JPH0277637A - 粘弾性測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野〕 この発明は、セラミック材料等の硬質の物質の剛性率（
ヤング率）、内部摩擦損失等を測定するのに使用して好
適なねじれ自由減衰振動法を翔いた粘弾性測定装置に関
する。

〔従来の技術〕

高分子物質等の粘弾性的性質を測定する方法として、下
記に述べるように種々のものが知られている。

ａ、引張り試験機による応力と歪みの関係から粘弾性を
測定する方法。

これは、従来から一般的な方法として行われてきたが、
高温での測定を行う場合に、チャック部の伸びの誤差が
発生し易く、また、高温での歪み検出用のストレインゲ
ージの使用が難しかった。

更に１．この測定法は、破壊試験のために、試験片を多
数必要とする欠点があつた。

ｂ、音波の伝播速度から粘弾性を測定する方法。

超音波の伝播速度とその密度から粘弾性を測定する。こ
の方法の最大の欠点は、超音波発振子と試料とを接着す
る接着剤が高温まで耐えられないことである。

Ｃ０強制振動による試料の共振周波数から粘弾性を測定
する方法。

この方法は、比較的小さな試料を用いて測定可能であり
、振動数からヤング率を計算するため、精度が高く、・
また、高温での測定が比較的簡単な利点を有する。しか
しながら、強制振動のために、駆動エネルギーを発生す
るための強力な駆動部が必要であり、測定装置の構成が
大形且つ複雑となる問題がある。然も、装置の共振周波
数と駆動周波数との干渉による誤差等により、精度の良
いデータを得ることが難しかった。

ｄ、ねじれ自由減衰振動法 高温で測定する際に、上述の問題を生ぜず、また、非破
壊試験６ために、試験片を多く必要とせず、更に、強力
な駆動部を必要としない利点がある。

従って、ねじれ自由減衰振動法は、低温（液体窒素温度
）から高温（例えば１５００°Ｃ）までの範囲における
セラミック材料の機械的性質例えば引張り強さ、曲げの
強さ、剛性率（ヤング率）、内部摩擦損失等の測定に好
適である。即ち、内部摩擦損失の測定により、セラミッ
ク中の欠陥（ボア、クラック等）を実際に則した条件下
で検出でき、また、評価できる。

〔発明が解決しようとする課題〕 第７図は、ねじれ自由減衰振動法の概略を示すものであ
り、１が試料、２が固定の下部チャック、３が軸４と連
結された上部チャック、５が慣性体、６がピアノ線であ
る。ピアノ線６には、滑車７を介してバランス錘（図示
せず）が繋がれている。

第７図Ｂは、第７図Ａを上方から見た図である。

慣性体５に対して外力Ｆ１を一発加えて、初期振幅を与
え、試料１の自由減衰振動波形がセンサ（図示せず）に
より検出される。第８図は、自由減衰振動波形を示し、
この波形の複数の振幅から剛性率等が求められる。

従って、第８図に示すような波形が正確且つ安定に得ら
れることがねじれ自由減衰振動法で最も重要である。し
かしながら、セラミック材料等の硬質の試料の場合には
、減衰振動波形が安定に得られない問題があった。この
理由は、慣性体５の。

外力Ｆ１が加わった一端部が円弧運動するが、試料１が
硬いほど軸４も矢印で示す方向に平行移動し、本来のね
じれ運動に横振動或いは縦振動が重畳されるからである
。慣性体５の他端に可逆的に外力Ｆ２を与えたとしても
、Ｆｌのみによる一方向よりは、改善できるとは言え、
他の振動を完全に除去することが困難であった。

従って、この発明の目的は、頗る硬質の試料の場合でも
、正確且つ安定な減衰波形のデータを得ることができる
ように、改良されたねじれ自由減衰振動法による粘弾性
測定装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

この発明では、初期的な外力を与えることで発生するね
じれ自由減衰振動波形から試料の粘弾性を測定するよう
にした粘弾性−測定装置において、試料の共振周波数の
略々％の周波数の外力が初期的な外力として、試料に加
えられる。

〔作用〕

試料の共振周波数が予め測定される。慣性体に初期的な
ねじれを与えるために、駆動コイルが使用される。どの
駆動コイルに試料の共振周波数の略々４の周波数の駆動
信号を供給し、駆動コイルで試料の共振周波数の吸引力
が発生する。この吸引力が初期的な外力とされるので、
短時間、駆動信号を供給することにより、試料は、瞬時
にしてその機械的共振に引き込まれる。従って、試料は
、安定な最大振幅で振動を継続する。試料が共振点で充
分に振動した後、駆動信号の供給が断たれる。

この後に、縦振動、横振動等の雑振動がない極めて安定
な自由減衰振動波形が得られる。硬い試料の場合でも、
振動が共振からの誘導があるために、供給エネルギーは
、小さくて良く、また、駆動時間も短時間に抑えること
ができる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例について図面を参照して説明
する。第１図は、この発明の一実施例の構成を示し、１
１がセラミック等の試料を示す。

試料１１の一端が下部チャックに相当する固定軸１２の
上端に固着され、試料１１の他端が上部チャックに相当
する駆動軸１３の下端に固着される。

試料１１の周囲には、ヒーター１４（二点鎖線で示す）
が設けられ、また、図示せずも、温度センサが設けられ
ている。ヒーター１４により、試料１１の周囲の温度が
所定の温度とされる。

回転軸１３には、慣性体１５が取りつけられている。慣
性体１５は、回転軸１３を貫通する軸１６と、軸１６の
両端に固着された円柱ブロック１７Ａ及び１７Ｂとから
なる０円柱ブロック１７Ａ及び１７Ｂは、充分な慣性モ
ーメントを発生するに足る重さを等しく有する金属ブロ
ックである。

円板状の慣性体１５を使用することもできる。慣性体１
５の軸１６の一端に金属例えばアルミの金属小片１８が
取りつけられている。金属小片１８は、変位センサー（
破線で示す）１９と対向し、金属小片１８と変位センサ
ー１９との間隙の変化から振動波形の検出がされる。試
料１１がセラミック材料のような硬質の材料の場合、ね
じれは、最大で±１°の回転角の範囲である。勿論、こ
の発明は、セラミック材料以外の物質の測定に適用でき
る。

回転軸１３に対して、回転力を与えるために、回転軸１
３に水平方向に延びる軸２０が固着される。この軸２０
の両端に作動軸２１Ａ及び２１Ｂが軸２０の延長方向と
直交する水平面内で互いに逆方向に突出されている０作
動軸２１Ａは、一方の駆動コイル（二点鎖線で示す）２
２１／２の作動空隙内に挿入され、作動軸２１Ｂは、他
方の駆動コイル２２Ｂの作動空隙内に挿入される。

回転軸１３は、軸受２３により回転自在に支持され、回
転軸１３の上端には、チャック２４が設けられ、このチ
ャック２４にピアノ線２５の一端が繋がれている。ピア
ノ線２５は、滑車２６及び２７をめぐらされ、バランス
用の錘２８がピアノ線２５の先端に係合されている。

第１図に示す装置は、図示せずも、円筒状の容器内に収
納され、測定に際して、容器内が真空とされたり、容器
内に所定の不活性ガスが導入される。

第２図は、回転軸１３に対して回転力を与える駆動部の
詳細を示し、作動軸２１Ａは、ネジ３０Ａで軸２０に取
りつけられ、作動軸２１Ａが駆動コイル２２１／２の中
心の作動空隙内に挿入される。

作動軸２１Ｂ及び駆動コイル２２Ｂからなる駆動部も第
２図と同様の構成とされている。

第３図は、試料１１の振動波形を検出する部分の詳細を
示し、慣性体１５の軸１６に取りつけられた金属小片１
８が変位センサー１９と所定の空隙３１を介して対向さ
れる。試料１１の振動時、即ち、慣性体１５の軸１６の
振動時に、この空隙３１の距離が変動し、この距離に応
じてレベルが変化する検出信号が変位センサー１９から
得られる。変位センサー１９は、空隙３１の距離の変動
を磁気的或いは静電的に検出する構成のものである。

この発明では、第４図Ａに示すように、上述の駆動コイ
ル２２Ａ及び２２Ｂに対して、試料１１の機械的な共振
周波数の％の周波数の正弦波信号を駆動信号として供給
する。駆動コイル２２Ａ及び２２Ｂは、第４図Ｂに示す
ように、駆動信号の二倍の周波数、即ち、試料１１の共
振周波数の吸引力を発生する。従って、駆動信号を短時
間、試料１１に与えることにより、試料１１は、安定な
振動状態に引き込まれる。この時の駆動エネルギーは、
共振を利用しているので、極めて少なくて良い、試料１
１が共振状態に引き込まれた後に、駆動信号を断ち、試
料１１の減衰振動波形が変位センサー１９により検出さ
れる。この振動減衰波形は、正弦波振動で起動された後
に得られるものであるため、横振動、縦振動等の不要な
振動の影響を受けない安定な減衰波形である。駆動信号
の周波数は、試料１１の共振周波数の略々ηに選定すれ
ば良い。

第５図は、この発明の一実施例の電気的構成を示すもの
で、変位センサー１９からの検出信号がアンプ４０に供
給され、アンプ４０の出力信号が表示装置４１、Ａ／Ｄ
変換器４２及び周波数カウンタ４３に供給される０表、
示装置４１は、検出信号の波形を表示し、波形観測のた
めに使用される。

Ａ／Ｄ変換器４２は、振動減衰波形の周波数の少なくと
も二倍以上のサンプリング周波数で、８ビットの測定デ
ータを発生する０周波数カウンタ４３は、検出信号の周
波数をディジタル的に計測する。

４４は、温度制御回路を示し、温度制御回路４４からヒ
ーター１４に対する駆動信号が発生する。

試料１１の周囲温度を所望の値に制御するために、温度
センサー４５からの検出信号が温度制御回路４４に供給
される。４６は、装置の動作を制御するためのＣＰＵで
、ＣＰＵ４６と表示装置４１と、Ａ／Ｄ変換器４２と、
周波数カウンタ４３と、温度制御回路４４とがバスを介
して結合されている。

また、ＣＰＵ４６から可変周波数発振回路４７に対して
制御信号が供給される。前述のように、試料の共振周波
数の略々％の周波数の駆動信号を発生するように、可変
周波数発振回路４７の発振周波数が例えばマニユアルで
設定される。ＣＰＵ４６からの制御信号は、発振のオン
／オフを制御するための信号である。可変周波数発振回
路４７の出力信号がパワーアンプ４８を介して駆動コイ
ル２２Ａ及び２２Ｂに加えられる。

Ａ／Ｄ変換器４２、周波数カウンタ４３、ＣＰＵ４６は
、インターフェース４９を介して外部制御部５０と結合
されている。外部制御部５０は、ＣＰＵ５１．プロッタ
５２及びプリンタ５３から構成されており、測定データ
の解析、測定データ及び解析結果のプリントアウトが行
われる。

粘弾性の測定の開始に先立って、試料１１を装着した後
に、試料１１の周囲温度が所望の温度に調整される。こ
の温度条件下或いは温度制御がされていない状態におけ
る試料１１の共振周波数が調べられる。−例として、慣
性体１５を叩いた時に得られる変位センサー１９の検出
信号の周波数を周波数カウンタ４４で読み取ることで、
試料１１の機械的な共振周波数を知ることができる。こ
の共振周波数の略々ηの周波数で発振するように、可変
周波数発振回路４７が調整される０発振周波数の設定を
ＣＰＵ４６により、自動的に行っても良い。

駆動信号の周波数の調整がされた後に、ＣＰＵ４６の制
御により、短時間（数秒程度の間）、駆動信号が駆動コ
イル２２Ａ及び２２Ｂに供給される。駆動コイル２２Ａ
及び２２Ｂで発生した吸引力により、慣性体１５に駆動
信号の二倍の周波数の回転力が与えられ、試料１１が共
振状態に引き込まれる０次に、駆動信号の供給が断たれ
、試料１１の減衰振動波形が変位センサー１９で検出さ
れる。この減衰振動波形は、表示装置４１で表示される
と共に、Ａ／Ｄ変換器４２でディジタルの測定データに
変換される。

この測定データが外部制御部５０にインターフェース４
９を介して供給され、試料１１の剛性率、ヤング率、内
部損失等の測定項目に関するデータが自動的に算出され
、測定データ或いは測定項目のデータがプリントアウト
される。

上述の実施例では、ＣＰＵ４６により、可変周波数発振
回路４７を一定の時間、オン状態として、駆動信号を発
生したが、第６図に示す構成により、試料１１が充分に
共振状態に引き込まれたことを検出して、駆動信号をオ
フとしても良い、第６図において、５４は、可変周波数
発振回路４７とパワーアンプ４８の間に挿入されたゲー
ト回路である。ゲート回路５４は、制御信号発生回路５
５からの制御信号でオン／オフされる。

制御信号発生回路５５には、ＣＰＵからの発振開始信号
が端子５６から供給され、また、レベル検出回路５７か
らの検出信号が供給される。レベル検出回路５７には、
端子５８からアンプ４０を介された変位センサー１９の
検出信号が供給される。この検出信号の振幅が基準レベ
ルより太き（なることがレベル検出回路５７で検出され
、レベル検出回路５７の出力信号が制御信号発生回路５
５に供給される。制御信号発生回路５５では、検出信号
のレベルが太き（なった時に、ゲート回路５４をオフと
する制御信号が発生する。従って、起動時から試料１１
が共振状態に引き込まれる迄の期間、駆動信号が駆動コ
イル２２Ａ及び２２Ｂに供給される。

なお、試料１１の上部を固定し、その下部に慣性体を設
け、従って、ピアノ線及びバランス錘を必要としないね
じれ自由減衰振動型の粘弾性測定装置に対しても、この
発明は、上述と同様に適用できる。

〔発明の効果〕

この発明に依れば、試料の機械的共振周波数の％の周波
数の駆動信号により初期の外力を与えるために、試料が
安定に振動し、縦振動、横振動のような雑振動に影響さ
れない安定な減衰波形を得ることができる。従って、試
料の剛性率、ヤング率、内部損失等を高い精度で測定す
ることができる。然も、共振を利用しているので、駆動
のためのエネルギーは、小さくて良く、供給時間も短時
間で良い。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の構成を示す正面図、第２
図は駆動コイルの部分の拡大断面図、第３図は変位セン
サーの周辺の拡大断面図、第４図はこの発明の駆動原理
の説明に用いる路線図、第５図はこの発明の一実施例の
電気的構成を示すブロック図、第６図は駆動信号の供給
を制御するための構成の一例のブロック図である。 図面における主要な符号の説明 １１：試料、１３：回転軸、１５：慣性体、１９：変位
センサー、 ２２Ａ、２２Ｂ：駆動コイル、２５：ピアノ線。 代理人　弁理士　杉　浦　正　知 第２図　　　　第３１！１ 第４図 ＡｔｖＪ田訃クメ色のイクジ 第６図 手続補正書動側 昭和６３年特許願第２２９５３５号 ２、発明の名称 粘弾性測定装置 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住所　東京都立川市高松町１丁目１００番地名称　株　
　式　　会　　社　　し　　ス　　カ代表取締役　佐々
木信博（他１名） ４、代理人　〒１７０ 住所　東京都豊島区東池袋１丁目４８番ｌＯ号昭和６３
年１２月２０日 ７、補正の内容 （１）明細書中、第１６頁１行、「ブロック図である。 」を下記の通り訂正する。 「ブロック図、第７図はねじれ自由減衰振動法の概略を
示す路線図、第８図は自由減衰振動波形を示す波形図で
ある。」

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 初期的な外力を与えることで発生するねじれ自由減衰振
   動波形から上記試料の粘弾性を測定するようにした粘弾
   性測定装置において、 上記試料の共振周波数の略々１／２の周波数の外力を上
   記初期的な外力として、上記試料に加えるようにしたこ
   とを特徴とする粘弾性測定装置。