JP5962286B2 - 硬さ試験機 - Google Patents

Description

この発明は、試験片の硬さを測定する硬さ試験機に関する。

このような硬さ試験機は、試験片を載置する載置台と、この試験片の表面に圧痕を形成するための圧子と、この圧子を試験片に押しつけることにより圧子に試験力を付与する負荷機構と、試験片の表面に形成された圧痕を照明するための光源と、光源により照明された圧痕を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を備え、試験片の表面に形成された圧痕のサイズに基づいて試験片の硬さを測定する構成となっている。

このような硬さ試験機においては、試験片の表面に形成された圧痕のサイズを正確に測定するため、圧痕のサイズに合わせて圧痕全域を観察可能な最大倍率の対物レンズを選択した上で、その圧痕のサイズを測定するようにしている。

このように、圧痕のサイズに合わせて対物レンズを選択した場合、高倍率のレンズを使用して圧痕のサイズを測定するときには、画像が暗くなることを防止するために光源の光量を高くする必要がある。しかしながら、光量を高く維持しまたままの状態で低倍率のレンズを使用して圧痕のサイズを測定した場合には、光量が高すぎることによりハレーションを生じ、カメラや接眼レンズにより圧痕を認識することができなくなるという問題が生ずる。

特許文献１には、照明装置から照射され試料の表面で反射してＣＣＤカメラに入射する光の輝度が所定範囲内に収束するように、照明装置の照射光量を自動調整する自動調光手段を備えた硬さ試験機が開示されている。また、特許文献２には、対物レンズが変化した場合等により光量の微調整が異なることに対応するため、試料面で反射した後鏡筒内を通る光を受光する光量センサを備え、この光量センサから得た光量データをもとに光源の発光量を調整する硬さ試験機が開示されている。

特開２００５−３３７９７３号公報 特開２００１−３２４４３４号公報

特許文献１や特許文献２に記載の硬さ試験機においては、光量の調整を実行する前提として、光量センサ等を装置に配備する必要があることから、装置のコストが高くなるとともに、装置構成も複雑なものとなる。

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、簡易な構成でありながら、対物レンズの倍率に応じた適切な光量で試験片を照明することが可能な硬さ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、前記圧子を前記試験片に押しつけることにより前記圧子に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照明するための光源と、前記光源により照明された圧痕を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、を備えた硬さ試験機において、前記回転部材の回転角度位置を検出する位置センサと、前記光源の光量を調整する光量調整部と、前記載置台に載置された試験片と対向する位置に配置された対物レンズの倍率と、前記光源により前記圧痕を照明するときの光量との関係を記憶する記憶部と、前記位置センサにより検出した前記回転部材の回転角度位置に基づいて、前記記憶部に記憶した光源により前記圧痕を照明するときの光量を読み出し、前記光量調整部を制御して前記光源の光量を変更する制御部とを備えるとともに、前記制御部により変更された光源の光量を、オペレータが調整するための光量調整操作部をさらに備え、前記光量調整操作部により、前記制御部により変更された光源の光量が調整されたときには、前記記憶部は、前記光源により前記圧痕を照明するときの光量として、前記光量調整操作部により調整された光量を記憶することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記制御部は、前記圧子が前記載置台に載置された試験片と対向する位置に配置されたときに、前記光源を消灯させる。

請求項１に記載の発明によれば、回転部材の回転角度位置に基づいて、光源により圧痕を照明するときの光量を読み出し、光量調整部を制御して光源の光量を変更することから、対物レンズの倍率に応じた適切な光量で試験片を照明することができ、圧痕のサイズを正確に測定することが可能となる。この時、光量計等を使用する必要はないことから、装置を簡易なものとして、その製造コストを低減することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、圧子が試験片と対向する位置に配置されたときに光源を消灯させることから、試験片に対する圧痕の形成動作中に、不要な電力の消費を防止することが可能となる。

この発明に係る硬さ試験機の概要図である。 ＸＹステージ１２を昇降する昇降機構の概要図である。 レボルバ２０に支持された対物レンズ等の配置を示す説明図である。 圧子１９および圧子２１に対して試験力を付与するための負荷機構と、試験片１００に形成された圧痕を観察するための光学系の概要図である。 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。 この発明に係る硬さ試験機の主要な制御系を示すブロック図である。 表示部５５に表示された光量調整デバイス７０の概要図である。

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、この発明に係る硬さ試験機の概要図である。また、図２は、ＸＹステージ１２を昇降する昇降機構の概要図である。

この硬さ試験機は、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、図２に示す昇降機構の作用により、上下方向（Ｚ方向）に昇降する構成となっている。すなわち、ＸＹステージ１２を支持する支持部５１は、その側面にラック５３が形成された昇降部材５２により支持されている。この昇降部材５２におけるラック５３は、モータ１５の駆動により回転するピニオン５４と噛合している。このため、ＸＹステージ１２は、モータ１５の駆動により昇降する。

また、この硬さ試験機は、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、圧子２１および対物レンズ２３、２４等を支持して回転するレボルバ２０とを備える。このレボルバ２０は、つまみ２６を操作することにより、あるいは、後述するモータ３０の駆動により、鉛直方向を向く軸を中心に回転する。また、この硬さ試験機は、入力部および表示部としても機能するタッチパネル式の液晶表示部５９を備える。

図３は、レボルバ２０に支持された対物レンズ等の配置を示す説明図である。

レボルバ２０には、ＸＹステージ１２上に載置された試験片１００に押し込まれる一対の圧子１９、２１と、５倍の対物レンズ２２、１０倍の対物レンズ２３、４０倍の対物レンズ２４および１００倍の対物レンズ２５とが配設されている。これらの圧子１９、２１および対物レンズ２２、２３、２４、２５は、レボルバ２０の回転中心Ｃを中心とした円上に配置されている。なお、対物レンズ２２、２３、２４、２５の倍率および配設個数はこれに限定されるものではない。

再度、図１を参照して、この材料試験機は、試験片１００の表面の像を表示するためのＣＲＴ等の表示部５５と、各種のデータを入力するための入力手段として機能するキーボード５７およびマウス５８と、本体５６とから構成されるコンピュータ５０と接続されている。

図４は、圧子１９および圧子２１に対して試験力を付与するための負荷機構と、試験片１００に形成された圧痕を観察するための光学系の概要図である。なお、図４は、図３において一点鎖線で示す位置における断面を示している。

この硬さ試験機は、圧子１９、２１の先端を試験片１００に対して押し込むための試験力を圧子１９、２１に対して付与する負荷機構と、ＸＹステージ１２上に載置された試験片１００を照明するとともに圧痕を観察するための光学系とを備える。

図４に示すように、レボルバ２０は、軸筒２７がベアリング２９を介して回転軸２８に接続されており、つまみ２６を操作することにより、あるいは、後述するモータ３０の駆動により、鉛直方向を向く回転軸２８を中心に回転する。図４においては、レボルバ２０の回転により負荷伝達軸３６を介して圧子２１に試験力が与えられる場合、すなわち、圧子２１が図１に示す試験片１００と対向する位置に配置されている場合を示している。圧子１９に対して試験力を付与する場合には、圧子１９が、図４に示す圧子２１の位置に配置される。

負荷機構は、水平方向を向く軸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、中空の押圧部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に連結した負荷伝達軸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、負荷伝達軸３６の先端に配設された圧子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、この実施形態においては、この時の試験力を、例えば、２ｋｇｆ、１ｋｇｆ、０．５ｋｇｆ、０．３ｋｇｆ、０．２ｋｇｆ、０．１ｋｇｆ、０．０５ｋｇｆ、０．０２５ｋｇｆ、０．０１ｋｇｆと、段階的に変化させることができる構成となっている。

負荷伝達軸３６は、上下の板バネ６１を支持部材６２を介してレボルバ２０の軸筒２７に固定したロバーバル構造により支持されており、負荷機構により与えられた試験力に応じて昇降可能となっている。負荷伝達軸３６には、この負荷伝達軸３６の移動量を検出する差動トランス式の変位検出器６０が接続されている。この変位検出器６０は、支持部材６３を介してレボルバ２０の軸筒２７に接続され、レボルバ２０の回転により負荷伝達軸３６と同期して移動する。なお、この変位検出器６０は、試験片１００の表面の検出に使用される。すなわち、圧子２１を極めて小さい力で下降させたときの移動量を常に検出し、圧子２１の移動が停止したときに圧子２１が試験片１００の表面と当接したと判断している。

光学系は、ＬＥＤ光源４１と、ＬＥＤ光源４１からの光を水平方向に導く光筒４２と、試験片１００を上から照明するために光筒４２により導かれた光を押圧部３５の中空部に導光するとともに、試験片１００の表面からの反射光をカメラ１７側に透過させるハーフミラー４３と、ハーフミラー４３を透過した試験片１００の表面からの反射光を接眼レンズ１６およびカメラ１７に分割するハーフミラー４４とを備える。対物レンズ２２が図４における負荷伝達軸３６の位置、すなわち試験片１００に形成された圧痕の観察位置に配置された場合には、試験片１００の表面からの反射光が、押圧部３５の中空部、対物レンズ２２、ハーフミラー４３、４４を介して、接眼レンズ１６およびカメラ１７に入射する。これにより、接眼レンズ１６により試験片１００の拡大像を観察することができるとともに、カメラ１７により撮影した拡大像をコンピュータ５０における表示部５５に表示することができる。その他の対物レンズ２３、２４、２５が圧痕の観察位置に配置された場合も、対物レンズ２２による場合と同様である。

図５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６は、試験片１００に形成された圧痕を示す平面図である。

一対の圧子１９、２１のうち、圧子２１は、硬さ試験としてのビッカース硬さ試験を実行するためのものであり、その先端は四角錐形状となっている。この圧子２１は、図５に示すように、図４に示す負荷機構の作用により試験片１００の表面に深さｈだけ押し込まれる。そして、その試験力を解除し、図１に示すレボルバ２０を回転させて所望の倍率の対物レンズを試験片１００と対向するに移動させる。対物レンズ、カメラ１７を介して得られた試験片１００の表面に形成された圧痕（くぼみ）の画像から、圧痕の対角線長さｄ［ｄ＝（ｄｘ＋ｄｙ）／２］を測定する（図６参照）。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。そして、圧痕の対角線長さｄ（ｍｍ：ミリメートル）から求められたくぼみの表面積と試験力から、ビッカース硬さが算出される。

ここで、試験力をＦ（Ｎ：ニュートン)とした場合に、ビッカース硬さＨＶは、下記の式（１）で表される。

ＨＶ ＝ ０．１８９１（Ｆ／ｄ^２ ） ・・・・・（１）
なお、一対の圧子１９、２１のうち、他方の圧子１９としては、例えば、ヌープ硬さ試験に使用される菱形のピラミッド型の圧子が使用される。

図７は、この発明に係る硬さ試験機の主要な制御系を示すブロック図である。

この硬さ試験機は、装置全体を制御する制御部８０を備える。この制御部８０は、上述したカメラ１７、液晶表示部５９、変位検出器６０、電磁コイル３４、コンピュータ５０、レボルバ２０を回転させるためのモータ３０およびＸＹステージ１２をＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動させるためのモータ１３、１４、１５と接続されている。また、この制御部８０は、ＬＥＤ光源４１の光量を調整するための光量調整部６９を介して、ＬＥＤ光源４１と接続されている。また、この制御部８０は、レボルバ２０の回転角度位置を検出するための位置センサ６４と接続されている。

さらに、この制御部８０は、記憶部８１と接続されている。この記憶部８１には、後述するように、載置台に載置された試験片１００と対向する位置に配置された対物レンズの倍率と、そのときにＬＥＤ光源４１により圧痕を照明するときの光量との関係がテーブルとして記憶されている。すなわち、この記憶部８１には、各対物レンズ２２、２３、２４、２５を使用したときに、カメラ１７により撮影され表示部５５に表示される画像が、各対物レンズ２２、２３、２４、２５の倍率に対応して、最適となるＬＥＤ光源４１の光量がテーブルとして記憶されている。この光量は、予め、実験的に求められたものである。なお、記憶部８１に記憶されたテーブルにおいては、圧子１９または圧子２１が載置台に載置された試験片１００と対向する試験位置に配置されたときには、光量としてゼロ、すなわち、ＬＥＤ光源４１を消灯するデータが記憶されている。

なお、上述した制御部８０は、この実施形態のように硬さ試験機の装置本体内に配設する代わりに、この制御部８０をコンピュータ５０における本体５６の内部等に配設してもよい。

以上のような構成を有する硬さ試験機を利用して硬さ試験を行う場合には、最初に、モータ３０の駆動によりレボルバ２０を回転させて、圧子１９または圧子２１を試験片１００と対向する試験位置に移動させる。ここで、ビッカース硬さ試験を実行するときには圧子２１を試験位置に配置し、ヌープ硬さ試験を実行するときには圧子１９を試験位置に配置する。

圧子２１または圧子１９が試験位置に配置された場合には、記憶部８１に記憶されたデータに基づいて、ＬＥＤ光源４１が消灯する。これにより、電力消費量を低減することが可能となる。例えば、ＪＩＳ（日本工業規格）Ｇ０５５９：２２０８「鋼の炎焼入及び高周波焼入硬化層深さ測定方法」を実行するときに、多数の圧痕を連続して試験片に形成する場合においては、圧痕の形成に長い時間を要する。このとき、試験片１００に対する圧痕の形成動作中にＬＥＤ光源４１を消灯することにより、消費電力を低減することが可能となる。

試験片１００に必要な圧痕が形成されれば、モータ３０の駆動によりレボルバ２０を回転させて、対物レンズ２２、２３、２４、２５のうちの一つを試験片１００における圧痕と対向する位置に移動させる。この時には、対物レンズ２２、２３、２４、２５のうち、圧痕のサイズに対応した対物レンズが圧痕と対向する位置に配置される。

対物レンズ２２、２３、２４、２５のうちの一つが圧痕と対向する位置に移動した場合には、そのときのレボルバ２０の回転角度位置が位置センサ６４により検出され、その位置信号は制御部８０により読み取られる。制御部８０は、位置センサ６４により検出したレボルバ２０の回転角度位置に基づいて、記憶部８１に記憶したＬＥＤ光源４１により圧痕を照明するときの光量を読み出す。そして、制御部８０は、光量調整部６９を制御してＬＥＤ光源４１の光量を設定された光量となるように変更する。ＬＥＤ光源４１により照明された圧痕の画像は、カメラ１７により撮像され、表示部５５に表示される。この時には、選択された対物レンズの倍率に応じた適切な光量で試験片１００を照明することができることから、カメラ１７により撮像され、表示部５５に表示された画像は、鮮明なものとなる。

なお、オペレータが、表示部５５に表示された画像から、ＬＥＤ光源４１の光量を調整する必要があると判断した場合には、コンピュータ５０におけるキーボード５７またはマウス５８を操作することにより、表示部５５に光量調整デバイスを表示する。

図８は、表示部５５に表示された光量調整デバイス７０の概要図である。

ＬＥＤ光源４１の光量を調整する場合においては、表示部５５に表示された光量調整デバイス７０におけるスライダー７１をドラッグして左右に移動させ、あるいは、減光ボタン７２または増光ボタン７３をクリックする。これにより、制御部８０から光量調整部６９に光量変更信号が送信され、ＬＥＤ光源４１の光量が調整される。調整後の光量は、記憶部８１に記憶され、対物レンズの倍率とＬＥＤ光源４１の光量とを示すテーブルが書き換えられる。

制御部８０は、カメラ１７を介して得られた試験片１００の表面に形成された圧痕の画像から、圧痕の対角線長さｄ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。制御部８０においては、圧痕の対角線長さｄから求められたくぼみの表面積と試験力から、ビッカース硬さが算出され、その値は、必要に応じて表示部５５に表示される。

以上のように、この実施形態に係る硬さ試験機においては、レボルバ２０の回転角度位置に基づいて、ＬＥＤ光源４１の光量を変更することから、対物レンズの倍率に応じた適切な光量で試験片１００を照明することができ、圧痕のサイズを正確に測定することが可能となる。この時、光量計等の部材を使用する必要はないことから、装置を簡易なものとして、その製造コストを低減することが可能となる。そして、圧子２１または圧子１９が試験片１００と対向する位置に配置されたときにＬＥＤ光源４１を消灯させることから、試験片１００に対する圧痕の形成動作中に、不要な電力の消費を防止することが可能となる。

１１ テーブル
１２ ＸＹステージ
１３ モータ
１４ モータ
１５ モータ
１６ 接眼レンズ
１７ カメラ
１８ 表示部
１９ 圧子
２０ レボルバ
２１ 圧子
２２ 対物レンズ
２３ 対物レンズ
２４ 対物レンズ
２５ 対物レンズ
２６ つまみ
２７ 軸筒
２８ 回転軸
２９ ベアリング
３０ モータ
３１ 軸
３２ レバー
３３ 永久磁石
３４ 電磁コイル
３５ 押圧部
３６ 負荷伝達軸
３８ ネジ
４１ ＬＥＤ光源
４２ 光筒
４３ ハーフミラー
４４ ハーフミラー
５０ コンピュータ
５３ ラック
５４ ピニオン
５５ 表示部
５６ 本体
５７ キーボード
５８ マウス
５９ 液晶表示部
６０ 変位検出器
６１ 板バネ
６２ 支持部材
６３ 支持部材
６４ 位置センサ
６９ 光量制御部
７０ 光量調整デバイス
７１ スライダー
７２ 減光ボタン
７３ 増光ボタン
８０ 制御部
８１ 記憶部
１００ 試験片

Claims (2)

1. 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、前記圧子を前記試験片に押しつけることにより前記圧子に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照明するための光源と、前記光源により照明された圧痕を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、を備えた硬さ試験機において、
   前記回転部材の回転角度位置を検出する位置センサと、
   前記光源の光量を調整する光量調整部と、
   前記載置台に載置された試験片と対向する位置に配置された対物レンズの倍率と、前記光源により前記圧痕を照明するときの光量との関係を記憶する記憶部と、
   前記位置センサにより検出した前記回転部材の回転角度位置に基づいて、前記記憶部に記憶した光源により前記圧痕を照明するときの光量を読み出し、前記光量調整部を制御して前記光源の光量を変更する制御部と、
   を備えるとともに、
   前記制御部により変更された光源の光量を、オペレータが調整するための光量調整操作部をさらに備え、
   前記光量調整操作部により、前記制御部により変更された光源の光量が調整されたときには、前記記憶部は、前記光源により前記圧痕を照明するときの光量として、前記光量調整操作部により調整された光量を記憶することを特徴とする硬さ試験機。
2. 請求項１に記載の硬さ試験機において、
   前記制御部は、前記圧子が前記載置台に載置された試験片と対向する位置に配置されたときに、前記光源を消灯させる硬さ試験機。

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