ねじり試験機
【課題】実際の使用環境における部品等の耐久性能を正確に評価可能なねじり試験機を提供する。
【解決手段】ねじり試験機１は、供試体の一端を所定の軸周りに回転駆動するねじり駆動部１００と、供試体の他端を所定の軸方向に直線駆動する直線駆動部２００とを備える。直線駆動部２００は、所定の軸方向に移動可能な移動部と、移動部の可動方向を規制するリニアガイドと、移動部を駆動する第１アクチュエータと軸荷重を検出する軸荷重センサと、供試体の他端が固定され、供試体に軸荷重を与える第１チャックと、を備える。移動部は、リニアガイドによって支持されたねじり荷重遮断プレートを備える。第１チャックと軸荷重センサとは、ねじり荷重遮断プレート２７２を介して連結されており、ねじり駆動部１００からのねじり荷重の伝達はねじり荷重遮断プレート２７２により遮断され、軸荷重センサには直線駆動部２００が発生する軸荷重のみが加わる。
【解決手段】ねじり試験機１は、供試体の一端を所定の軸周りに回転駆動するねじり駆動部１００と、供試体の他端を所定の軸方向に直線駆動する直線駆動部２００とを備える。直線駆動部２００は、所定の軸方向に移動可能な移動部と、移動部の可動方向を規制するリニアガイドと、移動部を駆動する第１アクチュエータと軸荷重を検出する軸荷重センサと、供試体の他端が固定され、供試体に軸荷重を与える第１チャックと、を備える。移動部は、リニアガイドによって支持されたねじり荷重遮断プレートを備える。第１チャックと軸荷重センサとは、ねじり荷重遮断プレート２７２を介して連結されており、ねじり駆動部１００からのねじり荷重の伝達はねじり荷重遮断プレート２７２により遮断され、軸荷重センサには直線駆動部２００が発生する軸荷重のみが加わる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種部品や材料の供試体にねじり荷重を加えるねじり試験機に関する。
本発明は、供試体にねじり荷重を加えるねじり試験機に関連し、特にねじり荷重の軸方向において供試体に引張・圧縮荷重又は加振力を加えながらねじり試験を行うねじり試験機に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、自動車のプロペラシャフト等の動力伝達部品は、使用時に動的なねじり荷重が負荷されるため、所定のねじり荷重を繰り返し加えるねじり疲労試験によって耐久性能が評価される。特許文献１には、供試体の一端を固定して、他端を電動サーボモータにより軸周りに回転させることで、供試体に繰り返しねじり荷重を負荷するねじり試験機が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−６４６６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、実際の使用環境においては、プロペラシャフト等の動力伝達部品には、ねじり荷重に加えて出力軸方向の変動荷重も負荷される。そのため、特許文献１に記載されているような、供試体にねじり荷重のみを負荷する従来のねじり試験機では、実際の使用環境における動力伝達部品の耐久性能を正確に評価することができなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態によれば、供試体に所定の軸方向に軸荷重を加えながら、所定の軸周りにねじり荷重を加えるねじり試験機が提供される。本発明の実施形態に係るねじり試験機は、供試体の一端を所定の軸周りに回転駆動するねじり駆動部と、供試体の他端を所定の軸方向に直線駆動する直線駆動部とを備える。直線駆動部は、所定の軸方向に移動可能な移動部と、移動部の可動方向を所定の軸方向のみに規制するリニアガイドと、移動部を所定の軸方向に駆動する第１アクチュエータと軸荷重を検出する軸荷重センサと、供試体の他端が固定され、供試体に軸荷重を与える第１チャックと、を備える。移動部は、リニアガイドの第１ランナーブロックに固定されて、リニアガイドによって所定の軸周りに回転不能に支持されたねじり荷重遮断プレートを備える。第１チャックと軸荷重センサとは、ねじり荷重遮断プレートを介して連結されており、ねじり駆動部からのねじり荷重の伝達はねじり荷重遮断プレートにより遮断され、軸荷重センサには直線駆動部が発生する軸荷重のみが加わるように構成されている。
【０００６】
この構成によれば、例えば、供試体に所定の軸方向の軸荷重を加えながら、所定の軸周りにねじり荷重を加える疲労試験を行うことが可能になり、実際の使用環境下で動力伝達部品等が受けるものに近い荷重を供試体に与えることができ、供試体の耐久性能等をより正確に評価することが可能になる。また、ねじり荷重遮断プレートを設けることにより、供試体に大きなねじり荷重を加えても、軸荷重センサにより供試体に加えられる軸荷重を正確に検出することが可能になる。
【０００７】
移動部は、第１アクチュエータが固定された第１移動部と、第１チャックが固定された第２移動部と、軸荷重センサを挟んで所定の軸方向に並ぶ第１移動部と第２移動部とを、荷重センサに所定のプリロードが加わるように締め付けて、一体に固定する締付手段と、を備え、第２移動部が、ねじり荷重遮断プレートを備えた構成としてもよい。
【０００８】
この構成によれば、簡単な構造によって、圧縮及び引張り荷重を正確に検出可能に軸荷重センサを取り付けることができる。
【０００９】
第１移動部には、リニアガイドの第１ランナーブロックが固定され、第２移動部には、リニアガイドの第２ランナーブロックが固定され、第１及び第２移動部は、リニアガイドによって、所定の軸方向にのみ移動自在に下側から支持されている構成としてもよい。
【００１０】
この構成によれば、可動部の重量が分散して支持されるため、よりスムーズの可動部の移動が可能になる。
【００１１】
直線駆動部は、互いに平行に配置された一対のリニアガイドを備え、移動部には一対のリニアガイドの第１ランナーブロックが固定されている構成としてもよい。
【００１２】
この構成によれば、ねじり荷重遮断プレートが、一対のリニアガイドを介してより、ねじり荷重に対してより高い剛性で支持されるため、より大きなねじり荷重を与える試験や、より高い周波数で変動する軸荷重を与える試験が可能になる。
【００１３】
第１アクチュエータが、第１サーボモータと、第１サーボモータに回転駆動される送りねじと、送りねじと係合するナットと、を備え、ナットが移動部に固定されており、第１アクチュエータは、送りねじの回転によって、ナットと共に移動部を所定の軸方向へ直線駆動する構成としてもよい。
【００１４】
この構成によれば、サーボモータを使用して、大変位且つ高周波数で変動する軸荷重を加える試験が可能になる。
【００１５】
直線駆動部は一対の複数の第１のアクチュエータを備え、移動部には複数のナットが固定されている構成としてもよい。
【００１６】
この構成によれば、複数のアクチュエータにより移動部を並列に駆動させて、大きな駆動力を得ることが可能になる。小型のアクチュエータを複数使用する構成により、部品の共通化が可能になり、試験機のコスト低減が可能になる。
【００１７】
ねじり駆動部は、ベースプレートと、第２サーボモータと、第２サーボモータの出力トルクを増幅して、ねじり荷重を出力する減速機と、ねじり荷重を検出するトルクセンサと、ベースプレートに固定された軸受部と、軸受部に回転自在に支持されて、ねじり荷重を伝達する軸部と、を備え、減速機は、ベースプレートに固定されたギアボックスと、軸受を介してギアボックスに回転自在に支持された荷重伝達部と、を備え、トルクセンサは、それぞれ回転自在にベースに対して支持された減速機の荷重伝達部と軸部との間に設けられている構成としてもよい。
【００１８】
通常のねじり試験機では、トルクセンサは反力盤側に取り付けられるが、本発明の実施形態に係るねじり試験機では、ねじり荷重の反力盤（直線駆動部）が所定の軸方向に高い周波数で振動するため、トルクセンサの取り付けに適さない。この構成によれば、トルクセンサが回転自在に（すなわち低フリクションで）支持されるため、ねじり駆動部側に設けてもトルクの正確な検出が可能になる。また、トルクセンサが設けられる動力伝達軸が、片持ち支持ではなく、軸方向両側で軸受を介してベースプレートに支持されるため、トルクセンサに曲げ応力が加わらず、トルクの正確な検出が可能になる。
【００１９】
ねじり駆動部は、供試体の一端が固定され、供試体にねじり荷重を与える第２チャックを備え、軸部の出力端には、チャックの入力端が固定されている構成としてもよい。
【００２０】
この構成によれば、チャックが軸受部により直近で片持ち支持されるため、軸受部とチャックとの間の回転軸に大きくな曲げ変形が生じることは無く、正確な試験が可能になる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の実施形態の構成によれば、実際の使用環境における部品等の耐久性能を正確に評価可能なねじり試験機が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係るねじり試験機の正面図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に係るねじり試験機の平面図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態に係るねじり試験機の変速機付近の内部構造を示す図である。
【図４】図４は、動電型速度センサの縦断面図である。
【図５】図５は、制御部の概略構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態に係るねじり試験機１について、図面を参照しながら説明する。ねじり試験機１は、自動車用プロペラシャフト等の動力伝達部品である供試体に対して、入出力軸間に軸方向の荷重（若しくは加振力）を加えながらねじり荷重を加える複合ねじり試験（以下、単に「ねじり試験」という）を行う装置である。図１及び図２は、それぞれねじり試験機１の試験機本体１ａの正面図及び平面図である。なお、以下の説明において、供試体の入出力軸方向（動力伝達軸方向）の荷重を軸荷重と呼ぶ。また、図１において、左右方向をＸ軸方向（右方向をＸ軸正方向）、紙面に垂直な方向をＹ軸方向（裏面から表面に向かう方向をＹ軸正方向）、上下方向をＺ軸方向（上方向をＺ軸正方向）、と定義する。
【００２４】
ねじり試験機１は、ねじり荷重及び軸荷重として、静荷重及び動荷を供試体に加えられるように構成されている。また、ねじり試験機１は、ねじり荷重又は軸荷重をゼロ値に設定することができる。すなわち、ねじり試験機１は、引張・圧縮荷重（若しくは加振力）又はねじり荷重のみを供試体に加える従来の引張・圧縮試験（若しくは振動試験）又は通常のねじり試験を行うこともできように構成されている。なお、供試体は動力伝達部品に限らず、ねじり試験機１を使用して他の各種の部品、組立品及び材料試験片について試験を行うことができる。
【００２５】
ねじり試験機１は、試験機本体１ａと、試験機本体１ａの制御（試験条件の設定、駆動電流の生成及び各種計測値の取得）及び試験データの処理を行う制御部３００を備えている。試験機本体１ａは、試験機本体１ａの全体を支持するベース１０、供試体にねじり荷重を加えるねじり駆動部１００及び供試体に軸荷重を加える直線駆動部２００を備えている。ねじり駆動部１００及び直線駆動部２００は、それぞれベース１０上に配置された可動プレート１０２及び固定プレート２０２上に設けられている。なお、試験機本体１ａは、リニアガイド３２及び送りねじ機構３４により、可動プレート１０２をベース１０に対してＸ軸方向に移動させる可動プレート移動機構３０を備えており、ねじり駆動部１００をＸ軸方向へ設定された距離だけ正確に移動させることができる。軸方向の寸法が異なる供試体に変更する際には、ねじり駆動部１００と直線駆動部２００との間隔（すなわち供試体のチャッキングの間隔）を変更する必要があるが、可動プレート移動機構３０を使用することにより、チャッキング間隔の変更を短時間で正確に行うことが可能となる。
【００２６】
ねじり駆動部１００は、供試体に加えるねじり荷重を発生するねじり駆動用モータ１１０、減速機１２０、トルクセンサ１５０、軸受部１６０及びチャック１７０を備えている。図３は、減速機１２０付近の内部構造を示す図である。ねじり駆動用モータ１１０は、２０ｋＷの最大出力を発生し、１００Ｈｚ以上の周波数での高速反転駆動が可能な低慣性型のサーボモータである。減速機１２０は、可動プレート１０２に固定されたＬ型ブラケット１０６に取り付けられている。また、減速機１２０のケース１２１の入力軸側（図３における左側面）にはモータ取付用のフランジ部１２１ｆが形成されており、このフランジ部１２１ｆにフランジ部材１１６を介してねじり駆動用モータ１１０のフランジブラケット（負荷側ブラケット）１１０ａが固定されている。
【００２７】
また、可動プレート１０２に固定されたＬ型ブラケット１０６の水平部１０６ｈの上面には、モータ支持部１０４が固定されている。このモータ支持部１０４に、モータ固定ロッド１０５を介して、ねじり駆動用モータ１１０の下面後部（図１において左側）が固定されている。
【００２８】
なお、ねじり駆動用モータ１１０は、出力軸１１４を支持する軸受が設けられた剛性の高いフランジブラケット１１０ａ及び反力側ブラケット１１０ｂを備えている。上述のように、フランジブラケット１１０ａは、フランジ部材１１６及び減速機１２０のケース１２１を介して、Ｌ型ブラケット１０６の直立部１０６ｖに固定されている。また、反力側ブラケット１１０ｂは、モータ固定ロッド１０５及びモータ支持部１０４を介して、Ｌ型ブラケット１０６の水平部１０６ｈに高い剛性で固定されている。このように、出力軸１１４を支持するフランジブラケット１１０ａ及び反力側ブラケット１１０ｂを、高い剛性でねじり試験機１の装置フレーム（Ｌ型ブラケット１０６）に固定する構成により、ねじり駆動用モータ１１０を高出力で高速反転駆動させた場合でも、出力軸１１４がねじり試験機１の装置フレームに対して振動することによって生じる計測ノイズが抑制され、測定精度が向上する。また、この構成により、騒音の発生が防止されると共に、ねじり駆動用モータ１１０の寿命が大幅に向上する。
【００２９】
ねじり駆動用モータ１１０の出力軸１１４と、減速機１２０の入力軸１２２とは、フランジ部材１１６の中空部内において、リジッドカップリング１４０により連結されている。また、減速機１２０の出力軸１２４には、トルクセンサ１５０の入力端（図１における左端）が連結されている。
【００３０】
軸受部１６０は、可動プレート１０２に固定された脚部１６４と、脚部１６４に回転自在に支持された軸１６２とを備えている。トルクセンサ１５０の出力端は、軸１６２の一端に連結されている。また、軸１６２の他端は、チャック１７０に連結されている。このように、トルクセンサ１５０が連結される各軸（減速機１２０の出力軸１２４、軸受部１６０の軸１６２）がそれぞれ低摩擦で回転自在に支持されているため、供試体がチャック１７０に取り付けられていない状態（空転時）においてトルクセンサ１５０に加わるトルクの大きさ（すなわち、ねじり試験機１の内部摩擦によるトルク測定の誤差）は、試験時に供試体に加えられる試験トルクに比べて十分に小さな値となる。従って、この構成により、トルクセンサ１５０による高い精度での試験トルクの計測が可能となっている。
【００３１】
また、チャック１７０の外周面には溝１７２が形成されている。また、軸受部１６０の脚部１６４には、チャック１７０の下方にロータリーエンコーダ１７８が取り付けられており、ロータリーエンコーダ１７８の軸にはプーリー１７６が取り付けられている。チャック１７０の溝１７２とプーリー１７６には、ベルト１７４が巻き掛けられており、ロータリーエンコーダ１７８によりチャック１７０の回転角が検出されるようになっている。
【００３２】
直線駆動部２００は、固定プレート２０２に固定されたモータ支持部２１０、供試体に加える軸荷重を発生する一対の直線駆動用モータ２２０、各直線駆動用モータ２２０の出力軸２２２に連結された一対のボールねじ２４０、第１可動部２５０、ロードセル２６０、第２可動部２７０及び動電型速度センサ２８０を備えている。モータ支持部２１０は、互いに平行に並べられたモータ支持板２１２及び軸受支持板２１４と、モータ支持板２１２及び軸受支持板２１４を連結する３枚の連結板２１６と、２枚のリブ２１７を備えている。モータ支持板２１２及び軸受支持板２１４は、それぞれＸ軸と垂直に、Ｘ軸方向に所定の間隔で配置されている。また、連結板２１６は、それぞれＹ軸と垂直に、Ｙ軸方向に等間隔で配置されている。２枚のリブ２１７は、モータ支持板２１２を挟んで、Ｙ軸方向両端の２枚の連結板２１６と対向する位置にそれぞれ配置されている。モータ支持板２１２及び軸受支持板２１４と、各連結板２１６及びリブ２１７とは、溶接により一体に接合されており、高い剛性を有している。また、モータ支持板２１２、軸受支持板２１４、連結板２１６及びリブ２１７は、それぞれ固定プレート２０２に溶接されており、各板が固定プレート２０２に対して実質的に振動しないように構成されている。また、固定プレート２０２の上面には、Ｘ軸方向に延びる一対のレール２０４と、各レール２０４の長手方向両端に配置された一対のストッパ２０６及び２０８が取り付けられている。
【００３３】
一対の直線駆動用モータ２２０は、それぞれモータ支持板２１２の一面（軸受支持板２１４と反対側の面）に、Ｙ軸方向に所定の間隔で並べて取り付けられている。直線駆動用モータ２２０は、７ｋＷの最大出力を発生し、１００Ｈｚ以上の周波数での高速反転駆動が可能な低慣性型のサーボモータである。なお、直線駆動用モータ２２０は、最大出力が１０ｋＷ未満であるため、フランジブラケット２２４のみで装置フレーム（モータ支持部２１０）に固定されている。各直線駆動用モータ２２０の出力軸２２２は、モータ支持板２１２に開けられた２つの貫通穴（不図示）を通り、モータ支持板２１２の反対側へ突出している。
【００３４】
また、軸受支持板２１４にも２つの貫通穴が開けられており、各貫通穴にはボールねじ２４０の軸部を回転自在に支持する軸受（不図示）が取り付けられている。直線駆動用モータ２２０の出力軸２２２とボールねじ２４０の軸部とは、リジッドカップリング２３０によって連結されている。
【００３５】
第１可動部２５０は、プレート２５１と、プレート２５１の上面に固定された略Ｔ字状の連結部２５２と、連結部２５２に固定された接続部２５３と、各ボールねじ２４０とそれぞれ係合する一対のナット２５４と、各レール２０４とそれぞれ係合する一対のランナーブロック２５５とを備えている。各ランナーブロック２５５は、プレート２５１の下面のＹ軸方向両端部にそれぞれ取り付けられている。また、各ナット２５４は、連結部２５２に開けられた一対の貫通穴（不図示）にそれぞれ差し込まれて固定されている。この構成により、第１可動部２５０は、一対のランナーブロック２５５及びレール２０４により固定プレート２０２上をＸ軸方向に低抵抗でスライド自在に支持されており、また各ナット２５４と係合するボールねじ２４０の回転駆動に応じてＸ軸方向に低抵抗で駆動されるようになっている。
【００３６】
また、連結部２５２は、Ｘ軸方向中央部（一対のナット２５４の中間）よりＸ軸負方向へ突出する突出部２５２ａを有し、突出部２５２ａの先端に接続部２５３の一端が固定されている。接続部２５３はＸ軸方向に中心軸を向けた略円錐台形の部材であり、Ｘ軸正方向に向かって外径が小さくなるような向きで接続部２５３に取り付けられている。接続部２５３のＸ軸正方向先端の外径は突出部２５２ａのＹ軸方向寸法と略同じ大きさとなっており、接続部２５３のＸ軸負方向先端の外径はロードセル２６０の外径と同じ大きさとなっている。ロードセル２６０の外径は一対のボールねじ２４０の最小間隔よりも大きく、このように接続部２５３を略円錐台状に形成してボールねじ２４０側の外径を小さくすることにより、ナット２５４から突出するボールねじ２４０が接続部２５３と干渉しないようになっている。また、接続部２５３の中心軸上には、後述するボルト２６２を捻じ込むための雌ねじが、Ｘ軸負方向側から開けられている。
【００３７】
ロードセル２６０は、直線駆動部２００によって供試体に加えられるＸ軸方向の軸荷重を検出する荷重センサである。ロードセル２６０は、その中心軸上にボルト２６２を通すための貫通穴が形成され、略円筒形の外形を有している。
【００３８】
第２可動部２７０は、一対のプレート２７１と、一対のプレート２７１を連結する連結板（ねじり荷重遮断プレート）２７２と、第１可動部２５０と接続するための接続部２７３と、供試体の一端を取り付けるためのチャック２７４とを備えている。接続部２７３は、第１可動部２５０の接続部２５３と同様にＸ軸方向に中心軸を向けた略円錐台形の部材であり、ボルト２６２を通すための貫通穴が形成されている。また、接続部２７３は、接続部２５３と同様に、Ｘ軸正方向に向かって外径が小さくなる向きで取り付けられる。
【００３９】
ロードセル２６０を接続部２５３と接続部２７３とで挟み込み、ボルト２６２を接続部２７３及びロードセル２６０の貫通穴に通して接続部２５３に形成された雌ねじに捻じ込むことにより、ロードセル２６０及び接続部２７３が第１可動部２５０に固定されると共に、ロードセル２６０に所定のプリロードが加えられる。また、接続部２７３の底面（図１における左側面）及びチャック２７４の底面（図１における右側面）が、連結板２７２に固定される。
【００４０】
このように構成された直線駆動部２００は、制御部３００により一対の直線駆動用モータ２２０を同期駆動させることで、供試体が取り付けられるチャック２７４をＸ軸方向に駆動して、供試体に所望の軸荷重を加えることができる。
【００４１】
上記の構成により、連結板２７２は、プレート２７１、ランナーブロック２７５及びレール２０４を介してＸ軸方向のみに移動可能に固定プレート２０２に支持される。すなわち、連結板２７２は、一対の直線駆動用モータ２２０が発生する軸荷重を低抵抗で供試体に伝達可能でありながら、供試体を介してチャック２７４に伝達されるねじり駆動部１００からのねじり荷重を完全に遮断して、ロードセル２６０にねじり荷重が一切伝わらないようになっている。この構成により、供試体に大きなねじり荷重を加えた状態でも、ねじり荷重の影響を受けず、ロードセル２６０によって直線駆動部２００が供試体に加える軸荷重を正確に検出することが可能となる。
【００４２】
また、ロードセル２６０の中心軸上を貫通する単一のボルト２６２によってロードセル２６０を締め付けて固定する構成により、簡単な構造でロードセル２６０に軸荷重を均一に加えることができ、ロードセル２６０による軸荷重の正確な検出を可能にする。
【００４３】
また、直線駆動部２００には、第１可動部２５０及び第２可動部２７０のＸ軸方向への移動速度を検出するための動電型速度センサ２８０が取り付けられている。図４は、動電型速度センサ２８０の縦断面図である。動電型速度センサ２８０は、円筒形のシリンダ部２８１と、シリンダ部２８１の内径と略同径の円柱形状を有し、シリンダ部２８１内に軸方向へ往復移動可能に収容された磁石２８３と、磁石２８３の軸方向両端から延びる一対のシャフト部２８２とを備え、シリンダ部２８１に対するシャフト部２８２（磁石２８３）の相対速度を検出するものである。シリンダ部２８１の内周面には、一対の固定コイル２８４が取り付けられている。磁石２８３は、長手方向の一端がＮ極に、他端がＳ極になっており、Ｎ極が一方の固定コイル２８４内で、Ｓ極が他方の固定コイル２８４内で、それぞれ軸方向に往復移動可能になっている。そのため、磁石２８３が固定コイル２８４の内部で移動すると、固定コイル２８４に誘導起電力が発生する。この誘導起電力の大きさ（電圧）は、磁石２８３の移動速度に比例するため、各固定コイル２８４の両端間の電位差から、磁石２８３の移動速度、すなわちシリンダ部２８１に対するシャフト部２８２の移動速度を検出することができる。シリンダ部２８１は、中心軸をＸ軸方向に向けて、モータ支持部２１０の上端に固定されている。また、シリンダ部２８１から外へ突出したシャフト部２８２の先端は、第１可動部２５０の連結部２５２に固定されている。そのため、動電型速度センサ２８０は、装置フレーム（モータ支持部２１０）に対する第１可動部２５０、延いてはチャック２７４のＸ軸方向速度を検出することができる。
【００４４】
次に、制御部３００の構成を説明する。図５は、制御部３００の概略構成を示すブロック図である。制御部３００は、設定値指示部３１０、３つのモータドライバ３２０及びセンサ信号処理部３３０、３４０、３５０を備えている。
【００４５】
設定値指示部３１０は、ユーザが入力した試験条件に基づいて、ねじり駆動用モータ１１０及び直線駆動用モータ２２０を駆動するための設定値を生成して各モータドライバ３２０へ出力する。具体的には、設定値指示部３１０は、ユーザが入力した試験条件に基づいて、チャック１７０、２７４を介して供試体に加える変位（ねじり角）や変位速度、荷重等の試験波形データを生成し、試験波形データに従って各モータを駆動させるための設定値を生成して各モータドライバ３２０に提供する。設定値指示部３１０は、入力インターフェース３１２及び波形生成部３１４を備えている。
【００４６】
入力インターフェース３１２は、ユーザ入力やファンクションジェネレータ等の外部装置からの波形信号の入力を受け付ける。また、入力インターフェース３１２は、メモリーカード等の記録メディアに記録された波形データや波形生成条件の読み取りや、サーバに格納された波形データや波形生成条件のネットワークを介した取得も行うことができる。
【００４７】
波形生成部３１４は、入力インターフェース３１２を介して入力された波形信号や波形生成条件に基づいて、ねじり駆動用及び直線駆動用の試験波形データを生成して同期指令部３１６へ送る。また、波形生成部３１４は、トルクセンサ１５０、ロータリーエンコーダ１７８、ロードセル２６０及び動電型速度センサ２８０の検出結果に基づいて、試験波形データのフィードバック修正を行うこともできる。なお、本実施形態においては、ねじり駆動用の試験波形データは供試体に加えるトルクの波形データとして、また直線駆動用の試験波形データは供試体に加える変位速度（すなわちチャック２７４の速度）の波形データとして生成されるが、他の物理量の波形データとして試験波形データを生成することもできる。例えば、ねじり駆動用の試験波形データは、例えば、供試体に加えるねじり角、ねじり角速度又はねじり角加速度、若しくは、ねじり駆動用モータ１１０の出力軸の角度、角速度又は角加速度の波形データとして生成することもできる。また、直線駆動用の試験波形データは、例えば、チャック２７４の加速度や基準位置からの変位、又は供試体に加える軸荷重の波形データとして生成することもできる。
【００４８】
同期指令部３１６は、波形生成部３１４から取得したねじり駆動用及び直線駆動用の試験波形データに基づいて、ねじり駆動用モータ１１０及び一対の直線駆動用モータ２２０のそれぞれに対する駆動指令である設定値を生成して、各モータを駆動するモータドライバ３２０に送信する。また、同期指令部３１６は、ねじり駆動用モータ１１０及び各直線駆動用モータ２２０に内蔵されたロータリーエンコーダ１１０ａ、２２０ａ、２２０ａの信号に基づいて、各モータに送信する設定値の同期をとる。
【００４９】
なお、ここでは、設定値指示部３１０が、ねじり駆動用モータ１１０の出力軸１１２（又は直線駆動用モータ２２０の出力軸２２２）の角度の目標値を指定する設定値を出力する例について説明するが、他のパラメータ（例えば、出力軸１１２の回転数）の設定値によりモータドライバ３２０に指令を与えることもできる。また、本実施形態では、設定値指示部３１０は設定値のデジタル値をモータドライバ３２０へ出力するが、他の形態の信号（例えば、アナログ電流信号、アナログ電圧信号、パルス信号）によりモータドライバに指令を与える構成とすることもできる。
【００５０】
モータドライバ３２０は、ねじり駆動用モータ１１０及び一対の直線駆動用モータ２２０のそれぞれに一つ接続されており、設定値指示部３１０から取得した設定値に基づいて各モータに駆動電流を供給する。モータドライバ３２０は、Ｄ／Ａコンバータ３２２、現在位置演算部３２４及び駆動電流生成部３２６を備えている。設定値指示部３１０から取得した設定値のデジタル信号は、Ｄ／Ａコンバータ３２２に入力され、アナログ信号に変換される。また、ねじり駆動用モータ１１０及び直線駆動用モータ２２０に内蔵されたロータリーエンコーダの信号は、現在位置演算部３２４に入力される。現在位置演算部３２４は、各モータのロータリーエンコーダの検出結果に基づいて、各モータの出力軸の角度を演算して出力する。そして、設定値のアナログ信号と現在位置演算部３２４の出力との差分（すなわち、各モータの出力軸の目標角度と現在の角度との差分に相当する信号）が駆動電流生成部３２６に入力される
【００５１】
駆動電流生成部３２６は、入力された信号に基づいて駆動電流を生成し、これを駆動制御するねじり駆動用モータ１１０又は直線駆動用モータ２２０に供給する。この結果、各モータの出力軸の角度が目標の角度に到達するようにＡＣサーボモータ３５が駆動される。
【００５２】
センサ信号処理部３３０、３４０及び３５０には、それぞれトルクセンサ１５０、ロードセル２６０及び動電型速度センサ２８０が接続され、各センサの検出結果を示すデジタル信号を生成して、設定値指示部３１０へ出力する。センサ信号処理部３３０、３４０は、それぞれブリッジ回路３３２、３４２及びＡ／Ｄコンバータ３３４、３４４を備えている。ブリッジ回路３３２及び３４２には、それぞれトルクセンサ１５０及びロードセル２６０の検出素子であるひずみゲージ（不図示）が接続され、ひずみゲージの抵抗値に応じた電圧信号を出力する。Ａ／Ｄコンバータ３３４、３４４は、ブリッジ回路３３２、３４２が出力した電圧信号をデジタル信号に変換して設定値指示部３１０へ出力する。また、センサ信号処理部３５０は、Ａ／Ｄコンバータ３５４を備え、動電型速度センサ２８０から入力された電圧信号は、Ａ／Ｄコンバータ３５４によりデジタル信号に変換されて、設定値指示部３１０へ出力される。
【００５３】
以上が本発明の例示的な実施形態の説明である。本発明の実施の形態は、上記に説明したものに限定されず、特許請求の範囲の記載により表現された技術的思想の範囲内で任意に変更することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１ ねじり試験機１
１ａ 試験機本体１ａ
１００ 駆動部
２００ 直線駆動部
３００ 制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種部品や材料の供試体にねじり荷重を加えるねじり試験機に関する。
本発明は、供試体にねじり荷重を加えるねじり試験機に関連し、特にねじり荷重の軸方向において供試体に引張・圧縮荷重又は加振力を加えながらねじり試験を行うねじり試験機に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、自動車のプロペラシャフト等の動力伝達部品は、使用時に動的なねじり荷重が負荷されるため、所定のねじり荷重を繰り返し加えるねじり疲労試験によって耐久性能が評価される。特許文献１には、供試体の一端を固定して、他端を電動サーボモータにより軸周りに回転させることで、供試体に繰り返しねじり荷重を負荷するねじり試験機が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−６４６６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、実際の使用環境においては、プロペラシャフト等の動力伝達部品には、ねじり荷重に加えて出力軸方向の変動荷重も負荷される。そのため、特許文献１に記載されているような、供試体にねじり荷重のみを負荷する従来のねじり試験機では、実際の使用環境における動力伝達部品の耐久性能を正確に評価することができなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態によれば、供試体に所定の軸方向に軸荷重を加えながら、所定の軸周りにねじり荷重を加えるねじり試験機が提供される。本発明の実施形態に係るねじり試験機は、供試体の一端を所定の軸周りに回転駆動するねじり駆動部と、供試体の他端を所定の軸方向に直線駆動する直線駆動部とを備える。直線駆動部は、所定の軸方向に移動可能な移動部と、移動部の可動方向を所定の軸方向のみに規制するリニアガイドと、移動部を所定の軸方向に駆動する第１アクチュエータと軸荷重を検出する軸荷重センサと、供試体の他端が固定され、供試体に軸荷重を与える第１チャックと、を備える。移動部は、リニアガイドの第１ランナーブロックに固定されて、リニアガイドによって所定の軸周りに回転不能に支持されたねじり荷重遮断プレートを備える。第１チャックと軸荷重センサとは、ねじり荷重遮断プレートを介して連結されており、ねじり駆動部からのねじり荷重の伝達はねじり荷重遮断プレートにより遮断され、軸荷重センサには直線駆動部が発生する軸荷重のみが加わるように構成されている。
【０００６】
この構成によれば、例えば、供試体に所定の軸方向の軸荷重を加えながら、所定の軸周りにねじり荷重を加える疲労試験を行うことが可能になり、実際の使用環境下で動力伝達部品等が受けるものに近い荷重を供試体に与えることができ、供試体の耐久性能等をより正確に評価することが可能になる。また、ねじり荷重遮断プレートを設けることにより、供試体に大きなねじり荷重を加えても、軸荷重センサにより供試体に加えられる軸荷重を正確に検出することが可能になる。
【０００７】
移動部は、第１アクチュエータが固定された第１移動部と、第１チャックが固定された第２移動部と、軸荷重センサを挟んで所定の軸方向に並ぶ第１移動部と第２移動部とを、荷重センサに所定のプリロードが加わるように締め付けて、一体に固定する締付手段と、を備え、第２移動部が、ねじり荷重遮断プレートを備えた構成としてもよい。
【０００８】
この構成によれば、簡単な構造によって、圧縮及び引張り荷重を正確に検出可能に軸荷重センサを取り付けることができる。
【０００９】
第１移動部には、リニアガイドの第１ランナーブロックが固定され、第２移動部には、リニアガイドの第２ランナーブロックが固定され、第１及び第２移動部は、リニアガイドによって、所定の軸方向にのみ移動自在に下側から支持されている構成としてもよい。
【００１０】
この構成によれば、可動部の重量が分散して支持されるため、よりスムーズの可動部の移動が可能になる。
【００１１】
直線駆動部は、互いに平行に配置された一対のリニアガイドを備え、移動部には一対のリニアガイドの第１ランナーブロックが固定されている構成としてもよい。
【００１２】
この構成によれば、ねじり荷重遮断プレートが、一対のリニアガイドを介してより、ねじり荷重に対してより高い剛性で支持されるため、より大きなねじり荷重を与える試験や、より高い周波数で変動する軸荷重を与える試験が可能になる。
【００１３】
第１アクチュエータが、第１サーボモータと、第１サーボモータに回転駆動される送りねじと、送りねじと係合するナットと、を備え、ナットが移動部に固定されており、第１アクチュエータは、送りねじの回転によって、ナットと共に移動部を所定の軸方向へ直線駆動する構成としてもよい。
【００１４】
この構成によれば、サーボモータを使用して、大変位且つ高周波数で変動する軸荷重を加える試験が可能になる。
【００１５】
直線駆動部は一対の複数の第１のアクチュエータを備え、移動部には複数のナットが固定されている構成としてもよい。
【００１６】
この構成によれば、複数のアクチュエータにより移動部を並列に駆動させて、大きな駆動力を得ることが可能になる。小型のアクチュエータを複数使用する構成により、部品の共通化が可能になり、試験機のコスト低減が可能になる。
【００１７】
ねじり駆動部は、ベースプレートと、第２サーボモータと、第２サーボモータの出力トルクを増幅して、ねじり荷重を出力する減速機と、ねじり荷重を検出するトルクセンサと、ベースプレートに固定された軸受部と、軸受部に回転自在に支持されて、ねじり荷重を伝達する軸部と、を備え、減速機は、ベースプレートに固定されたギアボックスと、軸受を介してギアボックスに回転自在に支持された荷重伝達部と、を備え、トルクセンサは、それぞれ回転自在にベースに対して支持された減速機の荷重伝達部と軸部との間に設けられている構成としてもよい。
【００１８】
通常のねじり試験機では、トルクセンサは反力盤側に取り付けられるが、本発明の実施形態に係るねじり試験機では、ねじり荷重の反力盤（直線駆動部）が所定の軸方向に高い周波数で振動するため、トルクセンサの取り付けに適さない。この構成によれば、トルクセンサが回転自在に（すなわち低フリクションで）支持されるため、ねじり駆動部側に設けてもトルクの正確な検出が可能になる。また、トルクセンサが設けられる動力伝達軸が、片持ち支持ではなく、軸方向両側で軸受を介してベースプレートに支持されるため、トルクセンサに曲げ応力が加わらず、トルクの正確な検出が可能になる。
【００１９】
ねじり駆動部は、供試体の一端が固定され、供試体にねじり荷重を与える第２チャックを備え、軸部の出力端には、チャックの入力端が固定されている構成としてもよい。
【００２０】
この構成によれば、チャックが軸受部により直近で片持ち支持されるため、軸受部とチャックとの間の回転軸に大きくな曲げ変形が生じることは無く、正確な試験が可能になる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の実施形態の構成によれば、実際の使用環境における部品等の耐久性能を正確に評価可能なねじり試験機が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係るねじり試験機の正面図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に係るねじり試験機の平面図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態に係るねじり試験機の変速機付近の内部構造を示す図である。
【図４】図４は、動電型速度センサの縦断面図である。
【図５】図５は、制御部の概略構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態に係るねじり試験機１について、図面を参照しながら説明する。ねじり試験機１は、自動車用プロペラシャフト等の動力伝達部品である供試体に対して、入出力軸間に軸方向の荷重（若しくは加振力）を加えながらねじり荷重を加える複合ねじり試験（以下、単に「ねじり試験」という）を行う装置である。図１及び図２は、それぞれねじり試験機１の試験機本体１ａの正面図及び平面図である。なお、以下の説明において、供試体の入出力軸方向（動力伝達軸方向）の荷重を軸荷重と呼ぶ。また、図１において、左右方向をＸ軸方向（右方向をＸ軸正方向）、紙面に垂直な方向をＹ軸方向（裏面から表面に向かう方向をＹ軸正方向）、上下方向をＺ軸方向（上方向をＺ軸正方向）、と定義する。
【００２４】
ねじり試験機１は、ねじり荷重及び軸荷重として、静荷重及び動荷を供試体に加えられるように構成されている。また、ねじり試験機１は、ねじり荷重又は軸荷重をゼロ値に設定することができる。すなわち、ねじり試験機１は、引張・圧縮荷重（若しくは加振力）又はねじり荷重のみを供試体に加える従来の引張・圧縮試験（若しくは振動試験）又は通常のねじり試験を行うこともできように構成されている。なお、供試体は動力伝達部品に限らず、ねじり試験機１を使用して他の各種の部品、組立品及び材料試験片について試験を行うことができる。
【００２５】
ねじり試験機１は、試験機本体１ａと、試験機本体１ａの制御（試験条件の設定、駆動電流の生成及び各種計測値の取得）及び試験データの処理を行う制御部３００を備えている。試験機本体１ａは、試験機本体１ａの全体を支持するベース１０、供試体にねじり荷重を加えるねじり駆動部１００及び供試体に軸荷重を加える直線駆動部２００を備えている。ねじり駆動部１００及び直線駆動部２００は、それぞれベース１０上に配置された可動プレート１０２及び固定プレート２０２上に設けられている。なお、試験機本体１ａは、リニアガイド３２及び送りねじ機構３４により、可動プレート１０２をベース１０に対してＸ軸方向に移動させる可動プレート移動機構３０を備えており、ねじり駆動部１００をＸ軸方向へ設定された距離だけ正確に移動させることができる。軸方向の寸法が異なる供試体に変更する際には、ねじり駆動部１００と直線駆動部２００との間隔（すなわち供試体のチャッキングの間隔）を変更する必要があるが、可動プレート移動機構３０を使用することにより、チャッキング間隔の変更を短時間で正確に行うことが可能となる。
【００２６】
ねじり駆動部１００は、供試体に加えるねじり荷重を発生するねじり駆動用モータ１１０、減速機１２０、トルクセンサ１５０、軸受部１６０及びチャック１７０を備えている。図３は、減速機１２０付近の内部構造を示す図である。ねじり駆動用モータ１１０は、２０ｋＷの最大出力を発生し、１００Ｈｚ以上の周波数での高速反転駆動が可能な低慣性型のサーボモータである。減速機１２０は、可動プレート１０２に固定されたＬ型ブラケット１０６に取り付けられている。また、減速機１２０のケース１２１の入力軸側（図３における左側面）にはモータ取付用のフランジ部１２１ｆが形成されており、このフランジ部１２１ｆにフランジ部材１１６を介してねじり駆動用モータ１１０のフランジブラケット（負荷側ブラケット）１１０ａが固定されている。
【００２７】
また、可動プレート１０２に固定されたＬ型ブラケット１０６の水平部１０６ｈの上面には、モータ支持部１０４が固定されている。このモータ支持部１０４に、モータ固定ロッド１０５を介して、ねじり駆動用モータ１１０の下面後部（図１において左側）が固定されている。
【００２８】
なお、ねじり駆動用モータ１１０は、出力軸１１４を支持する軸受が設けられた剛性の高いフランジブラケット１１０ａ及び反力側ブラケット１１０ｂを備えている。上述のように、フランジブラケット１１０ａは、フランジ部材１１６及び減速機１２０のケース１２１を介して、Ｌ型ブラケット１０６の直立部１０６ｖに固定されている。また、反力側ブラケット１１０ｂは、モータ固定ロッド１０５及びモータ支持部１０４を介して、Ｌ型ブラケット１０６の水平部１０６ｈに高い剛性で固定されている。このように、出力軸１１４を支持するフランジブラケット１１０ａ及び反力側ブラケット１１０ｂを、高い剛性でねじり試験機１の装置フレーム（Ｌ型ブラケット１０６）に固定する構成により、ねじり駆動用モータ１１０を高出力で高速反転駆動させた場合でも、出力軸１１４がねじり試験機１の装置フレームに対して振動することによって生じる計測ノイズが抑制され、測定精度が向上する。また、この構成により、騒音の発生が防止されると共に、ねじり駆動用モータ１１０の寿命が大幅に向上する。
【００２９】
ねじり駆動用モータ１１０の出力軸１１４と、減速機１２０の入力軸１２２とは、フランジ部材１１６の中空部内において、リジッドカップリング１４０により連結されている。また、減速機１２０の出力軸１２４には、トルクセンサ１５０の入力端（図１における左端）が連結されている。
【００３０】
軸受部１６０は、可動プレート１０２に固定された脚部１６４と、脚部１６４に回転自在に支持された軸１６２とを備えている。トルクセンサ１５０の出力端は、軸１６２の一端に連結されている。また、軸１６２の他端は、チャック１７０に連結されている。このように、トルクセンサ１５０が連結される各軸（減速機１２０の出力軸１２４、軸受部１６０の軸１６２）がそれぞれ低摩擦で回転自在に支持されているため、供試体がチャック１７０に取り付けられていない状態（空転時）においてトルクセンサ１５０に加わるトルクの大きさ（すなわち、ねじり試験機１の内部摩擦によるトルク測定の誤差）は、試験時に供試体に加えられる試験トルクに比べて十分に小さな値となる。従って、この構成により、トルクセンサ１５０による高い精度での試験トルクの計測が可能となっている。
【００３１】
また、チャック１７０の外周面には溝１７２が形成されている。また、軸受部１６０の脚部１６４には、チャック１７０の下方にロータリーエンコーダ１７８が取り付けられており、ロータリーエンコーダ１７８の軸にはプーリー１７６が取り付けられている。チャック１７０の溝１７２とプーリー１７６には、ベルト１７４が巻き掛けられており、ロータリーエンコーダ１７８によりチャック１７０の回転角が検出されるようになっている。
【００３２】
直線駆動部２００は、固定プレート２０２に固定されたモータ支持部２１０、供試体に加える軸荷重を発生する一対の直線駆動用モータ２２０、各直線駆動用モータ２２０の出力軸２２２に連結された一対のボールねじ２４０、第１可動部２５０、ロードセル２６０、第２可動部２７０及び動電型速度センサ２８０を備えている。モータ支持部２１０は、互いに平行に並べられたモータ支持板２１２及び軸受支持板２１４と、モータ支持板２１２及び軸受支持板２１４を連結する３枚の連結板２１６と、２枚のリブ２１７を備えている。モータ支持板２１２及び軸受支持板２１４は、それぞれＸ軸と垂直に、Ｘ軸方向に所定の間隔で配置されている。また、連結板２１６は、それぞれＹ軸と垂直に、Ｙ軸方向に等間隔で配置されている。２枚のリブ２１７は、モータ支持板２１２を挟んで、Ｙ軸方向両端の２枚の連結板２１６と対向する位置にそれぞれ配置されている。モータ支持板２１２及び軸受支持板２１４と、各連結板２１６及びリブ２１７とは、溶接により一体に接合されており、高い剛性を有している。また、モータ支持板２１２、軸受支持板２１４、連結板２１６及びリブ２１７は、それぞれ固定プレート２０２に溶接されており、各板が固定プレート２０２に対して実質的に振動しないように構成されている。また、固定プレート２０２の上面には、Ｘ軸方向に延びる一対のレール２０４と、各レール２０４の長手方向両端に配置された一対のストッパ２０６及び２０８が取り付けられている。
【００３３】
一対の直線駆動用モータ２２０は、それぞれモータ支持板２１２の一面（軸受支持板２１４と反対側の面）に、Ｙ軸方向に所定の間隔で並べて取り付けられている。直線駆動用モータ２２０は、７ｋＷの最大出力を発生し、１００Ｈｚ以上の周波数での高速反転駆動が可能な低慣性型のサーボモータである。なお、直線駆動用モータ２２０は、最大出力が１０ｋＷ未満であるため、フランジブラケット２２４のみで装置フレーム（モータ支持部２１０）に固定されている。各直線駆動用モータ２２０の出力軸２２２は、モータ支持板２１２に開けられた２つの貫通穴（不図示）を通り、モータ支持板２１２の反対側へ突出している。
【００３４】
また、軸受支持板２１４にも２つの貫通穴が開けられており、各貫通穴にはボールねじ２４０の軸部を回転自在に支持する軸受（不図示）が取り付けられている。直線駆動用モータ２２０の出力軸２２２とボールねじ２４０の軸部とは、リジッドカップリング２３０によって連結されている。
【００３５】
第１可動部２５０は、プレート２５１と、プレート２５１の上面に固定された略Ｔ字状の連結部２５２と、連結部２５２に固定された接続部２５３と、各ボールねじ２４０とそれぞれ係合する一対のナット２５４と、各レール２０４とそれぞれ係合する一対のランナーブロック２５５とを備えている。各ランナーブロック２５５は、プレート２５１の下面のＹ軸方向両端部にそれぞれ取り付けられている。また、各ナット２５４は、連結部２５２に開けられた一対の貫通穴（不図示）にそれぞれ差し込まれて固定されている。この構成により、第１可動部２５０は、一対のランナーブロック２５５及びレール２０４により固定プレート２０２上をＸ軸方向に低抵抗でスライド自在に支持されており、また各ナット２５４と係合するボールねじ２４０の回転駆動に応じてＸ軸方向に低抵抗で駆動されるようになっている。
【００３６】
また、連結部２５２は、Ｘ軸方向中央部（一対のナット２５４の中間）よりＸ軸負方向へ突出する突出部２５２ａを有し、突出部２５２ａの先端に接続部２５３の一端が固定されている。接続部２５３はＸ軸方向に中心軸を向けた略円錐台形の部材であり、Ｘ軸正方向に向かって外径が小さくなるような向きで接続部２５３に取り付けられている。接続部２５３のＸ軸正方向先端の外径は突出部２５２ａのＹ軸方向寸法と略同じ大きさとなっており、接続部２５３のＸ軸負方向先端の外径はロードセル２６０の外径と同じ大きさとなっている。ロードセル２６０の外径は一対のボールねじ２４０の最小間隔よりも大きく、このように接続部２５３を略円錐台状に形成してボールねじ２４０側の外径を小さくすることにより、ナット２５４から突出するボールねじ２４０が接続部２５３と干渉しないようになっている。また、接続部２５３の中心軸上には、後述するボルト２６２を捻じ込むための雌ねじが、Ｘ軸負方向側から開けられている。
【００３７】
ロードセル２６０は、直線駆動部２００によって供試体に加えられるＸ軸方向の軸荷重を検出する荷重センサである。ロードセル２６０は、その中心軸上にボルト２６２を通すための貫通穴が形成され、略円筒形の外形を有している。
【００３８】
第２可動部２７０は、一対のプレート２７１と、一対のプレート２７１を連結する連結板（ねじり荷重遮断プレート）２７２と、第１可動部２５０と接続するための接続部２７３と、供試体の一端を取り付けるためのチャック２７４とを備えている。接続部２７３は、第１可動部２５０の接続部２５３と同様にＸ軸方向に中心軸を向けた略円錐台形の部材であり、ボルト２６２を通すための貫通穴が形成されている。また、接続部２７３は、接続部２５３と同様に、Ｘ軸正方向に向かって外径が小さくなる向きで取り付けられる。
【００３９】
ロードセル２６０を接続部２５３と接続部２７３とで挟み込み、ボルト２６２を接続部２７３及びロードセル２６０の貫通穴に通して接続部２５３に形成された雌ねじに捻じ込むことにより、ロードセル２６０及び接続部２７３が第１可動部２５０に固定されると共に、ロードセル２６０に所定のプリロードが加えられる。また、接続部２７３の底面（図１における左側面）及びチャック２７４の底面（図１における右側面）が、連結板２７２に固定される。
【００４０】
このように構成された直線駆動部２００は、制御部３００により一対の直線駆動用モータ２２０を同期駆動させることで、供試体が取り付けられるチャック２７４をＸ軸方向に駆動して、供試体に所望の軸荷重を加えることができる。
【００４１】
上記の構成により、連結板２７２は、プレート２７１、ランナーブロック２７５及びレール２０４を介してＸ軸方向のみに移動可能に固定プレート２０２に支持される。すなわち、連結板２７２は、一対の直線駆動用モータ２２０が発生する軸荷重を低抵抗で供試体に伝達可能でありながら、供試体を介してチャック２７４に伝達されるねじり駆動部１００からのねじり荷重を完全に遮断して、ロードセル２６０にねじり荷重が一切伝わらないようになっている。この構成により、供試体に大きなねじり荷重を加えた状態でも、ねじり荷重の影響を受けず、ロードセル２６０によって直線駆動部２００が供試体に加える軸荷重を正確に検出することが可能となる。
【００４２】
また、ロードセル２６０の中心軸上を貫通する単一のボルト２６２によってロードセル２６０を締め付けて固定する構成により、簡単な構造でロードセル２６０に軸荷重を均一に加えることができ、ロードセル２６０による軸荷重の正確な検出を可能にする。
【００４３】
また、直線駆動部２００には、第１可動部２５０及び第２可動部２７０のＸ軸方向への移動速度を検出するための動電型速度センサ２８０が取り付けられている。図４は、動電型速度センサ２８０の縦断面図である。動電型速度センサ２８０は、円筒形のシリンダ部２８１と、シリンダ部２８１の内径と略同径の円柱形状を有し、シリンダ部２８１内に軸方向へ往復移動可能に収容された磁石２８３と、磁石２８３の軸方向両端から延びる一対のシャフト部２８２とを備え、シリンダ部２８１に対するシャフト部２８２（磁石２８３）の相対速度を検出するものである。シリンダ部２８１の内周面には、一対の固定コイル２８４が取り付けられている。磁石２８３は、長手方向の一端がＮ極に、他端がＳ極になっており、Ｎ極が一方の固定コイル２８４内で、Ｓ極が他方の固定コイル２８４内で、それぞれ軸方向に往復移動可能になっている。そのため、磁石２８３が固定コイル２８４の内部で移動すると、固定コイル２８４に誘導起電力が発生する。この誘導起電力の大きさ（電圧）は、磁石２８３の移動速度に比例するため、各固定コイル２８４の両端間の電位差から、磁石２８３の移動速度、すなわちシリンダ部２８１に対するシャフト部２８２の移動速度を検出することができる。シリンダ部２８１は、中心軸をＸ軸方向に向けて、モータ支持部２１０の上端に固定されている。また、シリンダ部２８１から外へ突出したシャフト部２８２の先端は、第１可動部２５０の連結部２５２に固定されている。そのため、動電型速度センサ２８０は、装置フレーム（モータ支持部２１０）に対する第１可動部２５０、延いてはチャック２７４のＸ軸方向速度を検出することができる。
【００４４】
次に、制御部３００の構成を説明する。図５は、制御部３００の概略構成を示すブロック図である。制御部３００は、設定値指示部３１０、３つのモータドライバ３２０及びセンサ信号処理部３３０、３４０、３５０を備えている。
【００４５】
設定値指示部３１０は、ユーザが入力した試験条件に基づいて、ねじり駆動用モータ１１０及び直線駆動用モータ２２０を駆動するための設定値を生成して各モータドライバ３２０へ出力する。具体的には、設定値指示部３１０は、ユーザが入力した試験条件に基づいて、チャック１７０、２７４を介して供試体に加える変位（ねじり角）や変位速度、荷重等の試験波形データを生成し、試験波形データに従って各モータを駆動させるための設定値を生成して各モータドライバ３２０に提供する。設定値指示部３１０は、入力インターフェース３１２及び波形生成部３１４を備えている。
【００４６】
入力インターフェース３１２は、ユーザ入力やファンクションジェネレータ等の外部装置からの波形信号の入力を受け付ける。また、入力インターフェース３１２は、メモリーカード等の記録メディアに記録された波形データや波形生成条件の読み取りや、サーバに格納された波形データや波形生成条件のネットワークを介した取得も行うことができる。
【００４７】
波形生成部３１４は、入力インターフェース３１２を介して入力された波形信号や波形生成条件に基づいて、ねじり駆動用及び直線駆動用の試験波形データを生成して同期指令部３１６へ送る。また、波形生成部３１４は、トルクセンサ１５０、ロータリーエンコーダ１７８、ロードセル２６０及び動電型速度センサ２８０の検出結果に基づいて、試験波形データのフィードバック修正を行うこともできる。なお、本実施形態においては、ねじり駆動用の試験波形データは供試体に加えるトルクの波形データとして、また直線駆動用の試験波形データは供試体に加える変位速度（すなわちチャック２７４の速度）の波形データとして生成されるが、他の物理量の波形データとして試験波形データを生成することもできる。例えば、ねじり駆動用の試験波形データは、例えば、供試体に加えるねじり角、ねじり角速度又はねじり角加速度、若しくは、ねじり駆動用モータ１１０の出力軸の角度、角速度又は角加速度の波形データとして生成することもできる。また、直線駆動用の試験波形データは、例えば、チャック２７４の加速度や基準位置からの変位、又は供試体に加える軸荷重の波形データとして生成することもできる。
【００４８】
同期指令部３１６は、波形生成部３１４から取得したねじり駆動用及び直線駆動用の試験波形データに基づいて、ねじり駆動用モータ１１０及び一対の直線駆動用モータ２２０のそれぞれに対する駆動指令である設定値を生成して、各モータを駆動するモータドライバ３２０に送信する。また、同期指令部３１６は、ねじり駆動用モータ１１０及び各直線駆動用モータ２２０に内蔵されたロータリーエンコーダ１１０ａ、２２０ａ、２２０ａの信号に基づいて、各モータに送信する設定値の同期をとる。
【００４９】
なお、ここでは、設定値指示部３１０が、ねじり駆動用モータ１１０の出力軸１１２（又は直線駆動用モータ２２０の出力軸２２２）の角度の目標値を指定する設定値を出力する例について説明するが、他のパラメータ（例えば、出力軸１１２の回転数）の設定値によりモータドライバ３２０に指令を与えることもできる。また、本実施形態では、設定値指示部３１０は設定値のデジタル値をモータドライバ３２０へ出力するが、他の形態の信号（例えば、アナログ電流信号、アナログ電圧信号、パルス信号）によりモータドライバに指令を与える構成とすることもできる。
【００５０】
モータドライバ３２０は、ねじり駆動用モータ１１０及び一対の直線駆動用モータ２２０のそれぞれに一つ接続されており、設定値指示部３１０から取得した設定値に基づいて各モータに駆動電流を供給する。モータドライバ３２０は、Ｄ／Ａコンバータ３２２、現在位置演算部３２４及び駆動電流生成部３２６を備えている。設定値指示部３１０から取得した設定値のデジタル信号は、Ｄ／Ａコンバータ３２２に入力され、アナログ信号に変換される。また、ねじり駆動用モータ１１０及び直線駆動用モータ２２０に内蔵されたロータリーエンコーダの信号は、現在位置演算部３２４に入力される。現在位置演算部３２４は、各モータのロータリーエンコーダの検出結果に基づいて、各モータの出力軸の角度を演算して出力する。そして、設定値のアナログ信号と現在位置演算部３２４の出力との差分（すなわち、各モータの出力軸の目標角度と現在の角度との差分に相当する信号）が駆動電流生成部３２６に入力される
【００５１】
駆動電流生成部３２６は、入力された信号に基づいて駆動電流を生成し、これを駆動制御するねじり駆動用モータ１１０又は直線駆動用モータ２２０に供給する。この結果、各モータの出力軸の角度が目標の角度に到達するようにＡＣサーボモータ３５が駆動される。
【００５２】
センサ信号処理部３３０、３４０及び３５０には、それぞれトルクセンサ１５０、ロードセル２６０及び動電型速度センサ２８０が接続され、各センサの検出結果を示すデジタル信号を生成して、設定値指示部３１０へ出力する。センサ信号処理部３３０、３４０は、それぞれブリッジ回路３３２、３４２及びＡ／Ｄコンバータ３３４、３４４を備えている。ブリッジ回路３３２及び３４２には、それぞれトルクセンサ１５０及びロードセル２６０の検出素子であるひずみゲージ（不図示）が接続され、ひずみゲージの抵抗値に応じた電圧信号を出力する。Ａ／Ｄコンバータ３３４、３４４は、ブリッジ回路３３２、３４２が出力した電圧信号をデジタル信号に変換して設定値指示部３１０へ出力する。また、センサ信号処理部３５０は、Ａ／Ｄコンバータ３５４を備え、動電型速度センサ２８０から入力された電圧信号は、Ａ／Ｄコンバータ３５４によりデジタル信号に変換されて、設定値指示部３１０へ出力される。
【００５３】
以上が本発明の例示的な実施形態の説明である。本発明の実施の形態は、上記に説明したものに限定されず、特許請求の範囲の記載により表現された技術的思想の範囲内で任意に変更することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１ ねじり試験機１
１ａ 試験機本体１ａ
１００ 駆動部
２００ 直線駆動部
３００ 制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供試体に、所定の軸方向に軸荷重を加えながら、前記所定の軸周りにねじり荷重を加えるねじり試験機であって、
供試体の一端を前記所定の軸周りに回転駆動するねじり駆動部と、
供試体の他端を前記所定の軸方向に直線駆動する直線駆動部と
を備え、
前記直線駆動部は、
前記所定の軸方向に移動可能な移動部と、
前記移動部の可動方向を前記所定の軸方向のみに規制するリニアガイドと、
前記移動部を前記所定の軸方向に駆動する第１アクチュエータと
前記軸荷重を検出する軸荷重センサと、
供試体の他端が固定され、供試体に前記軸荷重を与える第１チャックと、を備え、
前記移動部は、前記リニアガイドの第１ランナーブロックに固定されて、前記リニアガイドによって前記所定の軸周りに回転不能に支持されたねじり荷重遮断プレートを備え、
前記第１チャックと前記軸荷重センサとは、前記ねじり荷重遮断プレートを介して連結されており、前記ねじり駆動部からのねじり荷重の伝達は前記ねじり荷重遮断プレートにより遮断され、前記軸荷重センサには前記直線駆動部が発生する軸荷重のみが加わるように構成されているねじり試験機。
【請求項２】
前記移動部は、
前記第１アクチュエータが固定された第１移動部と、
前記第１チャックが固定された第２移動部と、
前記軸荷重センサを挟んで前記所定の軸方向に並ぶ前記第１移動部と前記第２移動部とを、前記荷重センサに所定のプリロードが加わるように締め付けて、一体に固定する締付手段と、を備え、
前記第２移動部が、ねじり荷重遮断プレートを備えている、
ことを特徴とする請求項１に記載のねじり試験機。
【請求項３】
前記第１移動部には、前記リニアガイドの第１ランナーブロックが固定され、
前記第２移動部には、前記リニアガイドの第２ランナーブロックが固定され、
前記第１及び前記第２移動部は、前記リニアガイドによって、前記所定の軸方向にのみ移動自在に下側から支持されている、
ことを特徴とする請求項２に記載のねじり試験機。
【請求項４】
前記直線駆動部は、互いに平行に配置された一対の前記リニアガイドを備え、
前記移動部には前記一対のリニアガイドの第１ランナーブロックが固定されている、
ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のねじり試験機。
【請求項５】
前記第１アクチュエータが、
第１サーボモータと、
前記第１サーボモータに回転駆動される送りねじと、
前記送りねじと係合するナットと、を備え、
前記ナットが前記移動部に固定されており、
前記第１アクチュエータは、前記送りねじの回転によって、前記ナットと共に前記移動部を前記所定の軸方向へ直線駆動する、
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のねじり試験機。
【請求項６】
前記直線駆動部は複数の前記第１のアクチュエータを備え、
前記移動部には前記複数の前記ナットが固定されている、
ことを特徴とする請求項５に記載のねじり試験機。
【請求項７】
前記ねじり駆動部は、
プレートと、
第２サーボモータと、
前記第２サーボモータの出力トルクを増幅して、ねじり荷重を出力する減速機と、
前記ねじり荷重を検出するトルクセンサと、
前記プレートに固定された軸受部と、
前記軸受部に回転自在に支持されて、前記ねじり荷重を伝達する軸部と、
を備え、
前記減速機は、前記プレートに固定されたギアボックスと、軸受を介して前記ギアボックスに回転自在に支持された荷重伝達部と、を備え、
前記トルクセンサは、それぞれ回転自在に前記ベースに対して支持された前記減速機の荷重伝達部と前記軸部との間に設けられている、
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のねじり試験機。
【請求項８】
前記ねじり駆動部は、供試体の一端が固定され、供試体に前記ねじり荷重を与える第２チャックを備え、
前記軸部の出力端には、前記チャックの入力端が固定されている、
ことを特徴とする請求項７に記載のねじり試験機。
【請求項１】
供試体に、所定の軸方向に軸荷重を加えながら、前記所定の軸周りにねじり荷重を加えるねじり試験機であって、
供試体の一端を前記所定の軸周りに回転駆動するねじり駆動部と、
供試体の他端を前記所定の軸方向に直線駆動する直線駆動部と
を備え、
前記直線駆動部は、
前記所定の軸方向に移動可能な移動部と、
前記移動部の可動方向を前記所定の軸方向のみに規制するリニアガイドと、
前記移動部を前記所定の軸方向に駆動する第１アクチュエータと
前記軸荷重を検出する軸荷重センサと、
供試体の他端が固定され、供試体に前記軸荷重を与える第１チャックと、を備え、
前記移動部は、前記リニアガイドの第１ランナーブロックに固定されて、前記リニアガイドによって前記所定の軸周りに回転不能に支持されたねじり荷重遮断プレートを備え、
前記第１チャックと前記軸荷重センサとは、前記ねじり荷重遮断プレートを介して連結されており、前記ねじり駆動部からのねじり荷重の伝達は前記ねじり荷重遮断プレートにより遮断され、前記軸荷重センサには前記直線駆動部が発生する軸荷重のみが加わるように構成されているねじり試験機。
【請求項２】
前記移動部は、
前記第１アクチュエータが固定された第１移動部と、
前記第１チャックが固定された第２移動部と、
前記軸荷重センサを挟んで前記所定の軸方向に並ぶ前記第１移動部と前記第２移動部とを、前記荷重センサに所定のプリロードが加わるように締め付けて、一体に固定する締付手段と、を備え、
前記第２移動部が、ねじり荷重遮断プレートを備えている、
ことを特徴とする請求項１に記載のねじり試験機。
【請求項３】
前記第１移動部には、前記リニアガイドの第１ランナーブロックが固定され、
前記第２移動部には、前記リニアガイドの第２ランナーブロックが固定され、
前記第１及び前記第２移動部は、前記リニアガイドによって、前記所定の軸方向にのみ移動自在に下側から支持されている、
ことを特徴とする請求項２に記載のねじり試験機。
【請求項４】
前記直線駆動部は、互いに平行に配置された一対の前記リニアガイドを備え、
前記移動部には前記一対のリニアガイドの第１ランナーブロックが固定されている、
ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のねじり試験機。
【請求項５】
前記第１アクチュエータが、
第１サーボモータと、
前記第１サーボモータに回転駆動される送りねじと、
前記送りねじと係合するナットと、を備え、
前記ナットが前記移動部に固定されており、
前記第１アクチュエータは、前記送りねじの回転によって、前記ナットと共に前記移動部を前記所定の軸方向へ直線駆動する、
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のねじり試験機。
【請求項６】
前記直線駆動部は複数の前記第１のアクチュエータを備え、
前記移動部には前記複数の前記ナットが固定されている、
ことを特徴とする請求項５に記載のねじり試験機。
【請求項７】
前記ねじり駆動部は、
プレートと、
第２サーボモータと、
前記第２サーボモータの出力トルクを増幅して、ねじり荷重を出力する減速機と、
前記ねじり荷重を検出するトルクセンサと、
前記プレートに固定された軸受部と、
前記軸受部に回転自在に支持されて、前記ねじり荷重を伝達する軸部と、
を備え、
前記減速機は、前記プレートに固定されたギアボックスと、軸受を介して前記ギアボックスに回転自在に支持された荷重伝達部と、を備え、
前記トルクセンサは、それぞれ回転自在に前記ベースに対して支持された前記減速機の荷重伝達部と前記軸部との間に設けられている、
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のねじり試験機。
【請求項８】
前記ねじり駆動部は、供試体の一端が固定され、供試体に前記ねじり荷重を与える第２チャックを備え、
前記軸部の出力端には、前記チャックの入力端が固定されている、
ことを特徴とする請求項７に記載のねじり試験機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−７９８２３（Ｐ２０１３−７９８２３Ａ）
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１８７８８（Ｐ２０１１−２１８７８８）
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（３９１０４６４１４）国際計測器株式会社 (32)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（３９１０４６４１４）国際計測器株式会社 (32)
【Ｆターム（参考）】
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