力と変位を独立に制御可能な機能を持つメゾスケール型引張試験機システムの開発

1、研究目的:本研究の最終目的は、マルチスケールな理論に関して将来メゾスケールの実験データが必要とされる場合を想定し、新規提案として、小荷重と微小変位とを独立に制御する機能を実現する、安価・超小型・高精度の引張試験機を開発することである。そこで、本研究では、荷重で数十ニュートン、変位では数マイクロメータのデータを精度良く取得可能とするため、荷重を制御しながら、変位を独立に制御する機構を試作することを目的とした。2、研究方法:まず、市販の圧電アクチュエータ(PZT)を利用し、カンチレバーを用いた引張負荷機構をワイヤ放電加工機で試作した。次に、PZTの制御電圧と変位との間のヒステリシスを解消するため、PZTの変位を既存の差動変圧器で測定し、負帰還制御を施すことにより、ヒステリシスを解消して1対1対応の線形関係を得た。続いて、PZTの両側にひずみゲージを用いた平行平板センサーを配置したカンチレバーを試作し、レバーの自由端に重錘による静荷重を負荷した後、自由端側センサーの力-変位関係と1対1対応であるが負の関係となるように固定端側センサーの出力を調整し、これにより静荷重により引っ張られた変位と逆方向に変位制御することで、固定端の変位を零に保持する負のコンプライアンスを利用した能動制御を試行した。3、研究成果:PZTの特性である制御電圧と変位のヒステリシスを解消することで、もう1つの特性である荷重と変位の線形関係を利用すれば、PZTの制御電圧だけで荷重と変位が同時に測定可能であることが判明した。また、新しく提案した力と変位を独立に制御可能な機構が負のコンプライアンス制御を施すことで実現できることが判明し、カンチレバーの自由端変位を0に制御すれば、自由端に取り付けた試験片の変位を正確に測定可能である。これら二つの成果は、小荷重・微小変位を測定するためのPZTを用いた超小型試験機の構造設計に対して、どちらを利用するにしても大きな利便性が得られる。

1、研究目的:本研究の最終目的は、マルチスケールな理論に関して将来メゾスケールの実験データが必要とされる場合を想定し、新規提案として、小荷重と微小変位とを独立に制御する機能を実現する、安価・超小型・高精度の引張試験機を開発することである。そこで、本研究では、荷重で数十ニュートン、変位では数マイクロメータのデータを精度良く取得可能とするため、荷重を制御しながら、変位を独立に制御する機構を試作することを目的とした。2、研究方法:まず、市販の圧電アクチュエータ(PZT)を利用し、カンチレバーを用いた引張負荷機構をワイヤ放電加工機で試作した。次に、PZTの制御電圧と変位との間のヒステリシスを解消するため、PZTの変位を既存の差動変圧器で測定し、負帰還制御を施すことにより、ヒステリシスを解消して1対1対応の線形関係を得た。続いて、PZTの両側にひずみゲージを用いた平行平板センサーを配置したカンチレバーを試作し、レバーの自由端に重錘による静荷重を負荷した後、自由端側センサーの力-変位関係と1対1対応であるが負の関係となるように固定端側センサーの出力を調整し、これにより静荷重により引っ張られた変位と逆方向に変位制御することで、固定端の変位を零に保持する負のコンプライアンスを利用した能動制御を試行した。3、研究成果:PZTの特性である制御電圧と変位のヒステリシスを解消することで、もう1つの特性である荷重と変位の線形関係を利用すれば、PZTの制御電圧だけで荷重と変位が同時に測定可能であることが判明した。また、新しく提案した力と変位を独立に制御可能な機構が負のコンプライアンス制御を施すことで実現できることが判明し、カンチレバーの自由端変位を0に制御すれば、自由端に取り付けた試験片の変位を正確に測定可能である。これら二つの成果は、小荷重・微小変位を測定するためのPZTを用いた超小型試験機の構造設計に対して、どちらを利用するにしても大きな利便性が得られる。