JP3944558B2

JP3944558B2 - 材料試験方法

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Publication number: JP3944558B2
Application number: JP2003381385A
Authority: JP
Inventors: 雄作藤井; 誉夫山口
Original assignee: Gunma University NUC
Current assignee: Gunma University NUC
Priority date: 2003-11-11
Filing date: 2003-11-11
Publication date: 2007-07-11
Anticipated expiration: 2023-11-11
Also published as: JP2005147700A; EP1531326B1; US20050097964A1; DE60311818T2; EP1531326A1; US6918304B2; DE60311818D1

Description

本発明は、被測定物の力学的特性を評価する材料試験方法に関する。

この種の材料試験方法においては、被測定物に作用する力と被測定物の歪とを計測し、計測された力と歪とに基づいて被測定物の弾性係数等の力学的特性を評価している。そして、従来は、被測定物に作用する力をロードセル等の力センサで計測している(例えば、非特許文献１参照)。

ところで、静的な力に対するに対する力センサの検出出力の校正手法(静的校正法)は確立されているが、力センサに動的な力が作用した場合には、力の変化に対する検出出力の応答遅れ等の独特の現象を生じ、力センサの検出出力を静的校正法で校正しても、動的な力を正確に計測することはできない。従って、被測定物に作用する力が変化した場合には、その力を力センサで計測しても、計測精度を確保できず、被測定物の力学的特性を正確に評価することは困難である。
機械工学便覧、１９８７年４月１５日日本機械学会発行(Ｂ３−７４頁)

本発明は、以上の点に鑑み、被測定物に作用する力の計測精度を確保して、被測定物の力学的特性を正確に評価し得るようにした材料試験方法を提供することをその課題としている。

上記課題を解決するために、本発明は、被測定物に錘体を取り付けて、被測定物をばね要素とする質量―ばね系を構成し、この質量―ばね系を加振して、錘体に作用する慣性力と錘体の変位とを測定し、この慣性力と変位とに基づいて被測定物の力学的特性を評価する材料試験方法であって、錘体を直動静圧空気軸受で支持すると共に、錘体に設けた反射部に測定光を入射して、反射部からの反射光の状態を計測する光波干渉計を用い、計測した反射光の状態から錘体の変位と加速度とを求め、求めた錘体の加速度から前記慣性力を算出することを特徴とする。

ここで、上記質量―ばね系の振動時、錘体から被測定物に作用する力と、被測定物から錘体に作用する力は、作用・反作用の法則により、大きさが等しい逆向きの力になる。そして、錘体に作用する摩擦力が無視できる条件下では、錘体の慣性力は、被測定物から錘体に作用する力に等しくなる。そのため、被測定物に作用する力を錘体の慣性力から高精度に測定できる。また、錘体は被測定物の歪に応じて変位するから、被測定物の歪を錘体の変位から高精度に測定できる。従って、錘体の慣性力と変位とに基づいて被測定物の力学的特性を正確に評価できる。特に、本発明によれば、変動する荷重下における被測定物の力学的特性の評価精度が力センサを用いた場合に比し飛躍的に向上する。

ところで、錘体の慣性力は、錘体の質量と加速度との積に等しい。ここで、本発明の如く錘体に設けた反射部に測定光を入射して、反射部からの反射光の状態を計測する光波干渉計を用いれば、反射光の状態から錘体の変位、速度、加速度を求めることができ、求めた錘体の加速度から錘体の慣性力を正確に算出することができる。そして、光波干渉計だけで錘体の慣性力と変位とを計測することができるため、コスト的にも有利になる。

また、錘体は、その運動が１自由度に制限されるように、直動軸受で支持することが望ましい。特に、本発明の如く錘体を直動静圧空気軸受で支持すれば、錘体に作用する摩擦力を極力小さくして、錘体の慣性力と被測定物に作用する力との偏差を可及的に減少でき、測定精度が向上する。

また、上記質量―ばね系を加振するには、錘体に衝撃力を加えてもよいが、被測定物にアクチュエータを連結し、このアクチュエータにより質量―ばね系を加振するように構成すれば、任意の大きさ、波形で加振して、これに対する被測定物の応答を調べることが可能になり、有利である。

以下、本発明の実施形態を図１〜図７を参照して説明する。図１は本発明の実施に使用する第１実施形態の材料試験装置を示す図、図２は光波干渉計で計測されたビート周波数のデータと、この計測データから算出した錘体の変位速度、変位、加速度、慣性力のデータを示すグラフ、図３は慣性力の変化を示すグラフ、図４は慣性力と変位との関係を示すグラフ、図５は慣性力とその回帰直線との偏差と変位との関係を示すグラフ、図６は対数減衰率と周期の変化を示すグラフ、図７は第２実施形態の材料試験装置を示す図である。

図１を参照して、１は被測定物であり、被測定物１の一端を材料試験装置のベース２に固定し、被測定物１の他端に錘体３を固定して、被測定物１と錘体３とにより被測定物１をばね要素とする質量―ばね系が構成されるようにしている。被測定物１は任意であるが、図示のものでは、被測定物１を、ブロック状のシリコンゴムの両端に金属プレート１ａ，１ｂが接着されたダンパーとし、両端の金属プレート１ａ，１ｂを夫々ベース２と錘体３にねじ等の適宜の手段で固定している。

錘体３は、ベース２に固定した直動軸受４により、運動の自由度が水平の一軸方向に制限されるように支持されている。直動軸受４としては、摩擦抵抗の小さい直動静圧空気軸受、例えば、ＮＴＮ株式会社製のエアスライド(登録商標)を使用している。この直動軸受４は、可動部たる錘体３に形成した貫通穴３ａに挿通される直状のガイド部４ａを備え、この貫通穴３ａの内周面とガイド部４ａの外周面との間隙に全周に亘って圧縮空気層が形成されている。これにより、錘体３は、ガイド部４ａの軸線(以下、ガイド軸線と記す)方向に極めて小さい摩擦抵抗で直動自在になる。尚、図示省略するが、圧縮空気はガイド部４ａから導入されて、ガイド部４ａの中央部に形成した出口から錘体３の内周溝を介して錘体３の中央部に形成した入口に導かれ、錘体３の内部配管を介して上記間隙に供給される。錘体３に給気チューブを介して圧縮空気を直接導入すれば、給気通路構造はもっと簡単になるが、給気チューブからの外力が錘体３に作用することを防止するため、ガイド部４ａから圧縮空気を導入している。

ここで、第１実施形態では、錘体３にハンマ５により衝撃力を加えることにより、上記した質量―ばね系を加振させるようにしている。尚、ハンマ５には、先端にゴム５ａが取り付けられている。加振時において、錘体３から被測定物１に作用する力と、被測定物１から錘体３に作用する力は、作用・反作用の法則により、大きさが等しい逆向きの力になる。また、錘体３が直動静圧空気軸受４で支持されて、錘体３に作用する摩擦力を無視できるため、錘体３の慣性力Ｆは、被測定物１から錘体３に作用する力に等しくなる。従って、錘体３の慣性力Ｆは被測定物１に作用する力を正確に表すパラメータになる。また、錘体３の変位ｘは被測定物１の歪を正確に表すパラメータになる。その結果、錘体３の慣性力Ｆと変位ｘとを計測することにより、被測定物１の力学的特性を正確に評価できる。尚、錘体３の慣性力Ｆは、錘体３の質量(錘体に固定された全てのものを含む質量)をＭ、錘体３の加速度をαとして、Ｆ＝Ｍ×αになる。

材料試験装置には、ガイド軸線方向における錘体３の変位速度を計測する光波干渉計６が設けられている。光波干渉計６は、公知のものであり、その概略について説明する。実施形態の光波干渉計６は、周波数の僅かに異なる２つの光を発振するゼーマンタイプのヘリウムネオンレーザから成る光源７を備えており、この光源７から出射される２つの光ｂ１は分光器８で分離され、一方が測定光ｂ２、他方が参照光ｂ３になる。測定光ｂ２は、錘体３に固定した反射部たるコーナ・キューブ・プリズム９に入射され、コーナ・キューブ・プリズム９で反射されて再度分光器８に入射される。ここで、分光器８とコーナ・キューブ・プリズム９との間の光路の方向はガイド軸線と平行なるように設定されており、コーナ・キューブ・プリズム９からの反射光ｂ２´は、錘体３のガイド軸線方向の変位速度に応じたドップラシフト(ドップラ効果による周波数変化)を生ずる信号光になる。参照光ｂ３は分光器９から第２のコーナ・キューブ・プリズム１０を経由して再度分光器８に入射され、ここで反射光ｂ２´と合成され、反射光ｂ２´と参照光ｂ３との周波数の差分の周波数のビートを生ずる干渉光ｂ４になる。干渉光ｂ４は、分光器８からミラー１１と偏光板(例えば、グラン・トンプソン・プリズム)１２とを介して光検出器１３に入射され、ここで干渉光ｂ４のビート周波数ｆbeatに応じた電気信号に変換されて第１周波数カウンタ１４に入力される。そして、第１周波数カウンタ１４によりビート周波数ｆbeatの値を表すデジタルデータが作成され、これがコンピュータ１６に送信される。また、光源７では、内蔵する光検出器により、錘体３の静止状態に対応する基準周波数ｆrestの電気信号が作成され、この電気信号が第２周波数カウンタ１５に入力される。そして、第２周波数カウンタ１５により基準周波数ｆrestの値を表すデジタルデータが作成され、これがコンピュータ１６に送信される。ここで、錘体３のガイド軸線方向の変位速度ｖは、空気の屈折率をλairとして、ｖ＝λair・(ｆbeat−ｆrest)／２になる。

尚、本実施形態では、周波数カウンタ１４，１５として、Ａｄｖａｎｔｅｓｔ製のＭＯＤＥＬ：Ｒ５３６３を用いている。このカウンタは、休止時間なしに周波数の測定を行い、１４０００個の測定量をメモリに保存できる。そのメモリからコンピュータ１６への読み出しは、ＧＰＩＢバスを介して行っている。周波数を休止時間なしに測定することは、測定の高精度化を図る上で重要である。また、周波数カウンタ１４，１５を用いずに、光検出器１３から出力される電気信号を高性能の波形記録装置により記録し、事後に、記録された波形から周波数およびその時間変化を求めるようにしてもよく、これによればより高度な周波数測定が可能になる。

コンピュータ１６は、その機能的手段(プログラムによって実現される手段)として、ビート周波数ｆbeatと基準周波数ｆrestとから錘体３のガイド軸線方向の変位速度ｖを上記式により逐次算出する手段と、この変位速度ｖの時系列値を積分することにより錘体３のガイド軸線方向の変位(位置)ｘを逐次算出する手段と、変位速度ｖの時系列値を微分することにより錘体３のガイド軸線方向の加速度αを逐次算出する手段と、算出された加速度αと予め記憶保持されている錘体３の質量Ｍとから錘体３のガイド軸線方向の慣性力Ｆを逐次算出する手段とを備える。また、コンピュータ１６は、算出した変位速度ｖ、加速度α、位置ｘ、慣性力Ｆを時系列的にハードディスク等の記憶手段(図示せず)に記憶保持すると共に、これらのデータをディスプレイやプリンタ等の表示手段(図示せず)に適宜出力する。

尚、被測定物１と錘体３との間に生じる作用力と反作用力により、錘体３にモーメントが作用すると、錘体３の姿勢が変化して様々な悪影響を生ずる可能性がある。例えば、錘体３とガイド部４ａとの間の空気層が破れて、摩擦力が大きくなったり、モーメントが空気層を介してベース２に伝達されて、光波干渉計６の構成部品を振動させる可能性があり、測定精度が悪化する。そこで、錘体３に適当な付加質量を取り付けて、錘体３の重心の位置と被測定物１とを結ぶ直線がガイド軸線に平行になるようにし、錘体３にモーメントが作用することを防止している。また、試験装置の振動の影響を考慮すると、ベース２として、床に固定される重い定盤(例えば、鋳鉄製定盤)を用い、試験装置全体をしっかりとした構造にすると共に、光波干渉計６をベース２に対し浮き支持させる等の防振対策を講ずることが望ましい。

次に、上記第１実施形態の試験装置を用いて行った材料試験の結果について説明する。被測定物１を上記ダンパーとし、錘体３として質量Ｍが４．５８１８ｋｇのものを用いて試験を行い、図２に示す測定データを得た。同図(ａ)はビート周波数ｆbeat、同図(ｂ)はビート周波数ｆbeatから算出した錘体３のガイド軸線方向の変位速度ｖ、同図(ｃ)は変位速度ｖを積分して算出した錘体３の変位ｘ、同図(ｄ)は変位速度ｖを微分して算出した錘体３の加速度α、同図(ｅ)は錘体３の質量Ｍに加速度αを乗算して算出した錘体３の慣性力Ｆである。ビート周波数ｆbeatは、加振により、錘体３が静止している状態での値(基準周波数ｆrest)である約２．６ＭＨｚを中心に変化している。図２(ｅ)のＦａで示す慣性力の部分はハンマ５で与えられた衝撃力であり、この衝撃力により被測定物１と錘体３とから成る質量―ばね系が加振され、約１３Ｈｚの周波数で振動する。

尚、図２は加振初期の測定データであり、振動が完全に減衰するまでの慣性力Ｆのデータを図３に示す。そして、図３にＴで示す、１２周期、２４のピークが含まれる約０．９２秒の区間を選択して、以下の詳細な解析を行った。尚、最初の正のピークを含む半周期は解析区間Ｔから除外したが、これは、この半周期の区間では、ハンマ５と錘体３との接触状態が残っている可能性があるためである。

解析区間Ｔにおける慣性力Ｆのデータと変位ｘのデータとから、慣性力Ｆと変位ｘとの関係を調べたところ、この関係は図４に示すようになった。図中の直線Ｌは、解析区間Ｔの全測定データに対する回帰直線である。図４に丸印で示されている測定データが回帰直線Ｌに完全にはのっていないため、被測定物１が理想的なばねではないことが分かる。そして、回帰直線Ｌからの慣性力Ｆの偏差ΔＦと変位ｘとの関係を求めたところ図５に示すようになった。図５から、被測定物１の減衰特性に起因する弾性ヒステリシスの存在が明瞭に分かる。また、図６(ａ)(ｂ)に、解析区間Ｔ内の各ピークにおける対数減衰率、振動周期を示す。

次に、図７に示す第２実施形態の材料試験装置について説明する。尚、上記第１実施形態と同様の部材には上記と同一の符号を付してその説明を省略する。第１実施形態と相違するのは、ベース２と被測定物１との間にアクチュエータ１７を介設し、被測定物１をアクチュエータ１７に連結したことである。これによれば、被測定物１と錘体３とから成る質量―ばね系をアクチュエータ１７により任意の大きさ、波形で加振して、これに対する被測定物１の応答を調べることが可能になる。

尚、このものでは、被測定物１がアクチュエータ１７により変位すると共に、被測定物１にアクチュエータ１７からの外力が作用する。そこで、アクチュエータ１７の可動面１７ａの変位速度を計測するために、可動面１７ａに固定したコーナ・キューブ・プリズム１８ａにミラー１８ｂを介して測定光を入射する第２の光波干渉計１８を設けている。そして、この光波干渉計１８で計測した変位速度から可動面１７ａの変位を求めて，これと錘体３の変位とから被測定物１の歪を算出すると共に、可動面１７ａの変位速度から加速度を求めて、アクチュエータ１７から被測定物１に作用する外力を算出し，錘体３の慣性力にこの外力を加算して、被測定物１に作用する力を求めるようにしている。

尚、上記第１と第２の実施形態の試験装置を用いた材料試験において、被測定物１の内部の加速度分布、速度分布、変位分布を調べるため、各種全視野測定機器を導入することも可能である。また、有限要素法等の数値解析法と組み合わせることも可能であり、これにより、一層高度な材料特性評価が可能になる。また、錘体３として１ｇ程度のものを用いることにより、１μＮ以下の微小な力に対する材料試験を行うことができる。従って、マイクロマシン、ナノマシン等で用いられる各種材料の力学的特性を試験することも可能になる。

また、上記第１と第２の実施形態の試験装置では、錘体３の運動方向を水平にしているが、直動軸受４を鉛直或いは傾斜させて配置し、鉛直成分を持つ方向に錘体３を運動させることも可能である。この場合、錘体３の重力成分が被測定物１に作用する力に加算されることになる。また、錘体３の姿勢制御等を能動的に行う方式を採用し、直動軸受４を省略した構成とすることも可能である。

また、上記実施形態では、光波干渉計６の光源７として、周波数の僅かに異なる２つの光を発振するゼーマンタイプのヘリウムネオンレーザを用いているが、通常の安定化半導体レーザ、よう素安定化ヘリウムネオンレーザといった単一周波数の光を発振する光源を用いることも可能である。この場合、分光器８で２つに分けた光の一方に、音響光学素子等を用いて周波数シフトを与え、周波数の僅かに異なる２つの光を作れば、上記実施形態と同様な測定を行うことができる。

ところで、反射光ｂ２´のドップラーシフトと位相のズレ(＝シフト)は、表裏一体の関係にある。即ち、移動物体に当たって反射する光の周波数のドップラーシフトは、移動物体の移動距離の２倍に相当する位相シフトとしても理解できる。そのため、光波干渉計として、単一周波数発振の光源から出射される測定光を錘体３の反射部９に入射し、反射部９からの反射光の位相のズレを、反射光と参照光の合成で形成される干渉縞の位相のズレとして計測する各種の光波干渉計、例えば、標準尺校正用の干渉縞計数方式の光波干渉計を用いてもよい。この場合、最初に測定されるのは錘体３の変位となり、それを１階微分して速度、２階微分して加速度を求めることになる。干渉縞の１周期内の分割、シフト量の演算等には、ＤＳＰ(ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ)を用いたリアルタイム処理を行ってもよいが、より高精度な測定のためには、干渉縞の明暗信号の全波形を記録し、事後に解析を行うことが望ましい。

尚、どのような光波干渉計を使用するにせよ、錘体３の反射部９からの反射光の状態(周波数または位相)を測定することに変わりはない。そして、測定された反射光の状態から錘体３の変位、速度、加速度、ひいては錘体３の慣性力を高精度に算出することができる。

本発明方法に実施に使用する第１実施形態の材料試験装置の全体構成を示すブロック図。 (ａ)ビート周波数の測定データを示すグラフ、(ｂ)ビート周波数の測定データから算出した錘体の変位速度を示すグラフ、(ｃ)変位速度から算出した錘体の変位を示すグラフ、(ｄ)変位速度から算出した錘体の加速度を示すグラフ、(ｅ)加速度から算出した錘体の慣性力を示すグラフ。振動が完全に減衰するまでの錘体の慣性力の変化を示すグラフ。慣性力と変位との関係およびこの関係の回帰直線を示すグラフ。回帰直線と慣性力との偏差と変位との関係を示すグラフ。 (ａ)対数減衰率の変化を示すグラフ、(ｂ)振動周期の変化を示すグラフ。第２実施形態の材料試験装置の全体構成を示すブロック図。

符号の説明

１…被測定物、３…錘体、４…直動静圧空気軸受、６…光波干渉計、９…反射部、１７…アクチュエータ。

Claims

被測定物に錘体を取り付けて、被測定物をばね要素とする質量―ばね系を構成し、この質量―ばね系を加振して、錘体に作用する慣性力と錘体の変位とを測定し、この慣性力と変位とに基づいて被測定物の力学的特性を評価する材料試験方法であって、
錘体を直動静圧空気軸受で支持すると共に、
錘体に設けた反射部に測定光を入射して、反射部からの反射光の状態を計測する光波干渉計を用い、計測した反射光の状態から錘体の変位と加速度とを求め、求めた錘体の加速度から前記慣性力を算出することを特徴とする材料試験方法。
前記被測定物にアクチュエータを連結し、このアクチュエータにより前記質量―ばね系を加振することを特徴とする請求項１に記載の材料試験方法。