特許 7415960 試験治具

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-09

(45)【発行日】2024-01-17

(54)【発明の名称】試験治具

(51)【国際特許分類】

   G01N 3/04 20060101AFI20240110BHJP

【ＦＩ】

G01N3/04 P

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021002682

(22)【出願日】2021-01-12

(65)【公開番号】P2022107955

(43)【公開日】2022-07-25

【審査請求日】2023-03-13

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100113664

【弁理士】

【氏名又は名称】森岡 正往

(74)【代理人】

【識別番号】110001324

【氏名又は名称】特許業務法人ＳＡＮＳＵＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】北條 浩

(72)【発明者】

【氏名】水野 隆教

【審査官】外川 敬之

(56)【参考文献】

【文献】実開平０４－１２４４５２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０１０－２１０４４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－１８０７４３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ３／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

上下方向に相対移動する上取付体と下取付体を備える試験機に装着される試験治具であって、
該上取付体に装着される上ベースと、
該下取付体に装着される下ベースと、
該上ベースの左側に一端側が枢支された上左リンクと、
該上ベースの右側に一端側が枢支された上右リンクと、
該下ベースの左側に一端側が枢支された下左リンクと、
該下ベースの右側に一端側が枢支された下右リンクと、
該上ベースと連動して試験片の上部を保持する上チャックと、
該下ベースと連動して該試験片の下部を保持する下チャックと、
該上左リンクの他端側と該下左リンクの他端側が枢支されると共に該試験片の左部を保持する左チャックと、
該上右リンクの他端側と該下右リンクの他端側が枢支されると共に該試験片の右部を保持する右チャックとを備え、
該上左リンクと該下左リンクが外側に向けてなす角度である左外角と、該上右リンクと該下右リンクが外側に向けてなす角度である右外角とは、１８０°以内である試験治具。

【請求項2】

前記左外角および／または前記右外角は、７０°～１６０°である請求項１に記載の試験治具。

【請求項3】

上下方向および左右方向に関して略対称的な構造である請求項１または２に記載の試験治具。

【請求項4】

さらに、前後方向に関しても略対称的な構造である請求項３に記載の試験治具。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一軸方向の荷重を多軸方向の荷重へ変換できる試験治具に関する。

【背景技術】

【0002】

試験片に荷重を印加して、その物理的特性（機械的特性）を測定する試験は、商品開発（特に材料開発）、品質管理等において不可欠である。このような試験は、通常、測定対象である物性値に応じて、それに適した専用の試験機や試験治具を用いてなされる。中でも、一般的に最も多く行われる材料試験は、材料試験機を用いた一軸引張試験（一軸方向の引張荷重を試験片へ印加する試験）である。

【0003】

ところで、性能・機能（特性）、軽量コンパクト化等を高次元でバランスさせた最適設計が進められており、等方性材料に加えて、方向により特性が異なる異方性材料も多用される。また、等方性材料であっても、実際に使用されるときには複数方向から異なる荷重を受け得る。

【0004】

このような実情に沿った評価試験を行うために、例えば、一般的な材料試験機において、その一軸方向の荷重（「一軸荷重」という。）を二軸方向の荷重（「二軸荷重」という。）へ変換する試験治具が提案されている。これに関連する記載が、例えば、下記の文献にある。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【文献】缶用硬質アルミニウム合金板の二軸引張試験方法の開発、東京農工大・花房泰浩、学位論文（2014年）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記文献に記載の試験治具は、一つの駆動リンクと四つの従動リンクを回転円盤に回動可能に取り付けてなる。駆動リンクへ一軸荷重が印加されると、各従動リンクが連動して、従動リンクの他端部に取り付けられた十字型試験片に二軸荷重が作用する。従動リンクの取付位置や長さの変更により、各方向の荷重比（変位比）の調整も可能となっている。

【0007】

もっとも、その試験治具は、各リンク（節）の連結点（回転中心／永久中心）が１１もあり、また各リンクに設けられる試験片の取付部を直動させるスライダを各リンク毎（合計四つ）に必要としている。このような試験治具は、リンク（節、機素）や連結点が多くて複雑である。

【0008】

本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、従来と異なる新たな構造（リンク機構）の試験治具等を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、トグル機構を利用した試験治具を着想し、具現化した。この成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。

【0010】

《試験治具》
（１）本発明は、上下方向に相対移動する上取付体と下取付体を備える試験機に装着される試験治具であって、該上取付体に装着される上ベースと、該下取付体に装着される下ベースと、該上ベースの左側に一端側が枢支された上左リンクと、該上ベースの右側に一端側が枢支された上右リンクと、該下ベースの左側に一端側が枢支された下左リンクと、該下ベースの右側に一端側が枢支された下右リンクと、該上ベースと連動して試験片の上部を保持する上チャックと、該下ベースと連動して該試験片の下部を保持する下チャックと、該上左リンクの他端側と該下左リンクの他端側が枢支されると共に該試験片の左部を保持する左チャックと、該上右リンクの他端側と該下右リンクの他端側が枢支されると共に該試験片の右部を保持する右チャックと、を備える試験治具である。

【0011】

（２）本発明の試験治具によれば、一方向の荷重を印加できる試験機を用いつつ、少なくとも二方向の荷重を試験片へ印加した測定が可能となる。また本発明の試験治具は、リンク（節、機素）や連結点が比較的少なくて構造の簡素化が図られ得る。このため、取扱性、メンテナンス性（例えば、連結点のクリアランスや摩擦の管理等）、測定精度の安定性等にも優れる。なお、各リンクの長さや取り着け角度等を調整すれば、試験片へ印加する各方向（例えば左右方向、上下方向）の荷重比等を調整することも可能である。

【0012】

さらに本発明の試験治具によれば、例えば、試験片を把持した状態で正面や背面を開放状態にもできる。この場合、画像相関法による全視野変形・ひずみ計測や、アクティブサーモグラフィーによる散逸エネルギー計測を同時に併用した多角的損傷解析も可能になる。

【0013】

（３）本発明の試験治具は、左右方向に配設される各リンクおよび各チャックに加えて、前後方向（例えば、上下方向および左右方向に直交する奥行方向）にも同様な各リンクおよび各チャックをさらに配設されてもよい。例えば、本発明の試験治具は、さらに、前記上ベースの前側に一端側が枢支された上前リンクと、該上ベースの後側に一端側が枢支された上後リンクと、前記下ベースの前側に一端側が枢支された下前リンクと、該下ベースの後側に一端側が枢支された下後リンクと、該上前リンクの他端側と該下前リンクの他端側が枢支されると共に該試験片の前部を保持する前チャックと、該上後リンクの他端側と該下後リンクの他端側が枢支されると共に該試験片の後部を保持する後チャックとを備えてもよい。これにより、一方向の荷重を印加できる試験機を用いつつも、三方向の荷重を試験片へ印加した測定も可能となる。

【0014】

なお、本発明の試験治具は、上下方向、左右方向または前後方向の少なくとも一方向（さらには各方向）に関して略対称的な構造であると好ましい。これにより、測定結果の解析や治具の設計や製作等を効率的に行えるようになる。

【0015】

《試験方法》
本発明は、上述した試験治具を用いた種々の試験方法としても把握される。その試験治具は引張試験の他、例えば、圧縮試験、曲げ試験等に利用されてもよい。

【0016】

《その他》
（１）試験治具を介して印加される荷重方向（軸方向）は、必ずしも、直交軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）方向でなくてもよい。また試験片も、各軸方向へ荷重を印加できる形態であればよく、必ずしも平面的な四方十字型や立体的な六方十字型でなくてもよい。荷重は、引張荷重に限らず、圧縮荷重でもよい。測定対象は、荷重（応力）に限らず、変位（歪み）等でもよい。

【0017】

（２）リンク、ベース、チャック等は、所望の測定精度を確保できる程度の剛性、強度等を有する限り、形状（板状、棒状、管状、直状、曲状等）、大きさ、材質等を問わない。試験治具を装着する試験機は、一軸荷重を印加できる限り、その種類や型式等も問わない。

【0018】

（３）本明細書でいう「上・下」、「左・右」、「前・後」は説明の便宜的な呼称であり、必ずしも鉛直方向に沿っている必要はない。例えば、上下方向が水平方向で、左右方向が鉛直方向でもよい。

【0019】

本明細書でいう「端側」（一端側、他端側）も説明の便宜的な呼称であり、必ずしもリンクの端部である必要はない。他の機素と連結または連動が可能な領域（部位）であればよい。「左側」、「右側」、「左部」、「右部」、「前側」、「後側」、「前部」、「後部」等についても同様である。

【0020】

（４）特に断らない限り本明細書でいう「ｘ～ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ～ｂ」のような範囲を新設し得る。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】試験治具（一例）を模式的に示す平面図である。

【図2】その試験治具に取り付けた試験片に作用する力のつり合い、伸びおよび荷重を算出する数式群である。

【図3】その試験治具において、リンクのなす角と荷重比の関係を示すグラフである。

【図4】その試験治具を用いて試験片へ引張荷重を作用させたときに生じる各方向のひずみ例を示す写真である。

【図5】その引張荷重と各方向のひずみとの関係例を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0022】

本明細書で説明する内容は、試験治具のみならず、それを用いた試験方法にも該当し得る。上述した本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成要素を付加し得る。いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。

【0023】

《試験治具》
各リンクの長さやリンク間の角度等を調整することにより、試験片へ印加する荷重の方向やその荷重の比率（単に「荷重比」という。）等の調整が可能である。試験片に作用する荷重や方向は機構学的に求められる。

【0024】

例えば、上左リンクと前記下左リンクが外側に向けてなすリンク間の角度である左外角（α）と、上右リンクと前記下右リンクが外側に向けてなすリンク間の角度である右外角（β）とを１８０°以内にすれば、試験片の二方向へ引張荷重を印加できる。

【0025】

逆に、例えば、左外角と右外角を共に１８０°超にすれば、試験片の一方向には引張荷重を印加しつつ、試験片の他方向には圧縮荷重を印加することもできる。なお、機構学的な思案点（例えば左外角と右外角が１８０°となるとき）でも、試験片を構成する材料のポアソン比（ν）を考慮すれば、試験片には少なくとも二方向に関して、安定的に荷重を作用させ得る。例えば、上下チャックで保持された試験片へ上下方向の引張荷重を作用させると、左外角と右外角が共に１８０°のときでも、左右チャックで保持された試験片にはポアソン効果によって、左右方向の引張荷重（ν＞０のとき）が作用し得る。

【0026】

もっとも、左外角（α）および／または右外角（β）は、例えば、７０°～１６０°、８０°～１５０°さらには９０°～１４０°とするとよい。これにより、左右チャック間の荷重と上下チャック間の荷重との比率（単に「荷重比」という。）を所定範囲内にした測定が可能となる。なお、本明細書では、適宜、α＝βのとき、その半角をθ（つまりα＝β＝２θ）という。

【0027】

《試験片》
試験対象である試験片の材質や特性等は問わない。また、左右および上下のチャックに保持され得る限り、試験片の形態（形状、大きさ）も問わない。試験片は、荷重を印加する各方向に沿って、幅、厚さまたは径等が一定な平行部を有してもよいが、その形態は、各方向で異なっていてもよい。一例として、直交二軸方向に荷重を印加して引張試験を行う場合なら、少なくとも中央部が略十字型の試験片を用いてもよい。

【実施例】

【0028】

試験治具の一形態例と、それによる測定例とを示しつつ、本発明を具体的に説明する。

【0029】

《試験治具》
本発明の一実施例である試験治具Ｓ（単に「治具Ｓ」という。）を模式的に図１に示した。なお、図１に矢印で示す方向を上下方向（Ｙ軸方向）および左右方向（Ｘ軸方向）とした。

【0030】

（１）構成
治具Ｓは、上下方向および左右方向に関して対称な構造をしており、一軸荷重を印加できる材料試験機のクロスヘッド（固定側）とピストン（可動側）との間に装着される。
治具Ｓの具体的な構成は次の通りである。

【0031】

治具Ｓは、クロスヘッド（上取付体）に着脱可能な上ベース１１と、ピストン（下取付体）に着脱可能な下ベース１２と、上ベース１１と下ベース１２の間に配設される４つの
上左リンク２１１、下左リンク２２１、上右リンク２１２および下右リンク２２２と、
試験片Ｔの上部、下部、左部および右部を把持する４つの上チャック３１、下チャック３２、左チャック４１および右チャック４２とを備える。なお、ベース１１、１２を併せて「ベース１」、リンク２１１、２２１、２１２、２２２を併せて「リンク２」と、チャック３１、３２を併せて「チャック３」、チャック４１、４２を併せて「チャック４」という。ベース１の着脱（固定）、各チャックによる試験片の把持（固定）等は、ボルトｂの締結によりなされる。

【0032】

上左リンク２１１の一端部は上ベース１１の左端部とピボット５１１で回動可能に連結（枢支）されており、その他端部は左チャック４１の上部とピボット６１１で枢支されている。下左リンク２２１の一端部は下ベース１２の左端部とピボット５２１で枢支されており、その他端部は左チャック４１の下部とピボット６２１で枢支されている。

【0033】

上右リンク２１２の一端部は上ベース１１の右端部とピボット５１２で枢支されており、その他端部は右チャック４２の上部とピボット６１２で枢支されている。下左リンク２２２の一端部は下ベース１２の右端部とピボット５２２で枢支されており、他端部が右チャック４２の下部とピボット６２２で枢支されている。

【0034】

（２）作動
試験機を作動させて、上ベース１１に対して下ベース１２を移動（上下方向の離れる方向へ相対移動）させると、上ベース１１に固定された上チャック３１と下ベース１２に固定された下チャック３２とに保持された試験片Ｔには、上下方向（Ｙ軸方向）への引張荷重が作用する。これに連動して、上左リンク２１１および下左リンク２２１に枢支されている左チャック４１と、上右リンク２１２および下右リンク２２２に枢支されている右チャック４２とにより保持された試験片Ｔには、左右方向（Ｘ軸方向）への引張荷重も作用する。

【0035】

（３）荷重比
各リンク２はいずれも枢支点間の距離（Ｌ）が等しく、ベース１およびチャック３、４と、上下および左右に関して対称的な位置で枢支されている。また試験機は、ベース１の左右枢支点間の中央上で、上下方向（一軸方向）へ引張荷重（Ｐ０）をさせる。各リンク１と左右方向（水平方向）とのなす角度をθ（半外角）、各リンク１に沿って作用する張力をＰθとする。なお、上左リンク２１１と下左リンク２２１が外向きになす角（左外角：α）と、上右リンク２１２と下右リンク２２２が外向きになす角（左外角：β）とは２θで表される。

【0036】

このように対称的な治具Ｓの場合、チャック３間に作用する引張荷重（Ｐｙ）とチャック４間に作用する引張荷重（Ｐｘ）は、力の釣り合いから、図２に示す式（１１）、（１２）となる。その両式から、引張荷重Ｐ０、Ｐｘ、Ｐｙの関係は式（１３）となる。

【0037】

試験片Ｔの左右方向（ｘ方向）と上下方向（ｙ方向）の各剛性をＧｘ、Ｇｙ、引張荷重Ｐ０を作用させたときに、各リンクの半外角（θ）の初期からの変化をΔθとする。このとき、各方向の伸びδｘ、δｙは、図２に示す式（２１）、（２２）のように表される。

【0038】

ここで、仮に試験片Ｔの剛性が左右方向および上下方向に関して等方的であるとすると（Ｇｘ＝Ｇｙ）、荷重比（Ｐｘ／Ｐｙ）は図２に示す式（３１）となる。なお、式（３１）と式（１３）から、例えば、引張荷重Ｐ０、Ｐｙの関係は式（３２）のように求まる。

【0039】

試験片Ｔの材質や測定範囲等にも依るが、仮にΔθが十分に小さい場合（θ≒０）、引張荷重Ｐｘ、Ｐｙはそれぞれ、式（３１）と式（３２）から、引張荷重Ｐ０と半外角θを用いて、図２に示す式（４１）、（４２）のように表される。

【0040】

式（４１）、（４２）から、Ｐｘ／Ｐ０、Ｐｙ／Ｐ０およびＰｘ／Ｐｙと、半外角θ（α／２＝β／２）の関係プロットすると、図３に示すようになる。図３からわかるように、例えば、θ＝４５°～８０°さらには４５°～７５°（外角２θ＝９０°～１６０°さらには９０°～１５０°）のとき、試験片Ｔへ二方向から作用する荷重が妥当な範囲内になることがわかる。

【0041】

《試験例》
（１）試験片Ｔとして、炭素繊維により一方向に強化された樹脂（ＣＦＲＰ）からなるテープ（「ＵＤテープ」という。）を十字型に積層した試料を用意した。この試験片Ｔの形状は左右および上下に関して対称とした。

【0042】

（２）この試験片Ｔの上下部と左右部を、電気油圧式材料試験機に装着した治具Ｓのチャック３、４で把持した。このとき、外角（α、β＝２θ）は１２７°とした。なお、試験片Ｔの中央部（十字交差部）には、マーカーを予め付しておいた。

【0043】

材料試験機を作動させて、一軸方向の引張荷重（Ｐ０）を治具Ｓへ作用させた。試験片Ｔの表面（マーカー）を撮影した画像を画像相関法ソフトで解析して、上下方向のひずみ（ｅｙｙ）と、左右方向のひずみ（ｅｘｘ）とを求めた。

【0044】

各方向に引張荷重が作用している試験片Ｔの様子を図４に示した。また、荷重（Ｐ０）と各ひずみ（ｅｘｘ、ｅｙｙ）の関係を図５に示した。図５から、二軸方向の各ひずみ（ｅｘｘ、ｅｙｙ）が材料試験機による荷重（Ｐ０）に略正比例することが確認できた。このことから、二軸方向の各荷重（Ｐｘ、Ｐｙ）も材料試験機による荷重（Ｐ０）に略正比例することもわかった。

【0045】

このように本発明の試験治具によれば、一方向の荷重を印加できる試験機を用いつつも、少なくとも二方向の荷重を試験片へ印加した測定が可能となることが確認された。

【符号の説明】

【0046】

Ｓ 試験治具
Ｔ 試験片
１１、１２ ベース
２１１～２２２ リンク
３１、３２ チャック
４１、４２ チャック

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】