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JP4480640B2 - Ultrasonic fatigue test apparatus and ultrasonic fatigue test method - Google Patents
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Description

本発明は、超音波疲労試験装置及び超音波疲労試験方法に関する。さらに詳しくは、超音波を用いた材料疲労試験のための超音波疲労試験装置及び超音波疲労試験方法に関する。   The present invention relates to an ultrasonic fatigue test apparatus and an ultrasonic fatigue test method. More specifically, the present invention relates to an ultrasonic fatigue test apparatus and an ultrasonic fatigue test method for a material fatigue test using ultrasonic waves.

従来より、材料の疲労試験として、金属材料の回転曲げ疲労試験や、金属平板の平面曲げ疲労試験が知られている。例えば、金属材料の回転曲げ疲労試験では、通常およそ1秒間に50回程度の繰り返し速度(50Hz)であるため、10以上の超高サイクルの疲労試験では、20日以上の時間を要する。さらに短時間での疲労試験を可能にする方法の提供が望まれていたが、このような従来の疲労試験方法では、繰り返し速度を向上させるのは限界があった。 Conventionally, as a material fatigue test, a rotational bending fatigue test of a metal material and a plane bending fatigue test of a metal flat plate are known. For example, in a rotating bending fatigue test of a metal material, a repetition rate (50 Hz) is usually about 50 times per second, and therefore, a fatigue test with an ultrahigh cycle of 10 8 or more requires 20 days or more. Further, it has been desired to provide a method that enables a fatigue test in a short time. However, in such a conventional fatigue test method, there is a limit to improving the repetition rate.

そこで、超音波を用いた疲労試験方法が知られている。超音波疲労試験は、超音波により試験片を共振させて疲労試験を行う方法であり、その早い繰り返し速度を利用して短時間での疲労試験を可能とする。超音波疲労試験の一例としては、1秒間に15,000〜25,000回程度の繰り返し速度(15〜25kHz)で疲労試験を行うことが可能である。   Therefore, a fatigue test method using ultrasonic waves is known. The ultrasonic fatigue test is a method of performing a fatigue test by causing a test piece to resonate with ultrasonic waves, and enables a fatigue test in a short time by utilizing its fast repetition rate. As an example of the ultrasonic fatigue test, the fatigue test can be performed at a repetition rate (15 to 25 kHz) of about 15,000 to 25,000 times per second.

しかしながら、このような超音波疲労試験では、高周波の荷重繰返しにより、発熱による試験片の温度上昇という問題が生じる。この問題を解決するためには試験片の冷却が不可欠であり、試験片を液体中に浸漬したり、冷却された空気や液体窒素を吹き付けたりする強制的な冷却が用いられている。しかしながらこのように液体に浸漬した場合にはキャビテーションの発生があり、また、冷却された空気では冷却が不十分であったり、液体窒素を用いた場合は、試験片表面で窒素ガスが境界層を形成するため余り効果的な冷却法とは言えない場合がある。このような冷却方法により、試験片の表面の冷却に成功しても、内部での発熱による温度上昇が無くなった訳ではなく、それによる材料特性の変化は無視できない。   However, in such an ultrasonic fatigue test, there is a problem that the temperature of the test piece rises due to heat generation due to high frequency load repetition. In order to solve this problem, cooling of the test piece is indispensable, and forced cooling is used in which the test piece is immersed in a liquid or cooled air or liquid nitrogen is blown. However, when immersed in a liquid in this way, cavitation occurs, and when cooled air is insufficiently cooled, or when liquid nitrogen is used, nitrogen gas forms a boundary layer on the surface of the test piece. Since it forms, it may not be said to be a very effective cooling method. Even if the surface of the test piece is successfully cooled by such a cooling method, the temperature rise due to the internal heat generation is not eliminated, and the change in the material properties due to the temperature increase cannot be ignored.

そこで、周期的な断続負荷を用いて冷却させる方法が開発された。例えば、500〜1,000回の繰返し(試験周波数が20kHzでは、25ms〜50msの時間)の後、50ms〜1,000msの間で超音波による負荷を中断させるということを周期的に繰り返す方法である。負荷による材料の温度上昇が大きくならない程度の時間間隔で、超音波の負荷を止めて冷却し、再開するということを繰り返す方法である(例えば、非特許文献1)。
石井仁、「超音波断続負荷型疲労試験機によるギガサイクル疲労強度の迅速決定」、平成13年度〜平成14年度科学研究費補助金(基盤研究(C)(2))研究成果報告書、平成15年6月
Therefore, a method of cooling using a periodic intermittent load has been developed. For example, after repeating 500 to 1,000 times (when the test frequency is 20 kHz, a time of 25 ms to 50 ms), a method of periodically repeating the ultrasonic load between 50 ms and 1,000 ms is used. is there. This is a method of repeatedly stopping, cooling, and restarting the ultrasonic load at a time interval that does not increase the temperature of the material due to the load (for example, Non-Patent Document 1).
Hitoshi Ishii, “Rapid Determination of Gigacycle Fatigue Strength Using an Ultrasonic Intermittent Load Fatigue Testing Machine”, FY 2001-2002 Grant-in-Aid for Scientific Research (Basic Research (C) (2)) Research Results Report, Heisei June 2015

しかしながら、このような超音波断続負荷型疲労試験において、包絡線が図1のような矩形状の繰り返し断続定振幅正弦波荷重を負荷する場合、試験片の振幅は負荷の立ち上がり時に負荷荷重に直ちに追従できないため立ち上がりに時間を要する。さらに負荷荷重が除かれたときも直ちに振動は止まらず減衰振動が残る。したがって試験片の振動波形の包絡線は図2のようになり矩形状にならない。   However, in such an ultrasonic intermittent load type fatigue test, when the envelope has a rectangular repeated intermittent constant amplitude sinusoidal load as shown in FIG. 1, the amplitude of the test piece is immediately applied to the load when the load starts. It takes time to get up because it cannot follow. Furthermore, even when the load is removed, the vibration does not stop immediately but a damped vibration remains. Therefore, the envelope of the vibration waveform of the test piece is as shown in FIG.

このように、負荷時の試験片の振動振幅が変化するばかりでなく、無負荷時にも減衰振動が残ると、ある大きさの荷重をある回数負荷することに基づいて、試験片が一定振幅の振動を何回おこなったという評価はできなくなり、信頼できる超音波疲労試験を行なうことが困難になる。   In this way, not only the vibration amplitude of the test piece during loading changes, but also when damped vibration remains even when there is no load, the test piece has a constant amplitude based on loading a certain amount of load a certain number of times. It is impossible to evaluate how many times the vibration is performed, and it becomes difficult to perform a reliable ultrasonic fatigue test.

本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、従来技術よりも精度が高く、高繰返し速度で実施できる超音波疲労試験装置または方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an ultrasonic fatigue test apparatus or method that is more accurate than the prior art and can be performed at a high repetition rate.

そこで、本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成するに至った。より具体的には、本発明は以下のような超音波疲労試験装置を提供する。   Therefore, the present inventors have intensively studied in order to solve the above problems, and as a result, the present invention has been completed. More specifically, the present invention provides the following ultrasonic fatigue test apparatus.

(1) 超音波発信部及び振動子部からなる超音波疲労試験装置であって、前記超音波発信部が、超音波信号電圧を発生する超音波発振器、2つの入力電圧の差に比例する電圧を出力する差動入力型超音波電力増幅器、および前記差動入力型超音波電力増幅器の出力電流に比例する電圧を得るための電流検出器からなり、前記超音波発振器の出力が前記差動入力型超音波電力増幅器の一方の入力端子に入力され、前記差動入力型超音波電力増幅器の出力電圧がその負荷となるランジュバン圧電アクチュエータと前記電流検出器の直列回路に印加され、前記電流検出器が検出した前記差動入力型超音波電力増幅器の出力電流に比例する電圧が前記差動入力型超音波電力増幅器の他方の入力端子に入力されることにより、前記差動入力型超音波電力増幅器が前記2つの入力端子電圧の差に比例する電圧を出力する超音波疲労試験装置。   (1) An ultrasonic fatigue testing apparatus including an ultrasonic transmission unit and a transducer unit, wherein the ultrasonic transmission unit generates an ultrasonic signal voltage, and a voltage proportional to a difference between two input voltages. And a current detector for obtaining a voltage proportional to the output current of the differential input type ultrasonic power amplifier, and the output of the ultrasonic oscillator is the differential input. Input to one input terminal of the ultrasonic power amplifier, and an output voltage of the differential input ultrasonic power amplifier is applied to a series circuit of a Langevin piezoelectric actuator and the current detector serving as a load, and the current detector Is input to the other input terminal of the differential input type ultrasonic power amplifier, so that the differential input type ultrasonic power amplifier detects a voltage proportional to the output current of the differential input type ultrasonic power amplifier. Ultrasonic fatigue testing device for outputting a voltage that the amplifier is proportional to the difference of the two input terminal voltage.

(2) 前記振動子部が、ランジュバン型振動子を備えたランジュバン圧電アクチュエータと、前記ランジュバン型振動子の振幅を増大させるホーンを含む(1)に記載の超音波疲労試験装置。   (2) The ultrasonic fatigue testing apparatus according to (1), wherein the transducer unit includes a Langevin piezoelectric actuator including a Langevin transducer and a horn that increases the amplitude of the Langevin transducer.

(3) 超音波発信部および振動子部を用いた超音波疲労試験方法であって、前記超音波発信部が超音波発振器、差動入力型超音波電力増幅器および電流検出器からなり、前記差動入力型超音波電力増幅器の出力電圧を前記差動入力型超音波電力増幅器の一対の入力端子の一方に入力し、前記電流検出器が検出した前記差動入力型超音波電力増幅器の出力電流に比例する電圧を前記差動入力型超音波電力増幅器の一対の入力端子の他方に入力することにより、前記差動入力型超音波電力増幅器が前記超音波発振器の出力電圧と前記差動入力型超音波電力増幅器の出力電流に比例する電圧の差に比例する電圧を前記差動入力型超音波電力増幅器の負荷である振動子部のランジュバン圧電アクチュエータと前記電流検出器の直列回路に供給し、前記差動入力型超音波電力増幅器が前記2つの入力端子電圧の差に比例する電圧を前記振動子部のランジュバン圧電アクチュエータと前記電流検出器の直列回路に出力する超音波疲労試験方法。   (3) An ultrasonic fatigue test method using an ultrasonic transmitter and a vibrator, wherein the ultrasonic transmitter comprises an ultrasonic oscillator, a differential input type ultrasonic power amplifier, and a current detector, An output voltage of the dynamic input type ultrasonic power amplifier is input to one of a pair of input terminals of the differential input type ultrasonic power amplifier, and an output current of the differential input type ultrasonic power amplifier detected by the current detector Is input to the other of the pair of input terminals of the differential input type ultrasonic power amplifier, so that the differential input type ultrasonic power amplifier is connected to the output voltage of the ultrasonic oscillator and the differential input type. A voltage proportional to the difference in voltage proportional to the output current of the ultrasonic power amplifier is supplied to the series circuit of the Langevin piezoelectric actuator of the transducer section, which is the load of the differential input type ultrasonic power amplifier, and the current detector; in front Ultrasonic fatigue testing methods differential input type ultrasonic power amplifier to output a voltage proportional to the difference of the two input terminals the voltage to the series circuit of the current detector and the Langevin piezoelectric actuator of the transducer unit.

(4) (3)に記載の超音波疲労試験方法において、前記差動入力型超音波電力増幅器出力電圧が前記振動部のランジュバン圧電アクチュエータと前記電流検出器の直列回路に印加されることにより、前記ランジュバン圧電アクチュエータが前記差動入力型超音波電力増幅器で駆動されて超音波振動を発生し、前記超音波振動がホーンに入力されて前記ホーンが前記超音波振動の振幅を拡大する超音波疲労試験方法。   (4) In the ultrasonic fatigue test method according to (3), the differential input type ultrasonic power amplifier output voltage is applied to a series circuit of the Langevin piezoelectric actuator and the current detector of the vibration unit, The Langevin piezoelectric actuator is driven by the differential input type ultrasonic power amplifier to generate ultrasonic vibration, and the ultrasonic vibration is input to a horn so that the horn expands the amplitude of the ultrasonic vibration. Test method.

本発明により、結果として、負荷の定義と、疲労試験回数のカウントが明確となり、従来よりも精度が高く、高繰返し速度(例えば、10kHz以上)でも、断続負荷の超音波疲労試験を実施することができる。   As a result, the definition of the load and the count of the number of fatigue tests are clarified by the present invention, and the ultrasonic fatigue test of the intermittent load is carried out with higher accuracy and higher repetition rate (for example, 10 kHz or more). Can do.

以下、本発明に好適な実施形態の一例について、図を参照しながら説明する。   Hereinafter, an example of an embodiment suitable for the present invention will be described with reference to the drawings.

本発明の実施例として、超音波疲労試験装置1は、超音波発信部10と、振動子部20とを備える(図3参照)。超音波発信部10は、信号電圧を発生増幅し、この信号電圧で、電流検出器13と直列に接続された振動部20のランジュバン圧電アクチュエータ21を駆動する。ランジュバン圧電アクチュエータ21は信号電圧によって超音波振動を発生し、ホーン22がその振動を増幅する。   As an embodiment of the present invention, the ultrasonic fatigue test apparatus 1 includes an ultrasonic transmission unit 10 and a vibrator unit 20 (see FIG. 3). The ultrasonic transmission unit 10 generates and amplifies a signal voltage, and drives the Langevin piezoelectric actuator 21 of the vibration unit 20 connected in series with the current detector 13 with this signal voltage. The Langevin piezoelectric actuator 21 generates ultrasonic vibration by a signal voltage, and the horn 22 amplifies the vibration.

超音波発信部10は、超音波信号電圧を発生する超音波発振器11、2つの入力電圧の差に比例する電圧を出力する差動入力型超音波電力増幅器12、および前記差動入力型超音波電力増幅器の出力電流に比例する電圧を得るための電流検出器13からなる。   The ultrasonic transmitter 10 includes an ultrasonic oscillator 11 that generates an ultrasonic signal voltage, a differential input ultrasonic power amplifier 12 that outputs a voltage proportional to the difference between the two input voltages, and the differential input ultrasonic wave. It comprises a current detector 13 for obtaining a voltage proportional to the output current of the power amplifier.

超音波発振器11は、定振幅正弦波電圧を発生し、その周波数、振幅を調整でき、内部あるいは、外部制御電圧によってその出力電圧をオン、オフすることができる。さらに、超音波発振器11は、出力する信号電圧の正弦波振動回数を計数積算することもできる。   The ultrasonic oscillator 11 generates a constant amplitude sine wave voltage, can adjust its frequency and amplitude, and can turn on or off its output voltage by an internal or external control voltage. Further, the ultrasonic oscillator 11 can count and integrate the number of sine wave oscillations of the output signal voltage.

超音波発振器11は、外部制御電圧によってその出力電圧をオン、オフすることができるので、変位計32からの信号出力を外部制御電圧として入力することにより、変位計32からの出力が試験片50の破損によって設定値以下になるとその出力をオフにし、出力信号電圧の正弦波振動回数の計数積算を停止することができる。   Since the output voltage of the ultrasonic oscillator 11 can be turned on and off by an external control voltage, the signal output from the displacement meter 32 is input as the external control voltage, so that the output from the displacement meter 32 is the test piece 50. When the value falls below the set value due to damage, the output can be turned off, and counting and counting of the number of sine wave oscillations of the output signal voltage can be stopped.

2つの入力電圧の差に比例する電圧を出力する差動入力型超音波電力増幅器12は、超音波発振器11の出力電圧をその1対の入力端子の一方に入力する。さらに、電流検出器13が検出した差動入力型超音波電力増幅器12の出力電流に比例する電圧を差動入力型超音波電力増幅器12の1対の入力端子の他方に入力する。その結果、差動入力型超音波電力増幅器12は、超音波発振器11の出力電圧と差動入力型超音波電力増幅器12の出力電流に比例する電圧の差に比例する電圧を差動入力型超音波電力増幅器12の負荷である振動子部20のランジュバン圧電アクチュエータ21と電流検出器13の直列回路に供給する。   The differential input type ultrasonic power amplifier 12 that outputs a voltage proportional to the difference between two input voltages inputs the output voltage of the ultrasonic oscillator 11 to one of the pair of input terminals. Further, a voltage proportional to the output current of the differential input ultrasonic power amplifier 12 detected by the current detector 13 is input to the other of the pair of input terminals of the differential input ultrasonic power amplifier 12. As a result, the differential input type ultrasonic power amplifier 12 generates a voltage that is proportional to the difference between the output voltage of the ultrasonic oscillator 11 and the voltage that is proportional to the output current of the differential input type ultrasonic power amplifier 12. This is supplied to the series circuit of the Langevin piezoelectric actuator 21 of the transducer unit 20 which is a load of the sonic power amplifier 12 and the current detector 13.

振動子部20は、ランジュバン圧電アクチュエータ21と、ホーン22とを備え、ランジュバン圧電アクチュエータ21は超音波発信部10の出力する信号電圧を印加することによって超音波振動を発生し、ホーン22はその振動振幅を増幅する。   The vibrator unit 20 includes a Langevin piezoelectric actuator 21 and a horn 22, and the Langevin piezoelectric actuator 21 generates ultrasonic vibrations by applying a signal voltage output from the ultrasonic transmission unit 10, and the horn 22 vibrates. Amplify the amplitude.

ランジュバン圧電アクチュエータ21は、ランジュバン型振動子を備えている。ランジュバン型振動子は、電気ひずみ現象(分極することで機械的に伸びを生じる現象)を利用し、超音波となる微小振動を発生する装置である。したがって、例えば、電気ひずみ現象の効果が大きく安定している材料であるチタン酸ジルコン酸鉛磁器(PZT磁器)をランジュバン型振動子に用いてもよい。   The Langevin piezoelectric actuator 21 includes a Langevin type vibrator. A Langevin type vibrator is a device that generates micro-vibration that becomes an ultrasonic wave by utilizing an electrostriction phenomenon (a phenomenon in which polarization causes mechanical elongation). Therefore, for example, a lead zirconate titanate porcelain (PZT porcelain), which is a material having a large and stable effect of the electrostriction phenomenon, may be used for the Langevin type vibrator.

ホーン22は、ランジュバン振動子により発生した微小振動の振幅を増大させる装置である。例えば、二段複合コニカル型の振幅拡大ホーンでもよい。ホーンによる振幅拡大倍率は、ホーンの幾何学的形状により定まる。ランジュバン振動子により発生した微小振動は、ホーンを共振させることで拡大され、その先端に取り付けられた試験片50に伝達される。   The horn 22 is a device that increases the amplitude of minute vibrations generated by the Langevin vibrator. For example, a two-stage composite conical amplitude expanding horn may be used. The amplitude magnification by the horn is determined by the geometric shape of the horn. The minute vibration generated by the Langevin vibrator is expanded by resonating the horn, and transmitted to the test piece 50 attached to the tip of the horn.

試験片50は、超音波疲労試験が行われる対象となる試験材料である。試験片50は、ホーン22の共振を損なわないように、その寸法を調整する。   The test piece 50 is a test material to be subjected to an ultrasonic fatigue test. The dimension of the test piece 50 is adjusted so as not to impair the resonance of the horn 22.

変位検出プローブ31は、試験片50の先端に僅かな空隙を介して配置され、試験片50の先端の縦振動振幅を検出して電気信号に変換する。   The displacement detection probe 31 is disposed at the tip of the test piece 50 via a slight gap, detects the longitudinal vibration amplitude at the tip of the test piece 50, and converts it into an electrical signal.

変位計32は試験片50の先端に僅かな空隙を介して配置された変位検出プローブ31が出力する電気信号を処理して試験片50の先端の縦振動振幅を表示する。さらに、振動振幅に対応する制御信号を超音波発振器11へ出力し、その信号電圧が設定値以下になると超音波発振器11の出力電圧をオフする。   The displacement meter 32 processes the electrical signal output from the displacement detection probe 31 disposed at the tip of the test piece 50 through a slight gap and displays the longitudinal vibration amplitude at the tip of the test piece 50. Further, a control signal corresponding to the vibration amplitude is output to the ultrasonic oscillator 11, and when the signal voltage becomes a set value or less, the output voltage of the ultrasonic oscillator 11 is turned off.

図4は超音波発振器11に繰り返し断続定振幅正弦波信号電圧波形を出力させたときの出力電圧波形、図1はその包絡線であり矩形になる。以下に超音波発振器11にこの繰り返し断続定振幅正弦波信号電圧を出力させた場合について説明する。   FIG. 4 shows an output voltage waveform when the ultrasonic oscillator 11 repeatedly outputs an intermittent constant amplitude sine wave signal voltage waveform, and FIG. 1 shows its envelope, which is rectangular. The case where the ultrasonic oscillator 11 outputs this repeated intermittent constant amplitude sine wave signal voltage will be described below.

超音波発振器11の出力電圧が矩形の包絡線を有する繰り返し断続定振幅正弦波信号の場合、電流検出器を設けないで超音波発振器11の出力電圧を単に超音波電力増幅器で増幅し、その出力でランジュバン圧電アクチュエータ21を駆動する従来の方法では、試験片50の振動を変位検出プローブ31で検出すると図5のようになる。すなわち、その包絡線(図2)から明らかなように、信号がオンされてから振動振幅がほぼ一定になるまでに時間がかかるばかりでなく(この時間、厳密には振幅が一定になったときの振幅の例えば70%の振幅に達するまでの時間を立ち上り時間とする)、信号がオフされてから信号がほぼなくなるまでにも時間がかかる(この時間、厳密には振幅が最大振幅の例えば30%まで減衰するまでの時間を減衰時間とする。)   When the output voltage of the ultrasonic oscillator 11 is a repetitive intermittent constant amplitude sine wave signal having a rectangular envelope, the output voltage of the ultrasonic oscillator 11 is simply amplified by an ultrasonic power amplifier without providing a current detector, and the output thereof In the conventional method of driving the Langevin piezoelectric actuator 21, when the vibration of the test piece 50 is detected by the displacement detection probe 31, the result is as shown in FIG. That is, as apparent from the envelope (FIG. 2), not only does it take time until the vibration amplitude becomes substantially constant after the signal is turned on (this time, strictly speaking, when the amplitude becomes constant) For example, the time required to reach 70% of the amplitude of the signal is a rise time), and it takes time until the signal is almost lost after the signal is turned off (this time, strictly speaking, the amplitude is, for example, 30 of the maximum amplitude). Time to decay to% is the decay time.)

図5に示すように、信号のオン、オフ時に試験片50の振動の追従が遅れ、かなりの立ち上り、減衰時間を要すると、試験片50の振動振幅は、ランジュバン圧電アクチュエータ21の印加電圧のように、一定あるいは零にはならない。したがって、超音波発振器11が出力する繰り返し断続定振幅正弦波信号電圧の振動回数をカウントし、変位検出プローブ31で試験片50の振動振幅を測定しても、ある振幅で何回振動させたら破損したという従来の評価は困難である。   As shown in FIG. 5, when the follow-up of the vibration of the test piece 50 is delayed when the signal is turned on and off, and a considerable rise and decay time is required, the vibration amplitude of the test piece 50 is like the applied voltage of the Langevin piezoelectric actuator 21. However, it is not constant or zero. Therefore, even if the number of vibrations of the repeated intermittent constant amplitude sine wave signal voltage output from the ultrasonic oscillator 11 is counted and the vibration amplitude of the test piece 50 is measured by the displacement detection probe 31, it is damaged after being oscillated several times. The conventional evaluation that it was done is difficult.

従来技術によって試験片50の振動を矩形の包絡線を有する繰り返し断続定振幅正弦波信号に可及的に追従させる、すなわち、その振動振幅の立ち上り、減衰時間を可及的に短縮するには2つの方法が考えられる。   To cause the vibration of the test piece 50 to follow the repeated intermittent constant amplitude sine wave signal having a rectangular envelope as much as possible according to the prior art, that is, to shorten the rise and decay time of the vibration amplitude as much as possible. There are two possible ways.

第一の方法は、ランジュバン圧電アクチュエータ21に図1のような矩形の包絡線を有する繰り返し断続定振幅正弦波信号電圧を加える代わりに図6のような立ち上りからの時間経過とともに減衰する振幅変調された繰り返し断続正弦波信号を加える方法である。この方法はランジュバン圧電アクチュエータ21への入力電圧を供給する超音波電力増幅器13の出力電圧を、立ち上りからの時間経過とともに減衰する信号で振幅変調することにより、比較的容易に実現できる。しかしながら、この方法では減衰時間の短縮には効果が及ばない。   In the first method, instead of applying a repetitive intermittent constant amplitude sinusoidal signal voltage having a rectangular envelope as shown in FIG. 1 to the Langevin piezoelectric actuator 21, it is amplitude-modulated that attenuates with the passage of time as shown in FIG. This is a method of adding a repeated intermittent sine wave signal. This method can be realized relatively easily by amplitude-modulating the output voltage of the ultrasonic power amplifier 13 that supplies the input voltage to the Langevin piezoelectric actuator 21 with a signal that attenuates over time from the rise. However, this method has no effect on shortening the decay time.

第二の方法は、変位検出プローブ31で試験片50の振動を検出し、電気信号に変換して試験片50の振動振幅に比例する電圧をつくり、この電圧を差動入力型超音波電力増幅器12の入力側に帰還することによって、試験片50の振動振幅を超音波発信器11の出力電圧、すなわち図1のような矩形の包絡線を有する繰り返し断続定振幅正弦波信号電圧に比例させる方法である。この手法はモーショナル・フィードバック(略称MFB)といわれており、数百ヘルツ程度までの比較的低い周波数では容易に実施でき、上記第一の方法と異なり減衰時間の短縮にも効果を発揮する。しかしながら、本発明のように超音波断続信号を扱う場合には、周波数が高いことと相まって、信号のオンからオフ、オフからオンへのトランジェント時に位相遅れが問題となり、位相補償などの手法を使っても安定な帰還を施すのは困難である。その上、試験片50が破損して変位検出プローブ31の出力電圧が低下しようとすると、負帰還効果によってランジュバン圧電アクチュエータ21への入力電圧が急激に増大し危険な状態になりかねない。   In the second method, the displacement detection probe 31 detects the vibration of the test piece 50, converts it into an electrical signal, generates a voltage proportional to the vibration amplitude of the test piece 50, and uses this voltage as a differential input type ultrasonic power amplifier. 12, the method of making the vibration amplitude of the test piece 50 proportional to the output voltage of the ultrasonic transmitter 11, that is, the repetitive intermittent constant amplitude sinusoidal signal voltage having a rectangular envelope as shown in FIG. It is. This method is called motional feedback (abbreviated as MFB) and can be easily implemented at a relatively low frequency up to several hundred hertz, and is effective in shortening the decay time unlike the first method. However, when dealing with an intermittent ultrasonic signal like the present invention, coupled with the high frequency, phase lag becomes a problem during signal on-off and off-to-on transients. However, it is difficult to provide stable feedback. In addition, if the test piece 50 is damaged and the output voltage of the displacement detection probe 31 tends to decrease, the input voltage to the Langevin piezoelectric actuator 21 increases rapidly due to the negative feedback effect, which may be in a dangerous state.

ここに提示する方法は上記2つのいずれの方法とも異なり、ランジュバン圧電アクチュエータ21の入力インピーダンスがその振動状態によって変化するために、その振動波形が印加電圧波形よりも流入する電流波形に近いという事実に基づいて考案されたものである。すなわち、差動入力型超音波電力増幅器12の出力電流すなわちランジュバン圧電アクチュエータ21に流れる電流を電流検出器13で検出して電圧に変換し、この電圧を差動入力型超音波電力増幅器12の一方の入力側に帰還させることによってランジュバン圧電アクチュエータ21に流れる電流波形を差動入力型超音波電力増幅器12の他方の入力電圧波形、すなわち超音波発信器11の出力電圧波形に近づけている。この帰還ループには上述のMFBのように圧電アクチュエータ、ホーン、試験片などの物理的振動が含まれていないので位相遅れが少なく、適切な位相補償を行なえば周波数が高くても比較的容易にかなりの量の負帰還を施すことができる。   The method presented here is different from any of the above two methods, and because the input impedance of the Langevin piezoelectric actuator 21 changes depending on its vibration state, the vibration waveform is closer to the inflowing current waveform than the applied voltage waveform. Based on this. That is, the output current of the differential input type ultrasonic power amplifier 12, that is, the current flowing through the Langevin piezoelectric actuator 21 is detected by the current detector 13 and converted into a voltage. The current waveform flowing through the Langevin piezoelectric actuator 21 is made closer to the other input voltage waveform of the differential input type ultrasonic power amplifier 12, that is, the output voltage waveform of the ultrasonic transmitter 11 by feeding back to the input side. This feedback loop does not include physical vibrations such as piezoelectric actuators, horns, and test specimens as in the MFB described above, so there is little phase lag, and it is relatively easy even if the frequency is high if appropriate phase compensation is performed. A considerable amount of negative feedback can be applied.

試験片50の振動を検出して電圧信号に変換する変位計32の出力電圧信号の理想的な形は、その包絡線が図1のような矩形波である。すなわち、立ち上がり時間、減衰時間ともに零を理想とする。   An ideal form of the output voltage signal of the displacement meter 32 that detects vibration of the test piece 50 and converts it into a voltage signal is a rectangular wave as shown in FIG. That is, the ideal rise time and decay time are zero.

しかしながら、従来の方法、すなわち包絡線が図1のような矩形状の繰り返し断続定振幅正弦波をランジュバン圧電アクチュエータ21に印加した場合、変位計32の出力電圧信号は、図7のようになり、そのときのランジュバン圧電アクチュエータ21に流れる電流は、図8のように、変位計32の出力電圧信号とほぼ同形になっている。いずれもかなりの立ち上がり、減衰時間を要するためにその包絡線は矩形とは程遠い形になる。   However, when the conventional method, that is, when the envelope is applied to the Langevin piezoelectric actuator 21 with a rectangular intermittent intermittent amplitude sine wave as shown in FIG. 1, the output voltage signal of the displacement meter 32 is as shown in FIG. The current flowing through the Langevin piezoelectric actuator 21 at that time is substantially the same as the output voltage signal of the displacement meter 32 as shown in FIG. Since both require considerable rise and decay times, the envelope is far from a rectangle.

これに対し、上述の電流帰還を施した本方法においては、包絡線が図1のような矩形状の繰り返し断続定振幅正弦波を差動入力型超音波電力増幅器12の一方に入力したとき、ランジュバン圧電アクチュエータ21に流れる電流が図9に示すようになり、変位計32の出力電圧信号は、図10のようになる。これらの波形の形状は、互いに相似であって、いずれも立ち上がり、減衰時間が著しく短縮されて、その包絡線は矩形に近くなる。   On the other hand, in the present method in which the above-described current feedback is performed, when the envelope has a rectangular repetitive intermittent constant amplitude sine wave as shown in FIG. The current flowing through the Langevin piezoelectric actuator 21 is as shown in FIG. 9, and the output voltage signal of the displacement meter 32 is as shown in FIG. The shapes of these waveforms are similar to each other, and all of them rise, the decay time is remarkably shortened, and the envelope becomes close to a rectangle.

なお、このように電流帰還を施したときには、その効果によって差動入力型超音波電力増幅器12の出力電圧波形すなわちランジュバン圧電アクチュエータ21の印加電圧は、図11のようにオン時の立ち上がりが最大振幅で時間の経過と共に減衰する超音波発信器11の出力と同相の信号であり、オフ時から立ち上がり時間と共に減衰する逆相の信号になっている。   When the current feedback is performed in this way, the output voltage waveform of the differential input type ultrasonic power amplifier 12, that is, the voltage applied to the Langevin piezoelectric actuator 21 has a maximum amplitude when turned on as shown in FIG. Thus, the signal is in-phase with the output of the ultrasonic transmitter 11 that attenuates with the passage of time, and is a reverse-phase signal that attenuates with the rise time from the off time.

本発明の効果を明らかに示す試験例として、動作時間を100msにした場合の変位計32からの出力電圧(変位センサー出力電圧)の波形を比較した。従来型による結果を図12に示し、本発明の結果を図13に示した。明らかに、振幅最大までの立ち上がり時間が短縮され、振幅0までの減衰時間も短縮されている。   As a test example clearly showing the effect of the present invention, the waveforms of the output voltage (displacement sensor output voltage) from the displacement meter 32 when the operation time was set to 100 ms were compared. The result of the conventional type is shown in FIG. 12, and the result of the present invention is shown in FIG. Obviously, the rise time up to the maximum amplitude is shortened, and the decay time up to the amplitude 0 is also shortened.

図13の電圧波形の包絡線を模式的に示した図が図14である。定振幅幅の70%に達する時間、及び、定振幅幅から70%減衰する時間は共に、約5msであり、立ち上がり時間、減衰時間は、10ms程度となり、従来技術(図2の包絡線波形、立ち上がり時間、減衰時間は30ms程度)から大幅な改良をすることができた。このように、定振幅幅の70%に達する時間、及び、定振幅幅から70%減衰する時間を短縮できることは、振幅を早い段階で一定にすることが可能となり、疲労試験の精度を高めることができる。   FIG. 14 schematically shows the envelope of the voltage waveform in FIG. Both the time to reach 70% of the constant amplitude width and the time to attenuate 70% from the constant amplitude width are about 5 ms, and the rise time and attenuation time are about 10 ms. The rise time and decay time were about 30 ms). Thus, the ability to shorten the time to reach 70% of the constant amplitude width and the time to attenuate 70% from the constant amplitude width makes it possible to make the amplitude constant at an early stage, thereby improving the accuracy of the fatigue test. Can do.

図15に応力振幅値(最大応力振幅値)と繰返し数によるSN曲線をグラフに示した。材質SUJ2熱処理品(硬度HRC60から62)の超音波疲労試験の結果を示す。このグラフが示すように、従来の結果に比べると、本発明の疲労試験では、繰返し数が低サイクル側に移行している。このように、本発明の信号の振幅を一定にさせることにより、高い応力振幅値を保持しながら、繰返し数を減少させるという効果がある。   FIG. 15 is a graph showing the SN curve based on the stress amplitude value (maximum stress amplitude value) and the number of repetitions. The result of the ultrasonic fatigue test of the material SUJ2 heat-treated product (hardness HRC 60 to 62) is shown. As this graph shows, compared with the conventional result, in the fatigue test of this invention, the repetition number has shifted to the low cycle side. Thus, by making the amplitude of the signal of the present invention constant, there is an effect of reducing the number of repetitions while maintaining a high stress amplitude value.

本発明は、超音波を使用した疲労試験装置、及び超音波疲労試験方法であるが、適切な振動子を用いることで、超音波よりも波長の長い音波に対して適用し、疲労試験を実施することもできる。   The present invention relates to a fatigue test apparatus and an ultrasonic fatigue test method using ultrasonic waves. By using an appropriate vibrator, the present invention is applied to a sound wave having a wavelength longer than that of ultrasonic waves, and a fatigue test is performed. You can also

図1は、繰り返し断続定振幅正弦波電圧の包絡線形状を示す。FIG. 1 shows the envelope shape of a repeated intermittent constant amplitude sine wave voltage. 図2は、繰り返し断続定振幅正弦波電圧を印加したときの試験片振動波形の包絡線の形状を示す。FIG. 2 shows the shape of the envelope of the test piece vibration waveform when a repeated intermittent constant amplitude sine wave voltage is applied. 図3は、超音波疲労試験装置のブロック図を示す。FIG. 3 shows a block diagram of the ultrasonic fatigue test apparatus. 図4は、超音波発信器の出力電圧波形を示す。FIG. 4 shows an output voltage waveform of the ultrasonic transmitter. 図5は、繰り返し断続定振幅正弦波信号電圧で、ランジュバン圧電アクチュエータを駆動したときの試験中の振動波形を示す。FIG. 5 shows the vibration waveform during the test when the Langevin piezoelectric actuator was driven with a repeated intermittent constant amplitude sine wave signal voltage. 図6は、時間とともに減衰する繰り返し断続正弦波信号の包絡線形状を示す。FIG. 6 shows the envelope shape of a repeated intermittent sine wave signal that decays with time. 図7は、繰り返し断続定振幅正弦波電圧を入力したときの変位計の出力電圧を示す。FIG. 7 shows the output voltage of the displacement meter when a repeated intermittent constant amplitude sine wave voltage is input. 図8は、繰り返し断続定振幅正弦波電圧を入力したときのランジュバン圧電アクチュエータ電流を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a Langevin piezoelectric actuator current when a repeated intermittent constant amplitude sine wave voltage is input. 図9は、本発明の超音波疲労試験方法における、ランジュバン圧電アクチュエータ電流を示す。FIG. 9 shows the Langevin piezoelectric actuator current in the ultrasonic fatigue test method of the present invention. 図10は、本発明の超音波疲労試験方法における、変位計の出力電圧を示す。FIG. 10 shows the output voltage of the displacement meter in the ultrasonic fatigue test method of the present invention. 図11は、本発明の超音波疲労試験方法における、ランジュバン圧電アクチュエータの印加電圧を示す。FIG. 11 shows the applied voltage of the Langevin piezoelectric actuator in the ultrasonic fatigue test method of the present invention. 図12は、従来の方法における、変位計出力電圧波形を示す。FIG. 12 shows a displacement meter output voltage waveform in the conventional method. 図13は、本発明の超音波疲労試験方法における、変位計出力電圧波形を示す。FIG. 13 shows a displacement meter output voltage waveform in the ultrasonic fatigue test method of the present invention. 図14は、本発明の超音波疲労試験方法における、変位計出力電圧波形の包絡線形状を示す。FIG. 14 shows the envelope shape of the displacement meter output voltage waveform in the ultrasonic fatigue test method of the present invention. 図15は、本発明による疲労特性の変化と、従来の方法による疲労特性の変化を示す。FIG. 15 shows changes in fatigue characteristics according to the present invention and changes in fatigue characteristics according to a conventional method.

符号の説明Explanation of symbols

1 超音波疲労試験装置
10 超音波発信部
20 振動子部
21 ランジュバン圧電アクチュエータ
22 ホーン
11 超音波発信器
12 差動入力型超音波電力増幅器
13 電流検出器
32 変位計
50 試験片
31 変位検出プローブ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ultrasonic fatigue test apparatus 10 Ultrasonic transmission part 20 Transducer part 21 Langevin piezoelectric actuator 22 Horn 11 Ultrasonic transmitter 12 Differential input type ultrasonic power amplifier 13 Current detector 32 Displacement meter 50 Test piece 31 Displacement detection probe

Claims (4)

超音波発信部及び振動子部からなり、当該振動子部に取り付けられた試験片を共振し破損させる超音波疲労試験装置であって、
前記超音波発信部が、矩形状の包絡線を有する繰り返し断続定振幅超音波の信号電圧を発生する超音波発振器、2つの入力電圧の差に比例する電圧を出力する差動入力型超音波電力増幅器、および前記差動入力型超音波電力増幅器の出力電流に比例する電圧を得るための電流検出器からなり、
前記振動子部が、ランジュバン型振動子を備えたランジュバン圧電アクチュエータ、及び前記ランジュバン型振動子の振幅を増大し試験片に伝達するホーンを含み、
前記超音波発振器の出力が前記差動入力型超音波電力増幅器の一方の入力端子に入力され
前記差動入力型超音波電力増幅器の出力電圧が前記ランジュバン圧電アクチュエータと前記電流検出器の直列回路に印加され
前記電流検出器が検出した前記ランジュバン圧電アクチュエータに流れる電流に比例する電圧が前記差動入力型超音波電力増幅器の他方の入力端子に入力されることにより、前記差動入力型超音波電力増幅器が前記2つの入力端子電圧の差に比例する電圧を出力する超音波疲労試験装置。
An ultrasonic fatigue testing apparatus comprising an ultrasonic transmission part and a vibrator part , resonating and damaging a test piece attached to the vibrator part,
The ultrasonic transmitter generates a signal voltage of repeated intermittent constant amplitude ultrasonic waves having a rectangular envelope, and differential input type ultrasonic power that outputs a voltage proportional to the difference between two input voltages. An amplifier, and a current detector for obtaining a voltage proportional to the output current of the differential input type ultrasonic power amplifier,
The vibrator unit includes a Langevin piezoelectric actuator provided with a Langevin type vibrator, and a horn that increases the amplitude of the Langevin type vibrator and transmits it to a test piece.
The output of the ultrasonic oscillator is input to one input terminal of the differential input type ultrasonic power amplifier ,
The output voltage of the differential input type ultrasonic power amplifier is applied to the series circuit of the current detector and the Langevin piezoelectric actuator,
When the voltage proportional to the current flowing through the Langevin piezoelectric actuator detected by the current detector is input to the other input terminal of the differential input type ultrasonic power amplifier, the differential input type ultrasonic power amplifier is An ultrasonic fatigue testing apparatus that outputs a voltage proportional to a difference between the two input terminal voltages.
請求項1に記載の超音波疲労試験装置で、さらに、変位検出プローブと、変位計を含む超音波疲労試験装置。 2. The ultrasonic fatigue test apparatus according to claim 1 , further comprising a displacement detection probe and a displacement meter. 請求項に記載の超音波疲労試験装置で、さらに前記ランジュバン型振動子の振幅を増大させるホーンの先端に寸法が調整された試験片を装着した超音波疲労試験装置。 3. The ultrasonic fatigue testing apparatus according to claim 2 , further comprising a test piece having a dimension adjusted at a tip of a horn for increasing the amplitude of the Langevin type vibrator. 超音波発信部および振動子部を用い、当該振動子部に取り付けられた試験片を共振し破損させる超音波疲労試験方法であって、
前記超音波発信部が矩形状の包絡線を有する繰り返し断続定振幅超音波の信号電圧を発生する超音波発振器、2つの入力電圧の差に比例する電圧を出力する差動入力型超音波電力増幅器および前記差動入力型超音波電力増幅器の出力電流に比例する電圧を得るための電流検出器からなり、
前記振動子部が、ランジュバン型振動子を備えたランジュバン圧電アクチュエータ、及び前記ランジュバン型振動子の振幅を増大し試験片に伝達するホーンを含み、
前記超音波発信器の出力を前記差動入力型超音波電力増幅器の一対の入力端子の一方に入力し、前記電流検出器が検出した前記ランジュバン圧電アクチュエータに流れる電流に比例する電圧を前記差動入力型超音波電力増幅器の一対の入力端子の他方に入力することにより、前記差動入力型超音波電力増幅器が前記超音波発振器の出力電圧と前記ランジュバン圧電アクチュエータに流れる電流に比例する電圧の差に比例する電圧を前記ランジュバン圧電アクチュエータと前記電流検出器の直列回路に供給し、前記差動入力型超音波電力増幅器が前記2つの入力端子電圧の差に比例する電圧を前記ランジュバン圧電アクチュエータと前記電流検出器の直列回路に出力する超音波疲労試験方法。
An ultrasonic fatigue test method for resonating and damaging a test piece attached to the transducer part using an ultrasonic transmission part and a vibrator part,
An ultrasonic oscillator that generates a signal voltage of repeated intermittent constant amplitude ultrasonic waves in which the ultrasonic wave transmitter has a rectangular envelope, and a differential input ultrasonic power amplifier that outputs a voltage proportional to the difference between two input voltages And a current detector for obtaining a voltage proportional to the output current of the differential input type ultrasonic power amplifier ,
The vibrator unit includes a Langevin piezoelectric actuator provided with a Langevin type vibrator, and a horn that increases the amplitude of the Langevin type vibrator and transmits it to a test piece.
The output of the ultrasonic transmitter is input to one of a pair of input terminals of the differential input type ultrasonic power amplifier, and a voltage proportional to the current flowing through the Langevin piezoelectric actuator detected by the current detector is detected as the differential. By inputting to the other of the pair of input terminals of the input type ultrasonic power amplifier, the difference between the differential input type ultrasonic power amplifier and the voltage proportional to the output voltage of the ultrasonic oscillator and the current flowing through the Langevin piezoelectric actuator. a voltage proportional to the Langevin piezoelectric actuator and then supplied to a series circuit of said current detector, said differential input type wherein the ultrasonic power amplifier a voltage proportional to the difference of the two input terminal voltage and the Langevin piezoelectric actuator Ultrasonic fatigue test method to output to a series circuit of current detector.
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