JP6079432B2 - 圧子ユニットおよび硬さ試験機 - Google Patents

Description

この発明は、試験片の硬度を測定するための圧子ユニットおよび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、試験片に試験力をかけ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１０倍や５０倍程度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ターレットとを備えている。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（特許文献１参照）。

このような硬さ試験機でビッカース試験を行う場合には、試験片に対して四角錐形状の圧子により圧痕を形成し、ターレットを回転して圧子と対物レンズとを切り換え、対物レンズを介して圧痕の画像を取得している。そして、試験力を圧痕の対角線長さから求められた圧痕の表面積で割った値が、ビッカース硬さ（ＨＶ）として算出される。

図７は、従来のビッカース硬さ試験機の負荷機構の例を説明する概要図である。図７（ａ）は、試験片１００に対して試験力が加えられている状態を示し、図７（ｂ）は、試験片１００に対する試験力が解除されている状態を示している。

従来より使用されているビッカース硬さ試験機の大半は、負荷に分銅を用いている。その負荷機構は、例えば中心Ｏを軸に回転するカム１６１と、カム１６１の回転により昇降する昇降部材１６２と、圧子１２１の圧子軸１４４に係合部材１４５を介して連結された分銅台１６４および分銅Ｍとから構成される。この負荷機構は、分銅Ｍに働く重力を圧子軸１４４および圧子１２１を介して試験片１００に加える試験力として利用している。すなわち、試験片１００に試験力を加えるときには、図７（ａ）に示すように、昇降部材１６２を下降させる。このときには、昇降部材１６２に形成された孔部１６３と係合部材１４５との係合状態が解除され、重力に従って圧子軸１４４に分銅Ｍの重さが直接的に伝達される。これにより、圧子１２１が試験片１００に押し込まれる。また、試験片１００に試験力を加えていないときには、図７（ｂ）に示すように、昇降部材１６２を上昇させておき、昇降部材１６２の孔部１６３と係合部材１４５との係合により、分銅Ｍの重さを昇降部材１６２により受けるとともに、圧子１２１を試験片１００と接触しない位置で支持するようにしている。

ビッカース硬さ（ＨＶ）は、試験片に形成された圧痕の計測値から求めることができるため、ビッカース試験において、圧子１２１が試験片に押し込まれた深さを直接的に計測する必要性は乏しい。このため、図７に示すように、ビッカース試験用に構成された従来の硬さ試験機のうち、市中で使用されている大半は、負荷機構により上下動する圧子１２１もしくは圧子軸１４４の変位を計測して、圧子１２１の試験片への押し込み量を求められるような変位検出器は設けられていなかった。

特開平０９−１５１２８号公報

しかしながら、試験片が透明ガラスや白色樹脂などの場合、対物レンズを介して観察したときに圧痕と試験片の表面との境界がわかりにくく、圧痕のサイズを正確に計測することが困難であるという問題が生じている。このような圧痕のサイズ計測が困難な試料に対して硬さを評価するための試験を行うためには、ユーザは、試験機本体に圧子の押し込み深さを計測する変位検出器が内蔵された硬さ試験機を別途購入しなければならなかった。

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、圧子の試験片への押し込み深さを検出することが可能な圧子ユニットおよび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、硬さ試験において試験片に圧痕を形成するための圧子と、一端が分銅に働く重力を負荷として利用する硬さ試験機の負荷機構に連結され、他端に前記圧子が取り付けられる圧子軸と、前記圧子軸に固設される鉄心と、前記圧子軸に対して周設される電磁コイルとからなる差動トランス式変位計と、前記電磁コイルを保持する保持部材に延設され、前記圧子が前記試験片の表面に押し込まれるときに、前記圧子の先端よりも先に前記試験片の表面に当接する当接部材と、を備え、前記保持部材に形成された孔部に、前記圧子軸に固設された係合部材を係合させることにより、前記負荷機構による試験力が前記圧子軸に伝達されて前記当接部材が前記試験片の表面に当接するまで前記保持部材を前記圧子軸に係止するとともに、前記硬さ試験機に対して着脱されることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の圧子ユニットにおいて、前記当接部材は透明材料により形成される。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の圧子ユニットが装着され、前記圧子を前記試験片の表面に押し込んだときの前記圧子軸の移動量から、前記圧子の先端と前記当接部材の先端との距離の差を除した長さを、押し込み深さとして算出する制御部を備えた硬さ試験機である。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の硬さ試験機において、前記試験片の表面に圧痕を形成するための圧子と、前記試験片の表面に形成された圧痕を観察するための複数の対物レンズとを支持して回転することにより、前記試験片の表面に前記圧子または前記対物レンズのいずれかを対向配置するターレットを備え、前記圧子ユニットは、前記ターレットの前記圧子の支持位置に装着される。

請求項１および請求項２に記載の発明によれば、圧子軸に変位検出手段としての差動トランス式変位計を配設した圧子ユニットを構成し、硬さ試験機に対して、圧子の着脱と同時に変位検出手段の着脱を可能としたことから、簡易な構成でありながら、圧子の試験片への押し込み深さの検出手段を、硬さ試験機に追加することが可能となる。

請求項１に記載の発明によれば、変位検出手段が差動トランス式変位計であることから、圧子ユニットをターレットなどの圧子支持部材への取り付けが容易なサイズにすることが可能となる。

請求項１に記載の発明によれば、圧子ユニットは、圧子の先端より先に試験片の表面に当接する当接部材を備えることから、圧子と試験片との不要な接触を防止するとともに、押し込み深さを正確に求めることが可能となる。

請求項１に記載の発明によれば、保持部材に形成された孔部に、圧子軸に固設された係合部材を係合させることにより、負荷機構による試験力が圧子の軸に伝達されるまで保持部材を圧子軸に係止することから、圧子の軸に試験力が伝達された後の圧子の軸の変位量を正確に検出することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、当接部材は透明部材から形成されることから、外部より圧子の位置を容易に確認することが可能となる。

請求項３および請求項４に記載の発明によれば、ユーザは、変位検出器を内蔵した高額な試験機を導入しなくても、圧子ユニットを装着した硬さ試験機により、圧子の試験片への押し込み深さの計測が可能となり、押し込み深さにより硬さの評価を行うことができる。

この発明に係る硬さ試験機の概要図である。 ターレット２０付近の拡大図である。 ターレット２０に支持された圧子ユニット５０等の配置を示す説明図である。 圧痕を観察するための光学系を模式的に示す概要図である。 圧子ユニット５０と負荷機構を示す概要図である。 圧子ユニット５０と負荷機構を示す概要図である。 従来のビッカース硬さ試験機の負荷機構の例を説明する概要図である。

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、ターレット２０付近の拡大図である。図３は、ターレット２０に支持された圧子ユニット５０等の配置を示す説明図である。図４は、試験片１００の表面を観察するための光学系を模式的に示す概要図である。

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。

テーブル１１には、試験条件の設定等に利用される入力部、および、各種試験パラメータ等を表示する表示部を備えたコントロール部１９が配設される。コントロール部１９は、テーブル１１に内設された演算装置および記憶装置を利用して、この硬さ試験機の動作を制御するとともに、後述する変位検出器５４の出力から圧子２１の試験片１００への押し込み量を計算する制御部として機能する。

また、この硬さ試験機は、試験片１００を観察するための接眼レンズ１６と、試験片１００を撮影するためのモニタ用カメラ１７と、試験片１００の拡大像を表示するための表示部１８と、後述する圧子２１と変位検出器５４を備える圧子ユニット５０および対物レンズ２２等を支持して回転する回転部材としてのターレット２０とを備える。このターレット２０は、ベアリング２９を介して軸２８に接続されており、つまみ２６を操作することにより、鉛直方向を向く軸２８を中心に回転する。

ターレット２０には、ＸＹステージ１２上に載置された試験片１００に圧痕を形成するための圧子２１を備える圧子ユニット５０と、５０倍の対物レンズ２２と、１０倍の対物レンズ２３と、試験片１００を原寸または拡大して観察するための対物レンズ２４とが配設されている。これらの圧子ユニット５０、対物レンズ２２、対物レンズ２３および対物レンズ２４はターレット２０の回転に伴って、ＸＹステージ１２上に載置された試験片１００と対向する位置に移動する。なお、圧子ユニット５０、対物レンズ２２、対物レンズ２３および対物レンズ２４は、ターレット２０に対して適宜着脱され、例えば、試験片１００を原寸または拡大して観察するための対物レンズ２４に換えて、試験片１００に対して圧子２１による圧痕と異なる形状の圧痕を形成するための他の圧子、もしくは、他の圧子を備えた圧子ユニットを配置してもよい。圧子ユニット５０に配設される圧子２１は、四角錐のビッカース圧子に限らず、ヌープ圧子、ロックウェル圧子等であってもよい。

図４に示すように、試験片１００の表面を観察するための光学系は、光源３１と、光源３１からの光を水平方向に導く光筒３２と、試験片１００を上から照明するために、光筒３２により導かれた光を筒状部材３４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モニタ用カメラ１７側に透過させるハーフミラー３３と、ハーフミラー３３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およびモニタ用カメラ１７に分割するプリズム３５とを備える。

次に、この発明に係る圧子ユニット５０の構成について説明する。図５および図６は、圧子ユニット５０と負荷機構を示す概要図である。なお、図５は、圧子ユニット５０がＸＹステージ１２上に載置された試験片１００と対向配置され、試験片１００に試験力が加えられる前の状態を示し、図６は、ＸＹステージ１２上に載置された試験片１００の表面に圧子２１が押し込まれている状態を示している。

圧子ユニット５０は、圧子２１と変位検出器５４と当接部材５５を備える。この変位検出器５４は、圧子軸４４に固設された鉄心５１と、保持部材５３に保持された状態で圧子軸４４の周りに周設された電磁コイル５２とからなり、鉄心５１の変位により生じる２個の電磁コイル５２の電圧差を利用して圧子軸４４の変位を検出する差動トランス式変位計である。

保持部材５３は、有底筒状形状を有し、圧子軸４４が貫通する孔部５７が形成されている。当接部材５５は、保持部材５３の下面より延設され、周壁により圧子２１を取り囲むように配置された筒状部材である。また、圧子軸４４には、圧子軸４４の鉄心５１の配設位置の上側と下側に、係合部材４５と係合部材５６が配設されている。係合部材４５は、後述する昇降部材６２に形成された孔部６３と係合し、係合部材５６は、保持部材５３の孔部５７と係合する。なお、係合部材４５と孔部６３、また、係合部材５６と孔部５７とは、相互に嵌め合い可能な形状を有する。

この硬さ試験機の負荷機構は、中心Ｏを軸として回転するカム６１と、図示しないガイド部材により案内され、カム６１の回転により昇降する昇降部材６２と、圧子軸４４に係合部材４５を介して連結された分銅台６４および分銅Ｍとから構成される。この負荷機構は、分銅Ｍに働く重力を圧子軸４４および圧子２１を介して試験片１００に加える試験力として利用している。なお、負荷機構に採用する負荷の方式は分銅Ｍによるものに限定されるものではなく、電磁力を使用するもの、あるいは、分銅と電磁力を組み合わせたものでもよい。

昇降部材６２には、圧子軸４４に固定された係合部材４５を係合させる孔部６３が形成されている。係合部材４５と孔部６３とは、相互に嵌め合い可能な形状を有する。このため、図５に示すように、昇降部材６２が上昇し、係合部材４５が孔部６３に係わり合った状態では、圧子２１は試験片１００の表面と接触しない高さ位置で、昇降部材６２に支持される。

圧子軸４４の係合部材４５が孔部６３に係止され、圧子２１が昇降部材６２に支持されている状態においては、保持部材５３の孔部５７が係合部材５６により係止される。これにより、保持部材５３および当接部材５５が、当接部材５５の先端が試験片１００の表面と接触しない高さ位置に、圧子軸４４を介して昇降部材６２により支持される。

当接部材５５の保持部材５３の下面からの延設方向の長さは、図５の下段に拡大して示すように、係合部材５６が保持部材５３の孔部５７に係わり合った状態で、当接部材５５の先端の方が圧子２１の先端よりも距離ｓだけ試験片１００に近くなる長さとしている。これは、圧子２１の先端位置と当接部材５５の先端位置（端面位置）を正確に合わせることは技術的に難しく、圧子２１の先端が当接部材５５の端面位置より僅かでも突出していると、正確な押し込み深さを測定できなくなることを防止するためである。

また、圧子２１はダイヤモンド等の極めて硬い材質で構成されており、試験片１００に僅かに接触しただけでも、試験片１００の表面にくぼみ様の傷をつけてしまう。このため、当接部材５５は、試験開始前の圧子２１と試験片１００との接触を防止する接触防止部材としても機能する。なお、当接部材５５は、圧子２１の位置を外部から確認することを容易にする観点から、ガラスや透明プラスチック等の透明材料により構成することが好ましい。

図６に示すように、昇降部材６２が下降し、孔部６３と係合部材４５との係合が解除されると、試験力の大きさに応じて選択された分銅台６４上の所定の重量の分銅Ｍの重さが、重力の作用により圧子軸４４を介して圧子２１への試験力として伝達される。そして、試験力を受けた圧子２１は、試験片１００に押し込まれる。

次に、このような構成の圧子ユニット５０を備えた硬さ試験機により試験を行ったときの、試験片１００への圧子２１の押し込み深さｄの計算について説明する。

図６の下段に拡大して示すように、圧子２１が試験片１００の表面からｄ（μｍ）だけ深く押し込まれた場合、求めるべき押し込み深さはｄ（μｍ）である。しかし、上述したように、この圧子ユニット５０の当接部材５５の負荷方向の長さは、係合部材５６が保持部材５３の孔部５７に係わり合った状態で、圧子２１の先端よりも距離ｓだけ長くなっている。そして、昇降部材６２を下降させたときには、当接部材５５の方が圧子２１の先端よりも先に試験片１００の表面に当接する。したがって、このとき変位検出器５４が検出した圧子軸４４の変位量Ｄは、ｓ＋ｄ（μｍ）となる。

このため、当接部材５５の先端と圧子２１の先端との間の距離ｓは、予め圧子ユニット５０を他の校正用の試験機に取り付けて計測しておく。そして、ユーザに対しては、この距離ｓの情報を付した状態で圧子ユニット５０を配布するようにしている。すなわち、距離ｓの情報を、コントロール部１９の入力部を介して、この圧子ユニット５０を装着した硬さ試験機の記憶装置に記憶させておくことにより、押し込み深さｄ（＝Ｄ‐ｓ）を求めることができるようにすることができる。

なお、圧子ユニット５０は、図５および図６に示すように、圧子軸４４をターレット２０の所定の位置に差し込み、係合部材４５、分銅台６４もしくは図示を省略したターレット２０の接続部材に圧子軸４４を連結することにより、ターレット２０に装着されるため、変位検出器５４の部材である保持部材５３をターレット２０に直接的に連結する必要はない。このような圧子ユニット５０により、変位検出器５４の硬さ試験機への取り付けを、圧子２１のターレット２０への取り付けとともに行うことができる。

また、圧子軸４４に対して変位検出器５４を配設した圧子ユニット５０を、変位検出器を内蔵していない硬さ試験機に装着することで、圧痕のサイズ計測が困難な試験片１００に対しても、圧子２１の押し込み深さによる硬さの評価が可能となる。

１１ テーブル
１２ ＸＹステージ
１３ マイクロメータ
１４ マイクロメータ
１５ 昇降ハンドル
１６ 接眼レンズ
１７ モニタ用カメラ
１８ 表示部
１９ コントロール部
２０ ターレット
２１ 圧子
２２ 対物レンズ
２３ 対物レンズ
２４ 対物レンズ
２６ つまみ
２８ 軸
２９ ベアリング
３１ 光源
３２ 光筒
３３ ハーフミラー
３４ 筒状部材
３５ プリズム
４４ 圧子軸
４５ 係合部材
５０ 圧子ユニット
５１ 鉄心
５２ 電磁コイル
５３ 保持部材
５４ 変位検出器
５５ 当接部材
５６ 係合部材
５７ 孔部
６１ カム
６２ 昇降部材
６３ 孔部
６４ 分銅台
１００ 試験片
Ｍ 分銅

Claims (4)

1. 硬さ試験において試験片に圧痕を形成するための圧子と、
   一端が分銅に働く重力を負荷として利用する硬さ試験機の負荷機構に連結され、他端に前記圧子が取り付けられる圧子軸と、
   前記圧子軸に固設される鉄心と、前記圧子軸に対して周設される電磁コイルとからなる差動トランス式変位計と、
   前記電磁コイルを保持する保持部材に延設され、前記圧子が前記試験片の表面に押し込まれるときに、前記圧子の先端よりも先に前記試験片の表面に当接する当接部材と、
   を備え、
   前記保持部材に形成された孔部に、前記圧子軸に固設された係合部材を係合させることにより、前記負荷機構による試験力が前記圧子軸に伝達されて前記当接部材が前記試験片の表面に当接するまで前記保持部材を前記圧子軸に係止するとともに、前記硬さ試験機に対して着脱されることを特徴とする圧子ユニット。
2. 請求項１に記載の圧子ユニットにおいて、
   前記当接部材は透明材料により形成される圧子ユニット。
3. 請求項１または請求項２に記載の圧子ユニットが装着され、
   前記圧子を前記試験片の表面に押し込んだときの前記圧子軸の移動量から、前記圧子の先端と前記当接部材の先端との距離の差を除した長さを、押し込み深さとして算出する制御部を備えた硬さ試験機。
4. 請求項３に記載の硬さ試験機において、
   前記試験片の表面に圧痕を形成するための圧子と、前記試験片の表面に形成された圧痕を観察するための複数の対物レンズとを支持して回転することにより、前記試験片の表面に前記圧子または前記対物レンズのいずれかを対向配置するターレットを備え、
   前記圧子ユニットは、前記ターレットの前記圧子の支持位置に装着される硬さ試験機。

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