JP3880840B2 - 小型材料試験機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、負荷を加えた供試体の材料特性を試験する、持ち運び可能な小型材料試験装置に係り、特に、損傷を受ける構造物、あるいは、その一部を採取した微小試験片の材料特性試験を現地で行うのに好適な材料試験装置に関する。
【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の手段を用いて供試体に負荷し、上述の種々の材料特性評価試験を行う。
【０００３】
これに対し、実際に損傷を受ける実機構造物において直接、材料特性を評価することは非常に重要なことであり、構造物から直接、供試体を切出し、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屡ある。
【０００４】
しかしながら、構造物から直接、供試体を切出して行う材料特性評価試験の場合、供試体の大きさが十数センチ以上と大きいために、供試体を切出し採取することによる構造物への機能的、経済的損失が非常に大きいという問題があり、さらに、切出した供試体を材料試験装置設置場所まで移動させるために、迅速な試験が行えないことが知られている。
【０００５】
このことから、実機構造物において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試験装置の開発が望まれてきている。
【０００６】
これに対し、微小な供試体に対して材料特性試験を行える小型材料試験装置に関する発明は、特開2000-298087公報に示されている。この装置の特徴は、荷重発生源として圧電素子よりなる圧電アクチュエータを用いている点にあり、微小な大きさの供試体を試験できるようにし、装置自体を小型化した点にある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
一方、油圧アクチュエータを荷重発生源とした場合、精度良く試験ができる供試体の大きさに限度があり、さらに油圧アクチュエータが油を媒体として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機構の小型化には限度があるという課題がある。また、上述の圧電アクチュエータを用いた材料試験装置においては、小型化されている一方で、材料試験を行う場合、大きな荷重を負荷することが困難であるという課題がある。
【０００８】
本発明は上記従来技術の問題点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微小な供試体に対して、高精度に試験することができながら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ように小型化できる機構を有する材料試験機を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的達成のため、本発明では、
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する可動チャックと、前記固定チャックおよび前記可動チャックを支持する基台と、本体が前記基台に支持され、作用部が前記可動チャックに直接あるいは間接的に接続され、制御信号に応じた磁歪作用により前記供試体に引張・圧縮方向の負荷を与えるように伸縮する超磁歪アクチュエータと、駆動機構を具備するとともに試験を開始する直前まで負荷方向に移動可能であり、試験時は固定可能であるチャック位置調整治具と、を備えるとともに、前記固定チャックが前記チャック位置調整治具に直接あるいは間接的に接続されている小型材料試験装置において、
前記供試体を、前記固定チャックおよび前記可動チャックに取り付ける際に発生する荷重を検知する機構と、
検知した荷重の変化を前記駆動機構にフィードバックする機構と
を備えたことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施例の全体構成を示したものである。この図１において、小型材料試験装置１は、供試体３の一端側を固定支持する固定チャック４と、他端側を可動支持する可動チャック５、および基台部６ａ，６ｂを持つ基台６に本体が固定され、作用部が供試体３の他端側を支持する超磁歪アクチュエータ２とを備える。そして、超磁歪アクチュエータ２の伸縮作用により固定チャック４との距離が変化するように可動チャック５を移動させて、供試体３に伸縮方向（これを負荷方向という。）の負荷を加えるように構成されている。
【００２０】
供試体３に固定チャック４を介して接続された荷重センサ１１は、他端がチャック位置調整治具８に接続されており、供試体３の負荷状態が荷重センサ１１により検出される。そして、チャック位置調整治具８は、一対の支持柱９を介挿して基台部６ａに接続されており、基台６に対して所定の位置に置かれている。
【００２１】
可動チャック５に接続された超磁歪アクチュエータ２は、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持つ。このことから、超磁歪アクチュエータ２を小型材料試験機の負荷駆動源として用いることによって、小型の供試体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、試験装置全体を持ち運び可能な小型なものにすることができる。
【００２２】
チャック位置調整治具８は、負荷方向に移動可能である。したがって、チャック位置調整治具８を設けることにより、供試体３を固定チャック４および可動チャック５に取り付ける際に、余計な荷重を発生させることがない。そして、供試体３を取り付けて試験を行う際には、チャック位置調整治具８を強固に固定する。
【００２３】
可動チャック５には、変位検出用の指示針が負荷方向と垂直方向に突出して設けられており、非接触変位計１２に接続されている。非接触変位計１２は、たとえばレーザー変位計あるいは渦電流式変位計などであって、基台部６ａに固定されている。そして、非接触変位計１２により、可動チャック５から延びる指示針の位置変化を計測することによって、可動チャック５の移動量を検知できる。
【００２４】
図２においては、試験中に検出された応力と変位を制御する制御手段を示している。試験中に供試体３に負荷されている荷重は、固定チャック４とチャック位置調整治具８との間に備えられている荷重センサ１１の出力として荷重検出部５４により検出される。そして、荷重を制御する場合においては、検出された荷重データが制御部５１に取り込まれる。これにより、制御部５１に取り込まれたデータに基き制御信号が形成され、この制御信号が、電源５６付きの発信機５７を通じて超磁歪アクチュエータ２にフィードバックされ、荷重制御試験を行う。
【００２５】
また、試験中に供試体３に発生する変位量は、可動チャック５の変位量と荷重センサ１１自体に発生する変位量との差分により求められる。試験中の可動チャック５の変位量は、試験機本体に備えられている非接触変位計１２の出力として変位検出部５５に検出される。
【００２６】
図３は、荷重センサ１１の荷重―変位量特性を示したもので、荷重と変位量が一対一の関係にある。この関係を荷重−変位量計算部５２にインプットしておき、検出した荷重を入力すれば荷重センサ１１自体の変位量を出力できる。
【００２７】
上記図２に示した制御手段では、図３に示す特性を持った荷重センサ１１の検出信号が与えられることにより、荷重検出部５４で検出された荷重を荷重−変位量計算部５２に与えることによって、荷重センサ１１自体に発生する変位量を計算することができる。
【００２８】
すなわち、変位検出部５５に検出された可動チャック５の変位量と、荷重−変位量計算部５２によって計算された変位量とを差分計算部５３に与えることによって、供試体３に発生する変位量を計算できる。変位を制御する場合においては、このように計算された変位データが制御部５１に取り込まれる。
【００２９】
そして制御部５１では、与えられたデータに基き制御信号が形成され、この制御信号が、電源５６付きの発信機５７を通じて超磁歪アクチュエータ２にフィードバックされる。これによって、供試体３の変位のみを制御した変位制御試験を行うことができる。
【００３０】
図４は、図１におけるチャック位置調整治具８および支持柱９に関する一構成例を示している。支持柱９は円柱形状をしており、表面にはねじ溝が切ってある。チャック位置調整治具８には、駆動装置１４が接続されており、外部から駆動装置１４に電流を与えることにより、歯車１３が支持柱９の外周にねじ切りされた溝に沿って回転する。これにより、チャック位置調整治具８を支持柱９の軸方向に移動できるようになっている。
【００３１】
つまり、駆動装置１４は、モータ（図示せず）で駆動される歯車１３を有する。そして、モータにより支持柱９表面のねじ溝に係合した歯車１３を回転させ、チャック位置調整治具８を軸方向に移動させる。
【００３２】
チャック位置調整治具８に取り付けられた固定チャック４には、供試体３を固定チャック４および可動チャック５に取り付ける際に発生する荷重を検知するための、静的荷重センサ１５が接続されている。
【００３３】
この図４に示された構成例では、静的荷重センサ１５で検知された荷重は、制御部６１に取り込まれ、制御部６１は静的荷重センサ１５で検知される荷重が設定した値になるように駆動装置１４を制御し、作動させるようになっている。
【００３４】
これらを設けることにより、供試体３を固定チャック４および可動チャック５に取り付ける際に発生する余計な荷重を自動的に０に補正することや、予め設定しておいた荷重を試験開始時に初期値として負荷することが可能となる。
【００３５】
図５は、本発明の実際の構成例を示したもので、この場合、固定チャック４と可動チャック５との間に、供試体３を内部に収容する環境槽１６が設けられている。そして、チャック間に保持された供試体３は環境槽１６内に収容されている。この環境槽１６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、供試体３を様々な温度環境や腐食環境下で試験することができる。
【００３６】
【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微小な供試体に対しても、高精度を保ちながら十分な荷重を負荷でき、しかも小型の機構を持った小型材料試験機を提供することができる。この結果、供試体を採取した現地に試験機を持ち込んで試験を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の外観形状を示す斜視図。
【図２】同実施例の全体的な制御系を示すブロック線図。
【図３】同実施例に用いる荷重センサの荷重と変位量の関係の一例示すグラフ。
【図４】同実施例に用いるチャック位置調整治具および支持柱に関する一構成例の斜視図。
【図５】固定，可動両チャック間に保持された供試体を収容する環境槽を設けた一構成例の斜視図。
【符号の説明】
１ 小型材料試験装置
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 基台
６ａ 基台部
６ｂ 基台部
８ チャック位置調整治具
９ 支持柱
１０ 止め具
１１ 荷重センサ
１２ 非接触変位計
１３ 歯車
１４ 駆動装置
１５ 静的荷重センサ
１６ 環境槽
５１ 制御部
５２ 荷重−変位量計算部
５３ 差分計算部
５４ 荷重検出部
５５ 変位検出部
５６ 電源
５７ 発信機
６１ 制御部
【発明の属する技術分野】
本発明は、負荷を加えた供試体の材料特性を試験する、持ち運び可能な小型材料試験装置に係り、特に、損傷を受ける構造物、あるいは、その一部を採取した微小試験片の材料特性試験を現地で行うのに好適な材料試験装置に関する。
【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の手段を用いて供試体に負荷し、上述の種々の材料特性評価試験を行う。
【０００３】
これに対し、実際に損傷を受ける実機構造物において直接、材料特性を評価することは非常に重要なことであり、構造物から直接、供試体を切出し、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屡ある。
【０００４】
しかしながら、構造物から直接、供試体を切出して行う材料特性評価試験の場合、供試体の大きさが十数センチ以上と大きいために、供試体を切出し採取することによる構造物への機能的、経済的損失が非常に大きいという問題があり、さらに、切出した供試体を材料試験装置設置場所まで移動させるために、迅速な試験が行えないことが知られている。
【０００５】
このことから、実機構造物において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試験装置の開発が望まれてきている。
【０００６】
これに対し、微小な供試体に対して材料特性試験を行える小型材料試験装置に関する発明は、特開2000-298087公報に示されている。この装置の特徴は、荷重発生源として圧電素子よりなる圧電アクチュエータを用いている点にあり、微小な大きさの供試体を試験できるようにし、装置自体を小型化した点にある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
一方、油圧アクチュエータを荷重発生源とした場合、精度良く試験ができる供試体の大きさに限度があり、さらに油圧アクチュエータが油を媒体として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機構の小型化には限度があるという課題がある。また、上述の圧電アクチュエータを用いた材料試験装置においては、小型化されている一方で、材料試験を行う場合、大きな荷重を負荷することが困難であるという課題がある。
【０００８】
本発明は上記従来技術の問題点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微小な供試体に対して、高精度に試験することができながら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ように小型化できる機構を有する材料試験機を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的達成のため、本発明では、
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する可動チャックと、前記固定チャックおよび前記可動チャックを支持する基台と、本体が前記基台に支持され、作用部が前記可動チャックに直接あるいは間接的に接続され、制御信号に応じた磁歪作用により前記供試体に引張・圧縮方向の負荷を与えるように伸縮する超磁歪アクチュエータと、駆動機構を具備するとともに試験を開始する直前まで負荷方向に移動可能であり、試験時は固定可能であるチャック位置調整治具と、を備えるとともに、前記固定チャックが前記チャック位置調整治具に直接あるいは間接的に接続されている小型材料試験装置において、
前記供試体を、前記固定チャックおよび前記可動チャックに取り付ける際に発生する荷重を検知する機構と、
検知した荷重の変化を前記駆動機構にフィードバックする機構と
を備えたことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施例の全体構成を示したものである。この図１において、小型材料試験装置１は、供試体３の一端側を固定支持する固定チャック４と、他端側を可動支持する可動チャック５、および基台部６ａ，６ｂを持つ基台６に本体が固定され、作用部が供試体３の他端側を支持する超磁歪アクチュエータ２とを備える。そして、超磁歪アクチュエータ２の伸縮作用により固定チャック４との距離が変化するように可動チャック５を移動させて、供試体３に伸縮方向（これを負荷方向という。）の負荷を加えるように構成されている。
【００２０】
供試体３に固定チャック４を介して接続された荷重センサ１１は、他端がチャック位置調整治具８に接続されており、供試体３の負荷状態が荷重センサ１１により検出される。そして、チャック位置調整治具８は、一対の支持柱９を介挿して基台部６ａに接続されており、基台６に対して所定の位置に置かれている。
【００２１】
可動チャック５に接続された超磁歪アクチュエータ２は、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持つ。このことから、超磁歪アクチュエータ２を小型材料試験機の負荷駆動源として用いることによって、小型の供試体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、試験装置全体を持ち運び可能な小型なものにすることができる。
【００２２】
チャック位置調整治具８は、負荷方向に移動可能である。したがって、チャック位置調整治具８を設けることにより、供試体３を固定チャック４および可動チャック５に取り付ける際に、余計な荷重を発生させることがない。そして、供試体３を取り付けて試験を行う際には、チャック位置調整治具８を強固に固定する。
【００２３】
可動チャック５には、変位検出用の指示針が負荷方向と垂直方向に突出して設けられており、非接触変位計１２に接続されている。非接触変位計１２は、たとえばレーザー変位計あるいは渦電流式変位計などであって、基台部６ａに固定されている。そして、非接触変位計１２により、可動チャック５から延びる指示針の位置変化を計測することによって、可動チャック５の移動量を検知できる。
【００２４】
図２においては、試験中に検出された応力と変位を制御する制御手段を示している。試験中に供試体３に負荷されている荷重は、固定チャック４とチャック位置調整治具８との間に備えられている荷重センサ１１の出力として荷重検出部５４により検出される。そして、荷重を制御する場合においては、検出された荷重データが制御部５１に取り込まれる。これにより、制御部５１に取り込まれたデータに基き制御信号が形成され、この制御信号が、電源５６付きの発信機５７を通じて超磁歪アクチュエータ２にフィードバックされ、荷重制御試験を行う。
【００２５】
また、試験中に供試体３に発生する変位量は、可動チャック５の変位量と荷重センサ１１自体に発生する変位量との差分により求められる。試験中の可動チャック５の変位量は、試験機本体に備えられている非接触変位計１２の出力として変位検出部５５に検出される。
【００２６】
図３は、荷重センサ１１の荷重―変位量特性を示したもので、荷重と変位量が一対一の関係にある。この関係を荷重−変位量計算部５２にインプットしておき、検出した荷重を入力すれば荷重センサ１１自体の変位量を出力できる。
【００２７】
上記図２に示した制御手段では、図３に示す特性を持った荷重センサ１１の検出信号が与えられることにより、荷重検出部５４で検出された荷重を荷重−変位量計算部５２に与えることによって、荷重センサ１１自体に発生する変位量を計算することができる。
【００２８】
すなわち、変位検出部５５に検出された可動チャック５の変位量と、荷重−変位量計算部５２によって計算された変位量とを差分計算部５３に与えることによって、供試体３に発生する変位量を計算できる。変位を制御する場合においては、このように計算された変位データが制御部５１に取り込まれる。
【００２９】
そして制御部５１では、与えられたデータに基き制御信号が形成され、この制御信号が、電源５６付きの発信機５７を通じて超磁歪アクチュエータ２にフィードバックされる。これによって、供試体３の変位のみを制御した変位制御試験を行うことができる。
【００３０】
図４は、図１におけるチャック位置調整治具８および支持柱９に関する一構成例を示している。支持柱９は円柱形状をしており、表面にはねじ溝が切ってある。チャック位置調整治具８には、駆動装置１４が接続されており、外部から駆動装置１４に電流を与えることにより、歯車１３が支持柱９の外周にねじ切りされた溝に沿って回転する。これにより、チャック位置調整治具８を支持柱９の軸方向に移動できるようになっている。
【００３１】
つまり、駆動装置１４は、モータ（図示せず）で駆動される歯車１３を有する。そして、モータにより支持柱９表面のねじ溝に係合した歯車１３を回転させ、チャック位置調整治具８を軸方向に移動させる。
【００３２】
チャック位置調整治具８に取り付けられた固定チャック４には、供試体３を固定チャック４および可動チャック５に取り付ける際に発生する荷重を検知するための、静的荷重センサ１５が接続されている。
【００３３】
この図４に示された構成例では、静的荷重センサ１５で検知された荷重は、制御部６１に取り込まれ、制御部６１は静的荷重センサ１５で検知される荷重が設定した値になるように駆動装置１４を制御し、作動させるようになっている。
【００３４】
これらを設けることにより、供試体３を固定チャック４および可動チャック５に取り付ける際に発生する余計な荷重を自動的に０に補正することや、予め設定しておいた荷重を試験開始時に初期値として負荷することが可能となる。
【００３５】
図５は、本発明の実際の構成例を示したもので、この場合、固定チャック４と可動チャック５との間に、供試体３を内部に収容する環境槽１６が設けられている。そして、チャック間に保持された供試体３は環境槽１６内に収容されている。この環境槽１６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、供試体３を様々な温度環境や腐食環境下で試験することができる。
【００３６】
【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微小な供試体に対しても、高精度を保ちながら十分な荷重を負荷でき、しかも小型の機構を持った小型材料試験機を提供することができる。この結果、供試体を採取した現地に試験機を持ち込んで試験を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の外観形状を示す斜視図。
【図２】同実施例の全体的な制御系を示すブロック線図。
【図３】同実施例に用いる荷重センサの荷重と変位量の関係の一例示すグラフ。
【図４】同実施例に用いるチャック位置調整治具および支持柱に関する一構成例の斜視図。
【図５】固定，可動両チャック間に保持された供試体を収容する環境槽を設けた一構成例の斜視図。
【符号の説明】
１ 小型材料試験装置
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 基台
６ａ 基台部
６ｂ 基台部
８ チャック位置調整治具
９ 支持柱
１０ 止め具
１１ 荷重センサ
１２ 非接触変位計
１３ 歯車
１４ 駆動装置
１５ 静的荷重センサ
１６ 環境槽
５１ 制御部
５２ 荷重−変位量計算部
５３ 差分計算部
５４ 荷重検出部
５５ 変位検出部
５６ 電源
５７ 発信機
６１ 制御部
Claims (7)
- 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する可動チャックと、
前記固定チャックおよび前記可動チャックを支持する基台と、
本体が前記基台に支持され、作用部が前記可動チャックに直接あるいは間接的に接続され、制御信号に応じた磁歪作用により前記供試体に引張・圧縮方向の負荷を与えるように伸縮する超磁歪アクチュエータと、
駆動機構を具備するとともに試験を開始する直前まで負荷方向に移動可能であり、試験時は固定可能であるチャック位置調整治具と、
を備えるとともに、
前記固定チャックが前記チャック位置調整治具に直接あるいは間接的に接続されている小型材料試験装置において、
前記供試体を、前記固定チャックおよび前記可動チャックに取り付ける際に発生する荷重を検知する機構と、
検知した荷重の変化を前記駆動機構にフィードバックする機構と
を備えたことを特徴とする小型材料試験装置。 - 請求項１記載の小型材料試験装置において、
前記固定チャックには、前記固定チャックと前記可動チャックとの間に取り付けられ、前記供試体に負荷する荷重を検知する荷重センサが接続されていることを特徴とする小型材料試験装置。 - 請求項２記載の小型材料試験装置において、
検知した負荷荷重を前記超磁歪アクチュエータにフィードバックする構成を有することを特徴とする小型材料試験装置。 - 請求項２記載の小型材料試験装置において、
前記荷重検知センサから検出された荷重に基づき、該荷重検知センサに発生した変位量を計算する手段を有することを特徴とする小型材料試験装置。 - 請求項１記載の小型材料試験装置において、
前記可動チャックの変位量を計測する非接触変位計を有することを特徴とする小型材料試験装置。 - 請求項１記載の小型材料試験装置において、
前記荷重検知センサから検出された荷重に基づき、該荷重検知センサに発生した変位量を計算する手段と、
前記可動チャックの変位量を計測する非接触変位計と、
前記荷重検知センサに発生した変位量と前記非接触変位計により計測した変位量との差分を計算し、前記超磁歪アクチュエータにフィードバックする機構と
をそなえることを特徴とする小型試験装置。 - 請求項１記載の小型材料試験装置において、
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には、該両チャック間に保持された供試体を収容する環境槽が設けられていることを特徴とする小型材料試験装置。
Priority Applications (1)
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Family Applications (1)
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Country Status (1)
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Families Citing this family (4)
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|---|---|---|---|---|
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