JP2009014542A - 材料試験機 - Google Patents

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

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）。

特開昭６２−２０３０４２号公報

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。

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。

（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。

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。

本発明の実施の形態に係る材料試験機の全体構成を示す図。 図１の負荷装置の拡大図。 シャフトに磁石を取り付けた状態を示す図。

符号の説明

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

Claims (4)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。

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