JP2017026540A - 治具、荷重負荷装置、荷重負荷方法および解析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】試験片を、所定の荷重を負荷した状態で保持することが可能な治具および荷重負荷装置、ならびにこれらを用いた荷重負荷方法および解析方法を提供する。
【解決手段】試験片３０を、所定の荷重を負荷した状態で保持する治具１０であって、本体部１と、本体部１に設けられ、試験片３０の一端部を保持する第１保持部２と、本体部１に設けられ、かつ、外部の駆動装置５に着脱可能な荷重調整部３と、荷重調整部３に接続され、試験片３０の他端部を保持する第２保持部４と、を備え、荷重調整部３は、駆動装置５によって駆動され、第２保持部４は、駆動装置５によって駆動された荷重調整部３の動きに従って、試験片３０に荷重を負荷するように所定の方向Ａに移動し、駆動装置５が荷重調整部３から取り外された状態において、第２保持部４の所定の方向Ａへの移動が規制される、治具１０。
【選択図】 図１

Description

本発明は、治具、荷重負荷装置、荷重負荷方法および解析方法に関する。

橋梁等の構造物は、使用条件に応じた負荷を受ける。この構造物が想定よりも大きな負荷を受けた場合、例えば想定よりも大きな地震が発生した場合には、橋台等の構造物の構成部材にき裂が生じることによって橋面が傾斜し、最悪のケースでは落橋に至るおそれがある。このような事故の発生を防止するため、構造物の構成部材の機械的性質を評価するとともに、材料の作り込み、すなわち組織制御を行うことが必要である。

しかし、構造物の構成部材の機械的性質の評価は、構造物の実物に対して行うことは不可能である。そのため、実際の構成部材を模擬した小型の試験片に対して引張負荷等を付与することで、構造物の部分的な機械的性質を評価し、その評価結果を基に構造物全体の機械的性質を推定することが行われている。

例えば、特許文献１には、比較的小型のミニチュア試験片に高速で一定振幅の繰り返し変形を与えることにより、材料素材または小型部品の強度信頼性を評価する試験技術が開示されている。

また、特許文献２には、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小型材料試験装置が開示されている。

特開平８−８６７２８号公報 特開２００５−３３８０２６号公報

ところで、構造物の構成部材の組織因子と疲労特性との相関を定量的に評価するため、中性子回折法またはＥＢＳＤ法を用いた変形評価など、複数の研究がなされている。しかし、試験片に対して引張負荷等を付与した状態で中性子回折法またはＥＢＳＤ法を用いて材料評価を行うためには、特殊な試験機が必要となり、膨大なコストがかかるという問題がある。

そのため、既存の分析装置内に引張試験機等を設置することが望まれる。しかしながら、特許文献１および２に記載の技術では、小型の試験片に対して荷重を負荷することは可能であるが、大型のモーターまたはアクチュエータを備えるため装置自体は大きく、高額な大型の分析装置でなければ装置内に設置することは困難である。また、分析装置内に設置できたとしても、試験片に荷重を付与し、その状態を保持するために電源が必要となるため、分析装置内での電源の確保および配線の取り扱いが煩雑になり、設備導入自体に手間がかかる。また、１つの分析装置で他の分析を行う際に装置の取り付け取り外し作業が発生し、分析作業が煩雑になることが問題となる。

本発明は、上記の問題を解決し、試験片を、所定の荷重を負荷した状態で保持することが可能な治具および荷重負荷装置、ならびにこれらを用いた荷重負荷方法および解析方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、下記の治具、荷重負荷装置、荷重負荷方法および解析方法を要旨とする。

（１）試験片を、所定の荷重を負荷した状態で保持することが可能な治具であって、
本体部と、
前記本体部に設けられ、前記試験片の一端部を保持する第１保持部と、
前記本体部に設けられ、かつ、外部の駆動装置に着脱可能な荷重調整部と、
前記荷重調整部に接続され、前記試験片の他端部を保持する第２保持部と、を備え、
前記荷重調整部は、前記駆動装置によって駆動され、
前記第２保持部は、前記駆動装置によって駆動された前記荷重調整部の動きに従って、前記試験片に荷重を負荷するように所定の方向に移動し、
前記駆動装置が前記荷重調整部から取り外された状態において、前記第２保持部の前記所定の方向への移動が規制される、治具。

（２）前記荷重調整部が、雄ねじが形成された１つ以上の軸部を含み、
前記軸部は、前記所定の方向への移動が規制された状態で、前記本体部に回転自在に支持され、
前記第２保持部に、前記雄ねじが回転自在に螺合する雌ねじが形成され、
前記駆動装置が前記軸部を回転させることによって、前記第２保持部が前記所定の方向に移動する、上記（１）に記載の治具。

（３）前記第１保持部が前記本体部に、前記試験片に加えられる荷重を測定する荷重測定部を介して支持される、上記（１）または（２）に記載の治具。

（４）試験片を、所定の荷重を負荷した状態で保持することが可能な装置であって、
本体部と、
前記本体部に設けられ、前記試験片の一端部を保持する第１保持部と、
前記本体部に設けられる荷重調整部と、
前記荷重調整部に接続され、前記試験片の他端部を保持する第２保持部と、
前記荷重調整部に着脱可能であり、前記荷重調整部を駆動する駆動装置と、を備え、
前記第２保持部は、前記駆動装置によって駆動された前記荷重調整部の動きに従って、前記試験片に荷重を負荷するように所定の方向に移動し、
前記駆動装置が前記荷重調整部から取り外された状態において、前記第２保持部の前記所定の方向への移動が規制される、荷重負荷装置。

（５）前記荷重調整部が、雄ねじが形成された１つ以上の軸部を含み、
前記軸部は前記本体部に回転自在に支持され、
前記第２保持部に、前記雄ねじが回転自在に螺合する雌ねじが形成され、
前記駆動装置が前記軸部を回転させることによって、前記第２保持部が前記所定の方向に移動する、上記（４）に記載の荷重負荷装置。

（６）前記第１保持部が前記本体部に、前記試験片に加えられる荷重を測定する荷重測定部を介して支持される、上記（４）または（５）に記載の荷重負荷装置。

（７）前記荷重測定部によって得られた前記荷重に関する情報に基づいて、前記駆動装置の制御を行う制御部をさらに備える、上記（６）に記載の荷重負荷装置。

（８）上記（４）から（７）までのいずれかに記載の装置を用いて試験片に荷重を負荷し保持する方法であって、
前記第１保持部および前記第２保持部によって前記試験片を保持する工程と、
前記荷重調整部を前記駆動装置に接続する工程と、
前記試験片が前記第１保持部および前記第２保持部によって保持され、かつ、前記荷重調整部が前記駆動装置に接続された状態において、前記駆動装置によって前記荷重調整部を駆動させ、前記第２保持部を前記所定の方向に移動させる工程と、
前記第２保持部を前記所定の方向に移動させた後の状態において、前記駆動装置を前記荷重調整部から取り外す工程と、を備える、荷重負荷方法。

（９）上記（１）から（３）までのいずれかに記載の治具を用いて試験片に荷重を負荷して保持した状態で試験片を解析する方法であって、
前記第１保持部および前記第２保持部によって前記試験片を保持する工程と、
前記荷重調整部を前記駆動装置に接続する工程と、
前記試験片が前記第１保持部および前記第２保持部によって保持され、かつ、前記荷重調整部が前記駆動装置に接続された状態において、前記駆動装置によって前記荷重調整部を駆動させ、前記第２保持部を前記所定の方向に移動させる工程と、
前記第２保持部を前記所定の方向に移動させた後の状態において、前記駆動装置を前記荷重調整部から取り外す工程と、
前記駆動装置を前記荷重調整部から取り外し、試験片に荷重を負荷して保持した状態で試験片を解析する工程と、を備える、解析方法。

本発明によれば、試験片に荷重を負荷して保持した状態で治具を外部の装置から取り外すことが可能であり、さらに試験片に負荷した荷重を保持するのに電源が不要であるため、治具を既存の分析装置内に設置するだけで、荷重が負荷された状態の試験片の解析を容易に行うことができる。

本発明の一実施形態に係る荷重負荷装置の一例を模式的に示した図である。 本発明の一実施形態に係る荷重負荷装置の他の一例を模式的に示した図である。 本発明の一実施形態に係る荷重負荷装置の他の一例を模式的に示した図である。

添付した図面を参照して、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る治具１０を備えた荷重負荷装置２０の一例を模式的に示した図である。本発明の一実施形態に係る荷重負荷装置２０は、試験片３０を、所定の荷重を負荷した状態で保持するためのものであり、治具１０と外部の駆動装置５とを備える。図１に示すように、治具１０と駆動装置５とは着脱可能な構成となっている。

治具１０と駆動装置５とが接続された状態で、試験片３０に対して所定の荷重を負荷する。試験片３０に負荷された荷重は、治具１０が駆動装置５から取り外された状態になっても保持される構成となっている。このような構成を有することから、治具１０は、試験片を、所定の荷重を負荷した状態で保持することが可能となる。そして、駆動装置５から取り外された治具１０を分析装置内に設置することによって、所定の荷重を負荷した状態の試験片表面の観察、分析等の解析を行うことが可能となる。

なお、治具１０を設置する分析装置として、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）、レーザー顕微鏡等が挙げられる。

以下に、本発明の一実施形態に係る治具１０について、より詳しく説明する。図１に示すように、本発明の一実施形態に係る治具１０は、本体部１と、第１保持部２と、荷重調整部３と、第２保持部４とを備える。各構成要素について説明する。ただし、本発明は下記の実施形態に限定されるものではない。

本体部１は、図示しない分析装置内に装着されるための部分である。本体部１の形状については特に限定されないが、図１に示す構成においては、治具１０の外枠をなしている。したがって、本体部１は、分析装置内に設置することが可能な大きさとすることが望ましい。

第１保持部２は、本体部１に設けられ、試験片３０の一端部を保持する。第１保持部２の形状についても特に限定されず、試験片３０の一端部を保持できる構造であればよい。

荷重調整部３は、本体部１に設けられ、かつ、外部の駆動装置５に着脱可能な構成となっている。また、第２保持部４は、荷重調整部３に接続され、試験片３０の他端部を保持する。第２保持部４の形状についても、第１保持部２と同様に特に限定されず、試験片３０の他端部を保持できる構造であればよい。

荷重調整部３が駆動装置５によって駆動されると、第２保持部４は、駆動装置５によって駆動された荷重調整部３の動きに従って、所定の方向（図１におけるＡ方向）に移動する。そして、第２保持部４がＡ方向に移動することによって、試験片３０に荷重を負荷するような機構となっている。なお、試験片３０に負荷される荷重は、引張荷重であっても圧縮荷重であってもよい。

また、駆動装置５が荷重調整部３から取り外された状態において、第２保持部４は、Ａ方向へ移動することが規制される。このような構成を有することによって、駆動装置５が荷重調整部３から取り外された後でも、試験片３０に負荷された荷重が保持される。第２保持部４のＡ方向への移動を規制する方法については特に制限はなく、例えば、ねじ等の部材を用いて構造的に規制する構成としてもよいし、駆動装置５によって荷重調整部３が駆動されていない状態では、摩擦力等の力によって移動が規制される構成としてもよい。

上記の機構を実現するための態様として、例えば、図２に示す構成とすることができる。図２に示す構成では、荷重調整部３は雄ねじ３ａが形成された軸部３’を含み、軸部３’は、Ａ方向への移動が規制された状態で、本体部１に回転自在に支持されている。そして、第２保持部４に、雄ねじ３ａが回転自在に螺合する雌ねじ４ａが形成されており、駆動装置５が軸部３’を回転させることによって、第２保持部４がＡ方向に移動する。駆動装置５として、例えば、モーターを用いることができる。

軸部３’のＡ方向への移動を規制する機構については特に限定しないが、例えば、図２に示すように、規制子３ｂ、３ｃを設けることによって、Ａ方向への移動が規制された状態で、本体部１に回転自在に支持される構成とすることができる。

また、駆動装置５が軸部３’から取り外された状態においては、雄ねじ３ａと雌ねじ４ａとの摩擦力によって軸部３’は回転しないため、第２保持部４のＡ方向への移動が規制される。

試験片の分析は、引張荷重と圧縮荷重とを所定回数繰り返し負荷し、引張または圧縮の荷重を負荷した状態で組織の分析を行ってもよい。また、当該所定回数繰り返し負荷し、き裂を発生させた後に荷重を解放した状態で組織の分析を行ってもよい。

なお、図２に示す構成においては、第２保持部４がＡ方向のみに移動するよう、１つの軸部３’を設けているが、移動方向はこれに限定されず、複数の軸部を設け、Ａ方向と傾斜する方向に移動可能な構成としてもよい。

図２に示すように、治具１０は、荷重測定部６をさらに備えていてもよい。この場合においては、第１保持部２は本体部１に、荷重測定部６を介して支持されるように設けられる。このような構成とすることによって、荷重測定部６によって、試験片３０に加えられる荷重を測定することが可能になる。荷重測定部６としては、例えば、公知のロードセルを用いることができる。

さらに、図２に示しているように、本発明の一実施形態に係る荷重負荷装置２０が駆動装置５の制御を行う制御部７をさらに備え、荷重測定部６によって得られた荷重に関する情報に基づいて、駆動装置５の制御（例えば、ＰＩＤ制御）を行う構成としてもよい。

このような構成とすることによって、試験片３０に負荷する荷重を高精度で制御することが可能となる。特に、図３に示すように、超小型試験片３０’に荷重を負荷する際には、容易に破断が生じるおそれがあるため、荷重の高精度な制御が必要となる。

次に、図１を用いて、本発明の一実施形態に係る荷重負荷装置を用いた荷重負荷方法および本発明の一実施形態に係る治具を用いた解析方法の一例について説明する。

まず、試験片３０を準備する。そして、第１保持部２および第２保持部４によって試験片３０を保持する（第１工程）。その後、荷重調整部３を駆動装置５に接続する（第２工程）。なお、第２工程は第１工程の前に行ってもよい。

第１工程および第２工程が完了した後、すなわち、試験片３０が第１保持部２および第２保持部４によって保持され、かつ、荷重調整部３が駆動装置５に接続された状態において、駆動装置５によって荷重調整部３を駆動させ、前記第２保持部を前記所定の方向に移動させる（第３工程）。

第３工程では、前記第２保持部を前記所定の方向に移動させることを、所定回数繰り返し行ってもよい。所定回数繰り返し行うことで、試験片の疲労試験を行うことができる。

第３工程の後、すなわち、第２保持部４をＡ方向に移動させた後の状態において、駆動装置５を荷重調整部３から取り外す（第４工程）。以上の第１工程から第４工程までの工程を実施することによって、試験片３０に荷重を負荷した状態で保持することが可能となる。

さらに、第１工程から第４工程までの工程を経た後、駆動装置５を荷重調整部３から取り外し、試験片に荷重を負荷して保持した状態において、例えば、治具１０を分析装置内に設置することによって、試験片の解析を行う（第５工程）。以上の第１工程から第５工程までの工程を実施することによって、荷重を負荷した状態で保持された試験片３０の解析を行うことが可能となる。

本発明によれば、試験片に荷重を負荷して保持した状態で治具を外部の装置から取り外すことが可能であり、さらに試験片に負荷した荷重を保持するのに電源が不要であるため、治具を既存の分析装置内に設置するだけで、荷重が負荷された状態の試験片の解析を容易に行うことができる。

Claims (9)

1. 試験片を、所定の荷重を負荷した状態で保持することが可能な治具であって、
   本体部と、
   前記本体部に設けられ、前記試験片の一端部を保持する第１保持部と、
   前記本体部に設けられ、かつ、外部の駆動装置に着脱可能な荷重調整部と、
   前記荷重調整部に接続され、前記試験片の他端部を保持する第２保持部と、を備え、
   前記荷重調整部は、前記駆動装置によって駆動され、
   前記第２保持部は、前記駆動装置によって駆動された前記荷重調整部の動きに従って、前記試験片に荷重を負荷するように所定の方向に移動し、
   前記駆動装置が前記荷重調整部から取り外された状態において、前記第２保持部の前記所定の方向への移動が規制される、治具。
2. 前記荷重調整部が、雄ねじが形成された１つ以上の軸部を含み、
   前記軸部は、前記所定の方向への移動が規制された状態で、前記本体部に回転自在に支持され、
   前記第２保持部に、前記雄ねじが回転自在に螺合する雌ねじが形成され、
   前記駆動装置が前記軸部を回転させることによって、前記第２保持部が前記所定の方向に移動する、請求項１に記載の治具。
3. 前記第１保持部が前記本体部に、前記試験片に加えられる荷重を測定する荷重測定部を介して支持される、請求項１または請求項２に記載の治具。
4. 試験片を、所定の荷重を負荷した状態で保持することが可能な装置であって、
   本体部と、
   前記本体部に設けられ、前記試験片の一端部を保持する第１保持部と、
   前記本体部に設けられる荷重調整部と、
   前記荷重調整部に接続され、前記試験片の他端部を保持する第２保持部と、
   前記荷重調整部に着脱可能であり、前記荷重調整部を駆動する駆動装置と、を備え、
   前記第２保持部は、前記駆動装置によって駆動された前記荷重調整部の動きに従って、前記試験片に荷重を負荷するように所定の方向に移動し、
   前記駆動装置が前記荷重調整部から取り外された状態において、前記第２保持部の前記所定の方向への移動が規制される、荷重負荷装置。
5. 前記荷重調整部が、雄ねじが形成された１つ以上の軸部を含み、
   前記軸部は前記本体部に回転自在に支持され、
   前記第２保持部に、前記雄ねじが回転自在に螺合する雌ねじが形成され、
   前記駆動装置が前記軸部を回転させることによって、前記第２保持部が前記所定の方向に移動する、請求項４に記載の荷重負荷装置。
6. 前記第１保持部が前記本体部に、前記試験片に加えられる荷重を測定する荷重測定部を介して支持される、請求項４または請求項５に記載の荷重負荷装置。
7. 前記荷重測定部によって得られた前記荷重に関する情報に基づいて、前記駆動装置の制御を行う制御部をさらに備える、請求項６に記載の荷重負荷装置。
8. 請求項４から請求項７までのいずれかに記載の装置を用いて試験片に荷重を負荷し保持する方法であって、
   前記第１保持部および前記第２保持部によって前記試験片を保持する工程と、
   前記荷重調整部を前記駆動装置に接続する工程と、
   前記試験片が前記第１保持部および前記第２保持部によって保持され、かつ、前記荷重調整部が前記駆動装置に接続された状態において、前記駆動装置によって前記荷重調整部を駆動させ、前記第２保持部を前記所定の方向に移動させる工程と、
   前記第２保持部を前記所定の方向に移動させた後の状態において、前記駆動装置を前記荷重調整部から取り外す工程と、を備える、荷重負荷方法。
9. 請求項１から請求項３までのいずれかに記載の治具を用いて試験片に荷重を負荷して保持した状態で試験片を解析する方法であって、
   前記第１保持部および前記第２保持部によって前記試験片を保持する工程と、
   前記荷重調整部を前記駆動装置に接続する工程と、
   前記試験片が前記第１保持部および前記第２保持部によって保持され、かつ、前記荷重調整部が前記駆動装置に接続された状態において、前記駆動装置によって前記荷重調整部を駆動させ、前記第２保持部を前記所定の方向に移動させる工程と、
   前記第２保持部を前記所定の方向に移動させた後の状態において、前記駆動装置を前記荷重調整部から取り外す工程と、
   前記駆動装置を前記荷重調整部から取り外し、試験片に荷重を負荷して保持した状態で試験片を解析する工程と、を備える、解析方法。

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