JP2001108590A - 硬さ試験機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明の課題は、アクチュエータを用いて発
生する力を制御し、かつ、試料を載置した試料台を、荷
重アームの可動範囲に自動的に移動することのできる硬
さ試験機を提供することである。 【解決手段】 硬さ試験機１は、板ばね７を介して、荷
重アーム作動部６によって荷重アーム４に荷重が負荷さ
れ、圧子３によって形成された試料表面の圧痕によっ
て、当該試料の材料特性を評価する装置であり、硬さ試
験を始める際には、荷重アーム４の回動角度（傾き）お
よび板ばね７の変位に基づくフィードバック制御によっ
て、荷重アーム４を基準角度位置に保った状態で、試料
台用サーボモータ５２が試料台５を自動的に上昇させる
ことにより、試料台５に載置された試料ｓに初荷重をか
ける装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧子により形成さ
れた試料表面の圧痕に基づいて、試料の材料特性を評価
する硬さ試験機に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、圧子により試料表面に荷重を負荷
して圧痕を形成させることに基づいて、試料の材料特性
を評価する試験機として硬さ試験機が知られている。

【０００３】この従来の硬さ試験機としては、例えば、
図４に示したものが知られている。図４に示す硬さ試験
機１００は、デッドウェイト式の硬さ試験機といわれる
もので、重錘１０１と、荷重アーム１０２と、圧子軸１
０３と、圧子１０４などからなる圧痕形成機構１１０を
備えている。

【０００４】この圧痕形成機構１１０によれば、所定の
重錘１０１が前記荷重アーム１０２の先端に吊されるこ
とにより、荷重アーム１０２が下がる。そして、重錘１
０１の荷重が、圧子軸１０３を介して圧子１０４に伝達
され、この圧子１０４が下方に移動することにより、試
料台１０５に載置された試料ｓに圧痕が形成されるよう
になっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな硬さ試験機１００においては、重錘の種類によっ
て、荷重が定まってしまうため、任意の力を発生させる
ことは困難であり、さらに、機械定数は硬さ試験機によ
ってそれぞれ微妙に異なるため、硬さ試験機と重錘とを
対応づけて管理・使用する必要が生じていた。

【０００６】ところで、一般的に、硬さ試験機の荷重ア
ームの可動範囲は限られている。何故ならば、精確な荷
重を負荷するためには、荷重アームの位置が校正された
基準角度位置である必要があり、この基準角度位置から
大きくずれた位置で、荷重が負荷された場合には、精確
な荷重の負荷が保証されないからである。

【０００７】また、試料表面に形成される圧痕は、試料
の硬さにも因るが、最大１ｍｍ程度の深さであるため、
荷重アームの可動範囲はこれ以上である必要がない。

【０００８】一方、試料ｓの厚さは、試料によってまち
まちであるため、試料ｓの上面が、荷重アームの基準角
度位置にくるように、試料ｓが載置された試料台１０５
を手動で上下する必要がある。

【０００９】従って、硬さ試験を行うためには、荷重ア
ームの可動範囲に注意しながら、試料台を手動で上下に
移動させる必要があるため、手間がかかっていた。

【００１０】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものであって、アクチュエータを用いて発生する力
を制御し、かつ、試料を載置した試料台を、荷重アーム
の可動範囲に自動的に移動することのできる硬さ試験機
を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１記載の発明は、本体部に回動自在に支持さ
れ、自由端部に圧子（例えば、図１の圧子３）が取り付
けられるアーム（例えば、図１の荷重アーム４）と、前
記アームの自由端側を回動させて、前記圧子により試料
表面に圧痕を形成させる押圧力を作用させるための力を
該アームに対して付与するアーム回動力付与手段（例え
ば、図１の荷重アーム作動部６）と、を備えた硬さ試験
機において、前記アームの回動角度を検出する検出手段
（例えば、図１の荷重アーム角度位置センサ４１）と、
前記検出手段によって検出された前記アームの回動角度
に基づいて、前記アーム回動力付与手段が前記アームを
基準角度位置に戻すための力の付与の制御を行う回動角
度制御手段（例えば、図２の作動制御部６５）と、前記
試料を載置し、前記圧子による圧痕を形成させるための
前記アームの回動範囲内に当該試料を移動する試料移動
部（例えば、図１の試料台５及び角ネジ５１）と、前記
試料移動部を駆動させる駆動手段（例えば、図１の試料
台用サーボモータ５２）と、前記駆動手段による前記試
料移動部の駆動量を制御する駆動制御手段（例えば、図
２の作動制御部６５）と、を備え、前記回動角度制御手
段により、前記アームの回動角度を前記基準角度位置に
保った状態で、前記駆動制御手段により、前記試料を移
動する前記試料移動部の駆動量が制御されて、前記試料
に所定の荷重をかけることを特徴とする硬さ試験機。

【００１２】この請求項１記載の発明によれば、本体部
に回動自在に支持され、自由端部に圧子が取り付けられ
るアームと、前記アームの自由端側を回動させて、前記
圧子により試料表面に圧痕を形成させる押圧力を作用さ
せるための力を該アームに対して付与するアーム回動力
付与手段と、を備えた硬さ試験機において、検出手段
は、前記アームの回動角度を検出し、回動角度制御手段
は、前記検出手段によって検出された前記アームの回動
角度に基づいて、前記アーム回動力付与手段が前記アー
ムを基準角度位置に戻すための力の付与の制御を行い、
試料移動部は、前記試料を載置し、前記圧子による圧痕
を形成させるための前記アームの回動範囲内に当該試料
を移動し、駆動手段は、前記試料移動部を駆動させて、
駆動制御手段は、前記駆動手段による前記試料移動部の
駆動量を制御することによって、前記回動角度制御手段
により、前記アームの回動角度を前記基準角度位置に保
った状態で、前記駆動制御手段により、前記試料を移動
する前記試料移動部の駆動量が制御されて、前記試料に
所定の荷重をかける。

【００１３】また、請求項２記載の発明のように、請求
項１記載の硬さ試験機において、前記所定の荷重は、前
記試料に負荷する初荷重であって、前記試料に該初荷重
を負荷した後、前記制御手段は、前記試料移動部を移動
させずに、前記アーム回動力付与手段の力の付与の制御
を行うことによって、前記初荷重以降の荷重を前記試料
に負荷することとしてもよい。

【００１４】したがって、請求項１及び２記載の発明に
よって、駆動制御手段等により、試料移動部が、アーム
の回動範囲内に自動的に試料を移動し、さらに、所定の
荷重が負荷されるまでは、アームが基準角度位置に保た
れる。従って、アームの回動範囲内への試料移動部の移
動を手動で行う必要がなくなり、容易に硬さ試験を実施
することができる。

【００１５】また、アームの回動角度は、基準角度位置
に保たれる。従って、基準角度位置におけるアームの荷
重を精確に校正することによって、所定の荷重、すなわ
ち初荷重を精確に負荷することのできる硬さ試験機を提
供することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図を参照して本発明に係る
硬さ試験機の実施の形態を詳細に説明する。また、荷重
アームの可動範囲に試料を移動させる例として、本実施
の形態では、荷重アームの基準角度位置に試料の上面を
移動させることとし、この基準角度位置を水平位置とす
る。また、本実施の形態では、試料の移動によって、試
料の上面と荷重アームとを接触させて、初めに試料に負
荷する荷重を初荷重と呼び、この初荷重の負荷の後に、
荷重アームの回動によって残りの荷重を試料に負荷する
こととして説明する。

【００１７】図１は、本発明に係る硬さ試験機１の要部
構成を示す側面図である。硬さ試験機１は、板ばね７を
介して、荷重アーム作動部６によって荷重アーム４に荷
重が負荷され、圧子３によって形成された試料表面の圧
痕によって、当該試料の材料特性を評価する装置であ
り、硬さ試験を始める際には、荷重アーム４の回動角度
（傾き）および板ばね７の変位に基づくフィードバック
制御によって、荷重アーム４を基準角度位置に保った状
態で、試料台用サーボモータ５２が試料台５を自動的に
上昇させることにより、試料台５に載置された試料ｓに
初荷重をかける装置である。

【００１８】図１に示す硬さ試験機１は、本体部として
の試験機本体２と、試験機本体２に回動自在に支持さ
れ、自由端部に圧子３が取り付けられる荷重アーム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、試料台５を上下動させるための試
料台用サーボモータ５２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
圧痕を形成させるため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に伝達する板ばね７な
どを備えている。また、図示しないが、設定荷重及び制
御の切替等を入力する荷重入力部も備えている。

【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２
１などを備えている。

【００２０】荷重アーム４は、試験機本体２に十字ばね
或いは転がり軸受等により回動自在に支持されるととも
に、自由端部には圧子３が着脱自在に取り付けられてい
る。また、この荷重アーム４は、板ばね７と一体化され
ている。

【００２１】板ばね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側のその先端
は開口している。

【００２２】また、荷重アーム４の回動範囲は、自由端
部においてプラスマイナス２ｍｍ程度であり、その回動
範囲の中心位置、すなわち基準角度位置に荷重アーム４
が位置する際に、精確な荷重が負荷されるように校正さ
れている。

【００２３】試料台５は、その下面に角ネジ５１が設け
られており、電気的作動手段としての試料台用サーボモ
ータ５２が駆動することによって、その角ネジ５１が上
下動することで、試料台５、即ち、試料台５上に載置さ
れる試料ｓが上下に移動するよう構成されている。

【００２４】この試料台５の作動制御は、荷重アーム４
の傾き（角度位置）を測定する荷重アーム角度位置セン
サ４１と、荷重アーム４と板ばね７とに取り付けられ、
ばね変形量を測定するばね変位量センサ６４と、アーム
角度位置センサ４１及びばね変位量センサ６４によって
測定される荷重アーム４の変位量（傾き）及び板ばね７
の変位量（変形量）に基づいて、角ネジ５１の作動制御
を行う作動制御部６５と、により行われるものであり、
詳細については後述する。

【００２５】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、ボールねじ６２と、ボール
ねじ６２の先端部に取り付けられ、板ばね７に固定され
ている固定治具６３と、を備えている。従って、サーボ
モータ６１が駆動してボールねじ６２が上下動すること
により、板ばね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。

【００２６】固定治具６３は、荷重アーム４と荷重アー
ム作動部６を接続するもので、荷重アーム４の回動運動
と板ばね７の変形（以下、適宜「変位」と呼ぶ。）によ
る板ばね７の軸と荷重アーム作動部６の軸のミスアライ
ンメントを吸収する機能を有し、例えば、薄い板、ピア
ノ線等の線材、或いはナイフエッジと十字ばねの組み合
わせ、ユニバーサルジョイント等を単独或いは併用して
構成されている。

【００２７】この荷重アーム４の作動制御は、荷重アー
ム４と板ばね７とに取り付けられ、ばね変形量（変位
量）を測定するばね変位量センサ６４と、このばね変位
量センサ６４により測定したばね変形量（変位量）を入
力し、該ばね変形量に基づいてボールねじ６２の作動制
御を行う作動制御部６５と、により行われるものであ
る。

【００２８】ばね変位量センサ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）からなり、ボールねじ６２の下方向への作
動によって、板ばね７と荷重アーム４の溝部７ａの開き
量からばね変形量を測定する。また、図１において、不
図示の荷重アーム角度位置センサ４１も、同様の位置セ
ンサからなり、荷重アーム４の水平位置を基準として、
荷重アーム４の傾きを測定する。

【００２９】次に、図２および図３を参照して、試料台
５および荷重アーム４の作動制御について説明する。図
２は、本発明の作動制御部６５の要部構成を示すブロッ
ク図である。

【００３０】作動制御部６５は、図２に示すように、増
幅器６５ａ、６５ｂ、Ａ／Ｄ変換器６５ｃ、６５ｄ、演
算回路６５ｅ、サーボモータ駆動回路６５ｆ、６５ｇ、
Ｄ／Ａ変換器６５ｈ、６５ｉなどを具備している。ま
た、演算回路６５ｅは、図３に示すばね変位量テーブル
６６を内部に格納しており、荷重アーム４の回動力、即
ち圧子３に負荷する荷重と、当該荷重に対応した板ばね
７の変位量とを対応づけて記憶している。

【００３１】硬さ試験を行う場合、まず、試料台５およ
び荷重アーム４の作動制御を、初荷重まで行う。そし
て、初荷重以降は、試料台５の位置を固定した状態（制
御を行わない状態）で、荷重アーム４の作動制御のみ
を、入力・設定された荷重まで行う。

【００３２】まず、初荷重が負荷されるまでの、試料台
５および荷重アーム４の作動制御について説明する。

【００３３】図２において、まず、試料ｓに初荷重を負
荷すべく、試料台用サーボモータ５２が駆動され、角ネ
ジ５１および試料台５が上昇すると、試料台５に載置さ
れた試料ｓと圧子３が接触する。さらに試料台５が上昇
すると、圧子３を介して荷重アーム４に変位（傾き）が
発生する。荷重アーム角度位置センサ４１により、その
傾きが測定されると、荷重アーム位置信号として増幅器
６５ｂに出力される。増幅器６５ｂは、荷重アーム位置
信号を増幅してＡ／Ｄ変換器６５ｄに出力し、Ａ／Ｄ変
換器６５ｄは増幅された荷重アーム位置信号をＡ／Ｄ変
換して演算回路６５ｅに出力する。

【００３４】一方、試料ｓの反発力を受けて板ばね７は
変形する。その変形量（変位量）がばね変位量センサ６
４によって測定されると、ばね変位量信号として増幅器
６５ａに出力される。増幅器６５ａは、ばね変位量信号
を増幅してＡ／Ｄ変換器６５ｃに出力し、Ａ／Ｄ変換器
６５ｃは増幅されたばね変位量信号をＡ／Ｄ変換して演
算回路６５ｅに出力する。

【００３５】演算回路６５ｅは、荷重アーム位置信号に
基づいて、荷重アーム４を基準角度位置（水平）に保つ
ための補正信号をサーボモータ駆動回路６５ｆに出力す
る。サーボモータ駆動回路６５ｆは、この補正信号に基
づいて、荷重アーム４を水平に保つようにサーボモータ
６１の駆動を制御する駆動制御信号をＤ／Ａ変換器６５
ｈに出力する。Ｄ／Ａ変換器６５ｈは、駆動制御信号を
Ｄ／Ａ変換してサーボモータ６１に出力する。

【００３６】そして、この駆動制御信号に基づいてサー
ボモータ６１が駆動することによって、ボールねじ６２
が回転し、上方若しくは下方に作動する。その際、ボー
ルねじ６２に取り付けられた板ばね７と、これと一体化
された荷重アーム４が上方若しくは下方に軸回転するこ
とによって、荷重アーム４が上方若しくは下方に回動す
ることによって、荷重アーム４が水平に保たれる。

【００３７】一方、演算回路６５ｅは、ばね変位量信号
とばね変位量テーブル６６に基づいて、現在負荷されて
いる荷重が初荷重に達したか否かを判定し、初荷重に達
していないと判定した場合には、試料台上昇信号をサー
ボモータ駆動回路６５ｇに出力する。サーボモータ駆動
回路６５ｇは、この試料台上昇信号に基づいて、試料台
５すなわち角ネジ５１をさらに上昇させるべく試料台用
サーボモータ５２の駆動を制御する駆動制御信号をＤ／
Ａ変換器６５ｉに出力する。Ｄ／Ａ変換器６５ｉは、駆
動制御信号をＤ／Ａ変換して試料台用サーボモータ５２
に出力する。そして、この駆動信号に基づいて試料台用
サーボモータ５２が駆動することによって、角ネジ５
１、すなわち試料台５が上昇される。

【００３８】このような角ネジ５１の上昇による荷重ア
ーム４の変位と、板ばね７の変位とから、２つのサーボ
モータを駆動する駆動制御信号の出力までの動作が閉ル
ープとして繰り返し行われることにより、サーボモータ
６１と試料台用サーボモータ５２の駆動制御がなされ、
これにより、予め入力された初荷重が試料ｓに負荷され
るまで、荷重アーム４が基準角度位置（水平）に保たれ
つつ、試料台５が上昇される。

【００３９】次に、初荷重以降、設定荷重が負荷される
までの作動制御について説明する。演算回路６５ｅによ
って、試料ｓに初荷重が負荷されたと判定された場合、
試料台上昇信号は出力されない。すなわち、試料台用サ
ーボモータ５２は駆動されず、試料台５の位置は固定さ
れた状態となる。この状態において、演算回路６５ｅ
は、荷重入力部から予め入力・設定された荷重に対応し
たばね変位量を、ばね変位量テーブル６６から読み出す
とともに、Ａ／Ｄ変換器６５ｃによってＡ／Ｄ変換され
たばね変位量信号と比較し、比較結果をサーボモータ駆
動回路６５ｆに出力する。

【００４０】サーボモータ駆動回路６５ｆは、この比較
結果に基づいて試料に作用する荷重が設定荷重となるよ
うにサーボモータ６１の駆動を制御する駆動制御信号を
Ｄ／Ａ変換器６５ｈに出力する。Ｄ／Ａ変換器６５ｈ
は、駆動制御信号をＤ／Ａ変換してサーボモータ６１に
出力する。

【００４１】そして、この駆動制御信号に基づいてサー
ボモータ６１が駆動することによって、ボールねじ６２
が回転し、下方に作動する。その際、ボールねじ６２に
取り付けられた板ばね７と、これと一体化された荷重ア
ーム４が下方に軸回転することによって、荷重アーム４
が回動し、この回動力によって、荷重アーム４の自由端
に取り付けられた圧子３が試料台５に載置された試料ｓ
を押圧する。

【００４２】その結果、ばね変位量センサ６４によっ
て、板ばね７の変形量（変位量）が測定され、増幅器６
５ａは、ばね変位量センサ６４により測定された、板ば
ね７のばね変位量信号を増幅しＡ／Ｄ変換器６５ｃに出
力する。Ａ／Ｄ変換器６５ｃは増幅されたばね変位量信
号をＡ／Ｄ変換して演算回路６５ｅに出力する。

【００４３】このような、ばね変位量センサ６４の計測
から、駆動制御信号の出力までの動作が閉ループとして
繰り返し行われることにより、サーボモータ６１の駆動
制御がなされ、これにより、圧子３に作用する荷重が、
設定荷重となるよう（正確には、入力された設定荷重に
対応した力を硬さ試験機１が発生するよう）、硬さ試験
機１が制御される。

【００４４】以上説明した本発明に係る硬さ試験機１に
よれば、硬さ試験を始める際には、まず、荷重アーム４
の回動角度（傾き）および板ばね７の変位に基づくフィ
ードバック制御によって、試料台５を試料台用サーボモ
ータ５２により自動的に上昇させ、荷重アーム４を基準
角度位置（水平）に保ちつつ、試料台５に載置された試
料ｓに初荷重をかける。そして、試料ｓに初荷重がかけ
られた後、設定荷重までは、板ばね７のみの変位に基づ
くフィードバック制御によって、試料ｓに荷重が負荷さ
れる。

【００４５】このため、試料を載置した試料台が、自動
的に荷重アームの基準角度位置に移動され、さらに、初
荷重が負荷されるまでは、荷重アームは水平状態に保た
れる。従って、試料台の上下移動を手動で行う必要がな
くなり、容易に硬さ試験を実施することができる。

【００４６】なお、本発明は、上記実施の形態の内容に
限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範
囲で適宜変更可能であり、例えば、荷重アーム角度位置
センサ４１をより高精度なセンサとし、試料台５の上昇
速度をより緩やかにすることにより、試料ｓと圧子３と
が接触し、荷重アーム４が僅かに傾き始めた状態、すな
わち、初荷重を限りなく「０（ゼロ）」に近づけること
が可能である。

【００４７】また、上記実施の形態では、試料台５の下
部に設けられたねじは角ネジとして説明したが、ボール
ねじであってもよく、また、ばね変位量センサ６４は、
リニアスケールを用いることとして説明したが、これに
限るものではなく、例えば、板ばね７の一端７ａや他端
７ｂの移動位置のみを測定して、板ばね７の変位量とし
てもよい。その場合には、コンデンサピック（電荷容量
型変位センサ）や、ＬＶＤＴ（差動変圧器）、電気マイ
クロメータなどを使用してもよい。また、板ばね７は、
弦巻ばね等の他のばねであってもよく、また、ゴムなど
の弾性体でもよい。

【００４８】

【発明の効果】請求項１記載及び２記載の発明によれ
ば、駆動制御手段等により、試料移動部が、アームの回
動範囲内に自動的に試料を移動し、さらに、所定の荷重
が負荷されるまでは、アームが基準角度位置に保たれ
る。従って、アームの回動範囲内への試料移動部の移動
を手動で行う必要がなくなり、容易に硬さ試験を実施す
ることができる。

【００４９】また、アームの回動角度は、基準角度位置
に保たれる。従って、基準角度位置におけるアームの荷
重を精確に校正することによって、所定の荷重、すなわ
ち初荷重を精確に負荷することのできる硬さ試験機を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る硬さ試験機１の要部構成を示す側
面図。

【図２】作動制御部６５の要部構成を示すブロック図。

【図３】演算回路６５ｅ内に格納されるばね変位量テー
ブル６６の一例を示す図。

【図４】従来の硬さ試験機１００の要部構成を示すブロ
ック図。

【符号の説明】

１ 硬さ試験機 ２ 試験機本体 ３ 圧子 ４ 荷重アーム ４１ 荷重アーム角度位置センサ ５ 試料台 ５１ 角ネジ ５２ 試料台用サーボモータ ６ 荷重アーム作動部 ６１ サーボモータ ６４ ばね変位量センサ ６５ 作動制御部 ６５ｅ 演算回路 ７ 板ばね

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】本体部に回動自在に支持され、自由端部に
   圧子が取り付けられるアームと、 前記アームの自由端側を回動させて、前記圧子により試
   料表面に圧痕を形成させる押圧力を作用させるための力
   を該アームに対して付与するアーム回動力付与手段と、 を備えた硬さ試験機において、 前記アームの回動角度を検出する検出手段と、 前記検出手段によって検出された前記アームの回動角度
   に基づいて、前記アーム回動力付与手段が前記アームを
   基準角度位置に戻すための力の付与の制御を行う回動角
   度制御手段と、 前記試料を載置し、前記圧子による圧痕を形成させるた
   めの前記アームの回動範囲内に当該試料を移動する試料
   移動部と、 前記試料移動部を駆動させる駆動手段と、 前記駆動手段による前記試料移動部の駆動量を制御する
   駆動制御手段と、 を備え、 前記回動角度制御手段により、前記アームの回動角度を
   前記基準角度位置に保った状態で、前記駆動制御手段に
   より、前記試料を移動する前記試料移動部の駆動量が制
   御されて、前記試料に所定の荷重をかけることを特徴と
   する硬さ試験機。
2. 【請求項２】前記所定の荷重は、前記試料に負荷する初
   荷重であって、前記試料に該初荷重を負荷した後、前記
   制御手段は、前記試料移動部を移動させずに、前記アー
   ム回動力付与手段の力の付与の制御を行うことによっ
   て、前記初荷重以降の荷重を前記試料に負荷することを
   特徴とする請求項１記載の硬さ試験機。