JP4171693B2

JP4171693B2 - 硬さ試験機

Info

Publication number: JP4171693B2
Application number: JP2003361881A
Authority: JP
Inventors: 英二古田; 文比古輿水; 亮嗣中村
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2003-10-22
Filing date: 2003-10-22
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2023-10-22
Also published as: JP2005127782A

Description

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。

従来、硬さ試験機として、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知られている（例えば、特許文献１など）。
特許文献１に記載された硬さ試験機は、先端部に圧子を有する圧子支持棒と、圧子支持棒を運動可能に支持する支持機構と、圧子支持棒をその軸方向に駆動させるアクチュエータ等を備えている。

支持機構は、圧子支持棒の上部及び下部を支持する二枚のＥ字型の板バネから構成されている。これら板バネは、上下二枚、圧子支持棒の軸上に平行かつ同方向に配置されており、各板バネにおける両側端部バネ片の開放端が固定フレームに固定され、中央部バネ片の開放端が圧子を支持した圧子支持棒に固定されている。

そして、圧子支持棒に軸方向に所定の力を負荷したときには、側部バネ片及び中央部バネ片が弾性変形する。この変形とともに、平行に配置された２つの板バネの側部バネ片及び中央部バネ片における円運動がそれぞれ打ち消しあい、圧子支持棒が直進運動できるので、圧子は試料面に対して常に同じ向きを保持して、直進運動のみをすることとなる。

ところで、上記構成の硬さ試験機においては、支持機構を構成する上下二枚の板バネを連結部で連結させることにより、圧子支持棒をその軸方向に対してより直線的に運動させることが可能である。
特開２００３−１６１６８４号公報

しかしながら、圧子支持棒に所定の力が負荷され、圧子が試料表面に到達した時点では、二枚の板バネが硬さ試験前よりさらに撓んだ状態となるため、板バネの連結部に外乱振動が生じた場合には、圧子軸が軸方向に対して垂直な方向に僅かにずれることがある。そのため、圧子により形成されるくぼみが歪んでしまい、測定硬度に誤差が生じてしまうという問題点があった。

そこで、本発明の課題は、複雑な機構を備えることなく、外乱振動の影響による測定誤差を低減して、より精度の高い硬さ試験を行うことのできる硬さ試験機を提供することである。

上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、図４に示すように、
先端部に圧子（３）を有する圧子軸（４）と、
前記圧子軸を軸方向に移動可能に支持する支持部（５）と、
前記圧子軸に対し、軸方向の所定の力を負荷する荷重負荷機構部（６）と、
を備え、
前記支持部は、
前記圧子軸に一端部が固定された第１の弾性部（例えば、中板ばね部５３）と、
試験機本体（２）に一端部が固定された第２の弾性部（例えば、外板ばね部５４）と、
前記第１の弾性部の他端部と、前記第２の弾性部の他端部とを接続する接続部（５５）と、
を備え、
前記荷重負荷機構部が前記圧子軸に所定の力を負荷したことにより、前記第１の弾性部が前記圧子軸方向に変位することに伴う、前記圧子軸の軸方向に対して垂直な方向への移動を打ち消すように、前記第２の弾性部が変位するように構成されており、
前記圧子軸の軸方向に、前記支持部を複数備え、
隣り合う二つの前記支持部の前記接続部同士は連結部（５２）によって連結される硬さ試験機であって、
前記支持部は、
前記圧子軸が試料に向かって移動するにつれて、前記第１の弾性部のばね形状が撓んだ状態から直線形状に近づくとともに、前記第２の弾性部のばね形状が撓んだ状態から直線形状に近づき、前記圧子が試料表面に到達した時点で、前記第１の弾性部及び前記第２の弾性部が前記圧子軸の軸方向に対して垂直な方向に略直線形状に延びる状態となるように構成されていることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の硬さ試験機であって、
前記第１の弾性部及び前記第２の弾性部は、変位量が小さいときはばね定数が大きくなり、変位量が大きいときはばね定数が小さくなる特性となる非線形の弾性特性を有することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、支持部は、圧子軸が試料に向かって移動するにつれて、第１の弾性部のばね形状が撓んだ状態から直線形状に近づくとともに、第２の弾性部のばね形状が撓んだ状態から直線形状に近づき、圧子が試料表面に到達した時点で、第１の弾性部及び第２の弾性部が圧子軸の軸方向に対して垂直な方向に略直線形状に延びる状態となるように構成されているので、圧子により試料表面にくぼみを形成する際に折り返しばねの連結部に外乱振動が生じた場合においても、圧子軸が軸方向に対して垂直な方向にずれることがない。従って、圧子により形成されるくぼみが歪むことがないので、複雑な機構を備えることなく測定硬度の誤差を低減することができる。

請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明と同様の効果が得られるのは無論のこと、特に、第１の弾性部及び第２の弾性部は、変位量が小さいときはばね定数が大きくなり、変位量が大きいときはばね定数が小さくなる特性となる非線形の弾性特性を有しているので、折り返しばねの変位量が大きいとき、即ち、圧子軸に所定の試験力が負荷されて、試料に移動して折り返しばねのばね形状が撓んだ状態から略直線形状に延びる状態となるときには、ばね定数が小さくなるため、圧子軸の軸方向に対する剛性を小さくできる。従って、実質的な試験力を算出するための補正において、補正量を小さくできるので、測定硬度の誤差をより低減することができる。なお、補正量をより小さくするという点で、折り返しばねは薄く形成されることが望ましい。
また、非線形の弾性特性を有しているので、圧子軸を折り返しばねのみで支持することができるので、圧子軸の自重を支持するための機構を他に設ける必要がない。

以下、図を参照して実施形態としての硬さ試験機について説明する。図１は、本発明に係る硬さ試験機の要部を示す側面図、図２は、図１の硬さ試験機の要部の外観斜視図、図３は、図１の硬さ試験機のIII−III線における折り返しばねの平面図、図４は、本発明に係る硬さ試験機の要部の硬さ試験時における側面図、図５は、図４の硬さ試験機の要部の外観斜視図である。

図１に示すように、硬さ試験機１は、圧子軸取付部２１を有する試験機本体２と、先端部（下端側）に圧子３を備える圧子軸４と、試験機本体２の圧子軸取付部２１に圧子軸４をその軸方向に移動可能に弾性的に支持する支持部５と、圧子軸４に対してその軸方向に所定の力を負荷する荷重負荷機構部６と、試料Ｓを載置する載置面７１を有する試料台７等を備えている。

支持部５は、圧子軸取付部２１と圧子軸４とをそれぞれの上端側及び下端側で弾性的に接続する折り返しばね５１，５１と、上下２つの折り返しばね５１，５１を連結する連結部５２等により構成されている。

折り返しばね５１は、図３に示されるように、図中左方へ延出する第１の弾性部としての中板ばね部５３と、その中板ばね部５３の両側（図中、中板ばね部５３の上下）で、一端部５４１を図中左方へ延出する第２の弾性部としての外板ばね部５４，５４とを有している。その中板ばね部５３の他端部５３２と、外板ばね部５４，５４の他端部５４２，５４２とは、図中右側の接続部５５において一体的に接続されている。

この折り返しばね５１は、例えば、ベリリウム銅により構成されており、側面視略逆く字形状に予め撓めた状態で時効硬化して成形されている。即ち、中板ばね部５３の一端部が上方に凸となるように、また、外板ばね部５４，５４の一端部が下方に凸となるよう撓めて成形されている。

そして、このように成形された折り返しばね５１は、非線形の弾性特性を有することとなる。即ち、中板ばね部５３及び外板ばね部５４，５４の変位量が小さいときはばね定数が大きくなり、変位量が大きいときはばね定数が小さくなる特性を有する。
ここで、変位量が小さいときとは、例えば、硬さ試験前に折り返しばね５１が圧子軸４を弾性支持している状態であり、変位量が大きいときとは、例えば、硬さ試験時において圧子軸４が試料Ｓに向かって移動して、折り返しばね５１の中板ばね部５３及び外板ばね部５４，５４のばね形状が撓んだ状態から略直線形状に延びる状態となるときを指す。

なお、中板ばね部５３の幅（図中上下方向の長さ；ｂ）は、外板ばね部５４の幅（図中上下方向の長さ；ａ）の２倍（つまり、ｂ＝ａ＋ａ）に形成されている。つまり、中板ばね部５３と、２つの外板ばね部５４，５４とは、長さ（図中左右方向の長さ）と厚みが同一で、幅が実質的に同一となるので、ほぼ同じばね定数を有しているといえる。

図１、図２に示されるように、折り返しばね５１における中板ばね部５３は、その一端部５３１を、図中左上方向に向けるように傾斜し、また、折り返しばね５１における外板ばね部５４は、その一端部５４１を、図中左下方向に向けるように傾斜している。

上側の折り返しばね５１（５１ａ）は、中板ばね部５３の一端部５３１が、固定板８を介して圧子軸４の上端部にボルトＢにより固定されており、外板ばね部５４の一端部５４１が、圧子軸取付部２１の上面にボルトＢにより固定されている。
下側の折り返しばね５１（５１ｂ）は、中板ばね部５３の一端部５３１が、固定板８を介して圧子軸４の下端部と圧子３との間に固定されており、外板ばね部５４の一端部５４１が、圧子軸取付部２１の下面にボルトＢにより固定されている。

そして、隣り合う２つの折り返しばね５１，５１は、連結部５２によって連結されている。
図１に示されるように、連結部５２は側面視略コ字形状を有しており、連結部５２の上端部５２ａに、上側の折り返しばね５１（５１ａ）の接続部５５がボルトＢにより固定されている。また、連結部５２の下端部５２ｂに、下側の折り返しばね５１（５１ｂ）の接続部５５がボルトＢにより固定されている。即ち、連結部５２は、上側の折り返しばね５１（５１ａ）と、下側の折り返しばね５２（５２ｂ）とを接続していることとなる。

なお、連結部５２の上端部５２ａ及び下端部５２ｂに折り返しばね５１（５１ａ、５１ｂ）の接続部５５を固定することによって、中板ばね部５３の他端部５３２と、外板ばね部５４，５４の他端部５４２，５４２とが同一の支点を有するように接続されている。

このような折り返しばね５１によって、圧子軸４は、その軸方向を試料台７の載置面７１に対して垂直方向に向けて試験機本体２に取り付けられて、弾性的に支持されている。
なお、図１に示されるように、連結部５２は、その上下方向を圧子軸４の軸線と平行に配置されている。

また、折り返しばね５１は、図４、図５に示すように、圧子軸４に試験力が負荷され軸方向に移動するにつれて、中板ばね部５３及び外板ばね部５４，５４のばね形状が撓んだ状態から直線形状に近づき、圧子３が試料Ｓ表面に到達した時点では、中板ばね部５３及び外板ばね部５４，５４が圧子軸４の軸方向に対して垂直な方向に略直線形状に延びるようになっている。即ち、上下二枚の折り返しばね５１，５１が平坦形状に弾性変形して、その平坦面が圧子軸４の軸方向に対して垂直な方向の平面内に位置することとなる。

上述の構成の折り返しばね５１によって、圧子軸４は、その軸方向を試料台７の載置面７１に垂直に向けて試験機本体２（圧子軸取付部２１）に取り付けられて、弾性的に支持されている。
なお、図１に示されるように、連結部５２は、その上下方向が圧子軸４の軸方向と平行となるように配置されている。

荷重負荷機構部６は、例えば、フォースモータ等により構成されており、フォースモータが備える磁気回路構成部（図示省略）において、磁石（図示省略）がギャップにつくる磁束と、ギャップの中に配置された駆動コイル（図示省略）に供給される駆動電流との電磁誘導により発生する力を駆動力として用い、荷重負荷機構部６の荷重軸６１をその軸方向に移動させて、圧子軸４に所定の力を負荷するようになっている。

次に、上記構成の硬さ試験機１を用いて行う硬さ試験の一例について詳細に説明する。
まず、試料台７の載置面７１に試料Ｓを載置し、操作部（図示省略）により、硬さ試験機１が、硬さ試験の動作を行うための操作を行う。この操作入力に基づいて、制御部（図示省略）が、荷重負荷機構部６の駆動コイルに所定の駆動電流を供給して駆動力を発生させる。そして、駆動コイルに駆動力が発生すると、その駆動力により荷重軸６１が圧子軸４をその軸方向に押圧して、移動させる。

荷重負荷機構部６が圧子軸４に試験力を負荷すると、圧子軸４は試料Ｓに向かって移動する。このとき、折り返しばね５１の中板ばね部５３の変位に伴うばね運動を、外板ばね部５４，５４の変位に伴うばね運動が打ち消すことにより、圧子軸４が軸方向に対して垂直な方向へずれることを打ち消すことになり、圧子軸４はその軸方向に移動することとなる。

この圧子軸４が試料Ｓに向かって移動するにつれて、圧子軸４に一端部が固定された中板ばね部５３は弾性変形して、そのばね形状が撓んだ状態から直線形状に近づく。同様に、外部ばね部５４，５４も弾性変形して、そのばね形状が撓んだ状態から直線形状に近づく。そして、圧子３が試料Ｓの表面に到達した時点では、図４に示すように、折り返しばね５１の中板ばね部５３及び外板ばね部５４，５４は、圧子軸４の軸方向に対して垂直な方向に略直線形状に延びている。即ち、図５に示すように、折り返しばね５１の中板ばね部５３及び外板ばね部５４，５４が延びることにより、上下二枚の折り返しばね５１，５１が平坦となり、その平坦面が圧子軸４の軸方向に対して垂直な方向の平面内に位置することとなる。

そして、圧子軸４は、折り返しばね５１を弾性変形させつつ下方へ移動し、圧子３を試料Ｓの表面に所定の力で押し込み、くぼみを形成する。このように圧子３が試料Ｓに形成したくぼみに基づいて、試料Ｓの硬さの測定試験、例えば、微小硬さ試験を行う。

以上説明した硬さ試験機によれば、支持部５は、圧子軸４が試料Ｓに向かって移動するにつれて、中板ばね部５３のばね形状が撓んだ状態から直線形状に近づくとともに、外板ばね部５４，５４のばね形状が撓んだ状態から直線形状に近づき、圧子３が試料Ｓ表面に到達した時点で、中板ばね部５３及び外板ばね部５４，５４が圧子軸４の軸方向に対して垂直な方向に略直線形状に延びる状態となるように構成されているので、圧子３により試料Ｓ表面にくぼみを形成する際に上下二枚の折り返しばね５１，５１の連結部５２に外乱振動が生じた場合においても、圧子軸４が軸方向に対して垂直な方向にずれることがない。従って、圧子３により形成されるくぼみが歪むことがないので、複雑な機構を備えることなく算出硬度の誤差を低減することができる。

また、折り返しばね５１の中板ばね部５３及び外板ばね部５４，５４は、変位量が小さいときはばね定数が大きくなり、変位量が大きいときはばね定数が小さくなる特性となる非線形の弾性特性を有しているので、折り返しばね５１の変位量が大きいとき、即ち、圧子軸４に試験力が負荷されて、試料Ｓに向かって移動して折り返しばね５１のばね形状が撓んだ状態から略直線形状に延びる状態となるときには、ばね定数が小さくなるので、圧子軸４の上下方向に対する剛性を小さくすることができる。従って、実質的な試験力を算出するための補正において、補正量を小さくすることができるので、算出される硬度の誤差をより低減することができる。
また、折り返しばね５１が上述のような非線形の弾性特性を有していることにより、圧子軸４を折り返しばね５１のみで支持することができるので、圧子軸４を支持するための他の機構を設ける必要がない。

なお、本発明に係る硬さ試験機は、上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、折り返しばねは、ベリリウム銅により構成されるものに限定されるものではなく、成形により非線形の弾性特性を獲得できるような材料であればよい。また、折り返しばねの成形方法、非線形の弾性特性の設定等についても本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明に係る硬さ試験機要部の硬さ試験前の側面図である。図１の硬さ試験機要部の外観斜視図である。図１の硬さ試験機要部のIII−III線における折り返しばねの平面図である。本発明に係る硬さ試験機要部の硬さ試験時の側面図である。図４の硬さ試験機要部の外観斜視図である。

符号の説明

１硬さ試験機
３圧子
４圧子軸
５支持部
６荷重負荷機構部
５１折り返しばね（支持部）
５２連結部
５３中板ばね部（第１の弾性部）
５４外板ばね部（第２の弾性部）
５５接続部
Ｓ試料

Claims

先端部に圧子を有する圧子軸と、
前記圧子軸を軸方向に移動可能に支持する支持部と、
前記圧子軸に対し、軸方向の所定の力を負荷する荷重負荷機構部と、
を備え、
前記支持部は、
前記圧子軸に一端部が固定された第１の弾性部と、
試験機本体に一端部が固定された第２の弾性部と、
前記第１の弾性部の他端部と、前記第２の弾性部の他端部とを接続する接続部と、
を備え、
前記荷重負荷機構部が前記圧子軸に所定の力を負荷したことにより、前記第１の弾性部が前記圧子軸方向に変位することに伴う、前記圧子軸の軸方向に対して垂直な方向への移動を打ち消すように、前記第２の弾性部が変位するように構成されており、
前記圧子軸の軸方向に、前記支持部を複数備え、
隣り合う二つの前記支持部の前記接続部同士は連結部によって連結される硬さ試験機であって、
前記支持部は、
前記圧子軸が試料に向かって移動するにつれて、前記第１の弾性部のばね形状が撓んだ状態から直線形状に近づくとともに、前記第２の弾性部のばね形状が撓んだ状態から直線形状に近づき、前記圧子が試料表面に到達した時点で、前記第１の弾性部及び前記第２の弾性部が前記圧子軸の軸方向に対して垂直な方向に略直線形状に延びる状態となるように構成されていることを特徴とする硬さ試験機。
前記第１の弾性部及び前記第２の弾性部は、変位量が小さいときはばね定数が大きくなり、変位量が大きいときはばね定数が小さくなる特性となる非線形の弾性特性を有することを特徴とする請求項１記載の硬さ試験機。