JP6733935B2

JP6733935B2 - 圧子押込み装置

Info

Publication number: JP6733935B2
Application number: JP2016186939A
Authority: JP
Inventors: 荻野　重人; 重人荻野
Original assignee: SAITAMA PREFECTURE
Current assignee: SAITAMA PREFECTURE
Priority date: 2016-09-26
Filing date: 2016-09-26
Publication date: 2020-08-05
Anticipated expiration: 2036-09-26
Also published as: JP2018054318A

Description

本発明は、ナノインデンターとも称される超微小硬さ測定装置等の圧子押込み装置として利用可能な圧子押込み装置に関する。

従来、微小変位発生装置、圧子、荷重計測装置等が同軸線上に配置されていて、微小変位発生装置を伸長させ測定試料と圧子の接触点を荷重計測装置により検知し、その接触点を圧子押し込みのゼロ点とし、その後の微小変位発生装置による変位を被測定物への押し込み量とし、荷重計測装置を用いて、前記押し込み量に対応する荷重を変位を伴うことなく連続的に計測する超微小硬さ測定装置が知られている（特許文献１）。

また、荷重機構としてボイスコイルモータや電磁ソレノイドを採用し、供給電流値に比例した荷重を印加する硬さ計が知られている（特許文献２）。

特開２００７−１３９５９２号公報特開２００９−２０４５７４号公報

近年、薄膜の高機能化が進んでおり、ＤＬＣ、クロムナイトライド、ＡＲコート、ＳｉＯ_２皮膜等の薄膜コーティングされた製品の性能評価の必要性が高まっている。ナノインデンターでは下地の影響を受けない微小な押込み量の下で硬さ測定を行うため、耐振動性は重要である。また装置のコンパクト化やコストダウンなど装置の普及に向けた各種要請も増加している。

そこで本発明の課題は、耐振動性を高めつつ小型化等の要請に応えることのできる圧子押込み装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る圧子押込み装置は、被測定物に押し込まれる圧子を先端に有し軸方向に移動可能に保持されたシャフトと、該シャフトに同極側を対向させて設けられた２つの磁極板と、該磁極板に挟まれる位置に固定されて前記シャフトの軸方向に向かう内部磁場を発生する電磁コイルと、前記シャフトの変位を測定する変位計とを有することを特徴とするものからなる。

このような本発明の圧子押込み装置によれば、磁極板と電磁コイルを組み合わせた変位発生機構によりコンパクトでありながら大きな荷重を発生することが可能であり、さらにシャフトの耐振動性を高めることができる。

本発明の圧子押込み装置において、前記シャフトが板ばねの中央に保持されており、該板ばねの両端が固定されていることが好ましい。両端が固定された、いわゆる両持ちの板ばねを採用することにより、耐振動性の向上が可能となる。ここで板ばねとは、板状の弾性材料を用いてなり、たわみ等の弾性変形を与えた際に復元力を生じるばねである。

本発明の圧子押込み装置において、前記板ばねが、前記電磁コイルから見て前記磁極板よりも外側に設けられていることが好ましい。このような構成により、装置全体をコンパクトに設計することが可能である。

本発明の圧子押込み装置において、前記板ばねが、前記圧子側に山折り部を形成するように折り曲げられていることが好ましい。両端が固定された板ばねによってシャフトをスムーズに移動させるためには、板ばねの長さに遊びを持たせる必要があるが、このような山折り部を形成することにより、電磁コイルの供給電流ゼロの初期状態でシャフトの位置を反圧子側寄りに保持することが可能となり、圧子側のシャフト可動域を広く確保することができる。

本発明の圧子押込み装置において、磁石が前記シャフトの強磁性体部位の近傍に固定されていることが好ましい。このような位置に永久磁石等を設けることにより、外乱等によるシャフトの振動を抑制することが可能となる。

本発明の圧子押込み装置は、硬さ測定装置の圧子を押し込むために用いられ、前記シャフトの軸方向が水平方向と一致するように配置されていることが好ましい。このように圧子押込み装置を横置きの状態で設置することで、硬さ測定装置の耐振動性を向上させることができる。

本発明の圧子押込み装置によれば、コンパクトな機構により大きな押込み荷重を発生することが可能であり、さらにシャフトの耐振動性を高めることができる。

本発明の一実施態様に係る圧子押込み装置の概略平面図である。

以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る圧子押込み装置１の概略平面図である。圧子押込み装置１は、電磁コイル２と、板ばね３と、圧子４と、磁極板６、７と、シャフト８と、永久磁石１０と、変位計１１と、マイクロメータヘッド１２とから構成され、シャフト８と略垂直に延設された板ばね３の両端はシャフト８と平行に設けられた支持手段により固定され、シャフト８は板ばね３の中央に固定されている。初期状態においては電磁コイル２に電流が供給されていないので、板ばね３は圧子４側の面の両端近傍に形成された山折り部３ａによってシャフト８を圧子４とは反対側寄りに保持している。この初期状態から電磁コイル２に電流を供給すると磁場が発生し、例えば電磁コイル２の上側がＮ極、下側がＳ極に帯磁されると、ドーナツ円板形の磁極板６のＳ極面６ａが電磁コイル２に引き付けられるとともに磁極板７のＳ極面７ａが電磁コイル２と反発するので、シャフト８は下方に移動して圧子４を測定試料９に向けて押し込むことができる。

ここで、磁極板６、７両方の力を圧子４に伝えることができるので、強い力で効率的に圧子４を測定試料９に押し込むことができる。また、電磁コイル２の供給電流を増やしていくと磁極板６は電磁コイル２に近付き吸引力が増していくが、磁極板７は電磁コイル２から遠ざかるので反発力は減少していく。両者の力を足すと常に一定の力となるので、圧子４が測定試料９にいかなる高さ位置で接触しても、常に一定の押込み力を発生させることができる。

さらに、シャフト８の一部に強磁性体からなる部位が設けられており、当該強磁性体部位の近傍に永久磁石１０が固定されている。この永久磁石１０から受ける磁力によるシャフト８の制振作用は、特に外乱に起因する振動に対して効果を発揮する。

なお、圧子押込み装置１を硬さ測定装置の一部として用いる場合には、変位計１１で計測されたシャフト８の変位と電磁コイル２への供給電流値から押し込み量と荷重の特性曲線を求め、硬さを算出する。また、硬さのほかヤング率等の物性についても同様にして測定することが可能である。

圧子押込み装置１は、シャフト８の軸方向が水平方向と一致するように配置された、いわゆる横置きの状態で使用することで耐振動性を向上させることができる。すなわち図１に示した平面図の通りに圧子押込み装置１を配置し、シャフト８を水平方向に移動させることで圧子４の押込み荷重の増加・減少に対する重力の影響を排除することができるので、耐振動性が顕著に向上する。

本発明に係る圧子押込み装置は、ナノインデンターその他の硬さ測定装置の圧子押込み装置として広く利用可能である。

１圧子押込み装置
２電磁コイル
３板ばね
３ａ山折り部
４圧子
６、７磁極板
６ａ、７ａＳ極面
８シャフト
９測定試料
１０永久磁石
１１変位計
１２マイクロメータヘッド

Claims

被測定物に押し込まれる圧子を先端に有し軸方向に移動可能に保持されたシャフトと、該シャフトに同極側を対向させて設けられた２つの磁極板と、該磁極板に挟まれる位置に固定されて前記シャフトの軸方向に向かう内部磁場を発生する電磁コイルと、前記シャフトの変位を測定する変位計とを有することを特徴とする圧子押込み装置。
前記シャフトが板ばねの中央に保持されており、該板ばねの両端が固定されている、請求項１に記載の圧子押込み装置。
前記板ばねが、前記電磁コイルから見て前記磁極板よりも外側に設けられている、請求項２に記載の圧子押込み装置。
前記板ばねが、前記圧子側に山折り部を形成するように折り曲げられている、請求項２または３に記載の圧子押込み装置。
磁石が前記シャフトの強磁性体部位の近傍に固定されている、請求項１〜４のいずれかに記載の圧子押込み装置。
硬さ測定装置の圧子を押し込むために用いられ、前記シャフトの軸方向が水平方向と一致するように配置されている、請求項１〜５のいずれかに記載の圧子押込み装置。