金属疲労試験機及び該金属疲労試験機を用いた金属疲労試験方法


【課題】低速度で金属疲労試験を行い、かつ、制御応答性を向上した金属疲労試験機及び該金属疲労試験機を用いた金属疲労試験方法を提供する。
【解決手段】ステッピングモータ４が固着され、金属疲労試験用試験片１の一端を把持する第１カップリング２Ｂが、その軸線を該ステッピングモータに備えられた回転軸４ａの軸線Ｓ−Ｓに一致させて該回転軸４ａに設置され、該金属疲労試験用試験片１の他端を把持する第２カップリング２Ａが、その軸線を該ステッピングモータ４に備えられた回転軸４ａの軸線Ｓ−Ｓに一致させて設置された金属疲労試験機及び該金属疲労試験機を用いた金属疲労試験方法である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属疲労試験機及び該金属疲労試験機を用いた金属疲労試験方法であって、例えば、材料の金属疲労試験に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
はんだは、可塑性（あるいは、熱可塑性）を有する導電性接着材料として、一般的に認知されている。また、近年では、鉛フリーはんだ材料として、各種の合金成分が検討されている。例えば、引っ張り強さ及びクリープ特性に優れた鉛フリーはんだ材料が開発されている。
【０００３】
実際に使用する際に鉛フリーはんだ材料に必要な強度は、その鉛フリーはんだ材料の使用中に発生する歪み範囲（即ち、振幅）と亀裂発生までの歪み繰り返し数（即ち、疲労寿命）の関係で表される。
【０００４】
前記の歪み範囲と歪み繰り返し数の関係に関する規定は、ＪＩＳ（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄ）規格に存在しない。そのため、材料メーカでは、前記の歪み範囲と歪み繰り返し数の関係に関するデータを採取しておらず、ユーザが該データを測定する必要がある。
【０００５】
また、ユーザ側では、市販の金属疲労試験機（例えば、電気式曲げ・ねじり疲労試験機，電気制御の油圧式引張・圧縮疲労試験機）を鉛フリーはんだ材料の金属疲労試験に関して適応することが考えられる。
【０００６】
しかし、これらの市販の金属疲労試験機は、金属材料（主に構造用金属材料）がターゲットとなっているため、はんだ材料のような低い強度の合金に対する金属疲労試験（例えば、低速度で実施される金属疲労試験）には適していない。そのため、ユーザは、はんだ材料に関する金属疲労試験に、既存の金属疲労試験機を改造したものを使用して、金属疲労試験を行っていた。
【０００７】
なお、前記の金属疲労試験に使用される金属疲労試験機には、ステッピングモータを備えた金属疲労試験機も、採用されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−１７０９３（段落［００２４］〜［００２６］等）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述のような金属疲労試験機は、鉄鋼材料の試験を前提として設計されている。その鉄鋼材料は、室温で実施される試験では試験速度の影響を受け難い、という特徴を有する。その特徴に基いて、前述の金属疲労試験機は、試験時間を短縮するために、高速で試験できるように設計される。
【０００９】
しかし、はんだ材料に関する金属疲労試験機は、低速度（例えば、１サイクルが１時間から１日間に相当する速度）で金属疲労試験を行う必要があるため、前述の金属疲労試験機の設計では、はんだ材料に関する金属疲労試験には適さない。
【００１０】
また、前述の金属疲労試験機に備えられた荷重検出器の精度は、鉄鋼材料の強度に応じた精度に設計されている。そのため、はんだ材料の強度（例えば、鉄鋼材料より１桁程度弱い強度）に応じた精度で試験を行うことができない。即ち、はんだ材料に関する金属疲労試験では、荷重の検出精度と制御応答性を高めた金属疲労試験機を必要とする。
【００１１】
本発明は、前記課題に基づいてなされたものであり、低速度で金属疲労試験を行い、かつ、制御応答性を向上した金属疲労試験機及び該金属疲労試験機を用いた金属疲労試験方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、前記課題の解決を図るために、請求項１記載の発明は、試験片の金属疲労を試験する金属疲労試験機であって、ステッピングモータが固着され、前記の試験片の一端を把持する第１カップリングが、その軸線を該ステッピングモータに備えられた回転軸の軸線に一致させて該回転軸に設置され、該試験片の他端を把持する第２カップリングが、その軸線を該ステッピングモータに備えられた回転軸の軸線に一致させて設置された、ことを特徴とする。
【００１３】
請求項２記載の発明は、金属疲労試験方法であって、請求項１記載の金属疲労試験機の第１カップリングに試験片の一端を把持させ、さらに、該金属疲労試験機の第２カップリングに該試験片の他端を把持させ、ねじり角を模擬した正弦波に応じたステップ信号を該金属疲労試験機のステッピングモータに与え、該ステッピングモータの回転軸の該ステップ信号に応じた回転によって、ねじり変形を該試験片に対して負荷し、該試験片と該金属疲労試験機間おけるねじりトルクを検出する、ことを特徴とする。
【００１４】
前記の請求項１記載の発明によれば、ステッピングモータで金属疲労試験を実施できる。カップリングに対して、ステッピングモータからのねじりを直接伝達できる。
【００１５】
前記の請求項２記載の発明によれば、任意のねじり角に対応したねじり変形を試験片に負荷できる。
【発明の効果】
【００１６】
以上示したように請求項１記載の発明によれば、金属疲労試験の結果を取得できる。また、金属疲労試験に係る制御応答性を向上できる。
【００１７】
請求項２記載の発明によれば、試験片に係るねじりトルクを検出できる。
【００１８】
これらを以って金属疲労試験技術の分野に貢献できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態における金属疲労試験機及び金属疲労試験方法を図面等に基づいて詳細に説明する。
【００２０】
本実施の形態は、ステッピングモータが固着され、金属疲労試験用試験片の一端を把持する第１カップリングが、その軸線を該ステッピングモータに備えられた回転軸の軸線に一致させて該回転軸に設置され、該金属疲労試験用試験片の他端を把持する第２カップリングが、その軸線を該ステッピングモータに備えられた回転軸の軸線に一致させて設置された金属疲労試験機及び該金属疲労試験機を用いた金属疲労試験方法である。
【００２１】
本実施の形態における金属疲労試験用試験片（以下、試験片と称する）の形状を図２に基づいて以下に説明する。なお、図２Ａは試験片の正面図である。図２Ｂは試験片の側面図である。また、図２Ａ及び図２Ｂにおいて、試験片の重心を通る水平線がＨ−Ｈ線である。
【００２２】
一般的な試験片の形状は円柱形状であって、例えば、図２中の試験片１のように、胴が端面から重心に向かって緩やかに細くなるように形成された円柱形状（即ち、中細の円柱形状）である。前記の試験片１の胴（例えば、図２Ａ中のＣ−Ｃ線と試験片１が交差する部）が、金属疲労試験の対象部（即ち、試験部）１ｃである。
【００２３】
前記試験片１の両端には、該試験片１を把持するために、チャック部１ａ及び１ｂが形成されている。さらに、チャック部１ａ及び１ｂには、より確実に把持できるように滑り止め防止用溝部１ｄを形成してある。
【００２４】
なお、前記の試験片１は、可塑性を有する材料（例えば、はんだ材料）で構成されているものとする。
【００２５】
前記の試験片１を用いて金属疲労試験を行う金属疲労試験機の構成を図１に基づいて以下に説明する。なお、図１は、前記の金属疲労試験機の軸方向断面図（Ｓ−Ｓ線を軸線とする軸方向断面図）である。また、図１中の符号で図２中の符号と同じものの説明は省略する。
【００２６】
図１中の金属疲労試験機１００は、試験片１に係る金属疲労を負荷するためのステッピングモータ４が金属疲労試験機１００の本体（例えば、筐体，フレーム）に固着されている。
【００２７】
なお、前記のステッピングモータ４は、減速機を備えている（例えば、内蔵している）ものとする。また、前記の減速機は、次のような特徴を有する。
【００２８】
前記の減速機は１ステップ当りの角度を１／１０００°以下に設定できる。即ち、試験片１に対して任意のねじり変形を負荷できる。
【００２９】
前記の減速機はバックラッシュが極めて小さいため、ねじり角が試験片の剛性によってねじり角設定値より小さくならない。即ち、高精度な歪み制御を行うことができる。
【００３０】
また、前記の金属疲労試験機１００には、試験片１を把持するカップリング２Ａ及び２Ｂが、それらの軸線を前記のステッピングモータ４の回転軸４ａの軸線Ｓ−Ｓに合わせて配置されている。即ち、この配置で前記の試験片１が前記のカップリング２Ａ及び２Ｂに各々把持されることによって、ダイレクト・ドライブ構造が形成される。
【００３１】
なお、図１中の回転軸４ａとカップリング２Ｂは、固定ねじ５Ｃによって直結されている。また、図１中のカップリング２Ａは、前記の金属疲労試験機１００の本体の一部（例えば、図１中の固定部３）に固着されている。
【００３２】
より具体的には、前記の試験片１は次のように把持される。
【００３３】
前記の試験片１の一端に形成されたチャック部１ａは、前記ステッピングモータ４に備えられた回転軸４ａに直結されているカップリング２Ｂの取り付け穴２Ｂａに挿入される。
【００３４】
さらに、固定ねじ５Ｂをカップリング２Ｂの滑り止め防止用溝部（図２中の符号１ｄで示される部）にねじ込み、前記の試験片１を締め付けることによって、該試験片１の一端が把持されることになる。なお、図１中では、前記の滑り止め防止用溝部は図示省略されている。
【００３５】
また、前記の試験片１の他端に形成されたチャック部１ｂは、固定部３に固着されたカップリング２Ａの取り付け穴２Ａａに挿入される。
【００３６】
さらに、固定ねじ５Ａを該カップリング２Ａの滑り止め防止用溝部にねじ込み、前記の試験片１を締め付けることによって、該試験片１の他端が把持されることになる。
【００３７】
なお、前記のカップリング２Ａ及び２Ｂは、例えば、試験片の両端の形状に合わせて交換可能な交換式カップリングとしても良い。例えば、図１における固定ねじ５Ｃを緩めて、カップリング２Ｂを回転軸４ａから取り外し、他のカップリングの取り付け穴に回転軸４ｂを挿入し、固定ねじ５ｃを締めて、他のカップリングを回転軸４ａに直結する方式である。
【００３８】
本実施の形態における金属疲労試験方法を以下に説明する。なお、以下の説明における図１中の符号で示すものの詳細な説明は省略する。
【００３９】
まず、図１中の金属疲労試験機１００のカップリング２Ａ及び２Ｂによって試験片１を把持する。
【００４０】
次に、ねじり角を模擬した正弦波に応じたステップ信号を該金属疲労試験機１００のステッピングモータ４に与えて、該ステッピングモータ４の回転軸４ａの該ステップ信号に応じた回転によって、ねじり変形を該試験片１に対して負荷する。
【００４１】
即ち、任意の正弦波を選択することによって、試験片１に対して任意のねじり変形を時間に関係なく負荷できる。
【００４２】
そして、ねじりトルクを検出するために、図１中の金属疲労試験機１００と試験片１間（例えば、前記のステッピングモータ４と試験片１間、または、前記の固定部３と試験片１間）におけるカップリングのねじり変形をトルク測定用歪みゲージで測定する。
【００４３】
例えば、図１中のステッピングモータ４と試験片１間におけるカップリングのねじり変形を測定する場合には、回転軸４ａ上にトルク測定用ゲージ６を図１で示すように設置し、該ねじり変形を測定する。
【００４４】
以上のように、本実施の形態によれば、任意の正弦波形で極低速度（例えば、１時間から１日間で、歪みの１サイクルが繰り返される速度）の金属疲労試験を実施することができる。
【００４５】
また、試験片のねじり変形量を極めて高い精度で測定できる。
【００４６】
さらに、前記の金属疲労試験機を構成する装置（例えば、ステッピングモータや減速機）は一般的な装置であるため、該金属疲労試験機を低コストで製作できる。
【００４７】
以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。
【００４８】
例えば、本実施の形態における変形例としては、カップリングと回転軸を一体成形してカップリング付き回転軸を備え、または、カップリングと金属疲労試験機の固定部を一体成形してカップリング付き固定部を備えた金属疲労試験機であっても良い。即ち、異なる径のチャック部を有する試験片を金属疲労試験する際に、カップリング付き回転軸、または、カップリング付き固定部を交換して金属疲労試験を実施できる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本実施の形態における金属疲労試験機の構成図
【図２】金属疲労試験用試験片の概略図
【符号の説明】
【００５０】
１…金属疲労試験用試験片
１ａ，１ｂ…チャック部
１ｃ…試験部
１ｄ…滑り止め防止用溝部
２Ａ，２Ｂ…カップリング
２Ａａ，２Ｂａ…取り付け穴
３…固定部
４…ステッピングモータ
４ａ…回転軸
５Ａ，５Ｂ，５Ｃ…固定ねじ
６…トルク測定用ゲージ
１００…金属疲労試験機

【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験片の金属疲労を試験する金属疲労試験機であって、
ステッピングモータが固着され、
前記の試験片の一端を把持する第１カップリングが、その軸線を該ステッピングモータに備えられた回転軸の軸線に一致させて該回転軸に設置され、
該試験片の他端を把持する第２カップリングが、その軸線を該ステッピングモータに備えられた回転軸の軸線に一致させて設置された、
ことを特徴とする金属疲労試験機。
【請求項２】
請求項１記載の金属疲労試験機の第１カップリングに試験片の一端を把持させ、さらに、該金属疲労試験機の第２カップリングに該試験片の他端を把持させ、
ねじり角を模擬した正弦波に応じたステップ信号を該金属疲労試験機のステッピングモータに与え、該ステッピングモータの回転軸の該ステップ信号に応じた回転によって、ねじり変形を該試験片に対して負荷し、
該試験片と該金属疲労試験機間おけるねじりトルクを検出する、
ことを特徴とする金属疲労試験方法。

【図１】

【図２】

【公開番号】特開２００８−１３９２５９（Ｐ２００８−１３９２５９Ａ）
【公開日】平成２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【国際特許分類】
物理学 | 測定；試験 | 材料の化学的または物理的性質の決定による材料の調査または分析 | 機械的応力の負荷による固体材料の強さの調査 | ねじりまたは渦巻き特性の試験
【出願番号】特願２００６−３２８３２５（Ｐ２００６−３２８３２５）
【出願日】平成１８年１２月５日（２００６．１２．５）
【出願人】（０００００６１０５）株式会社明電舎
【Ｆターム（参考）】
機械的応力負荷による材料の強さの調査 | 調査方法；試験の仕方 | 捩り試験
機械的応力負荷による材料の強さの調査 | 力を掛ける方法（時間的、空間的） | 繰返し応力による試験（疲労試験）
機械的応力負荷による材料の強さの調査 | 調査対象項目 | 強度 | 破壊強度
機械的応力負荷による材料の強さの調査 | 調査対象項目 | 耐久性、寿命
機械的応力負荷による材料の強さの調査 | 試験片、材料 | 金属材料 | 合金
機械的応力負荷による材料の強さの調査 | 試験片、形状、構造及び部分、部品 | 柱状、棒状
機械的応力負荷による材料の強さの調査 | 測定対象 | 応力
機械的応力負荷による材料の強さの調査 | 測定対象 | 歪み
機械的応力負荷による材料の強さの調査 | 測定対象の検出手段 | 電気的 | ストレーンゲージ

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