JP6003269B2

JP6003269B2 - 硬さ試験機

Info

Publication number: JP6003269B2
Application number: JP2012134435A
Authority: JP
Inventors: 和裕松下
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2032-06-14
Also published as: JP2013257261A

Description

この発明は、試験片の硬度を測定する硬さ試験機に関する。

このような硬さ試験機としては、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。このような硬さ試験機においては、金属やゴム材料からなる試験片に一定の試験力で押し込まれる圧子と、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子を押し込んでくぼみ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くぼみは、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を利用して観察される。

このような硬さ試験機により硬さ試験を行うときには、試験開始前に試験条件として、試験力が設定される。また、所定の試験力で試験片に圧子を押し込み、そのときの試験力を形成されたくぼみの表面積で除して硬さを求める硬さ試験においては、くぼみの大きさが硬さ計測に適したものとなるように試験片に付与する試験力を調整するとともに、くぼみを観察するのに適した倍率の対物レンズが選択されている必要がある。

一般的には、硬さ試験の試料（試験片）の厚さは、押し込み深さの１０倍以上であることが望ましいとされている。従来の試験条件の設定においては、試料の厚さ情報から、ユーザが経験に基づいて圧子を試験片に押し込むときの試験力を導いており、経験の浅いユーザにとっては、試験力の設定が煩雑な作業となっていた。このため、特許文献１には、試料の厚さ情報に基づいて、押し込み深さを自動設定することにより効率よく試験条件を設定する硬さ試験機が提案されている。

また、近年では、厚さの薄い試料に対して硬さ試験を行う場合も増加しており、このような厚さの薄い試料には、ビッカース硬さ試験が採用されることが多い。ビッカース硬さは、所定の試験力で試験片の表面との対面角が１３６度の正四角錐形状の圧子を試験片に押し込み、このときに形成されたくぼみの対角線長さを計測し、硬さを算出している。このため、上述した硬さ試験機によりビッカース硬さ試験を行うときには、試験条件として、硬さ測定に適したくぼみを形成できる試験力を設定する必要がある。

特開２００８−２３２６５７号公報

しかしながら、厚さの薄い試料の場合、押し込み深さを試料の厚さの１０分の１未満にしようとすると、くぼみの大きさが小さくなる。このため、適切な倍率の対物レンズを選択しなければくぼみの大きさを計測することはできない。一方で、くぼみの深さを考慮して、硬さ測定に適切な試験力および対物レンズを選択することは、ユーザにとって、より煩雑な作業となっている。

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、簡便に試験力、および、くぼみ計測に適切な対物レンズを設定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押し込まれる圧子と、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前記圧子が押し込まれたことにより形成されたくぼみ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、を備えた硬さ試験機において、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、載置台上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、前記試験片に与える試験力として設定できる複数の試験力の値を記憶する試験力記憶部と、前記載置台上に載置された試験片の想定される硬さと、当該試験片にくぼみを形成するときの所望のくぼみ深さとを入力する入力手段と、前記入力手段により入力された前記試験片の硬さと、くぼみ深さとに基づいて、前記試験片に与える試験力を計算する試験力演算手段と、前記試験力記憶部に記憶された試験力の値のうち、前記試験力演算手段により算出された試験力以下であり、かつ、前記試験力演算手段により算出された試験力に最も近い値を、硬さ試験を実行するときの試験力として選択する試験力選択手段と、前記入力手段により入力されたくぼみ深さから、予想されるくぼみの大きさを求めるとともに、該くぼみの大きさに基づいて、前記回転部材に支持された複数の対物レンズから、くぼみを観察する対物レンズを選択する、対物レンズ選択手段と、前記回転部材を回転させることにより、前記対物レンズ選択手段により選択された対物レンズを、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２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、当該硬さ試験機により行う硬さ試験は、ビッカース硬さ試験であり、前記くぼみの大きさは、くぼみの対角線長さである。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記試験力演算手段は、前記くぼみの対角線長さを前記入力手段により入力されたくぼみ深さの７倍として試験力を算出する。

請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記対物レンズ選択手段は、前記入力手段により入力されたくぼみ深さから予想されるくぼみの対角線長さの視野範囲に対する比率に応じて、前記回転部材に支持された複数の対物レンズから、くぼみを観察する対物レンズを選択する。

請求項５に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記対物レンズ選択手段は、前記入力手段により入力されたくぼみ深さから予想されるくぼみの対角線長さが、視野範囲の２０〜７０パーセントとなる倍率の対物レンズを、前記回転部材に支持された複数の対物レンズから、くぼみを観察する対物レンズとして選択する。

請求項１から請求項５に記載の発明によれば、試験片の想定される硬さと、所望のくぼみ深さとを入力し、それらの入力に基づいて、試験片に付与する試験力を算出し、くぼみを観察する対物レンズを選択することから、より簡便に硬さ試験の試験力と、適切な倍率の対物レンズを選択することができ、正確な硬さ試験を実行することが可能となる。

また、請求項１に記載の発明によれば、試験力記憶部に記憶された試験力の値のうち、試験力演算手段により算出された試験力以下であり、かつ、試験力演算手段により算出された試験力に最も近い値を、硬さ試験を実行するときの試験力として選択することから、入力されたくぼみ深さ以上に圧子が押し込まれることを防止し、正確な硬さ試験を実行することが可能となる。

請求項２から請求項５に記載の発明によれば、ビッカース硬さ試験を正確に実行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。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。この発明に係る硬さ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にくぼみを形成する様子を模式的に示す説明図である。試験片１００に形成されたくぼみを示す平面図である。この発明に係る硬さ試験機による硬さ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、この発明に係る硬さ試験機の概要図である。

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マイクロメータヘッド１３と、試験片１００をＹ方向に移動させるためのマイクロメータヘッド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ＣＣＤカメラ１７と、試験片１００の表面の像を表示する液晶表示器等の表示部１８と、この発明の入力手段として機能する入力表示部１９とを備える。入力表示部１９は、タッチパネル付の液晶表示器であり、各種データを入力するための入力キーを表示するとともに、試験条件や計測結果などの各種データを表示する。

さらに、この硬さ試験機は、試験片１００に一定の試験力で押し込まれる圧子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、つまみ２６を操作することにより、鉛直方向を向く軸を中心に回転する。また、リボルバー２０は、後述するモータ５９の駆動により、鉛直方向を向く軸を中心に回転させることもできる。

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。

図３は、この発明に係る硬さ試験機の主要な電気的構成を示すブロック図である。

この硬さ試験機は、装置全体を制御する制御部５０を備える。この制御部５０は、上述した入力表示部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、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、入力表示部１９のタッチパネルを操作して入力された試験片１００の想定される硬さと所望のくぼみ深さとに基づいて試験片１００に与える試験力を計算する試験力演算部５１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５２と、この硬さ試験機に予め設定されている複数の試験力から実際に試験片１００に付与する試験力を選択する試験力選択部５３と、試験片１００に試験力が付与された後に試験片１００に形成されたくぼみを観察する対物レンズをリボルバー２０に支持されている対物レンズ２２、２３から選択する対物レンズ選択部５４と、硬さ試験の計測結果などの各種データを記憶する記憶部５５とを備える。また、この記憶部５５は、この硬さ試験機に予め設定されている複数の試験力、すなわち、この硬さ試験機により試験片１００に与えることが可能な試験力を記憶する試験力記憶部５６を備えている。

図４は、圧子２１により試験片１００にくぼみ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に形成されたくぼみを示す平面図である。

硬さ試験としてのビッカース硬さ試験を実行するときには、試験片１００の表面との対面角が１３６度である正四角錐の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。なお、くぼみの対角線長さは、この発明におけるくぼみの大きさでもある。

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

硬さ試験を行う場合には、最初に、試験を実行する試験片１００の予想される硬さと、所望のくぼみの深さ（希望する圧子２１の押し込み深さ）を入力する（ステップＳ１）。これらの入力は、オペレータが入力表示部１９のタッチパネルを利用して所定のデータを入力することにより行われる。

次に、入力された試験片１００の予想される硬さと、所望のくぼみ深さから、試験片１００に圧子２１を押し込むときの試験力を計算する（ステップＳ２）。この試験力の計算は、図３に示す試験力演算部５１により行われる。また、試験力は、ビッカース硬さを求める下記式（１）をもとに、下記式（２）より求められる。
ＨＶ＝２Ｆｓｉｎ（α／２）ｄ２・・・（１）
Ｆ＝ＨＶ×ｄ２／１８５４．４・・・（２）

これらの式において、ＨＶはビッカース硬さ、Ｆ［ｇｆ］（グラム重）は試験力、αは圧子２１の対面角度（１３６度）、ｄ［μｍ］（マイクロメートル）はくぼみの対角線長さである。なお、１ｇｆ（グラム重）＝０．００９８Ｎ（ニュートン）である。

また、ビッカース硬さ試験においては、くぼみの深さｈ［μｍ］は、くぼみの対角線長さｄ［μｍ］の約７分の１となる。このため、この実施形態においては、入力表示部１９から入力されたくぼみ深さの７倍の値（７ｈ）が式（２）のｄに代入され、試験力が算出される。

次に、この硬さ試験機により硬さ試験を実行するときの試験力を選択する（ステップＳ３）。この試験力は、記憶部５５における試験力記憶部５６に予め記憶されている複数の試験力の中から、式（２）を用いて試験力演算部５１において算出された試験力以下であって、かつ、最も値が近い試験力を選択することにより行われる。なお、試験力記憶部５６には、１０、５０、１００、１０００ｇｆなど、段階的に異ならせた９種類程度の試験力の値が記憶されている。この試験力の選択は、図３に示す試験力選択部５３により行われる。

続いて、くぼみを観察するための最適な倍率の対物レンズが選択される（ステップＳ４）。この対物レンズの選択は、ステップＳ１において入力された所望のくぼみ深さから概算したくぼみの対角線長さ（ｄ＝７ｈ）が、視野範囲（接眼レンズ１６で観察される実視野の直径、または、ＣＣＤカメラ１７を介して表示部１８に映し出される実視野の直径）の２０〜７０パーセントとなる倍率の対物レンズを、リボルバー２０に支持されている対物レンズ２２、２３から選択するものである。この対物レンズの選択は、図３に示す対物レンズ選択部５４により行われる。

この対物レンズの選択（ステップＳ４）においては、視野範囲に対してくぼみの対角線長さが、視野範囲の２０〜７０パーセントとなる対物レンズを選択するようにしている。しかし、この対物レンズの選択におけるくぼみの対角線長さの視野範囲に対する比率は、リボルバー２０に配設可能な対物レンズの数や各対物レンズの倍率により変更してもよい。なお、対物レンズの選択においては、視野範囲に対してくぼみ像が小さすぎて、くぼみ対角線長さの計測が困難になる、あるいは、くぼみ像が視野範囲いっぱいの大きさで、レンズの球面の影響により視野範囲の外縁付近で像に歪みが生じ、測定の精度が損なわれる、などの問題を生じないように、適切な倍率の対物レンズを選択しなければならない点に注意が必要である。

この状態で、ステップＳ３において選択された試験力を、実際に試験片１００に付与する試験力として設定し、対応する電流を電磁コイル３４に与えることにより、試験片１００に圧子２１を押し込む（ステップＳ５）。しかる後、試験力の付与が解除されると、移動制御部５２がモータ５９を制御することによりリボルバー２０を回転させる。そして、ステップＳ４で選択されたくぼみの観察に最適な倍率の対物レンズ２２または対物レンズ２３が、試験片１００の表面と対向する位置に移動する（ステップＳ６）。そして、対物レンズ２２、２３のいずれかを介して拡大されたくぼみが測定される（ステップＳ７）。

このように、この発明に係る硬さ試験機は、試験開始前に設定する試験条件のパラメータとして、試験片１００の予想される硬さと、所望のくぼみ深さが入力されるだけで、実際の試験において設定する試験力と、くぼみの観察に最適な倍率の対物レンズとの両方を、自動的に設定することが可能である。このため、試験開始前の試験条件の設定作業が軽減され、より簡便に正確な硬さ試験を実行することができる。

また、硬さ試験を実行する際の試験力は、予め記憶されている試験力の中から、試験片１００の予想される硬さと、所望のくぼみ深さとから算出された試験力以下であって最も近い値を選択することから、厚みが薄い試験片１００に対しても、圧子２１を押し込みすぎることがなく、正確な硬さ試験を実行することができる。

１１テーブル
１２ＸＹステージ
１３マイクロメータヘッド
１４マイクロメータヘッド
１５昇降ハンドル
１６接眼レンズ
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
５１演算部
５２移動制御部
５３対物レンズ選択部
５４試験力選択部
５５記憶部
５６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押し込まれる圧子と、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前記圧子が押し込まれたことにより形成されたくぼみ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、を備えた硬さ試験機において、
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、載置台上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、
前記試験片に与える試験力として設定できる複数の試験力の値を記憶する試験力記憶部と、
前記載置台上に載置された試験片の想定される硬さと、当該試験片にくぼみを形成するときの所望のくぼみ深さとを入力する入力手段と、
前記入力手段により入力された前記試験片の硬さと、くぼみ深さとに基づいて、前記試験片に与える試験力を計算する試験力演算手段と、
前記試験力記憶部に記憶された試験力の値のうち、前記試験力演算手段により算出された試験力以下であり、かつ、前記試験力演算手段により算出された試験力に最も近い値を、硬さ試験を実行するときの試験力として選択する試験力選択手段と、
前記入力手段により入力されたくぼみ深さから、予想されるくぼみの大きさを求めるとともに、該くぼみの大きさに基づいて、前記回転部材に支持された複数の対物レンズから、くぼみを観察する対物レンズを選択する、対物レンズ選択手段と、
前記回転部材を回転させることにより、前記対物レンズ選択手段により選択された対物レンズを、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さ試験機。
請求項１に記載の硬さ試験機において、
当該硬さ試験機により行う硬さ試験は、ビッカース硬さ試験であり、
前記くぼみの大きさは、くぼみの対角線長さである硬さ試験機。
請求項２に記載の硬さ試験機において、
前記試験力演算手段は、前記くぼみの対角線長さを前記入力手段により入力されたくぼみ深さの７倍として試験力を算出する硬さ試験機。
請求項２に記載の硬さ試験機において、
前記対物レンズ選択手段は、前記入力手段により入力されたくぼみ深さから予想されるくぼみの対角線長さの視野範囲に対する比率に応じて、前記回転部材に支持された複数の対物レンズから、くぼみを観察する対物レンズを選択する硬さ試験機。
請求項２に記載の硬さ試験機において、
前記対物レンズ選択手段は、前記入力手段により入力されたくぼみ深さから予想されるくぼみの対角線長さが、視野範囲の２０〜７０パーセントとなる倍率の対物レンズを、前記回転部材に支持された複数の対物レンズから、くぼみを観察する対物レンズとして選択する硬さ試験機。