(57)【要約】材料試験システム（１０）は、ベース（２２）、及び第１（１４Ａ）及び第２（１４Ｂ）の試料ホルダを含む。第１の変位センサ（３５）は、ベース（２２）に対する第１の試料ホルダ（１４Ａ）の変位を測定する。更に、第２の変位センサ（４０）は、ベース（２２）に対する第２の試料ホルダ（１４Ｂ）の変位を測定する。
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【特許請求の範囲】
【請求項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
を備える材料試験システム。
【請求項２】
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記載の材料試験システム。
【請求項３】
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２記載の材料試験システム。
【請求項４】
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３記載の材料試験システム。
【請求項５】
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３記載の材料試験システム。
【請求項６】
前記変位センサが容量性センサである請求項１記載の材料試験システム。
【請求項７】
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る、材料試験システム。
【請求項８】
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請求項７記載の材料試験システム。
【請求項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８記載の材料試験システム。
【請求項１０】
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９記載の材料試験システム。
【請求項１１】
振動力が前記第２の試料ホルダに印加される請求項９記載の材料試験システム。
【請求項１２】
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７記載の材料試験システム。
【請求項１３】
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１２記載の材料試験システム。
【請求項１４】
前記案内機構が直線型軸受けを備える請求項１３記載の材料試験システム。
【請求項１５】
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試料にかかる力を測定するステップと
を備える方法。
【請求項１６】
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１５記載の方法。
【請求項１７】
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１５記載の方法。
【請求項１８】
電磁アクチュエータが前記第２のホルダに結合され、
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１５記載の方法。
【請求項１９】
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１８記載の方法。
【請求項２０】
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る材料試験システム。
【請求項２１】
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２０記載の材料試験システム。
【請求項２２】
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請求項２０記載の材料試験システム。
【発明の詳細な説明】
【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。
【図１】
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【国際公開パンフレット】
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2004510131.tif 000021
2004510131.tif 000022
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004510131.tif 000023
2004510131.tif 000024
【国際調査報告】
2004510131.tif 000025
2004510131.tif 000026
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