(57)【要約】【課題】短時間で試料の異常を測定する方法およびその装置を提供する。【解決手段】試料の異常を測定する方法であって、標準試料の共振周波数と前記異常との相関関係をあらかじめ測定しておき、前記試料の共振周波数を測定する第１ステップと、前記第１ステップで測定した共振周波数および前記相関関係に基づき前記試料の異常を測定する第２ステップと、を有する。【選択図】図１
2009063498.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の異常を測定する方法であって、
標準試料の共振周波数と前記異常との相関関係をあらかじめ測定しておき、
前記試料の共振周波数を測定する第１ステップと、
前記第１ステップで測定した共振周波数および前記相関関係に基づき前記試料の異常を測定する第２ステップと、
を有することを特徴とする試料の異常測定方法。
【請求項２】
前記試料としての転動体の異常を測定する試料の異常測定方法であって、
前記転動体を転動させる転動路を設け、
前記転動体が前記転動路を転動する際に前記転動体を加振し、
加振により生じた振動を測定することにより、その転動体の共振周波数を測定する
ことを特徴とする請求項１に記載の試料の異常測定方法。
【請求項３】
前記異常の程度に対する感度が鋭敏な周波数帯域を用いて前記試料を加振する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の試料の異常測定方法。
【請求項４】
前記試料としての転がり軸受用玉の残留応力を測定する
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の試料の異常測定方法。
【請求項５】
試料としての転動体の異常を測定する装置であって、
標準試料の共振周波数と前記異常との相関関係データを格納した記憶部と、
前記試料の共振周波数を測定する共振周波数測定器と、
前記共振周波数測定器が測定した共振周波数および前記相関関係データに基づき前記試料の異常を求める演算部と、
前記転動体を転動させる転動路と、
を備え、
前記転動路は、
前記転動体が当該転動路を転動する際に前記転動体を加振し、
前記共振周波数測定器は、
加振により生じた振動を測定することにより、その転動体の共振周波数を測定する
ことを特徴とする試料の異常測定装置。
【請求項６】
前記転動路は２本のレールであり、
１のレールで前記転動体を加振し、他のレールで前記転動体の振動を検知する
ことを特徴とする請求項５に記載の試料の異常測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の異常を測定する方法、およびその装置に関するものであり、特に試料の共振周波数を利用するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体試料の表面きずの防止や転がり疲労寿命の向上を目的として、冷間加工や熱処理等による表面硬化処理が行われることがある。この処理によって、試料の内部や表層部に残留応力が形成される。
残留応力は、疲労寿命の改善に効果があるが、過大な残留応力はかえって疲労の要因となる場合があり、試料の異常とみなされる。特に、転がり軸受の転動体に使用する鋼球のように、使用条件が高速、高面圧となるような機械部品（転動部品）では、鋼の組織変化を伴う表層の早期剥離寿命（転がり寿命）が問題となる場合があり、残留応力の管理は重要な技術的課題である。
【０００３】
従来、Ｘ線を利用した残留応力測定に関し、『１回の測定で迅速かつ高精度なＸ線での応力測定方法および測定装置を提供する。』ことを目的とした技術として、『Ｘ線源１から出力されたＸ線の光路上に保持された試料４にＸ線を入射して、試料から生じる回折Ｘ線５を検出する位置感応型Ｘ線検出器７を用いたＸ線応力測定方法であって、試料を透過した回折Ｘ線５を位置感応型Ｘ線検出器で検出することで試料の残留応力を測定する。測定試料の膜厚を薄くして透過Ｘ線で回折Ｘ線を測定することにより、基準となる入射Ｘ線２も位置感応型Ｘ線検出器に記録されるため、回折Ｘ線パターンを正確に読み取ることができる。このように回折Ｘ線の測定の基準となる入射Ｘ線の位置を正確に把握できるため、迅速かつ高精度な応力測定が可能となる。』というものが提案されている（特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２０１８０４号公報（要約）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
残留応力の測定では、通常、深さ方向の応力分布を評価する。上記特許文献１のようなＸ線を利用した残留応力測定では、深さ方向に対して複数回の破壊検査を行うことになるため、１回の測定時間が短いとしても、検査試料１個につき多大な測定時間を要する。
【０００６】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、短時間で試料の異常を測定する方法およびその装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る試料の異常測定方法は、標準試料の共振周波数と前記異常との相関関係をあらかじめ測定しておき、前記試料の共振周波数を測定する第１ステップと、前記第１ステップで測定した共振周波数および前記相関関係に基づき前記試料の異常を求める第２ステップと、を有するものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る試料の異常測定方法によれば、標準試料の共振周波数と異常との相関関係をあらかじめ測定しておき、測定実施時は共振周波数の測定のみにより異常を測定することができるので、短時間での異常測定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る試料の異常測定装置の全体構成図である。本実施の形態１では、試料として軸受用鋼球（以下、鋼球と略す）１０を用い、異常として鋼球１０の残留応力を測定する構成について説明する。
【００１０】
図１において、鋼球１０は圧電材料２０に挟まれて荷重を加えられている。
波形生成器３０は、圧電材料２０の超音波振動パターンを生成して電気信号を発する。
圧電材料２０ａは、波形生成器３０の生成した超音波振動パターンに基づき振動して鋼球１０に超音波振動を印加して鋼球１０を振動させる。圧電材料２０ｂは、鋼球１０の振動を検出し、信号を出力する。
周波数分析装置４０は、前記信号を測定・分析することにより、鋼球１０の共振周波数を測定する。
ロードセル５０は、圧電材料２０の接触荷重を測定し、データ記録装置６０に測定結果を格納する。
コンピュータ７０は、後述の処理により鋼球１０の残留応力を求める。
【００１１】
本実施の形態１における「共振周波数測定器」は、圧電材料（素子、センサ）２０ａ、２０ｂ、波形生成器３０、周波数分析装置４０で構成される。
また、「演算部」は、コンピュータ７０がこれに相当する。
また、「記憶部」は、コンピュータ７０が備える記憶装置がこれに相当する。
【００１２】
ここで、本発明の理解を容易にするため、図１の異常測定（検出）装置の原理について簡単に説明する。
【００１３】
図２は、鋼球１０の共振周波数と接触荷重、および共振周波数と残留応力の相関関係を説明するものである。
ここでは、半径が２．９７６５ｍｍ、表層部（表面〜０．２ｍｍ程度）の残留圧縮応力が７００ＭＰａ前後と１２００ＭＰａ前後の２種類の鋼球をデータ取得用の標準試料として用いた。前者を低残留応力の鋼球、後者を高残留応力の鋼球とする。
なお、各標準鋼球の残留応力は、既存の測定手法、例えばＸ線応力測定法などにより測定することができる。
【００１４】
図２（ａ）は、標準鋼球の共振周波数と、圧電材料２０による接触荷重との相関関係を示すグラフである。
同図のグラフによれば、低残留応力、高残留応力いずれの種類の鋼球とも、共振周波数と接触荷重の間には相関関係があることが分かる。接触荷重を可変させて各接触荷重における共振周波数を測定し、測定結果を線形補完することにより、接触荷重が０のときの共振周波数を得ることができる。
【００１５】
図２（ｂ）は、標準鋼球の共振周波数と残留応力の相関関係を示す表である。
同図の表に示すように、低残留応力、高残留応力いずれの種類の鋼球とも、共振周波数と残留応力の間には相関関係があることが分かる。即ち、鋼球１０の共振周波数を図１の装置で測定することにより、その鋼球の残留応力を間接的に測定することができるのである。
【００１６】
なお、図２の各数値は例示であることを付言しておく。
【００１７】
次に、図１の異常測定装置の動作について以下のステップ（１）〜（４）で説明する。
【００１８】
（１）図２で説明したような鋼球の共振周波数と残留応力の相関関係を、標準試料となる鋼球を用いてあらかじめ求めておき、コンピュータ７０の記憶装置にデータとして格納しておく。
（２）波形生成器３０で超音波振動を発生させ、圧電材料２０ａにより鋼球１０に振動を印加して鋼球を振動させる。圧電材料２０ｂは、鋼球１０の振動を検出し、信号を出力する。次に、周波数分析装置４０で振動波形を取得し、鋼球１０の共振周波数を測定する。
【００１９】
（３）コンピュータ７０は、測定した共振周波数を取得する。
（４）コンピュータ７０は、取得した共振周波数と、ステップ（１）であらかじめ格納しておいた相関関係データとを比較し、取得した共振周波数と合致するエントリから残留応力の値を読み取る。
【００２０】
以上のステップ（１）〜（４）により、鋼球１０の共振周波数を測定することで残留応力を間接的に測定することができる。
なお、図２に示したような相関関係データは、図１と同様の装置やＸ線を利用した従来の装置を用いて実測により取得してもよいし、有限要素法のような解析手法を用いて演算により求めてもよい。また、圧電材料２０ａで鋼球１０を加振し、圧電材料２０ｂで振動を検出したが、一方のみで加振・検出の両機能をもたせる構成でもよい。
【００２１】
本実施の形態１では、鋼球１０の共振周波数を測定することにより残留応力を測定する手法を説明したが、測定対象の試料はこれに限られるものではなく、例えば同じく転がり軸受用の転動体である円筒ころ、円錐ころ、針状ころなどについても同様の手法で測定が可能である。
また、これらの材料として、鋼に限らずステンレス合金やセラミックス等にも同様の手法の適用が可能である。
さらには、転がり軸受用転動体に限らず、直動軸受、ボールネジ等各種転動装置用部品、その他一般機器用部品にも同様の手法の適用が可能である。
【００２２】
また、測定対象となる異常は残留応力に限られるものではなく、共振周波数との相関関係がある異常であれば、同様の手法で測定が可能である。例えば試料の傷、形状不良、不純物、熱処理不良、欠陥等の測定が可能である。
【００２３】
また、本実施の形態１では、圧電材料２０を用いて鋼球１０に振動を加えることを説明したが、その他の振動発生素子などを用いて振動を加えるように構成してもよい。
【００２４】
以上のように、本実施の形態１によれば、標準試料となる鋼球の共振周波数と残留応力との相関関係をあらかじめ測定しておき、鋼球１０の共振周波数を測定することにより残留応力を測定するので、非破壊かつ短時間で、鋼球１０の残留応力を測定（検出）することができる。
【００２５】
実施の形態２．
実施の形態１では、本発明の基本的な考え方と測定装置の構成を示した。
本発明の実施の形態２では、本発明に係る手法の高速性を活かし、大量の鋼球の残留応力を連続して高速に測定する手法について説明する。
【００２６】
図３は、本実施の形態２に係る試料の異常測定装置の構成図である。図３（ａ）は圧電材料２０周辺の拡大図、図３（ｂ）は異常測定装置の全体イメージ図である。
本実施の形態２では、圧電材料２０を２本のレール状（２０ａ、２０ｂ）に形成し、そのレールの上を鋼球１０が転動可能に構成した。なお、鋼球１０が圧電材料２０上を転動可能な構成としたため、試料の自重を支える負荷のみが作用するだけで、この負荷は極めて小さいため、接触荷重の測定は必要なく、ロードセル５０とデータ記録装置６０は設けていない。
鋼球プール８０には、異常測定（検出）対象の鋼球が蓄積されている。
その他の構成は実施の形態１で説明した図１と同様であるため、説明を省略する。
【００２７】
本実施の形態２における「転動路」は、２本のレール状に形成した圧電材料２０がこれに相当する。
なお、レールは異常測定部のみ圧電材料で形成し、他の部分は金属や樹脂等の一般構造材で形成すればよい。
【００２８】
次に、図３の異常測定装置の動作について以下のステップ（１）〜（５）で説明する。
【００２９】
（１）実施の形態１と同様に、鋼球１０の共振周波数と残留応力の相関関係を、コンピュータ７０にデータとして格納しておく。
【００３０】
（２）鋼球プール８０より測定対象の鋼球１０を放出し、圧電材料２０のレール上に鋼球１０を転動させる。
鋼球１０が転動している際に、波形生成器３０で超音波振動を発生させ、圧電材料２０ａを振動させることにより鋼球１０に振動を印加して鋼球を振動させる。圧電材料２０ｂは、鋼球１０の振動を検出し、信号を出力する。次に、周波数分析装置４０で振動波形を取得し、鋼球１０の共振周波数を測定する。
測定に際し、例えば１本のレールを振動の発信側、もう１本を受信側、といったように適宜構成する。
または、レールを構造部材で形成し、圧電材料をこれと別に設ける構成でもよい。
【００３１】
（３）コンピュータ７０は、実施の形態１と同様に、ステップ（１）であらかじめ格納しておいた相関関係データと比較し、取得した共振周波数と合致するエントリから残留応力の値を読み取る。
（４）鋼球１０の残留応力が異常値を示した場合は、その鋼球１０を欠陥品としてライン外に自動的に除去するなど、適切な異常処理を実施する。
（５）以下同様に、鋼球プール８０に蓄積されている鋼球１０を連続的に次々と放出し、各鋼球の残留応力を連続的に測定する。
【００３２】
鋼球１０に印加する振動の周波数は、残留応力に対する感度が鋭敏な周波数帯域を用いる。この周波数帯域は、相関関係データを取得する際に、あらかじめ把握しておけばよい。これにより、残留応力の測定を極めて短時間で終了することができる。
残留応力以外の異常を測定する際も、同様である。
【００３３】
以上のように、超音波振動の印加による共振周波数の測定は短時間で完了するため、測定対象の鋼球１０を鋼球プール８０より連続的に次々と放出し、大量の鋼球１０の残留応力を高速に測定することができる。
【００３４】
なお、図３に示した各構成は、本発明の説明のために概念的に示したものであり、実際のサイズや具体的な構成等は、測定対象や環境に応じて適宜設計すればよい。後述の実施の形態３で説明する図４についても同様である。
【００３５】
本実施の形態２では、鋼球１０をレール状に形成した圧電材料２０上に転動させて、大量の鋼球１０の残留応力を連続的に測定する手法を説明したが、鋼球以外の転動体、例えば円柱状の試料についても、同様の手法により異常を測定することができる。
なお、転がり軸受用鋼球等の転動体は、球としてのマクロ形状、表面粗さ、等の殆どの機械的特性において極めて高い精度を有している。よって、共振周波数の差異として現れる異常は残留応力が主であり、それ以外の測定項目が均一であると考えられるため、本実施の形態２で説明したような残留応力に対して感度が良い共振周波数の測定による高速測定手法の適用に適しているといえる。
【００３６】
また、転がり軸受用鋼球の場合は、残留応力以外の測定項目がほぼ均一であると考えられるため、残留応力が異常な鋼球を除去するためには、残留応力が他の鋼球と比較して相対的に異常値を示す鋼球を特定できればよい。
したがって、この場合は残留応力の絶対値を測定する必要はなく、相対値（相対比較ができれば）が得られれば足りる。
【００３７】
軸受用鋼球以外の転動体試料について異常測定を行う場合でも、共振周波数の差異として現れる測定項目について、本実施の形態２と同様の手法により測定が可能である。例えば、残留応力以外にも、介在物、きず、熱処理不良、形状不良などの異常の測定が可能である。
【００３８】
以上のように、本実施の形態２によれば、鋼球１０をレール状に形成した圧電材料２０上で転動させ、転動中に超音波振動を印加して共振周波数を測定することにより、大量の鋼球１０の残留応力を連続的に高速に測定することができる。
【００３９】
実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３に係る試料の異常測定装置の構成図である。図４（ａ）は圧電材料２０周辺の拡大図、図４（ｂ）は異常測定装置の全体イメージ図である。図４の構成は、圧電材料２０を除いて図３と同様であるため、その他の構成は説明を省略する。
【００４０】
図４において、圧電材料２０は、長板状に形成され、板上を鋼球１０が転動可能に構成されている。
波形生成器３０は、板上を鋼球１０が転動している際に、超音波振動を生成して圧電材料２０ａを振動させることにより鋼球１０を加振する。圧電材料２０はその反射波を検出し、周波数分析装置４０で反射波を分析することにより、鋼球１０の共振周波数を測定する。
【００４１】
なお、本実施の形態３における「転動路」は、長板状に形成した圧電材料２０がこれに相当する。
【００４２】
本実施の形態３でも、実施の形態２と同様に、大量の鋼球１０の残留応力を高速に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】実施の形態１に係る試料の異常測定装置の全体構成図である。
【図２】鋼球１０の共振周波数と接触荷重、および共振周波数と残留応力との相関関係を説明するものである。
【図３】実施の形態２に係る異常測定装置の構成図である。
【図４】実施の形態３に係る異常測定装置の構成図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０  鋼球、２０  圧電材料、３０  波形生成器、４０  周波数分析装置、５０  ロードセル、６０  データ記録装置、７０  コンピュータ、８０  鋼球プール。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2009063498.tif 000006