特開 2023-138084 超音波疲労試験機、及び超音波疲労試験方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023138084

(43)【公開日】2023-09-29

(54)【発明の名称】超音波疲労試験機、及び超音波疲労試験方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 3/34 20060101AFI20230922BHJP

   G01N 3/04 20060101ALI20230922BHJP

【ＦＩ】

G01N3/34 D

G01N3/04 P

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022044579

(22)【出願日】2022-03-18

(71)【出願人】

【識別番号】000004640

【氏名又は名称】日本発條株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 千紘

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 拓斗

(72)【発明者】

【氏名】菊池 克信

【テーマコード（参考）】

2G061

【Ｆターム（参考）】

2G061AA08

2G061AB06

2G061BA15

2G061CC13

2G061DA01

(57)【要約】

【課題】試験片に対してねじり方向に適切な応力を付与することができる超音波疲労試験機を提供すること。
【解決手段】超音波疲労試験機は、超音波を発生させる超音波発生部と、一端が固定されており、他端が試験片の一端を保持する第１のホーンであって、一端に入力した超音波の振幅を増幅して他端から出力する第１のホーンと、第１のホーンと対向して配置されており、第１のホーンと反対側の一端が固定されており、他端が試験片の他端を保持する第２のホーンと、試験片に付与されるモーメントを計測する計測部と、モーメントに応じて試験片に付与する平均ねじり応力を調整可能な回転ステージと、第２のホーンと回転ステージの間に位置し、第２のホーンの中心軸と回転ステージの回転中心軸との軸ずれを調整可能な第１ＸＹステージと、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

試験片をねじり方向の振幅を有する超音波により共振させることによって超音波疲労試験を行うための超音波疲労試験機であって、
前記超音波を発生させる超音波発生部と、
一端が固定されており、他端が前記試験片の一端を保持する第１のホーンであって、前記一端に入力した前記超音波の振幅を増幅して前記他端から出力する第１のホーンと、
前記第１のホーンと対向して配置されており、前記第１のホーンと反対側の一端が固定されており、他端が前記試験片の他端を保持する第２のホーンと、
前記試験片に付与されるモーメントを計測する計測部と、
前記モーメントに応じて前記試験片に付与する平均ねじり応力を調整可能な回転ステージと、
前記第２のホーンと前記回転ステージの間に位置し、前記第２のホーンの中心軸と前記回転ステージの回転中心軸との軸ずれを調整可能な第１ＸＹステージと、
を備えることを特徴とする超音波疲労試験機。

【請求項2】

前記第１ＸＹステージは、前記第２のホーンの中心軸と前記回転ステージの回転中心軸との軸ずれを閾値以下に調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の超音波疲労試験機。

【請求項3】

前記第２のホーンの一部を前記試験片と反対側に押圧することにより、前記第２のホーンの前記一端を固定する固定治具を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波疲労試験機。

【請求項4】

前記回転ステージを載置し、前記第１のホーンの中心軸と前記第２のホーンの中心軸との軸ずれを調整可能な第２ＸＹステージを備えることを特徴とする請求項１～３のいずれか１つに記載の超音波疲労試験機。

【請求項5】

試験片をねじり方向の振幅を有する超音波により共振させる超音波疲労試験方法であって、
一端が固定されており、前記一端に入力した前記超音波の振幅を増幅して他端から出力する第１のホーンの前記他端に前記試験片の一端を保持させる一方、前記第１のホーンと対向して配置されており、前記第１のホーンと反対側の一端が固定されている第２のホーンの他端に前記試験片の他端を保持させ、
前記第２のホーンと前記試験片に付与する平均ねじり応力を調整可能な回転ステージとの間に位置する第１ＸＹステージを操作することにより、前記第２のホーンの中心軸と前記回転ステージの回転中心軸との軸ずれを調整し、
前記試験片に付与されるモーメントを計測し、
前記回転ステージを操作することにより、前記モーメントに応じて前記試験片に付与する平均ねじり応力を調整することを特徴とする超音波疲労試験方法。

【請求項6】

前記第１ＸＹステージを操作することにより、前記第２のホーンの中心軸と前記回転ステージの回転中心軸との軸ずれを閾値以下に調整することを特徴とする請求項５に記載の超音波疲労試験方法。

【請求項7】

前記第２のホーンの一部を固定治具によって前記試験片と反対側に押圧することにより、前記第２のホーンの前記一端を固定することを特徴とする請求項５又は６に記載の超音波疲労試験方法。

【請求項8】

前記回転ステージを操作することにより、前記モーメントに応じて前記試験片に付与する平均ねじり応力を調整する前に、前記回転ステージを載置する第２ＸＹステージを操作することにより、前記第１のホーンの中心軸と前記第２のホーンの中心軸との軸ずれを調整することを特徴とする請求項５～７のいずれか１つに記載の超音波疲労試験方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超音波疲労試験機、及び超音波疲労試験方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、試験片をねじり方向の振幅を有する超音波により共振させることによって超音波疲労試験を行うための超音波疲労試験機が知られている。

【0003】

特許文献１には、試験片の一端からホーンを介して超音波を入力する際、試験片の他端を固定しないで行う超音波疲労試験方法が記載されている。

【0004】

特許文献２には、試験片の一端からホーンを介して超音波を入力する際、ホーンを介して試験片の他端を固定して行う超音波疲労試験方法が記載されている。

【0005】

また、近年、回転ステージにより試験片に対して平均ねじり応力を付与して行う超音波疲労試験方法が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１０－２７１２４８号公報

【特許文献2】特開２０１９－５３００９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、試験片に対して平均ねじり応力を付与する場合、試験片の中心軸と回転ステージの回転中心軸とが軸ずれしていると、試験片に対してねじり方向に適切な応力を付与することができず、他の方向にも応力が発生してしまうという課題があった。

【0008】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、試験片に対してねじり方向に適切な応力を付与することができる超音波疲労試験機、及び超音波疲労試験方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る超音波疲労試験機は、試験片をねじり方向の振幅を有する超音波により共振させることによって超音波疲労試験を行うための超音波疲労試験機であって、前記超音波を発生させる超音波発生部と、一端が固定されており、他端が前記試験片の一端を保持する第１のホーンであって、前記一端に入力した前記超音波の振幅を増幅して前記他端から出力する第１のホーンと、前記第１のホーンと対向して配置されており、前記第１のホーンと反対側の一端が固定されており、他端が前記試験片の他端を保持する第２のホーンと、前記試験片に付与されるモーメントを計測する計測部と、前記モーメントに応じて前記試験片に付与する平均ねじり応力を調整可能な回転ステージと、前記第２のホーンと前記回転ステージの間に位置し、前記第２のホーンの中心軸と前記回転ステージの回転中心軸との軸ずれを調整可能な第１ＸＹステージと、を備えることを特徴とする。

【0010】

また、本発明の一態様に係る超音波疲労試験機は、前記第１ＸＹステージは、前記第２のホーンの中心軸と前記回転ステージの回転中心軸との軸ずれを閾値以下に調整可能であることを特徴とする。

【0011】

また、本発明の一態様に係る超音波疲労試験機は、前記第２のホーンの一部を前記試験片と反対側に押圧することにより、前記第２のホーンの前記一端を固定する固定治具を備えることを特徴とする。

【0012】

また、本発明の一態様に係る超音波疲労試験機は、前記回転ステージを載置し、前記第１のホーンの中心軸と前記第２のホーンの中心軸との軸ずれを調整可能な第２ＸＹステージを備えることを特徴とする。

【0013】

また、本発明の一態様に係る超音波疲労試験方法は、試験片をねじり方向の振幅を有する超音波により共振させる超音波疲労試験方法であって、一端が固定されており、前記一端に入力した前記超音波の振幅を増幅して他端から出力する第１のホーンの前記他端に前記試験片の一端を保持させる一方、前記第１のホーンと対向して配置されており、前記第１のホーンと反対側の一端が固定されている第２のホーンの他端に前記試験片の他端を保持させ、前記第２のホーンと前記試験片に付与する平均ねじり応力を調整可能な回転ステージとの間に位置する第１ＸＹステージを操作することにより、前記第２のホーンの中心軸と前記回転ステージの回転中心軸との軸ずれを調整し、前記試験片に付与されるモーメントを計測し、前記回転ステージを操作することにより、前記モーメントに応じて前記試験片に付与する平均ねじり応力を調整することを特徴とする。

【0014】

また、本発明の一態様に係る超音波疲労試験方法は、前記第１ＸＹステージを操作することにより、前記第２のホーンの中心軸と前記回転ステージの回転中心軸との軸ずれを閾値以下に調整することを特徴とする。

【0015】

また、本発明の一態様に係る超音波疲労試験方法は、前記第２のホーンの一部を固定治具によって前記試験片と反対側に押圧することにより、前記第２のホーンの前記一端を固定することを特徴とする。

【0016】

また、本発明の一態様に係る超音波疲労試験方法は、前記回転ステージを操作することにより、前記モーメントに応じて前記試験片に付与する平均ねじり応力を調整する前に、前記回転ステージを載置する第２ＸＹステージを操作することにより、前記第１のホーンの中心軸と前記第２のホーンの中心軸との軸ずれを調整することを特徴とする。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、試験片に対してねじり方向に適切な応力を付与することができる超音波疲労試験機、及び超音波疲労試験方法を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】図１は、実施の形態に係る超音波疲労試験機の構成を示す模式図である。

【図2】図２は、試験片に対するモーメントの方向を表す図である。

【図3】図３は、図１に示す超音波疲労試験機を用いた超音波疲労試験方法のフローチャートである。

【図4】図４は、試験片に増幅ホーンの棒状部及びホーンの棒状部を接続した状態を表す図である。

【図5】図５は、第１ＸＹステージ及び第２ＸＹステージにより軸ずれを調整する様子を表す図である。

【図6】図６は、第１固定治具を第２固定治具に固定する様子を表す図である。

【図7】図７は、回転ステージにより試験片に対するねじり方向の応力を調整する様子を表す図である。

【図8】図８は、回転ステージを回転させた場合にモーメントが変化する様子を表す図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態（以下、「実施の形態」という）を説明する。なお、図面は模式的なものであって、各部分の厚みと幅との関係、それぞれの部分の厚みの比率などは現実のものとは異なる場合があり、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれる場合がある。

【0020】

（実施の形態）
図１は、実施の形態に係る超音波疲労試験機の構成を示す模式図である。図１に示すように、本実施の形態に係る超音波疲労試験機１は、制御装置２と、超音波発生部３と、第１のホーンである増幅ホーン４と、試験片５と、第２のホーンであるホーン６と、固定治具７と、第１ＸＹステージ８と、計測部としての六分力計９と、回転ステージ１０と、第２ＸＹステージ１１と、を備える。

【0021】

制御装置２は、超音波発生部３に駆動電力を供給するとともに超音波発生部３を制御する。

【0022】

超音波発生部３は、超音波発生部３からの入力に応じて、ねじり方向の振幅を有する超音波を発生させる。超音波発生部３は、超音波発振器３１と、ねじり変換機３２と、を有する。ただし、超音波発振器がねじり方向の振幅を有する超音波を発生可能であれば、ねじり変換機を有しない構成であってもよい。

【0023】

超音波発振器３１は、超音波発生部３からの入力に応じて、例えば横方向の所定の振幅及び周波数を有する超音波を発生させる。超音波発振器３１が発生させる超音波の周波数は、例えば２０ｋＨｚであるが、例えば１５～３０ｋＨｚの範囲で適切な周波数を選択することができる。

【0024】

ねじり変換機３２は、超音波発生部３からの横方向の振幅を有する超音波をねじり方向の振幅を有する超音波に変換する。

【0025】

増幅ホーン４は、棒状部４ａと、棒状部４ａと中心軸が一致する拡径部４ｂと、を有する。増幅ホーン４は、棒状部４ａと反対側の一端（上端）が固定されており、他端（下端）が試験片５の一端（上端）を保持する。増幅ホーン４は、超音波発生部３から一端（上端）に入力した超音波の振幅を増幅して他端（下端）から試験片５に出力する。ただし、増幅ホーン４は、棒状部を有しない形状であってもよく、例えば下端に向かって縮径するテーパー状の形状であってもよい。

【0026】

試験片５は、両端（上端及び下端）を増幅ホーン４の棒状部４ａ及びホーン６の棒状部６ａにそれぞれ固定され、ねじり方向の振幅を有する超音波により共振する。試験片５は、特に限定されないが、例えば金属片であり、材料を加工したいわゆる試験片形状であったり、材料を未加工のまま（例えば線材を線状まま）使用したりすることができる。

【0027】

ホーン６は、増幅ホーン４と対向して配置されており、棒状部６ａと、棒状部６ａと中心軸が一致する拡径部６ｂと、を有する。ホーン６は、増幅ホーン４と反対側の一端（下端）が固定されており他端（上端）が試験片５の他端（下端）を保持する。ただし、ホーン６は、棒状部を有しない形状であってもよく、例えば上端に向かって縮径するテーパー状の形状であってもよい。

【0028】

増幅ホーン４、試験片５、及びホーン６は、超音波発生部３からのねじり方向の振幅を有する超音波により互いに共振し、試験片５の中心に節が、増幅ホーン４及びホーン６の試験片５と反対側の端部に腹が位置するように質量や剛性が調整されている。

【0029】

固定治具７は、ホーン６の一部を試験片５と反対側に押圧することにより、ホーン６の拡径部６ｂを第１ＸＹステージ８に固定する。ただし、固定治具７がホーン６を押圧する方向は特に限定されない。固定治具７は、第１固定治具７１と、第２固定治具７２と、を有する。

【0030】

第１固定治具７１は、ホーン６の一部（例えば試験片５と反対側の端部に形成されているフランジ部）を試験片５と反対側から押圧することにより、ホーン６の拡径部６ｂの端部を固定する。第１固定治具７１は、例えば第２固定治具７２にネジで固定される。

【0031】

第２固定治具７２は、第１ＸＹステージ８に固定されている。

【0032】

第１ＸＹステージ８は、ホーン６と回転ステージ１０の間に位置し、ホーン６の中心軸と回転ステージ１０の回転中心軸との軸ずれを調整可能である。

【0033】

六分力計９は、試験片５に付与されるモーメントを計測する。具体的には、六分力計９は、直交する３軸方向に沿ってかかる力と、各軸周りのモーメントとを計測する。図２は、試験片に対するモーメントの方向を表す図である。図２に示すように、六分力計９は、ｘ、ｙ、ｚ軸方向に沿ってかかる力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、各軸周りのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを計測する。なお、六分力計９は、試験片５に付与される力とモーメントとを計測な位置に配置されていればよい。

【0034】

回転ステージ１０は、試験片５に付与する平均ねじり応力を調整可能である。

【0035】

第２ＸＹステージ１１は、回転ステージ１０を載置し、増幅ホーン４の中心軸とホーン６の中心軸との軸ずれを例えば閾値以下に調整可能である。閾値は、例えば０．０５ｍｍであるが特に限定されない。

【0036】

次に、超音波疲労試験機１を用いた超音波疲労試験方法について説明する。図３は、図１に示す超音波疲労試験機を用いた超音波疲労試験方法のフローチャートである。図３に示すように、はじめに、試験片５に増幅ホーン４の棒状部４ａ及びホーン６の棒状部６ａを接続する（ステップＳ１）。図４は、試験片に増幅ホーンの棒状部及びホーンの棒状部を接続した状態を表す図である。図４に示すように、試験片５の一端（上端）に形成されているネジに、増幅ホーン４の一端（下端）に形成されているネジ穴を螺合することにより、増幅ホーン４の棒状部４ａに試験片５を保持させる。また、試験片５の他端（下端）に形成されているネジに、ホーン６の他端（上端）に形成されているネジ穴を螺合することにより、ホーン６の棒状部６ａに試験片５を保持させる。

【0037】

続いて、第１ＸＹステージ８を操作することにより、ホーン６の中心軸と回転ステージ１０の回転中心軸との軸ずれを調整する（ステップＳ２）。図５は、第１ＸＹステージ及び第２ＸＹステージにより軸ずれを調整する様子を表す図である。図５に示すように、増幅ホーン４の上端を固定した状態で、第１ＸＹステージ８を操作することにより、ホーン６の中心軸Ａ１と回転ステージ１０の回転中心軸Ａ２との軸ずれを閾値以下に調整する。

【0038】

さらに、ホーン６を第１固定治具７１及び第２固定治具７２により固定する（ステップＳ３）。図６は、第１固定治具を第２固定治具に固定する様子を表す図である。図６に示すように、第１固定治具７１がホーン６のフランジ部を試験片５と反対側（上側）に押圧することにより、ホーン６の拡径部６ｂの端部を予め第１ＸＹステージ８に固定されている第２固定治具７２に固定する。第１固定治具７１は、第２固定治具７２にネジで固定される。第１固定治具７１と第２固定治具７２とがｚ軸方向に沿ってホーン６を挟み込んで固定するため、他の方向からホーン６を押圧する場合よりも、固定する際のホーン６の中心軸のずれ量を小さくすることができる。

【0039】

その後、第２ＸＹステージ１１を操作することにより、増幅ホーン４の中心軸とホーン６の中心軸との軸ずれが、例えば閾値以下になるように調整する（ステップＳ４）。具体的には、回転ステージ１０を回転させた際の曲げモーメントＭｘ又はＭｙの変化量が小さくなるように、第２ＸＹステージ１１を操作すればよい。

【0040】

そして、回転ステージ１０を反時計回りに回転させ、試験片５に付与する平均ねじり応力を調整する（ステップＳ５）。図７は、回転ステージにより試験片に対するねじり方向の応力を調整する様子を表す図である。図７に示すように、回転ステージ１０を反時計回りに回転させることにより、試験片５に付与する平均ねじり応力が例えば閾値以下になるように調整することができる。

【0041】

図８は、回転ステージを回転させた場合にモーメントが変化する様子を表す図である。図８に示すように、回転ステージ１０を反時計回りに回転させた場合に、ねじりモーメントＭｚは変化するが、曲げモーメントＭｘ及びＭｙは変化量が閾値以下であることにより、ホーン６の中心軸と回転ステージ１０の回転中心軸との軸ずれ、及び増幅ホーン４の中心軸とホーン６の中心軸との軸ずれが十分小さいことがわかる。

【0042】

以上説明した実施の形態によれば、第１ＸＹステージ８、及び第２ＸＹステージ１１を操作することにより、ホーン６の中心軸と回転ステージ１０の回転中心軸との軸ずれ、及び増幅ホーン４の中心軸とホーン６の中心軸との軸ずれを調整した状態で、回転ステージ１０により試験片５に対してねじり方向に適切な応力を付与して超音波疲労試験を行うことができる。

【0043】

なお、この超音波疲労試験機１によれば、試験片５に付与される平均ねじり応力が略ゼロの状態で超音波疲労試験を行うこともできるし、試験片５に所定の大きさの平均ねじり応力を付与した状態で超音波疲労試験を行うこともできる。

【0044】

また、超音波疲労試験機１を用いて、第１ＸＹステージ８、及び第２ＸＹステージ１１を予め任意の方向に操作することにより、平均ねじり応力以外に、他の方向に応力を付与した状態で超音波疲労試験を行うこともできる。

【符号の説明】

【0045】

１ 超音波疲労試験機
２ 制御装置
３ 超音波発生部
４ 増幅ホーン
４ａ、６ａ 棒状部
４ｂ、６ｂ 拡径部
５ 試験片
６ ホーン
７ 固定治具
８ 第１ＸＹステージ
９ 六分力計
１０ 回転ステージ
１１ 第２ＸＹステージ
３１ 超音波発振器
３２ ねじり変換機
７１ 第１固定治具
７２ 第２固定治具

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】