JP2004340656A - 硬さ試験機及び硬さ試験機における機体歪み補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機体の歪みによる影響をより正確に排除出来て測定精度を維持することが出来る硬さ試験機およびこの硬さ試験機における機体歪み補正方法を提供する。
【解決手段】力を発生させる荷重アーム作動部６と、発生した力を圧子（３）に伝達する荷重アーム４と、圧子に伝達された力を計測するバネ変位量センサ６４と、力が伝達された圧子が、試料台５に載置された試料に押し込まれる時の圧子の変位量を計測するアーム位置センサ８と、を備えた硬さ試験機（１）において、バネ変位量センサにより計測された力に基づいて、アーム位置センサによって計測された変位量から、ＣＰＵ９３は、圧子を介して伝達される力に応じて生じる試料台を含む機体の歪み分を補正する。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料に圧子を押し込んだ時の圧子侵入量を計測し、硬さを算出する硬さ試験機およびこの硬さ試験機における機体歪み補正方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、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。
【０００３】
このような硬さ試験機において、圧子に所定の押込力をかけた場合に検出された圧子侵入量は、真の圧子侵入量とこの押込力による機体の歪み量とが混合されたものであって真の圧子侵入量ではない。
そこで、フォースモータで発生した力を圧子に伝達する力伝達部と、力が伝達された圧子が、試料台に載置された試料に押し込まれる時の押し込み量を圧子の変位に基づいて計測し、計測原点が固定された押し込み量計測部と、を備え、押し込み量計測部によって計測された押し込み量から、押し込み量計測時に、圧子を介して伝達される力に応じて生じる試料台を含む機体の歪み分を補正することができる硬さ試験機が提供されている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１２４６８２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載された硬さ試験機の場合には、フォースモータから出力される力と圧子の押し込み量との関係に基づいて補正がなされるので、実際に圧子に作用する力との間には時間的なズレがあり、必ずしも実際に圧子に作用する力を示していないという問題があった。
【０００６】
本発明の課題は、機体の歪みによる影響をより正確に排除出来て測定精度を向上させることが出来る硬さ試験機およびこの硬さ試験機における機体歪み補正方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成する為、請求項１記載の発明は、例えば、図１、２に示すように、
力を発生させる力発生部（例えば、荷重アーム作動部６）と、
前記力発生部で発生した力を圧子（３）に伝達する力伝達部（例えば、荷重アーム４）と、
前記力伝達部により前記圧子に伝達された力を計測する力計測手段（例えば、バネ変位量センサ６４）と、
力が伝達された前記圧子が、試料台に載置された試料に押し込まれる時の圧子の変位量を計測する圧子変位量計測手段（例えば、アーム位置センサ８）と、
を備えた硬さ試験機（１）において、
前記力計測手段により計測された力に基づいて、前記圧子を介して伝達される力に応じて生じる前記試料台を含む機体の歪み分を、前記圧子変位量計測手段によって計測された変位量から補正する機体歪み補正手段（例えば、ＣＰＵ９３、記憶部９４など）と、
を備えたことを特徴とする。
【０００８】
請求項１記載の発明によれば、機体歪み補正手段は、力計測手段により計測された力に基づいて、圧子を介して伝達される力に応じて生じる試料台を含む機体の歪み分を、圧子変位量計測手段によって計測された変位量から補正するので、直接計測された力に基づいて機体の歪み分を補正することができることとなって、より正確な圧子侵入量を求めることができる。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の硬さ試験機において、
前記機体歪み補正手段は、
前記力計測手段により計測される力と、前記圧子を介して試料に伝達される力に応じて生じる機体歪み量とを対応付けて記憶する記憶手段（例えば、記憶部９４）と、
圧子変位量計測時に、前記力計測手段により計測された力に応じた機体歪み量を前記記憶手段から読み出して、前記圧子変位量を補正する補正手段（例えば、ＣＰＵ９３）と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明と同様の効果が得られることは無論のこと、特に、圧子変位量計測手段によって計測された圧子を介して試料に伝達される力に応じて生じる機体歪み量が記憶手段に記憶され、補正手段により圧子変位量計測手段によって計測された圧子変位量が補正されるので、予め実測された機体歪み量に基づいて圧子変位量の補正がなされることとなって、より正確な補正を行うことが出来る。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の硬さ試験機を用いた機体歪み補正方法であって、
先端部が鈍角な歪み測定用圧子を介して、試料表面に圧痕が形成されない範囲内の力を前記力発生部により連続して変化させた時の、前記力計測手段により計測した力と、該力に同期して前記圧子変位量計測手段により計測した機体歪みとを対応付けた機体歪み補正データを作成し、
次いで、先端部が鋭角な押し込み量測定用圧子を用いて試料に力を加えた場合の力と圧子変位量を、前記力計測手段と前記圧子変位量計測手段により計測し、次いで、当該計測時の力に対応する機体歪み量を機体歪み補正データから読み出し、
次いで、前記機体歪み補正データから読み出した前記機体歪み量を用いて前記圧子変位量を補正することを特徴とする。
【００１２】
請求項３記載の発明によれば、先端部が鈍角な歪み測定用圧子を介して、試料表面に圧痕が形成されない範囲内の力を力発生部により連続して変化させた時の、力計測手段により計測した力と、該力に同期して圧子変位量計測手段により計測した機体歪みとを対応付けた機体歪み補正データが作成され、次いで、先端部が鋭角な押し込み量測定用圧子を用いて試料に力を加えた場合の力と圧子変位量が、力計測手段と圧子変位量計測手段により計測され、次いで、当該計測時の力に対応する機体歪み量が機体歪み補正データから読み出され、次いで、機体歪み補正データから読み出した機体歪み量を用いて圧子変位量が補正される。
従って、実際に計測された力に基づいて機体の歪み分を補正することができることとなって、より正確な圧子侵入量を求めることができる。
また、機体歪み量補正データが予め実測された結果に基づいて作成されるので、計算等によって求めるよりも、より正確なものとなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図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、本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、機体２と、この機体２に回動自在に支持され、自由端部に圧子３が取付けられた力伝達部としての荷重アーム４と、圧子３の下方の機体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付与する力発生部としての荷重アーム作動部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と、圧子３によって形成された圧痕の深さを測定する圧子侵入量計測手段としてのアーム位置センサ８と、を備える。
【００１４】
また、硬さ試験機１は、このアーム位置センサ８により測定された圧痕の深さに基づいて試料Ｓの硬さを算出する硬さ算出部９（図２参照）を備えている。
【００１５】
更に、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（図示省略）と、試験条件入力画面（図示省略）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（図示省略）及び出力装置１１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。
【００１６】
機体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２１などを備えている。荷重アーム４は、機体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が形成され、圧子３側の溝部７ａの先端は開口している。
【００１７】
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によって機体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。
【００１８】
また、荷重アーム作動部６には、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力計測手段としてのバネ変位量センサ６４を備えている。
【００１９】
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硬さ算出部９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に加わる試験荷重に比例する。
【００２０】
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への侵入量に比例する。
また、アーム位置センサ８により測定されたアーム変位量は、硬さ算出部９に出力される。
【００２１】
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、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）９３、記憶部９４などを具備している。
【００２２】
増幅器９１は、バネ変位量センサ６４により検出されたバネ変位量信号及びアーム位置センサ８により検出されたアーム変位量信号を増幅し、Ａ／Ｄ変換器９２に出力する。Ａ／Ｄ変換器９２は、増幅されたバネ変位量信号及びアーム変位量信号をＡ／Ｄ変換してＣＰＵ９３に出力する。
ここで、Ａ／Ｄ変換されたバネ変位量信号は、力（試験荷重）データであり、アーム変位量信号は、圧子侵入量データである。
【００２３】
ＣＰＵ９３は、記憶部９４に格納されたプログラムやデータを記憶部９４内のＲＡＭエリア９４１に展開し、当該プログラムに従った処理を実行し、実行結果をＲＡＭエリア９４１に一時的に格納する。
具体的に、ＣＰＵ９３は、補正手段として、入力された力データ及び圧子侵入量データに基づいて、記憶部９４に内蔵された機体歪み補正プログラム９４３に従って圧子侵入量を補正する。即ち、ＣＰＵ９３は、入力された力データの力に応じた機体歪み量を記憶部９４に記憶された機体歪み補正データ９４２から読み出して、圧子侵入量を補正する。
【００２４】
また、ＣＰＵ９３は、補正した圧子侵入量に基づいて、記憶部９４に記憶された硬さ算出プログラム９４４に従って当該試料の硬さを算出する。
また、ＣＰＵ９３は、算出した硬さデータを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。
【００２５】
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。
記憶部９４には、ＣＰＵ９３の作業領域であるＲＡＭエリア９４１のほか、機体歪み補正データ９４２、機体歪み補正プログラム９４３、硬さ算出プログラム９４４などが記憶される記憶領域などが設けられており、記憶手段として機能する。
【００２６】
次に、機体歪み補正データの作成方法について説明する。
まず、先端部が鈍角な歪み測定用圧子（図示省略）を荷重アーム４の自由端部に取り付ける。
次いで、試料台５に歪み測定用試料（図示省略）を載置する。この歪み測定用試料は、少なくとも測定部およびその周辺が超硬鋼で出来ており、試験力設定範囲（例えば、０．０９８ｍＮから９８０．７ｍＮ）内の力では、表面に圧痕が形成されないようになっている。
【００２７】
次いで、荷重アーム作動部６により試験力設定範囲内の力を連続的に変化させた時の力をバネ変位量センサ６４により計測するとともに、当該バネ変位量センサ６４による力計測に同期してアーム位置センサ８により機体歪みを計測する。
計測された力及び機体歪みは、記憶部９４のＲＡＭエリア９４１に一時的に記憶された後、ＣＰＵ９３は、ＲＡＭエリア９４１に記憶された力及び機体歪みを対応付けた機体歪み補正データを作成し、作成した機体歪み補正データを記憶部９４に記憶する。
【００２８】
なお、計測したいくつかの機体歪みデータから補正式を補正式算出プログラム（図示省略）により算出し、算出された補正式から得られた値から機体歪み補正データを作成して記憶部９４に記憶してもよい。
【００２９】
次に、上記硬さ試験機１による圧子侵入量の補正動作及び硬さ算出動作について説明する。
まず、上記機体歪み補正データ作成方法によって機体歪み補正データを作成し、作成した機体歪み補正データを記憶部９４に記憶させる。
次いで、先端部が鋭角な押し込み量測定用の圧子３を力伝達レバー４の自由端部４ａに取り付け、試料台２０ａに試験用試料Ｓを載置する。
【００３０】
続いて、フォースコイル２１に所定の電流を流して荷重アーム４を降下させて所定の力を、圧子３を介して試料Ｓに伝達する。
このとき圧子に作用する力は、バネ変位量センサ６４により測定され、その測定結果であるバネ変位量信号が増幅器９１、Ａ／Ｄ変換器９２を介してＣＰＵ９３に出力される。
また、この力測定に同期して圧子３の変位がアーム位置センサ８により測定され、その測定結果であるアーム変位量信号が増幅器９１、Ａ／Ｄ変換器９２を介してＣＰＵ９３に出力される。
【００３１】
そして、ＣＰＵ９３は、機体歪み補正プログラムを実行することにより、入力されたバネ変位量データの力に対応する機体歪み量を記憶部９４の機体歪みデータから読み出し、入力されたアーム変位量データ（見かけ上の圧子侵入量データ）から、機体歪みデータから読み出した機体歪み量を減算し、機体歪み分が除去された実際の圧子侵入量を算出する。
【００３２】
次いで、ＣＰＵ９３は、算出された実際の圧子侵入量に基づいて、硬さ算出プログラムを実行することにより、硬さデータを算出し、算出した硬さデータを出力装置１１に出力する。
【００３３】
以上説明した硬さ試験機１によれば、バネ変位量センサ６４により計測された力に基づいて、アーム変位量センサ８によって計測された変位量から、圧子３を介して伝達される力に応じて生じる試料台５を含む機体２の歪み分を補正するので、直接計測された力に基づいて機体２の歪み分を補正することができることとなって、より正確な圧子侵入量を求めることができる。
特に、予め実測された機体歪み量により圧子変位量の補正がなされることとなって、計算等によって求めるよりも、より正確なものとなる。
【００３４】
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）、ＬＶＤＴ（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。
【００３５】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、機体歪み補正手段は、力計測手段により計測された力に基づいて、圧子を介して伝達される力に応じて生じる試料台を含む機体の歪み分を、圧子変位量計測手段によって計測された変位量から補正するので、直接計測された力に基づいて機体の歪み分を補正することができることとなって、より正確な圧子侵入量を求めることができる。
【００３６】
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、圧子変位量計測手段によって計測された圧子を介して試料に伝達される力に応じて生じる機体歪み量が記憶手段に記憶され、補正手段により圧子変位量計測手段によって計測された圧子変位量が補正されるので、予め実測された機体歪み量により圧子変位量の補正がなされることとなって、より正確な補正を行うことが出来る。
【００３７】
請求項３記載の発明によれば、先端部が鈍角な歪み測定用圧子を介して、試料表面に圧痕が形成されない範囲内の力を力発生部により連続して変化させた時の、力計測手段により計測した力と、該力に同期して圧子変位量計測手段により計測した機体歪みとを対応付けた機体歪み補正データが作成され、次いで、先端部が鋭角な押し込み量測定用圧子を用いて試料に力を加えた場合の力と圧子変位量が、力計測手段と圧子変位量計測手段により計測され、次いで、当該計測時の力に対応する機体歪み量が機体歪み補正データから読み出され、次いで、機体歪み補正データから読み出した機体歪み量を用いて圧子変位量が補正される。
従って、直接計測された力に基づいて機体の歪み分を補正することができることとなって、より正確な圧子侵入量を求めることができる。
また、機体歪み量補正データが予め実測された結果に基づいて作成されるので、計算等によって求めるよりも、より正確なものとなる。
【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に示す硬さ算出部の要部構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 硬さ試験機
２ 機体
３ 圧子
４ 荷重アーム（力伝達部）
５ 試料台
６ 荷重アーム作動部（力発生部）
７ 板バネ
８ アーム位置センサ（圧子侵入量検出手段）
９ 硬さ算出部
１１ 出力装置
６４ バネ変位量センサ（力計測手段）
９１ 増幅器
９２ Ａ／Ｄ変換器
９３ ＣＰＵ（機体歪み補正手段、補正手段）
９４ 記憶部（機体歪み補正手段、記憶手段）
Ｓ 試料

Claims (3)

1. 力を発生させる力発生部と、
   前記力発生部で発生した力を圧子に伝達する力伝達部と、
   前記力伝達部により前記圧子に伝達された力を計測する力計測手段と、
   力が伝達された前記圧子が、試料台に載置された試料に押し込まれる時の圧子の変位量を計測する圧子変位量計測手段と、を備えた硬さ試験機において、
   前記力計測手段により計測された力に基づいて、前記圧子を介して伝達される力に応じて生じる前記試料台を含む機体の歪み分を、前記圧子変位量計測手段によって計測された圧子変位量から補正する機体歪み補正手段と、を備えたことを特徴とする硬さ試験機。
2. 請求項１記載の硬さ試験機において、
   前記機体歪み補正手段は、
   前記力計測手段により計測される力と、前記圧子を介して試料に伝達される力に応じて生じる機体歪み量とを対応付けて記憶する記憶手段と、
   圧子変位量計測時に、前記力計測手段により計測された力に応じた機体歪み量を前記記憶手段から読み出して、前記圧子変位量を補正する補正手段と、を備えたことを特徴とする硬さ試験機。
3. 請求項１又は２記載の硬さ試験機を用いた機体歪み補正方法であって、
   先端部が鈍角な歪み測定用圧子を介して、試料表面に圧痕が形成されない範囲内の力を前記力発生部により連続して変化させた時の、前記力計測手段により計測した力と、該力に同期して前記圧子変位量計測手段により計測した機体歪みとを対応付けた機体歪み補正データを作成し、
   次いで、先端部が鋭角な押し込み量測定用圧子を用いて試料に力を加えた場合の該力と圧子変位量を、前記力計測手段と前記圧子変位量計測手段により計測し、
   次いで、当該計測時の力に対応する機体歪み量を機体歪み補正データから読み出し、
   次いで、前記機体歪み補正データから読み出した前記機体歪み量を用いて前記圧子変位量を補正することを特徴とする硬さ試験機における機体歪み補正方法。

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