(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する負荷部材の一方に、軸受と該軸受に設けられた直線移動する軸とを備えるアクチュエータを配設するとともに、該アクチュエータと他方の負荷部材との間に供試体を配置して、前記アクチュエータの駆動により供試体に繰り返し負荷を与え、そのときの負荷荷重を荷重検出器により検出する材料試験機において、
前記軸に連結され、前記供試体を負荷方向に対して傾けて固定するための固定治具と、
前記固定治具と対向する負荷部材に固定される接続部材と、弾性部材により前記接続部材に接続される可動部材と、前記接続部材と前記可動部材との間に配設され、前記可動部材を負荷方向と垂直に交わる方向に移動させる複数のボールと、を有し、前記複数のボールの各々は、前記可動部材の凹部に凸設された円形のガイド部材内にそれぞれ配置される圧縮負荷治具と、
を備えたことを特徴とする材料試験機。
【請求項２】
請求項１に記載の材料試験機において、
前記弾性部材は、バネである材料試験機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固定治具に固定された供試体に対し、繰り返し負荷を与えることにより耐久性を評価するための疲労・耐久試験を行う材料試験機に関する。
【背景技術】
【０００２】
材料試験機は、基台やクロスヘッドなどから構成される負荷枠に治具を装着し、これら治具により支持された供試体に対して各種負荷を加えるとともに、そのときの荷重をロードセルなどの荷重検出器により検出する構成を有する。このような材料試験機において負荷枠に装着される治具は、試験の目的および供試体の種類に応じて取り換え可能となっている（特許文献１参照）。
【０００３】
図６は、従来の材料試験機における供試体１の固定治具４０と圧縮負荷治具１５０とを示す説明図である。供試体１は、歯科インプラント治療に使用される金属材料から成る人工歯根であり、固定治具４０と圧縮負荷治具１５０は、人工歯根の疲労・耐久試験用治具である。
【０００４】
固定治具４０は、アクチュエータ３１の軸３２の先端に形成されたネジ式の取り付け部３３にナット４３により連結される台座４１と、台座４１上に固設され、供試体１を負荷方向に対して傾けた状態で支持するための固定台４２とを備える。一方、圧縮負荷治具１５０は、図示を省略したクロスヘッドに配設されたロードセル２５に設けられたネジ式の取り付け部２６にジョイント２７を介して接続される継手１５２と、圧盤１５１を備える。継手１５２は、ジョイント２７に連結させるための取り付けボルトが配設されたボール部１５５と、圧盤１５１を接続するホルダ部１５６から構成されている。
【０００５】
疲労・耐久試験を行うときには、圧盤１５１が供試体１の上端に接触する位置までクロスヘッドを移動させる。しかる後、アクチュエータ３１を駆動させて軸３２を上下動させることにより、圧盤１５１に供試体１を繰り返し押し付ける。これにより、供試体１に繰り返し圧縮負荷が与えられる。
【０００６】
供試体１は、図６における紙面縦方向となる負荷方向に対し約３０度の角度をつけて固定台４２に固定されている。そして、供試体１は、圧縮負荷が加えられることにより撓む。こうして、供試体１に曲げ変形が生じたときには、水平方向に分力が生じる。継手１５２がロードセル２５に固定され、台座４１が連結された軸３２が移動する構成となっていることから、水平方向の分力は、この軸３２を支える直動軸受３４が受けることになる。
【０００７】
従来の圧縮負荷治具１５０では、図６に示すように、内面に球面状のすべり面を有する継手１５２を採用している。そして、クロスヘッド側に固定された継手１５２のボール部１５５に対してホルダ部１５６が自在に回動することにより、水平方向の分力を逃がすようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−１９６８８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来の圧縮負荷治具１５０における継手１５２は、負荷方向以外の方向の分力を逃がすには不十分であった。すなわち、供試体１の曲げ変形に伴って継手１５２のホルダ部１５６が回動すると、ホルダ部１５６に接続されている圧盤１５１における供試体１との当接面も傾く。このため、水平方向の分力を逃がしきれず、逃がしきれなかった負荷方向とは異なる方向の分力が、直動軸受３４への負荷となっていた。そして、このような負荷が直動軸受３４の寿命を縮める原因ともなっていた。
【００１０】
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、負荷方向とは異なる方向の分力を逃がし、直線移動する軸を備えたアクチュエータの軸受にかかる負荷を低減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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に記載の発明は、互いに対向する負荷部材の一方に、軸受と該軸受に設けられた直線移動する軸とを備えるアクチュエータを配設するとともに、該アクチュエータと他方の負荷部材との間に供試体を配置して、前記アクチュエータの駆動により供試体に繰り返し負荷を与え、そのときの負荷荷重を荷重検出器により検出する材料試験機において、前記軸に連結され、前記供試体を負荷方向に対して傾けて固定するための固定治具と、前記固定治具と対向する負荷部材に固定される接続部材と、弾性部材により前記接続部材に接続される可動部材と、前記接続部材と前記可動部材との間に配設され、前記可動部材を負荷方向と垂直に交わる方向に移動させる複数のボールと、を有し、前記複数のボールの各々は、前記可動部材の凹部に凸設された円形のガイド部材内にそれぞれ配置される圧縮負荷治具と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記弾性部材は、バネである。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１から請求項３に記載の発明によれば、圧縮負荷治具は、固定治具と対向する負荷部材に固定される接続部材と、弾性部材により接続部材に接続される可動部材と、を有し、接続部材と可動部材との間には摺動部材としての複数のボールが配設されていることから、供試体の曲げ変形に応じて可動部材を負荷方向と垂直に交わる方向に移動させ、負荷方向と垂直に交わる方向に生じる分力を逃がすことができる。これにより、アクチュエータの軸受への負荷を低減することが可能となる。
【００１４】
また、請求項１に記載の発明によれば、摺動部材がボールであることから、供試体が傾いている方向に関係なく、可動部材を移動させることが可能となる。さらに、複数のボールの各々はガイド部材内にそれぞれ配置されることから、互いの距離を一定に保つことができる。
【００１５】
請求項２に記載の発明によれば、弾性部材がバネであることから、供試体に負荷が与えられたときには、水平方向の分力に対して可動部材の移動とともに伸び、供試体への負荷が除荷されたときには、復元力により可動部材を元の位置に戻すことが可能となる。バネの復元力は十分小さく、軸受けに対する影響は無視できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明に係る材料試験機の正面図である。
【図２】この発明に係る材料試験機の側面図である。
【図３】この発明に係る材料試験機の平面図である。
【図４】治具の配設状態を示す説明図である。
【図５】圧縮負荷治具５０の説明図である。
【図６】従来の材料試験機における治具の配設状態を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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、この発明に係る材料試験機の正面図であり、図２は、その側面図、図３は、その平面図である。なお、図１においては、後述する治具等の図示を省略し、図２においては、アクチュエータ３１の図示を省略している。
【００１８】
この材料試験機は、基台１１上に立設された一対の支柱１２と、これらの支柱１２の上端に配設されたヨーク１４と、これらの支柱１２に移動可能に架設されたクロスヘッド１５とを備える。これらの基台１１、一対の支柱１２およびクロスヘッド１５は、供試体に負荷を付与するための負荷枠を構成し、基台１１とクロスヘッド１５は、この発明における負荷部材に相当する。
【００１９】
支柱１２の裏面にはラック１３が付設されており、クロスヘッド１５にはこのラック１３と噛合し、昇降ハンドル１６に連結された図示しないピニオンが配設されている。このため、昇降ハンドル１６を回転させることにより、クロスヘッド１５が一対の支柱１２に沿って昇降する。そして、クロスヘッド１５は、左右一対のクランプハンドル１７を操作することにより、その高さ位置が固定される。
【００２０】
基台１１には、電磁式のアクチュエータ３１が配設されている。アクチュエータ３１は、垂直方向に直線移動（上下動）する軸３２を備え、この軸３２の上端部には、試験の目的に応じた治具が配設される。また、クロスヘッド１５の下部には、ロードセルアダプタ２４、ロードセル２５およびネジ式の取り付け部２６を介して、試験の目的に応じた治具が配設される。なお、この材料試験機では、基台１１にアクチュエータ３１を配設し、クロスヘッド１５にロードセル２５を配設しているが、アクチュエータ３１とロードセル２５の配置は、逆であってもよい。
【００２１】
次に、この材料試験機の治具について説明する。図４は、治具の配設状態を示す説明図である。この図４においては、供試体１としての歯科インプラント治療に使用される金属材料から成る人工歯根の疲労・耐久試験を行う場合の治具が配設されている状態を示している。また、図５は、圧縮負荷治具５０の説明図であり、図５（ａ）は、接続部材５１の底面図であり、図５（ｂ）は、可動部材５５の平面図である。
【００２２】
アクチュエータ３１には、供試体１を固定するための固定治具４０が配設されている。固定治具４０は、台座４１と、供試体１を負荷方向に対して傾けて固定するための固定台４２とを有する。固定治具４０は、アクチュエータ３１の軸３２の先端に設けられたネジ式の取り付け部３３に台座４１を接続し、その外側からナット４３を締結することにより、軸３２に連結される。台座４１には、固定台４２が固設されている。固定台４２は、図４の紙面縦方向である負荷方向に対して約３０度傾斜させた状態で供試体１を支持する。
【００２３】
クロスヘッド１５には、ロードセル２５を介して圧縮負荷治具５０が配設されている。圧縮負荷治具５０は、ロードセル２５に設けられたネジ式の取り付け部２６にジョイント２７を介して固定される接続部材５１と、供試体１に当接する可動部材５５とを有する。可動部材５５は、弾性部材であるバネ５４により接続部材５１に接続される。そして、接続部材５１と可動部材５５との間には、摺動部材であるボール５９が介挿されている。
【００２４】
接続部材５１の側面には、支持棒５２が等間隔に４個配設されており、接続部材５１の下側、すなわち、可動部材５５が接続される側には、凸部５３が形成されている。
【００２５】
可動部材５５の側面には、接続部材５１と同様に支持棒５６が等間隔に４個配設されており、可動部材５５の上側、すなわち、接続部材５１に接続される側には、凹部５７が形成される。この凹部５７には、ボール５９の直径よりやや内径が大きい円形のガイド部５８が凸設されており、このガイド部５８内にボール５９が配置される。ボール５９はガイド部５８に配置されることにより、凹部５７内で移動することなく、互いの距離を一定に保っている。なお、凹部５７に形成されるガイド部５８の数は、ボール５９の大きさや数に応じて適宜変更される。また、ボール５９に替えて、円筒コロを使用することも可能であるが、円筒コロを使用する場合には、供試体１の傾け方向と円筒コロの回転方向との位相が合うように、固定治具４０および圧縮負荷治具５０を取り付けなければならない点に注意が必要となる。
【００２６】
可動部材５５の凹部５７は、接続部材５１の凸部５３の外径よりも大きい内径を有する。このため、ガイド部５８にボール５９を配置した状態で、凹部５７と凸部５３とを組み合わせると、凹部５７と凸部５３との間には隙間が形成される。そして、バネ５４は、接続部材５１に凸設された支持棒５２と可動部材５５に凸設された支持棒５６との間に架け渡されている。したがって、可動部材５５は、バネ５４が伸びる範囲で、負荷方向に垂直に交わる方向である水平方向に、ボール５９を回転させて、移動することが可能となっている。
【００２７】
このような構成を有する材料試験機において、耐久・振動試験を行うときには、オペレータは、固定台４２に供試体１を取り付ける。供試体１は固定台４２に図示を省略したネジにより固定される。次に、オペレータは、昇降ハンドル１６を操作してクロスヘッド１５を、圧縮負荷治具５０の可動部材５５の下面が供試体１に接触する位置にまで下降させた後にクランプハンドル１７を操作して、クロスヘッド１５の高さ位置を固定する。これで、クロスヘッド１５側のネジ式の取り付け部２６の軸心とアクチュエータ３１の軸３２の軸心とを結ぶ同一鉛直線（負荷軸）上に、供試体１の先端中心が配置されたことになる。
【００２８】
供試体１および圧縮負荷治具５０が試験を行う位置に配置されると、試験が開始され、アクチュエータ３１が駆動される。そして、アクチュエータ３１の軸３２が一定ストロークで上下動する。これにより、軸３２に連結された台座４１および台座４１に固定された固定台４２も上下動し、固定台４２に支持されている供試体１の先端が圧縮負荷治具５０の可動部材５５に繰り返し押し付けられる。こうして供試体１に垂直方向の圧縮負荷が繰り返し与えられる。
【００２９】
アクチュエータ３１の軸３２が上に移動し、供試体１の先端が圧縮負荷治具５０の可動部材５５に押し付けられることにより、供試体１に垂直方向の圧縮負荷が与えられると、供試体１は、固定台４２に固定されている部分を支点にして弓なりに曲がる。このように供試体１に曲げ変形が生じると、負荷軸に沿った負荷方向に対して垂直に交わる水平方向に分力が生じる。このとき、この圧縮負荷治具５０では、水平方向の分力に対して、可動部材５５が水平方向に移動し、水平方向の分力を逃がしている。
【００３０】
圧縮負荷治具５０は、上述したように、接続部材５１と可動部材５５を有し、両者はボール５９を挟んで、バネ５４により密着している。このため、可動部材５５は、バネ５４により接続部材５１側に引っ張られた状態で、接続部材５１に対して水平方向に自在に移動可能である。供試体１に負荷が与えられているときには、可動部材５５は、ボール５９が回転することにより、供試体１の曲げ変形に応じて水平方向に移動する。供試体１の曲げ変形時に生じる分力の方向に対して、可動部材５５は柔軟に水平移動するが、このとき、可動部材５５の供試体１との当接面は、負荷方向に対して水平な状態を維持しており、従来の圧盤１５１のように傾いた状態で供試体１を押圧することがない。このように、この圧縮負荷治具５０は、供試体１が変形しても、可動部材５５が供試体１との当接面を傾けることなく水平方向にのみ逃げることができるため、水平方向の分力を逃しつつ、垂直圧縮荷重を供試体１に与え続けることができる。
【００３１】
アクチュエータ３１の軸３２が下に移動し、供試体１に加えられていた負荷が除荷されると、供試体１の弾性域の変形が元に戻ることにより曲げ変形が減少し、可動部材５５は、ボール５９の回転力を利用してバネ５４の復元力により元の位置に戻る。
【００３２】
上述したように、この材料試験機では、繰り返し供試体１に負荷を与えるときに、供試体１の曲げ変形に応じて圧縮負荷治具５０の可動部材５５が移動することから、水平方向の分力を逃がし、アクチュエータ３１の直動軸受３４への負荷を低減することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１      供試体
１１      基台
１２      支柱
１３      ラック
１４      ヨーク
１５      クロスヘッド
１６      昇降ハンドル
１７      クランプハンドル
２４      ロードセルアダプタ
２５      ロードセル
２６      取り付け部
３１      アクチュエータ
３２      軸
３３      取り付け部
３４      直動軸受
４０      固定治具
４１      台座
４２      固定台
４３      ナット
５０      圧縮負荷治具
５１      接続部材
５２      支持棒
５３      凸部
５４      バネ
５５      可動部材
５６      支持棒
５７      凹部
５８      ガイド部
５９      ボール
１５０      圧縮負荷治具
１５１      圧盤
１５２      継手
１５３      ナット
１５５      ボール部
１５６      ホルダ部
【図１】
0006011001.tif 000002
【図２】
0006011001.tif 000003
【図３】
0006011001.tif 000004
【図４】
0006011001.tif 000005
【図５】
0006011001.tif 000006
【図６】
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