(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
供試品への変動荷重を出力する加振機と、供試品側との間で加振機の出力軸の先端部に配置される荷重検出器と、可動部の変位を測定する変位検出器と、荷重検出器の供試品側に配置される加速度検出器と、加速度検出器の出力と可変ゲインの設定値とからこれらの乗算により求められる慣性力の分を荷重検出器の出力から差し引く処理を行う補正アンプと、を備える疲労試験機において、所定の低周波で供試品を加振させるように加振機を変位制御しつつそのときの変位検出器の出力および補正アンプの出力をデータとして記憶する手段と、供試品を所定の高周波で加振させるように加振機を変位制御しつつそのときの変位検出器の出力を低周波加振時の記憶データの変位と一致させるように加振制御の変位指令を調整する手段と、同じく高周波加振中の補正アンプの出力を低周波加振時の記憶データの荷重と一致させるように補正アンプの可変ゲインを調整する手段と、を備えることを特徴とする疲労試験機。
【請求項２】
供試品への変動荷重を出力する加振機と、供試品側との間で加振機の出力軸の先端部に配置される荷重検出器と、可動部の変位を測定する変位検出器と、荷重検出器の供試品側に配置される加速度検出器と、加速度検出器の出力と可変ゲインの設定値とからこれらの乗算により求められる慣性力の分を荷重検出器の出力から差し引く処理を行う補正アンプと、を備える疲労試験機において、所定の低周波で供試品を加振させるように加振機を変位制御しつつそのときの変位検出器の出力および補正アンプの出力をデータとして記憶する手段と、供試品を所定の高周波で加振させるように加振機を変位制御しつつモニタにそのときの変位検出器の出力および補正アンプの出力を低周波加振時の記憶データと共に表示する手段と、高周波加振中の変位検出器の出力を低周波加振時の記憶データの変位と一致させるように加振制御の変位指令を調整する手段と、同じく高周波加振中の補正アンプの出力をモニタの表示に基づいて低周波加振時の記憶データの荷重と一致させるように補正アンプの可変ゲインを人為的に調整するための手段と、を備えることを特徴とする疲労試験機。
【請求項３】
供試品への変動荷重を出力する加振機と、供試品側との間で加振機の出力軸の先端部に配置される荷重検出器と、可動部の変位を測定する変位検出器と、荷重検出器の供試品側に配置される加速度検出器と、加速度検出器の出力と可変ゲインの設定値とからこれらの乗算により求められる慣性力の分を荷重検出器の出力から差し引く処理を行う補正アンプと、を備える疲労試験機において、所定の低周波で供試品を加振するように加振機を変位制御しつつそのときの変位検出器の出力および補正アンプの出力をデータとして記録する処理と、所定の高周波で供試品を加振させるように加振機を変位制御しつつそのときの変位検出器の出力を低周波加振時の記憶データの変位と一致させるように加振制御の変位指令を調整する処理と、同じく高周波加振中の補正アンプの出力を低周波加振時の記憶データの荷重と一致させるように補正アンプの可変ゲインを調整する処理と、からなることを特徴とする疲労試験機の可変ゲイン校正方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、材料の疲労強さを測定する疲労試験機およびその可変ゲイン校正方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
疲労試験機においては、供試品への変動荷重を出力する加振機が備えられ、供試品への変動荷重を荷重検出器で測定しながら、その測定値を目標値（試験条件の設定値）と一致させるべく加振機の出力をフィードバック制御するように構成される（特公昭55-39768号，特公平1-54651号，特開2001-33371号、参照）。
【０００３】
変動荷重の周波数が高くなると、可動部の慣性力が顕著になり、供試品への荷重測定に大きく誤差を生じるようになる。そのため、可動部の加速度を測定する検出器が配置され、その測定値（加速度）と可変ゲインの設定値とから演算される慣性力の分を荷重検出器の測定値から差し引く補正アンプが設けられる。
【０００４】
可動部の等価質量は試験前に実測され、補正アンプの可変ゲインにその実測値に相当する適正値が予め設定されるのである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
供試品によっては、構成や作動が複雑な場合、可動部の等価質量が容易に実測しがたく、可変ゲインに設定すべき適正な設定値が得られない可能性も考えられる。このような供試品の実例としては、自転車のクランクペダル系が挙げられる。
【０００６】
この発明は、このような不具合に着目してなされたものであり、等価質量の実測に拠らず、可変ゲインを適正に設定可能な疲労試験機を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、供試品への変動荷重を出力する加振機と、供試品側との間で加振機の出力軸の先端部に配置される荷重検出器と、可動部の変位を測定する変位検出器と、荷重検出器の供試品側に配置される加速度検出器と、加速度検出器の出力と可変ゲインの設定値とからこれらの乗算により求められる慣性力の分を荷重検出器の出力から差し引く処理を行う補正アンプと、を備える疲労試験機において、所定の低周波で供試品を加振させるように加振機を変位制御しつつそのときの変位検出器の出力および補正アンプの出力をデータとして記憶する手段と、供試品を所定の高周波で加振させるように加振機を変位制御しつつそのときの変位検出器の出力を低周波加振時の記憶データの変位と一致させるように加振制御の変位指令を調整する手段と、高周波加振中の補正アンプの出力を低周波加振時の記憶データの荷重と一致させるように補正アンプの可変ゲインを調整する手段と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
第２の発明は、供試品への変動荷重を出力する加振機と、供試品側との間で加振機の出力軸の先端部に配置される荷重検出器と、可動部の変位を測定する変位検出器と、荷重検出器の供試品側に配置される加速度検出器と、加速度検出器の出力と可変ゲインの設定値とからこれらの乗算により求められる慣性力の分を荷重検出器の出力から差し引く処理を行う補正アンプと、を備える疲労試験機において、所定の低周波で供試品を加振させるように加振機を変位制御しつつそのときの変位検出器の出力および補正アンプの出力をデータとして記憶する手段と、供試品を所定の高周波で加振させるように加振機を変位制御しつつモニタにそのときの変位検出器の出力および補正アンプの出力を低周波加振時の記憶データと共に表示する手段と、高周波加振中の変位検出器の出力を低周波加振時の記憶データの変位と一致させるように加振制御の変位指令を調整する手段と、同じく高周波加振中の補正アンプの出力をモニタの表示に基づいて低周波加振時の記憶データの荷重と一致させるように補正アンプの可変ゲインを人為的に調整するための手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
第３の発明は、供試品への変動荷重を出力する加振機と、供試品側との間で加振機の出力軸の先端部に配置される荷重検出器と、可動部の変位を測定する変位検出器と、荷重検出器の供試品側に配置される加速度検出器と、加速度検出器の出力と可変ゲインの設定値とからこれらの乗算により求められる慣性力の分を荷重検出器の出力から差し引く処理を行う補正アンプと、を備える疲労試験機において、所定の低周波で供試品を加振させるように加振機を変位制御しつつそのときの変位検出器の出力および補正アンプの出力をデータとして記録する処理と、所定の高周波で供試品を加振するように加振機を変位制御しつつそのときの変位検出器の出力を低周波加振時の記憶データの変位と一致させるように加振制御の変位指令を調整する処理と、同じく高周波加振中の補正アンプの出力を低周波加振時の記憶データの荷重と一致させるように補正アンプの可変ゲインを調整する処理と、からなることを特徴とする、疲労試験機の可変ゲイン校正方法である。
【００１０】
【発明の効果】
第１の発明〜第３の発明においては、補正アンプの可変ゲインを適正値に設定するため、変動荷重の周波数を変え、他の加振条件は一定に制御しながら、同一の供試品に対し、２回の加振が行われる。１回目の加振は、慣性の影響が殆ど出ない低周波で行われ、そのときの変位検出器の出力および補正アンプの出力がデータとして採取（記憶）されるのである。２回目の加振は、慣性の影響が大きく出る高周波で行われ、そのときの変位検出器の出力を低周波加振時のデータの変位と一致させるように変位指令が調整される。変位が等しければ、荷重も等しい筈であり、変位が等しく、荷重が異なるのは、慣性の影響の違いによるもの、と推定されるのである。慣性の影響を除去するため、高周波加振中の補正アンプの出力を低周波加振時のデータの荷重と一致させるように補正アンプの可変ゲインが調整される。この調整により、補正アンプの可変ゲインは、適正値（供試品など可動部の等価質量に近似する相応値）に設定され、自転車のクランクペダル系のような、等価質量を実測しがたい供試品についても、高周波加振の疲労試験により、低周波加振と同程度に正確な測定結果が得られるようになる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係る疲労試験機の構成を説明するものであり、固定面１０にフレーム１１が設置され、フレーム１１に加振機１２が配置される。加振機１２は、油圧シリンダ１２ａとサーボ弁１２ｂとから構成される。油圧シリンダ１２ａは、フレームにロッド側が下方へ固定面１０と垂直な取付状態に支持され、ロッド先端に荷重検出器１３を介在させて供試品２０の吊持棒２１が同軸上に連結される。
【００１２】
荷重検出器１３の供試品側に加速度検出器１４が配置され、フレーム１１と荷重検出器１３の供試品側との間に変位検出器１５が介装される。変位検出器１５は、油圧シリンダ１２の軸方向へ変位可能なロッド１５ａと、その変位を測定する出力部１５ｂとからなり、フレーム１１に出力部１５ｂが固定され、ロッド１５ａの先端が荷重検出器１３の供試品側に連結される。
【００１３】
供試品２０は、自転車のクランクペダル機構であり、１対のステイ２２ａ，２２ｂを介して固定面１０に支持される。クランクペダル機構２０は、ステイ２２ａに中心軸を介して支持される大径のスプロケット２０ａと、ステイ２２ｂに中心軸を介して支持される小径のスプロケット２０ｂと、これらの間に掛け回されるチェーン２０ｃと、基端が大径のスプロケット２０ａの中心部に結合するクランクペダル２０ｄと、から構成される。
【００１４】
クランクペダル２０ｄは、所定の傾斜角に立ち上がる具合に設定され、その自由端に荷重検出器１３から垂直に下がる吊持棒２１の下端が結合される。小径のスプロケット２０ｂは、図示しないラチェットにより、矢印Ｂの方向への回転が規制される。供試品２０は、油圧シリンダ１２ａにより、矢印Ａの方向へオフセット荷重が掛けられる。
【００１５】
３０はコントロールユニットであり、試験条件の設定を目標値に油圧シリンダ１２ａの出力が目標値と一致するよう、変位検出器１５の出力（変位信号）および補正アンプ３１の出力（荷重信号）に基づいて、サーボ弁１２ｂをフィードバック制御するのである。供試品２０への振幅荷重については、矢印Ａの方向へのオフセット荷重以下に制限される。
【００１６】
図１は、図２のような力学モデルに表される。振動系の可動部に関する運動方程式は、（１）式となる。Ｋlは供試品２０のばね定数、ＫSは荷重検出器１３のばね定数、Ｍlは直線運動に対する可動部の等価質量、ｘlは可動部の変位、ｘcは油圧シリンダ１２ａのストローク、である。
【００１７】
Ｍl・ｘl’’＋Ｋl・ｘl＋ＫS・（ｘl−ｘc）＝０  …（１）
供試品２０が受ける荷重Ｆl，荷重検出器１３の出力ＦSは、（２）式，（３）式で与えられる。
【００１８】
Ｆl＝Ｋl・ｘ  …（２）
ＦS＝ＫS・（ｘc−ｘl）  …（３）
（１）式に（２）式，（３）式を代入すると、供試品２０が受ける荷重Ｆl，荷重検出器１３の出力ＦSは、（４）式の関係に表される。
【００１９】
Ｆl＝ＦS−Ｍl・ｘl’’  …（４）
図１の補正アンプ３１は、（４）式の演算を処理するものであり、加速度検出器１４の出力（ｘl’’）と可変ゲインの設定値（Ｍl）とから慣性力（Ｍl・ｘl’’）を求める乗算器３１ａと、荷重検出器１３の出力（ＦS）から乗算器３１ａの出力（Ｍl・ｘl’’）を除去する減算器３１ｂと、から構成されるのである。
【００２０】
補正アンプ３１の可変ゲインを適正値に設定するため、疲労試験に先立ち、変動荷重の周波数を変え、他の加振条件は一定に制御しながら、同一の供試品に対し、２回の加振を実施する。
【００２１】
１回目は、慣性の影響が殆ど出ない低周波で供試品を加振し、そのときの変位検出器１５の出力および補正アンプ３１の出力をデータとして採取（記憶）する。低周波加振の場合、慣性項Ｍl・ｘl’’が小さくなり、（４）式がＦS＝Ｆlに近似されるのである。つまり、荷重検出器１３の出力は、供試品２０が受ける荷重と略同等になる。
【００２２】
２回目は、慣性の影響が大きく出る高周波で供試品を加振し、そのときの変位検出器１５の出力を低周波加振時のデータの変位と一致させるように加振制御の変位指令を調整する。変位が等しければ、荷重も等しい筈であり、変位が等しく、荷重が異なるのは、慣性の影響の違いによるもの、と推定されるのである。
【００２３】
高周波加振中における、慣性の影響を抑制するため、高周波加振中の補正アンプ３１の出力を低周波加振時のデータの荷重と一致させるように補正アンプ３１の可変ゲインを調整する。この調整により、補正アンプ３１の可変ゲインは、適正（可動部の等価質量Ｍlに近似する相応値）に設定される。
【００２４】
図３は、このような可変ゲインの調整（校正）に係るコントロールユニット３０の処理内容を説明する流れ図であり、補正アンプ３１の可変ゲインを調整が要求されると、S1において、所定の振幅荷重に供試品２０を低周波（たとえば、１Hz）で加振させるように加振機１２を変位制御する。S2においては、低周波加振中の変位検出器１５の出力（変位信号のP-P値）および補正アンプ３１の出力（荷重信号のP-P値）をデータとして記憶する。
【００２５】
S3においては、所定の振幅荷重に供試品２０を高周波（たとえば、２５Hz）で加振させるように加振機１２を変位制御する。S4においては、高周波加振中の変位検出器１５の出力を低周波加振時の記憶データと比較し、高周波加振中の変位信号のP-P値＝低周波加振時の変位信号のP-P値、かどうか判定する。S4の判定がyesのときは、S6へ進む一方、S4の判定がnoのときは、S5において、高周波加振中の変位信号のP-P値＝低周波加振時の変位信号のP-P値、となるように加振制御の変位指令を調整する。つまり、S4およびS5においては、変位指令の調整により、高周波加振中の変位信号のP-P値が低周波加振時の変位信号のP-P値と等しく設定されるのである。
【００２６】
S6においては、高周波加振中の補正アンプ３１の出力を低周波加振時の記憶データと比較し、高周波加振中の荷重信号のP-P値＝低周波加振時の荷重信号のP-P値、かどうか判定する。S6の判定がyesのときは、今回の校正処理を終了する（疲労試験へ移行する）一方、S6の判定がnoのときは、S7において、高周波加振中の荷重信号のP-P値＝低周波加振時の荷重信号のP-P値、となるように補正アンプ３１の可変ゲインを調整する。
【００２７】
この例においては、S7の処理は人為的に行われる。図示しないが、補正アンプ３１の可変ゲインを調整する操作部の近辺にモニタが設置され、モニタに高周波加振中の変位検出器１５の出力および補正アンプ３１の出力を低周波加振時の記憶データと共に表示する機能がコントロールユニット３０に設定される。S7の調整は、モニタの表示に基づいて、補正アンプ３１の可変ゲインを操作することにより、高周波加振中の荷重信号のP-P値が低周波加振時の荷重信号のP-P値と等しく調整されるのである。
【００２８】
このような構成により、補正アンプ３１の可変ゲインは、疲労試験に際して適正値（供試品など可動部の等価質量に近似する相応値）に設定され、自転車のクランクペダル系のような、等価質量を実測しがたい供試品２０についても、高周波加振の疲労試験により、低周波加振と同程度に正確な測定結果が得られることになる。
【００２９】
変位検出器１５は、図４のように油圧シリンダ１２ａのストロークを測定対象とする取付状態に設置してもよい。図４において、図１と同じ構成要素に同じ符号を付け、重複説明は省略する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る疲労試験機の構成図である。
【図２】同じく力学モデルの説明図である。
【図３】同じく可変ゲインの調整（校正）処理を説明する流れ図である。
【図４】この発明に係る疲労試験機の構成図である。
【符号の説明】
１２  加振機
１２ａ  油圧シリンダ
１２ｂ  サーボ弁
１３  荷重検出器
１４  加速度検出器
１５  変位検出器
２０  供試品
３０  コントロールユニット
３１  補正アンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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