JP6263149B2 - 粘弾性体の特性試験装置 - Google Patents

Description

この発明は、弾性材や摩擦材として用いられるゴムその他の粘弾性体の特性を環境温度を変化させて測定する装置に関するものである。

高温環境下でゴムの劣化が激しいことがよく知られているように、粘弾性体の特性は、環境温度によって変化する。一方、粘弾性体は、摩擦材やクッション材として機械装置の部品に広く用いられており、用途によっては環境温度によるこれらの部品の特性の変化が機械装置の性能に影響を及ぼすことがある。

摩擦材やクッション材として用いることができる粘弾性体には、非常に多くの種類がある。屋外で使用する機械装置では、冬期と夏期で機械装置の性能が変化するのを防止し、あるいは環境温度の変化による性能の変化を適切に調整できることが必要である。そのためには、部品として使用する粘弾性体の特性がどのように変化するかを試験して、適切な材料を選択する必要がある。

環境温度の変化によって、粘弾性体の特性がどのように変化するかを示す資料は、各粘弾性体のメーカによって提供されているのが普通であるが、特殊な用途に使用する場合など、メーカから提供されている資料だけでは不十分な場合も多い。このような場合、機械装置のメーカは、製造しようとする機械装置に部品として使用する粘弾性体の特性を調べて、適切な材料を選択する必要が生ずる。このような場合、従来は適当と思われる材料をいくつか選んで、大学や試験場に粘弾性の測定を依頼している。

大学や試験場は、高性能の制御器を備えているため、粘弾性体の試験においても高精度の測定を行うことができる。しかし、それほどの高精度の測定結果を必要とせず、より簡易に短時間で測定を行いたい場合も多い。常温で簡易に粘弾性を測定できる装置はあるが、環境温度によって特性がどのように変化するかを調べるためには、制御器が設置されている部屋の温度を変えて試験をしなければならず、通常の空調機では冬期と夏期の屋外の温度に相当するほど広い温度範囲で室内の温度を変えることができない。

そこでこの発明は、広い温度範囲に環境温度を変えて粘弾性体の特性を簡易に計測できる装置を提供することを課題としている。

この発明では、粘弾性の測定に必要な引張機２と加振機５とを庫内温度の調節器を備えた収納箱１に収納できる大きさとし、引張動作を行う引張モータ３及び振動動作を行う加振モータ６を収納箱１の外に設置した制御器８で制御すると共に、当該制御器でそれらのモータ３、６の回転角とトルクを検出して、引張機２及び加振機５に取り付けた粘弾性体の特性を測定するようにした。

温度調節器を備えた収納箱１として市販の孵卵器を用いれば、小型で簡易な構造の引張機２と加振機５とを製作すればよいので、環境温度を変えて材料の粘弾性を簡易に測定することができる制御器を経済的に提供することができる。

引張機２は、引張試料４の一端を係止する固定台２１と、引張試料４の他端を係止する移動台２７であって、固定台２１に平行に軸支された２本のボールねじ２３（２３ａ、２３ｂ）に螺合する移動台２７と、２本のボールねじ２３を同期回転する引張モータ３とを備えた構造とすることで、市販の孵卵器にも収納可能な小型の引張機を安価に提供できる。

加振機５は、加振試料７の一端を係止する基台５１と、加振試料７の他端を係止するピストン５４であって、基台５１に設けた直線ガイド５２に案内されれて偏芯軸６１に連結ロッド６２で連結された振動台と、偏芯軸６１を回転する加振モータ６とを備えた構造とすることで、市販の孵卵器にも収納可能な小型の加振機を安価に提供できる。

制御器８は、収納箱１の庫外に設置され、庫内に収納された引張機の引張モータ３及び加振機の加振モータ６とケーブル８５で接続される。制御器８は、少なくとも加振モータ６の回転速度を可変するためのインバータその他のモータ速度調整器８１と、モータ３、６のトルクを測定するための電流計などのトルク測定手段８２と、モータ３、６の回転角を測定するパルスカウンタその他の回転角測定手段８３とを備えたものとする。

粘弾性体の引張試験を行うときは、試料４を引張機２の固定台２１と移動台２７との間に架け渡して収納箱１に入れ、引張モータ３の電源線と信号線とを収納箱の外に設置した制御器８に接続する。そして、収納箱１の庫内温度を試験温度とした後、引張モータ３を駆動してその回転角とトルクを測定する。

粘弾性体の粘性試験を行うときは、加振試料７を加振機５の基台５１とピストン５４との間に架け渡して収納箱１に入れ、加振モータ６の電源線と信号線とを収納箱の外に設置した制御器８に接続する。そして、収納箱１の庫内温度を試験温度とした後、加振モータ６を駆動してその回転角とトルクを測定する。

この発明によれば、粘弾性体の特性を種々の環境温度で簡易に測定することができる特性試験機が得られる。この発明の特性試験機を用いれば、各種の機械装置の部品として使用される通常は比較的小型の粘弾性体の特性を、必要な時に必要な環境温度で速やかにかつ簡易に計測することが可能になるから、変化する環境温度の中でも安定した性能を発揮できる機械装置をより短時間で開発できるという効果がある。

収納箱と制御器を示す模式図 引張試料の正面図 引張機の断面正面図 引張機の駆動系を示す底面図 加振試料の側面図 加振機の断面側面図 加振モータのトルクと回転角の線図

以下、図面を参照してこの発明の実施形態を説明する。実施例では収納箱１として市販されている孵卵器を用いている。収納箱１の庫内寸法は、幅３６０ｍｍ、高さ４２０ｍｍ、奥行き２７６ｍｍ（庫内容量４１リットル）で、ペルチェ素子による冷却・加温装置を備え、３〜４５℃まで１℃単位で温度制御可能な箱である。収納箱１は、前面に片開き式のドア１１を備え、側面に収納した引張機２及び加振機５と制御器８とを電気的に接続するケーブル８５を挿通するための貫通孔１２を備えている。

引張機２及び引張試料４は、図２〜４に示されている。引張試料４は、図２に示すように、中央が幅狭となるように加工して、両端に取付孔４２、４２を設けたゴム板４１の取付孔４２を設けた部分の両面にステンレス製の座金４３を接着した構造である。

引張試料４の引張試験を行う引張機２は、固定台２１と門形のフレーム２２との間に同期ベルト３２（３２ａ、３２ｂ）を介して１台の引張モータ３で同期駆動される２本のボールねじ２３（２３ａ、２３ｂ）を配し、固定台２１とボールねじ２３に螺合する移動台２７との間に引張試料４を架け渡して引張モータ３を駆動することにより、移動台２７を上昇させて引張試料４に引張力を与える構造である。引張試料４に与える引張力は、引張モータ３のトルクを検出することで測定でき、引張試料４の伸びは引張モータ３の回転数をカウントすることで測定できる。

引張機２をより詳細に説明すると、収納箱１の床面に定置される固定台２１に門形のフレーム２２が立設されている。鉛直方向の２本のボールねじ２３（２３ａ、２３ｂ）が、固定台２１とフレーム２２の上部に軸受２４（２４ａ、２４ｂ）、２５（２５ａ、２５ｂ）を介して自由回転可能に軸支されている。それぞれのボールねじ２３の下方の軸受２４から更に下方に突出した部分にプーリ２６（２６ａ、２６ｂ）が固定されている。プーリ２６ａと２６ｂとは、高さ方向にずれた位置に設けられている。

固定台２１には、平面視で２本のボールねじ２３ａ、２３ｂの軸心から等距離の位置に出力軸の軸心を位置させて、引張モータ３が装着されている。引張モータ３の出力軸３１には、幅広のプーリ３６が固定され、ボールねじ２３ａ、２３ｂのプーリ２６ａ、２６ｂと同期ベルト３２ａ、３２ｂで回転連結されている。移動台２７は、両端に装着したボールナット２８（２８ａ、２８ｂ）で２本のボールねじ２３ａ、２３ｂに螺合している。

固定台２１と移動台２７の２本のボールねじ２３ａ、２３ｂのちょうど中間の位置に、引張試料４の端部を挿入するスリットと当該スリットを直角方向に貫通するピン孔とを備えた取付板４４、４５が設けられている。引張試料４は、その両端を取付板４４、４５のスリットに挿入し、それぞれのピン孔に挿通したピン４６、４７を引張試料の取付孔４２、４２に挿通することによって、両端を固定台２１と移動台２７とに係止される。

フレーム２２には、移動台の下端位置と上限位置とを検出するリミットスイッチ４８、４９が設けられている。下端のリミットスイッチ４８で移動台２７が停止したときに、固定台の取付板４４と移動台の取付板４５との間隔が引張試料４の取付孔４２、４２の間隔と一致するように下端のリミットスイッチ４８の位置を設定する。この下端の停止位置からの引張モータ３の回転数は、モータに取り付けたエンコーダで検出され、そのときのモータトルクは、モータを流れる電流値で検出される。

粘性を測定するための加振機５及び加振試料７は、図５、６に示されている。加振試料７は、円筒形のゴム７１の両端にキャップ状のアダプタ７２（７２ａ、７２ｂ）を接着した構造で、アダプタ７２の中心には、ねじ孔７３（７３ａ、７３ｂ）が設けられている。加振機に取り付けたときに下方となる下アダプタ７２ｂのねじ孔７３ｂには、予めスタッド７４とその回り止めのロックナット７５が装着されている。

加振機５は、基台５１に固定したガイド筒５２に上下方向移動自在に案内されたピストン５４と加振モータ６で回転するクランク軸６１とを連結ロッド６２で連結した構造で、加振モータ６の回転によってピストン５４を上下振動させる構造である。加振試料７は、ガイド筒５２の上部とピストン５４の上端との間に装架され、加振モータ６の回転数に対応する周波数でピストン５４を振動して、加振試料７を繰り返し圧縮する。

加振機５をより詳細に説明すると、収納箱１の床面に定置される基台５１に出力軸を水平にして加振モータ６が装着されている。基台５１には、その上面に円筒形のガイド筒５２が固定されており、ガイド筒５２にピストン５４が上下方向に移動自在に案内されている。

ピストン５４の下端は二股形状になっており、加振モータ６の出力軸の先端は、軸心を０．５ｍｍ偏芯させた偏芯軸６１となっている。そして、ピストン５４の二股部分を貫通するように挿通したピストンピン６３とクランク軸６１とが、軸受６４、６５を介して、連結ロッド６２で連結されている。ピストン５４の上端には、加振試料７のスタッド７４をねじ込むための座ぐり付きのねじ孔７６が設けられており、スタッドのロックナット７５は、座ぐり部分７７に収容されるようになっている。

ガイド筒５２の上端には、門形の上フレーム５５が固定されている。上フレーム５５を門形としているのは、その開口を通して引張試料４の装脱を行うことができるようにするためである。上フレーム５５には、外周上部にねじを設けた押さえ筒５６が挿通されている。上フレーム５５の上端には、押さえ筒５６のねじと螺合するナット部材５７が載置され、ナット部材の上板５８に挿通した長ボルト５９が加振試料７の上アダプタ７２ａのねじ孔７３ａに螺入されるようになっている。

加振試料７は、長ボルト５９とを抜き取ってナット部材５７と押さえ筒５６を持ち上げた状態で、上フレーム５５の開口（図６の左右方向に開いている。）を通して挿入し、下アダプタ７２ｂに取り付けたスタッド７４をピストン５４のねじ孔７６に螺入して、下アダプタ７２ｂをピストン５４の上部に固定する。次に、ナット部材５７を回して押さえ筒５６を螺進退させて、押さえ筒５６の下端で加振試料の上アダプタ７２ａを押し下げて、加振試料７が自然長から２ｍｍ圧縮された状態で固定されるように調整する。そして、上板５８に長ボルト５９を挿通して加振試料７の上アダプタ７２ａのねじ孔７３ａにねじ込んで締め付ける。この締め付けによって長ボルト５９には引張力が作用し、押さえ筒５６には圧縮力が作用して、加振試料７の上アダプタ７２ａが所定の高さで固定される。

この状態で加振モータ６を回転させることにより、ピストン５４が１ｍｍのストロークで往復動し、加振試料７を繰り返し圧縮する。ピストン５４の周期は、制御器８のインバータ８１で加振モータ６の回転速度を制御することによって変更できる。

試料７の粘性は、加振モータ６に取り付けたエンコーダで検出される加振モータ６の回転角と、加振モータ６に流れる電流機で計測される加振モータ６のトルクとを経時的に計測して、回転角カーブθとトルクカーブＴとの時間差Δｔ（図７）を検出することによって測定できる。

モータ３、６に駆動電流を供給し、これらのモータの回転角及びトルクを測定する制御器８は、収納箱１の外に設置され、収納箱の貫通孔１２に挿通したケーブル８５で庫内のモータ３、６に接続される。ケーブル８５は、庫内側の端部にコネクタを備えており、収納箱に引張機２が収納されたときは、引張モータ３に接続され、収納箱に加振機５が収納されたときには、加振モータ６に接続される。ケーブル８５には、電源線と信号線とが含まれており、モータ３、６を駆動する電源線は、制御器のインバータ８１に接続され、モータ３、６を流れる電流は、制御器の電流計８２によって検出される。信号線は、モータ３、６に装着されたエンコーダに接続され、制御器側は制御器８に設けた回転角を検出するためのカウンタ８３に接続される。

上記の実施例から理解されるように、この発明の粘弾性体の特性試験装置は、庫内温度の設定器を備えた収納箱と、この収納箱に収容される引張機２と、同様に収納箱１に収納される加振機５と、収納箱１の外に設置して収容された引張機及び加振機のモータに接続されて駆動電源を供給すると共に、その回転角を検出するケーブルと、モータ３、６のトルク及び回転角を測定する制御器８を備えたものであり、この発明の特性試験装置によれば、環境温度の変化による粘弾性体の特性変化を簡易に測定することができる。

１ 収納箱
２ 引張機
４ 引張試料
５ 加振機
７ 加振試料
８ 制御器
２１ 固定台
２３（２３ａ、２３ｂ） ボールねじ
２７ 移動台
４１ ゴム板
４４、４５ 取付板
４８ リミットスイッチ
５１ 基台
５２ ガイド筒（直線ガイド）
５４ ピストン
５６ 押さえ筒
５７ ナット部材
６１ クランク軸（偏芯軸）
６２ 連結ロッド
８５ ケーブル

Claims (3)

1. 庫内温度の調節器を備えた収納箱と、試料の引張動作を行う引張モータと共に前記収納箱に収納可能な引張機と、試料の振動動作を行う加振モータと共に前記収納箱に収納可能な加振機と、前記収納箱の庫外に設置して前記収納箱に前記引張機が収納されたときは前記引張モータに電気的に接続され、当該収納箱に前記加振機が収納されたときは前記加振モータに電気的に接続される制御器とを備えている、粘弾性体の特性試験装置。
2. 前記収納箱が孵卵器である、請求項１記載の特性試験機。
3. 庫内温度の調節器を備えた収納箱と、
   当該収納箱に収納された状態で、固定台と２本のボールねじに螺合する移動台との間に前記ボールねじと平行に試料を架け渡して一台のモータで前記２本のボールねじを同期回転する引張機と、
   前記収納箱に収納された状態で、固定台と偏芯軸にリンクで連結された振動台との間にその振動方向と平行に試料を架け渡してモータで前記偏芯軸を回転する加振機と、
   前記収納箱の庫外に設置され、庫内の前記引張機のモータ及び加振機のモータとケーブルで接続されてそれぞれのモータの回転角と出力トルクとを測定する制御器と
   を備えている、粘弾性体の特性試験装置。

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