JPH075087A - 材料試験方法および材料試験装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 プラスチック材料の変形による変色状態を定
量的に且つ客観的に測定できるようにする。 【構成】 プラスチック材料の試験片７０の一端を保持
部材２６により支持し、試験片７０の自由端側を固定側
支持部材２８ａにつき当てて支持する。ステッピングモ
ータの駆動力により円盤２５を回転させ、保持部材２６
により試験片７０を曲げ変形させる。ステッピングモー
タの制御によりこのときの曲げ速度を変化させる。それ
ぞれの変形速度に応じて試験片７０に生じた変色部に検
知光を照射し、変色部からの反射光を検知して光／電気
変換出力を得て、プラスチック材料の変質状態を測定す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラスチックなどの材
料を塑性変形させるとともに、材料が塑性変形する際の
変色（プラスチック材料の場合は白色化）の度合を光学
的に検知して、材料の変質程度を知る材料試験装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】材料を曲げたりあるいは引張って塑性変
形させると、変形部分の材質が変化して変色することが
知られている。プラスチック材料の場合には、塑性変形
部分が白色化することになる。この白色化の原因は、一
種の分子配向帯であって筋状に見えるクレーズ、ミクロ
的な割れであるクラック、あるいはプラスチック材料に
添加された改良剤（例えば母材の耐衝撃性を改良するた
めに加えるブタジエン系のゴム）の変質などによるもの
である。実際には上記の各要素がオーバーラップして白
色化現象が現われる。

【０００３】このプラスチック材料の白色化は材料の特
性として重要な研究課題の１つである。一般的に知られ
ていることは、耐衝撃性能の良好なものほど塑性変形時
の白色化が強く現れ、逆に白色化を抑えれば、耐衝撃性
が低下する傾向がある。この相反する傾向を念頭におい
て、白色化の度合が低く、しかも耐衝撃性能の優れた材
料を開発することが必要であるが、実際には白色化の程
度と耐衝撃性能のバランスの良いものが指向されている
のが現状である。

【０００４】以上の点から、材料の開発段階、特にプラ
スチック材料の開発に際しては、白色化の度合を知るた
めの試験を行なうことが必要であり、またその試験デー
タとしては客観的で且つ定量的なものを得ることが必要
である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の白色化度の試験
として文献などに発表されているものでは、材料を引張
って塑性変形させているものが主である。ところが、実
際のプラスチック製品の変形について考える場合には、
引張りだけではなく、折曲げ変形による白色化度を知る
ことも必要である。しかしながら、折曲げの場合には折
曲げ角度や折曲げ速度などの条件の設定などが困難であ
るため、研究報告もなされていないのが現状である。

【０００６】また、材料の引張り変形によって試験を行
なう場合においても、従来は、白色化の度合の測定を肉
眼判定によっていた。そのため、試験結果の報告も写真
などを掲載することによって行なっていた。ところが、
写真では焼付け条件や印画紙の種類などによってコント
ラストが異なり、客観的な試験データは残せなかった。
また他の方法としては、材料の白色化の度合に応じて５
点評価を行ない、点数によってデータを残すことも行な
われている。しかしながら、この方法では観測者の主観
が入り、正確な測定が行なわれない欠点がある。

【０００７】本発明は、上記従来の課題を解決するもの
であり、材料を速度を変えて引張りまたは曲げ変形し、
変形速度に応じて生じるプラスチックの白色化などのよ
うな材料の塑性変形による変色を客観的且つ定量的に測
定できる材料試験装置を提供することを目的としてい
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による材料試験方
法は、プラスチック材料の試験片の両端部を支持し、前
記試験片を変形速度を変えて引張り変形または曲げ変形
させ、それぞれの変形速度に応じて試験片に生じた変色
部に検知光を照射し、変色部からの反射光を検知して光
／電気変換出力を得て、プラスチック材料の変質状態を
測定することを特徴とするものである。

【０００９】また本発明による材料試験装置は、プラス
チック材料の試験片の両端部を支持する支持部と、この
支持部を移動させて試験片を引張り変形または曲げ変形
する変形駆動機構と、変形駆動機構の駆動源であるモー
タの動作速度を変化させる制御部と、試験片の変形によ
り生じた変色部に検知光を照射する照光装置と、変色部
から反射された光を検知する光／電気変換部とが設けら
れていることを特徴とするものである。

【００１０】

【作用】本発明は、プラスチック材料の変形による変色
（白色化）が、材料の引張りや曲げ変形の変形速度に依
存することに着目したものである。上記手段では、プラ
スチック材料の試験片の両端を支持し、変形速度を変え
て試験片を引張り変形または曲げ変形させ、変形速度に
応じて変化する変色部に検知光を照射し、変色部からの
反射光を受光し、光／電気変換することにより、プラス
チック材料の特質を測定するものである。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面によって説明す
る。まず本発明による材料試験装置の構造を説明する。
図１は材料試験装置の全体構造を示す正面図、図２はそ
の右側面図である。図中の符号１は設置台、２０は材料
変形装置、５０は照光装置、６０は受光装置である。

【００１２】上記設置台１はベース２と、その上に設け
られた枠体３とから成るものである。前記照光装置５０
と受光装置６０は枠体３によって支持されている。材料
変形装置２０は移動テーブル５上に固定されている。移
動テーブル５はＸ支持テーブル６上に設置されており、
ハンドル７を回転させることによって、移動テーブル５
はＸ支持テーブル６上をＸ方向へ移動できるようになっ
ている。またＸ支持テーブル６はＹ支持テーブル８上に
設置されており、ハンドル９を回転させることによっ
て、Ｘ支持テーブル６はＹ支持テーブル８上をＹ方向へ
移動できるようになっている。

【００１３】上記各ハンドル７と８を操作することによ
り、材料変形装置２０上にて塑性変形されて支持された
試験片７０と８０を照光装置５０ならびに受光装置６０
に対して位置決めできるようになっている。

【００１４】図３（平面図）、図４（正面図）ならびに
図５（要部のみ示す右側面図）、図６（図５の上面図）
は、前記材料変形装置２０を示しているものである。こ
の材料変形装置２０は、折曲げ試験片７０（プラスチッ
ク製）を図１１（Ｂ）に示す状態に折曲げ、あるいは引
張り試験片８０（プラスチック製）（図１参照）を引張
って変形させるためのものである。

【００１５】符号２１は材料変形装置２０のベースであ
る。このベース２１上には板金製のホルダ２２が固設さ
れており、このホルダ２２には駆動装置としてステッピ
ングモータ２３が固設されている。ステッピングモータ
２３の軸２４の一端には円板２５が固設されている。こ
の円板２５には材料の保持部材２６が固設されている。
この保持部材２６はチャック構造であり、つまみ２７を
回転させることによって折曲げ試験片７０の一端を挟持
できるようになっている。図２に示すように、保持部材
２６の先端２６ａは、円板２５の回転中心に位置してい
る。

【００１６】またベース２１上にはブロック２８が固設
されている。このブロック２８の上には固定側支持部材
２８ａが設けられている。この固定側支持部材２８ａは
その端部Ｂが前記保持部材２６の先端２６ａに対向して
いる（図５参照）。保持部材２６に挟持された試験片７
０の非挟持側の先端部分は、固定側支持部材２８ａの側
面に当接して支持されており、且つ保持部材２６の動作
に伴ない端部Ｂを基準として折曲げられるようになって
いる。

【００１７】図５、図６に示すように、固定側支持部材
２８ａにはその長手方向に沿う長穴２８ｂが形成されて
いる。そして、固定側支持部材２８ａはブロック２８に
よって両側から支持されており、このブロック２８に装
着されたボルト２８ｃが上記長穴２８ｂ内を貫通してい
る。ボルト２８ｃを弛めることにより、固定側支持部材
２８ａのブロック２８上における傾斜角度θを任意に変
えることができるようになっている。同時に長穴２８ｂ
をボルト２８ｃに対して摺動させることにより、固定側
支持部材２８ａのブロック２８からα方向への突出長さ
も調整できる。

【００１８】図５と図６は最も基本的な機構を示したも
のであり、図７、図８はさらに改良したものを示してい
る。図７と図８に示すものでは、ブロック２８の両面に
さらに回転円板２８ｄが設けられている。ボルト２８ｃ
はこの回転円板２８ｄとブロック２８を貫通し、さらに
固定側支持部材２８ａの長穴２８ｂを貫通して、その先
端は一方の回転円板２８ｄの雌ねじ部２８ｅに螺着され
ている。また両側の回転円板２８ｄは補助軸２８ｆによ
って互いに連結されている。この補助軸２８ｆは固定側
支持部材２８ａの長穴２８ｂ内に挿通されている。さら
にブロック２８には補助軸２８ｆを逃げるための円弧状
の長穴２８ｇが穿設されている。ボルト２８ｃを弛める
と、両側の回転円板２８ｄが補助軸２８ｆにて連結され
たままの状態で、ボルト２８ｃを中心として一体となっ
て回転できるようになっている。回転円板２８ｄを回転
させると、補助軸２８ｆに押されて固定側支持部材２８
ａが回動し、傾斜角度θの調整ができる。また、ボルト
２８ｃと補助軸２８ｆとによって長穴２８ｂがガイドさ
れるので、固定側支持部材２８ａは、α方向への突出量
を調整できるようになる。また、固定側支持部材２８ａ
の傾斜角度θの調節作業の際、回転円板２８ｄの回転角
度は目盛Ｍを基準として設定できるようになっている。

【００１９】なお、図５、図６に示すものに固定側支持
部材２８ａの傾斜角度θを知るための目盛を設けてもよ
い。この場合、目盛は例えば半円形状の板などに付し、
この板をブロック２８上に固定し、そして固定側支持部
材２８ａの縁部をこの目盛に合わせるようにすればよ
い。

【００２０】図３に示すように、枠体２２には一対の軸
受３２が固設されており、この軸受３２によってスクリ
ュー軸３１が回転自在に支持されている。このスクリュ
ー軸３１はステッピングモータ２３の軸２４と平行に設
けられている。ステッピングモータ２３の軸２４の他端
にはギヤ３３が、またスクリュー軸３１にはギヤ３４が
固設されて、両ギヤ３３と３４が噛合っている。また、
スクリュー軸３１にはスライダ３５が螺装されている。
このスライダ３５の一部は枠体２２から外方へ突出して
いる。枠体２２の側板には適当なガイド機構が設けられ
ており、前記スクリュー軸３１の回転に伴ない、スライ
ダ３５がガイド機構に沿ってβ方向（第３図、第４図参
照）へ直線的に移動するようになっている。

【００２１】スライダ３５の先端には保持部材３６が形
成されている。また枠体２２には固定保持部材３７が固
設されており、これが前記保持部材３６に対向してい
る。保持部材３６にはつまみ３８が、固定保持部材３７
にはつまみ３９が設けられており、この両つまみ３８と
３９を回転させることにより、試験片８０の両端部を保
持できるようになっている（図１参照）。上記保持部材
３６と固定保持部材３７とによる試験片８０の保持位置
は、ステッピングモータ２３の軸２４の中心、すなわち
試験片７０の折り曲げ点とほぼ同一の水平位置にある。

【００２２】ベース２１上には放熱板４１が設置されて
おり、この放熱板４１に抵抗器４２が固設され、また放
熱板４１の側面には回路基板収納部４３が設けられてい
る。図４に示すように、ベース２１の下面にはゴム脚４
４が固設されており、またベース２１の上にはハンドル
４５が固設されている。上記構造の材料変形装置２０
は、そのベース２１が移動テーブル５上に固定されるこ
とによって設置台１上に装備される（図２参照）。

【００２３】図１３はステッピングモータ２３を駆動す
る回路構成の一例を示したものである。この構成では、
パルス発振回路４７から発せられるパルスに基づきステ
ッピングモータ駆動回路４８がステッピングモータ２３
を駆動するようになっている。またマイクロコンピュー
タなどによって発振周波数制御回路４９が構成されてお
り、発振パルスの周波数を変えることによってステッピ
ングモータ２３の回転速度を可変でき、また、発振パル
ス数を制御して、ステッピングモータ２３の回転角度を
設定することができるようになっている。

【００２４】図９は照光装置５０と受光装置６０の内部
構造を示している。照光装置５０は、試験片７０または
８０に対して４５度の角度で検知光を照射するものであ
る。内部にはハロゲンランプなどの光源５１が設けられ
ており、この光源５１からの光がコンデンサ５２を経て
ミラー５３によって反射され、さらに断続器５４を経
て、コリメートレンズ５５から外部に照射されるように
なっている。

【００２５】受光装置６０は試験片７０あるいは８０に
対し垂直に対向している。受光装置６０の先端には対物
レンズ６１が設けられている。また内部には対物レンズ
６１と同軸上に位置するコンデンサ６２ならびにフィル
タ６３が装備されており、さらにその奥には光電子増幅
管などの受光部材（光／電気変換部）６４が設けられて
いる。また光路の途中には ハーフミラー６５が設けら
れ、その側方にはスクリーン６６と接眼レンズ６７が設
けられている。また、受光装置６０（および発光装置５
０）は上下方向へ５ｍｍ程度微動できるように支持され
ている。この微動動作によって試験片７０、または８０
からの反射光に対する焦点が合わせられる。

【００２６】図１０に示すように、照光装置５０から発
せられる検知光は、試験片７０または８０の塑性変形に
よる白色化部分Ｗにて反射され、その４５度方向への反
射成分が受光装置６０内の受光部材６４によって検知さ
れる。この検知面積Ａ（図１０参照）は０．１ないし
１．２ｍｍφ程度に設定される。

【００２７】図１２は受光部材６４による検知出力を電
気的に処理するための回路構成を示している。受光部材
６４によって検知される光量が変化すると、受光部材６
４から出力される電流が変化する。この電流は増幅器６
８ａにて増幅され、Ａ／Ｄコンバータ６８ｂによってデ
ジタル値に変換された後、比較器，表示器６９によって
基準値と比較され数値表示される。

【００２８】次に上記構成の材料試験装置を使用した材
料試験方法を説明する。この材料試験装置によって試験
を行なうには、プラスチック材料によって折曲げ試験片
７０あるいは引張り試験片８０を製作する。試験に際し
ては、上記試験片７０あるいは８０を材料変形装置２０
によって塑性変形させる。材料の変形時の変色、特にプ
ラスチック材料の白色化の進行度合は、材料の折曲げ角
度だけでなく、材料の折曲げ速度や引張り速度にも依存
するものであることが実験により理解されている。した
がって、試験片の折曲げ角度あるいは延び量が適正に設
定され、且つ変形速度が任意に変えられれば、条件に応
じた客観的な測定データを得ることができることにな
る。

【００２９】試験片７０あるいは８０の変形操作は、材
料変形装置２０が設置台１の移動テーブル５上に固定さ
れた状態のまま行なえる。このときには、各つまみ７，
９を回転させて、材料変形装置２０を照光装置５０など
から離しておく。

【００３０】図５に示すように、折曲げ用の試験片７０
を取付けるときには、材料変形装置２０の円板２５の停
止位置を調整して保持部材２６の設置角度を決めるとと
もに、ブロック２８上における固定側支持部材２８ａの
傾斜角度θを設定し、同時に固定側支持部材２８ａのα
方向への突出量も設定する。この設定操作はボルト２８
ｃを弛めることによって行なう。試験片はその約半分を
保持部材２６によって挟持する。そして試験片７０の保
持されていない半分は固定側支持部材２８ａの側面に軽
く接触させておく。上記のように保持部材２６と固定側
支持部材２８ａの傾斜角度を調整することによって、試
験片７０の折曲げ角度を自由に設定することができる。
また固定側支持部材２８ａのα方向への突出量を変える
ことにより、固定側支持部材２８ａの先端Ｂの位置すな
わち試験片７０の折曲げ位置を適当に設定できることに
なる。

【００３１】ステッピングモータ２３を始動させて、円
板２５を回転させると、保持部材２６が同方向へ回転し
て、試験片７０は図１１（Ｂ）の状態に折り曲げられ
る。このとき、発振周波数制御回路４９によって発振パ
ルスの周波数を所定に設定しておけば、円板２５の回転
角速度を設定することができる。すなわち試験片７０の
折り曲げ速度を任意に設定でき、速度毎のデータを取れ
ることになる。また、試験片７０の折曲げ角度は、発振
パルス数を変えることによって設定できる。

【００３２】また、引張り用の試験片８０を使用する場
合には、その両端を保持部材３６と固定保持部材３７と
によって挟持させる。そしてステッピングモータ２３を
始動させれば、軸２４の回転がギヤ３３，３４を介して
スクリュー軸３１に伝達され、これに螺装されているス
ライダ３５が移動し、これと共に保持部材３６がβ方向
へ直線的に移動する。そして試験片８０が引張られて塑
性変形する。このときにも、発振パルスの周波数あるい
はパルス数を変えて、ステッピングモータ２３の回転角
速度と回転角度を可変させれば、試験片８０の引張り変
形速度と変形量（ひずみ量）を任意に変えることができ
る。

【００３３】上記のように材料変形装置２０によって試
験片７０あるいは試験片８０を変形させた後、この試験
片７０，８０を各保持部材２６あるいは３６，３７にて
保持したまま光学測定を行なう。まず、折り曲げられた
試験片７０では、図１１（Ｂ）図に示す側面から見た場
合に、折り曲げた頂点に対して垂直な方向に入光軸
（イ）と反射光軸（ロ）を対向させる。また図１１
（Ａ）に示す正面から見た場合には入光軸（イ）が折り
曲げ部の稜線に沿って４５度の角度から入射するように
設定し、また反射光軸（ロ）は稜線に対して９０度の角
度に延びるように設定する。また、引張り試験片８０に
対しては、その平面に対して入光軸（イ）を４５度の角
度にて入射させ、反射光軸（ロ）は平面に対して垂直に
対向させる。

【００３４】このような状態に試験片７０あるいは８０
の位置を設定するためには、設置台１上の移動テーブル
５を移動させる。この設定は、ハンドル７とハンドル９
を回転させることにより行われる。なお、白色化部分Ｗ
に検知光のピントを合わせる必要があるが、この作業
は、接眼レンズ６７からスクリーン６６（図９参照）を
見て、ピントを確認しながら受光装置６０（および発光
装置５０）を上下方向へ微動させて行なう。

【００３５】位置設定が完了した後、照光装置５０内の
光源５１を点灯させると、その光は、試験片７０あるい
は８０の白色化部分Ｗの検知領域Ａに照射される。そし
て、その反射光の４５度方向の成分は、受光装置６０に
入光し、受光部材６４にて検知される。受光部材６４で
は、入光する光量に応じた電流が流れるので、この電流
値を増幅器６８ａにより増幅し、ＡＤコンバータ６８ｂ
によってディジタル値に変換する。そしてこの値を数値
にて表示する。あるいはこの値を一定の基準値と比較し
て表示する。基準値の一例としては、酸化マグネシウム
などによって成形された標準白色板を使用し、その白色
度を（１００）とし、測定された値をこの（１００）を
基準として数値で表すようにする。

【００３６】なお、受光装置６０内の受光部材６４は光
電子増幅管に限られず、シリコンホトセルなど他の光学
素子であってもよい。また、本発明による材料試験装置
によってプラスチック以外の材料、例えば金属やセラミ
ックなどの変形時の変色度合を試験することも可能であ
る。

【００３７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、プラスチ
ック材料の試験片の変形による変色面からの反射光を受
光部材によって検知し、この光量によって塑性変形によ
る変色の度合を検知し、しかもこの検知量を電気的に処
理して表示できるようにしているので、材料の変色度合
を客観的且つ定量的に把握できることになり、正確な測
定データが得られ、材料の開発に際し有効な資料を提供
できるようになる。

【００３８】また試験片の引張りまたは曲げ変形の変形
速度を変えて測定することができるため、変形速度に依
存した変色度を知ることができ、材料の特性を変形速度
との関係において測定できることになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】材料試験装置の全体構造を示す正面図、

【図２】図１の全体構造の右側面図、

【図３】材料変形装置の平面図、

【図４】図３の材料変形装置の正面図、

【図５】固定側支持部材の取付部を示す右側面図、

【図６】図５の上面図、

【図７】他の実施例による固定側支持部材の取付部を示
す右側面図、

【図８】図７の上面図、

【図９】照光装置と受光装置の内部構造の説明図、

【図１０】試験片における測定領域の説明図、

【図１１】（Ａ）折り曲げ試験片に対する測定方法を示
す正面図、（Ｂ）はその側面図、

【図１２】受光部材の検知出力を処理するための回路構
成図、

【図１３】材料変形装置の駆動系の回路構成図である。

【符号の説明】

１ 設置台 ４，５ テーブル ２０ 材料変形装置 ２３ ステッピングモータ ２６ 折曲げ試験片の保持部材 ２８ ブロック ２８ａ 固定側支持部材 ２８ｃ，２８ｄ 角度可変機構 ３６，３７ 引張り試験片の保持部材 ４７ パルス発振回路 ４９ 発振周波数制御回路 ５０ 照光装置 ５１ 光源 ６０ 受光装置 ６４ 受光部材 ６９ 比較器，表示器 ７０ 折曲げ試験片 ８０ 引張り試験片

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラスチック材料の試験片の両端部を支
   持し、前記試験片を変形速度を変えて引張り変形または
   曲げ変形させ、それぞれの変形速度に応じて試験片に生
   じた変色部に検知光を照射し、変色部からの反射光を検
   知して光／電気変換出力を得て、プラスチック材料の変
   質状態を測定することを特徴とする材料試験方法。
2. 【請求項２】 プラスチック材料の試験片の両端部を支
   持する支持部と、この支持部を移動させて試験片を引張
   り変形または曲げ変形する変形駆動機構と、変形駆動機
   構の駆動源であるモータの動作速度を変化させる制御部
   と、試験片の変形により生じた変色部に検知光を照射す
   る照光装置と、変色部から反射された光を検知する光／
   電気変換部とが設けられていることを特徴とする材料試
   験装置。