JP5212274B2 - 材料試験機 - Google Patents

Description

本発明は、動電形アクチュエータを用いた材料試験機に関する。

材料試験機は、アクチュエータを用いて試験片に荷重を負荷したときの試験片の形状変化から試験片の物性を測定する試験装置である。材料試験機に使用するアクチュエータの種類には主として油圧アクチュエータ、空気圧アクチュエータ、動電形アクチュエータがあり、負荷荷重の大きさ、測定対象物、使用環境等の違いによって使い分けられている。

動電形アクチュエータを用いた材料試験機では、動電形アクチュエータの固定子にコイルまたは永久磁石を使用して磁気回路を形成するとともに、可動子にコイルを使用する。可動子は固定子が形成する磁場中に配置されており、可動子のコイルに流す電流を制御することで試料片に加える負荷荷重を任意の波形、任意の大きさにする。動電形アクチュエータは、大荷重での測定を行うことは不向きであるが、油圧アクチュエータのように油を用いることがないためクリーンな環境が維持でき、しかも他のアクチュエータに比べると小荷重でも精細な制御が容易に行えることから、小荷重での精度の高い測定に向いている。

図５は動電形アクチュエータを用いた汎用の材料試験機の全体構造を示す図である。図６は図５における動電形アクチュエータ１４の断面の模式図である。この材料試験機１００は、主として、架台１１、支柱１２、クロスヘッド１３、動電形アクチュエータ１４、ピストン１５、ロードセル１６、差動トランス１７により構成される。

架台１１には２本の支柱１２が立ててあり、支柱１２により昇降可能なクロスヘッド１３が支持される。クロスヘッド１３の上には動電形アクチュエータ１４が固定してあり、動電形アクチュエータ１４内のピストン１５が上下移動するようにしてある。
架台１１の上面におけるピストン１５の真下の位置には、ロードセル１６が固定してあり、これとピストン１５との間に、試験片を取り付けるための試験空間が形成されるようにしてある。そしてクロスヘッド１３の位置を調整することにより、試験空間の上下方向の長さを調整することができるようになっている。
ピストン１５とロードセル１６は、それぞれ図示しない掴み具が取り付け可能にしてあり、試験片の形状や試験方法に応じて、掴み具を用いずにピストンを上下運動させることで負荷を与えたり、試験片の両側を掴み具で掴んだ状態で負荷を与えたりする。
ピストンの上側には差動トランス１７が取り付けてあり、負荷が与えられたときの試験片のストロークを検出する。ロードセル１６は負荷荷重を検出する。

動電形アクチュエータ１４は、可動コイル２１を巻回したボビン２２がピストン１５に固定され、これらにより可動子２６が形成される。
可動コイル２１は駆動電流制御回路３０に接続され、電源３１から制御電流（駆動電流）が印加されるようにしてある。
また、可動子２６の可動コイル２１の外側に対向するようにして、可動コイル２１より大径の固定コイル２３が可動コイル２１と同軸状に配置してある。この固定コイル２３とヨーク２４、鉄心２５により磁気回路が形成され、これらにより固定子２７が形成される。
固定コイル２３には励磁電流電源２９を接続する励磁電流供給回路３２が設けてある。そして電源２９から固定コイル２３に通電するとともに、電源３１から可動コイル２１に通電することにより、可動子２６を上下方向に動かす電磁力が発生するようにしてある。可動子２６は固定子２７の中央に形成された空間において、電磁力によって浮上するようにしてあり、電磁力の大きさと自重とのバランスで上下方向に移動できるようにしてある。
ヨーク２４の上端側と下端側とには、ゴム製のストッパ２８が形成してあり、可動子２６が固定子２７に接触したときに受ける衝撃を緩和するようにしてある。

ここで、測定を終えて、動電形アクチュエータ１４の可動コイル２１および固定コイル２３への通電を停止したときの動作について説明する。
固定コイル２３に電流が流れ、ヨーク２４および鉄心２５が励磁され、図に示すような極性の磁気回路が形成してある。可動コイル２１に電流が流れると、固定コイル２３との間に生じる電磁力により、可動コイル２１（およびピストン１５）の自重とバランスする位置に可動子２６が浮上するようになる。この状態で、電源２９，３１が停止された場合を考える。具体的には図６におけるスイッチ３５，３６が開放された状態を考える。

この場合、可動コイル２１を浮上させている電磁力が消失する結果、可動コイル２１（ピストン１５を含む可動子２６全体）が、自重で真下に自由落下するようになる。その結果、可動コイル２１がストッパ２８に衝突したり、ピストン１５がロードセル１６に衝突したり、試料片が試験空間に取り付けられている場合には試料片に過大な衝撃力が加わったりすることになり、装置の一部が損傷する可能性がある。

そのため、通電停止時における可動子の自由落下を防止する対策として、ピストンの回りにブレーキパッドを対向させたブレーキ装置を取り付けておき、ピストンを上下方向に駆動する電磁力が通電停止によって消失したときに、ピストンをブレーキパッドで機械的に掴むことにより落下を防止する落下防止方法が開示されている（特許文献１参照）。

特開２０００−１８０３２９号公報

可動子を機械的に掴むブレーキ装置を備えた材料試験機は、通電停止時のピストンの自由落下を防ぐことができるが、機械的なブレーキ装置を取り付ける必要があり、部品点数が増え、製造コストが余計にかかることとなっていた。特にピストンが大型化すればブレーキ装置自体も大型にして大きな力でピストンを掴んで落下を防ぐ必要があった。

そこで、本発明は、通電停止時にピストンの自由落下を防止することができる材料試験機を提供することを目的とする。また、機械的なブレーキ装置を取り付けることなく、通電停止時のピストンの自由落下を防ぐことができる材料試験機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の材料試験機は、動電形アクチュエータでピストンを上下に駆動することにより試料片に負荷荷重を与える材料試験機であって、動電形アクチュエータは、永久磁石または励磁コイルを含む磁気回路により磁場空間を形成する固定子と、ピストンを軸にして可動コイルが取り付けられ、固定子によって形成された磁場空間で可動コイルが上下に移動可能な状態で支持される可動子と、可動コイルのコイル電流を制御して磁場空間において電磁力を発生することにより、可動子のピストンを浮上させるとともにピストンから試験片に与える負荷荷重を制御する駆動電流制御部と、可動コイルのコイル電流を停止するときに、発生中の電磁力を緩やかに変化させてピストンの落下速度を遅らせる落下制御部とを備えるようにしている。
ここでいう「緩やかに変化させて」の用語は、停止時に可動子を浮上させる電磁力を直ちに零にするのではなく、しばらくは、電磁力が零ではない状態を維持し、漸次電磁力を減衰させることをいい、自由落下を防ぐための反発力を徐々に減衰させる変化をいう。

本発明によれば、可動コイルのコイル電流を停止する場合に、落下制御部が発生中の電磁力を緩やかに変化させる。これにより、可動子を浮上させている電磁力は緩やかに変化するようになり、その結果、可動コイルは衝撃を与えることなく、緩やかに落下するようになる。

落下制御部は、可動コイルのコイル電流を停止するときに、駆動電流制御回路を閉回路に切り替える制御を行うようにしてもよい。
駆動電流制御回路を閉回路に切り替えることで、可動コイルが落下するときに誘導電流が発生して、落下を妨げる方向に反発力が生じるようになり、落下速度が減速できる。

この発明において、固定子の磁気回路が励磁コイルにより構成され、励磁コイルに流す励磁電流の停止時期を、駆動電流制御回路を閉回路に切り替える時期よりも遅延させる励磁電流遅延停止回路をさらに設けてもよい。
これにより、固定子側として励磁コイルを用いた場合であっても、ピストンをゆっくりと落下させてから励磁コイルを停止することができる。

また、落下制御部は、可動コイルのコイル電流が停止したときに、駆動電流制御回路を流れる電流を、１秒より長い時間をかけて緩やかに停止する制御を行うようにしてもよい。
ピストンが自由落下するときは、落下しきるまでの時間が１秒以下である（０．１秒程度である）が、駆動電流制御回路を流れる電流を、１秒より長い時間をかけて緩やかに停止する制御を行うことにより、電磁力の減少が緩やかになり、落下を緩やかにすることができる。

また、固定子の磁気回路が励磁コイルにより構成され、落下制御部は、可動コイルのコイル電流が停止したときに、励磁コイルに流す励磁電流を、１秒よりも長い時間をかけて緩やかに停止する制御を行うようにしてもよい。
これにより、固定子側に励磁コイルを用いた場合であっても、電磁力の減少が緩やかになりピストンをゆっくりと落下させてから励磁コイルを停止することができる。

本発明によれば、電磁力を利用して、ピストンの落下を緩やかな落下にすることができるようになり、ピストンなどに加わる衝撃を抑えることができる。

本発明の一実施形態である動電形アクチュエータを用いた材料試験機の全体構造を示す図である。 図１の動電形アクチュエータ５０の断面の模式図である。 本発明の他の一実施形態である動電形アクチュエータを用いた材料試験機の全体構造を示す図である。 図１の動電形アクチュエータ５０ａの断面の模式図である。 動電形アクチュエータを用いた一般的な材料試験機の全体構造を示す図である。 従来の動電形アクチュエータ１４の断面の模式図である。

（実施形態１）
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は本発明の一実施形態である材料試験機１０の全体構成を示す図である。また、図２は図１における動電形アクチュエータ５０の断面の模式図である。
なお、動電形アクチュエータ５０以外の材料試験機１０の全体構造は、図５で従来例として説明した材料試験機１００と同じであるので、動電形アクチュエータ５０以外については、同じ符号を用いることで、説明の一部を省略する。

図２に示すように、動電形アクチュエータ５０は、可動子５１と固定子５２とからなる。可動子５１は、可動コイル６１を巻回したボビン６２がピストン６３と一体に固定されている。可動コイル６１は駆動電流制御回路７０に接続され、電源７１から制御電流（駆動電流）が印加されるようにしてある。この制御電流を任意の波形にすることにより、所望の波形での疲労試験を行うことになる。

可動子５１の可動コイル６１の外側に対向するようにして、可動コイル６１より大径の励磁コイル６４（固定コイル）が可動コイル６１と同軸状に配置してある。この励磁コイル６４とヨーク６５、鉄心６６により、固定子５２が形成される。そして固定子５２は可動コイル６１の位置に磁場を形成する磁気回路を形成する。
可動子５１は、励磁コイル６４により形成される磁場中で、駆動電流制御回路７０から制御電流（駆動電流）が供給されることにより、電磁力が発生する。この電磁力と可動子５１の自重とがバランスする位置で可動子５１が浮上するとともに、制御電流による電磁力の制御によって可動子５１が上下に移動するようになる。

駆動電流制御回路７０には電流のオンオフの切り替えを行うスイッチ７２と、通電中はオフ状態で、通電停止時にオン状態に切り替わるリレースイッチ７３とが設けてある。このリレースイッチ７３は、落下制御部を形成する。すなわち、スイッチ７２のオフ動作に連動してオン状態に切り替わるようにしてあり、リレースイッチ７３がオン状態になると、可動コイル６１は閉回路を形成するようになる。

一方、励磁コイル６４には励磁電流電源７５を接続する励磁電流供給回路７７が設けてある。この励磁電流供給回路７７には、タイマースイッチ７６が接続してある。タイマースイッチ７６は、スイッチ７２のオン動作に連動してオン状態になるとともに、スイッチ７２のオフ動作に連動してタイマーがカウントされ、所定時間（可動コイルの落下に要する時間より長い時間であり、例えば５秒）経過したらオフ動作を行うようにしてある。

次に、上記実施形態での動作について説明する。
スイッチ７２をオンにすることにより、駆動電流制御回路７０の電源７１から可動コイル６１に制御電流が供給される。このときリレースイッチ７３はオフ状態に維持される。励磁電流供給回路７７のタイマースイッチ７６は、スイッチ７２と連動してオンになるので、励磁コイル６４により可動コイル６１の位置に磁場が形成される。その結果、可動コイル６１を流れる電流による磁場および励磁コイル６４による磁場による電磁力が働き、可動コイル６１は浮上する。さらに電源７１の制御電流を変化させて電磁力を変化させることにより、可動コイル６１を上下移動し、ピストン１５も上下移動させることで、ピストンの下端に取り付けた試料片に対し負荷荷重を与え、疲労試験等の測定を行う。

測定を終えて装置を停止するときは、スイッチ７２をオフにする。スイッチ７２のオフ動作に連動して、リレースイッチ７３がオンになり、また、タイマースイッチ７６はタイマーのカウントを開始する。
励磁電流供給回路７７は、タイマースイッチ７６がカウント中（例えば５秒間）は動作し続けるため、励磁コイル６４が作る磁場は維持される。
一方、可動子５１の可動コイル６４は、電源７１からの電流が停止し、代わりにリレースイッチ７３がオンになることで閉回路が形成される。その結果、可動コイル６４を浮上させている電磁力が消失することになり、自重により落下しようとする。そのとき可動コイル６１は閉回路になっているので誘導電流が流れるようになり、落下を抑える反発力が発生するようになり、自由落下よりもゆっくりとした速度で落下するようになる。なお、発生した誘導電流はジュール熱で消費され、次第に消えていくことから、やがて可動コイル６４はゴム製のストッパ６７に接触するか、ピストン６３が試料片に接触して停止する。このようにして、可動コイル６１やピストン６３はゆっくりと落下するようになり、大きな衝撃を受けることはなくなる。

なお、本実施形態では、励磁コイル６４を用いて磁場を発生したが、永久磁石に代えてもよい。その場合は、励磁電流供給回路７７は不要になり、単に駆動電流制御回路７０（電源７１、スイッチ７２、リレースイッチ７３）だけで同様の動作を実行できる。

（実施形態２）、
図３は本発明の他の一実施形態である材料試験機１０ａの全体構成を示す図である。また、図４は図３における動電形アクチュエータ５０ａの断面の模式図である。
この実施形態は、駆動電流を緩やかに減衰させる回路を設けた駆動電流制御回路８０に変更した点以外は図１、図２と同じであるので、図２と同じ構成部分は同符号を付すことにより説明の一部を省略する。駆動電流制御回路８０には、通電停止時に駆動電流の大きさを緩やかに減少させる電源８１を用いてある。具体的には、例えば、電源８１の出力端に、電流を分割するための可変抵抗を取り付け、可変抵抗をゆっくり変化させることにより、出力側に流れる電流を減衰できる回路を付加した電源にしてある。そして電源８１に停止信号が入力されると、印加中の電流振幅を徐々に減少させる制御を行う。具体的には１秒より長い時間（例えば５秒）をかけて印加電流を零にしていく。これにより、可動子５１を浮上させる電磁力は電源８１からの電流の振幅の減衰とともに小さくなるので、可動子５１は自由落下のときよりもゆっくりと落下するようになる。
なお、停止信号はタイマースイッチ７６にも入力される。これにより、実施形態１のときと同様に、所定時間（例えば５秒）経過するまで励磁電流が流され続けるので、可動子が落下しきるまでは電磁力が付与され続ける。

本実施形態においても、可動子５１を浮上させるための電磁力を、ゆっくりと減衰させることができるので、可動子５１は、ゆっくり落下するようになり、大きな衝撃力を受けることはなくなる。

本発明は、材料試験機に適用することができる。

１０，１０ａ 材料試験機
５０，５０ａ 動電形アクチュエータ
５１ 可動子
５２ 固定子
６１ 可動コイル
６３ ピストン
６４ 励磁コイル（固定コイル）
６５ ヨーク
６６ 鉄心
６７ ストッパ
７０ 駆動電流供給回路
７１ 電源
７２ スイッチ
７３ リレースイッチ
７５ 電源
７６ タイマースイッチ
７７ 励磁電流供給回路
８０ 駆動電流制御回路
８１ 電源

Claims (5)

1. 動電形アクチュエータでピストンを上下に駆動することにより試料片に負荷荷重を与える材料試験機であって、
   前記動電形アクチュエータは、磁石または励磁コイルを含む磁気回路により磁場空間を形成する固定子と、
   ピストンを軸にして可動コイルが取り付けられ、固定子によって形成された磁場空間で前記可動コイルが上下に移動可能な状態で支持される可動子と、
   可動コイルのコイル電流を制御する駆動電流制御回路を制御して電磁力を発生することにより、可動子のピストンを浮上させるとともにピストンから試験片に与える負荷荷重を制御する駆動電流制御部と、
   可動コイルのコイル電流を停止するときに、発生中の電磁力を緩やかに変化させてピストンの落下速度を遅らせる落下制御部を備えたことを特徴とする材料試験機。
2. 前記落下制御部は、前記可動コイルのコイル電流を停止するときに、前記駆動電流制御回路を閉回路に切り替える制御を行う請求項１に記載の材料試験機。
3. 前記固定子の磁気回路が励磁コイルにより構成され、前記励磁コイルに流す励磁電流の停止時期を、前記駆動電流制御回路を閉回路に切り替える時期よりも遅延させる励磁電流遅延停止回路をさらに設けた請求項２に記載の材料試験機。
4. 前記落下制御部は、前記可動コイルのコイル電流を停止するときに、前記駆動電流制御回路を流れる電流を、１秒より長い時間をかけて緩やかに停止する制御を行う請求項１に記載の材料試験機。
5. 前記固定子の磁気回路が励磁コイルにより構成され、前記落下制御部は、前記可動コイルのコイル電流を停止するときに、前記励磁コイルに流す励磁電流を、１秒より長い時間をかけて緩やかに停止する制御を行う請求項１に記載の材料試験機。

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