JP2013127407A - 機械試験機 - Google Patents

Abstract

【課題】サーボモータを高出力で反転駆動した際に生じる出力軸の首振り運動を防止し、高精度の機械試験を可能にする。
【解決手段】サーボモータは、固定子及び回転子を収容する筒状のモータケースと、回転子から延びる回転軸が貫通する開口が形成された、モータケースの一端に固定されたフランジ板と、モータケースの他端に固定された反力板とを備え、フランジ板及び反力板が前記機械試験機のフレームに固定されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、サーボモータの駆動力を使用して機械試験を行う機械試験機に関する。

サーボモータの駆動力により供試体に荷重を与えるサーボモータ型機械試験機が実用化されている。特許文献１には、サーボモータ型ねじり試験機（以下、単に「ねじり試験機」という。）の一例が開示されている。サーボモータは、固定子及び回転子を収容する筒状のモータケースと、モータケースの軸方向両端にそれぞれ取り付けられるフランジ板及び反力板を備えている。フランジ板及び反力板には、サーボモータの出力軸を支持する軸受が取り付けられている。特許文献１のねじり試験機のように、機械試験機に使用される一般的なサーボモータにおいては、フランジ板には、出力軸が通される貫通穴と、サーボモータをボルトにより試験機のフレームに取り付けるためのモータ取付穴が形成されており、サーボモータは、フランジ板のみで片持ち梁状に試験機のフレームに固定される。また、フランジ板には、フランジ板をモータケースに取り付けるための４つのフランジ板取付穴が形成されており、４本のボルトによりモータケースに取り付けられる。

従来のサーボモータ型精密機械試験機には、１０ｋＷ未満の比較的に低出力のサーボモータが使用されていたが、サーボモータ型試験機が普及するにつれて、より高出力のサーボモータ型試験機が求められるようになった。また、疲労試験等にも使用可能な高周波数での反転駆動が可能な１０ｋＷを超える高出力のサーボモータも商用化されつつある。

特開２００７−１０７９５５号公報

しかしながら、１０ｋＷを超える高出力のサーボモータを使用する場合には、特許文献１のねじり試験機のようにフランジ板のみでサーボモータを試験機のフレームに固定すると、サーボモータの出力軸の支持強度が不足し、フランジ板に固定された軸受を中心に出力軸が歳差運動（首振り運動）を起こし、この歳差運動によって生じる振動により試験精度が低下する。

また、１０ｋＷを超える高出力のサーボモータを使用する場合には、従来のサーボモータのように、フランジ板を４本のボルトのみでモータケースに固定した構成では、モータケースの固定強度が不足し、歳差運動等の不要な運動による振動が発生し、試験精度が低下する。

本発明の実施形態によれば、サーボモータの駆動力を使用して機械試験を行う機械試験機において、サーボモータが、固定子及び回転子を収容する筒状のモータケースと、回転子から延びる回転軸が貫通する開口が形成された、モータケースの一端に固定されたフランジ板と、モータケースの他端に固定された反力板と、を備え、フランジ板及び反力板が機械試験機のフレームに固定されたものが提供される。フランジ板及び反力板には、それぞれねじ穴が形成されており、フランジ板及び反力板が、それぞれねじ穴によりフレームに固定された構成としてもよい。機械試験機は、例えば、ねじり試験機である。

この構成によれば、モータケースが両端で支持されるため、一端のみで片持ち支持された場合に生じる回転軸の歳差運動が抑制され、モータケースの固定がより安定化される。これにより、高精度の機械試験が可能になる。

フランジ板及び反力板には、回転軸を支持する軸受がそれぞれ取り付けられた構成としてもよい。

この構成によれば、回転軸がより高い剛性で支持されるため、回転軸がより安定に保持される。

フランジ板（反力板）には、サーボモータを固定するための、サーボモータの回転軸と平行な第１（第４）のねじ穴が形成された構成としてもよい。

この構成によれば、サーボモータを特に回転軸方向において高い剛性で支持することが可能になる。

フランジ板（反力板）には、サーボモータを固定するための、サーボモータの回転軸に平行な軸と直交する第２（第３）のねじ穴が形成された構成としてもよい。

この構成によれば、サーボモータを特に回転軸と直交する方向において高い剛性で支持することが可能になる。

サーボモータは、モータケースを覆うモータカバーを更に備え、モータカバーは、回転軸方向の両端部において、フランジ板及び反力板の側面を覆い、側面のそれぞれと接合されており、フランジ板及び反力板の少なくとも一方の側面には、サーボモータを固定するための第２のねじ穴が形成されており、モータカバーの回転軸方向における少なくとも一端部には、第２のねじ穴及びその周囲が露出するように切り欠き部が形成されている構成としてもよい。

モータカバーには換気口が形成されており、換気口に取り付けられた換気ファンを更に備え、切り欠き部は、モータケースとモータカバーとの間に形成された内部空間と外部空間とを連絡するように、フランジ板又は反力板よりも回転軸方向内側まで延びている構成としてもよい。

この構成によれば、切り欠き部がサーボモータ内の熱を外部に排出（又は外部の冷気をサーボモータ内に導入）するための換気口として機能し、サーボモータの空冷性能が向上する。特に、切り欠き部は、蓄熱し易いフランジ板や反力板付近に形成されるため、フランジ板や反力板を効率的に冷却することが可能になる。

本発明の実施形態によれば、固定子及び回転子を収容する筒状のモータケースと、回転子から延びる回転軸が貫通する開口が形成された、モータケースの一端に固定されたフランジ板とを備え、フランジ板は、回転軸に対して対称に配置された３対以上の複数対のボルトによりモータケースの一端に固定されたサーボモータが提供される。

この構成によれば、例えば１０ｋＷを超える大出力でサーボモータを駆動してもモータケースが実質的に動かないように、フランジ板を介してモータケースを高い剛性で支持することが可能になる。また、回転軸に対して対称に配置された多数のボルトで固定されるため、回転軸の回転角によらず略均一な剛性でモータケースが支持されるため、回転軸のふらつきが抑制される。

複数対のボルトが回転軸を中心とする同心円上に配置された構成としてもよい。

この構成によれば、各ボルトによって略均一な剛性で回転軸が支持されるため、回転角に対して更に均一に回転軸を支持することができる。

モータケースの横断面外形は略正方形状に形成されており、複数対のボルトは、正方形の対角線の一方に対して対称に配置された２対のボルトを含む構成としてもよい。

フランジ板は、正方形の対角線に対してそれぞれ対称に配置された８個のボルトによりモータケースの一端に固定された構成としてもよい。

この構成によれば、フランジ板に対するモータケースの固定強度が向上し、高出力で駆動した場合にも、駆動に伴って発生する振動が抑えられる。

また、サーボモータの出力が１０ｋＷ以上である構成としてもよい。

サーボモータを高出力で反転駆動した際に発生する出力軸の首振り運動が抑えられる。

図１は、本発明の第１実施形態のねじり試験機の側面図である。 図２は、本発明の第１実施形態のサーボモータの側面図である。 図３は、本発明の第１実施形態のサーボモータの背面図である。 図４は、本発明の第１実施形態のサーボモータの正面図である。 図５は、図２のＡ部拡大図である。 図６は、本発明の第１実施形態のサーボモータと減速機器の連結部分周辺の側面図である。 図７は、本発明の第１実施形態のカップリングの側面図である。 図８は、本発明の第１実施形態のカップリングの入力部の背面図である。 図９は、本発明の第１実施形態のカップリングの入力部を、図８中Ｂ方向から見た側面図である。 図１０は、本発明の第１実施形態のカップリングの出力部の正面図である。 図１１は、本発明の第１実施形態のカップリングの出力部を、図１０中Ｃ方向から見た側面図である。 図１２は、本発明の第２実施形態のねじり試験機の側面図である。 図１３は、本発明の第２実施形態のねじり試験機の正面図である。 図１４は、本発明の第２実施形態のねじり試験機の第１の別例の冷却機構のブロック図である。 図１５は、本発明の第２実施形態のねじり試験機の第２の別例の冷却機構の構成を示す、サーボモータ及び減速機の側面図である。 図１６は、本発明の第２実施形態のねじり試験機の第２の別例による冷却用プレートの斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係るねじり試験機１００の側面図である。ねじり試験機１００は、ベース１１０上に固定された駆動部１２０及び反力部１３０を備えている。

駆動部１２０は、サーボモータ１２２、減速機１２３、及びねじり試験１００の供試体を把持する為のチャック１２１を備えている。チャック１２１は、減速機１２３を介してサーボモータ１２２の出力軸と連結されている。サーボモータ１２２を回転駆動すると、その出力軸の回転運動は減速機１２３によって減速された後にチャック１２１に伝達され、チャック１２１が回転するように構成されている。また、サーボモータ１２２の本体及び減速機１２３のケース１２３ａは、駆動部フレーム１２４を介してベース１１０に固定されている。

なお、以下の説明においては、チャック１２１の回転軸の方向（図１における左右方向）をＸ軸方向、鉛直方向（図１における上下方向）をＺ軸方向、Ｘ軸及びＺ軸の双方に直交する水平方向（図１の紙面に垂直な方向）をＹ軸方向と定義する。

反力部１３０は、反力部フレーム１３２、トルクセンサ１３３、スピンドル１３４、軸受１３５、及び供試体を把持する為のチャック１３１を備えている。トルクセンサ１３３、スピンドル１３４及びチャック１３１は、Ｘ軸方向にこの順番で一体に連結している。反力部フレーム１３２は、ベース１１０上に配置された水平プレート１３２ａと、溶接によって水平プレート１３２ａに一体に固定された垂直プレート１３２ｂを備えている。垂直プレート１３２ｂは、その法線をＸ軸方向に向けて配置されている。

トルクセンサ１３３は、Ｘ軸方向における一端（図１における左端）で反力部フレーム１３２の垂直プレート１３２ｂに固定され、Ｘ軸方向における他端（図１における右端）でスピンドル１３４に接続されている。スピンドル１３４は、水平プレート１３２ａに固定された軸受１３５によって、回転自在に支持されている。

このように、トルクセンサ１３３、スピンドル１３４及びチャック１３１の連結によって、Ｘ軸方向に延びる軸体が形成されるが、この軸体は、その一端（図１における左端）のみで可動フレーム１３２に固定されている。駆動部１２０のチャック１２１と、反力部１３０のチャック１３１とで供試体を把持した状態でサーボモータ１２２を駆動すると、供試体がねじられる。この時、供試体に加えられたねじり荷重は、略損失無く、チャック１３１を介してトルクセンサ１３３に伝達されて、トルクセンサ１３３によって計測される。

反力部フレーム１３２は、ベース１１０に設けられた図示しない移動機構（例えば送りねじ機構）によって、ベース１１０に対してＸ軸方向に移動可能となっている。ベース１１０の移動は、ベース１１０の外側に配置されたハンドルＨを回転させることによって行われる。本実施形態においては、反力部フレーム１３２がベース１１０に固定された駆動部１２０に対してＸ軸方向に移動可能に構成されている。その為、供試体の長さに応じてチャック１３１とチャック１２１との間隔を変えることができ、１台のねじり試験機１００により様々な長さの供試体を対象にしてねじり試験を行うことができる。なお、ねじり試験を行う際は、反力部フレーム１３２とベース１１０とを図示しないボルトで締めることによって、反力部フレーム１３２はベース１１０に対して強固に固定される。

次に、駆動部フレーム１２４により、サーボモータ１２２本体及び減速機１２３のケース１２３ａを支持する構成について説明する。図１に示されるように、駆動部フレーム１２４は、水平プレート１２４ａ及び垂直プレート１２４ｂを備えている。水平プレート１２４ａは、ベース１１０上に水平に配置されている。また、垂直プレート１２４ｂは、Ｘ軸と垂直に配置され、下端が水平プレート１２４ａ上面のＸ軸方向における一端部（図１における左端）と溶接により一体に固定され、Ｌ字アングルを構成する。垂直プレート１２４ｂには、Ｘ軸方向に貫通する図示しない開口が設けられており、この開口に減速機１２３のケース１２３ａを挿し込み、次いで減速機１２３のケース１２３ａ外周に設けられたフランジ部（不図示）をボルトで垂直プレート１２４ｂに固定することによって、減速機１２３のケース１２３ａは駆動部フレーム１２４と一体に（すなわち、ベース１１０と一体に）固定される。

また、駆動部フレーム１２４は、４枚の鋼板（水平プレート１２４ａ、垂直プレート１２４ｂ及び一対のリブプレート１２４ｃ）を溶接により一体に接合して形成した構造部材である。Ｘ軸に対して垂直に配置された垂直プレート１２４ｂの下端は、ベース１１０上に配置された水平プレート１２４のＸ軸方向一端（図１における左端）と接合され、Ｌ字アングルを構成する。また、水平プレート１２４ａ及び垂直プレート１２４は、各プレート１２４ａ及び１２４ｂと垂直に配置された一対のリブプレート１２４ｃにより連結され、Ｌ字アングル構造が補強されている。また、駆動部フレーム１２４は、一対のリブプレート１２４ｃに固定されたモータ支持フレーム１２４ｄを備えている。モータ支持フレーム１２４ｄには、後述するサーボモータ１２２の反力板１２２ｒが固定され、反力板１２２ｒを下方から支持する。

図１に示されるように、モータ支持フレーム１２４ｄは、サーボモータ１２２の出力軸と反対側の端部（図１における右端）まで延びており、その位置で、サーボモータ１２２の反力板１２２ｒを下方からボルトで固定している。

図１に示されるように、サーボモータ１２２は、フランジ板１２２ｃが変速機１２３のケース１２３ａに固定されており、変速機１２３のケース１２３ａを介して駆動部フレーム１２４に支持されている。また同時に、サーボモータ１２２は、反力板１２２ｒにおいても、駆動部フレーム１２４に支持されている。従来のねじり試験機では、サーボモータ１２２はフランジ板１２２ｃのみで支持されていた為、回転軸に強い変動トルクが加わると、回転軸はフランジ板１２２ｃに固定された軸受を支点とする歳差運動（首振り運動）を起こす。特に１０ｋＷを超える高出力でモータを駆動すると、この歳差運動による振動が測定結果に無視できないノイズを与え、測定精度の低下をもたらすという問題があった。本実施形態においては、フランジ板１２２ｃに加えて、反力板１２２ｒにおいてもサーボモータ１２２を支持する構成により、歳差運動が抑制され、高出力でサーボモータ１２２を駆動した場合でも高精度の試験が可能となっている。また、歳差運動に伴ってサーボモータ１２２及び変速機１２３の回転軸に加わる曲げ応力も抑えられるため、各装置の寿命も向上する。

本実施形態においては、上記のようにフランジ板１２２ｃのフランジ面１２２ｆ（図２）及び反力板１２２ｒの下側側面においてサーボモータ１２２が支持されているが、サーボモータ１２２は他の位置でも支持できるように構成されている。

次に、本実施形態のサーボモータ１２２の構造について説明する。図２は、サーボモータ１２２の側面図であり、図３は、サーボモータ１２２を反力板１２２ｒ側から見た背面図である。

図２に示されるように、サーボモータ１２２は、モータケース１２２ａ、モータカバー１２２ｂ、フランジ板１２２ｃ、反力板１２２ｒ、出力軸１２２ｄ及び２つの冷却ファン１２２ｅを有している。

モータケース１２２ａは肉厚の金属板から形成された、横断面の外形が略正方形となる筒状のケースであり、その内部に出力軸１２２ｄを駆動させる為の固定子及び回転子が収容されている。フランジ板１２２ｃ及び反力板１２２ｒは、モータケース１２２ａと同程度以上に肉厚の、略正方形状の金属板である。フランジ板１２２ｃ及び反力板１２２ｒは、モータケース１２２ａの開口を塞ぐように、モータケース１２２ａの筒軸方向（Ｘ軸方向）両端に取り付けられている。フランジ板１２２ｃ及び反力板１２２ｒには、出力軸１２２ｄを支持する軸受（不図示）がそれぞれ取り付けられている。フランジ板１２２ｃには、開口１２２ｈ（図４）が設けられており、出力軸１２２ｄの一端は開口１２２ｈからモータケース１２２ａの外部に突出している。また、モータケース１２２ａの側面の大部分は、モータカバー１２２ｂによって覆われている。モータカバー１２２ｂは、モータケース１２２ａとの間に一定の隙間が確保されるように、フランジ板１２２ｃ及び反力板１２２ｒに固定されている。

前述のように、本実施形態においては、サーボモータ１２２の反力板１２２ｒが、モータ支持フレーム１２４ｄ（図１）により、下方から支持されている。図２及び図３に示されるように、反力板１２２ｒの下面には一対のめねじＴＨＤ１が形成されている。本実施形態においては、ボルトをモータ支持フレーム１２４ｄに設けられた貫通穴（不図示）に通してめねじＴＨＤ１にねじ込むことによって、サーボモータ１２２が支持フレーム１２４ｄに固定されるようになっている。

また、図３に示されるように、反力板１２２ｒの水平方向両側面（図３における左右側面）にも、めねじＴＨＳが、夫々一対ずつ形成されている。また、図２に示されるように、フランジ板１２２ｃの下部にも、一対のめねじＴＨＤ２が形成されている。

本実施形態のサーボモータ１２２は、ねじり試験機１００（図１）の設計によっては、例えばサーボモータ１２２を出力軸１２２ｄの周りに９０度傾けて、めねじＴＨＳの位置でモータ支持フレーム１２４ｄに固定することもできる。或いは、サーボモータ１２２の振動が更に低減されるように（例えば、サーボモータの支持構造の剛性を高めて、共振周波数が試験周波数域よりも高くなるように）、めねじＴＨＤ１のみならず、めねじＴＨＳやＴＨＤ２にボルトをねじ込んでサーボモータ１２２をモータ支持フレーム１２４ｄにより強固に固定することも可能である。

図４は、サーボモータ１２２をフランジ板１２２ｃ側から見た正面図である。フランジ板１２２ｃは、４対のボルトＢ１によって、モータケース１２２ａに強固に固定されている。ボルトＢ１の各対は、略正方形のフランジ板１２２ｃの四隅にそれぞれ配置されている。また、ボルトＢ１の各対は、配置される隅部を通る正方形の対角線に対して対称に配置されている。また、フランジ板１２２ｃの各隅部には、サーボモータ１２２を固定する為の貫通穴Ｈ１が、その隅部を通る対角線上に形成されている。また、４対のボルトＢ１は、出力軸１２２ｄに対して対称に、且つ出力軸１２２ｄを中心とする同心円上に配置されている。４つの貫通穴Ｈ１も、出力軸１２２ｄを中心とする同心円上に配置されている。このように、ボルトＢ１及び貫通穴Ｈ１を出力軸１２２ｄから離れたフランジ板１２２ｃの四隅に配置することにより、出力軸１２２ｄの曲げ方向の荷重に対して高い強度でフランジ板１２２ｃ及びモータケース１２２ａを固定することができる。また、ボルトＢ１及び貫通穴Ｈ１を出力軸１２２ｄに対して対称に、且つ、等角度間隔（９０°間隔）で配置することにより、フランジ板１２２ｃ及びモータケース１２２ａが出力軸１２２ｄの回転角に対して略一様な強度で固定されるため、回転角による出力軸１２２ｄの支持強度の変動が少なく、出力軸１２２ｄの半径方向の振動が抑えられる。

モータカバー１２２ｂの上部には図示されない２つの開口が形成されており、この開口に冷却ファン１２２ｅが取り付けられている。冷却ファン１２２ｅによって、モータケース１２２ａとモータカバー１２２ｂとの間隙に冷却風が供給され、この冷却風によってモータケース１２２ａが冷却される。図２及び図３に示されるように、モータカバー１２２ｂの、フランジ板１２２ｃ側端部の下側に切り欠き部１２２ｂ１が形成されている。また、切り欠き部１２２ｂ１の２箇所の隅には、内部空間（モータケース１２２ａとモータカバー１２２ｂとの間隙）と外部空間とを連絡する一対の開口１２２ｂ１が形成されており、この開口１２２ｂからモータケース１２２ａの熱で暖められた冷却風が外部に排気される。

本実施形態のサーボモータ１２２は、上記のように切り欠き部１２２ｂ１を設けることにより、開口１２２ｂをフランジ板１２２ｃ（特に、めねじＴＨＤ１）から離して設けることができる。そのため、フランジ板１２２ｃをモータ支持フレーム１２４ｄに固定しても、モータ支持フレーム１２４ｄによって開口１２２ｂ１が塞がれて冷却ファン１２２ｅによるモータケース１２２ａの冷却が阻害されることがなく、モータカバー１２２ｂとモータケース１２２ａとの間に、大流量の冷却風を供給して、高い冷却効果を得ることができる。

また、冷却ファン１２２ｅは、ファンケース１２２ｅ１がモータカバー１２２ｂにボルトＢ２でねじ止めされることによって、モータカバー１２２ｂに固定されている。また、ファンケース１２２ｅ１の上面には、冷却ファン１２２ｅのブレードへの手指等の接触を防止するフィンガーガード１２２ｅ２が取り付けられている。フィンガーガード１２２ｅ２も、ボルトＢ２によって取り付けられている。図５は、ボルトＢ２近傍の拡大図（図２のＡ部分拡大図）である。

フィンガーガード１２２ｅ２は、枠状のファンケース１２２ｅ１の上縁から水平方向に延びるフランジ部１２２ｅ３の上に配置される。フランジ部１２２ｅ３とフィンガーガード１２２ｅ２との間には、保持プレート１２２ｅ４が挟み込まれている。

フィンガーガード１２２ｅ２は、鋼線を折り曲げて形成されており、その一部は、フィンガーガード１２２ｅ２を固定する為のボルトＢ２が間に通るようＵ字状に屈曲した屈曲部１２２ｅ５となっている。また、保持プレート１２２ｅ４及びフランジ部１２２ｅ３には、ボルトＢ２を通す為の穴Ｈ２及びＨ３が形成されている。ボルトＢ２を屈曲部１２２ｅ５、穴Ｈ２及びＨ３に順次通し、ナットＮ１をボルトＢ２に取り付け、締め付けることにより、ボルトＢ２の頭部Ｂ２ａとナットＮ１との間で屈曲部１２２ｅ５、保持プレート１２２ｅ４及びフランジ部１２２ｅ３が締め付けられた状態となる。また、ボルトＢ２の頭部Ｂ２ａと屈曲部１２２ｅ５の間、及び、フランジ部１２２ｅ３とナットＮ１との間には、夫々ワッシャＷ１及びＷ２が設けられている。ワッシャＷ１及びＷ２を介在させることにより、ボルトＢ２の締め付け力を確実に屈曲部１２２ｅ５、保持プレート１２２ｅ４及びフランジ部１２２ｅ３に伝達させることができるため、フィンガーガード１２２ｅ２は、高い締め付け力を持ってファンケース１２２ｅ１に強固に固定される。

また、図５に示されるように、ボルトＢ２のねじ部Ｂ２ｂはナットＮ１を貫通してモータカバー１２２ｂの上面１２２ｂ３に形成されている穴Ｈ４を通過している。モータカバー１２２ｂの上面１２２ｂ３は、その表裏両面でボルトＢ２にねじ込まれているナットＮ３及びＮ４に挟み込まれて締め付けられた状態になる。なお、ボルトＢ２の締め付け力が確実にモータカバー１２２ｂに伝達されるよう、ナットＮ３とモータカバー上面１２２ｂ３の間、及びモータカバー上面１２２ｂ３とナットＮ４の間には、ワッシャＷ３及びＷ４が挟み込まれている。

以上の構成により、本実施形態のサーボモータ１２２は、フィンガーガード１２２ｅ２、保持プレート１２２ｅ４、ファンケース１２２ｅ１及びモータカバー１２２ｂが、ボルトＢ２を介して互いに強固に固定されるので、サーボモータ１２２駆動時のフィンガーガード１２２ｅ２のびびりや、びびりに伴う騒音は最小限に抑えられる。特に、ワッシャＷ１、Ｗ２、Ｗ３及びＷ４を介して締め付けることにより、びびりが効果的に防止される。

次に、本実施形態のねじり試験機１００の、サーボモータ１２２と減速機１２３の連結構造について説明する。図６は、本実施形態におけるサーボモータ１２２の出力軸１２２ｄと減速機１２３の入力軸１２３ｂとの連結部分周辺の側面図である。

図６に示されるように、本実施形態においては、サーボモータ１２２の出力軸１２２ｄと減速機１２３の入力軸１２３ｂとは、カップリング１４０によって連結されている。カップリング１４０は、極めて剛性の高い（例えば、サーボモータ１２２の出力軸１２２ｄと同等以上の剛性で連結する）リジッドカップリングであり、サーボモータ１２２の出力軸１２２ｄの回転運動は、高い応答性を持って減速機１２３の入力軸１２３ｂに伝達される。本実施形態のねじり試験機１００は、主として供試体に往復ねじり荷重を加える疲労試験に使用されるものであるため、カップリングの剛性が低いと、サーボモータ１２２の入力軸１２２ｄを高い周波数で（短い往復周期で）反転駆動した場合、その回転振動がカップリングで吸収されてしまい、減速機１２３の入力軸１２３ｂに正しく伝達されない。本実施形態においては、剛性の高いカップリング１４０を用いることにより、供試体に極めて高い周波数の変動荷重を与えることが可能となる。すなわち、本実施形態のねじり試験機１００によれば、供試体に加わる繰返し荷重の、時間当たりの繰り返し回数を多くとることができ、疲労試験に要する時間を大幅に短縮することが可能となる。また、より高い周波数の回転振動を供試体に与えることができるため、よりエネルギーが高く、厳しい条件の試験を行うことが可能になる。

次に、カップリング１４０の構造について説明する。図６に示されるように、カップリング１４０は、サーボモータ１２２の出力軸１２２ｄが接続される入力部１４１と、減速機１２３の入力軸１２３ｂが接続される出力部１４２を有する。入力部１４１と出力軸１４２は、２対のボルトＢ３、Ｂ４にて一体に連結される。ボルトＢ３は入力部１４１側から差し込まれ、ボルトＢ４は出力部１４２側から差し込まれる。

カップリング１４０の側面図を図７に示す。なお、図７においてはボルトＢ３及びＢ４は省略されている。図７に示されるように、入力部１４１は円柱形状の部材である。また、出力部１４２は、円柱形状の主部１４２ａと、主部１４２ａの一端（図７中右側端部）に形成されたフランジ部１４２ｂとを有する、段付き円柱形状の部材である。入力部１４１には、サーボモータ１２２の出力軸１２２ｄ（図６）を通す為の穴Ｈ５形成されている。また、出力部１４２には、減速機１２３の入力軸１２３ｂ（図６）を通す為のスプライン穴ＳＨが形成されている。

出力部１４２のフランジ部１４２ｂは、入力部１４１と略同径に形成されており、入力部１４１と連結する際に、ボルトＢ３がねじ込まれるめねじ（後述）及びボルトＢ４が通される穴Ｈ６が各一対形成されている。同様に、入力部１４１には、ボルトＢ３が通される穴（後述）及びボルトＢ４がねじ込まれるめねじＴＨＣ１が各一対形成されている。

図８は、入力部１４１をサーボモータ１２２側から見た背面図である。また、図９は、入力部１４１を図８におけるＢ方向から見た側面図である。図８に示されるように、入力部１４１には、ボルトＢ３が通される穴Ｈ７と、ボルトＢ４がねじ込まれるめねじＴＨＣ１が、それぞれ一対形成されている。また、穴Ｈ７及びめねじＴＨＣ１は、入力部１４１の中心軸を中心とする円筒面（図８中一点鎖線）上に形成されている。

図９に示されるように、入力部１４１には、入力部１４１の中心軸と垂直な平面で切り込まれたと第１スリットＳ１が形成されている。図８に示されるように、第１スリットＳ１の先端は、入力部１４１の最大径部（すなわち直径部）まで達している。また、入力部１４１のうち、第１スリットＳ１より背面側（サーボモータ１２２側）の部分（把持部１４１ａ）には、入力部１４１の中心軸を通る平面で切り込まれた第２スリットＳ２が形成されている。

図８及び図９に示されるように、入力部１４１の把持部１４１ａには、第２スリットＳ２を挟んで対向する穴Ｈ８とめねじＴＨＣ２が形成されている。穴Ｈ８とめねじＴＨＣ２は同軸に形成されており、穴Ｈ８にボルトを差し込んでめねじＴＨＣ２にねじ込むことによって、第２スリットＳ２の幅が狭まる方向に把持部１４１ａが締め付けられ、穴Ｈ５の径が狭まる。穴Ｈ５の内径は、把持部１４１ａが締め付けられていない状態では、サーボモータ１２２の出力軸１２２ｄの外径（図６）よりもわずかに大きくなるよう形成されており、穴Ｈ８及びめねじＴＨＣ２に取り付けたボルトによって把持部１４１ａが締め付けられると、径が狭まった穴Ｈ５の内周面に出力軸１２２ｄが締め付けられ、把持部１４１ａにより出力軸１２２ｄが強固に把持される。

本実施形態においては、上記のように入力部１４１に第１スリットＳ１が形成されており、出力軸１２２ｄを把持する為の第２スリットＳ２は、第１スリットＳ１よりも背面側の把持部１４１ａのみに形成されている。そのため、ボルトによって把持部１４１ａの締め付けが行われても、変形するのは把持部１４１ａの第２スリット近傍のみであり、それ以外の部分は変形せず、高い精度で軸を連結することができる。

第１スリットＳ１が無く第２スリットＳ２が入力部１４１の正面（図９中右側）まで伸びた従来の構成（すなわち剛体部が無く入力部１４１全体が把持部１４１ａとなっている構成）では、第２スリットＳ２が十分に狭められるように入力部１４１を変形させるのに要する力が過度に大きなものとなる。本実施形態においては、上記のように第１スリットＳ１によって入力部１４１を把持部１４１ａとそれ以外の部分とに分けることによって、出力軸１２２ｄの締め付け時に入力部１４１に加える荷重の大きさを必要最低限の大きさに抑えている。

次に、出力部１４２の構造について説明する。図１０は、出力部１４２を変速機１２３側から見た正面図である。また、図１１は、出力部１４２を図１０におけるＣ方向から見た側面図である。図１０に示されるように、出力部１４２のフランジ部１４２ｂには、ボルトＢ４が通される穴Ｈ６と、ボルトＢ３がねじ込まれるめねじＴＨＣ２が、夫々２つずつ形成されている。また、穴Ｈ６とめねじＴＨＣ３とは、出力部１４２の中心軸を中心とする円筒面（図１０中一点鎖線）上に形成されている。

図１１に示されるように、出力部１４２の主部１４２ａには、出力部１４２の中心軸と垂直な平面で切り込まれたと第３スリットＳ３が形成されている。図１０に示されるように、第３スリットＳ３の先端は、出力部１４２の直径まで達している。また、主部１４２ａのうち、第３スリットＳ３より正面側（減速機１２３側）の部分（把持部１４２ｃ）には、出力部１４２の中心軸を通る平面で切り込まれた第４スリットＳ４が形成されている。

図１０及び図１１に示されるように、出力部１４２の把持部１４２ｃには、第４スリットＳ４を挟んで対向する穴Ｈ９とめねじＴＨＣ４が二対形成されている。穴Ｈ９とめねじＴＨＣ４の各対はそれぞれ同軸に形成されており、穴Ｈ９にボルトを差し込んでめねじＴＨＣ４にねじ込むことによって、第４スリットＳ４の幅が狭まる方向に把持部１４３ｃが締め付けられ、スプライン穴ＳＨが狭まる。変速機１２３の入力軸１２３ｂ（図６）の先端部には、スプライン穴ＳＨと対応する形状のスプラインが形成されており、スプライン穴ＳＨに入力軸１２３ｂの先端が挿し込まれた状態で、穴Ｈ９及びめねじＴＨＣ４に取り付けたボルトによって把持部１４３ｃが締め付けられると、スプライン穴ＳＨの内周面と入力軸１２３ｂの外周が密着し、把持部１４３ｃにより入力軸１２３ｂが強固に把持される。

図６に示されるように、本実施形態においては、変速機１２３及びカップリング１４０を低慣性化するために、変速機１２３の入力軸１２３ｂがサーボモータ１２２の出力軸１２２ｄよりも細径に形成されている。そのため、出力部１４２は、入力部１４１のように面圧だけで軸を十分強固に把持することが容易ではない。そこで、本実施形態においては、変速機１２３の入力軸１２３ｂとカップリング１４０との連結部をスプライン構造として、小さい面圧でもスリップしないように変速機１２３の入力軸１２３ｂを強固に把持できるようにしている。

本実施形態においては、上記のように出力部１４２に第３スリットＳ３が形成されており、入力軸１２３ｂを把持する為の第４スリットＳ４は、第３スリットＳ３よりも正面側の把持部１４２ｃのみに形成されている。そのため、ボルトによって把持部１４２ｃの締め付けが行われても、変形するのは把持部１４２ｃの第４スリット近傍のみであり、他の部分は変形せず、高い精度で軸を連結することができる。

第３スリットＳ３が無く第４スリットＳ４が出力部１４２の背面（図１１中上側）まで伸びた従来の構成（すなわち、フランジ部１４２ｂを含む出力部１４２全体が把持部１４２ｃとなっている構成）では、第４スリットＳ４が十分に狭められるように出力部１４２を変形させるのに要する力が過度に大きなものとなる。本実施形態においては、上記のように第３スリットＳ３によって出力部１４２を把持部１４２ｃとそれ以外の部分とに分けることによって、入力軸１２３ｂの締め付け時に出力部１４２に加える荷重の大きさを必要最低限の大きさに抑えている。

次に、変速機１２３の潤滑方法について説明する。本実施形態の変速機１２３は遊星歯車機構を用いた変速機であり、ケース１２３ａ（図６）の内部には、遊星歯車機構を構成する複数の歯車が固定または軸支されている。本実施形態においては、遊星歯車機構を構成する複数の歯車間の摩擦力を低減し、この摩擦力による発熱や歯車の摩耗を防ぐため、油密に構成されたケース１２３ａの内部に潤滑油を隙間なく充填している。従来構成の変速機においては、ギアケースの底部に溜められた潤滑油に歯車機構の一部のみを浸し、歯車の回転によって潤滑油をかき回して歯車機構全体に分散させていた。しかしながら、本実施形態においては、減速機１２３は主として疲労試験を行うねじり試験機１００に使用されるものである為、入力軸１２３ｂが１回転未満の回転角で反転する運動を繰り返す（例えば回転角の振幅３０°で回転振動する）可能性がある。このような使用方法では、従来構成の変速機では潤滑油を歯車機構全体に分散させることができず、歯車間に油膜切れが生じ、歯車の過度の発熱や摩耗が生じる可能性がある。また、特に１０ｋＷ以上の高出力モータにより反転駆動する場合は、歯車間の摩擦による発熱量が大きくなり、各歯車が常に潤滑油に浸された状態にしなければ、歯車に蓄熱して、焼き付きが起こる可能性がある。

本実施形態においては、上記のようにケース１２３ａの内部に潤滑油を隙間なく充填している為、ねじり試験機１００にて疲労試験を行う場合であっても歯車間に油膜切れが生じることがない。また、高出力モータで周波数（例えば２０Ｈｚ）で反転駆動した場合でも、焼き付きが生じることもない。

また、本実施形態においては、図６に示されるように、ケース１２３ａの上部に、ケース１２３ａの内部と連絡する穴Ｈ１０が形成されている。穴Ｈ１０には、上方に延びる配管１２５が取り付けられており、配管１２５の先端には、オイルカップ１２６が取り付けられている（図１）。なお、オイルカップ１２６は、ケース１２３ａよりも高い位置に配置されている。

ねじり試験機１００を作動させると、減速機１２３内の歯車の摩擦熱等により、減速機１２３のケース１２３ａ内部の温度が上昇し、ケース１２３ａの内部に充填された潤滑油が熱膨張する。減速機１２３のケース１２３ａに穴Ｈ１０が形成されていない従来の減速機の構成では、減速機１２３内部が密閉空間となる為、潤滑油が熱膨張すると、潤滑油が高圧となり、ケース１２３ａを構成する部品間の隙間（例えばオイルシール部）から潤滑油が漏出する可能性がある。本実施形態においては、熱膨張した潤滑油は配管１２５を介してオイルカップ１２６に逃げるよう構成されている為、潤滑油が漏出することが無い。なお、ねじり試験機１００を停止させて減速機１２３のケース１２３ａ内部が自然放熱により冷却されると、ケース１２３ａ内部の潤滑油が収縮して、ケース１２３ａ内部は陰圧となる。そのため、オイルカップ１２６に逃げていた潤滑油はケース１２３ａに戻される。また、潤滑油の劣化等によりケース１２３ａ内の潤滑油が減少した場合にも、減少分はオイルカップ１２６から補充され、ケース１２３ａの内部は常に潤滑油で充填された状態に保たれる。なお、オイルカップ１２６の上部には図示しない通気孔（不図示）が設けられており、オイルカップ１２６の内部空間は常に大気圧に保たれている。また、オイルカップ１２６の通気孔にはエアフィルタ（不図示）が設けられており、外気はエアフィルタを介してオイルカップ１２６内に入るため、潤滑油への異物の混入が防止される。

以上が本発明の第１の実施形態の説明である。上記のように、本実施形態のねじり試験機１００は、サーボモータ１２２の支持構造、サーボモータ１２２と減速機１２３とを連結するカップリング１４０の構造、減速機１２３内部の歯車の潤滑方法等に特徴を有している。本発明は、上記の構成に限定されるものではなく、他の特徴を有するものであってもよい。

以下に説明する本発明の第２の実施形態に係るねじり試験機２００は、上記の第１実施形態の特徴に加えて、減速機の冷却機構を備えているという特徴をもつ。図１２に、本発明の第２の実施形態のねじり試験機の側面図を示す。

本実施形態のねじり試験機２００は、第１の実施形態のねじり試験機１００と同様、ベース２１０と、ベース２１０上に配置された駆動部２２０及び反力部２３０を備えており、駆動部２２０及び反力部２３０にそれぞれ設けられたチャック２２１、２３１に供試体を取り付け、駆動部２２０のサーボモータ２２２を駆動して供試体にねじり荷重を加えるものである。駆動部２２０側のチャック２２１とサーボモータ２２２が減速機２２３を介して連結される点、反力部２３０に設けられたトルクセンサ２３３によって供試体に加わるトルクを計測する点、リジッドカップリングによってサーボモータ２２２と減速機２２３とを連結する点、減速機２２３のケース２２３ａ内に潤滑油を充填すると共にケース２２３ａに配管２２５を介してオイルカップを接続した点等も又、第１の実施形態と同様である。尚、第１の実施形態と同様、以下の説明においては、チャック２２１の回転軸方向（図１２中左右方向）をＸ軸方向、鉛直方向（図１２中上下方向）をＺ軸方向、Ｘ軸とＺ軸の双方に直交する方向（図１１に直交する方向）をＹ軸方向と定義する。

図１３は、ねじり試験機２００をサーボモータ２２２側から見た正面図である。駆動部２２０は、ベース２１０上でＸ軸方向に移動可能な駆動部フレーム２２７を備える。サーボモータ２２２本体及び、減速機２２３のケース２２３ａは、この駆動部フレーム２２７に固定されており、駆動部フレーム２２７と一体となってＸ軸方向に移動可能に構成されている。本実施形態のねじり試験機２００は、この駆動部フレーム２２７の移動によってチャック２２１と２３１との間隔が調整可能であり、様々な長さの供試体を対象にしてねじり試験を行うことが可能となっている。駆動部フレーム２２７は、ベース２１０上に配置されている水平プレート２２７ａと、垂直プレート２２７ｂと、一対のリブプレート２２７ｃを備えている。

水平プレート２２７ａは、ベース２１０上に水平に配置されている。また、垂直プレート２２７ｂは、Ｘ軸と垂直に配置され、下端が水平プレート２２７ａ上面のＸ軸方向における一端部（図１における左端）と溶接により一体に固定され、Ｌ字アングルを構成する。垂直プレート２２７ｂには、Ｘ軸方向に貫通する図示しない開口が設けられており、この開口に減速機２２３のケース２２３ａを挿し込み、次いで減速機２２３のケース２２３ａ外周に設けられたフランジ部（不図示）をボルトで垂直プレート２２７ｂに固定することによって、減速機２２３のケース２２３ａは駆動部フレーム２２７と一体に（すなわち、ベース２１０と一体に）固定される。

リブプレート２２７ｃは、図１２に示されるように、水平プレート２２７ａと垂直プレート２２７ｂが形成するコーナーに設けられ、水平プレート２２７ａと垂直プレート２２７ｂの双方に溶接されている。このリブプレート２２７ｃによって、垂直プレート２２７ｂが補強され、垂直プレート２２７ｂは水平プレート２２７ａに強固に固定される。

図１３に示されるように、リブプレート２２７ｃは、サーボモータ２２２や減速機２２３をＹ軸方向両側から挟み込むように配置されている。この一対のリブプレート２２７ｃの間には、減速機２２３を覆うエンクロージャ２２８が設けられている。

エンクロージャ２２８は、エンクロージャ２２８の内部と外部とを連絡する吸気口２２８ａ及び排気口２２８ｂを有する。図１２に示されるように、吸気口２２８ａは、エンクロージャ２２８の側面（図１２における左側面）におけるサーボモータ２２２の下方に設けられている。また、各リブプレート２２７ｃには、排気口２２８ｂに接続するエアダクト（不図示）を通す為の貫通孔２２７ｄが形成されており、排気口２２８ｂは貫通孔２２７ｄと対向する位置に形成されている。

本実施形態においては、エアダクトにブロアやスポットクーラーを接続し、エンクロージャ２２８の内部に冷却風を吹き込むことによって、エンクロージャ２２８の内部に配置された減速機２２３を冷却している。排気口２２８ｂは、吸気口２２８ａを介してエンクロージャ２２８の内部に吹き込まれた冷却風の排気口として機能する。

以上のように、本実施形態においては、空冷によって減速機２２３の冷却を行っている。しかしながら、他の手段によって減速機２２３の冷却を行うことも可能である。他の冷却機構を実装した、本実施形態の第１及び第２の別例の冷却機構の構成を、図１４〜図１６を参照して説明する。

第１の別例の冷却機構の構成を示すブロック図を図１３に示す。第１の別例の冷却機構は、減速機２２３の歯車の潤滑を行う為の潤滑油を冷却しながら循環させることによって減速機２２３の冷却を行うものである。すなわち、減速機２２３のケース２２３ａに、ケース２２３ａの内部と連絡する潤滑油入口２２３ｃ及び潤滑油出口２２３ｄを形成し、潤滑油入口２２３ｃ、潤滑油出口２２３ｄ、潤滑油の循環の為のポンプ２５１及び潤滑油冷却用の冷却機２５２を配管２５３を介して接続し、ポンプ２５１→ケース２２３ａ内部→冷却機２５２→ポンプ２５１の順で潤滑油を循環させる。冷却機２５１で冷却された潤滑油を減速機２２３のケース２２３ａ内部に連続的に供給することによって、減速機２２３の内部の歯車が冷却される。

なお、上記説明した第１の別例においては上記のように潤滑油によって歯車の潤滑を行う為、潤滑油のリザーバとなるオイルカップは設けられていない。

次に、本実施形態の第２の別例の冷却機構について説明する。図１５は、第２の別例の冷却機構の構成を示す、サーボモータ２２２及び減速機２２３の側面図である。図１５に示されるように、別例２においては、サーボモータ２２２と減速機２２３のケース２２３ａとの間に冷却用プレート２６０が設けられている。

冷却用プレート２６０の斜視図を図１６に示す。冷却用プレート２６０は、熱伝導率の高い材料（金属等）にて形成された板状の部材であり、図１６に示されるように、その中央に減速機２２３とサーボモータ２２２の連結部分を通す為の開口２６１が形成されている。また、冷却用プレート２６０の内部には、冷却水経路２６２が開口２６１を囲むように形成されている。また、冷却用プレート２６０の内部には、冷却水経路２６２と冷却用プレート２６０の外側とを連絡する冷却水導入経路２６３及び冷却水排水経路２６４が設けられている。

別例２においては、冷却水導入経路２６３及び冷却水排水経路２６４を介して冷却水経路２６２をポンプ及び冷却水冷却装置に接続し、ポンプ→冷却水導入経路２６３→冷却水経路２６２→冷却水排水経路２６４→冷却水冷却装置→ポンプの順で冷却水を循環させる。循環し且つ冷却水冷却装置にて冷却される冷却水により、減速機２２３で発生した熱は冷却用プレート２６０を介して冷却水に排出され、その結果減速機２２３は冷却される。

１００ ねじり試験機
１２０ 駆動部
１２２ サーボモータ
１２３ 減速機
１２３ａ ケース
１２４ 駆動部側フレーム
１２４ｄ モータ支持フレーム
１２６ オイルカップ
１３０ 反力部
１３３ トルクセンサ
１４０ カップリング
２００ ねじり試験機
２２３ 減速機
２２３ａ ケース
２２３ｃ 潤滑油入口
２２３ｄ 潤滑油出口
２２８ エンクロージャ
２５１ ポンプ
２５２ 冷却機
２６０ 冷却用プレート

Claims (15)

1. サーボモータの駆動力を使用して機械試験を行う機械試験機において、
   前記サーボモータが、
   固定子及び回転子を収容する筒状のモータケースと、
   前記回転子から延びる回転軸が貫通する開口が形成された、前記モータケースの一端に固定されたフランジ板と
   前記モータケースの他端に固定された反力板と、
   を備え、
   前記フランジ板及び前記反力板が前記機械試験機のフレームに固定されたこと、を特徴とする機械試験機。
2. 前記フランジ板及び前記反力板には、前記回転軸を支持する軸受がそれぞれ固定されていること、を特徴とする請求項１に記載の機械試験機。
3. 前記フランジ板及び前記反力板には、それぞれねじ穴が形成されていること、及び
   前記フランジ板及び前記反力板が、それぞれ前記ねじ穴により前記フレームに固定されたこと、を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の機械試験機。
4. 前記フランジ板には、前記サーボモータを固定するための、前記サーボモータの回転軸と平行な第１のねじ穴が形成されていること、を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の機械試験機。
5. 前記フランジ板には、前記サーボモータを固定するための、前記サーボモータの回転軸に平行な軸と直交する第２のねじ穴が形成されていること、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機械試験機。
6. 前記反力板には、前記サーボモータを固定するための、前記サーボモータの回転軸に平行な軸と直交する第３のねじ穴が形成されていること、を特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の機械試験機。
7. 前記反力板には、前記サーボモータを固定するための、前記サーボモータの回転軸と平行な第４のねじ穴が形成されていること、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機械試験機。
8. 前記サーボモータは、前記モータケースを覆うモータカバーを更に備え、
   前記モータカバーは、前記回転軸方向の両端部において、前記フランジ板及び前記反力板の側面を覆い、該側面のそれぞれと接合されていること、
   前記フランジ板及び前記反力板の少なくとも一方の側面には、前記サーボモータを固定するための第２のねじ穴が形成されていること、そして
   前記モータカバーの前記回転軸方向における少なくとも一端部には、前記第２のねじ穴及びその周囲が露出するように切り欠き部が形成されていること、
   を特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の機械試験機。
9. 前記モータカバーには換気口が形成されていること、
   前記換気口に取り付けられた換気ファンを更に備えること、そして
   前記切り欠き部は、前記モータケースと前記モータカバーとの間に形成された内部空間と外部空間とを連絡するように、前記フランジ板又は前記反力板よりも前記回転軸方向内側まで延びていること、を特徴とする請求項８に記載の機械試験機。
10. 前記フランジ板は、前記回転軸に対して対称に配置された３対以上の複数対のボルトにより前記モータケースの一端に固定されたこと、を特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の機械試験機。
11. 前記複数対のボルトは、前記回転軸を中心とする同心円上に配置された、ことを特徴とする請求項１０に記載の機械試験機。
12. モータケースの横断面外形は略正方形状に形成されていること、そして
    前記複数対のボルトは、前記正方形の対角線の一方に対して対称に配置された２対のボルトを含むこと、を特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の機械試験機。
13. 前記フランジ板は、前記正方形の対角線に対してそれぞれ対称に配置された８個のボルトにより前記モータケースの一端に固定されたこと、を特徴とする請求項１０から請求項１２のいずれか一項に記載の機械試験機。
14. ねじり試験機であること、を特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載の機械試験機。
15. 前記サーボモータの出力が１０ｋＷ以上であること、を特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか一項に記載の機械試験機。

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