JP3275515B2 - 超音波硬度計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超音波硬度計に関し、測
定値にバラツキが生じないようにしたものである。

【０００２】

【従来の技術】硬度を測定する場合に、被検材に大きな
キズを付けることなく、かつ表面研磨等の作業の必要性
がない硬度計として超音波硬度計がある。

【０００３】超音波硬度計の原理を図９（ａ），（ｂ）
に示す。図９（ａ）に示すように鉛直方向へ伸びるロッ
ド２を支持部材１を介して支持してロッド２を縦振動さ
せると、上下端である先端が振幅最大点となるような振
動をする時にロッド２は共振して一番強い振動をする。
ロッド２の下端にはダイヤモンド圧子３が取り付けられ
ており、振動しているロッド２に対して図９（ｂ）に示
すように下方から上方へ向かって一定の力で被検材４を
押し付けると、被検材４の硬さで決まるある量だけダイ
ヤモンド圧子３が被検材４にめり込む。これにより、ロ
ッド２の下端の振動は少し拘束され、矢印（イ）で示す
ようにロッド２の下端に位置していた振動の腹が上方へ
移動し、周期がＳ₁からＳ₂へと小さくなって周波数が高
くなる。そして、被検材４が軟らかいほどダイヤモンド
圧子３のめりこみ深さが大きくなってロッド２の拘束力
が増大し、これによってロッド２の下端の振動の腹はよ
り上方へ移動して共振周波数が高くなる。即ち、被検材
４の硬さと一定の関係にあるめり込み深さによってロッ
ド２の共振周波数が変動することになる。

【０００４】図１０は図９の原理に基づいて構成した従
来の超音波硬度計の構成図である。図中、５は定荷重ば
ね６により支持されるとともにロッド２に固着された支
持部材１を支持するホルダ、９はロッド２に上下方向の
縦振動を生じさせるためのコイル、７は支持部材１から
加わる押圧力を検出することによりロッド２の周波数を
検出する周波数検出手段としての圧電素子、８は固定さ
れたプローブケースである。

【０００５】実際に被検材の硬度を測定するには、図１
０中のコイル９により縦振動するロッド２のダイヤモン
ド圧子３に静かに被検材４を押し付け、ロッド２の周波
数の変化を周波数検出手段で検出することにより間接的
に被検材の硬度を求める。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、図１０に示
すようにプローブケース８とダイヤモンド圧子３との間
にＧ＝１ｍｍの隙間があるために図１１（ａ）のように
被検材４が平板状の場合はθ＝９０°の角度を保持しに
くく、図１２（ａ）に示すようにダイヤモンド圧子３が
被検材４と直角にめり込まず、図１２（ｂ），（ｃ），
（ｄ）に示すように芯ずれや倒れや衝撃を生じて正規の
共振周波数が得られない。また、図１１（ｂ）のように
被検材４が小径の丸棒の場合は芯ずれが生じ易いために
測定誤差が大きくなってしまう。

【０００７】このほか、不慣れな作業者が硬度を測定す
る場合は適正に行えないことが多く、測定値に誤差やバ
ラツキを生じ易い。

【０００８】そこで本発明は、斯る課題を解決した超音
波硬度計を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】斯る目的を達成するため
の本発明の構成は、プローブケースと、ロッドと、加振
手段と、周波数検出手段と、ガイド部材と、昇降手段と
からなる超音波硬度計であって、プローブケースは、略
筒形状を有するとともに軸心が鉛直方向に沿う状態で固
定され、ロッドは、プローブケース内に上下動可能に支
持されるとともに被検材にめり込ませるために下端がプ
ローブケースから突出し、加振手段は、ロッドを鉛直方
向へ縦振動させるために設けられ、周波数検出手段は、
ロッドの縦振動の周波数を検出するために設けられ、ガ
イド部材は、ロッドの下端近傍との間に僅かな隙間を形
成した状態でプローブケースの下端に設けられ、昇降手
段は、被検材を載せた状態でロッドの下端へ向かって上
昇したり下降したりする昇降台と、昇降台を空気圧駆動
する駆動手段と、上昇した昇降台を元の下降位置に復帰
するよう付勢する復帰ばねとで構成されたことを特徴と
し、あるいはこれらに加えて、昇降台上に着脱自在に載
せられるとともに被検材の転がりを防止する支持ブロッ
クを設けたことを特徴とする。

【００１０】

【作用】被検材が平板状の場合はそのままで、被検材を
昇降台上に置き、駆動手段を動 作させることによって復
帰ばねの付勢力に抗して昇降台を上昇させ、加振手段に
よりロッドを縦振動させながら被検材をロッドの下端に
押し付ける。このときガイド部材の存在により、ロッド
の芯ずれや倒れや衝撃を生じることがない。又、復帰ば
ねの存在により、被検材の押し付け力の一定化と衝撃緩
和が行われる。ロッドの周波数が大きくなるのを周波数
検出手段により検出し、求めた周波数から被検材の硬度
を割り出す。このあと、復帰ばねの付勢力等により昇降
台を降下させて硬度の測定は終了する。

【００１１】支持ブロックを有する場合は、丸棒状の被
検材の硬度を測定するときに被検材を支持ブロックを介
して昇降台上に置いて昇降台の昇降を行う。支持ブロッ
クにより支持されるため、被検材が転がることはない。

【００１２】

【実施例】以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて
詳細に説明する。なお、本実施例は従来の超音波硬度計
の一部を改良したものなので、従来と同一部分には同一
符号を付して説明を省略し、異なる部分のみを説明す
る。

【００１３】本発明による超音波硬度計の構成を、図１
〜図２に示す。図のように支柱１１に横棒１２を介して
プローブケース８が固定されており、プローブケース８
の下端の内部には、ロッド２の下端近傍を隙間なく案内
するガイド部材として本実施例ではビニルチューブ１３
が設けられており、これにより、ロッド２とビニルチュ
ーブ１３との隙間が従来の１ｍｍに比べて０．２ｍｍと
極めて小さくなっている。

【００１４】ダイヤモンド圧子３の下方には、被検材４
を上昇させてダイヤモンド圧子３に押し付けるための昇
降手段１４が設けられている。昇降手段１４は、昇降自
在な昇降台１５と昇降台１５を駆動する駆動手段１６と
で構成される。昇降台１５は、図２に示すように構成さ
れる。ガイドスリーブ１７と吸気孔１８と排気孔１９と
を有するシリンダ２０に、シリンダ２０の上部を貫通し
た状態で下部をガイドスリーブ１７内に挿通する昇降棒
２１が設けられ、昇降棒２１の上端に昇降台１５が固着
される。昇降棒２１の中間部にはピストン２２が固着さ
れ、ピストン２２はシリンダ２０の内面に摺動自在に接
触している。そして、ピストン２２とシリンダ２０の上
面との間には、押し付け力の一定化と衝撃緩和とピスト
ン２２を下方へ戻すための目的で復帰ばね２３が設けら
れている。

【００１５】駆動手段１６は、図示しないエアーポンプ
とエアータンクとで構成されており、エアータンク及び
大気中と吸気孔１８とが切換バルブ２４を介して接続さ
れている。一方、排気孔１９は大気中に開放されてい
る。

【００１６】昇降台１５の上には支持ブロックとしてＶ
ブロック２６が着脱自在に取り付けられている。Ｖブロ
ック２６は、丸棒状の被検材４の硬度を測定する際に転
がって芯ずれが生じないように、取り付けられるもので
あり、これにより小径の丸棒状の被検材の測定も容易に
行うことができる。

【００１７】このほか、測定条件を一定にするため被検
材４を上昇させてダイヤモンド圧子３に押し付けるまで
に移動する空走距離を一定にすることが望ましいことか
ら、支柱１１にゲージ２７が取り付けられる。

【００１８】次に、斯る超音波硬度計の作用を説明す
る。ここでは、ダイヤモンド圧子３への被検材４の押し
付け作業を人手によって行った場合と、昇降手段１４を
用いて行った場合とを夫々ビニルチューブ（以下、単に
チューブという）の有無の場合に分けて比較して説明す
ることにより、本発明による超音波硬度計と従来の超音
波硬度計との差異が明確になるように説明する。

【００１９】図３（ａ）は平板を手で押し付けた場合の
硬度の測定値（ＨＳ）をチューブの有無に分けて表示し
たものであり、図３（ｂ），（ｃ）はチューブ有無の場
合について夫々グラフに測定結果を表示したものであ
る。この場合は、チューブの有無に拘わらず、測定値の
平均値と、最大値と最小値との差にはほとんど差のない
ことがわかる。

【００２０】図４は直径６ｍｍの丸棒を手で押し付けた
場合の硬度の測定値をチューブの有無に分けて表示した
ものであり、図５（ａ），（ｂ）はチューブ有無の場合
について夫々グラフに測定結果を表示したものである。
図からわかるように、チューブ無しでは測定値が広い範
囲にわたって散らばって一定していないのに対し、チュ
ーブ有りでは測定値の範囲がチューブ無しの場合に比べ
てばらつきがなく、一定していることがわかる。

【００２１】図６（ａ）はチューブを設けた硬度計に平
板を手で押し付けて硬度を測定する際に衝撃を加えた場
合と加えなかった場合とに分けて表示したものであり、
図６（ｂ），（ｃ）は衝撃の有無の各場合について夫々
グラフに測定結果を表示したものである。衝撃がある場
合は測定値に大きなバラツキを生じ、衝撃がない場合に
はあまりバラツキを生じないことがわかる。

【００２２】図７は平板を任意の角度だけ傾斜させて硬
度計に押し付けた場合の硬度の測定値をチューブの有無
に分けて表示したものである。チューブ無しの場合は４
度倒して８６°にすると９０°のときに比べ１５ＨＳの
差を生じるが、チューブ有りの場合は上記と同一の比較
で５ＨＳの差しか生じず、チューブを設けることによっ
て平板を押し付けた状態の測定誤差のバラツキが小さく
なることが明確にわかる。

【００２３】図８は、本発明による超音波硬度計を用い
て直径６ｍｍの丸棒の硬度を測定したときの測定値を示
すものである。この場合は、まず超音波硬度計の使い方
から説明する。まず、図１に示すように昇降台１５上に
支持ブロック２６を取り付けたのちに支持ブロック２６
上に丸棒である被検材４を載せる。次に、図２に示す切
換バルブ２４をエアタンクとシリンダ２０とが連通する
状態にして図示しないエアタンクからシリンダ２０内へ
空気を送り込み、復帰ばね２３の付勢力に抗してピスト
ン２２をゆっくりと一定速度で上昇させる。約７ｍｍの
空走距離だけ上昇すると、ピストン２２は図の位置を占
めることになる。空気が吸気孔１８から送り込まれる一
方で排気孔１９から排出され、下方から空気圧で押す力
と復帰ばね２３の押す力とがつり合って被検材４がダイ
ヤモンド圧子３に２ｋｇｆ／ｃｍ²の力で押し付けられ
る。このときのロッド２の周波数が、周波数検出手段に
よって検出される。そして、この周波数の検出値から硬
度が割り出される。その後は切換バルブ２４により吸気
孔１８を大気中へ開放し、復帰ばね２３の放勢力でピス
トン２２を降下させる。

【００２４】本発明による超音波硬度計を用いて丸棒の
硬度を測定した結果、図８に示すように、測定値の最大
値と最小値との差が３ＨＳと小さく、手により被検材を
ダイヤモンド圧子に押し付けた場合が図４（ａ）に示す
ように６ＨＳであったのに比べ、半分になる。つまり、
昇降手段により被検材を硬度計に押し付けると、手によ
る場合に比べて測定値のバラツキが小さく、測定誤差が
極めて小さいことがわかる。

【００２５】なお、ガイド部材としてはビニルチューブ
に限るものではなく、チューブ状のものであればよい。

【００２６】

【発明の効果】以上の説明からわかるように、請求項１
による超音波硬度計によればガイド部材を有するため、
硬度測定をする際に芯ずれや倒れや衝撃を生じることな
く行える。従って、測定値のバラツキが少なく、測定誤
差が少ない。そして、上記の理由から外形寸法の小さい
丸棒の高精度な硬度測定も可能である。又、昇降手段に
より硬度計への被検材の押し付けを行うので、硬度の自
動測定が可能になり、人手による押し付けでは５０個の
被検材の硬度測定に３０分を要していたものが、５分程
度で終了する。又、昇降手段は昇降台の復帰ばねを有し
ており、被検材を硬度計に押し付ける際に、この復帰ば
ねにより押し付け力の一定化と衝撃緩和が行われ、測定
値のバラツキが小さくなり、測定誤差が極めて小さくな
る。

【００２７】請求項２による超音波硬度計によれば、支
持ブロックを有するので、小径の丸棒の硬度測定も芯ず
れを生じることなく容易に行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超音波硬度計の要部を示す構成
図。

【図２】本発明に係り、昇降手段の要部を示す断面図。

【図３】平板を手で硬度計に押し付けて硬度測定した場
合に係り、（ａ）は測定値を表示した実測図、（ｂ）は
チューブ有りの場合の測定値のみを抽出して表示したグ
ラフ、（ｃ）はチューブ無しの場合の測定値のみを抽出
して表示したグラフ。

【図４】丸棒を手で硬度計に押し付けて硬度測定した場
合の測定値を表示した実測図。

【図５】丸棒を手で硬度計に押し付けて硬度測定した場
合に係り、（ａ）はチューブ有りの場合の測定値のみを
抽出して表示したグラフ、（ｂ）はチューブ無しの場合
の測定値のみを抽出して表示したグラフ。

【図６】平板を手で硬度計に押し付けかつ衝撃を加えて
硬度測定した場合（チューブ有り）に係り、（ａ）は測
定値を表示した実測図、（ｂ）は衝撃有りの場合の測定
値のみを抽出して表示したグラフ、（ｃ）は衝撃無しの
場合の測定値のみを抽出して表示したグラフ。

【図７】平板を傾斜させて手で硬度計に押し付けて硬度
測定した場合の測定値を表示した実測図。

【図８】本発明に係る超音波硬度計に係り、昇降手段に
より丸棒を硬度計に押し付けて硬度を測定した場合であ
って、（ａ）は測定値を表示した実測図、（ｂ）は測定
値を表示したグラフ。

【図９】超音波硬度計の原理を示すものであり、（ａ）
は縦振動している状態のロッドの説明図、（ｂ）はロッ
ドの下端を被検材にめり込ませたときの振動状態を示す
説明図。

【図１０】従来の超音波硬度計の概略構成図。

【図１１】従来の超音波硬度計の作用説明図。

【図１２】従来の超音波硬度計の問題点を示す説明図。

【符号の説明】

１…支持部材 ２…ロッド ４…被検材 ７…圧電素子 ８…プローブケース ９…コイル １３…ビニルチューブ １４…昇降手段 １５…昇降台 １６…駆動手段 ２６…支持ブロック

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プローブケースと、ロッドと、加振手段
   と、周波数検出手段と、ガイド部材と、昇降手段とから
   なる超音波硬度計であって、 プローブケースは、略筒形状を有するとともに軸心が鉛
   直方向に沿う状態で固定され、 ロッドは、プローブケース内に上下動可能に支持される
   とともに、被検材にめり込ませるために下端がプローブ
   ケースから突出し、 加振手段は、ロッドを鉛直方向へ縦振動させるために設
   けられ、 周波数検出手段は、ロッドの縦振動の周波数を検出する
   ために設けられ、 ガイド部材は、ロッドの下端近傍との間に僅かな隙間を
   形成した状態でプローブケースの下端に設けられ、 昇降手段は、被検材を載せた状態でロッドの下端へ向か
   って上昇したり下降したりする昇降台と、昇降台を空気
   圧駆動する駆動手段と、上昇した昇降台を元の下降位置
   に復帰するよう付勢する復帰ばねとで構成された ことを
   特徴とする 超音波硬度計。
2. 【請求項２】 支持ブロックを設け、支持ブロックは、
   昇降台上に着脱自在に載せられるとともに被検材の転が
   りを防止することを特徴とする請求項１記載の超音波硬
   度計。