JP2002107278A - 材料試験装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】試験体に対して、小さな負荷荷重を精密にか
け、あるいは、速い繰り返し荷重をかけられるようにす
る。 【解決手段】疲労試験をされるべき試験体Ｓは一端がチ
ャック７で把持され他端がチャック８で把持される。ネ
ジザオ５の回転により移動部材２を試験体Ｓが引張られ
る方向に駆動し、試験体Ｓに対して所定の初荷重をかけ
る。その状態でリニアモータ６を用いて試料台３が矢印
Ｂの方向に繰り返し荷重がかかるように駆動する。リニ
アモータは動きの応答が速いので速い繰り返し荷重を試
験体Ｓに与えることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、材料に対して圧縮
や引張りの繰り返し荷重をかけて疲労試験を行ったり、
機械的構造体に対して抜き差しなどの繰り返し動作に対
する耐久性を試験するための材料試験装置に関し、特に
微小な試験力を必要としたり、繰り返し速度の速い試験
に適した材料試験装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】材料に繰り返し荷重をかけて材料の変形
や破壊などの特性を評価する試験装置は疲労試験機とし
て知られている。またこの疲労試験機は、コネクタなど
の様に２つの機械的構造体を抜き差しした場合の挿抜耐
久性や、伸び縮み可能なアンテナなどの可動部分の伸縮
耐久性を試験する場合に利用することができる。

【０００３】従来の材料試験装置は、試験体に対して伸
び縮みの繰り返し荷重を与えるために、ネジザオの回転
や油圧シリンダーをアクチュエータとして利用してい
る。例えばネジザオを利用する場合は、試験機本体の構
造を形成するフレームに対して移動可能なクロスヘッド
に固定されたメネジにネジザオを螺合させ、ネジザオを
モータにより回転させることによりこのクロスヘッドを
フレームに対して移動させる構造とする。試験体の一端
をフレームに固定されたチャックに挟み、試験体の他端
をクロスヘッドに装着されたチャックに挟んだ状態でク
ロスヘッドをネジザオの回転により移動させれば、クロ
スヘッドの移動方向に応じて試験体には圧縮または引張
りの荷重がかかり、そのときの試験体の伸びと試験体に
かかる荷重を測定して材料試験が行われる。

【０００４】材料試験装置を利用して疲労試験や耐久試
験を行う場合には、試験体に対して振動的に変化する荷
重を与える必要があるが、このときアクチュエータであ
るネジザオは正逆の回転を繰り返して行うように駆動さ
れる。また、アクチュエータとして油圧シリンダを利用
する場合には、油圧シリンダにかかる油圧を制御するサ
ーボバルブが繰り返し荷重を与えるように制御される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ネジザオによるクロス
ヘッドの駆動は比較的遅い動きを実行することができる
が、速い繰り返し負荷を試験片に与えることは困難であ
る。また、油圧シリンダをアクチュエータとする場合に
は、油圧シリンダの制御には油圧源やサーボバルブも必
要であり、構成が複雑でコンパクトな装置を実現するこ
とが困難である。

【０００６】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、小さな負荷荷重を試験体に対して精密にかけ
ることができ、高い繰返し速度を実現できるようにアク
チュエータ部分の応答速度が早く、小型で低コストな材
料試験装置の提供を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述した課題
を解決するために、試験体に対して負荷軸方向に繰り返
し荷重をかけて該試験体の特性または耐久性を試験する
材料試験装置において、試験装置の全体を支持するフレ
ームと、試験体を固定する試料台と、この試料台を負荷
軸に沿って直線的に駆動するリニアモータ駆動部を有す
る直線駆動部材と、この直線駆動部材を前記フレームに
対して負荷軸方向に直線的に駆動するネジザオを備えた
ことを特徴とする。

【０００８】本発明の材料試験装置においては、試験体
はリニアモータ駆動部によって負荷軸方向に直線的に駆
動されるとともに、ネジザオによってもリニアモータ駆
動部を含む直線駆動部材全体が負荷軸に沿って駆動され
る。すなわち、試験体はリニアモータによって負荷が加
えられるとともに、ネジザオによっても負荷が加えられ
る。したがって速い繰り返し負荷がリニアモータによっ
て実現され、しかもネジザオによって大きな負荷と大き
なストロークも与えられるので、複合的な負荷を試験体
に与えることができる。また、ネジザオの大きなストロ
ークは試験体の大きさにかかわらず直線駆動部材を最適
な位置に配置することが可能となる。

【０００９】さらに、ネジザオは駆動モータとネジザオ
との連結部分やメネジとの嵌合部分において機械的遊び
が比較的大きいが、リニアモータによる駆動はこれに比
べて機械的な遊びが少ないので、ネジザオを所定の位置
で固定した使用方法では試験精度が向上する。また、リ
ニアモータは駆動または制御に他の機械的構成要素を必
要としないので装置全体を小型に構成できる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態を図面を参
照しながら説明する。図１は本発明の材料試験装置を示
す図である。

【００１１】試験装置全体の構造を支えるフレーム１に
対して、両端が軸受によって支持されたネジザオ５が回
転可能に固定されて配置されている。ネジザオ５の一端
にはモータ４が連結され、また、ネジザオ５にはフレー
ム１の上で直線的に移動できる移動部材２に固定された
メネジに螺合されており、モータ４によりネジザオ５が
回転されることによって、移動部材２が矢印Ａのように
図１の左右方向に駆動される。移動部材２は図示してい
ないリニアガイドなどによって支持されているのでフレ
ーム１に対して低摩擦力で摺動でき、ネジザオ５と移動
部材２の間の機構は周知のボールネジ機構などを採用す
ることができる。

【００１２】移動部材２の上には試料台３が組みつけら
れており、この試料台３はリニアガイド１１（図２参
照）などにより移動部材２に対して直線的に移動可能と
なっている。試料台３は、移動部材２および試料台３に
内蔵された永久磁石やコイルによって構成されるリニア
モータ６によって矢印Ｂのように直線的に駆動される。
この試料台３の移動方向（矢印Ｂ方向）は上述の移動部
材２の移動方向（矢印Ａ方向）と同一であって、図１の
左右方向である。この矢印Ｂ方向は試験体に加えられる
負荷方向ともなる。なお、試料台３およびリニアモータ
６などが課題を解決するための手段に記載された直線駆
動部材を構成している。また、上述のネジザオ５による
駆動距離（ストローク）はリニアモータ６による駆動距
離よりも大きく設定されている。

【００１３】試験されるべき試験体Ｓはフレーム１に固
定されたチャック７と試料台３に固定されたチャック８
との間に装着される。またチャック７の基部にはロード
セル９が配設され、試験体Ｓにかかる負荷荷重を出力す
ることができる。モータ４の駆動やリニアモータ６の駆
動は制御装置１０によって制御され、またロードセル９
の出力も制御装置１０に取り込まれる。制御装置１０は
コンピュータと各種のドライバおよびインターフェース
回路などから構成され、本試験装置の試験条件の設定・
駆動対象の制御・データ取り込み・各種データ処理など
を行う。

【００１４】次に本試験装置を用いて材料の疲労試験を
行う場合の動作を説明する。疲労試験をされるべき試験
体Ｓは一端がチャック７で把持され他端がチャック８で
把持される。そしてネジザオ５の回転により移動部材２
を試験体Ｓが引張られる方向に駆動し、試験体Ｓに対し
て所定の引張り初荷重をかける。その状態でリニアモー
タ６を用いて試料台３が矢印Ｂの方向に振動するように
駆動する。リニアモータは動きの応答が速いので速い繰
り返し荷重を試験体Ｓに与えることができる。上述の初
荷重はゼロと設定する場合あるいはマイナス（圧縮方
向）と設定する場合もあることはもちろんである。

【００１５】また、たとえばコネクタの挿抜試験などを
行う場合には、試験されるコネクタのレセプタクル部分
はフレーム１に固定されたチャック（または固定具）７
に取り付けられ、コネクタのプラグ部分は、試料台３に
固定されたチャック（または固定具）８に取り付けられ
る。ネジザオ５の回転により移動部材２を適当な位置ま
で移動し、１対のコネクタが向き合って対向するよう配
置する。この状態でリニアモータ６により試料台３を矢
印Ｂの方向に繰り返して移動させると、試験体であるコ
ネクタははめ込まれたり離れたりするので、コネクタの
抜き差しの耐久性を試験することができる。このときロ
ードセル９の出力を継続的にモニタしておけば何回の繰
り返しでコネクタに変化が現れるかなどのデータにより
精密な試験を行うことができる。リニアモータは小さな
力を発生させることができるので小さな力を用いた試験
には最適である。

【００１６】伸び縮み可能なアンテナの伸縮耐久性を試
験する場合には、アンテナの根元をチャック９で把持
し、先端をチャック８で把持する。その後は上述したの
と同様に、ロードセル９の出力をモニタしながらリニア
モータ６によりアンテナの伸び縮みを繰り返して、耐久
性を試験する。伸び縮みのストロークが大きければリニ
アモータ６による駆動はせずにネジザオ５による駆動を
用いることができる。

【００１７】図２は上述のリニアモータ部分を説明する
図であり、図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）はＣ方向か
ら見た断面図である。リニアモータ６は、試料台３に配
置された電磁コイル６ａとその基台（移動部材２）に配
置された永久磁石６ｂにより構成される。永久磁石６ｂ
はＳ極とＮ極が交互に並ぶように多数が直線状に固定的
に配置され、その端部であるＳ極またはＮ極は電磁コイ
ル６ａの磁極に対向している。電磁コイル６ａに位相を
制御された電流が流されると、永久磁石６ｂのＳ極とＮ
極との間で吸引と反発を繰り返しながら矢印Ｂ方向に直
線的な移動推進力を発生させる。なお、試料台３は矢印
Ｂ方向に伸びたリニアガイド１１を介して移動部材２に
よって支持されているので、矢印Ｂ方向になめらかな動
きが可能である。

【００１８】上述のリニアモータの構成は一例であり、
永久磁石を試料台３側に配置し電磁コイルを移動部材２
側に配置してもよい。また、永久磁石の代わりに電磁コ
イルを用いてステータ側の磁極とすることも可能であ
る。また、試料台３を移動部材２に対して支持するリニ
アガイド１１としては、レールとボールベアリングを用
いたものに限られず、非接触的に支持するようエアベア
リングなどを用いてもよいのはもちろんである。

【００１９】上述の試験装置の駆動の説明において、ネ
ジザオ５による負荷とリニアモータ６による負荷を試験
体Ｓに対して同時にかける例を示したが、試験体Ｓにか
ける負荷の大きさがリニアモータ６の発生できる力を超
える場合にはネジザオ５だけによって負荷をかけること
も可能である。このとき試料台３は移動部材２にリニア
モータ以外の機械的固定機構により固定しておく。ま
た、試料台３の移動範囲を制限する強固な当たりを設け
ておき、この当たりに当てた状態でネジザオ５による負
荷を試験体Ｓにかければ、試料台やリニアモータに無理
な力をかけることなく大きな力による試験が可能であ
る。

【００２０】図１に示した材料試験装置は負荷軸方向を
水平方向にした例を示しているが、負荷軸方向が鉛直方
向であるようにレイアウトすることも可能である。

【００２１】

【発明の効果】本発明の材料試験装置においては、試験
体はリニアモータによって負荷が加えられるとともに、
ネジザオによっても負荷が加えられるので、速い繰り返
し負荷がリニアモータによって実現され、しかもネジザ
オによって大きな負荷と大きなストロークも与えられる
ので、複合的な負荷を試験体に与えることができる。し
たがって、従来は分けて行っていた別々の試験を同時に
行うことができる。また、大きな負荷を発生できるネジ
ザオと小さな負荷を発生できるリニアモータを使い分け
ることにより、１台の試験装置での試験範囲を広げるこ
とができる。また、ネジザオの大きなストロークは試験
体の大きさあわせてリニアモータを内蔵した直線駆動部
材を配置することが可能なので、種々の大きさの試験体
を試験することが容易である。さらに、小さな負荷試験
では、機械的な遊びの大きいネジザオを固定して遊びの
影響をなくすことができるので試験精度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の材料試験装置の構成を示す図である。

【図２】リニアモータ駆動部分を示す図である。

【符号の説明】

１…フレーム ２…移動部材 ３…試料台 ４…モータ ５…ネジザオ ６…リニアモータ ７…チャック ８…チャック ９…ロードセル １０…制御部 １１…リニアガイド Ｓ…試験体

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試験体に対して負荷軸方向に繰り返し荷
   重をかけて該試験体の特性または耐久性を試験する材料
   試験装置において、試験装置の全体を支持するフレーム
   と、試験体を固定する試料台と、この試料台を負荷軸に
   沿って直線的に駆動するリニアモータ駆動部を有する直
   線駆動部材と、この直線駆動部材を前記フレームに対し
   て負荷軸方向に直線的に駆動するネジザオを備えたこと
   を特徴とする材料試験装置。