JPH05506305A - 超音波コンタクトインピーダンス方法における、荷重印加の基での硬さ又は弾性材料特性の測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 超音波コンタクトインピーダンス方法における、荷重印加の基での硬さ又は弾性 材料特性の測定方法 本発明は、超音波コンタクトインピーダンス方法における、荷重印加の基での硬 さ又は弾性材料特性の測定方法に関するものである。この方法においては、一端 に押し込み体を有するロンド型の共振器を、ある与えられた試験力で試験片に対 して押圧する。すると、該押し込み体が試験片に押し込まれ、その結果として生 じる共振器の振動数ｆにおける変化量ｄｆが測定される。そこで、この値は、硬 さＨＶが既知なる時には弾性係数Ｅをめる変換式に用いられ、また、弾性係数Ｅ とポアソン比μが既知なる時には硬さＨＶをめる変換式に用いられる。

上述したタイプの硬さ試験の方法は、ＤＨ−Ａ−３９３４５７８から公知であり 、硬さ試験の共振方法に関する基本特許、ＵＳＰ３１　５３５８８に基づくもの でもある。この方法は、しばしばＵＣＩ（超音波コンタクトインピーダンス）方 法と呼ばれる。この方法の理論的基礎は、ブラッドウェルとクリーサテル（Ｇｌ ｉｄｖｅｌｌ　ｒｏｄ　Ｋｌｅｅｓａｌｌｅｌ）による論文（コンタクトインピ ーダンスメーター−２、超音波、１９６８年１０月、ｐｐ２４４−２５０）にお いて述べられている。

上述したタイプ（ＤＥ−Ａ−３９３４５７８）の硬さ試験方法は、特に低い機械 リアクタンスで連続生産された部品の硬さの値をめる為のものである。この方法 においては、較正は、まず、数枚の硬さ基準片にくぼみを付け、次に、このくぼ みをＵＣＩ及び光学的手段（ビッカーヌ試験）の両方によって測定する。このよ うにして得た儂と硬さ基準片の既知の硬さの値は、ＵＣＩ測定における１つの高 次の補正関数の係数をめたり、光学測定における少なくとも１つの少なくとも１ 次の補正関数の係数をめる為に用いられる。そこで、連続生産された部品上にく ぼみを付けて、これらくぼみをＵＣＩ及び光学的に測定すると、補正要素がそれ ぞれのくぼみに対する光学測定及びＵＣＩ測定の比からめることができる。これ により、他の連続生産された部品は、補正要素をめた際の基準座標にできるだけ 近い表面座標において、ＵＣＩだけで硬さ試験にかけることができる。従って、 他の連続生産された部品については、光学的測定を行なわなくてもよいので、こ の硬さ測定は、このようにして大幅に凧純化され、且つ、スピードアップされる 。

ここで用いられる補正は基本的には実験に基づくものであり、試験片の特性に適 合するようになされたものである。試験片の形状が少しでも変化すれば、較正を 再び初めからやり直さなければならない。しかし、公知の方法によって試験片の 機械リアクタンスをめることは不可能である。

機械リアクタンスは壜に、不要な妨害要素として見做され、実際にはめられない 。

故に、本発明の目的は、試験片の機械リアクタンスをめ、硬さや弾性係数をめる 測定結果において、より正確に機械リアクタンスを考慮することによって、最初 に記述したタイプのＵＣ１方法を変更することであった。

最初に記述したタイプの方法から始めると、この目的は、少なくとも２つの異な る試験力で振動数の変化量ｄｆを測定し、このようにして測定した振動数の変化 量ｄｆを次の変換式に代入することによって達成される。

ＨＶ＝Ｇ　（ｄ　ｆ、ａ、Ｒｏ、ｂ）’　（１）ここで、ａは、試験片に従属し ない、装置に関係した定数、Ｒｏは、試験片の機械リアクタンス、ｂは、弾性係 数Ｅとポアソン比μを含んだ項である。そして試験力の数に対応していくつかの 線形計算式をめることができ、これら試験力に対応した計算式から、一方におい て、機械リアクタンスＲｏに従属しない、硬さＨＶ又は項すのいづれかをめるこ とが可能となり、又他方において、硬さＨＶスは項すが既知であるときは、硬さ ＨＶ又は項すを用いて機械リアクタンスＲＯをめることが可能となる。

変換式（１）は、ブラッドウェル及びクリーサテルの論文の最初の計算式中に導 かれた法則から引き出せるが、機械リアクタンスは無視されていないことは明ら かである。新しい変換式によって、試験片の機械リアクタンスＲｏをめることが 可能であり、それは、基本的には、少なくとも２つの異なる試験力による測定を 行なうことによって得られる試験片の形状によりめられる。加えて、この新しい 変換式は、ポアソン比μ、硬さＨＶ、弾性係数Ｅの内２つの値がわかっているな らば、これらポアソン比μ、硬さＨＶ、弾性係数Ｅをめる為に用いることができ る。

本発明の方法は、例えば、硬さや弾性係数の実用的な試験において決定的な利点 をもっている。前述した方法では、試験片の形状に応じて個々の補正を必要とし ている（他の方法としては、一定の材料パラメーターを用いて）けれども、本発 明方法においては、それぞれの試験片の形状に応じて個々に補正することは不必 要であり、それどころか１度の較正で十分であり、与えられた形状とは無関係に 、欲する測定を行うことができる（同一の又は類似の材料を贋いて）。

本！！！明の方法は、公知の方法によって別の便利良（自動化された硬さ試験方 法のうち、例えば、共振器を除去した後に、本発明の方法によって付けられたく ぼみを光学測定することを、組み合わせることができる。これによって、ポアソ ン比がわかっている時は、試験片の弾性係数を直接水めることが可能となる。

本発明の方法において、ＵＣＩ硬さ試験器を較正するには、係数ａ及びｂをめる だけで良い、何故ならば、硬さＨＶは既知であり、弾性係数Ｅ及びポアソン比μ は、較正に用いられる硬さ基準片によりめることができるからである。この２つ の係数ａ及びｂを、２つの較正測定だけでめられる。（以前は３つ必要だったが ）、かつて最新式であった変換式では必要とされた３番目の硬さ基準片は、新し い方法においてはもはや必要ではなくなった。

較正用の硬さ基準片を手に入れることの出来ない、弾性係数が大きく異なる材料 を測定する場合、これは、時間及び経費を大幅に節約し得ることを意味する。何 故なら、較正の為の基準試験片の準備及び光学測定は、通常膨大な時間を消費す るからである。

本発明の変更において、第１の試験力によって最初に押し込み体を試験片に対し て押圧し、対応する振動数の変化量ｄｆを測定することが提案されている。その 後、押圧力を第２の試験力に上げ、振動数の変化量ｄｆをこのより高い値である 第２の試験力において再び測定する。この同一のくぼみにおいて試験力を所定量 ずつ増加することにより、一対の値が得られ、これにより、欲する儂、例えば、 硬さをより正確にめることが可能である。この押圧力である試験力を所定量ずつ 増加することによって、測定過程を大幅に短縮することも可能である。何故なら 、同一のくぼみに対して試験力を変化させて印加するので、共振器を移動させる ような、機械的中間ヌテップが必要なくなるからである。ｌｋに、多段階測定は 、１つのくぼみに対してただ１つの試験力（押圧力）を伴うかっての最新式の測 定に比べて、ごく僅かな時間のみを必要とする。

本発明の追加の利点及び特徴は他のクレーム及び図面に言及しながら説明した本 発明の特定の実施例の記述から明らかである。これは単に５！明の例にすぎず、 発明はこれによって限定されるものではない。

図１は、試験片を有する硬さ試験器の側面を示す基本図である。

図２は、４つの異なる試験力による測定過程のグラフである。

図１は、例えば、ＤＨ−Ｃ〜３７　２０　６２５から既に周知のタイブの硬さ試 験器の一部が示されており、該図面には、ロンド型の共振器２２を有するプロー ブ２０が示されている。＊共振器２２の固定されていない下端は、プローブハウ ジングの外に伸延されており、該共振器２２の下端には、ビッカース押し込み体 が取り付けられている。共振器２２は、プローブハウジング内を縦方向（上下方 向）に移動可能であり、また、共振器２２は、ばね２４によってプローブハウジ ングに対して支持されている。

プローブ２０は、スライド２８上に設けられており、該スライド２８は、メイン スライド３０上の縦方向（上下方向）に形成されたガイドウェイによって案内さ れる形で垂直方向（上下方向）に移動し得る形で設けられており、また、プα− プ２０は、図１中二重矢印３４によって示すように、電気モータ３２等の駆動手 段によって上下方向に移動し得る形で設けられている。該電気モータ３２は、ス ライド２８にスクリュースピンドルを介して接続されており、電気モータ３２は 、それ自体はメインスライド３０上に設けられている。

プローブ２０を、図１に示すように、電気モータ３２によって試験片２６と最初 に接触する位置に移動させると、最初のプローブ２０と試験片２６との接触状態 は、共振器２２の振動状態のうち、振動数の飛び、成るいは、振幅又は位相のい づれかの変化によって検出することができる。この状態から始めるとプローブ２ ０は、電気モータ３２により駆動されるスライド２８が下方に移動することによ って、プローブ２０は、試験片２６に対して更に押圧され、ばねが縮められる。

この結果として生じる共振器２２とプローブハウジングの相対運動は、長さ測定 によってめることができる。即ち、作用する力は、測定されたそれぞれの長さに 比例するのである。一方、ばねの一端に動力計を設けることも可能である。

最後に、ビデオカメラ３８に装着した顕微鏡対物レンズ３６は、メインスライド ３０上に設けられており、プローブ２０と光学システム３６．３８は、図１に示 すように、それぞれ上下方向の軸を平行にする形で配置されている。メインスラ イド３０は、図１中二重矢印４２で示すように、水平方向に伸延する形で形成さ れた水平ガイドウェイ４０上を水平方向に移動し得るように設けられており、水 平ガイドウェイ４０は、ここに示した例では、２つの平行な丸棒を有している。

共振器２２と光学システム３６．３８の軸は、水平ガイドウェイ４０から図１中 紙面垂直方向に等距離に設けられており、メインスライド３０は、共振器２２の 軸と対物レンズ３６の軸との間の距離だけ水平ガイドウェイ４０に沿って移動可 能である。

調整可能なストッパが移動経路の両端に設けられており、メインスライド３０が 一方のストッパから他方のストッパに移動する間に、くぼみは、図１中ではこの 位置にはビッカース押し込み体が残っているが、対物レンズ３６の正確な中心に 現われるようなシステムになっている。このようにして、共振器２２の押し込み 体を試験片２６に押圧することにより最初にできたくぼみは、共振器２２を持ち 上げ、メインスライドを移動させた後、光学的に、例えば、ビッカース方法によ って測定することができる。

プローブハウジングを、共振器２２及び該共振器２２に接触している試験片２６ に対して徐々に下げることにより、ばね２４が徐々に圧縮され、その結果は図２ に示すようなカーブになる。即ち、図２に示すように、カーブは、最初の接触（ 試験力Ｆ＝０）を決定することから始まり、４Ｎ。

８Ｎ、１２Ｎ及び１６Ｎと試験力を所定量ずつ増加して適用する形で示されてい る。最大の試験力を適用した後、電気モータ３２を回転駆動させてスライド２８ を再び引き上げると、共振器２２は所定時間経過後に再び持ち上げられることに なる。このようにして、試験力は数値Ｆ＝Ｏに戻る。

゛　適用すべき４つの試験力のそれぞれで、共振器２２の共振周波数ｆの振動数 の変化量ｄｆがある。測定すべきパラメータは、以下に述べるように、一対の数 値Ｆ１、ｄｆｌ：Ｆ２、ｄｆ、・・・Ｆ４、ｄｆ４から導かれる。

変換式（１）は次の式に置き換えることができる。

Ｆは、試験力であり、軍位はＮ、 ｎ及びｍは、ＵＣ１振動数の変化量ｄｆの関数であり、Ｉｇｎｌは、重力加速度 値（＝９．８１）である。

２つの線形計算式を得るために、少なくとも２対の値をここで式（２）に代入す る。

定数ａがわからない時は、例えば、硬さＨＶ及び項すの値が知られた硬さ基準片 に、少なくとも２つの試験力がかかる段階において形成されるビッカースくぼみ を測定することにより、本発明による方法に従って定数をめることが可能である 。

上述したシステムの式（２ａ）及び（２ｂ）は、任意の試験片に対して、機械リ アクタンスＲｏ、及び硬さＨＶ又は試験片の材料に従属する項すのいづれかをめ る為に用いられる。ボアンン比がわかっている時は、以下の式を用いることによ りｂから弾性係数Ｅをめることができる。

ｂ＝０．９３／Ｅｅｌｌ（材料）＋に／Ｅｅｌｌ（押し込み体）　（３）ここで 、Ｅｅｆｆ＝Ｅ／（］−ｐ”）、μはボアンン比、ｋは押し込み体の形状従属定 数である。押し込み体の弾性係数はｋよりもはるかに大きいので、項に／Ｅｅｆ Ｎ押し込み体）を無視することができる。これによって以下の式が導かれる。

Ｅ＝０．９３　（１−Ｆ２）／ｂ 非常に大きい機械リアクタンス（大質量、減衰）での試験片では、一般的に、１ つの試験力（例えばＦ、）による測定で十分である。

別な変更においては、試験力は、プローブ上におもりを置くことによって増加さ せることが可能である。このことは、モータによってもできることであり、例え ば、スピンドルと共におもりを降下させ、プローブ上におもりを置くことである 。

上述したように、本発明方法を行う為に、少なくとも２つの異なる、増加する試 験力でＵＣ■を用いて、同一のくぼみを測定することは、必ずしも必要ではない 。異なる試験力のために設計された２つの異なるプローブを使うことも可能であ り、例えば、最初に引用したＤＥ−Ｃ−３７２０６２５に従って構成される。し かしながら、この場合においては、それぞれのプローブは、通常独自の装置の定 数ａをもっている。

試験力を所定量ずつ増加することに代えて、試験力を連続的に増加させて、付随 する振動数の変化量ｄｆをめることができる。

要約書 超音波コンタクトインピーダンス方法における、荷重印加の基での硬さ又は弾性 材料特性の測定方法において、共振器２ｏの振動数ｆの変化量ｄｆを測定し、試 験片の既知の値である弾性係数Ｅ（又は硬さＨＶ）とポアソン比μを用いて、変 換式に該測定した変換量ｄｆを代入することにより硬さＨＶ（又は弾性係数Ｅ） がめられる。変化量ｄｆは少なくとも２つの異なる試験力を用いて測定し、この ようにして測定したこれら変化量ｄｆは、それぞれ変換式ＨＶ＝Ｇ　（ｄ　ｆ、 ａ、ＲＯ，ｂ）に代入される。

ここで、ａは、試験片に従属しないシステム定数、Ｒｏは、試験片の機械リアク タンス、ｂは、弾性係数Ｅとポアソン比μを含む項である。これは、異なる試験 力の数に対応したいくつかの線形計算式を与える。即ち、（ａ）機械リアクタン スＲ，に従属しない既知の項すから硬さＨＶをめるか、又は、機械リアクタンス Ｒ６に従属しない既知の硬さＨＶから項すをめるかのいづれかが可能であり、ま た、（ｂ）既知の硬さＨＶ及び既知の項すかも機械リアクタンスＲＯをめること が可能である。

補正書の写しく翻訳文）提出書（特許法第１８４条の８）１、特許出願の表示　 ＰＣＴ／ＤＥ９１１００２５６２、発明の名称　超音波コンタクトインピーダン ス方法における、荷重印加の基での硬さ又は弾性材料特性の測定方法 ３、特許出願人 住所（居所）　ドイツ連邦共和国　ヒルス　５　（エフエルン）デー−５０３０ ロベルトーボシューストラーゼ　３ 氏名（名称）　クラウド−クレーマー　ゲーエムベーハーウント　コー 代表者　デミグ　ダブル 国籍　ドイツ連邦共和国 ４、代理人 住所　東京都千代田区岩本町１丁目９番６号田中ビル６Ｎ 発明の名称 超音波コンタクトインピーダンス方法における、荷重印加の基での硬さ又は弾性 材料特性の測定方法 本発明は、超音波コンタクトインピーダンス方法における、荷重印加の基での硬 さ又は弾性材料特性の測定方法に関するものである。この方法においては、一端 に押し込み体を有するロンド型の共振器を、ある与えられた試験力で試験片に対 して押圧する。すると、該押し込み体が試験片に押し込まれ、その結果として生 じる共振器の振動数ｆにおける変化量ｄｆが測定される。そこで、この値は、硬 さＨＶが既知なる時には弾性係数Ｅをめる変換式に用いられ、また、弾性係数Ｅ とポアソン比μが既知なる時には硬さＨＶをめる変換式に用いられる。

上述したタイプの硬さ試験の方法は、ＤＨ−Ａ−３９３４５７８から公知であり 、硬さ試験の共振方法に関する基本特許、ＵＳＰ３１　５３３３８に基づくもの でもある。この方法は、しばしばＵＣｒＣ超音波コンタクトインピーダンス）方 法と呼ばれる。この方法の理論的基礎は、ブラッドウェルとクリーサテル（Ｇｌ ｉｄｗｅｌｌ　ｓａｄ　Ｋｌｅｅｓｍｌｌｅｌ）による論文（コンタクトインピ ーダンスメーター−２、超音波、１９６８年１０月、ｐｐ２４４−２５０）にお いて述べられている。

上述したタイプ（ＤＨ−Ａ−３９３４５７８）の硬さ試験方法は、特に低い機械 リアクタンスで連続生産された部品の硬さの値をめる為のものである。この方法 においては、較正は、まず、数枚の硬さ基準片にくぼみを付け、次に、このくぼ みをＵＣＩ及び光学的手段（ビッカース試験）の両方によって測定する。このよ うにして得た値と硬さ基準片の既知の硬さの値は、υＣ１測定における１つの高 次の補正関数の係数をめたり、光学測定における少なくとも１つの少なくとも１ 次の補正関数の係数を時評請求の範囲 １．一端に押し込み体を有するロッド型の共振器を、ある与えられた試験力で試 験片に対して押圧して該押し込み体を試験片に押し込み、その結果として生じる 共振器の振動数ｆにおける変化量ｄｆを測定し、そこでこの値を、硬さＨＶ及び ポアソン比μが既知なる時には弾性係数Ｅをめるために変換式に用い、又は弾性 係数Ｅとポアソン比μが［知なる時には硬さＨＶをめるために変換式に用いる超 音波コンタクトインピーダンス方法における、荷重印加の基での硬さ又は弾性材 料特性の測定方法において、少なくとも２つの異なる試験力で振動数の変化量ｄ ｆを測定し、このようにして測定した振動数の変化量ｄｆを以下に示す変換式に 代入することによって試験を行ない、 ＨＶ＝Ｇ　（ｄｆ、ａ、Ｒｏ、ｂ）　（１）ここで、ａは、試験片に従属しない 、装置に関係した定数、Ｒｏは、試験片の機械リアクタンス、ｂは、弾性係数Ｅ とポアソン比μを含んだ項であり、そして試験力の数に対応していくつかの線形 計算式をめ、これら試験力に対応した計算式から、一方において、機械リアクタ ンスＲｏに従属しない既知の項すから硬さＨＶをめるか、或いは、機械リアクタ ンスＲＯに従属しない既知の硬さＨＶから項すをめるかのいづれかを、また、他 方において、既知である、硬さＨＶ又は項すから機械リアクタンスＲＯをめるよ うにしたことを特徴とする、超音波コンタクトインピーダンス方法における、荷 重印加の基での硬さ又は弾性材料特性の測定方法。

２、前記押し込み体をまず第一の試験力（例えば３Ｎ）で前記試験片に対して押 圧し、付随する振動数の変化量ｄｆを測定し、その後に前記試験力を増加して（ 例えば、ＩＯＮまで）付随する振動数の変化量ｄｆを測定す国際調査報告

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．一端に押し込み体を有するロッド型の共振器を、ある与えられた試験カで試 験片に対して押圧して該押し込み体を試験片に押し込み、その結果として生じる 共振器の振動数ｆにおける変化量ｄｆを測定し、そこでニの値を、硬さＨＶ及び ポアソン比μが既知なる時には弾性係数Ｅを求めるために変換式に用い、又は弾 性係数Ｅとポアソン比μが既知なる時には硬さＨＶを求めるために変換式に用い る超音波コンタクトインピーダンス方法における、荷重印加の基での硬さ又は弾 性材料特性の測定方法において、少なくとも２つの異なる試験力で振動数の変化 量ｄｆを測定し、このようにして測定した振動数の変化量ｄｆを以下に示す変換 式に代入することによって試験を行ない、 ＨＶ＝Ｇ（ｄｆ，ａ，Ｒｏ，ｂ）（１）ニこで、ａは、試験片に従属しない、装 置に関係した定数、Ｒｏは、試験片の機械リアクタンス、ｂは、弾性係数Ｅとポ アソン比μを含んだ項であリ、そして試験カの数に対応していくつかの縁形計算 式を求め、これら試験力に対応した計算式から、一方において、機械リアクタン スＲｏに従属しない既知の項ｂから硬さＨＶを求めるか、或いは、機械リアクタ ンスＲｏに従属しない既知の硬さＨＶから項ｂを求めるかのいづれかを、また、 他方において、既知である、硬さＨＶ及び項ｂから機械リアクタンスＲｏを求め るようにしたことを特徴とする、超音波コンタクトインビーダンス方法における 、荷重印加の基での硬さ又は弾性材料特性の測定方法。
2. ２．前記押し込み体をまず第一の試験力（例えば３Ｎ）で前記試験片に対して押 圧し、付随する振動数の変化量ｄｆを測定し、その後に前記試験力を増加して（ 例えば、１０Ｎまで）付随する振動数の変化量ｄｆを測定することを特徴とする 特許請求の範囲第１項記載の方法。
3. ３．くぼみを付けるための前記試験力を連続的に又は２段階もしくはそれ以上増 加させることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の方法。
4. ４．更に、硬さ測定を、特に前記押し込み体によって前記試験片に付けられたく ぼみを光学的に求めるようにすることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の 方法。
5. ５．前記試験片を少なくとも２つの異なる位置で測定することを特徴とし、異な る試験カを印加するため少なくとも２つのプローブを用いた特許請求の範囲第１ 項記載の方法。
6. ６．電気モーター（３２）を前記プローブを縦方向に上下動させるために用いる ことによって、該電気モーター（３２）によって発生するカを、所定量ずつ増加 させるニと、或いは連続的に増加させることを特徴とする、プローブ（２０）を 有する特許請求の範囲第１項乃至第５項の方法を実行するための装置。
7. ７．前記試験カを増加させるために前記プローブ上に配置し得るおもりを設け、 好ましくはモータ等の駆動手段によって前記プローブ上のおもりを降下させるこ とによって前記試験力を増加させることを特徴とする、プローブ（２０）を有す る特許請求の範囲第１項乃至第５項の方法を実行するための装置。