JP2003050189A

JP2003050189A - 圧痕形成機構及び硬さ試験機

Info

Publication number: JP2003050189A
Application number: JP2001240929A
Authority: JP
Inventors: Masaru Kawazoe; 勝川添; Tomoharu Yamada; 知治山田; Mitsuru Oda; 充小田
Original assignee: Akashi Corp
Current assignee: Akashi Corp
Priority date: 2001-08-08
Filing date: 2001-08-08
Publication date: 2003-02-21
Anticipated expiration: 2021-08-08
Also published as: JP4098503B2

Abstract

(57)【要約】【課題】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。【解決手段】サーボモータ６１は、試料Ｓの表面に圧
痕を形成させる押込力を圧子３に作用させる。板バネ７
は、サーボモータ６１によって付与された力を圧子３に
伝達する。バネ変位量センサ６４は、板バネ７の弾性変
位量すなわち圧子の押込力を検出する。微分器６５は、
バネ変位量センサ６４の検出結果の変化に基づいて圧子
３に作用する押込力の増加率すなわち負荷速度を算出す
る。荷重アーム作動制御部６７は、微分器６５によって
算出された負荷速度と、予め設定された目標負荷速度と
の比較に基づいて、当該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をフィードバック制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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２
０００−３０４６７０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、
を備えたことを特徴とする。

【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。

【０００９】請求項２記載の発明は、請求項１記載の圧
痕形成機構において、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。

【００１０】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載の発明の効果が得られるのは勿論のこと、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。

【００１１】請求項３記載の発明は、請求項１記載の圧
痕形成機構において、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に未満の所定の臨界
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。

【００１２】請求項３記載の発明によれば、請求項１記
載の発明の効果が得られるのは勿論のこと、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。

【００１３】請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何
れか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。

【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。

【００１５】請求項５記載の発明の硬さ試験機（１）
は、請求項１〜４の何れかに記載の圧痕形成機構（１
０）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。

【００１６】請求項５記載の発明によれば、請求項１〜
４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２
１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６
５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６
６１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６
７６、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６
１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９
４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（targ
etF）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（Ｇ
ｆ）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（Ga
in）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Ｓ
１４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Ｓ１
７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Ｓ１
４；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６
７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Ｓ１
７；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；ＹＥ
Ｓ）、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６
７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）、ＬＶＤ
Ｔ（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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小田充神奈川県座間市広野台二丁目７番１号株式会社アカシ相模工場内

Claims

【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、を備えたことを特徴とする圧痕形成機構。
【請求項２】請求項１記載の圧痕形成機構において、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３】請求項１記載の圧痕形成機構において、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４】請求項１〜３の何れか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圧痕形成機構。
【請求項５】請求項１〜４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。