(57)【要約】【課題】伸び計９０の分解能に依ることなく、精度良く材料試験を行えるようにすること。【解決手段】材料試験機１は、試験片ＴＰに試験力を付与する負荷機構１２と、試験片ＴＰの伸び量を測定する伸び計９０と、伸び計９０の測定値にフィルタ処理を実行するフィルタ処理部５４１と、フィルタ処理部５４１によって処理された処理値と、試験片ＴＰの伸び量の目標値との偏差を減少させるように負荷機構１２をフィードバック制御するフィードバック制御部５４３と、を備え、フィルタ処理部５４１は、伸び計９０の分解能を試験片ＴＰの伸び量の単位時間当たりの変化量を示す速度で除した時間幅に基づくフィルタ処理を、伸び計９０の測定値に実行する。【選択図】図１
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【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、
前記負荷機構のフィードバック制御において応答となる応答物理量を測定する測定器と、
前記測定器の測定値にフィルタ処理を実行するフィルタ処理部と、
前記フィルタ処理部によって処理された処理値と、前記応答物理量の目標値との偏差を減少させるように前記負荷機構をフィードバック制御するフィードバック制御部と、を備え、
前記フィルタ処理部は、
前記測定器の分解能を前記応答物理量の単位時間当たりの変化量を示す速度で除した時間幅に基づくフィルタ処理を、前記測定器の測定値に実行する、
材料試験機。
【請求項２】
単位時間あたりの前記処理値の変化量を前記時間幅で除した補正値を前記処理値に加算した加算値を算出する加算値算出部を備え、
前記フィードバック制御部は、前記加算値算出部が算出する前記加算値と、前記応答物理量の目標値との偏差を減少させるように前記負荷機構をフィードバック制御する、
請求項１に記載の材料試験機。
【請求項３】
前記フィルタ処理部は、
移動平均時間が前記時間幅となる移動平均フィルタ処理を、前記測定器の測定値に実行する、
請求項１又は２に記載の材料試験機。
【請求項４】
前記フィルタ処理部は、
立上り時間又は立下り時間が前記時間幅となる一次遅れフィルタ処理を、前記測定器の測定値に実行する、
請求項１又は２に記載の材料試験機。
【請求項５】
前記試験対象は、試験片であり、
前記測定器は、試験片の伸び量を測定する伸び計である、
請求項１から４のいずれか一項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、
前記負荷機構のフィードバック制御において応答となる応答物理量を測定する測定器と、
前記測定器の測定値をフィルタ処理するフィルタ処理部、及び、前記フィルタ処理部によって処理された処理値と、前記応答物理量の目標値との偏差を減少させるように前記負荷機構をフィードバック制御するフィードバック制御部を有する制御装置と、を備える材料試験機の制御方法であって、
前記フィルタ処理部は、
前記測定器の分解能を前記応答物理量の単位時間当たりの変化量を示す速度で除した時間幅に基づくフィルタ処理を、前記測定器の測定値に実行する、
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て制御対象とする測定値をフィードバックする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】
【特許文献１】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】
ところで、特許文献１記載のような材料試験機は、フィードバック制御の応答となる応答物理量を測定する測定器を具備する。一般に、測定器は、分解能以下の測定を行うことができない。そのため、フィードバック制御では、実際の応答物理量の変化が測定器の分解能以下である場合、測定器の測定値が時間変化しないため、応答物理量の目標値と測定器が測定した応答物理量との偏差が大きくなって負荷機構の制御量が大きく増加する。また、フィードバック制御では、この増加に伴って当該偏差が小さくなり負荷機構の制御量が減少するが、再度、実際の応答物理量の変化が測定器の分解能以下となって、再度、負荷機構の制御量が大きく増加する。このように、負荷機構のフィードバック制御では、測定器の分解能に起因して実際の応答物理量の変化を正確に測定器が測定できない場合、負荷機構の制御量が大きく変動して負荷機構のフィードバック制御が不安定となり、材料試験の精度が低下し得る。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、応答物理量を測定する測定器の分解能に依ることなく、精度良く材料試験を行えるように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、前記負荷機構のフィードバック制御において応答となる応答物理量を測定する測定器と、前記測定器の測定値にフィルタ処理を実行するフィルタ処理部と、前記フィルタ処理部によって処理された処理値と、前記応答物理量の目標値との偏差を減少させるように前記負荷機構をフィードバック制御するフィードバック制御部と、を備え、前記フィルタ処理部は、前記測定器の分解能を前記応答物理量の単位時間当たりの変化量を示す速度で除した時間幅に基づくフィルタ処理を、前記測定器の測定値に実行する、材料試験機に関する。
【０００７】
本発明の第２の態様は、試験対象に負荷を付与する負荷機構と、前記負荷機構のフィードバック制御において応答となる応答物理量を測定する測定器と、前記測定器の測定値をフィルタ処理するフィルタ処理部、及び、前記フィルタ処理部によって処理された処理値と、前記応答物理量の目標値との偏差を減少させるように前記負荷機構をフィードバック制御するフィードバック制御部を有する制御装置と、を備える材料試験機の制御方法であって、前記フィルタ処理部は、前記測定器の分解能を前記応答物理量の単位時間当たりの変化量を示す速度で除した時間幅に基づくフィルタ処理を、前記測定器の測定値に実行する、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、応答物理量を測定可能な測定器の分解能を、応答物理量の単位当たりの変化量を示す速度で除した時間幅に基づくフィルタ処理を、測定器の測定値に行うため、測定器の分解能以下で時間変化しない測定値を、当該分解能以下で時間変化する測定値へと変更することができる。そのため、応答物理量が分解能以下で変化した場合、応答物理量の目標値と測定器が測定した応答物理量との偏差が大きくなることを抑制でき負荷機構の制御量が大きく増加することを抑制できる。したがって、応答物理量を測定する測定器の分解能に依ることなく、精度良く材料試験を行うことができる。
【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】材料試験機の構成を模式的に示す図である。
【図２】フィルタ処理部の移動平均フィルタ処理を説明するための図である。
【図３】フィルタ処理部の一次遅れフィルタ処理を説明するための図である。
【図４】制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図５】ひずみ速度と試験力との測定データである。
【図６】試験片の伸び量と試験力との測定データである。
【図７】図６の６−７秒区間における試験片の伸び量の測定データである。
【図８】ひずみ速度と試験力との測定データである。
【図９】試験片の伸び量と試験力との測定データである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［１．材料試験機の構成］
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。
材料試験機１は、引張試験や、圧縮試験、曲げ試験等の材料試験を実行し、試験対象である試験片ＴＰの機械的性質を試験する試験機である。なお、試験対象は、各種材料や工業製品、この工業製品の部品又は部材等であり、試験片ＴＰは、材料試験のために所定の規格に基づいて作成されている。
【００１２】
図１に示すように、材料試験機１は、試験片ＴＰに負荷として試験力を付与して材料試験を行う試験機本体２と、試験機本体２による材料試験の動作を制御する制御ユニット４と、を備える。また、材料試験機１は、試験片ＴＰの歪みを測定する際に使用する伸び計９０を備える。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とを備える。歪みゲージ９１は、試験片ＴＰの伸び量を測定し、伸び量測定信号Ａ２を制御装置３０に出力するセンサである。なお、伸び計９０は、本発明の「測定器」の一例に対応する。また、試験片ＴＰの伸び量は、本発明の「応答物理量」の一例に対応する。
【００１３】
［２．試験機本体の構成］
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ねじ棹８、９と、これらのねじ棹８、９に沿って移動可能なクロスヘッド１０と、このクロスヘッド１０を移動させて試験片ＴＰに試験力を与える負荷機構１２と、ロードセル１４と、を備える。ロードセル１４は、試験片ＴＰに与えられる荷重である試験力を測定し、試験力測定信号Ａ１を出力するセンサである。なお、試験機本体２は、ねじ棹を１本とする構成としてもよい。
【００１４】
一対のねじ棹８、９は、ボールねじから成り、クロスヘッド１０は、各ねじ棹８、９に対して図示を省略したナットを介して連結されている。負荷機構１２は、各ねじ棹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、ロータリエンコーダ２０とを備える。ロータリエンコーダ２０は、サーボモータ１８の回転量を測定し、回転量に応じたパルス数の回転量測定信号Ａ３を信号入出力ユニット４０に出力するセンサである。
そして、負荷機構１２は、ウォーム減速機１６、１７を介して、一対のねじ棹８、９にサーボモータ１８の回転を伝達し、ねじ棹８、９が同期して回転することにより、クロスヘッド１０がねじ棹８、９に沿って昇降する。
【００１５】
クロスヘッド１０には、試験片ＴＰの上端部を把持するための上つかみ具２１が付設され、テーブル６には、試験片ＴＰの下端部を把持するための下つかみ具２２が付設されている。試験機本体２は、例えば引張試験の際、試験片ＴＰの上端部を上つかみ具２１で把持すると共に、試験片ＴＰの下端部を下つかみ具２２で把持した状態で、制御装置３０による制御により、クロスヘッド１０を上昇させることによって、試験片ＴＰに試験力を与える。試験機本体２は、例えば圧縮試験の際、試験片ＴＰの上端部を上つかみ具２１で把持すると共に、試験片ＴＰの下端部を下つかみ具２２で把持した状態で、制御装置３０による制御により、クロスヘッド１０を下降させることによって、試験片ＴＰに試験力を与える。上つかみ具２１の上下のスライドに応じて、上つかみ具２１と下つかみ具２２との間隔が変更される。
【００１６】
［３．制御ユニットの構成］
制御ユニット４は、制御装置３０と、表示装置３２と、試験プログラム実行装置３４と、を備える。
【００１７】
制御装置３０は、試験機本体２を中枢的に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から受信する信号は、ロードセル１４が出力する試験力測定信号Ａ１や、伸び計９０が出力する伸び量測定信号Ａ２、ロータリエンコーダ２０が出力する回転量測定信号Ａ３、制御や試験に要する適宜の信号などである。
【００１８】
表示装置３２は、制御装置３０から入力される信号に基づいて各種情報を表示する装置であり、例えば、制御装置３０は、材料試験の間、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や、回転量測定信号Ａ３に基づいてクロスヘッド１０の位置等を表示装置３２に表示する。
【００１９】
試験プログラム実行装置３４は、材料試験の試験条件といった各種設定パラメータの設定操作や実行指示操作などのユーザ操作を受け付け、制御装置３０に出力する機能や、試験力の測定値等のデータを解析する機能などを備えた装置である。試験プログラム実行装置３４はコンピュータを備え、このコンピュータは、ＣＰＵやＭＰＵなどのプロセッサと、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリデバイスと、ＨＤＤやＳＳＤなどのストレージ装置と、制御装置３０や各種の周辺機器などを接続するためのインターフェース回路と、を備える。そして、プロセッサがメモリデバイス又はストレージ装置に記憶されたコンピュータログラムである材料試験プログラムを実行することで、上述の各種機能を実現する。
【００２０】
次いで、制御装置３０について詳述する。
図１に示すように、制御装置３０は、信号入出力ユニット４０と、制御回路ユニット５０と、を備える。
【００２１】
信号入出力ユニット４０は、試験機本体２との間で信号を送受する入出力インターフェース回路を構成するものであり、本実施形態では、第１センサアンプ４１と、第２センサアンプ４２、カウンタ回路４３と、サーボアンプ４４と、を有する。
【００２２】
第１センサアンプ４１は、ロードセル１４が出力する試験力測定信号Ａ１を増幅して制御回路ユニット５０に入力する増幅器である。
【００２３】
第２センサアンプ４２は、伸び計９０が出力する伸び量測定信号Ａ２を増幅して制御回路ユニット５０に入力する増幅器である。
【００２４】
カウンタ回路４３は、ロータリエンコーダ２０が出力する回転量測定信号Ａ３のパルス数をカウントし、カウント値Ａ４を制御回路ユニット５０にデジタル信号で出力する。カウント値Ａ４は、材料試験開始時を基準としたサーボモータ１８の回転量を示している。なお、材料試験開始時を基準としたサーボモータ１８の回転量は、材料試験開始時の位置を基準としたクロスヘッド１０の移動距離に対応する。なお、ロータリエンコーダ２０とカウンタ回路４３とにより回転量測定部６０が構成される。
【００２５】
なお、回転量測定部６０は、ロータリエンコーダ２０に代えて、ねじ棹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、装着されたねじ棹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４３に出力する。
【００２６】
サーボアンプ４４は、制御回路ユニット５０の制御の下、サーボモータ１８を制御する装置である。
【００２７】
制御回路ユニット５０は、通信部５２と、制御部５４と、記憶部５６とを備える。
制御回路ユニット５０は、ＣＰＵやＭＰＵなどのプロセッサと、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリデバイスと、ＨＤＤやＳＳＤなどのストレージ装置と、信号入出力ユニット４０とのインターフェース回路と、試験プログラム実行装置３４と通信する通信装置と、表示装置３２を制御する表示制御回路と、各種の電子回路と、を備えたコンピュータを備え、プロセッサがメモリデバイス又はストレージ装置に記憶されたコンピュータログラムを実行することで、制御部５４の各機能部を実現する。また信号入出力ユニット４０のインターフェース回路にはＡ／Ｄ変換器が設けられており、アナログ信号の試験力測定信号Ａ１がＡ／Ｄ変換器によってデジタル信号に変換される。
なお、制御回路ユニット５０は、コンピュータに限らず、ＩＣチップやＬＳＩなどの集積回路といった１又は複数の適宜の回路によって構成されてもよい。
【００２８】
通信部５２は、試験プログラム実行装置３４との間で通信し、材料試験条件の設定や各種設定パラメータの設定値、材料試験の実行指示や中断指示などを試験プログラム実行装置３４から受信する。また、通信部５２は、例えば試験力測定信号Ａ１に基づく試験力の測定値を適宜のタイミングで、試験プログラム実行装置３４に送信する。
【００２９】
記憶部５６は、メモリデバイスにより構成され、目標データ５６１と、分解能情報５６２とを記憶する。
目標データ５６１は、材料試験における試験力等の目標値の時間的変動を示す時系列データである。目標データ５６１は、試験プログラム実行装置３４に対するユーザ設定操作に応じて制御回路ユニット５０によって変更可能に記憶される。
分解能情報５６２は、伸び計９０が試験片ＴＰの伸び量を測定可能な最小の当該伸び量に対応する伸び計９０の分解能を示す情報である。例えば、分解能情報５６２は、「０．０００１（ｍｍ）」を示す情報である。分解能情報５６２は、予め記憶部５６に記憶される。
【００３０】
制御部５４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材料試験に係る処理を実行する機能部である。制御部５４は、機能ブロックとして、フィルタ処理部５４１、加算値算出部５４２、及び、フィードバック制御部５４３を備える。
【００３１】
［３−１．フィルタ処理部］
フィルタ処理部５４１は、第２センサアンプ４２を介して伸び計９０が出力する伸び量測定信号Ａ２に基づいて、伸び計９０が測定した測定値をフィルタ処理する。本実施形態では、フィルタ処理部５４１は、フィルタ処理として、移動平均フィルタ処理、又は、一次遅れフィルタ処理を実行する。なお、移動平均フィルタ処理とは、移動平均フィルタによるフィルタ処理であり、一次遅れフィルタ処理とは、一次遅れフィルタによるフィルタ処理である。
【００３２】
まず、フィルタ処理部５４１による移動平均フィルタ処理について説明する。
図２は、フィルタ処理部５４１の移動平均フィルタ処理を説明するための図である。
図２において、縦軸は、試験片ＴＰの伸び量（ｍｍ）に設定され、横軸は時間（ｓｅｃ）に設定される。
【００３３】
図２において、グラフＧｆ２−１は、制御回路ユニット５０に入力される伸び量測定信号Ａ２が示す伸び計９０の測定値の時間変化を示す。また、図２において、グラフＧｆ２−２は、グラフＧｆ２−１が示す測定値に基づいて移動平均フィルタによってフィルタ処理した処理値の時間変化を示す。また、図２において、グラフＧｆ２−３は、後述する加算値算出部５４２が算出した加算値の時間変化を示す図である。
【００３４】
図２のグラフＧｆ２−１は、伸び計９０の分解能が０．０００１（ｍｍ）であり、クロスヘッド１０が０．００３５（ｍｍ／ｓｅｃ）の目標速度で移動している場合の伸び計９０の測定値の時間変化を示している。そのため、図２のグラフＧｆ２−１が示すように、伸び計９０の測定値は、０．０００１（ｍｍ）の単位でステップ状に変化している。
【００３５】
フィルタ処理部５４１は、以下の式（１）によって算出される時間幅（以下、「フィルタ時間幅」という）を、平均に用いる測定値の時間幅（以下、「移動平均時間」という）に設定されたフィルタ特性を用いた移動平均フィルタによってフィルタ処理を実行する。フィルタ時間幅は、本発明の「時間幅」の一例に対応する。
【００３６】
フィルタ時間幅＝伸び計９０の分解能／クロスヘッド１０の目標速度・・・（１）
フィルタ処理部５４１は、式（１）によってフィルタ時間幅を算出する際、記憶部５６が記憶する分解能情報５６２が示す伸び計９０の分解能を式（１）に代入する。また、フィルタ処理部５４１は、式（１）によってフィルタ時間幅を算出する際、例えば目標データ５６１の目標波形からクロスヘッド１０の目標速度を算出して、式（１）に代入する。クロスヘッド１０の目標速度は、本発明の「応答物理量の単位時間当たりの変化量を示す速度」の一例に対応する。
【００３７】
これにより、フィルタ処理部５４１は、クロスヘッド１０がある目標速度で移動している場合において、伸び計９０の測定値が伸び計９０の分解能単位で変化するまでに要する時間を算出する。図２の場合では、クロスヘッド１０が０．００３５（ｍｍ／ｓｅｃ）の目標速度で移動している場合において、伸び計９０の測定値が０．０００１（ｍｍ）変化するまでに要する時間を算出する。
【００３８】
フィルタ処理部５４１は、式（１）によって算出したフィルタ時間幅を移動平均時間に設定されたフィルタ特性を用いた移動平均フィルタによって、フィルタ処理する。これにより、フィルタ処理部５４１は、図２においてグラフＧｆ２−２が示すように、ステップ状に０．０００１（ｍｍ）単位で変化する測定値を、時間変化と共に変化する測定値へと変更する。
【００３９】
次に、フィルタ処理部５４１による一次遅れフィルタ処理について説明する。
図３は、一次遅れフィルタによるフィルタ処理を説明するための図である。
図３において、縦軸は、試験片ＴＰの伸び量（ｍｍ）に設定され、横軸は時間（ｓｅｃ）に設定される。
【００４０】
図３において、グラフＧｆ３−１は、制御回路ユニット５０に入力される伸び量測定信号Ａ２が示す伸び計９０の測定値の時間変化を示す。また、図３において、グラフＧｆ３−２は、グラフＧｆ３−１が示す測定値に基づいて一次遅れフィルタによってフィルタ処理した処理値の時間変化を示す。また、図３において、グラフＧｆ３−３は、後述する加算値算出部５４２が算出した加算値の時間変化を示す図である。
【００４１】
図３のグラフＧｆ３−１は、伸び計９０の分解能が０．０００１（ｍｍ）であり、クロスヘッド１０が０．００３５（ｍｍ／ｓｅｃ）の目標速度で移動している場合の伸び計９０の測定値の時間変化を示している。そのため、図３のグラフＧｆ３−１が示すように、伸び計９０の測定値は、０．０００１（ｍｍ）の単位でステップ状に変化している。
【００４２】
フィルタ処理部５４１は、上記の式（１）によって算出されるフィルタ時間幅が、立ち上がり時間又は立ち下がり時間に設定されたフィルタ特性を用いた一次遅れフィルタによってフィルタ処理を実行する。本実施形態では、立ち上がり時間がフィルタ時間幅となるように設定されたフィルタ特性を用いた一次遅れフィルタを例示する。また、本実施形態では、立ち上がり時間は、以下の式（２）、及び式（３）によって設定されている。
【００４３】
Ｔｒ＝Ｔ２−Ｔ１＝（−ｌｏｇ（０．０５）＋ｌｏｇ（１））／ａ・・・（２）
ａ＝（−ｌｏｇ（０．０５）＋ｌｏｇ（１））／フィルタ時間幅・・・（３）
【００４４】
Ｔｒは、ステップ状に変化する測定値の１ステップに関する立ち上がり時間である。本実施形態では、当該１のステップにおいて測定値が最大に対して５％から１００％になるまでに要する時間である。Ｔ２は、当該１のステップにおいて測定値が、当該１のステップにおける最大値に対して１００％に到達するまでの時間である。Ｔ１は、当該１のステップにおいて測定値が、当該１のステップにおける最大値に対して５％に到達するまでの時間である。
【００４５】
フィルタ処理部５４１は、式（１）によってフィルタ時間幅を算出し、算出したフィルタ時間幅を式（３）に代入して、ａを算出する。そして、フィルタ処理部５４１は、算出したａを式（２）に代入して、立ち上がり時間をフィルタ時間幅に設定する。
【００４６】
フィルタ処理部５４１は、式（２）によって設定された立ち上がり時間に基づく一次遅れフィルタによって、フィルタ処理する。図３においてグラフＧｆ３−２が示すように、０．０００１（ｍｍ）単位でステップ状に変化していた測定値を、時間変化と共に変化する測定値へと変更できる。
【００４７】
［３−２．加算値算出部］
加算値算出部５４２は、以下の式（４）によって、フィルタ処理部５４１の処理値を補正する補正値を算出し、算出した補正値に当該処理値を加算した加算値を算出する。
【００４８】
補正値＝処理値速度／フィルタ時間幅・・・（４）
処理値速度とは、所定期間における単位時間当たりの処理値の変化量である。この所定期間は、事前のテストやシミュレーション等によって予め適切に定められている。
【００４９】
加算値算出部５４２は、フィルタ処理部５４１からフィルタ処理された処理値を、逐次取得する。そして、加算値算出部５４２は、フィルタ処理部５４１から取得した処理値に基づいて、処理値速度を算出する。また、加算値算出部５４２は、フィルタ処理部５４１から式（１）によって算出されたフィルタ時間幅を逐次取得する。なお、加算値算出部５４２は、式（１）によってフィルタ時間幅を逐次算出する構成でもよい。加算値算出部５４２は、算出した処理値速度と、取得したフィルタ時間幅とを式（４）に代入して、補正値を算出する。
【００５０】
次いで、加算値算出部５４２は、以下の式（５）によって、加算値を算出する。
加算値＝処理値＋補正値・・・（５）
すなわち、加算値算出部５４２は、算出した補正値を、フィルタ処理部５４１が算出した処理値に加算して、加算値を算出する。
【００５１】
図２に示すグラフＧｆ２−３は、後述する加算値算出部５４２が算出した加算値の時間変化を示す図である。図２のグラフＧｆ２−３とグラフＧｆ２−２とを比較して明らかな通り、加算値は、フィルタ処理部５４１のフィルタ処理による時間遅れが補正されている。
また、図３に示すグラフＧｆ３−３は、後述する加算値算出部が算出した加算値の時間変化を示す図である。図３のグラフＧｆ３−３とグラフＧｆ３−２とを比較して明らかな通り、加算値は、フィルタ処理部５４１のフィルタ処理による時間遅れが補正された値となっている。
【００５２】
［３−３．フィルタ処理部］
フィードバック制御部５４３は、例えばＰＩＤ制御によって、サーボモータ１８のフィードバック制御を実行する。フィードバック制御部５４３は、各制御周期において、フィルタ処理部５４１がフィルタ処理によって算出した処理値又は加算値算出部５４２が算出した加算値と、試験片ＴＰの伸び量の目標値と、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信号Ｂ１をサーボアンプ４４に出力する。フィードバック制御部５４３は、例えば、試験プログラム実行装置３４から受信した試験条件に基づいて、フィルタ処理部５４１がフィルタ処理によって算出した処理値又は加算値算出部５４２が算出した加算値に基づくサーボモータ１８のフィードバック制御を実行する。
【００５３】
［３．制御装置の動作］
次に、制御装置３０の動作について説明する。
図４は、制御装置３０の動作を示すフローチャートであり、特にサーボモータ１８のフィードバック制御に係る動作を示すフローチャートである。
【００５４】
図４に示すフローチャートの説明では、サーボモータ１８のフィードバック制御について説明する。制御装置３０は、材料試験の実行中に、図４に示すフローチャートの動作を所定の制御周期毎に実行して、サーボモータ１８をフィードバック制御する。
【００５５】
制御周期が到来すると、制御装置３０の制御部５４のフィルタ処理部５４１は、フィルタ時間幅を算出する（ステップＳＡ１）。
【００５６】
次いで、フィルタ処理部５４１は、フィルタ処理によって処理値を算出する（ステップＳＡ２）。
【００５７】
次いで、加算値算出部５４２は、ステップＳＡ２で算出された処理値に基づいて加算値を算出する（ステップＳＡ３）。
【００５８】
次いで、フィードバック制御部５４３は、制御周期における試験片ＴＰの伸び量の目標値から、ステップＳＡ３で算出された加算値を減じて、偏差を算出する（ステップＳＡ４）。
【００５９】
次いで、フィードバック制御部５４３は、ステップＳＡ４で算出した偏差に基づいて、試験片ＴＰの伸び量の目標値と、ステップＳＡ３で算出された加算値とを一致させるサーボモータ１８の回転量を算出する（ステップＳＡ５）。
【００６０】
そして、フィードバック制御部５４３は、算出した回転量を示す指令信号Ｂ１をサーボアンプ４６に出力する（ステップＳＡ６）。
【００６１】
なお、制御装置３０は、フィルタ処理部５４１がフィルタ処理によって算出した処理値と、試験片ＴＰの伸び量の目標値との偏差を減少させるサーボモータ１８のフィードバック制御を実行する場合、図４に示すステップＳＡ３の処理をスキップし、また、ステップＳＡ４で加算値に代えて、ステップＳＡ２で算出した処理値に基づくサーボモータ１８のフィードバック制御を実行する。
【００６２】
［４．材料試験の精度］
図５〜図８を参照して、材料試験の精度について説明する。
図５、図６、及び、図７は、従来の材料試験機による変位制御の測定データである。図５、図６、及び、図７に示す測定データにおける変位制御では、単位時間当たりの試験片ＴＰの伸び量の変化量が一定となる制御がなされている。
【００６３】
図５は、ひずみ速度と試験力との測定データである。図５では、右縦軸がひずみ速度（％／ｓｅｃ）に設定され、左縦軸が試験力（Ｎ：ニュートン）に設定され、横軸が時間（ｓｅｃ）に設定されている。なお、ひずみ速度とは、単位時間当たりの試験片ＴＰのひずみの変化量を示す物理量であり、単位時間当たりの試験片ＴＰの伸び量の変化量に対応する。図５において、グラフＧｆ５−１は、ひずみ速度の測定データであり、グラフＧｆ５−２は、試験力の測定データである。
【００６４】
図６は、試験片ＴＰの伸び量と試験力との測定データである。図６では、右縦軸が伸び量（ｍｍ）に設定され、左縦軸が試験力（Ｎ：ニュートン）に設定され、横軸が時間（ｓｅｃ）に設定されている。図６において、グラフＧｆ６−１は、試験片ＴＰの伸び量の測定データであり、グラフＧｆ６−２は、試験力の測定データである。
【００６５】
図５、及び図６は、０．００７（％／ｓｅｃ）のひずみ速度で試験片ＴＰを引っ張った場合の同じ材料試験の測定データである。図５、及び、図６の測定データが示す試験片ＴＰの引っ張りでは、試験片ＴＰを塑性域まで引っ張っている。そのため、図５、及び、図６に示すように、試験力は、弾性域では伸び量に対して比例的に増加する一方、塑性域では伸び量に対する増加率が低下する。なお、試験片ＴＰの伸び量は、図６のグラフＧｆ６−１が示すように、一定増加している。ここで、タイミングＴＡ１からタイミングＴＡ２の期間、すなわち、試験片ＴＰの伸び量に対して比例的に試験力が増加している期間、図５、及び図６に示すように、試験力は、振動しながら増加している。また、当該期間におけるひずみ速度は、図５、及び図６に示すように、他の期間のひずみ速度と比較して明らかな通り、許容誤差範囲ＫＨ（０．００７（％／ｓｅｃ）に対して±０．００５（％／ｓｅｃ））から大きく外れる誤差を有して大きく振幅している。これは、試験片ＴＰのひずみが、精度良く一定に増加していない、すなわち、精度良く一定の伸び量で試験片ＴＰが伸びていないことを示している。これは、以下の理由による。
【００６６】
図７を参照して、理由を説明する。
図７は、図６の６−７秒区間における試験片ＴＰの伸び量の測定データである。説明便宜のため、図７では、クロスヘッド１０の移動距離の測定データと、試験片ＴＰの伸び量の目標値の時間変化を示すデータとを図示している。
【００６７】
図７では、左縦軸がクロスヘッド１０の移動距離（ｍｍ）に設定され、右縦軸が試験片ＴＰの伸び量（ｍｍ）に設定され、横軸が時間（ｓｅｃ）に設定されている。図７において、グラフＧｆ７−１は、試験片ＴＰの伸び量の目標値の時間変化を示す。また、グラフＧｆ７−２は、伸び計９０の測定値の時間変化を示す。また、グラフＧｆ７−３は、クロスヘッド１０の移動距離の時間変化を示す。なお、左横軸においては、移動開始前のクロスヘッド１０の所定位置を「０」としている。
【００６８】
例えば、タイミングＴＢ１からタイミングＴＢ２において、クロスヘッド１０が移動している。それに伴って、試験片ＴＰの伸び量も増加しているが、伸び量が伸び計９０の分解能以下であるため、タイミングＴＢ１からタイミングＴＢ２の区間で示すように、目標値と伸び計９０の測定値との偏差が大きくなる。この偏差の増加に伴って、サーボモータ１８の回転量が大きく増加し、タイミングＴＢ１以降、クロスヘッド１０は加速する。クロスヘッド１０が加速すると、伸び計９０の分解能以上の伸びが試験片ＴＰに発生するため、伸び計９０の測定値は、目標値に近づく。これに伴って、伸び計９０の測定値と目標値との偏差が小さくなってサーボモータ１８の回転量が減少し、タイミングＴＢ３以降、クロスヘッド１０は減速する。しかし、クロスヘッド１０が減速すると、タイミングＴＡ３以降、伸び計９０が測定する試験片ＴＰの伸び量の変化量が低下し、タイミングＴＢ４からタイミングＴＢ５に示すように、再度、伸び計９０の分解能以下で試験片ＴＰが伸びる。これに伴って、再度、目標値と伸び計９０の測定値との偏差が大きくなり、再度、クロスヘッド１０は、加速する。
このように、試験片ＴＰが分解能以下で伸びると、クロスヘッド１０は加減速を繰り返し、この加減速に伴って、試験片ＴＰの伸び量は緩やかな増加と急な増加とを繰り返して階段状に変化する。これによって、ひずみ速度が加減速して一定にならず、精度良く一定の伸び量で試験片ＴＰが伸びていないこととなる。
【００６９】
図８、及び、図９は、本発明の材料試験機１による変位制御の測定データである。図８、及び、図９に示す測定データにおける変位制御では、単位時間当たりの試験片ＴＰの伸び量の変化量が一定となる制御がなされている。図８、及び、図９の測定データは、加算値算出部５４２が算出した加算値に基づくサーボモータ１８のフィードバック制御の測定データである。
【００７０】
図８は、ひずみ速度と試験力との測定データである。図８では、右縦軸がひずみ速度（％／ｓｅｃ）に設定され、左縦軸が試験力（Ｎ：ニュートン）に設定され、横軸が時間（ｓｅｃ）に設定されている。なお、ひずみ速度とは、単位時間当たりの試験片ＴＰのひずみの変化量を示す物理量であり、単位時間当たりの試験片ＴＰの伸び量の変化量に対応する。図８において、グラフＧｆ８−１は、ひずみ速度の測定データであり、グラフＧｆ８−２は、試験力の測定データである。
【００７１】
図９は、試験片ＴＰの伸び量と試験力との測定データである。図９では、右縦軸が伸び量（ｍｍ）に設定され、左縦軸が試験力（Ｎ：ニュートン）に設定され、横軸が時間（ｓｅｃ）に設定されている。図９において、グラフＧｆ９−１は、試験片ＴＰの伸び量の測定データであり、グラフＧｆ９−２は、試験力の測定データである。
【００７２】
図８、及び、図９は、０．００７（％／ｓｅｃ）のひずみ速度で試験片ＴＰを引っ張った場合の測定データである。図８、及び、図９の測定データが示す試験片ＴＰの引っ張りでは、試験片ＴＰを塑性域まで引っ張っている。そのため、図８、及び、図９に示すように、試験力は、弾性域では伸び量に対して比例的に増加する一方、塑性域では伸び量に対する増加率が低下する。なお、試験片ＴＰの伸び量は、図９のグラフＧｆ９−１が示すように、一定増加している。ここで、図５及び図６に示すタイミングＴＡ１からタイミングＴＡ２までの期間と比較して明らかな通り、図８及び図９に示すタイミングＴＣ１からタイミングＴＣ２までの期間、すなわち、試験片ＴＰの伸び量に対して比例的に試験力が増加している期間、試験力は、振動が抑制された状態で増加している。また、当該期間におけるひずみ速度は、図５、及び図６と比較して明らかな通り、誤差が許容誤差範囲ＫＨ（０．００７（％／ｓｅｃ）に対して±０．００５（％／ｓｅｃ））に収まっており、振幅が抑えられている。これは、試験片ＴＰのひずみが精度良く一定に増加しており、精度良く材料試験を行えていることを示している。図８、及び図９が示すように精度良く材料試験を行えているのは、フィルタ処理によって、分解能単位で変化する測定値を、分解能以下でも時間と共に変化する測定値に変更して、目標値との偏差が大きく乖離しないようにできるためである。
なお、図８、及び、図９の測定データは、加算値算出部５４２が算出した加算値に基づくサーボモータ１８のフィードバック制御の測定データであるが、フィルタ処理部５４１が算出した処理値に基づくサーボモータ１８のフィードバック制御でも、図８、及び図９のように精度良く材料試験が行えている測定データとなる。これは、加算値と同様に、処理値の場合でも、フィルタ処理によって、分解能単位で変化する測定値を、分解能以下でも時間と共に変化する測定値に変更して、目標値との偏差が大きく乖離しないようにできるためである。
【００７３】
［５．実施形態のまとめ］
以上説明したように、材料試験機１は、試験片ＴＰに試験力を付与する負荷機構１２と、負荷機構１２のフィードバック制御において応答となる試験片ＴＰの伸び量を測定する伸び計９０と、伸び計９０の測定値にフィルタ処理を実行するフィルタ処理部５４１と、フィルタ処理部５４１によって処理された処理値と、伸び量の目標値との偏差を減少させるように負荷機構１２をフィードバック制御するフィードバック制御部５４３と、を備える。フィルタ処理部５４１は、伸び計９０の分解能をクロスヘッド１０の目標速度で除したフィルタ時間幅に基づくフィルタ処理を、試験片ＴＰの伸び量の測定値に実行する。
【００７４】
これによれば、伸び計９０の分解能を、試験片ＴＰの伸び量の単位当たりの変化量を示す速度で除したフィルタ時間幅に基づくフィルタ処理を、伸び計９０の測定値に行うため、伸び計９０の分解能以下で時間変化しない測定値を、当該分解能以下でも時間と共に変化する測定値へと変更することができる。そのため、試験片ＴＰの伸び量が分解能以下で変化した場合、試験片ＴＰの伸び量の目標値と伸び計９０が測定した試験片ＴＰの伸び量との偏差が大きくなることを抑制でき、サーボモータ１８の制御量が大きく増加することを抑制できる。したがって、伸び計９０の分解能に依ることなく、精度良く材料試験を行うことができる。
【００７５】
材料試験機１は、処理値速度をフィルタ時間幅で除した補正値を処理値に加算した加算値を算出する加算値算出部５４２を備える。フィードバック制御部５４３は、加算値算出部５４２が算出する加算値と、試験片ＴＰの伸び量の目標値との偏差を減少させるようにサーボモータ１８をフィードバック制御する。
【００７６】
これによれば、フィルタ処理部５４１のフィルタ処理による時間遅れが補正された処理値に基づいてサーボモータ１８をフィードバック制御できるため、応答性が低下することなくサーボモータ１８をフィードバック制御できる。したがって、伸び計９０の分解能に依ることなく、より精度良く材料試験を行うことができる。
【００７７】
フィルタ処理部５４１は、移動平均時間がフィルタ時間幅となる移動平均フィルタ処理を、伸び計９０の測定値に実行する。
【００７８】
これによれば、移動平均フィルタ処理によって、伸び計９０の分解能以下で時間変化しない測定値を、当該分解能以下でも時間と共に変化する測定値へと変更することができる。そのため、試験片ＴＰの伸び量が分解能以下で変化した場合、試験片ＴＰの伸び量の目標値と伸び計９０が測定した試験片ＴＰの伸び量との偏差が大きくなることを抑制でき、サーボモータ１８の制御量が大きく増加することを抑制できる。したがって、移動平均フィルタ処理でも、伸び計９０の分解能に依ることなく、精度良く材料試験を行うことができる。
【００７９】
フィルタ処理部５４１は、立上り時間又は立下り時間がフィルタ時間幅となる一次遅れフィルタ処理を、伸び計９０の測定値に実行する。
【００８０】
これによれば、一次遅れフィルタ処理によって、伸び計９０の分解能以下で時間変化しない測定値を、当該分解能以下でも時間と共に変化する測定値へと変更することができる。そのため、試験片ＴＰの伸び量が分解能以下で変化した場合、試験片ＴＰの伸び量の目標値と伸び計９０が測定した試験片ＴＰの伸び量との偏差が大きくなることを抑制でき、サーボモータ１８の制御量が大きく増加することを抑制できる。したがって、一次遅れフィルタ処理でも、伸び計９０の分解能に依ることなく、精度良く材料試験を行うことができる。
【００８１】
［６．他の実施形態］
なお、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、および応用が可能である。
【００８２】
上述した実施形態では、図５〜図８の測定データにおいて引張試験を行う材料試験機１を示したが、本発明は、試験片ＴＰに試験力を付与して、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。
【００８３】
例えば、上記実施形態では、応答物理量として試験片ＴＰの伸び量を例示したが、試験力であってもよいし、その他、トルク、圧力、変位などであってもよい。なお、本発明の応答物理量が試験力である場合、ロードセル１４が本発明の「測定器」の一例に対応することとなる。
【００８４】
例えば、上記実施形態では、フィルタ処理部５４１が伸び計９０の測定値に移動平均フィルタ処理、又は、一次遅れフィルタ処理を実行する構成であるが、フィルタ処理部５４１が当該測定値に実行するフィルタ処理の種類はこれらに限定されない。伸び計９０の測定値を、伸び計９０の分解能以下で時間と共に変化する測定値に変更可能なフィルタ処理であれば、フィルタの種類は、いずれの種類でよい。例えば、フィルタ処理部５４１は、二次遅れフィルタによってフィルタ処理を実行する構成でもよい。
【００８５】
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。
【００８６】
例えば、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。
【００８７】
例えば、図４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。
【００８８】
［７．態様］
上述した実施形態及び変形例は、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。
【００８９】
（第１項）
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、前記負荷機構のフィードバック制御において応答となる応答物理量を測定する測定器と、前記測定器の測定値にフィルタ処理を実行するフィルタ処理部と、前記フィルタ処理部によって処理された処理値と、前記応答物理量の目標値との偏差を減少させるように前記負荷機構をフィードバック制御するフィードバック制御部と、を備え、前記フィルタ処理部は、前記測定器の分解能を前記応答物理量の単位時間当たりの変化量を示す速度で除した時間幅に基づくフィルタ処理を、前記測定器の測定値に実行する。
【００９０】
第１項に記載の材料試験機によれば、応答物理量を測定可能な測定器の分解能を、応答物理量の単位当たりの変化量を示す速度で除した時間幅に基づくフィルタ処理を、測定器の測定値に行うため、測定器の分解能以下で時間変化しない測定値を、当該分解能以下で時間変化する測定値へと変更することができる。そのため、応答物理量が分解能以下で変化した場合、応答物理量の目標値と測定器が測定した応答物理量との偏差が大きくなることを抑制でき負荷機構の制御量が大きく増加することを抑制できる。したがって、応答物理量を測定する測定器の分解能に依ることなく、精度良く材料試験を行うことができる。
【００９１】
（第２項）
第１項に記載の材料試験機において、単位時間当たりの前記処理値の変化量を前記時間幅で除した補正値を前記処理値に加算した加算値を算出する加算値算出部を備え、前記フィードバック制御部は、前記加算値算出部が算出する前記加算値と、前記応答物理量の目標値との偏差を減少させるように前記負荷機構をフィードバック制御する。
【００９２】
第２項に記載の材料試験機によれば、フィルタ処理部のフィルタ処理による時間遅れが補正された処理値に基づいて負荷機構をフィードバック制御できるため、応答性が低下することなく負荷機構をフィードバック制御できる。したがって、応答物理量を測定する測定器の分解能に依ることなく、より精度良く材料試験を行うことができる。
【００９３】
（第３項）
第１項又は第２項に記載の材料試験機において、前記フィルタ処理部は、移動平均時間が前記時間幅となる移動平均フィルタ処理を、前記測定器の測定値に実行する。
【００９４】
第３項に記載の材料試験機によれば、移動平均フィルタ処理によって、測定器の分解能以下で時間変化しない測定値を、当該分解能以下でも時間と共に変化する測定値へと変更することができる。そのため、応答物理量が分解能以下で変化した場合、応答物理量の目標値と測定器が測定した応答物理量との偏差が大きくなることを抑制でき、負荷機構の制御量が大きく増加することを抑制できる。したがって、フィルタ処理が移動平均フィルタ処理であっても、応答物理量を測定する測定器の分解能に依ることなく、精度良く材料試験を行うことができる。
【００９５】
（第４項）
第１項又は第２項に記載の材料試験機において、前記フィルタ処理部は、立上り時間又は立下り時間が前記時間幅となる一次遅れフィルタ処理を、前記測定器の測定値に実行する。
【００９６】
第４項に記載の材料試験機によれば、一次遅れフィルタ処理によって、測定器の分解能以下で時間変化しない測定値を、当該分解能以下でも時間と共に変化する測定値へと変更することができる。そのため、応答物理量が分解能以下で変化した場合、応答物理量の目標値と測定器が測定した応答物理量との偏差が大きくなることを抑制でき、負荷機構の制御量が大きく増加することを抑制できる。したがって、フィルタ処理が一次遅れフィルタ処理であっても、応答物理量を測定する測定器の分解能に依ることなく、精度良く材料試験を行うことができる。
【００９７】
（第５項）
第１項から第４項のいずれか一項に記載の材料試験機において、前記試験対象は、試験片であり、前記測定器は、試験片の伸び量を測定する伸び計である。
【００９８】
第５項に記載の材料試験機によれば、伸び計の分解能に依ることなく、精度良く材料試験を行うことができる。
【００９９】
（第６項）
別の一態様に関わる材料試験機の制御方法は、試験対象に負荷を付与する負荷機構と、前記負荷機構のフィードバック制御において応答となる応答物理量を測定する測定器と、前記測定器の測定値をフィルタ処理するフィルタ処理部、及び、前記フィルタ処理部によって処理された処理値と、前記応答物理量の目標値との偏差を減少させるように前記負荷機構をフィードバック制御するフィードバック制御部を有する制御装置と、を備える材料試験機の制御方法であって、前記フィルタ処理部は、前記測定器の分解能を前記応答物理量の単位時間当たりの変化量を示す速度で除した時間幅に基づくフィルタ処理を、前記測定器の測定値に実行する。
【０１００】
第６項に記載の材料試験機の制御方法によれば、第１項に記載の材料試験機と同様の効果を奏する。
【符号の説明】
【０１０１】
１  材料試験機
１２  負荷機構
１４  ロードセル（測定器）
１８  サーボモータ
３０  制御装置
９０  伸び計（測定器）
５４１  フィルタ処理部
５４２  加算値算出部
５４３  フィードバック制御部
ＴＰ  試験片(試験対象)
【図１】
2020165699.tif 000003
【図２】
2020165699.tif 000004
【図３】
2020165699.tif 000005
【図４】
2020165699.tif 000006
【図５】
2020165699.tif 000007
【図６】
2020165699.tif 000008
【図７】
2020165699.tif 000009
【図８】
2020165699.tif 000010
【図９】
2020165699.tif 000011