JP5055528B2 - 衝撃強さ評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、衝撃強さ評価方法に関する。

製品の衝撃強さの評価は、どのような衝撃パルスによって製品が破損するかを把握するために行われ、例えば、製品の輸送過程で発生する落下衝撃から製品を保護するための緩衝包装設計や、使用中に落下のおそれがある携帯機器の製品設計などにおいて利用されている。

製品衝撃強さを評価する方法として、ＪＩＳ Ｚ００１９にも規格化されているように、製品の損傷境界曲線を把握することが一般に行われている。例えば、特許文献１には、陰極線管の耐衝撃性能を評価するために、衝撃試験機の落下テーブルに専用の固定治具を介して陰極線管を取り付け、正弦半波及び台形波をそれぞれ衝撃波として速度変化試験及び加速度試験を順次行うことにより、損傷境界曲線の作成に必要なデータを取得する方法が開示されている。
特開２００２−１１００４５号公報

ところが、従来のように衝撃試験機を用いる方法は、専用治具の作成や取り付けが煩雑なだけでなく、所望の衝撃パルスを発生させるために装置自体の構成も大がかりであることから、各製品開発現場などにおいて手軽に使用できるものとはいえず、簡便な評価方法が必要とされていた。

そこで、本発明は、製品等の衝撃強さを容易且つ高精度に評価することができる衝撃強さ評価方法の提供を目的とする。

本発明の前記目的は、緩衝材に対する落錘の落下高さと最大加速度及び速度変化との関係を複数種類の前記緩衝材について予め測定した試験データを用いて、衝撃強さを評価する方法であって、前記各緩衝材に対する供試品の落下を、落下高さを徐々に上げながら繰り返し行い、供試品が破損する限界落下高さを取得する第１のステップと、前記試験データに基づいて、前記緩衝材毎の前記限界落下高さに対応する最大加速度及び速度変化を取得する第２のステップと、取得した前記最大加速度及び速度変化に基づいて、供試品の損傷境界曲線を導出する第３のステップとを備える衝撃強さ評価方法により達成される。

この衝撃強さ評価方法において、前記第３のステップは、予め設定された条件に基づいて損傷境界曲線を基準化した基準曲線を前記損傷境界曲線に変換するステップを含むことが好ましい。

また、前記第１のステップは、供試品の複数の部位に対して、当該部位が破損する前記限界落下高さを取得するステップを含むことが可能であり、前記損傷境界曲線の導出を前記部位毎に行うことができる。

本発明によれば、製品等の衝撃強さを容易且つ高精度に評価することができる。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の衝撃強さ評価方法の一例を説明するためのフローチャートである。衝撃強さの評価対象としては、落下衝撃などにより破損するおそれがあるすべての製品や商品などが含まれ、例えば、携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラなどの家電機器や、スイカ、桃、イチゴなどの青果物を挙げることができる。

まず、衝撃強さを評価する前提として、予め落錘を用いて種々の緩衝材に対する落下試験を行う（ステップＳ１）。落下試験においては、汎用の落下試験機を用いることができるが、落下する供試品の姿勢を所望の状態に維持することが可能であれば、必ずしも落下試験機を用いる必要はなく、緩衝材に対して供試品を手作業で落下させるようにしてもよい。

供試品に落下衝撃を生じさせる落下面は、通常の落下試験では十分な剛性を有する地面とされるが、本発明では、落下面に種々の緩衝材を配置して供試品の落下試験を行い、緩衝材毎に落下試験データを取得する。緩衝材としては、ある程度の緩衝性に加えて繰り返しの衝撃に対する性能の変化が小さく、且つ、発生する衝撃パルスの形状が安定しているものが好ましく、例えば、発泡ラバー、ラバー、ゲル、フェルトマット、ゴムパッドなどを挙げることができる。緩衝材は、衝撃パルスの安定した波形が得られる程度に十分な厚みを有することが好ましく、破損するときの加速度が広範囲にわたって分散されるように、弾性係数などが異なるものを複数用意しておくことが好ましい。また、緩衝材として、緩衝作用をほとんど有しない強固な地面などを選択することもできる。

落下試験は、落錘の表面上部などに加速度センサを固定し、種々の高さから緩衝材に落錘を落下させて正弦半波衝撃パルスを作用させ、このパルス波形から最大加速度及び速度変化を算出する。正弦半波衝撃パルス波形の概要を、図２に示す。

落下試験は、種々の製品に対応できるように、落錘の質量や衝突面の形状などを変えて行い、これらをデータベース化しておくことが好ましい。一例として、落錘の衝突面を球殻面（半径５０ｍｍ）及び平面（３０ｍｍ四方）の２種類、落錘の質量を５．８ｋｇ及び１１．６ｋｇの２種類として、これらの組み合わせによる合計４パターンについて、ゴムパッドを緩衝材とした場合の衝撃エネルギと最大衝撃荷重との関係を測定した結果を図３に示す。いずれのパターンにおいても、衝撃エネルギと最大衝撃荷重との関係はほぼ線形であり、一次式で近似することができる。衝撃エネルギは、落下高さ×質量であり、最大衝撃荷重は、最大加速度×質量であるから、図３は、落下高さと最大加速度との関係を表している。

落下高さと速度変化との関係についても、上記と同様に落下試験から明らかにすることができる。例えば、速度変化をΔＶ、緩衝材との反発係数をｅ、落下高さをｈとすると、下記数式１が成り立つため、落下試験において測定した各緩衝材との反発係数ｅから、落下高さと速度変化との関係を求めることができる。

［数１］
ΔＶ＝(1+e)√（2gh）
こうして、ある緩衝材に対する落錘の落下高さと最大加速度及び速度変化との関係を求めることができ、これを他の緩衝材についても行うことで、複数種類の緩衝材についての落下試験データをデータベースに格納する（ステップＳ２）。

次に、評価対象となる供試品について、破損に至る限界落下高さを測定する。上述した落錘の落下試験で用いたいずれかの緩衝材を落下面に載置し、この緩衝材に供試品を落下する。この測定も、落下試験機を用いて行うことが可能であり、或いは試験機を用いずに手作業で行ってもよい。

供試品の最初の落下高さを、破損しないと思われる最も高い値に設定し、徐々に落下高さを増加させて供試品を繰り返し落下させ、供試品が破損した時点で終了する。限界落下高さは、供試品における特定の脆弱部位が破損に至る限界の落下高さであり、例えば、落下高さを段階的に大きくした場合において、供試品が破損しない最大の落下高さや、供試品が破損した落下高さと破損しなかった最大の落下高さとの平均値を、限界落下高さとすることができる。

こうして、ある緩衝材に対する限界落下高さを求めた後、他の緩衝材についても同様に試験を行い、複数種類の緩衝材について、それぞれ限界落下高さを取得する（ステップＳ３）。

次に、上記ステップＳ２で生成した落下試験データに基づき、緩衝材毎の限界落下高さに対応する最大加速度及び速度変化を取得する（ステップＳ４）。データベースに格納された落下試験データは、緩衝材毎に、落錘の形状や質量などの特性に応じた落下高さと最大加速度及び速度変化との関係が整理されており、供試品の特性に最も合う落下試験データを選択して、限界落下高さに対応する最大加速度及び速度変化を抽出する。例えば、図３に示す落下試験データについて、供試品の衝突面が平面であり、供試品の質量が５．８ｋｇの場合、該当する直線を抽出して、衝撃エネルギに対応する最大衝撃荷重から最大加速度を求めることができる。また、速度変化については、同じく落下試験データから反発係数ｅを求め、上記数式１により算出することができる。尚、図３において、衝撃エネルギと最大衝撃荷重との関係は、落錘の衝突面の形状が同じであれば、図５に示すように、質量に拘わらず同一の近似直線で表すことも可能であり、これによって限界落下高さに対応する最大加速度及び速度変化の抽出作業を容易にすることができる。

限界落下高さの取得は、他の緩衝材についても同様に行い、それぞれについて最大加速度及び速度変化を求める（ステップＳ５）。すなわち、最大加速度をＡ、速度変化をΔＶとすると、Ｎ種類の緩衝材に対して、（Ａ（１），ΔＶ（１）），（Ａ（２），ΔＶ（２）），・・・，（Ａ（Ｎ），ΔＶ（Ｎ））が得られる。ここで、１〜Ｎの番号は、速度変化の昇順に順次付与している。

この後、各緩衝材に対する最大加速度及び速度変化に基づいて、供試品の損傷境界曲線を導出する（ステップＳ５）。本実施形態においては、この導出に、予め設定された条件に基づく損傷境界曲線を基準化した基準曲線を利用する。例えば、「応答系の固有振動数が１Hzで、伝達加速度が１を超えると破損する」と仮定した場合の正弦半波衝撃パルスに対する損傷境界曲線は、ｙ座標を比加速度ａ、x座標を比速度変化Δｖとして、理論式から図４のように求めることが可能であり、これを基準曲線とすることができる。

上述した基準曲線は、固有振動数及び伝達加速度のみに依存する曲線であり、固有振動数及び伝達加速度が明らかになれば、この基準曲線から損傷境界曲線を求めることができる。すなわち、求める損傷境界曲線の入力最大加速度をＡ、入力速度変化をΔＶとすると、基準曲線における比加速度ａ及び比速度変化Δｖは、下記の数式２及び数式３によって表される。

［数２］
ａ＝Ａ／ａ_ｃ
［数３］
Δｖ＝ΔＶ・（ｆ_ｃ／ａ_ｃ）
ここで、ａ_ｃは製品の最も脆弱な部位の強度（伝達加速度）であり、ｆ_ｃは製品の固有振動数である。

基準曲線は、図４に示すように比速度変化ΔＶが増加すると、比加速度ａが１に近づくことから、上述したＮ種類の（Ａ（１），ΔＶ（１）），（Ａ（２），ΔＶ（２）），・・・，（Ａ（Ｎ），ΔＶ（Ｎ））について、基準曲線上の対応する（ａ（１），Δｖ（１）），（ａ（２），Δｖ（２）），・・・，（ａ（Ｎ），Δｖ（Ｎ））を考えた場合、上記の数式２において、速度変化が最大であるΔＶ（Ｎ）に対応するａ（Ｎ）が１であると仮定すると、ａ_ｃ＝Ａ（Ｎ）になる。

また、ａ_ｃの値が明らかになれば、上記数式２より、ａ（１）＝Ａ（１）／ａ_ｃとして求めることができ、基準曲線から、ａ（１）に対応するΔｖ（１）も求めることができる。こうして得られたａ_ｃ、Δｖ（１）及びΔＶ（１）の値を上記数式３に代入して、ｆ_ｃを算出することができる。

ａ_ｃ及びｆ_ｃが求まれば、これらの値を初期値として、上記数式２及び３から、基準曲線を損傷境界曲線に変換することができる。（Ａ（１），ΔＶ（１）），（Ａ（２），ΔＶ（２）），・・・，（Ａ（Ｎ），ΔＶ（Ｎ））の値は明らかであるから、得られた損傷境界曲線に対して最小二乗法を適用する等して、誤差が最小となる損傷境界曲線を得ることができる。

このように、本実施形態の衝撃強さ評価方法によれば、複数の緩衝材に対する落錘の落下試験データを予め取得しておくことで、各緩衝材に対する供試品の限界落下高さから、損傷境界曲線を得ることができる。したがって、高価で大がかりな衝撃試験機を用いる必要がなく、製品の損傷境界曲線を容易に導出することができる。

精度の高い基準曲線を導出するためには、落錘衝突時の反発係数が広範囲にわたる多数の緩衝材についての落下試験データが存在することが好ましいが、最低２種類の緩衝材に対するデータがあれば、損傷境界曲線を求めることができる。２種類の緩衝材としては、例えば、強固な地面及び緩衝マットを選択することができ、前者の緩衝材についての加速度Ａ（１）を無限大とみなし、このときの速度変化ΔＶ（１）を許容速度変化とする。ΔＶ（１）に対応する比速度変化Δｖ（１）は、基準曲線における最小の値と仮定することができ、図４のグラフで約０．０８となる。したがって、Δｖ（１）及びΔＶ（１）の値が既知となり、上記数式３からｆ_ｃ／ａ_ｃの値が求まる。この値と、後者の緩衝材についての速度変化ΔＶ（２）とを用いて、上記数式３から比速度変化Δｖ（２）を求めることができ、基準曲線からΔｖ（２）に対応するａ（２）を求めることができる。この結果、ａ（２）及びＡ（２）の値が既知となるので、上記数式２からａ_ｃの値を求めることができ、上記数式３からｆ_ｃの値を求めることができる。こうして、供試品に対する損傷境界曲線を導出することができる。

また、本実施形態においては、正弦半波衝撃パルスに対する落下試験データ及び基準曲線を作成して、損傷境界曲線を導出するようにしているが、衝撃波の形状は正弦半波に限定されるものではなく、台形波、方形波等であってもよい。

また、本実施形態においては、製品の脆弱部位を１つ選択して、この部位の限界落下高さから損傷境界曲線を導出するようにしているが、破損する可能性がある複数の脆弱部位を選択し、それぞれの部位について損傷境界曲線を導出するようにしてもよい。

本発明の衝撃強さ評価方法の一例を説明するためのフローチャートである。 正弦半波衝撃パルス波形の概要図である。 衝撃エネルギと最大衝撃荷重との関係を測定した結果の一例を示す図である。 基準曲線の一例を示す図である。 図３に示す測定結果の近似直線を引き直した図である。

Claims (3)

1. 緩衝材に対する落錘の落下高さと最大加速度及び速度変化との関係を複数種類の前記緩衝材について予め測定した落下試験データを用いて、衝撃強さを評価する方法であって、
   前記各緩衝材に対する供試品の落下を、落下高さを徐々に上げながら繰り返し行い、供試品が破損する限界落下高さを取得する第１のステップと、
   前記落下試験データに基づいて、前記緩衝材毎の前記限界落下高さに対応する最大加速度及び速度変化を取得する第２のステップと、
   取得した前記最大加速度及び速度変化に基づいて、供試品の損傷境界曲線を導出する第３のステップとを備える衝撃強さ評価方法。
2. 前記第３のステップは、予め設定された条件に基づいて損傷境界曲線を基準化した基準曲線を前記損傷境界曲線に変換するステップを含む請求項１に記載の衝撃強さ評価方法。
3. 前記第１のステップは、供試品の複数の脆弱部位について、当該脆弱部位が破損する前記限界落下高さを取得するステップを含み、
   前記損傷境界曲線の導出を前記脆弱部位毎に行う請求項１または２に記載の衝撃強さ評価方法。
   
   
   
   
   
   

Images