JP4390074B2 - エアサーボアクチュエータおよび材料試験機 - Google Patents

Description

本発明はエアを駆動源とするサーボアクチュエータと、そのエアサーボアクチュエータを用いた材料試験機に関する。

材料試験機においては、一般に、負荷機構の駆動により試験片に対してあらかじめ設定されている目標値信号に応じた負荷を加えるが、その負荷機構のアクチュエータとして、従来、油圧シリンダを用いたもの（例えば特許文献１参照）や、電磁アクチュエータを用いたもの（例えば特許文献２参照）などが知られている。

油圧シリンダを負荷機構のアクチュエータとするものは、一般には５００Ｎ〜数百ｋＮ程度の高負荷を試験片に与えるのに適しており、電磁アクチュエータを用いたものは１００〜５００Ｎ程度の小さい負荷を試験片に与えるのに適しているとされる。

ところで、油圧シリンダを駆動するには油圧ユニットが必要であり、また、その油圧ユニットに対して作動油の往復のための配管が必要であることから、配管が複雑になるという問題がある。そこで、本発明者らは、材料試験機における負荷機構のコンパクト化を図るべく、１０００Ｎ〜５０００Ｎ程度の中程度の負荷範囲の材料試験機について、その負荷機構のアクチュエータとしてエア（空圧）シリンダに注目し、種々の研究を重ねている。

エアシリンダをサーボ弁で制御する、いわゆるエアサーボシステムとしては、種々の提案がなされているが、主としてピストン（スライダ）の位置による動特性の変化を補償して、これを安定して位置決め制御することを課題としたものが多い（例えば特許文献３参照）。
特開平１０−３８７８０号公報 特開平１１−４０４１３号公報 特開２０００−２９５４０４号公報

ところで、エアサーボアクチュエータを負荷機構とした材料試験機において、例えば制御異常の発生時に試験機の制御装置からその旨の信号が発生したり、あるいはオペレータが非常停止スイッチを操作することにより、急にエア供給源からのエアの供給を停止したとき、圧縮性の流体を駆動源としているが故に、一時的にピストンが制御不能となって異常動作し、試験片を破損する場合があることが判明した。

本発明の課題は、アクチュエータを緊急停止させるべくエア供給を急激に停止した場合でも、ピストンが異常動作することなく、その位置で確実に停止させることのできるエアサーボアクチュエータと、そのエアサーボアクチュエータを用いることにより、負荷機構を異常停止もしくは非常停止させたときに試験片を損傷させることのない材料試験機を提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明のエアサーボアクチュエータは、制御信号により弁開度が変化するサーボ弁と、そのサーボ弁を介して供給されるエアによりピストンが変位するエアシリンダを備えたエアサーボアクチュエータにおいて、指令信号の入力により上記エアシリンダ内のピストンの両側の圧力室を連通させる連通弁と、上記指令信号の入力により上記サーボ弁に対するエア供給源からのエアの供給を遮断する供給遮断弁と、上記指令信号により動作し、上記ピストンをシリンダ外でクランプで挟み込むことによって当該ピストンの変位を規制する変位規制機構を備えていることによって特徴づけられる（請求項１）。

ここで、本発明のエアサーボアクチュエータにおいては、上記変位規制機構が、弾性部材による付勢力により上記ピストンをシリンダ外で挟み込むクランプと、エアの供給によりその弾性部材の付勢力に抗して上記クランプによるピストンの挟み込みを解除するエアアクチュエータによって構成され、このエアアクチュエータを駆動するエアは、上記供給遮断弁を介してエア供給源から供給されるように構成すること（請求項２）ができる。

また、本発明の材料試験機は、負荷機構の駆動により試験片にあらかじめ設定されている目標値信号に応じた負荷を加える負荷機構を備えた材料試験機において、上記負荷機構のアクチュエータに請求項１または２に記載のエアサーボアクチュエータが用いられ、上記指令信号は、当該材料試験機の制御装置から緊急停止信号として出力されるように構成されていることによって特徴づけられる（請求項３）。

本発明のエアサーボアクチュエータは、指令信号によりサーボ弁に対してエアの供給を遮断すると同時に、エアシリンダ内のピストンの両側の圧力室を連通させることによってエアシリンダを無力化し、更にピストンの変位を規制する変位規制機構を設けることによって、課題を解決しようとするものである。

すなわち、指令信号によりサーボ弁に対するエア供給を遮断することに併せて、エアシリンダ内のピストンの両側の圧力室を連通させると、ピストンは無力化されて力の発生が抑制される。この場合、ピストンに外力が作用しているとこのような対策によっても当該ピストンを停止させることができないが、同時に指令信号によってピストンをシリンダ外でクランプで挟み込むことによって当該ピストンの変位を規制する変位規制機構を設けることにより、指令信号の供給によってエアシリンダのピストンはその時点の位置で確実に停止する。

変位規制機構としては、請求項２に係る発明のように、弾性部材による付勢力でピストンを挟み込むクランプを設けるとともに、エアの供給により弾性部材による付勢力に抗してクランプによるピストンの挟み込みを解除するエアアクチュエータとからなる機構を採用し、そのエアアクチュエータを駆動するエアは、供給遮断弁を介してエア供給源から供給されるように構成すると、指令信号により供給遮断弁が動作すると同時に弾性部材による付勢力によりピストンがクランプされ、このクランプのための信号が不要となり、システムを簡素化できるという利点がある。

一方、本発明の材料試験機は、請求項１または２に係る発明のエアサーボアクチュエータを負荷機構のアクチュエータとしたものであって、この材料試験機の制御装置が、制御異常時やオペレータによる非常停止スイッチの操作時に負荷機構に対する緊急停止信号としてエアサーボアクチュエータに上記した指令信号を供給するように構成することで、負荷機構をその信号発生時点における位置に確実に停止させることができ、試験片の損傷を防止することができる。

本発明のエアサーボアクチュエータによると、指令信号によりサーボ弁へのエアの供給を遮断すると同時に、エアシリンダのピストン両側の圧力室を連通させ、更にピストンの変位を規制するので、指令信号の発生時点においてピストンが無力化されると同時にその時点における位置に拘束される。

そして、本発明の材料試験機によると、エアサーボアクチュエータを負荷機構のアクチュエータとして用いることにより、油圧サーボアクチュエータを用いる場合に比して配管等の簡素化を実現しながらも、制御異常やオペレータによる非常停止スイッチの操作により緊急停止指令信号を出力したときに、負荷機構が直ちに力の発生を停止すると同時にその位置で停止した状態となり、試験片が損傷することを確実に防止することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明に係る材料試験機の実施の形態の構成図であり、図２はその負荷機構用のアクチュエータとしてのエアサーボアクチュエータ２の外観図で、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は左側面図である。

試験機本体１は、テーブル１１上に複数のコラム１２を介してヨーク１３を支持した構造を有し、テーブル１１の下面には、負荷機構のアクチュエータとしてのエアサーボアクチュエータが２固定されている。このエアサーボアクチュエータ２は、エアシリンダ２１と、マニホールド２２、サーボ弁２３、供給遮断弁２４および連通弁２５、更にエアアクチュエータ２６ａを駆動源とするピストン変位規制機構２６からなっている。エアシリンダ２１はシリンダ本体２１ａ内に両側にロッド２１ｃ，２１ｄが設けられたピストン２１ｂ（ピストン２１ｂは後述する図３参照）が可動に挿入されたものであり、このエアシリンダ２１にはマニホールド２２が固定されている。そして、このマニホールド２２に上記したサーボ弁２３、供給遮断弁２４および連通弁２５が固定されている。

エアシリンダ２１の両側から突出したピストンロッド２１ｃ，２１ｄのうち、上側のロッド２１ｃはテーブル１１を貫通して上方に伸び、その上端部には下側の掴み具３ａが装着されている。また、前記したヨーク１３には、ロードセル４を介して上側の掴み具３ｂが装着されており、これら上下の掴み具３ａ，３ｂによって試験片Ｗの両端部が把持される。この試験片Ｗの把持状態においてエアシリンダ２１を駆動してピストン２１ｂを上下動させることによって、試験片Ｗに引張または圧縮荷重が作用する。

エアシリンダ２１の下側に突出したピストンロッド２１ｄの下端部には、ストロークセンサ５が設けられている。このストロークセンサ５は、この例においてシリンダ本体２１ａに固定された２本の支持棒５１により持ち出されたコイル５ａ内に、ピストンロッド２１ｄに固定された導電性材料からなる棒５ｂが非接触のもとに挿入された構造のものを用いている。このストロークセンサ５の出力およびロードセル４の出力は、それぞれストローク検出結果および試験力検出結果として制御装置６に取り込まれる。

制御装置６では、これらのストローク検出結果および試験力検出結果のうち、制御量に設定されている検出結果を目標値と比較し、検出結果が目標値と一致するように、サーボ弁２３の弁開度をフィードバック制御する。サーボ弁２３には、エア供給源７からの高圧エアが供給遮断弁２４を介して供給されており、その弁開度を変化させることによってピストン２１ｂが上または下に変位し、試験片Ｗに目標値通りの試験力が作用する。

図３はエアサーボアクチュエータ２のエアシリンダ２１と上記した各弁２３〜２５との間のマニホールド２２による接続関係を表す模式図である。エア供給源７から供給される高圧エアは最初に供給遮断弁２４に導かれ、この供給遮断弁２４を介してサーボ弁２３に供給される同時に、ピストン変位規制機構２６のエアアクチュエータ２６ａに導かれる。また、連通弁２５は、エアシリンダ２１のピストン２１ｂで仕切られた２つの圧力室２１ｅと２１ｆを連通させるための弁であり、この連通弁２３および上記の供給遮断弁２４は、実際には開閉弁によって構成されている。

ピストン変位規制機構２６は、図４に図２（Ｃ）の下端部近傍の拡大図を示し、図５（Ａ）に図４のＡ−Ａ断面図を示すように、前記したエアアクチュエータ２６ａのほかに、エアシリンダ２１のシリンダ本体２１ａの下端側から突出するピストンロッド２１ｄを挟んで互いに対向する一対のレバー２６ｂ，２６ｃと、これらのレバー２６ｂ，２６ｃを互いに接近させる向きに付勢する引張コイルバネ２６ｄを主たる構成要素としている。各レバー２６ｂ，２６ｃは、シリンダ本体２１ａに設けられたピン２６ｅ，２６ｆの回りに回動自在に支持されているとともに、互いの対向面にそれぞれパッド２６ｇ，２６ｈが取り付けられている。

エアアクチュエータ２６ａは、供給遮断弁２４を介して配管Ｔを介して供給される高圧エアにより両側のロッド２６ｉ，２６ｊが外側に突出する構造を有し、このロッド２６ｉ，２６ｊの突出により、図５（Ａ）に示すようにレバー２６ｂ，２６ｃは引張コイルバネ２６ｄの付勢力に抗して互いに離隔する向きに変位した状態となり、この状態では、パッド２６ｇ，２６ｈはピストンロッド２１ｄとは非接触状態となる。この状態から、エアアクチュエータ２６ａへの高圧エアの供給が遮断されると、ロッド２６ｉ，２６ｊの突出力がなくなる結果、各レバー２６ｂ，２６ｃは引張コイルバネ２６ｄの付勢力により互いに接近する向きに回動し、これにより図５（Ｂ）に示すように、パッド２６ｇ，２６ｈによりピストンロッド２１ｄを挟み込み、エアシリンダ２１のピストン２１ｂの変位が規制される。

以上の構成からなる本発明の実施の形態において、試験時においては供給遮断弁２４が開いた状態で、連通弁２５が閉じた状態とされる。これにより、サーボ弁２３にはエア供給源７からの高圧エアがサーボ弁２３に供給されるとともに、ピストン変位規制機構２６のエアアクチュエータ２６ａにも高圧エアが供給される。また、エアシリンダ２１の圧力室２１ｅ，２１ｆは互いに独立したものとなる。この状態においてサーボ弁２３は制御装置６からの制御信号に応じて動作してエアシリンダ２１を駆動制御し、試験片Ｗに目標値どおりの負荷が加えられる。

この状態で制御装置６が制御異常などを検知したり、あるいはオペレータが非常停止スイッチを操作する等によって負荷機構２を緊急停止する場合、制御装置６は、サーボ弁２３への制御信号の供給を停止すると同時に、供給遮断弁２４を閉じてサーボ弁２３を通じてエアシリンダ２１に対する高圧エアの供給を停止するとともにピストン変位規制機構２６のエアアクチュエータ２６ａへの高圧エアの供給を停止し、更に連通弁２５を開いてエアシリンダ２１内の圧力室２１ｅ，２１ｆを連通させる。これにより、エアシリンダ２１が無力化されるとともに、ピストン２１ｂの変位が規制される結果、ピストン２１ｂの自重や試験片Ｗの弾性その他に起因する外力が作用してもピストン２１ｂが変位せずにその時点の位置に保持される。これにより、試験片Ｗに異常な力が作用せず、試験片Ｗが損傷することがない。

なお、以上の実施の形態においては、エアサーボアクチュエータ２を材料試験機の負荷機構のアクチュエータとして用いた例を示したが、本発明のエアサーボアクチュエータ２は、この用途に限定されることなく、任意の加力装置や加振装置等のアクチュエータとして用いることも可能である。

また、ピストン変位規制機構２６の構成についても、上記した実施の形態に限られることなく、要は緊急停止時の信号の発生によりピストン２１ｂの変位を規制すべくロッド２１ｄをシリンダ２１の外部でクランプする機構であれば、他の公知の機構を採用し得ることは勿論である。

本発明の実施の形態の構成図である。 本発明の実施の形態における負荷機構用のアクチュエータとしてのエアサーボアクチュエータ２の外観図で、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は左側面図である。 本発明の実施の形態におけるエアサーボアクチュエータ２のエアシリンダ２１と各弁との接続関係を表す模式図である。 図２（Ｃ）の下端部近傍の拡大図である。 （Ａ）は図４のＡ−Ａ断面図で、エアアクチュエータ２６ａに高圧エアが供給されている状態を示す図であり、（Ｂ）はエアアクチュエータ２６ａに対する高圧エアの供給停止状態を示す図である。

符号の説明

１ 試験機本体
１１ テーブル
１２ コラム
１３ ヨーク
２ エアサーボアクチュエータ
２１ エアシリンダ
２１ａ シリンダ本体
２１ｂ ピストン
２１ｃ，２１ｄ ピストンロッド
２１ｅ，２１ｆ 圧力室
２２ マニホールド
２３ サーボ弁
２４ 供給遮断弁
２５ 連通弁
２６ ピストン変位規制機構
２６ａ エアアクチュエータ
２６ｂ，２６ｃ レバー
２６ｄ 引張コイルバネ
２６ｅ，２６ｆ ピン
２６ｇ，２６ｈ パッド
３ａ，３ｂ 掴み具
４ ロードセル
５ ストロークセンサ
６ 制御装置
７ エア供給源
Ｗ 試験片

Claims (3)

1. 制御信号により弁開度が変化するサーボ弁と、そのサーボ弁を介して供給されるエアによりピストンが変位するエアシリンダを備えたエアサーボアクチュエータにおいて、
   指令信号の入力により上記エアシリンダ内のピストンの両側の圧力室を連通させる連通弁と、上記指令信号の入力により上記サーボ弁に対するエア供給源からのエアの供給を遮断する供給遮断弁と、上記指令信号により動作し、上記ピストンをシリンダ外でクランプで挟み込むことによって当該ピストンの変位を規制する変位規制機構を備えていることを特徴とするエアサーボアクチュエータ。
2. 上記変位規制機構が、弾性部材による付勢力により上記ピストンをシリンダ外で挟み込むクランプと、エアの供給によりその弾性部材の付勢力に抗して上記クランプによるピストンの挟み込みを解除するエアアクチュエータによって構成され、このエアアクチュエータを駆動するエアは、上記供給遮断弁を介してエア供給源から供給されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のエアサーボアクチュエータ。
3. 負荷機構の駆動により試験片にあらかじめ設定されている目標値信号に応じた負荷を加える負荷機構を備えた材料試験機において、
   上記負荷機構のアクチュエータに請求項１または２に記載のエアサーボアクチュエータが用いられ、上記指令信号は、当該材料試験機の制御装置から緊急停止信号として出力されるように構成されていることを特徴とする材料試験機。

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