JPH0257261B2 - - 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、SRIS 0101の4.2項
およびASTM D2240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、被測定材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、また実開昭59−20146号公報ではリニ
アスケール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。

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、可変抵抗器方式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。

また、前記実開昭59−20146号公報に示される
ようなリニアスケールが提案されているが、この
リニアスケールを使用した装置では、１枚のスリ
ツト板を挟んで光学センサにてスリツトの移動を
読み取るようにしていたので、読み取り精度が悪
いという問題を有する。

例えば、JIS K6301第5.2項、SRIS 0101の4.2
項およびASTM D2240に記載されるスプリング
式硬さ計では、押針が硬さ計より2.54mm突き出て
おり、押圧が2.54mm移動した時に硬さ100になる。
即ち、硬さ１は0.0254mmの押針の移動を検知しな
ければならず、このような微小の変位を１枚のス
リツト板の移動から正確に検出するには変位を拡
大して検知するレンズ等を使用した装置が必要と
なるか、または微細な受光素子が必要となり、硬
さ計自体が大型化すると共に高価になるという問
題を有している。また、拡大装置を使用しない場
合は、硬さ10単位程度しか読み取ることが出来
ず、精度が悪いという問題がある。

〔発明の目的〕

そこで本発明の目的は、前記従来のデジタル式
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
検出することにより高精度の硬さ測定値やさらに
は試料の分散度も得られ、また、小型で持ち運び
可能な全く新規な優れたデジタル式硬さ計を安価
で提供することである。

〔発明の構成〕

前記目的を達成する本発明のデジタル式硬さ計
は、弾性部材を利用して柔軟な材料の硬度を測定
する硬さ計において、その押針の移動量を検出す
るリニアエンコーダを設け、このリニアエンコー
ダは、前記押針に連動する移動スリツト板と、こ
れに対向する位置に取り付けられ、前記移動スリ
ツト板のスリツトに対し僅かに傾斜したスリツト
を持つ固定スリツト板と、これらを挟んで対向す
る位置に設けられた発光素子と受光素子とから構
成して、前記発光素子の前を移動スリツト板が移
動することによつてできるモアレ縞の変化を、受
光素子により電気信号に変換して検出できるよう
にし、さらに前記リニアエンコーダには、前記電
気信号をパルス化して前記押針の移動量をデジタ
ル表示可能な制御回路を接続したことを特徴とし
ている。

〔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、SRIS 0101の4.2項およびASTM D2240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、
これも前記各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に前記各規定に記載
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り、第５図
はリニアエンコーダで使用されるスリツト板の詳
細図である。

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１
１と固定スリツト板１２の前後に置いた２組の発
光素子１３，１３′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、この両スリツト板１
１，１２は印刷された線が相互に僅かな傾き角度
を持つように取り付けられ、その結果、第５図に
示すようなモアレ縞（濃淡縞）ができ、スピンド
ル５の上下動によつて可動スリツト板１１が移動
すると、このモアレ縞が左右に移動する。そし
て、前記モアレ縞の濃淡の移動による明暗の変化
を受光素子１４，１４′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、更に電圧比較
器１５で矩形波２６に波形整形する。

なお、前記スリツト板１１，１２は、両者を共
に水平線に対して逆方向に傾かせてもよいが、ど
ちらか一方を水平にし、他方を水平線に対して傾
かせても良いものである。

例えば、移動スリツト板１１には水平にスリツ
トを設け、固定スリツト板１２を前記移動スリツ
ト板１１に対して傾けた場合は、この固定スリツ
ト１２の僅かな傾斜は、例えばスリツトのピツチ
をｄ、傾斜角度をαとするとモアレ縞の間隔Ｓが
Ｓ≒ｄ／αで与えられるところから、受光素子の
寸法が４mmφの場合、モアレ縞の間隔Ｓは４mm以
上ないと１個の素子の中に２本の縞を検出してし
まう。従つて、硬さを0.05の単位まで読み取る場
合は、スリツト線の間隔ｄは、0.005mmとなり、
傾斜角度α＝ｄ／ｓ＝0.005／５＝0.001rad（ラジ
アン…1rad＝57度）となり、同様に硬さ１単位
まで読み取る場合は、0.1／５＝0.02radとなる。
これらの数字は素子の寸法によるが、通常測定精
度に合わせて0.001〜0.02radの範囲で固定スリツ
トの傾斜角度を選ぶ。

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（後述する４倍パルスを使用
した場合）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か、あるいは２組の素子を
モアレ縞の移動方向にずらして配置すれば良い。
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６図はスピンドル５の移動方向を判別する回
路の製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６図１に
示す。

次に微分回路を用いて第６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６図３にタイミング
パルスAtとＢ相との論理積At×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６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６図
５に示す計数用パルスを取り出すことができる。

更に、Ｂ相の反転を用いて第６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７図は第１図に示した実施例の回路系統図で
ある。第７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にはこの他に設定した硬さ値があ
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〔BED〕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７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７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
作成した場合等では、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、
従来硬さ値の最小単位として±１をアナログ値か
ら読み取つていたのが、±0.05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〕

以上のように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、モアレ縞の移動から押針の移動量を検出
する所からリニアスケールから直接移動量を検出
することより、より確実に検出することができ、
かつリニアスケールの線の太さに影響されず、押
針の移動量を高精度に検出することができる。

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
必要と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およびASTM D2240にはそ
れぞれJIS Ａ型およびデユロメータＡ型におい
て、測定時の押し荷重が１Kgｆ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のリニアエンコーダに使用さ
れるスリツト板により生じるモアレ縞の部分拡大
図、第６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７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 弾性部材を利用して柔軟な材料の硬度を測定
   する硬さ計において、その押針の移動量を検出す
   るリニアエンコーダを設け、このリニアエンコー
   ダは、前記押針に連動する移動スリツト板と、こ
   れに対向する位置に取り付けられ、前記移動スリ
   ツト板のスリツトに対し僅かに傾斜したスリツト
   を持つ固定スリツト板と、これらを挟んで対向す
   る位置に設けられた発光素子と受光素子とから構
   成して、前記発光素子の前を移動スリツト板が移
   動することによつてできるモアレ縞の変化を、受
   光素子により電気信号に変換して検出できるよう
   にし、さらに前記リニアエンコーダには、前記電
   気信号をパルス化して前記押針の移動量をデジタ
   ル表示可能な制御回路を接続したことを特徴とす
   るデジタル式硬さ計。