(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験片に負荷を与える負荷機構と、試験片に作用する試験力を検出する試験力検出手段と、表示手段と入力手段を有する制御装置を備え、治具により配設された試験片に対して引張または圧縮による試験力を与える材料試験機であって、
前記制御装置は、
前記入力手段から入力された試験開始の指示信号を受けてから試験が開始されるまでの前記負荷機構が動き出す前の所定の時間内に前記試験力検出手段により検出された試験力の変動が、試験を開始できる許容値を超えているか否かを判定する試験力変動判定部を有する試験力変動監視手段を備え、
前記試験力変動判定部において、前記試験力の変動が前記許容値を超えていないと判定されたときに試験を開始す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、
前記制御装置は、前記試験力変動判定部において、前記試験力の変動が前記許容値を超えていると判定されたときに、前記表示手段にエラーメッセージを表示するメッセージ処理部を備える材料試験機。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の材料試験機において、
前記試験力変動監視手段は、前記試験力変動判定部において、前記試験力の変動が前記許容値を超えていると判定されたときに、前記試験力の変動が前記許容値よりも小さくなるまでの時間を推定する変動収束時間推定部を備え、
前記制御装置は、前記変動収束時間推定部が推定した時間後に試験を開始する材料試験機。
【請求項４】
請求項１に記載の材料試験機において、
前記制御装置は、前記試験力変動監視手段の動作を有効にするか否かを切り換える設定切換部を備える材料試験機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、試験片に対して引張・圧縮試験を行う材料試験機に関する。
【背景技術】
【０００２】
このような材料試験機においては、つかみ具などの治具に試験片の両端を把持させるなどして、試験片に引張または圧縮負荷を与え、その負荷により試験片に作用する試験力や、試験片の伸びなどを計測している。
【０００３】
試験片に作用する試験力は、ロードセルなどの試験力検出器により、また、試験片の伸びは歪みゲージなどの伸び計により検出される。これらの検出出力には、材料試験機の設置環境により、外乱がノイズとして含まれることがある。このため、これらの試験力や伸びなどの検出出力に対して、外乱に基づくノイズ量に応じてフィルタリング処理を施すことによりノイズを除去する材料試験機が提案されている（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―３３１２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、試験片に引張または圧縮の一方向の負荷を与える、いわゆる静的試験において、ロードセルなどの検出出力に重畳するノイズは、試験中における外乱だけではなく、治具への試験片の取り付け時の振動や試験開始前の風などの影響が原因となっているものもある。たとえば、試験片がゴムなどの弾性材料の場合には、治具への取り付け時の振動に試験片が共振し、こうして生じた揺れが収まらない状態で試験を開始すると、検出出力にそれらの揺れに起因した変動がノイズとして重畳する。また、試験片がフィルムなどの薄い材料の場合も、試験開始前の風などによる試験片の揺れが収まる前に試験を開始すると、検出出力にそれらの揺れに起因した変動がノイズとして重畳する。
【０００６】
従来では、上述したような試験開始前の治具や試験片の揺れが、試験中に収集される試験力データに深刻な影響を及ぼさない程度に収束しているか否かの判断は、オペレータの目視により感覚的に行われていた。このため、オペレータが試験開始前の治具や試験片の揺れに気づかずに試験を行った場合には、それらの揺れに起因したノイズが検出出力に重畳しているため、測定値が真の試験力の値を示すものとはならない。したがって、そのような状態で収集された試験力データを用いて解析を行っても、試験片の材料特性の評価を的確に行うことが困難になることがあった。
【０００７】
この発明は、上記課題を解決するために成されたものであり、試験開始前の試験力の変動を監視し、試験開始前のノイズの影響を排除することにより、試験中の試験力データの精度を向上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】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、試験片に負荷を与える負荷機構と、試験片に作用する試験力を検出する試験力検出手段と、表示手段と入力手段を有する制御装置を備え、治具により配設された試験片に対して引張または圧縮による試験力を与える材料試験機であって、前記制御装置は、前記入力手段から入力された試験開始の指示信号を受けてから試験が開始されるまでの前記負荷機構が動き出す前の所定の時間内に前記試験力検出手段により検出された試験力の変動が、試験を開始できる許容値を超えているか否かを判定する試験力変動判定部を有する試験力変動監視手段を備え、前記試験力変動判定部において、前記試験力の変動が前記許容値を超えていないと判定されたときに試験を開始することを特徴とする。
【０００９】
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、前記制御装置は、前記試験力変動判定部において、前記試験力の変動が前記許容値を超えていると判定されたときに、前記表示手段にエラーメッセージを表示するメッセージ処理部を備える。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記試験力変動監視手段は、前記試験力変動判定部において、前記試験力の変動が前記許容値を超えていると判定されたときに、前記試験力の変動が前記許容値よりも小さくなるまでの時間を推定する変動収束時間推定部を備え、前記制御装置は、前記変動収束時間推定部が推定した時間後に試験を開始する。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記制御装置は、前記試験力変動監視手段の動作を有効にするか否かを切り換える設定切換部を備える。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、試験力変動判定部において、入力手段から入力された試験開始の指示信号を受けてから試験が開始されるまでの所定の時間内に試験力検出手段により検出された試験力の変動が、許容値を超えていないと判定されたときに試験を開始することから、試験開始前の治具や試験片の揺れに起因したノイズが試験中の試験力検出手段の検出出力に重畳するのを未然に防止し、試験中に収集される試験力データの精度を向上させることができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、試験力変動判定部により、試験力の値が許容値を超えていると判定されたときに、表示手段にエラーメッセージを表示することから、材料試験機の現在の状態をオペレータに明確に伝えることができる。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、試験力変動判定部により、試験力の変動が許容値を超えていると判定されたときに、変動収束時間推定部により試験力の変動が許容値よりも小さくなるまでの時間を推定し、推定した時間の経過後に試験を開始することから、オペレータは試験開始の入力操作からやり直す必要がなく、試験作業を効率化することが可能となる。
【００１５】
請求項４に記載の発明によれば、制御装置は、試験力変動監視手段の動作の有効または無効を切り換える設定切換部を備えることから、試験片の剛性に応じて、試験力変動の監視の必要性をオペレータが選択することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明に係る材料試験機の概要図である。
【図２】制御部３３の主要な機能要素を示すブロック図である。
【図３】試験力変動の監視を行うための手順を示すフローチャートである。
【図４】他の実施形態に係る制御部３３の主要な機能要素を示すブロック図である。
【図５】試験力変動の監視を行うための手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
この材料試験機は、テーブル１８と、床面に立設された一対の支柱１９と、各支柱１９の内部において回転可能に立設された図示しない一対のねじ棹と、これらのねじ棹に沿って移動可能なクロスヘッド２３と、このクロスヘッド２３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。
【００１９】
クロスヘッド２３は、一対のねじ棹に対して、図示を省略したナットを介して連結されている。各ねじ棹の下端部は負荷機構３０に連結されており、負荷機構３０の動力源からの動力が、一対のねじ棹に伝達される構成となっている。一対のねじ棹が同期して回転することにより、クロスヘッド２３は、これら一対のねじ棹に沿って昇降する。
【００２０】
クロスヘッド２３には、試験片１０の上端部を把持するための治具である上つかみ具２１が付設されている。一方、テーブル１８には、試験片１０の下端部を把持するための治具である下つかみ具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２３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。なお、圧縮試験を行う場合には、上つかみ具２１を圧縮試験用の圧盤に取り換え、下つかみ具２２を取り除き、テーブル１８と圧盤との間に試験片を配置した状態で、負荷機構３０を動作させることにより、試験片に試験力（圧縮荷重）を負荷する。
【００２１】
このときに、試験片１０に作用する試験力は試験力検出手段としてのロードセル２４によって検出され、制御回路３１を介して制御部３３に入力される。
【００２２】
制御部３３は、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶装置およびＣＰＵ等を備えるコンピュータ等によって構成される。制御部３３には、液晶ディスプレイ等の表示装置である表示部３５と、マウスおよびキーボード等を有する入力部３４とが接続され、これらによりこの発明の制御装置が構成される。また、制御部３３には、制御部３３からの動作指令信号を受けて負荷機構３０などの駆動信号を生成する制御回路３１が接続される。制御回路３１は、ロードセル２４からの試験力データ、および、クロスヘッド２３の位置情報を制御部３３に送信する。そして、制御部３３は、試験力やクロスヘッド２３の位置情報などを表示部３５に表示する。
【００２３】
また、支柱１９には液晶ディスプレイ等の表示装置である表示部３６が配設されている。この表示部３６は、タッチパネル方式によりオペレータによる操作指示の入力が可能であり、制御回路３１を介して制御部３３に接続されている。このため、この表示部３６は、表示部３５と同様に、ロードセル２４からの試験力データ、クロスヘッド２３の位置情報を表示するこの発明の表示手段として機能するとともに、入力部３４と同様にこの発明の入力手段としても機能する。
【００２４】
図２は、制御部３３を構成する要素のうち、本願発明を実行するための主要な機能要素を示すブロック図である。図３は、この発明の特徴である、試験開始前における試験力変動の監視を行うための手順を示すフローチャートである。
【００２５】
この制御部３３は、試験力変動の監視機能の有効／無効を切り換える設定切換部６１と、試験力変動の監視を行う試験力変動監視部７０と、メッセージ処理部６２と、記憶部６３を備える。そして、試験力変動監視部７０は、試験力変動判定部７１を有し、試験力の変動が、試験を開始できる程度の変動であるか否かを試験力変動判定部７１において判定することにより、試験力変動の監視を行う。
【００２６】
このような機能要素を備える制御部３３において、試験力変動の監視を行うときには、上つかみ具２１と下つかみ具２２に試験片１０を把持させた試験開始前の状態で、オペレータが入力部３４を操作して、試験力変動の監視機能を有効にする（ステップＳ１１）。このとき、オペレータは入力部３４から、試験力の変動の許容値や、試験力変動の監視を行う時間など、試験力変動の監視を行うための各種パラメータの設定をすることができる。なお、これらの各種パラメータの設定は、タッチパネル方式の表示部３６から行ってもよい。
【００２７】
ここで、試験力の変動の許容値は、ロードセル２４による試験力の検出値の変動幅であり、仮にその状態で試験を開始したとして、試験片１０に試験力を与えたときに変化する試験力データに試験開始前から存在する検出値の変動の影響がノイズとして重畳しても、それらのノイズを試験力データ解析上、容認できる誤差として取り扱うことができる値である。そして、この許容値は、試験片１０の剛性に応じて変更される値である。すなわち、剛性の大きな試験片１０ほど許容値には小さい値が設定される。
【００２８】
また、試験力変動の監視を行う時間は、オペレータにより試験開始指示信号が制御部３３に入力されてから、制御部３３が制御回路３１にその試験開始指示信号を送信するまでの間に、試験開始前のロードセル２４が検出する試験力の変動状況を知るために試験力データを収集する時間であり、例えば、５００ｍｓ、１ｓなどの時間がオペレータにより設定される。それらの時間は、この発明における所定の時間に相当する。そして、設定された所定の時間内にロードセル２４により検出された試験力は、制御回路３１を介して記憶部６３に保存される。
【００２９】
オペレータが入力部３４から試験開始指示を入力すると（ステップＳ１２）、まず、この材料試験機の電気的なチェックが行われる。この電気的なチェックは、例えば制御回路３１や負荷機構３０の電気系統に過負荷電流が流れるなどの装置異常がないかどうかのチェックを行うものである。ここで装置異常が検出されなければ（ステップＳ１３）、試験条件のパラメータ設定に間違いがないかどうかなどの試験条件のチェックが行われる。この試験条件のチェックは、例えば、オペレータが試験片１０に負荷する試験力の最大値と最小値を逆に入力していた場合や、試験力の最大値に、この材料試験機で実現可能な最大試験力を超える値を設定していた場合などの明らかな入力ミスを検出するものである。
【００３０】
なお、これら材料試験機の電気的なチェック、および、試験条件のチェックは、試験の安全性の観点から、従来より行われているものであり、試験力変動の監視機能が無効に設定されているときでも行われる。また、試験力変動の監視機能が有効に設定されているときに、装置異常や試験条件異常が検出された場合には（ステップＳ１３、Ｓ１４）、メッセージ処理部６２において試験を開始できないことを示すメッセージを表示部３５、３６に表示させるメッセージ処理が行われ（ステップＳ１７）、試験開始前の試験力変動の監視を行うことなく、試験開始指示がキャンセルされる。そして、メッセージ処理（ステップＳ１７）の後に試験を開始するには、ステップＳ１１の手順からやり直すことになる。
【００３１】
試験条件に異常がなければ（ステップＳ１４）、試験力変動の監視が試験力変動監視部７０において実行される。試験片１０を上つかみ具２１と下つかみ具２２に把持させた直後などは、試験片１０取り付け時の振動が、上つかみ具２１を介してロードセル２４によって検出される試験力の値に変動を生じさせる。この試験力の変動が、許容値を超えているか否かの判定を、下記数式（１）を用いて、試験力変動判定部７１において行う。
【００３２】
【数１】
0005978627.tif 000002
数式（１）において、Ｖａｃｃは許容値、Ｆｍａｘは所定の時間内で検出された最大試験力、Ｆｍｉｎは所定の時間内で検出された最小試験力である。この試験力変動判定部７１においては、所定の時間内にロードセル２４により検出された最大試験力と最小試験力の差が、予め設定した許容値を超えているか否かの判定が行われる。そして、試験力の変動が許容値を超えており、試験を開始できない程の試験力変動ありと判定された場合には（ステップＳ１５）、メッセージ処理部６２において、試験を開始できないことを示すメッセージを表示部３５、３６に表示するメッセージ処理が行われ（ステップＳ１７）、試験開始指示がキャンセルされる。そして、メッセージ処理（ステップＳ１７）の後に、試験を開始するには、ステップＳ１１の手順からやり直すことになる。
【００３３】
一方で、試験力の変動が許容値を超えておらず、試験を開始できない程の試験力変動がないと判定された場合には（ステップＳ１５）、制御部３３から制御回路３１に試験開始の信号が送信され、負荷機構３０が動作することにより試験が開始される（ステップＳ１６）。
【００３４】
上述したように、この材料試験機においては、入力部３４から入力された試験開始の指示信号を受けてから試験が開始されるまでの所定の時間内にロードセル２４により検出された試験力の変動が、試験力変動判定部７１において許容値を超えていないと判定されたときに試験を開始することから、試験開始前の治具や試験片１０の揺れに起因したノイズが試験中のロードセル２４の検出出力に重畳するのを未然に防止することができる。したがって、試験データの精度を向上させることが可能となる。
【００３５】
また、この材料試験機では、設定切換部６１において、オペレータの設定選択入力に応じて、試験力変動の監視機能の有効／無効を切り換えるようにしている。このため、例えば剛性が極めて大きい棒状金属片を試験片１０として引張試験を行う場合など、試験片１０を上つかみ具２１および下つかみ具２２に把持させるときに生じた振動が、試験中の試験力データに影響を及ぼさないことが予想できる場合には、試験力変動の監視機能を無効にしておき、従来の材料試験機のように、オペレータからの試験開始の指示信号の入力の後、装置異常チェック、試験条件チェックを経て、制御部３３から制御回路３１に、試験開始の指示信号を送信し、試験を開始することもできる。
【００３６】
さらに、この材料試験機では、試験開始前の所定の時間内の試験力データを記憶部６３に保存し試験力の変動量を知ることができることから、これらの所定の時間内の試験力データから得た環境ノイズ量（試験力の変動量）を、試験開始後に収集された試験中の試験力データの解析に反映させることができ、データ解析の精度を向上させることも可能である。
【００３７】
次に、この発明の他の実施形態について説明する。図４は、他の実施形態に係る制御部３３の主要な機能要素を示すブロック図である。図５は、図４に示す制御部３３の各機能要素により、試験開始前における試験力変動の監視を行うための手順を示すフローチャートである。なお、上述した実施形態と同様の構成については、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００３８】
この制御部３３は、試験力監視部７０に、変動収束時間推定部７２をさらに備える。このような機能要素を備える制御部３３により試験力変動の監視を行うには、上述した実施形態と同様に、オペレータが入力部３４を操作して、試験力変動の監視機能を有効に設定し（ステップＳ２１）、試験開始の指示を入力する（ステップＳ２２）。しかる後、材料試験機の電気的なチェック、および、試験条件のチェックが行われ、装置異常または試験条件異常が検出された場合には、メッセージ処理部６２において試験を開始できないことを示すメッセージを表示部３５、３６に表示させるメッセージ処理が行われ（ステップＳ２８）、試験力変動の監視を行うことなく、試験開始指示がキャンセルされる。そして、メッセージ処理（ステップＳ２８）の後に試験を開始するには、ステップＳ２１の手順からやり直すことになる。
【００３９】
装置異常と試験条件異常のどちらもが検出されなかった場合には（ステップＳ２３、Ｓ２４）、試験力変動監視部７０における試験力変動の監視が行われる。まず、試験力変動判定部７１において、上述した数式（１）を用いた試験力変動の判定が行われる。ここで、試験力の変動が許容値を超えておらず、試験力の変動はないと判定された場合には（ステップＳ２５）、制御部３３から制御回路３１に試験開始の信号が送信され、負荷機構３０が動作することにより試験が開始される（ステップＳ２９）。
【００４０】
一方で、試験開始前の試験力の変動が許容値を超えており、試験力の変動ありと判定された場合には（ステップＳ２５）、変動収束時間推定部７２において変動が許容値を下回るまでに要する時間を推定する（ステップＳ２６）。なお、試験力の変動ありと判定されたときに、すぐには試験を開始できないことを示すメッセージを表示部３５、３６に表示させるメッセージ処理を行ってもよい。このとき、試験開始指示は、キャンセルされない。
【００４１】
この変動収束時間推定部７２では、記憶部６３に保存された所定の時間分の試験力データを用いて、試験力の変動が収束するまでの時間が推定される。これは、試験片１０を上つかみ具２１および下つかみ具２２などの治具により材料試験機に配設するときに生じる振動の多くが、時間の経過にともなって振動波形の振幅が小さくなる減衰振動であるため、所定の時間内における振動の減衰量を基に、試験力の変動が許容値を下回るまでの時間を求めることができることを利用している。
【００４２】
しかる後、推定時間が経過するのを待って（ステップＳ２７）、制御部３３から制御回路３１に試験開始の信号が送信され、負荷機構３０が動作することにより試験が開始される（ステップＳ２９）。
【００４３】
上述したように、この材料試験機においては、制御部３３に変動収束時間推定部７２を備え、試験力変動判定部７１において、試験力の変動が許容値を超えていると判定されても（ステップＳ２５）、所定の時間内に収集された試験力データから試験力の変動が許容値よりも小さくなるまでの時間を推定し、推定した時間後に試験を開始することから、オペレータが試験開始の入力操作からやり直す状況を少なくし、試験作業を効率化することが可能となる。
【００４４】
次に、この実施形態の変形例について説明する。上述した実施形態では、試験力変動判定部７１において、試験力の変動が許容値を超えていると判定された場合に、変動収束時間推定部７２において推定された時間が経過した後に、試験を開始するようにしている。しかし、変動収束時間推定部７２において推定された時間が経過した後に、再度、試験力変動判定部７１において、推定時間経過後も試験を開始できない程の試験力の変動があるか否かの判定を行い、試験力の変動が許容値を下回っていることを確認してから、試験を開始するようにしてもよい。
【００４５】
また、変動収束時間推定部７２において推定された時間が、一定の時間（例えば１０分）を超える長い時間であった場合には、試験開始指示をキャンセルするようにしてもよいし、そのまま一定の時間経過後に試験を開始するようにしてもよい。一定の時間経過後に試験を開始するようにしたときには、記憶部６３に保存した試験開始前の試験力データから求めた試験力の変動量を、環境ノイズ量として、試験開始後に収集された試験力データの解析時のノイズ除去処理に反映させて、データ解析の精度を向上させることも可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１０      試験片
１８      テーブル
１９      支柱
２１      上つかみ具
２２      下つかみ具
２３      クロスヘッド
２４      ロードセル
３１      制御回路
３３      制御部
３４      入力部
３５      表示部
３６      表示部
６１      設定切換部
６２      メッセージ処理部
６３      記憶部
７０      試験力変動監視部
７１      試験力変動判定部
７２      変動収束時間推定部
【図１】
0005978627.tif 000003
【図２】
0005978627.tif 000004
【図３】
0005978627.tif 000005
【図４】
0005978627.tif 000006
【図５】
0005978627.tif 000007