JP3284958B2 - 材料試験機 - Google Patents

材料試験機

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JP3284958B2
JP3284958B2 JP02343598A JP2343598A JP3284958B2 JP 3284958 B2 JP3284958 B2 JP 3284958B2 JP 02343598 A JP02343598 A JP 02343598A JP 2343598 A JP2343598 A JP 2343598A JP 3284958 B2 JP3284958 B2 JP 3284958B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電磁力により駆動
力を発生する動電形アクチュエータを用いた材料試験機
に関する。
【0002】
【従来の技術】試験片に任意波形の荷重を負荷して疲労
強度試験を行う材料試験機においては、負荷用アクチュ
エータとして一般的に油圧シリンダが用いられる。近
年、高分子材料やマイクロマシンの機構部品等、試験対
象の多様化が進むにつれて荷重そのものの絶対値が小さ
くなり、荷重制御精度をより高めた材料試験機が求めら
れている。
【0003】そこで、このような任意波形の低負荷を動
電形アクチュエータで与えるようにした材料試験機が提
案されている。動電形アクチュエータは、コアと永久磁
石とヨークで磁気回路を形成し、コアに対して可動なボ
ビンにコイルを巻き回し、コイルに駆動電流を供給する
ことにより、ボビンに推力を発生する電磁式アクチュエ
ータである。
【0004】図3に示すように、動電形アクチュエータ
を用いた材料試験機は、試験片を負荷する動電形アクチ
ュエータ51と、試験片を目標値で負荷するための目標
信号を与える目標信号発生回路52と、試験片の変位を
検出する変位センサ53と、試験片に働く荷重を検出す
る荷重センサ54と、センサ53もしくは54で検出し
た変位もしくは荷重と目標信号との偏差を求め、PID
回路などを介してアクチュエータ駆動信号を生成して動
電形アクチュエータ51へ供給するフィードバック制御
回路55とを備える。試験片を変位フィードバック制御
する場合、目標信号発生回路52はたとえばsin波の
目標信号を出力する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、動電形
アクチュエータ51に印加される電流信号をi、磁束密
度をB、コイル長をLとすると、動電形アクチュエータ
51の推力Fは、 F=i・B・L で表わされる。したがって、フィードバック制御系のブ
ロック線図は図4(a)に示すようになり、要素Kが正
であっても共振系となり、制御変位や制御荷重が小さい
場合には、安定した変位フィードバック制御や荷重フィ
ードバック制御ができない。
【0006】なお、電気油圧サーボ弁で制御される油圧
シリンダを使用した材料試験機では、サーボ弁はその入
力信号iに応じた開度に、すなわち、入力信号iに対し
て油圧シリンダへの流量Qが制御される。したがって、
試験片の変位もしくは荷重を目標値にフィードバックす
るフィードバック系のブロック線図は図4(b)に示す
ようになり、要素Kが正であれば安定した系となり、微
小な荷重や変位に対しても精度よく試験を行うことがで
きる。
【0007】本発明の目的は、動電形アクチュエータで
試験片を負荷する場合に、制御変位が小さい場合や制御
荷重が場合でも安定した変位フィードバック制御や荷重
フィードバック制御ができるようにした材料試験機を提
供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】一実施の形態を示す図1
に対応づけて本発明を説明すると、本発明は、試験片T
Pを負荷する動電形アクチュエータ2と、試験片TPを
目標値で負荷するための目標信号を与える目標信号発生
回路60と、試験片TPの変位もしくは荷重を検出する
検出センサ31,32と、検出センサ31,32で検出
した変位もしくは荷重と目標信号との偏差によって動電
形アクチュエータ2をフィードバック制御するフィード
バック制御回路40とを備えた材料試験機に適用され
る。そして、試験片TPの変形速度に応じた速度信号を
発生する速度信号発生回路32を設け、フィードバック
制御回路40を、変位もしくは荷重の検出信号がメージ
ャーループとして、速度信号発生回路32から発生する
速度信号はマイナーループとしてフィードバックされる
ように構成することにより上記目的を達成する。
【0009】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段の項では、本発明を分かり易くする
ために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本
発明が実施の形態に限定されるものではない。
【0010】
【発明の実施の形態】図1は本発明の実施の形態に係る
動電形アクチュエータで試験片に任意の低負荷波形を与
えて試験を行なう材料試験機を示す図である。この材料
試験機はフレーム1を備えている。フレーム1の下側に
は動電形アクチュエータ2が設置され、下負荷ロッド3
が動電形アクチュエータ2で駆動されるように構成され
ている。フレーム1の上側にはロードセル4が設置さ
れ、このロードセル4に上負荷ロッド5が連結されてい
る。上下負荷ロッド3および5のそれぞれの端部にはつ
かみ具6が接続され、つかみ具6の間に試験片TPが取
り付けられる。
【0011】動電形アクチュエータ2は、断面が逆T字
状のコア21と、コア21のフランジ部に設置されたリ
ング状の永久磁石22と、永久磁石22の上に重ね合わ
されたリング状のヨーク23と、コア21の軸部に外挿
された円筒状のボビン24と、ボビン24に巻き回され
たコイル25と、ボビン24の移動を案内するためにボ
ビン24の中央部に立設されコア軸部に挿入されたガイ
ド軸26とで構成されている。コア21と永久磁石22
とヨーク23により図示のような磁気回路MSが形成さ
れる。そして、コイル25に駆動電流を通電することに
よりボビン24に推力Fが発生する。上述したように、
推力Fは、 F=i・B・L ただし、Bは磁束密度、Lはコイル長、iは電流(ただ
し、各巻線に流れる電流と巻数の積)で表される。
【0012】ガイド軸26の下端は変位センサ31と速
度センサ32に挿入され、変位センサ31はガイド軸2
6すなわち試験片TPの変位に応じた検出信号を出力
し、速度センサ32はガイド軸26すなわち試験片TP
の変形速度に応じた検出信号を出力する。これらの変位
センサ31および速度センサ32の検出信号はそれぞれ
変位アンプ33と速度アンプ34で増幅されて後述する
フィードバック制御回路40に入力される。ロードセル
4の検出信号も荷重アンプ35で増幅されてフィードバ
ック制御回路40に入力される。
【0013】図1において、目標信号発生回路60は、
荷重もしくは変位の平均値と振幅と周波数で決定される
目標設定信号を出力する。そして、動電形アクチュエー
タ2はフィードバック制御回路40により、目標信号発
生回路60から発生する荷重もしくは変位の目標繰り返
し信号に基づいて駆動され、試験片を目標の荷重で繰り
返し負荷する。
【0014】フィードバック制御回路40は、荷重アン
プ35もしくは変位アンプ33の出力を選択するスイッ
チ41と、荷重フィードバック制御時は目標信号発生回
路60からの設定信号と検出荷重との偏差を算出し、変
位フィードバック制御時は目標信号発生回路60からの
設定信号と検出変位との偏差を算出する第1加算点42
と、偏差に所定のゲインを与える第1ゲイン設定器(た
とえばPID制御回路)43と、第1ゲイン設定器43
の出力と速度アンプ34から出力される変形速度との偏
差を算出する第2加算点44と、第2加算点44から出
力される偏差に所定のゲインを与える第2ゲイン設定器
(たとえばPID制御回路)45と、第2ゲイン設定器
45の出力を増幅して動電形アクチュエータ2のコイル
25へ印加するパワーアンプ46とから成る。
【0015】このような材料試験機の動作を説明する。
荷重フィードバック制御時、目標信号発生回路60から
平均荷重と荷重振幅と周波数で決定される目標繰り返し
荷重信号を出力する。そして、スイッチ41により荷重
アンプ35から出力される検出荷重信号を選択する。第
1加算点42において、目標信号発生回路60からの目
標繰り返し荷重信号と検出荷重信号との偏差が算出され
る。第1ゲイン設定器43はその荷重偏差に所定のゲイ
ンを与えて出力する。第1ゲイン設定器43の出力は第
2加算点44に入力され、ここで、速度アンプ34から
出力される変形速度との偏差が算出される。第2ゲイン
設定器45は第2加算点44から出力される速度偏差に
所定のゲインを与えて出力する。この出力信号はパワー
アンプ46で増幅されて動電形アクチュエータ2のコイ
ル25へ印加される。したがって、動電形アクチュエー
タ2は目標となる繰り返し荷重信号に対応して動き試験
片TPに繰り返し荷重が負荷される。
【0016】変位フィードバック制御時、目標信号発生
回路60から平均変位と変位振幅と周波数で決定される
目標繰り返し変位信号を出力する。そして、スイッチ4
1により変位アンプ33からの検出変位信号を選択す
る。以降は荷重フィードバック制御と同様に、試験片T
Pが目標繰り返し信号で与えられる変位で負荷される。
【0017】図1に示す通り、フィードバック制御回路
40では、変位フィードバック制御時、試験片TPの検
出変位信号がメジャーループMJLとして、試験片TP
の検出変形速度がマイナーループMNLとしてフィード
バックされる。また、荷重フィードバック制御時、試験
片TPの検出荷重信号がメジャーループMJLとして、
試験片TPの検出変形速度がマイナーループMNLとし
てフィードバックされる。したがって、フィードバック
系のブロック線図は図2に示すように表され、要素K
1,K2を正とすれば安定した系となる。その結果、ダ
イナミック特性が改善され、10gf〜10kgf程度
の微小荷重による疲労試験や、50μm〜1mm程度の
微小変位による疲労試験を精度よく行うことができる。
【0018】なお、速度センサに代えて変位センサで検
出した変位を時間微分して変形速度信号として利用して
もよい。この場合、速度センサが不要となりコストが低
減される。
【0019】なお、速度センサ32が速度信号発生回路
を構成する。
【0020】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
変位もしくは荷重の検出信号をメージャーループとし
て、変形速度信号をマイナーループとしてフィードバッ
クするようにしたので、フィードバック系が安定した系
となり、ダイナミック特性が改善されて、微小荷重、微
小変位での試験を精度よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る材料試験機の構成図
【図2】図1のフィードバック系のブロック線図
【図3】動電形アクチュエータの従来のフィードバック
制御回路を示す図
【図4】(a)は従来の動電形アクチュエータのフィー
ドバック系のブロック線図、(b)は油圧アクチュエー
タのフィードバック系のブロック線図
【符号の説明】
2 動電形アクチュエータ 4 ロードセル 21 コア 22 永久磁石 23 ヨーク 24 ボビン 25 コイル 31 変位センサ 32 速度センサ 40 フィードバック制御回路 41 スイッチ 42 第1加算点 43 第1ゲイン設定回路 44 第2加算点 45 第2ゲイン設定回路 60 目標信号発生回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 3/38 JICSTファイル(JOIS)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】試験片を負荷する動電形アクチュエータ
    と、前記試験片を目標値で負荷するための目標信号を与
    える目標信号発生回路と、前記試験片の変位もしくは荷
    重を検出する検出センサと、前記検出センサで検出した
    変位もしくは荷重と前記目標信号との偏差によって前記
    動電形アクチュエータをフィードバック制御するフィー
    ドバック制御回路とを備えた材料試験機において、 前記試験片の変形速度に応じた速度信号を発生する速度
    信号発生回路を備え、 前記フィードバック制御回路は、前記変位もしくは荷重
    の検出信号をメージャーループとして、前記速度信号発
    生回路から発生する速度信号をマイナーループとしてフ
    ィードバックすることを特徴とする材料試験機。
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