JP2010085417A - 小形材料試験機 - Google Patents

Abstract

【課題】材料の引張強度等を試験する材料試験機において、実験室等における卓上に載置して小形、小片の材料について引張強度を試験する小形試験機を提供する。
【解決手段】上下方向に所定の高さを有する円筒体１における中間部位の半円筒部１Ｈを切除した円筒体と、この円筒体の残る半円筒部を中空体として形成した枠体を試験機枠体として構成するとともに、この試験機枠体における切除された空間部の上下にそれぞれ配設された試験片把持用のチャック６、７と、それを上下動させるチャック駆動機構を備える。具体的には半円筒部の切除による試験スペースの確保が可能となり、しかも半円筒部の切除による残余の半円筒部を中空体とすることで、この中空体内に試験負荷機構すなわちネジ杆とナットとの組み合わせによるチャック駆動機構が収納できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、材料に引張負荷を作用させてその材料の引張強度等を試験する材料試験機の分野に関する。特に実験室等における卓上に載置して小形、小片の材料についてその引張強度を試験する小形試験機に関する。

この種引張試験は通常ネジ杆とこのネジ杆に螺合するナットからなるネジ送り機構の原理を採用した試験機が多く、特に両側にネジ杆を立設しこれらがヨークを螺合貫通する門構え構成で、両ネジ杆を同期回転駆動させて門構え形のヨークの中央部にチャックを配置し、このチャックに試験片を把持させて、ネジ杆の回転により移動させて負荷する方式のものである。この門構え形の試験機で卓上型の試験機が提案されている（特許文献１参照）。
このような試験機は門構え方式で小形化するとしてもネジ杆２本とその駆動系で重量化する傾向にある。このことからネジ杆を１本にする方式の材料試験機も提案されている（特許文献２参照）。この試験機は試験機台に１本のネジ杆を垂設させ、このネジ杆に螺合するナットに相当する負荷枠を上下動させて引張等の負荷を与える方式のものである。負荷枠はネジ杆の回転に伴って案内棒に沿い上下動して試験片を負荷する。

特開平１０−１７０４１９号公報 特開平１０−６２３２７号公報

このような従来の門構え方式の材料試験機は横幅に一定の大きさを必要とし、しかもネジ杆を２本立設する形式で両ネジ杆の同期回転が必要でそのための回転駆動機構が複雑であり大形化する。他方ネジ杆が１本である方式の試験機においては、ナットに相当する負荷枠の回転止め（規制）が必須で固定枠に対して摺接させている。この摺接はそれ自体が抵抗となり精度に影響し、ナノ化に向けた材料試験機は提案できない。このように従来の材料試験機は小形化に限界があり、卓上型とはいえかなりの大きさ、重量物になっているのが実態である。
したがって最近小形あるいは微小な材料の試験すなわちナノ試験が求められつつある状況にあるが、上記従来形の試験機はナノ化に沿い得ない。特にナノ化の材料試験においては試験される材料は小形すなわち超小片のものもあり、その関係もあって試験雰囲気がクリーンで塵埃等が浮遊する状況下を望まない試験が重要になる。このような状況にも沿い得る試験機の提供が求められる。

本発明が提供する小形材料試験機は、上記課題を解決するために、ネジ杆方式による負荷機構を小断面の筒状体に収納させて構成する。より詳細には卓上に据付可能で上下方向に所定の高さを有する円筒体における中間部位の半円筒部を切除した円筒体と、この円筒体の残る半円筒部を中空体として形成した枠体を試験機枠体として構成するとともに、この試験機枠体における前記切除部位の上下にそれぞれ配設された試験片把持用のチャックと、前記中空体内に配設され前記試験片把持用のチャックを上下動させるチャック駆動機構を備えたものである。

したがって円筒体を基本とするもので、試験機の構成としては容積小形化が可能になる。具体的には半円筒部の切除による試験スペースの確保が可能となり、しかも半円筒部の切除による残余の半円筒部を中空体とすることで、この中空体内に試験負荷機構すなわちネジ杆とナットとの組み合わせによるチャック駆動機構が収納できる。中空体の内方とチャックとの連結が必要なことから中空体の平面部には円筒体の長手方向に中空体内を外気と連通させる溝が穿設される。この溝を介してチャックと試験負荷機構が連結されることになる。

本発明は上記発明を基本として、さらに試験室を開閉できる扉を設けた小形材料試験機を提供するものである。より詳細には卓上に据付可能で上下方向に所定の高さを有する円筒体における中間部位の半円筒部を切除した円筒体と、この円筒体の残る半円筒部を中空体として形成した枠体を試験機枠体として構成するとともに、この試験機枠体における前記切除された空間部の上下にそれぞれ配設された試験片把持用のチャックと、前記中空体内に配設され前記試験片把持用のチャックを上下動させるチャック駆動機構と、前記切除された空間部における円筒外周を開閉する扉を設けたものである。

より具体的には、この扉の形状は円筒体の特性を生かすべく、切除された半円筒部を覆うことが可能な円弧状に形成されている。そしてさらにこの円弧状の扉は、円筒体の外周部に設けられた支持機構にて支持され、かつ電動機等の回転駆動源による回転力にて円筒状支持機構に沿い移動して試験室を開閉する。扉の設置は塵埃等を嫌うナノ試験に有益である。
本発明が特徴とする構成は上記した２点であるが、具体的な構成においても種々の特徴を有している。

本発明は上下方向に一定の高さを有する円筒体を基本にしており、構造が簡略化でき、試験機の小形化を図ることができる。しかも中段部における円筒体の半円筒部を切除し、残りの半円筒部を含む円筒体を中空体として形成することで円筒体自体の剛性を大きくすることができ、小形にして剛性の大きい試験機を提供できる。ナノ化に沿える試験機を提供できる。さらに半円筒状の容積を有する試験室を開閉できる扉を有し、塵埃等を嫌うナノ試験に好適である。

本発明が提供する小形材料試験機の外観を斜視的に示す図である。 本発明が提供する小形材料試験機を縦断してその構成を示す縦断面図である。 本発明が提供する小形材料試験機の上部の構成を示す図である。 本発明における小形材料試験機の頭部における半円筒部の一部を斜視的に示す図である。 本発明における下方チャックが試験片を把持した状態を示す図である。 本発明における小形材料試験機をパソコン制御する状態を示す図である。 試験室を開閉する扉を設けた小形材料試験機の構成を縦断面して示す図である。 小形材料試験機の上部を拡大して示す図である。 小形材料試験機における上部の構成を上方から示す図である。 回転扉を備えた小形材料試験機の外観を示す図である。

本発明においては、試験機が円筒体で構成され、中間部位の半円筒部が切除された形状である。そしてこの切除された半円筒部が試験室であり、残余の半円筒部が中空体となって試験負荷機構が内設されている点に最大の特徴がある。同時に切除された半円筒部の試験室を開閉できる扉を設けた点も大きな特徴である。この両特徴を備え合わせた小形材料試験機が最良の形態である。以下実施例を挙げて説明する。

本発明が提供する第１の実施例は、図１から図５に示されている。図１は全体の外観を斜視的に示す図であるが、この第１の実施例として上方チャックを上下駆動させる上チャック駆動形（図２）と、下方チャックを上下駆動させる下チャック駆動形（図３）の２種類を挙げることができる。

本発明が提供する小形材料試験機ＣＭＴの特徴は図１から図３に示すとおり、その外観が円筒状を基本にしている点である。円筒体１は図１から明らかなとおり中間部位が切除されていて側面から見た図２、図３に示すようにコ字形をなしている。この切除された空間部Ｋに試験をする材料を把持する試験片把持手段が配設されている。以下この試験片把持手段について説明するが、図１と図２は同一の方式によるものであり、両図について説明する。

切除された空間部Ｋの底部である台面２には下チャック７が設置される。他方上方には下チャック７に対向する位置にて上チャック６が可動部５Ｔの下方側に吊設されている。この可動部５Ｔは可動枠５に対して連結体５Ｎを介して取り付けられている。切除された空間部Ｋの後方における平面部３には、上下方向に案内溝４が穿設されている。他方、切除された残余の半円筒部１Ｈの内方には中空Ａが形成され、この中空Ａ内に試験負荷機構が内設されている。

円筒体１の上端における頭部１Ｔには、非常時用の停止スイッチ１８が設置され、さらには後述する扉開閉駆動機構等が内設されている。また下方の機台部１Ｂには後述する試験負荷のための回転駆動部や制御機構などが内設されている。
さて図２は、図１に示す小形材料試験機を縦断面して示す図で、円筒体１に配設された試験片把持機構と、試験負荷機構が示されている。

上下のチャック６、７は図２からも明らかなように、切除された空間部Ｋに配設されていて、上チャック６は可動枠５に連結された連結体５Ｎの先端部に取り付けられた可動部５Ｔに、ロードセル８を介して吊持されている。下チャック７は台面２上に植設されている。
以上の構成によって上下両チャック６、７間に試験片ＴＰが把持されるが、その状態は図５に示すとおりである。図５は下チャック７に試験片ＴＰが把持された状態を示すが、把持枠７Ｆ内の両把持片７Ｓに試験片ＴＰは挟持される。図１、図２の場合は上チャック６の上方移動によって試験片ＴＰは負荷される。

つぎに円筒体１の中空Ａ内に設置されている負荷機構を図２にしたがって説明する。９は１本のネジ杆で、下方端はネジ杆支持体１１にて回転自在に支承され、上方はネジ杆支持枠１０に支持されている。このネジ杆９の下方部には大歯車１２が一体的に取り付けられ、この大歯車１２には小歯車（ピニオン）１３が噛み合っている。したがって、この小歯車１３がパルスモータ１４にて回転駆動されることにより、ネジ杆９が回転されネジ杆に螺合貫設されている可動枠５がその回転により上下動する。

この場合、可動枠５はネジ杆９に対してはナットに相当するものであり、ネジ杆９の回転に伴って回転すると上下動しない。そこで、回転を規制する必要があるため、図４、図５に示すように、可動枠５には案内コロ５Ｇが上下２ヶ所にそれぞれ２個ずつ設置されていて、この上下２ヶ所におけるそれぞれ２個の案内コロ５Ｇが円筒体１の内方に形成されたリブ上の案内枠１Ｌに対して転動する。案内枠１Ｌはネジ杆９と平行に形成されていて可動枠５は案内コロ５Ｇの転動と合わせて円滑に上下動され、可動枠５の回転が制止される。したがって、可動枠５は上下動して正確に負荷する。ところで、このような案内枠１Ｌの活用は、円筒体１自体が矩形の箱体と異なって剛性を有することに依拠している。案内枠１Ｌに対して案内コロ５Ｇは案内枠１Ｌを両側から挟持しながら転動し、可動枠５は精度良く上下動する。なお、図４において３は平面部であり、４はこの平面部３に形成された案内溝を示している。

他方、パルスモータ１４を回転駆動するための電力エネルギーは、図２、図３に示すように、バッテリ（蓄電池）１５から供給される。この供給の開始、停止の作動はマイクロコンピュータ（データ処理器）１６にて制御されて遂行される。このマイクロコンピュータ１６にはロードセル８からの信号も供給され、試験値のデータ処理とその値の表示のために機能する。さらに図２と図３に示すように信号伝達系ＳＬが配設され、これらの信号もマイクロコンピュータ１６に伝達される。さらにこのデータ処理の結果の値は受発信器１７に供給され、無線にて遠隔地に配設されたパーソナルコンピュータ１９に供給される。このパーソナルコンピュータ１９は図６に示されているが、この図６はパーソナルコンピュータ１９と小形材料試験機ＣＭＴの関係を斜視的に示している。なお図１において２０は小形材料試験機ＣＭＴの作動ＯＮ、ＯＦＦ用のスイッチを示している。

本発明の第１の実施例における変形例は図３に示されている。図３が図２と異なる点は、下チャック７が可動枠５に連結され、上下移動して試験片ＴＰに負荷を与えるように構成されている点にある。図３の実施例は、可動枠５が下方部位で作動し安定的である。図２、図３ともに可動枠５と上下両チャック６、７との連結体５Ｎは案内溝４を貫通して切除空間部Ｋ側に突出している。なお図３において図１、図２と同一の符号は図１、図２と同一の機能を有するものであり詳細な説明は省略する。

本発明が提供する第２の実施例は、第１の実施例における小形材料試験機の基本的な構成すなわち円筒状の枠体を基本とする小形材料試験機であって、試験室を開閉する扉を設けたものである。
より具体的には、扉は円筒体の筒の一部を形成すべく断面が半円弧状で、切除された空間部Ｋの試験室の外周に沿って円弧状に移動できるよう構成したものである。この円弧状の移動を機械によって自動的にできる扉開閉駆動機構が設けられる。
以下この第２の実施例を示す図７から図１０にしたがって説明する。
図７は頭部１Ｔに扉回転駆動機構ＲＤを内設した小形材料試験機ＣＭＴを縦断面して示す図で、図７において図１から図６において示す符号と同一の部品は、図１から図６に示す部品の機能と同一の機能を有して作動するものであり、これらについての詳細な説明は省略する。そして回転扉２１の構造ならびにこの回転扉２１を円筒体１の外周に沿って回転させ試験室の開閉を行う扉回転駆動機構ＲＤの構成と作動について詳述する。

扉回転駆動機構ＲＤの回転駆動源であるパルスモータ２２は、仕切板３Ｐの上端部３Ｌに対して固定枠２３を介して設置されている。
他方回転扉２１は、半円筒状の枠体で円筒体１の上端における頭部１Ｔの内周面に摺接すべく嵌合し、頭部１Ｔから下方は直径が拡大して円筒体１の外周面に一致した大きさに設定されている。そしてその下端が台面２に近接するまでの長さに設定され、切除された間部Ｋすなわち試験室の開閉を可能にする大きさを有している。なお円筒体１側に設置された上方の軸受２４は、回転扉２１の上方肩部を支承する軸受である。回転扉２１の下端部は機台部１Ｂの台面２に近接している。回転扉２１の円周方向における円滑な移動を保証する。
このような半円筒状の枠体からなる回転扉２１の上方内周面には、図８、図９に示すようにウオーム歯車２７のウオーム歯が噛み合う内歯２１Ｇが形成されている。この内歯２１Ｇは半円弧域に形成されている。なお、図８において、６はチャックであり、９はネジ杆である。

他方、パルスモータ２２の出力軸２２Ｓには、傘歯車２５が取り付けられており、この傘歯車２５はウオーム歯車２７と一体の傘歯車２６に噛み合っている。したがってパルスモータ２２の回転は、傘歯車２５、２６に伝達されてウオーム歯車２７を回転駆動し、ウオーム歯車２７の回転によって半円筒状の回転扉２１が矢印の円弧方向に回転移動し、試験室を開放、閉塞する。パルスモータ２２を逆回転させることにより回転扉２１は逆方向移動して試験室を開成する。半円筒状の回転扉２１における内歯２１Ｇが形成された円筒部の外周は円筒体１の頭部１Ｔに対して軸受２８が介設されており、回転扉２１の開閉は円滑に行われる。図１０は、回転扉２１が試験室を全開した状態を示す斜視図である。図１０においてＳはＬＥＤによる発光部で、試験時に発光する。

本発明が提供する小形材料試験機の特徴は以上詳述したとおりであるが、上記ならびに図示例に限定されるものではなく種々の変形例を挙げることができる。
まず第１の実施例については、円筒体１の下方部に回転駆動源を設置した例を示している。確かに回転駆動源等の重量体を下方に配設することで小形材料試験機全体の安定が得られる。しかし上方側に回転駆動源を配設することは可能である。制御をマイクロコンピュータで行わせる方式として説明したが、パーソナルコンピュータで制御する方式とすることも可能である。また無線による制御も可能である。

半円筒部を切除した残余の半円筒部に平面部３を形成して中空体とした実施例を示したが、この平面部３を設けない形とし負荷機構が見られる状態とすることもできる。ただナノ試験機においては塵埃の機械系部への侵入は好ましくなく図示例の構成が好まれる。さらに上下両チャック６、７の形状、可動枠５の形状についても図示例に限定されない。パルスモータ１４、２２、バッテリ１５、マイクロコンピュータ１６、パーソナルコンピュータ１９の形式、機能も種々あり図示例に限定されない。上図ではバッテリ（蓄電池）方式を示したが、交流電源からエネルギーを得る方式の駆動としてもよい。

さらに第２の実施例については、パルスモータの回転出力を傘歯車系とウオーム歯車系の結合で回転扉を移動させる方式の例を示したが、円筒体の周囲にワイヤを配設し、このワイヤの巻取り、巻戻し操作を制御し、回転扉を往復動させる実施例も考えられ図示歯車系による方式に限定されない。本発明はこれら変形例をすべて包含するものである。

１ 円筒体
１Ｂ 機台部
１Ｈ 半円筒部
１Ｌ 案内枠
１Ｔ 頭部
２ 台面
３ 平面部
３Ｌ 上端部
３Ｐ 仕切板
４ 案内溝
５ 可動枠
５Ｇ 案内コロ
５Ｎ 連結体
５Ｔ 可動部
６ 上チャック
７ 下チャック
７Ｆ 把持枠
７Ｓ 把持片
８ ロードセル
９ ネジ杆
１０ ネジ杆支持枠
１１ ネジ杆支持体
１２ 大歯車
１３ 小歯車
１４ パルスモータ
１５ バッテリ
１６ マイクロコンピュータ
１７ 受発信器
１８ 停止スイッチ
１９ パーソナルコンピュータ
２０ スイッチ
２１ 回転扉
２１Ｇ 内歯
２２ パルスモータ
２２Ｓ 出力軸
２３ 固定枠
２４ 軸受
２５ 傘歯車
２６ 傘歯車
２７ ウオーム歯車
２８ 軸受
Ａ 中空
ＣＭＴ 小形材料試験機
Ｋ 空間部
ＲＤ 扉回転駆動機構
Ｓ 発光部
ＳＬ 信号伝達系
ＴＰ 試験片

Claims (7)

1. 所定の高さを有する円筒状体であって、その高さの中間部位における半円筒部を切除し、上下それぞれの円筒部と半円筒部からなる円筒体を試験機枠体として構成するとともに、この試験機枠体における前記切除された空間部の上下にそれぞれ配設された試験片把持用のチャックと、前記半円筒部内に配設され前記チャックを上下動させるチャック駆動機構を備えたことを特徴とする小形材料試験機。
2. 半円筒部には、上下方向の溝が穿設されるとともに、上下動するチャックとチャック駆動機構の可動部を連結する連結体が、この溝を貫通して配設されていることを特徴とする請求項１記載の小形材料試験機。
3. チャック駆動機構は、半円筒部内にて上下方向でかつ回転自在に保持されたネジ杆と、このネジ杆に螺合されネジ杆の回転に対して上下動するナット枠と、ネジ杆を回転駆動する回転駆動源と、ナット枠とチャックを連結する連結体とからなることを特徴とする請求項２記載の小形材料試験機。
4. 半円筒部には円筒体の軸芯と平行な方向であって円筒壁より内方に突設された案内枠が形成され、この案内枠に対してナット枠に付設されたコロが転動して案内されるよう構成されたことを特徴とする請求項３記載の小形材料試験機。
5. 切除された空間部における円筒外周を開閉する扉を設けたことを特徴とする請求項１記載の小形材料試験機。
6. 扉は円筒体の外周に沿う円弧状に形成されていることを特徴とする請求項５記載の小形材料試験機。
7. 円筒体には円弧状の扉を支持し円弧方向への移動を案内する案内機構と、円弧状の扉を移動させる扉駆動機構が設けられていることを特徴とする請求項６記載の小形材料試験機。

Images