JP2000292332A - 硬度測定用ヘッド、及び硬度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧子の押し込み深さを精度よく計測し、小型
で汎用性に優れた硬度測定用ヘッド、及び硬度測定装置
を提供する。 【解決手段】 被測定物３０に押し付けられる先端部を
有する圧子２と、圧子２の中心軸Ｌからわずかに偏心し
た位置に中心軸Ｌと平行に設けられた貫通孔２ｄと、貫
通孔２ｄに挿入されて圧子２の先端部から突出させて設
けられ、被測定物３０の表面に当接して貫通孔２ｄ内を
進退する接触子４と、圧子２の基部を保持する保持体６
と、保持体６に支持されて接触子４の変位を検出する変
位計１２と、保持体６を荷重負荷機構に装着するための
接続部材１０と、接続部材１０と保持体６の間に介在さ
れて荷重負荷機構から圧子２に加えられる荷重を検出す
る荷重検出計８とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は被測定物の表面に圧
子を押し込むことにより該被測定物の硬度を測定する硬
度測定用ヘッド、及び硬度測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、各種材料の硬度の測定に押込型の
硬度計が広く用いられている。この種の硬度計は、先端
に四角錐形状のダイヤモンドチップを取付けた圧子を被
測定物（試験片）に押込んだときの凹みの大きさから硬
度を判定したり（ビッカース硬度計）、所定の荷重を加
えたときの圧子押し込み深さから硬度を求める（ロック
ウェル硬度計）如く構成される。また、近年では磁性材
料、セラミック、あるいは原子炉用材料等の新素材の極
表面や微小領域の硬度を測定するためのいわゆる微小硬
度計も開発されている。

【０００３】ところで、特開平３−２２６２５３号公報
には、圧子による圧痕の大きさを測定する従来法に代え
て、圧子に加えられる荷重と圧子の押し込み深さとの関
係に基づいて微小硬度を求めることが開示されている。
また、特開平９−１２６７３４号公報には、圧子上の基
準点と試料表面におのおのレーザ光を照射して、圧子の
押し込み深さを高精度に測定する技術が開示されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たようにレーザ光を用いて圧子の押し込み深さを計測す
る場合、試料の表面形状（粗さ、うねり）の影響を受け
易いという問題がある。さらに、従来の硬度計は、圧子
とこれに荷重を負荷する装置等が一体に構成されてお
り、硬度計自体が大型で、大掛かりな構成であるという
問題があった。この為、例えば製造ライン上に適宜硬度
計を組み込んでその場で製品の硬度を簡易に測定するこ
とは難しかった。

【０００５】本発明は、硬度計における上記した問題を
解決し、表面形状の影響を受けることなく精度良く硬度
を測定することができる硬度測定用ヘッドの提供を目的
とする。また、本発明は、圧子や検出部を一体化してこ
れを既存の荷重負荷機構に装着することにより、小型で
汎用性に優れた硬度測定装置の提供を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、請求項１に記載の本発明に係る硬度測定用ヘッ
ドは、被測定物に押し付けられる球又は錐状の先端部を
有する圧子の中心軸からわずかに偏心した位置に該中心
軸と平行に貫通孔を設け、この貫通孔に、前記被測定物
の表面に当接して前記貫通孔内を進退する接触子を前記
圧子の先端部から突出させて設ける。

【０００７】更に、前記圧子の基部を保持する保持体に
前記接触子の変位を検出する変位計を設けると共に、前
記保持体を荷重負荷機構に装着するための接続部材と前
記保持体の間に、前記荷重負荷機構から前記圧子に加え
られる荷重を検出する荷重検出計を組み込んだ構成とす
る。

【０００８】好ましくは、前記変位計は、前記接触子の
変位に伴って出力値が変化する差動トランス若しくは静
電容量を用いた電磁式変位計、前記接触子の変位に伴っ
て出力値が変化するダイヤルゲージ若しくは歪みゲージ
を用いた機械式変位計、又はレーザ光若しくは発光ダイ
オードを用いて前記接触子の変位を非接触で計測する光
学式変位計から成るのがよい（請求項２）。

【０００９】請求項３に記載の本発明に係る硬度測定装
置は、請求項１又は２に記載の硬度測定用ヘッドを装着
可能な保持機構に硬度計測に供される被測定物を保持す
る架台を対向配置し、前記架台と前記保持機構との間に
所定の荷重を加える荷重負荷機構を備え、前記硬度測定
用ヘッドから検出される荷重と変位とに従って前記荷重
負荷機構の作動を制御することを特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態に係る硬度測定用ヘッドについて説明する。この
硬度測定用ヘッド１は、図１にその概略構成を示すよう
に、先端に圧子２を保持する保持体６と、この保持体６
に円筒状の荷重検出計８を介して取付けられた接続部材
１０とを備え、更に上記荷重検出計８の内側に変位計１
２を組み込んだ構造をなす。保持体６は、概略的には円
錐形の外観形状を有し、その中心孔６ａの先端部に圧子
２を着脱自在に装着し得る構造体からなる。しかしてこ
の保持体６の上端面には、胴部中央を肉薄とした円筒状
の荷重検出計（ロードセル）８が同軸に装着されてい
る。また前記接続部材１０は、例えば後述する荷重負荷
機構等のチャック部に装着される軸部１０ａと、この軸
部１０ａの下端に設けられたフランジ部１０ｂとからな
り、該フランジ部１０ｂを前記荷重検出計８の上端に同
軸に固定されて前記保持体６に一体化される。

【００１１】ところで前記保持体６の先端部に装着され
る圧子２は、図２にその要部拡大断面図を示すように、
前記中心孔６ａに挿入される円柱状の軸部２ａと、この
軸部２ａの周面に設けられて該軸部２ａ（圧子２）の装
着位置を規定するフランジ部２ｂ、そしてこのフランジ
部２ｂの下方に位置し、その先端に円錐状または四角錐
状のダイヤモンドチップ２０を同軸一体に設けた円錐状
のテーパー部２ｃとからなる。特にこの圧子２には、そ
の中心軸（圧子２の先端からその底面におろした垂線）
Ｌからわずかに偏心した位置に、具体的には前記ダイヤ
モンドチップ２０を避けた中心軸Ｌの近傍に位置して該
中心軸Ｌと平行に貫通孔２ｄが設けられている。この貫
通孔２ｄは、押込み深さ計測に用いられるピン状の接触
子４を進退自在に保持するものである。接触子４は大径
の頭部４ａを有し、該頭部４ａを圧子２の上端に当接さ
せた状態でその先端部を前記圧子２（テーパー部２ｃ）
の先端から突出させ得る長さを有し、自重または図示し
ないバネ等の付勢力を受けて、常時、下方（先端から突
出する向き）に偏倚させて前記貫通孔２ｄに進退自在に
装着される。

【００１２】前述した変位計１２は、レーザ光を用いて
前記接触子４の変位を非接触に計測する光学式変位計、
或いは図３に示すように前記接触子４の変位に伴って生
ずる機械的変化を歪みゲージをもって計測する機械式変
位計からなる。このような変位計１２は、計測基準面を
なす前記保持体６の上面に固定され、前記圧子２を試験
片３０の表面に押し込んでその硬度を計測する際、前記
試験片３０の表面に当接して前記貫通孔２ｄの内部に押
し込められて上下動する前記接触子４の変位を計測する
役割を担う。

【００１３】尚、図３に示す歪みゲージ型の機械式変位
計について説明すると、該変位計は、長円状に曲折形成
された板バネ体１２ａからなり、その湾曲部に歪みゲー
ジ１２ｂ、１２ｂを貼着した構造をなす。そして該板バ
ネ体１２ａの一対の対向辺をなす上端部を一対の脚部１
２ｃにて水平に固定支持し、下端部に取り付けたプロー
ブ１２ｄを前記接触子４の頭部４ａに当接させることで
該接触子４の上下動に伴う変位を受けて撓みを生じ、こ
の撓みを前記歪みゲージ１２ｂ、１２ｂにて計測するこ
とで前記接触子４の変位を計測する如く構成される。こ
のような機械式変位計の場合、前記板バネ体１２ａの弾
性力が前記接触子４を下方に向けて偏倚する作用を同時
に呈する。

【００１４】さて上述した如く構成された硬度測定用ヘ
ッド１は、例えば図４に示す如く構成された材料試験機
５０のクロスヘッド５２に装着されて硬度計測に供され
る。この材料試験機５０は、基本的には上下動自在に設
けられたクロスヘッド５２を備え、架台５３とクロスヘ
ッド５２の間に装着される試験片（図示せず）に荷重ま
たは変位を加えることで、該試験片の材料特性を試験す
るものである。そして、後述する所定のコントローラ６
３等が材料試験機５０に並設されている。尚、上記材料
試験機５０は、例えば図５に示すようにその本体に組み
込まれた変位検出計６１と荷重計６２によりそれぞれ試
験片に加えた変位と荷重をそれぞれ計測し、前記コント
ローラ６３の制御の下で該材料試験機５０の油圧シリン
ダやボールねじ機構等の荷重負荷機構６４の作動を制御
する如く構成される。

【００１５】本発明に係る硬度測定用ヘッド１は、この
ような材料試験機５０のクロスヘッド５２に前述した接
続部材を装着して用いられ、前記架台５３上にホルダ５
４を介して支持された試験片３０の硬度計測に供され
る。なお、クロスヘッド５２上の所定位置には前記接続
部材を装着するための例えばチャック５２ａが設けられ
ていてもよい。そして上記変位検出計６１および荷重計
６２に代えて、前述した如く硬度測定用ヘッド１に組み
込まれた変位計１２および荷重検出計８によりそれぞれ
計測される変位と荷重を前記コントローラ６３に与え、
前記荷重負荷機構６４の作動を制御することでその硬度
計測が実行される。即ち、本発明に係る硬度測定装置
は、荷重負荷機構６４を備えた材料試験機に硬度測定用
ヘッド１を装着し、該硬度測定用ヘッド１に組み込まれ
た変位計１２および荷重検出計８によりそれぞれ計測さ
れる変位と荷重により上記荷重負荷機構６４の作動を制
御するように、その制御系を構築することで実現され
る。

【００１６】この硬度測定装置による硬度計測について
簡単に説明すると、まず、試験片３０に当接しない状態
での接触子４（頭部４ａ）の位置を基準位置として定め
ておく。そして、圧子２を試験片３０に押し付けてゆ
き、圧子２に加えた荷重を荷重検出計８により計測する
とともに、試験片３０の表面に当接した接触子４が貫通
孔２ａの内部に押し込められたときの上記基準位置に対
する変位を変位計１２によって計測する。この変位計１
２は、前記接触子４の頭部４ａに当接したその先端部が
頭部４ａの変位に伴って伸縮することにより、変位計１
２内を進行するレーザ光の回折条件が変化することを利
用して変位の計測を行うものである。このようにして、
負荷荷重を増大させた場合の変位の変化を順次計測して
ゆき、さらに上述の如く変位と荷重により荷重負荷機構
６４の作動の制御を行う。

【００１７】そして、所定の試験荷重値に達した時点で
荷重の負荷を停止し、該試験荷重値にしばらく保持す
る。次いで、負荷荷重を減少させてこのときの変位の変
化を上記と同様に計測してゆき、接触子４が試験片３０
の表面から離れた時点で計測を終了する。上述のように
して検出された信号は、それぞれ変位計アンプ７１ａ、
荷重計アンプ７２により適宜増幅された後、Ａ/Ｄ変換
器７４によってデジタル信号化されてコントローラ６３
に入力され、ここで例えば特開平３−２２６２５３号公
報に記載された手法により、変位と荷重の間の所定の関
係式を用いて計算されてビッカース硬度が求められる。
また、公知の方法によりロックウェル硬さを求めること
も可能である。そして、得られた硬度の値は、所定の表
示ユニット７５やプリンタユニット７６に出力され、あ
るいは出力ユニット７７により、適宜アナログ（デジタ
ル）出力される。

【００１８】かくして上述した如く構成された硬度測定
用ヘッド１および硬度測定装置によれば、圧子２の先端
からわずかに偏倚した位置に接触子４が配置され、この
接触子４は圧子２の極近傍の試験片３０の表面に当接し
ているため、試験片３０の表面形状の影響をほとんど受
けずに圧子２の押し込み深さを正確に計測することが可
能となる。また、上記接触子４は試験片３０の表面に機
械的に接触し、接触子４の変位はその頭部４ａを介して
間接的に検出されるため、変位計１２にレーザ光を用い
た場合でも試験片３０の表面を鏡面研磨したり、試験片
３０の表面形状に応じてレーザの光軸を調整する必要が
ないので、硬度測定を簡易かつ精度よく行うことが可能
となる。そして、この変位計１２は、荷重検出計８の内
部に組み込まれているので、変位計測の際の外部ノイズ
等の影響も低減されている。

【００１９】一方、荷重検出計８は、保持体６を介して
圧子２に直接かつ同軸に装着されているので、荷重検出
計が圧子から離間して配設されている場合に比べて、圧
子２に加えられる荷重の検出精度が大幅に向上する。ま
た、圧子、荷重検出計、及び変位計が一体化して硬度計
ヘッドを構成するので、これを所定の荷重負荷機構に自
在に装着することができ、小型で汎用性に優れた硬度測
定装置とすることができる。

【００２０】尚、本発明は上述した実施態様に限定され
るものではない。例えば、光学式変位計としては、レー
ザ光を接触子４の鏡面研磨された頭部４ａに直接当てて
その反射光の干渉を利用してもよく、また発光ダイオー
ド等を用いてもよい。また、接触子の変位に伴って出力
値が変化する差動トランスや静電容量を用いた電磁式変
位計や、ダイヤルゲージを用いた機械式変位計を用いる
こともできる。

【００２１】荷重検出計としては、圧電素子を用いるこ
ともできる。そして、接続部材の軸部に例えばタップ、
ネジを形成して保持機構に装着してもよい。さらに、圧
子の先端部の形状としては、上述した円錐に限定される
ことはなく、例えば三角錐、四角錐、球とすることもで
きる。

【００２２】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
硬度測定用ヘッドは、圧子の先端からわずかに偏倚した
位置に接触子が配置され、この接触子は圧子の極近傍の
試験片の表面に当接しているため、試験片に凹凸があっ
ても接触子の変位と実際の圧子の押し込み深さの値が乖
離することはなく、試験片の表面形状の影響をほとんど
受けずに圧子の押し込み深さを計測することが可能とな
る。

【００２３】また、圧子、荷重検出計、及び変位計が一
体化して硬度計ヘッドを構成するので、これを所定の荷
重負荷機構に自在に装着することができ、小型で汎用性
に優れた硬度測定装置とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る硬度測定用ヘッドの実施形態の一
例を示す断面図である。

【図２】保持体の構成を示す要部拡大断面図である。

【図３】本発明に係る硬度測定用ヘッドの別の実施形態
を示す部分断面図である。

【図４】本発明に係る硬度測定装置の実施形態の一例を
示す構成図である。

【図５】硬度測定及び荷重負荷機構の制御を示すフロー
図である。

【符号の説明】

１ 硬度測定用ヘッド ２ 圧子 ２ｄ 貫通孔 ４ 接触子 ６ 保持体 ８ 荷重検出計 １０ 接続部材 １２ 変位計 ３０ 試験片（被測定物） ５０ 材料試験機（硬度測定装
置） ５２ クロスヘッド（保持機
構） ５３ 架台 ６４ 荷重負荷機構

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物に押し付けられる球又は錐状の
   先端部を有する圧子と、 前記圧子の中心軸からわずかに偏心した位置に該中心軸
   と平行に設けられた貫通孔と、 前記貫通孔に挿入されて前記圧子の先端部から突出させ
   て設けられ、前記被測定物の表面に当接して前記貫通孔
   内を進退する接触子と、 前記圧子の基部を保持する保持体と、 前記保持体に支持されて前記接触子の変位を検出する変
   位計と、 前記保持体を荷重負荷機構に装着するための接続部材
   と、 前記接続部材と前記保持体の間に介在されて前記荷重負
   荷機構から前記圧子に加えられる荷重を検出する荷重検
   出計と、を具備したことを特徴とする硬度測定用ヘッ
   ド。
2. 【請求項２】 前記変位計は、前記接触子の変位に伴っ
   て出力値が変化する差動トランス若しくは静電容量を用
   いた電磁式変位計、前記接触子の変位に伴って出力値が
   変化するダイヤルゲージ若しくは歪みゲージを用いた機
   械式変位計、又はレーザ光若しくは発光ダイオードを用
   いて前記接触子の変位を非接触で計測する光学式変位計
   から成ることを特徴とする請求項１に記載の硬度測定用
   ヘッド。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の硬度測定用ヘッ
   ドを装着可能な保持機構と、 前記保持機構に対向配置され、硬度計測に供される被測
   定物を保持する架台と、 前記架台と前記保持機構との間に所定の荷重を加える荷
   重負荷機構と、 前記硬度測定用ヘッドから検出される荷重と変位とに従
   って前記荷重負荷機構の作動を制御する硬度計測制御手
   段とを具備したことを特徴とする硬度測定装置。