特許 7092210 材料試験機、及び材料試験機の制御方法

(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】2022-06-20

(45)【発行日】2022-06-28

(54)【発明の名称】材料試験機、及び材料試験機の制御方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 3/34 20060101AFI20220621BHJP

【ＦＩ】

G01N3/34 R

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020559694

(86)(22)【出願日】2019-06-25

(86)【国際出願番号】 JP2019025135

(87)【国際公開番号】W WO2020121563

(87)【国際公開日】2020-06-18

【審査請求日】2021-03-11

(31)【優先権主張番号】P 2018233186

(32)【優先日】2018-12-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(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】110001081

【氏名又は名称】特許業務法人クシブチ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松浦 融

【審査官】福田 裕司

(56)【参考文献】

【文献】特開平１０－０１１１０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１３１２０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－０６４１９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０９６８４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－０６４１９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第５５１１４３１（ＵＳ，Ａ）

【文献】米国特許第５３９６８０４（ＵＳ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／００２７４７（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ３／００～３／６２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

試験対象に負荷を付与する負荷機構と、
前記負荷に応じて前記試験対象又は前記負荷機構に生じる物理量の変化である第１モニタ量を測定する第１モニタ量測定部と、
試験の目標となる物理量である第２モニタ量を測定する第２モニタ量測定部と、
前記第１モニタ量測定部により測定された前記第１モニタ量を、前記試験対象又は前記負荷機構における前記第１モニタ量と前記第２モニタ量との相関を示す相関条件に従って、前記第２モニタ量の測定値として扱う第２モニタ量推定値に変換するモニタ量変換部と、
前記第２モニタ量推定値に基づいて、前記試験対象における実際の前記第２モニタ量と、試験条件に応じた目標第２モニタ量との偏差を減少させるための前記負荷機構に対する操作量を決定して、前記試験対象の材料試験を実行する材料試験制御部と
を備える材料試験機。

【請求項2】

前記材料試験制御部は、前記第２モニタ量測定部による測定値と前記目標第２モニタ量との偏差の積分値、及び前記第２モニタ量推定値に基づいて、前記操作量を決定する
請求項１に記載の材料試験機。

【請求項3】

前記第１モニタ量測定部は、前記第１モニタ量として前記試験対象に加えられた前記負荷機構の移動量を測定し、
前記第２モニタ量測定部は、前記第２モニタ量として前記負荷により前記試験対象に付与されている試験力を測定し、
前記相関条件は、前記試験対象に加えられた前記負荷機構の移動量に対する前記試験力の増減量である制御剛性であり、
前記モニタ量変換部は、前記第１モニタ量測定部による測定値に前記制御剛性を乗じることによって、前記第１モニタ量測定部により測定された前記負荷機構の移動量を、前記試験対象に付与されている前記試験力の推定値として扱う前記第２モニタ量推定値に変換する
請求項２に記載の材料試験機。

【請求項4】

前記材料試験の実行中に、所定期間における前記第１モニタ量測定部による測定値と前記第２モニタ量測定部による測定値との相関に基づいて、前記制御剛性を算出する制御剛性算出部を備える
請求項３に記載の材料試験機。

【請求項5】

前記負荷機構は、前記試験対象をつかむ一対のつかみ具と、前記一対のつかみ具の一方と接続されて、前記一対のつかみ具の間隔が変更される方向にボールねじの回転によりスライドするヘッド部を有し、
前記第１モニタ量測定部は、前記ボールねじに取り付けられて前記ボールねじが所定角度回転する毎に１つのパルスを出力するエンコーダと、前記エンコーダから出力される前記パルスをカウントするカウンタとを有し、前記カウンタのカウント値に基づいて前記負荷機構の移動量を測定する
請求項３又は請求項４に記載の材料試験機。

【請求項6】

試験対象に負荷を付与する負荷機構と、
前記負荷に応じて前記試験対象又は前記負荷機構に生じる物理量の変化である第１モニタ量を測定する第１モニタ量測定部と、
試験の目標となる物理量である第２モニタ量を測定する第２モニタ量測定部と、
制御装置と
を備えた材料試験機により実行される材料試験機の制御方法であって、
前記制御装置が、前記第１モニタ量測定部により測定された前記第１モニタ量を、前記試験対象又は前記負荷機構における前記第１モニタ量と前記第２モニタ量との相関を示す相関条件に従って、前記第２モニタ量の測定値として扱う第２モニタ量推定値に変換するモニタ量変換ステップと、
前記制御装置が、前記第２モニタ量推定値に基づいて、前記試験対象における実際の前記第２モニタ量と、所定の目標第２モニタ量との偏差を減少させるための前記負荷機構に対する操作量を決定して、前記試験対象の材料試験を実行する材料試験制御ステップと
を含む材料試験機の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、材料試験機、及び材料試験機の制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、材料試験機においは、試験条件を維持して材料試験を実行するために、試験条件（試験対象に付与する試験力、引張試験における引張速度等）のフィードバック制御が行われている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された材料試験機は、試験片に付与されている試験力を測定するロードセルを備え、試験片に対して、目標値まで試験力を定速増加させる引張荷重を付与した後に、試験力を目標値にホールドさせる条件で試験力をフィードバック制御している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１８－９６８４１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

試験条件により設定された条件のフィードバック制御を行う場合、フィードバックゲインを上げて応答性を良くすることが望ましい。しかしながら、フィードバックゲインを上げると、条件要素の測定に使用されるセンサの検出信号に重畳したノイズ成分も増幅されるため、制御が不安定になり易い。ノイズ成分を減少させるために、ローパスフィルタを介してセンサの検出信号を入力する構成も採用されているが、この場合には、ローパスフィルタによる検出信号の遅延によって、制御の安定性が低下するという不都合がある。
本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、応答性及び安定性を向上させて、試験条件のフィードバック制御を行うことができる材料試験機、及び材料試験機の制御方法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】

【0005】

第１の発明は、試験対象に負荷を付与する負荷機構と、前記負荷に応じて前記試験対象又は前記負荷機構に生じる物理量の変化である第１モニタ量を測定する第１モニタ量測定部と、試験の目標となる物理量である第２モニタ量を測定する第２モニタ量測定部と、前記第１モニタ量測定部により測定された前記第１モニタ量を、前記試験対象又は前記負荷機構における前記第１モニタ量と前記第２モニタ量との相関を示す相関条件に従って、前記第２モニタ量の測定値として扱う第２モニタ量推定値に変換するモニタ量変換部と、前記第２モニタ量推定値に基づいて、前記試験対象における実際の前記第２モニタ量と、試験条件に応じた目標第２モニタ量との偏差を減少させるための前記負荷機構に対する操作量を決定して、前記試験対象の材料試験を実行する材料試験制御部とを備える。

【0006】

第２の発明は、第１の発明において、前記材料試験制御部は、前記第２モニタ量測定部による測定値と前記目標第２モニタ量との偏差の積分値、及び前記第２モニタ量推定値に基づいて、前記操作量を決定する。

【0007】

第３の発明は、第２の発明において、前記第１モニタ量測定部は、前記第１モニタ量として前記試験対象に加えられた前記負荷機構の移動量を測定し、前記第２モニタ量測定部は、前記第２モニタ量として前記負荷により前記試験対象に付与されている試験力を測定し、前記相関条件は、前記試験対象に加えられた前記負荷機構の移動量に対する前記試験力の増減量である制御剛性であり、前記モニタ量変換部は、前記第１モニタ量測定部による測定値に前記制御剛性を乗じることによって、前記第１モニタ量測定部により測定された前記負荷機構の移動量を、前記試験対象に付与されている前記試験力の推定値として扱う前記第２モニタ量推定値に変換する。

【0008】

第４の発明は、第３の発明において、前記材料試験の実行中に、所定期間における前記第１モニタ量測定部による測定値と前記第２モニタ量測定部による測定値との相関に基づいて、前記制御剛性を算出する制御剛性算出部を備える。

【0009】

第５の発明は、第３の発明又は第４の発明において、前記負荷機構は、前記試験対象をつかむ一対のつかみ具と、前記一対のつかみ具の一方と接続されて、前記一対のつかみ具の間隔が変更される方向にボールねじの回転によりスライドするヘッド部を有し、前記第１モニタ量測定部は、前記ボールねじに取り付けられて前記ボールねじが所定角度回転する毎に１つのパルスを出力するエンコーダと、前記エンコーダから出力される前記パルスをカウントするカウンタとを有し、前記カウンタのカウント値に基づいて前記負荷機構の移動量を測定する。

【0010】

第６の発明は、試験対象に負荷を付与する負荷機構と、前記負荷に応じて前記試験対象又は前記負荷機構に生じる物理量の変化である第１モニタ量を測定する第１モニタ量測定部と、試験の目標となる物理量である第２モニタ量を測定する第２モニタ量測定部と、制御装置とを備えた材料試験機により実行される材料試験機の制御方法であって、前記制御装置が、前記第１モニタ量測定部により測定された前記第１モニタ量を、前記試験対象又は前記負荷機構における前記第１モニタ量と前記第２モニタ量との相関を示す相関条件に従って、前記第２モニタ量の測定値として扱う第２モニタ量推定値に変換するモニタ量変換ステップと、前記制御装置が、前記第２モニタ量推定値に基づいて、前記試験対象における実際の前記第２モニタ量と、所定の目標第２モニタ量との偏差を減少させるための前記負荷機構に対する操作量を決定して、前記試験対象の材料試験を実行する材料試験制御ステップとを含む。
なお、この明細書には、２０１８年１２月１３日に出願された日本国特許出願・特願２０１８－２３３１８６号の全ての内容が含まれるものとする。

【発明の効果】

【0011】

第１の発明によれば、モニタ量変換部により、第１モニタ量測定部により測定された第１モニタ量が、試験対象における第１モニタ量と第２モニタ量との相関を示す相関条件に従って、第２モニタ量の測定値として扱う第２モニタ量推定値に変換される。そして、材料試験制御部により、第２モニタ量推定値に基づいて、試験対象における実際の第２モニタ量と、試験条件に応じた目標第２モニタ量との偏差を減少させるための負荷機構に対する操作量が決定される。この場合、ノイズの影響を抑えて第２モニタ量を測定することが困難であるときに、耐ノイズ性が高い第１モニタ量測定部による測定値を用いることにより、ノイズの影響を抑制して第２モニタ量のフィードバック制御を行うことができる。これにより、応答性及び安定性を向上させて、試験条件である第２モニタ量のフィードバック制御を行うことができる。
第２の発明によれば、第２モニタ量測定部による測定値と目標第２モニタ量との偏差に基づいて、負荷機構の操作量を決定することにより、モニタ量変換部により第１モニタ量の測定値を第２モニタ量推定値に変換する際の誤差の影響を低減して、フィードバック制御の精度を高めることができる。
第３の発明によれば、モニタ量変換部により、第１モニタ量測定部により測定された負荷機構の移動量である第１モニタ量が、試験対象又は負荷機構の制御剛性を乗じることによって、第２モニタ量の測定値として扱われる第２モニタ量推定値に変換される。そして、材料試験制御部により、第２モニタ量推定値に基づいて負荷機構の操作量を決定することにより、試験対象に付与される試験力のフィードバック制御を行うことができる。
第４の発明によれば、制御剛性算出部により、材料試験の実行中に、所定期間における第１モニタ量測定部による測定値と第２モニタ量による測定値との相関に基づいて、試験対象の制御剛性が算出される。これにより、材料試験の実行中に試験対象の制御剛性が変化する場合に、第２モニタ量推定値の変換誤差を減少させることができる。
第５の発明によれば、試験対象をつかんでいるつかみ具に接続されたヘッド部をスライドさせるボールねじに取り付けられたエンコーダを用いて、負荷機構の移動量が測定される。これにより、ボールねじを駆動するモータ等の駆動源からボールねじまでの伝達機構におけるガタやバックラッシュの影響を排除して、負荷機構の移動量を精度良く測定することができる。
第６の発明によれば、第６の発明の方法を材料試験機で実施することにより、第１の発明と同様の効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、本発明の実施形態に係る材料試験機の構成を模式的に示す図である。

【図2】図２は、制御系のブロック線図である。

【図3】図３は、試験力のフィードバック制御のフローチャートである。

【図4】図４は、従来の材料試験機により引張り試験を行った際の測定グラフである。

【図5】図５は、本実施形態の材料試験機により引張り試験を行った際の測定グラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

［１．材料試験機の構成］
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る材料試験機１の構成を模式的に示す図である。
本実施形態の材料試験機１は、いわゆる引張試験機であり、引張りやせん断などの外力に対する耐久性などを決定する材料固有の機械的性質を試験する試験機である。

【0014】

材料試験機１は、試験対象の材料である試験片ＴＰに負荷としての試験力を付与して引張試験を行う試験機本体２と、試験機本体２による引張試験動作を制御する制御装置１０とを備えている。図１には、後述する試験片ＴＰの歪みを測定する際に使用する伸び計９０を示している。伸び計９０は、試験片ＴＰの把持と解放を使用者の手作業に依らずに行う自動伸び計であり、試験片ＴＰを把持して、試験片ＴＰと共に変位する上アーム９２及び下アーム９３と、上アーム９２及び下アーム９３の変位を検出する歪みゲージ９１とを備えている。

【0015】

［２．試験機本体の構成］
試験機本体２は、テーブル３０と、テーブル３０上に鉛直方向を向く状態で回転可能に立設された一対のねじ棹３１、３２と、これらのねじ棹３１、３２に沿って移動可能なクロスヘッド３３と、このクロスヘッド３３を移動させて試験片ＴＰに負荷を与える負荷機構４０と、ロードセル３６とを備えている。ロードセル３６は、試験片ＴＰに実際に作用している引張荷重である試験力を測定し、測定された試験力を示す試験力測定信号Ａ１を制御装置１０に出力するセンサである。試験力は本発明の第２モニタ量に相当し、ロードセル３６は本発明の第２モニタ量測定部に相当する。なお、ねじ棹を１本とする構成としてもよい。

【0016】

一対のねじ棹３１、３２はボールねじから成り、クロスヘッド３３は、各ねじ棹３１、３２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。負荷機構４０は、各ねじ棹３１、３２の下端部に連結されるウォーム減速機４１、４２と、各ウォーム減速機４１、４２に連結されるサーボモータ４３とを備えている。また、ねじ棹３２にはエンコーダ４５が装着されており、エンコーダ４５は、ねじ棹３２が所定角度回転する毎に１つのパルスを出力する位置測定信号Ａ２を生成する。

【0017】

負荷機構４０は、ウォーム減速機４１、４２を介して、一対のねじ棹３１、３２にサーボモータ４３の回転を伝達し、各ねじ棹３１、３２が同期して回転することにより、クロスヘッド３３がねじ棹３１、３２に沿って昇降する。

【0018】

クロスヘッド３３には、試験片ＴＰの上端部を把持するための上つかみ具３４が付設され、テーブル３０には、試験片ＴＰの下端部を把持するための下つかみ具３５が付設されている。試験機本体２は、引張試験の際、試験片ＴＰの上端部を上つかみ具３４で把持すると共に、試験片ＴＰの下端部を下つかみ具３５で把持した状態で、制御装置１０による制御により、クロスヘッド３３を上昇させることによって、試験片ＴＰに試験力を付与する。上つかみ具３４の上下のスライドに応じて、上つかみ具３４と下つかみ具３５との間隔が変更される。上つかみ具３４及び下つかみ具３５は本発明の一対のつかみ具に相当し、クロスヘッド３３は、つかみ具が接続された本発明のヘッド部に相当する。

【0019】

［３．制御装置の構成］
制御装置１０は試験機本体２の作動の制御と試験状況の測定を行う。制御装置１０には、外部制御装置であるＰＣ（Personal Computer）１００が接続され、ＰＣ１００は、制御装置１０との間で通信を行って、引張試験の試験条件の設定、引張試験の開始の指示、引張試験の進行状況の監視、及び測定データの表示と解析等を行う。

【0020】

制御装置１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２０、メモリ１１、図示しないインターフェース回路等により構成された電子回路ユニットである。制御装置１０は、ロードセル３６から出力される試験力測定信号Ａ１を増幅するセンサアンプ１２と、エンコーダ４５から出力される位置測定信号Ａ２のパルス数をカウントするカウンタ１３と、サーボモータ４３に駆動電流を供給するサーボアンプ１４とを備えている。

【0021】

エンコーダ４５とカウンタ１３とにより、試験片ＴＰの伸び量を測定する変位量測定部１６が構成される。伸び量は本発明の第１モニタ量に相当し、変位量測定部１６は本発明の第１モニタ量測定部に相当する。サーボアンプ１４は、ＣＰＵ２０から入力される電流指示Ｉｃに対応した駆動電圧を生成して、サーボモータ４３に出力する。

【0022】

制御装置１０は、メモリ１１に保存された材料試験機１の制御プログラムを、ＣＰＵ２０により実行することによって、制御剛性算出部２１、伸び量測定部２２、モニタ量変換部２３、及び材料試験制御部２４として機能する。制御剛性算出部２１は、引張試験の実行中に、ロードセル３６により測定される試験力と、変位量測定部１６により測定される変位量とに基づいて、変位量（上つかみ具３４の移動量）に対する試験力の増減量である制御剛性を算出する。制御剛性は、本発明の相関条件に相当する。変位量測定部１６と伸び量測定部２２とにより、本発明の第１モニタ量測定部が構成される。

【0023】

伸び量測定部２２は、変位量測定部１６により測定された変位量から、材料試験開始時の変位量を減じて、試験片ＴＰの伸び量を算出する。伸び量は、本発明の移動量及び第１モニタ量に相当する。モニタ量変換部２３は、伸び量測定部２２により算出された試験片ＴＰの伸び量に、制御剛性算出部２１により算出された制御剛性を乗じて、伸び量を試験片ＴＰに付与されている試験力の測定値として扱う試験力推定値に変換する。試験力推定値は、本発明の第２モニタ量推定値に相当する。材料試験制御部２４は、試験片ＴＰに対する引張試験の処理を実行する。モニタ量変換部２３により実行される処理は、本発明の材料試験機の制御方法におけるモニタ量変換ステップに相当する。材料試験制御部２４により実行される処理は、本発明の材料試験機の制御方法における材料試験制御ステップに相当する。

【0024】

制御装置１０は、ＰＣ１００から送信される試験条件命令ＴＣｄ、試験開始命令ＴＳｃ等を受信する。材料試験制御部２４は、試験開始命令ＴＳｃが受信された時に、試験条件命令ＴＣｄにより指示された試験条件に従って引張試験を実行する。試験条件命令ＴＣｄにより、原点調整、試験力、引張速度等の試験条件が指示される。

【0025】

材料試験制御部２４は、引張試験の実行中に、センサアンプ１２により増幅された試験力測定信号Ａ１に基づいて、試験片ＴＰに付与されている試験力の測定値（以下、測定試験力Ｆｓと記す）を認識する。また、材料試験制御部２４は、変位量測定部１６により測定された試験片ＴＰの変位量に基づいて、引張試験開始時からの試験片ＴＰの上方向の変位量（伸び量、以下測定伸び量ΔＰｓと記す）を認識する。そして、材料試験制御部２４は、測定試験力Ｆｓと測定伸び量ΔＰｓを含む測定データＭｄを、ＰＣ１００に送信する。

【0026】

ＰＣ１００は、使用者Ｐの操作により設定される引張試験の試験条件を取得して、試験条件命令ＴＣｄを制御装置１０に送信する。また、ＰＣ１００は、使用者Ｐの操作により指示される引張試験の開始を受け付けて、試験開始命令ＴＳｃを制御装置１０に送信する。さらに、ＰＣ１００は、制御装置１０から送信される測定データＭｄを受信して測定試験力Ｆｓと測定伸び量ΔＰｓを示すモニタ画面を表示する。

【0027】

［４．制御系の構成］
図２を参照して、試験片ＴＰに付与される試験力をフィードバック制御する構成について説明する。図２は本実施形態における試験力の制御系のブロック線図であり、材料試験制御部２４は、図２に示したブロック線図によるＩ－ＰＤ制御（比例微分先行型ＰＩＤ制御）を行って、サーボモータ４３に対する操作量ｕ（ｔ）を決定する。材料試験制御部２４は、予め設定された制御周期毎に操作量ｕ（ｔ）を更新する。図２におけるｔは、制御周期の実行タイミングを示している。

【0028】

図２のブロック線図は、各制御周期における目標試験力Ｆｃ（ｔ）から測定試験力Ｆｓ（ｔ）を減じた偏差ｅ_r（ｔ）についての処理を行う第１処理ブロック５０含む。また、図２のブロック線図は、各制御周期における試験片ＴＰの測定変位量Ｐｓ（ｔ）から、引張試験開始時の試験片ＴＰの測定変位量Ｐｓ（ｔ₀）を減じた測定伸び量ΔＰｓ（ｔ）（＝Ｐｓ（ｔ）－Ｐｓ（ｔ₀））についての処理を行う第２処理ブロック６０を含む。さらに、図２のブロック線図は、第１処理ブロック５０による第１処理値Ｃ１に操作量初期値ｕ₀を加算して、第２処理ブロック６０による第２処理値Ｃ２を減じて、制御対象であるサーボモータ４３の操作量ｕ（ｔ）を算出する加減算器７０を含む。目標試験力Ｆｃ（ｔ）は、本発明の目標第２モニタ量に相当する。

【0029】

第１処理ブロック５０においては、第１減算器５１により、目標試験力Ｆｃ（ｔ）から測定試験力Ｆｓ（ｔ）を減じて偏差ｅ_r（ｔ）が算出される。そして、偏差ｅ_r（ｔ）が第１比例器５２、積分器５３、及び第１微分器５４に入力され、第１比例器５２及び第１微分器５４の出力と、積分器５３の出力（積分値）とが、第１加算器５５により加算されて、第１処理値Ｃ１が算出される。

【0030】

第２処理ブロック６０においては、モニタ量変換器６１により、測定伸び量ΔＰｓ（ｔ）が、推定試験力Ｆｅ（ｔ）に変換される。そして、推定試験力Ｆｅ（ｔ）が第２比例器６２及び第２微分器６３に入力され、第２比例器６２と第２微分器６３の出力が、第２加算器６４により加算されて、第２処理値Ｃ２が算出される。図２のブロック線図による伝達関数は、以下の式（１）で表される。

【数1】

但し、ｕ（ｔ）：操作量、ｅ_r（ｔ）：目標試験力Ｆｃ（ｔ）から測定試験力Ｆｓ（ｔ）を減じた偏差、Ｋ_P1：第１比例器５２の比例ゲイン、Ｔ_I：積分器の積分ゲイン、Ｔ_D1：第１微分器５４の微分ゲイン、ΔＰｓ（ｔ）：測定伸び量、Ｓｔｉｆｆ：試験片ＴＰの制御剛性、Ｋ_P2：第２比例器６２の比例ゲイン、Ｔ_D2：第２微分器６３の微分ゲイン、ｕ₀：操作量の初期値。

【0031】

［５．操作量の決定処理］
図３に示したフローチャートに従って、引張試験の実験条件として、試験片ＴＰに付与される試験力の目標値が設定された場合に実行される試験力のフィードバック制御について説明する。制御装置１０は、引張試験の実行中に、図３に示したフローチャートによる処理を所定の制御周期毎に実行して、試験片ＴＰに付与される試験力をフィードバック制御する。

【0032】

図３のステップＳ１で、制御剛性算出部２１は、ロードセル３６から出力される試験力測定信号Ａ１により、試験片ＴＰに付与されている試験力（測定試験力Ｆｓ（ｔ））を測定する。続くステップＳ２で、制御剛性算出部２１は、変位量測定部１６のカウンタ１３のカウント値に基づいて、試験片ＴＰの変位量（測定変位量Ｐｓ（ｔ））を測定する。次のステップＳ３で、制御剛性算出部２１は、以下の式（２）により、試験片ＴＰの制御剛性Ｓｔｉｆｆ（ｔ）を算出する。

【数2】

但し、Ｓｔｉｆｆ：試験片ＴＰの制御剛性、ｔ～ｔ－１：試験力及び変位量の変化分の測定期間、本発明の所定期間に相当する。

【0033】

上記式（２）では、前回の制御周期における測定値と今回の制御周期における測定値の変化量に基づいて、今回の制御周期で使用する制御剛性Ｓｔｉｆｆ（ｔ）を算出した。他の構成として、直近の複数の制御周期における測定値の変化量に基づいて、今回の制御周期で使用する制御剛性Ｓｔｉｆｆ（ｔ）を算出してもよい。或いは、直近の複数の各制御周期で測定値の変化量に基づいて算出した制御剛性の平均値を、今回の制御周期で使用する制御剛性Ｓｔｉｆｆ（ｔ）としてもよい。

【0034】

また、材料試験実行中の試験片ＴＰの制御剛性の変化が許容可能な範囲である場合は、制御剛性を一定値に設定してもよい。或いは、材料試験実行中の試験片ＴＰの制御剛性の変化が試験片ＴＰの特性等に基づいて想定可能であるときには、予め設定された制御剛性の変化パターンに基づいて、今回の制御周期における制御剛性Ｓｔｉｆｆ（ｔ）を設定してもよい。

【0035】

次のステップＳ４で、伸び量測定部２２は、ステップＳ２で測定された今回の制御周期における測定変位量Ｐｓ（ｔ）から、引張試験開始時の測定変位量Ｐｓ（ｔ₀）を減じて、測定伸び量ΔＰｓ（ｔ）を算出する。続くステップＳ５～Ｓ８は、材料試験制御部２４による処理である。ステップＳ５で、材料試験制御部２４は、試験条件で設定された目標試験力Ｆｃ（ｔ）を取得する。目標試験力Ｆｃ（ｔ）は、例えば、試験片ＴＰの引張速度が一定となるように、試験力を定速増加させるパターンにより設定される。

【0036】

次のステップＳ６で、材料試験制御部２４は、目標試験力Ｆｃ（ｔ）から測定試験力Ｆｓ（ｔ）を減じて、偏差ｅr（ｔ）を算出する。そして、ステップＳ７で、材料試験制御部２４は、上記式（１）の伝達関数に、偏差ｅr（ｔ）及び測定伸び量ΔＰｓ（ｔ）を代入して、今回の制御周期における操作量ｕ（ｔ）を算出する。上記式（１）の第４項は、モニタ量変換部２３により、測定伸び量ΔＰｓ（ｔ）に制御剛性Ｓｔｉｆｆ（ｔ）を乗じて、測定伸び量ΔＰｓ（ｔ）を推定試験力Ｆｅ（ｔ）に変換する処理を含む。

【0037】

続くステップＳ８で、材料試験制御部２４は、操作量ｕ（ｔ）に対応した電流指示Ｉｃをサーボアンプ１４に出力する。これにより、試験片ＴＰに付与される試験力と目標試験力Ｆｃ（ｔ）との偏差を減少させるように、サーボモータ４３の出力トルクが調整されて、試験力がフィードバック制御される。

【0038】

［６．本発明による効果の立証］
図４及び図５に示した引張試験の測定グラフにより、本発明を材料試験機に適用して引張試験を実行した場合の効果について説明する。図４及び図５は、図１に示したように、試験片ＴＰに伸び計９０を取り付けて、引張試験実行時の試験片ＴＰの歪み（伸び量に相当する）を歪みゲージ９１により測定した試験データを示している。試験条件として、歪み増加率（引張り速度）を一定の０．０２５（％／ｓｅｃ）にすることが設定されており、この試験条件に応じて、試験力を定速増加させる態様の目標試験力Ｆｃ（ｔ）が設定される。

【0039】

図４及び図５は、横軸を試験片ＴＰの歪み（％）に設定し、左縦軸を歪み増加率（％／ｓｅｃ）に設定し、右縦軸を応力（Ｎ／ｍｍ²）（試験片に付与されている試験力に相当）に設定して、歪みの増加に応じた歪み増加率及び応力の変化を示している。

【0040】

図４は、従来の材料試験機で行われているように、ロードセル３６により測定された測定試験力Ｆｓ（ｔ）と目標試験力Ｆｃ（ｔ）との偏差ｅrp（＝Ｆｃ（ｔ）－Ｆｓ（ｔ））を減少させるように、ＰＩＤ制御により、試験力をフィードバック制御した場合の試験結果を示している。この場合は、ロードセル３６から出力される試験力測定信号Ａ１に重畳するノイズの影響が大きくなる。図４では、応力をＦｍ１で示し、歪み増加率をＰｍ１で示しており、Ｒ１は試験片ＴＰが破断したタイミングを示している。図４では、Ｅで示したように、歪み増加率の目標値である０．０２５（％／ｓｅｃ）に対して、伸び計９０により測定された歪み増加率の変動幅が±１０％以上となっている。

【0041】

それに対して、図５は、上述した本実施形態の構成により、変位量測定部１６により測定された試験片ＴＰの変位量に基づく測定伸び量ΔＰｓ（ｔ）を変換した推定試験力Ｆｅ（ｔ）を用いて、試験力をフィードバック制御した場合の試験結果を示している。図５では、応力をＦｍ２で示し、歪み増加率をＰｍ２で示し、試験片ＴＰが破断したタイミングをＲ２で示している。図５では、歪み増加率の目標値である０．０２５（％／ｓｅｃ）に対して、伸び計９０の測定値による歪み増加率の変動幅が±２％程度に収まっており、試験力のフィードバック制御の精度が向上していることが検証された。

【0042】

［７．他の実施形態］
上記実施形態では、図２に示したブロック線図に示したように、目標試験力Ｆｃ（ｔ）から測定試験力Ｆｓ（ｔ）を減じた偏差ｅ_r（ｔ）を、第１比例器５２、積分器５３、及び第１微分器５４に入力した。他の構成として、第１比例器５２と第１微分器５４の両方又は一方を省略した構成としてもよい。

【0043】

上記実施形態では、図２に示したブロック線図に示したように、Ｉ－ＰＤ制御により、試験力のフィードバック制御を行った。他の構成として、一般的なＰＤ制御或いはＰＩＤ制御により、試験力のフィードバック制御を行ってもよい。この場合は、目標試験力Ｆｃ（ｔ）から推定試験力Ｆｅ（ｔ）を減じた偏差を、第２比例器６２及び第２微分器６３に入力する構成となる。また、制御剛性Ｓｔｉｆｆの算出誤差が問題にならない場合は、目標試験力Ｆｃ（ｔ）と測定試験力Ｆｓ（ｔ）との偏差ｅ_r（ｔ）についての第１処理ブロック５０を省略した構成としてもよい。

【0044】

上記実施形態では、試験片ＴＰの伸び量を本発明の第１モニタ量とし、試験片ＴＰに付与される試験力を本発明の第２モニタ量として、試験力をフィードバック制御する例を示した。第１モニタ量と第２モニタ量の組み合わせはこれに限られず、第２モニタ量の測定に使用される測定器から出力される測定信号に重畳するノイズの影響が問題になり、第１モニタ量の測定器の耐ノイズ性が第２モニタ量の測定器よりも高ければ、本発明の効果を得ることができる。例えば、第２モニタ量は、トルク、圧力、変位等であってもよい。ノイズが重畳し易い測定器としては、ロードセル等の力センサの他に、微小変位を測定する歪みゲージ式のクリップゲージ等が挙げられる。

【0045】

上記実施形態では、ねじ棹３２に取り付けられたエンコーダ４５により、試験片ＴＰの変位量を測定したが、変位センサ、測長センサ、リニアゲージ、ポテンショメータ等により変位量を測定してもよい。また、サーボモータ４３に取付けられたエンコーダ、リニアスケール（リニアエンコーダ）等を用いて、変位量を測定してもよい。リニアスケールとしては、透過形光電式スケール、反射形光電式スケール、レーザホロスケール、電磁誘導式スケール等を用いることができる。

【0046】

上記実施形態では、負荷機構４０の駆動源としてサーボモータ４３を用いたが、油圧源等の他の駆動源を用いてもよい。この場合は、図２のブロック線図における操作対象の近似式負荷機構の仕様に合わせて設定する。

【0047】

上述実施形態において、図１に示した機能ブロックは、本願発明を理解容易にするために構成要素を主な処理内容に応じて分類して示した概略図であり、処理内容に応じて、さらに多くの構成要素に分類することもできる。また、１つの構成要素がさらに多くの処理を実行するように分類することもできる。

【0048】

上記実施形態では、本発明の材料試験機として、引張試験を行う材料試験機１を示したが、本発明は、試験対象に試験力を付与して、試験対象の物理量の変化を測定する材料試験機に対して広く適用することができる。例えば、圧縮試験、曲げ試験、引き剥がし試験等を行う材料試験機に対して、本発明を適用することができる。

【0049】

上記実施形態では、変位量測定部１６と伸び量測定部２２とにより第１モニタ量測定部を構成し、第１モニタ量として、上つかみ具３４の変位量を測定した。他の構成として、２つ以上の物理量を第１モニタ量として測定するようにしてもよい。

【符号の説明】

【0050】

１ 材料試験機
２ 試験機本体
１０ 制御装置
１６ 変位量測定部
２０ ＣＰＵ
２１ 制御剛性算出部
２２ 伸び量測定部
２３ モニタ量変換部
２４ 材料試験制御部
３６ ロードセル
４０ 負荷機構
４３ サーボモータ
４５ エンコーダ
９０ 伸び計
１００ ＰＣ
ＴＰ 試験片

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】