JP2007017288A - 超音波疲労試験装置及び超音波疲労試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 超音波疲労試験において、従来の装置、方法にくらべて精度が高い装置および方法を提供する。
【解決手段】 本発明による超音波発信部と振動部とからなる超音波疲労試験装置において、超音波発信部は、超音波発振器、２つの信号電圧に比例する電圧を出力する差動入力型超音波電力増幅器、およびその出力電流に比例する電圧を出力する電流検出器からなる。ここで、差動入力型超音波電力増幅器が、ランジュバン圧電アクチュエータと電流検出器の直列回路で形成される負荷に超音波発振器の出力電圧と電流検出器の出力電圧の差に比例した電圧を供給することにより、ランジュバン圧電アクチュエータが差動入力型超音波電力増幅器で駆動されて超音波振動を発生するとともに、電流検出器は差動入力型超音波電力増幅器の出力電流に比例する電圧をその入力側に帰還する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、超音波疲労試験装置及び超音波疲労試験方法に関する。さらに詳しくは、超音波を用いた材料疲労試験のための超音波疲労試験装置及び超音波疲労試験方法に関する。

従来より、材料の疲労試験として、金属材料の回転曲げ疲労試験や、金属平板の平面曲げ疲労試験が知られている。例えば、金属材料の回転曲げ疲労試験では、通常およそ１秒間に５０回程度の繰り返し速度（５０Ｈｚ）であるため、１０^８以上の超高サイクルの疲労試験では、２０日以上の時間を要する。さらに短時間での疲労試験を可能にする方法の提供が望まれていたが、このような従来の疲労試験方法では、繰り返し速度を向上させるのは限界があった。

そこで、超音波を用いた疲労試験方法が知られている。超音波疲労試験は、超音波により試験片を共振させて疲労試験を行う方法であり、その早い繰り返し速度を利用して短時間での疲労試験を可能とする。超音波疲労試験の一例としては、１秒間に１５，０００〜２５，０００回程度の繰り返し速度（１５〜２５ｋＨｚ）で疲労試験を行うことが可能である。

しかしながら、このような超音波疲労試験では、高周波の荷重繰返しにより、発熱による試験片の温度上昇という問題が生じる。この問題を解決するためには試験片の冷却が不可欠であり、試験片を液体中に浸漬したり、冷却された空気や液体窒素を吹き付けたりする強制的な冷却が用いられている。しかしながらこのように液体に浸漬した場合にはキャビテーションの発生があり、また、冷却された空気では冷却が不十分であったり、液体窒素を用いた場合は、試験片表面で窒素ガスが境界層を形成するため余り効果的な冷却法とは言えない場合がある。このような冷却方法により、試験片の表面の冷却に成功しても、内部での発熱による温度上昇が無くなった訳ではなく、それによる材料特性の変化は無視できない。

そこで、周期的な断続負荷を用いて冷却させる方法が開発された。例えば、５００〜１，０００回の繰返し（試験周波数が２０ｋＨｚでは、２５ｍｓ〜５０ｍｓの時間）の後、５０ｍｓ〜１，０００ｍｓの間で超音波による負荷を中断させるということを周期的に繰り返す方法である。負荷による材料の温度上昇が大きくならない程度の時間間隔で、超音波の負荷を止めて冷却し、再開するということを繰り返す方法である（例えば、非特許文献１）。
石井仁、「超音波断続負荷型疲労試験機によるギガサイクル疲労強度の迅速決定」、平成１３年度〜平成１４年度科学研究費補助金（基盤研究（Ｃ）（２））研究成果報告書、平成１５年６月

しかしながら、このような超音波断続負荷型疲労試験において、包絡線が図１のような矩形状の繰り返し断続定振幅正弦波荷重を負荷する場合、試験片の振幅は負荷の立ち上がり時に負荷荷重に直ちに追従できないため立ち上がりに時間を要する。さらに負荷荷重が除かれたときも直ちに振動は止まらず減衰振動が残る。したがって試験片の振動波形の包絡線は図２のようになり矩形状にならない。

このように、負荷時の試験片の振動振幅が変化するばかりでなく、無負荷時にも減衰振動が残ると、ある大きさの荷重をある回数負荷することに基づいて、試験片が一定振幅の振動を何回おこなったという評価はできなくなり、信頼できる超音波疲労試験を行なうことが困難になる。

本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、従来技術よりも精度が高く、高繰返し速度で実施できる超音波疲労試験装置または方法を提供することを目的とする。

そこで、本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成するに至った。より具体的には、本発明は以下のような超音波疲労試験装置を提供する。

（１） 超音波発信部及び振動子部からなる超音波疲労試験装置であって、前記超音波発信部が、超音波信号電圧を発生する超音波発振器、２つの入力電圧の差に比例する電圧を出力する差動入力型超音波電力増幅器、および前記差動入力型超音波電力増幅器の出力電流に比例する電圧を得るための電流検出器からなり、前記超音波発振器の出力が前記差動入力型超音波電力増幅器の一方の入力端子に入力され、前記差動入力型超音波電力増幅器の出力電圧がその負荷となるランジュバン圧電アクチュエータと前記電流検出器の直列回路に印加され、前記電流検出器が検出した前記差動入力型超音波電力増幅器の出力電流に比例する電圧が前記差動入力型超音波電力増幅器の他方の入力端子に入力されることにより、前記差動入力型超音波電力増幅器が前記２つの入力端子電圧の差に比例する電圧を出力する超音波疲労試験装置。

（２） 前記振動子部が、ランジュバン型振動子を備えたランジュバン圧電アクチュエータと、前記ランジュバン型振動子の振幅を増大させるホーンを含む（１）に記載の超音波疲労試験装置。

（３） 超音波発信部および振動子部を用いた超音波疲労試験方法であって、前記超音波発信部が超音波発振器、差動入力型超音波電力増幅器および電流検出器からなり、前記差動入力型超音波電力増幅器の出力電圧を前記差動入力型超音波電力増幅器の一対の入力端子の一方に入力し、前記電流検出器が検出した前記差動入力型超音波電力増幅器の出力電流に比例する電圧を前記差動入力型超音波電力増幅器の一対の入力端子の他方に入力することにより、前記差動入力型超音波電力増幅器が前記超音波発振器の出力電圧と前記差動入力型超音波電力増幅器の出力電流に比例する電圧の差に比例する電圧を前記差動入力型超音波電力増幅器の負荷である振動子部のランジュバン圧電アクチュエータと前記電流検出器の直列回路に供給し、前記差動入力型超音波電力増幅器が前記２つの入力端子電圧の差に比例する電圧を前記振動子部のランジュバン圧電アクチュエータと前記電流検出器の直列回路に出力する超音波疲労試験方法。

（４） （３）に記載の超音波疲労試験方法において、前記差動入力型超音波電力増幅器出力電圧が前記振動部のランジュバン圧電アクチュエータと前記電流検出器の直列回路に印加されることにより、前記ランジュバン圧電アクチュエータが前記差動入力型超音波電力増幅器で駆動されて超音波振動を発生し、前記超音波振動がホーンに入力されて前記ホーンが前記超音波振動の振幅を拡大する超音波疲労試験方法。

本発明により、結果として、負荷の定義と、疲労試験回数のカウントが明確となり、従来よりも精度が高く、高繰返し速度（例えば、１０ｋＨｚ以上）でも、断続負荷の超音波疲労試験を実施することができる。

以下、本発明に好適な実施形態の一例について、図を参照しながら説明する。

本発明の実施例として、超音波疲労試験装置１は、超音波発信部１０と、振動子部２０とを備える（図３参照）。超音波発信部１０は、信号電圧を発生増幅し、この信号電圧で、電流検出器１３と直列に接続された振動部２０のランジュバン圧電アクチュエータ２１を駆動する。ランジュバン圧電アクチュエータ２１は信号電圧によって超音波振動を発生し、ホーン２２がその振動を増幅する。

超音波発信部１０は、超音波信号電圧を発生する超音波発振器１１、２つの入力電圧の差に比例する電圧を出力する差動入力型超音波電力増幅器１２、および前記差動入力型超音波電力増幅器の出力電流に比例する電圧を得るための電流検出器１３からなる。

超音波発振器１１は、定振幅正弦波電圧を発生し、その周波数、振幅を調整でき、内部あるいは、外部制御電圧によってその出力電圧をオン、オフすることができる。さらに、超音波発振器１１は、出力する信号電圧の正弦波振動回数を計数積算することもできる。

超音波発振器１１は、外部制御電圧によってその出力電圧をオン、オフすることができるので、変位計３２からの信号出力を外部制御電圧として入力することにより、変位計３２からの出力が試験片５０の破損によって設定値以下になるとその出力をオフにし、出力信号電圧の正弦波振動回数の計数積算を停止することができる。

２つの入力電圧の差に比例する電圧を出力する差動入力型超音波電力増幅器１２は、超音波発振器１１の出力電圧をその１対の入力端子の一方に入力する。さらに、電流検出器１３が検出した差動入力型超音波電力増幅器１２の出力電流に比例する電圧を差動入力型超音波電力増幅器１２の１対の入力端子の他方に入力する。その結果、差動入力型超音波電力増幅器１２は、超音波発振器１１の出力電圧と差動入力型超音波電力増幅器１２の出力電流に比例する電圧の差に比例する電圧を差動入力型超音波電力増幅器１２の負荷である振動子部２０のランジュバン圧電アクチュエータ２１と電流検出器１３の直列回路に供給する。

振動子部２０は、ランジュバン圧電アクチュエータ２１と、ホーン２２とを備え、ランジュバン圧電アクチュエータ２１は超音波発信部１０の出力する信号電圧を印加することによって超音波振動を発生し、ホーン２２はその振動振幅を増幅する。

ランジュバン圧電アクチュエータ２１は、ランジュバン型振動子を備えている。ランジュバン型振動子は、電気ひずみ現象（分極することで機械的に伸びを生じる現象）を利用し、超音波となる微小振動を発生する装置である。したがって、例えば、電気ひずみ現象の効果が大きく安定している材料であるチタン酸ジルコン酸鉛磁器（ＰＺＴ磁器）をランジュバン型振動子に用いてもよい。

ホーン２２は、ランジュバン振動子により発生した微小振動の振幅を増大させる装置である。例えば、二段複合コニカル型の振幅拡大ホーンでもよい。ホーンによる振幅拡大倍率は、ホーンの幾何学的形状により定まる。ランジュバン振動子により発生した微小振動は、ホーンを共振させることで拡大され、その先端に取り付けられた試験片５０に伝達される。

試験片５０は、超音波疲労試験が行われる対象となる試験材料である。試験片５０は、ホーン２２の共振を損なわないように、その寸法を調整する。

変位検出プローブ３１は、試験片５０の先端に僅かな空隙を介して配置され、試験片５０の先端の縦振動振幅を検出して電気信号に変換する。

変位計３２は試験片５０の先端に僅かな空隙を介して配置された変位検出プローブ３１が出力する電気信号を処理して試験片５０の先端の縦振動振幅を表示する。さらに、振動振幅に対応する制御信号を超音波発振器１１へ出力し、その信号電圧が設定値以下になると超音波発振器１１の出力電圧をオフする。

図４は超音波発振器１１に繰り返し断続定振幅正弦波信号電圧波形を出力させたときの出力電圧波形、図１はその包絡線であり矩形になる。以下に超音波発振器１１にこの繰り返し断続定振幅正弦波信号電圧を出力させた場合について説明する。

超音波発振器１１の出力電圧が矩形の包絡線を有する繰り返し断続定振幅正弦波信号の場合、電流検出器を設けないで超音波発振器１１の出力電圧を単に超音波電力増幅器で増幅し、その出力でランジュバン圧電アクチュエータ２１を駆動する従来の方法では、試験片５０の振動を変位検出プローブ３１で検出すると図５のようになる。すなわち、その包絡線（図２）から明らかなように、信号がオンされてから振動振幅がほぼ一定になるまでに時間がかかるばかりでなく（この時間、厳密には振幅が一定になったときの振幅の例えば７０%の振幅に達するまでの時間を立ち上り時間とする）、信号がオフされてから信号がほぼなくなるまでにも時間がかかる（この時間、厳密には振幅が最大振幅の例えば３０%まで減衰するまでの時間を減衰時間とする。）

図５に示すように、信号のオン、オフ時に試験片５０の振動の追従が遅れ、かなりの立ち上り、減衰時間を要すると、試験片５０の振動振幅は、ランジュバン圧電アクチュエータ２１の印加電圧のように、一定あるいは零にはならない。したがって、超音波発振器１１が出力する繰り返し断続定振幅正弦波信号電圧の振動回数をカウントし、変位検出プローブ３１で試験片５０の振動振幅を測定しても、ある振幅で何回振動させたら破損したという従来の評価は困難である。

従来技術によって試験片５０の振動を矩形の包絡線を有する繰り返し断続定振幅正弦波信号に可及的に追従させる、すなわち、その振動振幅の立ち上り、減衰時間を可及的に短縮するには２つの方法が考えられる。

第一の方法は、ランジュバン圧電アクチュエータ２１に図１のような矩形の包絡線を有する繰り返し断続定振幅正弦波信号電圧を加える代わりに図６のような立ち上りからの時間経過とともに減衰する振幅変調された繰り返し断続正弦波信号を加える方法である。この方法はランジュバン圧電アクチュエータ２１への入力電圧を供給する超音波電力増幅器１３の出力電圧を、立ち上りからの時間経過とともに減衰する信号で振幅変調することにより、比較的容易に実現できる。しかしながら、この方法では減衰時間の短縮には効果が及ばない。

第二の方法は、変位検出プローブ３１で試験片５０の振動を検出し、電気信号に変換して試験片５０の振動振幅に比例する電圧をつくり、この電圧を差動入力型超音波電力増幅器１２の入力側に帰還することによって、試験片５０の振動振幅を超音波発信器１１の出力電圧、すなわち図１のような矩形の包絡線を有する繰り返し断続定振幅正弦波信号電圧に比例させる方法である。この手法はモーショナル・フィードバック（略称ＭＦＢ）といわれており、数百ヘルツ程度までの比較的低い周波数では容易に実施でき、上記第一の方法と異なり減衰時間の短縮にも効果を発揮する。しかしながら、本発明のように超音波断続信号を扱う場合には、周波数が高いことと相まって、信号のオンからオフ、オフからオンへのトランジェント時に位相遅れが問題となり、位相補償などの手法を使っても安定な帰還を施すのは困難である。その上、試験片５０が破損して変位検出プローブ３１の出力電圧が低下しようとすると、負帰還効果によってランジュバン圧電アクチュエータ２１への入力電圧が急激に増大し危険な状態になりかねない。

ここに提示する方法は上記２つのいずれの方法とも異なり、ランジュバン圧電アクチュエータ２１の入力インピーダンスがその振動状態によって変化するために、その振動波形が印加電圧波形よりも流入する電流波形に近いという事実に基づいて考案されたものである。すなわち、差動入力型超音波電力増幅器１２の出力電流すなわちランジュバン圧電アクチュエータ２１に流れる電流を電流検出器１３で検出して電圧に変換し、この電圧を差動入力型超音波電力増幅器１２の一方の入力側に帰還させることによってランジュバン圧電アクチュエータ２１に流れる電流波形を差動入力型超音波電力増幅器１２の他方の入力電圧波形、すなわち超音波発信器１１の出力電圧波形に近づけている。この帰還ループには上述のＭＦＢのように圧電アクチュエータ、ホーン、試験片などの物理的振動が含まれていないので位相遅れが少なく、適切な位相補償を行なえば周波数が高くても比較的容易にかなりの量の負帰還を施すことができる。

試験片５０の振動を検出して電圧信号に変換する変位計３２の出力電圧信号の理想的な形は、その包絡線が図１のような矩形波である。すなわち、立ち上がり時間、減衰時間ともに零を理想とする。

しかしながら、従来の方法、すなわち包絡線が図１のような矩形状の繰り返し断続定振幅正弦波をランジュバン圧電アクチュエータ２１に印加した場合、変位計３２の出力電圧信号は、図７のようになり、そのときのランジュバン圧電アクチュエータ２１に流れる電流は、図８のように、変位計３２の出力電圧信号とほぼ同形になっている。いずれもかなりの立ち上がり、減衰時間を要するためにその包絡線は矩形とは程遠い形になる。

これに対し、上述の電流帰還を施した本方法においては、包絡線が図１のような矩形状の繰り返し断続定振幅正弦波を差動入力型超音波電力増幅器１２の一方に入力したとき、ランジュバン圧電アクチュエータ２１に流れる電流が図９に示すようになり、変位計３２の出力電圧信号は、図１０のようになる。これらの波形の形状は、互いに相似であって、いずれも立ち上がり、減衰時間が著しく短縮されて、その包絡線は矩形に近くなる。

なお、このように電流帰還を施したときには、その効果によって差動入力型超音波電力増幅器１２の出力電圧波形すなわちランジュバン圧電アクチュエータ２１の印加電圧は、図１１のようにオン時の立ち上がりが最大振幅で時間の経過と共に減衰する超音波発信器１１の出力と同相の信号であり、オフ時から立ち上がり時間と共に減衰する逆相の信号になっている。

本発明の効果を明らかに示す試験例として、動作時間を１００ｍｓにした場合の変位計３２からの出力電圧（変位センサー出力電圧）の波形を比較した。従来型による結果を図１２に示し、本発明の結果を図１３に示した。明らかに、振幅最大までの立ち上がり時間が短縮され、振幅０までの減衰時間も短縮されている。

図１３の電圧波形の包絡線を模式的に示した図が図１４である。定振幅幅の７０％に達する時間、及び、定振幅幅から７０％減衰する時間は共に、約５ｍｓであり、立ち上がり時間、減衰時間は、１０ｍｓ程度となり、従来技術（図２の包絡線波形、立ち上がり時間、減衰時間は３０ｍｓ程度）から大幅な改良をすることができた。このように、定振幅幅の７０％に達する時間、及び、定振幅幅から７０％減衰する時間を短縮できることは、振幅を早い段階で一定にすることが可能となり、疲労試験の精度を高めることができる。

図１５に応力振幅値（最大応力振幅値）と繰返し数によるＳＮ曲線をグラフに示した。材質ＳＵＪ２熱処理品（硬度ＨＲＣ６０から６２）の超音波疲労試験の結果を示す。このグラフが示すように、従来の結果に比べると、本発明の疲労試験では、繰返し数が低サイクル側に移行している。このように、本発明の信号の振幅を一定にさせることにより、高い応力振幅値を保持しながら、繰返し数を減少させるという効果がある。

本発明は、超音波を使用した疲労試験装置、及び超音波疲労試験方法であるが、適切な振動子を用いることで、超音波よりも波長の長い音波に対して適用し、疲労試験を実施することもできる。

図１は、繰り返し断続定振幅正弦波電圧の包絡線形状を示す。 図２は、繰り返し断続定振幅正弦波電圧を印加したときの試験片振動波形の包絡線の形状を示す。 図３は、超音波疲労試験装置のブロック図を示す。 図４は、超音波発信器の出力電圧波形を示す。 図５は、繰り返し断続定振幅正弦波信号電圧で、ランジュバン圧電アクチュエータを駆動したときの試験中の振動波形を示す。 図６は、時間とともに減衰する繰り返し断続正弦波信号の包絡線形状を示す。 図７は、繰り返し断続定振幅正弦波電圧を入力したときの変位計の出力電圧を示す。 図８は、繰り返し断続定振幅正弦波電圧を入力したときのランジュバン圧電アクチュエータ電流を示す図である。 図９は、本発明の超音波疲労試験方法における、ランジュバン圧電アクチュエータ電流を示す。 図１０は、本発明の超音波疲労試験方法における、変位計の出力電圧を示す。 図１１は、本発明の超音波疲労試験方法における、ランジュバン圧電アクチュエータの印加電圧を示す。 図１２は、従来の方法における、変位計出力電圧波形を示す。 図１３は、本発明の超音波疲労試験方法における、変位計出力電圧波形を示す。 図１４は、本発明の超音波疲労試験方法における、変位計出力電圧波形の包絡線形状を示す。 図１５は、本発明による疲労特性の変化と、従来の方法による疲労特性の変化を示す。

符号の説明

１ 超音波疲労試験装置
１０ 超音波発信部
２０ 振動子部
２１ ランジュバン圧電アクチュエータ
２２ ホーン
１１ 超音波発信器
１２ 差動入力型超音波電力増幅器
１３ 電流検出器
３２ 変位計
５０ 試験片
３１ 変位検出プローブ

Claims (6)

1. 超音波発信部及び振動子部からなる超音波疲労試験装置であって、
   前記超音波発信部が、超音波信号電圧を発生する超音波発振器、２つの入力電圧の差に比例する電圧を出力する差動入力型超音波電力増幅器、および前記差動入力型超音波電力増幅器の出力電流に比例する電圧を得るための電流検出器からなり、
   前記超音波発振器の出力が前記差動入力型超音波電力増幅器の一方の入力端子に入力され、前記差動入力型超音波電力増幅器の出力電圧がその負荷となるランジュバン圧電アクチュエータと前記電流検出器の直列回路に印加され、前記電流検出器が検出した前記差動入力型超音波電力増幅器の出力電流に比例する電圧が前記差動入力型超音波電力増幅器の他方の入力端子に入力されることにより、前記差動入力型超音波電力増幅器が前記２つの入力端子電圧の差に比例する電圧を出力する超音波疲労試験装置。
2. 前記振動子部が、ランジュバン型振動子を備えたランジュバン圧電アクチュエータと、
   前記ランジュバン型振動子の振幅を増大させるホーンを含む請求項１に記載の超音波疲労試験装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の超音波疲労試験装置で、さらに、変位検出プローブと、変位計を含む超音波疲労試験装置。
4. 請求項３に記載の超音波疲労試験装置で、さらに前記ランジュバン型振動子の振幅を増大させるホーンの先端に寸法が調整された試験片を装着した超音波疲労試験装置。
5. 超音波発信部および振動子部を用いた超音波疲労試験方法であって、
   前記超音波発信部が超音波発振器、差動入力型超音波電力増幅器および電流検出器からなり、前記差動入力型超音波電力増幅器の出力電圧を前記差動入力型超音波電力増幅器の一対の入力端子の一方に入力し、前記電流検出器が検出した前記差動入力型超音波電力増幅器の出力電流に比例する電圧を前記差動入力型超音波電力増幅器の一対の入力端子の他方に入力することにより、前記差動入力型超音波電力増幅器が前記超音波発振器の出力電圧と前記差動入力型超音波電力増幅器の出力電流に比例する電圧の差に比例する電圧を前記差動入力型超音波電力増幅器の負荷である振動子部のランジュバン圧電アクチュエータと前記電流検出器の直列回路に供給し、前記差動入力型超音波電力増幅器が前記２つの入力端子電圧の差に比例する電圧を前記振動子部のランジュバン圧電アクチュエータと前記電流検出器の直列回路に出力する超音波疲労試験方法。
6. 請求項５に記載の超音波疲労試験方法において、
   前記差動入力型超音波電力増幅器の出力が振動子部のランジュバン圧電アクチュエータと電流検出器の直列回路に供給されることにより、前記ランジュバン圧電アクチュエータが前記差動入力型超音波電力増幅器で駆動されて、超音波振動を発生し、前記超音波振動がホーンに入力されて前記ホーンが前記超音波振動の振幅を拡大する超音波疲労試験方法。

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