(57)【要約】【課題】超音波探触子を用いて膜厚測定を行う際に使用される較正曲線データを精度よくかつ簡単に得ることができる膜厚測定のための膜厚較正曲線の取得方法を提供する。【解決手段】超音波探触子を用いて、第１面と第２面の間に形成される膜形成部の膜厚を測定するときに使用される較正曲線を取得する方法であって、異なる膜厚について夫々、膜形成部からの反射波であるエコー高さ信号を超音波探触子により受信するステップと、エコー高さ信号を標準化したエコー高さ比を演算するステップと、予め設定された第１膜厚値と第２膜厚値の間における前記エコー高さ比の変化割合を演算するステップと、この変化割合と膜厚値の関係を較正曲線として取得するステップとを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波探触子を用いて、第１面と第２面の間に形成される膜形成部の膜厚を測定するときに使用される較正曲線を取得する方法であって、
異なる膜厚について夫々、膜形成部からの反射波であるエコー高さ信号を超音波探触子により受信するステップと、
エコー高さ信号を標準化したエコー高さ比を演算するステップと、
予め設定された第１膜厚値と第２膜厚値の間における前記エコー高さ比の変化割合を演算するステップと、
この変化割合と膜厚値の関係を較正曲線として取得するステップとを有することを特徴とする膜厚較正曲線の取得方法。
【請求項２】
較正曲線を多項式として求めるステップを有することを特徴とする請求項１に記載の膜厚較正曲線の取得方法。
【請求項３】
前記較正曲線を取得するときに、膜厚値を設定変更する機構を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の膜厚較正曲線の取得方法。
【請求項４】
前記較正曲線を取得するときの膜厚値は、基準超音波探触子により測定されるエコー高さ信号から理論式に基づいて演算されるものであって、
前記基準超音波探触子は、膜形成部の特定領域に焦点を結ぶように超音波を照射するものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の膜厚較正曲線の取得方法。
【請求項５】
前記基準超音波探触子は、第１面を有する第１物質に、カプラントを介して取り付けられることを特徴とする請求項４に記載の膜厚較正曲線の取得方法。
【請求項６】
第１面と第２面は夫々、シリンダとピストンリングの間に形成される摺動面であり、前記基準超音波探触子は、シリンダ側に取り付けられると共に、超音波探触子は、ピストンリング側に取り付けられるものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の膜厚較正曲線の取得方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波探触子を用いて、第１面と第２面の間に形成される膜形成部の膜厚を測定するときに使用される較正曲線を取得する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
かかる膜の例として、ピストンリングとシリンダ間に形成される潤滑油膜があげられる。例えば、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等に使用されるピストンリングの表面には、用途に合った各種の潤滑油膜が形成される。かかる油膜の潤滑特性を評価する項目の例として、油膜形成状態の良否を調べるために油膜厚さを測定する方法がある。
【０００３】
ピストンリングとシリンダ間に形成される油膜厚さの測定方法としては、レーザー法や誘起蛍光法が広く知られているが、シリンダの材料として透光性の材料を用いる必要があるという問題がある。
【０００４】
また、静電容量法や渦電流法は、ピストンリングに孔を開けてセンサーを取り付けて、電極の周囲を絶縁体で覆う必要がある。しかし、ピストンリングに孔を開けると歪が生じるという問題がある。また、ピストンリングの材質と異なるものが表面に現れるため、センサーの取り付けにより潤滑状態が影響を受けてしまうことが考えられる。従って、正確な評価を行なうことができない。
【０００５】
そこで、本願発明者は、超音波探触子を用いた膜測定技術を開発し、超音波探触子を用いて膜形成部に超音波を照射し、膜形成部からの反射波（エコー高さ信号）に基づいて種々の潤滑面や塗布面における膜厚を測定する方法を開発した。その測定原理について、ピストンリングとシリンダ間に形成される潤滑油膜を測定する場合を例にあげて、簡単に説明する。
【０００６】
まず、シリンダ（第１面を有する）あるいはピストンリング（第２面を有する）の背面側に油膜厚さを測定するための超音波探触子を取り付ける。この超音波探触子による測定原理を図１により説明する。図１において、シリンダ１とピストンリング２の間に油膜が形成され、油膜厚さが符号Ｌで示されている。仮に、ピストンリング２の背面側に超音波探触子を取り付けると、この探触子から照射された超音波（入射波）は、図１に示すようにシリンダ１とピストンリング２の境界に向けて進行する。入射波は、その一部がピストンリング２と油膜の境界２ａで反射すると共に、残りの一部は境界２ａを透過して油膜部分を通過し、シリンダ１の表面（シリンダ１と油膜の境界１ａ）に到達する。この境界１ａにおいて、一部は反射し、残りは透過してシリンダ１内へ進行する。境界１ａで反射した超音波は、再び境界２ａに到達し、境界２ａでの反射と透過が再び行われる。このように、油膜中において超音波の多重反射が生じる。この油膜厚さが、照射する超音波のパルス幅に比べて薄い場合には、境界２ａでの反射波と油膜内での多重反射波は分離せずに干渉しあうため、シリンダ１とピストンリング２の境界からの反射波の振幅（反射エコー高さ）は、油膜厚さに応じて変化することになる。これが、超音波探触子を用いた場合の、油膜厚さの測定原理である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上のように、超音波探触子を用いた場合に得られるエコー高さ信号と、膜厚の間には密接な関係が存在するため、エコー高さ信号を取得することで膜厚を一意的に定めることができると考えられる。また、エコー高さと膜厚との間には、膜が形成される第１面と第２面が平行な鏡面であると仮定すれば、理論式（詳しくは後述）が成立するため、エコー高さを取得することで膜厚値を演算することが可能である。
【０００８】
しかしながら、上記第１面と第２面が平行な鏡面であるケースは少なく、理論式を用いることができない場合も多い。例えば、前述のシリンダとピストンリングの例を挙げると、ピストンリングの表面にクラウニングが施されており、無条件で理論式を使用することはできない。また、第１面や第２面に表面粗さが存在する場合、超音波探触子を接着剤などで取り付ける場合も同様である。接着剤を用いると、その接着領域における超音波の多重反射が生じるため、理論式が成立しなくなる。
【０００９】
従って、実際にはエコー高さ信号と膜厚との関係を較正曲線として予め取得しておく必要がある。ただし、同じ膜厚であったとしても、環境温度の違いや超音波探触子の取り付け状態の違いなどによりエコー高さの大きさは変化するものと考えられる。この場合、例えば、環境温度の設定を変えながら、夫々の環境温度についての較正曲線を求めることは、非常に多くの時間を要するため効率が悪い。
【００１０】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、超音波探触子を用いて膜厚測定を行う際に使用される較正曲線を簡単に得ることができる膜厚較正曲線の取得方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため本発明に係る膜厚測定のための膜厚較正曲線の取得方法は、
超音波探触子を用いて、第１面と第２面の間に形成される膜形成部の膜厚を測定するときに使用される較正曲線を取得する方法であって、
異なる膜厚について夫々、膜形成部からの反射波であるエコー高さ信号を超音波探触子により受信するステップと、
エコー高さ信号を標準化したエコー高さ比を演算するステップと、
予め設定された第１膜厚値と第２膜厚値の間における前記エコー高さ比の変化割合を演算するステップと、
この変化割合と膜厚値の関係を較正曲線として取得するステップとを有することを特徴とするものである。
【００１２】
この構成による膜厚較正曲線の取得方法の作用・効果を説明する。測定対象となるのは、第１面と第２面の間に形成される膜厚であり、例えば、シリンダ（第１面を有する）とピストンリング（第２面を有する）等の摺動面の間に形成される潤滑膜で例としてあげられる。また、第１面の上に形成される塗膜の厚さを測定する場合も含まれる。この場合、塗膜の表面と空気との境界が第２面に相当する。本発明にかかる膜厚測定はこれらの例に限定されるものではなく、種々の膜厚測定に適用できるものである。
【００１３】
まず、異なる膜厚について夫々エコー高さ信号を超音波探触子により受信する。例えば、膜厚を０μｍ、５μｍ、１０μｍ、１５μｍに設定し、夫々の膜厚についてエコー高さを取得する。この場合、膜厚を何段階に設定するかについては、適宜決めることができ、少なくとも２段階であればよい。次に、得られたエコー高さ信号を標準化したエコー高さ比Hを演算する。ここでエコー高さ比H＝ｈ／ｈ0（あるいは１−ｈ／ｈ0）であり、ｈは測定されたエコー高さを表している。ｈ0は基準となるエコー高さであり、例えば、超音波探触子から照射された超音波が膜内へ透過せず、界面で反射した場合のエコー高さを用いることができる。これにより、エコー高さ比と膜厚の相関関係を取得できる。なお、エコー高さ比は割合で表してもよいし、％で表してもよい。
【００１４】
なお、膜厚値の設定については、マイクロメータにより設定するか、理論式が成立する条件を設定して、エコー高さ信号から理論的に膜厚値を演算して設定してもよい。
【００１５】
ついで、このエコー高さ比を用いて予め設定された第１膜厚値と第２膜厚値の間におけるエコー高さ比の変化割合を演算する。例えば、第１膜厚値０μｍにおけるエコー高さ比H0、第２膜厚値１０μｍにおけるエコー高さ比H20であるとして、（H―H0）／（Ｈ20−Ｈ0）を求める。詳しくは後述するが、本願発明者は、かかる変化割合と膜厚値との関係は、環境温度や超音波探触子の取り付け状態等が変化したとしても、ほぼ同じ関係式が成立することを見出した。従って、較正曲線として、上記の変化割合と膜厚値との関係を求めるようにすれば、較正曲線を取得する手間を大幅に削減することができる。その結果、超音波探触子を用いて膜厚測定を行う際に使用される較正曲線を簡単に得ることができる膜厚較正曲線の取得方法を提供することができる。
【００１６】
本発明において、較正曲線を多項式として求めるステップを有することが好ましい。
【００１７】
上記のように取得された較正曲線（変化割合と膜厚値の関係）を多項式で表すことで、較正作業における取り扱いも容易となる。
【００１８】
本発明において、前記較正曲線を取得するときに、膜厚値を設定変更する機構を有することが好ましい。
【００１９】
例えば、マイクロメータヘッドを用いることで、μｍ単位の膜厚設定を精度よく行うことができる。あるいは、予め所定の深さの溝や凹部を形成しておくことで膜厚値を設定してもよい。
【００２０】
本発明において、前記較正曲線を取得するときの膜厚値は、基準超音波探触子により測定されるエコー高さ信号から理論式に基づいて演算されるものであって、
前記基準超音波探触子は、膜形成部の測定領域に焦点を結ぶように超音波を照射するものであることが好ましい。
【００２１】
かかる基準超音波探触子としては、超音波照射面に音響レンズが設けられたもの（例えば、ドーム型の内面にＰＶＤＦ（薄いピエゾ電子プラスティックフィルムを使った高分子圧電素子）を貼り付けたもの）を使用することができ、超音波の照射領域が拡散していくのを防止して、膜形成部の狭い領域に超音波が収束する（焦点を結ぶ）ようにすることができる。かかる狭い領域においては、第１面と第２面が平行な鏡面と見なすことができ、受信したエコー高さの大きさから膜厚値を理論式に基づいて演算することができる。
【００２２】
本発明に係る基準超音波探触子は、第１面を有する第１物質に、カプラントを介して取り付けられることが好ましい。
【００２３】
カプラント（水、油、グリセリン等）を介して基準超音波探触子を取り付けることで次のような利点が生じる。すなわち、カプラントを温度制御する構成を採用することができるため、周囲の環境温度の変化の影響を受けないようにできる。超音波探触子を接着剤で取り付けると、接着層における超音波の多重反射の影響が生じるが、カプラントを用いることで、多重反射の影響をなくすことができる。
【００２４】
超音波探触子で反射波を受信して超音波探傷器で解析をする際に、いわゆる追い込み領域の問題がある。図２Ａにこれを示すが、超音波を照射してから所定の時間内は追い込み領域と呼ばれ、受信信号が安定しない領域がある。これは、超音波探傷器の特性に依存するものであり、この追い込み領域内に反射波を受信すると、測定誤差を生じる要因となる。そこで、上記のようなカプラントを用いることで、照射した超音波が反射して戻ってくるまでの距離を長くとることができ、追い込み領域を避けた状態での解析を行なうことができる。以上のように、カプラントを用いることで、精度のよい膜厚測定を行うことができる。
【００２５】
本発明において、第１面と第２面は夫々、シリンダとピストンリングの間に形成される摺動面であり、前記基準超音波探触子は、シリンダ側に取り付けられると共に、超音波探触子は、ピストンリング側に取り付けられるものであることが好ましい。
【００２６】
シリンダとピストンリングの間の潤滑油膜の測定を行う場合、超音波探触子の取り付けをシリンダ側で行うことは制約があることが多く、実際にはピストンリング側に取り付けることになる。ただし、ピストンリングは幅寸法が小さく、カプラントを介しての超音波探触子の取り付けは困難である。一方、較正を行なうために擬似的なシリンダ（較正用シリンダ）を製作し、これに基準超音波探触子を取り付けることができる。そこで、膜厚値の測定は基準超音波探触子により行い、較正曲線の取得はピストンリング側の超音波探触子により行うようにする。この際、シリンダ側の基準超音波探触子から得られたデータとピストンリング側の超音波探触子から得られたデータ（両者は取り付け状態等の違いにより、同じ膜厚であっても得られるエコー高さは異なる）との対応付けを行なうことで、精度のよい較正曲線を取得することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明に係る膜厚測定のための膜厚較正曲線の取得方法の好適な実施形態を図面を用いて説明する。図３は、油膜厚さ測定システムの概要を示す模式図である。なお図３は、測定実験を行うためのシステムを示している。
【００２８】
＜測定システムの構成＞
＜油膜厚さ測定システムの概要＞
シリンダ１の内面を上下摺動するピストン３にピストンリング２が取り付けられており、ピストンリング２とシリンダ１の間に油膜が形成される。実験では、ピストン３を上下させるのではなく、シリンダ２をリニアモータ５により上下駆動させた。
【００２９】
シリンダ１の下方に油槽４が設けられ、油槽に溜められている潤滑油はポンプＰにより吸引され、ピストン軸６の上方から潤滑油が供給される。ピストン軸６は、ピストン３と一体的に結合されており、止め具７により固定される。ピストン軸６の内部に形成された通路６ａを潤滑油が通過するように構成され、ピストン３に設けられた油路８により、シリンダ１（第１面を有する）とピストンリング２（第２面を有する）の間の隙間に潤滑油を供給する。
【００３０】
ピストンリング２の背面側には、油膜厚さを計測するためのセンサーとして超音波探触子９が取り付けられている。超音波探触子９の配線１０は、超音波探傷器１１に接続され、モニター１２により油膜厚さの計測結果を観測することができる。
【００３１】
超音波探傷器１１には、超音波探触子９が受信した反射波信号を受信してこれを解析し、油膜厚さの測定を行う機能を有する。超音波探傷器１１による油膜厚さの測定原理については、既に図１により説明したとおりである。また、図２に示すように、油膜厚さの測定に際して、第１反射波の信号（正半波Ｓｎ、負半波Ｓｐ、あるいは全波Ｓ）を用いて油膜厚さの測定を行うことで、正確な測定を行うようにしている。すなわち、反射波の初期周期分を抽出する初期周期分抽出手段の機能と、抽出された初期成分に基づいて、油膜厚さの測定を行う油膜測定手段の機能を備えている。
【００３２】
図３に示すのは、ピストンリング２に超音波探触子９を配置してシリンダ１を移動する実施形態であるが、ピストンリング２に超音波探触子９を配置する場合には、シリンダを移動させて測定する場合とピストンを移動させて測定する方法がある。
【００３３】
なお、膜厚を測定するときに超音波を用いた場合の測定原理については、既に説明した通りであるが、超音波探触子９により測定される反射波信号（エコー高さ信号）から膜厚を求めるときの、理論式は次式（１）により示される。ただし、この理論式は次のような条件下で成立する式である。すなわち、第１面と第２面が平行な鏡面である場合に成立する。また、表面粗さを有する場合や、表面が曲率を有する場合にも成立せず、その場合には平均膜厚が演算される。さらに、超音波探傷器１１の追い込み領域を使用していないことが前提となる。
ｈ＝（Ｚ12−Ｚ21）／｛４ｃｏｔ2(ＫＬ)＋(Ｚ12＋Ｚ21)2｝1/2・・・（１）
ここで、Ｚ12＝Ｚ1／Ｚ2  、Ｚ21＝Ｚ2／Ｚ1、Ｋ＝２π／λ2
Ｚ1は図１に示すようにシリンダ１及びピストンリング２の音響インピーダンス（シリンダとピストンリングは同じ材質と仮定している。）、Ｚ2は油膜の音響インピーダンスである。また、λ2は油中における超音波の波長である。
【００３４】
式（１）において、膜厚Ｌとエコー高さｈの関係は、図４に示すようになる。超音波探触子により観測されるエコー高さｈに対して一意的に膜厚が定まるのは、Ｌ＜λ／４（λは超音波の油中における波長）の領域である。図４に示すように、干渉の影響で周期的に同じ波形が繰り返されるため、Ｌ１点以下の領域が一意的に膜厚が定まる領域である。
【００３５】
例えば、２ＭＨｚの超音波の場合、油中波長は約７００μｍであるため、１７５μｍよりも薄い膜厚の測定が可能である。ただし、実際にはＬに対するｈの変化が顕著であるのは、Ｌ＜λ／８であるから、測定可能な範囲は実質的にはこの範囲となる（図４に斜線で示す）。この場合、測定可能な領域は、約９０μｍ以下となる。
【００３６】
上記式（１）は、膜が形成される領域が平行な２面（鏡面）で挟まれていることが前提となっている。従って、平行な２面で膜形成部が挟まれないようなケースでは、式（１）により膜厚を理論的に求めることができない。例えば、上記のシリンダとピストンリングの場合は、ピストンリングの表面にクラウニングが施されることがあり、表面が曲面に形成される。従って、ピストンリングの中央部から端部にいくにつれて膜厚が厚くなるような膜形成部が形成される。この場合、式（１）により計算できるのはほぼ平均膜厚となる。
【００３７】
一方、一般的な超音波探触子９の特性から照射される超音波の領域は、超音波探触子９から離れるにつれて拡大する傾向にある。従って、膜形成部における超音波の照射領域も広がり、膜厚の薄い領域と厚い領域を含む広範囲な領域に超音波が照射されることになり、上記理論式（１）を用いてエコー高さ信号から膜厚を求めることは測定精度の面からも問題がある。そこで、予め較正を行いエコー高さ信号と膜厚の正確な関係（較正曲線）を求めておく必要がある。このような較正曲線を求めるときの方法について、以下説明する。
【００３８】
＜較正方法１＞
図５は、較正を行なうときのシステム構成例を示す図である。ピストンリング２のみを取り出して、リング取り付け治具３０に固定ピン３１により固定する。ピストンリング２の下方に、油槽３２を配置し、この油槽３２に形成された円弧面３２ａ（シリンダ内径よりもやや大きな半径を有する）とを対向させて配置する。油槽３２内には、潤滑油が充填されており、ピストンリング２の外面と円弧面３２ａの間には厚さＬの油膜が形成される。この円弧面３２ａは、シリンダ１と同程度の表面粗さが形成されている。油膜厚さを測定する箇所には、ピストンリング２の内面側に超音波探触子９が配置される。この超音波探触子９は配線１０により、超音波探傷器１１に接続されている。
【００３９】
油槽３２の円弧面３２ａの中央部における油層３２の厚さＭ（図５参照）は、実際のシリンダ１の壁の厚さと同じように設定されている。また、油槽３２はシリンダ１と同じ材質により形成されている。これにより、実際の構造をシミュレートすることができる。
【００４０】
油槽３２の下部には、ロードセル３３と、これを支持するロードセル支持部材３４が設けられている。ロードセル支持部材３４は、マイクロメータ３５と連結されており、マイクロメータ３５を操作することで、膜厚を変化させることができる。マイクロメータ３５としては、１μｍ単位で膜厚を変動可能に調整できるものが好ましい。ロードセル３３を設けているため、膜厚が０になったこと（固体接触が始まったこと）を検出することができる。
【００４１】
リング取り付け治具３０は、３軸方向に夫々独立して微動することができるため、ピストンリング２と油槽底面との当たりを調整することができる。また、油層３２を移動しながら、超音波探触子９によりエコー高さ信号を受信して膜厚解析をすることができる。すなわち、マイクロメータ３５により油槽３２を上下させて膜厚を調整しながらエコー高さを得ることで、膜厚とエコー高さの関係（較正曲線）を求めておくことができる。なお，油層３２を移動するのに代えてピストンリング２を移動させても良い。
【００４２】
＜較正方法２＞
次に、異なる較正方法について説明する。較正を行う場合に、複数の超音波探触子を用いて、各超音波探触子からのエコー高さ信号を用いて較正を行うことがある。例えば、ピストンリング２の内側に複数の超音波探触子を配置する場合である。
【００４３】
かかる場合に、各探触子により得られる較正曲線が一致しないことがある。その理由としては、超音波探触子の取り付け状態の誤差、ピストンリング表面のクラウニングや表面粗さの違い、超音波探傷器の追い込み領域の使用、環境温度の違い等である。
【００４４】
図６に、ピストンリング２の背面側に超音波探触子９を取り付けた例を示している。ピストンリング２には、図示のように表面２ｄにクラウニングが施されることがある。この場合は、油膜厚さは場所によって異なることになる。このクラウニング部の表面粗さの状態は場所により異なっており、得られるエコー高さも超音波探触子９が取り付けられる場所により異なる。
【００４５】
また、超音波探触子９は接着剤１５を介して取り付けられるが、入射波や反射波はこの接着層においても超音波が多重反射するため、接着層の厚さばらつきにより受信されるエコー高さも超音波探触子ごとに異なってくる。
【００４６】
さらに、図２Ａにおいて例示したように、追い込み領域を有しており、この領域はいわゆる不感帯であり、超音波探傷器１１のみを動作させた場合でも検出される領域である。従って、この追い込み領域においては上記理論式（１）は成立せず、この領域を使用しなくてもすむ超音波探触子９の取り付け構造を採用する必要がある。
【００４７】
上記の問題を解決する方法として、図７に示すように、シリンダ１の外側に、膜形成部において超音波が焦点を結ぶように超音波探触子を取り付ける。このような超音波探触子９を設けることで、前述のように、照射領域を限定することができ、前述のような膜厚が変動する領域が存在していたとしても、照射領域に関しては膜厚が一定であると見なすことができ、理論式（１）の適用が可能になる。
【００４８】
また、超音波探触子９をカプラントＣ（水、油、グリセリン等）を介して取り付けることで、超音波探触子９から照射される超音波は、カプラントＣを伝わりシリンダ１に進入し、膜形成部に到達する。図７のような取り付け構造だと、取り付け部における超音波の多重反射が生じない。超音波探触子９を接着剤により取り付ける場合は、接着層における超音波の多重反射が生じるため、測定精度に対して影響を及ぼすことがある。
【００４９】
図７に示すように支持体４０には水（以下、カプラントとして水を使用した例について説明する）入口部４０ａと水出口部４０ｂが設けられ、タンク４５及びポンプ４４を介して水を循環させる。この際に、水の温調機構を設けることで、水の温度を一定に保持するように制御する。従って、支持体４０内の水温を一定にできるため、温度の影響をなくすことができる。
【００５０】
さらに、シリンダ１側から測定を行う場合には、シリンダ１の厚みがピストンリング２の厚みよりも厚く、カプラントを介して超音波探触子９を取り付けることで伝播距離をかせぐことができ、より確実に、前述の追い込み領域を避けた計測を行なうことができる。従って、膜厚とエコー高さの関係を確実に保証することができる。従って、前述の理論式（１）をそのまま適用できる状態を作り出せることから、エコー高さ信号から直接膜厚を求めることができる。
【００５１】
このように、水浸型の基準超音波探触子９を用いることで、ピストンリング２の先端（通常は、ピストンリング幅の中央）の油膜厚さを理論式に基づいて測定できる。図５において説明したマイクロメータを使用した較正方法においても、膜厚を制御できるのは、クラウニングの頂点のみであるから、この点において両者は同じである。
【００５２】
このように、シリンダ１側に超音波探触子９を配置することで、理論式（１）により膜厚を測定できるが、実際には、ピストンリング２内に超音波探触子９により膜厚測定を行う必要がある。シリンダ１は実際にはシリンダブロックの中に埋め込まれており、実際の測定はピストンリング２の背面に超音波探触子９を取り付けることになる。図示したように較正装置で膜厚の較正曲線を求める場合には、較正用のシリンダ１を用いてシリンダ１側から基準超音波探触子を用いて較正を行う。
【００５３】
図７に示すように同じ油膜をシリンダ１の外側にある超音波探触子９で測定した場合と、ピストンリング２の内側にある超音波探触子９ｉで測定した場合、クラウニング等の影響により、一般的には、内側の超音波探触子９ｉのほうがエコー高さが高くなるように観測される(図８参照)。
【００５４】
従って、較正を行うに際しては、まず、水浸型の超音波探触子９のエコー高さにより理論式により求めた膜厚Ｌと、その膜厚Ｌでのリング側の超音波探触子９ｉのエコー高さｈの関係を求めることで行う。
【００５５】
前述のように、水浸型の超音波探触子９の場合はカプラントも温度調整を行っており、シリンダ１とピストンリング２間の油膜形成部において温度変化があったとしても、カプラント中や鋼中における音速があまり変化しないため、観測されるエコー高さｈは、ほとんど温度の影響を受けない。そのため、そのエコー高さｈから求められた膜厚Ｌは温度に依存しない確かな膜厚データとして扱うことができる。
【００５６】
一方、ピストンリング２側の超音波探触子９ｉは、主として高分子材による接着層における音速が温度に強く影響されるため、図９に示すように、同じ膜厚Ｌでもエコー高さｈは温度によって異なる。しかし、各温度での較正曲線を計測しておくことにより、別途温度を測定しておけば、正確な膜厚測定を行うことができる。
【００５７】
図５においてマイクロメータを用いて膜厚を変化させる構成を説明した。この場合、マイクロメータにより実際に想定したとおりの膜厚になっているのかどうかを確認する方法として、基準超音波探触子を用いる方法がある。すなわち、図５において図番３４ａで示す空間（油層の底面部）にカプラントを充填すると共に基準超音波探触子を設置する。かかる基準超音波探触子を利用することで更に測定精度を上げることができる。
【００５８】
＜較正装置＞
図１０は、実際に較正を行うための装置較正例を示す図である。シリンダ１の外側には、焦点型の基準超音波探触子９が支持体４０に取り付けられており、支持体の内部には水等のカプラントが充填される。支持体４０には、カプラントの出入り口４０ａが設けられる。支持体４０とシリンダ１の表面の間、支持体４０と超音波探触子９の取り付け部周囲にはＯリング４１が嵌め込まれる。
【００５９】
ピストンリング２の背面側内周には複数の超音波探触子９ｉが取り付けられており、各超音波探触子９に対して較正が必要である。まず、ピストンリング２を上下方向に微動させて、ピストンリング２の幅中央部が基準超音波探触子９の焦点に（音軸上に）来るように調整する。そして、図１０に示すように、スラスト軸受４２を用いることで、水浸型超音波探触子９を含むユニット全体を回転させることで、円周方向にある複数の超音波探触子９ｉの較正を行うことができる。ただし、ユニットを回転させる場合は、ピストンリング２が回転をしないような措置を講じておく。
【００６０】
超音波探触子９ｉにより膜厚とエコー高さの関係を表す較正曲線データを取得するためには、膜厚を変化させることが必要である。
【００６１】
膜厚を変化させる方法の一例を図１１に示す。図１１に示すように、シリンダ１の軸方向にを深さΔ、幅ｂの溝を形成する。溝の深さΔを変えたものを例えば１０種類程度円周方向に形成して、各溝位置において較正を行う。幅ｂの寸法は、超音波探触子９ｉの幅の１．５倍程度にしておけば、超音波の照射領域をカバーすることができる。
【００６２】
図１０に示す較正装置に図１１に示す溝を形成して較正を行う場合の手順を説明する。まず最初にピストンリング２を微動させて基準超音波探触子９と超音波探触子９ｉの音軸調整を行う（前述のとおり）。ピストンリング２側に仮に５つの超音波探触子９ｉが取り付けられている場合、順次ピストンリング２のみを回転しつつ、５つの超音波探触子９ｉについて夫々較正を行う。それが終わると、シリンダ１に形成された別の溝の位置に基準超音波探触子９ｉを移動させる。この位置で同様に音軸調整を行い、各超音波探触子９ｉについての較正を行う。以下は、同様の手順を繰り返せばよい。
【００６３】
図１１に示す方法に代えて、軸方向にシリンダ１あるいは超音波探触子９ユニットを移動させるようにし、軸方向に傾斜した溝を形成しても良い。
【００６４】
図１２に膜厚を変化させる更に別の方法を示す。図示するように、同じように水浸型の超音波探触子９を用いると共に、シリンダ１の外方からマイクロメータヘッド４３の先端によりピストンリング２を押圧して、ピストンリング２を変形させる。これにより、測定箇所における油膜厚さを変化させることができる。油膜厚さの変化分は数十μｍ程度でよいため、かかる方法により十分な膜厚変化を得ることができる。
【００６５】
図１２の方法の場合、ピストンリング２側の複数の超音波探触子９ｉの較正を行うためには、ある超音波探触子９ｉについての較正が終了すると、ピストンリング２を回転させて基準超音波探触子９と音軸を合わせるようにし、前述の手順を繰り返す。この方法によれば、基準超音波探触子９は移動させなくてもよい。
【００６６】
上記において、マイクロメータヘッド４３による接触開始点は、双方の超音波探触子９のエコー高さ変動から確認することができる。また、膜厚さは基準となる水浸型の超音波探触子９から求めることができるので、マイクロメータヘッド４３による押圧量と膜厚変化量の関係は、特に知らなくても問題はない。
【００６７】
図１２Ａは、膜厚を変化させる場合の別の構成例を示す図である。図示するようにシリンダ１の壁面の一部をカットし移動ブロック６０を挿入する。この移動ブロック６０は、マイクロメータヘッド６１により矢印方向に移動させることができる。これにより、膜厚を設定変更することができる。
【００６８】
膜厚の較正を行う場合、前述のように、マイクロメータヘッド等による細かな膜厚の調整が必要となる。しかし、多くの超音波探触子９を使用した場合や、温度変化も含めて較正を行おうとすると、非常に多くの時間が必要となる。従って、より効率良く較正を行う方法が必要となる。
【００６９】
較正曲線は使用する超音波探触子９の種類や構造により異なり、同じ超音波探触子９であったとしても取り付け状態や環境温度によって異なってくる。
【００７０】
例えば、図１３はピストンリング２内の円周方向の３箇所に超音波探触子を設置した場合の較正曲線を示しており、大きく異なっていることがわかる。このグラフにおいて縦軸は膜厚μｍであり横軸はエコー高さ比Ｈである。エコー高さ比Ｈは、
Ｈ＝ｈ／ｈ0×１００％
で表され、ｈは実際に観測されるエコー高さ、ｈ0はピストンリングと油層が空気層により分離されている状態（乾燥状態であり、超音波は境界部においてほぼ１００％反射する状態）でのエコー高さである。
【００７１】
図１４は、ピストンリング２に取り付けた１個の超音波探触子９ｉについて求めた較正曲線であり、２５℃から４０℃まで５℃間隔で較正曲線を求めたものである。この図からも温度変化により較正曲線が大きく変化することがわかる。
【００７２】
図１４Ａは、ピストンリング２の背面に貼り付けた超音波探触子で測定した乾燥時（界面が空気層）におけるエコー高さｈ0の温度による影響を示すグラフである。温度はグラフに示すように、２５℃→４０℃→０℃→４０℃→２５℃と変化させた。これは、超音波探触子のピストンリングへの接着剤による貼り付け部や、探触子前面板への振動素子の接着部での、超音波の多重反射や音速変化の影響が現れるためであり、予め予測することは困難である。従って、このような観点からも膜厚値とエコー高さの関係を示す理論式（１）から膜厚値を推定することはできず、較正が欠かせないことになる。
【００７３】
この較正曲線の差を概念的に表したものが図１５（ａ）である。ここには異なる条件下で得られた２つの較正曲線（Ａ）（Ｂ）が示されており、グラフの縦軸は膜厚Ｌ、横軸はエコー高さ比Ｈである。較正曲線（Ａ）の両端のポイントをＨC1，HL1とし、較正曲線（Ｂ）の両端のポイントをＨC2，ＨL2とする。なお、HL1，ＨL2は、ある特定の膜厚における座標であり、必要とされる膜厚の範囲を考慮して（例えば、０〜２０μｍ）決めることができる。
【００７４】
次に、較正曲線（Ａ）（Ｂ）の横軸を夫々、
（Ｈ−ＨC1）／（HL1−ＨC1），（Ｈ−ＨC2）／（ＨL2−ＨC2）
に変換したものが図１５（ｂ）に示されており、このような変換を行うことで、２つの較正曲線がほぼ１つにまとまることを見出した。これを説明の便宜上、「補正較正曲線」と称することにする。この補正較正曲線の横軸は、設定した膜厚範囲内におけるエコー高さ比の変化割合（％）を表していることになる。このように、補正較正曲線を用いることで、温度変化等にかかわらず、同じような結果を得ることができ、較正を行う際の作業を効率良く行うことが期待できる。
【００７５】
図１６は、接触時における膜厚ＨCと、ある膜厚ＨLを用いて実際に得られた補正較正曲線を示している。なお、このグラフでは横軸が膜厚、縦軸が（Ｈ−ＨC）／（ＨL−ＨC）となっている。グループＡとグループＢは別の型番の超音波探触子により測定したものであり異なった結果が得られているが、例えばグループＡ内（同じ型番）においては個体が異なっても同じような結果が得られている。すなわち、同一のピストンリングに同型の超音波探触子を取り付けた場合、補正較正曲線は１つに表すことができる。
【００７６】
図１６は０〜２０μｍの間における補正較正曲線であるが、図１７は０〜８μｍの間における補正較正曲線を示している。ここには全部で５通りの補正較正曲線が示されており、０〜８μｍの間では、これらの曲線はほぼ一致していると見なすことが可能である。
【００７７】
図１８は、同じ超音波探触子を使用して環境温度を変化させた場合、なじみ前となじみ後、混合潤滑時における同じ曲線を示すグラフである。この場合も膜厚と変化割合（Ｈ−ＨC）／（ＨL−ＨC）の関係は、条件の違いにかかわらずほぼ一致していることが分かる。
【００７８】
そこで、膜厚Ｌとエコー高さｈの関係を表す理論式（１）において、反射波の中心周波数近傍で油中波長λ2を調整すると、図１７や図１８の太線に示すように、較正作業で得られた補正較正曲線とほぼ一致する曲線（理論曲線）が得られる。このλ2の値は、超音波探触子の種類が決まれば決定される値であり、同じ型の超音波探触子では固体差はほとんど存在しない。例えば、λ2の影響は図１９に示すように表され、短波長と長波長とでは大きく異なった結果となっている。
【００７９】
以上述べてきたことから、膜厚測定の手順は次のようにして行う。なお、シリンダ１とピストンリング２の材質は同じものとして考える。
【００８０】
まず使用する超音波探触子で、先に説明したλ2を決定する。そのために、周囲の温度は室温のまま、何らかの較正方法を用いて、膜厚とエコー高さ（エコー高さ比）の関係を多数の膜厚値について１回だけ求める。この場合は膜厚を細かく調整する必要がある。これを図２０（ａ）に示す。
【００８１】
次に、膜厚Ｌにより決まるエコー高さの理論値より求めた（Ｈ−ＨC）／（ＨL−ＨC）を計算し、測定値（較正曲線）にフィットするλ2を決定する（図２０（ｂ）参照）。このλ2は温度が変化しても、個体が変わっても変化しない。理論式（１）では乾燥時のエコー高さはｈ0＝１であり、エコー高さ比Ｈ＝ｈ／ｈ0＝ｈとなるので、補正較正曲線での横軸は、実測値と理論で次の関係で表される。
【００８２】
（Ｈ−ＨC）／（ＨL−ＨC）＝（ｈ−ｈC）／（ｈL−ｈC）
ここで、左辺は実測値，右辺は理論値を示し、ｈL，ｈCはある膜厚でのエコー高さｈLと、接触開始時のエコー高さｈCであり、既知な理論値である。
また、理論式（１）では個体接触時のｈはｈC＝０であるため、
（Ｈ−ＨC）／（ＨL−ＨC）＝ｈ／ｈL
∴ｈ＝（Ｈ−ＨC）／（ＨL−ＨC）×ｈL
すなわち、測定時に決まる（Ｈ−ＨC）／（ＨL−ＨC）（Ｈは膜厚により変動する値）に、HLでの膜厚で決まる理論エコー高さｈL（λ2は先に決定した値）を掛けたものがその膜厚Lでの理論エコー高さｈに等しくなる。
【００８３】
従って、求められたｈを用いて膜厚Ｌは前述の（1）式を変形した次式で与えられる。
Ｌ＝（１／Ｋ2）tan-1［２｛（Ｚ12−Ｚ21）2／ｈ2−（Ｚ12＋Ｚ21）2｝1/2］
＝（λ2／２π）tan-1［２｛（Ｚ12−Ｚ21）2／｛（Ｈ−ＨC）／（ＨL−ＨC）×ｈL｝2−（Ｚ12＋Ｚ21）2｝1/2］
このようにλ2の値が超音波探触子について決まると後の較正曲線の取得は容易になる。
【００８４】
例えば、温度が変わった場合や、超音波探触子を（同じ型の）別のものに変えた場合でも、前述した方法でλ2を１回決定しておけば、較正点は２点のみで良いことになり、較正に要する作業時間を大幅に短くすることが可能になる。すなわち、面同士が接触するごく初期のＨ0と、例えば膜厚２０μｍでのＨLの２つである。
【００８５】
もちろん、ＨCやｈCの膜厚は０μｍにする必要はなく、例えば、Ｌ＝５μｍを基準として選択しても良い。この場合は、
前述の式から
ｈ＝｛（Ｈ−ＨC）／（ＨL−ＨC）｝ｈL＋｛（ＨL−Ｈ）／（ＨL−ＨC）｝ｈC
（ｈCは５μｍでのｈ、ｈLは２０μｍでのｈ）
となる。以下は、前述と同じ手順となる。
【００８６】
＜温度測定機能＞
一般的な油膜測定で問題となるのは温度である。上述の膜厚Lの算定においては、運転時の温度でのＨLとＨCを用いることになる。通常、熱電対等で別途ピストンリングの温度測定を行うが，取り付けの手間や配線の煩雑さを避けるためには、超音波探触子に温度測定機能を持たせることが好ましい。
【００８７】
図２１は温度測定機能を有する超音波探触子の概念図である。図２において、第１鋼製円板５０の下面側が膜形成部に相当し、背面側に超音波探触子５１（圧電素子）が取り付けられている。第１鋼製円板５０の周囲はアクリル円筒５０ａにより囲まれている。ただしアクリル円筒５０ａは必ずしも必要ない。
【００８８】
超音波探触子５１の反対側にも同じく第２鋼製円板５２が設けられており、第１鋼製円板５０と同じ材質である。第２鋼製円板５２の周囲にはバッキング材５３が設けられている。更に、第２鋼製円板５２の背面側には後面反射層５４が形成される。この後面反射層５４は空気あるいは発泡スチロールにより形成される。
【００８９】
超音波探触子５１から照射される超音波は、第１・第２鋼製円板５０，５１の両方に伝播され、膜形成部からの反射波と、後面反射層５４からの反射波の両方が受信される。ここで、第１鋼製円板５０の厚さを１０ｍｍとし第２鋼製円板５２の厚さを１５ｍｍとすれば、これらの反射波は干渉することなく別々に取り出すことができる。
【００９０】
これを図２２に示す。ｈ1で示すのは膜形成部からの反射波（エコー高さ）であり、ｈ2で示すのは後面反射層５４からの反射波を示す。また、後面反射層５４からは、ほぼ１００％の割合で超音波が反射する。従って、ｈ1は膜厚と温度の両方の影響を受けるが、ｈ2は温度の影響のみを受ける。
【００９１】
図２２（ａ）（ｂ）（ｃ）は、夫々、（温度Ｔ1℃、膜厚Ｌ1ｍｍ）（温度Ｔ2℃、膜厚Ｌ1ｍｍ）（温度Ｔ2℃、膜厚Ｌ2ｍｍ）での測定データを示す。（ａ）→（ｂ）ではｈ1、ｈ2の両方が変化しているが、（ｂ）→（ｃ）では変化していない。
【００９２】
そこで、膜厚と温度を変化させてエコー高さｈのデータをとると、図２３（ａ）（ｂ）に示すような較正データを得ることができる。図２３（ｂ）では、各膜厚Ｌ1Ｌ2Ｌ3におけるエコー高さｈ1と温度Ｔの関係、エコー高さｈ2と温度Ｔの関係を示している。そこで、較正を行う場合には、まず、温度のみの影響を受けているｈ2と温度（Ｔ）の関係から温度Ｔ℃を決定する。そして、決定された温度と測定されたｈ1とから、膜厚を決定することができる。
図２１において、第２鋼製円板５２については、高分子材料の円板で構成することもできる。高分子で形成することで、減衰特性や超音波の音速が温度によってかなり異なってくるので、エコー高さ変化や路程距離の違いから温度を感度よく測定することができる。
【００９３】
＜別実施形態＞
本実施形態において測定値にフィットする較正曲線を求めるときにλ2を決定する方法を説明したが、これに限定されるものではない。測定値にフィットするような多項式を求めるようにしてもよい。例えば、５次式の場合だと、Ｌ＝ａ＋ｂＨ＋ｃＨ2＋ｄＨ3＋ｅＨ4＋ｆＨ5の係数ａ〜ｆを求めればよい。多項式を用いることで、較正曲線を求める場合の演算を簡単に行なうことができ、精度も確保することができる。
【００９４】
本実施形態として膜が形成される第１面と第２面の例としてシリンダとピストンリングを例にあげたがこれに限定されるものではない。そのほかに、工作機械における種々の摺動面に形成される油膜、ベーンポンプにおいて形成される油膜など種々のケースにおいて本発明を適用することができる。また、油膜形成部だけでなく、金属の表面に形成される塗膜やコーティング膜の場合にも本発明は応用できる。この場合、第１面は金属表面であり第２面は膜と空気層との境界面となる。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】超音波探触子による測定原理を示す図
【図２】反射波の形状を示す図
【図２Ａ】追いこみ領域を示す図
【図３】油膜厚さ測定システムの概要を示す図
【図４】理論式における膜厚Ｌとエコー高さｈの関係を示す図
【図５】較正を行なうときのシステム構成例を示す図
【図６】ピストンリングの背面側に超音波探触子を取り付けた構成例
【図７】基準超音波探触子の取り付け構成を示す図
【図８】基準超音波探触子と通常の超音波探触子のエコー高さの違いを示す図
【図９】温度変化によるエコー高さの違いを示す図
【図１０】較正装置の構成例を示す図
【図１１】シリンダに溝を形成した例を示す図
【図１２】膜厚を変化させるための構成を示す図
【図１２Ａ】膜厚を変化させるための別構成を示す図
【図１３】探触子の違いによる較正曲線の差を表すグラフ
【図１４】温度変化による較正曲線の差を表すグラフ
【図１４Ａ】温度変化によるエコー高さの変動を示すグラフ
【図１５】較正曲線と補正較正曲線を比較する図
【図１６】接触時における膜厚ＨCと、ある膜厚ＨLを用いて実際に得られた補正較正曲線を示す図
【図１７】接触時における膜厚ＨCと、ある膜厚ＨLを用いて実際に得られた補正較正曲線を示す図
【図１８】同じ超音波探触子を使用して環境温度を変化させた場合の補正較正曲線を示す図
【図１９】λ2の影響を示すグラフ
【図２０】膜厚と変化割合の関係を示す図
【図２１】温度測定機能を有する超音波探触子の概念図
【図２２】図２１において超音波探触子が受信する波形を示す図
【図２３】膜厚と温度を変化させた場合のエコー高さｈのデータを示す図
【符号の説明】
【００９６】
１        シリンダ
２        ピストンリング
３        ピストン
９，９ｉ      超音波探触子（基準超音波探触子）
１１      超音波探傷器
【図１】
2007212410.tif 000003
【図２】
2007212410.tif 000004
【図２Ａ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2007212410.tif 000010
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2007212410.tif 000015
【図１２Ａ】
2007212410.tif 000016
【図１３】
2007212410.tif 000017
【図１４】
2007212410.tif 000018
【図１４Ａ】
2007212410.tif 000019
【図１５】
2007212410.tif 000020
【図１６】
2007212410.tif 000021
【図１７】
2007212410.tif 000022
【図１８】
2007212410.tif 000023
【図１９】
2007212410.tif 000024
【図２０】
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【図２１】
2007212410.tif 000026
【図２２】
2007212410.tif 000027
【図２３】
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