(57)【要約】【課題】  試験方法の異なる硬さ試験を同一の試験機により行うことができる硬度試験機を提供する。【解決手段】  負荷伝達軸３６は、板バネ６１を介してターレット２０に支持されている。また、負荷伝達軸３６は、上下の板バネ６１を支持部材６２を介してターレット２０の軸筒２７に固定したロバーバル機構により、負荷機構により与えられた試験力に応じて昇降可能となっている。この負荷伝達軸３６には、負荷機構により与えられた試験力に応じた負荷伝達軸３６の移動量を検出する、変位検出器６０が接続されている。すなわち、この変位検出器６０は、負荷伝達軸３６の移動量を検出することで、負荷伝達軸３６の先端に接続された圧子２１が、試験力が与えられたことにより試験片１００に押し込まれた量（くぼみ深さ）を計測している。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験片を載置する載置台と、
試験片の表面に圧痕を形成するための圧子と、
前記圧子を先端に配設した負荷伝達部材と、
前記負荷伝達部材を介して前記圧子を昇降させることにより試験片に対して試験力を付与する負荷機構と、
試験片の表面に形成された圧痕をその上方から観察するための対物レンズと、
前記対物レンズを介して圧痕の大きさを測定するための圧痕測定手段と、
前記負荷伝達部材と前記対物レンズとを支持して回転することにより、前記圧子または前記対物レンズのいずれかを前記載置台に載置された試験片と対向する位置に移動させる回転部材と、
前記回転部材に配設されるとともに、前記負荷伝達部材に接続され前記圧子の試験片への押し込み量を検出するための押し込み量検出手段と、
前記圧痕測定手段により測定された圧痕の大きさから試験片の硬さを算出する圧痕解析手段と、
前記押し込み量検出手段が検出した押し込み量から試験片の硬さを算出する押し込み量解析手段と、
を備えることを特徴とする硬度試験機。
【請求項２】
請求項１に記載の硬度試験機において、
前記回転部材は、圧痕の大きさから試験片の硬さを算出する試験用の圧子、および／または、押し込み量から試験片の硬さを算出する試験用の圧子が配設された複数の負荷伝達部材を支持する硬度試験機。
【請求項３】
請求項２に記載の硬度試験機において、
前記圧痕の大きさから試験片の硬さを算出する試験用の圧子は四角錐形圧子であり、前記押し込み量から試験片の硬さを算出する試験用の圧子は三角錐形圧子である硬度試験機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、試験片の硬度を測定する硬度試験機に関する。
【背景技術】
【０００２】
試験片の硬さを測定する試験方法は、日本工業規格（ＪＩＳ）や国際標準化機構規格（ＩＳＯ規格）等に定められており、これら試験方法に応じた各種試験機が種々存在している。そのような試験片の硬さを測定する試験機として、ビッカース硬さ試験（ＪＩＳ  Ｚ２２４４）に用いるビッカース硬さ試験機（ＪＩＳ  Ｂ７７２５）、超微小負荷硬さ試験（ＪＩＳ  Ｚ２２５５）や計装化押し込み硬さ試験（ＩＳＯ  １４５７７−１）に用いる押し込み硬さ試験機が知られている。
【０００３】
ビッカース硬さ試験では、所定の試験力で圧子を試験片に押し込んで形成した圧痕の対角線長さから圧痕の大きさを計測し、硬さを算出している。このため、ビッカース試験機においては、試験片に試験力を付与してその表面に圧痕を形成する四角錐形圧子と、試験片を載置する載置台と、載置台に配設され試験片上の複数の計測点で圧痕を形成するために試験片を順次に移動させるＸＹステージと、試験片を観察するための複数の対物レンズと、これらの対物レンズおよび圧子のうちいずれか一つを計測点と対向させるように切り換えるターレットとが備えられている。そして、試験片に形成された圧痕は、対物レンズを透過して拡大され、接眼レンズや拡大像表示用モニタを利用してオペレータにより観察されるとともに、その大きさが計測される。このようにビッカース試験機では、試験片に試験力を付与して圧痕を計測するまでをスムースに行えるよう、試験片に試験力を付与する負荷系の負荷軸と試験片に形成された圧痕を観察するための光学系の光軸を同軸とし、圧痕が形成された試験片を動かすことなく、ターレットにより圧子と対物レンズを移動させることで負荷系と光学系とを切り換え、圧痕の計測を行う構成となっている（特許文献１参照）。
【０００４】
一方、超微小負荷硬さ試験や計装化押し込み硬さ試験を行う押し込み硬さ試験機では、所定の試験力で圧子を試験片に押し込む際の圧子の試験片への侵入深さ（押し込み量）を計測し、硬さを算出している。このため、押し込み硬さ試験機においては、試験片に試験力を付与してその表面から試験片に押し込まれる三角錐形圧子と、試験片を載置する載置台と、載置台に配設され試験片を移動させるＸＹステージと、圧子位置の変位量を検出する変位検出器とが備えられている。そして、特許文献２に記載の試験機においては、補助的装置として対物レンズや接眼レンズ等からなる光学モニタ装置が備えられ、ＸＹステージにより試験片を圧子と対向する位置から対物レンズに対向する位置に移動させることにより、オペレータによる試験片の観察も可能な構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−１５１２８号公報
【特許文献２】特開平９−７９９６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、押し込み硬さ試験機においては、上述したように試験片への圧子の押し込み量から試験片の硬さを求めることから、負荷系により試験片に付与された試験力に対応する圧子の試験片への押し込み量を正確に計測できることが求められる。そして、この種の押し込み硬さ試験機では、光学系は、特許文献２に記載の試験機のように試験片を観察する場合の補助的機能とされ、ビッカース硬さ試験機のように、負荷系の負荷軸と光学系の光軸が同軸ではない構成となっていることから、オペレータが試験片に形成された圧痕を観察したいときには、試験片を対物レンズの配設位置まで移動させて圧痕等の観察を行うことになる。このため、押し込み硬さ試験機に、ビッカース硬さ試験用の四角錐形圧子を取り付けてビッカース硬さ試験を行う場合には、試験片の大きさに応じて試験片を移動させるＸＹステージを取り換えるなどの装置の仕様変更を行う必要が生じる。また、試験片を移動させるＸＹステージの可動範囲等により、試験可能な試験片の大きさが限られる等の問題も生じる。
【０００７】
この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、試験方法の異なる硬さ試験を同一の試験機により行うことができる硬度試験機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、試験片を載置する載置台と、試験片の表面に圧痕を形成するための圧子と、前記圧子を先端に配設した負荷伝達部材と、前記負荷伝達部材を介して前記圧子を昇降させることにより試験片に対して試験力を付与する負荷機構と、試験片の表面に形成された圧痕をその上方から観察するための対物レンズと、前記対物レンズを介して圧痕の大きさを測定するための圧痕測定手段と、前記負荷伝達部材と前記対物レンズとを支持して回転することにより、前記圧子または前記対物レンズのいずれかを前記載置台に載置された試験片と対向する位置に移動させる回転部材と、前記回転部材に配設されるとともに、前記負荷伝達部材に接続され前記圧子の試験片への押し込み量を検出するための押し込み量検出手段と、前記圧痕測定手段により測定された圧痕の大きさから試験片の硬さを算出する圧痕解析手段と、前記押し込み量検出手段が検出した押し込み量から試験片の硬さを算出する押し込み量解析手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記回転部材は、圧痕の大きさから試験片の硬さを算出する試験用の圧子、および／または、押し込み量から試験片の硬さを算出する試験用の圧子が配設された複数の負荷伝達部材を支持する。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記圧痕の大きさから試験片の硬さを算出する試験用の圧子は四角錐形圧子であり、前記押し込み量から試験片の硬さを算出する試験用の圧子は三角錐形圧子である。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に記載の発明によれば、回転部材に押し込み量検出手段を配設するとともに、圧痕解析手段と押し込み量解析手段とを備えたことにより、圧痕の大きさから試験片の硬さを算出する試験や押し込み量から試験片の硬さを算出する試験等、試験方法の異なる硬さ試験を、ＸＹステージの取り換え等の装置の仕様変更を伴うことなく、同一の試験機により容易に行うことが可能となる。
【００１２】
請求項２に記載の発明によれば、回転部材に複数の負荷伝達部材を備えられていることから、圧子の切り換えをスムースに行うことが可能となる。
【００１３】
請求項３に記載の発明によれば、複数の負荷伝達部材は、四角錐形圧子と三角錐形圧子を各々先端に配設することから、ビッカース硬さを求める試験とマルテンス硬さを求める試験との切り換えを容易に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明に係る硬度試験機の概要図である。
【図２】ターレット２０に支持された対物レンズ等の配置を示す説明図である。
【図３】圧子２１に対して試験力を付与するための負荷機構と圧痕を観察するための光学系の概要図である。
【図４】この発明に係る硬度試験機の主要な電気的構成を示すブロック図である。
【図５】圧子２１により試験片１００に圧痕を形成する様子を模式的に示す説明図である。
【図６】試験片１００に形成された圧痕を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係る硬度試験機の概要図である。図２は、ターレット２０に支持された対物レンズ２２等の配置を示す説明図である。
【００１６】
この硬度試験機は、テーブル１１と、このテーブル１１上に配置され試験片１００を載置する載置台としてのＸＹステージ１２とを備える。ＸＹステージ１２は、試験片１００をＸ方向（図１における左右方向）およびＹ方向（図１における紙面に垂直な方向）に移動させるためのものである。このＸＹステージ１２には、試験片１００をＸ方向に移動させるためのマイクロメータ１３と、試験片１００をＹ方向に移動させるためのマイクロメータ１４とが付設されている。また、ＸＹステージ１２は、昇降ハンドル１５の作用により、昇降する構成となっている。
【００１７】
また、この硬度試験機は、試験片１００を目視により観察するための接眼レンズ１６と、試験片１００を撮影するためのカメラ１７と、試験片１００の表面の像を表示するためのＣＲＴ等の表示部１８と、各種のデータを入力するためのキーボード等の入力部１９と、後述する先端に圧子２１を配設した負荷伝達部材としての負荷伝達軸３６および対物レンズ２２等を支持する回転部材であるターレット２０とを備える。
【００１８】
ターレット２０には、ＸＹステージ１２上に載置された試験片１００に後述する負荷機構により押し込まれる圧子２１を先端に配設した負荷伝達軸３６、４６と、６０倍の対物レンズ２２、４０倍の対物レンズ２３、２０倍の対物レンズ２４、１０倍の対物レンズ２５とが配設されている。なお、対物レンズ２２、２３、２４、２５の倍率および配設個数はこれに限定されるものではない。
【００１９】
図３は、圧子２１に対して試験力を付与するための負荷機構と圧痕を観察するための光学系の概要図である。
【００２０】
この硬度試験機は、負荷伝達軸３６、４６の先端に配設された圧子２１を試験片１００に対して押し込む試験力を与える負荷機構と、ＸＹステージ１２上に載置された試験片１００を照明するとともに圧痕を観察するための光学系を備える。
【００２１】
図３に示すように、ターレット２０は、その軸筒２７がベアリング２９を介して軸２８に接続されており、つまみ２６を操作することにより、鉛直方向を向く軸２８を中心に回転する。そして、この図３においては、ターレット２０の回転により負荷伝達軸３６を介して圧子２１に試験力が与えられる場合、すなわち、圧子２１が図１に示す試験片１００と対向する位置に配置されている場合を示している。
【００２２】
負荷機構は、軸３１を中心に揺動可能なレバー３２を備える。レバー３２の一端には、中空の押圧部３５が配設されている。この押圧部３５は、レバー３２の揺動に伴って、圧子２１に連結した負荷伝達軸３６の端部に付設された当接部３７を押圧する構成となっている。また、レバー３２の他端には、永久磁石３３が付設されている。この永久磁石３３の外部には、電磁コイル３４が配設されている。この永久磁石３３と電磁コイル３４とにより、ボイスコイルモータが構成される。このボイスコイルモータは、電磁式の負荷機構となり、電磁コイル３４に流れる電流を制御することにより、負荷伝達軸３６の先端に配設された圧子２１による試験片１００への試験力を制御することが可能となる。
【００２３】
負荷伝達軸３６は、板バネ６１を介してターレット２０に支持されている。また、図３に示すように、負荷伝達軸３６は、上下の板バネ６１を支持部材６２を介してターレット２０の軸筒２７に固定したロバーバル構造により、負荷機構により与えられた試験力に応じて昇降可能となっている。この負荷伝達軸３６には、負荷機構により与えられた試験力に応じた負荷伝達軸３６の移動量を検出する変位検出器６０が接続されている。
【００２４】
変位検出器６０は、差動トランス式の変位検出器であり、この発明の押し込み量検出手段として機能する。すなわち、この変位検出器６０は、負荷伝達軸３６の移動量を検出することで、負荷伝達軸３６の先端に接続された圧子２１が、試験力が与えられたことにより試験片１００に押し込まれた量（くぼみ深さ）を計測している。この変位検出器６０は、支持部材６３を介してターレット２０の軸筒２７に接続され、ターレット２０の回転により負荷伝達軸３６と同期して移動する。なお、この実施形態では、負荷伝達軸３６および４６がターレット２０に配設されているが、必ずしも負荷伝達軸３６および４６の両方に各々変位検出器６０が接続されている必要はない。すなわち、変位検出器６０は、すくなくともマルテンス硬さ等の荷重・くぼみ深さのデータセットから求められる材料パラメータを得るための試験を行うときに使用される圧子２１が配設されたいずれかの負荷伝達軸に接続された状態でターレット２０に配設されていればよい。
【００２５】
光学系は、光源４１と、光源４１からの光を水平方向に導く光筒４２と、試験片１００を上から照明するために、光筒４２により導かれた光を押圧部３５の中空部に導光するとともに試験片１００の表面からの反射光をカメラ１７側に透過させるハーフミラー４３と、ハーフミラー４３を透過した試験片１００の表面からの反射光を接眼レンズ１６およびカメラ１７に分割するハーフミラー４４とを備える。なお、対物レンズ２２が図３における負荷伝達軸３６の位置、すなわち試験片１００に形成された圧痕の観察位置に配置された場合には、試験片１００の表面からの反射光が、押圧部３５の中空部、対物レンズ２２、ハーフミラー４３、４４を介して、接眼レンズ１６およびカメラ１７に入射する。これにより、接眼レンズ１６により試験片１００の拡大像を観察することができるとともに、カメラ１７により撮影した拡大像を表示部１８に表示することができる。
【００２６】
図４は、この発明に係る硬度試験機の主要な電気的構成を示すブロック図である。
【００２７】
この硬度試験機は、内部に記憶装置としてのＲＡＭ，ＲＯＭ、演算装置としてのＣＰＵを備え装置全体を制御する制御部５０を備える。この制御部５０は、上述したカメラ１７、表示部１８、入力部１９、負荷機構の電磁コイル３４および変位検出器６０と接続されている。また、この制御部５０は、カメラ１７により得られた圧痕の画像情報を取得して圧痕の大きさ等から試験片１００の硬さを算出する圧痕解析手段としての圧痕解析部５１と、変位検出器６０により検出された変位量（圧子の試験片への侵入深さ）から押し込み量を求め試験片１００の硬さを算出する押し込み量解析手段としての押し込み量解析部５２とを備えている。
【００２８】
図５は、圧子２１により試験片１００に圧痕を形成する様子を模式的に示す説明図であり、図６は、試験片１００に形成された圧痕を示す平面図である。図６（ａ）は、四角錐形圧子により形成された圧痕を示し、図６（ｂ）は、三角錐形圧子により形成された圧痕を示している。
【００２９】
硬度試験としてのビッカース硬さ試験を実行するときには、その先端が四角錐形状をなす圧子２１を負荷伝達軸３６の先端にネジ３８により取り付け、図２に示す負荷機構の作用により試験片１００の表面に深さｈだけ押し込む（図５参照）。しかる後、その試験力を解除し、図１に示すつまみ２６を操作してターレット２０を回転させて所望の倍率の対物レンズを試験片１００と対向するに移動させる。対物レンズ、カメラ１７を介して得られた試験片１００の表面に形成された圧痕（くぼみ）の画像から、圧痕（くぼみ）の対角線長さｄ（＝（ｄｘ＋ｄｙ）／２）を測定する（図６（ａ）参照）。ビッカース硬さは、試験力を、底面が正方形で頂点の角度が圧子２１と同じ角錐であると仮定したくぼみの表面積で割って得られる値に比例する。制御部５０の圧痕解析部５１においては、圧痕（くぼみ）の対角線長さｄから求められたくぼみの表面積と試験力から、ビッカース硬さが算出され、その値は、必要に応じて表示部１８に表示される。
【００３０】
硬度試験としての押し込み硬さ試験を実行するときには、その先端が三角錐形状をなす圧子２１を負荷伝達軸３６の先端にネジ３８により取り付け、図２に示す負荷機構の作用により試験片１００の表面に押し込み（図５参照）、試験力を負荷した状態で試験片表面から圧子２１が試験片に侵入したときの圧子２１の位置の変位（＝深さｈ）を変位検出器６０により検出する。なお、図６（ｂ）に示す圧痕が形成される三角錐形圧子は、押し込み量と試験力との関係から導かれるマルテンス硬さを求める際に使用される圧子である。制御部５０の押し込み量解析部５２においては、押し込み量と試験力から、マルテンス硬さが算出され、その値は、必要に応じて表示部１８に表示される。
【００３１】
上述したように、この発明に係る硬度試験機においては、ビッカース硬さ試験のように、圧痕の大きさから試験片の硬さを算出する試験のみならず、マルテンス硬さのように押し込み量から試験片の硬さを算出する試験を、ＸＹステージの取り換え等の装置の仕様変更をすることなく行うことが可能である。
【００３２】
また、この発明に係る硬度試験機においては、負荷伝達軸３６および４６を備えていることから、例えば、負荷伝達軸３６にマルテンス硬さ試験用の三角錐形圧子を、負荷伝達軸４６にビッカース硬さ試験用の四角錐形圧子を配設できる。このように、負荷伝達軸ごとに異なる形状の圧子を予め配設しておくことで、試験片１００の材質により異なる試験方法が要求される場合や、性質の異なる複数の試験片１００に対して順次試験を行う場合でも、ターレット２０を回転させるだけで試験方法に合った圧子への切り換えを容易に行うことが可能となる。
【符号の説明】
【００３３】
１１      テーブル
１２      ＸＹステージ
１３      モータ
１４      モータ
１５      昇降ハンドル
１６      接眼レンズ
１７      カメラ
１８      表示部
２０      ターレット
２１      圧子
２２      対物レンズ
２３      対物レンズ
２４      対物レンズ
２５      対物レンズ
２６      つまみ
２７      軸筒
２８      軸
２９      ベアリング
３１      軸
３２      レバー
３３      永久磁石
３４      電磁コイル
３５      押圧部
３６      負荷伝達軸
３８      ネジ
４１      光源
４２      光筒
４３      ハーフミラー
４４      ハーフミラー
５０      制御部
５１      圧痕解析部
５２      押し込み量解析部
６０      変位検出器
６１      板バネ
６２      支持部材
６３      支持部材
１００    試験片
【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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