(57)【要約】【課題】二つの部品からなる被検体について、当該二つの部品が結合している状態と離間している状態との双方に渡って、被検体の荷重および変位を測定することができる技術を提供する。【解決手段】材料試験機が、被検体の圧縮荷重および／または引っ張り荷重を検出するロードセルを備えた上部クロスヘッドと、当該上部クロスヘッドに対向して下部クロスヘッドを進退駆動させるアクチュエータと、被検体の変位を検出する変位計と、被検体の変位に応じて伸縮し、ロードセルでその伸縮による圧縮荷重および／または引っ張り荷重を検出できるように設置されたバネと、場合によっては、被検体を上部クロスヘッドおよび／または下部クロスヘッドに結合するためのチャックとを有するようにする。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体の圧縮荷重および／または引っ張り荷重を検出するロードセルを備えた上部クロスヘッドと、
当該上部クロスヘッドに対向して下部クロスヘッドを進退駆動させるアクチュエータと、
被検体の変位を検出する変位計と、
被検体の変位に応じて伸縮し、ロードセルでその伸縮による圧縮荷重および／または引っ張り荷重を検出できるように設置されたバネと、
場合によっては、被検体を上部クロスヘッドおよび／または下部クロスヘッドに結合するためのチャックと、
を有する材料試験機。
【請求項２】
前記バネが、前記上部クロスヘッドと前記下部ロスヘッドとを連結するように設置されている請求項１に記載の材料試験機。
【請求項３】
請求項１または２に記載の材料試験機を使用する材料試験方法において、
必要に応じて、結合および離間が可能な二つの部品よりなる被検体を前記チャックによって保持し、
当該二つの部品が結合している状態での荷重および変位、並びに、当該二つの部品が離間している状態での荷重および変位を測定する材料試験方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二つの部品からなる被検体について、被検体に加えられる荷重と被検体の変位とを検出する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属材料等の被検体に圧縮や引っ張り等の負荷を加えながら、被検体に加えた荷重と被検体に生じた変位（伸び縮み）等を計測する材料試験機は公知である（たとえば特許文献１参照。）。
【０００３】
これは、ロードセルを介してフレームと油圧シリンダとからなるアクチュエータとの間に各種被検体をチャックを介して保持し、油圧源からサーボ弁を介して与えられる油圧を用いてアクチュエータを進退駆動して下部クロスヘッドを進退駆動させ、これによって被検体に負荷を加え、被検体に加えられた荷重をロードセルによって検出し、また被検体に生じる変位を、アクチュエータの変位として変位計により検出するものである。
【０００４】
この材料試験機では、アクチュエータは荷重制御方式と変位制御方式とによって、進退駆動される。変位制御方式は、被検体の変位に対応するアクチュエータ自身の変位に従って、アクチュエータが進退する方式であり、二つの部品からなる被検体の部品同士が離間している場合には、この方式で、問題なく変位を測定することができる。
【０００５】
しかしながら、被検体が圧縮された状態では、微小な変位で巨大な荷重が被検体に加えられるため、変位制御方式では被検体を破壊する危険性が出ること、適切な荷重〜変位データが得られがたいこと等の理由から、変位制御方式を使用することはできない。このため、被検体に荷重が掛かる場合は、その荷重を増大させ、あるいは減少させるようにアクチュエータが進退する、荷重制御方式が採用される。しかし、荷重制御方式では荷重が存在することが必要であり、二つの部品からなる被検体の部品同士が離間している場合には荷重を測定することができない。
【０００６】
一方、二つの部品からなる被検体においては、当該二つの部品が結合している状態での荷重および変位を測定すると共に、たとえばバルブにおける弁座と弁棒とが、圧縮試験後に確実に離間し、長時間被検体に負荷が掛かり焼き付くような事態を防止できること、圧縮試験後の変形等の情報を得ることができること等の理由により、二つの部品が離間している状態での荷重および変位を測定したい場合がある。
【０００７】
この場合、上記方式では、二つの部品からなる被検体においては、当該二つの部品が結合している状態と離間している状態とに渡って、荷重情報と変位情報とを得るには、荷重制御方式と変位制御方式とを切り替えて使用せざるを得ず、しかも、二つの部品が離間している状態での荷重を測定することはできない。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−３５２０４１号公報（段落番号０００２，０００３）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題を解決し、二つの部品からなる被検体について、当該二つの部品が結合している状態での荷重および変位、並びに、当該二つの部品が離間している状態での荷重および変位を測定することができる技術を提供することを目的とする。
【００１０】
本発明のさらに他の目的および利点は、以下の説明から明らかになるであろう。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様によれば、被検体の圧縮荷重および／または引っ張り荷重を検出するロードセルを備えた上部クロスヘッドと、当該上部クロスヘッドに対向して下部クロスヘッドを進退駆動させるアクチュエータと、被検体の変位を検出する変位計と、被検体の変位に応じて伸縮し、ロードセルでその伸縮による圧縮荷重および／または引っ張り荷重を検出できるように設置されたバネと、場合によっては、被検体を上部クロスヘッドおよび／または下部クロスヘッドに結合するためのチャックと、を有する材料試験機が提供される。
【００１２】
本発明の他の一態様によれば、上記の材料試験機を使用する材料試験方法において、必要に応じて、結合および離間が可能な二つの部品よりなる被検体を前記チャックによって保持し、当該二つの部品が結合している状態での荷重および変位、並びに、当該二つの部品が離間している状態での荷重および変位を測定する材料試験方法が提供される。
【００１３】
本発明により、二つの部品からなる被検体について、当該二つの部品が結合している状態での荷重および変位、並びに、当該二つの部品が離間している状態での荷重および変位を測定することができるようになる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図、実施例等を使用して説明する。なお、これらの図、実施例等および説明は本発明を例示するものであり、本発明の範囲を制限するものではない。本発明の趣旨に合致する限り他の実施の形態も本発明の範疇に属し得ることは言うまでもない。
【００１５】
図１に、本発明に係るバネを有しない材料試験機の概略構成図を示す。図１において、上部クロスヘッド１と下部クロスヘッド２との間に、被検体４をチャック５，５を介して保持し、油圧源からサーボ弁を介して与えられる油圧を用いて、下部クロスヘッド２と連結したアクチュエータ３を駆動し、これによって被検体４に負荷を加える。
【００１６】
上記負荷により被検体４に加えられた荷重は、上部クロスヘッドに備えられたロードセルによって検出され、また上記負荷によって被検体４に生じる変位は、アクチュエータ３の作動量（変位量）として変位計８により検出される。これらの荷重や変位はマイクロコンピュータ等によって構成される制御部に入力され、例えばロードセルによって検出される荷重と荷重目標値との偏差がゼロ（０）となるようにサーボアンプを介してサーボ弁の作動をフィードバック制御し、油圧駆動されるアクチュエータ３がサーボ制御されて、被検体４に加えられる負荷（荷重）や被検体４の変位が調整される。なお、油圧源、サーボ弁、マイクロコンピュータ、サーボアンプは図示されていない。番号９は材料試験機のフレームを表す。
【００１７】
これに対し、図２は、本発明に係るバネを有する材料試験機の概略構成図を示す。図２において、バルブの弁棒６と弁座７とは、本発明に係る「二つの部品からなる被検体」の一例である。本発明に係るバネ２１，２１は、この例では二つ存在し、上部クロスヘッド１の支持棒２２と下部クロスヘッド２とを連結している。図２では、被検体４を固定するためのチャック５，５が示されているが、必須ではない。たとえば図２のような場合のように、被検体を圧縮する動作の場合にはチャックで固定する必要性が少ない場合があるからである。
【００１８】
なお、本明細書においては、「被検体に加えられる荷重」とは、本願発明に係るバネが存在しない場合には、そのまま、被検体に加えられる荷重を意味するが、本願発明に係るバネが存在する場合には、このバネによって与えられる引っ張り力または圧縮力を加味したものである。たとえば、被検体が二つの部品に離間している状態では、通常の意味では、被検体に加えられる荷重はゼロ（０）であるが、本明細書における意味での「被検体に加えられる荷重」は、バネによって与えられる引っ張り力または圧縮力を加味するため、プラスまたはマイナスの荷重が存在することになる。バネによって加味される引っ張り力または圧縮力の程度には特に制限はなく、実験等で定めることができる。
【００１９】
また、「被検体の変位」に関し、二つの部品が互いに離れた場合における変位とは、被検体が圧縮された場合の変位のように被検体の変形を伴うものではなく、単に二つの部品間の距離を意味することとなる。本発明では、「変位」はこのような場合も包含する概念である。
【００２０】
以下、本明細書においては、「被検体に加えられる荷重」を単に「荷重」と、「被検体の変位」を単に「変位」と言う場合がある。
【００２１】
図２の装置による測定は次のようにして行われる。なお、弁棒６と弁座７とは金属からなっており、本例の圧縮負荷の範囲では変位量がほとんどないものとする。
【００２２】
図３は、二つの部品が結合している状態での荷重および変位の測定の様子を、図４は、二つの部品が離間している状態での荷重および変位の測定の様子を示す。図３，４のいずれの場合も、説明の簡略化のため、説明に不要な部位は図示を省略してある。
【００２３】
図３において、弁棒６と弁棒７とは結合している。このときアクチュエータから負荷が加えられていない状態を、荷重ゼロ（０）、変位ゼロ（０）とする。この荷重ゼロ点は、アクチュエータから負荷が加えられていない状態を意味するのであり、実際に荷重がゼロであることを意味するわけではない。
【００２４】
図５は測定時間を横軸に、荷重と変位とを縦軸に取ったものであり、図３や図４の状態における荷重の変化と変位の変化とを表している。マイナスの値が増大する方向またはプラスの値が減少する方向が圧縮荷重が増大する方向または引っ張り荷重が減少する方向、プラスの値が増大する方向またはマイナスの値が減少する方向が圧縮荷重が減少する方向または引っ張り荷重が増大する方向である。荷重のゼロ点は、上記の説明からわかるように、実際の荷重がないことを意味するものではない。
【００２５】
この状態から、所定の時間を掛けて次第に負荷を加えると、荷重は図５のマイナス方向に増大するが、弁棒６と弁座７とは金属からなっているため、本例の圧縮負荷の範囲では変位はゼロ（０）にとどまる。この様子を図示すると図５のＡ部分のようになる。荷重が所定の値になった後に、負荷を一定に保つと、荷重も変位も変化しない。これが図５のＢ部分である。この所定の値は任意に定めることができる。
【００２６】
次に、負荷を時間と共に減少していくと、荷重と変位とは図５のＣ部分のように推移し、やがて、アクチュエータから負荷が加えられていない状態、すなわち、荷重ゼロ（０）、変位ゼロ（０）であるＸ点，Ｘ’点に至る。
【００２７】
この後、バネ２１による圧縮力または引っ張り力が存在するため、荷重制御方式のまま、さらにアクチュエータを移動させることができ、弁棒６と弁棒７とが離間した状態で、荷重と変位とを測定することが可能となる。本発明では、このように、変位制御方式に切り替えることなく、荷重制御方式のまま、二つの部品よりなる被検体の当該二つの部品が離間している状態での荷重と変位とを同時に測定できる点に特徴の一つがある。
【００２８】
従って、図５のＤ部分のように、弁棒６と弁座７とが離間している状態でも、荷重と変位とのデータが得られる。所定の変位の後、プラスの荷重を減少するように負荷を与えれば、図５のＥ部分のように、荷重と変位とが減少し、やがて、アクチュエータから負荷が加えられていない状態、すなわち、荷重ゼロ（０）、変位ゼロ（０）であるＹ点，Ｙ’点に至る。この所定の値も任意に定めることができる。このようにして、二つの部品よりなる被検体の当該二つの部品が結合している状態と離間している状態とに渡る、荷重と変位との１サイクルが完成する。
【００２９】
なお、バネは、被検体の二つの部品が互いに結合しているが、アクチュエータから負荷が加えられていない状態で、圧縮状態になっていても、引っ張り状態になっていても、圧縮状態でも引っ張り状態でもない状態になっていてもよい。引っ張り状態になっていれば、被検体の二つの部品が互いに結合している状態から離間状体に移る際に、ロードセルには引っ張り加重が与えられ、圧縮状態になっていれば、被検体の二つの部品が互いに結合している状態から離間状体に移る際に、ロードセルには依然圧縮加重が与えられる等の差異が生じるだけである。
【００３０】
本発明に係るバネの材質、形状、数については特に制限はない。また、圧縮の際の応力を主に利用するバネでも引っ張りの際の応力を主に利用するバネでも使用可能である。さらに、本発明に係る材料試験機は、本発明に係るバネを設置できる限り、公知のどのような材料試験機を改造し、あるいは、これをベースにして作製することも可能である。
【００３１】
本発明により、二つの部品からなる被検体について、荷重制御方式を採用したまま、当該二つの部品が結合している状態と離間している状態とに渡って、荷重情報と変位情報とを得ることができる。この結果から得られる具体的効果を例示すれば次のようになる。
【００３２】
たとえば、従来の材料試験機を使用すると、荷重制御方式で圧縮とその解除とを繰り返す場合に、圧縮の解除が不十分である等の理由により、部品同士の焼き付きが起こることがあるが、本発明に係る材料試験機を使用し、材料試験方法を採用すれば、このような問題を解決できる。
【００３３】
また、本発明に係る材料試験機を使用し、材料試験方法を採用すれば、部品同士の離間が確実に保証され、しかも荷重制御方式と変位制御方式との間で切り替える必要がなくなるので、たとえば弁の開閉動作のシミュレーションを繰り返し、破損、融着等の欠点の有無等を確認する弁開閉信頼性試験を迅速容易に行うことができる。
【００３４】
なお、上記は、二つの部品が結合した状態でアクチュエータにより圧縮負荷を加える場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、たとえば図６の模式図に示される弁棒６と弁座７との相互関係のように、二つの部品が結合した状態でアクチュエータにより引っ張り負荷を加える場合や、二方切り替え弁のように、二つの部品が結合した状態でアクチュエータにより圧縮負荷を加える場合と引っ張り負荷を加える場合とがともに存在する場合にも本発明が適用できることはいうまでもない。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、二つの部品からなる被検体について、当該二つの部品が結合している状態と離間している状態との双方に渡って、被検体の荷重および変位を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るバネを有しない材料試験機の概略構成図である。
【図２】本発明に係るバネを有する材料試験機の概略構成図である。
【図３】二つの部品が結合している状態での荷重および変位の測定の様子を示す概略構成図である。
【図４】二つの部品が離間している状態での荷重および変位の測定の様子を示す概略構成図である。
【図５】荷重と変位とに経時変化を示すグラフである。
【図６】バルブの弁棒と弁座とを示す概略図である。
【符号の説明】
１    上部クロスヘッド
２    下部クロスヘッド
３    アクチュエータ
４    被検体
５    チャック
６    バルブの弁棒
７    バルブの弁座
８    変位計
９    材料試験機のフレーム
２１  バネ
２２  支持棒
【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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