JP7180572B2 - 材料試験機 - Google Patents

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Description

この発明は、材料試験機に関する。
試験片に対して三点曲げ試験を行う材料試験機が使用されている（例えば、特許文献１参照）。また、超音波により試験片を共振させて疲労試験を行う超音波疲労試験機が使用されている（例えば、特許文献２参照）。
さらに、近年においては、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）から成る試験片に対して、超音波振動とともに押圧力を付与した状態で三点曲げ試験を実行する材料試験も研究されている（非特許文献１参照）。
特開２０１６－２０８７９号公報 特許第５８８０７３３号公報
Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌｕｍｅ １０６ ９３－９９ 「Ｆａｔｉｇｕｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ ＣＦＲＰ ｉｎ ｔｈｅ Ｖｅｒｙ Ｈｉｇｈ Ｃｙｃｌｅ Ｆａｔｉｇｕｅ（ＶＨＣＦ）ｒｅｇｉｍｅ ａｔ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ」
試験片に対して超音波振動とともに押圧力を付与する場合には、試験片を押圧する圧子、試験片を支持する曲げ支承、あるいは、試験片自体の制作精度により、圧子と試験片の接触面同士が平行とならない場合がある。このような現象が発生した場合には、試験片に対して均一な試験力を負荷することができず、局所的な破壊が発生すること等により、適正な材料試験を行うことができないという問題がある。
この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、試験片に対して適正な試験力を付与することが可能な材料試験機を提供することを目的とする。
この発明の第１の態様は、試験片に対して三点曲げ試験を行う材料試験機であって、前記試験片を支持する支持機構と、超音波発振器に接続され、前記試験片と当接することにより前記試験片に超音波振動を付与する圧子と、前記圧子を前記支持機構により支持された前記試験片に対して押圧する負荷機構と、を備え、前記支持機構は、球面状の凹部または凸部を備えた下部材と、前記下部材における凹部または凸部と対応する形状を有する球面状の凸部または凹部を備えた上部材と、を有する球座と、前記上部材上において前記試験片を支持する支承部と、前記上部材を前記下部材に対して前記球面に沿って摺動させる第１移動部材と、を備える。
この発明の第１の態様によれば、上部材を下部材に対して球面に沿って摺動させることにより、試験片と圧子との配置を適正に調整することができる。これにより、試験片に対して均一で適正な試験力を付与することが可能となる。
この発明の実施形態に係る材料試験機の正面図である。 球座５０および支承部３０の斜視図である。 ベース板１９上に配設された球座５０および支承部３０の平面図である。 支承部３０の正面図である。 支承部３０の平面図である。
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明の実施形態に係る材料試験機の正面図である。
この材料試験機は、基台１１と、この基台１１に対して昇降するクロスヘッド１２とを備える。基台１１に立設された左右一対のカバー１３内には、図示しないモータの駆動により互いに同期して回転するねじ棹が配設されており、クロスヘッド１２の両端に設けられた一対のナットがこれらのねじ棹と螺合している。このため、クロスヘッド１２は、モータの駆動により昇降する。
クロスヘッド１２には、支持枠１５がロードセル１４を介して取り付けられている。この支持枠１５には、超音波発振器２３と、超音波発振器２３により発信された超音波を増幅するホーン２１とが配設されている。このホーン２１の下端部は、試験片１００（後述する図２および図４参照）と当接して試験片１００を押圧することにより、試験片１００に対して超音波振動と試験力とを付与するための圧子２２となっている。圧子２２は、ホーン２１、支持枠１５およびロードセル１４を介してクロスヘッド１２に連結されることになる。
基台１１に固定されたベース板１９上には、球面状の凹部を備えた下部材５１と、この下部材５１における凹部と対応する形状を有する球面状の凸部を備えた上部材５２と、を有する球座５０と、球座５０における上部材５２上に配設された試験片１００を支持するための一対の支点３１を有する支承部３０とが配設されている。これらの球座５０および支承部３０は、試験片１００を支持する支持機構を構成する。
図２は、球座５０および支承部３０の斜視図であり、図３は、ベース板１９上に配設された球座５０および支承部３０の平面図である。
上述したように、球座５０は、球面状の凹部を備えた下部材５１と、この下部材５１における凹部と対応する形状を有する球面状の凸部を備えた上部材５２とから構成される。この球座５０においては、下部材５１に対して上部材５２を摺動させることにより、上部材５２の上面の角度を調整することが可能となる。
なお、上述した実施形態においては、球面状の凹部を備えた下部材５１と、この下部材５１における凹部と対応する形状を有する球面状の凸部を備えた上部材５２とから構成される球座５０を使用しているが、球面状の凸部を備えた下部材と、この下部材における凸部と対応する形状を有する球面状の凹部を備えた上部材とから構成される球座を使用してもよい。
下部材５１には、４個のネジ受け部材５７が、上部材５２を取り囲むように等間隔で配設されている。このネジ受け部材５７と、各々、螺合するネジ５８は、上部材５２に形成された傾斜面５４に対して、傾斜面５４の法線方向を向いて当接する。このため、４本のネジ５８を調整することにより、下部材５１に対して上部材５２を摺動させ、また、下部材５１に対して上部材５２を固定することが可能となる。これらのネジ５８やネジ受け部材５７等は、上部材５２を下部材５１に対してそれらの球面に沿って摺動させる第１移動部材を構成する。
ベース板１９には、４個のネジ受け部材５５が、下部材５１を取り囲むように等間隔で配設されている。このネジ受け部材５５と、各々、螺合するネジ５６は、下部材５１に形成された鉛直方向を向く面５３に対して、水平方向から当接する。このため、４本のネジ５６を調整することにより、ベース板１９上で下部材５１を水平方向に移動させることができる。なお、圧子２２による試験片１００への押圧方向、すなわち、試験力の付加方向は鉛直方向を向くことから、下部材５１は、試験片１００への押圧方向と直交する平面内において移動することになる。これらのネジ５６やネジ受け部材５５等は、球座５０を、試験片１００に対する押圧方向と直交する平面内において移動させる第２移動部材を構成する。
図４は、支承部３０の正面図であり、図５は、支承部３０の平面図である。なお、図４においては、ネジ５６およびネジ５８の図示を省略している。
この支承部３０は、上部材５２上において試験片１００を一対の支点３１により支持するためのものである。図２、図４および図５に示すように、この支承部３０は、球座５０における上部材５２の上面に固定された基部３２を備える。この基部３２には溝部４２が形成されており、一対の支点３１は、この溝部４２内にその一部が配置され、溝部４２に沿って移動可能となっている。一対の支点３１の側方には、一端にツマミ３６を有するネジ棒３５が配設されている。また、一対の支点３１のネジ棒３５とは逆側の側方には、一対の支点３１間の距離を確認するためのゲージ４１が配設されている。
ネジ棒３５は、一対の軸受部３７に支持されて回転可能となっている。ネジ棒３５には、互いに逆ネジとなる第１ネジ領域３３と第２ネジ領域３４が形成されている。第１ネジ領域３３は、一方の支点３１に連結された連結部材３８と螺合している。一方、第２ネジ領域３４は、他方の支点３１に連結された連結部材３９と螺合している。これにより、オペレータがツマミ３６を回転させることで、一対の支点３１が互いに近接する方向に移動し、あるいは、互いに離隔する方向に移動する。ネジ棒３５や連結部材３８、３９等は、一対の支点３１を近接または離隔する方向に移動させる第３移動部材を構成する。
次に、以上のような構成を有する材料試験機において、試験片１００に対して超音波振動とともに押圧力を付与した状態で三点曲げ試験を実行するときの動作について説明する。なお、この実施形態においては、試験片１００として、炭素繊維強化プラスチックが使用されている。
試験を開始するときには、最初に、ツマミ３６を回転させて一対の支点３１間の距離を調整した後、一対の支点３１上に試験片１００を載置する。また、球座５０における上部材５２を取り囲む４本のネジ５８を調整することにより、下部材５１に対して上部材５２を摺動させ、上部材５２の上面の角度を調整する。この時には、４本のネジ５８のうち、対向する一方のネジ５８を緩め、他方のネジ５８を締める。これにより、一対の支点３１上に載置された試験片１００の表面と圧子２２から試験片１００に付与される試験力の方向とがなす角度が、所定の角度（通常は９０度）となるように調整される。
次に、球座５０における下部材５１を取り囲む４本のネジ５６を調整することにより、ベース板１９上で下部材５１を移動させる。この時には、４本のネジ５６のうち、対向する一方のネジ５６を緩め、他方のネジ５６を締める。これにより、試験片１００と圧子２２とが当接する位置を、圧子２２による試験片１００への試験力の付加方向と直交する平面内において、材料試験を行うために適した位置に調整される。
この状態において、図示しないモータの駆動によりクロスヘッド１２を下降させ、圧子２２により試験片１００を押圧する。試験片１００に対する試験力はロードセル１４により測定される。試験片１００に対して予め設定された試験力が負荷された状態で、超音波発振器２３から超音波を発振させる。超音波発振器２３により発信された超音波は、ホーン２１により増幅される。なお、ホーン２１は、超音波発振器２３から発振される超音波における定常波の腹の位置が圧子２２の下端部に配置されるように設計されている。これにより、試験片１００に対して、押圧力が負荷され、かつ、超音波振動が付与された状態で、三点曲げ試験が実行される。
なお、上述した実施形態においては、支承部３０として一対の支点３１により試験片１００を支持する構成のものを使用して三点曲げ試験を実行する場合について説明したが、支承部３０の構成を変更し、試験片１００に対して四点曲げ試験や片持ち曲げ試験を実行するようにしてもよい。
上述した例示的な実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。
（第１項）
試験片に対して三点曲げ試験を行う材料試験機であって、前記試験片を支持する支持機構と、超音波発振器に接続され、前記試験片と当接することにより前記試験片に超音波振動を付与する圧子と、前記圧子を前記支持機構により支持された前記試験片に対して押圧する負荷機構と、を備え、前記支持機構は、球面状の凹部または凸部を備えた下部材と、前記下部材における凹部または凸部と対応する形状を有する球面状の凸部または凹部を備えた上部材と、を有する球座と、前記上部材上において前記試験片を支持する支承部と、
前記上部材を前記下部材に対して前記球面に沿って摺動させる第１移動部材と、を備える材料試験機。
第１項に記載の材料試験機によれば、上部材を下部材に対して球面に沿って摺動させることにより、試験片と圧子との配置を適正に調整することができる。これにより、試験片に対して均一で適正な試験力を付与することが可能となる。
（第２項）
第１項に記載の材料試験機において、前記球座を、前記負荷機構による前記試験片への押圧方向と直交する平面内において移動させる第２移動部材をさらに備える材料試験機。
第２項に記載の材料試験機によれば、試験片に対する試験力の付与位置を調整することが可能となる。このため、球座による調整で試験片の位置が移動した場合においても、試験力の付与位置を適正な位置とすることが可能となる。
（第３項）
第１項または第２項に記載の材料試験機において、前記支承部は、互いに離隔した位置で前記試験片を支持する一対の支点と前記一対の支点を近接または離隔する方向に移動させる第３移動部材と、を備える材料試験機。
第３項に記載の材料試験機によれば、一対の支点間の距離を調整して三点曲げ試験を適性に実行することが可能となる。
（第４項）
第１項から第３項のいずれかに記載の材料試験機において、前記支持機構に対して昇降するクロスヘッドを備え、前記圧子は、前記超音波発振器により発振された超音波を増幅するホーンを介して前記クロスヘッドに連結される材料試験機。
第４項に記載の材料試験機によれば、クロスヘッドの移動により試験片に適正な試験力を付与しながら材料試験を実行することが可能となる。
なお、上述した記載はこの発明の実施形態の説明のためのものであり、この発明を限定するものではない。
１１ 基台
１２ クロスヘッド
１４ ロードセル
１５ 支持枠
１９ ベース板
２１ ホーン
２２ 圧子
２３ 超音波発振器
３０ 支承部
３１ 支点
３２ 基部
３５ ネジ棒
３６ ツマミ
３８ 連結部材
３９ 連結部材
５０ 球座
５１ 下部材
５２ 上部材
５３ 面
５４ 傾斜面
５５ ネジ受け部材
５６ ネジ
５７ ネジ受け部材
５８ ネジ
１００ 試験片

Claims (4)

  1. 試験片に対して三点曲げ試験を行う材料試験機であって、
    前記試験片を支持する支持機構と、
    超音波発振器に接続され、前記試験片と当接することにより前記試験片に超音波振動を付与する圧子と、
    前記圧子を前記支持機構により支持された前記試験片に対して押圧する負荷機構と、
    を備え、
    前記支持機構は、
    球面状の凹部または凸部を備えた下部材と、前記下部材における凹部または凸部と対応する形状を有する球面状の凸部または凹部を備えた上部材と、を有する球座と、
    前記上部材上において前記試験片を支持する支承部と、
    前記上部材を前記下部材に対して前記球面に沿って摺動させる第１移動部材と、
    を備える材料試験機。
  2. 請求項１に記載の材料試験機において、
    前記球座を、前記負荷機構による前記試験片への押圧方向と直交する平面内において移動させる第２移動部材をさらに備える材料試験機。
  3. 請求項１または請求項２に記載の材料試験機において、
    前記支承部は、
    互いに離隔した位置で前記試験片を支持する一対の支点と
    前記一対の支点を近接または離隔する方向に移動させる第３移動部材と、
    を備える材料試験機。
  4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の材料試験機において、
    前記支持機構に対して昇降するクロスヘッドを備え、
    前記圧子は、前記超音波発振器により発振された超音波を増幅するホーンを介して前記クロスヘッドに連結される材料試験機。
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