JP6569011B2 - 軸方向及びねじり方向の多軸レジメによる超音波周波数の疲労試験用機器 - Google Patents

Description

本発明は、市販の超音波励振器を用いて、軸方向とねじり方向の多軸レジメによる超音波周波数で疲労試験を実行することのできる機器に関する。この種の励振器を使用することで、短時間のうちに千億以上のサイクルに達することができる。たとえば、５０Ｈｚで動作する従来の多軸油圧式疲労試験機では、１０^９サイクルに達するのに半年超かかる可能性がある。２０ｋＨｚ圧電励振器ではわずか１４時間で達成される。

この種の機器は、軸方向及びねじり方向の多軸レジメにより、多数サイクルの領域内で特定の金属材料の挙動を研究及び評価することを可能にした初めての機器である。

この種の試験は自動車及び航空機産業に特に関連性が高く、当該産業では、いくつかの部品が、サイクル数がしばしば数十億を超過する周期的多軸荷重にさらされる。

サイクル数が非常に高い領域での疲労試験は、比較的最近の研究分野であり、この種の試験に共通する基準がまだ定まっていない。ただし、こうした疲労試験により、これまで研究されてこなかったレジメによる材料の機械的挙動を把握することができるため、この種の試験は世界中の研究者や研究センターから高い注目を浴びている。

報告される第１の種類の試験は、単軸超音波励振器がシステム全体（励振器、ホーン、試験品）を共振周波数まで励起して、自由レジメで振動する単軸疲労試験に関する。最近では、ねじり及び３点屈曲試験が報告されている。また、接触疲労に関するこの種の試験の使用も開発されている。

現時点では、超音波励振器を用いて多軸疲労試験を実行する機器は存在しない。しかしながら、油圧励振器を用いて多軸試験を実行する機器がいくつか市販されている（たとえば、特にＵＳ７５０９８８２、ＣＮ１０３１４９０２２Ｂ、ＵＳ２００２１６２４００Ａ１、ＷＯ２０１２１５６６０６Ａ１）。

本発明と同じ概念上の原理に基づくいくつかの発明が報告されている（ＥＰ２２４３４４９Ａ１、ＵＳ６０７７２８５Ａ、２００１００１１１７６Ａ１）。しかしながら、目立つ設計上の差異の他、これらの発明の目的は、本発明とは異なる研究分野に焦点を当てている。

たとえば、ＵＳ６０７７２８５Ａは、眼科処置に適した手術用超音波装置に関する。本文献は、本発明とは全く異なる目的を有する以外に、２つの圧電励振器を利用しており、試験品が存在しない。

したがって、本発明の目的は、超音波周波数を用いて、多軸荷重、さらに具体的には、軸方向とねじり方向の二軸上で疲労試験を実行することのできる機器を具体的に提示することで従来技術の欠点を克服する機器を提示することである。

本発明は、軸超音波励振器を用いる超音波周波数での多軸疲労試験用機器に言及しており、言及される軸超音波励振器はホーン（１）に連結され、該ホーンは、円錐状回転面にホーン（１）軸に対して特定角度で傾斜する複数の傾斜孔（３）を含み、機械式ジョイントによって円柱状の試験品（５）に連結され、試験品（５）は上側スロート部（７）、中央スロート部（８）、下側スロート部（９）を有し、該機器は励振器、ホーン（１）、試験品（５）の共振レジメで動作する。

ホーン（１）と試験品（５）は、アセンブリ全体が自由レジメで動作するように、試験に関連する共振周波数が励振器の励振周波数に同期される幾何的形状を有する。

振動モードを通じて、ホーン（１）は、純周期的軸運動を励振器から受け取り、それを軸方向及びねじり方向の周期的同相運動から成る混合運動に変換する。試験品（５）は、同一周波数で第１の軸振動モードと第３のねじり振動モードを有する。

図１は、超音波励振器にねじ接続される、励振器との接触面（２）と、複数の傾斜孔（３）と、試験品との接触面（４）とを含むホーン（１）を示す。 図２は、ホーン（１）との接触面（６）、上側スロート部（７）、中央スロート部（８）、下側スロート部（９）を含む試験品（５）を示す。 図３は、ホーン（１）と試験品（５）から成るアセンブリに対する試験周波数での演算振動モードを示しており、黒色は最大偏位に対応付けられ、白色は最小偏位に対応付けられる。また、ホーン（１）の傾斜孔（３）と、試験品（５）の上側スロート部（７）、中央スロート部（８）、下側スロート部（９）とを識別することができる。 図４は、試験品（５）のねじり演算振動モードを示しており、上側スロート部（７）、中央スロート部（８）、下側スロート部（９）に振動ノードがある。このモードでは、試験品（５）全体を通じて軸方向偏位がゼロである。 図５は、試験品（５）の軸演算振動モードを示しており、中央スロート部（８）に振動ノードがある。また、上側スロート部（７）と下側スロート部（９）とを識別することができる。このモードでは、試験品（５）全体を通じて回転方向偏位がゼロである。 図６は、試験品（５）とホーン（１）とのアセンブリの側面図である。超音波励振器とホーン（１）との接触面（２）と、傾斜孔（３）と、試験品（５）とホーン（１）との接触面（４）と、ホーン（１）と試験品（５）の上側スロート部（７）、中央スロート部（８）、下側スロート部（９）の接触面（６）とを識別することができる。 図７は、本発明の機器を示しており、ホーン（１）と試験品（５）が観察される。 図８は、試験品（５）の回転測定時に、２つの振動計によって得られる２つの時間信号を示す。 図９は、中央スロート部（８）に搭載される３チャネルのロゼット歪みゲージによって得られる３つの時間信号を示す。

本発明は、多軸荷重、より具体的には、軸方向とねじり方向の二軸上での超音波周波数の疲労試験用機器に言及する。該機器は、相互に連結される２つの構成要素であるホーン（１）と試験品（５）とから成る。

該機器は、円錐状回転面にホーン（１）の軸に対して特定角度で傾斜する複数の傾斜孔（３）を含むホーン（１）と、機械式ジョイントによってホーンに連結され、上側スロート部（７）、中央スロート部（８）、下側スロート部（９）を有する円柱状の試験品（５）とから成り、励振器、ホーン（１）、試験品（５）の共振レジメで動作する。疲労試験は、多軸荷重、より具体的には、軸方向とねじり方向の二軸上で超音波周波数で実行される。

ホーン（１）及び試験品（５）は、アセンブリ全体が自由レジメで動作するように、試験に関連する共振周波数が励振器の励振周波数に同期される幾何的形状を有する。

振動モードを通じて、ホーン（１）は、純周期的軸運動を励振器から受け取り、それを軸方向及びねじり方向の周期的同相運動から成る混合運動に変換する。

ホーン（１）は、ホーン（１）を形成する材料に応じた大きさを有する。
試験品（５）は、同一の周波数で第１の軸振動モードと第３のねじり振動モードを有する。
試験品（５）は、試験品（５）を形成する材料に応じた全体の大きさを有する。

図６に示す機器は、機械式ジョイントを用いて連結されるホーン（１）と試験品（５）とからなる。該機器は機械式ジョイントで超音波励振器に装着される。

ホーン（１）は、超音波励振器の励振周波数での混合振動モードを有する。ホーン（１）は、回転軸に対する複数の傾斜孔（３）を備え、これらの孔は、励振周波数でホーン（１）と試験品（５）との接触面（４）上の回転運動を生成する役目を果たす。

試験品（５）は、超音波励振器の共振周波数で、軸振動モードとねじり振動モードの２つの振動モードを有する。両モードはホーン（１）によって励振され、各モードが励振される大きさの関係は、ホーン（１）の傾斜孔（３）の幾何的形状に左右される。

試験品（５）の幾何的形状と混合振動モードにより、試験対象である中央スロート部（８）の応力集中が促進される。この中央スロート部（８）の応力場は、法線応力と剪断応力の二軸である。このように、超音波励振器を用いて多軸疲労試験を実行することにより、多軸荷重を受ける際に様々な材料の特性が非常に高いサイクル数で得られる。

実施例
本明細書に記載される機器の試作品を、ホーン（１）と試験品（５）を用いて作製し、試験し、構成した。予備的結果が示すように、試験品（５）は、図８に表す信号で確認される回転挙動を発揮する。３チャネルロゼット型伸縮計を中央溝（８）に装着したところ、時間結果から、図９に示すような多軸荷重の存在が確認された。

Claims (3)

1. 軸超音波励振器を用いた超音波周波数での多軸疲労試験用機器であって、前記軸超音波励振器がホーン（１）に連結され、前記ホーンが、円錐状回転面に前記ホーン（１）の軸に対して特定角度で傾斜する複数の傾斜孔（３）を含み、機械式ジョイントによって円柱状の試験品（５）に連結され、前記試験品（５）が上側スロート部（７）、中央スロート部（８）、下側スロート部（９）を有することによって、前記機器が前記励振器、前記ホーン（１）、前記試験品の共振モードで動作する、多軸疲労試験用機器。
2. 前記ホーン（１）が、前記ホーン（１）を形成する材料に応じた大きさを有する、請求項１に記載の多軸疲労試験用機器。
3. 前記試験品（５）が、前記試験品（５）を形成する材料に応じた全体の大きさを有する、請求項１又は２に記載の多軸疲労試験用機器。
   
   

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