JP2003307475A - 材料試験装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 実機構造物において採取したより微小な供試
体に対して十分な荷重を負荷でき、供試体を採取した現
地で試験が行える材料試験装置を提供することである。 【解決手段】 供試体３の一端側を固定チャック４で支
持し他端側を可動チャック５で支持して、超磁歪アクチ
ュエータ２により供試体３に負荷をかける。超磁歪アク
チュエータ２は、供試体に負荷を与える方向と負荷を与
えた際の引張圧縮方向とが一致するように可動チャック
５を移動させて供試体３に負荷をかける。制御装置は、
供試体３に設定荷重が負荷されるように超磁歪アクチュ
エータ２を制御する。これにより、小型化が図れしかも
供試体３に対し大きな荷重を負荷することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属材料や非金属
材料の微小供試体の材料特性試験を現地にて行うのに好
適な材料試験装置および方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属材料や非金属材料の材料特性を評価
するために、引張り試験や疲労試験等種々の疲労試験が
行われている。一般に、材料特性試験は損傷を受ける構
造物を模した供試体を用いて行われ、油圧アクチュエー
タ等を用いて供試体に負荷をかけ、上述の種々の材料特
性評価試験を行う。

【０００３】実際に損傷を受ける実機構造物の材料特性
を評価することは非常に重要なことであり、実機構造物
から、直接供試体を切り出し、材料試験装置の設置場所
まで供試体を移動させ、材料特性評価試験を行うことも
しばしばある。

【０００４】実機構造物から直接供試体を切り出して行
う材料特性評価試験を、従来の材料試験装置を用いて行
う場合には、供試体の大きさが十数センチ以上と大きく
なるので、供試体を切出し採取することによる構造物へ
の機能的な面や経済的な面での損失が非常に大きく、さ
らに、切り出した供試体を材料試験装置の設置場所まで
移動させなければならないので、迅速な試験が行えない
ことが多い。

【０００５】このことから、実機構造物から微小な供試
体を採取し、その採取した微小な供試体に対して、これ
までと同等以上に高精度に試験することができ、供試体
を採取した現地で試験が行えるような小型の材料試験装
置の開発が望まれてきている。

【０００６】微小な供試体に対して材料特性試験を行え
る小型の材料試験装置としては、例えば、特開２０００
−２９８０８７号公報に示されるものがある。この材料
試験装置は、荷重発生源として圧電素子より成る圧電ア
クチュエータを用いたものであり、圧電素子を用いるこ
とにより微小な大きさの供試体を試験できるようにし、
材料試験装置自体を小型化している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、圧電素子よ
り成る圧電アクチュエータを用いた材料試験装置におい
ては、圧電素子を用いて小型化されているが、大きな荷
重を負荷することが困難である。

【０００８】一方、油圧アクチュエータを荷重発生源と
した材料試験装置では、精度良く試験ができる供試体の
大きさに限度があり、微小な供試体には不向きである。
さらに油圧アクチュエータが油を媒体に荷重を増幅する
という原理を有することから現地で試験が行えるような
小型化には限度がある。

【０００９】本発明の目的は、上記従来技術の課題を解
決するためになされたものであり、実機構造物において
採取したより微小な供試体に対して十分な荷重を負荷で
き、供試体を採取した現地で試験が行える材料試験装置
および方法を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る材
料試験装置は、供試体の一端側を固定支持する固定チャ
ックと、前記供試体の他端側を支持し前記供試体に負荷
を与えるための可動チャックと、前記供試体に負荷を与
える方向と負荷を与えた際の引張圧縮方向とが一致する
ように前記可動チャックを移動させる超磁歪アクチュエ
ータと、前記供試体に設定荷重が負荷されるように前記
超磁歪アクチュエータを制御する制御装置とを備えたこ
とを特徴とする。

【００１１】請求項１の発明に係る材料試験装置におい
ては、供試体の一端側を固定チャックで支持し他端側を
可動チャックで支持して、超磁歪アクチュエータにより
供試体に負荷をかける。超磁歪アクチュエータは、供試
体に負荷を与える方向と負荷を与えた際の引張圧縮方向
とが一致するように可動チャックを移動させて供試体に
負荷をかける。制御装置は、供試体に設定荷重が負荷さ
れるように超磁歪アクチュエータを制御する。これによ
り、小型化が図れしかも供試体に対し大きな荷重を負荷
することができる。

【００１２】請求項２の発明に係る材料試験装置は、請
求項１の発明において、前記制御装置は、前記超磁歪ア
クチュエータにより前記供試体に負荷された荷重を入力
し、入力した荷重が設定荷重になるように前記超磁性歪
アクチュエータを制御することを特徴とする。

【００１３】請求項２の発明に係る材料試験装置におい
ては、請求項１の発明の作用に加え、制御装置は、超磁
歪アクチュエータにより供試体に負荷された荷重を入力
する。そして、入力した荷重が設定荷重になるように超
磁性歪アクチュエータを制御する。

【００１４】請求項３の発明に係る材料試験装置は、請
求項２の発明において、前記制御装置は、前記超磁歪ア
クチュエータによる前記供試体への荷重を、前記超磁歪
アクチュエータの励振コイルのインピーダンスの変化、
または前記超励磁歪アクチュエータの電圧変化、または
前記超磁歪アクチュエータの駆動電流変化で求めること
を特徴とする。

【００１５】請求項３の発明に係る材料試験装置におい
ては、請求項２の発明の作用に加え、制御装置は、超磁
歪アクチュエータによる供試体への荷重を、超磁歪アク
チュエータの励振コイルのインピーダンスの変化、超励
磁歪アクチュエータの電圧変化、超磁歪アクチュエータ
の駆動電流変化のいずれかで求める。

【００１６】請求項４の発明に係る材料試験装置は、供
試体の一端側を固定支持する固定チャックと、前記供試
体の他端側を支持し前記供試体に負荷を与えるための可
動チャックと、前記供試体に負荷を与える方向と負荷を
与えた際の引張圧縮方向とが一致するように前記可動チ
ャックを移動させる超磁歪アクチュエータと、前記超磁
歪アクチュエータが前記供試体に負荷した荷重を検出す
る超磁歪荷重センサーと、前記超磁歪荷重センサーで検
出された荷重が設定荷重となるように前記超磁歪アクチ
ュエータを制御する制御装置とを備えたことを特徴とす
る。

【００１７】請求項４の発明に係る材料試験装置におい
ては、供試体の一端側を固定チャックで支持し他端側を
可動チャックで支持して、超磁歪アクチュエータにより
供試体に負荷をかける。超磁歪アクチュエータは、供試
体に負荷を与える方向と負荷を与えた際の引張圧縮方向
とが一致するように可動チャックを移動させて供試体に
負荷をかける。制御装置は、超磁歪荷重センサーで検出
された荷重が設定荷重となるように超磁歪アクチュエー
タを制御する。

【００１８】請求項５の発明に係る材料試験装置は、請
求項４の発明において、前記制御装置は、前記超磁歪荷
重センサーで検出された前記供試体への荷重を、前記超
磁歪荷重センサーの励振コイルのインピーダンスの変
化、または前記超磁歪荷重センサーの電圧変化、または
前記超磁歪荷重センサーの駆動電流変化で求めることを
特徴とする。

【００１９】請求項５の発明に係る材料試験装置におい
ては、請求項４の発明の作用に加え、制御装置は、超磁
歪荷重センサーで検出された供試体への荷重を、超磁歪
荷重センサーの励振コイルのインピーダンスの変化、超
磁歪荷重センサーの電圧変化、超磁歪荷重センサーの駆
動電流変化のいずれかで求める。

【００２０】請求項６の発明に係る材料試験装置は、請
求項１または請求項４の発明において、前記供試体を把
持する前記固定チャックと前記可動チャックとの間に広
がる空間部を囲繞する環境槽を設けたことを特徴とす
る。

【００２１】請求項６の発明に係る材料試験装置におい
ては、請求項１または請求項４の発明の作用に加え、環
境槽は、供試体を把持する固定チャックと可動チャック
との間に広がる空間部を囲繞する。これにより、供試体
の温度や周囲雰囲気を変化させた試験が可能となる。

【００２２】請求項７の発明に係る材料試験方法は、供
試体の一端側を固定チャックで支持し、前記供試体の他
端側を可動チャックで支持し、前記供試体に負荷を与え
る方向と負荷を与えた際の引張圧縮方向とが一致するよ
うに前記超磁歪アクチュエータで前記可動チャックを移
動させ、前記供試体に設定荷重が負荷されるように前記
超磁歪アクチュエータを制御することを特徴とする。

【００２３】請求項７の発明に係る材料試験方法におい
ては、供試体の一端側を固定チャックで支持し、その他
端側を可動チャックで支持する。そして、超磁歪アクチ
ュエータにより可動チャックを移動させて供試体に負荷
をかける。この場合、超磁歪アクチュエータは、供試体
に負荷を与える方向と負荷を与えた際の引張圧縮方向と
が一致するように可動チャックを移動させる。また、供
試体には設定荷重が負荷されるように超磁歪アクチュエ
ータを制御する。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る材料試験
装置の外観構成図である。

【００２５】図１において、材料試験装置１の水平基台
６には超磁歪アクチュエータ２が搭載され、超磁歪アク
チュエータ２の一端は垂直基台７で保持されている。超
磁歪アクチュエータ２の他端には可動チャック５が位置
し、この可動チャック５と対面して固定チャック４が配
置されている。

【００２６】供試体３は固定チャック４と可動チャック
５との間に把持され、超磁歪アクチュエータ２の駆動動
作により可動チャック５が移動し、供試体３に負荷をか
けるようになっている。

【００２７】また、固定チャック４は、中間部材１１を
介してチャック位置調整治具８で保持されている。チャ
ック位置調整治具８は、支持柱９を介して基台６に取り
付けられている。チャック位置調整治具８は、供試体３
の配置をし易くするために支持柱９に沿って負荷方向に
移動可能となっており、供試体３の配置後には、止め具
１０によって強固に固定できるようになっている。

【００２８】このように、チャック位置調整治具８は負
荷方向に移動可能となっているので、供試体３を固定チ
ャック４と可動チャック５との間に配置する際に余計な
荷重を発生させることなく取り付けることができる。そ
して、供試体３の配置後に、チャック位置調整治具８を
強固に固定することによって試験が開始できる状態とな
る。

【００２９】超磁歪アクチュエータ２は超歪効果を利用
したものであり、超磁歪材料の周囲に励振コイルが巻か
れて構成されている。その励振コイルに電源を供給し
て、励振コイルが発生する磁界により超磁歪材料を伸縮
変形させ、その超磁歪材料の伸縮変形により可動チャッ
ク５を移動させる。超磁歪アクチュエータ２は、図１で
は、図示を省略している後述の制御装置により制御され
る。

【００３０】超磁歪アクチュエータ２は超歪効果を利用
したものであることから、高精度に微小な変位を制御で
きること、圧電素子より出力が大きいこと、圧電素子よ
り高周波数で稼動すること、電源等の付帯設備が小さい
こと等の特徴を有する。このように、超磁歪アクチュエ
ータ２は、圧電素子等と比較して、ひずみ量や発生応力
が非常に大きく、また応答時間が非常に速いという特徴
を持っている。

【００３１】従って、超磁歪アクチュエータを材料試験
装置の負荷駆動源として用いることによって、微小な供
試体３に対し高精度に微小変位を発生させることがで
き、また、材料試験装置全体を持ち運べるような小型な
ものにすることができる。

【００３２】図２は、超磁歪アクチュエータ２を制御す
る制御装置１６の構成図である。超磁歪アクチュエータ
２の励振コイル１７には電源装置１２から電圧が印加さ
れ、励振コイル１７の抵抗分で定まる電流が励振コイル
１７に流れる。これにより、励振コイル１７は磁界を発
生し、超磁歪材料２０は励振コイル１７が発生する磁界
により変形する。この変形により可動チャック５を移動
させることになる。

【００３３】電源装置１２は、制御用ＰＣ（パーソナル
コンピュータ）１３からの指令に基づき超磁歪アクチュ
エータ２の励振コイル１７に印加する電圧が制御され
る。制御用ＰＣ１３の荷重データベース１５には、予め
励磁コイル１７のインピーダンス変化に対応した超磁歪
材料２０に掛かる荷重が記憶されている。

【００３４】制御用ＰＣ１３は、インピーダンス計１８
で検出された励磁コイル１７のインピーダンスを入力
し、荷重データベース１５に基づき、励磁コイル１７の
インピーダンスを超磁歪材料２０に掛かる荷重に換算す
る。そして、制御用ＰＣ１３の演算処理手段１４は、超
磁歪材料２０に掛かる荷重が予め設定された設定荷重に
なるように電源装置１２の出力電圧を制御する。これに
より、供試体３に設定荷重が負荷されるように超磁歪ア
クチュエータ２を制御する。

【００３５】超磁歪材料２０に圧縮応力が加わると、磁
化の変化が起こり透磁率が変化する。その変化は励振コ
イル１７のインダクタンスに影響し、その結果、励振コ
イル１７のインピーダンスが変化する。

【００３６】図３は、超磁歪材料２０に圧縮応力が加わ
った場合の応力とインピーダンスの変化を表わしたもの
である。圧縮応力が加わることにより、インピーダンス
が急激に変化していることがわかる。

【００３７】インピーダンス計１８では、このインピー
ダンスの変化を抵抗１９を介して測定し、これらのデー
タを制御用ＰＣ１３内に取り込む。制御用ＰＣ１３の演
算処理手段１４は、荷重データベース１５を参照して負
荷された荷重を算出し、その荷重が設定荷重になるよう
に指令値を演算し、電源装置１２の出力電圧を制御す
る。

【００３８】このように、超磁歪材料２０の磁歪効果を
利用して、超磁歪材料２０に負荷が加わった場合の磁歪
の変化を逆に利用して、超磁歪荷重を検出するようにし
ている。従って、超磁歪アクチュエータ２の逆磁歪効果
により、超磁歪荷重センサーを設けることなく、荷重を
同時に測定できる。

【００３９】以上の説明では、超磁歪アクチュエータ２
の荷重を、超磁歪アクチュエータ２の励振コイル１７の
インピーダンスの変化で検出するようにしたが、超励磁
歪アクチュエータ２の電圧変化で検出するようにしても
良い。

【００４０】図４は、超磁歪アクチュエータ２の荷重
を、超励磁歪アクチュエータ２の電圧変化で検出する場
合の制御装置１６の構成図である。超磁歪材料２０に加
わる負荷荷重を、電流とインピーダンスとの積である電
圧値によって検出し、制御用ＰＣ１３に入力する。この
場合、荷重データベース１５には、予め励磁コイル１７
の電圧変化に対応した超磁歪材料２０に掛かる荷重を記
憶しておくことになる。

【００４１】また、超磁歪アクチュエータ２の荷重を、
超励磁歪アクチュエータ２の電圧変化に代えて、超磁歪
アクチュエータ３の励振コイル１７に流れる駆動電流変
化で求めるようにしても良い。この場合、荷重データベ
ース１５には、超磁歪アクチュエータ３の駆動電流変化
に対応した超磁歪材料２０に掛かる荷重を記憶しておく
ことになる。

【００４２】また、以上の説明では、超磁歪荷重センサ
ーを設けることなく、超磁歪アクチュエータ２からその
荷重を測定するようにしたが、超磁歪材料２０の磁歪効
果を利用した超磁歪荷重センサー２１を別個に設けるよ
うにしても良い。

【００４３】図５は超磁歪荷重センサー２１を超磁歪ア
クチュエータ２と直列に接続した場合を示している。こ
の場合、可動チャック２の駆動は超磁歪アクチュエータ
２で行い、可動チャック２に掛かる荷重は超磁歪荷重セ
ンサー２１で検出することになる。

【００４４】また、超磁歪荷重センサ２１の検出信号
は、図１に示したものと同様に、超磁歪荷重センサー２
１で検出された供試体３への荷重を、超磁歪荷重センサ
ー２１の励振コイル１７のインピーダンスの変化、超磁
歪荷重センサー２１の電圧変化、超磁歪荷重センサー２
１の駆動電流変化のいずれかで求める。

【００４５】第１の実施の形態によれば、実機構造物に
おいて採取したより微小な供試体に対して、これまでと
同等以上に高精度に試験することができる。すなわち、
超磁歪アクチュエータ２により十分な荷重を供試体に負
荷でき、また、小型化が図れるので供試体を採取した現
地で試験が行える。

【００４６】次に、本発明の第２の実施の形態を説明す
る。図６は本発明の第２の実施の形態に係る材料試験装
置の外観構成図である。この第２の実施の形態は、図１
に示した第１の実施の形態に対し、供試体３を把持する
固定チャック４と可動チャック５との間に広がる空間部
を環境槽２２で囲繞するようにしたものである。

【００４７】環境槽２２は温度制御ユニットあるいは腐
食環境槽ユニット等を内蔵しており、環境槽２２で囲っ
た雰囲気を変化させる。これにより、様々な温度環境や
腐食環境下での試験が可能となる。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
実機構造物において採取したより微小な供試体に対して
も、これまでと同等以上に高精度に試験することができ
る。また、供試体に十分な荷重を負荷でき、供試体を採
取した現地で試験が行える。また、供試体を環境槽で囲
ってさまざまな環境を作ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る材料試験装置
の外観構成図。

【図２】本発明の第１の実施の形態における超磁歪アク
チュエータを制御する制御装置の構成図。

【図３】本発明の第１の実施の形態における超磁歪材料
に圧縮応力を加わえた場合の圧縮応力とインピーダンス
の変化を表わした特性図。

【図４】本発明の第１の実施の形態における超磁歪アク
チュエータの荷重を超励磁歪アクチュエータの電圧変化
で検出する場合の制御装置の構成図。

【図５】本発明の第１の実施の形態における超磁歪荷重
センサーを超磁歪アクチュエータと直列に接続した場合
の構成図。

【図６】本発明の第２の実施の形態に係る材料試験装置
の外観構成図

【符号の説明】

１…材料試験装置、２…超磁歪アクチュエータ、３…供
試体、４…固定チャック、５…可動チャック、６…水平
基台、７…垂直基台、８…チャック位置調整治具、９…
支持柱、１０…止め具、１１…中間部材、１２…電源装
置 １３…制御用ＰＣ、１４…演算処理手段、１５…荷
重データベース、１６…制御装置、１７…励振コイル、
１８…インピーダンス計、１９…抵抗、２０…超磁歪材
料、２１…超磁歪センサー、２２…環境槽

フロントページの続き (72)発明者 福田 大二郎 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 長井 敏 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 齋藤 雄二 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 石渡 裕 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 伊藤 義康 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 Ｆターム(参考） 2G061 AA02 AB01 CB00 DA03 EA01 EB06

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 供試体の一端側を固定支持する固定チャ
   ックと、前記供試体の他端側を支持し前記供試体に負荷
   を与えるための可動チャックと、前記供試体に負荷を与
   える方向と負荷を与えた際の引張圧縮方向とが一致する
   ように前記可動チャックを移動させる超磁歪アクチュエ
   ータと、前記供試体に設定荷重が負荷されるように前記
   超磁歪アクチュエータを制御する制御装置とを備えたこ
   とを特徴とする材料試験装置。
2. 【請求項２】 前記制御装置は、前記超磁歪アクチュエ
   ータにより前記供試体に負荷された荷重を入力し、入力
   した荷重が設定荷重になるように前記超磁性歪アクチュ
   エータを制御することを特徴とする請求項１記載の材料
   試験装置。
3. 【請求項３】 前記制御装置は、前記超磁歪アクチュエ
   ータによる前記供試体への荷重を、前記超磁歪アクチュ
   エータの励振コイルのインピーダンスの変化、または前
   記超励磁歪アクチュエータの電圧変化、または前記超磁
   歪アクチュエータの駆動電流変化で求めることを特徴と
   する請求項２記載の材料試験装置。
4. 【請求項４】 供試体の一端側を固定支持する固定チャ
   ックと、前記供試体の他端側を支持し前記供試体に負荷
   を与えるための可動チャックと、前記供試体に負荷を与
   える方向と負荷を与えた際の引張圧縮方向とが一致する
   ように前記可動チャックを移動させる超磁歪アクチュエ
   ータと、前記超磁歪アクチュエータが前記供試体に負荷
   した荷重を検出する超磁歪荷重センサーと、前記超磁歪
   荷重センサーで検出された荷重が設定荷重となるように
   前記超磁歪アクチュエータを制御する制御装置とを備え
   たことを特徴とする材料試験装置。
5. 【請求項５】 前記制御装置は、前記超磁歪荷重センサ
   ーで検出された前記供試体への荷重を、前記超磁歪荷重
   センサーの励振コイルのインピーダンスの変化、または
   前記超磁歪荷重センサーの電圧変化、または前記超磁歪
   荷重センサーの駆動電流変化で求めることを特徴とする
   請求項４記載の材料試験装置。
6. 【請求項６】 前記供試体を把持する前記固定チャック
   と前記可動チャックとの間に広がる空間部を囲繞する環
   境槽を設けたことを特徴とする請求項１または請求項４
   記載の材料試験装置。
7. 【請求項７】 供試体の一端側を固定チャックで支持
   し、前記供試体の他端側を可動チャックで支持し、前記
   供試体に負荷を与える方向と負荷を与えた際の引張圧縮
   方向とが一致するように前記超磁歪アクチュエータで前
   記可動チャックを移動させ、前記供試体に設定荷重が負
   荷されるように前記超磁歪アクチュエータを制御するこ
   とを特徴とする材料試験方法。