JP2016206094A - 硬度測定器 - Google Patents

Abstract

【課題】ゲル状の有機材料や生体物質等の柔らかい被試験体についても高精度に硬度を測定することを可能とする。【解決手段】被試験体Ｓを載置する第１ステージ２と、第１アクチュエータ３と、第２ステージ４と、第２アクチュエータ５と、圧子６と、荷重センサ７と、第１ステージ２及び第２ステージ４の位置を測定する位置センサ８と、被試験体Ｓの変位を測定する変位センサ９と、を備えた硬度測定器１。位置センサ８が第２ステージ４と第１ステージ２の位置が所定の範囲内にある場合に第１ステージの駆動を行い、圧子６に加わる所定の負荷及び被試験体Ｓの変位に基づき被試験体Ｓの硬度を算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、ゲル状の有機材料や生体物質等の柔らかい被試験体についても高精度に硬度を測定することのできる硬度測定器に関するものである。

従来から、被試験体の硬度を測定する硬度測定器として種々の装置が用いられている。

例えば、特許文献１に記載されているように、バネに支持され磁力により進退可能な圧子を被試験体に当接させ、圧子を変異させている電磁コイルへの供給電流値と圧子の変位とを測定することで、硬度を測定する硬度測定器が知られている。

また、特許文献２に記載されているように、ピエゾアクチュエータを用いて圧子を被試験体に押し込みながら、荷重検出器と変位検出器とを用いて被試験体に加わる荷重と圧子の押し込み変位を測定することで被試験体の硬度を測定する硬度測定器が知られている。

特開２００７−８５８１５号公報 特開２０１０−１４４０４号公報

ところで、特許文献１に記載されているような、バネにより圧子を支持するタイプの硬度測定器では、バネ定数よりも低い荷重では硬度の計測を行うことができないという問題があった。

そのため、ゲル状の有機材料や生体物質等の柔らかい被試験体については、低荷重で試験を行う必要があるため、こうした被試験体についての硬度の測定を行うことはできなかった。

また、特許文献１及び２に記載されている硬度測定器は、何れも被試験体に対して上方から圧子を降下させて荷重を加えるタイプの硬度測定器である。こうした圧子を降下させる硬度測定器では、被試験体に加わる荷重に、圧子の質量に応じた慣性力まで含まれてしまう。そのため、被試験体に加わる荷重を正確に測定することができず、被試験体の硬度測定に誤差を生じる原因となっていた。

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、ゲル状の有機材料や生体物質等の柔らかい被試験体についても高精度に硬度を測定することのできる硬度測定器を提供することを目的とする。

第１発明に係る硬度測定器は、被試験体を載置する第１ステージと、前記第１ステージを垂直方向に移動する第１アクチュエータと、前記第１アクチュエータの駆動を制御する第１駆動制御部と、前記第１ステージ及び前記第１アクチュエータを載置する第２ステージと、前記第２ステージを垂直方向及び水平方向に移動する第２アクチュエータと、前記第２アクチュエータの駆動を制御する第２駆動制御部と、前記第１ステージの上方から前記第１ステージに向けて伸展して設けられた圧子と、前記圧子に加わる荷重を測定する荷重センサと、前記第１ステージ及び前記第２ステージの位置を測定する位置センサと、前記被試験体の変位を測定する変位センサと、前記荷重センサ及び前記変位センサによる測定結果に基づき被試験体の硬度を算出する算出部と、を備え、被試験体の硬度測定は、前記位置センサが前記第２ステージの位置を測定した結果が所定の範囲内になるまで前記第２駆動制御部が前記第２アクチュエータの１次駆動制御を行い、前記位置センサによる測定結果が前記所定の範囲内である場合に、前記位置センサが前記第１ステージの位置を測定した結果が第２の所定の範囲内になるまで前記第２アクチュエータの前記１次駆動制御よりも細かな駆動制御である２次駆動制御を行い、前記２次駆動制御後、前記荷重センサが前記圧子に所定の負荷が加わっていることを測定するまで前記第１駆動制御部が前記第１アクチュエータを駆動し前記第１ステージを上昇し、前記変位センサが、前記圧子に前記所定の負荷が加わっている状態における前記被試験体の変位を測定し、前記算出部が、前記所定の負荷及び前記被試験体の変位に基づき被試験体の硬度を算出することを特徴とする。

第２発明に係る硬度測定器は、第１発明において、前記第１アクチュエータがピエゾアクチュエータであることを特徴とする。

第３発明に係る硬度測定器は、第１又は第２発明において、前記第２アクチュエータがステップモータであることを特徴とする。

第４発明に係る硬度測定器は、第１又は第２発明において、前記第２アクチュエータがサーボモータであることを特徴とする。

第５発明に係る硬度測定器は、第１又は第２発明において、前記第２アクチュエータが動力シリンダであることを特徴とする。

第６発明に係る硬度測定器は、第１乃至第５発明の何れか１つにおいて、前記変位センサが分光干渉レーザ変位計であることを特徴とする。

第７発明に係る硬度測定器は、第１乃至第５発明の何れか１つにおいて、前記変位センサが静電容量変位計であることを特徴とする。

第８発明に係る硬度測定器は、第１乃至第７発明の何れか１つにおいて、前記位置センサが静電容量変位計であることを特徴とする。

第９発明に係る硬度測定器は、第１乃至第７発明の何れか１つにおいて、前記位置センサがレーザ変位計であることを特徴とする。

第１０発明に係る硬度測定器は、第１乃至第７発明の何れか１つにおいて、前記位置センサが撮像手段及び画像解析手段により構成されていることを特徴とする。

上述した構成からなる本発明によれば、ゲル状の有機材料や生体物質等の柔らかい被試験体についても高精度に硬度を測定することが可能となる。

本発明の実施形態に係る硬度測定器を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る硬度測定器の制御部の機能ブロック図である。 本発明の実施形態に係る硬度測定器による被試験体の硬度測定の手順を示すフローチャートである。 （Ａ）は本発明の実施形態に係る硬度測定器を用いて被試験体の硬度測定を行った結果を示す荷重−変位曲線であり、（Ｂ）は従来の圧子を降下させるタイプの硬度測定器を用いて被試験体の硬度測定を行った結果を示す荷重−変位曲線である。

以下、本発明の実施形態に係る硬度測定器について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る硬度測定器１を示す模式図である。

本実施形態に係る硬度測定器１は、被試験体Ｓを載置する第１ステージ２と、第１ステージ２を垂直方向に移動する第１アクチュエータ３と、第１ステージ２及び第１アクチュエータ３を載置する第２ステージ４と、第２ステージ４を垂直方向及び水平方向に移動する第２アクチュエータ５と、第１ステージ２の上方から第１ステージ２に向けて伸展して設けられた圧子６と、圧子６に加わる荷重を測定する荷重センサ７と、第１ステージ２及び第２ステージ４の位置を測定する位置センサ８と、被試験体Ｓの変位を測定する変位センサ９と、硬度測定器１の構成全体の制御を行う制御部１０と、操作者が硬度測定器１の各種設定や試験結果の閲覧等を行う操作・表示部１１と、を備えて構成されている。

第１ステージ２は、第１アクチュエータ３により鉛直方向（図１のＺ方向すなわち紙面の上下方向）に移動可能となっているステージである。

第１アクチュエータ３はピエゾアクチュエータであり、数μｍ〜数百μｍの幅で第１ステージ２の駆動を行うことができる。第１アクチュエータ３は、第２アクチュエータ５よりも細かい動作を行うことができる。

第２ステージ４は第１ステージ２及び第１アクチュエータ３を載置した、第１ステージ２よりも大きなステージであり、第２アクチュエータ５により鉛直方向（Ｚ方向）、左右方向（図１のＸ方向すなわち紙面の左右方向）及び前後方向（図１の紙面手前及び奥方向）に移動可能となっているステージである。

第２アクチュエータ５は、本実施形態においてはステップモータを使用している。しかし、本発明においてはこれに限らず、サーボモータやエアシリンダ等の動力シリンダ等、第１アクチュエータ３よりも大きな動作範囲で第２ステージ４を駆動するものであれば種々のアクチュエータを用いることができる。

圧子６は荷重センサ７に対して着脱可能に取り付けられていて、ダイヤモンド圧子等、被試験体Ｓの種類や試験の状況に応じて最適なものを選択して用いることができる。

荷重センサ７は、圧子６に加わる荷重を計測するセンサであり、電子天秤が用いられている。

位置センサ８は、第１ステージ２及び第２ステージ４の位置を測定するセンサである。本実施形態においては、位置センサ８は圧子６と被試験体Ｓとの間に電気回路を形成するように配線で繋がれ、静電容量変位計として構成されている。しかし、本発明においてはこれに限らず、撮像手段及び画像解析手段を用いて位置測定を行う他、レーザ変位計等、第１ステージ２及び第２ステージ４の位置を測定できるセンサであれば種々のセンサを採用することができる。

変位センサ９は、被試験体Ｓの変位を測定するセンサであり、本実施形態においては分光干渉レーザ変位計が用いられているが、本発明においてはこれに限らず、静電容量変位計等、被試験体Ｓの変位を計測できるセンサであれば種々のセンサを採用することができる。変位センサ９による被試験体Ｓの変位の測定は、被試験体Ｓの表面又は第１ステージ２の表面を参照面として、被試験体Ｓと圧子６との当接開始点からの当該参照面の位置の変化を測定することで行われる。

制御部１０は、硬度測定器１全体の制御を行う構成であり、例えばパーソナルコンピュータ等の機器により構成されている。制御部１１は、第１アクチュエータ３、第２アクチュエータ５、荷重センサ７、位置センサ８、変位センサ９及び操作・表示部１１に接続され、これらの構成と各種情報の送受信を行う。

操作・表示部１１は、操作者が硬度測定器１の各種設定や試験結果の閲覧等を行うためのキーボードやテンキー、ディスプレイ等により構成されている。なお、操作・表示部１１としてパーソナルコンピュータを用いる場合には、制御部１０と操作・表示部１１とを同一のパーソナルコンピュータを用いて構成することができる。もちろん別個のパーソナルコンピュータを用いて制御部１０と操作・表示部１１とを構成してもよい。

図２は、本発明の実施形態に係る硬度測定器１の制御部１０の機能ブロック図である。制御部１０は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）がＲＯＭ（Read-only Memory）に格納されている制御プログラムをＲＡＭ（Random Access Memory）に展開して実行することにより、後述する図３に示す情報処理手順を実行するための、受信部１０１、第１駆動制御部１０２、第２駆動制御部１０３、位置判定部１０４、算出部１０５及び表示部１０６として機能する。

送受信部１０１は、第１アクチュエータ３、第２アクチュエータ５、荷重センサ７、位置センサ８、変位センサ９及び操作・表示部１１と情報の送受信を行う際のインターフェースとして機能する。

第１駆動制御部１０２は、第１アクチュエータ３の駆動制御を行う構成である。第１アクチュエータ３はピエゾアクチュエータであることから、第１駆動制御部１０２は、第１アクチュエータ３に図示しない電源から印加される電圧を調整することで第１アクチュエータ３の駆動制御を行う。

第２駆動制御部１０３は、第２アクチュエータ５の駆動制御を行う構成である。第２駆動制御部１０３は、第２アクチュエータ５の種類に応じて異なる駆動制御を実施する。本実施形態においては第２アクチュエータ５はステップモータであるため、第２駆動制御部１０３は、第２アクチュエータ５に加える電流のパルスの数や方向（時計回り、反時計回り）を調節することで第２アクチュエータ５の駆動制御を行う。

位置判定部１０４は、位置センサ８により測定される第１ステージ２及び第２ステージ４の位置がそれぞれ所定の範囲内にあるか否かの判定を行う。

算出部１０５は、送受信部１０１を介して受信した荷重センサ７が計測した負荷と、変位センサ９が計測した被試験体Ｓの変位に基づいて被試験体Ｓの硬度を算出する。

表示部１０６は、荷重センサ７、位置センサ８、変位センサ９等による計測結果や、算出部１０５が算出した被試験体Ｓの硬度等の各種情報を操作・表示部１１に送信しこれに表示する。

なお、表示部１０６により表示される情報も含めた各種情報は、図示しない記憶部に記憶される態様であってもよい。当該記憶部は、硬度測定器１に内蔵されているものであってもよく、また外部に接続されるハードディスク等の記憶装置であってもよい。

次に、上述した構成を備えた硬度測定器１による被試験体Ｓの硬度測定の具体的な手順について説明する。図３は、本発明の実施形態に係る硬度測定器１による被試験体Ｓの硬度測定の手順を示すフローチャートである。

硬度測定の対象となる被試験体Ｓが第１ステージ２上に載置され、図示しない電源から電源供給を受けた状態で硬度測定器１が起動され試験が開始される。

まず、位置センサ８により第２ステージ４の位置が検出され、当該検出結果が制御部１０に送信されると、位置判定部１０４により、第２ステージ４が所定の範囲内に位置しているか否かの判定が行われる（ステップＳ１）。

ステップＳ１において第２ステージ４について設定されている所定の範囲は、第２ステージ４について大まかな位置合わせをするために設定される範囲である。

第２ステージ４が所定の範囲内にない場合（ステップＳ１：Ｎｏ）、第２駆動制御部１０３が第２アクチュエータ５を駆動させ、第２ステージ４を移動させ、位置補正が行われる（ステップＳ２）。この第２アクチュエータ５による位置補正は、第１アクチュエータ３の駆動と比較し大きな距離の移動であって、かつ迅速な移動により行われる。そして、再度ステップＳ１へと移行する。

一方、第２ステージ４が所定の範囲内にある場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、次に位置センサ８により第１ステージ２の位置が検出され、当該検出結果が制御部１０に送信されると、位置判定部１０４により、第１ステージ２が所定の範囲内にあるか否かの判定が行われる（ステップＳ３）。

第１ステージ２が所定の範囲にない場合（ステップＳ３：Ｎｏ）、第２駆動制御部１０３が第２アクチュエータ５を駆動させ、第２ステージ４を移動させ、位置補正が行われる（ステップＳ４）。この位置補正も、第１アクチュエータ３の駆動と比較し大きな距離の移動であって、かつ迅速な移動により行われる。そして、再度ステップＳ３へと移行する。

一方、第１ステージ２が所定の範囲内にある場合（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、次に第１駆動制御部１０２が第１アクチュエータ３を駆動させ、第１ステージ２を上方に移動させる（ステップＳ５）。

この第１アクチュエータ３の駆動による第１ステージ２の上昇は、荷重センサ７により負荷が検出されるまで行われる（ステップＳ６）。負荷が検出されない場合には、ステップＳ５に戻り、第１ステージ２の上昇が継続される。

荷重センサ７により負荷が検出された場合（ステップＳ６：Ｙｅｓ）、圧子６が被試験体Ｓに接触したということであり、この負荷を検出した際の圧子６の位置を被試験体Ｓの硬度測定のゼロ点として被試験体Ｓの変位の測定が変位センサ９により行われる（ステップＳ７）。

次に、算出部１０５が被試験体Ｓの硬度を算出する（ステップＳ８）。被試験体Ｓの硬度の算出は、具体的には変位センサ９による被試験体Ｓの変位と、当該変位を生じている状態において荷重センサ７により計測された圧子６の荷重とに基づいて行われる。

こうして硬度の測定が行われると、第１駆動制御部１０２が第１アクチュエータ３を駆動し第１ステージ２を降下させ、被試験体Ｓを取り出し可能な状態とする等の動作が行われ、被試験体Ｓの硬度測定が終了する。

図４（Ａ）は本発明の実施形態に係る硬度測定器１を用いて被試験体Ｓの硬度測定を行った結果を示す荷重−変位曲線であり、（Ｂ）は従来の圧子を降下させるタイプの硬度測定器を用いて被試験体Ｓの硬度測定を行った結果を示す荷重−変位曲線である。

従来の圧子を降下させるタイプの硬度測定器では、上述したように被試験体Ｓに加わる荷重に、圧子の質量に応じた慣性力まで含まれてしまうため、圧子が本来静止すべき位置を通り越し、降下しすぎてしまうオーバーシュートが発生していた。

そのため、従来の硬度測定器では、オーバーシュートによる影響を抑えるべく、オーバーシュートに相当すると見込まれる部分を情報処理により測定結果から減算処理することが行われていた。

この減算処理により、従来の硬度測定器により得られる荷重−変位曲線は、図４（Ｂ）に示すＬ１’〜Ｌ２’〜Ｌ３’となっていた。Ｌ２’の部分がオーバーシュートに相当すると見込まれる部分の減算処理が反映された部分である。こうした減算処理を経た荷重−変位曲線はあくまで近似的なものであり、荷重と変位の正確な関係を示したものではないため、正確な硬度測定を行うことはできなかった。

一方、本実施形態に係る硬度測定器１による硬度測定では、圧子６を動作させず、被試験体Ｓを載置した第１ステージ２を圧子６の下方から上昇させることで被試験体Ｓを圧子６に当接させる態様であるため、圧子６の慣性力によるオーバーシュートが発生しない。

更に、被試験体Ｓを載置した第１ステージ２は、下方から圧子６に向けて上昇する態様であるため、第１ステージ２が上昇する際に第１ステージ２に働く上方に向けた慣性力は、第１ステージ２に作用する重力により相殺される。そのため、第１ステージ２の動作に起因するオーバーシュートの発生も効果的に防止することができる。

そして、本実施形態に係る硬度測定器１では圧子６のオーバーシュートが発生せず、目標の位置において圧子６を静止させることができるため、得られる荷重−変位曲線は、図４（Ａ）に示すＬ１〜Ｌ２となる。Ｌ１とＬ２により構成される曲線の先端部分が、圧子６が静止した状態を示している。

このＬ１とＬ２よりなる荷重−変位曲線は、測定されたデータをそのまま反映したものであるため、荷重と変位の正確な関係を示したものとなっているため、正確な硬度測定を行うことができる。

また、本実施形態に係る硬度測定器１では、第２ステージ４が第２アクチュエータ５により大きな移動範囲を迅速に移動し大まかな位置決めを素早く行った後、被試験体Ｓの第１ステージ２が第１アクチュエータ３により短時間、第２ステージ４よりも狭い範囲で微細に動作され、硬度測定が行われる。

そのため、本実施形態に係る硬度測定器１は、硬度測定の際の被試験体Ｓの位置決めを迅速に行うことができる。

また、圧子６への被試験体Ｓの当接は、第１アクチュエータ３による第１ステージ２の繊細な駆動により実現され、圧子６への荷重の測定は微細な荷重を検出可能な電子天秤である荷重センサ７を用いて行われる。

そのため、ゲル状の有機材料や生体物質等の柔らかい被試験体についても高精度に硬度を測定することが可能となる。

１ 硬度測定器
２ 第１ステージ
３ 第１アクチュエータ
４ 第２ステージ
５ 第２アクチュエータ
６ 圧子
７ 荷重センサ
８ 位置センサ
９ 変位センサ
１０ 制御部
１１ 操作・表示部
１０１ 送受信部
１０２ 第１駆動制御部
１０３ 第２駆動制御部
１０４ 位置判定部
１０５ 算出部
１０６ 表示部

Claims (10)

1. 被試験体を載置する第１ステージと、
   前記第１ステージを垂直方向に移動する第１アクチュエータと、
   前記第１アクチュエータの駆動を制御する第１駆動制御部と、
   前記第１ステージ及び前記第１アクチュエータを載置する第２ステージと、
   前記第２ステージを垂直方向及び水平方向に移動する第２アクチュエータと、
   前記第２アクチュエータの駆動を制御する第２駆動制御部と、
   前記第１ステージの上方から前記第１ステージに向けて伸展して設けられた圧子と、
   前記圧子に加わる荷重を測定する荷重センサと、
   前記第１ステージ及び前記第２ステージの位置を測定する位置センサと、
   前記被試験体の変位を測定する変位センサと、
   前記荷重センサ及び前記変位センサによる測定結果に基づき被試験体の硬度を算出する算出部と、
   を備え、
   被試験体の硬度測定は、
   前記位置センサが前記第２ステージの位置を測定した結果が所定の範囲内になるまで前記第２駆動制御部が前記第２アクチュエータの１次駆動制御を行い、
   前記位置センサによる測定結果が前記所定の範囲内である場合に、前記位置センサが前記第１ステージの位置を測定した結果が第２の所定の範囲内になるまで前記第２アクチュエータの前記１次駆動制御よりも細かな駆動制御である２次駆動制御を行い、
   前記２次駆動制御後、前記荷重センサが前記圧子に所定の負荷が加わっていることを測定するまで前記第１駆動制御部が前記第１アクチュエータを駆動し前記第１ステージを上昇し、
   前記変位センサが、前記圧子に前記所定の負荷が加わっている状態における前記被試験体の変位を測定し、
   前記算出部が、前記所定の負荷及び前記被試験体の変位に基づき被試験体の硬度を算出する、
   ことを特徴とする硬度測定器。
2. 前記第１アクチュエータがピエゾアクチュエータであることを特徴とする請求項１記載の硬度測定器。
3. 前記第２アクチュエータがステップモータであることを特徴とする請求項１又は２記載の硬度測定器。
4. 前記第２アクチュエータがサーボモータであることを特徴とする請求項１又は２記載の硬度測定器。
5. 前記第２アクチュエータが動力シリンダであることを特徴とする請求項１又は２記載の硬度測定器。
6. 前記変位センサが分光干渉レーザ変位計であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の硬度測定器。
7. 前記変位センサが静電容量変位計であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の硬度測定器。
8. 前記位置センサが静電容量変位計であることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項記載の硬度測定器。
9. 前記位置センサがレーザ変位計であることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項記載の硬度測定器。
10. 前記位置センサが撮像手段及び画像解析手段により構成されていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項記載の硬度測定器。

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