JP2004317204A

JP2004317204A - 材料試験機

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Publication number: JP2004317204A
Application number: JP2003109339A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Kono; 俊幸河野
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2003-04-14
Filing date: 2003-04-14
Publication date: 2004-11-11
Anticipated expiration: 2023-04-14
Also published as: JP3904082B2

Abstract

【課題】ＣＣＤカメラ等の撮像手段の画素のピッチを小さくすることなく、従ってコストを上昇させることなく、より高い分解能のもとに試験片の幅寸法の変化を計測することのできる機能を持つ材料試験機を提供する。
【解決手段】試験片Ｗの背後に負荷方向（ｘ方向）に対して角度θをもって傾斜する複数のラインからなる縞模様パターン３１ａ，３１ｂを備えたマーク体３を配した状態で、撮像手段４により試験片Ｗを撮像し、縞模様パターンのラインと試験片Ｗの両縁部との交差部のｘ方向への刻々の位置情報を求め、その位置情報と角度θとから試験片Ｗの幅方向（ｙ方向）への寸法変化を算出することにより、分解能を撮像手段４の画素ピッチのｔａｎθ倍に向上させる。
【選択図】図２

Description

【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、試験片の刻々の幅寸法（負荷方向に直交する方向への寸法）の計測機能を備えた材料試験機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
材料試験機においては、一般に、試験片に負荷を加え、そのときに試験片に作用する試験力と試験片の変形を刻々と計測することによって、試験片の各種特性を調査する。
【０００３】
引張試験にあっては、試験片の両端部を把持して引張負荷を加え、その引張負荷による試験片の伸びを計測する。試験片の伸びを計測する伸び計として、近年、ＣＣＤラインセンサやＣＣＤカメラ（２次元ＣＣＤセンサ）などの撮像装置を用いて試験片を撮像し、試験片にあらかじめ付されている２つの標線間の距離の刻々の変化を画像処理によって求める、いわゆるビデオ式伸び計が実用化されている。
【０００４】
このようなビデオ式伸び計においては、ＣＣＤセンサの画素出力から試験片に付された２つの標線の伸び方向への刻々の位置を画像処理によって計測し、刻々の標線間の距離を求める。また、このようなビデオ式伸び計において、２次元ＣＣＤセンサと、試験片の幅変化に追随して、幅計測用の一対のマークが接近するような専用治具を用いることにより、試験中における試験片の伸びと併せて、幅計測用マーク間の距離変化をも計測して幅寸法をも同時に測定できるようにしたものが知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
また、試験中における試験片の幅寸法の変化を計測する装置として、従来、試験片を挟んで一方側にレーザ光源を、他方側には負荷方向に直交する方向に複数の画素を配列したＣＣＤラインセンサを配置し、試験片の一方から照射したレーザ光を試験片を介してＣＣＤラインセンサで受光することによって、試験片によるレーザ光の遮蔽領域から刻々の幅寸法を計測する装置が市販に供されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−２９５０４１号公報（第２−第４頁，図１，図２）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、試験中における試験片の幅寸法の刻々の変化を計測する従来技術においては、いずれも、ＣＣＤセンサの画素ピッチが寸法の分解能を決定する。すなわち、図６（Ａ）に模式的に示すように、２次元ＣＣＤセンサの各画素Ｐに対する光の入射状態が図示の通りであったとすると、各画素Ｐの出力を白レベル〜黒レベルを０〜１０で表したとき、各画素出力は同図（Ｂ）に示すように数値化される。像Ａの幅を図６（Ａ）において矢印で示す位置で計算する場合、境界部分の画素Ｐ（出力が≠０かつ≠１０）の横方向寸法については補間計算などを用いて画素Ｐの横方向ピッチよりも小さい値とすることができるものの、寸法の分解能は基本的には画素Ｐの横方向のピッチに依存する。
【０００８】
ここで、引張試験等においては、試験片の伸びに比して幅方向への寸法変化は大幅に少なく、伸びと同程度の寸法分解能では満足のいく測定ができない。従って、このような計測方法により試験片の幅寸法の測定性能を向上させるには、画素Ｐのピッチを小さくすること、つまり単位長さ当たりの画素数を多くする必要があるが、一般的には限界があるばかりでなく、コストアップの要因となる。
【０００９】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、画素のピッチを小さくすることなく、従ってコストを上昇させることなく、より高い分解能のもとに試験片の幅寸法の変化を計測することのできる機能を持った材料試験機の提供を目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の材料試験機は、試験片に対して負荷を加える負荷機構を備えた材料試験機において、上記負荷機構による負荷方向（ｘ方向）に対して所定の角度θで傾斜する複数のラインからなる縞模様パターンを備えたマーク体を背景として、試験片を当該マーク体とともに撮像して２次元画像情報を出力する撮像手段と、その撮像手段の出力を取り込んで試験片の負荷方向に直交する幅方向（ｙ方向）への刻々の寸法変化を演算する幅寸法演算手段を有し、この幅寸法演算手段は、画像上での試験片の幅方向両縁部と上記マーク体のラインとの交差部の上記ｘ方向への刻々の位置情報と上記角度θとから、試験片両縁部の上記ｙ方向への位置情報を算出して幅寸法を求めることによって特徴づけられる（請求項１）。
【００１１】
ここで、本発明においては、上記幅寸法演算手段を、上記マーク体上であらかじめ設定されているｘ方向位置における試験片両縁部の上記ｙ方向位置情報を算出して幅寸法を求めるように構成すること（請求項２）ができる。
【００１２】
また、本発明においては、これに代えて、上記幅寸法演算手段を、画像上での試験片の幅方向両縁部において、それぞれ複数のラインとの各交差部の刻々のｘ方向位置情報と上記角度θとから、各縁部の上記ｙ方向への位置情報の平均値を算出し、幅寸法を求めるように構成すること（請求項３）もできる。
【００１３】
本発明は、試験片の背後に、負荷方向（ｘ方向）に対して角度θで交差する複数のラインからなる縞模様パターンを配置した状態で試験片を２次元センサで撮像し、試験片の両縁部と縞模様パターンとの交差部のｘ方向位置情報と角度θとから、両縁部の試験片幅方向（ｙ方向）への位置情報を算出するように構成することで、θの大きさに応じて実質的な寸法分解能を変化させることを可能とし、所期の目的を達成するものである。
【００１４】
すなわち、実施の形態の図面である図４を参照しつつ説明すると、負荷方向をｘ軸とし、それに直交する方向、つまり試験片Ｗの幅方向をｙ軸として、試験片Ｗの一方の縁部について考える。試験中のある時点における試験片Ｗの縁部がＥ_１で示される位置に存在し、試験の進行によりＥ_２にまで移動したとする。また、背景の縞模様パターンが、ｘ軸に対してθだけ傾斜し、そのｘ軸方向への幅寸法がαであるとする。そして、図中Ｍで示されるライン上で幅を測定する場合を想定する。
【００１５】
移動前の縁部Ｅ_１と幅計測位置ラインＭとの交点をＭ_１とし、その点Ｍ_１の上もしくは下、例えば下で最も近い縞模様パターンとの交点をＬ_１としたとき、点Ｍ_１とＬ_１とのｘ軸方向への距離ｘ_１を求める。また、移動後の縁部Ｅ_２とラインＭとの交点をＭ_２とし、その点Ｍ_２の下で最も近い縞模様パターンとの交点をＬ_２としたとき、同様に点Ｍ_２とＬ_２とのｘ軸方向への距離ｘ_２を求める。
【００１６】
以上の測定結果を用いることにより、Ｅ_１とＥ_２の距離δ、つまり一方の縁部における幅の変化量δは、
δ＝（ｘ_２＋α−ｘ_１）ｔａｎθ ・・・・（１）
で表すことができる。
【００１７】
従って、幅寸法の分解能は、画素ピッチと縞模様パターンのｘ軸に対する角度θによって決まり、θを小さくすることによって、より具体的には４５°未満とすることによって、分解能を向上させることができる。
【００１８】
請求項２に係る発明は、以上のように縞模様パターン上であらかじめ設定されている特定の位置において幅寸法を測定するものであり、請求項３に係る発明は、両側の縁部においてそれぞれ複数の縞模様パターンのラインとの交点を求め、その各交点の移動前後のｘ軸方向への移動距離を、上記と同等の手法によってそれぞれｙ軸方向への移動距離に換算し、その平均値により幅寸法の変化を求める。従って、請求項３に係る発明では、設定された領域の平均的な幅寸法の変化を求めることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態の試験機本体１の要部構成を示す側面図とシステム構成を表すブロック図とを併記して示す図であり、図２はそのＡ−Ａ矢視で示す試験機本体１の要部正面図である。
【００２０】
試験機本体１はテーブル１１に対して接近・離隔するクロスヘッド１２を備えた公知の構造を有し、クロスヘッド１２はモータにより回転する一対のねじ棹（図示せず）によって支持されている。テーブル１１およびクロスヘッド１２には、互いに対向するように一対の掴み具１３ａ，１３ｂが装着されており、試験片Ｗはその両端部がこれらの掴み具１３ａ，１３ｂに把持された状態で試験に供される。そして、クロスヘッド１２を上方（ｘ軸方向上向き）に移動させることにより、試験片Ｗに引張負荷が加えられる。試験片Ｗに作用する試験力はロードセル（図示せず）によって検出され、デジタル化されたうえで演算・制御装置２に取り込まれる。演算・制御装置２はコンピュータとその周辺機器を主体とするものであって、後述する幅寸法測定位置等を入力するためのキーボード等の入力用デバイス２１が接続されている。
【００２１】
試験片Ｗには、その正面に上下２箇所に標線マークｓ１，ｓ２が付されているとともに、その裏面には後述するマーク体３が取り付けられている。そして、試験片Ｗは、その正面から標線マークｓ１，ｓ２並びにマーク体３が視野内に収まるようにＣＣＤカメラ４によって撮像され、その撮像出力はキャプチャーボードなどを介して演算・制御装置２に取り込まれる。
【００２２】
演算・制御装置２においては、ＣＣＤカメラ４からの撮像出力を取り込み、公知の手法により試験開始当初からの標線マークｓ１，ｓ２間の距離変化を刻々と算出して、試験片Ｗの伸びを刻々と算出し、前記したロードセルからの出力と併せて荷重−伸び曲線を表示器５に表示する。また、演算・制御装置２では、ロードセルによる刻々の試験力および後述する試験片Ｗの伸びの刻々の計測結果などを用いて、試験片Ｗに対して目標とする負荷が加わるように、前記したねじ棹に回転を与えるモータを制御してクロスヘッド１２を駆動する。
【００２３】
同時に、演算・制御装置２では、ＣＣＤカメラ４からの撮像出力のうち、マーク体３近傍の撮像信号を用いて、以下に詳述する手法によって試験片Ｗの刻々の幅変化を算出して、表示器５に表示する。
【００２４】
マーク体３は、図３に正面図を示すように、中央部左右に一定の間隔で白と黒のラインが左右の辺に対して一定の角度θで交差するような縞模様パターン３１ａ，３１ｂが対称に印刷されているとともに、その周囲４箇所にダイヤ状のマーク３２ａ〜３２ｄが印刷されている。このマーク体３は、左右の辺が試験片Ｗの両縁部に対して平行となるように、例えば試験片Ｗの裏面の中心に対して微小な領域において貼着される。従って、試験中にＣＣＤカメラ４側から見た場合、図３において二点鎖線で示す領域が試験片Ｗで遮蔽された状態となり、また、縞模様パターン３１ａ，３１ｂの白・黒のラインは試験片Ｗの負荷方向（ｘ軸方向）に対してθだけ傾斜した状態となる。
【００２５】
演算・制御装置２では、ＣＣＤカメラ４からの撮像信号から、試験片Ｗのｙ軸方向（負荷方向であるｘ軸方向に直交する方向）両側の縁部と縞模様パターン３１ａ，３１ｂとの交差部分から、以下に示す方法によって試験片Ｗの両縁部のｙ軸方向への刻々の位置を算出し、試験中における試験片Ｗの刻々の幅変化を算出する。
【００２６】
図４は、ＣＣＤカメラ４により撮像された画像中の試験片Ｗの右側の縁部の近傍の拡大図であり、この図を参照しつつ試験片Ｗの縁部のｙ軸方向への移動量の求め方について説明する。
【００２７】
試験に先立ち、試験片Ｗのｘ軸方向のどの位置において幅寸法を求めるのかを入力用デバイス２１を操作して設定する。この設定は、この例においてマーク体３の４箇所のダイヤ状のマーク３２ａ〜３２ｄを基準として行われる。マーク３２ａ〜３２ｄのｘ軸方向中央において求める場合には、その旨を入力することにより、ＣＣＤカメラ４からの画像上でのマーク３２ａと３２ｃとの中央と、マーク３２ｂと３２ｄとの中央とを結ぶ線上で幅寸法が測定される。図４にその幅寸法測定位置を表すラインをＭで示す。
【００２８】
図４において、縞模様パターン３１ａの白・黒各ラインのｘ軸方向への寸法をαとするとともに、試験中のある時点における試験片Ｗの右側の縁部をＥ_１とし、試験の進行によりその縁部がＥ_２にまで移動したとする。演算・制御装置２では、変形前の縁部Ｅ_１と縞模様パターン３１ａの例えば黒ラインとの交点で、かつ、縁部Ｅ_１とラインＭとの交点Ｍ_１の下方にあって当該交点Ｍ_１に最も近い交点Ｌ_１を求める。そして、点Ｍ_１とＬ_１との負荷方向（ｘ方向）への距離ｘ_１を画素数に基づいて求める。同様に、変形後の縁部Ｅ_２とラインＭとの交点Ｍ_２の直下において当該縁部Ｅ_２と黒ラインとが交差する点Ｌ_２を求め、点Ｍ_２とＬ_２との負荷方向への距離ｘ_２を求める。
【００２９】
これらの距離ｘ_１およびｘ_２から、前記した（１）式を用いて、変形前後の縁部Ｅ_１とＥ_２との幅方向（ｙ軸方向）へのなす距離δを算出する。同時に、左側の縁部についても同様な演算を行い、両縁部のｙ軸方向への変位量から、試験片Ｗの幅変化を算出する。このようにして求められた幅寸法の分解能は、画素ピッチに対してｔａｎθ倍されているため、単純にｙ軸方向への画素数から幅寸法の変化を計測する場合に比して、例えばθを３０°としたときには約０．５８倍に、１５°とした場合には約０．２７倍に向上する。
【００３０】
ここで、以上の実施の形態では、幅の測定位置を設定して、１箇所において幅を測定する例を示したが、負荷方向に所定の長さにわたる領域の平均的な幅寸法の変化を求めることもできる。すなわち、縞模様パターンの各ラインと試験片Ｗの縁部との複数の交点を、ｘ軸方向所定の領域にわたって追跡し、これらの各交点の変形前後におけるｘ軸方向への移動量を求める。そして、その各移動量をｔａｎθ倍することにより、各交点のｙ軸方向への変位量を算出して、その平均値を求める。このような計算を両側の縁部について行うことにより、試験片の幅変化を算出する。このようにして求められた値は、試験片のｘ軸方向所定の領域における平均的な幅の変化を表すことになり、前記した１箇所における幅変化と併せて、試験のニーズに応じて適宜に選択できるようにすることもできる。
【００３１】
また、以上の例では、マーク体３を試験片Ｗの裏面側に貼着する例を示したが、試験片Ｗが試験中にＣＣＤカメラ４に対して接近・離隔する方向に移動せず、かつ、各軸の回りに回転しない場合には、試験片Ｗの後方適宜箇所に固定して配置しても、同等の作用効果を奏することができる。
【００３２】
更に、試験片Ｗが試験中にＣＣＤカメラ４に対して接近・離隔する方向に移動したり、あるいは各軸方向に回転する場合には、前記した実施の形態のようにマーク体３を試験片Ｗの裏面側に貼着するとともに、その移動ないしは回転の量を例えばマーク体３上の４つのマーク３２ａ〜３２ｄを用いて算出し、その算出結果を用いて幅変化量の算出結果を補正することにより、更に正確な測定を行うことが可能となる。
【００３３】
また、試験片の後方に負荷方向に対して所定の角度θで傾斜する縞模様パターンを配置した状態で、撮像手段によりその２次元画像情報を得て、その画像情報から縞模様パターンと試験片との交点を求めて、縞模様パターンのθを用いた演算により撮像手段の画素ピッチを細かくすることなく実質的に分解能を向上させる技術は、試験片の伸びの計測にも適用することができる。以下、その手法の一例について、図５を参照しつつ説明する。
【００３４】
図５に例示する手法においては、試験片Ｗに負荷方向（ｙ軸方向）に直交する方向に伸びて当該試験片Ｗから左右（ｘ軸方向）に突出する標線マーク体ＴＭを固着する。また、この場合、縞模様パターンの負荷方向であるｙ軸に対する角度θは４５°未満とする。このような設定において、ある時点における標線マーク体ＴＭが実線の位置にあるとすると、画像から図示のように標線マーク体ＴＭと縞模様パターンとの交点ＭＳ_１を求める。試験片Ｗに引張負荷を加えることによって試験片Ｗが伸び、標線マーク体ＴＭが図中二点鎖線で示される位置にまで移動したとすると、その状態での標線マーク体ＴＭと縞模様パターンとの交点ＭＳ_２を上記と同様に求める。そして、点ＭＳ_１とＭＳ_２とのｘ軸方向へのなす距離Ｌ_ｘを画像処理によって求める。この距離Ｌ_ｘの分解能は、撮像手段の画素ピッチに由来する値となる。そして、試験片Ｗの伸びの計算に供すべき標線マーク体ＴＭのｙ軸方向への移動量Ｌ_ｙは、
Ｌ_ｙ＝Ｌ_ｘ／ｔａｎθ
によって求めることができる。
【００３５】
このようにして求められた標線マーク体ＴＭのｙ軸方向への移動量、つまり引張負荷方向への移動量Ｌ_ｙの分解能は、撮像手段の画素ピッチに基づく分解能のｔａｎθ倍に向上する。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、試験片の負荷方向に対して所定の角度θをもって交差する縞模様パターンを有するマーク体を、試験片背面側に配置した状態でＣＣＤカメラなどの撮像手段によって撮像し、試験片の両側の縁部と縞模様パターンのラインとの交点の負荷方向への移動量と、縞模様パターンの角度θを用いて、試験片の負荷方向に直交する幅寸法の変化を算出するので、θを小さくすることによって、撮像手段の画素ピッチに基づく分解能を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の試験機本体の要部構成を示す側面図とシステム構成を表すブロック図とを併記して示す図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ矢視で示す試験機本体１の要部正面図である。
【図３】本発明の実施の形態において用いるマーク体３の正面図である。
【図４】ＣＣＤカメラ４による画像中の試験片Ｗの右側の縁部の近傍の拡大図を用いて示す、本発明の実施の形態による試験片Ｗの縁部のｙ軸方向への移動量の算出の仕方の説明図である。
【図５】縞模様パターンを用いた本発明の技術を試験片の伸びの計測に応用する場合の説明図である。
【図６】画像情報を用いた従来の試験片の幅寸法の測定方法の説明図である。
【符号の説明】
１試験機本体
１１テーブル
１２クロスヘッド
１３ａ，１３ｂ掴み具
２演算・制御装置
２１入力用デバイス
３マーク体
３１ａ，３１ｂ縞模様パターン
３２ａ〜３２ｄダイヤ状のマーク
４ＣＣＤカメラ
５表示器
Ｗ試験片

Claims

試験片に対して負荷を加える負荷機構を備えた材料試験機において、
上記負荷機構による負荷方向（ｘ方向）に対して所定の角度θで傾斜する複数のラインからなる縞模様パターンを備えたマーク体を背景として、試験片を当該マーク体とともに撮像して２次元画像情報を出力する撮像手段と、その撮像手段の出力を取り込んで試験片の負荷方向に直交する幅方向（ｙ方向）への刻々の寸法変化を演算する幅寸法演算手段を有し、この幅寸法演算手段は、画像上での試験片の幅方向両縁部と上記マーク体のラインとの交差部の上記ｘ方向への刻々の位置情報と上記角度θとから、試験片両縁部の上記ｙ方向への位置情報を算出して幅寸法を求めることを特徴とする材料試験機。
上記幅寸法演算手段は、上記マーク体上であらかじめ設定されているｘ方向位置における試験片両縁部の上記ｙ方向位置情報を算出して幅寸法を求めることを特徴とする請求項１に記載の材料試験機。
上記幅寸法演算手段は、画像上での試験片の幅方向両縁部において、それぞれ複数のラインとの各交差部の刻々のｘ方向位置情報と上記角度θとから、各縁部の上記ｙ方向への位置情報の平均値を算出し、幅寸法を求めることを特徴とする請求項１に記載の材料試験機。