JP6079652B2 - 超音波疲労試験機 - Google Patents

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で増幅して試験片に伝達している。

金属ベローズやメタルガスケットなどを構成する薄板の耐疲労特性を評価するための疲労試験を行う装置としては、特許文献１に記載された疲労試験装置が提案されている。この薄板の疲労試験装置では、ホーンの先端径と同一径であり、一端が自由端となる柱体をホーンに接続している。そして、柱体の長手方向で分割した柱体部分で試験片を挟持させることにより、試験片をその長手方向が加振方向と直交するよう固定していた（特許文献１における図５参照）。

特開２００４−０２０４７２号公報

特許文献１に記載された従来の薄板の疲労試験装置では、柱体の自由端および試験片が、加振により生じる定常波の腹位置にくるように試験片を取り付けていた（特許文献１における図７参照）。これは、柱体の自由端での変位を、試験片に与える変位として扱うためであり、柱体の自由端と試験片の取り付け位置とで柱体に発生している定常波の振幅がいずれも腹位置において同一であることが前提となっている。このため、従来は、柱体の自由端と試験片との間の距離が、定常波の１波長分の長さとなるように、柱体を長手方向で分割した自由端側の柱体部分を備える必要があった。

一方で、２０ｋＨｚで試験片を共振させる際、加振により従来の柱体に発生する定常波の１波長分の長さは、鋼材で１２８ｍｍ程度必要であり、薄板の試験片の質量に比べて格段に大きい。このため、発振器のエネルギーの大部分は、柱体を加振するために使用される。加振振幅を大きくするには、柱体を加振させるための余分なエネルギーを確保しなければならない。このような容量の大きな発振器を採用すると、装置の大型化、消費電力の増大、装置のコスト高などの問題が生じる。

さらに、特許文献１に記載されているような柱体の加振時には、定常波の節位置となる柱体部分の長手方向中央に応力が集中するため、加振振幅を大きくするほど、柱体部分で発熱し、熱そのもの影響や熱膨張による共振周波数の変化のため、試験を行うことが困難になることもあった。

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、薄板の試験片に対して疲労試験を行う場合でも、発振器の容量を大きくすることなく、より大きな加振振幅で疲労試験を実行することが可能な超音波疲労試験機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、前記試験片を当該試験片の長手方向が前記超音波振動子による加振方向と直交するように前記ホーンに固定する固定具と、前記試験片の自由端および前記固定具の端面の変位を検出する変位検出手段とを備える超音波疲労試験機であって、前記固定具は、前記超音波振動子から発生する定常波の腹位置に当該固定具の端面が配置されるように前記試験片を前記ホーンの先端部に装着し、前記固定具の端面から前記試験片の固定位置までの距離と変位減衰率との関係に基づいて、前記変位検出手段が検出した前記固定具の端面の変位を前記試験片に入力する変位に換算する制御部を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記固定具の端面が前記超音波振動子から発生する定常波の腹位置となるように、前記ホーンと前記固定具の端面との間の長さを調整するスペーサを備える。

請求項１に記載の発明によれば、固定具の端面から試験片の位置までの距離と変位減衰率との関係に基づいて、変位検出手段により検出した固定具の端面の変位を試験片に入力する変位に換算する制御部を備えることから、固定具の長さを定常波の１波長分の長さとする必要がなく、固定具の質量を小さくすることができる。これにより、固定具を加振するエネルギーが減少し、発振器の容量を大きくしなくても、より大きな加振振幅を試験片に付与する疲労試験を実行することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、スペーサにより、固定具の端面を定常波の腹位置に容易に一致させることができる。

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の先端部への試験片Ｓの装着を説明する分解斜視図である。 固定具１６の端面および試験片Ｓの位置と、定常波の波形との関係を説明する概要図である。 試験片Ｓの固定具１６の端面からの距離と変位減衰率との関係を示すグラフである。

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、超音波により薄板の試験片Ｓを板の厚さ方向に振動させて疲労試験を行うものであり、超音波振動子１１と円弧側面を有する円柱状のホーン１２からなる振動部１３と、超音波振動子１１を振動させる発振器１５と、ホーン１２の先端に固定具１６により取り付けられた試験片Ｓの変位を検出する変位計２３と、固定具１６の端面の変位を検出する変位計２１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とを備える。

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。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の先端部に固定具１６により固定された試験片Ｓに繰り返し応力が負荷される。なお、超音波振動子１１は、図１において矢印Ｘで示すホーン１２の長手方向に沿った往復振動を発生する。そして試験片Ｓは、その長手方向が加振方向Ｘと直交するように取り付けられている。

変位計２１は、ホーン１２に試験片Ｓを固定する固定具１６の端面から所定の距離だけ離れた位置に配置され、固定具１６の端面の変位を計測する。変位計２１の検出値は、制御部３０に送信され、必要に応じて制御部３０に接続された表示部３７に表示される。変位計２３は、ホーン１２の先端に固定された試験片Ｓから所定の距離だけ離れた位置に配置され、試験片Ｓの変位を計測する。変位計２３の検出値は、制御部３０に送信され、必要に応じて制御部３０に接続された表示部３７に表示される。この変位計２１、２３は、この発明における変位検出手段であり、非接触により固定具１６の端面までの距離、または、試験片Ｓまでの距離を計測する渦電流式変位計である。

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。制御部３０は、演算装置により変位計２１および変位計２３の検出値に基づいて、試験片Ｓに与えられる振動負荷や試験片Ｓに生じた変位を算出し、それらの算出結果を表示部３７に表示する。なお、表示部３７はタッチパネルを備え、入力装置としても機能し、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。

次に、試験片Ｓのホーン１２への取り付けについて説明する。図２は、図１に示すホーン１２の先端部への試験片Ｓの装着を説明する分解斜視図である。また、図３は、固定具１６の端面および試験片Ｓの位置と、定常波の波形との関係を説明する概要図である。図４は、試験片Ｓの固定具１６の端面からの距離と変位減衰率との関係を示すグラフである。

図２に示すように、固定具１６は、変位計２１により変位を計測する端面（自由端）である平坦面を有する頭部１８と、ネジ部１７とからなる。一方、ホーン１２の端部には、固定具１６におけるネジ部１７と螺合可能なネジ穴１４が形成されている。なお、この実施形態の固定具１６の頭部１８の側面は、スパナによる頭部１８のつかみを容易にするため、つかみ幅に応じた平面加工が施されている。

試験片Ｓをホーン１２に装着するときには、固定具１６とホーン１２の先端部との間に試験片Ｓを挟んだ状態で、固定具１６のネジ部１７をホーン１２のネジ穴１４に螺合させ、スパナ等を用いて固定具１６をホーン１２に締結する。この実施形態では、ホーン１２と試験片Ｓとの間にスペーサ１９を介挿させている。試験片Ｓとスペーサ１９には、固定具１６のネジ部１７が貫通する孔が設けられ、試験片Ｓをホーン１２に装着するときには、固定具１６におけるネジ部１７を試験片Ｓおよびスペーサ１９の孔を通してホーン１２におけるネジ穴１４に螺合させている。なお、ホーン１２、固定具１６およびスペーサ１９は、同じ材質で製作される。

ホーン１２は、超音波振動子１１から発生する定常波の腹位置が、固定具１６の端面となるように予め長さが調整されたものが配設されるが、試験片Ｓの厚みによっては、固定具１６の端面が定常波の腹位置に一致しないことがある。このため、この実施形態では、図２に示すように所定の厚みのスペーサ１９を、試験片Ｓとホーン１２の先端部との間に介挿させている。このようにスペーサ１９を介挿させることで、固定具１６の端面を定常波の腹位置に正確にあわせることができる。なお、後述する試験片Ｓの変位算出のときに試験片Ｓと固定具１６の端面との距離に基づく変位減衰率（図４参照）をパラメータとすることから、スペーサ１９はホーン１２側に介挿させ、試験片Ｓと固定具１６の端面との距離を一定（固定具１６における頭部１８の厚み）としておくことが好ましい。

図３に示すように、固定具１６の端面は、超音波振動子１１から発生される定常波の腹位置になるように配置され、試験片Ｓは、固定具１６の端面から一定の距離だけ離れた位置に配置される。ホーン１２への試験片Ｓの装着が完了すると、制御部３０からの制御により発振器１５を動作させ、超音波振動子１１を振動させる。試験片Ｓの変位は、加振端Ａの変位（試験片Ｓに入力された変位）と、試験片Ｓの自由端Ｂの変位との差分により求めることができる（図３参照）。

試験片Ｓの変位計算における試験片Ｓの自由端Ｂの変位には、変位計２３により検出された検出値が用いられる。一方、試験片Ｓの変位計算における試験片Ｓの加振端Ａの変位には、従来のように変位計２１により検出された固定具１６の端面の変位の値を用いるのではなく、変位計２１の検出値に試験片Ｓと固定具１６の端面との距離に応じた変位減衰率を乗じた値が用いられる。すなわち、この実施形態では、制御部３０において、変位計２１が検出した変位に変位減衰率を乗算することにより、固定具１６の端面の変位が試験片Ｓに入力された変位に換算される。

固定具１６の端面の変位は、定常波の腹位置である固定具１６の端面から定常波の節位置までの間に、図４のグラフに示すような減衰傾向を示す。例えば、試験片Ｓをホーン１２に固定して所定の振動を与えたときに、定常波の腹位置となる固定具１６の端面から定常波の節位置までの距離Ｄが約２６ｍｍとなるようにホーン１２の長さが調整されていた場合、試験片Ｓの取り付け位置が固定具１６の端面から５ｍｍ離れた位置であると、試験片Ｓの加振端Ａの変位は、変位計２１の検出値に減衰率８０％を乗じた値となる。

図４のグラフに示すような固定具１６の端面から試験片Ｓの固定位置までの距離と変位減衰率との関係を記述した情報を、制御部３０の記憶装置に予め記憶させておき、試験片Ｓと固定具１６の端面との距離を表示部３７のタッチパネル機能を用いて入力することで、変位計２１の検出値を試験片Ｓに入力する変位に換算するための適切な変位減衰率を選択させることができる。なお、ここでの変位減衰率は、理論的あるいは解析的に得ることができる。

そして、制御部３０のＣＰＵを利用して、変位計２３の検出値と変位計２１の検出値に変位減衰率が乗じられた値との差分である試験片Ｓの変位が計算される。なお、固定具１６の端面を変位計２１による変位検出に適した平坦面としていることから、試験片Ｓと固定具１６の端面との距離は、固定具１６の頭部１８の厚みにほぼ等しくなる。したがって、変位減衰率を求めるにあたっては、固定具１６の寸法（頭部１８の厚み）により対応する変位減衰率を、使用者が表示部３７を介して選択できるようにしてもよい。

このように、この発明においては、上述した構成により、従来のように試験片Ｓと固定具１６の端面（自由端）の両方の位置を同一振幅の定常波の腹位置とするために、固定具１６の長さを定常波の１波長分とする必要がない。固定具１６の質量を従来の数十分の１程度まで小さくすることができるため、固定具１６を加振するエネルギーを低減し、試験片Ｓに対して振動エネルギーを効率良く伝達させることができる。また、固定具１６の長さを従来に比べて十分に短くでき、定常波の節位置が固定具１６に位置することがないため、固定具１６の発熱や膨張による共振周波数の変化が低減され、加振振幅の大きな疲労試験を確実に実行することが可能となる。

１１ 超音波振動子
１２ ホーン
１３ 振動部
１４ ネジ穴
１５ 発振器
１６ 固定具
１７ ネジ部
１８ 頭部
１９ スペーサ
２１ 変位計
２３ 変位計
３０ 制御部
３７ 表示部
Ｓ 試験片

Claims (2)

1. 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、前記試験片を当該試験片の長手方向が前記超音波振動子による加振方向と直交するように前記ホーンに固定する固定具と、前記試験片の自由端および前記固定具の端面の変位を検出する変位検出手段とを備える超音波疲労試験機であって、
   前記固定具は、前記超音波振動子から発生する定常波の腹位置に当該固定具の端面が配置されるように前記試験片を前記ホーンの先端部に装着し、
   前記固定具の端面から前記試験片の固定位置までの距離と変位減衰率との関係に基づいて、前記変位検出手段が検出した前記固定具の端面の変位を前記試験片に入力する変位に換算する制御部を備えることを特徴とする超音波疲労試験機。
2. 請求項１に記載の超音波疲労試験機において、
   前記固定具の端面が前記超音波振動子から発生する定常波の腹位置となるように、前記ホーンと前記固定具の端面との間の長さを調整するスペーサを備える超音波疲労試験機。

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