JP5573734B2

JP5573734B2 - 硬度試験機

Info

Publication number: JP5573734B2
Application number: JP2011055203A
Authority: JP
Inventors: 泰徳湖中
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2011-03-14
Filing date: 2011-03-14
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2031-03-14
Also published as: JP2012189534A

Description

この発明は、試験片の硬度を測定する硬度試験機に関する。

このような硬度試験機としては、例えば、試験片のビッカース硬さやヌープ硬さなどを測定するビッカース硬度計等が知られている。このような硬度試験機においては、試験片に試験力を付与してその表面に圧痕を形成する圧子と、この圧子と対向配置されて試験片を載置する載置台と、試験片上の複数の計測点で圧痕を形成するために試験片を順次に移動するＸＹステージと、試験片を観察するための複数の対物レンズと、これらの対物レンズおよび圧子のうちいずれか一つを計測点と対向させるように切り換えるリボルバーとを備えている。そして、試験片に形成された圧痕は、対物レンズを透過して拡大された試験片像をオペレータが観察するための接眼レンズや、対物レンズにより拡大された試験片像を表示するためのモニタを利用して観察される。

このような硬度試験機においては、試験後に形成された圧痕を対物レンズを介してカメラにより観察するが、このときには対物レンズをどのように選択するかが問題となる。例えば、圧痕に対して対物レンズの倍率が小さすぎ、カメラにより撮影した圧痕の画像が小さかった場合には、圧痕の大きさを正確に測定することができない。これとは逆に、圧痕に対して対物レンズの倍率が大きすぎた場合には、圧痕の画像がカメラの視野から外れてしまうという問題を生ずる。

このため、特許文献１には、圧子軸変位検出部により、試料への圧子の侵入量、すなわち、圧痕の深さを検出し、圧痕の深さから圧痕の対角線の長さを算出し、この長さに基づいて圧痕の大きさに最も適した対物レンズを選択するようにした硬さ試験機が開示されている。

また、特許文献２には、入力部によりユーザが推定した試料の硬さを入力するとともに、観察に使用する対物レンズを選択入力すると、制御部が入力された対物レンズの倍率を認識し、入力された試料の硬さと認識した対物レンズの倍率とに基づいて、圧子を試料表面に押し込む試験力を算出するようにした硬さ試験機が開示されている。

特開２００５−１１４６０８号公報特開２００５−１１４６１３号公報

特許文献１に記載されたように、圧子の浸入量から圧痕の大きさを算出しようとしても、圧痕の正確な大きさを算出することは困難となる。また、特許文献２に記載されたように、対物レンズの倍率に基づいて試験力を変更する場合には、必要な試験力による硬度試験を実行し得ないという問題がある。

この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、圧痕の大きさに応じて最適な倍率を有する対物レンズを選択することが可能な硬度試験機を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、試験片を載置する載置台と、前記試験片の表面に圧痕を形成するための圧子と、前記圧子を昇降させることにより前記試験片に対して試験力を付与する負荷機構と、前記試験片の表面に形成された圧痕をその上方から観察するための互いに倍率が異なる複数の対物レンズと、前記対物レンズを介して前記圧痕を撮影するためのカメラと、前記カメラにより撮影した前記試験片表面の画像を表示する表示部と、を備えた硬度試験機において、前記圧子と前記複数の対物レンズとを支持して回転することにより、前記圧子または前記複数の対物レンズのいずれかを、前記載置台に載置された試験片と対向する位置に移動させる回転部材と、前記圧子を硬度試験時より小さな試験力で前記試験片に押圧したときの圧痕に基づいて試験片の硬度を予想する硬度予想部と、前記硬度予想部により予想された試験片の硬度を、硬度試験を実行すべき試験片の想定される硬度として記憶する想定硬度記憶部と、硬度試験時の試験力を記憶する試験力記憶部と、前記想定硬度記憶部に記憶した試験片の硬度と前記試験力記憶部に記憶した試験力とに基づいて、硬度試験時に形成される圧痕の大きさを予想する圧痕サイズ予想手段と、前記圧痕サイズ予想手段により予想された圧痕の大きさに基づいて、前記回転部材を回転させることにより、前記複数の対物レンズのうちの一つを前記載置台に載置された試験片と対向する位置に移動させた後、前記圧子を前記試験力記憶部に記憶した試験力で前記試験片に押圧して形成された圧痕の大きさを測定し、測定された圧痕の大きさに基づいて再度前記回転部材を回転させることにより、前記複数の対物レンズのうちの一つを前記載置台に載置された試験片と対向する位置に移動させる移動制御手段とを備えたことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、圧痕の大きさに応じた最適な倍率を有する対物レンズを自動的に選択することが可能となる。このため、精度の高い硬度試験を実行することが可能となる。

また、圧子を硬度試験時より小さな試験力で試験片に押圧したときの圧痕に基づいて試験片の硬度を予想することから、試験片の硬度をより正確に予想して硬度記憶部に記憶することが可能となる。

さらに、予想された圧痕の大きさに応じて対物レンズを選択した後、実際の圧痕に応じて、再度、対物レンズを選択することから、材料試験を継続する場合等において圧痕の大きさに変化が生じた場合であっても、その圧痕の大きさに応じた最適な倍率を有する対物レンズを自動的に選択することが可能となる。

この発明に係る硬度試験機の概要図である。圧子２１に対して試験力を付与するための負荷機構の概要図である。この発明に係る硬度試験機の主要な電気的構成を示すブロック図である。圧子２１により試験片１００に圧痕を形成する様子を模式的に示す説明図である。試験片１００に形成された圧痕を示す平面図である。この発明に係る硬度試験機による硬度試験の各工程を示すフローチャートである。この発明に係る硬度試験機による硬度試験の各工程を示すフローチャートである。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係る硬度試験機の概要図である。

この硬度試験機は、テーブル１１と、このテーブル１１上に配置され試験片１００を載置する載置台としてのＸＹステージ１２とを備える。ＸＹステージ１２は、試験片１００をＸ方向（図１における左右方向）およびＹ方向（図１における紙面に垂直な方向）に移動させるためのものである。このＸＹステージ１２には、試験片１００をＸ方向に移動させるためのモータ１３と、試験片１００をＹ方向に移動させるためのモータ１４とが付設されている。また、ＸＹステージ１２は、昇降ハンドル１５の作用により、昇降する構成となっている。

また、この硬度試験機は、試験片１００を目視により観察するための接眼レンズ１６と、試験片１００を撮影するためのカメラ１７と、試験片１００の表面の像を表示するためのＣＲＴ等の表示部１８と、各種のデータを入力するためのキーボード等の入力部１９とを備える。

さらに、この硬度試験機は、試験片１００を加圧することにより圧痕を形成する圧子２１と、この圧子２１に対して試験力を付与するための後述する負荷機構と、複数の対物レンズ２２、２３と、これらの圧子２１および互いに倍率が異なる対物レンズ２２、２３等を支持して回転するリボルバー２０とを備える。このリボルバー２０は、後述するモータ５９の駆動を受けて、鉛直方向を向く軸を中心に回転する。このリボルバー２０は、つまみ２６を操作することによっても、鉛直方向を向く軸を中心に回転する。

なお、この図においては、一対の対物レンズ２２、２３のみを図示しているが、さらに多数の対物レンズを配置するようにしてもよい。そして、これらの対物レンズの倍率は、互いに異なっているものとする。

図２は、圧子２１に対して試験力を付与するための負荷機構の概要図である。

この負荷機構は、軸３１を中心に揺動可能なレバー３２を備える。レバー３２の一端には、押圧部３５が配設されている。この押圧部３５は、レバー３２の揺動に伴って、圧子２１に連結した圧子軸３６の端部に付設された当接部３７を押圧する構成となっている。また、レバー３２の他端には、永久磁石３３が付設されている。この永久磁石３３の外部には、電磁コイル３４が配設されている。この永久磁石３３と電磁コイル３４とにより、ボイスコイルモータが構成される。このボイスコイルモータは、電磁式の負荷機構となり、電磁コイル３４に流れる電流を制御することにより、圧子２１による試験片１００への試験力を制御することが可能となる。なお、この負荷機構は、複数の分銅等による切り替え方式を用いても良い。

図３は、この発明に係る硬度試験機の主要な電気的構成を示すブロック図である。

この硬度試験機は、装置全体を制御する制御部５０を備える。この制御部５０は、上述したカメラ１７、表示部１８、入力部１９および負荷機構の電磁コイル３４と接続されている。また、この制御部５０は、上述したリボルバー２０を回転駆動するためのモータ５９と接続されている。さらに、この制御部５０は、硬度試験時に形成される圧痕の大きさを予想する圧痕サイズ予想部５２と、圧子２１を小さな試験力で試験片１００に押圧したときの圧痕に基づいて試験片１００の硬度を予想する硬度予想部５３と、モータ５９を制御することによりリボルバー２０の回転を制御する移動制御部５４と、記憶部５５とを備える。また、この記憶部５５は、試験片１００の想定される硬度を記憶する想定硬度記憶部５６と、硬度試験時の試験力を記憶する試験力記憶部５７とを備えている。

図４は、圧子２１により試験片１００に圧痕を形成する様子を模式的に示す説明図であり、図５は、試験片１００に形成された圧痕を示す平面図である。

硬度試験としてのビッカース硬さ試験を実行するときには、その先端が正四角錐形状をなすダイヤモンド製の圧子２１を、図２に示す負荷機構の作用により試験片１００の表面に深さｈだけ押し込み、その試験力を解除した後、試験片１００の表面に形成された圧痕（くぼみ）の対角線長さｄ（互いに直交する対角線長さｄｘおよびｄｙが異なる場合はそれらの平均値）を測定する。ビッカース硬さは、試験力を、底面が正方形で頂点の角度が圧子２１と同じ角錐であると仮定したくぼみの表面積で割って得られる値に比例する。

次に、上述した硬度試験機を使用した硬度試験の各工程について説明する。図６および図７は、この発明に係る硬度試験機を使用した硬度試験の各工程を示すフローチャートである。

この硬度試験機により硬度試験を実行するときには、最初に、圧子２１に対して負荷機構により小さな試験力を付与することにより、圧子２１を小さな試験力で試験片１００に押圧する(ステップＳ１）そして、このときの圧痕の大きさを測定する（ステップＳ２）。この場合においては、試験片１００には小さな圧痕しか形成されないはずであることから、対物レンズ２２、２３等のうちの倍率の大きな対物レンズを使用すればよい。そして、このときの試験力と圧痕の大きさから、制御部５０における硬度予想部５３により、硬度試験を実行すべき試験片１００の想定される硬度を予想する。予想された試験片１００の硬度は、試験片１００の想定される硬度として、記憶部５５における想定硬度記憶部５６に記憶される。

次に、硬度試験を実行するときの試験力を選択する（ステップＳ４）。この試験力は、硬度予想部５３により予想された試験片１００の硬度等に基づいて、予め、記憶部５５における試験力記憶部５７に記憶されている複数の試験力の中から、適切なものを選択することにより行われる。そして、圧痕サイズ予想部５２により、選択された試験力と先に予想された試験片１００の硬度とを利用して、圧痕のサイズが予想される（ステップＳ５）。そして、移動制御部５４がモータ５９の回転を制御することにより、予想された圧痕のサイズに応じて選択された対物レンズ２２、２３等が試験片１００の表面と対向する位置に配置されるように、リボルバー２０の回転角度位置を制御する（ステップＳ６）。これにより、試験片１００に形成されるであろう圧痕と対応する倍率の対物レンズ２２、２３等が選択されたことになる。

この状態で硬度試験を実行する。すなわち、予め選択され試験力記憶部５７に記憶された試験力を圧子２１に対して付与することにより、試験片１００に圧痕を形成する（ステップＳ７）。そして、この圧痕をステップＳ６により選択された対物レンズにより測定する（ステップＳ８）。

試験力を付与された後の圧痕を測定した結果、対物レンズ２２、２３等の倍率が適切であった場合には（ステップＳ９）、その測定結果に基づいて試験片１００の硬度値を算出する（ステップＳ１１）。そして、必要な硬度試験が全て終了した場合には（ステップＳ１２）、処理を終了する。

一方、試験力を付与された後の圧痕を測定した結果、対物レンズ２２、２３等の倍率が不適切であった場合（ステップＳ９）、すなわち、圧痕に対して対物レンズ２２、２３等の倍率が小さすぎて圧痕の大きさを正確に測定することができない場合や、圧痕に対して対物レンズ２２、２３等の倍率が大きすぎて圧痕の画像がカメラの視野から外れてしまった場合等においては、適切な対物レンズ２２、２３等が選択されるように、移動制御部５４がリボルバー２０を回転させ、対物レンズの変更を行った後（ステップＳ１０）、再度圧痕を測定する作業を行う。これを、適正な倍率が得られるまで繰り返す（ステップＳ８、ステップＳ９）。

そして、適正な対物レンズ２２、２３等が選択された後は、硬度を算出した後（ステップＳ１１）、必要な硬度試験が全て終了するまで（ステップＳ１２）、試験力を付与した後の圧痕を測定し、倍率が適正であるか否かを判定する動作を繰り返す（ステップＳ８〜ステップＳ１０）。これにより、例えば、浸炭深さ計測等のように、一定距離以上互いに離隔した位置において硬度試験を複数回実行する必要があるときに、測定位置により硬度が変化して圧痕のサイズが変わる場合等においても、適正な倍率を有する対物レンズ２２、２３等を自動的に選択することが可能となる。

なお、上述した実施形態においては、圧子２１を小さな試験力で試験片１００に押圧したときの圧痕に基づいて試験片１００の硬度を予想し、この予想された試験片１００の硬度を試験片１００の想定される硬度として記憶している。しかしながら、試験片１００の材質等の条件が予めわかっており、試験片１００の硬度が予め推定可能な場合においては、上述した小さな試験力により試験片１００に対して圧痕を形成する作業を省略して、推定された硬度を試験片１００の想定される硬度として、想定硬度記憶部５６に記憶するようにしてもよい。

１１テーブル
１２ＸＹステージ
１３モータ
１４モータ
１５昇降ハンドル
１６接眼レンズ
１７カメラ
１８表示部
１９入力部
２０リボルバー
２１圧子
２２対物レンズ
２３対物レンズ
２６つまみ
３１軸
３２レバー
３３永久磁石
３４電磁コイル
５０制御部
５２圧痕サイズ予想部
５３硬度予想部
５４移動制御部
５５記憶部
５６想定硬度記憶部
５７試験力記憶部
５９モータ
１００試験片

Claims

試験片を載置する載置台と、前記試験片の表面に圧痕を形成するための圧子と、前記圧子を昇降させることにより前記試験片に対して試験力を付与する負荷機構と、前記試験片の表面に形成された圧痕をその上方から観察するための互いに倍率が異なる複数の対物レンズと、前記対物レンズを介して前記圧痕を撮影するためのカメラと、前記カメラにより撮影した前記試験片表面の画像を表示する表示部と、を備えた硬度試験機において、
前記圧子と前記複数の対物レンズとを支持して回転することにより、前記圧子または前記複数の対物レンズのいずれかを、前記載置台に載置された試験片と対向する位置に移動させる回転部材と、
前記圧子を硬度試験時より小さな試験力で前記試験片に押圧したときの圧痕に基づいて試験片の硬度を予想する硬度予想部と、
前記硬度予想部により予想された試験片の硬度を、硬度試験を実行すべき試験片の想定される硬度として記憶する想定硬度記憶部と、
硬度試験時の試験力を記憶する試験力記憶部と、
前記想定硬度記憶部に記憶した試験片の硬度と前記試験力記憶部に記憶した試験力とに基づいて、硬度試験時に形成される圧痕の大きさを予想する圧痕サイズ予想手段と、
前記圧痕サイズ予想手段により予想された圧痕の大きさに基づいて、前記回転部材を回転させることにより、前記複数の対物レンズのうちの一つを前記載置台に載置された試験片と対向する位置に移動させた後、前記圧子を前記試験力記憶部に記憶した試験力で前記試験片に押圧して形成された圧痕の大きさを測定し、測定された圧痕の大きさに基づいて再度前記回転部材を回転させることにより、前記複数の対物レンズのうちの一つを前記載置台に載置された試験片と対向する位置に移動させる移動制御手段と、
を備えたことを特徴とする硬度試験機。