JPH0886728A

JPH0886728A - 強度信頼性評価試験装置

Info

Publication number: JPH0886728A
Application number: JP22303294A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Matsuzaki; 辰夫松崎; Yoshiyasu Ito; 吉保伊藤; Shizuo Suzuki; 静夫鈴木; Norio Kanno; 紀夫簡野
Original assignee: SHINAGAWA TSUSHIN KEISO SERVICE KK
Current assignee: SHINAGAWA TSUSHIN KEISO SERVICE KK
Priority date: 1994-09-19
Filing date: 1994-09-19
Publication date: 1996-04-02
Anticipated expiration: 2018-07-28
Also published as: JP3430660B2

Abstract

(57)【要約】【目的】板厚０．３〜３．０mm程度の薄板，あるいは直
径０．３〜３．０mmφ程度の小径棒またはコイル等のミ
ニチュア試験片に繰り返し変形を加えて材料強度信頼性
試験を可能とする。【構成】揺動運動に関する制御が簡単で位置制御精度の
高い例えば、ステップモーターを高速で揺動させ、その
動きによって直接試験片に繰り返し変形を与えるもので
ある。通常のパソコンで、データ処理も含めて制御をお
こなうため、間欠的サンプリング・フィードバック制御
することも特徴としている。【効果】本発明によれば、簡単な機構で精度のよいミニ
チュア試験片用の強度信頼性評価試験装置が提供でき
る。また間欠的サンプリング・フィードバック制御ソフ
トによって通常のパソコンによってデータ処理をオンラ
インで実施しながら一定変位の繰り返し試験が実施でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、比較的小型のミニチュ
ア試験片に高速で一定振幅の繰り返し変形を与えること
により、材料素材または小型部品の強度信頼性を評価す
る試験技術に係り、各種金属、非金属材料の強度特性の
基礎研究に、或いは製品素材購入時の品質検査、小型部
品の製造過程および完成時に利用される強度信頼性評価
試験装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来は、強度信頼性の保証を必要とする
機械要素の寸法が比較的大きかったため、疲労試験機な
ど強度信頼性評価のための試験装置はいずれも板厚３〜
３０mmの板状試験片および、直径３〜３０mm程度の寸法
の丸棒試験片を対象としていた。したがってこれらの試
験片に高速で繰り返し変形を与えるためには大きい駆動
力を必要とした。このため、従来の試験装置では、試験
片に繰り返し負荷を加える方法としては、油圧などによ
るピストンの往復運動を利用したものや、モーターの一
方向回転運動を機械的方法（カム、リンク機構など）に
より往復運動に変換する方式がとられており、前述した
ような試験片に対しては十分な精度で試験がおこなわれ
ていた（株式会社東京衡機製造所のＰＷ形又はＰＷＯ
形平面曲げ一ねじり疲労試験機）。しかし、半導体、エ
レクトロニクス分野の発展にともない小型精密機器も増
加し、これらを構成する小型部品の強度信頼性保証試験
や、これに対応した小型素材の寿命試験の必要性が増大
した。しかし、従来の形式の試験機を単純に小型化した
試験装置では往復動部分の慣性力が試験片に加える負荷
にくらべて大きく、機構も複雑で実用化が困難であっ
た。また、実用し得る小型の試験装置も市販されていな
い。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の従来
技術から脱却して、機構が簡単で、比較的往復動による
慣性力が小さく、板厚０．３〜３．０mm程度の板状試験
片および直径０．３〜３．０mm程度の丸棒試験片のよう
なミニチュアサイズの試験片に、高速で繰り返し変形を
加えて強度信頼性評価をおこなうことの出来る試験機を
提案することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明は次のような強度信頼性試験装置を提案す
る。

【０００５】試験装置本体と、該本体に支持された試験
片固定具と、試験片に変形を加える変形付加用治具を有
し、かつ板圧０．３〜３．０mm程度の薄板あるいは直径
０．３〜３．０φ程度の小径棒またはコイル等に変形を
繰り返し加えることにより、材料の強度信頼性を評価す
る強度信頼性評価試験装置において、試験片に繰り返し
変形を一定振幅で加えるための駆動源としてのモーター
と、該モーターの軸に直結され、前記繰り返し一定振幅
変形を直接に試験片に伝える前記変形付加用治具とを備
えたことを特徴とする強度信頼性評価試験装置。

【０００６】この強度信頼性評価試験装置において、前
記モータは、ステップモータ，超音波モータ，ＤＣサー
ボモーター，ＡＣサーボモーターのいずれかのモータで
あることを特徴とする強度信頼性評価試験装置。

【０００７】試験装置本体と、該本体に支持された試験
片固定具と、試験片に変形を加える変形付加用治具を有
し、かつ板厚０．３〜３．０mm程度の薄板あるいは直径
０．３〜３．０φ程度の小径棒またはコイル等に変形を
繰り返し加えることにより、材料の強度信頼性を評価す
る強度信頼性評価試験装置において、該本体に支持さ
れ、マイクロヘッドにより位置決めされる前記試験片固
定具と、試験片に繰り返し変形を一定振幅で加えるため
の駆動源としてのステップモーターと、該モーターの軸
に直結された前記変形付加用治具とを備え、モーター軸
中心から変形付加用治具の内端面までの距離ｌ₁とモー
ター軸中心から試験片固定具の内端面までの距離ｌ₂と
したときに、ｌ₁とｌ₂を可変に設定するようにしたこと
を特徴とする強度信頼性評価試験装置。

【０００８】試験装置本体と、該本体に支持された試験
片固定具と、試験片に変形を加える変形付加用治具を有
し、かつ板厚０．３〜３．０mm程度の薄板あるいは直径
０．３〜３．０φ程度の小径棒またはコイル等に変形を
繰り返し加えることにより、材料の強度信頼性を評価す
る強度信頼性評価試験装置において、試験片に繰り返し
変形を一定振幅で加えるための駆動源としてのステップ
モーターと、該モーターの軸に直結された前記変形付加
用治具と、試験片の変位を計測する非接触変位計とを備
え、該変位計の出力を参照して設定値まで変位振幅を増
加し、この振幅を一定に保持しながら繰り返し変形を与
える制御機能（前述のように、これを「サンプリング・
フィードバック制御機能」という）を持つことを特徴と
する強度信頼性評価試験装置。

【０００９】この強度信頼性評価試験装置において、前
記サンプリング・フィードバック制御機能は次の構成を
有することを特徴とする強度信頼性評価試験装置（１）目標とする変位設定入力値（±入力パルス数）
によって、変位繰返し１サイクル分ないし数サイクル分
についてステップモーターを駆動し、目標とする変位振
幅を非接触変位計により計測してその結果を記憶するこ
と、（２）ステップモーターを変位設定入力値より低
い入力値で駆動し、先に記憶した目標変位振幅と変位振
幅実測値を毎サイクル比較しながら入力パルス数を増加
せしめ、記憶した目標変位振幅と変位振幅実測値の差
が、所定の数値（例えば１パルス入力相当の変位の１／
２）になるまで駆動継続すること、（３）（２）の条
件を満たす入力パルス数を求め、そのパルス数でステッ
プモーターを一定時間又は一定サイクル数駆動するこ
と、（４）所定時間又は所定サイクル数経過後に再度
サンプリング・フィードバックの制御を行なうこと。

【００１０】試験片の変位を計測する非接触変位計とを
備え、前記ステップモーターは、水平に、かつその回転
軸を実験者側に対して前後方向となるように設置され、
かつ前記試験片固定具は、試験片長手方向に微調整可能
なようにスライド機構を介して試験装置本体のベース板
に取り付けられ、さらに押しボルトと１／１００mm精度
のマイクロヘッドではさみ込まれて位置ぎめ固定されて
設置してもよい。また、試験片固定具は、ステップモー
ターの軸の長手方向に軸と一直線に配置され、ローラー
を介して試験装置本体のベース板上に設置されてもよ
い。

【００１１】試験片の上方に顕微鏡または拡大観察用セ
ンサ設け、これをＸ，Ｙ，Ｚ三軸方向に微小移動可能な
テーブル上に設置してもよい。

【００１２】本発明においては、特に、高速で試験片に
繰り返し変形を一定振幅で加えるための駆動源としてス
テップモーターを使用することを提案する。

【００１３】高速で試験片に繰り返し変形を加えること
について説明する。

【００１４】疲労試験において、総繰返し数１０₆〜１
０₇回の場合には試験の性質上問題のない範囲で出来る
だけ速い繰返し速度で試験することが、時間短縮の上か
ら重要である。また、試験機の制約上からも限界があ
る。通常は１０ＨＺ以上の周波数での試験を高速と考え
てよい。一方、図８の動特性からも１０ＨＺを越すと_△
θ_d／_△θ_sが大巾に１．０を超え始めており、“高速”
の定義は一応１０ＨＺ以上とするのが妥当と思われる。
しかし、図８からもわかるように、２〜３ＨＺの所で共
振現象を示し、_△θ_d／_△θ_sが１．１程度になっている
ので、１ＨＺ以上をもって高速の範囲に入るとしてもよ
い。要は、“高速”と云っても相対的なものであり、共
振現象を起し、或いは慣性力によるオーバーシュートの
大きくなる速度範囲をいう。本発明における実施例の場
合は、図８より２ＨＺ以上をもって“高速”とする。

【００１５】ここで、ステップモーターについて若干説
明を加えると、「電気工学ハンドブック」（５７６から
５７８ページ）には、ステップモーターはステッピング
モーターあるいはステッパとも呼ばれ、電子回路によっ
て駆動されるのが特徴であって、基本的運転システムは
パルス分配器と駆動回路で構成されることが示されてい
る。位置決め制御に用途が広く、パルス周波数を高くす
ると、ステップモーターは滑らかに回転するので定速運
転にも用いられることが示されている。

【００１６】ステップモーターには、ＶＲ形，ＰＭ形，
ハイブリッド形，クローポール形，ディスクロータ形な
どがあり、その駆動法としてはユニポーラ駆動，バイポ
ーラ駆動，バイファイラ巻駆動その他の駆動法があるこ
とが示されている。

【００１７】ステップモーターのオーバーシュートを考
慮して設定値よりも過大変形を生じさせぬよう、変位を
計測し、制御するために非接触変位計を設け、変位設定
入力値に対し、起動の初期に過大変形が加わらぬよう、
目標とする設定入力値よりも十分低い入力からスタート
し、変位計の出力を読み取りながら、逐次、入力を増加
して、最終的に過大変形を試験片に与えることなく、設
定値まで変位振幅を増加し、この振幅を一定に保持しな
がら、繰り返し変形強度試験を遂行するような制御機能
すなわち、サンプリング・フィードバック制御機能を持
つことを特徴とする強度信頼性評価試験装置としてもよ
い。

【００１８】オーバーシュート現像のない低速度での繰
り返し変形の場合はこのサンプリング・フィードバック
制御は不要であり、また、高速であっても試験中の変位
を前述の非接触変位計で計測記録しておき、これを用い
てデータを処理する場合にはこのサンプリング・フィー
ドバック制御は不要である。

【００１９】前述のように、超音波モーター，ＤＣサー
ボモーター，ＡＣサーボモーターなど位置ぎめ精度のよ
いモーターでもステップモーターと同様の結果を得るこ
とが出来る。

【００２０】超音波モーターについて、前述した「電気
工学ハンドブック」は、強力な超音波振動の力を直進あ
るいは回転の一方向運動に変換するもので、新しい形式
のモーターであることが示されている（５８２ペー
ジ）。そして、超音波モーターは、構造が簡単であるこ
と、小形軽量であること、応答性がよく制御性に優れて
いることが示されている。

【００２１】サーボ駆動装置について、その原理に関
し、サーボ駆動装置は、機械装置のフィードバック制御
に用いられるサーボ機構の一部であり、制御部（駆動増
幅器），制御対象（モーター）および検出部より成り立
っている。被制御量は、サーボモーターまたはそれに結
合された機械の速度および位置であることが示されてい
る（１６８６〜１６９０ページ）。

【００２２】ＤＣサーボモーター，ＡＣサーボモーター
は、通常のモーターと異なり、回転数や位置などの目的
値（目標値）に対する偏差測定用のカウンターや回路を
もち、精度の高い速度制御や位置制御がおこなえるよう
なモーターシステムで、その特性を生かして計測記録装
置のペンあるいはチャートの駆動，ロボットアームの駆
動などに使用されている。また超音波モーターは圧電素
子の弾性変形エネルギーを利用した振動子の高周波振動
を摩擦力を介して高周波パルス数に応じた運動に変換す
るものである。これも位置制御特性にすぐれている。

【００２３】従って、これらのモーターの位置制御機能
を利用し、モーターの（±入力値）をパソコンにより高
速で切り換えて入力し、制御をおこなうことが出来る。

【００２４】強度信頼性評価試験装置において、薄板試
験片の繰り返し曲げ変形に際して軸力成分を逃がすよう
に、また小径棒の繰り返しねじり変形に際しては棒の曲
げ変形を逃がすため二枚の薄板で支持されたことを特徴
とする試験片固定具で、しかも上記二枚の薄板の一方ま
たは両方にループ形の荷重計測部をもうけ、ここに電気
抵抗ひずみゲージなどのひずみセンサーを取り付けるこ
とにより繰り返し変形中の試験片に加わる曲げモーメン
ト，あるいはねじりモーメントの経時的な変化を計測，
記録することを可能とした試験片固定具を使用すること
ができる。

【００２５】また、特に薄板の繰り返し曲げ試験におい
て、試験片の曲げモーメント分布を試験片長手方向に均
一にするか、あるいは試験片固定具側の曲げモーメント
を大きくして、変形付加用治具側を小さくするか、また
は逆に固定具側の曲げモーメントを小さくして変形付加
用治具側を大きくするか、を自由に選択可能とするため
に、試験片とステップモーター軸中心との相対位置を１
／１００mmオーダーで容易に調整設定出来るよう、試験
片固定治具を試験片長手方向に微小移動させるためのス
ライド装置と、これを１／１００mm精度で設定するため
のマイクロヘッドを装着した、試験片固定具を使用する
ことができる。

【００２６】また、試験片固定具および変形付加用治具
に試験片を固定する方法は、通常はボルトによるが、本
試験機の試験片は薄板であるため、強力マグネット製の
押さえ板を用いて試験片を固定することが可能である。

【００２７】強度信頼性評価試験装置において、目標と
なる変位設定入力値に対して、起動の初期にステップモ
ーターのオーバーシュート現象のための過大変形が加わ
らぬようにするため、（１）目標とする変位設定入力値（±入力パルス数）
に対し、起動と同時にまず変位繰返し１サイクル分ない
し数サイクル分をオーバーシュートの生じないゆっくり
したパルスレートでステップモーターを（±入力パルス
数）だけ駆動し、目標とする変位振幅を非接触変位計に
より計測記録する。

【００２８】（２）次に指定したパルスレートで往復
駆動を始めるが、最初は設定した（±入力パルス数）よ
りも十分低い入力値からスタートし、さきに記憶した、
目標変位振幅と変位振幅実測値を毎サイクル比較しなが
ら（±入力パルス数）を１パルスづつ増加し、記憶した
目標変位振幅と変位振幅実測値の差が、所定の数値（例
えば１パルス入力相当の変位の１／２）になるまで、継
続する。以上はプラス側，マイナス側の入力パルス数を
同じ値として説明したが、プラス側とマイナス側のパル
ス数をかえて実施することも勿論可能である。さらに、
プラス側，マイナス側共に上記条件を満足した後もこの
ようなフィードバック・サンプリング制御運転を試験終
了まで続けることが出来る。特に試験片の剛性が時間と
共に変化する場合には一定振幅を保つためこのような運
転が必要となる。しかし、試験片の剛性があまり変わら
ぬ場合には（３）以下のような制御が有利である。この
ような選択が自由に出来ることも特徴の一つである。

【００２９】（３）上記（２）の条件を満たす（±入
力パルス数）が求まったならば、その時点でサンプリン
グ・フィードバック制御を中断し、その時の（±入力パ
ルス数）に固定して一定時間（又は一定サイクル数）駆
動する。所定時間経過したならば再度上記サンプリング
・フィードバック制御をおこない、上記（２）の条件か
らのずれを修正したならば、修正後の（±入力パルス
数）で再度一定時間（又は一定サイクル数）駆動する。

【００３０】（４）以上のような間欠的なサンプリン
グ・フィードバック制御を、試験片の破断まで、または
総繰り返し数が所定の値に達するまで、実行する。

【００３１】（５）以上のような制御は通常のパソコ
ンで制御可能である。かつ、サンプリング・フィードバ
ック制御を中断しての運転中の期間ではパソコンの機能
に余裕が生じるので、この期間は毎サイクルごとの変位
振幅の計測，特定の１サイクル中の変位波形を計測記憶
してプリンターに出力させる等の処理をおこなわせる。

【００３２】以下のような機器の配置を特徴とする強度
信頼性評価試験装置を提案する。

【００３３】（１）駆動源となるステップモーター
は、水平に、かつ回転軸を実験者に対して前後方向とな
るよう設置し、変形付加用治具は、モーターの手前側
（実験者に近い側）のローター軸先端に取りつける。

【００３４】（２）繰り返し曲げの場合は、試験片
が、モーターと実験者の間で水平に、かつ試験片の長手
方向が実験者の左右方向に一致するように取付出来るよ
うな位置に（モーターと実験者の中間位置で、）試験片
固定具を設置する。

【００３５】試験片固定具は、その設置場所を、試験片
長手方向に微調整出来るようなスライド機構を介してベ
ース板に取り付けられ、さらに押しボルトと１／１００
mm精度のマイクロヘッドではさみ込んで位置ぎめ固定出
来るように設置してある。さらに、試験片の曲げ変位を
計測するための非接触変位計は変形付加用治具の真下に
上下方向に設置し、変形付加用治具の搖動巾を上下方向
変位として計測出来るようにしてある。またこの非接触
変位計は、変位計を取りはずすことなく検定しかつ上下
方向の位置設定が出来るよう１／１００mm精度のマイク
ロヘッドを介して取付け具に取り付けられ、さらにこの
取付け具は変形付加用治具の寸法に合わせて左右方向
（試験片長手方向）の位置調整が出来るようなスライド
機構を介してベース板に取り付けられている。

【００３６】（３）試験中の試験片表面の破損状況を
観察，監視することが出来るようにモーターおよび試験
片の上には顕微鏡または拡大観察用センサを固定し、
Ｘ，Ｙ，Ｚ三軸方向に微小移動させることが可能なテー
ブルを設置する。

【００３７】このテーブルは後部（実験者から遠い側）
を２ヶ所のピンで支えられ前部を２本の足で支えられ、
試験中随時試験片表面を観察出来るが、試験片着脱時に
は後部のピンを中心に上方向に回転させて持ち上げ支持
することにより、テーブルを移動除去することなく、試
験片を着脱することが出来る。

【００３８】（４）以上述べて来た機器の配置を一部
変えることにより他の特徴ある種々の試験をおこなうこ
とが出来る。その例を以下に示す。

【００３９】Ｉ）さきに述べた変形付加用治具の代わ
りにモーター軸先端に通常の疲労試験機の丸棒ねじり用
チャックと同様のチャックを取りつけ、試験片固定具は
上記（２）の場合と角度９０°回転させ、位置をモータ
ー軸の手前の軸延長線上に設置することにより丸棒のね
じり疲労試験をおこなうことができる。さらにこの試験
片固定具をベース板に完全には固定せず、試験片長手方
向（モーター軸方向と一致）に無拘束となるようローラ
ーを、介してベース板に設置し、かつ試験片固定具をコ
イルばねで引っ張ることにより試験片に定荷重軸力と繰
り返しねじりによるラチェッティング試験をおこなうこ
とが出来る。

【００４０】II）上記（１）（２）で述べた薄板の曲
げ試験装置において、変形付加用治具の初期位置を試験
片固定具と同一の水平面上に設置せず、水平面から４５
°，９０°，１４０°など任意の位置に設置し、この位
置を基準として揺動させることにより、折れ曲がり部を
持った曲がり板の繰り返し曲げ試験を実施することが出
来る。

【００４１】

【作用】１つの例として、出力トルクは小さいが制御が
簡単で位置制御精度の高いステップモーターを駆動源と
して使用した。対象とする試験片がミニチュアサイズで
あるため、駆動に必要なトルクはかなり小さく、ステッ
プモーターの出力トルクで十分駆動できる。

【００４２】そこで、ステップモーターに正負のパルス
入力を交互に入力してパルスモーター軸を正負に高速で
振動させ、軸端に直結された変形付加用治具を介して試
験片に繰り返し曲げ変形または繰り返しねじり変形を発
生させることが出来る。従来の方式と異なり、モ−タ−
を直接正負に高速振動させるので、機構がきわめて簡単
となることが特徴である。即ち、薄板試験片又は丸棒試
験片の一端を試験片固定用台に固定し他端を変形付加用
治具に固定し、変形付加用治具をステップモ−タ−によ
り高速で振動させることにより、試験片に繰り返し変形
を与えることができる。

【００４３】しかし、ステップモーターを高速で駆動す
ると停止又は反転時にローターの慣性力のためいわゆる
オーバーシュート現象が発生し、ローター及び変形付加
用治具の振れは（±入力パルス数）から予測される理論
的振れ幅よりも大きくなる。即ちオーバーシュート現象
の生じないゆっくりしたパルスレートでステップモータ
ーを駆動した場合には（±入力パルス数）から予測され
る理論的振れ幅と実際の振れ幅は等しいが、パルスレー
トを増加（加振用波数が増加する）するにつれて実際の
振れ幅はオーバーシュートのため大きくなる。しかも、
このオーバーシュートの量はパルスレートの増加と共
に、複数の共振点では各々ピーク値を示しながら振れ幅
が複雑に増加する。しかし、任意のパルスレートで長時
間駆動してもそのオーバーシュート量は一定値で安定し
ているので、試験中、非接触変位計により、振れ幅を計
測記録しておき、これを用いてデーターを処理すること
は可能である。

【００４４】そして、使用上の便利さを考えると（±入
力パルス数）に対し、パルスレートの如何にかかわら
ず、パルス数から予測される理論振れ幅で常に駆動され
ることが望ましい。一方強度信頼性評価試験において
は、一定の振幅で長時間の駆動をおこなうが、いきなり
所定のパルスレートで所定の（±パルス数）を入力して
駆動し、起動時にオーバーシュートのため目標理論振幅
よりも過大な変位が加わり、これを駆動中に徐々に理論
振幅になるよう（入力パルス数）を下げてゆく方法は、
起動時の過大変形繰り返しの影響が残る。従って、起動
に際してはサンプリング・フィードバック制御を行うこ
とにより、起動時に過大変位が加わらぬよう、しかも所
定の理論振幅で強度信頼性試験が出来るようにした。

【００４５】

【実施例】本発明の詳細を以下の実施例で説明する。

【００４６】図１は請求項１に係わるステップモーター
１，変形付加用治具２，試験片固定具３の実施例を示す
平面図であり、図２は同側面図である。ステップモータ
ーの軸４には変形付加用治具２が直結されており、図１
よりわかるようにその左側に設置した試験片固定具３と
の間に薄板試験片を取りつけ、ステップモーターを揺動
させることにより試験片に曲げ変形を繰り返し与えて試
験片の曲げ疲労試験を実施する。また、図１、図２はス
ッテプモーター１，試験片固定具３，変形付加用治具２
の配置の実施例を示した図でもある。図３は図１の正面
図であり、試験片固定具の実施例についての説明図であ
る。試験片固定具３は２枚の試験片固定具支持用薄板６
で支えられており、この薄板の曲げ変形によって試験片
に発生した軸力成分を逃がし、試験片には純粋な曲げ応
力を生ずるよう考慮されている。試験片は試験片押さえ
板５によって固定される。試験片押さえ板５は、この実
施例ではボルトで試験片を押さえるようになっている
が、多くの試験片を自動的に試験する場合には押さえ板
５を強力マグネットで作成し、マグネットの吸引力によ
り試験片を押さえる構造とすることも出来る。また、試
験片固定具支持用薄板６には図４に示したようなループ
型荷重計測部をもうけている。即ち、このループ部の表
面にひずみゲージなどのセンサーを取り付け、ループ部
の弾性ひずみを計測することにより、試験片固定具支持
用薄板６に加わる軸荷重を求め、この値から試験片に加
わった曲げモーメントの値およびその経時的変化を計測
記録出来るようになっている。またこの支持用薄板６に
加わる軸荷重の大きさによって、このル−プ部は図４
（ｂ）のように薄板６の全幅にわたってもうけてもよ
く、また図４（Ｃ）のように幅の一部にループをもう
け、他をくり抜くことにより計測感度を向上させること
が出来る。またループの形状も荷重の大きさにより図４
（ａ）のような形状でも図４（ｄ）のような形状でも使
い分けることが出来る。

【００４７】次に、実施例を図１，図２および図３にて
説明する。試験片に加わる曲げモーメントの分布形状を
コントロールするには、図１に記入した寸法ｌ₁とｌ₂の
寸法関係が重要である。ここでｌ₁はモーター軸中心か
ら変形付加用治具２の内端面までの距離、ｌ₂はモータ
ー軸中心から試験片固定具３の内端面までの距離であ
る。解析の結果、以下のことがわかった。即ち、ｌ₁＝
ｌ₂の場合に、試験片には長手方向に一様な曲げモーメ
ントが生じるが、ｌ₁＞ｌ₂の場合には試験片固定具側の
曲げモーメントが大きく、変形付加用治具側の曲げモー
メントが小さく、その間は直線状の分布になる。またｌ
₁＜ｌ₂の場合には逆に試験片固定具側の曲げモーメント
が小さく、変形付加用治具側の曲げモーメントが大きく
なる。またこの曲げモーメントの分布を誤差数％の精度
までコントロールするためには、（ｌ₁＋ｌ₂）の長さが
１５〜３０mm程度の場合には、長さｌ₂を０．２〜０．
３mmの精度で調整することが必要であることがわかっ
た。そこで本実施例では試験片固定具取付台９をスライ
ド用レール８にはめ込み、さらに押しボルト１０と１／
１００mm精度のマイクロヘッド１１との間ではさみ込み
固定すると共にマイクロヘッド１１で位置微調整可能と
している。

【００４８】図５および図６には図中の太線で非接触変
位計の取付状態の例を説明している。非接触変位計１２
のセンサー部分は、図５よりわかるように、変形付加用
治具２の真下に設置している。非接触変位計１２は非接
触変位計支持板１３，マイクロヘッド１４を介して非接
触変位計取り付け台１５に固定され、さらに非接触変位
計取り付け台１５は楕円孔を介して試験装置本体１００
のベース板１６にボルト締めされている。従って非接触
変位計１２はマイクロヘッド１４によってその場で感度
検定と上下位置調整を同時に行い、かつ、試験片の長さ
に合わせてｌ₁の寸法をちがえた複数の変形付加用治具
に対応できるように、非接触変位計取り付け台１５の楕
円孔によって位置調整可能となっている。図６（ａ）は
変位計取り付け状況の平面図、図６（ｂ）は変位計取り
付け台１５の側面図を示す。

【００４９】図７はステップモーターのオーバーシュー
ト現象を説明した図である。ステップモーターに高速で
（大きいパルスレートで）ステップ状入力を与えると図
７（ａ）のような挙動となり、ローターの慣性力などの
ために入力パルス数に相当する角度以上に大きくオーバ
ーシュートし、その後若干振動しながら入力パルス相当
の角度におちつく。しかし、小さいパルスレートでゆっ
くり立ちあげるとローターの慣性力は小さくなり図７
（ｂ）のようにオーバーシュートは生じない。このた
め、ステップモーターに（±入力パルス数）を交互に入
力して揺動させる場合、パルスレートを小さく（ゆっく
り立ちあげる）した場合には、図７（ｃ）のような波形
となりオーバーシュートは生じないのでローターの回転
角は入力パルス数に相当する角度で揺動する。しかし、
パルスレ−トを大きく（高速で立ちあげる）した場合に
は図７（ｄ）のように上端，下端部でオーバーシュート
するため実際の振幅は入力パルス数に相当する振幅より
も大きくなる。実際の振幅をθ_d、入力パルス数に相当
する振幅をθ_sとし、θ_d／θ_sとパルスレートとの関係
の例を示すと図８のようになる。図８は横軸を振動周波
数に換算して記入してある。同図より、θ_dはθ_sにくら
べてかなり大きくなり使用上不便であるため、サンプリ
ング・フィードバック制御を実施した。その実施例を図
９により説明する。図９（ａ）はステップモーターを揺
動させるに必要な目標波形設定のための説明図であり、
モーターの駆動速さを規定するパルスレート（ＰＰ
Ｓ），＋側の揺動振幅を規定するパルス数（ここでは
Ａ），−側の揺動振幅を規定するパルス数（ここでは
Ｂ），と上下端での待ち時間Ｔ₀を規定すれば波形は一
義的にきまる。ステップモ−タ−の起動に際して、これ
らの数値を入力してスタ−トさせると本制御プログラム
では以下のような手順でステップモ−タ−の動きを制御
する。

【００５０】（１）ゆっくりした（オ−バ−シュ−ト
の無いような）パルスレ−トでステップモ−タ−を（＋
Α）パルスから（−Ｂ）パルスまで数回駆動させ、図９
（ｂ）に示したようにＡ，（Ａ−１），（Ａ＋１）パル
ス時の非接触変位計の値を読みとり、それらの数値から
（Ａ±１／２）パルス相当の位置に対応する非接触変位
計の値を計算し、数回（１回ないし３回程度）の平均値
としてこれを求める。これを（ＤＡ＋），（ＤＡ−）と
して記憶する。

【００５１】（−Ｂ）パルス側についても同様の処理を
する。強度信頼性試験の性質上、設定値以上の変形を試
験片に加えたくない場合には、（А−１）パルスとＡパ
ルスの値のみを読み取り、（Ａ＋１）パルスまでは駆動
せず、Ａ，（Ａ−１）の値から（ＤＡ＋），（ＤＡ−）
を計算する方式としても良い。

【００５２】次に、さきに入力されているパルスレート
で駆動をはじめるが、入力パルス数は最初±１パルスか
ら出発し、オーバーシュートも含めた（＋）側最大値の
実測値のｎサイクル分の平均値（ＤＡ′）と（ＤＡ＋）
および（ＤＡ−）とを比較し、（ＤＡ′）＜（ＤＡ−）
であれば１パルス増加して±２パルスとして同様にし、
このような処理を繰り返して（ＤＡ′）が（ＤＡ−）と
（ＤＡ＋）の間におさまるまで繰り返す。なお平均値を
求めるためのｎサイクルをいくらとするかはあらかじめ
設定することが出来る。もし途中（ＤＡ′）＞（ＤＡ
＋）となった場合には逆に１パルス減らし、（ＤＡ′）
が（ＤＡ−）と（ＤＡ＋）の間にある場合には入力パル
ス数はそのままとする。（−Ｂ）パルス側についても同
様の処理をする。以上のような処理をサンプリングフィ
ードバック処理と以下では呼ぶ。（ＤＡ′）が（ＤＡ
−）と（ＤＡ＋）の間におさまり、（ＤＢ′）が（ＤＢ
−）と（ＤＢ＋）の間におさまるまでサンプリングフィ
ードバック処理をおこなうが、上記条件を満たしたなら
ばサンプリングフィードバック処理を中断し、その時の
入力パルス数に固定してあらかじめ設定された一定繰り
返し数（又は一定時間）駆動させる。所定の繰り返し数
（又は所定の時間）駆動したならば再度サンプリングフ
ィードバック処理をおこない、当初設定値からのずれを
修正した後、修正後の入力パルス数に固定して再度所定
の繰り返し数（又は所定の時間）駆動させる。

【００５３】以上のような間欠的なサンプリングフィー
ドバック処理を含んだ駆動を試験片の破断まで、または
総繰り返し数が所定の値に達するまで、駆動する。

【００５４】なお、サンプリングフィードバック処理を
中断し、固定した入力パルス数で運転している期間に
は、制御処理に使用しているパソコンの機能に余裕がで
るので以下のようなデーター処理をさせることが出来
る。

【００５５】（ａ）運転中の毎サイクルの最大，最小
変位を計測してメモリーに記憶させる。

【００５６】（ｂ）メモリーのデータを図表としてプ
リンターに出力させる。

【００５７】（ｃ）一定繰り返し数ごと，又は、一定
時間ごとに，または実験者からの信号によって１サイク
ル中の変位を詳しく計測記憶し、これを変位波形として
出力させる。

【００５８】図１０，図１１は試験片表面の試験中の状
況をオンラインで試験中に監視するための顕微鏡取り付
け用テーブルの実施例で図１０に側面図を、図１１に平
面図を示した。光学顕微鏡１９はＺ軸方向（上下方向）
微小移動機構１８とＸ，Ｙ方向微小移動機構１７を介し
て４本の脚でベース板１６上に設置されている。

【００５９】後部（顕微鏡から遠い側）の２本の脚は後
部脚支持ピン２０を介して支えられ、前部の２本の脚２
１は直接ベース板１６上に設置されている。実験中微小
移動機構１７，１８によって試験片表面の任意の場所の
状況を観察，監視することが出来る。また、試験片着脱
時には、後部脚のピンを中心として顕微鏡をテーブルご
と上方向に回転させて持ち上げ、ストッパーにて支持す
ることにより、試験片周辺の空間を確保することが出来
る。

【００６０】さらに、本発明の他の実施例を示す。図１
２は平板上の薄板ではなく、Ｕ型，Ｌ型など種々の角度
を持った曲がり薄板の繰り返し曲げ試験の説明図であ
る。同図のように変形付加用治具２を水平位置から任意
の角度θ傾けた位置を基準位置とし、この位置を中心に
揺動させることはステップモーターの特性上、極めて簡
単に実施出来る。

【００６１】次に、図１３は丸棒の繰り返しねじり試験
及び繰り返しねじりと軸引っ張り荷重の同時負荷による
ラチェッティング試験の実施例である。図１３（ａ）の
平面図に示すようにステップモーター軸の長手方向一直
線に試験片２６および試験片固定具３を設置し、図１３
（ｂ）の側面図に示したようにローラー２４を介して試
験片固定具３をベース板１６上に設置している。また試
験片固定具３を試験片軸方向に引張るためのコイルバネ
２５を設置している。コイルバネ２５をはずして繰り返
しねじり試験の実施が可能であり、コイルバネにより試
験片に軸引っ張り荷重を加えた状態で繰り返しねじり変
形を与えることによりラチェッティング試験をおこなう
ことが出来る。

【００６２】

【発明の効果】本発明によって極めて簡単な構造で、か
つ精度の良い小型の材料強度信頼性評価試験装置を提供
することが出来、また、その制御も比較的容量の小さい
通常のパソコンで全体を制御することが可能となる。ま
た信頼性評価試験中オンラインで試験片表面の状況を観
察・監視することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】試験装置のうち、ステップモーター，試験片
固定具，変形付加用治具の構造および配置を示す平面図

【図２】同上の側面図

【図３】同上の正面図

【図４】試験片固定具支持用薄板６のループ型荷重計
測部を示す図

【図５】非接触変位計取り付け状況を示す正面図

【図６】同上の平面および側面の部分図

【図７】ステップモーター駆動時のオーバーシュート
の説明図

【図８】サンプリング・フィードバック処理をしない
場合のステップモーター動特性の説明図

【図９】サンプリング・フィードバック処理の説明図

【図１０】顕微鏡取り付け用テーブルの側面図

【図１１】同上の平面図

【図１２】折れ曲がりを有する薄板の疲労試験を示す
図

【図１３】繰り返しねじりおよびラチェッティング試
験の構成図

【符号の説明】

１ステップモーター２変形付加用治具３試験片固定具４ステップモーター軸５試験片押さえ板６試験片固定具支持用薄板７ループ型荷重計測部８スライド用レール９試験片固定具取り付け台１０押しボルト１１マイクロヘッド１２非接触変位計１３非接触変位計支持板１４マイクロヘッド１５非接触変位取り付け台１６ベース板１７顕微鏡設置用テーブルのＸ，Ｙ方向の微小移動機
構１８同上のＺ方向微小移動機構１９光学顕微鏡２０顕微鏡設置用テーブルの後部脚支持用ピン２１同上用テーブルの前部脚２２Ｘ方向微小移動つまみ２３Ｙ方向微小移動つまみ２４ローラー２５コイルバネ２６試験片１００試験装置本体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鈴木静夫福島県いわき市中央台飯野５丁目５番１号いわき明星大学内 (72)発明者簡野紀夫福島県福島市佐倉下字附ノ川１番地の３福島県ハイテクプラザ福島技術支援センター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試験装置本体と、該本体に支持された試験
片固定具と、試験片に変形を加える変形付加用治具を有
し、かつ板厚０．３〜３．０mm程度の薄板あるいは直径
０．３〜３．０φ程度の小径棒またはコイル等に変形を
繰り返し加えることにより、材料の強度信頼性を評価す
る強度信頼性評価試験装置において、試験片に繰り返し
変形を一定振幅で加えるための駆動源としてのモーター
と、該モーターの軸に直結され、前記繰り返し一定振幅
変形を直接に試験片に伝える前記変形付加用治具とを備
えることを特徴とする強度信頼性評価試験装置。
【請求項２】請求項１の強度信頼性評価試験装置におい
て、前記モータは、ステップモータ，超音波モータ，Ｄ
Ｃサーボモーター，ＡＣサーボモーターのいずれかのモ
ータであることを特徴とする強度信頼性評価試験装置。
【請求項３】請求項１の強度信頼性評価試験装置におい
て、前記試験片固定具は、２本の薄板を介して支持され
ていることを特徴とする強度信頼性評価試験装置。
【請求項４】試験装置本体と、該本体に支持された試験
片固定具と、試験片に変形を加える変形付加用治具を有
し、かつ板厚０．３〜３．０mm程度の薄板あるいは直径
０．３〜３．０φ程度の小径棒またはコイル等に変形を
繰り返し加えることにより、材料の強度信頼性を評価す
る強度信頼性評価試験装置において、マイクロヘッドに
より位置決めされる前記試験片固定具と、試験片に繰り
返し変形を一定振幅で加えるための駆動源としてのステ
ップモーターと、該モーターの軸に直結された前記変形
付加用治具とを備え、モーター軸中心から変形付加用治
具の内端面までの距離ｌ₁とモーター軸中心から試験片
固定具の内端面までの距離ｌ₂としたときに、ｌ₁とｌ₂
を可変に設定するようにしたことを特徴とする強度信頼
性評価試験装置。
【請求項５】試験装置本体と、該本体に支持された試験
片固定具と、試験片に変形を加える変形付加用治具を有
し、かつ板厚０．３〜３．０mm程度の薄板あるいは直径
０．３〜３．０φ程度の小径棒またはコイル等に変形を
繰り返し加えることにより、材料の強度信頼性を評価す
る強度信頼性評価試験装置において、試験片に繰り返し
変形を一定振幅で加えるための駆動源としてのステップ
モーターと、該モーターの軸に直結された前記変形付加
用治具と、試験片の変位を計測する非接触変位計とを備
え、該変位計の出力を参照して設定値まで変位振幅を増
加し、この振幅を一定に保持しながら繰り返し変形を与
える制御機能（以下、これを「サンプリング・フィード
バック制御機能」という）を持つことを特徴とする強度
信頼性評価試験装置。
【請求項６】請求項５の強度信頼性評価試験装置におい
て、前記サンプリング・フィードバック制御機能は次の
構成を有することを特徴とする強度信頼性評価試験装置（１）目標とする変位設定入力値（±入力パルス数）
によって、変位繰返し１サイクル分ないし数サイクル分
についてステップモーターを駆動し、目標とする変位振
幅を非接触変位計により計測してその結果を記憶するこ
と、（２）ステップモーターを変位設定入力値より低
い入力値で駆動し、先に記憶した目標変位振幅と変位振
幅実測値を毎サイクル比較しながら入力パルス数を増加
せしめ、記憶した目標変位振幅と変位振幅実測値の差
が、所定の数値（例えば１パルス入力相当の変位の１／
２）になるまで駆動継続すること、（３）（２）の条
件を満たす入力パルス数を求め、そのパルス数でステッ
プモーターを一定時間又は一定サイクル数駆動するこ
と、（４）所定時間又は所定サイクル数経過後に再度
サンプリング・フィードバックの制御を行なうこと。
【請求項７】試験装置本体と、該本体に支持された試験
片固定具と、試験片に変形を加える変形付加用治具を有
し、かつ板厚０．３〜３．０mm程度の薄板あるいは直径
０．３〜３mmφ程度の小径棒またはコイル等に変形を繰
り返し加えることにより、材料の強度信頼性を評価する
強度信頼性評価試験装置において、試験片に繰り返し変
形を一定振幅で加えるための駆動源としてのステップモ
ーターと、該モーターの軸に直結された前記変形付加用
治具と、ステップモーターの軸の長手方向に一直線に配
置され、ローラーを介して試験装置本体のベース板上に
設置された前記試験片固定具とを備えたことを特徴とす
る強度信頼性評価試験装置。
【請求項８】試験装置本体と、該本体に支持された試験
片固定具と、試験片に変形を加える変形付加用治具を有
し、かつ板厚０．３〜３．０mm程度の薄板あるいは直径
０．３〜３mmφ程度の小径棒またはコイル等に変形を繰
り返し加えることにより、材料の強度信頼性を評価する
強度信頼性評価試験装置において、試験片に繰り返し変
形を一定振幅で加えるための駆動源としてのステップモ
ーターと、該モーターの軸に直結された前記変形付加用
治具と、試験片の変位を計測する非接触変形計とを備
え、前記ステップモーターは、水平に、かつその回転軸
を実験者側に対して前後方向となるように設置され、か
つ前記試験片固定具は、試験片長手方向に微調整可能な
ようにスライド機構を介して試験装置本体のベース板に
取り付けられ、さらに押しボルトと１／１００mm精度の
マイクロヘッドではさみ込まれて位置ぎめ固定されて設
置してあることを特徴とする強度信頼性評価試験装置。
【請求項９】請求項８の強度信頼性評価試験装置におい
て、試験片の曲げ変位を計測する非接触変位計を変形付
加用治具の真下に上下方向に設置したことを特徴とする
強度信頼性評価試験装置。
【請求項１０】請求項８の強度信頼性評価試験装置にお
いて、試験片の上方に顕微鏡または拡大観察用センサ設
け、これをＸ，Ｙ，Ｚ三軸方向に微小移動可能なテーブ
ル上に設置したことを特徴とする強度信頼性評価試験装
置。
【請求項１１】請求項１０の強度信頼性評価試験装置に
おいて、前記テーブルは、後部（実験者から遠い側）を
ピンで支えられ、前後を足で支えられて後部のピンを中
心に上方向に回転させて持ち上げ得るようにされたこと
を特徴とする強度信頼性評価試験装置。
【請求項１２】請求項８の強度信頼性試験装置におい
て、前記変形付加用治具は、水平面から４５°，９０
°，１４０°などの任意の角度で設置され、この位置か
ら揺動されるようにしたことを特徴とする強度信頼性評
価試験装置。