JP2004205337A

JP2004205337A - 電磁アクチュエータおよび材料試験機

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Publication number: JP2004205337A
Application number: JP2002374754A
Authority: JP
Inventors: Terutsugu Matsubara; 輝次松原
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2002-12-25
Filing date: 2002-12-25
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2022-12-25
Also published as: JP4066808B2

Abstract

【課題】材料試験機に用いられる動電形アクチュエータの冷却用ファンの騒音を低減する。
【解決手段】負荷ロッド７を駆動するための電磁力を発生するコイル３１,３２をボビン３０に巻回し、コイル３１,３２と永久磁石３３,３４をケーシング２０内に収容する。ケーシング２０は一対のヨーク２１,２２とスペーサ２３から構成され、スペーサ２３に電動冷却ファン２５を取り付ける。冷却ファン２５の駆動により吸気口２１ｂ,２２ｂから冷却空気を吸い込み、動電形アクチュエータ６の内部を通過させ、コイル３１,３２を冷却する。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁力により駆動力を発生する電磁アクチュエータ（以下、動電形アクチュエータと呼ぶ）を用いた材料試験機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
試験片に任意波形の荷重を負荷して疲労強度試験を行う材料試験機では、試験片である高分子材料やマイクロマシンの機構部品などの試験対象の多様化が進むにつれて負荷する荷重の絶対値が小さくなり、荷重制御精度をより高めた材料試験機が求められている。
【０００３】
そこで、任意波形で低負荷を与える負荷用アクチュエータとして油圧シリンダを用いたものに代わり、動電形アクチュエータを用いた材料試験機が知られている（例えば特許文献１参照）。動電形アクチュエータは、永久磁石で形成された磁気回路の中で永久磁石に対して可動なボビンにコイルを巻き回し、コイルに駆動電流を供給することにより、ボビンに推力を発生させるものである。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１８０３２９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この種の材料試験機では、コイルの温度上昇を抑えるため動電形アクチュエータを冷却する必要がある。そのため、動電型アクチュエータとは別に冷却用ブロアファンを試験室に設置し、冷却用ブロアファンと動電型アクチュエータをフレキシブルチューブで接続して動電型アクチュエータを冷却している。しかしながら、ファンの騒音が大きい、および、材料試験機の周囲に引き回したフレキシブルチューブが邪魔となるという問題がある。
【０００６】
本発明は、電磁アクチュエータを冷却するファンの騒音を低減するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、材料試験機の負荷アクチュエータとして使用され、電磁力により可動部を駆動する電磁アクチュエータにおいて、可動部を駆動する電磁力を発生する駆動コイルと、駆動コイルを収容するケーシングと、ケーシングに設けられ、ケーシング外から冷却空気を吸い込み、駆動コイルを冷却して吐き出す冷却用ファンとを備えることを特徴とする。
また、本発明による材料試験機は、上述した電磁アクチュエータを負荷アクチュエータとすることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
−第１の実施の形態−
以下、図１〜図５を参照して本発明の第１の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の一実施の形態による材料試験機を示す図である。この材料試験機は、固定テーブル１と、可動クロスヘッド２と、固定クロスヘッド３とが支柱４により支持され、基台５の上に固定されている。可動クロスヘッド２は、固定テーブル１と固定クロスヘッド３との間を上下方向に平行移動可能であり、不図示のハンドルを操作して上下方向に移動し、不図示のレバーを操作して支柱４に固定する。
【０００９】
固定テーブル１の下側には動電形アクチュエータ６が設置され、下負荷ロッド７が動電形アクチュエータ６で駆動されるように構成されている。可動クロスヘッド２の下側にはロードセル８が設置され、このロードセル８に上負荷ロッド９が連結されている。上下の負荷ロッド９および７のそれぞれの端部にはつかみ具１０が接続され、つかみ具１０の間に試験片ＴＰが取り付けられる。
【００１０】
負荷ロッド７は後述するように動電形アクチュエータ６を貫通し、その下端には図２に示すように変位センサ１１が設けられている。変位センサ１１は負荷ロッド７、すなわち、試験片ＴＰの変位に応じた検出信号を出力する。動電形アクチュエータ６にはサーミスタ１２が内蔵され、サーミスタ１２は動電形アクチュエータ６の温度、詳しくは後述するコイルの周辺温度を検出する。目標信号発生回路１４は、荷重または変位の平均値と振幅と周波数で決定される目標設定信号（荷重目標信号、変位目標信号）を出力する。
【００１１】
コントローラ１３にはロードセル８，変位センサ１１，サーミスタ１２からの検出信号と目標信号発生回路１４からの目標設定信号が入力される。コントローラ１３はセンサ８または１１および目標信号発生回路１４からの入力信号に基づいてフィードバック制御を行う。すなわち、荷重目標信号とロードセル８の検出信号に基づき荷重フィードバック制御を行い、あるいは変位目標信号と変位センサ１１の検出信号に基づき変位フィードバック制御を行う。なお、荷重フィードバック制御と変位フィードバック制御は図示しない切換スイッチによりいずれか一方が選択され、この選択に応じてコントローラ１３への信号入力が切り換えられる。
【００１２】
フィードバック制御によるコントローラ１３の制御信号は、パワーアンプ１５で増幅され、動電形アクチュエータ６のコイルに出力される。これにより目標信号発生回路１４から発生する荷重または変位の目標繰り返し信号に基づいて動電形アクチュエータ６が駆動され、試験片ＴＰを目標とする荷重または変位で繰り返し負荷する。
【００１３】
ここで、第１の実施の形態に係わる動電形アクチュエータ６の構造を説明する。図３（ａ）,（ｂ）はそれぞれ動電形アクチュエータ６の正面図,平面図であり、図４は図３（ｂ）のIV-IV線断面図である。動電形アクチュエータ６は、外形が円筒状のケーシング２０と、ケーシング２０を上下方向に貫通する負荷ロッド７と、負荷ロッド７と一体に設けられたボビン３０と、ボビン３０に巻回された一対のコイル３１,３２と、コイル３１,３２を囲むように配設された磁石３３,３４とを有する。パワーアンプ１５によりコイル３１,３２に駆動電流を流すと、電磁力の作用によってボビン３０に推力Ｆが発生し、ケーシング２０に対し負荷ロッド７が上下動する。推力Ｆは、
Ｆ＝ｉ・Ｂ・Ｌ
ただし、Ｂは磁束密度、Ｌはコイル長、ｉは電流（ただし、各巻線に流れる電流と巻数の積）
で表される。
【００１４】
ケーシング２０は、上下一対のヨーク２１,２２と、このヨーク２１,２２の間に挟設されたスペーサ２３により構成される。スペーサ２３はアルミなどの非磁性材からなり、磁石３３,３４の間に介装されて磁束の干渉を阻止する。ヨーク２１,２２とスペーサ２３は貫通ボルト２４により締結される。磁石３３,３４はヨーク２１,２２に設けたリング状の溝部２１ａ,２２ａにそれぞれ挿設され、溝部２１ａ,２２ａの外周面に固定されている。
【００１５】
コイル３１,３２はボビン３０の円筒部３０ａに巻回され、円筒部３０ａの上下端部は、磁石３３,３４の内側の溝部２１ａ,２２ａにそれぞれ上下動可能に挿設されている。円筒部３０ａは、スペーサ２３の内側の空隙２８に配置された水平部３０ｂを介し負荷ロッド７に支持されている。円筒部２３ａおよび水平部２３ｂにはそれぞれ冷却空気通過用の複数の貫通孔２３ｃが開口されている。負荷ロッド７は、ホルダー３５を介してケーシング２０に上下動可能に支持されている。なお、３６はボビン３０の回転を阻止する回り止めであり、３７はボビン３０の上下方向の移動を規制するストッパである。サーミスタ１２はコイル３４に近接してボビン３０に取り付けられている。
【００１６】
スペーサ２３には周方向に対向する位置に一対の座グリ２３ａが設けられ、この座グリの底面にそれぞれ貫通孔２３ｂが開口されている。座グリ２３ａにはそれぞれ電動冷却ファン２５が配設され、ボルトなどによりスペーサ２３に固定されている。ヨーク２１,２２の外周部にはそれぞれ周方向に複数（図３では８個）の吸気口２１ｂ,２２ｂが設けられている。各吸気口２１ｂ,２２ｂにはゴミの侵入を防ぐために複数の小径の孔が開口されたカバー２６が取り付けられている。吸気口２１ｂは磁石３３の上部で溝２１ａに連通し、吸気口２２ｂは磁石３４の下部で溝２２ａに連通している。
【００１７】
また、スペーサ２３には６ピン型のコネクタ２７が取り付けられている。図５に示すように、コネクタ２３の１ピン,２ピンは並列接続されたコイル３１,３２に接続され、３ピン,４ピンはサーミスタ１２に接続され、５ピン,６ピンは並列接続された一対の冷却ファン２５に接続されている。１ピンから２ピンにかけて電気を流すと負荷ロッド７は下方に移動し、反対に２ピンから１ピンにかけて電気を流すと上方に移動する。
【００１８】
以上のように構成された動電形アクチュエータの動作を説明する。
材料試験機を操作する場合、始めに、材料試験機の主電源スイッチ（不図示）を投入する。そして、可動クロスヘッド２を上下に移動し、試験片ＴＰの長さに応じた所定の位置に固定する。次に、試験片ＴＰをつかみ具１０で把持させるために、下負荷ロッド７を試験片ＴＰの大きさに応じて移動させる目標設定信号を図示しない操作盤より入力する。そして、動電形アクチュエータ６のスイッチ（不図示）を投入し、パワーアンプ１５からの信号により負荷ロッド７を移動させる。
【００１９】
動電形アクチュエータ６への通電が開始されると、負荷ロッド７は目標設定信号として与えられた変位に対応して駆動される。負荷ロッド７が移動完了すると、いったん負荷ロッド７が停止するので、試験片ＴＰを上下の負荷ロッド９および７に把持させる。次いで負荷試験波形を設定し、最後に試験開始スイッチを投入する。この操作により動電形アクチュエータ６が負荷ロッド７を上下に動かし、設定した試験波形に基づいて試験片ＴＰに負荷を与える。このときコイル３１,３２は発熱するが、温度上昇は以下のように抑制される。
【００２０】
動電形アクチュエータ６のスイッチが投入されると、動電形アクチュエータ６への通電と同時に冷却ファン２５への通電も開始され、冷却ファン２５が駆動開始する。冷却ファン２５が駆動するとカバー２６を介して吸気口２１ｂ,２２ｂから空気が吸い込まれる。吸い込まれた空気は溝２１ａ,２２ａ、スペーサ１３の内側の空隙２８、貫通孔２３ｃおよび２３ａを通過し、動電形アクチュエータ６の外部に吐き出される。これによりコイル３１,３２および磁石３３,３４が空気の流れ（熱伝達）により強制冷却され、温度上昇が抑制される。なお、コントローラ１３には予めコイル３１,３２の上限温度が設定されており、サーミスタ１２の検出温度がこの上限温度を超えると、コントローラ１３からの制御信号によりパワーアンプ１５を停止する。これによりコイル３１,３２の発熱が緩和され、コイル３１,３２の温度を一定以下に抑えることができる。動電形アクチュエータ６のスイッチがオフされると、動電形アクチュエータ６および冷却ファン２５への通電がともに停止する。
【００２１】
以上の第１の実施の形態によれば、以下のような作用効果を奏する。
（１）動電形アクチュエータ６のケーシング２０に電動冷却ファン２５を設け、動電形アクチュエータ６の内部に冷却空気を吸い込み、コイル３１,３２を冷却するようにした。これによりフレキシブルチューブで動電形アクチュエータ６に冷却空気を導く場合よりも圧力損失が低減されるので、小型の冷却ファン２５を用いることができ、冷却ファン２５の騒音を低減することができる。また、試験機の周囲にフレキシブルチューブを配置する必要がなく、作業性が向上する。
（２）磁束の干渉防止用のスペーサ２３に座グリ２３ａを設けて冷却ファン２５を取り付けるようにしたので、冷却ファン２５が効率よく取り付けられ、冷却ファン２５を取り付けることにより動電形アクチュエータ６が大型化することを防止することができる。
（３）ケーシング２０の外周に周方向複数の冷却空気吸気口２１ｂ,２２ｂを設けたので、コイル３１,３２を周方向均一に冷却することができる。
（４）コイル３１,３２に近接してサーミスタ１２を設け、サーミスタ１２の検出温度が上限温度を超えるとコイル３１,３２への通電を阻止するようにした。これによりコイル３１,３２の温度を一定以下に抑えることができる。
【００２２】
−第２の実施の形態−
図６を参照して本発明の第２の実施の形態を説明する。
第１の実施の形態では動電形アクチュエータ６に一対の駆動コイル３１,３２を設けたが、第２の実施の形態では１つの駆動コイルを設ける。図６（ａ）は、第２の実施の形態に係わる電動アクチュエータ６の平面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のｂ−ｂ断面図である。なお、図３，４と同一の箇所には同一の符号を付し、以下ではその相違点を主に説明する。
【００２３】
第２の実施の形態では、上下のプレート６１,６２および円筒状のケースカバー６３によってケーシング６０が形成され、ケーシング２０の下部内側に単一のヨーク６４が固定されている。ボビン６５の円筒部６５ａにはコイル６６が巻回され、この円筒部６５ａは水平部６５ｂを介して負荷ロッド７に支持されている。コイル６６はヨーク６４の溝部６４ａに挿設され、コイル６６の外側には永久磁石６７が配設されている。ケースカバー６２には周方向に複数の吸気口６３ａが設けられ、吸気口６３ａは複数の小径の貫通孔６３ｂ、および吸気口６３ａに対応してヨーク６４の外周に設けられた吸気口６４ｂを介し、溝部６４ａに連通している。ケースカバー６３には、周方向に一対の冷却ファン２５と単一のコネクタ２７がヨーク６４よりも上方にそれぞれ取り付けられている。
【００２４】
第２の実施の形態において、動電形アクチュエータ６のスイッチが投入されると、コイル６６への通電が開始されるとともに、冷却ファン２５が駆動開始される。冷却ファン２５が駆動すると吸気口６３ａから空気が吸い込まれ、貫通孔６３ｂ、吸気口６４ｂを介して溝部６４ａに流入する。溝部６４ａに流入した空気は、コイル６６と磁石６７の隙間、またはヨーク水平部６５ｂの貫通孔６５ｃを流れ、冷却ファン２５から外部に吐き出される。これによりコイル６６が冷却される。
【００２５】
このようにコイルが１つの場合であっても、ケーシング６０に冷却ファン２５を設けることで動電形アクチュエータ６の内部に冷却空気を吸い込み、コイル６６を冷却することができる。これにより小型の冷却ファン２５を用いることができ、ファン騒音を低減することができる。
【００２６】
なお、上記実施の形態では、冷却ファン２５を一対設けるようにしたが、冷却ファン２５は１つでもよく、３つ以上でもよい。動電形アクチュエータ６のスイッチの投入により冷却ファン２５を駆動開始するようにしたが、他の条件により（例えばコイル温度が所定値以上のとき）冷却ファン２５を駆動開始するようにしてもよい。
【００２７】
第１の実施の形態では、磁束の干渉を防止する干渉防止材としてのスペーサ２３に冷却ファン２５を取り付けるようしたが、ヨーク２１,２２に取り付けるようしてもよい。空気導入口として吸気口２１ｂ,２２ｂ,６３ａをケーシング２０,６０の外周面にを設けるようにしたが、空気導入口をケーシング２０,６０の上下面に設け、上下方向に冷却空気用貫通孔を設けてもよい。すなわち、本発明の特徴、機能を実現できる限り、本発明は実施の形態の電磁アクチュエータに限定されない。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明によれば、駆動コイルを収容するケーシングに冷却用ファンを設け、ケーシング外から冷却空気を吸い込み、駆動コイルを冷却して吐き出すようにしたので、小型の冷却ファンにより駆動コイルを冷却することができ、ファン騒音を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】材料試験機の一実施の形態を説明する図。
【図２】材料試験機の一実施の形態による制御動作を説明する図。
【図３】（ａ）は第１の実施の形態に係わる電磁アクチュエータの正面図、（ｂ）は平面図。
【図４】図３（ｂ）のIV-IV線断面図。
【図５】コネクタのピンの結線を示す図。
【図６】（ａ）は第２の実施の形態に係わる電磁アクチュエータの平面図、（ｂ）は図６（ａ）のｂ−ｂ線断面図。
【符号の説明】
６動電形アクチュエータ２０ケーシング
２１ｂ,２２ｂ吸気口２３スペーサ
２５冷却ファン３０ボビン
３１,３２コイル３３,３４永久磁石
６０ケーシング６３ａ吸気口
６４ボビン６６コイル
６７永久磁石

Claims

材料試験機の負荷アクチュエータとして使用され、電磁力により可動部を駆動する電磁アクチュエータにおいて、
前記可動部を駆動する電磁力を発生する駆動コイルと、
前記駆動コイルを収容するケーシングと、
前記ケーシングに設けられ、ケーシング外から冷却空気を吸い込み、前記駆動コイルを冷却して吐き出す冷却用ファンとを備えることを特徴とする電磁アクチュエータ。
請求項１に記載の電磁アクチュエータにおいて、
前記駆動コイルを一対設けるとともに、
前記一対の駆動コイルで発生する磁束が互いに干渉することを防止する干渉防止材を前記ケーシングに設け、
前記冷却用ファンを、前記干渉防止材と同一周方向位置において前記ケーシングに設けたことを特徴とする電磁アクチュエータ。
請求項２に記載の電磁アクチュエータにおいて、
前記ケーシングに周方向複数の冷却空気導入口を設けたことを特徴とする電磁アクチュエータ。
請求項１〜３のいずれかの電磁アクチュエータを負荷アクチュエータとすることを特徴とする材料試験機。