JP3740943B2 - 材料試験機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、材料試験機に係わり、特に、圧子を試験材料に押しつけてその圧痕から試料の硬度を測定する微小硬度計や圧縮・引張試験機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
材料の硬度を評価するために、所定の荷重をかけられた圧子が試料に押し込まれ、その圧痕から試料の硬さを測定する微小硬度計がある。ビッカース硬度計などにおいては、先端が所定の形状に形成された圧子を試料に押しこむために、永久磁石と電磁コイルを利用した負荷装置が使用されている。
図３に従来の微小硬度計を示す。枠体１内に昇降可能に設けられた試料台２には、互いに直交するＸＹ方向に移動可能なステージ３が着脱自在に設けられ、ステージ３上に試料４が載置固定される。
【０００３】
枠体１内に設けられた自動平衡型電子天秤タイプの荷重装置９は、図４に詳しく示すように、マグネット８ｂおよび電磁コイル８ａからなる電磁力発生装置８を有し、この電磁力発生装置８は制御部１３ａから電磁コイル８ａに供給される電流に応じた力を発生する。電磁力発生装置８の下方には、支点７回りに揺動可能なレバー２４の一端が位置して電磁コイル８ａと連結され、電磁力発生装置８で発生する力によりレバー２４が支点７を中心に回動する。電磁コイル８ａへの供給電流を増加させることによりレバー２４の回動量が増加し、供給電流を一定値に保持するとレバー２４はそのときの回動姿勢で保持される。
【０００４】
レバー２４の他端は板バネ２５およびブラケット２６を介して圧子保持部材２７に連結され、保持部材２７の図示下端には上記ステージ３上の試料４を抑圧するための圧子５が取付けられている。リンク２９は、一端が保持部材２７の上下部に、他端が固定部２８にそれぞれ回動可能に連結された一対のリンクであり、これらのリンク２９により平行リンク機構が構成される。レバー２４の回動に従って保持部材２７すなわち圧子５は、平行リンク機構の作用により同一姿勢を保ちつつ昇降する。
【０００５】
図３の６は、圧子５の変位量を検出する差動トランス式の変位検出器であり、その検出結果は制御部１３ａの変位測定部１６に入力される。制御部１３ａは、変位検出器６からの入力信号により変位測定部１６で測定された変位ｄと、負荷設定部２１で所定の荷重レベルを設定し、電流供給部１４から電磁コイル８ａへ電力が供給され、電流測定部１５で測定された電流Ｉから得られる圧子５の試料４への押圧荷重Ｆ＝ｋＩ（ｋ：電流と力の変換係数）に基づいて所定の演算処理を行い、試料４の硬さデータとして、見かけの力Ｆと変位ｄと硬度を表示部２２に表示する。
なお、１０は補助的装置としての光学モニタであり、対物レンズ１１や接眼レンズ１２等を備え、試料４の表面における試験位置を測定したり、圧子５によって試料表面に形成された窪みの状態を作業者が観察するために用いられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の材料試験機は以上のように構成されているが、電磁力発生装置８の電磁コイル８ａに流れる電流Ｉを電流測定部１５で測定し、その電流Ｉの値から圧子５の押圧荷重Ｆを演算する時、単純に電流Ｉと見かけの力Ｆとの変換係数ｋを乗ずることにより押圧荷重Ｆ＝ｋＩを算出していた。あるいは、試験後に、試料４に接触するまでの変位ｄと電流Ｉの相関を求め、この値により上記押圧荷重Ｆを補正して真の押圧荷重Ｆ’としていた。
【０００７】
上記のように、単純に電流Ｉと見かけの力Ｆとの変換係数ｋを乗ずることにより押圧荷重Ｆ＝ｋＩを算出する方法は、圧子５の無負荷時の電流値Ｉによる補正がなされていないので誤差を含んだ値となり、また、試験後に計算して補正する方法では、リアルタイムに測定値を得ることが出来ないという問題がある。そのため設定された力まで負荷することができないという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、試験後に測定値を補正するような方法でなく、リアルタイムで真の押圧荷重Ｆを得ることができる材料試験機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】
上記の目的を達成するため、本発明の材料試験機は、電磁力発生手段によって所定の荷重を試料に加え、その変形量を計測して試料の硬さや圧縮・引張強度を測定する材料試験機において、電磁力発生手段に電流を流す電流供給部と、駆動される圧子が試料に接触するまでの間、および所定の荷重を試料に加えた時の圧子の変位を測定する変位測定部と、電流を測定する電流測定部と、その測定されたデータを処理する制御部とを備え、制御部は圧子の無負荷時の変位ｄと電流Ｉの相関関係のデータから係数αをα＝Ｉ／ｄとして算出し、リアルタイムで真の押圧荷重ＦをＦ＝ｋ（Ｉ−αｄ）として演算し（ｋは電流と力の変換係数）、真の押圧荷重が設定値に到達したら試験を終了し、演算された真の荷重値と変位量を表示部に表示することを特徴とする。
【００１０】
本発明の材料試験機は上記のように構成されており、電磁力発生手段に電流を流し、駆動される圧子が試料に接触するまでの間の圧子の変位と電流が、変位測定部と電流測定部で測定され、ＣＰＵがその非接触時の変位と電流の相関関係のデータから補正値を算出し、そして、試験中に、見かけ上の力から非接触時の力を差し引いた補正を、リアルタイムでＣＰＵで行ない、真の力が試料に荷重されるところで試験を終了することができる。また、演算された真の荷重値と変位量を表示部に表示することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の材料試験機の一実施例を図１を参照しながら説明する。図１は本発明の材料試験機の計測システムを示す図である。本材料試験機は、試験機本体と、その制御部１３と、表示部２２から構成されている。
試験機本体は、従来の微小硬度計と同じで、ステージ３を設けその上に試料４が載置固定され昇降可能な試料台２と、枠体１内に設けられた、自動平衡型電子天秤タイプの荷重装置９と、圧子５の変位を検出する変位検出器６と、補助的装置としての光学モニタ１０とから構成されている。
【００１２】
試料台２は、互いに直交するＸＹ方向に移動可能なステージ３が着脱自在に設けられ、ステージ３上に試料４が載置固定されて、昇降可能な機構を有する。
荷重装置９は、図４に示すように、マグネット８ｂおよび電磁コイル８ａからなる電磁力発生装置８を有し、この装置８は、制御部１３から電磁コイル８ａに供給される電流に応じた力を発生する。電磁力発生装置８の下方には、支点７の回りに揺動可能なレバー２４の一端が位置して電磁コイル８ａと連結され、電磁力発生装置８で発生する力によりレバー２４が支点７を中心に回動する。電磁コイル８ａへの供給電流を増加させることによりレバー２４の回動量が増加し、供給電流を一定値に保持すると、レバー２４はそのときの回動姿勢で保持される。
【００１３】
レバー２４の他端は板バネ２５およびブラケット２６を介して圧子保持部材２７に連結され、保持部材２７の図示下端には上記ステージ３上の試料４を抑圧するための圧子５が取付けられている。リンク２９は、一端が保持部材２７の上下部に、他端が固定部２８にそれぞれ回動可能に連結された一対のリンクであり、これらのリンク２９により平行リンク機構が構成される。レバー２４の回動に従って保持部材２７すなわち圧子５は、平行リンク機構の作用により同一姿勢を保ちつつ昇降する。
【００１４】
変位検出器６は、圧子５の変位量を検出する差動トランス式のものであり、その検出結果は制御部１３の変位測定部１６に入力される。
光学モニタ１０は、補助的装置として使用され、対物レンズ１１や接眼レンズ１２等を備え、試料４の表面における試験位置を測定したり、圧子５によって試料表面に形成された窪みの状態を作業者が観察するために用いられる。
【００１５】
制御部１３は、荷重装置９の電磁コイル８ａに電流を供給するための電流供給部１４と、その電磁コイル８ａに流れる電流を測定する電流測定部１５と、その電流によって駆動される荷重装置９の圧子５の変位量を変位検出部６で検出し測定する変位測定部１６と、負荷値を設定する負荷設定部２１と、各部の制御と取り込んだデータから補正値を算出し真の押圧荷重Ｆを演算するデータ処理装置のＣＰＵ２０と、ＣＰＵ２０と各部とのインターフェースとしてのＤ／Ａ変換器１７及びＡ／Ｄ変換器１８、１９とから構成されている。
負荷設定部２１は、試料４の押圧荷重Ｆを設定するもので、その設定値がＣＰＵ２０を介してＤ／Ａ変換器１７でアナログ値に変換され、電流供給部１４から電流が電磁コイル８ａに供給される。
【００１６】
電流測定部１５は、電磁コイル８ａに流れる電流を測定するもので、圧子５が試料４に接触するまでの変位に対してリニヤな関係の電流値と、接触して設定押圧荷重になった時の電流値とを測定し、その値はＡ／Ｄ変換器１８でデジタル値に変換され、ＣＰＵで演算処理される。
変位測定部１６は、圧子５の変位量を変位検出器６で検出するもので、その値はＡ／Ｄ変換器１９でデジタル値に変換され、ＣＰＵで演算処理される。
表示部２２は、制御部１３のＣＰＵ２０で演算された真の押圧荷重Ｆと、圧子５による試料４の変位ｄと、その結果による硬度、及びその他の試料の情報などを表示する。
【００１７】
次に本材料試験機の操作、及び、ＣＰＵ２０のデータ処理について説明する。まず、押圧荷重値が負荷設定部２１でＣＰＵ２０に入力される。その値に応じて電流供給部１４から電流が電磁コイル８ａに供給され、マグネット８ｂとの反発力で支点７により圧子５に力が加えられる。圧子５が試料４に接触するまでの間は、図２に示すように、電流Ｉと圧子５の変位ｄは、リニヤな相関関係が存在する。この電流Ｉと変位ｄのα＝Ｉ／ｄをＣＰＵ２０は演算する。このα値を記憶装置に格納しておく。この作業は試験前に行なっておいても良い。
【００１８】
圧子５が試料に接触したことを検知する方法として、圧子５が試料に接触するまでは、α＝Ｉ／ｄの値が一定で変化しないが、接触すると同時にαの値が増加する。その時点を接触時とする。そして、試験中には圧子５が試料４に接触し、所定の押圧荷重値になるまで電流が流されて、圧子５が試料４に押し当てられた時の圧子５の変位ｄと電流Ｉが、変位測定部１６と電流測定部１５で測定される。その時、ＣＰＵ２０は演算式Ｆ＝ｋ（Ｉ−αｄ）を演算する。ここでｋは、電流Ｉと力Ｆの変換係数とする。このＦ値が負荷設定部２１で設定した押圧荷重値になれば、試験を終了する。
【００１９】
演算式Ｆ＝ｋ（Ｉ−αｄ）の第一項ｋＩは、見かけ上の力を表し、第二項ｋαｄは、圧子５が試料４に接触しない時の力であり、この第二項kαdの力は、試料４に加えられる力ではない。したがって、この成分を補正するために第一項から第二項の分を差し引いた補正を必要とする。ＣＰＵ２０はこの演算をリアルタイムで行なう。
【００２０】
上記の実施例ではＣＰＵ２０を用いてデジタル制御を行なったが、Ｄ／Ａ変換器１７、Ａ／Ｄ変換器１８、１９を用いずにアナログ制御の電気回路でもデータ処理Ｆ＝ｋ（Ｉ−αｄ）の演算を行なうこともできる。
また、上記の実施例では微小硬度計について説明したが、試験材料に圧縮荷重または引張荷重をかける圧縮・引張試験機にも同様に適用することができる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の材料試験機は上記のように構成されており、試験以前に求められた圧子の非接触時の電流と変位の相関関係を用いて、試験中に、見かけ上の力から非接触時の力を差し引いた補正を、リアルタイムでＣＰＵで行ない、真の力が試料に荷重されるところで試験を終了することができる。そのため、従来のような試験後のデータ補正を必要とせず、補正された力を使って、設定された押圧荷重に到達すれば試験が終了するので、本機能を有する硬度計、圧縮・引張試験機において安価で精密な測定を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の材料試験機の一実施例を示す図である。
【図２】 圧子が試料に接するまでの変位と駆動電流の関係を示す図である。
【図３】 従来の材料試験機を示す図である。
【図４】 材料試験機の駆動部の機構を示す図である。
【符号の説明】
１…枠体
２…試料台
３…ステージ
４…試料
５…圧子
６…変位検出器
７…支点
８…電磁力発生装置
８ａ…電磁コイル
８ｂ…マグネット
９…荷重装置
１０…光学モニタ
１１…対物レンズ
１２…接眼レンズ
１３…制御部
１４…電流供給部
１５…電流測定部
１６…変位測定部
１７…Ｄ／Ａ変換器
１８…Ａ／Ｄ変換器
１９…Ａ／Ｄ変換器
２０…ＣＰＵ
２１…負荷設定部
２２…表示部
２３…押圧荷重演算部
２４…レバー
２５…板バネ
２６…ブラケット
２７…保持部材
２８…固定部
２９…リンク

Claims (1)

1. 電磁力発生手段によって所定の荷重を試料に加え、その変形量を計測して試料の硬さや圧縮・引張強度を測定する材料試験機において、電磁力発生手段に電流を流す電流供給部と、駆動される圧子が試料に接触するまでの間、および所定の荷重を試料に加えた時の圧子の変位を測定する変位測定部と、電流を測定する電流測定部と、その測定されたデータを処理する制御部とを備え、制御部は圧子の無負荷時の変位ｄと電流Ｉの相関関係のデータから係数αをα＝Ｉ／ｄとして算出し、リアルタイムで真の押圧荷重ＦをＦ＝ｋ（Ｉ−αｄ）として演算し（ｋは電流と力の変換係数）、真の押圧荷重が設定値に到達したら試験を終了し、演算された真の荷重値と変位量を表示部に表示することを特徴とする材料試験機。

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