JP2008281544A - 疲労試験機 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで、且つ、好適に試験試料の実際に利用される環境下での疲労強度特性データを取得することができる疲労試験機を提供することにある。
【解決手段】回転駆動部５０により回転軸４１を回転させ、回転軸４１に軸支されるカム４０によって、回転軸４１による回転運動を、加圧部３０による直線往復運動に伝達する。また、このとき、カム４０の形状が所定の身体動作パターンにおける負荷荷重を加圧部に付与可能な形状をなしている。
【選択図】図１

Description

本発明は、疲労試験機に関する。

従来、材料の疲労強度特性について試験を行う場合、一般的な試験機が存在しないため、繰り返し曲げ試験用のアタッチメントを既存の材料試験機に用いて試験を行っていた。

また、独自の疲労試験機として、偏心カムを回転させ、当接部材に往復運動を与えて試験片に変位が繰り返し与えられる薄板平面曲げ疲労試験装置（特許文献１参照）や、偏心カムの回転により、押圧具に対して周期的に前進力を与え生体中の骨に対して曲げ荷重を与えた状態において骨の力学特性を測定する装置が知られている（特許文献２参照）。
特開昭５８−１２２４４６号公報 特開２００６−１６７０８２号公報

しかしながら、上記既存の材料試験機を用いて試験を行う場合、疲労試験用のアタッチメントを作製する必要があるため、非常にコストがかかるという問題がある。また、既存の材料試験機、上記特許文献１、及び２に記載された装置を用いて試験を行う場合においては、実際に利用される環境下での負荷荷重パターンを想定し、当該試験試料が実際に利用される環境下での疲労強度特性の解析結果を得ることができなかった。

本発明の課題は、低コストで、且つ、好適に試験試料の実際に利用される環境下での疲労強度特性データを取得することができる疲労試験機を提供することにある。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、
試料を保持する試料保持部に保持された試料に対して荷重を加えて疲労試験を行う疲労試験機において、
回転軸に軸支されるカムと、
前記回転軸を駆動させる回転駆動部と、
前記カムと当接し、前記カムの回転により前記試料保持部に保持された試料に対して周期的に荷重を加える加圧部と、
を備え、
前記カムの形状は、所定の身体動作パターンにおける負荷荷重を前記加圧部に付与可能な形状をなすことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の疲労試験機において、
前記試料保持部は、前記試料の一端を保持し、
前記カムは、前記試料よりも下方に配置され、
前記加圧部は、前記試料の自由端である他端側に対して荷重を加えるプッシャと、
前記試料の他端が挿通可能な開口部を有し、上端に前記プッシャが取り付けられるアタッチメントと、を備え、
前記プッシャは、前記開口部から前記アタッチメント内に挿通された前記試料の他端に対して、押下により下方向の荷重を加えることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の疲労試験機において、
前記所定の身体動作パターンは、歩行パターンであることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の疲労試験機において、
前記歩行パターンにおいて、一方の足の踵が接地して、当該一方の足先が地面から離れ、再び当該一方の足の踵が接地するまでを一周期とし、前記加圧部に付与される荷重は、一方の足の踵が地面に接地されると増加し、その後、一旦減少し、その後、再び、当該一方の足の足先が地面から離れる直前まで増加し、その後、再び当該一方の足の踵が接地する直前まで減少することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載の疲労試験機において、
前記試料保持部により保持された試料を検出する試料検出センサと、
前記試料検出センサにより前記試料が検出されている状態で前記回転駆動部を駆動させるとともに、前記試料検出センサにより前記試料が検出されていない状態では前記回転駆動部を駆動させない制御を行う駆動制御部と、
を備えることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５の何れか一項に記載の疲労試験機において、
前記試料保持部により保持された試料を囲う所定の空間内の環境を調整する環境調整手段を備えたことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、回転駆動部により回転軸を回転させることができ、回転軸に軸支されるカムによって、回転軸による回転運動を、加圧部による直線往復運動に伝達することができる。また、このとき、カムの形状が所定の身体動作パターンにおける負荷荷重を加圧部に付与可能な形状をなしていることにより、低コストで、且つ、好適に試験試料の実際に利用される環境下での疲労試験を行うことができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明と同様の効果が得られることは無論のこと、試料保持部は、試料の一端を保持するとともに、カムは、試料よりも下方に配置され、加圧部のプッシャは、開口部からアタッチメント内に挿通された試料の他端に対して、押下により下方向の荷重を加えるので、いわゆる片持梁に加わる曲げモーメント（下方に曲げようとする力）により発生した応力が繰り返し加えられることによって、当該試料の上面から下面に向かってき裂が進展することとなり、スペースに余裕のある当該疲労試験機上側から当該き裂の進展や当該試料の挙動を好適に観察することができる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の発明と同様の効果が得られることは無論のこと、歩行時の疲労強度特性を取得することができる。

請求項４に記載の発明によれば、請求項３に記載の発明と同様の効果が得られることは無論のこと、歩行パターンとして、踵が地面に接地した直後に荷重が加わり、その後、荷重が減少し、足先が地面から離れる直前で、再度、荷重が加わり、その後、荷重が減少する周期の負荷荷重を加圧部に付与することができる。
従って、足に利用される生体材料や医療器具等の実際に利用される環境下での疲労強度特性データを好適に取得することができる。

請求項５に記載の発明によれば、請求項１〜４の何れか一項に記載の発明と同様の効果が得られることは無論のこと、試料検出センサによって、試料保持部により保持された試料を検出することができ、駆動制御部によって、試料検出センサにより試料が検出されている状態で回転駆動部を駆動させるとともに、試料検出センサにより試料が検出されていない状態では回転駆動部を駆動させない制御を行うことができる。
従って、試験試料が破断した場合などに回転駆動部を好適に停止させることができる。

請求項６に記載の発明によれば、請求項１〜５の何れか一項に記載の発明と同様の効果が得られることは無論のこと、環境調整手段によって、試料保持部により保持された試料を囲う所定の空間内の環境を調整することができる。
従って、試験試料が実際に利用される雰囲気を再現できることとなり、試験試料の実際に利用される環境下での疲労試験をより好適に行うことができる。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の疲労試験機に係る第１実施形態について、図１から図４に基づいて説明する。
図１は、本実施の形態における疲労試験機１を示した正面図であり、図２は、Ａ―Ａ線における一部省略側面図である。また、図３は、歩行パターンを表した図であり、一方の足での踵接地から次の踵接地までを１００％とした際、当該一方の足の接地割合を横軸とし、歩行者の体重を基準とした負荷荷重を縦軸とした図である。なお、図３における一本のグラフは、毎回の歩行パターンにより得られた荷重データのバラツキを平均的な波形パターンとして表したものである。図４は、本発明に係る疲労試験機の概略構成を示すブロック図である。

本実施形態における疲労試験機１は、例えば、図１に示すように、各構成部材がその上面に載置される基台１０と、試料Ｓを保持する試料保持部２０と、試料保持部２０に保持された試料Ｓに対して荷重を加える加圧部３０と、回転軸４１に軸支されるとともに加圧部３０に当接するカム４０と、回転軸４１を駆動させる回転駆動部５０と、試料保持部２０により保持された試料Ｓを検出する試料検出センサ６０と、回転駆動部５０を制御する駆動制御部７０と、試料保持部２０により保持された試料Ｓを囲う所定の空間内の環境を調整する環境調整機構８０等を備えている。

試料保持部２０は、例えば、図１に示すように、試料Ｓを固定する試料ホルダ２１と、試料ホルダ２１をＸ軸方向に移動させるＸ軸ガイドスライダ２２と、試料ホルダ２１をＺ軸方向に移動させるＺ軸ガイドスライダ２３等を備えている。

加圧部３０は、例えば、図１、２に示すように、試料Ｓに対して加圧するプッシャ３１と、試料Ｓに対してプッシャ３１により加圧する際の圧力を検出するためのロードセル３２と、ロードセル３２を固定するプレート３３と、プレート３３に連接する第１のリニアシャフト３４及び第２のリニアシャフト３５と、第１のリニアシャフト３４を挿通する第１のリニアブッシュ３６と、第２のリニアシャフト３５を挿通する第２のリニアブッシュ３７と、第１のリニアシャフト３４と連接するとともにカム４０に当接するローラ３８と、プッシャ３１により加圧する際、緩衝用に使用されるバネ３９等を備えている。なお、第１のリニアブッシュ３６及び第２のリニアブッシュ３７は、基台１０上に設置された本体１１に内設されている。

カム４０は、例えば、図１、２に示すように、回転軸４１に軸支されるとともにローラ３８に当接している。カム４０は、偏心カムが用いられ、回転中心からローラ３８の当接位置までの距離がカム４０の回転角度に応じて周期的に変動するものである。
このとき、例えば、カム４０の形状は、図３に示すように、一方の足の踵が接地して、当該一方の足先が地面から離れ、再び当該一方の足の踵が接地するまでの歩行パターンに対応させるべく、カム４０の回転角度「０°」を一方の足が接地した時点（図３のＰ０）に、そして、カム４０の回転角度「３６０°」を次の踵接地の時点に対応させ、また、一方の足の踵が接地した直後（図３のＰ１）は、例えば、体重の４倍の荷重が加わり、その後、一旦減少する（図３のＰ２）。そして、足先が地面から離れる直前（図３のＰ３）では、例えば、体重の７倍の荷重が加わる。また、反対側の足が接地している間（図３のＰ４）は重心が低くなり、加わる負荷が体重より小さくなることに基づき、図３中のＰ０、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４の順に夫々の変位量が出力されるようにカム４０は設計されている。
また、例えば、図２に示すように、カム４０の外周側には、試料Ｓへの加圧回数を計測するため、回転数検出センサとしての近接センサ４２が配置され、カム４０の長径部が接近した状態を検出するように設定されている。

回転駆動部５０は、例えば、図１に示すように、駆動モータ５１とモータ軸５２等を備えており、モータ軸５２は、カップリング４３を介して、回転軸４１に連結されている。

試料検出センサ６０は、例えば、図２に示すように、発光素子６１と、受光素子６２とが対向するように備えられ、プッシャ３１上に試料Ｓが載置されている状態では、発光素子６１からの光が遮られ、出力信号「ＯＮ」が駆動制御部７０に出力される。一方、試料Ｓがプッシャ３１上に載置されていない状態では、受光素子６２で発光素子６１からの光を受光することにより、出力信号「ＯＦＦ」が駆動制御部７０に出力される。

駆動制御部７０は、例えば、図４に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）７１、ＲＡＭ（Random Access Memory）７２、ＲＯＭ（Read Only Memory）７３等を備え、例えば、シーケンサ等によって各構成の動作が制御され、ロードセル３２、近接センサ４２、試料検出センサ６０から得られる夫々の信号は、当該駆動制御部７０に送信され、処理される。
具体的に、駆動制御部７０は、試料検出センサ６０から、出力信号「ＯＮ」を受信した場合に、回転駆動部５０を駆動させる制御を行い、一方、試料検出センサ６０から、出力信号「ＯＦＦ」を受信した場合には、回転駆動部５０を駆動させない制御を行う。

環境調整機構８０は、例えば、温度・湿度の制御を行うことができる恒温恒室槽や、食塩水や擬似体液等の液体に試料Ｓを浸漬させるとともに、当該食塩水や擬似体液等の液体を循環ろ過することができる水槽等が使用され、かかる環境調整機構８０は、試料ホルダ２１に固定された試料Ｓを囲うように配置される。これにより、環境調整機構８０は、環境調整手段として機能する。

次に、本実施形態における疲労試験機１を用いた試験方法について説明する。
まず、例えば、図１に示すように、試料ホルダ２１へ試料Ｓを固定するとともに、Ｘ軸ガイドスライダ２２、及び／又はＺ軸ガイドスライダ２３を摺動させ、ユーザ所望の試験位置へ試料Ｓを移動させる。

次いで、ユーザ所望の雰囲気中において疲労試験を行う場合、試料ホルダ２１により固定された試料Ｓを囲う所定の空間に環境調整機構８０を配置する。

次いで、駆動モータ５１を駆動させ、カム４０を一方向に回転させる。すると、カム４０に当接するローラ３８は、カム４０の外周に沿って回転運動を行う。

このとき、カム４０の回転中心からローラ３８の当接位置までの距離がカム４０の回転角度に応じて周期的に変動することにより、ローラ３８に連接された第１のリニアシャフト３４は、第１のリニアブッシュ３６を介して、Ｚ軸方向に直線往復運動を行う。そして、第１のリニアシャフト３４に連接されたプレート３３、プレート３３に固定されたロードセル３２を介して、プッシャ３１はＺ軸方向に直線往復運動を行い、これにより、試料ホルダ２１に固定された試料Ｓの所定の位置に対して一方向に荷重を加えることができる。

このように、本発明に係る疲労試験機１によれば、回転駆動部５０により回転軸４１を回転させることができ、回転軸４１に軸支されるカム４０によって、回転軸４１による回転運動を、加圧部３０による直線往復運動に伝達することができる。
また、このとき、カム４０の形状が歩行パターンにおける負荷荷重を加圧部３０に付与可能な形状をなしていることにより、歩行パターンとして、踵が地面に接地した直後に荷重が加わり、その後、荷重が減少し、足先が地面から離れる直前で、再度、荷重が加わり、その後、荷重が減少する周期の負荷荷重を加圧部３０に付与することができる。
従って、足に利用される生体材料や医療器具等の実際に利用される環境下での疲労試験を行うことができる。
また、試料検出センサ６０によって、試料保持部２０により保持された試料Ｓを検出することができ、駆動制御部７０によって、試料検出センサ６０により試料Ｓが検出されている状態で回転駆動部５０を駆動させるとともに、試料検出センサ６０により試料Ｓが検出されていない状態では回転駆動部５０を駆動させない制御を行うことができる。
従って、試験試料が破断した場合などに回転駆動部５０を好適に停止することができる。
さらに、環境調整機構８０によって、試料保持部２０により保持された試料Ｓを囲う所定の空間内の環境を調整することができる。
従って、試験試料が実際に利用される雰囲気を再現できることとなり、試験試料の実際に利用される環境下での疲労試験をより好適に行うことができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の疲労試験機に係る第２実施形態について、図５〜８に基づいて説明する。第２実施形態の基本的構成は、第１実施形態と同様であり、第１実施形態の構成と異なる部分について説明する。
図５は、本実施の形態における疲労試験機２を示した正面図であり、図６は、Ｂ―Ｂ線における一部省略側面図である。また、図７は、プッシャ９１の正面図及び底面図であり、図８は、アタッチメント９２の正面図及び平面図である。

加圧部９０は、例えば、図５、６に示すように、ロードセル３２の上面に、試料Ｓに対して押下により加圧するプッシャ９１と当該プッシャ９１を取り付けるためのアタッチメント９２を備えている。

プッシャ９１は、例えば、図７に示すように、円板状の基板にＶ溝を有するＶ溝台が形成されたＶ溝治具９１ａとドリルロッド９１ｂとを備えており、Ｖ溝治具９１ａの当該Ｖ溝にドリルロッド９１ｂが固定されることにより、プッシャ９１を形成している。

アタッチメント９２は、例えば、図８に示すように、円筒形状をなしており、その一端（上端）は開放端部９２ａを有し、他端（下端）はねじ切りがなされ、雄ネジ９２ｂを有している。そして、アタッチメント９２は、開放端部９２ａに対してプッシャ９１を取り付ける際、Ｖ溝治具９１ａを内挿可能な内径となっている。また、雄ネジ９２ｂは、ロードセル３２の上面に螺着できるようになっている。

また、アタッチメント９２は、その側端に開口部９２ｃを有しており、当該開口部９２ｃを介して試料Ｓを挿通することができるようになっている。そして、このとき、プッシャ９１は、ドリルロッド９１ｂの長手方向が試料Ｓの挿通方向に対して略直角となるように、アタッチメント９２に取り付けられており、これにより、プッシャ９１は、試料Ｓの自由端側に対して押下により下方向の荷重を加えることができる。

次に、第２実施形態における疲労試験機２を用いた試験方法について説明する。
まず、例えば、図５に示すように、試料ホルダ２１へ試料Ｓの一端を固定するとともに、Ｘ軸ガイドスライダ２２、及び／又はＺ軸ガイドスライダ２３を摺動させ、試料Ｓの自由端となる他端側がアタッチメント９２の開口部９２ｃを挿通するように移動させ、ユーザ所望の試験位置において、再びＺ軸ガイドスライダ２３を摺動させ、プッシャ９１のドリルロッド９１ｂと試料Ｓとが当接する位置まで試料Ｓを移動させる。

次いで、ユーザ所望の雰囲気中において疲労試験を行う場合、試料ホルダ２１により固定された試料Ｓを囲う所定の空間に環境調整機構８０を配置する。

次いで、駆動モータ５１を駆動させ、カム４０を一方向に回転させる。すると、カム４０に当接するローラ３８は、カム４０の外周に沿って回転運動を行う。

このとき、カム４０の回転中心からローラ３８の当接位置までの距離がカム４０の回転角度に応じて周期的に変動することにより、ローラ３８に連接された第１のリニアシャフト３４は、第１のリニアブッシュ３６を介して、Ｚ軸方向に直線往復運動を行う。そして、第１のリニアシャフト３４に連接されたプレート３３、プレート３３に固定されたロードセル３２、アタッチメント９２を介して、プッシャ９１はＺ軸方向に直線往復運動を行い、これにより、試料ホルダ２１に固定された試料Ｓの所定の位置に対して押下により下方向の荷重を加えることができる。

このように、本発明に係る疲労試験機２によれば、回転駆動部５０により回転軸４１を回転させることができ、回転軸４１に軸支されるカム４０によって、回転軸４１による回転運動を、加圧部９０による直線往復運動に伝達することができる。
また、試料保持部２０は、試料の一端を保持するとともに、カム４０は、試料Ｓよりも下方に配置され、加圧部９０のプッシャ９１は、開口部９２ｃからアタッチメント９２内に挿通された試料Ｓの他端に対して、押下により下方向の荷重を加えるので、いわゆる片持梁に加わる曲げモーメント（下方に曲げようとする力）により発生した応力が繰り返し加えられることによって、当該試料Ｓの上面から下面に向かってき裂が進展することとなり、スペースに余裕のある当該疲労試験機２上側から当該き裂の進展や当該試料Ｓの挙動を好適に観察することができる。
また、このとき、カム４０の形状が歩行パターンにおける負荷荷重を加圧部９０に付与可能な形状をなしていることにより、歩行パターンとして、踵が地面に接地した直後に荷重が加わり、その後、荷重が減少し、足先が地面から離れる直前で、再度、荷重が加わり、その後、荷重が減少する周期の負荷荷重を加圧部９０に付与することができる。
従って、足に利用される生体材料や医療器具等の実際に利用される環境下での疲労試験を行うことができる。
さらに、環境調整機構８０によって、試料保持部２０により保持された試料Ｓを囲う所定の空間内の環境を調整することができる。
従って、試験試料が実際に利用される雰囲気を再現できることとなり、試験試料の実際に利用される環境下での疲労試験をより好適に行うことができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行っても良い。
例えば、歩行パターンは、一般的な歩行パターンに限らず、高齢者や青年等、また、男性又は女性に特有の歩行パターンを用いても良い。
また、上記実施形態においては、疲労試験として、片持ち支持による曲げ試験としたが、これに限らず、両端支持による曲げ試験等であっても良い。

本発明に係る第１実施形態の疲労試験機の主要な構成要素を示す正面図である。 図１のＡ−Ａ線における一部省略側面図である。 歩行パターンを表した表であり、片側の足の接地割合と、歩行者の体重を基準とした負荷荷重との関係を説明する図である。 本発明に係る疲労試験機の概略構成を示すブロック図である。 本発明に係る第２実施形態の疲労試験機の主要な構成要素を示す正面図である。 図５のＢ−Ｂ線における一部省略側面図である。 本発明に係るプッシャの正面図及び底面図である。 本発明に係るアタッチメントの正面図及び平面図である。

符号の説明

１ 疲労試験機（第１実施形態）
２０ 試料保持部
２１ 試料ホルダ
３０ 加圧部
３１ プッシャ
４０ カム
４１ 回転軸
５０ 回転駆動部
６０ 試料検出センサ
６１ 発光素子
６２ 受光素子
７０ 駆動制御部
８０ 環境調整機構（環境調整手段）
２ 疲労試験機（第２実施形態）
９０ 加圧部
９１ プッシャ
９２ アタッチメント

Claims (6)

1. 試料を保持する試料保持部に保持された試料に対して荷重を加えて疲労試験を行う疲労試験機において、
   回転軸に軸支されるカムと、
   前記回転軸を駆動させる回転駆動部と、
   前記カムと当接し、前記カムの回転により前記試料保持部に保持された試料に対して周期的に荷重を加える加圧部と、
   を備え、
   前記カムの形状は、所定の身体動作パターンにおける負荷荷重を前記加圧部に付与可能な形状をなすことを特徴とする疲労試験機。
2. 前記試料保持部は、前記試料の一端を保持し、
   前記カムは、前記試料よりも下方に配置され、
   前記加圧部は、前記試料の自由端である他端側に対して荷重を加えるプッシャと、
   前記試料の他端が挿通可能な開口部を有し、上端に前記プッシャが取り付けられるアタッチメントと、を備え、
   前記プッシャは、前記開口部から前記アタッチメント内に挿通された前記試料の他端に対して、押下により下方向の荷重を加えることを特徴とする請求項１に記載の疲労試験機。
3. 前記所定の身体動作パターンは、歩行パターンであることを特徴とする請求項１又は２に記載の疲労試験機。
4. 前記歩行パターンにおいて、一方の足の踵が接地して、当該一方の足先が地面から離れ、再び当該一方の足の踵が接地するまでを一周期とし、前記加圧部に付与される荷重は、一方の足の踵が地面に接地されると増加し、その後、一旦減少し、その後、再び、当該一方の足の足先が地面から離れる直前まで増加し、その後、再び当該一方の足の踵が接地する直前まで減少することを特徴とする請求項３に記載の疲労試験機。
5. 前記試料保持部により保持された試料を検出する試料検出センサと、
   前記試料検出センサにより前記試料が検出されている状態で前記回転駆動部を駆動させるとともに、前記試料検出センサにより前記試料が検出されていない状態では前記回転駆動部を駆動させない制御を行う駆動制御部と、
   を備えることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の疲労試験機。
6. 前記試料保持部により保持された試料を囲う所定の空間内の環境を調整する環境調整手段を備えたことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の疲労試験機。

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