JP2005188951A

JP2005188951A - 動釣合試験機

Info

Publication number: JP2005188951A
Application number: JP2003427170A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tsuji; 博志辻; Naoki Nishimura; 直喜西村
Original assignee: SHONAN SHIMADZU KK
Current assignee: SHONAN SHIMADZU KK
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2003-12-24
Publication date: 2005-07-14

Abstract

【課題】耐久性の向上を図ることができる動釣合試験機の提供。
【解決手段】ワークＷを支持する支持部材６１のベース部６１Ｂは、振動検出部６４上に固定されている。振動検出部６４は支持部材６１のベース部６１Ｂが固定される金属製の板材で形成されるプレート部６４１とその裏面側に設けられた圧電部材６４２とから成る。圧電部材６４２はシート状の部材であって、圧電効果を有するプラスチックＰＶＤＦのシート材の両面に金属皮膜から成る電極を形成したものである。被試験体を支持する支持部材６１からの鉛直方向の力が圧電部材６４２の全領域に分散して付勢されるため、単位面積当たりの負荷が小さくなり、動釣合試験機の耐久性の向上を図れるとともに、重量の大きなワークＷを測定する動釣合試験機への圧電素子の適用が可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、動釣合試験機に関する。

従来の動釣合試験機では、モータロータ等の被試験体がセットされる架台は、基台に設けられた板バネ等の弾性支持部材により吊り下げられるように支持されている。そして、架台上で被試験体を回転させ、そのときの架台の水平方向振動を検出器で検出することにより被試験体の不釣り合い量を検出するようにしている（例えば、特許文献１）。

検出器にはムービングコイル式の振動検出器が一般的に用いられており、検出器のコイルは基台に設けられ、コイル内をスライドする可動芯棒は架台側に固設されている。また、ムービングコイル式振動検出器に変えて圧電セラミックスを用いる場合もある。その場合には、架台と一体で水平方向に振動する棒などを圧電セラミックスに押圧してそれを歪ませ、そのときに生じる分極電圧を検出することにより被試験体の不釣り合い量を検出する。

特開平９−２７３９７３号公報

ところで、小型の動釣合試験機の場合には作業台上に動釣合試験機を載置して試験作業が行われるが、外力等により作業台に水平振動が生じやすい。そのため、吊り下げられた架台の水平方向振動を検出する従来の動釣合試験機では、作業台自体の水平振動の影響を受けやすい。また、ムービングコイル式の振動検出器では、被試験体が着磁ロータのような場合には磁気的な影響を受けやすく、検出器のコイルを架台から遠く離れたところに配置する必要がある。そのため、振動が減衰したり位相がずれたりして測定精度悪化の原因となる。

一方、圧電セラミックスを用いて水平方向振動を検出する場合には、圧電セラミックスに対して水平方向に予圧を与える必要があるが、各検出器に対して予圧の調整を行うのが煩雑なことと、検出器相互の調整がずれたりすると不釣り合い量を正確に検出できなくなるおそれがあった。さらに、圧電セラミックスは衝撃に対して比較的弱く、強い衝撃が加わると割れてしまうという問題があった。

請求項１の発明による動釣合試験機は、被試験体を回動可能に鉛直方向に支持する支持部材と、支持部材が載置されるとともに水平方向に拡がった薄板状圧電素子を有し、支持部材からの鉛直方向の力が薄板状圧電素子の全領域に分散して付勢されることにより鉛直方向の力を検出する検出手段と、検出手段で検出された鉛直方向の力に基づいて被試験体の不釣り合い量を演算する演算手段とを備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の動釣合試験機において、薄板状圧電素子を圧電プラスチックシートで構成したものである。

本発明によれば、上記の従来の問題点を解決するとともに、被試験体を支持する支持部材からの鉛直方向の力が薄板状圧電素子の全領域に分散して付勢されるために、圧電素子の単位面積当たりの負荷が小さくなり動釣合試験機の耐久性の向上を図ることができ、重量の大きな被試験体を測定する動釣合試験機への圧電素子の適用が可能となる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明による動釣合試験機の構成を示す平面図であり、図２は図１のＡ矢視図であり、図３は図１のＢ矢視図である。１は動釣合試験機のベースであり、ベース１上には被試験体であるワークＷを回転させるモータ２およびワークＷがセットされる試験ユニット３が固設されている。モータ２は支持板１４を用いてベース１上に取り付けられており、ボルト１５を緩めることにより支持板１４の固定位置を調整することができる。この動釣合試験機は電動モータのロータ等のような比較的小型のワークを試験するものであり、例えば、作業机に載置して使用される。

試験ユニット３はベース１上に固定された脚４とその上に掛け渡されたプレート５を有しており、プレート５には一対の支持検出機構６が取り付けられている。図２に示すように、各支持検出機構６は、支持部材６１，振動検出部６４および流れ止め６５を備えている。支持部材６１はベース部６１Ｂとスライド部６１Ａとで構成され、スライド部６１Ａ上にワークＷの軸が支持される。スライド部６１Ａの上端にはＶ字溝が形成され、その溝面には一対の軸受け板６６が配設され、軸受け板６６上にワークＷの軸が載置される。

流れ止め６５は試験中にワークＷが図示左右方向に移動するのを防止するものであり、スライド部６１Ａに取り付けられている。スライド部６１Ａはボルト６７によってベース部６１Ｂに固定されている。ベース部６１Ｂに形成されたボルト貫通孔６００は上下方向に長い長孔になっており、ボルト６７を緩めることによってスライド部６１Ａの高さを調整することができる。

各ベース部６１Ｂは対応する振動検出部６４上に固定されており、さらに、各振動検出部６４はプレート５上に取り付けられている。なお、ボルトを用いて振動検出部６４をプレート５に取り付ける場合には、ボルトに皿バネ７０を装着して取り付ける。振動検出部６４は支持部材６１のベース部６１Ｂが固定される金属製の板材で形成されるプレート部６４１とその裏面側に設けられた圧電部材６４２とから成る。ベース部６１Ｂはボルト６０２を用いて振動検出部６４に固定されるが、ベース部６１Ｂに形成されたボルト貫通孔６０１は図１の左右方向に長い長孔となっており、固定用のボルト６０２を緩めることにより支持検出機構６の長孔方向位置（図示左右方向位置）を調整することができる。すなわち、支持検出機構６の間隔を調整することにより、さまざまな長さのワークＷに対応することができる。

図２に示すようにスライド部６１ＡにワークＷをセットすると、ワークＷの下面側にベルト８が接触する。図１に示すようにベルト８はプーリ９ａ，９ｂ間に架け渡されており、さらに、モータ２の軸に取り付けられたプーリ１０とプーリ９ｂとの間にもベルト１１が架け渡されている。モータ２を駆動するとプーリ９ｂが回転駆動されてベルト８も回転し、そのベルト８によりワークＷが回転駆動される。プーリ９ａ，９ｂは支持板１２に取り付けられており、この支持板１２はボルト１３によりプレート５に固定されている（図１参照）。支持板１２のボルト孔は長孔に形成されており、支持板１２の図示左右方向位置を調整することができる。

図４は動釣合試験機を模式的に示したブロック図である。圧電部材６４２はシート状の部材であって、圧電効果を有するプラスチックＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）のシート材の両面に金属皮膜から成る電極を形成したものである。圧電部材６４２の厚さは数十μｍ〜数百μｍであって、柔軟性に富み、耐衝撃性に優れている。また、圧電セラミックスと比べて、１０倍以上の高電圧出力特性（機械→電気変換）を有している。

図２の支持検出機構６にワークＷを載置すると、支持部材６１を介して振動検出部６４に鉛直下方向の力が作用し、力の大きさに応じた圧電部材６４２に分極電圧が発生する。すなわち、振動検出部６４は支持部材６１からの鉛直方向の力を検出する力検出器として機能している。

モータ２によりワークＷを回転すると、ワークＷの不釣り合いに起因する振動が発生し、各振動検出部６４に加わる力がそれぞれ変化する。そして、そのときの分極電圧の変化を検出することによりワークＷの振動を検出することができる。振動検出部６４から出力される分極電圧信号は、動釣合試験機の制御部２０に設けられた増幅器２００によって増幅された後に演算回路２０１にそれぞれ入力される。演算回路２０１では、入力された各分極電圧信号に基づいてワークＷの不釣り合い量を演算する。不釣り合い量は各支持検出機構６毎に算出される。算出された不釣り合い量は、制御部の表示器２０２に表示される。

圧電部材６４２の大きさは、正方形の場合を考えた場合「１／１００００＜（厚さ）／（一辺の長さ）＜１／１０」程度に設定される。圧電部材６４２の面積を大きくすることにより面圧が小さくなるので、振動検出部６４に大きな力が加わったり衝撃が加わったりしても圧電部材６４２に不具合が生じない。そのため、小型の被試験体だけでなく、大型の被試験体を検査する動釣合試験機に対しても圧電素子の使用が可能となる。

また、図５に示すようにワークＷの回転によって支持部６１に水平方向の力が働いた場合、圧電部材６４２の面積が比較的大きいため、圧電部材６４２の左側の領域には圧縮力が作用し、圧電部材６４２の右側の領域には引っ張り力が作用する。そのため、これらの領域の間の分極電圧は逆極性となり、圧電部材６４２全体としては打ち消しあってほぼゼロとなる。その結果、水平方向振動の影響を受けることなく上下方向振動を精度良く測定することができる。

図６は従来の動釣合試験機の一例を示したものであり、ワークＷは架台４６の支持部４８に載置されている。架台４６は板バネ４４Ａ，４４Ｂによって吊り下げられるように基台４１に取り付けられている。そのため、ワークＷを回転すると、ワークＷの不釣り合いにより架台４６が水平方向（図示左右方向）に振動する。

検出器５０がムービングコイル式の振動検出器である場合には、基台４１側にコイル部が設けられ、コイル内をスライドする芯棒５０ａは架台４６側に設けられる。ワークＷが着磁ロータの場合には、検出器５０が磁力の影響を受けないように、芯棒５０ａを長くして検出器５０をワークＷから遠く離して設置する。

また、検出器５０が圧電セラミックスを用いるものである場合には、基台４１側に圧電素子が設けられ、水平に振動する芯棒５０ａによって圧電素子を歪ませる。この場合、架台４６が左右どちらに振動しても分極電圧が得られるように、予圧バネ等を用いて圧電素子に水平左方向（圧縮方向）の予圧を所定値に設定する必要がある。しかし、バネ歪みの調整が難しいことや、その調整が不十分であったりバネを固定しているネジがゆるんだりすると予圧が掛からなくなるという不都合があった。また、圧電セラミックスに衝撃が加わった場合には、素子が壊れてしまうこともあった。

高速回転する回転軸にはジャイロ効果が強く現れ、回転軸が移動するときに不釣り合いに起因する振動とは別の振動を発生させる。そのため、架台４６を板バネ４４Ａ，４４Ｂで吊り下げて、その水平方向の振動を検出する構造の場合、それらの振動によって引き起こされる架台４６の振動を検出しているため、振動の分離精度や測定精度を悪化させる原因となっていた。

比較的小型の動釣合試験機の場合には、上述したように動釣合試験機を作業机の上に載置して作業することが多い。一般的に、作業机の振動は水平方向の振動であるため、従来のように架台４６を板バネ４４Ａ，４４Ｂで吊り下げて水平方向の振動を検出する動釣合試験機の場合には、作業机の振動がノイズとして含まれ、測定精度の悪化を招いていた。ワークＷをベルト駆動により回転させる場合にも同様の水平振動が問題となる。

一方、本実施の形態の動釣合試験機では以下のような効果を奏することができる。
（１）本実施の形態の場合も、振動検出部６４に圧電素子を用いているので、磁気の影響を除去することができる。さらに、ワークＷを支持する支持部材６１は振動検出部６４上に直接設けられているので、振動検出部６４には支持部材６１およびワークＷの重さによって予圧が自動的に加わるようになっている。そのため、従来のような予圧調整が不要となった。さらに、支持部材６１の上下振動の際に予圧が変化したり、予圧が加わらなくなったりしない。

（２）圧電素子として面積の大きなシート状の圧電部材６４２を用いているため面圧が小さくなり、振動検出部６４に大きな力が加わったり衝撃が加わったりしても圧電部材６４２が割れるというようなことがなく、動釣合試験機の耐久性向上を図ることができる。また、支持部材６１から振動検出部６４に水平方向の力が作用してもトータルの分極電圧が生じにくいので、例えば作業机の水平振動の影響を抑えることができ、水平方向振動の影響を受けることなく上下方向振動を精度良く測定することができる。特に、圧電部材６４２として圧電効果を有するプラスチックＰＶＤＦのシート材を用いた場合、柔軟性に富み、耐衝撃性に優れているのでより一層の効果を得ることができる。

（３）支持部材６１を振動検出部６４に直接貼り付け、ワークＷの不釣り合い振動を振動検出部６４に加わる力として検出するようにしたので、回転するワークＷの中心軸の移動がなくなり、ジャイロ効果の影響を受けなくなった。その結果、不釣り合いを精度良く測定できるようになった。

（４）従来は架台４６を吊り下げている板バネ４４Ａ，４４Ｂのバネ定数の設定が測定精度に影響していた。例えば、バネ定数が大きすぎると検出される信号が小さくなり、逆に、バネ定数が小さすぎると架台の位置が不安定になるという不都合が生じていた。また、板バネ４４Ａ，４４Ｂの固定方法や板バネ４４Ａ，４４Ｂ自体の歪みが装置全体の直線性や再現性に影響を与えることになる。しかし、本実施の形態では、そのような吊り構造を採用せず、積層圧電素子である振動検出部６４に直接載置するようにしたので、従来のような不都合が発生せず、板バネ選定のための計算や実機テスト等が不要となった。

（５）また、架台４６を板バネ４４Ａ，４４Ｂで吊り下げる構造の場合には、架台４６の共振周波数は比較的低く、ソフトタイプバランサの場合には数Ｈｚ〜数１０Ｈｚ、ハードタイプバランサの場合には数１０Ｈｚ〜数１００Ｈｚになる。そのため、ワークＷの回転周波数が架台４６の共振点に一致したり、比較的近い周波数であった場合には、共振によって正常な測定ができなくなる。さらに、不釣り合いの大きなワークＷの場合、回転周波数が架台４６の共振周波数に近づいた場合に非常に大きな振動を発生するという不都合があった。また、架台４６の共振信号が不釣り合い信号よりも遙かに大きくなってしまうという不都合もあった。しかし、本実施の形態では、バネ等による吊り構造を採用せず、積層圧電素子にワークＷを直接載置しているので支持検出機構６の共振周波数が不釣り合による振動よりも高くなり、従来のような共振による異常振動という問題が発生しない。

なお、上述した動釣合試験機では、振動検出器６４をプレート５にボルトを用いて固定したが、振動検出器６４をプレート５に接着して固定するようにしてもよい。また、圧電部材６４２としてシート状の圧電性プラスチックＰＶＤＦを用いたが、薄くて広い圧電素子であればジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）などの薄板を用いてもよい。

以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、圧電部材６４２は薄板状圧電素子を、振動検出部６４は検出手段を、演算回路２０１は演算手段をそれぞれ構成する。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

本発明による動釣合試験機の構成を示す平面図である。図１のＡ矢視図である。図１のＢ矢視図である。動釣合試験機を模式的に示したブロック図である。支持部材６１に水平方向の力が作用した場合を説明する図である。従来の動釣合試験機の一例を示す図である。

符号の説明

１ベース
２モータ
３試験ユニット
４脚
５プレート
６支持検出機構
８，１１ベルト
９ａ，９ｂ，１０プーリ
２０制御部
４１基台
４４Ａ，４４Ｂ板バネ
４６架台
６１支持部材
６１Ａスライド部
６２Ｂベース部
６４振動検出部
６５流れ止め
２００増幅器
２０１演算回路
２０２表示器
６４１プレート部
６４２圧電部材
Ｗワーク

Claims

被試験体を回動可能に鉛直方向に支持する支持部材と、
前記支持部材が載置されるとともに水平方向に拡がった薄板状圧電素子を有し、前記支持部材からの鉛直方向の力が前記薄板状圧電素子の全領域に分散して付勢されることにより前記鉛直方向の力を検出する検出手段と、
前記検出手段で検出された鉛直方向の力に基づいて前記被試験体の不釣り合い量を演算する演算手段とを備えたことを特徴とする動釣合試験機。
請求項１に記載の動釣合試験機において、
前記薄板状圧電素子を圧電プラスチックシートで構成したことを特徴とする動釣合試験機。