JP2003215005A

JP2003215005A - 材料試験機

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Publication number: JP2003215005A
Application number: JP2002012620A
Authority: JP
Inventors: Toyoharu Nawa; 豊春名和
Original assignee: Hokkaido Technology Licensing Office Co Ltd
Current assignee: Hokkaido Technology Licensing Office Co Ltd
Priority date: 2002-01-22
Filing date: 2002-01-22
Publication date: 2003-07-30
Anticipated expiration: 2022-01-22
Also published as: JP3955898B2

Abstract

(57)【要約】【課題】供試体の拘束条件を高い精度で自在に変化さ
せることができ、連続的なひずみ制御を行うことができ
る材料試験機を提供すること。【解決手段】材料試験機１０を構成するにあたり、供
試体１の両端部を把持する第一把持部１２および第二把
持部１３と、第一把持部１２に接続されて供試体１の伸
縮に応じて軸方向に沿う直線運動を行う進退軸５２と、
回転駆動手段３０と、回転駆動手段３０の回転出力を減
速させる減速機４０と、減速機４０の回転出力部４２Ｂ
の回転運動を進退軸５２の直線運動に変換する運動変換
手段６５とを設け、減速機４０の構成要素のうちの少な
くとも一つに設けられた歯を、弾性体により形成するこ
とで、バックラッシをなくすか、または極めて小さくし
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、供試体の材料特性
を試験する材料試験機に係り、例えば、コンクリートの
ひび割れ特性試験、あるいはクリープ試験などに利用で
きる。

【０００２】

【背景技術】一般に、コンクリートにより形成された構
造物は多いが、近年、これらの構造物の形成材料である
コンクリートのひび割れが問題になってきている。すな
わち、コンクリートにより形成された各種の構造物は、
コンクリートのひび割れによりその機能を著しく害され
ることがある。このため、実際の構造物において、コン
クリートのひび割れが今後発生するのか否かを調べる必
要があるので、試験を行うことにより、どのような状況
下でコンクリートにひび割れが発生するのかを明らかに
しておく必要がある。

【０００３】図７には、若材齢コンクリートのひび割れ
特性試験に用いられる試験装置であるクラッキングフレ
ーム９０の構成が示されている。このクラッキングフレ
ーム９０を用いた試験方法は、リレム（ＲＩＬＥＭ）の
推奨する方法であり、世界的な規格になりつつあるもの
である。

【０００４】図７において、クラッキングフレーム９０
は、供試体９１の両端部を把持する二つのクロスヘッド
９２と、これらのクロスヘッド９２の間に供試体９１に
沿う方向に配置された二本の太い鋼棒９３とにより構成
されている。各鋼棒９３には、温度変形を最小にするた
めに低熱膨張係数の特殊な鋼材が用いられる。そして、
二つのクロスヘッド９２は、各ボルト９４，９５により
各鋼棒９３の両端部にそれぞれ固定されているので、ク
ロスヘッド９２同士の間隔は、これらの鋼棒９３の長さ
により定まり、これにより供試体９１の両端部が拘束を
受けるようになっている。

【０００５】また、上述した図７のクラッキングフレー
ム９０における鋼棒９３のように供試体に沿う方向に配
置された四本の拘束棒を備え、これらの拘束棒を温水ヒ
ータを用いて温度制御することにより各拘束棒の長さを
調整して供試体の拘束条件を変化させることができるよ
うにしたコンクリートのひび割れ試験装置もある。

【０００６】さらに、前述した図７のクラッキングフレ
ーム９０におけるクロスヘッド９２の一方に相当する部
分を、各鋼棒９３に相当する部分に対してスライド可能
にしたコンクリートのひび割れ試験装置もある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た図７のクラッキングフレーム９０では、二つのクロス
ヘッド９２が各鋼棒９３に固定されているので、供試体
の拘束度合いを自在に変化させて試験を行うことはでき
ない。このため、例えば、供試体が激しい温度変形を起
こす場合等のように短時間で大きく変形する場合に、単
にひび割れが発生するか否かを調べることはできるもの
の、供試体が長時間かけて微小変形するような場合にお
いて、ひび割れが発生する状況を精度よく確認すること
は困難である。従って、実際の建物等の構造物が置かれ
ている状況下で、ひび割れが発生するか否かを精度よく
確認するのに適していないという問題がある。

【０００８】また、前述した温水ヒータにより四本の拘
束棒の長さを調整することを可能とした試験装置では、
供試体の拘束度合いを変化させることはできるものの、
温水を循環させる設備が必要となるため、装置が複雑化
するうえ、四本の拘束棒の温度制御の不均一により各拘
束棒の伸縮にばらつきが生じ、装置全体がねじれてしま
うという問題がある。

【０００９】さらに、前述した図７のクロスヘッド９２
の一方に相当する部分をスライド可能とした試験装置で
も、供試体の拘束度合いを変化させることはできるもの
の、図７の各鋼棒９３に相当する部分が均一な温度にな
っていないと、装置全体がねじれてしまうため、クロス
ヘッド９２に相当する部分が円滑にスライドしなくなる
という不都合がある。そして、この試験装置では、クロ
スヘッド９２に相当する部分をスライドさせることによ
り、ひずみ制御を行うことはできるが、スライドさせる
ための機構の構成要素である歯車にバックラッシがある
ため、段階的なひずみ制御しか行うことができず、これ
により供試体が衝撃を受けてしまうことから、正確な測
定を行うことができないという問題がある。

【００１０】本発明の目的は、供試体の拘束条件を高い
精度で自在に変化させることができ、連続的なひずみ制
御を行うことができる材料試験機を提供するところにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、供試体の両端
部を把持して供試体の材料特性を試験する材料試験機で
あって、供試体の一方の端部を把持する第一把持部と、
供試体の他方の端部を把持する第二把持部と、第一把持
部に接続されて供試体の伸縮に応じて軸方向に沿う直線
運動を行う進退軸と、第二把持部に接続された不動部に
固定された回転駆動手段と、この回転駆動手段の回転出
力部の回転速度を減速させる減速機と、この減速機の回
転出力部の回転運動を進退軸の直線運動に変換する運動
変換手段とを備え、減速機は、互いに噛み合う歯を有す
る少なくとも二つの要素を含んで構成され、これらの要
素のうちの少なくとも一方に設けられた歯は、弾性体に
より形成されていることを特徴とするものである。

【００１２】ここで、「これらの要素のうちの少なくと
も一方に設けられた歯は、弾性体により形成されてい
る」とは、歯の全体または歯が形成された要素（例えば
歯車等）の全体が弾性体により形成されていてもよく
（例えば、後述する図３〜図５の場合等）、あるいは、
歯の表面部分だけが弾性体により形成されていてもよい
趣旨である。また、弾性体により形成された中間部材を
互いに噛み合う歯の間に挟ませて回転伝達を行う場合
（例えば、特開平８−１７７９８６号公報に記載された
変速装置の場合等）も、その中間部材は、いずれかの歯
の表面部分を構成するものとみなすことができるので、
上記表現に含まれる。そして、「少なくとも一方」であ
るから、一方の歯だけが弾性体により形成されていても
よく、双方の歯が弾性体により形成されていてもよい。

【００１３】さらに、「互いに噛み合う歯」同士は、押
圧されていることが好ましく、この際、構造上、押圧さ
れるようにしてもよく（例えば、後述する図４の場合
等）、あるいは、積極的に押圧手段を設けてもよい（例
えば、特開平８−１７７９８６号公報に記載された変速
装置の場合等）。

【００１４】このような本発明においては、第二把持部
に対して第一把持部を変位させて供試体の拘束条件を変
化させる際には、回転駆動手段によりその回転出力部を
回転駆動し、この回転駆動手段の回転出力部の回転速度
を減速機により減速した後、減速機の回転出力部から得
られる減速後の回転運動を、運動変換手段により進退軸
の直線運動に変換する。

【００１５】この際、減速機では、弾性体により形成さ
れた歯による噛み合わせが行われるので、バックラッシ
をなくすか、あるいは小さくすることが可能となる。従
って、第一把持部を段階的ではなく、連続的に変位させ
ることができるようになり、供試体の微小変形にも追従
することができるようになる。このため、連続的で高精
度なひずみ制御を行い、供試体の拘束条件を高い精度で
自在に変化させることができるようになる。

【００１６】また、前述した拘束棒（図７の鋼棒９３に
相当する部分）の長さを温度制御するための温水ヒータ
も必要ないため、試験装置が複雑化することもない。さ
らに、第一把持部に接続された進退棒を直線運動させる
ことにより供試体に荷重をかけることができるので、一
点載荷を実現することが可能となり、装置のねじれによ
り生じる不都合を回避できるようになり、これらにより
前記目的が達成される。

【００１７】また、前述した材料試験機において、減速
機は、環状の剛性内歯車と、この剛性内歯車の内側に配
置されてこの剛性内歯車と噛み合う弾性体により形成さ
れたコップ状の可撓性外歯車と、この可撓性外歯車の内
側に配置された波動発生器とを含んで構成されているこ
とが望ましい。

【００１８】ここで、「波動発生器」としては、例え
ば、楕円状のカムと、このカムの外周に配置されたボー
ルベアリングとを備えた構成のもの等が挙げられる。

【００１９】また、「可撓性外歯車」としては、弾性体
であれば、金属、合成樹脂、硬質ゴム等、任意の材質の
ものを採用することができるが、耐久性や回転伝達精度
の向上等の観点から、金属弾性体により形成されたもの
であることが好ましい。

【００２０】このように環状の剛性内歯車とコップ状の
可撓性外歯車と波動発生器とを含んで構成された減速機
とした場合には、バックラッシをなくすか、極めて小さ
くすることが可能となり、連続的で高精度なひずみ制御
を、より一層確実に実現できるようになる。

【００２１】さらに、前述した材料試験機において、運
動変換手段は、進退軸の外周面に螺旋状に形成されたボ
ールねじ溝と、進退軸の外周面に軸方向に沿って形成さ
れたボールスプライン溝と、減速機の回転出力部と同期
回転するボールねじナットと、不動部に固定されたスプ
ラインナットとを含んで構成され、ボールねじナット内
に形成された通路と、ボールねじ溝とにより、ボールね
じのボールを循環させる閉路が形成され、スプラインナ
ット内に形成された通路と、ボールスプライン溝とによ
り、ボールスプラインのボールを循環させる閉路が形成
されていることが望ましい。

【００２２】このように運動変換手段をボールねじとボ
ールスプラインとを複合して構成した場合には、進退軸
の精度の高い直線運動を、簡易な構造で確実に実現する
ことが可能となる。このため、連続的で高精度なひずみ
制御を、より一層確実に実現できるようになる。

【００２３】そして、前述した材料試験機において、回
転駆動手段は、パルス制御が可能な構成とされているこ
とが望ましい。

【００２４】このように回転駆動手段をパルス制御が可
能な構成とした場合には、低速回転制御が可能となるの
で、連続的で高精度なひずみ制御を、より一層確実に実
現できるようになる。

【００２５】また、前述した材料試験機において、第一
把持部と進退軸との間には、供試体の応力測定用の荷重
測定手段が設けられ、第二把持部に対する第一把持部の
相対変位を測定する変位測定手段を備えた構成とするこ
とが望ましい。

【００２６】ここで、「荷重測定手段」としては、例え
ば、ロードセル等を用いることができる。また、「変位
測定手段」としては、例えば、ギャップセンサ等を用い
ることができる。

【００２７】このように荷重測定手段および変位測定手
段を設けた場合には、供試体の応力とひずみとを独立し
て測定することができるので、供試体についての応力−
ひずみ線図を測定することが可能となる。このため、供
試体の材料特性、例えば、供試体がコンクリートである
場合には、コンクリートのひび割れ特性等を詳細に調べ
ることが可能となる。

【００２８】さらに、上記のように荷重測定手段および
変位測定手段を設けた場合において、変位測定手段の出
力信号に基づき回転駆動手段を制御する制御手段を備え
た構成とすることが望ましい。

【００２９】このように制御手段を設けた場合には、変
位測定手段の出力信号に基づき回転駆動手段をフィード
バック制御して第一把持部の変位を逐次調整することが
できるので、第一把持部の変位を連続的に変化させるこ
とができる。このため、供試体の微小変形にも追従する
ことが可能となり、例えば、供試体が長時間かけて微小
量縮む場合に、供試体を逐次引っ張って第一把持部の位
置を一定に保持し、供試体を完全拘束の状態とする制御
等が可能となる。

【００３０】また、以上に述べた材料試験機は、例え
ば、コンクリートのひび割れ特性試験、あるいはクリー
プ試験等の各種の材料特性試験に用いることができる
が、高精度なひずみ制御を行うことができるので、特
に、微妙なひずみに対応することが要求されるコンクリ
ートのひび割れ特性試験に好適である。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下に本発明の一実施形態を図面
に基づいて説明する。図１には、本発明の材料試験機で
ある本実施形態のコンクリートのひび割れ特性試験を行
うための試験機１０の全体構成が示されている。また、
図２には、試験機１０の要部の拡大断面図が示されてい
る。さらに、図３〜図５には、試験機１０の要部を構成
する減速機４０の詳細構成が示され、図６には、試験機
１０の要部を構成するスプライン付ボールねじ５０の詳
細構成が示されている。

【００３２】図１において、試験機１０は、コンクリー
トで形成された供試体１を取り付ける本体１１と、試験
データの計測およびその集計処理並びに本体１１の制御
を行う制御手段８０とを備えて構成されている。

【００３３】本体１１は、供試体１の一方の端部（ここ
では、上端部）を把持する第一把持部１２と、供試体１
の他方の端部（ここでは、下端部）を把持する第二把持
部１３と、最下部に設けられた基台２０と、この基台２
０に立設された複数本の支持棒２１と、これらの支持棒
２１により支持された上部フランジ２２と、供試体１の
応力を測定するために第一把持部１２の上側に設けられ
た荷重測定手段であるロードセル２３と、第二把持部１
３に対する第一把持部１２の相対変位を測定するために
供試体１の図中左右両側に設けられた変位測定手段であ
るギャップセンサ２４とを備えている。

【００３４】また、本体１１は、最上部に設けられた回
転駆動手段であるモータ３０と、このモータ３０の下側
に設けられてモータ３０の出力回転速度を減速させる減
速機４０と、この減速機４０の下側に設けられたスプラ
イン付ボールねじ５０とを備えている。

【００３５】図２において、モータ３０は、パルス制御
が可能な構成を有し、低速回転制御が可能なモータであ
る。また、高分解能を有し、高精度な回転位置決めが可
能なものであることが好ましい。このようなモータ３０
としては、例えば、３６０度（１回転）を６１４４００
パルス（すなわち、１パルス当たり０．０００５９度）
で分割することができる日本精工株式会社製のメガトル
クモータ等を好適に用いることができるが、これに限定
されるものではない。

【００３６】モータ３０の出力は、モータ３０の下部に
設けられた回転出力部である出力フランジ３１から得る
ことができるようになっている。この出力フランジ３１
には、モータ３０の出力を減速機４０に伝える回転伝達
部材３２が固定されている。そして、この回転伝達部材
３２の下方に向かって延びる軸部３２Ａが、減速機４０
の回転入力部４６（図３参照）に連結されている。

【００３７】回転伝達部材３２の円盤部３２Ｂの外周側
には、この円盤部３２Ｂを覆う回転伝達部材カバー３３
が設けられている。そして、この回転伝達部材カバー３
３の上側には、モータ３０の固定部が固定され、下側に
は、減速機４０の固定部である剛性内歯車４１（図３参
照）が固定されている。

【００３８】減速機４０の出力は、減速機４０の下部に
設けられた回転出力部４２Ｂ（図３参照）から得ること
ができるようになっている。この回転出力部４２Ｂに
は、減速機４０の出力をスプライン付ボールねじ５０の
ボールねじナット５３（図６参照）に伝える回転伝達部
材４８が固定されている。また、減速機４０および回転
伝達部材４８の外周側には、これらを覆う減速機カバー
４９が設けられている。

【００３９】図３は、減速機４０の回転中心軸に沿う方
向の断面図であり、図４は、回転中心軸に直交する断面
図であり、図５は、減速機４０の分解斜視図である。図
３〜図５において、減速機４０は、ハーモニックドライ
ブと呼ばれる調和減速機であり、撓み噛み合い式歯車装
置の代表的なものである。この減速機４０は、環状の剛
性内歯車４１と、この剛性内歯車４１の内側に配置され
てこの剛性内歯車４１と噛み合うコップ状の可撓性外歯
車４２と、この可撓性外歯車４２の内側に配置された波
動発生器４３とを含んで構成されている。このような減
速機４０としては、例えば、株式会社ハーモニック・ド
ライブ・システムズ製のハーモニックドライブ（特開平
５−２０９６５５号公報等参照）等を好適に用いること
ができるが、これに限定されるものではない。

【００４０】剛性内歯車４１は、回転伝達部材カバー３
３と減速機カバー４９との間に挟まれて固定されるもの
であり（図２参照）、内周には、歯４１Ａが刻まれてい
る。この歯数は、可撓性外歯車４２よりも２枚多くなっ
ている。

【００４１】可撓性外歯車４２は、例えば、薄肉の金属
弾性体等により形成され、コップ開口部の外周には、剛
性内歯車４１の歯４１Ａと同ピッチの歯４２Ａが刻まれ
ている。歯形には、例えば、インボリュート歯形等を使
用することができる。また、可撓性外歯車４２のコップ
底面部には、回転出力部４２Ｂが形成されている。

【００４２】波動発生器４３は、楕円状のカム４４と、
このカム４４の外周に嵌められたボールベアリング４５
とにより構成されている。ボールベアリング４５の内輪
４５Ａは、カム４４に固定され、外輪４５Ｂは、ボール
４５Ｃを介して弾性変形するようになっている。また、
カム４４の内側には、減速機４０の回転入力部４６が固
定され、この回転入力部４６の中心部に形成された貫通
孔４６Ａには、回転伝達部材３２の軸部３２Ａ（図２参
照）が嵌挿されて連結固定されるようになっている。

【００４３】剛性内歯車４１の歯４１Ａと、可撓性外歯
車４２の歯４２Ａとの噛み合い位置は、図４に示す如
く、カム４４の楕円長軸両端部の近傍の二箇所（図示の
状態では、上下二箇所）であり、その他の箇所（カム４
４の楕円短軸両端部の近傍）では、歯は完全に離れた状
態となり、噛み合わない構造となっている。そして、噛
み合っている位置では、図中の矢印Ｐのようにボールベ
アリング４５を介してカム４４の楕円長軸両端部により
可撓性外歯車４２の歯４２Ａが剛性内歯車４１の歯４１
Ａの側に押圧され、バックラッシがなくなるか、あるい
は極めて小さくなるようになっている。

【００４４】この減速機４０では、回転入力部４６に連
結固定された回転伝達部材３２の軸部３２Ａ（図２参
照）が回転すると、回転入力部４６が回転し、これに伴
って波動発生器４３のカム４４が回転するようになって
いる。カム４４が回転すると、可撓性外歯車４２が弾性
変形し、可撓性外歯車４２の歯４２Ａと剛性内歯車４１
の歯４１Ａとの噛み合い位置が順次移動していく。例え
ば、カム４４が図４の矢印Ｋの方向に回転すると、噛み
合い位置も矢印Ｋの方向に移動する。この際、波動発生
器４３のカム４４が１回転したとき、可撓性外歯車４２
は、剛性内歯車４１よりも歯数が二枚少ないので、その
分だけカム４４の回転方向とは逆の方向、すなわち図４
の矢印Ｓの方向に回転することになる。従って、この可
撓性外歯車４２の回転を、減速機４０の出力として回転
出力部４２Ｂから取り出すようになっている。

【００４５】ここで、可撓性外歯車４２の歯数をＺＦと
し、剛性内歯車４１の歯数をＺＣ（すなわちＺＦ＋２）
とすると、減速比は、（ＺＦ−ＺＣ）／ＺＦ＝−２／Ｚ
Ｆとなる。従って、例えば−１／１６０の減速比等を実
現できるが、特に、この数値に限定されるものではな
い。

【００４６】図２において、回転伝達部材４８の下側に
は、スプライン付ボールねじ５０が設けられている。こ
のスプライン付ボールねじ５０は、減速機カバー４９の
下側に固定されたスプライン付ボールねじカバー５１に
より覆われている。

【００４７】図６は、スプライン付ボールねじ５０の軸
方向の断面図である。図６において、スプライン付ボー
ルねじ５０は、中心に配置されて軸方向（本実施形態で
は、上下方向）に沿う直線運動を行う進退軸５２と、こ
の進退軸５２の外周に配置されたボールねじナット５３
と、進退軸５２の外周であってボールねじナット５３の
下側に配置されたスプラインナット５４とを備えてい
る。このようなスプライン付ボールねじ５０としては、
例えば、日本精工株式会社製のロボッテと称されるスプ
ライン付ボールねじ等を好適に用いることができるが、
これに限定されるものではない。

【００４８】進退軸５２の外周面には、螺旋状のボール
ねじ溝５５が形成され、かつ、軸方向に沿って複数のボ
ールスプライン溝５６が形成されている。また、ボール
ねじナット５３の内部には、ボールねじ溝５５と繋がる
通路５７が形成され、この通路５７とボールねじ溝５５
とにより、ボールねじのボール５８を循環させる閉路が
形成されている。一方、スプラインナット５４の内部に
は、各ボールスプライン溝５６と繋がる複数の通路５９
が形成され、これらの各通路５９と各ボールスプライン
溝５６とにより、ボールスプラインのボール６０を循環
させる閉路が形成されている。

【００４９】ボールねじナット５３は、回転伝達部材４
８に固定されるとともに、軸受６１を介してスプライン
付ボールねじカバー５１により回転自在に支持され、こ
れにより減速機４０の回転出力部４２Ｂと同期回転する
ようになっている（図２参照）。なお、軸受６１の内輪
は、ボールねじナット５３と一体化されている。一方、
スプラインナット５４は、不動部であるスプライン付ボ
ールねじカバー５１に固定され、回転しないようになっ
ている。

【００５０】このスプライン付ボールねじ５０では、減
速機４０の回転出力部４２Ｂが回転すると、その回転が
回転伝達部材４８を介してボールねじナット５３に伝わ
り、ボールねじナット５３が回転する。この際、進退軸
５２は、ボールねじナット５３とともに回転（共廻り）
しようとするが、スプラインナット５４により回転運動
を阻まれ、軸方向（本実施形態では、上下方向）の直線
運動だけを許容される。従って、進退軸５２には螺旋状
のボールねじ溝５５が形成されているので、ボールねじ
ナット５３の回転を吸収するには、進退軸５２を軸方向
に移動させるしかないため、結局、進退軸５２は、スプ
ラインナット５４およびボールスプライン溝５６による
案内機能に従って軸方向に沿う直線運動を行うようにな
る。例えば、ボールねじナット５３が１回転すると、進
退軸５２が１０ｍｍ程度移動するようにすることがで
き、この際、減速機４０の減速比を、例えば−１／１６
０とした場合には、モータ３０が１６０回転すると、減
速機４０の回転出力部４２Ｂおよびこれに連結されたボ
ールねじナット５３が１回転し、進退軸５２が１０ｍｍ
程度移動する駆動機構を実現できるが、これらの数値に
限定されるものではない。

【００５１】そして、進退軸５２の外周面に形成された
ボールねじ溝５５およびボールスプライン溝５６と、ボ
ールねじナット５３と、スプラインナット５４と、軸受
６１とにより、減速機４０の回転出力部４２Ｂの回転運
動を進退軸５２の直線運動に変換する運動変換手段６５
が構成されている。

【００５２】図１において、進退軸５２の下端部には、
ロードセル２３が固定され、さらにロードセル２３の下
側には、第一把持部１２が接続されている。一方、第二
把持部１３は、試験機１０の不動部１４である基台２０
に接続され、上下位置を固定されている。従って、進退
軸５２は、供試体１の伸縮、すなわち第一把持部１２の
上下方向の変位に応じて軸方向に沿う直線運動を行うよ
うになっている。

【００５３】なお、試験機１０の不動部１４は、基台２
０、支持棒２１、上部フランジ２２、スプライン付ボー
ルねじカバー５１、減速機カバー４９、減速機４０の剛
性内歯車４１、回転伝達部材カバー３３、モータ３０の
固定部等により構成されている。

【００５４】各ギャップセンサ２４の上下には、第一把
持部１２側から供試体１に沿って下方に延びるギャップ
上側棒２５と、第二把持部１３側から供試体１に沿って
上方に延びるギャップ下側棒２６とがそれぞれ設けられ
ている。ギャップセンサ２４は、これらのギャップ上側
棒２５またはギャップ下側棒２６のいずれかにより支持
され、ギャップ上側棒２５の下端とギャップ下側棒２６
の上端とを突き合わせた位置に形成されたギャップを測
定するようになっている。

【００５５】そして、ギャップ上側棒２５は、第一把持
部１２に接続されたロードセル２３に固定され、一方、
ギャップ下側棒２６は、第二把持部１３に接続された基
台２０に固定されている。従って、ギャップセンサ２４
により測定されるギャップの変化量は、第一把持部１２
の変位量、すなわち供試体１の伸縮量に等しくなってい
る。これにより、供試体１の全体的なひずみを測定する
ことができる。また、供試体１の内部には、少なくとも
一つのひずみゲージが埋設され、これにより供試体１の
局部的なひずみも測定することができるようになってい
る。なお、ひずみゲージは、供試体１の最も歪む部分に
設けておくことが好ましい。

【００５６】制御手段８０は、ギャップセンサ２４の検
出信号を増幅する直流増幅器８１と、ロードセル２３の
検出信号を増幅する動ひずみアンプ８２と、これらの直
流増幅器８１および動ひずみアンプ８２から出力された
各アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換ボ
ード８３と、このＡ／Ｄ変換ボード８３の出力を取り込
んで各種処理を行うコンピュータ８４と、コンピュータ
８４からの出力信号を受信してモータ３０に制御信号を
送るモータドライバボックス８５とを備えている。

【００５７】コンピュータ８４は、ギャップセンサ２４
の検出信号に基づいて得られる供試体１のひずみと、ロ
ードセル２３の検出信号に基づいて得られる供試体１の
応力とを把握し、供試体１についての応力−ひずみ線図
を描く処理を行う。

【００５８】また、コンピュータ８４は、ギャップセン
サ２４の検出信号に基づき第一把持部１２の変位を逐次
把握し、例えばＲＳ−２３２Ｃ通信等によりモータドラ
イバボックス８５にリアルタイムで出力信号を逐次送信
することにより、モータ３０をリアルタイムで制御する
処理を行う。このフィードバック制御により、供試体１
の拘束度を自在に設定することができる。例えば、供試
体１を完全拘束の状態にする場合について説明すると、
供試体１が微小量収縮したときには、その微小な収縮量
をギャップセンサ２４で逐次検出し、この検出信号に基
づき供試体１を引っ張る指令をコンピュータ８４からモ
ータドライバボックス８５にリアルタイムで送信するこ
とにより、モータ３０を回転駆動させて第一把持部１２
の位置を一定に保つ制御を行う。

【００５９】このような本実施形態においては、以下の
ようにして試験機１０を用いてコンクリートのひび割れ
特性試験を行う。

【００６０】先ず、図１に示すように、試験機１０の本
体１１にコンクリートで形成された供試体１を装着す
る。そして、供試体１が時間の経過とともに収縮したと
きには、第一把持部１２が下方に移動するので、ギャッ
プ上側棒２５も下方に移動し、ギャップセンサ２４で測
定しているギャップが狭くなる。このギャップの変化を
ギャップセンサ２４で検出したときには、その検出信号
が直流増幅器８１およびＡ／Ｄ変換ボード８３を介して
コンピュータ８４に送られ、これによりコンピュータ８
４は、収縮した供試体１を引っ張る指令をモータドライ
バボックス８５に出力し、第一把持部１２の変位が、設
定された拘束度の範囲内に収まるようにする。完全拘束
の状態とする場合には、第一把持部１２を一定の位置に
保たなければならないため、第一把持部１２が元の位置
に戻るまで供試体１を引っ張る指令を出す。

【００６１】モータドライバボックス８５からの制御信
号によりモータ３０が回転すると、図２に示すように、
その出力は出力フランジ３１から得ることができ、この
出力フランジ３１の回転は、回転伝達部材３２を介して
減速機４０に伝達され、減速機４０で減速される。そし
て、減速後の回転は、減速機４０の回転出力部４２Ｂか
ら得ることができ、この回転出力部４２Ｂの回転は、回
転伝達部材４８を介してスプライン付ボールねじ５０の
ボールねじナット５３に伝達される。

【００６２】ボールねじナット５３が回転すると、進退
軸５２は、軸方向（この場合には、供試体１を引っ張る
ので、上向き方向）に移動し、これにより第一把持部１
２が上方に移動して供試体１が引っ張られる。この際、
図１に示すように、進退軸５２と第一把持部１２との間
には、ロードセル２３が設けられているので、このロー
ドセル２３にかかる負荷を検出し、動ひずみアンプ８２
およびＡ／Ｄ変換ボード８３を介してコンピュータ８４
に取り込むことにより、供試体１の応力を測定する。

【００６３】このような本実施形態によれば、次のよう
な効果がある。すなわち、減速機４０は、弾性体により
形成された可撓性外歯車４２の歯４２Ａと、剛性内歯車
４１の歯４１Ａとが噛み合う構成を有しているので（図
３〜図５参照）、バックラッシがないか、あるいは極め
て小さい噛み合わせを実現できる。従って、第一把持部
１２を段階的ではなく、連続的に変位させることがで
き、供試体１の微小変形にも追従することができる。こ
のため、連続的で高精度なひずみ制御を行い、供試体１
の拘束条件を高い精度で自在に変化させることができ
る。

【００６４】また、減速機４０は、図４に示すように、
同時に噛み合う歯の枚数が多く（例えば、総歯数の約１
０％等）、かつ、カム４４の楕円長軸両端部の近傍の二
箇所で噛み合うので、歯のピッチ誤差や累積ピッチ誤差
の回転精度への影響を平均化でき、高い位置精度および
回転精度を得ることができる。

【００６５】さらに、弾性体により形成された可撓性外
歯車４２の歯４２Ａは、ボールベアリング４５を介して
カム４４の楕円長軸両端部により、図４の矢印Ｐの如く
剛性内歯車４１の歯４１Ａ側に押圧されているので、こ
れによりバックラッシを、より一層小さくすることがで
きる。

【００６６】そして、減速機４０は、同時に噛み合う歯
の枚数が多く、かつ、弾性体の歯４２Ａを押圧している
ことから面接触となるため、一枚の歯にかかる力を非常
に小さくすることができ、高トルク容量を得ることがで
きる。

【００６７】また、試験機１０は、精密研削加工を行っ
たボールねじおよびボールスプラインにより構成される
スプライン付ボールねじ５０を用いることにより、減速
機４０の回転出力部４２Ｂから得られる減速後の回転運
動を、進退軸５２の直線運動に変換しているので、円滑
で安定した送りおよび案内運動を実現できるため、進退
軸５２の精度の高い直線運動を、簡易な構造で確実に実
現できる。このため、連続的で高精度なひずみ制御を、
より一層確実に実現することができる。

【００６８】さらに、試験機１０は、パルス制御が可能
なモータ３０を備えているので、低速回転制御を行うこ
とができるうえ、このモータ３０は、高分解能を有し、
高精度な回転位置決めを行うことができる。このため、
連続的で高精度なひずみ制御を、より一層確実に実現す
ることができる。

【００６９】そして、試験機１０は、ギャップセンサ２
４を備えているので、第一把持部１２の変位、すなわち
供試体１の全体の伸縮量を測定することができるため、
供試体１のひずみを測定することができる。また、試験
機１０は、ロードセル２３を備えているので、供試体１
にかかる荷重を測定することができるため、供試体１の
応力を測定することができる。従って、試験機１０は、
供試体１の応力とひずみとを独立して測定することがで
きるので、供試体１についての応力−ひずみ線図を測定
することができる。このため、コンクリートのひび割れ
特性を詳細に調べることができる。

【００７０】また、試験機１０は、コンピュータ８４等
により構成される制御手段８０を備えているので、ギャ
ップセンサ２４の検出信号に基づきモータ３０をフィー
ドバック制御して第一把持部１２の位置を逐次調整し、
第一把持部１２の変位を連続的に変化させることができ
る。このため、供試体１の微小変形にも追従することが
でき、例えば、供試体１が長時間かけて微小量縮む場合
に、供試体１を逐次引っ張って第一把持部１２の位置を
一定に保持し、供試体１を完全拘束の状態とする制御等
を行うことができる。

【００７１】さらに、前述した従来の試験装置における
拘束棒（図７の鋼棒９３に相当する部分）の長さを温度
制御するための温水ヒータも必要ないため、装置の簡易
化や小型化を図ることができる。

【００７２】そして、第一把持部１２に接続された進退
棒５２を直線運動させることにより供試体１に荷重をか
けることができるので、一点載荷を実現することがで
き、従来の試験装置で生じていたような装置のねじれに
より生じる不都合を回避することができる。

【００７３】また、試験機１０は、応力とひずみとを独
立して測定することができるので、コンクリートのひび
割れ特性試験以外の各種材料試験、例えばクリープ試験
等にも用いることができ、特に引っ張り荷重をかける場
合には、万能試験機として用いることができる。

【００７４】なお、本発明は前記実施形態に限定される
ものではなく、本発明の目的を達成できる範囲内での変
形等は本発明に含まれるものである。

【００７５】すなわち、前記実施形態では、減速機４０
を構成するカム４４は、楕円形状を有していたが、これ
に限定されるものではなく、例えば、外周形状が複数の
円弧の組合せ、あるいは円弧と直線との組合せ等により
形成されたカムとしてもよい。

【００７６】また、前記実施形態では、減速機４０は、
ハーモニックドライブと呼ばれる調和減速機とされてい
たが、本発明における減速機は、これに限定されるもの
ではなく、例えば、特開平８−１７７９８６号公報に記
載された変速装置等を用いてもよく、要するに、互いに
噛み合う歯を有する少なくとも二つの要素を含んで構成
され、これらの要素のうちの少なくとも一方に設けられ
た歯が、弾性体により形成されている減速機であればよ
い。

【００７７】さらに、前記実施形態では、減速機４０の
回転出力部４２Ｂの回転運動を進退軸５２の直線運動に
変換する運動変換手段６５は、スプライン付ボールねじ
５０により構成されていたが、本発明における運動変換
手段は、これに限定されるものではなく、例えば、カム
を用いた運動変換手段等であってもよく、要するに、回
転運動を精度よく直線運動に変換できるものであればよ
い。

【００７８】

【発明の効果】以上に述べたように本発明によれば、供
試体の拘束条件を設定するために、供試体の一方の端部
を把持する第一把持部を変位させるにあたり、互いに噛
み合う歯を有する少なくとも二つの要素を含んで構成さ
れ、これらの要素のうちの少なくとも一方に設けられた
歯が、弾性体により形成されている減速機を用いるの
で、供試体の拘束条件を高い精度で自在に変化させるこ
とができ、連続的なひずみ制御を行うことができるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態のコンクリートのひび割れ
特性試験を行うための試験機の全体構成図。

【図２】前記実施形態の試験機の要部の拡大断面図。

【図３】前記実施形態の試験機を構成する減速機の回転
中心軸に沿う方向の断面図。

【図４】前記実施形態の試験機を構成する減速機の回転
中心軸に直交する断面図。

【図５】前記実施形態の試験機を構成する減速機の分解
斜視図。

【図６】前記実施形態の試験機を構成するスプライン付
ボールねじの断面図。

【図７】若材齢コンクリートのひび割れ特性試験に用い
られる従来の試験装置であるクラッキングフレームの構
成図。

【符号の説明】

１供試体１０試験機１２第一把持部１３第二把持部１４不動部２３荷重測定手段であるロードセル２４変位測定手段であるギャップセンサ３０回転駆動手段であるモータ３１回転駆動手段の回転出力部である出力フランジ４０減速機４１減速機を構成する互いに噛み合う歯を有する二つ
の要素のうちの一つである剛性内歯車４２減速機を構成する互いに噛み合う歯を有する二つ
の要素のうちの一つである可撓性外歯車４２Ａ弾性体により形成された歯４２Ｂ減速機の回転出力部４３波動発生器５０運動変換手段を構成するスプライン付ボールねじ５２進退軸５３ボールねじナット５４スプラインナット５５ボールねじ溝５６ボールスプライン溝５７ボールねじナット内に形成された通路５８ボールねじのボール５９スプラインナット内に形成された通路６０ボールスプラインのボール６５運動変換手段８０制御手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】供試体の両端部を把持して前記供試体の
材料特性を試験する材料試験機であって、前記供試体の一方の端部を把持する第一把持部と、前記供試体の他方の端部を把持する第二把持部と、前記第一把持部に接続されて前記供試体の伸縮に応じて
軸方向に沿う直線運動を行う進退軸と、前記第二把持部に接続された不動部に固定された回転駆
動手段と、この回転駆動手段の回転出力部の回転速度を減速させる
減速機と、この減速機の回転出力部の回転運動を前記進退軸の直線
運動に変換する運動変換手段とを備え、前記減速機は、互いに噛み合う歯を有する少なくとも二
つの要素を含んで構成され、これらの要素のうちの少な
くとも一方に設けられた歯は、弾性体により形成されて
いることを特徴とする材料試験機。
【請求項２】請求項１に記載の材料試験機において、前記減速機は、環状の剛性内歯車と、この剛性内歯車の内側に配置されてこの剛性内歯車と噛
み合う弾性体により形成されたコップ状の可撓性外歯車
と、この可撓性外歯車の内側に配置された波動発生器とを含
んで構成されていることを特徴とする材料試験機。
【請求項３】請求項１または２に記載の材料試験機に
おいて、前記運動変換手段は、前記進退軸の外周面に螺旋状に形
成されたボールねじ溝と、前記進退軸の外周面に軸方向
に沿って形成されたボールスプライン溝と、前記減速機
の前記回転出力部と同期回転するボールねじナットと、
前記不動部に固定されたスプラインナットとを含んで構
成され、前記ボールねじナット内に形成された通路と、前記ボー
ルねじ溝とにより、ボールねじのボールを循環させる閉
路が形成され、前記スプラインナット内に形成された通路と、前記ボー
ルスプライン溝とにより、ボールスプラインのボールを
循環させる閉路が形成されていることを特徴とする材料
試験機。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかに記載の材料試
験機において、前記回転駆動手段は、パルス制御が可能
な構成とされていることを特徴とする材料試験機。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかに記載の材料試
験機において、前記第一把持部と前記進退軸との間には、前記供試体の
応力測定用の荷重測定手段が設けられ、前記第二把持部に対する前記第一把持部の相対変位を測
定する変位測定手段を備えたことを特徴とする材料試験
機。
【請求項６】請求項５に記載の材料試験機において、
前記変位測定手段の出力信号に基づき前記回転駆動手段
を制御する制御手段を備えたことを特徴とする材料試験
機。
【請求項７】請求項１〜６のいずれかに記載の材料試
験機において、前記材料特性は、コンクリートのひび割
れ特性であることを特徴とする材料試験機。