(57)【要約】【課題】第１面と第２面の間に形成される膜の厚さを計測するための膜厚測定システムを提供する。【解決手段】第１面と第２面の間に形成される膜の厚さを計測するための膜厚測定システムであって、第１面もしくは第２面の背面側に取り付けられ、第１面もしくは第２面と膜の境界に向けて超音波を照射する超音波探触子と、この超音波探触子により受信された前記境界からの反射波の初期周期分を抽出する初期周期分抽出手段と、抽出された初期周期分に基づいて、膜厚さの測定を行う膜厚測定手段とを備えている。初期周期分として、第１反射波の負半波、正半波、負半波と正半波の和のいずれかを用いることが好ましい。【選択図】図１
2007212408.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面と第２面の間に形成される膜の厚さを計測するための膜厚測定システムであって、
第１面もしくは第２面の背面側に取り付けられ、第１面もしくは第２面と膜の境界に向けて超音波を照射する超音波探触子と、
この超音波探触子により受信された前記境界からの反射波の初期周期分のみに着目して抽出する初期周期分抽出手段と、
抽出された初期周期分に基づいて、膜厚さの測定を行う膜厚測定手段とを備えていることを特徴とする膜厚測定システム。
【請求項２】
前記初期周期分として、第１反射波の負半波、正半波、負半波と正半波の和のいずれかを用いることを特徴とする請求項１に記載の膜厚測定システム。
【請求項３】
第１面もしくは第２面を有する第１の物質と、第２の物質とを超音波探触子と膜形成部の間に介在した状態で、その場の荷重と、それらのいずれかの背面の膜厚が変化した場合でも、膜厚さだけを正確に測定する方法であって、
第１の物質と第２の物質を分離し、それらの間に空気層を形成させて、第２の物質に取り付けられる超音波探触子により、第１の物質と第２の物質の境界面における音圧反射率及び反射音圧振幅を求める第１ステップと、
第１の物質と第２の物質を結合した状態で測定される第１の物質の背面の膜部からの反射音圧振幅と、前記第１ステップに取得された音圧反射率及び反射音圧振幅とに基づいて、膜部における音圧反射率を求める第２ステップと、
を有することを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項４】
第１面もしくは第２面を有する第１の物質と、第２の物質とを超音波探触子と膜形成部の間に介在した状態で膜厚さを測定する方法であって、
第２の物質に対し取り外し可能な第３の物質を更に取り付け、この第３の物質に超音波探触子を取り付け、
第２の物質と第３の物質を分離し、それらの間に空気層を形成させて、第３の物質に取り付けられる超音波探触子により、荷重に伴い音波の透過する固体接触面積が変化する第２の物質と第３の物質の境界面における音圧反射率及び反射音圧振幅を求める第１ステップと、
第２の物質と第３の物質を結合した状態で測定される膜部からの反射音圧振幅と、前記第１ステップに取得された音圧反射率及び反射音圧振幅とに基づいて、膜部における音圧反射率を求める第２ステップと、
を有することを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の膜厚測定システム、もしくは、請求項３又は４に記載の膜厚測定方法において使用される超音波探触子の取付構造であって、
第１面もしくは第２面を有する第１物質の背面側に設けられる超音波探触子の取り付け面を備え、
取り付け面側に多数の振動素子からなるコンポジット素子の負極を配置すると共に、振動素子を挟んで負極と対抗する側に正極を配置し、正極の面積を負極の面積よりも小さくなるように設定するとともに、正極の少なくとも四隅を曲線状に形成したことを特徴とする超音波探触子の取付構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１面と第２面の間、もしくは、第１面の表面に形成される膜の厚さを計測するための膜厚測定システム及び膜厚測定方法、及びこれらに使用される超音波探触子の取付構造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（第１面と第２面）の間に形成される潤滑油膜（膜の一例）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表面処理が施される。かかる処理法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】
特に、摺動方向に速度が変化するピストンリングの潤滑特性の評価には、摺動状態での数μｍの油膜厚さの測定を正確に行う技術が必要となる。ピストンリングの表面にはクラウニングが施されていたり、表面粗さが存在し、それがなじみにより変化する。また、温度の影響も受けるため、その場での膜厚を理論により求めることができない場合も多く、潤滑状態などの評価を行う上で油膜厚さの測定を行うことは不可欠である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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、第１面と第２面の間に形成される膜の厚さを計測するための膜厚測定システム及び膜厚測定方法、及びこれらに使用される超音波探触子の取付構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため本発明に係る膜厚測定システムは、
第１面と第２面の間に形成される膜の厚さを計測するための膜厚測定システムであって、
第１面もしくは第２面の背面側に取り付けられ、第１面もしくは第２面と膜の境界に向けて超音波を照射する超音波探触子と、
この超音波探触子により受信された前記境界からの反射波の初期周期分のみに着目して抽出する初期周期分抽出手段と、
抽出された初期周期分に基づいて、膜厚さの測定を行う膜厚測定手段とを備えていることを特徴とするものである。
【０００８】
かかる構成による膜厚測定システムの作用・効果を説明する。具体例として、ピストンリング（第１面を有する）とシリンダ（第２面を有する）間に形成される潤滑油膜を挙げて説明するが、本発明は、これに限定されるものではない。
【０００９】
ピストンリングあるいはシリンダ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。
【００１０】
このことは、干渉波によって生じる境界２ａでの音圧と粒子速度の連続性を考慮して波動方程式を解いた結果と同じになり、その場合の膜厚とエコー高さ（反射波の大きさであり、超音波探触子により観測される）の関係は、次式のようになる。ただし、この式は２面間が平行な鏡面である場合に成立する理論式である。表面粗さが存在する場合には平均膜厚を求める式となる。
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１とピストンリング２は同じ材質とする）、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。
【００１１】
式（１）において、膜厚Ｌとエコー高さｈの関係は、図３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＜λ2／４（λ2は超音波の油中における波長）の領域である。図３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。すなわち、理論式が成立する範囲においては、エコー高さｈを測定することで、膜厚Ｌを演算して求めることができる。理論式が成立しない場合は、予めエコー高さと膜厚の関係を表す較正曲線を取得しておく必要がある。
【００１２】
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＜λ2／８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３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。
【００１３】
４ＭＨｚの超音波の場合は、この領域は約４０μｍ以下であるが、同じ膜厚Ｌでのエコー高さが高くなるので、高周波の超音波の場合、薄膜での感度が高くなり、条件によってはサブミクロンの膜厚測定が可能になる。
【００１４】
＜表面粗さの影響＞
次に、油膜が形成される境界面である摺動面の表面粗さの影響について説明する。図４は、表面粗さの変化状況を示すものであり、（ａ）初期状態（ｂ）なじみ状態（ｃ）面荒れ状態を夫々示している。
【００１５】
摺動面の粗さが超音波の油中波長の１／１００よりも小さな場合でも、油膜厚さがそれと同程度まで薄くなると、境界面からの反射エコー高さは、表面粗さの影響を受ける。（ａ）に示すように、粗さ面に入射した超音波のうち、粗さの傾斜部に入射した超音波は散乱し、反射波の波高値には大きな影響を及ぼすことはない。すなわち、粗さの山や谷の頂部からの反射によりほぼ決まると考えられる。粗さ面の統計的な性質を考慮すると、このとき観測されるエコー高さは、粗さ面の平均線と相手面との間の平均膜厚による決まると考えられる。この平均膜厚は、表面粗さの最大高さＹと粗さ先端と相手面との膜厚さが同じであっても、表面粗さのせん頭（粗さの先端部が徐々に削がれていき台形状になること）の進行状況により異なってくる。
【００１６】
すなわち、同じように粗さ先端で固体接触が生じている面（Ｌ＝０）であっても、エコー高さは、夫々異なってくることになる。従って、膜厚測定をする実際の摩擦面について、式（１）をそのまま使用することはできず、別途膜厚の較正を行う必要があることが分かる。
【００１７】
前述の（１）式は連続波を仮定した場合の解であり、本発明で用いるパルス波の場合と多少異なることもある。また、油膜部と同程度の厚さの超音波探触子とピストンリング背面の接着層の厚さが問題となる場合、また、使用する超音波探傷器の追い込み領域（図５に示すように、通信回線のインピーダンス等の影響があり、通常の使用では避ける領域）に観測すべき第１反射波が位置する場合、更には、温度の補正を必要とする場合には、上記式をそのまま適用して膜厚の測定を行うことはできない。従って、事前に膜厚とエコー高さの関係を較正しておくことが好ましい。
【００１８】
例えば、旋盤の移動テーブルのような平行な摺動面の場合（図６（ａ）参照）、膜厚Ｌは式（１）によりある程度推測可能であるが、ピストンリングのように、潤滑効果の改善のために、ピストンリング先端に数μｍのクラウニングが施されている場合（図６（ｂ）参照）、リング幅中央で膜厚がゼロであっても、その幅方向に徐々に膜厚は厚くなる。
【００１９】
従って、超音波の照射領域は図６に示すように拡散されるものであるため、この場合には、超音波の照射領域の平均的な膜厚Ｌｃに影響されるエコー高さｈｃが観測されることになる。従って、なじみを伴う運転条件では、式（１）によるリング幅中央の膜厚測定はきわめて難しく、現物についての較正が必要となる。
【００２０】
＜反射波の波形＞
次に、反射波の波形の具体例を図２示す。波形信号には、最初の１波（第１反射波）Ｓと、それ以降（第２反射波以降）の成分Ｕに分けて考えることができる。多重反射が何度も繰り返されると、油膜の影響を大きく含んでいることになり、油膜の変動に対してエコー高さの変動が多少大きく現れることになる。このため、第１反射波でも多周期を経験した波のほうが測定に有利と考えがちであるが、実際には時間が経過すると、反射波の路程も長くなり、超音波の照射領域も拡大し目的とするリング幅中央付近以外の情報を多く含むようになる。そのため、リング幅中央の油膜厚さとエコー高さとが１：１の対応関係ではなくなり、正確な油膜厚さの測定を行えなくなる。特に、ピストンリング２の行程方向の厚さが薄い場合には、路程が長くなると、図１に示すようにリングのエッジや上下の端面２ｂからの反射波の影響を受けてしまい、更に正確な油膜厚さの測定を大きく阻害する。
【００２１】
そこで、反射波の成分のうち、初期周期分（図２のＳで例示ように１周期もしくは２周期）を用いて油膜厚さの測定を行うようにする。その結果、ピストンリングの表面に形成される油膜厚さを正確に測定可能な油膜厚測定システムを提供することができる。
【００２２】
ところで、ピストンリング２のように薄い弾性体の場合、超音波探触子に加えるパワーが大きいとリングそのものが振動し、リング周辺の油やピストンとの接触の影響を大きく受けるため、油膜厚さの測定が不可能になる。そこで、パワーをできるだけ低くし、ダンピングもごく低い値に設定し、そのようなマクロなリング振動を避けて、油膜厚さの変化だけを捉えるようにする必要がある。
【００２３】
本発明に係る初期周期分として、第１反射波の負半波、正半波、負半波と正半波の和（全波）のいずれかを用いることが好ましい。
【００２４】
図２において、負半波はＳｎで正半波はＳｐで示される。これらのいずれかの信号を用いて油膜厚さの測定が可能である。また、正半波Ｓｐと負半波Ｓｎの和（絶対値の和）を用いることでも、同じく正確な油膜厚さの測定を行うことができる。測定では、膜厚変化に対して、エコー高さ変化が大きな波を選択すればよい。
【００２５】
＜２物質を介しての膜厚測定＞
本発明に係る膜厚測定方法は、第１面もしくは第２面を有する第１の物質と、第２の物質とを超音波探触子と膜形成部の間に介在した状態で、その場の荷重（応力）と、それらのいずれかの背面の膜厚が変化した場合であっても膜厚さだけを正確に測定する方法であって、
第１の物質と第２の物質を分離し、それらの間に空気層を形成させて、第２の物質に取り付けられる超音波探触子により、第１の物質と第２の物質の境界面における音圧反射率及び反射音圧振幅を求める第１ステップと、
第１の物質と第２の物質を結合した状態で測定される第１の物質の背面の膜部からの反射音圧振幅と、前記第１ステップに取得された音圧反射率及び反射音圧振幅とに基づいて、膜部における音圧反射率を求める第２ステップと、を有することが好ましい。
【００２６】
更に本発明において、第１面もしくは第２面を有する第１の物質と、第２の物質とを超音波探触子と膜形成部の間に介在した状態で膜厚さを測定するに際して、
第２の物質に対し取り外し可能な第３の物質を更に取り付け、この第３の物質に超音波探触子を取り付け、
第２の物質と第３の物質を分離し、それらの間に空気層を形成させて、第３の物質に取り付けられる超音波探触子により、荷重（応力）に伴い音波の透過する固体接触面積が変化する第２の物質と第３の物質の境界面における音圧反射率及び反射音圧振幅を求める第１ステップと、
第２の物質と第３の物質を結合した状態で測定される膜部からの反射音圧振幅と、前記第１ステップに取得された音圧反射率及び反射音圧振幅とに基づいて、膜部における音圧反射率を求める第２ステップとを有することが好ましい。
【００２７】
かかる構成による測定方法について具体例をあげながら説明する。
【００２８】
超音波探触子により油膜測定を行う場合（一般的に、第１面と第２面の間に形成される膜の厚さを測定する場合）、油膜と超音波探触子の間に介在する物質は１つであることが好ましい。しかしながら、測定対象によっては、膜形成部と超音波探触子の間に２つの物質が介在することがある。例えば、ピストンリングとシリンダ間の膜厚をシリンダ側に超音波探触子を配置して測定する場合、図７に示すように間にシリンダライナとシリンダブロックの２物質が介在する。２物質が介在する場合は、その２物質間における超音波の反射・透過も考慮する必要がある。また、旋盤の移動テーブルの摺動面のように、２物質間の面圧が荷重により変化する場合もある。
【００２９】
図７に示す態様を一般化するため、物質Ａ（シリンダブロック）・物質Ｂ（シリンダライナ）と物質Ｃ（ピストンリング）の間に膜が存在するものとし、膜厚をＬとする。
【００３０】
また、Ａｉは物質Ａに入射された音波の音圧振幅、ＡｒはＡとＢの接触面の音圧反射率ｒABにより決まる音圧振幅、ＢｔはＡとＢの音圧透過率ｔABにより決まる音圧振幅、ＢｒはＢｔに対し油膜部での反射率ｒBCを考慮した場合の音圧振幅、ＡｔはＢｒに対し接触面での透過率ｔABを考慮した場合の音圧振幅であり超音波探触子により受信される波高値である。
【００３１】
シリンダーブロックとシリンダライナの接触面は、密着度が高いはめ合い状態となっており、接触面を介しての超音波の伝播が可能である。従って、シリンダ側からであっても油膜の測定を行うことができる。
【００３２】
かかる場合において、物質Ａと物質Ｂが分離可能（完全な空気層で分離可能）か否か、それらの接触面が音波の伝播を考える場合に、完全な密着状態として扱ってよいのかどうか、それとも表面粗さを考慮して音波の伝播具合を評価しなければならないかによって、膜厚の測定方法が異なる。以下、各々の場合について、膜厚測定法を説明する。
【００３３】
最初に、物質Ａと物質Ｂの境界面での音波反射率ｒABは
ｒAB＝Ａｒ／Ａｉ・・・（２）
物質ＡからＢへの音圧透過率は、次のように表される。
ｔAB＝１＋ｒAB  ・・・（３）
式（２）と合わせて、ｔAB＝１＋Ａｒ／Ａｉ
油膜部での音圧反射率ｒBCは、式（１）に示したように、膜厚Ｌ、油中波長λ（周波数ｆ）、各物質の音響インピーダンス（ＺB、ＺC）により決まる。
【００３４】
入射音圧Ａｉと油膜部からの反射波Ａｔとの比は、
Ａｔ＝Ａｉ・ｔAB・ｒBC・ｔAB  従って、
Ａｔ／Ａｉ＝ｔAB2・ｒBC＝(１＋ｒAB)2ｒBC・・・（４）
となる。
【００３５】
＜ケース１＞
まず最初に物質Ａと物質Ｂが空気層により完全に分離可能な場合について説明する。この場合、両者を分離すると、物質Ａへの入射エネルギーは、その裏面においてほとんどすべて反射される。従って、
Ａｒ≒Ａｉ
となり、このＡｒを基準（Ａr0）に設定する。
【００３６】
次に、物質Ａ，Ｂを接触させた場合のＡｒから、その接触面での音圧反射率ｒABが
ｒAB＝Ａｒ／Ａｉ＝Ａｒ／Ａr0
で与えられる。従って、式（４）において、Ａｉ＝Ａｒ0，Ａｔ，ｒABは既知の値となるので、求めたいｒBC（油膜部での反射率）が決まる。この決まったｒBCから、較正実験で求めておいた膜厚とエコー高さｈ（従って、反射率ｒBC）の関係を用いて油膜厚さを求めることができる。また、物質ＡＢ間における面圧（荷重）とエコー高さ（従って、反射率ｒAB）の較正を行なっておけば、求めたｒABから、そのときに油膜に作用する面圧（荷重）が推定できることになる。
【００３７】
物質Ａ，Ｂの接触状態（例えば、面圧）が一定であり続ける場合には、直接Ａｔと膜厚の関係を較正しておき、Ａｔの変化から膜厚測定を行えばよい。
【００３８】
しかし、２面間の接触状態が変化する場合には、Ａｔは膜厚以外にそこでの透過率や反射率の影響を受けて変化するため、上述した較正値を使用できなくなる。ここで示した方法は、かかる場合において有効である。
【００３９】
例えば、物質Ａに外力の（周期的）変動成分が作用する場合、物質Ａと物質Ｂの界面にも変動応力が作用し、超音波の界面における透過率も応力により変動する。従って、超音波探触子が受信するエコー高さ信号は、膜厚の影響のみならず界面の接触状態の変動の影響も受けることになるが、上記の方法によれば、そのような応力の変動があったとしても膜厚の情報のみを取り出すことができる。すなわち、上記式（４）において膜厚に依存するｒBCは、他の既知の情報に基づいて演算できるからである（ｒABは物質Ａ，Ｂを分離することで得られる）。
【００４０】
＜ケース２＞
次に、物質Ａと物質Ｂを分離できない場合について図８により説明する。この場合には、ｒABを特定することができない。そこで、物質Ａの表面に分離可能な物質Ｄとして遅延材を配置し、その表面に超音波探触子を取り付ける。物質Ａ，Ｂが分離できないので、ＡｒとＡｉの比がわからないため、遅延材を設けて、さらにもう１つ反射源を作るようにする。
【００４１】
かかる構成において、超音波探触子により観測されるのは、Ｄｒ（ＤとＡの境界での反射波振幅）と油膜部からの反射波Ｄｔである。
【００４２】
Ｄｒ＝Ｄｉ・ｒDA
Ａｉ＝Ｄｉ・ｔDA＝Ｄｉ・（１＋ｒDA）
Ｄtr＝Ａｒ・ｔDA＝Ａｉ・ｒAB・ｔDA＝Ｄｉ(１＋ｒDA)2ｒAB
Ｄtt＝Ａｔ・ｔDA＝Ａｉ・ｔAB2・ｒBC・ｔDA＝Ｄｉ(１＋ｒDA)2(１＋ｒAB)2ｒBC
上記式から
Ｄtr／Ｄｉ＝ｔDA2・ｒAB
Ｄtt／Ｄｉ＝ｔDA2・ｔAB2・ｒBC
Ｄtt／Ｄｒ＝ｔDA2・ｔAB2・ｒBC／ｒDA
図８に示すように、超音波探触子が取り外すことができるので、遅延材の裏面は空気（従って、完全反射面）に接しており、遅延材での音波の減衰を無視すれば、
Ｄｉ≒Ｄｒ＝Ｄr0
となる。この遅延材を物質Ａに固定した場合に観測される反射波振幅Ｄｒから、
ｒDA＝Ｄｒ／Ｄｉ＝Ｄｒ／Ｄr0
ｔDA＝１＋ｒDA
が求まる。更に式を変形し、
ｒAB＝Ｄtr／Ｄr0／(１＋ｒDA)2
ｒBC＝Ｄtt／Ｄr0／（ｔDA2・ｔAB2）
＝Ｄtt／Ｄr0／｛(１＋ｒDA)2(１＋ｒAB)2｝
このように得られた２つの式において、Ｄtt、Ｄtr、Ｄr0、Ｄｒ、ｒDA＝Ｄｒ／Ｄr0、ｒABについては、すべて実測値から得ることができる。従って、別に求めておいた、膜厚とエコー高さｈ（ｒBC）の関係（較正曲線）から油膜厚さを求めることができる。また、前述のように、求めたｒABから、そのときに油膜に作用する面圧（荷重）が推定できることになる。
【００４３】
以上のように、２つの物質が介在する場合であっても、超音波探触子による油膜厚さの測定が可能である。また、３つ以上の物質が介在する場合も同様であり、各物質を分離して同様の測定を行うことで油膜厚さの測定ができる。
【００４４】
次に、本発明に係る超音波探触子の取付構造について説明する。この取付構造は、
第１面もしくは第２面を有する第１物質の背面側に曲面部を形成し、この曲面部に柔軟性を有する超音波探触子を取り付け、照射される超音波が膜形成部における特定領域に収束するように構成したことを特徴とするものである。
【００４５】
この構成によると、超音波探触子から照射される超音波を特定領域に収束するようにできるため、測定ポイントを絞った形での膜厚測定を行うことができる。また、超音波を収束させることで、その特定領域については２面が平行な鏡面であるとみなすことができ理論式の適用も可能になる。
【００４６】
本発明に係る別の超音波探触子の取付構造は、
第１面もしくは第２面を有する第１物質の背面側に設けられる超音波探触子の取り付け面を備え、
取り付け面側に多数の振動素子からなるコンポジット素子の負極を配置すると共に、振動素子を挟んで負極と対抗する側に正極を配置し、正極の面積を負極の面積よりも小さくなるように設定したことが好ましい。
【００４７】
コンポジット型素子は多数の振動素子により構成されるが、励起させる振動素子を限定したい場合がある。例えば、矩形状に配置される振動素子のうち四隅に位置する部分は使用しないほうが好ましいことがある。かかる場合は、正極の大きさを限定することで励起される振動素子群を選択することができる。
【００４８】
本発明において、負極を正極側に折り返した部分を有することが好ましい。
【００４９】
負極を正極側に折り返すことで、配線接続を簡単に行うことができるようになる。
【００５０】
本発明において、正極の少なくとも四隅を曲線状に形成したことが好ましい。
【００５１】
少なくとも四隅を曲線状とすることで、四隅に位置する振動素子群を使用しないようにでき、励起させる振動素子を限定することができる。例えば、矩形の四隅にＲをつけたり、電極全体を円形や楕円形とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５２】
本発明に係る油膜厚測定システムの好適な実施形態を図面を用いて説明する。図９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９は、測定実験を行うためのシステムを示している。
【００５３】
＜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。
【００５４】
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とピストンリング２の間の隙間に潤滑油を供給する。
【００５５】
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。
【００５６】
超音波探触子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。超音波探触子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で説明したように、油膜厚さの測定に際して、第１反射波の信号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。
【００５７】
図９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。
【００５８】
まずは、ピストンリング２に取り付ける場合のセンサー構造について説明し、次にシリンダ側からの油膜測定技術（特にシリンダ駆動型の膜厚測定装置）について説明する。
【００５９】
＜超音波探触子の取り付け＞
ピストンリング２に超音波探触子９を取り付ける場合の好適な場所を図４により説明する。ピストンリング２は、ピストン３に取り付けやすくするため、その一部に合い口２ｃが設けられており、閉じたリングに比べて歪みが生じやすくなっている。かかる歪みの影響を受けやすい場所に超音波探触子１を取り付けると、測定精度に影響するため、図１０のように合い口２ｃから角度位相で９０゜離れた位置に取り付けることが好ましい。合い口２ｃにちょうど向かい合う位置は、最も歪みが生じやすい場所である。ただし、ピストンリング全周の膜厚を測定する場合には、この限りではない。
【００６０】
また、超音波探触子９から照射する超音波のエネルギーは、できるだけ低い方が好ましい。これにより、ピストンリング２の共振を抑制する。
【００６１】
図１０に示すように、ピストンリング２の背面側（内面）に１箇所だけ超音波探触子９を取り付けた場合、円周方向における油膜分布を短時間で測定することが難しい。円周方向の油膜分布を効率よく測定するためには、図１１（ａ）に示すように、多数個の超音波探触子９を円周方向に沿って配置すればよい。超音波探傷器１１が１台しかない場合は、多数個の超音波探触子９との接点を順次切り替えていくことで、円周方向に沿った膜厚測定が可能になる。
【００６２】
ただし、多数個の超音波探触子９の配線をうまくまとめる必要があることと、ピストン３は緩やかではあるが、円周方向に沿って回転移動するため、配線がねじ切れる可能性がある。かかる問題点は、ロータリー接点を用いたり、合い口２ｃ部に周り止めを設けることで解消することができる。また、多数個の超音波探触子９を設ける代わりに、アレイタイプの超音波探触子９Ａ（図１１（ｂ）参照）を用いることでも、同じような目的を達成することができる。
【００６３】
図１２は、超音波探触子９の取り付け位置をシリンダ１の外部に設けた例である。ピストン軸６に連結された支持体１５に超音波探触子９を取り付け、ピストン３の上下に連動して、超音波探触子９も一緒に追従するようにする。超音波探触子９は、ちょうどピストンリング２に向かい合う位置に設けられる。かかる方法によっても、油膜厚さの測定を行うことができる。超音波探触子９がシリンダ１の外部に設けられるので、配線がねじ切れるという問題を容易に解消することができる。かかる構成によれば、ピストン３の中央部、入り口、出口だけでなく、任意の位置における油膜形成状態を測定することができる。ピストン３の行程位置を検出するセンサーをあわせて設けることで、行程位置と超音波探触子９からの反射波信号とを対応付けることができる。
【００６４】
また図１２に示す構造において、支持体１５をピストン軸６周りに回転させることで、周方向における油膜厚さの分布状態を測定することができる。ピストンの場合、円周方向の特定位置の領域のみの油膜厚さを測定するのではなく、全体の油膜厚さの形成状態を測定することでより精度のよい油膜形成状態（潤滑状態）の評価を行なうことができる。
【００６５】
図１３は、円周方向における油膜厚さの分布を示すデータを示す。横軸は行程位置、縦軸が円周方向の角度（座標）を示す。（ａ）（ｂ）（ｃ）はピストンリングのシリンダに対する相対速度の違いを示す。図１３Ａは、相対速度をパラメータとして、円周方向の平均油膜厚さと工程位置の関係を示している。
【００６６】
＜超音波探触子の詳細構造＞
図１４（ａ）は超音波探触子９の詳細構造を示す図である。超音波探触子９の先端部９ａは、Ｒ形状（球面、楕円面、その他の曲面）に形成されており、油膜部において焦点を結ぶように構成されている。焦点径は０．１〜０．２ｍｍ程度に設定されている。超音波探触子９は、支持体２０に支持されており、その内部にはカプラントＣ（水、油、グリセリン等の液体）が充填されている。従って、超音波はこのカプラント内を伝播して油膜部へと到達する。
【００６７】
支持体２０とシリンダ１の外壁面の間にはＯリング２１が設けられ、支持体２０と超音波探触子９の取り付け部にもＯリング２１が配置される。このような取り付け構造を採用することで、超音波探触子９を円周方向及び軸方向の両方に移動させることができる。この構成によると、円周方向における油膜厚さの分布や、ピストンの上下行程に伴う油膜厚さの変動などについても測定することができる。
【００６８】
図１４（ｂ）に示すように、超音波探触子９を上下方向に移動させることで、ピストンリング２の幅方向中央だけでなく、入口や出口における膜厚や、キャビティの発生状況を調べることができる。キャビティが発生している箇所では、空洞部の音響インピーダンスが油のそれに比べて極端に低いので、普通、エコー高さは高く現われ、発生を検出できる。
【００６９】
図１４（ｃ）は、超音波探触子９の取り付け構造の別実施形態を示す図である。図のように薄いゴム膜２２により超音波探触子９を支持し、ゴム膜２２の内部にカプラントを充填するようにしてもよい。この場合、ゴム膜とシリンダの間には、潤滑剤を塗布するため、その膜部での多重反射により、ピストンリング部の油膜厚さが同じであっても、そこからの反射エコー高さが変化してしまう。この場合は、本願請求項３もしくは４に記載の方法により、ピストンリング部の油膜厚さに応じたエコー高さを求めて、膜厚の推定を行なえばよい。
【００７０】
図１５は、シリンダ１の外面にアレイタイプの超音波探触子９を取り付けた例である。アレイタイプの超音波探触子９Ａを行程方向に配置することで、ピストン３の行程位置と油膜厚さの関係を測定することができる。アレイタイプの超音波探触子９を円周方向に何箇所か設けることで、更に円周方向の油膜厚さの分布も測定することができる。ピストン３やシリンダ１の移動は、移動機構の制御信号から知ることができる。
【００７１】
次に、違うタイプの超音波探触子を使用した例を説明する。ピストンリング２の行程方向の厚みは、実際はそれほど大きくなく、例えば１．２ｍｍ程度の厚みである。一方、通常の超音波探触子９は、サイズが２ｍｍ程度あり、ピストンリング２の幅よりも少し大きくなっている。ピストンリング２に超音波探触子９を取り付ける場合には、接着剤等が使用されるが、超音波探触子９のサイズがピストンリング２の幅寸法よりも大きいと、取り付けが行いにくいだけでなく、超音波の照射もうまく行われないため、正確な油膜厚さの測定も難しくなる。
【００７２】
そこで、図１６に例示するようにＰＶＤＦタイプの超音波探触子１９を使用する。ＰＶＤＦとは、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のことであり、柔軟性を有している。ＰＶＤＦを使用する場合には、図１６（ｂ）に示すように、ピストンリング２の背面側に円弧面２ｄを形成する。この円弧面２ｄにＰＶＤＦタイプの超音波探触子１９を取り付ける。円弧面２ｄを形成して、照射された超音波がピストンリング２とシリンダ１の境界に焦点を結ぶようにする。これにより、超音波のエネルギーを効率よく使用することができ、膜厚測定の精度も上げることができる。このことは、後に示すコンポジット型超音波探触子を用いた場合も同様である。
【００７３】
また、ＰＶＤＦを使用する場合は超音波探触子１９の背面側にバッキング材を塗布することが好ましい。これはＰＶＤＦの背面側に潤滑油が進入すると、そのインピーダンスの影響を受けてしまい、これが受信されるエコー高さに対して大きな影響を与える。これにより、油膜厚さの測定誤差が生じてしまう。そこで、音波の散乱や減衰機能を持たせたバッキング材で処理を施すことで、背面側からの超音波の反射がないようにし、測定誤差の要因を除去する。具体的には、ダンピングを効かす目的で混入する鉛等の粒径とその濃度や分布を制御したり、微妙な気泡を混入させることでこの目的を達成する。
【００７４】
図１７は、コンポジット型の超音波探触子９を用いた場合の取り付け構造を示している。コンポジット型の振動素子は、図１８に示すように正極９０と負極９１の間に柱状の振動素子９２（圧電材）が挟持されており、変形が可能であるため、加工が容易であるという特徴を有する。このコンポジット型の超音波探触子９を図１８に示すように傾斜面９３が形成されるように削り落とす。これにより、超音波の励振が可能な有効範囲（図１８（ｂ）に斜線で示す）は、短い方の寸法により定まるため、超音波の発生範囲をある程度狭め、ピストンリング側面への音波の拡散の影響を少なくすることができる。また、ピストンリング２に取り付けられる側は幅広の領域で保持されるため、取り付け強度を確保することができる。例えば、超音波照射の有効範囲を１ｍｍ程度に絞ることができる。
【００７５】
なお、コンポジット型の超音波探触子９は絶縁層９４の上に取り付けられ、これにより、ノイズ対策とすることができる。
【００７６】
図１９は、超音波探触子９をピストンリング２背面に取り付ける場合の取り付け構造の別実施形態を示す。（ａ）はリングを軸方向視でみた図である。ピストンリング２の背面に絶縁膜３０を介して超音波探触子９が貼り付けられている。超音波探触子９は負極９０と正極９１の間に柱状の振動素子９２により構成されるコンポジット型の素子である。負極９０から配線を取り出しやすくするため、負極９０を折り返して正極９１と同じ平面上に位置させる。折り返しを行う場合は、（ｂ）と（ｃ）のような方法がある。すなわち、ピストンリング２の円周方向に沿って折り返す場合と、半径方向に沿って折り返す場合である。
【００７７】
図２０は電極の別構成例を示す図である。コンポジット型の超音波探触子９を用いる場合、励起される振動素子の角の影響をなくす必要がある。矩形状に多数の振動素子が並べられている場合、電極の大きさを設定することで励起する振動素子の範囲を限定することができる。図２０において正極を楕円状に形成している。この場合、負極を適宜折り返してもよい。また、正極全体を負極によりシールドするのも好ましい方法である。
【００７８】
上記のように楕円状の正極を採用することで正極に対向する位置にある振動素子９２のみが励起される。同じ目的を達成するには楕円形でなくてもよく、円形や、矩形の四隅にＲを付けた形状などを採用してもよい。超音波探触子９の背面側には、上記のバッキング処理を施すことで、背面からの超音波の反射がないようにする。
【００７９】
本発明によれば、表面だけでなく、物質間に形成された膜の厚さや面圧（荷重）の推定も行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】油膜厚さの測定原理を説明する図
【図２】反射波の波形を示す図
【図３】超音波探触子が受信するエコー高さ信号を示す図
【図４】表面粗さの進行と膜厚との関係を示す図
【図５】追い込み領域を示す図
【図６】ピストンリングのクラウニングを説明する図
【図７】２物質が介在する場合の構成例
【図８】２物質が介在する場合の構成例
【図９】油膜厚さ測定システムの概要を示す模式図
【図１０】超音波探触子の好ましい取り付け位置を示す図
【図１１】超音波探触子の取り付け例を示す図
【図１２】超音波探触子の取り付け例を示す図
【図１３】シリンダの油膜分布の測定結果を示す図
【図１３Ａ】シリンダの油膜分布の測定結果を示す図
【図１４】超音波探触子の取り付け構造を示す詳細図
【図１５】超音波探触子の取り付け例を示す図
【図１６】ＰＶＤＦを使用した構成例を示す図
【図１７】コンポジット型超音波探触子の取り付け例
【図１８】コンポジット型超音波探触子の構造を示す図
【図１９】超音波探触子の取り付け構造を示す図
【図２０】超音波探触子の取り付け構造を示す図
【符号の説明】
【００８１】
１        シリンダ
２        ピストンリング
３        ピストン
９，９ｉ，５１        超音波探触子
１１      超音波探傷器
Ｃ        カプラント
Ｌ        膜厚
【図１】
2007212408.tif 000003
【図２】
2007212408.tif 000004
【図３】
2007212408.tif 000005
【図４】
2007212408.tif 000006
【図５】
2007212408.tif 000007
【図６】
2007212408.tif 000008
【図７】
2007212408.tif 000009
【図８】
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【図９】
2007212408.tif 000011
【図１０】
2007212408.tif 000012
【図１１】
2007212408.tif 000013
【図１２】
2007212408.tif 000014
【図１３】
2007212408.tif 000015
【図１３Ａ】
2007212408.tif 000016
【図１４】
2007212408.tif 000017
【図１５】
2007212408.tif 000018
【図１６】
2007212408.tif 000019
【図１７】
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【図１８】
2007212408.tif 000021
【図１９】
2007212408.tif 000022
【図２０】
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