JP5222810B2 - Electromagnetic actuator and material testing machine - Google Patents
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Description
この発明は、電磁力により駆動力を発生する電磁式アクチュエータ、および、この電磁式アクチュエータを負荷アクチュエータとして使用した材料試験機に関する。 The present invention relates to an electromagnetic actuator that generates a driving force by an electromagnetic force, and a material testing machine that uses the electromagnetic actuator as a load actuator.
例えば、試験片に対して任意波形の負荷を付与して疲労強度試験等を行う材料試験機においては、試験片である高分子材料やマイクロマシン等の部品など、試験材料の多様化に伴って、負荷の絶対値が小さくなるとともに、荷重制御精度を高めることが要求されている。このような試験片を対象とした材料試験機においては、従来の油圧シリンダを負荷アクチュエータとして使用するものに替え、負荷アクチュエータとして電磁式アクチュエータを使用したものが採用されている。このような電磁式アクチュエータとしては、例えば、特許文献1に記載されたものが知られている。 For example, in a material testing machine that applies a load of an arbitrary waveform to a test piece and performs a fatigue strength test, etc., along with the diversification of test materials, such as parts such as polymer materials and micro machines that are test pieces, There is a demand for increasing the load control accuracy while reducing the absolute value of the load. In such a material testing machine for test pieces, a material tester using an electromagnetic actuator as a load actuator is employed instead of a conventional hydraulic cylinder as a load actuator. As such an electromagnetic actuator, for example, the one described in Patent Document 1 is known.
ところで、このような電磁式アクチュエータにおいては、往復移動するコイルに対して駆動電流を供給する必要があることから、従来は、電力供給部とコイルとを、リード線等により接続する構成が採用されている。このとき、試験片に対して繰り返し負荷を付与して疲労試験を行う材料試験機においては、試験片が疲労するまで繰り返し動作が継続されることから、リード線等に対しても、繰り返し寿命が長いことが要求される。 By the way, in such an electromagnetic actuator, since it is necessary to supply a driving current to the reciprocating coil, a configuration in which the power supply unit and the coil are connected by a lead wire or the like has been conventionally employed. ing. At this time, in a material testing machine that performs a fatigue test by repeatedly applying a load to the test piece, the repeated operation is continued until the test piece is fatigued. It is required to be long.
従来、このようなリード線としては、細い金属線を螺旋状または直線状に多数束ねることにより、リード線自体を曲げやすい構造とし、金属線に係る応力を軽減することにより、繰り返し曲げに対して疲労寿命を長くするようにしたものが使用されている。しかしながら、このようなリード線は、曲がりやすい性質から、コイルが高い周波数で往復移動するときに加速度による慣性力の影響を受け、リード線の接続端子部に大きな応力集中が発生するという問題が生ずる。特に、リード線一端の接続部においては一般的に圧着端子等が使用されるが、この場合には、端子部付近のリード線は大きな塑性変形を生ずることになり、また、この部分は振動による応力の影響から、コイルの往復移動に伴って損傷を受けやすいことになる。 Conventionally, such a lead wire has a structure in which the lead wire itself is easily bent by bundling a large number of thin metal wires in a spiral shape or in a straight line shape, and by reducing the stress associated with the metal wire, The one with a long fatigue life is used. However, since such a lead wire is easily bent, there is a problem that a large stress concentration is generated in the connection terminal portion of the lead wire due to the influence of the inertial force due to acceleration when the coil reciprocates at a high frequency. . In particular, a crimp terminal or the like is generally used at the connection portion at one end of the lead wire. In this case, the lead wire near the terminal portion is greatly plastically deformed, and this portion is caused by vibration. Due to the effect of stress, the coil is susceptible to damage as the coil reciprocates.
また、このような問題を解消するため、リード線を、例えば電話線のように、螺旋状に巻かれた構成とすることにより、変形に対する応力を軽減させることも考えられるが、この場合には、螺旋状のリード線自体の質量が大きくなり、端子部にさらに大きな負担がかかることになる。これを防止するため、リード線を端子部付近において保持部材により支持した場合には、応力の集中は緩和されるが、このような構成を採用したとしても、保持部付近に応力が集中することを解消することはできない。 In addition, in order to solve such a problem, it is possible to reduce the stress against deformation by adopting a configuration in which the lead wire is spirally wound like, for example, a telephone wire. In addition, the mass of the spiral lead wire itself is increased, and an even greater burden is applied to the terminal portion. To prevent this, the stress concentration is reduced when the lead wire is supported by the holding member in the vicinity of the terminal portion. However, even if such a configuration is adopted, the stress is concentrated near the holding portion. Cannot be resolved.
また、リード線を使用した場合には、一般的に、リード線への応力分布の推定が困難であることから、リード線の寿命自体を予測することは困難である。 In addition, when a lead wire is used, it is generally difficult to estimate the stress distribution on the lead wire, so it is difficult to predict the life of the lead wire itself.
これに対して、リード線のかわりに、縦断面形状が略U字状を成す薄板状のリード板を使用することも考えられる。このようなリード板を使用した場合においては、縦断面に対して垂直な方向、すなわち、往復移動方向と交差する方向には変形を生ずることがなく、また、その剛性もリード線と比較して大きなものとすることができることから、振動量も少なく、また、リード板自身の自重による振動の応力を受けることもない。従って、リード線を使用した場合のように、端子部付近に応力集中が生ずることを防止することも可能となる。 On the other hand, it is also conceivable to use a thin lead plate having a substantially U-shaped longitudinal cross-section instead of the lead wire. When such a lead plate is used, there is no deformation in the direction perpendicular to the longitudinal section, that is, the direction intersecting the reciprocating direction, and its rigidity is also compared with that of the lead wire. Since it can be made large, the amount of vibration is small, and vibration stress due to its own weight is not received. Therefore, it is possible to prevent stress concentration from occurring near the terminal portion as in the case of using a lead wire.
但し、このようなリード板を使用する場合には、推定寿命を予測可能としたうえで、使用条件に対応して長期間信頼性を得ることができる構成とすることが要請される。 However, when such a lead plate is used, it is required that the estimated life can be predicted and that a long-term reliability can be obtained corresponding to the use conditions.
この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、推定寿命を予測できるとともに、その推定寿命を要求される値以上に設定することが可能な電磁式アクチュエータおよびこの電磁式アクチュエータを負荷アクチュエータとして使用した材料試験機を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problem, and can predict an estimated life and can set the estimated life to a required value or more, and the electromagnetic actuator as a load actuator. An object is to provide a material testing machine used as the above.
請求項1に記載の発明は、その内部に磁石を備えた本体と、その外周部にコイルを有し前記本体に対して往復移動可能な移動軸とを備え、前記コイルに対して駆動電流を供給することにより前記移動軸を前記本体に対して往復移動させる電磁式アクチュエータにおいて、前記本体に付設された第1支持部と、前記移動軸に付設された第2支持部と、その縦断面形状が略U字状を成し、その一端が前記第1支持部に取り付けられるとともに、その他端が前記第2支持部に取り付けられた薄板状のリード板と、前記リード板の一端に前記コイルに供給するための駆動電流を通電する電流供給手段と、前記リード板の他端と前記コイルとを接続する導電部材とを備え、前記第1支持部および前記第2支持部は、前記縦断面形状が略U字状を成すリード板の前記第1支持部および前記第2支持部に対する取付位置付近の直線部分に当接して、当該リード板の前記第1支持部および前記第2支持部に対する取付位置付近の振動を防止する平面状の当接部を有するとともに、前記リード板の厚みtと前記リード板の曲率半径Rとを、前記リード板における前記移動軸の往復移動による疲労寿命が、108 サイクル以上となるように設定したことを特徴とする。 The invention according to claim 1 comprises a main body having a magnet therein, a moving shaft having a coil on the outer periphery thereof and capable of reciprocating relative to the main body, and driving current to the coil. In the electromagnetic actuator for reciprocating the moving shaft with respect to the main body by supplying, a first support portion attached to the main body, a second support portion attached to the moving shaft, and a longitudinal sectional shape thereof Is formed in a substantially U shape, one end of which is attached to the first support part and the other end is attached to the second support part, and the coil is attached to one end of the lead plate. A current supply means for supplying a drive current for supply; and a conductive member for connecting the other end of the lead plate and the coil, wherein the first support portion and the second support portion have the longitudinal sectional shape. Lies in a U-shape A plane that abuts against a straight portion of the plate near the attachment position with respect to the first support portion and the second support portion to prevent vibration of the lead plate near the attachment position with respect to the first support portion and the second support portion. The lead plate thickness t and the lead plate curvature radius R are set so that the fatigue life of the lead plate due to the reciprocating movement of the moving shaft is 10 8 cycles or more. It is characterized by that.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記リード板の曲率半径Rを20mm乃至50mmとしている。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the lead plate has a curvature radius R of 20 mm to 50 mm.
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の発明において、前記リード板の厚みtを0.2mm以下としている。 The invention according to claim 3 is the invention according to claim 2, wherein the thickness t of the lead plate is 0.2 mm or less.
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の発明において、前記リード板は、銅合金系バネ材料よりなる。 According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the present invention, the lead plate is made of a copper alloy spring material.
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の発明において、前記リード板は、ベリリウム銅よりなる。 According to a fifth aspect of the invention, in the invention of the fourth aspect, the lead plate is made of beryllium copper.
請求項6に記載の発明は、請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の電磁式アクチュエータを備えたことを特徴とする材料試験機である。 A sixth aspect of the present invention is a material testing machine comprising the electromagnetic actuator according to any one of the first to fifth aspects.
請求項1乃至請求項5に記載の発明によれば、リード板の推定寿命を予測することができ、また、応力の集中や振動の影響を防止して、その推定寿命を要求される値以上に設定することが可能となる。 According to the first to fifth aspects of the invention, the estimated life of the lead plate can be predicted, and stress concentration and the influence of vibration are prevented, and the estimated life is greater than the required value. It becomes possible to set to.
また、平面状の当接部の作用により、リード板における取付位置付近の振動を防止することができる。このため、取付部付近に生ずる振動に起因する応力変動の影響を未然に防止することが可能となる。 Further , the action of the flat contact portion can prevent vibration near the mounting position on the lead plate. For this reason, it becomes possible to prevent the influence of the stress fluctuation resulting from the vibration generated in the vicinity of the mounting portion.
請求項6に記載の発明によれば、リード板の推定寿命を予測することができ、また、応力の集中や振動の影響を防止してその推定寿命を要求される値以上に設定することができることから、材料試験を長期間安定して実行することが可能となる。 According to the sixth aspect of the present invention, the estimated life of the lead plate can be predicted, and the estimated life can be set to a required value or more by preventing the influence of stress concentration and vibration. As a result, the material test can be performed stably for a long period of time.
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1は、この発明に係る電磁式アクチュエータを負荷アクチュエータとして使用した材料試験機の概要図である。また、図2は、この発明に係る電磁式アクチュエータの要部を分解して示す斜視図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram of a material testing machine using an electromagnetic actuator according to the present invention as a load actuator. FIG. 2 is an exploded perspective view showing a main part of the electromagnetic actuator according to the present invention.
この材料試験機は、試験片43に対して任意波形の負荷を付与することにより、試験片43の疲労強度試験等を行うためのものである。
This material testing machine is for performing a fatigue strength test or the like of the
この発明に係る電磁式アクチュエータは、蓋部12、ケーシング部13および案内部14から構成され、その内部に電磁石として機能する励磁コイル15を備えた本体11と、その外周部にホイール22に巻回されたコイル23を有し、本体11に対して往復移動可能な移動軸21とを備える。この移動軸21は、本体11における蓋部12およびケーシング部13に付設された一対の軸受17により案内されることにより、本体11に対して昇降可能となっている。
The electromagnetic actuator according to the present invention is composed of a
本体11における蓋部12には、一対の第1支持部32が、取付部16を介して取り付けられている。また、移動軸21の上端には、一対の第2支持部33が取り付けられている。そして、これらの第1支持部32と第2支持部33との間には、各々、その縦断面形状が略U字状を成し、その一端が第1支持部32に取り付けられるとともに、その他端が第2支持部33に取り付けられた薄板状のリード板31が配設されている。
A pair of
このリード板31における第1支持部32側の端部は、給電線37を介して駆動電流供給部52と接続されている。なお、この駆動電流供給部52は、給電線38を介して、上述した励磁コイル15とも接続されている。また、リード板31における第2支持部側の端部は、導電部材36を介して上述したコイル23と接続されている。
The end portion of the
この電磁式アクチュエータを使用した材料試験機は、電磁式アクチュエータの移動軸21の上端部に連結された変位計44を備える。また、この材料試験機は、移動軸21の下端部に連結された上つかみ具41を備える。さらに、この材料試験機は、上つかみ具41とともに試験片43を把持する下つかみ具42を備える。この下つかみ具42は、ロードセル45と接続されている。
The material testing machine using this electromagnetic actuator includes a
上述した変位計44およびロードセル45は、制御部51と接続されている。試験片43に負荷される試験力は、ロードセル45により検出される。また、試験片43の変位量は、変位計44で検出される。ロードセル45および変位計44からの信号は制御部51に入力される。そして、制御部51は、ロードセル45および変位計44からの信号に基づいて、駆動電流供給部52に制御信号を送信し、駆動電流供給部52はこの制御信号に基づいて電磁式アクチュエータの駆動電流を作成する。電磁式アクチュエータの移動軸21は、この駆動電流に基づいて往復移動し、この移動軸21の往復移動により、リード板31に対して繰り返し応力が付与され、その形状が繰り返し変形する。
The
図3乃至図5は、リード板31を、第1、第2支持部32、33および移動軸21等とともに示す概要図である。なお、図3は第1支持部32と第2支持部33とが同一高さにある状態を、また、図4は第2支持部33が第1支持部32より上昇した位置に移動した状態を、さらに、図5は第2支持部33が第1支持部32より下降した位置に移動した状態を示している。
3 to 5 are schematic views showing the
上述したように、リード板31の一端は、固定ネジ35により第1支持部32に取り付けられるとともに、その他端は、固定ネジ34により第2支持部33に取り付けられている。このリード板31としては、導電性とバネ性とを具備し、かつ、疲労強度が強い材質のものが使用される。このリード板31の材質としては、ベリリウム銅が最も好適である。また、このリード板31の材質として、リン青銅バネ材料、洋白バネ材料、銅−チタン合金、銅−ニッケル合金、銅−ニッケル−錫合金等の、銅合金系バネ材料を使用することができる。
As described above, one end of the
このリード板31の厚みtと曲率半径Rとは、電磁式アクチュエータにおける移動軸21の往復移動に伴う疲労による推定寿命が、材料試験機において要求される値となるように設定される。
The thickness t and the curvature radius R of the
すなわち、図3に示すように、第1支持部32と第2支持部33によるリード板31の取付間隔は、リード板31の曲率半径Rの略2倍となる。そして、図4および図5に示すように、第2支持部33が上下方向に移動した場合には、リード板31の一部は、その曲率がRから無限大まで繰り返し変形することになる。ここで、リード板31のヤング率をE、断面二次モーメントをIとした場合には、リード板31の表面に作用する最大曲げモーメントMは、下記の式で表される。
That is, as shown in FIG. 3, the mounting interval of the
M=[E・I]/R M = [E · I] / R
そして、このときにリード板31の表面に作用する引っ張り方向の最大曲げ応力σmaxは、リード板31の断面係数をZとした場合に、下記の式で表される。
At this time, the maximum bending stress σmax in the tensile direction acting on the surface of the
σmax=M/Z=[E/R]・[I/Z] σmax = M / Z = [E / R] · [I / Z]
さらに、リード板31の厚みをtとした場合、[I/Z]=[t/2]であることから、リード板31の表面に作用する引っ張り方向の最大曲げ応力σmaxは、下記の式で表されることになる。
Furthermore, when the thickness of the
σmax=[tE/2R] σmax = [tE / 2R]
この式より、リード板31の厚みtが小さいほど繰り返し応力が小さくなり、曲率半径Rが大きいほど繰り返し応力が小さいことがわかる。
From this equation, it can be seen that the smaller the thickness t of the
ここで、第1支持部32と第2支持部33によるリード板31の取付間隔を50mm(リード板31の曲率半径Rが25mm)とし、リード板31としてその厚みtが0.1mmのベリリウム銅を使用した場合には、ヤング率を130GPaとすると、上記の式より最大曲げ応力σmax=260MPaとなる。
Here, the attachment interval of the
図6は、ベリリウム合金の両振り疲労特性を示すグラフである。 FIG. 6 is a graph showing the swing fatigue characteristics of the beryllium alloy.
このグラフにおいては、横軸は繰り返し回数を示し、縦軸は最大曲げ応力を示している。そして、このグラフにおける実線は、疲労曲線を示している。上述した式に基づいて得られた最大曲げ応力σmax=260MPaをこのグラフに適用した場合、この曲げ応力は、繰り返し回数が108 サイクルの領域においても、疲労曲線より十分下の値であることから、リード板31における移動軸21の往復移動による疲労寿命が、108 サイクル以上となることがわかる。
In this graph, the horizontal axis indicates the number of repetitions, and the vertical axis indicates the maximum bending stress. And the solid line in this graph has shown the fatigue curve. When the maximum bending stress σmax = 260 MPa obtained based on the above formula is applied to this graph, the bending stress is sufficiently lower than the fatigue curve even in the region where the number of repetitions is 10 8 cycles. fatigue life caused by the reciprocating movement of the moving
このように、この発明においては、リード板31の厚みtとリード板31の曲率半径Rとを、リード板31における移動軸21の往復移動による疲労寿命が、108 サイクル以上となるように設定することが必要となる。ここで、一般的に、疲労寿命が、10108 サイクル以上となった場合には、その後継続してこのリード板31に往復移動による応力が付与されても、疲労寿命に起因する切断等の現象は殆ど発生しないことがわかっている。
Thus, in the present invention, the thickness t of the
なお、このリード板31の曲率半径Rは、20mm乃至50mmとすることが好ましい。この曲率半径Rが20mmより小さくなった場合には、リード板31に対する最大曲げ応力σmaxが大きくなり、必要な疲労寿命が得られない。一方、この曲率半径Rが50mmより大きくなった場合には、リード板31の共振周波数が小さくなる。このため、共振周波数が試験片43の疲労試験を行うための周波数(通常200Hz乃至300Hz)と接近することにより共振現象が発生し、リード板31に局部的な応力が生じ、疲労寿命に悪影響を及ぼす。
The radius of curvature R of the
また、リード板31の厚みtは、必要な疲労寿命を得るためには、0.2mm以下であることが好ましい。但し、この厚みtは、リード板31がその形状を維持できる程度以上の厚みである必要がある。
Further, the thickness t of the
なお、このリード板31の断面積は、コイル23に供給される駆動電流値に基づいて決定される。このとき、リード板31の厚みtは必要とされる疲労強度に基づく制限を受けることから、必要な断面積を得るためには、リード板31の幅を大きくする方法と、リード板31の枚数を多くする方法とを選択することができる。但し、リード板31の幅を大きくした場合には、リード板31の固定部の大きさも大きくなり、その重量がリード板31の移動に支障を来すことになる。このため、複数枚のリード板31を重ね合わせた上で、同一の固定部によりまとめて固定する構成とすることが好ましい。
The cross-sectional area of the
なお、図3乃至図5に示すように、第1支持部32および第2支持部33は、各々、リード板31の第1支持部32および第2支持部33に対する取付位置付近の直線部分(曲率が無限大の部分)に当接して、このリード板31の直線部分の振動を防止する平面状の当接部39を備えている。このような構成を採用した場合には、リード板31の取付位置付近の直線部分が当接部39に規制されて振動しないことから、リード板31の両端部の取付部付近に生ずる振動に起因する応力変動の影響を未然に防止することが可能となる。
As shown in FIGS. 3 to 5, the
これらの第1支持部32および第2支持部33としては、リード板31の取付位置付近の直線部と当接してこの直線部を案内しうる長さを有する当接部39を備え、かつ、リード板31の振動を防止できるだけの剛性を有するものを使用する必要がある。
The
なお、上述した実施形態としては、電磁式アクチュエータにおける本体11内に電磁石として機能する励磁コイル15を備えたものを採用しているが、この励磁コイル15に替えて永久磁石を使用してもよい。
In the above-described embodiment, the electromagnetic actuator is provided with the
11 本体
12 蓋部
13 ケーシング部
14 案内部
15 励磁コイル
21 移動軸
22 ホイール
23 コイル
31 リード板
32 第1支持部
33 第2支持部
36 導電部材
37 給電線
38 給電線
39 当接部
41 上つかみ具
42 下つかみ具
43 試験片
44 変位計
45 ロードセル
51 制御部
52 駆動電流供給部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記本体に付設された第1支持部と、
前記移動軸に付設された第2支持部と、
その縦断面形状が略U字状を成し、その一端が前記第1支持部に取り付けられるとともに、その他端が前記第2支持部に取り付けられた薄板状のリード板と、
前記リード板の一端に前記コイルに供給するための駆動電流を通電する電流供給手段と、
前記リード板の他端と前記コイルとを接続する導電部材とを備え、
前記第1支持部および前記第2支持部は、前記縦断面形状が略U字状を成すリード板の前記第1支持部および前記第2支持部に対する取付位置付近の直線部分に当接して、当該リード板の前記第1支持部および前記第2支持部に対する取付位置付近の振動を防止する平面状の当接部を有するとともに、
前記リード板の厚みtと前記リード板の曲率半径Rとを、前記リード板における前記移動軸の往復移動による疲労寿命が、108 サイクル以上となるように設定したことを特徴とする電磁式アクチュエータ。 A main body having a magnet inside thereof, and a moving shaft having a coil on its outer peripheral portion and capable of reciprocating with respect to the main body, and supplying the driving current to the coil, In the electromagnetic actuator that reciprocates with respect to the main body,
A first support portion attached to the main body;
A second support attached to the moving shaft;
The longitudinal cross-sectional shape is substantially U-shaped, and one end thereof is attached to the first support portion, and the other end is attached to the second support portion.
Current supply means for supplying a drive current for supplying the coil to one end of the lead plate;
A conductive member connecting the other end of the lead plate and the coil;
The first support portion and the second support portion are in contact with a linear portion in the vicinity of an attachment position with respect to the first support portion and the second support portion of a lead plate having a substantially U-shaped longitudinal section, While having a planar contact portion for preventing vibration in the vicinity of the attachment position of the lead plate to the first support portion and the second support portion,
The electromagnetic actuator characterized in that the thickness t of the lead plate and the radius of curvature R of the lead plate are set so that the fatigue life due to the reciprocating movement of the moving shaft in the lead plate is 10 8 cycles or more. .
前記リード板の曲率半径Rを20mm乃至50mmとした電磁式アクチュエータ。 The electromagnetic actuator according to claim 1,
An electromagnetic actuator having a radius of curvature R of the lead plate of 20 mm to 50 mm.
前記リード板の厚みtを0.2mm以下とした電磁式アクチュエータ。 The electromagnetic actuator according to claim 2,
An electromagnetic actuator in which the thickness t of the lead plate is 0.2 mm or less.
前記リード板は、銅合金系バネ材料よりなる電磁式アクチュエータ。 The electromagnetic actuator according to claim 3,
The lead plate is an electromagnetic actuator made of a copper alloy spring material.
前記リード板は、ベリリウム銅よりなる電磁式アクチュエータ。 The electromagnetic actuator according to claim 4, wherein
The lead plate is an electromagnetic actuator made of beryllium copper.
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