JP2008190945A

JP2008190945A - 圧縮試験装置

Info

Publication number: JP2008190945A
Application number: JP2007024275A
Authority: JP
Inventors: Shinya Nakano; 真也中野
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2007-02-02
Filing date: 2007-02-02
Publication date: 2008-08-21
Also published as: KR20080072563A; EP1953522A3; US20080184807A1; CN101236144A; EP1953522A2

Abstract

【課題】高速圧縮試験での精度の高い速度制御が可能であり、かつ荷重検出手段の過負荷による破損を防止できるようにした構成が簡易な圧縮試験装置を提供する。
【解決手段】ステージ１上に載置した試験片２に対して荷重検出手段を前記試験片のいずれか一方もしくは両方に配した状態で圧縮力を作用させ、その反発荷重を前記荷重検出手段で検出するようにした圧縮試験装置において、ステージ１を圧縮力の作用方向に変位自在となるように弾発支持するための弾発部材５を設け、ステージ１を上下可動に支持するケーシング６に螺子部６ａを設け、該螺子部６ａに進退自在に螺合する別の螺子部８ａをステージ１側に設け、前記螺子部６ａ，８ａ同士の相対変位によって弾発部材５の弾発力を可変に調整できるようにしている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステージ上に載置した試験片に作用する圧縮荷重を検出するための荷重検出手段の過負荷による破損を防止できるようにした圧縮試験装置に関する。

ステージ上に載置した試験片に作用する圧縮荷重をロードセル等の荷重検出手段で検出する圧縮試験装置では、荷重検出手段を過負荷による破損から保護するための対策が求められ、例えば、ロードセルを加圧する加圧部材と該ロードセルとの間に弾性部材を備えると共に、該加圧部材の移動量を制限するためのストッパを備えたロードセル用過負荷防止装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。具体的には、ストッパに対して荷重の作用方向に所定量だけ移動可能に支持されるガイド板の上に、弾性部材を収納したケースを立設し、そのケースに対してトルクアームによって加圧力を作用させるように構成される。

この装置では、トルクアームによる加圧力の大きさは、弾性部材が変形しても変化することなくロードセルに伝達され、ストッパによってケースの下降が停止されたときにロードセルに作用する加圧力が最大となり、その後に、それ以上の加圧力が作用すると、その加圧力はケースから直接ストッパに伝達され、ロードセルには、ケースの下降が停止されたときの最大の加圧力が作用したままとなり、これによりロードセルの過負荷による破損が防止されるとされている。

また、別の例では、試験片への荷重負荷方向に移動して前記試験片に荷重を負荷する負荷手段を有し、この負荷手段により前記試験片に荷重を負荷してその機械的性質を試験する材料試験機において、前記試験片と負荷手段との間に配設され、前記試験片に所定値以上の荷重が負荷されたときに前記試験片の負荷軸方向に弾性変形可能な弾性変形手段を有する材料試験機が提案されている（例えば特許文献２参照）。

この材料試験機では、負荷手段であるクロスヘッドに取り付けられたロードセルと上部圧盤の間に弾性変形手段を備えた過負荷防止装置（プロテクタ）が介装され、上部圧盤と下部圧盤との間に試験片が設置される。その過負荷防止装置は、プロテクタ枠と耐圧フランジの間に弾性変形手段としての圧縮コイルバネ４８を介装してなり、そのプロテクタ枠が、別の圧縮コイルバネ６４を介してクロスヘッドに吊持されており、その圧縮コイルバネ４８の弾発力は調整ナット４４により、また、圧縮コイルバネ６４の弾発力は圧縮コイルバネ６４に貫挿してクロスヘッドに螺合されるボルト６２により、それぞれ調整できるように構成されている。

このような構成により、クロスヘッドが下降するに伴い、試験片に荷重が負荷され始めると、試験片に作用する負荷が圧縮コイルバネ４８の弾発力（設定荷重）よりも下回る間、プロテクタは剛体としてロードセルと上部圧盤の間に介在する。そして、さらにクロスヘッドが下降して試験片に作用する負荷が圧縮コイルバネ４８の設定荷重を上回ると圧縮コイルバネ４８が変形を開始する。これにより、試験片やロードセルに対する負荷の急激な上昇が防止されると共に、ロードセル負荷限界荷重に達する前に耐圧フランジが縮退してリミットスイッチが作動しクロスヘッドの下降を停止させることによって、ロードセルや試験片の破損を防止することができるとされている。

また、試験片に負荷を作用させたときに、ロードセルと試験片の間に介在する上部圧盤、プロテクタ枠、耐圧フランジ、プロテクタ枠と耐圧フランジの間に介装される弾性変形手段等の重量がロードセルに作用するのを圧縮コイルバネ６４の弾発力によって相殺できるとされている。その弾発力の調整は、上述のように、ボルト６２の締め込み量によって調整することができる。

実開昭５８−１１９７３９号公報特開平１１−２３４３４号公報

しかし、従来の前者（特許文献１）の場合、加圧部材とロードセルとの間に配設される過負荷防止装置は、ガイド板の上に弾性部材を収納したケースを立設してなり、全体としてかなりの重量があり、かつ、弾性部材が存在することにより、高速圧縮試験では、駆動開始の瞬間に大きな慣性力が作用し、ロードセルに過大な負荷が作用しやすくなるだけでなく、精度の高い速度制御が困難になることが懸念される。

また、従来の後者（特許文献２）では、ロードセルと試験片の間に介在する過負荷防止装置等の重量がロードセルに作用するのを圧縮コイルバネ６４の弾発力によって相殺できるとされているが、前者と同様に、バネ機構の存在により、高速圧縮試験では、駆動開始の瞬間に大きな慣性力が作用し、ロードセルに過大な負荷を作用させるだけでなく、精度の高い速度制御が困難になるという問題があった。また、圧縮コイルバネ６４の弾発力を適切に設定するためには、ボルト６２の締め込み量を微妙に調整する必要があり、その調整の仕方如何によっては、ロードセルに対して押込み方向の負荷を発生させてしまうようなことも懸念され、また、部品点数が多く構成が複雑で高価になるという難点もあった。

本発明は、このような実情に鑑みてなされ、高速圧縮試験での精度の高い速度制御が可能であり、かつ荷重検出手段の過負荷による破損を防止できるようにした構成が簡易な圧縮試験装置を提供することを目的とする。

本発明の圧縮試験装置は、ステージ上に載置した試験片に対して荷重検出手段を前記試験片のいずれか一方もしくは両方に配した状態で圧縮力を作用させ、その反発荷重を前記荷重検出手段で検出するようにした圧縮試験装置において、前記ステージを圧縮力の作用方向に変位自在となるように弾発支持するための弾発部材を設けてなることを特徴とする。

このような構成によれば、試験片を載置するステージが、弾発部材によって、圧縮力の作用方向に変位自在となるように弾発支持されているため、弾発部材を所定の弾発力（設定荷重）に固定しておけば、試験片に作用する圧縮荷重が設定荷重に到達するまではステージは剛体として作用する（不動状態で維持される）ため、一定速度で試験片を圧縮することができる。より詳しくは、ステージ上の試験片に直接圧縮荷重が負荷されるため、高速圧縮試験においても、慣性力の影響をほとんど受けることがなく良好な速度応答性が得られ、精度の高い速度制御が可能となる。そして、試験片に作用する圧縮荷重が設定荷重を超えると、ステージは弾発部材の縮長によって沈下し、そのため、荷重検出手段への負荷が低減され、過負荷による破損が防止される。また、構成が簡易であるため、トラブルの発生要因も少なく、装置を安価に提供することもできる。

（２）前記ステージに対する前記弾発部材の弾発力は可変に調整可能であってもよい。このようにすれば、弾発部材の弾発力（設定荷重）を変更することにより、試験条件の設定変更を容易に行うことができる。また、設定荷重を充分安全側の値に設定すること等により、過負荷による荷重検出手段の破損をより確実に防止することができる。

（３）前記ステージを上下可動に支持するケーシングに螺子部を設け、該螺子部に進退自在に螺合する別の螺子部を前記ステージ側に設け、前記螺子部同士の相対変位によって前記弾発部材の弾発力が可変に調整されるようにしてもよい。このようにすれば、簡易な構成で、螺子部を操作することで弾発部材の弾発力を可変に調整することができる。

本発明の圧縮試験装置は、ステージを圧縮力の作用方向に変位自在となるように弾発部材によって弾発支持させるので、弾発部材の弾発力を所定の値（設定荷重）に固定しておけば、試験片に作用する圧縮荷重が設定荷重に到達するまではステージは剛体として作用する（不動状態で維持される）ため、一定速度で試験片を圧縮することができ、精度の高い速度制御が可能となる。そして、試験片に作用する圧縮荷重が設定荷重を超えると、ステージは弾発部材の縮長によって沈下し、荷重検出手段への負荷が低減され、荷重検出手段の過負荷による破損が防止される。また、構成が簡易であるため、トラブルの発生要因も少なく、装置を安価に提供することもできる。

以下に、本発明の実施の形態に係る圧縮試験装置について図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１はステージの支持構造の断面図、図２は圧縮試験装置全体の構成説明図である。これらの図に示すように、この圧縮試験装置は、ステージ１上に載置したフォーム材等の試験片２に対して荷重検出手段３を介して負荷手段４により圧縮力を高速で作用させ、その反発荷重を荷重検出手段３で検出するものであり、その荷重検出手段３の過負荷による破損を防止するために、ステージ１を圧縮力の作用方向に変位自在となるように弾発支持する弾発部材５を設けている。

ステージ（押しボタンとも称する）１は、試験片２を載置する円形状の載置部１ａの下縁に円筒状の摺動部１ｂを有し、その摺動部１ｂが、本体ケーシング６に内嵌されたドライベアリング７内に上下可動に嵌挿され、かつ、載置部１ａの裏面と本体ケーシング６の底部との間には、弾発部材５としてのコイルバネが間装されている。また、摺動部１ｂの上端周縁には、弾発部材５の弾発力に伴うステージ１の上方への移動を規制し且つ弾発部材５の弾発力（設定荷重）を調整するための荷重調整リング（調整用操作部材）８が固定され、その内周面に形成された雌螺子（螺子部）８ａが、本体ケーシング６の外周面に形成された雄螺子（螺子部）６ａに螺合している。本体ケーシング６の下部には台座９が取り付けられている。また、本体ケーシング６の底部にはエアベント１０が設けられている。

圧縮試験装置全体の構成は、図２に示すように、負荷手段４としてのアクチュエータ（加振器）の出力軸には荷重検出手段３としての圧縮型ロードセルの起歪体の上部が接続され、その起歪体の下部に接続された丸棒状の圧子１１によってステージ１の載置部１ａに載置された試験片２を圧縮するように構成される。一方、コントロールＰＣ１２からアクチュエータ４に変位制御信号が出力され、コントロールＰＣ１２には、アクチュエータ４からの変位データと、ロードセル３からの荷重検出信号が入力される。

以上のように構成される圧縮試験装置によれば、試験片２を載置するステージ１が、コイルバネ５によって圧縮力の作用方向に変位自在となるように弾発支持されているため、コイルバネ５を所定の弾発力（設定荷重）に固定しておけば、試験片２に作用する圧縮荷重が設定荷重に到達するまではステージ１は剛体として作用し（不動状態で維持され）、ステージ１に向かう圧子１１の移動速度が一定となるため、一定速度で試験片２を圧縮することができる。より詳しくは、ステージ１上の試験片２にはロードセル３に取り付けた圧子１１から直接圧縮荷重が負荷されるため、高速圧縮試験においても、慣性力の影響をほとんど受けることがなく良好な速度応答性が得られ、精度の高い速度制御が可能となる。そして、試験片２に作用する圧縮荷重が設定荷重を超えると、ステージ１はコイルバネ５の縮長によって沈下し、そのため、ロードセル３への負荷が低減され、過負荷による破損が防止される。

ところで、一般的な圧縮試験装置の理想的な圧縮挙動は、例えば図３（ａ）に示される。通常は剛体として作用するステージ１に試験片２を載置した状態で、上述した如く、圧子１１は一定速度で試験片２を圧縮するが、この圧子１１は、ロードセル３が破損する直前の位置にて−∞の加速度で瞬時に停止させる（いわゆる寸止め）ことが理想的である。しかしながら、このような図３（ａ）に示す理想的な圧縮挙動は、圧縮速度が小さい場合には生じるものの、高速圧縮試験においては、アクチュエータ４に対する変位制御信号を適切なタイミングで停止しても、慣性力により圧子１１を設定の駆動変位（量）で停止させることが困難となり、そのため、圧縮応力の急激な上昇によりロードセル３が破損してしまうおそれがある。一方、ロードセル３への負荷を低減するために所望の駆動変位（量）で圧子１１を停止させようとすれば、駆動変位（量）の設定値を所望の値よりも小さく設定して慣性力の影響を受けることがないようにする必要があるが、そうすることによって試験片２を圧縮している間の圧子１１の速度は低下し、一定速度で試験片２を圧縮することができなくなる。

この点につき、本圧縮試験装置は、ステージ１の表面を駆動変位（量）０ｍｍ（上方が正値、下方が負値）として、駆動変位（量）を−０．５ｍｍまで設定することにより、設定荷重に到達するまで一定速度で試験片２を圧縮することが可能となる。図３（ｂ）は、二種類のフォーム材を試験片２とした場合の本圧縮試験装置による高速圧縮試験の実測データ、即ち、駆動変位（量）曲線を示す。なお、試料Ａでは、駆動変位（量）０．２ｍｍ程度まで一定速度で圧縮できているのに対し、試料Ｂでは、駆動変位（量）０．４ｍｍ付近から僅かながらも速度の低下が見られる。これは、図３（ｃ）に示す、一定速度で高速圧縮した際の試料Ａと試料Ｂの応力−歪み曲線から明らかなように、試料Ｂの弾性が試料Ａに比較して大きく、荷重が急激に上昇したためである。

設定荷重に到達した時点からステージ１が押圧されて下方に移動し、そのためにロードセル３への過負荷による破損を防止できることは、図４（ｂ）に示す、実測した荷重−変位プロフィールからも明らかである。即ち、図４（ａ）は、本圧縮試験装置の理論的な圧縮挙動を示し、本圧縮試験装置によれば、設定荷重に到達した時点からステージ１が沈下することで、荷重の上昇が緩やかになり、限界荷重以下で圧縮試験装置を停止させることができるようになるが、図４（ｂ）に示す実測データがそのとおりの挙動を示すことは図４（ａ）と対比して容易に理解できる。なお、図４（ａ）において、破線は本圧縮試験装置の構造を採用しない場合の設定荷重到達後の荷重−変位プロフィールを示す。

以上説明したように、本発明の圧縮試験装置は、試験片２を載置するステージ１を（過負荷防止手段としての）弾発部材５によって弾発支持させたので、ロードセル３と試験片２の間に重量のある過負荷防止装置を介在させる必要がなくなるため、負荷手段４によってロードセル３を介して試験片２に圧縮荷重を負荷した際に、慣性力の影響をほとんど受けることがなくなり、高速圧縮試験においても精度の高い速度制御が可能となる。また、その構成が簡易であるため、トラブルの発生要因も少なく、装置を安価に提供することもできる。

なお、本発明は、実施の形態に限定されることなく、発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、適宜、必要に応じて、設計変更や改良等を行うのは自由である。

例えば、本実施の形態では、弾発部材５の弾発力を可変に調整するために、調整用操作部材として荷重調整リング８を設け、荷重調整リング８の内周面に形成した雌螺子（螺子部）８ａを、本体ケーシング６の外周面に形成した雄螺子（螺子部）６ａに螺合させているが、これに限定されることなく、弾発部材５の下部を押し上げる方向にねじ込み可能な調整螺子を調整用操作部材として本体ケーシング６の底部に螺装させてもよい。

また、本実施の形態では、ステージ１上に載置した試験片２に対して荷重検出手段３を介して圧縮力を作用させる、即ち、試験片２に対して圧縮力を作用させる側に荷重検出手段３を配しているが、その反対側、即ち、試験片２のステージ側に荷重検出手段３を配してもよいし、あるいは、それら両方に配してもよい。

本発明の実施の形態に係る圧縮試験装置のステージの支持構造の断面図である。本発明の実施の形態に係る圧縮試験装置全体の構成説明図である。（ａ）一般的な圧縮試験装置の理想的な圧縮挙動の説明図（変位−時間線図）、（ｂ）本発明の実施の形態に係る圧縮試験装置の高速圧縮試験の実測データ（変位−時間線図）、（ｃ）同実測データ（応力−歪み線図）である。（ａ）本発明の実施の形態に係る圧縮試験装置の理論的な圧縮挙動の説明図（荷重−変位線図）、（ｂ）本発明の実施の形態に係る圧縮試験装置の高速圧縮試験の実測データ（荷重−変位線図）である。

符号の説明

１…ステージ、２…試験片、３…荷重検出手段、５…弾発部材、６…ケーシング、６ａ，８ａ…螺子部

Claims

ステージ上に載置した試験片に対して荷重検出手段を前記試験片のいずれか一方もしくは両方に配した状態で圧縮力を作用させ、その反発荷重を前記荷重検出手段で検出するようにした圧縮試験装置において、
前記ステージを圧縮力の作用方向に変位自在となるように弾発支持するための弾発部材を設けてなることを特徴とする圧縮試験装置。
前記ステージに対する前記弾発部材の弾発力は可変に調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の圧縮試験装置。
前記ステージを上下可動に支持するケーシングに螺子部を設け、該螺子部に進退自在に螺合する別の螺子部を前記ステージ側に設け、前記螺子部同士の相対変位によって前記弾発部材の弾発力が可変に調整されることを特徴とする請求項２に記載の圧縮試験装置。