JP2009014542A - 材料試験機 - Google Patents
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Abstract
【課題】シャフトモータを有する材料試験機を最適に構成する。
【解決手段】非磁性体のシャフト12と、シャフト12の長手方向一部に挿入して積層される略円筒形状の複数の磁石15と、磁石15をシャフト12に固定する固定具16と、磁石15の周囲に配設されたコイル19と、コイル19に対しシャフト12を直線方向に移動可能に支持する軸受け13,14とを備える。コイル19に電力を供給し、電磁力によりシャフト12を駆動することで、供試体TPに試験力を負荷する。
【選択図】図1
【解決手段】非磁性体のシャフト12と、シャフト12の長手方向一部に挿入して積層される略円筒形状の複数の磁石15と、磁石15をシャフト12に固定する固定具16と、磁石15の周囲に配設されたコイル19と、コイル19に対しシャフト12を直線方向に移動可能に支持する軸受け13,14とを備える。コイル19に電力を供給し、電磁力によりシャフト12を駆動することで、供試体TPに試験力を負荷する。
【選択図】図1
Description
本発明は、直線方向に移動して供試体を負荷する可動シャフトを有する材料試験機に関する。
磁性体によって構成された可動シャフトの周囲にコイルを配設し、コイルに電流を流して電磁力を発生させることで可動シャフトを直線方向に駆動し、供試体を負荷するようにした材料試験機が知られている(例えば特許文献1参照)。
しかしながら、可動シャフトを磁石によって形成すると、磁石は支持軸受として耐久性がないため、可動シャフトを長時間にわたって直線方向に移動可能に支持することが困難である。
本発明による材料試験機は、電磁力によりシャフト部材を駆動して、供試体を負荷する材料試験機であって、シャフト部材が非磁性体材料からなり、シャフト部材の長手方向一部に挿入して積層される略円筒形状の複数の磁石と、磁石をシャフト部材に固定する固定手段と、磁石の周囲に配設されたコイル部材と、コイル部材に対し、シャフト部材を直線方向に移動可能に支持する支持手段と、コイル部材に電力を供給し、電磁力によりシャフト部材を駆動する駆動手段とを備えることを特徴とする。
支持手段を、積層された磁石の両側でシャフト部材を支持する一対の軸受け部により構成することもできる。
磁石とコイル部材の外側を覆うケース部材と、ケース部材に設けられた空気流入口および空気流出口と、空気流入口および空気流出口を介してケース部材内に冷却用の空気を送風する送風手段とを設けてもよい。
前記駆動手段を、シャフト部材の位置を検出する位置検出手段と、シャフト部材の移動速度を検出する速度検出手段と、位置検出手段により検出されたシャフト部材の検出位置と目標位置との偏差、および速度検出手段により検出されたシャフト部材の移動速度と目標速度との偏差に応じてコイル部材に供給する電力を制御する制御回路とにより構成することもできる。
支持手段を、積層された磁石の両側でシャフト部材を支持する一対の軸受け部により構成することもできる。
磁石とコイル部材の外側を覆うケース部材と、ケース部材に設けられた空気流入口および空気流出口と、空気流入口および空気流出口を介してケース部材内に冷却用の空気を送風する送風手段とを設けてもよい。
前記駆動手段を、シャフト部材の位置を検出する位置検出手段と、シャフト部材の移動速度を検出する速度検出手段と、位置検出手段により検出されたシャフト部材の検出位置と目標位置との偏差、および速度検出手段により検出されたシャフト部材の移動速度と目標速度との偏差に応じてコイル部材に供給する電力を制御する制御回路とにより構成することもできる。
本発明によれば、シャフト部材の一部に磁石を固定するので、磁石の周囲を移動可能に支持する必要がなく、シャフト部材の支持が容易である。また、シャフト部材は強い力にも横向きにかかる力にも耐え得ることができ、長寿命となって、電磁力により駆動する材料試験機のアクチュエータとして最適に用いることができる。
以下、図1〜図3を参照して本発明による材料試験機の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の実施の形態に係る材料試験機の概略構成を示す図である。材料試験機本体100は、テーブル1上に立設された一対の支柱2と、支柱2に沿って昇降するクロスヘッド3と、テーブル1とクロスヘッド3の間で供試体TPを把持する上つかみ具4および下つかみ具5と、供試体TPを負荷する負荷装置10と、負荷装置10により負荷される試験力を検出するロードセル6とを有する。負荷装置10は、テーブル1を貫通するシャフト12を有し、シャフト12の上端部に下つかみ具5が連結されている。
図1は、本発明の実施の形態に係る材料試験機の概略構成を示す図である。材料試験機本体100は、テーブル1上に立設された一対の支柱2と、支柱2に沿って昇降するクロスヘッド3と、テーブル1とクロスヘッド3の間で供試体TPを把持する上つかみ具4および下つかみ具5と、供試体TPを負荷する負荷装置10と、負荷装置10により負荷される試験力を検出するロードセル6とを有する。負荷装置10は、テーブル1を貫通するシャフト12を有し、シャフト12の上端部に下つかみ具5が連結されている。
図2は負荷装置10の拡大図である。テーブル1の下面には負荷装置10のケース11が取り付けられ、ケース11の上面および下面を略円柱形状のシャフト12が貫通している。シャフト12はケース上面の軸受け13およびケース下面の軸受け14により上下方向に移動可能に支持され、シャフト12の上下動により下つかみ具5(図1)を介して供試体TPを負荷することができる。シャフト12はオーステナイト系ステンレス等の非磁性体材料によって構成され、ケース11内においてシャフト12には複数の磁石15が一体に固定されている。
図3(a)はシャフト12に取り付けられた磁石15の外観形状を示す図であり、図3(b)は図3(a)のb−b線断面図である。磁石15は略円筒形状をなし、複数の磁石15はN極同士およびS極同士が互いに当接し合った状態でシャフト12の周面に挿入され、所定長さにわたって上下に積層している。磁石15の磁力線は、図3(b)に矢印で示すように放射状に広がっている。
図2,3に示すようにケース11内のシャフト12の上部および下部の周面には、それぞれ半割れ形状の一対の固定具16(16A,16B)が取り付けられている。すなわち図3(b)に示すように、固定具16A,16Bにはそれぞれシャフト12の外周面形状に対応した円弧状の周面部161が形成され、この周面部161がシャフト12の外周面に当接した状態で、フランジ部162を貫通したボルト17によって固定具16A,16B同士が締結され、固定具16A,16Bがシャフト12に固定されている。複数の磁石15をシャフト12に挿入した後に、上述したように磁石15の両端部に固定具16を取り付けることで、磁石15全体を固定具16で挟んでシャフト12に固定できる。
なお、図3に示すように磁石13の周囲には、磁石全体を覆うように厚さ0.5mm程度の薄板状の非磁性体(例えばステンレス製)のカバー18が設けられている。カバー18は、例えば固定具16によってシャフト12に固定されている。
図2に示すように磁石15の周囲には磁石15を囲むように三相のコイル19が配設され、コイル19はケース11の内壁面に固定されている。これによりコイル19に電流を流すと、磁石15に対して上下方向の電磁力が作用し、シャフト12が上下方向に移動する。すなわちシャフト12を直線移動させるシャフトモータが構成される。
シャフト12は、シャフト12に取り付けられた固定具16がケース11の上下面に当接するまで移動可能であり、ケース11の上下面には、固定具16がケース11の上下面に衝突した際の衝撃を吸収するために、それぞれクッション材20が装着されている。なお、コイル19に電流が流れていない状態では、シャフト12は重力によって落下し、下側の固定具16がクッション材20に当接した状態となる。磁石15の個数を増減して磁石全体の長さを変更すれば、シャフト12の最大ストロークを変更できる。
シャフト12の下端部には下部プレート21が固設されている。下部プレート21にはケース下面から延設された一対のロッド22が貫通し、シャフト12の回り止めとして機能している。ロッド22の下端部にはベースプレート23が取り付けられている。ケース11の周面には、ケース11に対する下部プレート21の位置、すなわちシャフト12の変位を検出するためのリニアエンコーダ25と絶対位置測定用の変位計26が装着されている。リニアエンコーダ25の変位検出分解能は、変位計26の変位検出分解能よりも高い。
コイル19の下方には、ケース11を貫通して周方向に複数の空気流入口11aが設けられ、コイル19の上方には、ケース11を貫通して周方向に複数の空気流出口11bが設けられている。ケース11の周面には、空気流出口11bに面して冷却用ファン24が取り付けられ、冷却ファン24の回転により、空気流入口11aを介してケース内に空気が流入し、空気流出口11bから流出する。これにより磁石15とコイル19の間を空気が流れ、磁石15とコイル19が冷却される。
図1に示すように制御装置30には、ロードセル6によって検出されたロード信号と、変位計26によって検出された変位信号と、設定器31で設定された各種試験条件が入力される。試験条件としては、疲労試験を例にすると、供試体TPに負荷する目標試験力、目標変位、目標速度等である。
供試体TPに目標試験力を負荷して疲労試験を行う場合、つまり力制御により疲労試験を行う場合、制御装置30はロード信号と目標ロード信号との偏差を演算し、この偏差に応じた信号をサーボアンプ32を介してコイル19に出力する。これによりコイル19に供給される電流が制御(フィードバック制御)され、シャフト12が上下動して供試体TPに目標試験力が繰り返し負荷される。
一方、供試体TPを目標変位分だけ変位させて疲労試験を行う場合、つまり変位制御により疲労試験を行う場合、制御装置30は変位信号と目標変位信号との偏差を演算し、この偏差に応じた信号をサーボアンプ32を介してコイル19に出力する。これによりコイル19に供給される電流が制御(フィードバック制御)され、シャフト12が上下動して供試体TPを目標変位分だけ変位できる。
変位制御により疲労試験を行う場合には、シャフト12に速度制御によるダンピング特性を与える。すなわち、リニアエンコーダ25からの変位信号によりシャフト12の移動速度を演算し、この移動速度と目標速度との速度偏差に応じた信号をサーボアンプ32を介してコイル19に出力する。これによりシャフト12にダンピング効果が生じ、安定した制御動作が得られる。また、速度制御に用いるリニアエンコーダ25の検出分解能は、変位制御に用いる変位計26の検出分解能よりも高い。このため、エンコーダ25の信号を変位に変換すれば微小変位量の制御が行える。ただしシャフト12の絶対位置の測定には変位計26を使用する。
本実施の形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
(1)シャフト12に略円筒形状の複数の磁石15を挿入するとともに、シャフト12に固定具16を取り付け、磁石全体を固定具16で挟み込んでシャフト12の磁石15を固定するようにした。これによりシャフト12の一部に磁石15を取り付けることができるので、磁石15を介さずにシャフト12自体を軸受け13,14で支持することができ、シャフト12の支持が容易である。また、磁石15の周囲(カバー18の周囲)を支持する必要がないので、軸受け部13,14における磁石15の割れ等を防ぐことができる。
(1)シャフト12に略円筒形状の複数の磁石15を挿入するとともに、シャフト12に固定具16を取り付け、磁石全体を固定具16で挟み込んでシャフト12の磁石15を固定するようにした。これによりシャフト12の一部に磁石15を取り付けることができるので、磁石15を介さずにシャフト12自体を軸受け13,14で支持することができ、シャフト12の支持が容易である。また、磁石15の周囲(カバー18の周囲)を支持する必要がないので、軸受け部13,14における磁石15の割れ等を防ぐことができる。
(2)シャフト12の磁石取付部の上側および下側をそれぞれ軸受け13,14で支持するので、シャフト12を上下動する際のシャフト12の振れを抑えることができ、供試体TPに安定した試験力を負荷できる。
(3)空気流入口11aおよび空気流出口11bを介してケース11内に空気を送風するので、コイル19を冷却することができる。
(4)シャフト下端部の下部プレート21にロッド22を貫通させて回り止めとしたので、シャフト12の回転を防止することができ、供試体TPに正確に試験力を負荷できる。
(5)リニアエンコーダ25からの信号によりシャフト12の移動速度を検出し、シャフト12を位置制御する際にシャフト12を速度制御するので、安定した位置制御動作が可能である。
(3)空気流入口11aおよび空気流出口11bを介してケース11内に空気を送風するので、コイル19を冷却することができる。
(4)シャフト下端部の下部プレート21にロッド22を貫通させて回り止めとしたので、シャフト12の回転を防止することができ、供試体TPに正確に試験力を負荷できる。
(5)リニアエンコーダ25からの信号によりシャフト12の移動速度を検出し、シャフト12を位置制御する際にシャフト12を速度制御するので、安定した位置制御動作が可能である。
なお、上記実施の形態では、固定具16によってシャフト12に磁石15を固定するようにしたが、固定手段の構成はこれに限らない。電磁力によって移動するシャフト12を直線方向に移動可能に支持するのであれば、支持手段としての軸受け13,14の構成はいかなるものでもよい。コイル19に電力を供給する駆動手段としての制御回路の構成も図1に示したものに限らない。変位計26からの信号によりシャフト12の位置偏差を演算するとともに、リニアエンコーダ25からの信号により速度偏差を演算したが、位置検出手段と速度検出手段の構成もこれに限らない。ファン24の回転によりケース11内に冷却用の空気を送風するようにしたが、送風手段もこれに限らない。
上記実施の形態では、疲労試験機にシャフトモータを適用する例を説明したが、本発明によるシャフトモータは他の材料試験機にも適用可能である。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材料試験機に限定されない。
11 ケース
11a 空気流入口
11b 空気流出口
12 シャフト
13,14 軸受け
15 磁石
16 固定具
19 コイル
24 ファン
25 リニアエンコーダ
26 変位計
30 制御装置
32 サーボアンプ
11a 空気流入口
11b 空気流出口
12 シャフト
13,14 軸受け
15 磁石
16 固定具
19 コイル
24 ファン
25 リニアエンコーダ
26 変位計
30 制御装置
32 サーボアンプ
Claims (4)
- 電磁力によりシャフト部材を駆動して、供試体を負荷する材料試験機であって、
前記シャフト部材は非磁性体材料からなり、
前記シャフト部材の長手方向一部に挿入して積層される略円筒形状の複数の磁石と、
前記磁石を前記シャフト部材に固定する固定手段と、
前記磁石の周囲に配設されたコイル部材と、
前記コイル部材に対し、前記シャフト部材を直線方向に移動可能に支持する支持手段と、
前記コイル部材に電力を供給し、電磁力により前記シャフト部材を駆動する駆動手段とを備えることを特徴とする材料試験機。 - 請求項1に記載の材料試験機において、
前記支持手段は、前記積層された磁石の両側で前記シャフト部材を支持する一対の軸受け部を有することを特徴とする材料試験機。 - 請求項1または2に記載の材料試験機において、
前記磁石と前記コイル部材の外側を覆うケース部材と、
前記ケース部材に設けられた空気流入口および空気流出口と、
前記空気流入口および空気流出口を介して前記ケース部材内に冷却用の空気を送風する送風手段とを備えることを特徴とする材料試験機。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の材料試験機において、
前記駆動手段は、
前記シャフト部材の位置を検出する位置検出手段と、
前記シャフト部材の移動速度を検出する速度検出手段と、
前記位置検出手段により検出された前記シャフト部材の検出位置と目標位置との偏差、および前記速度検出手段により検出された前記シャフト部材の移動速度と目標速度との偏差に応じて前記コイル部材に供給する電力を制御する制御回路とを有することを特徴とする材料試験機。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2007177293A JP2009014542A (ja) | 2007-07-05 | 2007-07-05 | 材料試験機 |
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Family Applications (1)
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KR101117201B1 (ko) * | 2010-03-16 | 2012-03-20 | 한국전기연구원 | 인장-압축 및 비틀림 시험이 가능한 피로시험기 |
KR101117200B1 (ko) * | 2010-03-16 | 2012-03-20 | 한국전기연구원 | 횡자속 선형 전동기를 이용한 피로시험기 |
KR101170607B1 (ko) | 2010-10-12 | 2012-08-02 | 국방과학연구소 | 시편 홀더 및 이를 구비하는 자유낙하시험장치 |
KR101200250B1 (ko) | 2011-03-25 | 2012-11-09 | 한국전기연구원 | 액츄에이터 자중에 대한 하중 보상이 가능한 피로시험기 |
CN106053272A (zh) * | 2016-08-16 | 2016-10-26 | 苏州东菱振动试验仪器有限公司 | 一种宽频疲劳试验机 |
-
2007
- 2007-07-05 JP JP2007177293A patent/JP2009014542A/ja active Pending
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