JP4922527B2 - 動的引張り試験機 - Google Patents

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Description

【0001】
本発明は、力荷重を試験試料に印加する動的試験システムに関する。より詳細には、本発明は、引張荷重を試験試料に印加してその機械的特性を測定する引張試験システムに関する。
【0002】
力荷重を試験試料に印加する材料試験システムは既知である。一般的に、そのようなシステムは、それらの間に試料を把持する対向したホルダを含む。上側ホルダは、下側ホルダに対して移動する横ビームに結合されている。上側ホルダに結合されたロード・セルは、試験試料に印加された引張力又は圧縮力を指示する信号を与える。
【0003】
これらの材料試験システムは、通常、ねじ式(screw drive)又は液圧伸張機構を用いる。これらのシステムに用いられた力を決定するロード・セルは、高感度か又は高荷重かに対して選定される。しかしながら、高剛性を有するロード・セルは、変位に対して低い感度をもたらす。逆に、感度の良いロード・セルは、より低い最大力を試験試料に印加することができる。
【0004】
しかしながら、従来の試験機械は、その機械的特性が希望される一部の試験試料に適応することができない。特に、希望される、試験試料の独特の幾何学的形状及び動的機械特性は、従来の材料試験システムの利用を不可能でないが困難にする。例えば、1から60ミクロン(マイクロメートル)の直径を有するファイバの機械的特性を決定するのは、従来の試験システムを用いては困難である。更に、ポリマ技術における進歩が、従来の収率(yield)、モジュラス(modulus)及び故障特性を超えた引張荷重された材料の評価に対する必要性を提示する。
【0005】
従って、小さい直径の試験試料に用いられることができる試験システムに対するニーズがある。次いで、それから得られる結果を用いて、これらの独特の試験試料の動的特性を測定することができる。
【0006】
[発明の概要]
本発明は、ベース、及び第1及び第2の試験試料ホルダを有する材料試験システムを提供する。第1の変位センサは、ベースに対する第1の試料ホルダの変位を測定する。第2の変位センサは、ベースに対する第2の試料ホルダの変位を測定する。
【0007】
本発明の別の局面は、第1及び第2の試料ホルダを有する材料試験システムを含む。第1のアクチュエータは第1の試料ホルダに結合され、そして第2のアクチュエータは第2の試料ホルダに結合される。制御器が、第1及び第2のアクチュエータに結合される。制御器は、第1の試料ホルダの変位を生じさせるように第1のアクチュエータを動作させ、そして更に第2の試料ホルダを既知の位置に配置するように第2のアクチュエータを動作させる。
【0008】
更に、材料の弾性及び塑性特性を決定する方法が提供される。その方法は、試料を第1のホルダ及び第2のホルダに装着するステップと、第1のホルダを第2のホルダから離れるよう変位させるステップとを含む。上記方法は更に、力を第2のホルダに、第1のホルダの変位の反対の方向に印加するステップと、第1のセンサを用いて試料の伸びを測定し、且つ同時に第2のセンサを用いて試料にかかる力を測定するステップとを含む。
【0009】
[例示的実施形態の詳細な説明]
荷重を試験試料12に印加する材料試験システム10が、図1に図示されている。材料試験システム10は、上側試料ホルダ14A及び下側試料ホルダ14Bを含み、これら上側試料ホルダ14A及び下側試料ホルダ14Bは、試験試料12を長手方向軸15に沿って保持する。下側試料ホルダ14Bは、荷重制御された変位検知(LCDS)組立体16に接続され、その荷重制御された変位検知(LCDS)組立体16を通して荷重が試験試料12に与えられ、そして全体的に参照番号18により指示される反力構造体(reaction structure)に対して反作用される。垂直試験システムとして図示されるが、材料試験システム10は、水平に、又は試験試料12にとって都合良い他の角度に順応させ得る。
【0010】
図示の例示的実施形態においては、材料試験システム10は、ベース22を有するフレーム20を含む。1対のねじ切りされたロッド(以下「ねじ切りロッド」と記す。)28は、ベース22から横ビーム26まで上向きに延在する。横ビーム26は、全体的にベース22に対して固定されている。反力構造体18は、ねじ切りロッド28と螺合しているクロスヘッド30を備えることができ、従ってベース22と横ビーム26との間で移動可能である。図示の実施形態においては、駆動モータ31は、クロスヘッド30を移動させるためねじ切りロッド28の少なくとも1つを回転させる。第1の変位センサ35は、フレーム20に対するクロスヘッド30の位置を測定する。
【0011】
LCDS組立体16を用いて、試験試料12に印加された荷重を測定し、及び/又は、荷重を、そして一実施形態においては、振動する荷重(「振動荷重」と記す。)を試験試料12に与える。そういうものだから、荷重組立体16は、第2の試料ホルダ14Bに結合され、そして第2の試料ホルダ14Bを静的に剛性であり且つ動的にコンプライアント(compliant)であるべく制御するよう構成されている。LCDS組立体16は、ベース22に取り付けられた永久磁石36と、コイル38、及び第2の変位センサ40を含む。制御器42は、駆動モータ31の動作、及びコイル38への電流を制御する。制御器42は、フィードバック信号を第1の変位センサ35及び第2の変位センサ40から受け取る。LCDS組立体16はまた、本明細書で説明される電磁組立体とは異なる、空圧式組立体のような他の形式をとることができる。
【0012】
前述したように、第1の変位センサ35は、フレーム20(即ち、ベース22又は横ビーム26)に対するクロスヘッド30の変位を測定する。第1の変位センサ35は一般的に試験試料12の伸びを測定し、その伸びはクロスヘッド30又は試料ホルダ14Aの変位を参照されることができ、これに対して試料ホルダ14Bは一般的に固定した位置に維持される。第1の変位センサ35は、当該技術において既知である多くの形式を取ることができる。例えば、第1の変位センサ35は、フレーム20及びクロスヘッド30に結合された部分を含むことができる。同様に、第1の変位センサ35は、クロスヘッド30と横ビーム26との間の距離を測定することができる。第1の変位センサ35は、当該技術において周知であるような、LVDTデバイス、容量性デバイス、抵抗性デバイス、光学的デバイス等であることができる。第1の変位センサ35はまた、ねじ切りロッド28又は駆動モータ31の回転を検知するエンコーダ又は他のデバイス(図示されるような)であることができる。なお、そこにおいては、回転は、クロスヘッド30の移動に比例する。
【0013】
第2の変位センサ40は、コイル38に与えられる電流を制御するため設けられている。前述のように、試料ホルダ14Bは、固定した位置に維持される。第2の変位センサ40は、試料ホルダ14Bの位置を検知する。図示の実施形態においては、第2の変位センサ40は、当該技術において一般的に既知である容量性センサを備え、その容量性センサは、1対の固定した静止プレート46Aと、それらの間に配置された可動プレート46Bとを有する。可動プレート46Bは支持シャフト48に結合され、そしてまた、その支持シャフト48は下側試料ホルダ14Bに結合されている。支持シャフト48又は試料ホルダ14Aの変位が、第2の変位センサ40により測定される。なお、その第2の変位センサ40の出力は、DC変位検出器50に接続されている。DC変位検出器50はDC変位信号をディジタル化し、そのディジタル化されたDC変位信号は制御器42に与えられる。
【0014】
材料試験システム10は、静的に剛性で且つ動的にコンプライアントであり、それにより高い力を試験試料12に印加するのを可能にし、及び/又はその大きな伸びを可能にし、しかも高い感度を維持するのを可能にする。試験が実行されるとき、制御器42は、クロスヘッド30を所定の速度で移動させるため指令信号を駆動モータ31に与え、それにより荷重を印加し、多くのケースで試験試料12を伸張させる。制御器42はまた、電流をコイル38に与える電流源52を制御する。電流は、第2の変位センサ40が実質的に固定した位置に維持されるためコイル38に与えられる。従って、動作の1つのモードにおいては、伸びが、前述したように、第1の変位センサ35を介して測定され、一方荷重がコイル38に与えられた電流から測定される。荷重及び伸びのデータを利用することにより、試験試料12の応力、歪み、収率、強度、極限引張り強度及び弾性係数の決定が可能になる。
【0015】
更に、又は代替として、駆動モータ31及び/又は電流源52によりコイル38に与えられる実質的に静的な荷重に対して、振動荷重がまた与えられることができる。振動荷重は、交流(AC)を、コイル38に印加される駆動電流上へ重畳することにより与えられることができる。印加される振動させる力(以下、「振動力」と記す。)の周波数は、典型的には0.5から200Hzの範囲であるが、しかしながら、LCDS組立体16の設計に依存して、そのコンセプトは、約0.5Hzから1MHzまで働くことができる。振動力の振幅は、約10-10から1ニュートンの範囲にあり得るが、しかしこの範囲より小さい又は大きい力をまた与えることができる。
【0016】
図1において、制御器42の制御下のAC信号発生器60は、AC信号を電流源52の出力電流信号に導入され又は重畳される。AC変位検出器64は、結果として生じたAC変位を検出する。AC変位検出器64はロックイン増幅器であり得て、そのロックイン増幅器は、AC変位の振幅を、印加された周波数において、印加された信号に対する変位信号の位相と一緒に測定するため同調される。振幅信号及び位相信号は、AC変位検出器64によりディジタル化され、そして、分析、又は大容量記憶装置70に格納のため制御器42の別々の入力に、前述のDCの力及び変位と一緒に与えられる。結果として生じた変位振動及び/又は荷重の測定は、試料のダンピング及び試料の剛性の連続的な決定を可能にし、それが、試験試料12の動的特性又は粘弾性特性を、伸び、荷重及び印加された振動の周波数の関数として決定する。
【0017】
材料試験システム10は、LCDS組立体16を用いることにより、荷重感度を荷重容量から切り離す。適切なLCDS組立体16及び容量性変位センサ40は、Eden Prairie(ミネソタ州)のMTS System社のナノ計器部門(Nano Instruments Division)から入手可能である。荷重コイル38の制御及びセンサ40からのフィードバックは、米国特許No.4,848,141に記載されたものと類似していることができる。なお、米国特許No.4,848,141は本明細書に援用されている。
【0018】
図示の実施形態においては、第2の変位センサ40は、前述のように容量性変位センサであり、そこにおいて支持シャフト48は、非常に可撓性のある板ばねにより支持されている。力を決定するため従来のロード・セルにおけるばね要素のたわみに依存するよりむしろ、材料試験システム10は、フィードバック・ループを用いることにより、支持シャフト48、従って試料ホルダ14Bを、コイル38の電流を変えることにより既知の位置を維持するよう動作される。これは、静的剛性をもたらす(即ち、試験試料12の大きなたわみと関連した荷重機構のたわみが少ない又は無い。)。換言すると、この技術は、荷重コイル38への電流の測定を通して高感度を維持しながら、試験試料12の大きな力及び変位(伸び)を可能にする。前述したように、試料ホルダ14Bの既知の位置は、静的荷重のみが印加されたとき実質的にゼロの変位に対応することができ、一方、その既知の位置は、振動力が印加されたときには時間的に変化することができる。
【0019】
材料試験システム10の更なる利点は動的応答にある。材料試験システム10の動的応答は、試験試料12の動的特性をデータから抽出するため周知でなければならない。更に、臨界システム動的特性(critical system dynamic properties)は、所望の試験試料応答に関して適切な大きさでなければならず、試験試料特性を抽出することができることを保証する。印加された励振に対するLCDS組立体16の応答を書き表す伝達関数は、支持ばね(容量性変位センサ40)の剛性、システムのダンピング、及び移動する質量(例えば、支持シャフト48、試料ホルダ14B、荷重コイル38等)の関数として決定される。システムのこれらの特性は、試験試料12の剛性及びダンピングに対して解を得るため十分に定義されなければならない。システム特性が試験試料12のシステム特性の大きさに近づく場合、システム特性の決定における誤差は、試料データの正確さを低減する。従って、試験試料12の動的特性の測定に対して、システムの動的剛性は、試験試料12の剛性と比較したとき、非常に小さくなければならず、それが、本発明の材料試験システム10において与えられる。
【0020】
当業者に認められるように、材料試験システム10の変更を、システム性能に著しい影響を与えることなく行うことができる。例えば、ねじ切りロッド28及び駆動モータ31の代わりに、このアクチュエータ組立体は、ラック及びピニオン駆動のような別の機械的形式であることができる。更に、液圧又は空圧アクチュエータを用いて、適切な案内面上を走行するクロスヘッド30を変位させることができる。同様に、リニア電動機を用いることもできる。更に別の実施形態においては、LCDS組立体16及び/又は変位センサ40をクロスヘッド30の中に組み込んで、それらと共に移動させることができ、そこにおいて下側試料ホルダ14Bはフレーム20に装着されている。
【0021】
一例として、図2は、本発明の代替システム80を図示する。システム80は、軸に沿った、第1の試料ホルダ(図示しないが、クロスヘッド86の下側表面に取り付けられている。)、及び試料12を保持する第2の試料ホルダ86を含む。クロスヘッド86は、支持フレーム87に、直線型軸受け108(概略的に図示されている)のような適切な案内機構を通して結合されている。駆動モータ31は、上側試料ホルダをベース92に対して支持フレーム87に沿って変位させる。
【0022】
下側試料ホルダ84は、図1を参照して先に説明したようにLCDS組立体16に接続されている。上側試料ホルダはクロスヘッド86に結合されている。駆動モータ31は、上側試料ホルダ82をベース92に対して変位させる。LCDS組立体16内の変位センサは、クロスヘッド86のプレート90に沿った変位を測定する。試料ホルダ82及び84を試験試料12に対して整列させるため整列顕微鏡(alignment microscope)94を設けることができる。システム80の動作は、前述のシステム10と同一である。
【0023】
本発明が好適な実施形態を参照して説明されたが、当業者は、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく形式及び詳細において変更を行うことができることを認めるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、本発明に従った材料試験システムの第1の例示的実施形態の概略図を図示する。
【図2】 図2は、本発明に従った材料試験システムの代替実施形態の斜視図を図示する。

Claims (23)

  1. ベースと、
    第1の試料ホルダと、
    第2の試料ホルダと、
    前記ベースに対する前記第1の試料ホルダの変位を測定する第1の変位センサと、
    前記第2の試料ホルダに結合され、前記ベースに対する前記第2の試料ホルダの変位を測定する第2の変位センサと
    を備え
    少なくとも前記第2の変位センサは容量性センサである材料試験システム。
  2. フレームと、
    第1の試料ホルダと、
    第2の試料ホルダと、
    前記フレームに対する前記第1の試料ホルダの変位を測定する第1の変位センサと、
    前記第2の試料ホルダに結合され、前記フレームに対する前記第2の試料ホルダの変位を測定する第2の変位センサと
    を備え
    少なくとも前記第2の変位センサは容量性センサである材料試験システム。
  3. 前記第2の試料ホルダに固定的に結合され、且つ前記第2の変位センサの関数として動作されて、前記第2の試料ホルダを既知の位置に配置するアクチュエータ組立体を更に備える請求項1又は2記載の材料試験システム。
  4. 前記アクチュエータ組立体が、電流源に結合された電磁コイルを備える請求項3記載の材料試験システム。
  5. 前記第2の変位センサは、前記第2の試料ホルダと前記電磁コイルの間に配置される請求項4に記載の材料試験システム。
  6. 信号を前記第2の変位センサから受け取り、且つ前記第2の試料ホルダを静止した既知の位置に維持するよう前記コイルに印加された電流を調整する制御器を更に備える請求項4又は5に記載の材料試験システム。
  7. 前記第2の試料ホルダを振動状態に変位させるよう前記コイルに印加された電流を変える制御器を更に備える請求項4ないし6のいずれかに記載の材料試験システム。
  8. 第1の試料ホルダと、
    前記第1の試料ホルダと共通軸に沿って整列された第2の試料ホルダと、
    前記第1の試料ホルダに結合された第1のアクチュエータと、
    前記第2の試料ホルダに結合された第2のアクチュエータと、
    前記第1のアクチュエータ及び前記第2のアクチュエータに結合された制御器と、を備え、
    前記制御器は、前記第1の試料ホルダを前記第2の試料ホルダから離れるように変位させるよう前記第1のアクチュエータを動作させ、
    前記制御器は更に、前記第2の試料ホルダを既知の位置に配置するように前記第2のアクチュエータを動作させ
    前記第2のアクチュエータが、1対の固定プレート、及び前記第2の試料ホルダに結合された可動プレートを有する変位センサを含む材料試験システム。
  9. 前記第2のアクチュエータが電磁コイルを備える請求項記載の材料試験システム。
  10. 前記変位センサは、前記第2の試料ホルダと前記電磁コイルの間に配置される請求項8または9に記載の材料試験システム。
  11. 前記第2の試料ホルダが、固定した既知の位置に維持される請求項8ないし10のいずれかに記載の材料試験システム。
  12. 振動力が前記第2の試料ホルダに印加される請求項8ないし10のいずれかに記載の材料試験システム。
  13. 前記第1の試料ホルダに結合されたクロスヘッドであって、更に前記第1のアクチュエータに結合されたクロスヘッドを更に備える請求項8ないし12のいずれかに記載の材料試験システム。
  14. 前記クロスヘッドが、前記クロスヘッドの変位の所定の経路を与えるため案内機構を有する支持フレームに結合されている請求項13記載の材料試験システム。
  15. 前記案内機構が直線型軸受けを備える請求項14記載の材料試験システム。
  16. 材料の弾性及び塑性特性を決定する方法において、
    試料を第1のホルダ及び第2のホルダに装着するステップと、
    前記第1のホルダを前記第2のホルダから離れるよう変位させるステップと、
    力を前記第2のホルダに、前記第1のホルダの変位と反対の方向に印加するステップと、
    第1のセンサを用いて前記試料の伸びを測定し、且つ同時に第2のセンサを用いて前記第2のホルダの変位及び前記試料にかかる力を測定するステップと
    を備え
    前記第2のセンサは、前記第2のホルダに結合された容量性センサである方法。
  17. 前記印加するステップが、前記第2のホルダを第1の固定の位置に維持するステップを備える請求項16記載の方法。
  18. 前記印加するステップが、振動力を前記第2のホルダに印加するステップを備える請求項16記載の方法。
  19. 電磁アクチュエータが前記第2のセンサに結合され、
    前記印加するステップが、電流を前記電磁アクチュエータに印加するステップを備える請求項16記載の方法。
  20. 前記試料にかかる力を測定するステップが、前記印加するステップ中に印加された電流を測定するステップを備える請求項19記載の方法。
  21. 第1の試料ホルダと、
    前記第1の試料ホルダと共通軸に沿って整列された第2の試料ホルダと、
    前記第1の試料ホルダに結合された第1のアクチュエータと、
    前記第2の試料ホルダに結合され、且つ静的に剛性且つ動的にコンプライアントであるよう前記第2の試料ホルダを制御するよう構成されている荷重組立体と
    を備え、
    前記荷重組立体が、1対の固定プレート、及び前記第2の試料ホルダに結合された可動プレートを有する変位センサを含む材料試験システム。
  22. 前記荷重組立体が、電流源に結合された電磁コイルを備える請求項21記載の材料試験システム。
  23. 前記変位センサが、前記第2の試料ホルダと前記電磁コイルとの間に配置された請求項22記載の材料試験システム。
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