JP2001133335A - 力計および硬さ試験機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小さい力から大きな力まで広範囲の力を計測
する際の作業性に優れるとともに、小さい力から大きな
力までの連続した力を精確に計測することが出来る力計
およびこの力計を組み込んだ硬さ試験機を提供すること
を目的とする。 【解決手段】 ケース（２）内に、弾性体（３：例え
ば、ダイヤフラムばね）を介して上下動可能に取り付け
られた可動部（４）と、前記可動部の変位データを静電
容量の変化により計測する静電容量型変位計（５）と、
前記静電容量型変位計により計測された前記可動部の変
位データから前記可動部に作用する力を算出する力算出
手段（８：例えば、演算回路）と、を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、力を計測する力計
およびこの力計を備えた硬さ試験機に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、力を計測する力計としては、歪み
ゲージ式力変換器（歪みゲージ式変位計）を用いたもの
が知られている。歪みゲージ式力変換器は、力を電気量
に変換する変換部として歪みゲージを使用したものであ
り、電気量の変化を測定することにより力の計測および
制御が出来るようになっている。歪みゲージ式力変換器
は、変換素子に歪みゲージを使用しているので、変換器
を小型軽量にすることが出来、且つ構造がシンプルで直
線性に優れているという利点がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、歪みゲ
ージ式変換器は、ホイートストンブリッジを利用した回
路なので出力電圧が極めて小さく、定格容量の約３０％
以下では、電気ノイズにより精確なデータが得られない
という問題点があり、従って、例えば、図５に示すよう
に、ある歪みゲージ式変換器１００の定格容量の３０％
以下の力を精確に求めるため、定格容量の小さい別の歪
みゲージ式変換器１０１を用いていた。そして、この定
格容量の小さい歪みゲージ式変換器１０１の定格容量３
０％以下のところは、更に定格容量の小さい別の歪みゲ
ージ式変換器１０２を用いていた。

【０００４】このように、従来の歪みゲージ式変換器を
用いた力の計測では、小さい力から大きい力まで広範囲
の力を精度よく計測したい場合には、定格容量の異なる
複数の歪みゲージ式変換器を必要としていた。具体的に
は、例えば、ロックウエルおよびロックウエルスーパー
フィシャル硬さ両用試験機の場合、２９．４２Ｎ〜１４
７１Ｎの計測範囲で４個の歪みゲージ式変換器を使用し
ていた。従って、計測したい力に応じて歪みゲージ式変
換器を切り換えなければならならないので、その作業が
煩雑であるという問題点があった。また、同様に、計測
したい力に応じて歪みゲージ式変換器を切り換えなけれ
ばならないので、小さい力から大きい力までの連続した
力計測を精確に行うことが困難であるという問題点があ
った。

【０００５】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、小さい力から大きな力まで広範囲の
力を計測する際の作業性に優れるとともに、小さい力か
ら大きな力までの連続した力を精確に計測することが出
来る力計およびこの力計を組み込んだ硬さ試験機を提供
することを目的とする。

【０００６】

【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、例えば、図１に示すよう
に、力を計測する力計（１）において、ケース（２）内
に、弾性体（３：例えば、ダイヤフラムばね）を介して
上下動可能に取り付けられた可動部（４）と、前記可動
部の変位データを静電容量の変化により計測する静電容
量型変位計（５）と、前記静電容量型変位計により計測
された前記可動部の変位データから前記可動部に作用す
る力を算出する力算出手段（８：例えば、演算回路）
と、を備えたことを特徴としている。

【０００７】請求項１記載の発明によれば、可動部に力
が作用して変位した場合に、静電容量型変位計によって
その可動部の変位が静電容量の変化により計測され、力
算出手段によって可動部に作用する力が算出されるの
で、小さい力から大きい力まで精確に計測出来ることと
なって、従来の歪みゲージ式変換器のように、定格荷重
の異なる複数の歪みゲージ式変位計を力の計測範囲に応
じて切り換える必要がなく、作業性に優れる。また、小
さい力から大きい力まで連続した計測を行う場合でも、
従来の歪みゲージ式変位計のように歪みゲージ式変換器
の切換が必要ないので、より容易且つ精確に行うことが
出来る。

【０００８】ここで、弾性体は、例えば、板ばね、ダイ
ヤフラムなどを用いるが、ばね以外のものであっても可
動部を弾性的に支持可能なものであればよい。

【０００９】請求項２記載の発明は、請求項１記載の力
計において、前記静電容量型変位計は、前記可動部の外
周囲に等間隔で３個以上配置され、前記力算出手段は、
前記各静電容量型変位計により計測された前記変位デー
タから算出した前記可動部に作用する力の平均値を出力
するように構成されていることを特徴としている。

【００１０】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載の発明と同様の効果が得られることは無論のこと、特
に、等間隔に配置された３個以上の各静電容量型変位計
で計測された可動部に作用する力の平均値が力算出手段
によって出力されるので、可動部のある部分に偏って力
が作用した場合でも、その影響が各静電容量型変位計で
相殺され、精確な力を計測することが出来る。

【００１１】請求項３記載の発明は、請求項１又は２記
載の力計において、前記可動部は、前記各静電容量型変
位計に向かって突出した突出部（４ａ）を備え、前記静
電容量型変位計は、前記突出部を上下に所定幅離間した
状態で挟む極板（５ａ）を備えるとともに、前記突出部
の上下動に基づく前記突出部と前記極板との間の静電容
量を計測するように構成されていることを特徴としてい
る。

【００１２】請求項３記載の発明によれば、請求項１又
は２記載の発明と同様の効果が得られることは無論のこ
と、特に、簡易な構造で確実に可動部の変位を計測する
ことが出来る。

【００１３】請求項４記載の発明は、圧子（１１）と、
当該圧子に試験力を付与する力付与手段（１２：負荷装
置）とを備え、試料に圧痕を形成させることに基づいて
該試料の硬さを測定する硬さ試験機（１０）において、
前記力付与手段によって試料に与えられる力を計測する
力計として、請求項１〜３の何れかに記載の力計を備え
たことを特徴としている。

【００１４】請求項４記載の発明によれば、硬さ試験機
が、請求項１〜３の何れかに記載の力計を組み込んだ構
成とされているので、従来の歪みゲージ式変位計のよう
に、定格荷重の異なる複数の歪みゲージ式変位計を力の
計測範囲に応じて切り換える必要がなく、作業性に優れ
る。また、小さい力から大きい力まで連続した計測を行
う場合でも、従来の歪みゲージ式変位計を用いたものに
比べて容易に行うことが出来る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図を参照して本発明に係る
力計およびこの力計を組み込んだ硬さ試験機の実施の形
態を詳細に説明する。 ［第１の実施の形態］図１は、本発明に係る力計の要部
構成を示す縦断面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ断面
図である。

【００１６】図１又は図２に示す力計１は、ケース２
と、このケース２内に設けられ、上端部および下端部が
弾性体としてのダイヤフラムばね３、３を介して支持さ
れた可動部４と、前記可動部４の外周囲に等間隔に配置
された３つの静電容量型変位計５、５、５と、出力コネ
クタ６、６、６と、アンプ７、７、７と、演算回路８
（力算出手段）などにより構成されている。

【００１７】前記ケース２は、所定の剛性を有する材料
により構成されている。前記ダイヤフラムばね３、３
は、所定のばね係数を有するものから構成されている。
前記可動部４には、上下方向の中間位置に、各静電容量
型変位計５に向かって突出した突出部４ａ、４ａ、４ａ
が各々設けられている。

【００１８】前記静電容量型変位計５は、前記突出部４
ａを上下に所定幅隙間をもたせた状態で挟む２つの極板
５ａ、５ａを備えているとともに、図３に示すように、
発振器５１、変調器５２、フィルタ５３を備えている。
そして、この極板５ａ、５ａ間には所定の電圧が印加さ
れ、可動部４が変位した際の、突出部４ａの上下面と極
板５ａ、５ａ間の間の距離の変化に基づく静電容量の変
化は変位データとして、発振器５１のクロックに基づい
て変調器５２で変調された後、フィルタ５３を介して出
力される。

【００１９】前記出力コネクタ６、６、６は、ケース２
の外周に設けられ、静電容量型変位計５によって計測さ
れた変位データをアンプ７に出力する。前記アンプ７
は、出力コネクタ６を介して出力された変位データを増
幅して、演算回路８に出力する。前記演算回路８は、ア
ンプ７から出力された３つの変位データをＡ／Ｄ変換し
た後、この変位データから力を算出するとともに、各静
電容量型変位計５から得られた３つの力を平均した値を
出力する。

【００２０】次に、この力計１による力の算出動作を説
明する。まず、可動部４にある力が作用すると、その力
に応じて可動部４が変位する。この可動部４の変位によ
り、突出部４ａと極板５ａ、５ａとの間の距離が変化
し、それが静電容量の変化として電圧に変換され、変位
データとして計測される。次いで、計測された変位デー
タは、出力コネクタ６を介してアンプ７に出力され、こ
こで増幅される。次いで、増幅された変位データは、演
算回路８に出力され、ここで、Ａ／Ｄ変換された後、力
が算出される。そして、各静電容量型変位計５、５、５
で検出された力は、更に平均されて、その結果が、例え
ば、図示しない表示装置等に出力される。

【００２１】以上説明した本発明に係る力計１によれ
ば、可動部４に力が作用して移動した場合に、静電容量
型変位計５によってその可動部４の変位が静電容量の変
化として計測され、演算回路８によって可動部４に作用
する力が算出されるので、小さい力でも大きな感度が得
られ、小さい力から大きい力まで精確に計測出来る。従
って、従来の歪みゲージ式変換器のように、定格荷重の
異なる複数の歪みゲージ式変位計を力の計測範囲に応じ
て切り換える必要がなく、作業性に優れる。

【００２２】また、小さい力から大きい力まで連続した
計測を行う場合でも、従来の歪みゲージ式変位計を用い
たものに比べて連続したデータが得られる。更に、力計
１自体は簡単な構造であるが、等間隔に配置された３個
の静電容量型変位計５、５、５で可動部４に作用する力
の平均値が算出されるので、可動部４のある部分に偏っ
て力が作用した場合でも、その影響が各静電容量型変位
計５、５、５で相殺され精確且つ確実に力を計測するこ
とが出来る。

【００２３】［第２の実施の形態］次に、上記構成の力
計を硬さ試験機に適用した場合について説明する。図３
は、本発明に係る硬さ試験機の要部構成を示す側面図で
ある。図３に示す硬さ試験機１０は、例えば、ビッカー
ス式硬さ試験機であり、圧子１１と、この圧子１１に試
験力を負荷する負荷装置１２（試験力付与手段）と、圧
子１１に作用する力を計測する力計１と、負荷装置１２
の負荷制御を行う負荷制御部１３と、を備えている。前
記負荷装置１２は、例えば、電磁力によって力を発生さ
せるフォースコイル（図示省略）を備え、フォースコイ
ル（図示省略）に作用する直流電流の向きと大きさによ
り、所定の荷重を圧子１１に負荷する。

【００２４】前記力計１は、第１の実施の形態で説明し
た力計１と同一の構成であり、図１に示すように、ケー
ス２と、このケース２内に設けられ、上端部および下端
部が弾性体としてのダイヤフラムばね３、３を介して支
持された可動部４と、前記可動部４の外周囲に等間隔に
配置された３つの静電容量型変位計５、５、５と、出力
コネクタ６、６、６と、アンプ７、７、７と、を備えて
いる。但し、演算回路８の機能は、負荷制御部１３に設
けられている。各構成の説明は、第１の実施の形態で説
明しているので、省略する。

【００２５】前記負荷制御部１３は、図示は省略する
が、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えており、力計１から
出力された力データを入力により試験のプロセスが正確
に把握出来るようになっている。

【００２６】次に、この硬さ試験機１０による力の算出
動作を説明する。まず、負荷制御部１３から出力された
所定の荷重信号に基づいて、負荷装置１２が力を発生さ
せて圧子に伝達する。この力が力計１の可動部４に作用
すると、その力に応じて可動部４が変位する。この可動
部４の変位により、突出部４ａと極板５ａ、５ａとの間
の距離が変化し、それが静電容量の変化として電圧に変
換され、変位データとして計測される。

【００２７】次いで、計測された変位データは、出力コ
ネクタ６を介してアンプ７に出力され、ここで増幅され
る。次いで、増幅された変位データは、負荷制御部１３
に出力され、ここで、Ａ／Ｄ変換された後、力が算出さ
れ、算出された各静電容量型変位計５で検出された力
は、更に平均される。これにより試験のプロセスが容易
に把握出来る。

【００２８】以上説明した本発明に係る硬さ試験機１０
によれば、力計１に静電容量型変位計５が組み込まれた
構成とされているので、従来の歪みゲージ式変位計のよ
うに、定格荷重の異なる複数の歪みゲージ式変位計を力
の計測範囲に応じて切り換える必要がなく、作業性に優
れる。また、小さい力から大きい力まで連続した計測を
行う場合でも、従来の歪みゲージ式変位計を用いたもの
に比べて容易に行うことが出来る。

【００２９】なお、硬さ試験機としては、ビッカース式
硬さ試験機の他、ロックウエル硬さ試験機等にも適用可
能である。

【００３０】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、可動部に
力が作用して変位した場合に、静電容量型変位計によっ
てその可動部の変位が静電容量の変化により計測され、
力算出手段によって可動部に作用する力が算出されるの
で、小さい力でも大きな感度が得られ、小さい力から大
きい力まで精確に計測出来ることとなって、従来の歪み
ゲージ式変換器のように、定格荷重の異なる複数の歪み
ゲージ式変位計を力の計測範囲に応じて切り換える必要
がなく、作業性に優れる。また、小さい力から大きい力
まで連続した計測を行う場合でも、従来の歪みゲージ式
変位計のように歪みゲージ式変換器の切換が必要ないの
で、より容易且つ精確に行うことが出来る。

【００３１】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載の発明と同様の効果が得られることは無論のこと、特
に、等間隔に配置された３個以上の各静電容量型変位計
で計測された可動部に作用する力の平均値が力算出手段
によって出力されるので、可動部のある部分に偏って力
が作用した場合でも、その影響が各静電容量型変位計で
相殺され、精確な力を計測することが出来る。

【００３２】請求項３記載の発明によれば、請求項１又
は２記載の発明と同様の効果が得られることは無論のこ
と、特に、簡易な構造で確実に可動部の変位を計測する
ことが出来る。

【００３３】請求項４記載の発明によれば、硬さ試験機
が、請求項１〜３の何れかに記載の力計を組み込んだ構
成とされているので、従来の歪みゲージ式変位計のよう
に、定格荷重の異なる複数の歪みゲージ式変位計を力の
計測範囲に応じて切り換える必要がなく、作業性に優れ
る。また、小さい力から大きい力まで連続した計測を行
う場合でも、従来の歪みゲージ式変位計を用いたものに
比べて容易に行うことが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る力計の要部構成を示す縦断面図で
ある。

【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。

【図３】静電容量型変位計の主要構成を示したブロック
図である。

【図４】本発明に係る硬さ試験機の要部構成を示す側面
図である。

【図５】従来の歪ゲージ式変換器を用いた力計測を方法
を説明するための図である。

【符号の説明】

１ 力計 ２ ケース ３ ダイヤフラムばね（弾性体） ４ 可動部 ４ａ 突出部 ５ 静電容量型変位計 ６ コネクタ ７ アンプ ８ 演算回路（力算出手段） １０ 硬さ試験機 １１ 圧子 １２ 負荷装置（力付与装置） １３ 負荷制御部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 力を計測する力計において、 ケース内に、弾性体を介して上下動可能に取り付けられ
   た可動部と、 前記可動部の変位データを静電容量の変化により計測す
   る静電容量型変位計と、 前記静電容量型変位計により計測された前記可動部の変
   位データから前記可動部に作用する力を算出する力算出
   手段と、 を備えたことを特徴とする力計。
2. 【請求項２】 請求項１記載の力計において、 前記静電容量型変位計は、前記可動部の外周囲に等間隔
   で３個以上配置され、 前記力算出手段は、前記各静電容量型変位計により計測
   された前記変位データから算出した前記可動部に作用す
   る力の平均値を出力するように構成されていることを特
   徴とする力計。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の力計において、 前記可動部は、前記各静電容量型変位計に向かって突出
   した突出部を備え、 前記静電容量型変位計は、前記突出部を上下に所定幅離
   間した状態で挟む一対の極板を備えるとともに、 前記突出部の上下動に基づく前記突出部と前記極板との
   間の静電容量を計測するように構成されていることを特
   徴とする力計。
4. 【請求項４】 圧子と、当該圧子に試験力を付与する試
   験力付与手段とを備え、試料に圧痕を形成させることに
   基づいて当該試料の硬さを測定する硬さ試験機におい
   て、前記試験力付与手段によって試料に与えられる力を
   計測する力計が、請求項１〜３の何れかに記載の力計に
   より構成されていることを特徴とする硬さ試験機。