JP2006250557A - 硬さ計 - Google Patents

Abstract

【課題】 副筒を被測定物に押圧させるよにして基準面を設け硬さ測定を行なうため、人体や食物等の形状や大きさが様々なものを測定する場合、基準面が上手く設けられないことがあり、正確な測定ができないという課題がある。
【解決手段】 接触子を被測定物に当接し、その接触力を検出するための接触力検出部と、前記接触子と前記接触力検出部の間に配置された位置検出部と、前記接触子を動作させるためのリニアアクチュエータとを備え、前記接触力検出部の出力に応じて前記接触子を動作させ、前記接触子と被測定物との接触力を所定の値に保つように構成したことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、金属材料等の硬いものではなく例えば肌、筋肉、果実、食品等の医療、健康、食品産業において利用する硬さ計に関する。特に、接触子を被測定面に押圧させて測定を行なう接触式の硬さ計に関する。

硬さ計の周知の構成は、筐体に対して副筒と主針とをそれぞればねを介して弾力的に設けるとともに、これら副筒と主針とを被測定面に押圧させるようにし、副筒に対する主針の沈み込み量によって硬さ測定を行なう例が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

以下、図面を参照して従来技術における硬さ計について説明する。図６は、従来技術を示す平面図である。中央部の主針ばね１１１によって下方に付勢された被測定物に押し当てられた際に該主針ばね１１１に抗して上方にする主針１０５と当該主針の移動した変位量をリニアスケール１０１とエンコーダモジュール１０３を介してデジタル表示するＬＣＤパネル表示部（図示していない）とを備え、前記主針１０５の主針ばね１１１よりも弱い副筒ばね１１７によって下方に付勢され前記被測定物に押し当てられた際に該副筒ばね１１７に抗し前記主針１０５をガイドして上下に摺動する副筒１１２と、該副筒１１２が所定量移動したときにスイッチ１２０の作動により前記主針１０５における変位量を前記ＬＣＤパネル表示部に表示する機能を備えた硬さ計である。

特開平１０−１７９５２４ （第４〜６頁、図１）

この種の硬さ計では、筐体に設けられた副筒を被測定物に押圧させるよにして測定のための基準面を設けないと測定ができないため、人体や食物等の形状や大きさが様々なものを測定しようとした場合、基準面が上手く設けられないことがあり、正確な測定ができないことがある。

また、副筒によって被測定物を押圧して測定を行なうため、被測定物の表面効果を加えた本来の硬さを測定することができない。被測定物の表面効果を測ろうとした場合、被測定物の測定部周辺は押圧せず開放された自由表面であるのが望ましい。

そこで本発明は、接触式の硬さ計に関する。特に、被測定面に対して接触子が所定の接触力で押圧する硬さ計において、接触子と被測定面への接触力を検出するための接触力検出部との間に、接触子の変位を検出するための位置検出部が設けられ、位置検出部がスピンドルを介して接触子と一連して接続するような構成とし、スピンドルの先端に接触子が取り付けられ、被測定面への接触力を検出するための接触力検出部の出力信号に応じ、スピンドルや接触子等の部材をリニアアクチュエータによりスピンドルの軸線方向に可動するようにし、接触子が測定範囲内の何処の位置にあっても所定の接触力で接触子が被測定物に当接するようにしたことを特徴としたものである。

本発明の硬さ計は、測定のための基準面が要らないので、外部筐体を被測定物から離した状態で、スピンドルの測定範囲内なら何処の位置からでも測定が可能となり、被測定物
の形状や大きさを限定することなく測定することができる。

また、リニアアクチュエータの制御方法を変えることで様々な測定が可能である。例えば測定力を徐々に増しながら、接触子の変位量のプロファイルをとるといった測定をすることができる。このような測定をすることによって被測定物の表面及び内部の硬さを把握することができる。

更に、ひとつの検出器で測定力が任意に可変設定できるので、様々な硬さの被測定物の測定が可能である。

以下に、本発明に係わる接触式の硬さ計の具体例について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明に係わる硬さ計の一具体例の全体構成を示す平面図である。本発明の接触式の硬さ計には、主要構造部材を内蔵するためのフレーム１を有し、そのフレーム１の一部に、軸線方向に孔を有したステム２が取り付けられている。そのステム２の孔内にはリニアボールベアリングが内蔵されたリテーナ３を配しており、そのリテーナ３内をスピンドル４が滑動可能に配置されている。そして、スピンドル４の一部には等ピッチの明暗の縞が形成されたスケール５が、その縞がスピンドル４の軸線方向に対して直角方向となるように接着されており、スケール５はスピンドル４と共に軸線方向に一緒に移動する。そして、スピンドル４の先端には接触子６がねじにより着脱可能に取り付けられており、被測定物５０に接触子６が当接して測定が行われる。そして、前記スケール５を挟むようにして受発光素子が配置されており、発光素子として反射型のＬＥＤ７がフレーム１上に取り付けられている。受光素子には、フォトダイオード上に固定スケールパターンが焼き付けられた受光ＩＣ８が用いられており、その受光ＩＣ８は電源等の電子部品を搭載した基板９上にスケール５に対向するように配置されており、基板９は受光ＩＣ８の受光面とスケール５上の縞面が一定の間隔を保つようにフレーム１上に固定されている。このようにして、スケール５とＬＥＤ７と受光ＩＣ８によって位置検出部１０が構成される。この位置検出部１０の構成は上述した光学式ばかりでなく磁気式や静電容量型のものを用いても構わない。そして、前記スピンドル４の上端部には、ひずみゲージを搭載した被測定物への接触力を検出するための接触力検出部１１が取り付けられている。そして、接触力検出部１１のスピンドル４が取り付けられている面と反対側の面には、スピンドル４の軸線と同一上に軸１２が取り付けられている。そして、この軸１２の先端には筒状のボビン１３が取り付けられており、このボビン１３には銅線が巻き付けられコイル１４が形成されている。そして、前記ボビン１３の内外周間で磁気回路が形成されるように磁石１５とヨーク１６が配置されている。このようにして、コイル１４と磁石１５とヨーク１６によってリニアアクチュエータ１７が構成される。そして、スピンドル４の軸線上にあるボビン１３の外壁面とスピンドル通し孔が設けられフレーム上に固定されたバネ受け板１８の端面の間には圧縮コイルバネ１９が設けられ、スピンドル４等の部材を上死点方向に引き上げるように働いている。そして、検出器４０がステム２を介して支持台２０に取り付けられ、被測定物５０を載せたテーブルを介して被測定物５０の硬さ測定を行なう。又は、支持台２０を直接被測定物上に置き被測定物５０の硬さ測定を行なう。

図２は本発明に係わる接触式の硬さ計の被測定物への接触力を検出するための検出部の構成を示す側面図である。本発明の被測定物への接触力を検出するための接触力検出部１１は、長方形をしたバネ性のある薄板２１の上下面に、ひずみゲージ２２が上下左右の対象位置４ヶ所に接着されており、ひずみゲージ２２が接着された薄板２１は、コの字型の支持部材２３に薄板２１の両端部が接着剤２４により固定されている。そして、ひずみゲージ２２が接着された薄板２１の中央部には孔が設けられており、ここにスピンドル４の端部がネジ２５によって固定されている。一方、支持部材２３の薄板２１が固定された面とは反対側の面には、スピンドル４の軸線と一致した方向にリニアアクチュエータ１７の
動作をスピンドル４側へ伝達するための軸１２が取り付けられている。

上述した構成における接触力検出部１１の動作は、被測定物に接触子が当接してスピンドル４が押し上げられることによって、薄板２１は破線２６で示すように変形し、ひずみゲージ２２には曲げ方向の応力が生じる。このひずみゲージ２２に生じる力が図示していないコントローラ上で設定した接触力となるように、図１で示したリニアアクチュエータ１７をスピンドル４の軸線方向の上下に移動させることで、リニアアクチュエータ１７に連なる接触子６が被測定物５０に対して所望の接触力で押圧することになる。

図３は本発明に係わる硬さ計の被測定物への接触力を検出するための接触力検出部の他の例を示す側面図である。本発明の被測定物への接触力を検出するための接触力検出部１１は、側面形状が略Ｃ型状で一部分が変形可能なように開口部を有する支持部材３０に、金属板３１と金属板３２が対向して間隙を保つように配置され、金属板３１と金属板３２は電気的に絶縁されるように接着剤３３により支持部材３０に固定されている。そして、金属板３１及び金属板３２には、図示していない静電容量の変化を検出する回路部へ接続するためのリード線３４が取り付けられている。そして、支持部材３０の一面にはスピンドル４が固定されており、スピンドル４が固定された面とは反対側の面には、スピンドル４の軸線と一致した方向にリニアアクチュエータ１７の動作をスピンドル４側へ伝達するための可動軸１２が取り付けられている。

上述した構成における接触力検出部１１の動作は、被測定物５０に接触子６が当接してスピンドル４が押し上げられることによって、金属板３１と金属板３２との間隙が変化し金属板間の静電容量が変化することになる。この金属板間の静電容量が所望の測定力となるように、図１で示したリニアアクチュエータ１７をスピンドル４の軸線方向の上下に移動させることで、リニアアクチュエータ１７に連なる接触子６が被測定物５０に対して所望の測定力で押圧することになる。

図４は本発明に係わる硬さ計の構成要素を示すブロック図である。本発明の硬さ計は検出器とそのコントローラから構成されている。図上のブロック間の二重線表示分は機械的な結合を表し、矢印表示部分は電気的な結合を表し、矢印方向が信号の流れを示している。

検出器４０は、被測定物と接するための接触子６がスピンドル４に接続しており、スピンドル４の上方には位置検出部１０が接続し、位置検出部１０の上方には接触力検出部１１が接続され、その上方に、これらの一連の部材を可動するためのリニアアクチュエータ１７が接続している。そして接触子６が被測定物に当接してスピンドル４が押し戻され測定力検出部１１の信号が変化し、その測定力検出部１１より出力する信号を検波器６１とアンプ６２を通して、コントローラ６０側のアナログ−デジタル変換器６３で変換され、ＣＰＵ６４に取込まれる。一方でスピンドル４の変位に伴って位置検出部１０の信号も出力され、コントローラ６０側のカウンタ部６５で原点処理等が施されてＣＰＵ６４に取込まれる。そしてＣＰＵ６４に取込まれた接触力検出部１１の信号に基づきリニアアクチュエータ１７の駆動信号をデジタル−アナログ変換器６６で変換し、パワーアンプ６７を介してリニアアクチュエータ１７に送られ、スピンドル４等の部材を上下に駆動する。そしてＣＰＵ６４に取込まれた接触力検出部１１と位置検出部１０の信号はＲＳ２３２Ｃ又はＲＳ４８５等のシルアル通信インターフェース６８を介してＰＣ７０に送られ、ＰＣ７０の画面上に測定データを表示する。一方、ＰＣ７０からは検出器４０の動作の開始・停止の制御が行なえる。また、図示していないが、コントローラ上に測定力、位置、硬さ等の測定結果の表示器や検出器１の動作の開始・停止用のスイッチを設けることで、ＰＣによる制御なしで測定ができる。

次に、本発明に係わる硬さ計の測定方法について図５を用いて説明を行なう。図５は、本発明の硬さ計によってウレタンフォームの硬さを測定した時の接触力と変位の関係をグラフで表したものである。グラフは横軸が時間、左目盛りが接触子の変位量、右目盛りが接触子の接触力を示しており、菱形ポイント線が接触子の変位量で四角ポイント線が接触力の変化を表している。先ず、アクチュエータを移動させ被測定物に初期荷重を加え一定時間保持し、この初期荷重点を測定の基準とし、次にアクチュエータを更に移動させ初期荷重よりも大きな力の本荷重を被測定物に加えて一定時間保持している。

このときの初期荷重位置から本荷重位置までの接触子の押し込み変位量を「硬さ」とし、より硬い被測定物は接触子の押し込み変位量は少なく、より軟らかい被測定物は接触子の押し込み変位量は多くなり、硬さの差として評価することができる。

また、初期荷重点から本荷重を加える過程（グラフの傾斜部分）に於ける接触子の接触力と変位の関係を捉えることで、被測定物の深度方向の硬さ変化を評価することができる。

上述した様に、本実施例で示した接触式の硬さ計の構成及び制御方法にすることで、測定のための基準面が要らず、筐体を被測定物から離した状態で、スピンドルの可動領域において接触力を一定にすることができるため、スピンドルの測定範囲内なら何処の位置からでも測定が開始可能となり、被測定物へ加わる荷重が安定し、正確で再現性のある計測結果を得ることができる。

更に、本発明の硬さ計の構成によれば、接触子が、スピンドルの先端に取り替え設置可能な状態にあり、被測定物の形状や硬さに応じ、様々な形状の接触子を取り付けることができるので、被測定物の形状や大きさを限定することなく測定することができる。

更に、ひとつの検出器で、測定力が任意に可変設定でき、リニアアアクチュエータの制御方法を変えることで、様々な硬さ測定が可能になる。

本発明の硬さ計の一具体例の構成を示す断面図である。 本発明の硬さ計に於ける被測定物への接触圧力を検出するための検出部の構成を示す平面図である。 本発明の硬さ計に於ける被測定物への接触圧力を検出するための検出部の構成を示す平面図である。 本発明の硬さ計の構成要素のブロック図である。 本発明の硬さ計によって硬さ測定をした時の測定力と変位の関係をグラフで表した図である。 従来技術の硬さ計の構成を示す断面図である。

符号の説明

１ フレーム
２ ステム
３ リテーナ
４ スピンドル
５ スケール
６ 接触子
７ ＬＥＤ
８ 受光ＩＣ
９ 基板
１０ 位置検出部
１１ 接触力検出部
１２ 軸
１３ ボビン
１４ コイル
１５ 磁石
１６ ヨーク
１７ リニアアクチュエータ
１８ バネ受け板
１９ 圧縮コイルバネ
２０ 支持台
２１ 薄板
２２ ひずみゲージ
２３ 支持部材
２４、３３ 接着剤
２５ ネジ
３０ 支持部材
３１、３２ 金属板
３４ リード線
４０ 検出器
５０ 被測定物
６０ コントローラ
６１ 検波器
６２ アンプ
６３ アナログ−デジタル変換器
６４ CPU
６５ カウンタ
６６ デジタル−アナログ変換器
６７ パワーアンプ
６８ シルアル通信インターフェース
７０ ＰＣ

Claims (6)

1. 被測定物に接触子を介して荷重を作用させ、その時の接触子の変位量（押し込み量）から、被測定物の硬さを判定する硬さ計において、
   被測定物に当接する接触子と、該接触子に接続されるスピンドルと、前記接触子が被測定物に押圧する接触力を検出するための接触力検出部と、被測定物に対する接触子の変位を検出するための位置検出部と、前記接触子を動作させるためのリニアアクチュエータとを備え、前記接触子と前記接触力検出部の間に、位置検出部が取り付けられ、前記接触力検出部の出力信号に応じ、前記接触子を前記リニアアクチュエータによって動作させ、前記接触子と被測定物との接触力を所定の値に保つよう構成されていることを特徴とする硬さ計。
2. 前記被測定物に接触子を介して初期荷重を作用させ、この時の接触子の位置を測定の基準とすることを特徴とする請求項１記載の硬さ計。
3. 前記接触力検出部は、ひずみゲージを貼り付けた薄板と該薄板の両端部を保持する支持部材とを有し、前記ひずみゲージを貼り付けた薄板が前記スピンドルの他端に固定されるとともに、前記支持部材が前記リニアアクチュエータの可動軸に固定され、前記ひずみゲージの歪みデータに基づき前記接触子と前記被測定物との接触力を検出するように構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の硬さ計。
4. 前記接触力検出部は、側面形状が略Ｃ型状で開口部を有する支持部材と、前記開口部の両端面のそれぞれに固定される一対の金属板を設け、該一対の金属板を所定の間隙を保つように対向配置させ、前記一対の金属板間の静電容量に基づき前記接触子と前記被測定物との接触力を検出するように構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の硬さ計。
5. 前記接触子を取り付けたスピンドルの軸受けがリニアボールベアリング方式であることを特徴とする請求項１記載の硬さ計。
6. 被測定物の形状や大きさに合わせ、前記接触子が取り替え可能となるよう構成されていることを特徴とする請求項１記載の硬さ計。
   
   

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