JP3119564U - 材料試験機 - Google Patents

Abstract

【課題】高速な歪変化を正確に測定する。
【解決手段】 試験機本体１、伸び計測のための高速度ビデオカメラ１０、および、それらを制御するための制御部１１などから構成される。高速度ビデオカメラ１０は試験片９の表面を撮影するように設置されている。試験片９の表面には、格子状のマークを描いておく。試験が始まる前の初期状態において格子は等距離間隔で整列しており、試験が開始され引張力が試験片９にかけられることに伴って試験片９およびその表面に描かれた格子状のマークが変形していく。この状態を刻々と撮影することで格子状マークの変形量を測定し、試験片９の引張方向のみならず横方向あるいは斜め方向の歪量として算出する。
【選択図】 図１

Description

本考案は試験体の材料としての特性を計測する材料試験機に関する。なかでも、試験片に対して速度の大きな引張力を加え、そのときの材料の特性を試験する衝撃引張試験に適した材料試験機に関する。

一般的な材料試験機は試験片に対して引張や圧縮の負荷を与える負荷機構と試験片の変形量を測定する歪測定機構を備えている。金属板の引張試験を例にして概略を説明すると次のようになる。規定の大きさに成形された試験片はその両端が上下のチャックによって掴まれるように試験機に装着される。その２つのチャックのうち、下側のチャックは試験機のベースに固定され、上側のチャックは上下に移動可能なクロスヘッドに固定されている。クロスヘッドと上側チャックとの間にはロードセルが介装され上側チャックを通じて試験片に加えられる引張力が測定できるようになっている。負荷が始まるとクロスヘッドは上方に駆動され両チャック間に装着された試験片が引張力を与えられる。その力は上述のロードセルによって測定され、試験片の伸び方向の歪量は別途試験片に装着される伸び計などによって測定される。これらの測定値から試験片の材料としての特性が計測され算出される。

試験片の歪量（伸び量）を測定するための伸び計は様々な方式のものが実用化されているが、最も多用されるのは歪ゲージ式の伸び計である。この伸び計は内部に歪ゲージを貼着した起歪部が設けられており、その起歪部から伸びる２本のアームを試験片の標線の位置にそれぞれ固定するように試験片に装着される。そして試験片が伸びるのに伴って伸び計内部の起歪部が変形しその変形量から試験片の伸び量が測定される。

試験片の伸び量を測定するために、試験片に装着される伸び計の代わりに、試験片そのものに歪ゲージを貼着することも行われる。歪ゲージは変形量に応じて抵抗値が変化する素子であって試験片に貼着されると試験片の変形に伴って歪ゲージも変形するので、歪ゲージの抵抗値を測定することで試験片の変形量が直接的に測定されるものである。とくに汎用的な伸び計が装着できない試験片の場合や、衝撃的な力が試験片に加えられる衝撃試験を行う場合には直接的に歪ゲージを使用して試験片の歪量を測定することがよく行われる。

また、試験片の伸びを光学カメラによって測定することも実用化されている。試験片に貼着された上下２つの標線を光学カメラで撮影しておき、試験片に伸び負荷がかけられるに伴って移動していく標線の位置から試験片の伸び量を演算するものである。

例えば、衝撃試験機の例は特許文献１に記載され、歪ゲージ式の伸び計の例は特許文献２に記載され、光学式伸び計の例は特許文献３に記載されている。

特開平９−１４５５７７号公報（図１） 特開２００２−１９５８０５号公報（図１） 特開平１１−１４３１４号公報（図１）

歪ゲージ式の伸び計は対象試験片が一般的な形状の試験片に限られる。また対象試験片が小さい場合は測定できる試験片の歪は引張方向の一次元的な伸び量に限られる。

歪ゲージを直接的に試験片に貼着する方法は衝撃引張試験のような特殊な試験方法にも対応できるが、対象材料によっては貼着できない場合もある。また測定できる歪の量はせいぜい３％から１５％程度であり、試験片の破断にいたるまでの測定限界を超える範囲の測定はできないので、負荷開始時点から試験片破断までの連続した物性評価を行うことはできない。

光学式伸び計は標線の描き方によっては原理的に試験片の２次元的な歪量を測定することができる。しかし通常の光学的なビデオカメラは画像の取り込み速度が大きくないので衝撃引張試験のような高速試験には対応できない。

本考案は上記課題に鑑みてなされたものであり、試験片の２次元的な歪量を測定すること、高速な試験片の変形に対応すること、さらには、負荷開始時点から試験片破断までの連続した歪量測定を行うことを目的とする。

本考案は、上記課題を解決するために、試験片に対して力を加える負荷部を有し、試験片に対して該負荷部により力を加えたときの前記試験片の変形量を測定して前記試験片の材料特性を測定する材料試験機において、前記試験片表面に描かれた格子状マークを撮影する高速度ビデオカメラを備えるとともに、前記負荷部により前記試験片に対して力を加えたときに前記高速度ビデオカメラで撮影された前記格子状マークの２次元的変形量から前記試験片の２次元的変形量を計測する計測制御部を備えることを特徴とする（請求項１）。

試験片に格子状のマークを描いておき、その縦と横の変形量をビデオカメラで撮影した映像に基づいて測定するから、試験片に与える力の方向のみならずその直角方向に対する変形量も測定でき、試験片の２次元的な変形量を測定できる。ビデオカメラは試験片には接触しない測定方式であるから負荷開始時点から試験片破断までの連続した歪量測定を行うことができる。しかもこのビデオカメラは高速な撮影が可能なビデオカメラであるから、衝撃引張試験のような高速な現象にも対応できる。

高速度ビデオカメラとしては、撮像素子の内部に画像情報を一時的に蓄えることのできるタイプの物が実用化されており、最高の撮影速度で１秒当たり１００万コマ程度の速度まで撮影できるようになっている。本考案に使用する高速度ビデオカメラとしては、このような高速度ビデオカメラを使用することが望ましい。

本考案は、負荷部が試験片に対して衝撃的な引張負荷を加えるような衝撃引張試験機に適用することができる（請求項２）。

また、高速の現象になればなるほど、試験片に力を加えるタイミングと歪量測定のための撮影タイミングを合わせることが重要になってくる。また、高速度ビデオカメラは連続して撮影できる時間に限りがあるという事情もある。そこで本考案装置は、試験片に加えられる負荷のタイミングと高速度ビデオカメラの撮影タイミングの同期をとるための同期信号を発生するタイミング信号発生部を備えることが望ましい（請求項３）。

タイミング信号によって試験片に負荷が加えられるタイミングと撮影タイミングが同期されるので重要な部分の撮影を逃すことなく必要な部分の歪測定を行うことができる。

本考案の材料試験機では、試験片に描かれた格子状のマークを高速度ビデオカメラによって撮影し歪量を測定するので、衝撃試験のような高速の現象に対応でき、しかも縦と横方向の２次元的な歪量を１度に測定することができる。

衝撃引張試験においては伸び量の測定が高速であることと非接触方式であることが威力を発揮し、簡単なセッティング操作のみで試験の開始から破断までの全ての工程を計測することができる。また、歪ゲージを直接的に試験片に貼り付ける方法と比較すると、貼り付けの手間がかからないだけでなく測定値がゲージ貼り付けの技術に依存せず、常に安定した伸び測定を行うことができる。

さらに、試験片に対する力の負荷タイミングと試験片上に描かれたマークの撮影タイミングを同期することによって確実に必要な工程のデータを得ることができる。

本考案の材料試験機を図１に示す概略構成図によって説明する。この材料試験機は衝撃引張試験機の例であって、試験機本体１、伸び計測のための高速度ビデオカメラ１０、および、それらを制御するための制御部１１などから構成される。制御部１１には操作者とのインターフェースとなる表示器や入力器も含まれ、測定結果から伸び等を演算して計測する機能も含まれている。

試験機本体１は次のように構成されている。ベース２に立設された２本のフレームの上方にヨーク４が渡されて、そのヨーク４にアクチュエータ５が取付けられている。アクチュエータ５に取付けられたチャック６とベース２に取付けられたチャック７との間に試験片９を装着する。チャック７とベース２との間には試験片９にかかる力を測定するロードセル８が介装されている。アクチュエータ５は油圧シリンダを主体として構成されており、試験片６に対して引張力を上方に向かって急激にかけることができる。

高速度ビデオカメラ１０は試験片９の表面を撮影するように設置されている。試験片９の表面には、図２（ａ）に例示したように、格子状のマークを描いておく。試験が始まる前の初期状態において格子状の点列は縦横等間隔で並んでおり、試験が開始され引張力が試験片９にかけられることに伴って試験片９およびその表面に描かれた格子状のマークが変形していく。この状態を高速度ビデオカメラ１０によって刻々と撮影することで格子状マークの変形量を測定し、試験片９の引張方向のみならず横方向あるいは斜め方向の歪量として算出する。

ここで用いられる高速度ビデオカメラ１０は、撮像素子内に映像データを蓄えるメモリを持ち、複数枚の映像を高速に記憶することによって高速撮影を可能とするタイプのものである。最大の撮影速度として１秒あたり１００万コマの撮影ができる速度を持ち、１００枚程度の画像を記憶できるものが実用化されている。もちろん１秒あたり１００コマから１万コマ程度の比較的ゆっくりした高速撮影も可能である。このようなタイプの高速度ビデオカメラはその動作原理により連続して撮影できる画像の枚数が制限されている。すなわち、連続して高速撮影できる画像の枚数は撮像素子に内蔵されている記憶容量に依存し、例えば１００枚の画像を記憶できる素子を使ったカメラでは連続１００枚の画像を高速に撮影できるのみである。

制御部１１は試験機本体１と高速度ビデオカメラ１０をそれぞれ制御する。また、試験機本体１による試験片９への力の負荷のタイミングと高速度ビデオカメラによる試験片９の撮影のタイミングを同期させる信号を発生する。

衝撃引張試験機においては衝撃力が試験片に加えられた直後の試験片の伸びを計測したいわけであるから、試験片に力がかかり始めた瞬間の信号をトリガとして高速度ビデオカメラの撮影動作を開始することが望ましい。例えば、アクチュエータ５の動作を開始する信号あるいはそれから所定時間だけ遅らせた信号を試験機本体１が発生し、その信号を制御部１１を介して高速度ビデオカメラ１０に対して撮影開始信号として送ることによって、両者のタイミングを同期させることができる。

この材料試験機を使用した測定の手順を説明する。
（１）試験対象である試験片９の歪測定箇所に格子状のマーク２０を施す。

（２）試験片９を試験機本体１に装着し、試験片に試験力が作用していない状態の変位ゼロ位置を決定する。
（３）高速度ビデオカメラ１０に適切なレンズ（例えば焦点距離１０５ｍｍのマクロレンズ）をセットし、必要があれば照明機器をセットし、試験片表面のマークに焦点をあわせると共に撮影範囲の画角を調整する。

（４）撮影開始時刻（撮影トリガ）を設定する。
（５）試験機本体１を動作させ試験片に引張負荷を与え経過時間に対する試験力の測定値を記憶するとともに、撮影トリガによって撮影を開始し画像を記憶する。

（６）試験機本体の動作終了後、撮影された画像を２次元動画解析にかける。
（７）その解析結果に基づいてマークの移動量から経過時間に対する試験片の歪量を２次元的に計測する。

（８）上記（５）で時系列的に得られた試験力を試験片の断面積で除して得られる応力と、上記（７）で時系列的に得られた歪量から、引張負荷開始時刻から試験片破断までの応力と歪量の関係を得る。
以上で測定の手順は終了である。

本考案の効果を試験片に直接貼付する歪ゲージと比較して詳述する。
（１）歪ゲージによる歪測定は、歪ゲージが貼り付けられた場所に限定される。それに対して本考案では格子状マークの粗密に依存した広範囲の測定ができる。例えば横５ｍｍ×縦１０ｍｍ程度の範囲の測定が可能である。
（２）歪ゲージは通常縦横５ｍｍ程度の寸法を有しているため歪ゲージより小さな試料寸法の歪を測定することができない。本考案では格子状マークの間隔を小さくすることにより約１ｍｍ四方の小領域の平面歪を測定することができる。
（３）歪ゲージは測定方向が貼り付けの方向に決まっているが、本考案では格子状マークの時間的変化を画像処理によって解析するので２次元平面内の任意の方向に対する歪測定が可能である。

試験片９に描く格子状マーク２０の例を図２によりさらに説明する。格子状マーク２０は図２（ａ）に示すように、点を縦横に並べて描いて升目状の模様としてもよい。また、図２（ｂ）に示すように、線を格子状になるよう描いてもよい。また、上記の点の代わりに小さな十字形を描いてもよい。このときの升目も正方形だけでなく長方形やその他の規則的な形でもよい。さらには試験片の表面に同じ格子を描くのではなく、場所によって格子状マークの粗密を設けてもよい。そのようにすれば精密に歪を測定する必要のある場所だけは詳しく解析することができる。

本考案の材料試験機の概略構成図である。 本考案に使用する試験片の一例である。

符号の説明

１…試験機本体、２…ベース、３…フレーム、４…ヨーク、５…アクチュエータ、６…チャック、７…チャック、８…ロードセル、９…試験片、１０…高速度ビデオカメラ、１１…制御部、２０…格子状マーク

Claims (3)

1. 試験片に対して力を加える負荷部を有し、試験片に対して該負荷部により力を加えたときの前記試験片の変形量を測定して前記試験片の材料特性を測定する材料試験機において、前記試験片表面に描かれた格子状マークを撮影する高速度ビデオカメラを備えるとともに、前記負荷部により前記試験片に対して力を加えたときに前記高速度ビデオカメラで撮影された前記格子状マークの２次元的変形量から前記試験片の２次元的変形量を計測する計測制御部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であって、前記負荷部は前記試験片に衝撃的な引張負荷を加える負荷部であ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であって、前記試験片に加えられる負荷のタイミングと前記高速度ビデオカメラの撮影タイミングの同期をとるための同期信号を発生するタイミング信号発生部を備えることを特徴とする材料試験機。

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