(57)【要約】      （修正有）【課題】引張試験において複数の標点間距離を測定可能な変位計を提供する。【解決手段】変位計４０は、先端のエッジで試験片１００に接触する３対のアーム４１ａ、４１ｂ、４１ｃと、各対のエッジと逆側の基端側の基部４２ａ、４２ｂ、４２ｃに標点間距離の変化を測定する検出部としてひずみゲージブリッジ回路ＳＧ１、ＳＧ２、ＳＧ３を備える。制御部３０には、ひずみゲージブリッジ回路ＳＧ１、ＳＧ２、ＳＧ３からの入力を受け付けるセンサアンプユニット３６ａ、３６ｂ、３６ｃが、内蔵ユニットとして配置されている。各センサアンプユニット３６ａ、３６ｂ、３６ｃから入力された標点間距離ＧＬ１、ＧＬ２、ＧＬ３の変位値は、メインユニット３１に入力され、表示制御部３３の作用により、表示部１８に表示される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験片の複数の標点に当接されるエッジを先端に有する複数のアームと、
前記アーム間の相対的移動に応じて前記標点間距離の変化を測定する検出部と、
を備える変位計。
【請求項２】
請求項１に記載の変位計において、
前記アームは二つが一組の対をなすものであり、
前記検出部は、対をなす前記アームのエッジとは逆側となる基端側にそれぞれ配設されたひずみゲージブリッジ回路から成る変位計。
【請求項３】
請求項１に記載の変位計において、
前記検出部は、前記アームの隣り合うアーム間にブラッグ波長が異なるＦＢＧを設けた光ファイバひずみセンサから成る変位計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、引張試験において標点間距離を測定する接触式の変位計に関する。
【背景技術】
【０００２】
引張試験では、上下つかみ具に両端を把持させた試験片に引張荷重を与える。そして、このときの試験片の伸びは、変位計によって測定される。変位計としては、試験片の伸びに伴って移動するアームを接触させて標点間距離の変位を検出する接触式の変位計や（特許文献１参照）、カメラにより撮影した画像を画像処理して標点間距離の変位を計算する非接触式の変位計がある（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特願２００２−１９５８０５号公報
【特許文献２】特願２０１１−１６９７２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されたような接触式の変位計は、均質材料の伸びを測定することを想定している。したがって、引張試験の試験片上の標点は２点であり、伸びを測定可能な標点間距離は１つとなる。一方、近年では熱硬化性樹脂と炭素繊維を複合させたＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ  Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ）や熱可塑性樹脂と炭素繊維を複合させたＣＦＲＴＰ（Ｃａｒｂｏｎ  Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｔｈｅｒｍｏ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ）などの炭素繊維と樹脂の複合材料の材料特性を評価する材料試験の要請がある。これらの複合材料は、母材となる樹脂に対して炭素繊維の方向がランダムとなる不均質な材料である。このような材料で従来のプラスチックの引張試験規格で規定されている小型試験片を作製すると、各試験片での炭素繊維の方向の違いにより材料の伸びに差が生じる。特に、カットされたＣＦＲＴＰに一方向の炭素繊維テープをカットして敷き詰めた炭素繊維チョップドテープ強化熱可塑性樹脂複合材料では、従来の接触式の変位計での１つの標点間距離を測定すると、試験片の変位データを利用して算出する弾性率のバラツキが大きくなり、材料特性の評価が難しい。
【０００５】
非接触式の変位計における画像処理としては、カメラ撮影により取得したデジタル画像を利用したデジタル画像相関法（ＤＩＣ：Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｉｍａｇｅ  Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）が知られている。このデジタル画像相関法では、試験対象となる供試体の表面に塗料などを用いてランダムパターンを配置し、引張などの荷重が加えられる前後のランダムパターンの変形量を観察することで、供試体の伸びを測定することが可能である。ランダムパターンから画像上で任意の標点間距離を設定して変位データを取得できることから、複合材料の変形挙動の解析手法として注目されている。
【０００６】
一方で、従来の２点の標点の間の距離を測定するひずみゲージ式の接触式の変位計で実現される測定精度（例えば、プラスチックの引張試験の国際規格ＩＳＯ５２７−１で要求されている±１μｍの絶対精度）を、非接触式の変位計に求めることは、現状では困難である。すなわち、引張試験ではカメラと試験片との相対距離が変動しやすく、画像を取得するカメラの分解能による制約もあるため、非接触式の変位計で取得したデジタル画像の解析処理にデジタル画像相関法を採用しても、信頼性の高いデータが得られているかという観点から不安が残る。また、試験対象となる供試体の表面に付すランダムパターンのユーザによる設置には個人差があり、ユーザの技量によりマーキングの再現性が低くなるという問題もある。
【０００７】
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、引張試験において複数の標点間距離を測定可能な変位計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、変位計において、試験片の複数の標点に当接されるエッジを先端に有する複数のアームと、前記アーム間の相対的移動に応じて前記標点間距離の変化を測定する検出部と、を備える。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の変位計において、前記アームは二つが一組の対をなすものであり、前記検出部は、対をなすアームのエッジとは逆側となる基端側にそれぞれ配設されたひずみゲージブリッジ回路から成る。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の変位計において、前記検出部は、前記アームの隣り合うアーム間にブラッグ波長が異なるＦＢＧを設けた光ファイバひずみセンサから成る。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１から請求項３に記載の発明によれば、変位計が試験片にエッジで当接する複数対のアームを備えることから、複数の標点間距離の変位を測定することが可能となる。不均質材料において１つの試験片を分割測定ができることになり、複数の変位データを元に算出した弾性率の平均値・統計処理評価が可能なる。これにより、変位特性をより定量的に評価することができる。また、標点間距離を、アーム間の距離として正確に規定することで、試験の再現性の観点から、信頼性のある試験を繰り返し実行することが可能となる。
【００１２】
請求項３に記載の発明によれば、標点間距離の変位測定系に光ファイバひずみセンサを採用することで、多点計測を容易に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の変位計４０を適用する材料試験機の概要図である。
【図２】材料試験機の試験片１００の伸びの計測に関係する主要な制御系を示すブロック図とともに第１実施形態に係る変位計４０を示す概要図である。
【図３】挟持機構６０を説明する平面図である。
【図４】他の挟持機構６０を説明する平面図である。
【図５】材料試験機の試験片１００の伸びの計測に関係する主要な制御系を示すブロック図とともに第２実施形態に係る変位計５０を示す概要図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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、この発明の変位計４０を適用する材料試験機の概要図である。
【００１５】
この材料試験機は、基台１４と、クロスヨーク１２と、基台１４からクロスヨーク１２にわたって回転可能に立設された一対のねじ棹１１と、一対のねじ棹１１に沿って移動可能なクロスヘッド１３と、一対のねじ棹１１を回転させる負荷機構２６とを備える。クロスヘッド１３は、一対のねじ棹１１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。一対のねじ棹１１の下端部は基台１４内に配設された負荷機構２６に連結されており、負荷機構２６における動力源からの動力が、一対のねじ棹１１に伝達される構成となっている。そして、一対のねじ棹１１が同期して回転することにより、クロスヘッド１３は、これら一対のねじ棹１１に沿って昇降する。
【００１６】
クロスヘッド１３には、試験片１００の上端部を把持するための上つかみ具２１が、ロードセル２３を介して配設されている。一方、基台１４には、試験片１００の下端部を把持するための下つかみ具２２が配設されている。引張試験を行う場合には、試験片１００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１００に対して試験力（引張荷重）を負荷する。
【００１７】
このときに、試験片１００に作用する試験力はロードセル２３によって検出される。一方、試験片１００に生じた変位は、変位計４０により検出される。ロードセル２３および変位計４０の検出信号は、制御部３０に入力される。この制御部３０は、負荷機構２６の動作制御を実行する。また、制御部３０には、ユーザからの入力を受け付けるタッチパネルを備えた液晶パネルからなる表示部１８と、クロスヘッド１３の移動の開始と停止のためにユーザが操作する操作部１９が接続されている。
【００１８】
図２は、材料試験機の試験片１００の伸びの計測に関係する主要な制御系を示すブロック図とともに第１実施形態に係る変位計４０を示す概要図である。なお、図２においては、標点間距離の説明のために試験片１００の部分正面図を合わせて図示している。図３は、挟持機構６０を説明する平面図である。
【００１９】
変位計４０は、上つかみ具２１と下つかみ具２２とに把持された平板状の試験片１００に取り付けられる。変位計４０は、先端のナイフエッジＮＡ（図３参照）で試験片１００に接触する３対のアーム４１ａ、４１ｂ、４１ｃと、各対のエッジと逆側の基端側の基部４２ａ、４２ｂ、４２ｃに標点間距離の変化を測定する検出部としてひずみゲージブリッジ回路ＳＧ１、ＳＧ２、ＳＧ３を備える。ひずみゲージブリッジ回路ＳＧ１、ＳＧ２、ＳＧ３は、対をなすアーム４１ａ、４１ｂ、４１ｃの基端側のアーム間に装架された板バネに取り付けられる。各アームの基端側とひずみゲージブリッジ回路ＳＧ１、ＳＧ２、ＳＧ３とが収納された基部４２ａ、４２ｂ、４２ｃは、下端が基台１４に固定される支持板４６により支持されている。なお、支持板４６に対して各基部４２ａ、４２ｂ、４２ｃの高さ位置は、移動可能となっている。変位計４０のアーム４１ａ、４１ｂ、４１ｃのナイフエッジＮＡが試験片１００に接触しているところが試験片１００の標点となり、対をなすアーム４１ａの変位が標点間距離ＧＬ１の変位、対をなすアーム４１ｂの変位が標点間距離ＧＬ２の変位、対をなすアーム４１ｃの変位が標点間距離ＧＬ３の変位となる。
【００２０】
図３に示すように、３対のアーム４１ａ、４１ｂ、４１ｃのナイフエッジＮＡ側には、試験片１００におけるナイフエッジＮＡの当接位置がずれることを防ぐための挟持機構６０が付設されている。図３に示す挟持機構６０は、アーム側に固定されたエッジ支持部６１と試験片１００を挟んでナイフエッジＮＡと対向する位置にポンチ等の対向部材６３を配置するための押さえ部６２と、押さえ部６２をエッジ支持部６１に連結するとともに押さえ部６２をエッジ支持部６１に対して近接／離隔させるためのネジ６４とから成る。ネジ６４のネジ部は、押さえ部６２を貫通して、エッジ支持部６１に接続されたガイド７１のネジ穴にねじ込まれる。押さえ部６２側のガイド７１に対向する位置には、ガイド７２が接続され、押さえ部６２とネジ６４の頭部との間には円筒のバネ６５が介挿される。この挟持機構６０では、ネジ６４の締結によりバネ６５を圧縮したときの反力を利用して、対向部材６３とナイフエッジＮＡとにより試験片１００を挟持する。
【００２１】
再度、図２を参照して、制御部３０には、ひずみゲージブリッジ回路ＳＧ１、ＳＧ２、ＳＧ３の各々に励起信号を入力し、ひずみゲージブリッジ回路ＳＧ１、ＳＧ２、ＳＧ３からの入力を受け付けるセンサアンプユニット３６ａ、３６ｂ、３６ｃが、内蔵ユニットとして配置されている。なお、各センサアンプユニット３６ａ、３６ｂ、３６ｃは、信号を増幅するアンプ、信号からのノイズ除去用のフィルタ、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器、入力信号から伸びの信号を抽出して変位値を出力するＦＰＧＡなどを利用したデジタル回路から構成される。
【００２２】
また、この制御部３０は、装置の制御に必要な動作プログラムが格納されたメモリ３２、論理演算を実行する演算装置であるＭＰＵ３５、データを記憶する記憶素子が配置されたメインユニット３１と、メインユニット３１に接続する複数の内蔵ユニットを備える。メモリ３２には、センサアンプユニット３６ａ、３６ｂ、３６ｃとの通信を行う内蔵ユニット通信部３４と表示部１８への各標点間距離ＧＬ１、ＧＬ２、ＧＬ３の変位値を表示する表示制御を実行する表示制御部３３がプログラムとして配置されている。各センサアンプユニット３６ａ、３６ｂ、３６ｃから入力された標点間距離ＧＬ１、ＧＬ２、ＧＬ３の変位値は、メインユニット３１に入力され、表示制御部３３の作用により、表示部１８に表示される。
【００２３】
負荷機構２６の動作によりクロスヘッド１３が上昇し、試験片１００の引張試験力が与えられたときには、対をなすアーム４１ａの変位は、ひずみゲージブリッジ回路ＳＧ１により検出され、制御部３０に入力される。制御部３０では、センサアンプユニット３６ａを介してメインユニット３１にひずみ信号が入力され、標点間距離ＧＬ１の変位値が求められる。対をなすアーム４１ｂの変位はひずみゲージブリッジ回路ＳＧ２により検出され、制御部３０に入力される。制御部３０では、センサアンプユニット３６ｂを介してメインユニット３１にひずみ信号が入力され、標点間距離ＧＬ２の変位値が求められる。さらに対をなすアーム４１ｃの変位はひずみゲージブリッジ回路ＳＧ３により検出され、制御部３０に入力される。制御部３０では、センサアンプユニット３６ｃを介してメインユニット３１にひずみ信号が入力され、標点間距離ＧＬ３の変位値が求められる。すなわち、３対のアーム４１ａ、４１ｂ、４１ｃにより、標点間距離ＧＬ１、ＧＬ２、ＧＬ３の変位が試験片１００の伸びとして測定される。なお、この実施形態では、センサアンプユニット３６ａ、３６ｂ、３６ｃを制御部３０に内蔵ユニットとして配設しているが、センサアンプを外部機器として構成し、制御部３０に設けた外部機器との接続端子を備えた入出力ユニットを介して信号を入力するようにしてもよい。
【００２４】
図４は、他の挟持機構６０を説明する平面図である。なお、図３と同様の構成については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００２５】
図４に示す挟持機構６０は、押さえ部６２に永久磁石６７を配設するとともに、エッジ支持部６１に鉄心とコイルから成る電磁石６６を配設している。そして、押さえ部６２とエッジ支持部６１との間には、電磁石６６に連結された軸６９を貫通させて支持するすべり軸受６８が介挿されている。この挟持機構６０では、電磁石６６の通電により、押さえ部６２とエッジ支持部６１が近接し、試験片１００が、ナイフエッジＮＡと対向部材６３により挟持される。この場合には、制御部３０のメインユニット３１に、電磁石６６の通電を制御するデジタル回路を設けてもよく、制御部３０とは別に、挟持機構６０のコントローラを変位計４０に接続するようにしてもよい。
【００２６】
なお、図３の挟持機構６０では、ネジ６４をユーザが手動で締めるのに対し、図４の挟持機構６０では、電磁石６６への通電により、複数の標点での試験片１００の把持を一括して行うことができる。
【００２７】
図５は、材料試験機の試験片１００の伸びの計測に関係する主要な制御系を示すブロック図とともに第２実施形態に係る変位計５０を示す概要図である。なお、図５においては図２と同様に、標点間距離の説明のために試験片１００の部分正面図を合わせて図示している。
【００２８】
変位計５０は、第１実施形態と同様に、上つかみ具２１と下つかみ具２２とに把持された平板状の試験片１００に取り付けられる。変位計５０は、先端のナイフエッジＮＡで試験片１００に接触する複数のアーム５１を備える。なお、図５においては、対をなすアーム５１ａ、５１ｂ、５１ｃを図示しているが、これらを総称するときは、アーム５１と称する。各アーム５１のナイフエッジＮＡ側には、先に図３および図４を参照して説明した、試験片１００におけるナイフエッジＮＡの当接位置がずれることを防ぐための挟持機構６０が付設されている。これらのアーム５１は、ナイフエッジＮＡと逆側の基端側が、標点間距離の変化を測定する検出部としてＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇｓ）１、ＦＢＧ２、ＦＢＧ３が設けられた光ファイバ５７に接続され、ＦＢＧ１、ＦＢＧ２、ＦＢＧ３に対する配置により、標点間距離の変化を測定する対を形成する。なお、ＦＢＧは、光ファイバのコア中に回折格子を形成し、光フィルタとしての機能を持たせた光ファイバセンサのセンサ部である。ＦＢＧ１、ＦＢＧ２、ＦＢＧ３は、一本の光ファイバ内に異なるピッチのグレーティング（回折格子）を形成する加工を施すことにより作られている。
【００２９】
光ファイバ５７は、１ｍｍ間隔でスリットが形成された櫛型の支持板５６に固定されている。支持板５６の櫛の歯の先端には、永久磁石５４が取り付けられる。各アーム５１は、両端が支持板５６に固定されたガイド５３に沿って移動可能に配設されており、各アーム５１の基端側には電磁石５５が取り付けられている。各アーム５１をナイフエッジＮＡが標点に接触する位置に移動させた後に、電磁石５５に通電することで磁力を発生させ、永久磁石５４との引き合う力により各アーム５１を所定の位置に固定している。各アーム５１の位置は、独立して変更可能であり、長さの異なる複数の標点間距離に対応することが可能である。また、各アーム５１の位置は、電磁石５５への通電により、一括して行うことができ、標点が多数ある場合でも、ユーザは各アーム５１の固定を素早く行うことができる。試験中に各アーム５１間の相対的移動に伴って光ファイバ５７が変形すると各ＦＢＧ１、ＦＢＧ２、ＦＢＧ３をグレーディングのピッチが変わりブラッグ波長が変化することを利用して、ひずみを検出している。
【００３０】
変位計５０はＦＢＧ用の測定器５９を介して制御部３０に接続されている。測定器５９は、ＦＢＧのブラッグ波長を含む光ファイバ５７への入射光を供給する光源を備え、波長分割多重フィルタを用いて一本の光ファイバ５７に複数の波長（光信号）を同時に伝送し、各ＦＢＧ１、ＦＢＧ２、ＦＢＧ３からの反射光の波長を測定する波長測定器としての機能を有する。また、測定器５９は光信号を電気信号に変換する光電素子とアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器を備え、測定器５９の測定結果は、制御部３０に入力される。制御部３０のメモリ３２には、各アーム５１の変位に伴ってブラッグ波長のスペクトルの重心波長が、試験開始前に比べて試験中にどの程度移動したのかを認識して、この重心波長のシフト量を試験片１００における標点間距離の伸びに変換する変換部３９が、プログラムとして配置されている。
【００３１】
図５において、標点間距離ＧＬ１の伸びは、対をなすアーム５１ａの変位をその基端側のＦＢＧ１のブラッグ波長のシフト量により検出される。標点間距離ＧＬ２の伸びは、対をなす２本のアーム５１ｂはその基端側のＦＢＧ２ブラッグ波長のシフト量により検出される。標点間距離ＧＬ３の伸びは、対をなす２本のアーム５１ｃはその基端側のＦＢＧ３のブラッグ波長のシフト量により検出される。なお、図５においては、アーム５１が二つで一組の複数の対として配置されている例を説明したが、アーム５１は必ずしも対でなくてもよい。隣り合った各アーム５１の間にＦＢＧを配置するようにすればそれぞれのアーム間の距離の変動を測定することができる。
【００３２】
制御部３０のメインユニット３１では、測定器５９からの入力に基づいて、標点間距離ＧＬ１、ＧＬ２、ＧＬ３の変位値を求め、表示部１８に表示する。なお、この実施形態では、第１実施形態のように、ひずみゲージブリッジ回路に対応する数のセンサアンプユニットを配置する必要がなく、一台の測定器５９で、複数のひずみを検出することができる。また、この実施形態では、光ファイバ５７に３個のブラッグ波長の異なる回折格子を形成しているが、これに限定されない。１本の光ファイバに、適当な測定点の間隔で必要な数のＦＢＧを配置すればよい。また、この第２実施形態の変位計５０では光ファイバ５７による光通信を利用することから、第１実施形態の電気回路を使用するひずみゲージ式の変位計４０のように、磁気の影響をうけることがなく、よりノイズのすくない安定した測定が可能となる。
【００３３】
上述したように、この発明の複数対のアームを備える変位計４０、５０を材料試験に適用することにより、１つの試験片に対して複数の標点間距離の変位を１回の試験で測定することができる。このため、不均質材料において１つの試験片を分割測定ができることになり、複数の変位データを元に算出した弾性率の平均値・統計処理評価が可能なる。これにより、変位特性をより定量的に評価することができる。また、標点間距離を、対をなすアーム間の距離として正確に規定することで、非接触式変位計のランダムパターンの設置のように、標点設置において、ユーザの技量に依存することがない。したがって、試験の再現性の観点から、信頼性のある試験を繰り返し実行することが可能となる。
【符号の説明】
【００３４】
１１    ネジ棹
１２    クロスヨーク
１３    クロスヘッド
１４    基台
１８    表示部
１９    操作部
２１    上つかみ具
２２    下つかみ具
２３    ロードセル
２６    負荷機構
３０    制御部
３１    メインユニット
３２    メモリ
３３    表示制御部
３４    内蔵ユニット通信部
３５    ＭＰＵ
３６    センサアンプユニット
３７    入出力ユニット
４０    変位計
４１ａ、４１ｂ、４１ｃ    アーム
４２    基部
５０    変位計
５１ａ、５１ｂ、５１ｃ    アーム
５３    ガイド
５４    永久磁石
５５    電磁石
５６    支持板
５７    光ファイバ
５９    測定器
６０    挟持機構
６１    エッジ支持部
６２    押さえ部
６３    対向部材
６４    ネジ
６５    バネ
６６    電磁石
６７    永久磁石
６８    すべり軸受
６９    軸
７１    ガイド
７２    ガイド
１００  試験片
ＧＬ    標点間距離
ＳＧ    ひずみゲージブリッジ回路
ＮＡ    ナイフエッジ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2019219336.tif 000005
【図４】
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【図５】
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