(57)【要約】【課題】摺動抵抗の発生を構造的に防止する。【解決手段】試料２の一端側を保持する固定側保持手段４と、軸方向に移動可能で試料２の他端側を保持する荷重軸５と、荷重軸５に装着された歪み検出手段６と、荷重軸５をその軸方向に移動可能に支持する支持手段７と、荷重軸５に連結部材８を介して接続される圧電アクチュエータ９とを備えた小型材料試験装置１である。支持手段７は、試験台３に荷重軸５の軸方向に揺動可能に取り付けられた同じ高さで平行の一対の揺動体１０を有すると共に、一対の揺動体１０の上端を荷重軸５の軸方向に離れた２箇所に連結することで荷重軸５を軸方向に移動可能に支持するものである。圧電アクチュエータ９は荷重軸５に対して平行に配置され、圧電アクチュエータ９の伸縮作用によって連結部材８ごと荷重軸５を軸方向に移動させて試料２に荷重をかける。【選択図】図１
2005249612.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験台に固定されて試料の一端側を保持する固定側保持手段と、前記試験台に軸方向に移動可能に設けられ前記試料の他端側を保持する可動側保持手段と、前記可動側保持手段に装着された歪み検出手段と、前記可動側保持手段をその軸方向に移動可能に支持する支持手段と、前記試験台に一端が固定されるとともに他端が前記可動側保持手段に連結部材を介して接続される圧電アクチュエータとを備え、前記支持手段は、前記試験台に前記可動側保持手段の軸方向に揺動可能に取り付けられた同じ高さで平行の一対の揺動体を有すると共に、前記一対の揺動体の上端を前記可動側保持手段の前記軸方向に離れた２箇所に連結することで前記可動側保持手段を軸方向に移動可能に支持するものであり、かつ前記圧電アクチュエータは前記可動側保持手段に対して平行に配置され、電圧変化時の前記圧電アクチュエータの伸縮作用によって前記連結部材ごと前記可動側保持手段を軸方向に移動させて前記試料に荷重をかけることを特徴とする小型材料試験装置。
【請求項２】
前記歪み検出手段を前記可動側保持手段の前記一対の揺動体の間の位置に装着することを特徴とする請求項１記載の小型材料試験装置。
【請求項３】
軸方向振れ防止手段を有しており、前記軸方向振れ防止手段は、前記連結部材を挟んで前記圧電アクチュエータの反対側に隙間を介在させて配置され且つ前記試験台に固定されたストッパと、前記ストッパと前記連結部材の間に設けられて前記連結部材を前記圧電アクチュエータに向けて押圧する弾性部材とを備えることを特徴とする請求項１または２記載の小型材料試験装置。
【請求項４】
前記固定側保持手段は、前記試料の保持位置を前記可動側保持手段の軸方向に変位させる位置調整手段を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の小型材料試験装置。
【請求項５】
前記固定側保持手段および可動側保持手段は前記試料を保持するチャックを有し、前記チャックはグリップベースと押さえ板とで前記試料を挟み持つものであり、前記押さえ板の基端を支点として先端の作用点が前記グリップベースに対して開閉するように前記押さえ板を前記グリップベースに重ね合わせると共に、前記支点と前記作用点との間の位置を力点として締め付けることで前記作用点で前記試料を挟み付けて保持することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の小型材料試験装置。
【請求項６】
前記支持手段の揺動体は表裏面を前記可動側保持手段の軸方向に向けて配置する板ばねであり、前記可動側保持手段に固定されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の小型材料試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型材料試験装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、試料に引張荷重または圧縮荷重をかけて試験を行う小型材料試験装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
小型材料試験装置として、例えば、特開２０００−２９８０８７号公報に開示されたものがある。この小型材料試験装置を図１３に示す。小型材料試験装置１０１は、試験台１０２上に固着されて試料１０３の一端側を支持する固定支持手段１０４と、試験台１０２上に軸方向に移動可能に設けられ試料１０３の他端側を支持する可動支持手段１０５と、試験台１０２上に一端が固定されるとともに他端が可動支持手段１０５に連結部材１０６を介して接続される圧電アクチュエータ１０７とを備え、かつ圧電アクチュエータ１０７は少なくとも２つが可動支持手段１０５に対して平行かつ対称に配置され、電圧変化時の圧電アクチュエータ１０７の伸縮作用によって連結部材１０６ごと可動支持手段１０５を軸方向へ移動させ試料１０３に荷重をかけるものである。
【０００３】
この小型材料試験装置１０１では、固定支持手段１０４の支持ピン１０８と可動支持手段１０５に試料１０３の両端をねじ止めしている。電圧の変化によって圧電アクチュエータ１０７が伸縮すると、可動支持手段１０５としての荷重軸（支持棒）が軸方向に移動して試料１０３に引張荷重または圧縮荷重をかける。試料１０３に荷重をかけることで荷重軸１０５に歪みが生じる。荷重軸１０５にはその歪みを測定するロードセル１０９が装着されており、荷重軸１０５の歪みの大きさに基づいて試料１０３にかけた荷重を測定する。
【０００４】
荷重軸１０５は２つのブラケット１１０，１１１によって軸方向に移動可能に支持されている。即ち、荷重軸１０５は２つのブラケット１１０，１１１の孔を摺動可能に貫通しており、径方向へのぶれ防止が図られている。なお、図１３中符号１１２は固定支持手段１０４の支持ピン１０８を固定するブラケットである。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２９８０８７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の小型材料試験装置では、２つのブラケット１１０，１１１によって荷重軸（可動側保持手段）１０５を摺動可能に支持するので、荷重軸１０５の摺動抵抗を試験上問題にならない程度まで小さくすることは可能であっても、完全に無くすことはできなかった。このため、摺動抵抗を生じさせることがない別の支持構造の開発が要請されていた。
【０００７】
また、ブラケット１１０，１１１に対して荷重軸１０５が回転可能であり、荷重軸１０５が回転するとねじりモーメントが発生し荷重軸１０５に歪みが生じる虞があるので、試料１０３の装着時に荷重軸１０５にねじりモーメントを発生させないように注意する必要があった。
【０００８】
さらに、荷重軸１０５を軸方向に動かすと圧電アクチュエータ１０７を伸縮させることになるので、試料１０３の取付作業時に誤って荷重軸１０５を大きく動かさないように注意する必要があった。
【０００９】
本発明は、可動側保持手段の移動に対して摺動抵抗を構造的に生じさせることがない小型材料試験装置を提供することを目的とする。また、本発明は、試料の装着によって可動側保持手段に歪みを生じさせることがない小型材料試験装置を提供することを目的とする。さらに、本発明は、可動側保持手段の過大移動を防止することができる小型材料試験装置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】
【００１０】
かかる目的を達成するために、請求項１記載の小型材料試験装置は、試験台に固定されて試料の一端側を保持する固定側保持手段と、試験台に軸方向に移動可能に設けられ試料の他端側を保持する可動側保持手段と、可動側保持手段に装着された歪み検出手段と、可動側保持手段をその軸方向に移動可能に支持する支持手段と、試験台に一端が固定されるとともに他端が可動側保持手段に連結部材を介して接続される圧電アクチュエータとを備え、支持手段は、試験台に可動側保持手段の軸方向に揺動可能に取り付けられた同じ高さで平行の一対の揺動体を有すると共に、一対の揺動体の上端を可動側保持手段の軸方向に離れた２箇所に連結することで可動側保持手段を軸方向に移動可能に支持するものであり、かつ圧電アクチュエータは可動側保持手段に対して平行に配置され、電圧変化時の圧電アクチュエータの伸縮作用によって連結部材ごと可動側保持手段を軸方向に移動させて試料に荷重をかけるものである。
【００１１】
したがって、圧電アクチュエータにかける電圧を変化させると、連結部材ごと可動側保持手段がその軸方向に移動し、固定側保持手段とで保持している試料に引張荷重または圧縮荷重をかける。これにより可動側保持手段に歪みが発生する。可動側保持手段に発生する歪みと試料にかけた荷重との間には一定の関係があるので、歪み検出手段によって可動側保持手段の歪みを測定することで、試料にかかっている荷重を測定できる。
【００１２】
可動側保持手段は同じ高さで平行の一対の揺動体によって支持されており、各揺動体が揺動することで可動側保持手段をその軸方向に移動させる。即ち、試験台、可動側保持手段、一対の揺動体によって平行リンク機構が構成されることになり、この平行リンク機構によって可動側保持手段が支持される。このため、可動側保持手段はその軸方向には移動自在であるが、軸方向に垂直な方向への移動や軸まわりの回転は阻止される。
【００１３】
なお、厳密には、平行リンク機構によって支持される可動側保持手段はその軸方向の移動に伴って上下方向にも移動することになるが、圧電アクチュエータを駆動源とした可動側保持手段の軸方向への移動距離は極僅かであり、したがって上下方向への移動距離は更に僅かなものとなる。このため、可動側保持手段の上下方向への移動は実質的に無視することができる。
【００１４】
また、請求項２記載の小型材料試験装置は、歪み検出手段を可動側保持手段の一対の揺動体の間の位置に装着するものである。したがって、可動側保持手段を支持する平行リンク機構の内側に歪み検出手段を設けることができる。平行リンク機構の内側は、測定誤差となる余分な歪みが特に発生し難い場所である。
【００１５】
また、請求項３記載の小型材料試験装置は、軸方向振れ防止手段を有しており、この軸方向振れ防止手段は、連結部材を挟んで圧電アクチュエータの反対側に隙間を介在させて配置され且つ試験台に固定されたストッパと、ストッパと連結部材の間に設けられて連結部材を圧電アクチュエータに向けて押圧する弾性部材とを備えるものである。
【００１６】
したがって、圧電アクチュエータが高速で伸縮を繰り返してもこの動きに連結部材が追従し易くなる。圧電アクチュエータがオンされると、弾性部材を変形させながら可動側保持手段を移動させる。したがって、圧電アクチュエータがオフされると、弾性部材が元の形状に戻る力を、可動側保持手段を元の位置（中立位置）に戻す補助力として利用することができる。また、可動側保持手段の移動距離が大きくなり過ぎると連結部材がストッパに当たり、それ以上の移動が制限される。
【００１７】
また、請求項４記載の小型材料試験装置は、固定側保持手段が、試料の保持位置を可動側保持手段の軸方向に変位させる位置調整手段を備えている。
【００１８】
位置調整手段によって試料の保持位置を変えると、固定側保持手段と可動側保持手段の間隔が変化する。試料の取付作業によって圧電アクチュエータがオフ状態であっても可動側保持手段に歪みを生じさせてしまうことがあるが、試料取付後に固定側保持手段と可動側保持手段の間隔を調整することでこの歪みをキャンセルすることができる。
【００１９】
また、請求項５記載の小型材料試験装置は、固定側保持手段および可動側保持手段が試料を保持するチャックを有し、チャックはグリップベースと押さえ板とで試料を挟み持つものであり、押さえ板の基端を支点として先端の作用点がグリップベースに対して開閉するように押さえ板をグリップベースに重ね合わせると共に、支点と作用点との間の位置を力点として締め付けることで作用点で試料を挟み付けて保持するものである。したがって、てこの原理を利用して試料を挟持することができる。
【００２０】
さらに、請求項６記載の小型材料試験装置は、支持手段の揺動体は表裏面を可動側保持手段の軸方向に向けて配置する板ばねであり、可動側保持手段に固定されている。
【００２１】
板ばねは可動側保持手段の軸方向に弾性変形し、可動側保持手段の径方向には変形困難である。このため、可動側保持手段は軸方向には移動可能であるが、軸方向に対して垂直な方向には移動不能となる。また、板ばねは可動側保持手段に固定されているので、可動側保持手段は軸まわりに回転不能となる。したがって、板ばねによって平行リンク機構の揺動リンクを構成することができる。また、弾性変形した板ばねが元の形状に戻ろうとする力を利用して、平行リンク機構を元の形状、即ち可動側保持手段を元の位置に戻すことができる。
【発明の効果】
【００２２】
しかして、請求項１記載の小型材料試験装置では、試験台、可動側保持手段、一対の揺動体によって平行リンク機構が構成され、構造的に摺動抵抗を発生させることなく可動側保持手段を軸方向に移動可能に支持することができる。このため、可動側保持手段に荷重（駆動力）が作用していない中立位置が明確になると共に、圧電アクチュエータのオフに伴い可動側保持手段を中立位置に確実に復帰させることができる。また、圧電アクチュエータの作動電圧が極僅かであってもその電圧に応じた距離だけ可動側保持手段を移動させることができ、圧電アクチュエータの作動電圧と可動側保持手段の移動距離との関係にヒステリスが発生することを抑えることができる。さらに、可動側保持手段の動きを軸方向の動きのみに制限することができるので、例えば試料の装着などにより可動側保持手段が捻れる等して荷重測定の誤差となる余分な歪みを生じさせてしまうのを防止することができる。
【００２３】
また、請求項２記載の小型材料試験装置では、特に、測定誤差となる余分な歪みが発生し難い平行リンク機構の内側に歪み検出手段を装着しているので、試料にかけた荷重の測定精度をより一層向上させることができる。また、可動側保持手段が長くなるのを防止して装置の大型化を防ぐことができる。
【００２４】
また、請求項３記載の小型材料試験装置では、弾性部材の押圧力が可動側保持手段を中立位置に復帰させる補助力として機能するので、可動側保持手段を迅速かつ確実に中立位置に復帰させることができ、例えば圧電アクチュエータを高速で伸縮させてもその動きに可動側保持手段を追従させることができる。また、ストッパが可動側保持手段の移動距離を制限するので、例えば外力等によって可動側保持手段が大きく動かされるのを防止することができ、試料、歪み検出手段、支持手段などに過負荷がかかるのを防止することができる。
【００２５】
また、請求項４記載の小型材料試験装置では、固定側保持手段と可動側保持手段の間隔を変化させることができるので、例えば試料の装着作業等により試験開始前に生じていた可動側保持手段の歪みをキャンセルすることができ、試料にかけた荷重の測定精度をより一層向上させることができる。
【００２６】
また、請求項５記載の小型材料試験装置では、てこの原理を利用して試料を挟持するので、試料の厚さが薄くても確実に保持することができる。
【００２７】
さらに、請求項６記載の小型材料試験装置では、板ばねを利用して平行リンク機構の揺動リンクを構成することができる。弾性部材した板ばねは元の形状に戻ろうとするので、その力を利用して平行リンク機構を元の形状、即ち可動側保持手段を中立位置に復帰させることができる。また、板ばねは可動側保持手段の軸方向には変形可能であるが、可動側保持手段の軸方向に垂直な方向には変形困難であり、また、可動側保持手段をその軸まわりに回転させることもない。このため、可動側保持手段に測定誤差となる余分な歪みが発生するのを防止することができ、測定精度をより一層向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００２９】
図１〜図９に、本発明の小型材料試験装置の一実施形態を示す。この小型材料試験装置１は、材料から採取した試料（試験片）２に例えば引張荷重を与えて応力を生じさせ材料試験を行うものである。
【００３０】
小型材料試験装置１は、試験台３に固定されて試料２の一端側を保持する固定側保持手段４と、試験台３に軸方向に移動可能に設けられ試料２の他端側を保持する可動側保持手段５と、可動側保持手段５に装着された歪み検出手段６と、可動側保持手段５をその軸方向に移動可能に支持する支持手段７と、試験台３に一端が固定されるとともに他端が可動側保持手段５に連結部材８を介して接続される圧電アクチュエータ９とを備え、支持手段７は、試験台３に可動側保持手段５の軸方向に揺動可能に取り付けられた同じ高さで平行の一対の揺動体１０を有すると共に、一対の揺動体１０の上端を可動側保持手段５の軸方向に離れた２箇所に連結することで可動側保持手段５を軸方向に移動可能に支持するものであり、かつ圧電アクチュエータ９は可動側保持手段５に対して平行に配置され、電圧変化時の圧電アクチュエータ９の伸縮作用によって連結部材８ごと可動側保持手段５を軸方向に移動させて試料２に荷重をかけるものである。
【００３１】
試料２は対象となる構造物から採取され、あるいは当初から試料２として形成された試験片であり、例えば本実施形態では図１０に示すように矩形の板状であって中央部分両側に略半円形の切り欠き２ａ，２ａが設けられた形状とされている。
【００３２】
固定側保持手段４は、例えば、試験台３に固着されるＬ形のブラケット１１と、位置調整手段１２と、固定側荷重軸１３とを備えている。ブラケット１１は、その垂直壁部のほぼ中央に位置調整手段１２のマイクロメータ１４を貫通させるための孔１１ａが形成されており、図示しないねじによって試験台３に固定されている。
【００３３】
位置調整手段１２を図２、図３に示す。位置調整手段１２は、試料２の保持位置を可動側保持手段５の軸方向に変位させるもので、クロスヘッド１５と、ガイドスタッド１６と、押えねじ１７と、マイクロメータ１４を備えている。ガイドスタッド１６は例えば２本設けられており、マイクロメータ１４を挟んで左右対称に且つ可動側保持手段５の軸方向に沿って平行に配置されている。ガイドスタッド１６はブラケット１１を貫通し、試料２側に突出している。ガイドスタッド１６はブラケット１１に固定されている。
【００３４】
クロスヘッド１５の試料２側の面の中央には、固定側荷重軸１３が取り付けられている。また、クロスヘッド１５の両側部には、ガイドスタッド１６を差し込むスリット１５ａが設けられている。スリット１５ａにガイドスタッド１６を差し込むことでクロスヘッド１５をガイドスタッド１６に連結することができ、また、ガイドスタッド１６に沿ってクロスヘッド１５を摺動させることで、クロスヘッド１５の位置を可動側保持手段５の軸方向に動かすことができる。クロスヘッド１５とブラケット１１の間にはコイルスプリング１８が設けられている。
【００３５】
マイクロメータ１４は、例えば１回転でプランジャ１４ａを０．５mmだけ移動させるダイヤルと１回転でプランジャ１４ａを０．０２５mmだけ移動させるダイヤルを連動した２重ピストン型マイクロメータヘッドである。マイクロメータ１４はブラケット１１の孔１１ａに挿入され固定されている。マイクロメータ１４のプランジャ１４ａは孔１１ａを貫通し、クロスヘッド１５に当たっている。マイクロメータ１４を操作してプランジャ１４ａを突出させることでクロスヘッド１５を試料２側に移動させることができる。一方、マイクロメータ１４を操作してプランジャ１４ａを引っ込めると、コイルスプリング１８の弾性力によってクロスヘッド１５をブラケット１１側に移動させることができる。即ち、マイクロメータ１４の操作によって、クロスヘッド１５に固定された固定側荷重軸１３を可動側保持手段５の軸方向に移動させることができる。固定側荷重軸１３を移動させて位置調整した後、押さえねじ１７をねじ込んでスリット１５ａの幅を狭くすることで固定側荷重軸１３を調整された位置に固定することができる。なお、位置調整手段１２により歪み検出手段６の測定値の較正を直接行うことができる。
【００３６】
可動側保持手段５は、試料２を他端側から保持しつつ引張荷重を与えて当該試料２に歪みを生じさせるものであり、試験台３からみて一方向に前後動し得る例えば棒状の部材（本実施形態では以下「荷重軸５」という）によって構成されている。この荷重軸５は例えば丸棒や角棒を用いたものでも構わなく、形状は特に限定されることはない。
【００３７】
支持手段７を図４〜図６に示す。荷重軸５を支持する支持手段７は、一対の揺動体１０と、固定ブロック１９と、一対の遊動ブロック２０を備えている。固定ブロック１９は、試験台３の所定位置に固定されている。また、遊動ブロック２０は、荷重軸５の軸方向に離れた２箇所に固定されている。
【００３８】
揺動体１０は、例えば表裏面を荷重軸５の軸方向に向けて配置する板ばね（以下、板ばね１０という）であり、荷重軸５に固定されている。本実施形態では、板ばね１０の上端を遊動ブロック２０に固定することで、荷重軸５に固定している。即ち、板ばね１０の上端を遊動ブロック２０と押さえ板４とで挟み、ねじ止めすることで固定されている。また、板ばね１０の下端は固定ブロック１９に固定されている。即ち、板ばね１０の下端を固定ブロック１９と押さえ板４４とで挟み、ねじ止めすることで固定されている。
【００３９】
板ばね１０は両面から一対の押さえ板２１によって挟み込まれている。即ち、板ばね１０の中央はねじ止めされた２枚の押さえ板２１によって挟まれており、この部分では板ばね１０が湾曲したり折れ曲がったりしない。板ばね１０と押さえ板２１は例えばＨ形状を成しており、荷重軸５と干渉しないようになっている。また、押さえ板２１の上下外側のエッジ２１ａは、例えば６０度の角度で落とされており、この部分での板ばね１０の折れ曲がり（弾性変形）を可能にしている。
【００４０】
支持手段７の一対の揺動体１０は同じ高さに設定されており、各揺動体１０が揺動することで荷重軸５をその軸方向に移動させる。即ち、試験台３、荷重軸５、一対の揺動体１０によって平行リンク機構が構成されることになり、この平行リンク機構によって荷重軸５は支持される。このため、荷重軸５はその軸方向には移動自在であるが、軸方向に垂直な方向への移動や軸まわりの回転は阻止される。したがって、荷重軸５に軸方向以外の方向の歪み、即ち測定誤差を生じさせる余分な歪みの発生を防止することができる。
【００４１】
なお、厳密には、平行リンク機構によって支持される荷重軸５はその軸方向の移動に伴って上下方向にも移動することになるが、圧電アクチュエータ９の移動距離は最大でも約７０μｍであり、したがって、上下方向への移動距離は更に僅かなものとなる。このため、荷重軸５の上下方向への移動は実質的に無視することができる。
【００４２】
歪み検出手段６は、例えばロードセルである。歪み検出手段６は荷重軸５の一対の揺動体１０の間の位置に装着されている。本実施形態では歪み検出手段６をケース内に収容してユニット化しており、ユニット化した歪み検出手段６を荷重軸５に装着している。
【００４３】
荷重軸５の他端部は連結部材（ロードビーム）８に取り付けられている。連結部材８は、圧電アクチュエータ９の伸縮作用を受けてこの動きを荷重軸５に伝達する部材であり、試験台３に対して移動自在である。
【００４４】
圧電アクチュエータ９は、電圧変化時におけるその伸縮作用によって試料２に与える荷重を生み出す荷重発生装置として機能する部材であり、荷重軸５を軸方向に移動させて試料２にひずみを生じさせることができる。圧電アクチュエータ９としては単一の棒状圧電素子から構成されたものでも構わないが、本実施形態では、圧電素子全体の変位量を十分に確保するために、圧電アクチュエータ９として円盤型セラミックスからなる薄板状圧電素子を軸方向に積層したマルチレイヤー型圧電アクチュエータを使用している。本実施形態では材料試験装置として望まれる最大変位量（例えば約７０μｍ）を得る最小の圧電素子として例えば５０層の圧電アクチュエータ９が使用されるが、この圧電素子の積層数は特に限定されることなく必要に応じて適宜設定し得るものである。ただし、圧電素子の積層数に伴い同一荷重に対して発生する変位が線形的に大きくなることからすればこの積層数は多い方が好ましい。
【００４５】
このように積層されたセラミックス製圧電素子は例えばステンレス鋼製の円筒容器２２の中に挿入されてアクチュエータとして機能する。この円筒容器２２の端部にはセラミックス製圧電素子に積層方向への予圧をかけるとともに圧電アクチュエータ９が伸縮したときの伸びあるいは縮みを吸収できるベローズ２２ａが形成されている。したがって、圧電素子への電圧印加が解除されたときに、ベローズ２２ａによる予圧でセラミックス製圧電素子間の隙間をなくして密着させ、圧電アクチュエータ９の変位を元に復帰させることができる。
【００４６】
なお、具体的な圧電アクチュエータ９としては例えば複合ペロブスカイト型複合酸化物といったセラミックスに外部から電界負荷をかけることで生じた結晶構造の変化を利用し、これによって結晶格子間に生じた変位を伸縮作用としてとり出すようにしたものが挙げられるがこれは一例であり特にこのようなものに限られることはない。
【００４７】
そして本実施形態では、上述のように形成された２本の圧電アクチュエータ９が、図示するように荷重軸５の両側の対称位置に荷重軸５と平行となるように配置されている。圧電アクチュエータ９の基端にはフランジ９ａが設けられており、このフランジ９ａを、試験台３に固定された第２ブラケット２３にねじ止めすることで、圧電アクチュエータ９は第２ブラケット２３に固定されている。なお、第２ブラケット２３の所定位置には荷重軸５を貫通させる孔２３ａが設けられており、荷重軸５はこの孔２３ａを貫通してその先端を固定側保持手段４側に突出させている。
【００４８】
圧電アクチュエータ９の先端は、図７、図８に示すように、連結部材８の凸部８ａに当たっている。即ち、圧電アクチュエータ９は第２ブラケット２３に片持ち構造によって支持されており、電圧が印加されて伸長することで連結部材８を介して荷重軸５を固定側荷重軸１３から離れる方向に移動させ、試料２に引張荷重を付与することができる。この場合、荷重軸５に対して軸方向への荷重を偏りなく与えることができ、測定誤差もきわめて少なくなることに加え、試験時において圧電アクチュエータ９自体にかかる反力が軸方向に沿ったものとなり、圧電アクチュエータ９に斜め方向の荷重がかかることがなくなる結果、圧電アクチュエータ９そのものの破壊を防止することができる。
【００４９】
また、圧電アクチュエータ９は伸長時に連結部材８の凸部８ａを押圧するので、例えば２本の圧電アクチュエータ９の伸長量にばらつきがあったとしても、あるいは連結部材８に対して圧電アクチュエータ９が斜めになっていたとしても、圧電アクチュエータ９から連結部材８への力の伝達をスムーズに行うことができ、連結部材８を介して荷重軸５を真っ直ぐ軸方向に引っ張ることができる。即ち、各部材の連結部分に無理な力がかかるのを防止して圧電アクチュエータ９で発生した力の伝達をスムーズにすることができると共に、圧電アクチュエータ９や荷重軸５に曲げ応力が作用するのを防止することができる。
【００５０】
なお、圧電アクチュエータ９に印加されていた電圧が解除（オフ）されると、圧電アクチュエータ９は元の長さに戻る。これにより、荷重軸５は試料２に引き戻されると共に、詳しくは後述する軸方向振れ防止手段２４の弾性部材２７に押し戻される。
【００５１】
この小型材料試験装置１には軸方向振れ防止手段２４が設けられている。軸方向振れ防止手段２４は、連結部材８を挟んで圧電アクチュエータ９の反対側に隙間２５を介在させて配置され且つ試験台３に固定されたストッパ２６と、ストッパ２６と連結部材８の間に設けられて連結部材８を圧電アクチュエータ９に向けて押圧する弾性部材２７を備えている。
【００５２】
隙間２５は、圧電アクチュエータ９の最大伸長量よりも大きなものである。即ち、圧電アクチュエータ９が連結部材８及び荷重軸５を移動させても、連結部材８がストッパ２６に当たることがない。本実施形態では、圧電アクチュエータ９の最大伸長量は約７０μｍであるので、ストッパ２６と連結部材８との間に例えば約０．１mmの隙間２５を設けている。
【００５３】
弾性部材２７は、例えばコイルスプリングであり、例えば２つ設けられており、連結部材８の左右２箇所に設けられた孔８ｂにそれぞれ挿入されている。孔８ｂの連結部材８とは反対側の開口はねじ２８によって塞がれており、弾性部材２７は連結部材８に向けて突出し、この連結部材８を圧電アクチュエータ９に向けて押圧している。即ち、試料２の保護および荷重軸５の自由振動の抑制のため、このストッパ２６に一対の弾性部材２７を組み込み、連結部材８を圧電アクチュエータ９に押し付ける方向に圧縮予荷重を与えている。これにより、圧電アクチュエータ９の先端と連結部材８とは常に密着し、圧電アクチュエータ９の動きを荷重軸５に忠実に伝達する。圧電アクチュエータ９に圧縮予荷重を与えて使用することは圧電アクチュエータ９の動特性に良い影響があるため、この点からも好都合である。また、試料２の装着時の操作力ではこの予荷重に抗して荷重軸５を動かし得ないので、試料２への過負荷も防止できると共に、試料２の装着作業もし易くなる。ねじ２８のねじ込み量を変えることで弾性部材２７の圧縮量が変化するので、予荷重の大きさを調整することができる。
【００５４】
固定側保持手段４および可動側保持手段（荷重軸）５は試料２を保持するチャック２９を有している。荷重軸５側のチャック２９は、荷重軸５の先端に固着されたホルダ３０に取り付けられている。また、固定側保持手段４側のチャック２９は、固定側荷重軸１３の先端に固着されたホルダ４５に取り付けられている。チャック２９をホルダ３０に取り付ける構造にし交換可能にすることで、実施する試験の種類に応じてチャック２９を交換することができる。なお、固定側保持手段４側のチャック２９及びホルダ４５と可動側保持手段５側のチャック２９及びホルダ３０は同一構造であり、荷重軸５のチャック２９及びホルダ３０について説明し、固定側保持手段４のチャック２９及びホルダ４５についての説明は省略する。
【００５５】
図９に荷重軸５に設けるチャック２９示す。このチャック２９は、例えば引張試験及び疲労試験用のものである。チャック２９はグリップベース３１と押さえ板３２とで試料２を挟み持つものであり、押さえ板３２の基端を支点３３として先端の作用点３４がグリップベース３１に対して開閉するように当該押さえ板３２をグリップベース３１に重ね合わせると共に、支点３３と作用点３４との間の位置を力点３５として締め付けることで作用点３４で試料２を挟み付けて保持するものである。
【００５６】
グリップベース３１には、ホルダ３０の孔３０ａに挿入する軸部３１ａが設けられている。軸部３１ａをホルダ３０の孔３０ａに挿入し、二つ割れ部分３０ｂをねじ３６で締め付けて孔３０ａの径を縮めることでホルダ３０に対してグリップベース３１を固定することができる。グリップベース３１には、下向きの斜面（以下、下向き斜面という）３１ｂと、試料２の端部を載せる凹部３１ｃが形成されている。また、押さえ板３２には、上向きの斜面（以下、上向き斜面という）３２ａと、グリップベース３１の凹部３１ｃに入る大きさの凸部３２ｂが形成されている。
【００５７】
グリップベース３１の凹部３１ｃに試料２の端部を載せた後、押さえ板３２の上向き斜面３２ａをグリップベース３１の下向き斜面３１ｂの下に挿入し、凸部３２ｂで凹部３１ｃ上の試料２を押さえる。そして、押さえ板３２の孔３２ｃにねじ３７を挿入してグリップベース３１のねじ孔３１ｄにねじ込む。これにより、グリップベース３１の凹部３１ｃと押さえ板３２の凸部３２ｂとで試料２の端部を挟持することができる。上向き斜面３２ａと下向き斜面３１ｂとが噛み合うことでこの部分がてこの支点３３となり、ねじ３７によって締め付けられる部分がてこの力点３５となり、試料２を凹部３１ｃに挟み付ける凸部３２ｂがてこの作用点３４となる。即ち、てこの原理を利用して試料２をしっかりと確実に保持することができる。グリップベース３１の凹部３１ｃは試料２の端部とほぼ同じ大きさに形成されており、試料２を凹部３１ｃに載せるだけで試料２を正しく位置決めすることができる。
【００５８】
以上のように構成された小型材料試験装置１では以下のように材料試験が行われる。
【００５９】
まず、構造物などから採取された試料２を図１０に示す形状に成形する。そして、試料２の歪みを測定するために、試料２の標点間（図１０中、中央のくびれた部分）に歪み検出手段としてのロードセル３８を装着するかあるいはＵ字型クリップゲージを使用する。
【００６０】
次に、試料２を固定側保持手段４のチャック２９と荷重軸５のチャック２９に取り付ける。両方のチャック２９の間隔は試料２の長さに合わせて予め調整されているので、両方のチャック２９のグリップベース３１の凹部３１ｃに架け渡すように試料２を載せた後、押さえ板３２を重ね合わせてねじ３７を締め付けるだけで試料２を取り付けることができる。
【００６１】
この小型材料試験装置１では、試料２を取り付ける前に両方のチャック２９の間隔を試料２の長さに合わせているので、試料２の取り付けによって試料２や荷重軸５に歪みが生じることは殆ど無い。しかしながら、場合によっては試料２の取り付けによって試料２や荷重軸５に歪みが生じることがあるので、その場合には位置調整手段１２によって歪みを消滅させる。即ち、マイクロメータ１４を操作して固定側荷重軸１３を軸方向に移動させることで、両方のチャック２９の間隔を微調整することができる。各歪み検出手段６，３８の測定値がゼロになるように、両方のチャック２９の間隔を微調整する。
【００６２】
そして、圧電アクチュエータ９を作動させて試料２に荷重を与え、試料２と荷重軸５の歪みを測定する。試料２側の歪み検出手段３８により試料２の歪み（変位）を測定し、荷重軸５側の歪み検出手段６により試料２に与えた荷重を測定する。荷重軸５側の歪み検出手段６は荷重軸５の歪みを測定するものであるが、この歪みと試料２に与えた荷重との間には一定の関係があるので、この関係を示す荷重−ひずみ検定曲線を予め求めておくことで、歪み検出手段６によって測定した歪みに基づいて試料２に与えた荷重を測定することができる。
【００６３】
各歪み検出手段６，３８からの検出値は、図１１に示すようにブリッジ回路３９を介してストレインアンプ４０にて増幅される。一方、圧電アクチュエータ９においては、１５０Ｖ電圧まで増幅可能な電圧増幅装置４１を用いる。それぞれのアンプは全て最大５Ｖの電圧信号に変換され、デジタル・アナログ変換器４２を介してパーソナルコンピュータ４３に送られる。
【００６４】
そして実際の試験においては、パーソナルコンピュータ４３にて、試験者が図１２に示すいずれかの荷重（ひずみ）と時間波形を定める。この図１２では、荷重あるいはひずみが縦軸、時間が横軸とされていて、この図に示すように、（Ａ）荷重制御下、ひずみ制御下引張り試験、（Ｂ）クリープ試験、応力緩和試験、（Ｃ）荷重制御下、ひずみ制御下三角波疲労試験、（Ｄ）荷重制御下、ひずみ制御下台形波疲労試験のそれぞれを行うことができる。
【００６５】
試験者が荷重（ひずみ）と時間波形を定める際は、例えば、荷重を制御しながら試験を行うものとすれば、適当な電圧を圧電アクチュエータ９に作用させ、試料２に変位を発生させる。歪み検出手段６から得られた荷重が、定めた荷重−時間波形に一致していればそのまま圧電アクチュエータ９への電圧を増加させ、そうでなければ修正する。一方で、試料２に取り付けた歪み検出手段３８から歪みを測定することで、試料２にかかる荷重と歪みとの関係を測定することができる。この場合、試料２の断面積で荷重を割ることで応力を求めることができるので、応力−ひずみ曲線も求めることができる。なお、圧電アクチュエータ９そのものの電圧−荷重曲線、変位荷重曲線においては、おおきなヒステリシスを伴うことから、上述したようなフィードバック制御を行うようにすることが望ましい。
【００６６】
以上説明したように、本発明では小型材料試験装置１に圧電アクチュエータ９を用いることにより、試験精度を保持しつつ、微小な大きさの試料２を試験することを可能としている。これにより、試料２の採取場所やその種類に限定を与えずに済むため、発電所などの大型構造物で使用することが可能となる。また本発明によれば、使用された部材のごく一部から試料２を採取して材料試験を行うことができるため構造物への損失も非常に小さい。
【００６７】
また、近年、医学分野においてガンや骨の密度低下などの解明あるいは生体物質の力学的挙動を明らかにすることが求められているところ、実際に患者から試料２を取り出し、本発明を実施して試験をすることもできるため、この様な分野での適用・応用も可能である。
【００６８】
さらに、材料試験をするのみではなく、観察装置と併用すれば破壊メカニズムを解明することにも使用できる。例えば、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、原子間力顕微鏡など数多くの観察装置があるものの観察のための試料室内は非常に狭くなっている状況に関しては、本発明にかかる小型材料試験装置１を用いれば、上記のような環境にとらわれることなく表面観察しながら種々の試験をすることができ、今後種々の興味深い現象とそのメカニズムを明らかにすることに資することもできる。
【００６９】
この小型材料試験装置１では、一対の同じ高さの揺動体１０によって荷重軸５を支持しているので、荷重軸５の移動に対して摩擦抵抗（摺動抵抗）を生じさせることがない。このため、荷重軸５に荷重（駆動力）が作用していない中立位置（図５（Ａ）の位置）が明確になると共に、圧電アクチュエータ９のオフに伴い荷重軸５を中立位置に確実に復帰させることができる。また、揺動体１０である板ばねが元の形状に戻る力を利用して、荷重軸５を中立位置に復帰させることもできる。また、上述のように摩擦抵抗がないため、荷重軸５に不連続な動きが発生せず、試料２に荷重をスムーズに与えることができる。即ち、圧電アクチュエータ９の作動電圧が極僅かであってもその電圧に応じた距離だけ荷重軸５を移動させることが可能になるので、圧電アクチュエータ９の作動電圧と荷重軸５の移動距離との関係にヒステリスが発生するのを抑えることができる。さらに、荷重軸５の動きを軸方向の動きのみに制限することができるので、例えば試料２の装着などにより荷重軸５が捻れる等して荷重測定の誤差となる余分な歪みが発生するのを防止することができる。即ち、支持手段７によって、無摩擦、非回転の荷重軸５の支持構造を提供することができる。
【００７０】
この小型材料試験装置１では、歪み検出手段６を荷重軸５の揺動体１０の間の位置に装着しているので、荷重軸５を支持する平行リンク機構の内側に歪み検出手段６を設けることができる。平行リンク機構の内側は外力による歪みが特に発生し難い場所であり、歪み検出手段６に不必要な荷重成分、すなわちねじり・曲げ・横荷重などが作用するのを防止することができる。即ち、試験の実施中においては、試験に必要な荷重軸５の軸方向の荷重のみを歪み検出手段６に印加することができ、測定精度を向上させることができる。また、実験を行っていなくても、例えば試料２の取付および取り外しの作業中に試料２に不要なモーメント（過負荷）が加わるのを防止することができる。特に荷重容量の小さい小型材料試験装置１では、作業中の不注意等で歪み検出手段６に過負荷をかけて破損させてしまうことも考えられるため、歪み検出手段６に過負荷がかかるのを防止することで、歪み検出手段６を保護して破損を防止することができる。
【００７１】
また、歪み検出手段６を荷重軸５の揺動体１０の間の位置に装着しているので、歪み検出手段６装着のために荷重軸５の長さをわざわざ延長する必要がなくなり、小型材料試験装置１のより一層の小型化に貢献することができる。ただし、小型化の観点からは歪み検出手段６を荷重軸５の揺動体１０の間の位置に装着するのベストであるものの、ある程度の小型化で足りる場合等には、荷重軸５のその他の位置に歪み検出手段６を装着しても良いことは勿論である。
【００７２】
本発明では、軸方向振れ防止手段２４のストッパ２６によって連結部材８及び荷重軸５が過大移動するのを防止できる。即ち、小型材料試験装置１は荷重容量が小さく、荷重軸５が極めて軽量かつ敏感に作られているため、荷重軸５を僅かな力で移動させることができる。例えば、試料２の装着作業時などに誤って荷重軸５を試料２を引っ張る方向に引っ張ってしまうと、それが僅かな力であっても荷重軸５が大きく移動してしまい、試料２に過負荷を与え、支持手段７の板ばね（揺動体）１０を変形させてしまう虞がある。しかしながら、本発明の小型材料試験装置１では、ストッパ２６を設けることで荷重軸５と連結部材８が移動できる最大距離を隙間２５の距離に制限することができるので、試料２や板ばね１０を保護することができる。また、ストッパ２６と連結部材８との間に弾性部材２７を設けているので、上述のような僅かな力で荷重軸５が簡単に移動してしまうのを防止することができる。
【００７３】
また、本発明の小型材料試験装置１では、たとえ高い周波数で（圧電アクチュエータ９の伸縮を高速で繰り返して）疲労試験を行ったとしても、弾性部材２７によって荷重軸５に戻り方向の力を与えているので、圧電アクチュエータ９の動きに荷重軸５の動きを確実に追従させることができる。即ち、高い周波数で疲労試験を行う場合、荷重軸５の自由振動（支持手段７のばね定数と荷重軸５質量の慣性による）が発生し、圧電アクチュエータ９と荷重軸５の動きが一致しなくなる現象が生ずる虞があるが、本発明の小型材料試験装置１では、このような現象の発生を防止することができる。
【００７４】
また、本発明の小型材料試験装置１では、チャック２９がてこの原理を利用して試料２を挟持するので、例えば厚さ１０μｍの薄膜であって長さ１０mmの極く微小な試料２の引張り試験、疲労試験が可能であり、更に上述のように支持手段７が摩擦抵抗を生じさせない構造であるため、試料２に荷重をスムーズに加えられるため、１００〜２００Ｈｚの高周波の応答に荷重軸５を追従させることができる。
【００７５】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述した実施形態では、圧電アクチュエータ９の電圧変化時における伸縮作用を利用して試料２に引張荷重を与える小型材料試験装置１について説明したが、これに限るものではなく、試料２に圧縮荷重を与えるように構成することも可能である。
【００７６】
また、本実施形態では、可動側保持手段５を水平に配置していたが、これに限るものではなく、例えば可動側保持手段５を垂直に配置しても良く、傾斜した配置としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明を適用した小型材料試験装置の実施形態の一例を示す正面図である。
【図２】同小型材料試験装置の位置調整手段を示す平面図である。
【図３】図２のIII−III線に沿う位置調整手段の断面図である。
【図４】同小型材料試験装置の支持手段を示す斜視図である。
【図５】同小型材料試験装置の支持手段を示し、（Ａ）は荷重軸が中立位置にある状態（自由状態）の正面図、（Ｂ）は圧電アクチュエータが作動して荷重軸が移動した状態の正面図である。
【図６】図５（Ａ）のVI−VI線に沿う支持手段の断面図である。
【図７】同小型材料試験装置の連結部材及びストッパを示す平面図である。
【図８】図７のVIII円で示す部分を拡大してストッパの断面を示す図である。
【図９】同小型材料試験装置のチャックを示す分解斜視図である。
【図１０】試料を示す平面図である。
【図１１】測定された荷重を増幅し変換した後パーソナルコンピュータに送るまでのの流れの一例を示す図である。
【図１２】荷重（歪み）と時間との関係を示す波形の一例を示すグラフであり、（Ａ）は荷重制御下、歪み制御下引張り試験、（Ｂ）はクリープ試験、応力緩和試験、（Ｃ）は荷重制御下、歪み制御下三角波疲労試験、（Ｄ）は荷重制御下、歪み制御下台形波疲労試験の場合である。
【図１３】従来の小型材料試験装置を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００７８】
１  小型材料試験装置
２  試料
３  試験台
４  固定側保持手段
５  可動側保持手段
６  歪み検出手段
７  支持手段
８  連結部材
９  圧電アクチュエータ
１０  揺動体
１２  位置調整手段
２４  軸方向振れ防止手段
２５  隙間
２６  ストッパ
２７  弾性部材
２９  チャック
３１  グリップベース
３２  押さえ板
３３  支点
３４  作用点
３５  力点
【図１】
2005249612.tif 000003
【図２】
2005249612.tif 000004
【図３】
2005249612.tif 000005
【図４】
2005249612.tif 000006
【図５】
2005249612.tif 000007
【図６】
2005249612.tif 000008
【図７】
2005249612.tif 000009
【図８】
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【図９】
2005249612.tif 000011
【図１０】
2005249612.tif 000012
【図１１】
2005249612.tif 000013
【図１２】
2005249612.tif 000014
【図１３】
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