測定物の表面状態試験方法及びその表面状態試験装置
【課題】例えば、金属、高分子材料、表面膜、又はその他の材料の硬さや力学的特性を評価するのに好適な測定物の表面状態試験方法及びその表面状態試験装置を提供する。
【解決手段】測定物の表面状態試験方法は、ハンマ１２の先端部に設けられた円錐又は角錐で構成される尖端形状のチップ１１を、測定物１６に衝突させ、衝突後のハンマ１２の反発定数によって、測定物１６の表面状況を評価する。これに使用する測定物の表面状態試験装置１０は、円錐又は角錐で構成される尖端形状のチップ１１と、チップ１１が先端部に設けられたハンマ１２と、ハンマ１２を挟持し、測定物１６とチップ１１の間に隙間を設ける挟持手段１３と、挟持手段１３がハンマ１２を放してチップ１１を測定物１６に衝突させた際に、ハンマ１２の反発挙動を検出する検出手段１４と、検出手段１４の出力を表示又は記録する表示記録手段１５とを有する。
【解決手段】測定物の表面状態試験方法は、ハンマ１２の先端部に設けられた円錐又は角錐で構成される尖端形状のチップ１１を、測定物１６に衝突させ、衝突後のハンマ１２の反発定数によって、測定物１６の表面状況を評価する。これに使用する測定物の表面状態試験装置１０は、円錐又は角錐で構成される尖端形状のチップ１１と、チップ１１が先端部に設けられたハンマ１２と、ハンマ１２を挟持し、測定物１６とチップ１１の間に隙間を設ける挟持手段１３と、挟持手段１３がハンマ１２を放してチップ１１を測定物１６に衝突させた際に、ハンマ１２の反発挙動を検出する検出手段１４と、検出手段１４の出力を表示又は記録する表示記録手段１５とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の速度でハンマを測定物（例えば、金属、高分子材料、表面膜、又はその他の材料）に衝突させ、反発後のハンマの反発定数（例えば、反発速度、反発時間、又は反発距離）によって、測定物の硬さや力学的特性を評価するのに好適な測定物の表面状態試験方法及びその表面状態試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、測定物の硬さを測定する試験方法として、ビッカース硬さ試験法（例えば、非特許文献１参照）とショア硬さ試験法（例えば、非特許文献２、特許文献１参照）が知られている。
ビッカース硬さ試験法とは、対面角１３６度のダイヤモンド製の四角錐圧子を、測定物の表面に所定の荷重で準静的に押し込み、除荷後に形成される圧痕の表面積と押し込み荷重を尺度として、測定物の硬さを定義する方法である。このように、ビッカース硬さ試験法は、ダイヤモンド製の四角錐圧子を用いるため、均質な材料の測定においては、理論上、試験荷重に依存せず、一定の硬さ値が得られるという特徴を有する。従って、測定荷重を小さくすることにより、測定物の表面に設けた表面膜の硬さ測定にも用いることができる。
【０００３】
また、ショア硬さ試験法とは、一定の重さと形状を備えたハンマを、一定の高さから測定物の表面に落下させ、ハンマの跳ね上がり高さを尺度として、測定物の硬さを定義する方法である。日本工業規格（ＪＩＳ Ｂ ７７２７）による指示形（Ｄ形）ショア硬さ試験機では、ハンマとして、先端部に半径約１ｍｍのほぼ球面のダイヤモンドチップが取付けられた質量約３６．２ｇの棒材を使用し、これを約１９ｍｍの高さから測定物の表面に落下させたときの反発高さを尺度として、測定物の硬さが表示されている。このように、試験機が、小型、軽量、かつ安価で、更に操作法も簡便であるなどの特徴を有しているため、現場で用いる検査手段としてショア硬さ試験法が広く普及している。
【０００４】
【非特許文献１】日本工業規格 ＪＩＳ Ｚ ２２４４
【非特許文献２】日本工業規格 ＪＩＳ Ｚ ２２４６
【特許文献１】特開平６−２９４７２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の方法には、未だ解決すべき以下のような問題があった。
ビッカース硬さ試験法は、圧子を測定物の表面に準静的に押し込むため、例えば、試験機の剛性、測定中の振動、及び温度変化の影響を受け易いという構造上逃れられない問題がある。
また、ショア硬さ試験法は、ハンマの最大衝突荷重が、測定物の硬度が増加するにつれて増加し、ハンマの質量の１０００倍以上にも達する場合がある。従って、測定物の材質によっては、測定物の平均的硬さを得ることはできるが、測定物の表層あるいは表面に設けた表面膜の特性を評価できないという問題がある。
【０００６】
この問題を解決する方法の１つとして、ハンマの落下高さを低下させ、その衝突荷重を低下させることも考えられる。ところが、球体状のチップを取付けたハンマの落下高さを低下させていくと、衝突前後の速度比で定義される反発係数は増加し、理論上は１に近づき、測定物間の機械的特性の相違が評価できなくなるという問題がある。
また、球体状のチップを有するハンマを、異なる高さから落下させた場合に形成されるくぼみの形状は、例え測定物が同一のものであっても相似（即ち、直径と深さの比が一定）にはならない。このことは、測定物の硬さが、ハンマの落下高さによって異なる可能性があることを示唆している。
更に、チップとして使用するダイヤモンドは、その結晶構造のため、精確な球面に加工することが極めて困難であり、理想的な球面形状の場合に得られる値と、実測値との間に差が生じる。このことは、チップが設けられたハンマを量産した場合に、個々のハンマで測定値のばらつきが極めて大きくなることを示している。
【０００７】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、例えば、金属、高分子材料、表面膜、又はその他の材料の硬さや力学的特性を評価するのに好適な測定物の表面状態試験方法及びその表面状態試験装置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】
前記目的に沿う第１の発明に係る測定物の表面状態試験方法は、ハンマの先端部に設けられた円錐又は角錐で構成される尖端形状のチップを、測定物に衝突させ、衝突後の前記ハンマの反発定数によって、前記測定物の表面状況を評価する。
第１の発明に係る測定物の表面状態試験方法において、前記ハンマの反発定数は、前記ハンマの反発速度、反発時間、又は反発距離であることが好ましい。
【０００９】
第１の発明に係る測定物の表面状態試験方法において、前記測定物の表面状況は、該測定物の反発硬さ（反発係数）であることが好ましい。
第１の発明に係る測定物の表面状態試験方法において、前記測定物への前記チップの衝突は、該測定物の表面に対し、しかも該測定物の評価に適した速度で行うことが好ましい。
【００１０】
前記目的に沿う第２の発明に係る測定物の表面状態試験装置は、第１の発明に係る測定物の表面状態試験方法に使用する測定物の表面状態試験装置であって、
円錐又は角錐で構成される尖端形状の前記チップと、
前記チップが先端部に設けられた前記ハンマと、
前記ハンマを挟持し、前記測定物と前記チップの間に隙間を設ける挟持手段と、
前記挟持手段が前記ハンマを放して前記チップを前記測定物に衝突させた際に、前記ハンマの反発挙動を検出する検出手段と、
前記検出手段の出力を表示又は記録する表示記録手段とを有する。
第２の発明に係る測定物の表面状態試験装置において、前記検出手段はレーザを前記ハンマの後端部に発して、該ハンマの反発挙動を検出することが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１〜４記載の測定物の表面状態試験方法、及び請求項５、６記載の測定物の表面状態試験装置は、ハンマの先端部に設けられた尖端形状のチップを測定物に衝突させ、衝突後のハンマの反発定数によって、測定物の表面状況を評価するので、従来から使用しているビッカース硬さ試験とショア硬さ試験の双方の短所を解消できる。
即ち、ビッカース硬さ試験のように、準静的に測定物に対して圧子を押し込む必要がないので、例えば、試験装置の剛性、測定中の振動、及び温度変化の影響のような測定環境の影響を受ける危険性が減少する。また、圧痕の寸法を光学顕微鏡を用いて読み取る必要がないので、個人差をなくし、測定能率の向上が図れる。
そして、衝突荷重を減少させるためにハンマの落下高さを減少させていったとき、ショア硬さ試験で用いられている球体のチップの場合のように、衝突が弾性的となることによって理論上反発係数が１に近づいていくようなことがなく、かつダイヤモンド球体チップよりも形状精度を高めることが容易であるので、測定物の表層あるいは表面に設けた膜の特性も評価できる。
これにより、例えば、金属、高分子材料、表面膜、又はその他の材料の硬さや力学的特性を、容易にしかも精度よく評価できる。
【００１２】
特に、請求項２記載の測定物の表面状態試験方法は、ハンマの反発定数が、ハンマの反発速度、反発時間、又は反発距離であるので、使用する測定装置の種類に応じて測定方法を選択できる。
請求項３記載の測定物の表面状態試験方法は、ハンマの反発定数を使用して、測定物の反発硬さを評価できるので、操作方法が簡便で、測定も短時間に実施できる。
請求項４記載の測定物の表面状態試験方法は、測定物へのチップの衝突を、測定物の表面に対し、しかも測定物の評価に適した速度で行うので、測定物の材質に応じた評価が可能になる。
【００１３】
請求項５、６記載の測定物の表面状態試験装置は、簡単な構成で、測定物の表面状況を評価できる。
請求項６記載の測定物の表面状態試験装置は、検出手段がレーザをハンマの後端部に発して、ハンマの反発挙動を検出するので、瞬時に簡単かつ正確に、ハンマの反発定数を得ることができ、測定物の表面状況を評価できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る測定物の表面状態試験装置（以下、単に試験装置ともいう）１０は、尖端形状のチップ１１と、チップ１１が設けられたハンマ１２と、ハンマ１２を挟持する挟持手段１３と、ハンマ１２の反発挙動を検出するレーザドップラー振動計センサーヘッド（検出手段の一例）１４と、レーザドップラー振動計センサーヘッド１４の出力を記録する記録計（表示記録手段の一例）１５とを有し、チップ１１を試験片（測定物の一例）１６に衝突させ、衝突後のハンマ１２の反発定数によって、試験片１６の表面状況を評価するのに使用されている。以下、詳しく説明する。
【００１５】
ハンマ１２は、ダイヤモンド製であることが好ましいが、例えば、Ｈｖ１１０以上（好ましくはＨｖ１７０以上）の材料、具体的には、金属及びその合金、又は無機材料を使用できる。ここで、更に、落下高さや質量が小さく衝突荷重が小さい場合には、より強度の低い材料、例えば、Ｈｖ２０以上の材料をハンマに使用することも可能である。
このハンマ１２は、例えば、直径が１ｍｍ以上２０ｍｍ以下、長さが３ｍｍ以上２５０ｍｍ以下（好ましくは、下限を２０ｍｍ、上限を２００ｍｍ）程度の円柱状又は角柱状のものであり、その質量は、材質と大きさに依存するが、例えば、０．１ｇ以上６００ｇ以下（好ましくは、下限を１ｇ、上限を４００ｇ）程度である。ここで、ハンマ１２の質量は、試験片１６の材質に応じて選択する。
なお、本実施の形態で使用するハンマ１２は、直径が８ｍｍ程度（先側の直径は６ｍｍ程度）、長さが１００ｍｍ程度、質量が約３８ｇの円柱状の棒材である。
【００１６】
ハンマ１２の先端部に取付けられたチップ１１は、円錐又は角錐（例えば、三角錐、四角錐、又は五角錐以上の多角錐）で構成される尖端形状のものである。
チップ１１はダイヤモンド製であり、その形状は、先端から側面へ向かって形成される稜線が、直線状に形成されたものである。なお、このチップ１１の対面角（頂角）は、３０度以上１７０度以下（好ましくは、下限が９０度、更には１２０度、上限が１６０度、更には１４０度）の範囲内で設定されている。
特に、チップの形状を四角錐とする場合、例えば、ビッカース硬さ試験に使用されている圧子として実績のある、対面角が１３６度のダイヤモンド製の四角錐圧子を用いることができる。また、先端の加工精度が要求される場合には、ナノインデンテーション法で用いられている三角錐のダイヤモンド製の圧子を用いることもできる。
【００１７】
チップ１１が取付けられたハンマ１２は、試験開始前の段階では、挟持手段１３に設置されている。
挟持手段１３は、カメラ用スタンド１７と、このカメラ用スタンド１７に上下方向に昇降自在に取付けられ、開閉機構（図示しない）によりハンマ１２を挟持可能なモータハンド１８を有している。このモータハンド１８の開閉制御及び高さ位置の調整制御は、モータハンドコントローラ１９によって行われる。
これにより、試験片１６の表面とチップ１１の先端との間隔Ｓ（隙間）を、試験片１６の材質に応じて、所定の距離、例えば、０．００１ｍｍ以上３０ｍｍ以下（好ましくは、下限を０．００５ｍｍ、更には０．０１ｍｍ、上限を２０ｍｍ、更には１０ｍｍ）程度に調整できる。なお、この間隔Ｓの測定は、従来公知のハイトゲージを用いて行っているが、他の手段を用いてもよい。
【００１８】
このカメラ用スタンド１７に取付けられたハンマ１２の上方には、ハンマ１２の反発挙動を検出するレーザドップラー振動計センサーヘッド１４が配置されている。
レーザドップラー振動計センサーヘッド１４は、レーザ２０をハンマ１２の上端面（後端部）に発することで、カメラ用スタンド１７のモータハンド１８がハンマ１２の挟持を解除してチップ１１を試験片１６に衝突させた際に、ハンマ１２の反発挙動を検出できる。
【００１９】
このレーザドップラー振動計センサーヘッド１４からのレーザ２０の発信、停止、及び検出は、振動計コントローラ２１によって制御され、振動計コントローラ２１が取得したハンマ１２の振動信号は、記録計１５に記録される。この記録計１５は、ハンマ１２の振動信号を表示することもできる。
なお、レーザ２０の検出精度を高めるため、ハンマ１２の上端面に反射テープ２２を貼り付け、これにレーザ２０を発しているが、必要に応じて反射テープを不要とすることもできる。
また、レーザドップラー振動計センサーヘッド１４は、ハンマ１２の上方に設置することなく、ハンマ１２の側方に配置してもよい。この場合、レーザは、鏡で反射させてハンマの上端面に発する。
【００２０】
続いて、本発明の一実施の形態に係る測定物の表面状態試験方法について、前記した測定物の表面状態試験装置１０を使用して説明する。なお、本実施の形態では、測定物の表面状況として、測定物の反発硬さ（反発係数）を評価する場合について、以下説明する。
まず、ハンマ１２を、カメラ用スタンド１７のモータハンド１８に、ハンマ１２の軸心が鉛直方向となるように挟持させる。このとき、ハンマ１２に取付けられたチップ１１が、ハンマ１２の下端位置となるように設置する。
次に、カメラ用スタンド１７のつまみを回すことによってモータハンド１８を昇降させ、チップ１１の先端（下端）の試験片１６の表面からの高さ位置を、前記した間隔Ｓに調整する。
そして、モータハンドコントローラ１９によってモータハンド１８の開閉機構を開状態にすることにより、チップ１１が取付けられたハンマ１２を自由落下させ、試験片１６の表面に衝突させる。
【００２１】
このときのハンマ１２の反発挙動は、レーザドップラー振動計センサーヘッド１４から発せられたレーザ２０を、ハンマ１２の上端部に添付した反射テープ２２に当てることにより測定する。なお、レーザドップラー振動計センサーヘッド１４は、振動計コントローラ２１によって制御され、取得したハンマ１２の振動信号は、記録計１５に記録される。
これにより得られたハンマ１２の反発挙動を示す振動信号から、衝突後のハンマ１２の反発定数を求め、試験片１６の反発硬さを評価できる。
このハンマ１２の反発定数は、試験片１６に衝突したハンマ１２の衝突後の反発速度、反発時間、又は反発距離を利用できる。
【００２２】
ここで、ハンマの反発速度を利用する場合は、衝突前後の速度比で定義される反発係数ｅが反発定数となる。この反発係数ｅは、ハンマの試験片への衝突直前の速度Ｖ１と、衝突直後の速度Ｖ２との比、即ち−Ｖ２／Ｖ１で表される。
また、反発時間を利用する場合は、衝突前後の時間比で定義される係数が反発定数となる。この反発定数は、モータハンドがハンマを放してから試験片へ衝突する直前までの時間Ｔ１と、衝突直後からハンマが再度落下しようとするまでの時間Ｔ２との比、即ちＴ２／Ｔ１で表される（反発時間で定義した反発定数は、特に規格化されていないが、反発速度を利用した反発係数ｅと同じ値を求める場合には、Ｔ２／Ｔ１となる）。
そして、反発距離を利用する場合は、衝突前後の距離比で定義される係数が反発定数となる。この反発定数は、モータハンドに挟持されたハンマのチップ先端から試験片表面までの距離Ｓと、衝突して上昇したハンマの最大上昇高さＳ２との比、即ちＳ２／Ｓで表される（形成されたくぼみ中心の深さが落下高さより十分小さい場合には、反発速度を利用した反発係数ｅとの間に、ｅ＝（Ｓ２／Ｓ）１／２の関係が成り立つ）。
【００２３】
更に、試験片１６へのチップ１１の衝突は、試験片１６の表面に対し、しかも試験片１６の評価に適した速度で行うことが好ましい。これは、チップ１１に、例えば四角錐圧子を用いた場合、ハンマ１２の落下高さの増加と共に、衝突荷重が増加するからである。
以下、ハンマ１２の落下高さ及び剛性と反発係数との関係について説明する。
図１、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、使用したハンマ１２は、ステンレス鋼製であり、直径が８ｍｍ（先側の直径は６ｍｍ）、長さが１０４ｍｍ、重さが３８．２ｇの円柱状の棒材である。このハンマ１２の先端には、ビッカース硬度計用のダイヤモンド製の四角錐圧子であるチップ１１をねじ止めした。
【００２４】
まず、ハンマ１２をモータハンド１８でつかみ、モータハンド１８を開くことによって、ハンマ１２を試験片１６に自由落下させた。なお、ハンマ１２の反発挙動は、ハンマ１２の上端面にレーザドップラー振動計センサーヘッド１４からレーザ２０をあてることにより測定した。
ここで、試験片１６として用いた材料は、パーライト鋼（Ｈｖ≒２５３）、及びそれとほぼ同等の硬さを有するベイナイト鋼（Ｈｖ≒２６５）の２種類である。
図３に示すように、パーライト鋼の降伏応力は、ベイナイト鋼よりも３０％程度小さいが、降伏以降の加工硬化の程度は大きい。なお、各試験片は、表面を２０００番の研磨紙で仕上げた後、バフ研磨を施し実験に供したが、パーライト鋼については、更に表層を約５０μｍ電界研磨によって除去している。
【００２５】
解析に際し、その手法として、従来公知の文献（松田・兼田、日本機械学会論文集、６６巻６５２号Ａ編、２０００年、ｐ．２１１３−２１２１）を用いた。
具体的には、ハンマ自身の変形の影響を考慮するため、図２（Ｂ）に示すように、ハンマ１２を８個の質点がばねで連結されているモデルで置き換えた。ただし、圧子の等価ばね定数の見積もりには、従来公知の文献（村上・糸数・田中、日本機械学会論文集、５９巻５５９号Ａ編、１９９３年、ｐ．８３５−８４１）に開示された四角錐圧子の弾性的押込み解析結果を用いた。また、問題を円錐圧子を用いた軸対象問題に置き換え、従来公知の文献（村上・松田、日本機械学会論文集、５７巻５３９号Ａ編、１９９１年、ｐ．１６６５−１６７３）に開示されたビッカース硬さ解析プログラムによる圧子押込み深さ−荷重線図と、円錐圧子のそれとが一致するように、円錐の頂角を１４２度に決定した。なお、図４（Ａ）〜（Ｃ）には、ＦＥＭ解析を行う際の要素分割方法を示している。ここで、（Ａ）は軸対称弾塑性有限要素法の解析モデルの説明図、（Ｂ）は（Ａ）のＯＡＢＣ面上の要素分割の説明図、（Ｃ）は（Ｂ）のＤ部の拡大図である。
【００２６】
図５（Ａ）、（Ｂ）に、試験片にパーライト鋼を使用した場合のハンマの挙動の測定例を示す。なお、図５（Ａ）はハンマを０．１７ｍｍの高さから、（Ｂ）はハンマを５．７ｍｍの高さから、それぞれ落下させたときのハンマの反発挙動である。
ハンマの落下高さが５．７ｍｍの場合、衝突後のハンマに衝突時に生じた弾性変形による振動が観察される。しかし、ハンマの落下高さが０．１７ｍｍの場合、落下高さが５．７ｍｍの場合と比較して、ハンマの振動が著しく小さいことが分かる。
また、ハンマの落下高さが０．１７ｍｍの場合、衝突開始時の速度変化は比較的緩やかであり、鉛直下向きの最大速度は、衝突開始後に生じている。なお、反発係数ｅ（＝−Ｖ２／Ｖ１）は、最小二乗法により求めた衝突後の波形（即ち、振動信号）の平均線から衝突後の速度Ｖ２を求め、この衝突後の速度Ｖ２と衝突直前の速度Ｖ１との比で定義した。
【００２７】
図６（Ａ）、（Ｂ）、及び図７（Ａ）、（Ｂ）に、実験及び解析で得られたハンマの落下高さと反発係数の関係を、それぞれ示す。なお、図６（Ａ）、（Ｂ）はチップに四角錐圧子を、図７（Ａ）、（Ｂ）はチップに球体（露出部分は半球状）を、それぞれ用いた場合の結果である。また、図６（Ａ）、図７（Ａ）は試験片にパーライト鋼を、図６（Ｂ）、図７（Ｂ）は、試験片にベイナイト鋼を、それぞれ用いた場合の結果である。そして、図８（Ａ）、（Ｂ）は落下高さ約０．１ｍｍまでにおけるベイナイト鋼及びパーライト鋼の解析結果を比較したものであり、図８（Ａ）はチップに球体圧子、図８（Ｂ）はチップに四角錐圧子を用いた場合の結果である。
チップに四角錐圧子を用いた場合、図６（Ａ）、（Ｂ）から明らかなように、ＦＥＭ解析で得られた反発係数の結果は、実験で得られた反発係数の結果より若干小さくなっているが、全般的な傾向は一致している。即ち、ハンマの落下高さの増加に伴い、反発係数は増加している。
【００２８】
また、チップに球体圧子を用いた場合、図７（Ａ）、（Ｂ）から明らかなように、ハンマの落下高さの低下と共に反発係数は増加し、かつパーライト鋼とベイナイト鋼の差が増加した。具体的には、図８（Ａ）に示すように、ハンマの落下高さが１９ｍｍ程度では、両者の反発係数はほぼ同じであったのに対し、ハンマの落下高さの低下と共に、降伏応力の小さいパーライト鋼（図８（Ａ）の○）の方がベイナイト鋼（図８（Ａ）の●）よりも小さくなった。
一方、チップに四角錐圧子を用いた場合、図６（Ａ）、（Ｂ）、及び図８（Ｂ）から明らかなように、ハンマの落下高さに影響されることなく、パーライト鋼（図８（Ｂ）の○）とベイナイト鋼（図８（Ｂ）の●）の差が小さいことが確認された。
【００２９】
以上のことから、チップに球体圧子を用いた場合は、異なる材料間での硬さの比較が行いにくいことを意味し、チップに四角錐圧子を用いた場合、異なる材料間での硬さの比較が行い易いことを意味している。
更に、図９（Ａ）、（Ｂ）に、試験片としてビッカース硬さＨｖが約２５０のパーライト鋼を使用し、実験及び解析で得られたハンマの落下高さと反発係数の関係を、それぞれ示す。なお、図９（Ａ）は、市販の指示形（Ｄ形）ショア硬さ試験機に付属されたハンマ、即ち球形圧子を取付けたハンマの結果であり、図９（Ｂ）は、球体圧子の代わりにビッカース硬さ試験で使用する四角錐圧子を取付けたハンマの結果である。
【００３０】
図９（Ａ）から明らかなように、球体圧子を使用した場合、ハンマの落下高さが低下すると共に、反発係数が増加することが分かる。しかし、ハンマの落下高さが１ｍｍ以下になった場合、ＦＥＭ解析の結果は、反発係数がほぼ直線的に増加しているのに対し、実験結果は、ＦＥＭ解析の結果から外れ、ほぼ一定の値を示している。即ち、これは、ハンマの落下高さが低下すると共に、圧子先端の形状精度の影響が大きく現れたためである。
一方、図９（Ｂ）から明らかなように、四角錐圧子を使用した場合、ハンマの落下高さが低下すると共に、反発係数が低下する傾向にあるが、その低下の程度は、落下高さが低下すると共に、小さくなっている。更に、ハンマの落下高さが１ｍｍ以下であっても、実験結果はＦＥＭ解析の結果にほぼ従っている。
以上のことから、落下高さが低くなれば、チップに球体圧子を使用するよりも、四角錐圧子を使用する方が、測定精度上極めて有効であることが分かる。
【００３１】
続いて、上記した結果について、エネルギーの観点から検討する。
図１０に示すように、負荷過程で試験片の変形に費やされるエネルギーをＵ１（曲線０−ａ−ｂ−０で囲まれる面積）、除荷過程の弾性回復エネルギーをＵ２（曲線ａ−ｂ−ｃ−ａで囲まれる面積）とし、また、最大衝突荷重時にハンマに蓄えられる歪みエネルギーをＵｓとすると、形成されたくぼみ中心の深さが落下高さより十分小さい場合には、反発係数ｅは（１）式で表される。
ｅ２＝（Ｕ２＋ＵＳ）／（Ｕ１＋ＵＳ）
＝（Ｕ２／Ｕ１＋ＵＳ／Ｕ１）／（１＋ＵＳ／Ｕ１） ・・・（１）
また、最大衝突荷重をＦｍａｘ、圧子の等価ばね定数をｋ０、圧子とハンマ軸部のばね定数をｋ１とすると、ＵＳは（２）式で表される。
ＵＳ＝Ｆｍａｘ３／２／３ｋ０＋Ｆｍａｘ２／２ｋ１ ・・・（２）
【００３２】
ここで、図１１（Ａ）、（Ｂ）に、ハンマの落下高さｈと最大衝突荷重Ｆｍａｘとの関係を示す。なお、図１１（Ａ）は試験片にパーライト鋼を、（Ｂ）は試験片にベイナイト鋼を、それぞれ使用した場合の結果である。
図１１（Ａ）、（Ｂ）から明らかなように、ハンマの落下高さｈの増加と共に、最大衝突荷重Ｆｍａｘは直線的に増加し、（３）式の関係が近似的に成立することが分かった。
Ｆｍａｘ∝ｈ２／３ ・・・（３）
以上のことから、図１２に示すように、ＵＳ／Ｕ１は、（４）式のように置き換えられる。
ＵＳ／Ｕ１＝Ｃ１／３ｋ０＋（Ｃ２／２ｋ１）ｈ１／３ ・・・（４）
【００３３】
チップが四角錐圧子の場合、試験片が均質であれば、理論上、圧痕形状はハンマの落下高さによらず相似となり、Ｕ２／Ｕ１は一定となる。つまり、ハンマの落下高さが増加あるいはハンマの剛性が低下すれば、ＵＳ／Ｕ１≫Ｕ２／Ｕ１となり、反発係数ｅは「１」に近づくことになる。
一方、ハンマの剛性が増加すれば、ＵＳ／Ｕ１は０に近づき、反発係数は（Ｕ２／Ｕ１）１／２に近づくことになる。なお、ハンマの落下高さが減少すると、ＵＳ／Ｕ１の値は圧子の等価ばね定数ｋ０によって決まる一定の値に近づくため、低落下高さにおける反発係数は、Ｕ２／Ｕ１と圧子の等価ばね定数ｋ０の値に大きく依存することが示唆される。
【００３４】
ここで、ハンマの剛性Ｋｓの２倍（Ｋ＝２Ｋｓ）、及び半分（Ｋ＝０．５Ｋｓ）の剛性を有する仮想ハンマの反発係数をＦＥＭ解析によって求めた結果を、図１３に示す。なお、図１３で使用した試験片はパーライト鋼である。
図１３には、剛体のハンマの結果も示しているが、剛体のハンマの場合、その反発係数は落下高さに依存せず、一定となっている。
一方、弾性を有するハンマの場合、ハンマの剛性の低下と共に、傾きが増加、即ち反発係数の増加率が高くなっていることが分かった。
【００３５】
以上のことから、チップに四角錐圧子を使用した場合、ハンマの落下高さの増加と共に、反発係数が増加するが、その増加の程度はハンマの剛性に依存すること、また、ハンマの剛性を大きくすると、反発係数の落下高さ依存性を小さくできることが確認された。更に、落下高さのより小さい領域まで、精度の高い測定が可能であることが確認された。
従って、これらを考慮して、試験片１６へのチップ１１の衝突を、試験片１６の表面に対し、しかも試験片１６の評価に適した速度、即ち試験片全体の評価を行う場合はハンマ１２の落下速度を速く（落下高さを高く）し、試験片の表面に形成された皮膜の評価を行う場合はハンマ１２の落下速度を遅く（落下高さを低く）して行う。
【００３６】
以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明の測定物の表面状態試験方法及びその表面状態試験装置を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
また、前記実施の形態においては、ハンマの反発挙動を検出する検出手段として、レーザを用いた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、ひずみゲージ、加速度ピックアップ、又は圧電素子を使用し、これをハンマに取付けることにより、ハンマの反発挙動を検出することもできる。更に、コイル又は磁石をハンマに取付けることにより、電磁誘導を利用して、ハンマの反発挙動を検出することもできる。これらの場合、装置のコンパクト化が図れる。
【００３７】
また、前記実施の形態においては、先端部にチップが設けられたハンマを、測定物に対して垂直に自由落下させ、測定物の表面状況を評価した。しかし、ハンマを自由落下させることなく、例えば、ばね力、電磁力、又は空気等の駆動源を利用して、鉛直下向き以外の方向に向けて、ハンマに設けられたチップを測定物に衝突させることもできる。この方法としては、例えば、ハンマを紐材で吊るし、振り子のように水平方向に揺動運動させ、ハンマの先端部に設けたチップを測定物の表面に衝突させることで、測定物の表面状況を評価することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
所定の速度でハンマを測定物に衝突させ、反発後のハンマの反発定数（例えば、反発速度、反発時間、又は反発距離）によって、例えば、金属、高分子材料、表面膜、又はその他の材料の硬さや力学的特性を評価できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施の形態に係る測定物の表面状態試験装置の説明図である。
【図２】（Ａ）は同測定物の表面状態試験装置に使用したハンマの側面図、（Ｂ）は（Ａ）のハンマをモデル化した説明図である。
【図３】ベイナイト鋼及びパーライト鋼の真応力と対数ひずみの関係を示すグラフである。
【図４】（Ａ）は軸対称弾塑性有限要素法の解析モデルの説明図、（Ｂ）は（Ａ）のＯＡＢＣ面上の要素分割の説明図、（Ｃ）は（Ｂ）のＤ部の拡大図である。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれハンマの落下高さを変えた場合のハンマの反発挙動を示す説明図である。
【図６】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれパーライト鋼とベイナイト鋼にビッカース圧子を取付けたハンマを落下させた場合のハンマの反発係数と落下高さとの関係を示す説明図である。
【図７】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれパーライト鋼とベイナイト鋼に球体圧子を取付けたハンマを落下させた場合のハンマの反発係数と落下高さとの関係を示す説明図である。
【図８】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ球体圧子とビッカース圧子を取付けたハンマを落下させた場合のハンマの反発係数と落下高さとの関係を示す説明図である。
【図９】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ球体圧子とビッカース圧子を取付けたハンマを落下させた場合のハンマの反発係数と落下高さとの関係を示す説明図である。
【図１０】チップ先端の押し込み深さ−荷重線図と試験片の変形エネルギーの関係を示す説明図である。
【図１１】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれパーライト鋼とベイナイト鋼にハンマを落下させた場合のハンマの最大衝突荷重と落下高さとの関係を示す説明図である。
【図１２】ハンマの落下高さ及び剛性と反発係数との関係を示す説明図である。
【図１３】ハンマの反発係数に及ぼすハンマの剛性の影響を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０：測定物の表面状態試験装置、１１：チップ、１２：ハンマ、１３：挟持手段、１４：レーザドップラー振動計センサーヘッド（検出手段）、１５：記録計（表示記録手段）、１６：試験片（測定物）、１７：カメラ用スタンド、１８：モータハンド、１９：モータハンドコントローラ、２０：レーザ、２１：振動計コントローラ、２２：反射テープ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の速度でハンマを測定物（例えば、金属、高分子材料、表面膜、又はその他の材料）に衝突させ、反発後のハンマの反発定数（例えば、反発速度、反発時間、又は反発距離）によって、測定物の硬さや力学的特性を評価するのに好適な測定物の表面状態試験方法及びその表面状態試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、測定物の硬さを測定する試験方法として、ビッカース硬さ試験法（例えば、非特許文献１参照）とショア硬さ試験法（例えば、非特許文献２、特許文献１参照）が知られている。
ビッカース硬さ試験法とは、対面角１３６度のダイヤモンド製の四角錐圧子を、測定物の表面に所定の荷重で準静的に押し込み、除荷後に形成される圧痕の表面積と押し込み荷重を尺度として、測定物の硬さを定義する方法である。このように、ビッカース硬さ試験法は、ダイヤモンド製の四角錐圧子を用いるため、均質な材料の測定においては、理論上、試験荷重に依存せず、一定の硬さ値が得られるという特徴を有する。従って、測定荷重を小さくすることにより、測定物の表面に設けた表面膜の硬さ測定にも用いることができる。
【０００３】
また、ショア硬さ試験法とは、一定の重さと形状を備えたハンマを、一定の高さから測定物の表面に落下させ、ハンマの跳ね上がり高さを尺度として、測定物の硬さを定義する方法である。日本工業規格（ＪＩＳ Ｂ ７７２７）による指示形（Ｄ形）ショア硬さ試験機では、ハンマとして、先端部に半径約１ｍｍのほぼ球面のダイヤモンドチップが取付けられた質量約３６．２ｇの棒材を使用し、これを約１９ｍｍの高さから測定物の表面に落下させたときの反発高さを尺度として、測定物の硬さが表示されている。このように、試験機が、小型、軽量、かつ安価で、更に操作法も簡便であるなどの特徴を有しているため、現場で用いる検査手段としてショア硬さ試験法が広く普及している。
【０００４】
【非特許文献１】日本工業規格 ＪＩＳ Ｚ ２２４４
【非特許文献２】日本工業規格 ＪＩＳ Ｚ ２２４６
【特許文献１】特開平６−２９４７２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の方法には、未だ解決すべき以下のような問題があった。
ビッカース硬さ試験法は、圧子を測定物の表面に準静的に押し込むため、例えば、試験機の剛性、測定中の振動、及び温度変化の影響を受け易いという構造上逃れられない問題がある。
また、ショア硬さ試験法は、ハンマの最大衝突荷重が、測定物の硬度が増加するにつれて増加し、ハンマの質量の１０００倍以上にも達する場合がある。従って、測定物の材質によっては、測定物の平均的硬さを得ることはできるが、測定物の表層あるいは表面に設けた表面膜の特性を評価できないという問題がある。
【０００６】
この問題を解決する方法の１つとして、ハンマの落下高さを低下させ、その衝突荷重を低下させることも考えられる。ところが、球体状のチップを取付けたハンマの落下高さを低下させていくと、衝突前後の速度比で定義される反発係数は増加し、理論上は１に近づき、測定物間の機械的特性の相違が評価できなくなるという問題がある。
また、球体状のチップを有するハンマを、異なる高さから落下させた場合に形成されるくぼみの形状は、例え測定物が同一のものであっても相似（即ち、直径と深さの比が一定）にはならない。このことは、測定物の硬さが、ハンマの落下高さによって異なる可能性があることを示唆している。
更に、チップとして使用するダイヤモンドは、その結晶構造のため、精確な球面に加工することが極めて困難であり、理想的な球面形状の場合に得られる値と、実測値との間に差が生じる。このことは、チップが設けられたハンマを量産した場合に、個々のハンマで測定値のばらつきが極めて大きくなることを示している。
【０００７】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、例えば、金属、高分子材料、表面膜、又はその他の材料の硬さや力学的特性を評価するのに好適な測定物の表面状態試験方法及びその表面状態試験装置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】
前記目的に沿う第１の発明に係る測定物の表面状態試験方法は、ハンマの先端部に設けられた円錐又は角錐で構成される尖端形状のチップを、測定物に衝突させ、衝突後の前記ハンマの反発定数によって、前記測定物の表面状況を評価する。
第１の発明に係る測定物の表面状態試験方法において、前記ハンマの反発定数は、前記ハンマの反発速度、反発時間、又は反発距離であることが好ましい。
【０００９】
第１の発明に係る測定物の表面状態試験方法において、前記測定物の表面状況は、該測定物の反発硬さ（反発係数）であることが好ましい。
第１の発明に係る測定物の表面状態試験方法において、前記測定物への前記チップの衝突は、該測定物の表面に対し、しかも該測定物の評価に適した速度で行うことが好ましい。
【００１０】
前記目的に沿う第２の発明に係る測定物の表面状態試験装置は、第１の発明に係る測定物の表面状態試験方法に使用する測定物の表面状態試験装置であって、
円錐又は角錐で構成される尖端形状の前記チップと、
前記チップが先端部に設けられた前記ハンマと、
前記ハンマを挟持し、前記測定物と前記チップの間に隙間を設ける挟持手段と、
前記挟持手段が前記ハンマを放して前記チップを前記測定物に衝突させた際に、前記ハンマの反発挙動を検出する検出手段と、
前記検出手段の出力を表示又は記録する表示記録手段とを有する。
第２の発明に係る測定物の表面状態試験装置において、前記検出手段はレーザを前記ハンマの後端部に発して、該ハンマの反発挙動を検出することが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１〜４記載の測定物の表面状態試験方法、及び請求項５、６記載の測定物の表面状態試験装置は、ハンマの先端部に設けられた尖端形状のチップを測定物に衝突させ、衝突後のハンマの反発定数によって、測定物の表面状況を評価するので、従来から使用しているビッカース硬さ試験とショア硬さ試験の双方の短所を解消できる。
即ち、ビッカース硬さ試験のように、準静的に測定物に対して圧子を押し込む必要がないので、例えば、試験装置の剛性、測定中の振動、及び温度変化の影響のような測定環境の影響を受ける危険性が減少する。また、圧痕の寸法を光学顕微鏡を用いて読み取る必要がないので、個人差をなくし、測定能率の向上が図れる。
そして、衝突荷重を減少させるためにハンマの落下高さを減少させていったとき、ショア硬さ試験で用いられている球体のチップの場合のように、衝突が弾性的となることによって理論上反発係数が１に近づいていくようなことがなく、かつダイヤモンド球体チップよりも形状精度を高めることが容易であるので、測定物の表層あるいは表面に設けた膜の特性も評価できる。
これにより、例えば、金属、高分子材料、表面膜、又はその他の材料の硬さや力学的特性を、容易にしかも精度よく評価できる。
【００１２】
特に、請求項２記載の測定物の表面状態試験方法は、ハンマの反発定数が、ハンマの反発速度、反発時間、又は反発距離であるので、使用する測定装置の種類に応じて測定方法を選択できる。
請求項３記載の測定物の表面状態試験方法は、ハンマの反発定数を使用して、測定物の反発硬さを評価できるので、操作方法が簡便で、測定も短時間に実施できる。
請求項４記載の測定物の表面状態試験方法は、測定物へのチップの衝突を、測定物の表面に対し、しかも測定物の評価に適した速度で行うので、測定物の材質に応じた評価が可能になる。
【００１３】
請求項５、６記載の測定物の表面状態試験装置は、簡単な構成で、測定物の表面状況を評価できる。
請求項６記載の測定物の表面状態試験装置は、検出手段がレーザをハンマの後端部に発して、ハンマの反発挙動を検出するので、瞬時に簡単かつ正確に、ハンマの反発定数を得ることができ、測定物の表面状況を評価できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る測定物の表面状態試験装置（以下、単に試験装置ともいう）１０は、尖端形状のチップ１１と、チップ１１が設けられたハンマ１２と、ハンマ１２を挟持する挟持手段１３と、ハンマ１２の反発挙動を検出するレーザドップラー振動計センサーヘッド（検出手段の一例）１４と、レーザドップラー振動計センサーヘッド１４の出力を記録する記録計（表示記録手段の一例）１５とを有し、チップ１１を試験片（測定物の一例）１６に衝突させ、衝突後のハンマ１２の反発定数によって、試験片１６の表面状況を評価するのに使用されている。以下、詳しく説明する。
【００１５】
ハンマ１２は、ダイヤモンド製であることが好ましいが、例えば、Ｈｖ１１０以上（好ましくはＨｖ１７０以上）の材料、具体的には、金属及びその合金、又は無機材料を使用できる。ここで、更に、落下高さや質量が小さく衝突荷重が小さい場合には、より強度の低い材料、例えば、Ｈｖ２０以上の材料をハンマに使用することも可能である。
このハンマ１２は、例えば、直径が１ｍｍ以上２０ｍｍ以下、長さが３ｍｍ以上２５０ｍｍ以下（好ましくは、下限を２０ｍｍ、上限を２００ｍｍ）程度の円柱状又は角柱状のものであり、その質量は、材質と大きさに依存するが、例えば、０．１ｇ以上６００ｇ以下（好ましくは、下限を１ｇ、上限を４００ｇ）程度である。ここで、ハンマ１２の質量は、試験片１６の材質に応じて選択する。
なお、本実施の形態で使用するハンマ１２は、直径が８ｍｍ程度（先側の直径は６ｍｍ程度）、長さが１００ｍｍ程度、質量が約３８ｇの円柱状の棒材である。
【００１６】
ハンマ１２の先端部に取付けられたチップ１１は、円錐又は角錐（例えば、三角錐、四角錐、又は五角錐以上の多角錐）で構成される尖端形状のものである。
チップ１１はダイヤモンド製であり、その形状は、先端から側面へ向かって形成される稜線が、直線状に形成されたものである。なお、このチップ１１の対面角（頂角）は、３０度以上１７０度以下（好ましくは、下限が９０度、更には１２０度、上限が１６０度、更には１４０度）の範囲内で設定されている。
特に、チップの形状を四角錐とする場合、例えば、ビッカース硬さ試験に使用されている圧子として実績のある、対面角が１３６度のダイヤモンド製の四角錐圧子を用いることができる。また、先端の加工精度が要求される場合には、ナノインデンテーション法で用いられている三角錐のダイヤモンド製の圧子を用いることもできる。
【００１７】
チップ１１が取付けられたハンマ１２は、試験開始前の段階では、挟持手段１３に設置されている。
挟持手段１３は、カメラ用スタンド１７と、このカメラ用スタンド１７に上下方向に昇降自在に取付けられ、開閉機構（図示しない）によりハンマ１２を挟持可能なモータハンド１８を有している。このモータハンド１８の開閉制御及び高さ位置の調整制御は、モータハンドコントローラ１９によって行われる。
これにより、試験片１６の表面とチップ１１の先端との間隔Ｓ（隙間）を、試験片１６の材質に応じて、所定の距離、例えば、０．００１ｍｍ以上３０ｍｍ以下（好ましくは、下限を０．００５ｍｍ、更には０．０１ｍｍ、上限を２０ｍｍ、更には１０ｍｍ）程度に調整できる。なお、この間隔Ｓの測定は、従来公知のハイトゲージを用いて行っているが、他の手段を用いてもよい。
【００１８】
このカメラ用スタンド１７に取付けられたハンマ１２の上方には、ハンマ１２の反発挙動を検出するレーザドップラー振動計センサーヘッド１４が配置されている。
レーザドップラー振動計センサーヘッド１４は、レーザ２０をハンマ１２の上端面（後端部）に発することで、カメラ用スタンド１７のモータハンド１８がハンマ１２の挟持を解除してチップ１１を試験片１６に衝突させた際に、ハンマ１２の反発挙動を検出できる。
【００１９】
このレーザドップラー振動計センサーヘッド１４からのレーザ２０の発信、停止、及び検出は、振動計コントローラ２１によって制御され、振動計コントローラ２１が取得したハンマ１２の振動信号は、記録計１５に記録される。この記録計１５は、ハンマ１２の振動信号を表示することもできる。
なお、レーザ２０の検出精度を高めるため、ハンマ１２の上端面に反射テープ２２を貼り付け、これにレーザ２０を発しているが、必要に応じて反射テープを不要とすることもできる。
また、レーザドップラー振動計センサーヘッド１４は、ハンマ１２の上方に設置することなく、ハンマ１２の側方に配置してもよい。この場合、レーザは、鏡で反射させてハンマの上端面に発する。
【００２０】
続いて、本発明の一実施の形態に係る測定物の表面状態試験方法について、前記した測定物の表面状態試験装置１０を使用して説明する。なお、本実施の形態では、測定物の表面状況として、測定物の反発硬さ（反発係数）を評価する場合について、以下説明する。
まず、ハンマ１２を、カメラ用スタンド１７のモータハンド１８に、ハンマ１２の軸心が鉛直方向となるように挟持させる。このとき、ハンマ１２に取付けられたチップ１１が、ハンマ１２の下端位置となるように設置する。
次に、カメラ用スタンド１７のつまみを回すことによってモータハンド１８を昇降させ、チップ１１の先端（下端）の試験片１６の表面からの高さ位置を、前記した間隔Ｓに調整する。
そして、モータハンドコントローラ１９によってモータハンド１８の開閉機構を開状態にすることにより、チップ１１が取付けられたハンマ１２を自由落下させ、試験片１６の表面に衝突させる。
【００２１】
このときのハンマ１２の反発挙動は、レーザドップラー振動計センサーヘッド１４から発せられたレーザ２０を、ハンマ１２の上端部に添付した反射テープ２２に当てることにより測定する。なお、レーザドップラー振動計センサーヘッド１４は、振動計コントローラ２１によって制御され、取得したハンマ１２の振動信号は、記録計１５に記録される。
これにより得られたハンマ１２の反発挙動を示す振動信号から、衝突後のハンマ１２の反発定数を求め、試験片１６の反発硬さを評価できる。
このハンマ１２の反発定数は、試験片１６に衝突したハンマ１２の衝突後の反発速度、反発時間、又は反発距離を利用できる。
【００２２】
ここで、ハンマの反発速度を利用する場合は、衝突前後の速度比で定義される反発係数ｅが反発定数となる。この反発係数ｅは、ハンマの試験片への衝突直前の速度Ｖ１と、衝突直後の速度Ｖ２との比、即ち−Ｖ２／Ｖ１で表される。
また、反発時間を利用する場合は、衝突前後の時間比で定義される係数が反発定数となる。この反発定数は、モータハンドがハンマを放してから試験片へ衝突する直前までの時間Ｔ１と、衝突直後からハンマが再度落下しようとするまでの時間Ｔ２との比、即ちＴ２／Ｔ１で表される（反発時間で定義した反発定数は、特に規格化されていないが、反発速度を利用した反発係数ｅと同じ値を求める場合には、Ｔ２／Ｔ１となる）。
そして、反発距離を利用する場合は、衝突前後の距離比で定義される係数が反発定数となる。この反発定数は、モータハンドに挟持されたハンマのチップ先端から試験片表面までの距離Ｓと、衝突して上昇したハンマの最大上昇高さＳ２との比、即ちＳ２／Ｓで表される（形成されたくぼみ中心の深さが落下高さより十分小さい場合には、反発速度を利用した反発係数ｅとの間に、ｅ＝（Ｓ２／Ｓ）１／２の関係が成り立つ）。
【００２３】
更に、試験片１６へのチップ１１の衝突は、試験片１６の表面に対し、しかも試験片１６の評価に適した速度で行うことが好ましい。これは、チップ１１に、例えば四角錐圧子を用いた場合、ハンマ１２の落下高さの増加と共に、衝突荷重が増加するからである。
以下、ハンマ１２の落下高さ及び剛性と反発係数との関係について説明する。
図１、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、使用したハンマ１２は、ステンレス鋼製であり、直径が８ｍｍ（先側の直径は６ｍｍ）、長さが１０４ｍｍ、重さが３８．２ｇの円柱状の棒材である。このハンマ１２の先端には、ビッカース硬度計用のダイヤモンド製の四角錐圧子であるチップ１１をねじ止めした。
【００２４】
まず、ハンマ１２をモータハンド１８でつかみ、モータハンド１８を開くことによって、ハンマ１２を試験片１６に自由落下させた。なお、ハンマ１２の反発挙動は、ハンマ１２の上端面にレーザドップラー振動計センサーヘッド１４からレーザ２０をあてることにより測定した。
ここで、試験片１６として用いた材料は、パーライト鋼（Ｈｖ≒２５３）、及びそれとほぼ同等の硬さを有するベイナイト鋼（Ｈｖ≒２６５）の２種類である。
図３に示すように、パーライト鋼の降伏応力は、ベイナイト鋼よりも３０％程度小さいが、降伏以降の加工硬化の程度は大きい。なお、各試験片は、表面を２０００番の研磨紙で仕上げた後、バフ研磨を施し実験に供したが、パーライト鋼については、更に表層を約５０μｍ電界研磨によって除去している。
【００２５】
解析に際し、その手法として、従来公知の文献（松田・兼田、日本機械学会論文集、６６巻６５２号Ａ編、２０００年、ｐ．２１１３−２１２１）を用いた。
具体的には、ハンマ自身の変形の影響を考慮するため、図２（Ｂ）に示すように、ハンマ１２を８個の質点がばねで連結されているモデルで置き換えた。ただし、圧子の等価ばね定数の見積もりには、従来公知の文献（村上・糸数・田中、日本機械学会論文集、５９巻５５９号Ａ編、１９９３年、ｐ．８３５−８４１）に開示された四角錐圧子の弾性的押込み解析結果を用いた。また、問題を円錐圧子を用いた軸対象問題に置き換え、従来公知の文献（村上・松田、日本機械学会論文集、５７巻５３９号Ａ編、１９９１年、ｐ．１６６５−１６７３）に開示されたビッカース硬さ解析プログラムによる圧子押込み深さ−荷重線図と、円錐圧子のそれとが一致するように、円錐の頂角を１４２度に決定した。なお、図４（Ａ）〜（Ｃ）には、ＦＥＭ解析を行う際の要素分割方法を示している。ここで、（Ａ）は軸対称弾塑性有限要素法の解析モデルの説明図、（Ｂ）は（Ａ）のＯＡＢＣ面上の要素分割の説明図、（Ｃ）は（Ｂ）のＤ部の拡大図である。
【００２６】
図５（Ａ）、（Ｂ）に、試験片にパーライト鋼を使用した場合のハンマの挙動の測定例を示す。なお、図５（Ａ）はハンマを０．１７ｍｍの高さから、（Ｂ）はハンマを５．７ｍｍの高さから、それぞれ落下させたときのハンマの反発挙動である。
ハンマの落下高さが５．７ｍｍの場合、衝突後のハンマに衝突時に生じた弾性変形による振動が観察される。しかし、ハンマの落下高さが０．１７ｍｍの場合、落下高さが５．７ｍｍの場合と比較して、ハンマの振動が著しく小さいことが分かる。
また、ハンマの落下高さが０．１７ｍｍの場合、衝突開始時の速度変化は比較的緩やかであり、鉛直下向きの最大速度は、衝突開始後に生じている。なお、反発係数ｅ（＝−Ｖ２／Ｖ１）は、最小二乗法により求めた衝突後の波形（即ち、振動信号）の平均線から衝突後の速度Ｖ２を求め、この衝突後の速度Ｖ２と衝突直前の速度Ｖ１との比で定義した。
【００２７】
図６（Ａ）、（Ｂ）、及び図７（Ａ）、（Ｂ）に、実験及び解析で得られたハンマの落下高さと反発係数の関係を、それぞれ示す。なお、図６（Ａ）、（Ｂ）はチップに四角錐圧子を、図７（Ａ）、（Ｂ）はチップに球体（露出部分は半球状）を、それぞれ用いた場合の結果である。また、図６（Ａ）、図７（Ａ）は試験片にパーライト鋼を、図６（Ｂ）、図７（Ｂ）は、試験片にベイナイト鋼を、それぞれ用いた場合の結果である。そして、図８（Ａ）、（Ｂ）は落下高さ約０．１ｍｍまでにおけるベイナイト鋼及びパーライト鋼の解析結果を比較したものであり、図８（Ａ）はチップに球体圧子、図８（Ｂ）はチップに四角錐圧子を用いた場合の結果である。
チップに四角錐圧子を用いた場合、図６（Ａ）、（Ｂ）から明らかなように、ＦＥＭ解析で得られた反発係数の結果は、実験で得られた反発係数の結果より若干小さくなっているが、全般的な傾向は一致している。即ち、ハンマの落下高さの増加に伴い、反発係数は増加している。
【００２８】
また、チップに球体圧子を用いた場合、図７（Ａ）、（Ｂ）から明らかなように、ハンマの落下高さの低下と共に反発係数は増加し、かつパーライト鋼とベイナイト鋼の差が増加した。具体的には、図８（Ａ）に示すように、ハンマの落下高さが１９ｍｍ程度では、両者の反発係数はほぼ同じであったのに対し、ハンマの落下高さの低下と共に、降伏応力の小さいパーライト鋼（図８（Ａ）の○）の方がベイナイト鋼（図８（Ａ）の●）よりも小さくなった。
一方、チップに四角錐圧子を用いた場合、図６（Ａ）、（Ｂ）、及び図８（Ｂ）から明らかなように、ハンマの落下高さに影響されることなく、パーライト鋼（図８（Ｂ）の○）とベイナイト鋼（図８（Ｂ）の●）の差が小さいことが確認された。
【００２９】
以上のことから、チップに球体圧子を用いた場合は、異なる材料間での硬さの比較が行いにくいことを意味し、チップに四角錐圧子を用いた場合、異なる材料間での硬さの比較が行い易いことを意味している。
更に、図９（Ａ）、（Ｂ）に、試験片としてビッカース硬さＨｖが約２５０のパーライト鋼を使用し、実験及び解析で得られたハンマの落下高さと反発係数の関係を、それぞれ示す。なお、図９（Ａ）は、市販の指示形（Ｄ形）ショア硬さ試験機に付属されたハンマ、即ち球形圧子を取付けたハンマの結果であり、図９（Ｂ）は、球体圧子の代わりにビッカース硬さ試験で使用する四角錐圧子を取付けたハンマの結果である。
【００３０】
図９（Ａ）から明らかなように、球体圧子を使用した場合、ハンマの落下高さが低下すると共に、反発係数が増加することが分かる。しかし、ハンマの落下高さが１ｍｍ以下になった場合、ＦＥＭ解析の結果は、反発係数がほぼ直線的に増加しているのに対し、実験結果は、ＦＥＭ解析の結果から外れ、ほぼ一定の値を示している。即ち、これは、ハンマの落下高さが低下すると共に、圧子先端の形状精度の影響が大きく現れたためである。
一方、図９（Ｂ）から明らかなように、四角錐圧子を使用した場合、ハンマの落下高さが低下すると共に、反発係数が低下する傾向にあるが、その低下の程度は、落下高さが低下すると共に、小さくなっている。更に、ハンマの落下高さが１ｍｍ以下であっても、実験結果はＦＥＭ解析の結果にほぼ従っている。
以上のことから、落下高さが低くなれば、チップに球体圧子を使用するよりも、四角錐圧子を使用する方が、測定精度上極めて有効であることが分かる。
【００３１】
続いて、上記した結果について、エネルギーの観点から検討する。
図１０に示すように、負荷過程で試験片の変形に費やされるエネルギーをＵ１（曲線０−ａ−ｂ−０で囲まれる面積）、除荷過程の弾性回復エネルギーをＵ２（曲線ａ−ｂ−ｃ−ａで囲まれる面積）とし、また、最大衝突荷重時にハンマに蓄えられる歪みエネルギーをＵｓとすると、形成されたくぼみ中心の深さが落下高さより十分小さい場合には、反発係数ｅは（１）式で表される。
ｅ２＝（Ｕ２＋ＵＳ）／（Ｕ１＋ＵＳ）
＝（Ｕ２／Ｕ１＋ＵＳ／Ｕ１）／（１＋ＵＳ／Ｕ１） ・・・（１）
また、最大衝突荷重をＦｍａｘ、圧子の等価ばね定数をｋ０、圧子とハンマ軸部のばね定数をｋ１とすると、ＵＳは（２）式で表される。
ＵＳ＝Ｆｍａｘ３／２／３ｋ０＋Ｆｍａｘ２／２ｋ１ ・・・（２）
【００３２】
ここで、図１１（Ａ）、（Ｂ）に、ハンマの落下高さｈと最大衝突荷重Ｆｍａｘとの関係を示す。なお、図１１（Ａ）は試験片にパーライト鋼を、（Ｂ）は試験片にベイナイト鋼を、それぞれ使用した場合の結果である。
図１１（Ａ）、（Ｂ）から明らかなように、ハンマの落下高さｈの増加と共に、最大衝突荷重Ｆｍａｘは直線的に増加し、（３）式の関係が近似的に成立することが分かった。
Ｆｍａｘ∝ｈ２／３ ・・・（３）
以上のことから、図１２に示すように、ＵＳ／Ｕ１は、（４）式のように置き換えられる。
ＵＳ／Ｕ１＝Ｃ１／３ｋ０＋（Ｃ２／２ｋ１）ｈ１／３ ・・・（４）
【００３３】
チップが四角錐圧子の場合、試験片が均質であれば、理論上、圧痕形状はハンマの落下高さによらず相似となり、Ｕ２／Ｕ１は一定となる。つまり、ハンマの落下高さが増加あるいはハンマの剛性が低下すれば、ＵＳ／Ｕ１≫Ｕ２／Ｕ１となり、反発係数ｅは「１」に近づくことになる。
一方、ハンマの剛性が増加すれば、ＵＳ／Ｕ１は０に近づき、反発係数は（Ｕ２／Ｕ１）１／２に近づくことになる。なお、ハンマの落下高さが減少すると、ＵＳ／Ｕ１の値は圧子の等価ばね定数ｋ０によって決まる一定の値に近づくため、低落下高さにおける反発係数は、Ｕ２／Ｕ１と圧子の等価ばね定数ｋ０の値に大きく依存することが示唆される。
【００３４】
ここで、ハンマの剛性Ｋｓの２倍（Ｋ＝２Ｋｓ）、及び半分（Ｋ＝０．５Ｋｓ）の剛性を有する仮想ハンマの反発係数をＦＥＭ解析によって求めた結果を、図１３に示す。なお、図１３で使用した試験片はパーライト鋼である。
図１３には、剛体のハンマの結果も示しているが、剛体のハンマの場合、その反発係数は落下高さに依存せず、一定となっている。
一方、弾性を有するハンマの場合、ハンマの剛性の低下と共に、傾きが増加、即ち反発係数の増加率が高くなっていることが分かった。
【００３５】
以上のことから、チップに四角錐圧子を使用した場合、ハンマの落下高さの増加と共に、反発係数が増加するが、その増加の程度はハンマの剛性に依存すること、また、ハンマの剛性を大きくすると、反発係数の落下高さ依存性を小さくできることが確認された。更に、落下高さのより小さい領域まで、精度の高い測定が可能であることが確認された。
従って、これらを考慮して、試験片１６へのチップ１１の衝突を、試験片１６の表面に対し、しかも試験片１６の評価に適した速度、即ち試験片全体の評価を行う場合はハンマ１２の落下速度を速く（落下高さを高く）し、試験片の表面に形成された皮膜の評価を行う場合はハンマ１２の落下速度を遅く（落下高さを低く）して行う。
【００３６】
以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明の測定物の表面状態試験方法及びその表面状態試験装置を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
また、前記実施の形態においては、ハンマの反発挙動を検出する検出手段として、レーザを用いた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、ひずみゲージ、加速度ピックアップ、又は圧電素子を使用し、これをハンマに取付けることにより、ハンマの反発挙動を検出することもできる。更に、コイル又は磁石をハンマに取付けることにより、電磁誘導を利用して、ハンマの反発挙動を検出することもできる。これらの場合、装置のコンパクト化が図れる。
【００３７】
また、前記実施の形態においては、先端部にチップが設けられたハンマを、測定物に対して垂直に自由落下させ、測定物の表面状況を評価した。しかし、ハンマを自由落下させることなく、例えば、ばね力、電磁力、又は空気等の駆動源を利用して、鉛直下向き以外の方向に向けて、ハンマに設けられたチップを測定物に衝突させることもできる。この方法としては、例えば、ハンマを紐材で吊るし、振り子のように水平方向に揺動運動させ、ハンマの先端部に設けたチップを測定物の表面に衝突させることで、測定物の表面状況を評価することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
所定の速度でハンマを測定物に衝突させ、反発後のハンマの反発定数（例えば、反発速度、反発時間、又は反発距離）によって、例えば、金属、高分子材料、表面膜、又はその他の材料の硬さや力学的特性を評価できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施の形態に係る測定物の表面状態試験装置の説明図である。
【図２】（Ａ）は同測定物の表面状態試験装置に使用したハンマの側面図、（Ｂ）は（Ａ）のハンマをモデル化した説明図である。
【図３】ベイナイト鋼及びパーライト鋼の真応力と対数ひずみの関係を示すグラフである。
【図４】（Ａ）は軸対称弾塑性有限要素法の解析モデルの説明図、（Ｂ）は（Ａ）のＯＡＢＣ面上の要素分割の説明図、（Ｃ）は（Ｂ）のＤ部の拡大図である。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれハンマの落下高さを変えた場合のハンマの反発挙動を示す説明図である。
【図６】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれパーライト鋼とベイナイト鋼にビッカース圧子を取付けたハンマを落下させた場合のハンマの反発係数と落下高さとの関係を示す説明図である。
【図７】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれパーライト鋼とベイナイト鋼に球体圧子を取付けたハンマを落下させた場合のハンマの反発係数と落下高さとの関係を示す説明図である。
【図８】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ球体圧子とビッカース圧子を取付けたハンマを落下させた場合のハンマの反発係数と落下高さとの関係を示す説明図である。
【図９】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ球体圧子とビッカース圧子を取付けたハンマを落下させた場合のハンマの反発係数と落下高さとの関係を示す説明図である。
【図１０】チップ先端の押し込み深さ−荷重線図と試験片の変形エネルギーの関係を示す説明図である。
【図１１】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれパーライト鋼とベイナイト鋼にハンマを落下させた場合のハンマの最大衝突荷重と落下高さとの関係を示す説明図である。
【図１２】ハンマの落下高さ及び剛性と反発係数との関係を示す説明図である。
【図１３】ハンマの反発係数に及ぼすハンマの剛性の影響を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０：測定物の表面状態試験装置、１１：チップ、１２：ハンマ、１３：挟持手段、１４：レーザドップラー振動計センサーヘッド（検出手段）、１５：記録計（表示記録手段）、１６：試験片（測定物）、１７：カメラ用スタンド、１８：モータハンド、１９：モータハンドコントローラ、２０：レーザ、２１：振動計コントローラ、２２：反射テープ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハンマの先端部に設けられた円錐又は角錐で構成される尖端形状のチップを、測定物に衝突させ、衝突後の前記ハンマの反発定数によって、前記測定物の表面状況を評価することを特徴とする測定物の表面状態試験方法。
【請求項２】
請求項１記載の測定物の表面状態試験方法において、前記ハンマの反発定数は、前記ハンマの反発速度、反発時間、又は反発距離であることを特徴とする測定物の表面状態試験方法。
【請求項３】
請求項１及び２のいずれか１項に記載の測定物の表面状態試験方法において、前記測定物の表面状況は、該測定物の反発硬さであることを特徴とする測定物の表面状態試験方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の測定物の表面状態試験方法において、前記測定物への前記チップの衝突は、該測定物の表面に対し、しかも該測定物の評価に適した速度で行うことを特徴とする測定物の表面状態試験方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の測定物の表面状態試験方法に使用する測定物の表面状態試験装置であって、
円錐又は角錐で構成される尖端形状の前記チップと、
前記チップが先端部に設けられた前記ハンマと、
前記ハンマを挟持し、前記測定物と前記チップの間に隙間を設ける挟持手段と、
前記挟持手段が前記ハンマを放して前記チップを前記測定物に衝突させた際に、前記ハンマの反発挙動を検出する検出手段と、
前記検出手段の出力を表示又は記録する表示記録手段とを有することを特徴とする測定物の表面状態試験装置。
【請求項６】
請求項５記載の測定物の表面状態試験装置において、前記検出手段はレーザを前記ハンマの後端部に発して、該ハンマの反発挙動を検出することを特徴とする測定物の表面状態試験装置。
【請求項１】
ハンマの先端部に設けられた円錐又は角錐で構成される尖端形状のチップを、測定物に衝突させ、衝突後の前記ハンマの反発定数によって、前記測定物の表面状況を評価することを特徴とする測定物の表面状態試験方法。
【請求項２】
請求項１記載の測定物の表面状態試験方法において、前記ハンマの反発定数は、前記ハンマの反発速度、反発時間、又は反発距離であることを特徴とする測定物の表面状態試験方法。
【請求項３】
請求項１及び２のいずれか１項に記載の測定物の表面状態試験方法において、前記測定物の表面状況は、該測定物の反発硬さであることを特徴とする測定物の表面状態試験方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の測定物の表面状態試験方法において、前記測定物への前記チップの衝突は、該測定物の表面に対し、しかも該測定物の評価に適した速度で行うことを特徴とする測定物の表面状態試験方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の測定物の表面状態試験方法に使用する測定物の表面状態試験装置であって、
円錐又は角錐で構成される尖端形状の前記チップと、
前記チップが先端部に設けられた前記ハンマと、
前記ハンマを挟持し、前記測定物と前記チップの間に隙間を設ける挟持手段と、
前記挟持手段が前記ハンマを放して前記チップを前記測定物に衝突させた際に、前記ハンマの反発挙動を検出する検出手段と、
前記検出手段の出力を表示又は記録する表示記録手段とを有することを特徴とする測定物の表面状態試験装置。
【請求項６】
請求項５記載の測定物の表面状態試験装置において、前記検出手段はレーザを前記ハンマの後端部に発して、該ハンマの反発挙動を検出することを特徴とする測定物の表面状態試験装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００９−６３４３８（Ｐ２００９−６３４３８Ａ）
【公開日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２３１８３６（Ｐ２００７−２３１８３６）
【出願日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００７年４月２６日 社団法人 日本トライポロジー学会発行の「トライポロジー会議予稿集 東京 ２００７−５」に発表
【出願人】（５０４１７４１３５）国立大学法人九州工業大学 (489)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００７年４月２６日 社団法人 日本トライポロジー学会発行の「トライポロジー会議予稿集 東京 ２００７−５」に発表
【出願人】（５０４１７４１３５）国立大学法人九州工業大学 (489)
【Ｆターム（参考）】
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