JP3955898B2

JP3955898B2 - 材料試験機

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Publication number: JP3955898B2
Application number: JP2002012620A
Authority: JP
Inventors: 豊春名和
Original assignee: 北海道ティー・エル・オー株式会社
Priority date: 2002-01-22
Filing date: 2002-01-22
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2022-01-22
Also published as: JP2003215005A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、供試体の材料特性を試験する材料試験機に係り、例えば、コンクリートのひび割れ特性試験、あるいはクリープ試験などに利用できる。
【０００２】
【背景技術】
一般に、コンクリートにより形成された構造物は多いが、近年、これらの構造物の形成材料であるコンクリートのひび割れが問題になってきている。すなわち、コンクリートにより形成された各種の構造物は、コンクリートのひび割れによりその機能を著しく害されることがある。このため、実際の構造物において、コンクリートのひび割れが今後発生するのか否かを調べる必要があるので、試験を行うことにより、どのような状況下でコンクリートにひび割れが発生するのかを明らかにしておく必要がある。
【０００３】
図７には、若材齢コンクリートのひび割れ特性試験に用いられる試験装置であるクラッキングフレーム９０の構成が示されている。このクラッキングフレーム９０を用いた試験方法は、リレム（ＲＩＬＥＭ）の推奨する方法であり、世界的な規格になりつつあるものである。
【０００４】
図７において、クラッキングフレーム９０は、供試体９１の両端部を把持する二つのクロスヘッド９２と、これらのクロスヘッド９２の間に供試体９１に沿う方向に配置された二本の太い鋼棒９３とにより構成されている。各鋼棒９３には、温度変形を最小にするために低熱膨張係数の特殊な鋼材が用いられる。そして、二つのクロスヘッド９２は、各ボルト９４，９５により各鋼棒９３の両端部にそれぞれ固定されているので、クロスヘッド９２同士の間隔は、これらの鋼棒９３の長さにより定まり、これにより供試体９１の両端部が拘束を受けるようになっている。
【０００５】
また、上述した図７のクラッキングフレーム９０における鋼棒９３のように供試体に沿う方向に配置された四本の拘束棒を備え、これらの拘束棒を温水ヒータを用いて温度制御することにより各拘束棒の長さを調整して供試体の拘束条件を変化させることができるようにしたコンクリートのひび割れ試験装置もある。
【０００６】
さらに、前述した図７のクラッキングフレーム９０におけるクロスヘッド９２の一方に相当する部分を、各鋼棒９３に相当する部分に対してスライド可能にしたコンクリートのひび割れ試験装置もある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した図７のクラッキングフレーム９０では、二つのクロスヘッド９２が各鋼棒９３に固定されているので、供試体の拘束度合いを自在に変化させて試験を行うことはできない。このため、例えば、供試体が激しい温度変形を起こす場合等のように短時間で大きく変形する場合に、単にひび割れが発生するか否かを調べることはできるものの、供試体が長時間かけて微小変形するような場合において、ひび割れが発生する状況を精度よく確認することは困難である。従って、実際の建物等の構造物が置かれている状況下で、ひび割れが発生するか否かを精度よく確認するのに適していないという問題がある。
【０００８】
また、前述した温水ヒータにより四本の拘束棒の長さを調整することを可能とした試験装置では、供試体の拘束度合いを変化させることはできるものの、温水を循環させる設備が必要となるため、装置が複雑化するうえ、四本の拘束棒の温度制御の不均一により各拘束棒の伸縮にばらつきが生じ、装置全体がねじれてしまうという問題がある。
【０００９】
さらに、前述した図７のクロスヘッド９２の一方に相当する部分をスライド可能とした試験装置でも、供試体の拘束度合いを変化させることはできるものの、図７の各鋼棒９３に相当する部分が均一な温度になっていないと、装置全体がねじれてしまうため、クロスヘッド９２に相当する部分が円滑にスライドしなくなるという不都合がある。そして、この試験装置では、クロスヘッド９２に相当する部分をスライドさせることにより、ひずみ制御を行うことはできるが、スライドさせるための機構の構成要素である歯車にバックラッシがあるため、段階的なひずみ制御しか行うことができず、これにより供試体が衝撃を受けてしまうことから、正確な測定を行うことができないという問題がある。
【００１０】
本発明の目的は、供試体の拘束条件を高い精度で自在に変化させることができ、連続的なひずみ制御を行うことができる材料試験機を提供するところにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、供試体の両端部を把持して供試体の材料特性を試験する材料試験機であって、供試体の一方の端部を把持する第一把持部と、供試体の他方の端部を把持する第二把持部と、第一把持部に接続されて供試体の伸縮に応じて軸方向に沿う直線運動を行う進退軸と、第二把持部に接続された不動部に固定された回転駆動手段と、この回転駆動手段の回転出力部の回転速度を減速させる減速機と、この減速機の回転出力部の回転運動を進退軸の直線運動に変換する運動変換手段とを備え、減速機は、互いに噛み合う歯を有する少なくとも二つの要素を含んで構成され、これらの要素のうちの少なくとも一方に設けられた歯は、弾性体により形成されていることを特徴とするものである。
【００１２】
ここで、「これらの要素のうちの少なくとも一方に設けられた歯は、弾性体により形成されている」とは、歯の全体または歯が形成された要素（例えば歯車等）の全体が弾性体により形成されていてもよく（例えば、後述する図３〜図５の場合等）、あるいは、歯の表面部分だけが弾性体により形成されていてもよい趣旨である。また、弾性体により形成された中間部材を互いに噛み合う歯の間に挟ませて回転伝達を行う場合（例えば、特開平８−１７７９８６号公報に記載された変速装置の場合等）も、その中間部材は、いずれかの歯の表面部分を構成するものとみなすことができるので、上記表現に含まれる。そして、「少なくとも一方」であるから、一方の歯だけが弾性体により形成されていてもよく、双方の歯が弾性体により形成されていてもよい。
【００１３】
さらに、「互いに噛み合う歯」同士は、押圧されていることが好ましく、この際、構造上、押圧されるようにしてもよく（例えば、後述する図４の場合等）、あるいは、積極的に押圧手段を設けてもよい（例えば、特開平８−１７７９８６号公報に記載された変速装置の場合等）。
【００１４】
このような本発明においては、第二把持部に対して第一把持部を変位させて供試体の拘束条件を変化させる際には、回転駆動手段によりその回転出力部を回転駆動し、この回転駆動手段の回転出力部の回転速度を減速機により減速した後、減速機の回転出力部から得られる減速後の回転運動を、運動変換手段により進退軸の直線運動に変換する。
【００１５】
この際、減速機では、弾性体により形成された歯による噛み合わせが行われるので、バックラッシをなくすか、あるいは小さくすることが可能となる。従って、第一把持部を段階的ではなく、連続的に変位させることができるようになり、供試体の微小変形にも追従することができるようになる。このため、連続的で高精度なひずみ制御を行い、供試体の拘束条件を高い精度で自在に変化させることができるようになる。
【００１６】
また、前述した拘束棒（図７の鋼棒９３に相当する部分）の長さを温度制御するための温水ヒータも必要ないため、試験装置が複雑化することもない。さらに、第一把持部に接続された進退棒を直線運動させることにより供試体に荷重をかけることができるので、一点載荷を実現することが可能となり、装置のねじれにより生じる不都合を回避できるようになり、これらにより前記目的が達成される。
【００１７】
また、前述した材料試験機において、減速機は、環状の剛性内歯車と、この剛性内歯車の内側に配置されてこの剛性内歯車と噛み合う弾性体により形成されたコップ状の可撓性外歯車と、この可撓性外歯車の内側に配置された波動発生器とを含んで構成されていることが望ましい。
【００１８】
ここで、「波動発生器」としては、例えば、楕円状のカムと、このカムの外周に配置されたボールベアリングとを備えた構成のもの等が挙げられる。
【００１９】
また、「可撓性外歯車」としては、弾性体であれば、金属、合成樹脂、硬質ゴム等、任意の材質のものを採用することができるが、耐久性や回転伝達精度の向上等の観点から、金属弾性体により形成されたものであることが好ましい。
【００２０】
このように環状の剛性内歯車とコップ状の可撓性外歯車と波動発生器とを含んで構成された減速機とした場合には、バックラッシをなくすか、極めて小さくすることが可能となり、連続的で高精度なひずみ制御を、より一層確実に実現できるようになる。
【００２１】
さらに、前述した材料試験機において、運動変換手段は、進退軸の外周面に螺旋状に形成されたボールねじ溝と、進退軸の外周面に軸方向に沿って形成されたボールスプライン溝と、減速機の回転出力部と同期回転するボールねじナットと、不動部に固定されたスプラインナットとを含んで構成され、ボールねじナット内に形成された通路と、ボールねじ溝とにより、ボールねじのボールを循環させる閉路が形成され、スプラインナット内に形成された通路と、ボールスプライン溝とにより、ボールスプラインのボールを循環させる閉路が形成されていることが望ましい。
【００２２】
このように運動変換手段をボールねじとボールスプラインとを複合して構成した場合には、進退軸の精度の高い直線運動を、簡易な構造で確実に実現することが可能となる。このため、連続的で高精度なひずみ制御を、より一層確実に実現できるようになる。
【００２３】
そして、前述した材料試験機において、回転駆動手段は、パルス制御が可能な構成とされていることが望ましい。
【００２４】
このように回転駆動手段をパルス制御が可能な構成とした場合には、低速回転制御が可能となるので、連続的で高精度なひずみ制御を、より一層確実に実現できるようになる。
【００２５】
また、前述した材料試験機において、第一把持部と進退軸との間には、供試体の応力測定用の荷重測定手段が設けられ、第二把持部に対する第一把持部の相対変位を測定する変位測定手段を備えた構成とすることが望ましい。
【００２６】
ここで、「荷重測定手段」としては、例えば、ロードセル等を用いることができる。また、「変位測定手段」としては、例えば、ギャップセンサ等を用いることができる。
【００２７】
このように荷重測定手段および変位測定手段を設けた場合には、供試体の応力とひずみとを独立して測定することができるので、供試体についての応力−ひずみ線図を測定することが可能となる。このため、供試体の材料特性、例えば、供試体がコンクリートである場合には、コンクリートのひび割れ特性等を詳細に調べることが可能となる。
【００２８】
さらに、上記のように荷重測定手段および変位測定手段を設けた場合において、変位測定手段の出力信号に基づき回転駆動手段を制御する制御手段を備えた構成とすることが望ましい。
【００２９】
このように制御手段を設けた場合には、変位測定手段の出力信号に基づき回転駆動手段をフィードバック制御して第一把持部の変位を逐次調整することができるので、第一把持部の変位を連続的に変化させることができる。このため、供試体の微小変形にも追従することが可能となり、例えば、供試体が長時間かけて微小量縮む場合に、供試体を逐次引っ張って第一把持部の位置を一定に保持し、供試体を完全拘束の状態とする制御等が可能となる。
【００３０】
また、以上に述べた材料試験機は、例えば、コンクリートのひび割れ特性試験、あるいはクリープ試験等の各種の材料特性試験に用いることができるが、高精度なひずみ制御を行うことができるので、特に、微妙なひずみに対応することが要求されるコンクリートのひび割れ特性試験に好適である。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１には、本発明の材料試験機である本実施形態のコンクリートのひび割れ特性試験を行うための試験機１０の全体構成が示されている。また、図２には、試験機１０の要部の拡大断面図が示されている。さらに、図３〜図５には、試験機１０の要部を構成する減速機４０の詳細構成が示され、図６には、試験機１０の要部を構成するスプライン付ボールねじ５０の詳細構成が示されている。
【００３２】
図１において、試験機１０は、コンクリートで形成された供試体１を取り付ける本体１１と、試験データの計測およびその集計処理並びに本体１１の制御を行う制御手段８０とを備えて構成されている。
【００３３】
本体１１は、供試体１の一方の端部（ここでは、上端部）を把持する第一把持部１２と、供試体１の他方の端部（ここでは、下端部）を把持する第二把持部１３と、最下部に設けられた基台２０と、この基台２０に立設された複数本の支持棒２１と、これらの支持棒２１により支持された上部フランジ２２と、供試体１の応力を測定するために第一把持部１２の上側に設けられた荷重測定手段であるロードセル２３と、第二把持部１３に対する第一把持部１２の相対変位を測定するために供試体１の図中左右両側に設けられた変位測定手段であるギャップセンサ２４とを備えている。
【００３４】
また、本体１１は、最上部に設けられた回転駆動手段であるモータ３０と、このモータ３０の下側に設けられてモータ３０の出力回転速度を減速させる減速機４０と、この減速機４０の下側に設けられたスプライン付ボールねじ５０とを備えている。
【００３５】
図２において、モータ３０は、パルス制御が可能な構成を有し、低速回転制御が可能なモータである。また、高分解能を有し、高精度な回転位置決めが可能なものであることが好ましい。このようなモータ３０としては、例えば、３６０度（１回転）を６１４４００パルス（すなわち、１パルス当たり０．０００５９度）で分割することができる日本精工株式会社製のメガトルクモータ等を好適に用いることができるが、これに限定されるものではない。
【００３６】
モータ３０の出力は、モータ３０の下部に設けられた回転出力部である出力フランジ３１から得ることができるようになっている。この出力フランジ３１には、モータ３０の出力を減速機４０に伝える回転伝達部材３２が固定されている。そして、この回転伝達部材３２の下方に向かって延びる軸部３２Ａが、減速機４０の回転入力部４６（図３参照）に連結されている。
【００３７】
回転伝達部材３２の円盤部３２Ｂの外周側には、この円盤部３２Ｂを覆う回転伝達部材カバー３３が設けられている。そして、この回転伝達部材カバー３３の上側には、モータ３０の固定部が固定され、下側には、減速機４０の固定部である剛性内歯車４１（図３参照）が固定されている。
【００３８】
減速機４０の出力は、減速機４０の下部に設けられた回転出力部４２Ｂ（図３参照）から得ることができるようになっている。この回転出力部４２Ｂには、減速機４０の出力をスプライン付ボールねじ５０のボールねじナット５３（図６参照）に伝える回転伝達部材４８が固定されている。また、減速機４０および回転伝達部材４８の外周側には、これらを覆う減速機カバー４９が設けられている。
【００３９】
図３は、減速機４０の回転中心軸に沿う方向の断面図であり、図４は、回転中心軸に直交する断面図であり、図５は、減速機４０の分解斜視図である。図３〜図５において、減速機４０は、ハーモニックドライブと呼ばれる調和減速機であり、撓み噛み合い式歯車装置の代表的なものである。この減速機４０は、環状の剛性内歯車４１と、この剛性内歯車４１の内側に配置されてこの剛性内歯車４１と噛み合うコップ状の可撓性外歯車４２と、この可撓性外歯車４２の内側に配置された波動発生器４３とを含んで構成されている。このような減速機４０としては、例えば、株式会社ハーモニック・ドライブ・システムズ製のハーモニックドライブ（特開平５−２０９６５５号公報等参照）等を好適に用いることができるが、これに限定されるものではない。
【００４０】
剛性内歯車４１は、回転伝達部材カバー３３と減速機カバー４９との間に挟まれて固定されるものであり（図２参照）、内周には、歯４１Ａが刻まれている。この歯数は、可撓性外歯車４２よりも２枚多くなっている。
【００４１】
可撓性外歯車４２は、例えば、薄肉の金属弾性体等により形成され、コップ開口部の外周には、剛性内歯車４１の歯４１Ａと同ピッチの歯４２Ａが刻まれている。歯形には、例えば、インボリュート歯形等を使用することができる。また、可撓性外歯車４２のコップ底面部には、回転出力部４２Ｂが形成されている。
【００４２】
波動発生器４３は、楕円状のカム４４と、このカム４４の外周に嵌められたボールベアリング４５とにより構成されている。ボールベアリング４５の内輪４５Ａは、カム４４に固定され、外輪４５Ｂは、ボール４５Ｃを介して弾性変形するようになっている。また、カム４４の内側には、減速機４０の回転入力部４６が固定され、この回転入力部４６の中心部に形成された貫通孔４６Ａには、回転伝達部材３２の軸部３２Ａ（図２参照）が嵌挿されて連結固定されるようになっている。
【００４３】
剛性内歯車４１の歯４１Ａと、可撓性外歯車４２の歯４２Ａとの噛み合い位置は、図４に示す如く、カム４４の楕円長軸両端部の近傍の二箇所（図示の状態では、上下二箇所）であり、その他の箇所（カム４４の楕円短軸両端部の近傍）では、歯は完全に離れた状態となり、噛み合わない構造となっている。そして、噛み合っている位置では、図中の矢印Ｐのようにボールベアリング４５を介してカム４４の楕円長軸両端部により可撓性外歯車４２の歯４２Ａが剛性内歯車４１の歯４１Ａの側に押圧され、バックラッシがなくなるか、あるいは極めて小さくなるようになっている。
【００４４】
この減速機４０では、回転入力部４６に連結固定された回転伝達部材３２の軸部３２Ａ（図２参照）が回転すると、回転入力部４６が回転し、これに伴って波動発生器４３のカム４４が回転するようになっている。カム４４が回転すると、可撓性外歯車４２が弾性変形し、可撓性外歯車４２の歯４２Ａと剛性内歯車４１の歯４１Ａとの噛み合い位置が順次移動していく。例えば、カム４４が図４の矢印Ｋの方向に回転すると、噛み合い位置も矢印Ｋの方向に移動する。この際、波動発生器４３のカム４４が１回転したとき、可撓性外歯車４２は、剛性内歯車４１よりも歯数が二枚少ないので、その分だけカム４４の回転方向とは逆の方向、すなわち図４の矢印Ｓの方向に回転することになる。従って、この可撓性外歯車４２の回転を、減速機４０の出力として回転出力部４２Ｂから取り出すようになっている。
【００４５】
ここで、可撓性外歯車４２の歯数をＺＦとし、剛性内歯車４１の歯数をＺＣ（すなわちＺＦ＋２）とすると、減速比は、（ＺＦ−ＺＣ）／ＺＦ＝−２／ＺＦとなる。従って、例えば−１／１６０の減速比等を実現できるが、特に、この数値に限定されるものではない。
【００４６】
図２において、回転伝達部材４８の下側には、スプライン付ボールねじ５０が設けられている。このスプライン付ボールねじ５０は、減速機カバー４９の下側に固定されたスプライン付ボールねじカバー５１により覆われている。
【００４７】
図６は、スプライン付ボールねじ５０の軸方向の断面図である。図６において、スプライン付ボールねじ５０は、中心に配置されて軸方向（本実施形態では、上下方向）に沿う直線運動を行う進退軸５２と、この進退軸５２の外周に配置されたボールねじナット５３と、進退軸５２の外周であってボールねじナット５３の下側に配置されたスプラインナット５４とを備えている。このようなスプライン付ボールねじ５０としては、例えば、日本精工株式会社製のロボッテと称されるスプライン付ボールねじ等を好適に用いることができるが、これに限定されるものではない。
【００４８】
進退軸５２の外周面には、螺旋状のボールねじ溝５５が形成され、かつ、軸方向に沿って複数のボールスプライン溝５６が形成されている。また、ボールねじナット５３の内部には、ボールねじ溝５５と繋がる通路５７が形成され、この通路５７とボールねじ溝５５とにより、ボールねじのボール５８を循環させる閉路が形成されている。一方、スプラインナット５４の内部には、各ボールスプライン溝５６と繋がる複数の通路５９が形成され、これらの各通路５９と各ボールスプライン溝５６とにより、ボールスプラインのボール６０を循環させる閉路が形成されている。
【００４９】
ボールねじナット５３は、回転伝達部材４８に固定されるとともに、軸受６１を介してスプライン付ボールねじカバー５１により回転自在に支持され、これにより減速機４０の回転出力部４２Ｂと同期回転するようになっている（図２参照）。なお、軸受６１の内輪は、ボールねじナット５３と一体化されている。一方、スプラインナット５４は、不動部であるスプライン付ボールねじカバー５１に固定され、回転しないようになっている。
【００５０】
このスプライン付ボールねじ５０では、減速機４０の回転出力部４２Ｂが回転すると、その回転が回転伝達部材４８を介してボールねじナット５３に伝わり、ボールねじナット５３が回転する。この際、進退軸５２は、ボールねじナット５３とともに回転（共廻り）しようとするが、スプラインナット５４により回転運動を阻まれ、軸方向（本実施形態では、上下方向）の直線運動だけを許容される。従って、進退軸５２には螺旋状のボールねじ溝５５が形成されているので、ボールねじナット５３の回転を吸収するには、進退軸５２を軸方向に移動させるしかないため、結局、進退軸５２は、スプラインナット５４およびボールスプライン溝５６による案内機能に従って軸方向に沿う直線運動を行うようになる。例えば、ボールねじナット５３が１回転すると、進退軸５２が１０ｍｍ程度移動するようにすることができ、この際、減速機４０の減速比を、例えば−１／１６０とした場合には、モータ３０が１６０回転すると、減速機４０の回転出力部４２Ｂおよびこれに連結されたボールねじナット５３が１回転し、進退軸５２が１０ｍｍ程度移動する駆動機構を実現できるが、これらの数値に限定されるものではない。
【００５１】
そして、進退軸５２の外周面に形成されたボールねじ溝５５およびボールスプライン溝５６と、ボールねじナット５３と、スプラインナット５４と、軸受６１とにより、減速機４０の回転出力部４２Ｂの回転運動を進退軸５２の直線運動に変換する運動変換手段６５が構成されている。
【００５２】
図１において、進退軸５２の下端部には、ロードセル２３が固定され、さらにロードセル２３の下側には、第一把持部１２が接続されている。一方、第二把持部１３は、試験機１０の不動部１４である基台２０に接続され、上下位置を固定されている。従って、進退軸５２は、供試体１の伸縮、すなわち第一把持部１２の上下方向の変位に応じて軸方向に沿う直線運動を行うようになっている。
【００５３】
なお、試験機１０の不動部１４は、基台２０、支持棒２１、上部フランジ２２、スプライン付ボールねじカバー５１、減速機カバー４９、減速機４０の剛性内歯車４１、回転伝達部材カバー３３、モータ３０の固定部等により構成されている。
【００５４】
各ギャップセンサ２４の上下には、第一把持部１２側から供試体１に沿って下方に延びるギャップ上側棒２５と、第二把持部１３側から供試体１に沿って上方に延びるギャップ下側棒２６とがそれぞれ設けられている。ギャップセンサ２４は、これらのギャップ上側棒２５またはギャップ下側棒２６のいずれかにより支持され、ギャップ上側棒２５の下端とギャップ下側棒２６の上端とを突き合わせた位置に形成されたギャップを測定するようになっている。
【００５５】
そして、ギャップ上側棒２５は、第一把持部１２に接続されたロードセル２３に固定され、一方、ギャップ下側棒２６は、第二把持部１３に接続された基台２０に固定されている。従って、ギャップセンサ２４により測定されるギャップの変化量は、第一把持部１２の変位量、すなわち供試体１の伸縮量に等しくなっている。これにより、供試体１の全体的なひずみを測定することができる。また、供試体１の内部には、少なくとも一つのひずみゲージが埋設され、これにより供試体１の局部的なひずみも測定することができるようになっている。なお、ひずみゲージは、供試体１の最も歪む部分に設けておくことが好ましい。
【００５６】
制御手段８０は、ギャップセンサ２４の検出信号を増幅する直流増幅器８１と、ロードセル２３の検出信号を増幅する動ひずみアンプ８２と、これらの直流増幅器８１および動ひずみアンプ８２から出力された各アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換ボード８３と、このＡ／Ｄ変換ボード８３の出力を取り込んで各種処理を行うコンピュータ８４と、コンピュータ８４からの出力信号を受信してモータ３０に制御信号を送るモータドライバボックス８５とを備えている。
【００５７】
コンピュータ８４は、ギャップセンサ２４の検出信号に基づいて得られる供試体１のひずみと、ロードセル２３の検出信号に基づいて得られる供試体１の応力とを把握し、供試体１についての応力−ひずみ線図を描く処理を行う。
【００５８】
また、コンピュータ８４は、ギャップセンサ２４の検出信号に基づき第一把持部１２の変位を逐次把握し、例えばＲＳ−２３２Ｃ通信等によりモータドライバボックス８５にリアルタイムで出力信号を逐次送信することにより、モータ３０をリアルタイムで制御する処理を行う。このフィードバック制御により、供試体１の拘束度を自在に設定することができる。例えば、供試体１を完全拘束の状態にする場合について説明すると、供試体１が微小量収縮したときには、その微小な収縮量をギャップセンサ２４で逐次検出し、この検出信号に基づき供試体１を引っ張る指令をコンピュータ８４からモータドライバボックス８５にリアルタイムで送信することにより、モータ３０を回転駆動させて第一把持部１２の位置を一定に保つ制御を行う。
【００５９】
このような本実施形態においては、以下のようにして試験機１０を用いてコンクリートのひび割れ特性試験を行う。
【００６０】
先ず、図１に示すように、試験機１０の本体１１にコンクリートで形成された供試体１を装着する。そして、供試体１が時間の経過とともに収縮したときには、第一把持部１２が下方に移動するので、ギャップ上側棒２５も下方に移動し、ギャップセンサ２４で測定しているギャップが狭くなる。このギャップの変化をギャップセンサ２４で検出したときには、その検出信号が直流増幅器８１およびＡ／Ｄ変換ボード８３を介してコンピュータ８４に送られ、これによりコンピュータ８４は、収縮した供試体１を引っ張る指令をモータドライバボックス８５に出力し、第一把持部１２の変位が、設定された拘束度の範囲内に収まるようにする。完全拘束の状態とする場合には、第一把持部１２を一定の位置に保たなければならないため、第一把持部１２が元の位置に戻るまで供試体１を引っ張る指令を出す。
【００６１】
モータドライバボックス８５からの制御信号によりモータ３０が回転すると、図２に示すように、その出力は出力フランジ３１から得ることができ、この出力フランジ３１の回転は、回転伝達部材３２を介して減速機４０に伝達され、減速機４０で減速される。そして、減速後の回転は、減速機４０の回転出力部４２Ｂから得ることができ、この回転出力部４２Ｂの回転は、回転伝達部材４８を介してスプライン付ボールねじ５０のボールねじナット５３に伝達される。
【００６２】
ボールねじナット５３が回転すると、進退軸５２は、軸方向（この場合には、供試体１を引っ張るので、上向き方向）に移動し、これにより第一把持部１２が上方に移動して供試体１が引っ張られる。この際、図１に示すように、進退軸５２と第一把持部１２との間には、ロードセル２３が設けられているので、このロードセル２３にかかる負荷を検出し、動ひずみアンプ８２およびＡ／Ｄ変換ボード８３を介してコンピュータ８４に取り込むことにより、供試体１の応力を測定する。
【００６３】
このような本実施形態によれば、次のような効果がある。すなわち、減速機４０は、弾性体により形成された可撓性外歯車４２の歯４２Ａと、剛性内歯車４１の歯４１Ａとが噛み合う構成を有しているので（図３〜図５参照）、バックラッシがないか、あるいは極めて小さい噛み合わせを実現できる。従って、第一把持部１２を段階的ではなく、連続的に変位させることができ、供試体１の微小変形にも追従することができる。このため、連続的で高精度なひずみ制御を行い、供試体１の拘束条件を高い精度で自在に変化させることができる。
【００６４】
また、減速機４０は、図４に示すように、同時に噛み合う歯の枚数が多く（例えば、総歯数の約１０％等）、かつ、カム４４の楕円長軸両端部の近傍の二箇所で噛み合うので、歯のピッチ誤差や累積ピッチ誤差の回転精度への影響を平均化でき、高い位置精度および回転精度を得ることができる。
【００６５】
さらに、弾性体により形成された可撓性外歯車４２の歯４２Ａは、ボールベアリング４５を介してカム４４の楕円長軸両端部により、図４の矢印Ｐの如く剛性内歯車４１の歯４１Ａ側に押圧されているので、これによりバックラッシを、より一層小さくすることができる。
【００６６】
そして、減速機４０は、同時に噛み合う歯の枚数が多く、かつ、弾性体の歯４２Ａを押圧していることから面接触となるため、一枚の歯にかかる力を非常に小さくすることができ、高トルク容量を得ることができる。
【００６７】
また、試験機１０は、精密研削加工を行ったボールねじおよびボールスプラインにより構成されるスプライン付ボールねじ５０を用いることにより、減速機４０の回転出力部４２Ｂから得られる減速後の回転運動を、進退軸５２の直線運動に変換しているので、円滑で安定した送りおよび案内運動を実現できるため、進退軸５２の精度の高い直線運動を、簡易な構造で確実に実現できる。このため、連続的で高精度なひずみ制御を、より一層確実に実現することができる。
【００６８】
さらに、試験機１０は、パルス制御が可能なモータ３０を備えているので、低速回転制御を行うことができるうえ、このモータ３０は、高分解能を有し、高精度な回転位置決めを行うことができる。このため、連続的で高精度なひずみ制御を、より一層確実に実現することができる。
【００６９】
そして、試験機１０は、ギャップセンサ２４を備えているので、第一把持部１２の変位、すなわち供試体１の全体の伸縮量を測定することができるため、供試体１のひずみを測定することができる。また、試験機１０は、ロードセル２３を備えているので、供試体１にかかる荷重を測定することができるため、供試体１の応力を測定することができる。従って、試験機１０は、供試体１の応力とひずみとを独立して測定することができるので、供試体１についての応力−ひずみ線図を測定することができる。このため、コンクリートのひび割れ特性を詳細に調べることができる。
【００７０】
また、試験機１０は、コンピュータ８４等により構成される制御手段８０を備えているので、ギャップセンサ２４の検出信号に基づきモータ３０をフィードバック制御して第一把持部１２の位置を逐次調整し、第一把持部１２の変位を連続的に変化させることができる。このため、供試体１の微小変形にも追従することができ、例えば、供試体１が長時間かけて微小量縮む場合に、供試体１を逐次引っ張って第一把持部１２の位置を一定に保持し、供試体１を完全拘束の状態とする制御等を行うことができる。
【００７１】
さらに、前述した従来の試験装置における拘束棒（図７の鋼棒９３に相当する部分）の長さを温度制御するための温水ヒータも必要ないため、装置の簡易化や小型化を図ることができる。
【００７２】
そして、第一把持部１２に接続された進退棒５２を直線運動させることにより供試体１に荷重をかけることができるので、一点載荷を実現することができ、従来の試験装置で生じていたような装置のねじれにより生じる不都合を回避することができる。
【００７３】
また、試験機１０は、応力とひずみとを独立して測定することができるので、コンクリートのひび割れ特性試験以外の各種材料試験、例えばクリープ試験等にも用いることができ、特に引っ張り荷重をかける場合には、万能試験機として用いることができる。
【００７４】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲内での変形等は本発明に含まれるものである。
【００７５】
すなわち、前記実施形態では、減速機４０を構成するカム４４は、楕円形状を有していたが、これに限定されるものではなく、例えば、外周形状が複数の円弧の組合せ、あるいは円弧と直線との組合せ等により形成されたカムとしてもよい。
【００７６】
また、前記実施形態では、減速機４０は、ハーモニックドライブと呼ばれる調和減速機とされていたが、本発明における減速機は、これに限定されるものではなく、例えば、特開平８−１７７９８６号公報に記載された変速装置等を用いてもよく、要するに、互いに噛み合う歯を有する少なくとも二つの要素を含んで構成され、これらの要素のうちの少なくとも一方に設けられた歯が、弾性体により形成されている減速機であればよい。
【００７７】
さらに、前記実施形態では、減速機４０の回転出力部４２Ｂの回転運動を進退軸５２の直線運動に変換する運動変換手段６５は、スプライン付ボールねじ５０により構成されていたが、本発明における運動変換手段は、これに限定されるものではなく、例えば、カムを用いた運動変換手段等であってもよく、要するに、回転運動を精度よく直線運動に変換できるものであればよい。
【００７８】
【発明の効果】
以上に述べたように本発明によれば、供試体の拘束条件を設定するために、供試体の一方の端部を把持する第一把持部を変位させるにあたり、互いに噛み合う歯を有する少なくとも二つの要素を含んで構成され、これらの要素のうちの少なくとも一方に設けられた歯が、弾性体により形成されている減速機を用いるので、供試体の拘束条件を高い精度で自在に変化させることができ、連続的なひずみ制御を行うことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態のコンクリートのひび割れ特性試験を行うための試験機の全体構成図。
【図２】前記実施形態の試験機の要部の拡大断面図。
【図３】前記実施形態の試験機を構成する減速機の回転中心軸に沿う方向の断面図。
【図４】前記実施形態の試験機を構成する減速機の回転中心軸に直交する断面図。
【図５】前記実施形態の試験機を構成する減速機の分解斜視図。
【図６】前記実施形態の試験機を構成するスプライン付ボールねじの断面図。
【図７】若材齢コンクリートのひび割れ特性試験に用いられる従来の試験装置であるクラッキングフレームの構成図。
【符号の説明】
１供試体
１０試験機
１２第一把持部
１３第二把持部
１４不動部
２３荷重測定手段であるロードセル
２４変位測定手段であるギャップセンサ
３０回転駆動手段であるモータ
３１回転駆動手段の回転出力部である出力フランジ
４０減速機
４１減速機を構成する互いに噛み合う歯を有する二つの要素のうちの一つである剛性内歯車
４２減速機を構成する互いに噛み合う歯を有する二つの要素のうちの一つである可撓性外歯車
４２Ａ弾性体により形成された歯
４２Ｂ減速機の回転出力部
４３波動発生器
５０運動変換手段を構成するスプライン付ボールねじ
５２進退軸
５３ボールねじナット
５４スプラインナット
５５ボールねじ溝
５６ボールスプライン溝
５７ボールねじナット内に形成された通路
５８ボールねじのボール
５９スプラインナット内に形成された通路
６０ボールスプラインのボール
６５運動変換手段
８０制御手段

Claims

コンクリートで形成された供試体の両端部を把持して、収縮する前記供試体を引っ張ることにより前記供試体の拘束条件を一定に保ちながら応力とひずみとの関係を測定するコンクリートのひび割れ特性試験を行う材料試験機であって、
前記供試体の一方の端部を把持する第一把持部と、
前記供試体の他方の端部を把持する第二把持部と、
前記第一把持部に接続されて前記供試体の伸縮に応じて軸方向に沿う直線運動を行う進退軸と、
前記第二把持部に接続された不動部に固定された回転駆動手段と、
この回転駆動手段の回転出力部の回転速度を減速させる減速機と、
この減速機の回転出力部の回転運動を前記進退軸の直線運動に変換する運動変換手段と、
前記第一把持部と前記進退軸との間に設けられた前記供試体の応力測定用の荷重測定手段と、
前記第二把持部に対する前記第一把持部の相対変位をギャップセンサで測定する変位測定手段と、
この変位測定手段の出力信号に基づき前記回転駆動手段を制御して前記供試体の拘束条件を一定に保つ制御を行う制御手段とを備え、
前記減速機は、環状の剛性内歯車と、この剛性内歯車の内側に配置されてこの剛性内歯車と噛み合う弾性体により形成されたコップ状の可撓性外歯車と、この可撓性外歯車の内側に配置された波動発生器とを含んで構成され、
前記運動変換手段は、前記進退軸の外周面に螺旋状に形成されたボールねじ溝と、前記進退軸の外周面に軸方向に沿って形成されたボールスプライン溝と、前記減速機の前記回転出力部と同期回転するボールねじナットと、前記不動部に固定されたスプラインナットとを含んで構成され、
前記ボールねじナット内に形成された通路と、前記ボールねじ溝とにより、ボールねじのボールを循環させる閉路が形成され、
前記スプラインナット内に形成された通路と、前記ボールスプライン溝とにより、ボールスプラインのボールを循環させる閉路が形成されている
ことを特徴とする材料試験機。
請求項１に記載の材料試験機において、前記回転駆動手段は、パルス制御が可能な構成とされていることを特徴とする材料試験機。