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JP7143567B2 - 材料試験機および放射線ct装置 - Google Patents

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Description

本発明は、試験片に対して負荷を与えるとともに、当該負荷状態における試験片に放射線を照射して試験片の放射線CT像を観察することができる材料試験機および放射線CT装置に関する。
試験片に対して引張負荷、圧縮負荷、曲げ負荷、突刺負荷などの負荷を与えて、材料の強度などの特性を検査する材料試験では、試験片における内部状況を観察するために、X線透視撮影やX線CT撮影を行う場合がある。このような材料試験に用いられるX線CT装置は、図11に示すように、X線源101とX線検出器102との間に回転ステージ103を備え、試験片TPを配置させた材料試験機105を回転ステージ103の上に載置させる。そして符号Gで示される軸の周りに回転ステージ103を回転させながらX線透視撮影を実行することにより、試験片TPの内部における三次元構造を観察できる構成となっている(例えば特許文献1、2)。
材料試験機105の従来構成としては、図12(a)や図12(b)に示されるような構成が挙げられる。図12(a)に示す第1の従来例において、材料試験機105は基台107と、基台107の中央に配置された一対の掴み具109と、掴み具109を挟んで左右対称となるように基台107に立設された一対の支柱111と、支柱111の上部に横架された横架ヘッド113と、掴み具109の一方を上下方向に往復移動させる駆動機構115とを備えている(例えば特許文献2、図5)。
一対の掴み具109は、互いに対向するように配置されており、試験片TPの両端部をそれぞれ把持する。掴み具109の各々が試験片TPを把持しつつ、一方の掴み具109が上下方向に移動することにより、試験片TPに対して圧縮負荷や引張負荷などが加えられる。支柱111は金属など剛性の高い材料で構成され、基台107と横架ヘッド113との間を支える。
図12(b)に示す第2の従来例に係る材料試験機105aの構成は、支柱111の代わりに円筒部材121を備えているという点を除いて、図12(a)に示す第1の従来例と共通する(例えば特許文献2、図1-2)。円筒部材121は掴み具109および試験片TPを囲繞するように配設されており、透明樹脂や炭素繊維強化プラスチック(CFRP)を例とするX線の透過性が高い材料で構成される。円筒部材121も支柱111と同様に、基台107と横架ヘッド113との間を支えることにより、試験片に負荷を与えることに起因する材料試験機105の変形を防止する。
特開2017-032325号公報 特開2005-195414号公報
しかしながら、このような構成を有する従来例の場合には、次のような問題がある。
まず、第1の従来例に係る材料試験機105を用いてX線CT撮影を行った場合、試験片TPのX線CT像に強いアーティファクトが発生する。そのため、試験片TPの内部観察を精度良く行うことが非常に困難であるという問題が懸念される。
このような問題の発生原因について発明者は鋭意検討を行った結果、以下のような仮説に至った。すなわち、材料試験機105を載置させた回転テーブル103を回転させつつX線を照射すると、角度によっては2本の支柱111がX線CT撮影の妨げとなる。一例としてX線源101、X線検出器102、および支柱111が平面視で図13(a)に示すような配置にある場合、X線源101から照射されて試験片TPを透過するX線104を支柱111が遮ることはない。
一方、回転テーブル103がさらに約90°回転して図13(b)に示すような配置になると、X線104を2本の支柱111の各々が遮ることとなる。支柱111は試験片PTに加わる負荷に耐えられるよう、金属製の太い棒状の構成であることが一般的であるので、X線104は2本の支柱111を透過することによって大きく減衰する。
X線CT像を観察するには回転テーブル103を180°以上回転させつつ断続的にX線撮影を行うことが一般的であるので、様々な撮影角度によって得られたX線撮影データのうち一部はX線が2本の支柱111を透過することによる強い減衰効果の影響を受ける一方、残りのX線撮影データは支柱111の影響を受けない。その結果、再構成されたX線CT像において、減衰効果の差に起因するアーティファクトが発生すると考えられる。
一方、第2の従来例に係る材料試験機105aは図13(c)に示すように、試験片TPは厚みが一定の円筒部材121で囲繞されている。また、円筒部材121はX線透過性の高い、比較的薄い材料で構成されている。そのため材料試験機105aを用いてX線CT撮影を行った場合、撮影角度の違いによるX線減衰効果の差は非常に小さいので、X線CT像に対するアーティファクトの影響は小さいと考えられる。
しかしながら、材料試験機105aは材料試験として行える内容に制限があり汎用性が低いという問題や、材料試験を行うための操作が煩雑で時間がかかるという問題が懸念される。すなわち材料試験機105aにおいて、試験片TPが配置される試験空間は筒状の円筒部材121によって閉鎖された状態となっており、かつ非常に狭い。
そのため、試験片の周囲において、伸び計やロードセルなどの各種センサ、および各種配線を配設できる空間は円筒部材121の内部に限られる。よって、多種類のデータを一度の材料試験で得ることが困難であり、またセンサ類や配線類を試験片の周囲に配設する作業が煩雑となる。さらに、試験空間が小さく閉鎖状態となっているので使用可能な試験片は非常に小さいものに限られ、JIS規格やISO規格などの各規格に沿った形状・サイズの試験片TPを用いて材料試験を行うことも困難である。
また、試験片TPの周囲は円筒部材121によって閉鎖されているので、材料試験が終了するたびに円筒部材121や横架ヘッド113など各種構成を取り外し、材料試験機105aを解体しなければ試験片TPを取り出すことができない。そして材料試験を再度行うには、試験片TPを把持させた状態で掴み具109の距離を一定に保ちつつ、材料試験機105aを組み立てるといった煩雑な作業が必要となる。その結果、材料試験には膨大な時間を要することとなる。
さらに、円筒部材121によるX線の減衰効果を低減させるべく、円筒部材121は薄くX線透過率の高い材料を用いる必要がある。しかし、このような構成を有する円筒部材121では十分な強度を確保することが困難であるので、負荷によって材料試験機105aが変形しやすい。よって、材料試験機105aでは試験片に与えることができる負荷の大きさの上限が低いといった問題も懸念される。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、容易かつ短時間で材料試験を実行できるとともに、材料試験時の放射線CT撮影によって得られる放射線CT像の精度を向上できる材料試験機および放射線CT装置を提供することを目的とする。
本発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、本発明に係る材料試験機は、互いに対向配置された放射線源と放射線検出器との間に配置された回転ステージ上に載置される材料試験機であって、基台と、前記基台の中央に配設され、試験片を支持する第1部材と、前記試験片を挟んで前記第1部材に対して対向配置される第2部材と、前記基台に立設された複数本の支柱と、前記試験片に対して前記負荷を加える方向に前記第1部材および第2部材の少なくとも一方を駆動させる駆動機構と、を備え、前記回転ステージをステージ面の直交軸周りに回転させつつ放射線CT撮影を行うときに、前記試験片に対して任意の方向から前記放射線が照射される場合について、前記放射線源から照射されて前記試験片を透過し前記放射線検出器に検出される放射線が、前記放射線検出器に検出されるまでに透過する前記支柱の数が1本以下となるように、前記支柱の各々は立設されていることを特徴とするものである。
[作用・効果]本発明に係る材料試験機によれば、試験片を支持する第1部材が基台の中央に配設されている。当該基台には、放射線源から照射されて試験片を透過し放射線検出器に検出される放射線が、放射線検出器に検出されるまでに透過する前記支柱の数が1本以下となるように、複数本の支柱が立設されている。
このように支柱を立設することにより、試験片に対してどの方向からX線が照射されても、試験片を透過し放射線検出器に検出される放射線が2本以上の支柱を透過して大きく減衰することがない。材料試験機を載置させた回転ステージを回転させて放射線を試験片に照射した場合に、試験片に対する放射線照射角度の違いによって放射線の減衰率が大きく異なるという事態を回避できる。その結果、放射線CT画像に映し出される試験片のCT像に強いアーティファクトが発生する事態も回避できるので、放射線CT画像を用いた三次元観察の精度を向上できる。
また、基台に複数本の支柱を立設する構成であるので、当該支柱により材料試験機の強度を向上させつつ、支柱同士の隙間によって試験片の周辺空間を開放状態とすることができる。そのため、支柱の隙間から手などを入れることにより、試験片を材料試験機にセットする作業や試験片を取り外す作業を簡便にできる。また、筒状部材などで閉鎖された空間内に試験片をセットする従来構成と比べ、試験片やセンサ類を設置する範囲を大幅に広くできる。従って、より多様な条件下における材料試験が可能となり、材料試験で得られるデータの品質を向上できる。
この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとってもよい。
すなわち本発明に係る材料試験機は、基台と、前記基台の中央に配設され、試験片を支持する第1部材と、前記試験片を挟んで前記第1部材に対して対向配置される第2部材と、前記基台に立設された複数本の支柱と、前記試験片に対して前記負荷を加える方向に前記第1部材および第2部材の少なくとも一方を駆動させる駆動機構と、を備え、前記支柱のうち任意の2本を通過する直線によって形成される領域が前記試験片と重複しないように、前記支柱の各々は立設されていることを特徴とするものである。
[作用・効果]本発明に係る材料試験機によれば、試験片を支持する第1部材が基台の中央に配設されている。当該基台には、支柱のうち任意の2本を通過する直線によって形成される領域が試験片と重複しないように、複数本の支柱が立設されている。
支柱が立設された材料試験機を用いて放射線CT撮影を行う場合、支柱のうち任意の2本を通過する直線によって形成される領域において、太い線状のアーティファクトが発生する。このように支柱を立設することにより、放射線CT画像に映る試験片の放射線CT像に対して太い線状のアーティファクトが重複することを確実に防止できる。従って、太い線状のアーティファクトに起因して、試験片の放射線CT像を用いた三次元観察の精度が低下するという事態を好適に回避できる。
また、基台に複数本の支柱を立設する構成であるので、当該支柱により材料試験機の強度を向上させつつ、支柱同士の隙間によって試験片の周辺空間を開放状態とすることができる。そのため、試験片を材料試験機にセットするなどの作業が煩雑化することを回避できる。また、試験片やセンサ類を設置する範囲を大幅に広くできる。従って、より多様な条件下における材料試験が可能となり、材料試験で得られるデータの品質を向上できる。
また、上述した発明において、前記支柱の各々は、前記第1部材を中心とする、頂点の数が奇数である正多角形の前記頂点の各々に相当する位置に立設されていることが好ましい。
[作用・効果]本発明に係る材料試験機によれば、第1部材を中心とする、頂点の数が奇数である正多角形の頂点の各々に相当する位置に、支柱の各々が立設される。この場合、試験片に対して加えられる負荷は、支柱の各々によって均等に分散される。よって、負荷の偏りに起因して材料試験機の耐久性が低下することを好適に回避できる。
また、上述した発明において、前記支柱の数n、前記支柱の中心から前記第1部材の中心までの距離であるS1、前記支柱の半径であるS2、および前記第1部材の中心から前記試験片までの最大距離であるS3が、
Figure 0007143567000001
の条件を満たすことが好ましい。
[作用・効果]本発明に係る材料試験機によれば、第1部材を中心とする、頂点の数が奇数である正多角形の頂点の各々に相当する位置に支柱の各々が立設される構成において、放射線CT画像に発生する線状の太いアーティファクトが試験片の放射線CT像と重複する事態を確実に回避できる。よって、放射線CT画像を用いた試験片の三次元観察の精度が低下するという事態を好適に回避できる。
また、上述した発明において、前記支柱の各々は、前記第1部材を中心とする正三角形の各頂点に相当する位置に立設されていることが好ましい。
[作用・効果]本発明に係る材料試験機によれば、支柱の各々は、第1部材を中心とする正三角形の各頂点に相当する位置に立設されている。この場合、支柱の数を減らしつつ、試験片に対して加えられる負荷を支柱の各々によって均等に分散できる。よって、材料試験機の耐久性を向上させつつ、材料試験機の単純化および小型化が容易となる。材料試験機の小型化により、放射線CT撮影においてX線源から試験片までの光軸方向の長さをより短くできるので、より高い拡大率の放射線CT画像を取得して三次元観察の精度を向上できる。
また、上述した発明において、前記支柱の中心から前記第1部材の中心までの距離であるS1、前記支柱の半径であるS2、および前記第1部材の中心から前記試験片までの最大距離であるS3が、
Figure 0007143567000002
の条件を満たすことが好ましい。
[作用・効果]本発明に係る材料試験機によれば、第1部材を中心とする、第1部材を中心とする正三角形の各頂点に相当する位置に支柱の各々が立設される構成において、放射線CT画像に発生する線状の太いアーティファクトが試験片のX線CT像と重複する事態を確実に回避できる。よって、試験片の放射線CT像を用いた三次元観察の精度が低下するという事態を好適に回避できる。
また、試験片に対して放射線を照射する放射線源と、前記試験片を透過した前記放射線を検出して放射線検出信号を出力する放射線検出器と、前記放射線源と前記放射線検出器との間に配置され、前記試験片を支持した材料試験機を載置する回転テーブルと、前記回転テーブルを回転させる回転機構と、前記回転テーブルを回転する間に、前記放射線源に放射線照射を繰り返させる制御を行う放射照射制御部と、前記放射線源が放射線照射を行うたびに前記放射線検出器が出力する放射線検出信号に基づいて、前記試験片の放射線CT画像を再構成させる再構成処理部と、を備える放射線CT装置であって、前記材料試験機は、上述の発明に係る材料試験機であることが好ましい。本発明に係る放射線CT装置によれば、上述の材料試験機に係る効果を奏する放射線CT装置を実現することが可能となる。
本発明に係る材料試験機および放射線CT装置によれば、試験片に対して任意の方向から前記放射線が照射される場合について、試験片を透過し放射線検出器に検出される放射線が、放射線検出器に検出されるまでに透過する支柱の数が1本以下となるように、複数の支柱が材料試験機の基台に立設されている。この場合、試験片に対するあらゆる撮影方向において、放射線が透過する支柱は0本または1本となるので、放射線CT画像を撮影する際に特定の撮影方向のみ2本以上の支柱の透過によって放射線が大きく減衰する事態を防止できる。よって、撮影方向の違いによるX線画像データのバラツキに起因して試験片の放射線CT像にアーティファクトが発生することを回避できるので、当該放射線CT像による三次元観察の精度を向上できる。
また、複数の支柱を立設することにより、負荷に対する材料試験機の耐久性を向上させつつ支柱同士の隙間により試験片の周囲を開放空間とすることができる。そのため、支柱の隙間から材料試験機の中央部に手などを近づけることによって、材料試験機を分解することなく試験片を材料試験機に取り付ける作業および取り外す作業を容易に行える。従って、材料試験で行う作業の煩雑さを大幅に低減できる。
実施例に係る材料試験機を用いた、X線CT装置の全体構成を示す斜視図である。 実施例に係る材料試験機の構成を示す図である。(a)は材料試験機の斜視図であり、(b)は駆動機構の要部を示す斜視図であり、(c)は材料試験機の正面図である。 実施例に係る材料試験機の特徴を示す横断面図である。(a)は初期状態を示す図であり、(b)は初期状態から30°回転した状態を示す図であり、(c)は初期状態から60°回転した状態を示す図である。 実施例に係る材料試験機について、CT撮影領域を説明する横断面図である。 実施例に係る材料試験機の効果を説明する図である。(a)は、支柱を有しない材料試験機を用いて撮影したX線CT画像とその模式図であり、(b)は第1の従来例に係る材料試験機を用いて撮影したX線CT画像とその模式図であり、(c)は実施例に係る材料試験機を用いて撮影したX線CT画像とその模式図である。 実施例に係る材料試験機の構成を示す概略図である。(a)は、X線CT画像に太い線状のアーティファクトが発生する領域を説明する概略図であり、(b)は試験片のCT像にアーティファクトが重複しないような、CT撮影領域と支柱との位置関係を例示する横断面図であり、(c)は試験片のCT像にアーティファクトが重複するような、CT撮影領域と支柱との位置関係を例示する横断面図である。 実施例に係る材料試験機において、支柱およびCT撮影領域が満たす条件を説明する図である。 実施例に係る材料試験機の構成を示す横断面図である。(a)は4本の支柱を立設させた変形例を示す横断面図であり、(b)は4本の支柱を立設させた場合における領域KとCT撮影領域との位置関係を示す横断面図であり、(c)は5本の支柱を正五角形状に立設させた変形例を示す横断面図であり、(d)は正五角形状に支柱を立設させた場合における、領域KとCT撮影領域との位置関係を示す横断面図である。 変形例に係る材料試験機において、支柱およびCT撮影領域が満たす条件を説明する図である。(a)は領域KのうちCT撮影領域に最も近い領域K1を示す横断面図であり、(b)は領域KとCT撮影領域が重複しない条件を示す図である。 変形例に係る材料試験機の構成を示す図である。(a)は斜視図であり、(b)は負荷を与えていない状態を示す側面図であり、(c)は曲げ負荷を与えている状態を示す側面図である。 従来例に係る材料試験機を用いた、X線CT装置の全体構成を示す概略図である。 従来例に係る材料試験機の全体構成を示す概略図である。(a)は第1の従来例における材料試験機の構成を説明する斜視図であり、(b)は第2の従来例における材料試験機の構成を説明する斜視図である。 従来例に係る材料試験機の問題点を示す横断面図である。(a)は第1の従来例において、X線が支柱に遮られない状態を示す横断面図であり、(b)は第1の従来例において、X線が支柱に遮られる状態を示す横断面図であり、(c)は第2の従来例に係る材料試験機の横断面図である。
以下、図面を参照してこの発明の実施例を説明する。本実施例では放射線CT装置の一例としてX線CT装置を例示する。図1は、実施例に係る材料試験機10を適用したX線CT装置1の概略図である。なお本実施例では、試験片TPに対して引張負荷を与える材料試験を行う場合を例示して説明する。
<全体構成の説明>
X線CT装置1は、X線源3と、X線検出器5と、回転ステージ7と、高電圧発生装置9とを備えている。X線源3とX線検出器5は、回転ステージ7を挟んで対向配置されている。回転ステージ7はX線源3とX線検出器5との間に配設されており、ステージ面に直交する軸の周りに回転可能となるように構成されている。回転ステージ7は符号Gで示すz方向の軸周りに回転する。回転ステージ7に材料試験機10を載置させることにより、材料試験機10に保持されている試験片TPの非破壊内部観察を行うことができる。
X線管3は、高電圧発生装置9から高電圧が印加されることによりX線を試験片TPに対して照射する。X線検出器5は、X線源3から試験片TPに照射されて透過したX線Fを検出して電気信号に変換させ、X線検出信号として出力させる。X線検出器5の一例として、フラットパネル型検出器(FPD)などが挙げられる。本実施例ではX線管3とX線検出器5の中心とを結ぶ方向をx方向とする。
X線CT装置1は、さらにステージ駆動機構11と、画像演算部13と、再構成部15と、入力部17と、制御部19と、モニタ21とを備えている。ステージ駆動機構11は、互いに直交するx、y、およびzの各方向に回転テーブル7を移動させる。画像演算部13はX線検出器5の後段に設けられており、X線検出器5から出力されたX線検出信号に基づいて演算を行い、X線画像データ(二次元画像データ)を生成する。
再構成部15は画像演算部13の後段に設けられており、画像演算部13が生成したX線画像データを用いて試験片TPの断層像(X線CT画像)を再構成する。すなわち、回
転テーブル7をz方向の軸周りに回転させつつ、X線源3から断続的にX線Fを試験片TPへ照射させる。そして微小回転角度ごとに生成された、360°分の試験片TPのX線画像データを再構成させることにより、xy平面に沿ってスライスされた試験片TPのX線CT画像が取得される。また、再構成部15は360°分のX線画像データを用いて三次元画像を再構成させる。
入力部17は操作者の指示を入力するものであり、その例として、キーボード入力式のパネルやタッチ入力式のパネルなどが挙げられる。制御部19は中央演算処理装置(CPU)などを備えており、入力部17に入力される情報などに従って、高電圧発生装置9、ステージ駆動機構11、画像演算部13、再構成部15、モニタ21などの各種動作を統括制御する。モニタ21は、画像演算部13が生成したX線画像データや、再構成部15が再構成したX線CT画像および三次元画像などを表示する。
<材料試験機の構成>
次に、実施例に係る材料試験機10の構成について説明する。図2(a)は材料試験機10の斜視図であり、図2(b)は材料試験機10の縦断面図である。
材料試験機10は基台23と、複数本の支柱25と、横架ヘッド27と、横架ヘッド28と、一対の掴み具29と、駆動機構31と、可動ヘッド33とを備えている。支柱25はそれぞれ基台23に立設されている。横架ヘッド27および横架ヘッド28は支柱25に横架されている。横架ヘッド27は支柱25の上端に横架されており、横架ヘッド28は横架ヘッド27のやや下方において支柱25に横架されている。支柱25の各々は基台23と横架ヘッド27との間を支持する。
支柱25の構成材料としては金属など高い剛性を有するものが用いられる。支柱25の剛性を高くすることにより、試験片TPに加わる負荷に起因する材料試験機10の変形をより確実に防止する。また支柱25の構成材料としては、高いX線透過性を有することがより好ましい。支柱25のX線透過性を高くすることにより、支柱25を透過する際にX線が減衰することを抑制できる。高い剛性とX線透過性を備える構成材料としては、アルミニウムを例とする金属やCFRPなどが挙げられる。
掴み具29は下側掴み具29aおよび上側掴み具29bによって構成されている。下側掴み具29aは基台23の中央に配設されており、試験片TPの下端を把持する。上側掴み具29bは下側掴み具29aの上方に設けられており、試験片TPの上端を把持する。すなわち、掴み具29に把持された試験片TPは、基台23の中心部に配置されることとなる。また、下側掴み具29aおよび上側掴み具29bは、試験片TPを挟んで対向する位置に配設される。
下側掴み具29aおよび上側掴み具29bの各々は、基部30と一対の把持部32とを備えている。把持部32の各々は基部30に接続されており、開閉可能に構成されている。把持部32同士が離れている開状態から、把持部32同士が近づいている閉状態とすることにより、試験片TPを把持する。
なお、基部30と把持部32について、下側掴み具29aを構成するものについては基部30aおよび把持部32aとし、上側掴み具29bを構成するものについては基部30bおよび把持部32bとして両者を区別する。下側掴み具29aの基部30aは、基台23の中央部に接続されており、上側掴み具29bの基部30bは後述するネジ棒37の下端に固定されている。
上側掴み具29bは駆動機構31によってz方向へ往復移動可能に構成されている。下側掴み具29aと上側掴み具29bの各々が試験片TPを把持している状態で上側掴み具29bがz方向の上側へ移動することにより、試験片TPに対してz方向に引張負荷が加えられる。本変形例において、下側掴み具29aは本発明における第1部材に相当し、上側掴み具29bは本発明における第2部材に相当する。
図2(b)および図2(c)を用いて、駆動機構31の構成を説明する。駆動機構31は、回転部材35と、ネジ棒37と、モータ39とを備えている。回転部材35は横架ヘッド27と横架ヘッド28との間に取り付けられている。ネジ棒37は回転部材35と螺合しており、横架ヘッド27および横架ヘッド28を貫通してz方向に延びるように配設されている。ネジ棒37の下端には上側掴み具29bが一体となるように接続されている。
回転部材35は図2(b)に示すように、ナット35aとギア35bを備えている。ナット35aは内部にネジ切りがなされており、ナット35aとネジ棒37と螺合するよう構成されている。ギア35bはナット35aの外側に設けられており、後述するギア40と咬合している。
回転部材35の上下には一対のスペーサ36が取り付けられている。一方のスペーサ36aは回転部材35の下面と横架ヘッド28の上面との間に取り付けられ、他方のスペーサ36bは回転部材35の上面と横架ヘッド27の下面との間に取り付けられている。回転部材35はスペーサ36aおよび36bに挟まれることにより、z方向すなわち上下方向には動かないよう拘束されつつ、z方向の軸周りに回転可能に構成される。なお、図2(b)において、説明の便宜上スペーサ36bを省略している。
モータ39は横架ヘッド28の上面に配設されており、回転部材35をz方向の軸周りに回転させる。すなわち図2(b)および図2(c)に示すように、モータ39にはギア40が接続されており、ギア40はギア35bと咬合するよう配設されている。ナット35aとギア35bとは一体となるよう構成されており、モータ39の回転に従ってギア40が回転する。よって、モータ39の回転力はギア40およびギア35bを介してナット35aに伝達され、モータ39を回転させることによってナット35aがz方向の軸周りに回転する。
ギア35bとともにナット35aが回転することにより、ナット35aに螺合しているネジ棒37に対してz方向への駆動力が発生する。すなわちナット35aが回転するとネジ棒37は上側掴み具29bとともに、回転部材35に沿って上下方向に移動する。実施例に係る駆動機構31の構成は一例であり、掴み具29の少なくとも一方を移動させて試験片TPに負荷を与えることができる構成であれば適宜変更してよい。
可動ヘッド33は基台23と横架ヘッド28との間において、支柱25に横架されている。可動ヘッド33は一例として金属製の円板であり、支柱25の各々が貫通する貫通穴が形成されている。すなわち可動ヘッド33は、基台23と横架ヘッド28との間を支柱25に沿ってz方向へ摺動可能に構成されている。また、可動ヘッド33はネジ棒37に固定されている。そのため、モータ39によって回転部材35が回転すると、上側掴み具29bとともに可動ヘッド33もz方向に移動する。可動ヘッド33が支柱25の各々に摺動することにより、z方向に移動する上側掴み具29bがx方向またはy方向に位置ズレすることを防止できる。
なお、基台23には回転テーブル7に載置された材料試験機10の位置ズレを防ぐ位置決め部材が設けられていることが好ましい。実施例では位置決め部材として、図2(c)に示すように、回転テーブル7の上面中央部には凸部7aが設けられ、基台23の下面中央部には凹部23aが設けられている。凸部7aに凹部23aを嵌合させることにより、材料試験機10を回転テーブル7へ載置させる際に、基台23の中心を確実に回転テーブル7の中心に位置合わせすることができる。
ここで、本発明の特徴である、支柱25の構成について図3の各図を用いて説明する。実施例に係る材料試験機10は、X線CT画像を取得する際に、X線源3から照射されるX線のうち、試験片TPを透過してX線検出器5に検出されるX線が透過する支柱25の数は1本以下となるように構成されている。なお、X線源3から照射されるX線のうち、試験片TPを透過してX線検出器5に検出されるX線については以下、符号4を付して説明する。言い換えれば、試験片TPに対する任意の照射方向について、X線4が透過する支柱25の数は1本以下となるように構成される。
本実施例では図3(a)に示すように、3本の支柱25が設けられている。そして支柱25の各々は、掴み具29を中心とする正三角形の頂点に相当する位置に立設されている。そして回転テーブル7とともに基台23が回転して支柱25がxy平面上において変位した場合、回転テーブル7の回転角度の大きさと無関係にX線4が支柱25を透過しない状態(図3(a))、または1本の支柱25のみを通過する状態となる(図3(b)および図3(c))。このような構成により、X線4が2本の支柱を透過して大きく減衰することを回避できる。
任意の撮影方向についてX線4が透過する支柱25の数は1本以下となる、という本発明に特徴的な構成は、掴み具29の中心Nから支柱25の中心Mまでの長さS1と、支柱25の半径S2と、CT撮影領域Wの半径S3とを適切な長さに調整することによって実現できる。本実施例において、CT撮影領域WとはX線CT撮影において試験片TPが通過する領域を意味することとする。xy平面上では図4において示すように、掴み具29の中心Nから試験片TPまでの距離のうち最大距離S3を半径とする円が、CT撮影領域Wに相当する。
3本の支柱25が正三角形状に配置される場合、S1~S3の値が下の(1)で示される式を満たすことによって、任意の撮影方向についてX線4が多くとも1本の支柱25を透過するという構成を実現できる。
S1・(1/2)≧S2+S3 ……(1)
すなわち、S2およびS3の和がS1の半分以下となるように、基台23に支柱25を立設させる位置や支柱25の太さなどを調整する。(1)で示される条件式の詳細については後述する。
<動作の説明>
ここで実施例に係るX線CT装置1の動作について、図面を用いて説明する。
まず、材料試験の対象となる試験片TPを材料試験機10にセットする。すなわち下側掴み具29aの把持部32aを開状態にさせて把持部32a同士の間に試験片TPの下端部を挿入する。そして把持部32aを開状態から閉状態とすることにより試験片TPの下端部が下側掴み具29aによって把持される。
そして上側掴み具29bの把持部32bの間に試験片TPの上端部を挿入し、把持部32bを開状態から閉状態にすることで試験片TPの上端部を把持させる。掴み具29によって試験片TPを材料試験機10にセットする工程と前後して、伸び計、ひずみゲージ、ロードセル、熱電対などのセンサ、および当該センサと接続される配線などを試験機TPの周辺部や材料試験機10にセットする。
試験片TPやセンサなどを材料試験機10にセットした後、材料試験機10を回転テーブル7に載置させる。このとき、回転テーブル7の中心と掴み具29の中心Nとが一致するように材料試験機10を載置させる。実施例では回転テーブル7の凸部7aに基台23の凹部23aを嵌合させることにより、掴み具29の中心Nは確実に回転テーブル7の中心と一致する。
次に、試験片TPに所定の負荷を加える操作を行う。操作者は、材料試験機10に設けられている図示しないコントローラを用いて駆動機構31を作動させる。駆動機構31の作動によりモータ39が回転部材35を回転させ、回転部材35の回転によりネジ棒37が可動ヘッド33および上側掴み具29bとともにz方向へ移動する。下側掴み具29aが試験片TPの下端を支持した状態でその位置は固定されている。
そのため、上側掴み具29bが下側掴み具29aから離反する方向へ移動することにより、上側掴み具29bの移動量に応じた大きさの引張負荷が試験片TPに作用する。引張負荷の大きさは、可動ヘッド33などに配設されている図示しないロードセルによって検出される。負荷による試験片TPの変位量は、図示しない伸び計によって検出される。
モータ39を作動させた後、試験片TPに負荷が加えられている状態でX線CT撮影を開始する。すなわち、操作者は所定のX線照射条件を入力部13に入力し、回転テーブル7を回転させつつ断続的にX線を照射させる。回転テーブル7の回転により、材料試験機10は試験片TPを把持する掴み具29を中心とするz方向の軸周りに回転する。高電圧発生装置9はX線照射条件に応じた管電圧をX線源3に印加し、X線源3からX線が照射される。照射されたX線は、試験片TPを透過してX線検出器5に検出される。X線を検出したX線検出器5から発信されるX線検出信号に基づいて、画像演算部13は試験片TPのX線画像データを生成する。
回転テーブル7が所定の微小角度を回転するたびに、X線がX線源3から繰り返し照射され、様々な角度から撮影された試験片TPのX線画像データが多数生成される。再構成部15は、各々の撮影角度について生成された試験片TPのX線画像データ群を再構成することにより、z方向に直交する任意の平面における、試験片TPのX線CT画像が生成される。生成されたX線CT画像はモニタ21に表示される。
<実施例の構成による効果>
材料試験機10を回転させつつX線を照射してX線CT撮影を行う際に、試験片TPに対する任意のX線照射角度において、試験片TPを透過してX線検出器5に検出されるX線4は多くとも1本の支柱25を透過する。X線4が2本以上の支柱25を透過する場合はX線4が大きく減衰する一方、X線4が1本の支柱を透過する場合はX線4の減衰率が小さい。
実施例では任意の撮影角度について、X線4が透過する支柱25の数は0本または1本となり2本以上となることはない。そのため、試験片TPに対する撮影角度の違いによって、X線4の減衰率に大きな差が発生することを回避できる。その結果、X線CT画像に映る試験片TPのCT像に発生するアーティファクトが低減するので、X線CT画像による試験片TPの三次元観察の精度を向上できる。
ここで図5(a)~(c)の各図を用いて、実施例の構成によるアーティファクト低減効果について説明する。図5(a)は支柱25を有しない比較例、図5(b)は第1の従来例、図5(c)は実施例、の各々に係るX線CT装置を用いて得られたX線CT画像とその模式図を示している。図5(a)~(c)の各図において、実際に得られたX線CT画像を左側に示しており、当該X線CT画像において発生しているアーティファクトAFの位置の模式図を右側に示している。
図5(a)に示される比較例では、材料試験機10に支柱25が配設されていないので、試験片TPに対する任意の撮影角度においてX線4が支柱25の透過によって減衰することがない。よって、X線CT画像に映る試験片TPのCT像にアーティファクトAFはほとんど発生していない。ただし当該比較例では支柱25がないので、試験片TPに対する負荷により材料試験機10が変形するという事態が発生しやすい。よって、試験片TPに加えられる負荷の大きさの上限は小さく、また材料試験機10の耐久性も大きく低減する。
図5(b)に示される第1の従来例では、試験片TPの左右に支柱25が配置されている。この場合に得られるX線CT画像において、試験片TPのCT像に対して太い線状のアーティファクトAFが多数重複している(図5(b)の右図を参照)。多数のアーティファクトAFが観察対象である試験片TPに重複しているので、当該X線CT画像を用いて行われる三次元観察の精度は大きく低下する。
発明者は鋭意検討の結果、第1の従来例において多数のアーティファクトAFが試験片TPのCT像に重複する原因として、支柱25の構成に至った。すなわち、試験片TPの左右に2本の支柱25が配置されていると、試験片TPの撮影角度によっては試験片TPを透過するX線4が支柱25によるX線減衰効果を受けない場合と、X線4が2本の支柱25を透過して大きく減衰する場合がある(図13(a)、(b)を参照)。
よって第1の従来例では、X線4が支柱25を透過せずほとんど減衰しない撮影角度について得られたX線画像データ群と、X線4が2本の支柱25を透過することによって高い減衰率で減衰する撮影角度について得られたX線画像データ群と用いてX線CT画像の再構成が行われる。その結果、X線CT画像に映る試験片PTのCT像に対して、太い線状のアーティファクトAFが重複する。
そこで発明者はさらに検討を重ね、精度の高い三次元観察ができる構成として、実施例に係る材料試験機10に至った。図5(c)に示される実施例では、試験片TPを中心とする正三角形の頂点となる位置に支柱25が配置され、X線CT撮影時において試験片TPを透過するX線4は多くとも1本の支柱25を透過するように構成されている。このような実施例では、X線4が支柱25を透過せずほとんど減衰しない撮影角度について得られたX線画像データ群と、X線4が1本の支柱25を透過することによって低い減衰率で減衰する撮影角度について得られたX線画像データ群と用いてX線CT画像の再構成が行われる。
実施例に係る材料試験機10を用いたX線CT撮影によって得られるX線CT画像において、太い線状のアーティファクトAFは発生している(図5(c)の左図を参照)。しかし、太い線状のアーティファクトAFはいずれも試験片TPの外側に発生しており、試験片TPのCT像とは重複していない(図5(c)の右図を参照)。
そのため、観察対象にアーティファクトAFが重複してX線CT画像の品質が低下することを防止できる。よって、より高品質のX線CT画像を用いて、負荷が加えられた状態の試験片TPについて精度の高い三次元観察を行うことができる。
ここで、X線CT画像において太い線状のアーティファクトAFが発生する範囲に着目し、実施例に係る材料試験機10における好ましい構成について説明する。具体的には図6(a)に示すように、2本の支柱25を結ぶ直線が通る領域Kが、X線CT画像において太い線状のアーティファクトAFが発生する範囲に相当する。言い換えると、網点で示されている領域Kは2本の支柱25と、当該支柱25の共通接線R1およびR2とによって囲まれる領域に相当する。
従って、3本の支柱25を正三角形状に配置させる実施例では、3本のうち選択された2本の支柱25によって形成される3つの領域Kが常に試験片TPを通らない場合、確実に試験片TPのCT像とアーティファクトAFとの重複を回避できる(図6(b))。すなわち、回転テーブル7を回転させてX線CT撮影を行う際に試験片TPが通過する領域であるCT撮影領域Wが領域Kと重複しない場合、試験片TPを透過するX線4は確実に0本または1本の支柱25を透過することとなる。領域KがCT撮影領域Wと重複しない場合、CT撮影領域Wを通過する任意の直線は2本以上の支柱25と交差することはない。よって、領域KがCT撮影領域Wと重複しない場合、X線CT撮影において試験片TPを透過するX線4が透過しうる支柱25の数は0本または1本となる。
一方、図6(c)に示すように領域KがCT撮影領域Wと重複する場合、CT撮影領域Wを通過する直線が2本以上の支柱25と交差しうることとなる。一例として直線QはCT撮影領域Wおよび2本の支柱25の各々と交差する。よって図6(c)に示すような構成では、X線CT撮影の際に一部の撮影方向においてX線4が2本の支柱を透過してしまい大きく減衰する。その結果、撮影方向の違いによるX線4の減衰率の差によりアーティファクトが試験片TPのX線CT像に重複することとなる。領域KがCT撮影領域Wと重複する状態は、掴み具29の中心Nから支柱25の中心Mまでの距離S1が短すぎる場合や、支柱25の半径S2が長すぎる場合などに発生する。
ここで、CT撮影領域Wが領域Kと重複しないような、掴み具29の中心Nから支柱25の中心Mまでの距離S1と、支柱25の半径S2と、CT撮影領域Wの半径S3との条件について図7を用いて説明する。材料試験機10は掴み具29を中心として回転するので、CT撮影領域Wの中心は掴み具29の中心Nと一致する。また、3本の支柱25のうち任意に選択された2本の支柱を25a、25bとし、支柱25aおよび25bの中心をそれぞれMa、Mbとする。中心MaおよびMbを結ぶ直線MaMbと、CT撮影領域Wの中心Nを通る直線とが直交する点をTとする。
さらに、支柱25aと支柱25bとの共通接線のうちCT撮影領域Wに近い側を共通接線R1とすると、直線NTは点Hにおいて共通接線R1と直交する。そして直線NHの長さVがCT撮影領域Wの中心Nから領域Kまでの最短距離となる。すなわち直線NHの長さVがCT撮影領域Wの半径S3より大きい場合、領域KはCT撮影領域Wと重複することがなく、ひいては試験片TPのCT像にアーティファクトAFが重複することがない。
3本の支柱25は、点Nを中心とする正三角形の頂点となるように配置されているので、直線NMaと直線NMbとがなす角度は120°である。よって、直線NMaと直線NTとがなす角度θ1と、直線NMbと直線NTとがなす角度θ2はそれぞれ等しく60°である。
直線NMaの長さは長さS1と等しいので、直線NTの長さをJとすると以下の(2)で示される式が成り立つ。
J=S1・(cos60°)=S1・(1/2) ……(2)
直線THの長さは支柱25の半径S2の長さと等しいので、直線NTの長さJを用いることにより直線NHの長さVは以下の(2)で示される式で求められる。
V=J-S2=S1・(1/2)-S2 …… (3)
上述したように、直線NHの長さVがCT撮影領域Wの半径S3以上である場合(V≧S3)、領域KはCT撮影領域Wと重複することがない。よって、S1~S3の値が以下の(4)で示される式を満たす場合、領域KはCT撮影領域Wと重複することがない。
V=S1・(1/2)-S2≧S3 …… (4)
(4)の式を整理する結果、上述した(1)の式が成り立つ。すなわち、3本の支柱25を正三角形状に配置させる実施例において、半径S2および半径S3の和が距離S1の半分以下であるという条件を満たす場合、領域KはCT撮影領域Wと重複することがない。よって任意の撮影方向について、試験片TPを透過するX線4が透過する支柱25の数は確実に1本以下となる。その結果、X線CT画像において線状のアーティファクトAFが試験片TPのCT像に重複する、という事態を確実に回避できる。
ここで、実施例の構成によって得られる効果についてさらに説明する。実施例に係る材料試験機10は、基台23に3本の支柱25が立設されており、試験片TPに加わる荷重は剛性の高い支柱25によって支えられる。よって試験片TPに大きな負荷を加える材料試験であっても、材料試験機10が変形する事態は好適に回避され、材料試験の精度をより向上できる。
実施例では、基台23に立設された3本の支柱25によって、試験片TPに加わる負荷に対する材料試験機10の耐久性を高める構成となっている。そのため、第2の従来例において発生するような、材料試験における作業の煩雑さや材料試験として行える内容の制限といった課題を実施例では解決できる。
すなわち、実施例に係る材料試験機10では支柱25同士の間に大きな隙間があり、試験片TPを取り付ける空間は外部と繋がった開放状態となっている。そのため、材料試験において試験片TPや各種センサ、各種配線などをセットする作業や、材料試験が完了した後に試験片TPなどを取り外す作業を、支柱25同士の隙間から手などを入れることによって迅速かつ容易に行える。第2の従来例とは異なり、材料試験が完了するたびに材料試験機を分解して再度組み立てる作業が実施例では不要であるので、材料試験における作業の煩雑さを大きく低減できる。
また、第2の従来例では試験片TPが筒状部材121によって遮られているため、試験片TPの視認性が低下する。一方、実施例では支柱25の隙間を通して試験片TPを明瞭に視認できるので、負荷が加えられている試験片TPの状態を容易かつ正確に確認できる。よって、掴み具29が試験片TPを把持し損なう等、材料試験の工程にエラーが発生した場合、確実かつ速やかに試験を中止して対処できる。よって材料試験に要する時間およびコストが無に帰することを好適に防止できる。
さらに実施例では筒状部材を要しないので、試験片TPや掴み具29のサイズが筒状部材の内径による制限を受けることはない。そのため、JIS規格などによって規格化された形状・サイズの試験片TPを用いて材料試験を行うことがより容易となる。従って、実施例に係る材料試験機10やX線CT装置1において得られた試験の結果を、既存の規格に従った材料試験結果と比較して整合性を確認することが容易となる。
本発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。
(1)上述した実施例において、基台23において、3本の支柱25が正三角形の頂点となる位置に立設されている。しかし、X線CT撮影を行う際に、任意の撮影方向において、試験片TPを透過するX線4が支柱25を透過する支柱25の数を確実に1本以下とできるよう構成されるならば、支柱25の数および配置は適宜変更してよい。
一例として図8(a)に示すように、台形の頂点に相当する位置に4本の支柱25を立設させる構成が挙げられる。この場合、z方向に直交する面を映すX線CT画像においてアーティファクトAFが発生する領域、すなわち4本の支柱25のうち任意に選択された2本の支柱を通る直線によって形成される領域Kは図8(b)に示す通りとなる。よって、領域Kのいずれとも重複しない範囲にCT撮影領域Wを設定することにより、確実にX線4は1本以下の支柱25しか透過しない構成となり、試験片TPのCT像にアーティファクトAFが重複するという事態を確実に回避できる。
材料試験において試験片TPに作用する負荷を均等に分散できるという点で、支柱25は中心Nを中心とする正多角形となるように配設することが好ましい。一例として図8(c)に示すように、掴み具29の中心Nを中心とする正五角形の頂点となる位置に5本の支柱25を配設する構成が挙げられる。
この場合、5本のうち任意に選択された2本の支柱25によって形成される領域Kは図8(d)に示す通りとなる。これらの領域KがCT撮影領域Wと重複しないようにCT撮影領域Wおよび支柱25を調整することによって、X線4が透過する支柱25の数を確実に1本以下とすることができる。
ただし、正多角形の頂点の数は奇数であるものとする。正方形や正六角形など、頂点が偶数の正多角形状に支柱25を配設すると、試験片TPを挟んで左右対称となる位置に支柱25が配置されるので、所定の撮影角度においてX線4が2本の支柱25を透過することとなり好ましくない。
ここで任意の奇数nについて、正n角形の頂点となる位置にn本の支柱を配置した材料試験機10における、掴み具29の中心Nから支柱25の中心Mまでの距離S1と、支柱25の半径S2と、CT撮影領域Wの半径S3との条件について説明する。
まず、n本の支柱25のうち、領域Kが最もCT撮影領域Wに近くなるような2本の支柱25の組み合わせを考察する。図9(a)に示すように、支柱25のうち一つを任意に選択し、これを支柱25Pとする。基台23の中心線上に支柱25Pを配置させた場合、CT撮影領域Wを挟んで支柱25Pから最も遠い位置にある支柱25Qと、支柱25Pとによって形成される領域Kaが、領域KのうちCT撮影領域Wに最も近いものとなる。
支柱25Qは、支柱25Pからいずれかの円周方向周りに数えて{(n-1)/2}本目の支柱25に相当する。すなわち、支柱25Pと支柱25Qとの間には、{(n-3)/2}本の支柱25が配設されている。図9(a)では7本の支柱25が正七角形状に立設されている構成を例示している(n=7)。
そして、図7を用いて説明した方法を用いて、正n角形におけるS1~S3の条件も算出できる。すなわち図9(b)に示すように、支柱25Pと支柱25Qの中心をそれぞれMp、Mqとする。
まず、直線NMaと直線NMbとがなす角度θについて算出する。支柱25Bはn本の支柱25のうち、支柱25Aから円周方向回りに数えて{(n-1)/2}本目の支柱25であるので、角度θは以下の式(5)を用いて算出される。なお、2π=360°である。
θ=2π・(n-1)/2n ……(5)
よって、直線NMaと直線NTとがなす角度θ1と、直線NMbと直線NTとがなす角度θ2はそれぞれ等しく、π・(n-1)/2nに相当する。
直線NMaの長さは長さS1と等しいので、直線NTの長さをJとすると以下の(6)で示される式が成り立つ。
J=S1・(cosθ1)=S1・cos{π・(n-1)/2n} ……(6)
直線THの長さは支柱25の半径S2の長さと等しいので、直線NTの長さJを用いることにより直線NHの長さVは以下の(7)で示される式で求められる。
V=J-S2=S1・cos{π・(n-1)/2n}-S2 …… (7)
上述したとおり、直線NHの長さVがCT撮影領域Wの半径S3以上である場合(V≧S3)、領域KはCT撮影領域Wと重複することがない。よって、S1~S3の値が以下の(8)で示される式を満たす場合、領域KはCT撮影領域Wと重複することがない。
V=S1・cos{π・(n-1)/2n}-S2≧S3 …… (8)
そして(8)の式を整理する結果、以下の(9)で示される式が成り立つ。
S1・cos{π・(n-1)/2n}≧S2+S3 …… (9)
すなわち、n本の支柱25を正n角形状に配置させる構成において、半径S2および半径S3の和が、距離S1とcos{π・(n-1)/2n}との積以下である場合、全ての領域KはCT撮影領域Wと重複することがなく、任意の撮影方向において試験片TPを透過するX線4は確実に0本または1本の支柱25を通ることとなる。
支柱25の数すなわちnの値が大きくなるとcos{π・(n-1)/2n}の値が小さくなるので、X線4が透過する支柱25の数を確実に1本以下とするためには距離S1をより長くする、または半径S2およびS3をより小さくする必要がある。よって、実施例で示したような3本の支柱25を正三角形状に配置する構成とすることが特に好ましい。3本の支柱25を正三角形状に配置することで、支柱25を基台23の中心近くに配設できるので、材料試験機10の小型化が可能となる。また材料試験機10の小型化によって、X線源3を試験片TPに近づけた状態でX線撮影ができる。その結果、より拡大率の高いX線CT画像を取得できる。
(2)上述した実施例および変形例では、掴み具29を備え、材料試験として引張負荷を試験片TPに加える試験を行うための材料試験機10を例示したが、圧縮試験や曲げ試験など他の材料試験を行うための材料試験機についても、本発明に係る構成を適用できる。変形例に係る材料試験機10Aとして、曲げ試験を行うための構成を例示して説明する。実施例に係る材料試験機10と同一構成については同一符号を付すに留め、異なる構成部分について詳述する。
材料試験機10Aは図10(a)に示すように、一対の掴み具29の代わりに曲げ部材50を備えている。曲げ部材50は、支持台51および圧子53により構成されている。支持台51は基台23の中央に配設されており、試験片TPを支持する。圧子53は試験片TPを挟んで支持台51と対向する位置に配設されており、試験片TPに曲げ負荷を加える。支持台51および圧子53はCFRPを例とするX線透過性が高い材料で構成されることが好ましい。
図10(b)に示すように、支持台51は基部55と支持部57とを備えている。基部55は基台23の中央部に接続されている。支持部57は基部55の上面に配設されており、各々の先端には支点が形成されている。支持部57に試験片TPを載置させることにより試験片TPは支持される。圧子53は実施例における上側掴み具29bと同様にネジ棒37の下端に接続されており、駆動機構31によってz方向に往復移動可能となるよう構成されている。本変形例において、支持台51は本発明における第1部材に相当し、圧子53は本発明における第2部材に相当する。
図10(a)では2つの支持部57と1つの圧子53とによる、いわゆる3点曲げ試験を行うための材料試験機10Aを例示しているが、支持部57および圧子53の数は適宜変更してよい。また、材料試験機10Aは実施例と同様、支持台51を中心とする正三角形の頂点に相当する位置に配設された3本の支柱25を備えているものとするが、試験片TPを透過するX線4が2本以上の支柱25を透過することがない限り、支柱25の配置および数は適宜変更できる。
材料試験機10Aを用いて曲げ試験を行う場合、まず支持台51に試験片TPを載置させることにより試験片TPを材料試験機10Aにセットする。そして駆動機構31を作動させ、モータ39により回転部材35を回転させる。図10(c)に示すように、回転部材35が回転することにより圧子53はネジ棒37および可動ヘッド33とともに下降し、圧子53の先端が試験片TPを下方へ押し込む。
試験片TPは圧子53に押し込まれることによって、所定の負荷が加えられて下方へ曲げられた状態となる。試験片TPに負荷が加えられた状態で回転テーブル7を回転させて材料試験機10Aをz方向の軸周りに回転させつつ、X線源3からX線を照射させてX線CT画像を取得する。
照射されるX線のうち試験片TPを透過してX線検出器5に検出されるX線4は、試験片TPに対するあらゆる撮影方向において、透過する支柱25の数が1本以下となるように材料試験機10Aは構成されている。よって、X線CT画像を撮影する際に特定の撮影方向のみ2本以上の支柱の透過によってX線が大きく減衰する事態を防止できる。つまり、撮影方向の違いによるX線画像データのバラツキに起因して、試験片TPのX線CT像にアーティファクトが発生することを回避できる。そのため、試験片TPのX線CT像を用いて高精度の三次元観察を行うことができる。
また、材料試験機10Aは材料試験機10と同様、基台23に立設された複数本の支柱25によって負荷を支える構造となっている。すなわち、試験片TPの周囲は支柱25同士の隙間によって開放状態となっている。そのため、曲げ部材50などの各種部材一例として図10(b)などに示すように、支持台51を基台23の直径より長くしても材料試験およびX線CT撮影に支障をきたすことがない。よって、支持部57や圧子53の数を増やし、いわゆる4点曲げ試験やそれ以上に負荷の作用点を増やした曲げ試験を容易に実行できる。
また、試験片TPの周囲が開放状態となっているので、試験片TPとして長さや厚みのある材料を用いることができる。そのため、短い材料を用いて各種材料試験を行うことによって剪断の影響が大きくなるという事態を回避できる。また、厚みのある材料を材料試験に使用できるので、CFRPを例とする積層された材料も試験片TPとして各種材料試験を行うことができる。よって、材料試験の汎用性を向上できるとともに、材料試験で得られるデータの品質も向上できる。
(3)上述した実施例および変形例では、上側掴み具29bや圧子53など上側の部材が往復移動可能となる構成としているが、下側掴み具29aや支持台51など下側の部材を移動可能としてもよい。この場合、第1部材に相当する下側の部材がz方向へ駆動し、第2部材に対して近接または離反することにより、試験片TPに対して圧縮負荷、引張負荷、曲げ負荷などの各種負荷が加えられる。
(4)上述した実施例および変形例では、基台23の中央に配設する部材を適宜換装できる構成としてよい。一例として掴み具29を曲げ部材50と換装可能とすることにより、 材料試験機10を用いて行う材料試験を、引張負荷を加える材料試験から曲げ負荷を加える材料試験へと速やかに変更できる。別の一例として、材料試験機10Aにおいて圧子53の代わりに下端が先鋭となっている針状の部材に換装することにより、試験片TPに対して突刺負荷を加える材料試験を行うこともできる。
(5)上述した実施例および変形例では、X線CT撮影の際に回転テーブル7を360°回転させつつ、所定の微小角度を回転するたびにX線を照射して360°分のX線画像データを取得する構成としているが、CT撮影は360°回転させる構成に限られない。すなわち、三次元観察に適した試験片TPのX線CT画像を得られる程度の角度であれば、CT撮影において回転テーブル7を回転させる角度Rは適宜変更してよい。角度Rの好ましい例としては45°以上が挙げられ、より好ましい例としては180°以上が挙げられる。
一例として回転テーブル7を180°回転させてX線CT撮影を行う場合、回転テーブル7を180°回転させつつX線照射を繰り返し、試験片TPに関する180°分のX線画像データを取得する。180°回転させてCT撮影を行うときに、X線4が透過する支柱25の数が常に1本以下となるように、支柱25の各々が構成されていればよい。言い換えれば、回転テーブル7の回転によって最大で180°異なる複数の撮影方向からX線が試験片TPに照射されるが、180°分の撮影方向のうち任意の方向について、X線4が透過する支柱25の数が1本以下となるように、支柱25の各々が構成されていればよい。
(6)上述した実施例および変形例では、材料試験機を適用するCT装置として、X線を試験片に照射して検出するX線CT装置を例示したがこれに限られない。すなわち試験片のCT画像を取得するCT装置であれば、中性子線、シンクロトロン放射光、γ線など他の電離線を照射するCT装置にも本発明に係る材料試験機を適用できる。
1 …X線CT装置
3 …X線源
5 …X線検出器
7 …回転テーブル
9 …高電圧発生装置
13 …画像算出部
15 …再構成部(再構成処理部)
19 …制御部
21 …モニタ
23 …基台
25 …支柱
27 …充放電制御部
29a …下側掴み具(第1部材)
29b …上側掴み具(第2部材)
31 …駆動機構
35 …回転部材
37 …ネジ棒
39 …モータ

Claims (6)

  1. 互いに対向配置された放射線源と放射線検出器との間に配置された回転ステージ上に載置される材料試験機であって、
    基台と、
    前記基台の中央に配設され、試験片を支持する第1部材と、
    前記試験片を挟んで前記第1部材に対して対向配置される第2部材と、
    前記基台に立設された複数本の支柱と、
    前記試験片に対して負荷を加える方向に前記第1部材および第2部材の少なくとも一方を駆動させる駆動機構と、
    を備え、
    前記回転ステージをステージ面の直交軸周りに回転させつつ放射線CT撮影を行うときに、前記試験片に対して任意の方向から放射線が照射される場合について、前記放射線源から照射されて前記試験片を透過し前記放射線検出器に検出される放射線が、前記放射線検出器に検出されるまでに透過する前記支柱の数が1本以下となるように、前記支柱の各々は立設されている
    ことを特徴とする材料試験機。
  2. 請求項1に記載の材料試験機において、
    前記支柱の各々は、
    前記第1部材を中心とする、頂点の数が奇数である正多角形の前記頂点の各々に相当する位置に立設されている
    ことを特徴とする材料試験機。
  3. 請求項2に記載の材料試験機において、
    前記支柱の数n、前記支柱の中心から前記第1部材の中心までの距離であるS1、前記支柱の半径であるS2、および前記第1部材の中心から前記試験片までの最大距離であるS3が、
    Figure 0007143567000003

    の条件を満たすことを特徴とする材料試験機。
  4. 請求項2に記載の材料試験機において、
    前記支柱の各々は、
    前記第1部材を中心とする正三角形の各頂点に相当する位置に立設されている
    ことを特徴とする材料試験機。
  5. 請求項2に記載の材料試験機において、
    前記支柱の中心から前記第1部材の中心までの距離であるS1、前記支柱の半径であるS2、および前記第1部材の中心から前記試験片までの最大距離であるS3が、
    Figure 0007143567000004

    の条件を満たすことを特徴とする材料試験機。
  6. 試験片に対して放射線を照射する放射線源と、
    前記試験片を透過した前記放射線を検出して放射線検出信号を出力する放射線検出器と、
    前記放射線源と前記放射線検出器との間に配置され、前記試験片を支持した材料試験機を載置する回転テーブルと、
    前記回転テーブルを回転させる回転機構と、
    前記回転テーブルを回転する間に、前記放射線源に放射線照射を繰り返させる制御を行う放射照射制御部と、
    前記放射線源が放射線照射を行うたびに前記放射線検出器が出力する放射線検出信号に基づいて、前記試験片の放射線CT画像を再構成させる再構成処理部と、
    を備え、
    前記材料試験機は、請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の材料試験機である
    ことを特徴とする放射線CT装置。
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