JP2020144034A - １度打ちの打撃方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定物にハンマによる衝撃を与え、この振動変位を力学センサで検知し、その電気信号を解析することで被測定物の品質を評価する方法に用いられ、ハンマを自由落下させた際に、ハンマが被測定物を１回のみ打撃するようにした１度打ちの打撃方法を提供する。【解決手段】ハンマ柄の一方に被測定物を打撃するハンマヘッド、ハンマ柄の他方にハンマステーに固定するハンマステーとの固定部を有するインパルスハンマ、板状のハンマステーの一方にインパルスハンマのハンマステーとの固定部との連結穴を有し、ハンマステーの他方に自由式回転軸との連結穴を設けたハンマステーであって、ハンマステーの支点を軸にして、インパルスハンマを上昇させた後の自由回転落下時にハンマステーと衝突する位置に緩衝材を設け、ハンマステーと緩衝材を衝突させ、衝突直後にハンマ柄をしならせることによりハンマヘッドで被測定物に打撃を１回のみ与える１度打ちの打撃方法。【選択図】図４

Description

本発明は、被測定物にハンマ打撃による衝撃を与えて、その衝撃波の力波形から被測定物の品質を判定するためのインパルスハンマによるハンマの１度打ちの打撃方法に関する。

一般に打音検査は、建築物や鉄道車両などの検査法の一つで、表面をハンマで軽くたたき、出た音の違いによって異常の有無を判断するものである。この方法は非破壊で簡易的に検査が行えるといった長所が挙げられる。人間は聴覚によりさまざまな現象における発生音の振幅や周波数などを記憶し、これと対比することができ、さまざまな判断を行うことができ、打音検査が可能となる。しかし打音検査は人間の経験や感覚に基づいて行われており、個人差もあるため客観性に欠けるといった問題点もある。そこでこの問題点を克服するために打音を数値的に解析し検討する必要がある。
ＡＥ法（Acoustic Emission）は、材料が変形あるいは破壊する際に、内部に蓄えていた弾性エネルギーを音波（弾性波、ＡＥ波）として放出する現象をとらえ、このＡＥ波を材料表面に設置したＡＥセンサ（圧電素子センサ）によって電気信号に変換して検出し、破壊や変形の様子を非破壊的に評価する手法である。ＡＥは、材料が破壊に至る前の小さな変形や微小クラックの発生に伴って発生するので、ＡＥの発生挙動を捉えることで、材料や構造物の欠陥や破壊を発見・予知することができる。
同様にハンマにインパルスハンマのような力学センサを設け、被測定物にハンマによる衝撃を与えて、センサからの電気信号を解析することで被測定物の品質を評価することができる。この方法は、非破壊で短時間に品質を評価できるので優れた検査方法である。しかし、ハンマによる衝撃は、１回目の衝撃を与えると、ハンマが反動で跳ね返り、更に２回目の衝撃を与え、これを繰り返し複数回の衝撃を与えてしまう（以降２度打ちを呼称する）。２回目以降の衝撃による信号もハンマに設けたセンサで拾ってしまい、これらは電気ノイズとなり、不要なものであるので、１度打ちの打撃方法が求められる。

１度打ちの打撃達成は、特許文献１のようなワンウェイクラッチ方式では困難である。ワンウェイクラッチ方式は打撃後のハンマ反動を利用しており、反動後のハンマ到達高さが数ｃｍは必要であり、その時間スケールも１秒程度以上必要である。しかしながら、２度打ちの現象はハンマ反動よりはるか前の打撃直後数十ミリ秒内での現象である。また、工夫のないハンマの回転自由落下だけでは２度打ちをしてしまうことは検証済みであることから、ワンウェイクラッチ方式では１度打ちは困難である。

特開２００８−６４５９９号公報

上記のようにハンマに力学センサ（インパルスハンマ）を設け、被測定物にハンマによる衝撃を与えて、センサからの電気信号を解析することで被測定物の品質を評価することができるが、打撃を１回とすることが非常に困難であった。
打撃方法の要件は、打撃毎に１度打ちを徹底することである。ここでいう１度打ちとは、打撃１度目及びそれ以降の数十ミリ秒内においてハンマが被測定物を１回のみ打撃する現象のことをいい、この時間スケールは極めて短時間であるといえる。これまで、ハンマのみを用いた打撃方法では１度打ちを５回連続して再現はできず、５回のうち少なくとも１回は２度打ちをしてしまう（図１参照）。２度打ちは、各種の測定において余分な信号として認識される場合には、問題となる現象である。
本発明は、ハンマを自由落下させた際に、ハンマが被測定物を１回のみ打撃するようにした１度打ちの打撃方法を提供することにある。

本発明は、［１］ ハンマ柄の一方に被測定物を打撃するハンマヘッド、ハンマ柄の他方にハンマステーに固定するハンマステーとの固定部を有するインパルスハンマ、板状のハンマステーの一方にインパルスハンマとの連結穴を有し、ハンマステーの他方に自由式回転軸との連結穴を設けたハンマステーであって、ハンマステーの支点を軸にして、インパルスハンマを上昇させた後の自由回転落下時にハンマステーと衝突する位置に緩衝材を設け、ハンマステーと緩衝材を衝突させ、衝突直後にハンマ柄をしならせることによりハンマヘッドで被測定物に打撃を１回のみ与える１度打ちの打撃方法である。
また、本発明は、[２] 前記ハンマ柄が、金属よりも柔軟な材質である上記［１］に記載の１度打ちの打撃方法である。
また、本発明は、[３] 前記ハンマ柄が、グラスファイバーである上記［２］に記載の１度打ちの打撃方法である。
また、本発明は、[４] 前記板状のハンマステーが、金属である上記［１］〜［３］のいずれか一項に記載の１度打ちの打撃方法である。
また、本発明は、[５] 前記ハンマヘッドが、被測定物と打撃接触するためのハンマ先端部を有し、前記ハンマ先端部に衝撃の力が測定可能な力学センサを有する上記［１］〜［４］のいずれか一項に記載の１度打ちの打撃方法である。
また、本発明は、[６] 前記インパルスハンマのハンマステーとの固定部が、ハンマステーの一方に連結され、前記ハンマステーは自由式回転軸と連結され、軸を支点とし自由回転する上記［１］〜［５］のいずれか一項に記載の１度打ちの打撃方法である。
更に、本発明は、［７］ インパルスハンマを上昇させる手段を、手動方式のみならず自動方式にも対応した上記［１］〜［６］のいずれか一項に記載の１度打ちの打撃方法である。

緩衝材を利用したハンマ柄のしなりによって、５回連続の打撃でも５回とも１度打ちを達成することができる。また、ハンマを鉛直上昇させる動力を自動方式に代えることで、打撃時間が一定となり、打撃時間も調整することができる。ここでいう打撃時間は、ある打撃の瞬間から次の打撃の瞬間までの時間のことをいう。

ハンマヘッドに設けた力学センサによって得られた１度打ち打撃方法（上）と２度打ち打撃方法（下）での時間に対する力波形を示す図である。 本発明の１度打ち打撃方法の初期の静止状態を示す概略断面図である。 本発明の１度打ち打撃方法の所定高さの状態を示す概略断面図である。 本発明の１度打ち打撃方法のハンマ柄のしなり状態を示す概略断面図である。 本発明の１度打ちの打撃方法で用いるハンマステーとの固定部、ハンマ柄とハンマヘッドを有するインパルスハンマの一例を示す概略側面図である。 本発明の１度打ちの打撃方法で用いるハンマ全体の平面（上側）及び側面（下側）を示す概略図である。 本発明の１度打ちの打撃方法で用いるハンマの上昇を自動方式とした一例と、被測定物の打撃による振動変位をレーザーによって測定する様子を示す概略断面図である。

以下に本発明について、図面を参照して説明する。
図２〜図４は、本発明の１度打ち打撃方法を説明する概略断面図である。
ハンマステーを初期の静止状態（図２）から支点を軸（自由式回転軸）に鉛直所定高さまで上昇させ（図３）、その後に前記軸を支点にハンマステーが自由落下し、落下後ハンマステー下面より下側位置に取付けられた緩衝材とハンマステーが衝突し、衝突直後にハンマ柄がしなることにより（図４）、ハンマ先端部が被測定物を打撃することで、数十ミリ秒間内で１回のみの打撃となる１度打ちを達成することが出来る。前記図２における初期の静止状態とは、ハンマステーが前記緩衝材と接したまま静止している状態のことをいう。
また、前記図２においてハンマ先端部と被測定物間には隙間を設ける。

ハンマステーとの固定部、ハンマ柄とハンマヘッドを有するインパルスハンマの選定は、商用のインパルスハンマ（図５）を使用することができる。インパルスハンマの全長は１００ｍｍであり、ハンマステーとの固定部１０の長さは、４５ｍｍであり、ハンマ柄８の長さは、中央部の４５ｍｍである。ハンマ柄８の材質は、緩衝材との衝突時によりしなるように、金属よりも柔らかいグラスファイバー製である。ハンマステーとの固定部１０は、ＳＵＳ（ステンレス鋼）材であり、グラスファイバー製のハンマ柄８は、直径６ｍｍで、直径８ｍｍのハンマステーとの固定部１０と結合している。ここでは、ハンマ柄８とハンマステーの固定部１０は、異なる材質であるが、ハンマステーとの固定部をハンマ柄と同じ材質として、ハンマ柄の一部をハンマステーとの固定部とすることができる。

上記のようにインパルスハンマのハンマステーとの固定部は、ＳＵＳ材でできており、支点（自由式回転軸）からハンマ先端部の距離が１４０ｍｍから１５０ｍｍになるようにインパルスハンマのハンマステーとの固定部をハンマステーと連結する（図６）。ハンマステーは、見た目上では打撃による変形はしないような剛体とする。そこで、材質は金属が好ましく、鉄よりも軽量なアルミ材で板状の厚みを１．５ｍｍとすると好ましい。

緩衝材は、一例として材質がショア硬さＡ５０を有するウレタンゴムとし、寸法形状は直径１５ｍｍの円柱ブロックを使用する。円柱ブロックの取付位置は、ハンマステーの支点中心軸と円柱ブロック中心軸の距離が２０ｍｍになるように取付けると好ましい（図６）。緩衝材の材質、寸法、設ける位置は、被測定物、用いるハンマ柄等によって異なるので、好ましい条件を探っておく必要がある。

被測定物は、打撃時に位置がずれないよう何らかの手段で固定されていることが好ましい。また、材質は鉄とし、重量は１００〜１０００ｇの範囲であるのが好ましい。
ハンマ先端部から被測定物間の隙間は、１〜２ｍｍの範囲となるよう被測定物の高さを調整する（図２）ことが好ましい。

初期の静止時における被測定物とハンマステーのなす角度は、図６において反時計回りを＋とした場合に＋５°〜＋１５°の範囲となるよう、円柱ブロックの高さを調整することが好ましい。

打撃の手順は、ハンマステーを初期の静止状態から（図２）、手指又は自動動力にて反時計回りに＋５°上昇させる（図３）。この時、上昇限位置を繰返し再現できるように、上昇限位置にストッパあるいは自動機構を設けることが好ましい。
ハンマを上昇させる手段は、一例として、図７に示すように、ハンマステーの自由式回転軸側の端に曲面上の突起を設け、ステッピングモーターの回転により回転する複数の回転バネ（回転突起、図７では４個）を有する円盤を回転させ、回転突起をハンマステーの曲面上の突起に沿わしてハンマステーとハンマステーに固定したインパルスハンマが自由式回転軸を支点にして持ち上がるようにする。
図７では、ハンマによる被測定物への打撃による振動を、被測定物にレーザーを照射してその変位を測定する様子を示した。

ハンマステーが上昇限まで達した後、ハンマステーに掛かる外力を解放し、ハンマステーを自由落下させる。自由落下後、ハンマステーが円柱ブロックに衝突してハンマ柄がしなることで、ハンマ先端部が被測定物に最初の打撃を与える（図４）。その後数十ミリ秒間で、ハンマ先端部が被測定物に接触しないことで１度打ちを達成する。

１；インパルスハンマ
２；ハンマステー
３；支点（自由式回転軸）
４；緩衝材
５；被測定物
６；ハンマ先端部（直径２ｍｍ、ＳＵＳ材）
７；ハンマ先端部と被測定物の隙間（１〜２ｍｍ）
８；ハンマ柄（直径６ｍｍ、グラスファイバー製）
９；ハンマヘッド（直径１０ｍｍ）
１０；ハンマステーとの固定部（直径８ｍｍ、ＳＵＳ材）
１１；支点（自由式回転軸）
１２；緩衝材（ウレタンゴムの円柱ブロック（直径１５ｍｍ、ショア硬さＡ５０））
１３；ハンマステー（厚み１．５ｍｍ、アルミ材）
１４；ハンマステーとの固定部との連結穴（穴数任意）
１５；自由式回転軸との連結穴（穴数２箇所）

Claims (7)

1. ハンマ柄の一方に被測定物を打撃するハンマヘッド、ハンマ柄の他方にハンマステーに固定するハンマステーとの固定部を有するインパルスハンマ、板状のハンマステーの一方にインパルスハンマとの連結穴を有し、ハンマステーの他方に自由式回転軸との連結穴を設けたハンマステーであって、
   ハンマステーの支点を軸にして、インパルスハンマを上昇させた後の自由回転落下時にハンマステーと衝突する位置に緩衝材を設け、ハンマステーと緩衝材を衝突させ、衝突直後にハンマ柄をしならせることによりハンマヘッドで被測定物に打撃を１回のみ与える１度打ちの打撃方法。
2. 前記ハンマ柄が、金属よりも柔軟な材質である請求項１に記載の１度打ちの打撃方法。
3. 前記ハンマ柄が、グラスファイバーである請求項２に記載の１度打ちの打撃方法。
4. 前記板状のハンマステーが、金属である請求項１〜３のいずれか一項に記載の１度打ちの打撃方法。
5. 前記ハンマヘッドが、被測定物と打撃接触するためのハンマ先端部を有し、前記ハンマ先端部に衝撃の力が測定可能な力学センサを有する請求項１〜４のいずれか一項に記載の１度打ちの打撃方法。
6. 前記インパルスハンマのハンマステーとの固定部が、ハンマステーの一方に連結され、前記ハンマステーは自由式回転軸と連結され、軸を支点とし自由回転する請求項１〜５のいずれか一項に記載の１度打ちの打撃方法。
7. インパルスハンマを上昇させる手段を、手動方式のみならず自動方式にも対応した請求項１〜６のいずれか一項に記載の１度打ちの打撃方法。