(57)【要約】【課題】樹脂材等からなる一つの試験片を用いて、直交する二方向の応力を測定できるＸ線応力測定用治具を提供する。【解決手段】本発明のＸ線応力測定用治具（Ｇ）は、引張一軸方向に延在する短冊状の試験片（Ｓ）の一端部を把持する第１把持体（１）と、試験片の他端部を把持する第２把持体（２）と、第１把持体を一軸方向に可動に支持する第１支持部（３１）と第２把持体を一軸方向に可動に支持する第２支持部（３２）とを有する基台（３）と、試験片に一軸方向の引張荷重を印加する負荷手段（４）と、試験片に作用する引張力を感取するロードセル（５）とを備える。そして、試験片の測定面と略同レベル以下に底部があり、一軸方向に貫かれる第１光路部（Ｒ１）と、一軸方向に対する直交方向に貫かれる第２光路部（Ｒ２）とが形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
引張荷重が印加される一軸方向に延在する短冊状の試験片を保持するＸ線応力測定用治具であって、
該試験片の一端部を把持する第１把持体と、
該試験片の他端部を把持する第２把持体と、
該第１把持体を該一軸方向に可動に支持する第１支持部と該第２把持体を該一軸方向に可動に支持する第２支持部とを有する基台と、
該試験片に該一軸方向の引張荷重を印加する負荷手段と、
該試験片に作用する引張力を感取するロードセルとを備え、
該試験片の測定面と略同レベル以下に底部があり該一軸方向に貫かれる第１光路部と、
該試験片の測定面と略同レベル以下に底部があり該第１把持体と該第２把持体の内端間を該一軸方向に対する直交方向に貫かれる第２光路部と、
が形成されているＸ線応力測定用治具。
【請求項２】
前記第１光路部は、前記第１把持体、前記第２把持体、前記第１支持部および前記第２支持部に形成された開溝からなる請求項１に記載のＸ線応力測定用治具。
【請求項３】
前記開溝は、前記底部からテーパー状に拡幅する側部を有する請求項２に記載のＸ線応力測定用治具。
【請求項４】
前記試験片は、両端部に貫通穴をそれぞれ有し、
前記第１把持体と前記第２把持体は、該貫通穴に掛合すると共に頂面が該試験片の測定面と略同レベル以下となるピンをそれぞれ有する請求項１〜３のいずれかに記載のＸ線応力測定用治具。
【請求項５】
前記第１把持体は、前記基台の第１支持部の内側にあり前記試験片の一端部を前記直交方向の両側から把持する第１把持部と、該基台の第１支持部の外側にあり該第１把持部と連動する第１基部とを有し、
前記第２把持体は、該基台の第２支持部の内側にあり該試験片の他端部を該直交方向の両側から把持する第２把持部と、該基台の第２支持部の外側にあり該第２把持部と連動する第２基部とを有する請求項１〜４のいずれかに記載のＸ線応力測定用治具。  
【請求項６】
前記第１把持部と前記第１基部は、前記第１支持部を嵌通する第１ロッドにより連結されており、
前記第２把持部と前記第２基部は、前記第２支持部を嵌通する第２ロッドにより連結されている請求項５に記載のＸ線応力測定用治具。
【請求項７】
前記負荷手段は、前記第１基部を前記第１支持部に対して離間させる螺子部からなる請求項５または６に記載のＸ線応力測定用治具。
【請求項８】
前記ロードセルは、前記第２基部と前記第２支持部の間に配設され、圧縮力に応じた電気信号を出力する感圧素子からなる請求項５または６に記載のＸ線応力測定用治具。
【請求項９】
前記一軸方向と前記直交方向に関して、前記試験片に対するＸ線の出入射角が５°以上確保されている請求項１〜８のいずれかに記載のＸ線応力測定用治具。
【請求項１０】
前記試験片は、樹脂材または樹脂複合材からなる請求項１〜９のいずれかに記載のＸ線応力測定用治具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試験片に作用する応力（または歪み）をＸ線を用いて測定（解析）する際に、試験片を保持すると共にその試験片に一軸引張荷重を印加できる治具に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長が既知なＸ線を試料に照射して、得られたＸ線の回折パターンからブラッグ  (Bragg）の法則に基づいて、試料の同定や結晶構造の特定等を行うＸ線解析がよくなされる。
【０００３】
またＸ線解析は、試験片に作用している応力測定にも用いられる。その試験片は、金属やセラミックス等からなることが多かったが、最近では、軽量化の要請等により樹脂材（樹脂複合材を含む）からなることも多い。樹脂複合材についてＸ線応力測定を行った記載が、例えば、下記の文献にある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】K. Tanaka et al., Journal of the Society of Materials Science, Japan, 63-7, pp.514-520 (2014).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１では、短繊維強化樹脂複合材料からなる試験片に、長手方向の引張荷重を印加したときに作用する（残留）応力を、Ｘ線を用いて測定している。しかし、非特許文献１では、一軸引張方向のみからＸ線を入射できる引張試験機を用いて測定している。このため、混合された短繊維の配向方向に対して平行な方向と垂直な方向との両方について残留応力を評価する場合、別々な試験片を切り出して個別に測定を行う必要があった。
【０００６】
このように複数の試験片を用いて応力を評価すると、単に測定工数が増加するのみならず、測定される各方向の応力に試験片間の個体差が影響し、各方向に作用する応力状態を高精度に評価することが困難であった。
【０００７】
また、試料が樹脂材からなる場合、金属やセラミックス等からなる場合と異なり、回折を生じるＸ線の視斜角（θ）または回折角（２θ）はかなり低角となる。非特許文献１では、回折角が２０°〜１６０°となる範囲で測定しているが、樹脂材によっては、さらに低角域における測定も必要となる。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、樹脂材等からなる試験片についても、作用する二方向の応力を一つの治具で測定できるＸ線応力測定用治具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】
【０００９】
本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、新たな構造の治具を着想および具現化し、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。
【００１０】
《Ｘ線応力測定用治具》
（１）本発明は、引張荷重が印加される一軸方向に延在する短冊状の試験片を保持するＸ線応力測定用治具であって、該試験片の一端部を把持する第１把持体と、該試験片の他端部を把持する第２把持体と、該第１把持体を該一軸方向に可動に支持する第１支持部と該第２把持体を該一軸方向に可動に支持する第２支持部とを有する基台と、該試験片に該一軸方向の引張荷重を印加する負荷手段と、該試験片に作用する引張力を感取するロードセルとを備え、該試験片の測定面と略同レベル以下に底部があり該一軸方向に貫かれる第１光路部と、該試験片の測定面と略同レベル以下に底部があり該第１把持体と該第２把持体の内端間を該一軸方向に対する直交方向に貫かれる第２光路部と、が形成されているＸ線応力測定用治具である。
【００１１】
（２）本発明のＸ線応力測定用治具（単に「治具」ともいう。）を用いれば、一つの試験片だけを用いて、一軸方向と直交方向に作用している応力を測定できる。また本発明の治具によれば、低角のＸ線でも治具により遮られることが殆どなく、Ｘ線の出入射角（視斜角または回折角）が低角となる樹脂材（樹脂複合材を含む。）等からなる試験片の応力測定も可能となる。
【００１２】
このように本発明の治具を用いれば、Ｘ線による応力測定を幅広い材質からなる試験片にまで拡張できると共に、一つの試験片だけで直交する二方向について応力測定が可能となる。このため、本発明の治具によれば、種々の試験片について、個体差（バラツキ）の影響を受けることがなく、高精度で効率的な測定が可能となる。
【００１３】
《Ｘ線応力測定方法》
本発明は、上述したＸ線応力測定用治具を用いたＸ線応力測定方法としても把握できる。例えば、本発明は、上述したＸ線応力測定用治具により保持された試験片へＸ線源から導出したＸ線を照射する照射工程と、試験片から放出された回折Ｘ線を検出する検出工程と、を備えるＸ線応力測定方法でもよい。この場合、さらに、その放出された回折Ｘ線の回折角に基づいて、試験片に作用している応力を解析する解析工程を備えてもよい。
【００１４】
《その他》
（１）本明細書でいう「一軸方向」は試験片に印加され得る引張荷重の方向であり、単に「Ｘ軸方向」ともいう。「直交方向」は一軸方向に直交する方向であり、単に「Ｙ軸方向」ともいう。Ｘ軸方向とＹ軸方向は、特に断らない限り（回転等をしない限り）、試験片の測定面に沿った方向とし、試験片の測定面に垂直な方向（法線方向）は、単に「Ｚ軸方向」ともいう。
【００１５】
（２）本発明でいう「試験片の測定面と略同レベル以下」は、各光路部の底部の位置（底面の高さ）が、試験片の測定面に出入射されるＸ線を完全には遮らない範囲にあるという意味である。従って、光路部の底部（底面）が試験片の測定面と必ずしも同レベルでなくてもよい。敢えていうなら、「試験片の測定面と略同レベル以下」は、一軸方向と直交方向に関して、試験片に対するＸ線の出入射角が５°以上、４°以上さらには３°以上でも、Ｘ線による応力測定が可能となる範囲と換言できる。
【００１６】
なお、試験片の把持と試験片への引張荷重の印加が可能であれば、各光路部の底面が試験片の測定面よりも下方側（逆にいえば、試験片の測定面が各光路部の底面より上方側）にあってもよい。
【００１７】
（３）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】
【００１８】
【図１】本発明の一実施例であるＸ線応力測定用治具を示す斜視図である。
【図２】試験片の平面図と正面図である。
【図３】樹脂材からなる試験片について、種々の方向からＸ線応力測定したときの回折パターン図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本明細書で説明する内容は、Ｘ線応力測定用治具のみならず、それを用いたＸ線応力測定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。
【００２０】
《光路部》
治具の光路部は、出入射されるＸ線との干渉が少なくＸ線を可能な範囲で遮らないように形成される部位である。例えば、第１光路部は、第１把持体、第２把持体、第１支持部および第２支持部を貫く開溝として形成される。この場合、一軸方向に延在する（一軸方向を長手方向とする）試験片を把持し、その試験片に引張荷重を印加する機構を設けつつも、低角なＸ線の光路が確保される。
【００２１】
開溝は、さらに、底部からテーパー状に拡幅する側部を有すると好ましい。これにより、一軸方向（Ｘ軸方向）の周りに回転させて試験片の測定面を傾斜させたときでも、低角なＸ線による応力測定が可能となる。側部（側面）の傾斜角（γ°）を大きくするほど、測定可能なＸ軸周りの回転角（φ）も大きくなる。この場合、−γ°≦φ≦γ°となる範囲で治具をＸ軸周りに回転させても、Ｘ線による応力測定が可能となり得る。なお、側部の傾斜角は底部の法線からの角度とする。
【００２２】
《把持体》
（１）把持体は、例えば、試験片を直交方向の両側から把持する構造であると好ましい。例えば、試験片の両側をツメで押えるとよい。この場合、両ツメ間にＸ線の光路となる上述した開溝が形成される。このツメの側部が上方に拡幅する傾斜面からなると、上述したようにＸ軸周りの回転も可能となり好ましい。
【００２３】
把持体は、ピンを介して、試験片の位置決め、保持、引張荷重の印加等を行ってもよい。例えば、把持体は、試験片の端部に掛合すると共に頂面が試験片の測定面と略同レベル以下となる（掛合）ピンをそれぞれ有するとよい。ピンは、その頂面（底部の一部を構成する）が低角のＸ線を遮らない範囲で種々の形態をとり得る。例えば、ピンは、断面形状が一定な柱体（筒体）でもよいし、鍔を有する断面Ｔ字状のものでもよいし、皿螺子等でもよい。
【００２４】
なお、試験片の両端部には、予め、それらピンに掛合する貫通穴を設けておくとよい。
また、試験片は、ピンとツメ（両側２箇所）により、各端部が３点支持（把持）されているとより好ましい。
【００２５】
（２）把持体は、試験片を保持しつつ引張荷重を印加できる必要がある。このため把持体は、基台の支持部に対して一軸方向に可動となっている。このために必要な機構や構造は種々考えられる。例えば、把持体は、基台の支持部を跨いで連動する二部材（把持部と基部）で構成できる。具体的にいうと、第１把持体は、基台の第１支持部の内側にあり試験片の一端部を直交方向の両側から把持する第１把持部と、基台の第１支持部の外側にあり第１把持部と連動する第１基部とを有するとよい。同様に、第２把持体は、基台の第２支持部の内側にあり試験片の他端部を直交方向の両側から把持する第２把持部と、基台の第２支持部の外側にあり第２把持部と連動する第２基部とを有するとよい。
【００２６】
把持部と基部は、例えば、基台の支持部を嵌通するロッドで連結されることにより連動する。具体的にいうと、第１把持部と第１基部は、第１支持部を嵌通する第１ロッドにより連結されているとよい。同様に、第２把持部と第２基部は、第２支持部を嵌通する第２ロッドにより連結されているとよい。ロッドがガイドとなって把持部と基部を一軸方向のみに連動させるため、試験片には一軸方向のみの荷重が安定的に印加される。なお、ロッドは、試験片の一軸方向の左右両側（直交方向の両側）に、一対が均等配置されてなると好ましい。
【００２７】
《負荷手段》
負荷手段は種々考えられる。本発明の治具は、引張破断試験装置等とは異なり、試験片に所定の応力を負荷できれば足る。そこで本発明に係る負荷手段は、例えば、螺子部からなると、Ｘ線を遮らないように小型化できて好ましい。螺子部は、電動でもよいが、手動の方が小型化を図れて好ましい。把持体が上述した構造からなる場合なら、例えば、一方の基部（例えば第１基部）を一方の支持部（例えば第１支持部）に対して離間させるように螺子部を配設するとよい。
【００２８】
《ロードセル》
ロードセルは、試験片に印加されている引張荷重を、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。ロードセルには、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。
【００２９】
把持体が上述した構造からなる場合なら、例えば、ロードセルとして、一方の基部（例えば第２基部）と一方の支持部（例えば第２支持部）の間に配設され、圧縮力に応じた電気信号を出力する感圧素子を用いることができる。このような感圧素子の一例は、特許第４７７６９０２号公報にある「力学量センサ素子」である。
【００３０】
なお、負荷手段とロードセルは、一軸方向の同じ側に配設されてもよいが、それぞれ一方に配設されると、配設自由度の確保や治具の小型化を図れて好ましい。
【００３１】
《その他》
（１）試験片
試験片の材質は問わない。本発明の治具を用いると、低角のＸ線でも応力測定が可能となるため、試験片は、金属材やセラミックス材等に限らず、樹脂材や樹脂複合材等でもよい。
【００３２】
試験片は、等方性材料に限らず異方性材料でもよい。樹脂材からなる試験片は、射出成形の方向や分散材（繊維、粒子等のフィラ）の配向等の影響により、方向により機械的特性が異なる異方性材料であることが多い。このような試験片でも、本発明の治具を用いると、一つの試験片で少なくとも直交する二方向の応力状態を測定できて好都合である。
【００３３】
（２）Ｘ線
Ｘ線源やＸ線の波長は問わない。Ｘ線は管球Ｘ線でも、放射光Ｘ線でもよい。高透過性のＸ線を用いると、スリット板の利用により、試験片内部の応力測定まで可能となる。
【００３４】
（３）測定
本発明の治具の用途は、試験片に所定の引張荷重を印加して応力測定する場合に限らない。引張荷重を試験片に印加せず既に試験片に残存している応力（残留応力）を測定する場合に本発明の治具を用いてもよい。さらには、応力測定とは別に、結晶構造の解析等を行う場合に本発明の治具を用いてもよい。
【実施例】
【００３５】
《Ｘ線応力測定用治具》
本発明の一実施例であるＸ線応力測定用治具Ｇ（単に「治具Ｇ」という。）の斜視図を図１に示した。また、治具Ｇにより、保持および引張荷重の印加がなされる試験片Ｓの平面図と正面図を図２に示した。
【００３６】
試験片Ｓは、長方形状（短冊状）をした本体ａと、その両端部の両面側にそれぞれ設けられたステンレス製の補強板ｂ１、ｂ２と、それらの両端部に穿設した貫通穴ｃ１、ｃ２とを有する。
【００３７】
治具Ｇは、把持体１（第１把持体）と、把持体２（第２把持体）と、基台３と、螺子部４（負荷手段）と、ロードセル５とを備える。
【００３８】
把持体１は、断面凹状の把持部１１と、断面凹状の基部１２と、それらを連結する２本のロッド１３１、１３２と、試験片Ｓの一端部を両側から把持する１対のツメ１１１、１１２と、試験片Ｓの貫通穴ｃ１に掛合するピン１１３とを備える。把持体２は、断面凹状の把持部２１と、断面凹状の基部２２と、それらを連結する２本のロッド２３１、２３２と、試験片Ｓの他端部を両側から把持する１対のツメ２１１、２１２と、試験片Ｓの貫通穴ｃ２に掛合するピン２１３とを備える。
【００３９】
基台３は、長方形状の環状枠体からなり、Ｘ軸方向端側にそれぞれ平行に立設された断面凹状の支持部３１、３２と、支持部３１と支持部３２の内側を架橋する架橋部３３、３４と、Ｘ線装置のステーション（図略）に取付ける台座部３５とからなる。
【００４０】
螺子部４は、ボルトを回転させる（締付ける）ことにより、把持体１の基部１２が基台３の支持部３１から離間する方向に移動する構造となっている。螺子部４の締付力（回転量）を変えることにより、基部１２と連動する把持部１１に把持された試験片Ｓに印加される引張荷重が調整される。
【００４１】
ロードセル５は、ガラス中にＲｕＯ２を分散させた感圧体からなる。ロードセル５は、把持体２の基部２２と基台３の支持部３２との間に配設されている。ロードセル５は、螺子部４により試験片Ｓに引張荷重が印加されたとき、基部２２と支持部３２の間で挟持され、そのときの圧縮力に応じた電圧を出力する。ロードセル５の構造は、特許第４７７６９０２号公報に詳述されている通りである。
【００４２】
ところで、Ｘ線が入射するＸ軸方向（一軸方向）には、光路部Ｒ１が延在している。光路部Ｒ１は、ツメ１１１、１１２の傾斜面１１１ａ、１１２ｂと、ツメ２１１、２１２の傾斜面２１１ａ、２１２ｂと、支持部３１の傾斜面３１ａ、３１ｂおよび底面３１ｃと、支持部３２の傾斜面３２ａ、３２ｂおよび底面３２ｃと、基部１２の傾斜面１２ａ、１２ｂおよび底面１２ｃと、基部２２の傾斜面２２ａ、２２ｂおよび底面２２ｃとにより構成される略Ｖ字状の開溝からなる。
【００４３】
底面１２ｃ、２２ｃ、３１ｃ、３２ｃは、試験片Ｓの測定面ａ１と略同一レベルとなるように配置されている。これによりＸ軸方向に低角な視斜角（α）で入射したＸ線Ｌ１も、測定面ａ１で回折して低角な回折角で放出可能となっている。また、光路部Ｒ１の側面は、上方に拡幅した各傾斜面で形成されているため、治具ＧがＸ軸周りに回転しても、Ｘ線Ｌ１の出入射は殆ど遮られない。なお、本実施例の場合、各傾斜面（側部）は各底面の法線に対してγ＝４５°傾斜させた。
【００４４】
また、Ｘ線が入射するＹ軸方向（一軸方向の直交方向）には、光路部Ｒ２が延在している。光路部Ｒ２は、把持部１１と把持部２１の内端面間の隙間と架橋部３３、３４の底面３３ｃ、３４ｃにより構成された矩形状の開溝からなる。これによりＹ軸方向に低角な視斜角（β）で入射したＸ線Ｌ２も、測定面ａ１で回折して低角な回折角で放出可能となっている。
【００４５】
《測定例》
（１）試験片
代表的な構造用樹脂材料の一つであるポリプロピレンサルファイド（ＰＰＳ：Polypropylenesulfide）を射出成形した試験片（４５ｍｍ×１０ｍｍ×２ｍｍ）を用意した。試験片の各端部両面には、ステンレス製の補強板（厚さ０．４ｍｍ）を接着して。その両端部には、治具のピンに掛合する貫通穴（φ５ｍｍ）をそれぞれ穿設した。
【００４６】
（２）測定
Ｘ線源には、あいちシンクロトロン光センターＢＬ８Ｓ１を用いた。検出器にはPILATUS100K（Dectris社製）を用いた。試験片を治具に取り付けて、試験片の測定面へ複数の方向からＸ線を入射させた。このとき得られたＸ線の回折パターンを図３にまとめて示した。
【００４７】
図３中に示したΦｚはＺ軸周りの回転角を示す。つまり、Φｚ＝０°はＸ軸方向にＸ線を入射させたときを示し（図１のＬ１）、Φｚ＝９０°はＹ軸方向にＸ線を入射させたときを示す（図１のＬ２）。また、φは試験片の測定面の傾きを示す。φ＝０°は試験片の測定面が水平であることを示し、φ＝４５°は試験片の測定面が水平から４５°傾斜していることを示す。
【００４８】
（３）評価
図３から明らかなように、いずれの場合でも回折線を観測できた。従って、本発明の治具を用いることにより、一軸引張方向に平行な方向と垂直な方向の２方向について、Ｘ線による応力測定が可能となることが確認された。
【符号の説明】
【００４９】
Ｇ          Ｘ線応力測定用治具
Ｓ          試験片
Ｒ１、Ｒ２  光路部
１、２      把持体
３          基台
４          螺子部（負荷手段）
５          ロードセル    
【図１】
2019174212.tif 000003
【図２】
2019174212.tif 000004
【図３】
2019174212.tif 000005