(57)【要約】【課題】  試験片の破壊を正確に認識して、試験片の破壊後、速やかにトリガー信号を送信することが可能な材料試験機および撮影装置を提供する。【解決手段】  レーザ光源３１から出射されたレーザビームは、ミラー３３における二面からなる一対の平面状の鏡面の一方で反射された後、試験片１０に形成された反射面１１で反射され、ミラー３３における一対の平面状の鏡面の他方に到達する。このレーザビームは、ミラー３３における一対の平面状の鏡面の他方で反射された後、試験片１０に形成された反射面１１で反射され、ミラー３３における一対の平面状の鏡面の一方に到達する。このような動作を複数回繰り返した後、レーザビームはフォトダイオード３４に入射する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを反射する反射面を備えた試験片に対して引張試験を実行する材料試験機において、
前記試験片に引張力が付与された状態で、当該試験片を撮影するための高速ビデオカメラと、
前記反射面にレーザビームを照射するためのレーザ光源と、
前記反射面で反射されたレーザビームを受光するための検出器と、
前記レーザ光源から前記検出器に至るレーザビームの光路中に配設され、前記反射面との間で複数回レーザビームを反射させるミラーと、
前記検出器により検出したレーザビームの強度に基づいて、前記高速ビデオカメラの撮影を開始するためのトリガー信号を発生するトリガー部と、
を備えた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、
前記ミラーは表面が互いに直交する二面からなる一対の平面状の鏡面を備え、前記反射面において反射されたレーザビームを前記一対の平面状の鏡面を介して、再度、前記反射面に向けて反射する材料試験機。
【請求項３】
請求項１に記載の材料試験機において、
前記ミラーは単一の平面状の鏡面を備え、前記反射面において反射されたレーザビームを、前記平面状の鏡面を介して、再度、前記反射面に向けて反射する平面に向けて反射する材料試験機。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の材料試験機において、
前記レーザビームは、前記反射面において、前記試験片に対する引張力が付与される方向の全ての領域をカバーするビームスポットを形成する材料試験機。
【請求項５】
レーザビームを反射する反射面を備えた試験片の破壊を撮影するための撮影装置において、
前記試験片を撮影するための高速ビデオカメラと、
前記反射面にレーザビームを照射するためのレーザ光源と、
前記反射面で反射されたレーザビームを受光するための検出器と、
前記レーザ光源から前記検出器に至るレーザビームの光路中に配設され、前記反射面との間で複数回レーザビームを反射させるミラーと、
前記検出器により検出したレーザビームの強度に基づいて、前記高速ビデオカメラの撮影を開始するためのトリガー信号を発生するトリガー部と、
を備えたことを特徴とする撮影装置。
【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試験力を付与することにより引張試験を実行する材料試験機および試験片の破壊される様子を撮影するための撮影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
試験片に対して引張試験を実行する材料試験機は、例えば、テーブル上に一対のねじ棹を回転自在に支持するとともに、こ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、クロスヘッドをテーブルから離隔する方向に移動させることにより、試験片に対して引張試験力を付与するように構成されている。
【０００３】
このような材料試験機を利用して試験片が破壊する瞬間を撮影する撮影装置においては、高速ビデオカメラが使用される。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。これに対して、試験片が破壊するとき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使用する必要がある。
【０００４】
このような高速ビデオカメラは、高速度撮影が可能である一方、撮影枚数に制限があることから、試験片が破壊し始める瞬間に、高速ビデオカメラに対して撮影を開始するためのトリガー信号を送信することができるトリガー機構を採用する必要がある。
【０００５】
従来は、例えば、試験片の表面に歪みゲージを貼着し，この歪みゲージによる歪みの出力が急激に変化した時に破壊が発生したと判断してトリガー信号を出力する方式が採用されている。しかしながら、このような歪みゲージを使用した方式においては、試験片に歪みゲージを貼り付けたことによる試験片の強度変化が生ずるばかりではなく、歪みゲージの出力を増幅するアンプの応答性による遅延が生ずるという問題がある。
【０００６】
このため、試験片の表面近傍にマイクロフォンを配設し、試験片の破壊音を測定することによりトリガー信号を発生させる試験装置が提案されている（特許文献1参照）。また、透光性を有する試験片の一端面から試験片の内部に光を入射させる光源部と、試験片の他端面から出射してきた光の強度を検出する光検出器とを備え、光検出器で検出された光強度に基づいてトリガー信号を発生させる材料試験装置も提案されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−１９４３４６号公報
【特許文献２】特開２０１２−２５１９０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載されたように、試験片の表面近傍にマイクロフォンを配設し、試験片の破壊音を測定することによりトリガー信号を発生させる構成を採用した場合においては、振動等による外乱の影響を受けやすいことから、試験片の破壊に対する誤検知が多いという問題がある。
【０００９】
一方、特許文献２に記載されたように、透光性を有する試験片の一端面から試験片の内部に光を入射させ、試験片の他端面から出射してきた光の強度を検出することによりトリガー信号を発生させる構成を採用した場合においては、試験片の破壊の瞬間を正確に特定することができる半面、透光性を有する材料以外には適用することができないという問題がある。
【００１０】
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、試験片の破壊を正確に認識して、試験片の破壊後、速やかにトリガー信号を送信することが可能な材料試験機および撮影装置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】
【００１１】
請求項１に記載の発明は、レーザビームを反射する反射面を備えた試験片に対して引張試験を実行する材料試験機において、前記試験片に引張力が付与された状態で、当該試験片を撮影するための高速ビデオカメラと、前記反射面にレーザビームを照射するためのレーザ光源と、前記反射面で反射されたレーザビームを受光するための検出器と、前記レーザ光源から前記検出器に至るレーザビームの光路中に配設され、前記反射面との間で複数回レーザビームを反射させるミラーと、前記検出器により検出したレーザビームの強度に基づいて、前記高速ビデオカメラの撮影を開始するためのトリガー信号を発生するトリガー部と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
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、前記ミラーは表面が互いに直交する二面からなる一対の平面状の鏡面を備え、前記反射面において反射されたレーザビームを前記一対の平面状の鏡面を介して、再度、前記反射面に向けて反射する。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ミラーは単一の平面状の鏡面を備え、前記反射面において反射されたレーザビームを、前記平面状の鏡面を介して、再度、前記反射面に向けて反射する平面に向けて反射する。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の発明において、前記レーザビームは、前記反射面において、前記試験片に対する引張力が付与される方向の全ての領域をカバーするビームスポットを形成する。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、レーザビームを反射する反射面を備えた試験片の破壊を撮影するための撮影装置において、前記試験片を撮影するための高速ビデオカメラと、前記反射面にレーザビームを照射するためのレーザ光源と、前記反射面で反射されたレーザビームを受光するための検出器と、前記レーザ光源から前記検出器に至るレーザビームの光路中に配設され、前記反射面との間で複数回レーザビームを反射させるミラーと、前記検出器により検出したレーザビームの強度に基づいて、前記高速ビデオカメラの撮影を開始するためのトリガー信号を発生するトリガー部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１から請求項５に記載の発明によれば、レーザビームの強度変化を検出することにより、試験片の破壊を正確に認識して、試験片の破壊後、速やかにトリガー信号を送信することが可能となる。
【００１７】
特に、請求項２に記載の発明によれば、試験片に対してミラーの取り付け位置に誤差があったとしても、レーザビームを入射方向と同一方向に反射させることが可能となる。
【００１８】
また、請求項４に記載の発明によれば、試験片に対してどのような位置で破壊が生じたとしても、試験片の破壊後、速やかにトリガー信号を送信することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】この発明に係る材料試験機の概要図である。
【図２】この発明の第１実施形態に係るトリガー発生機構３０の要部を試験片１０等とともに示す概要図である。
【図３】ミラー３３と試験片１０との間のレーザビームの反射状態を示す平面概要図である。
【図４】この発明に係る材料試験機の主要な制御系を示すブロック図である。
【図５】試験片１０が破壊する前後におけるフォトダイオード３４が検出したレーザビームの強度を示すグラフである。
【図６】この発明の第２実施形態に係るトリガー発生機構３０におけるミラー３５と試験片１０との間のレーザビームの反射状態を示す側面概要図である。
【図７】試験片１０の反射面１１に形成されたレーザビームのビームスポットＳを示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
この材料試験機は、試験片１０に対して引張試験を実行するためのものであり、基台２３と、この基台２３上に立設された左右一対のねじ棹１２と、左右一対のねじ棹１２と螺合するナット部を備え、ねじ棹１２に対して昇降するクロスヘッド１５とを備える。クロスヘッド１５には、上つかみ具２１が、軸心調整機構１３およびロードセル１４を介して配設されている。また、基台２３には下つかみ具２２が固定されている。試験片１０は、その両端をこれらの上つかみ具２１および下つかみ具２２により把持される。
【００２２】
一対のねじ棹１２の下端部には、各々、同期ベルト１６と係合する同期プーリー１７が配設されている。また、この同期ベルト１６は、モータ１９の駆動により回転する同期プーリー１８とも係合している。このため、一対のねじ棹１２は、モータ１９の駆動により同期して回転する。そして、一対のねじ棹１２が同期して回転することにより、クロスヘッド１５は、一対のねじ棹１２の軸心方向に昇降する。
【００２３】
試験片１０に付与される引張試験力は、ロードセル１４により検出される。また、試験片１０の上下の標点間の変位量は、図示を省略した変位計により検出される。ロードセル１４および変位計からの信号は図示しない制御回路に入力される。この制御回路は、ロードセル１４および変位計からの信号に基づいて、モータ１９の駆動制御信号を作成する。これにより、モータ１９の回転が制御され、引張試験が実行される。
【００２４】
また、この材料試験機は、試験片１０が破壊（破断）する瞬間を撮影するための高速ビデオカメラ２４と、この高速ビデオカメラ２４に対して撮影開始のトリガー信号を発生するトリガー発生機構３０とを備えた撮影装置を有する。この高速ビデオカメラ２４は、試験片１０に引張試験力が付与された状態で、この試験片１０を１００万ＦＰＳ程度のフレームレートで高速撮影するものである。
【００２５】
図２は、この発明の第１実施形態に係るトリガー発生機構３０の要部を試験片１０等とともに示す概要図である。また、図３は、ミラー３３と試験片１０との間のレーザビームの反射状態を示す平面概要図である。
【００２６】
この発明に係る材料試験機により引張試験を実行される試験片１０における少なくともトリガー発生機構３０側の表面は、レーザビームを反射する反射面１１となっている。この反射面１１は、試験片１０が金属材料から構成される場合には、その表面を平滑化してレーザビームを反射する状態とすることにより作成される。なお、試験片１０が樹脂等の場合には、その表面に金属膜を蒸着すること等により、レーザビームを反射する反射面１１を作成してもよい。この反射面１１は、試験片１０の表面全域に形成されてもよく、また、試験片１０におけるトリガー発生機構３０側の表面にのみ形成されてもよい。
【００２７】
トリガー発生機構３０は、レーザビームを照射するレーザ光源３１と、折り返しミラー３２と、ミラー３３と、レーザビームを受光するための検出器としてのフォトダイオード３４とを備える。ミラー３３は、表面が互いに直交する二面からなる一対の平面状の鏡面を備えている。
【００２８】
このトリガー発生機構３０においては、レーザ光源３１から出射されたレーザビームは、折り返しミラー３２を介して、ミラー３３に照射される。そして、レーザビームはミラー３３における一対の平面状の鏡面の一方で反射された後、試験片１０に形成された反射面１１で反射され、ミラー３３における一対の平面状の鏡面の他方に到達する。このレーザビームは、ミラー３３における一対の平面状の鏡面の他方で反射された後、試験片１０に形成された反射面１１で反射され、ミラー３３における一対の平面状の鏡面の一方に到達する。このような動作を複数回繰り返した後、試験片１０に形成された反射面１１で反射されたレーザビームはフォトダイオード３４に入射する。
【００２９】
図２に示すように、レーザビームは、試験片１０における反射面１１上で、複数個（図２においては７個）のビームスポットＳを形成する。このビームスポットＳは、上つかみ具２１および下つかみ具２２により両端を把持されて引張試験力が付与されている試験片１０に対して、引張試験力が付与される方向の全ての領域をカバーするようにスポット径が調整されているものとする。すなわち、試験片１０の反射面１１における引張試験力が付与されている方向のいずれの位置においても、引張試験力が付与されている方向と直交する方向のいずれかの位置にはレーザビームによるビームスポットＳが形成されていることになる。
【００３０】
なお、ミラー３３は、図３に示すように、表面が互いに直交する二面からなる一対の平面状の鏡面を備えている。すなわち、このミラー３３は、コーナキューブリフレクタを構成し、レーザビームを再帰反射する。このため、試験片１０に対してミラー３３の取り付け位置や方向に誤差があったとしても、ミラー３３は、レーザビームを入射方向と同一方向（入射方向と平行な方向）に反射させることが可能となる。
【００３１】
図４は、この発明に係る材料試験機の主要な制御系を示すブロック図である。
【００３２】
この発明に係る材料試験機は、装置全体を制御する制御部４０を備える。この制御部４０は、トリガー発生機構３０におけるレーザ光源３１およびフォトダイオード３４と接続されている。この制御部４０は、高速ビデオカメラ２４とも接続されている。また、この制御部４０は、フォトダイオード３４により検出したレーザビームの強度に基づいて、高速ビデオカメラ２４の撮影を開始するためのトリガー信号を発生するトリガー部４１を備えている。
【００３３】
以上のような構成を有する材料試験機において引張試験を実行するときには、試験片１０の両端を上つかみ具２１および下つかみ具２２により把持する。そして、モータ１９の駆動によりねじ棹１２を回転させ、クロスヘッド１５を上昇させることにより、試験片１０に対して引張試験力を付与する。
【００３４】
また、これと同時に、レーザ光源３１から、折り返しミラー３２に向けてレーザビームを照射する。このレーザビームは、ミラー３３に照射される。そして、レーザビームはミラー３３における一対の平面状の鏡面の一方で反射された後、試験片１０に形成された反射面１１で反射され、ミラー３３における一対の平面状の鏡面の他方に到達する。このレーザビームは、ミラー３３における一対の平面状の鏡面の他方と一方で反射された後、試験片１０に形成された反射面１１に到達したのち再び反射され、ミラー３３における一対の平面状の鏡面の一方に到達する。このような動作を複数回繰り返した後、試験片１０に形成された反射面１１で反射されたレーザビームはフォトダイオード３４に入射する。フォトダイオード３４により測定されたレーザビームの強度は、図４に示す制御部４０におけるトリガー部４１に送信される。
【００３５】
トリガー部４１は、フォトダイオード３４により測定されたレーザビームの強度が低下したときに、試験片１０の破壊が始まったと判断し、高速ビデオカメラ２４に対して、試験片１０の撮影の開始を指令するトリガー信号を送信する。そして、高速ビデオカメラ２４は、トリガー部４１からのトリガー信号を受信したときに、試験片１０の高速ビデオ撮影を開始する。
【００３６】
図５は、試験片１０が破壊する前後におけるフォトダイオード３４が検出したレーザビームの強度を示すグラフである。この図において、縦軸はフォトダイオード３４が検出したレーザビームの強度Ｐを示し、横軸は時間Ｔを示している。また、この図において、破線は、試験片１０の破壊が始まった時の時間Ｔを示している。
【００３７】
試験片１０が破壊するまでは、フォトダイオード３４が検出したレーザビームの強度Ｐに大きな変化はない。そして、試験片１０が破壊した瞬間に、フォトダイオード３４が検出したレーザビームの強度Ｐは大きく低下する。トリガー部４１は、このフォトダイオード３４が検出したレーザビームの強度の低下に基づいて、トリガー信号を発生させる。試験片１０が破壊してからフォトダイオード３４が検出したレーザビームの強度が低下するまでの時間は、数マイクロ秒以下である。これにより、試験片１０の破壊を正確に認識して、試験片１０の破壊後、速やかにトリガー信号を送信することが可能となる。
【００３８】
このため、このトリガー発生機構３０によれば、フォトダイオード３４が検出したレーザビームの強度Ｐに基づいて、試験片１０の破壊を正確に認識して、試験片１０の破壊の開始後、速やかにトリガー信号を送信することが可能となる。このとき、上述したように、試験片１０の反射面１１において、レーザビームのビームスポットＳは、試験片１０に対して、引張試験力が付与される方向の全ての領域をカバーしていることから、試験片１０に対してどのような位置で破壊が生じたとしても、試験片１０の破壊の開始後、速やかにトリガー信号を送信することが可能となる。
【００３９】
次に、この発明の他の実施形態について説明する。図６は、この発明の第２実施形態に係るトリガー発生機構３０におけるミラー３５と試験片１０との間のレーザビームの反射状態を示す側面概要図である。また、図７は、試験片１０の反射面１１に形成されたレーザビームのビームスポットＳを示す正面図である。なお、上述した実施形態と同様の部材については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４０】
上述した第１実施形態に係るトリガー発生機構３０においては、ミラー３３として、表面が互いに直交する一対の平面状の鏡面を備えたものを採用している。これに対して、この第２実施形態に係るトリガー発生機構３０においては、ミラー３５として、単一の平面状の鏡面を備えたものを使用している。
【００４１】
この第２実施形態に係るトリガー発生機構３０においては、レーザ光源３１から出射されたレーザビームは、試験片１０に形成された反射面１１で反射され、ミラー３５における平面状の鏡面に到達する。このレーザビームは、ミラー３５における平面状の鏡面で反射された後、再度、試験片１０に形成された反射面１１で反射される。このような動作を複数回繰り返した後、試験片１０に形成された反射面１１で反射されたレーザビームはフォトダイオード３４に入射する。
【００４２】
図７に示すように、レーザビームは、試験片１０における反射面１１上で、複数個（図７においては６個）のビームスポットＳを形成する。このビームスポットＳは、上述した第１実施形態の場合と同様、上つかみ具２１および下つかみ具２２により両端を把持されて引張試験力が付与されている試験片１０に対して、引張試験力が付与される方向の全ての領域をカバーするようにスポット径が調整されているものとする。すなわち、試験片１０の反射面１１における引張試験力が付与されている方向のいずれの位置においても、引張試験力が付与されている方向と直交する方向のいずれかの位置にはレーザビームによるビームスポットＳが形成されていることになる。
【００４３】
この第２実施形態に係るトリガー発生機構３０を採用した場合においても、上述した第１実施形態に係るトリガー発生機構３０の場合と同様、フォトダイオード３４が検出したレーザビームの強度Ｐに基づいて、試験片１０の破壊を正確に認識して、試験片１０の破壊の開始後、速やかにトリガー信号を送信することが可能となる。このとき、上述したように、試験片１０の反射面１１において、レーザビームのビームスポットＳは、試験片１０に対して、引張試験力が付与される方向の全ての領域をカバーしていることから、試験片１０に対してどのような位置で破壊が生じたとしても、試験片１０の破壊後、速やかにトリガー信号を送信することが可能となる。
【００４４】
なお、上述した実施形態においては、いずれも、試験片１０の反射面１１で反射したレーザビームを、フォトダイオード３４により、直接、検出している。しかしながら、試験片１０の反射面１１で反射したレーザビームを、図２に示す折り返しミラー３２と同様のミラー等を介した後、フォトダイオード３４により検出する構成を採用してもよい。
【００４５】
また、上述した実施形態においては、いずれも、この発明を、試験片１０に対して引張試験を実行する材料試験機に撮影装置を適用した場合について説明したが、この発明は、レーザビームを反射する反射面を備えた試験片の破壊を撮影するための単独の撮影装置に対して適用することが可能である。この場合には、図４に示すトリガー部４１は、撮影装置内に配設される。
【符号の説明】
【００４６】
１０      試験片
１１      反射面
１２      ねじ棹
１３      軸心調整機構
１４      ロードセル
１５      クロスヘッド
２１      上つかみ具
２２      下つかみ具
２３      基台
２４      高速ビデオカメラ
３０      トリガー発生機構
３１      レーザ光源
３２      折り返しミラー
３３      ミラー
３４      フォトダイオード
３５      ミラー
４０      制御部
４１      トリガー部
Ｓ        ビームスポット
【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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【図６】
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【図７】
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