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特開2024-116756振動調整方法、超音波疲労試験方法、及び超音波疲労試験機
(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】P2024116756
(43)【公開日】2024-08-28
(54)【発明の名称】振動調整方法、超音波疲労試験方法、及び超音波疲労試験機
(51)【国際特許分類】
G01N 3/34 20060101AFI20240821BHJP
【ＦＩ】
G01N3/34 D
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023022556
(22)【出願日】2023-02-16
(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】鈴木 拓斗
(72)【発明者】
【氏名】伊藤 千紘
(72)【発明者】
【氏名】大川 拓己
【テーマコード（参考）】
2G061
【Ｆターム（参考）】
2G061AA08
2G061AB05
2G061BA15
2G061CB02
2G061DA01
2G061EA02
2G061EB07
(57)【要約】
【課題】試験片の振動を所望の振動モードに調整することができる振動調整方法を提供すること。
【解決手段】振動調整方法は、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際の振動モードを調整する振動調整方法であって、一端が前記超音波を発生させる超音波発生部に固定されており、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、前記試験片が前記超音波により共振している状態における前記試験片又は前記第１のホーンの変位を複数の位置において測定し、測定した変位に応じて前記試験片を含む被試験部の長さを調整することを特徴とする。
【選択図】図３
【解決手段】振動調整方法は、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際の振動モードを調整する振動調整方法であって、一端が前記超音波を発生させる超音波発生部に固定されており、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、前記試験片が前記超音波により共振している状態における前記試験片又は前記第１のホーンの変位を複数の位置において測定し、測定した変位に応じて前記試験片を含む被試験部の長さを調整することを特徴とする。
【選択図】図３
【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際の振動モードを調整する振動調整方法であって、
一端が前記超音波を発生させる超音波発生部に固定されており、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、
前記試験片が前記超音波により共振している状態における前記試験片又は前記第１のホーンの変位を複数の位置において測定し、
測定した変位に応じて前記試験片を含む被試験部の長さを調整することを特徴とする振動調整方法。
一端が前記超音波を発生させる超音波発生部に固定されており、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、
前記試験片が前記超音波により共振している状態における前記試験片又は前記第１のホーンの変位を複数の位置において測定し、
測定した変位に応じて前記試験片を含む被試験部の長さを調整することを特徴とする振動調整方法。
【請求項2】
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、
前記試験片が前記超音波により共振している状態における前記試験片、前記第１のホーン、又は前記第２のホーンの変位を複数の位置において測定することを特徴とする請求項１に記載の振動調整方法。
前記試験片が前記超音波により共振している状態における前記試験片、前記第１のホーン、又は前記第２のホーンの変位を複数の位置において測定することを特徴とする請求項１に記載の振動調整方法。
【請求項3】
前記試験片と前記第１のホーンとの間、又は前記試験片と前記第２のホーンとの間にスペーサを挿入することにより、前記被試験部の長さを調整することを特徴とする請求項２に記載の振動調整方法。
【請求項4】
前記試験片の端部を削ることにより、前記被試験部の長さを調整することを特徴とする請求項１に記載の振動調整方法。
【請求項5】
デジタルマイクロスコープ、ハイスピードカメラ、レーザー変位計、又はギャップセンサにより、前記試験片、前記第１のホーン、又は前記第２のホーンの変位を複数の位置において測定することを特徴とする請求項２に記載の振動調整方法。
【請求項6】
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、
一端が前記超音波を発生させる超音波発生部に固定されており、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、
前記試験片が前記超音波により共振している状態における前記試験片又は前記第１のホーンの変位を複数の位置において測定し、
測定した変位に応じて前記試験片を含む被試験部の長さを調整することを特徴とする超音波疲労試験方法。
一端が前記超音波を発生させる超音波発生部に固定されており、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、
前記試験片が前記超音波により共振している状態における前記試験片又は前記第１のホーンの変位を複数の位置において測定し、
測定した変位に応じて前記試験片を含む被試験部の長さ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7】
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、
前記試験片が前記超音波により共振している状態における前記試験片、前記第１のホーン、又は前記第２のホーンの変位を複数の位置において測定し、
測定した変位に応じて前記被試験部の長さを調整することを特徴とする請求項６に記載の超音波疲労試験方法。
前記試験片が前記超音波により共振している状態における前記試験片、前記第１のホーン、又は前記第２のホーンの変位を複数の位置において測定し、
測定した変位に応じて前記被試験部の長さを調整することを特徴とする請求項６に記載の超音波疲労試験方法。
【請求項8】
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請求項７に記載の超音波疲労試験方法。
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請求項７に記載の超音波疲労試験方法。
【請求項9】
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８に記載の超音波疲労試験方法。
【請求項10】
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、
一端が前記超音波発生部に固定されており、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、
前記試験片が前記超音波により共振している状態における前記試験片又は前記第１のホーンの変位を複数の位置において測定する測定部と、
を備えることを特徴とする超音波疲労試験機。
前記超音波を発生させる超音波発生部と、
一端が前記超音波発生部に固定されており、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、
前記試験片が前記超音波により共振している状態における前記試験片又は前記第１のホーンの変位を複数の位置において測定する測定部と、
を備えることを特徴とする超音波疲労試験機。
【請求項11】
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のホーンを備え、
前記測定部は、前記試験片が前記超音波により共振している状態における前記試験片、前記第１のホーン、又は前記第２のホーンの変位を複数の位置において測定することを特徴とする請求項１０に記載の超音波疲労試験機。
前記測定部は、前記試験片が前記超音波により共振している状態における前記試験片、前記第１のホーン、又は前記第２のホーンの変位を複数の位置において測定することを特徴とする請求項１０に記載の超音波疲労試験機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、振動調整方法、超音波疲労試験方法、及び超音波疲労試験機に関する。
【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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【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】
【0006】
しかしながら、超音波疲労試験機を構成するホーン等の形状のばらつきにより、試験片の振動が所望の振動モードにならない場合があるという課題があった。試験片が所望の振動モードと異なる振動モードで振動する場合、所望の応力分布にならないため、超音波疲労試験において試験片に適切に負荷をかけることができない。
【0007】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、試験片の振動を所望の振動モードに調整することができる振動調整方法、超音波疲労試験方法、及び超音波疲労試験機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】
【0008】
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振動調整方法は、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際の振動モードを調整する振動調整方法であって、一端が前記超音波を発生させる超音波発生部に固定されており、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、前記試験片が前記超音波により共振している状態における前記試験片又は前記第１のホーンの変位を複数の位置において測定し、測定した変位に応じて前記試験片を含む被試験部の長さを調整することを特徴とする。
【0009】
また、本発明の一態様に係る振動調整方法は、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、前記試験片が前記超音波により共振している状態における前記試験片、前記第１のホーン、又は前記第２のホーンの変位を複数の位置において測定することを特徴とする。
【0010】
また、本発明の一態様に係る振動調整方法は、前記試験片と前記第１のホーンとの間、又は前記試験片と前記第２のホーンとの間にスペーサを挿入することにより、前記被試験部の長さを調整することを特徴とする。
【0011】
また、本発明の一態様に係る振動調整方法は、前記試験片の端部を削ることにより、前記被試験部の長さを調整することを特徴とする。
【0012】
また、本発明の一態様に係る振動調整方法は、デジタルマイクロスコープ、ハイスピードカメラ、レーザー変位計、又はギャップセンサにより、前記試験片、前記第１のホーン、又は前記第２のホーンの変位を複数の位置において測定す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、一端が前記超音波を発生させる超音波発生部に固定されており、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、前記試験片が前記超音波により共振している状態における前記試験片又は前記第１のホーンの変位を複数の位置において測定し、測定した変位に応じて前記試験片を含む被試験部の長さ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、前記試験片が前記超音波により共振している状態における前記試験片、前記第１のホーン、又は前記第２のホーンの変位を複数の位置において測定し、測定した変位に応じて前記被試験部の長さを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。
【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。
【0017】
また、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、一端が前記超音波発生部に固定されており、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、前記試験片が前記超音波により共振している状態における前記試験片又は前記第１のホーンの変位を複数の位置において測定する測定部と、を備えることを特徴とする。
【0018】
また、本発明の一態様に係る超音波疲労試験機は、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のホーンを備え、前記測定部は、前記試験片が前記超音波により共振している状態における前記試験片、前記第１のホーン、又は前記第２のホーンの変位を複数の位置において測定することを特徴とする。
【発明の効果】
【0019】
本発明によれば、試験片の振動を所望の振動モードに調整することができる振動調整方法、超音波疲労試験方法、及び超音波疲労試験機を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【発明を実施するための形態】
【0021】
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。
【0022】
（実施の形態１）
〔超音波疲労試験機の構成〕
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、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。
〔超音波疲労試験機の構成〕
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、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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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）が超音波発生部３に固定されており、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。
【0028】
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。
【0029】
図２は、試験片の拡大図である。図２に示すように、試験片５は、上下方向に沿って配列されている複数のマーカ５ａを有する。マーカ５ａの数は、例えば５個であるが、複数であればよく、特に限定されない。マーカ５ａは、試験片５の最も細い部分に１つ、このマーカ５ａを挟んで上下に対称な位置に２つずつ配置されている。
【0030】
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）が固定治具７により第１ＸＹステージ８に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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
第２固定治具７２は、第１ＸＹステージ８に固定されている。
【0035】
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。
【0036】
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。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（図２参照）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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
〔振動調整方法〕
次に、超音波疲労試験機１を用いて試験片５をねじり方向の振幅を有する超音波により共振させる際の振動モードを調整する振動調整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振動調整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）。具体的には、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。
次に、超音波疲労試験機１を用いて試験片５をねじり方向の振幅を有する超音波により共振させる際の振動モードを調整する振動調整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振動調整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）。具体的には、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。
【0040】
続いて、試験片５が超音波疲労試験機１の超音波により共振している状態における試験片５の変位を複数の位置において測定する（ステップＳ２）。図４は、試験片の変位を測定する様子を表す図である。図４に示すように、試験片５のマーカ５ａにデジタルマイクロスコープである測定部１２を近接させ、マーカ５ａを撮像する。そして、撮像した画像を用いてマーカ５ａの変位を測定することにより、このマーカ５ａの位置における試験片５の変位を測定する。ただし、測定部１２として、ハイスピードカメラ、レーザー変位計、又はギャップセンサを用いて試験片５の変位を測定してもよい。
【0041】
図５は、マーカの変位の測定方法を表す図である。図５に示すように、試験片５が振動していない静止時の画像Ｉ１には、マーカ５ａの外周がはっきりと写る。これに対して、試験片５が共振している発振時の画像Ｉ２には、図５の左右方向にマーカ５ａの残像が写る。この残像幅を測定することにより、マーカ５ａの変位を測定することができる。なお、残像幅ではなく、マーカ５ａの直径等を測定することにより、マーカ５ａの変位を測定してもよい。
【0042】
さらに、複数のマーカ５ａの変位差を算出する（ステップＳ３）。変位差として試験片５の中心（最も細い部分）に対して上下対称な位置の変位差を算出することが好ましいが、変位差として上下対称ではない位置の変位差を算出してもよい。例えば、図２に示す５つのマーカ５ａのうち、最も上のマーカ５ａの残像幅から、試験片５の中心に対して上下対称な位置にある最も下のマーカ５ａの残像幅を引くことにより、マーカ５ａの変位差を算出することができる。
【0043】
その後、試験片５の振動が所望の振動モードであるか否かを判定する（ステップＳ４）。ねじり疲労試験を行う場合には、試験片５にねじり変形のみが生じるねじり振動モードを入力することが好ましい。ねじり振動モードを入力した場合、試験片５の中心から上下対称な位置では、変位差がゼロになる。一方、ねじり振動モード以外の共振が発生してしまうと、この変位差がゼロにならない。従って、ステップＳ３において算出したマーカ５ａの変位差がゼロであれば所望の振動モードであると判定することができる。なお、試験片５の中心に対して上下対称ではない位置の変位差を算出した場合、変位差を後述する変位の解析値と比較することにより、所望の振動モードであるか否かを判定することができる。マーカ５ａの変位差がゼロであり、所望の振動モードであると判定した場合（ステップＳ４：Ｙｅｓ）、試験片５に所望の振動モードを入力することができているので、一連の処理を終了する。
【0044】
一方、マーカ５ａの変位差がゼロではなく、所望の振動モードでないと判定した場合（ステップＳ４：Ｎｏ）、マーカ５ａの変位差に応じて試験片５を含む被試験部の長さを調整する。その後、ステップＳ１に戻り、処理を繰り返す。
【0045】
以上説明した振動調整方法によれば、マーカ５ａの変位を測定して試験片５を含む被試験部の長さを調整することにより、試験片５の振動を所望の振動モードに調整することができる。
【0046】
〔振動モードの調整方法〕
次に、試験片５を含む被試験部の長さを調整し、試験片５の振動を所望の振動モードに調整する方法について説明する。図６は、試験片の両端にワッシャーを挿入する様子を表す図である。図６に示すように、試験片５と増幅ホーン４との間、及び試験片５とホーン６との間にワッシャー５ｂ等のスペーサを挿入することにより、試験片５及びスペーサを含む被試験部５０の長さＬ５０を調整することができる。また、スペーサとして、ナット又はシム等を用いて被試験部５０の長さＬ５０を調整してもよい。また、試験片５の上下方向の端部を削ることにより、被試験部５０の長さＬ５０を調整してもよい。
次に、試験片５を含む被試験部の長さを調整し、試験片５の振動を所望の振動モードに調整する方法について説明する。図６は、試験片の両端にワッシャーを挿入する様子を表す図である。図６に示すように、試験片５と増幅ホーン４との間、及び試験片５とホーン６との間にワッシャー５ｂ等のスペーサを挿入することにより、試験片５及びスペーサを含む被試験部５０の長さＬ５０を調整することができる。また、スペーサとして、ナット又はシム等を用いて被試験部５０の長さＬ５０を調整してもよい。また、試験片５の上下方向の端部を削ることにより、被試験部５０の長さＬ５０を調整してもよい。
【0047】
図７は、ワッシャーの厚さと試験片上下の変位差との関係を表す図である。図７の横軸は試験片５の上下に挿入するワッシャー５ｂの厚さであり、縦軸は最も上のマーカ５ａと最も下のマーカ５ａとの変位差である。図７には実測値と解析値とを示した。図７に示すように、ワッシャー５ｂの厚さを０．５ｍｍから１．３ｍｍまで０．１ｍｍずつ変化させていくと、ワッシャー５ｂの厚さが０．７ｍｍから１．１ｍｍにおいて、変位差がゼロとなった。
【0048】
図８は、ワッシャーの厚さと共振周波数との関係を表す図である。図８の横軸は試験片５の上下に挿入するワッシャー５ｂの厚さであり、縦軸は試験片５の振動の周波数である。図８には実測値と解析値とを示した。図８に示すように、ワッシャー５ｂの厚さを０．５ｍｍから１．３ｍｍまで０．１ｍｍずつ変化させていくと、試験片５の振動の周波数は徐々に小さくなる。
【0049】
図７、８に示す傾向は、複数の試験片５で確認しているため、試験片５の上部の変位が試験片５の下部の変位より大きい場合、試験片５の端部を削ることにより、被試験部５０の長さＬ５０を短くすればよい。一方、試験片５の上部の変位が試験片５の下部の変位より小さい場合、試験片５の上下にワッシャー５ｂ等のスペーサを挿入し、被試験部５０の長さＬ５０を長くすればよい。
【0050】
以下において、マーカ５ａの変位差がゼロとなったワッシャー５ｂの厚さ（０．７ｍｍから１．１ｍｍ）の中央値である０．９ｍｍを採用した場合の測定例を示す。図９は、試験片軸方向距離とマーカの変位との関係を表す図である。図９の横軸は試験片５の上端からの距離であり、縦軸はマーカ５ａの変位の大きさである。すなわち、図９の最も左の実測値が試験片５の最も上に位置するマーカ５ａの変位に対応し、図９の最も右の実測値が試験片５の最も下に位置するマーカ５ａの変位に対応する。図９に示すように、実測値と解析値とがほぼ一致し、かつ試験片５の上下において対称の変位が得られていることが確認された。これにより、所望の振動モードが得られていることが確認された。
【0051】
〔マーカの変位の算出方法〕
図９において、マーカ５ａの変位の解析値を算出する方法を説明する。ねじりの弾性応力波に関する波動方程式は、以下の式（１）のように表すことができる。
図１０は、試験片の寸法を表す図である。図１０の左右方向をＸ軸、図１０の上下方向をＹ軸とし、原点は試験片５の中心（試験片５の最も細い部分の中央）とする。そして、試験片５の最も細い部分の半径をＲ１、試験片５の太径部の半径をＲ２、試験片５の太径部の長さをＬ１、試験片５の径が細くなっている部分の長さをＬ２とする。また、式（１）において、Ｉｐ（ｘ）は座標ｘにおける極断面二次モーメント（単位は［ｍ４］）、θ（ｘ，ｔ）は座標ｘ・時刻ｔにおけるねじり角（単位は［ｒａｄ］）、Ｇはせん断弾性係数（単位は［Ｎ／ｍ２］）、ρは材料密度（単位は［ｋｇ／ｍ３］）である。
図９において、マーカ５ａの変位の解析値を算出する方法を説明する。ねじりの弾性応力波に関する波動方程式は、以下の式（１）のように表すことができる。
【数1】
図１０は、試験片の寸法を表す図である。図１０の左右方向をＸ軸、図１０の上下方向をＹ軸とし、原点は試験片５の中心（試験片５の最も細い部分の中央）とする。そして、試験片５の最も細い部分の半径をＲ１、試験片５の太径部の半径をＲ２、試験片５の太径部の長さをＬ１、試験片５の径が細くなっている部分の長さをＬ２とする。また、式（１）において、Ｉｐ（ｘ）は座標ｘにおける極断面二次モーメント（単位は［ｍ４］）、θ（ｘ，ｔ）は座標ｘ・時刻ｔにおけるねじり角（単位は［ｒａｄ］）、Ｇはせん断弾性係数（単位は［Ｎ／ｍ２］）、ρは材料密度（単位は［ｋｇ／ｍ３］）である。
【0052】
そして、式（１）に試験片５の寸法である半径Ｒ１、半径Ｒ２、長さＬ１、長さＬ２を代入することにより、ねじり振動共振条件下における試験片５の寸法の関係式である式（２）が得られる。
ただし、式（２）において、αは以下の式（３）である。
同様に、式（２）において、βは以下の式（４）である。
同様に、式（２）において、Κは以下の式（５）である。
同様に、式（２）において、ｃは以下の式（６）である。
なお、式（２）において、ωは各振動数（単位は［ｒａｄ／ｓｅｃ］）、ｆは共振周波数（単位は［Ｈｚ］）、ｃは縦波速度（単位は［ｍ／ｓｅｃ］）である。
【数2】
ただし、式（２）において、αは以下の式（３）である。
【数3】
同様に、式（２）において、βは以下の式（４）である。
【数4】
同様に、式（２）において、Κは以下の式（５）である。
【数5】
同様に、式（２）において、ｃは以下の式（６）である。
【数6】
なお、式（２）において、ωは各振動数（単位は［ｒａｄ／ｓｅｃ］）、ｆは共振周波数（単位は［Ｈｚ］）、ｃは縦波速度（単位は［ｍ／ｓｅｃ］）である。
【0053】
また、試験片５のせん断応力振幅τ（ｘ）は以下の式（７）により算出される。
ただし、式（７）において、γ（ｘ）は以下の式（８）である。
なお、式（８）において、γ（ｘ）は座標ｘにおけるせん断ひずみ（単位は［ｒａｄ］）、Ｒ（ｘ）は座標ｘにおける試験片５の半径（単位は［ｍ］）、ζ（ｘ）は座標ｘにおけるねじり振幅（単位は［ｒａｄ］）である。
【数7】
ただし、式（７）において、γ（ｘ）は以下の式（８）である。
【数8】
なお、式（８）において、γ（ｘ）は座標ｘにおけるせん断ひずみ（単位は［ｒａｄ］）、Ｒ（ｘ）は座標ｘにおける試験片５の半径（単位は［ｍ］）、ζ（ｘ）は座標ｘにおけるねじり振幅（単位は［ｒａｄ］）である。
【0054】
そして、式（７）、（８）に試験片５の寸法である半径Ｒ１、半径Ｒ２、長さＬ１、長さＬ２を代入することにより、試験片５の中央部のせん断応力振幅τａである式（９）が得られる。
なお、式（９）において、ζ０は試験片５の端面でのねじり振幅（単位は［ｒａｄ］）であるから、以下の式（１０）により表される。
【数9】
なお、式（９）において、ζ０は試験片５の端面でのねじり振幅（単位は［ｒａｄ］）であるから、以下の式（１０）により表される。
【数10】
【0055】
これにより、マーカ５ａの変位をｙとすると、変位ｙはねじり振幅ζ０と試験片５の太径部の半径Ｒ２とにより、以下の式（１１）により表される。
【数11】
【0056】
〔超音波疲労試験方法〕
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１１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１１に示すように、まず、上述した振動調整方法により、試験片５の振動を所望の振動モードに調整する（ステップＳ１１）。
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１１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１１に示すように、まず、上述した振動調整方法により、試験片５の振動を所望の振動モードに調整する（ステップＳ１１）。
【0057】
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Ｓ１２）。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の中心軸と回転ステージ１０の回転中心軸との軸ずれを閾値以下に調整する。
【0058】
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Ｓ１３）。
【0059】
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Ｓ１４）。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。
【0060】
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Ｓ１５）。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を調整することができる。
【0061】
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。
【0062】
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。
【0063】
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。
【0064】
また、ステップＳ１２～Ｓ１５の軸ずれの調整を行った後に、ステップＳ１１の振動を調整する処理を行ってもよく、処理の順番は特に限定されない。
【0065】
（実施の形態２）
図１２は、実施の形態２に係る超音波疲労試験機の構成を示す模式図である。図１２に示すように、超音波疲労試験機１Ａは、第１ＸＹステージ８、及び第２ＸＹステージ１１を有しない。超音波疲労試験機１Ａが試験片５の長手方向に沿った方向において各部材の軸ずれが生じない構成である場合、第１ＸＹステージ８、及び第２ＸＹステージ１１を有しない構成としてもよい。このような構成であっても、マーカ５ａの変位を測定して試験片５を含む被試験部の長さを調整することにより、試験片５の振動を所望の振動モードに調整することができる。
図１２は、実施の形態２に係る超音波疲労試験機の構成を示す模式図である。図１２に示すように、超音波疲労試験機１Ａは、第１ＸＹステージ８、及び第２ＸＹステージ１１を有しない。超音波疲労試験機１Ａが試験片５の長手方向に沿った方向において各部材の軸ずれが生じない構成である場合、第１ＸＹステージ８、及び第２ＸＹステージ１１を有しない構成としてもよい。このような構成であっても、マーカ５ａの変位を測定して試験片５を含む被試験部の長さを調整することにより、試験片５の振動を所望の振動モードに調整することができる。
【0066】
（実施の形態３）
図１３は、実施の形態３に係る超音波疲労試験機の構成を示す模式図である。図１３に示すように、超音波疲労試験機１Ｂは、固定治具７、第１ＸＹステージ８、六分力計９、回転ステージ１０、及び第２ＸＹステージ１１を有しない。超音波疲労試験機１Ｂが試験片５の上端のみを保持し、試験片５に平均ねじり応力を付与しない場合、回転ステージ１０を含む試験片５より下方に位置する各部材を有しない構成としてもよい。このような構成であっても、マーカ５ａの変位を測定して試験片５を含む被試験部の長さを調整することにより、試験片５の振動を所望の振動モードに調整することができる。
図１３は、実施の形態３に係る超音波疲労試験機の構成を示す模式図である。図１３に示すように、超音波疲労試験機１Ｂは、固定治具７、第１ＸＹステージ８、六分力計９、回転ステージ１０、及び第２ＸＹステージ１１を有しない。超音波疲労試験機１Ｂが試験片５の上端のみを保持し、試験片５に平均ねじり応力を付与しない場合、回転ステージ１０を含む試験片５より下方に位置する各部材を有しない構成としてもよい。このような構成であっても、マーカ５ａの変位を測定して試験片５を含む被試験部の長さを調整することにより、試験片５の振動を所望の振動モードに調整することができる。
【符号の説明】
【0067】
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
５ａ マーカ
５ｂ ワッシャー
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
５０ 被試験部
７１ 第１固定治具
７２ 第２固定治具
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
５ａ マーカ
５ｂ ワッシャー
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
５０ 被試験部
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】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】