JP2016200550A - 試験装置及び試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】弾性被検体の試験装置及び試験方法を提供する。
【解決手段】本発明の試験装置１は、被検体４０を支持する支持手段２０と、落下体１０を落下させて被検体４０に衝突させる落下機構３０と、落下体１０が衝突したときの被検体４０を測定する撮影手段７とを有する。落下機構３０は、落下体１０が被検体４０の端縁部からはみ出すように落下させるため、被検体４０の変形の進展、亀裂の生じ方などを撮影手段７で直接撮影することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、弾性被検体を試験する試験装置並びに試験方法に関する。

従来より、被検体上に落下体を衝突させ、被検体の耐衝撃性（耐カット性）を評価する試験方法は公知である。

特許文献１には、コンベヤベルトなどの弾性被検体の耐衝撃性を試験する方法と、それに用いる装置が開示されている。特許文献１の試験方法では、コンベヤベルトのサンプルを変形形状保持体の上で張設し、変形形状保持体の真上位置でコンベヤベルトに落下体を自由落下させる。

落下体との衝突時には、変形形状保持体はサンプルと一緒に押圧され、変形する。変形形状保持体の変形状態は保持されるので、この変形状態のデータを取得すれば、サンプルの変形状態のデータを取得することが可能となる。

しかし、上記の試験方法では、変形形状保持体を介して間接的にサンプルのデータを取得するにすぎないので精度が劣り、詳細なデータ収集には限界がある。

特開２０１０−２１６８５２号公報

特許文献１のように、サンプルの幅方向略中央に落下体を衝突させる場合、サンプルの変形状態は把握できても、そのカット状態（亀裂、破損）を外部から把握することは困難である。また、自由落下の際に落下体の姿勢が少しでも崩れると、落下体が角部分（端部）からサンプルに衝突するため、耐衝撃性を正確に評価することはできない。

そこで、本発明は、被検体（サンプル）の耐衝撃性を、正確かつ詳細に分析可能な装置及び方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の試験装置は、被検体を支持する支持手段と、落下体を落下させて前記被検体に衝突させる落下機構と、衝突時の前記被検体を撮影する撮影手段とを有し、落下機構は、被検体の端縁部よりも外側へはみ出した状態で落下体を被検体に衝突させることを特徴とする。
落下体は、端縁部よりも外側にはみ出て被検体に衝突するため、その端縁部に位置する被検体の側面を撮影すれば、カット傷（亀裂）の大きさ、変形量を視覚的に測定することができる。また、撮影手段に高速度カメラなどを用いれば、衝突による被検体が変形する様子、更にはカット傷（亀裂）がどの程度の変形量で発生し、どのようにカット傷が成長するのかがリアルタイムに画像情報として取得可能になる。このような、変形や亀裂発生の可視化により、被検体の種類毎のカット傷発生の違いを正確に把握することができる。

本発明の試験装置の好ましい態様は以下の通りである。
（１）被検体と衝突する落下体の下端（刃先）のうち、中央部を両端よりも下方に突出させる。衝突時に落下体の姿勢が多少崩れても、刃先の端部から被検体に衝突することがないので、耐カット性をより正確に測定することができる。
（２）更に、落下体の下端（刃先）を弧状に膨出して中央部を突出させることが好ましい。刃先が弧状の場合、刃先中央部が被検体端縁部から多少ずれて落下しても、衝突時には被検体の端縁部に下方向の力が加わるから、耐カット性がより正確に測定可能になる。
（３）落下体が被検体に衝突するときの荷重を測定する荷重計を用いることができる。これにより、変形（変位）の情報だけではなく、衝突、カット時エネルギーを定量的に求めることができる。

また、本発明の試験方法は、落下体を落下させ、当該落下体が弾性被検体に衝突したときの弾性被検体の変形を測定する試験方法であって、落下体を、弾性被検体の端縁部から外側へはみ出した状態で弾性被検体に衝突させ、変形を測定することを特徴とする。
これにより、被検体の変形や亀裂発生の可視化し、被検体の種類毎のカット傷発生の違いを正確に把握することができる。

本発明の試験方法の好ましい態様は以下の通りである。
（１）落下体がはみ出した弾性被検体の端縁部側面を撮影して、前記変形を測定することが望ましい。弾性被検体の縁端部側面が衝突により変形するので、この縁端部側面を観察面とすることで、被検体の変形や亀裂発生の画像情報をより簡易に取得することができる。
（２）落下体として、弾性被検体と衝突する下端が、両端よりも中央部で下方に突出したものを用いる。これにより、落下体の姿勢が多少くずれても、正確に耐カット性を測定することができる。
（３）落下体が前記弾性被検体に衝突するときの荷重を測定し、測定した荷重と、弾性被検体の変形とを関連付けて前記弾性被検体の評価を行う。例えば、落下体が被検体に衝突した瞬間から被検体より離脱するまで荷重を測定し、その荷重を、降伏点（荷重の降伏点及び／又は変位の降伏点）を境に区分けすれば、被検体の変形に主に使用されるエネルギー、カット傷の生成に使用されるエネルギー、被検体の復元に使用されるエネルギーなどを定量的に求めることができる。

本発明によれば、被検体が変形し、更には亀裂が発生する過程を画像情報として取得できるから、被検体の耐カット性を正確に評価することができる。更に、荷重計で衝突荷重を測定すれば、被検体の変形、カットに係るエネルギー量を定量的に求めることができる。

試験装置の一例を説明する正面図 落下体の一例を説明する正面図 落下体の一例を説明する側面図 落下体の他の例を説明する正面図 落下体と被検体の位置関係を説明する斜視図 被検体の変形量測定の一例を説明する画像 本発明の試験方法の他の例を説明する正面図

本発明は、主に弾性被検体の耐衝撃性を試験する装置と方法に関するものである。以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

＜試験装置＞
本発明の試験装置１は、被検体４０を支持する支持手段２０と、被検体４０の上方から落下体１０を落下させる落下機構３０と、被検体４０の側方に配置された撮影手段７とを有する。

支持手段２０は、被検体４０を支持可能なものであれば特に限定されず、例えば、被検体４０を載置する支持台２１の他、被検体４０の両端を把持して張設する張設手段を用いることも可能であり、必要であれば被検体４０を所定位置で固定する固定手段２２も用いることができる。

落下機構３０は、支持台２１の両側に垂直（鉛直）に立設された複数本の支柱３１と、支柱３１に架け渡された梁部材３６とを有している。梁部材３６は、例えば、支柱３１に隙間を持って挿通した筒状部材３４に取り付けられており、支柱３１がガイドとなり、その長手方向（すなわち鉛直方向）に沿って梁部材３６が移動する。

梁部材３６は、不図示の上昇装置に保持され、支持台２５の上方に引き上げられる。梁部材３６には、必要に応じて錘３７が取り付けられ、上昇装置が保持状態を解除すると、梁部材３６が支持台２５に向かって鉛直下方に移動（自由落下）する。

この梁部材３６の下方には、落下体１０が取り付けられている。落下体１０は、球状、柱状、板状、刃形状など特に限定されないが、最も好ましくは、先端ほど厚さ（刃幅）が狭い薄板からなる刃形状である（図２、３）。落下体１０の幅狭の先端（刃先１２）は、両端よりも中央部が外側へ膨出して弧状又はＶ字状（図２、４）、好ましくは弧状になっている。

落下体１０は、刃先１２を下方に向けて梁部材３６に取り付けられており、この状態では、刃先１２の膨出した中央部が両端よりも下方へ突き出る。落下体１０は梁部材３６に対し相対的に固定されているから、梁部材３６が鉛直下方に落下すると、落下体１０は、刃先１２を下端とし、刃先１２の中央部が最も下方に突き出た姿勢を維持したまま真下に落下する。

支持手段２０に固定した被検体４０は、上面視で、その平面形状輪郭（端縁部）が刃先１２の中央部を通り、かつ、その端縁部と刃先１２とが交差（好ましくは直交）する。従って、落下体１０が落下すると、刃先１２の中央部を境として、一部が被検体４０の外側にはみ出た状態で、落下体１０が被検体４０に衝突する。

図５は、落下体１０と被検体４０との位置関係を説明する斜視図である。例えば被検体４０は板形状であって、板形状の表面と、当該表面に隣接する側面との間の境界を端縁部とすると、刃先１２が横断する端縁部を成す側面が観察面４５となり、撮影手段７はこの観察面４５にレンズを向けて配置されている。

撮影手段７は特に限定されないが、例えば高速度カメラであって、５０〜１０万コマ／秒、より好ましくは２００〜５万コマ／秒のシャッター速度で観察面４５を撮影する。
撮影した画像情報は、撮影手段７の内臓メモリ及び／又は外部の分析装置５に記録される。

この撮影手段７に加え、試験装置１は、落下体１０衝突時の荷重（衝撃荷重）を測定する荷重計２５を有する。荷重計２５は、落下体１０、梁部材３６、支持手段２０（支持台２１）、被検体４０のいずれか一か所以上に設置又は接続することが可能であるが、好ましくは落下体１０に接続し、落下体１０の衝撃荷重を測定する。

荷重計２５は、ひずみゲージ式、磁歪式、静電容量式、ジャイロ式、音叉振動式、ピエゾ式など多様な手段を使用可能であるが、ひずみゲージ式のロードセルが好ましい。ロードセルの種類も特に限定されず、ビーム型ロードセル（引張又は圧縮型）、コラム型ロードセル（圧縮型）、Ｓ字型ロードセル（引張及び／又は圧縮型）、ダイヤフラム型ロードセル（圧縮型）などを使用可能である。

上記のような荷重計２５は、いずれも衝撃荷重（動荷重）を電気信号に変換し、荷重情報として荷重計２５の内臓メモリ及び／又は外部の分析装置５に記録する。従って、荷重計２５と撮影手段７を分析装置５に接続すれば、荷重計２５の荷重情報と、撮影手段７の画像情報の両方を解析することができる。

次に、この試験装置１の試験対象となる被検体について説明する。

＜被検体＞
本発明に用いる被検体４０は、例えば、コンベヤベルト、防振ゴム、タイヤ、パッキン、ゴムロール、ホース、ダイヤフラムなどの多様な弾性体製品またはそれら製品の試作品であって、被検体４０自体がある程度は弾性変形可能なものである。

最も好ましくはコンベヤベルト又はその一部又は全部の試作品である。試験対象の製品が複数層構造を持つ場合は、全層を備えたものだけではなく、その一部の層のみを被検体として試験に用いることができる。

被検体４０の観察面４５には、その観察面４５内での位置の基準となるマーク（模様）を付与することが好ましい。そのマークは、線、点など特に限定されないが、ここでは、格子状に交差する複数本の線であって、格子を構成する線は、着色、溝の掘削、凸条の形成、ワイヤ（繊維）埋め込みなど多様な方法で形成可能である。

次に、被検体４０を用いた試験方法について説明する。

＜試験方法＞
所望の衝突エネルギーを被検体４０に加えるため、必要であれば錘３７と共に、落下体１０を梁部材３６に取り付け、所定の高さＨまで引き上げる。

被検体４０は、観察面４５を撮影手段７に向け、支持台２１上に水平配置する。図１の符号ｖは、落下体１０の刃先１２と交差（好ましくは直交）してその突出した中央部を通る鉛直平面を示しており、この平面ｖ内に観察面４５が位置するように、落下体１０と被検体４０とを相対的に位置合わせした後、被検体４０を固定手段２２などで固定する。

この状態では、被検体４０の表面と観察面４５との間の境界（端縁部）の真上に刃先１２中央部が位置している。刃先１２は中央部が最も下方に突出しているから、落下体１０を落下させると、先ず、被検体４０の端縁部に刃先１２の中央部が接触して落下体１０が被検体４０に衝突する。この衝突により、被検体４０は刃先１２中央部を中心に弾性変形し、更に破損限度を超えると被検体４０に亀裂（破壊）が生じる。

落下体１０の落下高さＨから被検体１０への到達時刻を予測し、遅くともその到達時刻から数秒間の間に、高速度カメラで観察面４５を複数回撮影し、衝突により被検体４０が最大変形する前と後を含む複数コマの画像情報を取得する。

その画像情報は、撮影手段７内部又は外部の分析装置５へ伝達され、分析装置５はこれら画像情報を変形前の画像情報と比較し、例えば、観察面４５のマークの移動量を参照して被検体４０の変形量（変位）を求める。

図６は、コンベヤベルトの表面ゴム層を被検体４０として用いた場合の画像情報であって、撮影手段７が取得した複数コマの画像情報のうち、被検体４０の変形量が最も大きい瞬間の画像である。

落下体１０は刃先１２が観察面４５上の端縁部を直接押圧するから、被検体４０の変形する断面（すなわち観察面４５）が露出している。従って、被検体４０が弾性変形する態様、更には、弾性限度を超えて亀裂（カット）が生じた瞬間と、その亀裂の成長の様子を、画像情報として取得し、変形量を測定することができる。

本発明の試験方法では、撮影手段７での撮影と共に、好ましくは荷重計２５を用い、落下体１０の被検体４０への到達時刻から数秒間、落下体１０及び／又は被検体４０に加わる衝撃荷重を測定する。

被検体４０はゴムなどの弾性材料を用いて製造されているため、被検体４０の弾性限度（比例限度）までは荷重と変位との間に比例関係が成り立つ。すなわち、熱エネルギーなどを無視すると、弾性限度までの間に測定される荷重は、主に粘弾性、摩擦、変形で散逸したエネルギー（Ｉ）に相当する。

被検体４０が弾性限度を超えると、降伏点Ｐを境に荷重は増加せずに変位だけが増加すし、ここで破壊限度を超えると被検体４０に亀裂が生じる。従って、荷重の降伏点Ｐ以降に測定される荷重は、亀裂（カット面）生成と、粘弾性、摩擦、変形で散逸したエネルギー（ＩＩ）に相当する。

衝突により、被検体４０はある程度まで変形するが、被検体４０が表面から裏面まで完全に破断しない限り、衝突エネルギーを吸収した被検体４０が落下体１０を押し戻し、被検体４０の変位が開始時Ｓの変位に近づくよう回復する。すなわち、変位が増加から減少へ転じる降伏点Ｒ以降では、測定される荷重は、落下体１０を押し戻す際に使用される弾性エネルギー（ＩＩＩ）に相当する。

このように、荷重計２５の荷重情報と撮影手段７の変位情報とを関連付けすれば、各エネルギー（Ｉ）〜（ＩＩＩ）を定量的に求めることが可能になり、被検体４０を数値として比較、評価することが可能になる。

＜その他＞
本発明は上記実施形態に限定されず、適宜変更が可能である。
例えば、落下体１０が被検体４０の端縁部よりもはみ出した状態で衝突するのであれば、落下体５０の刃先５２は、中央部と両端部とで面一であってもよい（図７）。この場合、刃先１２の一端から他端までの長さよりも幅狭の被検体４０を用い、刃先５２の両端部が被検体４０の両縁端部からはみ出るように落下させれば、落下体５０の姿勢が落下時に多少崩れても、刃先５２端部で被検体４０が切断されず、被検体４０の耐カット性を正確に測定することができる。

撮影手段７は高速度カメラに限定されない。例えば、静止画ではなく、動画として観察面４５を撮影してもよい。撮影手段７の配置は特に限定されないが、その光軸が落下体１０の刃先１２に対し斜めになると、落下体１０で観察面４５が隠れる範囲が大きくなるので、落下体１０の側面に光軸を直交させることが好ましい。

被検体４０は、乾燥させた状態、表面を水で濡らした状態など、多様な状態で測定することも可能である。また、製品の実際の使用状態を考慮し、室温だけではなく、冷却又は加熱雰囲気で被検体４０を試験することも可能である。同じ被検体４０で状態や測定条件を変えて試験を行えば、実際の製品の使用条件（例えば、屋外の晴天、雨天、冬、夏を想定）ごとに、被検体４０を評価することができる。

落下体１０や支持台２１などの構造や材質は特に限定されないが、被検体４０が衝突変形するときに、自身が変形、破損しないような強固な材質、構造（厚さ）とすることが望ましく、例えば、金属、合金、強化プラスチック製のものを用いることができる。

１…試験装置、７…撮影手段、１０、５０…落下体、１２、５２…刃先（落下体の下端）、２０…支持手段、２５…荷重計、３０…落下機構、４０…被検体

Claims (8)

1. 被検体を支持する支持手段と、
   落下体を落下させて前記被検体に衝突させる落下機構と、
   衝突時の前記被検体を撮影する撮影手段と、を有し、
   前記落下機構は、前記被検体の端縁部よりも外側へはみ出した状態で前記落下体を衝突させることを特徴とする試験装置。
2. 前記被検体と衝突する前記落下体の下端は、中央部が両端よりも下方に突出したことを特徴とする請求項１に記載の試験装置。
3. 前記落下体の下端は、弧状に膨出して中央部が突出したことを特徴とする請求項２に記載の試験装置。
4. 前記落下体が前記被検体に衝突するときの荷重を測定する荷重計を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の試験装置。
5. 落下体を落下させ、当該落下体が弾性被検体に衝突したときの前記弾性被検体の変形を測定する試験方法であって、
   前記落下体を、前記弾性被検体の端縁部から外側へはみ出した状態で前記弾性被検体に衝突させ、前記変形を測定することを特徴とする試験方法。
6. 前記落下体がはみ出した前記弾性被検体の端縁部側面を撮影して、前記変形を測定する請求項５に記載の試験方法。
7. 前記落下体として、前記弾性被検体と衝突する下端が、両端よりも中央部で下方に突出したものを用いる請求項５又は６に記載の試験方法。
8. 前記落下体が前記弾性被検体に衝突するときの荷重を測定し、
   測定した荷重と、前記弾性被検体の変形とを関連付けて前記弾性被検体の評価を行う請求項５〜８のいずれか１項に記載の試験方法。

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