(57)【要約】【課題】  クロスヘッドの移動速度範囲が拡がるとともに、低速移動時に移動が間欠的になるのを避けることができる材料試験機の提供。【解決手段】  試験片ＴＰを保持するための上つかみ具１７および下つかみ具１８は、クロスヘッド５の下面および固定テーブル１の上面にそれぞれ相対して取り付けられている。クロスヘッド５は上下に延在するネジ棹２，３に螺合しており、ネジ棹２，３をモータ７により回転駆動するとクロスヘッド５が上下に昇降する。モータ７の回転力は、無段変速機１２および伝達装置１３によってネジ棹２，３に伝達される。クロスヘッド５の移動速度を変更する場合には、モータ７の回転数を変えるだけでなく無段変速機１２の変速比も変える。その結果、移動速度の速度範囲が拡がるとともに、低速移動の場合にクロスヘッド５の移動が間欠的になるのを避けることができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験片に負荷を与えるクロスヘッドと、
前記クロスヘッドに固定されたナットおよびそれに螺合するネジ棒を有して、前記クロスヘッドを前記ネジ棒の延在方向に移動するネジ送り機構と、
モータと、
前記モータの回転駆動力を変速して前記ネジ棒に伝達する変速機構と、
前記試験片の変形量を検出する変形量検出手段と、
前記負荷の大きさを検出する負荷量検出手段とを備え、検出された前記変形量および前記負荷量に基づき前記試験片を評価することを特徴とする材料試験機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試験材料の引っ張り強度や圧縮強度の特性を調べる材料試験機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、材料の機械的特性を調べる装置として、試験材料に引っ張り荷重を加えてその伸び量から材料特性を評価する材料試験機がある（例えば、特許文献１参照）。そのような材料試験機では、試験材料の一端を固定テーブル側に固定し、上下に昇降可能なクロスヘッドに固定されたつかみ具により試験材料の他端を掴んで引っ張り荷重を加えるようにしている。クロスヘッドはボールネジを用いたネジ棹により上下に駆動され、そのネジ棹はギア等の伝達装置を介してモータにより回転駆動される。
【０００３】
試験材料に引っ張り荷重を加える際のクロスヘッドの移動速度は、材料の種類や大きさ等によって異なり、オペレータは試験毎に最適な移動速度を材料試験機に入力するようにしている。そして、移動速度の設定が変更された場合には、モータの回転数を変化させて移動速度を変えるように制御している。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１６２１０４号公報
【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、モータの最小回転数で実現できる最低移動速度よりもクロスヘッドの移動速度を低速に設定しなければならない場合には、連続的に低速度で移動させることが不可能なので、クロスヘッドの移動が間欠的にならざるを得ない。また、そのような不具合を避けるために、伝達装置のギアを交換してギア比を変えることにより低速度を実現する場合もあるが、ギア交換に手間が掛かるという欠点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、試験片に負荷を与えるクロスヘッドと、クロスヘッドに固定されたナットおよびそれに螺合するネジ棒を有して、クロスヘッドをネジ棒の延在方向に移動するネジ送り機構と、モータと、モータの回転駆動力を変速してネジ棒に伝達する変速機構と、試験片の変形量を検出する変形量検出手段と、負荷の大きさを検出する負荷量検出手段とを備え、検出された変形量および負荷量に基づき試験片を評価することを特徴とする。
また、変速機構としては、変速比を無段階に変えることができる無段変速機構が望ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ネジ棒によるクロスヘッドの移動速度の速度範囲が拡がるとともに、低速移動時にクロスヘッドの移動が間欠的になるのを避けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明による材料試験機の概略構成を示す図である。固定テーブル１の上には左右一対のネジ棹２，３が立設され、このネジ棹２，３の上部にはヨーク４が横架されている。各ネジ棹２，３とクロスヘッド５の左右両側に設けられたナット６とは螺合しており、これによりクロスヘッド５がネジ棹２，３で昇降可能に支持されている。
【０００９】
固定テーブル１内に配設されたモータ７は、モータドライバ８を介して材料試験機の動作を制御する制御装置９に接続されている。制御装置９は、マイクロコンピュータやその周辺回路等で構成されている。また、モータ７にはサーボモータが用いられ、モータ出力軸にはパルスエンコーダ１０が接続されている。パルスエンコーダ１０はカウンタ１１を介して制御装置９に接続されている。
【００１０】
モータ７の出力軸は変速比を無段階に変えることができる無段変速機１２に接続され、無段変速機１２の出力軸は伝達装置１３を介してネジ棹２，３に結合されている。伝達装置１３は、無段変速機１２の回転を減速してネジ棹２，３に伝達している。無段変速機１２は、図２に示すように入力軸１６ａおよび出力軸１６ｂに設けられた一組のプーリ１４と、プーリ１４間に架け回されたベルト１５とを備えている。
【００１１】
各プーリ１４は各軸１６ａ，１６ｂと一体で回転する一対の円錐状回転体１４ａ，１４ｂで構成され、これらの回転体１４ａ，１４ｂの間にベルト１５を架け回すためのＶ溝が形成される。図２（ｂ）に示すように各プーリ１４の回転体１４ａ，１４ｂを軸方向にスライドさせると、それぞれＶ溝の溝幅が変化し、ベルト１５が巻き付いている部分の半径がｒ１，ｒ２へと変化する。その結果、変速比が変化し、図２（ｂ）に示す例では変速比＝ｒ１／ｒ２となる。ここではｒ１＜ｒ２なので、減速されることになる。
【００１２】
図１に戻って、クロスヘッド５の下面および固定テーブル１の上面には試験片ＴＰを保持するための上つかみ具１７、下つかみ具１８がそれぞれ相対して取り付けられている。試験片ＴＰは、これらの上つかみ具１７および下つかみ具１８によって保持される。制御装置９からの制御信号に基づきモータ７が所定方向に回転するに伴い、無段変速機１２および伝達装置１３を介してネジ棹２，３が同一方向に回転し、各ネジ棹２，３に螺合されたクロスヘッド５が上昇する。
【００１３】
クロスヘッド５の上昇により、上つかみ具１７および下つかみ具１８によって保持された試験片ＴＰに引っ張り荷重が加えられる。このとき、クロスヘッド５の上部に取り付けられたロードセル１９により検知された引っ張り荷重は、ヘッドアンプ２０およびＡ／Ｄコンバータ２１を介して制御装置９に入力される。また、引っ張り荷重を加えたときの試験片ＴＰの伸び量は変位センサ２６によって検出される。変位センサ２６は歪みゲージや差動トランスなどによって構成される。変位センサ２６により検出された伸び量は、ヘッドアンプ２０およびＡ／Ｄ２１を介して制御装置９に入力される。
【００１４】
制御装置９にはパーソナルコンピュータ（ＰＣ）２２が接続され、ＰＣ２２との間でデータの授受が行われる。ＰＣ２２には、オペレーションに関する指示内容や測定結果である荷重値や各種解析内容などを表示する表示モニタ２３、入力用のキーボード２４がそれぞれ接続されている。また、制御装置９には、オペレータからの指示などを入力する入力装置２５が接続されている。
【００１５】
引っ張り試験を行う際には、オペレータは変位速度すなわちクロスヘッド５の上昇速度を入力装置２５またはキーボード２４から入力する。制御装置９は入力された変位速度に基づいて無段変速機１２の変速比を決定し、設定された変位速度でクロスヘッド５を上昇させて試験片ＴＰに負荷を加える。そして、変位センサ２６により検出された歪み量とロードセル１９により検知された引っ張り荷重とにより、試験片ＴＰの強度を評価する。評価の結果は表示モニタ２３に表示される。
【００１６】
変位速度は試験片ＴＰの材質や大きさ等によって異なり、従来は無段変速機１２を用いることなくモータ７の回転数を変化させることによって変位速度を変えていた。例えば、モータ定格回転が２０００ｒｐｍで、伝達装置１３の減速比が１／２０、ネジ棹２，３のネジのリードが１０ｍｍ、パルスエンコーダ１０が５０００パルス／１回転であった場合の変位速度について考えてみる。
【００１７】
このとき、制御分解能は０．１μｍ（＝１０ｍｍ×１／２０÷５０００パルス）となる。モータ定格回転が２０００ｒｐｍであることから、変位速度の最高速度は１０００ｍｍ／min（＝１０ｍｍ×１／２０×２０００ｒｐｍ）となる。また、モータ７の制御周波数を２０パルス／ｓとした場合を最低速度とすると、１パルス当たりの所要時間すなわち変位量０．１μｍに要する時間は５０msとなる。このときの変位速度（最低）は２μｍ／ｓとなる。
【００１８】
すなわち、無段変速機１２を用いない場合には、クロスヘッド５の変位速度を２μｍ／ｓから１０００ｍｍ／minまで制御することができ、この範囲内においてはクロスヘッド５を連続的に移動させることができる。しかしながら、変位速度が２μｍ／ｓよりも小さい場合には、クロスヘッド５の移動は連続的ではなく間欠的になってしまう。
【００１９】
例えば、変位速度を１μｍ／ｓに設定した場合、クロスヘッド５を２μｍ／ｓよりも小さい速度で移動させることはできないので、例えば、図３の実線Ｌ１のように間欠的にクロスヘッド５を移動させなければならない。図３において縦軸はクロスヘッド５の変位を表しており、破線Ｌ２は変位速度＝１μｍ／ｓの移動を示すラインで、破線Ｌ３は変位速度＝２μｍ／ｓの移動を示すラインである。
【００２０】
一方、本実施の形態の材料試験機では無段変速機１２を設けているため、無段変速機１２の変速比を１／２とすることにより、モータ７の制御周波数が２０パルス／ｓであっても変位速度を上述した最低速度の１／２である１μｍ／ｓにすることができる。その結果、図３の破線Ｌ２のようにクロスヘッド５を連続的に移動させることができる。
【００２１】
引っ張り試験の場合、変位量が小さいときには弾性変形するが、変位量が大きくなると非弾性的になる場合が多い。そのような場合、非弾性変形領域の変位速度を弾性変形領域よりも低速にした方が正確な測定を行う上で好ましい。本実施の形態では、モータ７の回転数および無段変速機１２の変速比の組み合わせを変更することにより、スムーズに変位速度の変更を行うことができ、また、上述したようなクロスヘッド５の間欠的な移動を避けることもできる。さらに、ゴムのような大変形を伴う引っ張り試験の場合には、無段変速機１２の変速比を変更することにより、試験後、高速に初期試験位置までクロスヘッド５を戻すことができる。
【００２２】
上述したように、本実施の形態では、無段変速機１２を設けたことにより以下のような効果を奏することができる。
（ａ）変速比を自在に変えることができる無段変速機１２を設けたことにより、クロスヘッド５の移動速度の速度範囲が広がるとともに、モータ７との制御を組み合わせることにより広範囲で滑らかな加減速制御が可能になる。
（ｂ）モータ７の制御だけではクロスヘッド５の移動が間欠的になる低速領域であっても、無段変速機１２で減速することにより連続的にクロスヘッド５を移動させることができる。
【００２３】
なお、上述した実施の形態では一対のネジ棹２，３によりクロスヘッド５を昇降させるような構成としたが、図４に示すように一本のネジ棹２だけでクロスヘッド５を移動させるようにしても良い。図４において、３０はクロスヘッド５を上下方向にガイドするガイド棒であり、ネジ棹２の回転によりクロスヘッド５が昇降する際のクロスヘッド５の回転を防止している。
【００２４】
また、負荷量が比較的小さな小型の材料試験機の場合には、図５に示すような構成としても良い。図５の材料試験機では、支柱３１で指示されたヨーク４に伝達装置１３が設けられ、その伝達装置１３に無段変速機１２およびモータ７が順に接続されている。ネジ棹２はヨーク４側に取り付けられており、クロスヘッド５はガイド棒３２によって上下方向にガイドされる。ネジ棹２を回転すると、クロスヘッド５は上下に駆動される。
【００２５】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、ネジ棹２，３はネジ棒を、無段変速機１２は変速機構を、変位センサ２６は変形量検出手段を、ロードセル１９は負荷量検出手段をそれぞれ構成する。また、無段変速機１２としては、プーリとベルトとを用いた上記構成のものに限らず、様々な形式の無段変速機を用いることができる。さらに、無段変速機１２の代わりに、無段階ではない変速比を有する変速機構を用いても良い。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。例えば、圧縮試験機にも本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明による材料試験機の概略構成を示す図である。
【図２】無段変速機１２を説明する図である。
【図３】クロスヘッド５の移動形態を説明する図である。
【図４】本発明による材料試験機の第１の変形例を示す図である。
【図５】本発明による材料試験機の第２の変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  固定テーブル
２，３  ネジ棹
４  ヨーク
５  クロスヘッド
６  ナット
７  モータ
９  制御装置
１０  パルスエンコーダ
１２  無段変速機
１３  伝達装置
１４  プーリ
１５  ベルト
１７  上つかみ具
１８  下つかみ具
１９  ロードセル
２６  変位センサ
ＴＰ  試験片
【図１】
2005201770.tif 000003
【図２】
2005201770.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005201770.tif 000006
【図５】
2005201770.tif 000007