JP3682744B2

JP3682744B2 - エコーチップ型硬さ計

Info

Publication number: JP3682744B2
Application number: JP06178797A
Authority: JP
Inventors: 康則佐藤; 淳一新井; 裕一巳波
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1997-02-28
Filing date: 1997-02-28
Publication date: 2005-08-10
Anticipated expiration: 2017-02-28
Also published as: JPH10239230A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧子ハンマーを試料に衝突させ、その衝突の前後における圧子ハンマーの速度比から当該試料の硬さを計測するようにしたエコーチップ型硬さ計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧子ハンマーを試料に衝突させ、その圧子ハンマーの衝突直前の速度（打撃速度）と衝突直後の速度（反発速度）との比から当該試料の硬さを算出するようにした反発型の硬さ試験機は、一般に「エコーチップ型硬さ計」と呼ばれて、実用に供されている。
【０００３】
このエコーチップ型硬さ計は、圧子ハンマーを、コイルばねを用いて撥ね飛ばすものであるため、硬さ計測に際しても、そのエコーチップ型硬さ計の打撃方向を必ずしも垂直下向きに保つ必要はなく、図３に示すように、エコーチップ型硬さ計（の筒状の把持部11とこれに連設された計測筒12とからなる本体部１）を傾けて、その計測筒 12 の先端を試料 01 に当接させ、打撃方向を例えば水平方向、４５°下向き方向、４５°上向き方向、あるいは垂直上向き方向などとして（そのときの本体部１の水平面010に対する傾き角をθとする）、硬さ計測を行なうことが可能であり、試料01の側面や下面の硬さを任意に測定できるという利点がある。
【０００４】
このエコーチップ型硬さ計においては、圧子ハンマー３は、筒状の本体部１に設けられている計測筒 12に案内されて本体部１の軸線方向に飛び出すようになっている。その圧子ハンマー３の内部には永久磁石が装着されており、計測筒12の先端部には速度検出コイル４が巻かれている。したがって、圧子ハンマー３（すなわち永久磁石）が計測筒 12 の先端部を通過すると、速度検出コイル４に、その圧子ハンマー３の速度に比例した電流が流れることになる。すなわち、試料 01 に向けて圧子ハンマー３を飛び出させると、速度検出コイル４にそのときの圧子ハンマー３の打撃速度および反発速度に比例した電流が流れる。これを表示器６内の電圧変換器５で電圧に変換し、その電圧をＣＰＵ７に入力して硬さ演算を行ない、その演算値を当該試料01のエコーチップ硬さＬとして表示部８にデジタル表示するようにしたのがエコーチップ型硬さ計である。なお、エコーチップ硬さＬは、後述の［数１］式で定義される。
【０００５】
その場合、本体部１を傾けて硬さ測定をすると、鉛直状態で測定したときとは圧子ハンマー３の試料01に衝突する速度が異なることから、得られる測定結果の数値も異なることになる。そこで、従来は、傾けて測定した結果の数値（硬さ）を角度補正の表（換算表）に照らし合わせて正規の硬さを求めるようにしている。また、内蔵ＣＰＵで角度補正を自動演算するようにしたものも実用化されており、さらに、従来使用されている標準的硬さ値（ブリネル，ビッカース，ロックウェルＣ，ショアーなど）に自動換算して硬さを表示するようにしたものも実用化されている。
【０００６】
ここで、エコーチップ型硬さ計の計測原理を図４により説明すると、図４において符号３は圧子ハンマーを、符号01は試料を示しており、圧子ハンマー３は、計測筒12に内蔵されたコイルばね（図示せず）で撥ね飛ばされて、試料01に衝突して反発するようになっている。
【０００７】
このとき、圧子ハンマー３の運動中の摩擦および空気抵抗は無視して、圧子ハンマー３には発射されてから重力以外の外力は作用しないものとする。そして、試料01の硬さＬは［数１］式のように定義される。
【数１】
Ｌ＝（│Ｖ_２│／│Ｖ_１│）×１０００
Ｖ_１：圧子ハンマーの打撃速度
Ｖ_２：圧子ハンマーの反発速度
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のエコーチップ硬さ計では、上述のように、圧子ハンマー３の速度（試料01への打撃速度および反発速度）の検出は、圧子ハンマー３に内蔵されている永久磁石が速度検出コイル４の位置を通り過ぎるときに同コイル４に発生する電圧を測定することによって行なう構成となっている。
【０００９】
しかしながら、そのような速度検出コイルによる速度の検出手段では、次のような問題点がある。
一般に、速度検出コイルに発生する電圧変化（パルス波形）は、同コイルを通り過ぎる永久磁石の通過速度によって変化する。すなわち、永久磁石の通過速度が遅いほど、パルス波形Ｗに鈍りが生じる（図５の点線）。そのために、これが測定精度低下の原因となるという問題点がある。
また、試料が磁石体あるいは磁気を帯びているとき、あるいは磁気を帯びる環境では、磁気の影響を受けて正確な測定結果が得られないという問題点もある。
【００１０】
本発明は、このような課題を解決したエコーチップ型硬さ計を提供しようとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために、本発明は、圧子ハンマーと、同圧子ハンマーの往復動通路を形成する計測筒を有するとともに、上記圧子ハンマーをばね力により試料に向けて撥ね飛ばすコイルばねが内蔵されている硬さ計本体部と、上記圧子ハンマーの速度情報に基づいて上記試料の硬さを算出するＣＰＵ、および同ＣＰＵによって算出された上記試料の硬さを表示する表示部を有する表示器と、を備えたエコーチップ型硬さ計において、上記計測筒の先端部付近に、同計測筒の軸線方向に所定の間隔Ｓを置いて第１および第２の投光孔が設けられるとともに同投光孔の各々にそれぞれ対向する第１および第２の受光孔が設けられ、それらの投光孔および受光孔よりも更に上記計測筒の先端側に、互いに対向する第３の投光孔と受光孔とが設けられていて、上記第１ないし第３の投光孔にそれぞれ第１ないし第３の光源が設けられる一方、上記第１ないし第３の受光孔にそれぞれ第１ないし第３の受光素子が設けられ、上記表示器のＣＰＵには、上記第１ないし第３の受光素子が順に遮光された後、同第３の受光素子が受光したとき、上記圧子ハンマーの速度情報が入力されるようにされていることを特徴としている。
【００１２】
本発明によれば、計測の際、圧子ハンマーは、計測筒の軸線方向に間隔Ｓを置いて設けられた２個の受光孔を、衝突行程時には第１の受光孔，第２の受光孔の順に通過し、試料に衝突した後の反発行程時には第２の受光孔，第１の受光孔の順に通過する。
【００１３】
したがって、圧子ハンマーの衝突行程における第１および第２の受光孔間を通過する時間と、反発行程における第２および第１の受光孔間を通過する時間とをそれぞれ計測すれば、各計測時間と各受光孔間の間隔とに基づいて、圧子ハンマーの試料（面）に対する打撃速度および反発速度をそれぞれ算出することができる。
【００１４】
また、第１および第２の受光孔よりも更に計測筒の先端側に第３の投光孔および受光孔を設けたので、圧子ハンマーの反発が正常に行なわれたかどうかを判別することができる。
【００１５】
さらに、圧子ハンマーの速度を光電方式によって検出するようにしたので、圧子ハンマーの速度に左右されることなく、その速度の検出を高い精度で行なうことができる。
また、磁気の影響を受けることもない。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面により、本発明の一実施形態としてのエコーチップ型硬さ計について説明する。図中、図１はそのエコーチップ型硬さ計の、圧子ハンマー速度のセンサ部を示す模式図、図２はその圧子ハンマー速度の検出回路図である。なお、図１，２において、図３，４と同じ符号はほぼ同一の部材を示している。
【００１７】
この実施形態のものでは、図１に示すように、計測筒12の先端部付近に、圧子ハンマー３の速度（試料01に対する打撃速度および反発速度）センサを構成する１組の投光孔１ａ，２ａ、すなわち第１の投光孔１ａおよび第２の投光孔２ａが、計測筒12の軸線方向に間隔Ｓを置いて手元側から順に設けられている。
【００１８】
また、投光孔１ａおよび２ａにそれぞれ対向する計測筒12上の位置に、１組の受光孔１ｂ，２ｂ、すなわち第１の受光孔１ｂおよび第２の受光孔２ｂが、同じ間隔Ｓを置いて同様の順に設けられている。
【００１９】
そして、投光孔１ａ，２ａに、レンズおよび電球からなる光源13, 14が設けられ、受光孔１ｂ，２ｂに、フォトダイオードのような受光素子23，24が設けられている。なお、光源としては、電球のほか、発光ダイオード，レーザー光源など、半導体を使用したものを用いることもできる。
【００２０】
さらに、計測筒12の最先端部近く、すなわち第２の投光孔２ａおよび第２の受光孔２ｂよりも先端側には、互いに対向する第３の投光孔および受光孔３ａ，３ｂが設けられており、その投光孔３ａに光源15が、また、受光孔３ｂに受光素子25が、それぞれ設けられている。
【００２１】
上述の構成において、測定時、圧子ハンマー３が矢印Ａ方向に進行して第１の投光孔１ａの位置に到達すると、光源13から投光孔１ａ，受光孔１ｂを通じて受光素子23で受光されていた光が、圧子ハンマー３によって遮断される。
【００２２】
圧子ハンマー３が更に矢印Ａ方向に進行して、第２の投光孔２ａの位置に到達すると、光源14から投光孔２ａ，受光孔２ｂを通じて受光素子24に受光されていた光が、圧子ハンマー３によって遮断される。
【００２３】
圧子ハンマー３が更に矢印Ａ方向に進行して、試料01に衝突すると、圧子ハンマー３は、反転して矢印Ａと反対方向に移動する。そのときには、まず、第２の受光素子24に受光されていた光が遮断され、次いで、第１の受光素子23に受光されていた光が遮断される。
【００２４】
第１の受光素子23が遮光されてから第２の受光素子24が遮光されるまでの時間Ｔ_１と、第２の受光素子24が遮光されてから第１の受光素子23が遮光されるまでの時間Ｔ_２とは、各受光素子23, 24のＯＮ−ＯＦＦ信号に基づいて、後述の（図２の）電子回路により計測することができる。
【００２５】
一方、第１の投光孔１ａと第２の投光孔２ａとの間隔、すなわち第１の受光孔１ｂと第２の受光孔２ｂとの間隔は、既知（この実施形態ではＳ）であるから、ＳとＴ_１との比（Ｓ／Ｔ_１）を演算することによって圧子ハンマー３の打撃速度Ｖ_１を算出することができ、また、ＳとＴ_２との比（Ｓ／Ｔ_２）を演算することによって圧子ハンマー３の反発速度Ｖ_２を算出することができる。
【００２６】
次に、受光素子23, 24のＯＮ−ＯＦＦ信号に基づいて時間Ｔ_１，Ｔ_２を算出する回路について説明する。
図２において、符号21は、パルス発生器22で発生したタイミングパルス22ａ（クロックパルス）のカウントを行なうパルスカウンタを示している。
【００２７】
パルスカウンタ21には、光電素子23, 24, 25の各信号が入力されるようになっていて、そのパルスカウンタ21において、光電素子23が遮光された信号（光電素子23のＯＦＦ信号）が入力されてから光電素子24が遮光された信号（光電素子24のＯＦＦ信号）が入力されるまでの間のタイミングパルス22ａの数Ｎ_１，および光電素子24のＯＦＦ信号が入力されてから光電素子23のＯＦＦ信号が入力されるまでの間のタイミングパルス22ａの数Ｎ_２がそれぞれカウントされる。
【００２８】
次いで、演算器２６において、パルスカウンタ21でカウントされたパルス数Ｎ_１，Ｎ_２とタイミングパルス22ａの周波数ｆとに基づいて、上記時間Ｔ_１，Ｔ_２が演算される。そして、その時間Ｔ_１，Ｔ_２と、第１および第２の受光孔１ｂ，２ｂ間の間隔Ｓとに基づいて、圧子ハンマー３の打撃速度Ｖ_１および反発速度Ｖ_２の演算が行なわれる。
【００２９】
なお、第３の投光孔３ａおよび受光孔３ｂ、ならびに光源15および受光素子25は、圧子ハンマー３が試料（面）01に衝突して撥ね返ったことを確認するために設けられているもので、受光素子23のＯＦＦ信号→受光素子24のＯＦＦ信号→受光素子25のＯＦＦ信号→同ＯＮ信号の順に各受光素子からＯＮ−ＯＦＦ信号がパルスカウンタ21に入力されたとき、圧子ハンマー３の正常な反発が行なわれたと判断し、パルスカウンタ21からパルス数Ｎ_１，Ｎ_２が出力される。すなわち、第１ないし第３の受光素子が順に遮光された後、同第３の受光素子が受光したとき、表示器６のＣＰＵ７に圧子ハンマー３の速度情報が入力される。
【００３０】
このように、この実施形態では、圧子ハンマーの速度を検出するセンサを光電方式としているので、圧子ハンマーの速度を、圧子ハンマーの速度に左右されることなく検出することができる。また、環境や試料の磁気に左右されることもない。したがって、その速度検出の精度、ひいては硬さ測定の精度を、高くすることができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明のエコーチップ型硬さ計によれば、次のような効果ないし利点が得られる。
(1) 圧子ハンマーが、衝突行程において第１および第２受光孔間を通過する時間、および反発行程において第２および第１受光孔間を通過する時間、をそれぞれ計測することができるので、各計測時間と第１および第２の受光孔間の間隔とに基づいて、圧子ハンマーの試料（面）に対する打撃速度および反発速度を算出することができる。
(2) 上記時間は、パルスカウンタを用いて同パルスカウンタによりタイミングパルス数をカウントすることで、容易に算出することができる。
(3) 圧子ハンマーの速度検出センサを光電方式としているので、圧子ハンマー速度の検出を、圧子ハンマーの速度に左右されることのない精度で行なうことができる。
(4) 磁気を帯びた環境，磁気を帯びた試料にも、左右されることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態としてのエコーチップ型硬さ計の、圧子ハンマー速度のセンサ部を示す模式図。
【図２】同圧子ハンマー速度の検出回路図。
【図３】従来のエコーチップ型硬さ計の模式図。
【図４】エコーチップ型硬さ計の計測原理を示す模式図。
【図５】従来の速度検出部におけるパルス波形図。
【符号の説明】
１エコーチップ型硬さ計の本体部
１ａ，２ａ，３ａ投光孔
１ｂ，２ｂ，３ｂ受光孔
３圧子ハンマー
４速度検出コイル
６表示器
７ＣＰＵ
８表示部
11 把持部
12 計測筒
13, 14, 15 光源
21 パルスカウンタ
22 パルス発生器
22ａタイミングパルス（クロックパルス）
23，24, 25 受光器としての光電素子
26 演算器
Ｓ光電素子23, 24間の間隔
Ｖ_１圧子ハンマーの打撃速度
Ｖ_２圧子ハンマーの反発速度
Ｌ試料のエコーチップ硬さ

Claims

圧子ハンマーと、
同圧子ハンマーの往復動通路を形成する計測筒を有するとともに、上記圧子ハンマーをばね力により試料に向けて撥ね飛ばすコイルばねが内蔵されている硬さ計本体部と、
上記圧子ハンマーの速度情報に基づいて上記試料の硬さを算出するＣＰＵ、および同ＣＰＵによって算出された上記試料の硬さを表示する表示部を有する表示器と、を備えたエコーチップ型硬さ計において、
上記計測筒の先端部付近に、同計測筒の軸線方向に所定の間隔Ｓを置いて第１および第２の投光孔が設けられるとともに同投光孔の各々にそれぞれ対向する第１および第２の受光孔が設けられ、それらの投光孔および受光孔よりも更に上記計測筒の先端側に、互いに対向する第３の投光孔と受光孔とが設けられていて、上記第１ないし第３の投光孔にそれぞれ第１ないし第３の光源が設けられる一方、上記第１ないし第３の受光孔にそれぞれ第１ないし第３の受光素子が設けられ、
上記表示器のＣＰＵには、上記第１ないし第３の受光素子が順に遮光された後、同第３の受光素子が受光したとき、上記圧子ハンマーの速度情報が入力されるようにされていることを特徴とする、エコーチップ型硬さ計。