JP3943491B2 - 硬さ試験機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料表面にくぼみを形成させて当該試料の硬さを測定する硬さ試験機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、圧子によって、試料表面に荷重を負荷し、くぼみを形成することに基づいて、試料の硬さを評価、測定する硬さ試験機が使用されている。
このような硬さ試験機として、所定の荷重で圧子を試料に押しつける際に圧子が試料に押し込まれて侵入する深さ（圧子が試料に形成するくぼみの深さ）を計測し、硬さを算出するロックウェル硬さ試験機が知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、所定の荷重で圧子を試料に押しつけて形成したくぼみの大きさ（例えば、くぼみの所定点間の長さ（対角線の長さ））を計測し、硬さを算出するビッカース硬さ試験機が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特許第３１７０２５６号公報
【特許文献２】
特開２０００−２９２３３３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ロックウェル硬さ試験機とビッカース硬さ試験機とでは、そもそも硬さを評価、測定する方法は異なるため、近時、様々な試料の硬さを評価、試験するユーザにとっては、各々の硬さ試験機を個別に用意しなければならず、不便であるという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明の課題は、評価・測定方法の異なる硬さ試験を行うことができて汎用性のある硬さ試験機を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、請求項１記載の発明は、図１〜３に示すように、
試料表面に圧子（５）がくぼみを形成することに基づいて試料（Ｓ）の硬さを測定する硬さ試験機（１）であって、
一端部（３１ａ）が試験機本体（２）に軸支され、二股に分岐している他端部（３１ｂ、３１ｃ）を有する荷重アーム（３）と、
前記荷重アームが回動して、前記圧子を試料表面に押し込む際に前記荷重アームの一方の他端部が撓むことによる前記荷重アームの他端部の二股の開き量を検出するように、その荷重アームに備えられるアーム変位検出部（３４）と、
前記アーム変位検出部により検出された前記荷重アームの他端部の開き量が所定の試験力に対応する開き量となる力を前記荷重アームの一方の他端部（３１ｂ）に付与して、前記圧子を試料表面に押し込む力付与手段（例えば、アーム作動部４）と、
前記力付与手段により前記圧子が試料表面から押し込まれる侵入量を検出する侵入量検出手段（例えば、圧子軸変位検出部２０）と、
前記圧子が試料表面に押し込まれて形成したくぼみの所定の特徴点間の距離を検出するくぼみ長さ検出手段（例えば、制御部１００、撮像部１０）と、
前記侵入量検出手段により検出された侵入量に基づき、前記試料の硬さを算出する第１の硬さ算出手段（例えば、制御部１００）と、
前記くぼみ長さ検出手段により検出された前記所定の特徴点間の距離に基づき、前記試料の硬さを算出する第２の硬さ算出手段（例えば、制御部１００）と、
を備えたことを特徴とする。
【０００７】
請求項１記載の発明によれば、力付与手段が発生する作用力に基づき、圧子は所定の試験力が付与されて試料の表面に押し込まれ、試料表面にくぼみを形成する。そのくぼみを形成する際に、圧子が試料表面から押し込まれる侵入量（つまり、くぼみの深さ）を侵入量検出手段が検出し、その検出した侵入量に基づいて、第１の硬さ算出手段が試料の硬さを算出する。また、圧子が形成したくぼみの所定の特徴点間の距離をくぼみ長さ検出手段が検出し、その検出した特徴点間の距離に基づいて、第２の硬さ算出手段が試料の硬さを算出する。
つまり、試料表面に所定の試験力を圧子により負荷してくぼみを形成することによって、くぼみの深さに基づく試料の硬さを測定することと、くぼみの大きさに基づく試料の硬さを測定することができる。
よって、試料の表面に圧子がくぼみを形成することに伴い、少なくとも２通りの硬さ試験を行うことができる。従って、試料や目的に応じた硬さ試験方法を選択することができ、汎用性のある硬さ試験機として使用することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１から図３に基づいて説明する。図１、図２は、本発明を適用した硬さ試験機を示す一部断面側面図である。図３は、同硬さ試験機の要部構成を示すブロック図である。
図１、図２に示されるように、硬さ試験機１は、各構成部材が配設される試験機本体２と、試験機本体２に回動自在に支持される荷重アーム３と、荷重アーム３に作用力（試験力）を付与し荷重アームを作動させる力付与手段としてのアーム作動部４と、荷重アーム３の下方の試験機本体２に回転自在に備えられたターレット８と、このターレット８に取り付けられ、先端部に圧子５を備える圧子軸６と、ターレット８に取り付けられた対物レンズ７と、ターレット８に対向配置され、試料Ｓが載置される試料台９と、試料台９上の試料Ｓに形成されたくぼみを撮像する撮像部１０等により構成されている。なお、硬さ試験機１は、図３に示される制御部１００により、各部の動作制御が行われる。
【０００９】
荷重アーム３は、アーム本体３１と、アーム本体３１の一端部３１ａを試験機本体２に軸支する回動軸３２とを有している。アーム本体３１の他端側は第１の他端部３１ｂと第２の他端部３１ｃとの二股に分岐しており、第１の他端部３１ｂは、可撓性を有する板ばね状に形成されている。
また、アーム本体３１の下面側には、アーム本体３１の下面と試験機本体２との間にコイルばね３３ａにより弾性支持される荷重軸３３が備えられている。また、アーム本体３１には、荷重アーム３（アーム本体３１）が作動した際の、第１の他端部３１ｂと第２の他端部３１ｃとの開き量を検出するアーム変位検出部３４が備えられている。
【００１０】
アーム本体３１は、アーム本体３１の一端部３１ａが回動軸３２により試験機本体２に回動自在に軸支されるとともに、第１の他端部３１ｂに荷重アーム３を作動させる試験力としての作用力を発生させる後述するアーム作動部４が接続されている。そして、そのアーム作動部４の動作に伴い、アーム本体３１は、回動軸３２を中心とした回動を行う。このアーム本体３１の下方への回動に伴い、アーム本体３１は、荷重軸３３を下方へ押圧し、移動させる。そして、荷重軸３３は、アーム本体３１（荷重アーム３）の駆動、動作を圧子軸６に伝達する（図１参照）。
【００１１】
アーム変位検出部３４は、例えば、所定の間隔の目盛が刻まれたスケールと、そのスケールの目盛を光学的に読み取るリニアエンコーダとからなり、アーム本体３１が回動するとともに、圧子軸６等を介して圧子５を試料Ｓに押し込む際の第１の他端部３１ｂと第２の他端部３１ｃとの開き量（ばね変位量）を検出し、その検出した開き量に基づくアーム変位信号を後述する制御部１００に出力する。なお、この開き量（ばね変位量）は、圧子５が試料Ｓを押し込む押圧力（試験力）、或いは試料Ｓに加わる荷重に対応している。
【００１２】
アーム作動部４は、サーボモータ４１と、ボールネジ４３と、サーボモータ４１のモータ軸４１ａとボールネジ４３のネジ軸４３ａに掛け渡されるタイミングベルト４２と、ボールネジ４３に保持される固定治具４４等により構成されている。なお、アーム作動部４は、固定治具４４の板ばね４４ａが、アーム本体３１の第１の他端部３１ｂに固定されて荷重アーム３に接続されている。
【００１３】
サーボモータ４１は、制御部１００から入力された駆動制御信号に基づき駆動する。そして、サーボモータ４１の駆動により回転するサーボモータ４１のモータ軸４１ａの駆動力は、タイミングベルト４２を介してボールネジ４３のネジ軸４３ａに伝達されて、ボールネジ４３は回転する。そのボールネジ４３の回転駆動により固定治具４４は上下に移動される。
このように、アーム作動部４は、サーボモータ４１の駆動に基づき固定治具４４を上下動させて、固定治具４４と接続しているアーム本体３１の第１の他端部３１ｂに、その駆動（駆動力）を伝達し、アーム本体３１（荷重アーム３）を回動させる。なお、アーム作動部４が荷重アーム３を動作させる際、板ばね４４ａは撓む。
【００１４】
試料台９は、試料Ｓが載置される試料ステージ９１と、試料ステージ９１の下面に設けられたステージ昇降部９２等により構成されている。このステージ昇降部９２は、ねじ部９２ａを有し、ねじ部９２ａを回転させることによって試料ステージ９１を、試験機本体２に対して上下に移動可能としている。
【００１５】
ターレット８は、ターレット本体８１と、ターレット本体８１を試験機本体２に回転自在に軸支する回転軸８２等により構成されている。
ターレット本体８１には、圧子軸６と、対物レンズ７と、圧子軸６の変位量を検出する侵入量検出手段としての圧子軸変位検出部２０とが備えられている。なお、圧子軸６は、圧子軸保持部６１を介してターレット本体８１に備えられている。そして、ターレット本体８１が回転することによって、圧子軸６や対物レンズ７の配置が切り替えられる。
【００１６】
圧子軸保持部６１は、縦保持部材６１ａと、縦保持部材６１ａから横方向に延出する板ばね６１ｂ、６１ｂにより構成されており、圧子軸６は、板ばね６１ｂ、６１ｂに弾性支持され、試料ステージ９１の試料Ｓの載置面、特に試料ステージ９１に載置された試料の表面（上面）に対して垂直に備えられている。
また、圧子軸６の下端部には圧子５が交換可能に備えられている。
そして、図１に示されるように、ターレット８（ターレット本体８１）を回転させ、圧子軸６を荷重軸３３に対応する配置に切り替えることにより、荷重アーム３の回動に伴い荷重軸３３が下方へ移動する動作の作用力を圧子軸６に伝達可能となる。そして、圧子５を試料Ｓに押し当て、押し込むことが可能となる。
【００１７】
対物レンズ７は、後述する撮像部１０の顕微鏡部１１に付随するレンズ部であり、図２に示されるように、ターレット８（ターレット本体８１）を回転させ、対物レンズ７を撮像部１０に対応する配置に切り替えた際に、撮像部１０による試料Ｓ撮像が可能になる。
【００１８】
圧子軸変位検出部２０は、例えば、所定の間隔の目盛が刻まれたスケールと、そのスケールの目盛を光学的に読み取るリニアエンコーダとからなり、圧子軸６が試料Ｓにくぼみを形成する際に移動した変位量（つまり、試料Ｓに圧子５が押し込まれた侵入量、くぼみの深さ）を検出し、その検出した変位量に基づく圧子軸変位信号を後述する制御部１００に出力する。
【００１９】
撮像部１０は、顕微鏡部１１と、その顕微鏡部１１に取り付けられたＣＣＤカメラ１０ａ（図３参照）と、試料Ｓの観察位置を照らす照明装置（図示省略）などにより構成されており、試料Ｓの表面に形成されたくぼみの撮像を行う。そして、撮像部１０（ＣＣＤカメラ１０ａ）は、撮像したくぼみの画像データを後述する制御部１００に出力する。
【００２０】
制御部１００は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を含む演算装置で構成され、ＲＯＭに記憶された所定のプログラムが実行されることにより、所定の硬さ試験を行うため予め設定された所定の動作条件（各硬さ試験用の動作条件）に基づくくぼみ形成のための各部の動作制御や、試料Ｓに形成されたくぼみに基づくデータやくぼみ形成時の試験力と、予め設定された各硬さ試験に対応する硬さ算出式とに基づき試料Ｓの硬さの算出を行う。
【００２１】
例えば、制御部１００は、アーム変位検出部３４から入力されたアーム変位信号と、予め設定された設定アーム変位データとの比較を行う。そして、所定の試験力（荷重）で圧子５を試料Ｓに作用させるように荷重アーム３を回動させるため、アーム作動部４（サーボモータ４１）の駆動を制御する駆動制御信号をサーボモータ４１に出力する。
【００２２】
また、制御部１００は、第１の硬さ算出手段として、圧子軸変位検出部２０から入力された圧子軸変位信号に基づき、試料Ｓの硬さの算出を行う。この第１の硬さ算出手段は、試料Ｓに圧子５が押し込まれた侵入量（くぼみの深さ）から試料Ｓの硬さを測定する、例えば、ロックウェル硬さ試験に基づく硬さの算出を行う。
【００２３】
また、制御部１００は、くぼみ長さ検出手段として、撮像部１０から入力されたくぼみの画像データに所定の画像処理を施すなどして解析し、くぼみの大きさを自動計測し、所定の特徴点間の距離の検出を行う。
また、制御部１００は、第２の硬さ算出手段として、制御部１００（くぼみ長さ検出手段）が検出したくぼみの所定の特徴点間の距離に基づき、試料Ｓの硬さの算出を行う。この第２の硬さ算出手段は、試料Ｓに圧子５が押し込まれて形成されたくぼみの大きさ（所定の特徴点間の距離）から試料Ｓの硬さを測定する、例えば、ビッカース硬さ試験に基づく硬さの算出を行う。
【００２４】
次に、硬さ試験機１における硬さ試験の動作について説明する。
例えば、まず、圧子軸６にロックウェル硬さ試験用の圧子５を取り付け、ターレット８を回転し、図１に示されるような、硬さ試験におけるくぼみ形成のための配置、つまり、圧子軸６を荷重軸３３に対応する配置に切り替える。そして、試料台９の試料ステージ９１に試料Ｓを載置し、試料ステージ９１を所定の高さ、位置に調整する。
【００２５】
次いで、操作部１００により、硬さ試験機１が、ロックウェル硬さ試験用の動作を行うための操作を行う。この操作入力に基づき、アーム作動部４は駆動し、荷重アーム３を下方へ回動させる。この荷重アーム３の下方への回動に伴い、荷重軸３３はアーム本体３１により押圧されて下方へ移動するとともに、当接する圧子軸６を下方へ移動させる。そして、圧子軸６は、圧子軸６の先端に取り付けられた圧子５を試料Ｓに押し込み、くぼみを形成する。なお、圧子５が試料Ｓにくぼみを形成する際、アーム変位検出部３４が検出した開き量（ばね変位量）に関するアーム変位信号に基づいて、制御部１００がアーム作動部４の駆動を制御して荷重アーム３を回動させることにより、所定の試験力で圧子５を試料Ｓに押し込んでいる。
【００２６】
そして、圧子５が試料Ｓにくぼみを形成している際の圧子軸６の移動量、変位量を圧子軸変位検出部２０は検出し、その検出した変位量に基づく圧子軸変位信号を制御部１００に出力する。制御部１００は入力された圧子軸変位信号に基づき、ロックウェル硬さを算出して、図示しない表示部に算出した結果（測定値）を表示する。
このように、ロックウェル硬さ試験を行うことができる。
【００２７】
また、例えば、圧子軸６にビッカース硬さ試験用の圧子５を取り付けた場合、前述と同様に、ターレット８や試料台９の調整を行い、操作部１００により、硬さ試験機１が、ビッカース硬さ試験用の動作を行うための操作を行う。
そして、前述と同様に、制御されたアーム作動部４の駆動に基づき、荷重アーム３は下方へ回動し、荷重軸３３を介して圧子軸６を下方へ移動させる。そして、圧子軸６は、圧子軸６の先端に取り付けられた圧子５を試料Ｓに押し込み、くぼみを形成する。
【００２８】
次いで、ターレット８を回転し、図２に示されるような、硬さ試験におけるくぼみ観察のための配置、つまり、対物レンズ７が撮像部１０に対応する配置に切り替える。そして、撮像部１０は、試料Ｓに形成されたくぼみを撮像し、撮像したくぼみの画像データを制御部１００に出力する。制御部１００は、入力された画像データを解析し、ビッカース硬さ試験用の圧子５により形成された略四角形のくぼみの対角線の長さを算出し、その対角線の長さに基づき、ビッカース硬さ算出して、図示しない表示部に算出した結果（測定値）を表示する。
このように、ビッカース硬さ試験を行うことができる。
【００２９】
このように、本発明にかかる硬さ試験機１によっては、所定の荷重で圧子を試料に押しつける際に圧子が試料に押し込まれて侵入する深さ（圧子が試料に形成するくぼみの深さ）に基づく硬さ試験（例えば、ロックウェル硬さ試験）と、所定の荷重で圧子を試料に押しつけて形成したくぼみの大きさ（例えば、くぼみの所定の特徴点間の長さ）に基づく硬さ試験（例えば、ビッカース硬さ試験）とを、ともに行うことができる。つまり、汎用性のある硬さ試験機といえる。
【００３０】
なお、以上の実施の形態においては、硬さ試験機１において、ロックウェル硬さ試験と、ビッカース硬さ試験を行うことを例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ブリネル硬さ試験やヌープ硬さ試験などの硬さ試験を行ってもよい。その場合、その硬さ試験に応じた圧子５を用意するとともに、制御部１００にその硬さ試験に応じた試験機の動作制御や各硬さ試験に対応する硬さ算出式を記憶、入力するようにすればよい。
【００３１】
また、以上の実施の形態においては、制御部１００がくぼみの画像データを解析して、くぼみの大きさを自動計測するとしたが、これに限らず、計測顕微鏡によりくぼみを観察する観察画面に表示されるスケールを機械的に移動させてくぼみの大きさを計測する機械的計測方法や、撮像部により撮像されたくぼみが表示される表示画面（タッチパネル）において、くぼみの特徴点をタッチ入力してその特徴点間の距離を計測、検出するようにしてもよい。
【００３２】
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。
【００３３】
【発明の効果】
本発明にかかる硬さ試験機によれば、試料の表面に圧子がくぼみを形成する際に、圧子が試料表面から押し込まれる侵入量（つまり、くぼみの深さ）を侵入量検出手段が検出して、その検出した侵入量に基づく硬さ試験と、圧子が形成したくぼみの所定の特徴点間の距離をくぼみ長さ検出手段が検出して、その検出した特徴点間の距離に基づく硬さ試験を行うことができる。
つまり、試料表面に所定の試験力を圧子により負荷してくぼみを形成することによって、くぼみの深さに基づく試料の硬さを測定する、例えばロックウェル硬さ試験と、くぼみの大きさに基づく試料の硬さを測定する、例えば、ビッカース硬さ試験とを行うことができる。
このように、試料の表面に圧子がくぼみを形成することに伴い、少なくとも２通りの硬さ試験を行うことができるので、試料や目的に応じた硬さ試験方法を選択することができ、汎用性のある硬さ試験機として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる硬さ試験機の一部断面側面図である。
【図２】本発明にかかる硬さ試験機の一部断面側面図である。
【図３】本発明にかかる硬さ試験機の制御系を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 硬さ試験機
２ 試験機本体
３ 荷重アーム
３１ アーム本体
３４ アーム変位検出部
４ アーム作動部（力付与手段）
４１ サーボモータ
５ 圧子
６ 圧子軸
７ 対物レンズ
８ ターレット
９ 試料台
１０ 撮像部（くぼみ長さ検出手段）
１０ａ ＣＣＤカメラ
２０ 圧子軸変位検出部（侵入量検出手段）
１００ 制御部（くぼみ長さ検出手段、第１の硬さ算出手段、第２の硬さ算出手段）
Ｓ 試料

Claims (1)

1. 試料表面に圧子がくぼみを形成することに基づいて試料の硬さを測定する硬さ試験機であって、
   一端部が試験機本体に軸支され、二股に分岐している他端部を有する荷重アームと、
   前記荷重アームが回動して、前記圧子を試料表面に押し込む際に前記荷重アームの一方の他端部が撓むことによる前記荷重アームの他端部の二股の開き量を検出するように、その荷重アームに備えられるアーム変位検出部と、
   前記アーム変位検出部により検出された前記荷重アームの他端部の開き量が所定の試験力に対応する開き量となる力を前記荷重アームの一方の他端部に付与して、前記圧子を試料表面に押し込む力付与手段と、
   前記力付与手段により前記圧子が試料表面から押し込まれる侵入量を検出する侵入量検出手段と、
   前記圧子が試料表面に押し込まれて形成したくぼみの所定の特徴点間の距離を検出するくぼみ長さ検出手段と、
   前記侵入量検出手段により検出された侵入量に基づき、前記試料の硬さを算出する第１の硬さ算出手段と、
   前記くぼみ長さ検出手段により検出された前記所定の特徴点間の距離に基づき、前記試料の硬さを算出する第２の硬さ算出手段と、
   を備えたことを特徴とする硬さ試験機。

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