(57)【要約】【課題】伸び量の大きな試験片が破断する際に、レバーに不所望の回転トルクが作用することを防止できる構造のレバー式変位計測装置を提供する。【解決手段】試験片Ｔを矢印で示す負荷軸方向に引張ると、試験片Ｔの伸びに応じて、上下の標線エッジ６０Ｒ，６０Ｌはともに下方向に移動してその間隔が大きくなる。試験片Ｔを引張り続けて試験片Ｔが破断すると、上側の試験片ＴＵは弾性力により上方へ、下側の試験片ＴＬは弾性力により下方へ瞬時に移動する。この試験片の瞬時の変形により、上側の標線エッジ６０Ｕのエッジ体６２Ｕは軸６３回りにＲ１方向に揺動して２点鎖線で示す姿勢６２Ｒとなり、その後、試験片Ｔから離れるとばね６４のＲ２方向の戻りトルクにより初期の姿勢に戻る。下側の標線エッジ６０ｌＵのエッジ体６２Ｌも同様に動作する。したがって、レバー２５に不所望なトルクが作用することが防止できる。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験片に所定の接触圧で接触する接触状態では、その伸びに追従して変位する上下一対のレバーと、
前記一対のレバーの移動量から試験片の変形量を検出する検出手段とを備え、
前記一対のレバーの先端のそれぞれに、前記試験片が破断したときに引張方向に揺動して前記試験片と非接触となる標線エッジを取り付けた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、
前記一対のレバーのそれぞれを、前記試験片の伸びに追従して負荷軸方向に移動する保持手段で保持するとともに、
前記検出手段は前記保持手段の移動量を検出する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、
前記一対のレバーの先端に揺動可能に取り付けられた標線エッジには、前記試験片が前記非接触状態になった後、前記接触状態の姿勢となる方向の回転トルクを付与することを特徴とする変位計測装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかの変位計測装置において、
前記一対のレバーのそれぞれは一組のアームを有し、各レバーの一方のアームには前記標線エッジを取り付け、他方のアームには前記試験片を前記標線エッジとともに挟持するあて板を取り付ける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、試験片の伸びを計測するレバー式変位計測装置も知られている（特許文献１）。このレバー式変位計測装置は、一対のレバー検出棒を試験片に装着し、試験片の変形量に応じて移動する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】
特許文献１に開示されているレバー式変位計測装置は、レバー検出棒を先端エッジ部と支持部の２分割構造とし、両者をばね結合したものである。先端エッジ部は試験片の負荷軸と直交する面内で回動する自由度を有している。
【０００４】
【特許文献１】特開平０５−１８０７４２号公報
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このようなレバー式変位計測装置を比較的伸び量の大きいゴム試験片に使用する際、ゴム試験片が破断するとき、各レバーの基端部に不所望の回転モーメントが作用して計測装置が破損するおそれがある。
【０００６】
本発明は、試験片破断時に、レバーに不所望の回転トルクが作用することを防止したレバー式変位計測装置を提供するものである。
【０００７】
【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、試験片に所定の接触圧で接触する接触状態では、その伸びに追従して変位する上下一対のレバーと、一対のレバーの移動量から試験片の変形量を検出する検出手段とを備え、一対のレバーの先端のそれぞれに、試験片が破断したときに引張方向に揺動して試験片と非接触となる標線エッジを取り付けたことを特徴とする。
（２）一対のレバーのそれぞれを、試験片の伸びに追従して負荷軸方向に移動する保持手段で保持することが好ましい。この場合、検出手段は保持手段の移動量を検出する。
（３）上記のように一対のレバーの先端に揺動可能に取り付けられた標線エッジには、試験片が非接触状態になった後、接触状態の姿勢となる方向の回転トルクを付与することが好ましい。
（４）一対のレバーのそれぞれが一組のアームを有する場合、各レバーの一方のアームには標線エッジを取り付け、他方のアームには試験片を標線エッジとともに挟持するあて板を取り付ける。
【０００８】
【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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。一方の先端検出棒３７の先端側には標線エッジ６０が取り付けられ、他方の先端検出棒３７の先端側にはあて板７０が取り付けられている。標線エッジ６０とあて板７０については図６および図７により後述する。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
図６は上レバー２５の標線エッジ６０の取付部の詳細を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。下レバー２５の標線エッジ６０も同様であり、説明を省略する。図７は標線エッジ６０の斜視図である。標線エッジ６０は、一方の先端検出棒３７に固定される支持体６１と、支持板６１の先端にピン６３を回転中心としてＲ１方向に揺動可能に連結されるエッジ体６２と、エッジ体６２にピン６３の回りにＲ２方向の回転トルクを与えるねじりコイルばね６４とを備えている。
【００２０】
標線エッジ６２は図６（ｂ）に示す接触状態の姿勢によりあて板７０とともに試験片Ｔを挟持するが、試験片Ｔが破断するとＲ１方向に揺動して非接触状態の姿勢をとることができるように、支持体６１に連結されている。また、図６（ｂ）に示す接触状態よりＲ２方向へは回動が制限されるように、支持体６１に連結されている。
【００２１】
エッジ体６２の先端は円弧状に形成されたナイフエッジ６２ａとされている。ナイフエッジ６２ａはあて板７０との間に試験片Ｔを挟持する。あて板７０は他方の先端検出棒３７に固定され、その先端は緩い突曲面とされる。
【００２２】
図８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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
図９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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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や歪みゲージ式の微小領域変位計を設けてもよく、この微小領域変位計の出力を読み取ることで、微小領域におけるリニアスケールの精度を超えて伸び量を一層精度良く計測することができる。。
【００３０】
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、ロードセルの出力が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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
試験片Ｔが破断するとき、ゴムのように伸び量が大きい材料の試験片Ｔでは、試験片破断時に試験片Ｔは蓄積された復元力により引張方向に瞬時に移動する。本発明によれば、揺動するエッジ体６２を有する標線エッジ６０によりレバー２５の破損を効果的に防止できる。図１０を参照して詳細に説明する。
【００３４】
図１０は、試験片破断時に標線エッジ６０のエッジ体６２によりレバー５の破損を防止する様子を説明する概略図である。図１０（ａ）は試験開始直後の上下標線エッジ６０Ｕ，６０Ｌと、上下あて板７０Ｕ，７０Ｌを示す。図１に示すように、試験片Ｔの下方をクロスヘッド５により下方へ引っ張るようにしているので、試験片Ｔを矢印で示す負荷軸方向に引張ると、試験片Ｔの伸びに応じて、上下の標線エッジ６０Ｕ，６０Ｌと、上下あて板７０Ｕ，７０Ｌはともに下方向に移動する。なお、この実施の形態では、下側の標線エッジ６０Ｌと下側のあて板７０Ｌの移動量が、上側の標線エッジ６０Ｕと上側のあて板７０Ｕの移動量よりも大きい。
【００３５】
試験片Ｔを引張り続けると、図１０（ｂ）に示すように、試験片Ｔは破断部Ｈから破断する。このとき、上側の試験片ＴＵはそれまでの蓄積した弾性力により上方へ瞬時に移動し、下側の試験片ＴＬはそれまでの蓄積した弾性力により下方へ瞬時に移動する。試験片の瞬時の変形により、上側の標線エッジ６０Ｕのエッジ体６２Ｕは軸６３回りにＲ１方向に揺動し、エッジ６２が試験片Ｔから離れて非接触状態となると、２点鎖線で示す姿勢６２Ｒとなる。その後、ばね６４のＲ２方向の戻りトルクにより初期の接触状態の姿勢に戻る。同様に、試験片の瞬時の変形により、下側の標線エッジ６０ｌＵのエッジ体６２Ｌは軸６３回りにＲ１方向に揺動してエッジ６２が試験片Ｔから離れて非接触状態になると、２点鎖線で示す姿勢６２Ｌとなる。その後、ばね６４のＲ２方向の戻りトルクにより初期の接触状態の姿勢に戻る。
【００３６】
すなわち、先端エッジ体６２は試験片の瞬時の変形の初期のわずかな間だけ試験片Ｔから回転力を与えられるが、それ以降は試験片Ｔから離れるので、試験片Ｔの破断に伴う変形エネルギの全量がレバー２５に伝達されることはない。
【００３７】
このような揺動式標線エッジ６０を用いることにより、試験片破断時にレバー２５に不所望な回転トルクが作用することが防止され、変位計測装置の耐久性を向上することができる。
【００３８】
本実施の形態においては次のような作用効果も得ることができる。
（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。
【００３９】
（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。
【００４０】
（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。
【００４１】
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。
【００４２】
以上の説明では、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。
【００４３】
一対のアームにより試験片Ｔを挟持する方式の変位計測装置について本発明を説明したが、本発明はこのような方式の変位計測装置に限定されない。たとえば、金属製の試験片の表面に所定の接触圧で標線エッジを当接する上下一対のレバーと、一対のレバーの後端部の変位量を計測する差動トランスや歪み計を備える方式の変位計測装置に本発明を適用してもよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、試験片が破断する際に、レバーに不所望の回転トルクが作用することを防止できる。
【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】標線エッジの詳細を示し、（ａ）が平面図、（ｂ）が側面図
【図７】標線エッジと当て板で試験片を挟持する様子を示す斜視図
【図８】制御装置の構成を示すブロック図
【図９】変位計測装置の基本動作を示すフローチャート
【図１０】標線エッジの動作を説明する図
【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
３７：先端検出棒                      ４０：制動機構
６０：標線エッジ                      ６２：揺動エッジ体
６３：軸                              ６４：ねじりコイルばね
７０：あて板
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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