JPS614942A

JPS614942A - デジタル式硬さ計

Info

Publication number: JPS614942A
Application number: JP12528784A
Authority: JP
Inventors: Kenhachi Mihashi; 健八三橋; Kohei Akashi; 明石　好平
Original assignee: KOBUNSHI KEIKI KK; Yokohama Rubber Co Ltd
Current assignee: KOBUNSHI KEIKI KK; Yokohama Rubber Co Ltd
Priority date: 1984-06-20
Filing date: 1984-06-20
Publication date: 1986-01-10
Also published as: JPH0257261B2

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スプリング
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デジタル式硬さ計に関す
る。

〔従来例〕

従来、ＪＩＳ　Ｋ６３０１第５．２項、　５ＩｉｌＳ　
０１０１の４．２項およびＡＳＴＭ　０２２４０に記載
される従来のスプリング式ゴム硬さ計は、被測定試料に
押針を押し付け、被測定試料の反力による押針の上下方
向の動きをラックとビニオン機構により回転量に変換し
、アナログゲージ盤上の指示針の動きよりゲージ盤上の
目盛を読み取るアナログ方式が取られていた。

さらに、最近では特公昭５５−２０１９１号公報、特開
昭５６−１５３２３５号公報にてデジタル方式のゴム硬
さ計が、押針の上下方向の移動量を差動トランスにより
電気信号に変換する方法で報告されていたり、また、特
開昭５７−１８４９４９号公報や特開昭５８−９０４４
号公報では可変抵抗器により電気信号に変換する方法、
さらに特開昭５８−７２０３２号公報ではロータリーエ
ンコーダを使用して電気信号に変換する方法が、また実
開昭５９−２０１４６号公報ではリニアスケールを使用
して電気信号に変換する方法が報告されているが、これ
らはいずれも問題点を有しており現在では問題を有した
まま使用されているが、まだ一般に実用化されていない
状態である。

ところで、すでに国内には数万台のゴム硬さ針が販売さ
れているが、そのほとんどがラックとピニオン機構によ
るアナログ方式である。この方式の特徴は小型で持ち運
びが容易であり、且つ安価であるという点であるが、そ
の反面、測定精度が悪く測定結果が時間とともに変化し
、目視による測定では正確な記録ができない問題があっ
た。

これは押針の上下移動を回転運動に変換する上に小型で
あるため充分な回転量が得られず、また変換部分にガタ
を生じ易いために測定精度に問題が生じるためであり、
機構上やむを得ないことであった。

したがって、この変換方式を利用して上下移動を回転運
動に変換しなければならないロータリーエンコーダ方式
では、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４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摩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か多くなり、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すでに実用化されているが、
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計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１．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、前記実開昭５９−２０１４６号公報に示されるよ
うなリニアスケールが提案されているが、このリニアス
ケールを使用した装置では、１枚のスリット板を挟んで
光学センサにてスリットの移動を読み取るようにしてい
たので、読み取り精度が悪いという問題を有する。

例えば、ＪＩＳ　Ｋ６３０１第５．２項、５ＲＩＳ　０
１０１の４．２項およびＡＳＴＭ　０２２４０に記載さ
れるスプリング式硬さ針では、押針が硬さ計より２．５
４Ｍ突き出ており、押針が２．５４＋ｕ移動した時に硬
さ１００になる。即ち、硬さ１は０．０２５４ｍの押針
の移動を検知しなければならず、このような微少の変位
を１枚のスリット板の移動から正確に検出するには変位
を拡大して検知するレンズ等を使用した装置が必要とな
るか、または微細な受光素子が必要となり、硬さ計自体
が大型化すると共に高価になるという問題を有している
。また、拡大装置を使用しない場合は、硬さ１０単位程
度しか読み取ることが出来ず、精度が悪いという問題が
ある。

〔発明の目的〕

そこで本発明の目的は、前記従来のデジタル式硬さ計の
有する種々の問題点を解消し、押針の上下移動量をその
ままリニアエンコーダを使用して検出することにより高
精度の硬さ測定値やさらには試料の分散度も得られ、ま
た、小型で持ち運び可能な全く新規な優れたデジタル式
硬さ計を安価で提供することである。

〔発明の構成〕

前記目的を達成する本発明のデジタル式硬さ計は、弾性
部材を利用して柔軟な材料の硬度を測定する硬さ針にお
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移
動スリ・ント板と、これに対向する位置に取り付けられ
、前記移動スリット板のスリットに対し僅かに傾斜した
スリットを持つ固定スリット板と、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、前記発光素子の前を移動スリット板が移動すること
によってできるモアレ縞の変化を、受光素子により電気
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
を特徴としている。

〔実施例〕

以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図および第２図は本発明デジタル式硬さ計の一実施
例の正面図及び側面図である。硬さ針本体１は前面にデ
ジタル硬さ表示器２を持つ表示操作部３があり、その背
後にリニアエンコーダ４が取付けである。このリニアエ
ンコーダ４を上下に貫通する状態でスピンドル５が取付
けられ誓いる。スピンドル５は上下に移動し、その上端
は荷重スプリング６の下端に接触している。荷重スプリ
ング６の上端は硬さ針本体１にねじ込まれた調整ネジ７
に接触し、調整ネジ７により荷重スプリング６の強さを
調整することによってＪＩＳ　Ｋ６３０１規格、５ＲＩ
Ｓ　０１０１０４．２項およびＡＳＴＭ　０２２４０規
格に適するようになっている。（第２図ではコイルばね
を用いているが、板ばねを用いることもできる。）また
、スピンドル５の下端には押針８が、これも前記各規格
に適する寸法で取付けられ、その先端は硬さ針本体１に
固定された加圧脚９の下面□、即ち加圧面１０より突出
している。

以上の構造において硬さ針本体１を加圧面１０が被測定
試料面に接するように押し当てると押針８およびスピン
ドル５は荷重スプリング６の作用により試料の反力、即
ち試料の硬さに応じて加圧面１０に対して上方に変位す
るので、この移動量を読み取ることで、この移動量と硬
さの関係を換算して試料の硬さを測定することができる
。リニアエンコーダ４には前記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、９のデ
ジタル信号は表示操作部３に組込まれた回路で処理され
、硬さ表示器２に前記各規格に記載されるスプリング式
硬さ値として表示される。

第３図および第４図はデジタル式硬さ計に用いられるリ
ニアエンコーダの構造図であり、第５図はリニアエンコ
ーダで使用されるスリット板の詳細図である。

リニアエンコーダ４は、スピンドル５に固定され、スピ
ンドル５の軸方向に直線運動する可動スリット板１１と
、リニアエンコーダ４本体に固定された固定スリット板
１２と、可動スリット板１１と固定スリット板１２の前
後に置いた２組の発光素子１３．１３’　と、受光素子
１４．１４”と、電圧比較器１５により構成されている
。スリット板１１、１２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、この両スリット板１１．
．１２は印刷された線が相互に僅かな傾き角度を持つよ
うに取り付けられ、その結果、第５図に示すようなモア
レ縞（濃淡縞）ができ、スピンドル５の上下動によって
可動スリット板１１が移動すると、このモアレ縞が左右
に移動する。そして、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１４．１４’　により近似正弦波
２５の電気信号に変換して取り出した後、更に電圧比較
器１５で矩形波２６に波形整形する。

なお、前記スリット板１１．１２は、両者を共に水平線
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良いものであ
る。

例えば、移動スリット板１１には水平にスリットを設け
、固定スリット板１２を前記移動スリット板１１に対し
て傾けた場合は、この固定スリソ目２の僅かな傾斜は、
例えばスリットのピンチをｄ、傾斜角度をαとするとモ
アレ縞の間隔Ｓが、Ｓ＃ｄ／αで与えられるところから
、受光素子の寸法が４顛φの場合、モアレ縞の間隔Ｓは
４１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。従って、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酊となり１．。

傾斜角度ｅｘ　＝　ｄ　／　ｓ　＝　０．００５／　５
　＝　０．００１ｒａｄ（ラジアン・・・ｌ　ｒａｄ　
＝　５７度）となり、同様に硬さ１単位まで読み取る場
合は、０．１／　５　＝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の範囲で固定スリットの傾
斜角度を選ぶ。

前記スリットの線の間隔は、硬さ値を０．０５度単位で
読みとる場合、０．００１２５　ｆｌｘ　４　＝　０．
００５顛ピツチとすることが必要であり、この矩形波の
数を計数することによりスピンドル５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５の移動方向
を認識するために素子１３゜１４からなる組と素子１３
’　、　１４’　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
くか、あるいは２組の素子をモアレ縞の移動方向Ｇ辱ず
らして配置すれば良い。このずれにより、素子１３．’
　１４の組からＡ相、素子１３’　、　１４’　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５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４からは９
０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５を上昇させたときと降下させたと
きの波形を第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＾ｔ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５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。

更に、Ｂ相の反転を用いて第６図（２）のＡｔ、　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相及び人
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４から出力する変位
信号は表示操作部３において方向判別回路１６、可逆カ
ウンタ１７、時間制御回路１８、表示器制御回路１９を
経て硬さ表示器２で表示される。方向判別回路１６では
りニアエンコーダ４からのＡ相、Ｂ相の２つの信号を入
力してスピンドル５の上昇、降下の判別信号と併せてス
ピンドル５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１７へ送る。可逆カウンタ１
７ではこのパルス数を計数してスピンドル５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
応し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１８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、すなわち硬、さ針本体１を試料に押し
当て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２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２０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１９は時間制御回路１８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２は例えば３〜４桁の７セグメント発光ダイ
オー１ｂ、（ＬＥＤ）（あるいは液晶ＣＬＣＤ））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２０の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２２の入力信号表示器としても切
換えて使用される。

表示操作部３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２１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２２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２３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２３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３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２４により、例えば測定結果を２進化１０
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１８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３は、本発明の硬さ針より離し、外部のデー
タ処理装置と組み合ねｉで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３を
本体がら離す場合は、第７図のリニアエンコーダ４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
な測定績□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と荷重スプリングを
使用し、測定時の条件（例えば試料への押し力、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をアナログ値から読み取っていたのが、±０
．０５の硬さ値までデジタル値として正確に得ることが
でき、２ｃ５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±０．１まで（第１図の実施例）
下げるのは容易である。

〔発明の効果〕以上の夷うに本発明のデジタル式硬さ計では、従来の硬
さ計では得られなかった高精度で試料の硬さを測定する
ことにより硬さ計の用途が広がり、例えば被測定試料が
加硫ゴムの場合、試料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調べることが可能となる。

また、モアレ縞の移動から押針の移動量を検出する所か
らリニアスケールから直接移動量を検出することより、
より確実に検出することができ、かつリニアスケールの
線の太さに影響されず、ピンチにより発生するモアレ縞
を読み取り、押針の移動量を高精度に検出することがで
きる。

また、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ことから、Ａ／Ｄコンバ
ータなどの電気的変換手段を必要としないし、さらに前
述した機械的変換手段を使用しないことから本発明の硬
さ針本体は小型で軽く持ち運びが容易であるという効果
と、さらに、電池式であることから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、従来のデジタル式
硬さ計の問題点を解決した大きな効果もある。

また、ＪＩＳ　Ｋ６３０１および八ＳＴＭ　Ｄ２２４０
にはそれぞれＪＩＳ　Ａ型およびデュロメータＡ型にお
いて、測定時の押し荷重が１　ｋｇ　ｆになるように記
載されており、本発明のデジタル式硬さ計においても自
重が１　ｋｇになるように調整すれば測定値の個人誤差
がなくなる等、精度の利点が得られる。

その他、電気信号として得られた硬さ測定結果をピーク
ホールドしたり、一定時間経過後の硬さ値を表示したり
、基準硬さ値との比較において合否を判定する機能は本
発明のデジタル式硬さ計を工場内等で使用する場合、デ
ジタル値のために読み取りやすい等の効果とともに有効
に利用される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のデジタル式硬さ計の一実施例の正面図
、第２図は第１図のデジタル式硬さ計の一部破断側面図
、第３図は本発明のリニアエンコーダの内部構成を示す
縦断面図、第４図は第４図のリニアエンコーダの横断面
図、第５図は本発明のデジタル式硬さ針のリニアエンコ
ーダに使用されるスリット板により生じるモアレ縞の部
分拡大図、第６図は本発明の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図、第７図は本発明のデジ
タル式硬さ計の構成を示すブロック図である。１・・・硬さ針本体、２・・・表示器、３・・・操作部
、４・・・リニアエンコーダ、５・・・スピンドル、６
・・・荷重スプリング、７・・・調整ネジ、８・・・押
針、９・・・加圧脚、１０・・・加圧面、１１・・・可
動スリット板、１２・・・固定スリット板、１３．１３
゛・・・発光素子、１４．１４°・・・受光素子、１５
・・・電圧比較器、１６・・・方向判別回路、１７・・
・可逆カウンタ、１８・・・時間制御回路、１９・・・
表示器！ｊ御回路、２０・・・時間信号設定器、２１・
・・合否判定。回路、２２・・・合否判定基準設定器、２３・・・合否
判定表示器。

Claims

【特許請求の範囲】

弾性部材を利用して柔軟な材料の硬度を測定する硬さ計
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
る移動スリット板と、これに対向する位置に取り付けら
れ、前記移動スリット板のスリットに対し僅かに傾斜し
たスリットを持つ固定スリット板と、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、前記発光素子の前を移動スリット板が移動するこ
とによってできるモアレ縞の変化を、受光素子により電
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
とを特徴とするデジタル式硬さ計。