(57)【要約】【課題】引張試験機にセットされた試験対象物について、引張試験時に変化する断面積を経時的に非接触で計測可能にする。【解決手段】引張試験対象物の断面積測定装置１０は、試験対象物Ｔの所定の断面領域Ａにおける周縁部分の複数位置Ｐｎについて、断面領域Ａの中央に位置する基準点Ｏからの距離である内部距離Ｒｎをそれぞれ求める距離測定手段１３と、距離測定手段１３で求めた各内部距離Ｒｎに基づいて、断面領域Ａの面積を求めるデータ処理手段１４とを備えている。データ処理手段１４では、試験対象物Ｔが引張試験機１１にセットされた状態で、引張試験によって変形する断面領域Ａの面積が経時的に求められる。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
引張試験の対象となる試験対象物がセットされる引張試験機に付設され、引張試験時における前記試験対象物の断面積を測定する断面積測定装置であって、
前記試験対象物の所定の断面領域における周縁部分の複数位置について、前記断面領域の中央に位置する基準点からの距離である内部距離をそれぞれ求める距離測定手段と、当該距離測定手段で求めた各内部距離に基づいて、前記断面領域の面積を求めるデータ処理手段とを備え、
前記データ処理手段では、前記試験対象物が前記引張試験機にセットされた状態で、引張試験によって変形する前記断面領域の面積が経時的に求められることを特徴とする引張試験対象物の断面積測定装置。
【請求項２】
前記データ処理手段では、隣り合う２箇所の前記周縁部分の位置における前記内部距離と、当該各位置をそれぞれ基準点と結ぶ線分のなす角度とから、２箇所の前記各位置と前記基準点とを頂点とする三角形の面積を求め、当該三角形の面積を前記断面領域の全域で求めて加算することで、当該断面領域の面積を求めることを特徴とする請求項１記載の引張試験対象物の断面積測定装置。
【請求項３】
前記距離測定手段は、前記試験対象物の外側に配置されて当該試験対象物の表面部分との離間距離である外部距離を計測可能な距離センサと、前記試験対象物に対して距離センサを移動させる距離センサ移動機構と、前記距離センサの計測値を一定のタイミング毎に記録する記録部と、当該記録部に記録された前記距離センサの計測値に基づいて、前記各内部距離を算出する演算部とを備え、
前記距離センサ移動機構は、前記距離センサが、前記基準点を中心とした一定の回転半径で前記試験対象物の周囲を回転移動可能となるように設けられ、
前記演算部では、前記距離センサで計測された前記周縁部分の各位置における前記外部距離を前記半径から減算することで、当該周縁部分の各位置における前記内部距離を算出することを特徴とする請求項１又は２記載の引張試験対象物の断面積測定装置。
【請求項４】
前記距離センサ移動機構は、前記試験対象物の引張方向に前記距離センサを移動可能に設けられ、
前記データ処理手段では、前記引張方向に沿う前記距離センサの移動により、前記引張方向に沿う前記試験対象物の複数の断面領域について、引張試験時の経時的な面積変化を求めることを特徴とする請求項３記載の引張試験対象物の断面積測定装置。
【請求項５】
前記距離センサ移動機構は、前記試験対象物に離間接近する方向に位置調整可能に設けられ、当該離間接近方向に位置調整された後で、前記距離センサが、前記基準点を中心とした一定の半径で前記試験対象物の周囲を回転移動することを特徴とする請求項３記載の引張試験対象物の断面積測定装置。
【請求項６】
前記データ処理手段は、引張試験時に経時的に変化する前記試験対象物の断面積から、当該試験対象物の力学的特性を評価するための値を演算する機能を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の引張試験対象物の断面積測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、引張試験対象物の断面積測定装置に係り、更に詳しくは、引張試験機にセットされた状態で試験対象物の断面積を測定するための引張試験対象物の断面積測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
膝関節内部の膝前十字靭帯は、膝関節運動を安定して行えるように大腿骨と脛骨とを接続する組織である。この膝前十字靭帯が損傷した場合には、現状、優れた人工靭帯がないため、自分の身体の一部から採取した健常な自家腱を用いて膝前十字靭帯を再建する前十字靭帯再建術が行われている。ところが、自家腱を自分の身体から採取することなく、損傷した膝前十字靭帯を再建できるように、動物から採取した生体由来組織等からなる新たな人工靭帯が研究開発されている。当該人工靭帯の作製に当たっては、特許文献１等の手法を用いて、採取した動物組織を無細胞化する必要がある。ところが動物組織には、人工的に製造された材料と異なり個体差があることから、無細胞化した組織について、人体に移植可能な力学的特性を有しているかの評価が必要になる。当該力学的特性の評価の一つとしては、引張試験機を用いた引張試験に基づく評価がある。この引張試験は、特許文献２等に開示されているように、動物から採取した組織を切断、或いは、打ち抜き等により、ＪＩＳ規格で定められたダンベル形状に試験片を加工して行うことが通常である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４４４４９１８号公報
【特許文献１】特開２０１４−１４９２１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、無細胞化した動物組織から作製した人工靭帯は、動物の個体差により、組織の状態が一定でないため、多数の人工靭帯の中から一部を抜き取って、ダンベル形状に加工した試験片で引張試験を行っても、他の人工靭帯の力学的特性の評価とは必ずしも一致しない。また、引張試験のために動物組織をダンベル形状に加工してしまうと、製品にならないため、無細胞化した後の動物組織の全数について引張試験を行うためには、無細胞化した動物組織をそのまま引張試験の対象物として用いることが求められる。ここで、前述の力学的特性の評価を行う際に、引張試験による試験対象物の経時的な応力変化を算出するには、試験対象物の断面積を特定する必要がある。ところが、無細胞化した動物組織をそのまま試験対象物として引張試験を行う場合、それぞれの試験対象物の形状が不均一であり、且つ、柔軟性があるため、引張試験前に行う試験対象物の外部の寸法計測だけでは、正確な断面積の算出は困難であり、応力測定等、試験対象物の断面積を用いた力学的特性の評価を正確に行うことができない。すなわち、引張試験前の初期段階において、それぞれの試験対象物の断面形状を真円状、楕円状、方形状等とみなして試験対象物の断面積を求めざるを得ず、真値とは大きな差が生じることになる。また、引張試験中に経時的に変化する試験対象物の断面積についても測定できず、前記力学的特性の評価として用いる試験対象物の真応力についても求めることができない。
【０００５】
本発明は、このような課題を解決するために案出されたものであり、その目的は、引張試験機にセットされた試験対象物について、引張試験時に変化する断面積を経時的に非接触で計測することができる引張試験対象物の断面積測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するため、本発明は、主として、引張試験の対象となる試験対象物がセットされる引張試験機に付設され、引張試験時における前記試験対象物の断面積を測定する断面積測定装置であって、前記試験対象物の所定の断面領域における周縁部分の複数位置について、前記断面領域の中央に位置する基準点からの距離である内部距離をそれぞれ求める距離測定手段と、当該距離測定手段で求めた各内部距離に基づいて、前記断面領域の面積を求めるデータ処理手段とを備え、前記データ処理手段では、前記試験対象物が前記引張試験機にセットされた状態で、引張試験によって変形する前記断面領域の面積が経時的に求められる、という構成を採っている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、試験対象物を引張試験機にセットした状態で、引張試験の前後はもとより、引張試験時において、試験対象物に非接触のまま、試験対象物の所定の断面領域の面積を経時的に求めることができる。従って、試験対象物の形状が不均一であっても、引張試験を行いながら、より真値に近い断面積を測定することが可能であり、しかも、引張試験によって変形する断面領域の面積を経時的に求めることができ、真応力等、試験対象物の力学的特性評価のための断面積に依拠する各種の評価値をより正確に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施形態に係る断面積測定装置の構成を表す概念図。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、試験対象物の断面積の測定原理を説明するための概念図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１０】
図１には、本実施形態に係る断面積測定装置の構成を表す概念図が示されており、図２には、試験対象物の断面積の測定原理を説明するための平面視の概念図が示されている。
【００１１】
前記断面積測定装置１０は、図１に示されるように、生体組織等の所定の試験対象物Ｔをセットして引張試験を行う公知の引張試験機１１に付設されるものであり、引張試験時の試験対象物Ｔに非接触の状態で、試験対象物Ｔの断面積を経時的に測定する装置である。
【００１２】
この断面積測定装置１０は、試験対象物Ｔの所定の断面領域Ａ（図２参照）における周縁部分に複数設定された各位置Ｐｎ（ｎ＝１、２・・・、ｍ−１、ｍ）について、断面領域Ａの中央に位置する基準点Ｏからの距離である内部距離Ｒｎ（ｎ＝１、２・・・ｍ−１、ｍ）をそれぞれ求める距離測定手段１３と、距離測定手段１３で求めた各内部距離Ｒｎのデータに基づいて、断面領域Ａの面積を求めるデータ処理手段１４とを備えている。
【００１３】
前記距離測定手段１３は、試験対象物Ｔの外側に配置されて試験対象物Ｔの表面部分との離間距離である外部距離Ｌｎ（図２参照）を計測可能な距離センサ１６と、試験対象物Ｔに対して距離センサ１６を移動させる距離センサ移動機構１７と、距離センサ１６の計測値を一定のタイミング毎に記録する記録部１８と、記録部１８に記録された距離センサ１９の計測値に基づいて、前記各内部距離Ｒｎを算出する演算部１９とを備えて構成されている。
【００１４】
前記距離センサ１６として、試験対象物Ｔにレーザ光を照射し、試験対象物Ｔからの反射光の状態に基づいて試験対象物Ｔとの離間距離を計測可能なレーザ変位計が用いられている。なお、距離センサ１６としては、試験対象物Ｔの表面部分からの離間距離を計測可能な限りにおいて、種々のセンサを採用することができる。
【００１５】
前記距離センサ移動機構１７は、引張試験機１１の下側に取り付けられてその周りを囲むように配置されたガイドレール２１と、ガイドレール２１に沿って移動可能に設けられるとともに、距離センサ１６を支持するステージ２２と、ステージ２２を移動させる動力となるモータ２３と、当該モータ２３の駆動を制御するモータコントローラ２４と、ステージ２２の移動による距離センサ１６の位置を特定するための角度センサ２５とを備えて構成されている。
【００１６】
前記ガイドレール２１は、真円のリング状をなし、その中心が、引張試験機１１にセットされた試験対象物Ｔを保持する治具の中心に一致するように配置されている。
【００１７】
前記ステージ２２は、図示しない歯車等を介してガイドレール２１と係合しており、モータ２３の動力によって前記歯車を回転させることにより、ガイドレール２１に沿って移動可能な構造となっている。この構造により、ステージ２２に支持された距離センサ１６は、引張試験時の引張方向（以下、「上下方向」と称する）に沿う試験対象物Ｔの中心線の周りを一定の回転半径ｒで回転可能となる。また、ステージ２２は、前記上下方向に距離センサ１６を移動可能な上下方向移動機構と、試験対象物Ｔに離間接近可能に距離センサ１６を径方向に移動可能な径方向移動機構とを備えている。これら機構は、公知の２軸方向移動機構が採用されており、詳細な構造についての図示及び説明を省略する。なお、これら機構は、手動或いは図示しないモータ等の動力による自動にて、距離センサ１６の移動を行う構成の何れでも構わない。この構成によれば、距離センサ１６の上下方向と径方向の位置調整が可能になる。ここで、距離センサ１６の上下方向の位置調整は、例えば、断面積の測定対象となる試験対象物Ｔの断面領域Ａの位置を変える際に行われ、距離センサ１６の径方向の位置調整は、例えば、距離センサ１６の仕様や試験対象物Ｔの太さの相違に応じて行われる。
【００１８】
前記角度センサ２５は、ガイドレール２１に沿ってステージ２２が回転移動する際に、ガイドレール２１の所定位置を基準位置として、当該基準位置に対するステージ２２の角度変位を測定可能に設けられており、特に限定されるものではないが、本実施形態では、エンコーダが用いられている。従って、この角度センサ２５の測定値により、ステージ２２に支持された距離センサ１６の前記基準位置に対する回転角度が特定されることになる。
【００１９】
なお、前記距離センサ移動機構１７としては、距離センサ１６が、断面領域Ａの基準点Ｏを中心とした一定の回転半径ｒで試験対象物Ｔの周囲を回転移動可能とする構成であれば、前述の構成に限定されるものではない。
【００２０】
前記記録部１８では、次のようにして、距離センサ１６の計測値である外部距離Ｌｎが記憶される、すなわち、距離センサ１６が上下方向及び径方向に移動不能となるようにステージ２２に固定された状態から、距離センサ１６がガイドレール２１に沿って試験対象物Ｔの周りを１回転する。その際に、角度センサ２５の測定値に基づき距離センサ１６の回転角度の変位角Δθが一定となる距離センサ１６の位置毎に、距離センサ１６で計測された試験対象物Ｔの表面部分との最短の離間距離が外部距離Ｌｎとして記録される。ここで、距離センサ１６と最短の離間距離となる試験対象物Ｔの表面部分の各位置が、断面積を求める断面領域Ａの周縁上に位置することになる。特に限定されるものではないが、本実施形態では、前記変位角Δθを１度としている。
【００２１】
なお、距離センサ１６がガイドレール２１に沿って一定の角速度で回転するように、モータ２３が駆動する場合には、一定の前記変位角Δθ毎に外部距離Ｌｎを計測可能となるように、図示しないタイマー等を用いて一定時間毎に距離センサ１６による前記外部距離Ｌｎの計測を行っても良く、この場合には、角度センサ２５を省略し、或いは、角度センサ２５からの測定値を用いなくても良い。
【００２２】
前記演算部１９では、距離センサ１６で計測された断面領域Ａの周縁部分の各位置Ｐｎにおける外部距離Ｌｎを一定の前記回転半径ｒから減算することで、周縁部分の各位置Ｐｎにおける内部距離Ｒｎを算出するようになっている。すなわち、前述した通り、試験対象物Ｔの断面領域Ａの中心である基準点Ｏとガイドレール２１の中心とが平面視で一致し、且つ、ガイドレール２１が真円状になっていることから、ガイドレール２１に沿って回転移動する距離センサ１６の回転半径ｒは、ガイドレール２１上の距離センサ１６の位置に関わらず一定であり、当該回転半径ｒは予め記憶されている。そこで、演算部１９では、等間隔となる前記各位置Ｐｎでの距離センサ１６の計測値である外部距離Ｌｎ、すなわち、試験対象物Ｔの表面部分の各位置Ｐｎと距離センサ１６との離間距離を一定の回転半径ｒから減算することで、断面領域Ａの周縁部分の各位置Ｐｎでの前記内部距離Ｒｎが求められることになる。
【００２３】
なお、前記距離測定手段１３としては、前述の構成に限定されるものではなく、試験対象物Ｔの断面領域Ａにおける周縁上の複数の位置Ｐｎについて、基準点Ｏからの離間距離である内部距離Ｒｎをそれぞれ求めることができる限りにおいて、種々の構成、構造のものを採用することができる。
【００２４】
前記データ処理手段１４では、断面領域Ａについて、図２（Ｂ）に示されるように、基準点Ｏを頂点として変位角Δθの扇型形状に分割し、同図（Ｃ）に示されるように、各扇型形状の分割部分について、三角形近似により面積を求め、各分割部分の面積を加算して、断面領域Ａの面積を求めるようになっている。すなわち、隣り合う２箇所の周縁の各位置Ｐｎ−１，Ｐｎにおける内部距離Ｒｎ−１，Ｒｎと、このときの各位置Ｐｎ−１，Ｐｎをそれぞれ基準点Ｏと結ぶ線分のなす角度である変位角Δθとから、各位置Ｐｎ−１，Ｐｎと基準点Ｏとを頂点とする三角形の面積を求め、当該三角形の面積を断面領域Ａの全域で求めて加算することで、断面領域Ａの面積を求めるようになっている。
【００２５】
具体的には、演算部１９で求めた断面領域Ａの周縁部分の位置Ｐｎ毎の内部距離Ｒｎと、前記変位角Δθとから、次式によって、試験対象物Ｔの断面領域Ａにおける面積Ｓが求められる。
【００２６】
【数１】
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【００２７】
なお、データ処理手段１４に、求めた試験対象物Ｔの断面積と引張試験機１１による引張力とから、断面積に依拠する試験対象物Ｔの力学的特性の評価値、例えば、真応力等を演算する機能を備えることも可能である。この場合、例えば、試験対象物Ｔの周りで距離センサ１６を継続して回転させ、距離センサ１６の１回転毎に求められた試験対象物Ｔの断面積についての真応力を演算することができる。これにより、試験対象物Ｔの断面領域Ａが、引張試験によって経時的に変形する場合でも、試験対象物Ｔに非接触のまま引張試験を行いながら、断面領域Ａの面積を測定でき、当該測定値から真応力を経時的に求めることができる。
【００２８】
また、試験対象物Ｔの周りで距離センサ１６を１回転させ、断面領域Ａの面積を求めた後、前述したステージ２２の機構により、距離センサ１６を上下方向に移動してからステージ２２に再び固定した上で、距離センサ１６を再度１回転させることで、試験対象物Ｔの上下方向の他の位置における断面積を求めることが可能である。ここで、断面積測定装置１０として、距離センサ１６の上下方向の移動を自動化して、引張試験中の試験対象物Ｔの最小の断面積を特定可能な構成にすることもできる。この構成によれば、引張試験時において、断面積が最小となる試験対象物Ｔの部分が引張方向にシフトする場合でも、引張試験を行いながら試験対象物Ｔに非接触で、試験対象物Ｔの最小断面積を求めることが可能になる。
【００２９】
その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００３０】
１０  断面積測定装置
１１  引張試験機
１２  距離測定手段
１４  データ測定手段
１６  距離センサ
１７  距離センサ移動機構
１８  記録部
１９  演算部
Ａ  断面領域
Ｏ  基準点
Ｔ  試験対象物
Ｐｎ  位置
Ｒｎ  内部距離
Ｌｎ  外部距離
ｒ  回転半径
【図１】
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【図２】
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