JP4105999B2

JP4105999B2 - 微小試験片用疲労試験機

Info

Publication number: JP4105999B2
Application number: JP2003298134A
Authority: JP
Inventors: 孝文鶴井; 昌晴藤原; 欣三村田
Original assignee: 株式会社神戸工業試験場
Priority date: 2003-08-22
Filing date: 2003-08-22
Publication date: 2008-06-25
Anticipated expiration: 2023-08-22
Also published as: JP2005069794A

Description

本発明は微小な試験片に適した疲労試験機に関する。

疲労試験機は被試験片に繰り返し曲げや引張圧縮を加える等して、材料の疲労強度或いは耐疲労性を検出する試験機である。従来の疲労試験機は、その変位発生手段として、電気油圧サーボ駆動のピストンやモータ駆動のボールネジ等を用いて変位を発生させている。しかしこのような従来の試験機は、比較的大きな試験片に対しては有効である反面、例えば直径が２ｍｍ以下の微小試験片に対しては、変位制御の能力に限界があった。
このため、例えば特開平５−８７７１８号公報には、変位発生部に圧電素子を用いた微小試験片用の疲労試験機が提供されている。この疲労試験機では、試験片に繰り返し変位を加えるに際して、試験片が微小であることから、試験片に生じる実際の変位を測定することなく間接的に変位値を演算し、その演算値に基づいて変位発生部で発生させるべき変位振幅を制御していた。
特開平５−８７７１８号公報

ところが上記特開平５−８７７１８号公報に開示の疲労試験機においては、試験片に実際に生じる変位を測定することなく、演算によって試験片に発生しているであろう変位を推し量るものであるから、試験片に実際に加わっている変位が疲労試験において設定した変位に正確になっているか否かがわからないという問題があった。

そこで本発明は上記従来の問題を解消し、圧電素子を用いた疲労試験機において、微小試験片の微小な変位を正確に検出することができ、これによって所定の正確な繰り返し変位を試験片に加えることができる微小試験片用疲労試験機の提供を課題とする。また微小試験片の疲労試験において、繰り返し変位を伝達して加える軸心を正確に保持し、微小試験片に所定の繰り返し変位以外の雑変位、雑荷重が加わる不都合を十分に防止することができる微小試験片用疲労試験機の提供を目的とする。

上記課題を達成するため、本発明の微小試験片用疲労試験機は、変位発生部、変位検出部、試験片固定部、荷重検出部、及びこれらを保持するフレーム構成体を有し、前記変位発生部として圧電素子を用いた微小試験片用疲労試験機であって、前記試験片固定部は、対抗する先端部に試験片固定用チャックを備えた上下一対の主ロッドを有し、且つ前記試験片を試験片固定用チャックに固定する機構として、一対の試験片固定用チャックに試験片の被チャック部を差し入れるための挿入穴と該挿入穴に差し入れられた被チャック部を相対的に回転させた位置で抜け止め状態に着座させる着座部とを設けると共に、着座された被チャック部を押圧して固定する押圧手段を設けてなる試験片固定機構を構成してあることを第１の特徴としている。
また本発明の微小試験片用疲労試験機は、上記第１の特徴に加えて、試験片固定部は、対向する先端部に試験片固定用チャックを備えた上下一対の主ロッドを有し、且つ前記一対の主ロッドの何れか片方を固定する機構として、前記主ロッドを挿通させることができる寸法のスリット付き挿通穴を設けた主ロッド固定用板をフレーム構成体に固定して設けると共に、前記主ロッド固定用板の挿通穴に貫通された主ロッドを前記スリットを介して締め付け固定するようにしてなる主ロッド固定機構を構成してあることを第２の特徴としている。

上記第１の特徴によれば、試験片固定機構として、一対の試験片固定用チャックにそれぞれ試験片の被チャック部を差し入れるための挿入穴と、該挿入穴に差し入れられた被チャック部を相対的に回転された位置で抜け止め状態に着座させる着座部を設けているので、試験片固定用チャックに差し入れられて着座されているだけの状態では、試験片は着座部に対して後退方向や回転方向には拘束されない。そして試験片の本格的な固定は、必要な準備が完了した時点で押圧手段により被チャック部を押圧固定することにより行うことができる。よって取り付け中に作用する曲げやねじり負荷、加熱による熱応力を完全に除去でき、該試験片が座屈したり変形を受けたりする不都合を十分に予防することができると共に、試験片の軸心が振れるのを防止することができる。

また上記第２の特徴によれば、上記第１の特徴による作用効果に加えて、一対の主ロッドの何れか片方を固定する主ロッド固定機構として、主ロッドを挿通させることができる寸法の挿通穴をスリット付きで設けた主ロッド固定用板を用いている。この主ロッド固定用板をフレーム構成体に固定した状態とし、主ロッドを主ロッド固定用板の挿通穴に通した状態でフリーに保持し、そして最終的に主ロッドを完全固定する必要が生じたときに、主ロッド固定用板の前記スリットを介して前記フリーに挿通されている主ロッドを締め付け固定すればよい。従って主ロッド固定用板の挿通穴に挿通された主ロッドは、最終的に締め付け固定されるまでは、自由に変位することができるので、試験片を加熱したりする際に生じる熱膨張等、最終的に疲労試験を開始するまでの準備期間において生じるあらゆる負荷や変位を容易に逃がすことができる。また挿通穴に挿通された主ロッドの締め付けは、スリットを介して行うことで均等な締め付けが確保させ、主ロッドの軸心が振れることなく保持される。

本発明は以上の構成、作用からなり、請求項１に記載の微小試験片用疲労試験機によれば、試験片固定部に試験片固定機構を構成したことで、試験片に負担がかからないようにして試験片固定用チャックに着座させることができる。
また試験片の本格的な固定は、必要な準備が完了した時点で行うことができるので、それ以前の準備中において試験片に好まざる負荷が加わって座屈したり変形を受けたりする不都合を十分に予防することができると共に、試験片の軸心が振れるのを防止することができる。

また請求項２に記載の微小試験片用疲労試験機によれば、上記請求項１に記載の構成による効果に加えて、試験片固定部に主ロッド固定機構を構成したことで、試験片を加熱したりする際に生じる熱膨張等、最終的に疲労試験を開始するまでの準備期間において、主ロッドを比較的自由度の高い状態に保持することができる。よってその間に主ロッドに対して生じたあらゆる負荷や変位を容易に逃がすことができ、軸心を正確に保持することができると共に、主ロッドを通じて試験片に好まざる負荷や変位が加わるのを防止することができる。
また挿通穴に挿通された主ロッドの締め付けは、スリットを介して行うことで均等な締め付けを確保することができ、主ロッドの軸心を確実に保持することができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を更に詳細に説明する。
図１は実施形態に係る微小試験片用疲労試験機の全体を簡略した説明図、図２は微小試験片用疲労試験機の主要部の概略正面図、図３は微小試験片用疲労試験機の試験片固定部の要部を示す断面正面図、図４は変位検出機構を示す正面図である。図５は試験片とレバーとの関係を示す図で、（Ａ）は試験片の正面図、（Ｂ）は試験片の側面図である。図６は軸心保持機構を示し、（Ａ）は断面正面図、（Ｂ）は平面図である。図７は主ロッド固定機構を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。図８は試験片固定機構を示し、（Ａ）は試験片の固定手順を示す図、（Ｂ）は試験片固定用チャックの端面図である。

本発明に係る微小試験片用試験機は、例えば直径１ｍｍ等、直径２ｍｍ以下の微小試験片についての低サイクル疲労試験を精度よく行うための試験機である。
試験機は図１の簡略説明図に示すように、圧電素子Ｐを用いた変位発生部で所定の振幅の繰り返し変位を発生させ、これを試験片Ｗに伝達して、試験片Ｗを繰り返し変位させる。この際、閉ループ制御方式を用いて、試験片Ｗに生じる変位を変位測定し、これをコンピュータ内蔵の制御部Ｃに入力し、圧電素子コンディショナーＫを介して、圧電素子Ｐ側にフィードバックし、変位発生部で発生させる繰り返し変位の振幅を調整し、試験片Ｗに所定の繰り返し変位が加わるように調整する。
試験片Ｗに加わる荷重は荷重検出部であるロードセルＲで検出され、制御部Ｃに入力される。ロードセルＲに半導体ゲージロードセルを用いる場合は、半導体ゲージに試験時に温度の影響が生じるので、ゲージ部の温度を測定し、この測定温度を制御部Ｃに入力して半導体ゲージロードセルの温度補正を行う。前記試験は電気炉等の雰囲気炉を用いて行う。

図２を参照して、微小試験片用試験機の本体には、大まかにいって変位発生部１、変位検出部２、試験片固定部３、荷重検出部４、及びこれらを保持するフレーム構成体５からなる。その他、高温状態での疲労試験を行う場合に使用する雰囲気炉６を設けることができる。
前記フレーム構成体５は、基台５１、該基台５１に立設された支柱５２等から構成される。
前記変位発生部１は、圧電素子Ｐを用いたピエゾアクチュエータ１０として構成されている。このピエゾアクチュエータ１０は軸方向の繰り返し変位を発生する。
前記変位検出部２には、試験片Ｗの変位を検出するため、レバー２１等を用いた変位検出機構２０（図４参照）が構成されている。

図３も参照して、前記試験片固定部３は、上下一対の主ロッド３１、３１を備えている。
また試験片固定部３は、下の主ロッド３１から前記変位発生部１のピエゾアクチュエータ１０までの軸の軸心を、同一垂直軸線上に保持するための軸心保持機構３２（図６参照）を備えている。
また試験片固定部３は、上の主ロッド３１を固定する主ロッド固定機構３３（図７参照）を備えている。
また試験片固定部３は、試験片Ｗを固定するための試験片固定機構３４（図８参照）を備えている。
上下の主ロッド３１、３１の間に固定された試験片Ｗは、変位発生部１のピエゾアクチュエータ１０で発生された軸心方向の繰り返し変位を、軸心保持機構３２、下の主ロッド３１を介して受ける。試験片Ｗに発生した変位は変位検出部２の変位検出機構２０によって検出される。試験片Ｗ及び一対の主ロッド３１、３１を含む軸心は、軸心保持機構３２と主ロッド固定機構３３によって垂直線上に保持される。また試験片Ｗは試験片固定機構３４によって、好まざる負荷が加わって座屈したり、変形を受けたりすることなく固定される。

図２、図４、図５を参照して、前記変位検出部２の変位検出機構２０は、水平方向に配した上下一対の変位検出レバー２１、２１を用いている。各変位検出レバー２１、２１は、前記フレーム構成体５の支柱５２に固定された固定枠２２に一対のバネ２３、２３を介して支持されている。そして前記一対の変位検出レバー２１、２１は、その一端側をバネ板２４で連結して一体化している。これによって前記一対の変位検出レバー２１、２１は、その一端側（バネ板２４のある側）において共通の支点を有する一点支持レバーとなる。
そして支点から距離Ａの位置で試験片Ｗに各変位検出レバー２１、２１の途中位置を固定し、支点から距離Ｂの先端部の位置で、レーザ変位測定器２５により変位レバー２１、２１間の距離を測定する構成としている。
試験片Ｗが変位すると、一対の変位検出レバー２１、２１が支点を中心に回動変位し、一対の変位検出レバー２１、２１の先端部（距離Ｂ）において、その回動変位が増幅してとらえられる。従って前記レーザ変位測定器２５で測定した距離を補正することで、前記試験片Ｗに生じた変位を検出することができる。
前記一対の変位検出レバー２１、２１の試験片Ｗへの固定は、例えば図５に示すように、試験片Ｗの試験領域Ｗ１を挟んだ所定位置に一対の固定用凹部Ｗ２、Ｗ２を設け、この固定用凹部Ｗ２、Ｗ２に変位検出レバー２１、２１を嵌め合わせて固定する。変位検出レバー２１、２１の確実な固定を達成するため、例えば前記各変位検出レバー２１、２１に対応して固定用レバー２１ａ、２１ａを設け、この固定用レバー２１ａ、２１ａを同様に固定用凹部Ｗ２、Ｗ２に嵌め合わせ、且つ水平方向に離間した変位検出レバー２１と固定用レバー２１ａとを相互に結びつけるようにする。このようにすることで、変位検出レバー２１の試験片Ｗへの固定が確かなものとなり、試験片Ｗの変位を正確に検出することができる。

図２、図３、図６を参照して、前記試験片固定部３の軸心保持機構３２について説明する。
前記一対の主ロッド３１、３１のうち、下の主ロッド３１はその基端部側が軸心保持機構３２を介して変位発生部１の前記圧電素子を備えたピエゾアクチュエータ１０と同軸上に連結されている。
軸心保持機構３２は、２枚の円形板からなる軸心保持用バネ板３２１、３２１と、軸体３２２と、固定用枠体３２３とを有する。
前記軸心保持用バネ板３２１は、例えばステンレス板で構成することができる。各軸心保持用バネ板３２１、３２１には軸心穴３２１ａが設けられ、この軸心穴３２１ａに前記軸体３２２が貫通した状態で固定されている。軸体３２２と２枚の軸心保持用バネ板３２１、３２１とは、垂直方向に貫通する軸体３２２を中心に２枚の軸心保持用バネ板３２１、３２１が水平に離間してそれぞれ固定された状態となっている。
前記２枚の水平な軸心保持用バネ板３２１、３２１は周縁部で前記固定用枠体３２３に固定され、固定用枠体３２３は前記フレーム構成体５の基台５１に固定されている。
なお符号３２４は固定ネジであるが、固定ネジを用いる代わりに溶接により固定してもよいし、固定ネジ３２４で仮止めした後、溶接固定するようにしてもよい。固定の仕方は自由である。
前記軸体３２２はその上端部で主ロッド３１と同一軸心上に連結され、また下端部で前記ピエゾアクチュエータ１０に同一軸心上に連結される。その結果、前記下の主ロッド３１が前記軸体３２２を延長された軸としてピエゾアクチュエータ１０に連結される。
２枚の軸心保持用バネ板３２１により、下の主ロッド３１から変位発生部１のピエゾアクチュエータ１０に至る軸が前後左右方向に振れる（横振れ）のを効果的に防止することができ、これによって試験片Ｗの座屈防止が大きな圧縮負荷に至るまで可能となる。即ち、疲労試験として大きな圧縮負荷を加えた試験が可能となる。また前記ピエゾアクチュエータ１０が受ける外部からの曲げ力を抑えることができる。

図２、図３、図７を参照して、前記一対のロッド３１、３１のうち、片方の主ロッド３１である上の主ロッド３１を固定する主ロッド固定機構３３について説明する。
主ロッド固定機構３３は、主ロッド固定用板３３１によって主に構成され、その他に上の主ロッド３１を吊り下げるための吊り下げ用ナット３３２、スペース保持リング３３３とを有する。
前記主ロッド固定用板３３１は、その四隅に設けられた取付穴３３１ａで前記フレーム構成体５の４本の支柱５２に固定される。
前記主ロッド固定用板３３１は、その中央部にスリット３３１ｃ付き挿通穴３３１ｂを設けている。前記挿通穴３３１ｂは主ロッド３１の直径よりも少し大きい直径を有し、負荷を加えることなく主ロッド３１を挿通させることができるようになされている。これによって主ロッド３１が単に挿通穴３３１ｂに挿通しているだけの状態においては、主ロッド３１は挿通穴３３１ｂ（主ロッド固定用板３３１）によって拘束されることはなく、主ロッド３１や試験片Ｗが受けている軸方向負荷や変位を容易に逃がすことができる。
前記スリット３３１ｃは挿通穴３３１ｂの対向する位置に対称に設けられており、該対称に設けられた各スリット３３１ｃに対して主ロッド固定用板３３１の側面から横穴３３１ｄ、３３１ｄが貫通して設けられている。この各横穴３３１ｄ、３３１ｄには、前記スリット３３１ｃに対する一側の内部に雌ネジ部３３１ｅが設けられている。そしてボルト３３１ｆを前記各横穴３３１ｄ、３３１ｄの前記スリット３３１ｃの他側から差し込んで、前記雌ネジ部３３１ｅに螺合させて締め付けていくことで、前記挿通穴３３１ｂをスリット３３１ｃの両側から均等に収縮させ、主ロッド３１を固定させることができる。
図３を参照して、前記吊り下げ用ナット３３２は上の主ロッド３１の上端付近に螺合されて固定される。この吊り下げ用ナット３３２を、前記主ロッド固定用板３３１の上面に挿通穴３３１ｂに対して同心状態に置かれ或いは固定されたスペース保持リング３３３の上に裁置することで、上の主ロッド３１を吊り下げた状態に保持することができる。この吊り下げた状態において、前記主ロッド固定用板３３１の挿通穴３３１ｂをそのスリット３３１ｃの締め付けにより締め付けることで、上の主ロッド３１が固定状態とされる。

図３、図８を参照して前記試験片固定機構３４を説明する。
各主ロッド３１、３１の対向する先端部に試験片固定用チャック３４１、３４１が設けられている。
また各主ロッド３１、３１の軸心穴に進退自在に嵌挿された上下一対の押圧棒３４２、３４２が設けられている。
また前記上の主ロッド３１の上端部には、ネジ嵌合された上部押しネジ３４３が設けられ、該上部押しネジ３４３を回すことで、ボール３４５を介して、前記上の押圧棒３４２を押し下げることができるようになされている。前記ボール３４５を介在させることで、上部押しネジ３４３によるトルクが上の押圧棒３４２に加わるのを防止できる。
一方、前記下の主ロッド３１の途中に横向きに配置された下押しネジ３４４が設けられ、この下押しネジを回すことで前記下の押圧棒３４２を押し上げることができるようにされている。
図８を参照して、前記試験片固定用チャック３４１は内部が空洞になっており、試験片固定用チャック３４１の先端面の中央部には、試験片Ｗの被チャック部Ｗ３を差し入れることができる挿入穴３４１ａが設けられている。この挿入穴３４１ａは、試験片Ｗの扁平な被チャック部Ｗ３に対して扁平な穴に形成されており、被チャック部Ｗ３の方向を挿入穴３４１ａの方向に合わせることで、挿入穴３４１ａに差し込むことができるようにしている。
前記挿入穴３４１ａが試験片固定用チャック３４１内に開口する部分は、前記試験片Ｗの被チャック部Ｗ３の肩部の形状と同様の断面形状を有する着座部３４１ｂとして、円錐状凹部に形成している。

試験片Ｗの試験片固定用チャック３４１への固定は、先ず図８（Ａ）の左端の図を参照して、試験片Ｗの被チャック部Ｗ３を上の試験片固定用チャック３４１の挿入穴３４１ａに差し入れ、次に９０度回転させた上で、着座部３４１ｂに着座させる。そして最左から２つ目の図に示すように、押圧棒３４２により被チャック部Ｗ３を上から押して固定する。押圧棒３４２は前記上部押しネジ３４３を回すことで下方に押し下げることができる。
次に図８（Ａ）の真中の図（左から３番目の図）を参照して、上の試験片固定用チャック３４１に固定された試験片Ｗを９０度回転させ、その下の被チャック部Ｗ３を下の試験片固定用チャック３４１の挿入穴３４１ａに挿入する。そして次に図８（Ａ）の左から４番目の図を参照して、上の試験片固定用チャック３４１に固定された試験片Ｗを９０度回転させ、更に上の試験片固定用チャック３４１を試験片Ｗと共に少し引き上げて、試験片Ｗの被チャック部Ｗ３を下の試験片固定用チャックの着座部３４１ｂに着座させる。そして、図８（Ａ）の右端の図を参照して、下の押圧棒３４２を押し上げて、試験片Ｗの下の被チャック部Ｗ３を押圧固定する。以上により、試験片Ｗが上下の試験片固定用チャック３４１、３４１に固定される。
なお前記押圧棒３４２と上部押しネジ３４３、下部押しネジ３４４とで押圧手段を構成する。
以上のようにして、試験片Ｗは各試験片固定用チャック３４１、３４１に、それぞれ押圧棒３４２、３４２によって押圧固定されるまでは、固定状態から脱した状態で保持されることになる。

前記荷重検出部４は、下の主ロッド３１の途中に挿入されたような形で設けられており、高感度の半導体ゲージを用いた高剛性のロードセルで構成されている。ロードセルの本体を高剛性とすることで、ロードセル自体の変位を少なくし、微小試験片Ｗの僅かな変位だけを有効にとらえるようにすると共に、微小試験片Ｗの僅かな変位を半導体ゲージを用いて高感度でとらえ、荷重を検出するようにしている。また前記荷重検出部４には温度センサーを組み込んで、検出した温度を制御部Ｃに送って、半導体ゲージロードセルＲが検出した変位から荷重を演算する際の温度補正を行うようにしている。

本発明の実施形態に係る微小試験片用疲労試験機の全体を簡略した説明図である。微小試験片用疲労試験機の主要部の概略正面図である。微小試験片用疲労試験機の試験片固定部の要部を示す断面正面図である。変位検出機構を示す正面図である。試験片とレバーとの関係を示す図で、（Ａ）は試験片の正面図、（Ｂ）は試験片の側面図である。軸心保持機構を示し、（Ａ）は断面正面図、（Ｂ）は平面図である。主ロッド固定機構を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。試験片固定機構を示し、（Ａ）は試験片の固定手順を示す図、（Ｂ）は試験片固定用チャックの端面図である。

符号の説明

１変位発生部
２変位検出部
３試験片固定部
４荷重検出部
５フレーム構成体
１０ピエゾアクチュエータ
２０変位検出機構
２１変位検出レバー
２５レーザ変位測定器
３１主ロッド
３２軸心保持機構
３２１軸心保持用バネ板
３２１ａ軸心穴
３３主ロッド固定機構
３３１主ロッド固定用板
３３１ｂ挿通穴
３３１ｃスリット
３３２吊り下げ用ナット
３４試験片固定機構
３４１試験片固定用チャック
３４１ａ挿入穴
３４１ｂ着座部
３４２押圧棒
３４３上部押しネジ
３４４下部押しネジ
５１基台
５２支柱
Ｗ試験片
Ｗ１試験領域
Ｗ２固定用凹部
Ｗ３被チャック部
Ｐ圧電素子
Ｃ制御部
Ｋ圧電素子コンディショナー
Ｒロードセル

Claims

変位発生部、変位検出部、試験片固定部、荷重検出部、及びこれらを保持するフレーム構成体を有し、前記変位発生部として圧電素子を用いた微小試験片用疲労試験機であって、前記試験片固定部は、対抗する先端部に試験片固定用チャックを備えた上下一対の主ロッドを有し、且つ前記試験片を試験片固定用チャックに固定する機構として、一対の試験片固定用チャックに試験片の被チャック部を差し入れるための挿入穴と該挿入穴に差し入れられた被チャック部を相対的に回転させた位置で抜け止め状態に着座させる着座部とを設けると共に、着座された被チャック部を押圧して固定する押圧手段を設けてなる試験片固定機構を構成してあることを特徴とする微小試験片用疲労試験機。
試験片固定部は、対向する先端部に試験片固定用チャックを備えた上下一対の主ロッドを有し、且つ前記一対の主ロッドの何れか片方を固定する機構として、前記主ロッドを挿通させることができる寸法のスリット付き挿通穴を設けた主ロッド固定用板をフレーム構成体に固定して設けると共に、前記主ロッド固定用板の挿通穴に貫通された主ロッドを前記スリットを介して締め付け固定するようにしてなる主ロッド固定機構を構成してあることを特徴とする請求項１に記載の微小試験片用疲労試験機。