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(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】2024-08-13
(45)【発行日】2024-08-21
(54)【発明の名称】材料試験機
(51)【国際特許分類】
G01N 3/32 20060101AFI20240814BHJP
【ＦＩ】
G01N3/32 S
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2021120498
(22)【出願日】2021-07-21
(65)【公開番号】P2023016281
(43)【公開日】2023-02-02
【審査請求日】2023-10-24
(73)【特許権者】
【識別番号】000001993
【氏名又は名称】株式会社島津製作所
(74)【代理人】
【識別番号】110001081
【氏名又は名称】弁理士法人クシブチ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】沼田 修佑
【審査官】前田 敏行
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１０－１２７７９７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０３－２０００４６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０１－１９７６２７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０４－３０１１８８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１０－０６２３２７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６１－００６４２５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６３－０３７２３２（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１７／００１６８０２（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ ３／３２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
直動する軸を有する負荷アクチュエータを備え、前記軸の直動によって試験片に負荷を与える材料試験機において、前記負荷アクチュエータは、
前記軸を支える軸受を備え、当該軸受が空気軸受であり、
前記負荷アクチュエータの軸は、
前記軸の直動方向に対して傾斜した傾斜面を有する前記試験片の当該傾斜面に当接し、又は、
前記軸の直動方向に伸縮し、かつ当該直動方向に交差する方向に力が加えられた状態の前記試験片に負荷を与える、
材料試験機。
【請求項2】
前記負荷アクチュエータは、前記軸の両端部のそれぞれを支える前記軸受を備え、
前記軸受のそれぞれは、
前記軸を包囲するスリーブと、
前記スリーブの軸受面に開口する複数の絞り孔と、を備え、
前記絞り孔が、自成絞り、又はオリフィス絞りである、
請求項１に記載の材料試験機。
【請求項3】
前記負荷アクチュエータは、前記軸のストロークが正弦波状に変化するように当該軸を駆動する、請求項１または２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、材料試験機に関する。
【背景技術】
【0002】
軸を直動駆動する負荷アクチュエータと、供試体を固定する固定治具と、供試体に当接して負荷を与える負荷部材を固定する負荷治具と、を備え、負荷アクチュエータの軸を直動させて負荷部材を供試体に当接させ、当該供試体に負荷を加える材料試験機において、供試体が負荷方向に対して傾けた状態で固定治具に固定される装置がある（例えば、特許文献１参照）。
かかる材料試験機においては、供試体の傾きに起因して、負荷方向と異なる方向に分力が生じ、この分力が負荷アクチュエータに作用する。そこで、特許文献１の材料試験機は、分力の発生時に負荷方向に直交する方向に移動可能に負荷治具が構成されており、負荷アクチュエータに作用する分力が負荷治具の移動によって低減されるようになっている。
かかる材料試験機においては、供試体の傾きに起因して、負荷方向と異なる方向に分力が生じ、この分力が負荷アクチュエータに作用する。そこで、特許文献１の材料試験機は、分力の発生時に負荷方向に直交する方向に移動可能に負荷治具が構成されており、負荷アクチュエータに作用する分力が負荷治具の移動によって低減されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１３－２２４８７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、軸の直動方向に交差する方向の力が負荷アクチュエータに少しでも作用すると、負荷アクチュエータの軸の直動に摩擦抵抗が生じる。高い精度を要求される試験では、この摩擦抵抗による影響が無視できない、という問題がある。
【0005】
本発明は、軸の直動方向に交差する方向の力が負荷アクチュエータに作用する場合でも、高精度な試験が可能となる材料試験機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】
【0006】
本発明の第１の態様は、直動する軸を有する負荷アクチュエータを備え、前記軸の直動によって試験片に負荷を与える材料試験機において、前記負荷アクチュエータは、前記軸を支える軸受を備え、当該軸受が空気軸受であり、前記負荷アクチュエータの軸は、前記軸の直動方向に対して傾斜した傾斜面を有する前記試験片の当該傾斜面に当接し、又は、前記軸の直動方向に伸縮し、かつ当該直動方向に交差する方向に力が加えられた状態の前記試験片に負荷を与える。
【発明の効果】
【0007】
本発明の第１の態様によれば、軸の直動方向に交差する方向の力が負荷アクチュエータに作用する場合でも、高精度な試験が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】本発明の実施形態に係る材料試験機の構成を示す図である。
【図2】負荷アクチュエータの断面図である。
【図4】負荷アクチュエータのロッドに横力が作用する試験態様の例を示す図である。
【図5】試験態様１における試験機本体の出力波形の一例を示す図である。
【図6】試験態様２における試験機本体の出力波形の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る材料試験機１の構成を示す図である。
材料試験機１は、試験片ＴＰ（「供試体」とも言う）に負荷（「試験力」とも言う）を与える試験機本体２と、当該試験機本体２を制御する制御装置４と、を備える。
試験機本体２は、テーブル１１と、当該テーブル１１に垂直に立設された２本の支柱１２Ａ、１２Ｂと、これらの支柱１２Ａ、１２Ｂに直交する方向に延び、これらの支柱１２、１３Ｂに両端部が支持されたクロスヘッド１３と、テーブル１１とクロスヘッド１３との間に配置された試験片ＴＰに負荷を与える負荷アクチュエータ１４と、を備える。
テーブル１１、支柱１２Ａ、１２Ｂ、及びクロスヘッド１３は負荷枠を構成し、負荷アクチュエータ１４は、負荷枠の一部であるクロスヘッド１３に配設される。また、試験機本体２は、試験片ＴＰを固定する固定治具１５と、試験片ＴＰに与えられている負荷を検出するロードセル１６と、を備え、当該固定治具１５が負荷アクチュエータ１４の下方の位置で、ロードセル１６を介してテーブル１１に固定される。
なお、ロードセル１６は負荷アクチュエータ１４に固定されてもよく、この場合、ロードセル１６は、直動する後述する軸２０と固定治具１５との間に配設される。
また、試験機本体２は、負荷アクチュエータ１４がテーブル１１に配置され、ロードセル１６がクロスヘッド１３に配置されてもよい。
図１は、本実施形態に係る材料試験機１の構成を示す図である。
材料試験機１は、試験片ＴＰ（「供試体」とも言う）に負荷（「試験力」とも言う）を与える試験機本体２と、当該試験機本体２を制御する制御装置４と、を備える。
試験機本体２は、テーブル１１と、当該テーブル１１に垂直に立設された２本の支柱１２Ａ、１２Ｂと、これらの支柱１２Ａ、１２Ｂに直交する方向に延び、これらの支柱１２、１３Ｂに両端部が支持されたクロスヘッド１３と、テーブル１１とクロスヘッド１３との間に配置された試験片ＴＰに負荷を与える負荷アクチュエータ１４と、を備える。
テーブル１１、支柱１２Ａ、１２Ｂ、及びクロスヘッド１３は負荷枠を構成し、負荷アクチュエータ１４は、負荷枠の一部であるクロスヘッド１３に配設される。また、試験機本体２は、試験片ＴＰを固定する固定治具１５と、試験片ＴＰに与えられている負荷を検出するロードセル１６と、を備え、当該固定治具１５が負荷アクチュエータ１４の下方の位置で、ロードセル１６を介してテーブル１１に固定される。
なお、ロードセル１６は負荷アクチュエータ１４に固定されてもよく、この場合、ロードセル１６は、直動する後述する軸２０と固定治具１５との間に配設される。
また、試験機本体２は、負荷アクチュエータ１４がテーブル１１に配置され、ロードセル１６がクロスヘッド１３に配置されてもよい。
【0010】
テーブル１１は箱型の台座１７に載置された平面板であり、台座１７の内部には、クロスヘッド１３を支柱１２Ａ、１２Ｂに沿って昇降駆動する昇降アクチュエータ１８が収められる。
本実施形態の昇降アクチュエータ１８は、駆動源であるサーボモータと、当該サーボモータの出力を支柱１２Ａ、１２Ｂの下端部１２Ａ１、１２Ｂ１に伝達し、これらの支柱１２Ａ、１２Ｂを回転する伝達機構とを備える。これら支柱１２Ａ、１２Ｂは、ねじ棹であり、クロスヘッド１３の両端部が支柱１２Ａ、１２Ｂに螺合している。そして、支柱１２Ａ、１２Ｂが昇降アクチュエータ１８によって回転駆動されることで、クロスヘッド１３が昇降し、例えば、試験片ＴＰの大きさなどに応じてクロスヘッド１３の高さ位置が変更される。なお、昇降アクチュエータ１８は、例えば、クロスヘッド１３を昇降する油圧式又は空圧式のシリンダを備えた構成、又は、手動操作されるハンドルを備え、当該ハンドルの操作に応じてクロスヘッド１３を昇降する構成でもよい。
本実施形態の昇降アクチュエータ１８は、駆動源であるサーボモータと、当該サーボモータの出力を支柱１２Ａ、１２Ｂの下端部１２Ａ１、１２Ｂ１に伝達し、これらの支柱１２Ａ、１２Ｂを回転する伝達機構とを備える。これら支柱１２Ａ、１２Ｂは、ねじ棹であり、クロスヘッド１３の両端部が支柱１２Ａ、１２Ｂに螺合している。そして、支柱１２Ａ、１２Ｂが昇降アクチュエータ１８によって回転駆動されることで、クロスヘッド１３が昇降し、例えば、試験片ＴＰの大きさなどに応じてクロスヘッド１３の高さ位置が変更される。なお、昇降アクチュエータ１８は、例えば、クロスヘッド１３を昇降する油圧式又は空圧式のシリンダを備えた構成、又は、手動操作されるハンドルを備え、当該ハンドルの操作に応じてクロスヘッド１３を昇降する構成でもよい。
【0011】
固定治具１５は、負荷アクチュエータ１４に取付自在に連結される上掴み具１５Ａと、ロードセル１６を介してテーブル１１に付設される下掴み具１５Ｂと、を備え、これら一対の上掴み具１５Ａ、及び下掴み具１５Ｂによって、試験片ＴＰを上下から把持する。
なお、固定治具１５の構成は、材料試験の目的（種類）や試験片ＴＰの形状などに応じて変更可能である。すなわち、固定治具１５は、試験片ＴＰをテーブル１１に対して固定可能であって、負荷アクチュエータ１４による負荷を試験片ＴＰに付与可能な他の構成でもよい。
なお、固定治具１５の構成は、材料試験の目的（種類）や試験片ＴＰの形状などに応じて変更可能である。すなわち、固定治具１５は、試験片ＴＰをテーブル１１に対して固定可能であって、負荷アクチュエータ１４による負荷を試験片ＴＰに付与可能な他の構成でもよい。
【0012】
負荷アクチュエータ１４は、テーブル１１の平面に対して垂直方向ＤＡに直線移動する（すなわち上下動する）軸２０を備え、この軸２０の先端２０Ａに、上記固定治具１５が連結される。負荷アクチュエータ１４の具体的な構成については後述する。
【0013】
制御装置４は、データの送受が可能に試験機本体２に接続されたコンピュータである。かかるコンピュータは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro-Processing Unit）などのプロセッサと、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などのメモリと、試験機本体２がデータ通信可能に接続されるインターフェース回路と、を備え、プロセッサがメモリに記憶されているプログラムを実行することで各種の機能を実現する。この機能には、試験機本体２の動作を制御する制御機能、及び、試験結果を演算する演算機能が少なくとも含まれる。
すなわち、制御装置４は、材料試験時に、負荷アクチュエータ１４に駆動信号を出力することで、当該負荷アクチュエータ１４の駆動を制御して、軸２０を垂直方向ＤＡに直線移動させ、固定治具１５に固定された試験片ＴＰに負荷を与える。この場合において、制御装置４は、材料試験の目的に応じた態様の負荷が試験片ＴＰに与えられるように負荷アクチュエータ１４を駆動する駆動信号を出力する。例えば、材料試験が試験片ＴＰの疲労・耐久試験である場合、制御装置４は、垂直方向ＤＡに軸２０を周期的に垂直方向ＤＡに進退駆動するための駆動信号を生成し、当該駆動信号を負荷アクチュエータ１４に出力する。負荷アクチュエータ１４が当該駆動信号にしたがって軸２０を駆動することで、試験片ＴＰに繰り返し負荷が与えられる。
試験片ＴＰに負荷が与えられると、この負荷がロードセル１６によって検出され、制御装置４に負荷の検出値が出力される。そして、制御装置４は、負荷の検出値、及び、軸２０のストーローク（試験片ＴＰの変形量）に基づいて試験結果を演算によって求める。
すなわち、制御装置４は、材料試験時に、負荷アクチュエータ１４に駆動信号を出力することで、当該負荷アクチュエータ１４の駆動を制御して、軸２０を垂直方向ＤＡに直線移動させ、固定治具１５に固定された試験片ＴＰに負荷を与える。この場合において、制御装置４は、材料試験の目的に応じた態様の負荷が試験片ＴＰに与えられるように負荷アクチュエータ１４を駆動する駆動信号を出力する。例えば、材料試験が試験片ＴＰの疲労・耐久試験である場合、制御装置４は、垂直方向ＤＡに軸２０を周期的に垂直方向ＤＡに進退駆動するための駆動信号を生成し、当該駆動信号を負荷アクチュエータ１４に出力する。負荷アクチュエータ１４が当該駆動信号にしたがって軸２０を駆動することで、試験片ＴＰに繰り返し負荷が与えられる。
試験片ＴＰに負荷が与えられると、この負荷がロードセル１６によって検出され、制御装置４に負荷の検出値が出力される。そして、制御装置４は、負荷の検出値、及び、軸２０のストーローク（試験片ＴＰの変形量）に基づいて試験結果を演算によって求める。
【0014】
図２は、負荷アクチュエータ１４の断面図である。
本実施形態の負荷アクチュエータ１４は、電磁力を用いて軸２０を直動駆動する電磁アクチュエータであり、油圧シリンダなどを用いたアクチュエータに比べて高精度に負荷を制御できる。かかる負荷アクチュエータ１４は、図２に示すように、略円筒状のケーシング２２と、当該ケーシング２２を貫通するロッド２４と、ケーシング２２に収容された磁気駆動部２６と、を備え、ロッド２４が上記軸２０を構成し、磁気駆動部２６が、制御装置４の駆動信号に基づいてロッド２４を直動駆動する。負荷アクチュエータ１４は、ロッド２４が垂直方向ＤＡに平行になる状態で試験機本体２に設けられ、垂直方向ＤＡを負荷方向とする負荷が負荷アクチュエータ１４によって試験片ＴＰに与えられる。
本実施形態の負荷アクチュエータ１４は、電磁力を用いて軸２０を直動駆動する電磁アクチュエータであり、油圧シリンダなどを用いたアクチュエータに比べて高精度に負荷を制御できる。かかる負荷アクチュエータ１４は、図２に示すように、略円筒状のケーシング２２と、当該ケーシング２２を貫通するロッド２４と、ケーシング２２に収容された磁気駆動部２６と、を備え、ロッド２４が上記軸２０を構成し、磁気駆動部２６が、制御装置４の駆動信号に基づいてロッド２４を直動駆動する。負荷アクチュエータ１４は、ロッド２４が垂直方向ＤＡに平行になる状態で試験機本体２に設けられ、垂直方向ＤＡを負荷方向とする負荷が負荷アクチュエータ１４によって試験片ＴＰに与えられる。
【0015】
磁気駆動部２６は、永久磁石、又は励磁コイルによって形成された磁気回路と、当該磁気回路に対して垂直方向ＤＡに移動可能に設けられ、ロッド２４に結合されたボビンと、当該ボビンに巻回されたコイルと、当該コイルに電流を供給するドライバ回路と、を備え、ドライバ回路が制御装置４の駆動信号に基づいて、コイルに電流を供給してボビンに推力を発生させる。この推力によってボビン、及び、当該ボビンに結合されたロッド２４が直動駆動される。
【0016】
次いでロッド２４（軸２０）の支持構造について詳述する。
負荷アクチュエータ１４は、ケーシング２２の天面２２Ａ、及び底面２２Ｂのそれぞれに、ケーシング２２を貫通するロッド２４の両端部を上下動可能に支持する第１支持装置４１と、第２支持装置４２と、を備える。
第１支持装置４１、及び第２支持装置４２はいずれも略同一の構成を有し、ケーシング２２の天面２２Ａ、又は底面２２Ｂに固定されるホルダー５０と、当該ホルダー５０の端部５０Ａに固定されたロッド係止具５１と、当該ロッド係止具５１に固定されたガイドユニット５２と、を備える。なお、第１支持装置４１には、ロッド２４の回転を制限する回り止め機構がロッド係止具５１に取り付けられており、この取付構造を有無により、第１支持装置４１と第２支持装置４２のロッド係止具５１の形状に違いが生じている。
負荷アクチュエータ１４は、ケーシング２２の天面２２Ａ、及び底面２２Ｂのそれぞれに、ケーシング２２を貫通するロッド２４の両端部を上下動可能に支持する第１支持装置４１と、第２支持装置４２と、を備える。
第１支持装置４１、及び第２支持装置４２はいずれも略同一の構成を有し、ケーシング２２の天面２２Ａ、又は底面２２Ｂに固定されるホルダー５０と、当該ホルダー５０の端部５０Ａに固定されたロッド係止具５１と、当該ロッド係止具５１に固定されたガイドユニット５２と、を備える。なお、第１支持装置４１には、ロッド２４の回転を制限する回り止め機構がロッド係止具５１に取り付けられており、この取付構造を有無により、第１支持装置４１と第２支持装置４２のロッド係止具５１の形状に違いが生じている。
【0017】
ホルダー５０は、ロッド２４が挿通される中空筒状の部材であり、ロッド係止具５１は、ロッド２４の脱落を防止し、またロッド２４の可動範囲を制限する部材である。具体的には、ロッド係止具５１は、ホルダー５０の内径よりも小さく、かつ、ロッド２４の外径よりも大きな径の貫通孔５１Ａが形成された円板状の部材であり、当該貫通孔５１Ａにロッド２４を貫通させてホルダー５０の端部５０Ａに溶接によって固定される。一方、ロッド２４には、フランジ状のストッパ２５が軸上の２箇所に設けられており、各ストッパ２５がロッド係止具５１に係合することで、ロッド２４が脱落不能となり、また、可動範囲が制限される。
【0018】
図３は、図２における第２支持装置４２のガイドユニット５２の拡大図である。
ガイドユニット５２は、ロッド２４の直動をガイドする装置であり、ロッド２４が貫通する円筒状のケース６０と、当該ケース６０に内設され、ロッド２４を支える軸受６２と、を備える。軸受６２は、流体軸受の一種である静圧式の空気軸受である。空気軸受は作動流体に空気が用いられた、すべり軸受の一種でもある。かかる軸受６２は、ロッド２４との間に僅かな隙間δをあけて当該ロッド２４の軸周りを包囲する円筒状部材であるスリーブ６５を備え、当該隙間δの空気圧によってロッド２４を支える。より具体的には、ガイドユニット５２は、ケース６０とスリーブ６５の間に、外部から空気が流入する密封の空気室６６を有し、また、空気室６６から給気孔６７を介して隙間δに連通する複数の微細な絞り孔６７Ａがスリーブ６５の軸受面６５Ｂに開口している。空気室６６は、スリーブ６５の外側面６５Ａの全周に亘って、ケース６０の内側に形成された空間であり、ケース６０の外表面６０Ａに設けられたコネクタ６８が空気室６６に連通し、外部の圧縮機で圧縮された圧縮空気がコネクタ６８から空気室６６に供給される。給気孔６７は、スリーブ６５の径方向に延びた略円筒状を成し、スリーブ６５の周方向に所定間隔で形成されており、また、周方向に並ぶ給気孔６７の列が、スリーブ６５の軸方向にも１列又は複数列（図示例では２列）形成されている。絞り孔６７Ａは、各給気孔６７の隙間δ側の先端に設けられ、当該給気孔６７よりも径が非常に小さな貫通孔である。空気室６６から給気孔６７に流れ込む圧縮空気が絞り孔６７Ａで絞られることで隙間δの空気圧が高められ、軸受６２の剛性が高められる。
ガイドユニット５２は、ロッド２４の直動をガイドする装置であり、ロッド２４が貫通する円筒状のケース６０と、当該ケース６０に内設され、ロッド２４を支える軸受６２と、を備える。軸受６２は、流体軸受の一種である静圧式の空気軸受である。空気軸受は作動流体に空気が用いられた、すべり軸受の一種でもある。かかる軸受６２は、ロッド２４との間に僅かな隙間δをあけて当該ロッド２４の軸周りを包囲する円筒状部材であるスリーブ６５を備え、当該隙間δの空気圧によってロッド２４を支える。より具体的には、ガイドユニット５２は、ケース６０とスリーブ６５の間に、外部から空気が流入する密封の空気室６６を有し、また、空気室６６から給気孔６７を介して隙間δに連通する複数の微細な絞り孔６７Ａがスリーブ６５の軸受面６５Ｂに開口している。空気室６６は、スリーブ６５の外側面６５Ａの全周に亘って、ケース６０の内側に形成された空間であり、ケース６０の外表面６０Ａに設けられたコネクタ６８が空気室６６に連通し、外部の圧縮機で圧縮された圧縮空気がコネクタ６８から空気室６６に供給される。給気孔６７は、スリーブ６５の径方向に延びた略円筒状を成し、スリーブ６５の周方向に所定間隔で形成されており、また、周方向に並ぶ給気孔６７の列が、スリーブ６５の軸方向にも１列又は複数列（図示例では２列）形成されている。絞り孔６７Ａは、各給気孔６７の隙間δ側の先端に設けられ、当該給気孔６７よりも径が非常に小さな貫通孔である。空気室６６から給気孔６７に流れ込む圧縮空気が絞り孔６７Ａで絞られることで隙間δの空気圧が高められ、軸受６２の剛性が高められる。
【0019】
このように、第１支持装置４１、及び第２支持装置４２のガイドユニット５２の軸受６２が空気軸受であるため、ロッド２４が軸受６２に非接触状態で支えられ、ロッド２４と軸受６２との間の摩擦抵抗の発生が抑えられる。
また、試験片ＴＰに負荷を与えた際に、ロッド２４の直動方向に交差する方向の力（以下、「横力」という）がロッド２４に作用する場合でも、軸受６２の隙間δの空気圧が高圧に維持されることでロッド２４と軸受６２との接触を防止し、非接触状態が維持される。これにより、横力がロッド２４に作用する場合でも、摩擦抵抗の発生が抑えられる。
また、試験片ＴＰに負荷を与えた際に、ロッド２４の直動方向に交差する方向の力（以下、「横力」という）がロッド２４に作用する場合でも、軸受６２の隙間δの空気圧が高圧に維持されることでロッド２４と軸受６２との接触を防止し、非接触状態が維持される。これにより、横力がロッド２４に作用する場合でも、摩擦抵抗の発生が抑えられる。
【0020】
ここで、絞り孔６７Ａの絞りの種類には、スリーブ６５を多孔質から形成することでスリーブ６５の軸受面６５Ｂの全体に絞り孔６７Ａを均一に分布させた多孔質絞り、給気孔６７自体を小径にすることで形成された自成絞り、給気孔６７の先端にポケットを設けたオリフィス絞り、給気孔６７に繋がる極めて浅い窪みをスリーブ６５の軸受面６５Ｂに掘り当該窪み内を空気が流れるときの流体抵抗が絞りの作用をする表面絞り、などがある。
【0021】
これらの絞りの中で、軸受性能は多孔質絞りが最も高い。しかしながら、多孔質絞りは隙間δが数μｍオーダの大きさとなり、これらの絞りの中で最も小さい。このため、ロッド２４の両端に第１支持装置４１及び第２支持装置４２を備える負荷アクチュエータ１４において、第１支持装置４１及び第２支持装置４２の両者の隙間δについて、ロッド２４の径方向の互いの位置を合わせることが非常に難しく、ロッド２４の直動時に、第１支持装置４１及び第２支持装置４２のいずれかで、ロッド２４が軸受６２に接触し易くなる。
これに対し、自成絞り、及びオリフィス絞りは、隙間δが多孔質絞りよりも大きく、十～数十μｍオーダの大きさである。したがって、これら自成絞り、又はオリフィス絞りを絞り孔６７Ａに用いることで、第１支持装置４１及び第２支持装置４２の間で隙間δの互いの位置を容易に合わせることができ、ロッド２４の直動時の接触を防止できる。本実施形態の絞り孔６７Ａには、加工性やコストの点で優れた自成絞りが用いられている。
これに対し、自成絞り、及びオリフィス絞りは、隙間δが多孔質絞りよりも大きく、十～数十μｍオーダの大きさである。したがって、これら自成絞り、又はオリフィス絞りを絞り孔６７Ａに用いることで、第１支持装置４１及び第２支持装置４２の間で隙間δの互いの位置を容易に合わせることができ、ロッド２４の直動時の接触を防止できる。本実施形態の絞り孔６７Ａには、加工性やコストの点で優れた自成絞りが用いられている。
【0022】
図４は、負荷アクチュエータ１４のロッド２４に横力が作用し得る試験態様の例を示す図である。
試験態様１は、ロッド２４の直動方向（垂直方向ＤＡ）に対して試験片ＴＰが傾斜した傾斜面ＴＰＡを有し、この傾斜面ＴＰＡにロッド２４の先端２４Ａ（軸２０の先端）を所定周期で繰り返し当接させて負荷を与え、試験片ＴＰの変形を測定する試験である。
試験態様２は、垂直方向ＤＡに伸縮自在な試験片ＴＰ（例えば、ショックアブソーバー）にリング部材８０を装着し、当該リング部材８０を水平方向ＤＢにワイヤ８１で引張り当該試験片ＴＰに水平方向ＤＢの横力を加えた状態で、ロッド２４の先端２４Ａ（軸２０の先端）を所定周期で繰り返し当接させて負荷を与え、試験片ＴＰの伸縮時の摺動抵抗などを測定する試験である。
これらの試験態様１，及び試験態様２のいずれにおいても、負荷アクチュエータ１４のロッド２４の直動によって試験片ＴＰに負荷を与えた場合、横力の成分を含む反力がロッド２４に作用する。
試験態様１は、ロッド２４の直動方向（垂直方向ＤＡ）に対して試験片ＴＰが傾斜した傾斜面ＴＰＡを有し、この傾斜面ＴＰＡにロッド２４の先端２４Ａ（軸２０の先端）を所定周期で繰り返し当接させて負荷を与え、試験片ＴＰの変形を測定する試験である。
試験態様２は、垂直方向ＤＡに伸縮自在な試験片ＴＰ（例えば、ショックアブソーバー）にリング部材８０を装着し、当該リング部材８０を水平方向ＤＢにワイヤ８１で引張り当該試験片ＴＰに水平方向ＤＢの横力を加えた状態で、ロッド２４の先端２４Ａ（軸２０の先端）を所定周期で繰り返し当接させて負荷を与え、試験片ＴＰの伸縮時の摺動抵抗などを測定する試験である。
これらの試験態様１，及び試験態様２のいずれにおいても、負荷アクチュエータ１４のロッド２４の直動によって試験片ＴＰに負荷を与えた場合、横力の成分を含む反力がロッド２４に作用する。
【0023】
図５は、試験態様１における試験機本体２の出力波形の一例を示す図である。
同図に示す出力波形は、試験機本体２が備えるロードセル１６から出力される波形であり、ロッド２４によって試験片ＴＰに与えられている負荷の検出値を示す。
試験態様１では、所定周波数の正弦波形の駆動信号が負荷アクチュエータ１４の磁気駆動部２６に入力されることで、ロッド２４の直動時のストローク（変位量）も正弦波状に変化し、かかるロッド２４によって試験片ＴＰに負荷が与えられることで、試験力の検出値も正弦波状に変化する。
しかしながら、試験態様１では横力がロッド２４に作用するため、負荷アクチュエータ１４の軸受６２が滑り軸受けである場合には、ロッド２４と滑り軸受の摩擦抵抗によってロッド２４の直動が影響を受け、結果として、負荷の検出値（線Ａ）の正弦波形に歪みが生じ、負荷が適切に与えられず、試験に影響が生じる。特に、負荷の検出値の出力波形（線Ａ）における歪みは、負荷が弱いほど顕著になっており、負荷が弱くなるほど、出力波形における摩擦抵抗の影響が大きい。
これに対し、軸受６２が空気軸受である場合には、ロッド２４と軸受６２とが非接触状態に維持されることで摩擦抵抗の発生が抑えられているため、負荷が弱いときであっても、負荷の検出値（線Ｂ）の波形の歪みが抑えられている。
同図に示す出力波形は、試験機本体２が備えるロードセル１６から出力される波形であり、ロッド２４によって試験片ＴＰに与えられている負荷の検出値を示す。
試験態様１では、所定周波数の正弦波形の駆動信号が負荷アクチュエータ１４の磁気駆動部２６に入力されることで、ロッド２４の直動時のストローク（変位量）も正弦波状に変化し、かかるロッド２４によって試験片ＴＰに負荷が与えられることで、試験力の検出値も正弦波状に変化する。
しかしながら、試験態様１では横力がロッド２４に作用するため、負荷アクチュエータ１４の軸受６２が滑り軸受けである場合には、ロッド２４と滑り軸受の摩擦抵抗によってロッド２４の直動が影響を受け、結果として、負荷の検出値（線Ａ）の正弦波形に歪みが生じ、負荷が適切に与えられず、試験に影響が生じる。特に、負荷の検出値の出力波形（線Ａ）における歪みは、負荷が弱いほど顕著になっており、負荷が弱くなるほど、出力波形における摩擦抵抗の影響が大きい。
これに対し、軸受６２が空気軸受である場合には、ロッド２４と軸受６２とが非接触状態に維持されることで摩擦抵抗の発生が抑えられているため、負荷が弱いときであっても、負荷の検出値（線Ｂ）の波形の歪みが抑えられている。
【0024】
図６は、試験態様２における試験機本体２の出力波形の一例を示す図である。
同図に示す出力波形は、試験機本体２が備える負荷アクチュエータ１４から出力される波形であり、ロッド２４のストロークを検出するセンサの出力波形を示す。試験機本体２において、かかるセンサは、ロッド２４の上下移動を検出可能に、負荷アクチュエータ１４におけるロッド２４の上端部の近傍に取り付けられている。
試験態様２では、試験態様１と同様に、所定周波数の正弦波形の駆動信号が負荷アクチュエータ１４の磁気駆動部２６に入力されることで、ロッド２４の試験片ＴＰ側へのストロークも正弦波状に変化し、試験片ＴＰの伸縮変形も正弦波状に変化する。
しかしながら、試験態様２でも横力がロッド２４に作用するため、負荷アクチュエータ１４の軸受６２が滑り軸受けである場合には、ストロークの検出値（線Ａ）の正弦波形に歪みが生じ、負荷が適切に与えられず、試験に影響が生じる。特に、ストロークの検出値の出力波形（線Ａ）における歪みは、試験片ＴＰを引っ張る横力が強いほど顕著になっている。
これに対し、軸受６２が空気軸受である場合には、試験片ＴＰを引っ張る横力が強いときでも、ロッド２４と軸受６２とが非接触状態に維持されることで摩擦抵抗の発生が抑えられ、ストロークの検出値（線Ｂ）の波形の歪みが抑えられている。
同図に示す出力波形は、試験機本体２が備える負荷アクチュエータ１４から出力される波形であり、ロッド２４のストロークを検出するセンサの出力波形を示す。試験機本体２において、かかるセンサは、ロッド２４の上下移動を検出可能に、負荷アクチュエータ１４におけるロッド２４の上端部の近傍に取り付けられている。
試験態様２では、試験態様１と同様に、所定周波数の正弦波形の駆動信号が負荷アクチュエータ１４の磁気駆動部２６に入力されることで、ロッド２４の試験片ＴＰ側へのストロークも正弦波状に変化し、試験片ＴＰの伸縮変形も正弦波状に変化する。
しかしながら、試験態様２でも横力がロッド２４に作用するため、負荷アクチュエータ１４の軸受６２が滑り軸受けである場合には、ストロークの検出値（線Ａ）の正弦波形に歪みが生じ、負荷が適切に与えられず、試験に影響が生じる。特に、ストロークの検出値の出力波形（線Ａ）における歪みは、試験片ＴＰを引っ張る横力が強いほど顕著になっている。
これに対し、軸受６２が空気軸受である場合には、試験片ＴＰを引っ張る横力が強いときでも、ロッド２４と軸受６２とが非接触状態に維持されることで摩擦抵抗の発生が抑えられ、ストロークの検出値（線Ｂ）の波形の歪みが抑えられている。
【0025】
以上説明したように、本実施形態によれば、次のような効果を奏する。
【0026】
本実施形態の材料試験機１は、直動するロッド２４（軸２０）を有する負荷アクチュエータ１４を備え、当該ロッド２４の直動によって試験片ＴＰに負荷を与える材料試験機１である。そして負荷アクチュエータ１４は、ロッド２４を支える軸受６２を備え、当該軸受６２が空気軸受である。
【0027】
この構成によれば、横力がロッド２４に作用した場合でも、ロッド２４が軸受６２によって非接触状態で支えられるため、摩擦抵抗の発生が抑えられる。これにより、横力が発生しても材料試験機１の出力波形に乱れが生じることがなく、高精度な試験が可能となる。
これに加え、軸受６２における摩擦抵抗の発生が抑えられることで、発熱も抑えられる。
さらに、軸受６２が空気軸受であるため、隙間δの高圧の気体で力が釣り合う位置でロッド２４が支えられる。これにより、滑り軸受や転がり軸受などの一般的な軸受の嵌め合い精度よりも軸心の位置決め精度が高められる。
これに加え、軸受６２における摩擦抵抗の発生が抑えられることで、発熱も抑えられる。
さらに、軸受６２が空気軸受であるため、隙間δの高圧の気体で力が釣り合う位置でロッド２４が支えられる。これにより、滑り軸受や転がり軸受などの一般的な軸受の嵌め合い精度よりも軸心の位置決め精度が高められる。
【0028】
本実施形態の材料試験機１において、負荷アクチュエータ１４は、ロッド２４の両端部のそれぞれを支える軸受６２を備え、軸受６２のそれぞれは、ロッド２４を包囲するスリーブ６５と、スリーブ６５の軸受面６５Ｂに開口する複数の絞り孔６７Ａと、を備え、絞り孔６７Ａが自成絞りである。
この構成によれば、絞り孔６７Ａが多孔質絞りである場合に比べ、軸受６２の隙間δが大きくなり、ロッド２４の両端部の軸受６２のそれぞれの隙間δの互いの位置を容易に合わせることができる。これにより、ロッド２４が直動したときに軸受６２との接触を防止できる。
なお、絞り孔６７Ａは、オリフィス絞りであってもよい。
この構成によれば、絞り孔６７Ａが多孔質絞りである場合に比べ、軸受６２の隙間δが大きくなり、ロッド２４の両端部の軸受６２のそれぞれの隙間δの互いの位置を容易に合わせることができる。これにより、ロッド２４が直動したときに軸受６２との接触を防止できる。
なお、絞り孔６７Ａは、オリフィス絞りであってもよい。
【0029】
本実施形態の材料試験機１において、負荷アクチュエータ１４は、ロッド２４のストロークが正弦波状に変化するように当該ロッド２４を駆動する。
この構成によれば、ロッド２４によって所定周期で繰り返し試験片ＴＰに負荷を与えて試験を行うことができる。この場合において、負荷の反力によって横力がロッド２４に作用したときでも、ロッド２４と軸受６２とが非接触状態に維持されることで、ロッド２４と軸受６２の間での摩擦抵抗の発生が抑えられ、ロッド２４のストロークの波形が歪みのない正弦波状となる。
この構成によれば、ロッド２４によって所定周期で繰り返し試験片ＴＰに負荷を与えて試験を行うことができる。この場合において、負荷の反力によって横力がロッド２４に作用したときでも、ロッド２４と軸受６２とが非接触状態に維持されることで、ロッド２４と軸受６２の間での摩擦抵抗の発生が抑えられ、ロッド２４のストロークの波形が歪みのない正弦波状となる。
【0030】
本実施形態の材料試験機１において、負荷アクチュエータ１４のロッド２４は、ロッド２４の直動方向に対して傾斜した傾斜面ＴＰＡを有する試験片ＴＰの当該傾斜面ＴＰＡに当接し、又は、ロッド２４の直動方向に伸縮し、かつ横力が加えられた状態の試験片ＴＰに負荷を与える。
この構成においては、試験片ＴＰの傾斜面ＴＰＡにロッド２４によって負荷が与えられ、又は、横力が加えられた状態の試験片ＴＰにロッド２４が負荷を与えることで、横力がロッド２４に作用する。しかしながら、当該横力が作用した場合でも、ロッド２４と軸受６２とが非接触状態に維持されるため、摩擦抵抗の影響を受けることなく、試験片ＴＰに対する試験を高精度に行うことができる。
この構成においては、試験片ＴＰの傾斜面ＴＰＡにロッド２４によって負荷が与えられ、又は、横力が加えられた状態の試験片ＴＰにロッド２４が負荷を与えることで、横力がロッド２４に作用する。しかしながら、当該横力が作用した場合でも、ロッド２４と軸受６２とが非接触状態に維持されるため、摩擦抵抗の影響を受けることなく、試験片ＴＰに対する試験を高精度に行うことができる。
【0031】
なお、上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を例示したものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で任意に変形及び応用が可能である。
【0032】
上述した実施形態において、材料試験機１が行う試験として、負荷アクチュエータ１４がロッド２４（軸２０）を周期的に直動させて試験片ＴＰに繰り返し負荷を与える試験を例示した。しかしながら、試験は、負荷アクチュエータ１４がロッド２４（軸２０）を継続的に押し出し続けて試験片ＴＰに負荷を継続的に与える試験でもよい。
【0033】
上述した実施形態において、軸受６２が空気軸受である場合を例示したが、軸受６２は流体として液体を使用した流体軸受でもよい。この場合、軸受６２には液体の漏れ対策が施される。
【0034】
上述した実施形態において、材料試験機１は、クロスヘッド１３の昇降（移動）によって試験片ＴＰに負荷を与える構成でもよく、この構成においては、当該クロスヘッド１３を駆動するアクチュエータの軸受に空気軸受が用いられる。ただし、この構成においては、軸受にかかる力が、上述した実施形態における軸受６２にかかる力に比べて大きいため、アクチュエータの軸受としてドライベアリングを併用することで、安全性を高めることができる。
【0035】
また、上述した実施形態における水平、及び垂直等の方向や各種の数値、形状、材料は、特段の断りがない限り、それら方向や数値、形状、材料と同じ作用効果を奏する範囲（いわゆる均等の範囲）を含む。
【0036】
［態様］
上述した例示的な実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。
上述した例示的な実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。
【0037】
（第１項）一態様に係る材料試験機は、直動する軸を有する負荷アクチュエータを備え、前記軸の直動によって試験片に負荷を与える材料試験機において、前記負荷アクチュエータは、前記軸を支える軸受を備え、当該軸受が空気軸受である、材料試験機でもよい。
【0038】
第１項に記載の材料試験機によれば、軸の直動方向に交差する方向の力が負荷アクチュエータに作用する場合でも、高精度な試験が可能となる。
【0039】
（第２項）第１項に記載の材料試験機において、前記負荷アクチュエータは、前記軸の両端部のそれぞれを支える前記軸受を備え、前記軸受のそれぞれは、前記軸を包囲するスリーブと、前記スリーブの軸受面に開口する複数の絞り孔と、を備え、前記絞り孔が、自成絞り、又はオリフィス絞りであってもよい。
【0040】
第２項に記載の材料試験機によれば、前記軸の両端部の前記軸受における隙間のそれぞれの互いの位置を容易に合わせることができる。
【0041】
（第３項）第１または第２項に記載の材料試験機において、前記負荷アクチュエータは、前記軸のストロークが正弦波状に変化するように当該軸を駆動してもよい。
【0042】
第３項に記載の材料試験機によれば、直動方向に交差する力が軸に作用した場合でも、軸のストロークの波形を、歪みが無い正弦波状に維持できる。
【0043】
（第４項）第１項から第３項のいずれかに記載の材料試験機において、前記負荷アクチュエータの軸は、前記軸の直動方向に対して傾斜した傾斜面を有する前記試験片の当該傾斜面に当接し、又は、前記軸の直動方向に伸縮し、かつ当該直動方向に交差する方向に力が加えられた状態の前記試験片に負荷を与えてもよい。
【0044】
第４項に記載の材料試験機においては、試験片の傾斜面に軸によって負荷が与えられ、又は、横力が加えられた状態の試験片に軸が負荷を与えることで、横力が軸に作用する。しかしながら、当該横力が作用した場合でも、軸と軸受とが非接触状態に維持されるため、摩擦抵抗の影響を受けることなく、試験片に対する試験を高精度に行うことができる。
【符号の説明】
【0045】
１ 材料試験機
２ 試験機本体
１４ 負荷アクチュエータ
２０ 軸
２２ ケーシング
２４ ロッド
４１ 第１支持装置
４２ 第２支持装置
５２ ガイドユニット
６２ 軸受
６５ スリーブ
６５Ｂ 軸受面
６７Ａ 絞り孔
ＤＡ 垂直方向（直動方向）
ＤＢ 水平方向
ＴＰ 試験片
δ 隙間
２ 試験機本体
１４ 負荷アクチュエータ
２０ 軸
２２ ケーシング
２４ ロッド
４１ 第１支持装置
４２ 第２支持装置
５２ ガイドユニット
６２ 軸受
６５ スリーブ
６５Ｂ 軸受面
６７Ａ 絞り孔
ＤＡ 垂直方向（直動方向）
ＤＢ 水平方向
ＴＰ 試験片
δ 隙間
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】