HÄRTEPRÜFGERÄT MIT EINEM ÜBER LICHTLEITER BELEUCHTETEN LICHTDURCHLÄSSIGEN VICKERSDIAMANTEN Die Erfindung bezieht sich auf ein Härteprüfgerät mit a) einem Vickersdiamanten, der lichtdurchlässig ist und der Pyramidenflächen, Lichteintrittsflächen und eine Lichtaustrittsfläche ausweist, mit b) einem Gehäuse, das ein Frontende hat, in dem der Vickersdiamant gehalten ist, mit c) einer Elektronikeinheit, die im Gehäuse untergebracht ist, mit d) einer der Lichtaustrittsfläche zugeordneten Videokamera, die ausgangsseitig an die Elektronikeinheit angeschlossen ist und mit e) Leuchtmitteln, die den Lichteintrittsflächen zugeordnet sind.

Ein derartiges Härteprüfgerät ist aus dem DE-Aufsatz von Stefan Frank "Transpyramidal Indentation Viewing, Tagungsband der WCNDT, Rom, IT, 2000"bekannt. Man spricht auch von einer Beobachtung durch den Diamanten hindurch, also"trough diamond viewing". Die Messung erfolgt unter Last. In dem genannten Aufsatz ist eine schematische Abbildung wiedergegeben, danach ist der Diamant so an der frontseitigen Spitze des Gehäuses gehalten, dass seine Pyramidenflächen frei vorstehen. Im Gehäuse sind seitliche Bohrungen vorgesehen, die an den Lichteintrittsflächen münden. In ihnen befinden sich Leuchtdioden. Der Lichtaustrittsfläche ist eine Optik zugeordnet, der eine CCD-Kamera nachgeschaltet ist.

Das erfindungsgemäße Gerät ist insbesondere für mobile Härteprüfungen geeignet, also sogenannte Handprüfungen. Es eignet sich aber grundsätzlich auch für Laboranwendungen.

Hier setzt nun die Erfindung ein. Sie hat es sich zur Aufgabe gemacht, das bislang nur schematisch dargestellte Härteprüfgerät so weiter zu entwickeln und auszubilden, dass die Beleuchtung durch die einzelnen Lichtquellen, insbesondere mindestens eine Leuchtdiode, vereinfacht, zuverlässiger gemacht und verbessert wird.

Ausgehend von dem Härteprüfgerät von der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass sich zwischen den Leuchtmitteln und den jeweiligen Lichteintrittsflächen Lichtleiter befinden.

Erfindungsgemäß werden also Lichtleiter eingesetzt, die als handelsübliche Lichtleiterfasern,-rohre,-kunststoffstäbe oder dergleichen ausgeführt sein können. Sie haben ein Austrittsende, das sich in unmittelbarer Nähe der Lichteintrittsfläche des Diamanten befindet, vorzugsweise direkten Kontakt mit dieser Lichteintrittsfläche hat. Jeder Lichteintrittsfläche ist ein Lichtleiter zugeordnet. Es ist möglich einer Lichteintrittsfläche auch mehrere Lichtleiter zuzuordnen.

Am anderen Ende der Lichtleiter am Eintrittsende ist eine Lichtquelle vorgesehen. Hier wird typischerweise eine Leuchtdiode eingesetzt.

Vorzugsweise hat jeder Lichtleiter seine eigenen Lichtquelle. Es ist aber auch möglich, paarweise Lichtleiter mit einer Lichtquelle oder mehrere Lichtleiter an eine Lichtquelle anzuschließen. Vorzugsweise werden sehr dünne, handelsübliche Lichtleiter verwendet, insbesondere mit einem Durchmesser unter 0,7, insbesondere unter 0,2 mm.

Die Lichtleiter bieten den Vorteil, dass das Beleuchtungslicht präzise und punktgenau dem Diamanten zugeführt werden kann. Einerseits kann die Fläche am Austrittsende der Lichtleiter sehr klein gemacht werden, so dass die Einkoppelstelle für Licht in den Diamanten sehr präzise vorgegeben werden kann. Anderseits kann der Abstand und die Zuordnung zwischen dem unteren Austrittsende des Lichtleiters und der Lichteintrittsfläche des Diamanten präzise vorgegeben und beliebig eingestellt werden. Die Lichtleiter lassen sich wesentlich besser handhaben als Leuchtdioden, insbesondere ist ein Austausch einfacher.

Insbesondere bieten die Lichtleiter die Möglichkeit, im unteren, frontseitigen Endbereich des Härteprüfgerätes Platz zu sparen. Man erreicht ein schlankes Gerät, man kann seitlich des Diamanten das Gerät sehr schmal ausbilden. Es sind nun nicht mehr Leuchtdioden mit ihren elektrischen Anschlüssen in unmittelbarer Nähe des Diamanten angeordnet, vielmehr vorzugsweise dünne Lichtleiter, die man auch noch biegen kann, so dass das Gerät im Bereich des Diamanten relativ schlank baut. Dadurch ist es möglich, das Gerät an seiner Frontseite so schlank und spitz auszubilden, dass auch in räumlich begrenzten Bedingungen eine Härteprüfung erfolgen kann, beispielsweise an den Flanken eines Zahnrades oder in anderen, schwer zugänglichen Stellen.

Die Verwendung von Lichtleitern hat den großen Vorteil, dass die Lichtquellen, insbesondere die Leuchtdioden, auf einer elektronischen Leiterplatine des Elektronikteils angeordnet werden können. Separate Zuleitungen vom Elektronikbaustein zu den einzelnen Leuchtdioden, so wie dies nach dem eingangs genannten Stand der Technik notwendig ist, entfallen. Dadurch werden Aufbau, Wartung und Herstellung des Gerätes vereinfacht.

Schließlich ist noch auf folgenden Vorteil hinzuweisen : Bei fertig konfektionierten Leuchtdioden, wie sie von einem Herstellen bezogen werden können, befindet sich der Lichtaustrittspunkt innerhalb eines spezifizierten Bereichs des Gehäuses der Leuchtdiode. Der genaue Ort schwankt von Leuchtdiode zu Leuchtdiode. Eine Justierung der Leuchtdioden beim Gerät nach dem Stand der Technik ist mit sehr großem Aufwand verbunden.

Dagegen lässt sich eine Justierung des Eintrittsendes der Lichtleiter zu einer Leuchtdiode, die sich auf einer Trägerplatine befindet, mit vernünftigem Aufwand durchführen. Sowohl das Einkoppeln des Lichtes als auch das Auskoppeln ist somit insgesamt vereinfacht. Durch die Lichtleiter lässt sich das Licht wesentlich präziser, ortsgenauer und winkelgenauer bei kleinerem Querschnitt in den Diamanten einbringen.

In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist der Lichtleiter gekrümmt, insbesondere sind die Lichtleiter so gekrümmt, dass sie möglichst nahe der Achse des Gerätes bleiben. Vorzugsweise ist also jeder Lichtleiter auf seinem Weg zum Leuchtmittel hin zu einer Achse des Gehäuses hingekrümmt.

Dadurch wird für die Beleuchtung seitlich nicht viel Platz benötigt, die Lichtleiter bewirken also eine allenfalls geringe Verdickung des Gerätes in Nähe des Vickersdiamanten.

In bevorzugter Ausbildung haben die Lichtleiter eine mechanische Schutzhülle, die sie zumindest nach außen hin abdeckt. Vorzugsweise ist die mechanische Schutzhülle rohrförmig. Dies ermöglicht es, die Lichtleiter gegen mechanische Angriffe zu schützen. Der Platzbedarf ist gering, es wird kein zusätzlicher Schutzmantel als Teil des Gehäuses rings um die Lichtleiter benötigt.

Bevorzugt ist das Gerät für mobile Einsätze geeignet, also als Handgerät ausgeführt. Hierzu ist es vorteilhaft, dass das Gehäuse an seinem Außenmantel eine Grifffläche aufweist, die von einer menschlichen Hand ergriffen werden kann. Vorzugsweise ist also das Gerät griffelförmig. Der Außendurchmesser der Grifffläche liegt vorzugsweise zwischen 5 und 12 cm.

In einer bevorzugten Weiterbildung hat das Gehäuse einen ersten Gehäuseteil, der das Frontende ausbildet, und weiterhin einen zweiten Gehäuseteil, der erste Gehäuseteil ist relativ zum zweiten Gehäuseteil entlang einer Achse des Gehäuses verschiebbar, zwischen dem ersten Gehäuseteil und dem zweiten Gehäuseteil ist eine mechanische Feder, insbesondere eine Druckfeder, angeordnet. Durch Verschieben des ersten Gehäuseteils gegenüber dem zweiten Gehäuseteil, der wiederum auf ein zu prüfendes Werkstück aufgesetzt ist, kann eine Prüfkraft aufgebracht werden.

Zugleich kann diese Bewegung genutzt werden, das Gerät selbst einzuschalten. Es ist aber auch möglich einen separaten Einschalter vorzusehen.

Als sehr vorteilhaft hat es sich erwiesen, dem Gehäuse einen Beschleunigungssensor zuzuordnen. Er gibt ein Winkelsignal ab, das abhängig ist von dem Winkel, den die Achse des Gehäuses mit dem lokalen Gravitationssektor einschließt. Dieses Winkelsignal wird einer Steuerschaltung innerhalb der Elektronikeinheit zugeleitet. Unter Berücksichtigung der bekannten Masse des Vickersdiamanten und damit unmittelbar verbundener Teile sowie sonstiger Beiträge, wie zum Beispiel Reibung und ein Masseanteil der Feder, kann ein Korrekturwert für die Härtemessung errechnet werden. Damit kann das Härteprüfgerät in unterschiedlicher Orientierung zum Gravitationsvektor an ein Werkstück angesetzt werden, wobei der angezeigte Härtewert unabhängig ist von der Orientierung. Man kann beispielsweise Überkopf arbeiten, also in Gegenrichtung zum Gravitationsvektor, oder das Gerät seitlich ansetzen.

Unter Gravitationsvektor wird ein Einheitsvektor verstanden, der vom Berührungspunkt des Vickersdiamanten am Werkstück die Richtung des Schwerefeldes anzeigt, im Allgemeinen also zum Erdmittelpunkt gerichtet ist.

Schließlich hat es sich sehr vorteilhaft erwiesen, die Entfernung zwischen dem ersten Gehäuseteil und dem zweiten Gehäuseteil durch einen entsprechenden Sensor zu erfassen. Auf diese Weise wird die Auslenkung der Feder, die im wesentlichen die Prüfkraft bestimmt, erfasst. Dadurch liegt in der Elektronikeinheit ein Signal über die jeweilige Kraft, mit der der Vickersdiamant auf ein zu prüfendes Werkstück einwirkt, vor. Es kann bei Erreichen einer vorgegebenen Prüfkraft gemessen werden. Vorzugsweise ist die vorgegebene Prüfkraft dabei auch abhängig vom Signal des Beschleunigungssensors. Es kann aber auch bei einer vorgegebenen Prüfkraft gemessen werden und später der Einfluss des Schwerefeldes im Messergebnis berücksichtigt werden.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen sowie der nun folgenden Beschreibung eines nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispiels der Erfindung, das im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird. In dieser Zeichnung zeigen : FIG. 1 : eine Seitenansicht des Härteprüfgerätes, FIG. 2 : einen Axialschnitt durch das Härteprüfgerät gemäss Figur 1, FIG. 3 : ein unteres Teilstück des Schnittbildes gemäss Figur 2 in vergrösserter Darstellung, FIG. 4 : ein Teilstück einer Untersicht, also eine Ansicht des Frontendes des Härteprüfgerätes und FIG. 5 : eine Ansicht entsprechend Figur 4 auf den Diamanten.

Das Härteprüfgerät hat einen Diamanten 20, er ist lichtdurchlässig, hat möglichst wenig Einschlüsse und kann eine Farbe, beispielsweise gelb, aufweisen. Er bildet an seiner Spitze eine Vickerspyramide aus, sie wird gebildet von vier Pyramidenflächen 22. Sie laufen in einer Spitze zusammen.

Gegenüberliegend der Spitze befindet sich eine Lichtaustrittsfläche 24, die möglichst eben ausgeführt ist. Durch diese Lichtaustrittsfläche 24 kann die Spitze bzw. ein Eindruck in einem zu prüfenden Werkstück durch den Diamanten 20 hindurch inspiziert werden. Um die Lichtaustrittsfläche 24 herum befinden sich im Winkel von 45° zu dieser vier Lichteintrittsflächen 26, jeder Pyramidenfläche 22 ist jeweils eine Lichteintrittsfläche 26 zugeordnet. Der Diamant ist etwa 1,6 mm hoch.

Der Diamant ist formschlüssig eingesintert an einem Frontende eines ersten Gehäuseteils 28, das auch als Innenteil bezeichnet wird. Im wesentlichen ragt nur die Vickerspyramide des Diamanten aus dem ersten Gehäuseteil 28 nach unten vor. Die Spitze der Vickerspyramide befindet sich auf einer Achse 30 des ersten Gehäuseteils 28. Der erste Gehäuseteil 28 hat im Winkel von 45° zur Achse 30 verlaufende Bohrungen 32, die möglichst genau mittig auf den Lichteintrittsflächen 26 enden. Sie sind gestuft ausgeführt, wie Figur 4 zeigt. Sie nehmen Lichtleiter 34 auf, die hier als polierte Stäbe aus PMMA ausgeführt sind. Sie sind in starren Schutzrohren 36 untergebracht, die an einer Stufe der Bohrung 32 angesetzt sind, sodass sie nicht in direkten Kontakt mit der Lichteintrittsfläche 26 kommen können.

Für jede Lichteintrittsfläche 26 ist ein Lichtleiter 34 vorgesehen. Die Schutzrohre 36 sind gebogen, damit sind auch die Lichtleiter 34 gebogen.

Von einem Verlauf im Winkel von 45° zur Achse 30 sind sie zur Achse hin gekrümmt und verlaufen über den grössten Teil ihrer Länge parallel zur Achse 30. Durch die Schutzrohre 34 wird der Verlauf der einzelnen Lichtleiter 34 vorgegeben.

Die vier Schutzrohre 36 durchlaufen eine ringförmige Halterung, oberhalb dieser Halterung befindet sich eine ringförmige Platine 38, die Teil einer Elektronikeinheit ist. In dieser Platine sind vier Leuchtdioden 40 angeordnet, jeweils eine Leuchtdiode 40 ist einem Lichtleiter 34 zugeordnet und optisch auf dessen Eintrittsende ausgerichtet.

Die Leuchtdioden emittieren bei etwa 630 Nanometer. Oberhalb der Platine 38 befindet sich ein elastischer Ring. Dieser und die Platine umgeben ein unteres Innenrohr 42, oberhalb des elastischen Rings beginnt ein oberes Innenrohr 44. Beide sind zentrisch zur Achse 30 und über ein Feingewinde miteinander schraubverbunden, sodass sie in Richtung der Achse gegeneinander verstellt werden können. Diese beiden Innenrohre 42,44 gehören zum ersten Gehäuseteil 28. Unterhalb des unteren Innenrohres 42 und mit diesem verbunden befindet sich ein gestuftes Aufnahmestück 46, das den Diamanten 20 aufnimmt. Es ist ebenfalls hohl und hat in seinem Innenraum eine Optik aus drei Linsen und ein Farbfilter.

Am oberen Ende des oberen Innenrohrs 44 ist eine CCD-Kamera 50, auch Videokamera genannt, angeordnet. Die Optik 48 projiziert das Bild der Pyramidenflächen 22 auf diese Videokamera 50. Zur Scharfstellung kann der Abstand zwischen den beiden Innenrohren 42,44 verändert werden. Die Videokamera 50 ist an die Elektronikeinheit angeschlossen. Um die Innenrohre 42,44 herum sind Leiterplatten 52 angeordnet, die ebenfalls zur Elektronikeinheit gehören.

Oberhalb der Kamera 50 ist eine Messfeder 54 vorgesehen, sie stützt sich an ihrem unteren Ende über ein Zwischenstück am oberen Innenrohr 44 und damit letztlich am Diamanten 20 ab. An ihrem oberen Ende stützt sie sich an einem Zwischenteil 55 ab, das sich-in Ruhestellung des Gerätes, wie dargestellt-im Anschlag an einem zweiten Gehäuseteil 56 befindet. Zu diesem gehört auch ein äusserer, mehrstückiger Mantel 58, der eine Grifffläche 60 ausbildet und im wesentlichen zylindrisch ist. Im zweiten Gehäuseteil 56 ist ein Steckanschluss 62 vorgesehen, über den das Gerät mit einem externen Bedienteil verbunden werden kann. In diesem externen Bedienteil (nicht dargestellt) befindet sich beispielsweise eine Anzeigeeinheit, die den ermittelten Härtewert anzeigt. Es kann auch ein Netzgerät darin angeordnet sein.

Oberhalb des zweiten Gehäuseteils übergreift ein Betätigungsdeckel 64 das oben offene Ende des zweiten Gehäuseteils. Er wird über eine Schraubenfeder 66, die als Druckfeder ausgeführt ist, vom zweiten Gehäuseteil 56 weggedrückt und in einer Anschlagposition gehalten. Drückt man den Betätigungsdeckel gegen die Wirkung dieser Schraubenfeder 66 ein, wird ein Auslöser (Mikroschalter 57) betätigt, der das Gerät für einen Messvorgang vorbereitet, insbesondere die Elektronikeinheit einschaltet. Der Aufbau ähnelt einem Druckkugelschreiber, dessen Druckknopf den Betätigungsdeckel bildet, dessen Gehäuse das zweite Gehäuseteil bildet und dessen Miene das erste Gehäuseteil ist.

Seitlich der Messfeder 54 befindet sich eine Stange 68, die zu einem Sensor für die Erfassung des Weges zwischen den beiden Gehäuseteilen 28,56 gehört. Sie ist mit dem Zwischenteil 55 verbunden und trägt an ihrem unteren Ende einen Stabmagneten 70. Dieser befindet sich in unmittelbarer Nachbarschaft einer Hallsonde 72, die auf einer der Leiterplatten 52 angeordnet ist, welche direkt mit dem ersten Gehäuseteil 28 verbunden sind.

Bei Bewegung des Magneten 70 relativ zur Hallsonde 72 wird ein Signal erhalten, dass in der Elektronikeinheit ausgewertet wird und eine Information über den relativen Abstand zwischen den beiden Gehäuseteilen 28, 56 liefert. Weiterhin ist auf einer der Leiterplatten 52 ein Beschleunigungssensor 74 angeordnet, verwendet wird beispielsweise ein Baustein ADXL 105 der Firma Analog Devices. Auch er ist Teil der Elektronikeinheit.

Bei einer Handmessung wird das Gerät mit dem zweiten Gehäuseteil 56 auf die Oberfläche eines zu prüfenden Werkstücks aufgesetzt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel hat das zweite Gehäuseteil 56 einen Sondenschuh, der seitliche Fenster hat, sodass die Spitze des Diamanten 20 beobachtet werden kann. Das Gerät wird an der Grifffläche 60 mit einer Hand gehalten. Die andere Hand drückt den Betätigungsdeckel 64 ein. Dadurch wird die Elektronik eingeschaltet.

Wird der Druck nun weiter aufrechterhalten, drückt der Betätigungsdeckel 64 über zwischengeschaltete Stäbe und das Zwischenteil 55 auf das obere Ende der Messfeder 54. Dadurch wird das erste Gehäuseteil 28 nach unten vorbelastet und verschoben, die Spitze des Diamanten 20 kann in Kontakt mit der Oberfläche des Werkstücks kommen. Durch fortgesetzte Kraft auf den Betätigungsdeckel 64 wird die Prüfkraft aufgebracht. Die Prüfkraft wird über den Wegsensor, der sich aus Stabmagnet 70 und Hallsonde 72 zusammensetzt, erfasst. Zugleich wird das Signal des Beschleunigungssensors 74 ausgewertet. Hat die Prüfkraft einen gewünschten Wert, so wird eine Messung durchgeführt.

Aufgrund der Prüfkraft ist die Vickerspyramide des Diamanten 20 um einen gewissen Betrag in das zu prüfende Werkstück eingedrungen. Dieser Betrag ist schwarz in Figur 5 dargestellt. Die Diagonale dieses Bereiches betrage beispielsweise 0,8. In der Videokamera ist der im Kontakt mit dem Werkstück befindliche Teil der Vickerspyramide deutlich zu unterscheiden mit dem nicht in Kontakt befindlichen Teil. Über das Videobild kann die Diagonale, die im Beispiel 0,8 mm beträgt, ermittelt werden. Über die Diagonale wird der Härtewert errechnet und in der Anzeigeeinheit (nicht dargestellt) angezeigt.