JP2008145216A - 材料試験機 - Google Patents

Abstract

【課題】ランクフォード値の信頼性を向上する。
【手段】試験中、検出腕５２に追従して測寸用投光器７１と受光器７２を移動制御して測寸装置７０の検出器７０Ｓを検出腕５２の移動に追従させる。試験終了後、検出腕５２から一対の標点間中央の計測位置までの距離を演算する。測寸装置７０，すなわち測寸用投光器７１と受光器７２で構成される検出器７０Ｓを中央計測位置へ移動して供試体ＴＰの幅を測定する。伸び量と幅変化量とに基づいて、ランクフォード値を算出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ランクフォード値を計測するに好適な材料試験機に関する。

従来から、材料の評価基準としてランクフォード値に関する測定方法がＪＩＳ Ｚ ２２５４に規定されている。ランクフォード値は、供試体の標点間距離の変化量と、供試体の幅の変化量との比として計算される。このようなランクフォード値を検出するには、供試体を引張試験機で引張試験し、伸び測定装置で供試体の標点間の伸びを測定し、幅計などの測寸装置で供試体の幅や径を測定する。試料の伸びと外径を計測する材料試験機は特許文献１に開示されている。

特開平７−１１３７３２号公報

しかしながら、従来の引張試験機でランクフォード値を算出する際、伸び量から標点間の中央位置を推定し、その推定中央位置での幅や径を用いている。そのため、伸び量の大きい供試体にあっては中央位置の推定値が正確でないことがあり、測定されたランクフォード値の信頼性が低く、改善が望まれている。

（１）請求項１の発明による材料試験機は、供試体に引張り力を負荷する負荷機構と、先端が供試体の一対の標点に係止する一対の検出腕を有し、当該一対の検出腕の移動量に基づいて前記一対の標点間の伸びを測定する伸び測定装置と、前記一対の標点間の計測位置において、前記供試体の引張方向と直交する方向の寸法を測定する検出器と、前記検出器を移動する移動手段と、前記移動手段により前記検出器を前記検出腕に追従する追従手段と、引張試験終了後、前記検出腕と前記検出器との位置関係、および前記試験終了時に前記伸び測定装置で検出された前記伸びに基づいて計測位置までの移動量を演算し、前記計測位置へ前記検出器を移動させ、前記供試体の前記引張方向と直交する方向の寸法を測定する測定制御手段とを備えることを特徴とする。
（２）請求項２の発明は、請求項１に記載の材料試験機において、前記追従手段は、前記検出器と一体に設けられ、前記検出腕のいずれか一方を挟んで対向する投光器および受光器と、前記検出腕の一方に設けられ、前記投光器から前記受光器へ投射された光束が通過するスリットとを含み、前記スリットを通過する前記光束が前記受光手段で受光し続けるように、前記供試体の伸びに伴う前記検出腕の移動に連動して前記検出器を前記移動手段で移動させることを特徴とする。
（３）請求項３の発明は、請求項１または２に記載の材料試験機において、前記測定制御手段は、前記試験終了後に前記一対の標点間の中央位置へ前記検出器を移動する距離を演算するにあたり、前記検出腕と前記検出器との引張方向の距離と、試験開始時の一対の標点間距離および試験終了時に検出された前記供試体の伸びから算出した一対の標点間距離とに基づいて、前記検出器を一対の標点間中央位置まで移動する距離を演算することを特徴とする。
（４）請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の材料試験機において、前記試験で検出された伸び量と、前記供試体の前記引張方向と直交する方向の寸法の変化量とに基づいて、ランクフォード値を演算して出力する演算手段を備えることを特徴とする。

本発明による材料試験機によれば、信頼性の高いランクフォード値を得ることができる。

図１は本発明による材料試験機を示している。材料試験機は、試験機本体１０と、制御装置３０と、伸び測定装置５０と、測寸装置７０と、供試体供給装置９０を備えている。試験機本体１０は以下のように構成されている。

固定テーブル１１には左右一対のねじ棒１２，１３が立設され、このねじ棒１２，１３の上部にはヨーク１４が横架されている。各ねじ棒１２，１３には、クロスヘッド１５の左右両側に設けられた一対のナット（不図示）が螺合しており、これによりクロスヘッド１５がねじ棒１２，１３で昇降可能に支持される。ねじ棒１２，１３は、固定テーブル１１内に配設されたサーボモータ１６により駆動される。

ヨーク１４の下面にはロードセル１９を介して上つかみ具２１が、クロスヘッド１５の上面には下つかみ具２２がそれぞれ相対向して取り付けられており、これら上つかみ具２１および下つかみ具２２の間に供試体ＴＰが保持される。

ねじ棒１２，１３の回転によりクロスヘッド１５が降下すると、上つかみ具２１および下つかみ具２２により保持された供試体ＴＰに引張力が加えられる。このとき、ヨーク１４に取り付けられたロードセル１９により検出された引張力は、伸び測定装置５０で検知された供試体ＴＰの変位とともに制御装置３０に入力される。

伸び測定装置５０は、図２にも示すように、先端が供試体の上下の標点に係止される一対の検出腕５１，５２と、一対の検出腕５１，５２の基端側の移動量を計測する磁気スケールや差動トランスなどの検出器５３とを備える。一方の検出腕５２の先端側上面にはスリット板５２１が設けられている。スリット板５２１にはスリット５２１Ｓが開口されている。

測寸装置７０は、一対の標点間の計測位置において供試体の引張方向と直交する方向の寸法を測定する検出器７０Ｓを有する。この測寸装置７０は、基板７３と、基板７３上に設けた測寸用投光器７１および受光器７２で構成される検出器７０Ｓと、基板７３を昇降するモータ７４とを備えている。投光器７１および７２は、移動基板７３上において供試体ＴＰを挟むように設けられ、受光器７２は投光器７１からの光束を、供試体ＴＰで遮光された状態で受光する。受光器７２は、たとえばＣＣＤラインセンサである。ＣＣＤラインセンサ７２は、投光器７１から投射される光を受光する画素と、投光器７１から投射された光が供試体ＴＰで遮光された低輝度の画素とを識別し、低輝度の画素数に基づいて供試体ＴＰの幅を検出することができる。

測寸装置７０の基板７３の下面には、位置センサとしての投光器７５および受光器７６がスリット５２1Ｓを挟むように設けられている。試験開始に先立って基板７３の高さを位置を調整して、検出腕５２に設けたスリット５２1Ｓを通過する投光器７５からの光束が受光器７６で受光するようにする。

基板７３は、昇降モータ７４によりねじ棒７５を回転させることで引張方向に昇降可能に構成されている。試験中、昇降モータ７４は、位置検出用受光器７６が常に位置検出光を受光するように制御装置３０により駆動制御される。これにより、試験中、検出腕５２が下方に移動するのに追従し、測寸用投光器７１と受光器７２が常に一対の標点間から外れないように基板７３が降下する。試験終了後、制御装置３０は、一対の標点間の中央位置で検出器が供試体ＴＰの幅を測定するように基板７３を上昇させる。

制御装置３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、その他の周辺回路などから構成される。ＣＰＵは、機能的に、試験の終了を検出する試験終了検出部３１と、検出器７０Ｓを一対の標点の中央位置まで移動するための距離を演算する位置演算部３２と、試験の終了が検出されると、位置演算部３２で演算された中央位置まで検出器７０Ｓをモータ７４により移動するモータ制御部３３と、試験終了後、標点間中央位置へ位置決めされた測寸用受光器７２の出力信号に基づいて供試体ＴＰの幅を演算する幅演算部３４と、引張試験による供試体ＴＰの伸び量と幅変化量とに基づいてランクフォード値を演算するランクフォード値演算部３５とを備えている。制御装置３０には、試験結果などを表示するモニタ４１と、試験条件などを入力する操作パネル４２が接続されている。

試験終了検出部３１は、予め定めた試験終了条件により試験の終了を判断すると、モータ１６を停止して供試体ＴＰへの負荷を終了する。たとえば、伸び量が所定値になると試験を終了する。位置演算部３２は、試験開始前の検出腕５２の基準位置と、試験終了が検出されたときに伸び測定装置５０から読み込んだ伸び量とに基づいて、試験終了後に検出器７０Ｓを一対の標点間の中央位置まで移動させるための距離を演算する。

ランクフォード値演算部３５は、試験の終了が検出されたときに伸び測定装置５０から読み込んだ伸び量と、試験終了時に測定された供試体ＴＰの幅とに基づいて、ランクフォード値を演算する。

供試体供給装置９０は、供試体ＴＰを１枚づつ材料試験機本体１０へ搬送する装置であり、図３に示すように構成することができる。供試体収納マガジン９１には、供試体ＴＰが積層して収容される。供試体収納マガジン９１に収容された供試体ＴＰのうちの上端の供試体ＴＰを吸着装置９２に吸着して搬送装置９３で搬送する。なお、モータ９４によりねじ棒９６を回転すると供試体受け板９５が上方に上昇して１枚の供試体ＴＰを収納マガジン９１の上部へ押し上げることができる。材料試験機本体１０へ供試体ＴＰを装着するに先だって、測寸装置９７により供試体ＴＰの寸法を測定し、材料試験機本体１０は上下つかみ具２１および２２の間隔を調整する。

以上のように構成された材料試験機によりランクフォード値を算出する際の動作を説明する。
搬送装置９３により1枚の供試体ＴＰが供試体収納マガジン９１から取り出され、測寸装置９７で測寸された供試体ＴＰは材料試験機本体１０に搬送され、上下つかみ具２１および２２により把持される。供試体ＴＰの上下の標点に検出腕５１，５２の先端が係止される。位置検出用投光器７５から投光される位置検出用光束がスリット５２１Ｓを通過して位置検出用受光器７６で受光されるように、検出器７０Ｓの位置をモータ７４で調節する。なお、このように試験開始前に位置決めされた検出器７０Ｓの位置をセンサ初期位置と呼ぶ。

このとき、制御装置３０は、検出器５３で読み取られる伸び計測値を基準値（ゼロ点）として認識する。したがって、引張試験により一対の検出腕５１，５２の間隔が変化する際の検出器５３の読み取り値が供試体ＴＰの伸び量となる。

供試体ＴＰが材料試験機本体１０の上下つかみ具２１,２２間にセットされると、たとえば、予め定めた伸び速度で供試体ＴＰが変形するようにモータ１６が駆動される。供試体ＴＰの伸びに追従して一対の検出腕５１，５２が移動し、検出器５３から伸び検出値が制御装置３０に入力される。

引張試験中、位置検出用受光器７６で位置検出用光束が受光し続けるように検出器７０Ｓの位置が制御装置３０により制御される。すなわち、検出器７０Ｓを検出腕５２に追従させる。制御装置３０で演算された伸び量が予め定めた所定値に達すると試験終了検出部３１が試験終了を判定し、モータ１６が停止されて試験が終了する。制御装置３０は、測寸用投光器７１と受光器７２の高さ位置、すなわち検出器７０Ｓの高さ位置が試験終了後の標点間の中央位置に一致するように、モータ７４の回転量を制御して検出器７０Ｓの高さ位置を調節する。

試験終了後に検出器７０Ｓを一対の標点間中央位置に移動するための距離は、たとえば、次のようにして算出することができる。図４を参照して説明する。図４において、符号５１Ｓ，５２Ｓは試験開始前の検出腕５１，５２の位置、符号５１Ｅ，５２Ｅは試験終了後の検出腕５１，５２の位置である。また、符号７１Ｓ（７２Ｓ）は試験開始前の測寸用投光器７１、受光器７２の位置、符号７１Ｅ（７２Ｅ）は試験終了後の測寸用投光器７１、受光器７２の位置である。

試験開始前の一対の標点間距離をＬ_０、試験終了後に検出器５３で検出された伸び量をΔＬとすると、一方の検出腕５２と、試験終了後の標点間の中央位置との距離ＬＣとは次式（１）で表すことができる。
ＬＣ＝（Ｌ_０＋ΔＬ）／２ …（１）
また、試験終了後に検出器７０Ｓを上記中央位置まで移動する距離ＤＬは次式（２）で表される。
ＤＬ＝ＬＣ−Ｄ１ …（２）
ただし、Ｄ１は、検出腕５２と受光器７２との引張方向の距離（相対位置）

制御装置３０は、検出器７０Ｓの初期位置を基準位置として記憶する。たとえば、基準位置は、モータ７４の原点位置からの回転量として認識することができる。モータ７４の１回転当たりの高さ位置変化量ΔＤは既知であるから、標点間中央位置まで検出器７０Ｓを移動するためのモータ回転量Ｎは次式（３）で表される。
Ｎ＝ＤＬ／ΔＤ …（３）

すなわち試験終了後、制御装置３０は、モータ７４を（３）式で算出されたＮ回転だけ駆動し、検出器７０Ｓをセンサ初期位置から距離ＤＬだけ上昇させる。これにより、測寸用投光器７１と受光器７２の高さ位置（検出器７０Ｓの高さ位置）が試験終了後の標点間の中央位置に設定される。その後、制御装置３０は、測寸用受光器７２の信号を読み取り、輝度の低い画素範囲を検出して引張試験終了後の供試体ＴＰの幅Ｗを演算する。試験開始前の供試体ＴＰの幅Ｗ_０は、予め測定値を記憶装置に記録しておけば既知である。ランクフォード値演算部３５は、次式（４）によりランクフォード値を算出する。
γ＝ｌｎ（Ｗ_０／Ｗ）／ｌｎ（Ｌ×Ｗ／Ｌ_０×Ｗ_０） …（４）
Ｌは試験終了後の標点間距離であり、Ｌ_０＋ΔＬで表される。

以上のように構成した材料試験機によれば次のような作用効果を得ることができる。
（１）引張試験終了後に、測寸装置７０の検出器７０Ｓを一対の標点間の中央位置へ移動して供試体の幅を測定するようにした。したがって、推定計算により中央位置を計算して幅を測定する従来方式に比べて、供試体の伸びの挙動が種々異なっても、確実に標点間中央位置で幅を測定することができる。その結果、算出されるランクフォード値の信頼性が向上する。

（２）測寸装置７０の光電式検出器７０Ｓである投光器７１と受光器７２の高さ位置を検出腕５２に追従させて移動するようにした。したがって、予め投光器７２および受光器７２の高さ位置と検出腕５２との相対位置関係を設定しておけば、試験終了後に算出された伸び量に基づいて投光器７２および受光器７２の高さ位置を標点間中央位置へ簡単に移動することができる。

本発明による材料試験機は、その特徴を損なわない限り、以上説明した実施の形態に何ら限定されず、次のように変形することができる。
（１）供試体ＴＰの形状を平板の場合について説明したが、管状供試体の場合は、測寸装置７０で管の外径が計測されるので、同様にしてランクフォード値を算出することができる。

（２）供試体の材質、大きさ、形状によっては、標点間中央位置から外れた位置であって幅や直径の変化が小さい場合もあり、この場合、計測値の信頼性を損なわない範囲内において、中央位置から外れた１点を計測位置としてもよい。

（３）幅測定は、一対の標点間中央位置の１点で行う必要はない。たとえば、中央位置付近の複数箇所の幅を測定して平均を求め、ランクフォード値演算に平均値を使用してもよい。この場合、複数箇所が検出器７０Ｓの計測位置である。

（４）伸び測定装置５０を一対の検出腕（レバー）の先端を供試体ＴＰの一対の標点に係止する方式で説明したが、接触式伸び計であれば種々の伸び計を使用することができる。また、一対の投光器７１と受光器（ラインセンサ）７２で非接触式の検出器７０Ｓを構成するようにしたが、非接触式幅測定装置の形式は実施の形態に限定されず、また、接触式測寸装置としてもよい。

（５）検出器７０Ｓを移動する装置もモータによりねじ棒回転駆動方式に代えて、シリンダ往復動式、ワイヤ駆動式など種々の形態が可能である。

（６）位置検出用投光器７５および受光器７６とスリット５２１Ｓにより検出器７０Ｓを検出腕５２に追従するようにしたが、検出腕５２の移動量に同期させて検出器７０Ｓを移動する方式であれば、光学式に限定されない。

（７）自動材料試験機として説明したが、ユーザが１枚ずつ供試体ＴＰをセットする材料試験機にも本発明を適用できる。

（８）材料試験機は実施の形態の構成に限定されず、ねじ棒１２,１３をモータ１６で駆動する方式に代えて、油圧アクチュエータや電動アクチュエータなどにより供試体に引張力を与える方式の材料試験機にも本発明を適用することができる。

特許請求の範囲と実施の形態による構成要素の対応関係では、負荷機構はクロスヘッド１５，ねじ棒１２，１３，ヨーク１４などに対応し、移動手段は昇降モータ７４に、追従手段は位置検出用投光器７５および受光器７６に、測定制御手段は制御装置３０にそれぞれ対応する。なお、以上の説明はあくまで一例であり、発明を解釈する際、上記の実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。

本発明の実施の形態に係る材料試験機の構成例を示す図 図１に示した測寸装置、伸び測定装置の詳細を説明する図 図１に示した供試体供給装置の詳細を説明する図 標点間中央位置への移動距離を説明する図

符号の説明

１０：材料試験機本体 ３０：制御装置
３２：位置演算部 ３３：モータ制御部
３５：ランクフォード値演算部 ５０：伸び測定装置
５１，５２：検出腕 ５３：検出器
７０：測寸装置 ７０Ｓ：検出器
７１：測寸用投光器
７２：測寸用受光器
７３：基板
７４：昇降モータ
７５：ねじ棒
５２１：スリット板
５２１Ｓ：スリット

Claims (4)

1. 供試体に引張り力を負荷する負荷機構と、
   先端が供試体の一対の標点に係止する一対の検出腕を有し、当該一対の検出腕の移動量に基づいて前記一対の標点間の伸びを測定する伸び測定装置と、
   前記一対の標点間の計測位置において、前記供試体の引張方向と直交する方向の寸法を測定する検出器と、
   前記検出器を移動する移動手段と、
   前記移動手段により前記検出器を前記検出腕に追従する追従手段と、
   引張試験終了後、前記検出腕と前記検出器との位置関係、および前記試験終了時に前記伸び測定装置で検出された前記伸びに基づいて計測位置までの移動量を演算し、前記計測位置へ前記検出器を移動させ、前記供試体の前記引張方向と直交する方向の寸法を測定する測定制御手段とを備えることを特徴とする材料試験機。
2. 請求項１に記載の材料試験機において、
   前記追従手段は、
   前記検出器と一体に設けられ、前記検出腕のいずれか一方を挟んで対向する投光器および受光器と、
   前記検出腕の一方に設けられ、前記投光器から前記受光器へ投射された光束が通過するスリットとを含み、
   前記スリットを通過する前記光束が前記受光手段で受光し続けるように、前記供試体の伸びに伴う前記検出腕の移動に連動して前記検出器を前記移動手段で移動させることを特徴とする材料試験機。
3. 請求項１または２に記載の材料試験機において、
   前記測定制御手段は、
   前記試験終了後に前記一対の標点間の中央位置へ前記検出器を移動する距離を演算するにあたり、
   前記検出腕と前記検出器との引張方向の距離と、試験開始時の一対の標点間距離および試験終了時に検出された前記供試体の伸びから算出した一対の標点間距離とに基づいて、前記検出器を一対の標点間中央位置まで移動する距離を演算することを特徴とする材料試験機。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の材料試験機において、
   前記試験で検出された伸び量と、前記供試体の前記引張方向と直交する方向の寸法の変化量とに基づいて、ランクフォード値を演算して出力する演算手段を備えることを特徴とする材料試験機。

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