JP4858013B2

JP4858013B2 - 空圧式シリンダ装置および材料試験機

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Publication number: JP4858013B2
Application number: JP2006233142A
Authority: JP
Inventors: 輝次松原
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2006-08-30
Filing date: 2006-08-30
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2026-08-30
Also published as: JP2008057604A

Description

本発明は、空気圧によって伸縮する空圧式シリンダ装置および材料試験機に関する。

空気圧によって伸縮する空気圧シリンダにより試験片を負荷する材料試験機が知られている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１記載の装置では、シリンダ本体内部のピストンの両側の受圧面にクッション材を装着し、ピストンが上下のストロークエンドに達したときに、クッション材によりクッション機能を発揮させるようにしている。

特開２００５−３３７７２３号公報

この種の材料試験機では、シリンダのストローク量や試験周波数等、試験条件を変更して種々の試験を行う場合がある。しかしながら、上記特許文献１記載のものは、試験条件を変更するためにシリンダ装置を分解してクッション材の厚み等を変更する必要があり、設定変更が容易でない。

本発明による空圧式シリンダ装置は、空気圧によってシリンダ内をストロークするピストンを有し、このピストンのストロークにより試験片を負荷する空圧式シリンダ装置において、
シリンダ内の全体の容積を変更する容積変更部材と、容積変更部材を移動する移動手段と、空圧源からの空気をシリンダ内に導くための経路を変更する経路変更手段とを備え、移動手段は、容積変更部材を移動する移動用アクチュエータと、容積変更部材の位置を検出する位置検出手段と、位置検出手段による検出値に基づいて、移動用アクチュエータを制御する制御手段とを備え、制御手段は、容積変更部材の移動に伴い経路変更手段を制御することを特徴とする。
本発明による材料試験機は、上記の空圧式シリンダ装置と、支柱に沿って昇降し、空圧式シリンダ装置による試験荷重に対抗して試験片を支持するクロスヘッドとを備えることを特徴とする。

本発明によれば、容積変更部材の移動により空圧式シリンダの全体の容積を変更するようにしたので、シリンダの容積変更が容易であり、試験条件を変更した種々の材料試験を行うことができる。

−第１の実施の形態−
以下、図１，図２を参照して本発明によるシリンダ装置の第１の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るシリンダ装置を有する材料試験機の概略構成図である。材料試験機は、架台１と、架台１上に立設された支柱２と、支柱２により支持されたクロスヘッド３と、テーブル４とクロスヘッド３の間で試験片ＴＰを把持する上下のつかみ具５，６と、下つかみ具６を介して試験片ＴＰを負荷する空圧式のシリンダ装置１００とを有する。

シリンダ装置１００は、テーブル４に固定されたシリンダ本体１０と、シリンダ本体内に上下方向に摺動可能に収容されたピストン２０とを有する。ピストン２０の上下端面からはそれぞれ上下方向にピストンロッド２１，２２が延設され、ピストンロッド２１の上端部はテーブル４を貫通して下つかみ具６に連結されている。シリンダ本体１０の内部はピストン２０によって上下の空気室Ａ１，Ａ２に区画され、サーボ弁３１により空気室Ａ１，Ａ２への空気の流れが制御され、空気圧によりピストン２０が駆動する。

上つかみ具５とクロスヘッド３の間にはロードセル７が設けられ、ロードセル７により試験荷重が検出される。ピストンロッド２２の下端部には変位計５０が設けられ、変位計５０によりピストン２０のストローク量が検出される。ロードセル７と変位計５０からの信号は制御回路３０に入力され、この入力信号に応じて制御回路３０がサーボ弁３１に制御信号を出力し、疲労試験や耐久試験などが行われる。

本実施の形態の特徴的構成は、シリンダ本体１０の底部の下蓋１３を昇降機構４０により昇降可能とした点である。昇降機構４０によりシリンダの容積、すなわちピストン２０の最大ストローク量を変更する。以下、シリンダ装置１００の詳細な構成について説明する。

図２（ａ）は、本実施の形態に係るシリンダ装置１００の構成を示す断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のｂ−ｂ線断面図である。シリンダ本体１０は、略円筒形状の円筒体１１と、円筒体１１の上面を塞ぐ上蓋１２と、下面を塞ぐ下蓋１３とからなる。

上蓋１２は大径部１２１と小径部１２２を含む段付き形状を呈し、その小径部１２２が円筒体１１の上端開口を閉鎖している。上蓋１２の中央部には、ピストンロッド２２の貫通穴が設けられている。下蓋１３は大径部１３１と小径部１３２を含む段付き形状を呈し、その大径部１３１が円筒体１１の下端開口を閉鎖している。下蓋１３の中央部には、ピストンロッド２２の貫通穴が設けられている。小径部１３２は円筒体１１の下端から突出するような長さを有している。下蓋１３に必要なストローク長に応じて小径部１３２の長さは決定される。

上下のピストンロッド２１，２２は、それぞれ軸受け２３，２４を介して上蓋１２および下蓋１３を貫通し、シリンダ本体１０内に摺動可能に支持されている。空気室Ａ１に面した上蓋１２の底面および空気室Ａ２に面した下蓋１３の上面には、それぞれ径方向外側に向けて空気通路１２ａ，１３ａが形成されている。また、上蓋１２の底面および下蓋１３の上面には、通路１２ａ，１３ａを塞がないようにそれぞれクッション材１４が装着されている。

円筒体１１の周面にはマニホールド１５が取り付けられ、マニホールド１５にサーボ弁３１が装着されている。円筒体１１の上部には、上蓋１２の空気通路１２ａに連通して空気通路１１ａが形成され、マニホールド１５には空気通路１１ａに連通して空気通路１５ａが形成されている。これによりサーボ弁３１からのエアが、空気通路１５ａ、１１ａ、および１２ａを通過し、シリンダ本体１０内の空気室Ａ１に供給される。

一方、円筒体１１の下部には、上下方向に所定間隔を開けて空気通路１１ｂ〜１１ｄが形成され、マニホールド１５には各空気通路１１ｂ〜１１ｄに連通して空気通路１５ｂ〜１５ｄが形成されている。空気通路１５ｂ〜１５ｄは、サーボ弁３１に連通する空気通路１５ｅから分岐して設けられ、各空気通路１５ｂ〜１５ｄの途中には、それぞれ通路１５ｂ〜１５ｄを開閉するための開閉バルブ１６〜１８が取り付けられている。

空気通路１３ａは下蓋１３の移動により空気通路１１ｂ〜１１ｄのいずれかと連通可能である。そして、この連通可能な空気通路１１ｂ〜１１ｄのバルブ１６〜１８を開放し、残りのバルブを閉鎖すると、サーボ弁３１からの空気は、空気通路１５ｅ、１５ｂ〜１５ｄ、１１ｂ〜１１ｄ、および１３ａを通過し、シリンダ本体内の空気室Ａ２に供給される。なお、上蓋１２の小径部１２２の周面および下蓋１３の大径部１３１の周面にはそれぞれシール部材１９が取り付けられ、空気通路同士はシールされた状態で連通する。

昇降機構４０は次のように構成される。下蓋１３の小径部１３２の外周面にはねじ部１３ｃが形成されている。ねじ部１３ｃには平リング状の回転プレート４１が螺合されている。回転プレート４１の外周面にはギア部４１ａが形成され、ギヤ部４１ａには平歯車４２が噛合されている。平歯車４２は円筒体１１に回転可能に支持され、ハンドル４３の操作により回転する。

回転プレート４１は、円筒体１１に設けられたガイド部１１ｅに挟まれ、上下方向の位置が拘束されている。下蓋１３の小径部１３２の外周面には、図２（ｂ）に示すように下蓋長手方向に直進溝１３ｄが設けられている。直進溝１３ｄにはガイド部１１ｅを貫通した回り止め４４が係合し、小径部１３２の回転が阻止されている。

ハンドル４３の操作により平歯車４２を介して回転プレート４１が回転すると、その回転量に応じて下蓋１３が円筒体１１の内周面に沿って上下方向に摺動し、ガイド部１１ｅの下端面から小径部１３２の下端面までの距離Ｌが変化する。その結果、シリンダの容積が変化する。ここで、下蓋１３の空気通路１３ａが円筒体１１の空気通路１１ｂ，１１ｃ，１１ｄと連通するときの距離ＬはそれぞれＬ１，Ｌ２，Ｌ３であり、Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３の関係がある。なお、距離ＬがＬ１，Ｌ２，Ｌ３のときの下蓋の位置をそれぞれ上位置、中間位置、下位置と呼ぶ。

変位計５０は例えば以下のような差動トランスにより構成される。ピストンロッド２２の底面には穴が穿設され、この穴の端面に可動鉄心５１が取り付けられている。可動鉄心５１の周囲にはコイル５２が配設され、コイルは５２はブラケット５３を介して円筒体１１から支持されている。ピストン２０が上下動すると、可動鉄心５１がコイル５２に対して相対移動する。この可動鉄心５１の移動量に応じてコイル５２に発生する誘起電圧が変化し、ピストン２０の変位量を検出できる。

本実施の形態に係るシリンダ装置の動作を説明する。まず、図２に示すように、下蓋１３を中間位置にセットし、バルブ１７を開放、バルブ１６，１８を閉鎖した状態について説明する。この状態でサーボ弁３１を駆動し、サーボ弁３１を介して空気通路１５ａにドライエアを供給すると、空気室Ａ１にエアが導かれ、ピストン２０の上面に作用する圧力が上昇する。また、空気室Ａ２の空気は空気通路１３ａ，１１ｃ，１５ｃ，１５ｅを順次通過し、サーボ弁３１を介して排気され、ピストン２０の下面に作用する圧力が減少する。これによりピストン２０が下方に移動する。

これとは反対に、サーボ弁３１の駆動により空気通路１５ｅにドライエアを供給し、空気通路１５ａからエアを排気すると、ピストン２０の下面に作用する圧力が上昇し、ピストン２０の上面に作用する圧力が減少する。これによりピストン２０が上方に移動する。この動作の繰り返しにより試験片ＴＰに繰り返し荷重を負荷し、疲労試験を行うことができる。この場合、シリンダの最大ストローク量は、ピストン２０の上下端面がクッション材１４を介して上下の蓋１２，１３に接触することで制限される。

シリンダのストローク量を大きくして低サイクル疲労試験を行う場合は、ハンドル４３の操作により下蓋１３を降下し、円筒体１１の端面から下蓋１３の端面までの距離ＬをＬ３に設定する。そして、バルブ１８を開放し、バルブ１６，１７を閉鎖する。距離Ｌの設定は例えばスケールなどを用いて行う。下蓋１３の小径部１３２の外周面に目印を設けて、距離Ｌを設定することもできる。下蓋１３と円筒体１１との相対位置を測定するリニアセンサを設け、このリニアセンサの出力信号により、表示モニタに上位置、中位置、下位置との相対位置関係を表示してもよい。

これにより下蓋１３が下位置にセットされ、下蓋１３の空気通路１３ａと円筒体１１の下側の空気通路１１ｄとが連通する。この状態でサーボ弁３１を駆動して空気室Ａ１，Ａ２に交互にエアを供給し、ピストン２０を往復運動させて、試験片ＴＰに繰り返し荷重を負荷する。この場合、下蓋１３を下位置にセットしたので、シリンダのストローク量が大きい低サイクルの疲労試験（低速長ストローク疲労試験）を行うことができる。

一方、シリンダのストローク量を小さくして高サイクル疲労試験を行う場合は、ハンドル４３の操作により下蓋１３を上昇し、円筒体１１の端面から下蓋１３の端面までの距離ＬをＬ１に設定するとともに、バルブ１６を開放し、バルブ１７，１８を閉鎖する。。

これにより下蓋１３が上位置にセットされ、下蓋１３の空気通路１３ａと円筒体１１の上側の空気通路１１ｂとが連通する。この状態でサーボ弁３１を駆動して空気室Ａ１，Ａ２に交互にエアを供給し、ピストン２０を往復運動させて、試験片ＴＰに繰り返し荷重を負荷する。この場合、下蓋１３を上位置にセットしたので、シリンダの容積、すなわち空気室Ａ１の容積と空気室Ａ２の容積との合計値が小さくなり、高サイクルの疲労試験（高速小ストローク疲労試験）を応答性よく行うことができる。

本実施の形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）シリンダ本体１０の下蓋１３を円筒体１１の内周面に沿って摺動可能に設け、下蓋１３を昇降機構４０により昇降させるようにした。これによりシリンダ装置を分解することなく、シリンダの容積を容易に変更することができる。シリンダの最大ストロークも同時に変更することができる。
（２）下蓋１３の移動により軸受け２４も移動するので、シリンダの容積変更に伴い軸受け間の距離を変更することができる。
（３）円筒体１１とマニホールド１５に、下蓋１３の昇降位置に対応して空気通路１１ｂ〜１１ｄ、１５ｂ〜１５ｄを形成するとともに、空気通路１５ｂ〜１５ｄにバルブ１６〜１８を設けるようにした。これにより下蓋１３の位置変更に拘わらず、ピストン２０の受圧面に対向した下蓋１３の上面から空気室Ａ２にエアを供給することができる。

−第２の実施の形態−
図３を参照して本発明によるシリンダ装置の第２の実施の形態について説明する。
第１の実施の形態では、ハンドル４３の操作により下蓋１３を昇降するようにしたが、第２の実施の形態では、モータの駆動により昇降する。なお、図１，２と同一の箇所には同一の符号を付し、以下では第１の実施の形態との相違点を主に説明する。

図３は、第２の実施の形態に係るシリンダ装置の構成を示す図である。平歯車４２の回転軸には電動モータ６１の出力軸が連結され、平歯車４２はモータ６１により駆動される。マニホールド１５には、手動式のバルブ１６〜１８に代えて、空気通路１５ｂ〜１５ｄの開閉用の電磁弁６２〜６４が設けられている。図示は省略するが、制御回路３０には、下蓋１３と円筒体１１との相対位置、つまり距離Ｌを検出するリニアセンサと、下蓋１３の位置（上位置、中位置、下位置）を選択する選択スイッチが接続されている。選択スイッチの操作、およびリニアセンサからの信号に応じて、制御回路３０はモータ６１および電磁弁６２〜６４を制御する。

すなわち、選択スイッチにより上位置が選択されると、制御回路３０は、リニアセンサにより検出された円筒体１１の端面から下蓋１３の端面までの距離ＬがＬ１となるようにモータ６１を制御するとともに、電磁弁６２を開放および電磁６３，６４弁を遮断する。中位置が選択されると、距離ＬがＬ２となるようにモータ６１を制御するとともに、電磁弁６３を開放および電磁弁６２，６４を遮断する。下位置が選択されると、距離ＬがＬ３となるようにモータ６１を制御するとともに、電磁弁６４を開放および電磁弁６２，６３を遮断する。

第２の実施の形態では、選択スイッチの操作に応じてモータ６１を駆動し、下蓋１３を昇降するようにしたので、シリンダの容積変更が容易である。電磁弁６２〜６４により空気通路１１ｂ〜１１ｄを開閉するようにしたので、バルブの誤操作を防止できる。

なお、下蓋１３の位置設定は上述したものに限らず、空気通路１１ａ〜１１ｄ，１２ａ，１３ａ，１５ａ〜１５ｅの形状も上述したものに限らない。例えば空気通路１３ａに代えて、下蓋１３の上面から底面にかけて軸手方向に貫通する空気通路を設け、この空気通路とマニホールド１５の空気通路１５ｅとをフレキシブルチューブなどを介して連通するようにしてもよい。これにより空気通路１１ｂ〜１１ｄ、１５ｂ〜１５ｄ、およびバルブ１６〜１８を設ける必要がないため、構成を簡素化できるとともに、下蓋１３の位置を無段階に変更することができる。

上記実施の形態では、容積変更部材としての下蓋１３の移動によりシリンダの容積を変更したが、上蓋１２を移動可能としてもよく、下蓋１３と上蓋１２の両方を移動可能としてもよい。軸受け部材としての軸受け２３，２４は、空気室Ａ１，Ａ２をシールしてピストンロッド２１，２２を摺動可能に支持するのであればいかなるものでもよい。昇降機構４０により下蓋１３を昇降させるようにしたが、移動手段の構成は上述したものに限らない。ピストン２０の両側にシリンダロッド２１，２２を設けた両ロッド式ピストンに代えて、片側にのみピストンロッドを設けた方ロッド式ピストンにも本発明を適用できる。

第２の実施の形態では、モータ６１により下蓋１３を移動するようにしたが、他の移動用アクチュエータを用いてもよい。位置検出手段としてのリニアセンサは接触式変位計、非接触式変位計いずれであってもよい。電磁弁６２〜６４の開閉により空気経路を変更するようにしたが、経路変更手段はこれに限らない。制御手段としての制御回路３０の構成も上述したものに限らない。材料試験機の全体構成も図１に示したものに限らない。また、高速小ストローク疲労試験、中速中ストローク疲労試験、低速長ストローク疲労試験のように試験の種別を操作パネルから入力すると、シリンダ容積が予め定めた適切な値となるように移動手段によって容積変更部材を駆動するように構成してもよい。試験片ＴＰの材質を選択することで、その材質に応じた試験を行うように移動手段によって容積変更部材を駆動してもよい。

空圧式のシリンダ装置と、支柱に沿って昇降し、シリンダ装置による試験荷重に対抗して試験片を支持するクロスヘッドとを有する材料試験機であれば、いかなる種類の材料試験機にも本発明を同様に適用することができる。すなわち、本発明の特徴、機能を実現できる限り、本発明は実施の形態の材料試験機に限定されない。

本発明の第１の実施の形態に係る材料試験機の全体構成を示す図。本発明の第１の実施の形態に係るシリンダ装置の要部構成を示す図。本発明の第２の実施の形態に係るシリンダ装置の要部構成を示す図。

符号の説明

３クロスヘッド
１０シリンダ本体
１３下蓋
２０ピストン
２３，２４軸受け
３０制御回路
４０昇降機構
５０変位計
６１モータ
６２〜６４電磁弁
１００シリンダ装置

Claims

空気圧によってシリンダ内をストロークするピストンを有し、このピストンのストロークにより試験片を負荷する空圧式シリンダ装置において、
前記シリンダ内の全体の容積を変更する容積変更部材と、
前記容積変更部材を移動する移動手段と、
空圧源からの空気を前記シリンダ内に導くための経路を変更する経路変更手段とを備え、
前記移動手段は、
前記容積変更部材を移動する移動用アクチュエータと、
前記容積変更部材の位置を検出する位置検出手段と、
前記位置検出手段による検出値に基づいて、前記移動用アクチュエータを制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記容積変更部材の移動に伴い前記経路変更手段を制御することを特徴とする空圧式シリンダ装置。
請求項１に記載の空圧式シリンダ装置と、
支柱に沿って昇降し、前記空圧式シリンダ装置による試験荷重に対抗して試験片を支持するクロスヘッドとを備えることを特徴とする材料試験機。