JP6309885B2 - 引張試験装置及び引張試験方法 - Google Patents

Description

本発明は、引張試験装置及び引張試験方法の技術に関する。

引張試験装置は、引張試験を実施する装置として公知である（例えば、特許文献１）。引張試験とは、試験片に引張荷重を加え、応力とひずみとの関係を測定し、試験片の弾性率、弾性限度、比例限度、降伏点又は引張強さ等を求める材料試験である。

特許文献１に開示されるような従来の引張試験装置では、試験片の超弾性特性と粘弾性特性とをそれぞれ個別の試験装置によって測定していた。例えば、試験片の超弾性特性は、試験片にゆっくりとした速度で大ひずみを発生させるオートグラフ又は万能試験機等によって測定されていた。一方、試験片の粘弾性特性は、試験片に加振速度が大きく小さい振幅を作用させる動的粘弾性測定装置等によって測定されていた。

しかし、引張試験の試験効率の観点からも、試験片の超弾性特性と粘弾性特性とを同時に測定することが望まれている。ここで、試験片の超弾性特性と粘弾性特性とを同時に測定するには、試験片を所定の位置まで高速で引っ張った後に停止させ、前記試験片に所定のひずみが生じた状態で保持して応力の緩和を測定する必要がある。

特開２００６−１７０９５９号公報

本発明の解決しようとする課題は、超弾性特性と粘弾性特性とを同時に測定することができる引張試験装置及び引張試験方法を提供することである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、試験片の両端を把持する一対の把持具と、一方の該把持具に連結可能なロッドと、該ロッドと前記一方の把持具との間に介される助走機構と、該ロッドを所定方向に移動させるリニアモーターと、を備え、前記ロッドにより前記一方の把持具が前記試験片の引っ張り方向へ移動される引張試験装置であって、前記助走機構は、前記一方の把持具と接続され、前記ロッドの移動方向に移動可能なガイドと、前記ガイドに設けられる掛止部と、前記ロッドに設けられ、前記掛止部に掛止可能である被掛止部と、を備え、前記ガイドは、前記ロッドに対して相対的に移動可能であり、前記被掛止部が前記掛止部に掛止されることで、前記ガイドと前記ロッドとの相対的な移動が制限されて、前記ガイドと前記ロッドとが一体的に移動可能となり、前記引張試験装置には、一方の前記把持具の引っ張り方向への移動範囲の終端部に、前記把持具の停止時に発生する衝撃を吸収する停止補助機構が設けられるものである。

請求項２においては、請求項１記載の引張試験装置であって、前記試験片の画像を撮影する撮影機構を備えるものである。

請求項３においては、試験片の両端を把持する一対の把持具と、一方の該把持具に連結可能なロッドと、該ロッドと前記一方の把持具との間に介される助走機構と、該ロッドを所定方向に移動させるリニアモーターと、を備え、前記ロッドにより前記一方の把持具が前記試験片の引っ張り方向へ移動される引張試験装置の引張試験方法であって、前記助走機構は、前記一方の把持具と接続され、前記ロッドの移動方向に移動可能なガイドと、前記ガイドに設けられる掛止部と、前記ロッドに設けられ、前記掛止部に掛止可能である被掛止部と、を備え、前記リニアモーターを駆動することによって、前記ロッドを移動方向に加速させ、前記被掛止部を前記掛止部に掛止させ、前記リニアモーターを駆動することによって、前記試験片、前記一方の把持具、前記ガイド及び前記ロッドを移動方向に加速させ、前記リニアモーターを駆動することによって、前記試験片、前記一方の把持具、前記ガイド及び前記ロッドを移動方向に一定の速度にて移動させ、前記リニアモーターを停止することによって、前記試験片、前記一方の把持具、前記ガイド及び前記ロッドを停止させるものである。

請求項４においては、請求項３記載の引張試験方法であって、前記試験片の画像を撮影するものである。

本発明の引張試験装置及び引張試験方法によれば、超弾性特性と粘弾性特性とを同時に測定することができる。

引張試験装置の全体構成を示す模式図。 引張試験装置の作用を示す模式図。 引張試験装置による計測方法の一例を示すグラフ図。

図１を用いて、引張試験装置１００の構成について説明する。
なお、図１では、引張試験装置１００の構成を側面視にて模式的に表している。また、以下では、図１に示される上下方向に従って説明するものとする。

引張試験装置１００は、本発明の引張試験装置に係る実施形態である。引張試験装置１００は、引張試験を実施する装置である。引張試験とは、試験片Ｔに引張荷重を加え、応力とひずみとの関係を測定し、試験片Ｔの弾性率、弾性限度、比例限度、降伏点又は引張強さ等を求める材料試験である。

引張試験装置１００は、本体１０と、試験片Ｔを把持する一対の把持具としての上側チャック２１及び下側チャック２２と、助走機構３０と、移動機構４０と、コントローラ５０と、停止補助機構６０と、を具備している。

本体１０は、助走機構３０及び移動機構４０等を支持するものである。本体１０は、ベース１１と、下側プレート１２と、レール１３と、上側プレート１４と、を具備している。

下側プレート１２は、ベース１１に載置されている。下側プレート１２の下面側には、リニアモーター４２が設けられている。下側プレート１２の上面側には、停止補助機構６０が設けられるとともに、レール１３・１３が立設されている。下側プレート１２の中央部には、ロッド４１が貫通されている。

レール１３・１３は、後述するガイド３５を、ロッド４１の移動方向である上下方向に摺動自在に支持している。レール１３・１３の上端側には、上側プレート１４が固設されている。上側プレート１４の下面側には、後述する上側チャック２１が固設されている。

上側チャック２１及び下側チャック２２は、試験片Ｔの上下方向の両端側をそれぞれ把持するものである。上側チャック２１及び下側チャック２２は、それぞれ上下方向に対向して配置されている。下側チャック２２は、後述する助走機構３０のフレーム３６に固設されている。

助走機構３０は、試験片Ｔに対して、下側チャック２２が所定速度で移動することにより生じる引張荷重を作用させるため、被掛止部４３がガイド３５に当接する前に、ロッド４１を所定速度にまで加速させる（助走させる）機構である。助走機構３０は、ガイド３５と、掛止部３７と、被掛止部４３とを具備している。

ガイド３５は、下側チャック２２と連動するように、フレーム３６を介して下側チャック２２の下端部に接続されている。ガイド３５には、後述するロッド４１が相対的に上下方向（ロッド４１の移動方向）へ移動可能に貫通している。ガイド３５は、レール１３によって上下方向に摺動可能に支持されている。

ガイド３５の上側には、フレーム３６が形成されるとともに、掛止部３７が取り付けられている。被掛止部４３は、ロッド４１の上端部に固定されている。

フレーム３６は、掛止部３７および被掛止部４３を収容可能な空間を有しており、前記空間内では被掛止部４３が上下方向に移動可能となっている。被掛止部４３は、上方に移動した状態ではガイド３５から離間しており、下方に移動した状態ではガイド３５に当接する。

フレーム３６の上面には、下側チャック２２が接続されている。掛止部３７は、被掛止部４３に掛止可能に構成されている。掛止部３７は、上方に移動してガイド３５と離間している状態では被掛止部４３との掛止が開放され、下方に移動して被掛止部４３がガイド３５に当接している状態では被掛止部４３と掛止されるように構成されている。

掛止部３７が被掛止部４３に掛止されている状態では、ガイド３５とロッド４１との相対的な移動が制限され、ガイド３５とロッド４１とが一体的に移動することとなる。

移動機構４０は、ロッド４１と、リニアモーター４２と、を具備している。

ロッド４１は、リニアモーター４２の駆動によって上下方向に移動されるものである。ロッド４１は、ガイド３５と、下側プレート１２と、を貫通して配置されている。ロッド４１の上端側には被掛止部４３が接続されている。

リニアモーター４２は、ロッド４１を上下方向に移動させるものである。リニアモーター４２は、ムービングマグネット形式のリニアモーターとされ、ロッド４１に設けられたムービングマグネット（図示略）と、ムービングマグネットとクリアランスを設けて配置されるリニアモーターコイルとが協同することによって、ロッド４１を上下方向に移動させるものである。リニアモーター４２は、コントローラ５０に接続されている。

停止補助機構６０は、ガイド３５の停止を補助する機構である。停止補助機構６０は、下方に移動するガイド３５の停止位置の若干手前（上側）でガイド３５と当接するように配置されている。停止補助機構６０は、アブソーバーによって構成され、ガイド３５の停止時の衝撃を吸収している。

つまり、引張試験装置１００においては、ガイド３５と一体的に移動する下側チャック２２の引っ張り方向への移動範囲の終端部に、下側チャック２２の停止時に発生する衝撃を吸収する停止補助機構６０が設けられている。

コントローラ５０は、リニアモーター４２の駆動を制御するものである。コントローラ５０は、リニアモーター４２を駆動制御して、ロッド４１を上下方向に移動させる機能を有している。リニアモーター４２は、計測コントローラ５５に接続されている。

計測コントローラ５５は、ロードセル５９等の計測機器が取得した計測情報を処理するものである。計測コントローラ５５は、コントローラ５０と、撮影機構としての高速度カメラ５６と、サーモグラフィ５７と、変位センサー５８と、ロードセル５９と、に接続されている。

高速度カメラ５６は、試験片Ｔの画像を取得するものである。サーモグラフィ５７は、試験片Ｔの温度分布を測定するものである。変位センサー５８は、試験片Ｔの変位を計測するものである。ロードセル５９は、試験片Ｔに作用する荷重を測定するものである。

計測コントローラ５５は、高速度カメラ５６の撮影タイミングを変更する機能を有している。また、計測コントローラ５５は、高速度カメラ５６の撮影タイミングに同期させて、サーモグラフィ５７によって試験片Ｔの温度分布、変位センサー５８によって試験片Ｔの変位、ロードセル５９によって試験片Ｔに作用する荷重を取得する機能を有している。

図２を用いて、引張試験装置１００の作用について説明する。
なお、図２では、引張試験装置１００の作用を側面視にて模式的に表している。また、図２では、引張試験装置１００の作用を段階的に（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）の順で表している。

図２（Ａ）に示すように、引張試験の開始時における引張試験装置１００では、試験片Ｔの両端が上側チャック２１と下側チャック２２とによって把持されている。このとき、ロッド４１は、被掛止部４３がガイド３５から離間する位置にて保持されている。

この状態から、コントローラ５０によってリニアモーター４２が駆動されて、ロッド４１が下方に向けて移動される。ロッド４１の移動速度は、移動開始時から増加していき、所定速度まで加速される。

図２（Ｂ）に示すように、引張試験装置１００では、ロッド４１が前記所定速度に到達した時点で、被掛止部４３がガイド３５に当接し、被掛止部４３が掛止部３７に掛止される。ここで、ロッド４１が前記所定速度まで加速される区間を助走区間とする。

図２（Ｃ）に示すように、引張試験装置１００では、コントローラ５０によってリニアモーター４２が駆動されてロッド４１がさらに下方に向けて移動される。

このとき、被掛止部４３が掛止部３７に掛止されることにより、下側チャック２２及びガイド３５がロッド４１に連結されるため、下側チャック２２及びガイド３５とロッド４１とが一体的に下方に移動し、試験片Ｔが下側チャック２２により下方に引っ張られることになる。つまり、被掛止部４３が掛止部３７に掛止された後は、ロッド４１により下側チャック２２が試験片Ｔの引っ張り方向へ移動される。

さらに、被掛止部４３がガイド３５に当接した後のロッド４１移動速度は、被掛止部４３がガイド３５に当接した時点での前記所定速度からさらに加速されて最高速度に達し、その後ロッド４１は一定の速度にて移動する。

図２（Ｄ）に示すように、引張試験装置１００では、コントローラ５０によるリニアモーターの停止によりロッド４１が停止される。このとき、ガイド３５は、慣性力によってさらに下方に移動しようとするものの、被掛止部４３が掛止部３７に掛止されているため、ロッド４１と共に停止することになる。

また、停止補助機構６０がガイド３５の停止位置の若干手前で配置されているため、ロッド４１が停止する直前にてガイド３５が停止補助機構６０に当接し、ガイド３５の停止時の衝撃が吸収されることになる。

引張試験装置１００の効果について説明する。
引張試験装置１００によれば、超弾性特性と粘弾性特性とを同時に測定することができる。

すなわち、引張試験装置１００によれば、ムービングマグネットタイプのリニアモーター４２を用いて、モーターの駆動部であるロッド４１の軽量化を実現することによって高速引張性能を向上できる。また、加速時には、助走機構３０によって、下側チャック２２による試験片Ｔの引っ張り開始からロッド４１移動速度が最高速度に到達するまでの加速時間を低減することができ、下側チャック２２が一定の最高速度にて移動する区間を増加させて、引張試験装置１００の高速引張性能を向上できる。

また、引張試験装置１００によれば、掛止部３７によってガイド３５等の慣性力による停止位置のオーバーシュートを低減して、下側チャック２２を任意の位置にて停止することができる。さらに、引張試験装置１００によれば、停止補助機構６０によって停止時の衝撃を吸収して、ガイド３５等の停止位置のオーバーシュートを低減することができる。

そのため、リニアモーター４２単体によって下側チャック２２を停止位置に停止させる構成と比較して、掛止部３７、停止補助機構６０及びリニアモーター４２を用いて下側チャック２２を停止させる構成では、下側チャック２２を停止するまでの時間を短くすることができる。

このようにして、引張試験装置１００によれば、試験片Ｔを高速で引っ張って任意の位置で停止することによって、試験片Ｔを高速で引っ張って、試験片Ｔに所定のひずみが生じた状態で、試験片Ｔを保持して応力の緩和を測定することができる。そのため、試験片Ｔの超弾性特性と粘弾性特性とを同時に測定することができる。

図３を用いて、引張試験装置１００による計測方法の一例について説明する。
なお、図３では、引張試験装置１００による計測方法の一例を、試験片Ｔの応力変化のグラフによって表している。

図３に示すように、試験片Ｔにおいては、引張試験装置１００によって引っ張られている間は、試験片Ｔに生じる応力が増加し、その後、試験片Ｔが引張試験装置１００によって所定の引っ張り量で保持されている間は試験片Ｔに生じている応力が緩和されていく。

このとき、引張試験装置１００では、計測コントローラ５５によって高速度カメラ５６の撮影タイミングを変化させて試験片Ｔの画像を取得する。引張試験装置１００では、試験片Ｔが引っ張られて応力が増加している間は、高速で撮影し（５０００コマ／ｓ）、その後に試験片Ｔが保持されて応力が緩和している間は、徐々に撮影速度を低下させる（５００コマ／ｓから１００コマ／ｓ）。

このようにして、引張試験装置１００によれば、引張時の撮影速度を落とすことなく、引張試験全体での画像データ量を大幅に削減することができる。

また、引張試験装置１００は、計測コントローラ５５によって高速度カメラ５６の撮影タイミングと同期させて、サーモグラフィ５７によって試験片Ｔの温度分布を取得し、変位センサー５８によって試験片Ｔの変位を取得し、ロードセル５９によって試験片Ｔに作用する荷重を取得する。

２１ 上側チャック
２２ 下側チャック
３０ 助走機構
３５ ガイド
３６ フレーム
３７ 掛止部
４０ 移動機構
４１ ロッド
４２ リニアモーター
４３ 被掛止部
５０ コントローラ
５５ 計測コントローラ
６０ 停止補助機構
１００ 引張試験装置

Claims (4)

1. 試験片の両端を把持する一対の把持具と、一方の該把持具に連結可能なロッドと、該ロッドと前記一方の把持具との間に介される助走機構と、該ロッドを所定方向に移動させるリニアモーターと、を備え、前記ロッドにより前記一方の把持具が前記試験片の引っ張り方向へ移動される引張試験装置であって、
   前記助走機構は、
   前記一方の把持具と接続され、前記ロッドの移動方向に移動可能なガイドと、
   前記ガイドに設けられる掛止部と、
   前記ロッドに設けられ、前記掛止部に掛止可能である被掛止部と、を備え、
   前記ガイドは、前記ロッドに対して相対的に移動可能であり、
   前記被掛止部が前記掛止部に掛止されることで、前記ガイドと前記ロッドとの相対的な移動が制限されて、前記ガイドと前記ロッドとが一体的に移動可能となり、
   前記引張試験装置には、
   一方の前記把持具の引っ張り方向への移動範囲の終端部に、前記把持具の停止時に発生する衝撃を吸収する停止補助機構が設けられる、
   引張試験装置。
2. 請求項１記載の引張試験装置であって、
   前記試験片の画像を撮影する撮影機構を備える、
   引張試験装置。
3. 試験片の両端を把持する一対の把持具と、一方の該把持具に連結可能なロッドと、該ロッドと前記一方の把持具との間に介される助走機構と、該ロッドを所定方向に移動させるリニアモーターと、を備え、前記ロッドにより前記一方の把持具が前記試験片の引っ張り方向へ移動される引張試験装置の引張試験方法であって、
   前記助走機構は、
   前記一方の把持具と接続され、前記ロッドの移動方向に移動可能なガイドと、
   前記ガイドに設けられる掛止部と、
   前記ロッドに設けられ、前記掛止部に掛止可能である被掛止部と、を備え、
   前記リニアモーターを駆動することによって、前記ロッドを移動方向に加速させ、
   前記被掛止部を前記掛止部に掛止させ、
   前記リニアモーターを駆動することによって、前記試験片、前記一方の把持具、前記ガイド及び前記ロッドを移動方向に加速させ、
   前記リニアモーターを駆動することによって、前記試験片、前記一方の把持具、前記ガイド及び前記ロッドを移動方向に一定の速度にて移動させ、
   前記リニアモーターを停止することによって、前記試験片、前記一方の把持具、前記ガイド及び前記ロッドを停止させる、
   引張試験方法。
4. 請求項３記載の引張試験方法であって、
   前記試験片の画像を撮影する、
   引張試験方法。

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