JP2017173019A - 衝撃試験機および衝撃試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】衝撃時間を連続的に調整できる衝撃試験機を提供する。【解決手段】衝撃試験機は、第１の磁気発生部を有するプレートと、第２の磁気発生部を有しプレートに衝突して衝撃力を加えるハンマとを有している。また、プレートとハンマとの衝突について、所望の衝突時間を設定する衝突時間設定部と、第１の磁気発生部と第２の磁気発生部の少なくとも一方を制御して両者の間に吸引力および反発力を生じさせる吸引反発制御部とを有している。吸引反発制御部は、プレートとハンマとの衝突を検出してから所定時間までは両者の間に吸引力を生じさせ、この所定時間経過後は両者の間に反発力を生じさせる。上記の所定時間は、設定した所望の衝突時間を実現するためにプレートとハンマの間に吸引力を維持する時間であり、吸引反発制御部は、衝突時間設定部に設定された所望の衝突時間に基づいて、これを算出する。【選択図】 図１

Description

本発明は、衝撃試験機および衝撃試験方法に関する。

大きな衝撃が加わる電子機器は、耐衝撃性の評価が必要となる。この評価には、主として機器に加わる衝撃応答スペクトル（Ｓｈｏｃｋ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ、以下ＳＲＳとも記す）で表現する方法が用いられている。

ＳＲＳは横軸を周波数、縦軸を加速度としたグラフで表現され、横軸に示される固有値を持つ１自由度バネ・マス・ダンパ系に衝撃が加わった場合の最大加速度を示している。例えば、ある衝撃加速度波形から算出したＳＲＳが、１０００Ｈｚで１０００Ｇを示している場合、その衝撃は１０００Ｈｚの固有値を持つ１自由度バネ・マス・ダンパ系に最大１０００Ｇの加速度が加わるという意味を持つ。

衝撃試験を行う場合、図８に示すようなＳＲＳ仕様がＸ、Ｙ、Ｚの３方向に与えられる。ＳＲＳは主に傾き、折れ点周波数、最大加速度、トレーランスと呼ばれる幅が指定される。この仕様は事前に解析や実験によって求められ、衝撃試験では試験仕様を満たす衝撃を発生させる必要がある。このような衝撃を発生させるためには、試験台となるプレートに衝撃を発生させるハンマの速度・質量に加えて、衝突時間（プレートとハンマの衝突が継続している時間）も調整する必要がある。しかしながら、衝突時間は、ハンマの形状や材質などに依存しで変化し、一般的な方法では簡単に調整することができない。このため、衝撃条件の調整は試行錯誤的にならざるを得ず、調整に多大な時間を費やすことが多くなっていた。

この衝撃条件の調整を容易にする技術が、例えば特許文献１に開示されている。この技術では、車輪状のハンマヘッドに、打撃特性の異なる複数の打撃部を配置し、衝撃試験に用いる打撃部を、車輪を回転するだけで選択できるようにしている。

実開平３−６５４４号公報

しかしながら、特許文献１の技術は、ハンマヘッドの材料の選択を容易にしているだけであり、衝突時間を試行錯誤的に調整していることに変わりない。このため、所望の衝撃時間、すなわち所望の衝撃条件を得るためには、他の技術と同様に多くの試行が必要であった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、衝撃時間を連続的に調整できる衝撃試験機を提供することを目的としている。

上記の課題を解決するため、本発明の撃試験機は、第１の磁気発生部を有するプレートと、第２の磁気発生部を有しプレートに衝突して衝撃力を加えるハンマとを有している。また、プレートとハンマとの衝突について、所望の衝突時間を設定する衝突時間設定部と、第１の磁気発生部と第２の磁気発生部の少なくとも一方を制御して両者の間に吸引力および反発力を生じさせる吸引反発制御部とを有している。吸引反発制御部は、プレートとハンマとの衝突を検出してから所定時間までは両者の間に吸引力を生じさせ、この所定時間経過後は両者の間に反発力を生じさせる。上記の所定時間は、設定した所望の衝突時間を実現するためにプレートとハンマの間に吸引力を維持する時間であり、吸引反発制御部は、衝突時間設定部に設定された所望の衝突時間に基づいて、これを算出する。

本発明の効果は、衝撃時間を連続的に調整できる衝撃試験機を提供できることである。

第１の実施形態を示すブロック図である。 第２の実施形態を示す側面図である。 第２の実施形態の動作を示すフローチャートである。 第３の実施形態を示す側面図である。 第４の実施形態を示す側面図である。 第５の実施形態の動作を示すフローチャートである。 第６の実施形態を示すブロック図である。 ＳＲＳの例を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。なお各図面の同様の構成要素には同じ番号を付し、説明を省略する場合がある。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態を示すブロック図である。衝撃試験機は、第１の磁気発生部１を有するプレート２と、第２の磁気発生部３を有しプレート２に衝突して衝撃力を加えるハンマ４とを有している。また、プレート２とハンマ４との衝突について、所望の衝突時間を設定する衝突時間設定部５と、第１の磁気発生部１と第２の磁気発生部３の少なくとも一方を制御して両者の間に吸引力および反発力を生じさせる吸引反発制御部６とを有している。なおここで言う衝突時間とは、プレート２とハンマ４との衝突が継続している時間のことである。

吸引反発制御部６は、プレート２とハンマ４との衝突を検出してから所定時間までは両者の間に吸引力を生じさせ、この所定時間経過後は両者の間に反発力を生じさせる。上記の所定時間は、設定した所望の衝突時間を実現するためにプレート２とハンマ４の間に吸引力を維持する時間であり、吸引反発制御部６は、衝突時間設定部５に設定された所望の衝突時間に基づいて、これを算出する。

上記の構成とすることにより、プレートとハンマとの衝突時間を連続的に調整し、所望の衝突時間を実現することができる。さらに、ハンマの２度打ちを防止することができるという効果もある。

（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態を示す側面図である。衝撃試験機は、プレート１０と、プレート１０に衝突してプレート１０に衝撃を与えるハンマ２０とを有している。

プレート１０はハンマ２０が衝突する場所の近傍に永久磁石１１を有し、ハンマ２０はプレート１０に衝突する部分の近傍に電磁石２１を有している。この例では、ハンマ２０は、ハンマガイド２２に沿ってスライドするように配置され、自由落下によりプレート１０に衝突する。図２には落下方向をｆの矢印で示している。衝突する時のハンマ２０の運動量は、ハンマ２０の落下を開始する高さと、ハンマ２０の質量によって調整する。なお衝撃条件の一つである、プレート１０との接触部分（図２の場合は電磁石２１の先端）の、形状、硬度、弾性率は、目標とする衝撃条件が満たされる範囲で適宜選択する。

また、ハンマ２０には、プレート１０とハンマ２０の衝突を検出する衝突検出部３０が取り付けられている。衝突検出部３０としては、例えば、振動センサや加速度センサなどを用いることができる。

衝撃試験機は、さらに、衝突時間設定部４０と、電磁石制御部５０とを有している。衝突時間設定部４０は、ユーザが所望の衝突時間を設定するための機能部である。衝突時間設定部４０は、設定された衝突時間を、電磁石制御部５０に送信する。電磁石制御部５０は、受信した衝突時間に基づいて、この衝突時間を実現するために吸引力を維持する所定時間を算出する。そして、電磁石制御部５０は、衝突開始から、算出した所定時間が経過するまでは永久磁石１１と電磁石２１との間に吸引力が働くように、電磁石２１の磁力を制御する。この制御により、プレート１０とハンマ２０が衝突した後も、磁石・電磁石間の吸引力によりプレート１０とハンマ２０は衝突を維持する。そして、上記の所定時間経過後は、永久磁石１１と電磁石２１との間に反発力が働くように、電磁石２１の磁力を制御する。具体的には電流の向きを反転させて、磁界を反転させる。

なお図２では、磁石を、プレートおよびハンマの接触部分に配置しているが、プレート・ハンマ間に反発力・吸引力が発生する箇所であれば、プレートおよびハンマの接触部分に配置しなくてもよい。また、一方の磁石を永久磁石としたが、両方が電磁石で同様の動作となるように制御しても良い。

また、プレート１０は、図２に示すように、プレート支持体１２に支持されていてもよい。プレート支持体１２の構成は、例えば、試験の目的に合致するバネ定数およびウェイトとなるようにすることができる。また衝撃試験の対象となる供試体６０は、例えば、ハンマ２０が衝突するプレート１０の面と反対の面に取り付けることができる。

次に、衝撃試験機の動作について説明する。図３は、衝撃試験機の動作を示すフローチャートである。

まず、衝突時間設定部が電磁石制御部に設定された衝突時間を送信する（Ｓ１）。電磁石制御部は、受信した衝突時間に基づいて、これを実現するために吸引を維持する所定時間を算出する（Ｓ２）。次にハンマの落下を開始する（Ｓ３）。なお説明は省略したが、予めハンマの質量、落下を開始する高さ、衝突部の材質・形状等は所望の衝突条件を満たすように調整されえているものとする。次に、衝突検出部が、ハンマとプレートの衝突を検出する（Ｓ４）。衝突を検出すると、電磁石制御部はハンマとプレートの間に吸引力が働くように電磁石を制御する（Ｓ５）。この状態を維持して先に算出した所定時間が経過すると（Ｓ６）、電磁石制御部は、ハンマとプレートの間に反発力が働くように電磁石を制御する（Ｓ７）。こうして、所望の衝撃力、衝突時間を実現するように、衝撃試験機を調整することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、衝突時間を連続的に調整し、所望の衝撃条件を得ることができる。さらに、ハンマの２度打ちを防止することができるという効果もある。
（第３の実施形態）
第２の実施形態では、ハンマ側の磁石を電磁石とし、プレート側の磁石を永久磁石としたが、逆であっても良い。図４は、このような衝撃試験機の例を示す側面図である。

プレート１０ａは、ハンマ２０ａが衝突する場所の近傍に電磁石１１ａを有し、ハンマ２０ａはプレート１０ａに衝突する部分の近傍に永久磁石２１ａを有している。その他のハンマ２０ａの構成は第２の実施形態と同様である。なお図４では、衝突検出部３０ａをプレート１０ａ上に配置しているが、第２の実施形態と同様に、ハンマ２０ａに取り付けられていても良い。

ユーザは、衝突時間設定部４０ａに所望の衝突時間を入力する。衝突時間設定部４０ａは、設定された衝突時間を電磁石制御部５０ａに送信する。電磁石制御部５０ａは、衝突時間に基づいて吸引を維持する所定時間を算出する。そして、ハンマ２０ａとプレート１０ａの衝突時間が設定値になるよう、電磁石１１ａの磁力を制御する。すなわち、衝突開始から所定時間が経過するまでは、電磁石１１ａと永久磁石２１ａとの間に吸引力が働くように電磁石１１ａの磁力を制御する。そして、所定時間経過が経過したら、電磁石１１ａと永久磁石２１ａとの間に反発力が働くように電磁石１１ａの磁力を制御する。

なおプレート１０ａは、図４に示すように、プレート支持体１２に支持されていてもよく。また衝撃試験の対象となる供試体６０は、例えば、ハンマ２０が衝突するプレート１０ａの面と反対の面に取り付けることができる。

以上説明したように、本実施形態によれは、第２の実施形態と同様に、衝突時間を連続的に調整し、所望の衝撃条件を得ることができる。

（第４の実施形態）
第２、第３の実施形態では垂直落下式の衝撃試験機について説明したが、振り子式の衝撃試験機にも同様の技術を適用することができる。

図５はこのような振り子式衝撃試験機の例を示す側面図である。衝撃試験機はプレート１０ｂと、振り子式ハンマ２０ｂと、衝突時間設定部４０ｂと、電磁石制御部５０ｂとを有している。プレート１０ｂはプレート支持体１２ｂによってフレーム７０に取り付け、振り子式ハンマ２０ｂは回転軸２４を介してフレーム７０に取り付けている。そして、振り子式ハンマ２０ｂを、回転軸２４を中心にして振り上げた後、落下させると振り子式ハンマ２０ｂがプレート１０ｂに衝突するように配置している。

振り子式ハンマ２０ｂのプレート１０ｂに接触する部分の近傍には永久磁石２１ｂを配置している。そして、プレート１０ｂの振り子式ハンマ２０ｂが接触する場所の近傍には電磁石１１ｂを設けている、またプレート１０ｂには、プレート１０ｂと振り子式ハンマ２０ｂとの衝突を検出する衝突検出部３０ｂを設けている。

衝撃試験を行う場合、ユーザは、衝突時間設定部４０ｂに所望の衝突時間を入力する。衝突時間設定部４０ｂは、設定された衝突時間を電磁石制御部５０ｂに送信する。電磁石制御部５０ｂは、衝突時間に基づいて吸引を維持する所定時間を算出する。そして電磁石制御部５０ｂは、振り子式ハンマ２０ｂとプレート１０ｂの衝突時間が設定値になるよう、電磁石１１ｂの磁力を制御する。すなわち、衝突開始から所定時間が経過するまでは、電磁石１１ｂと永久磁石２１ｂとの間に吸引力が働くように電磁石１１ｂの磁力を制御する。そして、所定時間経過が経過したら、電磁石１１ｂと永久磁石２１ｂとの間に反発力が働くように電磁石１１ｂの磁力を制御する。

以上の構成とすることにより、振り子式衝撃試験機においても、衝突時間を連続的に調整し、所望の衝撃条件を得ることができる。

（第５の実施形態）
第１から第４の実施形態では、衝突を検出してから、プレートおよびハンマそれぞれに配置された磁石の間に吸引力が発生するように制御したが、それより前から吸引力を発生させても良い。図６はこの動作を示すフローチャートである。

まず、衝突時間設定部が電磁石制御部に設定された衝突時間を送信する（Ｓ１１）。電磁石制御部は、受信した衝突時間に基づいて、これを実現するために吸引を維持する所定時間を算出する（Ｓ１２）。次に電磁石制御部がハンマとプレートの間に吸引力が働くように電磁石を制御する（Ｓ１３）。次に、ハンマの落下を開始する（Ｓ１４）。この時、ハンマには、重力に加えて磁力による吸引力が作用する。このため、ハンマは自由落下に比べて強く加速される。この作用を利用すると、例えば同じ衝突速度を得る場合に、落下を開始する高さを低くすることができるので、装置全体を小型化することも可能になる。また、この動作とすると、衝突時にはすでに吸引力が働いているため、電磁石の吸引制御を衝突の検出と同期させる必要が無い。すなわち、吸引開始制御に時間的なマージンを持つことができる。

なお説明は省略したが、予めハンマの質量、落下を開始する高さ、衝突部の材質・形状等は、所望の衝突条件を満たすように調整されえているものとする。

次に、衝突検出部が、ハンマとプレートの衝突を検出する（Ｓ１５）。電磁石制御部は、衝突を検出してから設定された衝突時間まで、吸引状態を維持する。そして設定された衝突時間が経過すると（Ｓ１６）、電磁石制御部は、ハンマとプレートの間に反発力が働くように電磁石を制御する（Ｓ１７）。こうして、所望の衝撃力、衝突時間を実現するように、衝撃試験機を調整することができる。

なお、ハンマがプレートに衝突する前のタイミングであれば、Ｓ１２の電磁石の吸引開始は、Ｓ１３のハンマ落下開始後におこなっても良い。

以上説明したように、本実施形態によれば、第１から第４の実施形態と同様な効果を得ることができるとともに、吸引開始のタイミングを精密に制御する必要がなくなり、制御が容易になる。

（第６の実施形態）
第１から第５の実施形態の衝撃試験機を用いて衝撃・振動解析システムを構成することができる。図７はその一例を示すブロック図である。この例では、衝撃試験機として第２の実施形態の衝撃試験機を用いている。

衝撃・振動解析システムは、第２の実施形態の衝撃試験機と、振動解析装置８０と、入力波形センサ８１と、出力波形センサ８２とを有している。この例では、入力波形センサ８１をハンマ２０に設置し、出力波形センサ８２をプレート１０に配置している。また供試体６０をプレート１０のハンマ衝突面の裏面に固定している。

この例の振動解析システムを用いれば、プレートに任意の衝突時間の衝撃を与えたときの、振動を解析することができる。

上述した第１乃至第６の実施形態の処理をコンピュータに実行させるプログラムおよび該プログラムを格納した記録媒体も本発明の範囲に含む。記録媒体としては、例えば、磁気ディスク、磁気テープ、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ、などを用いることができる。

以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上記実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。

１ 第１の磁気発生部
２、１０ プレート
３ 第２の磁気発生部
４ ハンマ
５ 衝突時間設定部
６ 吸引反発制御部
１１ 永久磁石
２０ ハンマ
２１ 電磁石
２２ ハンマガイド
３０ 衝突検出部
４０ 衝突時間設定部
５０ 電磁石制御部
６０ 供試体
７０ フレーム
８０ 振動解析装置
８１ 入力波形センサ
８２ 出力波形センサ

Claims (10)

1. 第１の磁気発生部を有するプレートと、
   第２の磁気発生部を有し前記プレートに衝突して衝撃力を加えるハンマと、
   前記プレートと前記ハンマとの衝突について所望の衝突時間を設定する衝突時間設定部と、
   前記第１の磁気発生部と前記第２の磁気発生部の少なくとも一方を制御して両者の間に吸引力および反発力を生じさせる吸引反発制御部と
   を有し、
   前記吸引反発制御部は、
   前記所望の衝突時間に基づく所定時間を算出し、
   前記プレートと前記ハンマとの衝突を検出してから前記所定時間が経過するまでは両者の間に吸引力を生じさせ、
   前記所定時間経過後は両者の間に反発力を生じさせ、
   前記所定時間は、
   前記所望の衝突時間を実現するために前記プレートと前記ハンマの間に吸引力を維持する時間である
   ことを特徴とする衝撃試験機。
2. 前記第１の磁気発生部と前記第２の磁気発生部の少なくとも一方が電磁石であることを特徴とする請求項１に記載の衝撃試験機。
3. 前記ハンマを重力の作用により落下させて前記プレートに衝突させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の衝撃試験機。
4. 前記ハンマが垂直落下式または振り子式ハンマであることを特徴とする請求項３に記載の衝撃試験機。
5. 請求項１乃至請求項４いずれか一項に記載の衝撃試験機と、
   前記衝撃試験機における入力波形を検出する入力波形センサと、
   前記衝撃試験機の出力波形を検出する出力波形センサと。
   前記入力波形センサの出力と前記出力波形センサの出力とに基づいて振動を解析する振動解析装置と
   を有することを特徴とする振動解析システム。
6. プレートに第１の磁気を発生し、
   前記プレートに衝突して衝撃力を加えるハンマに第２の磁気を発生し、
   前記プレートと前記ハンマとの衝突について所望の衝突時間を設定し、
   前記所望の衝突時間に基づく所定時間を算出し、
   前記第１の磁気発生部と前記第２の磁気発生部の少なくとも一方を制御し、
   前記プレートと前記ハンマとの衝突を検出してから前記所定時間が経過するまでは両者の間に吸引力を生じさせ、
   前記所定時間経過後は両者の間に反発力を生じさせ、
   前記所定時間は、
   前記所望の衝突時間を実現するために前記プレートと前記ハンマの間に吸引力を維持する時間である
   ことを特徴とする衝撃試験方法。
7. 前記第１の磁気と前記第２の磁気の少なくとも一方を電流で制御することを特徴とする請求項６に記載の衝撃試験方法。
8. 前記ハンマを重力の作用により落下させて前記プレートに衝突させることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の衝撃試験方法。
9. 遅くとも前記ハンマが前記プレートに衝突したことを検出した時に、前記ハンマと前記プレートとの間に吸引力を発生させることを特徴とする請求項８に記載の衝撃試験方法。
10. プレートに第１の磁気を発生するステップと、
    前記プレートに衝突して衝撃力を加えるハンマに第２の磁気を発生するステップと、
    前記プレートと前記ハンマとの衝突について所望の衝突時間を設定するステップと、
    前記所望の衝突時間に基づく所定時間を算出するステップと、
    前記第１の磁気発生部と前記第２の磁気発生部の少なくとも一方を制御するステップと、
    前記プレートと前記ハンマとの衝突を検出してから前記所定時間が経過するまでは両者の間に吸引力を生じさせるステップと、
    前記所定時間経過後は両者の間に反発力を生じさせるステップと
    を有し
    前記所定時間は、
    前記所望の衝突時間を実現するために前記プレートと前記ハンマの間に吸引力を維持する時間である
    ことを特徴とする衝撃試験プログラム。

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