(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
供試体を載置する平板と、
前記平板を振り子式ハンマーで打撃する打撃手段と、
前記打撃における衝撃の入力波形を計測する入力波形計測手段と、
前記打撃により前記平板に発生する振動の出力波形を計測する出力波形計測手段と、
前記入力波形と前記出力波形とに基づいて衝撃を解析する衝撃解析手段と、
を有し、
前記衝撃解析手段は、
前記出力波形に基づいてＳＲＳを算出するＳＲＳ算出手段と、
前記ＳＲＳを予め定められた所定ＳＲＳに近づけるための前記打撃の調整値を算出する調整値算出手段と、
を有することを特徴とする衝撃試験装置。
【請求項２】
前記調整値算出手段が、
前記ＳＲＳの算出に用いる衝撃時間をパラメータとするシミュレーション計算を行い、前記ＳＲＳを前記所定ＳＲＳに近づけるための目標衝撃時間を算出する目標衝撃時間算出手段と、
前記ＳＲＳの算出に用いる衝撃力をパラメータとするシミュレーション計算を行い、前記ＳＲＳを前記所定ＳＲＳに近づけるための目標衝撃力を算出する目標衝撃力算出手段と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の衝撃試験装置。
【請求項３】
供試体を載置した平板を振り子式ハンマーで打撃し、
前記打撃における入力波の入力波形を計測し、
前記打撃によって前記平板に発生する振動の波形を出力波形として計測し、
前記出力波形に基づいてＳＲＳを算出し、
前記ＳＲＳを予め定められた所定ＳＲＳに近づけるための前記打撃の調整値を算出する、
ことを特徴とする衝撃試験装置の調整値算出方法。
【請求項４】
前記ＳＲＳの算出に用いる衝撃時間をパラメータとする第１のシミュレーション計算を行い、前記ＳＲＳを前記所定ＳＲＳに近づけるための目標衝撃時間を算出し、
前記ＳＲＳの算出に用いる衝撃力をパラメータとする第２のシミュレーション計算を行い、前記ＳＲＳを前記所定ＳＲＳに近づけるための目標衝撃力を算出する、
ことを特徴とする請求項３に記載の衝撃試験装置の調整値算出方法。
【請求項５】
前記第１のシミュレーション計算で、
前記ＳＲＳの高周波領域で前記所定ＳＲＳに対して加速度が不足している場合には衝撃時間を所定値分短くしてＳＲＳを再計算し、
前記ＳＲＳの高周波領域で前記所定ＳＲＳに対して加速度が過剰である場合は衝撃時間を所定値分長くしてＳＲＳを再計算し、
前記ＳＲＳを前記所定ＳＲＳに近づけるための目標衝撃時間を求める、
ことを特徴とする請求項４に記載の衝撃試験装置の調整値算出方法。
【請求項６】
前記第２のシミュレーション計算で、
前記ＳＲＳの加速度レベルが前記所定ＳＲＳに対して不足している場合には衝撃力を所定値分大きくしてＳＲＳを再計算し、
前記ＳＲＳの加速度レベルが前記所定ＳＲＳに対して過剰である場合は衝撃力を所定値分小さくしてＳＲＳを再計算し、
前記ＳＲＳを前記所定ＳＲＳに近づけるための目標衝撃力を求める、
ことを特徴とする請求項５に記載の衝撃試験装置の調整値算出方法。
【請求項７】
前記目標衝撃時間と前記目標衝撃力とに基づいて、前記振り子式ハンマーの目標落下高さを算出し、
前記振り子式ハンマーの目標先端曲率を算出する、
ことを特徴とする請求項６に記載の衝撃試験装置の調整値算出方法。
【請求項８】
請求項７に記載の衝撃試験装置の調整値算出方法によって算出された、
前記振り子式ハンマーの落下高さと、
前記振り子式ハンマーの先端曲率と、
に基づいて衝撃試験装置の調整を行う、
ことを特徴とする衝撃試験装置の調整方法。
【請求項９】
供試体を載置した平板を振り子式ハンマーで打撃するステップと、
前記打撃における入力波の入力波形を計測するステップと、
前記打撃によって前記平板に発生する振動の波形を出力波形として計測するステップと、
前記出力波形に基づいてＳＲＳを算出し、前記ＳＲＳを予め定められた所定ＳＲＳに近づけるための前記打撃の調整値を算出するステップと、
を有することを特徴とする衝撃試験装置の調整値算出プログラム。
【請求項１０】
前記ＳＲＳの算出に用いる衝撃時間をパラメータとする第１のシミュレーション計算を行い、前記ＳＲＳを前記所定ＳＲＳに近づけるための目標衝撃時間を算出するステップと、
前記ＳＲＳの算出に用いる衝撃力をパラメータとする第２のシミュレーション計算を行い、前記ＳＲＳを前記所定ＳＲＳに近づけるための目標衝撃力を算出するステップと、
を有することを特徴とする請求項９に記載の衝撃試験装置の調整値算出プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、衝撃試験装置および衝撃試験装置の調整値算出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
衛星搭載機器のような大きな衝撃が加わる電子機器は、耐衝撃性の評価が必要となる。この評価には、機器に加わる衝撃加速度を衝撃応答スペクトル（Ｓｈｏｃｋ  Ｒｅｓｐｏｎｓｅ  Ｓｐｅｃｔｒｕｍ、以下ＳＲＳ）で表現する方法が用いられている。
【０００３】
ＳＲＳは横軸周波数、縦軸加速度で表現され、横軸に示される各固有値を持つ１自由度バネ・マス・ダンパ系に衝撃が加わった場合の最大加速度を示している。例えば、ある衝撃加速度波形から算出したＳＲＳが、１０００Ｈｚで１０００Ｇを示している場合、その衝撃は１０００Ｈｚの固有周波数を持つ１自由度バネ・マス・ダンパ系に最大１０００Ｇの加速度が加わるという意味を持つ。
【０００４】
衝撃試験を行う場合、図１２に示すようなＳＲＳで表現される衝撃試験仕様が、Ｘ，Ｙ，Ｚの３方向に与えられる。衝撃試験仕様は主に、傾き（図１２（１））、折れ点周波数（図１２（２））、加速度レベル（図１２（３））、トレーランス（図１２（４））と呼ばれる幅、が指定される。この仕様は事前に実験や解析によって求められる。衝撃試験の実施に当たっては、衝撃試験仕様を満たす衝撃力を発生させることが必要である。ところが、ある周波数における加速度が仕様を満たすように、試料台や衝撃力を調整すると、別の周波数の加速度がトレーランスを超えてしまうといった問題が発生する場合がある。このため、全周波数に渡ってプロファイルを仕様通りに調整することは容易ではない。そこで、ＳＲＳプロファイルの調整を自在に行う方法が種々試みられている。
【０００５】
例えば、特許文献１には、規定ＳＲＳ特性に合った共振周波数と減衰を有する積層板に供試体を載置し、錘を積層板に自由落下させる方法が開示されている。積層板を構成する各層の材料や、層構成を調整することにより、所望の振動特性を有する積層板を得ることができる。
【０００６】
また、特許文献２には、衝突特性の相違するハンマーを複数本並列する方法が開示されている。これらのハンマーを、順序的、または、同時に、試験用平板に衝突させることにより様々な衝撃力を作り出し、所望ＳＲＳ特性を得ることを試みている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３−２３４９４２号公報
【特許文献２】特開平２−２３６４３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１の技術には、試験ごとに当該試験にカスタマイズした積層板を設計、作製しなければならないという問題があった。さらに制作した積層板が設計通りの振動特性となるとは限らない。このため、設計、調整作業に経験または試行錯誤の時間を要していた。
【０００９】
また、特許文献２の技術にも、使用する複数のハンマーの組み合わせで、所望のＳＲＳ特性が得られるとは限らないという問題点があった。どのようなハンマーを用い、それぞれのハンマーをどのように衝突させればよいか決定するためには、やはり経験と、試行錯誤の時間が必要であった。
【００１０】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、所望のＳＲＳ特性を得るための衝撃試験機の調整を簡単に行える方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するため、衝撃試験装置は、供試体を載置する平板と、前記平板を振り子式ハンマーで打撃する打撃手段と、前記打撃における衝撃の入力波形を計測する入力波形計測手段と、前記打撃により前記平板に発生する振動の波形を計測する出力波形計測手段と、前記入力波形と前記出力波形とに基づいて衝撃を解析する衝撃解析手段と、を有し、前記衝撃解析手段は、前記出力波形に基づいてＳＲＳを算出するＳＲＳ算出手段と、前記ＳＲＳを予め定められた所定ＳＲＳに近づけるための前記打撃の調整値を算出する調整値算出手段と、を有している。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の効果は、所望のＳＲＳ特性を得るための衝撃試験機の調整を簡単に行えることである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施の形態を示すブロック図である。
【図２】第２の実施の形態を示すブロック図である。
【図３】第２の実施の形態の入力波形を示すグラフである。
【図４】第２の実施の形態の全体動作を示すフローチャートである。
【図５】第２の実施の形態における初期衝撃試験の動作を示すフローチャートである。
【図６】第２の実施の形態における目標衝撃時間算出動作を示すフローチャートである。
【図７】第２の実施の形態の目標衝撃時間算出シミュレーションにおけるＳＲＳの具体例である。
【図８】第２の実施の形態の動作における目標衝撃力算出動作を示すフローチャートである。
【図９】第２の実施の形態の目標衝撃力算出シミュレーションにおけるＳＲＳの具体例である。
【図１０】第２の実施の形態の動作における調整値算出動作を示すフローチャートである。
【図１１】第３の実施の形態の衝撃試験装置の調整手順を示すフローチャートである。
【図１２】ＳＲＳ仕様の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら本発明について詳細に説明する。なお各図面における同様の構成要素については同じ記号を付し、繰返しの説明を省略することがある。
【００１５】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態を示すブロック図である。衝撃試験装置１０００は、供試体１を載置する平板２と、振り子式ハンマー１１０を有する打撃手段１００と、衝撃解析手段２００と、を有している。
【００１６】
平板２は平板支持具３によって支持されている。この支持は平板の振動を妨げないようにすることが望ましい。例えば、天井から吊るす構造などとすることができる。
【００１７】
振り子式ハンマー１１０は天井等に固定された回転軸１１１によって支持され、ハンマーを所定の高さから落下させることにより、平板２を打撃する。また振り子式ハンマー１１０には、入力波形計測手段１２０が搭載され、平板２を打撃する時の衝撃の入力波形を計測することができる。入力波形計測手段１２０には、例えば力センサを用いることができる。
【００１８】
平板２には出力波形計測手段１３０が設置され。打撃によって平板２に生じる振動の波形、すなわち出力波形を計測することができる。出力波形計測手段１３０には、例えば加速度センサを用いることができる。
【００１９】
衝撃解析手段２００は、ＳＲＳ算出手段２１０と、調整値算出手段２２０とを有している。
【００２０】
ＳＲＳ算出手段２１０は、出力波形計測手段１３０が計測した出力波形からＳＲＳを算出する。詳細な算出方法は後述する。
【００２１】
調整値算出手段２２０は、ＳＲＳ算出手段２１０が算出したＳＲＳを、予め定められた所定ＳＲＳに近づけるのに必要な入力波形を算出し、それを実現するために打撃手段１００に加える調整値を算出する。これらの算出方法の詳細については後述する。
【００２２】
以上の構成とすることにより、所定ＳＲＳを得るために必要な打撃手段の調整値を算出し、所定ＳＲＳによる衝撃試験を行うことができる。
【００２３】
（第２の実施の形態）
図２は解析手段２００の詳細を示すブロック図である。ＳＲＳ算出手段２１０は、入力衝撃時間算出手段２１１と、入力衝撃力算出手段２１２と、伝達関数算出手段２１３と、を有している。
【００２４】
入力衝撃時間算出手段２１１は、入力波形計測手段１２０が計測した入力波形から入力衝撃時間を算出する。入力衝撃力算出手段２１２は、入力波形計測手段１２０が計測した入力波形から衝撃力を算出する。図３に入力波形の一例を示す。本例の入力衝撃波は正弦半波である。このような入力波形から衝撃時間τと、衝撃力Ｆと、が算出される。
【００２５】
伝達関数算出手段２１３は、入力波形計測手段１２０が計測した入力波形と、出力波形計測手段１３０が計測した出力波形と、から伝達関数を算出する。そして、ＳＲＳ算出手段２１０は、得られた伝達関数から、例えば１自由度バネ・マス・ダンパモデルを用いて、ＳＲＳを算出する。
【００２６】
調整値算出手段２２０は、目標衝撃時間算出手段２２１と、目標衝撃力算出手段２２２と、調整値算出手段２２３と、を有している。目標衝撃時間算出手段２２１は、所定ＳＲＳを得るために入力波形が持つべき衝撃入力時間、としての、目標衝撃時間を算出する。目標衝撃力算出手段２２２は、所定ＳＲＳを得るために入力波形が持つべき衝撃力、としての、目標衝撃力を算出する。そして、打撃手段調整値算出手段２２３は、上述の入力波形を実現するために打撃手段１００に施す調整値を算出する。
【００２７】
次に、衝撃試験装置の動作について説明する。図４は、この動作を示すフローチャートである。まず初期衝撃試験を行う（Ｓ１０）。初期衝撃試験は、暫定的な条件で打撃手段を調整して打撃を行って実施する。初期衝撃試験の詳細は後述する。次に伝達関数を算出する（Ｓ２０）。次に、衝撃時間初期値を設定する（Ｓ３０）。衝撃試験初期値は、初期衝撃試験で得られた衝撃時間であり、後にシミュレーションを行う時の初期値として用いられる。次に、衝撃力初期値を設定する（Ｓ４０）。衝撃力初期値は、初期衝撃試験で得られた衝撃力であり、後にシミュレーションを行う時の初期値として用いられる。
【００２８】
次に、目標衝撃時間算出シミュレーションを行う（Ｓ５０）。詳細は後述するが、目標衝撃時間算出シミュレーションによって、所定ＳＲＳを得るのに必要な衝撃を発生するための目標衝撃時間を決定する（Ｓ６０）。
【００２９】
次に、目標衝撃力算出シミュレーションを行う（Ｓ７０）。詳細は後述するが、目標衝撃力算出シミュレーションによって、所定ＳＲＳを得るのに必要な衝撃を発生するための目標衝撃力を決定する（Ｓ８０）。
【００３０】
次に得られた目標衝撃時間と目標衝撃力とから目標力積を算出する（Ｓ９０）。そして得られた目標力積を用いて、打撃手段を調整するための調整を値算出する（Ｓ１００）。詳細は後述する。以上により、所定ＳＲＳを実現するための調整値を得ることができる。
【００３１】
ここで、衝撃時間と衝撃力とから、調整値を算出する理論について説明する。
【００３２】
ハンマーを落下させた時に入力される力積をＩ、衝撃時間をτ、衝撃力をＦとし、衝撃力波形が半正弦波と仮定すると、力積Ｉは次式で表すことができる。なお平板と接触するハンマー先端は球形と見なすことができると仮定している。
0006471580.tif 000002
他方、力積Ｉはハンマーの質量Ｍと、速度Ｖを用いて次式で表すことができる。ここで、ｅは、ハンマーと平板との衝突における反発係数である。
0006471580.tif 000003
式（１）、式（２）から、ハンマー速度Ｖは次式で表すことができる。
0006471580.tif 000004
図１に示すような振り子式ハンマーの場合、エネルギー保存則から落下高さｈと速度Ｖとの関係は次式で表される。ここでｇは重力加速度である。
0006471580.tif 000005
ハンマー先端と平板との衝突は、ミクロにみると平板と球との接触と見なすことができるので、ヘルツの接触理論を用いて、衝撃時間は次式で表すことができる。ここで、ハンマーと平板とは同じ材料でできていると仮定している。そして、νはそのポアソン比、Ｅはそのヤング率である。またＲは球の半径であり、１／Ｒは球の曲率である。
0006471580.tif 000006
0006471580.tif 000007
式（５）におけるＲは球の曲率半径であり、本実施の形態におけるハンマー先端の曲率半径である。すなわち式（５）は、衝撃時間τが、ハンマー速度Ｖとハンマー先端の曲率で決まることを表している。
【００３３】
以上説明したように、ハンマー落下高さを固定した場合、式（４）からハンマー速度Ｖが決まるので、目標とする衝撃時間を求めれば、式（５）を用いてそれを実現するハンマー先端の曲率を求めることができる。
【００３４】
次に、図４のフローチャートにおける各定義済み処理について詳細に説明する。
【００３５】
＜初期衝撃試験＞
図５は初期衝撃試験の動作を示すフローチャートである。まず、振り子式ハンマー１１０の先端曲率を設定する（Ｓ１１）。既述の通り、衝撃時間は、振り子式ハンマーの先端曲率に依存する（式（５）参照）。次に振り子式ハンマー１１０の落下を開始する高さ、初期ハンマー落下高さを設定する（Ｓ１２）。既述の通り、衝撃時間が一定であれば、衝撃力は、ハンマー落下高さに依存する（式（３）、（４）参照）。次に供試体１（もしくは供試体と質量の同じ評価用供試体）を平板２に載置する（Ｓ１３）。なおＳ１１−Ｓ１３の実施順は順不同でよい。
【００３６】
次に設定した条件で打撃を行う（Ｓ１４）。そしてこの時の初期入力波形計測（Ｓ１５）と、初期出力波形計測（Ｓ１６）とを行う。次に得られた入力波形を用いて、初期衝撃時間算出（Ｓ１７）と、初期衝撃力算出（Ｓ１８）と、を行う。
【００３７】
＜目標衝撃時間算出シミュレーション＞
図６は、目標衝撃時間算出シミュレーションの動作を示すフローチャートである。なお説明においては、適宜、図７のＳＲＳグラフを参照する。まず初期衝撃試験で得られた初期衝撃時間τ０と初期衝撃力Ｆ０とを、シミュレーションの初期値に設定する（Ｓ５１）。次にシミュレーションを実行する（Ｓ５２−Ｓ５８）。シミュレーションでは、まず設定した衝撃時間τと衝撃力Ｆとを、Ｓ２０で算出した伝達関数に代入する（Ｓ５２）。次に伝達関数からＳＲＳを算出する（Ｓ５３）。次に得られたＳＲＳと、目標とする所定ＳＲＳとを、比較する（Ｓ５４）。ここで、算出したＳＲＳの高周波数領域における加速度が不足している場合は（Ｓ５５＿Ｙｅｓ、図７ｃ）、衝撃時間τから所定時間Δτを引いて、τ−Δτを新しいτとし（Ｓ５６）、Ｓ５２に戻りＳＲＳを再計算する。一方、算出したＳＲＳの高周波数領域における加速度が不足していない場合は（Ｓ５５＿Ｎｏ）、高周波数領域における加速度が過剰であるか判定する（Ｓ５７）。加速度が過剰である場合は（Ｓ５７＿Ｙｅｓ、図７ａ）、τに所定時間Δτを足して、τ＋Δτを新しいτとして設定し（Ｓ５８）、Ｓ５２に戻りＳＲＳを再計算する。以上のようにＳ５２−Ｓ５８を繰り返すことで、最終的に高周波領域の加速度が不足でも過剰でもないＳＲＳ（Ｓ５７＿Ｎｏ、図７ｂ）を実現する衝撃時間τｐが得られる。以上のようにして目標衝撃時間を算出することができる。
【００３８】
＜目標衝撃力算出シミュレーション＞
図８は、目標衝撃力算出シミュレーションの動作を示すフローチャートである。なお説明においては、適宜、図９のＳＲＳグラフを参照する。まず、シミュレーションを行う初期値を設定する。衝撃力の初期値としては、初期衝撃試験で得られた初期衝撃力Ｆ０を設定し、衝撃時間の初期値としては、目標衝撃時間算出シミュレーションで決定したτｐを、設定する（Ｓ７１）。次にシミュレーションを実行する（Ｓ７２−Ｓ７８）。シミュレーションでは、まず設定した衝撃時間τｐと衝撃力Ｆとを、Ｓ２０で算出した伝達関数に代入する（Ｓ７２）。次に伝達関数からＳＲＳを算出する（Ｓ７３）。次に得られたＳＲＳと、目標とする所定ＳＲＳとを、比較する（Ｓ７４）。ここで、算出したＳＲＳの加速度レベルが不足している場合は（Ｓ５５＿Ｙｅｓ、図９ｃ）、衝撃力Ｆに所定衝撃力ΔＦを足して、Ｆ＋ΔＦを新しいＦとし（Ｓ７６）、Ｓ７２に戻りＳＲＳを再計算する。一方、算出したＳＲＳの加速度レベルが不足していない場合は（Ｓ７５＿Ｎｏ）、高周波数領域における加速度が過剰であるか判定する（Ｓ７７）。加速度が過剰である場合は（Ｓ７７＿Ｙｅｓ、図９ａ）、Ｆから所定衝撃力ΔＦを引いて、Ｆ−ΔＦを新しいＦとして設定し（Ｓ７８）、Ｓ７２に戻りＳＲＳを再計算する。以上のようにＳ７２−Ｓ７８を繰り返すことで、最終的に加速度レベルが不足でも過剰でもないＳＲＳ（Ｓ７７＿Ｎｏ、図９ｂ）を実現する衝撃力Ｆｐが得られる。以上のようにして目標衝撃力を算出することができる。
【００３９】
＜調整値算出＞
図１０は、調整値算出動作を示すフローチャートである。まずシミュレーションで得られた目標衝撃時間τｐと、目標衝撃力Ｆｐを式（３）に代入して、ハンマー速度Ｖを算出する（Ｓ１０１）。次に得られたＶを式（４）に代入してハンマー落下高さを決定する（Ｓ１０２）。次に式（５）に目標衝撃時間τｐと目標衝撃力Ｆｐを代入して、Ｒについて解き、ハンマー先端の曲率半径を決定する（Ｓ１０３）。以上のようにして調整値を得ることができる。
【００４０】
以上説明したように、本実施の形態によれば、初期衝撃試験とシミュレーションを行うだけで、所定ＳＲＳを実現する打撃手段の調整値を得ることができる。
【００４１】
（第３の実施の形態）
本実施の形態では、第２の実施の形態で求めた打撃手段の調整値に基づいて、打撃手段を調整する手順について説明する。図１１は、この手順を示すフローチャートである。まず、第２の実施の形態で求めた曲率半径を有するチップをハンマー先端に取り付ける（Ｓ２０１）。次に落下させるハンマーの高さを、第２の実施の形態で求めたハンマー落下高さに設定する（Ｓ２０２）。以上により、打撃手段の設定が完了する。
【００４２】
また、上述した第２の実施形態の処理をコンピュータに実行させるプログラムおよび該プログラムを格納した記録媒体も本発明の範囲に含む。記録媒体としては、例えば、磁気ディスク、磁気テープ、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ、などを用いることができる。
【００４３】
以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上記実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１    供試体
２    平板
３    平板支持具
１００    打撃手段
１１０    振り子式ハンマー
１２０    入力波形計測手段
１３０    出力波形計測手段
２００    衝撃解析手段
２１０    ＳＲＳ算出手段
２１１    入力衝撃時間算出手段
２１２    入力衝撃力算出手段
２１３    伝達関数算出手段
２２０    調整値算出手段
２２１    目標衝撃時間算出手段
２２２    目標衝撃力算出手段
２２３    打撃手段調整値算出手段
【図１】
0006471580.tif 000008
【図２】
0006471580.tif 000009
【図３】
0006471580.tif 000010
【図４】
0006471580.tif 000011
【図５】
0006471580.tif 000012
【図６】
0006471580.tif 000013
【図７】
0006471580.tif 000014
【図８】
0006471580.tif 000015
【図９】
0006471580.tif 000016
【図１０】
0006471580.tif 000017
【図１１】
0006471580.tif 000018
【図１２】
0006471580.tif 000019