(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験片に対して試験力を付与するとともに、そのときの試験力をロードセルにより検出する材料試験機において、
前記試験片を撮影する高速度ビデオカメラと、
前記ロードセルにより検出された信号を計測する荷重計測部と、を備え、
前記荷重計測部は、
前記ロードセルからの検出信号を増幅する増幅部と、
前記増幅部で増幅された検出信号をデジタル化する変換部と、
試験実行中に変化する試験力の最大値を更新保持するとともに、前記高速度ビデオカメラに対する撮影終了のトリガー信号を発生させるための基準値を前記最大値より演算して更新保持し、現在の試験力の値が前記基準値より小さくなったときに、前記高速度ビデオカメラに対する撮影終了のトリガー信号を発生させる比較演算部と、
を備えることを特徴とする材料試験機。
【請求項２】
請求項１に記載の材料試験機において、
前記比較演算部は、前記最大値に対して所定のビット数分、ビットシフト処理を行うことにより、前記基準値を演算する材料試験機。
【請求項３】
請求項１に記載の材料試験機において、
前記比較演算部は、
前記最大値に対して１ビット右ビットシフト処理を行う１ビットシフト部と、
前記最大値に対して２ビット右ビットシフト処理を行う２ビットシフト部と、
前記最大値に対して３ビット右ビットシフト処理を行う３ビットシフト部と、
を備え、
前記１ビットシフト部、２ビットシフト部、３ビットシフト部のいずれかにより前記基準値を演算することにより、前記最大値の１／２、１／４、１／８の値のいずれかを基準値として更新保持する材料試験機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、試験片に対して試験力を付与することにより材料試験を実行する材料試験機に関する。
【背景技術】
【０００２】
このような材料試験機は、例えば、テーブル上に一対のねじ棹を互いに同期して回転自在に支持するとともに、それらのねじ棹にナットを介してクロスヘッドの両端部を支持した構成を有する。そして、モータの回転により一対のねじ棹を互いに同期して回転させることにより、クロスヘッドを一対のねじ棹に沿って移動させる。クロスヘッドとテーブルとには、それぞれつかみ具などの治具が連結されている。そして、これら一対のつかみ具などの治具により試験片の両端を把持した状態で、クロスヘッドを移動させることにより、試験片に対して試験力を加えるように構成されている。
【０００３】
このような材料試験機においては、試験片に作用する試験力はロードセル等によって検出される。また、試験片の変位量の計測方法としては、歪みゲージを伸び計測のための計測器内部に貼設して、計測器を直接試験片に取り付ける事により、試験片の歪み量を計測する接触式伸び計による測定と、非接触式伸び計による測定とが知られている。なお、非接触式伸び計では、試験片の所定の上下位置に付された標線マーク等を光学ビデオカメラにより撮影して得たデータを画像処理することにより、標点間の距離を求め試験片の変位量を演算している（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３５７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
通常の光学ビデオカメラにより試験片を撮影するときのフレームレートは、例えば、３０ＦＰＳ（Ｆｒａｍｅ  Ｐｅｒ  Ｓｅｃｏｎｄ）程度である。このため、通常の光学ビデオカメラにより試験片破断時の破壊現象を捉えた画像を収集することはできない。従って、試験片破断時の破壊現象を捉えた画像を収集しようとする場合には、例えば、フレームレートが１００万ＦＰＳ程度の高速度撮影が可能な高速度ビデオカメラを、既存の材料試験機の構成に別途接続することになる。
【０００６】
図４は、材料試験機の構成に、従来の手法により高速度ビデオカメラ１５を追加した場合の主要な電気構成を説明するブロック図である。図４（ａ）は、高速度ビデオカメラ１５を追加する前の構成、図４（ｂ）は高速度ビデオカメラ１５を追加した後の構成を示している。
【０００７】
図４（ａ）に示すように、高速度ビデオカメラ１５を追加する前においては、ロードセル１４により検出された電気信号は、材料試験機全体を制御する制御部１２３内に配設された荷重計測部１４０の増幅部１４１に直接入力される。そして、入力信号はＡ／Ｄ変換器１４２によりデジタル信号に変換され、データ処理部１４５に送信される。このような構成に、高速度ビデオカメラ１５を追加して接続する場合には、図４（ｂ）に示すように、試験片への試験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の撮影のタイミングとを同期させる信号を得るために、ロードセル１４と制御部１２３との間に動ひずみアンプ１８を介在させている。
【０００８】
この種の材料試験機のロードセル１４は、歪みゲージ式ロードセルであり、ロードセル１４から出力される試験力データは、おおよそμＶ〜ｍＶオーダーの電気信号である。このため、動ひずみアンプ１８は、ロードセル１４からの電気信号を増幅し、その増幅した信号を荷重計測部１４０のＡ／Ｄ変換器１４２に出力する。一方で、動ひずみアンプ１８は、ロードセル１４からの電気信号に対して荷重計測部１４０に出力される信号よりもさらに大きな増幅を施した高倍率アナログ信号を生成し、この信号を高速度ビデオカメラ１５に送信する。そして、高速度ビデオカメラ１５に送信された高倍率アナログ信号からは、ＴＴＬ（Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ  Ｌｏｇｉｃ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等のデジタル論理回路により、デジタル信号（ＨまたはＬ）が導出され、トリガー信号が発生することになる。
【０００９】
なお、トリガー信号は、高速度ビデオカメラ１５での撮影の終了、すなわち、撮影により得られた各フレームの画像データの保存の停止動作のきっかけとなる信号である。このため、高速度ビデオカメラ１５は、撮影開始後、撮影終了のトリガー信号が入力されるまでの間、撮影を行うことになる。
【００１０】
ところで、この種の高速度ビデオカメラ１５は通常、画像データを蓄積する保存用メモリを備えている。しかしながら、この保存用メモリの容量には限りがある。このため、試験実行中に保存用メモリの容量が足りなくなった場合には、保存時間の早い画像データが保存されている領域に、順次上書きして新たな画像データを保存している。そして、この上書き保存は、撮影終了のトリガー信号の入力があるまで続けられている。
【００１１】
次に、試験力が８００Ｎのときに試験片が破断すると仮定した場合の材料試験を例に、トリガー信号の発生について説明する。撮影終了のトリガー信号は、試験片が破断して負荷が開放されたことにより、ロードセル１４が検出した試験力が一定の値以下になるタイミングで発生するように設定されている。
【００１２】
動ひずみアンプ１８を、１５００Ｎを５Ｖとしてアナログ出力するように設定して使用したとする。ＴＴＬの場合では、おおよそ０．８Ｖ以下をＬと判定し、２Ｖ以上をＨと判定しているため、試験力が一旦６００Ｎを超えた後に２４０Ｎ以下まで降下し、信号がＬと判定された時点で撮影終了のトリガー信号が発生することになる。また、ＣＭＯＳの場合には、おおよそ１．５Ｖ以下をＬと判定し、２．５Ｖ以上をＨと判定しているため、この場合には、試験力が一旦７５０Ｎを超えた後に４５０Ｎ以下に降下し、信号がＬと判定された時点で試験終了のトリガー信号が発生する。しかしながら、試験にはバラツキがあり、試験力が８００Ｎのときに試験片が破断すると仮定して動ひずみアンプ１８の出力を設定しても、すべての試験片が、試験力が８００Ｎのときに破断するとは限らない。例えば、ＣＭＯＳの場合で試験力が７５０Ｎを超える前に試験片が破断した場合には、論理回路にはＨと判定される電圧が一度も与えられないことになる。そうすると、試験片の破断に伴って試験力が降下し、Ｌと判定されるはずの電圧が論理回路に与えられたとしてもＨとＬの判定ができない状態が生じ、試験終了のトリガー信号も発生しない。すなわち、試験のバラツキに対応しきれない結果となる。
【００１３】
このような試験のバラツキに対応させようとして、試験片が８００Ｎよりも低い試験力で破断した場合でも、撮影終了のトリガー信号が発生できるように、動ひずみアンプ１８を、１０００Ｎを５Ｖとしてアナログ出力するように設定して使用したとする。ＴＴＬの場合では、試験力が１６０Ｎまで降下し信号がＬと判定された時点で撮影終了のトリガー信号が発生することになる。また、ＣＭＯＳの場合には、３００Ｎ以下まで降下し、信号がＬと判定された時点で撮影終了のトリガー信号が発生することになる。ところが、実際の試験で、動ひずみアンプ１８の設定時に仮定したとおりの８００Ｎで試験片が破断すれば、破壊から撮影終了のトリガー信号の発生までに予想以上に長い時間を要することになり、不要な画像データの上書きが続くことになる。そうすると、試験片の破壊現象を捉えた画像が不要な画像データの上書きにより失われることにもなる。
【００１４】
上述したように、従来の手法では、試験片が破断する試験力、すなわち、その材料試験における最大試験力を予想して、動ひずみアンプ１８のアナログ出力設定を行っている。しかし、事前に最大試験力の情報を正確に把握することは困難であり、試験対象によっては最大試験力の予想すらできないものもある。また、実際には破断時の試験力が試験片毎に異なることから、試験片の破断から高速度ビデオカメラ１５による撮影終了のトリガー信号の発生までの時間も、材料試験毎のバラツキと同様に異なるものとなる。
【００１５】
この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、高速度ビデオカメラに対する撮影終了のトリガー信号を安定的に発生させ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。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
請求項１に記載の発明は、試験片に対して試験力を付与するとともに、そのときの試験力をロードセルにより検出する材料試験機において、前記試験片を撮影する高速度ビデオカメラと、前記ロードセルにより検出された信号を計測する荷重計測部と、を備え、前記荷重計測部は、前記ロードセルからの検出信号を増幅する増幅部と、前記増幅部で増幅された検出信号をデジタル化する変換部と、試験実行中に変化する試験力の最大値を更新保持するとともに、前記高速度ビデオカメラに対する撮影終了のトリガー信号を発生させるための基準値を前記最大値より演算して更新保持し、現在の試験力の値が前記基準値より小さくなったときに、前記高速度ビデオカメラに対する撮影終了のトリガー信号を発生させる比較演算部と、を備えることを特徴とする。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記比較演算部は、前記最大値に対して所定のビット数分、ビットシフト処理を行うことにより、前記基準値を演算する。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の材料試験機において、前記比較演算部は、前記最大値に対して１ビット右ビットシフト処理を行う１ビットシフト部と、前記最大値に対して２ビット右ビットシフト処理を行う２ビットシフト部と、前記最大値に対して３ビット右ビットシフト処理を行う３ビットシフト部と、を備え、前記１ビットシフト部、２ビットシフト部、３ビットシフト部のいずれかにより前記基準値を演算することにより、前記最大値の１／２、１／４、１／８の値のいずれかを基準値として更新保持する。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１に記載の発明によれば、荷重計測部に比較演算部を備えることにより、試験力の最大値と基準値を更新保持することで、材料試験毎に異なる個別の最大試験力に基づいて撮影終了のトリガー信号を発生させることができる。このため、高速度デジタルカメラへの入力をアナログ信号ではなくデジタル信号とすることができ、かつ、材料試験毎に異なる試験片の破断からトリガー信号が発生するまでの間の時間のバラツキを低減することができる。
【００２０】
請求項２に記載の発明によれば、比較演算部は、試験力の最大値に対して所定のビット数分、ビットシフト処理を行うことにより、短時間で高速度ビデオカメラへの撮影終了のトリガー信号を発生させるための基準値を演算することができる。
【００２１】
請求項３に記載の発明によれば、試験力の最大値に対して１ビット右ビットシフト処理を行う１ビットシフト部と、２ビット右ビットシフト処理を行う２ビットシフト部と、３ビット右ビットシフト処理を行う３ビットシフト部と、を備えることにより、１ビットシフト部、２ビットシフト部、３ビットシフト部のいずれかにより、１クロックで高速度ビデオカメラへの撮影終了のトリガー信号を発生させるための基準値を演算することができる。このため、基準値の演算時間が長くなることによる撮影終了のトリガー信号発生遅れを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】この発明に係る材料試験機の概要図である。
【図２】この発明に係る材料試験機の主要な電気構成を説明するブロック図である。
【図３】比較演算部４３での処理手順を説明するフローチャートである。
【図４】材料試験機の構成に、従来の手法により高速度ビデオカメラ１５を追加した場合の主要な電気構成を説明するブロック図である
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係る材料試験機の概要図である。
【００２４】
この材料試験機は、テーブル１６と、このテーブル１６上に鉛直方向を向く状態で回転可能に立設された一対のねじ棹１１、１２と、これらのねじ棹１１、１２に沿って移動可能なクロスヘッド１３と、このクロスヘッド１３を移動させて試験片１０に対して試験力を付与するための負荷機構３０とを備える。
【００２５】
クロスヘッド１３は、一対のねじ棹１１、１２に対して、図示を省略したナットを介して連結されている。各ねじ棹１１、１２の下端部には、負荷機構３０におけるウォーム減速機３２、３３が連結されている。このウォーム減速機３２、３３は、負荷機構３０の駆動源であるサーボモータ３１と連結されており、サーボモータ３１の回転がウォーム減速機３２、３３を介して、一対のねじ棹１１、１２に伝達される構成となっている。サーボモータ３１の回転によって、一対のねじ棹１１、１２が同期して回転することにより、クロスヘッド１３は、これらのねじ棹１１、１２に沿って昇降する。
【００２６】
クロスヘッド１３には、試験片１０の上端部を把持するための上つかみ具２１が付設されている。一方、テーブル１６には、試験片１０の下端部を把持するための下つかみ具２２が付設されている。引っ張り試験を行う場合には、試験片１０の両端部をこれらの上つかみ具２１および下つかみ具２２により把持した状態で、クロスヘッド１３を上昇させることにより、試験片１０に試験力（引張荷重）を負荷する。
【００２７】
このときに、試験片１０に作用する試験力はロードセル１４によって検出され、制御部２３に入力される。また、試験片１０は、照明装置１７により照明されており、試験力が付与されたことによる試験片１０の変形および破断現象は、高速度ビデオカメラ１５により撮影される。
【００２８】
制御部２３は、コンピュータやシーケンサーおよびこれらの周辺機器によって構成されており、後述する荷重計測部４０、データ処理部４５等を備えている。また、制御部２３は、高速度ビデオカメラ１５における撮影の開始および終了等を制御するとともに、サーボモータ３１をフィードバック制御する。
【００２９】
図２は、この発明に係る材料試験機の主要な電気構成を示すブロック図である。
【００３０】
制御部２３は、荷重計測部４０とデータ処理部４５を備え、荷重計測部４０は、増幅部４１と、Ａ／Ｄ変換部４２と、比較演算部４３とを備える。ロードセル１４からの試験力データは、荷重計測部４０に取り込まれ、さらに荷重計測部４０内の増幅部４１において増幅される。増幅された試験力データは、Ａ／Ｄ変換器４２でデジタル信号に変換され、データ処理部４５と比較演算部４３に送信される。データ処理部４５では、各種データ処理が実行される。一方、比較演算部４３では、高速度ビデオカメラ１５に送信するための撮影終了のトリガー信号を発生させるための演算処理が実行される。
【００３１】
比較演算部４３は、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）やＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）等のプログラム可能な演算装置により構成される。このため、比較演算部４３は、実行する各処理を演算装置にプログラムしておくことにより、１クロックで右１ビットシフト処理を行う１ビットシフト部５１と、１クロックで右２ビットシフト処理を行う２ビットシフト部５２と、１クロックで右３ビットシフト処理を行う３ビットシフト部５３とを実装する。また、比較演算部４３は、後述の試験力の現在値を保持するメモリと、試験力の最大値を保持するメモリと、試験力の最大値から演算されトリガー信号を発生する基準となる基準値を保持するメモリを備えている。
【００３２】
図３は、比較演算部４３での処理手順を説明するフローチャートである。図３において、Ａは材料試験実行中の現在の試験力を示す現在値、Ｂはその材料試験実行中における試験力の最大値、Ｃは撮影終了のトリガー信号を発生させる基準となる基準値である。
【００３３】
材料試験が開始されると、まず、ＢとＣに最低値である０が代入される（ステップＳ１）。Ａ／Ｄ変換部４２におけるデータのデジタル化が完了し新しいＡの値が取得されると（ステップＳ２）、ＡとＣの値の比較が行われる（ステップＳ３）。なお、新しいＡの値が取得されなければ、次のステップに進むことはない。
【００３４】
材料試験開始直後においては、Ｃは０であるから、ＡとＣとを比較した場合には、現在値であるＡの方が大きな値となり、ＡとＢを比較するステップＳ４へと移行する。ここでも、最大値であるＢは、材料試験開始直後においては０であるから、ＡよりもＢが小さい値となる。比較演算部４３は、材料試験実行中の試験力の最大値を更新保持するため、ＢにＡの値を代入する（ステップＳ５）。なお、ＡよりＢの値が大きい場合には、最大値を更新する必要がないため、ステップＳ２へ戻ることになる。
【００３５】
次に、Ａの値に置き換わったＢを右１ビットシフト処理してＢの１／２の値が、基準値としてＣに代入される（ステップＳ６）。このステップＳ６における右１ビットシフト処理は、１ビットシフト部で実行される。なお、このステップＳ６におけるビットシフト処理を、２ビットシフト部または３ビットシフト部で実行した場合には、基準値としてＣに代入される値は、それぞれＢの１／４または１／８の値となる。
【００３６】
この実施形態では、比較演算部４３に１ビットシフト部５１、２ビットシフト部５２および３ビットシフト部５３を備える構成としているが、これに限定されるものではない。ＦＰＧＡやＤＳＰ等の演算装置により構成される比較演算部４３においては、所定のビット数分（ｎビット）、右ビットシフト処理を行うようプログラムを書き換えることで、最大値の１／２ｎの値を基準値とする演算処理を１クロックで実行させることができる。さらに、右ビットシフト処理のみでなく、所定のビット数分、ビットシフト処理を行うようプログラムを書き換えれば、少ないクロック数で基準値を演算することも可能である。
【００３７】
材料試験実行中においては、試験時間の経過に伴い、ロードセル１４により検出される試験力も大きくなる。そうすると、試験片１０が破断し試験力が降下するまで、上述したステップＳ２からステップＳ６までが繰り返され、比較演算部４３が基準値より大きく、かつ、そのときまでの最大値より大きい値の新しいＡの値を取得する毎に、比較演算部４３に試験力の最大値と基準値とが更新保持されることになる。
【００３８】
試験片１０が破断すると、ロードセル１４が検出する試験力は降下する。このとき、ステップＳ３でのＣの値は、材料試験の開始から試験片１０が破断するまでの間で最も大きな試験力、すなわち、その試験における試験片破断時の最大試験力の１／２の値となっている。そして、試験片１０の破断後に取得される試験力の現在値であるＡの値が、基準値Ｃをより小さい値となると、撮影終了のトリガー信号が高速度ビデオカメラ１５に出力され（ステップＳ７）、高速度ビデオカメラ１５による試験片１０の撮影が終了する。
【００３９】
以上のように、この発明に係る材料試験機においては、試験力の最大値に対してビットシフト処理をおこなうことにより、試験力の最大値の１／２ｎの値等、個々の材料試験における最大試験力から所定の割合だけ減少した値を、トリガー信号を発生させるための基準値として保持することができる。このため、従来のようにＴＴＬやＣＭＯＳを使用することなく、ＦＰＧＡやＤＳＰ等のプログラム可能な演算装置により、基準値を演算することができ、トリガー信号を正確、かつ、高速に発生させることが可能となる。
【符号の説明】
【００４０】
１０      試験片
１１      ねじ棹
１２      ねじ棹
１３      クロスヘッド
１４      ロードセル
１５      高速度ビデオカメラ
１６      テーブル
１７      照明装置
１８      動ひずみアンプ
２１      上つかみ具
２２      下つかみ具
２３      制御部
３０      負荷機構
３１      サーボモータ
４０      荷重計測部
４１      増幅部
４２      Ａ／Ｄ変換部
４３      比較演算部
４５      データ処理部
５１      １ビットシフト部
５２      ２ビットシフト部
５３      ３ビットシフト部
【図１】
0005605910.tif 000002
【図２】
0005605910.tif 000003
【図３】
0005605910.tif 000004
【図４】
0005605910.tif 000005