きすぎると目標試験力をオーバーシュートしてしまう畏れがある。一方、この値が小さすぎると負荷速度一定制御の領域が少なくなってしまう。そこで、この値はサーボモータ６１の能力や試料の素材等を考慮して最適な値を予め定める事が望ましい。また、臨界押込力は、前述した各種のパラメータにより自動計算されるようにしてもよい。または、ユーザによる任意設定により決定されることとしてもよい。
本実施の形態においては、臨界押込力を目標試験力の９０パーセント（targetF×０．９）としている。
【００４２】
ここで、微分器６５が行う演算について図６を参照して具体的に説明する。図６の各ステップにおいて、テンポラリパラメータ「TempF」には、現時点から起算して前一周期の時点において検出されたバネ変位量（押込力）が格納されている。パラメータ「力センサ値」には、現時点において検出されたバネ変位量値（押込力）が格納されている。パラメータ「負荷速度」には、現時点におけるバネ変位量の時間微分（差分）値が格納される。当該パラメータが、後のフィードバック制御のルーチンにおいて使用される。
【００４３】
具体的には、ステップＳ６１では、微分器６５は、一周期前において検出されたバネ変位量から現時点において検出されたバネ変位量を減算し、減算結果を「負荷速度」に代入する。次いで、ステップＳ６２では、現時点において検出されたバネ変位量を、一周期後すなわち次回のルーチンの際に一周期前のバネ変位量値として使用する為に「TempF」に格納しておく。
このようなステップＳ６１及びステップＳ６２の処理が、図４のステップＳ２の処理が行われる毎に実行される。
【００４４】
再び図４を参照して説明すると、ステップＳ３では、荷重制御回路６７２は、現在の負荷速度値と目標負荷速度（targetVF）との差にサーボゲイン（Ｇｆ）を乗じて得る制御信号をＤ／Ａ変換器６７５に出力する。これにより、サーボモータ駆動回路６７６によってサーボモータ６１が駆動され、圧子３が試料Ｓに侵入する。
【００４５】
次いで、ステップＳ４では、判定部６６１によって、現在の荷重が臨界押込力に達したか否かが判定される。そして、判定部６６１により現在の荷重がまだ臨界押込力に達していないと判定された場合には（ステップＳ４；ＮＯ）、再びステップＳ１に戻る。一方、現在の荷重が臨界押込力に達したと判定された場合には（ステップＳ４；ＹＥＳ）、ステップＳ５に移行し、後述する目標力発生制御が行われる。
【００４６】
以上説明した負荷速度一定制御によれば、図８（ａ）に示す様に、目標荷重の９０パーセント（臨界押圧力）に達するまでは、試料に加わる荷重の負荷速度が一定に保たれる。
【００４７】
次に、図５を参照して目標力発生制御（力フィードバック制御）について説明する。
先ず、ステップＳ６では、荷重アーム作動制御部６７において各変数の初期化が行われる。
すなわち、サーボゲイン（Gain；Ｇｆ）の値が１に初期化され、エラー（Err）の値が０に初期化される。
【００４８】
次いで、ステップＳ７では、荷重アーム作動制御部６７は、現状態におけるバネ変位量センサ６４及びアーム位置センサ８の検出結果を、内蔵メモリ（図示省略）に記憶する。これは、次回のルーチンの荷重制御に使用するためである。
【００４９】
次いで、ステップＳ８では、荷重アーム作動制御部６７は、現状態におけるアーム位置センサ８の検出結果をパラメータ「ＤＩＦＰ」に代入すると共に、現状態におけるバネ変位量センサ６４の検出結果をパラメータ「ＤＩＦＦ」に代入する。
次いで、目標力発生制御（力フィードバック制御）におけるサーボゲイン（Gain）を、Gain＝Ａ×「試料、試験機の特性を含むシステムのバネ定数」により計算する。なお、Ａは任意の定数である。
ここで、本試験機においては荷重値とアーム位置とが得られるので、前述した「試料、試験機の特性を含むシステムのバネ定数」は、単位時間当たりの荷重の変化を単位時間当たりのアーム位置の変化で割算することにより得られる。
具体的には、荷重アーム作動制御部６７は、次の式（１）により、目標力発生制御（力フィードバック制御）におけるサーボゲイン（Gain）を決定する。
Gain＝Ａ×（DIFF−荷重値）／（DIFP−アーム位置）・・・（１）
ここで、Ａは任意の定数である。
【００５０】
次いで、ステップＳ９では、荷重アーム作動制御部６７によってエラー（Err）すなわち実荷重値と目標荷重値との差が次の式（２）によって算出される。
Err＝Gain×荷重値−TargetF・・・（２）
【００５１】
次いで、ステップＳ１０では、荷重アーム作動制御部６７は、エラーが残ったままか否かを判定する。即ち、荷重アーム作動制御部６７は、前回のフィードバックルーチンで求めた比較用エラー（Err1）と今回のエラー（Err）との差分が「０」か否かを判定する。
ここで、エラーが残っているか否かの判定は、所定回数（例えば５回）のフィードバックルーチンでエラーの差分が連続して「０」となった場合に、エラーが残っていると判別してもよい。また、サーボゲインは段階的（例えば、０．２毎）に上げる様にしてもよい。
そして、荷重アーム作動制御部６７は、当該差分が「０」であると判定した場合には（ステップＳ１０；ＮＯ）、ステップＳ１２に移行する。
一方、荷重アーム作動制御部６７は、当該差分が、「０」でないと判定した場合には、（ステップＳ１０；ＹＥＳ）、ステップＳ１１に移行する。ステップＳ１１では、荷重アーム作動制御部６７は、サーボゲインを所定値上げる処理を行った後、ステップＳ１２に移行する。
【００５２】
次いで、ステップＳ１２では、荷重アーム作動制御部６７は、サーボゲインが許容上限値を上回ったか否かを判定する。
荷重アーム作動制御部６７は、サーボゲインが許容上限値を上回っていないと判定した場合には（ステップＳ１２；ＮＯ）、ステップＳ１４に移行する。
一方、荷重アーム作動制御部６７は、サーボゲインが許容上限値を上回ったと判定した場合には（ステップＳ１２；ＹＥＳ）、ステップＳ１３に移行して、サーボゲインを所定値下げる処理を行った後、ステップＳ１４に移行する。
【００５３】
次いで、ステップＳ１４では、荷重アーム作動制御部６７は、試験力を保持中か否かを判定する。
荷重アーム作動制御部６７は、試験力を保持中と判定した場合には（ステップＳ１４；ＹＥＳ）、ステップＳ１７に移行する。
一方、荷重アーム作動制御部６７は、試験力保持中でないと判定した場合には（ステップＳ１４；ＮＯ）、ステップＳ１５に移行する。
【００５４】
ステップＳ１５では、荷重アーム作動制御部６７は、現状態における圧子３の押込力が目標の試験力になったか否かを判定する。荷重アーム作動制御部６７は、押込力が目標の試験力となっていないと判定した場合には（ステップＳ１５；ＮＯ）、ステップＳ７に戻って再び処理を繰り返す。
一方、荷重アーム作動制御部６７は、押込力が目標の試験力となったと判定した場合には（ステップＳ１５；ＹＥＳ）、当該試験力を保持するべく、ステップＳ１６に移行してタイマーをスタートした後、ステップＳ７に戻ってステップＳ７以降の処理を続行する。
【００５５】
一方、ステップＳ１４の判定の結果、ステップＳ１７に移行した場合、荷重アーム作動制御部６７は、タイマーが保持時間となったか否かを判定する。なお、このタイマーには、試験条件入力画面７０の入力枠に入力された保持時間［ｓｅｃ］が設定されている。
そして、荷重アーム作動制御部６７は、タイマーが保持時間となっていないと判定した場合には（ステップＳ１７；ＮＯ）、ステップＳ７に戻って処理を続行する。
一方、荷重アーム作動制御部６７は、タイマーが保持時間となったと判定した場合には（ステップＳ１７；ＹＥＳ）、目標力発生制御を終了する。
【００５６】
以上説明した目標力発生制御（力フードバック制御）によれば、図８（ａ）に示す様に、目標荷重の９０パーセントの荷重がオーバーシュートすることなく目標荷重に収束し、目標化重が予め規定された保持時間の間保持される。
【００５７】
なお、負荷速度一定制御（負荷速度フィードバック制御）の後には、目標力発生制御（力フードバック制御）に代えて位置フィードバック制御を行うこととしてもよい。
負荷速度一定制御（速度フィードバック制御）から位置フィードバック制御へ切りかえる条件としては、図４のステップＳ４に代えて、アーム位置センサ８の検出結果すなわち圧子の侵入量が、LIM_DEPTHの９０パーセント（LIM_DEPTH×０．９）に達したか否かを判定する処理を行うとよい。ここで、変数LIM_DEPTHは図７に示す試験条件入力画面７０における入力枠７３に入力された制限侵入量［μｍ］を表すパラメータである。
また、図５のステップＳ９において、式（２）に代えて次の式（３）を計算する。
Err＝Gain×アーム位置−LIM_DEPTH・・・(３)
また、図５のステップＳ１５の処理に代えて、アーム位置センサ８の検出結果すなわち現状態における圧子３の侵入量が制限侵入量（LIM_DEPTH）に達したか否かを判定することとする。
以上のようにして、目標力発生制御（力フードバック制御）に代えて位置フィードバック制御を行う場合には、図８（ｂ）に示す様に、制限侵入量の９０パーセントの位置まで試料Ｓに侵入した圧子３が制限侵入量をオーバーシュートすることなく当該制限侵入量に収束し、目標荷重が予め規定された保持時間の間保持される。
【００５８】
そして、目標力発生制御（力フィードバック制御）或いは位置フィードバック制御が終了した後、圧痕の押込み深さすなわち圧子３の侵入量がアーム位置信号としてアーム位置センサ８によって計測され、このアーム位置信号は、増幅器９１によって増幅され、Ａ／Ｄ変換器９２によってＡ／Ｄ変換され、演算回路９３に出力される。
【００５９】
次いで、演算回路９３は、内臓された演算プログラムに基づく演算によって、Ａ／Ｄ変換されたアーム位置信号から試料Ｓの硬さを算出する。算出された硬さデータは、出力回路９４を介して出力装置１１にモニタされる。
【００６０】
以上説明した硬さ試験機１によれば次の様な効果が得られる。
（１）バネ変位量センサ６４によって板バネ７の弾性変位量すなわち溝部７ａの開き量が検出され、微分器６５によってバネ変位量センサ６４の検出結果が差分されることにより現状態での負荷速度が算出され、荷重アーム作動制御部６７によって、微分器６５の算出結果と予め設定された目標負荷速度との比較に基づいて、負荷速度が目標負荷速度に追随するようサーボモータ６１がフィードバック制御されるので、試料Ｓに作用する負荷速度が試験の過程で常に目標負荷速度に維持される。従って、規格通りの負荷速度で以って硬さ試験を正確に行える。
【００６１】
（２）荷重アーム作動制御部６７によって、圧子３の押込力が臨界押込力に達するまでは、負荷速度が一定となるようサーボモータ６１が速度フィードバック制御され、一方、圧子３の押込力が臨界押込力に達した後は当該押込力が目標押込力に収束するよう力フィードバック制御されるので、規格通りの負荷速度で以って硬さ試験を正確に行えるのは勿論の事、圧子３の押込力が目標押込力をオーバーシュートしてしまう事を確実に回避できる。
【００６２】
（３）荷重アーム作動制御部６７によって、圧子３の押込力が臨界押込力に達するまでは、負荷速度が一定となるようサーボモータ６１が速度フィードバック制御され、一方、圧子３の押込力が臨界押込力に達した後は圧子３の侵入量が制限侵入量に収束するよう位置フィードバック制御されるので、規格通りの負荷速度で以って硬さ試験を正確に行えるのは勿論の事、圧子の侵入量が目標侵入量をオーバーシュートしてしまう事を確実に回避できる。
【００６３】
（４）微分器６５は、任意の時点におけるバネ変位量センサ６４の検出結果と、当該時点から所定のサンプリング周期が経過した後におけるバネ変位量センサ６４の検出結果と、の差分に基づいて負荷速度を近似的に算出するので、当該負荷速度の算出が迅速に行われることとなって、速度フィードバック制御に遅れを生じることがない。これにより、荷重アーム作動制御部６７の制御性が向上すると共に、試験条件の信頼性も向上する。
【００６４】
なお、上記実施の形態では、バネ変位量センサ６４、アーム位置センサ８として、共にリニアスケールを採用したが、これに限られるものではなく、例えばコンデンサピック（電荷容量型変位センサ）、ＬＶＤＴ（作動変圧器）、電気マイクロメータ等を使用してもよい。
また、板バネ７に代えて、コイルバネ、組み立て板バネ、一体バネ、ゴム等を用いることとしてもよい。更に、試料Ｓに比較的大きな荷重を与える場合には、板バネ７を両端支持梁としてもよい。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば、試料に作用する負荷速度が試験の過程で常に目標値に維持されるので、規格通りの負荷速度で以って硬さ試験を正確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用された硬さ試験機の主要部構成を示す側面図である。
【図２】図１に示す硬さ試験機の内部ブロック図である。
【図３】図１に示す硬さ試験機に具備された硬さ算出部の主要部構成を示すブロック図である。
【図４】図１に示す硬さ試験機による速度フィードバック制御を説明する為のフローチャートである。
【図５】図１に示す硬さ試験機による力フィードバック制御を説明する為のフローチャートである。
【図６】図１に示す硬さ試験機に具備された微分器の動作を説明する為のフローチャートである。
【図７】図１に示す硬さ試験機に接続された表示装置に表示される試験条件入力画面を示す図である。
【図８】（ａ）は硬さ試験機による速度フィードバック制御及び力フィードバック制御を説明する為の図であり、（ｂ）は、硬さ試験機による速度フィードバック制御及び位置フィードバック制御を説明する為の図である。
【符号の説明】
１          硬さ試験機
３          圧子
７          板バネ（弾性部材）
８          アーム位置センサ（侵入量検出手段）
９          硬さ算出部（硬さ算出手段）
１０        圧痕形成機構
６１        サーボモータ（力付与手段）
６４        バネ変位量センサ（弾性変位量検出手段、押込力算出手段）
６５        微分器（増加率算出手段）
６７        荷重アーム作動制御部（増加率制御手段、押込力判定位手段）
６６１      判定部（押込力判定手段）
Ｓ          試料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0004098503.tif 000007
【図７】
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【図８】
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