JPH1123434A - 材料試験機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 試験片に負荷する荷重の最大値の設定が容易
で、ロードセルや試験片に対して高い保護機能を有する
材料試験機を提供する。 【解決手段】 耐圧フランジ４６とプロテクタ枠４２と
の間に介在する圧縮コイルバネ４８の伸長力によって耐
圧フランジ４６は所定力量で付勢される。この付勢力量
は調整ナット４４の締め込み量によって調整できる。ま
た、圧縮コイルバネ４８のばね定数は試験片ＴＰのそれ
よりも低く設定される。クロスヘッド２６の下降にとも
ない、試験片ＴＰには圧縮荷重が負荷され、荷重はプロ
テクタ４０、負荷ロッド５０を介してロードセル２７に
伝達され、電気信号に変換される。圧縮荷重が圧縮コイ
ルバネ４８による付勢力を上回ると圧縮コイルバネ４８
が変形して、試験片ＴＰやロードセル２７に負荷される
荷重の急上昇を防止する。このとき、リミットスイッチ
７０が作動してクロスヘッド２６の下降は停止し、試験
片ＴＰやロードセル２７の破損を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、剛性の高い試験片
あるいは脆い試験片の引張荷重や圧縮荷重に対する変位
特性などを測定する際に、過負荷によってロードセルや
試験片が破損するのを防止する機能を有する材料試験機
に関する。

【０００２】

【従来の技術】本発明が適用される材料試験機を圧縮試
験機として用いる場合の構成を示す図４において、固定
テーブル２２の上には左右一対のねじ棹２３、２４が立
設され、このねじ棹２３、２４の上部にはヨーク２５が
横架されている。各ねじ棹２３、２４とクロスヘッド２
６の両側に設けられた一対のナット（不図示）とは螺合
しており、これによりクロスヘッド２６がねじ棹２３、
２４で支持される。固定テーブル２２内に配設されたモ
ータ３１は、モータドライバ３３を介し、材料試験機の
作動を制御する制御装置１に接続される。モータ３１の
出力軸は、伝達装置３２を介してねじ棹２３、２４に結
合される。モータ３１の出力軸にはまた、パルスエンコ
ーダ３５が接続され、このパルスエンコーダ３５はカウ
ンタ３６を介して制御装置１に接続される。

【０００３】クロスヘッド２６の下面および固定テーブ
ル２２の上面には、圧縮試験用の上部、下部圧盤２８、
２９がそれぞれ相対向して取り付けられており、これら
上部、下部圧盤２８、２９の間に試験片ＴＰが設置され
る。そして、制御装置１からの制御信号に基づき、モー
タ３１が所定方向に回転するのにともない、伝達装置３
２を介してねじ棹２３、２４が同一方向に回転し、これ
らねじ棹２３、２４に螺合されたクロスヘッド２６が下
降する。これにより、上部圧盤２８、下部圧盤２９の間
隔が狭められて試験片ＴＰに圧縮荷重が加えられる。こ
のとき、クロスヘッド２６の上部に取り付けられたロー
ドセル２７により検知された圧縮荷重は、ヘッドアンプ
３７およびＡ／Ｄコンバータ３８を介し、エンコーダ３
５で検知されたモータ３１の回転量とともに制御装置１
に入力される。

【０００４】上述した材料試験機において、非破壊で試
験した材料やロードセル２７に許容荷重を越す荷重が作
用して破損に到る場合があり、これを防止する方法とし
て従来、以下に説明するような二つの方法が提案されて
いる。すなわち、 第１の方法はロードセル２７からの荷重信号が所定の
限界値に達したこと（オーバーロード）を電気的または
ソフトウェア的に検知して材料試験機の作動を停止させ
るものであり、 第２の方法は上部圧盤２８とロードセル２７との接続
部にシェアプレートまたはシェアピン（いずれも不図
示）を介在させ、ロードセル２７にオーバーロードが作
用する前にこれらシェアプレートまたはシェアピンが破
損することによりロードセルに過負荷がかかるのを防止
するものである。

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記二つの
ロードセルプロテクト方法においては、以下に説明する
ような問題点があった。 オーバーロードを電気的またはソフトウェア的に検知
し、材料試験機の作動を停止させるものでは、剛性が高
い試験片の圧縮試験を行う場合、ロードセルプロテクト
機能を有効に作動させられない場合があった。つまり、
試験片の剛性が高いと、クロスヘッド２６の下降量に対
する荷重の上昇量の割合、すなわち荷重の上昇勾配が高
くなる。このような高剛性の試験片を、特にロードセル
２７の耐荷重に近い荷重下で圧縮試験を行うような状況
においては、上述の電気的またはソフトウェア的なロー
ドセルプロテクト機能により検出されるオーバーロード
のレベルをロードセル２７の耐荷重近くに設定する必要
があり、このため、オーバーロードを検出して材料試験
機のモータ３１を停止させようとしても、モータ３１な
どの慣性動作によってわずかではあるがクロスヘッド３
５の下降ストロークが増し、これにより試験片やロード
セル２７には耐荷重を越す荷重が作用して破損してしま
うことがあった。 シェアプレートまたはシェアピンを用いるものの場
合、上述した問題は回避できるが、使用するロードセル
の耐荷重や試験片に負荷する最大荷重に合わせた破壊強
度のものを複数用意する必要があり、また、シェアプレ
ートまたはシェアピンが破壊した場合には交換する必要
がある。したがって、常に予備のものも含めて多数のシ
ェアプレートまたはシェアピンを準備しておく必要があ
り、またこれらのシェアプレートまたはシェアピンを交
換するためには多くの手間と時間とを要していた。

【０００５】本発明の目的は、最大荷重の設定が容易
で、ロードセルの高い保護機能を有する材料試験機を提
供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】一実施の形態を示す図１
に対応づけて本発明を説明すると、 （１） 請求項１に記載の発明は、試験片ＴＰへの荷重
負荷方向に移動して、試験片ＴＰに荷重を負荷する負荷
手段２６を有し、この負荷手段２６により試験片ＴＰに
荷重を負荷してその機械的性質を試験する材料試験機に
適用される。そして、試験片ＴＰと負荷手段２６との間
に配設され、試験片ＴＰに所定値以上の荷重が負荷され
たときに試験片ＴＰの負荷軸方向に弾性変形可能な弾性
変形手段４０を有することにより上述の目的を達成す
る。 （２） 請求項２に記載の発明において、弾性変形手段
４０は、弾性変形を開始する所定荷重が可変としたもの
である。

【０００７】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段の項では、本発明を分かり易くする
ために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本
発明が実施の形態に限定されるものではない。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図１〜図３を参照して本発
明の実施の形態について説明する。なお、本発明の実施
の形態に係る材料試験機の構成は図４に示したものと同
様であり、その図および説明は省略し、適宜図４を参照
して説明する。

【０００９】図１は、本発明の実施の形態に係る材料試
験機において、クロスヘッド２６に取り付けられたロー
ドセル２７と上部圧盤２８との間に介装される過負荷防
止装置（プロテクタ）の構成を示す。図１において、ク
ロスヘッド２６の上部には、ロードセル２７がボルト３
０により固設される。さらに、クロスヘッド２６には材
料試験機の負荷軸方向に貫通穴２６Ｈが穿設されてお
り、その内面にスリーブ５６が挿入される。スリーブ５
６は、クロスヘッド２６の下面にボルト６０を介して固
設されている。このスリーブ５６の内部に挿入され、固
定ナット５２にてロードセル２７に固定された負荷ロッ
ド５０は、リニアベアリング５８にて負荷軸方向に移動
可能に保持される。なお、負荷ロッドには二つのＣリン
グ５４が装着されているが、これによりロードセル２７
の交換に際して固定ナット５２を緩めたときに、負荷ロ
ッド５０が脱落したり、この負荷ロッド５０がクロスヘ
ッド２６の上方向に抜けたりするのを防止する。

【００１０】プロテクタ４０は、プロテクタ枠４２、圧
縮コイルバネ４８、耐圧フランジ４６、および調整ナッ
ト４４などで構成される。プロテクタ枠４２と耐圧フラ
ンジ４６とは、プロテクタ枠４２に穿設された穴４２Ｈ
と、耐圧フランジ４６に形成されたボス４６Ｂとが遊間
を有する状態にて嵌合するように組み合わされ、同時に
これらプロテクタ枠４２と耐圧フランジ４６との間には
圧縮コイルバネ４８が介装されて、調整ナット４４がプ
ロテクタ枠４２にねじ込まれる。そして調整ナット４４
に穿設された治具穴４４Ｈに治具をあてがい、調整ナッ
ト４４を所定の回転方向に回転させることによりプロテ
クタ枠４２の中を耐圧フランジ４６が負荷軸方向に進退
し、これにより圧縮コイルバネ４８の伸長力により発生
する反力を変化させることができる。このように調整ナ
ット４４を回転させて圧縮コイルバネ４８より発生する
伸長力を調整した後、必要に応じて固定ビス６８を締
め、調整ナット４４をプロテクタ枠４２に対して固定す
ることができる。調整ナット４４に設置されたリミット
スイッチ７０は、プロテクタ４０に対して圧縮コイルバ
ネ４８が縮まる方向の力が作用して、この耐圧フランジ
４６と調整ナット４４と間に遊間を生じたことを検出す
るためのものであり、このリミットスイッチ７０の出力
は制御装置１（図４）に接続される。

【００１１】以上のように構成されたプロテクタ４０
は、プロテクタ枠４２に穿設された穴４２Ｉを介してボ
ルト６２によりクロスヘッド２６の下面に吊支され、プ
ロテクタ枠４２に穿設された穴４２Ｈと負荷ロッド５０
の下部突起とが嵌合する。なお、ボルト６２とプロテク
タ枠４２との間に圧縮コイルバネ６４が介在している
が、これは、ロードセル２７に対して負荷ロッド５０、
プロテクタ４０、そして耐圧フランジの下部４６に固定
ビス６６で固定された上部圧盤２８などの重量が作用す
るのを防止するためのものであり、ボルト６２の締め込
み量を調節して上述した重量を相殺することができる

【００１２】図１に示す材料試験機のクロスヘッド２６
が下降して試験片ＴＰには圧縮荷重が作用すると同時に
試験片ＴＰからの反力はプロテクタ４０、負荷ロッド５
０を介し、ロードセル２７に伝達され、そしてこのロー
ドセル２７で電気信号に変換されて制御装置１（図４）
に入力される。このとき、プロテクタ４０がどのように
作用するかについて図１および図２を参照して説明す
る。図２に示すグラフは、横軸にクロスヘッド２６の下
降ストロークを、縦軸に試験片ＴＰに作用する圧縮荷重
をとった荷重−ストローク線図を示している。この図２
において、直線Ａは試験片ＴＰの変形定数（負荷された
荷重に対する変形量の比率。いわば試験片ＴＰのバネ定
数）を示しており、直線Ｂはプロテクタ４０（圧縮コイ
ルバネ４８）のバネ定数を示している。この図２からも
判るように、プロテクタ４０のバネ定数は試験片ＴＰの
変形定数よりも小さく（ストローク増減に対する荷重変
化の割合が緩く）設定される。なお、ここでは調整ナッ
ト４４が所定量締め込まれていて、プロテクタ４０の内
部には圧縮コイルバネ４８によって内力Ｐ（これを設定
荷重Ｐと称する）が作用しているものとして説明を進め
る。

【００１３】クロスヘッド２６が下降するのに伴い、試
験片ＴＰに荷重が負荷され始めると、ロードセル２７か
らは直線Ａに相当する荷重信号が出力される。このと
き、プロテクタ４０には上述したように圧縮コイルバネ
４８によって内力Ｐが作用しているので、試験片ＴＰに
負荷される荷重がこの設定荷重Ｐを下回る間、プロテク
タ４０はいわば剛体として上部圧盤２８と負荷ロッド５
０との間に介在する。そしてさらにクロスヘッド２６が
下降して試験片ＴＰに負荷される荷重が増し、設定荷重
Ｐを上回るとともにプロテクタ４０の圧縮コイルバネ４
８が試験片ＴＰとともに変形を開始する。これにより、
クロスヘッド２６の下降ストロークに対する荷重増加の
関係は直線Ｃに示されるように緩やかな傾きを有するよ
うになり、従ってクロスヘッド２６の僅かな下降ストロ
ークの上昇によって試験片ＴＰやロードセル２７に負荷
される荷重が急激に上昇してしまうことはない。これに
より、試験片ＴＰに負荷される荷重が設定荷重Ｐに達し
てからロードセル負荷限界荷重Ｌに達するまでのストロ
ーク余裕は、プロテクタ４０が介在しない場合のＳ１に
比して、プロテクタ４０が介在した場合にはＳ２へと、
大幅に増加する。また、プロテクタ４０の圧縮コイルバ
ネ４８が変形するのにともない、耐圧フランジ４６が縮
退してリミットスイッチ７０が作動し、これを図４に示
す制御装置１が検知してモータ３１の駆動を停止するの
でロードセル２７および試験片ＴＰの破損が防止され
る。

【００１４】プロテクタ４０は、クロスヘッド２６が上
昇して荷重が除去されれば容易に復帰可能であり、した
がって単純な操作により、材料試験を継続して行うこと
ができる。また、設定荷重Ｐを変えることにより、耐荷
重の異なるロードセルに対応することも容易であり、ま
た試験片ＴＰを非破壊で試験したい場合には設定荷重Ｐ
をそれなりに小さく設定したり、あるいは圧縮コイルバ
ネ４８そのものを交換してバネ定数を小さくすることも
可能である。

【００１５】以上の実施の形態の説明においては、プロ
テクタ４０を圧縮試験用に適用した例について説明した
が、引張試験に適用することも可能である。これについ
て引張試験用プロテクタ４０Ａの要部構成を示す図３を
参照して説明する。図３において、調整ナット４４Ａが
締め込まれるのにともない、圧縮コイルバネ４８Ａによ
って耐圧フランジ４６Ａは図示上側に所定の力量で付勢
される。この耐圧フランジの下端には、引張試験片Ｔ
Ｐ’を把持するつかみ具７２が接続される。

【００１６】以上のように構成されたプロテクタ４０Ａ
の作用について説明する。プロテクタ４０Ａは、ロード
セル２７（図４）に固定され、引張試験片ＴＰ’の一端
がつかみ具２７に、他端が固定テーブル２２（図４）に
固定された不図示のつかみ具に把持され、クロスヘッド
２６（図４）が上昇するのにともなって引張試験片Ｔ
Ｐ’には引張荷重が負荷され、プロテクタ４０Ａで設定
された所定荷重に設定すると圧縮コイルバネ４８Ａが変
形を開始して、荷重の急上昇を防ぐ。このとき、プロテ
クタ枠４２Ａに設置されたリミットスイッチ７０が作動
し、制御装置１はモータ３１（図４）の作動を停止す
る。

【００１７】以上のようにして、圧縮試験あるいは引張
試験のいずれにおいても、本発明は適用可能である。な
お、以上の実施の形態の説明において、耐圧フランジ４
６および４６Ａはいずれも圧縮コイルバネ４８または４
８Ａで付勢される例について説明したが、これに代えて
引張コイルバネや板バネを用いるものであってもよい
し、あるいはプロテクタ枠４２（４２Ａ）と耐圧フラン
ジ４６（４６Ａ）とで空密あるいは油密構造を形成する
とともに、この空密あるいは油密構造に連通するアキュ
ムレータなど（いずれも不図示）を設け、空圧や油圧に
よって設定荷重Ｐを変えるものであってもよい。

【００１８】また、リミットスイッチ７０についてはフ
ォトセンサなどの光電素子やその他の非接触式のセンサ
を用いるものであってもよい。

【００１９】さらに、調整ナット４４（４４Ａ）による
プロテクタ４０（４０Ａ）の設定荷重Ｐの変更作業を容
易にするため、調整ナット４４（４４Ａ）とプロテクタ
枠４２（４２Ａ）とに目盛りをふり、設定荷重が直読で
きるようにしてもよく、あるいは圧縮コイルバネ４８の
座面に圧力センサ等を介在させて電気的に設定荷重が読
み取れるようにしてもよい。

【００２０】以上の発明の実施の形態と請求項との対応
において、クロスヘッド２６が負荷手段を、圧縮コイル
バネ４８および４８Ａが弾性変形手段を、それぞれ構成
する。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る材料
試験機によれば、以下のような効果を得ることができ
る。 （１） 請求項１に記載の発明によれば、負荷手段が試
験片の荷重負荷方向に移動して試験片に荷重を負荷する
際に、試験片に所定値以上の荷重が負荷されたときには
弾性変形手段が変形することにより、負荷手段の移動量
に対する荷重の変化を緩やかにすることができる。これ
により剛性の高い材料の試験を行う場合であっても、負
荷手段の僅かなストローク増によって荷重が急上昇して
試験片やロードセルが破損するのを防止することができ
る。 （２） 請求項２に記載の発明によれば、弾性変形手段
が弾性変形を開始する荷重を任意に設定することがで
き、これにより許容荷重の異なるロードセルや強度の異
なる試験片に対応して容易に設定荷重を変えることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による材料試験機に配設される過負荷
防止装置の構成を示す断面図。

【図２】 本発明による材料試験機における、クロスヘ
ッドストロークに対して試験片に負荷される荷重の変化
を示す図。

【図３】 本発明による材料試験機に用いられる過負荷
防止装置の変形例を示す図。

【図４】 本発明が適用される材料試験機の構成を示す
図。

【符号の説明】

１ 制御装置 ２２ 固定テーブル ２３、２４ ねじ棹 ２６ クロスヘッド ２７ ロードセル ２８ 上部圧盤 ２９ 下部圧盤 ３１ モータ ３２ 減速機構 ４０、４０Ａ 過負荷防止装置（プロテクタ） ４２、４２Ａ プロテクタ枠 ４４、４４Ａ 調整ナット ４６、４６Ａ 耐圧フランジ ４８、４８Ａ 圧縮コイルバネ ５０ 負荷ロッド ７０ リミットスイッチ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試験片への荷重負荷方向に移動して、前
   記試験片に荷重を負荷する負荷手段を有し、この負荷手
   段により前記試験片に荷重を負荷してその機械的性質を
   試験する材料試験機において、 前記試験片と前記負荷手段との間に配設され、前記試験
   片に所定値以上の荷重が負荷されたときに前記試験片の
   負荷軸方向に弾性変形可能な弾性変形手段を有すること
   を特徴とする材料試験機。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の材料試験機において、
   前記弾性変形手段は、弾性変形を開始する前記所定荷重
   が可変であることを特徴とする材料試験機。