(57)【要約】【課題】アームを駆動する駆動装置を小型化する。試験片の挟持・開放時間を短縮させる。【解決手段】試験片Ｔを挟持する一対のアーム２５を開閉駆動装置２６によって開閉させて先端間距離を増減させる。アーム先端を試験片Ｔに当接させた上で、さらに一対のアームの先端間距離を狭める方向にアーム２５を回動させる。アーム２５に設けられた板ばね３６がたわみ、試験片Ｔに対する挟持力が発生する。リミットスイッチ３０がオンしたときに開閉駆動装置２６を停止し、アーム２５による試験片挟持力を所定の値に設定する。【選択図】        図４
2004354087.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験片の伸びに追従して変位する一組のレバーと、
一組のレバーの変位量から試験片の変形量を検出する検出手段とを備え、
前記一組のレバーのそれぞれは、
試験片を挟持可能な一対のアームと、
前記アームを移動させてアーム先端間距離を増減させる移動手段とを有し、
前記一対のアームの少なくとも一方は、前記移動手段により前記アーム先端間距離を減少するとき、自身の反りによって前記試験片に対する挟持力を発生させる板ばねを含むことを特徴とする変位計測装置。
【請求項２】
請求項１の変位計測装置において、
前記アームが揺動自在に支持されており、
前記移動手段によって前記アームを回動させて前記アーム先端間距離を増減するように構成したことを特徴とする変位計測装置。
【請求項３】
請求項１または２の変位計測装置において、
前記移動手段は、
前記アームの一方に設置されるモータと、
前記モータによって回転されるねじ棒と、
前記アームの他方に設置され、前記ねじ棒に螺合して該ねじ棒上を移動する支持ナットとを有することを特徴とする変位計測装置。
【請求項４】
請求項１または２の変位計測装置において、
前記移動手段は、
前記アームを移動させるモータと、
前記アームの移動状態を検出するリミットスイッチとを有し、
前記リミットスイッチの検出値に基づいて前記モータを停止させて、前記挟持力を設定するように構成したことを特徴とする変位計測装置。
【請求項５】
請求項１または２の変位計測装置において、
前記移動手段は、
前記アームを移動させるモータと、
前記板ばねに設置されて該板ばねの反り状態を測定する歪ゲージとを有し、
前記歪ゲージの検出値に基づいて前記モータを停止させて、前記挟持力を設定するように構成したことを特徴とする変位計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試験片の伸び量などを測定する変位計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、試験片に引張力を加え、試験片の伸びと荷重を測定して材料の特性を評価する材料試験機が知られている。また、試験片の伸びを別途計測する手段として、例えば、一対のレバー検出棒を有するレバー式変位計測装置が用いられている。このレバー式変位計測装置は、一対のレバー検出棒が試験片を２箇所で把持することで、このレバー検出棒の相対移動距離から試験片の伸びを測定する。
【０００３】
このようなレバー式変位計測装置としては各レバーを開閉アーム式としたものが知られている。
開閉アーム式とは、各レバーが一対の開閉アームを有しており、このアームの先端をアクチュエータによって開閉させて試験片を挟持するものである。一対のアームの先端側には引張ばねが張設されており、アクチュエータが、この引張ばねのばね力に抗してアームの先端を開き、アーム先端に試験片を挿入した後、アクチュエータでこのアームの先端を閉じて、ばね力で試験片を挟持する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような引張ばねを利用した挟持構造の場合、試験片を挿入する前の準備時や、試験片開放時に、ばね力に抗してアームを開く必要があった。その結果、アクチュエータが大型化したり、開閉に時間を要したりする問題があった。アクチュエータが大型化すると、レバーの慣性重量が増大し、試験片の伸びに対する追従特性が低下する。開閉動作が遅いと、多くの試験片を連続的に計測する際の作業効率が低下する。
【０００５】
本発明は、ばね力に抗してアームを開く必要がない構造のレバー式変位計測装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明による変位計測装置は、試験片の伸びに追従して変位する一組のレバーと、一組のレバーの変位量から試験片の変形量を検出する検出手段とを備え、一組のレバーのそれぞれは、試験片を挟持可能な一対のアームと、アームを移動させてアーム先端間距離を増減させる移動手段とを有し、一対のアームの少なくとも一方は、移動手段によりアーム先端間距離を減少するとき、自身の反りによって試験片に対する挟持力を発生させる板ばねを含むことを特徴とする。
（２）請求項２の発明は、請求項１の変位計測装置において、アームを揺動自在に支持し、移動手段によってアームを回動させてアーム先端間距離を増減するように構成したことを特徴とする。
（３）請求項３の発明は、請求項１または２の変位計測装置において、移動手段を、アームの一方に設置されるモータと、モータによって回転されるねじ棒と、アームの他方に設置され、ねじ棒に螺合して該ねじ棒上を移動する支持ナットとにより構成したことを特徴とする。
（４）請求項４の発明は、請求項１または２の変位計測装置において、移動手段が、アームを移動させるモータと、アームの移動状態を検出するリミットスイッチとを有し、リミットスイッチの検出値に基づいてモータを停止させて、挟持力を設定するように構成したことを特徴とする。
（５）請求項５の発明は、請求項１または２の変位計測装置において、移動手段が、アームを移動させるモータと、板ばねに設置されて該板ばねの反り状態を測定する歪ゲージとを有し、歪ゲージの検出値に基づいてモータを停止させて、挟持力を設定するように構成したことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態にかかる材料試験機１および変位計測装置１０の正面図である。材料試験機１は、例えば、基台２と、基台２の両側に立設された２本のねじ棒３と、ねじ棒３の上端に設置された上部クロスヘッド４と、ねじ棒３と螺合して該ねじ棒３の回転により昇降する下部クロスヘッド５とを有する。基台２には、ねじ棒３を回転させる負荷用モータＭが収容されている。上部クロスヘッド４には、上つかみ具６がロードセル（図示省略）を介して連結されている。下部クロスヘッド５には、下つかみ部７が連結されている。なお、材料試験機１には、試験速度、最大荷重、最大伸び、破断検出、荷重単位、荷重／応力、試験片の断面積、伸び単位およびゲージ長さなどの試験条件を設定するための制御装置８が取り付けられている。
【０００８】
試験片Ｔは、上下つかみ具６、７によって挟持される。この状態で下部クロスヘッド５を下降させて試験片Ｔに引張負荷を付与し、試験片Ｔの材料特性を計測する。試験片Ｔの伸び量は、材料試験機１の脇に組みつけられる変位計測装置１０によって測定する。試験片Ｔに作用する荷重は図示しないロードセルで計測する。
【０００９】
図２および図３は変位計測装置１０の側面図と正面図である。
変位計測装置１０は、試験片Ｔの負荷方向（本実施の形態では鉛直方向）に立設される１本のガイドレール１１を備えている。ガイドレール１１には、それぞれ上レバー１２と下レバー１３が昇降可能に保持される。また、ガイドレール１１の両脇には補助レール１４が立設されており、この補助レール１４によって上下レバー１２、１３が直線案内されている。この案内は、上下レバー１２、１３に設置されるローラ１５が補助レール１４上を転がることによって実現される。ガイドレール１１にはリニアスケールが設けられており、上下レバー１２、１３の基準位置からの位置を検出する。
【００１０】
ガイドレール１１の上端には２組のプーリ１６、１７が設置されている。一方のプーリ１６には、上レバー１２に一端が接続されたワイヤ１８が巻き回され、このワイヤ１８の他端には上レバー１２用のバランスウエイト２０が吊持されている。同様に他方のプーリ１７には、下レバー１３に一端が接続されたワイヤ１９が巻き回され、このワイヤ１９の他端にはバランスウエイト２１が吊持されている。このバランスウエイト２０、２１によって、上下レバー１２、１３の重量が相殺され、外部負荷がゼロの場合に、上下レバー１２、１３を任意の場所で静止できるようになっている。
【００１１】
各プーリ１６、１７には、クラッチを介してパルスモータ２２が連結されている。クラッチをオンにしてプーリ１６、１７を回転させるとワイヤ１８、１９が移動し、上下レバー１２、１３がガイドレール１１に沿って昇降する。なお、試験中はクラッチがオフにされ、試験片Ｔの伸びに追従して上下レバー１２、１３が昇降する。
【００１２】
図４は上レバー１２の原理図、図５は図４に対応する詳細平面図である。なお上下レバー１２、１３は略同様の構成であるので、ここでは下レバー１３の説明を省略する。
【００１３】
上レバー１２は、ベース２４と、一対のアーム２５と、このアーム２５を移動させてアーム２５の先端部間の距離を増減させる開閉駆動装置２６とを備える。
【００１４】
開閉駆動装置２６は、パルスモータ２７と、パルスモータ２７で回転するねじ棒２８と、ねじ棒２８に螺合してねじ棒２８上を移動する支持ナット２９と、支持ナット２９に設置されるリミットスイッチ３０と、リミットスイッチ３０と接触して支持ナット２９の移動状態を検出するストライカナット３１と、このストライカナット３１とねじ棒２８の相対回転を制動する制動機構４０とを備える。
【００１５】
アーム２５は、基部３５、板ばね３６および先端検出棒３７を備えており、これらがこの順に直線的に連結されている。先端検出棒３７の基端側は揺動ピン３８によりベース２４に支持され、この揺動ピン３８を支点としてアーム２５全体が揺動可能となっている。一対のアーム２５における一方の基部３５は、パルスモータ２７のケーシングに回動可能に支持されており、他方の基部３５は支持ナット２９に回動可能に支持されている。この結果、パルスモータ２７によりねじ棒２８を回転させると、支持ナット２９が軸方向に移動して一対のアーム２５が揺動し、先端検出棒３７が開閉する。すなわち、支持ナット２９がパルスモータ２７側から離反する方向に移動すると、アーム２５の先端側が閉じて試験片Ｔを挟持する。反対に、支持ナット２９がパルスモータ２５側に移動すると、アーム２５の先端側が開いて試験片Ｔを開放する。
【００１６】
アーム２５の先端を閉じる際、リミットスイッチ３０がストライカナット３１に接触してオンになる。このオン信号によってパルスモータ２７が停止し、試験片Ｔを挟持した状態でアーム２５が固定される。板ばね３６は反った状態になり、そのばね力（反力）が試験片Ｔの挟持力となる。ストライカナット３１の位置を変更すれば、板ばね３６の反り具合を調整できるので、挟持力を柔軟に設定することができる。また試験片Ｔを開放した場合、板ばね３６が中立位置に復帰する。
【００１７】
図６は上レバー１２における開閉駆動装置２６の拡大断面図である。
開閉駆動装置２６に設置される制動機構４０は、ストライカナット３１と一体にされたブレーキ筒４１と、ブレーキ筒４１内に挿入され、ねじ棒２８に螺合しているピン固定用円柱体４２と、ピン固定用円柱体４２の周壁から径方向外側に突出してブレーキ筒４１の内壁を押圧し、その摩擦力によって制動力を発揮する一対のブレーキピン４３と、ピン固定円柱体４２に揺動可能に取り付けられ、ブレーキピン４３を操作する一対の操作板４４と、一対の操作板４４からブレーキピン４３に制動力を与える付勢ばね４５とを備える。なお、ピン固定用円柱体４２は、止めねじ４６によってねじ棒２８に固定されている。
【００１８】
付勢ばね４５に抗して一対の操作板４４を閉じると、ブレーキピン４３がブレーキ筒４１の内面から離れる。ブレーキピン４３から開放されたブレーキ筒４１およびストライカナット３１を回転させると、ねじ棒２８上で位置調整することができる。ストライカナット３１の位置調整が完了した後は、操作板４４を開き、ブレーキピン４３によってブレーキ筒４１を固定する。
【００１９】
この構造にした結果、ストライカナット３１はねじ棒２８と一体化される。そのため、パルスモータ２７の起動時や停止時において、慣性力によりストライカナット３１とねじ棒２８が相対回転することを防止することが可能になる。
【００２０】
なお、本実施の形態では制動機構４０を設ける場合を示したが、一般的なダブルナット手法でストライカナット３１を固定してもよい。しかし、位置調整の便宜を考えると、調整時に特別な工具を要しない上記制動機構４０を設置することが望ましい。
【００２１】
図７は制御装置８のブロック図である。制御装置８は、各種制御を司るＣＰＵ５０ａおよびメモリ５０ｂなどを備える演算処理装置５０と、原点位置復帰ボタン５１ａや試験開始ボタン５１ｂを有する制御パネル５１と、ゲージ長さＧ等のパラメータを変更したり各種試験条件を設定するキーボードー５２と、試験条件や試験結果などを表示する表示モニタ５３とを有する。キーボード５２で設定された試験条件のメニューやゲージ長さＧ（図２参照）は演算処理装置５０のメモリ５０ｂに記憶される。演算処理装置５０は、キーボード５２からの入力に応じてメモリ５０ｂからメニュー等を読み出して所定のデータをモニタ５３に表示させると共に、必要な情報をメモリ５０ｂに書き込む。
【００２２】
この演算処理装置５０には、上レバー１２と下レバー１３をそれぞれ昇降する一組のモータ２２Ｕ，２２Ｌと、モータ２２Ｕ，２２Ｌとプーリ１６および１７をそれぞれ接断するクラッチ５７Ｕ，５７Ｌと、上下レバー１２および１３それぞれの開閉用パルスモータ２７Ｕ，２７Ｌと、上下レバー１２および１３それぞれのリミットスイッチ３０Ｕ，３０Ｌと、上下レバー１２，１３の位置をそれぞれ検出するリニアスケール５８Ｕ，５８Ｌとが接続されている。演算処理装置５０は、各種機器からの信号を入力してモータなどに制御信号を出力するとともに、リニアスケール５８Ｕ，５８Ｌからの信号を入力して試験片Ｔの変位量を演算する。
【００２３】
次に、本実施の形態の動作の概略について説明する。
上下つかみ具７，８間に試験片Ｔが把持され、上下レバー１２，１３の各一対のアーム２５の間に試験片Ｔが位置し、アーム２５は開いているものとする。まず原点位置復帰ボタン５１ａを操作すると、試験片Ｔの中心位置を基準として相対的にゲージ長さＧだけ離反した位置、つまり試験片Ｔの中心からそれぞれ上下方向にＧ／２の移動した位置に上下レバー１２、１３がセットされる。試験開始ボタン５１ｂを操作すると、例えば材料試験機１の下部クロスヘッド５が下降し、試験片Ｔが所定の試験条件で負荷される。試験の過程において、試験片Ｔの伸びは、一対の上下レバー１２、１３の位置をリニアスケール５８Ｕ，５８Ｌで読み取ることで測定され、また、試験片Ｔに作用する荷重は、材料試験機１に設置されている図示しないロードセルによって測定される。試験片Ｔの破断等により試験終了を検出すると、下部クロスヘッド５が自動的に停止し、収集されたデータを集計して試験が完了する。
【００２４】
図８は変位計測装置１０の基本動作を説明するためのフローチャートである。まずステップＳ１において、原点位置復帰ボタン５１ａの操作により、上下レバー１２、１３の取付目標位置がメモリ５０ｂから読み出される。ステップＳ２において、変位計測装置１０のパルスモータ２２のクラッチ５７Ｕ，５７Ｌをオンにし、パルスモータ２２Ｕ，２２Ｌによって上下レバー１２、１３を取付目標位置まで移動・停止させる。ステップＳ３において、上下レバー１２、１３に設置されるパルスモータ２７Ｕ，２７Ｌによって支持ナット２９を移動させる。リミットスイッチ３０Ｕ，３０Ｌのオン信号を演算処理装置５０が入力すると、パルスモータ２７Ｕ，２７Ｌが駆動を停止し、上下レバー１２および１３のアーム２５により試験片Ｔが挟持される。
【００２５】
上述したように、リミットスイッチ３０Ｕ，３０Ｌがオンする位置は、ストライカナット３１の位置を調整することにより可変である。試験片挟持力は板ばね３６の反り具合、すなわちたわみ量に依存し、そのたわみ量はリミットスイッチ３０Ｕ，３０Ｌがオンする位置に依存する。したがって、リミットスイッチ３０Ｕ，３０Ｌの位置を調整することにより試験片挟持力を可変とすることができる。
【００２６】
ステップＳ４において、試験開始ボタン５１ｂを操作する。これによってパルスモータ２２Ｕ，２２Ｌのクラッチクラッチ５７Ｕ，５７Ｌがオフとなり、上下レバー１２、１３が試験片Ｔの伸びに追従して移動できるようになる。これと同時に負荷用のモータＭを駆動し、ねじ棒３により下部クロスヘッド５を下降させて試験片Ｔに引っ張り負荷を付与する。この結果、試験片Ｔの伸びに応じて上下レバー１２、１３が共にガイドレール１１を下降すると共に、当初はゲージ長さＧであった両者の相対距離が徐々に広がっていく。
【００２７】
ステップＳ５では、ガイドレール１１に設置されたリニアスケール５８Ｕ，５８Ｌの値を読み込み、試験片Ｔの伸びを演算するとともに、同時に、図示しないロードセルの出力値を試験片Ｔの負荷荷重として読み込む。
【００２８】
なお、上下レバー１２、１３の後端には、これらの間の相対変位に応じた変位量を出力する差動トランスが設けられており、この差動トランスの出力を読み取ることで、プーリでの滑りなどの影響を受けずに伸び量を一層精度良く計測する。
【００２９】
予め定めた試験終了条件が成立すると、負荷用モータＭを停止させて試験を終了する。試験終了条件とは、たとえば試験片Ｔが破断することによって、ロードセルの出力ゼロとなる場合である。試験終了条件が成立しない場合は、負荷用モータＭを継続して回転させ、試験片Ｔに対する負荷を増大させる。
【００３０】
ステップＳ６において、試験終了を判定すると、上下レバー１２、１３にそれぞれ設けられている一対のアーム２５を開いて試験片Ｔを開放する。
【００３１】
作業者が測定済みの試験片Ｔを取り外し、新たな試験片Ｔを上下つかみ具６、７に取り付けた後、原点位置復帰ボタン５１ａを操作することで、再度ステップＳ１から同じ手順が繰り返される。
【００３２】
本実施の形態においては次のような作用効果を得ることができる。
（１）板ばね３６により試験片Ｔの挟持力を得ているので、試験片Ｔを開放する際のパルスモータ２７の負荷を軽減することができる。この結果、パルスモータ２７を小型化できるので、上下レバー１２、１３の慣性重量が軽減されて試験片Ｔの伸びに対する追従特性を向上させることができる。
【００３３】
（２）板ばね３６のたわみ量をリミットスイッチ３０により調整して試験片Ｔの挟持力を変更することができるので、材料の特性に影響を与えない程度、かつ、上下レバー１２、１３が試験片Ｔに対して滑ることなく追従できる程度の適切な挟持力を設定することができる。特に、制動機構４０によって、ストライカナット３１を簡単に位置決めすることができるので、試験の作業効率を高めることができる。
【００３４】
（３）試験時以外の待機時間中は、アーム２５を開放しておくことで、パルスモータ２７、アーム２５、アーム２５を支持する揺動ピン３８などに無理な負荷がかからない。従って、部材の疲労が軽減されて、変位計測装置１０の長寿命化が達成される。
【００３５】
なお、上記実施の形態においては、一対のアーム２５の双方に板ばね３６を設ける場合に限って示したが、本発明はそれに限定されず、少なくとも一方でよい。また、上記実施の形態では、一対のアーム２５の先端を移動させる開閉駆動装置２６として、揺動ピン３８を支点としてアーム２５を揺動させる構造に限って示したが、それ以外の構造でも構わない。例えば、アーム２５の少なくとも一方を平行移動させることで、試験片Ｔを挟持しても構わない。更にここではアーム２５が基部３５、板ばね３６、先端検出棒３７を備える構造を示したが、板ばね３６の機能を発揮できるものであればそれ以外の構造でも構わない。
【００３６】
また、上記実施の形態では、開閉駆動装置２６に設けられるリミットスイッチ３０によって板ばね３６のたわみ量を設定する場合を示したが、本発明はそれに限定されるものではない。例えば、図９に示されるように、板ばね３６に歪ゲージ６０を設けてその反り状態であるたわみ量を直接計測し、この計測値に基づいてパルスモータ２７を制御しても構わない。このようにすると、試験片Ｔの厚さ変動を考慮しながら、より正確に試験片Ｔの挟持力を調整することができる。また、電子制御によって挟持力を変更できるので、試験作業者の労力の負担が軽減される。
【００３７】
以上の説明では、移動手段を開閉駆動装置２６で実現しているが、開閉駆動装置２６は上述した通り種々の形態で実現することができる。また、検出手段をリニアスケール５８Ｕ，５８Ｌで実現しているが、プーリー１６，１７の回転を検出するロータリエンコーダ、非接触式の位置センサ等、その他の計測機器で実現してもよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、板ばねにより試験片の挟持力を得るようにしたので、アームを駆動する駆動装置を小型化できる。また、試験片の挟持・開放時間を短縮できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態の全体構成を示す正面図
【図２】変位計測装置の構成を示す側面図
【図３】変位計測装置の構成を示す正面図
【図４】上レバーの構成を示す原理図
【図５】上レバーの構成を示す上面図
【図６】開閉駆動装置の構成を示す拡大断面図
【図７】制御装置の構成を示すブロック図
【図８】変位計測装置の基本動作を示すフローチャート
【図９】変位計測装置の他の構成例を示す上面図
【符号の説明】
１    材料試験機
１０    変位計測装置
１２    上レバー
１３    下レバー
２５    アーム
２６    開閉駆動装置
２７    パルスモータ
２８    ねじ棒
２９    支持ナット
３０    リミットスイッチ
３１    ストライカナット
３６    板ばね
４０    制動機構
【図１】
2004354087.tif 000003
【図２】
2004354087.tif 000004
【図３】
2004354087.tif 000005
【図４】
2004354087.tif 000006
【図５】
2004354087.tif 000007
【図６】
2004354087.tif 000008
【図７】
2004354087.tif 000009
【図８】
2004354087.tif 000010
【図９】
2004354087.tif 000011