JP7156899B2

JP7156899B2 - 硬さ試験機及びプログラム

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Publication number: JP7156899B2
Application number: JP2018193103A
Authority: JP
Inventors: 裕川久保
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2018-10-12
Filing date: 2018-10-12
Publication date: 2022-10-19
Anticipated expiration: 2038-10-12
Also published as: JP2020060502A

Description

本発明は、硬さ試験機及びプログラムに関する。

従来、試料の表面に圧子を押し込んでくぼみを形成し、そのくぼみに基づいて、試料の硬さを測定する硬さ試験機が知られている。
硬さ試験機では、例えば圧子の下方に設けられた試料台に試料を載置させ、圧子を下降させて試料表面の試験位置にくぼみを形成する。
こうした硬さ試験機においては、圧子の下降を開始する前、圧子の真下に所望の試験位置が配置されているか確認する必要がある。このため、例えば、圧子を試料表面の近傍まで下降させて目視によって判断し、正しい位置になっていないと、圧子を再び上昇させて試料を設置し直すなどの調整作業を行うこととなる。
そこで、このような調整作業を容易に行うべく諸々の技術が提案されており、例えば、特許文献１には、試料に光を照射してスポットを有する照光パターン形成し、所望の試験位置がスポットの位置となるよう試料を調整した後、スポットの位置が圧子の頂点の真下となるよう試料を移動させることで、位置合わせする硬さ試験機が記載されている。

特開２０１７－５３７３２号公報

しかしながら、上記特許文献１では、試験位置がスポットの位置となるよう調整するときしか試料に光が照射されず、圧子を試料に接近させる段階では試験位置が分からなくなるため、使い勝手が悪いものであった。

本発明の課題は、試験位置の調整作業が容易で、且つ使い勝手の良好な硬さ試験機及びプログラムを提供することである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、
試料の表面に圧子により所定の試験力を負荷してくぼみを形成させ、当該くぼみを用いて試料の硬さを測定する硬さ試験機において、
試料の表面に対して光を照射する照光部と、
前記圧子を試料に接近させる間、前記照光部により試料の試験位置にスポット状の照光パターンを形成させる制御部と、
前記圧子及び前記照光部を保持して一体として昇降させるヘッド部と、を備え、
前記照光部は、光を出射する照射機と、前記照射機を回動させるチルト機構と、を備え、
前記制御部は、前記圧子の試料への接近に伴って前記チルト機構を制御して、前記照射機から試料の表面に照射される光の照射角度を変更させることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の硬さ試験機において、
前記ヘッド部は、試料表面からの距離を測定する測定部を備え、
前記制御部は、前記圧子を試料に接近させる間、前記測定部の測定値に基づいて前記チルト機構を制御することを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の硬さ試験機において、
前記ヘッド部は、試料表面からの距離を測定する測定部を備え、
前記制御部は、前記圧子を前記試料に接近させる間、前記測定部から出力される測定値の変化率が予め定められた閾値を超えた場合、前記圧子の動作を停止させることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、
試料の表面に対して光を照射する照光部と、
前記圧子及び前記照光部を保持して一体として昇降させるヘッド部と、を備え、
前記照光部は、光を出射する照射機と、前記照射機を回動させるチルト機構と、を備え、
試料の表面に圧子により所定の試験力を負荷してくぼみを形成させ、当該くぼみを用いて試料の硬さを測定する硬さ試験機のコンピュータを、
前記圧子を試料に接近させる間、前記照光部により試料の試験位置にスポット状の照光パターンを形成させる制御手段として機能させるためのプログラムであって、
前記制御手段は、前記圧子の試料への接近に伴って前記チルト機構を制御して、前記照射機から試料の表面に照射される光の照射角度を変更させる。

本発明によれば、試験位置の調整作業が容易で、且つ使い勝手の良好な硬さ試験機を提供することができる。

本発明に係る硬さ試験機の全体構成を示す斜視図である。図１の硬さ試験機の試験機本体を示す模式図である。図１の硬さ試験機の制御系の構成を概略的に示すブロック図である。図１の硬さ試験機の動作を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。ただし、発明の範囲は図示したものに限定されない。

［１．構成］
図１は、本実施の形態に係る硬さ試験機１００の全体構成を示す斜視図である。なお、以下の説明において、図１におけるＸ方向を左右方向とし、Ｙ方向を前後方向とし、Ｚ方向を上下方向とする。また、Ｘ－Ｙ面を水平面とする。

図１に示すように、硬さ試験機１００は、試験機本体１０、制御部１７、操作部１８及びモニター１９等を備えて構成されている。この硬さ試験機１００は、例えば、ロックウェル硬さ試験機である。

図２は、試験機本体１０を示す模式図である。
図２に示すように、試験機本体１０は、試料Ｓを載置させるベース１１、ベース１１上に立設されたコラム１２及びコラム１２に沿って上下動可能なヘッド部１３等を備えている。

ベース１１は、その上面が試料Ｓを載置可能な水平面に形成された台座である。ベース１１の上面後方には、コラム１２が立設されている。
なお、ベース１１には、載置された試料Ｓを水平方向に移動させ、当該試料Ｓの水平方向の位置を調整するための機構（ＸＹステージ等）が備えられていても良い。

コラム１２は、ベース１１の上面から垂直に起立する柱材であり、ヘッド部１３を上下動可能に支持している。

ヘッド部１３は、コラム１２に支持され、昇降機構１３ａ（図３参照）によって上下動するための動力が与えられる。昇降機構１３ａは、例えば、モータと、そのモータの回転軸にプーリ等を介して巻きかけられたベルト等を備えて構成され、モータの回転によりベルトが上下に動いてヘッド部１３を上昇・下降させるように構成されている。なお、ヘッド部１３を上下動させることが可能であれば、昇降機構の構成は特に限定されない。
ヘッド部１３は、例えば、ベース１１上に載置された試料Ｓに対して光を照射する照光部１４と、試料Ｓにくぼみを形成する圧子１５と、試料Ｓの表面からの距離を測定する測定部１６とを保持している。このため、ヘッド部１３の上下動に伴って、照光部１４、圧子１５及び測定部１６は、一体として上下動することとなる。

照光部１４は、光を発生させて出射する照射機１４ａと、照射機１４ａを回動可能に支持するチルト機構１４ｂと、を備える。

照射機１４ａは、例えば、ＬＤ（Laser Diode）等の光源を備え、レーザ光を発生させて出射し、下方に位置する試料Ｓの一点にスポット状の照光パターンを形成させる。
この照射機１４ａは、チルト機構１４ｂにより回動軸（図示省略）を中心に回動され、試料Ｓに対する照射角度を変更することが可能とされている。
なお、装置構成を安価にする観点から、上記したように、光源としてレーザ光を発生するものを用いることとするが、これ以外にも、例えば、ハロゲンやＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの光源を用いることもできる。

チルト機構１４ｂは、例えば、モータと、そのモータの出力軸に連結されたウォームギヤ等を備えて構成され、制御部１７が出力する制御信号に応じたモータの回転により、ウォームギヤが所定量動いて照射機１４ａを回動させる。なお、照射機１４ａを回動させることが可能であれば、チルト機構の構成は特に限定されない。

圧子１５は、ヘッド部１３の下降に伴って試料Ｓに向けて移動され、試料Ｓの表面に所定の試験力で押し付けられる。これにより、試料Ｓの表面にくぼみが形成される。
使用される圧子１５としては、例えば、先端半径０．２ｍｍで先端角１２０度の円錐のダイヤモンド圧子や、１／１６インチ、１／８インチなどの鋼球を用いた圧子などが挙げられる。

測定部１６は、ヘッド部１３の昇降時に試料Ｓからの距離を測定することの可能な距離センサである。距離センサとしては、例えば、対象物（試料Ｓ）の表面に赤外線の光を放射し、対象物からの反射光が戻ってくるまでの時間を計測して距離を求めるものを用いることができるが、公知の如何なる構成のものを適用しても良い。
測定部１６は、圧子１５を試料Ｓに接近させている間、試料Ｓの表面からの距離を測定し、その測定値を制御部１７に出力する。

図３は、硬さ試験機１００の制御系の構成を概略的に示すブロック図である。
図３に示すように、制御部１７は、操作部１８、モニター１９及び試験機本体１０等に接続されている。
制御部１７は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１７１と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１７２と、記憶部１７３と、を備えて構成され、記憶部１７３に記憶された所定のプログラムが実行されることにより、硬さ試験を行うための動作制御等を行う機能を有する。

ＣＰＵ１７１は、記憶部１７３に格納された処理プログラム等を読み出して、ＲＡＭ１７２に展開して実行することにより、硬さ試験機１００全体の制御を行う。

ＲＡＭ１７２は、ＣＰＵ１７１により実行された処理プログラム等をＲＡＭ１７２内のプログラム格納領域に展開するとともに、入力データや上記処理プログラムが実行される際に生じる処理結果等をデータ格納領域に格納する。

記憶部１７３は、例えば、プログラムやデータ等を記憶する記録媒体を有しており、ＣＰＵ１７１が硬さ試験機１００全体を制御する機能を実現させるための各種データ、各種処理プログラム、これらプログラムの実行により処理されたデータ等を記憶する。
例えば、記憶部１７３には、硬さ測定に際して実行されるキャリブレーションにより作成されたキャリブレーションデータが記憶される。

操作部１８は、キーボードやマウス等を備えて構成され、硬さ試験を行う際の作業者による入力操作を受け付ける。操作部１８は、作業者による所定の入力操作を受け付けると、その入力操作に応じた所定の操作信号を生成して、制御部１７へと出力する。
例えば、操作部１８は、作業者が、硬さ試験機１００による硬さ試験を実施する際の試験条件を入力する操作を受け付ける。試験条件値とは、例えば、試料Ｓの材質、圧子１５により試料Ｓに負荷される試験力（Ｎ）などである。

モニター１９は、例えば、ＬＣＤ（liquid crystal display）などの表示装置により構成されている。モニター１９は、操作部１８において入力された硬さ試験の試験条件、及び硬さ試験の結果等を表示する。

［２．動作］
次に、本実施の形態に係る硬さ試験機１００による硬さ測定について説明する。
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、硬さ試験機１００の動作を説明するための図である。
まず、この硬さ測定に際しては、予めキャリブレーションが行われる。
キャリブレーションは、例えば、圧子による試験位置にマーキングが施された高さの異なる数種類のキャリブレーション用の試料を用いて行われ、その試料の表面からの距離（測定部１６の測定値）に対し、照射機１４ａの回動角度（試料Ｓに対する光の照射角度）を調整し照射位置と試料のマーキングを一致させる。試料の表面からの距離と照射機１４ａの回動角度との対応関係は、キャリブレーションデータとして記憶部１７３に記憶される。

そして、作業者により、ベース１１上に試験対象となる試料Ｓが載置され、操作部１８を介して試験開始指示がなされると、制御部１７は、照射機１４ａにより試料Ｓに対して光を照射し、試料Ｓの表面にスポット状の照光パターンを表示させる（図４（ａ）参照）。
次いで、制御部１７は、昇降機構１３ａを駆動してヘッド部１３をコラム１２に沿って下降させる。ヘッド部１３の下降に伴って、照光部１４、圧子１５及び測定部１６が一体的に下降する。
このとき測定部１６は、試料Ｓの表面からの距離を測定しており、制御部１７は、キャリブレーションデータに基づき、その出力値（測定値）に応じてチルト機構１４ｂを制御して、照射機１４ａを回動させる。
このため、ヘッド部１３の下降に伴って、照射機１４ａから照射される光の照射角度が変化し、試料Ｓの試験位置Ｐにスポット状の照光パターンが表示され続けることとなる（図４（ｂ）参照）。
これにより、圧子１５が下降されて試験位置Ｐに到達するまで、常時、試験位置Ｐを認識することが可能となる。

なお、ヘッド部１３の下降により圧子１５の頂点が試験位置Ｐに達した時点で（くぼみ形成が開始された時点で）、照射機１４ａによる光の照射を終了させることとしても良い。この場合、制御部１７は、光の照射を終了させるとすぐに、次の試験に備えるべく、照射機１４ａを元の角度に戻すことができる。

その後、制御部１７は、圧子１５に所定の試験力を付与して試験位置Ｐにくぼみを形成させ、所定のデータ解析を実行して、試料Ｓの硬さを算出する。

また、制御部１７は、硬さ試験の実行中、すなわち圧子１５を試料Ｓに接近させる間、測定部１６から出力される測定値の変化率が予め定められた閾値を超えた場合、圧子１５の動作を停止させることができる。
これは、例えば、試料Ｓと測定部１６との間に作業者の手指等の異物が入るなどの事態が発生した場合を想定した制御であり、かかる事態には試験を停止させることで、作業上の安全性を保つことが可能となる。

［３．効果］
以上のように、本実施の形態によれば、試料Ｓの表面に圧子１５により所定の試験力を負荷してくぼみを形成させ、当該くぼみを用いて試料Ｓの硬さを測定する硬さ試験機１００において、試料Ｓの表面に対して光を照射する照光部１４と、圧子１５を試料Ｓに接近させる間、照光部１４により試料Ｓの試験位置Ｐにスポット状の照光パターンを形成させる制御部１７と、を備える。
このため、圧子１５が試料Ｓに到達するまで、常時、試験位置Ｐにスポット状の照光パターンが形成されるので、試験位置の調整作業が容易で、且つ使い勝手を良好にすることができる。また、試験位置の調整作業の時間が短縮され、作業の効率化を図ることができる。

また、本実施の形態によれば、圧子１５及び照光部１４を保持して一体として昇降させるヘッド部１３を備え、照光部１４は、光を出射する照射機１４ａと、照射機１４ａを回動させるチルト機構１４ｂと、を備え、制御部１７は、圧子１５の試料Ｓへの接近に伴ってチルト機構１４ｂを制御して、照射機１４ａから試料Ｓの表面に照射される光の照射角度を変更させる。
このため、圧子１５及び照光部１４を一体として昇降させる構成において、圧子１５の下降に伴って光の照射角度を変更させることで、常時、試験位置Ｐにスポット状の照光パターンを形成させることができる。
また、圧子１５及び照光部１４を一体として昇降させる構成により、これらを別体とした構成と比べて装置の小型化を図ることができる。

また、本実施の形態によれば、ヘッド部１３は、試料Ｓの表面からの距離を測定する測定部１６を備え、制御部１７は、圧子１５を試料Ｓに接近させる間、測定部１６の測定値に基づいてチルト機構１４ｂを制御する。
このため、圧子１５の下降に伴ってチルト機構１４ｂを制御することで、正確に光の照射角度を変更させることができる。

また、本実施の形態によれば、制御部１７は、圧子１５を試料Ｓに接近させる間、測定部１６から出力される測定値の変化率が予め定められた閾値を超えた場合、圧子１５の動作を停止させる。
このため、ヘッド部１３の下降時に不測の事態があった場合にこれを認識し、圧子１５の動作を緊急的に停止させることが可能となる。

［４．その他］
本発明を適用可能な実施の形態は、上述した実施の形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、上記実施の形態においては、照光部１４はヘッド部１３に保持されているが、圧子１５を試料Ｓに接近させる間、試験位置Ｐにスポット状の照光パターンを表示し続けることが可能であれば、照光部１４をヘッド部１３と別体に設けても良い。

また、上記実施の形態においては、測定部１６の測定値に応じて照射機１４ａを回動させる構成を例示して説明したが、測定部１６を用いない構成としても良い。例えば、ヘッド部１３の下降距離（移動距離）を計測し、その計測値に応じて照射機１４ａを回動させる等の制御でも良い。

また、上記実施の形態においては、ロックウェル硬さ試験機を例示して説明したが、本発明を適用可能な硬さ試験機としては、これ以外にも、例えば、ビッカース硬さ試験機、マイクロビッカース硬さ試験機、ブリネル硬さ試験機などであっても良い。

１００硬さ試験機
１０試験機本体
１１ベース
１２コラム
１３ヘッド部
１３ａ昇降機構
１４照光部
１４ａ照射機
１４ｂチルト機構
１５圧子
１６測定部
１７制御部
１７１ＣＰＵ
１７２ＲＡＭ
１７３記憶部
１８操作部
１９モニター
Ｓ試料
Ｐ試験位置

Claims

試料の表面に圧子により所定の試験力を負荷してくぼみを形成させ、当該くぼみを用いて試料の硬さを測定する硬さ試験機において、
試料の表面に対して光を照射する照光部と、
前記圧子を試料に接近させる間、前記照光部により試料の試験位置にスポット状の照光パターンを形成させる制御部と、
前記圧子及び前記照光部を保持して一体として昇降させるヘッド部と、を備え、
前記照光部は、光を出射する照射機と、前記照射機を回動させるチルト機構と、を備え、
前記制御部は、前記圧子の試料への接近に伴って前記チルト機構を制御して、前記照射機から試料の表面に照射される光の照射角度を変更させることを特徴とする硬さ試験機。
前記ヘッド部は、試料表面からの距離を測定する測定部を備え、
前記制御部は、前記圧子を試料に接近させる間、前記測定部の測定値に基づいて前記チルト機構を制御することを特徴とする請求項１に記載の硬さ試験機。
前記ヘッド部は、試料表面からの距離を測定する測定部を備え、
前記制御部は、前記圧子を前記試料に接近させる間、前記測定部から出力される測定値の変化率が予め定められた閾値を超えた場合、前記圧子の動作を停止させることを特徴とする請求項１又は２に記載の硬さ試験機。
試料の表面に対して光を照射する照光部と、
前記圧子及び前記照光部を保持して一体として昇降させるヘッド部と、を備え、
前記照光部は、光を出射する照射機と、前記照射機を回動させるチルト機構と、を備え、
試料の表面に圧子により所定の試験力を負荷してくぼみを形成させ、当該くぼみを用いて試料の硬さを測定する硬さ試験機のコンピュータを、
前記圧子を試料に接近させる間、前記照光部により試料の試験位置にスポット状の照光パターンを形成させる制御手段として機能させるためのプログラムであって、
前記制御手段は、前記圧子の試料への接近に伴って前記チルト機構を制御して、前記照射機から試料の表面に照射される光の照射角度を変更させるプログラム。