JP6135777B2 - 材料試験機 - Google Patents

Description

この発明は、材料試験を実行する材料試験機に関し、特に、ひずみゲージ式変換器を有する物理量検出手段を備えた材料試験機に関する。

このような材料試験機は、例えば、テーブル上に一対のねじ棹を互いに同期して回転自在に支持するとともに、そ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、クロスヘッドを移動させることにより、試験片に対して試験力を加えるように構成されている。

このような材料試験機においては、試験片に作用する試験力はロードセルによって検出される。また、試験片における標点間の距離の変位量は、変位計により測定される。材料試験機に採用されているロードセルや変位計としては、４個のひずみゲージから成るブリッジ回路により、試験力や変位量などの各種物理量を電気的に変換する、所謂ひずみゲージ式変換器を有するものが知られている（特許文献１参照）。そして、これらのロードセルや変位計は、材料試験機本体側の交流アンプにケーブルにより接続されている。

特開２０１１−１６９７６５号公報

図４は、従来のロードセル１４とロードアンプ４１との接続を示す概要図である。図５は、従来の材料試験機におけるロードセル１４による試験力検出のための電気回路図である。コンデンサＣ_１およびＣ_２はそれぞれ、ケーブルＡ−ケーブルＣ間の浮遊容量、ケーブルＢ−ケーブルＣ間の浮遊容量を示している。また、それぞれのケーブル間にはＣ_１、Ｃ_２と同様に、図示していない浮遊容量が存在している。

このロードセル１４は、４個のひずみゲージから成るブリッジ回路２４により試験力を電気的に変換するひずみゲージ式変換器を有するものである。また、ロードアンプ４１は交流アンプであり、ロードセル１４のブリッジ回路２４に励起信号として交流信号を与えるものである。

従来は、図４に示すように、ロードセル１４とロードアンプ４１とを接続するケーブルＣＬとしては、４芯シールド線を使用している。ケーブルＣＬの両端には、ケーブル側接続端子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄとシェルからなるケーブル側コネクタ５１が配設されている。また、ロードセル１４にロードセル側接続端子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄとシェルから成るロードセル側コネクタ２５が配設され、ロードアンプ４１にはロードアンプ側接続端子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄとシェルから成るロードアンプ側コネクタ４５が配設されている。そして、ケーブル側コネクタ５１の一端をロードセル側コネクタ２５に接続し、ケーブル側コネクタ５１の他端をロードアンプ側コネクタ４５に接続することにより、ロードセル１４とロードアンプ４１との間で、このケーブルＣＬを介して信号が入出力される。なお、ひずみゲージ式変位計と変位計用アンプとを接続する場合も、ケーブルＣＬにより同様に接続される。

この接続例では、ロードセル側コネクタ２５とロードアンプ側コネクタ４５の対応するアルファベットの端子間を接続しているシールド線の芯線をそれぞれＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄとすると、ロードアンプ４１からロードセル１４への励起信号を出力する端子にＡ、Ｂ線が配線され、ロードセル１４からロードアンプ４１へのひずみ信号を入力する端子にＣ、Ｄ線が配線されている。

このようなシールド線には、Ａ−Ｂ、Ａ−Ｃ、Ａ−Ｄ、Ｂ−Ｃ、Ｂ−Ｄ、Ｃ−Ｄの各芯線間に浮遊容量が存在している。さらに、シールド線のシールドをＳとすると、Ａ−Ｓ、Ｂ−Ｓ、Ｃ−Ｓ、Ｄ−Ｓの各芯線とシールドとの間にも浮遊容量が存在している。そして、これらの浮遊容量の大きさは、ケーブル長を３メートルとすると、各芯線間の線間容量として、２００〜５００ｐＦ（ピコファラド）、各芯線とシールドとの間のシールド間容量として、３００〜１０００ｐＦ（ピコファラド）程度である。

浮遊容量が一定値であれば、その値を測定結果に対するオフセット量として扱えばよく、測定開始前に浮遊容量の影響をキャンセルすることができる。しかしながら、材料試験においては、クロスヘッドの移動によるシールド線の位置変化や、シールド線に使用者の手が触れたりすることにより、材料試験実行中にも浮遊容量が変動する。

ここで、従来のケーブルＣＬにおける浮遊容量が測定結果に及ぼす影響を考察する。まず、シールド線の各芯線間の浮遊容量（線間容量）について考察する。図６は、励起信号を伝送する芯線とひずみ信号を伝送する芯線との間の浮遊容量を考察するための等価回路図である。図７は、容量が平衡しているときの測定電圧Ｖ_Ｍの変化を示すグラフであり、図８は、容量が不平衡のときの測定電圧Ｖ_Ｍの変化を示すグラフである。なお、図７のグラフの縦軸は出力電圧値（ｍＶ）を示し、横軸はひずみを示す。また、図８のグラフの縦軸は出力電圧値（μＶ）を示し、横軸は容量の変化量を示す。

図６の回路において、電源Ｖ_Ｓの角周波数をωとすると、Ｒ_１、Ｒ_２、Ｃ_１、Ｃ_２のインピーダンス、ＺＲ_１、ＺＲ_２、ＺＣ_１、ＺＣ_２は以下の式（１）で表される。なお、Ｃ_１はＡ−Ｃ間の浮遊容量であり、Ｃ_２はＢ−Ｃ間の浮遊容量を模しており、Ｒ_１、Ｒ_２はひずみゲージブリッジの左側半分を模している（図５参照）。

また、Ｒ_１Ｃ_１並列回路、Ｒ_２Ｃ_２並列回路の各インピーダンスＺ_１、Ｚ_２は以下の式（２）で表される。

式（２）を用いて、この回路からの出力電圧Ｖ_Ｏは以下の式（３）で表される。

ここで、ロードアンプ４１は交流アンプであることから、測定値としては、ωと同じ角周波数で、式（３）の実数部分のみを抽出する機能をもっている。したがって、測定結果としての測定電圧Ｖ_Ｍは、以下の式（４）で表される。

ここで、Ｖ_Ｓ＝５Ｖ、ω＝２×π×１０ｋ ｒａｄ／ｓとして、Ｒ_１＝Ｒ_２＝３５０Ω、Ｃ_１＝Ｃ_２＝５００ｐＦの初期状態から、Ｒ（抵抗）やＣ（容量）が変化したときの測定電圧Ｖ_Ｍの変化を調べると、図７および図８のグラフとなる。

一般的なロードセル１４に定格試験力を与えたとき、ブリッジ回路２４のひずみゲージは３０００με（マイクロストレイン）変化する。ひずみεとゲージ定数Ｋとの関係は、ε＝ΔＲ／Ｒ／Ｋ（ΔＲ：ひずみゲージの抵抗変化量、Ｒ：ひずみゲージの抵抗値）で表される。そして、ゲージ定数Ｋを２とし、容量が平衡しているとして、ひずみが±３０００μεの範囲で変化したときの測定電圧Ｖ_Ｍは、図７に示すように、±１５ｍＶ変化する。なお、一般的なひずみゲージ式変位計に定格変位を与えたときも、測定電圧Ｖ_Ｍは、同様の変化をする。

一方で、抵抗値が平衡しており、容量Ｃ_１、Ｃ_２のうちの一方（Ｃ_１）が５００±５ｐＦの範囲で変化したとき（容量不平衡のとき）の測定電圧Ｖ_Ｍは、図８に示すように±３μＶ変化する。これは、ロードセル１４に定格試験力を与えたときのフルスケールの測定電圧Ｖ_Ｍの出力の５０００分の１の大きさとなる。

ロードセル１４が、試験力レンジの精度保証範囲が定格試験力の１０００分の１〜１分の１の範囲であり、測定精度をデジタルでの指示値の±０．５％で保証している仕様である場合、このロードセル１４に必要な分解能は、フルスケールの４０万分の１である。しかしながら、図８を参照して説明した測定電圧Ｖ_Ｍの変化は、フルスケールの測定電圧Ｖ_Ｍの出力の５０００分の１の大きさであり、必要な分解能であるフルスケールの４０万分の１に対して、８０倍の大きさに相当する。これから、線間容量の変動が、ロードセル１４による測定結果に影響を及ぼしていることが想定される。

次に、シールド線の各芯線とシールド間の浮遊容量（シールド間容量）Ｃを考察する。図９は、励起信号を伝送するための芯線とシールドとの間、および、ひずみ信号を伝送するための芯線とシールドとの間の浮遊容量を考察するための等価回路図である。図１０は、容量が不平衡のときの励起電圧Ｖ_Ｅの変化を示すグラフであり、図１１は、容量が不平衡のときの測定電圧Ｖ_Ｍの変化を示すグラフである。なお、図１０および図１１のグラフの縦軸は出力電圧値（ｍＶ）を示し、横軸は容量の変化量を示す。

抵抗（Ｒ）、容量（Ｃ）、インダクタ（Ｌ）の組み合わせで構成される図９の回路において、電源Ｖ_Ｓの角周波数をωとし、上述した式（１）〜（３）と同様の手順により、インピーダンスから出力電圧Ｖ_Ｏを求めると、ブリッジ回路２４に与える励起電圧Ｖ_Ｅは、以下の式（５）で表される。

まず、励起信号を伝送する芯線とシールドとの間の浮遊容量Ｃ（Ａ−Ｓ間の浮遊容量）の影響について考察する。図９の回路における、Ｖ_Ｓ、Ｌ、Ｒ_１、Ｃ、Ｒ_２はそれぞれ、
Ｖ_Ｓ ：励起電圧源
Ｌ ：励起信号線のインダクタンス
Ｒ_１ ：励起信号線のレジスタンス
Ｃ ：励起信号線とシールドとの浮遊容量
Ｒ_２ ：ひずみゲージブリッジのレジスタンス
を模している。Ｖ_Ｓ＝１０Ｖ、ω＝２×π×１０ｋ ｒａｄ／ｓとして、Ｒ_１＝１０ｍΩ、Ｒ_２＝３５０Ω、Ｌ＝５μＨ、Ｃ＝５００ｐＦとして、Ｃが±１％変化したときのひずみ信号の測定電圧Ｖ_Ｍは、図１０に示すように、±１μＶ変化する。これは、励起電圧１０Ｖに対して±０．０００００１％の変動にすぎない。

次に、ひずみ信号を伝送する芯線とシールドとの間の浮遊容量Ｃ（Ｃ−Ｓ間の浮遊容量）の影響について考察する。ここでは、図９の回路における、Ｖ_Ｓ、Ｌ、Ｒ_１、Ｃ、Ｒ_２はそれぞれ、
Ｖ_Ｓ ：ひずみゲージブリッジの起電圧（ブリッジの差分出力）
Ｌ ：ひずみ信号線のインダクタンス
Ｒ_１ ：ひずみ信号線のレジスタンス
Ｃ ：ひずみ信号線とシールドとの浮遊容量
Ｒ_２ ：ひずみアンプ回路（受信側）の入力レジスタンス
を模している。ここでＶ_Ｓ＝１５ｍＶ、ω＝２×π×１０ｋ ｒａｄ／ｓとして、Ｒ_１＝３５０Ω、Ｒ_２＝１００ｋΩ、Ｌ＝５μＨ、Ｃ＝５００ｐＦとして、Ｃが±１％変化したときのひずみ信号の測定電圧Ｖ_Ｍは、図１１に示すように、±３５ｎＶ変化する。これは、ひずみ電圧１５ｍＶに対して±０．０００２３％の変動にすぎない。すなわち、シールド間容量の変動は、材料試験において現在要求されているロードセル１４の測定精度に対して、無視しても差し支えない程度のものであると考えられる。

上述したように、ロードセル１４の測定結果への浮遊容量の変動の影響は、励起信号を伝送する芯線とひずみ信号を伝送する芯線間（Ａ−Ｃ間、Ａ−Ｄ間）で大きく、励起信号を伝送する芯線とシールドとの間（Ａ−Ｓ間）、ひずみ信号を伝送する芯線とシールドとの間（Ｃ−Ｓ間）では小さいことが解った。これらの考察から、ひずみゲージ式変換器を有する物理量検出手段による測定でのノイズの低減においては、線間容量の変動を低減することが有効であることが、本願発明者により見出された。

この発明は上記の考察に基づいてなされたものであり、ケーブルの浮遊容量の影響を低減し、正確に物理量を計測することが可能な材料試験機を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、ひずみゲージ式変換器を有する物理量検出手段と、交流アンプと、前記物理量検出手段と前記交流アンプとを接続するケーブルとを備え、試験片に試験力を与える材料試験を実行する材料試験機において、前記ケーブルは、前記交流アンプから前記物理量検出手段に入力される励起信号を伝送するための第１シールド線と、前記物理量検出手段から前記交流アンプへと出力されるひずみ信号を伝送するための第２シールド線とから成ることを特徴とする。

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、前記第１シールド線および前記第２シールド線はツイストペアシールド線である。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記物理量検出手段は、前記試験片に与えられた試験力を検出するロードセルである。

請求項４に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記物理量検出手段は、前記試験片に与えられた変位量を検出する変位計である。

請求項１から請求項４に記載の発明によれば、物理量検出手段と交流アンプを接続するケーブルを、交流アンプから物理量検出手段に入力される励起信号を伝送するための第１シールド線と、物理量検出手段から交流アンプへと出力されるひずみ信号を伝送するための第２シールド線とから成るケーブルとしたことから、試験実行中のケーブルの移動や使用者がケーブルに触れたときでも、ケーブルの浮遊容量の影響を低減し、正確に物理量を計測することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、第１シールド線および第２シールド線をツイストペアシールド線としたことにより、外部からの静電結合ノイズや電磁結合ノイズの影響を小さくでき、より正確に物理量を計測することが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、材料試験において、高い検出精度を要求される試験力測定をより正確に実行することが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、材料試験において、高い検出精度を要求される試験片の伸び量や圧縮量の測定をより正確に実行することが可能となる。

この発明に係る材料試験機の概要図である。 ロードセル１４とロードアンプ４１との接続を示す配線図である。 ケーブルの違いによる試験力測定結果への影響を示すグラフである。 従来の材料試験機におけるロードセル１４とロードアンプ４１との接続を示す配線図である。 従来の材料試験機におけるロードセル１４による試験力検出のための電気回路図である。 励起信号を伝送する芯線とひずみ信号を伝送する芯線との間の浮遊容量を考察するための等価回路図である。 容量が平衡しているときの測定電圧Ｖ_Ｍの変化を示すグラフである。 容量が不平衡のときの測定電圧Ｖ_Ｍの変化を示すグラフである。 励起信号を伝送するための芯線とシールドとの間、および、ひずみ信号を伝送するための芯線とシールドとの間の浮遊容量を考察するための等価回路図である。 容量が不平衡のときの励起電圧Ｖ_Ｅの変化を示すグラフである。 容量が不平衡のときの測定電圧Ｖ_Ｍの変化を示すグラフである。

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。

この材料試験機は、テーブル１６と、床面に立設された一対の支柱１９と、各支柱１９の内部においてテーブル１６上に鉛直方向を向く状態で回転可能に立設された一対のねじ棹１１と、これらのねじ棹１１に沿って移動可能なクロスヘッド１３と、このクロスヘッド１３を移動させて試験片１０に対して試験力を付与するための負荷機構３０とを備える。なお、図１においては、一対の支柱１９のうち紙面左側の支柱１９を取り払った状態を図示している。

クロスヘッド１３は、一対のねじ棹１１に対して、図示を省略したナットを介して連結されている。ねじ棹１１の下端部は、それぞれ負荷機構３０に連結されており、負荷機構３０の駆動源からの動力が、ねじ棹１１に伝達される構成となっている。一対のねじ棹１１が同期して回転することにより、クロスヘッド１３は、これらの一対のねじ棹１１に沿って昇降する。

クロスヘッド１３には、試験片１０の上端部を把持するための上つかみ具２１が付設されている。一方、テーブル１６には、試験片１０の下端部を把持するための下つかみ具２２が付設されている。引っ張り試験を行う場合には、試験片１０の両端部をこれらの上つかみ具２１および下つかみ具２２により把持した状態で、クロスヘッド１３を上昇させることにより、試験片１０に試験力（引張荷重）を負荷する。

このときに、試験片１０に作用する試験力は、クロスヘッド１３に配設されたロードセル１４によって検出される。また、試験片１０における標点間の距離の変位量は、変位計１８により測定される。この実施形態において測定される変位量は試験片１０の伸び量であるので、変位計１８は伸び計とも称される。このように、この材料試験機は、物理量検出手段としてロードセル１４と変位計１８を備える。

制御部２３はコンピュータやシーケンサーおよびこれらの周辺機器によって構成されている。制御部２３は、タッチパネルを備えた表示部２６および負荷機構３０と接続されており、表示部２６を介して設定された試験条件に従って、負荷機構３０を動作させる。また、制御部２３には、ロードセル１４とケーブルＣＬ１で接続されるロードアンプ４１が配設されており、ロードセル１４から出力された信号を取り込んでデータ処理を実行する。また、制御部２３には、変位計１８とケーブルＣＬ２で接続される変位計用アンプが配設されており、変位計１８から出力された信号を取り込んでデータ処理を実行する。

図２は、ロードセル１４とロードアンプ４１との接続を示す配線図である。

ロードセル１４は、４個のひずみゲージから成るブリッジ回路２４により、試験力を電気的に変換する、所謂ひずみゲージ式変換器を有する。ロードセル１４には、ロードセル側接続端子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄとシェルから成るロードセル側コネクタ２５が配設されている。

制御部２３に配設されたロードアンプ４１は交流アンプであり、ロードセル１４のブリッジ回路２４に与える励起信号を出力するとともに、ブリッジ回路２４からのひずみ信号が入力される。ロードアンプ４１には、ロードアンプ側接続端子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄとシェルから成るロードアンプ側コネクタ４５が配設されている。

ロードセル１４とロードアンプ４１を接続するケーブルＣＬ１は、２本のシールド線Ｓ１、Ｓ２とから構成される。そして、ケーブルＣＬ１の両端には、ケーブル側接続端子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄとシェルからなるケーブル側コネクタ５１が配設されている。

シールド線Ｓ１は、ロードセル側コネクタ２５とロードアンプ側コネクタ４５の接続端子Ａ間および接続端子Ｂ間をそれぞれ接続する２本の芯線から成り、ロードアンプ４１からロードセル１４のブリッジ回路２４に与える励起信号を伝送するためのものである。シールド線Ｓ２は、ロードセル側コネクタ２５とロードアンプ側コネクタ４５の接続端子Ｃ間および接続端子Ｄ間をそれぞれ接続する２本の芯線から成り、ロードセル１４から出力されるひずみ信号をロードアンプ４１に伝送するためのものである。シールド線Ｓ１とＳ２のシールド部分は、電気的にケーブル側コネクタ５１のケースに接続されており、コネクタを介してケーブルＣＬ１がロードアンプ４１に結合されたときにはロードアンプ側コネクタ４５のケースを通じて電気的にアースに接続されることになる。なお、この実施形態ではシールド線Ｓ１、Ｓ２として、内部の２本の芯線が互いに撚り合わされたツイストペアシールド線を使用している。これにより外部空間から伝播されるノイズの影響を低減することが可能となる。また、上記２つのシールド線Ｓ１とＳ２はさらに共通の外皮によって覆われて、全体が見かけ上１本のケーブルとなったものを採用することもできる。

図３は、ケーブルの違いによる試験力測定結果への影響を示すグラフである。縦軸は試験力値を示し、横軸は時間を示す。また、グラフ中、破線（Ｓｉｎｇｌｅ Ｃａｂｌｅ）は従来の１本の４芯シールド線をケーブルＣＬとして使用したときの検出試験力値の変動を示し、実線（Ｄｏｕｂｌｅ Ｃａｂｌｅ）は、この発明の２本のシールド線Ｓ１、Ｓ２をケーブルＣＬ１として使用したときの検出試験力値の変動を示す。

ここで、ロードセル側コネクタ２５とロードアンプ側コネクタ４５の対応するアルファベットの端子間を接続しているシールド線の芯線をそれぞれＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄとする。この発明では、励起信号を伝送するＡ、Ｂ線と、ひずみ信号を伝送するＣ、Ｄ線とを別のシールド線Ｓ１、Ｓ２としている。励起信号線とひずみ信号線との間にインピーダンスの低いシールドが入ることにより、図４に示す従来のケーブルＣＬを使用した場合と比較して、Ａ−Ｃ、Ａ−Ｄ、Ｂ−Ｃ、Ｂ−Ｄ間の浮遊容量の変化の影響を小さくすることができる。このため、図３に示すように、ケーブルＣＬ（破線）に使用者の手が触れるなどしたときに生じる浮遊容量の変動に起因した試験力値の変動が、この発明の２本のシールド線Ｓ１、Ｓ２をケーブルＣＬ１（実線）として使用したことにより、従来よりも大幅に低減された。

なお、上述した実施形態においては、ロードセル１４とロードアンプ４１とを接続するケーブルＣＬ１について説明したが、変位計１８と変位計用アンプとを接続するケーブルＣＬ２にも、ケーブルＣＬ１と同じものを採用することができる。変位計１８がひずみゲージ式変換器を有するものである場合、ケーブルＣＬ２にケーブルＣＬ１と同じものを採用することでケーブルの浮遊容量の影響を低減し、変位の検出精度を向上させることが可能となる。

１０ 試験片
１１ ねじ棹
１３ クロスヘッド
１４ ロードセル
１６ テーブル
１８ 変位計
２１ 上つかみ具
２２ 下つかみ具
２３ 制御部
２４ ブリッジ回路
２５ ロードセル側コネクタ
２６ 表示部
３０ 負荷機構
４１ ロードアンプ
４２ ロードアンプ側コネクタ
５１ ケーブル側コネクタ
Ｓ１ 第１シールド線
Ｓ２ 第２シールド線
ＣＬ１ ケーブル
ＣＬ２ ケーブル

Claims (4)

1. ひずみゲージ式変換器を有する物理量検出手段と、交流アンプと、前記物理量検出手段と前記交流アンプとを接続するケーブルとを備え、試験片に試験力を与える材料試験を実行する材料試験機において、
   前記ケーブルは、
   前記交流アンプから前記物理量検出手段に入力される励起信号を伝送するための第１シールド線と、前記物理量検出手段から前記交流アンプへと出力されるひずみ信号を伝送するための第２シールド線とから成ることを特徴とする材料試験機。
2. 請求項１に記載の材料試験機において、
   前記第１シールド線および前記第２シールド線はツイストペアシールド線である材料試験機。
3. 請求項１または請求項２に記載の材料試験機において、
   前記物理量検出手段は、前記試験片に与えられた試験力を検出するロードセルである材料試験機。
4. 請求項１または請求項２に記載の材料試験機において、
   前記物理量検出手段は、前記試験片に与えられた変位量を検出する変位計である材料試験機。

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