JP2005043199A - 弾性率測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 広範囲の弾性率測定を１つの装置で可能にすること。
【解決手段】 測定装置は、試験片の両端を挟持する上，下ジョー部１０，１２と、試験片の長手方向の中央部分を、上下方向に所定の間隔を隔てて挟持する上および下アーム部１４，１６と、アーム部１４，１６を上下移動自在に支持するポスト１８と、試験片に荷重を印加した際に、試験片に対するアーム部１４，１６の挟持位置の変位量を測定する変位測定部２０と有している。変位測定部２０は、変位量を、平行光束の透過量に変換して検出する光学測定器２０ａと、変位量を、アーム部１４，１６が上下移動する移動量に変換して検出する機械式測定器とを備得ている。
【選択図】 図２

Description

この発明は、弾性率測定装置に関し、特に、試験片を一度装着することで、微小な変位領域から大きい変位領域までの広範囲の測定が可能になる弾性率測定装置に関するものである。

金属材料などの弾性率を測定する際には、引張圧縮試験機で定型の試験片の両端を挟持し、引張弾性率を測定する場合には、試験片に引張荷重を加え、圧縮弾性率の場合には、圧縮荷重を加え、曲げ弾性率の場合には、曲げ荷重を加え、その際の試験片の形状変化を、試験片にマークされた標線間の変位量として求め、印加した荷重値と変位量から引張，圧縮，曲げ弾性率を求めていた。

図６には、このような弾性率の測定装置の要部が示されている。同図において、１および２は、試験片Ｓの両端を挟持する上および下ジョーであり、試験片Ｓの標線位置には、歪ゲージ３を有する伸び計４が、一対の係止クリップ５で取付けられている。

この測定装置では、上および下ジョー１，２を電動式のボールネジなどで駆動して、試験片Ｓに荷重を加え、その際の試験片Ｓの伸びを歪ゲージ３で検出して引張弾性率などを求めるが、この際に、歪ケージ３から送出する電気信号を増幅することにより、比較的高い分解性能が得られる。

また、例えば、特許文献１ないしは２には、歪ゲージ３を備えた伸び計４に替えて、試験片Ｓに設けた標線を、ＣＣＤカメラで撮像して、試験片Ｓに荷重を加えたときの変位量を非接触方式で測定する弾性率測定装置も提案されている。

しかしながら、このような従来の弾性率測定装置には、以下に説明する技術的な課題があった。
特開昭６３−６１１０６号公報 特許第３３５０２７２号公報

すなわち、図６に示した測定装置や特許文献１，２に開示されている測定装置は、比較的微小な変位量を測定するものであって、通常、試験片Ｓの伸び量が２ｍｍ程度までしか測定することができなかった。

ところが、例えば、硬質プラスチック材料においては、伸び量が微小な領域から、伸び量が大きな領域までの、広範囲の弾性率測定が要請されているが、前述した従来の測定装置では、これに対応することができなかった。

この場合、測定領域が異なる２つの弾性率測定装置を用いて、微小な伸び領域と大きな伸び領域の弾性率測定を別々に行うことが考えられる。ところが、このような試験方法で、同種の試験片を測定装置に個別に取付けると、材料の一貫性が損なわれるので、同じ試験片Ｓを用いることになるが、このような手段では、試験片Ｓの着脱が面倒で、しかも、着脱位置が異なると、測定の信頼性が損なわれるという問題もあった。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、試験片を一度装着することで、微小な変位領域から大きい変位領域までの広範囲の測定が可能になる弾性率測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、試験片の両端を挟持する上，下ジョー部と、前記試験片の長手方向の中央部分を、上下方向に所定の間隔を隔てて挟持する上および下アーム部と、前記上および下アーム部を上下移動自在に支持するポストと、前記上，下ジョー部を介して、前記試験片に荷重を印加した際に、前記試験片に対する前記上および下アーム部の挟持位置の変位量を測定する変位測定部とを有する弾性率測定装置において、前記変位測定部は、前記変位量を、平行光束の透過量に変換して検出する光学測定器と、前記変位量を、前記ポストに沿って前記上および下アーム部が上下移動する移動量に変換して検出する機械式測定器とを設けた。

このように構成した弾性率測定装置によれば、試験片に荷重を印加した際に、試験片に対する上および下アーム部の挟持位置の変位量を測定する変位測定部は、変位量を、平行光束の透過量に変換して検出する光学測定器と、変位量を、ポストに沿って上および下アーム部が上下移動する移動量に変換して検出する機械式測定器とを設けているので、伸び量などの変位量が微小な領域では、光学測定器による試験片の変位量を検出することができるとともに、伸び量などの変位量がが大きくなる領域では、機械式測定器による試験片の変位量を測定することができる。このような測定は、試験片を一度上，下ジョー部と上，下アーム部とに挟持させると、これを取り外すことなく連続して測定することができる。

前記光学測定器は、対向配置される前記平行光束の投射部と受光部とを備え、前記投射部と受光部との間に、前記上部および下部アームにそれぞれ取付けられた遮光板を配置することができる。

前記投射部と受光部および遮光板は、その前面にエアを噴出するエア配管を設けることができる。

前記機械式測定器は、前記上部および下部アームが上下移動する移動量を検出するロータリエンコーダを設けることができる。

前記上および下アーム部は、前記試験片を常時挟持する方向にバネ付勢された一対の掴み具を備え、前記掴み具を相互に近接ないしは離間させて、その開閉を行う楕円ロッドを設けることができる。

前記試験片は、硬質プラスチックとすることができる。

本発明にかかる弾性率測定装置によれば、試験片を一度装着することで、微小な変位領域から大きい変位領域までの広範囲の測定が可能になる。

以下、本発明の好適な実施の形態について、添付図面に基づいて詳細に説明する。

図１から図５は、本発明にかかる弾性率測定装置の一実施例を示している。これらの図に示した弾性率測定装置は上，下ジョー部１０，１２と、上，下アーム部１４，１６と、ポスト１８と、変位測定部２０とを備えている。

上，下ジョー部１０，１２は、例えば、硬質プラスチックからなる試験片Ｓの両端を挟持して、引張，圧縮荷重などを印加するものであって、上下方向に対向するように配置されていて、図示省略のボールネジなどにより駆動される。下ジョー部１２は、基台２２に立設支持され、上ジョー部１０は、図示省略のブラケットを介して、基台２２に立設されてる支柱２３に、垂設支持されている。

試験片Ｓは、例えば、ＩＳＯ 3167に規定されているように、中央に位置する平行部分の幅が１０ｍｍ、厚さ４ｍｍ、標線間距離５０ｍｍ、挟持間隔１１５ｍｍの多目的試験片を用いることができる。

上，下アーム部１４，１６は、試験片Ｓの長手方向の中央部分を、上下方向に所定の間隔を隔てて挟持するものであって、基台２２に立設されたポスト１８に上下移動自在に支持されている。

上，下アーム部１４，１６の詳細を図３および図４に示しており、本実施例の場合、上および下アーム部１４，１６は、ポスト１８の長手軸方向に沿って所定の間隔を置いて配置され、実質的に同一構成になっている。

これらの図に示した上，下アーム部１４，１６は、筒部１４ａ，１６ａと、一対のアーム１４ｂ，１６ｂ，１４ｃ，１６ｃと、掴み具１４ｄ，１６ｄと、コイルバネ１４ｅ，１６ｅとを備えている。

筒部１４ａ，１６ａは、ポスト１８に上下移動可能に挿通される両端が開口した円筒体であって、一端に一対のアーム１４ｂ，１６ｂ，１４ｃ，１６ｃが固設されている。一対のアーム１４ｂ，１６ｂ，１４ｃ，１６ｃは、細幅の板状体であって、一対が対面するように配置されている。

掴み具１４ｄ，１６ｄは、一端側の外周面が曲面状に形成された一対の挟持板１４０ｄ，１６０ｄを有し、各挟持板１４０ｄ，１６０ｄは、アーム１４ｂ，１６ｂ，１４ｃ，１６ｃの先端に、対向するように取付けられていて、挟持板１４０ｄ，１６０ｄの曲面状部分の間に試験片Ｓが挟持されるようになっている。

コイルバネ１４ｅ，１６ｅは、対向配置された一対のアーム１４ｂ，１６ｂ，１４ｃ，１６ｃ間に渡設するように配置され、掴み具１４ｄ，１６ｄの挟持板１４０ｄ，１６０ｄが常時試験片Ｓを挟持する方向に付勢している。

なお、図４に符号１４ｆ（１６ｆ）で示した部材は、一対のアーム１４ｂ，１６ｂ，１４ｃ，１６ｃ間に渡設するように配置されたコイルバネ１４ｅ，１６ｅの調整ネジであり、各挟持板１４０ｄ，１６０ｄが掴み具１４ｄ，１６ｄを閉じたときに相互に接触しないようにするために用いられる。

本実施例の場合、対向配置された一対のアーム１４ｂ，１６ｂ，１４ｃ，１６ｃ間には、掴み具１４ｄ，１６ｄの挟持板１４０ｄ，１６０ｄを相互に近接ないしは離間させ、その開閉を行う楕円ロッド２４が設置されている。

この楕円ロッド２４は、長径と短径とを備えた楕円ないしは長円断面のロッドであって、基台２２に回転自在に支持されていて、ポスト１８と平行に立設されている。

楕円ロッド２４が対向配置された一対のアーム１４ｂ，１６ｂ，１４ｃ，１６ｃを挿通する個所には、当接片１４ｇ，１６ｇが対向するように各アーム１４ｂ，１６ｂ，１４ｃ，１６ｃの内面に固設されていて、楕円ロッド２４を回転させて、その長径側が当接片１４ｇ，１６ｇに当接すると、コイルバネ１４ｅ，１６ｅの付勢力に抗して、掴み具１４ｄ，１６ｄの挟持板１４０ｄ，１６０ｄを相互に離間させて、間隔が広がり、挟持板１４０ｄ，１６０ｄ間に試験片Ｓの挿入が可能になる。

この状態から楕円ロッド２４をさらに回転させて、その短径側が当接片１４ｇ，１６ｇに当接するようになると、コイルバネ１４ｅ，１６ｅの付勢力により、掴み具１４ｄ，１６ｄの挟持板１４０ｄ，１６０ｄを相互に近接させて、間隔が狭まり、挟持板１４０ｄ，１６０ｄ間に試験片Ｓを挟持することになる。この状態は、コイルバネ１４ｅ，１６ｅの付勢力により維持される。

なお、図１および図３に符号２６で示した部材は、上および下アーム部１４，１６間に介装された間隔保持用スペーサであり、このスペーサ２６は、ネジロッド２６ａと、これに当接するローラ２６ｂとを備え、ネジロッド２６ａのねじ込み量により、上および下アーム部１４，１６間の間隔が調節できるようになっている。

また、符号２８は、一端が下アーム部１６の下方に当接するストッパであって、このストッパ２８は、ポスト１８に上下移動自在に支持されていて、下限設定カラー３０によりその上下位置の調節ができるようになっている。

一方、変位測定部２０は、上，下ジョー部１０，１２を介して、試験片Ｓに荷重を印加した際に、試験片Ｓに対する上および下アーム部１４，１６の挟持位置の変位量を測定することを基本構成としている。

本実施例の場合、変位測定部２０は、上および下アーム部１４，１６の挟持位置の変位量を、平行光束Ｌの透過量に変換して検出する光学測定器２０ａと、変位量を、ポスト１８に沿って上および下アーム部１４，１６が上下移動する移動量に変換して検出する機械式測定器２０ｂとから構成されている。

光学測定器２０ａは、投射部２００ａと、受光部２０１ａと、一対の遮光板２０２ａ，２０３ａを備えている。投射部２００ａと受光部２０１ａとは、図２に示すように、基台２２に立設された二又状の支持部を備えた支持台３２の先端に取付けられていて、対向するように配置されている。

投射部２００ａは、図５にその詳細を示すように、レーザー光などのコヒーレント光源をポリゴンミラー、または、光学レンズにより拡散などさせて、所定の測定範囲をカバーすることができる面状の平行光束Ｌを、受光部２０１ａに向けて投射するものである。

受光部２０１ａは、例えば、ホトトランジスタやＣｄＳなどで構成され、投射部２００ａから投射された平行光束Ｌを受けて、その受光量に応じた電気信号を外部に送出する。

一対の遮光板２０２ａ，２０３ａは、対向配置された投射部２００ａと受光部２０１ａとの間に設置される。これらの遮光板２０２ａ，２０３ａは、一方の遮光板２０２ａが上アーム部１４に取付けられ、他方の遮光板２０３ａが、下アーム部１６に取付けられる。

各遮光板２０２ａ，２０３ａの取付けは、図４に示すように、各アーム部１４，１６の一方のアーム１４ｃ，１６ｃの側面側に、取付けブラケット３４を固設して、このブラケット３４にそれぞれ支持され、その支持位置は、各遮光板２０２ａ，２０３ａが同一垂直面内において、上下移動するように配置される。

本実施例の場合、各遮光板２０２ａ，２０３ａは、光路側に配置されたる端部がナイフエッジ状に形成されている。そして、また、本実施例の場合には、図５にその詳細を示すように、投射部２００ａと受光部２０１ａおよび各遮光板２０３ａ，２０４ａには、その前面にエアを噴出するエア配管３６がそれぞれ配置されている。

このようなエア配管３６を設けておくと、投射部２００ａと受光部２０１ａおよび各遮光板２０３ａ，２０４ａの表面に付着する浮遊物による測定誤差を排除することができる。この場合、特に、硬質プラスチックの計測においては、通常、試験片Ｓは、型抜きで製作されることが多く、複数の試験片Ｓを試験する際には、試験片Ｓ同士の付着を防止するために、粉末を試験片Ｓ間に介在させることが行われていて、そのまま計測をすると、微小な粉末が光学式測定器２０ａの場合には、測定誤差に繋がる。

このような場合に、エア配管３６を介して、投射部２００ａと受光部２０１ａおよび各遮光板２０３ａ，２０４ａにエアを吹き付けると、粉末などの異物が除去され、特に、微小な変位量を測定する光学測定器２０ａの場合には、高精度を維持する上で好適なものとなる。

以上のように構成した光学測定器２０ａによれば、以下のようにして試験片Ｓの変位量が検出される。試験片Ｓの所定位置に、上および下アーム部１４，１６を挟持させて、上，下ジョー部１０，１２を介して、試験片Ｓに荷重を印加した際に、試験片Ｓの伸びなどにより、試験片Ｓに対する上および下アーム部１４，１６の挟持位置が変位すると、この変位は、取付けブラケット３４を介して、各遮光板２０３ａ，２０４ａに伝達され、変位量に応じて、遮光板２０３ａ，２０４ａが上下移動する。

この場合、遮光板２０３ａ，２０４ａは、投射部２００ａと受光部２０２ａとの間に介装されているので、これが上下方向に移動すると、投射部２００ａから受光部２０１ａに向けて投射されている平行光束Ｌの透過量に変動が生じ、この透過量の変動は、受光部２０１ａが受ける光束の変位量として現れ、この変位量を受光部２０１ａが検出する。つまり、本実施例の場合、光学測定器２０ａは、上および下アーム部１４，１６の挟持位置の変位量を、平行光束Ｌの透過量に変換して検出している。

一方、機械式測定器２０ｂは、図３に示すように、上および下アーム部１４，１６が上下移動する移動量を検出するロータリエンコーダ２００ｂを有している。ロータリエンコーダ２００ｂは、金属ワイヤ２０１ｂを介して、上，下アーム部１４，１８に結合されていて、上および下アーム部１４，１６が上下方向に移動すると、その移動量がロータリーエンコーダ２００ｂにより検出されるようになっている。

ロータリーエンコーダ２００ｂにより検出される上および下アーム部１４，１６の下方向移動量は、各アーム部１４，１６の掴み具１４ｄ，１６ｄが試験片Ｓの中央部分を挟持しているので、試験片Ｓの変位量に相当すことになり、機械式測定器２０ｂでは、試験片Ｓの変位量を、ポスト１８に沿って上および下アーム部１４，１６が上下移動する移動量に変換して検出している。

さて、以上のように構成された弾性率測定装置によれば、まず、楕円ロッド２４の長径が、当接片１４ｇ，１６ｇに当接するように回転させて、掴み具１４ｄ，１６ｄを開放させて、その間に試験片Ｓを挿入して、楕円ロッド２４の短径が当接片１４ｆ，１６ｆに当接するようにして、試験片Ｓを挟持させる。

次に、試験片Ｓの上下端を上および下ジョー部１０，１２に挟持させると、測定の準備が完了する。次いで、上および下ジョー部１０，１２を、例えば、相互に離間させる方向に移動させて、試験片Ｓに引張荷重を加えながら、その伸び量を光学測定器２０ａおよび機械式測定器２０ｂにより測定する。伸び量が測定されると、印加した荷重値と伸び量から引張弾性率が求められる。

この場合、光学測定器２０ａによる測定は、遮光板２０３ａ，２０４ａが平行光束Ｌの遮光が可能な位置までであり、この位置は、例えば、試験片Ｓの変位量が２５〜１２５μｍ程度の微小伸び領域とされる。そして、１２５μｍ以上の大きな伸び領域の測定は、機械式測定器２０ｂにより継続して行われる。

通常、プラスチック材料の試験に関しては、降伏現象を示さない試験片の場合、％歪、引張歪、引張破壊歪、または、降伏現象を示す試験片については、％歪、引張歪、引張破壊歪、引張強さ歪などとともに、引張初期弾性率を試験片Ｓの標線間で測定することが規定されている。この場合、高精度，高分解能で測定する必要がある初期弾性率は、他の試験項目の一部として、同一試験片で、同一時間に同一試験で測定する必要があるが、このような要請に十分に応えることができる。

さて、以上のように構成した弾性率測定装置によれば、試験片Ｓに荷重を印加した際に、試験片Ｓに対する上および下アーム部１４，１６の挟持位置の変位量を測定する変位測定部２０は、変位量を、平行光束の透過量に変換して検出する光学測定器２０ａと、変位量を、ポスト１８に沿って上および下アーム部１４，１６が上下移動する移動量に変換して検出する機械式測定器２０ｂとを設けているので、伸び量などの変位量が微小な領域では、光学測定器２０ａによる試験片Ｓの変位量を検出することができるとともに、伸び量などの変位量が大きくなる領域では、機械式測定器２０ｂによる試験片Ｓの変位量を測定することができる。このような測定は、試験片Ｓを一度上，下ジョー部１０，１２および上および下アーム部１４，１６に挟持させると、これを取り外すことなく測定することができ、測定の自動化も可能になる。

本発明にかかる弾性率測定装置は、硬質プラスチックなどのような微小な変位領域から大きい変位領域までの広範囲の弾性率測定に有効に利用することができる。

本発明にかかる弾性率測定装置の一実施例を示す側面図である。 図１の要部平面図である。 図１の要部拡大図である。 図３の平面図である。 図１に示した光学測定器の説明図である。 従来の弾性率測定装置の要部説明図である。

符号の説明

Ｓ 試験片
１０ 上ジョー部
１２ 下ジョー部
１４ 上アーム部
１６ 下アーム部
１８ ポスト
２０ 変位測定部
２０ａ 光学測定器
２０ｂ 機械式測定器
２２ 基台
２４ 楕円ロッド

Claims (6)

1. 試験片の両端を挟持する上，下ジョー部と、
   前記試験片の長手方向の中央部分を、上下方向に所定の間隔を隔てて挟持する上および下アーム部と、
   前記上および下アーム部を上下移動自在に支持するポストと、
   前記上，下ジョー部を介して、前記試験片に荷重を印加した際に、前記試験片に対する前記上および下アーム部の挟持位置の変位量を測定する変位測定部とを有する弾性率測定装置において、
   前記変位測定部は、前記変位量を、平行光束の透過量に変換して検出する光学測定器と、
   前記変位量を、前記ポストに沿って前記上および下アーム部が上下移動する移動量に変換して検出する機械式測定器とを備えたことを特徴とする弾性率測定装置。
2. 前記光学測定器は、対向配置される前記平行光束の投射部と受光部とを備え、前記投射部と受光部との間に、前記上および下アーム部にそれぞれ取付けられた遮光板を配置することを特徴とする請求項１記載の弾性率測定装置。
3. 前記投射部と受光部および遮光板は、その前面にエアを噴出するエア配管を有することを特徴とする請求項２記載の弾性率測定装置。
4. 前記機械式測定器は、前記上および下アーム部が上下移動する移動量を検出するロータリエンコーダを有することを特徴とする請求項１記載の弾性率測定装置。
5. 前記上および下アーム部は、前記試験片を常時挟持する方向にバネ付勢された一対の掴み具を備え、前記掴み具を相互に近接ないしは離間させて、その開閉を行う楕円ロッドを設けたことを特徴とする請求項４記載の弾性率測定装置。
6. 前記試験片は、硬質プラスチックからなることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の弾性率測定装置。

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