JP2014142196A

JP2014142196A - 超音波疲労試験機および超音波疲労試験機用ホーン

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Publication number: JP2014142196A
Application number: JP2013009174A
Authority: JP
Inventors: Toru Matsuura; 融松浦; Osamu Tamamoto; 修玉本
Original assignee: Shimadzu Corp; Branson Ultrasonics Corp
Current assignee: Shimadzu Corp; Branson Ultrasonics Corp
Priority date: 2013-01-22
Filing date: 2013-01-22
Publication date: 2014-08-07
Anticipated expiration: 2033-01-22
Also published as: JP5964760B2

Abstract

【課題】試験片の外径が小さな場合においても、試験片を確実にホーンに固定して、正確に疲労試験を実行することが可能な超音波疲労試験機および超音波疲労試験機用ホーンを提供する。
【解決手段】試験片Ｓには、ネジ部Ｓ１が付設されている。一方、ホーン１２の下端部には、試験片Ｓにおけるネジ部Ｓ１と螺合可能なネジ穴が形成されている。そして、試験片Ｓの下端部である試験片Ｓの装着領域には、このネジ穴と連通する試験片挿入穴が形成されている。この試験片挿入穴９２の内径は、試験片Ｓの端部Ｓ２の外径と同じ大きさとなっている。試験片Ｓをホーン１２に装着するときには、試験片Ｓにおけるネジ部Ｓ１をホーン１２におけるネジ穴にねじ込んで螺号させる。それにより、試験片Ｓの端部Ｓ２がホーン１２の試験片挿入穴内に挿入された状態で、試験片Ｓがホーン１２に固定される。
【選択図】図３

Description

この発明は、超音波により試験片を共振させて疲労試験を行う超音波疲労試験機およびこの超音波疲労試験機に使用される超音波疲労試験機用ホーンに関する。

超音波を利用して試験片に振動を与え、金属材料などの疲労寿命を評価する超音波疲労試験においては、例えば、２０ｋＨｚの正弦波振動に試験片を共振させることにより、試験片に繰り返し応力を負荷している。このような超音波疲労試験機においては、超音波振動子からの超音波振動をホーンにより増幅して試験片に伝達している。このため、試験片を確実にホーンに装着する必要がある。

このため、従来、このような超音波疲労試験機により疲労試験を実行するときには、金属製の試験片にネジ部を付設し、このネジ部をホーンに穿設されたネジ穴に螺合させることにより、試験片をホーンに装着する構成が採用されている（特許文献１における図９参照）。

特開平５−８７７１９号公報

図４は、試験片Ｓに付設されたネジ部Ｓ１をホーン１２に穿設されたネジ穴に螺号させることにより、従来のホーン１２の下端部に試験片Ｓを装着した状態を示す断面図である。

このような構成を採用した場合において、試験片Ｓの端部Ｓ２の外径が十分大きな場合には、ホーン１２の下端部と試験片Ｓの上端部との接触面積が大きくなり、ホーン１２からの超音波振動を試験片Ｓに十分に伝えることが可能となる。しかしながら、試験片Ｓの端部Ｓ２の外径が小さな場合には、ホーン１２の下端部と試験片Ｓの上端部との接触面積が小さくなり、ホーン１２からの超音波振動を試験片Ｓに好適に伝えることができない。すなわち、ホーン１２の下端部と試験片Ｓの上端部との接触面積が小さくなったときには、ホーン１２が図４において上下方向に振動した場合に、試験片Ｓが上下方向のみならず横方向にも振動するという現象が発生する。このように試験片Ｓが横方向に振動したときには、試験片Ｓに対して曲げ応力が発生し、疲労試験を正しく実行することが不可能となる。

このため、ネジ部Ｓ１におけるネジ径サイズを小さくすることにより、ホーン１２の下端部と試験片Ｓの上端部との接触面積を大きくすることも可能ではあるが、このような構成を採用した場合においては、試験片Ｓをホーン１２に対して固定するための強度が不足するという問題が生ずる。

この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、試験片の外径が小さな場合においても、試験片を確実にホーンに固定して、正確に疲労試験を実行することが可能な超音波疲労試験機および超音波疲労試験機用ホーンを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、超音波振動子と、前記超音波振動子からの超音波振動を増幅して試験片に伝達するホーンとを備え、前記試験片に付設されたネジ部を前記ホーンに穿設されたネジ穴に螺合させることにより前記試験片を前記ホーンに装着する超音波疲労試験機であって、前記ホーンにおける前記試験片の装着領域に、前記試験片の端部を挿入するための、前記試験片の外径と同一の内径を有する試験片挿入穴を形成したことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、超音波振動子と、前記超音波振動子からの超音波振動を増幅して試験片に伝達するホーンとを備え、前記試験片に付設されたネジ部を前記ホーンに穿設されたネジ穴に螺合させることにより前記試験片を前記ホーンに装着する超音波疲労試験機に使用されるホーンであって、前記試験片の装着領域に、前記試験片の端部を挿入するための、前記試験片の外径と同一の内径を有する試験片挿入穴を形成したことを特徴とする。

請求項１および請求項２に記載の発明によれば、ホーンに形成された試験片挿入穴の作用により、試験片の外径が小さな場合においても、試験片を確実にホーンに固定して正確に疲労試験を実行することが可能となる。

この発明に係る超音波疲労試験機の概要図である。ホーン１２の下端部における試験片Ｓの装着領域付近の断面図である。ホーン１２の下端部に試験片Ｓを装着した状態を示す断面図である。従来のホーン１２の下端部に試験片Ｓを装着した状態を示す断面図である。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係る超音波疲労試験機の概要図である。

この超音波疲労試験機は、超音波により試験片Ｓを共振させて疲労試験を行うものであり、超音波発生部１０と、変位計測部２０と、この超音波疲労試験機の全体の動作を制御する制御部３０とから構成される。

超音波発生部１０は、超音波振動子１１とホーン１２とブースタ１６とからなる振動部１３と、超音波振動子１１を振動させる信号を作成する発振器１５とを有する。発振器１５は、制御部３０において設定された試験周波数に基づいて電気信号を作成する。超音波振動子１１は、発振器１５より出力された電気信号により駆動し、超音波振動を発生する。この超音波振動の振幅は、ブースタ１６により変換され、ホーン１２に伝達される。そして、振幅を変換された超音波振動は、ホーン１２により増幅され、ホーン１２の先端に取り付けられた試験片Ｓに伝達される。すなわち、超音波振動子１１を振動させることにより、ホーン１２の先端に固定された試験片Ｓに繰り返し応力が負荷される。なお、ブースタ１６は、そのフランジ部１７を介して装置本体に取り付けられる。このフランジ部１７は、超音波振動の節となる部分となる。

なお、超音波振動子１１は、図１において矢印Ａで示すような上下方向の往復振動を発生するもの、あるいは、図１において矢印Ｂで示すような回転方向の往復振動を発生するものを使用することができる。超音波振動子１１として上下方向の往復振動を発生するものを使用した場合には、試験片Ｓの軸線方向に超音波振動が付与される通常の超音波疲労試験が実行される。一方、超音波振動子１１として回転方向の往復振動を発生するものを使用した場合には、試験片Ｓのねじり方向に超音波振動が付与される超音波ねじり疲労試験が実行される。なお、この実施形態においては、超音波振動子１１として上下方向の往復振動を発生するものを使用した通常の超音波疲労試験機を示している。

変位計測部２０は、ホーン１２の先端に連結された試験片Ｓの変位を計測する変位計２１と、変位計２１の検出値をアナログ信号からデジタル信号に変換して制御部３０に送信する変換器２２とを有する。変位計２１は、ホーン１２に固定される側とは逆側となる試験片Ｓの自由端側の端面から、所定の距離だけ離れた位置に配置される。この変位計２１は、非接触により試験片Ｓの端面までの距離を計測する渦電流式変位計である。この変位計２１により、変位計２１と試験片Ｓの端面との間の距離である端面ギャップｄが測定される。

制御部３０は、プログラムや各種データを格納可能なＲＡＭ、ＲＯＭなどの記憶装置と、ＣＰＵなどの演算装置とを備えたコンピュータにより構成される。この制御部３０には、表示部３７と入力部３６が接続される。入力部３６は、試験条件の変更などのオペレータによる操作を受け付ける。表示部３７は、試験条件や試験中の試験片Ｓの変位などを表示する。

次に、この発明の特徴部分であるホーン１２およびこのホーン１２のへ試験片Ｓの取り付け方法について説明する。図２は、図１に示すホーン１２の下端部における試験片Ｓの装着領域付近の断面図である。また、図３は、ホーン１２の下端部に試験片Ｓを装着した状態を示す断面図である。

図３に示すように、試験片Ｓには、ネジ部Ｓ１が付設されている。一方、図２に示すように、ホーン１２の下端部には、試験片Ｓにおけるネジ部Ｓ１と螺合可能なネジ穴９１が形成されている。そして、試験片Ｓの下端部である試験片Ｓの装着領域には、このネジ穴９１と連通する試験片挿入穴９２が形成されている。この試験片挿入穴９２の内径は、試験片Ｓの端部（すなわち、ホーン１２への取り付け領域）Ｓ２の外径と同じ大きさとなっている。

試験片Ｓを図２に示す構成を有するホーン１２に装着するときには、試験片Ｓにおけるネジ部Ｓ１をホーン１２におけるネジ穴９１にねじ込んで螺号させる。それにより、図３に示すように、試験片Ｓの端部Ｓ２がホーン１２の試験片挿入穴９２内に挿入された状態で、試験片Ｓがホーン１２に固定される。

このような構成を採用した場合においては、試験片Ｓとホーン１２との接触面積を大きなものとすることができ、ホーン１２からの超音波振動を試験片Ｓに好適に伝えることが可能となる。そして、ホーン１２における試験片挿入穴９２内に試験片Ｓの一部を挿入することにより、ホーン１２が図３において上下方向に振動した場合に、試験片Ｓが上下方向のみならず横方向にも振動するという現象を防止して、疲労試験を正しく実行することが不可能となる。

なお、ホーン１２が上下方向の往復振動を発生した場合だけではなく、ホーン１２が図１における矢印Ｂで示すように、回転方向の往復振動を発生した場合においても、これと同様に、ホーン１２が図３において上下方向に振動した場合に、試験片Ｓが上下方向のみならず横方向にも振動するという現象を防止して、疲労試験を正しく実行することが不可能となる。

なお、上述した説明においては、この試験片挿入穴９２の内径を、試験片Ｓの端部（すなわち、ホーン１２への取り付け領域）Ｓ２の外径と同じ大きさとしている。この明細書で述べる試験片挿入穴９２の内径と試験片Ｓの外径とが同一とは、所定のはめあい公差を考慮した概念である。試験片挿入穴９２の内径は、例えば、ＪＩＳ規格によるＨ７程度の公差で作成され、試験片Ｓにおける端部Ｓ２は、例えば、ＪＩＳ規格によるｈ７程度の公差で作成される。この明細書で述べる同一の径とは、このような公差をも含む概念である。

また、上述した実施形態においては、振動部１３を、超音波振動子１１と、ホーン１２と、ブースタ１６とから構成している。しかしながら、ブースタ１６を省略し、超音波振動子１１とホーン１２とを直接接続するようにしてもよい。

１０超音波発生部
１１超音波振動子
１２ホーン
１３振動部
１５発振器
１６ブースタ
２０変位計測部
２１変位計
２２変換器
３０制御部
９１ネジ穴
９２試験片挿入穴
Ｓ試験片
Ｓ１ネジ部
Ｓ２端部

Claims

超音波振動子と、前記超音波振動子からの超音波振動を増幅して試験片に伝達するホーンとを備え、前記試験片に付設されたネジ部を前記ホーンに穿設されたネジ穴に螺合させることにより前記試験片を前記ホーンに装着する超音波疲労試験機であって、
前記ホーンにおける前記試験片の装着領域に、前記試験片の端部を挿入するための、前記試験片の外径と同一の内径を有する試験片挿入穴を形成したことを特徴とする超音波疲労試験機。
超音波振動子と、前記超音波振動子からの超音波振動を増幅して試験片に伝達するホーンとを備え、前記試験片に付設されたネジ部を前記ホーンに穿設されたネジ穴に螺合させることにより前記試験片を前記ホーンに装着する超音波疲労試験機に使用されるホーンであって、
前記試験片の装着領域に、前記試験片の端部を挿入するための、前記試験片の外径と同一の内径を有する試験片挿入穴を形成したことを特徴とする超音波疲労試験機用ホーン。