(57)【要約】【課題】被測定物表面への探触子からの超音波入射角を確認することが可能な、超音波解析ユニットを提供する。【解決手段】超音波探傷検査に用いられ、被測定物表面に取付けられるための超音波解析ユニット６であって、前記超音波解析ユニットは、複数の圧電素子を備える超音波受信面６１と、当該超音波受信面を第１位置と第２位置との間で案内するための案内装置６２と、前記圧電素子の電気信号を処理する信号処理装置６３と、当該信号処理装置による前記圧電素子の信号処理結果に基づいて被測定物への超音波の入射角を算出する入射角算出装置６４と、を有する。【選択図】図２
2016148536.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波伝質媒体中に浸漬された被測定物に探触子から超音波を送信し、そのエコーを受信して当該被測定物内に存在する非金属介在物量を検査する超音波探傷検査に用いられ、前記被測定物表面に取付けられるための超音波解析ユニットであって、
前記超音波解析ユニットは、
複数の圧電素子を備える超音波受信面と、
当該超音波受信面を前記被測定物表面からの垂直方向における距離が互いに異なった第１位置と第２位置との間で案内するための案内装置と、
前記圧電素子の電気信号を処理する信号処理装置と、
当該信号処理装置による第１位置と第２位置における前記圧電素子の信号処理結果に基づいて被測定物への超音波の入射角を算出する入射角算出装置と、
を有することを特徴とする超音波探傷検査用の超音波解析ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転がり軸受、ボールねじ、リニアガイドに用いられる素材内に存在する非金属介在物の量を超音波により探傷検査するときに用いられる超音波解析ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、転がり軸受の軸受軌道輪素材や転動体素材等は、ＳＵＪ２等の軸受鋼を棒状に加工して製鋼されており、このような素材内に非金属介在物が存在すると、転がり軸受等の寿命を低下させる原因となる。したがって、製鋼された素材を受け入れる際にはこの素材（以下「被測定物」）を超音波により探傷検査し、単位体積あたりに存在する介在物の量が所定量以下しか存在しないこと（清浄度）を確認してから、旋削などの工程に回されている。
【０００３】
この超音波探傷検査の方法として、垂直探傷法と斜角探傷法が広く知られている。垂直探傷法は、被測定物の表面に対し直角方向から超音波を照射し、被測定物内部の不純物に当たって反射したエコーを探触子にて検知する。これに対し、斜角探傷法は、被測定物の表面に対し斜めに超音波を照射し、被測定物内部の不純物の有無を検知する。このうち、垂直探傷法は被測定物表面に照射された超音波の全ての反射エコーを受け取るため、この反射エコーの影響で、表面付近については探傷が出来ないというゾーン（不感帯）が生じてしまう。
【０００４】
ところで、せん断応力が最大となるのは、軸受の軌道面を例にとると、図６に示すように、軌道面の表面からわずかに内部に入った位置であることが知られている。よって、超音波探傷検査は、被測定物の表面からわずかに内部に入った位置に、非金属介在物が存在していないことを重点的に確認する必要がある。ところが、垂直探傷の場合は上述したような不感帯が存在することで、この被測定物の表面からわずかに内部に入った位置を十分探傷するのが、必ずしも容易ではない。
【０００５】
このため、被測定物の表面からわずかに内部に入った位置を重点的に探傷したい場合には、斜角探傷法で探傷するのが好ましい。この場合、超音波の入射角が決まれば、被測定物内での超音波の屈折角が定まるので、探傷が必要なゾーンをカバーするような超音波の屈折角を決定し、かかる屈折角が生じる入射角にて探傷を行うようにすればよい。
【０００６】
しかしながら、超音波は目視できないため、超音波の入射位置と入射角とを把握するのは難しい。特に斜角探傷では実際の入射角が設定した角度通りでないと、図７に示すように、設定したゾーンよりも被測定物の表面から深すぎる位置または浅すぎる位置を探傷してしまうことになる。即ち、被検出介在物P０が図示した位置には存在しないことを確認する測定を行うために、水等の超音波伝質媒体２中に浸漬された探触子8から、被測定物5に向けて入射角α０で超音波を入射するように設定している場合、屈折角はβ０となるため、ターゲットゾーンの探傷を行うことが出来る。ところが、実際は二点鎖線で示すように、入射角がα０よりも小さいα１になっていた場合は、屈折角はβ１となって、ターゲットゾーンよりも深い位置を探傷してしまうことになる。
【０００７】
この場合、被検出介在物P１は、軸受性能に影響しない深さに存在しているにもかかわらず、軸受性能に影響を及ぼすおそれがあるP０で示した位置に存在すると判断してしまう。逆に入射角がα０よりも大きい（図示省略）場合は、屈折角はβ０より大きくなって、ターゲットゾーンよりも浅い位置を探傷してしまうことになる。いずれの場合も、実際は非金属介在物が存在していないのに、非金属介在物が存在していると判断したり、実際は非金属介在物が存在しているのに、設定した位置には非金属介在物が存在していないと判断してしまい、正しい判断がなされない。
【０００８】
このような問題を解決するために、特許文献1には、超音波ビームと同軸上にレーザー光などの光を照射し、光路の途中のハーフミラーで反射光を受光素子へと導き、反射光の強度を観測することで入射角を観測する装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開昭６１−８６６４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１に開示された装置の場合、反射光の強度で入射角を観測するため、超音波入射点の表面性状による影響が大きいという問題があった。即ち、被検査体の表面（超音波探傷面）は、表面での超音波の乱反射を避けるため表面粗さは小さい方がよいが、表面粗さが小さくなればなるほど、今度は角度測定用に使用するレーザー光の反射光がほとんどなくなり、角度測定が困難となるという問題がある。
【００１１】
本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、被測定物表面への探触子からの超音波入射角を確認することが可能な、超音波解析ユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明に係る超音波解析ユニットは以下のように構成される。
超音波伝質媒体中に浸漬された被測定物に探触子から超音波を送信し、そのエコーを受信して当該被測定物内に存在する非金属介在物量を検査する超音波探傷検査に用いられ、前記被測定物表面に取付けられるための超音波解析ユニットであって、
前記超音波解析ユニットは、
複数の圧電素子を備える超音波受信面と、
当該超音波受信面を前記被測定物表面からの垂直方向における距離が互いに異なった第１位置と第２位置との間で案内するための案内装置と、
前記圧電素子の電気信号を処理する信号処理装置と、
当該信号処理装置による第１位置と第２位置における前記圧電素子の信号処理結果に基づいて被測定物への超音波の入射角を算出する入射角算出装置と、
を有する超音波探傷検査用の超音波解析ユニット。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る超音波解析ユニットによれば、被測定物表面に入射される超音波の入射角を、超音波受信面の第１位置と第２位置における圧電素子の信号処理結果に基づいて算出するため、被測定物表面への超音波の入射角を正確に確認することができ、精度の高い超音波探傷が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る超音波解析ユニットが取付けられる対象となる超音波探傷検査装置の説明図、
【図２】図1の超音波探傷検査装置に本発明に係る超音波解析ユニットを取付けた状態を示す説明図、
【図３】本発明に係る超音波解析ユニットの説明図、
【図４】図３の圧電素子の拡大図、
【図５】超音波の入射角を算出する原理の説明図、
【図６】表面からの深さとせん断応力との関係を示すグラフ、
【図７】超音波の屈折状態を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本発明に係る超音波解析ユニットは、超音波探傷検査装置に対し着脱自在に用いるため、図１には超音波探傷検査装置のみを記載し、図２で、本発明に係る超音波解析ユニットを超音波探傷検査装置に取り付けた状態を記載している。以下の説明では、図１を中心に、必要に応じ図２〜５も参照して説明を進める。
【００１６】
図１に示すように被測定物５の超音波探傷検査装置１は、水等の超音波伝質媒体２が充満された媒体槽（水槽）３と、検査対象物である被測定物５が載置される回転テーブル４と、超音波探触子８と、探傷器１０を備えている。
【００１７】
媒体槽３は、収納されている回転テーブル４の上に被測定物５を縦置きしたとき、被測定物５の全長を超音波伝質媒体２中に沈めることができる深さを備えている。
【００１８】
超音波探傷が行われる被測定物５は、例えば軸受の転動体のコロに使用される素材であり、その大きさは、例えば直径２０〜２００ｍｍで、全長３００〜５００ｍｍ程度であるが、これに限定されるものではない。又素材に限らず、内外輪や転動体などの軸受部品も探傷対象とすることができる。
【００１９】
回転テーブル４は、被測定物５が縦置きされる上面が水平になるように媒体槽３の底面に配置され、図示を省略したモータによって図中矢印Ｃ方向に回転するようになっている。被測定物５は、その軸心を回転テーブル４の中心軸（回転軸）に一致させるようにしてセンタリングされて固定される。
【００２０】
回転テーブル４上には、被測定物５を縦置きに固定するための保持部材１２が配置されている。保持部材１２は、被測定物５の下部を支持するために、被測定物５の外周に沿って周方向に等間隔に３つの爪が配置された三つ爪チャック１３を備えている。
【００２１】
超音波探触子８は、被測定物５の表面５ａに対して一定の距離をもって配置され、被測定物５とともに超音波伝質媒体２が充満された媒体槽３中に浸漬されている。この超音波探触子８は、被測定物５の表面５ａに対し斜め方向から超音波を送信し、送信された超音波によって被測定物５内で生起された反射波（エコー）を受信し斜角探傷を行なうものである。受信された信号は波形信号に変換され、この波形信号を検出信号として、媒体槽３の外部に設置された探傷器１０に送信する。
【００２２】
超音波探触子８は、特に限定されるものではないが、例えば、周波数１０〜５０ＭＨｚの焦点型のものが用いられ、これを被測定物５の表面５ａより一定の距離を保った位置に配置する。そして、被測定物５が１回転する毎に、図１中の矢印Ｄ方向（被測定物５の長手方向）に案内され、引き続き探傷することで被測定物５内部の欠陥の検査が行われる。
【００２３】
超音波解析ユニット６は、図２、３から明らかなように、超音波受信面６１、案内装置６２、信号処理装置６３、入射角算出装置６４を有する。
【００２４】
超音波受信面６１は、圧電素子６１ｃを備えるセル６１ａを格子状に並べ、各セルを所定位置に保持するため、接着等によりサポート部材６１ｂに取り付けたものである。各々のセル６１ａは、図４に示すように、圧電素子６１ｃ、抵抗６１ｄ、表示部材６１ｅを備えている。
【００２５】
圧電素子６１ｃは、外部から与えられた超音波による振動を圧電効果により電圧に変換する。また抵抗６１ｄは、その両端が圧電素子６１ｃに接続されて、閉じたループを形成している。従って、圧電素子６１ｃから電流が流れると抵抗６１ｄが発熱するようになっている。また各圧電素子６１ｃは、一方の端子６１ｆ及び他方の端子６１ｇにそれぞれ接続されている。        
【００２６】
表示部材６１ｅは、熱に反応して変色するサーモクロミック材料を積層または塗布した部材からなり、圧電素子６１ｃ及び抵抗６１ｄと一体とされている。従って、上述した圧電素子６１ｃ及び抵抗６１ｄによって熱エネルギーが発生すると、この熱エネルギーによって変色する。
【００２７】
案内装置６２は、サポート部材６１ｂすなわち超音波受信面６１を、被測定物５の表面５ａに対して垂直方向に案内する。サポート部材６１ｂに雌ねじ部（不図示）が形成され、案内装置６２にはこの雌ねじ部と螺合する雄ねじ部６２ｃが設けられている。従って、案内装置６２の操作部６２ａを回転操作することで、サポート部材６１ｂすなわち超音波受信面６１を被測定物５の表面５ａに対して垂直方向に移動させることができる。
【００２８】
信号処理装置６３は、超音波受信面６１を構成する各セルからの電気信号を処理する。上述したように超音波による振動が圧電素子６１ｃに作用した場合、圧電素子６１ｃから電流が流れる。ｘ方向にｎ個、ｙ方向にｎ個のセルについて、各セルの番地をｘｉｙｉ（ｉ＝１〜ｎ）と定めて、各セルに流れている電流の大きさの分布を調べ、たとえば図５のような超音波の強度を表示した強度分布ＵＰＤ１、ＵＰＤ２を作成する。強度分布ＵＰＤ１、ＵＰＤ２において、濃度の濃い部分ほど電流値が高い、すなわち超音波の強度が強い部分である。
【００２９】
入射角算出装置６４は、図５に示すように、案内装置６２によって被測定物５の表面５ａからの垂直方向における距離が互いにｄｚだけ異なった第１位置と第２位置における強度分布であるＵＰＤ１とＵＰＤ２とに基づいて、超音波の入射角を算出する。すなわち、ＵＰＤ１とＵＰＤ２とにおける最も超音波強度の強い位置を特定することで、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の差分ｄｘ、ｄｙ、ｄｚを得ることができるので、これに基づいて、幾何学計算により超音波の入射角θを算出することができる。
【００３０】
探傷器１０は、記録計を備え受信した検出信号を記録する。また、探傷器１０は、探傷時に、超音波探触子８と信号授受を行いながら、図示を省略した移動機構を制御して、上述したように超音波探触子８を被測定物５の表面５ａに沿って案内する。
【００３１】
次に、探傷検査方法について説明する。
【００３２】
先ず、超音波伝質媒体２が充満された媒体槽３内に配置された回転テーブル４上に超音波解析ユニット６を取付けた被測定物５を、その軸心を回転テーブル４の中心軸に一致させて縦置きにセットする。そして、被測定物５の一端を保持部材１２の三つ爪チャック１３で挟むようにして固定する。
【００３３】
次に、縦置きされた被測定物５の軸方向一端部近傍に、表面５ａから例えば５〜２０ｍｍ程度距離を置いて、超音波探触子８をセットする。このとき、超音波解析ユニット６の超音波受信面６１は、被測定物５の表面５ａと当接した第１位置に位置しているのが好ましい。
【００３４】
次に、超音波探触子８から被測定物５の表面５ａに向けて超音波を照射する。このときの、超音波受信面６１の各セル内の圧電素子６１ｃから出力される電気信号に基づき、信号処理装置６３は超音波の強度分布ＵＰＤ１を作成する。強度分布ＵＰＤ１は信号処理装置６３内のデータベースに保管される。
【００３５】
次に、案内装置６２の操作部６２ａを回転操作することで、サポート部材６１ｂすなわち超音波受信面６１を、被測定物５の表面５ａから離反する方向に垂直方向にｄｚだけ移動させ第２位置に位置させる。
【００３６】
次に、超音波探触子８から被測定物５の表面５ａに向けて再び超音波を照射する。このときの、超音波受信面６１の各セル内の圧電素子６１ｃから出力される電気信号に基づき、信号処理装置６３は超音波の強度分布ＵＰＤ２を作成し、データベースに保管する。
【００３７】
次に、照射された超音波の入射角が設定どおりであることを確認するために、入射角算出装置６４にて、データベースに保管されたＵＰＤ１とＵＰＤ２から得られる差分ｄｘ、ｄｙ、ｄｚに基づいて、超音波の入射角θを算出する。算出された入射角θが設定どおりであれば、次のステップに進む。
【００３８】
しかし、算出された入射角θが設定どおりでない場合は、入射角が設定どおりとなるまで探触子８の位置を調整する。このときセルの表示部材６１ｅは、色の変化が温度の変化に比例するようになっている。このため、より高い温度（超音波の強度が強い）のセルは色が濃く変化しているので、超音波が入射している方向を目視である程度確認することができる。従って、入射角算出装置６４により算出された入射角の信頼性を確認できるとともに、探触子８の位置調整の助けとなる。
【００３９】
なお、以下のステップに進む前に、この時点で超音波解析ユニット６が被測定物５から取り外される。
【００４０】
次に、図示を省略したモータによって回転テーブル４を回転させることによって、図１矢印Ｃ方向に、被測定物５をその軸心の回りに一定の速度で回転させつつ、超音波探触子８からは超音波を送信して探傷を行なう。
【００４１】
次に、超音波探触子８を、図１矢印Ｄ方向に移動させて、被測定物５の表面５ａに沿って引続いて探傷を行う。このとき、被測定物５が１回転する毎に、超音波探触子８を被測定物５の表面５ａに沿って矢印Ｄ方向に移動させ、探傷するようにする。
【００４２】
超音波探触子８によって検出された検出信号は、探傷器１０に送信され、探傷器１０の記録計に記録される。このようにして、被測定物５の表面５ａ及び内部の欠陥の検査が行われる。
【００４３】
そして、超音波探触子８が被測定物５の軸方向の他端部に到達したら探傷を終了し、回転テーブル４の回転を停止させる。
【００４４】
本実施形態によれば、被測定物表面５ａに入射される超音波の入射角θを、超音波受信面６１の第１位置と第２位置におけるセル６１ａ内の圧電素子６１ｃの出力信号に基づいて算出するため、被測定物表面５ａへの超音波の入射角を正確に確認することができ、精度の高い超音波探傷が可能になる。
【００４５】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、信号処理装置は、超音波の強度分布を、強度分布ＵＰＤ１、ＵＰＤ２のようにセルの全範囲にわたって作成する必要は必ずしもなく、各セルに流れている電流の大きさを比較し、電流値が最も高い（超音波の強度が最も強い）セルの番地を特定するだけでもよい。この場合も、第1位置と第２位置における超音波の強度が最も強いセルの番地ｘｉｙｉとｘｊｙｊに基づいて差分ｄｘ、ｄｙを求めることができる。このため、第1位置と第２位置の垂直方向の距離ｄｚとで、幾何学計算により超音波の入射角を算出することができる。
【００４６】
また、圧電素子から出力される信号と信号処理装置との間の信号のやり取りを無線化することで、超音波解析ユニットを被測定物から取り外すことなく超音波探傷検査を実施することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１  超音波探傷検査装置
２  超音波伝質媒体
５  被測定物
５ａ  被測定物表面
６  超音波解析ユニット
６１  超音波受信面
６１ｃ  圧電素子
６２  案内装置
６３  信号処理装置
６４  入射角算出装置
８  探触子
【図１】
2016148536.tif 000003
【図２】
2016148536.tif 000004
【図３】
2016148536.tif 000005
【図４】
2016148536.tif 000006
【図５】
2016148536.tif 000007
【図６】
2016148536.tif 000008
【図７】
2016148536.tif 000009