(57)【要約】【課題】シート状材料のシート材の刃物による耐貫通強度を長期にわたり、再現性よく、かつ定量的に評価できる耐貫通性評価試験装置を得ること。【解決手段】鋭利な刃物を鉛直方向に自由落下させて、シート状材料の耐貫通性を評価するための装置において、刃物を任意の高さから自由落下させる機構部と、刃物が試料に衝突してから停止するまでの減衰エネルギーを連続的に測定することにより多層構造物の貫通プロファイルを測定することを可能とした耐貫通性評価装置とする。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋭利な刃物を鉛直方向に自由落下させて、シート状材料の耐貫通性を評価するための装置において、刃物を任意の高さから自由落下させる機構部と、刃物が試料に衝突してから停止するまでの減衰エネルギーを連続的に測定することにより多層構造物の貫通プロファイルを測定することを可能とした耐貫通性評価装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本装置は、シート状材料の耐貫通性能の評価試験に関する。
【０００２】
【従来の技術】
機械的に同様な機構を持った装置として、落錘衝撃試験装置があり、　例えば特開平９−３１８４８４号公報に記載されている方法がある。この方法では、一定の高さから、一定の重量の落錘を、一定の加速度を持って自由落下させ、それによって与えられる運動エネルギーにより、被試験体の受けた損傷の状況を別の評価・測定により検証するというものである。
【０００３】
また、特開平１１−２３４３８号公報に記載されている方法では、更に落錘が２回以上衝突しないように、試験片から跳ね返った錘を試験片上部において落錘を保持することで必要以上のエネルギーを試験片に与えない方式をとっている。
【０００４】
しかしながらこれらの方法は、衝撃による物理的破壊強度を事後に観察するために用いられる装置であり、シート材の耐貫通性能評価を行うにはいくつかの問題点を抱えている。
まずひとつにこれら落錘衝撃試験装置においては物理的な破壊状況を観察することを目的としており、シート材の耐貫通性を評価するための機構・機能を持たない。
二つ目にこれら落錘衝撃試験装置において衝突位置精度を確保するために、物理的拘束物より受ける経時的な摩擦変化などのロス分や、刃の種類による質量変化などに対して、試験片に与える衝突エネルギーを再現性よく定量的に評価・確認する機構を持っていない。三つ目に落下直後に貫通した刃物が、錘を含めた自重によって衝突直後の状態からゆるやかに貫通量（深さ）が増大することにより時間経過による測定値変化をを防止する機能がない、といったことが挙げられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の装置では鋭利な刃物によるシート材の耐貫通性を定量的、且つ安定に評価することは困難であった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、上記従来技術の有する問題点を解消し、シート材の刃物による耐貫通性を再現性良く、かつ定量的に評価することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく本発明は、下記の構成からなる。
１．鋭利な刃物を鉛直方向に自由落下させて、シート状材料の耐貫通性を評価するための装置において、刃物を任意の高さから自由落下させる機構部と、刃物が試料に衝突してから停止するまでの減衰エネルギーを連続的に測定することにより多層構造物の貫通プロファイルを測定することを可能とした耐貫通性評価装置。
即ち、本発明に関わる耐貫通性能評価試験装置は、シート材上に鋭利な刃物を鉛直方向に自由落下させて、その貫通状態を観測する装置であって、シート直前での刃物の速度を測定することにより、刃物・ステー・ホルダを含めた落下部の重量から衝突エネルギーを算出し、シートに与えられるエネルギーを測定する手段と、貫通後自重によって貫通深さが変化しないように刃物を固定する手段を備え、貫通後の貫通量を測定する機構を備えることにある。
尚、本発明においてシートとは、幅および長さに対して厚みの薄い形状の材料を総称する。
【０００８】
この構成によれば、シート材の刃物に対する耐刃貫通性能を再現性よく測定することが可能になる。
【０００９】
本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態における耐貫通性評価試験装置の概略構造を示す。この耐貫通性評価試験装置は、シート状の被試験材料として、高強力繊維などで製作されたフエルト状シートを例に用いた。試料サイズは□４６０ｍｍのものを用いた。　（Ｈ）４２０×（Ｗ）４２０×（Ｄ）１５０ｍｍ試料台１に決められた硬さの粘土を敷き詰め、その上に試料２を動かないように固定する。この試料台は試料面中点３を軸に０／３０／６０°回転させることが可能な構造となっており、それぞれの角度はラチェットにより容易に固定可能で、試料に対し３つの角度からの耐貫通性評価試験が可能なものとなっている。これは要求に応じて無段階調整式にしてもよい。
【００１０】
試料に衝突させる鋭利な刃物４はステー５に組み付けた上で、鉛直方向に拘束されながら落下するホルダー６に装着する。ステー部周辺の構造は、図２に記す。鉛直に固定されたガイドバー７があり、そこにベアリングを介して刃物を固定するステー部５が自由落下する仕組みになっているが、ベアリングやガタによるロス分が見こまれることから、後述のエネルギー測定機構を用いて、落下点高さを調節し、衝突エネルギーを調節することで衝突の再現性を確認するものである。刃４を固定するステー５部分は、長さ３００ｍｍ、直径１０ｍｍのアルミの中空のパイプ状になっており、その先端部に刃を装着する。また、落下エネルギーを調節するために、このステー部には中空の貫通式錘１０がつけられるようになっており、今回本装置では１７００／２４００／３０００ｇの３種の錘を準備した。刃４を装着したステー５はホルダー６に固定し、試料２の表面位置に応じて、高さを微調整可能な構造となっている。
【００１１】
ここで、落下時のエネルギーは、
Ｗ　＝　１／２・ｍｖ２×９．８０
Ｗ：衝突エネルギー　　［Ｊ］
ｍ：落下部質量　　　　　［ｋｇ］
ｖ：衝突速度　　　　　　　［ｍ／ｓｅｃ］
であり、衝突時に要求される速度は、
ｖ　＝　√（２Ｗ／（ｍ・９．８０））
となり、この速度になるように高さを調節する。
ｈ［ｍ］後の理想速度は、
Ｖ２　＝　２ｇｈ
Ｖ：落下速度　　　　　　　　　［ｍ／ｓｅｃ］
ｇ：重力加速度　　　　　　　［ｍ／ｓ２］
ｈ：落下高さ　　　　　　　　　　［ｍ］
であるから、これより
ｈ　＝　Ｗ／（ｍｇ・９．８０）
【００１２】
より凡その高さを決めてセッティングを行う。その上で、数回落下させて所定の速度になるように高さを微調整する。
ホルダー部６はモータにより昇降させる機構を持っている。ホルダー部６の後ろに昇降用ホルダー８が昇降用ベルト１１により鉛直方向に移動可能な構造となっており、昇降用モータ１２を正転・逆転させることによりチェーンにより昇降用ホルダー８を昇降させる。このときホルダー部６より低い位置に昇降用ホルダー８を配置し、ソレノイドビン１３によりホルダー部６が昇降用ホルダー部８より下に行かないようにし、次に昇降用モータ１２を起動し、昇降用ホルダー部８を刃４と共に上昇させ、所定の位置（試料面より約１．５ｍ上）に停止する。あらかじめ試料のない状態で、落下速度を測定し、所定の位置で速度とホルダー部の重量から衝突時のエネルギーを算出しておき、その位置はリミットセンサーによって固定され、昇降用モータ１２の起動により自動的に停止する。
落下許可スイッチを一定時間以上押しつづけると、落下警告ブザーが５秒間鳴った後、ホルダー部６のソレノイドピン１３がはずれ自由落下し、試料２に衝突する。
【００１３】
衝突して一定時間が経過したのち（約１秒）、粘土部にささった刃４が自重にて当初より深く沈んでいくことを防ぐため、ブレーキ９をもって、刃４の位置を拘束し、貫通量測定の再現性を確保する。
ホルダー部６には、位置検知用センサー１４が組み込まれており、随時位置情報が出力されるようになっており、経過時間と位置、経過時間と速度が記録可能となっている。これにより、加速度変化及び任意位置での速度が観測可能であり、刃４がどれほどのエネルギーで衝突しているかを測定することが可能であり、また貫通量についても基準レベルを設けることにより、測定・記録が可能である（図３）。
量産品の品質検査として用いる場合には、基準レベルを設けて、貫通量を持って評価判定を行うことが可能であり、貫通時の粘土の凹みの検量線を作成することにより、より正確な測定を可能にする。
【００１４】
落下中は、変位センサーを用いて、ホルダー位置を追跡し、２０ｍｓｅｃ程度の周期でコンピュータで記録をとれるようになっており、経過時間毎のホルダーの位置及び速度が算出できる。さらに、試料面上部約１００ｍｍの地点における速度を衝突エネルギーの基準とし、ホルダー部の重量と合わせて衝突エネルギーを算出し、試験条件のひとつとして記録する。
貫通の測定は粘土部に達した刃が粘土にささっている深さで評価する。
【００１５】
【実施例】
以下に実施を行った例を示す。貫通試験されるシートとして、化学合成繊維で製作されたサンプルフエルトを用いたがシートとして特に材料を限定するものではない。
試料台の粘土としてＳｐｈｅｒｅ　ＲＢ−６４．５を使用した。ＩＳＯで使用される標準的材料としてこれを選択している。基本的に全ての測定についてこの粘土を使用することで、異なるサンプル間の相対的比較データとなりうる。
測定したサンプルは、□４６０ｍｍ　ｔ＝２０ｍｍで目付けの異なる２種のフエルトを使用した。測定に使用した刃は、２０Ｋ１５ＦＥ。錘は２４００ｇのものを装着し、衝突時のエネルギーを３５Ｊとなるように高さを調節する。式より
ｈ＝Ｗ／ｍ・ｇ・９．８０＝１．１８［ｍ］
ｍ：　錘＋刃＋ホルダ＋ステー＝３．１０［ｋｇ］
に大まかに高さを合わせる。
ｖ＝√（２・Ｗ／ｍ・９．８０）＝１．４２
であるから、試料面では約１，４２ｍ／ｓの速度が必要となる。実際に落下させて、該当位置での速度を１．４２ｍ／ｓになるよう、落下位置を調節する。粘土表面に傷がある場合は、表面だけでなく、内部に空隙がないように埋めて、常に表面を同じ状態に保つ。
調整が完了すると、試料を試料台上にセットする。試料を試料台の粘土上にずれない程度に固定する。テープ類で試料台に固定する、もしくは上面より錘を載せて固定するなどの処置を行う。
試料のセットが完了すると、昇降装置を用いて先に調節しておいた高さまで上昇させ、待機状態にする。この時点で、変位センサー、速度センサー、パソコンの記録系もスタンバイ状態となる。
【００１６】
落下許可スイッチを押すことで、落下させるがそれをトリガとして変位、速度のパソコンへの自動記録を開始する。落下した刃物が試料に突き刺さり、落下開始から０．３秒後、ステー部をブレーキにて拘束する。
同様の手法で０／３０／６０°の角度で各々３回測定し、その結果何ｍｍまで刃先が粘土内にささったかを測定し、比較評価する。
【００１７】
前述した条件にてフエルトの試験を行った。その結果を図４に表す。
図４は落下開始からの記録を表したものであり、自由落下開始後０．３秒の時点でブレーキによる拘束がはじまり、自重による貫通深さの経事変化を抑止している効果が見られる。
またこの記録データより各時点での位置データがあり、各点での速度、加速度が算出可能であり、特に衝突直前の速度は衝突のエネルギーを管理し、測定の再現性を確認する上で重要なファクターとなる。
表１に見るように、同一条件内での測定の再現性は±２ｍｍの範囲で安定しており、測定の再現性は確保されていることがわかる。また、異なる試料間の測定についても、その測定の再現性が確保されていることがわかる。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
上記実施形態では、柔軟性があり、貫通状態に対する耐性を評価するものを例に挙げているが、本発明に係る装置は、柔軟性がなく、割れてしまうようなサンプルにおいても、そのエネルギー減衰性能などを評価する用途にも本装置を適用できる。
また、上記実施形態では、柔軟性があるシート材で貫通しない場合の衝撃吸収測定にも本装置を適用できる。
更に、上記実施形態では、シート状の被試験材料としてフエルトを例に挙げたが、被試験材料としては紙、布、樹脂、金属、無機材などでもよい。
更に、記実施形態では、落下物を刃物としたが、試験用途に応じて帰るものであり、用途・材質は特に制約を受けない。
【００２０】
【発明の効果】
発明によればシート状材料の耐貫通強度を長期にわたり、再現性よく相対評価することを能とした。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係わる突刺し試験装置の概略全体構成図。
【図２】本発明の一実施形態に係わる突刺し試験装置に用いる昇降装置とその配置を説明する図。
【図３】データ計測系ブロック図。
【図４】自重による測定値変化の抑止効果を示すグラフ。
【符号の説明】
１：試料台、２：試料、３：試料面中点、４：鋭利な刃物、５：ステー、６：ホルダー、７：ガイドバー、８：昇降用ホルダ−、９：ブレ−キ、１０：中空の貫通式錘、１１：昇降用ベルト、１２：昇降用モータ、１３：ソレノイドビン、１４：位置検知用センサー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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