JP3166627B2 - 材料試験機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、供試体を静的に負
荷したり繰り返し負荷して、供試体の強度特性を評価す
る材料試験機に関する。

【０００２】

【従来の技術】試験片に任意の試験波形の荷重や変位を
加えて、供試体の疲労試験を行う材料試験機が知られて
いる。このような材料試験機は、基台上に立設された複
数の支柱の上端にヨークを横架するとともに、上下移動
可能な可動ヨークを取り付けて構成される。基台には例
えば電磁式のアクチュエータが設けられ、このアクチュ
エータと可動ヨークとに供試体を把持する治具を取り付
けて供試体を把持し、そして、アクチュエータを任意の
試験波形により振動するように制御し、供試体に変位や
荷重を０．１〜１００Ｈｚ程度の周波数により繰り返し
付与することにより、供試体の疲労特性を測定するもの
である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような電磁式のアクチュエータを備えた材料試験機に
おいては、アクチュエータの駆動範囲が１０ｍｍ以下と
小さく、例えばゴム、素線などの伸びが比較的大きい供
試体の試験を行うと、供試体の伸びの範囲がアクチュエ
ータの駆動範囲と比較して大きいため、供試体の材料特
性を測定することができない。また、基台にねじ棹を回
転可能に立設するとともにねじ棹と可動ヨークとを螺合
し、ねじ棹を回転させることにより可動ヨークを駆動し
て供試体を静的に試験する材料試験機も知られている
が、上述したような微小変位、微小荷重の動的試験は困
難である。

【０００４】一方、上述した電磁アクチュエータを備え
た材料試験機により長さが異なる供試体を試験する場
合、上下把持間距離を変更する必要がある。このため、
従来は手動で可動ヨークを昇降させて上つかみ具の位置
を調整するようにしている。しかしながら、手動により
可動ヨークを上下動させることはその位置合わせを正確
に行うことが困難であり、大変煩わしいものである。

【０００５】また、電磁アクチュエータの負荷ロッドを
リニアベアリングにより支持すると、支持抵抗による計
測誤差が大きいという問題もある。

【０００６】本発明の目的は、微小荷重、微小変位によ
る動的または静的な試験とそれより大きい変位による静
的試験の双方を行うことができる材料試験機を提供する
ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】一実施の形態を示す図１
〜図４を参照して説明すると、請求項１の発明は、基台
２，４と、基台２，４に立設された複数の支柱５Ａ〜５
Ｃと、基台２，４に立設されたねじ棹６と、ねじ棹６に
螺合されるとともに、各支柱５Ａ〜５Ｃに上下動可能に
横架された可動ヨーク８と、小荷重小ストロークで供試
体Ｔを負荷する電磁式負荷手段９と、ねじ棹６を回転さ
せて可動ヨーク８を上下動させることにより、電磁式負
荷手段に比べて大荷重大ストロークで供試体Ｔを負荷す
るねじ式負荷手段１０と、電磁式負荷手段９の変位を検
出する第１の変位検出部２１と、電磁式負荷手段９によ
る供試体Ｔへの負荷を検出する第１の荷重検出部１９
と、第１の変位検出部２１および第１の荷重検出部１９
のいずれか一方と第１の設定信号とに基づいて電磁式負
荷手段９を制御する第１の制御部３７，４１と、ねじ式
負荷手段１０の変位を検出する第２の変位検出部１１
と、ねじ式負荷手段１０による供試体Ｔへの負荷を検出
する第２の荷重検出部１９と、第２の変位検出部１１お
よび第２の荷重検出部１９のいずれか一方と第２の設定
信号とに基づいてねじ式負荷手段１０の負荷を制御する
第２の制御部３６，４０とを備え、第１の制御部と前記
第２の制御部とをともに動作させて供試体Ｔを負荷する
ように構成したことを特徴とする。

【０００８】請求項１の発明によれば、第１の変位検出
部２１により電磁式負荷手段９の変位が、第１の荷重検
出部１９により電磁式負荷手段９による供試体Ｔへの負
荷が検出され、この検出結果のいずれか一方と第１の設
定信号とに基づいて第１の制御部３７，４１が電磁式負
荷手段９を制御する。また、第２の変位検出部１１によ
りねじ式負荷手段１０の変位が、第２の荷重検出部１９
によりねじ式負荷手段１０の供試体Ｔへの負荷が検出さ
れ、この検出結果のいずれか一方と第２の設定信号とに
基づいて第２の制御部３６，４０がねじ式負荷手段１０
を制御する。第１の制御部３７，４１による電磁式負荷
手段９の制御と、第２の制御部３６，４０によるねじ式
負荷手段１０の制御が並行して行われる。

【０００９】請求項２の発明は、請求項１の材料試験機
において、第１の制御部と第２の制御部とをともに動作
させて供試体を負荷するとき、第１の設定信号は第１の
変位検出部の検出信号が変位ゼロを維持するような信号
であることを特徴とする。

【００１０】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段の項では、本発明を分かり易くする
ために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本
発明が実施の形態に限定されるものではない。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態について説明する。図１は本発明の実施の形態に
係る材料試験機の構成を示す斜視図、図２はその側面断
面図である。図１および図２に示すように、試験機本体
１は、基台２と、基台２に立設された４本の支柱３Ａ〜
３Ｄ上に載置された負荷台４と、負荷台４上に立設され
た３本の支柱５Ａ〜５Ｃと、基台２に回転可能に立設さ
れたねじ棹６と、３本の支柱５Ａ〜５Ｄおよびねじ棹６
の上端に横架されたヨーク７と、３本の支柱５Ａ〜５Ｃ
に上下動可能に取り付けられ、かつねじ棹６に螺合され
た可動ヨーク８と、基台２上に載置された電磁式アクチ
ュエータ９と、ねじ棹６を回転駆動するサーボモータ１
０と、ねじ棹６の上端に取り付けられてねじ棹６の回転
数を検出するエンコーダ１１と、電磁式アクチュエータ
９に取り付けられてその変位を検出する変位計２１とを
備えてなる。可動ヨーク８にはチャック２０Ａ〜２０Ｃ
（チャック２０Ｃは不図示）が設けられており、このチ
ャック２０Ａ〜２０Ｃにより可動ヨーク８と支柱５Ａ〜
５Ｃとの固定および固定解除がなされる。すなわち、チ
ャック２０Ａ〜２０Ｃを締めることにより可動ヨーク８
は支柱５Ａ〜５Ｃと固定され、チャック２０Ａ〜２０Ｃ
を弛めることにより可動ヨーク８は支柱５Ａ〜５Ｃに対
して上下方向に移動可能とされる。

【００１２】図２に示すように、電磁式アクチュエータ
９には、コイル９Ａと磁石９Ｂとが設けられており、コ
イル９Ａに交流電流を流すことにより出力軸１３を駆動
して電磁式アクチュエータ９を駆動することができる。
電磁式アクチュエータ９の出力軸１３には継手１３Ａを
介して負荷軸１２が取り付けられており、負荷軸１２の
上端は負荷台４に設けられた板ばね１４（図３参照）を
貫通して負荷台４の上方へ突出している。また、出力軸
１３の下端は基台２に設けられた板ばね（不図示）を貫
通している。

【００１３】図３に示すように、板ばね１４は負荷台４
に形成された凹部４Ａ内に収容されたリング状保持第４
Ｂ上にねじ４Ｃにより取り付けられている。板ばね１４
の中央部には負荷軸１２が貫通する支持孔１４Ａが形成
され、さらに支持孔１４Ａの周囲にホルダ１５が設けら
れており、このホルダ１５と負荷軸１２とがねじ１６に
より固定される。また、支持孔１４Ａの周囲には複数の
溝孔部１４Ｂが同心円状に形成されている。板ばね１４
はこのように形成されることにより、負荷軸１２を保持
しつつ、負荷軸１２の長軸方向に所定の付勢力により揺
動し、かつ負荷軸１２の長軸に直交する方向にもある程
度変位することが可能である。支持孔１４Ａおよび溝孔
部１４Ｂはエッチングやワイヤカットによって形成され
る。なお、出力軸１３の下端も負荷軸１２の上端と同様
に板ばねにより支持される。このようにして、負荷軸１
２および出力軸１３を板ばね１４によって支持すること
により、負荷軸１２および出力軸１３をリニア軸受によ
り支持するものと比較して、その摺動抵抗を低減するこ
とができ、供試体Ｔに対して微小な荷重を正確に付与す
ることができる。

【００１４】負荷軸１２の上端には供試体Ｔを把持する
下治具１７が取り付けられ、可動ヨーク８にはロードセ
ル１９を介して上治具１８が取り付けられる。そして、
下治具１７および上治具１８により供試体Ｔが把持され
る。

【００１５】図４は本発明の実施の形態に係る材料試験
機の駆動を制御する制御回路の構成を示す図である。図
４に示すように、制御回路３０は、サーボモータ１０の
回転を制御するサーボアンプ３１と、エンコーダ１１に
接続されたヨーク移動量アンプ３２と、ロードセル１９
に接続された荷重アンプ３３と、出力軸１３の変位を検
出する変位計２１に接続された変位アンプ３４と、電磁
式アクチュエータ９に接続されたパワーアンプ３５と、
サーボモータ１０を駆動するための制御信号を出力する
信号出力部３６と、電磁式アクチュエータ９を駆動する
ための制御信号を出力する信号出力部３７と、サーボモ
ータ１０の駆動を荷重による制御または変位による制御
に切り換えるための切換スイッチ３８と、電磁式アクチ
ュエータ９の駆動を荷重による制御または変位による制
御に切り換えるための切換スイッチ３９と、信号出力部
３６から出力された制御信号と移動量アンプ３２または
荷重アンプ３３から出力された検出信号との差を算出す
る差分器４０と、信号出力部３７から出力された制御信
号と変位アンプ３４または荷重アンプ３３から出力され
た検出信号との差を算出する差分器４１とからなる。ま
た、サーボアンプ３１には後述するように可動ヨーク８
を上下動させるための切換スイッチ３１Ａが接続されて
いる。

【００１６】次いで、本実施の形態の動作について説明
する。本実施の形態においては、供試体Ｔの荷重平均値
Ｆｍを正の値として正方向にのみ振幅Ｆａにより繰り返
し荷重を付与する引張片振り試験を、供試体Ｔに作用す
る荷重を制御しつつ行うものとする。まず、切換スイッ
チ３１Ａをオンとして、可動ヨーク８を供試体Ｔの長さ
に応じて上下に移動させ、可動ヨーク８が所望とする位
置に到達した後、切換スイッチ３１Ａをオフとし、供試
体Ｔを下治具１７および上治具１８に取り付ける。その
後、切換スイッチ３８をｂ側に切り換え、信号出力部３
６より所定の引張荷重Ｆｍを供試体Ｔに付与するように
信号を出力する。これにより、サーボモータ１０を駆動
してねじ棹６を回転させ、可動ヨーク８を上方へ移動す
る。この際、出力軸１３および負荷軸１２が上方へ移動
すると、供試体Ｔに所望とする荷重を付与することがで
きないため、変位計２１により検出される信号が０とな
るようにパワーアンプ３５から電磁式アクチュエータ９
に信号が入力され、出力軸１３および負荷軸１２の変位
が０とされる。したがって、供試体Ｔは上方へ引っ張ら
れ、これにより、供試体Ｔに引張荷重が作用する。そし
て、供試体Ｔに作用する引張荷重をロードセル１９によ
り検出し、その検出信号が荷重アンプ３３を経て差分器
４０に入力される。差分器４０においては、信号出力部
３６から出力される信号と、荷重アンプ３３から出力さ
れる信号との差分値が算出される。そして、この差分値
が０となった時点で、信号出力部３６は信号の出力を停
止する。これにより、供試体Ｔには荷重平均値Ｆｍが負
荷される。

【００１７】次いで、切換スイッチ３９をａ側に切り換
え、信号出力部３７から図５に示すような正弦波信号を
出力する。これにより、パワーアンプ３５が電磁式アク
チュエータ９を駆動して出力軸１３および負荷軸１２を
上下方向に繰り返し移動し、供試体Ｔに図５に示す正弦
波信号に適合する繰り返し荷重を付与する。そして、供
試体Ｔに作用する繰り返し荷重をロードセル１９により
検出し、その検出信号が荷重アンプ３３を経て差分器４
１に入力される。差分器４１においては、信号出力部３
７から出力される信号と、荷重アンプ３３から出力され
る信号との差分値が算出される。差分器４１は、この差
分値が０となるように信号出力部３６から出力される正
弦波信号を補正してパワーアンプ３５に入力する制御を
行う。これにより、供試体Ｔには信号出力部３６から出
力される正弦波信号に適合した繰り返し荷重が付与され
て疲労試験が行われることとなる。

【００１８】ここで、電磁式アクチュエータ９により駆
動される負荷軸１２および出力軸１３は上述した板ばね
１４により支持されているため、リニア軸受によりこれ
らの出力軸１３および負荷軸１２を支持するものと比較
して、移動時の摩擦抵抗が抑制されるため、供試体Ｔに
繰り返し荷重を正確に付与することができる。

【００１９】またここで、可動ヨーク８を駆動すること
により供試体Ｔに荷重を付与すると、供試体Ｔに引張力
あるいは圧縮力が作用するため、負荷軸１２および出力
軸１３が上下方向に移動してしまう。このため、負荷軸
１２および出力軸１３を移動させないようにするため
に、切換スイッチ３９をｂ側に切り換えるとともに、信
号出力部３７より出力軸１３および負荷軸１２の変位を
一定とする信号を出力する。そして、試験中において、
負荷軸１２および出力軸１３の変位を変位計２１により
検出し、その検出信号を変位アンプ３４に入力する。変
位アンプ３４は入力された信号を差分器４１に出力す
る。差分器４１においては、変位アンプ３４から出力さ
れた信号と、信号出力部３７から出力された図６に示す
ような変位を表す信号との差分値を算出し、信号出力部
３７に入力する。信号出力部３７は入力された差分値が
０となるように電磁式アクチュエータ９を駆動させる信
号をパワーアンプ３５に出力し、これにより電磁式アク
チュエータ９は出力軸１３および負荷軸１２の変位が０
となるように出力軸１３および負荷軸１２を駆動する。
この結果、サーボモータ１０を駆動して供試体Ｔに荷重
を付与する場合であっても、可動ヨーク８の往復移動に
対応して出力軸１３および負荷軸１２が移動することが
無くなるため、供試体Ｔに正確に荷重を付与することが
できる。

【００２０】なお、上記実施の形態においては、供試体
Ｔに作用する荷重を制御しつつ試験を行うようにしてい
るが、供試体Ｔの変位を制御しつつ試験を行うようにし
てもよい。すなわち、切換スイッチ３９をｂ側に切り換
えて、試験中の負荷軸１２の変位を変位計２１により検
出し、その検出信号を変位アンプ３４に入力する。変位
アンプ３４は入力された信号を差分器４１に出力する。
差分器４１においては、変位アンプ３４から出力された
信号と、信号出力部３７から出力された図７に示すよう
な変位を表す正弦波信号との差分値を算出し、パワーア
ンプ３５に入力する。パワーアンプ３５は入力された差
分値が０となるように電磁式アクチュエータ９を駆動す
る信号を出力し、電磁式アクチュエータ９は出力軸１３
および負荷軸１２の変位が図７に示す正弦波信号に適合
するように出力軸１３および負荷軸１２を駆動する。こ
れにより、供試体Ｔの変位を制御しつつ供試体Ｔの疲労
試験を行うことができる。

【００２１】一方、サーボモータ１０を駆動して試験を
行う場合には、切換スイッチ３８をａ側に切り換え、エ
ンコーダ１１により可動ヨーク８の変位を検出し、その
検出信号を移動量アンプ３２に入力する。移動量アンプ
３２は入力された信号を差分器４０に入力する。差分器
４０においては、移動量アンプ３２から出力された信号
と、信号出力部３６から出力された図７に示すような変
位を表す信号との差分値を算出し、サーボアンプ３１に
入力する。サーボアンプ３１は入力された差分値が０と
なるようにサーボモータ１０を駆動させる信号を出力
し、サーボモータ１０は可動ヨーク８の変位が信号に適
合するようにねじ棹６を回転して可動ヨーク８を駆動す
る。これにより、供試体Ｔの変位を制御しつつ供試体Ｔ
の静的試験を行うことができる。

【００２２】以上のように、操作者により切換スイッチ
３８，３９を適宜切り換える操作をＣＰＵなどからの指
令により自動的に行うこともできる。この場合、荷重平
均値や変位平均値が電磁アクチュエータ９の使用範囲外
であることをＣＰＵが判断すると、上述した手順を自動
的に実行するようにプログラムすればよい。

【００２３】さらに、上記実施の形態においては、負荷
軸１２の上端および出力軸１３の下端を板ばね１４によ
って支持しているが、板ばね１４の弾性域を越えるよう
なストロークにより供試体Ｔを移動させると、板ばね１
４が変形してしまい、繰り返し荷重を正確に付与するこ
とができない。この場合は、例えば、図８に示すよう
に、板ばね１４の中心部にメタルブッシュ４５Ａ，４５
Ｂと、メタルブッシュ４５Ａ，４５Ｂを保持するホルダ
４６Ａ，４６Ｂとを設け、メタルブッシュ４５Ａ，４５
Ｂと負荷軸１２および出力軸１３とを嵌合させて、負荷
軸１２および出力軸１３を支持するようにしてもよい。
ここで、メタルブッシュ４５Ａ，４５Ｂと負荷軸１２お
よび出力軸１３との間にはある程度の摺動抵抗が存在す
るため、板ばね１４の弾性域内のストロークによっては
負荷軸１２および出力軸１３は摺動せず、板ばね１４の
たわみのみにより往復移動する。一方、板ばね１４の弾
性域を越えるようなストロークにより供試体Ｔを移動さ
せると、負荷軸１２および出力軸１３はメタルブッシュ
４５Ａ，４５Ｂ内を摺動しながら往復移動する。これに
より、板ばね１４の弾性域を越えるストロークにより供
試体Ｔを負荷しても、板ばね１４が変形することが無く
なり、供試体Ｔに繰り返し荷重を正確に付与することが
できる。

【００２４】以上の実施の形態と請求項との対応におい
て、電磁式アクチュエータ９が電磁式負荷手段を、サー
ボモータ１０がねじ式負荷手段を、変位計２１が第１の
変位検出部を、ロードセル１９が第１および第２の荷重
検出部を、信号出力部３７および差分器４１が第１の制
御部を、エンコーダ１１が第２の変位検出部を、信号出
力部３６および差分器４０が第２の制御部を構成する。
また、信号出力部３６からの制御信号が第２の設定信号
に、信号出力部３７からの制御信号が第１の設定信号に
対応する。

【００２５】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、請求項１の
発明によれば、第１の制御部による電磁式負荷手段の制
御と第２の制御部によるねじ式負荷手段の制御とを個別
に併用するようにしたので、電磁式負荷手段とねじ式負
荷手段を併用した材料試験器であっても供試体への負荷
の設定を容易に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る材料試験機の構成を
示す斜視図

【図２】本発明の実施の形態に係る材料試験機の構成を
示す側面断面図

【図３】板ばねの構成を示す平面図

【図４】制御回路の構成を示すブロック図

【図５】荷重信号を示すグラフ

【図６】電磁式アクチュエータの変位信号を示すグラフ

【図７】可動ヨークの変位信号を示すグラフ

【図８】負荷軸および出力軸を支持する部材の他の構成
を示す図

【符号の説明】

１ 試験機本体 ２ 基台 ５Ａ〜５Ｃ 支柱 ６ ねじ棹 ８ 可動ヨーク ９ 電磁式アクチュエータ １０ サーボモータ １１ エンコーダ １２ 負荷軸 １３ 出力軸 １４ 板ばね １７ 下治具 １８ 上治具 １９ ロードセル ２１ 変位計 ３０ 制御回路 ３６，３７ 信号出力部 ４０，４１ 差分器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 3/00 - 3/62 ＥＰＡＴ（ＱＵＥＳＴＥＬ) ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基台と、 前記基台に立設された複数の支柱と、 前記基台に立設されたねじ棹と、 前記ねじ棹に螺合されるとともに、前記各支柱に上下動
   可能に横架された可動ヨークと、 小荷重小ストロークで供試体を負荷する電磁式負荷手段
   と、 前記ねじ棹を回転させて前記可動ヨークを上下動させる
   ことにより、前記電磁式負荷手段に比べて大荷重大スト
   ロークで前記供試体を負荷するねじ式負荷手段と、 前記電磁式負荷手段の変位を検出する第１の変位検出部
   と、 該電磁式負荷手段による前記供試体への負荷を検出する
   第１の荷重検出部と、 前記第１の変位検出部および前記第１の荷重検出部によ
   る検出結果のいずれか一方と第１の設定信号とに基づい
   て前記電磁式負荷手段を制御する第１の制御部と、 前記ねじ式負荷手段の変位を検出する第２の変位検出部
   と、 前記ねじ式負荷手段による前記供試体への負荷を検出す
   る第２の荷重検出部と、 前記第２の変位検出部および前記第２の荷重検出部によ
   る検出結果のいずれか一方と第２の設定信号とに基づい
   て前記ねじ式負荷手段を制御する第２の制御部とを備
   え、 前記第１の制御部と前記第２の制御部とをともに動作さ
   せて前記供試体を負荷するように構成したことを特徴と
   する材料試験機。
2. 【請求項２】請求項１の材料試験機において、 前記第１の制御部と前記第２の制御部とをともに動作さ
   せて前記供試体を負荷するとき、前記第１の設定信号は
   前記第１の変位検出部の検出信号が変位ゼロを維持する
   ような信号であることを特徴とする材料試験機。