JP2006184039A - 材料試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 恒温槽内の温度を変化させても、恒温槽内の材料を支持する支持部材の温度変化に伴う伸縮量を勘案し、良好な試験精度を実現することができる材料試験装置を提供することである。
【解決手段】 恒温槽４を備え、前記恒温槽４内で材料試験を行う材料試験装置１において、材料１７を支持し、且つ、材料１７に外力を供給する支持部材１３の恒温槽４内側部分の温度を検出する温度検出手段１８を設け、前記温度検出手段１８が検出した温度値から前記支持部材１３の伸縮量を導く伸縮量算出手段３ｅを設け、支持部材１３の伸縮量の分だけ材料の長さを計測する基準位置を補正するようにした。
【選択図】 図４

Description

本発明は、恒温槽を備え、様々な設定温度で材料試験を行う材料試験装置に関するものである。

従来から、材料の性能を評価するための様々に改良された材料試験機が使用されている。例えば、特許文献１の材料試験機では、恒温槽を設けずに、複数の材料を同一温度条件で評価するための技術が開示されている。

また、材料を同一温度条件で試験することができる恒温槽（雰囲気炉）を備えた材料試験機が、特許文献２に開示されている。
特開２００３−３４４２４８号公報 特開２００１−１８３２７５号公報

特許文献１には、様々な条件で実施された試験データを同一条件で比較するための労力を軽減する材料試験機が開示されている。例えば、温度条件が異なる場合には、予め設定した補正値をメモリに記憶しておき、自動的に補正できるように装置を構成し、オペレータの手間を軽減しようとするものである。

しかし、これは、温度や湿度が非常に重要なパラメータである試験には不向きである。例えば、接着剤の接着強度を評価する場合には、異なる温度条件下や湿度条件下で行われた試験を、補正により同一視すること自体に無理がある。材料の耐久性を知るには、やはり恒温槽を備えた材料試験機で試験するのが理想である。

恒温槽を備えた特許文献２には、試験片（材料）の温度を均一化して、試験精度を向上させるための構成が記載されている。よって、特許文献２の材料試験機は、特許文献１の材料試験機よりは精度のよい材料試験を行うことができる。

しかし、恒温槽内で温度の影響を受けるのは試験片だけではなく、試験片を支持するアクチュエータ（支持部材）も温度の影響を受ける。特許文献２の材料試験機を含めた恒温槽を備えた従来の材料試験機は、アクチュエータが受ける温度の影響を一切考慮しておらず、これが試験精度にも悪影響を及ぼす恐れがある。

そこで本発明は、恒温槽内の温度を変化させても、恒温槽内の材料を支持する支持部材の温度変化に伴う伸縮量を勘案し、良好な試験精度を実現することができる材料試験装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、請求項１の発明の材料試験装置では、恒温槽を備え、前記恒温槽内で材料試験を行う材料試験装置において、材料を支持し、且つ、材料に外力を供給する支持部材の恒温槽内側部分の温度を検出する温度検出手段を設け、前記温度検出手段が検出した温度値から前記支持部材の温度変化による伸縮量を導く伸縮量算出手段を設け、支持部材の伸縮量の分だけ材料の長さを計測する基準位置を補正するようにした。

請求項２の発明の材料試験装置では、恒温槽を備え、前記恒温槽内で材料試験を行う材料試験装置において、材料を支持し、且つ、材料に外力を供給する支持部材の恒温槽内側部分の温度を検出する温度検出手段を設け、前記温度検出手段が検出した温度値と前記温度値における前記支持部材の温度変化による伸縮量とを関連付けて記録した記録手段を設け、前記温度検出手段により検出された温度値に対応する前記記録手段に記録されている支持部材の伸縮量の分だけ材料の長さを計測する基準位置を補正するようにした。

請求項３の発明の材料試験装置では、請求項１又は２の発明において、材料に加えた荷重を検出する荷重検出手段を前記支持部材の前記恒温槽外側部分に配置し、恒温槽内の熱が、前記荷重検出手段に伝達されることを抑制可能にする冷却手段を備えた。

請求項４の発明の材料試験装置では、請求項１〜３のいずれかの発明において、前記恒温槽に前記支持部材を貫通させる貫通孔を設け、前記貫通孔に、恒温槽内外の気圧よりも高圧の気体を収容した弾性チューブを配置し、前記弾性チューブを貫通孔の壁面に密着させるようにした。

請求項５の発明の材料試験装置では、請求項４の発明において、前記弾性チューブに孔を設け、前記孔から支持部材に向けて弾性チューブ内の気体を吹き付けるようにした。
孔は、複数箇所に環状に設け、気体が支持部材の周囲に均等に吹き付けられるようにするのが好ましい。
弾性チューブ内の気体は、乾燥空気又は、恒温槽内の気体と同種の気体であるのが好ましい。

請求項１の発明を実施すると、温度検出手段により恒温槽内側部分の支持部材の温度を実測することができ、伸縮量算出手段と実測した温度値から、支持部材の温度変化による伸縮量を把握することができる。また、支持部材の伸縮量の分だけ材料の長さを計測する基準位置を補正することができるので、材料試験の精度を向上させることができる。

請求項２の発明を実施すると、温度検出手段により恒温槽内側部分の支持部材の温度を実測することができ、実測した温度値における支持部材の温度変化による伸縮量を記録した記録手段を備えているので、支持部材の伸縮量を把握することができる。また、支持部材の伸縮量の分だけ材料の長さを計測する基準位置を補正することができるので、材料試験の精度を向上させることができる。

請求項３の発明では、材料に加えた荷重を検出する荷重検出手段を支持部材の恒温槽外側部分に配置し、恒温槽内の熱が、荷重検出手段に伝達されることを抑制可能にする冷却手段を備えたので、荷重検出手段は熱の影響を受けず、検出精度を良好に保つことができる。

請求項４の発明では、恒温槽に支持部材を貫通させる貫通孔を設け、この貫通孔に、恒温槽内外の気圧よりも高圧の気体を収容した弾性チューブを配置し、弾性チューブを貫通孔の壁面に密着するようにしたので、恒温槽内の空気を外部に漏れにくくすることができる。これにより、恒温槽内の環境の変化を抑制することができる。

請求項５の発明では、弾性チューブに設けた孔から、支持部材に向けて空気を吹き付けるようにしたので、弾性チューブと支持部材の間にはエアカーテンが形成され、弾性チューブと支持部材の間から、外気が恒温槽内に流入したり、恒温槽内の気体が外部に流出することを防止することができる。
さらに、弾性チューブと支持部材とが接触していないので、材料試験の実行時に支持部材が恒温槽に対して出入りしても、弾性チューブと支持部材の間に摩擦が生じず、極めて良好な試験結果を得ることができる。

孔から気体を流出させると、弾性チューブから流出させた空気が層を形成するため、弾性チューブと支持部材の間の隙間から、恒温槽の外側の空気が恒温槽内に流入するのを良好に防ぐことができる。弾性チューブ内の気体の温度は、恒温槽内の気体とほぼ同じ温度であるため、恒温槽内に流入させても恒温槽内の温度変化は無視できる程小さく、恒温槽内の環境を変化させずに済む。

図１は、本発明を実施することができる恒温槽４を備えた試験装置本体２の縦断正面図であり、図２は、試験装置本体２の一部を縦断した側面図である。また、図３は、試験装置本体２の平面図である。図１に示すように、試験装置本体２は、固定部３０、駆動部３７及び可動部３８を備えている。

まず、固定部３０の構成を説明する。
恒温槽４は、例えばマイナス４０℃からプラス１５０℃の範囲内の任意の温度に設定することができるものであり、材料試験は、この温度範囲において行われる。試験対象の材料や、試験の目的に応じて、設定する温度範囲は、上記の温度範囲にこだわることなく任意に選定することができる。

恒温槽４の上壁２０の上には、プレート３６が設置されており、さらにプレート３６の上には４つのブラケット２８が固着されている。このブラケット２８の上面には、複数の支柱６（図１には２つを表示）が固着されている。支柱６の途中には連結部材１２が設置されており、さらに支柱６の上端には天板７が設置されている。

また、支柱１６が、恒温槽４の上壁２０とプレート３６とを貫通して、ブラケット２８の下面に固着されている。支柱１６の下端には底板２７が固着されており、底板２７の上に下把持部１５が設置されている。天板７、支柱６、連結部材１２、ブラケット２８、支柱１６、底板２７、及び下把持部１５で固定部３０が構成されている。固定部３０のブラケット２８より上の部分は、ケース２６内に収容されている。

次に、駆動部３７の構成を説明する。
天板７には、ボールスクリュー８を貫通させる孔が設けてある。ボールスクリュー８の上部は天板７の孔を貫通しており、ボールスクリュー８の上端には歯車２３が固着されている。すなわち、歯車２３は天板７の上方に配置されている。一方、ボールスクリュー８の下端は、連結部材１２に回転可能に支持されている。

図２に示すように、歯車２３は、中間歯車２２を介して駆動モータ２１と接続されており、駆動モータ２１を駆動させることにより、歯車２３と一体のボールスクリュー８を回転させることができるようになっている。駆動モータ２１、中間歯車２２、歯車２３、及びボールスクリュー８で駆動部３７が構成されている。

次に、可動部３８の構成を説明する。
図１に示すように、ボールスクリュー８には精密ボールねじ１０が螺合している。精密ボールねじ１０には係合部１０ａが設けてある。この係合部１０ａを、支柱６に設けた図示しない溝に係合させることにより、精密ボールねじ１０の直線ガイドを構成している。ボールスクリュー８を回転させることにより、精密ボールねじ１０を、ボールスクリュー８に沿って昇降させることができるようになっている。

精密ボールねじ１０には、ケース２６の内部に配置された指標２９の基準位置を認識するための目印となる針３１が設けてある。精密ボールねじ１０の位置は、常温において針３１がゼロを指すように予め設定されている。恒温槽４内が高温になると、昇温した支持部材１３が膨張し、膨張した分だけ針３１が指す指標２９の位置が基準位置からずれる。

また、精密ボールねじ１０の下端には、複数のロッド１１（図１には２本を表示）を介してロードセル９（荷重検出手段）が連結されている。さらにロードセル９の下端には、支持部材１３が設置されている。支持部材１３の下端には、試験対象の材料の上端を保持する上把持部１４が設置されている。精密ボールねじ１０、ロッド１１、ロードセル９、支持部材１３、及び上把持部１４で可動部３８が構成されている。

図１に示すように、固定部３０には駆動部３７が固定されており、可動部３８が駆動部３７によって駆動され、固定部３０に沿って上下に往復移動できるようになっている。本発明の材料試験装置１は、さらに以下に記す構成を備えている。

支持部材１３は、恒温槽４の上壁２０に設けた貫通孔４ａを貫通しており、上把持部１４は、恒温槽４の内部に配置されている。貫通孔４ａの上側の開口部分には、Ｏリングや詳しくは後述する弾性チューブ５を配置するための溝４ｂが形成されている。溝４ｂ内に弾性チューブ５を配置し、プレート３６で弾性チューブ５の上部を押さえ付けている。

弾性チューブ５内には、配管２５を介してコンプレッサ２４から乾燥した圧縮空気が供給されている。弾性チューブ５は、貫通孔４ａの壁面とは密着しているが、支持部材１３とは離れている。

図５は、弾性チューブ５の平面略図である。図５に示すように弾性チューブ５は、枝部５ａ〜５ｄを備えており、枝部５ａ〜５ｄがそれぞれ支持部材１３の周囲を取り巻いている。

弾性チューブ５の枝部５ａ〜５ｄの構造を、図６において斜視図で示す。
図５及び図６に示すように、枝部５ｄ（枝部５ａ〜５ｃも同様）には複数の孔３５が設けてある。この孔３５から恒温槽４内に乾燥空気が流出し、支持部材１３に吹き付けられる。その結果、恒温槽４内には弾性チューブ５内の乾燥空気の一部が流入するが、外気が恒温槽４内に流入することを阻止することができる。

つまり、弾性チューブ５内の乾燥空気が、孔３５から流出してエアカーテンを形成し、恒温槽４内の気体（場合によっては蒸気）が恒温槽４の外部へ流出することを防止することができる。

仮に、４つの支持部材１３が、それぞれ個別に上方移動又は下方移動しても、枝部５ａ〜５ｄにおいて、上述したエアカーテンにより、恒温槽４（図１）の内側と外側とが遮断される。

図７は、図５に示す弾性チューブ５の変形例の弾性チューブ３９の正面図である。弾性チューブ５が、図５及び図６に示すように支持部材１３を略一周に渡って取り巻いているのに対して、図７に示す弾性チューブ３９の枝部３９ａ〜３９ｄは、支持部材１３に約２周半ほど取り巻いて設置されている。枝部３９ａ〜３９ｄには、枝部５ａ〜５ｄと同様に孔（図示せず）が設けてある。このように、支持部材１３に対して多重に取り巻くようにすると、恒温槽４の内側と外側とを良好に遮断することができる。

図１に示すように固定部３０の支柱１６は、プレート３６を貫通し、さらに恒温槽４の上壁２０を、気密を保って貫通している。支柱１６の上端は、プレート３６に固着されたブラケット２８に固着されている。支柱１６の下端には、底板２７が固着されている。この底板２７上には、下把持部１５が設置されている。試験対象の材料１７の上部と下部は、それぞれ上把持部１４と下把持部１５によって保持される。

支持部材１３の、上把持部１４の近傍部分には、温度センサ１８（温度検出手段）が設置されている。温度センサ１８としては、例えば、クロメル・アルメルから成る熱電対を採用することができる。この温度センサ１８で検出された温度情報は、信号線３３（図４）を介して、後述するパソコン３に入力される。

図２及び図３に示すように、プレート３６の上面には、支持部材１３を冷却するロータリ式の冷却ファン１９が設置されている。冷却ファン１９が支持部材１３を冷却することにより、ロードセル９には恒温槽４内の熱が伝達されないようになっている。ロータリ式の冷却ファン１９を採用すると、広範囲に渡って風を供給することができるので、良好に支持部材１３を冷却することができる。

図４は、本発明の材料試験装置１の系統図である。試験装置本体２とは別に、パソコン３が設けてある。パソコン３は、入力部３ａ、出力部３ｂ、記憶部３ｃ、記録部３ｄ及び様々な演算を実行するＣＰＵ３ｅを備えている。

入力部３ａ、出力部３ｂは、ＵＳＢ（ユニバーサル・シリアル・バス）やＲＳ−２３２Ｃ（シリアルポート）、パラレルポート、ＩＥＥＥ１３９４、ＬＡＮポート等の入出力インターフェースで構成されている。

記憶部３ｃは、ＣＰＵ３ｅの演算値を一時的に記憶することができるＲＡＭ（ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ等）からなるメインメモリで構成されている。また、記録部３ｄは、書き込み可能な記録装置であり、例えばハードディスク、各種メモリカード、フレキシブルディスクや光磁気ディスク等のリムーバブルディスク、固定ディスク（ハードディスク）等で構成されている。

記録部３ｄには、材料試験を行う際の各設定温度における支持部材１３の伸縮量（温度変化に伴う伸縮量）が記録されている。各設定温度における支持部材１３の伸縮量は、予め実験により求められたものである。支持部材１３に設けた温度センサ１８が検出した温度情報は、信号線３３を介してパソコン３の入力部３ａに入力される。ＣＰＵ３ｅは、入力された温度情報に対応する記録部３ｄに記録された伸縮量データを、出力部３ｂから信号線３４を介して試験装置本体２の制御機構３２へ出力する。記録部３ｄに、材料１７の伸縮量を算出する演算式を記録しておき、ＣＰＵ３ｅ（伸縮量算出手段）が、入力された温度値から伸縮量を算出し、制御機構３２へ出力するようにしてもよい。

制御機構３２は、パソコン３から受け取った伸縮量データにより、指標２９に対する針３１の指す位置を認識し、その位置をゼロ点に設定する。つまり、針３１が指し示す位置をゼロ点にするべく、指標２９の目盛自体の位置をずらす。この作業が完了した後に、材料１７の引っ張り試験（破断、クリープ試験）や圧縮試験を行う。又は、試験後に、実測データを伸縮量データで補正して、測定値とすることもできる。

支持部材１３の各設定温度毎の伸縮量データは、予め実験により収集しておき、パソコン３の記録部３ｄに記録しておく。この記録部３ｄに記録された伸縮量データと、温度センサ１８で検出した温度値とから、支持部材１３の現在の伸縮量を把握することができる。また、パソコン３から制御機構３２へ伸縮量データを送信することにより、自動的に支持部材１３の伸縮による指標２９に対する針３１のずれを補正することができる。

以上説明したように構成された本発明の材料試験装置１では、材料１７が恒温槽４内に配置され、所望する設定温度条件の下で試験を行うことができる。その際、支持部材１３が伸縮しても、試験開始前に予め伸縮量を補正することができるので、極めて精密な試験結果を得ることができる。

恒温槽４の内部の温度は一様でないことが多いため、上述の例では、温度センサ１８は、個々の支持部材１３毎に設けるようにしたが、仮に恒温槽４内の温度を一様にすることができれば、温度センサ１８は、恒温槽４内のいずれかの一箇所に設置すれば足りる。

また、恒温槽４内は正圧に設定されることが多く、支持部材１３の周囲に弾性チューブ５（枝部５ａ〜５ｄ）を配置し、コンプレッサ２４からこの弾性チューブ５に乾燥空気を供給することにより、弾性チューブ５内の乾燥空気の温度は、恒温槽４内の気体温度に近付き、弾性チューブ５内の乾燥空気が恒温槽４内に流入しても、恒温槽４内の環境はほとんど変化しない。湿度を変化させて材料試験を行う場合には、弾性チューブ５を備えることにより、引っ張り試験を行う際に、恒温槽４内の気体が材料試験装置１の外部に漏れないようにすることができ、湿度環境を変化させることなく材料試験を行うことができる。

以上のように構成された材料試験装置１では、低温領域（マイナス４０℃程度）から高温領域（プラス１５０℃程度）に至るまで、支持部材１３の伸縮量を勘案して精密な試験結果を得ることができる。

本発明を実施することができる試験装置本体の縦断正面図である。 図１の試験装置本体の一部を縦断した側面図である。 図１の試験装置本体の平面図である。 本発明の材料試験装置の系統図である。 弾性チューブの詳細図である。 弾性チューブの斜視図である。 弾性チューブの変形例の正面図である。

符号の説明

１ 材料試験装置
２ 試験装置本体
３ パソコン
３ｄ 記録部（記録手段）
３ｅ ＣＰＵ（伸縮量算出手段）
４ 恒温槽
４ａ 貫通孔
４ｂ 溝
５ 弾性チューブ
６ 支柱
８ ボールスクリュー
９ ロードセル（荷重検出手段）
１０ 精密ボールねじ
１２ 連結部材
１３ 支持部材
１４ 上把持部
１５ 下把持部
１７ 材料
１８ 温度センサ（温度検出手段）
１９ ロータリ式冷却ファン
２０ 恒温槽の上壁
２４ コンプレッサ
２９ 指標
３０ 固定部
３１ 針
３２ 制御機構
３５ 弾性チューブに設けた孔

Claims (5)

1. 恒温槽を備え、前記恒温槽内で材料試験を行う材料試験装置において、材料を支持し、且つ、材料に外力を供給する支持部材の恒温槽内側部分の温度を検出する温度検出手段を設け、前記温度検出手段が検出した温度値から前記支持部材の温度変化による伸縮量を導く伸縮量算出手段を設け、支持部材の伸縮量の分だけ材料の長さを計測する基準位置を補正するようにしたことを特徴とする材料試験装置。
2. 恒温槽を備え、前記恒温槽内で材料試験を行う材料試験装置において、材料を支持し、且つ、材料に外力を供給する支持部材の恒温槽内側部分の温度を検出する温度検出手段を設け、前記温度検出手段が検出した温度値と前記温度値における前記支持部材の温度変化による伸縮量とを関連付けて記録した記録手段を設け、前記温度検出手段により検出された温度値に対応する前記記録手段に記録されている支持部材の伸縮量の分だけ材料の長さを計測する基準位置を補正するようにしたことを特徴とする材料試験装置。
3. 材料に加えた荷重を検出する荷重検出手段を前記支持部材の前記恒温槽外側部分に配置し、恒温槽内の熱が、前記荷重検出手段に伝達されることを抑制可能にする冷却手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の材料試験装置。
4. 前記恒温槽に前記支持部材を貫通させる貫通孔を設け、前記貫通孔に、恒温槽内外の気圧よりも高圧の気体を収容した弾性チューブを配置し、前記弾性チューブは貫通孔の壁面に密着していることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれかに記載の材料試験装置。
5. 前記弾性チューブに孔を設け、前記孔から支持部材に向けて弾性チューブ内の気体を吹き付けるようにしたことを特徴とする請求項４に記載の材料試験装置。
   

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