JPH063236A

JPH063236A - ヤング率測定装置及びヤング率測定方法

Info

Publication number: JPH063236A
Application number: JP16622092A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiko Onda; 信彦恩田; Hidetoshi Nogo; 英俊野吾
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1992-06-24
Filing date: 1992-06-24
Publication date: 1994-01-11

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は紙葉類のヤング率測定に適したヤン
グ率測定装置及びヤング率測定方法に関し、簡便かつ正
確にヤング率を測定することができることを目的とす
る。【構成】紙葉取付台２１と押さえ板２２により紙葉２
０を片持ち梁状に支持する。Ｚ軸ステージ２５、ロード
セル２４、及び荷重印加部２３よりなる荷重印加手段に
より、紙葉２０に荷重を印加し、ロードセル２４により
印加荷重を検出する。Ｘ軸ステージ２８、及びレーザ変
位計２７により、測定対象物の所定位置における撓み量
を検出する。前記印加荷重と前記撓み量に基づいて紙葉
２０のヤング率を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はヤング率測定装置及びヤ
ング率測定方法に係り、特に紙葉類のヤング率測定に適
したヤング率測定装置及びヤング率測定方法に関する。

【０００２】紙葉類搬送処理装置、例えば、現金自動支
払い機や現金自動入出金機、印刷装置等には、紙幣や印
刷用紙等の積み重なった紙葉類を一枚ずつ分離して紙葉
類搬送部に送り出すための繰り出し機構がある。繰り出
し機構における紙葉類の分離方法としては、紙葉類と繰
り出し機構の間に作用する摩擦力を利用するものが主流
となっている。

【０００３】紙葉類が安定に繰り出されるための因子と
して、紙葉類と機構の間の摩擦係数と共に、紙葉類の曲
げ剛さが重要である。従って、紙葉類を安定に繰り出す
機構を開発するためには、紙葉類の曲げ剛さを知る必要
がある。曲げ剛さは紙のヤング率で定量化できるので、
紙葉類のヤング率を正確に簡便に測定するヤング率測定
装置及びヤング率測定方法の開発が必要とされている。

【０００４】

【従来の技術】紙のヤング率の測定方法としては、振動
特性や超音波を利用した方法も提案されているが、最も
簡便で広く用いられている方法は、低速引っ張り試験で
得られる荷重−変位曲線の初期勾配から求める方法であ
る。

【０００５】以下、引っ張り試験方法を文献「木村他：
“引っ張り試験からの紙のヤング率の実験的算出法”、
紙パ技協誌、第３９巻第１１号（１９８５）、ｐ５５−
６０」から引用して述べる。

【０００６】図６に従来の紙葉類のヤング率測定装置の
構成図を示し、同装置を用いた測定手順を以下に述べ
る。先ず、引っ張り試験機１のチャック２に測定する紙
葉３を取付ける。続いて、モータ制御部４からの指令で
モータ５を駆動してヘッド６を一定速度で上方向に引き
上げる。このときのヘッド６の変位（紙葉３の見掛けの
変形量）を、例えばモータ５に付けたエンコーダ７で検
出し、エンコーダカウンタ８でカウントして変位データ
９を得る。

【０００７】一方、紙葉３に作用する荷重は、チャック
２とヘッド６間に取りつけたロードセル１０で検出し、
ロードセルアンプ１１で増幅して荷重データ１２を得
る。荷重データ１２と変位データ９を荷重−変位記録部
１３で記録して、紙葉３の荷重−変形特性１４を得る。
紙葉３のスパンを４０ｍｍと１００ｍｍにしたときの荷
重−変形特性の一例を図７に示す。

【０００８】以下に、本装置を使用してヤング率を求め
る方法を説明する。ヘッド６の垂直変位（＝見掛けの紙
葉３の変形量）Δｄは、下記式に示すように、紙葉３
の実質的な変形量Δｒと、測定装置に起因する変位Δｓ
との和で表されると仮定する。

【０００９】Δｄ＝Δｒ＋Δｓ −−− ここで、試料の種類や厚さ、チャック２での固定圧力、
引張条件等が同じであるならば、Δｓは実験毎に同じ値
をとると仮定する。紙葉３のスパンをｒとすると、下記
式が成立する。

【００１０】（Δｄ／ｒ）＝（Δｒ＋Δｓ）／ｒ −−− 図７より、荷重と変形量の関係は非線形である。そこ
で、初期直線部分（荷重と変形量が比例関係にある領
域）に着目して、直線の勾配からある荷重に対する変形
量Δｄを求める。次に、スパンを徐々に短くして引っ張
り試験を行い、横軸にスパン、縦軸にある荷重下での見
掛けの変形量をとると、ｒ＝０の時の外挿値からその荷
重下でのΔｓが実験的に求まる。このΔｓを用いて、ヤ
ング率は、下記式で求まる。

【００１１】Ｅ＝（Ｆ／Ａ）／（（Δｄ−Δｓ）／ｒ） −−− ここで、Ａは紙葉３の断面積である。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、従来の定速
引っ張り試験で得られる荷重−変位曲線の初期勾配から
ヤング率を求める方法では、下記のような問題があっ
た。まず、引っ張り過程での、チャックと紙葉間の滑
り、紙葉のチャック部付近の応力や歪みの異常分布の影
響によって、紙葉のヤング率が変化する。

【００１３】また、荷重−変形特性は、図７のような曲
線になるので、初期勾配の直線の引き方によって算出さ
れるヤング率の値が変化する。また、試験機のノイズ等
によって直線部分が不明確となるおそれもある。

【００１４】更に、測定装置に起因する変位Δｓを補正
するため、少なくとも２〜３通りのスパンの試料に対し
て測定を繰り返す必要があり、測定時間がかかる。

【００１５】本発明は、上記の点に鑑みてなされたもの
で、簡便かつ正確にヤング率を測定することができるヤ
ング率測定装置及びヤング率測定方法を提供することを
目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記課題は、請求項１の
発明では、測定対象物を梁として支持する支持手段と、
測定対象物の延在方向に対し垂直方向に荷重を印加する
荷重印加手段と、印加荷重を検出する印加荷重検出手段
と、測定対象物の所定位置における撓み量を検出する撓
み検出手段とより構成し、前記印加荷重と前記撓み量に
基づいて測定対象物のヤング率を求めることにより解決
される。

【００１７】

【作用】請求項１の発明によれば、測定対象物に対し垂
直方向（測定対象物のずれが発生する方向と異なる方
向）に荷重を印加して測定対象物の撓み量を検出するた
め、支持手段において測定対象物に滑りが発生すること
を防止できると共に、支持位置近傍における応力や歪み
の異常発生をも防止できる。

【００１８】よって、検出する撓み量には、測定装置の
変位等の測定装置に起因する誤差が含まれず、印加荷重
と検出した撓み量に基づいて求めるヤング率の精度を向
上させることができる。また、これに伴い、測定装置に
起因する誤差を補正するための操作を不要とすることが
できる。

【００１９】また、撓み量の測定値と、それから求めた
撓み曲線を比較することで、測定対象物の撓み量が、撓
みの理論に当てはまっているかどうかをチェックするこ
とができる。従って求めたヤング率の妥当性のチェック
を可能とすることができる。

【００２０】請求項２の発明によれば、片持ち梁状に支
持された測定対象物の自由端に荷重印加するため、測定
対象物を撓ませるのに要する荷重を数十ｇｆと小さな値
とすることができ、荷重印加手段及び支持手段を小型化
することができる。

【００２１】請求項３の発明によれば、非接触で撓み量
を検出できるため、撓み量をより正確に測定することが
できる。

【００２２】

【実施例】図１は本発明の一実施例の構成図を示す。ま
た、図２は一実施例の要部の平面図を示し、図３は一実
施例の要部の正面図を示す。測定対象物である紙葉２０
を長さｒだけはみ出させて紙葉取付台２１に乗せ、上か
ら押さえ板２２で紙葉取付台２１に固定する。押さえ板
２２は例えば、ネジで紙葉取付台２１に固定する。従っ
て、紙葉２０は、支持手段である紙葉取付台２１及び押
さえ板２２により片持ち梁状に支持される。

【００２３】荷重印加手段は、Ｚ軸ステージ２５、ロー
ドセル２４、及び荷重印加部２３とよりなる。荷重は、
荷重印加部２３を先端に付けたロードセル２４をＺ軸ス
テージ２５に乗せて、そのＺ軸ステージ２５を上方に移
動させて荷重印加部２３で紙葉２０の先端部を突き上げ
るようにして加える。

【００２４】荷重印加部２３の紙葉２０に接する面は斜
面にして、紙葉２０と線接触させ、荷重が紙葉２０の最
先端部に加わるようにしてある。荷重検出手段であるロ
ードセル２４、に接続されたロードセルアンプ２６の出
力をモニターして、ロードセル２４の出力、即ち紙葉２
０に印加する荷重が設定値になるまで、Ｚ軸ステージ２
５でロードセル２４を上方に移動させる。

【００２５】なお、紙葉２０は押さえ板２２及び紙葉取
付台２１に片持ち梁状に支持されているため、ヤング率
測定に必要な所定の撓みを発生するのに要する印加荷重
は数十ｇｆでよい。このため、ロードセル２４には高感
度のものを使用することができる。また、紙葉２０に印
加する荷重が数十ｇｆであるため、Ｚ軸ステージ２５、
ロードセル２４、荷重印加部２３、紙葉取付台２１、押
さえ板２２等を小型化できる。

【００２６】撓み検出手段は、Ｘ軸ステージ２８、及び
レーザ変位形２７とよりなる。紙葉２０の撓み量は、レ
ーザ変位計２７で測定する。レーザビームのＸ方向への
スキャンは、紙葉取付台２１とＺ軸ステージ２５を載せ
たＸ軸ステージ２８をＸ方向に移動させて行う。

【００２７】図４は、ヤング率の測定原理図を示す。先
端に集中荷重を受ける片持ち梁りの撓み曲線は、撓みが
微小量で、撓み量の変化率である（ｄｚ／ｄｘ）²が
（ｄｚ／ｄｘ）²＜＜１の場合には、下記のの式で表
せる。

【００２８】

【数１】

【００２９】但し、Ｅはヤング率、Ｉは断面２次モーメ
ントである。ここで、Ｉは試料の寸法から決まる量、Ｗ
は設定荷重、ｒは試料の長さで、いずれも既知である。
従って、紙葉の撓み曲線を測定して、ｘとｚが分かれ
ば、これらを式に代入して、ヤング率Ｅを求めること
ができる。

【００３０】なお、紙葉２０は自重で撓むので、この撓
みの影響が荷重を加えたときの撓みに対して無視できる
ように、試料長ｒを選定する必要がある。自重による撓
み量ｚは、単位長さ当たりの自重をｑとすると、下記の
式で表せる。

【００３１】

【数２】

【００３２】例えば、後述する図５に示す、荷重５ｇｆ
を加えたときの測定例では、試料の長さｒ＝４ｍｍ、試
料の幅＝１５ｍｍとしている。ヤング率Ｅ＝３ＧＰａ
（実験結果の値）、ｑ＝０．０１３ｇｆ／ｍｍ（実測
値）、紙厚０．１ｍｍ、を代入して自重による撓み量を
計算すると、ｚ＝１．３μｍとなり、荷重５ｇｆを加え
たときの撓み量ｚ＝０．２ｍｍの０．６％で自重による
撓みは無視できる値である。

【００３３】次に、本実施例におけるヤング率の測定手
順について説明する。先ず、Ｘ軸ステージ２８を移動さ
せて、レーザ変位計２７のレーザビームが紙葉２０と押
さえ板２２との境界部分に当たるようにする。次に、Ｚ
軸ステージ２５を上方に移動させて、荷重印加部２３で
紙葉２０の先端部を突き上げる。ロードセルアンプ２６
の出力、即ち荷重が設定値になったら、Ｚ軸ステージの
移動を停止する。

【００３４】次に、Ｘ軸ステージ２８を図１の右方向に
移動させて、原点２９からの距離ｘと、撓み量ｚのペア
を読み取り記録する。ｘはＸ軸ステージ２８に付いてい
るマイクロメータ４１で読み取る。また、ｚはレーザ変
位計２７の変位表示部３０の値を読み取る。レーザビー
ムを原点２９から紙葉２０の先端部までスキャンして、
Ｎ個の（ｘ，ｚ）のペアを得る。

【００３５】撓み量ｚは、レーザ変位計２７により非接
触で直接測定されるので、変位計の接触に起因する誤差
を含まない。

【００３６】上記のようにして測定した撓みの測定例を
図５に◇で示す。図５の測定例では、ｒ＝４ｍｍ、試料
の幅＝１５ｍｍ、紙厚み＝０．１ｍｍ、荷重＝５ｇｆと
した場合である。

【００３７】次に、求めたＮ個のデータ（ｘ，ｚ）を通
る撓み曲線式を求めて、ｘ³の係数＝Ｗ／（６ＥＩ）
の値からヤング率Ｅを求める。より具体的には、最小２
乗近似法を用いて、下記の式によりヤング率Ｅを計算
する。

【００３８】

【数３】

【００３９】この方法で求めた撓み曲線を図５の実線で
示す。原点付近では、データは曲線の上下にばらついて
いるが、ｘ＝２〜３ｍｍの範囲では、データは曲線上に
乗っていて、紙葉２０の撓みは、理論曲線と合っている
ことが分かる。式から求めたヤング率は、３．５ＧＰ
ａとなる。

【００４０】このように、撓み量の測定値と、それから
求めた撓み曲線を比較することで、測定対象物の撓み
が、撓みの理論に当てはまっているかどうかをチェック
することができる。

【００４１】上記のように、本実施例では、紙葉２０を
梁状に支持し、紙葉２０の延在方向に対して垂直方向に
荷重を印加して撓み量を検出するため、支持位置におい
て紙葉２０に滑りが発生することを防止できると共に支
持位置付近における応力や歪みの異常発生をも防止でき
る。

【００４２】従って、検出する撓み量には、測定装置の
変位等の測定装置に起因する誤差が含まれず、印加荷重
と検出した撓み量に基づいて求めるヤング率の精度を向
上させることができる。また、測定装置に起因する誤差
を補正するための操作が不要で、ヤング率を簡便に測定
することができる。

【００４３】また、撓み量の測定値と、それから求めた
撓み曲線を比較することで、紙葉２０の撓み量が、撓み
の理論に当てはまっているかどうかをチェックすること
ができるので、求めたヤング率の妥当性をチェックする
ことができる。

【００４４】また、片持ち状に支持された紙葉２０の自
由端に荷重を印加するため、紙葉２０に印加する荷重を
数十ｇｆと小さな値とすることができる。このため、Ｚ
軸ステージ２５、ロードセル２４、荷重印加部２３とか
らなる荷重印加手段、及び、紙葉取付台２１、押さえ板
２２とからなる支持手段を小型化でき、測定装置を小型
化することができる。

【００４５】また、印加荷重が数十ｇｆでよいので、ロ
ードセル２４には高感度のものを使用することができ、
印加荷重をより正確に検出することができ、ヤング率を
より正確に測定することができる。

【００４６】また、紙葉２０の撓み量をレーザ変位計２
７により非接触で直接測定するので、より正確にヤング
率を測定することができる。

【００４７】なお、Ｘ軸ステージの位置データを出力す
るＸ軸ステージ位置検出部と、データ処理部とを設け、
Ｘ軸ステージの位置データ、及び変位表示部３０が出力
する撓み量ｚをデータ処理部に入力し、データ処理部
が、撓み曲線、及びヤング率を算出する構成とすること
も可能である。

【００４８】また、本実施例では、紙葉２０を片持ち梁
として支持し、荷重を印加する構成であるが、両持ち梁
等の片持ち梁以外の方法で紙葉２０を支持する構成とす
ることも可能である。

【００４９】なお、本発明においては、測定対象物は紙
葉類に限られるものではなく、金属や木材等の他の素材
についても同様の方法でヤング率を測定することができ
る。

【００５０】

【発明の効果】上述の如く、請求項１の発明によれば、
測定装置の変位等の測定装置に起因する誤差が生じず、
誤差を補正するための操作が不要であり、また、求めた
ヤング率の妥当性をチェックすることができるため、簡
便にかつ正確にヤング率を測定することができる等の特
長を有する。

【００５１】請求項２の発明によれば、測定対象物に印
加する荷重が数十ｇｆでよいため、測定装置を小型化す
ることができる。

【００５２】請求項３の発明によれば、非接触で正確な
撓み量を測定することができるため、ヤング率をより正
確に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成図である。

【図２】本発明の一実施例の要部の平面図である。

【図３】本発明の一実施例の要部の正面図である。

【図４】ヤング率の測定原理図である。

【図５】撓みの測定例を示す図である。

【図６】従来のヤング率測定装置の構成図である。

【図７】従来装置による荷重−変形特性の例を示す図で
ある。

【符号の説明】

２０紙葉２１紙葉取付台２２押さえ板２３荷重印加部２４ロードセル２５Ｚ軸ステージ２６ロードセルアンプ２７レーザ変位計２８Ｘ軸ステージ２９原点３０変位表示部４１マイクロメータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定対象物（２０）を梁状に支持する支
持手段（２１、２２）と、該測定対象物（２０）の延在方向に対し垂直方向に荷重
を印加する荷重印加手段（２３、２４、２５）と、該印加荷重を検出する印加荷重検出手段（２４）と、該測定対象物の所定位置における撓み量を検出する撓み
検出手段（２７、２８）とより構成され、前記印加荷重と前記撓み量に基づいて前記測定対象物の
ヤング率を求めることを特徴とするヤング率測定装置。
【請求項２】前記支持手段（２１、２２）は前記測定
対象物（２０）を片持ち梁状に支持し、前記荷重印加手
段（２３、２４、２５）は該片持ち梁の自由端に荷重を
印加することを特徴とする請求項１記載のヤング率測定
装置。
【請求項３】前記撓み検出手段（２７）は、非接触式
変位計であることを特徴とする請求項１又は２記載のヤ
ング率測定装置。
【請求項４】測定対象物（２０）を梁状に支持し、測
定対象物（２０）の延在方向に対し垂直方向に荷重を印
加し、このときの該測定対象物（２０）の所定位置にお
ける撓み量を検出し、前記印加荷重と前記撓み量に基づ
いて該測定対象物（２０）のヤング率を求めることを特
徴とするヤング率測定方法。
【請求項５】前記測定対象物（２０）を片持ち梁状に
支持し、該片持ち梁の自由端に荷重を印加することを特
徴とする請求項４記載のヤング率測定方法。