JP4164684B2

JP4164684B2 - 伸び計

Info

Publication number: JP4164684B2
Application number: JP2004185382A
Authority: JP
Inventors: 輝次松原; 忠興瀧井
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2004-06-23
Filing date: 2004-06-23
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2024-06-23
Also published as: JP2006010409A

Description

本発明は、引張試験に用いられる接触式の伸び計に関し、特に高速引張試験に用いるのに適した伸び計に関する。

引張試験において試験片の伸びを計測する接触式の伸び計としては、従来、差動トランス式の変位計や歪みゲージをセンシング部材としたものが知られており、その構造ないしは計測原理は、基本的には、試験片の２つの標線部に固定される固定具と、これらの各固定具相互の変位を差動トランス式の変位計に伝達し、あるいは歪みゲージが貼着された起歪部材に伝達してこれを歪ませることにより、試験片の２つの標線間の伸びを計測するものである（例えば特許文献１参照）。

また、１５０℃にも及ぶ高温の環境下での試験や、−４０℃にも及ぶ低温の環境下での試験においては、以上のような通常の伸び計を用いることができず、例えば各固定具を長い棒状のものとして、これらの相対的変位を常温またはそれに近い環境下に置かれた差動トランス等の計測部に伝達するようにした伸び計が用いられる。

更に、試験片の両端部を把持する一対の掴み具のうちの一方を、助走機構を備えたシリンダ等のアクチュエータにより他方に対して離隔する向きに急速に移動させることによって試験片に高速引張荷重を付与する高速引張試験においては、前記した通常の伸び計を用いると、衝撃により伸び計が破壊してしまう。そのため、このような高速引張試験においては、アクチュエータを構成するシリンダに、そのピストンの変位を計測する変位検出器を取り付け、その変位検出器の出力から試験片の伸びを推定している（例えば特許文献２参照）。
特開平６−２０１３０９号公報特開平１０−３１８８９４号公報

ところで、以上のような差動トランスや歪みゲージをセンサとして用いた従来の伸び計は、試験片の標線に固定される固定具の変位をこれらのセンサに伝達する機構が必要であり、比較的構造が複雑となり、高温や低温の環境下で用いるための伸び計にあっては、その構造は更に複雑なものとなる。

また、高速引張試験においてピストンの変位を検出する変位検出器の検出出力には、ピストンや助走機構を構成する治具の変形量も含まれるので、試験片の伸び量を正確に測定することはできない。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、高速引張試験において試験片の伸びを正確に計測することができ、従来のピストンの変位を検出する方法に比してその測定の正確さを大幅に向上させることのできる伸び計の提供をその課題としている。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の伸び計は、導電体からなる試験片の両端部をそれぞれ装着する一対の掴み具のうちの一方を、他方に対して高速度で移動させることにより試験片に高速度の引張荷重を作用させる高速引張試験に用いられる伸び計であって、上記一対の掴み具に装着される試験片の両端部のうち、移動側の掴み具に装着される側の端部の近傍に、試験片の引張方向に沿うよう孔を形成するとともに、固定側の掴み具が取り付けられる固定部材に固着され、上記孔の内側に移動自在に挿入されるコイルと、上記孔に対するコイルの挿入量の変化に基づく当該コイルのインダクタンスの変化を検出して試験片の伸びを計測する計測回路を備えていることによって特徴づけられる。

また、請求項２に係る発明の伸び計は、導電体からなる試験片の両端部をそれぞれ装着する一対の掴み具のうちの一方を、他方に対して高速度で移動させることにより試験片に高速度の引張荷重を作用させる高速引張試験に用いられる伸び計であって、上記一対の掴み具に装着される試験片の両端部のそれぞれに、試験片の引張方向に沿うよう孔を形成するとともに、固定側の掴み具が取り付けられる固定部材に固着され、上記各孔の内側に挿入される２つのコイルと、上記各孔に対する各コイルの挿入量の変化に基づく当該各コイルのインダクタンスの変化をそれぞれ検出し、その各検出結果から試験片の伸びを計測する計測回路を備えていることことによって特徴づけられる。

本発明は、導電体からなる孔内にコイルを挿入したとき、その挿入量に応じてコイルのインダクタンスが変化することを利用した変位計を、試験片の伸びの計測に用いることによって、所期の目的を達成しようとするものである。

すなわち、コイルを導電体からなるパイプや導電材料に形成された孔内に挿入して交流電圧を印加すると、コイルの被嵌部分におけるパイプないしは導電材料に渦電流が発生する。この渦電流による損失によりコイルのインダクタンスが減少する。このコイルのインダクタンスの変化から、パイプないしは孔内へのコイルの挿入量、ひいてはコイルとパイプないしは孔との相対位置を検出することができる。このような位置検出器の原理は、例えば特開２０００−１８０１０９号公報等において公知である。

請求項１に係る発明は、高速引張試験用の伸び計であり、試験片の両端部を移動側の掴み具と固定側の掴み具に装着し、移動側の掴み具を高速度で固定側の掴み具に対して離隔させる高速引張試験においては、試験片に直接的に伸び計を装着することが困難であることを勘案している。すなわち、請求項１に係る発明においては、上記のようなインダクタンス式の位置検出器を利用したものであって、導電体からなる試験片の固定側の掴み具に装着される端部の近傍に、試験片の引張方向に沿うような孔を形成する一方、固定側の掴み具が取り付けられる固定部材にコイルを固着し、そのコイルを上記の孔内に移動自在に挿入する。これにより、試験片が伸びると、孔に対するコイルの挿入量が変化してコイルのインダクタンスが変化し、その変化から試験片の伸びを計測することができる。

以上の請求項１に係る発明の構成によると、移動側の掴み具に装着される試験片の端部の近傍に形成された孔の形成部位と試験片把持部位間の変形量が伸びの計測結果に混入するものの、その量は従来のピストンの変位を計測して試験片の伸びを推定する場合に比して極めて少なく実用的には無視し得る程度であり、高速引張試験における試験片の伸びを正確に計測することが可能となる。また、孔とコイルのうち、配線が配線が必要なコイルはテーブル等の固定部材に固着するため、配線も簡単となる。

一方、請求項２に係る発明においては、移動側および固定側の掴み具に装着される試験片の両端部のそれぞれに孔を形成し、テーブル等の固定部材にはこれらの各パイプに個々に挿入される２つのコイルを固着する。これにより、移動側の掴み具に装着される側の端部の近傍に形成されている孔の変位と、固定側の掴み具に装着される側の端部の近傍に形成されている孔の変位をそれぞれ測定することができる。

そして、請求項１，２に係る発明では、試験片そのものに引張方向に沿った孔を形成し、その孔内にコイルを挿入してインダクタンス変化を検出するため、伸び計としての構成を簡素化することができると同時に、伸びの計測結果は試験片の２箇所の相対変位から求めるため、掴み具等の変形の影響を全く受けることがない。しかも、高速度で移動する移動側の掴み具に伸びを計測するための部材を全く設ける必要がない分、メンテナンスも容易となる。

請求項１に係る発明によると、高速引張試験における試験片の伸びを、従来のピストンの変位を計測することによって推定する場合に比して、より正確に計測することが可能となる。

また、高速度で移動する移動側の掴み具を含む一対の掴み具に何ら伸びの計測のための部材等を装着することなく、掴み具等の変形の影響を受けることなく高速引張試験における試験片の伸びを正確に計測することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は請求項２に係る発明の実施の形態の構成図であり、材料試験機による高速引張試験に供される導電体からなる試験片Ｗに、本発明に係る伸び計２００を装着した状態での機械的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図である。

この高速引張試験機では、試験片Ｗはその上下両端部が掴み具５２ａ，５２ｂに装着された状態で試験に供される。上側の掴み具５２ａは移動体３３の下端部に取り付けられているとともに、下側の掴み具５２ｂはロードセル３４を介してテーブル３５に取り付けられている。移動体３３は、その上方に配置されているピストン３６の空洞３６ａ内に挿入されており、この移動体３３の上端部分には上向きに広がるテーパ部３３ａが形成されている一方、空洞３６ａの下端部にはテーパ部３３ａと略同一の角度で上向きに広がったテーパ部３６ｂが形成されている。この構成により、ピストン３６を高速度で上昇させたとき、テーパ部３３ａと３６ｂが当接するまでの助走区間の後に、移動体が高速度の初速度のもとに上方に移動し、これによって試験片Ｗに高速引張荷重が加えられる。

試験片Ｗは断面が円形であり、両端部には中央部に比して大径の大径部Wa,Wbが形成されているとともに、その大径部Ｗａ，Ｗｂの先端側には雄ねじＷｃ，Ｗｄが一体に形成されている。

上下の掴み具５２ａ，５２ｂは、それぞれの下面または上面に雌ねじ５２ｃ，５２ｄを形成したものであって、試験片Ｗの両端部の雄ねじＷｃ，Ｗｄがこれらの雌ねじ５２ｃ，５２ｄにねじ込まれることによって試験片Ｗが試験機に装着される。

試験片Ｗの両端の大径部Ｗａ，Ｗｂには、それぞれの内側の面（軸方向中心側を向く面）に引張方向に沿った孔Ｈが形成されており、この各孔Ｈに、ロードセル３４を介してテーブル３５に固定されたスタンド１０５に固着されている、コイル１０３ａ，１０３ｂがそれぞれ非接触状態で挿入されており、これらの各孔Ｈおよび各コイル１０３ａ，１０３ｂ、スタンド１０５、各コイル１０３ａ，１０３ｂのインダクタンスを検出して各孔Ｈの変位量を求める計測回路１０４ａ，１０４ｂ、およびこれらの各計測回路１０４ａ，１０４ｂの出力を減算する演算回路１０６によって、伸び計２００が構成されている。コイル１０３ａ，１０３ｂは、細い棒状の磁性体の周囲に巻回されている。

計測回路１０４ａ，１０４ｂは、コイル１０３ａ，１０３ｂに交流電流を流してそのインダクタンスを検出することのできる回路であれば特に限定されないが、例えば図２にその要部回路構成図を示すように、交流電源１４ａと、その交流電源１４ａが正入力に接続されるオペレーショナルアンプ１４ｂと、そのオペレーショナルアンプ１４ｂの負入力と接地電位の間に挿入される抵抗１４ｃを備えるとともに、コイル１３をオペレーショナルアンプ１４ｂの負帰還回路に挿入した回路構成を採用することができる。なお、図１の構成において、各孔Ｈに挿入されるコイル１０３ａ，１０３ｂが図２におけるコイル１３に相当し、これらの各コイル１０３ａ，１０３ｂのそれぞれに対応する計測回路１０４ａ，１０４ｂは、互いに同じである。

導電体からなる試験片Ｗに形成された各孔Ｈ内にコイルル１３を挿入して交流電圧を印加すると、試験片Ｗに発生する渦電流による損失によってコイル１３のインダクタンスが低下する。従って、図２に模式的に示しているように、コイル１３のインダクタンスＬは孔Ｈ内へのコイル１３の挿入量Δの関数となる。図２の回路構成において、交流電源１４ａからの交流電圧をＶ_CO、抵抗１４ｃの抵抗値をＲ、オペレーショナルアンプ１４ｂの出力をＶ_Oとすると、

となる。この式（１）においてＬはΔの関数であるから、Ｖ_oからΔを知ることができ、あらかじめキャリブレーションにより係数を求めて設定しておくことにより、Ｖ_oから試験片Ｗの孔Ｈとコイル１３との相対変位を算出することができ、結局、コイル１３は固定されているため、孔Ｈの変位量を算出することができる。

以上の構８においてピストン３６を上昇させて移動体３３を所定の助走区間の後に高速度で移動させることにより、試験片Ｗには上側の掴み具５２ａを介して高速引張荷重が作用し、これによって試験片Ｗが伸びると同時に上側の掴み具５２ａが上方に移動し、更に下側の掴み具５２ｂについても弾性変形により僅かに上方に移動する。このとき、上側のコイル１０３ａの孔Ｈ内への挿入量が減少すると同時に、下側のコイル１０３ｂの孔Ｈ内への挿入量が増大する。

上側のコイル１０３ａおよび下側のコイル１０３ｂは、計測回路１０４ａ，１０４ｂによってそのインダクタンスの変化が検出され、その検出結果に基づいてそれぞれ上側の孔Ｈおよび下側の孔Ｈの上方への変位量が計測され、これらの各計測結果は、演算回路１０６によって上側の孔Ｈの変位量から下側の孔Ｈの変位量が減算され、その減算結果が試験片Ｗの伸びとして出力される。この例によると、従来はピストン３６の変位を計測して試験片Ｗの伸びを推定するが故にピストン３６や移動体３３等の伸びが計測値に含まれていたのに対し、計測回路１０４ａ，１０４ｂによる計測結果にはこれらの伸びが含まれていないため、従来に比して格段に正確な伸びの計測が可能となる。

また、この例によれば、伸びの計測結果は試験片Ｗ自体の２箇所の変位から求めたものであるため、掴み具等の変形に起因する誤差をも含まない正確な伸びの計測値となる。

ここで、以上の実施の形態においては、移動側の掴み具５２ａおよび固定側の掴み具５２ｂに装着される試験片Ｗの両端部のそれぞれの近傍に孔Ｈを形成し、その各孔にそれぞれコイル１０３ａ，１０３ｂを挿入して、各孔Ｈの変位を計測して伸びを求めた例を示したが、移動側の掴み具５２ａに装着される試験片Ｗの一端部の近傍にのみ孔Ｈを形成し、その孔Ｈに先の例と同等のコイルを挿入し、その１つのコイルのインダクタンスの変化を計測回路で計測して当該孔Ｈの変位を伸びの計測結果とすることもできる。ただし、この場合、下側の掴み具５２ｂに装着される試験片Ｗの端部の変位が、試験片Ｗの伸びに対して無視し得る程度の材質の試験片である場合にのみ有効である。

請求項２に係る発明の実施の形態の構成図であり、材料試験機による高速引張試験に供される試験片Ｗに本発明に係る伸び計を装着した状態での機械的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図である。本発明の実施の形態における計測回路１０４ａ，１０４ｂの要部回路構成図である。

符号の説明

２００伸び計
１３，１０３ａ，１０３ｂコイル
１０４ａ，１０４ｂ計測回路
１０５スタンド
１０６演算回路
５２ａ，５２ｂ掴み具
３クロスヘッド
３３移動体
３５テーブル
３６ピストン
Ｗ試験片
Ｗａ，Ｗｂ大径部
Ｈ孔

Claims

導電体からなる試験片の両端部をそれぞれ装着する一対の掴み具のうちの一方を、他方に対して高速度で移動させることにより試験片に高速度の引張荷重を作用させる高速引張試験に用いられる伸び計であって、
上記一対の掴み具に装着される試験片の両端部のうち、移動側の掴み具に装着される側の端部の近傍に、試験片の引張方向に沿うよう孔を形成するとともに、固定側の掴み具が取り付けられる固定部材に固着され、上記孔の内側に移動自在に挿入されるコイルと、上記孔に対するコイルの挿入量の変化に基づく当該コイルのインダクタンスの変化を検出して試験片の伸びを計測する計測回路を備えていることを特徴とする伸び計。
導電体からなる試験片の両端部をそれぞれ装着する一対の掴み具のうちの一方を、他方に対して高速度で移動させることにより試験片に高速度の引張荷重を作用させる高速引張試験に用いられる伸び計であって、
上記一対の掴み具に装着される試験片の両端部のそれぞれに、試験片の引張方向に沿うよう孔を形成するとともに、固定側の掴み具が取り付けられる固定部材に固着され、上記各孔の内側に挿入される２つのコイルと、上記各孔に対する各コイルの挿入量の変化に基づく当該各コイルのインダクタンスの変化をそれぞれ検出し、その各検出結果から試験片の伸びを計測する計測回路を備えていることを特徴とする伸び計。