JP2007163257A - ２軸引張試験機 - Google Patents

Abstract

【課題】２軸引張試験機において、試験片破断時に負荷ロッドに作用する曲げ荷重を低減する。
【解決手段】負荷ロッド１０と負荷アクチュエータ１１を含み、負荷ロッド１０を介して試験片ＴＰをＸ軸方向に引っ張る第１負荷手段と、負荷ロッド１０と負荷アクチュエータ１２を含み、負荷ロッド１０を介して試験片ＴＰをＹ軸向に引っ張る第２負荷手段と、第１負荷手段の負荷ロッド１０および第２負荷手段の負荷ロッド１０と試験片のつかみ具１４，１５とをそれぞれ連結する連結手段２０とを備える。連結手段２０は、試験片ＴＰの破断時に第１負荷手段の負荷ロッド１０がＸ軸方向に引っ張られることにより試験片ＴＰを介して第２の負荷手段の負荷ロッド１０に作用する曲げ荷重を低減する曲げ荷重低減機構２１〜２３を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、試験片に対して２軸方向に引張荷重を負荷する２軸引張試験機に関する。

矩形形状の試験片に対し、互いに直交する２軸方向に同時に引張荷重を負荷する２軸引張試験機が知られている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１記載の試験機では、駆動源により一対の負荷部材の間隔が変更されると、試験片が一方向に引っ張られると同時に、連結機構により試験片はこれと直交する方向にも引っ張られる。

特開平５−１８０７４３号公報

この種の試験機において、負荷ロッドを介して試験片を２軸方向に引っ張る場合、試験片が破断する前は各負荷ロッドに軸方向の引張荷重のみが作用する。しかし、試験片が破断した際、負荷ロッドには軸方向に直交する方向の曲げ荷重が作用し、試験機にダメージを与えるおそれがある。

本発明は、つかみ具により把持された試験片を２軸方向に引っ張る試験機であって、負荷ロッドと負荷アクチュエータを含み、負荷ロッドを介して試験片を一方向に引っ張る第１負荷手段と、負荷ロッドと負荷アクチュエータを含み、負荷ロッドを介して試験片を前記一方向と直交する方向に引っ張る第２負荷手段と、第１負荷手段の負荷ロッドおよび第２負荷手段の負荷ロッドと試験片のつかみ具とをそれぞれ連結する連結手段とを備え、連結手段は、試験片の破断時に第１負荷手段の負荷ロッドが一方向に引っ張られることにより試験片を介して第２の負荷手段の負荷ロッドに作用する曲げ荷重を低減する曲げ荷重低減機構を有することを特徴とする。
連結手段を、負荷ロッドと試験片のつかみ具とを揺動可能にピン結合するリンク機構により構成することができる。
アクチュエータとリンク機構の間で負荷ロッドを支持する支持機構であって、負荷アクチュエータの駆動による負荷ロッドの軸方向への移動を許容し、軸方向と直交する方向への移動を阻止する支持機構をさらに備えることが好ましい。
支持機構による支持部よりも先端側の負荷ロッド、リンク機構、つかみ具、および試験片が収容されるチャンバをさらに備えるようにしてもよい。

本発明によれば、負荷ロッドと試験片のつかみ具を連結手段を介して連結し、試験片破断時に負荷ロッドに作用する曲げ荷重を低減するようにしたので、試験機に与えるダメージは少ない。

以下、図１〜図５を参照して本発明による２軸引張試験機の実施の形態について説明する。
図１は本実施の形態に係る２軸引張試験機１００の構成を示す正面図であり、図２はこの斜視図である。２軸引張試験機１００は、負荷ロッド１０を介して図１のＸ軸方向に試験片ＴＰを引っ張る一対のＸ軸負荷アクチュエータ１１と、負荷ロッド１０を介してＸ軸方向と直交するＹ軸方向に試験片ＴＰを引っ張る一対のＹ軸負荷アクチュエータ１２と、Ｘ軸上で試験片ＴＰを把持する一対のＸ軸つかみ具１４と、Ｙ軸上で試験片ＴＰを把持する一対のＹ軸つかみ具１５と、各負荷ロッド１０をつかみ具１４，１５に連結するリンク機構２０と、試験片ＴＰの周囲に所定雰囲気の密閉空間を形成するチャンバ１７と、チャンバ１７の外部で負荷ロッド１０をＸ軸方向に移動可能に支持するＸ軸ガイド機構１８と、チャンバ１７の外部で負荷ロッド１０をＹ軸方向に移動可能に支持するＹ軸ガイド機構１９とを備える。

試験片ＴＰは薄板状でかつＹ軸方向に細長の略矩形形状をなし、例えばゴム材などの延性の高い材料により形成される。Ｘ軸負荷アクチュエータ１１とＹ軸負荷アクチュエータ１２はテーブル１６上に設置され、同一水平面上に配置されている。試験片ＴＰには、各アクチュエータ１１，１２によりそれぞれ＋Ｘ方向，−Ｘ方向，＋Ｙ方向，−Ｙ方向の水平方向の引張荷重が負荷される。チャンバ１７は略ボックス状の恒温層であり、チャンバ内の雰囲気温度などを一定に保った状態で引張試験を行うことができる。

Ｘ軸ガイド機構１８とＹ軸ガイド機構１９は、それぞれベース部材１８ａ，１９ａとスライド部材１８ｂ，１９ｂとで構成される。ベース部材１８ａ，１９ａは負荷ロッド１０の下方のテーブル１６上に設置され、負荷ロッド１０の軸方向に沿ってスライド部材１８ｂ，１９ｂをスライド可能に支持する。スライド部材１８ｂ，１９ｂは上部の支持部１８ｃ，１９ｃ（図２）において負荷ロッド１０を支持し、引張試験時にスライド部材１８ｂ，１９ｂは負荷ロッド１０と一体にベース部材１８ａ，１９ａの上面をスライドする。スライド部材１８ｂ，１９ｂには負荷ロッド１０に連結してロードセル３１が取り付けられ、試験片ＴＰに作用する引張荷重がロードセル３１により検出される。各負荷ロッド１０は、チャンバ内の密閉状態を保ったままチャンバ１７の四方の側壁をそれぞれ摺動可能に貫通している。なお、チャンバ１７には負荷ロッド１０が貫通するための円孔が設けられているが、負荷ロッド１７と円孔とは５ｍｍ程度の隙間がある。そのため、後述するように負荷ロッド１０の先端部に曲げ荷重が作用したときにも負荷ロッド１０はチャンバ１７に接触せず、負荷ロッド１０はスライド部材１８ｂ，１９ｂの支持部１８ｃ，１９ｃで支持される。

図２に示すように各リンク機構２０は、チャンバ１７の内側に配置されたリンク２１とピン２２，２３とで構成される。図３は図１のIII-III線断面図（Ｘ軸に沿って切断した断面図）であり、図４は図１のIV-IV線断面図（Ｙ軸に沿って切断した断面図）である。図３，４に示すようにリンク２１の一端部は平板状に形成され（平板部２１ａ）、他端部は上下二股に形成されている（二股部２１ｂ）。

負荷ロッド１０の先端部は上下二股に形成され、この二股の間に各リンク２１の平板部２１ａが挿入されている。この平板部２１ａの挿入箇所には鉛直方向にピン２２が貫通し、リンク２１の一端部は負荷ロッド１０の先端部に水平方向に回動可能にピン結合されている。リンク２１の二股部２１ｂの間にはＸ軸つかみ具１４およびＹ軸つかみ具１５の端部がそれぞれ挿入されている。このつかみ具１４，１５の挿入箇所には鉛直方向にピン２３が貫通し、リンク２１の他端部はつかみ具１４，１５の端部に水平方向に回動可能にピン結合されている。

図３に示すようにＸ軸つかみ具１４は断面コ字状に形成され、その内側に上下一対の支持プレート１４１，１４２が介装されている。試験片ＴＰのＸ軸方向端部は支持プレート１４１，１４２の間に挟まれ、Ｘ軸つかみ具１４の上下面に螺合されたボルト１４３により支持プレート１４１，１４２が上下方向に押動される。これにより支持プレート１４１，１４２の間に試験片ＴＰが押圧支持される。図１に示すようにボルト１４３は試験片ＴＰのＸ軸方向端部に沿って配設され、試験片ＴＰの端部全体がボルト１４３により押圧される。これにより試験片全体にＸ軸方向の引張荷重を負荷することができる。

図４に示すようにＹ軸つかみ具１５は上下一対の支持プレート１５１，１５２を有する。試験片ＴＰのＹ軸方向端部は支持プレート１５１，１５２の間に挟まれ、支持プレート１５１，１５２同士は図１に示すように試験片ＴＰを挟んでそのＸ軸方向両側のボルト１５３により締結される。これにより支持プレート１５１，１５２の間に試験片ＴＰが押圧支持される。なお、試験片ＴＰのＸ軸方向の長さが長い場合には、試験片全体を均一に押圧支持するために図３と同様に試験片ＴＰのつかみ具を構成し、試験片ＴＰのＹ軸方向端部に沿ってボルト１４３を配設すればよい。

本実施の形態に係る引張試験機の主要な動作を説明する。つかみ具１４，１５によりチャンバ１７内で試験片ＴＰを把持し、チャンバ１７内の温度，湿度を一定の試験条件に保つ。この状態でアクチュエータ１１，１２を駆動すると、負荷ロッド１０と一体にベース部材１８ａ，１９ａの上面をそれぞれスライド部材１８ｂ，１９ｂがスライドし、試験片ＴＰが＋Ｘ方向，−Ｘ方向，＋Ｙ方向，−Ｙ方向に同時に引っ張られ、試験片ＴＰに２軸方向に引張荷重が負荷される。試験片ＴＰが破断するまでは、試験片ＴＰは＋−両方向に引っ張られて、互いに対向する位置の負荷ロッド１０に作用する引張荷重は釣り合い、各負荷ロッド１０には軸方向の引張荷重のみが作用する。なお、Ｘ軸方向およびＹ軸方向への引張荷重の増加の割合等、各種試験条件は試験片ＴＰの形状等を考慮して決定される。

試験荷重が増加すると、試験片ＴＰは例えば図５に示すようにＸ軸とＹ軸に対して斜めに破断し、試験片ＴＰ１とＴＰ２に分断される。この破断の直後、試験片ＴＰ１は＋Ｘ方向と＋Ｙ方向に引っ張られ、試験片ＴＰ２は−Ｘ方向と−Ｙ方向に引っ張られる。これにより負荷ロッド１０の先端部には軸方向の引張荷重だけでなく試験片ＴＰ１，ＴＰ２を介してそれぞれ曲げ荷重（軸と直交する方向の荷重）が作用する。

例えば図５において＋Ｘ方向に引っ張られる負荷ロッドを１０１，＋Ｙ方向に引っ張られる負荷ロッドを１０２とすると、負荷ロッド１０１は試験片ＴＰ１を介して負荷ロッド１０２により＋Ｙ方向に引っ張られ、負荷ロッド１０２は試験片ＴＰ１を介して負荷ロッド１０１により＋Ｘ方向に引っ張られる。これにより負荷ロッド１０１，１０２にはそれぞれ＋Ｙ方向，＋Ｘ方向の曲げ荷重が作用する。

このように負荷ロッド１０１，１０２に曲げ荷重が作用すると、負荷ロッド１０１に連結されたリンク２１はピン２２を支点に図示矢印方向（時計方向）に揺動し、負荷ロッド１０２に連結されたリンク２１はピン２２を支点に図示矢印方向（反時計方向）に揺動する。これにより負荷ロッド１０１，１０２に作用する曲げ荷重を吸収できる。なお、−ｘ方向に引っ張られる負荷ロッドを１０３、−Ｙ方向に引っ張られる負荷ロッドを１０４とすると、これら負荷ロッド１０３，１０４に作用する曲げ荷重もリンク２１の揺動によって同様に低減できる。

ここで、リンク２１が十分に長ければ、試験片ＴＰの破断によって生じた曲げ荷重をリンク２１によって完全に除去することができる。例えばチャンバ１７がなければリンク２１を長く形成することができるため、負荷ロッド先端部に作用する曲げ荷重が０となるように構成できる。これに対し、本実施の形態のようにリンク２１がチャンバ１７内に配置されている場合には、リンク２１の長さがチャンバ１７の大きさによって制限されるため、曲げ荷重は０にならず、負荷ロッド１０１，１０２の先端部に多少の曲げ荷重が作用することがある。この場合、負荷ロッド１０１，１０２には、スライド部材１８ｂ、１９ｂの支持部１８ｃ，１９ｃを支点にした曲げモーメントが作用する。このため、試験片ＴＰの破断時に、負荷ロッド１０１，１０２の支持部１８ｃ，１９ｃよりもアクチュエータ側における部位には曲げモーメントが作用せず、アクチュエータ１１，１２を保護できる。

なお、試験片ＴＰが斜めに破断する場合だけでなく、例えば図５の点線ＤＬに沿ってＸ軸と平行に破断する場合にも上述したのと同様に曲げ荷重を低減できる。この場合、破断後の試験片ＴＰは負荷ロッド１０１，１０３，１０４を介して支持され、負荷ロッド１０１，１０３がそれぞれ負荷ロッド１０４により−Ｙ方向に引っ張られる。このとき、負荷ロッド１０１，１０３に連結されたリンク２１が揺動し、負荷ロッド１０１，１０３に作用する曲げ荷重を低減できる。試験片ＴＰが常に点線ＤＬに沿って破断する場合、負荷ロット１０２，１０４に曲げ荷重が作用しないため、この負荷ロッド１０２，１０４とつかみ具１５の間のリンク機構２０を省略することもできる。すなわち破断のモードが予め決まっている場合には、破断時に曲げ荷重が作用するおそれのある負荷ロッド１０にのみリンク２０を連結するようにしてもよい。

以上の実施の形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）負荷ロッド１０の先端部にリンク機構２０を設け、試験片ＴＰの破断時にリンク２１を揺動させるようにしたので、負荷ロッド１０に作用する曲げ荷重を低減することができ、試験機に与えるダメージを最小限に抑えることができる。
（２）リンク機構２０を用いて曲げ荷重を低減するので、構成が容易であり、コスト的にも好ましい。
（３）チャンバ１７の外部でスライド部材１８ｂ，１９ｂにより負荷ロッド１０を支持するので、負荷ロッド１０の先端部に曲げ荷重が作用すると、負荷ロッド１０にはスライド部材１８ｂ，１９ｂの支持部１８ｃ，１９ｃを支点にした曲げモーメントが発生する。そのため、アクチュエータ１１，１２には軸方向の負荷のみが作用し、アクチュエータ１１，１２に無理な負荷がかかることがない。
（４）チャンバ１７の側壁を貫通して負荷ロッド１０を設け、負荷ロッド１０の先端部，リンク機構２０，つかみ具１４，１５，および試験片ＴＰをチャンバ１７内に配置するので、チャンバ１７内での試験時にも負荷ロッド１０に作用する曲げ荷重を低減することができる。

上記実施の形態では、第１負荷手段としてＸ軸方向に試験片を引っ張る２台のアクチュエータ１１を配置し、第２負荷手段としてＹ軸方向に試験片を引っ張る２台のアクチュエータ１２を配置し、計４台のアクチュエータ１１，１２を用いて引張試験を行うようにしたが、各軸に１台、計２台のアクチュエータを用いて引張試験を行うようにしてもよい。一対のＸ軸つかみ具１４と一対のＹ軸つかみ具１５により試験片ＴＰを把持するようにしたが、つかみ具の形状は試験片ＴＰの形状に応じて変化するものであり、上述したものに限らない。

負荷ロッド１０と試験片ＴＰのつかみ具１４，１５とを連結する連結手段として、リンク機構２０を介して負荷ロッド１０と試験片ＴＰのつかみ具１４，１５を連結するようにしたが、試験片破断時に負荷ロッド１０に作用する曲げ荷重を低減するような曲げ荷重低減機構を有するのであれば、連結手段はいかなるものでもよい。例えば負荷ロッド１０と試験片ＴＰをピアノ線、ワイヤなどの線状体で連結してもよい。この場合、ピアノ線、ワイヤなどの線状体は、引張試験時に引張力により伸びないものを用いる。

チャンバ１７の外部にガイド機構１８，１９を設けて負荷ロッド１０を支持するようにしたが、アクチュエータ１１，１２の駆動による負荷ロッド１０の軸方向への移動を許容し、軸方向と直交する方向への移動を阻止するのであれば、すなわちアクチュエータ１１，１２における負荷ロッド１０の支持部に曲げモーメントが作用しないように負荷ロッド１０を支持するのであれば、支持機構の構成はいかなるものでもよい。この場合、リンク２１の揺動量を十分に確保できる構成であれば、リンク２１の揺動により曲げ荷重が除去されるため、支持機構を省略してもよい。

上記実施の形態ではチャンバ１７内で引張試験を行うものとして説明したが、大気中で引張試験する２軸試験機にも本発明は適用することができる。２軸の方向は水平方向（Ｘ軸方向とＹ軸方向）に限らず、互いに直交する方向であれば鉛直方向であってもよい。すなわち、本発明の特徴、機能を実現できる限り、本発明は実施の形態の２軸引張試験機に限定されない。なお、以上の説明はあくまで一例であり、発明を解釈する際、上記実施形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係になんら限定も拘束もされない。

本発明の実施の形態に係る２軸引張試験機の構成を示す平面図。 本発明の実施の形態に係る２軸引張試験機の構成を示す斜視図。 図１のIII-III線断面図。 図１のIV-IV線断面図。 本実施の形態に係る２軸引張試験機の動作の一例を示す図。

符号の説明

１０ 負荷ロッド
１１ Ｘ軸アクチュエータ
１２ Ｙ軸アクチュエータ
１４ Ｘ軸つかみ具
１５ Ｙ軸つかみ具
１７ チャンバ
１８ Ｘ軸ガイド機構
１９ Ｙ軸ガイド機構
２０ リンク機構

Claims (4)

1. つかみ具により把持された試験片を２軸方向に引っ張る試験機であって、
   負荷ロッドと負荷アクチュエータを含み、負荷ロッドを介して前記試験片を一方向に引っ張る第１負荷手段と、
   負荷ロッドと負荷アクチュエータを含み、負荷ロッドを介して前記試験片を前記一方向と直交する方向に引っ張る第２負荷手段と、
   前記第１負荷手段の負荷ロッドおよび前記第２負荷手段の負荷ロッドと前記試験片のつかみ具とをそれぞれ連結する連結手段とを備え、
   前記連結手段は、前記試験片の破断時に前記第１負荷手段の負荷ロッドが前記一方向に引っ張られることにより前記試験片を介して前記第２の負荷手段の負荷ロッドに作用する曲げ荷重を低減する曲げ荷重低減機構を有することを特徴とする２軸引張試験機。
2. 請求項１に記載の２軸引張試験機において、
   前記連結手段は、前記負荷ロッドと前記試験片のつかみ具とを揺動可能にピン結合するリンク機構であることを特徴とする２軸引張試験機
3. 請求項２に記載の２軸引張試験機において、
   前記アクチュエータと前記リンク機構の間で前記負荷ロッドを支持する支持機構であって、前記負荷アクチュエータの駆動による前記負荷ロッドの軸方向への移動を許容し、軸方向と直交する方向への移動を阻止する支持機構をさらに備えることを特徴とする２軸引張試験機。
4. 請求項３に記載の２軸引張試験機において、
   前記支持機構による支持部よりも先端側の前記負荷ロッド、前記リンク機構、前記つかみ具、および前記試験片が収容されるチャンバをさらに備えることを特徴とする２軸引張試験機。

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