(57)【要約】      （修正有）【課題】接合試験片の接合特性を的確に評価できる接合評価試験装置を提供する。【解決手段】二つの板片の端部同士を突合せ接合してなる接合部を有する接合試験片の接合特性を評価する試験装置である。この試験装置は、基体１と、基体上を一軸方向に移動し得る中間体２１、２２と、接合試験片の板片を把持して中間体上を一軸方向と直交する他軸方向に移動し得る把持体３１、３２と、中間体を移動させる一軸駆動手段５１１、５２１と、把持体を移動させる他軸駆動手段４１２、４２２とを備える。さらに、接合部に作用する荷重を検出する荷重センサや接合部に生じる変位を検出する変位センサを備えるとよい。本発明の試験装置によれば、接合部に一軸方向の荷重と他軸方向の荷重を独立して印加でき、接合特性を的確に評価できる。【選択図】図１Ａ
2019174211.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つの板片の端部同士を突合せ接合してなる接合部を有する接合試験片の接合特性を評価する試験装置において、
基体と、
該基体上を一軸方向に移動し得る中間体と、
前記接合試験片の板片を把持して該中間体上を一軸方向と直交する他軸方向に移動し得る把持体と、
該中間体を移動させる一軸駆動手段と、
該把持体を移動させる他軸駆動手段とを備え、
前記接合部に一軸方向の荷重と他軸方向の荷重を独立して印加できる接合評価試験装置。
【請求項２】
前記基体上に配設されて前記中間体を一軸方向へ誘導する一軸リニアガイドと、
該中間体上に配設されて前記把持体を他軸方向へ誘導する他軸リニアガイドと、
をさらに備える請求項１に記載の接合評価試験装置。
【請求項３】
前記接合試験片の接合部に作用する一軸方向の荷重を検出する一軸荷重センサと、
該接合部に作用する他軸方向の荷重を検出する他軸荷重センサと、
をさらに備える請求項１または２に記載の接合評価試験装置。
【請求項４】
前記接合試験片の接合部に生じる一軸方向の変位を検出する一軸変位センサと、
該接合部に生じる他軸方向の変位を検出する他軸変位センサと、
をさらに備える請求項１〜３のいずれかに記載の接合評価試験装置。
【請求項５】
前記一軸駆動手段と前記他軸駆動手段を制御して、前記接合試験片の接合部の荷重または変位を変化させる制御手段をさらに備える請求項１〜４のいずれかに記載の接合評価試験装置。
【請求項６】
前記中間体は、一軸方向に相対移動する第１中間体と第２中間体からなり、
前記把持体は、一方の前記板片を把持する第１把持体と他方の前記板片を把持する第２把持体からなり、
該第１把持体は、該第１中間体上を他軸方向に移動すると共に、該第１中間体と共に一軸方向に移動し、
該第２把持体は、該第２中間体上を他軸方向に移動すると共に、該第２中間体と共に一軸方向に移動する請求項１〜５のいずれかに記載の接合評価試験装置。
【請求項７】
前記一軸駆動手段は、前記第１中間体を移動させる第１一軸駆動手段と、前記第２中間体を移動させる第２一軸駆動手段とからなり、
前記他軸駆動手段は、前記第１把持体を移動させる第１他軸駆動手段と、前記第２把持体を移動させる第２他軸駆動手段とからなる請求項６に記載の接合評価試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合試験片の接合評価試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の部材を接合した接合部材が多く用いられる。接合には、例えば、接着剤等を用いた接着、溶接または溶着、アンカー効果や界面エネルギーを用いた結合等がある。最近では、自動車分野や航空機分野における軽量化ニーズ等に伴い、異種材間（例えば金属材と樹脂材）の接合もなされることも多い。
【０００３】
接合部材を用いる場合、その接合部の特性（単に「接合特性」という。）を予め評価しておく必要がある。接合特性として、単純な引張強度やせん断強度に加えて、接合部に作用する実際の応力状態を考慮した、いわゆる２軸強度等も評価されることが好ましい。
【０００４】
ところで、接合部の評価方法には、必ずしも確立された統一規格がなく、様々な試験により接合強度等が評価されている。従って、評価試験で得られた強度等のデータも絶対的な評価とはいえない状況であった。そこで、より高精度な評価試験を行える装置（治具）に関する提案が下記の特許文献でなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−４３２８３号公報
【特許文献２】特開２００２−８２０３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１は、接合した試験片にせん断荷重を印加する二分割型を一軸引張試験機に取付け、二分割型の外周側をカラーに保持されたボールで規制しつつ、二分割型を分離方向へ移動させて、二分割型の中央に内挿した試験片の接合強度を評価している。
【０００７】
しかし、特許文献１の試験治具では、二分割型の内壁面と試験片との間にクリアランスが生じるため、余計（有害）な曲げモーメント等が試験片に導入され易くなる。従って、特許文献１の場合、単純せん断強度しか評価できないにも拘わらず、得られたせん断強度すら、必ずしも正確とはいなかった。
【０００８】
特許文献２は、試験片を４方向からチャックして、縦方向と横方向の荷重を印加する２軸強度試験機を提案している。しかし、その試験機は、接合試験片を対象としたものではなく、接合強度の評価には適さない。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、接合試験片の接合特性を的確に評価できる接合評価試験装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、接合試験片に２方向から荷重を印加したときもの接合特性等も的確に評価できる新たな構造の試験装置を着想および具現化した。これを発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。
【００１１】
《接合評価試験装置》
（１）本発明は、二つの板片の端部同士を突合せ接合してなる接合部を有する接合試験片の接合特性を評価する試験装置において、基体と、該基体上を一軸方向に移動し得る中間体と、前記接合試験片の板片を把持して該中間体上を一軸方向と直交する他軸方向に移動し得る把持体と、該中間体を移動させる一軸駆動手段と、該把持体を移動させる他軸駆動手段とを備え、前記接合部に一軸方向の荷重と他軸方向の荷重を独立して印加できる接合評価試験装置である。
【００１２】
（２）本発明の接合評価試験装置（単に「試験装置」という。）は、把持体が中間体上を他軸方向に移動できると共に、その中間体が基体上を一軸方向に移動できる。しかも中間体と把持体は別な駆動手段により移動可能となっている。このため、二つの板片を突合接合した接合試験片（単に「試験片」という。）の板片部分を把持する把持体は、接合部を拘束することなく、直交する二方向に独立して移動できる。こうして本発明の試験装置によれば、接合部に二軸方向（一軸方向と他軸方向）の荷重を独立して印加できる。
【００１３】
《試験方法》
本発明は、上述した試験装置に用いた試験方法としても把握できる。例えば、本発明は、方形状の第１板片と、方形状の第２板片と、該第１板片の端部と該第２板片の端部とを突き合わせて接合した直線状の接合部とを有する短冊状の接合試験片の接合特性を評価する試験方法であって、該第１板片の両面を挟持する第１把持体と該第２板片の両面を挟持する第２把持体とを、該接合試験片の該接合部を拘束しない状態で、直交する一軸方向と他軸方向とにそれぞれ相対移動させて、接合部に一軸方向の荷重と他軸方向の荷重を独立して印加できる接合特性の試験方法でもよい。
【００１４】
各把持体により保持される試験片は、各方向の（引張）荷重が接合部の中心近傍を通る位置に配設されると好ましい。また、試験片に及ぼす荷重や変位は、接合部の中心近傍に対して対称的（線対称または点対称）に印加されると好ましい。上述した本発明の試験装置によれば、対称的な荷重や変位の印加が可能である。
【００１５】
各把持体が「接合部を拘束しない状態」とは、例えば、把持体が接合部に接触等せず、接合部の変形等を阻害しない状態である。通常、接合部の両側にある把持体は、一定間隔を空けて接合部の両側に対向（対面）状態で配設される。
【００１６】
《その他》
（１）本明細書でいう「一軸方向」と「他軸方向」は、試験片に印加され得る荷重の方向であり、両者は直交している。「直交」は、空間的になす角が直角であれば足り、必ずしも交差までは要しない。通常、試験片は、その長手方向が一軸方向に沿うように配置され、試験片の幅方向または接合部の延在方向が他軸方向とされる。適宜、一軸方向をＹ（軸）方向、他軸方向をＸ（軸）方向、それらに直交する方向をＺ（軸）方向という。
【００１７】
本明細書でいう「接合特性」は、主に接合部の機械的特性であり、例えば、接合強度や接合部に生じるひずみ等である。
【００１８】
（２）特に断らない限り本明細書でいう「ｘ〜ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ〜ｂ」のような範囲を新設し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１Ａ】一実施例である試験装置の平面図である。
【図１Ｂ】その正面図である。
【図１Ｃ】その右側面図である。
【図１Ｄ】その一部分解斜視図である。
【図２】一例である試験片の平面図と側面図である。
【図３Ａ】その試験片に他軸方向の荷重（せん断荷重）を印加したときに接合部に生じるひずみ分布図である。
【図３Ｂ】その状態の試験片に一軸方向の荷重（引張荷重）をさらに印加したときに接合部に生じるひずみ分布図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本明細書で説明する内容は、試験装置のみならず、それを用いた試験方法にも該当し得る。上述した本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成要素を付加し得る。いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。
【００２１】
《接合試験片》
本発明に係る試験片は、二つの板片の端部同士を突合せ接合したものであり、それらは接合部を介して接合されている。試験片は、例えば、全体的に短冊状（方形板状）であり、方形状の第１板片と、方形状の第２板片と、それらの端部間で突合せ接合した直線状の接合部とを有する。
【００２２】
試験時、接合部に余計な曲げモーメント等を作用させないように、各板片は、接合前・後において、可能な限り、厚さが均一で、表裏面間の平行度等も良好であると好ましい。なお、両板片は、厚さが同一であることに加えて、同形状であると好ましい。試験片は、各板片を接合した後に、適宜、機械加工等により整形されてもよい。なお、本発明では、各板片の材質、接合部の種類（接着、溶接・溶着等）、試験片のサイズ等を問わない。また、有害な曲げモーメント等の接合部への介入を避けるため、試験片は、フックによる掛止等ではなく、各板片の両面が確実に挟持された状態で把持されると好ましい。
【００２３】
《試験装置》
（１）試験装置は、基体と、基体上を一軸方向に移動する中間体と、中間体上を他軸方向に移動する把持体とを備える。このため本発明の試験装置は、少なくとも三層構造または三階構造となっている。
【００２４】
中間体は、例えば、基体上に配設された（一軸）リニアガイドに沿って直動（直線状に移動すること）する。把持体は、その中間体上に配設された（他軸）リニアガイドに沿って直動する。両者の移動が組合せ（合成）されることにより、試験片を把持している把持体は、基体に対して一軸方向と他軸方向の両方に移動可能となる。
【００２５】
各リニアガイドは、ガイドレールと、ガイドレール上を摺動するガイドブロックを備える。各ガイドブロックは、中間体や把持体と一体化していてもよいし、中間体や把持体に別途固定されるものでもよい。
【００２６】
中間体の一軸方向への移動と把持体の他軸方向への移動は、それぞれ独立した駆動手段によりなされることで、評価する接合特性の自由度を高めることができる。従って、中間体を移動させる一軸駆動手段と把持体を移動させる他軸駆動手段とは、独立して制御可能なものが好ましい。各駆動手段は、例えば、電動機構または油圧機構等が考えられる。もっとも、接合特性を精緻に評価するためには、電動機（電磁モータ）、特に制御性に優れるステッピングモータ等からなる駆動源と、それにより中間体や把持体を移動させる移動機構（送り螺子等）とを組合わせたものが駆動手段として好ましい。
【００２７】
（２）試験装置は、試験片の接合部に作用する荷重を直接的または間接的に検出する荷重センサやその接合部に生じる変位を直接的または間接的に検出する変位センサを備えると好ましい。具体的にいうと、一軸方向の荷重を検出する一軸荷重センサ、他軸方向の荷重を検出する他軸荷重センサ、一軸方向の変位を検出する一軸変位センサと、他軸方向の変位を検出する他軸変位センサ等を備えるとよい。
【００２８】
各荷重センサ（ロードセル）は、接合部に印加する荷重を、電気信号（電圧等）に変換して検出できれば、その形態は問わない。例えば、ひずみゲージ式、圧電素子式、磁歪式、静電容量式、ジャイロ式等がある。この他、荷重センサは、圧縮力に応じた電気信号を出力する感圧素子でもよい。感圧素子の一例は、特許第４７７６９０２号公報にある「力学量センサ素子」である。
【００２９】
各変位センサは、接合部に生じる変位を、電気信号（電圧等）に変換して検出できれば、その形態は問わない。例えば、レーザ式、ＬＥＤ式、超音波式、接触式、渦電流式等がある。具体的には、光電式リニアエンコーダ等を用いるとよい。
【００３０】
試験装置は、各荷重センサや各変位センサから得られた情報に基づいて、上述した各駆動手段（一軸駆動手段、他軸駆動手段）を制御する制御手段（例えば、パソコン、マイコン等のコンピュータ）を備えるとよい。これにより接合試験片の接合部に、荷重や変位を精緻に印加できる。
【００３１】
（３）本発明の試験装置は、試験片の一方の板片（把持体）を固定状態とし、他方の板片（把持体）のみを、上述したように一軸方向と他軸方向に移動できるようにしてもよい。勿論、各板片（把持体）がそれぞれ独立して、一軸方向と他軸方向に移動できると、接合特性の評価自由度が高くなると共に、試験時に接合部に介入する有害な曲げモーメント等の低減・回避も容易となる。
【００３２】
そこで中間体と把持体は、それぞれ独立して移動できる一対で構成されると好ましい。例えば、中間体は、一軸方向に相対移動する第１中間体と第２中間体を有する。把持体は、一方の板片を把持する第１把持体と他方の板片を把持する第２把持体とを有する。第１把持体は、第１中間体上を他軸方向に移動すると共に、第１中間体と共に一軸方向に移動する。第２把持体は、第２中間体上を他軸方向に移動すると共に、第２中間体と共に一軸方向に移動する。一軸駆動手段は、第１中間体を移動させる第１一軸駆動手段と、第２中間体を移動させる第２一軸駆動手段とを有する。他軸駆動手段は、第１把持体を移動させる第１他軸駆動手段と、第２把持体を移動させる第２他軸駆動手段とを有する。
【００３３】
一対となる各中間体、各把持体、各駆動手段は、試験片の接合部の中心付近に対して、線対称または点対称に配設されると、接合部に有害な曲げモーメント等が導入され難くなり好ましい。なお、本明細書では、適宜、接合部の長さ、幅および厚さの各方向における幾何学的に定まる中心（いわゆる重心）を、接合部の中心（重心）という。但し、接合特性を的確に評価できる限り、厳密な中心に固執する必要はない。
【実施例】
【００３４】
《試験装置》
本発明の一実施例である二軸評価試験装置Ｓ（単に「装置Ｓ」という。）の平面図を図１Ａに、正面図を図１Ｂに、右側面図を図１Ｃに、一部分解斜視図を図１Ｄにそれぞれ示した。図１Ａ〜図１Ｄを併せて単に「図１」という。各図に示すような座標系に基づき、各軸方向に沿って、適宜、「Ｘ、Ｙ、Ｚ（軸）方向」という。なお、本実施例でいうＸ方向とＹ方向がそれぞれ、本発明でいう他軸方向と一軸方向に相当する。
【００３５】
装置Ｓにより、試験片Ｔ（接合試験片）について、二軸強度評価試験を行うことができる。試験片Ｔは、図２に示すように、全体として短冊状をしており、長方形状の板片ａ１（第１板片）と長方形状の板片ａ２（第２板片）とを接合部ｂで接合してなる。試験片Ｔ（接合部ｂ）の中心ｃは、長手方向、幅方向および厚さ方向の各中央にあり、接合部ｂの略重心である。試験片Ｔは、中心ｃが装置Ｓの中心と略一致するように取り付けられる。
【００３６】
なお、試験片Ｔは、接合される各板片単体のみならず、全体としても厚さが均一であると共に表裏面（面積の最大面）は所定の平面度が確保されている。必要な場合、各板片の接合後に全体が機械加工等される。なお、接合される板片ａ１と板片ａ２は同一材でも異種材でもよい。接合部ｂも接着材、溶着材等のいずれでもよい。
【００３７】
ところで、装置Ｓは、基体１と、中間体２１、２２（まとめて「中間体２」という。）と、把持体３１、３２（まとめて「把持体３」という。）と、モータ機構４１２、４２２（まとめて「モータ機構４」という。／他軸駆動手段）と、モータ機構５１１、５２１（まとめて「モータ機構５」という。／一軸駆動手段）と、ロードセル６１１、６１２、６２１、６２２（まとめて「ロードセル６」という。／荷重センサ）と、変位計７１１、７１２、７２１、７２２（まとめて「変位計７」という。／変位センサ）と、コンピュータ（制御装置／図略）を備える。なお、コンピュータは、パソコン等からなり、ロードセル６と変位計７から受信する電気信号を考慮しつつ、モータ機構４、５の作動を制御する。
【００３８】
基体１は、略正方形状のベースプレートからなる。中間体２１（第１中間体）は、基体１のＸ方向一端側に配置され、リニアガイド１１１のガイドブロック１１１２に固定されたミドルプレート２１０からなる。ガイドブロック１１１２がガイドレール１１１１上を摺動することにより、中間体２１はＹ方向に直動する。基体１のＸ方向他端側に配置される中間体２２（第２中間体）も中間体２１と同構造であり、リニアガイド１２１によりＹ方向に直動する。なお、リニアガイド１１１、１２１は同構造であり、本発明でいう一軸リニアガイドに相当する。
【００３９】
把持体３１（第１把持体）は、中間体２１上に配置され、リニアガイド２１２のガイドブロック２１２２に固定されたトッププレート３１０からなる。ガイドブロック２１２２がガイドレール２１２１上を摺動することにより、把持体３１はＸ方向に直動する。中間体２２上に配置される把持体３２（第２把持体）も把持体３１と同構造であり、リニアガイド２２２によりＸ方向に直動する。なお、リニアガイド２１２、２２２は同構造であり、本発明でいう他軸リニアガイドに相当する。
【００４０】
把持体３１は試験片Ｔの板片ａ１の両面を挟持する挟持部３１１を有し、把持体３２は試験片Ｔの板片ａ２の両面を挟持する挟持部３２１を有する。挟持部３１１、３２１により、試験片Ｔは長手方向を一軸方向として、ほぼ装置Ｓの中央に保持される。
【００４１】
モータ機構４１２、４２２はそれぞれ、把持体３１、３２をＸ方向に進退させる。モータ機構５１１、５２１はそれぞれ、中間体２１、２２をＹ方向に進退させる。各モータ機構は、駆動源であるサーボモータとそれにより駆動される送りねじとにより構成される。
【００４２】
ロードセル６１２、６２２はそれぞれ、把持体３１、３２とモータ機構４１２、４２２との間に配設されて、試験片Ｔに作用するＸ方向の荷重を検出する。ロードセル６１１、６２１はそれぞれ、中間体２１、２２とモータ機構５１２、５２２との間に配設されて、試験片Ｔに作用するＹ方向の荷重を検出する。各ロードセルは、例えば、特許第４７７６９０２号公報に詳述されているように、ガラス中にＲｕＯ２を分散させた感圧素子（力学量センサ）からなり、圧縮荷重（応力）を検出する。
【００４３】
変位計７１２、７２２はそれぞれ、モータ機構４１２、４２２により移動する把持体３１、３２の変位を検出する。これらにより、試験片Ｔの接合部ｂに生じるＸ方向の変位（せん断ひずみ）が検出される。また、変位計７１１、７２１はそれぞれ、モータ機構５１２、５２２により移動する中間体２１、２２の変位を検出する。これらにより、試験片Ｔの接合部ｂに生じるＹ方向の変位（引張ひずみ）がわかる。なお、各変位計は、各検出子７１１１、７２１１、７１２２、７２２２の変位を、各光電式リニアエンコーダで検出する。
【００４４】
《試験例》
（１）同一鋼材からなる板片ａ１、ａ２を、熱硬化エポキシ系接着剤からなる接合部ｂで接合した試験片Ｔを用意した。板片ａ１を挟持部３１１で把持し、板片ａ２を挟持部３２１で把持して、試験片Ｔを装置Ｓの中央にセットした。
【００４５】
（２）先ず、モータ機構４１２とモータ機構４２２をそれぞれ作動させて、把持体３１と把持体３２をＸ方向に関して互いに離間する向きに移動させた。こうして把持体３１と把持体３２により、Ｘ方向の対称的な負荷を試験片Ｔへゆっくり印加した。ロードセル６１２、６２２により検出された荷重がそれぞれ４４０Ｎとなったところで停止・保持した。
【００４６】
このときの接合部ｂに作用するひずみ分布を、画像相関法により計測した結果を図３Ａに示した。この計測は、あらかじめ試験片Ｔの接合部の表面に画像相関法用のマーカーを付与しておき、せん断試験時に、把持体３１１と把持体３２１の間隙から、試験片Ｔの接合部表面を撮影して、その写真を画像相関法ソフトで解析して、ひずみ分布を求めた結果である。
【００４７】
（３）次に、その状態（試験片Ｔにせん断荷重を印加した状態）のまま、モータ機構５１１とモータ機構５２１をそれぞれ作動させて、中間体２１と中間体２２をＹ方向に関して互いに離間する向きに移動させた。こうして中間体２１、２２と共に移動する把持体３１、３２により、試験片ＴへＹ方向の対称的な負荷をゆっくり印加した。ロードセル６１１、６２１により検出された荷重がそれぞれ６８０Ｎとなったところで停止・保持した。
【００４８】
このときの接合部ｂに作用するひずみ分布を、同様に画像相関法により計測した結果を図３Ｂに示した。
【００４９】
（４）図３Ａから明らかなように、把持体３１、３２をＸ方向のみへ移動させた場合、接合部にはせん断ひずみのみが発生した。この状態で、中間体２１、２２を介して把持体３１、３２をＹ方向のみへ移動させた。この場合、図３Ｂから明らかなように、接合部にはせん断ひずみが増加することなく、引張ひずみのみが発生した。つまり、試験片Ｔには、印加した荷重に相応するひずみのみが発生していることがわかった。
【００５０】
従って、本発明に係る試験装置を用いると、余計な曲げモーメント等を介入させることなく、二軸方向に関して接合特性を的確に評価できることが確認できた。
【符号の説明】
【００５１】
Ｓ            試験装置
Ｔ            試験片
１            基体
２１、２２    中間体
３１、３２    把持体
【図１Ａ】
2019174211.tif 000003
【図１Ｂ】
2019174211.tif 000004
【図１Ｃ】
2019174211.tif 000005
【図１Ｄ】
2019174211.tif 000006
【図２】
2019174211.tif 000007
【図３Ａ】
2019174211.tif 000008
【図３Ｂ】
2019174211.tif 000009