(57)【要約】【課題】軟質な被測定物に対し、僅かな荷重を与えることで高精度な測定が可能な硬さ計を提供する。【解決手段】押針を被測定物に当接させて押針と被測定物との相対的な位置変化を検出市検出された変位にに基づき被測定物の硬さを求める硬さ計において、押針を板バネによって保持した荷重付与機構を備え、更に荷重付与機構を移動するための可動機構を備え、可動機構の駆動部がボイスコイルモータで構成されていることを特徴とする硬さ計。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
押針の先端を被測定物に接触させ前記押針と被測定物との相対的な位置変化を検出し検出された変位に基づき被測定物の硬さを求める硬さ計において、
荷重付与指令を受け荷重を発生する荷重発生部と、押針への荷重付与又は押針が被測定物に接することによって変形する板バネの変位量を検出するための第１の位置検出部とを有し指令された荷重が押針を介して被測定物に付与する荷重付与機構と、前記荷重付与機構を被測定物に対し近接又は遠離する方向に移動させる駆動部と前記荷重付与機構の移動量を検出するための第２の位置検出部とを有する可動機構とを備え、前記駆動部がボイスコイルモータを有することを特徴とする硬さ計。
【請求項２】
前記荷重付与機構は、押針と、該押針を支持する支持部材と、該支持部材を押針軸線に沿って移動可能に保持する基台と、該基台を挟んで一定の間隔を設けて対向配置される一対の板バネと、該一対の板バネの間に配置され押針の変位を検出する第１の位置検出部とを備え、前記板バネは中央バネ部と該中央バネ部の両側に位置する両側バネ部とを有し、前記中央バネ部の中心点が前記支持部材に固定され、前記両側バネの中心点が前記基台にそれぞれ固定され、かつ前記一対の板バネは各々のバネ部の中心点を通る直線が互いに略９０度をなすように配置され、前記押針が前記板バネを介して支持され、前記第１の位置検出部は、前記押針軸線上又はその近傍に位置すると共に、前記一対の板バネ間の略中央位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の硬さ計。
【請求項３】
前記第１の位置検出部は、差動トランスまたはホール素子を有することを特徴とする請求項１または２に記載の硬さ計。
【請求項４】
前記駆動部は、被測定物に対して荷重が押針を介して付与されている状態において、前記板バネの変形が荷重付与前の初期状態を保つように前記荷重付与機構の被測定物に対する位置を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の硬さ計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属材料等の硬いものではなく、ゴム、プラスチックス等の工業製品や例えば肌、筋肉、果実、食品等の医療、健康、食品産業において利用する硬さ測定器に関する。特に、押針を被測定物に当接させて測定を行なう接触式の硬さ計であって、押針を板バネによって保持した荷重付与機構を備え、更に荷重付与機構を移動するための可動機構を備えた硬さ計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
硬さ計の測定原理は、大別して変動荷重式と定荷重式があり、本発明は定荷重式に関する技術である。定荷重式は、先ず押針を被測定物に僅かに接触させ、この状態を初期位置として、その後初期状態時よりも大きな荷重を被測定物に加え、この時に移動した押針の沈み込み量を硬度とするものである。
【０００３】
従来技術における触角装置の機構について図８を用いて説明する。ボイスコイルモータ２０２は継鉄２２０と、それに取付けられた磁石２２１とからなる磁気回路部、および可動部であるボイスコイル２２２から構成され、ボイスコイル２２２に通電した電流に対した磁気力が発生するようになっている。接触子２０１はボイスコイルモータ２０２の可動部に取付けられ、被測定物に所定の力で接するよう上下運動するようになっている。ボイスコイルモータ２０２の可動部は、２枚の板状バネ体による平行板バネ２０３により弾性支持され、ボイスコイルモータ２０２の発生力および接触子２０１が被測定物から受ける反力によって、該平行板バネ２０３が変位するようになっている。一方、ボイスコイルモータ２０２の固定子は、可動機構の可動部２０５に装着される。ハウジング２０６は、例えば専用のスタンドに装着される。平行板バネ２０３には、歪みゲージ２０９が張付けされ、平行板バネ２０３が変位して、たわみが生じると、その変位量が歪みゲージ２０９の出力により検地できるようになっている。可動機構の可動部２０５は、直流モータ２１４の回転軸に連結された送りネジ２１０に、ナット２１１において係合され、直流モータ２１４の回転により、大ストロークの移動が可能になっている。可動部２０５のナット部２１１の外側は、リニアベアリング２１２を介して、ハウジング２０６に固定されたガイド２１６に対し、摺動可能になっている。直流モータ２１４の軸には、角度エンコーダ２１５が取付けられ、直流モータ２１４の回転角を検知する。この回転角は送りネジ２１０による可動機構の可動部２０５の移動量に比例する。被測定物の寸法は、送りネジ２１０の移動量と平行板バネ２０３の変位量の和あるいは差から求める構造をしている。（例えば、特許文献１参照。）
【０００４】
【特許文献１】特開昭６０−１１９４０２号（第１５頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術における硬さ計では、可動機構にボールネジに接続されたエンコーダ付の直流モータを用いているため、ステップ駆動による定常位置誤差が生じ、この誤差分が板バネの変形誤差となり、被測定物に加わる荷重に誤差を生じることになる。結果的に、可動機構の移動量に差異が生じ硬度値に誤差として現れる。
【０００６】
また、荷重付与機構において、片持ち梁状の平行板バネに押針を吊り下げた構造では、押針先端はその軸線方向に平行移動すると共に横方向にも動いてしまうため、測定上の誤差となる。
【０００７】
本発明の目的は上記従来技術の問題点を解決し、被測定物の測定面の面状態に影響されずに高精度の測定が可能な硬さ計を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる硬さ計は、押針の先端を被測定物に接触させ押針と被測定物との相対的な位置変化を検出し検出された変位に基づき被測定物の硬さを求める硬さ計において、
荷重付与指令を受け荷重を発生する荷重発生部と、押針への荷重付与又は押針が被測定物に接することによって変形する板バネの変位量を検出するための第１の位置検出部とを有し指令された荷重が押針を介して被測定物に付与する荷重付与機構と、荷重付与機構を被測定物に対し近接又は遠離する方向に移動させる駆動部と荷重付与機構の移動量を検出するための第２の位置検出部とを有する可動機構とを備え、駆動部がボイスコイルモータを有することを特徴とする。
【０００９】
この構成により、可動部の移動において定常位置誤差のない駆動が可能となり、板バネの変形によって生じる荷重誤差を極力小さくすることが出来るため、測定誤差の少ない高精度の硬さ計を提供することができる。
【００１０】
また、荷重付与機構は、押針と、該押針を支持する支持部材と、該支持部材を押針軸線に沿って移動可能に保持する基台と、該基台を挟んで一定の間隔を設けて対向配置される一対の板バネと、該一対の板バネの間に配置され押針の変位を検出する第１の位置検出部とを備え、板バネは中央バネ部と該中央バネ部の両側に位置する両側バネ部とを有し、中央バネ部の中心点が支持部材に固定され、両側バネの中心点が基台にそれぞれ固定され、かつ一対の板バネは各々のバネ部の中心点を通る直線が互いに略９０度をなすように配置され、押針が板バネを介して支持され、第１の位置検出部は、押針軸線上又はその近傍に位置すると共に、一対の板バネ間の略中央位置に設けられていることを特徴とするものである。
【００１１】
この構成により、押針の軸方向に対する垂直な横方向からの力に対しては、軸受けやガイド機構のような摺合的な位置保持手段を用いることなく、一対の板バネが強い剛性を持った部材として働き、押針先端の横方向の動きはほとんど生じることがない。更に、被測定物の押針の接触面の形状によって生じる横方向の力の作用に対する抗力は、少なくとも板バネの支持点がある４方向からの作用に対しては同一の抗力を備えていることになる。更に、押針が横方向の力を受けた場合に、押針やこれに連なるリンク部材は一対の板バネ間の中心位置を基点にして動かされるので、位置検出部を構成する能動部の横方向への変動は最小に抑えられる。その結果、測定誤差の少ない高精度の硬さ計を提供することができる。
【００１２】
そして、押針軸線方向に極めて小さな荷重から与えることができるので、正確で再現性のある測定結果を得ることができる。
【００１３】
また、荷重付与機構に設けられた第一の位置検出部は、差動トランスまたはホール素子を有することを特徴とするものである。
【００１４】
この構成により、押針の軸線方向の変位量を直接的に求められるため、測定誤差の少ない高精度の硬さ計を提供することができる。
【００１５】
また、駆動部は、被測定物に対して荷重が押針を介して付与されている状態において、板バネの変形が荷重付与前の初期状態を保つように荷重付与機構の被測定物に対する位置を制御することを特徴とするものである。
【００１６】
この構成により、板バネの変形によって生じる荷重誤差を極力小さくすることが出来るため、測定誤差の少ない高精度の硬さ計を提供することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、押針の軸方向に対する垂直な横方向からの力に対しては、軸受けやガイド機構のような摺合的な位置保持手段を用いることなく、一対の板バネが強い剛性を持った部材として働き、押針先端の横方向の動きはほとんど生じることがなく、押針の軸方向には柔軟な動きを示す。この様な構成とした上で、荷重付与機構における板バネの変形が荷重印加前の初期状態と成るよう可動部を駆動用ボイスコイルモータによって制御することで、荷重用ボイスコイルモータに発生した荷重のみが被測定物に加わるため、荷重精度を向上することが出来る。その結果、測定誤差が少なく、高精度の測定が可能な硬さ計を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に添付図面を参照して、本発明にかかる硬さ計の好適な実施形態を詳細に説明する。図１、図２は本発明の実施形態における硬さ計の構成を示す図である。図３、図４は本発明の実施形態における荷重付与機構に設けられるバネ支持部の構成を示す図である。図５は本発明の実施形態における硬さ計の構成及び動作を示す図である。図６、図７は本発明の実施形態における荷重付与機構に設けられる位置検出の構成を示す図である。なお、以下の実施形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１９】
図１は本実施形態における硬さ計の分解斜視図である。図２は本実施形態における硬さ計の斜視図である。図１、図２に示すように、バネ支持部４０には、押針１が支持部材２に固定され、リンク部材３を介して９０°向きの異なる２枚の板バネ４ａ、４ｂによって支持され、板バネ４ａ、４ｂは支柱５を介して基台６に取り付けられ、２枚の板バネ４ａ，４ｂの間のリンク部材３上には板バネ４ａ、４ｂの変形量を検出するための第一の位置検出部７（図４参照）が取り付けられている。バネ支持部４０上にはコイル２０が取り付けられ、押針１に連動して動作するようになっている。バネ支持部４０は、受け台２２上に取り付けられる。
可動部６０には、受け台２１、２２、２３が設けられている。受け台２１には、ヨーク２５と磁石２６が取り付けられたホルダ２７がネジによって固定される。受け台２２には、バネ支持部４０の基台６がネジによって固定される。コイル２０とヨーク２５と磁石２６によりボイスコイルモータ３０が構成される。ボイスコイルモータ３０は被測定物に対する荷重発生用として働く。バネ支持部４０とボイスコイルモータ３０によって荷重付与機構５０を成す。
【００２０】
リニアベアリング５１は、可動部６０と固定部７０の間に取り付けられ、可動部６０はリニアベアリング５１の案内に従って移動する。コイル５２は可動部６０に取り付けられ、ヨーク５３と磁石５４が取り付けられたホルダ５５は固定部７０にネジによって固定される。コイル５２とヨーク５３と磁石５４によりボイスコイルモータ８０が構成される。ボイスコイルモータ８０によって可動部６０を駆動させる。
【００２１】
スリットが形成されたガラススケールを対向配置した受発光素子の間を通し、ガラススケールに連なるスピンドル９１の移動量を検出する光学式の第二の位置検出部９０が固定部にネジによって固定される。スピンドル９１の先端部は受け台２３と当接し、可動部６０の位置を第二の位置検出部９０によって検出する。
【００２２】
この様にして、可動部６０と、固定部７０と、リニアベアリング５１と、ボイスコイル
モータ８０と、第二の位置検出部９０によって可動機構１００を成す。
固定部７０が、図示していない被測定物を載せるためのテーブルを備えたスタンド台等に装着されて被測定物の硬さ計測が行われる。
【００２３】
次に、本実施形態の硬さ計における荷重付与機構に用いるバネ支持部の板バネの形状及び変形について図３を用いて説明する。なお、板バネ４ａと板バネ４ｂとは同一形状であるため纏めて説明する。図３に示すように、板バネ４ａ、４ｂは、薄板で長方形を成しており、その長手方向に平行して延びる対称配置された一対の長孔１２ａ、１２ｂを有している。長孔１２ａ、１２ｂを境に3つに区分してなる中央バネ部８と両側バネ部９ａ、９ｂとが形成されている。中央バネ部８は一対の長孔１２ａ、１２ｂの間に設けられ、両側バネ部９ａは長孔１２ａの外側に、両側バネ部９ｂは長孔１２ｂの外側に設けられている。また、中心バネ部８の中心点１０の位置に固定用の孔１３が形成され、両側バネ部９ａ、９ｂの中心点１１ａ、１１ｂの位置には、それぞれ固定用の孔１４ａ、１４ｂが形成されている。
【００２４】
次に、このように形成した板バネ４ａ、４ｂの変形状態について説明する。板バネ４ａ、４ｂの２つの両側バネ部９ａ、９ｂの中心点１１ａ、１１ｂを固定点とし、中央バネ部８の中心点１０を可動点とし、中央バネ部８の中心点１０に図３（ｂ）に示すように矢印の方向の力を加えると一点鎖線で示したような変形が生じる。力が矢印Ｃの方向に加わる場合には、２つの両側バネ部９ａ、９ｂは中心点１１ａ、１１ｂを基点としてその長手方向の両端部の平面が矢印Ｃの方向に湾曲した形状となり、中央バネ部８はその長手方向の両端部の平面を基点として中心点１０を頂点とする凸型に湾曲した形状となる。一方、力が矢印Ｄの方向に加わる場合には、２つの両側バネ部９ａ、９ｂは中心点１１ａ、１１ｂを基点としてその長手方向の両端部の平面が矢印Ｄの方向に湾曲した形状となり、中央バネ部８はその長手方向の両端部の平面を基点として中心点１０を底点とする凹型に湾曲した形状となる。
【００２５】
次に、本実施形態の硬さ計における荷重付与機構に用いるバネ支持部の構成について図４を用いて説明する。押針１と、押針１を保持する支持部材２と、支持部材２を押針軸線に沿って移動可能に保持する基台６と、基台６を挟んで一定の間隔を設けて対向配置される一対の板バネ４ａ、４ｂと、一対の板バネ４ａ、４ｂの間に配置され、押針１の変位を検出する第一の位置検出部７とを備えている。一対の板バネ４ａ、４ｂはそれぞれ中央バネ部８と中央バネ部８の両側に位置する両側バネ部９ａ、９ｂとを有し、中央バネ部８の中心点１０（図３参照）がリンク部材３を介して支持部材２に固定され、両側バネ９ａ、９ｂの中心点１１ａ、１１ｂ（図３参照）が支柱５を介して基台６にそれぞれ固定されている。さらに、この一対の板バネ４ａ、４ｂは各々のバネ部８、９ａ、９ｂの中心点１０、１１ａ、１１ｂを通る直線Ａ、Ｂが互いに略９０度をなすように配置されている。
【００２６】
次に、本実施形態の硬さ計の構成及び動作について図５を用いて説明する。図５に示すように、押針１が被測定物１１０に接していない状態において、ホール素子３１の出力を図示していない回路部に取り込みを行い、この値を制御時の基準値とする。次に、コイル２０に図示していない回路部より、荷重付与指令に基づいた電流が印加され、コイル２０に連なる板バネ４ａ、４ｂや押針１等の一連の部材が矢印Ｅの方向に移動する。この時、磁石３２がホール素子３１側に近づきホール素子３１の出力値が上昇する。次に、コイル５２に図示していない回路部より、移動指令に基づいた電流が印加され、リニアベアリング５１の案内に従い可動部６０が矢印Ｆの方向に移動する。そして、押針１が被測定物１１０に接触し、更に押針１は押し進められ、ホール素子３１の出力値が初期値と一致した所でコイル５２への印加電流は保持され、可動部６０を停止する。コイル５２への移動指令は、ホール素子３１の出力値を初期値に近づけようと働き、ホール素子３１の出力値が初期値よりも高い場合にはコイル５２への印加電流量を増し、押針１を被測定物側１１０
へと押し進め、逆に、ホール素子３１の出力値が初期値よりも低い場合にはコイル５２への印加電流量を減らし、押針１を被測定物１１０から引き離す方向に制御される。次に、コイル５２に、図示していない回路部より、先の荷重付与指令時よりも大きな電流を印加し、押針１を被測定物側１１０へ向かって押し進める。この時に磁石３２がホール素子３１側に近づくためホール素子３１の出力値が上昇する。そして、ホール素子３１の出力値を初期値に戻そうとする方向の矢印Ｆの方向にコイル５２への印加電流を増し、可動部６０を移動させる。ホール素子３１の出力値が初期値と一致した所でコイル５２への印加電流は保持され、可動部６０を停止する。この時の第二の位置検出部９０（図２参照）のスピンドル９１の移動量を被測定物１１０の硬度値とする。
【００２７】
図６は本発明の硬さ計の荷重付与機構に用いられる第一の位置検出部の構成を示す断面図である。図６に示すように、第一の位置検出部７は、ホール素子３１と磁石３２と磁石保持部材３３とを備えている。ホール素子３１は、基台６の板バネ４ａと対向する平面に、直接または基板３４を介して取り付けられている。また、磁石保持部材３３はリンク部材３に固定されており、磁石保持部材３３には、円筒状の磁石３２が固定されている。磁石３２は、その円筒中心軸がリンク部材３の軸線方向と平行を成す向きで、かつ磁石３２の円筒中心とホール素子３１の検出部中心が揃う位置に配置されている。さらに、磁石３２のホール素子３１側の端面と、ホール素子３１の端面（モールド面）とは一定の間隙を持たせて対向配置されている。
【００２８】
このように構成された第一の位置検出部７によれば、押針１がその軸線方向に移動することにより、磁石３２とホール素子３１の間の隙間の距離が変化し、隙間に対する磁束密度の変化によってホール出力電圧が変化する。この変化によって、押針１の変位量を直接的に検出することができる。その結果、測定誤差のない高精度の硬さ計を提供することができる。
【００２９】
図７は本発明の硬さ計の荷重付与機構に用いられる第一の位置検出部の他の実施形態の構成を示す断面図である。図７に示すように、位検出器７は、一方の板バネ４ａと他方の板バネ４ｂとから略等しい距離に設けられており、第一の位置検出部７の外筒部４３は基台６の中心に形成された孔４５に接着によって取り付けられている。外筒部４３には、差動トランスを形成する２つのコイル４４ａが内蔵されている。一方、磁性材料のコア４４ｂは、コア支持部材４６とコア固定部材４７の間に配置されている。コア４４ｂと、コア支持部材４６と、コア固定部材４７とによってリンク部材３が構成され、コア４４ｂは押針１の動きに連動して動作する。
【００３０】
差動トランスの２つのコイル４４ａには、図示しない回路部より交流電圧が印加された励磁状態でコア４４ｂが移動すると、２つのコイル４４ａのリアクタンスが変化して、コア４４ｂの移動量に応じた出力電圧が得られる。この変化によって、押針１の変位量を直接的に検出することができる。
【００３１】
更に、押針１が横方向の力を受けた場合に、押針１やこれに連なるリンク部材３は板バネ４ａ、４ｂ間の略等しい距離の位置を基点にして動かされるので、第一の位置検出部７を構成するコア４４ｂの上下方向の変動を抑えることができる。その結果、測定誤差の少ない高精度の硬さ計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の硬さ計を示す分解斜視図である。
【図２】本発明の硬さ計を示す斜視図である。
【図３】本発明の硬さ計の荷重付与機構に用いられるバネ形状及び変形状態を示す２面図である。
【図４】本発明の硬さ計の荷重付与機構に用いられるバネ支持部の構成を示す斜視図である。
【図５】本発明の硬さ計の構成及び動作を示す側面図である。
【図６】本発明の硬さ計の荷重付与機構に用いられる第一の位置検出部の構成を示す断面図である。
【図７】本発明の硬さ計の荷重付与機構に用いられる第一の位置検出部の他の実施形態の構成を示す断面図である。
【図８】従来技術の硬さ計を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  押針
２  支持部材
３  リンク部材
４ａ、４ｂ  板バネ
５  支柱
６  基台
７  第一の位置検出部
８  中央バネ部
９ａ、９ｂ  両側バネ部
１０、１１ａ、１１ｂ  中心点
１２ａ、１２ｂ  長孔
１３、１４ａ、１４ｂ、４５  孔
２０、４４ａ、５２  コイル
２１、２２、２３  受け台
２５、５３  ヨーク
２６、３２、５４  磁石
２７、５５  ホルダ
３０、８０  ボイスコイルモータ
３１  ホール素子
３３  磁石保持部材
３４  基板
４０  バネ支持部
４３  外筒部
４４ｂ  コア
４６  コア支持部材
４７  コア固定部材
５０  荷重付与機構
５１  リニアベアリング
６０  可動部
７０  固定部
９０  第二の位置検出部
９１  スピンドル
１００  可動機構
１１０  被測定物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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