JP3405238B2 - 材料試験機 - Google Patents

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では、試験片である高分子材
料やマイクロマシンの機構部品などの試験対象の多様化
が進むにつれて負荷する荷重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、任意波形で低負荷を与える負荷用
アクチュエータとして油圧シリンダを用いたものに代わ
り、動電形アクチュエータを用いた材料試験機が知られ
ている。動電形アクチュエータは、永久磁石で形成され
た磁気回路の中で永久磁石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させるものである。 【０００４】図７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６１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６２と、試験片の変位を
検出する変位センサ６３と、センサ６３で検出した変位
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
６１へ供給するフィードバック制御回路６４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６２は、たとえば、正弦波等の目標信号を出
力する。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】材料試験機で試験片の
試験を開始する場合、アクチュエータ６１の初期位置が
目標信号発生回路６２が出力する目標値と大きく離れて
いると、試験片の変位を検出する変位センサ６３からは
大きな値が出力され、この値に基づきフィードバック制
御回路６４は動電形アクチュエータ６１へ大きなアクチ
ュエータ駆動信号を出力する。 【０００６】すなわち、動電形アクチュエータ６の初期
位置と目標位置との差が大きいと制御回路６４の立ち上
げ時の動作で動電形アクチュエータ６１に過大電流が流
れ、動電形アクチュエータ６１が急激に起動する。この
ため、変位の目標値に対して制御出力量に行き過ぎ量が
発生したときは、試験片に設定値以上の負荷がかかり、
試験片を破損したり、つかみ具およびセンサなどの材料
試験機自身を損傷することがあった。 【０００７】本発明の目的は、動電形アクチュエータの
急激な起動動作を防止する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２
を参照して本発明を説明する。請求項１の発明は、試験
片ＴＰに負荷荷重を与える動電形アクチュエータ６と、
設定値に対応した信号を発生する信号発生回路４１と、
試験片ＴＰの変位あるいは負荷荷重を検出する検出セン
サ２５と、発生信号と検出信号とに基づいて動電形アク
チュエータ６をフィードバック制御する制御回路５０と
を備えた材料試験機に適用される。そして、制御回路５
０は、動電形アクチュエータ６の駆動を開始する際に徐
々にアクチュエータ６を駆動するように、フィードバッ
ク制御の加算点５２およびアクチュエータ６間でアクチ
ュエータ６の入力信号を制限することにより、上述した
目的を達成する。 【０００９】なお、上記課題を解決するための手段で
は、わかりやすく説明するために実施の形態の図と対応
づけたが、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】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施の形態に
よる材料試験機を示す図である。この材料試験機は、固
定テーブル１と、可動クロスヘッド２と、固定クロスヘ
ッド３とが支柱４により支持され、基台５の上に固定さ
れている。可動クロスヘッド２は、固定テーブル１と固
定クロスヘッド３との間を上下方向に平行移動可能であ
り、不図示のハンドルを操作して上下方向に移動し、不
図示のレバーを操作して支柱４に固定する。 【００１１】固定テーブル１の下側には動電形アクチュ
エータ６が設置され、下負荷ロッド７が動電形アクチュ
エータ６で駆動されるように構成されている。可動クロ
スヘッド２の下側にはロードセル８が設置され、このロ
ードセル８に上負荷ロッド９が連結されている。上下の
負荷ロッド９および７のそれぞれの端部にはつかみ具１
０が接続され、つかみ具１０の間に試験片ＴＰが取り付
けられる。 【００１２】動電形アクチュエータ６は、第２図に示す
ような断面をもつ永久磁石２１と、永久磁石２１の開口
部に外挿された円筒状のボビン２２と、ボビン２２に巻
き回されたコイル２３と、ボビン２２の移動を案内する
ためにボビン２２の中央部に立設され永久磁石２１の中
心中空部に挿入されたピストンロッド２４とで構成され
る。ピストンロッド２４の上部は、動電形アクチュエー
タ６が図１に示した材料試験機に取り付けられたときの
下負荷ロッド７に相当する。永久磁石２１には図示のよ
うな磁気回路ＭＳが形成され、コイル２３に駆動電流を
流すことによりボビン２２に推力Ｆが発生する。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。 【００１３】ピストンロッド２４の下端には変位センサ
２５が設けられ、変位センサ２５はピストンロッド２
４、すなわち、試験片ＴＰの変位に応じた検出信号を出
力する。この変位センサ２５の検出信号は、後述するフ
ィードバック制御回路５０において変位アンプ５１で増
幅され、フィードバック信号として用いられる。 【００１４】図２に示すように、動電形アクチュエータ
６にはブレーキ装置３０が設けられ、動電形アクチュエ
ータ６に駆動信号が供給されているときを除いてピスト
ンロッド２４が機械的に制動される。このブレーキ装置
３０を、図３を参照して説明する。ブレーキ装置３０
は、動電形アクチュエータ６のボディ（不図示）に取付
けられた円筒状の本体３１と、本体３１に移動可能に内
装されたピストンカム３２と、軸３３を支点として回動
可能に取り付けられた一対のフィンガー３４と、一対の
フィンガー３４を軸３３の左側で押し開かせるためのリ
ターンスプリング３５と、一対のフィンガー３４のブレ
ーキ取付部３４ａにピン３６で固定された一対のブレー
キパッド３７と、ピストンカム３２と本体の３１との隙
間に設けられたパッキン３８とから構成される。本体３
１にはエアポート３９が形成され、このエアポート３９
への圧縮空気の供給、排気によりブレーキ動作、ブレー
キ解除が行われる。 【００１５】エアポート３９を介して本体３１内から圧
縮空気が排気されたとき、リターンスプリング３５の力
により一対のブレーキパッド３７の間隔が広がり、ピス
トンロッド２４への制動を解除する。このとき、一対の
フィンガー３４の軸３３より右側に位置する一対のカム
フォロアレバー３４ｂの間隔が狭まりピストンカム３２
を右方へ押すことになる。図３はその状態を示してい
る。圧縮空気がエアポート３９を介してピストンカム３
２の右側から本体３１内に供給されたとき、ピストンカ
ム３２が左側へ移動して一対のフィンガー３４のカムフ
ォロアレバー３４ｂを押し開く。一対のフィンガー３４
のブレーキ取付部３４ａは軸３３を支点に回動して間隔
が狭まるので、フィンガー３４のブレーキ取付部３４ａ
に固定された一対のブレーキパッド３７がピストンロッ
ド２４を挟持して制動をかける。 【００１６】図２において、目標信号発生回路４１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６はフィード
バック制御回路５０により、目標信号発生回路４１から
発生する変位の目標繰り返し信号に基づいて駆動され、
試験片ＴＰを目標とする変位で繰り返し負荷する。 【００１７】フィードバック制御回路５０は、目標信号
発生回路４１からの設定信号と変位アンプ５１の出力で
ある検出変位との偏差を算出する加算点５２と、偏差に
所定のゲインを与えるゲイン設定回路（たとえばＰＩＤ
制御回路）５３と、ゲイン設定回路５３の出力に対して
時間とともに出力制限値を変化させる出力制限回路５４
と、出力制限回路５４の出力を増幅して動電形アクチュ
エータ６のコイル２３へ印加するパワーアンプ５５とを
有する。 【００１８】出力制限回路５４の入力波形と出力波形に
ついて図４を参照して説明する。出力制限回路５４は、
試験片ＴＰを材料試験機のつかみ具１０にセットするた
めに、下負荷ロッド７を静止している初期位置から試験
片ＴＰの長さに応じた位置に移動させるときに作動す
る。図４（ａ）〜（ｄ）は、動電形アクチュエータ６の
スイッチ（不図示）を投入した瞬間（ｔ＝０）と以降の
出力制限回路５４の入力波形と出力波形を時間軸上に表
したものである。図４（ａ）および（ｃ）は、出力制限
回路５４へ入力されるステップ入力波形を表し、図４
（ｂ）および（ｄ）は、それぞれの入力波形に対する出
力応答波形を表している。図４（ａ）は、動電形アクチ
ュエータ６のスイッチ（不図示）が投入された以降（ｔ
≧０）にゲイン設定回路５３から出力されて出力制限回
路５４へ入力される入力レベルが、目標信号発生回路４
１からの目標変位信号と検出変位信号との偏差に基づい
て、入力レベル＝Ｖ_L に一定である場合を仮定したも
のである。このとき出力制限回路５４は、スロースター
ト機能と出力制限機能により図４（ｂ）に示すような時
間とともに一定の傾きで変化するランプ波形を出力す
る。同様に、図４（ｄ）は、図４（ｃ）のような入力レ
ベル＝−Ｖ_L に一定となる入力波形を入力した場合に
おける出力制限回路５４からの出力波形である。 【００１９】なお、本実施例では、出力制限回路５４の
出力レベルを制限する方法としてクリッピング回路を用
いて制限したが、圧縮回路により出力レベルを制限する
構成としてもよい。 【００２０】アラーム回路４２は、電源装置４５の状態
を監視する電源モニタ回路４６、パワーアンプ５５を監
視するアンプモニタ回路４７，動電形アクチュエータ６
のコイル２３を監視するコイルモニタ回路４８のいずれ
かで異常が検知されたときは、異常発生と判定して後述
する操作回路４４および目標信号発生回路４１、ゲイン
設定回路５３、後述するブレーキ回路４３へ動電形アク
チュエータ６の駆動を停止させる信号を送る。 【００２１】ブレーキ回路４３は、動電形アクチュエー
タ６の駆動を停止させる信号を受けると動電形アクチュ
エータ６のピストンロッド２４に制動をかけるため、ブ
レーキ装置３０のエアポート３９へ圧縮空気を供給して
ブレーキ装置３０を作動させる。動電形アクチュエータ
６が通電されて駆動状態にあるときは、ブレーキ装置３
０のエアポート３９への圧縮空気の供給を停止するとと
もにエアポート３９から排気してブレーキ装置３０の作
動を止める。本実施の形態では、ブレーキ回路４３は、
コンプレッサと、コンプレッサから吐き出される圧縮空
気の供給およびブレーキ装置３０からの排気を制御する
電磁弁を有し、動電形アクチュエータ６の駆動を停止さ
せる信号を受信すると電磁弁を介して圧縮空気をブレー
キ装置３０へ送り、動電形アクチュエータ６のピストン
ロッド２４に対してブレーキをかける。そして、動電形
アクチュエータ６の駆動時には電磁弁を介してエアポー
ト３９を大気と連通させてブレーキを解除する。なお、
上記の電磁弁は、動電形アクチュエータ６への通電が開
始されると励磁されてブレーキ装置３０のエアポート３
９を大気連通とし、消磁されるとエアポート３９へ圧縮
空気を送るようにネガブレーキとして構成すれば、突然
の停電時などにもブレーキをかけることができる。 【００２２】操作回路４４は、材料試験機の不図示の操
作盤からの入力に基づいて上述した各回路を動作させ
る。操作者が試験片ＴＰを試験するとき、たとえば、試
験片ＴＰをつかみ具１０に把持する際に負荷ロッド７を
移動させる場合や、負荷試験を開始させる場合など、各
回路および装置に対して必要な設定を行う。また、アラ
ーム回路４２から動電形アクチュエータ６の駆動を停止
させる信号が送出されたときは、パワーアンプ５５へ供
給される電源を遮断して動電形アクチュエータ６の駆動
を停止するとともに、上記ブレーキ回路４３でネガブレ
ーキが構成されているときは、ブレーキ回路４３に備え
られる上記電磁弁の励磁用電源を遮断してブレーキ装置
３０のエアポート３９へ圧縮空気が送られるようにす
る。 【００２３】電源装置４５は、ＡＣライン入力から入力
された電圧を上記各回路および装置で使用される直流の
所定の電圧に変換し、各回路および装置へ供給する。電
源モニタ回路４６は、各回路および装置へ供給される電
圧値が所定の範囲にあるかどうかを監視して、上記電圧
が所定の範囲から外れたと判定したときはアラーム回路
４２へ報知する。 【００２４】アンプモニタ回路４７は、パワーアンプ５
５を冷却するための不図示の冷却装置の温度を監視する
とともに、パワーアンプ５５に流れる電流値が所定の範
囲にあるかどうかを監視する。上記温度が所定の範囲か
ら外れたと判定したときや、電流値が所定の範囲から外
れたと判定したときはアラーム回路４２へ報知する。 【００２５】コイルモニタ回路４８は、動電形アクチュ
エータ６のコイル２３の温度が所定の範囲にあるかどう
かを監視する。上記温度が所定の範囲を外れたと判定し
たときはアラーム回路４２へ報知する。 【００２６】このような材料試験機の操作手順を図５を
参照して説明する。図５の縦軸はパワーアンプ５５へ送
られる出力制限回路５４の出力レベルを表し、横軸は時
間軸を表したタイムチャートである。始めに、材料試験
機の主電源スイッチ（不図示）を投入する（１０１）。
可動クロスヘッド２を上下に移動し、試験片ＴＰの長さ
に応じた所定の位置に固定する（１０２）。次に、試験
片ＴＰをつかみ具１０で把持させるために、下負荷ロッ
ド７を試験片ＴＰの大きさに応じて移動させる目標信号
設定値を図示しない操作盤より入力する（１０２）。そ
して、動電形アクチュエータ６のスイッチ（不図示）を
投入し（１０３）、下負荷ロッド７を移動させる。 【００２７】動電形アクチュエータ６への通電が開始さ
れると、ブレーキ回路４３の電磁弁が励磁されてブレー
キ装置３０のエアポート３９を大気連通にして、動電形
アクチュエータ６のピストンロッド２４を解放する。そ
して、上述した出力制限回路５４のスロースタート機能
と出力制限機能により、下負荷ロッド７は上記動電形ア
クチュエータ６のスイッチが投入された時点（ｔ＝０）
から所定の時間を経過する時点（ｔ＝ｔ₀ ）までは、時
間の経過とともに徐々に移動する（１０４）。したがっ
て、下負荷ロッド７の初期位置が目標信号発生回路４１
から出力される目標値と大きく離れていて、試験片ＴＰ
の変位を検出する変位センサ２５から大きな値が出力さ
れる場合でも、フィードバック制御回路５０から動電形
アクチュエータ６へ急激に大きな駆動信号が出力される
ことがない。このことにより、たとえ、変位の目標値に
対する制御出力量に行き過ぎ量が発生したときでも、下
負荷ロッド７が急激に駆動されることがないから試験片
ＴＰおよびつかみ具、センサなどを損傷することが防止
される。 【００２８】所定の時間を経過した以降（ｔ≧ｔ₀ ）
は、目標信号設定値として与えられた変位に対応して駆
動される（１０５）。下負荷ロッド７が移動完了すると
（１０６）、いったん下負荷ロッド７が停止するので試
験片ＴＰを上下負荷ロッド９および７に把持させる。負
荷試験波形を設定して（１０６）、最後に試験開始スイ
ッチ（不図示）を投入する（１０７）。この操作によ
り、後に説明するフィードバック制御が行われ、動電形
アクチュエータ６が下負荷ロッド７を上下に動かして、
設定した試験波形に基づいて試験片ＴＰに負荷を与える
（１０８）。 【００２９】負荷試験が終了すると下負荷ロッド７が停
止されるので（１０９）、試験を終了するときは試験片
ＴＰをつかみ具１０より外して、図示しない操作盤より
下負荷ロッド７を初期位置へ駆動するように目標信号設
定値を入力する。そして、下負荷ロッド７を駆動させて
（１１０）、初期位置に移動完了（１１１）してから図
示しない動電形アクチュエータ６のスイッチを断にす
る。この操作により、動電形アクチュエータ６への通電
を遮断してからブレーキ回路４３の電磁弁が消磁されて
ブレーキ装置３０のエアポート３９へ圧縮空気が送られ
るので、推力が失われた動電形アクチュエータ６のピス
トンロッド２４が初期位置において挟持される。この
後、図示しない材料試験機の主電源スイッチを開放して
一連の操作を終了する。 【００３０】次に、材料試験機を変位フィードバック制
御する場合の動作を説明する。目標信号発生回路４１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
し変位信号が出力される。加算点５２において、目標信
号発生回路４１からの目標繰り返し変位信号と検出変位
信号との偏差が算出される。ゲイン設定回路５３はその
変位偏差に所定のゲインを与えて出力する。所定のゲイ
ンは、あらかじめ材料試験機の調整・保守時に調整され
た値である。ゲイン設定回路５３の出力が出力制限回路
５４に入力されて不図示の試験開始スイッチが投入され
ると、出力制限回路５４はこの入力された信号に基づい
た出力信号を出力する。ただし、動電形アクチュエータ
６のスイッチが投入されてから所定の時間ｔ₀ が経過し
ていなければ、上述したように徐々に出力レベルを増加
させる。出力制限回路５４から出力された信号は、パワ
ーアンプ５５で増幅されて動電形アクチュエータ６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６が目標となる繰り返し変位信号に対応するように
制御されるので、つかみ具１０に接続する下負荷ロッド
７が振動するから試験片ＴＰが目標繰り返し信号で与え
られた変位で負荷される。 【００３１】上述したように動作する材料試験機におけ
る異常発生時の動作について説明する。動電形アクチュ
エータ６により試験片ＴＰを負荷しているときにアラー
ム回路４２に異常が報知されたときは、操作回路４４を
介して動電形アクチュエータ６の駆動が停止され、上述
したようにブレーキ回路４３へ停止信号が送られる。こ
れにより電磁弁への通電が断たれてコンプレッサからの
圧縮空気がエアポート３９へ供給されてブレーキ装置３
０が作動し、駆動が停止されて推力が失われた動電形ア
クチュエータ６のピストンロッド２４をブレーキパッド
３７が挟持してその落下を防止する。その結果、ピスト
ンロッド２４の自重が試験片ＴＰに作用して試験片ＴＰ
を破損したりロードセル８を破損したりすることが防止
される。 【００３２】また、上述したフィードバック制御に関し
て、変位センサ２５で検出した変位出力に基づいて制御
する変位フィードバック制御の代わりに、ロードセル８
で検出した負荷荷重に基づいて荷重フィードバック制御
を行ってもよい。図６は、図２におけるフィードバック
制御回路５０について、他の実施の形態を示した図であ
る。変位の目標信号発生回路４１と荷重の目標信号発生
回路４１ａから出力される２つの目標繰り返し信号がス
イッチ５７で切換えられる。スイッチ５６は、変位アン
プ５１の出力と荷重アンプ５１ａの出力のうちいずれか
一方を選択する。スイッチ５６と５７は同期して切り換
えられ、荷重フィードバック制御を行うときは荷重アン
プ５１ａおよび荷重の目標信号発生回路４１ａの出力が
選択される。加算点５２において、スイッチ５７で選択
された目標繰り返し荷重信号と、スイッチ５６で選択さ
れた検出荷重信号との偏差が算出される。ゲイン設定回
路５３はその荷重偏差に所定のゲインを与えて出力す
る。所定のゲインは、あらかじめ材料試験機の調整・保
守時に調整された値である。ゲイン設定回路５３の出力
が出力制限回路５４に入力されて不図示の試験開始スイ
ッチが投入されると、出力制限回路５４はこの入力され
た信号に基づいた出力信号を出力する。この信号はパワ
ーアンプ５５で増幅され、動電形アクチュエータ６のコ
イル２５へ印加される。 【００３３】なお、変位の目標信号発生回路４１は、試
験片ＴＰをセットするとき下負荷ロッド７を所定位置に
移動させる変位フィードバック制御に使用し、そのと
き、荷重の目標信号発生回路４１ａからの出力信号は０
である。スイッチ５６と５７が切換えられ、荷重フィー
ドバック制御による試験が開始されると、荷重の目標信
号発生回路４１ａから荷重の目標繰り返し信号が出力さ
れるようになる。 【００３４】以上説明したように、動電形アクチュエー
タ６を目標となる繰り返し荷重信号に対応するように荷
重フィードバック制御すれば、試験片ＴＰを目標繰り返
し荷重で負荷することができる。 【００３５】特許請求範囲における各構成要素と、発明
の実施の形態による各構成要素との対応について説明す
ると、目標信号発生回路４１が信号発生回路に、変位セ
ンサ２５が検出センサに、フィードバック制御回路５０
が制御回路にそれぞれ対応する。 【００３６】 【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明では、
動電形アクチュエータを駆動開始する際は、動電形アク
チュエータに入力する入力信号をフィードバック制御の
加算点およびアクチュエータ間で制限したから、動電形
アクチュエータを急に駆動させることなく徐々に駆動さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】材料試験機の一実施の形態を説明する図であ
る。 【図２】材料試験機の一実施の形態による制御動作を説
明する図である。 【図３】材料試験機の一実施の形態によるブレーキ装置
を説明する図であり、（ａ）が正面図、（ｂ）が断面図
である。 【図４】材料試験機の一実施の形態による出力制限回路
の入力と出力波形を説明する図である。 【図５】材料試験機の操作手順を示すタイムチャートで
ある。 【図６】他の実施の形態によるフィードバック制御回路
を示した図である。 【図７】従来の材料試験機の制御動作を説明する図であ
る。 【符号の説明】 ６…動電形アクチュエータ、２５…変位センサ、４１…
目標信号発生回路、５０…フィードバック制御回路、５
１…変位アンプ、５２…加算点、５３…ゲイン設定回
路、５４…出力制限回路、５５…パワーアンプ、ＭＳ…
磁気回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−89549（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−178813（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−55672（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−142127（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−266934（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−120392（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−109019（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−65062（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−78149（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−92238（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 3/00 - 3/62

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】試験片に負荷荷重を与える動電形アクチュ
   エータと、 設定値に対応した信号を発生する信号発生回路と、 前記試験片の変位あるいは前記負荷荷重を検出する検出
   センサと、 前記発生信号と検出信号とに基づい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制御回路とを備えた
   材料試験機において、 前記制御回路は、前記動電形アクチュエータの駆動を開
   始する際に徐々に前記アクチュエータを駆動するよう
   に、前記フィードバック制御の加算点および前記アクチ
   ュエータ間で前記アクチュエータの入力信号を制限する
   ことを特徴とする材料試験機。