本发明涉及一种硬度测试计和硬度测试方法。
背景技术：
传统上，作为材料测试计已知如下的硬度测试计：其通过将压头柱压入样品的表面中来形成压痕，其中，压头柱在其最前端具有压头。然后，硬度测试计使用移位计测量形成压痕时的压入深度(压头的移位量)。硬度测试计使用所测量出的移位量和压头上所加载的测试力之间的关系测量样品的材料特性值，诸如硬度等(例如，参见日本特开2013-019862和日本专利4942579)。在使用上述硬度测试计来评价诸如纳米压痕仪等的压头的压入深度的材料测试方法(仪器化压入测试)中，通过动态测量压头被压入至样品的深度来计算材料特性值。因此，监视压头的尖端形状是重要的，以使得不会由于因磨损等所引起的压头的尖端形状的改变而对计算结果产生不利影响。
在上述传统技术中，在用于控制硬度测试计的系统上记录测试次数，并且更换压头的时间完全由用户判断。例如，在所记录的测试次数超过预设值的情况下，进行是否需要更换压头的判断。然后，在利用硬度基准片来进行测试并且确认了硬度值的改变(增大)的情况下，更换压头。然而，在上述传统技术中，用户需要判断何时更换压头，由此导致需要过多的精力。另外，由于存在各用户可能作出不同判断的风险，因此难以精确地判断更换压头的时间。
技术实现要素：
本发明提供使得能够更精确地判断更换压头的时间并且使得能够显著改善可维护性的硬度测试计和硬度测试方法。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，硬度测试计对压头加载预定的测试力并通过将所述压头压入样品的表面来形成压痕。所述硬度测试计包括：测量部，用于随着压痕的形成而测量所述样品的材料特性值；获取部，用于获取与所述测量部所测量出的所述样品的材料特性值相关联的测量数据；以及判断部，用于基于所述获取部所获取到的所述测量数据来累积预定的材料特性值，并基于所累积的材料特性值来判断更换所述压头的时间。
根据本发明的另一方面的硬度测试计，所述测量部还进行以下测量：测量形成所述压痕时的压入深度，以及使用所述压入深度和对所述压头所加载的所述测试力之间的关系来测量所述样品的材料特性值，以及所述判断部还基于所述测量数据来计算压入期间所产生的机械工作量，针对各硬度值累积所计算出的机械工作量，并且基于针对各硬度值所累积的机械工作量来判断更换所述压头的时间。
根据本发明的另一方面的硬度测试计，还设置有：显示控制部，用于在判断为需要更换所述压头的情况下使显示器显示用于提示更换所述压头的警告。
在根据本发明的另一方面的硬度测试计中，在测试次数(测量所述样品的材料特性值的次数)超过设置值的情况下，所述判断部判断为需要更换所述压头；以及在测试次数没有超过设置值的情况下，所述判断部基于所述获取部所获取到的所述测量数据来判断更换所述压头的时间。
根据本发明的另一方面是一种硬度测试计的硬度测试方法，所述硬度测试计对压头加载预定的测试力并通过将所述压头压入样品的表面来形成压痕，所述硬度测试方法包括：测量步骤，用于随着压痕的形成而测量所述样品的材料特性值；获取步骤，用于获取与所述测量步骤中所测量出的所述样品的材料特性值相关联的测量数据；以及判断步骤，用于基于所述获取步骤中所获取到的所述测量数据来判断更换所述压头的时间)。
利用本发明，可以更精确地判断更换压头的时间，并且可以显著改善可维护性。
附图说明
在以下的详细说明中，通过本发明的典型实施例的非限制性示例的方式参考所述的多个附图来进一步说明本发明，其中在附图的几个视图中，相同的附图标记表示相似的部件，并且其中：
图1是示出根据本发明的硬度测试计的整体结构的侧面图；
图2是示出根据本发明的硬度测试计的控制构造的框图；
图3a和3b是从一侧观看到的压头的截面图；
图4示出典型按压曲线；
图5是示出根据实施例的硬度测试计的操作的流程图；
图6示出压入期间所产生的机械工作量的典型计算方法；
图7示出针对各测量硬度值所累积的典型工作量；以及
图8示出典型压头更换引导曲线。
具体实施方式
这里所示的细节是举例，并且仅用于例示性地论述本发明的实施例的目的，并且是为了提供被认为是本发明的原理和概念方面的最有用和最容易理解的说明而呈现的。在这方面，没有尝试以比本发明的基本理解所需的细节更详细的方式示出本发明的结构细节，其中利用附图所进行的说明使得在实践中如何能够实现本发明的各种形式对于本领域技术人员而言是明显的。
以下，参考附图来详细说明本发明的实施例。
1.结构的说明
根据本实施例的硬度测试计100是能够连续监视置于压头3上的负荷(测试力)以及压头3的移位量(压入深度)的仪器化压入测试计。如图1和2所示，硬度测试计100包括设置有各组件的测试计主体1以及进行测试计主体1的全体控制的控制部10。
测试计主体1包括：使样品s沿x、y和z方向移位的xyz台2作为压痕形成机构；载荷杆4，其在一端具有压头3，该压头3用于在样品s中形成压痕；负荷部5，其将预定负荷置于载荷杆4上；移位计6，用于检测压头3的移位量；摄像部7，用于拍摄样品s的表面上所形成的至少压痕的图像；显示装置8；以及控制台9。
xyz台2被配置为根据从控制部10输入的控制信号来沿x、y和z方向(即水平和垂直方向)移位。通过xyz台2使样品s前/后、左/右和上/下移位，以调整样品s相对于压头3的位置。另外，xyz台2利用样品保持台2a来保持样品s，以使得其上面所载置的样品s在测试测量期间不会发生偏移。
样品s的示例包括dlc、硅橡胶和天然橡胶。具体地，根据本实施例的硬度测试计100可以测量诸如气相沉积膜和半导体材料等的薄膜；表面处理层；各种类型的塑料；各种类型的橡胶；诸如微细丝状物、玻璃和陶瓷等的脆性材料；以及微电子产品等。
压头3被设置成在放置样品s的xyz台2的上方可垂直移位。向压头3提供预定负荷，并且使压头主体31的底端(尖端)垂直地压入至样品s的上面(测试面)，从而在样品s的上面形成压痕。
如图3a和3b所示，压头3配置有：从尖端压入样品s中的压头主体31；以及压头主体31被按入至并且保持压头主体31的保持部32。
压头主体31的尖端按诸如vickers(维氏)、berkovich(玻式)、rockwell(洛氏)、knoop(努氏)或者brinell(布氏)压头等的各种压头中的任何压头所规定的形状来形成。在本实施例中，使用berkovich压头作为压头主体31。berkovich压头是三角锥金刚石(three-sidedpyramiddiamond)压头。berkovich压头具有相对于压头中心轴的65.03°的面角，并且相对于压入深度方向具有与vickers压头相同的压头表面积比。与四角锥相比，利用三角锥更容易使尖端集中到一点(换句话说，更容易使尖端锐化)。根据本实施例的硬度测试计100是用于测量微小压入深度的测试计，并且压头尖端的形状方面的轻微差异会极大地影响测试结果。因此，在本实施例中，使用berkovich压头(三角锥金刚石压头)。通过将压头主体31的后端部分(上端部分)压入保持部32中，这种压头主体31被保持部32可拆卸地保持。由于压头主体31相对于保持部32可拆卸，因此可以在例如压头主体31的尖端变得磨损或损坏的情况下，仅更换压头主体31。
保持部32是具有能够容纳压头主体31的后端部分的内部空间的筒状构件。压头主体31的后端压入保持部32的底端。在压头主体31被保持部32保持的状态下，保持部32的上端部分通过例如螺纹构件而可拆卸地固定至压头轴3a。
载荷杆4被形成为大致棒状。载荷杆4在其大致中央部分附近经由十字弹簧4a可转动地固定在台座上。压头3设置在载荷杆4的第一端，以使得从样品保持台2a上所载置的样品s的上方看，压头3相对于样品s自由接触和分离。压头3向样品s的表面按压，以在其表面中形成压痕。另外，在载荷杆4的第二端，设置有构成负荷部5的施力线圈5a。
负荷部5是施力马达，并且包括安装至载荷杆4的施力线圈5a以及被固定成与施力线圈5a相对的固定磁体5b。负荷部5根据从控制部10输入的控制信号来采用驱动力而使载荷杆4转动。该驱动力是由固定磁体5b在间隙中所产生的磁场和位于间隙内部的施力线圈5a中流经的电流之间的电磁感应所产生的力。通过使载荷杆4转动，载荷杆4在压头3侧的端部向下移位，并使压头3压入样品s中。
移位计6是静电电容型移位传感器，并且配置有：设置至载荷杆4的压头3侧的端部的可移动极板6a以及以与可移动极板6a相对的方式固定的固定极板6b。移位计6检测可移动极板6a和固定极板6b之间的静电电容变化，由此检测压头3在样品s中形成压痕时的移位量(在压头压入样品s时的压入深度)。然后，将基于所检测到的移位量的移位信号输出至控制部10。此外，提供静电电容型移位传感器作为典型移位计6；然而，移位计6不限于此，并且例如可以是光学型移位传感器、或者涡电流型移位传感器。
摄像部7配置有照相机，并且例如根据从控制部10输入的控制信号来拍摄在样品保持台2a上利用压头3在样品s的表面上所形成的压痕的图像。
显示装置8例如是液晶显示面板，并且根据从控制部10输入的控制信号来进行用于显示摄像部7所拍摄的样品s的表面的图像以及各种类型的测试结果等的处理。
控制台9例如是诸如键盘等的一组操作键，并且在控制台9接收到来自用户的操作的情况下，控制台9将与该操作相关联的操作信号输出至控制部10。此外，控制台9还可以包括诸如鼠标和触摸屏等的定点装置、远程控制装置和其它操作装置。控制台9在用户提供用于进行对样品s的硬度测试的指示输入的情况下进行工作，定义置于压头3上的测试力(即，负荷)等。
控制部10包括cpu11、ram12和存储器13。经由系统总线等，控制部10例如连接至xyz台2、压头3、负荷部5、移位计6、摄像部7、显示装置8和控制台9。
cpu11根据存储器13中所存储的硬度测试计用的各种处理程序来进行各种控制处理。ram12包括用于提取cpu11所执行的处理程序的程序存储区域以及用于存储输入数据或执行处理程序时所生成的处理结果等的数据存储区域。存储器13存储可由硬度测试计100执行的系统程序；可由系统程序执行的各种处理程序；执行各种处理程序时所要使用的数据；以及与cpu11所计算出的各种处理的结果有关的数据。此外，各程序以计算机可读的编程代码的形式存储在存储器13中。
例如，在用户向控制台9提供指示输入以对样品s进行硬度测试的情况下，cpu11向压头3提供预定负荷，将压头3压入至样品的表面以形成压痕，并且测量由压痕形成(仪器化压入测试)期间所检测到的压头3的移位量(压入深度(h))和所检测到的压头3上所加载的测试力(f)构成的按压曲线。如图4所示，在压痕形成期间，通过如下处理来获得按压曲线：逐渐增大施加至压头3的负荷、直到达到所定义的最大测试力(fmax)为止(负荷施加处理)，并且在该处理中测量负荷施加曲线；以及在向压头3施加的负荷达到最大测试力之后逐渐减小施加至压头3的负荷(负荷移除处理)，并且在该处理中测量负荷移除曲线。
2.操作的说明
接着，将参考图5的流程图来说明根据本实施例的硬度测试计100的操作。在图5中，说明了对表面和内部具有均一硬度(即表面没有硬化)的样品s进行测量的示例。
首先，控制部10的cpu11开始样品s的诸如硬度等的材料特性值的测量(步骤s101：测量处理)。在本实施例中，cpu11开始如下的仪器化压入测试：向压头3提供预定负荷并且将压头压入至样品s的表面以形成压痕；以及测量由压痕形成期间所检测到的压头3的移位量(压入深度(h))和所检测到的压头3上所加载的测试力(f)构成的按压曲线。换句话说，cpu11用作本发明中的测量部。
接着，cpu11获取与步骤s101中开始测量的样品s的材料特性值相关联的测量数据(步骤s102：获取处理)。具体地，cpu11获取图4所示的按压曲线。换句话说，cpu11用作本发明中的获取部。然后，cpu11更新所进行的硬度测试(仪器化压入测试)的次数(步骤s103)。具体地，cpu11向硬度测试的次数加1。硬度测试的次数例如存储在存储器13中。
接着，cpu11对步骤s102中所获取到的测量数据进行分析(步骤s104)。例如，cpu11基于按压曲线来计算压入期间所产生的机械工作量wt。压入期间所产生的机械工作量wt是由弹性变形所引起的压入工作量we和由塑性变形所引起的压入工作量wp的总和(wt＝we+wp)。wp是由通过图6中的点b、g和j的曲线所包围的区域。we是由点h和通过点j和g的曲线所包围的区域。因此，wt是由点h和通过点b和g的曲线所包围的区域。
接着，针对所测量的各硬度值，cpu11累积压入期间所产生的机械工作量wt(步骤s105)。在该示例中，在压入期间所产生的机械工作量wt根据测试力或样品s的硬度而发生改变。例如，在样品s的硬度相同的情况下，在压入期间所产生的机械工作量wt与测试力成比例。然而，在样品s具有不同硬度的情况下，样品s越软，则压入深度越大，因此在压入期间所产生的机械工作量wt变成较大的值。因此，需要将压入期间所产生的机械工作量wt作为针对各硬度值的累积进行监视。以这种方式监视在针对各硬度值的压入期间所产生的机械工作量wt使得能够确认压头3的使用程度。图7示出针对所测量的各硬度值hm所累积的典型机械工作量wt。在图7所示的示例中，与硬度值hm是100的情况相比，在硬度值hm是200的情况下所累积的机械工作量wt更大，并且在硬度值hm是300的情况下所累积的机械工作量wt更小。
接着，cpu11判断测试次数是否超过设置值(步骤s106)。该设置值可以由用户适当设置，然而，该设置次数优选被设置成压头3上的磨损显著并且妨碍了测量时的次数。在测试次数被判断为超过设置值的情况下(步骤s106：是)，cpu11判断为需要更换压头3，并且cpu11进入步骤s108。另一方面，在测试次数被判断为没有超过设置值的情况下(即，测试次数在设置值以下)(步骤s106：否)，cpu11判断为需要对压头3是否需要更换进行全面检查，并且cpu11进入下一步骤s107。
接着，cpu11判断在步骤s105中针对各硬度值hm所累积的机械工作量wt是否超过表示更换压头3的时间的引导曲线(压头更换引导曲线)(步骤s107：判断处理)。具体地，在针对各硬度值hm所累积的机械工作量wt中针对至少一个硬度值hm、所累积的机械工作量wt超过压头更换引导曲线的情况下，cpu11判断为机械工作量wt超过压头更换引导曲线。换句话说，cpu11用作本发明中的判断部。图8示出典型压头更换引导曲线。图8示出如下示例：在硬度值hm是200的情况下，所累积的机械工作量wt超过压头更换引导曲线l1。在所累积的机械工作量wt被判断为超过压头更换引导曲线l1的情况下(步骤s107：是)，cpu11判断为需要更换压头3，并且cpu11进入下一步骤s108。另一方面，在所累积的机械工作量wt被判断为没有超过压头更换引导曲线l1(即，被判断为在压头更换引导曲线l1以下)的情况下(步骤s107：否)，cpu11判断为不必更换压头3，并且cpu11进入步骤s101，以再次开始材料特性值的测量。
接着，cpu11在显示装置8上显示用于提示更换压头3的警告(压头更换警告)(步骤s108)。在该时点，cpu11还显示用于供用户选择是否进行压头3的更换的画面(诸如按钮等)。
接着，cpu11判断是否更换压头3(步骤s109)。具体地，在从显示装置8上所显示的压头更换警告的显示画面中自用户接收到用于指示更换压头3的操作(诸如按下更换按钮等)的情况下(步骤s108)，cpu11判断为要更换压头3。换句话说，cpu11用作本发明中的显示控制部。在cpu11判断为要更换压头3的情况下(步骤s109：是)，cpu11进入下一步骤s110。另一方面，在cpu11判断为不进行压头3的更换的情况下(步骤s109：否)，cpu11进入步骤s101，以再次开始材料特性值的测量。
接着，cpu11进行用以更换压头3的处理(压头更换处理)(步骤s110)。除了用以更换压头的处理，压头更换处理例如还包括校正硬度测试计100的重量的处理等。此外，压头3可以自动更换、或者可以由用户手动更换。
接着，cpu11重置压入期间所产生的机械工作量wt的累积结果(步骤s111)。换句话说，在更换了压头3的状态下，cpu11重置累积结果，这是因为更换之前的压头3的累积机械工作量wt已经没有意义。之后，cpu11进入步骤s101，并且再次开始材料特性值的测量。
3.效果
如上所述，根据本实施例的硬度测试计100包括：测量部(cpu11)，用于随着压痕的形成测量样品s的材料特性值；获取部(cpu11)，用于获取与所述测量部所测量出的所述样品s的材料特性值相关联的测量数据；以及判断部(cpu11)，用于基于所述获取部所获取到的所述测量数据来累积预定的材料特性值(在本实施例中为机械工作量)，并基于所累积的材料特性值来判断更换压头3的时间。因此，在根据本实施例的硬度测试计100中，监视所测量的样品s的材料特性值使得能够确认压头3的使用程度，这使得能够更精确地判断更换压头3的时间，并使得能够显著改善可维护性。
特别地，在根据本实施例的硬度测试计100中，所述测量部还测量形成所述压痕期间的压入深度，以及使用所述压入深度和对所述压头所加载的所述测试力之间的关系来测量所述样品s的材料特性值。所述判断部基于所述测量数据来计算压入期间所产生的机械工作量，针对各硬度值累积所计算出的机械工作量，并且基于针对各硬度值所累积的机械工作量来判断更换所述压头3的时间。因此，在根据本实施例的硬度测试计100中，针对各硬度值监视压入期间所产生的机械工作量wt使得能够确认压头3的使用程度，这能够更精确地判断更换压头3的时间，并使得能够显著改善可维护性
另外，根据本实施例的硬度测试计100包括：显示控制部(cpu11)，用于在所述判断部判断为需要更换所述压头3的情况下使显示器(显示装置8)显示用于提示更换所述压头3的警告。因此，在根据本实施例的硬度测试计100中，可以向用户发送用于提示更换压头3的警告。因而，可以将关于是否更换压头3的最终判断委托给用户，由此实现响应于用户的使用情形的灵活操作。
另外，在根据本实施例的硬度测试计100中，在测试次数(测量所述样品s的材料特性值的次数)超过设置值的情况下，所述判断部判断为需要更换所述压头3；以及在测试次数没有超过设置值的情况下，所述判断部基于所述获取部所获取到的所述测量数据来判断更换所述压头3的时间。在该示例中，可以将设置值设置成压头3上的磨损显著且妨碍测量的时间。因此，根据本实施例的硬度测试计100，在可以基于测试次数进行更换压头3的可能性高的的判断的情况下，可以省略使用压头更换引导曲线l1进行的复杂判断，因此可以简化并加速处理。
在以上描述中，基于根据本发明的实施例进行了具体说明。然而，本发明不限于上述实施例，并且可以在不背离本发明的范围的情况下进行修改。
例如，在上述实施例中，说明了机械工作量wt用作判断更换压头3的时间时所使用的材料特性值的示例；然而，本发明不限于此。例如，代替机械工作量wt，可以使用诸如样品s的硬度值或杨氏模量等的另一材料特性值。另外，通过适当组合机械工作量wt、样品s的硬度值或杨氏模量等，可以使用所获得值作为判断更换时间时的指标。在这种情况下，有鉴于向各种材料特性值赋予的优先级，可以将各材料特性值与系数相乘，以使得增强更高优先级的特性的影响。
另外，在上述实施例中，说明了仪器化压入测试计，以例示硬度测试计100。然而，本发明不限于此。例如，在使用样品s的硬度值作为判断更换压头3的时间时所使用的测量数据的情况下，代替仪器化压入测试计，可以应用vickers硬度测试计、knoop硬度测试计和brinell硬度测试计等。
另外，在上述实施例中，在判断为需要更换压头3的情况下，在图5的步骤s108中，在显示器8上显示用于提示更换压头3的警告。然而，本发明不限于此。例如，代替在显示器8上进行用于提示更换压头3的警告的显示，通过设置能够输出音频的扬声器等，可以从扬声器输出作为音频的警告。可选地，可以在显示器8上进行显示的同时从扬声器输出音频。
另外，在上述实施例中，在图5的步骤s106中测量样品s的材料特性值的次数(测试次数)超过设置值的情况下，判断为需要更换压头3。然而，本发明不限于此。例如，可以在不进行步骤s106的情况下且与测试次数无关地始终进行步骤s107的处理(用以使用压头更换引导曲线l1(参见图8)来判断更换压头3的时间的处理)。
另外，在没有背离本发明的实质的范围内，还可以对构成硬度测试计的各组件的详细构造和操作进行适当修改。
注意，已提供的上述示例仅用于说明的目的，并且决没有被构造成对本发明的限制。尽管已参考典型实施例说明了本发明，但应当理解，这里已使用的词语是用于描述和说明的词语，而不是用于进行限制的词语。在没有背离本发明的各方面的精神和范围的情况下，可以在如当前陈述和修改的权利要求书的范围内进行改变。尽管这里已参考特定结构、材料和实施例说明了本发明，但本发明并不意图局限于这里所公开的细节；相反，本发明扩展至诸如处于所附权利要求书的范围内等的在功能上等同的所有结构、方法和用途。
本发明不限于上述实施例，并且可以在没有背离本发明的范围的情况下进行各种改变和修改。
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年1月27日提交的日本专利申请2017-012750的优先权，在此通过引用明确包含其全部内容。