JP5233943B2

JP5233943B2 - 試験装置

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Publication number: JP5233943B2
Application number: JP2009229859A
Authority: JP
Inventors: 省吾郎岩切
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2009-10-01
Filing date: 2009-10-01
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2029-10-01
Also published as: JP2011075510A

Description

本発明は、電磁アクチュエータを用いて供試体に試験力を負荷する加振装置および材料試験機などの試験装置に関するものである。

従来から、電磁力を利用した電磁アクチュエータを用いることにより、供試体に試験力を負荷する加振装置あるいは材料試験機が知られている。電磁力を利用する電磁アクチュエータのうち、小型の電磁アクチュエータでは永久磁石を用いて励磁部を構成している。他方、大型の電磁アクチュエータでは励磁部に励磁コイルを備えており、その励磁コイルにより必要な磁束密度を達成している。いずれのタイプの電磁アクチュエータにおいても、可動コイルに駆動電流を供給することにより、可動コイル用ボビンと連動するピストンロッドを介して供試体に試験力（荷重）を与えている（特許文献１）。

特開２００４−２０５３３７号公報

しかしながら、励磁コイルを備えているタイプの電磁アクチュエータでは励磁部を電磁石として作動させる必要があることから、一般には磁気飽和状態を達成させる電流が常時供給され続けている。
その結果として、実際に必要とされる試験力の大小に拘わらず励磁部では大きな電力消費が継続的になされてしまう。

（１）請求項１の発明による試験装置は、励磁コイルと永久磁石を有する励磁部、および可動コイルを有する可動部を含む電磁アクチュエータと、前記励磁コイルへ通電する励磁電流を制御する励磁電流制御回路と、前記可動コイルへ通電する電流を制御する可動電流制御回路と、前記電磁アクチュエータに装着され、供試体に試験力を与える治具とを備え、前記励磁電流制御回路は、前記励磁コイルへ通電せずに可動コイルへ通電して推力を得る第１の励磁モードと、前記励磁コイルに通電しつつ可動コイルへ通電して推力を得る第２の励磁モードとを、試験状態に応じて切り替えるとともに、前記可動電流制御回路は、目標信号に応じて前記可動コイルへの駆動電流を制御することを特徴とする。
（２）請求項２の発明は、請求項１に記載の試験装置において、前記励磁電流制御回路は、供試体を試験装置にセットする試験準備段階では前記第１の励磁モードに切替え、前記供試体に試験力を与える試験段階では前記第２の励磁モードに切替えることを特徴とする。
（３）請求項３の発明は、請求項１または２に記載の試験装置において、前記励磁電流制御回路は、前記励磁コイルに印加する直流電圧を変化させることにより磁束密度を制御する印加電圧設定手段、または、前記励磁コイルに設けた複数タップのいずれか１つを選択するタップ切り替え手段であることを特徴とする。
（４）請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の試験装置において、前記励磁電流制御回路は、前記第２の励磁モードにおいて、供試体を繰り返して負荷する際の最大変位および最大速度および最大加速度を設定するための試験条件に応じた磁束密度が生じるように前記励磁コイルに通電することを特徴とする。

本発明によれば、励磁コイルで消費する電力量を少なくすることができる。

本発明の一実施形態による電磁アクチュエータを用いた材料試験機の全体構成図である。電磁アクチュエータ１２の概略的構成を示した説明図である。励磁コイル７２に流れる電流の大きさを制御するための回路図である。励磁コイル７２に流れる電流の大きさを制御するための回路図である。励磁コイル７２に流れる電流の大きさを制御するための回路図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の一実施形態による電磁アクチュエータを用いた材料試験機の全体構成
図である。この材料試験機は、試験片ＴＰに試験力を負荷する試験機本体部１０と、その制御を行う帰還制御系６０とを備えている。帰還制御系６０には、試験片ＴＰに与える試験力の目標信号を発生する目標信号発生部３０と、試験機本体部１０に備えられている電磁アクチュエータ１２の駆動信号を生成するフィードバック制御部５０とが含まれる。

試験機本体部１０は、フレーム１１により支持される電磁アクチュエータ１２を有する。図２は、電磁アクチュエータ１２の概略的構成を示した説明図である。電磁アクチュエータ１２は、ピストンロッド１３Ａを鉛直方向に駆動する。すなわち電磁アクチュエータ１２内には、円筒状の可動部７０に載置された可動コイル７１と、所定の磁束密度を発生させるための励磁コイル７２および永久磁石７５を備えた励磁部７３が収容されている。ピストンロッド１３Ａは可動部７０に固定されている。

励磁コイル７２に電流が流れて生じる磁束密度Ｂ１と、永久磁石７５の磁束密度Ｂ２の和が励磁部７３で発生する磁束密度Ｂである。この磁束密度Ｂの下で可動コイル７１に駆動電流Ｉを流すことにより可動部７０に推力Ｆが発生し、可動部７０に固定されているピストンロッド１３Ａに上下方向の推力Ｆが伝達される。

可動コイル７１の長さをＬとすると、推力Ｆは、次式で表される。
Ｆ＝Ｉ・（Ｂ１＋Ｂ２）・Ｌ
すなわち、可動コイルの電流Ｉに比例した推力Ｆがピストンロッド１３Ａに伝達される。

フレーム１１には変位センサ１４（図１参照）を取り付けてある。変位センサ１４は、ピストンロッド１３Ａの変位量を検出してフィードバック制御部５０に出力する。

ピストンロッド１３Ａの下方には上つかみ具３８,試験片ＴＰ,下つかみ具４０，連結ロッド１３Ｂおよび荷重センサ１６（例えばロードセル）が設けられ、荷重センサ１６は試験力を検出してフィードバック制御部５０に出力する。

目標信号発生部３０は、材料試験の目的に応じて操作者（あるいは、他の制御装置）が波形、振幅、周波数、変位、試験力の平均値など必要な情報を設定することにより、その設定情報に応じた目標信号を出力する。

フィードバック制御部５０は、荷重センサ１６により検出された荷重信号を増幅して出力する荷重アンプ５１と、変位センサ１４により検出された変位信号を増幅して出力する変位アンプ５２と、荷重アンプ５１から出力された荷重信号と変位アンプ５２から出力された変位信号のいずれか一方を選択的に取り出すための切り替えスイッチ５３と、目標信号発生部３０から供給された目標信号と切り替えスイッチ５３から出力された信号との偏差（制御偏差）を算出する減算部５４と、算出された偏差に基づいてＰＩＤ制御信号を出力するＰＩＤ制御信号出力部５５と、ＰＩＤ制御信号を増幅して電磁アクチュエータ１２、すなわち可動コイル７１の駆動電流を出力するパワーアンプ５７とを備えている。このように構成されたフィードバック制御部５０は可動コイル電流制御回路である。

次に、フィードバック制御部５０による制御動作について説明する。荷重フィードバック制御を行うか変位フィードバック制御を行うかが切り替えスイッチ５３により選択されると、荷重アンプ５１からの荷重信号または変位アンプ５２からの変位信号が減算部５４に送られる。

目標信号発生部３０からの目標信号に対して荷重信号あるいは変位信号を負帰還することにより、減算部５４では偏差（制御偏差）を算出する。ＰＩＤ制御信号出力部５５は、あらかじめＰ、Ｉ、Ｄ成分ごとにゲイン係数が設定してあり、これらの各係数と減算部５４で算出された偏差との演算によりフィードバックゲインを算出してＰＩＤ制御信号を出
力する。

以上説明してきた事項は、可動コイル７１の駆動電流を制御する過程である。次に、永久磁石７５と励磁コイル７２とを有する励磁部７３により発生させる磁束密度の制御について説明する。

図１に示す励磁電流制御回路６５は、励磁コイル７２に流れる電流の大きさを制御する回路である。より具体的には、図３に示すように、電磁アクチュエータ１２の内部に直流定電圧源７７および増幅器７９を設置しておき、励磁電流制御回路６５により増幅器７９のゲイン制御を行う。換言すれば、励磁コイル７２に印加する電圧を直接制御することにより励磁電流を制御するものである。但し、励磁電流の大きさと磁束密度は線形の関係にないので、永久磁石７５の磁束密度Ｂ２を加味した上で、励磁コイル７２の励磁電流と磁束密度Ｂ１との関係を予めテーブル等に記憶しておくのが好適である。

励磁コイル７２により発生させる磁束密度Ｂ１は、動作モード、すなわち材料試験の状態に応じて切り替えていく。例えば、材料試験の準備段階（＝試験片ＴＰの取り付け段階）においては、ピストンロッド１３Ａを上下させて試験片ＴＰを上つかみ具３８および下つかみ具４０で把持させるのに足りるだけの推力を電磁アクチュエータ１２から発生させればよい。このことにより、励磁コイル７２での消費電力を削減できるばかりでなく、何らかの故障により可動コイル７１に大きな電圧あるいは電源電圧そのものが印加されて過大な力が瞬時に発生したとしても、操作者に対する危険ならびに機器等の破損を最小限に抑えることができる。

上つかみ具１３Ａの重量にも依存するが、永久磁石７５の磁束密度Ｂ２に応じた推力Ｆのみで準備段階での位置制御が可能であれば、電磁石７２の電流をゼロ、すなわち、電磁石７２の磁束密度Ｂ１をゼロとしてもよい。

材料試験を実施している段階（＝試験実行段階）においては、増幅器７９のゲインを増大させることにより、定格試験力が得られるような磁束密度に設定する。材料試験が終了した後には、試験片ＴＰを取り外すだけであるので、材料試験の準備段階と同等の磁束密度が得られるように、増幅器７９のゲインを低下させる。

上述したように、材料試験の各実施段階において磁束密度を切り替えるほか、材料試験の実行段階において、試験条件に応じた磁束密度制御を行うことも可能である。すなわち、試験片ＴＰに負荷される試験力に適合した推力が得られるよう磁束密度を変更することができる。

以上説明した実施の形態1による材料試験機は、励磁コイル７２と永久磁石７５を有する励磁部７３、および可動コイル７１を有する可動部７０を含む電磁アクチュエータ１２と、励磁コイル７２へ通電する励磁電流を制御する励磁電流制御回路６５と、可動コイル７１へ通電する電流を制御する可動電流制御回路６０と、電磁アクチュエータ１２に装着され、供試体に試験力を与える治具１３Ａとを備える。そして、励磁電流制御回路６５は、試験準備段階では励磁コイル７２により第１の磁束密度を生じさせる第１の励磁モードと、試験段階では励磁コイル７２により第２の磁束密度を生じさせる第２の励磁モードとを切り替える。励磁電流制御回路６５は、試験準備段階、すなわち第１の励磁モードでは励磁コイル７２へ電流を通電せず、永久磁石７５の磁束密度による推力で上つかみ具１３Ａなどを位置制御するようにしてもよい。

−実施の形態１による作用・効果−
（１）実施の形態１によれば、励磁部７３に永久磁石７５と励磁コイル７２とを備えた電磁アクチュエータ１２により供試体に試験力を与えるようにした。したがって、従来のように、電磁石のみで励磁部を構成する場合に比べて、消費電流を小さくすることができる。

（２）実施の形態１によれば、永久磁石７５と励磁コイル７２を備えた電磁アクチュエータ１２において、材料試験の準備段階および終了段階では、励磁コイル７２により第１の磁束密度Ｂ１（＞０）を生じさせる励磁制御、もしくは磁束密度Ｂ１をゼロとする励磁制御を行い、材料試験を実施している試験実行段階では、励磁コイル７２により第２の磁束密度（第１の磁束密度＜第２の磁束密度）を生じさせる励磁制御を行うので、励磁コイル７２で生じる電力消費の無駄を省くばかりでなく、故障・誤動作に起因した予期し得ない過大な試験力の発生を防止することができる。

（３）試験片ＴＰに負荷される試験力そのもの（＝試験条件）が変更されたときにも、励磁コイル７２により発生させる磁束密度を適宜変更することにより、省電力および安全性向上を図ることができる。

−実施の形態１における変形例−
（１）励磁コイル７２に流す励磁電流ＩＬを正確に制御するためには、図４に示すように、ゲインが十分に大である増幅器を用いて直流電圧Ｖ０を可変設定することも可能である。

（２）図５に示すように、励磁コイル７２に複数のタップを設け、これらタップを切り替えることにより、巻線数ｎを直接変更することも可能である。この切り替えには、機械的リレーあるいは静止型のスイッチング素子を用いることができる。

（３）これまで説明してきた電磁アクチュエータ１２を用いて試験片ＴＰを加振することにより疲労試験を行うことも可能である。すなわち、目標信号発生部３０（図１参照）において、試験片ＴＰを繰り返して負荷する際の最大変位および最大速度および最大加速度を設定することにより、加振条件に応じた試験力を発生させることが可能である。

（４）被試験材料もしくは基板の局所硬度を測定するための微小硬度計にも、図１ないし図５で述べた電磁アクチュエータ１２を用いることができる。

＜実施の形態２＞
先に述べた実施の形態１は、材料試験機の構成および制御形態に関するものであるが、図１ないし図５に示した電磁アクチュエータ１２を用いて加振装置を構成することも可能である。すなわち、電磁アクチュエータ１２および励磁電流制御回路６５のみを取り出し、ピストンロッド１３Ａを介して供試体（図示せず）を加振することも可能である。ロードセル（図示せず）の取り付け位置は、加振の態様に応じて適宜設定する。

換言すると、実施の形態２では、可動コイル７１、および励磁コイル７２と永久磁石７５からなる励磁部７３を有する電磁アクチュエータ１２により発生された試験力を供試体（図示せず）に繰り返し負荷する加振装置において、励磁コイル７２により第１の磁束密度を生じさせる第１の励磁モードと、励磁コイル７２により第２の磁束密度を生じさせる第２の励磁モードとを、加振試験の状態に応じて切り替える励磁電流制御回路６５を備える。加振試験の状態は、供試体に与える最大Ｓ変位および最大速度および最大加速度を設定するための試験条件、または、加振試験の準備段階もしくは加振試験中の段階もしくは加振試験終了後の段階を示す処理段階、に応じて特定することができる。

−実施の形態２による作用・効果−
（１）実施の形態２によれば、永久磁石７５と励磁コイル７２を備えた電磁アクチュエータ１２において、加振試験の準備段階および終了段階では、励磁コイル７２により第１の磁束密度（ゼロ以上）を生じさせる励磁制御を行い、加振試験を実施している試験実行段階では、励磁コイル７２により第２の磁束密度（第１の磁束密度＜第２の磁束密度）を生じさせる励磁制御を行うので、励磁コイル７２で生じる電力消費の無駄を省くばかりでなく、故障・誤動作に起因した予期し得ない過大な試験力の発生を防止することができる。

−実施の形態２における変形例−
（１）実施の形態１と同じく、図３に示すように直流電圧源の出力電圧Ｖ０を可変増幅することにより、磁束密度を変化させることができる。また、励磁コイル７２に流す励磁電流ＩＬを正確に制御するためには、図４に示すように、ゲインが十分に大である増幅器を用いて直流電圧Ｖ０を可変設定することも可能である。

（２）さらに、図５に示すように、励磁コイル７２に複数のタップを設け、これらタップをタップ切替制御回路８０により切り替えることにより、巻線数ｎを直接変更することも可能である。

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上述した実施の形態および変形例に限定されるものではない。
実施の形態と変形例の一つとを組み合わせること、もしくは、実施の形態と変形例の複数とを組み合わせることも可能である。
変形例同士をどのように組み合わせることも可能である。
さらに、本発明の技術的思想の範囲内で考えられる他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

ＴＰ試験片１０試験機本体部
１１フレーム１２電磁アクチュエータ
１３Ａピストンロッド１４変位センサ
１６荷重センサ３０目標信号発生部
３８上つかみ具４０下つかみ具
５０フィードバック制御部５１荷重アンプ
５２変位アンプ５３切り替えスイッチ
５４減算部５５ＰＩＤ制御信号出力部
５７パワーアンプ６０帰還制御系
６５励磁電流制御回路７０可動部
７１可動コイル７２励磁コイル
７３励磁部７５永久磁石
８０タップ切替制御回路

Claims

励磁コイルと永久磁石を有する励磁部、および可動コイルを有する可動部を含む電磁アクチュエータと、
前記励磁コイルへ通電する励磁電流を制御する励磁電流制御回路と、
前記可動コイルへ通電する電流を制御する可動電流制御回路と、
前記電磁アクチュエータに装着され、供試体に試験力を与える治具とを
備え、
前記励磁電流制御回路は、前記励磁コイルへ通電せずに可動コイルへ通電して推力を得る第１の励磁モードと、前記励磁コイルに通電しつつ可動コイルへ通電して推力を得る第２の励磁モードとを、試験状態に応じて切り替えるとともに、
前記可動電流制御回路は、目標信号に応じて前記可動コイルへの駆動電流を制御することを特徴とする試験装置。
請求項１に記載の試験装置において、
前記励磁電流制御回路は、供試体を試験装置にセットする試験準備段階では前記第１の励磁モードに切替え、前記供試体に試験力を与える試験段階では前記第２の励磁モードに切替えることを特徴とする試験装置。
請求項１または２に記載の試験装置において、
前記励磁電流制御回路は、前記励磁コイルに印加する直流電圧を変化させることにより磁束密度を制御する印加電圧設定手段、または、前記励磁コイルに設けた複数タップのいずれか１つを選択するタップ切り替え手段であることを特徴とする試験装置。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の試験装置において、
前記励磁電流制御回路は、前記第２の励磁モードにおいて、供試体を繰り返して負荷する際の最大変位および最大速度および最大加速度を設定するための試験条件に応じた磁束密度が生じるように前記励磁コイルに通電することを特徴とする試験装置。