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JP7741566B2 - Vibration unit for thin plate bending fatigue testing and thin plate bending fatigue testing device - Google Patents
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JP7741566B2 - Vibration unit for thin plate bending fatigue testing and thin plate bending fatigue testing device - Google Patents

Vibration unit for thin plate bending fatigue testing and thin plate bending fatigue testing device

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JP7741566B2 JP2023178520A JP2023178520A JP7741566B2 JP 7741566 B2 JP7741566 B2 JP 7741566B2 JP 2023178520 A JP2023178520 A JP 2023178520A JP 2023178520 A JP2023178520 A JP 2023178520A JP 7741566 B2 JP7741566 B2 JP 7741566B2
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Description

本発明は、薄板状の試験片の疲労試験を行う装置における加振機構に関するものである。 The present invention relates to a vibration mechanism in an apparatus for conducting fatigue tests on thin plate-shaped test pieces.

薄板は、ばね・ベルト・バルブ・ダイヤフラム・コネクタ・スイッチなどに用いられる構成部品に欠かせない素材である。また、近年では、電池スタックや電子デバイス内の構成部品にも、金属製の薄板が組み込まれており、その需要は今後増大すると見込まれている。これらの薄板材の疲労寿命は、製品の信頼性を左右する重要な特性値であるが、サンプルが薄くなればなるほど疲労試験の難易度は高くなるという問題がある。 Thin metal sheets are an essential material for components used in springs, belts, valves, diaphragms, connectors, switches, and more. In recent years, thin metal sheets have also been incorporated into components in battery stacks and electronic devices, and demand for these materials is expected to increase in the future. The fatigue life of these thin metal sheets is an important characteristic value that determines the reliability of the product, but the thinner the sample, the more difficult the fatigue testing becomes.

薄板状試験片の疲労試験を行う技術としては、試験片の一端を片持ち支持してその固有振動数での振動を与えて共振させ、疲労進行に伴う試験片の振幅の変化を測定する疲労試験方法が知られている(特許文献1を参照)。特許文献1の疲労試験装置は、試験片の一端近傍にノッチを形成することにより応力集中部が設けられ、また、試験片を片持ち支持する片持ち支持手段と、試験片に振動を与える加振手段と、この加振手段の加振周波数を制御する周波数制御手段と、試験片の振幅を計測する変位量計測手段と、この変位量計測手段による計測データから応力を求める演算処理手段とを備えるものである。
かかる文献の疲労試験装置を用いた疲労試験では、試験片の一端をスピーカ前面のチャック部材に片持ち支持して、一定周波数で2秒間振動させて、その時の試験片の自由端近傍における所定位置の振幅を計測した後、加振周波数を0.1Hz単位で増加させながらそれぞれ2秒間振動させ、その時の振幅を計測することにより、振幅が最大になる周波数を、試験片の固有振動数とするものである。
しかしながら、特許文献1の疲労試験装置では、より微細な周波数の調整は困難であり、高精度な試験が行えないという問題がある。
A known technique for fatigue testing thin plate-shaped test specimens is a fatigue testing method in which one end of the test specimen is cantilevered, vibrations are applied to the specimen at its natural frequency to cause resonance, and changes in amplitude of the test specimen as fatigue progresses are measured (see Patent Document 1). The fatigue testing apparatus in Patent Document 1 has a stress concentration portion formed by forming a notch near one end of the test specimen, and is also equipped with a cantilever support means for cantilevering the test specimen, a vibration means for applying vibrations to the test specimen, a frequency control means for controlling the vibration frequency of the vibration means, a displacement measurement means for measuring the amplitude of the test specimen, and a calculation processing means for determining stress from measurement data obtained by the displacement measurement means.
In a fatigue test using the fatigue testing device described in this document, one end of the test piece is cantilevered on a chuck member on the front of the speaker and vibrated at a constant frequency for two seconds, measuring the amplitude at a predetermined position near the free end of the test piece at that time.The vibration frequency is then increased in 0.1 Hz increments, and the test piece is vibrated for two seconds each time, measuring the amplitude at that time, and the frequency at which the amplitude is maximum is determined to be the natural frequency of the test piece.
However, the fatigue testing device of Patent Document 1 has a problem in that it is difficult to make finer frequency adjustments, and high-precision testing cannot be performed.

また、疲労試験装置では加振機構と試験片との間の支点の安定性を向上させるニーズが存在する。 Fatigue testing equipment also needs to improve the stability of the support between the vibration mechanism and the test specimen.

特開平08-054331号公報Japanese Patent Application Publication No. 08-054331

かかる状況に鑑みて、本発明は、周波数を微調整でき、かつ高精度の試験が可能な薄板曲げ疲労試験用加振ユニット及び薄板曲げ疲労試験装置を提供することを目的とする。 In light of this situation, the present invention aims to provide a vibration unit for thin plate bending fatigue testing and a thin plate bending fatigue testing device that allows fine frequency adjustment and high-precision testing.

上記課題を解決すべく、本発明の薄板曲げ疲労試験用加振ユニットは、駆動コイルと駆動コイルを挟むように間隙を設けて配置される少なくとも一対のマグネットと駆動コイルが固定される保持部とを有し、駆動コイルに交流電流を流すことにより周期的に向きが反転する駆動力を発生させる駆動部と、駆動部と接続され、軸受を中心として駆動力により回動させる回動部と、回動部と接続され、かつ先端近傍に薄板の片端を保持して回動により薄板の他端を振動させるアーム部を備える。
薄板曲げ疲労試験用の加振ユニットとして、一対のマグネットと駆動コイルを用いた駆動部が設けられることにより、周波数を微調整でき、かつ高精度の試験が可能となる。
駆動コイルは、外層に融着皮膜が形成された自己融着銅線から成るトラック状駆動コイルが好適に用いられ、接着剤などを用いてトレイ状の保持部に固定される。一対のマグネットは、一方がN極、他方がS極、又は一方がS極、他方がN極となるように配置され、それぞれヨークに固定される。アーム部の先端近傍には、試験片となる薄板の片端を保持するホルダが設けられる。
In order to solve the above problems, the vibration unit for thin plate bending fatigue testing of the present invention has a drive coil and at least a pair of magnets arranged with a gap between them to sandwich the drive coil, and a holding part to which the drive coil is fixed, and is equipped with a drive part that generates a drive force whose direction periodically reverses by passing an alternating current through the drive coil, a rotating part connected to the drive part and rotates the thin plate around a bearing using the drive force, and an arm part connected to the rotating part and holds one end of the thin plate near its tip and vibrates the other end of the thin plate by rotating.
By providing a driving section using a pair of magnets and a driving coil as a vibration unit for thin plate bending fatigue testing, it is possible to fine-tune the frequency and perform high-precision testing.
The drive coil is preferably a track-shaped drive coil made of self-bonding copper wire with a fusion coating formed on the outer layer, and is fixed to a tray-shaped holder using an adhesive or the like. A pair of magnets are arranged so that one is the north pole and the other is the south pole, or one is the south pole and the other is the north pole, and each is fixed to a yoke. A holder for holding one end of a thin plate that will serve as a test specimen is provided near the tip of the arm.

本発明の薄板曲げ疲労試験用加振ユニットにおいて、駆動部は、駆動コイルと間隙を設けて配置される二対のマグネットを備え、二対のマグネットは、駆動力の向きが同方向になるように、駆動コイルの円心に対して対称となる位置で、対となるマグネットのSN極の組み合わせが逆向きとなるように設けられることが好ましい。かかる構成とされることにより、より高精度の試験が可能となる。 In the vibration unit for thin plate bending fatigue testing of the present invention, the drive section includes two pairs of magnets arranged with a gap between them and the drive coil, and the two pairs of magnets are preferably arranged symmetrically about the center of the drive coil so that the driving force is directed in the same direction, with the S and N poles of each pair of magnets facing in opposite directions. This configuration enables more accurate testing.

本発明の薄板曲げ疲労試験用加振ユニットにおいて、回動部の軸受は、ピボット軸受であることが好ましい。ピボット軸受は摩擦トルクが小さいため、アーム部の支点となる回動部の軸受として用いられることにより、アーム部の支点位置を高精度に確定でき、試験片の両振り原点位置および疲労試験装置のレーザ変位センサの計測原点位置を正確に決定できる。 In the vibration unit for thin plate bending fatigue testing of the present invention, the bearing of the rotating part is preferably a pivot bearing. Because pivot bearings have low friction torque, they are used as the bearing of the rotating part that serves as the fulcrum for the arm part. This allows the fulcrum position of the arm part to be determined with high precision, and the origin position of the test piece's swing and the measurement origin position of the fatigue testing device's laser displacement sensor to be accurately determined.

本発明の薄板曲げ疲労試験用加振ユニットは、保持部と回動部とアーム部が一体成形されていてもよい。保持部と回動部、又は回動部とアーム部は、それぞれ螺子などの留め具により固定してもよいが、一体成形されることにより緩みがなく、より高精度の試験が可能となる。 The vibration unit for thin plate bending fatigue testing of the present invention may have a holding section, a rotating section, and an arm section molded as a single unit. The holding section and the rotating section, or the rotating section and the arm section, may each be fixed with fasteners such as screws, but by molding them as a single unit, there is no loosening, enabling more accurate testing.

本発明の薄板曲げ疲労試験装置は、上記の何れかの薄板曲げ疲労試験用加振ユニットを備える試料ユニットと、試料ユニットと接続され、レーザ変位センサ及び多軸ステージを備える計測ユニットを備え、計測ユニットは、試料ユニットにおいて薄板に加えられた応力振幅と、応力振幅により破断に至るまでの繰返し数の相関を出力することを特徴とする。
薄板曲げ疲労試験装置が、薄板曲げ疲労試験用加振ユニットを備えることにより、周波数を微調整でき、かつ高精度の試験が可能となる。
The thin plate bending fatigue testing apparatus of the present invention comprises a sample unit equipped with any of the above-mentioned vibration units for thin plate bending fatigue testing, and a measurement unit connected to the sample unit and equipped with a laser displacement sensor and a multi-axis stage, and is characterized in that the measurement unit outputs the correlation between the stress amplitude applied to the thin plate in the sample unit and the number of repetitions until fracture occurs due to the stress amplitude.
By providing the thin plate bending fatigue testing device with a vibration unit for thin plate bending fatigue testing, it is possible to finely adjust the frequency and perform highly accurate testing.

本発明の薄板曲げ疲労試験用加振ユニット及び薄板曲げ疲労試験装置によれば、周波数を微調整でき、かつ高精度の試験が実現するといった効果がある。 The vibration unit for thin plate bending fatigue testing and thin plate bending fatigue testing device of the present invention have the advantage of allowing fine adjustment of frequency and enabling high-precision testing.

実施例1の薄板曲げ疲労試験装置の正面図Front view of the thin plate bending fatigue test device of Example 1 実施例1の薄板曲げ疲労試験用加振ユニットの平面図Plan view of a vibration unit for a thin plate bending fatigue test according to Example 1 実施例1の薄板曲げ疲労試験用加振ユニットの正面図Front view of the vibration unit for thin plate bending fatigue test of Example 1 加振機構の説明図(1)Explanation of the vibration mechanism (1) 加振機構の説明図(2)Explanation of the vibration mechanism (2) 薄板曲げ疲労試験のイメージ図Image of thin plate bending fatigue test ピボット軸受の説明図Pivot bearing diagram

以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。 An example of an embodiment of the present invention will be described in detail below, with reference to the drawings. Note that the scope of the present invention is not limited to the following examples and illustrated examples, and many modifications and variations are possible.

図1は、実施例1の薄板曲げ疲労試験装置の正面図を示している。図1に示す薄板曲げ疲労試験装置10は、共振式疲労試験を行うことが可能な装置である。共振式疲労試験は、試験片の固有値の一つである共振周波数を利用した疲労試験法である。試験片が共振状態に至ると、最小限のエネルギーで試験片に繰返しの応力を与えることができる。一般的な機械式疲労試験とは異なり、試験片の片方のみを固定した状態で応力を与えることができ、非常に薄い板材に対して精度の高い応力を高速で与えることが可能である。共振状態の動的な応力については、FEM(Finite Element Method:有限要素法)解析を用いて算出する。 Figure 1 shows a front view of the thin plate bending fatigue testing device of Example 1. The thin plate bending fatigue testing device 10 shown in Figure 1 is capable of performing resonance fatigue testing. Resonance fatigue testing is a fatigue testing method that utilizes the resonance frequency, which is one of the eigenvalues of the test piece. Once the test piece reaches a resonance state, repeated stress can be applied to the test piece with minimal energy. Unlike typical mechanical fatigue testing, stress can be applied while only one side of the test piece is fixed, making it possible to apply highly accurate stress at high speed to very thin plate materials. The dynamic stress in the resonance state is calculated using FEM (Finite Element Method) analysis.

FEM解析では、対象となる物体や構造物を小さな要素に分割し、それぞれの要素の挙動を数学的にモデル化する。各要素は、三角形や四角形などの幾何学的な形状を持ち、要素内部の挙動は数学的な方程式や関係式で表される。薄板曲げ疲労試験装置10を用いた疲労試験における共振周波数、応力と変位の関係は、FEMを使った固有値解析で求める。薄板曲げ疲労試験装置10を用いた疲労試験における応力振幅は、FEM解析に基づき定義される。FEM解析を行うには、材料のヤング率、ポアソン比、密度の材料特性値が必要であるが、これらがない場合は、各種実験を行い、FEM解析にフィードバックする。なお、本実施例では、FEM解析には市販のプログラム(例えば、「ABAQUS」)を使用している。 In FEM analysis, the object or structure being analyzed is divided into small elements, and the behavior of each element is mathematically modeled. Each element has a geometric shape such as a triangle or a rectangle, and the behavior within the element is expressed by mathematical equations and relationships. The resonance frequency and the relationship between stress and displacement in fatigue testing using the thin plate bending fatigue testing device 10 are determined by eigenvalue analysis using FEM. The stress amplitude in fatigue testing using the thin plate bending fatigue testing device 10 is defined based on FEM analysis. To perform FEM analysis, the material's Young's modulus, Poisson's ratio, and density are required; if these values are not available, various experiments are conducted and the results are fed back into the FEM analysis. In this example, a commercially available program (e.g., "ABAQUS") is used for the FEM analysis.

具体的な薄板曲げ疲労試験装置10の構成について説明する。図1に示すように、薄板曲げ疲労試験装置10は、試料ユニット20及び計測ユニット30で構成される。
試料ユニット20は計測ユニット本体30a上に設置され、試料ユニット20と計測ユニット本体30aはケーブル14で接続されている。試料ユニット20と計測ユニット本体30aの間には防振マット15が設けられている。
試料ユニット20は、駆動アーム4及び試料ホルダ5を備え、試料ホルダ5には試験片11が取り付けられている。試験片11としては、材質は金属やセラミック系材料、厚さは0.05~0.8mm、幅は3~5mm、長さは15~35mmのサンプルにつき試験が可能である。
後述する加振ユニットにより発生した振動が、駆動アーム4を介して試料ホルダ5に取り付けられた試験片11を振動させることで疲労試験を行う。振動による試験片11の振幅範囲は±5mm以内である。なお、試験温度の条件は、室温~200℃である。
A specific configuration of the thin plate bending fatigue testing device 10 will be described below. As shown in FIG. 1, the thin plate bending fatigue testing device 10 is composed of a sample unit 20 and a measurement unit 30.
The sample unit 20 is placed on the measurement unit main body 30a, and the sample unit 20 and the measurement unit main body 30a are connected by a cable 14. A vibration-proof mat 15 is provided between the sample unit 20 and the measurement unit main body 30a.
The sample unit 20 includes a drive arm 4 and a sample holder 5, and a test piece 11 is attached to the sample holder 5. The test piece 11 can be made of metal or ceramic material, and can be tested on samples with a thickness of 0.05 to 0.8 mm, a width of 3 to 5 mm, and a length of 15 to 35 mm.
A fatigue test is performed by vibrating the test piece 11 attached to the sample holder 5 via the drive arm 4 using vibrations generated by a vibration unit (described later). The amplitude range of the vibration of the test piece 11 is within ±5 mm. The test temperature conditions are room temperature to 200°C.

計測ユニット30は、変位振幅の計測を行うレーザ変位センサ12、3軸ステージ13及び計測ユニット本体30aを備える。レーザ変位センサ12は、センサヘッド(図示せず)から発光したレーザ光12aに基づき、試験片11の振れを非接触で検知する。破断検知は、共振周波数の低下により行われる。これは、試験片に疲労亀裂が発生・進展すると、試験片の剛性が小さくなるため共振周波数が低下することを利用したものである。
3軸ステージ13は、3軸方向の微動調整が可能なXYZ軸ステージであり、XYZ軸での位置決めが可能である。
計測ユニット本体30aは、加振ユニットから取得した応力振幅と、レーザ変位センサ12から取得した振動周波数に基づき、応力振幅と破断・未破断繰り返し数の関係を示したS-N曲線を出力する。
The measurement unit 30 includes a laser displacement sensor 12 for measuring displacement amplitude, a three-axis stage 13, and a measurement unit main body 30a. The laser displacement sensor 12 detects the deflection of the test piece 11 in a non-contact manner based on laser light 12a emitted from a sensor head (not shown). Fracture detection is performed by detecting a decrease in resonant frequency. This utilizes the fact that when a fatigue crack occurs and propagates in the test piece, the stiffness of the test piece decreases, resulting in a decrease in resonant frequency.
The three-axis stage 13 is an XYZ axis stage that can be finely adjusted in three axial directions, and can be positioned on the XYZ axes.
The measuring unit main body 30a outputs an SN curve showing the relationship between the stress amplitude and the number of breakage/non-breakage repetitions based on the stress amplitude obtained from the vibration unit and the vibration frequency obtained from the laser displacement sensor 12.

ここで、実施例1の薄板曲げ疲労試験装置10に設けられた加振ユニットについて説明する。図2は、実施例1の薄板曲げ疲労試験用加振ユニットの平面図を示している。また、図3は、実施例1の薄板曲げ疲労試験用加振ユニットの正面図を示している。なお説明の都合上、図3においては、試料ホルダ5が取り付けられていない状態を示している。
図2又は図3に示すように、加振ユニット1は、トラック状駆動コイル2、マグネット(3a~3d)、駆動アーム4、試料ホルダ5、駆動コイルトレイ6、軸受7及びヨーク(8a,8b)を備える。トラック状駆動コイル2、保持部としての駆動コイルトレイ6及びマグネット(3a~3d)が駆動部、軸受7が回動部、駆動アーム4及び試料ホルダ5がアーム部をそれぞれ構成する。
図3に示すように、試料ユニット本体21上にはヨーク8b及び軸受7の回転軸7aの一端が固定されている。
Here, the vibration unit provided in the thin plate bending fatigue test apparatus 10 of Example 1 will be described. Fig. 2 shows a plan view of the vibration unit for the thin plate bending fatigue test of Example 1. Fig. 3 shows a front view of the vibration unit for the thin plate bending fatigue test of Example 1. For convenience of explanation, Fig. 3 shows a state in which the sample holder 5 is not attached.
2 or 3, the vibration unit 1 includes a track-shaped drive coil 2, magnets (3a to 3d), a drive arm 4, a sample holder 5, a drive coil tray 6, bearings 7, and yokes (8a, 8b). The track-shaped drive coil 2, the drive coil tray 6 as a holding unit, and the magnets (3a to 3d) constitute the drive unit, the bearing 7 constitutes the rotating unit, and the drive arm 4 and sample holder 5 constitute the arm unit.
As shown in FIG. 3, the yoke 8 b and one end of the rotation shaft 7 a of the bearing 7 are fixed onto the sample unit body 21 .

ここで軸受7の構造について説明する。図2に示すように軸受7はピボット軸受70及びボス71から成る。図7はピボット軸受の説明図であり、断面イメージを示している。図7に示すようにピボット軸受70は、公知のピボット玉軸受と同様の構造であり、回転軸7a、転動体7b及び外輪7cで構成される。図示しないが、転動体7bは6個設けられている。回転軸7aの円錐部7dの頂角θは60°であり、円錐形状に加工され円錐部7dを形成している。外輪7cは留め具を用いて図2に示すボス71に固定される(図示せず)。転動体7bのピッチ径が小さいことと円錐部7dの形状から摩擦トルクが小さいという利点を有する。 The structure of bearing 7 will now be explained. As shown in Figure 2, bearing 7 consists of pivot bearing 70 and boss 71. Figure 7 is an explanatory diagram of a pivot bearing, showing a cross-sectional image. As shown in Figure 7, pivot bearing 70 has the same structure as a known pivot ball bearing, and is composed of a rotating shaft 7a, rolling elements 7b, and an outer ring 7c. Although not shown, there are six rolling elements 7b. The apex angle θ of the conical portion 7d of rotating shaft 7a is 60°, and is machined into a conical shape to form conical portion 7d. The outer ring 7c is fixed to boss 71 shown in Figure 2 using a fastener (not shown). The small pitch diameter of rolling elements 7b and the shape of conical portion 7d have the advantage of low friction torque.

図2に示すように、軸受7の一端には、留め具9cを用いて駆動アーム4の一端が接続され、駆動アーム4の他端には、留め具9dを用いて試料ホルダ5が取り付けられている。また、軸受7の他端は、留め具9bを用いて駆動コイルトレイ6が接続されている。駆動コイルトレイ6は四方の側部に壁部が設けられているが、軸受7との接続面は、留め具9bを用いて軸受7と安定的に固定するため、図3に示すように他面よりも高く設けられている(図4,5参照)。なお、駆動アーム4、試料ホルダ5、駆動コイルトレイ6及び軸受7の一部又は全部は、一体成形されていてもよい。
駆動コイルトレイ6にはトラック状駆動コイル2が接着剤などにより固定されている。トラック状駆動コイル2は、外層に融着皮膜が形成された自己融着銅線から成り、直径は0.18mm、巻き数は略240回、厚さは1.7mm以上のものを用いている。
As shown in Fig. 2, one end of the bearing 7 is connected to one end of the drive arm 4 using a fastener 9c, and the sample holder 5 is attached to the other end of the drive arm 4 using a fastener 9d. The other end of the bearing 7 is connected to the drive coil tray 6 using a fastener 9b. The drive coil tray 6 has walls on all four sides, but the connection surface with the bearing 7 is higher than the other surfaces as shown in Fig. 3 (see Figs. 4 and 5) in order to stably fix the bearing 7 to the drive arm 4 using the fastener 9b. Note that the drive arm 4, sample holder 5, drive coil tray 6, and bearing 7 may be partly or entirely molded as a single unit.
The track-shaped drive coil 2 is fixed to the drive coil tray 6 with adhesive or the like. The track-shaped drive coil 2 is made of self-bonding copper wire with a fusion coating formed on the outer layer, and has a diameter of 0.18 mm, approximately 240 turns, and a thickness of 1.7 mm or more.

図3に示すように、ヨーク8aは支持体17を介することで間隙を設けた上で、留め具9aを用いてヨーク8bに固定される。マグネット(3a,3b)はヨーク8aに固定され、マグネット(3c,3d)はヨーク8bに固定される。
なお、駆動コイルトレイ6及びトラック状駆動コイル2と、マグネット(3a~3d)の間には間隙が設けられ、相互に接触しない構造である(図4,5参照)。
3, yoke 8a is fixed to yoke 8b using fasteners 9a, with a gap provided between them via supports 17. Magnets (3a, 3b) are fixed to yoke 8a, and magnets (3c, 3d) are fixed to yoke 8b.
A gap is provided between the drive coil tray 6 and the track-shaped drive coil 2 and the magnets (3a to 3d), so that they do not come into contact with each other (see FIGS. 4 and 5).

次に、加振ユニット1の加振機構について説明する。図4及び図5は、加振機構の説明図を示している。図4(1)又は図5(1)に示すように、マグネット3aとマグネット3cとの間ではマグネット3aがN極、マグネット3cがS極となるように配置される。また、マグネット3bとマグネット3dとの間ではマグネット3bがS極、マグネット3dがN極となるように配置される。すなわち、マグネット3aとマグネット3c、又はマグネット3bとマグネット3dが、それぞれ一対のマグネットであり、トラック状駆動コイル2の両端にコイルを挟み込む状態で各々NS、SNと逆向きに強力マグネットを配置し、各々逆向きの静磁場Bを与える構造である。 Next, the vibration mechanism of the vibration unit 1 will be described. Figures 4 and 5 are explanatory diagrams of the vibration mechanism. As shown in Figure 4 (1) or Figure 5 (1), magnet 3a is positioned between magnet 3a and magnet 3c so that magnet 3a is the north pole and magnet 3c is the south pole. Furthermore, magnet 3b is positioned between magnet 3d so that magnet 3b is the south pole and magnet 3d is the north pole. In other words, magnet 3a and magnet 3c, or magnet 3b and magnet 3d, are each a pair of magnets, and powerful magnets are positioned in opposite north-south and north-south directions on both ends of the track-shaped drive coil 2, sandwiching the coil, creating a structure that applies opposite static magnetic fields B to each.

したがって、トラック状駆動コイル2に交流電流Iを流すと周期的に向きが反転する駆動力が発生する(フレミングの左手の法則)。具体的には、図4(2)の太線に示すように電流が正の場合は、図4(1)に示すように駆動力Fが右方向に発生し、図5(2)の太線に示すように電流が負の場合は、図5(1)に示すように駆動力Fが左方向に発生する。振動周波数を変調させることにより、トラック状駆動コイル2の時間当たりの振動数を制御できる。なお、トラック状駆動コイル2に交流電流Iを流す際の振動周波数の範囲は、100~1000Hzであり、0.001Hz単位での微調整が可能である。
このように、加振ユニット1は磁気回路にフレミングの左手の法則を利用したムービングコイル(MC:Moving Coil)方式のボイスコイルモータ(VCM:Voice Coil Motor)構造である。微小な回動により試料ホルダ5が微小振動(揺動)する。
Therefore, when an AC current I is passed through the track-shaped drive coil 2, a driving force is generated that periodically reverses direction (Fleming's left-hand rule). Specifically, when the current is positive, as shown by the thick line in Figure 4(2), a driving force F is generated in the right direction, as shown in Figure 4(1). When the current is negative, as shown by the thick line in Figure 5(2), a driving force F is generated in the left direction, as shown in Figure 5(1). By modulating the vibration frequency, the number of vibrations per unit time of the track-shaped drive coil 2 can be controlled. The vibration frequency when an AC current I is passed through the track-shaped drive coil 2 ranges from 100 to 1000 Hz, and can be finely adjusted in increments of 0.001 Hz.
In this way, the vibration unit 1 has a moving coil (MC) type voice coil motor (VCM) structure that utilizes Fleming's left-hand rule in the magnetic circuit. A slight rotation causes the sample holder 5 to vibrate (swing).

次に、試料ホルダの固定構造と試験イメージについて説明する。図6は、薄板曲げ疲労試験のイメージ図であり、図1に示す部位Cを拡大し斜視図としたイメージを示している。
従来は、試料を取り付けるために、固定具に接着していたため取り付けが困難であった。これに対して本実施例では、図6に示すように、駆動アーム4には、留め具9dを用いて試料ホルダ5が取り付けられている。駆動アーム4には図3に示す雌螺子部4aが形成され、また図示しないが試料ホルダ5にも雌螺子部が形成されているため、留め具9dを螺着することで駆動アーム4と試料ホルダ5を固定できる構造である。
試料ホルダ5は、ホルダ本体5a及び取付部材5bを備える。ホルダ本体5aには図示しないが留め具9eを螺着できる雌螺子部が貫通孔として形成されている。試験片11の取付に当たっては、ホルダ本体5aから取付部材5bを外した状態で試験片11をホルダ本体5aの凹部に配置し、取付部材5bを凹部に嵌め込んだ上で、留め具9eを雌螺子部に螺着し、留め具9eの先端部が取付部材5bを圧接することで試験片11を固定する。
このように、本実施例の構成によれば、専用治具を用いて試験片11を試料ホルダ5に取り付け、容易に固定することが可能である。
Next, the fixing structure of the sample holder and the test image will be described. Figure 6 is an image diagram of a thin plate bending fatigue test, showing an enlarged perspective view of the portion C shown in Figure 1.
In the past, samples were attached to fixtures with adhesive, making attachment difficult. In contrast, in this embodiment, as shown in Figure 6, the sample holder 5 is attached to the drive arm 4 using a fastener 9d. The drive arm 4 has a female screw 4a (shown in Figure 3) and the sample holder 5 also has a female screw (not shown). Therefore, the drive arm 4 and the sample holder 5 can be fixed together by screwing in the fastener 9d.
The sample holder 5 includes a holder body 5a and a mounting member 5b. The holder body 5a has a through-hole with a female screw portion, not shown, into which a fastener 9e can be screwed. To mount the test piece 11, the mounting member 5b is removed from the holder body 5a, the test piece 11 is placed in the recess of the holder body 5a, the mounting member 5b is fitted into the recess, and the fastener 9e is screwed into the female screw portion. The tip of the fastener 9e presses against the mounting member 5b, thereby fixing the test piece 11.
As described above, according to the configuration of this embodiment, the test piece 11 can be easily attached to the sample holder 5 using a special jig and fixed thereto.

試料ホルダ5に試験片11を固定した状態で、加振ユニット1が作動すると、トラック状駆動コイル2に交流電流Iが流れ、周期的に変化する磁場が発生し、磁場により周期的に向きが反転する駆動力Fが発生する。駆動部は回動部と接続されているため、回動部は軸受7を中心として駆動力Fにより回動する。回動部は駆動アーム4と接続されているため、駆動アーム4の先端に取り付けられた試料ホルダ5が試験片11を保持して回動により試験片11の他端を振動させる。このように、加振ユニット1を用いて振動を起こすことで、ピボット軸受7を介して、図6の破線で示すように試験片11が左右に揺れ、疲労試験が行われる。レーザ変位センサ12は、センサヘッドから発光したレーザ光12aに基づき、試験片11の変位振幅を計測する。 When the vibration unit 1 is activated with the test piece 11 fixed to the sample holder 5, an AC current I flows through the track-shaped drive coil 2, generating a periodically changing magnetic field. This generates a driving force F whose direction periodically reverses due to the magnetic field. The drive unit is connected to the rotating unit, which rotates around the bearing 7 due to the driving force F. The rotating unit is connected to the drive arm 4, so the sample holder 5 attached to the tip of the drive arm 4 holds the test piece 11 and vibrates the other end of the test piece 11 as it rotates. In this way, by generating vibrations using the vibration unit 1, the test piece 11 sways from side to side via the pivot bearing 7, as shown by the dashed line in Figure 6, and a fatigue test is performed. The laser displacement sensor 12 measures the displacement amplitude of the test piece 11 based on the laser light 12a emitted from the sensor head.

実施例1の薄板曲げ疲労試験装置10の精度検証結果について説明する。薄板曲げ疲労試験片に対しては、ひずみゲージは使えないが、薄板表面の最大応力は試験片11の曲率半径で決まるため、変位分布を微分するとひずみ分布を得ることが可能である。高速度カメラの測定において補正係数を求めると、正確な応力振幅を求めることができる。
試験片にマーカを設け、高速度カメラで軌跡を自動で検出して変位振幅を計測・解析した結果、左撓み最大時と右撓み最大時が理想的な正弦波の波形を精度良く繰り返していることが分かった。
The accuracy verification results of the thin plate bending fatigue testing device 10 of Example 1 will be described. Although strain gauges cannot be used for thin plate bending fatigue test pieces, the maximum stress on the thin plate surface is determined by the radius of curvature of the test piece 11, so it is possible to obtain the strain distribution by differentiating the displacement distribution. By calculating a correction factor in measurements using a high-speed camera, it is possible to obtain an accurate stress amplitude.
Markers were placed on the test specimen, and the trajectory was automatically detected using a high-speed camera to measure and analyze the displacement amplitude. As a result, it was found that the ideal sinusoidal waveform was precisely repeated at the time of maximum left deflection and maximum right deflection.

また、試験片の変位振幅の検証を行ったところ、大気中データと真空中データの何れにおいても高速度カメラによる測定結果は、FEM解析結果と略同等の結果が得られた。 In addition, when the displacement amplitude of the test specimen was verified, the results of measurements taken using a high-speed camera were roughly equivalent to the FEM analysis results for both atmospheric and vacuum data.

以上のことから、実施例1の加振ユニット1と、加振ユニット1を搭載した薄板曲げ疲労試験装置10によれば、疲労試験装置において従来にない高精度試験を実現できることが分かった。
その理由としては、まず、駆動アーム4の支点に超精密のピボット軸受70を採用したことで、駆動アーム4の支点位置を高精度に確定でき、試験片11の両振り原点位置およびレーザ変位センサ12の計測原点位置を正確に決定することが可能となった。これは従来技術のスピーカ等を用いた駆動構造の欠点である支点の不安定性を無視できる画期的な構造であるといえる。
From the above, it has been found that the vibration unit 1 of Example 1 and the thin plate bending fatigue test device 10 equipped with the vibration unit 1 can realize high precision testing that has not been possible with conventional fatigue test devices.
The reason for this is that, firstly, by employing an ultra-precise pivot bearing 70 at the fulcrum of the drive arm 4, the fulcrum position of the drive arm 4 can be determined with high precision, and it has become possible to accurately determine the origin position of the test piece 11's swing and the origin position of the measurement of the laser displacement sensor 12. This can be said to be an innovative structure that can ignore the instability of the fulcrum, which is a drawback of drive structures using speakers, etc. in the prior art.

ピボット軸受は、コンピュータの外部メモリであるハードディスクドライブ(HDD:Hard Disk Drive)のヘッドの運動を案内する回転軸受等に使用されることはあるが、実施例1の加振ユニット1は、アームの制御方法が位置決め用途であるHDDとは異なり、正確な一定の高トルクを維持する両振り方式の加振機である点も特徴である。
また、正確なサイン波形による交流制御で周波数調整精度および振幅調整精度を有し、両振りのトルクを正確に維持するフィードバック制御である。
更に、加振ユニット1及び試料ホルダ5は小型化、軽量化を図ることができるため、駆動系の慣性モーメントが抑えられ、従来にはない高速度両振り加振構造が実現された。
Pivot bearings are sometimes used as rotary bearings that guide the movement of the head of a hard disk drive (HDD), which is an external memory for a computer. However, the vibration unit 1 of Example 1 is characterized in that it is a bi-directional vibration exciter that maintains an accurate, constant, high torque, unlike an HDD, which uses a positioning method for controlling the arm.
Furthermore, AC control using an accurate sine wave has frequency adjustment accuracy and amplitude adjustment accuracy, and is feedback control that accurately maintains torque in both directions.
Furthermore, the vibration unit 1 and the sample holder 5 can be made smaller and lighter, which reduces the moment of inertia of the drive system and realizes a high-speed bi-directional vibration structure that has not been available before.

本発明は、薄板の疲労試験を行う技術として有用である。 This invention is useful as a technology for conducting fatigue tests on thin plates.

1 加振ユニット
2 トラック状駆動コイル
3a~3d マグネット
4 駆動アーム
4a 雌螺子部
5 試料ホルダ
5a ホルダ本体
5b 取付部材
6 駆動コイルトレイ
7 軸受
7a 回転軸
7b 転動体
7c 外輪
7d 円錐部
8a,8b ヨーク
9a~9e 留め具
10 薄板曲げ疲労試験装置
11 試験片
12 レーザ変位センサ
12a レーザ光
13 3軸ステージ
14 ケーブル
15 防振マット
17 支持体
20 試料ユニット
21 試料ユニット本体
30 計測ユニット
30a 計測ユニット本体
70 ピボット軸受
71 ボス
B 静磁場
F 駆動力
I 交流電流
θ 頂角
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Excitation unit 2 Track-shaped drive coil 3a to 3d Magnet 4 Drive arm 4a Female screw portion 5 Sample holder 5a Holder body 5b Mounting member 6 Drive coil tray 7 Bearing 7a Rotating shaft 7b Rolling element 7c Outer ring 7d Conical portion 8a, 8b Yoke 9a to 9e Fastener 10 Thin plate bending fatigue test device 11 Test piece 12 Laser displacement sensor 12a Laser light 13 Three-axis stage 14 Cable 15 Vibration-proof mat 17 Support 20 Sample unit 21 Sample unit body 30 Measurement unit 30a Measurement unit body 70 Pivot bearing 71 Boss B Static magnetic field F Drive force I AC current θ Apex angle

Claims (5)

駆動コイルと前記駆動コイルを挟むように間隙を設けて配置される少なくとも一対のマグネットと前記駆動コイルが固定される保持部とを有し、前記駆動コイルに交流電流を流すことにより周期的に向きが反転する駆動力を発生させる駆動部と、
前記駆動部と接続され、軸受を中心として前記駆動力により回動させる回動部と、
前記回動部と接続され、かつ先端近傍に薄板の片端を保持して前記回動により前記薄板の他端を振動させるアーム部、
を備えることを特徴とする薄板曲げ疲労試験用加振ユニット。
a drive unit that includes a drive coil, at least one pair of magnets arranged with a gap between them so as to sandwich the drive coil, and a holder to which the drive coil is fixed, and that generates a drive force whose direction periodically reverses by passing an alternating current through the drive coil;
a rotation unit connected to the drive unit and rotated around a bearing by the drive force;
an arm portion connected to the rotating portion, holding one end of the thin plate near its tip, and vibrating the other end of the thin plate by the rotation;
A vibration unit for thin plate bending fatigue testing, comprising:
前記駆動部は、前記駆動コイルと間隙を設けて配置される二対のマグネットを備え、
前記二対のマグネットは、前記駆動力の向きが同方向になるように、前記駆動コイルの円心に対して対称となる位置で、対となるマグネットのSN極の組み合わせが逆向きとなるように設けられることを特徴とする請求項1に記載の薄板曲げ疲労試験用加振ユニット。
the driving unit includes two pairs of magnets arranged with a gap between them and the driving coil;
The vibration unit for thin plate bending fatigue testing as described in claim 1, characterized in that the two pairs of magnets are arranged in positions symmetrical with respect to the center of the drive coil so that the direction of the drive force is the same, and the combinations of the S and N poles of the paired magnets are opposite.
前記回動部の軸受は、ピボット軸受であることを特徴とする請求項2に記載の薄板曲げ疲労試験用加振ユニット。 A vibration unit for thin plate bending fatigue testing as described in claim 2, characterized in that the bearing of the rotating part is a pivot bearing. 前記保持部と前記回動部と前記アーム部が一体成形されていることを特徴とする請求項1に記載の薄板曲げ疲労試験用加振ユニット。 A vibration unit for thin plate bending fatigue testing as described in claim 1, characterized in that the holding portion, the rotating portion, and the arm portion are integrally molded. 請求項1~4の何れかの薄板曲げ疲労試験用加振ユニットを備える試料ユニットと、
前記試料ユニットと接続され、レーザ変位センサ及び多軸ステージを備える計測ユニット、を備え、
前記計測ユニットは、前記試料ユニットにおいて前記薄板に加えられた応力振幅と、前記応力振幅により破断に至るまでの繰返し数の相関を出力することを特徴とする薄板曲げ疲労試験装置。
a sample unit including a vibration unit for a thin plate bending fatigue test according to any one of claims 1 to 4;
a measurement unit connected to the sample unit and including a laser displacement sensor and a multi-axis stage;
The thin plate bending fatigue testing device is characterized in that the measurement unit outputs a correlation between the stress amplitude applied to the thin plate in the sample unit and the number of repetitions until fracture occurs due to the stress amplitude.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004020472A (en) 2002-06-19 2004-01-22 Honda Motor Co Ltd Apparatus and method for fatigue test of thin plate
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Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3361895B2 (en) * 1994-08-12 2003-01-07 イーグル工業株式会社 Fatigue test method for thin sheet for welding bellows

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004020472A (en) 2002-06-19 2004-01-22 Honda Motor Co Ltd Apparatus and method for fatigue test of thin plate
JP2011047691A (en) 2009-08-25 2011-03-10 Shimadzu Corp Electromagnetic-type actuator and material testing apparatus
WO2019151232A1 (en) 2018-02-01 2019-08-08 アダマンド並木精密宝石株式会社 Linear vibration actuator

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