特開 2022-10533 硬さ試験機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022010533

(43)【公開日】2022-01-17

(54)【発明の名称】硬さ試験機

(51)【国際特許分類】

   G01N 3/42 20060101AFI20220107BHJP

【ＦＩ】

G01N3/42 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020111175

(22)【出願日】2020-06-29

(71)【出願人】

【識別番号】000137694

【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ

(74)【代理人】

【識別番号】100114775

【弁理士】

【氏名又は名称】高岡 亮一

(74)【代理人】

【識別番号】100121511

【弁理士】

【氏名又は名称】小田 直

(72)【発明者】

【氏名】沼里 龍

(72)【発明者】

【氏名】小澤 功佳

(72)【発明者】

【氏名】進藤 秀樹

(57)【要約】

【課題】圧子駆動手段と撮像手段との位置交換動作を不要にした硬さ試験機を提供することである。
【解決手段】本発明は、圧子を有し、前記圧子を試料に押し当てて前記試料の硬さ試験を行う硬さ試験機であって、前記圧子の中心を通り前記圧子の移動可能な方向に延びる軸を中心軸とし、前記圧子が前記中心軸上に配置された状態で、前記中心軸と前記試料との交点位置を撮影可能な撮影手段と、前記圧子を前記中心軸に沿って移動させることで前記圧子を前記試料に押し当てる駆動手段と、を有する、ことを特徴とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧子を有し、前記圧子を試料に押し当てて前記試料の硬さ試験を行う硬さ試験機であって、
前記圧子の中心を通り前記圧子の移動可能な方向に延びる軸を中心軸とし、
前記圧子が前記中心軸上に配置された状態で、前記中心軸と前記試料との交点位置を撮影可能な撮影手段と、
前記圧子を前記中心軸に沿って移動させることで前記圧子を前記試料に押し当てる駆動手段と、
を有する、
ことを特徴とする硬さ試験機。

【請求項2】

前記撮影手段は、画像を撮像する撮像素子と、前記交点位置から前記撮像素子までの光路を形成する光学系と、を有し、
前記撮像素子は、前記中心軸上に配置され、
前記光学系は、前記交点位置で焦点を結ぶ、
ことを特徴とする請求項１に記載の硬さ試験機。

【請求項3】

前記圧子は、前記試料に押し当てられる先端部と、前記先端部から軸方向一方側に延びる軸部と、を有し、
前記光学系は、前記軸部が貫通する貫通孔を有するレンズ部材を有し、
前記レンズ部材は、前記交点位置で焦点を結ぶ、
ことを特徴とする請求項２に記載の硬さ試験機。

【請求項4】

前記撮影手段は、画像を撮像する撮像素子と、前記交点位置から前記撮像素子までの光路を形成する光学系と、を有し、
前記撮像素子は、前記中心軸の径方向外側に配置され、
前記光学系は、前記交点位置で焦点を結ぶ、
ことを特徴とする請求項１に記載の硬さ試験機。

【請求項5】

前記光学系は、前記交点位置からの光束を前記撮像素子に向けて反射する反射部材を有する、
ことを特徴とする請求項４に記載の硬さ試験機。

【請求項6】

前記圧子は、前記試料に押し当てられる先端部と、前記先端部から軸方向一方側に延びる軸部と、を有し、
前記反射部材は、前記軸部が貫通する貫通孔を有する、
ことを特徴とする請求項５に記載の硬さ試験機。

【請求項7】

前記圧子は、前記試料に押し当てられる先端部と、前記先端部から軸方向一方側に延びる軸部と、を有し、
前記反射部材は、前記軸部の径方向外側の少なくとも一部に配置される、
ことを特徴とする請求項５に記載の硬さ試験機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、試料の試験位置に圧子を押し当てて試料の硬さを試験する硬さ試験機に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、試料の試験位置に圧子を押し当て、これにより試験位置に形成されたくぼみの大きさを測定することにより、試料の硬さを試験する硬さ試験機が知られている（例えば特許文献１、特許文献２参照）。

【0003】

特許文献１では、ターレット５に、周方向位置を異ならせて圧子機構６とくぼみ測定用レンズ７を配置し、ターレット５を回転させることで、試料の試験位置に圧子機構６を対向配置した状態と、試料の試験位置にくぼみ測定用レンズ７を対向配置した状態とを切り替え可能な構成を開示している。

【0004】

また、特許文献２では、ターレット４に、周方向位置を異ならせて圧痕形成手段２３と対物レンズ５、１５を配置し、ターレット４を回転させることで、試料の試験位置に圧痕形成手段２３を対向配置した状態と、試料の試験位置に対物レンズ５、１５を対向配置した状態とを切り替え可能な構成を開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平１１－２４１９８４号公報

【特許文献2】特開２００４－１８４２１１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

従来の硬さ試験機では、撮影用のレンズを試料に対向させた状態で試料を撮影して、圧子が押し当てられる位置を確認した後に、ターレットを回転させることで圧子を試料に対向する位置に移動させて、圧子を試料に押し当てていた。このため、従来は、ターレットを回転させるような、圧子を試料に押し当てる圧子駆動手段と試料の試験位置を撮影する撮像手段との位置交換動作が必要であり、この位置交換動作で位置ずれが生じることにより、圧子を押し当てる位置が目標位置とずれてしまうことがあるという問題があった。

【0007】

また、従来の硬さ試験機では、圧子駆動手段と撮像手段との位置交換動作が必要であるため、硬さ試験に要する時間が余計にかかるという問題があった。

【0008】

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、圧子駆動手段と撮像手段との位置交換動作を不要にした硬さ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】

【0009】

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、圧子を有し、前記圧子を試料に押し当てて前記試料の硬さ試験を行う硬さ試験機であって、前記圧子の中心を通り前記圧子の移動可能な方向に延びる軸を中心軸とし、前記圧子が前記中心軸上に配置された状態で、前記中心軸と前記試料との交点位置を撮影可能な撮影手段と、前記圧子を前記中心軸に沿って移動させることで前記圧子を前記試料に押し当てる駆動手段と、を有する、ことを特徴とする。
本発明によれば、圧子が中心軸上に配置された状態で試料を撮影して、圧子が押し当てられる位置を確認した後に、圧子を中心軸からずらさずに試料に押し当てることができるので、より正確に狙った試験位置に対して硬さ試験をすることができる。また、従来のような試験位置を確認した後の撮影手段と圧子駆動手段との位置交換動作、及び、圧子を試料に押し当てた後の圧子駆動手段と撮像手段との位置交換動作が不要になり、硬さ試験に要する時間を短縮することができる。

【0010】

また本発明の好ましい態様は、硬さ試験機において、前記撮影手段は、画像を撮像する撮像素子と、前記交点位置から前記撮像素子までの光路を形成する光学系と、を有し、前記撮像素子は、前記中心軸上に配置され、前記光学系は、前記交点位置で焦点を結ぶ、ことを特徴とする。
本発明によれば、試験位置を中心軸方向から撮影することができるので、撮影手段を径方向外側から除くことができ、中心軸の径方向のサイズを小型化することができる。

【0011】

また本発明の好ましい態様は、硬さ試験機において、前記圧子は、前記試料に押し当てられる先端部と、前記先端部から軸方向一方側に延びる軸部と、を有し、前記光学系は、前記軸部が貫通する貫通孔を有するレンズ部材を有し、前記レンズ部材は、前記交点位置で焦点を結ぶ、ことを特徴とする。
本発明によれば、軸部の径方向外側の周囲に配置されたレンズ部材によって、より多くの光を集光することができるので、より正確に試験位置を確認することができる。

【0012】

また本発明の好ましい態様は、硬さ試験機において、前記撮影手段は、画像を撮像する撮像素子と、前記交点位置から前記撮像素子までの光路を形成する光学系と、を有し、前記撮像素子は、前記中心軸の径方向外側に配置され、前記光学系は、前記交点位置で焦点を結ぶ、ことを特徴とする。
本発明によれば、試験位置を中心軸からずれた方向から撮影することができるので、撮影手段を軸方向から除くことができ、中心軸の軸方向のサイズを小型化することができる。

【0013】

また本発明の好ましい態様は、硬さ試験機において、前記光学系は、前記交点位置からの光束を前記撮像素子に向けて反射する反射部材を有する、ことを特徴とする。
本発明によれば、反射部材により光路を変更することができ、試験位置を中心軸からずれた方向から撮影することができるので、撮影手段を軸方向から除くことができ、中心軸の軸方向のサイズを小型化することができる。

【0014】

また本発明の好ましい態様は、硬さ試験機において、前記圧子は、前記試料に押し当てられる先端部と、前記先端部から軸方向一方側に延びる軸部と、を有し、前記反射部材は、前記軸部が貫通する貫通孔を有する、ことを特徴とする。
本発明によれば、軸部の径方向外側の全周に亘って配置された反射部材によって、より多くの光を撮像素子に向けて反射することができるので、より正確に試験位置を確認することができる。

【0015】

また本発明の好ましい態様は、硬さ試験機において、前記圧子は、前記試料に押し当てられる先端部と、前記先端部から軸方向一方側に延びる軸部と、を有し、前記反射部材は、前記軸部の径方向外側の少なくとも一部に配置される、ことを特徴とする。
本発明によれば、軸部の径方向外側の少なくとも一部に配置された反射部材によって、光を撮像素子に向けて反射することができるので、より正確に試験位置を確認することができる。また、軸部のまわりに空間を確保することで硬さ試験するときの試料形状の自由度を高めることができる。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、圧子駆動手段と撮像手段との位置交換動作を不要にした硬さ試験機を提供することができる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の実施例１に係る硬さ試験機の概略を示す正面図である。

【図2】図１の硬さ試験機１を＋Ｘ側から見た側面図である。

【図3】図２の硬さ試験機１から、支持部１３、カメラ３０及びレンズ４０を取り除いて示す側面図である。

【図4】硬さ試験機１を中心軸Ｊに沿って見た図である。

【図5】レンズ４０を別のレンズに交換する構造の例を示す図である。

【図6】本発明の実施例３に係る硬さ試験機の概略を示す正面図である。

【図7】本発明の実施例４に係る硬さ試験機の概略を示す正面図である。

【図8】本発明の実施例５に係る硬さ試験機の概略を示す正面図である。

【図9】図８の硬さ試験機３０１を＋Ｘ側から見た側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明に係る硬さ試験機について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の図面においては、各構成をわかり易くするために、実際の構造と各構造における縮尺、数等を異ならせる場合がある。

【0019】

また、図面においては、適宜３次元直交座標系としてＸＹＺ座標系を示す。ＸＹＺ座標系において、Ｚ軸方向は、図１に示す中心軸Ｊの軸方向と平行な方向とする。Ｘ軸方向は、中心軸Ｊに対する径方向のうち図１の左右方向とする。Ｙ軸方向は、Ｘ軸方向とＺ軸方向との両方と直交する方向とする。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向のいずれにおいても、図中に示す矢印が指す側を＋側、反対側を－側とする。

【0020】

また、以下の説明においては、Ｚ軸方向の正の側（＋Ｚ側）を「一方側」と呼び、Ｚ軸方向の負の側（－Ｚ側）を「他方側」と呼ぶ。なお、一方側及び他方側とは、単に説明のために用いられる名称であって、実際の位置関係及び方向を限定しない。また、特に断りのない限り、中心軸Ｊに平行な方向（Ｚ軸方向）を単に「軸方向」と呼び、中心軸Ｊを中心とする径方向を単に「径方向」と呼び、中心軸Ｊを中心とする周方向、すなわち、中心軸Ｊの軸周り（θ方向）を単に「周方向」と呼ぶ。径方向において中心軸Ｊに近づく側を「径方向内側」と呼び、中心軸Ｊから遠ざかる側を「径方向外側」と呼ぶ。

【0021】

なお、本明細書において、「軸方向に延びる」とは、厳密に軸方向（Ｚ軸方向）に延びる場合に加えて、軸方向に対して、４５°未満の範囲で傾いた方向に延びる場合も含む。また、本明細書において、「径方向に延びる」とは、厳密に径方向、すなわち、軸方向（Ｚ軸方向）に対して垂直な方向に延びる場合に加えて、径方向に対して、４５°未満の範囲で傾いた方向に延びる場合も含む。また「平行」とは、厳密に平行な場合に加えて、互いに成す角が４５°未満の範囲で傾いた場合も含む。

【実施例0022】

（硬さ試験機１の構造）
図１は、本発明の実施例１に係る硬さ試験機の概略を示す正面図である。
硬さ試験機１は、硬さ試験の対象である試料２２を載置する台座部１０と、試料２２に押し当てる圧子１７を保持する荷重装置１２と、荷重装置１２を支持する支柱部１１と、を有して構成される。硬さ試験機１は、既知の如何なる硬さ試験機であってもよい。例えば、硬さ試験機１は、ロックウェル硬さ試験機、ビッカース硬さ試験機、及びブリネル硬さ試験機の少なくとも一つの硬さ試験機の機能を有する。
図１（Ａ）は、圧子１７を押し当てる試料２２の試験位置を確認している状態を示す図である。図１（Ｂ）は、試料２２に圧子１７を押し当てた状態を示す図である。
図２は、図１の硬さ試験機１を＋Ｘ側から見た側面図である。

【0023】

（台座部１０の構造）
硬さ試験機１は、台座部１０の上に配置したステージ２０を有する。試料台２１は、ステージ２０の上に載置される。試料２２は、試料台２１の上に載置される。試料２２は、硬さ試験の対象物である。試料２２は、試料台２１を介してステージ２０に固定される。ステージ２０は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に移動可能に構成されている。硬さ試験機１は、ステージ２０をＸ軸方向及びＹ軸方向に動かすことで、試料２２をＸ軸方向及びＹ軸方向に動かすことができ、これにより圧子１７を押し当てる試料２２の試験位置を調節することができる。

【0024】

（支柱部１１の構造）
支柱部１１は、台座部１０に固定される。本実施例では、支柱部１１は、台座部１０と一体である。支柱部１１は、荷重装置１２を支持する。支柱部１１は、荷重装置１２に上下動（Ｚ軸方向の移動）をさせる駆動手段１１ａを有する。駆動手段は、予め定めた大きさの力で、荷重装置１２が有する圧子１７を試料２２に押し当てることができる。駆動手段１１ａとしては、既知の如何なる手段を用いてもよい。駆動手段１１ａは、圧子駆動手段の一例である。図１（Ａ）の状態のとき、荷重装置１２はＺ軸方向において初期位置に位置する。駆動手段１１ａは、荷重装置１２のＺ軸方向位置を検出することができる。
支柱部１１は、操作者が硬さ試験機１を操作する操作パネルを備えていてもよい。硬さ試験機１は、外部と通信し、外部からの指示によって動作を制御されるものであってもよい。

【0025】

（荷重装置１２の構造）
荷重装置１２は、画像を撮像するカメラ３０と、カメラ３０の対物レンズであるレンズ４０と、を有する。荷重装置１２は、カメラ３０を支持する支持部１３を有する。支持部１３は、中心軸Ｊから＋Ｘ側に延びる第一腕部１３ａと、第一腕部１３ａの＋Ｘ側端部から－Ｚ側に延びる第二腕部１３ｂと、を有する。支持部１３は、第二腕部１３ｂの軸方向他方側でカメラ３０を支持する。カメラ３０は、中心軸Ｊの径方向外側に配置される。支持部１３は、カメラ３０が撮像する方向を、Ｙ軸と直交する面と平行な方向で調整可能な調整つまみ１３ｃを有する。カメラ３０は、荷重装置１２が初期位置に位置するときに、中心軸Ｊと試料２２との交点位置及びその近傍を撮影可能な向きで固定される。カメラ３０が撮像する方向は、手動で調整つまみ１３ｃで調整するものでもよいし、モータ等によってカメラ３０の向きを調整するものであってもよい。

【0026】

図３は、図２の硬さ試験機１から、支持部１３、カメラ３０及びレンズ４０を取り除いて示す側面図である。
図４は、硬さ試験機１を中心軸Ｊに沿って見た図である。図４（Ａ）は圧子１７の近傍を－Ｚ側から見た図であり、図４（Ｂ）は試料２２の近傍を＋Ｚ側から見た図である。

【0027】

荷重装置１２は、圧子１７を有する。圧子１７は、試料２２に押し当てられる先端部１６と、先端部１６から軸方向一方側に延びる軸部１５と、を有する。荷重装置１２は、保持部１４を有する。保持部１４は、筒形状であり、筒穴に圧子１７の軸部１５が挿入されることで圧子１７を保持する。圧子１７の先端部１６は、中心軸Ｊ上に配置される。駆動手段１１ａによって荷重装置１２がＺ軸方向に移動するとき、先端部１６は、中心軸Ｊに沿って移動する。保持部１４は、軸方向他方側の端面に鏡面１４ａを有する。鏡面１４ａは、軸部１５が貫通する貫通孔を有する。鏡面１４ａは、軸部１５の径方向外側において周方向全周に亘って配置される。鏡面１４ａは、中心軸Ｊと試料２２との交点位置からの光束Ｌ１をカメラ３０に向けて反射する。操作者は、試料２２の軸方向一方側の面のうち硬さ試験を行いたい場所である位置２２ａが、中心軸Ｊと試料２２との交点位置にくるようにステージ２０を駆動する。
カメラ３０は撮像素子の一例である。カメラ３０は、ＣＣＤ又はＣＭＯＳなどのイメージセンサを有する。鏡面１４ａを有する保持部１４及びレンズ４０は、中心軸Ｊと試料２２との交点位置からカメラ３０までの光路を形成する光学系の一例である。鏡面１４ａを有する保持部１４は反射部材の一例である。鏡面１４ａ及びレンズ４０は、中心軸Ｊと試料２２との交点位置で焦点を結ぶ。

【0028】

（硬さ試験機１の動作）
硬さ試験機１による、硬さ試験の手順の一例について説明する。
まず硬さ試験機１は、例えば電源ＯＮなどのタイミングで、駆動手段１１ａにより、荷重装置１２を初期位置に移動する。硬さ試験機１は、前回の硬さ試験を行った後に、電源ＯＦＦする際に、駆動手段１１ａにより、荷重装置１２を初期位置に移動するようにしてもよい。続いて、操作者は、硬さ試験を実施する試料２２を試料台２１の上に載置する。

【0029】

次に操作者は、試料２２の軸方向一方側の面のうち硬さ試験を行いたい場所である位置２２ａが、中心軸Ｊと試料２２との交点位置にくるようにステージ２０を駆動する。このとき、カメラ３０は、中心軸Ｊと試料２２との交点位置を撮像しており、操作者は、カメラ３０による撮像画像を参照しながら、ステージ２０を駆動する。
なお、位置２２ａに着色するなどのマーキングをしておき、硬さ試験機１は、カメラ３０による撮像画像において、マーキング位置が中心軸Ｊと試料２２との交点位置にくるようにステージ２０を自動制御してもよい。

【0030】

位置２２ａが中心軸Ｊと試料２２との交点位置に移動した後、硬さ試験機１は、駆動手段１１ａにより、荷重装置１２を－Ｚ側に移動させ、所定の大きさの力で圧子１７の先端部１６を試料２２に押し当てる。続いて、硬さ試験機１は、駆動手段１１ａにより、荷重装置１２を＋Ｚ側に移動させ、初期位置に戻す。硬さ試験機１は、荷重装置１２が初期位置に戻った状態で、カメラ３０により、中心軸Ｊと試料２２との交点位置を撮像する。中心軸Ｊと試料２２との交点位置において、試料２２には、圧子１７の先端部１６を押し当てられたことによるくぼみが形成されている。カメラ３０はこのくぼみを撮像する。硬さ試験機１は、カメラ３０により撮像したくぼみの大きさにより試料２２の硬さについての情報を得ることができる。

【0031】

本実施例によれば、中心軸Ｊと試料２２との交点位置に位置２２ａ（目標位置すなわち試験位置）があることを、カメラ３０によって確認した後に、そのまま圧子１７を中心軸Ｊに沿って移動させるので、従来のような圧子駆動手段と撮像手段との位置交換動作は不要であり、試料２２の目標位置に正確に圧子１７を押し当てることができる。
また本実施例によれば、圧子１７を試料２２に押し当てた後にくぼみを撮像する際にも、従来のような圧子駆動手段と撮像手段との位置交換動作は不要であるので、カメラ３０によって正確にくぼみの位置を撮像することができる。
また本実施例によれば、試験位置を中心軸Ｊからずれた方向から撮影することができるので、カメラ３０を軸方向から除くことができ、硬さ試験機１の軸方向のサイズを小型化することができる。

【実施例0032】

（レンズ４０の交換）
実施例２では、実施例１に示したレンズ４０を別のレンズに交換可能な構造を開示する。
図５は、レンズ４０を別のレンズに交換する構造の例を示す図である。実施例２において、実施例１と同じ構成については、実施例１と同じ符号を付して説明を省略する。

【0033】

図５（Ａ）は、レンズ交換に関する第一の例について、先端部１６及びカメラ３０の近傍を－Ｚ側から見た概略図である。
この第一の例では、レンズ４０と交換可能な別のレンズとして、レンズ４１、４２及び４３を設けている。レンズ４１は、レンズ４０よりも倍率が小さいレンズである。レンズ４２は、レンズ４０よりも倍率が大きいレンズである。レンズ４３は、レンズ４２よりも倍率が大きいレンズである。レンズ４０、４１、４２及び４３は、回転部材５０の円周上に順に配置されている。硬さ試験機１は、回転軸Ｍ１を中心にして、回転部材５０をＺ軸回りに回転させることで、カメラ３０に装着するレンズを交換することができる。

【0034】

図５（Ｂ）は、レンズ交換に関する第二の例について、先端部１６及びカメラ３０の近傍を－Ｚ側から見た概略図である。
この第二の例では、レンズ４０と交換可能な別のレンズとして、図５（Ａ）と同様に、レンズ４１、４２及び４３を設けている。レンズ４０、４１、４２及び４３は、スライド部材５１の－Ｚ側の面にＹ軸に沿って順に配置されている。硬さ試験機１は、スライド部材５１をＹ軸に沿ってスライドさせることで、カメラ３０に装着するレンズを交換することができる。

【0035】

図５（Ｃ）は、レンズ交換に関する第三の例について、カメラ３０の近傍をレンズ４０の－Ｘ側から見た概略図である。
この第三の例では、レンズ４０と交換可能な別のレンズとして、図５（Ａ）と同様に、レンズ４１、４２及び４３を設けている。レンズ４０、４１、４２及び４３は、回転部材５２の円周上に順に配置されている。硬さ試験機１は、回転軸Ｍ２を中心にして、回転部材５０をＸ軸回りに回転させることで、カメラ３０に装着するレンズを交換することができる。