(57)【要約】【課題】ピストン駆動機構において、ピストンが軸方向について傾くことを許容し、精度よく移動することができるようにすることである。【解決手段】ピストン駆動機構１０は、ピストンロッド１２とシリンダ２０と、制御された気体圧を供給する気体圧制御弁４０とを含んで構成される。気体圧制御弁４０によって制御された気体圧は、ピストンロッド１２のフランジ部１４によって仕切られたシリンダ２０の内部の気体室３６，３８に導かれ、その差圧によってピストンロッド１２が軸方向に移動駆動される。エンドプレート２４，２６のロッド支持部には、気体室３６，３８の側の端部から、外部の大気開放６０の側に向かって、排気溝４２、浅溝表面絞り４６がこの順で配置される。排気溝４２は、ロッド支持部の軸方向に沿って、気体室３６，３８の端部からの距離が、いわゆる前駆長以上となる位置に配置される。【選択図】図１
2006132566.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ筐体内部を前後気体室に仕切る気体受板部を有し、端部がシリンダ筐体より突き出るロッドであって、前後気体室に供給される気体圧により駆動されて軸方向に移動するピストンロッドと、
ピストンロッドを軸方向移動自在に支持するシリンダ筐体のロッド支持部に開口が設けられる気体供給路であって、ロッド支持部の内径とピストンロッドとの間に気体を供給し、シリンダ筐体に対し径方向にピストンロッドを浮上させて支持する気体供給路と、
ロッド支持部の気体供給路よりさらにシリンダ筐体内部側の位置に設けられ、シリンダ筐体内部の気体室からロッド支持部の内径とピストンロッドとの隙間を通って漏れてくる気体及び気体供給路からの気体を排気する排気溝と、
を備え、
排気溝は、
ロッド支持部の内径とピストンロッドとの隙間をｄとし、
隙間ｄを流れる気体流のレイノルズ数をＲｅとし、
実験で求められる比例定数をαとして、
ロッド支持部の気体室の端部から軸方向に沿った距離がαｄ×Ｒｅの前駆長位置より外側の位置に配置されることを特徴とするピストン駆動機構。
【請求項２】
請求項１に記載のピストン駆動機構において、
気体供給路は、ロッド支持部の内径に設けられる浅溝の表面絞りとピストンロッドとの間に気体を供給することを特徴とするピストン駆動機構。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のピストン駆動機構において、
気体受板部は、ピストンロッドのフランジ部と、シリンダ筐体とフランジ部との間を柔軟性を有して気密に接続するベロフラムとを含んで構成されることを特徴とするピストン駆動機構。
【請求項４】
シリンダ筐体内部を前後気体室に仕切る気体受板部を有し、端部がシリンダ筐体より突き出るピストンロッドと、
気体受板部の外周及びシリンダ筐体の内壁とで形成される受板摺動部に開口が設けられる気体排気路と、
受板摺動部に設けられ、気体排気路に向かう浅溝の表面絞りであって、シリンダ筐体内部の気体室から浅溝を通り気体排気路に向かって気体を絞って流すことで、シリンダ筐体内壁に対し気体受板部を浮上させて支持する受板部浮上用の表面絞りと、
ピストンロッドを軸方向移動自在に支持するシリンダ筐体のロッド支持部に設けられる浅溝の表面絞りであって、シリンダ筐体内部の気体室から浅溝を通りロッド支持部の外気側端部に向かって気体を絞って流すことで、シリンダ筐体内壁に対しピストンロッドを浮上させて支持するロッド浮上用の表面絞りと、
を備えることを特徴とするピストン駆動機構。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の中のいずれか１の請求項に記載のピストン駆動機構において、
シリンダ筐体に取り付けられ、ピストンロッドの径方向の変位を規制するメタル軸受又は複合材軸受を備えることを特徴とするピストン駆動機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストン及びシリンダを備えるピストン駆動機構に係り、特に気体圧によりピストンが軸方向に駆動されるピストン駆動機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
ピストン及びシリンダを備えるピストン駆動機構は、流体圧を用いるアクチュエータとして、様々な産業分野において利用されていることは周知の通りである。ピストンを駆動するための流体圧としては、油圧、蒸気圧のほか、乾燥空気や不活性ガス等の気体圧が用いられる。特に気体圧を用いる気体圧ピストン駆動機構は、油圧を用いるものに比べてコンタミネーションの問題が少なく、扱いやすい駆動機構として期待されており、例えば車両の動揺抑制に空気圧サーボシリンダが用いられることが特許文献１に記載されている。ピストンとシリンダを用いる駆動機構では、ピストンの軸方向の移動により流体圧がもれないように工夫がなされる。例えば、シリンダ内壁とピストン外径との摺動部分は、精密な寸法管理と、シールリング等が用いられる。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１２９４７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
車両の動揺防止以外にも、気体圧を用いるピストン駆動機構の検討が行われている。例えば、引張圧縮試験機等の試験機においては、変位と荷重を正確にコントロールする必要があり、取り扱いの利便性等から気体圧を用いるピストン駆動機構が期待されている。
【０００５】
ところが、従来から知られているピストン駆動機構は、流体圧が漏れないように、寸法精度のよい摺動部によって正確に軸方向の移動が案内されている。したがって、摺動部の摩擦等の負荷が加わり、滑らかな動作及び変位、荷重の高精度の制御に限界があることがある。
【０００６】
また、これらの試験機においては、試験対象物の性質によっては、軸方向に荷重を加えたときに、すべり等がおこることにより、荷重軸に径方向の外力が加わり、荷重軸、すなわちピストン軸が斜めになることがある。従来のピストン駆動機構では、正確に軸方向の移動案内をすることで流体圧の保持を行っているので、ピストン軸が斜めになるような外力を受けると、流体圧が保持できず、変位又は荷重の精密な制御が困難になる。また、ピストンとシリンダとの間の摺動面が損傷を受け、あるいは変形を生じて試験動作を行うことが困難になる恐れがある。
【０００７】
本発明の目的は、ピストンが軸方向について傾くことを許容するピストン駆動機構を提供することである。また、他の目的は、精度よく移動することができるピストン駆動機構を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
１．前駆長の概念について
ピストン駆動機構において、ピストンが軸方向について傾くことで問題になる気体の漏れの影響をどのようにして抑制するかを検討する中で、前駆長の概念の利用に思い至った。そこで、以下に前駆長について説明する。
【０００９】
前駆長とは、細い流路を流体が流れるとき、流路入口における一様速度分布が、流路断面に対しほぼ放物線分布になる所の、流路入口からの距離である。例えば、岡本哲史著，応用流体力学，誠文堂新光社，昭和４１年２月１０日，第８版，ｐ１０６には、次のように述べられている。すなわち、円管に流体を流すとき、円管の入口において一様な速度分布が得られ、流路を進んで行くに従い次第に放物線分布になる。入口をｘ＝０にとると、厳密にはｘ＝∞で放物線分布に達するが、実際においては有限なｘにおいて放物線分布に非常に近い物が得られる。そこで管の中央における速度が、ｘ＝∞における放物線分布の中央における速度から１％だけの差があるところをとって、入口からここまでの距離を前駆長又は助走距離と呼ぶ。前駆長の計算式は、例えばｘ1＝０．２６ａ×Ｒ1で示される。ここで、ｘ1は前駆長、ａは管の半径、Ｒ1はレイノルズ数である。
【００１０】
このように、前駆長は、細い流路を流体が流れるときに、速度分布が流路の無限遠における放物線分布とほぼ同じになる流路上の入口からの距離である。これをピストン駆動機構において、シリンダ内部の気体室から、シリンダとピストンロッドとの隙間を通って外部の大気へ漏れる気体流について当てはめると、シリンダとピストンロッドとの隙間をｄとし、隙間ｄを流れる気体流のレイノルズ数をＲｅとすれば、前駆長は、ｄ×Ｒｅに比例する。比例定数αは、それぞれのピストン駆動機構において実験的に求めることができ、求められるαを用いて、入口からの距離がαｄ×Ｒｅのところが前駆長位置となる。
【００１１】
いま、ピストンロッドが軸方向に対し斜めになることを許容すると、ロッド支持部の内径とピストンロッドとの隙間を厳しく設定することができず、勢い、シリンダ筐体内の気体室からこの隙間を通って外部の大気に向かって漏れることが多くなることが予想される。排気口の位置を余り気体室側に近く設けると漏れが多くなる。また、あまり遠くに設けても装置が大型化する。
【００１２】
そこで、どの位置に排気口を設ければ、装置を大型化せず、効率よく漏れてくる気体を少なくするかを考えて、前駆長の概念に思い至った。すなわち、前駆長の位置は、この位置で、速度分布はほぼ入口から見て無限遠の位置のものと同じになるので、漏れてくる気体の壁面抵抗が最大になる。したがって、気体室から見て排気口の位置を、前駆長の位置近傍、あるいはそれより遠くに設けることで、装置を大型化せずに、効率よく、漏れてくる気体量を少なくすることができる。
【００１３】
２．課題解決手段
本発明に係るピストン駆動機構は、シリンダ筐体内部を前後気体室に仕切る気体受板部を有し、端部がシリンダ筐体より突き出るロッドであって、前後気体室に供給される気体圧により駆動されて軸方向に移動するピストンロッドと、ピストンロッドを軸方向移動自在に支持するシリンダ筐体のロッド支持部に開口が設けられる気体供給路であって、ロッド支持部の内径とピストンロッドとの間に気体を供給し、シリンダ筐体に対し径方向にピストンロッドを浮上させて支持する気体供給路と、ロッド支持部の気体供給路よりさらにシリンダ筐体内部側の位置に設けられ、シリンダ筐体内部の気体室からロッド支持部の内径とピストンロッドとの隙間を通って漏れてくる気体及び気体供給路からの気体を排気する排気溝と、を備え、排気溝は、ロッド支持部の内径とピストンロッドとの隙間をｄとし、隙間ｄを流れる気体流のレイノルズ数をＲｅとし、実験で求められる比例定数をαとして、ロッド支持部の気体室の端部から軸方向に沿った距離がαｄ×Ｒｅの前駆長位置より外側の位置に配置されることを特徴とする。
【００１４】
また、気体供給路は、ロッド支持部の内径に設けられる浅溝の表面絞りとピストンロッドとの間に気体を供給することが好ましい。
【００１５】
また、気体受板部は、ピストンロッドのフランジ部と、シリンダ筐体とフランジ部との間を柔軟性を有して気密に接続するベロフラムとを含んで構成されることが好ましい。
【００１６】
また、本発明に係るピストン駆動機構は、シリンダ筐体内部を前後気体室に仕切る気体受板部を有し、端部がシリンダ筐体より突き出るピストンロッドと、気体受板部の外周及びシリンダ筐体の内壁とで形成される受板摺動部に開口が設けられる気体排気路と、受板摺動部に設けられ、気体排気路に向かう浅溝の表面絞りであって、シリンダ筐体内部の気体室から浅溝を通り気体排気路に向かって気体を絞って流すことで、シリンダ筐体内壁に対し気体受板部を浮上させて支持する受板部浮上用の表面絞りと、ピストンロッドを軸方向移動自在に支持するシリンダ筐体のロッド支持部に設けられる浅溝の表面絞りであって、シリンダ筐体内部の気体室から浅溝を通りロッド支持部の外気側端部に向かって気体を絞って流すことで、シリンダ筐体内壁に対しピストンロッドを浮上させて支持するロッド浮上用の表面絞りと、を備えることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係るピストン駆動機構において、シリンダ筐体に取り付けられ、ピストンロッドの径方向の変位を規制するメタル軸受又は複合材軸受を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
上記構成によれば、シリンダ筐体に対し径方向にピストンロッドを浮上させて支持する気体供給路を設けたので、ピストンロッドをシリンダ筐体に対し滑らかに精度よく移動させることができる。
【００１９】
また、排気口を、前駆長より外側の位置に配置することとしたので、気体室から漏れてくる気体を効率よく回収できる。したがって、ピストンが軸方向について傾くことを許容しつつ、気体の漏れによる影響を軽減することができる。
【００２０】
また、ロッド支持部の内径に浅溝の表面絞りを設け、気体供給路からこの浅溝とピストンロッドとの間に気体を供給するので、簡単な構造で浅溝の絞り効果によりピストンロッドを浮上させることができる。
【００２１】
また、ピストンロッドのフランジ部とシリンダ筐体との間をベロフラムで接続したので、ピストンが軸方向について傾いても、フランジ部とベロフラムとで気密に前後気体室が仕切られる。したがって、ピストンロッドが軸方向について傾いても、前後気体室の間における気体圧の漏れを防止できる。
【００２２】
また、受板摺動部に受板部浮上用の表面絞りを設け、ロッド支持部にロッド浮上用の表面絞りを設け、シリンダ筐体内部の気体室から、１つは受板部浮上用の表面絞りを通って気体排気路へ、もう１つはロッド浮上用の表面絞りを通って外部大気へ、それぞれ気体を流すこととしたので、簡単な構成で、受板摺動部及びロッド支持部においてピストンロッドを浮上させることができる。したがって、ピストンロッドをシリンダ筐体に対し滑らかに精度よく移動させることができる。
【００２３】
また、シリンダ筐体にピストンロッドの径方向の変位を規制するメタル軸受を設けたので、ピストンが軸方向に斜めになっても、その限度がメタル軸受で定まるので、ピストンロッドとシリンダ筐体との間の予期しない衝突等による損傷を防止できる。
【００２４】
上記のように、本発明に係るピストン駆動機構によれば、ピストンが軸方向について傾くことを許容することができる。また、ピストンを精度よく移動させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、引張圧縮試験機に用いられるピストン駆動機構について説明するが、ピストン駆動機構が適用される対象はかかる試験機に限られず、ピストンが軸方法に対し斜めになることを許容する必要のある装置であれば等しく適用の対象とすることができる。
【実施例１】
【００２６】
図１は、引張圧縮試験機に用いられるピストン駆動機構１０の構成を示す図である。ピストン駆動機構１０は、ピストンロッド１２とシリンダ２０と、制御された気体圧を供給する気体圧制御弁４０とを含んで構成される。気体圧制御弁４０とシリンダ２０との間には、マニホールド３０が設けられ、気体圧制御弁４０によって制御された気体圧を制御気体流路３２，３４によりシリンダ２０の内部に導く。そして、ピストンロッド１２の一方側の先端は荷重を検出するロードセル１６を介して引張圧縮試験の対象物に接続され、他方側の先端にはピストンロッド１２の軸方向の変位を検出する変位センサ５０が設けられる。
【００２７】
ピストン駆動機構１０において、ピストンロッド１２は、フランジ部１４を有し、シリンダ２０の内部を前後気体室３６，３８に区切り、それぞれの気体室３６，３８に気体圧制御弁４０より制御された気体圧が制御気体流路３２，３４を通って供給され、前後気体室３６，３８の気体圧の差によってフランジ部１４が軸方向、すなわち図１に示すＸ方向に移動駆動される。このように、引張圧縮試験機に用いられるピストン駆動機構１０は、気体圧によってピストンロッド１２を軸方向に移動機構させ、ピストンロッド１２の先端に設けられたロードセル１６を介して図示されていない試験対象物に荷重を印加し、そのときの変位を測定することができる機能を有する。
【００２８】
ピストンロッド１２は、引張圧縮試験機における荷重軸の機能を有する細長い棒状の部材で、軸方向のほぼ中間部分に直径の大きいフランジ部１４を有する。フランジ部１４の外周はシリンダ２０の内周壁と摺動もしくは接触することがあるので、十分滑らかな表面処理及び必要に応じ適当な硬化処理を施されるのが好ましい。また、ピストンロッド１２の両端はシリンダ２０に軸方向自在に支持されるが、その部分も同様に十分滑らかな表面処理及び必要に応じ適当な硬化処理を施されるのが好ましい。かかるピストンロッド１２は、十分な機械的剛性を有する金属材料を加工し、必要な表面処理等を施して得ることができる。例えば材料をフランジ付き円柱に加工し、表面硬化処理、表面研摩処理、潤滑めっき処理等を施して用いることができる。
【００２９】
ピストンロッド１２の一方側の先端には、上記のように、荷重を検出するロードセル１６が取り付けられる。ロードセル１６は例えば歪みゲージ等を設けた荷重台を用いることができる。また、上記のように、ピストンロッド１２の他方側の先端には変位センサ５０が設けられる。変位センサ５０は差動変圧器方式のものを用いることができる。すなわち、ピストンロッド１２の他方側の先端の一部を延ばして軟磁性体プローブ５２を取り付け、これと協働するトランス巻線５４をシリンダ２０側に設ける。軟磁性体プローブ５２は、ピストンロッド１２と一体として軸方向に移動し、トランス巻線５４の空洞部への挿入長さに応じた信号がトランス巻線５４から出力され、この信号を処理してピストンロッド１２の軸方向変位を検出できる。変位センサ５０としては、その他に光学式、磁気式等、一般に用いられる方式のものを用いてもよい。
【００３０】
ロードセル１６及び変位センサ５０の出力は、そのまま引張圧縮試験機の荷重−変位データとして用いられるとともに、図示されていない引張圧縮試験機の制御部にフィードバックされ、気体圧制御弁４０の制御データとして用いられる。
【００３１】
シリンダ２０は、ピストンロッド１２のフランジ部１４を内部に収容し、ピストンロッド１２の両端を外部に突き出させ、軸方向自在に案内支持する機能を有する一応気密の筐体である。ここで一応気密とは、ピストンロッド１２が軸方向に異常に傾くときを除き、引張圧縮試験機の性能上十分な程度の気密という意味である。シリンダ２０は、シリンダチューブ２２と前後エンドプレート２４，２６とから構成される。すなわち、略円環状のシリンダチューブ２２の両側開口にそれぞれ前後エンドプレート２４，２６があてがわれ、全体としてシリンダ筐体を構成する。
【００３２】
シリンダチューブ２２は、ピストンロッド１２のフランジ部１４の直径よりやや大きめの内径を有する円環状の部材である。その内周壁は、ピストンロッド１２のフランジ部１４の外周と、摺動又は接触することがあるので、十分滑らかな表面処理及び必要に応じ適当な硬化処理を施されるのが好ましい。かかるシリンダチューブ２２は、十分な機械的剛性を有する金属材料を加工し、必要な表面処理等を施して得ることができる。例えば材料の内周を所定寸法に加工し、表面硬化処理、表面研摩処理、潤滑めっき処理等を施して用いることができる。
【００３３】
前後エンドプレート２４，２６は、ほぼ同様の形状を有する一対の部材で、中央にピストンロッド１２を通し支持するロッド支持穴を有し、シリンダチューブ２２の両側開口をふさぐ機能を有する部材である。ロッド支持穴の内径は、ピストンロッド１２の両端側の直径よりやや大きめである。このロッド支持穴のところには、排気溝４２と、浅溝表面絞り４６等が設けられるが、これらの詳細については後述する。また、前後エンドプレート２４，２６は、マニホールド３０を介し、気体圧制御弁４０からの制御された気体圧をシリンダ２０の内部に導く制御気体流路３２，３４を有する。また、ピストンロッド１２の軸方向移動が大きすぎてフランジ部１４が前後エンドプレート２４，２６に衝突するときの衝撃を和らげるストッパ５６が設けられる。
【００３４】
シリンダチューブ２２と前後エンドプレート２４，２６とピストンロッド１２とは、次のような手順で組み立てられる。すなわち、最初に、シリンダチューブ２２の中にピストンロッド１２を通す。次に、ピストンロッド１２のフランジ部１４を挟んでロードセル１６側に前エンドプレート２４、変位センサ５０側に後エンドプレート２６を、それぞれのロッド支持穴にピストンロッド１２の端部を通すように配置する。そして、前エンドプレート２４をシリンダチューブ２２のロードセル１６側の開口をふさぐように合わせ、同様に後エンドプレート２６をシリンダチューブ２２の変位センサ５０側の開口をふさぐように合わせる。そして、制御気体流路３２，３４のマニホールド３０側の開口が同じ平面上に揃うように、前後エンドプレート２４，２６の相対位置を調整する。調整が終われば、制御気体流路３２，３４がマニホールド３０と前後エンドプレート２４，２６の間で合うことを確かめる。このようにして、シリンダ２０とピストンロッド１２との組立体が得られ、これをピストン・シリンダサブアセンブリと呼ぶことができる。
【００３５】
マニホールド３０は、気体圧制御弁４０とシリンダ２０の制御気体流路３２，３４とを接続するための中間部材で、制御気体流路３２，３４に対応する制御気体流路３３，３５を備える。かかるマニホールド３０は、適当な金属材料等を加工して得ることができる。マニホールド３０は、ピストン・シリンダサブアセンブリの制御気体流路３２，３４に制御気体流路３３，３５を合わせるようにして、気密にしっかりと接続される。気密接続は、適当な気密パッキングを用いたねじ止め等を用いることができる。
【００３６】
気体圧制御弁４０は、図示されていない引張圧縮試験機の制御部の指示により、２つの制御された気体圧を生成する機能を有する制御弁である。２つの制御された気体圧は、それぞれ制御気体流路３３，３２と、制御気体流路３５，３４を通り、シリンダ２０内部の前後気体室３６，３８に供給される。例えば、ピストンロッド１２をロードセル１６側に所定の荷重で変位させたいときは、気体室３６に供給する気体圧より気体室３８に供給する気体圧の方を大きくするようにし、その気体圧の差圧にフランジ部１４の気体圧の受圧面積を乗じたものが荷重となるように、気体圧制御弁４０は２つの気体圧を生成する。かかる気体圧制御弁としては、周知のスプール・スリーブ型気体圧制御弁等を用いることができる。
【００３７】
次に、ロッド支持穴に設けられる排気溝４２及び浅溝表面絞り４６について説明する。図２は、後エンドプレート２６におけるピストンロッド１２の支持部分を示す拡大図である。なお、前エンドプレート２４においても同様の構成及び作用を有するので、ここでは後エンドプレート２６の部分に代表させて説明する。上記のように、ロッド支持穴の内径は、ピストンロッド１２の端部の直径よりもやや大きいので、図２に示すように、後エンドプレート２６のロッド支持部２７とピストンロッド１２との間には隙間５８がある。この隙間５８に沿って、後気体室３８の側の端部から、外部の大気開放６０の側に向かって、排気溝４２、浅溝表面絞り４６がこの順で配置される。
【００３８】
排気溝４２は、後気体室３８から、ロッド支持部２７とピストンロッド１２との間の隙間５８を通って漏れてくる気体を集め、排気路４４へ流す機能を有する。
【００３９】
排気溝４２は、ロッド支持部２７の軸方向に沿って、後気体室３８の端部からの距離が、いわゆる前駆長以上となる位置に配置される。ここで前駆長とは、上記のように、細い流路を流体が流れるとき、流路入口における一様速度分布が、流路断面に対しほぼ放物線分布になる所の、流路入口からの距離である。図３に、隙間５８を流れる気体の流速分布の変化と、前駆長の関係を示す。図３に示すように、隙間５８の入口、すなわち後気体室３８側の端部において一様である速度分布６２は、隙間５８を進んで行くに従い次第に分布形状が変化し、無限遠進んだところで放物線分布になる。そして、前駆長のところの中央における速度が、無限遠進んだところの放物線分布の中央における速度から１％だけの差がある放物線分布に極めて近い速度分布６４となる。いま、隙間５８の大きさをｄとし、隙間５８を流れる気体の流れのレイノルズ数をＲｅとし、実験で定まる比例定数をαとすれば、前駆長＝αｄ×Ｒｅである。レイノルズ数は、流体の流速をＶ、粘性係数をη、密度をρ、流路寸法をＤとして、Ｒｅ＝ＶＤρ／ηで表される。
【００４０】
例えば、Ｒｅ＝２０００として、ｄ＝１０〜２０μｍとすれば、前駆長は５ｍｍ程度となる。排気溝４２は、後気体室３８の端部から見て、この前駆長の位置より遠くの位置に配置される。このような構成により、排気溝４２を後気体室３８の端部から見て、無限遠に配置したと同じような効果で、隙間５８を漏れてくる気体を効率よく集めることができ、装置を小型化できる。
【００４１】
浅溝表面絞り４６は、ロッド支持部５７の内面、すなわち、ロッド支持穴の内壁に設けられた複数の溝で、軸方向に所定の幅、長さ、溝深さを有し、ピストンロッド１２を気体軸受の原理で浮上させる機能を有する。溝の長さは、一端側は排気溝４２と軸方向に十分間隔をあけ、他方端は大気開放６０の側の端部から十分間隔をあけるように設定される。そして、各浅溝表面絞り４６の軸方向に沿った長さの略中央部に、気体供給路４８の開口が接続される。この気体供給路４８には、図示されていない気体源から所定の供給圧の気体が供給される。このような構成の浅溝表面絞り４６は、気体供給路４８からの高圧気体が開口から噴出し浅溝に沿って流れ、一方は排気溝４２の方へ、他方は大気開放６０側の端部へ向かう。そして浅溝が切れたところでより狭い隙間に向かって絞られて低圧側に流れるので、いわゆる表面絞り装置となる。この絞り効果のため、絞り部分で圧力上昇を生じ、ピストンロッド１２をロッド支持部２７に対し浮上させる。
【００４２】
浅溝表面絞り４６の浅溝の深さは、隙間５８の大きさとも関係するが、１例を上げると、中立状態の隙間５８を約１０μｍとして、浅溝の深さを約３〜２０μｍとすることができる。また、気体供給路４８に供給される気体圧は約０．５Ｍｐａ程度とすることができる。
【００４３】
かかる構成の引張圧縮試験機用のピストン駆動機構１０の作用を説明する。一例で、試験対象物の応力−ひずみ特性を精密に測定する場合を取り上げる。まず、引張圧縮試験機を初期化した後、ロードセル１６の先及び図示されていない試験機のステージ等との間に試験対象物をセットする。そして、引張圧縮試験機の図示されていない制御部より、気体圧制御弁４０に、所定の印加速度で荷重を発生するよう指示が出される。例えば１Ｎ／ｓｅｃの印加速度でピストンロッド１２の先端に荷重がかかるように指示が出される。これに先立ち、引張圧縮試験機の制御部より、図示されていない気体源に、所定の供給圧の高圧気体の供給を、気体圧制御弁４０と、シリンダ２０の気体供給路４８とに対して行うように指示され、また、図示されていない排気装置に、シリンダ２０の排気路４４を所定の排気圧で吸引する指示が出される。
【００４４】
気体圧制御弁４０は、ロードセル１６及び変位センサ５０からのフィードバック信号を用いて、指示された印加速度になるように、予め定められた気体圧生成アルゴリズムに従い２つの制御された気体圧を生成し、制御気体流路３３，３２，３５，３４を介し、前後気体室３６，３８に制御された気体圧を供給する。ピストンロッド１２のフランジ部１４は、前後気体室３６，３８における気体圧を受け、その差圧に応じ、フランジ部１４の外周とシリンダチューブ２２の内周壁との間で通常の空間を保ちながら、軸方向に移動駆動される。すなわち、引張圧縮試験機の指示が１Ｎ／ｓｅｃの印加速度の引っ張りであれば、図１のＸ方向で、変位センサ５０側に移動駆動される。移動駆動の荷重と変位は上記のようにロードセル１６と変位センサ５０により監視されている。
【００４５】
このようにして、ピストンロッド１２の移動駆動により、試験対象物に所定の印加速度で荷重をかけることができる。そして、試験対象物の応力−ひずみ特性は、ロードセル１６及び変位センサ５０の出力データを用いて、図示されていない引張圧縮試験機の出力部より得ることができる。
【００４６】
ピストンロッド１２は、前後エンドプレート２４，２６の浅溝表面絞り４６の絞り効果により、ロッド支持部２７から径方向に浮上されて軸方向に移動駆動される。また、この浮上隙間を通って、前後気体室３６，３８から大気開放６０に向かって流れる気体は、前駆長より遠方に配置された排気溝４２と排気路４４により効果的に集められる。したがって、ピストンロッド１２は、ロッド支持部２７から前後気体室３６，３８の気体圧が漏れる影響を抑制しつつ、ロッド支持部２７における摩擦負荷を受けることなく滑らかに移動できるので、高精度の測定が可能となる。
【００４７】
また、ロッド支持部２７におけるピストンロッド１２の支持を、ピストンロッド１２の径方向の変位について自由度のある気体軸受機構とし、また排気溝４２の作用により、気体軸受の浮上隙間を漏れてくる気体を効率よく集めることとしているので、引張圧縮試験の間に、試験対象物の特性によってピストンロッド１２が軸方向から傾くことを一定の範囲で許容できる。
【実施例２】
【００４８】
引張圧縮試験機用のピストン駆動機構において、測定対象物の性質等によりピストンロッドが軸方向より傾くことがあるが、あまり傾くと、ピストンロッドがシリンダ内壁やロッド支持部の内壁に衝突等を起こし、損傷を生ずることがある。
【００４９】
図４は、ピストンロッド１２の過度の傾きを抑制できるピストン駆動機構７０の構成図である。図４では、ピストン・シリンダサブアセンブリの部分で説明に必要なところを示してある。図１と同様の要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。このピストン駆動機構７０では、前後エンドプレート２４，２６の大気開放６０側の端部に、それぞれメタル軸受７２，７４が設けられる。なお、メタル軸受は、負荷が付く側の１ヶ所に設けてもよい。
【００５０】
メタル軸受７２，７４は、潤滑性に富んだ金属材料又は複合材料で作られたリング状の軸受であり、その内径は、ピストンロッド１２の端部の直径よりは大きく、前後エンドプレート２４，２６のロッド支持穴の穴径よりは小さく設定される。各メタル軸受７２，７４は、前後エンドプレート２４，２６のロッド支持穴と同心になるように、前後エンドプレート２４，２６の大気開放６０側の端部に取り付けられる。取り付けは、ねじ止め、あるいははめ込み固定等で行うことができる。かかるメタル軸受７２，７４は、黄銅や銅等の柔らかい金属、あるいは多孔性金属に潤滑油を含浸させたものあるいは複合材料を所定のリング形状に加工して得ることができる。
【００５１】
かかる構成のピストン駆動機構７０においては、ピストンロッド１２がその径方向、図４で示すＲ方向に変位し、あるいは軸方向に対し傾斜する外力を受けても、メタル軸受７２，７４の内径は前後エンドプレート２４，２６のロッド支持部の内径より小さいので、過度な変位あるいは傾斜のときに、ピストンロッド１２の外形が潤滑性のあるメタル軸受７２，７４に真っ先に当たる。したがって、ピストンロッド１２のフランジ部１４の外周がシリンダチューブ２２の内周壁に衝突し、あるいはピストンロッド１２の端部が前後エンドプレート２４，２６のロッド支持部の浅溝表面絞り４６等に衝突してこれらを損傷することを、未然に防止できる。
【実施例３】
【００５２】
引張圧縮試験機用のピストン駆動機構において、測定対象物の性質等によりピストンロッドが軸方向より傾くことがあるが、あまり傾くと、ピストンロッドのフランジ部がシリンダ内で前後気体室を完全に仕切ることができなくなる。
【００５３】
図５は、ピストンロッド１２の軸方向の傾きに関係なく、前後気体室を気密に仕切ることができるピストン駆動機構７６の構成図である。図５では、ピストン・シリンダサブアセンブリの部分で説明に必要なところを示してある。図１と同様の要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。このピストン駆動機構７６では、ピストンロッド１２のフランジ部１５と、シリンダチューブ２２との間に、柔軟性を有し、気密性のあるベロフラム７８が設けられる。
【００５４】
ベロフラム７８は、フランジ部１５の外周と、シリンダチューブ２２の内周壁との間を機密に仕切るような柔軟性のあるリング部材である。例えば、薄い金属板を適当な形状で屈曲させて柔軟性を持たせたものを用いることができる。かかる折り曲げを有するリング状部材の外周部をシリンダチューブ２２に固定し、内周部をフランジ部１５に固定する。ベロフラムの数は１つでも複数でもよい。なお、この場合、フランジ部１５の直径は、気体圧を受ける面が確保できれば、シリンダチューブ２２の内径よりかなり小さくしてもよい。
【００５５】
かかる構成のピストン駆動機構７６においては、ピストンロッド１２がその径方向、図４で示すＲ方向に変位し、あるいは軸方向に対し傾斜する外力を受けても、ベロフラム７８の柔軟性で追従できる。また、ベロフラム７８は変位、変形しても気密性があるので、前後気体室３６，３８の間が流体的に連通することがなく、シリンダ内で前後気体室を完全に仕切ることができ、引張圧縮試験機において精密な測定を可能とする。
【実施例４】
【００５６】
図６は、ピストンロッド１２のフランジ部１４の外周とシリンダチューブ２２の内周壁との間にも気体軸受機構を設けたピストン駆動機構８０の構成図である。図６では、ピストン・シリンダサブアセンブリの部分で説明に必要なところを示してある。図１と同様の要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。このピストン駆動機構８０では、前エンドプレート２４のロッド支持部に浅溝表面絞り８２による気体軸受機構を設けるとともに、フランジ部１４の外周とシリンダチューブ２２の内周壁との間にも浅溝表面絞り８４による気体軸受機構が設けられる。
【００５７】
このピストン駆動機構８０では、前後気体室の一方に一定高圧の供給圧Ｐｓが供給され、他方に図示されていない引張圧縮試験機の制御部の指示により制御された制御気体圧Ｐａが供給される。例えば供給圧Ｐｓは図示されていない気体供給源から直接供給され、制御気体圧Ｐａは気体圧制御弁から供給されるものとすることができる。図６の場合では、前気体室３７に一定高圧の供給圧Ｐｓが供給されるものとして示してある。供給圧Ｐｓは、例えば約０．５Ｍｐａ程度とすることができる。
【００５８】
図７は、前エンドプレート２４のロッド支持部２７に設けられる浅溝表面絞り８２の様子を示す図である。前エンドプレート２４のロッド支持部２７に設けられる浅溝表面絞り８２は、ロッド支持穴の内壁に設けられた複数の溝で、軸方向に所定の幅、長さ、溝深さを有し、ピストンロッド１２を気体軸受の原理で浮上させる機能を有する。溝の軸方向長さは、ロッド支持部２７の前気体室側端部から始まり、ロッド支持部２７の長さの１／２から２／３程度とできる。このような構成の浅溝表面絞り８２は、前気体室３７からの高圧気体が押し込まれ浅溝に沿って流れ、大気開放６０側の端部へ向かう。そして浅溝が切れたところでより狭い隙間に向かって絞られて低圧側に流れるので、いわゆる表面絞り装置となる。この絞り効果のため、絞り部分で圧力上昇を生じ、ピストンロッド１２をロッド支持部２７に対し浮上させる。
【００５９】
図８は、フランジ部１４の外周に設けられる浅溝表面絞り８４の様子を示す図である。これに関連して、排気溝８６もフランジ部１４の外周に設けられ、排気溝８６はピストンロッド１２の中を通る排気路８８に接続される。排気路８８は大気に開放することができる。この浅溝表面絞り８４は、フランジ部１４の外周に設けられた複数の溝で、軸方向に所定の幅、長さ、溝深さを有し、ピストンロッド１２を気体軸受の原理で浮上させる機能を有する。溝の軸方向長さは、フランジ部１４の前気体室側端部から始まり、フランジ部１４の軸方向長さの１／２程度とできる。
【００６０】
このような構成の浅溝表面絞り８４は、前気体室３７からの高圧気体が押し込まれ浅溝に沿って流れ、最終的に大気に開放される排気溝８６へ向かう。そして浅溝が切れたところでより狭い隙間に向かって絞られて低圧側に流れるので、いわゆる表面絞り装置となる。この絞り効果のため、絞り部分で圧力上昇を生じ、ピストンロッド１２をロッド支持部２７に対し浮上させる。
【００６１】
これらの浅溝表面絞り８２，８４の浅溝の深さは、図１の浅溝表面絞りと同様に、例えば、ピストンロッド１２とこれに向かい合うシリンダ２０の内壁面との間の隙間を約１０μｍとして、浅溝の深さを約３〜２０μｍとすることができる。
【００６２】
かかる構成のピストン駆動機構８０においては、１つの気体室３７から２種類の気体軸受機構を作り出すことができ、簡単な構成で、ピストンロッドを滑らかに移動駆動でき、引張圧縮試験機において精密な測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】適用例としての引張圧縮試験機に用いられる、本発明に係る実施の形態におけるピストン駆動機構の構成を示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態において、後エンドプレートにおけるピストンロッドの支持部分を示す拡大図である。
【図３】本発明に係る実施の形態において、気体の流速分布の変化と、前駆長と、排気溝の配置関係を説明する図である。
【図４】他の実施形態のピストン駆動機構構成図である。
【図５】さらに他の実施形態におけるピストン駆動機構の構成図である。
【図６】別の実施形態におけるピストン駆動機構の構成図である。
【図７】別の実施形態において、前エンドプレートのロッド支持部に設けられる浅溝表面絞りの様子を示す図である。
【図８】別の実施形態において、フランジ部の外周に設けられる浅溝表面絞りの様子を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１０、７０，７６，８０  ピストン駆動機構、１２  ピストンロッド、１４，１５  フランジ部、１６  ロードセル、２０  シリンダ、２２  シリンダチューブ、２４，２６  エンドプレート、２７  ロッド支持部、３０  マニホールド、３３，３２，３５，３４  制御気体流路、３６，３７，３８  気体室、４０  気体圧制御弁、４２，８６  排気溝、４４，８８  排気路、４６，８２，８４  浅溝表面絞り、４８  気体供給路、５０  変位センサ、５２  軟磁性体プローブ、５４  トランス巻線、５６  ストッパ、５７  ロッド支持部、５８  隙間、６０  大気開放、６２，６４  速度分布、７２，７４  メタル軸受、７８  ベロフラム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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