JP4417863B2 - 硬さ試験機 - Google Patents

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（例えば、特許文献１）。
特許文献１に記載の硬さ試験機は、先端部に圧子を有する圧子軸と、圧子軸を試験機本体に弾性的に支持する支持部と、圧子軸をその軸方向に移動させる荷重負荷機構部等を備えて構成される。
支持部は、二枚の折り返しばねと二枚の折り返しばねを連結する連結部材等により構成されている。折り返しばねは、三枚の板ばね片が一方の端部（以下、接続部）で接続された略Ｅ字型をしている。そして、折り返しばねの中央の板ばね片（以下、中板ばね部）の開放端は圧子軸に固定され、中板ばね部の外側に位置する板ばね片（以下、外板ばね部）の開放端は試験機本体に固定されている。また、二枚の折り返しばねが圧子軸の軸方向に沿って上下に配置されるように、接続部は連結部材により連結されている。そして、圧子軸が荷重負荷機構部によって押され、下方に移動した際に、中板ばね部と外板ばね部が上下対称に撓み、連結部材が圧子軸側に移動することにより、圧子軸の軸ずれが防がれるようになっている。
特開２００４−２０５３３４号公報

しかしながら、より厳密には、例えば、図６（ａ）に示すように、圧子軸１０４が軸方向に移動する前であっても、連結部材１６２の自重により、既に、折り返しばね１６１がわずかに撓んでおり、連結部材１６２は圧子軸１０４よりも下方に位置していた。そして、既に、折り返しばね１６１が撓んでいる状態から、圧子軸１０４が軸方向に沿って下方に移動されると、図６（ｂ）に示すように、連結部材１６２が圧子軸１０４より下方にあるため、外板ばね部１６４は更に撓もうとするのに対し、中板ばね部１６３は撓みを解消する方向に変位することとなり、圧子軸１０４が移動前の軸位置から水平方向にずれてしまう。そして、さらに圧子軸１０４が下方に移動されると、中板ばね部１６３は、再び撓む方向に変位することとなる。つまり、結果として、圧子軸１０４の軸ずれが生じてしまう。

本発明の課題は、圧子軸の軸ずれをより確実に防ぐ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に記載の発明は、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、を備える硬さ試験機において、
前記支持部は、複数の弾性部材と、複数の前記弾性部材を連結する連結部材と、を備え、
前記弾性部材は、前記圧子軸に一端部が固定された第１の弾性部と、当該硬さ試験機の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、
前記連結部材は、複数の前記弾性部材の前記接続部を連結し、
前記支持部は、前記荷重負荷機構部が前記圧子軸に所定の力を負荷し、前記圧子軸が軸方向に移動したことにより、前記第１の弾性部が前記圧子軸の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、
前記第１の弾性部と前記第２の弾性部は、前記連結部材の自重が作用した場合に、前記圧子軸に対して垂直となるように、前記連結部材の自重による変位分、予め反対側に変形された形状とされていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の硬さ試験機において、前記第１の弾性部と前記第２の弾性部は、板ばねから一体的に形成されていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、第１の弾性部と第２の弾性部は、連結部材の自重が作用した場合に、圧子軸に対して垂直となるように、連結部材の自重による変位分、予め反対側に変形された形状とされているので、複数の弾性部材が連結部材により連結されて硬さ試験機内に装着された際に、第１の弾性部と第２の弾性部は、圧子軸に対して垂直となることとなる。従って、圧子軸が荷重負荷機構部により下方に移動されたときに、第１の弾性部と第２の弾性部がともに撓む方向に変位することができるので、第１の弾性部と第２の弾性部が当該第１の弾性部と第２の弾性部の側面形状が上下対称となるように変位することとなって、連結部材が圧子軸側に引き寄せられ、圧子軸の軸ずれをより確実に防ぐことができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１と同様の効果が得られるのは勿論のこと、特に、第１の弾性部と第２の弾性部は、板ばねから一体的に形成されるので、第１の弾性部と第２の弾性部との形状を調整することにより、第１の弾性部と第２の弾性部のばね係数の調整や、撓み量の調整を容易に行うことができる。例えば、第１の弾性部と第２の弾性部の形状を実質的に同一とすることにより、第１の弾性部と第２の弾性部のばね係数及び撓み量をほぼ同一にすることができる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
まず、本発明に係る硬さ試験機１の構成を説明する。

本発明にかかる硬さ試験機１は、図１，図２に示すように、先端部に圧子２を有する圧子取付部３と、圧子２を圧子取付部３を介して保持する圧子軸４と、圧子軸４を硬さ試験機本体５に取り付けるための圧子軸取付部５１と、圧子軸取付部５１に圧子軸４を軸方向に移動可能に弾性的に支持する支持部６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７と、試料Ｓを載置する試料台８等を備えて構成される。

圧子取付部３は、下端部に圧子２を取り付け、上端部において圧子軸４保持されることにより、圧子２を圧子軸４に接続する。
また、圧子取付部３の側面には、ストッパ３１が備えられている。
ストッパ３１は、略円柱状の本体部３１ａと、本体部３１ａの上面に設けられた球状部３１ｂとが一体的に形成されてなり、略円柱状の本体部３１ａの上面部分はすり鉢状となっており、当該すり鉢状の上面部分に収まるように球状部３１ｂが位置している。また、球状部３１ｂの最上部分は、本体部３１ａの上端部よりわずかに高くなっている。

圧子軸取付部５１は、支持部６を介して圧子軸４を弾性的に保持することにより、当該圧子軸４を硬さ試験機本体５に取り付ける。また、圧子軸取付部５１は、圧子軸４の下端部側にボルトＢにより固定された板ばね部材５１ａを有している。この板ばね部材５１ａは、圧子軸４が最上位に位置する際に、圧子取付部３に備えられたストッパ３１の球状部３１ｂと接するようになっている。これにより、圧子軸４の軸方向のゼロ点位置が規定されるようになっている。そして、ここで規定されたゼロ点位置からの圧子軸４の変位が変位計（図示省略）により計測されて、圧子軸４の軸方向の変位が計測される。

支持部６は、図１に示すように、圧子軸取付部５１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、上下二つの弾性部材としての折り返しばね６１，６１と、上下二つの折り返しばね６１，６１を連結する連結部材６２等を備えて構成されている。

折り返しばね６１は、例えば、ベリリウム銅等の金属により形成されており、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６３と、その中板ばね部６３の両側（図中、中板ばね部６３の上下）で、一端部６４１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６４，６４と、中板ばね部６３の他端部６３２と外板ばね部６４，６４の他端部６４２，６４２とを接続する接続部６５とを備えている。そして、中板ばね部６３，外板ばね部６４，６４，接続部６５は板ばねから一体的に形成されている。

また、折り返しばね６１の側面形状は、連結部材６２の自重が作用した場合に、圧子軸４に対して垂直となるように、連結部材６２の自重による変位分だけ予め反対側に変形された形状に成形されている。より具体的には、図４に示すように、中板ばね部６３及び外板ばね部６４の一端部６３１，６４１が下方に凸となるように撓められて成形されている。また、この撓みの程度は、連結部材６２の自重に基づいて、撓み曲線から算出されている。
そして、このように成形された二つの折り返しばね６１を連結部材６２により連結して、硬さ試験機１に装着した際には、図１及び図２に示すように、折り返しばね６１の撓みは連結部材６２の自重により解消されて、折り返しばね６１の側面形状は、ほぼ真っ直ぐな状態になり、折り返しばね６１は圧子軸４に対して垂直となるようになっている。

また、中板ばね部６３の幅（図中上下方向の長さ；ｂ）は、外板ばね部６４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。従って、中板ばね部６３と、２つの外板ばね部６４，６４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することとなる。

上側の折り返しばね６１（６１ａ）では、中板ばね部６３の一端部６３１が、固定板（図示省略）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６４の一端部６４１が、圧子軸取付部５１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６１（６１ｂ）では、中板ばね部６３の一端部６３１が、固定板を介して圧子軸４の下端部と圧子取付部３との間に固定されており、外板ばね部６４の一端部６４１が、圧子軸取付部５１の下面にボルトＢにより固定されている。

そして、上下二つの折り返しばね６１，６１は、連結部材６２によって連結されている。
連結部材６２は、図１に示すように、例えば、側面視略コ字形状を有しており、連結部材６２の上端部６２ａに、上側の折り返しばね６１（６１ａ）の接続部６５がボルトＢにより固定されている。また、連結部材６２の下端部６２ｂに、下側の折り返しばね６１（６１ｂ）の接続部６５がボルトＢにより固定されている。即ち、連結部材６２は、上側の折り返しばね６１（６１ａ）と、下側の折り返しばね６１（６１ｂ）とを連結する。

なお、連結部材６２の上端部６２ａ及び下端部６２ｂに折り返しばね６１（６１ａ、６１ｂ）の接続部６５を固定することによって、中板ばね部６３の他端部６３２と、外板ばね部６４，６４の他端部６４２，６４２とが同一の支点を有するように接続されるようになっている。

このような折り返しばね６１によって、圧子軸４は、その軸方向を試料台８の載置面に対して垂直方向に向けて硬さ試験機本体５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、連結部材６２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、図５に示すように、圧子軸４が試験力を負荷されて軸方向に移動されるにつれて、中板ばね部６３及び外板ばね部６４，６４の側面形状は、ともに、直線形状（図５（ａ））から撓んだ形状（図５（ｂ））となる。このとき、中板ばね部６３と外板ばね部６４，６４は、その側面形状が上下対称となるように弾性変位する。即ち、圧子軸４が軸方向に移動したことにより、中板ばね部６３が圧子軸４の軸方向に変位することに伴う、圧子軸４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、外板ばね部６４，６４が変位するように構成されている。また、中板ばね部６３と外板ばね部６４，６４が撓むと、外板ばね部６４，６４の一端部６４１，６４１が硬さ試験機１の圧子軸取付部５１に接続されて動かないため、連結部材６２が圧子軸４側に引き寄せられることとなる。そして、連結部材６２が圧子軸４側に引き寄せられることにより、圧子軸４の軸ずれが防がれる。

荷重負荷機構部７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７の荷重軸７１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、上述のような構成の硬さ試験機１における硬さ試験の一例について詳細に説明する。
まず、試料台８の載置面に試料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命令を入力する。この操作命令に基づいて、制御部（図示省略）が、荷重負荷機構部７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７１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７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６３は弾性変位して、その側面形状は直線形状（図５（ａ））から撓んだ形状（図５（ｂ））となる。同様に、外板ばね部６４，６４も弾性変位して、その側面形状が直線形状から撓んだ状態となる。また、このときの中板ばね部６３と外板ばね部６４，６４は、側面形状が上下対称となるように弾性変位する。また、中板ばね部６３と外板ばね部６４，６４が撓むことにより、連結部材６２が圧子軸４側に引き寄せられることとなる。そして、連結部材６２が圧子軸４側に引き寄せられることにより、圧子軸４の軸ずれが防がれる。

そして、圧子軸４は、折り返しばね６１を弾性変位させつつ、軸方向に沿って下方へ移動し、圧子２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２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。

以上に説明した本発明に係る硬さ試験機１によれば、中板ばね部６３と外板ばね部６４は、連結部材６２の自重が作用した場合に、圧子軸４に対して垂直となるように、連結部材６２の自重による変位分、予め反対側に変形された形状とされているので、複数の折り返しばね６１が連結部材６２により連結されて硬さ試験機１内に装着された際に、中板ばね部６３と外板ばね部６４，６４は、圧子軸４に対して垂直となる。従って、圧子軸４が荷重負荷機構部７により下方に移動されたときに、中板ばね部６３と外板ばね部６４，６４がともに撓む方向に変位することができるので、中板ばね部６３と外板ばね部６４，６４が当該中板ばね部６３と外板ばね部６４，６４の側面形状が上下対称となるように変位することとなって、連結部材６２が圧子軸４側に引き寄せられ、圧子軸４の軸ずれをより確実に防ぐことができる。

また、中板ばね部６３と外板ばね部６４は、板ばねから一体的に形成されるので、中板ばね部６３と外板ばね部６４との形状を調整することにより、中板ばね部６３と外板ばね部６４のばね係数の調整や、撓み量の調整を容易に行うことができる。例えば、中板ばね部６３と外板ばね部６４の形状を実質的に同一とすることにより、中板ばね部６３と外板ばね部６４のばね係数及び撓み量をほぼ同一にすることができる。

なお、本実施形態においては、支持部６は、上下二つの折り返しばね６１を備えることとしたが、二つ以上備えられてもよい。

本発明に係る硬さ試験機要部を示す側面図である。 本発明に係る硬さ試験機要部を示す斜視図である。 図１の硬さ試験機要部のＩＩＩ−ＩＩＩ線における平面図である。 本発明に係る硬さ試験機に装着する前における支持部の側面図である。 本発明に係る硬さ試験機での硬さ試験における折り返しばねの弾性変位の様子を説明する図である。 従来の硬さ試験機での硬さ試験における折り返しばねの弾性変位の様子を説明する図である。

符号の説明

１ 硬さ試験機
２ 圧子
４ 圧子軸
６ 支持部
６１ 折り返しばね（弾性部材）
６２ 連結部材
６３ 中板ばね部（第１の弾性部）
６４ 外板ばね部（第２の弾性部）
６５ 接続部
７ 荷重負荷機構部

Claims (2)

1. 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、
   を備える硬さ試験機において、
   前記支持部は、複数の弾性部材と、複数の前記弾性部材を連結する連結部材と、を備え、
   前記弾性部材は、
   前記圧子軸に一端部が固定された第１の弾性部と、
   当該硬さ試験機の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、
   前記連結部材は、複数の前記弾性部材の前記接続部を連結し、
   前記支持部は、前記荷重負荷機構部が前記圧子軸に所定の力を負荷して、前記圧子軸が軸方向に移動したことにより、前記第１の弾性部が前記圧子軸の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、
   前記第１の弾性部と前記第２の弾性部は、前記連結部材の自重が作用した場合に、前記圧子軸に対して垂直となるように、前記連結部材の自重による変位分、予め反対側に変形された形状とされていることを特徴とする硬さ試験機。
2. 前記第１の弾性部と前記第２の弾性部は、板ばねから一体的に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の硬さ試験機。

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