JP2010127797A - 小型材料試験機 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の試験機に比してより軽量で設置位置の変更が容易であり、しかも、縦置き、横置きのいずれにも簡単に設置方向を変更して使用することのできる小型材料試験機を提供する。
【解決手段】負荷機構のアクチュエータとしてサーボ制御下に置かれるエアシリンダ２を用い、その負荷機構を支持する試験機フレームには、エアシリンダの駆動方向両端部の２面（平板３ｂの一面とクロスヨーク５の一面）と、その両端部間を繋ぐ少なくとも１面の合計少なくとも３面に、それぞれ当該試験機を設置するための設置要素３０，５０，５１，１００を設け、これらの各面のうち任意の面を試験機の設置面として選択可能に構成することで、縦置き状態、その倒立状態、および横置き状態を簡単に変更することを可能とし、試験状態の試験片を観察する機器の形態等に合わせて自由に設置方向を変更できるようにする。
【選択図】図６

Description

本発明は材料試験機に関し、更に詳しくは、卓上等に設置可能な小型材料試験機に関する。

樹脂や微細な試験片等の材料試験を行う小型の材料試験機の用途においては、負荷容量が数Ｎ〜１ｋＮ程度でよく、従って試験機も小型・軽量ですむ。このような小型材料試験機は、例えば卓上等に設置して試験を行うことが可能となる。

材料試験機の負荷機構の駆動方式はしては、油圧シリンダを用いた電気−油圧サーボ式と、電動モータを用いた電動式のもの、あるいは、磁気回路と可動コイルを用いた電磁力式のものが多用されている。小型材料試験機の負荷機構の駆動方式として油圧シリンダを用いると、別途油圧ユニットが必要で、その油圧ユニットと試験機本体との間で往復の配管が必要となるなど、全体としての小型化の阻害要因となるとともに、試験機の移動等も容易ではなくなる。

そこで、この種の小型材料試験機においては、電磁力式のものや電動式のものが多用されている。例えば電動式の負荷機構においては、２本もしくは１本のねじ棹をモータで回転駆動し、そのねじ棹にはナットを介してクロスヘッドを支持し、ねじ棹の回転によりクロスヘッドをテーブルに対して接近／離隔させる構造を採る（例えば特許文献１参照）。
実用新案登録第３１３１６１１号公報

ところで、電動式の負荷機構は、電動式のアクチュエータ、つまり電動モータを用いることになるが、このような電動モータには減速機を付属させることが必要であり、その自重が大きく（例えば±１ｋＮで１００ｋｇ以上）、フレームも含めると全体重量が大きくなり、設置位置を簡単に変えることはできない。また、電動式の負荷機構においては、その可動部の質量も大きく、１０ｋｇ以上になると慣性力の影響で振動しやすいという問題もある。また、電磁力式アクチュエータを用いたものでは、磁界を発生させる磁気回路の自重が大きい。

また、この種の材料試験機に用いられる電動モータは、軸受が接触式であるため、横置きにしたとき、自重による摩擦があり、試験波形や寿命に悪影響がある。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、従来のものに比してより軽量で設置位置の変更が簡単で、しかも、縦置き、横置きのいずれにも簡単に設置方向を変更して使用することのできる小型材料試験機の提供をその課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明の小型材料試験機は、試験片に負荷を加える負荷機構を備えた材料試験機において、上記負荷機構のアクチュエータがエアシリンダであり、そのエアシリンダを駆動制御するサーボ機構を備えるとともに、そのエアシリンダを含む負荷機構を支持する試験機フレームには、エアシリンダの駆動方向両端部の２面と、その両端部間を繋ぐ少なくとも１面の合計少なくとも３面に、それぞれ当該試験機を設置するための設置要素が設けられ、これら各面のうち任意の面を当該試験機の設置面として選択可能に構成されていることによって特徴づけられる（請求項１）。

また、同じ目的を達成するため、請求項２に係る発明の小型材料試験機は、試験片に負荷を加える負荷機構を備えた材料試験機において、上記負荷機構のアクチュエータがエアシリンダであり、そのエアシリンダを駆動制御するサーボ機構を備えるとともに、そのエアシリンダを含む負荷機構を支持する試験機フレームには、エアシリンダの駆動方向両端部の２面と、その両端部間を繋ぐ少なくとも１面の合計少なくとも３面に、当該試験機を設置するための設置要素を着脱自在に装着するための装着機構が設けられ、これら各面のうち、任意の面に上記設置用脚部を装着することにより、その面を当該試験機の設置面とし得るように構成されていることによって特徴づけられる。

ここで、請求項１および２に係る発明においては、上記試験機フレームは、上記エアシリンダを固定する固定板と、その固定板に対して一端が固定されて上記エアシリンダの駆動方向に沿って伸びる４本のガイド支柱と、その４本のガイド支柱に沿って移動可能なクロスヘッドと、そのクロスヘッドを任意の位置で上記４本の柱に固定する固定機構を備えた構成（請求項３）とすることができる。

また、請求項３に係る発明の構成を採用する場合、上記した４本のガイド支柱の他端部には、これらを繋ぐようにクロスヨークが固定され、上記エアシリンダを固定する固定板には、当該エアシリンダを囲むように枠体が固定され、上記クロスヨークおよび枠体に、上記設置要素もしくはその装着機構が設けられている構成（請求項４）を採用することができる。

本発明は、負荷機構のアクチュエータとしてエアシリンダを用いることにより、アクチュエータの小型・軽量化を実現し、また、エアシリンダではその可動部であるピストンを例えばアルミ合金製等とすることによって軽量化が容易であることを利用して、試験機フレームを含めた試験機全体を軽量化して設置位置の変更を容易とするとともに、エアシリンダにおいては、そのピストンとシリンダとの間の軸受を静圧軸受とすることは容易であって既に実現されているため、アクチュエータの可動部（ピストン）との摩擦を可及的に少なくすることを利用して、試験機の設置方向による波形や寿命に対する悪影響を排除し、そして試験機フレームのエアシリンダ駆動方向（従って負荷方向）の両端部の２面と、これらを繋ぐ少なくとも１面の合計少なくとも３面のそれぞれに、当該試験機を設置するための設置要素を設ける（請求項１）か、あるいはこれらの少なくとも３面のそれぞれに、当該試験機を設置するための設置要素を着脱自在に装着するための装着機構を設ける（請求項２）ことにより、簡単に任意の設置位置に任意の方向に設置して試験を行うことが可能となる。

本発明によれば、従来の電動式の負荷機構を持つ材料試験機に比して、装置全体を大幅に軽量化され、設置位置を簡単に変更することが可能となり、しかも、縦置きとその倒立状態、および横置きのいずれの方向にも設置することができる。その結果、各種の観察装置と組み合わせ、その観察装置が使いやすい方向に試験機を設置して破断過程の観察等を行うなど、試験のバリエーションを拡大することができる。

また、エアシリンダをアクチュエータとしているため、油漏れや磁気の影響がなく、小型軽量化による設置スペースの縮小化と併せて、試験機の設置場所の制限が大幅に緩和される。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態の正面図（Ａ）およびその左側面図（Ｂ）であり、引張試験のセッティング状態を示す図である。

固定板１には、負荷機構のアクチュエータとしてのエアシリンダ２が固定されている。このエアシリンダ２は、ピストンの移動方向が図１において上下方向となるようにシリンダ本体２ａが固定板１に対して固定されているとともに、ピストンロッド２ｂが固定板１に形成された形成された貫通孔を通じて当該固定板１を貫通している。

固定板１には、エアシリンダ２を囲むように枠体３が固定されており、その枠体３は、エアシリンダ２の周囲に配置されて一端が固定板１に固定された４本の柱３ａと、その各柱３ａの他端に固定された平板３ｂと、４本の柱３ａのうちの２本の柱３ａの間にさし渡されてエア回路の端末等を保持するための保持板３ｃを主体として構成されている。

固定板１には、エアシリンダ２の固定側と反対側に、そのエアシリンダ２の駆動方向に沿って伸びる４本のガイド支柱４の基端部が固定されている。また、その各ガイド支柱４の先端部には、これら各ガイド支柱４を繋ぐようにクロスヨーク５が固定されている。そして、この各ガイド支柱４に、クロスヘッド６が摺動自在に支持されている。４本のガイド支柱４のうちの１本にはラック７が固定されている一方、クロスヘッド６には、そのラック７に噛み合うピニオンギア８が回動自在に支持されており、このピニオンギア８に設けられているつまみ９を回転させることによって、クロスヘッド６を固定板１に対して接近／離隔する方向に移動させることができる。そして、クロスヘッド６にはガイド支柱４に対して固定するためのクランパ１０が設けられている。以上の構成により、クランパ1 １０を緩めた状態でつまみ７を回転させてクロスヘッド５をガイド支柱４に沿って任意の位置まで移動させた後、クランパ９を絞めることで、クロスヘッド５と固定板１との間隔を随意に調節することができる。

エアシリンダ２のピストンロッド２ｂの先端部には一方の掴み具１１ａが取り付けられており、他方の掴み具１１ｂは、クロスヘッド６の下面側に固定されたはロードセル１２に取り付けられている。試験片Ｗは、その両端がこれらの一対の掴み具１１ａ，１１ｂに把持された状態で試験に供される。

また、試験片Ｗに作用する試験力はロードセル１２によって検出され、エアシリンダ２のピストンの変位は変位計１３によって検出される。これらの各検出出力はアンプおよびＡ−Ｄ変換器を介して制御装置（いずれも図示せず）に刻々と取り込まれる。

負荷機構のアクチュエータであるエアシリンダ２は、図２に模式的に示すように、サーボバルブ１４を介して供給される高圧エアにより動作し、サーボバルブ１４の弁開度に応じた流量のエアがエアシリンダ２に供給され、これによって試験片Ｗに対する負荷が制御される。このエアシリンダ２の駆動による試験片Ｗに対する負荷の制御は、例えば試験力制御が選択されている場合には、制御装置において、ロードセル１２による試験力の検出値とあらかじめ設定されている目標値とを比較し、その偏差に応じた信号をサーボバルブ１４に供給してその弁開度を決定することによって行われる。ここで、サーボバルブ１４に供給される高圧エアは、前記した保持板３ｃに装着されているエア受入れターミナル３ｄおよび高圧ホース３ｅを通じて、例えば工場配管等を通じてエア源から供給され、また、サーボバルブ１４からの排気は大気中に解放される。

また、エアシリンダ２のシリンダ本体２ａとピストンロッド２ｂとの摺動部位には、エア軸受（静圧軸受）２ｃが設けられており、これによってピストンの移動時におけるシリンダ本体２ａとの摩擦を極めて小さくし、実質的に無視し得る程度とされている。

前記した枠体３の平板３ｂには把手１５が取り付けられており、この把手１５とクロスヨーク５もしくはガイド支柱４を持つことにより、試験機を持ち上げて搬送することができる。すなわち、試験機の高さは７００ｍｍ弱であり、全体の重量は１８ｋｇ以下程度であって、人手により簡単に持ち運ぶことができる。

さて、この実施の形態における最大の特徴は、図１に示す設置状態を含め、合計４面を設置面とすることができる点である。すなわち、図１の例では、枠体３の平板３ｂに２つの長方形状の設置用脚部材１６をねじ止めし、その平板３ｂを設置面とした例を示しているが、この設置用脚部材１６を装着するための雌ねじ１７は、平板３ｂの一面（図１において下面）のほか、クロスヨーク５の一面（図１において上面）、同じくクロスヨーク５の互いに直交する２つの側面、および、その各側面と同一平面上に位置する固定板１の２つの側面の合計４面に形成されている。

そして、これらの各面のいずれかに設置用脚部材１６を取り付けることにより、その面を設置面とすることができる。図３はクロスヨーク５を設置面とした状態を示す図であり、図１に示す状態に対して倒立した状態で設置されている。また、図４に示す状態は、クロスヨーク５と固定板１の各一側面にそれぞれ設置用脚部材１６を取り付け、横置きに設置した状態を示している。更に、図５に示す状態は、クロスヨーク５と固定板１の各他側面に設置用脚部材１６を取り付け、図４の設置状態に対して９０°回転させた横置き状態を示している。

図１に示す設置状態は引張試験等に適したものであり、また、図３に示す設置状態は、曲げ試験において、例えば３点曲げ治具の上に試験片Ｗを載置した状態で、エアシリンダ２によって変位が与えられる治具で上から押圧することができるなど、曲げ試験に適用してその治具の簡素化等を図ることができる。更に、図４、図５に示す設置状態は、各種試験において、例えば試験中の試験片Ｗの表面を観察する顕微鏡や、試験片Ｗの内部を観察するＸ線ＣＴ等の観察用機器を用いる場合、その観察用機器の形態や使用方法等に応じて最適な設置状態とするために有効である。

そして、図４または図５に示す横置き状態において、エアシリンダ２のピストンロッド２ｂは、シリンダ本体２ａに対してエア軸受（静圧軸受）２ｃを介して支持されており、また、ピストンもアルミ製等とすることによって軽量化することが容易であるが故に、シリンダ本体２ａとピストンロッド２ｂ間の摩擦は極めて少ないか無視し得る程度となり、試験波形に影響を及ぼすことがなく、また、寿命の点でも問題は生じない。しかも、エアシリンダ２をアクチュエータとしているため、油漏れや磁気の影響を受けることがないという利点もある。

ここで、以上の実施の形態においては、試験機の設置面に設置用脚部材１６を取り付け、設置面を変更する際にはその設置用脚部材１６を該当の面に移動させる例を示したが、本発明はこれに限定されることなく、設置用脚部材１６を用いず設置面にそれぞれ設置要素を形成もしくは固定してもよい。

図６〜図９に本発明の他の実施の形態を示す。これらの図に示した例は、枠体３の平板３ｂの一面（図６において下面）と、クロスヨーク５の一面（図６において上面）に、設置用平面３０および５０を設けるとともに、クロスヨーク５と固定板１の２側面に、それぞれ横置き設置用平面５１および１００を形成した例を示している。設置用平面３０または５０、および横置き設置用平面５１または１００は、図１０にクロスヨーク５を代表させてその斜視図を示すように、設置用平面３０，５０については平板３ｂ，クロスヨーク５の一面の四隅に、それぞれ同一平面上に位置するように４つの平面を突出形成し、横置き設置用平面５１，１００については、クロスヨーク５，固定板１の側面の両端部に２つの平面を突出形成したものである。

以上の構成により、図６または図７に示す縦置き状態では、４つの設置用平面３０または５０が設置要素として機能し、また、図８または図９に示す横置き状態では、それぞれ２つの横置き用設置平面５１と２つの横置き用設置平面１００の合計４つの横置き用設置平面が設置要素として機能する。この図６〜図９の実施の形態においては、設置の向きを変更するに当たってそのために試験機を何ら調整等する必要がない。

ここで、以上の各実施の形態においては、２種の縦置き状態と２種の横置き状態の合計４面のいずれかの面を選択的に設置面とする例を示したが、本発明はこれに限定されることなく、２種の縦置き状態と１種の横置き状態の合計３面のいずれかの面を選択的に設置面とする形態、逆に、２種の縦置き状態と４種の横置き状態の合計６面のいずれかの面を選択的に設置面とする形態を採用することもできる。

また、設置用脚部材としては先の実施の形態で例示したような長板状のものに限定されることなく、例えば各雌ねじ１７のそれぞれに突起状の脚部材を着脱自在に装着してもよく、また、試験機に設けられる設置要素としては、上記した実施の形態のように設置用の平面を一体に形成するほか、設置用の突起を一体に形成し、あるいは設置用の突起を常時固定しておく構成を採用し得ることは勿論である。

本発明の実施の形態の正面図（Ａ）およびその左側面図（Ｂ）である。 本発明の実施の形態のエアシリンダおよびサーボバルブの模式的構成図である。 本発明の実施の形態を図１の状態から倒立させて設置した状態を示す正面図である。 本発明の実施の形態を横置きした状態を示す正面図である。 本発明の実施の形態の図４の状態から９０°回転させて横置きした状態を示す正面図である。 本発明の他の実施の形態の正面図である。 本発明の他の実施の形態を図６の状態から倒立させて設置した状態を示す正面図である。 本発明の他の実施の形態を横置きした状態を示す正面図である。 本発明の他の実施の形態を図８の状態から９０°回転させて横置きした状態を示す正面図である。 本発明の他の実施の形態におけるクロスヨークの斜視図である。

符号の説明

１ 固定板
２ エアシリンダ
２ａ シリンダ本体
２ｂ ピストンロッド
２ｃ エア軸受
３ 枠体
３ａ 支柱
３ｂ 平板
３ｃ 保持板
３ｄ エア受入れターミナル
４ ガイド支柱
５ クロスヨーク
６ クロスヘッド
７ ラック
８ ピニオンギア
９ つまみ
１０ クランパ
１１ａ，１１ｂ 掴み具
１２ ロードセル
１３ 変位計
１４ サーボバルブ
１５ 把手
１６ 設置用脚部材
１７ 雌ねじ
３０，５０ 縦置き設置用平面
５１，１００ 横置き設置用平面
Ｗ 試験片

Claims (4)

1. 試験片に負荷を加える負荷機構を備えた材料試験機において、
   上記負荷機構のアクチュエータがエアシリンダであり、そのエアシリンダを駆動制御するサーボ機構を備えるとともに、そのエアシリンダを含む負荷機構を支持する試験機フレームには、エアシリンダの駆動方向両端部の２面と、その両端部間を繋ぐ少なくとも１面の合計少なくとも３面に、それぞれ当該試験機を設置するための設置要素が設けられ、これら各面のうち任意の面を当該試験機の設置面として選択可能に構成されていることを特徴とする小型材料試験機。
2. 試験片に負荷を加える負荷機構を備えた材料試験機において、
   上記負荷機構のアクチュエータがエアシリンダであり、そのエアシリンダを駆動制御するサーボ機構を備えるとともに、そのエアシリンダを含む負荷機構を支持する試験機フレームには、エアシリンダの駆動方向両端部の２面と、その両端部間を繋ぐ少なくとも１面の合計少なくとも３面に、当該試験機を設置するための設置要素を着脱自在に装着するための装着機構が設けられ、これら各面のうち、任意の面に上記設置用脚部を装着することにより、その面を当該試験機の設置面とし得るように構成されていることを特徴とする小型材料試験機。
3. 上記試験機フレームは、上記エアシリンダを固定する固定板と、その固定板に対して一端が固定されて上記エアシリンダの駆動方向に沿って伸びる４本のガイド支柱と、その４本のガイド支柱に沿って移動可能なクロスヘッドと、そのクロスヘッドを任意の位置で上記４本の柱に固定する固定機構を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の小型材料試験機。
4. 上記４本のガイド支柱の他端部には、これらを繋ぐようにクロスヨークが固定され、上記エアシリンダを固定する固定板には、当該エアシリンダを囲むように枠体が固定され、上記クロスヨークおよび枠体に、上記設置要素もしくはその装着機構が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の小型材料試験機。

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