(57)【要約】【課題】  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材料試験機を提供すること。【解決手段】  電磁式アクチュエータは、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、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を備える。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。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
請求項１に記載の電磁式アクチュエータにおいて、
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。
【請求項３】
請求項２に記載の電磁式アクチュエータにおいて、
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。
【請求項４】
請求項３に記載の電磁式アクチュエータにおいて、
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。
【請求項５】
請求項４に記載の電磁式アクチュエータにおいて、
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。
【請求項６】
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において、
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備える電磁式アクチュエータ。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の電磁式アクチュエータを備えることを特徴とする材料試験機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【０００２】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２０５３３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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発明において、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備える。
【００１７】
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至請求項６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。
【発明の効果】
【００１８】
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。
【００１９】
請求項６に記載の発明によれば、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。
【００２０】
請求項７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。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】ベリリウム合金の両振り疲労特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
Ｍ＝［Ｅ・Ｉ］／Ｒ
【００３４】
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。
【００３５】
σｍａｘ＝Ｍ／Ｚ＝［Ｅ／Ｒ］・［Ｉ／Ｚ］
【００３６】
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。
【００３７】
σｍａｘ＝［ｔＥ／２Ｒ］
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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、１０８  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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【符号の説明】
【００４９】
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
【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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