特許 7140033 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】2022-09-12

(45)【発行日】2022-09-21

(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 3/08 20060101AFI20220913BHJP

   G05B 11/36 20060101ALI20220913BHJP

【ＦＩ】

G01N3/08

G05B11/36 Z

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2019070255

(22)【出願日】2019-04-01

(65)【公開番号】P2020169842

(43)【公開日】2020-10-15

【審査請求日】2021-08-26

(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】弁理士法人クシブチ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 景視

(72)【発明者】

【氏名】松浦 融

【審査官】外川 敬之

(56)【参考文献】

【文献】特開平０２－０５０２０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－０９４９６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１８１４５２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ３／００ － ３／６２

Ｇ０１Ｍ １３／００ － １３／０４５

Ｇ０１Ｍ ９９／００

Ｇ０５Ｂ １／００ － ７／０４

Ｇ０５Ｂ １１／００ － １３／０４

Ｇ０５Ｂ １７／００ － １７／０２

Ｇ０５Ｂ ２１／００ － ２１／０２

(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、
前記負荷により前記試験対象に生じる物理量、又は前記負荷機構に生じる物理量を測定する測定器と、
前記測定器の出力する測定値と、前記物理量の目標値との偏差に基づいて前記負荷機構を制御し、前記測定値を予め設定された設定値に到達させるフィードバック制御を実行する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記フィードバック制御において、前記物理量の目標値が、前記設定値に、前記フィードバック制御の制御遅延に対応した前記測定値の増加分を加算した加算値以上になった場合に、前記物理量の目標値を前記設定値に固定する、ことを特徴とする材料試験機。

【請求項2】

前記測定器は、前記試験対象の変位量を前記物理量として測定する第１測定器と、前記負荷機構に発生する負荷を前記物理量として測定する第２測定器と、を含み、
前記制御部は、前記測定値である前記変位量の増加分を、前記制御遅延の遅延時間と、前記変位量の単位時間当たりの変化量である速度との積により算出し、
前記遅延時間を、遅延時間により生じる前記負荷の偏差を、前記負荷の単位時間当たりの変化量である速度で除算して算出する、ことを特徴とする請求項１記載の材料試験機。

【請求項3】

操作を受け付ける受付部を備え、
前記制御部は、前記受付部により受け付けた前記操作により前記フィードバック制御として第１フィードバック制御と、第２フィードバック制御とを切り替えて実行し、
前記第１フィードバック制御は、前記物理量の目標値が、前記加算値に一致するように前記負荷機構を制御する制御であり、
前記第２フィードバック制御は、前記物理量の目標値が、前記設定値に一致するように前記負荷機構を制御する制御である、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の材料試験機。

【請求項4】

操作を受け付ける受付部を備え、
前記制御部は、前記受付部により受け付けた前記操作により前記フィードバック制御として第１フィードバック制御と、第３フィードバック制御とを切り替えて実行し、
前記第１フィードバック制御は、前記物理量の目標値が、前記加算値に一致するように前記負荷機構を制御する制御であり、
前記第３フィードバック制御は、前記測定値が、前記設定値に一致するように前記負荷機構を制御する制御である、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の材料試験機。

【請求項5】

操作を受け付ける受付部を備え、
前記制御部は、前記受付部により受け付けた前記操作により前記フィードバック制御として第１フィードバック制御と、第２フィードバック制御と、第３フィードバック制御とを切り替えて実行し、
前記第１フィードバック制御は、前記物理量の目標値が、前記加算値に一致するように前記負荷機構を制御する制御であり、
前記第２フィードバック制御は、前記物理量の目標値が、前記設定値に一致するように前記負荷機構を制御する制御であり、
前記第３フィードバック制御は、前記測定値が、前記設定値に一致するように前記負荷機構を制御する制御である、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の材料試験機。

【請求項6】

負荷機構により試験対象に負荷を付与する材料試験機の制御方法であって、
前記負荷により前記試験対象に生じる物理量、又は前記負荷機構に生じる物理量を測定器に測定させるステップと、
前記測定器により測定された測定値と、前記物理量の目標値との偏差に基づいて前記負荷機構を制御し、前記測定値を予め設定された設定値に到達させるフィードバック制御を実行する制御ステップと、を有し、
前記制御ステップは、前記フィードバック制御において、前記物理量の目標値が、前記設定値に、前記フィードバック制御の制御遅延に対応した前記測定値の増加分を加算した加算値以上になった場合に、前記物理量の目標値を前記設定値に固定する、ことを特徴とする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、材料試験機の材料試験においては、試験対象に負荷を付与する負荷機構の駆動対象に指示を与え制御対象とする計測値をフィードバックする制御が行われている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、クロスヘッドを移動させて試験片に試験力を付与する負荷機構をフィードバック制御する材料試験機を開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００５－３３７８１２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１記載のような材料試験機では、試験対象に対して、試験力を予め設定された目標値まで一定の速度で増加させたのち、試験力を目標値で保持する試験条件で試験を行なう場合がある。このような試験では、試験対象に付与される試験力をロードセル等のセンサにより測定して、測定された測定値に基づいて制御の切り替えを行なっている。しかしながら、フィードバック制御を他のフィードバック制御に切り替える場合、測定値が、目標値に到達してから制御の切り替えを行なうと、オーバーシュートが発生してしまう場合がある。

【0005】

本発明は、オーバーシュートの発生を抑制し、負荷機構を精度良くフィードバック制御できる材料試験機、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】

【0006】

本発明の第１の態様は、試験対象に負荷を付与する負荷機構と、前記負荷により前記試験対象に生じる物理量、又は前記負荷機構に生じる物理量を測定する測定器と、前記測定器の出力する測定値と、前記物理量の目標値との偏差に基づいて前記負荷機構を制御し、前記測定値を予め設定された設定値に到達させるフィードバック制御を実行する制御部と、を備え、前記制御部は、前記フィードバック制御において、前記物理量の目標値が、前記設定値に、前記フィードバック制御の制御遅延に対応した前記測定値の増加分を加算した加算値以上になった場合に、前記物理量の目標値を前記設定値に固定する材料試験機に関する。

【0007】

本発明の第２の態様は、負荷機構により試験対象に負荷を付与する材料試験機の制御方法であって、前記負荷により前記試験対象に生じる物理量、又は前記負荷機構に生じる物理量を測定器に測定させるステップと、前記測定器により測定された測定値と、前記物理量の目標値との偏差に基づいて前記負荷機構を制御し、前記測定値を予め設定された設定値に到達させるフィードバック制御を実行する制御ステップと、を有し、前記制御ステップは、前記フィードバック制御において、前記物理量の目標値が、前記設定値に、前記フィードバック制御の制御遅延に対応した前記測定値の増加分を加算した加算値以上になった場合に、前記物理量の目標値を前記設定値に固定する材料試験機の制御方法に関する。

【発明の効果】

【0008】

本発明の第１の態様によれば、物理量の目標値が、設定値に、フィードバック制御の制御遅延に対応した測定値の増加分を加算した加算値以上になった場合に、物理量の目標値が設定値に固定される。このため、測定値が設定値を超える前に、物理量の目標値が設定値に固定して試験対象に付与される負荷が、設定値よりも大きくならないように抑制することができる。このため、オーバーシュートの発生を抑制し、負荷機構を制度よくフィードバック制御できる。

【0009】

本発明の第２の態様によれば、本発明の第１の態様と同様の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本実施形態の材料試験機の構成を模式的に示す図である。

【図2】ロードセルの測定データと、制御目標値との時間推移を示す図である。

【図3】ロードセルの測定データと、制御目標値との時間推移を示す図である。

【図4】ロードセルの測定データと、制御目標値との時間推移を示す図である。

【図5】材料試験機の試験動作を示すフローチャートである。

【図6】材料試験機の試験動作を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

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、本実施形態の材料試験機１の構成を模式的に示す図である。
材料試験機１は、試験対象である試験片ＴＰに試験力Ｆを付与する試験機本体２と、試験機本体２の作動を制御する制御装置１００とを備える。試験力Ｆとは、試験機本体２により試験片ＴＰに付与される引張荷重や圧縮荷重等の負荷を意味する。本実施形態の材料試験機１は、材料試験として圧縮試験を実行する場合を例にして説明する。

【0012】

試験機本体２は、テーブル６と、このテーブル６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ネジ棹８、９と、これらのネジ棹８、９に沿って移動可能なクロスヘッド１０と、クロスヘッド１０を移動させて試験片ＴＰに試験力Ｆを付与する負荷機構１２とを備える。

【0013】

一対のネジ棹８、９は、ボールネジから成り、クロスヘッド１０は、各ネジ棹８、９に対して図示を省略したナットを介して連結される。負荷機構１２は、各ネジ棹８、９の下端部に連結されるウォーム減速機１６、１７と、各ウォーム減速機１６、１７に連結されるサーボモータ１８とを備える。負荷機構１２は、ウォーム減速機１６、１７を介して、一対のネジ棹８、９にサーボモータ１８の回転を伝達し、ネジ棹８、９が同期して回転することにより、クロスヘッド１０がネジ棹８、９に沿って昇降する。

【0014】

また、負荷機構１２は、ロータリエンコーダ２０を備える。ロータリエンコーダ２０は、サーボモータ１８の回転に対応してパルス信号Ａ１を出力する。パルス信号Ａ１は制御装置１００に入力される。

【0015】

クロスヘッド１０には、固定具２１Ａを介して圧盤２１が付設され、テーブル６には、固定具２２Ａを介して支持台２２が付設される。試験機本体２は、圧縮試験において試験片ＴＰを圧縮する場合、制御装置１００の制御により、支持台２２に載置された試験片ＴＰに対してクロスヘッド１０を下降させ、圧盤２１と支持台２２とにより試験片ＴＰに試験力Ｆを付与する。

【0016】

材料試験機１は、圧盤２１及び支持台２２に代えて、試験片ＴＰの上端部を把持する上つかみ具と下端部を把持する下つかみ具とを備え、これらつかみ具により試験片ＴＰを把持した状態で、試験片ＴＰに圧縮試験の試験力Ｆを与える構成でもよい。

【0017】

また、試験機本体２は、物理量を測定する複数の検出器を備える。本実施形態の試験機本体２は、試験片ＴＰに付与される試験力Ｆを測定するロードセル１４と、試験片ＴＰの縮みに相当する変位を測定する変位計３０とを検出器として備える。変位計３０は、本発明の「第１測定器」に対応し、ロードセル１４は、本発明の「第２測定器」に対応する。また、変位計３０が測定する試験片ＴＰの変位量は、本発明の「試験対象に生じる物理量」に対応する。また、ロードセル１４が測定する試験力Ｆは、本発明の「負荷機構に発生する負荷」に対応する。

【0018】

ロードセル１４は、試験片ＴＰに付与される試験力Ｆを測定する。ロードセル１４は、測定した試験力Ｆを示す測定信号Ａ２を制御装置１００に出力する。
変位計３０は、試験片ＴＰを把持し、試験片ＴＰと共に変位する上アーム３１及び下アーム３３と、上アーム３１及び下アーム３３の変位を検出する歪みゲージ３５とを備える。変位計３０は、試験片ＴＰにおける標点間の距離の変位を測定する。変位計３０は、例えば、ひずみ計測が可能な伸び計である。変位計３０は、測定した距離の変位量を示す測定信号Ａ３を出力する。変位計３０が出力した測定信号Ａ３は、制御装置１００に入力される。

【0019】

次に、制御装置１００について説明する。制御装置１００は、試験機本体２を制御する装置であり、試験機本体２との間で信号を送受信可能に接続される。試験機本体２から入力される信号には、ロータリエンコーダ２０から出力されるパルス信号Ａ１や、ロードセル１４から出力される測定信号Ａ２、変位計３０から出力される測定信号Ａ３等が含まれる。

【0020】

制御装置１００は、ロードアンプ１１１、ローパスフィルタ１１２、Ａ／Ｄ（Analog-to-digital）変換器１１３、ストレインアンプ１２１、Ａ／Ｄ変換器１２３、カウンタ回路１３１、サーボアンプ１３３、表示器１４１、操作部１４５及び制御部１５０を備える。ローパスフィルタ１１２を、以下ではＬＰＦ（Low-pass filter）１１２と略記する。

【0021】

ロードセル１４から出力された測定信号Ａ２は、ロードアンプ１１１に入力される。ロードアンプ１１１は、測定信号Ａ２を増幅してＬＰＦ１１２に出力する。ＬＰＦ１１２は、入力された測定信号Ａ２に含まれるノイズを低減するため、測定信号Ａ２にフィルタ処理を行う。ＬＰＦ１１２は、フィルタ処理した測定信号Ａ２をＡ／Ｄ変換器１１３に出力する。Ａ／Ｄ変換器１１３は、入力されたアナログの測定信号Ａ２にＡ／Ｄ変換を行い、デジタルの測定データに変換する。Ａ／Ｄ変換器１１３は、変換した測定データを制御部１５０に出力する。

【0022】

ストレインアンプ１２１は、変位計３０から出力される測定信号Ａ３を増幅し、増幅した測定信号Ａ３をＡ／Ｄ変換器１２３に出力する。Ａ／Ｄ変換器１２３は、入力されたアナログの測定信号Ａ３にＡ／Ｄ変換を行い、デジタルの測定データに変換する。Ａ／Ｄ変換器１１３は、変換した測定データを制御部１５０に出力する。

【0023】

カウンタ回路１３１は、ロータリエンコーダ２０が出力するパルス信号Ａ１のパルス数を計数し、サーボモータ１８の回転量、すなわちサーボモータ１８の回転によって移動するクロスヘッド１０の移動量であるストローク値を示す測定データを制御部１５０に出力する。

【0024】

本実施形態では、負荷機構１２にロータリエンコーダ２０を搭載し、ロータリエンコーダ２０が出力するパルス信号Ａ１のパルス数を計数する構成であるが、ロータリエンコーダ２０に代えて、ネジ棹８、９の少なくとも一方に装着されるエンコーダを備える構成でもよい。この構成の場合、当該エンコーダは、装着されたネジ棹８、９の少なくとも一方が所定角度回転する毎に１つのパルスを出力する信号を生成し、カウンタ回路１３１に出力する。カウンタ回路１３１は、エンコーダが出力する信号のパルス数を計数し、ネジ棹の回転量、すなわちネジ棹の回転によって移動するクロスヘッド１０の移動量であるストローク値を示す信号を制御部１５０にデジタル信号で出力する。

【0025】

サーボアンプ１３３は、制御部１５０から供給される指令値に対応した電流をサーボモータ１８に供給する。サーボモータ１８は、サーボアンプ１３３から供給される電流により回転駆動される。

【0026】

表示器１４１は、制御部１５０の制御により、ロードセル１４により測定された試験力Ｆの測定値や、変位計３０により測定された変位量の測定値を表示する。操作部１４５は、圧縮試験を含む材料試験条件の設定や各種設定パラメータの設定値、圧縮試験を含む材料試験の実行指示や中断指示等の操作を受け付ける。

【0027】

次に、制御部１５０について説明する。
制御部１５０は、メモリ１６０及びプロセッサ１７０を備えるコンピュータ装置である。制御部１５０は、メモリ１６０及びプロセッサ１７０の他に、ＨＤＤやＳＳＤなどのストレージや、外部装置に接続可能なインターフェイス回路を備える。制御部１５０は、ＩＣチップやＬＳＩなどの集積回路といった１又は複数の回路により構成してもよい。

【0028】

メモリ１６０は、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の不揮発性のメモリデバイスと、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の揮発性のメモリデバイスとを備え、プロセッサ１７０が実行する制御プログラム１６３及び目標データ１６５を記憶する。
目標データ１６５は、圧縮試験を含む材料試験における物理量の目標値を示すデータである。物理量には、ロードセル１４により測定される試験力Ｆや、試験力Ｆの単位時間当たりの変化量を示す速度、変位計３０により測定される試験片ＴＰの変位量や、変位量の単位時間当たりの変化量を示す速度等が含まれる。

【0029】

プロセッサ１７０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro-processing unit）等の演算装置であり、制御プログラム１６３を実行して制御装置１００の各部を制御する。制御部１５０は、試験機本体２の負荷機構１２としてサーボモータ１８をフィードバック制御して圧縮試験を実行する。

【0030】

制御部１５０は、指令値演算部１７５を備える。指令値演算部１７５は、サーボアンプ１３３に出力する指令値を演算する。指令値演算部１７５は、ロードセル１４により測定された試験力Ｆの測定値、又は変位計３０により測定された変位量の測定値と、制御目標値と、の偏差を減少させるサーボモータ１８の回転量を演算し、演算した回転量を示す指令値をサーボアンプ１３３に出力する。

【0031】

制御部１５０は、フィードバック制御を実行する。フィードバック制御は、ロードセル１４により測定された試験力Ｆの測定値、又は変位計３０により測定された変位量の測定値を、制御目標値に一致させる制御である。制御部１５０は、入力された試験力Ｆの測定値又は変位量の測定値と、制御目標値との偏差に基づいて指令値演算部１７５により指令値を演算し、演算した指令値をサーボアンプ１３３に出力してサーボモータ１８の回転量を制御する。サーボモータ１８の回転量が制御されることにより、試験片ＴＰに付与される試験力Ｆや変位量が制御される。制御目標値は、目標データ１６５に基づいて設定されるフィードバック制御の目標値である。
本実施形態では、ロードセル１４により測定された試験力Ｆの測定値を、制御目標値である試験力Ｆの目標値に一致させる場合を例にして説明する。

【0032】

制御部１５０は、試験力Ｆを、予め設定された設定値である保持目標値に到達させるフィードバック制御と、保持目標値に到達した試験力Ｆを維持するフィードバック制御とを実行する。試験力Ｆを、予め設定された設定値である保持目標値に到達させるフィードバック制御は、第１フィードバック制御、第２フィードバック制御及び第３フィードバック制御の３つを有する。また、保持目標値に到達した試験力Ｆを維持するフィードバック制御を第４フィードバック制御という。

【0033】

制御部１５０は、操作部１４５により受け付けた操作により、試験力Ｆを、予め設定された設定値である保持目標値に到達させるフィードバック制御として、第１フィードバック制御、第２フィードバック制御及び第３フィードバック制御のいずれか１つを選択し、選択したフィードバック制御を実行する。選択したフィードバック制御の終了後、制御部１５０は、第４フィードバック制御を実行する。本実施形態では、第１フィードバック制御、第２フィードバック制御及び第３フィードバック制御のいずれかの実行後、第４フィードバック制御を実行する場合について説明するが、試験条件の設定によっては、第４フィードバック制を行なわなくてもよい。例えば、第１フィードバック制御、第２フィードバック制御及び第３フィードバック制御のいずれかの制御の終了により材料試験を終了させてもよいし、第１フィードバック制～第３フィードバック制のいずれかを終了後、別の値に設定された保持目標値となるように第１フィードバック制御、第２フィードバック制御及び第３フィードバック制御のいずれかを実行してもよい。

【0034】

図２は、制御部１５０が第１フィードバック制御を実行した場合の試験力Ｆの測定値と、制御目標値との時間推移を示す図である。図２に示す破線が試験力Ｆの測定値を示し、図２に示す実線が制御目標値を示す。また、図２に示す一点鎖線は、試験力Ｆの測定値であって、ＬＰＦ１１２によるフィルタ処理を行なわなかった場合のノイズを含む測定値の時間推移を示す。第１フィードバック制御を実行する場合の制御部１５０の制御状態は、２つに区分けされる。区分けされた２つの区間の前半の区間を第１区間といい、後半の区間を第２区間という。

【0035】

第１区間は、試験片ＴＰに付与する試験力Ｆの単位時間当たりの変化量である速度が一定となるように制御する区間である。制御部１５０は、第１区間では、試験力Ｆの測定値と、制御目標値との偏差に基づいてサーボモータ１８の回転量を演算し、演算した回転量を示す指令値をサーボアンプ１３３に出力する。また、制御部１５０は、目標データ１６５に基づいて制御目標値を更新していく。第１フィードバック制御を実行する場合、目標データ１６５は、試験力Ｆが一定の割合で増加するように制御目標値が設定されている。目標データ１６５に基づいて制御目標値が更新されることで、試験片ＴＰに付与される試験力Ｆの速度が一定に制御される。

【0036】

また、制御部１５０は、制御状態を変更して、第１区間から第２区間に切り替えるタイミングを判定する。制御部１５０は、制御目標値と、第１しきい値とを比較して、第１区間を終了させるタイミングを判定する。第１しきい値は、本発明の「加算値」に対応する。第１しきい値は、保持目標値に、フィードバック制御の制御遅延に対応した試験力Ｆの増加分を加算した値に設定されている。保持目標値は、材料試験機１の使用者により事前に設定される目標値であり、本発明の「設定値」に対応する。

【0037】

フィードバック制御の制御遅延には、クロスヘッド１０の移動による遅延や、ＬＰＦ１１２のフィルタ処理による遅延が含まれる。制御部１５０が指令値をサーボアンプ１３３に出力してからクロスヘッド１０が目的の位置まで動くには遅延が発生する。また、ロードセル１４により測定された測定信号Ａ２は、ＬＰＦ１１２によりノイズ成分が除去される。ＬＰＦ１１２のフィルタ処理によって制御部１５０に測定データが入力されるタイミングには遅延が生じる。第１しきい値は、保持目標値に、フィードバック制御の制御遅延に対応した試験力Ｆの増加分を加算した値に設定されている。制御遅延に対応した試験力Ｆの増加分を、以下では、制御遅延による試験力Ｆの偏差という。

【0038】

また、第４フィードバック制御として試験片ＴＰに付与される試験力Ｆを一定に保持する制御を実行する場合、フィードバック制御の制御遅延による試験力Ｆの偏差は、以下の値となる。
制御遅延による試験力Ｆの偏差＝制御目標値－ノイズ成分を含む試験力Ｆの測定値

【0039】

また、第４フィードバック制御として試験片ＴＰの伸び（変位量）を一定に保持する制御を実行する場合、フィードバック制御の制御遅延による試験力Ｆの偏差は、以下の値となる。
制御遅延による試験力Ｆの偏差（伸び）＝制御遅延時間×伸びの増加速度
制御遅延時間＝制御遅延による試験力Ｆの偏差／試験力Ｆの増加速度
試験力の増加速度とは、第１区間において、一定の割合で増加させる試験力Ｆの増加速度である。伸びの増加速度とは、第１区間において、試験力Fを一定の割合で増加させているときの伸びの増加速度である。

【0040】

第１フィードバック制御の実行中に試験片ＴＰの伸びについて制御目標値を作成することはできないため、まず、制御遅延による試験力Ｆの偏差と、試験力Ｆの増加速度とに基づいて、制御遅延時間を算出し、算出した制御遅延時間に伸びの増加速度を掛けて、制御遅延による伸びの偏差を求める。

【0041】

制御部１５０は、制御目標値が、第１しきい値よりも小さい場合、第１フィードバック制御を継続させる。また、制御部１５０は、制御目標値が、第１しきい値以上の場合、第１フィードバック制御の第１区間を終了させ、図２に示す第２区間に移行する。

【0042】

制御部１５０は、第２区間では、制御目標値に保持目標値を設定する。第２区間は、ロードセル１４により測定される試験力Ｆの測定値が、保持目標値に近づくまで待機する待機期間である。制御部１５０は、第２区間では、制御目標値を保持目標値に固定する。制御部１５０は、試験力Ｆの測定値と、保持目標値との偏差を減少させるサーボモータ１８の回転量を演算し、演算した回転量を示す指令値をサーボアンプ１３３に出力する。

【0043】

制御部１５０は、制御目標値である保持目標値と、測定値と差が、第２しきい値以下になると、第１フィードバック制御を終了して第４フィードバック制御を開始する。本実施形態では、第４フィードバック制御として、試験力Ｆを一定に維持する制御を実行する場合について説明する。第４フィードバック制御は、このような制御に限定されるものではない。

【0044】

制御部１５０は、ロードセル１４により測定された試験力Ｆと、目標データ１６５により設定した制御目標値との偏差を減少させるサーボモータ１８の回転量を演算し、演算した回転量を示す指令値をサーボアンプ１３３に出力する。制御目標値として、一定の試験力Ｆを設定することで、試験片ＴＰに付与される試験力Ｆが一定になるように制御される。

【0045】

図３は、制御部１５０が第２フィードバック制御と、第４フィードバック制御とを実行した場合のロードセル１４の測定データと、制御目標値との時間推移を示す図である。図３に示す破線が試験力Ｆの測定値を示し、図３に示す実線が制御目標値を示す。
制御部１５０は、第２フィードバック制御を実行する場合、第１フィードバック制御と同様に、試験片ＴＰに付与する試験力Ｆの速度が一定となるように制御する。具体的には、制御部１５０は、試験力Ｆの測定値と、制御目標値との偏差を減少させるサーボモータ１８の回転量を演算し、演算した回転量を示す指令値をサーボアンプ１３３に出力する。第２モードを実行する場合も、目標データ１６５として、試験力Ｆの単位時間当たりの変化量が一定となるように制御目標値が設定されている。

【0046】

第１フィードバック制御と第２フィードバック制御とは、次の制御への移行タイミングが異なる。制御部１５０は、第２フィードバック制御を実行する場合、目標データ１６５に基づいて設定する制御目標値が、保持目標値以上になった場合に、第２フィードバック制御を終了させる。

【0047】

図４は、制御部１５０が、第３フィードバック制御と第４フィードバック制御とを実行した場合の試験力Ｆの測定値と、制御目標値との時間推移を示す図である。図４に示す破線が試験力Ｆの測定値を示し、図４に示す実線が制御目標値を示す。
制御部１５０は、第３フィードバック制御を実行する場合、上述した第１フィードバック制御と同様に、試験片ＴＰに付与する試験力Ｆの速度が一定となるように制御する。制御部１５０は、第３フィードバック制御を実行する場合も、試験力Ｆの測定値と、制御目標値との偏差を減少させるサーボモータ１８の回転量を演算し、演算した回転量を示す指令値をサーボアンプ１３３に出力する。

【0048】

第１フィードバック制御と第３フィードバック制御とは、次の制御への移行タイミングが異なる。制御部１５０は、第３フィードバック制御を実行する場合、試験力Fの測定値が、保持目標値以上になった場合に、第３フィードバック制御を終了させる。

【0049】

次に、材料試験機１の動作について説明する。
図５及び図６は、材料試験機１の動作を示すフローチャートである。
制御部１５０は、まず、圧縮試験を開始するか否かを判別する（ステップＳ１）。制御部１５０は、操作部１４５により圧縮試験の実行を指示する操作を受け付けた場合に、圧縮試験を開始する（ステップＳ１）。

【0050】

次に、制御部１５０は、フィードバック制御の選択操作を受け付けたか否かを判定する（ステップＳ２）。使用者は、操作部１４５を操作して、第１フィードバック制御、第２フィードバック制御及び第３フィードバック制御のいずれかを選択する操作を入力する。制御部１５０は、操作を受け付けていない場合（ステップＳ２／ＮＯ）、操作を受け付けるまで待機する。また、制御部１５０は、操作を受け付けた場合（ステップＳ２／ＹＥＳ）、受け付けた操作が第１フィードバック制御を選択する操作であるか否かを判定する（ステップＳ３）。

【0051】

制御部１５０は、受け付けた操作が第１フィードバック制御を選択する操作である場合（ステップＳ３／ＹＥＳ）、第１フィードバック制御を開始し、試験片ＴＰに試験力Ｆを付与する（ステップＳ４）。制御部１５０は、ロードセル１４により測定された試験力Ｆの測定値と、制御目標値との偏差を減少させるサーボモータ１８の回転量を演算し、演算した回転量を示す指令値をサーボアンプ１３３に出力する。これにより、サーボモータ１８が回転駆動されてクロスヘッド１０の位置が移動し、試験片ＴＰに試験力Ｆが付与される。

【0052】

次に、制御部１５０は、ロードセル１４に試験力Ｆを測定させる（ステップＳ５）。ロードセル１４は、試験片ＴＰに付与された試験力Ｆを測定し、測定結果を示す測定信号Ａ２を出力する。測定信号Ａ２は、ロードアンプ１１１、ＬＰＦ１１２及びＡ／Ｄ変換器１１３により処理され、測定データとして制御部１５０に入力される。ステップＳ５は、本発明の「測定ステップ」に対応する。

【0053】

次に、制御部１５０は、目標データ１６５に基づいて制御目標値を設定する（ステップＳ６）。制御部１５０は、設定した制御目標値が、第１しきい値以上であるか否かを判定する（ステップＳ７）。第１しきい値は、保持目標値に、フィードバック制御の制御遅延に対応した試験力Ｆの増加分を加算した値である。

【0054】

制御部１５０は、制御目標値が第１しきい値よりも小さい場合（ステップＳ７／ＮＯ）、ステップＳ５で測定された試験力Ｆの測定値と、制御目標値との偏差を減少させるサーボモータ１８の回転量に対応する指令値を演算し（ステップＳ８）、演算した指令値をサーボアンプ１３３に出力する。サーボアンプ１３３は、制御部１５０から入力される指令値に対応した電流をサーボモータ１８に供給してサーボモータ１８を回転駆動する（ステップＳ９）。ステップＳ７、Ｓ８及びＳ９は、本発明の「制御ステップ」に対応する。

【0055】

次に、制御部１５０は、ロードセル１４により試験力Ｆを再度測定させ（ステップＳ５）、目標データ１６５に基づいて制御目標値を再度設定する（ステップＳ６）。制御部１５０は、制御目標値が第１しきい値よりも小さい場合（ステップＳ７／ＮＯ）、ステップＳ８、Ｓ９、Ｓ５及びＳ６の処理を再度、繰り返す。

【0056】

また、制御部１５０は、制御目標値が第１しきい値以上である場合（ステップＳ７／ＹＥＳ）、第１フィードバック制御を終了させ（ステップＳ１０）、制御目標値として保持目標値を設定する（ステップＳ１１）。制御部１５０は、試験力Ｆの測定値と、保持目標値との偏差を減少させるサーボモータ１８の回転量に対応する指令値を演算し（ステップＳ１２）、演算した指令値をサーボアンプ１３３に出力する。サーボアンプ１３３は、制御部１５０から入力される指令値に対応した電流をサーボモータ１８に供給してサーボモータ１８を回転駆動する（ステップＳ１３）。

【0057】

次に、制御部１５０は、ロードセル１４に試験力Ｆを測定させる（ステップＳ１４）。制御部１５０は、ロードセル１４から入力される試験力Ｆの測定値と、保持目標値との偏差を算出し、算出した偏差が第２しきい値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１５）。制御部１５０は、算出した偏差が第２しきい値よりも大きい場合（ステップＳ１５／ＮＯ）、所定時間経過後に試験力Ｆの測定を再度行い（ステップＳ１４）、ステップＳ１５の判定を再度行なう。また、制御部１５０は、算出した差分が第２しきい値以下である場合（ステップＳ１５／ＹＥＳ）、第４フィードバック制御を実行する（ステップＳ１６）。

【0058】

次に、Ｓ２で受け付けた操作により選択されたフィードバック制御が、第１フィードバック制御ではなかった場合の材料試験機１の動作を、図６に示すフローチャートを参照しながら説明する。
制御部１５０は、ステップＳ３の判定が否定判定である場合、Ｓ２で受け付けた操作により選択されたフィードバック制御が第２フィードバック制御であるか否かを判定する（ステップＳ１７）。制御部１５０は、フィードバック制御として第２フィードバック制御が選択された場合（ステップＳ１７／ＹＥＳ）、第２フィードバック制御を開始する（ステップＳ１８）。

【0059】

制御部１５０は、ロードセル１４により測定された試験力Ｆの測定値と、制御目標値との偏差を減少させるサーボモータ１８の回転量を演算し、演算した回転量を示す指令値をサーボアンプ１３３に出力する。これにより、サーボモータ１８が回転駆動され、クロスヘッド１０の位置が移動して、試験片ＴＰに試験力Ｆが付与される。

【0060】

次に、制御部１５０は、ロードセル１４に試験力Ｆの測定を実行させる（ステップＳ１９）。次に、制御部１５０は、目標データ１６５に基づいて制御目標値を設定する（ステップＳ２０）。そして、制御部１５０は、設定した制御目標値が、保持目標値以上であるか否かを判定する（ステップＳ２１）。

【0061】

制御部１５０は、制御目標値が保持目標値よりも小さい場合（ステップＳ２１／ＮＯ）、ステップＳ１９で測定された試験力Ｆの測定値と、制御目標値との偏差を減少させるサーボモータ１８の回転量に対応する指令値を演算し（ステップＳ２２）、演算した指令値をサーボアンプ１３３に出力する。サーボアンプ１３３は、制御部１５０から入力される指令値に対応した電流をサーボモータ１８に供給してサーボモータ１８を回転駆動する（ステップＳ２３）。

【0062】

次に、制御部１５０は、ロードセル１４により試験力Ｆを再度測定させ（ステップＳ１９）、目標データ１６５に基づいて制御目標値を再度設定する（ステップＳ２０）。制御部１５０は、制御目標値が保持目標値よりも小さい場合（ステップＳ２１／ＮＯ）、ステップＳ２２、Ｓ２３、Ｓ１９及びＳ２０の処理を再度、繰り返す。

【0063】

また、制御部１５０は、設定した制御目標値が保持目標値以上である場合（ステップＳ２１／ＹＥＳ）、第２フィードバック制御を終了し（ステップＳ２４）、第４フィードバック制御を開始する（ステップＳ２５）。制御部１５０は、制御目標値として保持目標値を設定し、試験力Ｆの測定値を保持目標値に一致させる第４フィードバック制御を実行する。制御部１５０は、第４フィードバック制御の終了により、この処理フローを終了さる。

【0064】

また、制御部１５０は、ステップＳ１７の判定が否定判定である場合、第３フィードバック制御を開始する（ステップＳ２６）。制御部１５０は、試験力Ｆの測定値と、制御目標値との偏差を減少させるサーボモータ１８の回転量を演算し、演算した回転量を示す指令値をサーボアンプ１３３に出力する。これにより、サーボモータ１８が回転駆動され、クロスヘッド１０の位置が移動して、試験片ＴＰに試験力Ｆが付与される。

【0065】

次に、制御部１５０は、ロードセル１４に試験力Ｆの測定を実行させる（ステップＳ２７）。次に、制御部１５０は、測定された試験力Ｆの測定値が保持目標値以上であるか否かを判定する（ステップＳ２８）。制御部１５０は、試験力Ｆの測定値が保持目標値よりも小さい場合（ステップＳ２８／ＮＯ）、目標データ１６５に基づいて制御目標値を更新し（ステップＳ２９）、試験力Ｆの測定値と、更新した制御目標値との偏差を減少させるサーボモータ１８の回転量に対応する指令値を演算する（ステップＳ３０）。そして、制御部１５０は、演算した指令値をサーボアンプ１３３に出力する。サーボアンプ１３３は、制御部１５０から入力される指令値に対応した電流をサーボモータ１８に供給してサーボモータ１８を回転駆動する（ステップＳ３１）。

【0066】

次に、制御部１５０は、ロードセル１４により試験力Ｆを再度測定させ（ステップＳ２７）、測定された試験力Ｆの測定値が保持目標値以上であるか否かを判定する（ステップＳ２８）。制御部１５０は、試験力Ｆの測定値が保持目標値よりも小さい場合（ステップＳ２８／ＮＯ）、ステップＳ２９、Ｓ３０、Ｓ３１及びＳ２７の処理を再度、繰り返す。

【0067】

また、制御部１５０は、測定された試験力Ｆの測定値が保持目標値以上である場合（ステップＳ２８／ＹＥＳ）、第３フィードバック制御を終了して（ステップＳ３２）、第４フィードバック制御を開始する（ステップＳ３３）。制御部１５０は、制御目標値として保持目標値を設定し、試験力Ｆの測定値を保持目標値に一致させる第４フィードバック制御を実行する。制御部１５０は、第４フィードバック制御の終了により、この処理フローを終了さる。

【0068】

以上説明したように、材料試験機１は、負荷機構１２、ロードセル１４及び制御部１５０を備える。負荷機構１２は、試験片ＴＰに試験力Ｆを付与する。ロードセル１４は、負荷機構１２に生じる試験力Ｆを測定する。制御部１５０は、ロードセル１４により測定された試験力Ｆの測定値と、試験力Ｆの目標値との偏差に基づいて負荷機構１２を制御する第１フィードバック制御を実行する。また、制御部１５０は、試験力Ｆの測定値に基づいて設定する試験力Ｆの目標値が、予め設定された保持目標値に、フィードバック制御の制御遅延に対応して増加する試験力Ｆの測定値の増加分を加算した加算値と一致した場合に、試験力Ｆの目標値を保持目標値に固定する。

【0069】

これにより、試験力Ｆの目標値が、予め設定された保持目標値に、フィードバック制御の制御遅延に対応して増加する第１測定値の増加分を加算した加算値と一致した場合に、試験力Ｆの目標値が保持目標値に固定される。このため、試験力Ｆの測定値が保持目標値を超える前に、試験力Ｆの目標値が保持目標値に固定され、試験片ＴＰに付与される試験力Ｆが保持目標値よりも大きくなることを抑制することができる。従って、オーバーシュートの発生を抑制し、負荷機構を精度良くフィードバック制御できる。

【0070】

材料試験機１は、測定器として、試験片ＴＰの変位量を物理量として測定する変位計３０と、負荷機構１２に発生する試験力Ｆを物理量として測定するロードセル１４と、を備える。制御部１５０は、測定値である変位量の増加分を、制御遅延の遅延時間と、変位量の単位時間当たりの変化量との積により算出し、記遅延時間を、遅延時間により生じる試験力Ｆの偏差を、試験力Ｆの単位時間当たりの変化量である速度で除算して算出する。

【0071】

これにより、制御遅延による変位量の増加分が、制御遅延の遅延時間と、変位量の単位時間当たりの変化量との積により算出される。従って、精度よく求めることができる。

【0072】

材料試験機１は、操作を受け付ける操作部１４５を備える。
制御部１５０は、操作部１４５により受け付けた操作によりフィードバック制御として第１フィードバック制御と、第２フィードバック制御とを切り替えて実行する。
第１フィードバック制御は、試験力Ｆの目標値が、第１しきい値に一致するように負荷機構１２を制御する制御である。第２フィードバック制御は、試験力Ｆの目標値が、保持目標値に一致するように負荷機構１２を制御する制御である。

【0073】

これにより、操作部１４５を操作して、制御部１５０に実行させるフィードバック制御を、第１フィードバック制御又は第２フィードバックに切り替えることができる。

【0074】

制御部１５０は、操作部１４５により受け付けた操作によりフィードバック制御として第１フィードバック制御と、第３フィードバック制御とを切り替えて実行する。
第３フィードバック制御は、試験力Ｆの測定値が、保持目標値に一致するように負荷機構１２を制御する制御である。

【0075】

これにより、操作部１４５を操作して、制御部１５０に実行させるフィードバック制御を、第１フィードバック制御又は第３フィードバックに切り替えることができる。

【0076】

制御部１５０は、操作部１４５により受け付けた操作によりフィードバック制御として第１フィードバック制御と、第２フィードバック制御と、第３フィードバック制御とを切り替えて実行する。

【0077】

これにより、操作部１４５を操作して、制御部１５０に実行させるフィードバック制御を、第１フィードバック制御、第２フィードバック制御又は第３フィードバックに切り替えることができる。

【0078】

上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を例示するものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で任意に変形及び応用が可能である。
例えば、上記実施形態では、負荷機構１２の駆動源としてサーボモータ１８を用いたが、油圧源等の他の駆動源を用いてもよい。

【0079】

また、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。

【0080】

例えば、図５及び図６に示す動作のステップ単位は、材料試験機１の各部の動作の理解を容易にするために、主な処理内容に応じて分割したものであり、処理単位の分割の仕方や名称によって、本発明が限定されることはない。処理内容に応じて、さらに多くのステップ単位に分割してもよい。また、１つのステップ単位がさらに多くの処理を含むように分割してもよい。また、そのステップの順番は、本発明の趣旨に支障のない範囲で適宜に入れ替えてもよい。

【0081】

例えば、上記実施形態では、圧縮試験を行う材料試験機１を示したが、本発明は、試験片ＴＰに試験力Ｆを付与して、試験片ＴＰ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、引張試験、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。なお、試験片ＴＰの試験機本体２に固定する冶具は、試験種に応じて適切なものが採用される。

【0082】

上述した実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。

【0083】

（請求項１）
一態様に係る材料試験機は、試験対象に負荷を付与する負荷機構と、前記負荷により前記試験対象に生じる物理量、又は前記負荷機構に生じる物理量を測定する測定器と、前記測定器の出力する測定値と、前記物理量の目標値との偏差に基づいて前記負荷機構を制御し、前記測定値を予め設定された設定値に到達させるフィードバック制御を実行する制御部と、を備え、前記制御部は、前記フィードバック制御において、前記物理量の目標値が、前記設定値に、前記フィードバック制御の制御遅延に対応して増加する前記測定値の増加分を加算した加算値以上になった場合に、前記物理量の目標値を前記設定値に固定する。

【0084】

第１項に記載の材料試験機によれば、物理量の目標値が、予め設定された設定値に、フィードバック制御の制御遅延に対応して増加する測定値の増加分を加算した加算値以上になった場合に、物理量の目標値が設定値に固定される。このため、物理量の測定値が設定値を超える前に、物理量の目標値が設定値に固定され、試験対象に付与される物理量が設定値よりも大きくなることを抑制することができる。従って、オーバーシュートの発生を抑制し、負荷機構を精度良くフィードバック制御できる。

【0085】

（請求項２）
第１項に記載の材料試験機において、前記測定器は、前記試験対象の変位量を前記物理量として測定する第１測定器と、前記負荷機構に発生する負荷を前記物理量として測定する第２測定器と、を含み、前記制御部は、前記測定値である前記変位量の増加分を、前記制御遅延の遅延時間と、前記変位量の単位時間当たりの変化量である速度との積により算出し、前記遅延時間を、遅延時間により生じる前記負荷の偏差を、前記負荷の単位時間当たりの変化量である速度で除算して算出する。

【0086】

第２項に記載の材料試験機によれば、制御遅延による変位量の増加分が、制御遅延の遅延時間と、変位量の単位時間当たりの変化量との積により算出される。従って、精度よく求めることができる。

【0087】

（請求項３）
第１項又は第２項に記載の材料試験機において、操作を受け付ける受付部を備え、前記制御部は、前記受付部により受け付けた前記操作により前記フィードバック制御として第１フィードバック制御と、第２フィードバック制御とを切り替えて実行し、前記第１フィードバック制御は、前記物理量の目標値が、前記加算値に一致するように前記負荷機構（１２）を制御する制御であり、前記第２フィードバック制御は、前記物理量の目標値が、前記設定値に一致するように前記負荷機構を制御する制御である。

【0088】

第３項に記載の材料試験機によれば、受付部を操作して、制御部に実行させるフィードバック制御を、第１フィードバック制御又は第２フィードバックに切り替えることができる。

【0089】

（請求項４）
第１項又は第２項に記載の材料試験機において、操作を受け付ける受付部を備え、前記制御部は、前記受付部により受け付けた前記操作により前記フィードバック制御として第１フィードバック制御と、第３フィードバック制御とを切り替えて実行し、前記第１フィードバック制御は、前記物理量の目標値が、前記加算値に一致するように前記負荷機構を制御する制御であり、
前記第３フィードバック制御は、前記測定値が、前記設定値に一致するように前記負荷機構を制御する制御である。

【0090】

第４項に記載の材料試験機によれば、受付部を操作して、制御部に実行させるフィードバック制御を、第１フィードバック制御又は第３フィードバックに切り替えることができる。

【0091】

（請求項５）
第１項又は第２項に記載の材料試験機において、操作を受け付ける受付部を備え、前記制御部は、前記受付部により受け付けた前記操作により前記フィードバック制御として第１フィードバック制御と、第２フィードバック制御と、第３フィードバック制御とを切り替えて実行し、前記第１フィードバック制御は、前記物理量の目標値が、前記加算値に一致するように前記負荷機構を制御する制御であり、前記第２フィードバック制御は、前記物理量の目標値が、前記設定値に一致するように前記負荷機構を制御する制御であり、前記第３フィードバック制御は、前記測定値が、前記設定値に一致するように前記負荷機構を制御する制御である。

【0092】

第５項に記載の材料試験機によれば、受付部を操作して、制御部に実行させるフィードバック制御を、第１フィードバック制御、第２フィードバック制御又は第３フィードバックに切り替えることができる。

【0093】

一態様に係る材料試験機の制御方法は、負荷機構により試験対象に負荷を付与する材料試験機の制御方法であって、前記負荷により前記試験対象に生じる物理量、又は前記負荷機構に生じる物理量を測定器に測定させるステップと、前記測定器により測定された測定値と、前記物理量の目標値との偏差に基づいて前記負荷機構を制御し、前記測定値を予め設定された設定値に到達させるフィードバック制御を実行する制御ステップと、を有し、前記制御ステップは、前記フィードバック制御において、前記物理量の目標値が、前記設定値に、前記フィードバック制御の制御遅延に対応した前記測定値の増加分を加算した加算値以上になった場合に、前記物理量の目標値を前記設定値に固定する。

【0094】

第６項に記載の材料試験機の制御方法によれば、物理量の目標値が、予め設定された設定値に、フィードバック制御の制御遅延に対応した測定値の増加分を加算した加算値以上になった場合に、物理量の目標値が設定値に固定される。このため、物理量の測定値が設定値を超える前に、物理量の目標値が設定値に固定され、試験対象に付与される物理量が設定値よりも大きくなることを抑制することができる。従って、オーバーシュートの発生を抑制し、負荷機構を精度良くフィードバック制御できる。

【符号の説明】

【0095】

１ 材料試験機
２ 試験機本体
６ テーブル
８、９ ネジ棹
１０ クロスヘッド
１２ 負荷機構
１４ ロードセル（第２測定器）
１６、１７ ウォーム減速機
１８ サーボモータ
２０ ロータリエンコーダ
２１ 圧盤
２１Ａ、２２Ａ 固定具
２２ 支持台
３０ 変位計（第１測定器）
３１ 上アーム
３３ 下アーム
３５ 歪みゲージ
１００ 制御装置
１１１ ロードアンプ
１１２ ＬＰＦ
１１３、１２３ Ａ／Ｄ変換器
１２１ ストレインアンプ
１３１ カウンタ回路
１３３ サーボアンプ
１４５ 操作部（受付部）
１５０ 制御部
１６０ メモリ
１６３ 制御プログラム
１６５ 目標データ
１７０ プロセッサ
１７５ 指令値演算部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】