JP2020056699A

JP2020056699A - 硬さ試験機

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Publication number: JP2020056699A
Application number: JP2018187835A
Authority: JP
Inventors: 川添　勝; Masaru Kawazoe; 勝川添; 直樹和泉; Naoki Izumi
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2018-10-03
Filing date: 2018-10-03
Publication date: 2020-04-09
Anticipated expiration: 2038-10-03
Also published as: US20200110012A1; JP7141296B2; DE102019126612A1; US11156537B2; CN110987690A

Abstract

【課題】好適に硬さ試験を行うことができる硬さ試験機を実現する。【解決手段】この硬さ試験機１００の制御部は、駆動部１２が作動していない状態において、ばね変位検出部１３とアーム変位検出部１４がそれぞれの対象物（板ばね部１１ａと荷重アーム１１）の変位量を検出した場合に、荷重アーム１１と板ばね部１１ａが環境温度変化に伴い変形したと判断することができ、その判断に応じてばね変位検出部１３とアーム変位検出部１４がそれぞれ検出している対象物の変位量をゼロに補正する初期化を行うようにすれば、環境温度に対応させた硬さ試験機１００によって好適に硬さ試験を行うことができる。【選択図】図１

Description

本発明は、硬さ試験機に関する。

従来、圧子を用いて試料（ワーク）の表面に所定の試験力を負荷してくぼみを形成させることによって、試料の硬さを測定する硬さ試験機が知られている。例えば、ロックウェル硬さ試験機は、試料の表面に円錐形ダイヤモンド圧子又は球圧子により所定の試験力を負荷してくぼみを形成させ、当該くぼみ形成時の圧子の押込み深さを計測するようにして試料の硬さを測定する試験機である（例えば、特許文献１参照。）。

この硬さ試験機では、サーボモータの駆動力を、板バネを介して荷重アームに伝達して荷重アームを回動させて、荷重アームの先端側に配設されている圧子を試料に押し付けてくぼみを形成させるようになっている。
具体的には、この硬さ試験機では、サーボモータが板バネを変形させることで試験力を発生させており、硬さ試験機が圧子を試料に押し付けてくぼみを形成するにあたり、試験力に対応する板バネの変形量をバネ変位量センサが測り、その変形量をサーボモータによって制御するとともに、アーム位置センサが荷重アームの移動量に基づいて試料への圧子の押込み深さを計測するようになっている。

特開２００３−５０１８９号公報

ところで、上記特許文献１の硬さ試験機が高温環境下や低温環境下に置かれたことで、荷重アームや板バネが熱膨張したり熱収縮したりすることがある。この熱膨張や熱収縮に伴う荷重アームや板バネの変形をアーム位置センサやバネ変位量センサが検知した場合に、不具合が生じるおそれがあった。
例えば、動作停止中の硬さ試験機において、アーム位置センサやバネ変位量センサが検知した荷重アームや板バネの変形を、試験開始のトリガーと誤認してしまうおそれがあった。
また、熱膨張や熱収縮に伴う荷重アームや板バネの変形をアーム位置センサやバネ変位量センサが検知している状態で、硬さ試験を実行してしまうと、誤差を含んだ測定結果が得られてしまうおそれがあった。

本発明の目的は、環境温度変化に影響されず、好適に硬さ試験を行うことができる硬さ試験機を提供することである。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、
試料の表面に圧子により所定の試験力を負荷することによって前記試料の硬さを測定する硬さ試験機であって、
前記圧子を備えた荷重アームと、
その一端が前記荷重アームに固定されている板ばね部と、
前記板ばね部を撓ませつつ前記荷重アームを移動させて、前記圧子を前記試料に押し付ける駆動部と、
前記板ばね部の変位量を検出するばね変位検出部と、
前記荷重アームの変位量を検出するアーム変位検出部と、
前記板ばね部の変位量を前記ばね変位検出部が検出し、前記荷重アームの変位量を前記アーム変位検出部が検出したことに応じて、所定の処理を実行する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記圧子を前記試料に押し付けるように前記駆動部が作動している状態において、前記ばね変位検出部と前記アーム変位検出部がそれぞれ検出した前記板ばね部の変位量と前記荷重アームの変位量とに基づき、前記試料の硬さを算出する処理を実行し、
前記駆動部が作動していない状態において、前記ばね変位検出部と前記アーム変位検出部がそれぞれの対象物の変位量を検出した場合、（前記荷重アームと前記板ばね部が環境温度変化に伴い変形したものと判断し、）前記ばね変位検出部と前記アーム変位検出部がそれぞれ検出している対象物の変位量をゼロに補正する初期化を行うべき旨をユーザーに対して報知する処理を実行することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、
試料の表面に圧子により所定の試験力を負荷することによって前記試料の硬さを測定する硬さ試験機であって、
前記圧子を備えた荷重アームと、
その一端が前記荷重アームに固定されている板ばね部と、
前記板ばね部を撓ませつつ前記荷重アームを移動させて、前記圧子を前記試料に押し付ける駆動部と、
前記板ばね部の変位量を検出するばね変位検出部と、
前記荷重アームの変位量を検出するアーム変位検出部と、
前記板ばね部の変位量を前記ばね変位検出部が検出し、前記荷重アームの変位量を前記アーム変位検出部が検出したことに応じて、所定の処理を実行する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記圧子を前記試料に押し付けるように前記駆動部が作動している状態において、前記ばね変位検出部と前記アーム変位検出部がそれぞれ検出した前記板ばね部の変位量と前記荷重アームの変位量とに基づき、前記試料の硬さを算出する処理を実行し、
前記駆動部が作動していない状態において、前記ばね変位検出部と前記アーム変位検出部がそれぞれの対象物の変位量を検出した場合、（前記荷重アームと前記板ばね部が環境温度変化に伴い変形したものと判断し、）前記ばね変位検出部と前記アーム変位検出部がそれぞれ検出している対象物の変位量をゼロに補正する初期化処理を実行することを特徴とする。

本発明によれば、環境温度変化に対応させて、好適に硬さ試験を行うことができる。

本実施形態の硬さ試験機の要部構成を示した側面図である。本実施形態の硬さ試験機の制御構成を示すブロック図である。硬さ試験機の荷重アームと板ばね部が硬さ試験に伴い作動した状態を模式的に示す説明図（ａ）（ｂ）である。硬さ試験機の荷重アームと板ばね部が熱膨張した状態を模式的に示す説明図（ａ）（ｂ）である。硬さ試験機の荷重アームと板ばね部が熱収縮した状態を模式的に示す説明図（ａ）（ｂ）である。

以下、図面を参照して、本発明に係る硬さ試験機の実施形態について詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。
本実施形態の硬さ試験機は、試料の表面に圧子により所定の試験力を負荷することによって、試料の硬さを測定するロックウェル硬さ試験機である。

本実施形態の硬さ試験機１００は、例えば、図１、図２に示すように、圧子１を備えた荷重アーム１１と、その一端が荷重アーム１１に固定されている板ばね部１１ａと、板ばね部１１ａを撓ませつつ荷重アーム１１を移動させて、圧子１を試料Ｓに押し付ける駆動部１２と、板ばね部１１ａの変位量を検出するばね変位検出部１３と、荷重アーム１１の変位量を検出するアーム変位検出部１４と、その上面に試料Ｓが載置される試料台１５と、操作部１７と、記憶部１８と、制御部１９等を備えて構成されている。
なお、この硬さ試験機１００では、図２に示す制御部１９により、各部の動作制御が行われる。

荷重アーム１１は、試験機本体１００ａに回動可能に備えられており、先端側に各種圧子が交換可能に配設されるようになっている。
この荷重アーム１１に取り付けられる各種圧子には、試料表面にくぼみを形成するための圧子１と、対象の試料を傷付けることなく押圧するための平圧子（図示省略）などがある。

板ばね部１１ａは、荷重アーム１１に一体的に設けられている試験力発生ばねであり、弾性変形することで試験力を発生させる。

駆動部１２は、駆動源１２ａとして、例えばステッピングモータやサーボモータなどを備えており、その駆動源１２ａが発生する力を板ばね部１１ａを介して荷重アーム１１に伝達し、その荷重アーム１１を回動させることで、荷重アーム１１の先端側を試料台１５に近接させ、圧子１や平圧子を試料台１５に載置されている試料Ｓに押し付ける。
また、駆動部１２は、荷重アーム１１を試料台１５から離間する方向に回動させて、荷重アーム１１を所定の退避位置に移動させる。この退避位置とは、各種圧子と試料台１５との間に距離をとって、圧子１や試料Ｓの交換を行ったり、所定の測定準備を行ったりするための配置である。

ばね変位検出部１３は、荷重アーム１１における板ばね部１１ａの変位量を検出する。
具体的には、ばね変位検出部１３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）を備えて構成されており、駆動部１２（駆動源１２ａ）が発生する力を板ばね部１１ａが荷重アーム１１に伝達する際における、板ばね部１１ａの変位量を検出するようになっている。
ばね変位検出部１３により検出された板ばね部１１ａの変位量は、常時、制御部１９に出力される。これにより、圧子１に負荷される試験力が、常時、検出可能となっている。

アーム変位検出部１４は、荷重アーム１１の変位量を検出する。
具体的には、アーム変位検出部１４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）を備えて構成されており、荷重アーム１１が回動した変位量を検出するようになっている。
アーム変位検出部１４により検出された荷重アーム１１の変位量は、制御部１９に出力される。

試料台１５は、荷重アーム１１に配設される各種圧子の下方に備えられており、各種圧子を押し付ける試料Ｓが載置される。

試料台高さ調整部１６は、外周面に雄ネジが形成された支柱部１６ａと、内周面に雌ネジが形成されたハンドル部１６ｂとを有しており、支柱部１６ａの雄ネジとハンドル部１６ｂの雌ネジとが歯合している。そして、ハンドル部１６ｂを回すことで、支柱部１６ａをその長手方向に沿って上下方向に移動させ、支柱部１６ａの上端に配設されている試料台１５を上下に移動させて、試料台１５の高さ位置を調整することができる。

操作部１７は、表示部１７ａ及び入力部１７ｂを備えている。
表示部１７ａは、例えば、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）により構成され、制御部１９から入力される表示信号の指示に従って、各種画面を表示する。
入力部１７ｂは、例えば、表示部１７ａの表示画面上を覆うように形成されたタッチパネルや、数字ボタン、スタートボタン等の各種操作ボタンを備え、ユーザーの操作に基づく操作信号を制御部１９に出力する。

記憶部１８は、不揮発性の半導体メモリやハードディスク等の記憶装置からなり、各種処理に関するデータ等を記憶する。

制御部１９は、ＣＰＵ１９ａ、ＲＡＭ１９ｂ、ＲＯＭ１９ｃを備えて構成されており、硬さ試験機１００の各部を統括制御する。

ＣＰＵ１９ａは、ＲＯＭ１９ｃに格納された処理プログラム等を読み出して、ＲＡＭ１９ｂに展開して実行することにより、硬さ試験機１００全体の制御を行う。

ＲＡＭ１９ｂは、ＣＰＵ１９ａにより実行された処理プログラム等を、ＲＡＭ１９ｂ内のプログラム格納領域に展開するとともに、入力データや上記処理プログラムが実行される際に生じる処理結果等をデータ格納領域に格納する。

ＲＯＭ１９ｃは、ＣＰＵ１９ａが硬さ試験機１００全体を制御する機能を実現させるための各種データ、各種処理プログラム等を記憶する。具体的には、ＲＯＭ１９ｃは、例えば、硬さ試験実行プログラム１９１、環境温度対応プログラム１９２等を格納している。

次に、この硬さ試験機１００の制御部１９が実行する処理について説明する。

本実施形態の硬さ試験機１００の制御部１９は、板ばね部１１ａの変位量をばね変位検出部１３が検出し、荷重アーム１１の変位量をアーム変位検出部１４が検出したことに応じて、所定の処理を実行する。
具体的には、この制御部１９は、圧子１を試料Ｓに押し付けるように駆動部１２が作動している状態において、ばね変位検出部１３とアーム変位検出部１４がそれぞれ検出した板ばね部１１ａの変位量と荷重アーム１１の変位量とに基づき、試料Ｓの硬さを算出する処理を実行する。
また、この制御部１９は、駆動部１２が作動していない状態において、ばね変位検出部１３とアーム変位検出部１４がそれぞれの対象物（板ばね部１１ａと荷重アーム１１）の変位量を検出した場合に、荷重アーム１１と板ばね部１１ａが環境温度変化に伴い変形したと判断する処理を実行する。

例えば、操作部１７を介してユーザーから硬さ試験の実行指示が入力されたことをトリガーとして、制御部１９のＣＰＵ１９ａは硬さ試験実行プログラム１９１をＲＡＭ１９ｂに展開して実行することによって、圧子１を試料Ｓに押し付ける向きに荷重アーム１１を回動させるように駆動部１２を作動させる。
そして、圧子１を試料Ｓに押し付ける際の板ばね部１１ａの変位量をばね変位検出部１３が検出するとともに、圧子１が試料Ｓに押し付けられる際の荷重アーム１１の変位量をアーム変位検出部１４が検出し、それら検出した変位量に基づいて試料Ｓの硬さを算出するロックウェル硬さ試験を実行する。なお、算出された試料Ｓの硬さの値は、表示部１７ａに表示されるようになっている。

また、ユーザーから硬さ試験の実行指示が入力されておらず、駆動部１２が作動していない状態において、ばね変位検出部１３とアーム変位検出部１４がそれぞれの対象物の変位量を検出したことをトリガーとして、制御部１９のＣＰＵ１９ａは環境温度対応プログラム１９２をＲＡＭ１９ｂに展開して実行することによって、荷重アーム１１と板ばね部１１ａが環境温度変化に伴い変形したと判断する処理を実行する。
つまり、硬さ試験が実行されていない硬さ試験機１００において、ばね変位検出部１３が板ばね部１１ａの変位量を検出し、アーム変位検出部１４が荷重アーム１１の変位量を検出した場合には、荷重アーム１１と板ばね部１１ａが環境温度変化に伴い変形したと判断するようになっている。

ここで、本発明者らの検討事項であった、荷重アーム１１や板ばね部１１ａの環境温度変化に伴う変形について、硬さ試験実行時の荷重アーム１１や板ばね部１１ａの変位と比較して説明する。

まずは、硬さ試験実行時の荷重アーム１１や板ばね部１１ａの変位について説明する。
硬さ試験機１００にて硬さ試験を行う際、例えば、図３（ａ）（ｂ）に示すように、圧子１を試料Ｓの表面に当接させた状態から、その圧子１を試料Ｓに押し付ける方向に荷重アーム１１を回動させるように、駆動部が板ばね部１１ａを下方に引き付ける。
このとき、ばね変位検出部１３は、板ばね部１１ａが広がる方向（プラス方向）の変位を検出し、アーム変位検出部１４は、荷重アーム１１の先端側が下方（プラス方向）に移動する変位を検出する。

これに対し、硬さ試験機１００が設置されている試験室などの環境の温度が上昇すると（例えば１０〜２０℃上昇すると）、金属製の荷重アーム１１や板ばね部１１ａは熱膨張する。
このとき、硬さ試験実行時とは異なり、圧子１は試料Ｓに当接しておらず、荷重アーム１１はフリーに回動できる状態にあるので、熱膨張した荷重アーム１１や板ばね部１１ａは周囲の規制を受けずに変形する。
そして、図４（ａ）（ｂ）に示すように、荷重アーム１１や板ばね部１１ａが熱膨張した場合、ばね変位検出部１３が、板ばね部１１ａが広がる方向（プラス方向）の変形を検出し、アーム変位検出部１４が、荷重アーム１１の先端側が下方（プラス方向）に移動する変形を検出するように、その熱膨張を捉えていることを本発明者らは確認した。
なお、荷重アーム１１や板ばね部１１ａが熱膨張した場合に、ばね変位検出部１３やアーム変位検出部１４が検出するそれらの変形の方向が、硬さ試験実行時にばね変位検出部１３やアーム変位検出部１４が検出する板ばね部１１ａや荷重アーム１１の変位の方向と同じプラス方向であるので、従来技術の硬さ試験機が熱膨張した場合において、アーム位置センサ（アーム変位検出部１４）やバネ変位量センサ（ばね変位検出部１３）が検知した荷重アームや板バネの変形を、硬さ試験開始のトリガーと誤認するような事象が発生したものと推認できる。

また、硬さ試験機１００が設置されている試験室などの環境の温度が下降すると（例えば１０〜２０℃下降すると）、金属製の荷重アーム１１や板ばね部１１ａは熱収縮する。
このとき、硬さ試験実行時とは異なり、圧子１は試料Ｓに当接しておらず、荷重アーム１１はフリーに回動できる状態にあるので、熱収縮した荷重アーム１１や板ばね部１１ａは周囲の規制を受けずに変形する。
そして、図５（ａ）（ｂ）に示すように、荷重アーム１１や板ばね部１１ａが熱収縮した場合、ばね変位検出部１３が、板ばね部１１ａが狭まる方向（マイナス方向）の変形を検出し、アーム変位検出部１４が、荷重アーム１１の先端側が上方（マイナス方向）に移動する変形を検出するように、その熱収縮を捉えていることを本発明者らは確認した。

このように、硬さ試験機１００が硬さ試験を実行していないタイミングに、ばね変位検出部１３とアーム変位検出部１４が板ばね部１１ａと荷重アーム１１の変位を検出した場合、それは荷重アーム１１や板ばね部１１ａが熱膨張したり熱収縮したり変形したことによるものであることが確認できた。
そこで、本発明者らは、硬さ試験機１００が硬さ試験を実行しておらず、駆動部１２が作動していない状態において、ばね変位検出部１３とアーム変位検出部１４がそれぞれの対象物（板ばね部１１ａと荷重アーム１１）の変位量を検出した場合に、荷重アーム１１と板ばね部１１ａが環境温度変化に伴い変形したと判断する処理を硬さ試験機１００の制御部１９に実行させるようにした。

そして、本実施形態の硬さ試験機１００の制御部１９は、荷重アーム１１と板ばね部１１ａが環境温度変化に伴い変形したと判断する処理を実行した後、ばね変位検出部１３とアーム変位検出部１４がそれぞれ検出している対象物の変位量をゼロに補正する初期化を行うべき旨をユーザーに対して報知する処理を実行する。
例えば、表示部１７ａに「センサをリセットするため、硬さ試験機を初期化して下さい。」などのメッセージを表示するようにして、ユーザーに対して硬さ試験機１００を初期化すべきことを報知し、硬さ試験機１００を初期化することを促すようにする。
その報知を確認したユーザーは、リセットボタンを押下するなど入力部１７ｂを操作して、ばね変位検出部１３とアーム変位検出部１４を初期化するようにすればよい。
こうして、ばね変位検出部１３とアーム変位検出部１４を初期化しておけば、その環境温度に対応させた硬さ試験機１００によって硬さ試験を実行することができる。

また、本実施形態の硬さ試験機１００の制御部１９は、荷重アーム１１と板ばね部１１ａが環境温度変化に伴い変形したと判断する処理を実行した後、ばね変位検出部１３とアーム変位検出部１４がそれぞれ検出している対象物の変位量をゼロに補正する初期化処理を実行する。
例えば、荷重アーム１１と板ばね部１１ａが環境温度変化に伴い変形したと判断した制御部１９は、自動的に内部処理を行うようにして、ばね変位検出部１３やアーム変位検出部１４を初期化する。なお、制御部１９が自動的に初期化処理を行った場合、初期化した履歴を後日ユーザーが表示部１７ａなどで確認できるように、初期化処理を行った日時のデータを記憶部１８に記憶しておく。
そして、ばね変位検出部１３とアーム変位検出部１４が初期化されていれば、その環境温度に対応させた硬さ試験機１００によって硬さ試験を実行することができる。

以上のように、本実施形態の硬さ試験機１００であれば、荷重アーム１１や板ばね部１１ａが環境温度変化に伴い変形するようなことがあっても、硬さ試験機１００が設置されている試験室などの環境にあわせるように、ばね変位検出部１３やアーム変位検出部１４を初期化することができるので、環境温度に対応させた硬さ試験機１００によって好適に硬さ試験を行うことができる。

なお、以上の実施の形態においては、荷重アーム１１や板ばね部１１ａが熱膨張した場合、ばね変位検出部１３は、板ばね部１１ａが広がる方向（プラス方向）の変形を検出し、アーム変位検出部１４は、荷重アーム１１の先端側が下方（プラス方向）に移動する変形を検出するとし、また、荷重アーム１１や板ばね部１１ａが熱収縮した場合、ばね変位検出部１３は、板ばね部１１ａが狭まる方向（マイナス方向）の変形を検出し、アーム変位検出部１４は、荷重アーム１１の先端側が上方（マイナス方向）に移動する変形を検出するとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、荷重アーム１１や板ばね部１１ａの変形は、荷重アーム１１や板ばね部１１ａを構成する金属材料の種類や、荷重アーム１１や板ばね部１１ａの形状に応じて異なるので、この限りではない。

また、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。

１圧子
１１荷重アーム
１１ａ板ばね部
１２駆動部
１３ばね変位検出部
１４アーム変位検出部
１５試料台
１９制御部
１００硬さ試験機
Ｓ試料

Claims

試料の表面に圧子により所定の試験力を負荷することによって前記試料の硬さを測定する硬さ試験機であって、
前記圧子を備えた荷重アームと、
その一端が前記荷重アームに固定されている板ばね部と、
前記板ばね部を撓ませつつ前記荷重アームを移動させて、前記圧子を前記試料に押し付ける駆動部と、
前記板ばね部の変位量を検出するばね変位検出部と、
前記荷重アームの変位量を検出するアーム変位検出部と、
前記板ばね部の変位量を前記ばね変位検出部が検出し、前記荷重アームの変位量を前記アーム変位検出部が検出したことに応じて、所定の処理を実行する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記圧子を前記試料に押し付けるように前記駆動部が作動している状態において、前記ばね変位検出部と前記アーム変位検出部がそれぞれ検出した前記板ばね部の変位量と前記荷重アームの変位量とに基づき、前記試料の硬さを算出する処理を実行し、
前記駆動部が作動していない状態において、前記ばね変位検出部と前記アーム変位検出部がそれぞれの対象物の変位量を検出した場合、前記ばね変位検出部と前記アーム変位検出部がそれぞれ検出している対象物の変位量をゼロに補正する初期化を行うべき旨をユーザーに対して報知する処理を実行することを特徴とする硬さ試験機。
試料の表面に圧子により所定の試験力を負荷することによって前記試料の硬さを測定する硬さ試験機であって、
前記圧子を備えた荷重アームと、
その一端が前記荷重アームに固定されている板ばね部と、
前記板ばね部を撓ませつつ前記荷重アームを移動させて、前記圧子を前記試料に押し付ける駆動部と、
前記板ばね部の変位量を検出するばね変位検出部と、
前記荷重アームの変位量を検出するアーム変位検出部と、
前記板ばね部の変位量を前記ばね変位検出部が検出し、前記荷重アームの変位量を前記アーム変位検出部が検出したことに応じて、所定の処理を実行する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記圧子を前記試料に押し付けるように前記駆動部が作動している状態において、前記ばね変位検出部と前記アーム変位検出部がそれぞれ検出した前記板ばね部の変位量と前記荷重アームの変位量とに基づき、前記試料の硬さを算出する処理を実行し、
前記駆動部が作動していない状態において、前記ばね変位検出部と前記アーム変位検出部がそれぞれの対象物の変位量を検出した場合、前記ばね変位検出部と前記アーム変位検出部がそれぞれ検出している対象物の変位量をゼロに補正する初期化処理を実行することを特徴とする硬さ試験機。