(57)【要約】【課題】  ボールねじの駆動で試験力を繰り返し付与する場合においても、装置の寿命をより長くすることが可能な材料試験機を提供する。【解決手段】  ねじ軸１３、１４における同じ領域を利用して第２支持部１２を所定回数だけ往復移動させた時には、第１支持部２２と第２支持部１２とを、往復移動距離以上の距離だけ同方向に移動させる。これにより、ボールねじにおけるねじ軸１３、１４とボールとの接触領域が、既に繰り返し接触した領域とは異なる領域となり、ねじ軸１３、１４における所定の領域が疲労限界となることを遅延させることが可能となる。【選択図】        図１
2015004631.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験片の両端を第１チャックおよび第２チャックにより把持するとともに、前記第２チャックを前記第１チャックに対して微小距離往復移動させることにより、前記試験片に対して試験力を繰り返して付与して疲労試験を行う材料試験機であって、
前記第１チャックを支持する第１支持部と、
前記第１支持部を、前記第１チャックと前記第２チャックとを結ぶ試験力の付与方向と平行な方向に移動させる移動機構と、
前記第２チャックを支持する第２支持部と、
前記試験力の付与方向と平行な方向に向けて配設されモータの駆動により回転するねじ軸と、前記第２支持部に配設され前記ねじ軸と螺合するナットと、前記ねじ軸と前記ナットとの間に配設される複数のボールとを備えるボールねじと、
前記モータによる前記ねじ軸の回転を制御することにより、前記試験片に対して試験力を繰り返して付与するときの前記ねじ軸と前記ボールとの当接位置を変更する当接位置制御部と、
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、
前記当接位置制御部は、
前記ボールねじにおける前記ねじ軸を中心として配設された複数のボールの間の領域で、前記ねじ軸と前記ボールとの当接位置を変化させる第１当接位置変更動作と、
前記ボールねじにおける前記ナットの前記ねじ軸の軸心と平行な方向のサイズ以上の距離だけ、前記ナットを前記ねじ軸の軸心方向に移動させることにより、前記ねじ軸と前記ボールとの当接位置を変化させる第２当接位置変更動作と、
を実行する材料試験機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、試験片に対して試験力を繰り返して付与して疲労試験を行う材料試験機に関する。
【背景技術】
【０００２】
このような材料試験機としては、試験片の両端を上チャックと下チャックにより把持し、上チャックまたは下チャックのいずれか一方を他方に対して微小距離往復移動させることにより、試験片に対して試験力を繰り返して付与する構成を有する。そして、上チャックまたは下チャックのいずれか一方を他方に対して微小距離往復移動させるための駆動源としては、従来、油圧シリンダが使用されている。
【０００３】
しかしながら、油圧シリンダを使用するためには、装置本体とは別に、高価な油圧源を設置する必要がある。また、この油圧源は、油圧を一定に維持するために常に稼働させておく必要があることから、省エネルギーの要請に反するものであり、油圧装置の稼働に伴い環境を汚染する可能性がある。さらには、油圧源のための大きな設置スペースが必要となるという問題も生ずる。
【０００４】
一方、引張試験や圧縮試験を行う材料試験機においては、油圧シリンダのかわりにモータを駆動源とするものも使用されている。このような材料試験機は、試験片の下端部を把持するための下つかみ具が付設されたテーブルと、このテーブル上に鉛直方向を向く状態で回転可能に立設された一対のねじ軸と、試験片の上端部を把持するための上つかみ具が付設され、ねじ軸に沿って移動可能なクロスヘッドとを備える。クロスヘッドは、一対のねじ軸に対してナットを介して連結されている。また、各ねじ軸の下端部には、モータに連結された減速機等を有する駆動伝達機構が配設されており、一対のねじ軸はモータの駆動により互いに同期して回転する。このような構成を有する材料試験機により引張試験や圧縮試験を行う場合においては、試験片の両端部を上つかみ具および下つかみ具により把持した状態で、モータの駆動により一対のねじ軸を回転させてクロスヘッドを昇降させることにより、試験片に試験力（引張荷重または圧縮荷重）を負荷する（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−４２２６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載されたようなモータによりねじ軸を回転させることによりクロスヘッドを移動させて試験片に試験力を付与する材料試験機は、油圧源が必要ないことから、装置コストや設置スペースを低減することができるとともに、省エネルギーの要請と環境保護の要請に対応することが可能となるものではあるが、このような材料試験機を、試験片に対して試験力を繰り返して付与することにより試験片の疲労試験を行う疲労試験に使用した場合においては、装置の寿命が短くなるという問題が生ずる。
【０００７】
すなわち、試験片に対して試験力を繰り返して付与することにより試験片の疲労試験を行う材料試験機においては、例えば数μｍ程度の小さな範囲においてクロスヘッドを数百万回繰り返して往復移動させる必要があることから、ねじ軸を利用した材料試験機を疲労試験に使用した場合においては、ボールねじにおけるねじ軸の同一領域が繰り返しボールと接触することになり、その領域が短時間で使用限界に到達してしまうという問題が生ずる。
【０００８】
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、ボールねじの駆動で試験力を繰り返し付与する場合においても、装置の寿命をより長く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】
【０００９】
請求項１に記載の発明は、試験片の両端を第１チャックおよび第２チャックにより把持するとともに、前記第２チャックを前記第１チャックに対して微小距離往復移動させることにより、前記試験片に対して試験力を繰り返して付与して疲労試験を行う材料試験機であって、前記第１チャックを支持する第１支持部と、前記第１支持部を、前記第１チャックと前記第２チャックとを結ぶ試験力の付与方向と平行な方向に移動させる移動機構と、前記第２チャックを支持する第２支持部と、前記試験力の付与方向と平行な方向に向けて配設されモータの駆動により回転するねじ軸と、前記第２支持部に配設され前記ねじ軸と螺合するナットと、前記ねじ軸と前記ナットとの間に配設される複数のボールとを備えるボールねじと、前記モータによる前記ねじ軸の回転を制御することにより、前記試験片に対して試験力を繰り返して付与するときの前記ねじ軸と前記ボールとの当接位置を変更する当接位置制御部と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
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、前記当接位置制御部は、前記ボールねじにおける前記ねじ軸を中心として配設された複数のボールの間の領域で、前記ねじ軸と前記ボールとの当接位置を変化させる第１当接位置変更動作と、前記ボールねじにおける前記ナットの前記ねじ軸の軸心と平行な方向のサイズ以上の距離だけ、前記ナットを前記ねじ軸の軸心方向に移動させることにより、前記ねじ軸と前記ボールとの当接位置を変化させる第２当接位置変更動作と、を実行する。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に記載の発明によれば、試験片に対して試験力を繰り返して付与するときのねじ軸とボールとの当接位置を変更することにより、ボールねじにおけるねじ軸の同一領域が繰り返しボールと接触することを低減することができる。このため、ボールねじの駆動で試験力を繰り返し付与する場合においても、装置の寿命をより長くすることが可能となる。
【００１２】
請求項２に記載の発明によれば、ボールねじにおけるねじ軸を中心として配設された複数のボールの間の領域と、ボールねじにおけるナットのねじ軸の軸心と平行な方向のサイズ以上の距離離隔した領域との両方を利用して、ボールねじにおけるねじ軸の同一領域が繰り返しボールと接触することを低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の第１実施形態に係る材料試験機の概要図である。
【図２】ねじ軸１３およびナット１５を備えるボールねじの部分縦断面図である。
【図３】ボールねじにおける複数のボール１０の配置を説明するための平面図である。
【図４】制御部６０の機能的構成を示すブロック図である。
【図５】この発明の第２実施形態に係る材料試験機の概要図である。
【図６】この発明の第３実施形態に係る材料試験機の概要図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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、この発明の第１実施形態に係る材料試験機の概要図である。
【００１５】
この材料試験機は、試験片１００の両端を第１チャック２１および第２チャック１１により把持するとともに、第２チャック１１を第１チャック２１に対して微小距離往復移動させることにより、試験片１００に対して試験力を繰り返して付与して疲労試験を行うものである。この材料試験機は、第１チャック２１を支持する第１支持部２２と、第２チャック１１を支持する第２支持部１２と、第１支持部２２および第２支持部１２の駆動機構３０とを備える。
【００１６】
第１支持部２２は、一対のナット２５、２６と、第１チャック２１と第２チャック１１とを結ぶ試験力の付与方向と平行な方向に向けて配設された一対のねじ軸２３、２４を備えるボールねじの作用により、試験力の付与方向と平行な方向に移動可能となっている。すなわち、第１支持部２２の両端には、一対のナット２５、２６が内蔵されている。これらの一対のナット２５、２６には、左右一対のねじ軸２３、２４が、各々、螺号している。ねじ軸２３に配設されたプーリ３７とねじ軸２４に配設されたプーリ３８とは、ベルト３９により連結されている。また、ねじ軸２４に配設されたプーリ４０は、モータ４３の回転軸に配設されたプーリ４１と、ベルト４６により連結されている。さらに、ねじ軸２４の下端部には、ロータリエンコーダ等のねじ軸２４の回転位置検出器４５が配設されている。モータ４３の駆動により、一対のねじ軸２３、２４が同期して回転した場合には、第１支持部２２は第１チャック２１とともに昇降する。そして、そのときのねじ軸２４の回転角度位置は、回転位置検出器４５により検出され、その位置情報が制御部６０に送信される。
【００１７】
第２支持部１２は、一対のナット１５、１６と、一対のねじ軸１３、１４を備えるボールねじの作用により、第１チャック２１と第２チャック１１とを結ぶ試験力の付与方向と平行な方向に移動可能となっている。すなわち、第２支持部１２の両端には、一対のナット１５、１６が内蔵されている。これらの一対のナット１５、１６には、左右一対のねじ軸１３、１４が、各々、螺号している。ねじ軸１３に配設されたプーリ３１とねじ軸１４に配設されたプーリ３２とは、ベルト３３により連結されている。また、ねじ軸１４に配設されたプーリ３４は、モータ４２の回転軸に配設されたプーリ３５と、ベルト３６により連結されている。さらに、ねじ軸１４の下端部には、ロータリエンコーダ等のねじ軸１４の回転位置検出器４４が配設されている。モータ４２の駆動により、一対のねじ軸１３、１４が同期して回転した場合には、第２支持部１２は第２チャック１１とともに昇降する。そして、そのときのねじ軸１４の回転角度位置は、回転位置検出器４４により検出され、その位置情報が制御部６０に送信される。
【００１８】
図２は、ねじ軸１３およびナット１５を備えるボールねじの部分縦断面図であり、図３は、複数のボール１０の配置を説明するための平面図である。
【００１９】
このボールねじは、ねじ軸１３とナット１５との間に、多数のボール１０を介在させた構成を有する。図３に示すように、多数のボール１０は、ねじ軸１３を中心として一定の角度θ毎に配設されている。なお、図３においては、ボール１０間の角度を誇張して表現している。他のねじ軸１４およびナット１６を備えるボールねじ、ねじ軸２３およびナット２５を備えるボールねじ、ねじ軸２４およびナット２６を備えるボールねじも、図２および図３と同様の構成を有する。
【００２０】
図４は、制御部６０の機能的構成を示すブロック図である。
【００２１】
この材料試験機は、図１に示すように、装置全体を制御する制御部６０を備える。この制御部６０は、モータ４２によるねじ軸１３、１４の回転を制御することにより、試験片１００に対して試験力を繰り返して付与するときのねじ軸１３、１４とボール１０との当接位置を変更する当接位置制御部として機能する。この制御部６０は、機能的構成として、ねじ軸１３、１４とボール１０との当接位置を演算するための位置演算部６１と、ねじ軸１３、１４とボール１０との当接位置を記憶するための記憶部６２とを備える。なお、この制御部６０は、上述した回転位置検出器４４、４５およびモータ４２、４３と接続されている。
【００２２】
以上のような構成を有する材料試験機により疲労試験を実行するときには、第１チャック２１と第２チャック１１の間隔が疲労試験を行うべき試験片１００のサイズと対応する距離となるように、第１支持部２２と第２支持部１２との距離を変更する。このときには、モータ４３の駆動によりねじ軸２３、２４を回転させるとともに、モータ４２の駆動によりねじ軸１３、１４を回転させる。そして、第１チャック２１および第２チャック１１により、試験片１００の両端を把持する。
【００２３】
この状態において、第２チャック１１を第１チャック２１に対して微小距離往復移動させることにより、試験片１００に対して試験力を繰り返して付与する。この場合においては、モータ４２の駆動によりねじ軸１３、１４を正逆方向に微小角度だけ回転させることにより、第２チャック１１を支持する第２支持部１２を微小距離だけ昇降させる。この昇降回数は、例えば、１００万回である。そして、この昇降距離は、一般的には１ｍｍを越えない距離であることが多い。
【００２４】
ここで、例えば、第２支持部１２を第２チャック１１とともに０．０１ｍｍ昇降させるためには、ボールねじのねじ軸１３、１４のリード（１回転で移動する長さ）を５ｍｍとした場合には、ねじ軸１３、１４は［０．０１／５］回転、すなわち、０．７２度の範囲で正逆方向に回転を繰り返すことになる。このため、ねじ軸１３、１４とボール１０とが、０．７２度の範囲内の同一領域で繰り返し接触することになり、ねじ軸１３、１４におけるその領域が短時間で疲労限界となる。
【００２５】
このため、この材料試験機においては、ねじ軸１３、１４における同じ領域を利用して第２支持部１２を所定回数だけ往復移動させた時には、第１支持部２２と第２支持部１２とを、往復移動距離以上の距離だけ同方向に移動させる構成を採用している。このような構成を採用することにより、ねじ軸１３、１４とボール１０との接触領域が、既に繰り返し接触した領域とは異なる領域となり、ねじ軸１３、１４における所定の領域が疲労限界となることを遅延させることが可能となる。
【００２６】
この場合においては、制御部６０における位置演算部６１が、回転位置検出器４４からの信号に基づいて、ねじ軸１３、１４におけるボール１０との接触領域を演算する。そして、制御部６０における記憶部６２が、その接触領域を記憶する。また、位置演算部６１は、ねじ軸１３、１４とボール１０との接触領域を既に繰り返し接触した領域とは異なる領域とするために必要なねじ軸１３、１４、２３、２４の回転角度を演算する。そして、モータ４２、４３の駆動によりねじ軸１３、１４、２３、２４を回転させ、第１支持部２２と第２支持部１２とを必要な距離だけ同方向に移動させる。
【００２７】
なお、この第１支持部２２と第２支持部１２との移動は、一つの試験片１００に対する材料試験中に行ってもよく、あるいは、一つの試験片１００に対する材料試験が終了するたびに行ってもよい。すなわち、一つの試験片１００に対して１００万回の試験力を繰り返して付与する場合に、１０万回の試験力を繰り返して付与する毎に第１支持部２２と第２支持部１２とを移動させてもよく、１００万回の試験力を繰り返して付与して一つの試験片１００に対する疲労試験が終了する毎に第１支持部２２と第２支持部１２とを移動させてもよい。
【００２８】
ところで、図３に示すように、ボールねじにおいては、多数のボール１０は、ねじ軸１３を中心として一定の角度θ毎に配設されている。このため、ねじ軸１３、１４とボール１０との接触領域を既に繰り返し接触した領域とは異なる領域とするために、制御部６０における位置演算部６１がねじ軸１３、１４の回転角度を演算する場合には、その領域が互いに一定の角度毎に配置された次のボール１０による接触位置と重複しないようにする必要がある。このため、制御部６０における位置演算部６１は、ボールねじにおけるねじ軸１３、１４を中心として配設された複数のボール１０の間の領域でねじ軸１３、１４とボール１０との当接位置を変化させる第１当接位置変更動作と、ボールねじにおけるナット１５、１６のねじ軸１３、１４の軸心と平行な方向のサイズ以上の距離だけナット１３、１４を第２支持部１２とともにねじ軸１３、１４の軸心方向に移動させることによりねじ軸１３、１４とボール１０との当接位置を変化させる第２当接位置変更動作とを実行するようにしている。
【００２９】
上記第１の当接位置変更動作は、図３に示すように、ねじ軸１３、１４を中心として配設された複数のボール１０が互いに角度θに相当する距離だけ離隔していた場合に、この角度θの間の領域でねじ軸１３、１４とボール１０との当接位置を変化させる動作である。例えば、図３に示すように、多数のボール１０がねじ軸１３を中心として一定の角度θ毎に配設されていた場合において、この角度θを例えば７．２度とし、また、上述したようにねじ軸１３、１４を０．７２度の範囲で正逆方向に回転を繰り返す場合を想定したときには、第１の当接位置変更動作においては、当接位置を１０回変更することができ、この第１の当接位置変更動作のみによっても、装置の寿命を１０倍とすることが可能となる。
【００３０】
上記第２の当接位置変更動作は、第２支持部１２に配設されたナット１５、１６の鉛直方向のサイズ以上の距離だけ、ナット１５、１６を第２支持部１２とともに上下方向に移動させることにより、ねじ軸１３、１４とボール１０との当接位置を変化させる動作である。例えば、第２支持部１２に配設されたナット１５、１６の鉛直方向のサイズが１０ｃｍであった場合には、ナット１５、１６を第２支持部１２とともに、上下方向に１０ｃｍ以上移動させることにより、ねじ軸１３、１４とボール１０との当接位置を変化させることが可能となる。
【００３１】
制御部６０における位置演算部６１が、このような第１の当接位置変更動作と第２の当接位置変更動作とを実行することにより、ねじ軸１３、１４とボール１０との当接位置を効率的に変更することが可能となる。
【００３２】
次に、この発明の他の実施形態について説明する。図５は、この発明の第２実施形態に係る材料試験機の概要図である。なお、上述した第１実施形態と同様の部材については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３３】
上述した第１実施形態に係る材料試験機においては、第２支持部１２を一対のねじ軸１３、１４により昇降させる構成を採用していた。これに対して、この第２実施形態に係る材料試験機においては、枠体状の第２支持部１７を使用し、この第２支持部１７に配設されたナット１９と螺号する、第１チャック２１と第２チャック１１とを結ぶ試験力の付与方向と平行な方向に向けて配設されたねじ軸１８をモータ４２で回転させることにより、枠体状の第２支持部１７を第２チャック１１とともに昇降する構成となっている。
【００３４】
この第２実施形態に係る材料試験機においても、制御部６０における位置演算部６１が、ボールねじにおけるねじ軸１８を中心として配設された複数のボール１０の間の領域でねじ軸１８とボール１０との当接位置を変化させる第１当接位置変更動作と、ボールねじにおけるナット１９のねじ軸１８の軸心と平行な方向のサイズ以上の距離だけナット１９を第２支持部１２とともにねじ軸１８の軸心方向に移動させることによってねじ軸１８とボール１０との当接位置を変化させる第２当接位置変更動作とを実行することにより、装置の寿命を延長することが可能となる。
【００３５】
次に、この発明のさらに他の実施形態について説明する。図６は、この発明の第３実施形態に係る材料試験機の概要図である。なお、上述した第２実施形態と同様の部材については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３６】
上述した第２実施形態に係る材料試験機においては、第２支持部１７を昇降させるためのねじ軸１８をモータ４２により回転させるとともに、第１支持部２２を昇降させるためのねじ軸２３、２４をモータ４３により回転させる構成を採用していた。これに対して、この第３実施形態に係る材料試験機においては、第２支持部１７を昇降させるためのねじ軸１８と、第１支持部２２を昇降させるためのねじ軸２３、２４とを、単一のモータ４９により回転させる構成を採用している。
【００３７】
この第３実施形態に係る材料試験機においては、第１支持部２２と第２支持部１７をと昇降させるために、ねじ軸１８、２３、２４と平行な方向を向く駆動軸５５が配設されている。この駆動軸５５の下端部に配設されたプーリ５６とモータ４９の回転軸に配設されたプーリ５７とは、ベルト５８により連結されている。また、この駆動軸５５の上端部には、プーリ５１がクラッチ５３を介して配設されており、駆動軸５５の中央部には、プーリ５２がクラッチ５４を介して配設されている。
【００３８】
上述した第１、第２実施形態に係る材料試験機と同様、ねじ軸２３に配設されたプーリ３７とねじ軸２４に配設されたプーリ３８とは、ベルト３９により連結されている。そして、ねじ軸２４に配設されたプーリ４０は、駆動軸５５に対してクラッチ５４を介して配設されたプーリ５２と、ベルト４６により連結されている。さらに、ねじ軸１８に配設されたプーリ３４は、駆動軸５５に対してクラッチ５３を介して配設されたプーリ５１と、ベルト３６により連結されている。
【００３９】
この第３実施形態に係る材料試験機においては、クラッチ５３とクラッチ５４とは、制御部６０からの指令により、プーリ５１およびプーリ５２と駆動軸５５とを、選択的に接続する。クラッチ５３によりプーリ５１と駆動軸５５とが接続された場合には、モータ４９の駆動によりねじ軸１８が回転し、第２支持部１７が第２チャック１１とともに昇降する。一方、クラッチ５４によりプーリ５２と駆動軸５５とが接続された場合には、モータ４９の駆動によりねじ軸２３、２４が回転し、第１支持部２２が第１チャック２１とともに昇降する。
【００４０】
この第３実施形態に係る材料試験機においても、制御部６０における位置演算部６１が、ボールねじにおけるねじ軸１８を中心として配設された複数のボール１０の間の領域でねじ軸１８とボール１０との当接位置を変化させる第１当接位置変更動作と、ボールねじにおけるナット１９のねじ軸１８の軸心と平行な方向のサイズ以上の距離だけナット１９を第２支持部１２とともにねじ軸１８の軸心方向に移動させることによってねじ軸１８とボール１０との当接位置を変化させる第２当接位置変更動作とを実行することにより、装置の寿命を延長することが可能となる。
【００４１】
なお、この第３実施形態に係る材料試験機においては、第１支持部２２と第２支持部１７とを同時に昇降させることはできない。このため、ねじ軸１８とボール１０との当接位置を変化させるための第１支持部２２と第２支持部１７との移動は、一つの試験片１００に対する材料試験中に行うことはできない。このため、ねじ軸１８とボール１０との当接位置を変化させるための第１支持部２２と第２支持部１７との移動は、一つの試験片１００に対する材料試験が終了した時点で行う必要がある。
【００４２】
なお、上述した実施形態においては、いずれも、第１支持部２２と第２支持部１２、１７の両方をボールねじにより昇降させている。このとき、微小距離だけ正確に往復移動する第２支持部１２、１７はボールねじにより昇降させる必要があるが、第１支持部２２は、台形ねじなど他のねじ機構や、その他の移動機構を利用して昇降させる構成を採用してもよい。
【００４３】
また、上述した実施形態においては、試験片１００の上端を把持するチャックを備えた支持部を第１支持部とし、試験片１００の下端を把持するチャックを備えた支持部を微小距離だけ往復移動する第２支持部としているが、試験片１００の下端を把持するチャックを備えた支持部を第１支持部とし、試験片１００の上端を把持するチャックを備えた支持部を微小距離だけ往復移動する第２支持部としてもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１０      ボール
１１      第２チャック
１２      第２支持部
１３      ねじ軸
１４      ねじ軸
１５      ナット
１６      ナット
１７      第２支持部
１８      ねじ軸
１９      ナット
２１      第１チャック
２２      第１支持部
２３      ねじ軸
２４      ねじ軸
２５      ナット
２６      ナット
４２      モータ
４３      モータ
４４      回転位置検出器
４５      回転位置検出器
４９      モータ
６０      制御部
６１      位置演算部
６２      記憶部
１００    試験片
【図１】
2015004631.tif 000003
【図２】
2015004631.tif 000004
【図３】
2015004631.tif 000005
【図４】
2015004631.tif 000006
【図５】
2015004631.tif 000007
【図６】
2015004631.tif 000008