(57)【要約】【課題】  ゴム状高分子材料の反発弾性係数を測定する装置において、操作が容易で、設置場所を取らず、移動が容易で且つ安価な小型の簡易型反発弾性試験装置を開発することが、本発明の課題である。【解決手段】剛体球を所定高さから垂直に自由落下させて試料と衝突させ、試験片上の所定位置に設置された２対の透過型光電スイッチで剛体球の衝突前後の通過時間を測定し、その測定値を計算により反発高さ比又は速度比に変換して、反発弾性係数を求める方法及び装置を提供する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼球又はジルコニア製ボール等の剛体球を、１０ｃｍ〜１００ｃｍの高さから垂直に自由落下させて板状のゴム状高分子材料又はそれらの複合材料からなる試験片と衝突及び反撥させる過程で、所定位置に設置された２対の透過型光電スイッチで該剛体球の通過時間を計測し、該計測値を衝突前及び衝突後の該剛体球の速度値及び／又は衝突後の該剛体球の反発高さ値に変換して反発弾性係数を計算することを特徴とする反発弾性係数測定方法。
【請求項２】
前記ゴム等高分子試験片を水平に堅固に保持する定盤と、自由落下する剛体球の衝突中心が該試験片の中心と一致するように該剛体球を保持するホルダーと、２対の透過型光電スイッチ及び該２対の透過型光電スイッチを水平に保持するためのホルダーと、該剛体球の支持ホルダー並びに該２対の透過型光電スイッチを水平に保持するためのホルダーを支える一対の支柱と、該透過型光電スイッチからの時系列電気信号をアナログ−デジタル変換（Ａ−Ｄ変換）するためのインターフェース装置と、該インターフェース装置から送信された信号から反発弾性係数を計算並びに表示するためのコンピュータとで構成されることを特徴とする反発弾性係数測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゴム状高分子材料等の簡易型反発弾性係数測定装置に関し、剛体球を垂直に自由落下させて、試験片に衝突する前後の剛体球の時間計測から反発弾性係数を求める簡易型の反発弾性係数測定方法及び測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
反発弾性係数は、物体の衝突時に材料が吸収するエネルギーを表す指標であり、所定の質量・高さの落下物を試験片に衝突させた際に、衝突時と撥ね返り時に物体が持っているエネルギーの比で表される。そして加硫ゴム及び熱可塑性ゴムの反発弾性試験方法は、ＪＩＳＫ６２５５で規格化されており、振り子を用いて落下及び反発高さから値を算出するリュプケ式反発弾性試験と固体円盤を用いて落下及び反発の角度から値を算出するトリプソ式反発弾性試験があるが、一般的にリュプケ式が用いられている。また上記のリュプケ式反発弾性試験装置の精度を向上させるため、装置の一部を改善した装置が特許文献１に特許公開されている。
【０００３】
【非特許文献１】ＪＩＳＫ６２５５「加硫ゴム及び熱可塑性ゴムの反発弾性試験方法」
【特許文献１】特開２０００−２７５１５６号公報
【０００４】
ところで、上記の試験機は高さが２ｍ以上もあり鉄棒振り子の振幅も２ｍ程度確保する必要がある等、設置場所が限定される上、重量も重いため移動も困難である。また試験片を縦方向に立てて設置する必要があり、試験片の設置に手間がかかる等、試験操作そのものも煩雑である。このような問題点を解決する目的で、簡易型のリュプケ式反発弾性試験機が、ＨＡＭＰＤＥＮ社（英国）からＥＰＨ−５０型として市販されている。しかしながら、該試験機は、本質的にリュプケ式と同一の機構で構成されているため、本質的な問題の解決にはなっておらず、且つ装置も高価であるという問題点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ゴム状高分子材料の反発弾性係数を測定する装置において、上記の問題点に鑑み、操作が容易で、設置場所を取らず、移動が容易で且つ安価な小型の簡易型反発弾性係数測定方法及び測定装置を開発することが、本発明の課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは上記の課題を解決するため、リュプケ式測定方法とは異なる方法について種々の検討を行った結果、次の発明に到達した。なお、本発明は、最近の先端的電子技術を有効に活用することにより実現可能となった。
【０００７】
第一の発明は、鋼球又はジルコニア製ボール等の剛体球を、１０ｃｍ〜１００ｃｍの高さから垂直に自由落下させて板状のゴム状高分子材料又はそれらの複合材料からなる試験片と衝突及び反撥させる過程で、所定位置に設置された２対の透過型光電スイッチで該剛体球の通過時間を計測し、該計測値を衝突前及び衝突後の該剛体球の速度値及び／又は衝突後の該剛体球の反発高さ値に変換して反発弾性係数を計算することを特徴とする反発弾性係数測定方法にある。
【０００８】
次に、第２の発明は、前記ゴム状高分子試験片を水平に堅固に保持する定盤と、自由落下する剛体球の衝突中心が該試験片の中心と一致するように該剛体球を保持するホルダーと、２対の透過型光電スイッチ及び該２対の透過型光電スイッチを水平に保持するためのホルダーと、該剛体球の支持ホルダー及び該２対の透過型光電スイッチを水平に保持するためのホルダーを支える一対の支柱と、該透過型光電スイッチからの時系列電気信号をアナログ−デジタル変換（Ａ−Ｄ変換）するためのインターフェース装置と、該インターフェース装置から送信された信号から反発弾性係数を計算並びに表示するためのコンピュータとで構成されることを特徴とする反発弾性係数測定装置にある。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の反発弾性係数測定方法及び測定装置は、小型軽量で操作性及び可搬性に優れ且つ安価であるので、従来のリュプケ式測定装置に代わって、ゴム状高分子材料又はそれらの複合材料の製造工程管理、品質検査及び新製品開発等に有効に用いられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に本発明の好適な一実施の形態を詳細に説明するが、本発明の技術的範囲は下記の実施形態によって限定されるものでなく、その要旨を変更することなく様々に改変して実施することができる。
【００１１】
さて、本発明の測定原理は、以下に示す物理的法則を利用している。すなわち、自由落下する物体のｔ秒後の落下高さをｈ、重力加速度をｇとすると、（１）式及び（２）式が成り立つ。
【００１２】
【数１】
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【００１３】
【数２】
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次に、反発弾性係数ｅについては、ＪＩＳＫ６２５５に従って算出することにした。すなわち、高さＨから自由落下する物体がゴム等に衝突する時の速度をｖ０，衝突後に逆方向に撥ね返るときの速度をｖ１、反発高さをｈ３とすると、（３）式で与えられる。
【００１４】
【数３】
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【００１５】
本発明においては、上記の理論を応用し、所定位置に設置された２対の透過型光電スイッチで剛体球の通過時間を計測し、該計測値から剛体球の反発高さ及び／又は剛体球が試験片に衝突する前後の速度を計算し、反発弾性係数ｅを求める。
ここで、（２）式の速度値は、自由落下する場合と反撥する場合とで、その反発高さが同一であれば、方向は逆であるが絶対値は等しい。また、上記の計算においては、空気抵抗による影響は非常に小さいため、これを無視した。
【００１６】
ここで、反発弾性係数の具体的な求め方を、図１を参照しながら以下に説明する。
図１は、高さＨから自由落下した鋼球が、試験片に衝突後ｈ３の高さまで反撥したことを示す図である。試験片表面を原点とし、鋼球が透過型光電スイッチ１及び２を通過して反発最高高さに達するまでの高さ及び時間を、各々（ｈ１、ｔ１）、（ｈ２、ｔ２）、（ｈ３、ｔ３）とする。
（１）式に従い、（４）式及び（５）式が得られる。
【００１７】
【数４】
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【００１８】
【数５】
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ここで、（４）式から（５）式の左右両辺を引算すると（６）式が得られる。
【００１９】
【数６】
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次に、ｔ２は（７）式で置き換えられる。
【００２０】
【数７】
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ここで、（ｔ２−ｔ１）は測定値から求められ、これをΔｔとすると、（７）式は（８）式に置き換えられる。
【００２１】
【数８】
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又、設定値からｈ２及びｈ１は既知であり、（ｈ２−ｈ１）をΔｈとし、（８）式と共に（６）式に代入すると（９）式が得られ、（ｔ３−ｔ2）が求められる。
【００２２】
【数９】
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次に、（９）式を（５）式に代入することにより、ｈ３が求められ、（３）式から反発弾性係数ｅが計算される。なお速度変化からｅを求める場合は、（２）式を利用することにより、同様に求められる。
ところで、本発明において、反発弾性係数を測定したい試験片は、ゴム状高分子材料又はその複合材料であり、以下の材料が例示されるが、これに限定されるものではない。すなわち、ゴム状高分子材料としては、アクリロニトリル−ブタジエンゴム（ＮＢＲ），ブチルゴム（ＩＩＲ），エチレンープロピレンーエチリデン（ＥＰＤＭ），スチレンーブタジエンゴム（ＳＢＲ）及びクロロプレンゴム（ＣＲ）等が上げられる。又これらの複合材料としては、上記のゴム状高分子材料にカーボンファイバー、アルミナファイバー等の繊維、セラミックス又は金属の粒子又はカーボンナノチューブ等の微粒子を物理的に混合したもの、あるいは鉄やアルミニウム等の金属板との積層材料がある。
【００２３】
ここで、試験片の形状としては、円板状又は正多角形状の対称性の高い板状のものが望ましい。そして、試験片の寸法は、リュプケ式測定方法（ＪＩＳＫ６２６６）で規定されている直径２９．０±０．５ｍｍ、厚さ１２．５±０．５ｍｍのものが望ましいが、基準値については必ずしもこれに限定されるものでない。しかし、公差については、真円度及び平坦度を確保するため基準値±０．５ｍｍとする必要がある。
【００２４】
又、剛体球としては、比重が大きく、高強度で耐摩耗性、耐候性が良く、真球度が高く且つ入手しやすいものであれば何れでも良いが、一般的に玉軸受け等の鋼球やジルコニアボール等が好適に用いられる。そして、その球の直径は、円板状試験片にあってはその直径を又多角形状試験片にあってはその内接円の直径を超えないように選択される。
【００２５】
さて、本発明において、正確な反発弾性係数を求めるために、剛体球の自由落下軌跡と試験片に衝突後の反撥軌跡とは、限りなく同一であることが要求される。これを実現するために、図２に示すように、試験片は水平に保持された剛性のある定盤上に堅固に固定され、且つ剛体球は、試験片の中心点の真上から垂直に自由落下させることが必要である。剛体球の衝突時に、試験片を保持する定盤が撓んだり、試験片が移動したり、又剛体球が垂直方向から外れて落下すると、正確な反発弾性係数が得られないからである。定盤としては鋼製定盤が一般的に用いられるが、剛体球の衝撃力を同時計測する目的で、ロードセルを用いても良い。なお、試験片を定盤に堅固に固定する方法として、試験片の周辺を拘束する方法や、接着剤を用いる方法が一般的に用いられる。
【００２６】
又、剛体球は、自由落下する前にホルダーによって１０ｃｍ〜１００ｃｍの高さに静止・保持されるが（図２のホルダー１）、保持方法としては、図３に示すようなバネ力を利用する方法の他に、電気的スイッチを利用する方法、電磁力を利用する方法、真空チャックを利用する方法等があるが、必ずしもこれらに限定されるものではない。ここで、剛体球の保持高さを１０ｃｍ〜１００ｃｍとした理由について説明する。剛体球の保持高さが１０ｃｍ未満では、２対の光電スイッチを設置する際に、物理的な制約がある上に、剛体球の運動エネルギーが小さく、十分な反発高さが得られない。一方、１００ｃｍ以上では装置が大きくなる上に、正確な測定値を得る上でその必要がないためである。
【００２７】
次に、試験片の中心部に剛体球が衝突するように、剛体球の落下中心軸と試験片の中心点が合致するよう設備される。又、ホルダーの材質は、十分な強度及び剛性を有するものであれば金属、樹脂、セラミックス又はこれらの複合材等の何れを用いても良い。
【００２８】
次に、所定位置に設置された２対の透過型光電スイッチにより剛体球の落下時及び反撥時の通過時間を計測し速度値及び反発高さを求める。ここで、２対の光電スイッチは、各がホルダーによって水平に保持されており、該ホルダーは１個でも２個でも良い。１個の場合は、光電スイッチはホルダーの上面と下面に各々保持され、２個の場合は、ホルダー毎に各光電スイッチが保持される。
【００２９】
さて、光電スイッチの設置位置は、試料の反発弾性係数及び剛体球の落下高さから決められる。例えば、反発弾性係数ｅが０．０８で、剛体球の落下高さが２０ｃｍの場合、反撥高さは１６ｍｍとなる。従って、この場合は上部にある第２の光電スイッチの位置は、１６ｍｍ未満に設定される。
【００３０】
そして、これらのホルダーは図２の支柱１及び２によって水平に保持される。又、各ホルダーは支柱に沿って位置を変更することも可能である。ここでホルダーの材質は、上記と同様に、十分な強度及び剛性を有するものであれば金属、樹脂、セラミックス又はこれらの複合材等の何れを用いても良い。
【００３１】
ところで、光電スイッチには光電スイッチアンプによって一定電圧が負荷されており、剛体球の通過によって電圧変化を生じ、該電圧変化を時系列信号としてインターフェース装置に取り込んでアナログ−デジタル変換（Ａ−Ｄ変換）を行う。ここで、インターフェース装置としてＡ−Ｄ変換ボードやディジタルオシロスコープが用いられるが、同様の機能を持つものであれば何れを用いても良い。
【００３２】
次に、Ａ−Ｄ変換された信号をコンピュータに取り込んで反発高さ値及び／又は速度値と反発弾性計数値の計算及び表示を行う。なおコンピュータとしては、汎用又は専用コンピュータの何れを用いても良い。
【００３３】
さて、本発明の主たる目的の一つは、簡易型のリュプケ式反発弾性試験測定方法及び測定装置の開発にあることから、リュプケ式反発弾性試験方法による剛体棒の試験片に対する衝突時の運動エネルギーと、本発明による剛体球の衝突時の運動エネルギーは近似している方が良い。一方で、リュプケ式測定装置では、質量３５０ｇの鉄棒を高さ１０ｃｍから振り子形式で衝突させており、反発弾性係数の測定方式が本発明とは異なっている。従って、リュプケ式による衝突エネルギー値は、本発明において一つの指標として参考とした。具体的には、剛体球の重さを１００ｇとし、落下高さを２０ｃｍ〜５０ｃｍが好適に選択される。
【００３４】
なお、本発明による装置において、剛体球は複数の衝突を繰り返した後も、試験片上に止まることが望ましいが、場合によっては定盤等から転がり落ちることもある。これを防止するため、試験片を包含し且つ運動する剛体球と接触しない内径と、第２の透過型光電スイッチより高い長さを有する中空管を定盤上に垂直に設置しても良い。
【実施例】
【００３５】
以下に、本発明を実施例を用いて更に具体的に説明する。
＜試験方法＞
【００３６】
リュプケ式測定法によって反発弾性係数が既知の試験片を用いて、本発明装置を用いた場合の反発弾性係数値の比較を行った。用いた試験片は市販のものの中から、硬さの異なる２種類のアクリロニトリル−ブタジエンゴム（ＮＢＲ），ブチルゴム（ＩＩＲ），エチレンープロピレンーエチリデン（ＥＰＤＭ），スチレンーブタジエンゴム（ＳＢＲ）及びクロロプレンゴム（ＣＲ）で且つ試験片の厚さが１２〜１３ｍｍのものを選択した。これらを直径３０ｍｍの円板状に加工し、試験片の種類ごとに各３ヶの試験片を得た。これらの試験片は厚さ２５ｍｍの鋼製の定盤上に設置されたロードセル（共和電業製ＬＵＨ２００ＫＦ）上に固定された。
【００３７】
剛体球として直径２９ｍｍφ、重さ１００ｇの玉軸受け鋼球を使用し、該鋼球を試験片からの高さ２０ｃｍ、３０ｃｍ及び４０ｃｍに鋼製のホルダーにて保持・静止させた後、垂直に自由落下させ、試験片と衝突・反撥させた。
上記において、剛体球が落下・反撥する際の通過時間を２対の透過型光電スイッチ（サンクス社製ＦＴ-ＳＦＭ２Ｌ、アンプは同社製ＦＸ２-Ａ３Ｒ））にて計測したが、１番目の光電スイッチは、その光の通路が試験片上２．３ｍｍに、又２番目の光電スイッチは、その光の通路が試験片上１２．３ｍｍとなるように、鋼製ホルダーにて各保持された。
【００３８】
ここで、剛体球が透過型光電スイッチの光の通路を遮ることによる電圧変化を、時系列変化として４チャンネルデジタルオシロスコープ（Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ社製ＴＤＳ３０１４）に取り込みモニターするとともに、電子媒体に記録した。その結果を図４に示す。
【００３９】
次に、上記の電子媒体に記録された信号をコンピュータに取り込み、前記式に従い反発弾性係数を計算した。
＜試験結果＞
【００４０】
表１に試料の種類とその厚さ及び材料硬さ、剛体球の落下高さ及び反発弾性係数値並びにリュプケ法による反発弾性係数値（以後リュプケ値という）を示す。
さて、本発明による反発弾性係数値をＸ軸に、リュプケ値をＹ軸にプロットした結果を図５に示す。図示するように、Ｙ＝０．９９５８Ｘと非常に良い相関が得られ、特に反発弾性係数値の高いものほど一致度が高かった。
又、剛体球の落下高さが反発弾性係数値に及ぼす影響については、試験の範囲内では有意差が認められなかった。
【００４１】
以上より、本発明による反発弾性係数測定装置は、リュプケ式測定方法に代わって有効に用いることができる。
【００４２】
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】自由落下する剛体球の各位置における時間を示す模式図である。
【図２】本実施形態による反発弾性係数測定装置を示す概略図である。
【図３】ホルダー３において、剛体球を保持するための保持具を示す上面図である。
【図４】剛体球の落下・反撥により光の通路が遮断されることによる２対の透過型光電スイッチの電圧変化を示す図である。
【図５】本実施形態による反発弾性係数値をＸ軸に、リュプケ値をＹ軸にプロットした相関関係を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年11月18日(2003.11.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
又、剛体球は、自由落下する前にホルダーによって１０ｃｍ〜１００ｃｍの高さに静止・保持される（図2のホルダー３）。保持方法としては、図3に示すようなバネ力を利用する方法の他に、電気的スイッチを利用する方法、電磁力を利用する方法、真空チャックを利用する方法等があるが、必ずしもこれらに限定されるものではない。ここで、剛体球の高さを１０ｃｍ〜１００ｃｍとした理由について説明する。剛体球の保持高さが10ｃｍ未満では、2対の光電スイッチを設置する際に、物理的な制約がある上に、剛体球の運動エネルギーが小さく、十分な反発高さが得られない。一方、１００ｃｍを越えると装置が大きくなる上に、正確な測定値を得る上でその必要がないためである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
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