JP7741566B2 - 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 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

特開平０８－０５４３３１号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

実施例１の薄板曲げ疲労試験装置の正面図 実施例１の薄板曲げ疲労試験用加振ユニットの平面図 実施例１の薄板曲げ疲労試験用加振ユニットの正面図 加振機構の説明図（１） 加振機構の説明図（２） 薄板曲げ疲労試験のイメージ図 ピボット軸受の説明図

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明は、薄板の疲労試験を行う技術として有用である。

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

Claims (5)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。