JPS6144338A - 定荷重デジタル式硬さ計 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、ゴム等の弾性体の硬度を測定する定荷重式硬
さ計の改良に関し、特に弾性体の応力緩和現象を考慮し
て弾性体の硬さを自動的に読み取り、その測定値をデジ
タル表示することができる定荷重デジタル式硬さ計に関
する。

〔従来の技術〕

ＪＩＳ　Ｋ６３０１第５．３項のオルゼン式硬さ計同じ
く第５．４項のブセイ・ジョンズ式硬さ計あるいはｌ５
Ｏ４８−１９７９に規定された国際ゴム硬さくＩＲＨＤ
）の測定用として、一般に商品化されている定荷重式硬
さ計の何れかは、被測定試料の水平な表面に押針を介し
て垂直方向にまず一次荷重（押針の自重等も含む）負荷
し、しかる後、規定の二次荷重を負荷し、その間の押針
の上下方向の移動量を、ランクとビニオン機構により回
転量に変換し、アナログゲージ盛上の指示針の動きより
ゲージ盤上の目盛を読みとるダイアルゲ−ジ方式がとら
れていた。

この方式の特徴は比較的、構造が簡単で、かつ安価であ
るという点であるが、その反面、次のような欠点があっ
た。すなわち、 その一つは、−次荷重を負荷後、二次荷重を負荷する前
に、ダイアルゲージを、零位置にセットするための操作
が必要であり、そのためにダイアルゲージの目盛板を回
転移動しなければならないという問題があった。

また、通常これらの定荷重式硬さ計では、静荷重負荷後
、一定時間（例えば３０秒）経過後の硬さを読みとるよ
うに規定されており、これは特に、硬さの指示が時間と
共に変化する応力緩和の大きい材料の測定においては、
一方で１時を行ないながら移動中の指針の位置を読みと
らねばならないといも困難さを生ずるこになり、その結
果、測定結果のばらつきが大きくなるという問題があっ
た。

さらに、押針の上下移動を回転運動に変換する機構とし
て、ランクとピニオンを用いる従来型であるため充分な
回転量が得られず、測定ネｎ度を低下させるという問題
もあった。

一方、ｌ５Ｏ４８で規定されている微少試験片用のマイ
クロ硬さ試験機において゛は、押針の移動量がフルスケ
ールで０．３１１と少な（、押針の移動量から硬さを読
み取るには、ダイヤルゲージで直接精度よく読み取るこ
とが困難であり、押針の移動量を拡大する機構などの工
夫がなされているが（＠平泉洋行カタログ・英国Ｔｅｒ
ａ　Ｉ　１ａｃｅ社製）これらの機構は複雑で操作も煩
雑で、かつ高価になるという欠点もあった。

これらの問題点を解決するための手段としては、押針の
移動量を電気的に検出し、さらにデジタル信号化するこ
とが考えられる。この為の手段として、すでにスプリン
グ式硬さ計の測定値のデジタル化として特公昭５５−２
０１９１号公報、特開昭５６−１５３２３５号公報、特
開昭５７−１８４９４９号公報、特開昭５８−９０４４
号公報、特開昭５８−７２０３２号公報、実開昭５９−
２０１４６号公報等が報告されているが、これらの方法
はロータリーエンコーダを用いる方法、可変抵抗器を用
いる方法、差動トランスによる方法あるいは一枚のスリ
ット板を使用したリニアスケールを用いる方法であり、
いずれも問題点を有している。

例えば、ロータリーエンコーダ方式ではラック・ピニオ
ン機構等を用いて上下移動を回転運動に変換しなければ
ならないので、従来のダイアルゲージ式と同様にこの変
換する部分で測定精度に問題を生じ、その後コンピュー
タ等をいかに駆使して解析しても被測定試料の硬さを正
確に測定したことにはならず、従来の問題を解決したこ
とにはならないのである。

一方、可変抵抗器によりデジタルに変換する方法は、押
針の上下移動量を抵抗器に接触させてその変化量を電気
信号に変換させる方法であるが、この方法では押針のわ
ずかな上下移動量を接触によるＰｊ擦で正確に検出でき
ないだけでなく、検出した電気抵抗はアナログ値であり
、それをアナログ／デジタル変換しなくてはデジタル計
にはならず、そのため硬さ計の構成部品が多くなり、測
定精度が悪いのみならず大型で高価な硬さ計になるとい
う大きな問題を有している。

また、差動トランス方式は電気量をアナログ／デジタル
変換する必要があり、可変抵抗器方式と同様に硬さ針そ
のものが大型で高価になるという問題を有しているので
ある。そして、これら大型の硬さ計は電力を必要とする
所から電池による電源投入ができないので、どこにでも
持ち運びができるというわけにはいかず、さらに電源変
動や電気ノイズを受けやすくなる別種の問題点も有して
いる。

また、一枚のスリット板によるリニアスケールを使用し
た装置では、１枚のスリット板を挟んで光学センサーに
てスリットの移動を読み取るようにしているので、押針
の微少変位を検出するための拡大装置を必要とし、硬さ
計自体が大型化になり、高価になる問題点又は拡大装置
を使用しない場合は、精度が悪いという問題点を有して
いる。

また、定荷重式硬さ計の測定値のデジタル化についても
、ピンカース硬さやブリネル硬さの自動測定として差動
トランスを使用する特公昭５７−１２４５５号公報やテ
レビカメラや光学顕微鏡を用いて圧痕の面積を自動測定
して該材料の硬さを求める特開昭５７−２０６４２号公
報、特開昭５７−１４８２３３号公報、実開昭５７−１
７７１５７号公報あるいは特開昭５９−１８６５１号公
報が報告されているが、これらはいずれも押針の移動量
から硬さを求める方法ではない。

〔発明の目的〕

本発明は上述した問題点を解消すべく検討の結果、導か
れたものである。

従って本発明の目的は、押針の上下移動量をそのままリ
ニアエンコーダを用いて検出し得るように工夫すること
により、高精度の硬さ測定値は勿論のこと、試料の分散
度をも得られる優れたデジタル式硬さ針を提供すること
にある。

〔発明の構成〕

すなわち本発明は、柔軟な材料の表面に、一定形状の押
針を介して、一定の荷重を作用させ、そのときの押針の
材料へのくい込み深さく移動量）を、その材料の硬さと
する硬さ計において、その押針の移動量を検出するリニ
アエンコーダを設け、このリニアエンコーダは、前記押
針に連動する可動スリット板と、これに対向する位置に
取り付けられた固定スリ７）板と、これらを挟んで対向
する位置に設けられた発光素子と受光素子とから構成し
て、前記可動スリット板の移動による遮光度合の変化ま
たは前記可動スリット板の移動により発生するモアレ縞
の移動に伴う明暗変化を電気信号に変換して検出できる
ようにし、さらに前記リニアエンコーダには、前記電気
信号をパルス化して前記押針の移動量をデジタル表示可
能な制御回路を接続したことを特徴とする定荷重デジタ
ル式硬さ針を、その要旨とするものである。

〔実施例〕

以下本発明を実施例により図面を参照しつつ具体的に説
明する。

第１図〜第７図は本発明の実施例からなる定荷重デジタ
ル式硬さ計を示し、第１図は要部を切欠した正面視説明
図、第２図は同上外観を示す正面視説明図、第３図は同
上要部すなわちリニアエンコーダの内部構成を示す縦断
面説明図、第４図は同上横断面説明図、第５図はリニア
エンコーダのスリット板に生ずるモアレ縞の部分拡大説
明図、第６図は本デジタル式硬さ計に用いられる方向判
別回路の動作波形説明図、第７図は本デジタル式硬さ計
の構成を示すブロック説明図である。

図において１はベースで、このベースｌの上面−側に垂
直に立てられた支柱２には昇降アーム３が取付けられて
いるやそして、この昇降アーム３には（例えばラック・
ピニオンを用いた）昇降機構が組込まれており、ハンド
ル４を手回しすることにより支柱２に沿って上下方向に
移動できるようになっている。

なお、上記昇降アーム３は、ハンドル４をモーター等に
より回転させて自動的に作動させることもできる。

また、昇降アーム３の前方には保持管５が設けられてお
り、この保持管５の内部に、これと同軸にスピンドル６
、荷重７および加圧脚８が組込まれている。そして、こ
のスピンドル６の下端には押針９があり、その中間部お
よび頂部には円形状の突起６１６２がそれぞれ固定され
ており、この両突起にはさまれるかたちで荷重７が設け
られている。

前記保持管５、スピンドル６、荷Ｍ７、加圧脚８は、そ
れぞれ相互に上下方向に自由に摺動できるようになって
おり、また上記スピンドル６と加圧脚８の間には、リニ
アエンコーダ１０が組込まれている。

なお、　試料１１を載せる試料台１２は、スピンドル６
の直下に位置せしめ前記ベース１と一体となって設けで
ある。

以上の構造において、押針９の先端が試料１１から離れ
た状態において本硬さ計の各構成部材の位置関係は、第
１図に示すようになる。すなわち、 （ａ）　　前記荷重７の上部に形成されたフランジ７１
の下面が保持管５の上面に接して載っている。

（ｂｌ　　また、スピンドル６はその頂部に位置した突
起６２の下面が荷重７の上面に接して載っている。

（Ｃ）　　さらに、加圧脚８は、その中間部フランジ１
３の下面が保持管５の下部フランジ５Ｉの上面に載って
いる。

（ｄ）　　このときスピンドル６の先端の押針９は加圧
脚８の下面中心穴８１よりわずかに下方に突出している
。

この状態から、ハンドル４を操作して昇降アーム３を下
方へ下げていくと、先ず、押針９の先端が試料１１の上
面°１１ａに接し、荷重７の上面と頂部突起６２の下面
は離れる。さらに昇降アーム３を下げていくと、加圧脚
８の下面８２が試料１１の上面１１ａに接触し、加圧脚
８の中間部フランジ１３と保持管５の下部フランジ５１
は離れる。

この状態で、試料１１の上面ＩＬａの測定点にはスピン
ドル６と押針９の自重による静荷ｍが、−次荷重として
作用し、同時に測定点周囲の環状面に加圧脚８の自重に
よる加圧面荷重が作用し、測定点周囲の条件を一定にし
ている。

昇降アーム３をさらに下方へ下げると、荷重７の下面７
２が中間突起６１の上面に接触し、この結果、荷重７の
上部フランジ７１の下面外周部は保持管５の上面から離
れる。この状態において試料１１の測定点には、前記−
次荷重に加えて、荷重７の自重による静荷重が二次荷重
として作用する。

つまり、上述した行程において、−次荷重をかけた状態
を初期状態とし、その後二次荷重をかけたときにスピン
ドル６が下方へ移動する量は試料１１の硬さに応じて変
るので、この移動量を読みとることで、試料１１の硬さ
を測ることができる。

前記リニアエンコーダ１０には、前記スピンドル６の移
動量をデジタル信号として取出すための機構、回路が組
込まれており、このデジタル信号は第２図に示す表示操
作部１４に組込まれた回路で処理され、硬さ表示器１５
に硬さ値として表示される。

つづいて、第３図および第４図を参照しつつ前記リニア
エンコーダ１０の構成を説明する。

このリニアエンコーダ１０は、スピンドル６に固定され
、スピンドル６の軸方向に直線運動する可動スリット板
１６と、リニアエンコーダ１０の本体に固定された固定
スリ７）板１７と、可動スリット板１６と固定スリット
板１７の前後に置いた２組の発光素子１８．１８″と、
受光素子１９．１９’と、電圧比較器２０により構成さ
れている。

前記スリット板１６．１７は、透明な板に細い一定間隔
の不透明な線が印刷されたもので、スピンドル６の上下
によって可動スリット板１６と固定スリット板１７の線
同士が重なったり、全く重なり合わなかったりするよう
になっている。そして、前記線同士の正なり合いの程度
による明暗の変化を受光素子１９．１９°により近似正
弦波３０の電気信号に変換して取り出した後、さらに電
圧比較器２０で矩形波３１に波形整形する。

なお、前記可動スリット板１６と固定スリット板１７の
両スリットが完全に平行でなく、両者の間に僅かな傾き
があっても良い。　（この場合、両者が共に水平線に対
して逆方向に傾かせてもよいが、どちらか一方を水平に
し、他方を水平線に対して傾かせてもよい。） この場合、スピンドル６を動かして可動スリット板１６
を上下方向に移動させると、第５図に示すようなモアレ
縞と呼ばれる濃淡じまが左右に移動する。この場合でも
モアレ縞のピッチが受光素子の直径よりも大きければ、
前記モアレ縞の濃淡の移動による明暗の変化を受光素子
１９゜１９゛　により近似正弦波３０の電気信号に変換
して取り出した後に、更に電圧比Ｖ器２０で矩形波３１
に波形整形する。

この場合の両スリット板間の僅かな傾斜は、例えば、受
光素子の寸法が４　ａｍφの場合、モアし縞の間隔Ｓは
４龍以上ないと１個の素子の中に２本の縞を検出してし
まう。

また、一般にスリットのピッチをｄ、傾斜角度をαとす
ると、モアレ縞の間隔Ｓは３＃ｄ／αで与えられるとこ
ろから、前記オルゼン式硬さ針で硬さを０．０５の単位
まで読み取る場合は、スリット線の間隔ｄは０．００５
　ｍとなり、モアレ縞の間隔を５龍とする場合、傾斜角
度α−ｄ　／　ｓ＝０．００５　　　ａｍ／　　５　　
ｔｍ　　−０，０Ｏ１ｒａｄ　　　（１ｒａｄ　　　＝
５７度）となり、同様に硬さ１本位まで読み取る場合は
、０．１１５　＝０．０２ｒａｄとなる。

これらの数字は素子の寸法によるが、通常測定精度に合
わせて０．００１〜０．０２ｒａｄの範囲でスリットの
傾斜角度を選ぶ、なお、前記スリット線の間隔ｄは硬さ
値を０．０５度単位で読み取るには、後述する４倍パル
スを利用して０．００１２５　ｍＸ　４　＝０．００５
　Ｈのピッチ間隔（ｄ）とすることが必要でである。

また、前述したマイクロ硬さ試験機においても同様に４
倍パルスを利用すれば硬さ値を０．５変車位まで読み取
ることができる。

このようにして得られた矩形波の数を計数することによ
りスピンドル６の移動量を計測することができるのであ
る。

またスピンドル６の移動方向を認識するために素子１８
．１９からなる組と素子１８’、１９°からなる組とは
、ある程度距離を離して位置させ、その出力位相が互い
に９０度異なるように、一方の組の素子間に挟まれたど
ちらかのスリット板の線を他方の素子間の前の同じスリ
ット板の線とずらせておく。

このずれにより、素子１８．１９の組からＡ相、素子１
８′、１９″の組からはＢ相の、互いに位相が９０度異
なった信号を出力することにより移動方向の判別が可能
となる。

第６図はスピンドル６の移動方向を判別する回路の動作
手順を示す波形図である。リニアエンコーダ１０からは
９０度位相のずれた２つの信号（Ａ相およびＢ相）が出
力される。スピンドル６を上昇させたときと降下させた
時の波形４第６図（１）に示す。

次に微分回路を用いて第６図（２）に示すＡ相の立上り
タイミングパルスＡｔ及びＡ相の立下りタイミングパル
ス■を作る。第６図（３）にタイミングパルスＡｔとＢ
相との論理積ＡｔＸＢ・・・■と、タイミングパルス■
とＢ相との論理積ＡｔＸＢ・・・■を示す。この論理積
■、■の両信号をＲＳフリップフロップの入力とすると
その出力は第６図（４）のようになるので、スピンドル
６の上昇降下の方向を判別することができる。

また、論理積■、■の論理和をとると、第６図（５）に
示す計数用パルスを取り出すことができる。

さらにＢ相の反転を用いて第６図（２）の＾ｔ、″Ａｔ
と合成すれば、２倍のパルスが得られる。またこの２倍
のパルスとＢ相の立上がり、立下がりパルスとＡ相及び
Ａ相の反転を用いて得られた２倍パルスとを合成すれば
４倍パルスが得られる。

第７図は第１図に示した実施例の回路系統図である。第
７図に示すようにリニアエンコーダ１０から出力する変
位信号は表示操作部１４において方向判別回路２１、可
逆カウンタ２２、時間制御回路２３、表示器制御回路２
４を経て硬さ表示器１５で表示される。

方向判別回路２１ではリニアエンコーダ１０からのＡ相
、Ｂ相の２２の信号を入力してスピンドル６の上昇、降
下の判別信号と併せてスピンドル６の変位、即ち移動量
に比例した数のパルスを出力して次の可逆カウンタ２２
へ送る。

可逆カウンタ２２ではこのパルス数を針数してスピンド
ル６の移動量を例えば２進数の形で出力するとともに、
方向判別信号に応じて計数出力信号を増加あるいは減少
させる。時間制御回路２３は被測定試料の硬さ測定にお
いて通常みられる応力緩和現象、すなわち二次荷重を試
料に作用させた直後に最高値を示した後、硬さ値が徐々
に低下し最終的にはほぼ安定した値となる現象に対し、
前記最高値を保持するピークホールド回路と、どの時期
の値を被測定試料の硬さ値とするかを決める回路とを有
し、たとえば最高値を指示したり、又は何秒後かを設定
し、設定時間経過後に硬さ表示器１５の表示がその時の
値を保持するよう動作するものである。この場合、時間
信号設定器２５であらかじめ設定時間を入力しておくと
、硬さの最高値が得られた後、設定時間経過時の硬さ値
を保持し表示することができる。

表示器制御回路２４は時間制御回路２３からの硬さデー
タ信号（例えば２進数のデータ信号）を表示器で表示で
きる形に変換するものでこれにはデコーダ、マルチプレ
クサ等が含まれる。

硬さ表示器１５は、例えば３〜４桁の７セグメント発光
ダイオード（ＬＥＤ）（あるいは液晶（ＬＣＤ））数字
表示器で構成される。なお、この表示器は先に述べた時
間信号設定器２５０入力信号表示器として、また後述す
る合否判定基準設定器２７の入力信号表示器としても切
換えて使用することも可能である。

表示操作部１４にはこの他に測定した硬さ値があらかじ
め設定された許容範囲内に含まれているか否かを判断す
る合否判定回路２６がある。これは測定した硬さ値と、
あらかじめ合否判定基準設定器２７に入力された基準硬
さ値との比較を行い、その結果を合否判定表示器２８へ
出力するものである。この場合、基準硬さ値には上限、
下限および上下限のそれぞれを目的に応じて設定するこ
とができる。合否判定表示器２８の一例としては、測定
結果が許容範囲の上限、あるいは下限を越えた場合に、
それぞれ別個に点灯するＬＥＤを設けるような手段を用
いても良い。

さらに表示操作部１４には測定結果を外部のデータ処理
装置（例えばプリンタ、マイクロコンピュータ等）へ送
り出す機能を持たせることもできる。この場合、必要に
応じ信号変換器２９により、例えば測定結果を２進化１
０進数（ＢＣＤ）に変換することによって汎用性を持た
せると良い。

なお、第７図の時間制御回路２３以降は図のようにハー
ドウェアで構成することもできるが、マイクロコンピュ
ータを用いたソフトウェアで構成することも可能である
。

表示操作部１４は、本発明の硬さ計より離し、外部のデ
ータ処理装置と組み合わせて外部機能として保有しても
よい。その場合、外部のデータ処理結果と同時に硬さ値
を得ることができる利点がある。さらに、表示操作部１
４を本体から離す場合は、第７図のリニアエンコーダ１
０以外のすべてを外部機能として保有することになる。

以上のような本発明のデジタル式硬さ計を使用して押針
の上下移動量をそのままリニアエンコーダにより検出す
れば、上下移動を回転運動に変換する機構がなくなり、
そのため各部品のガタや摩擦の影響がなくなって高精度
な測定結果を得ることができる。

特に、リニアエンコーダのスリットにガラスを使用し、
ガラスにクロームを蒸着してスケールを作製した場合等
では、１μｍ程度の変位まで光学的に検出できるので、
極めて誤差の少ない精度の高い変位の検出が可能になる
。

このような高精度リニアエンコーダを定荷重式硬さ計に
使用し、さらに測定時の温度等を一定にする手段を用い
れば、従来硬さ値の最少単位として±１度をアナログ値
から読み取っていたのが、硬さ計の種類によって異なる
が±０．５度から±０．０５度の硬さ値までデジタル値
として正確に得ることができ、２０倍まで精度を上げる
ことができる。もちろん目的によって精度を下げるのは
容易である。

〔発明の効果〕

本発明は上述したように構成したから、試料の硬さを高
精度に、しかも極めて容易に測定することができる。こ
の結果、従来の硬さ計では測定不可能であった、例えば
、加硫ゴムの加硫状態の分布や、混合されている配合剤
の分散状態を容易に稠べることができる。

また本発明は、リニアエンコーダによるパルス信号を、
そのままデジタル値としてカウントできるので、Ａ／Ｄ
コンバータ等の電気的変換手段を必要とせず、さらに前
述した機械的変換手段、例えばｌ５Ｏ４Ｂで規定されて
いる微少試験片用のマイクロ硬さ試験機において、押針
の移動量を拡大機構を用いることなく試料の硬さを正確
に検出することができる。この結果、硬さ針本体を小型
化、軽量化することができて持ち運びが容易であり、し
かも電源として電池を使用することができるので、電気
的ノイズにより測定結果に異常が生じる心配がなく何処
ででも安心して使用することができる。

なお、本定荷重デジタル式硬さ針は、その荷重負荷装置
を自動化したり、押針の先端を延長して恒温槽内部試料
の測定を可能にしたり、測定結果と基準硬さ値との比較
において合否を判定する機能を使用したりすることによ
り、デジタル表示やプリントアウト機能と相俟って、従
来のものと比較して大幅に使用し易すく、試料の開発研
究用や工場内等において有効に利用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第７図は本発明の実施例からなる定荷重デジタ
ル式硬さ針を示し、第１図は要部を切欠した正面視説明
図、第２図は同上外観を示す正面視説明図、第３図は同
上要部すなわちリニアエンコーダの内部構成を示す縦断
面説明図、第４図は同上横断面説明図、第５図はリニア
エンコーダのスリット板に生ずるモアレ縞の部分拡大説
明図、第６図は本デジタル式硬さ計に用いられる方向判
別回路の動作波形説明図、第７図は本デジタル式硬さ針
の構成を示すブロック説明図である。 ９・・・押針、１０・・・リニアエンコーダ、１６・・
・可動スリット板、１７・・・固定スリット板、１８．
１８　’　・・・発光素子、１９．１９　’　・・・受
光素子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 柔軟な材料の表面に、一定形状の押針を介して、一定の
   荷重を作用させ、そのときの押針の材料へのくい込み深
   さ（移動量）を、その材料の硬さとする硬さ計において
   、その押針の移動量を検出するリニアエンコーダを設け
   、このリニアエンコーダは、前記押針に連動する可動ス
   リット板と、これに対向する位置に取り付けられた固定
   スリット板と、これらを挟んで対向する位置に設けられ
   た発光素子と受光素子とから構成して、前記可動スリッ
   ト板の移動による遮光度合の変化または前記可動スリッ
   ト板の移動により発生するモアレ縞の移動に伴う明暗変
   化を電気信号に変換して検出できるようにし、さらに前
   記リニアエンコーダには、前記電気信号をパルス化して
   前記押針の移動量をデジタル表示可能な制御回路を接続
   したことを特徴とする定荷重デジタル式硬さ計。