JPH0996597A - 材料試験機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ソフト的に各標点を追尾するレーザ非接触伸
び計を備え、しかも比較的簡単な構成のもとに、伸びの
大きな試験体の引張試験に際しても、その伸びを広い範
囲にわたって高精度に計測できる材料試験機を提供す
る。 【解決手段】 試験体Ｗの両端を把持する一対の掴み具
５１，５２を、互いに逆向きに等量ずつ移動させる機構
（２ａ，２ｂ、３、４１，４２）を設け、試験体Ｗをそ
の両端を等量に変位させることで引張負荷を与えること
によって、レーザ光の照射領域を有効に使って、伸びの
計測範囲を広くする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は材料試験機に関し、
更に詳しくは、レーザ光を用いて非接触のもとに試験体
の伸びを計測することのできる伸び計を備えた材料試験
機に関する。

【０００２】

【従来の技術】試験体の引張試験を行うための材料試験
機においては、一般に、試験体の両端部をそれぞれ把持
する一対の掴み具を備えるとともに、その各掴み具のう
ち、一方はベッドに対して固定され、他方は例えばクロ
スヘッド等のベッドに対して変位自在の部材に装着さ
れ、固定された掴み具に対して接近・離反自在に移動可
能となっている。そして、その移動側の掴み具を固定側
の掴み具に対して離反させる向きに移動させることによ
って、試験体に引張負荷を与えるように構成されてい
る。

【０００３】ところで、試料の表面にレーザ光を照射し
て得られるスペックルパターンを利用して、その試料の
変位情報を非接触のもとに測定する方法が知られてい
る。このようなスペックルパターンを利用して変位情報
を得る場合、基本的には、試料の測定対象面からのレー
ザ光の散乱光を、イメージセンサによって光電変換して
スペックルパターンに応じた電気信号を刻々と得るとと
もに、その刻々の信号の相互相関関数を求めることによ
り、スペックルパターンの移動量を求め、そのスペック
ルパターンの移動量から試料の変位情報を得る。また、
このような原理を用いて、試料の２箇所におけるスペッ
クルパターンの移動量を個別に求めるとともに、その差
を算出することにより、その２箇所間における試料の伸
び（または縮み）量を求めることができ、材料試験にお
ける試験体の伸びを非接触のもとに計測することのでき
る伸び計が得られる。

【０００４】ここで、試験体の２箇所間における伸びを
計測する場合、スポット状のレーザ光を試験体表面に固
定的に照射し、その各箇所からの散乱光のスペックルパ
ターンの移動量からそれぞれ変位情報を得ると、計測さ
れた伸びはＪＩＳに規定された伸びの概念とは異なるも
のとなる。すなわち、試験体に対する２箇所のレーザ光
の照射位置を固定して得られた各変位量の差によって得
た伸びは、その照射位置間の距離をＧＬとすると、互い
に距離ＧＬを隔てて固定された観察点を横切った試験体
の移動量の積分値となるのに対し、ＪＩＳの引張試験等
に規定された伸びは、当初に設定した２つの点（標点）
間の距離が、試験後にどのように変化したかを表す距離
の変化量まはた率である。

【０００５】このようなＪＩＳ準拠の伸びを非接触のも
とに計測するために、試験体上に初期設定した２つの観
察点を、試験体の伸びに追随して追尾していく必要があ
る。このような追尾を、ソフト的に行う方法として、図
１に模式的斜視図を示すように、試験体Ｗの表面に対
し、その伸び方向にライン状に伸びる照射面Ｐが得られ
るよう、レーザ光源Ｌからの出力光をライン状に拡張す
るためのシリンドリカルレンズ等を用いたビームエキス
パンタＥを設けるとともに、そのライン状の照射面Ｐか
らの散乱光を結像光学系Ｉを介して１次元イメージセン
サＳで受光し、その各チャンネルデータのうち、初期設
定された２つの観察点に対応する２領域Ａ１，Ａ２から
の散乱光を受光している２群の各複数チャンネル分のデ
ータを観察点データとして用い、それぞれにスペックル
パターンの移動量を算出するとともに、その各移動量が
規定量に達するごとに、観察点データ源としているチャ
ンネルを伸び方向にシフトすることにより、試験体上に
初期設定された２つの観察点（標点）Ａ１，Ａ２を追尾
する方法が既に提案されている。この場合、各観察点の
変位量は、それぞれ、刻々のスペックルパターンの移動
量と、チャンネルシフト量の試験体上での距離換算量と
の和となり、また、試験体の伸びは、両観察点の変位量
の差から求めることができ、得られた伸びはＪＩＳ準拠
のものとなる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、以上のよう
に試験体表面に対してライン状にレーザ光を照射し、そ
の散乱光のなかから、２つの標点に対応する各領域から
の散乱光の光電変換信号のみを観察点データとして用
い、かつ、各標点の変位に従ってその観察点データ源と
してのチャンネル群をシフトしていく、ソフト的な追尾
方法を採用する場合、ライン状のレーザ光照射領域の広
がりが追尾の限界、ひいては伸びの計測範囲の限界を決
定する。

【０００７】ここで、例えばゴム等の軟質材料において
は、伸びが１０００％にも及ぶものがあり、このような
場合、図２に模式的に示すように、当初に設定された上
下の標点Ａ１，Ａ２間の距離ＧＬを２０ｍｍに設定した
とき、試験体Ｗの伸びに従ってその標点間距離ＧＬは２
００ｍｍに達し、しかも、引張試験を行うための従来の
材料試験機においては、前記したように、例えば試験体
Ｗの下端を把持する掴み具を固定して、上端側の掴み具
を上方に移動させることによって、試験体Ｗに引張負荷
を与えることから、試験体Ｗの伸びに伴って下方の標点
Ａ２も上方に移動する。従って、このような試験におけ
る伸びの計測を可能とするためには、下方の標点Ａ２の
移動量を１００ｍｍとしたとき、レーザ光の照射領域を
上下に３００ｍｍの広がりを持たせる必要がある。

【０００８】このような長い照射領域を得るべく、図３
（Ａ）に例示するように、１つの半導体レーザＬからの
出力光をシリンドリカルレンズ等を用いたビームエキス
パンダＥを用いて拡張する場合、大出力のレーザを用い
なければ十分な密度のレーザ光が得られないばかりでな
く、レーザ光の密度分布が一様でなくなり、得られるス
ペックルパターンは、同図（Ｂ）に示すように、その強
度が不均一なものとなってしまう。

【０００９】そこで、図４に例示するように、多数の半
導体レーザＬ・・Ｌと、それぞれに対応した多数のビーム
エキスパンダＥ・・Ｅを設けて、個々の半導体レーザＬの
出力光をさほど広げることなく、全体として長い照射領
域を得る対策が考えられるが、この場合には、半導体レ
ーザＬとビームエキスパンダの数に比例してコストが増
大する。

【００１０】ここで、図５に示すように、一方の標点、
例えば上側の標点Ａ１がレーザ光の照射領域Ｐから逸脱
した後、その標点Ａ１については追尾を停止するととも
に、レーザ照射領域Ｐの上端部分に固定した観察点領域
Ａ１′を設定し、その領域Ａ１′からのスペックルパタ
ーンの移動量を求めることにより、その観察点領域Ａ
１′を横切った試験体の移動量から、標点Ａ１の移動量
を推定演算し、他方の標点Ａ２の移動量の実測値と併せ
て標点間の伸びを算出して計測を継続することができる
が、このような方式を採用した場合においても、下側の
標点Ａ２が観察点領域Ａ１′に近づくと、実際の標点間
距離に比して極めて短い領域Ｑからの情報を基に伸びが
推定演算されることになり、その精度は悪化し、実質的
に計測の継続は不可能となる。

【００１１】本発明の目的は、ソフト的に各標点を追尾
するレーザ非接触伸び計を備え、しかも、比較的簡単な
構成のもとに、伸びの大きな試験体の引張試験に際して
も、その伸びを広い範囲にわたって高精度に計測するこ
とのできる、材料試験機を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの構成を、その実施の形態を表す図６，図７を参照し
つつ説明すると、本発明の材料試験機は、試験体Ｗの両
端部分を把持する一対の掴み具５１，５２と、その掴み
具５１，５２間の距離を変化させる機構を備えた材料試
験機において、試験体Ｗの表面にレーザ光を照射する照
射光学系１１と、そのレーザ光の試験体Ｗの表面による
散乱光を受光するイメージセンサ１２と、そのイメージ
センサ１２からの刻々の出力を用いて、試験体Ｗの表面
に設定された２つの標点Ａ１，Ａ２に対応する２領域か
らの散乱光に含まれるスペックルパターンの移動量を個
別に算出し、その算出結果から標点間の伸びを算出する
演算部１７とからなるレーザ非接触伸び計１０を設ける
とともに、掴み具５１，５２間の距離を変化させる機構
を、双方の掴み具５１，５２を互いに同期させて逆向き
に移動させる機構（例えばネジ棹２ａ，２ｂとその駆動
機構３、およびクロスヘッド４１，４２）としたことに
よって特徴づけられる。

【００１３】

【作用】試験体Ｗは、その両端がそれぞれ掴み具５１，
５２に把持された状態で、その両端が互いに逆向きに引
っ張られ、これによって試験体Ｗに引張負荷が加えられ
る。従って、試験体Ｗに初期設定された２つの標点Ａ
１，Ａ２は、引張試験の進行に伴う試験体Ｗの伸びによ
って、図８に模式的に示すように、それぞれ略等距離だ
け逆向きに移動していく。

【００１４】レーザ非接触伸び計１０の照射光学系１１
からのレーザ光の照射領域Ｐと、２つの標点Ａ１，Ａ２
の中点との関係を、その中点がレーザ光照射領域Ｐの中
心に位置するように設定しておけば、各標点Ａ１，Ａ２
は引張試験の進行に伴う試験体Ｗの伸びによって、それ
ぞれレーザ光の照射領域Ｐの上下両端に向かって逆向き
に移動していき、図２に示したような引張負荷の与え方
に比して、そのレーザ光の照射領域Ｐを有効に使って各
標点Ａ１，Ａ２の追尾が可能となり、伸びの計測範囲が
広くなる。

【００１５】また、標点Ａ１，Ａ２がレーザ光の照射領
域を逸脱した後において、観察点領域を固定して推定演
算によって各標点Ａ１，Ａ２の移動量を求めて伸びを算
出する場合においても、各標点Ａ１，Ａ２は互いに逆向
きに移動していくため、それぞれに対応する固定観察点
はレーザ光の照射領域の両端部分に設定されることにと
なり、図５に示したように試験の進行に伴って伸びの推
定演算に用いる領域Ｑが次第に狭くなっていくことがな
く、より高精度の推定演算がより長期にわたって可能と
なる。

【００１６】

【発明の実施の形態】図６は本発明の実施の一形態の正
面図で、図７はそのレーザ非接触伸び計の構成図であ
る。

【００１７】ベッド１上に、左右２本のネジ棹２ａ，２
ｂが直立した状態で配置されており、この各ネジ棹２
ａ，２ｂは、それぞれベッド１内に設けられた駆動機構
３によって、互いに同じ向きに同じ量だけ回転駆動され
る。駆動機構３は、ネジ棹によってクロスヘッドを上下
動させるこの種の材料試験機に多用されている機構と同
様であり、モータ３１と、そのモータ３１の回転を減速
して各ネジ棹２ａ，２ｂに伝達する公知の減速機構３２
を主体として構成されている。

【００１８】各ネジ棹２ａ，２ｂは、それぞれの略中央
部分においてネジの螺旋の向きが逆転しており、それぞ
れ上半分が例えば左ネジ２Ｌであり、下半分が右ネジ２
Ｒとなっている。

【００１９】そして、その各ネジ棹２ａ，２ｂの上半分
に上方のクロスヘッド４１が、また、下半分には下方の
クロスヘッド４２がそれぞれ支持されている。すなわ
ち、各クロスヘッド４１および４２には、その両端にそ
れぞれナット４１ａ，４１ｂおよび４２ａ，４２ｂが固
着されており、その各ナット４１ａ，４１ｂおよび４２
ａ，４２ｂがそれぞれ左右のネジ棹２ａ，２ｂにねじ込
まれた状態で、各クロスヘッド４１，４２が左右のネジ
棹２ａ，２ｂに支持されている。

【００２０】上下のクロスヘッド４１，４２には、それ
ぞれ掴み具５１，５２が互いに対向する位置および向き
で固着されており、この上下の掴み具５１，５２に試験
体Ｗの両端がそれぞれ把持される。

【００２１】レーザ非接触伸び計１０は、ベッド１に固
定された支持具６上に載せられており、以下に示す構成
のもとに試験体Ｗの２つの標点Ａ１，Ａ２間の伸びを算
出する。

【００２２】レーザ非接触伸び計１０は、図７に示すよ
うに、試験体Ｗの表面に伸びの計測方向に所定長さにわ
たる広がりを持つレーザ光を照射する照射光学系１１
と、そのレーザ光の試験体Ｗの表面による散乱光を集光
レンズ１２を介して受光する複数チャンネルのイメージ
センサ１３と、そのイメージセンサ１３からの出力を用
いて後述するような演算によって２つの標点Ａ１，Ａ２
間の伸びを算出する演算部１７を主たる構成要素として
いる。

【００２３】照射光学系１１は、半導体レーザ１１ａと
その出力光を上下方向に広げるためのシリンドリカルレ
ンズを用いたビームエキスパンダ１１ｂによって構成さ
れ、試験体Ｗの表面に伸びの計測方向、つまり試験体Ｗ
の引張負荷方向にライン状に広がるレーザ光の照射領域
Ｐを形成することができる。

【００２４】照射光学系１１からのレーザ光の試験体Ｗ
表面による散乱光は、集光レンズ１２を介してイメージ
センサ１３の受光面に結像される。イメージセンサ１３
は、例えば４０００個の画素が上下に配列された４００
０チャンネルの１次元イメージセンサであり、試験体Ｗ
へのレーザ光の照射領域Ｐの全長にわたる散乱像が結像
される。

【００２５】イメージセンサ１３の各チャンネルからの
出力は、増幅器１４で増幅された後、Ａ−Ｄ変換器１５
によってデジタル化され、メモリ１６に格納される。メ
モリ１６には、イメージセンサ１３の各チャンネルごと
にデータの格納アドレスが設定されており、各チャンネ
ルからのデータはそれぞれ該当のアドレスに格納され
る。このメモリ１６内の各チャンネルデータは、後述す
る各観察点における参照データを除いて、データが到来
するごとに演算部１７に刻々と読みだされて、その一部
が後述する演算に供された後、全データが直ちに捨てら
れ、イメージセンサ１３からの次のデータの到来を待つ
ようになっている。

【００２６】演算部１７は実際には高速演算処理回路と
ＣＰＵによって構成されており、この演算部１７には、
イメージセンサ１３の各チャンネルからのデータのう
ち、試験開始当初に試験体Ｗの２つの標点に該当する２
領域Ａ１，Ａ２からの散乱光データを、それぞれ観察点
データとして初期設定するための設定器１８が接続され
ている。この設定器１８により、イメージセンサ１３の
第１〜第４０００チャンネルのうち、初期観察点データ
源として、例えば第１８０１〜第１９００チャンネルを
第１の観察点データ源、第２１０１〜第２２００チャン
ネルを第２の観察点データ源として設定する。これらの
観察点データ源には、試験体Ｗの表面からの散乱光のう
ち、図７においてＡ１，Ａ２で示した領域からの散乱光
が入射し、このＡ１およびＡ２が２つの標点となる。

【００２７】演算部１７では、設定器１８によって初期
設定された上下の２領域Ａ１，Ａ２からの散乱光データ
である、第１８０１〜第１９００チャンネルからのデー
タ群と、第２１０１〜第２２００チャンネルからのデー
タ群とを、それぞれ当初の観察点における参照データと
して、以後の刻々の同チャンネル群からのデータとの相
互相関関数を算出し、領域Ａ１，Ａ２からのスペックル
パターンの移動量を個別に求めるとともに、その移動量
が規定量、例えば３０チャンネル相当分に達するごと
に、観察点データ源としてのチャンネルを同チャンネル
分ずつシフトしていき、また、そのシフト時点でそれま
で用いていた参照データを捨て、シフト後の最初のデー
タ群を参照データとして記憶しなおす。そして、各領域
Ａ１，Ａ２について、スペックルパターンの移動量と、
観察点データ源としてのチャンネル群のシフト量の試験
体Ｗの表面での距離換算量との刻々の積算値から、各領
域Ａ１，Ａ２、つまり２つ標点Ａ１，Ａ２の刻々の移動
量を算出する。すなわち、設定器１８によって初期設定
された２つの標点Ａ１，Ａ２は、イメージセンサ１３の
各チャンネルからの出力のうち、観察点データ源として
用いるチャンネル群をそれぞれ各標点Ａ１，Ａ２の移動
に追随して逐次シフトすることによってソフト的に追尾
されつつ、その各移動量が刻々と求められる。そして、
２つの標点Ａ１，Ａ２間の伸びは、その各移動量の差に
よって算出され、伸びの計測結果として出力される。

【００２８】さて、以上の本発明の実施の形態におい
て、駆動機構３によって左右のネジ棹２ａ，２ｂをそれ
ぞれ図６において矢印の向きに回転させることにより、
各ネジ棹２ａ，２ｂ左ネジ２Ｌの部分に支持されている
上方のクロスヘッド４１は上方に、右ネジ２Ｒの部分に
支持されている下方のクロスヘッド４２は下方に、それ
ぞれ等量だけ移動する。その上下のクロスヘッド４１，
４２にそれぞれ固着された上下の掴み具５１，５２は、
従って、互いに離反する向きに等量ずつ移動することに
なり、これらの間に把持された試験体Ｗは、その両端部
に均等な上下の変位が与えられることになり、引張試験
の進行に伴って、試験体Ｗは図８（Ａ）〜（Ｃ）に例示
するように変形していく。

【００２９】このような試験体Ｗの変形に対して、レー
ザ非接触伸び計１０の設定器１８による２つの標点Ａ
１，Ａ２を、試験体Ｗの上下方向への中心点を挟んでそ
の上下に設定しておくと、試験の進行に伴って標点Ａ
１，Ａ２は、図８（Ａ）の状態から互いに等量ずつ上下
反対側に変位していく。従って、各標点Ａ１，Ａ２がレ
ーザ光の照射領域Ｐの上下両端に達する同図（Ｂ）に示
す状態まで、これらの各標点のソフト的な追尾が可能で
あり、レーザ光の照射領域Ｐを有効に用いた広い伸びの
測定範囲が得られる。

【００３０】また、各標点Ａ１，Ａ２がレーザ光の照射
領域Ｐを逸脱し後において、その追尾を停止して、図８
（Ｃ）に示すように照射領域Ｐの上下両端部分に固定し
た観察点Ａ１′，Ａ２′を設けて、その各観察点Ａ
１′，Ａ２′からのスペックルパターンの移動量を算出
することによって、各固定観察点を横切った試験体の量
を求め、その値から各標点Ａ１，Ａ２の移動量を推定演
算する場合、試験体Ｗがどのように伸びても、固定観察
点Ａ１′，Ａ２′間の距離Ｑ′は不変であり、図５に示
した従来の材料試験機による同方式の計測の場合のよう
に、試験の進行に伴って一方の標点Ａ２が他方の標点Ａ
１に対する固定観察点Ａ１′に接近して観察点間の距離
Ｑが狭くなっていくことがなく、より正確な推定演算を
長期にわたって継続することができる。

【００３１】なお、以上の実施の形態においては、一対
の掴み具５１，５２を互いに逆向きに等量ずつ移動させ
るための機構として、中央で螺旋方向が反転した２つの
ネジ棹２ａ，２ｂと、これらを同向きに等量すつ回転さ
せる駆動装置３と、その互いに逆向きのネジか切られた
位置にそれぞれナットを介して支持された２つのクロス
ヘッド４１，４２によって構成したが、これらは同様な
作用を奏し得るたの機構と代替可能である。例えば、各
クロスヘッド４１，４２のそれぞれに専用の左右２本の
ネジ棹を設け、これに同向きの一様なネジを切るととも
に、その各左右２本ずつのネジ棹を、各クロスヘッドご
とに逆転させる機構等を採用することができる。

【００３２】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、試験体
の両端を把持する一対の掴み具を、互いに等量ずつ逆向
きに移動させることによって、試験体に引張負荷を与え
るように構成しているから、レーザ非接触伸び計により
設定された２つの標点の移動方向が互いに逆向きとな
り、そのレーザ照射領域全長にわたって有効に使用しつ
つ各標点の追尾が可能となり、伸びの測定範囲がより広
くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】試験体表面に対してライン状にレーザ光を照射
し、その散乱光に含まれるスペックルパターンのうち、
２つの標点に対応する部分を用いて各標点の移動量を算
出しつつ、その算出結果に応じて各標点をソフト的に追
尾する方式のレーザ非接触伸び計の光学的構成の模式的
斜視図

【図２】従来の材料試験機によって伸びの大きな試験体
の引張試験を行ったときの２つの標点の移動の状況の説
明図

【図３】１つのレーザ光源からの出力光をビームエキス
パンダで拡張して広い照射領域を得る場合の光学的構成
例（Ａ）と、その場合に得られるスペックルパターンの
データ例（Ｂ）の説明図

【図４】多数のレーザ光源とビームエキスパンダを用い
て広い照射領域を得る場合の光学的構成例の説明図

【図５】レーザ非接触伸び計において、一方の標点がレ
ーザ光の照射領域を逸脱した後に、固定観察点を設けて
その標点の移動量を推定演算する方式の説明図

【図６】本発明の実施の形態の正面図

【図７】そのレーザ非接触伸び計１０の構成図

【図８】本発明の実施の形態の作用説明図

【符号の説明】

１ ベッド ２ａ，２ｂ ネジ棹 ２Ｌ 左ネジ ２Ｒ 右ネジ ３ 駆動機構 ４１，４２ クロスヘッド ５１，５２ 掴み具 １０ レーザ非接触伸び計 １１ 照射光学系 １２ 集光レンズ １３ イメージセンサ １７ 演算部 Ａ１，Ａ２ 標点 Ｐ レーザ光の照射領域 Ｗ 試験体

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試験体の両端部分を把持する一対の掴み
   具と、その掴み具間の距離を変化させる機構を備えた材
   料試験機において、 試験体の表面にレーザ光を照射する照射光学系と、その
   レーザ光の試験体表面による散乱光を受光するイメージ
   センサと、そのイメージセンサからの刻々の出力を用い
   て、試験体表面に設定された２つの標点に対応する２領
   域からの散乱光に含まれるスペックルパターンの移動量
   を個別に算出し、その算出結果から標点間の伸びを算出
   する演算部と、からなるレーザ非接触伸び計を備えると
   ともに、 上記掴み具間の距離を変化させる機構が、双方の掴み具
   を互いに同期させて逆向きに移動させる機構であること
   を特徴とする、 材料試験機。