JP4940980B2

JP4940980B2 - 流体力測定装置及び流体力の測定方法

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Publication number: JP4940980B2
Application number: JP2007028241A
Authority: JP
Inventors: 長城邵; 昭彦奥村; 友宏仁科; 利貴加藤; 保小畑
Original assignee: Aisin AW Co Ltd
Current assignee: Aisin AW Co Ltd
Priority date: 2007-02-07
Filing date: 2007-02-07
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2027-02-07
Also published as: JP2008191095A

Description

本発明は、流体力測定装置及び流体力の測定方法に関する。

従来、流体力測定装置としては、スプール弁を固定し、このスプール弁の本体に挿入され流体の流量および圧力を調節するスプールに作用する流体力を測定するものが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。この非特許文献１に記載された装置は、スプール弁を固定し、このスプール弁の本体に流体の流量および圧力を調節する摺動部が形成されたスプールを挿入し、挿入したスプールが本体に接触しないよう静圧軸受により軸支し、このスプールの両端にロードセルを配置し、プリロードをかけてスプールを固定したのち流体を弁内に流通させ、ロードセルで計測された荷重の差分を求めることにより、スプールに作用するスプール軸方向の一方向の流体力を測定する。
スプール弁に作用する流体力の解析（第１報，弁内流れと運動量流速の周方向の非一様性）日本機械学会論文集（Ｂ編）６５巻６３９号３９〜４７頁（１９９９年１１月）

しかしながら、この特許文献１に記載された流体力測定装置では、スプールの軸方向に作用する力しか測定できなかった。スプール弁など、内部を流通する流体が部材に力を作用するものでは、内部の流体の流れが三次元的になることが多く、軸方向の力を測定できるのみでは、流体の流れにより挿入部材に作用する力の解析を十分に行うことができなかった。

本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、流体の流れにより挿入部材に作用する力の解析を十分に行うことができる流体力測定装置及び流体力の測定方法を提供することを目的とする。

本発明は、上述の目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の流体力測定装置は、
流体が流通可能な測定対象の本体に挿入された挿入部材に、該本体を流通する流体が作用する力を測定する流体力測定装置であって、
前記測定対象の本体を固定する固定部と、
前記固定部に固定された本体に挿入された前記挿入部材の先端に当接し該挿入部材を支持する支持部と、
前記固定部に固定されると共に前記支持部が設けられ座標軸としてのＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各方向へ該支持部を移動し任意の位置で該支持部を固定可能な３方向移動手段と、
前記３方向移動手段と前記支持部との間に設けられ前記Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各方向へ前記挿入部材に前記本体を流通する流体が作用する力を測定する３分力測定手段と、
を備えたものである。

この流体力測定装置では、測定対象の本体を固定部に固定し、この固定された本体に挿入された挿入部材の先端に支持部を当接させてこの挿入部材を支持させ、座標軸としてのＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各方向へ移動し支持部を任意の位置で固定し、本体を流通する流体により挿入部材へ力を作用させ、この作用した力をＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各方向について測定する。このように、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各方向へ挿入部材を移動可能であると共に、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各方向へ挿入部材に作用する力を測定可能である。したがって、流体の流れにより挿入部材に作用する力の解析を十分に行うことができる。

本発明の流体力測定装置において、前記３方向移動手段は、前記Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各方向の位置を測定可能な３方向マイクロメータであるものとしてもよい。こうすれば、マイクロメータを用いてＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各方向に比較的容易に移動することができるし、支持部を正確に移動することができる。

本発明の流体力測定装置において、前記３方向移動手段は、前記座標軸のうち前記挿入部材が前記本体に挿入される軸方向の操作量に対する移動距離が他の軸方向の操作量に対する移動距離に比して大きいものとしてもよい。こうすれば、挿入部材を固定したり、本体と挿入部材との相対位置を変更する際に、比較的小さな操作量で支持部の移動を行うことができる。

本発明の流体力測定装置において、前記支持部は、前記挿入部材の先端に線接触又は点接触する先端部が形成されているものとしてもよい。こうすれば、挿入部材が傾いたり、３方向移動手段によって支持部を３方向に移動したりしても、支持部が挿入部材の先端に面接触するものに比して、滑らかに挿入部材を支持することができる。このとき、前記挿入部材は、その先端面に該挿入部材が前記本体に挿入される挿入方向に挿入穴が設けられ、該先端面と該挿入穴の壁面との間が連続するなめらかな曲面に形成されており、前記支持部は、前記挿入部材に向かって尖った先端部が形成され該先端部が前記挿入部材の曲面に当接し該挿入部材を支持するものとしてもよい。こうすれば、支持部の先端が挿入部材の曲面に当接して挿入部材を支持するため、比較的簡単な構成で滑らかに挿入部材を支持することができる。あるいは、前記挿入部材は、前記支持部に向かって尖った針状部が形成されており、前記支持部は、前記挿入部材側の先端面に前記針状部の一部が挿入する挿入穴が設けられ該先端面と該挿入穴の壁面との間が連続するなめらかな曲面に形成された先端部を備えており該曲面に前記挿入部材の針状部が当接し該挿入部材を支持するものとしてもよい。こうしても、支持部の曲面が挿入部材の針状部に当接して挿入部材を支持するため、比較的簡単な構成で滑らかに挿入部材を支持することができる。

本発明の流体力測定装置において、前記支持部、前記３方向移動手段及び前記３分力測定手段は、前記挿入部材の一端側と他端側とに各々設けられているものとしてもよい。こうすれば、挿入部材の両端が３方向に移動可能であるため、自由度が高い。また、両端で挿入部材に作用する力を測定可能であるため、流体の流れにより挿入部材に作用する力の解析をより十分に行うことができる。

本発明の流体力測定装置は、前記流体の温度を調節して貯蔵する貯蔵部と前記本体へ前記流体を供給する供給部とを有する流体供給部、を備えたものとしてもよい。こうすれば、流体の温度を調節することにより、挿入部材へ作用する力をより精度よく測定することができる。また、望みの温度の流体により、挿入部材へ作用する力を測定することができる。

本発明の流体力測定装置は、前記３分力測定手段の測定結果に基づいて前記挿入部材に該本体を流通する流体が作用する前記座標軸の各方向の力を計算し、該計算結果を操作者へ出力する出力手段、を備えたものとしてもよい。こうすれば、出力された測定結果を利用しやすい。このとき、前記出力手段は、画像を表示する表示出力手段としてもよいし、印刷媒体に画像を印刷する印刷出力手段としてもよい。

本発明の流体力測定装置において、前記測定対象はスプール弁であり、前記挿入部材は前記スプール弁の本体に挿入され前記流体の流量および圧力を調節する摺動部が形成されたスプールであるものとしてもよい。スプール弁は、そのスプールに流体により力が作用するものであるため、本発明を適用する意義が高い。

本発明の流体力の測定方法は、
上述したいずれかに記載の流体力測定装置を利用した流体力の測定方法であって、
前記固定部に前記測定対象の本体を固定し、該本体に前記挿入部材を挿入し該挿入した挿入部材を予め定めた挿入方向となる所定位置で前記支持部に支持させる固定支持工程と、
前記本体と前記挿入部材とが接触しないよう前記３方向移動手段を操作し前記挿入方向以外の方向への調節を行い該挿入部材を固定する調節固定工程と、
前記流体を前記本体に流通させ前記３分力測定手段により前記Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各方向へ前記挿入部材に前記本体を流通する流体が作用する力を測定する測定工程と、
を含むものである。

この流体力の測定方法では、固定部に測定対象の本体を固定し、この本体に挿入部材を挿入しこの挿入した挿入部材を予め定めた挿入方向となる所定位置で支持部に支持させ、本体と挿入部材とが接触しないよう３方向移動手段を操作し挿入方向以外の方向への調節を行いこの挿入部材を固定し、流体を本体に流通し、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各方向へ挿入部材に本体を流通する流体が作用する力を測定する。このように、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各方向へ挿入部材を移動可能であると共に、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各方向へ挿入部材に作用する力を測定可能である。したがって、流体の流れにより挿入部材に作用する力の解析を十分に行うことができる。なお、この流体力測定装置の使用方法において、上述した流体力測定装置の種々の態様を採用してもよいし、また、上述した流体力測定装置の各機能を実現するような工程を追加してもよい。

本発明の流体力の測定方法において、前記調節固定工程では、前記挿入方向以外の方向へ前記支持部を移動するよう前記３方向移動手段を操作し、前記本体と前記挿入部材とが接触して生じる力を前記３分力測定手段によって測定し、該測定した力が値０となる範囲のうちいずれかの位置に前記３方向移動手段を固定するものとしてもよい。こうすれば、３方向移動手段と３分力測定手段とを利用して本体と挿入部材とが接触しないように固定することが可能であるため、本体と挿入部材とが接触しないようにするための別の構成を必要としない。また、測定した力が値０である位置に固定するため、比較的簡便に本体と挿入部材とが接触しないようにすることができる。ここで「測定した力が値０」とは、測定した力が実質的に値０と見なせる、値０を含む所定範囲としてもよい。このとき、測定した力が値０である範囲のうち中間の位置に３方向移動手段を固定することが好ましい。なお、挿入部材の両端に支持部を当接する態様を採用した流体力測定装置では、一端側でこの操作を行ったのちに他端側でもこの操作を行うことが好ましく、この一端側と他端側との操作を更に複数回行うことが、より好ましい。

本発明の流体力の測定方法は、前記測定工程の前に前記本体に流通させる流体の温度を予め調節する温度調節工程、を含むものとしてもよい。こうすれば、流体の温度を測定前に調節しておくことにより、挿入部材へ作用する力をより精度よく測定することができる。また、望みの温度の流体により、挿入部材へ作用する力を測定することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例を用いて説明する。

次に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施例である流体力測定装置１０の構成の概略を示す構成図であり、図１（ａ）が平面図、図１（ｂ）が正面図であり、図２は、流体力測定装置１０の概略構成を表すブロック図であり、図３は、測定対象であるスプール弁７０の説明図である。本実施例の流体力測定装置１０は、スプール弁７０にオイルなどの流体を流通したときに、スプール弁７０のスプールボディ７１に挿入されたスプール７２へ作用する力を測定する装置である。この流体力測定装置１０は、図１に示すように、矩形状の平板として形成され流体力測定装置１０を支える固定台としてのベース台１２と、ベース台１２の中央に立設され測定対象としてのスプール弁７０を固定するスプール台２０と、ベース台１２の図１において左端側に立設されスプール弁７０に挿入されたスプール７２の左端側を支持する左側３方向移動支持部３０と、左側３方向移動支持部３０とスプール７２の左端との間に設けられスプール７２に作用する流体力を測定する左側３分力計４０と、ベース台１２の図１において右端側に立設されスプール弁７０に挿入されたスプール７２の右端側を支持する右側３方向移動支持部５０と、右側３方向移動支持部５０とスプール７２の右端との間に設けられスプール７２に作用する流体力を測定する右側３分力計６０と、を備えている。なお、本実施例では、説明の便宜によりスプール７２の軸方向を「Ｚ軸方向」、ベース台１２に対して垂直方向を「Ｙ軸方向」、Ｚ軸及びＹ軸に垂直な方向を「Ｘ軸方向」とし、Ｚ軸方向について「左」「右」を用いて説明する。

スプール台２０は、流体力の測定中などにスプール弁７０が動かないようスプール弁７０をしっかり位置決めして固定する角柱状の部材である。

左側３方向移動支持部３０は、ベース台１２の左端にベース台１２と平行に設けられた第１Ｚ軸マイクロメータ３１と、第１Ｚ軸マイクロメータ３１上に固定された第１Ｘ軸マイクロメータ３３と、第１Ｘ軸マイクロメータ３３から立設された第１ブラケット３５と、第１ブラケット３５に固定された第１Ｙ軸マイクロメータ３６と、により構成されている。第１Ｚ軸マイクロメータ３１は、ベース台１２に固定された矩形板３１ｂ上に同じく矩形板である第１Ｚ軸ステージ３２を配置し、矩形板３１ｂの一端にＺ軸方向に設けられた第１Ｚ軸用ダイヤル３１ａを回転することにより、第１Ｚ軸ステージ３２が矩形板３１ｂ上をＺ軸方向に移動可能に構成されている。この第１Ｚ軸マイクロメータ３１は、第１Ｚ軸用ダイヤル３１ａの１回転の操作量に対して移動距離が０．５ｍｍで最小目盛が１０μｍのものを採用している。第１Ｘ軸マイクロメータ３３は、第１Ｚ軸ステージ３２上に固定された矩形板３３ｂ上に同じく矩形板である第１Ｘ軸ステージ３４を配置し、矩形板３３ｂの一端にＸ軸方向に設けられた第１Ｘ軸用ダイヤル３３ａを回転することにより、第１Ｘ軸ステージ３４が矩形板３３ｂ上をＸ軸方向に移動可能に構成されている。この第１Ｘ軸マイクロメータ３３は、第１Ｘ軸用ダイヤル３３ａの１回転の操作量に対して移動距離が０．０２５ｍｍで最小目盛が１μｍのものを採用している。第１Ｙ軸マイクロメータ３６は、一端が第１Ｘ軸ステージ３４上に立設された第１ブラケット３５の他端側にスプール７２の軸方向に直交する面と平行に且つスプール台２０に固定されたスプール弁７０と同程度の高さに矩形板３６ｂを固定し、この固定された矩形板３６ｂ上に同じく矩形板である第１Ｙ軸ステージ３７を配置し、矩形板３６ｂの一端にＹ軸方向に設けられた第１Ｙ軸用ダイヤル３６ａを回転することにより、第１Ｙ軸ステージ３７が矩形板３６ｂ上をＹ軸方向に移動可能に構成されている。この第１Ｙ軸マイクロメータ３６は、第１Ｙ軸用ダイヤル３６ａの１回転の操作量に対して移動距離が０．０２５ｍｍで最小目盛が１μｍのものを採用している。このように、Ｘ軸，Ｙ軸及びＺ軸のうちスプール７２がスプールボディ７１に挿入されるＺ軸方向の操作量に対する移動距離が他の軸方向の操作量に対する移動距離に比して大きくなっている。

なお、右側３方向移動支持部５０は、第２Ｚ軸マイクロメータ５１、第２Ｚ軸用ダイヤル５１ａ、矩形板５１ｂ、第２Ｚ軸ステージ５２、第２Ｘ軸マイクロメータ５３、第２Ｘ軸用ダイヤル５３ａ、矩形板５３ｂ、第２Ｘ軸ステージ５４、第２ブラケット５５、第２Ｙ軸マイクロメータ５６、第２Ｙ軸用ダイヤル５６ａ、矩形板５６ｂ、第２Ｙ軸ステージ５７により構成されるが、左側３方向移動支持部３０と同様の構成であるためその説明を省略する。

左側３分力計４０は、Ｘ軸方向を直径方向とする円柱板状のユニットであり、スプール弁７０側の面の中央に第１支持部４２が設けられている。この左側３分力計４０は、第１支持部４２に作用したＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各方向の力を測定するものである。この左側３分力計４０は例えば、ひずみゲージを使用したＸ，Ｙ，Ｚの３方向の力を計測できる分力計である（株）共和電業製３分力計ＬＳＭ−Ｂ−ＳＡ１などを用いることができる。第１支持部４２は、スプール弁７０側に向かって細く尖った形状である先端部４２ａが形成されている。この第１支持部４２は、スプール弁７０に挿入されたスプール７２を、ベース台１２に固定された左側３方向移動支持部３０及び左側３分力計４０を介して支持する。また、第１支持部４２は、第１Ｚ軸マイクロメータ３１、第１Ｘ軸マイクロメータ３３及び第１Ｙ軸マイクロメータ３６を操作することによりＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各方向に移動し、これらのマイクロメータを固定することによりその位置で固定されるようになっている。

なお、右側３分力計６０は、第２支持部６２を備えているが、左側３分力計４０と同様の構成であるため、その説明を省略する。本明細書では、説明の便宜のため、左側３方向移動支持部３０、左側３分力計４０及び第１支持部４２を用いて、即ち、図１の左側を主として例に用いて説明し、右側については説明を省略するが、右側でも左側と同様であるものとする。

また、流体力測定装置１０は、図２に示すように、スプール弁７０へ流通するオイルの温度や流量や圧力を調節する流体恒温槽ユニット２２と、流体恒温槽ユニット２２の温度を制御すると共に左側３分力計４０及び右側３分力計６０から出力された流体力のデータを解析するデータ処理装置８０とを備えている。流体恒温槽ユニット２２は、スプール弁７０を流通するオイルを貯蔵する貯蔵槽２５と、貯蔵槽２５に蓄えられたオイルを７０を介して循環させる流体流路２４と、貯蔵槽２５に蓄えられたオイルの温度が設定温度から外れたときに加熱又は冷却を行うヒータクーラ２６と、流体流路２４にオイルを供給するポンプ２８とを備えている。

データ処理装置８０は、各種制御を実行するＣＰＵ８２と、各種制御プログラムを記憶するＲＯＭ８３と、データを一時記憶するＲＡＭ８４と、各種アプリケーションプログラムや各種データファイルを記憶する大容量メモリであるＨＤＤ８５と、流体力測定装置１０などの外部機器と情報のやりとりを行う図示しない入出力ポートとを備えている。このデータ処理装置８０は、インストールされたプログラムにより測定に関する指示を流体恒温槽ユニット２２に送信したり、左側３分力計４０や右側３分力計６０で測定した情報を受信したりする。このデータ処理装置８０は、各種情報を画面表示するディスプレイ８８や、ユーザが各種指令を入力するキーボード等の入力装置８９などを備え、ディスプレイ８８に表示されたカーソル等をユーザが入力装置８９を介して入力操作するとその入力操作に応じた動作を実行する機能を有している。

スプール弁７０は、図３に示すように、オイルの流路に対して垂直にスプールボディ７１に設けられた貫通孔７１ａへ挿入されたスプール７２と、スプールボディ７１とスプール７２との相対位置によりオイルの流量を調節するスプール７２に設けられた第１摺動部７３及び第２摺動部７４と、流体流路２４を介して供給されたオイルが流通する流路７５と第１摺動部７３及び第２摺動部７４を通過したオイルが流通する流路７６及び流路７７と、を備えている。貫通孔７１ａの壁面と第１摺動部７３及び第２摺動部７４の外周面との間には、スプール７２の挿入用の数十μｍのクリアランスが設けられている。このスプール弁７０では、ポートＡから流入したオイルが流路７５を流通し第１摺動部７３及び第２摺動部７４を通過し流路７６を介してポートＡ側に設けられたポートＣから吐出される経路と、第１摺動部７３を通過し流路７７を介してポートＡと反対側に設けられたポートＢから吐出される経路とが設けられている。即ち、流入側と吐出側とが非対称な形状となっている。スプール７２の一端の端面７２ａには、図１の拡大図に示すように、その軸方向に挿入穴７２ｃが設けられており、この端面７２ａと挿入穴７２ｃの内壁との間には滑らかに連続する曲面部７２ｂが形成されている。この挿入穴７２ｃは、第１支持部４２よりも小さい直径に形成されており、この曲面部７２ｂに第１支持部４２の先端部４２ａが線接触で当接するようになっている。なお、スプール７２の他端側（第２支持部６２側）についても同様である。

次に、こうして構成された本実施例の流体力測定装置１０の使用方法について説明する。図４は、操作者がスプール弁７０のスプール７２に作用する力を測定する際に流体力測定装置１０を操作する測定操作のフローチャートである。まず、操作者は、スプール弁７０へ供給するオイルの温度や流量や圧力など流体恒温槽ユニット２２の条件をデータ処理装置８０に入力し、データ処理装置８０に流体恒温槽ユニット２２を制御させる温度調節工程を行う（ステップＳ１００）。流体恒温槽ユニット２２の条件の入力は、入力装置８９を操作して、ディスプレイ８８上に図示しない設定画面を表示させこの設定画面に各数値を入力することにより行う。なお、この段階では、ポンプ２８は駆動せず、スプール弁７０へオイルの供給は行わない。

次に、操作者は、スプール弁７０をスプール台２０に固定し、スプール７２を第１支持部４２と第２支持部６２とで支持させる固定支持工程を行う。具体的には、スプールボディ７１にスプール７２を挿入したスプール弁７０をスプール７２がＺ軸と平行になるようにスプール台２０に位置決めして固定する（ステップＳ１１０）。次に、左側３方向移動支持部３０、左側３分力計４０及び第１支持部４２をスプール７２の左端に当接させると共に、右側３方向移動支持部５０、右側３分力計６０及び第２支持部６２をスプール７２の右端に当接させる（ステップＳ１２０）。このとき、第１Ｚ軸マイクロメータ３１と第２Ｚ軸マイクロメータ５１とが示す位置に基づいて、スプール弁７０とスプール７２との相対的な位置関係により定められるスプール弁７０の開き量（図３参照）が目的とする値となるよう、第１Ｚ軸用ダイヤル３１ａと第２Ｚ軸用ダイヤル５１ａとを調節する。続いて、第１Ｚ軸マイクロメータ３１と第２Ｚ軸マイクロメータ５１とを締めることにより、スプール７２の両端に支持力を作用させこれを支持固定する（ステップＳ１３０）。なお、このとき、左側３分力計４０や右側３分力計６０で大きな力が検出されたときは、第１摺動部７３などが貫通孔７１ａの壁面に強く当たっていることが考えられるため、力が検出されないよう、第１Ｘ軸用ダイヤル３３ａや第１Ｙ軸用ダイヤル３６ａなどを大まかに調節する。

次に、操作者は、所定のクリアランスを有するスプールボディ７１と第１摺動部７３及び第２摺動部７４とが接触しないよう左側３方向移動支持部３０及び右側３方向移動支持部５０を操作しスプール７２を固定する調節固定工程を行う（ステップＳ１４０）。ここで、調節固定工程について説明する。図５は、調節固定工程の説明図であり、図６は、第１支持部４２又は第２支持部６２の移動とそのとき検出される力との関係の説明図である。なお、図５は、説明の便宜のため第１摺動部７３などと貫通孔７１ａとのクリアランスを誇張して表現している。第１支持部４２及び第２支持部６２は、３次元的に移動可能であるため、図５（ａ）に示すように、第１摺動部７３や第２摺動部７４がスプールボディ７１の壁面に接触することがある。このような状態では、正確な測定に支障があるため、スプールボディ７１と第１摺動部７３などとが接触しないように固定するのがここでの操作処理である。まず、第１支持部４２側を固定した状態で、第２Ｘ軸マイクロメータ５３の第２Ｘ軸用ダイヤル５３ａ（図１参照）を操作し、図５（ｂ）に示すように、スプール７２の右端側をＸ軸方向に移動させる。このとき、図６に示すように、第１摺動部７３などが貫通孔７１ａの内壁に接触すると、左側３分力計４０や右側３分力計６０でスプール７２に作用する力が検出され、第１摺動部７３などが貫通孔７１ａの内壁に接触しないと、左側３分力計４０や右側３分力計６０でスプール７２に作用するＸ軸，Ｙ軸方向の力が検出されない。この内壁に接触しない範囲のうち、流体力を計測したい位置（例えば中間位置など）に第２支持部６２を固定する。ここで、第１支持部４２の先端部４２ａがスプール７２の曲面部７２ｂに接触しているため、スプール７２の傾きに対して自由度があり、スプール７２の端部でノイズとなる反力などが生じない。次に、第２支持部６２を固定した状態で（図５（ｃ））第１Ｘ軸マイクロメータ３３の第１Ｘ軸用ダイヤル３３ａを操作し、第１支持部４２をＸ軸方向に移動させ（図５（ｄ））、そのときの力を検出する。そして、力が検出されない範囲のうち流体力を計測したい位置に第１支持部４２を固定する。この操作をＹ軸方向についても行い、更にこれらのＸ軸方向とＹ軸方向の操作をもう一回繰り返して行う。こうすれば、確実に第１摺動部７３などが貫通孔７１ａの内壁に接触するのを防止することができ、狙った位置に固定することができる（図５（ｅ））。なお、スプール台２０，左側３方向移動支持部３０，左側３分力計４０及び第１支持部４２などが十分な剛性を有するため、調節固定工程を行ったあとに測定時の力をスプール７２に作用させて生じる位置ずれを防止可能である。

さて、続いて、操作者は、スプール弁７０にオイルを流通させ、左側３分力計４０及び右側３分力計６０によりＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各方向へスプール７２にオイルが作用する力を測定する測定工程を行う。具体的には、左側３分力計４０及び右側３分力計６０のゼロ点セットを行い（ステップＳ１５０）、設定画面のあとディスプレイ８８に表示される測定画面に測定開始の入力を行う（ステップＳ１６０）。すると、流体恒温槽ユニット２２のポンプ２８が駆動し、スプール弁７０へオイルが流通し左側３分力計４０及び右側３分力計６０で測定された信号をデータ処理装置８０が入力し、スプール７２へＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各方向に作用した力を測定結果としてディスプレイ８８へ出力表示する。

次に、データ処理装置８０の処理について説明する。図７は、ＣＰＵ８２が実行する測定処理ルーチンの一例を表すフローチャートである。このルーチンは、ＨＤＤ８５に記憶され、操作者のプログラム起動指示のあと実行される。このルーチンが開始されると、ＣＰＵ８２は、まず、設定画面をディスプレイ８８に表示出力し（ステップＳ２００）、設定入力が終了したか否かを、画面上の設定入力終了がクリックされたか否かに基づいて判定する（ステップＳ２１０）。設定入力が終了していないときにはそのまま待機し、設定入力が終了したときには、測定画面をディスプレイ８８に表示出力する（ステップＳ２２０）。次に、入力された設定条件に基づいて流体恒温槽ユニット２２のヒータクーラ２６を制御し（ステップＳ２３０）、左側３分力計４０及び右側３分力計６０から測定信号を入力し（ステップＳ２４０）、入力した信号に基づいてＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各方向のスプール７２へ作用している力を計算する（ステップＳ２５０）。ここで、左側３分力計４０により測定されたＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の値をそれぞれｆｘ１、ｆｙ１、ｆｚ１とし、右側３分力計６０により測定されたＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の値をそれぞれｆｘ２、ｆｙ２、ｆｚ２とすると、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ及びＺ軸方向の力Ｆｚは、それぞれＦｘ＝ｆｘ１＋ｆｘ２，Ｆｙ＝ｆｙ１＋ｆｙ２，Ｆｚ＝ｆｚ１＋ｆｚ２という式から求めることができる。

続いて、ＣＰＵ８２は、ゼロ点セット指示があるか否かを図示しないゼロ点指示ボタンがクリックされたか否かに基づいて判定し（ステップＳ２６０）、ゼロ点セット指示されたときには、ゼロ点セットを行う（ステップＳ２７０）。ステップＳ２７０のあと、又は、ゼロ点セット指示がないときには、計算したＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各方向に作用している力を測定画面に数値又は画像として表示出力する（ステップＳ２８０）。なお、この状態で、操作者は、上述した調節固定工程の操作を行う。次に、測定開始が指示されたか否かを、図示しない測定開始ボタンがクリックされたか否かに基づいて判定し（ステップＳ２９０）、測定開始が指示されていないときにはステップＳ２２０以降の処理を実行し、測定開始指示されたときにはポンプ２８を駆動させスプール弁７０にオイルを供給する（ステップＳ３００）。続いて、測定値を記憶する指示がされたか否かを図示しない記憶ボタンがクリックされたか否かに基づいて判定し（ステップＳ３１０）、測定値の記憶が指示されたときには、現在表示している各方向の力をＨＤＤ８５へ記憶する（ステップＳ３２０）。ステップＳ３２０のあと、又は、ステップＳ３１０で測定値の記憶が指示されていないときには、測定処理が終了したか否かを図示しない画面上の測定終了ボタンがクリックされたか否かに基づいて判定し、測定処理が終了していないときには、ステップＳ２２０以降の処理を実行し、測定処理が終了したときには（ステップＳ３３０）、そのままこのルーチンを終了する。このように、データ処理装置８０は、流体恒温槽ユニット２２を制御すると共に、左側３分力計４０や右側３分力計６０から出力されたデータをディスプレイ８８に表示するのである。

こうして得られた３次元の測定結果をもとに、スプール弁７０の構成、例えば、第１摺動部７３や流路７５などの形状の変更や材質の選択などを行ったり、シミュレーションで解析したオイルの流通状態の解析結果が妥当であるか否かなどを判断することができる。

ここで、本実施例の構成要素と本発明の構成要素との対応関係を明らかにする。本実施例のベース台１２及びスプール台２０が本発明の固定部に相当し、第１支持部４２及び第２支持部６２が支持部に相当し、左側３方向移動支持部３０及び右側３方向移動支持部５０が３方向移動手段に相当し、左側３分力計４０及び右側３分力計６０が３分力測定手段に相当し、貯蔵槽２５が貯蔵部に相当し、ポンプ２８が供給部に相当し、流体恒温槽ユニット２２が流体供給部に相当し、ＣＰＵ８２及びディスプレイ８８が出力手段に相当する。また、オイルが流体に相当し、スプール弁７０が測定対象に相当し、このうちスプールボディ７１が本体に相当し、スプール７２が挿入部材に相当する。

以上詳述した本実施例の流体力測定装置１０によれば、スプール弁７０のスプールボディ７１をスプール台２０に固定し、この固定されたスプールボディ７１に挿入されたスプール７２の先端に第１支持部４２及び第２支持部６２を当接させてこのスプール７２を支持させ、座標軸（Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸）の各方向へ移動し第１支持部４２及び第２支持部６２を任意の位置で固定し、スプールボディ７１を流通する流体によりスプール７２へ力を作用させ、この作用した力を座標軸の各方向について測定する。このように、座標軸の各方向へスプール７２を移動可能であると共に、座標軸の各方向へスプール７２に作用する力を測定可能である。したがって、スプール７２に作用する力の解析を十分に行うことができる。また、各マイクロメータを用いることにより、座標軸の各方向に比較的容易に移動することができるし、第１支持部４２及び第２支持部６２を正確に移動することができる。更に、第１Ｚ軸マイクロメータ３１及び第２Ｚ軸マイクロメータ５１は、Ｚ軸方向の操作量に対する移動距離が他の軸方向の操作量に対する移動距離に比して大きいため、スプール７２を固定したり、スプールボディ７１とスプール７２との相対位置を変更する際に、比較的小さな操作量で第１支持部４２及び第２支持部６２の移動を行うことができる。更にまた、第１支持部４２の先端部４２ａがスプール７２の曲面部７２ｂに当接しスプール７２を支持するため、左側３方向移動支持部３０や右側３方向移動支持部５０によって第１支持部４２及び第２支持部６２が３方向に移動しスプール７２が傾いたりしても、比較的簡単な構成で滑らかにスプール７２を支持することができる。そして、第１支持部４２、左側３方向移動支持部３０及び左側３分力計４０は、スプール７２の一端側と他端側とに各々設けられているため、調整可能な自由度が多く、両端でスプール７２に作用する力を測定可能であり、オイルの流れがスプール７２に作用する力の解析をより十分に行うことができる。そしてまた、流体恒温槽ユニット２２を備えているため、オイルの温度を調節することにより、スプール７２へ作用する力をより精度よく測定することができるし、望みの温度のオイルによりスプール７２へ作用する力を測定することができる。そして更にまた、データ処理装置８０が左側３分力計４０及び右側３分力計６０の測定結果に基づいてスプール７２にスプールボディ７１を流通するオイルが作用する座標軸の各方向の力を計算し、この計算結果を操作者へ表示出力するため、表示出力された測定結果を利用しやすい。また、スプール弁は、そのスプールにオイルにより力が作用するものであるため、本発明を適用する意義が高い。

また、流体力測定装置１０を利用した流体力の測定方法は、固定支持工程と、調節固定工程と、測定工程と、を含むため、座標軸の各方向へスプール７２を移動させ、座標軸の各方向へスプール７２に作用する力を測定することにより、オイルの流れによりスプール７２に作用する力の解析を十分に行うことができる。また、スプール台２０，左側３方向移動支持部３０，左側３分力計４０及び第１支持部４２などが十分な剛性を有するため、スプール７２に圧力をかけることにより生じるスプール７２の位置の変化を防止可能であり、スプールボディ７１とスプール７２との接触を確実に防止することができる。また、左側３方向移動支持部３０及び右側３方向移動支持部５０を操作し、スプールボディ７１とスプール７２とが接触して生じる力を左側３分力計４０及び右側３分力計６０によって測定し、この測定した力が値０となる範囲のうちいずれかの位置に固定するため、スプールボディ７１とスプール７２とが接触しないようにするための別の構成を必要としないし、比較的簡便にスプールボディ７１とスプール７２とが接触しないようにすることができる。このとき、スプール７２の一端側でこの操作を行ったのちに他端側でもこの操作を行うことを更に複数回行うため、より確実である。また、測定工程の前に温度調節工程を含むため、オイルの温度を測定前に調節しておくことにより、スプール７２へ作用する力をより精度よく測定することができる。また、望みの温度のオイルによりスプール７２へ作用する力を測定することができる。

なお、本発明は上述した実施例に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

例えば、上述した実施例では、第１支持部４２側をスプール７２に向かって尖った先端部４２ａを形成し、スプール７２の端部に曲面部７２ｂを設け、先端部４２ａと曲面部７２ｂとを当接させて第１支持部４２がスプール７２を支持するものとしたが、図８（ａ）に示すように、スプール１７２は、第１支持部１４２に向かって尖った針状部１７２ａが形成されており、第１支持部１４２は、スプール１７２側の先端面１４２ａに針状部１７２ａの一部が挿入する挿入穴１４２ｃが設けられこの針状部１７２ａと挿入穴１４２ｃの壁面との間が連続するなめらかな曲面である曲面部１４２ｂが形成されておりこの曲面部１４２ｂにスプール１７２の針状部１７２ａが当接しこのスプール７２を支持するものとしてもよい。つまり、尖った針状部をスプール７２に設け、曲面部を第１支持部４２側に設けてもよい。こうしても、第１支持部１４２の曲面部１４２ｂがスプール７２の針状部１７２ａに線接触で当接してスプール７２を支持するため、左側３方向移動支持部３０などによって第１支持部４２が３方向に移動し、スプール７２が傾いたりしても、比較的簡単な構成で滑らかにスプール７２を支持することができる。

上述した実施例では、第１支持部４２の先端部４２ａがスプール７２に向かって尖った形状としたが、図８（ｂ）に示すように、第１支持部４２の先端部を球形に形成した球形部２４２ａとし、端面２７２ａに設けた挿入穴２７２ｂをこの球形部２４２ａが挿入可能な直径で形成し、球形部２４２ａを挿入穴２７２ｂで受けるものとしてもよい。こうしても、スプール７２が傾いたりしても、滑らかにスプール７２を支持することができる。あるいは、図８（ｃ）に示すように、スプール３７２の端面３７２ａに先端部４２ａの先端を受ける当接穴３７２ｂを設けてもよい。即ち、スプール７２の傾きなどを考慮すると、第１支持部４２とスプール７２とが面接触するより線接触や点接触するものとすることが好ましい。特に、点接触においては先端部４２ａの先端の機械的強度が十分必要であるため、第１支持部４２とスプール７２とが線接触するものとすることがより好ましい。

上述した実施例では、左側３方向移動支持部３０のうち第１Ｚ軸マイクロメータ３１は、第１Ｘ軸マイクロメータ３３や第１Ｙ軸マイクロメータ３６に比して操作量に対する移動距離が大きいものとしたが、同じものとしてもよい。また、左側３方向移動支持部３０は、マイクロメータを利用しているものとしたが、第１支持部４２を３次元的に移動可能であれば、どのような構成を用いてもよい。位置を把握可能であり、精密な距離を移動可能であるため、マイクロメータを用いるのが好ましい。また、流体恒温槽ユニット２２やデータ処理装置８０を備えるものとしたが、これらを省略してもよい。こうすれば、構成を簡略化することができる。なお、流体恒温槽ユニット２２を省略したときには、温度調節工程を省略してもよい。

上述した実施例では、第１Ｚ軸マイクロメータ３１など、各マイクロメータを手動で操作するものとして説明したが、モータなどを設け、設定された位置に第１支持部４２などが固定されるようデータ処理装置８０がこのモータを制御する、即ち、自動化してもよい。このとき、左側３分力計４０などからの測定信号の値が所定の接触値を超えたか否かをデータ処理装置８０が判定し、第１摺動部７３などが貫通孔７１ａの内壁に接触しないよう、データ処理装置８０がこのモータを制御するものとしてもよい。

上述した実施例では、データ処理装置８０は、測定結果をディスプレイ８８に表示出力するものとしたが、プリンタを接続し印刷用紙に印刷出力するものとしてもよい。

上述した実施例では、スプールボディ７１にスプール７２が挿入されたスプール弁７０を測定対象として説明したが、本体に挿入部材が挿入され、本体に流体が流通し、この流体により挿入部材に力が作用するものであれば特に限定されずに測定対象とすることができる。特に、測定対象は、流路が対称的か否かにかかわらずこの流体力測定装置１０で測定することができる。また、オイルを流体として説明したが、これに限られず、気体や液体や粉体など流通するものであれば特に限定されずに用いることができる。

上述した実施例では、調節固定工程において、図５に示すように、左側での処理と右側での処理を２回繰り返すものとしたが、左側での処理と右側での処理を３回以上繰り返すものとしてもよいし、左側での処理と右側での処理を１回までとしてもよい。第１摺動部７３などと貫通孔７１ａの内壁との接触の防止と操作の手間とを考慮すると、左側での処理と右側での処理を２回ずつ程度行うことが好ましい。

流体力測定装置１０の構成の概略を示す構成図である。流体力測定装置１０の概略構成を表すブロック図である。測定対象であるスプール弁７０の説明図である。スプール７２に作用する力を測定する際に流体力測定装置１０を操作する測定操作のフローチャートである。調節固定工程の説明図である。第１支持部４２又は第２支持部６２の移動とそのとき検出される力との関係の説明図である。測定処理ルーチンの一例を表すフローチャートである。他の支持部及びスプールの説明図である。

符号の説明

１０流体力測定装置、１２ベース台、２０スプール台、２２流体恒温槽ユニット、２４流体流路、２５貯蔵槽、２６ヒータクーラ、２８ポンプ、３０左側３方向移動支持部、３１第１Ｚ軸マイクロメータ、３１ａ第１Ｚ軸用ダイヤル、３１ｂ矩形板、３２第１Ｚ軸ステージ、３３第１Ｘ軸マイクロメータ、３３ａ第１Ｘ軸用ダイヤル、３３ｂ矩形板、３４第１Ｘ軸ステージ、３５第１ブラケット、３６第１Ｙ軸マイクロメータ、３６ａ第１Ｙ軸用ダイヤル、３６ｂ矩形板、３７第１Ｙ軸ステージ、４０左側３分力計、４２，１４２，２４２第１支持部、４２ａ先端部、５０右側３方向移動支持部、５１第２Ｚ軸マイクロメータ、５１ａ第２Ｚ軸用ダイヤル、５１ｂ矩形板、５２第２Ｚ軸ステージ、５３第２Ｘ軸マイクロメータ、５３ａ第２Ｘ軸用ダイヤル、５３ｂ矩形板、５４第２Ｘ軸ステージ、５５第２ブラケット、５６第２Ｙ軸マイクロメータ、５６ａ第２Ｙ軸用ダイヤル、５６ｂ矩形板、５７第２Ｙ軸ステージ、６０右側３分力計、６２第２支持部、７０スプール弁、７１スプールボディ、７１ａ貫通孔、７２，１７２，２７２，３７２スプール、７２ａ，２７２ａ端面、７２ｂ曲面部、７２ｃ，２７２ｂ挿入穴、７３第１摺動部、７４第２摺動部、７５流路、７６流路、７７流路、８０データ処理装置、８２ＣＰＵ、８３ＲＯＭ、８４ＲＡＭ、８５ＨＤＤ、８８ディスプレイ、８９入力装置、１４２ａ先端面、１４２ｂ曲面部、１７２ａ針状部、２４２ａ球形部。

Claims

流体が流通可能な測定対象の本体に挿入された挿入部材に、該本体を流通する流体が作用する力を測定する流体力測定装置であって、
前記測定対象の本体を固定する固定部と、
前記固定部に固定された本体に挿入された前記挿入部材の先端に当接し該挿入部材を支持する支持部と、
前記固定部に固定されると共に前記支持部が設けられ座標軸としてのＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各方向へ該支持部を移動し任意の位置で該支持部を固定可能な３方向移動手段と、
前記３方向移動手段と前記支持部との間に設けられ前記Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各方向へ前記挿入部材に前記本体を流通する流体が作用する力を測定する３分力測定手段と、
を備えた流体力測定装置。
前記３方向移動手段は、前記Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各方向の位置を測定可能な３方向マイクロメータである、請求項１に記載の流体力測定装置。
前記３方向移動手段は、前記座標軸のうち前記挿入部材が前記本体に挿入される軸方向の操作量に対する移動距離が他の軸方向の操作量に対する移動距離に比して大きい、請求項１又は２に記載の流体力測定装置。
前記支持部は、前記挿入部材の先端に線接触又は点接触する先端部が形成されている、請求項１〜３のいずれかに記載の流体力測定装置。
前記挿入部材は、その先端面に該挿入部材が前記本体に挿入される挿入方向に挿入穴が設けられ、該先端面と該挿入穴の壁面との間が連続するなめらかな曲面に形成されており、
前記支持部は、前記挿入部材に向かって尖った前記先端部が形成され該先端部が前記挿入部材の曲面に当接し該挿入部材を支持する、請求項４に記載の流体力測定装置。
前記支持部、前記３方向移動手段及び前記３分力測定手段は、前記挿入部材の一端側と他端側とに各々設けられている、請求項１〜５のいずれかに記載の流体力測定装置。
請求項１〜６のいずれかに記載の流体力測定装置であって、
前記流体の温度を調節して貯蔵する貯蔵部と前記本体へ前記流体を供給する供給部とを有する流体供給部、を備えた流体力測定装置。
請求項１〜７のいずれかに記載の流体力測定装置であって、
前記３分力測定手段の測定結果に基づいて前記挿入部材に該本体を流通する流体が作用する前記座標軸の各方向の力を計算し、該計算結果を操作者へ出力する出力手段、を備えた流体力測定装置。
前記測定対象はスプール弁であり、前記挿入部材は前記スプール弁の本体に挿入され前記流体の流量および圧力を調節する摺動部が形成されたスプールである、請求項１〜８のいずれかに記載の流体力測定装置。
請求項１〜９のいずれかに記載の流体力測定装置を利用した流体力の測定方法であって、
前記固定部に前記測定対象の本体を固定し、該本体に前記挿入部材を挿入し該挿入した挿入部材を予め定めた挿入方向となる所定位置で前記支持部に支持させる固定支持工程と、
前記本体と前記挿入部材とが接触しないよう前記３方向移動手段を操作し前記挿入方向以外の方向への調節を行い該挿入部材を固定する調節固定工程と、
前記流体を前記本体に流通させ前記３分力測定手段により前記Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各方向へ前記挿入部材に前記本体を流通する流体が作用する力を測定する測定工程と、
を含む流体力の測定方法。
前記調節固定工程では、前記挿入方向以外の方向へ前記支持部を移動するよう前記３方向移動手段を操作し、前記本体と前記挿入部材とが接触して生じる力を前記３分力測定手段によって測定し、該測定した力が値０となる範囲のうちいずれかの位置に前記３方向移動手段を固定する、請求項１０に記載の流体力の測定方法。
前記測定工程の前に前記本体に流通させる流体の温度を予め調節する温度調節工程、を含む、請求項１０又は１１に記載の流体力の測定方法。