(57)【要約】【課題】シンプルな構造のもとに、高速度で試験片に作用する荷重を正確に検出することのできる荷重計測用ロードセルを提供する。【解決手段】ベース部１に対して起歪部３を介して試験片掴み部６を一体に形成した構造を採用することにより、測定系の質量を軽くしてその固有振動数を高くし、高速度の荷重の作用に際してその荷重に忠実に応答して正確な荷重の検出を可能とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験片に荷重を加える材料試験機に用いられてその試験力を計測するためのロードセルであって、
試験機に対して固着されるベース部と、そのベース部に対して起歪部を介して試験片掴み部が一体に形成されていることを特徴とする荷重計測用ロードセル。
【請求項２】
試験片に荷重を加える材料試験機に用いられてその試験力を計測するためのロードセルであって、
試験機に対して固着されるベース部材と、そのベース部材に対して圧電センサを介してプリロード用ボルトにより固着された試験片掴み部材を備えていることを特徴とする荷重計測用ロードセル。
【請求項３】
上記ベース部またはベース部材の試験機に対する装着面に、当該装着面側ほど広くなる向きの円錐孔が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の荷重計測用ロードセル。
【請求項４】
上記試験片掴み部または試験片掴み部材の試験片の掴み構造が、当該試験片掴み部または試験片掴み部材に雌ねじを形成し、その雌ねじに丸棒状の試験片の端部に形成された雄ねじをねじ込む構造であることを特徴とする請求項１，２または３に記載の荷重計測用ロードセル。
【請求項５】
上記試験片掴み部または試験片掴み部材の試験片の掴み構造が、当該試験片掴み部または試験片掴み部材の外周に雄ねじを形成し、その雄ねじに押さえ具をねじ込むことによって、その押さえ具の内側に配置された一対のくさび状掴み刃により平板状の試験片を挟み込む構造であることを特徴とする請求項１，２または３に記載の荷重計測用ロードセル。
【請求項６】
請求項１、２、３、４または５に記載の荷重計測用ロードセルを備えた材料試験機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、材料試験時において試験片に作用する荷重を計測するためのロードセルとそのロードセルを備えた材料試験機に関し、特に、高速度で荷重を加える、いわゆる高速試験に用いるのに適した荷重計測用ロードセルおよび材料試験機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば引張試験においては、一般に、試験片に引張荷重を加えるとともに、その引張荷重の大きさを刻々と計測しつつ、併せて試験片の刻々の伸びなどを計測したり、あるいは試験片の破断を検出してその破断時における引張荷重などを求めることによって、試験片の機械的特性を調べる。
【０００３】
このような引張試験機においては、通常、試験片の両端部を掴み具で把持し、その一方を他方に対して離隔させることによって試験片に引張荷重を加えるようになっており、その引張荷重値（試験力）の検出は、一端側にいずれか一方の掴み具が装着され、かつ、他端側が試験機に装着されたロードセルによって行われる。
【０００４】
ところで、引張試験のうち、試験片に対して２０ｍ／ｓにも及ぶ高速度の引張荷重を与える高速引張試験においては、以上のような通常のロードセルを用いたのでは、試験時の衝撃的な荷重の振動周波数が、ロードセルとそのロードセルに装着されている掴み具からなる測定系の固有振動数を上回る結果、試験力の検出波形が実際に試験片に作用している試験力とは異なる波形となってしまい、正確な試験力の検出を行うことができない。
【０００５】
高速負荷を試験片に与える材料試験に適したロードセルとして、従来、寸法および質量が十分に大きなブロックに、当該ブロックに比して十分に小さい小突起を設けてそこに歪みゲージを貼着し、この小突起を衝撃端とした構造の検力台と称されるものが提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
このような構造のロードセルによると、小突起の先端部に試験片を設置して衝撃圧縮荷重を加えると、小突起に作用した衝撃荷重は当該小突起の先端から基端部へと伝播し、その基端部からブロックへと拡散し、ブロックの回りの境界で反射した応力波が小突起の中へ戻ってくる割合が僅かとなるため、応力伝播現象が消滅して、衝撃荷重を乱れの少ない状態で検出することができるとされている。
【０００７】
また、上記した特許文献１には、以上のような検力台に小突起を２つ設けることにより、引張試験における試験力の検出も可能な旨の記載がある。すなわち、上記した検力台に２つの小突起を設けるとともに、その各小突起に下端が載るように第１の治具を配置し、その第１の治具に試験片の上端部を装着する一方、その第１の治具を内側に囲むような枠形の第２の治具を設けて、その第２の治具の下辺部に試験片の下端部を装着し、その第２の治具の上片に圧縮荷重を加えることによって、試験片に対して引張荷重を作用させると同時に、試験片および第１の治具を介して検力台の２つの小突起に対して圧縮荷重を作用させ、その圧縮荷重の検出結果により試験片に作用する引張荷重を検出する技術に関する開示がある。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−５９８０３号公報（第７頁、第１６−第１８頁、図３、図４、図５）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した提案における検力台は、試験片を介して小突起に直接的に荷重が作用する圧縮荷重の検出に際しては高速度の試験力を正確に検出することができるものと考えられるが、引張試験に際しては、試験片に作用する試験力は第１の治具に当接している２つの小突起に作用する結果、この第１の治具と検力台を含めた測定系の固有振動数を、衝撃的な引張荷重の作用による振動周波数よりも高くすることは容易ではなく、また、測定系の構造が複雑となることもあって、試験片に作用する試験力波形を正確に検出することは困難である。
【００１０】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、シンプルな構造のもとに、高速度で試験片に作用する引張荷重であってもこれを正確に検出することのできる荷重計測用ロードセルの提供を目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、請求項１に係る発明の荷重計測用ロードセルは、試験機に対して固着されるベース部と、そのベース部に対して起歪部を介して試験片掴み部が一体に形成されていることによって特徴づけられる。
【００１２】
また、同じ目的を達成するため、請求項２に係る発明の荷重計測用ロードセルは、試験機に対して固着されるベース部材と、そのベース部材に対して圧電センサを介してプリロード用ボルトにより固着された試験片掴み部材を備えていることによって特徴づけられる。
【００１３】
ここで、請求項１および２に係る発明においては、上記ベース部またはベース部材の試験機に対する装着面に、当該装着面側ほど広くなる向きの円錐孔を形成した構成（請求項３）を好適に採用することができる。
【００１４】
また、請求項１および２に係る発明においては、上記試験片掴み部または試験片掴み部材の試験片の掴み構造として、当該試験片掴み部または試験片掴み部材に雌ねじを形成し、その雌ねじに丸棒状の試験片の端部に形成された雄ねじをねじ込む構造を採用することができる（請求項４）。
【００１５】
更に、請求項１および２に係る発明においては、上記試験片掴み部または試験片掴み部材の試験片の掴み構造として、当該試験片掴み部または試験片掴み部材の外周に雄ねじを形成し、その雄ねじに押さえ具をねじ込むことによって、その押さえ具の内側に配置された一対のくさび状掴み刃により平板状の試験片を挟み込む構造を採用することもできる（請求項５）。
【００１６】
また、本発明の材料試験機は、請求項１、２、３、４、または５に記載のロードセルを備えていることによって特徴づけられる（請求項６）。
【００１７】
本発明は、ロードセルとそのロードセル側に取り付けられる掴み具を含めた測定系の固有振動数を高くすべく、その構造をシンプル化して系の固有振動数に影響を与える質量を軽くすることによって、所期の目的を達成しようとするものである。
【００１８】
すなわち、この種の測定系の固有振動数は、各部材の形状と比重、ヤング率等の材料特性により決まるものであるが、特にその機能上最も剛性の低くなる起歪部の剛性と、その起歪部よりも荷重作用側の試験片を含めた部材の質量ｍに主として依存する。請求項１に係る発明においては、試験片掴み部を起歪部に対して一体に形成することにより、上記した質量ｍを可及的に軽くし、固有振動数を高くしている。
【００１９】
また、請求項２に係る発明においては、起歪部を用いずに圧電センサにプリロードを付与し、そのプリロードの引張荷重（試験力）による減少を圧電センサによた検出する構成を採用して、剛性を大きくするとともに、圧電センサとともに試験片掴み部をプリロード用ボルトによって固定することにより、質量ｍを軽くし、固有振動数を高くしている。
【００２０】
そして、これらの構成において、請求項３に係る発明のように、ベース部またはベース部材の試験機への装着面に円錐孔を形成することにより、試験片掴み部または試験片掴み部材からベース部またはベース部材に伝播した応力波が拡散し、応力波がベース部またはベース部材に反射して再び起歪部または圧電センサを通じて試験片掴み部または試験片掴み部材に戻ることを抑制することができる。
【００２１】
試験片掴み部または試験片掴み部材による試験片の具体的な掴み構造としては、丸棒状の試験片にあってはその端部に形成した雄ねじを掴み部または掴み部材に形成した雌ねじにねじ込む構造を、平板状の試験片にあっては、掴み部または掴み部材の外周に雄ねじを形成して押さえ具をねじ込むことにより、押さえ具の内側に配置した２枚のくさび状掴み刃により試験片を挟み込む構造を採用することにより、その質量を軽くすることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態の部分断面正面図であり、図２はその平面図で、図３は要部底面図である。
【００２３】
ベース部１は略円盤状であって、その厚みは十分な剛性を有する程度に厚くされており、その片面側の中央部に円柱状の突起２が一体に形成ている。この突起２は根元部が小径で、かつ、その表面の互いに対向する位置に歪みゲージ５ａ，５ｂが貼着され、この小径の根元部分が起歪部３を構成している。また、突起２の先端部には、その中心部に雌ねじ６ａが形成されているとともに、外周部に雄ねじ６ｂが形成されており、この先端部分が試験片掴み部６を構成している。
【００２４】
ベース部１には、その厚み方向に複数の取り付け孔１ａが形成されているとともに、その底面には、その底面側ほど大径となる円錐孔１ｂが形成されている。この円錐孔１ｂは、中心部を貫通する孔によって試験片掴み部６の雌ねじ６ａと連通させることもできる。また、円錐孔１ｂには、その底面側の一部に切り欠き部１ｄが形成され、その切り欠き部１ｄに２枚の歪みゲージ５ｃ，５ｄが貼着されている。これらの歪みゲージ５ｃ，５ｄをダミーゲージとし、前記した起歪部５の２枚の歪みゲージ５ａ，５ｂをアクティブゲージとして、公知のホイトストーンブリッジが形成されるように相互に接続される。
【００２５】
なお、図において７で示される雄ねじは、歪みゲージ５ａ，５ｂを保護するためのゲージ保護キャップＣを装着するためのものである。
【００２６】
また、以上の本発明の実施の形態の材質は、例えば固溶化処理および析出硬化処理を施したステンレス鋼などを好適に用いることができる。
【００２７】
以上の本発明の実施の形態は、材料試験機に対して、そのテーブル等に底面が密着するように配置して、取り付け孔１ａに取り付けボルトを貫通させてテーブル等に固定して使用される。試験片は、丸棒状のものにあっては、その両端部に雄ねじを形成し、図４に示すように、試験片Ｗの一端側の雄ねじ雄ねじＷｓを試験片掴み部６の雌ねじ６ａにねじ込み、他端側の雄ねじを負荷機構の移動部位に取り付けられた適宜の掴み具にねじ込むことによって装着される。その状態で負荷機構を駆動することによって試験片Ｗに引張荷重が加えられと、その荷重は試験片掴み部６を介して起歪部３に伝達される。その荷重により起歪部３が歪み、その歪みにより歪みゲージ５ａ，５ｂの抵抗値が変化し、ホイトストーンブリッジの出力として引張荷重の大きさが検出される。
【００２８】
以上の検出動作において、起歪部３と試験片Ｗとの間の構造がシンプルで、その質量が軽いため、測定系の固有振動数が高くなる結果、衝撃的な引張荷重を負荷しても、試験片に作用している荷重（試験力）を正確に測定することができる。また、衝撃的な引張荷重の作用により、試験片掴み部６および起歪部３を介してベース部１の中央部に伝播する応力波は、円錐孔１ｂの存在により当該ベース部１の外周側に拡散する結果、起歪部５に戻る率が減少する。
【００２９】
試験片が平板状のものにあっては、図５に示すように、試験片掴み部６の外周の雄ねじ６ｂに、内周に雌ねじ８ａが形成された押さえ具８をねじ込むとともに、押さえ具８の内側に２枚のくさび状掴み刃９ａ，９ｂを収容し、押さえ具８をねじ込んでいくことによってこれらのくさび状掴み刃９ａ，９ｂが互いに接近するように構成し、そのくさび状掴み刃９ａ，９ｂ間に試験片Ｗを挟み込むことによって把持する。この場合においても、上記と同様に試験片に作用している荷重を正確に測定することができる。
【００３０】
次に、本発明の他の実施の形態について説明する。図６はその部分断面正面図である。この例は、起歪部およびそこに貼着される歪みゲージを用いず、圧電センサ１２を用いた点に特徴がある。
【００３１】
すなわち、先の実施の形態におけるベース部１と同様に、円盤状でその厚み方向に複数の取り付け孔１１ａが形成され、底面に下向きに広がる円錐孔１１ｂが形成されベース部材１１の上面に、圧電センサ１２が密着配置され、その圧電センサ１２の上面に、試験片掴み部材１３が密着配置され、これらをプリロード用ボルト１４およびナット１５でプリロードを与えた状態で締結した構造を有している。
【００３２】
試験片掴み部材１３は、その上面中央部に雌ねじ１３ａが、外周には雄ねじ１３ｂが形成されており、先の例における試験片掴み部６と基本的には同等の形状をしているが、下面中央部にプリロード用ボルト１４をねじ込むための雌ねじ１３ｃが形成されている点において相違している。
【００３３】
以上の構成において、試験片の装着は、先の例と全く同様であり、丸棒状の試験片にあっては雌ねじ１３ａにねじ込まれ、平版状の試験片にあっては図４に示した押さえ具８と２枚のくさび状掴み刃９ａ，９ｂを用い、その押さえ具８の雌ねじ８ａを試験片掴み部材１３の雄ねじ１３ｂにねじ込む。また、ベース部材１１は、厚さ方向に貫通する複数の取り付け孔１１ａを介してボルトにより試験機に取り付けられる。
【００３４】
この実施の形態においては、荷重感応部である圧電センサ１２よりも試験片側の質量が先の例と同様に軽いばかりでなく、起歪部を用いないが故に測定系の剛性を大きくすることができるために、測定系の固有振動数をより高くすることが可能となり、従って衝撃的な引張荷重を試験片に負荷したときに、試験片に作用する引張荷重を正確に検出することができる。また、円錐孔１１ｂによって応力波が拡散し、圧電センサ１２に戻る率も少なくなる。
【００３５】
ここで、以上の各実施の形態においては、本発明のロードセルを用いて引張荷重を計測する場合について述べたが、本発明のロードセルは圧縮荷重を計測することができることは勿論である。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、請求項１に係る発明によれば、ベース部に対して起歪部および試験片掴み部を一体に形成することにより、測定系の構造を簡素化するとともにその質量を可及的に軽くして、測定系の固有振動数を高くしているので、特に高速引張荷重を負荷したときの荷重変化に正確に応答し、その荷重を正しく検出することができる。
【００３７】
また、請求項２に係る発明によれば、測定系の質量を軽くすることに加えて、その剛性を大きくすることができるため、測定系の固有振動数をより高くすることができ、より高速度の引張荷重を正しく検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の部分断面正面図である。
【図２】図１の平面図である。
【図３】図１の要部底面図である。
【図４】本発明の実施の形態に丸棒状の試験片を装着する場合の説明図である。
【図５】本発明の実施の形態に平板状の試験片を装着する場合の説明図である。
【図６】本発明の他の実施の形態の部分断面正面図である。
【符号の説明】
１  ベース部
１ａ  取り付け孔
１ｂ  円錐孔
２  突起
３  起歪部
５ａ，５ｂ  歪みゲージ（アクティブゲージ）
５ｃ，５ｄ  歪みゲージ（ダミーゲージ）
６  試験片掴み部
６ａ  雌ねじ
６ｂ  雄ねじ
７  キャップ用雄ねじ
８  押さえ具
９ａ，９ｂ  くさび状掴み刃
１１  ベース部材
１２  圧電センサ
１３  試験片掴み部材
１４  プリロード用ボルト
Ｃ  ゲージ保護用キャップ
Ｗ  試験片
【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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