(57)【要約】【課題】試験片の静止位置を観察しながら試験を行う。【解決手段】試験片ＴＰに試験力を負荷する一対のアクチュエータ２ａ，２ｂと、力もしくは変位のフィードバック制御により一対のアクチュエータ２ａ，２ｂを制御するとともに、一対のアクチュエータ２ａ，２ｂに振り分けられるフィードバック物理量の割合βを変更する制御回路２０と、アクチュエータ２ａ，２ｂにより試験力が負荷されている試験片ＴＰを観察する観察手段７〜９と、フィードバック物理量の割合βに応じて試験片ＴＰに対する観察手段７の観察位置を変更する位置変更手段１０，１１，１５を備える。【選択図】図２
2010112815.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験片に試験力を負荷する一対のアクチュエータと、
力もしくは変位のフィードバック制御により前記一対のアクチュエータを制御するとともに、前記一対のアクチュエータに振り分けられるフィードバック物理量の割合を変更する制御回路と、
前記アクチュエータにより試験力が負荷されている試験片を観察する観察手段とを備えることを特徴とする材料試験機。
【請求項２】
請求項１に記載の材料試験機において、
フィードバック物理量の割合を入力する入力手段と、
前記入力手段で入力された前記フィードバック物理量の割合に応じて試験片に対する前記観察手段の観察位置を変更する位置変更手段とをさらに備えることを特徴とする材料試験機。
【請求項３】
請求項２に記載の材料試験機において、
前記位置変更手段は、前記観察手段による観察位置の中心が試験片の変位中心となるように前記フィードバック物理量の割合に応じて試験片に沿って前記観察手段を移動することを特徴とする材料試験機。
【請求項４】
請求項２に記載の材料試験機において、
前記位置変更手段は、前記観察手段による観察位置の中心が試験片の変位中心となるように前記フィードバック物理量の割合に応じて前記観察手段に沿って試験片を移動することを特徴とする材料試験機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査電子顕微鏡や光学顕微鏡などにより材料試験時における試験片を観察する材料試験機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、疲労試験を行いながら走査電子顕微鏡によって試験片の疲労状態を観察するようにした装置が知られている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１記載の装置では、試験片に孔や切り欠き等の応力集中部を形成し、疲労試験を行いながらこの応力集中部を走査電子顕微鏡により観察する。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−７２８３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、疲労試験を行いながら試験片を観察する場合、試験片の観察位置が常に静止しているとは限らず、亀裂の進展状況等を把握するのが容易ではない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による材料試験機は、試験片に試験力を負荷する一対のアクチュエータと、力もしくは変位のフィードバック制御により一対のアクチュエータを制御するとともに、一対のアクチュエータに振り分けられるフィードバック物理量の割合を変更する制御回路と、アクチュエータにより試験力が負荷されている試験片を観察する観察手段とを備えることを特徴とする。
フィードバック物理量の割合を入力する入力手段と、入力手段で入力されたフィードバック物理量の割合に応じて試験片に対する観察手段の観察位置を変更する位置変更手段とをさらに備えることが好ましい。
位置変更手段としては、観察手段による観察位置の中心が試験片の変位中心となるようにフィードバック物理量の割合に応じて試験片に沿って観察手段を移動するものでもよく、観察手段に沿って試験片を移動するものでもよい。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、試験片に試験力を負荷する一対のアクチュエータに振り分けられるフィードバック物理量の割合を変更するようにしたので、試験片の変位中心である静止位置を移動することができ、亀裂の進展状況等を容易に把握することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図１〜図５を参照して本発明による材料試験機の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る材料試験機の概略構成を示す図である。支持フレーム１の左右両側には同軸上に一対の油圧シリンダ２ａ，２ｂが設けられている。各油圧シリンダ２ａ，２ｂは、ピストンの両側にロッドが突設された両ロッド型に構成されている。
【０００８】
各油圧シリンダ２ａ，２ｂの一方のロッド２ａ１，２ｂ１の端部にはそれぞれつかみ具４ａ，４ｂが設けられ、つかみ具４ａ，４ｂにより試験片ＴＰの両端部が把持されている。各油圧シリンダ２ａ，２ｂにはそれぞれサーボ弁３ａ，３ｂを介して図示しない油圧源から圧油が供給され、これにより油圧シリンダ２ａ，２ｂが左右方向に駆動されて、疲労試験が行われる。ロッド２ａ１とつかみ具４ａの間にはロードセル５が設けられ、ロードセル５により試験片ＴＰに負荷される試験力が検出される。各油圧シリンダ２ａ，２ｂの他方のロッド２ａ２，２ｂ２の端部にはそれぞれ変位計６ａ，６ｂが設けられ、変位計６ａ，６ｂにより各油圧シリンダ２ａ，２ｂの変位量がそれぞれ検出される。
【０００９】
試験片ＴＰは走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）７により所定倍率（例えば１０００倍）に拡大して観察される。試験片ＴＰの観察はカメラ８を介して行われる。すなわち、顕微鏡７で拡大された試験片ＴＰをカメラ８が撮像し、表示装置９に表示する。顕微鏡７は、ｘｙｚステージ１０によりｘｙｚ方向に移動可能に支持されており、アクチュエータ１１の駆動により後述するように試験片ＴＰに沿って移動される。
【００１０】
ロードセル５と変位計６ａ，６ｂからの信号はそれぞれ制御回路２０に入力され、制御回路２０はこれら入力信号に応じて後述するようにサーボ弁３ａ，３ｂをフィードバック制御する。すなわち、試験片ＴＰに目標試験力が負荷されるように力制御によりサーボ弁３ａ，３ｂを制御するとともに、シリンダ２ａ，２ｂの位置が目標位置となるように変位制御によりサーボ弁３ａ，３ｂを制御する。この際、力制御において各サーボ弁３ａ，３ｂに振り分けられるフィードバック物理量の割合を変更し、それに伴いアクチュエータ１１の駆動により顕微鏡７を移動させる。
【００１１】
図２は、制御回路２０の構成を示すブロック図である。制御回路２０にはコントローラ１５から各種信号が入力される。信号発生部１５ａは、予め定められた目標試験力や試験周波数等の試験条件に対応した波形信号を発生する。減算器２１では、この波形信号とアンプ２２を介してロードセル５から出力される検出信号との偏差が求められ、この偏差信号がアンプ２３を介してそれぞれ乗算器２４，２５に入力される。
【００１２】
係数設定部１５ｂでは、例えばユーザが不図示の設定スイッチを操作することにより０以上１以下の範囲で係数βが任意に設定される。乗算器２４には係数設定部１５ｂで設定された係数βが、乗算器２５には１からこの係数βを減じた係数１−βがそれぞれ設定され、アンプ２３を介した偏差信号にこれら係数β、１−βがそれぞれ乗算される。これにより力制御によるフィードバック物理量が２つに振り分けられる。
【００１３】
位置設定部１５ｃ，１５ｄでは、それぞれ各油圧シリンダ２ａ，２ｂの初期位置が設定される。加算器２６，２７では、これらの初期位置に対応した各位置信号に、乗算器２４，２５から出力される信号がそれぞれ加算される。減算器２８，２９では、この加算信号と変位アンプ３０，３１を介して出力される各変位計６ａ，６ｂからの信号との偏差が演算され、偏差に応じた信号がそれぞれアンプ３２，３３を介してサーボ弁３ａ，３ｂに出力される。これによりサーボ弁３ａ，３ｂに供給される電流が制御（フィードバック制御）され、油圧シリンダ２ａ，２ｂが初期位置を基準にして駆動されて、試験片ＴＰに目標試験力が繰り返し負荷される。なお、変位計６ａ，６ｂの初期位置での出力を０としておく。
【００１４】
図３（ａ）〜（ｃ）は、係数βが例えば０．５，０．７５，１．０のときの試験片ＴＰの両端部ａ，ｂの変位波形を示す図である。図３（ａ）に示すように係数β＝０．５のときは、各シリンダ２ａ，２ｂが互いに同一の振れ幅で駆動され、試験片ＴＰの両端部ａ，ｂはセンターを中心に対称に変位する。このため、試験片ＴＰのセンターが変位中心となり、試験時にセンターは静止している。
【００１５】
図３（ｂ）に示すように係数β＝０．７５のときは、油圧シリンダ２ａの振れ幅が大きくなり、油圧シリンダ２ｂの振れ幅が小さくなる。このため試験片ＴＰの一端部ａの変位が他端部ｂの変位よりも大きくなり、変位中心（静止位置）が試験片ＴＰのセンターからｂ点側にずれる。図３（ｃ）に示すように係数β＝１．０のときは、油圧シリンダ３ａの振れ幅がさらに大きくなり、油圧シリンダ３ｂの振れ幅は０となる。このため試験片ＴＰの変位中心（静止位置）はｂ点となる。
【００１６】
以上のように係数βを変更すると、試験時における試験片ＴＰの変位中心が移動する。本実施の形態では、この変位中心の移動に伴いカメラ駆動用のアクチュエータ１１を制御し、顕微鏡７の視野中心位置を試験片ＴＰの変位中心に合わせる。これはコントローラ１５での処理により行われる。
【００１７】
すなわち、コントローラ１５は、係数設定部１５ｂで設定された係数βを読み込んだ後、係数βに対応した試験片ＴＰの変位中心の位置を演算する。次いで、顕微鏡７の視野中心位置がその変位中心となるようにアクチュエータ１１に制御信号を出力し、顕微鏡７を変位中心に向けて移動させる。これにより顕微鏡７を介して試験片ＴＰの任意の位置の静止画像を得ることができ、亀裂進展等の観察が容易になる。この場合、各サーボ弁３ａ，３ｂに振り分けられるフィードバック物理量の割合を変更しても、試験片ＴＰに作用する全体の負荷は変わらないので、試験片ＴＰの疲労を良好に評価できる。
【００１８】
本実施の形態に係る材料試験機による試験手順を説明する。まず、位置設定部１５ｃ，１５ｄで油圧シリンダ２ａ，２ｂの初期位置を設定し、油圧シリンダ２ａ，２ｂを初期位置にセットして、つかみ具４ａ，４ｂを介して試験機本体に試験片ＴＰを装着する。初期状態では、ｘｙｚステージ１０を駆動し、試験片ＴＰのセンターに顕微鏡７の視野中心位置を位置させる。なお、試験片ＴＰのセンターには予め応力集中部を設けておき、そこから亀裂が発生するようにする。
【００１９】
次いで、係数設定部１５ｂより初期値として係数β＝０．５を設定し、試験開始スイッチをオンする。さらに信号発生部１５ａから目標試験力に対応した波形信号を発生させ、試験片ＴＰに繰り返し試験力を負荷する。試験片ＴＰに亀裂が生じると、ユーザは亀裂進行方向を目視で確認し、その亀裂進行方向に試験片ＴＰの変位中心が位置するように係数設定部１５ｂの係数βを変更する。ユーザは、例えばダイヤルにより係数βを変更し、この係数βの変更によって制御回路２０はアクチュエータ１１を駆動する。これにより試験片ＴＰの変位中心に顕微鏡７の視野中心が位置し、試験片ＴＰの静止画像を観察できる。
【００２０】
本実施の形態によれば、以下のような作用効果を奏することができる。
（１）力制御により一対のサーボ弁３ａ，３ｂを制御して試験片ＴＰに繰り返し試験力を負荷するとともに、ユーザにより係数設定部１５ｂで設定された係数βに応じて各サーボ弁３ａ，３ｂに振り分けられるフィードバック物理量を変更し、試験片ＴＰの変位中心を任意の位置に移動するようにした。そして、顕微鏡７の観察位置（視野中心位置）が試験片ＴＰの変位中心となるように係数βに応じて顕微鏡７の位置を変更するようにした。これにより試験片ＴＰの観察位置が常に試験片ＴＰの変位中心位置と対峙することとなり、亀裂の進展状況等を容易に把握することができる。
（２）係数βに応じてアクチュエータ１１を駆動し、試験片ＴＰの静止位置に顕微鏡７の観察位置が自動的に追尾するようにしたので、試験片ＴＰの静止画像の取得が容易である。
【００２１】
なお、上記実施の形態では、力フィードバック制御により試験片ＴＰに試験力を負荷するようにしたが、変位フィードバック制御により試験片ＴＰに試験力を負荷するようにしてもよい。この場合、図４に示すように試験片ＴＰに伸び計１２を装着し、伸び計１２からの信号を制御回路２０に入力すればよい。そして、図５に示すように信号発生部１５ｅで、試験片ＴＰの目標変位や試験周波数等の試験条件に対応した波形信号を発生させ、減算器２１で、この波形信号と伸びアンプ３３を介して伸び計１２から出力された検出信号との偏差を求め、この偏差信号をアンプ２３を介して乗算器２４，２５に入力すればよい。
【００２２】
上記実施の形態では、係数βに応じてアクチュエータ１１を駆動することによりｘｙｚステージ１０を駆動したが、ユーザは、変更した係数βに応じてｘｙｚステージ１０を手動で駆動するようにしてもよい。上記実施の形態では、顕微鏡７の観察位置の中心が試験片ＴＰの変位中心となるように試験片ＴＰに沿って顕微鏡７を移動したが、試験片ＴＰに対する顕微鏡７の観察位置を変更するのであれば、位置変更手段はいかなるものでもよい。例えば、顕微鏡７を移動するのではなく顕微鏡７に沿って試験片ＴＰを移動して、観察位置の中心を試験片ＴＰの変位中心に合わせるようにしてもよい。この場合、係数βに応じて試験片ＴＰの変位中心を演算した後、コントローラ１５が位置設定部１５ｃ，１５ｄに制御信号を出力し、試験片ＴＰの変位中心が観察位置の中心となるように試験片ＴＰを移動すればよい。これにより顕微鏡駆動用のアクチュエータ１１が不要となり、構成を簡素化できる。
【００２３】
上記実施の形態では、サーボ弁３ａ，３ｂの制御により一対の油圧シリンダ２ａ，２ｂを駆動して試験片ＴＰに試験力を負荷するようにしたが、油圧シリンダとは異なる形態の他のアクチュエータを用いて試験力を負荷してもよい。走査電子顕微鏡７を用いて試験片ＴＰを観察するようにしたが、他の拡大光学系を用いてもよい。カメラ８を介して試験片ＴＰの画像を取得するようにしたが、カメラ８を用いずに顕微鏡７をユーザが直接目視するようにしてもよい。すなわち観察手段の構成は上述したものに限らない。
【００２４】
力もしくは変位のフィードバック制御により一対のアクチュエータ（油圧シリンダ２ａ，２ｂ）を制御するとともに、この一対のアクチュエータに振り分けられるフィードバック物理量の割合を変更するように構成するのであれば、制御回路２０の構成はいかなるものでもよい。上記実施の形態では、試験片ＴＰに応力集中部を設けて試験を行うようにしたが、試験片ＴＰの種類はこれに限らない。亀裂進展試験後の試験片ＴＰを使用してもよい。ユーザのダイヤル操作により係数βを変更するようにしたが、入力手段はこれに限らない。
【００２５】
上記実施の形態では、試験片ＴＰの疲労試験を行う材料試験機について説明したが、一対のアクチュエータにより試験片ＴＰに試験力を負荷する他の材料試験機にも本発明を同様に適用できる。すなわち、本発明の特徴、機能を実現できる限り、本発明は実施の形態の材料試験機に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の形態に係る材料試験機の概略構成を示す図。
【図２】図１の制御回路の構成を示すブロック図。
【図３】本実施の形態の動作の一例を示す図。
【図４】図１の変形例を示す図。
【図５】図４の制御回路の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
【００２７】
２ａ，２ｂ  油圧シリンダ
３ａ，３ｂ  サーボ弁
５  ロードセル
６ａ，６ｂ  変位計
７  顕微鏡
８  カメラ
９  表示装置
１０  ｘｙｚステージ
１１  アクチュエータ
１５  コントローラ
２０  制御回路
【図１】
2010112815.tif 000003
【図２】
2010112815.tif 000004
【図３】
2010112815.tif 000005
【図４】
2010112815.tif 000006
【図５】
2010112815.tif 000007