WO2024029201A1 - 材料試験機 - Google Patents

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WO2024029201A1
WO2024029201A1 PCT/JP2023/021566 JP2023021566W WO2024029201A1 WO 2024029201 A1 WO2024029201 A1 WO 2024029201A1 JP 2023021566 W JP2023021566 W JP 2023021566W WO 2024029201 A1 WO2024029201 A1 WO 2024029201A1
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WO
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section
testing machine
material testing
cable
load cell
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PCT/JP2023/021566
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English (en)
French (fr)
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善将 高山
啓太 福島
文人 伊藤
慶太郎 藪
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MinebeaMitsumi Inc
Original Assignee
MinebeaMitsumi Inc
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    • G01N2203/06—Indicating or recording means; Sensing means
    • G01N2203/0617—Electrical or magnetic indicating, recording or sensing means

Definitions

  • the present invention relates to a material testing machine.
  • Patent Document 1 A material testing machine that performs a tensile test, a compression test, etc. on a specimen is known (for example, see Patent Document 1).
  • the material testing machine of Patent Document 1 is equipped with a load cell that converts a load applied to a test object into an electrical signal.
  • a load cell is connected via a communication line to a control section that processes electrical signals from the load cell. Therefore, when an electrical signal is transmitted via a communication line, there is a possibility that it will be affected by a non-negligible level of noise.
  • one of the objects of the present invention is to provide a material testing machine that can reduce the influence of noise.
  • the present invention is a material testing machine for performing a material test on an object, which includes: a measuring section that converts a force applied to the object into an electrical signal; an amplifying section that amplifies the electrical signal; an amplification/conversion section including an AD conversion section that digitizes the electrical signal amplified by the amplification section; the amplification/conversion section is configured integrally with the measurement section; is constructed as a separate body and placed near the measuring section.
  • the amplification conversion section may be configured integrally with the measurement section.
  • the amplification conversion section may be configured separately from the measurement section and connected to the measurement section, and the measurement section and the amplification conversion section may be fixed to a moving crosshead of the material testing machine.
  • the amplification/conversion section may be fixed to the movable crosshead via a cushioning material, or may be fixed to the top surface of the movable crosshead.
  • the measurement section and the amplification conversion section may be driven by alternating current.
  • the material testing machine may further include a cable that connects the amplification conversion section and a control unit that processes a digital signal output from the amplification conversion section.
  • the cable may have a core wire and one or more layers of shielding that reduce the influence of noise on the core wire, and may be a twisted pair cable, and the cable may be a twisted pair cable, and the cable may have a core wire and one or more layers of shielding that reduce the influence of noise on the core wire, and may be a twisted pair cable.
  • the wiring may be wired so that the deflection occurs when the distance between the control unit and the control unit is the greatest.
  • the material testing machine includes an arithmetic processing unit configured integrally with the amplification conversion unit, and the measurement unit is included in a load cell having a memory storing data for calibrating the material testing machine.
  • the arithmetic processing section may calibrate the material testing machine by reading the data from the memory of the load cell when the load cell is connected to the amplification conversion section.
  • the material testing machine may be a tension compression testing machine for performing a tensile test and a compression test on the subject.
  • a material testing machine capable of reducing the influence of noise is provided.
  • FIG. 5 is a block diagram mainly showing functional blocks of a load cell unit and a control unit of the material testing machine shown in FIG. 5.
  • FIG. 5 is a block diagram mainly showing functional blocks of a load cell unit and a control unit of the material testing machine shown in FIG. 5.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a material testing machine of this embodiment.
  • the material testing machine 1 of this embodiment is a tensile compression testing machine, and includes a base 12, a top surface 15 parallel to the base 12, a pair of frames 10A and 10B, and a movable
  • the main components include a crosshead 11, a load cell unit 20, and a control unit 30.
  • the material testing machine 1 is used with the base 12 facing vertically downward and the top surface 15 facing vertically upward.
  • the pair of frames 10A and 10B are perpendicular to the base 12 and the top surface 15, and extend from the base 12 to the top surface 15.
  • a ball screw is housed inside each of the frames 10A and 10B.
  • Each of the ball screws housed in the frames 10A, 10B is connected to a drive unit 16 such as a motor via various gear mechanisms, etc., and when driven by this drive unit 16, the ball screws housed in the frames 10A, 10B are The ball screws rotate in synchronization with each other.
  • the moving crosshead 11 is a plate-shaped member parallel to the base 12 and the top surface 15, and has a main surface 11D on the base 12 side, a main surface 11U on the top surface 15 side, and a side surface 11R on the frame 10A side. , and a side surface 11L on the frame 11B side.
  • the height H from the main surface 11U to the main surface 11D of the movable crosshead 11 is approximately 1/2 or less of the width W from the side surface 11R to the side surface 11L of the movable crosshead 11.
  • the ratio of height H to width W is not limited to this.
  • the side surface 11R of the moving crosshead 11 is attached to a ball screw housed in the frame 10A via an attachment mechanism (not shown).
  • the side surface 11L is also attached to a ball screw housed in the frame 10B via an attachment mechanism (not shown). Therefore, when the drive unit 16 is driven and each of the ball screws housed in the frames 10A, 10B rotates, the movable cross head 11 moves along the longitudinal direction of the frames 10A, 10B ( That is, it moves to the base 12 side or to the top surface 15 side). In this embodiment, the movable crosshead 11 is controlled to move between an upper limit position (highest reached position) 10U and a lower limit position 10D in the frames 10A and 10B.
  • a load cell unit 20 is attached to one of the main surfaces 11D and 11U of the moving crosshead 11.
  • the load cell unit 20 is attached to approximately the center of the main surface 11D.
  • the load cell unit 20 has a case 21, and electronic components constituting various functional blocks described below are stored or mounted in the case 21.
  • a first jig 17 that constitutes a test jig 19 is attached to this load cell unit 20. Further, a second jig 18 constituting a test jig 19 is attached to a portion of the base 12 that faces the first jig 17 .
  • the first jig 17 is configured to be able to grip one side of the subject 100
  • the second jig 18 is configured to be able to grasp the other side of the subject 100.
  • the material testing machine 1 can measure the test force at which the specimen 100 breaks and various other properties of the specimen 100 related to tension, and functions as a tensile testing machine.
  • the first jig 17 and the second jig 18 of the test jig 19 may be replaced with platens, respectively.
  • the subject 100 is held between the movable crosshead 11 and the base 12 via a pair of platens, and when the movable crosshead 11 moves toward the lower limit position 10D, the subject 100 is compressed, and the movable crosshead When the head 11 descends to a predetermined position, the subject 100 is compressed and destroyed.
  • the material testing machine 1 can measure the test force when the subject 100 undergoes compression failure and various other characteristics of the subject 100 related to compression, and functions as a compression testing machine.
  • the material testing machine 1 of this embodiment is configured as a tension compression testing machine.
  • FIG. 2 is a block diagram mainly showing functional blocks of the load cell unit 20 and control unit 30 of the material testing machine 1.
  • the load cell unit 20 includes, for example, a power supply section 28, a measurement section voltage generation section 29, a measurement section 22, an amplification conversion section 23, an arithmetic processing section 26, and a driver section 27. It has as its main functional block. That is, in this embodiment, the measurement section 22 and the amplification conversion section 23 are integrally configured.
  • the power supply section 28 supplies direct current or alternating current power supplied from the external power source 40 to a measurement section voltage generation section 29, an amplification conversion section 23 (that is, an amplification section 24 and an AD conversion section 25 to be described later), and an arithmetic processing section. 26, a driver section 27, etc. That is, the measurement section 22 and the amplification conversion section 23 are driven by direct current or alternating current.
  • the power supply section 28 converts the power supplied from the external power source 40 into direct current and alternating current, etc., and supplies the power from the external power source 40 to the measurement section voltage generation section 29, the amplification conversion section 23, and the arithmetic processing section 26. , and the driver section 27 may convert it into usable power.
  • the measurement section voltage generation section 29 converts the power supplied from the power supply section 28 into power that can be used by the measurement section 22 .
  • the voltage generation part 29 for measurement parts is not an essential structure in the material testing machine 1.
  • the measurement section 22 includes a strain gauge. Further, the first jig 17 configuring the test jig 19 is connected to the measurement section 22 . Therefore, as the movable crosshead 11 moves and the test jig 19 pulls or compresses the subject 100, strain occurs in the strain gauge of the measuring section 22.
  • This strain gauge is part of a Wheatstone bridge circuit, and through this Wheatstone bridge circuit, changes in resistance due to strain occurring in the strain gauge are converted into voltage. The voltage signal (electrical signal) from the measurement section 22 is output to the amplification conversion section 23.
  • the amplification conversion section 23 includes an amplification section 24 and an AD conversion section 25.
  • the amplifying section 24 amplifies the electrical signal output from the measuring section 22 and outputs the amplified electrical signal to the AD converting section 25 .
  • the AD conversion section 25 then converts the amplified electrical signal into a digital signal and outputs this digital signal to the arithmetic processing section 26.
  • the load cell unit 20 of the material testing machine 1 is configured as a so-called digital load cell in which the measurement section 22 and the amplification conversion section 23 are integrated.
  • the arithmetic processing unit 26 is composed of, for example, a CPU (Central Processing Unit).
  • the arithmetic processing unit 26 outputs the digital signal output from the AD conversion unit 25 to the driver unit 27.
  • a cable 60 (see FIG. 1) is connected to the driver section 27.
  • the arithmetic processing section 26 may convert the digital signal output from the AD conversion section 25 into a predetermined format as necessary, and output the converted signal to the cable 60.
  • the arithmetic processing section 26 may control each section of the load cell unit 20 in an integrated manner. In this case, the arithmetic processing section 26 may control the load cell unit 20 according to an instruction (control instruction) indicated by a control signal from the control unit 30.
  • the driver section 27 outputs a digital signal (or a signal obtained by converting the digital signal) to the cable 60 in a format according to the communication format between the load cell unit 20 and the control unit 30.
  • the driver section 27 outputs a digital signal to the cable 60 as serial data such as RS-232C or RS-422/485.
  • the cable 60 connects the load cell unit 20 and the control unit 30. That is, the amplification conversion section 23 and the control unit 30 are connected via the cable 60.
  • the cable 60 is a cable that propagates the digital signal output from the amplification conversion section 23 to the control unit 30.
  • a commonly available communication cable according to the RS-232C or RS-422/485 communication standards may be used as the cable 60.
  • the cable 60 has a first section 61 extending along the moving crosshead 11 from the load cell unit 20 to the frame 10A, a second section 62 extending along the outer wall of the frame 10A, and a first section of the second section 62.
  • the second section 62 is a section connecting the first section 61 and the third section 63.
  • the wiring in FIG. 1 is an example.
  • the cable 60 passes through the front side of the frame 10A (that is, the front side of the material testing machine 1).
  • the cable 60 may be routed so as to pass through the back side of the frame 10A (that is, the back side of the material testing machine 1).
  • the wiring route, wiring method, and length of the cable 60 are not particularly limited as long as the cable 60 is wired so that it can be "flexed” as described below.
  • the second section 62 of the cable 60 is bent.
  • the second section 62 and the third section 63 do not extend linearly but are bent.
  • the cable 60 is still bent.
  • the amount of deflection of the cable 60 and the deflected portion of the cable 60 may be determined as appropriate within a range that does not interfere with the original functions of the material testing machine 1, such as movement of the moving crosshead.
  • the first section 61 of the cable 60 may be bent.
  • the cable 60 may be a cable that is not specially shielded to reduce the influence of noise. More specifically, the cable 60 may be a coaxial cable as shown in FIG. 3, for example.
  • This coaxial cable consists of a core wire 601 through which the digital signal output from the amplification converter 23 propagates, an insulator 602 that covers the core wire 601, a shield 603 that covers the insulator 602, and a jacket 604 that covers the shield 603.
  • the shield 603 is made of a conductor, for example, and reduces the influence of noise on the core wire 601.
  • the cable 60 may be a twisted pair cable as shown in FIG.
  • This twisted pair cable includes a pair of core wires 611 twisted together through which a digital signal output from the amplification converter 23 propagates, an insulator 612 that covers the pair of core wires 611, and a shield 613 that covers the insulator 612. It consists of a jacket 614 that covers a shield 613.
  • the shield 613 is made of a conductor, for example, and reduces the influence of noise on the pair of core wires 611.
  • the cable 60 shown in FIG. 4 has one or more layers of shielding to reduce the influence of noise on the pair of core wires 611, and has been subjected to a special shielding process to reduce the influence of noise. There is no cable.
  • control unit 30 has a power supply section 35, a driver section 31, an arithmetic processing section 32, a control section 33, and a memory 34 as main functional blocks.
  • the power supply unit 35 is connected to an external power supply 40, and supplies power supplied from the external power supply 40 to the driver unit 31, the arithmetic processing unit 32, the control unit 33, the memory 34, and the like.
  • the driver section 31 is connected to the driver section 27 of the load cell unit 20 via a cable 60, and receives the digital signal output from the driver section 27 of the load cell unit 20. For example, when the driver section 31 receives a digital signal as serial data, it may convert this into parallel data. The driver section 31 outputs a digital signal to the arithmetic processing section 32.
  • the arithmetic processing unit 32 is composed of, for example, a CPU, and converts the input digital signal into digital data, and refers to various tables stored in the memory 34 to convert this digital data into various types of the subject 100. Convert it into analog data indicating the properties (e.g. tensile strength, compressive strength, etc.) of The arithmetic processing section 32 outputs this analog data to the control section 33.
  • the memory 34 includes ROM (Read Only Memory), RAM (Random Access Memory), and the like.
  • the control unit 33 is composed of, for example, a CPU, and controls the material testing machine 1. Specifically, the control unit 33 stores the analog data input from the arithmetic processing unit 32 in the memory 34, reads out the analog data stored in the memory 34 as necessary, and displays the analog data on a display or the like. It displays on the display section 50 configured and controls the operation of the drive section 16 shown in FIG.
  • control unit 30 processes the digital signal output from the amplification conversion section 23 of the load cell unit 20, and displays and manages the data detected by the measurement section 22 of the load cell unit 20.
  • control section 33 may issue control instructions to the load cell unit 20.
  • the control section 33 creates a control instruction for the load cell unit 20 and outputs the control instruction to the arithmetic processing section 32 .
  • control instruction referred to here is, for example, an instruction for zero/span adjustment to the arithmetic processing section 26 of the load cell unit 20. This is an instruction to the measurement unit 22 to start or end measurement.
  • the arithmetic processing unit 32 converts the control instruction received from the control unit 33 into a control signal, and outputs the control signal to the driver unit 31.
  • the driver section 31 outputs the control signal etc. received from the arithmetic processing section 32 to the driver section 27 of the load cell unit 20.
  • the material testing machine 1 includes (i) the measurement unit 22 that converts the force applied to the subject 100 into an electrical signal, and (ii) the amplification unit that amplifies this electrical signal.
  • the amplification/conversion section 23 includes a section 24 and an AD conversion section 25 that digitizes the amplified electrical signal, and the amplification/conversion section 23 is configured integrally with the measurement section 22 .
  • the electrical signal generated in the measuring section 22 is converted into a digital signal before being output from the load cell unit 20 to the cable 60 (that is, within the load cell unit 20). converted.
  • the electrical signal may be affected by noise while propagating through the cable 60.
  • the electrical signal is an analog signal, there is a risk that a non-negligible error may occur between the data indicated by the analog signal that has reached the control unit 30 and the data measured by the measurement unit 22 due to the influence of noise. .
  • the material testing machine 1 according to the present embodiment, the data measured by the measuring section 22 is converted into a digital signal within the load cell unit 20 and then conveyed to the control unit 30. Therefore, compared to the case where the analog signal is transmitted to the control unit 30 as it is, the influence of noise on the electrical signal generated in the measuring section 22 is reduced. Therefore, according to the material testing machine 1, it is possible to reduce the frequency of occurrence of an error between the data measured by the measurement unit 22 and the data processed by the control unit 30, and/or the error itself. In addition, in such a material testing machine 1, additional filter processing is performed on the analog signal outputted by the measurement section 22 and/or a digital signal outputted from the amplification conversion section 23, and additional shielding is applied to various wirings including the cable 60. By performing processing, it is possible to further reduce the influence of noise. Thereby, the material testing machine 1 can obtain even more reliable measurement data (that is, measurement data with high stability and accuracy).
  • the influence of noise on the cable 60 is reduced. Therefore, according to the material testing machine 1, highly reliable measurement data can be obtained regardless of the structure or material of the cable used. For example, cables that have not been specially shielded to reduce the effects of noise (for example, cables with only one layer of shielding or one-way shielding) cannot be easily processed by conventional material testing machines. In view of this, it was difficult to use.
  • the material testing machine 1 even when a type of cable such as this, which is difficult to use with conventional material testing machines, is used as the cable 60, the influence of noise can be reduced and reliability can be improved. It is possible to obtain high-quality measurement data.
  • a specially shielded cable i.e., a relatively expensive cable
  • the manufacturing cost of the material testing machine 1 as a whole is reduced. Is possible.
  • the signal output from the load cell unit 20 is also AC, so it is more susceptible to the parasitic capacitance of the cable 60 than when the signal is DC. Moreover, this parasitic capacitance increases as the cable 60 becomes longer. As described above, when the signal is alternating current, the influence of noise caused by the parasitic capacitance of the cable 60 can become large. However, as described above, according to the material testing machine 1, the electrical signal from the measuring section 22 is converted into a digital signal within the load cell unit 20, so even if the signal is alternating current, such parasitic capacitance The effects of noise caused by this are reduced.
  • the material testing machine 1 even if the measurement section 22 and the amplification conversion section 23 of the load cell unit 20 are driven with alternating current, it is possible to obtain highly reliable measurement data (that is, measurement data with high stability and accuracy). I can do it. That is, according to the material testing machine 1, AC drive can be realized while reducing the disadvantages of AC drive of the load cell unit 20.
  • alternating current for example, when forcibly cutting off the current supply to the load cell unit 20, it is possible to cut off the current at the timing of the zero point of the current, and the material testing machine 1 It is possible to enjoy the effects of suppressing the load on the electrical system, etc.
  • the influence of the parasitic capacitance can be further reduced by using the cable 60 as a twisted pair cable as shown in FIG. 4, for example.
  • the influence of parasitic capacitance can be reduced by using the cable 60 as a twisted pair cable.
  • the material testing machine 1 when the movable crosshead 11 is at the upper limit position 10U (highest reached position), that is, when the distance between the movable crosshead 11 and the control unit 30 is the farthest, , there is a deflection in the cable 60. Therefore, according to the material testing machine 1, it is possible to prevent excessive tensile force from being applied to the cable 60 when the moving crosshead 11 reaches the upper limit position 10U. By the way, it is generally expected that the longer the cable length of the material testing machine, the greater the influence of noise. Therefore, when the cable of the material testing machine has the above-mentioned flexure, the influence of noise may increase compared to when there is no flexure in the cable of the material testing machine. However, in the material testing machine 1, since the influence of noise is reduced as described above, it is possible to give the cable 60 such flexure while reducing the influence of noise.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing the material testing machine of this embodiment.
  • the material testing machine 2 of the present embodiment is the material testing machine of the first embodiment, except that the configuration of the load cell unit is different from the load cell unit 20 of the material testing machine 1 of the first embodiment. It has roughly the same configuration as 1. Therefore, regarding the material testing machine 2, the points related to the load cell unit will be explained below, and the other components will be given the same reference numerals as in the first embodiment, and the explanation will be omitted.
  • the load cell unit 120 of this embodiment includes a load cell 140 attached to the main surface 11D of the movable crosshead 11 on the base 12 side, and a main surface 11U of the movable crosshead 11 on the top surface 15 side. It has a signal processing unit 150 attached to.
  • the load cell 140 having the measuring section 142 described later and the signal processing unit 150 having the amplifying section 154 and AD converting section 155 described later are configured separately. . Both the load cell 140 and the signal processing unit 150 are fixed to the moving crosshead 11.
  • the load cell 140 has a case 141, and electronic components constituting various functional blocks of the load cell 140, which will be described later, are stored or mounted in the case 141.
  • the signal processing unit 150 has a case 151, and electronic components constituting various functional blocks of the signal processing unit 150, which will be described later, are stored or mounted in the case 151.
  • the load cell 140 and the signal processing unit 150 are connected by a wiring 121.
  • the length of the wiring 121 is extremely short compared to the cable 60.
  • the wiring 121 may be less than or equal to the length of the second section 62 of the cable 60, and further may be less than or equal to the length of the first section 61 of the cable 60. Since the load cell 140 and the signal processing unit 150 are both fixed to the moving crosshead 11, they are placed close enough to each other that they can be connected by the wiring 121, which is extremely short compared to the length of the cable 60.
  • the signal processing unit 150 is fixed to the moving crosshead 11 via a cushioning material 122.
  • a cushioning material 122 rubber for vibration isolation and/or earthquake resistance can be used as the cushioning material 122. More specifically, for example, urethane rubber, silicone rubber, foam rubber of these rubbers, or the like can be used as the cushioning material 122.
  • the shape of the cushioning material 122 is not particularly limited, the cushioning material 122 may have a mat-like shape, for example.
  • FIG. 6 is a block diagram mainly showing functional blocks of the load cell unit 120 and the control unit 30 of the material testing machine 2.
  • the load cell 140 has a measuring section 142, a memory 143, and a connector 144 as main functional blocks. Note that each part of the load cell 140 is driven by power obtained from the signal processing unit 150 via the connector 144.
  • the measurement unit 142 is driven by direct current or alternating current.
  • One end of the wiring 121 described above is connected to the connector 144 .
  • the measuring section 142 includes a strain gauge. Furthermore, the first jig 17 configuring the test jig 19 is connected to the measurement section 142 . Therefore, as the movable crosshead 11 moves and the test jig 19 pulls or compresses the subject 100, strain occurs in the strain gauge of the measuring section 142.
  • This strain gauge is part of a Wheatstone bridge circuit, and through this Wheatstone bridge circuit, changes in resistance due to strain occurring in the strain gauge are converted into voltage. A voltage signal (electrical signal) from this measuring section 142 is output to a connector 144.
  • the memory 143 includes ROM, RAM, etc., and stores data (table) for calibrating the material testing machine 2.
  • the memory 143 stores a table that associates the input voltage to the Wheatstone bridge circuit in the load cell 140 equipped with the memory 143 with the output voltage of the Wheatstone bridge circuit with respect to the input voltage.
  • This memory 143 is connected to a connector 144.
  • the signal processing unit 150 has, for example, a power supply section 158, a measurement section voltage generation section 153, an amplification conversion section 159, an arithmetic processing section 156, a driver section 157, and a connector 152 as main functional blocks. are doing.
  • the power supply section 158 supplies direct current or alternating current power supplied from the external power source 40 to a measurement section voltage generation section 153, an amplification conversion section 159 (that is, an amplification section 154 and an AD conversion section 155 described later), and an AD conversion section. 155, an arithmetic processing section 156, a driver section 157, and the like. That is, the amplification conversion section 159 is driven by direct current or alternating current.
  • the power supply section 158 converts the power supplied from the external power source 40 into direct current and alternating current, etc., and supplies the power from the external power source 40 to the measurement section voltage generation section 153, the amplification conversion section 159, and the arithmetic processing section 156. , and the driver unit 157 may convert it into usable power.
  • the measurement unit voltage generation unit 153 converts the power supplied from the power supply unit 158 into power that can be used by the measurement unit 142 (and memory 143) of the load cell 140.
  • the measurement unit voltage generation unit 153 supplies the converted power to the load cell 140 via the connector 152. Note that if the measurement section 142 (and memory 143) can directly use the power supplied from the power supply section 158, the measurement section voltage generation section 153 is not an essential configuration in the material testing machine 2.
  • the other end of the wiring 121 described above is connected to the connector 152. Therefore, the electrical signal from the measurement section 142 of the load cell 140 and the data from the memory 143 are input to the connector 152 via the connector 144 of the load cell 140 and the wiring 121.
  • the connector 152 outputs the input electrical signal and/or data to the amplification conversion section 159. Furthermore, the connector 152 outputs the electric power input from the measuring section voltage generation section 153 to the connector 144 of the load cell 140. As a result, power is supplied to the load cell 140.
  • the amplification/conversion section 159 includes an amplification section 154 and an AD conversion section 155.
  • the amplifying section 154 amplifies the electrical signal input from the measuring section 142 of the load cell 140 and outputs the amplified electrical signal to the AD converting section 155.
  • the AD conversion section 155 then converts the amplified electrical signal into a digital signal and outputs this digital signal to the arithmetic processing section 156.
  • the signal processing unit 150 is configured separately from the measurement section 142, and is connected to the measurement section 142 via the connector 152 and the connector 144. Further, the signal processing unit 150 is arranged near the measuring section 142 (that is, near the load cell 140).
  • the specific distance of "nearby” here is not particularly limited, but the distance between the load cell 140 and the signal processing unit 150 is longer than the distance from the signal processing unit 150 to the control unit 30. It is desirable that the length is also short.
  • the arithmetic processing section 156 of the signal processing unit 150 is composed of, for example, a CPU.
  • the arithmetic processing unit 156 reads data (table) for calibrating the material testing machine 2 described above from the memory 143 of the load cell 140, and refers to this table. , calibrates the voltage value indicated by the digital signal input from the AD converter 155 to a predetermined voltage value. That is, the arithmetic processing unit 156 calibrates the material testing machine 2 based on the data from the memory 143. The arithmetic processing unit 156 then outputs the calibrated digital signal to the driver unit 157.
  • the arithmetic processing unit 156 may calibrate the electrical signal output from the connector 152 before the electrical signal is processed in the amplification unit 154 and the AD conversion unit 155. Further, the arithmetic processing section 156 may control each section of the load cell unit 120 in an integrated manner. In this case, the arithmetic processing section 156 may control the load cell unit 120 according to a control instruction from the control unit 30.
  • a cable 60 is connected to the driver section 157.
  • Driver section 157 outputs a digital signal to cable 60.
  • the driver section 157 transmits the digital signal input from the arithmetic processing section 156 (or a signal obtained by converting the digital signal) to the cable 60 in a format according to the communication form between the signal processing unit 150 and the control unit 30.
  • Output For example, the driver section 157 outputs a digital signal to the cable 60 as serial data such as RS-232C or RS-422/485. Then, similarly to the material testing machine 1 of the first embodiment, this serial data is transmitted through the cable 60 and input to the driver section 31 of the control unit 30.
  • the material testing machine 2 includes the measuring section 142 that converts the force applied to the subject 100 into an electrical signal, the amplifying section 154 that amplifies this electrical signal, and the amplifying section 154.
  • An amplification/conversion section 159 including an AD conversion section 155 that digitizes the amplified electrical signal, and the amplification/conversion section 159 is configured separately from the measurement section 142 and is located near the measurement section 142. It is located.
  • the electrical signal generated in the measuring section 142 is converted into a digital signal before being output from the load cell unit 120 to the cable 60 (that is, within the load cell unit 120). converted.
  • the amplification conversion section 159 is configured separately from the measurement section 142, but since the amplification conversion section 159 is arranged near the measurement section 142 as described above, the measurement section The electrical signal generated at 142 is hardly affected by noise when propagating through the wiring 121.
  • the data measured by the measurement section 142 is converted into a digital signal by the amplification conversion section 159, and then transmitted to the control unit 30.
  • the influence of noise on the electrical signal generated by the measurement unit 142 is reduced compared to the case where the data measured by the measurement unit 142 is conveyed to the control unit 30 as an analog signal. Therefore, according to the material testing machine 2, it is possible to reduce the frequency of occurrence of an error between the data measured by the measurement unit 142 and the data processed by the control unit 30, and/or the error itself. Further, by performing filter processing or shield processing on such material testing machine 2, it is possible to further reduce the influence of noise. Thereby, the material testing machine 2 can obtain even more reliable measurement data (that is, measurement data with high stability and accuracy).
  • the influence of noise is reduced as described above. Therefore, according to the material testing machine 2, highly reliable measurement data can be obtained regardless of the structure or material of the cable used. For example, cables that have not been specially shielded to reduce the effects of noise (for example, cables with only one layer of shielding or cables with one-way shielding) cannot be easily processed by conventional material testing machines. In view of this, it was difficult to use.
  • the material testing machine 2 even when a type of cable such as this, which is difficult to use with conventional material testing machines, is used as the cable 60, the influence of noise can be reduced and reliability can be improved. It is possible to obtain high-quality measurement data.
  • a cable with special shielding processing as described above i.e., a relatively expensive cable
  • the material testing machine 2 similarly to the material testing machine 1, the influence of noise caused by the parasitic capacitance of the cable 60 is reduced. Therefore, in the material testing machine 2, it is relatively easy to drive the load cell unit 120 with alternating current.
  • the influence of the parasitic capacitance can be further reduced by using the cable 60 as a twisted pair cable as shown in FIG. 4, for example.
  • the influence of parasitic capacitance can be reduced by using the cable 60 as a twisted pair cable.
  • the material testing machine 2 similarly to the first embodiment, when the movable crosshead 11 is at the upper limit position 10U (highest reached position), that is, the distance between the movable crosshead 11 and the control unit 30 is at its maximum. At the far end, there is a flex in the cable 60. Therefore, according to the material testing machine 2, it is possible to prevent excessive tensile force from being applied to the cable 60 when the moving crosshead 11 reaches the upper limit position 10U.
  • the load cell 140 including the measuring section 142 has the memory 143 storing data for calibrating the material testing machine 2, and the signal processing unit
  • the arithmetic processing unit 156 of the load cell 150 reads the above data from the memory 143 of the load cell 140 when the load cell 140 is connected to the signal processing unit 150, and calibrates the material testing machine 2. That is, the load cell unit 120 of the material testing machine 2 has a so-called plug-and-play function. With such a configuration, when the load cell 140 is replaced with a new load cell 140, the effort of manually calibrating the new load cell 140 to make it compatible with the material testing machine 2 can be omitted. However, it is not essential that the load cell unit 120 has a plug-and-play function.
  • the material testing machine 2 has a configuration in which a signal processing unit 150 including an amplification conversion section 159 is fixed to the moving crosshead 11 via a cushioning material 122. With such a configuration, it is possible to suppress vibrations and shocks from the moving crosshead 11 from being transmitted to the substrate on which the amplifying section 154 and the AD converting section 155 are mounted.
  • the cushioning material 122 is not essential.
  • the load cell 140 is fixed to the main surface 11D of the movable crosshead 11 on the base 12 side
  • the signal processing unit 150 is fixed to the main surface 11U of the movable crosshead 11 on the top surface 15 side.
  • the signal processing unit 150 may be fixed to the main surface 11D and the load cell 140 may be fixed to the main surface 11U, or the load cell 140 and the signal processing unit 150 may be fixed to one of the main surfaces 11U and 11D. Both may be fixed.
  • the material testing machine is a tensile compression tester
  • the present invention also applies to other types of material testing machines (for example, a torsion testing machine or a vibration testing machine). It is also possible to apply it to machines, etc.).

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Abstract

ノイズの影響を低減することが可能な材料試験機を提供することを目的とする。　材料試験機（１，２）は、被検体（１００）に印加される力を電気信号に変換する測定部（２２，１４２）と、電気信号を増幅する増幅部（２４，１５４）と増幅部（２４，１５４）で増幅された電気信号をデジタル化するＡＤ変換部（２５，１５５）とを含む増幅変換部（２３，１５９）と、を備え、増幅変換部（２３，１５９）は、測定部（２２，１４２）と一体に構成される、又は、測定部（２２，１４２）とは別体に構成されて測定部（２２，１４２）の近傍に配置されている。

Description

材料試験機
　本発明は、材料試験機に関する。
　被検体に対して引張試験や圧縮試験等を行う材料試験機が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の材料試験機には、被検体に印加される荷重を電気信号に変換するロードセルが搭載されている。
特開２０１８－１７５７９号公報
　概して、上記特許文献１のような材料試験機では、ロードセルは当該ロードセルからの電気信号を処理する制御部に通信線を介して接続されている。そのため、電気信号が通信線を介して伝達される際に、無視できないレベルのノイズの影響を受ける虞がある。
　そこで、本発明は、ノイズの影響を低減することが可能な材料試験機を提供することを課題の一つとする。
　本発明は、被検体に対して材料試験を行うための材料試験機であって、前記被検体に印加される力を電気信号に変換する測定部と、前記電気信号を増幅する増幅部と前記増幅部で増幅された前記電気信号をデジタル化するＡＤ変換部とを含む増幅変換部と、を備え、前記増幅変換部は、前記測定部と一体に構成されている、又は、前記測定部とは別体に構成されて前記測定部の近傍に配置されていることを特徴とするものである。
　なお、前記増幅変換部は、前記測定部と一体に構成されてもよい。
　或いは、前記増幅変換部は、前記測定部と別体に構成されて前記測定部に接続され、前記測定部及び前記増幅変換部は、前記材料試験機の移動クロスヘッドに固定されていてもよい。この場合において、前記増幅変換部は、緩衝材を介して前記移動クロスヘッドに固定されてもよく、前記移動クロスヘッドの天面に固定されてもよい。
　また、前記測定部及び前記増幅変換部は、交流で駆動してもよい。
　また、上記材料試験機は、前記増幅変換部と当該増幅変換部から出力されるデジタル信号を処理する制御ユニットとを接続するケーブルをさらに備えてもよい。この場合において、前記ケーブルは、心線と当該心線に対するノイズの影響を低減する１層以上のシールドとを有してもよく、ツイストペアケーブルであってもよく、前記材料試験機の移動クロスヘッドと前記制御ユニットとの距離が最も遠いときにたわみが生じるように配線されてもよい。
　また、上記材料試験機は、前記増幅変換部と一体に構成された演算処理部を備え、前記測定部は、前記材料試験機をキャリブレーションするためのデータが格納されたメモリを有するロードセルに含まれており、前記演算処理部は、前記ロードセルが前記増幅変換部に接続された際に前記ロードセルの前記メモリから前記データを読み出して、前記材料試験機をキャリブレーションしてもよい。
　また、前記材料試験機は、前記被検体に対して引張試験及び圧縮試験を行うための引張圧縮試験機であってもよい。
　本発明によれば、ノイズの影響を低減することが可能な材料試験機が提供される。
本発明の第１実施形態における材料試験機を模式的に示す図である。 図１に示す材料試験機の主にロードセルユニット及び制御ユニットの機能ブロックを示すブロック図である。 ケーブルの一例を示す図である。 ケーブルの他の例を示す図である。 本発明の第２実施形態における材料試験機を模式的に示す図である。 図５に示す材料試験機の主にロードセルユニット及び制御ユニットの機能ブロックを示すブロック図である。
　以下、本発明に係る材料試験機を実施するための形態が添付図面とともに例示される。以下に例示する実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、以下の実施形態から変更、改良することができる。また、上記添付図面では、理解を容易にするために各部材の寸法が誇張又は縮小して示されている場合がある。
（第１実施形態）
　図１は、本実施形態の材料試験機を模式的に示す図である。図１に示すように、本実施形態の材料試験機１は、引張圧縮試験機であり、基台１２と、基台１２と平行な天面１５と、１対のフレーム１０Ａ，１０Ｂと、移動クロスヘッド１１と、ロードセルユニット２０と、制御ユニット３０と、を主な構成として備えている。材料試験機１は、基台１２が鉛直方向下方に、天面１５が鉛直方向上方に向けられた状態で使用される。
　１対のフレーム１０Ａ，１０Ｂは、基台１２及び天面１５に垂直であり、基台１２から天面１５まで延びている。フレーム１０Ａ，１０Ｂのそれぞれの内部には、ボールねじが収容されている。フレーム１０Ａ，１０Ｂに収容されたボールねじのそれぞれは、モータ等の駆動部１６に種々のギア機構等を介して接続されており、この駆動部１６が駆動することによって、フレーム１０Ａ，１０Ｂに収容されたボールねじが互いに同期して回転するようになっている。
　移動クロスヘッド１１は、基台１２及び天面１５に平行な板状の部材であり、基台１２側の主面１１Ｄと、天面１５側の主面１１Ｕと、フレーム１０Ａ側の側面１１Ｒと、フレーム１１Ｂ側の側面１１Ｌとを含んでいる。本実施形態において、移動クロスヘッド１１の主面１１Ｕから主面１１Ｄまでの高さＨは、移動クロスヘッド１１の側面１１Ｒから側面１１Ｌまでの幅Ｗの概ね１／２以下である。ただし、高さＨと幅Ｗとの比は、これに限定されるものではない。移動クロスヘッド１１の側面１１Ｒは、フレーム１０Ａに収容されたボールねじに不図示の取付機構を介して取り付けられている。同様に、側面１１Ｌも、フレーム１０Ｂに収容されたボールねじに不図示の取り付け機構を介して取り付けられている。したがって、駆動部１６が駆動してフレーム１０Ａ，１０Ｂに収容されたボールねじのそれぞれが回転すると、これらボールねじの回転に伴って、移動クロスヘッド１１がフレーム１０Ａ，１０Ｂの長手方向に沿って（すなわち、基台１２側に又は天面１５側に）移動する。なお、本実施形態では、移動クロスヘッド１１は、フレーム１０Ａ，１０Ｂにおける上限位置（最高到達位置）１０Ｕと下限位置１０Ｄとの間を移動するように制御される。
　移動クロスヘッド１１の主面１１Ｄ，１１Ｕの一方には、ロードセルユニット２０が取り付けられている。本実施形態では、主面１１Ｄの概ね中央部にロードセルユニット２０が取り付けられている。ロードセルユニット２０は、ケース２１を有しており、このケース２１に、後述する種々の機能ブロックを構成する電子部品が格納又はマウントされる。
　このロードセルユニット２０には、試験用治具１９を構成する第１治具１７が取り付けられている。また、基台１２における第１治具１７に対向する部分には、試験用治具１９を構成する第２治具１８が取り付けられている。図１の例では、第１治具１７は、被検体１００の一方側を把持できるように構成されており、第２治具１８は、被検体１００の他方側を把持できるように構成されている。このため、移動クロスヘッド１１が上限位置１０Ｕ側に移動すると被検体１００が引っ張られ、移動クロスヘッド１１が所定の位置まで上昇すると被検体１００が破断する。材料試験機１は、被検体１００が破断する際の試験力や、その他引っ張りに関連する被検体１００の種々の特性を測定することができ、引張試験機として機能する。一方、試験用治具１９の第１治具１７と第２治具１８とをそれぞれ圧盤に取り換えてもよい。この場合、被検体１００は、移動クロスヘッド１１と基台１２との間に一対の圧盤を介して挟持され、移動クロスヘッド１１が下限位置１０Ｄ側に移動すると被検体１００が圧縮され、移動クロスヘッド１１が所定の位置まで下降すると被検体１００が圧縮破壊する。この場合、材料試験機１は、被検体１００が圧縮破壊する際の試験力やその他圧縮に関連する被検体１００の種々の特性を測定することができ、圧縮試験機として機能する。このように、本実施形態の材料試験機１は、引張圧縮試験機として構成されている。
　図２は、材料試験機１の主にロードセルユニット２０及び制御ユニット３０の機能ブロックを示すブロック図である。図２に示すように、ロードセルユニット２０は、例えば、電源供給部２８と、測定部用電圧生成部２９と、測定部２２と、増幅変換部２３と、演算処理部２６と、ドライバ部２７とを主な機能ブロックとして有している。すなわち、本実施形態では、測定部２２と増幅変換部２３とが一体に構成されている。
　電源供給部２８は、外部電源４０から供給される直流又は交流の電力を、測定部用電圧生成部２９、増幅変換部２３（すなわち、後述する増幅部２４及びＡＤ変換部２５）、演算処理部２６、及びドライバ部２７等に供給する。すなわち、測定部２２及び増幅変換部２３は、直流又は交流によって駆動する。
　なお、電源供給部２８は、外部電源４０から供給された電力の直流と交流を変換する等、外部電源４０からの電力を、測定部用電圧生成部２９、増幅変換部２３、演算処理部２６、及びドライバ部２７が利用可能な電力に変換してもよい。測定部用電圧生成部２９は、電源供給部２８から供給された電力を、測定部２２が利用可能な電力に変換する。なお、電源供給部２８から供給される電力を測定部２２が直接利用可能な場合は、材料試験機１において測定部用電圧生成部２９は必須の構成ではない。
　本実施形態において、測定部２２は、ひずみゲージを含んでいる。また、測定部２２には、試験用治具１９を構成する第１治具１７が接続されている。このため、移動クロスヘッド１１が移動して試験用治具１９によって被検体１００が引っ張られたり圧縮されたりすることに伴い、測定部２２のひずみゲージにひずみが生じる。このひずみゲージはホイーストンブリッジ回路の一部となっており、このホイーストンブリッジ回路を介して、ひずみゲージに生じたひずみに起因する抵抗の変化が電圧に変換される。この測定部２２からの電圧信号（電気信号）は、増幅変換部２３に出力される。
　増幅変換部２３は、増幅部２４とＡＤ変換部２５とを含んでいる。増幅部２４は、測定部２２から出力された上記電気信号を増幅し、この増幅された電気信号をＡＤ変換部２５に出力する。そして、ＡＤ変換部２５は、増幅された電気信号をデジタル信号に変換して、このデジタル信号を演算処理部２６に出力する。このように、材料試験機１のロードセルユニット２０は、測定部２２と増幅変換部２３とが一体となったいわゆるデジタルロードセルとして構成されている。
　演算処理部２６は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）から構成されている。演算処理部２６は、ＡＤ変換部２５から出力されたデジタル信号をドライバ部２７に出力する。ドライバ部２７には、ケーブル６０（図１参照）が接続されている。なお、演算処理部２６は、ＡＤ変換部２５から出力されたデジタル信号を必要に応じて所定の形式に変換し、変換後の信号をケーブル６０に出力してもよい。また、演算処理部２６は、ロードセルユニット２０の各部を統括的に制御してもよい。この場合、演算処理部２６は、制御ユニット３０からの制御信号が示す指示（制御指示）に従ってロードセルユニット２０を制御してもよい。
　ドライバ部２７は、ロードセルユニット２０と制御ユニット３０との間の通信形態に応じた形式で、デジタル信号（又は当該デジタル信号を変換した信号）をケーブル６０に出力する。例えば、ドライバ部２７は、ＲＳ－２３２Ｃ又はＲＳ－４２２／４８５のようなシリアルデータとしてデジタル信号をケーブル６０に出力する。
　図１に示すように、ケーブル６０は、ロードセルユニット２０と制御ユニット３０とを接続している。すなわち、増幅変換部２３と制御ユニット３０とは、ケーブル６０を介して接続されている。ケーブル６０は、増幅変換部２３から出力されるデジタル信号を制御ユニット３０に伝搬させるケーブルである。例えば、ケーブル６０として、ＲＳ－２３２Ｃ又はＲＳ－４２２／４８５の通信規格において一般的に入手可能な通信ケーブルを使用してもよい。ケーブル６０は、ロードセルユニット２０からフレーム１０Ａまで、移動クロスヘッド１１に沿って延びる第１区間６１と、フレーム１０Ａの外壁等に沿って配線される第２区間６２と、第２区間６２の第１区間６１側の端部とは反対側の端部と制御ユニット３０とを繋ぐ第３区間６３と、を有している。第２区間６２は、第１区間６１と第３区間６３とを繋ぐ区間である。なお、図１における配線は一例である。例えば、図１ではケーブル６０はフレーム１０Ａの手前側（すなわち、材料試験機１の前側）を通っている。しかしながら、ケーブル６０はフレーム１０Ａの後ろ側（すなわち、材料試験機１の背面側）を通るように配線されてもよい。ケーブル６０は、以下で説明するような「たわみ」ができるように配線されるならば、その配線経路、配線方法、及びケーブル６０の長さは特に限定されない。
　図１に示すように、ケーブル６０の第２区間６２はたわんでいる。例えば、図１の例では、移動クロスヘッド１１が上限位置１０Ｕにある際、第２区間６２及び第３区間６３は、直線状に延在しておらず、たわんでいる。このように、本実施形態に係る材料試験機１では、移動クロスヘッド１１と制御ユニット３０との距離が最も遠くなる場合（すなわち、移動クロスヘッド１１が最高到達位置である上限位置１０Ｕにある場合）でも、ケーブル６０にはたわみが生じている状態である。なお、ケーブル６０のたわみの大きさ、及びケーブル６０のうちたわんでいる部分は、移動クロスヘッドの移動等、材料試験機１としての本来の機能を妨げない範囲で、適宜定められてよい。例えば、図１と異なる例としては、ケーブル６０の第１区間６１にたわみができていてもよい。
　ところで、ケーブル６０は、ノイズの影響を低減するための特殊なシールド加工がされていないケーブルであってもよい。より具体的には、ケーブル６０は、例えば図３に示すような同軸ケーブルであってもよい。この同軸ケーブルは、増幅変換部２３から出力されるデジタル信号が伝搬する心線６０１と、心線６０１を覆う絶縁体６０２と、絶縁体６０２を覆うシールド６０３と、シールド６０３を覆うジャケット６０４とからなる。シールド６０３は、例えば導体からなり、心線６０１に対するノイズの影響を低減する。このように、図３に示すケーブル６０は、心線６０１に対するノイズの影響を低減する１層以上のシールドを有しており、ノイズの影響を低減するための特殊なシールド加工が施されていない、及び／又は追加のシールドが設けられていないケーブルである。また、他の例として、ケーブル６０は、図４に示すようなツイストペアケーブルであってもよい。このツイストペアケーブルは、増幅変換部２３から出力されるデジタル信号が伝搬する互いに撚り合わされた一対の心線６１１と、一対の心線６１１を覆う絶縁体６１２と、絶縁体６１２を覆うシールド６１３と、シールド６１３を覆うジャケット６１４とからなる。シールド６１３は、例えば導体からなり、一対の心線６１１に対するノイズの影響を低減する。このように、図４に示すケーブル６０は、一対の心線６１１に対するノイズの影響を低減する１層以上のシールドを有しており、ノイズの影響を低減するための特殊なシールド加工が施されていないケーブルである。
　図２に戻って、制御ユニット３０は、電源供給部３５と、ドライバ部３１と、演算処理部３２と、制御部３３と、メモリ３４とを主な機能ブロックとして有している。電源供給部３５は、外部電源４０に接続されており、外部電源４０から供給される電力を、ドライバ部３１、演算処理部３２、制御部３３、及びメモリ３４等に供給する。
　ドライバ部３１は、ロードセルユニット２０のドライバ部２７にケーブル６０を介して接続されており、ロードセルユニット２０のドライバ部２７から出力されたデジタル信号を受信する。例えば、ドライバ部３１は、デジタル信号をシリアルデータとして受信した場合、これをパラレルデータに変換してもよい。ドライバ部３１は、演算処理部３２にデジタル信号を出力する。
　演算処理部３２は、例えばＣＰＵから構成されており、入力したデジタル信号をデジタルデータに変換するとともに、メモリ３４に格納されている各種テーブル等を参照して、このデジタルデータを被検体１００の種々の特性（例えば、引張強さや圧縮強さ等）を示すアナログデータに変換する。演算処理部３２は、このアナログデータを制御部３３に出力する。なお、メモリ３４は、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）やＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）等を含んでいる。
　制御部３３は、例えばＣＰＵから構成されており、材料試験機１を制御する。具体的に、制御部３３は、演算処理部３２から入力したアナログデータをメモリ３４に格納したり、メモリ３４に格納されているアナログデータを必要に応じて読み出して、そのアナログデータをディスプレイ等から構成される表示部５０に表示したり、図１に示した駆動部１６の動作を制御したりする。
　このように、制御ユニット３０は、ロードセルユニット２０の増幅変換部２３から出力されるデジタル信号を処理して、ロードセルユニット２０の測定部２２によって検出されたデータを表示したり管理したりする。なお、制御部３３は、ロードセルユニット２０に対して制御指示を行ってもよい。この場合、制御部３３は、ロードセルユニット２０への制御指示を作成して、当該制御指示を演算処理部３２に出力する。なお、ここで言う「制御指示」とは、例えばロードセルユニット２０の演算処理部２６に対するゼロ・スパン調整の指示等である。測定部２２に対する測定開始又は測定終了の指示等である。演算処理部３２は、制御部３３から受信した制御指示を制御信号に変換して、ドライバ部３１に出力する。ドライバ部３１は、演算処理部３２から受信した制御信号等を、ロードセルユニット２０のドライバ部２７へと出力する。
　以上説明したように、本実施形態に係る材料試験機１は、（ｉ）被検体１００に印加される力を電気信号に変換する測定部２２、ならびに、（ｉｉ）この電気信号を増幅する増幅部２４及び増幅後の電気信号をデジタル化するＡＤ変換部２５を含む増幅変換部２３を備えており、増幅変換部２３は、測定部２２と一体に構成されている。
　このような構成を有する材料試験機１によれば、測定部２２において生成された電気信号は、ロードセルユニット２０からケーブル６０に出力される前に（すなわち、ロードセルユニット２０内で）、デジタル信号に変換される。ところで、上述のように、ロードセルユニット２０から制御ユニット３０までのケーブル６０はある程度の長さを有しているため、電気信号がケーブル６０を伝搬する間にノイズの影響を受ける場合がある。この場合、電気信号がアナログ信号であると、ノイズの影響によって、制御ユニット３０に到達したアナログ信号が示すデータと、測定部２２によって測定されたデータとの間に無視できない誤差が生じる虞がある。しかし、本実施形態に係る材料試験機１によれば、測定部２２で測定されたデータは、ロードセルユニット２０内でデジタル信号に変換されてから制御ユニット３０まで運ばれる。そのため、アナログ信号のまま制御ユニット３０まで伝達される場合に比べて、測定部２２において生成された電気信号に対するノイズの影響が低減される。したがって、材料試験機１によれば、測定部２２によって測定されたデータと制御ユニット３０によって処理されたデータとの間の誤差が生じる頻度及び／又は誤差自体を低減することができる。また、このような材料試験機１において、測定部２２が出力するアナログ信号及び／又は増幅変換部２３が出力するデジタル信号に追加のフィルタ処理を施したり、ケーブル６０を含む各種配線に追加のシールド処理を施したりすることによって、ノイズの影響をさらに低減することが可能である。これにより、材料試験機１は、更に信頼性の高い測定データ（すなわち、安定性や正確性の高い測定データ）を得ることができる。
　上記のように、材料試験機１によれば、ケーブル６０におけるノイズの影響が低減される。そのため、材料試験機１によれば、使用するケーブルの構造や材質は問わず、信頼性の高い測定データを得ることができる。例えば、ノイズの影響を低減するための特殊なシールド加工がされていないケーブル（例えば、１層のみのシールド、又は片巻きのシールドを有するケーブル等）は、従来の材料試験機ではノイズの影響に鑑みると使用することが困難であった。一方、材料試験機１によれば、このような、従来の材料試験機では使用が困難であった種類のケーブルをケーブル６０として採用した場合であっても、ノイズの影響を低減して信頼性の高い測定データを得ることができる。また、材料試験機１によれば、上述のように特殊なシールド加工を施したケーブル（すなわち、比較的高価なケーブル）が必須ではないため、材料試験機１全体としての製造コスト等を低減することが可能である。
　ところで、ロードセルユニット２０を交流で駆動させる場合、ロードセルユニット２０から出力される信号も交流となるため、当該信号が直流である場合に比べて、ケーブル６０の寄生容量の影響を受けやすい。また、この寄生容量はケーブル６０が長くなる程大きくなる。このように、信号が交流であると、ケーブル６０の寄生容量に起因するノイズの影響が大きくなり得る。しかし、上記のように、材料試験機１によれば、測定部２２からの電気信号はロードセルユニット２０内でデジタル信号に変換されるため、信号が交流である場合でも、このような寄生容量に起因するノイズの影響が低減される。よって、材料試験機１では、ロードセルユニット２０の測定部２２及び増幅変換部２３を交流で駆動させても、信頼性の高い測定データ（すなわち、安定性や正確性の高い測定データ）を得ることができる。つまり、材料試験機１によれば、ロードセルユニット２０を交流駆動させる場合のデメリットを低減しつつ、交流駆動を実現することができる。ロードセルユニット２０を交流で駆動させる場合、例えば、ロードセルユニット２０への電流供給を強制的に遮断する場合等において、電流のゼロ点のタイミングで電流を遮断することが可能であり、材料試験機１の電気系統等にかかる負荷を抑制する等の効果を享受することができる。
　また、ロードセルユニット２０を交流で駆動させる場合、ケーブル６０を例えば図４に示すようなツイストペアケーブルとすることで、上記寄生容量の影響をより低減することができる。ただし、ロードセルユニット２０を直流で駆動させる場合でも、ケーブル６０をツイストペアケーブルとすることで、寄生容量の影響を低減することができる。
　また、上記のように、材料試験機１によれば、移動クロスヘッド１１が上限位置１０Ｕ（最高到達位置）にある際、すなわち、移動クロスヘッド１１と制御ユニット３０との距離が最も遠いときに、ケーブル６０にたわみが存在する。したがって、材料試験機１によれば、移動クロスヘッド１１が上限位置１０Ｕに到達した際にケーブル６０に過度な引張張力がかかることを防止できる。ところで、一般的には、材料試験機のケーブル長が長くなるほどノイズの影響が大きくなると予想される。したがって、材料試験機のケーブルにたわみが存在しない場合に比べて、上述のたわみが存在する場合、ノイズの影響が増大する可能性がある。しかしながら、材料試験機１では、上記のようにノイズの影響が低減されるため、ノイズの影響を低減しつつケーブル６０にこのようなたわみを持たせることが可能となる。
（第２実施形態）
　次に、第２実施形態に係る材料試験機について説明する。図５は、本実施形態の材料試験機を模式的に示す図である。図５に示すように、本実施形態の材料試験機２は、ロードセルユニットの構成が第１実施形態の材料試験機１のロードセルユニット２０と異なる点を除いて、第１実施形態の材料試験機１と概ね同様の構成を有する。したがって、以下、材料試験機２については、ロードセルユニットに関連する点を説明し、その他の構成については第１実施形態と同様の符号を付して説明を省略する。
　図５に示すように、本実施形態のロードセルユニット１２０は、移動クロスヘッド１１の基台１２側の主面１１Ｄに取り付けられたロードセル１４０と、移動クロスヘッド１１の天面１５側の主面１１Ｕに取り付けられた信号処理ユニット１５０とを有している。このように、本実施形態の材料試験機２では、後述する測定部１４２を有するロードセル１４０と、後述する増幅部１５４及びＡＤ変換部１５５を有する信号処理ユニット１５０とが別体に構成されている。ロードセル１４０と信号処理ユニット１５０とは、いずれも移動クロスヘッド１１に固定されている。
　ロードセル１４０はケース１４１を有しており、このケース１４１に、ロードセル１４０の後述する種々の機能ブロックを構成する電子部品が格納又はマウントされる。また、信号処理ユニット１５０はケース１５１を有しており、このケース１５１に、信号処理ユニット１５０の後述する種々の機能ブロックを構成する電子部品が格納又はマウントされる。
　ロードセル１４０と信号処理ユニット１５０とは配線１２１によって接続されている。配線１２１の長さは、ケーブル６０に比べて極めて短い長さである。例えば、配線１２１は、ケーブル６０の第２区間６２の長さ以下であってもよく、さらには、ケーブル６０の第１区間６１の長さ以下であってもよい。ロードセル１４０と信号処理ユニット１５０とはいずれも移動クロスヘッド１１に固定されているため、ケーブル６０の長さに比べて極めて短い配線１２１によって接続可能な程度の近傍に配置されている。
　なお、本実施形態では、信号処理ユニット１５０は、緩衝材１２２を介して移動クロスヘッド１１に固定されている。例えば、防振用及び／又は耐震用のゴムを緩衝材１２２として用いることができる。より具体的には、例えば、ウレタンゴム、シリコンゴム、又はこれらのゴムのフォームラバー等を緩衝材１２２として用いることができる。緩衝材１２２の形状は特に限定されないが、例えば緩衝材１２２はマット状の形状であってよい。
　図６は、材料試験機２の主にロードセルユニット１２０及び制御ユニット３０の機能ブロックを示すブロック図である。
　図６に示すように、ロードセル１４０は、測定部１４２と、メモリ１４３と、コネクタ１４４とを主な機能ブロックとして有している。なお、ロードセル１４０の各部は、コネクタ１４４を介して信号処理ユニット１５０から得られる電力で駆動する。測定部１４２は、直流又は交流によって駆動する。コネクタ１４４には上述した配線１２１の一方側の端部が接続される。
　本実施形態において、測定部１４２は、ひずみゲージを含んでいる。また、測定部１４２には、試験用治具１９を構成する第１治具１７が接続されている。このため、移動クロスヘッド１１が移動して試験用治具１９によって被検体１００が引っ張られたり圧縮されたりすることに伴い、測定部１４２のひずみゲージにひずみが生じる。このひずみゲージはホイーストンブリッジ回路の一部となっており、このホイーストンブリッジ回路を介して、ひずみゲージに生じたひずみに起因する抵抗の変化が電圧に変換される。この測定部１４２からの電圧信号（電気信号）はコネクタ１４４に出力される。
　メモリ１４３は、ＲＯＭやＲＡＭ等を含んでおり、材料試験機２をキャリブレーションするためのデータ（テーブル）が格納されている。例えば、メモリ１４３には、当該メモリ１４３を搭載するロードセル１４０におけるホイーストンブリッジ回路への入力電圧と当該入力電圧に対するそのホイーストンブリッジ回路の出力電圧とを対応付けたテーブルが格納されている。このメモリ１４３はコネクタ１４４に接続されている。
　信号処理ユニット１５０は、例えば、電源供給部１５８と、測定部用電圧生成部１５３と、増幅変換部１５９と、演算処理部１５６と、ドライバ部１５７と、コネクタ１５２とを主な機能ブロックとして有している。電源供給部１５８は、外部電源４０から供給される直流又は交流の電力を、測定部用電圧生成部１５３、増幅変換部１５９（すなわち、後述する増幅部１５４及びＡＤ変換部１５５）、ＡＤ変換部１５５、演算処理部１５６、及びドライバ部１５７等に供給する。すなわち、増幅変換部１５９は、直流又は交流によって駆動する。
　なお、電源供給部１５８は、外部電源４０から供給された電力の直流と交流を変換する等、外部電源４０からの電力を、測定部用電圧生成部１５３、増幅変換部１５９、演算処理部１５６、及びドライバ部１５７が利用可能な電力に変換してもよい。
　測定部用電圧生成部１５３は、電源供給部１５８から供給された電力を、ロードセル１４０の測定部１４２（及びメモリ１４３）が利用可能な電力に変換する。測定部用電圧生成部１５３は、変換後の電力を、コネクタ１５２を介してロードセル１４０に供給する。なお、電源供給部１５８から供給される電力を測定部１４２（及びメモリ１４３）が直接利用可能な場合は、材料試験機２において測定部用電圧生成部１５３は必須の構成ではない。
　コネクタ１５２には上述した配線１２１の他方側の端部が接続される。したがって、ロードセル１４０の測定部１４２からの電気信号及びメモリ１４３からのデータは、ロードセル１４０のコネクタ１４４と配線１２１とを介して、コネクタ１５２に入力される。コネクタ１５２は、入力された電気信号及び／又はデータを、増幅変換部１５９に出力する。また、コネクタ１５２は、測定部用電圧生成部１５３から入力された電力を、ロードセル１４０のコネクタ１４４に対して出力する。これにより、ロードセル１４０に対して電力が供給される。
　増幅変換部１５９は、増幅部１５４とＡＤ変換部１５５とを含んでいる。増幅部１５４は、ロードセル１４０の測定部１４２から入力された上記電気信号を増幅し、この増幅した電気信号をＡＤ変換部１５５に出力する。そして、ＡＤ変換部１５５は、増幅した電気信号をデジタル信号に変換して、このデジタル信号を演算処理部１５６に出力する。
　このように、材料試験機２のロードセルユニット１２０では、信号処理ユニット１５０が測定部１４２とは別体に構成されており、コネクタ１５２及びコネクタ１４４を介して測定部１４２に接続されている。また、信号処理ユニット１５０は、測定部１４２の近傍（すなわち、ロードセル１４０の近傍）に配置されている。ここでいう「近傍」の具体的距離は特に限定されないが、ロードセル１４０と信号処理ユニット１５０とは、ロードセル１４０から信号処理ユニット１５０までの距離が、信号処理ユニット１５０から制御ユニット３０までの距離よりも短くなるように配置されることが望ましい。
　信号処理ユニット１５０の演算処理部１５６は、例えばＣＰＵから構成されている。演算処理部１５６は、ＡＤ変換部１５５からデジタル信号が入力されると、上述した材料試験機２をキャリブレーションするためのデータ（テーブル）をロードセル１４０のメモリ１４３から読み出し、このテーブルを参照して、ＡＤ変換部１５５から入力したデジタル信号が示す電圧値を予め定められた電圧値に較正する。すなわち、演算処理部１５６は、メモリ１４３からのデータに基づいて、材料試験機２をキャリブレーションする。そして、演算処理部１５６は、キャリブレーションされたデジタル信号をドライバ部１５７に出力する。なお、コネクタ１５２から出力された電気信号が増幅部１５４とＡＤ変換部１５５とにおいて処理される前に、演算処理部１５６が当該電気信号をキャリブレーションするようにしてもよい。また、演算処理部１５６は、ロードセルユニット１２０の各部を統括的に制御してもよい。この場合、演算処理部１５６は、制御ユニット３０からの制御指示に従ってロードセルユニット１２０を制御してもよい。
　ドライバ部１５７には、ケーブル６０が接続されている。ドライバ部１５７は、デジタル信号をケーブル６０に出力する。ドライバ部１５７は、演算処理部１５６から入力されたデジタル信号（又は当該デジタル信号を変換した信号）を、信号処理ユニット１５０と制御ユニット３０との間の通信形態に応じた形式で、ケーブル６０に出力する。例えば、ドライバ部１５７は、ＲＳ－２３２Ｃ又はＲＳ－４２２／４８５のようなシリアルデータとしてデジタル信号をケーブル６０に出力する。そして、第１実施形態の材料試験機１と同様に、このシリアルデータがケーブル６０を伝搬して、制御ユニット３０のドライバ部３１に入力される。
　以上説明したように、本実施形態に係る材料試験機２は、被検体１００に印加される力を電気信号に変換する測定部１４２と、この電気信号を増幅する増幅部１５４と増幅部１５４で増幅された電気信号をデジタル化するＡＤ変換部１５５とを含む増幅変換部１５９と、を備えており、増幅変換部１５９は、測定部１４２とは別体に構成されて測定部１４２の近傍に配置されている。
　このような構成を有する材料試験機２によれば、測定部１４２において生成された電気信号は、ロードセルユニット１２０からケーブル６０に出力される前に（すなわち、ロードセルユニット１２０内で）、デジタル信号に変換される。なお、材料試験機２では、増幅変換部１５９が測定部１４２とは別体に構成されているが、上記のように増幅変換部１５９は測定部１４２の近傍に配置されているため、測定部１４２において生成された電気信号は、配線１２１を伝搬する際にノイズの影響を受けづらい。そして、材料試験機２によれば、測定部１４２で測定されたデータは、増幅変換部１５９においてデジタル信号に変換された上で制御ユニット３０まで伝達される。そのため、測定部１４２で測定されたデータがアナログ信号のまま制御ユニット３０まで運ばれる場合に比べて、測定部１４２において生成された電気信号に対するノイズの影響が低減される。したがって、材料試験機２によれば、測定部１４２によって測定されたデータと制御ユニット３０によって処理されたデータとの間の誤差が生じる頻度及び／又は誤差自体を低減することができる。また、このような材料試験機２に対してフィルタ処理やシールド処理を施すことによって、ノイズの影響をさらに低減することが可能である。これにより、材料試験機２は、更に信頼性の高い測定データ（すなわち、安定性や正確性の高い測定データ）を得ることができる。
　また、材料試験機２によれば、材料試験機１と同様に、上記のようにノイズの影響が低減される。そのため、材料試験機２によれば、使用するケーブルの構造や材質は問わず、信頼性の高い測定データを得ることができる。例えば、ノイズの影響を低減するための特殊なシールド加工がされていないケーブル（例えば、１層のみのシールドや、片巻きのシールドを有するケーブル等）は、従来の材料試験機ではノイズの影響に鑑みると使用することが困難であった。一方、材料試験機２によれば、このような、従来の材料試験機では使用が困難であった種類のケーブルをケーブル６０として採用した場合であっても、ノイズの影響を低減して信頼性の高い測定データを得ることができる。また、材料試験機２によれば、上述のように特殊なシールド加工を施したケーブル（すなわち、比較的高価なケーブル）が必須ではないため、材料試験機２全体としての製造コストを低減することが可能である。
　また、材料試験機２によれば、材料試験機１と同様に、ケーブル６０の寄生容量に起因するノイズの影響が低減される。よって、材料試験機２では、ロードセルユニット１２０を交流で駆動することが比較的容易である。
　また、ロードセルユニット１２０を交流で駆動させる場合、ケーブル６０を例えば図４に示すようなツイストペアケーブルとすることで、上記寄生容量の影響をより低減することができる。ただし、ロードセルユニット１２０を直流で駆動させる場合でも、ケーブル６０をツイストペアケーブルとすることで、寄生容量の影響を低減することができる。
　また、材料試験機２によれば、第１実施形態と同様に、移動クロスヘッド１１が上限位置１０Ｕ（最高到達位置）にある際、すなわち、移動クロスヘッド１１と制御ユニット３０との距離が最も遠いときに、ケーブル６０にたわみが存在する。したがって、材料試験機２によれば、移動クロスヘッド１１が上限位置１０Ｕに到達した際にケーブル６０に過度な引張張力がかかることを防止できる。
　また、材料試験機２においては、上述のように、測定部１４２を含むロードセル１４０が材料試験機２をキャリブレーションするためのデータが格納されたメモリ１４３を有しており、かつ、信号処理ユニット１５０の演算処理部１５６は、ロードセル１４０が信号処理ユニット１５０に接続された際にロードセル１４０のメモリ１４３から上記データを読み出して、材料試験機２をキャリブレーションする。すなわち、材料試験機２のロードセルユニット１２０は、いわゆるプラグ＆プレイ機能を有する。このような構成により、ロードセル１４０を新たなロードセル１４０に交換した場合において、新たなロードセル１４０を材料試験機２に適合させるために手動で較正する手間が省かれる。ただし、ロードセルユニット１２０がプラグ＆プレイ機能を有することは必須ではない。
　また、材料試験機２は、増幅変換部１５９を含んだ信号処理ユニット１５０が緩衝材１２２を介して移動クロスヘッド１１に固定される構成を有する。このような構成により、移動クロスヘッド１１からの振動や衝撃が、増幅部１５４やＡＤ変換部１５５がマウントされている基板に伝わることを抑制することができる。ただし、緩衝材１２２は必須ではない。
　以上、本発明について上記実施形態を例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
　例えば、上述の第２実施形態では、移動クロスヘッド１１の基台１２側の主面１１Ｄにロードセル１４０が固定され、移動クロスヘッド１１の天面１５側の主面１１Ｕに信号処理ユニット１５０が固定された例を説明したが、主面１１Ｄに信号処理ユニット１５０を固定し、主面１１Ｕにロードセル１４０を固定してもよいし、主面１１Ｕ，１１Ｄの一方にロードセル１４０と信号処理ユニット１５０との両方を固定してもよい。
　また、上述の第１実施形態及び第２実施形態では、材料試験機が引張圧縮試験である例を説明したが、本発明は、他の種類の材料試験機（例えば、ねじり試験機や振動試験機等）に適用することも可能である。
１，２…材料試験機、１０Ｕ…上限位置（最高到達位置）、１１…移動クロスヘッド、２０，１２０…ロードセルユニット、２２，１４２…測定部、２３，１５９…増幅変換部、２４，１５４…増幅部、２５，１５５…ＡＤ変換部、２６，１５６…演算処理部、３０…制御ユニット、６０…ケーブル、１００…被検体、１２２…緩衝材、１４０…ロードセル、１５０…信号処理ユニット、１４３…メモリ、６０１，６１１…心線、６０３，６１３…シールド

Claims (12)

  1. 　被検体に対して材料試験を行うための材料試験機であって、
    　前記被検体に印加される力を電気信号に変換する測定部と、
    　前記電気信号を増幅する増幅部と前記増幅部で増幅された前記電気信号をデジタル化するＡＤ変換部とを含む増幅変換部と、
    を備え、
    　前記増幅変換部は、前記測定部と一体に構成されている、又は、前記測定部とは別体に構成されて前記測定部の近傍に配置されている
    ことを特徴とする材料試験機。
  2. 　前記増幅変換部は、前記測定部と一体に構成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の材料試験機。
  3. 　前記増幅変換部は、前記測定部と別体に構成されて前記測定部に接続され、
    　前記測定部及び前記増幅変換部は、前記材料試験機の移動クロスヘッドに固定されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の材料試験機。
  4. 　前記増幅変換部は、緩衝材を介して前記移動クロスヘッドに固定される
    ことを特徴とする請求項３に記載の材料試験機。
  5. 　前記増幅変換部は、前記移動クロスヘッドの天面に固定されている
    ことを特徴とする、請求項３又は４に記載の材料試験機。
  6. 　前記測定部及び前記増幅変換部は、交流で駆動する
    ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の材料試験機。
  7. 　前記増幅変換部と当該増幅変換部から出力されるデジタル信号を処理する制御ユニットとを接続するケーブルをさらに備える
    ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の材料試験機。
  8. 　前記ケーブルは、心線と当該心線に対するノイズの影響を低減する１層以上のシールドとを有する
    ことを特徴とする請求項７に記載の材料試験機。
  9. 　前記ケーブルは、ツイストペアケーブルである
    ことを特徴とする請求項７又は８に記載の材料試験機。
  10. 　前記ケーブルは、前記材料試験機の移動クロスヘッドと前記制御ユニットとの距離が最も遠いときにたわみが生じるように配線される
    ことを特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載の材料試験機。
  11. 　前記増幅変換部と一体に構成された演算処理部を備え、
    　前記測定部は、前記材料試験機をキャリブレーションするためのデータが格納されたメモリを有するロードセルに含まれており、
    　前記演算処理部は、前記ロードセルが前記増幅変換部に接続された際に前記ロードセルの前記メモリから前記データを読み出して、前記材料試験機をキャリブレーションする
    ことを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載の材料試験機。
  12. 　前記材料試験機は、前記被検体に対して引張試験及び圧縮試験を行うための引張圧縮試験機である
    ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の材料試験機。
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