(57)【要約】【課題】  空気圧シリンダを材料試験機の負荷機構のアクチュエータとして用いた場合の諸問題点を克服して、空気圧シリンダを負荷機構のアクチュエータとして備えた材料試験機を実現する。【解決手段】  負荷機構のアクチュエータとして空気圧シリンダ５を用い、その空気圧シリンダ５の両側のストロークエンド部もしくはピストン５ｂの両側の受圧面に、それぞれクッション材１１を装着することにより、クッション材１１によるクッション効果に加えて、シリンダ本体５ａ内に試験に必要とするストローク以外の余分な空隙を少なくすることにより、空気の圧縮による応答の減衰を少なくし、かつ、共振周波数を高くする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験片に負荷を加える負荷機構を備えた材料試験機において、
上記負荷機構のアクチュエータが空気圧シリンダであり、かつ、そのシリンダの両側のストロークエンド部もしくはピストンの両側の受圧面に、それぞれクッション材が装着されていることを特徴とする材料試験機。
【請求項２】
上記クッション材の厚みの合計が、上記シリンダ内に、試験に必要とされるストロークを上記ピストンに与える空隙を残すだけの寸法となるように、当該クッション材が上記シリンダのストロークエンドもしくはピストンの受圧面に対して交換可能に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の材料試験機。
【請求項３】
上記クッション材のシリンダストロークエンド部もしくはピストン受圧面への取り付け面と反対側の表面に、突起もしくは切欠きが形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の材料試験機。
【請求項４】
上記クッション材が、ゴム、樹脂、または、上記シリンダおよびピストンを形成する材料よりも軟質の金属によって形成されていることを特徴とする請求項１、２または３に記載の材料試験機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は材料試験機に関し、例えば材料の疲労試験などを行うのに適した材料試験機に関する。
【背景技術】
【０００２】
材料試験機においては、一般に、負荷機構を駆動して試験片に引張や圧縮負荷、あるいはこれらの繰り返し負荷を加え、そのときに試験片に作用する試験力とともに試験片の伸びなどの歪み等を計測する。
【０００３】
負荷機構としては、油圧シリンダを用いるもの（例えば特許文献１参照）や、ねじ棹をモータで回転させてクロスヘッドを移動させるもの（例えば特許文献２参照）が一般に用いられている。
【特許文献１】特開２００３−２８７７０号公報
【特許文献２】特開２００２−５８０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記したように、従来の材料試験機の負荷機構は、油圧駆動式もしくはねじ棹式のものが殆どであり、空気を駆動源とするものは実用化されていない。その理由は、空気の粘性が小さいために、シリンダのストロークエンドにおいてクッションが効きにくく、かつ、圧縮性の流体であるために応答の減衰が大きく、更には固有振動数が低いことに起因している。
【０００５】
すなわち、油圧シリンダにおいては、図４（Ａ），（Ｂ）に模式的に示すように、シリンダ４１のシリンダエンド部４１１と作動油の流入・流出口４１２の間に、ピストン４２の外径寸法よりも僅かに大きな内径寸法を有するクッション部４１３を形成し、ピストン４２が他方のシリンダエンド部４１４から移動してクッション部４１３に入ると、シリンダエンド部４１１とピストン４２の間の作動油が当該ピストン４２の外周面とクッション部４１３の間の僅かな隙間を通って流入・流出口４１２に流れ、そのときの流動抵抗によりシリンダエンド部４１１とピストン４２の間の流体圧力が高くなってクッション効果が得られる。
【０００６】
これに対し空気圧シリンダにおいては、作動流体である空気の粘性が低いため、このようなクッション効果を得にくい。有効なクッション効果を得るためには、ピストンとクッション部との隙間を狭くする必要があるが、加工コストが上昇するばかりでなく、故障の原因ともなる。
【０００７】
また、空気圧シリンダにおいては、作動流体である空気が圧縮性の気体であるため、以下に示すように応答の減衰が生じる。すなわち、図５に模式的に示すように、シリンダ５１内でピストン５２が中立位置にあるとき、上下の空隙の長手方向の長さをＬ、その体積をＶC 、ピストン５２の受圧面積をＡP としたとき、ピストン５２により試験片にＦの力を加えるには、シリンダ５１内の上下の空隙の圧力差ＰD が必要となる。シリンダ５１に対して空気をサーボバルブを介して流入・流出させる場合には、サーボバルブ内での圧力低下は無視できるので、実際は片側の空隙の圧力は大気圧ＰA 、もう片側の空隙はＰD となる。圧力がＰA からＰD に上昇する際、空気は圧縮されるため、空隙にＰD の圧力を得るためには、空隙の体積ＶC よりも
ＶC ｛（ＰD ／ＰA ）−１｝  ・・（１）
だけ余分な体積（大気圧下での体積）の空気を空隙に流入させる必要があり、その分、応答が減衰してしまう。
【０００８】
更に、シリンダ内の流体の等価ばね定数Ｋは
Ｋ＝（ＡP ｋ）／Ｌ  ・・（２）
で表され、この式（２）においてＡP は前記した通りピストンの受圧面積、Ｌはピストンが中立位置にあるときの片側のストロークであって、ｋは空気の体積弾性係数である。図６に示すようなモデルを考え、ピストンの質量をｍとすると、空気シリンダにおける共振周波数ｆは、
【０００９】
【数１】
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【００１０】
となる。空気の体積弾性係数ｋは、油のそれに比して小さいため、共振周波数は油圧シリンダの場合に比して低くなる。
【００１１】
以上のことから、空気圧シリンダはクッションを効かせにくいこと、応答の減衰が大きいこと、および共振周波数が低いことから、材料試験機の負荷機構のアクチュエータとして空気圧シリンダを用いた場合、特に疲労試験のように試験片に繰り返し負荷を加える試験を行うことが困難であり、これらのことが空気圧シリンダを負荷機構のアクチュエータとして用いた材料試験機は実用化されていなかった。
【００１２】
本発明の課題は、上記した空気圧シリンダを材料試験機の負荷機構のアクチュエータとして用いた場合の諸問題点を克服して、空気圧シリンダを負荷機構のアクチュエータとして備えた材料試験機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するため、本発明の材料試験機は、試験片に負荷を加える負荷機構を備えた材料試験機において、上記負荷機構のアクチュエータが空気圧シリンダであり、かつ、そのシリンダの両側のストロークエンド部もしくはピストンの両側の受圧面に、それぞれクッション材が装着されていることによって特徴づけられる（請求項１）。
【００１４】
ここで、本発明においては、上記クッション材の厚みの合計が、上記シリンダ内に、試験に必要とされるストロークを上記ピストンに与える空隙を残すだけの寸法となるように、当該クッション材が上記シリンダのストロークエンドもしくはピストンの受圧面に対して交換可能に取り付けられている構成（請求項２）を採用することが望ましい。
【００１５】
また、本発明においては、上記クッション材のシリンダストロークエンド部もしくはピストン受圧面への取り付け面と反対側の表面に、突起もしくは切欠きを形成した構成（請求項３）を採用することが好ましい。
【００１６】
更に、本発明におけるクッション材の材質としては、ゴム、樹脂、または、上記シリンダおよびピストンを形成する材料よりも軟質の金属を採用することができる（請求項４）。
【００１７】
本発明は、空気圧シリンダのストロークエンドもしくはピストンの受圧面にクッション材を挿入することにより、簡単な構成のもとにクッション機能を持たせると同時に、そのクッション材の配置により応答の減衰を少なくし、かつ、共振周波数を高めることで、所期の目的を達成しようとするものである。
【００１８】
すなわち、請求項１に係る発明によると、ピストンとシリンダエンドとの間にクッション材が設けられているため、従来の油圧シリンダのような作動流体の粘性を利用したクッション部を設けることなく、空気圧シリンダにクッションを効かせることができる。
【００１９】
材料試験機による疲労試験では、軟質の材料を試験する場合のようにストロークの長い試験と、金属材料を試験する場合のようにストロークの短い試験の双方に対応できるように、シリンダ内でのピストンのストロークはある程度以上が必要となる。クッション材はその余分なストロークを少なくする役割を担い、応答の減衰を少なくし、かつ、共振周波数をも高くする。
【００２０】
すなわち、シリンダ内にクッション材を配置することにより、シリンダ内の空隙が少なくなる結果、（１）式に示したＶC が小さくなり、応答の減衰が少なくなる。また、クッション材の配置によりシリンダ内の余分なストロークが短くなる結果、（２）式に示した空気の等価ばね定数Ｋが大きくなり、（３）式に示した共振周波数ｆが高くなる。
【００２１】
このような応答の減衰を少なくすることと共振周波数を高くする効果は、請求項２に係る発明のように、シリンダ内でのピストンのストロークを、試験に必要とされるストロークのみを残して余分な部分は全てクッション材で埋めてしまうように、クッション材を交換可能にシリンダのストロークエンドもしくはピストンの受圧面に取り付けることによって、最も大きくなる。
【００２２】
また、クッション材をシリンダのストロークエンドもしくはピストンの受圧面に取り付けると、ピストンがストロークエンドに位置している状態では、クッション材が相手部材に密着した状態となってこれらの間に作動用の空気が侵入しにくくなる。そこで、請求項３に係る発明のように、クッション材のシリンダストロークエンドもしくはピストン受圧面への取り付け面と反対側の面に、突起もしくは切欠きを設けることによって、作動用の空気の侵入を容易にし、ピストンをスムーズに動作させることができる。
【００２３】
そして、本発明におけるクッション材の材質としては、ゴム、樹脂を用いることができ、更にはシリンダおよびピストンを形成する材料よりも軟質の金属も使用することもできる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、材料試験機の負荷機構のアクチュエータとして空気圧シリンダを用いながら、低コストのもとにクッション機能を持たせることができるとともに、応答の減衰を少なくし、共振周波数を高くすることが可能となり、各種疲労試験にも用いることができる。
【００２５】
特に、請求項２に係る発明のように、試験に必要とされるストロークのみを残して残余部分をクッション材で埋めるべく当該クッション材をシリンダのストロークエンドもしくはピストンの受圧面に交換可能に設けた構成の採用により、応答の減衰の低減効果および共振周波数の増大効果を最も大きくすることができる。
【００２６】
また、請求項３に係る発明のようにクッション材の表面に突起もしくは切欠きを形成することによって、ストロークエンドにおいて相手部材と密着した状態でも空気の侵入が容易となって、ピストンのスムーズな動きが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の要部構成を示す部分断面図である。
【００２８】
ベース１上にテーブル２が設けられており、このテーブル２の上に複数のコラム３を介してクロスヘッド４が固定されている。テーブル２の下側には、空気圧シリンダ５のシリンダ本体５ａが固定されている。この空気圧シリンダ５のピストン５ｂには軸方向両側にピストンロッド５ｃ，５ｄが一体に設けられており、上側のピストンロッド５ｃの先端と、クロスヘッド４の下面にそれぞれ一対の掴み具６ａ，６ｂが装着されている。試験片Ｗはこれら上下一対の掴み具６ａ，６ｂに両端部が把持された状態で試験に供される。
【００２９】
上側の掴み具６ｂとクロスヘッド４の間にはロードセル７が設けられており、試験により試験片Ｗに作用する荷重はこのロードセル７によって刻々と検出される。また、空気圧シリンダ５の下側のピストンロッド５ｄにはストロークセンサ８が装着されており、このストロークセンサ８によってピストン５ｂの刻々の変位が検出される。
【００３０】
空気圧シリンダ５には、配管９ａもしくは９ｂを通じて供給される作動用の空気が、サーボバルブ１０でコントロールされたうえで供給される。サーボバルブ１０を経た空気は、シリンダ本体５ａに形成されている通路を経て、シリンダ本体５ａ内の上側もしくは下側の空隙に供給される。
【００３１】
ピストン５ｂの両側の受圧面には、それぞれ例えばゴムなどの弾性材料からなるクッション材１１が取り付けられている。各クッション材１１は、図２（Ａ）に正面図を、同図（Ｂ）にそのＢ−Ｂ断面図を示すように、ピストン５ｂの受圧面に対して複数のねじＳによって固定されているとともに、受圧面に対する取り付け面と反対側の面には、複数の突起Ｃが形成されている。シリンダ本体５ａの両側のエンドは、蓋５ｅ，５ｆによって閉鎖されており、この蓋５ｅまたは５ｆを取り外してピストン５ｂを取り出すことによって、各クッション材１１を随意に交換することができるようになっている。
【００３２】
試験片Ｗに繰り返し負荷を加える疲労試験においては、各クッション材１１の厚みの合計を、シリンダ本体５ａ内に試験に必要とされるストローク分だけの空隙が残る程度の寸法に設定される。
【００３３】
さて、以上の実施の形態によれば、ピストン５ｂを往復動させたとき、ピストン５ｂが上下のストロークエンドに達したときに、当該ピストン５ｂとシリンダ本体５ａのエンド部の蓋蓋５ｅ，５ｆの間に弾性材料からなるクッション材１１が介在しているため、良好なクッション機能が発揮される。また、各クッション材１１の表面に突起Ｃが形成されているため、各クッション材１１は上下のストロークエンドにおいてシリンダ本体５ａのストロークエンド部の蓋５ｅ，５ｆに対して突起Ｃのみが当接した状態となり、一方のストロークエンドから他方側に移動させるべくこれらの間に空気を供給したとき、空気は容易にこれら両者間に侵入し、ピストン５ｂをスムーズに移動させることができる。
【００３４】
また、図３に模式的に示すように、ピストン５ｂがシリンダ本体５ａ内の中立位置にあるとき、クッション材を１１を設けない場合における上下の空隙の長手方向寸法をＬとし、試験に必要なストロークを片側でΔとしたとき、上記した厚さの設定方法では各クッション材１１の厚さはＬ−Δとなるが、このクッション材１１の装着により、ピストン５ｂが中立位置にあるとき、シリンダ本体５ａ内の上下の空隙の体積ＶC ′は、ピストン５ｂの受圧面積をＡP とすると、
ＶC ′＝｛Ｌ−（Ｌ−Δ）｝ＡP ＝ΔＡP   ・・（４）
となる。これは、同じ空気圧シリンダを用いてクッション材１１を用いない場合における空隙の体積ＶC に比して、（Ｌ−Δ）ＡP だけ小さくなることを意味し、前記した（１）式で表される、空気の圧縮に起因するシリンダ内への空気の所要流入量を減らすことが可能となり、その分、応答の減衰を減らすことができる。
【００３５】
更に、ピストン５ｂの両側に厚さ（Ｌ−Δ）のクッション材１１を取り付けることにより、共振周波数ｆ′は
【００３６】
【数２】
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【００３７】
となり、クッション材１１を設けない場合の（３）式で表される共振周波数ｆに比して高くすることができる。
【００３８】
なお、クッション材１１の厚さは、以上の例のように必要ストロークΔとの関連において必ずしも（Ｌ−Δ）とする必要はなく、それに近い値とすることにより、ほぼ上記と同等の作用効果を奏することができる。
【００３９】
また、以上の実施の形態においては、各クッション材１１をピストン５ｂの受圧面に取り付けた例を示したが、シリンダ本体５ａおよび蓋５ｅ側に取り付けても、上記と全く同等の効果を奏することができる。この場合、各クッション材１１に空気の通路を設けて、シリンダ本体５ａに形成させれている空気の通路と連通させ、シリンダ本体５ａ内の空隙に空気を流入させるように構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施の形態の要部構成を示す部分断面図である。
【図２】本発明の実施の形態におけるクッション材１１の正面図（Ａ）およびそのＢ−Ｂ断面図（Ｂ）である。
【図３】本発明の実施の形態の空気圧シリンダ５の模式図で示す作用説明図である。
【図４】油圧シリンダ等において用いられているクッション機構の説明図である。
【図５】従来の空気圧シリンダの模式図で示す応答の減衰と共振周波数の説明図である。
【図６】図５の空気圧シリンダの振動モデルである。
【符号の説明】
【００４１】
１  ベース
２  テーブル
３  コラム
４  クロスヘッド
５  空気圧シリンダ
５ａ  シリンダ本体
５ｂ  ピストン
５ｃ，５ｄ  ピストンロッド
５ｅ，５ｆ  蓋
６ａ，６ｂ  掴み具
７  ロードセル
８  ストロークセンサ
９ａ，９ｂ  空気配管
１０  サーボバルブ
１１  クッション材
Ｃ  突起
Ｓ  ねじ
Ｗ  試験片
【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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