(57)【要約】【課題】  被評価物における相対的な密度分布を評価し、そして多数の連続空間を備えた多孔質材料の空間部と非空間部により構成されるような組織の状態の評価を可能にする非破壊の評価方法を提供すること。【解決手段】  超音波探傷により、被評価物における相対的密度分布を画像化して被評価物を評価することを特徴とする評価方法とする。この方法では、被評価物に超音波を照射し反射した超音波を検出して、被評価物中を伝播する音速値Ｖを、被評価物厚さをＴ、被評価物に超音波を照射した時間をｔ１、被評価物から超音波が反射した時間をｔ２として、下記の式（１）、        Ｖ＝Ｔ／（ｔ２−ｔ１）                            （１）により求め、得られた音速値を画像化することができる。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波探傷により、被評価物における相対的な密度分布を画像化して被評価物を評価することを特徴とする評価方法。
【請求項２】
被評価物に超音波を照射し、反射した超音波を検出して、被評価物中を伝播する音速値Ｖを下記の式（１）、
Ｖ＝Ｔ／（ｔ２−ｔ１）                            （１）
Ｔ：    被評価物厚さ
ｔ１：  被評価物に超音波を照射した時間
ｔ２：  被評価物から超音波が反射した時間
により求め、得られた音速値を画像化することを特徴とする請求項１記載の評価方法。
【請求項３】
被評価物の超音波探傷を最小０．１ｍｍ間隔で行うことを特徴とする請求項２記載の評価方法。
【請求項４】
式（１）により算出した音速値Ｖの平均値Ｖavを使用して、被評価物の弾性率Ｅｐを下記の式（２）、
Ｅｐ＝ｋρＶav2                                     （２）
ｋ：    ポアソン比νより、ｋ＝（１＋ν）（１−２ν）／（１−ν）で算                    出される係数
ρ：    被評価物密度
で算出し、被評価物の弾性率を評価することを特徴とする請求項２又は３記載の評価方法。
【請求項５】
被評価物は基本的に内部に空間を含まないものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の評価方法。
【請求項６】
被評価物は基本的に内部に空間又は連続空隙が存在するものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の評価方法。
【請求項７】
被評価物は研削砥石であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用した被評価物の評価方法に関する。本発明で評価される被評価物は、基本的に内部に空間を含まないものでも、あるいは基本的に内部に空間を含む、例えば多数の連続気孔を備えた、多孔質のものでもよく、本発明の評価方法は、そのような被評価物における相対的な密度分布を評価する方法として用いられる。本発明によれば、こうして得られた被評価物における相対的密度分布を利用して、例えば多孔質の被評価物における空間部と非空間部により構成される組織の状態を評価することも可能である。本発明の評価方法は、例えば砥石の評価で好ましく用いられる。
【背景技術】
【０００２】
超音波を使用した評価方法としてよく用いられるのは、材料のクラック等の欠陥を発見する方法である。この方法は昔から一般的に用いられており、一例として特許文献１には、管材、条鋼製品の素材となる鋼片の内部欠陥を超音波により検出する技術が記載されている。特許文献２には、超音波探傷を利用して鋼材のポリシティーの分布状態を検出する技術が記載されている。更に、特許文献３には、研削砥石の内部クラックを超音波で検出する砥石検査方法が記載されている。これらの例のほかに、材料の内部クラックを超音波で検出する多数の技術が知られている。砥石関係の評価で超音波探傷を利用する別の例として、特許文献４には、ニューラルネットワーク（学習法）を利用してＣＢＮセグメント砥石の接着部の欠陥を検出する技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−９６６２６号公報
【特許文献２】特開２００２−２８６７０２号公報
【特許文献３】特開平５−２６８５１号公報
【特許文献４】特開２００３−２７９５５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の技術は全て、クラック等の材料欠陥を検出するためのものである。超音波探傷を用いた非破壊の評価方法として、被評価物における相対的な密度分布を評価する方法、そしてその評価に基づき、例えば連続空間を備えた多孔質材料における空間部と非空間部により構成される組織の状態を評価することは、これまで開示されていない。これまでにも、特に連続気孔を備えた研削砥石の密度、及び空間部と非空間部の分布を評価するには、微小ロックウェル硬度測定を用い、短間隔で評価する方法がある。しかし、この方法は破壊検査なので、材料試験的な評価は可能であるが、製品の検査には用いられない。より具体的に言えば、この方法では試験物（研削砥石）の端部に欠けが発生するので、製品砥石の測定は不可である。
【０００５】
本発明の課題は、非破壊の評価方法として、被評価物における相対的な密度分布を評価し、そして多数の連続空間を備えた多孔質材料の空間部と非空間部により構成されるような組織の状態の評価を可能にする方法を確立することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の被評価物の評価方法は、その好ましい態様を含めて、次のとおりである。
（１）超音波探傷により、被評価物における相対的密度分布を画像化して被評価物を評価することを特徴とする評価方法。
（２）被評価物に超音波を照射し、反射した超音波を検出して、被評価物中を伝播する音速値Ｖを下記の式（１）、
Ｖ＝Ｔ／（ｔ２−ｔ１）                            （１）
Ｔ：    被評価物厚さ
ｔ１：  被評価物に超音波を照射した時間
ｔ２：  被評価物から超音波が反射した時間
により求め、得られた音速値を画像化することを特徴とする（１）記載の評価方法。
（３）被評価物の超音波探傷を最小０．１ｍｍ間隔で行うことを特徴とする（２）記載の評価方法。
（４）式（１）により算出した音速値Ｖの平均値Ｖavを使用して、被評価物の弾性率Ｅｐを下記の式（２）、
Ｅｐ＝ｋρＶav2                                     （２）
ｋ：    ポアソン比νより、ｋ＝（１＋ν）（１−２ν）／（１−ν）で算                    出される係数
ρ：    被評価物密度
で算出し、被評価物の弾性率を評価することを特徴とする（２）又は（３）記載の評価方法。
（５）被評価物は基本的に内部に空間を含まないものであることを特徴とする（１）〜（４）のいずれか一つに記載の評価方法。
（６）被評価物は基本的に内部に空間又は連続空隙が存在するものであることを特徴とする（１）〜（４）のいずれか一つに記載の評価方法。
（７）被評価物は研削砥石であることを特徴とする（１）〜（４）いずれか一つに記載の評価方法。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の方法を用いれば、非破壊にて、被評価物における相対的な密度分布を評価することができ、そしてその結果に基づき、例えば多数の連続空間を備えた多孔質材料の空間部と非空間部の分布とそれに由来する組織状態を評価することができる。それにより、本発明の方法は、さまざまな産業分野の各種製品の出荷検査、品質向上のための評価指針として用いることができ、セラミック産業を始めとする各種産業の発達、特に研削砥石業界への貢献が大である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
超音波探傷を利用して被評価物の評価を行う本発明の実施形態を、図を用いて説明する。ここでは、連続気孔を備えた研削砥石を被評価物の例とする。
【０００９】
超音波探傷は、水中で実施されるのが好適であり、その場合、一般的には水浸式パルス反射法と呼ばれている。図１は、水浸式パルス反射法で本発明を実施するために構築したシステム装置を示している。
【００１０】
この図において、６は被評価物（連続気孔を備えたビトリファイド研削砥石）であり、この被評価物６を水槽８の水中に浸し固定する。この水中には、被評価物６に対向するように、超音波プローブ７が配置されている。被評価物（砥石）６をしばらく静置し、その連続気孔内に水を浸透させる。次に、パソコン等のコンピュータ１の操作により３のコントローラーを制御して、Ｚ軸モーター４及びＲ軸モーター５を始動させ、被評価物６を所定の測定位置につける。この図の装置では、被評価物６を回転させ、プローブ７を上下に移動させているが、それらの位置の制御方法は被評価物の形状等により変更できる。
【００１１】
次に、コンピュータ１の操作により超音波探傷器２を始動させ、プローブ７より超音波９を被評価物６に照射し、被評価物６から反射した超音波をこのプローブ７で感知してその信号を超音波探傷器２に送信し、コンピュータ１にてデジタル変換演算処理して、図２に例示した超音波波形を得る。続いて、コンピュータ１の操作により再びコントローラー３を制御し、Ｚ軸モーター４とＲ軸モーター５を始動させて、被評価物６を次の測定位置につけ、前記と同様に超音波の照射と反射波の処理を行う。更に、この一連の操作を逐次的に繰返し、最終的に評価結果を図３のごとく画像化する。
【００１２】
以下、具体的な演算処理手順を説明する。
図２に例示した、被評価物の１つの測定点について得られた超音波波形から、被評価物に超音波を照射した時間ｔ１と、被評価物から超音波が反射した時間ｔ２を求める。ｔ１は、プローブ７から照射された超音波が被評価物６に到達した時間として検出し、ｔ２は、プローブ７から照射された超音波が被評価物６に到達し、Ｔの被評価物の厚み間を往復した時間として検出する。得られたｔ１、ｔ２の値と、予め測定してコンピュータ１にインプットしておいた被評価物の厚みＴの値から、下式、
Ｖ＝Ｔ／（ｔ２−ｔ１）                            （１）
で音速値Ｖを算出する。この音速値Ｖは、超音波が被評価物６を通過するときの速度を表している。
【００１３】
続いて、上述のように被評価物の一定間隔の測定個所について測定を繰返し、算出された各音速値Ｖをコンピュータで画像処理して、最終的に図３のような分布図を作成する。
【００１４】
図３の分布図を説明すると、濃く表示された部分が音速値の高い部分、薄く表示された部分が音速値の低い部分を表している。音が伝播する物質の密度が高いほど音速値は高くなるので、音速値が高いということは物質の密度が高いことを示す。測定箇所に空間が存在することでそこの密度が低くなると、超音波の伝播速度は遅くなる。従って、被評価物についての超音波の速度値の分布を示す図３から、被評価物における相対的な密度分布を知ることができる。図３は、音速値が高い箇所を濃くし、低い部分を薄くしているが、その逆も可能である。また、このような濃淡表示に替えて、色相の違いにより速度値の分布（すなわち密度分布）を表示することも可能である。
【００１５】
次に、算出された音速値Ｖの平均値Ｖavを使用して、被評価物の弾性率Ｅｐを下記の式により求めることができる。
Ｅｐ＝ｋρＶav2                                     （２）
音速値Ｖの平均値Ｖavは、測定した全ての音速値の算術平均により得られる。そしてこの式のｋは被評価物のポアソン比νより、ｋ＝（１＋ν）（１−２ν）／（１−ν）で算出される係数である。ポアソン比は物質固有の値であり、専門書籍等に記載されている値を使用することができる。また、この式のρは被評価物の密度であり、被評価物の体積と重量から、下式、
ρ＝（被評価物の質量）／（被評価物の体積）          （３）
により求めることができる。
【００１６】
算出された弾性率の値が高いほど、被評価物の密度は高くなる傾向がある。このことから、例えば被評価物が定期的及び連続的に生産され、市場に販売する製品である場合、製品ごとに弾性率を求めることで、製品ごとの密度傾向を評価できる。被評価物が研削砥石の場合は、弾性率が高いと俗に言う「砥石が硬い」という傾向を示し、弾性率が低いとその逆である。本発明による弾性率の評価により、製品砥石ごとでの研削傾向を推定することが可能となり、それにより製品研削砥石の品質管理評価に貢献することができる。
【００１７】
本発明の評価方法における音速値の測定間隔は、自由に変更できるが、最低０．１ｍｍ間隔が望ましい。０．１ｍｍより狭い測定間隔であると、測定間隔の調整が難しく、また図３のように分布を図示する場合わかりにくくなりかねない。被評価物の大きさ、形態等を考慮して、０．１ｍｍ以上の測定間隔を適宜採用することが可能であるが、実用上、より望ましい測定間隔は０．５ｍｍ間隔以上である。測定間隔は、被評価物の大きさ、形態等にもよるが、被評価物における材料の密度分布を見るという目的から、例えば１．５ｍｍ以下とするのが好ましい。
【００１８】
本発明の評価方法は、砥石における相対的密度分布を評価するのに好適に利用することができ、そしてそれに基づき砥石における組織状態を評価することが可能である。以下、そのような砥石について説明する。
【００１９】
砥石の種類を使用する砥粒の種類により大別すると、アルミナ系や炭化ケイ素等の砥粒を使用した砥石（通常「一般砥石」と呼ばれる）と、ＣＢＮ又はダイヤモンド砥粒を含む砥石（通常「ＳＡ砥石」と呼ばれる）に分けられる。最近では、ＳＡ砥石の使用割合が増加している。
【００２０】
ＳＡ砥石は、使用する砥粒が一般砥石で使用されるものより硬質であり、一般砥石と比較して５０〜１００倍の耐久性があると一般的に言われていて、主に精密研削で使用される。しかしながら、ＳＡ砥石で使用するＣＢＮ、ダイヤモンド等の砥粒（ＳＡ砥粒）は、アルミナ系、炭化ケイ素等の砥粒と比較して高価である。そこでＳＡ砥石の場合、ＳＡ砥粒は研削作業を行わない不必要な部分には含まれておらず、例えば１Ａ１タイプの砥石ではＣＢＮ又はダイヤモンド砥粒を含む層は外周３ｍｍ程度である。図４に、１Ａ１タイプの砥石を上から見た図を示す。この図において、１３は研削盤の軸部に装着するための孔であり、１４はＳＡ砥石部を固定する支持体であって、主に金属製又はセラミック製であり、あるいはアルミナ系、炭化ケイ素等の砥粒を使用した一般砥石などが使用され、そして１５がＳＡ砥石部であり、支持体１４の外周に薄い寸法で支持されている。
【００２１】
ＳＡ砥石にプローブ７（図１）から超音波を照射した場合、ＳＡ砥石部を通過した超音波は砥石底面部（図４のＳＡ砥石部１５と支持体１４との界面）より反射し、反射波形がプローブ７に受信される。
【００２２】
ＳＡ砥石部は、リング状の形状（図４に示した形状）である場合と、図５（ａ）及び（ｂ）に示したような、支持体の同じ曲率を持った小さな砥石片（一般的にセグメント砥石と呼ばれている）を支持体１４に貼り付けて１Ａ１砥石を製作する場合がある。
【００２３】
セグメント砥石は、図５（ａ）に示したようにＳＡ砥石部１６のみで構成される場合と、図５（ｂ）に示したように金属製又はセラミック製の、あるいはアルミナ系、炭化ケイ素等の砥粒を使用した一般砥石で構成される、支持体１７に、ＳＡ砥石部１８を装着した形態がある。
【００２４】
ＳＡ砥石では、結合剤としてビトリファイド結合剤、レジノイド結合剤、メタル結合剤、電着結合剤又はろう付け結合剤が使用される。砥石組織としては、砥石内に連続気孔が形成された有気孔タイプ、基本的に気孔がない無気孔タイプ、及び砥粒層が１層のみ形成されるタイプがある。ＳＡ砥石で使用する砥粒、結合剤及び組織は、研削条件等から適宜決められる。
【００２５】
本発明の方法を連続気孔が形成された有気孔タイプの砥石の評価に応用する場合、一般には、気孔体積率が５０％より少なく、連続気孔の１つの気孔径が３００μｍより小さい砥石が評価可能である。
【００２６】
使用する超音波の周波数は、被評価物の気孔有無、気孔体積量に応じて２．５〜２０．０ＭＨｚの間で選択するのが好ましい。被評価物に気孔が存在する場合、気孔率が高い被評価物にはより低い周波数の超音波を使用するのが好ましい。
【００２７】
上述のとおり、ＳＡ砥石で用いられる砥粒は一般砥石で用いられるものより高価であり、且つＳＡ砥石は一般に精密研削に用いられるので、ＳＡ砥石の品質は一般砥石と比べてより重要である。また特に、有気孔タイプの砥石の場合、連続気孔の形成状態は研削性能に大きな影響をもたらすので、できるだけ均一な連続気孔が形成された砥石が望ましい。しかし、これまでは非破壊で被評価物の微小箇所を効率的に測定評価する技術がなく、ＳＡ砥石の品質の改善が進んでいなかった。本発明によれば、特に有気孔タイプの砥石のような被評価物における相対的密度分布（及びそれに対応する組織状態）を視覚的にわかりやすく表示することができるようになり、そのような砥石の今後の品質改善に大きな効果をもたらすことができる。
【実施例】
【００２８】
以下、実施例により本発明を更に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２９】
被評価物として、外径２３０．６ｍｍの炭化ケイ素系ビトリファイド砥石の支持体に接着して外径２５０ｍｍの１Ａ１タイプの砥石を製作するための、図５（ｂ）に示したタイプのセグメント砥石（長さ４２ｍｍ、幅１５ｍｍ、厚み９．７ｍｍで、ＳＡ砥石層の厚さ３ｍｍ）を用意した。このセグメント砥石は、ＣＢＮ８０／１００砥粒と、ホウケイ酸ガラスをベースとするビトリファイド結合剤を使用する有気孔タイプであり、砥粒体積率５２％、結合剤体積率２５．５％、気孔体積率２２．５％の砥石であった。
【００３０】
上記のセグメント砥石を支持体と同じ直径を持った固定治具に固定し、水槽に浸して静置することにより気孔内に水を浸透させた。
【００３１】
周波数５ＭＨｚ、ビーム径１ｍｍの超音波を発する、振動子径０．５インチ（１２．７ｍｍ）の焦点型超音波探傷子を用い、水浸式パルス反射法により、被評価物のセグメント砥石に超音波を照射した時間とセグメント砥石から超音波が反射した時間を、砥石長さ方向に０．５ｍｍ間隔で順次測定し、続いて超音波探傷子を砥石の幅方向に０．５ｍｍずらして、前記と同様に超音波を照射した時間と超音波が反射した時間を、砥石長さ方向に０．５ｍｍ間隔で順次測定した。これを繰り返して、ＳＡ砥石部全体にわたり、砥石セグメントに超音波を照射した時間とセグメント砥石から超音波が反射した時間を、０．５ｍｍ間隔で測定した。
【００３２】
得られた測定値をもとに、コンピュータで上記の式（１）により、砥石セグメント中を伝播した超音波の速度を各測定個所ごとに算出し、結果を画像化して、図６に示した音速分布図を得た。この図において、音速値の高い部分は濃く表示され、それらの部分において評価したセグメント砥石は密度が高いことがわかる。こうして、被評価物のセグメント砥石における相対的な密度分布と、それに対応する組織状態（気孔の分布状態）を、視覚的に確認することができた。
【００３３】
次に、上記の式（２）により被評価物のセグメント砥石の弾性率を求めるため、１５００点の全ての測定個所について算出された音速値の算術平均として、９１０６ｍ／ｓｅｃの値を得た。また、やはり上記の式（２）により被評価物のセグメント砥石の弾性率を求めるため、砥石のポアソン比により算出される係数ｋと密度ρを、次のように決定した。
【００３４】
ポアソン比は、物質のひずみ度合を数値化したものであり、本実施例で使用しているＣＢＮ砥粒とビトリファイド結合剤のひずみ度合を考えると、これらの材料の性質（特に硬さ）から、例えば外力が加わったときには、圧倒的にビトリファイド結合剤にひずみが生じる。従って、ここではＣＢＮ砥粒のひずみは考慮に入れなくてもよいと考えられ、ここでの砥石のポアソン比として、０．２２の値を採用した。このポアソン比０．２２の値は、作花済夫編「ガラスの事典」（朝倉書店、１９８５年９月）の３５０ページの表１に示されたホウケイ酸ガラス（ビトリファイド結合剤の主成分）のポアソン比０．２０〜０．２４の中心値を採用したものである。そしてこのポアソン比ν＝０．２２の値から、ｋ＝（１＋ν）（１−２ν）／（１−ν）の式により、ｋ≒０．９の値を得た。
【００３５】
砥石の密度ρは、砥石の質量と体積、及び砥石中におけるＣＢＮ砥粒とビトリファイド結合剤の体積率から計算して、ρ＝２．３５ｇ／ｃｍ3の値を採用した。
【００３６】
これらの値を使って、上記の式（２）により、評価したセグメント砥石の弾性率Ｅｐの値として、Ｅｐ＝１７５ＧＰａが得られた。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明で使用する超音波探傷による評価システム装置の概略図である。
【図２】本発明の方法を使用して得られる超音波波形の例を示す図である。
【図３】本発明の方法により得られる被評価物の画像化した相対的な密度分布を示す図である。
【図４】本発明の方法で評価する１Ａ１タイプのＳＡ砥石を説明する図である。
【図５】ＳＡ砥石で使用するセグメント砥石を説明する図である。
【図６】実施例で測定したセグメント砥石における音速の分布図である。
【符号の説明】
【００３８】
１    コンピュータ
２    超音波探傷器
３    コントローラー
４    Ｚ軸モーター
５    Ｒ軸モーター
６    被評価物
７    プローブ
８    水槽
９    超音波
１３    軸装着用の孔
１４    支持体部
１５    ＳＡ砥石層
１６    セグメント砥石
１７    セグメント砥石の支持体層
１８    セグメント砥石のＳＡ砥石層
【図１】
2006010493.tif 000002
【図２】
2006010493.tif 000003
【図４】
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【図５】
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【図３】
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【図６】
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