機械特性試験装置およびそれに用いられる水素雰囲気用歪ゲージ
【課題】水素ガスを含む高圧ガス雰囲気下に試験片を配置して、この試験片に荷重を負荷し、前記試験片に負荷される荷重および／または変位を、ロードセルに付設されてなる歪ゲージを用いて検出する機械特性試験装置において、前記歪ゲージが水素ガスの影響を受けることなく安定した測定値を検出できる機械特性試験装置を提供する。
【解決手段】水素ガスを含む高圧ガスが導入される高圧容器が設けられ、この高圧容器内に、機械特性を評価するための試験片１１に荷重を負荷するとともに、前記試験片１１に負荷された荷重および／または変位を検出する歪ゲージ１０が付設された試験荷重負荷検出装置１８が配設されてなる機械特性試験装置１において、前記歪ゲージ１０が、厚さ１０〜２５μｍのＣｕ−Ｎｉ金属箔ゲージまたは厚さ１０〜２５μｍのＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ金属箔ゲージからなる。
【解決手段】水素ガスを含む高圧ガスが導入される高圧容器が設けられ、この高圧容器内に、機械特性を評価するための試験片１１に荷重を負荷するとともに、前記試験片１１に負荷された荷重および／または変位を検出する歪ゲージ１０が付設された試験荷重負荷検出装置１８が配設されてなる機械特性試験装置１において、前記歪ゲージ１０が、厚さ１０〜２５μｍのＣｕ−Ｎｉ金属箔ゲージまたは厚さ１０〜２５μｍのＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ金属箔ゲージからなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧ガス雰囲気下で試験片の機械特性試験を行う機械特性試験装置およびそれに用いられる歪ゲージの改善に関し、より詳しくは、水素ガスを含む高圧容器内に配設された試験荷重負荷検出装置のロードセルに付設されてなる歪ゲージの検出精度を改善した機械特性試験装置およびそれに用いられる水素雰囲気用歪ゲージに関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧ガス雰囲気下で用いる金属、樹脂、セラミックス等の材料の引張強度、圧縮強度、曲げ強度、引張疲労強度等の機械的特性を把握することは、高圧ガス雰囲気下でこれらの材料を使用する設備設計上、重要なことである。このような特殊環境の下では、材料の特異な現象が発現される。
【０００３】
一般的に、高圧ガス雰囲気下では、金属、樹脂、セラミックス等の材料の強度特性が変化する。例えば、数１００ＭＰａの高圧下では、金属の延性が増大することが知られており、また、特定のガス雰囲気下、例えば高圧水素ガス雰囲気下では、鋼系材料は水素を吸収して脆化することが知られている。
【０００４】
近年、水素を燃料とする燃料電池の研究開発が活発化し、自動車や家庭用途を中心に、その適用につき試作段階から実用段階への急速な進歩が認められる。特に、自動車用途では、地球温暖化問題と化石燃料の高騰が後押しする形で、実用車への適用が急速に展開されつつある。このような自動車用途では、燃料として３５ＭＰａあるいは７０ＭＰａの高圧まで圧縮した水素を、ボンベに充填して用いる圧縮水素タイプが先行しており、高圧水素ガス雰囲気で用いられる減圧弁や配管材料の特性評価が急務となっている。
【０００５】
一方、数１０〜数１００ＭＰａといった高圧水素ガス雰囲気下においては、引張強度等の機械的特性を測定する試験装置自体もこのような雰囲気下に暴露されるため、構成材料は勿論、構造的な面でも十分な測定装置がないのが実情である。
【０００６】
材料の引張強度や圧縮強度等の機械的特性を測定するためには、特定の寸法・形状の試験片に荷重を負荷すると同時に、その試験片に負荷された荷重および変形量の両方を測定する必要がある。このような測定を高圧ガス雰囲気下で行う場合には、高圧ガス雰囲気を形成する高圧容器内部に設けた試験荷重負荷検出装置に試験片を収納して、高圧容器の外部から試験片に負荷する荷重を別途加えることとなる。そして、この試験片に負荷された荷重を、前記試験荷重負荷検出装置内に配置され、歪ゲージが付設されてなるロードセルによって検出している。
【０００７】
このような機械的特性を測定する装置に関し、本発明者らは、上述したように外部より部材（プルロッド）を介して高圧容器内の試験片に荷重を負荷する際、摩擦力を小さく抑え、かつガス漏れを防止しながら、前記プルロッドに作用する高圧ガスの作用力およびシールリングの摩擦力による荷重値の誤差の影響を低減することを目的とした機械特性試験装置を既に提案している（特許文献１参照）。
【０００８】
上記従来例に係る機械特性試験装置を、添付図面を参照しながら説明する。図６はその縦断面図である。
この従来例に係る機械特性試験装置によれば、高圧容器４２内に試験片４８を装着した後高圧ガスを導入し、ある特定条件の高圧ガス雰囲気の基に、前記試験片４８に荷重を負荷して該試験片の変形量を測定する機械特性試験装置４１において、前記高圧容器４２を、少なくとも一端に開口部を有する筒状の本体部４４と、該開口部を開閉自在に閉塞する蓋部４６とにより構成されている。
【０００９】
同時に、この機械特性試験装置は、前記高圧容器４２内にガス導入口Ａから高圧ガスを導入した際に、前記蓋部４６にかかる軸力を、前記高圧容器４２に外方から係脱自在とされたプレスフレーム４７によって担持し、前記蓋部４６に固定された試験片４８に対して、該蓋部４６を貫通するロッド４９を通じて荷重を付加するアクチュエータ部４０によって、前記試験片４８の変形量を測定可能な構成をなしている。
【００１０】
また同時に、この機械特性試験装置は、前記プレスフレーム４７を離脱させて前記蓋部４６を開放することによって、試験片４８を装着・取出し自在な構造としたのである。そして更に、前記高圧ガスによって前記ロッド４９にかかる作用力を軽減乃至ゼロにする流体バランス機構４３が、前記ロッド４９に設けられている。
【００１１】
ところで、上記試験片４８の試験荷重は、高圧容器４２内のプルロッド４９外周表面に付設された（図示していない）歪ゲージを用いて測定している。この歪ゲージには、一般的に、金属抵抗線を用いた線ゲージと金属抵抗箔を用いた箔ゲージの２種類がある。カバーフィルムを除去した線ゲージ型の歪ゲージの平面図を図７に、カバーフィルムを除去した箔ゲージ型の歪ゲージの平面図を図８に示す。また、図７および図８の歪ゲージのカバーフィルムを含めた縦断面図を図９に示す。
【００１２】
即ち、符号５０，５４で各々示される線ゲージ型および箔ゲージ型の歪ゲージは、Ｃｕ-Ｎｉ合金またはＮｉ-Ｃｒ合金からなる金属抵抗線５１や金属抵抗箔５５を、絶縁層であるゲージベース５３とカバーフィルム５６とにより、サンドイッチ構造状に上下に挟み込み、接着剤により接着した構成となっている。一般的には、前記金属抵抗線５１は２５〜６０μｍ程度の径を有するものが使用され、前記金属抵抗箔５５の場合は３〜６μｍの厚さを有するものが使用されている。
【００１３】
また、前記絶縁層であるゲージベース５３は、ポリイミドやエポキシ等の樹脂で形成されている。このような歪ゲージ５０，５４は、これを付設した測定対象物の微小な寸法変化を、ゲージリード５２から電気信号として検出するセンサーであり、材料の一般的な特性評価試験に多用されている。
【００１４】
ところが、前述したような水素ガスを含む高圧ガス雰囲気下では、この水素ガスが歪ゲージ素材であるＣｕ−Ｎｉ合金やＮｉ−Ｃｒ合金内に浸入して、抵抗値の変化を生じさせ、結果として検出した歪値に誤差を発生させる作用をすることが分かった。従って、前記従来例のように、プルロッド４９の外周表面に歪ゲージを付設して使用する場合、水素ガスの影響を受けて、外部からの荷重を負荷されなくとも出力が変化してしまうのである。
【００１５】
次に、このような水素ガスの影響を回避できる従来例に係る材料試験装置について、以
下、図１０および図１１を参照しながら説明する。図１０は従来例に係る材料試験装置の
全体を表した図、図１１は図１０に示した材料試験装置の内、ＣＴ試験片と亀裂開口変位
測定器具の部分を拡大して示した図である。この従来例に係る亀裂開口変位測定器具およ
びその材料試験装置によれは、図１１に示すように、高圧容器部６２内の試験片６０の寸
法変化量を、変位検出棒８２を介して、電気信号として亀裂開口変位測定器具６４によっ
て、高圧容器部６２外に取り出す構成をなしている。
【００１６】
即ち、この従来例に係る亀裂開口変位測定器具６４およびその材料試験装置６１によれば、第一エッジ７７と第二エッジ７８との距離で開口部幅が画定される切欠きを有する試験片６０に、引張力を負荷した際の該開口部幅を測定する亀裂開口変位測定器具６４であって、前記開口幅の変位を後述する電気信号として伝達するために、一端７１ａで前記第一エッジ７７に当接する第一検出レバー７１と、一端７２ａで前記第二エッジ７８に当接する第二検出レバー７２とを備えている。
【００１７】
同時に、前記第一検出レバー７１と前記第二検出レバー７２との間に挟まれて配置される第一支点部材７３であって、この第一支点部材７３と前記第一検出レバー７１との当接部および前記第一支点部材７３と前記第二検出レバー７２との当接部をそれぞれ支点として第一検出レバー７１と第二検出レバー７２とをそれぞれ傾斜させ得る第一支点部材７３とを備えている。
【００１８】
また同時に、前記第一検出レバー７１の一端７１ａと前記第二検出レバー７２の一端７２ａとが離れるように、これら第一検出レバー７１と第二検出レバー７２とを付勢する付勢手段７６と、前記第一検出レバー７１の他端７１ｂと前記第二検出レバー７２の他端７２ｂとの間の、距離の変化に対応した電気信号を発生する信号発生手段６５とを備えている（特許文献２参照）。
以上のように歪ゲージを使わずに、変位量を電気信号として取り出す構成とすることによって、水素ガスの影響を排除することができる。
【特許文献１】特開２００４−３４０９２０号公報
【特許文献２】特開２００３−３２９５５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかしながら、上記従来例に係る亀裂開口変位測定器具６４およびその材料試験装置６１は、構造が複雑な上、試験片６０の寸法変化は極めて微小であるので、測定精度の確保には高精度な部品の製作が要求される。また、試験片６０を交換する度に膨大な解体・組立調整作業が必要となってくるため、コストと時間が掛かり過ぎるという欠点を有していた。更に、そのような状況から、測定精度についても満足できるものではなかった。
【００２０】
従って、本発明の目的は、水素ガスを含む高圧ガス雰囲気下に試験片を配置して、この試験片に荷重を負荷し、前記試験片に負荷される荷重および／または変位を、ロードセルに付設されてなる歪ゲージを用いて検出する機械特性試験装置において、前記歪ゲージが水素ガスの影響を受けることなく安定した測定値を検出することを可能ならしめる機械特性試験装置およびそれに用いられる水素雰囲気用歪ゲージを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
発明者らは、上記のような事情に鑑み、水素ガスが歪ゲージに及ぼす影響について種々調査検討した結果、金属抵抗箔の種類と厚みによりその影響の度合いが大いに異なることを知見して、本発明をなすに至ったものである。
【００２２】
前記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る機械特性試験装置が採用した手段は、水素ガスを含む高圧ガスが導入される高圧容器が設けられ、この高圧容器内に、機械特性を評価するための試験片に荷重を負荷するとともに、前記試験片に負荷された荷重および／または変位を検出する歪ゲージが付設された試験荷重負荷検出装置が配設されてなる機械特性試験装置において、前記歪ゲージが、厚さ１０〜２５μｍのＣｕ−Ｎｉ金属箔ゲージまたは厚さ１０〜２５μｍのＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ金属箔ゲージからなることを特徴とするものである。
【００２３】
本発明の請求項２に係る機械特性試験装置が採用した手段は、請求項１項記載の機械特性試験装置において、前記歪ゲージが、アルミ、金および亜鉛から選択される少なくとも一種からなる材料によって、薄膜コーティングされてなることを特徴とするものである。
【００２４】
本発明の請求項３に係る水素雰囲気用歪ゲージが採用した手段は、水素ガスを含む高圧ガス雰囲気内で、試験片に負荷された荷重および／または変位を検出する歪ゲージにおいて、前記歪ゲージが、厚さ１０〜２５μｍのＣｕ−Ｎｉ金属箔ゲージまたは厚さ１０〜２５μｍのＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ金属箔ゲージからなることを特徴とするものである。
【００２５】
本発明の請求項４に係る水素雰囲気用歪ゲージが採用した手段は、請求項３に記載の水素雰囲気用歪ゲージにおいて、前記歪ゲージが、アルミ、金および亜鉛から選択される少なくとも一種からなる材料によって、薄膜コーティングされてなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の請求項１に係る機械特性試験装置は、水素ガスを含む高圧ガスが導入される高圧容器が設けられ、この高圧容器内に、機械特性を評価するための試験片に荷重を負荷するとともに、前記試験片に負荷された荷重および／または変位を検出する歪ゲージが付設された試験荷重負荷検出装置が配設されてなる機械特性試験装置に関する。
【００２７】
そして、この機械特性試験装置は、前記歪ゲージが、厚さ１０〜２５μｍのＣｕ−Ｎｉ金属箔ゲージまたは厚さ１０〜２５μｍのＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ金属箔ゲージからなるので、水素ガスを含む雰囲気においても、前者は歪ゲージの抵抗値の変化を起こすことなく、後者は水素ガスが金属箔内に侵入し難く、その結果、前記歪ゲージの出力に外乱を与えず高精度で安定的な荷重や変位の測定が可能となる。
【００２８】
また、本発明の請求項２に係る機械特性試験装置は、前記歪ゲージが、アルミ、金および亜鉛から選択される少なくとも一種からなる材料によって薄膜コーティングされてなるので、これらの材料は水素を透過し難く、前記水素ガスによる歪ゲージ自体への外乱を排除し、更に安定した荷重や変位の測定が可能になる。
【００２９】
一方、本発明の請求項３に係る水素雰囲気用歪ゲージは、水素ガスを含む高圧ガス雰囲気内で、試験片に負荷された荷重および／または変位を検出する歪ゲージにおいて、前記歪ゲージが、厚さ１０〜２５μｍのＣｕ−Ｎｉ金属箔ゲージまたは厚さ１０〜２５μｍのＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ金属箔ゲージからなるので、水素ガスを含む雰囲気においても、前者は歪ゲージの抵抗値の変化を起こすことなく、後者は水素ガスが金属箔内に侵入し難く、その結果、前記歪ゲージの出力に外乱を与えず高精度で安定的な荷重や変位の検出が可能となる。
【００３０】
また、本発明の請求項４に係る水素雰囲気用歪ゲージは、前記歪ゲージが、アルミ、金、亜鉛から選択される少なくとも一種の材料によって薄膜コーティングされてなるため、これらの材料は水素を透過し難く、前記水素ガスによる歪ゲージ自体への外乱を排除し、更に安定した荷重や変位の検出が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
先ず、本発明の実施の形態１に係る機械特性試験装置を、その縦断面図である図１を用いて以下に説明する。
図１において、本発明の実施の形態１に係る機械特性試験装置１は、圧力容器２、下蓋３および試験荷重負荷検出装置１８にて構成されている。そして、圧力容器２および下蓋３は、シールリング１６を介して軸方向に摺動自在に嵌合されており、両者により高圧容器を構成して高圧ガス雰囲気が保持される。
【００３２】
前記試験荷重負荷検出装置１８は、試験荷重を試験片１１に負荷するためのプルロッド４、プルロッド４から受けた荷重を試験片１１に伝達するための取付治具１４、試験荷重を検出するため歪ゲージ１０が貼着されたロードセル７、前記ロードセル７を上下に挟み込んで後述する支柱５へ固定するステー９および上板８、前記ステー９および上板８を支持して下蓋３に固定された支柱５から構成される。
【００３３】
ここで、符号１２は試験片１１とロードセル７とを、符号１３は試験片１１と取付治具１４とを、夫々固定するためのナットである。前記ロードセル７への歪ゲージの付設方法については、貼着に限らず他の固定方法でも良い。
【００３４】
そして、この試験荷重負荷検出装置１８は、圧力容器２と下蓋３とで構成される高圧容器内に収納されるとともに、試験片１１に試験荷重を負荷するためのプルロッド４が、シールリング１７を介して下蓋３を貫通して、高圧ガス雰囲気での試験荷重を試験片１１に伝達している。
【００３５】
試験荷重は、図示していないアクチュエータにより、プルロッド４を介して試験片１１に負荷され、同時に、前記試験片１１の変位量を測定可能な構成としている。また、前記アクチュエータは、ピストンとシリンダーにより構成されて、油圧源から供給される油圧により駆動される。また、試験時のガス圧は、圧縮機等のガス圧源から、ガス導入孔（図示せず）を介して供給される。
【００３６】
前記ロードセル７は、その外表面に後述するように歪ゲージ１０が付設されており、これによって試験片１１に負荷される試験荷重を検出するためのパーツであるが、試験片１１を固定する固定治具も兼ねている。ロードセル７の形状としては、試験片１１に対して、軸方向に均一な試験荷重を付与する必要性から円柱状が好ましいが、必ずしも円柱状に制約するものでなく、荷重に対するロードセル７の応答性を良好にするため、断面積を減じるように円柱状に形成することも含まれる。
【００３７】
ロードセル７に付設された本発明に係る水素雰囲気用歪ゲージ１０の抵抗素子は、厚さ１２．７μｍのＣｕ−Ｎｉ金属箔が用いられている。このＣｕ−Ｎｉ金属箔は、水素分子が浸入しても歪ゲージとしての出力の変化は比較的少ない。これは、Ｃｕ−Ｎｉ合金が結晶学的に水素固溶量が大きな材料であるためであり、水素分子の浸入による歪ゲージ出力変化に鈍感な材料組成である。本発明に係る水素雰囲気用歪ゲージ１０の抵抗素子は、またＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ金属箔で形成されても良い。前記Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ金属箔は、表面にアルミの酸化被膜が形成されるため、水素分子が比較的浸透し難い材料である。
【００３８】
更に、このようなＣｕ−Ｎｉ金属箔またはＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ金属箔からなる本発明に係る水素雰囲気用歪ゲージ１０は、厚さ１０〜２５μｍの金属箔からなるのが好ましい。前記金属箔の厚さが１０μｍ未満では、浸入した水素の影響によりゲージの出力変化が比較的大きく、前記金属箔の厚さが２５μｍを越えると、金属箔厚さが厚過ぎて歪変化に追随できなくなるからである。
【００３９】
また、本発明に係るこのような水素雰囲気用歪ゲージ１０を箔ゲージ型の歪ゲージに限定する理由は、前記箔ゲージ型の歪ゲージのベース長さＬ１（図８参照）が２〜５ｍｍ程度であるのに対し、線ゲージ型の歪ゲージのベース長さＬ２（図７参照）は短いものでも７４ｍｍもあり、本発明に係る機械特性試験装置の如く狭い高圧容器内に適用するには不適であるからである。
【００４０】
次に、本発明に係る前記水素雰囲気用歪ゲージ１０を用いて、前記試験片１１に負荷される試験荷重を測定する構成について、以下図２を参照しながら説明する。図２は、試験片１１に負荷される試験荷重を、本発明の実施の形態１に係る水素雰囲気用歪ゲージによって測定するための歪ゲージの回路構成を示す回路図である。
【００４１】
図中の符号２１〜２４が水素雰囲気用歪ゲージであり、これらの水素雰囲気用歪ゲージ２１〜２４によってホイートストンブリッジ回路２０を形成している。これらの歪ゲージの内、アクティブゲージ２１，２２の２枚は、図１の１０（２１，２２）に示す通り、ロードセル７外周の１８０度反対の位置に、荷重付加方向に貼り付け、他の２枚のダミーゲージ１０（２３，２４）は、前記アクティブゲージと直角方向となるロードセル７外周の周方向に付設されている。
【００４２】
そして、図２において、電圧印加電源２６によりホイートストンブリッジ回路２０に電圧を印加し、電圧計２６により測定される電圧を読み取って、試験片１１に作用している試験荷重を検出するように構成されている。このような回路構成にすることにより、４枚の歪ゲージ２１〜２４に一様に付与される外乱による影響、例えば温度変化や静水圧による外乱の影響を排除するとともに、付設時の曲歪成分を解消することができる。
【００４３】
以上のように、本発明に係る前記水素雰囲気用歪ゲージ２１〜２４の抵抗箔素材は、既述した通りＣｕ-Ｎｉ合金またはＦｅ-Ｃｒ-Ａｌ合金からなるが、これらの金属の高圧水素ガス雰囲気下での水素侵入量は、僅か数ｐｐｍレベルであり安定している。しかしながら、試験温度が高温の場合は、水素の侵入量が多くなるので、長期にわたる安定性が必要な場合は、前記歪ゲージを水素が透過し難い金属、例えば金、アルミニウム、亜鉛から選択される少なくとも一種からなる材料によって薄膜コーティングするのが好ましい。
【００４４】
前記薄膜コーティングとは、アルミニウム、金および亜鉛から選択される少なくとも一種からなる材料のメッキ処理またはスパッタリング処理を言い、前記金属抵抗箔単体にコーティングしても良いし、あるいは本歪ゲージをロードセル等測定対象物に取り付け後コーティングしても良い。前記金属抵抗箔は、高圧下で水素の影響を受ける可能性は全く皆無であるという訳ではなく、水素透過し難い上記金属にて歪ゲージをコーティングすることによって、更に安定した測定が可能となる。
【００４５】
次に、本発明の実施の形態２に係る機械特性試験装置を、その縦断面図である図３を用いて以下に説明する。
但し、本発明の実施の形態２が上記実施の形態１と相違するところは、試験片の構成と測定項目に相違があり、これ以外は上記実施の形態１と全く同構成であるから、上記実施の形態１と同一のものに同一符号を付して、以下その相違する点について説明する。
【００４６】
即ち、上記実施の形態１の試験片が引張強度や圧縮強度を測定するための試験片であるのに対し、本実施の形態２の試験片はＣＴ（コンパクトテンション）試験片と呼ばれ、材料の破壊靭性値を評価するために用いられる。
【００４７】
この破壊靭性値とは、材料が、繰返応力を負荷されている間に、その内部欠陥から亀裂を生じ、それを起点として荷重の増加を伴わずに、破壊が急速に進行するいわゆる不安定破壊を生じる際に、材料が示す抵抗値のことをいう。前記破壊靭性値の評価には、本発明の機械特性試験装置の試験条件を、その材料が実際に使用される環境と同等の下に、ＣＴ試験片を装着して、当該試験片の亀裂の伸長伝播挙動を把握するため、その亀裂開口変位を測定する必要がある。
【００４８】
このような試験装置では、ロードセル７にて試験荷重を測定するとともに、ＣＴ試験片１５の開口部寸法の変位をクリップゲージ３０で測定する構成に上記実施の形態１と相違があり、その他は全く同構成であるから、このＣＴ試験片１５およびクリップゲージ３０についての説明に止めるものとする。
【００４９】
前記ＣＴ試験片１５およびクリップゲージ３０を、正面から見て拡大した拡大図である図４に示す。クリップゲージ３０のリード３５上下面には、ロードセル７と同様に歪ゲージ４枚３１〜３４が貼り付けてある。これら４枚の歪ゲージ３１〜３４は、本発明の形態１と同様、図２に示したホイートストンブリッジ回路２０を形成している。
【００５０】
このホイートストンブリッジ回路２０によって、クリップゲージ３０の外面側の歪ゲージ３１，３４と内面側の歪ゲージ３２，３３が、互いに補償し合うのである。そして、ロードセル７およびクリップゲージ３０に形成された歪ゲージ１０および３１〜３４は、厚さ１５μｍのＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ金属箔からなる水素雰囲気用歪ゲージから構成されている。
【００５１】
従って、本発明の形態２に係る機械特性試験装置１において、ロードセル７およびクリップゲージ３０に形成された歪ゲージ１０および３１〜３４は、上述の通り本発明に係る形態１と同様に、水素雰囲気用歪ゲージにて構成することによって、高圧雰囲気ガスに含まれる水素ガスの影響を排除できる点において、本発明の形態１に係る機械特性試験装置と同効である。
【実施例】
【００５２】
次に、本発明に係る機械特性試験装置と従来例に係る機械特性試験装置とを比較テストした実施例について、図１を併用しながら以下に説明する。
先ず、歪ゲージが本発明に係る水素雰囲気用歪ゲージで形成されてなるロードセルを備えた本発明に係る機械特性試験装置の実施例を説明する。
【００５３】
このロードセル７は、表１の実施例−１および実施例−２に示した本発明に係る水素雰囲気用歪ゲージ各々４枚を、前述したようにロードセル外表面に付設し、ホイートストンブリッジ回路を形成して構成した。そして、試験片１１とともに、このロードセル７を図１に示した試験荷重負荷検出装置１８に装着し、本発明に係る機械特性試験装置１を構成した。
【００５４】
【表１】
【００５５】
その後、圧力容器２と下蓋３によって構成される高圧容器内に高圧水素ガスを加熱しつつ導入して、温度９０℃、圧力２２ＭＰａの高圧水素ガス雰囲気を形成した。そして、プルロッド４による荷重を負荷することなく、水素暴露時間に対する前記歪ゲージにより検出されるドリフト量（初期歪）の変化を測定した。結果は図５に示す通りである。
【００５６】
本図５によれば、歪ゲージ１０を本発明に係る水素雰囲気用歪ゲージで構成した本実施例では、水素暴露時間の経過に拘わらず、検出された初期歪の変化、即ちゼロ点のドリフトは±２００×１０−６が程度以内に収まっていることが分かる。即ち、厚さ１０〜２５μｍのＣｕ−Ｎｉ金属箔ゲージまたは厚さ１０〜２５μｍのＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ金属箔ゲージにより、前記水素雰囲気用歪ゲージ１０を形成することにより、水素ガスを含む高圧ガス雰囲気下においても、水素ガスが前記金属箔内に侵入して抵抗値の変化を殆ど生ずることなく、正確な歪検出が可能であることが分かる。
【００５７】
次に、前記歪ゲージ１０が、従来例に係る歪ゲージで構成されてなるロードセルを備えた従来例に係る機械特性試験装置を用いた比較例を説明する。
【００５８】
上記実施例と同一外形寸法のロードセル外表面に、表１の比較例−１および比較例−２に示した従来例に係る歪ゲージ４枚各々を、その外表面に接着剤で付設してホイートストンブリッジ回路を構成した。そして、試験片１１とともにこのロードセルを、上記実施例で用いた試験荷重負荷検出装置１８に装着して、従来の機械特性試験装置を構成した。
【００５９】
その後、上記実施例と同様に、圧力容器２と下蓋３によって構成される高圧容器内に水素ガスを導入して、容器内を温度９０℃、圧力４５ＭＰａの高圧水素ガス雰囲気を形成した。この高圧ガス雰囲気下にて、プルロッド４による試験荷重を負荷することなく、水素暴露時間に対する前記歪ゲージにより検出される荷重の変化を測定した。結果は図５に示す通りである。
【００６０】
本図５によれば、水素暴露時間経過とともにゼロ点のドリフトが大きく生じていることが分かる。前記歪ゲージを形成している金属箔に水素ガスが侵入して、抵抗値の変化を起こしており、このような従来例に係る歪ゲージを用いた場合は、正確な荷重や変位の測定は不可能であることを示している。
【００６１】
以上のように、本発明に係る機械特性試験装置によれば、前記歪ゲージが、厚さ１０〜２５μｍのＣｕ−Ｎｉ金属箔ゲージまたは厚さ１０〜２５μｍのＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ金属箔ゲージからなるので、水素ガスを含む高圧雰囲気においても、前記歪ゲージの抵抗値の変化を起こすことなく、その結果、前記歪ゲージの出力に外乱を与えず高精度で安定的な荷重や変位の測定が可能となった。
【００６２】
一方、本発明に係る水素雰囲気用歪ゲージによれば、水素ガスを含む高圧ガス雰囲気内で、試験片に負荷された荷重および／または変位を検出する歪ゲージにおいて、前記歪ゲージが、厚さ１０〜２５μｍのＣｕ−Ｎｉ金属箔ゲージまたは厚さ１０〜２５μｍのＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ金属箔ゲージからなるので、水素ガスを含む雰囲気においても、前者は歪ゲージの抵抗値の変化を起こすことなく、また後者は水素ガスが金属箔内に侵入し難く、その結果、前記歪ゲージの出力に外乱を与えず高精度で安定的な荷重や変位の検出が可能となったのである。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る機械特性試験装置を示す縦断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る歪ゲージの測定回路を示すホイートストンブリッジ回路図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る機械特性試験装置を示す縦断面図である。
【図４】図３に示した機械特性試験装置の内、ＣＴ試験片とクリップゲージの部分を拡大して示した図である。
【図５】本発明に係る機械特性試験装置と従来例に係る機械特性試験装置とを比較して示す歪ゲージのドリフト量測定結果である。
【図６】従来例に係る機械特性試験装置を示す縦断面図である。
【図７】従来例に係る線ゲージ型の歪ゲージを、カバーフィルムを除去して示した平面図である。
【図８】従来例に係る箔ゲージ型の歪ゲージを、カバーフィルムを除去して示した平面図である。
【図９】図７，８の歪ゲージを、カバーフィルムを含めて示した縦断面図である。
【図１０】従来例に係る材料試験装置の全体を表した全体図である。
【図１１】図１０に示した材料試験装置の内、ＣＴ試験片と亀裂開口変位測定器具の部分を拡大して示した図である。
【符号の説明】
【００６４】
１…機械特性試験装置， ２…圧力容器， ３…下蓋， ４…プルロッド，
５…支柱， ６，１２，１３…ナット， ７…ロードセル， ８…上板，
９…ステー， １０…歪ゲージ（水素雰囲気用歪ゲージ）， １１…試験片，
１４…取付治具， １５…ＣＴ試験片， １６，１７…シールリング，
１８…試験荷重負荷検出装置， ２０…ホイートストンブリッジ回路，
２１〜２４，３１〜３４…歪ゲージ（水素雰囲気用歪ゲージ），
２５…印加電源， ２６…電圧計， ３０…クリップゲージ， ３５…リード
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧ガス雰囲気下で試験片の機械特性試験を行う機械特性試験装置およびそれに用いられる歪ゲージの改善に関し、より詳しくは、水素ガスを含む高圧容器内に配設された試験荷重負荷検出装置のロードセルに付設されてなる歪ゲージの検出精度を改善した機械特性試験装置およびそれに用いられる水素雰囲気用歪ゲージに関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧ガス雰囲気下で用いる金属、樹脂、セラミックス等の材料の引張強度、圧縮強度、曲げ強度、引張疲労強度等の機械的特性を把握することは、高圧ガス雰囲気下でこれらの材料を使用する設備設計上、重要なことである。このような特殊環境の下では、材料の特異な現象が発現される。
【０００３】
一般的に、高圧ガス雰囲気下では、金属、樹脂、セラミックス等の材料の強度特性が変化する。例えば、数１００ＭＰａの高圧下では、金属の延性が増大することが知られており、また、特定のガス雰囲気下、例えば高圧水素ガス雰囲気下では、鋼系材料は水素を吸収して脆化することが知られている。
【０００４】
近年、水素を燃料とする燃料電池の研究開発が活発化し、自動車や家庭用途を中心に、その適用につき試作段階から実用段階への急速な進歩が認められる。特に、自動車用途では、地球温暖化問題と化石燃料の高騰が後押しする形で、実用車への適用が急速に展開されつつある。このような自動車用途では、燃料として３５ＭＰａあるいは７０ＭＰａの高圧まで圧縮した水素を、ボンベに充填して用いる圧縮水素タイプが先行しており、高圧水素ガス雰囲気で用いられる減圧弁や配管材料の特性評価が急務となっている。
【０００５】
一方、数１０〜数１００ＭＰａといった高圧水素ガス雰囲気下においては、引張強度等の機械的特性を測定する試験装置自体もこのような雰囲気下に暴露されるため、構成材料は勿論、構造的な面でも十分な測定装置がないのが実情である。
【０００６】
材料の引張強度や圧縮強度等の機械的特性を測定するためには、特定の寸法・形状の試験片に荷重を負荷すると同時に、その試験片に負荷された荷重および変形量の両方を測定する必要がある。このような測定を高圧ガス雰囲気下で行う場合には、高圧ガス雰囲気を形成する高圧容器内部に設けた試験荷重負荷検出装置に試験片を収納して、高圧容器の外部から試験片に負荷する荷重を別途加えることとなる。そして、この試験片に負荷された荷重を、前記試験荷重負荷検出装置内に配置され、歪ゲージが付設されてなるロードセルによって検出している。
【０００７】
このような機械的特性を測定する装置に関し、本発明者らは、上述したように外部より部材（プルロッド）を介して高圧容器内の試験片に荷重を負荷する際、摩擦力を小さく抑え、かつガス漏れを防止しながら、前記プルロッドに作用する高圧ガスの作用力およびシールリングの摩擦力による荷重値の誤差の影響を低減することを目的とした機械特性試験装置を既に提案している（特許文献１参照）。
【０００８】
上記従来例に係る機械特性試験装置を、添付図面を参照しながら説明する。図６はその縦断面図である。
この従来例に係る機械特性試験装置によれば、高圧容器４２内に試験片４８を装着した後高圧ガスを導入し、ある特定条件の高圧ガス雰囲気の基に、前記試験片４８に荷重を負荷して該試験片の変形量を測定する機械特性試験装置４１において、前記高圧容器４２を、少なくとも一端に開口部を有する筒状の本体部４４と、該開口部を開閉自在に閉塞する蓋部４６とにより構成されている。
【０００９】
同時に、この機械特性試験装置は、前記高圧容器４２内にガス導入口Ａから高圧ガスを導入した際に、前記蓋部４６にかかる軸力を、前記高圧容器４２に外方から係脱自在とされたプレスフレーム４７によって担持し、前記蓋部４６に固定された試験片４８に対して、該蓋部４６を貫通するロッド４９を通じて荷重を付加するアクチュエータ部４０によって、前記試験片４８の変形量を測定可能な構成をなしている。
【００１０】
また同時に、この機械特性試験装置は、前記プレスフレーム４７を離脱させて前記蓋部４６を開放することによって、試験片４８を装着・取出し自在な構造としたのである。そして更に、前記高圧ガスによって前記ロッド４９にかかる作用力を軽減乃至ゼロにする流体バランス機構４３が、前記ロッド４９に設けられている。
【００１１】
ところで、上記試験片４８の試験荷重は、高圧容器４２内のプルロッド４９外周表面に付設された（図示していない）歪ゲージを用いて測定している。この歪ゲージには、一般的に、金属抵抗線を用いた線ゲージと金属抵抗箔を用いた箔ゲージの２種類がある。カバーフィルムを除去した線ゲージ型の歪ゲージの平面図を図７に、カバーフィルムを除去した箔ゲージ型の歪ゲージの平面図を図８に示す。また、図７および図８の歪ゲージのカバーフィルムを含めた縦断面図を図９に示す。
【００１２】
即ち、符号５０，５４で各々示される線ゲージ型および箔ゲージ型の歪ゲージは、Ｃｕ-Ｎｉ合金またはＮｉ-Ｃｒ合金からなる金属抵抗線５１や金属抵抗箔５５を、絶縁層であるゲージベース５３とカバーフィルム５６とにより、サンドイッチ構造状に上下に挟み込み、接着剤により接着した構成となっている。一般的には、前記金属抵抗線５１は２５〜６０μｍ程度の径を有するものが使用され、前記金属抵抗箔５５の場合は３〜６μｍの厚さを有するものが使用されている。
【００１３】
また、前記絶縁層であるゲージベース５３は、ポリイミドやエポキシ等の樹脂で形成されている。このような歪ゲージ５０，５４は、これを付設した測定対象物の微小な寸法変化を、ゲージリード５２から電気信号として検出するセンサーであり、材料の一般的な特性評価試験に多用されている。
【００１４】
ところが、前述したような水素ガスを含む高圧ガス雰囲気下では、この水素ガスが歪ゲージ素材であるＣｕ−Ｎｉ合金やＮｉ−Ｃｒ合金内に浸入して、抵抗値の変化を生じさせ、結果として検出した歪値に誤差を発生させる作用をすることが分かった。従って、前記従来例のように、プルロッド４９の外周表面に歪ゲージを付設して使用する場合、水素ガスの影響を受けて、外部からの荷重を負荷されなくとも出力が変化してしまうのである。
【００１５】
次に、このような水素ガスの影響を回避できる従来例に係る材料試験装置について、以
下、図１０および図１１を参照しながら説明する。図１０は従来例に係る材料試験装置の
全体を表した図、図１１は図１０に示した材料試験装置の内、ＣＴ試験片と亀裂開口変位
測定器具の部分を拡大して示した図である。この従来例に係る亀裂開口変位測定器具およ
びその材料試験装置によれは、図１１に示すように、高圧容器部６２内の試験片６０の寸
法変化量を、変位検出棒８２を介して、電気信号として亀裂開口変位測定器具６４によっ
て、高圧容器部６２外に取り出す構成をなしている。
【００１６】
即ち、この従来例に係る亀裂開口変位測定器具６４およびその材料試験装置６１によれば、第一エッジ７７と第二エッジ７８との距離で開口部幅が画定される切欠きを有する試験片６０に、引張力を負荷した際の該開口部幅を測定する亀裂開口変位測定器具６４であって、前記開口幅の変位を後述する電気信号として伝達するために、一端７１ａで前記第一エッジ７７に当接する第一検出レバー７１と、一端７２ａで前記第二エッジ７８に当接する第二検出レバー７２とを備えている。
【００１７】
同時に、前記第一検出レバー７１と前記第二検出レバー７２との間に挟まれて配置される第一支点部材７３であって、この第一支点部材７３と前記第一検出レバー７１との当接部および前記第一支点部材７３と前記第二検出レバー７２との当接部をそれぞれ支点として第一検出レバー７１と第二検出レバー７２とをそれぞれ傾斜させ得る第一支点部材７３とを備えている。
【００１８】
また同時に、前記第一検出レバー７１の一端７１ａと前記第二検出レバー７２の一端７２ａとが離れるように、これら第一検出レバー７１と第二検出レバー７２とを付勢する付勢手段７６と、前記第一検出レバー７１の他端７１ｂと前記第二検出レバー７２の他端７２ｂとの間の、距離の変化に対応した電気信号を発生する信号発生手段６５とを備えている（特許文献２参照）。
以上のように歪ゲージを使わずに、変位量を電気信号として取り出す構成とすることによって、水素ガスの影響を排除することができる。
【特許文献１】特開２００４−３４０９２０号公報
【特許文献２】特開２００３−３２９５５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかしながら、上記従来例に係る亀裂開口変位測定器具６４およびその材料試験装置６１は、構造が複雑な上、試験片６０の寸法変化は極めて微小であるので、測定精度の確保には高精度な部品の製作が要求される。また、試験片６０を交換する度に膨大な解体・組立調整作業が必要となってくるため、コストと時間が掛かり過ぎるという欠点を有していた。更に、そのような状況から、測定精度についても満足できるものではなかった。
【００２０】
従って、本発明の目的は、水素ガスを含む高圧ガス雰囲気下に試験片を配置して、この試験片に荷重を負荷し、前記試験片に負荷される荷重および／または変位を、ロードセルに付設されてなる歪ゲージを用いて検出する機械特性試験装置において、前記歪ゲージが水素ガスの影響を受けることなく安定した測定値を検出することを可能ならしめる機械特性試験装置およびそれに用いられる水素雰囲気用歪ゲージを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
発明者らは、上記のような事情に鑑み、水素ガスが歪ゲージに及ぼす影響について種々調査検討した結果、金属抵抗箔の種類と厚みによりその影響の度合いが大いに異なることを知見して、本発明をなすに至ったものである。
【００２２】
前記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る機械特性試験装置が採用した手段は、水素ガスを含む高圧ガスが導入される高圧容器が設けられ、この高圧容器内に、機械特性を評価するための試験片に荷重を負荷するとともに、前記試験片に負荷された荷重および／または変位を検出する歪ゲージが付設された試験荷重負荷検出装置が配設されてなる機械特性試験装置において、前記歪ゲージが、厚さ１０〜２５μｍのＣｕ−Ｎｉ金属箔ゲージまたは厚さ１０〜２５μｍのＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ金属箔ゲージからなることを特徴とするものである。
【００２３】
本発明の請求項２に係る機械特性試験装置が採用した手段は、請求項１項記載の機械特性試験装置において、前記歪ゲージが、アルミ、金および亜鉛から選択される少なくとも一種からなる材料によって、薄膜コーティングされてなることを特徴とするものである。
【００２４】
本発明の請求項３に係る水素雰囲気用歪ゲージが採用した手段は、水素ガスを含む高圧ガス雰囲気内で、試験片に負荷された荷重および／または変位を検出する歪ゲージにおいて、前記歪ゲージが、厚さ１０〜２５μｍのＣｕ−Ｎｉ金属箔ゲージまたは厚さ１０〜２５μｍのＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ金属箔ゲージからなることを特徴とするものである。
【００２５】
本発明の請求項４に係る水素雰囲気用歪ゲージが採用した手段は、請求項３に記載の水素雰囲気用歪ゲージにおいて、前記歪ゲージが、アルミ、金および亜鉛から選択される少なくとも一種からなる材料によって、薄膜コーティングされてなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の請求項１に係る機械特性試験装置は、水素ガスを含む高圧ガスが導入される高圧容器が設けられ、この高圧容器内に、機械特性を評価するための試験片に荷重を負荷するとともに、前記試験片に負荷された荷重および／または変位を検出する歪ゲージが付設された試験荷重負荷検出装置が配設されてなる機械特性試験装置に関する。
【００２７】
そして、この機械特性試験装置は、前記歪ゲージが、厚さ１０〜２５μｍのＣｕ−Ｎｉ金属箔ゲージまたは厚さ１０〜２５μｍのＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ金属箔ゲージからなるので、水素ガスを含む雰囲気においても、前者は歪ゲージの抵抗値の変化を起こすことなく、後者は水素ガスが金属箔内に侵入し難く、その結果、前記歪ゲージの出力に外乱を与えず高精度で安定的な荷重や変位の測定が可能となる。
【００２８】
また、本発明の請求項２に係る機械特性試験装置は、前記歪ゲージが、アルミ、金および亜鉛から選択される少なくとも一種からなる材料によって薄膜コーティングされてなるので、これらの材料は水素を透過し難く、前記水素ガスによる歪ゲージ自体への外乱を排除し、更に安定した荷重や変位の測定が可能になる。
【００２９】
一方、本発明の請求項３に係る水素雰囲気用歪ゲージは、水素ガスを含む高圧ガス雰囲気内で、試験片に負荷された荷重および／または変位を検出する歪ゲージにおいて、前記歪ゲージが、厚さ１０〜２５μｍのＣｕ−Ｎｉ金属箔ゲージまたは厚さ１０〜２５μｍのＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ金属箔ゲージからなるので、水素ガスを含む雰囲気においても、前者は歪ゲージの抵抗値の変化を起こすことなく、後者は水素ガスが金属箔内に侵入し難く、その結果、前記歪ゲージの出力に外乱を与えず高精度で安定的な荷重や変位の検出が可能となる。
【００３０】
また、本発明の請求項４に係る水素雰囲気用歪ゲージは、前記歪ゲージが、アルミ、金、亜鉛から選択される少なくとも一種の材料によって薄膜コーティングされてなるため、これらの材料は水素を透過し難く、前記水素ガスによる歪ゲージ自体への外乱を排除し、更に安定した荷重や変位の検出が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
先ず、本発明の実施の形態１に係る機械特性試験装置を、その縦断面図である図１を用いて以下に説明する。
図１において、本発明の実施の形態１に係る機械特性試験装置１は、圧力容器２、下蓋３および試験荷重負荷検出装置１８にて構成されている。そして、圧力容器２および下蓋３は、シールリング１６を介して軸方向に摺動自在に嵌合されており、両者により高圧容器を構成して高圧ガス雰囲気が保持される。
【００３２】
前記試験荷重負荷検出装置１８は、試験荷重を試験片１１に負荷するためのプルロッド４、プルロッド４から受けた荷重を試験片１１に伝達するための取付治具１４、試験荷重を検出するため歪ゲージ１０が貼着されたロードセル７、前記ロードセル７を上下に挟み込んで後述する支柱５へ固定するステー９および上板８、前記ステー９および上板８を支持して下蓋３に固定された支柱５から構成される。
【００３３】
ここで、符号１２は試験片１１とロードセル７とを、符号１３は試験片１１と取付治具１４とを、夫々固定するためのナットである。前記ロードセル７への歪ゲージの付設方法については、貼着に限らず他の固定方法でも良い。
【００３４】
そして、この試験荷重負荷検出装置１８は、圧力容器２と下蓋３とで構成される高圧容器内に収納されるとともに、試験片１１に試験荷重を負荷するためのプルロッド４が、シールリング１７を介して下蓋３を貫通して、高圧ガス雰囲気での試験荷重を試験片１１に伝達している。
【００３５】
試験荷重は、図示していないアクチュエータにより、プルロッド４を介して試験片１１に負荷され、同時に、前記試験片１１の変位量を測定可能な構成としている。また、前記アクチュエータは、ピストンとシリンダーにより構成されて、油圧源から供給される油圧により駆動される。また、試験時のガス圧は、圧縮機等のガス圧源から、ガス導入孔（図示せず）を介して供給される。
【００３６】
前記ロードセル７は、その外表面に後述するように歪ゲージ１０が付設されており、これによって試験片１１に負荷される試験荷重を検出するためのパーツであるが、試験片１１を固定する固定治具も兼ねている。ロードセル７の形状としては、試験片１１に対して、軸方向に均一な試験荷重を付与する必要性から円柱状が好ましいが、必ずしも円柱状に制約するものでなく、荷重に対するロードセル７の応答性を良好にするため、断面積を減じるように円柱状に形成することも含まれる。
【００３７】
ロードセル７に付設された本発明に係る水素雰囲気用歪ゲージ１０の抵抗素子は、厚さ１２．７μｍのＣｕ−Ｎｉ金属箔が用いられている。このＣｕ−Ｎｉ金属箔は、水素分子が浸入しても歪ゲージとしての出力の変化は比較的少ない。これは、Ｃｕ−Ｎｉ合金が結晶学的に水素固溶量が大きな材料であるためであり、水素分子の浸入による歪ゲージ出力変化に鈍感な材料組成である。本発明に係る水素雰囲気用歪ゲージ１０の抵抗素子は、またＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ金属箔で形成されても良い。前記Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ金属箔は、表面にアルミの酸化被膜が形成されるため、水素分子が比較的浸透し難い材料である。
【００３８】
更に、このようなＣｕ−Ｎｉ金属箔またはＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ金属箔からなる本発明に係る水素雰囲気用歪ゲージ１０は、厚さ１０〜２５μｍの金属箔からなるのが好ましい。前記金属箔の厚さが１０μｍ未満では、浸入した水素の影響によりゲージの出力変化が比較的大きく、前記金属箔の厚さが２５μｍを越えると、金属箔厚さが厚過ぎて歪変化に追随できなくなるからである。
【００３９】
また、本発明に係るこのような水素雰囲気用歪ゲージ１０を箔ゲージ型の歪ゲージに限定する理由は、前記箔ゲージ型の歪ゲージのベース長さＬ１（図８参照）が２〜５ｍｍ程度であるのに対し、線ゲージ型の歪ゲージのベース長さＬ２（図７参照）は短いものでも７４ｍｍもあり、本発明に係る機械特性試験装置の如く狭い高圧容器内に適用するには不適であるからである。
【００４０】
次に、本発明に係る前記水素雰囲気用歪ゲージ１０を用いて、前記試験片１１に負荷される試験荷重を測定する構成について、以下図２を参照しながら説明する。図２は、試験片１１に負荷される試験荷重を、本発明の実施の形態１に係る水素雰囲気用歪ゲージによって測定するための歪ゲージの回路構成を示す回路図である。
【００４１】
図中の符号２１〜２４が水素雰囲気用歪ゲージであり、これらの水素雰囲気用歪ゲージ２１〜２４によってホイートストンブリッジ回路２０を形成している。これらの歪ゲージの内、アクティブゲージ２１，２２の２枚は、図１の１０（２１，２２）に示す通り、ロードセル７外周の１８０度反対の位置に、荷重付加方向に貼り付け、他の２枚のダミーゲージ１０（２３，２４）は、前記アクティブゲージと直角方向となるロードセル７外周の周方向に付設されている。
【００４２】
そして、図２において、電圧印加電源２６によりホイートストンブリッジ回路２０に電圧を印加し、電圧計２６により測定される電圧を読み取って、試験片１１に作用している試験荷重を検出するように構成されている。このような回路構成にすることにより、４枚の歪ゲージ２１〜２４に一様に付与される外乱による影響、例えば温度変化や静水圧による外乱の影響を排除するとともに、付設時の曲歪成分を解消することができる。
【００４３】
以上のように、本発明に係る前記水素雰囲気用歪ゲージ２１〜２４の抵抗箔素材は、既述した通りＣｕ-Ｎｉ合金またはＦｅ-Ｃｒ-Ａｌ合金からなるが、これらの金属の高圧水素ガス雰囲気下での水素侵入量は、僅か数ｐｐｍレベルであり安定している。しかしながら、試験温度が高温の場合は、水素の侵入量が多くなるので、長期にわたる安定性が必要な場合は、前記歪ゲージを水素が透過し難い金属、例えば金、アルミニウム、亜鉛から選択される少なくとも一種からなる材料によって薄膜コーティングするのが好ましい。
【００４４】
前記薄膜コーティングとは、アルミニウム、金および亜鉛から選択される少なくとも一種からなる材料のメッキ処理またはスパッタリング処理を言い、前記金属抵抗箔単体にコーティングしても良いし、あるいは本歪ゲージをロードセル等測定対象物に取り付け後コーティングしても良い。前記金属抵抗箔は、高圧下で水素の影響を受ける可能性は全く皆無であるという訳ではなく、水素透過し難い上記金属にて歪ゲージをコーティングすることによって、更に安定した測定が可能となる。
【００４５】
次に、本発明の実施の形態２に係る機械特性試験装置を、その縦断面図である図３を用いて以下に説明する。
但し、本発明の実施の形態２が上記実施の形態１と相違するところは、試験片の構成と測定項目に相違があり、これ以外は上記実施の形態１と全く同構成であるから、上記実施の形態１と同一のものに同一符号を付して、以下その相違する点について説明する。
【００４６】
即ち、上記実施の形態１の試験片が引張強度や圧縮強度を測定するための試験片であるのに対し、本実施の形態２の試験片はＣＴ（コンパクトテンション）試験片と呼ばれ、材料の破壊靭性値を評価するために用いられる。
【００４７】
この破壊靭性値とは、材料が、繰返応力を負荷されている間に、その内部欠陥から亀裂を生じ、それを起点として荷重の増加を伴わずに、破壊が急速に進行するいわゆる不安定破壊を生じる際に、材料が示す抵抗値のことをいう。前記破壊靭性値の評価には、本発明の機械特性試験装置の試験条件を、その材料が実際に使用される環境と同等の下に、ＣＴ試験片を装着して、当該試験片の亀裂の伸長伝播挙動を把握するため、その亀裂開口変位を測定する必要がある。
【００４８】
このような試験装置では、ロードセル７にて試験荷重を測定するとともに、ＣＴ試験片１５の開口部寸法の変位をクリップゲージ３０で測定する構成に上記実施の形態１と相違があり、その他は全く同構成であるから、このＣＴ試験片１５およびクリップゲージ３０についての説明に止めるものとする。
【００４９】
前記ＣＴ試験片１５およびクリップゲージ３０を、正面から見て拡大した拡大図である図４に示す。クリップゲージ３０のリード３５上下面には、ロードセル７と同様に歪ゲージ４枚３１〜３４が貼り付けてある。これら４枚の歪ゲージ３１〜３４は、本発明の形態１と同様、図２に示したホイートストンブリッジ回路２０を形成している。
【００５０】
このホイートストンブリッジ回路２０によって、クリップゲージ３０の外面側の歪ゲージ３１，３４と内面側の歪ゲージ３２，３３が、互いに補償し合うのである。そして、ロードセル７およびクリップゲージ３０に形成された歪ゲージ１０および３１〜３４は、厚さ１５μｍのＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ金属箔からなる水素雰囲気用歪ゲージから構成されている。
【００５１】
従って、本発明の形態２に係る機械特性試験装置１において、ロードセル７およびクリップゲージ３０に形成された歪ゲージ１０および３１〜３４は、上述の通り本発明に係る形態１と同様に、水素雰囲気用歪ゲージにて構成することによって、高圧雰囲気ガスに含まれる水素ガスの影響を排除できる点において、本発明の形態１に係る機械特性試験装置と同効である。
【実施例】
【００５２】
次に、本発明に係る機械特性試験装置と従来例に係る機械特性試験装置とを比較テストした実施例について、図１を併用しながら以下に説明する。
先ず、歪ゲージが本発明に係る水素雰囲気用歪ゲージで形成されてなるロードセルを備えた本発明に係る機械特性試験装置の実施例を説明する。
【００５３】
このロードセル７は、表１の実施例−１および実施例−２に示した本発明に係る水素雰囲気用歪ゲージ各々４枚を、前述したようにロードセル外表面に付設し、ホイートストンブリッジ回路を形成して構成した。そして、試験片１１とともに、このロードセル７を図１に示した試験荷重負荷検出装置１８に装着し、本発明に係る機械特性試験装置１を構成した。
【００５４】
【表１】
【００５５】
その後、圧力容器２と下蓋３によって構成される高圧容器内に高圧水素ガスを加熱しつつ導入して、温度９０℃、圧力２２ＭＰａの高圧水素ガス雰囲気を形成した。そして、プルロッド４による荷重を負荷することなく、水素暴露時間に対する前記歪ゲージにより検出されるドリフト量（初期歪）の変化を測定した。結果は図５に示す通りである。
【００５６】
本図５によれば、歪ゲージ１０を本発明に係る水素雰囲気用歪ゲージで構成した本実施例では、水素暴露時間の経過に拘わらず、検出された初期歪の変化、即ちゼロ点のドリフトは±２００×１０−６が程度以内に収まっていることが分かる。即ち、厚さ１０〜２５μｍのＣｕ−Ｎｉ金属箔ゲージまたは厚さ１０〜２５μｍのＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ金属箔ゲージにより、前記水素雰囲気用歪ゲージ１０を形成することにより、水素ガスを含む高圧ガス雰囲気下においても、水素ガスが前記金属箔内に侵入して抵抗値の変化を殆ど生ずることなく、正確な歪検出が可能であることが分かる。
【００５７】
次に、前記歪ゲージ１０が、従来例に係る歪ゲージで構成されてなるロードセルを備えた従来例に係る機械特性試験装置を用いた比較例を説明する。
【００５８】
上記実施例と同一外形寸法のロードセル外表面に、表１の比較例−１および比較例−２に示した従来例に係る歪ゲージ４枚各々を、その外表面に接着剤で付設してホイートストンブリッジ回路を構成した。そして、試験片１１とともにこのロードセルを、上記実施例で用いた試験荷重負荷検出装置１８に装着して、従来の機械特性試験装置を構成した。
【００５９】
その後、上記実施例と同様に、圧力容器２と下蓋３によって構成される高圧容器内に水素ガスを導入して、容器内を温度９０℃、圧力４５ＭＰａの高圧水素ガス雰囲気を形成した。この高圧ガス雰囲気下にて、プルロッド４による試験荷重を負荷することなく、水素暴露時間に対する前記歪ゲージにより検出される荷重の変化を測定した。結果は図５に示す通りである。
【００６０】
本図５によれば、水素暴露時間経過とともにゼロ点のドリフトが大きく生じていることが分かる。前記歪ゲージを形成している金属箔に水素ガスが侵入して、抵抗値の変化を起こしており、このような従来例に係る歪ゲージを用いた場合は、正確な荷重や変位の測定は不可能であることを示している。
【００６１】
以上のように、本発明に係る機械特性試験装置によれば、前記歪ゲージが、厚さ１０〜２５μｍのＣｕ−Ｎｉ金属箔ゲージまたは厚さ１０〜２５μｍのＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ金属箔ゲージからなるので、水素ガスを含む高圧雰囲気においても、前記歪ゲージの抵抗値の変化を起こすことなく、その結果、前記歪ゲージの出力に外乱を与えず高精度で安定的な荷重や変位の測定が可能となった。
【００６２】
一方、本発明に係る水素雰囲気用歪ゲージによれば、水素ガスを含む高圧ガス雰囲気内で、試験片に負荷された荷重および／または変位を検出する歪ゲージにおいて、前記歪ゲージが、厚さ１０〜２５μｍのＣｕ−Ｎｉ金属箔ゲージまたは厚さ１０〜２５μｍのＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ金属箔ゲージからなるので、水素ガスを含む雰囲気においても、前者は歪ゲージの抵抗値の変化を起こすことなく、また後者は水素ガスが金属箔内に侵入し難く、その結果、前記歪ゲージの出力に外乱を与えず高精度で安定的な荷重や変位の検出が可能となったのである。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る機械特性試験装置を示す縦断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る歪ゲージの測定回路を示すホイートストンブリッジ回路図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る機械特性試験装置を示す縦断面図である。
【図４】図３に示した機械特性試験装置の内、ＣＴ試験片とクリップゲージの部分を拡大して示した図である。
【図５】本発明に係る機械特性試験装置と従来例に係る機械特性試験装置とを比較して示す歪ゲージのドリフト量測定結果である。
【図６】従来例に係る機械特性試験装置を示す縦断面図である。
【図７】従来例に係る線ゲージ型の歪ゲージを、カバーフィルムを除去して示した平面図である。
【図８】従来例に係る箔ゲージ型の歪ゲージを、カバーフィルムを除去して示した平面図である。
【図９】図７，８の歪ゲージを、カバーフィルムを含めて示した縦断面図である。
【図１０】従来例に係る材料試験装置の全体を表した全体図である。
【図１１】図１０に示した材料試験装置の内、ＣＴ試験片と亀裂開口変位測定器具の部分を拡大して示した図である。
【符号の説明】
【００６４】
１…機械特性試験装置， ２…圧力容器， ３…下蓋， ４…プルロッド，
５…支柱， ６，１２，１３…ナット， ７…ロードセル， ８…上板，
９…ステー， １０…歪ゲージ（水素雰囲気用歪ゲージ）， １１…試験片，
１４…取付治具， １５…ＣＴ試験片， １６，１７…シールリング，
１８…試験荷重負荷検出装置， ２０…ホイートストンブリッジ回路，
２１〜２４，３１〜３４…歪ゲージ（水素雰囲気用歪ゲージ），
２５…印加電源， ２６…電圧計， ３０…クリップゲージ， ３５…リード
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスを含む高圧ガスが導入される高圧容器が設けられ、この高圧容器内に、機械特性を評価するための試験片に荷重を負荷するとともに、前記試験片に負荷された荷重および／または変位を検出する歪ゲージが付設された試験荷重負荷検出装置が配設されてなる機械特性試験装置において、前記歪ゲージが、厚さ１０〜２５μｍのＣｕ−Ｎｉ金属箔ゲージまたは厚さ１０〜２５μｍのＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ金属箔ゲージからなることを特徴とする機械特性試験装置。
【請求項２】
前記歪ゲージが、アルミ、金および亜鉛から選択される少なくとも一種からなる材料によって、薄膜コーティングされてなることを特徴とする請求項１に記載の機械特性試験装置。
【請求項３】
水素ガスを含む高圧ガス雰囲気内で、試験片に負荷された荷重および／または変位を検出する歪ゲージにおいて、前記歪ゲージが、厚さ１０〜２５μｍのＣｕ−Ｎｉ金属箔ゲージまたは厚さ１０〜２５μｍのＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ金属箔ゲージからなることを特徴とする水素雰囲気用歪ゲージ。
【請求項４】
前記歪ゲージが、アルミ、金および亜鉛から選択される少なくとも一種からなる材料によって、薄膜コーティングされてなることを特徴とする請求項３に記載の水素雰囲気用歪ゲージ。
【請求項１】
水素ガスを含む高圧ガスが導入される高圧容器が設けられ、この高圧容器内に、機械特性を評価するための試験片に荷重を負荷するとともに、前記試験片に負荷された荷重および／または変位を検出する歪ゲージが付設された試験荷重負荷検出装置が配設されてなる機械特性試験装置において、前記歪ゲージが、厚さ１０〜２５μｍのＣｕ−Ｎｉ金属箔ゲージまたは厚さ１０〜２５μｍのＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ金属箔ゲージからなることを特徴とする機械特性試験装置。
【請求項２】
前記歪ゲージが、アルミ、金および亜鉛から選択される少なくとも一種からなる材料によって、薄膜コーティングされてなることを特徴とする請求項１に記載の機械特性試験装置。
【請求項３】
水素ガスを含む高圧ガス雰囲気内で、試験片に負荷された荷重および／または変位を検出する歪ゲージにおいて、前記歪ゲージが、厚さ１０〜２５μｍのＣｕ−Ｎｉ金属箔ゲージまたは厚さ１０〜２５μｍのＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ金属箔ゲージからなることを特徴とする水素雰囲気用歪ゲージ。
【請求項４】
前記歪ゲージが、アルミ、金および亜鉛から選択される少なくとも一種からなる材料によって、薄膜コーティングされてなることを特徴とする請求項３に記載の水素雰囲気用歪ゲージ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００８−６４５６９（Ｐ２００８−６４５６９Ａ）
【公開日】平成２０年３月２１日（２００８．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２４１９２９（Ｐ２００６−２４１９２９）
【出願日】平成１８年９月６日（２００６．９．６）
【出願人】（０００１４２０６７）株式会社共和電業 (52)
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月２１日（２００８．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月６日（２００６．９．６）
【出願人】（０００１４２０６７）株式会社共和電業 (52)
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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