JPH0257260B2 - - Google Patents

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
向の動きをラツクとピ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。

また別の先行技術として特開昭51−84684号公
報の発明は、従来の硬さ計では曲面状の被測物を
測定すると誤差を生じたものを、押針の周囲にガ
ードリングを設け、該リングを前記押針とは別に
弾性体で被測定面に押当てるようにして、曲面で
も使用できるようにし、更に押針の変位を電気的
変化に変換するようにしたものである。しかしな
がら、前記公報に開示された押針の変位を電気的
量に変換する手段は、厚さの異なる光抵抗片を通
る光量の変化を光導電素子によつて検出するもの
である。したがつて、押針の変位を電気的アナロ
グ量に変換するものであり、検出精度を向上させ
ることができないという問題がある。

ところで、すでに国内には数万台のゴム硬さ計
が販売されているが、そのほとんどがラツクとピ
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つた。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つ
た。

したがつて、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、その後コンピユータ等をいかに
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が多くなり、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、
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。

ところで直接デジタル量として長さを検出する
測長器として、実開昭52−155056号公報に記載さ
れたデジタルゲージの考案がある。該先行技術の
具体的手段として同公報には、長さを計る可動軸
に格子を設けた透明のスリツト板を取付け、該ス
リツト板に平行して、同様の格子幅の窓をそれぞ
れ1/4幅づつ位相をずらせて４箇所に設けた固定
スリツト板を配置し、前記窓を透過する光を検出
する光電変換器によつて、スリツトの移動をパル
ス信号に変換してデジタル表示させる手段が記載
されている。

しかしながら前記公報の先行技術は、格子幅の
１／４づつ位相をずらせた窓を４列設けたスリツト
板を使用したので、格子幅をμ単位で刻む必要の
ある場合に、位相をずらせた４列の格子を正確に
刻んだスリツトを得ることは極めて困難であり、
高価になるという問題がある。

例えばJIS K6301に規定されるスプリング式硬
さ計は、押針の移動量2.54mmを硬さ100度と規定
している。したがつて該規格に適合する測定手段
で少なくとも硬さ0.1度の桁まで正確に測定する
には硬さ±0.05度以下の精度、即ち約±1.3μ以下
の読取り精度とする必要がある。かかる高い精度
とする場合の手段について、前記公報はなんらの
示唆もしていない。

更に前記公報の測長器は、単に長さを測定する
手段を開示したのみであり、ゴムなどの硬さを測
定する際にどのような量を測定、表示すればよい
かについて全く触れていない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、前記従来のデジタル硬さ計の
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して
高い精度で、僅かな硬度の変化を検出でき、しか
も小型で持ち運び可能とすることができるので、
JIS Ｋ 6301の規格を満足できる全く新規な優れ
たデジタル硬さ計を提供することにある。

〔発明の構成〕

以上の目的を達成するための本発明のデジタル
硬さ計の構成は、弾性で付勢され、且つ柔軟な材
料に押し当てる押針に連動して移動する移動スリ
ツト板と、これに対向して配置した固定スリツト
板とを有し、前記２つのスリツト板を挟む２箇所
に、それぞれ発光素子と受光素子とを、それぞれ
の受光素子から出力するパルス信号が、互いに位
相ずれを起す位置に配置したエンコーダから、前
記押針が前記材料に侵入する際に出力する前記２
つのパルスのいずれか一方のパルスの立上り及び
立下りタイミングを求め、該タイミングともう一
方のパルス信号との論理積によつて得られる論理
値から前記押針の移動方向を判別して前記押針の
侵入パルス数を計数する可逆計数手段と、前記押
針の最高侵入値及び所定時間後の押針の侵入値を
保持し、デジタル硬度値として表示する表示手段
を備えた制御回路を設けたことを特徴としてい
る。

前記押針の移動方向の判別は、タイミングを求
めるパルスの選択により、それぞれ以下のように
すればよい。即ち、立上がり、立下がりタイミン
グを求めるパルスを位相が進んだ側のパルスとし
た場合は、押針の侵入時には、立下がりタイミン
グ時にカウントパルスが得られ、押針の逆戻り時
には立上がりタイミング時にカウントパルスが得
られる。また前記タイミングを求めるパルスを位
相が遅れた側のパルスとした場合は、押針の侵入
時には、立上がりタイミング時にカウントパルス
が得られ、逆戻り時には立下がりタイミング時に
カウントパルスが得られる。

前記構成のエンコーダは、２つのスリツト板に
よつてスリツト板の移動を高い精度で、また干渉
縞を利用した場合には更に高い精度で検出するこ
とができる。また前記一方のパルス信号から立上
がり、立下がりタイミングを求め、もう一方のパ
ルス信号との論理積を求める構成は、押針の移動
方向を弁別して押針の侵入量を求めることができ
る。

したがつて、ゴム弾性体などの柔軟な材料に前
記構成の押針を当てた際の押針の挙動を精度よく
検出することができ、目視による読み取りより遥
かに正確、且つ高い精度で柔軟な材料の硬度を測
定することができる。

〔実施例〕

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
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。硬さ計本
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
取付けてある。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が取付けられてい
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の上端は硬さ計本体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つてJIS K6301
規格に適するようになつている。（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JIS K6301規格に適する寸法で取付け
られ、その先端は硬さ計本体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計本体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、
こ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JIS K6301第5.2
項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ツト板
１１と、リニアエンコーダ４本体に固定された固
定スリツト板１２と、可動スリツト板１１と固定
スリツト板１２の前後に置いた２組の発光素子１
３，１３′と、受光素子１４，１４′と、電圧比較
器１５により構成されている。スリツト板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、スピンドル５の上下によつて可
動スリツト板１１と固定スリツト板１２の線同士
が重なつたり、全く重なり合わなかつたりするよ
うになつている。そして、前記線同士の重なり合
いの程度による明暗の変化を受光素子１４，１
４′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、さらに電圧比較器１５で矩形波２
６に波形整形する。

前記スリツトの線の間隔は、硬さ値を0.05度単
位で読みとる場合、0.00125mm×４＝0.005mm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
らかのスリツト板の線を他方の素子間の前の同じ
スリツト板の線とずらせておく。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
つ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５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90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５図１に
示す。

次に微分回路を用いて第５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５図３にタイミング
パルスAtとＢ相の論理積×Ｂ…と、タイミ
ングパルスとＢ相との論理積×Ｂ…を示
す。この論理積、の両信号をRSフリツプフ
ロツプの入力とするとその出力は第５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５図
５に示す計数用パルスを取り出すことができる。

さらにＢ相の反転を用いて第５図２の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Ａ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６図は第１図に示した実施例の回路系統図で
ある。第６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ではリニアエンコ
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１７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、方向判別信号に応じて計数出力信号を
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、すなわち硬さ計本体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
発光ダイオード〔LED〕（あるいは液晶〔LCD〕）
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、マイクロコンピユ
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
変換することによつて汎用性を持たせると良い。

なお、第６図の時間制御回路１８以降は図のよ
うにハードウエアで構成することもできるが、マ
イクロコンピユータを用いたソフトウエアで構成
することも可能である。

表示操作部３は、本発明の硬さ計より離し、外
部のデータ処理装置と組み合わせて外部機能とし
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を本体から離す場合
は、第６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
擦の影響がなくなつて高精度な測定結果を得るこ
とができる。

特に、リニアエンコーダのスリツトにガラスを
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度をアナログ値
から読み取つていたのが、±0.05度の硬さ値まで
デジタル値として正確に得ることができ、20倍ま
で精度を上げることができる。もちろん目的によ
つて精度を±0.1度まで（第１図の実施例）下げ
るのは容易である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本考案のデジタル硬さ計
は、弾性で付勢され、且つ柔軟な材料に押し当て
る押針に連動して移動する移動スリツト板と、こ
れに対向して配置した固定スリツト板とを有し、
前記２つのスリツト板を挟む２箇所に、それぞれ
発光素子と受光素子とを、それぞれの受光素子か
ら出力するパルス信号が、互いに位相ずれを起す
位置に配置したエンコーダから、前記押針が前記
材料に侵入する際に出力する前記２つのパルスの
いずれか一方のパルスの立上り及び立下りタイミ
ングを求め、該タイミングともう一方のパルス信
号との論理積によつて得られる論理値から前記押
針の移動方向を判別して前記押針の侵入パルス数
を計数する可逆計数手段と、前記押針の最高侵入
値及び所定時間後の押針の侵入値を保持し、デジ
タル硬度値として表示する表示手段を備えた制御
回路を設ける構成としたので、次の効果を得るこ
とができる。

ａ 移動及び固定の２枚のスリツト板を設けたこ
とにより、干渉縞を利用することができるの
で、例えばスリツトの線の間隔を0.005mmピツ
チとすれば、硬さ値を0.05度単位で読み取るこ
とが可能となり、読み取り精度を従来の20倍も
向上させることができる。

ｂ 刻々と変化する押針の変化量を、最高値及び
指定経過時間後の値を高い精度で読み取り、且
つ保持できるので、測定値のバラツキを少なく
することができる。

ｃ 本デジタル硬さ計は、携帯用に小型とするこ
とができ、しかも硬さの測定値と素材の持つ各
種の他の特性との相関を求めることが可能とな
り、従来の硬さ計では思いもよらなかつた用途
の拡大を図ることが可能となつた。即ち、押針
の変位量の最高値からの戻り値（緩和量）は、
例えば、被測定資料が加硫ゴムである場合、加
硫状態のバラツキ状態の検出、混合した配合材
の分散状態を硬さにより検出、タイヤなどゴム
を動的に使用する際の発熱量の推定などに役立
てることができる。

したがつて、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つた高精度で試料の
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、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計本体は小型で
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には測定時の押し荷重が１Kg
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１Kg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
のデジタル式硬さ計に用いられる方向判別回路の
動作波形図、第６図は本発明のデジタル式硬さ計
の構成を示すブロツク図である。 １……硬さ計本体、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
……可動スリツト板、１２……固定スリツト板、
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……表示器制御回路、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 (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 弾性で付勢され、且つ柔軟な材料に押し当て
   る押針に連動して移動する移動スリツト板と、こ
   れに対向して配置した固定スリツト板とを有し、
   前記２つのスリツト板を挟む２箇所に、それぞれ
   発光素子と受光素子とを、それぞれの受光素子か
   ら出力するパルス信号が、互いに位相ずれを起す
   位置に配置したエンコーダから、前記押針が前記
   材料に侵入する際に出力する前記２つのパルスの
   いずれか一方のパルスの立上り及び立下りタイミ
   ングを求め、該タイミングともう一方のパルス信
   号との論理積によつて得られる論理値から前記押
   針の移動方向を判別して前記押針の侵入パルス数
   を計数する可逆計数手段と、前記押針の最高侵入
   値及び所定時間後の押針の侵入値を保持し、デジ
   タル硬度値として表示する表示手段を備えた制御
   回路を設けたデジタル硬さ計。