(57)【要約】【課題】  シート状材料の厚さ方向せん断試験機において使用される厚さ方向せん断試験用治具、およびそれを備えた厚さ方向せん断試験機を提供することを目的とする。【解決手段】  シート材料からなる試験片を平面方向に沿って表裏それぞれから保持する第１、第２の保持部材を有し、前記第１の保持部材と第２の保持部材とを前記所定の平面方向に沿って相対的に平行移動させることにより、前記試験片に対して逆方向に平行力を作用させてシート状材料を厚さ方向にせん断変形させると共に、前記平行力の方向が厚さ方向せん断変形の前後で一定である。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート状材料の厚さ方向せん断試験用冶具であって、
前記シート材料からなる試験片を平面方向に沿って表裏それぞれから保持する第１、第２の保持部材を有し、
前記第１の保持部材と第２の保持部材とを前記所定の平面方向に沿って相対的に平行移動させることにより、前記試験片に対して逆方向に平行力を作用させてシート状材料を厚さ方向にせん断変形させると共に、前記平行力の方向が厚さ方向せん断変形の前後で一定であることを特徴とするシート状材料の厚さ方向せん断試験用治具。
【請求項２】
前記第１の保持部材は第１の治具本体に、前記第2の保持部材は第2の治具本体にそれぞれ保持され、前記各治具本体は、前記所定の平面方向に沿って互いに平行に移動することを特徴とする請求項１に記載のシート状材料の厚さ方向せん断試験用治具。
【請求項３】
前記第1、第2の治具本体には、第1、第2のガイドバーがそれぞれ固定され、第1の治具本体は第2のガイドバーに、第2の治具本体は第1のガイドバーにそれぞれガイドされつつ、前記所定の平面方向に沿って互いに平行移動可能であることを特徴とする請求項１または２に記載のシート状材料の厚さ方向せん断試験用治具。
【請求項４】
前記第１、第２の治具本体またはそれらと共に移動する部材のそれぞれに、前記第1の保持部材と前記第2の保持部材との前記所定の平面方向における相対的な変位量を測定するための変位測定用部材を設けたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のシート状材料の厚さ方向せん断試験用治具。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載したシート状材料の厚さ方向せん断試験用治具を備え、前記治具によって保持された前記試験材料の厚さ方向せん断試験を行う厚さ方向せん断試験機であって、
前記第1の保持部材と第2の保持部材とを相対的に平行移動させる方向に荷重を与える荷重手段と、
前記荷重手段によって前記試験片に与えられる荷重を時間経過に伴って測定する荷重測定手段と、
前記第1の保持部材と第2の保持部材の前記所定の平面方向における相対的な変位量を時間経過に伴って測定する変位量測定手段と、を備えたことを特徴とするシート状料の厚さ方向せん断試験機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シート状材料の厚さ方向せん断試験機において使用される厚さ方向せん断試験用治具、およびそれを備えた厚さ方向せん断試験機に関する。
【背景技術】
【０００２】
紙等のシート状材料やシート状材料からなる製品が実際に使用される状況では、それらの材料および製品に厚さ方向せん断応力を受けることが少なくない。従って、工学的見地から、紙あるいは紙製品などの設計の最適化を図る場合、紙の厚さ方向せん断特性を定量的に把握しておく必要がある。さらに、シート状材料が弾性域を越えて、塑性域以降も荷重を受ける場合には、弾性特性のみならず、塑性特性をも考慮に入れる必要がある。そのため、シート状材料に厚さ方向せん断変形を生じさせながら、厚さ方向せん断応力−厚さ方向ひずみ曲線を測定することが考えられている。
【０００３】
しかしながら、一般に、試験領域内に純せん断応力状態を作り出すことが困難である上、特にシート状材料は平面方向に沿って表裏それぞれから保持することが困難であることから、規格化されている試験法が少ないのが現状である。紙の分野では、矩形試験片の表裏それぞれを金属ブロックと接着し、これら金属ブロックを試験片の平面方向に沿って逆方向の平行力を作用させる方法が行われている（非特許文献１、２）。図７に非特許文献２に記載されているシート状材料の厚さ方向せん断試験用治具を示す。
【０００４】
【非特許文献１】Tappi/October 1975 Vol. 58, No. 10（132〜135頁）
【非特許文献２】Svensk Papperstidning Nr 3 1977（89〜93頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、非特許文献１、２に示す冶具は、矩形の試験片の厚さ方向せん断変形に伴って、それぞれの金属ブロックの向きおよび試験片に作用する平行力の方向が変化するため、厚さ方向せん断の変形量および厚さ方向せん断力の測定が困難になるという問題がある。
本発明は、上述のような従来技術に着目してなされたもので、紙やフィルムなどのシート状材料の厚さ方向せん断特性を正確かつ簡便に測定することができる、シート状材料の厚さ方向せん断測定用治具、およびそれを用いた面内せん断試験機の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の形態は、シート状材料の厚さ方向せん断試験用冶具であって、前記シート材料からなる試験片を平面方向に沿って表裏それぞれから保持する第１、第２の保持部材を有し、前記第１の保持部材と第２の保持部材とを前記所定の平面方向に沿って相対的に平行移動させることにより、前記試験片に対して逆方向に平行力を作用させてシート状材料を厚さ方向にせん断変形させると共に、前記平行力の方向が厚さ方向せん断変形の前後で一定であることを特徴とする。
【０００７】
本発明の第２の形態は、前記第１の保持部材は第１の治具本体に、前記第２の保持部材は第２の治具本体にそれぞれ保持され、前記各治具本体は、前記所定の平面方向に沿って互いに平行に移動することを特徴とする。
【０００８】
本発明の第３の形態は、前記第１、第２の治具本体には、第１、第２のガイドバーがそれぞれ固定され、第１の治具本体は第２のガイドバーに、第２の治具本体は第１のガイドバーにそれぞれガイドされつつ、前記所定の平面方向に沿って互いに平行移動可能であることを特徴とする。
【０００９】
本発明の第４の形態は、前記第１、第２の治具本体またはそれらと共に移動する部材のそれぞれに、前記第１の保持部材と前記第２の保持部材との前記所定の平面方向における相対的な変位量を測定するための変位測定用部材を設けたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の第５の形態は、請求項１ないし４のいずれかに記載したシート状材料の厚さ方向せん断試験用治具を備え、前記治具によって保持された前記試験材料の厚さ方向せん断試験を行う厚さ方向せん断試験機であって、
前記第１の保持部材と第２の保持部材とを相対的に平行移動させる方向に荷重を与える荷重手段と、前記荷重手段によって前記試験片に与えられる荷重を時間経過に伴って測定する荷重測定手段と、前記第１の保持部材と第２の保持部材の前記所定の平面方向における相対的な変位量を時間経過に伴って測定する変位量測定手段と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係わるシート状材料の厚さ方向せん断測定治具およびそれを用いた厚さ方向せん断測定機では、第１、第２の保持部材によって試験片に加えられる逆方向の平行力が厚さ方向せん断変形の前後で変化しないため、シート状材料の変形量および厚さ方向せん断力などの厚さ方向せん断特性を容易かつ正確に測定することが可能になる。さらに、厚さ方向せん断治具は、汎用の材料試験機などに取り付けて利用することができるため、専用機を設ける場合に比べて設備コストを抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
まず、本発明の実施形態における厚さ方向せん断試験用治具を、図１ないし図４に基づき説明する。なお、図１は本発明の実施形態における厚さ方向せん断試験用治具を分解して示す正面図、図２は図１に示したものを組み合わせてなる厚さ方向せん断試験用治具の全体構成を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【００１３】
本実施形態は、シート材料からなる試験片を平面方向に沿って表裏それぞれから保持する第１、第２の保持部材として、ＪＡＰＡＮ  ＴＡＰＰＩ  ＮＯ．１８−１で規格化されている紙および板紙の内部結合強さ試験方法（Ｚ軸方向引張試験法）に基づく金属製ブロック（図３に示す）を使用している。本発明はこれに限定されるものではないが、本発明における第１、第２の保持部材として、ＪＡＰＡＮ  ＴＡＰＰＩ  ＮＯ．１８−１で規格化されている紙および板紙の内部結合強さ試験方法に基づく金属製ブロックと同一のものを用いることにより、シート状材料の厚さ方向せん断試験と前記内部結合強さ試験における保持部材を共用することができる。これにより、二つの試験に用いる試験片をまとめてサンプリングするなどして、二つの試験を連続して又は同時に実施し易いという効果もある。
【００１４】
図１および図２に示すように、本実施形態における治具１は、移動側治具１０と固定側治具２０とから構成される。移動側治具１０は、主として、移動側治具本体１１、シート材料からなる矩形試験片の表面を保持する移動側保持部材１２、移動側保持部材１２を狭持する移動側狭持部材１３、移動側治具本体１１に一端部が固定された移動側ガイドバー１４、および移動側治具本体１１を後述の材料試験機などに取り付けるためのジョイント１５などを備える。
【００１５】
また、移動側保持部材１２を挟持する移動側狭持部材１３は、図４に示すように、移動側狭持部材１３を貫通する押しピン４１を先端テーパネジ４２により下方に移動するように位置決めする構造であり、押しピン４１によって移動側保持部材１２を固定することができる。尚、図４は固定側挟持部材２３の構造を示しているが、固定側挟持部材２３を移動側狭持部材１３に置き換えれは、上下が逆になるのみで、同一構造である。
【００１６】
一方、固定側治具２０は、移動側治具１０と同様に、固定側治具本体２１、固定側保持部材２２、固定側狭持部材２３、固定側ガイドバー２４、およびジョイント２５などを備え、移動側治具１０に対して１８０度回転させた位置に配置されている。
【００１７】
また、移動側治具１０の移動側治具本体１１には、ガイドバー２４を挿通させるためのガイド孔１１ａが形成されている。また、固定側治具２０の固定側治具本体２１には、ガイドバー１４を挿通させるためのガイド孔２１ａが形成されている。そして、移動側治具１０のガイドバー１４を固定側治具２０のガイド孔２１ａに、固定側治具２０のガイドバー２４を固定側治具１０のガイド孔１１ａにそれぞれ挿通させることにより、図２に示すように、移動側治具１０と固定側治具２０は、互いに平行する２本のガイドバー１４、２４に沿って互いに直線移動可能に組み合わされる。
【００１８】
このように、移動側治具１０と固定側治具２０は、ガイドバー１４、２４に沿って移動するため、両治具１０、２０はねじれを生じることなく同一平面上で移動する。また、本実施形態において、両ガイドバー１４、２４は、いずれも円形の横断面形状を有し、それらガイドバー１４、２４を挿通させるガイド孔２１ａ、１１ａはいずれも転がり軸受けによって構成されているため、ガイドバー１４、２４とガイド孔２１ａ、１１ａとの間の摩擦抵抗は、試験時の荷重に対して無視し得る程度の小さな値に抑えられている。
【００１９】
図３はシート材料からなる試験片を平面方向に沿って表裏それぞれから保持する第１、第２の保持部材として使用される、ＪＡＰＡＮ  ＴＡＰＰＩ  ＮＯ．１８−１で規格化されている紙および板紙の内部結合強さ試験方法（Ｚ軸方向引張試験法）に基づく金属製ブロックを示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【００２０】
図６は、移動側治具１０と固定側治具２０との相対変位の変化を検出するための変位測定部３２を示す図である。この変位測定部３２は、移動側治具１０の狭持部材１３に突設したピン（変位測定部材）１６と、固定側治具２０の固定側治具本体２１に突設したピン（変位測定部材）２６とからなる。治具に引張力を作用させて試験する場合には、移動側治具１０と固定側治具２０とが図２および図４に示すように組み合わされた初期状態において、両ピン１６と２６との間には所定の間隔が設定され、移動側治具１０が固定側治具２０から離間するに伴って両ピン１６と２６との間隔は増大する。この間隔を後述の厚さ方向せん断試験機に設けられたセンサによって検出することにより、移動側治具１０と固定側治具２０との相対変位が検出される。
【００２１】
以上のように構成した厚さ方向せん断試験用治具１には、シート状材料を矩形に切断した試験片Ｔを用いる。面内せん断試験用治具１における移動側保持部材１２および固定側保持部材２２に試験片Ｔを保持させるには、両面粘着テープあるいは接着剤を用いる。シート状材料の厚さ方向せん断変形量を正確に測定する必要がある場合には、接着剤を用いるのが望ましい。
【００２２】
上記のようにして試験片Ｔを固定した後、移動側ジョイント１５と固定側ジョイント２５が離間する方向に荷重を加えると、両保持部材１２、２２に固定された試験片Tには相対的に逆方向の平行力（負荷）が加わり、試験片Tは厚さ方向せん断変形する。この際、両保持部１２、２２は同一平面内をねじれを生ずることなく平行に移動するため、試験片Ｔの試験領域が平面からずれたり、両保持部材１２、２２が回転して試験片Ｔにモーメントが発生することもなく、純せん断応力に近い厚さ方向せん断応力を発生させることができる。
【００２３】
また、両ジョイント１５、２５に加える荷重方向に対し、試験片Ｔに加わる平行力の方向が常に一定で変化しないため、厚さ方向せん断応力とひずみを両保持部材１２、２２の変位量によって容易に算出することができる。
【００２４】
さらに、本実施形態における厚さ方向せん断試験用治具１は、引張、圧縮などに使用される一般的な材料試験機に装着することで、シート状材料の厚さ方向せん断試験における負荷（平行力）を与えることができる。従って、厚さ方向せん断試験用治具１を取り外せば、試験機本体３１をシート状材料以外の引張、圧縮試験にも共用でき、シート状材料の厚さ方向せん断試験専用の試験機を設備する場合に比べて大幅に設備コストを低減することができる。
【００２５】
（厚さ方向せん断応力試験機）
次に、上記厚さ方向せん断試験用治具１を用いた厚さ方向せん断試験機の一実施形態を図５、図６に基づき説明する。
【００２６】
図５に示す厚さ方向せん断試験機３０には、試験機本体３１の両側部に設けられた不図示の昇降機構（図示せず）によって昇降する可動部３３が設けられている。可動部３３の中央部には、ロードセル３４が設けられている。このロードセル３４には、前記治具１の移動側ジョイント１５が連結され、試験機本体３１の底部３５には、治具１の固定側ジョイント２５が連結されている。ロードセル３４は、可動部３３に加わる荷重を時間の経過に伴って検出する。
【００２７】
図５に示す試験機本体３０における昇降機構、可動部３３およびロードセル３４などの構成は、一般的な材料試験機と同様である。但し、試験対象であるシート状材料の厚さ方向せん断変位は非常に微小なものであり、精度良く測定することが要求される。そこで、本実施形態における厚さ方向せん断試験機では、固定側治具２０に対する移動側治具１０の相対変位量を試験片の変位量とし、図４に示すように、移動側治具１０と固定側治具２０とに取り付けられた２本のピン１６と２６の距離間隔を時間の経過に伴って非接触型の変位センサー３８により測定するようになっている。これに対し、通常の材料試験機は、「移動速度×時間」の計算式により試験片の変位を測定しているので精度が悪いため、本実施形態のような変位センサ３８を用いて測定することが好ましい。
【００２８】
この変位センサ３８は、光（レーザ光等）を発する発光部３９と、この発光部３９から発せられた光（レーザ光等）を受光する受光部４０とを有し、いずれも試験機本体３１の底部３５に取り付けた支持台３６上に固定されている。発光部３９から受光部４０に至る内には、治具１に設けられた２本のピン１６、２６（図６参照）によって遮断される位置、すなわち、受光部４０による非受光位置を検出し、その非受光位置の距離間隔を検出することによってピン１６、２６の距離間隔の検出を行う。なお、本実施形態では、変位センサとして、（株）キーエンス製高速・高精度デジタル寸法測定器ＬＳ−７０１０を使用している。
【００２９】
次に、本実施形態の厚さ方向せん断試験機３０によるシート状材料の厚さ方向せん断試験方法およびその結果について述べる。
本試験機３０を用いた厚さ方向せん断試験では、図５に示すように試験機本体３１に装着された治具１に、矩形の試験片Ｔを、図３と共に説明した手順で固定し、試験機本体３１の可動部３３に対して昇降機構によって上昇方向の荷重（引張力）を与えることにより、試験片Tに厚さ方向せん断変形を発生させた。また、試験機本体３１の可動部３３に設けられたロードセル３４によって、試験片Ｔに加わる厚さ方向せん断負荷の時間に伴う変化を検出した。さらに、試験片Ｔの変位は、前述の変位センサ（（株）キーエンス製高速・高精度デジタル寸法測定器ＬＳ−７０１０）を用いて測定した。
【００３０】
図８は、この厚さ方向せん断試験機３０を使用して測定した厚さ方向せん断荷重データおよび厚さ方向せん断変位データを、時間に対してプロットして得られる曲線の一例を示している。ここで、引張速度は２ｍｍ／分とし、試験片は白板紙である。
【００３１】
また、図９は、図８の厚さ方向せん断荷重データおよび厚さ方向せん断変位データから求めた厚さ方向せん断応力−厚さ方向ひずみ曲線の一例である。図９において、縦軸が厚さ方向せん断応力（ＭＰａ）、横軸が厚さ方向せん断ひずみであり、厚さ方向せん断応力、厚さ方向せん断ひずみはそれぞれ次式で与えられる。
厚さ方向せん断応力＝厚さ方向せん断荷重／試験片の面積
厚さ方向せん断ひずみ＝厚さ方向せん断変位／試験片の厚さ
【００３２】
以上説明したように、本実施形態による厚さ方向せん断測定治具１およびそれを用いた厚さ方向せん断試験機３０では、シート状材料からなる試験片Ｔの両面を固定保持部材と移動保持部材により保持し、それぞれの保持部材に沿って互いに向きの異なる平行力を作用させることにより、試験片Ｔを厚さ方向せん断変形させ、試験片Ｔに生じる荷重と変位の時間変化を測定する。この際、試験片Ｔの厚さ方向せん断変形の前後で、前記平行力の方向が変化しないので、平行力の作用する方向の変位と力を容易に測定することが可能であり、従来技術では簡便に測定することのできなかった試験片Ｔの正確な厚さ方向せん断応力−厚さ方向ひずみ特性を得ることができる。
【００３３】
また、本実施形態の試験機によって得られた厚さ方向せん断応力−厚さ方向ひずみ特性は、紙などのシート状材料あるいはシート状材料からなる製品の設計最適化について有限要素法などの数値解析手法に基づいて検討する場合等に、材料特性値として用いることができ、極めて有用である。
【００３４】
なお、上記実施形態においては、厚さ方向せん断試験用治具１を移動側治具１０（第１の保持部材）と固定側治具２０（第２の保持部材）とにより構成し、試験において、移動側治具１０のみを移動させるものとしたが、第１の保持部材を固定とし、第２の保持部材を移動させるようにすることも可能である。また、上記厚さ方向せん断試験機３０は、可動部３３を昇降させる縦型の構成をとるものとしたが、可動部を水平方向に移動させて厚さ方向せん断試験用治具１に荷重をかける横型の構成をとることも可能である。
【００３５】
さらに、上記実施形態における厚さ方向せん断試験機３０では、第１の保持部材と第２の保持部材の直線方向における相対的な変位量を測定する変位量測定手段として、光（レーザ光等）の投受光部を備えた変位センサを用いたが、第１の保持部材と第２の保持部材の変位を高精度に検出し得るものであれば、その他の変位センサを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態における厚さ方向せん断治具を分解して示す正面図である。
【図２】図１に示したものを組み合わせてなる厚さ方向せん断試験用治具の全体構成を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図３】シート材料からなる試験片を平面方向に沿って表裏それぞれから保持する第１、第２の保持部材として使用される、ＪＡＰＡＮ  ＴＡＰＰＩ  ＮＯ．１８−１で規格化されている紙および板紙の内部結合強さ試験方法（Ｚ軸方向引張試験法）に基づく金属製ブロックを示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図４】図２に示した厚さ方向せん断試験用治具において固定側保持部材を挟持する固定側挟持部材の構造を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図５】図1に示す厚さ方向せん断試験用治具を用いた厚さ方向せん断試験機の一実施形態を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図６】図５に示した厚さ方向せん断試験機の変位センサーが検出する２本のピン部分を示す詳細図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図７】非特許文献２に記載されている従来のシート状材料の厚さ方向せん断試験用治具を示す図である。
【図８】図５に示す厚さ方向せん断試験機を使用して測定した厚さ方向せん断荷重データおよび厚さ方向せん断変位データを、時間に対してプロットして得られる曲線の一例を示す線図である。
【図９】図８に示す厚さ方向せん断荷重データおよび厚さ方向せん断変位データから求めた厚さ方向せん断応力−厚さ方向せん断ひずみ曲線の一例を示す線図である。
【符号の説明】
【００３７】
１    治具
１０  移動側治具
１１  移動側治具本体
１２  移動側保持部材
１３  移動側狭持部材
１４  移動側ガイドバー
１５  移動側ジョイント
１６  ピン
２０  固定側治具
２１  固定側治具本体
２２  固定側保持部材
２３  固定側狭持部材
２４  固定側ガイドバー
２５  固定側ジョイント
２６  ピン
３０  厚さ方向せん断試験機
３１  試験機本体
３２  変位測定部
３３  可動部
３４  ロードセル
３５  試験機本体の底部
３６  投光部及び受光部取付台
３８  変位センサ
３９  投光部
４０  受光部
４１  押しピン
４２  先端テーパネジ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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