JP4812802B2 - 振動試験装置、直動アクチュエータ及び直動変換器 - Google Patents

Description

本発明は、所定の方向に被検物を振動させる振動試験装置及び振動試験装置に適した直動アクチュエータ及び直動変換器に関する。

被検物（ワーク）に引張、圧縮、曲げ荷重などを加える試験装置として、特許文献１に記載されているような、サーボモータとボールねじ機構を用いたものが知られている。この試験装置は、サーボモータの回転軸にボールねじを連結し、ボールねじと係合するボールナットにクロスヘッド（可動テーブル）を取り付けたものであり、サーボモータの駆動によってボールねじを回転させて、クロスヘッドと固定端とに取り付けられたワークに荷重を加えるものである。
特開平６−１２９９６９号

このような試験装置において、サーボモータの回転方向を周期的に切り換えながら駆動させると、ボールねじに沿った方向にクロスヘッドを振動させることができる。従って、クロスヘッド上にワークを固定して、上記の如くクロスヘッドを振動させることによってワークを振動させる振動試験を行うことができる。

しかしながら、上記のようにボールねじ機構を直動変換器として使用する場合、特に数Ｈｚ程度の比較的長い周期で且つ大きな加速度振幅でワークを振動させようとすると、ボールねじ機構のボール同士の衝突等によって、スパイク状の衝撃荷重がワークに加わってしまう。このような衝撃荷重がワークに加わると、ワークが意図しない挙動を示す（例えば、衝撃荷重によってワーク内部に欠陥が発生する）可能性がある。従って、ボールねじ機構を直動変換器として使用する振動試験装置は、長周期且つ大加速度振幅でワークを振動させるような振動試験を行う際には使用できなかった。

本発明は上記の目的を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は長周期且つ大加速度振幅でワークを振動させるような振動試験を行うことが可能な振動試験装置提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の振動試験装置は、サーボモータと、サーボモータの回転軸に連結された入力軸であってこの入力軸の外周面の少なくとも一部に角ねじが形成されているものと、角ねじと係合するローラであってこのローラの円筒面がこの角ねじのフランクに当接するよう配置されているものと、レールとこのレールに沿って移動可能に構成されたランナーブロックとを備えたリニアガイド機構と、ローラの軸が固定され且つランナーブロックに固定された連結部材と、ローラの円筒面をこのローラの軸に対して回転可能に支持する円筒ころ軸受であってこの円筒ころ軸受の略全体が角ねじの谷に収納されているものと、連結部材に固定された出力軸と、出力軸に固定された可動テーブルと、サーボモータの回転軸の回転方向を切り換えながらサーボモータを駆動することによって可動テーブルを振動させる制御手段と、を有する。

本発明の振動試験装置においては、上記のように角ねじである送りねじと、この角ねじの山のフランクに当接するローラとを有しており、角ねじを回転させるとローラが角ねじの谷に沿って転がり、ランナーブロックが上下動するようになっている。このように、軸支されたローラを介して出力軸を駆動するようになっているため、角ねじの回転方向を切り換えて振動試験を行う場合であっても、スパイク状のノイズがランナーブロック及び出力軸に入力されることはない。従って、長周期且つ大加速度振幅でワークを振動させるような振動試験が可能となる。また、ローラの円筒面をこのローラの軸に対して回転可能に支持する軸受の略全体が角ねじの谷に収納されているので、軸受にはラジアル方向の荷重が主として加わることになり、曲げ荷重はほとんど加わらない。このため、本発明の構成によれば、ラジアル方向の大荷重に十分耐えられる円筒ころ軸受によって、ローラをスムーズに回転させることができる。

また、振動試験装置がローラを複数有しており、複数のローラに含まれる２つのローラが、角ねじの山を挟むように配置されている構成とすることが好ましい。特に、振動試験装置が、角ねじの山を挟むように配置されている一対のローラをこの山に向けて付勢する付勢手段を有する構成とすると、角ねじの山が上下両方から付勢されることになり、山の弾性変形が防止される。従って、山の弾性変形によって意図しない荷重がローラ及び出力軸に加わることはない。
また、入力軸の少なくとも角ねじの部分、ローラ及び前記出力軸が、潤滑油を満たしたケーシングの中に収納されている構成とすることが好ましい。このような構成とすると、ローラと角ねじとの間の摩擦力を低下させることができるため、ローラをよりスムーズに回転させることができる。

また、本発明により、回転運動を直進運動に変換する直動変換器が提供される。本発明に係る直動変換器は、フレームと、このフレームに対して回転自在に軸支された入力軸と、入力軸の外周面の少なくとも一部に形成された角ねじと、略全体が角ねじの谷間に収納される円筒ころ軸受けを介して角ねじのフランクに当接する円筒面を有するローラを回転自在に軸支する回転軸が植設されたローラユニットと、ローラユニットを前記角ねじの軸方向に沿って摺動自在に直進スライドさせる上記フレームに固定されたレールと、ローラユニットに直接又は間接的に連結された出力軸とを備えている。本発明に係る直動変換器においては、入力軸の回転に伴い、角ねじと係合するローラが角ねじのねじ溝に沿って移動し、ローラユニットがレールに沿って直進運動するのに連動して、出力軸も直進運動する。
また、本発明により、上記の直動変換器と、この直動変換器の入力軸を反転駆動可能な動力装置とを備えた直動アクチュエータが提供される。動力装置にはモータ、特にサーボモータが適している。更に、本発明により、上記の直動アクチュエータの出力軸に固定されたテーブルを駆動して、このテーブルに保持された被検物を振動させる振動試験装置が提供される。

以上のように、本発明によれば、長周期且つ大加速度振幅でワークを振動させるような振動試験を行うことができる振動試験装置が実現される。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。図１は、本実施形態の振動試験装置の正面図である。本実施形態の振動試験装置は、被検物（ワーク）に引張、圧縮、又は曲げ荷重を反復的に加える、或いはワークを振動させることができるようになっている。なお、以下の説明においては、特に図面指定のない限り「上」、「下」、「右」、「左」、「手前」、「奥」といった方向は、図１の正面図を基準に定められる。

図１に示されるように、本実施形態の試験装置１は、ワークＷに荷重を加える又はワークＷを振動させる装置本体１００と、装置本体１００のサーボモータ１２０を駆動するためのサーボアンプ２００と、サーボアンプ２００を制御する制御部３００とを有する。装置本体１００は、フレーム１１０と、サーボモータ１２０と、直動変換器４００と、ロードセル１４０と、変位センサ１５０と、アダプタ１８１及び１８２とを有する。

直動変換器４００は、サーボモータ１２０の回転軸の回転運動を直進方向の運動に変換するためのものである。直動変換器４００はフレーム１１０のテーブル部１１１の上面に固定されており、またサーボモータ１２０の回転軸と連結されている。サーボモータ１２０を駆動すると、直動変換器４００の上部に設けられている可動テーブル１３０がテーブル部１１１に対して上下動するようになっている。この可動テーブル１３０の上にはワークＷを下から保持するための下部アダプタ１８１が取り付けられる。

フレーム１１０の天井１１２の下面からは、上部ステージ１６０が吊り下げられている。また、テーブル部１１１の上面には、図中上方向に伸びる一対のガイドバー１７１が設けられている。上部ステージ１６０は左右方向端部で上下方向に穿孔されて貫通孔１６１が形成されており、この貫通孔１６１に夫々ガイドバー１７１が通されている。このため、上部ステージ１６０はガイドバー１７１に沿って上下方向に移動可能となっている。また、上部ステージ１６０に設けられた図示しないボルトを締めることによって、貫通孔１６１の内径を絞ることが出来るようになっており、これによって、ガイドバー１７１に対して上部ステージ１６０を固定できるようになっている。

上部ステージ１６０の下面には、ワークＷを上から保持するための上部アダプタ１８２が取り付けられる。本実施形態においては、上部アダプタ１８２と下部アダプタ１８１との間でワークＷを保持した状態で可動テーブル１３０を上下動させることによって、ワークＷに荷重を加えることが出来るようになっている。なお、上部及び下部アダプタ１８２、１８１はそれぞれ上部ステージ１６０、可動テーブル１３０に対して着脱可能に構成されており、ワークＷに加えるべき荷重の種類に応じて適切なアダプタを選択可能となっている。図１は、ワークＷに引張荷重を加える構成であるため、上部アダプタ１８２及び下部アダプタ１８１はワークＷを把持するためのチャックである。ワークＷに圧縮荷重を加える際は、ワークＷを上下方向から押さえつけて圧縮できるよう、上部アダプタ１８２の下面及び下部アダプタ１８１の上面が平面状となっているようなアダプタが使用される。三点曲げ試験をおこなう際は、圧縮試験用のアダプタと三点曲げ用の治具とを組み合わせて使用する。

ワークＷを振動させる振動試験を行う場合は、ワークＷを可動テーブル１３０の上に固定する機能を有する下部アダプタ１８１を使用し、上部アダプタ１８２は使用しない。これらのアダプタの使い分けは一例であり、別の種類のアダプタを使用してもよく、また、別の組み合わせ方で使用してもよい。

また、上部ステージ１６０は、フレーム１１０の天井１１２から送りねじ１７５によって吊り下げられている。天井１１２には、送りねじ１７５と係合する回転可能なナット１７３が埋めこまれている。ナット１７３は無端ベルトによって天井１１２に配置されたモータ１７２と連結されており、モータ１７２によって送りねじ１７５の軸回りに回転駆動されるようになっている。また、送りねじ１７５の下端は上部ステージ１６０に固定されたリンク１７４に連結されており、上部ステージ１６０に対して送りねじ１７５はその軸回りに回転しないようになっている。 従って、上部ステージ１６０のボルトを緩めて上部ステージ１６０を移動可能とした状態で、モータ１７２によってナット１７３を回動させることで、送りねじ１７５及びこの送りねじ１７５と連結している上部ステージ１６０を上下方向に駆動することができる。この機能は、ワークＷの寸法に合わせてアダプタ１８１とアダプタ１８２との間隔を調整する際に使用される。アダプタ１８１とアダプタ１８２との間隔を調整した後、試験を行う前にボルトを締めて上部ステージ１６０をガイドバー１７１に固定する。

以上説明した構成において、アダプタ１８１、１８２でワークＷを保持してサーボモータ１２０を駆動すると、ワークＷに引張、圧縮又は曲げ荷重が加わり、その大きさはロードセル１４０によって計測される。また、変位センサ１５０は、下部アダプタ１８１の変位、すなわちワークＷの変形量を検出するセンサ（例えば、ロータリーエンコーダが組み込まれたダイヤルゲージ）である。

本実施形態の振動試験装置１の直動変換器４００の構造につき、以下詳細に説明する。直動変換器４００は、全体として略直方体形状のケーシング４１０と、このケーシングの上面を貫通して上方に突出するリニアコネクティングロッド４６１とを備える。可動テーブル１３０は、このリニアコネクティングロッド４１０の上端に固定されている。また、サーボモータ１２０の回転軸は、カプラ１２３を介して直動変換器４００の入力軸４２０に連結されている。この入力軸４２０の大部分はケーシング４１０内に収められており、入力軸４２０はその回転運動を上下方向の直進運動に変換する直動機構と連結されている。この直動機構の出力である上下方向の運動は、リニアコネクティングロッド４６１に伝達される。従って、サーボモータ１２０を駆動するとリニアコネクティングロッド４６１が上下動する。

次に、ケーシング４１０内に収められている直動機構の構造につき、図面を用いて詳細に説明する。図２は、直動変換器４００の正面図であって、ケーシング４１０の手前側板４１４Ｆ（後述）を切断してケーシング４１０の内部を露出させたものである。図３は、直動変換器４００を右から見た側面図であって、ケーシング４１０の右側板４１３Ｒ（後述）を切断してケーシング４１０の内部を露出させたものである。図４は直動変換器４００の上面図であって、ケーシング４１０の天板４１２（後述）を切断してケーシング４１０の内部を露出させたものである。

なお、図２においては、入力軸４２０を回転可能に支持する上部及び下部軸受４５１、４５２の周囲が断面図として示されている。また、図３においては上部及び下部軸受４５１、４５２の周囲と、リニアコネクティングロッド４６１のオイルシール部分が断面図として示されている。図４においては、入力軸４２０を破線で示している。

まず、ケーシング４１０の構造につき説明する。ケーシング４１０は、底板４１１、天板４１２、左側板４１３Ｌ（図２、図４）、右側板４１３Ｒ（図２、図４）、手前側板４１４Ｆ（図３、図４）及び奥側板４１４Ｂ（図３、図４）をボルト絞め、溶接などで連結して直方体形状としたものである。

底板４１１は、フレーム１１０のテーブル部１１１にボルトにて固定されている。また、底板４１１には、入力軸４２０を通過させるための開口４１１ａが設けられている。また、天板４１２には、上部軸受４５１を取り付けるための開口部４１２ａと、リニアコネクティングロッド４６１を通過させるための開口部４１２ｂ（図３）とが設けられている。

図２に示されるように、底板４１１の左右方向寸法は、右側板４１３Ｒと左側板４１３Ｌとの間隔よりも長く、底板４１１の左右方向両端は右側板４１３Ｒ及び左側板４１３Ｌからフランジ状に左右にはみ出したフランジ部４１１ｂとなっている。このフランジ部４１１ｂにて、図示しないボルトを介して底板４１１はフレーム１１０のテーブル部１１１に固定されている。

右側板４１３Ｒ及び左側板４１３Ｌの外面には、それぞれ奥行方向略中央から垂直に突出したリブ４１５が取り付けられている。リブ４１５は、すみ肉溶接にて右側板４１３Ｒ、左側板４１３Ｌ及び底板４１１に強固に固定されている。

右側板４１３Ｒ及び左側板４１３の略中央部には夫々開口４１３ａが形成されている。この開口部４１３ａは、直動変換器４００の組み立てや点検を行う際に、ケーシング４１０の中にアクセスするために使用される。振動試験装置１を使用する場合は、カバー４１６を右側板４１３Ｒ及び左側板４１３にボルトで固定することにより、この開口４１３ａを塞ぐ。

次いで、入力軸４２０の回転運動をリニアコネクティングロッド４６１の上下運動に変換するための機構を、図２〜図５を参照して説明する。なお、図５は、図４のＩ−Ｉ断面図である。図２に示されているように、入力軸４２０の略中央部には、雄ねじ部４２１が形成されている。この雄ねじ部４２１の左右方向両側には、雄ねじ部４２１と係合する一対のローラユニット４３０Ｌ、４３０Ｒが設けられている。ローラユニット４３０Ｌ、４３０Ｒの夫々は、上部ローラ４３１、下部ローラ４３２、連結プレート４３３及びランナーブロック４３４を有する。上部ローラ４３１及び下部ローラ４３２は、ボルトによって連結プレート４３３に固定されている。更に連結プレート４３３はボルトによってランナーブロック４３４に固定されている。従って、ランナーブロック４３４、連結プレート４３３、上部ローラ４３１及び下部ローラ４３２は一体となっている。

一対のランナーブロック４３４は、夫々右側板４１３Ｒ及び左側板４１３Ｌの内壁にボルトで固定されたレール４３５に係合している（図４）。レール４３５は、上下方向に伸びており（図２、図３）、ランナーブロック４３４を含むローラユニット４３０Ｌ、４３０Ｒの移動方向は上下方向のみに限定される。

次に、上部ローラ４３１及び下部ローラ４３２の支持構造につき説明する。図５に示されるように、上部ローラ４３１及び下部ローラ４３２は、夫々軸部４３１ａ、４３２ａと、この軸部の回りを回転可能なローラ部４３１ｂ、４３２ｂとを有する。なお、図３〜５に示されているように、セットスクリュー４３６によって、軸部４３１ａ、４３２ａが連結プレート４３３に固定されるようになっている。ローラ部４３１ｂ、４３２ｂと軸部４３１ａ、４３２ａとの間には円筒ころ軸受４３１ｃ、４３２ｃが設けられており、これによって、ローラ部４３１ｂ、４３２ｂは軸部４３１ａ、４３２ａの周りを回転できるようになっている。

次に、雄ねじ部４２１とローラユニット４３０Ｌ、４３０Ｒとの係合状態につき説明する。図２及び図５に示されているように、雄ねじ部４２１は、谷４２１ｂの断面形状が略長方形形状となっている、所謂角ねじである。また、ローラ部４３１ｂ、４３２ｂは円筒形状であり、上部ローラ４３１のローラ部４３１ａは雄ねじ部４２１の上側（すなわち山４２１ａの上面側）のフランク４２１ｃに、下部ローラ４３２のローラ部４３２ａは雄ねじ部４２１の下側（すなわち山４２１ａの下面側）のフランク４２１ｄに、夫々密着するように付勢されている（後述）。すなわち、ローラユニット４３０Ｌ、４３０Ｒ夫々のローラ部４３１ｂ、４３２ｂは、雄ねじ部４２１の山４２１ａを挟み込むようになっている。

前述のように、ローラユニット４３０Ｌ、４３０Ｒの移動方向は上下方向のみに制限されており、且つ上部ローラ４３１及び下部ローラ４３２のローラ部４３１ｂ、４３２ｂは夫々入力軸４２０の雄ねじ部４２１のフランク４２１ｃ、４２１ｄに密着している。そのため、サーボモータ１２０（図１）を駆動して入力軸４２０を回転させると、ローラ部４３１ｂ、４３２ｂは夫々雄ねじ部４２１のフランク４２１ｃ、４２１ｄに沿って回動し、ローラユニット４３０Ｌ、４３０Ｒは入力軸４２０の回転方向に応じて上又は下に移動するようになっている。

ローラユニット４３０Ｌ、４３０Ｒのローラ部４３１ｂ、４３２ｂを雄ねじ部４２１のフランク４２１ｃ、４２１ｄに押しつけるための付勢機構につき、以下説明する。図３に示されるように、ローラユニット４３０Ｒの連結プレート４３３の略中央部には開口４３３ａが形成されており、この開口４３３ａから連結プレート４３３の手前側（手前側板４１４Ｆに向う方向）に向ってすり割溝４３３ｂが形成されている。上部ローラ４３１の軸部４３１ａはすり割溝４３３ｂの上側で、また下部ローラ４３２の軸部４３２ａはすり割溝４３３ｂの下側で、夫々連結プレート４３３に固定されている。

連結プレート４３３の上面からすり割溝４３３ｂの上面４３３ｂ１に向って、貫通穴４３３ｃ及び４３３ｄが設けられている。貫通穴４３３ｃ及び４３３ｄは共に上部ローラ４３１の軸部４３１ａよりも手前側に配置されており、且つ、貫通穴４３３ｃは貫通穴４３３ｄよりも手前側に配置される。すり割溝４３３ｂの下面４３３ｂ２において貫通穴４３３ｃと対向する位置には、下方に向う穴４３３ｅが形成されている。

穴４３３ｅには雌ねじが形成されており、第１のボルト４３７ａが貫通穴４３３ｃを通過して穴４３３ｅにねじ込まれている。このため、第１のボルト４３７ａを締めつけると、すり割溝４３３ｂの幅が狭まる方向に連結プレート４３３が付勢される。また、貫通穴４３３ｄにも雌ねじが形成されており、第２のボルト４３７ｂが貫通穴４３３ｄにねじ込まれている。第２のボルト４３７ｂの先端はすり割溝４３３ｂの上面４３３ｂ１を通過して、下面４３３ｂ２に当接している。このため、第２のボルト４３７ｂを締めつけると、すり割溝４３３ｂの幅が広がる方向に連結プレート４３３が付勢される。

このような状態では、図３に示されるように、連結プレート４３３の上面と第１のボルト４３７ａの頭部との当接によってすり割溝４３３ｂの幅が広がらないように規制されると共に、すり割溝４３３ｂの下面４３３ｂ２と第２のボルト４３７ｂとの当接によってすり割溝４３３ｂの幅が広がらないように規制される。このように、第１及び第２のボルト４３７ａ、４３７ｂの締め付けを調整することによって、すり割溝４３３ｂの幅を調整して、上部ローラ４３１と下部ローラ４３２との間隔を調整することができる。ここで、上部ローラ４３１のローラ部４３１ｂと下部ローラ４３２のローラ部４３２ｂとの間隔を、入力軸４２０の雄ねじ部４２１の山４２１ａの幅よりわずかに小さくすると、大きな付勢力をもってフランク４２１ｃ、４２１ｄにローラ部４３１ｂ、４３２ｂを密着させることができる。このように雄ねじ部４２１のフランク４２１ｃ、４２１ｄにローラ部４３１ｂ、４３２ｂを密着させているので、入力軸４２０を回転させた時にローラ部４３１ｂ、４３２ｂががたつくことなく、スムーズに回転する。

ローラユニット４３０Ｌのローラ部４３１ｂ、４３２ｂもまた、ローラユニット４３０Ｒと同様の構成によって、入力軸４２０の雄ねじ部４２１のフランク４２１ｃ、４２１ｄに密着するよう付勢される。

本実施形態においては、雄ねじ部４２１の山４２１ａが一対のローラ４３１、４３２に挟まれるため、一方のローラから荷重が加わったとしても他方のローラによって雄ねじ部４２１の山４２１ａの変形が妨げられ、結果として山４２１ａが撓みにくくなっている。このため、入力軸４２０を大きな角加速度で回転させても、山４２１ａの撓みによってローラユニット４３０Ｒの位置ずれが発生することはない。

前述のように、ローラ部４３１ｂ、４３２ｂは円筒ころ軸受４３１ｃ、４３２ｃによって軸部４３１ａ、４３２ａに対して回転可能に支持されるようになっている。円筒ころ軸受のころは、ラジアル方向に加わる大きな圧縮荷重に十分耐えられるようになっている一方、ラジアル方向に加わるせん断荷重に対しては、比較的に小さい荷重で変形又は破損してしまうという特性を有する。このため、本実施形態においては、ころにせん断方向の荷重が加わらないようにしている。

具体的には、図３に示されるように、円筒ころ軸受４３１ｃ、４３２ｃのそのほとんどの部分が雄ねじ部４２１の谷４２１ｂの中に入り込む構成として、円筒ころ軸受４３１ｃ、４３２ｃにせん断荷重がほとんど加わらないようにしている。円筒ころ軸受４３１ｃ、４３２ｃの先端部のみが雄ねじ部４２１の谷４２１ｂの中に入った構成では、山４２１ａの先端部と当接する部分において、円筒ころ軸受４３１ｃ、４３２ｃにせん断荷重が加わることになり、ころにせん断方向の大荷重が加わることになる。一方、本実施形態においては、円筒ころ軸受４３１ｃ、４３２ｃがその軸方向の略全域に亙って雄ねじ部４２１の山４２１ａと係合しているため、円筒ころ軸受４３１ｃ、４３２ｃが雄ねじ部４２１の山４２１ａから受ける荷重は専らラジアル方向の圧縮荷重となり、ころにせん断方向の荷重はほとんど加わらない。このため、ローラ部４３１ｂ、４３２ｂと雄ねじ部４２１の山４２１ａとの間に大荷重が働いている状態であっても、円筒ころ軸受４３１ｃ、４３２ｃはこの大荷重に十分耐えられるため、ローラ部４３１ｂ、４３２ｂはスムーズに回転することができる。

連結プレート４３３には、ロッド連結ブロック４３８（図３、図４）が固定されており、このロッド連結ブロック４３８にリニアコネクティングロッド４６１の下端４６１ａが把持されるようになっている。リニアコネクティングロッド４６１の把持構造につき以下説明する。

図３及び４に示されるように、ロッド連結ブロック４３８には上下方向に貫通する円形断面の貫通孔４３８ａが設けられている。この貫通孔４３８ａの直径は、リニアコネクティングロッド４６１の下端４６１ａの直径よりもわずかに大きい程度である。また、この貫通孔４３８ａの内周面から、ロッド連結ブロック４３８の先端（ローラユニット４３０Ｌにおいては右端であり、ローラユニット４３０Ｒにおいては左端）に向うすり割溝４３８ｂが設けられている。さらに、ロッド連結ブロック４３８において、すり割溝４３８ｂと直交する貫通孔４３８ｃ及び４３８ｄが形成されている。貫通孔４３８ｃと４３８ｄとは、すり割溝４３８ｂを挟んで対向する位置に形成されており、且つ入力軸４２０に対して近位となる貫通孔４３８ｄには、雌ねじが形成されている。このため、貫通孔４３８ａにリニアコネクティングロッド４６１を通し、次いでボルトを貫通孔４３８ｃに通して貫通孔４３８ｄにねじ込むと、貫通孔４３８ａの直径が小さくなるようにロッド連結ブロック４３８が変形して、コネクティングロッド４６１の下端４６１ａがロッド連結ブロック４３８に締めつけられる。これによって、コネクティングロッド４６１がロッド連結ブロック４３８に固定される。このため、サーボモータ１２０（図１）によって入力軸４２０を回転させることによって、コネクティングロッド４６１を上下動させることができる。また、入力軸４２０の回転方向を周期的に切り換えるよう制御することによって、コネクティングロッド４６１及びコネクティングロッド４６１の上端に固定された可動テーブル１３０を上下方向に振動させることができる。

図２に示されるように、ケーシング４１０の天板４１２の下面には上限検知センサ４４１が、底板４１１の上面には下限検知センサ４４２が設けられている。上限検知センサ４４１、下限検知センサ４４２は共に近接センサである。上限検知センサ４４１は右側のローラユニット４３０Ｒの上端が近接したことを、また下限検知センサ４４２は左側のローラユニット４３０Ｌの下端が近接したことを検知するものである。本実施形態においては、上限検知センサ４４１または下限検知センサ４４２が、ローラユニット４３０Ｒ、４３０Ｌの近接を検知すると、サーボモータを緊急停止させるようになっている。

本実施形態においては、ケーシング４１０の内部が潤滑油で満たされている。このため、上部及び下部ローラ４３１、４３２と入力軸４２０の雄ねじ部４２１との間の摩擦、及びランナーブロック４３４とレール４３５との間の摩擦が軽減される。

入力軸４２０の支持機構につき、以下説明する。図２に示されるように、入力軸４２０はその上端で玉軸受である上部軸受４５１によって回転可能に支持されるとともに、底板４１１の開口４１１ａの位置において組合せアンギュラ玉軸受である下部軸受４５２によって回転可能に支持される。

図２に示されるように、入力軸４２０の上端には、その径が小さくなる段差部４２２が形成されており、上部軸受４５１はその内輪が段差部４２２の上に乗るように取り付けられている。また、入力軸４２０の上端には止め輪４２３が嵌め込まれるようになっており、玉軸受４５１の内輪は段差部４２２と止め輪４２３に挟まれることによって上下方向に動かないように固定される。一方、天板４１２の開口４１２ａは上部軸受４５１の外輪に対してしまりばめとなっており、上部軸受４５１の外輪は天板４１２の開口４１２ａに嵌め込まれる。

本実施形態においては、前述のようにケーシング４１０の内部が潤滑油で満たされているため、潤滑油が洩れないよう、天板４１２の開口４１２ａはカバー４５３によって覆われる。カバー４５３は、ボルトによって天板４１２に固定されるようになっている。また、カバー４５３において開口４１２ａの内周面と当接する面には、円周溝４５３ａが設けられており、ここに取り付けられた図示しないＯリングによって、カバー４５３と開口４１２ａの隙間からの潤滑油の漏出を防止している。

次いで、下部軸受４５２の取り付け構造につき説明する。入力軸４２０において、底板４１１の上面よりやや高い位置には、下に向って径が小さくなる段差部４２４が形成されている。下部軸受４５２の内輪の上面は、この段差部に当接するよう配置されている。また、入力軸４２０の段差部４２４よりも下の外周面には、雄ねじ部４２５が形成されている。この雄ねじ部４２５にカラー４５６をねじ込むことにより、下部軸受４５２の内輪は下方から支持される。このように、下部軸受４５２の内輪は、段差部４２４とカラー４５６に挟まれることによって上下方向に動かないように固定される。

前述のように、下部軸受４５２は組合せアンギュラ玉軸受であり、スラスト方向にも荷重を受ける。このため、上部軸受４５１とは異なり、内輪、外輪の双方が上下方向に動かないように固定される必要がある。図２に示されるように、底板４１１の開口４１１ａには下部軸受４５２の外輪を下から支持するための軸受支持部材４５５が取り付けられている。軸受支持部材４５５は、中央に入力軸４２０を通すための貫通孔４５５ｃが形成された筒状の部材であり、その下端にはフランジ部４５５ａが設けられている。このフランジ部４５５ａをボルトで底板４１１の下面に固定することによって、軸受支持部材４５５は底板４１１に固定される。また、軸受支持部材４５５の外周面において開口４１１ａの内周と対向する位置には、円周溝４５５ｂが設けられており、ここに取り付けられた図示しないＯリングによって、軸受支持部材４５５と開口４１１ａの隙間からの潤滑油の漏出を防止している。

また、軸受支持部材４５５の貫通孔４５５ｃには、その内径が上に向って大きくなるような段差部４５５ｄが形成されている。貫通孔４５５ｃの段差部４５５ｄより上方の部分は下部軸受４５２の外輪に対してしまりばめとなっており、ここに下部軸受４５２の外輪が嵌め込まれる。また、貫通孔４５５ｃの段差部４５５ｄよりの下方の部分の径は下部軸受４５２の外輪の内径と略等しく、段差部４５５ｄによって下部軸受４５２の外輪が下方から支持されるようになっている。

軸受支持部材４５５の上端には、軸受止め４５４がねじ止めされている。軸受止め４５４は穴開き円盤状の部材であり、穴の内径は下部軸受４５２の外輪の内径と略等しい。また、段差部４５５ｄから軸受支持部材４５５の上端までの高さは、下部軸受４５２の高さと等しいか、わずかに小さくなっており軸受止め４５４を軸受支持部材４５５にねじ止めすることによって、下部軸受４５２の外輪は、軸受止め４５４と軸受支持部材４５５の段差部４５５ｄとに挟まれることによって上下方向に動かないように固定される。

前述のようにケーシング４１０の内部が潤滑油で満たされているため、入力軸４２０と軸受支持部材４５５の貫通孔４５５ｃとの間の隙間から潤滑油が洩れないよう、オイルシール４５８が設けられている。オイルシール４５８は、穴開き円盤状の部材であるオイルシール取り付け部材４５７の穴の部分に嵌め込まれている。そして、オイルシール取り付け部材４５７はボルトによって軸受支持部材４５５の下面に固定されている。なお、軸受支持部材４５５の下面と対向するオイルシール取り付け部材４５７部材の上面には円環状の溝４５７ａが形成されており、ここに図示しないＯリングを取り付けることによって軸受支持部材４５５の下面とオイルシール取り付け部材４５７部材の上面との間の隙間からの潤滑油の漏れを防止する。オイルシール４５８は、その内周が入力軸４２０の外周と摺動するよう構成されており、低摩擦で入力軸４２０を回転させると共に、オイルシール４５８の内周と入力軸４２０の外周との間からの潤滑油の漏出を防止する。

前述のようにリニアコネクティングロッド４６１はケーシング４１０の天板４１２から上方に突出している（図３）。そのため、本実施形態においては、リニアコネクティングロッド４６１と天板４１２の隙間からの潤滑油の漏出を防止するため、オイルシール付きのカバー４６４が設けられている。カバー４６４の構成につき、以下説明する。

図３に示されるように、リニアコネクティングロッド４６１は、天板４１２のやや下の位置でブシュ４６２によって支持されている。ブシュ４６２の内周はリニアコネクティングロッド４６１の外周と摺動可能に構成されている。ブシュ４６２は、ブシュ取り付け部材４６３及びカバー４６４によって、天板４１２に固定される。ブシュ取り付け部材４６３は、カバー４６４ごと天板４１２に図示しないボルトにて固定されている。ブシュ取り付け部材４６３は、その中にブシュ４６２が嵌め込まれるようになっている円筒形状の部材であり、その下端には半径方向内側に向って広がる段差部４６３ａが設けられている。この段差部４６３ａの上面とブシュ４６２の下面とが当接して、ブシュ４６２は下方から支持される。また、カバー４６４はその中にリニアコネクティングロッド４６１が通過するような円筒形状の部材であり、その内径はブシュ４６２の外形よりも小さい。このため、ボルトによってカバー４６４とブシュ取り付け部材４６３とが一体化すると、カバー４６４の下面とブシュ取り付け部材４６３の段差部４６３ａの上面との間でブシュ４６２が挟まれて固定される。

ブシュ４６２の外周には、円環状の溝４６２ａが設けられており、ここに図示しないＯリングを取り付けることによってブシュ４６２の外周とブシュ取り付け部材４６３の内周との間の隙間からの潤滑油の漏れを防止する。同様に、ブシュ取り付け部材４６３の内周と対向するカバー４６４の外周には円環状の溝４６４ｂが形成されており、ここに図示しないＯリングを取り付けることによってブシュ取り付け部材４６３の内周とカバー４６４の外周との間の隙間からの潤滑油の漏れを防止する。

また、カバー４６４の内周にも円環状の溝４６４ａが形成されており、この溝４６４ａにオイルシールが取り付けられる。リニアコネクティングロッド４６１の外周は、このオイルシールと摺動しながら上下動し、オイルシールによって摺動面からの潤滑油の漏出が防止される。

次に、本実施形態のランナーブロック４３４及びレール４３５の構成につき、図面を用いて詳細に説明する。図６は、ランナーブロック４３４及びレール４３５を、レール４３５の長軸方向に垂直な一面で切断した断面図であり、図７は図６のＩＩ−ＩＩ断面図である。図６及び図７に示されるように、ランナーブロック４３４にはレール４３５を囲むように凹部が形成されており、この凹部にはレール４３５の軸方向に延びる４本の溝４３４ａ、４３４ａ’が形成されている。この溝４３４ａ、４３４ａ’には、多数のステンレス鋼製のボール４３４ｂが収納されている。レール４３５には、ランナーブロック４３４の溝４３４ａ、４３４ａ’と対向する位置にそれぞれ溝４３５ａ、４３５ａ’が設けられており、ボール４３４ｂが溝４３４ａと溝４３５ａ、又は溝４３４ａ’と溝４３５ａ’との間に挟まれるようになっている。溝４３４ａ、４３４ａ’、４３５ａ、４３５ａ’の断面形状は円弧状であり、その曲率半径はボール４３４ｂの半径と略等しい。このため、ボール４３４ｂは、あそびのほとんど無い状態で溝４３４ａ、４３４ａ’、４３５ａ、４３５ａ’に密着する。

ランナーブロック４３４の内部には、溝４３４ａの夫々と略平行なボール退避路４３４ｃが４本設けられている。図７に示されるように、溝４３４ａと退避路４３４ｃとは、夫々の両端でＵ字路４３４ｄを介して接続されており、溝４３４ａ、溝４３５ａ、退避路４３４ｃ、Ｕ字路４３４ｄは、ボール４３４ｂを循環させるための循環路を形成する。退避路４３４ｃ及び溝４３４ａ’及び４３５ａ’についても、同様の循環路が形成されている。

このため、ランナーブロック４３４がレール４３５に対して移動すると、多数のボール４３４ｂが溝４３４ａ、４３４ａ’、４３５ａ、４３５ａ’を転がりながら循環路を循環する。このため、レール軸方向以外の方向に大荷重が加わっていたとしても、多数のボールでランナーブロックを支持可能であると共にボール４３４ｂが転がることによりレール軸方向の抵抗が小さく保たれるので、ランナーブロック４３４をレール４３５に対してスムーズに移動させることができる。なお、退避路４３４ｃ及びＵ字路４３４ｄの内径は、ボール４３４ｂの径よりやや大きくなっており、退避路４３４ｃ及びＵ字路４３４ｄとボール４３４ｂとの間に発生する摩擦力はごくわずかであり、それによってボール４３４ｂの循環が妨げられることはない。

図示されているように、溝４３４ａと４３５ａに挟まれた二列のボール４３４ｂの列は、接触角が略４５°となる、正面組合せ型のアンギュラ玉軸受を形成する。この場合の接触角は、溝４３４ａ及び４３５ａがボール４３４ｂと接触する接触点同士を結んだ線と、リニアガイドのラジアル方向（ランナーブロックからレールに向かう方向）とがなす角度である。このように形成されたアンギュラ玉軸受は、逆ラジアル方向（レールからランナーブロックに向かう方向）及び横方向（ラジアル方向及びランナーブロックの進退方向の双方に直交する方向。図中左右方向）の荷重を支持することができる。

同様に、溝４３４ａ’と４３５ａ’に挟まれた二列のボール４３４ｂの列は、接触角（溝４３４ａ’及び４３５ａ’がボール４３４ｂと接触する接触点同士を結んだ線と、リニアガイドの逆ラジアル方向との角度）が４５°となる、正面組合せ型のアンギュラ玉軸受を形成する。このアンギュラ玉軸受は、ラジアル方向及び横方向の荷重を支持することができる。

また、溝４３４ａと４３５ａの一方（図中左側）と、溝４３４ａ’と４３５ａ’の一方（図中左側）にそれぞれ挟まれた二列のボール４３４ｂの列もまた、正面組み合わせ型のアンギュラ玉軸受を形成する。同様に溝４３４ａと４３５ａの他方（図中左側）と、溝４３４ａ’と４３５ａ’の他方（図中左側）にそれぞれ挟まれた二列のボール４３４ｂの列もまた、正面組合せ型のアンギュラ玉軸受を形成する。

このように、本実施形態においては、ラジアル方向、逆ラジアル方向、横方向のそれぞれに働く荷重に対して、正面組合せ型のアンギュラ玉軸受が支持することになり、レール軸方向以外の方向に加わる大荷重を十分支持できるようになっている。

以下、本実施形態の振動試験装置による試験結果を示す。図８は、本実施形態の振動試験装置１を加速度振幅０．７Ｇ、周波数５Ｈｚで駆動した時に、可動テーブル１３０の上に取り付けられた振動ピックアップによって計測された振動波形である。図示されているように、本実施形態の振動試験装置においては、ノイズの少ない（正弦波に近い）加速度波形で可動テーブル１３０を加振できることが分る。

比較例として、本実施形態の直動変換器４００の代わりに送りねじ機構を直動変換機構として使用した振動試験装置による試験結果を示す。図９は、比較例の振動試験装置を加速度振幅０．７Ｇ、周波数５Ｈｚで駆動した時に、可動テーブルの上に取り付けられた振動ピックアップによって計測された振動波形である。図示されているように、比較例の振動試験装置においては、ボールねじ機構のボール同士の衝突などによって発生したスパイクノイズが生じており、正弦波に近い加速度波形で可動テーブルを加振できないことが分る。

本発明の実施の形態の振動試験装置の正面図である。 本発明の実施の形態の振動試験装置の直動変換器の正面図である。 本発明の実施の形態の振動試験装置の直動変換器の右側面図である。 本発明の実施の形態の振動試験装置の直動変換器の上面図である。 図４のＩ−Ｉ断面図である。 本発明の実施の形態において、ランナーブロック及びレールをレールの長軸方向に垂直な一面で説明した断面図である。 図６のＩＩ−ＩＩ断面図である。 本実施形態の振動試験装置による試験結果を示したグラフである。 比較例の振動試験装置による試験結果を示したグラフである。

符号の説明

１ 振動試験装置
１００ 装置本体
１２０ サーボモータ
１３０ 可動テーブル
２００ サーボアンプ
３００ 制御部
４００ 直動変換器
４１０ ケーシング
４２０ 入力軸
４２１ 雄ねじ部
４２１ａ 山
４２１ｂ 谷
４３０Ｌ、４３０Ｒ ローラユニット
４３１ 上部ローラ
４３１ａ、４３２ａ 軸部
４３１ｂ、４３２ｂ ローラ部
４３１ｃ、４３２ｃ 円筒ころ軸受
４３２ 下部ローラ
４３３ 連結プレート
４３３ｂ すり割溝
４３３ｃ、４３３ｄ 貫通孔
４３３ｅ 穴
４３４ ランナーブロック
４３５ レール
４３７ａ 第１のボルト
４３７ｂ 第２のボルト
４５１ 上部軸受
４５２ 下部軸受
４５３ カバー
４５７ オイルシール取り付け部材
４５８ オイルシール
４６１ リニアコネクティングロッド
４６３ オイルシール
Ｗ ワーク

Claims (17)

1. サーボモータと、
   少なくとも一部に角ねじが形成された外周面を有し、前記サーボモータの回転軸に連結された入力軸と、
   前記角ねじのフランクに当接する円筒面を有し、該角ねじと係合するローラと、
   レールと該レールに沿って移動可能に構成されたランナーブロックとを備えたリニアガイド機構と、
   前記ローラの軸が固定され且つ前記ランナーブロックに固定された連結部材と、
   前記ローラの円筒面を該ローラの軸に対して回転可能に支持する円筒ころ軸受であって該円筒ころ軸受の略全体が前記角ねじの谷に収納されているものと、
   前記連結部材に固定された出力軸と、
   前記出力軸に固定された可動テーブルと、
   前記サーボモータの回転軸の回転方向を切り換えながら前記サーボモータを駆動することによって前記可動テーブルを振動させる制御手段と、
   を有する振動試験装置。
2. 前記ローラを複数有しており、
   前記複数のローラに含まれる一対のローラが、前記角ねじの山を挟むように配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の振動試験装置。
3. 前記一対のローラを前記角ねじの山に向けて付勢する付勢手段を有することを特徴とする、請求項２に記載の振動試験装置。
4. 前記連結部材が、前記一対のローラの軸が固定されるローラ支持プレートを有し、
   前記ローラ支持プレートが、前記一対のローラの間に形成されたすり割溝を有し、
   前記付勢手段が、前記すり割溝の間隔を調整することによって、前記一対のローラの間隔及び該一対のローラを前記角ねじの山に向けて付勢する荷重を調整することを特徴とする、請求項３に記載の振動試験装置。
5. 前記付勢手段が、
   前記ローラ支持プレートの一端から前記すり割溝に向って穿孔されている第１の貫通孔と、
   前記ローラ支持プレートの一端から前記すり割溝に向って穿孔されており、内周に雌ねじが形成されている第２の貫通孔と、
   前記すり割溝を介して前記第１の貫通孔と対向し、前記ローラ支持プレートの他端に向って延びる雌ねじ穴と、
   前記第１の貫通孔を通過して前記雌ねじ穴にねじ込まれる第１のボルトと、
   前記第２の貫通孔にねじ込まれる第２のボルトと、を有し、
   前記第１のボルトの頭部が前記ローラ支持プレートの一端を圧迫して前記すり割溝の幅を狭める方向の荷重を該ローラ支持プレートに加えると共に、前記第２のボルトの先端部が前記ローラ支持プレートの他端を圧迫して前記すり割溝の幅を広げる方向の荷重を該ローラ支持プレートに加えることを特徴とする、請求項４に記載の振動試験装置。
6. 前記入力軸の少なくとも角ねじの部分、前記ローラ及び前記出力軸が、潤滑油を満たしたケーシングの中に収納されていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の振動試験装置。
7. 前記ケーシングにおいて前記入力軸や前記出力軸を通過させるための開口と、前記入力軸及び前記出力軸との間には、潤滑油の漏出を防止するためのオイルシールが設けられていることを特徴とする、請求項６に記載の振動試験装置。
8. 回転運動を直進運動に変換する直動変換器であって
   フレームと、
   前記フレームに対して回転自在に軸支された入力軸と、
   前記入力軸の外周面の少なくとも一部に形成された角ねじと、
   略全体が前記角ねじの谷間に収納される円筒ころ軸受けを介して、前記角ねじのフランクに当接する円筒面を有するローラを、回転自在に軸支する回転軸が植設されたローラユニットと、
   前記フレームに固定された、前記ローラユニットを前記角ねじの軸方向に沿って摺動自在に直進スライドさせるレールと、
   前記ローラユニットに直接又は間接的に連結された出力軸と
   を備え、
   前記入力軸の回転に伴い、前記角ねじと係合する前記ローラが、該角ねじのねじ溝に沿って移動し、前記ローラユニットが前記レールに沿って直進運動するのに連動して、前記出力軸も直進運動することを特徴とする直動変換器。
9. 前記ローラを複数備え、該複数のローラに含まれる一対のローラが、前記角ねじの山を挟むように配置されていることを特徴とする、請求項８に記載の直動変換器。
10. 前記一対のローラを前記角ねじの山に向けて付勢する付勢手段を有することを特徴とする、請求項９に記載の直動変換器。
11. 前記ローラユニットが、前記一対のローラの間に形成されたすり割溝を有し、
    前記付勢手段が、前記すり割溝の間隔を調整することによって、前記一対のローラの間隔及び該一対のローラを前記角ねじの山に向けて付勢する荷重を調整することを特徴とする、請求項１０に記載の直動変換器。
12. 前記付勢手段が、
    前記ローラユニットの一端から前記すり割溝に向って穿孔されている第１の貫通孔と、
    前記ローラユニットの一端から前記すり割溝に向って穿孔されており、内周に雌ねじが形成されている第２の貫通孔と、
    前記すり割溝を介して前記第１の貫通孔と対向し、前記ローラ支持プレートの他端に向って延びる雌ねじ穴と、
    前記第１の貫通孔を通過して前記雌ねじ穴にねじ込まれる第１のボルトと、
    前記第２の貫通孔にねじ込まれる第２のボルトと、
    を有し、
    前記第１のボルトの頭部が前記ローラユニットの一端を圧迫して前記すり割溝の幅を狭める方向の荷重を該ローラユニットに加えると共に、前記第２のボルトの先端部が前記ローラユニットの他端を圧迫して前記すり割溝の幅を広げる方向の荷重を該ローラユニットに加えることを特徴とする、請求項１１に記載の直動変換器。
13. 前記フレームは、前記角ねじ、前記ローラユニット及び前記レールを収納するケーシング本体を有し、
    前記ケーシング本体内は、潤滑油に満たされていることを特徴とする、請求項８に記載の直動変換器。
14. 請求項８から１３のいずれか一項に記載の直動変換器と、前記直動変換器の入力軸を反転駆動可能な動力装置とを備えた直動アクチュエータ。
15. 前記動力装置はモータであることを特徴とする請求項１４に記載の直動アクチュエータ。
16. 前記モータはサーボモータであることを特徴とする請求項１５に記載の直動アクチュエータ。
17. 直動アクチュエータの出力軸に固定されたテーブルを駆動して、該テーブルに保持された被検物を振動させる振動試験装置において、
    前記直動アクチュエータは請求項１４から１６のいずれか一項に記載の直動アクチュエータであることを特徴とする振動試験装置。
    

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