JP2010121939A - 材料試験機 - Google Patents

Abstract

【課題】試験中における試験体の特性変化を、より早くより確実にオペレータに報知することができる材料試験機の提供。
【解決手段】試験体１を加振してその特性変化、例えば、共振周波数やバネ定数の変化を検出し、検出された特性変化の変化状況に応じて警報音を報知器１４により発生する際に、警報音の周波数および音量の少なくとも一方を変化させることで、オペレータの注意を惹きやすい警報音とすることができる。その結果、オペレータが警報を見逃すことが無く、より早く特性変化を知らせることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、警報を発生する材料試験機に関する。

材料試験では、プラスチック、ゴム、金属、新素材など、様々な材料や部品を試験対象とし、これら試験体に試験力を繰り返し加えながら材料の強度特性や耐久時間、回数を測定する。試験体の強度特性を解析するには、クラックが入り始めた時間または回数を計測し、クラックが入り始めた時の試験体を得る必要がある。そのため、試験体が破断した場合や、所望の変形量を示した場合に、それらを速やかに検出して試験を自動停止する装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開昭６１−１３０８５３号公報

しかしながら、クラックの入り始めにおける変形を捉えるのは難しいため、上述した装置においても、破断時点のデータ、または、クラックが大きく進行した時点でのデータとなってしまう。そのため、強度解析に必要なクラックが入った直後の試験体が得られないという問題があった。

本発明による材料試験機は、試験体を加振する加振手段と、試験体の特性変化を検出する特性変化検出手段と、特性変化検出手段で検出された特性変化の変化状況に応じて警報音を発生する報知手段とを備え、報知手段は、警報音の周波数および音量の少なくとも一方を変化させるようにしたことを特徴とする。
例えば、周波数であれば、高・低・高・低を繰り返すように変化させ、音量であれば、大・小・大・小を繰り返すように変化させる。
特性変化として、試験体の共振周波数の変化を用いても良い。
また、特性変化として、試験体の共振周波数の変化、および、試験体のバネ定数の変化を用い、共振周波数の変化およびバネ定数の変化のいずれか一方が特性変化検出手段により検出されると、警報音を発生するようにしても良い。
さらにまた、加振手段は、前記試験体の共振周波数に相当する基準周波数で該試験体を加振するものであって、試験体の加速度振幅を検出する加速度検出手段と、加振手段による試験周波数を基準周波数に対して所定の周期で変動させる周波数変動手段と、周波数変動手段により試験周波数を変動させた際の加速度検出手段による検出結果に基づき、基準周波数を変更する変更手段とを備えるようにしても良い。

本発明によれば、試験中における試験体の特性変化を、より早くより確実にオペレータに報知することができる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。耐久試験の一つとして、共振周波数追従試験がある。以下では、共振周波数追従試験に用いられる材料試験機を例に本発明を説明する。共振周波数追従試験では、共振周波数で試験体を加振して負荷を与え、所定の時間や回数に耐えられるか、または、耐えられる時間や回数を測定する。

図１は、共振周波数追従試験に用いられる試験装置の概略構成を示す図である。試験体１には加振点Ｐ１を介してアクチュエータ２により加振力が負荷され、この加振力の負荷によって共振点Ｐ２における共振周波数を検出する。アクチュエータ２は例えば高周波数で駆動可能な油圧シリンダであり、コントローラ１０からサーボバルブ３へ出力される制御信号（加振信号）によりアクチュエータ２の駆動が制御される。なお、アクチュエータ２を電磁力により駆動する電磁アクチュエータとして構成することもできる。

試験体１の加振点Ｐ１の近傍には加速度計４が装着され、加速度計４により加振点Ｐ１の加速度ａ１が検出される。共振点Ｐ２には加速度計５が装着され、加速度計５により共振点Ｐ２の加速度ａ２が検出される。加速度計４，５からの信号はコントローラ１０に入力され、この入力信号に基づき後述するように試験体１に共振周波数の加振力を負荷する。なお、以下では加速度計４，５で検出された振幅（加速度振幅）｜ａ１｜，｜ａ２｜をそれぞれＡ１、Ａ２で表す。

図２は、加振点Ｐ１に加速度振幅一定（Ａ１一定）の加振力を負荷した場合の共振点Ｐ２における加速度振幅Ａ２の変化を示す図である。加速度振幅Ａ２は、周波数ｆａのときに最大となっており、この点が共振周波数に相当する。この共振周波数ｆａは試験体１に固有の値であるが、例えば疲労試験の途中で試験体１にクラックが発生したような場合には、共振周波数ｆａが試験の途中で変化するおそれがある。この場合に周波数一定で疲労試験を行っていたのでは、共振周波数ｆａからずれた周波数で試験が行われ、所望の疲労試験結果を得ることができない。そこで、本実施の形態では、以下のように共振周波数ｆａの変化に加振信号の周波数（以下、試験周波数Ｆと呼ぶ）を追従させる。

図１に示すコントローラ１０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，その他の周辺回路を含んで構成される。コントローラ１０は、試験周波数を制御する周波数制御部１１と、加振振幅Ａを制御する振幅制御部１２を有する。

周波数制御部１１では、所定時間Ｔ毎に試験周波数を変化させて、そのときの共振点Ｐ２の加速度検出値ａ２に基づき、試験体１がその共振周波数ｆａで加振されるように試験周波数を制御する。振幅制御部１２では、共振点Ｐ２の加速度振幅Ａ２が一定の目標加速度振幅Ａ０となるように加振点Ｐ１の振幅を制御する。

コントローラ１０には、設定器１３、報知器１４および表示装置１５が接続されている。コントローラ１０には試験条件として各種設定値が入力されるが、それらは設定器１３を介して入力される。例えば、上記所定時間Ｔ、目標加速度振幅Ａ０の他、目標試験時間あるいは目標サイクル数、試験体１の初期の共振周波数ｆ０、試験周波数を変化させる場合の上げ幅Δｆ１および下げ幅Δｆ２、試験周波数の許容最大変化量Δｆｍａｘ等が設定される。なお、共振周波数ｆ０は予め実験等により求められ、目標周波数ｆの初期値としてセットされる。

報知器１４は、試験体１にクラックが発生したこと、または、発生のおそれがあることをオペレータに知らせる装置である。本実施の形態の場合には、音声で報知する。表示装置１５には、各種設定条件、試験中の測定データ、試験結果等が表示される。

図３は、コントローラ１０内のＣＰＵで実行される処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、例えば試験開始スイッチ（不図示）のオンによりスタートする。

ステップＳ１では、アクチュエータ２に周波数ｆ０の加振信号を出力し、試験体１が初期の共振周波数ｆ０で加振されるように加振点Ｐ１に加振力を負荷するとともに、共振点Ｐ２の加速度振幅Ａ２を目標加速度振幅Ａ０に制御する。例えば加速度振幅Ａ２が増加した場合には、加振点Ｐ１の加振力を小さくして加振振幅を減少させ、加速度振幅Ａ２を目標加速度振幅Ａ０に近づける。基準周波数ｆは初期状態ではｆ０であり、この基準周波数ｆは後述の処理（ステップＳ７，ステップＳ２４など）によって変更される。

ステップＳ２では、基準周波数ｆで加振してから所定時間Ｔが経過したか否かを判定する。ステップＳ２が肯定されるとステップＳ３に進み、否定されるとステップＳ１に戻る。ステップＳ３では、フラグの値を判定する。初期状態ではフラグは０であり、フラグ０と判定されるとステップＳ４に進む。ステップＳ４では、試験周波数Ｆを基準周波数ｆよりも所定量Δｆ１だけ増加させた加振信号を生成し、アクチュエータ２に出力する。

ステップＳ５では、加速度計５からの信号に基づき共振点Ｐ２の振幅Ａ２が増大したか否かを判定する。この場合、振幅Ａ２が安定するまで所定時間ΔＴ待ってから振幅Ａ２の増大を判定する。所定時間Ａ２内の振幅の平均値をとって振幅Ａ２の増大を判定してもよい。ΔＴはステップＳ２の所定時間Ｔに比べ無視できるほどの微小な時間である。ステップＳ５が肯定されるとステップＳ６に進み、基準周波数ｆから初期周波数ｆ０を減算した値、すなわち基準周波数ｆの初期状態からの変化量（ｆ−ｆ０）が許容最大変化量Δｆｍａｘより大きいか否かを判定する。ステップＳ６が肯定されるとステップＳ８に進み、否定されるとステップＳ７に進む。

ステップＳ７では、現在の試験周波数Ｆ（＝ｆ＋Δｆ１）を新たに基準周波数ｆとして設定する（ｆ＝ｆ＋Δｆ１）。ステップＳ８では、試験周波数の上限を制限するため、基準周波数ｆを（ｆ０＋Δｆｍａｘ）に設定する。ステップＳ９ではフラグ０をセットし、ステップＳ１０に進む。

一方、ステップＳ５において、共振点Ｐ２の振幅Ａ２が減少あるいは変化なしと判定された場合には、ステップＳ１３に進む。ステップＳ１３では、フラグ１をセットし、ステップＳ１０に進む。この場合、基準周波数ｆはそのままである。

ステップＳ１０では、現在の基準周波数ｆの設定が初期周波数ｆ０と異なる否かを判定する。ステップＳ１０で「ｆ≠ｆ０」と判定されると、ステップＳ１１へ進んで警報を開始し、さらにステップＳ１２へ進む。なお、警報の形態については後述する。一方、ステップＳ１０で「ｆ＝ｆ０」と判定されると、ステップＳ１１をスキップしてステップＳ１２に進む。ステップＳ１２では、試験終了か否かを判定し、否定されるとステップＳ１に戻り、肯定されると処理を終了する。

一方、ステップＳ３でフラグ１と判定されるとステップＳ２１に進む。ステップＳ２１では、試験周波数Ｆを基準周波数ｆよりも所定量Δｆ２だけ減少させた加振信号でアクチュエータ２を駆動する。

ステップＳ２２では、加速度計５からの信号に基づき共振点Ｐ２の振幅Ａ２が増大したか否かを判定する。この場合、ステップＳ５と同様、振幅Ａ２が安定するまで所定時間ΔＴ待ってから振幅Ａ２の増大を判定する。ステップＳ２２が肯定されるとステップＳ２３に進み、初期周波数ｆ０から基準周波数ｆを減算した値、すなわち基準周波数ｆの初期状態からの変化量（ｆ０−ｆ）が許容最大変化量Δｆｍａｘより大きいか否かを判定する。ステップＳ２３が肯定されるとステップＳ２５に進み、否定されるとステップＳ２４に進む。

ステップＳ２４では、現在の試験周波数Ｆ（＝ｆ−Δｆ２）を基準周波数ｆとして設定する（ｆ＝ｆ−Δｆ２）。ステップＳ２５では、試験周波数の下限を制限するため、基準周波数ｆを（ｆ０−Δｆｍａｘ）に設定する。ステップＳ２６ではフラグ１をセットし、ステップＳ１０に進む。

ステップＳ２２で、共振点Ｐ２の振幅Ａ２が減少あるいは変化なしと判定されるとステップＳ２７に進む。ステップＳ２７では、フラグ０をセットし、ステップＳ１０に進む。この場合、基準周波数ｆはそのままである。

図４は、共振点Ｐ２における加速度振幅Ａ２と試験周波数Ｆの変化を示すタイムチャートである。この図４を参照して追従動作について説明する。設定器１３を介して各種試験条件を入力した後、試験開始スイッチをオンすると、アクチュエータ２は試験周波数Ｆ＝ｆ０で、すなわち初期の共振周波数ｆ０で試験体１を加振する。このとき、共振点Ｐ２の加速度振幅がＡ０となるようにアクチュエータ２の駆動が制御される（ステップＳ１）。

図４（ａ）に示すように試験開始後、所定時間Ｔが経過すると（時点ｔ１）、試験周波数Ｆが所定量Δｆ１だけ増加する（ステップＳ４）。このとき、加速度振幅Ａ２が減少する場合、あるいは変化しない場合は、共振周波数ｆａが初期状態ｆ０から増加していないと判断できる。この場合は、試験周波数Ｆが元の値ｆ０に戻され（時点ｔ２）、繰り返しの処理において、試験体１は試験周波数ｆ０で加振される（ステップＳ１３→ステップＳ１）。

この状態から再び所定時間Ｔが経過すると（時点ｔ３）、試験周波数Ｆが所定量Δｆ２だけ減少する（ステップＳ２１）。このとき、加速度振幅Ａ２が減少する場合、あるいは変化しない場合は、共振周波数ｆａが初期状態ｆ０から減少していないと判断できる。この場合は、試験周波数Ｆが元の値ｆ０に戻され（時点ｔ４）、繰り返しの処理において、試験体１は再度所定時間Ｔ、試験周波数Ｆ＝ｆ０で加振される（ステップＳ２７→ステップＳ１）。以降、同様の動作が繰り返される。

一方、図４（ｂ）の時点ｔ５において試験周波数Ｆを増加させた際に加速度振幅Ａ２が増大すると、共振周波数ｆａが初期状態ｆ０から増加したと判断できる。この場合は、基準周波数ｆが所定量Δｆ１だけ高く設定され、繰り返しの処理において、試験体１は所定時間Ｔ、試験周波数Ｆ（＝ｆ０＋Δｆ１）で加振される（ステップＳ７→ステップ１）。このとき、加速度振幅Ａ２が目標加速度振幅Ａ０となるようにアクチュエータ２による加振力が制御される。

この状態から所定時間Ｔが経過すると（時点ｔ６）、試験周波数Ｆがさらに所定量Δｆ１だけ増加する（ステップＳ４）。このとき、加速度振幅Ａ２が増大すると、基準周波数ｆ（＝ｆ０＋Δｆ１）が共振周波数ｆａよりも低いと判断できる。この場合は、基準周波数ｆが所定量Δｆ１だけ高く設定され、繰り返しの処理において、試験体１は所定時間Ｔだけ試験周波数Ｆ（＝ｆ０＋２×Δｆ１）で加振される。

以上の動作は、試験周波数Ｆを増加させた際に振幅Ａ２が増加しなくなるまで繰り返され、振幅Ａ２が増加しなくなった後は、図４（ａ）に示したように試験周波数Ｆの増減動作が繰り返される。これにより基準周波数ｆを共振周波数ｆａに近づけることができる。なお、基準周波数ｆの上限は、所定値（ｆ０＋Δｆｍａｘ）に制限される（ステップＳ８）。

図４（ｃ）に示すように時点ｔ７で試験周波数Ｆを増加させ、基準周波数ｆ０に戻した後、時点ｔ８において試験周波数Ｆを所定量Δｆ２減少させた際に加速度振幅Ａ２が増大すると、共振周波数ｆａが初期状態ｆ０から減少したと判断できる。この場合は、基準周波数ｆが所定量Δｆ２だけ低く設定され、繰り返しの処理において、試験体１は所定時間Ｔ、試験周波数Ｆ（＝ｆ０−Δｆ２）で加振される（ステップＳ２４→ステップ１）。このとき、加速度振幅Ａ２が目標加速度振幅Ａ０となるようにアクチュエータ２による加振力が制御される。

この状態から所定時間Ｔが経過すると（時点ｔ６）、試験周波数Ｆがさらに所定量Δｆ１だけ減少する（ステップＳ２１）。このとき、加速度振幅Ａ２が増大すると、基準周波数ｆが所定量Δｆ２だけ低く設定され、繰り返しの処理において、試験体１は所定時間Ｔだけ試験周波数Ｆ（＝ｆ０−２×Δｆ２）で加振される。

以上の動作は、試験周波数Ｆを減少させた際に振幅Ａ２が増加しなくなるまで繰り返され、振幅Ａ２が増加しなくなった後は、図４（ａ）に示したように試験周波数Ｆの増減動作が繰り返される。これにより基準周波数ｆを共振周波数ｆａに近づけることができる。なお、基準周波数ｆの下限は、所定値（ｆ０−Δｆｍａｘ）に制限される（ステップＳ２５）。

図５は、図４のステップＳ１１で開始される警報動作の一例を説明する図である。試験体の強度特性を解析するには、クラックの入り始めを捉える必要がある。しかし、耐久試験では試験力を繰り返し与える回数が１０^５〜１０^７回と多く、試験が長時間にわたるため、これを目視でチェックしようとすることは困難である。そのため、チェックする間隔が空いてしまい、その間で、試験体の破壊が進行してしまう場合がある。また、たまたまクラックの入り始めに計器を観測していた場合であっても、波形の変化や計測データの変化は微小であるため、変化を見逃してしまい、試験体の破壊が進行してしまうおそれがある。

そこで、本実施の形態では警報装置１５を備え、図５に示すような警報動作を行うことでクラックの入り始め、または、その直前をオペレータに知らせるようにした。図５（ａ）は試験体１の共振周波数の時間的な変化を示す図であり、図５（ｂ）は、共振周波数の時間的変化に応じた警報音の周波数変化を示したものである。

図５（ａ）は、クラックの発生により共振周波数が高くなる方向に変化する場合を示しており、上述した追従動作の結果、共振周波数はΔｆ１ずつ階段状に変化している。クラックの発生をより早く検知するためには、共振周波数の変化である所定量Δｆ１、Δｆ２をノイズや誤差の影響を受けない範囲でできるだけ小さくするのが好ましく、例えば、０．１Ｈｚとする。これらの値は試験体１によってそれぞれ異なるので、例えば、予備実験を行う等して、試験体１に最適な値を入力設定する。

一方、警報音に関しては、共振周波数の変化に応じて警報音の周波数を変化させるようにした。共振周波数の変化（所定量Δｆ１、Δｆ２）は比較的に小さい値なので、その変化の度合いをそのまま警報音の周波数変化に反映させるのではなく、変化の度合いを拡大して警報音の周波数を変化させる。図５（ｂ）に示す例では、図示左側から高、低、高、低・・・のように警報音の周波数を設定している。また、２番目の周波数は１番目の約１／７、3番目の周波数は2番目の約９倍のように、共振周波数の変化の度合いよりも大きくなっている。このように周波数の高・低を繰り返して音色の変化をめまぐるしくすることで、オペレータが他の作業に没頭しているような場合でも、警報音に気付きやすいようにしている。もちろん、試験体１の共振周波数の帯域と、警報音の周波数帯域とは異なっており、警報音には注意を引きやすい周波数帯域が用いられる。

また、警報音の周波数を順に高くするようにしても良いし、図５（ｂ）のように周波数を階段状に不連続に変化させる代わりに、連続的に上下に変化させるようにしてもよい。さらに、共振周波数に応じて音量を大きく大・小・大・小のように変化させるようにしても良い。このように、警報音に変化を付けることにより、一定の音色や音量で警報する場合に比べて、試験状況の変化を気付きやすい。なお、警報音の出し方としては、上述したように、共振周波数変化で初めて警報音を発生するようにしても良いし、試験開始とともに報知器１４から一定周波数の音声を発生し、共振周波数変化により警報音の周波数を変化させるようにしても良い。この場合、周波数変化の開始が警報開始となる。

上述した実施形態では、試験体１にクラックが生じた際の特性変化として共振周波数の変化を取り上げたが、バネ定数の変化からクラックの発生を検知することもできる。バネ定数は、「（試験体に与えた加重）／（試験体の変位量）」から求めることができる。共振周波数の場合と同様に、バネ定数もクラックが発生する前はほぼ一定となっており、クラックが入り始めると値が変化し始める。その際の変化の傾向も、共振周波数の場合と同様である。よって、上述した共振周波数の変化に代えて、バネ定数の変化を用いるようにしても同様の効果を得ることができる。

また、共振周波数とバネ定数の両方を用いるようにしても良い。その場合、バネ定数ｋの変化に対して、検知可能な最小変化量Δｋを設定する。試験中に、共振周波数およびバネ定数のいずれかの変化を検出したならば、報知器１４から警報を発生するようにする。試験体によって、クラック発生に対する共振周波数とバネ定数では微小な変化の傾向が異なるので、このように複数の特性値（共振周波数およびバネ定数）を用いることで、クラック発生に対してより敏感な方の特性変化を検知することにより、より早くクラック発生を検知することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば次のような作用効果を奏する。
（１）試験体を加振してその特性変化、例えば、共振周波数やバネ定数の変化を検出し、検出された特性変化の変化状況に応じて警報音を報知器１４により発生する際に、警報音の周波数および音量の少なくとも一方を変化させることで、オペレータの注意を惹きやすい警報音となる。例えば、周波数であれば、高・低・高・低を繰り返すように変化させ、音量であれば、大・小・大・小を繰り返すように変化させる。その結果、オペレータが警報を見逃すことが無く、より早く特性変化を知らせることができる。
（２）また、共振周波数およびバネ定数のどちらに敏感に反映されるかは試験体によって異なるので、特性変化として共振周波数の変化と試験体のバネ定数の変化とを検出し、共振周波数の変化およびバネ定数の変化のいずれか一方が検出されたら警報音を発生することで、より早くクラックの発生を検出するし、オペレータに知らせることができる。
（３）周波数変動手段により試験周波数を変動させ、その際の加速度検出手段による検出結果に基づき基準周波数を変更する共振周波数追従型の材料試験機では、共振周波数やバネ定数の変化を検出することができるので、コストアップを抑制しつつ警報機能を付加することができる。

上述した実施の形態では、音声により特性変化を報知する構成としたが、視覚的に報知するようにしても良い。例えば、表示装置１５を用いても良いし、警告灯を設けても良い。表示装置１５を用いて警報する場合、通常の表示色で表示する表示形態と例えば全体を赤色で表示する表示形態とを交互に繰り返し表示することで、オペレータに特性変化を気付かせることができる。

また、報知器１４として携帯態電子機器を利用しても良い。すなわち、音声や表示による警報をオペレータが所持する携帯態電子機器に無線で指令し、携帯電子機器の音声機能および表示機能を利用して報知する。携帯電子機器がバイブレータ機能を有していれば、バイブレータの振動により報知しても良い。

なお、以上の説明はあくまでも一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。例えば、報知手段として、音声、表示、振動を組み合わせても良い。また、上述した実施形態では、共振周波数に追従して試験を行う材料試験機を例に説明したが、追従型でない材料試験機であっても同様に適用できる。すなわち、周波数検出装置で試験体１の共振周波数をモニタし、共振周波数が変化したならば、警報を発生するように構成すれば良い。

本発明による材料試験機の一実施の形態を示す図である。 共振点における加速度振幅の変化を示す図である。 共振周波数追従および警報の動作を説明するフローチャートである。 共振周波数追従の一例を示すタイムチャートである。 警報音の周波数パターンの一例を示す図である。

符号の説明

１：試験体、２：アクチュエータ、４，５：加速度計、１０：コントローラ、１１：周波数制御部、１４：報知器、１５：表示装置

Claims (5)

1. 試験体を加振する加振手段と、
   前記試験体の特性変化を検出する特性変化検出手段と、
   前記特性変化検出手段で検出された特性変化の変化状況に応じて警報音を発生する報知手段とを備え、
   前記報知手段は、前記警報音の周波数および音量の少なくとも一方を変化させ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、
   前記周波数を変化させる場合には、周波数が高・低・高・低を繰り返すように変化させ、前記音量を変化させる場合には、音量が大・小・大・小を繰り返すように変化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、
   前記特性変化は前記試験体の共振周波数の変化であることを特徴とする材料試験機。
4. 請求項１または２に記載の材料試験機において、
   前記特性変化は、前記試験体の共振周波数の変化、および、前記試験体のバネ定数の変化であって、
   前記報知手段は、前記共振周波数の変化および前記バネ定数の変化のいずれか一方が前記特性変化検出手段により検出されると、前記警報音を発生することを特徴とする材料試験機。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の材料試験機において、
   前記加振手段は、前記試験体の共振周波数に相当する基準周波数で該試験体を加振するものであって、
   前記試験体の加速度振幅を検出する加速度検出手段と、
   前記加振手段による試験周波数を前記基準周波数に対して所定の周期で変動させる周波数変動手段と、
   前記周波数変動手段により試験周波数を変動させた際の前記加速度検出手段による検出結果に基づき、前記基準周波数を変更する変更手段とを備えることを特徴とする材料試験機。

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