JP6914273B2 - 圧入体の圧入運動中に、測定信号を検出するための測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧入体が検体の表面に圧入する運動中の測定信号を検出するための測定装置に関し、特に、検体の表面の硬さまたは耐傷性を特定するための測定装置に関する。

検体のフィルムまたは被覆の表面の耐傷性を測定するための測定装置は、特許文献１から既知である。この測定装置は、圧電駆動装置が固定された第１の輪郭形状体を有する。第１の輪郭形状体は板と係合し、この板はＣ型の輪郭形状体の開口したＣ型の端部とばね要素によって接続する。第２のＣ型の輪郭形状保持体は、次に、この板の上に配置される。第２のＣ型の輪郭形状保持体は、ここでもばねによって、保持板をＣ型の輪郭形状体の開口端部に対して移動可能に収容する。圧入体は、保持体の下端部に設けられ、この圧入体は検体の表面に圧入する。このような測定装置は設計上複雑であり、費用がかかる。さらに、高質量が駆動装置と圧入端との間で移動する。

表面の凹凸の大きさおよび形状を測定するための装置は、特許文献２から既知である。測定装置は、筐体を備え、筐体には、一対の板ばねが固定される。伝達ピンは板ばねの各自由端部に設けられ、この伝達ピンは板ばねによって、上下に移動可能である。走査先端は伝達ピンの自由端部に設けられる。軽量のコイルは伝達ピンの対向端部に設けられ、表面粗さの走査中に位置の変化を検出する。

ドイツ国特許出願第６９９１７７８０Ｃ２号 米国特許出願第２６２０６６５Ａ号

本発明の目的は、低質量の圧入体を起動するための構成が、駆動装置と圧入体との間に形成される測定装置を生成することである。

本目的は、力発生機器と圧入体との間に延在した伝達要素が設けられる測定装置によって実現される。このような伝達要素は、質量が小さくなるように形成され、力発生機器によって生成される圧力運動を直接圧入体に伝達することができる。

圧入体から力発生装置まで延在し、低質量を有する本伝達要素は、たとえば、検体の表面への圧入体の圧入運動を検出するための測定装置で用いることができ、たとえば、硬さ測定装置、または検体の表面の耐傷性を特定するための測定装置などで用いることができる。代替的に、本測定装置は、検体の表面上の圧入体の走査運動のために提供されてもよく、たとえば、粗さ測定を実施し、または検体の表面の位置認識を検出し、または検体の表面の耐傷性特定中にいわゆる事前走査および／もしくは事後走査を実施してもよい。

さらに、第１の測定装置の第１のセンサ要素は筐体の筐体部分上に設けられ、第１の測定装置の第２のセンサ要素に対して非接触様式で配置され、この第２のセンサ要素は、伝達要素に固定される。この第１の測定装置は、たとえば、圧入体の圧入運動を検出し、好ましくは距離センサとして形成される。ここで、より低質量のセンサ要素が、移動する要素の全体質量を押えるために伝達ピンに固定される。

伝達要素は好ましくは、ロッド型またはピン型の形状に形成される。したがって耐圧の伝達要素が生成され、力発生機器によって生成された圧入運動を直接圧入体に伝達する。このロッド型またはピン型の伝達要素は中実の断面および中空体のどちらでも形成可能である。同様に、伝達ピンは、たとえば、曲げ耐性またはゆがみ耐性のある伝達ピンを形成するために、Ｕ型の輪郭またはＨ型の輪郭または類似の輪郭であってもよい。

さらに、伝達ピンは、好ましくは力発生機器と接続要素によって係合する。したがって、簡潔で迅速に伝達ピンを連結することができる。

さらに、接続要素は、好ましくは、保持要素上に設けられる。この保持要素は、圧入体を収容し、伝達ピンを保持要素に固定または連結するために筐体に固定される。伝達ピンは、したがって、力発生機器と保持要素との間に簡潔な様式で一体化されてもよく、また交換可能に設けられてもよい。したがって、これによって、さらに伝達要素は力伝達機器と保持要素との間に継続して延在することになる。

力伝達機器および／または保持要素上の接続要素は、好ましくは、収容穴によって形成される。収容穴では、伝達要素の端部、特に伝達ピンがそれぞれ収容される。伝達要素は、接続要素上または接続要素内に、好ましくは固定要素で固定される。これによって、簡潔で迅速に伝達ピンを取り付けることができる。

さらに、別の測定装置の第１のセンサ要素は、好ましくは筐体の筐体部分上に設けられて第２の測定機器の第２のセンサ要素に割り当てられ、この第２のセンサ要素は次に、伝達要素に固定される。たとえば、伝達要素の長手方向軸に垂直な平面における伝達ピンの偏差または変位は、この第２の測定機器によって検出されてもよい。

第１および第２の測定機器は、好ましくは、触らない様式で、具体的には非接触様式で動作し、それによって圧入体の圧入運動を生成するための走行運動または上昇運動は、摩擦を生じない。

さらに、保持要素は、好ましくは測定装置の筐体の筐体部分の下部周辺領域に、力発生機器から離間して備えられ、圧入体を収容する。圧入体は、したがって、直接圧入部位に収容され、確実な様式で誘導可能である。

保持要素は、好ましくは、圧力膜として形成され、少なくとも１つの自由度における運動の自由を有し、具体的には力発生機器の運動方向の自由度において、運動の自由を有する。本測定装置は、したがって、硬さ測定の実施に適しているだけではなく、検体の表面の耐傷性を特定するのにも適している。

保持要素の代替的な実施形態によって、保持要素は少なくとも伸長平面の変位の方向を指し、伸長平面の変位の方向と垂直な方向では剛性となり、第２の方向では柔軟であるように形成される。したがって、特に耐傷性測定が実施される場合は、より良い評価を得るために、圧入の深さ以外の別のパラメータが検出されてもよく、つまり、横方向の変位が検出されてもよい。

保持要素は、好ましくは、ベリリウム銅から形成される。本素材は、実質的にヒステリシスを含まないため、特に好適である。したがって、圧入体の直接的で、損失のない制御が、可能となる。

さらに、第１の測定装置は、好ましくは、渦電流原理によって動作する。これは、余効がなく、小型な構造も可能になりえることが証明された測定機器である。たとえば、フェライト板またはフェライトリングが、好ましくは解除可能に、特にねじ接続によって、移動可能な第２のセンサ要素として伝達ピンに固定されてもよく、ポットコイルは筐体に第１の固定されたセンサ要素として固定されてもよい。

これは、同様に、渦電流原理によって動作する第２のまたは別の測定装置にも同様に適用される。たとえば、この第２の測定装置は、Ｘ方向への圧入体の変位、つまり、Z方向への圧入体の圧入運動に垂直な変位を測定することができる。試料体の耐傷性の測定中に起きる、圧入体または伝達ピンの試料体の走行方向に沿った変位は、したがって、検出可能である。代替的に、筐体上の２つのセンサ要素は、互いに１８０°ずらされる伝達要素上のセンサ要素に割り当てられる。第１に、伝達ピンの変位は、試料体の走行経路に沿って、つまり、Ｘ方向において検出可能であり、第２に、Ｙ方向においても検出可能である。

さらに、圧入体は、好ましくは交換可能に伝達ピン上に設けられる。したがって、異なる測定タスクに対して迅速で簡潔な適応ができるだけではなく、圧入体に損傷が起きた際には、素早い交換も実行できる。好ましくは、交換可能に圧入体上に配置される圧入端にも同じことが適用される。

さらに、力伝達機器は、圧電駆動装置、空気圧式駆動装置、油圧式駆動装置または電磁式駆動装置として形成される。これらの駆動装置のすべてによって、圧入体の圧入運動または上昇運動の生成が可能になり、これらの運動は伝達要素に伝達可能である。

本発明はならびに本発明の別の有利な実施形態および発展は、図に記載する例を用いて以下詳細に記載および説明する。説明および図面から得られる特徴は、本発明にしたがって個別に、または組み合わせて適用することができる。

本発明による測定構成の概略図である。 図１による発明的な測定構成の測定装置概略拡大図である。 図２による測定装置を下から見た概略図である 図２による測定装置の概略断面図である。 図２による代替測定装置の概略断面図である。

測定構成１１を図１に概略的に示す。このような測定構成１１は、検体１４の表面、たとえば、対象上のフィルム、層、および／または被覆などの機械的および／または物理的特性を検査するために設けられる。たとえば、測定構成１１は硬さ測定機器として用いることができる。硬さ測定機器では、測定装置１２の圧入体４１で圧入することによって硬さ測定が実施される。さらに、本測定構成１１は測定装置１２を備えることができる。測定装置１２は、対象上のフィルム、層または被覆の耐傷性を特定する。ここで、たとえば、耐傷性に関してＣＶＤまたはＰＶＤ被覆を検査することができる。同様に、表面から、さらなる微小な傷も検出することができ、または他の変形情報も検出および分析することができる。本測定構成１１によって、具体的には測定装置１２を用いて同様に、検体１４の表面に損傷を与えずに、検体１４の表面の粗さ測定が可能となる。本事例では、圧入体４１は検体１４の表面上に配置され、検体の表面の粗さを走査するために表面に沿って移動される。

測定構成１１は、共通の基体１６を備える。共通の基体１６は、好ましくは花崗岩から形成されてもよい。三脚１７は基体１６上に設けられ、ブーム１８の測定装置１２を収容する。三脚１７は、駆動モータを備える。駆動モータによって、測定装置１２は図１に示す初期位置２１から試験位置２２まで移動することができる。試験位置２２では、圧入体４１は検体１４上に置かれる。たとえば、駆動モータ１９はブーム１８を駆動し、三脚１２の誘導ポスト２３に沿って上下に移動させることができる。

測定台２５がさらに基体１６上に設けられる。本測定台２５は測定台容器２６を有する。測定台容器２６は、矢印２７にしたがって少なくともＸ方向に移動可能に駆動されてもよい。検体１４は測定台容器２６上に配置され、そこに固定される。

測定構成１１はさらに、光学検出装置２９を備えていてもよい。光学検出装置２９は同様に、三脚１７上に配置されてもよく、または、有利には、三脚１７から離間して別の三脚３１上に配置されてもよい。本光学検出装置２９は、測定装置１２に隣接して配置されてもよい。ここで、測定台２５または測定台容器２６は、圧入点または傷を検体１４の表面に付けた後に、検体１４が光学検出装置２９に対して移動できるように、移動可能なように設計される。それによって、検体１４の表面につけられた圧入点または傷は、光学的に検出可能である。代替的に、測定装置１２および光学検出装置２９は測定台２５に対して走行運動をすることができる。

さらに、測定構成１１は、概略的に示されるコントローラ３３を備える。コントローラ３３は、詳細には図示しない演算装置と、表示装置３５と、入力装置３６とを備える。コントローラ３３は少なくとも三脚１７と、測定装置１２と、測定台２５とに信号線によって接続する。好ましくは、光学検出装置２９および任意で光学検出装置２９を受容する三脚３１もまた、コントローラ３３に取り付けられる。

さらに、測定構成１１は、測定装置１２を制御するための少なくとも１つのポンプ３８を備える。ポンプ３８を通じて、圧力媒体が測定装置１２に送達され、圧入体４１の測定装置１２に対する圧入運動を制御する。本ポンプ３８はコントローラ３３に信号線によって接続する。有利には、ポンプ３８は、圧力媒体を保存容器３９に送達することができる。保存容器３９から、圧力媒体は測定装置１２まで送達線４０を通じて送達される。ポンプ３８と保存容器３９のいずれも共通の基体１６上には配置されない。

図２では、本発明による測定装置１２の斜視図を示す。図３は下からの図を示す。図４では、図２による概略断面図を示す。特に構造説明に関して、測定装置１２をさらに詳細に参照する。

本測定装置１２は力発生機器４４を有する。力発生機器４４によって、圧入体４１の検体１４の表面に対する走行運動、具体的には圧入運動が制御される。本力発生機器４４は、筐体４７に一体化される圧力室４６を備える。本筐体４７は円筒形の筐体壁４８を有し、筐体壁４８には、第１の圧力面５１および第２の圧力面５２が割り当てられる。これらの２つの圧力面５１、５２は、有利には筐体壁４８に、解除可能な接続によって、具体的にはクランプ接続またはねじ式接続によって固定される。圧力室４６は、筐体壁４８と、第１および第２の圧力面５１、５２によって形成される。代替的に、末端がその上に配置された閉鎖圧力室を用いてもよい。注入口５４および排出口５５が筐体壁４８上に設けられ、それによって圧力媒体を送達し、排出することができる。

注入制御弁５６は、好ましくは、注入口５４につながる送達線４０内に設置される。代替的に、注入弁５６は直接注入口に取り付けられる。排出制御弁６０は、圧力室４６から圧力媒体が流出する排出側で、別の送達線５８内に配置される。排出制御弁６０もまた、直接排出口５５に取り付けられる。

第１および第２の圧力面５１、５２は、好ましくは圧力膜として形成され、特に好ましくは、円形波を有する波状圧力モータとして形成される。圧力膜は１つの移動方向のみに１つの自由度を有する。この自由度は、Ｚ方向に配向され、測定装置１２の長手方向中心軸６１にある。圧力面５１、５２がＺ軸の回りを回転することは、第１および第２の圧力面５１、５２をクランプすることによって防止される。

圧力スタンプ６３は、第１および第２の圧力面５１、５２それぞれの上に固定して配置される。第２の圧力面５２に割り当てられるセンサ６６は、たとえば、接続要素６４によって固定されてもよい。センサ６６は、具体的には、圧力センサとして形成される。圧力センサは、第２の圧力面５２の運動による、圧力室４６内の圧力を検出し、その圧力をコントローラ３３に伝達する。

伝達要素６８は第１の圧力面５１と圧入体４１との間に設けられる。伝達要素６８は、筐体壁４７に隣接する筐体部分６９を貫通して延在する。本筐体部分６９は円筒形に形成されるため、圧入体４１のＺ方向への走行運動を検出するための第１の測定装置７１が内部に配置される。さらに、別の測定装置７３は、好ましくは筐体部分６９に配置される。筐体部分６９は、検体１４の表面への圧入中に、Ｘ方向への圧入体４１の少なくとも１つの変位を検出する。これは、好ましくはＸ方向への検体１４の同時走行運動中にも生じる。さらに、少なくとも１つの別の測定装置７３はまた、Ｙ方向への圧入体の変位も検出することができる。

保持要素７５はまた下部筐体部分６９上にも配置される。下部筐体部分６９は、圧入体４１を収容し、筐体部分６９の外側端部領域７６まで延在する。本保持要素７５は、次に筐体部分６９に解除可能な接続で固定される。保持要素７５は、少なくとも１つの運動方向に１つの自由度を有する圧力膜として形成される。この少なくとも１つの自由度はＺ軸にあり、つまり測定装置１２の長手方向中心軸６１にある。保持要素７５は、図３に示すように、好ましくは２つの長手方向スロットを備える。保持要素７５は、したがって、Ｘ軸に対応する長手方向スロットと平行な方向に柔軟になり、Ｙ軸方向で剛性となる。保持装置７５は圧力媒体として形成されるため、この保持装置は非常に低い可撓性を有し、好ましくは、ＸおよびＹ方向において耐圧性となるようには形成されない。

圧入体４１は伝達要素６８の下端部に交換可能に留められる。圧入体４１は、圧入体４１上に解除可能に留められる圧入先端７８を有する。

筐体部分６９はショルダ８１を有する。ショルダ８１は貫通穴８２を形成する。貫通穴８２を貫通して伝達要素６８は延在する。第１の測定装置７１の第１のセンサ要素８４は、ショルダ８１上に固定して配置される。第１の測定機器の第２のセンサ要素８５は伝達要素６８上に隣接して配置される。たとえば、第１および第２のセンサ要素８４、８５は距離センサとして形成される。第１のセンサ要素８４は、コイルを有するポット磁石を備える。第２のセンサ要素８５は円板であり、伝達ピン６８に固定されるフェライト素材からなる。この本第２のセンサ要素８５は、好ましくは伝達要素６８上で解除可能であり、第１のセンサ要素８４からの距離を調整可能である。これによって、初期位置における圧入体４１の位置合わせが可能となる。測定装置７１は渦電流原理によって動作する。

別の測定装置（第２の測定装置）７３は、保持要素７５上に配置される第１のセンサ要素８８を備える。第１のセンサ要素８８は、所定の位置に固定されるように、または筐体に固定されるように第２のセンサ要素８９と共に配置され、第２のセンサ要素８９は、伝達ピン６８と係合する。第１の実施形態によれば、本第２のセンサ要素８９は、フェライトリングとして形成されてもよい。第２のセンサ要素８９に対向して、第１のセンサ要素８８を形成するコイルがある。このように、Ｘ方向への圧入体４１の偏差を検出することができる。偏差は、圧入体４１の表面に圧入点を挿入中、または傷９１をつけている間に生成され、伝達ピン６８に伝達される。さらに、第３のセンサ要素９０を設け、Ｘ方向の偏差を検出してもよい。それによってＸ方向への逸脱が改善されたことが検出値と第１および第３のセンサ要素８８、９０とを比較することによって特定されてもよい。代替的に、第３のセンサ要素９０は、第１のセンサ要素８８に対して９０°ずらして配置されてもよく、それによって第１のセンサ要素８８はＸ方向の偏差を検出し、第２のセンサ要素８９はＹ方向の偏差を検出する。

図４の測定装置１１の代替的な実施形態を図５に示す。本実施形態は図４の実施形態とは異なり、力発生機器４４は、たとえば、圧電駆動装置によって形成される。本実施形態では、筐体４７は、したがって、簡略化される。本圧電駆動装置４４は筐体部分６９に挿入され、閉鎖部９３によって固定される。電気接続線９４は閉鎖部９３から外に誘導される。本圧電駆動装置は起動部材９６を有し、起動部材９６は、たとえば、圧力板、スタンプ、または類似のものとして形成される。接続要素６４は、好ましくは、本起動部材９６の上に配置されるか、固定され、それによって圧電駆動装置と伝達要素６８との間に接続点または連結点がある。

別の代替的な駆動装置も同様に、閉鎖部６３で筐体部分６９に固定される圧電駆動装置と類似の様式で、筐体部分６９に配置可能である。

Claims (11)

1. 検体（１４）の表面への圧入体（４１）の圧入運動中に、または前記検体（１４）の表面上の前記圧入体（４１）の走査運動中に、測定信号を検出するための測定装置であって、力発生機器（４４）を収容する筐体（４７）を有し、この筐体（４７）には保持要素（７５）が前記力発生機器（４４）から離間して配置され、前記保持要素（７５）は前記筐体（４７）に対して少なくとも１つの方向に前記筐体（４７）の長手方向軸に沿って移動可能なように設けられ、前記測定装置は前記圧入体（４１）の前記長手方向軸に沿った移動を検出する少なくとも１つの第１の測定装置（７１）であって、前記検体（１４）の表面への前記圧入体（４１）の前記圧入の深さを測定するための、または前記検体（１４）の表面を走査運動中に、前記圧入体（４１）の長手方向軸に沿って前記筐体（４７）に向かう走行運動を測定するための、第１の測定装置（７１）を有し、延在する伝達要素（６８）は前記力発生機器（４４）と前記圧入体（４１）との間に備えられ、
   前記保持要素（７５）は、前記筐体（４７）の筐体部分（６９）の下端部領域上に、前記力発生機器（４４）から離間して形成され、
   前記保持要素（７５）は圧力膜として形成され、少なくとも１つの自由度において、前記力発生機器（４４）の運動方向の自由度において、運動の自由を有し、
   前記伝達要素（６８）は、前記筐体（４７）の前記筐体部分（６９）内で、前記力発生機器（４４）と前記保持要素（７５）の間に延在しており、
   前記第１の測定装置（７１）の第１のセンサ要素（８４）は前記筐体（４７）の筐体部分（６９）内で固定され、前記第１のセンサ要素（８４）は非接触様式で前記第１の測定装置（７１）の第２のセンサ要素（８５）と通信し、前記伝達要素（６８）に固定され、
   さらに、前記長手方向軸に沿った前記圧入体（４１）の移動方向に対して直角の方向における前記圧入体（４１）の変位を非接触様式で検出するために、前記筐体部分（６９）内に配置された第２の測定装置（７３）を有していることを特徴とする、測定装置。
2. 請求項１に記載の測定装置であって、前記伝達要素（６８）は、ロッド型またはピン型の形状に形成されることを特徴とする、測定装置。
3. 請求項１に記載の測定装置であって、前記伝達要素（６８）は前記力発生機器（４４）に接続要素（６４）によって固定可能であることを特徴とする、測定装置。
4. 請求項１に記載の測定装置であって、前記伝達要素（６８）は、前記保持要素（７５）および／または前記圧入体（４１）に接続要素（６４）によって固定可能であることを特徴とする、測定装置。
5. 請求項３または４に記載の測定装置であって、前記接続要素（６４）は収容穴によって形成され、前記伝達要素（６８）の端部は前記接続要素（６４）内に固定可能であることを特徴とする、測定装置。
6. 請求項１に記載の測定装置であって、前記第２の測定装置（７３）は第１のセンサ要素（８８、９０）と第２のセンサ要素（９８）とを有し、
   前記第２の測定装置（７３）の第１のセンサ要素（８８、９０）は前記筐体または所定の位置に前記第１の測定装置（７１）から離間して備えられ、
   前記第２の測定装置（７３）の第２のセンサ要素（９８）は前記伝達要素（６８）上に配置されることを特徴とする、測定装置。
7. 請求項１に記載の測定装置であって、前記保持要素（７５）は、少なくとも前記圧入体（４１）の変位の方向の伸長平面で柔軟に形成され、前記圧入体（４１）の変位の方向と垂直な方向では剛性に形成されることを特徴とする、測定装置。
8. 請求項１に記載の測定装置であって、前記保持要素（７５）は、ベリリウム銅からなることを特徴とする、測定装置。
9. 請求項１に記載の測定装置であって、前記第１の測定装置（７１）および／または前記第２の測定装置（７３）は、渦電流原理にしたがって動作することを特徴とする、測定装置。
10. 請求項１に記載の測定装置であって、前記圧入体（４１）はピン状に形成された伝達要素（６８）上に交換可能に配置可能であり、および／または前記圧入体（４１）の圧入先端（７８）は前記圧入体（４１）上に交換可能に配置可能であることを特徴とする、測定装置。
11. 請求項１に記載の測定装置であって、前記力発生機器（４４）は圧電駆動装置、空気圧式駆動装置、油圧式駆動装置または電磁式駆動装置として形成されることを特徴とする、測定装置。

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