特許 7021703 材料試験機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-02-08

(45)【発行日】2022-02-17

(54)【発明の名称】材料試験機

(51)【国際特許分類】

   G01N 3/06 20060101AFI20220209BHJP

   H04L 7/00 20060101ALI20220209BHJP

【ＦＩ】

G01N3/06

H04L7/00 990

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020533957

(86)(22)【出願日】2018-07-31

(86)【国際出願番号】 JP2018028755

(87)【国際公開番号】W WO2020026363

(87)【国際公開日】2020-02-06

【審査請求日】2020-12-17

(73)【特許権者】

【識別番号】000001993

【氏名又は名称】株式会社島津製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110001069

【氏名又は名称】特許業務法人京都国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】辻 博志

【審査官】森口 正治

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１７／１４５２５５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１２－１９１３６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１２８１７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－１６１６００（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／１０８９９９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１０－０６０５０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１１７２４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開平０３－１１０３５３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開昭４９－１３１４８６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ３／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

同期信号を生成する同期信号源を有するマスターユニットと、複数のスレーブユニットとを含み、前記マスターユニットからの前記同期信号に基づいて、前記複数のスレーブユニットを同期して動作させる制御装置を備える材料試験機であって、
前記マスターユニットは、前記複数のスレーブユニットの数に応じた複数の同期信号配信調整回路を備え、且つ、前記複数のスレーブユニットと個別の通信配線で接続されており、
前記複数の同期信号配信調整回路を構成する各同期信号配信調整回路が、
前記同期信号源から出力された前記同期信号の周期を測定する周期測定回路と、
前記マスターユニットから前記複数のスレーブユニットのうちの対応する一つのスレーブユニットに前記同期信号が送信された送信時刻と、前記対応する一つのスレーブユニットから前記マスターユニットに前記同期信号が返送された返信時刻との差を測定する時間差測定回路と、
前記周期測定回路において測定された前記同期信号の周期から前記時間差測定回路において測定された時間差の２分の１の時間を引いた時間を遅延時間とし、前記マスターユニットから前記対応する一つのスレーブユニットに前記同期信号を送信する時刻を前記遅延時間だけ遅延させる遅延回路と、
を有することを特徴とする材料試験機。

【請求項2】

請求項１に記載の材料試験機において、
前記マスターユニットは、前記複数のスレーブユニットに前記同期信号を送信するドライバと、前記複数のスレーブユニットから前記同期信号を受信するレシーバとを有し、
前記送信時刻は、前記同期信号が前記各同期信号配信調整回路から前記ドライバに出力される時刻であり、
前記返信時刻は、前記同期信号が前記レシーバから前記各同期信号配信調整回路に入力された時刻である材料試験機。

【請求項3】

請求項２に記載の材料試験機において、
前記複数のスレーブユニットの一つは、アナログデータをサンプリングするセンサの検出信号を処理する測定ユニットである材料試験機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、複数の機能単位を同期させて動作させる制御装置を備えた材料試験機に関する。

【背景技術】

【0002】

材料試験を実行する材料試験機には、試験中に試験片に加わる試験力や試験片の変位などをモニタするため、複数のセンサが配設されている。これらのセンサが検出した物理量は、デジタル化されて制御装置に入力される。材料試験は、材料の物性評価のための様々な解析を行うための物理量の測定を目的として実行されるものであり、制御装置には測定結果が時系列データとして保存される。従来から各センサによるデータサンプリングの動作時刻を一致させるために、同期信号を利用している（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】国際公開２０１７／１４５２５５号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

材料試験機において、複数の機器を連携させて動作させる際に、それらの複数の機器の集合は、同期信号を管理・制御する側のマスターユニットと、制御される側のスレーブユニットとに区別される。例えば、センサの入出力用のスレーブユニットなどの末端デバイスで同期信号を利用する場合、マスターユニットで生成された同期信号は、複数のスレーブユニットに配信され、スレーブユニットの末端デバイスまで伝送される。同期信号の伝送経路は、Ｔ分岐やツリー分岐などの分岐を繰り返したり、途中にバッファを介在させたり、多様な接続により構成される。このような伝送経路では、同期信号源から末端デバイスまでの伝送路の長さと、信号が通過する送信用の素子（ドライバ）、受信用の素子（レシーバ）の数が異なるため、各デバイスに同期信号を同時刻に到達させることが困難となる。

【0005】

基板上の複数の信号配線を等長配線（例えば、ミアンダ配線）とすることにより、各デバイスに同期信号が到達するタイミングのバラツキを防ぐことも考えられるが、最も長い配線に合わせて全ての配線を長くすると、信号品質が劣化する。また、等長配線にすると配線の収納のため広いスペースが必要となり、装置の省スペース化を妨げることになる。さらに、システムの構成上、等長配線を採用できない場合もある。また、各デバイスは、他社製の同等のデバイスに交換することも可能であるが、他社製のデバイスではピンの配置などが異なるため、等長配線にするために、伝送経路の再設計が必要になり、交換が容易に行えない。

【0006】

この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、同期信号を利用する末端デバイスに、同時刻に同期信号を到達させることができる制御装置を備えた材料試験機を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

請求項１に記載の発明は、同期信号を生成する同期信号源を有するマスターユニットとスレーブユニットとを含み、前記マスターユニットからの前記同期信号に基づいて、複数の前記スレーブユニットを同期して動作させる制御装置を備える材料試験機であって、前記マスターユニットは、前記同期信号源から出力された前記同期信号の周期を測定する周期測定回路と、前記マスターユニットから前記スレーブユニットに前記同期信号が送信された送信時刻と、前記スレーブユニットから前記同期信号が返送された返信時刻との差を測定する時間差測定回路と、前記周期測定回路において測定された前記同期信号の周期から前記時間差測定回路において測定された時間差の２分の１の時間を引いた時間を遅延時間とし、前記マスターユニットから前記スレーブユニットに前記同期信号を送信する時刻を前記遅延時間だけ遅延させる遅延回路と、を有する複数の同期信号配信調整回路と、を備える制御装置を備えることを特徴とする。

【0008】

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の材料試験機において、前記マスターユニットは、複数の前記同期信号配信調整回路の各々を介して、前記スレーブユニットに前記同期信号を送信するドライバと、前記スレーブユニットから前記同期信号を受信するレシーバとを有し、前記送信時刻は、前記同期信号が前記同期信号配信調整回路から前記ドライバに出力される時刻であり、前記返信時刻は、前記同期信号が前記レシーバから前記同期信号配信調整回路に入力された時刻である。

【0009】

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の材料試験機において、前記スレーブユニットは、アナログデータをサンプリングするセンサの検出信号を処理する測定ユニットである。

【発明の効果】

【0010】

請求項１から請求項３に記載の発明によれば、マスターユニットは、マスターユニットから各スレーブユニットに同期信号が送信された送信時刻と、各スレーブユニットからマスターユニットに同期信号が返送された返信時刻との差を測定することにより、同期信号源から出力された同期信号が、各スレーブユニットからマスターユニットに戻ってくるまでの時間を計測する時間差測定回路と、同期信号の周期と時間差とから求めた遅延時間だけ同期信号の出力を遅延させる遅延回路とを有する同期信号配信調整回路を、スレーブユニットの数だけ備えることから、同期信号を利用する各スレーブユニット側の複数のデバイスに同期信号を同時刻に到達させることが可能となる。

【0011】

請求項３に記載の発明によれば、スレーブユニットはアナログデータをサンプリングするセンサの検出信号を処理する測定ユニットであることから、材料試験において、ロードセルと変位計など、異なる物理量を検出するセンサの測定時刻の同期をより正確に実行することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】この発明の材料試験機の正面概要図である。

【図2】制御装置３０の構成の概要を示すブロック図である。

【図3】マスターユニット４０における同期信号配信調整回路４２を示すブロック図である。

【図4】同期信号の遅延時間を説明するタイミングチャートである。

【図5】デバイスの同期化を説明するタイミングチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係る材料試験機の正面概要図である。

【0014】

この材料試験機は、基台１４と、クロスヨーク１２と、基台１４からクロスヨーク１２にわたって回転可能に立設された一対のねじ棹１１と、一対のねじ棹１１に沿って移動可能なクロスヘッド１３と、一対のねじ棹１１を回転させる負荷機構２６とを備える。クロスヘッド１３は、一対のねじ棹１１に対して、図示を省略したナットを介して連結されている。一対のねじ棹１１の下端部は基台１４内に配設された負荷機構２６に連結されており、負荷機構２６における動力源からの動力が、一対のねじ棹１１に伝達される構成となっている。そして、一対のねじ棹１１が同期して回転することにより、クロスヘッド１３は、これら一対のねじ棹１１に沿って昇降する。

【0015】

クロスヘッド１３には、試験片１００の上端部を把持するための上つかみ具２１が、ロードセル２３を介して配設されている。一方、基台１４には、試験片１００の下端部を把持するための下つかみ具２２が配設されている。引張試験を行う場合には、試験片１００の両端部をこれらの上つかみ具２１および下つかみ具２２により把持した状態で、クロスヘッド１３を上昇させることにより、試験片１００に対して試験力（引張荷重）を負荷する。

【0016】

このときに、試験片１００に作用する試験力はロードセル２３によって検出される。一方、試験片１００に生じた変位は、試験片１００に接触する一対のアームを備えた変位計２４により検出される。ロードセル２３および変位計２４の検出信号は、制御装置３０に入力される。この制御装置３０は、コンピュータやシーケンサーおよびこれらの周辺機器によって構成されており、装置の制御に必要な動作プログラムが格納されたＲＯＭ、制御時にデータ等が一時的にストアされるＲＡＭ、論理演算を実行するＣＰＵ、データを記憶するハードディスク等を備える。また、制御装置３０は、試験の開始や停止、クロスヘッド１３の昇降操作などを行うときに使用する操作部１９と、ロードセル２３により測定した試験力および変位計２４により測定した変位量を表示するための表示部１８とに接続されている。

【0017】

制御装置３０は、負荷機構２６の駆動制御信号を作成する。駆動制御信号は、基台１４内部に配置している図示していないサーボアンプを介して負荷機構２６の動力源であるサーボモータ３１（図２参照）に送信される。サーボモータ３１の回転により、一対のねじ棹１１が同期して回転する。

【0018】

図２は、制御装置３０の構成の概要を示すブロック図である。

【0019】

この材料試験機の制御装置３０には、マスターユニット４０と複数のスレーブユニットが設けられている。スレーブユニットは、試験に応じて選択される測定機器やセンサなどの機能に対応させたデータ処理のための構成単位や、負荷機構２６を制御するための構成単位である。この実施形態においては、代表的な３つのスレーブユニットＡ、Ｂ、Ｃを示している。スレーブユニットＡは、ロードセル２３が検出したアナログ信号を増幅するロードアンプとアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器を有する試験力データ処理用の測定ユニットであり、スレーブユニットＢは、変位計２４が検出したアナログ信号を増幅するストレインアンプとアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器を有する変位データ処理用の測定ユニットであり、スレーブユニットＣは、サーボモータ３１の回転角速度指令をアナログ信号に変換するＤＡ変換器と回転角速度指令の大きさに応じた電流をサーボモータ３１に供給するサーボアンプを備えた負荷機構制御用のコントロールユニットである。

【0020】

マスターユニット４０は、各スレーブユニットＡ、Ｂ、Ｃと個別の通信用配線で接続される。各スレーブユニットＡ、Ｂ、Ｃの末端に接続された変位計２４、ロードセル２３、サーボモータ３１は、マスターユニット４０から送信される同期信号に基づいて動作する。なお、マスターユニット４０と各スレーブユニットＡ、Ｂ、Ｃとの間の通信配線の長さはそれぞれ異なり、スレーブユニット側の機能に応じて、通信用配線の途中にバッファを介挿する場合もある。

【0021】

図３は、マスターユニット４０における同期信号配信調整回路４２を示すブロック図である。図４は、同期信号の遅延時間を説明するタイミングチャートである。

【0022】

マスターユニット４０は、同期信号を生成する同期信号源４１と各スレーブユニットＡ、Ｂ、Ｃへの同期信号の配信タイミングを調整する同期信号配信調整回路４２とを備える。この同期信号配信調整回路４２は、同期信号源４１から出力された同期信号の周期Ｔｓを測定する周期測定回路４３と、マスターユニット４０からスレーブユニットＡ、Ｂ、Ｃに同期信号が送信された送信時刻と、スレーブユニットＡ、Ｂ、Ｃからマスターユニット４０に同期信号が返送された返信時刻との差である時間差Ｔｄを測定する時間差測定回路４４と、同期信号の周期Ｔｓ（一周期分の時間）と時間差Ｔｄに基づいて、マスターユニット４０からスレーブユニットＡ、Ｂ、Ｃに送信する同期信号の送信時刻を遅延させる遅延回路４５と、を有する。

【0023】

このマスターユニット４０における回路構成では、１つの同期信号源４１に対し、周期測定回路４３、時間差測定回路４４および遅延回路４５を有する同期信号配信調整回路４２が、各スレーブユニットＡ、Ｂ、Ｃの数に応じて設けられる。材料試験のセンサによる物理量の測定においては、同期信号を利用して、試験力データおよび変位データを同時刻にサンプリングすることが求められる。なお、図３においては、同期をとりながらアナログデータのサンプリングを行うスレーブユニットＡ、Ｂに対応する回路を図示している。このマスターユニット４０には、同期信号の送受信のためのドライバ４８とレシーバ４９が、同期信号配信調整回路４２の各々に対応して設けられている。また、スレーブユニットＡ、Ｂには、同期信号の送受信のためのドライバ５８とレシーバ５９とがそれぞれ設けられている。

【0024】

同期信号源４１から出力された同期信号は、周期測定回路４３に入力されるとともに、遅延回路４５に入力される。周期測定回路４３では同期信号の周期Ｔｓが測定される。遅延回路４５に入力された同期信号は、予め決められた時間だけ遅れて、遅延回路４５から出力される。なお、同期信号の初回の入力では遅延時間はゼロである。遅延回路４５から出力された同期信号は、ドライバ４８を介してマスターユニット４０から出力され、スレーブユニットＡ側のレシーバ５９を通り、試験力のサンプリングにおいて同期して動作する必要があるロードアンプやＡＤ変換器などのデバイスに配信される。デバイス到達直前の同期信号は、そのまま折り返し、ドライバ５８を介してスレーブユニットＡから出力され、マスターユニット４０側のレシーバ４９を通り、時間差測定回路４４に入力される。

【0025】

時間差測定回路４４は、遅延回路４５から出力された同期信号と、スレーブユニットＡから戻ってきた同期信号との時間差Ｔｄを求め、時間差Ｔｄを２分の１の値にするために０．５を乗算する乗算器４６に時間差Ｔｄを出力する。乗算器４６により０．５を乗算された時間差Ｔｄは、マイナス値として加算器４７に入力され、周期測定回路４３から入力された同期信号の周期Ｔｓに加算される。加算器４７による計算結果は、遅延回路４５に入力され、同期信号源４１から入力される同期信号の出力を遅延させる時間（遅延時間）として、遅延回路４５に保持される。遅延時間は図４に示すように、Ｔｓ－０．５×Ｔｄで求められる時間であり、遅延回路４５はこの時間だけ同期信号を遅らせて出力する。なお、遅延回路４５に保持させる遅延時間は、同期信号源４１から同期信号が出力され、同期信号配信調整回路４２が動作している間に、逐次更新される。

【0026】

スレーブユニットＢに対応する同期信号配信調整回路４２においても、同様の動作が繰り返される。この発明においては、同期信号配信調整回路４２を各スレーブユニットＡ、Ｂ、Ｃごとに設けることで、マスターユニット４０との距離やマスターユニット４０に至るまでの配線構成が異なることにより時間差Ｔｄがそれぞれ異なるスレーブユニットＡ、Ｂ、Ｃの末端デバイスに、同時刻に同期信号を配信している。

【0027】

図５は、デバイスの同期化を説明するタイミングチャートである。

【0028】

上述した同期信号配信調整回路４２の作用により、マスターユニット４０から距離の遠いスレーブユニットや、配線の途中にバッファが介挿されているスレーブユニットでは、遅延時間分だけ早く同期信号が出力されることになる。図５における（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）はスレーブユニットＡ、Ｂ、Ｃに対応している。マスターユニット４０と各スレーブユニットＡ、Ｂ、Ｃとの間の配線の長さおよび構成の違いにより、遅延時間が異なる。このため、遅延回路４５から出力されるタイミングはそれぞれ異なる時刻となっているが、図５に太線で示すデバイス到達のタイミングは、破線で示す時刻に同期している。なお、上述した説明では、遅延回路４５は、Ｔｓ－０．５×Ｔｄで求められる遅延時間だけ同期信号を遅らせて出力しているが、一定周期で繰り返し出力される一連の同期信号では、同期信号を利用する複数のデバイスに到達する時刻に最も近い出力は、各スレーブユニットＡ、Ｂ、Ｃに時間差Ｔｄの２分の１だけ早い時刻に送り出された信号となる。

【0029】

この発明においては、同期信号配信調整回路４２を各スレーブユニットＡ、Ｂ、Ｃごとに設けることで、マスターユニット４０との距離やマスターユニット４０に至るまでの配線構成が異なるスレーブユニットＡ、Ｂ、Ｃの末端デバイスに、同時刻に同期信号を配信することを可能としている。

【0030】

引張試験においては、ロードセル２３によって検出された試験力と、変位計２４により検出された変位により、試験力－変位曲線を作成し、材料特性を評価している。このとき、この発明を適用した材料試験機では、上述したようにマスターユニット４０から測定ユニットへの同期信号の出力タイミングを調整することにより、異なる物理量を検出するセンサの動作をより正確に同期させることが可能となる。これにより、測定データの信頼性を向上させることができる。

【符号の説明】

【0031】

１１ ねじ棹
１２ クロスヨーク
１３ クロスヘッド
１４ 基台
１８ 表示部
１９ 操作部
２１ 上つかみ具
２２ 下つかみ具
２３ ロードセル
２４ 変位計
３０ 制御装置
３１ サーボモータ
４０ マスターユニット
４１ 同期信号源
４２ 同期信号配信調整回路
４３ 周期測定回路
４４ 時間差測定回路
４５ 遅延回路
４６ 乗算器
４７ 加算器
４８ ドライバ
４９ レシーバ
５８ ドライバ
５９ レシーバ
１００ 試験片

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】