JP2002116136A - 高サイクル疲労寿命試験の方法及び装置 - Google Patents

高サイクル疲労寿命試験の方法及び装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 寿命試験の高サイクル疲労部分の間に部品の
周波数及び振幅の変化を測定し且つ追跡するキャパシタ
ンスプローブを提供する。 【解決手段】 キャパシタンスプローブ（１０）は、内
部発振器（１４）と、調整自在の受信器回路（１６）
と、プロダクト検出器（１８）と、１対の利得増幅器
（４０、４２）とを含む。発振器は単一制御周波数出力
を発生する。受信器回路はその周波数を受信し、キャパ
シタンスブリッジを無効化する直流電圧偏移を発生させ
る。プロダクト検出器は発振器の振幅変調プロダクトを
検出し（９０）、望ましくない周波数を除去する（９
２）。利得増幅器は直流電圧偏移を検出し（１００）、
キャパシタンス効果を容易に無効化することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は一般に寿命試験に関
し、特に、高サイクル疲労閉ループ制御のために周波数
及び変位を測定する装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】寿命試験は、通常、広い範囲で変化する
温度及び振動振幅にさらされるような用途で使用される
部品に関連して利用される。寿命試験の高サイクル疲労
（ＨＣＦ）部分は、部品の周波数と変位を制御するため
に閉ループ制御を使用する。試験すべき部品を試験スタ
ンドに設置し、発振器によって開ループモードで振動さ
せる。キャパシタンスプローブをスタンドに隣接して配
置し、振動を継続させながら部品の周波数と振動振幅を
測定する。すなわち、キャパシタンスプローブは、電荷
と２つの面の間の電位差との関係を通して存在するキャ
パシタンスを判定することにより、プローブとターゲッ
ト材料との離間を測定する。
【０００３】試験中、部品が疲労するにつれて、部品の
固有共振周波数と振幅は変化し、キャパシタンスプロー
ブはそのような変化を表す信号を発生する。キャパシタ
ンスプローブにより発生された信号はシェーカの閉ルー
プ制御部に供給され、部品の疲労が進むにつれて、シェ
ーカの閉ループ制御部は部品の振動振幅をあらかじめ設
定された振幅に維持するように動作する。
【０００４】周知のキャパシタンスプローブは内部発振
器と、受信器回路とを含む。様々に異なる部品を試験す
るので、内部発振器は、多くの場合、様々な周波数を送
信できる非安定マルチバイブレータ回路である。しか
し、発振器が非安定回路であるために、試験中、発振器
により送信される周波数は、キャパシタンスプローブと
試験すべき部品との接近距離に応じてドリフトすること
がある。更に、受信器回路の感度によって、発振器によ
り送信される又は試験中に発生する望ましくない雑音や
その他の信号が受信器回路で受信されてしまい、試験に
悪影響を及ぼすことも考えられる。
【０００５】更に、キャパシタンスプローブと部品との
接近距離に応じて周波数がドリフトするため、キャパシ
タンスプローブと部品との接近距離に応じて直流電圧偏
移が起こる。そのような電圧偏移はキャパシタンスプロ
ーブの出力電圧のダイナミックレンジを制限し、受信器
の広い帯域幅と感度によって、電気的雑音が受信される
べき周波数の中で優位を占めるような状況になることも
ある。
【０００６】
【発明の概要】一実施例では、試験方法により、部品の
高サイクル疲労寿命試験のために周波数及び変位を正確
に測定できる。すなわち、一実施例においては、キャパ
シタンスプローブは、閉ループ制御による試験中、部品
の周波数及び振幅の変化を正確に検出し、測定し且つ追
跡する。プローブは内部発振器と、受信器回路と、プロ
ダクト検出器と、１対の利得増幅器とを含む。発振器
は、調整自在の受信器回路により受信される単一制御周
波数出力を発生する。受信器回路はキャパシタンスブリ
ッジを含み、また、キャパシタンスブリッジを有効に無
効化する直流電圧偏移を発生させるために調整自在であ
る。プロダクト検出器は発振器及び受信器回路の振幅変
調プロダクトを検出し、プロダクト検出器からの信号を
中継する前に望ましくない周波数を除去する。利得増幅
器は直流電圧偏移を検出し、キャパシタンス効果を容易
に無効化することができる。また、利得増幅器は、キャ
パシタンスプローブの出力の過剰駆動又は過剰増幅を防
止するために調整自在である。
【０００７】部品の寿命試験の高サイクル疲労部分の
間、キャパシタンスプローブは部品に隣接して配置さ
れ、部品の周波数及び振幅の変化を検出し且つ追跡する
ために使用される。試験中、部品が疲労し、固有共振周
波数が減少するにつれて、キャパシタンスプローブは振
幅の変化をシェーカの閉ルーブ制御部へ伝送する。試験
中に発生する電気的雑音はプロダクト検出器の使用によ
って排除され、利得増幅器は、キャパシタンス効果を無
効化し且つキャパシタンスプローブの閉ループが安定す
るように出力信号のダイナミックレンジを増大し、その
中心位置を調整できるようにするために調整される。そ
の結果、キャパシタンスプローブは高サイクル疲労試験
中の部品の周波数と変位の正確な測定値を、周知のキャ
パシタンスプローブと比較してより正確で、コスト有効
性にすぐれた方法で提供する。
【０００８】
【発明の実施の形態】図１は、部品（図示せず）の高サ
イクル疲労寿命試験に際して周波数及び変位を測定する
ために使用されるキャパシタンスプローブ１０のブロッ
ク線図である。一実施例では、キャパシタンスプローブ
１０はガスタービンエンジンのブレード（図示せず）の
高サイクル疲労寿命試験のために周波数及び変位を測定
する。キャパシタンスプローブ１０は閉ループ制御で動
作し、発振器１４と、受信器回路１６と、プロダクト検
出器１８と、複数の利得増幅器２０とを含むプリント回
路基板（図示せず）を含む。一実施例では、プリント回
路基板は、回路基板に誘導される雑音を最小限に抑える
ために接地平面（図示せず）を含む。
【０００９】発振器１４は、一定である単一制御周波数
出力を発生する結晶（図示せず）を含む。従って、発振
器１４は非安定マルチバイブレータ回路ではないので、
キャパシタンスプローブ１０を疲労試験すべき部品に物
理的に接離するように移動させるにつれて、発振器１４
からの周波数出力がドリフトすることはない。一実施例
では、発振器１４はペンシルベニア州マルバーンのVish
ay Intertechnology,Inc.より入手可能な５ＭＨｚのＨ
Ｓ−１００Ｐである。
【００１０】受信器回路１６は、少なくとも１つの調整
自在のコンデンサ２６を含む同調キャパシタンスブリッ
ジ又はホイートストンブリッジ２４を含む。キャパシタ
ンスプローブ１０はホイートストンブリッジ２６の第４
のコンデンサとして機能する。キャパシタンスブリッジ
２４を有効に無効化する直流電圧偏移を発生させるため
に、調整自在のコンデンサ２６によりキャパシタンス効
果を調整し、その平衡を保持することができる。一実施
例では、同調キャパシタンスブリッジ２４は２つの３０
ｐｆコンデンサ２８を更に含み、調整自在のコンデンサ
２６はニュージャージー州ブーントンのJohanson Manuf
acturing Corporationより入手可能な５−２５ｐｆ調整
自在コンデンサである。
【００１１】プロダクト検出器１８は受信器回路１６か
ら出力を受信し、発振器１４の振幅変調プロダクトを検
出する。また、プロダクト検出器１８は、プロダクト検
出器１８からの信号を中継する前に望ましくない周波数
を除去する。一実施例では、プロダクト検出器１８はテ
キサス州オースチンのMotorola, Inc.より入手可能なＭ
Ｃ１４９６平衡変調器／復調器である。
【００１２】回路基板には２つの利得増幅器２０が装着
されている。第１の利得増幅器４０は５０：１利得増幅
器であり、プロダクト検出器１８の出力を受信する。第
１の利得増幅器４０は、検出される直流電圧のうちで第
１の利得増幅器４０の出力からの偏移を視覚的に表示す
るために使用される２つの発光素子ＬＥＤ（図示せず）
を含む。それらのＬＥＤが動作されて点灯したとき、オ
ペレータはキャパシタンスを無効化するためにキャパシ
タンスブリッジ２４を調整し、有効に調整されれば、２
つのＬＥＤは動作を停止し、その光は消える。キャパシ
タンス効果が除去された後、キャパシタンスプローブの
出力端子を試験すべき部品に隣接させても、直流電圧偏
移は起こらない。
【００１３】第２の利得増幅器４２は２００：１利得増
幅器であり、第１の利得増幅器４０の出力を受信する。
第２の利得増幅器４２は結合利得増幅器であり、キャパ
シタンスプローブの出力を過剰駆動又は過剰増幅するの
を防止するために調整自在である。一実施例では、第１
の利得増幅器４０及び第２の利得増幅器４２は、それぞ
れ、カリフォルニア州サンタクララのNational Semicon
ductorより入手可能なＬＦ３５６増幅器を含む。
【００１４】部品の寿命試験の高サイクル疲労部分の
間、部品をシェーカスタンド（図示せず）に設置し、発
振器（図示せず）を使用して、部品を開ループモードで
固有周波数で振動させる。キャパシタンスプローブ１０
を部品に隣接して配置し、閉ループ制御モードで部品の
周波数及び振幅の変化を追跡する。プローブ１０は、底
部を重くしたスタンド（図示せず）に固着され、寿命試
験中、そのスタンドによって所定の位置に保持される。
試験中、部品が疲労し、固有共振周波数が減少するにつ
れて、キャパシタンスプローブ１０は振幅の変化をシェ
ーカ発振器へ伝送する。試験中に発生する部品の電磁誘
導熱、ＥＭＩ、雑音はプロダクト検出器１８の使用によ
って排除される。更に、利得増幅器４０及び４２によっ
て、出力信号のダイナミックレンジを増大させ且つその
中心位置を調整しつつ、キャパシタンス効果を調整して
無効化することができる。利得増幅器４０及び４２によ
り出力信号のダイナミックレンジの中心位置を調整する
ことにより、キャパシタンスプローブの閉ループは確実
に安定する。その結果、プローブ１０を試験部品に隣接
して配置することが可能になり、キャパシタンスブリッ
ジ２４が無効化された後、疲労寿命試験中の直流電圧偏
移は減少する。
【００１５】別の部品（図示せず）を疲労試験するとき
には、第１の部品をシェーカスタンドから取り外し、新
たな部品を設置する。新たな試験部品を試験スタンドに
設置した後、キャパシタンスプローブ１０を新たな部品
に隣接して配置し、ＬＥＤの動作が停止する箇所に到達
するまで、部品から離間するようにゆっくりと移動させ
る。ナルポイントとして知られるその箇所に達したと
き、キャパシタンスプローブ１０は今回の疲労試験中の
新たな部品から、先の第１の部品の疲労試験の間にキャ
パシタンスプローブ１０があったのと同じ距離に位置し
ている。出力の振幅はプローブと部品との距離によって
決まる。２回の試験を通してその距離は同じであり、容
易に再現できるので、多数の部品を試験する場合にも再
校正又は変位調整の必要はなく、従って、部品試験ごと
のダイナミックレンジの特性振幅は確実に等しくなる。
【００１６】図２は、図１に示すキャパシタンスプロー
ブ１０のようなキャパシタンスプローブ（図２には図示
せず）を使用して部品（図示せず）の高サイクル疲労部
分について周波数及び変位を測定するために使用される
方法６０のフローチャートである。まず、部品が試験ス
タンドに取り付けられた後、キャパシタンスプローブは
単一周波数を送信する（７０）。一実施例では、キャパ
シタンスプローブは、制御周波数出力を発生する結晶
（図示せず）を含む発振器（図示せず）を含む。一実施
例では、発振器は５ＭＨｚクロックである。
【００１７】送信された単一周波数（７０）を受信する
ために、キャパシタンスブリッジ（図示せず）を調整す
る（８０）。周波数を受信するためにキャパシタンスブ
リッジを調整する（８０）ことにより、第１段増幅器
（図示せず）の直流電圧偏移が無効化されるようにキャ
パシタンス効果も調整される。一実施例では、５ＭＨｚ
の周波数でキャパシタンスの変化を受信するためにキャ
パシタンスブリッジが調整される（８０）。
【００１８】送信された単一周波数（７０）を受信する
ためにキャパシタンスブリッジが調整された（８０）
後、プロダクト検出器（図２には図示せず）によって発
振器の振幅変調プロダクトを検出する（９０）。また、
プロダクト検出器は信号を中継する前に望ましくない周
波数を除去する（９２）。一実施例では、プロダクト検
出器は５ＭＨｚの振幅変調のみを検出する（９０）。
【００１９】プロダクト検出器は信号を第１の利得増幅
器（図２には図示せず）へ中継し、第１の利得増幅器は
第１の利得増幅器の出力からの直流電圧の偏移を検出す
る（１００）。一実施例では、第１の利得増幅器は、第
１の利得増幅器で直流電圧偏移が検出された（１００）
ときに点灯する１対のＬＥＤを含む。第１の利得増幅器
で直流電圧偏移が検出された（１００）場合、オペレー
タは、信号がプロダクト検出器へ中継される前にキャパ
シタンス効果を無効化するために、キャパシタンスブリ
ッジを調整できる（８０）。更に、キャパシタンス効果
を無効化するためにキャパシタンスブリッジを調整する
（８０）ことにより、出力信号のダイナミックレンジの
中心位置が調整されて、閉ループが安定する。その結
果、キャパシタンスプローブの出力を試験部品に隣接し
て配置することができ、キャパシタンス効果を無効化す
るためにブリッジが調整された（８０）後、直流電圧偏
移は減少する。
【００２０】方法６０の最終段は、キャパシタンスプロ
ーブの過剰駆動又は過剰増幅を防止するために調整され
る（１１０）第２の利得増幅器（図２には図示せず）を
含む。キャパシタンスプローブの出力の振幅はキャパシ
タンスプローブと部品との距離によって決まるので、部
品試験ごとに再校正を行う必要はない。その結果、様々
な部品を試験している間もダイナミックレンジの特性振
幅は一定であり、キャパシタンスプローブの変位調整の
回数は減る。
【００２１】以上説明した、部品の寿命試験の高サイク
ル疲労部分のために周波数及び変位を測定する方法はコ
スト有効性に優れ且つ信頼性も高い。この方法を実施す
るために使用されるキャパシタンスプローブは、試験す
べき部品の周波数と変位を正確に測定する。更に、キャ
パシタンスプローブは望ましくない雑音を除去するため
に調整自在であるので、損傷を引き起こすおそれのある
直流電圧偏移は減少し、従って、高サイクル疲労試験中
に部品の周波数と変位を正確に測定するために、部品に
隣接してキャパシタンスプローブを配置できる。
【００２２】本発明を様々な特定の実施例に関して説明
したが、特許請求の範囲の趣旨の範囲内で本発明を変形
を伴って実施できることは当業者には認識されるであろ
う。
【図面の簡単な説明】
【図１】キャパシタンスプローブのブロック線図。
【図２】図１に示すキャパシタンスプローブを使用して
部品の高サイクル疲労領域について周波数及び変位を測
定する方法のフローチャート。
【符号の説明】
１０ キャパシタンスプローブ １４ 発振器 １６ 受信器回路 １８ プロダクト検出器 ２０ 利得増幅器 ２４ ホイートストンブリッジ（キャパシタンスブリッ
ジ） ２６ 調整自在のコンデンサ ４０ 第１の利得増幅器 ４２ 第２の利得増幅器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョセフ・ヘンリー・ホプスター アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナテ ィ、グレンデール−ミルフォード・ロー ド、3706番 Ｆターム(参考） 2G050 AA01 BA20 CA10 EB01 EB02

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 部品の寿命試験の高サイクル疲労部分の
    ために周波数及び変位を測定する方法（６０）におい
    て、 制御周波数出力を発生するように構成された結晶を含む
    発振器によって単一周波数を送信する過程（７０）と、 部品の周波数を検出する過程と、 周波数を受信するためにキャパシタンスブリッジを調整
    する過程（１１０）と、を含む方法。
  2. 【請求項２】 前記キャパシタンスブリッジを調整する
    過程（１１０）は、直流電圧偏移によりキャパシタンス
    ブリッジを有効に無効化するためにキャパシタンス効果
    を調整する過程を含む請求項１記載の方法（６０）。
  3. 【請求項３】 発振器の振幅変調プロダクトを検出する
    過程（９０）を更に含む請求項２記載の方法（６０）。
  4. 【請求項４】 利得増幅器によって望ましくない周波数
    を除去する過程（９２）を更に含む請求項３記載の方法
    （６０）。
  5. 【請求項５】 出力の過剰増幅を防止する過程を更に含
    む請求項４記載の方法（６０）。
  6. 【請求項６】 前記出力の過剰増幅を防止する過程は、
    出力の過剰増幅を防止するために結合利得増幅器（４
    ０、４２）を使用する過程を更に含む請求項５記載の方
    法（６０）。
  7. 【請求項７】 部品の寿命試験の高サイクル疲労部分の
    ために周波数及び変位を測定する装置において、 単一制御周波数出力を発生するように構成された結晶を
    具備する発振器（１４）と、 前記発振器の振幅変調プロダクトを検出する（９０）よ
    うに構成されたプロダクト検出器（１８）と、 部品からの単一周波数を受信するように構成された平衡
    キャパシタンスブリッジ（２４）を有する受信器回路
    と、を具備する装置。
  8. 【請求項８】 前記平衡キャパシタンスブリッジ（２
    ４）は少なくとも１つの調整自在のコンデンサ（２６）
    を具備する請求項７記載の装置。
  9. 【請求項９】 前記調整自在のコンデンサ（２６）は前
    記キャパシタンスブリッジを無効化するように構成され
    ている請求項８記載の装置。
  10. 【請求項１０】 望ましい周波数を増幅するように構成
    された利得増幅器（４０）を更に具備する請求項７記載
    の装置。
  11. 【請求項１１】 前記利得増幅器（４０）は５０：１利
    得増幅器である請求項１０記載の装置。
  12. 【請求項１２】 前記装置の出力の過剰増幅を防止する
    ように構成された結合利得増幅器（４０、４２）を更に
    具備する請求項７記載の装置。
  13. 【請求項１３】 前記利得増幅器は２００：１交流結合
    利得増幅器である請求項１２記載の装置。
  14. 【請求項１４】 部品の寿命試験の高サイクル疲労部分
    のために周波数及び変位を測定するキャパシタンスプロ
    ーブ（１０）において、 単一制御周波数出力を発生するように構成された結晶を
    具備する発振器（１４）と、 部品からの単一周波数を受信するように構成され、少な
    くとも１つの調整自在のコンデンサ（２６）を具備する
    平衡キャパシタンスブリッジ（２４）を有する受信器回
    路（１６）と、を具備するキャパシタンスプローブ（１
    ０）。
  15. 【請求項１５】 前記発振器の振幅変調プロダクトを検
    出する（９０）ように構成されたプロダクト検出器（１
    ８）を更に具備し、前記調整自在のコンデンサ（２６）
    は前記キャパシタンスブリッジを無効化するように構成
    されている請求項１４記載のキャパシタンスプローブ
    （１０）。
  16. 【請求項１６】 望ましい周波数を増幅するように構成
    された第１の利得増幅器（４０）を更に具備する請求項
    １５記載のキャパシタンスプローブ（１０）。
  17. 【請求項１７】 前記第１の利得増幅器（４０）は５
    ０：１利得増幅器である請求項１６記載のキャパシタン
    スプローブ（１０）。
  18. 【請求項１８】 前記装置の出力の過剰増幅を防止する
    ように構成された第２の利得増幅器（４２）を更に具備
    する請求項１５記載のキャパシタンスプローブ（１
    ０）。
  19. 【請求項１９】 前記第２の利得増幅器（４２）は２０
    ０：１交流結合利得増幅器である請求項１３記載のキャ
    パシタンスプローブ（１０）。
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