(57)【要約】【課題】圧子侵入量と力の関係を容易、且つ正確に調査することができるロックウェル硬さ試験機を提供する。【解決手段】荷重アーム作動部６で発生し荷重アーム４を介して圧子３に伝達された力を板バネ７のバネ変位量により検出するバネ変位量センサ６４と、力が伝達された圧子が、試料台５に載置された試料に押し込まれる時の圧子の変位量を計測するアーム位置センサ８と、バネ変位量と、圧子変位量とを同期サンプリングし、計測された圧子変位量から、圧子を介して伝達される力に応じて生じる試料台を含む機体の歪み分を補正し、バネ変位量に基づいて算出された力と、当該バネ変位量に同期してサンプリングされ補正された圧子変位量とを、表示装置１１に出力する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
力を発生させる力発生部と、
前記力発生部で発生した力を圧子に伝達する力伝達部と、
前記力発生部で発生した力により弾性変形する弾性部材と、
前記弾性部材の弾性変位量を検出する弾性変位量検出手段と、
前記弾性変位量検出手段の検出結果に基づいて前記圧子に作用する力を算出する力算出手段と、
力が伝達された前記圧子が、試料台に載置された試料に押し込まれる時の圧子の変位量を計測する圧子変位量計測手段と、
前記弾性変位量検出手段により検出される弾性変位量と、前記圧子変位量計測手段により計測される圧子変位量とを同期サンプリングするサンプリング手段と、
前記力算出手段により算出された力に基づいて、前記圧子を介して伝達される力に応じて生じる前記試料台を含む機体の歪み分を、前記圧子変位量計測手段によって計測された圧子変位量から補正する機体歪み補正手段と、
前記サンプリング手段によりサンプリングされた前記弾性変位量に基づいて前記力算出手段により算出された力と、当該弾性変位量に同期してサンプリングされた前記圧子変位量に基づいて前記機体歪み補正手段により補正された圧子変位量とを、出力手段に出力する出力制御手段と、を備えたことを特徴とする硬さ試験機。
【請求項２】
請求項１記載の硬さ試験機において、
前記機体歪み補正手段は、
前記力算出手段により算出された力と、前記圧子変位量計測手段によって計測された、前記圧子を介して試料に伝達される力に応じて生じる機体歪み量とを対応付けて記憶する記憶手段と、
圧子変位量計測時に、前記力算出手段により算出された力に応じた機体歪み量を前記記憶手段から読み出して、前記圧子変位量を補正する補正手段と、を備えたことを特徴とする硬さ試験機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロックウェル硬さ試験機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、圧子により試料表面に試験力を負荷して圧痕を形成させ、その圧痕の深さからその試料の硬さを評価するロックウェル硬さ試験機が知られている（例えば、特許文献１等）。
ロックウェル試験では、まず、試料に初試験力Ｆ０を加えた状態に保持した後、圧子に押付け力を徐々に負荷して最終的に試験力Ｆ１で圧子を試料に押し付ける。その後、圧子から試験力Ｆ１を取り除いて初試験力Ｆ０の状態に戻し、このときの圧子の試料に対する押し込み深さを測定する。
具体的には、初試験力Ｆ０における圧子の試料に対する押し込み深さｈ０と試験力Ｆ１を取り除いて初試験力Ｆ０に戻したときの押し込み深さｈ１との差に基づきロックウェル硬さＨＲＣ（Ｃスケールの場合）を算出する。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１０５１８２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ロックウェル硬さ試験において、最終的なロックウェル硬さのみならず、材料特性を評価するため、圧子の侵入量と力の関係を調査したいというニーズがある。
しかしながら、従来のロックウェル硬さ試験機の場合には、圧子の侵入量と力の関係データをリアルタイムで獲得することは困難であった。このようなことを行おうとすると、ロックウェル硬さ試験にロードセルを取り付けてアナログの力データとリニアゲージによる圧子侵入量データとを、サンプリング装置を用いて同時に取り込むより方法がなく、コストがかかるという問題があった。
【０００５】
また、圧子に力が加わると、ロックウェル硬さ試験機の機体が歪むので、リニアゲージにより得られる値は、圧子侵入量と機体歪み量とが混在した値となってしまい、圧子侵入量を正確に求めるのは困難であった。
【０００６】
本発明の課題は、圧子侵入量と力の関係を容易、且つ正確に調査することができるロックウェル硬さ試験機を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成する為、請求項１記載の発明は、ロックウェル硬さ試験機（１）において、例えば、図１〜３に示すように、
力を発生させる力発生部（例えば、荷重アーム作動部６）と、
前記力発生部で発生した力を圧子（３）に伝達する力伝達部（例えば、荷重アーム４）と、
前記力発生部で発生した力により弾性変形する弾性部材（例えば、板バネ７）と、
前記弾性部材の弾性変位量を検出する弾性変位量検出手段（例えば、バネ変位量センサ６４）と、
前記弾性変位量検出手段の検出結果に基づいて前記圧子に作用する力を算出する力算出手段（例えば、ＣＰＵ９３など）と、
力が伝達された前記圧子が、試料台に載置された試料に押し込まれる時の圧子の変位量を計測する圧子変位量計測手段（例えば、アーム位置センサ８）と、
前記弾性変位量検出手段により検出される弾性変位量と、前記圧子変位量計測手段により計測される圧子変位量とを同期サンプリングするサンプリング手段（例えば、ＣＰＵ９３など）と、
前記力算出手段により算出された力に基づいて、前記圧子変位量計測手段によって計測された圧子変位量から、前記圧子を介して伝達される力に応じて生じる前記試料台を含む機体の歪み分を補正する機体歪み補正手段（例えば、ＣＰＵ９３など）と、
前記サンプリング手段によりサンプリングされた前記弾性変位量に基づいて力算出手段により算出された力と、当該弾性変位量に同期してサンプリングされた前記圧子変位量に基づいて前記機体歪み補正手段により補正された圧子変位量とを、出力手段（例えば、表示装置１１）に出力する出力制御手段（例えば、ＣＰＵ９３など）と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
請求項１記載の発明によれば、弾性部材の弾性変形量に基づいて圧子に伝達される力が算出されるので、ロードセルのような高価なものを用いることなく、安価に試験力を計測することができる。
また、サンプリング手段によって同期サンプリングされた弾性変位量に基づく力と、圧子侵入量とが出力手段に出力されるので、力と圧子侵入量との関係を容易に調査することができる。
更に、機体歪み補正手段により、力算出手段によって算出された力に基づいて、圧子を介して伝達される力に応じて生じる前記試料台を含む機体の歪み分が、圧子変位量計測手段によって計測された変位量から補正されるので、より正確な力と圧子侵入量との関係を求めることができる。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の硬さ試験機において、
前記機体歪み補正手段は、
前記力算出手段により算出された力と、前記圧子変位量計測手段によって計測された、前記圧子を介して試料に伝達される力に応じて生じる機体歪み量を記憶する記憶手段（例えば、記憶部９４）と、
圧子変位量計測時に、前記力算出手段により算出された力に応じた機体歪み量を前記記憶手段から読み出して、前記圧子変位量を補正する補正手段（例えば、ＣＰＵ９３）と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明と同様の効果が得られることは無論のこと、特に、圧子変位量計測手段によって計測された圧子を介して試料に伝達される力に応じて生じる機体歪み量が記憶手段に記憶され、補正手段により圧子変位量計測手段によって計測された圧子変位量が補正されるので、予め実測された機体歪み量に基づいて圧子変位量の補正がなされることとなって、より正確な補正を行うことが出来る。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態による硬さ試験機の要部構成を示す図である。
図１に示す様に、硬さ試験機１は、機体２と、この機体２に回動自在に支持され、自由端部に圧子３が取付けられた力伝達部としての荷重アーム４と、圧子３の下方の機体２に設けられ、試料Ｓを載置する試料台５と、荷重アーム４の下方に設けられ、荷重アーム４の自由端側を回動させ、試料表面に圧痕を形成させる為の押圧力を付与する力発生部としての荷重アーム作動部６と、荷重アーム作動部６が作動した際に発生した力を荷重アーム４に伝達する弾性部材としての板バネ７と、圧子３によって形成された圧痕の深さを測定する圧子侵入量計測手段としてのアーム位置センサ８と、を備える。
【００１２】
また、硬さ試験機１は、このアーム位置センサ８により測定された圧痕の深さに基づいて試料Ｓの硬さを算出する硬さ算出部９（図２参照）を備えている。
【００１３】
更に、硬さ試験機１は、目標押込力や負荷速度などの試験条件を入力する為の入力装置（図示省略）と、試験条件入力画面（図示省略）や硬さ算出部９によって算出された硬さを出力する出力手段としての表示装置１１（図３参照）と、を有している。
なお、これら入力装置（図示省略）及び表示装置は、硬さ試験機１に着脱自在に外付けされたものであってもよい。
【００１４】
機体２は、その内部に荷重アーム作動部６と、荷重アーム作動部６の駆動源となる電装部２１などを備えている。荷重アーム４は、機体２に十字バネ４１或いは転がり軸受などにより回動自在に支持されると共に、自由端部には圧子３が着脱自在に取付けられている。また、この荷重アーム４は板バネ７と一体化されている。板バネ７と荷重アーム４との間には、長手方向に沿って溝部７ａが形成され、圧子３側の溝部７ａの先端は開口している。
【００１５】
試料台５は、その下面に角ネジ５１が設けられ、この角ネジ５１によって機体２に上下動可能に取付けられている。更に、試料Ｓと圧子３が接触した際に自動的に試料台５を停止させるオートブレーキ機構５２も備えている。
荷重アーム作動部６は、電気的作動手段としてのサーボモータ６１と、ボールネジ６２と、ボールネジ６２の先端部に取付けられ、板バネ７に固定される固定治具６３と、を備えている。従って、サーボモータ６１が駆動してボールネジ６２が上下動する事により、板バネ７と一体化された荷重アーム４が回動するようになっている。固定治具６３は、荷重アーム４と荷重アーム作動部６を繋ぐもので、荷重アーム４の回動と板バネ７の弾性変形による板バネ７の軸と荷重アーム作動部６の軸のミスアライメントを吸収する機能を有し、例えば、薄い板、ピアノ線などの線材、或いはナイフエッジと十字バネの組合せ、ユニバーサルジョイントなどを単独或いは併用して構成されている。
【００１６】
また、荷重アーム作動部６には、荷重アーム４及び板バネ７に取付けられてこれらの開き量すなわち板バネ７のバネ変形量を検出する弾性変位量計測手段としてのバネ変位量センサ６４を備えている。
【００１７】
バネ変位量センサ６４は、例えばガラススケールを光学的に読み取る変位センサユニット（リニアスケール）から成り、ボールネジ６２の下方への作動によって、板バネ７と荷重アーム４の間における溝部７ａの開き量からバネ変位量を検出し、検出したバネ変位量を硬さ算出部９へ出力する。
ここで、バネ変位量は、圧子３の押圧力或いは試料Ｓに加わる試験荷重に比例する。
【００１８】
アーム位置センサ８は、バネ変位量センサ６４と同様に、例えば、ガラススケールを光学的に読み取る変位センサユニット（リニアスケール）から成り、荷重アーム４の上下方向の移動量を測定する。測定されたアーム変位量は、硬さ算出部９に出力される。
ここで、荷重アーム４の上下方向の移動量は、圧子３の試料Ｓへの侵入量に比例する。
【００１９】
硬さ算出部９は、図３に示すように、増幅器９１、Ａ／Ｄ変換器９２、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）９３、記憶部９４などを具備している。
【００２０】
増幅器９１は、バネ変位量センサ６４により検出されたバネ変位量信号及びアーム位置センサ８により検出されたアーム変位量信号を増幅し、Ａ／Ｄ変換器９２に出力する。Ａ／Ｄ変換器９２は、増幅されたバネ変位量信号及びアーム変位量信号をＡ／Ｄ変換してＣＰＵ９３に出力する。
ここで、Ａ／Ｄ変換されたバネ変位量信号は、バネ変位量データであり、アーム変位量信号は、圧子侵入量データである。
【００２１】
ＣＰＵ９３は、記憶部９４に格納されたプログラムやデータを記憶部９４内のＲＡＭエリア９４１に展開し、当該プログラムに従った処理を実行し、実行結果をＲＡＭエリア９４１に一時的に格納する。
具体的に、ＣＰＵ９３は、サンプリング手段として、記憶部９４に内蔵されたサンプリングプログラム９４３を実行することにより、バネ変位量センサ６４により計測されるバネ変位量と、アーム位置センサ８により計測される圧子変位量とを、所定のサンプリング周波数にて同期サンプリングする。
また、ＣＰＵ９３は、力算出手段として、入力されたバネ変位量データに基づいて、記憶部９４に内蔵された力算出プログラム９４４を実行することにより、圧子３に作用する力を算出する。
【００２２】
更に、ＣＰＵ９３は、補正手段として、算出された圧子３に作用する力データ及び圧子侵入量データに基づいて、記憶部９４に内蔵された機体歪み補正プログラム９４５に従って圧子侵入量を補正する。即ち、ＣＰＵ９３は、算出された力データの力に応じた機体歪み量を記憶部９４に記憶された機体歪み補正データ９４２から読み出して、圧子侵入量を補正する。
【００２３】
また、ＣＰＵ９３は、出力制御手段として、サンプリングされたバネ変位量に基づいて算出された力と、当該バネ変位量に同期してサンプリングされた圧子変位量に基づいて補正された圧子変位量とを、記憶部９４に内蔵された表示制御プログラム９４６を実行することにより、所定の出力データを作成し、該出力データを表示装置１１に出力する。
【００２４】
また、ＣＰＵ９３は、補正した圧子侵入量に基づいて、記憶部９４に記憶された硬さ算出プログラム９４７に従って当該試料の硬さを算出する。
更に、ＣＰＵ９３は、算出した硬さデータを所定の出力形式のデータに加工して表示装置１１に出力する。
【００２５】
記憶部９４には、ＣＰＵ９３の作業領域であるＲＡＭエリア９４１のほか、機体歪み補正データ９４２、サンプリングプログラム９４３、力算出プログラム９４４、機体歪み補正プログラム９４５、表示制御プログラム９４６、硬さ算出プログラム９４７などが記憶される記憶領域などが設けられており、記憶手段として機能する。
表示装置１１は、例えば、ＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ  Ｒａｙ  Ｔｕｂｅ）や液晶などにより構成された表示画面を備えたものである。
【００２６】
次に、機体歪み補正データの作成方法について説明する。
まず、先端部が鈍角な歪み測定用圧子（図示省略）を荷重アーム４の自由端部に取り付ける。
次いで、試料台５に歪み測定用試料（図示省略）を載置する。この歪み測定用試料は、少なくとも測定部およびその周辺が超硬鋼で出来ており、試験力設定範囲（例えば、０．０９８ｍＮから９８０．７ｍＮ）内の力では、表面に圧痕が形成されないようになっている。
【００２７】
次いで、荷重アーム作動部６により試験力設定範囲内の力を連続的に変化させた時の力をバネ変位量センサ６４により計測するとともに、当該バネ変位量センサ６４による力計測に同期してアーム位置センサ８により機体歪みを計測する。
計測された力及び機体歪みは、記憶部９４のＲＡＭエリア９４１に一時的に記憶された後、ＣＰＵ９３は、ＲＡＭエリア９４１に記憶された力及び機体歪みを対応付けた機体歪み補正データを作成し、作成した機体歪み補正データを記憶部９４に記憶する。
【００２８】
なお、計測したいくつかの機体歪みデータから補正式を補正式算出プログラム（図示省略）により算出し、算出された補正式から得られた値から機体歪み補正データを作成して記憶部９４に記憶してもよい。
【００２９】
次に、上記硬さ試験機１による圧子侵入量の補正動作及び硬さ算出動作について説明する。
まず、上記機体歪み補正データ作成方法によって機体歪み補正データを作成し、作成された機体歪み補正データを記憶部９４に記憶させる。
次いで、先端部が鋭角な押し込み量測定用の圧子３を力伝達レバー４の自由端部４ａに取り付け、試料台２０ａに試験用試料Ｓを載置する。
【００３０】
続いて、フォースコイル２１に所定の電流を流して荷重アーム４を降下させて所定の力を、圧子３を介して試料Ｓに伝達する。
このとき圧子３に作用する力は、バネ変位量センサ６４により測定され、その測定結果であるバネ変位量信号が所定のサンプリング周波数で増幅器９１、Ａ／Ｄ変換器９２を介してＣＰＵ９３に出力される。
また、この力測定に同期して圧子３の変位がアーム位置センサ８により測定され、その測定結果であるアーム変位量信号が増幅器９１、Ａ／Ｄ変換器９２を介してＣＰＵ９３に出力される。
ＣＰＵ９３は、サンプリングされたバネ変位量データ及びアーム変位量データを対応付けて記憶部９４のＲＡＭエリア９４１に一時的に記憶する。
また、ＣＰＵ９３は、サンプリングされたバネ変位量データに基づいて、力を算出し、算出した力データを記憶部９４のＲＡＭエリア９４１に一時的に記憶する。
【００３１】
次いで、ＣＰＵ９３は、機体歪み補正プログラムを実行することにより、バネ変位量データに基づく力に対応する機体歪み量を記憶部９４の機体歪みデータから読み出し、入力されたアーム変位量データ（見かけ上の圧子侵入量データ）から、機体歪みデータから読み出した機体歪み量を減算し、機体歪み分が除去された真の圧子侵入量を算出し、ＲＡＭエリア９４１に記憶する。
【００３２】
また、ＣＰＵ９３は、ＲＡＭエリア９４１に記憶されたバネ変位量に基づく力と、機体歪み補正された圧子侵入量とを、グラフ形式で表示装置１１に出力する。
具体的には、例えば、図３の最下段に示すように、横軸が圧子の侵入位置（μｍ）、縦軸が力（Ｎ）を示すグラフが表示される。このグラフにおいて、圧子の最大侵入量は、約１０μｍであり、ロックウェル深さは、約８μｍであることが分かる。また、例えば、力に対する侵入量は、低荷重領域に比べて高荷重領域の方が大きい、などの材料特性も分かる。
【００３３】
次いで、ＣＰＵ９３は、算出された真の圧子侵入量に基づいて、硬さ算出プログラムを実行することにより、硬さデータを算出し、算出した硬さデータを表示装置１１に出力する。
【００３４】
以上説明した硬さ試験機１によれば、板バネ７のバネ変形量に基づいて圧子３に伝達される力が算出されるので、ロードセルのような高価なものを用いることなく、安価に力を計測することができる。
また、同期サンプリングされたバネ変位量に基づく力と、圧子侵入量とが表示装置１１に連続的に出力されるので、力と圧子侵入量との関係による材料特性を容易に調査することができる。
更に、計測された力に基づいて、圧子３を介して伝達される力に応じて生じる前記試料台５を含む機体２の歪み分が、アーム位置センサ８によって計測された変位量から補正されるので、より正確な力と圧子侵入量との関係を求めることができる。
【００３５】
また、アーム位置センサ８によって計測された圧子３を介して試料Ｓに伝達される力に応じて生じる機体歪み量が記憶部９４に記憶され、アーム位置センサ８によって計測された圧子変位量が補正されるので、予め実測された機体歪み量に基づいて圧子変位量の補正がなされることとなって、より正確な補正を行うことが出来る。
【００３６】
なお、上記実施の形態では、バネ変位量センサ６４、アーム位置センサ８として、共にリニアスケールを採用したが、これに限られるものではなく、例えばコンデンサピック（電荷容量型変位センサ）、ＬＶＤＴ（作動変圧器）、電気マイクロメータ等を使用してもよい。
また、板バネ７に代えて、コイルバネ、組み立て板バネ、一体バネ、ゴム等を用いることとしてもよい。更に、試料Ｓに比較的大きな荷重を与える場合には、板バネ７を両端支持梁としてもよい。
【００３７】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、弾性部材の弾性変形量に基づいて圧子に伝達される力が算出されるので、ロードセルのような高価なものを用いることなく、安価に力を計測することができる。
また、サンプリング手段によって同期サンプリングされた弾性変位量に基づく力と、圧子侵入量とが出力手段に出力されるので、力と圧子侵入量との関係を容易に調査することができる。
更に、機体歪み補正手段により、力計測手段によって計測された力に基づいて、圧子を介して伝達される力に応じて生じる前記試料台を含む機体の歪み分が、圧子変位量計測手段によって計測された変位量から補正されるので、より正確な力と圧子侵入量との関係を求めることができる。
【００３８】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明と同様の効果が得られることは無論のこと、特に、圧子変位量計測手段によって計測された圧子を介して試料に伝達される力に応じて生じる機体歪み量が記憶手段に記憶され、補正手段により圧子変位量計測手段によって計測された圧子変位量が補正されるので、予め実測された機体歪み量に基づいて圧子変位量の補正がなされることとなって、より正確な補正を行うことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用された硬さ試験機の主要部構成を示す側面図である。
【図２】図１に示す硬さ算出部の要部構成を示すブロック図である。
【図３】表示装置における表示例を示した図である。
【符号の説明】
１          硬さ試験機
２          機体
３          圧子
４          荷重アーム（力伝達部）
５          試料台
６          荷重アーム作動部（力発生部）
７          板バネ（弾性部材）
８          アーム位置センサ（圧子変位量計測手段）
９          硬さ算出部
１１          表示装置（出力手段）
９１          増幅器
９２          Ａ／Ｄ変換器
９３          ＣＰＵ（サンプリング手段、力算出手段、機体歪み補正手段、
補正手段、出力制御手段）
９４          記憶部（記憶手段）
Ｓ          試料
【図１】
2004340655.tif 000003
【図２】
2004340655.tif 000004
【図３】
2004340655.tif 000005