JP2005249612A - Compact material testing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、小型材料試験装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、試料に引張荷重または圧縮荷重をかけて試験を行う小型材料試験装置に関するものである。 The present invention relates to a small material testing apparatus. More specifically, the present invention relates to a small material testing apparatus for performing a test by applying a tensile load or a compressive load to a sample.
小型材料試験装置として、例えば、特開2000−298087号公報に開示されたものがある。この小型材料試験装置を図13に示す。小型材料試験装置101は、試験台102上に固着されて試料103の一端側を支持する固定支持手段104と、試験台102上に軸方向に移動可能に設けられ試料103の他端側を支持する可動支持手段105と、試験台102上に一端が固定されるとともに他端が可動支持手段105に連結部材106を介して接続される圧電アクチュエータ107とを備え、かつ圧電アクチュエータ107は少なくとも2つが可動支持手段105に対して平行かつ対称に配置され、電圧変化時の圧電アクチュエータ107の伸縮作用によって連結部材106ごと可動支持手段105を軸方向へ移動させ試料103に荷重をかけるものである。
As a small material testing apparatus, for example, there is one disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-298087. This small material testing apparatus is shown in FIG. The small
この小型材料試験装置101では、固定支持手段104の支持ピン108と可動支持手段105に試料103の両端をねじ止めしている。電圧の変化によって圧電アクチュエータ107が伸縮すると、可動支持手段105としての荷重軸(支持棒)が軸方向に移動して試料103に引張荷重または圧縮荷重をかける。試料103に荷重をかけることで荷重軸105に歪みが生じる。荷重軸105にはその歪みを測定するロードセル109が装着されており、荷重軸105の歪みの大きさに基づいて試料103にかけた荷重を測定する。
In this small
荷重軸105は2つのブラケット110,111によって軸方向に移動可能に支持されている。即ち、荷重軸105は2つのブラケット110,111の孔を摺動可能に貫通しており、径方向へのぶれ防止が図られている。なお、図13中符号112は固定支持手段104の支持ピン108を固定するブラケットである。
The
しかしながら、上述の小型材料試験装置では、2つのブラケット110,111によって荷重軸(可動側保持手段)105を摺動可能に支持するので、荷重軸105の摺動抵抗を試験上問題にならない程度まで小さくすることは可能であっても、完全に無くすことはできなかった。このため、摺動抵抗を生じさせることがない別の支持構造の開発が要請されていた。
However, in the above-described small material testing apparatus, the load shaft (movable side holding means) 105 is slidably supported by the two
また、ブラケット110,111に対して荷重軸105が回転可能であり、荷重軸105が回転するとねじりモーメントが発生し荷重軸105に歪みが生じる虞があるので、試料103の装着時に荷重軸105にねじりモーメントを発生させないように注意する必要があった。
In addition, the
さらに、荷重軸105を軸方向に動かすと圧電アクチュエータ107を伸縮させることになるので、試料103の取付作業時に誤って荷重軸105を大きく動かさないように注意する必要があった。
Further, since the
本発明は、可動側保持手段の移動に対して摺動抵抗を構造的に生じさせることがない小型材料試験装置を提供することを目的とする。また、本発明は、試料の装着によって可動側保持手段に歪みを生じさせることがない小型材料試験装置を提供することを目的とする。さらに、本発明は、可動側保持手段の過大移動を防止することができる小型材料試験装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a small material testing apparatus that does not structurally generate sliding resistance with respect to the movement of the movable side holding means. It is another object of the present invention to provide a small material testing apparatus that does not cause distortion in the movable side holding means due to mounting of a sample. Furthermore, an object of the present invention is to provide a small material test apparatus that can prevent an excessive movement of the movable side holding means.
かかる目的を達成するために、請求項1記載の小型材料試験装置は、試験台に固定されて試料の一端側を保持する固定側保持手段と、試験台に軸方向に移動可能に設けられ試料の他端側を保持する可動側保持手段と、可動側保持手段に装着された歪み検出手段と、可動側保持手段をその軸方向に移動可能に支持する支持手段と、試験台に一端が固定されるとともに他端が可動側保持手段に連結部材を介して接続される圧電アクチュエータとを備え、支持手段は、試験台に可動側保持手段の軸方向に揺動可能に取り付けられた同じ高さで平行の一対の揺動体を有すると共に、一対の揺動体の上端を可動側保持手段の軸方向に離れた2箇所に連結することで可動側保持手段を軸方向に移動可能に支持するものであり、かつ圧電アクチュエータは可動側保持手段に対して平行に配置され、電圧変化時の圧電アクチュエータの伸縮作用によって連結部材ごと可動側保持手段を軸方向に移動させて試料に荷重をかけるものである。 In order to achieve this object, a small material testing apparatus according to claim 1 is provided with a fixed side holding means for holding one end side of a sample fixed to the test table, and a sample provided on the test table so as to be movable in the axial direction. A movable side holding means for holding the other end side, a strain detecting means attached to the movable side holding means, a support means for supporting the movable side holding means so as to be movable in the axial direction, and one end fixed to the test table. And a piezoelectric actuator having the other end connected to the movable side holding means via a coupling member, and the supporting means is mounted on the test stand so as to be swingable in the axial direction of the movable side holding means. In addition to having a pair of parallel oscillating bodies, the upper ends of the pair of oscillating bodies are connected to two locations separated in the axial direction of the movable side holding means to support the movable side holding means so as to be movable in the axial direction. Yes and piezoelectric actuators are acceptable Arranged in parallel with the side holding means, in which by the connecting member each movable holder means by expansion and contraction action of the piezoelectric actuator when a voltage change is moved in the axial direction a load is applied to the sample.
したがって、圧電アクチュエータにかける電圧を変化させると、連結部材ごと可動側保持手段がその軸方向に移動し、固定側保持手段とで保持している試料に引張荷重または圧縮荷重をかける。これにより可動側保持手段に歪みが発生する。可動側保持手段に発生する歪みと試料にかけた荷重との間には一定の関係があるので、歪み検出手段によって可動側保持手段の歪みを測定することで、試料にかかっている荷重を測定できる。 Therefore, when the voltage applied to the piezoelectric actuator is changed, the movable side holding means moves together with the connecting members in the axial direction, and a tensile load or a compressive load is applied to the sample held by the fixed side holding means. As a result, distortion occurs in the movable side holding means. Since there is a fixed relationship between the strain generated on the movable side holding means and the load applied to the sample, the load applied to the sample can be measured by measuring the strain on the movable side holding means by the strain detecting means. .
可動側保持手段は同じ高さで平行の一対の揺動体によって支持されており、各揺動体が揺動することで可動側保持手段をその軸方向に移動させる。即ち、試験台、可動側保持手段、一対の揺動体によって平行リンク機構が構成されることになり、この平行リンク機構によって可動側保持手段が支持される。このため、可動側保持手段はその軸方向には移動自在であるが、軸方向に垂直な方向への移動や軸まわりの回転は阻止される。 The movable side holding means is supported by a pair of parallel oscillating bodies at the same height, and the movable side holding means is moved in the axial direction by oscillating each oscillating body. That is, a parallel link mechanism is constituted by the test stand, the movable side holding means, and the pair of oscillating bodies, and the movable side holding means is supported by the parallel link mechanism. For this reason, the movable side holding means is movable in the axial direction, but movement in a direction perpendicular to the axial direction and rotation around the axis are prevented.
なお、厳密には、平行リンク機構によって支持される可動側保持手段はその軸方向の移動に伴って上下方向にも移動することになるが、圧電アクチュエータを駆動源とした可動側保持手段の軸方向への移動距離は極僅かであり、したがって上下方向への移動距離は更に僅かなものとなる。このため、可動側保持手段の上下方向への移動は実質的に無視することができる。 Strictly speaking, the movable side holding means supported by the parallel link mechanism moves in the vertical direction as the axis moves, but the axis of the movable side holding means using the piezoelectric actuator as a drive source. The movement distance in the direction is very small, and therefore the movement distance in the vertical direction is even smaller. For this reason, the movement of the movable side holding means in the vertical direction can be substantially ignored.
また、請求項2記載の小型材料試験装置は、歪み検出手段を可動側保持手段の一対の揺動体の間の位置に装着するものである。したがって、可動側保持手段を支持する平行リンク機構の内側に歪み検出手段を設けることができる。平行リンク機構の内側は、測定誤差となる余分な歪みが特に発生し難い場所である。 According to a second aspect of the present invention, there is provided the small material testing apparatus, wherein the strain detecting means is mounted at a position between the pair of swinging bodies of the movable side holding means. Therefore, the strain detection means can be provided inside the parallel link mechanism that supports the movable side holding means. The inside of the parallel link mechanism is a place where extra distortion that causes measurement errors is particularly difficult to occur.
また、請求項3記載の小型材料試験装置は、軸方向振れ防止手段を有しており、この軸方向振れ防止手段は、連結部材を挟んで圧電アクチュエータの反対側に隙間を介在させて配置され且つ試験台に固定されたストッパと、ストッパと連結部材の間に設けられて連結部材を圧電アクチュエータに向けて押圧する弾性部材とを備えるものである。
In addition, the small-sized material testing apparatus according to
したがって、圧電アクチュエータが高速で伸縮を繰り返してもこの動きに連結部材が追従し易くなる。圧電アクチュエータがオンされると、弾性部材を変形させながら可動側保持手段を移動させる。したがって、圧電アクチュエータがオフされると、弾性部材が元の形状に戻る力を、可動側保持手段を元の位置(中立位置)に戻す補助力として利用することができる。また、可動側保持手段の移動距離が大きくなり過ぎると連結部材がストッパに当たり、それ以上の移動が制限される。 Therefore, even if the piezoelectric actuator repeatedly expands and contracts at high speed, the connecting member easily follows this movement. When the piezoelectric actuator is turned on, the movable side holding means is moved while deforming the elastic member. Therefore, when the piezoelectric actuator is turned off, the force for returning the elastic member to the original shape can be used as an auxiliary force for returning the movable side holding means to the original position (neutral position). Further, if the moving distance of the movable side holding means becomes too large, the connecting member hits the stopper, and further movement is restricted.
また、請求項4記載の小型材料試験装置は、固定側保持手段が、試料の保持位置を可動側保持手段の軸方向に変位させる位置調整手段を備えている。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the small-sized material testing apparatus, wherein the fixed side holding means includes position adjusting means for displacing the sample holding position in the axial direction of the movable side holding means.
位置調整手段によって試料の保持位置を変えると、固定側保持手段と可動側保持手段の間隔が変化する。試料の取付作業によって圧電アクチュエータがオフ状態であっても可動側保持手段に歪みを生じさせてしまうことがあるが、試料取付後に固定側保持手段と可動側保持手段の間隔を調整することでこの歪みをキャンセルすることができる。 When the holding position of the sample is changed by the position adjusting means, the interval between the fixed side holding means and the movable side holding means changes. Even if the piezoelectric actuator is in the OFF state due to the sample mounting operation, the movable side holding means may be distorted, but this can be achieved by adjusting the distance between the fixed side holding means and the movable side holding means after mounting the sample. Distortion can be canceled.
また、請求項5記載の小型材料試験装置は、固定側保持手段および可動側保持手段が試料を保持するチャックを有し、チャックはグリップベースと押さえ板とで試料を挟み持つものであり、押さえ板の基端を支点として先端の作用点がグリップベースに対して開閉するように押さえ板をグリップベースに重ね合わせると共に、支点と作用点との間の位置を力点として締め付けることで作用点で試料を挟み付けて保持するものである。したがって、てこの原理を利用して試料を挟持することができる。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the small-sized material testing apparatus, wherein the fixed side holding means and the movable side holding means have a chuck for holding the sample, and the chuck holds the sample between the grip base and the pressing plate. The holding plate is overlapped with the grip base so that the point of action of the tip opens and closes with respect to the grip base with the base end of the plate as a fulcrum, and the sample at the point of action is tightened with the position between the fulcrum and the point of action as the force point. Is sandwiched and held. Therefore, a sample can be clamped using the principle of leverage.
さらに、請求項6記載の小型材料試験装置は、支持手段の揺動体は表裏面を可動側保持手段の軸方向に向けて配置する板ばねであり、可動側保持手段に固定されている。 Further, in the small material testing apparatus according to the sixth aspect, the rocking body of the support means is a leaf spring arranged with the front and back surfaces facing the axial direction of the movable side holding means, and is fixed to the movable side holding means.
板ばねは可動側保持手段の軸方向に弾性変形し、可動側保持手段の径方向には変形困難である。このため、可動側保持手段は軸方向には移動可能であるが、軸方向に対して垂直な方向には移動不能となる。また、板ばねは可動側保持手段に固定されているので、可動側保持手段は軸まわりに回転不能となる。したがって、板ばねによって平行リンク機構の揺動リンクを構成することができる。また、弾性変形した板ばねが元の形状に戻ろうとする力を利用して、平行リンク機構を元の形状、即ち可動側保持手段を元の位置に戻すことができる。 The leaf spring is elastically deformed in the axial direction of the movable side holding means and is difficult to deform in the radial direction of the movable side holding means. For this reason, the movable side holding means can move in the axial direction but cannot move in a direction perpendicular to the axial direction. Further, since the leaf spring is fixed to the movable side holding means, the movable side holding means cannot rotate about the axis. Therefore, the swing link of the parallel link mechanism can be configured by the leaf spring. Moreover, the parallel link mechanism can be returned to the original shape, that is, the movable side holding means can be returned to the original position by utilizing the force of the elastically deformed leaf spring to return to the original shape.
しかして、請求項1記載の小型材料試験装置では、試験台、可動側保持手段、一対の揺動体によって平行リンク機構が構成され、構造的に摺動抵抗を発生させることなく可動側保持手段を軸方向に移動可能に支持することができる。このため、可動側保持手段に荷重(駆動力)が作用していない中立位置が明確になると共に、圧電アクチュエータのオフに伴い可動側保持手段を中立位置に確実に復帰させることができる。また、圧電アクチュエータの作動電圧が極僅かであってもその電圧に応じた距離だけ可動側保持手段を移動させることができ、圧電アクチュエータの作動電圧と可動側保持手段の移動距離との関係にヒステリスが発生することを抑えることができる。さらに、可動側保持手段の動きを軸方向の動きのみに制限することができるので、例えば試料の装着などにより可動側保持手段が捻れる等して荷重測定の誤差となる余分な歪みを生じさせてしまうのを防止することができる。 Thus, in the small material testing apparatus according to claim 1, the parallel link mechanism is constituted by the test stand, the movable side holding means, and the pair of oscillating bodies, and the movable side holding means is structurally generated without generating sliding resistance. It can be supported so as to be movable in the axial direction. For this reason, the neutral position where the load (driving force) is not applied to the movable side holding means becomes clear, and the movable side holding means can be reliably returned to the neutral position when the piezoelectric actuator is turned off. Further, even if the operating voltage of the piezoelectric actuator is very small, the movable side holding means can be moved by a distance corresponding to the voltage, and the relationship between the operating voltage of the piezoelectric actuator and the moving distance of the movable side holding means is a hysteresis. Can be prevented from occurring. Furthermore, since the movement of the movable side holding means can be limited to only the movement in the axial direction, for example, the movable side holding means is twisted due to, for example, mounting of a sample, thereby causing an extra distortion that causes an error in load measurement. Can be prevented.
また、請求項2記載の小型材料試験装置では、特に、測定誤差となる余分な歪みが発生し難い平行リンク機構の内側に歪み検出手段を装着しているので、試料にかけた荷重の測定精度をより一層向上させることができる。また、可動側保持手段が長くなるのを防止して装置の大型化を防ぐことができる。
Further, in the small material testing apparatus according to
また、請求項3記載の小型材料試験装置では、弾性部材の押圧力が可動側保持手段を中立位置に復帰させる補助力として機能するので、可動側保持手段を迅速かつ確実に中立位置に復帰させることができ、例えば圧電アクチュエータを高速で伸縮させてもその動きに可動側保持手段を追従させることができる。また、ストッパが可動側保持手段の移動距離を制限するので、例えば外力等によって可動側保持手段が大きく動かされるのを防止することができ、試料、歪み検出手段、支持手段などに過負荷がかかるのを防止することができる。
Further, in the small material testing apparatus according to
また、請求項4記載の小型材料試験装置では、固定側保持手段と可動側保持手段の間隔を変化させることができるので、例えば試料の装着作業等により試験開始前に生じていた可動側保持手段の歪みをキャンセルすることができ、試料にかけた荷重の測定精度をより一層向上させることができる。
In the small-sized material testing apparatus according to
また、請求項5記載の小型材料試験装置では、てこの原理を利用して試料を挟持するので、試料の厚さが薄くても確実に保持することができる。 Further, in the small material testing apparatus according to the fifth aspect, since the sample is clamped by utilizing the principle of the lever, it can be reliably held even if the thickness of the sample is thin.
さらに、請求項6記載の小型材料試験装置では、板ばねを利用して平行リンク機構の揺動リンクを構成することができる。弾性部材した板ばねは元の形状に戻ろうとするので、その力を利用して平行リンク機構を元の形状、即ち可動側保持手段を中立位置に復帰させることができる。また、板ばねは可動側保持手段の軸方向には変形可能であるが、可動側保持手段の軸方向に垂直な方向には変形困難であり、また、可動側保持手段をその軸まわりに回転させることもない。このため、可動側保持手段に測定誤差となる余分な歪みが発生するのを防止することができ、測定精度をより一層向上させることができる。 Further, in the small material testing apparatus according to the sixth aspect, the swing link of the parallel link mechanism can be configured using a leaf spring. Since the leaf spring made of an elastic member tries to return to its original shape, the parallel link mechanism can be returned to its original shape, that is, the movable side holding means can be returned to the neutral position by using the force. The leaf spring can be deformed in the axial direction of the movable side holding means, but is difficult to deform in the direction perpendicular to the axial direction of the movable side holding means, and the movable side holding means can be rotated around its axis. I will not let you. For this reason, it is possible to prevent the distortion that becomes a measurement error from occurring in the movable side holding means, and it is possible to further improve the measurement accuracy.
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on the best mode shown in the drawings.
図1〜図9に、本発明の小型材料試験装置の一実施形態を示す。この小型材料試験装置1は、材料から採取した試料(試験片)2に例えば引張荷重を与えて応力を生じさせ材料試験を行うものである。 1 to 9 show an embodiment of a small material testing apparatus of the present invention. The small material testing apparatus 1 performs a material test by applying a tensile load, for example, to a sample (test piece) 2 collected from a material to generate stress.
小型材料試験装置1は、試験台3に固定されて試料2の一端側を保持する固定側保持手段4と、試験台3に軸方向に移動可能に設けられ試料2の他端側を保持する可動側保持手段5と、可動側保持手段5に装着された歪み検出手段6と、可動側保持手段5をその軸方向に移動可能に支持する支持手段7と、試験台3に一端が固定されるとともに他端が可動側保持手段5に連結部材8を介して接続される圧電アクチュエータ9とを備え、支持手段7は、試験台3に可動側保持手段5の軸方向に揺動可能に取り付けられた同じ高さで平行の一対の揺動体10を有すると共に、一対の揺動体10の上端を可動側保持手段5の軸方向に離れた2箇所に連結することで可動側保持手段5を軸方向に移動可能に支持するものであり、かつ圧電アクチュエータ9は可動側保持手段5に対して平行に配置され、電圧変化時の圧電アクチュエータ9の伸縮作用によって連結部材8ごと可動側保持手段5を軸方向に移動させて試料2に荷重をかけるものである。
The small material testing apparatus 1 is fixed to the test table 3 and holds the one end side of the
試料2は対象となる構造物から採取され、あるいは当初から試料2として形成された試験片であり、例えば本実施形態では図10に示すように矩形の板状であって中央部分両側に略半円形の切り欠き2a,2aが設けられた形状とされている。
The
固定側保持手段4は、例えば、試験台3に固着されるL形のブラケット11と、位置調整手段12と、固定側荷重軸13とを備えている。ブラケット11は、その垂直壁部のほぼ中央に位置調整手段12のマイクロメータ14を貫通させるための孔11aが形成されており、図示しないねじによって試験台3に固定されている。
The fixed side holding means 4 includes, for example, an L-shaped bracket 11 fixed to the test table 3, a position adjusting means 12, and a fixed
位置調整手段12を図2、図3に示す。位置調整手段12は、試料2の保持位置を可動側保持手段5の軸方向に変位させるもので、クロスヘッド15と、ガイドスタッド16と、押えねじ17と、マイクロメータ14を備えている。ガイドスタッド16は例えば2本設けられており、マイクロメータ14を挟んで左右対称に且つ可動側保持手段5の軸方向に沿って平行に配置されている。ガイドスタッド16はブラケット11を貫通し、試料2側に突出している。ガイドスタッド16はブラケット11に固定されている。
The position adjusting means 12 is shown in FIGS. The position adjusting means 12 displaces the holding position of the
クロスヘッド15の試料2側の面の中央には、固定側荷重軸13が取り付けられている。また、クロスヘッド15の両側部には、ガイドスタッド16を差し込むスリット15aが設けられている。スリット15aにガイドスタッド16を差し込むことでクロスヘッド15をガイドスタッド16に連結することができ、また、ガイドスタッド16に沿ってクロスヘッド15を摺動させることで、クロスヘッド15の位置を可動側保持手段5の軸方向に動かすことができる。クロスヘッド15とブラケット11の間にはコイルスプリング18が設けられている。
A fixed
マイクロメータ14は、例えば1回転でプランジャ14aを0.5mmだけ移動させるダイヤルと1回転でプランジャ14aを0.025mmだけ移動させるダイヤルを連動した2重ピストン型マイクロメータヘッドである。マイクロメータ14はブラケット11の孔11aに挿入され固定されている。マイクロメータ14のプランジャ14aは孔11aを貫通し、クロスヘッド15に当たっている。マイクロメータ14を操作してプランジャ14aを突出させることでクロスヘッド15を試料2側に移動させることができる。一方、マイクロメータ14を操作してプランジャ14aを引っ込めると、コイルスプリング18の弾性力によってクロスヘッド15をブラケット11側に移動させることができる。即ち、マイクロメータ14の操作によって、クロスヘッド15に固定された固定側荷重軸13を可動側保持手段5の軸方向に移動させることができる。固定側荷重軸13を移動させて位置調整した後、押さえねじ17をねじ込んでスリット15aの幅を狭くすることで固定側荷重軸13を調整された位置に固定することができる。なお、位置調整手段12により歪み検出手段6の測定値の較正を直接行うことができる。
The
可動側保持手段5は、試料2を他端側から保持しつつ引張荷重を与えて当該試料2に歪みを生じさせるものであり、試験台3からみて一方向に前後動し得る例えば棒状の部材(本実施形態では以下「荷重軸5」という)によって構成されている。この荷重軸5は例えば丸棒や角棒を用いたものでも構わなく、形状は特に限定されることはない。
The movable side holding means 5 applies a tensile load while holding the
支持手段7を図4〜図6に示す。荷重軸5を支持する支持手段7は、一対の揺動体10と、固定ブロック19と、一対の遊動ブロック20を備えている。固定ブロック19は、試験台3の所定位置に固定されている。また、遊動ブロック20は、荷重軸5の軸方向に離れた2箇所に固定されている。
The support means 7 is shown in FIGS. The support means 7 that supports the
揺動体10は、例えば表裏面を荷重軸5の軸方向に向けて配置する板ばね(以下、板ばね10という)であり、荷重軸5に固定されている。本実施形態では、板ばね10の上端を遊動ブロック20に固定することで、荷重軸5に固定している。即ち、板ばね10の上端を遊動ブロック20と押さえ板4とで挟み、ねじ止めすることで固定されている。また、板ばね10の下端は固定ブロック19に固定されている。即ち、板ばね10の下端を固定ブロック19と押さえ板44とで挟み、ねじ止めすることで固定されている。
The
板ばね10は両面から一対の押さえ板21によって挟み込まれている。即ち、板ばね10の中央はねじ止めされた2枚の押さえ板21によって挟まれており、この部分では板ばね10が湾曲したり折れ曲がったりしない。板ばね10と押さえ板21は例えばH形状を成しており、荷重軸5と干渉しないようになっている。また、押さえ板21の上下外側のエッジ21aは、例えば60度の角度で落とされており、この部分での板ばね10の折れ曲がり(弾性変形)を可能にしている。
The
支持手段7の一対の揺動体10は同じ高さに設定されており、各揺動体10が揺動することで荷重軸5をその軸方向に移動させる。即ち、試験台3、荷重軸5、一対の揺動体10によって平行リンク機構が構成されることになり、この平行リンク機構によって荷重軸5は支持される。このため、荷重軸5はその軸方向には移動自在であるが、軸方向に垂直な方向への移動や軸まわりの回転は阻止される。したがって、荷重軸5に軸方向以外の方向の歪み、即ち測定誤差を生じさせる余分な歪みの発生を防止することができる。
The pair of
なお、厳密には、平行リンク機構によって支持される荷重軸5はその軸方向の移動に伴って上下方向にも移動することになるが、圧電アクチュエータ9の移動距離は最大でも約70μmであり、したがって、上下方向への移動距離は更に僅かなものとなる。このため、荷重軸5の上下方向への移動は実質的に無視することができる。
Strictly speaking, the
歪み検出手段6は、例えばロードセルである。歪み検出手段6は荷重軸5の一対の揺動体10の間の位置に装着されている。本実施形態では歪み検出手段6をケース内に収容してユニット化しており、ユニット化した歪み検出手段6を荷重軸5に装着している。
The strain detection means 6 is, for example, a load cell. The strain detection means 6 is mounted at a position between the pair of rocking
荷重軸5の他端部は連結部材(ロードビーム)8に取り付けられている。連結部材8は、圧電アクチュエータ9の伸縮作用を受けてこの動きを荷重軸5に伝達する部材であり、試験台3に対して移動自在である。
The other end of the
圧電アクチュエータ9は、電圧変化時におけるその伸縮作用によって試料2に与える荷重を生み出す荷重発生装置として機能する部材であり、荷重軸5を軸方向に移動させて試料2にひずみを生じさせることができる。圧電アクチュエータ9としては単一の棒状圧電素子から構成されたものでも構わないが、本実施形態では、圧電素子全体の変位量を十分に確保するために、圧電アクチュエータ9として円盤型セラミックスからなる薄板状圧電素子を軸方向に積層したマルチレイヤー型圧電アクチュエータを使用している。本実施形態では材料試験装置として望まれる最大変位量(例えば約70μm)を得る最小の圧電素子として例えば50層の圧電アクチュエータ9が使用されるが、この圧電素子の積層数は特に限定されることなく必要に応じて適宜設定し得るものである。ただし、圧電素子の積層数に伴い同一荷重に対して発生する変位が線形的に大きくなることからすればこの積層数は多い方が好ましい。
The
このように積層されたセラミックス製圧電素子は例えばステンレス鋼製の円筒容器22の中に挿入されてアクチュエータとして機能する。この円筒容器22の端部にはセラミックス製圧電素子に積層方向への予圧をかけるとともに圧電アクチュエータ9が伸縮したときの伸びあるいは縮みを吸収できるベローズ22aが形成されている。したがって、圧電素子への電圧印加が解除されたときに、ベローズ22aによる予圧でセラミックス製圧電素子間の隙間をなくして密着させ、圧電アクチュエータ9の変位を元に復帰させることができる。
The ceramic piezoelectric elements stacked in this way are inserted into a
なお、具体的な圧電アクチュエータ9としては例えば複合ペロブスカイト型複合酸化物といったセラミックスに外部から電界負荷をかけることで生じた結晶構造の変化を利用し、これによって結晶格子間に生じた変位を伸縮作用としてとり出すようにしたものが挙げられるがこれは一例であり特にこのようなものに限られることはない。
As a specific
そして本実施形態では、上述のように形成された2本の圧電アクチュエータ9が、図示するように荷重軸5の両側の対称位置に荷重軸5と平行となるように配置されている。圧電アクチュエータ9の基端にはフランジ9aが設けられており、このフランジ9aを、試験台3に固定された第2ブラケット23にねじ止めすることで、圧電アクチュエータ9は第2ブラケット23に固定されている。なお、第2ブラケット23の所定位置には荷重軸5を貫通させる孔23aが設けられており、荷重軸5はこの孔23aを貫通してその先端を固定側保持手段4側に突出させている。
In this embodiment, the two
圧電アクチュエータ9の先端は、図7、図8に示すように、連結部材8の凸部8aに当たっている。即ち、圧電アクチュエータ9は第2ブラケット23に片持ち構造によって支持されており、電圧が印加されて伸長することで連結部材8を介して荷重軸5を固定側荷重軸13から離れる方向に移動させ、試料2に引張荷重を付与することができる。この場合、荷重軸5に対して軸方向への荷重を偏りなく与えることができ、測定誤差もきわめて少なくなることに加え、試験時において圧電アクチュエータ9自体にかかる反力が軸方向に沿ったものとなり、圧電アクチュエータ9に斜め方向の荷重がかかることがなくなる結果、圧電アクチュエータ9そのものの破壊を防止することができる。
As shown in FIGS. 7 and 8, the tip of the
また、圧電アクチュエータ9は伸長時に連結部材8の凸部8aを押圧するので、例えば2本の圧電アクチュエータ9の伸長量にばらつきがあったとしても、あるいは連結部材8に対して圧電アクチュエータ9が斜めになっていたとしても、圧電アクチュエータ9から連結部材8への力の伝達をスムーズに行うことができ、連結部材8を介して荷重軸5を真っ直ぐ軸方向に引っ張ることができる。即ち、各部材の連結部分に無理な力がかかるのを防止して圧電アクチュエータ9で発生した力の伝達をスムーズにすることができると共に、圧電アクチュエータ9や荷重軸5に曲げ応力が作用するのを防止することができる。
In addition, since the
なお、圧電アクチュエータ9に印加されていた電圧が解除(オフ)されると、圧電アクチュエータ9は元の長さに戻る。これにより、荷重軸5は試料2に引き戻されると共に、詳しくは後述する軸方向振れ防止手段24の弾性部材27に押し戻される。
When the voltage applied to the
この小型材料試験装置1には軸方向振れ防止手段24が設けられている。軸方向振れ防止手段24は、連結部材8を挟んで圧電アクチュエータ9の反対側に隙間25を介在させて配置され且つ試験台3に固定されたストッパ26と、ストッパ26と連結部材8の間に設けられて連結部材8を圧電アクチュエータ9に向けて押圧する弾性部材27を備えている。
This small material testing apparatus 1 is provided with an axial shake prevention means 24. The axial
隙間25は、圧電アクチュエータ9の最大伸長量よりも大きなものである。即ち、圧電アクチュエータ9が連結部材8及び荷重軸5を移動させても、連結部材8がストッパ26に当たることがない。本実施形態では、圧電アクチュエータ9の最大伸長量は約70μmであるので、ストッパ26と連結部材8との間に例えば約0.1mmの隙間25を設けている。
The
弾性部材27は、例えばコイルスプリングであり、例えば2つ設けられており、連結部材8の左右2箇所に設けられた孔8bにそれぞれ挿入されている。孔8bの連結部材8とは反対側の開口はねじ28によって塞がれており、弾性部材27は連結部材8に向けて突出し、この連結部材8を圧電アクチュエータ9に向けて押圧している。即ち、試料2の保護および荷重軸5の自由振動の抑制のため、このストッパ26に一対の弾性部材27を組み込み、連結部材8を圧電アクチュエータ9に押し付ける方向に圧縮予荷重を与えている。これにより、圧電アクチュエータ9の先端と連結部材8とは常に密着し、圧電アクチュエータ9の動きを荷重軸5に忠実に伝達する。圧電アクチュエータ9に圧縮予荷重を与えて使用することは圧電アクチュエータ9の動特性に良い影響があるため、この点からも好都合である。また、試料2の装着時の操作力ではこの予荷重に抗して荷重軸5を動かし得ないので、試料2への過負荷も防止できると共に、試料2の装着作業もし易くなる。ねじ28のねじ込み量を変えることで弾性部材27の圧縮量が変化するので、予荷重の大きさを調整することができる。
The
固定側保持手段4および可動側保持手段(荷重軸)5は試料2を保持するチャック29を有している。荷重軸5側のチャック29は、荷重軸5の先端に固着されたホルダ30に取り付けられている。また、固定側保持手段4側のチャック29は、固定側荷重軸13の先端に固着されたホルダ45に取り付けられている。チャック29をホルダ30に取り付ける構造にし交換可能にすることで、実施する試験の種類に応じてチャック29を交換することができる。なお、固定側保持手段4側のチャック29及びホルダ45と可動側保持手段5側のチャック29及びホルダ30は同一構造であり、荷重軸5のチャック29及びホルダ30について説明し、固定側保持手段4のチャック29及びホルダ45についての説明は省略する。
The fixed side holding means 4 and the movable side holding means (load shaft) 5 have a
図9に荷重軸5に設けるチャック29示す。このチャック29は、例えば引張試験及び疲労試験用のものである。チャック29はグリップベース31と押さえ板32とで試料2を挟み持つものであり、押さえ板32の基端を支点33として先端の作用点34がグリップベース31に対して開閉するように当該押さえ板32をグリップベース31に重ね合わせると共に、支点33と作用点34との間の位置を力点35として締め付けることで作用点34で試料2を挟み付けて保持するものである。
FIG. 9 shows a
グリップベース31には、ホルダ30の孔30aに挿入する軸部31aが設けられている。軸部31aをホルダ30の孔30aに挿入し、二つ割れ部分30bをねじ36で締め付けて孔30aの径を縮めることでホルダ30に対してグリップベース31を固定することができる。グリップベース31には、下向きの斜面(以下、下向き斜面という)31bと、試料2の端部を載せる凹部31cが形成されている。また、押さえ板32には、上向きの斜面(以下、上向き斜面という)32aと、グリップベース31の凹部31cに入る大きさの凸部32bが形成されている。
The
グリップベース31の凹部31cに試料2の端部を載せた後、押さえ板32の上向き斜面32aをグリップベース31の下向き斜面31bの下に挿入し、凸部32bで凹部31c上の試料2を押さえる。そして、押さえ板32の孔32cにねじ37を挿入してグリップベース31のねじ孔31dにねじ込む。これにより、グリップベース31の凹部31cと押さえ板32の凸部32bとで試料2の端部を挟持することができる。上向き斜面32aと下向き斜面31bとが噛み合うことでこの部分がてこの支点33となり、ねじ37によって締め付けられる部分がてこの力点35となり、試料2を凹部31cに挟み付ける凸部32bがてこの作用点34となる。即ち、てこの原理を利用して試料2をしっかりと確実に保持することができる。グリップベース31の凹部31cは試料2の端部とほぼ同じ大きさに形成されており、試料2を凹部31cに載せるだけで試料2を正しく位置決めすることができる。
After placing the end portion of the
以上のように構成された小型材料試験装置1では以下のように材料試験が行われる。 In the small material testing apparatus 1 configured as described above, a material test is performed as follows.
まず、構造物などから採取された試料2を図10に示す形状に成形する。そして、試料2の歪みを測定するために、試料2の標点間(図10中、中央のくびれた部分)に歪み検出手段としてのロードセル38を装着するかあるいはU字型クリップゲージを使用する。
First, a
次に、試料2を固定側保持手段4のチャック29と荷重軸5のチャック29に取り付ける。両方のチャック29の間隔は試料2の長さに合わせて予め調整されているので、両方のチャック29のグリップベース31の凹部31cに架け渡すように試料2を載せた後、押さえ板32を重ね合わせてねじ37を締め付けるだけで試料2を取り付けることができる。
Next, the
この小型材料試験装置1では、試料2を取り付ける前に両方のチャック29の間隔を試料2の長さに合わせているので、試料2の取り付けによって試料2や荷重軸5に歪みが生じることは殆ど無い。しかしながら、場合によっては試料2の取り付けによって試料2や荷重軸5に歪みが生じることがあるので、その場合には位置調整手段12によって歪みを消滅させる。即ち、マイクロメータ14を操作して固定側荷重軸13を軸方向に移動させることで、両方のチャック29の間隔を微調整することができる。各歪み検出手段6,38の測定値がゼロになるように、両方のチャック29の間隔を微調整する。
In this small material testing apparatus 1, since the distance between both
そして、圧電アクチュエータ9を作動させて試料2に荷重を与え、試料2と荷重軸5の歪みを測定する。試料2側の歪み検出手段38により試料2の歪み(変位)を測定し、荷重軸5側の歪み検出手段6により試料2に与えた荷重を測定する。荷重軸5側の歪み検出手段6は荷重軸5の歪みを測定するものであるが、この歪みと試料2に与えた荷重との間には一定の関係があるので、この関係を示す荷重−ひずみ検定曲線を予め求めておくことで、歪み検出手段6によって測定した歪みに基づいて試料2に与えた荷重を測定することができる。
Then, the
各歪み検出手段6,38からの検出値は、図11に示すようにブリッジ回路39を介してストレインアンプ40にて増幅される。一方、圧電アクチュエータ9においては、150V電圧まで増幅可能な電圧増幅装置41を用いる。それぞれのアンプは全て最大5Vの電圧信号に変換され、デジタル・アナログ変換器42を介してパーソナルコンピュータ43に送られる。
The detection values from the distortion detection means 6 and 38 are amplified by the
そして実際の試験においては、パーソナルコンピュータ43にて、試験者が図12に示すいずれかの荷重(ひずみ)と時間波形を定める。この図12では、荷重あるいはひずみが縦軸、時間が横軸とされていて、この図に示すように、(A)荷重制御下、ひずみ制御下引張り試験、(B)クリープ試験、応力緩和試験、(C)荷重制御下、ひずみ制御下三角波疲労試験、(D)荷重制御下、ひずみ制御下台形波疲労試験のそれぞれを行うことができる。 In the actual test, the tester determines any load (strain) and time waveform shown in FIG. In FIG. 12, the load or strain is on the vertical axis and the time is on the horizontal axis. As shown in FIG. 12, (A) tensile test under load control, (B) creep test, stress relaxation test. , (C) Under load control, strain control under triangular wave fatigue test, (D) Under load control, strain control under trapezoidal wave fatigue test.
試験者が荷重(ひずみ)と時間波形を定める際は、例えば、荷重を制御しながら試験を行うものとすれば、適当な電圧を圧電アクチュエータ9に作用させ、試料2に変位を発生させる。歪み検出手段6から得られた荷重が、定めた荷重−時間波形に一致していればそのまま圧電アクチュエータ9への電圧を増加させ、そうでなければ修正する。一方で、試料2に取り付けた歪み検出手段38から歪みを測定することで、試料2にかかる荷重と歪みとの関係を測定することができる。この場合、試料2の断面積で荷重を割ることで応力を求めることができるので、応力−ひずみ曲線も求めることができる。なお、圧電アクチュエータ9そのものの電圧−荷重曲線、変位荷重曲線においては、おおきなヒステリシスを伴うことから、上述したようなフィードバック制御を行うようにすることが望ましい。
When the tester determines the load (strain) and the time waveform, for example, if the test is performed while controlling the load, an appropriate voltage is applied to the
以上説明したように、本発明では小型材料試験装置1に圧電アクチュエータ9を用いることにより、試験精度を保持しつつ、微小な大きさの試料2を試験することを可能としている。これにより、試料2の採取場所やその種類に限定を与えずに済むため、発電所などの大型構造物で使用することが可能となる。また本発明によれば、使用された部材のごく一部から試料2を採取して材料試験を行うことができるため構造物への損失も非常に小さい。
As described above, in the present invention, by using the
また、近年、医学分野においてガンや骨の密度低下などの解明あるいは生体物質の力学的挙動を明らかにすることが求められているところ、実際に患者から試料2を取り出し、本発明を実施して試験をすることもできるため、この様な分野での適用・応用も可能である。 In recent years, in the medical field, it has been demanded to elucidate cancer and bone density reduction or to clarify the mechanical behavior of biological materials. Since it can also be tested, it can be applied and applied in such fields.
さらに、材料試験をするのみではなく、観察装置と併用すれば破壊メカニズムを解明することにも使用できる。例えば、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、原子間力顕微鏡など数多くの観察装置があるものの観察のための試料室内は非常に狭くなっている状況に関しては、本発明にかかる小型材料試験装置1を用いれば、上記のような環境にとらわれることなく表面観察しながら種々の試験をすることができ、今後種々の興味深い現象とそのメカニズムを明らかにすることに資することもできる。 Furthermore, it can be used not only for material testing but also for elucidating the fracture mechanism when used in combination with an observation device. For example, although there are many observation devices such as an optical microscope, a scanning electron microscope, a transmission electron microscope, an atomic force microscope, etc., the small material according to the present invention is in a situation where the sample chamber for observation is very narrow. If the test apparatus 1 is used, various tests can be performed while observing the surface without being constrained by the above-mentioned environment, and it can contribute to clarifying various interesting phenomena and their mechanisms in the future.
この小型材料試験装置1では、一対の同じ高さの揺動体10によって荷重軸5を支持しているので、荷重軸5の移動に対して摩擦抵抗(摺動抵抗)を生じさせることがない。このため、荷重軸5に荷重(駆動力)が作用していない中立位置(図5(A)の位置)が明確になると共に、圧電アクチュエータ9のオフに伴い荷重軸5を中立位置に確実に復帰させることができる。また、揺動体10である板ばねが元の形状に戻る力を利用して、荷重軸5を中立位置に復帰させることもできる。また、上述のように摩擦抵抗がないため、荷重軸5に不連続な動きが発生せず、試料2に荷重をスムーズに与えることができる。即ち、圧電アクチュエータ9の作動電圧が極僅かであってもその電圧に応じた距離だけ荷重軸5を移動させることが可能になるので、圧電アクチュエータ9の作動電圧と荷重軸5の移動距離との関係にヒステリスが発生するのを抑えることができる。さらに、荷重軸5の動きを軸方向の動きのみに制限することができるので、例えば試料2の装着などにより荷重軸5が捻れる等して荷重測定の誤差となる余分な歪みが発生するのを防止することができる。即ち、支持手段7によって、無摩擦、非回転の荷重軸5の支持構造を提供することができる。
In this small material testing apparatus 1, the
この小型材料試験装置1では、歪み検出手段6を荷重軸5の揺動体10の間の位置に装着しているので、荷重軸5を支持する平行リンク機構の内側に歪み検出手段6を設けることができる。平行リンク機構の内側は外力による歪みが特に発生し難い場所であり、歪み検出手段6に不必要な荷重成分、すなわちねじり・曲げ・横荷重などが作用するのを防止することができる。即ち、試験の実施中においては、試験に必要な荷重軸5の軸方向の荷重のみを歪み検出手段6に印加することができ、測定精度を向上させることができる。また、実験を行っていなくても、例えば試料2の取付および取り外しの作業中に試料2に不要なモーメント(過負荷)が加わるのを防止することができる。特に荷重容量の小さい小型材料試験装置1では、作業中の不注意等で歪み検出手段6に過負荷をかけて破損させてしまうことも考えられるため、歪み検出手段6に過負荷がかかるのを防止することで、歪み検出手段6を保護して破損を防止することができる。
In this small material testing apparatus 1, since the strain detection means 6 is mounted at a position between the rocking
また、歪み検出手段6を荷重軸5の揺動体10の間の位置に装着しているので、歪み検出手段6装着のために荷重軸5の長さをわざわざ延長する必要がなくなり、小型材料試験装置1のより一層の小型化に貢献することができる。ただし、小型化の観点からは歪み検出手段6を荷重軸5の揺動体10の間の位置に装着するのベストであるものの、ある程度の小型化で足りる場合等には、荷重軸5のその他の位置に歪み検出手段6を装着しても良いことは勿論である。
Further, since the
本発明では、軸方向振れ防止手段24のストッパ26によって連結部材8及び荷重軸5が過大移動するのを防止できる。即ち、小型材料試験装置1は荷重容量が小さく、荷重軸5が極めて軽量かつ敏感に作られているため、荷重軸5を僅かな力で移動させることができる。例えば、試料2の装着作業時などに誤って荷重軸5を試料2を引っ張る方向に引っ張ってしまうと、それが僅かな力であっても荷重軸5が大きく移動してしまい、試料2に過負荷を与え、支持手段7の板ばね(揺動体)10を変形させてしまう虞がある。しかしながら、本発明の小型材料試験装置1では、ストッパ26を設けることで荷重軸5と連結部材8が移動できる最大距離を隙間25の距離に制限することができるので、試料2や板ばね10を保護することができる。また、ストッパ26と連結部材8との間に弾性部材27を設けているので、上述のような僅かな力で荷重軸5が簡単に移動してしまうのを防止することができる。
In the present invention, the
また、本発明の小型材料試験装置1では、たとえ高い周波数で(圧電アクチュエータ9の伸縮を高速で繰り返して)疲労試験を行ったとしても、弾性部材27によって荷重軸5に戻り方向の力を与えているので、圧電アクチュエータ9の動きに荷重軸5の動きを確実に追従させることができる。即ち、高い周波数で疲労試験を行う場合、荷重軸5の自由振動(支持手段7のばね定数と荷重軸5質量の慣性による)が発生し、圧電アクチュエータ9と荷重軸5の動きが一致しなくなる現象が生ずる虞があるが、本発明の小型材料試験装置1では、このような現象の発生を防止することができる。
Further, in the small material testing apparatus 1 of the present invention, even if a fatigue test is performed at a high frequency (repeating expansion and contraction of the
また、本発明の小型材料試験装置1では、チャック29がてこの原理を利用して試料2を挟持するので、例えば厚さ10μmの薄膜であって長さ10mmの極く微小な試料2の引張り試験、疲労試験が可能であり、更に上述のように支持手段7が摩擦抵抗を生じさせない構造であるため、試料2に荷重をスムーズに加えられるため、100〜200Hzの高周波の応答に荷重軸5を追従させることができる。
Further, in the small material testing apparatus 1 of the present invention, the
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述した実施形態では、圧電アクチュエータ9の電圧変化時における伸縮作用を利用して試料2に引張荷重を与える小型材料試験装置1について説明したが、これに限るものではなく、試料2に圧縮荷重を与えるように構成することも可能である。
The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the small material test apparatus 1 that applies the tensile load to the
また、本実施形態では、可動側保持手段5を水平に配置していたが、これに限るものではなく、例えば可動側保持手段5を垂直に配置しても良く、傾斜した配置としても良い。 In the present embodiment, the movable side holding means 5 is arranged horizontally, but the present invention is not limited to this. For example, the movable side holding means 5 may be arranged vertically or may be inclined.
1 小型材料試験装置
2 試料
3 試験台
4 固定側保持手段
5 可動側保持手段
6 歪み検出手段
7 支持手段
8 連結部材
9 圧電アクチュエータ
10 揺動体
12 位置調整手段
24 軸方向振れ防止手段
25 隙間
26 ストッパ
27 弾性部材
29 チャック
31 グリップベース
32 押さえ板
33 支点
34 作用点
35 力点
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Small
Claims (6)
6. The swinging body of the support means is a leaf spring arranged with its front and back surfaces directed in the axial direction of the movable side holding means, and is fixed to the movable side holding means. A small-sized material testing device according to claim 1.
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