JP2004361251A - 超音波振動を利用した硬さ測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型、低価格で取扱いが容易なヤング率測定装置を提供する。
【解決手段】長さ振動モードの共振の節が支持固定された棒状超音波振動子の端部に球あるいは略半球状の接触子を設け、この超音波振動子の接触子を物体に圧接したときの圧力を検出する手段と、前記棒状超音波振動子を励振するための自励発振回路および前記自励発振回路の発振周波数を計測する手段により、超音波振動子を物体に押し付けたときの圧力と共振周波数の変化量を検出し、これらを利用して演算処理によりその物体のヤング率を求める。
【選択図】 図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波振動子の一部分に物体を押し付けると、その物体の密度や弾性的特性に応じてその超音波振動子の共振周波数や共振抵抗などが変化する現象を利用して、皮膚やゴムなどの比較的「やわらかい物体」やプラスチックや金属などの「硬い物体」など、広い範囲の硬さの物体のヤング率を測定する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波振動子の一部を物体に押し付けたときに、その超音波振動子の共振周波数ｆｒが大きく変化することが知られている。
特公昭６１−３３１３６には、磁歪振動子の一方の端部にホーンを接合したホーン付き超音波振動子と、この超音波振動子の共振周波数を自動追尾する励振装置（自励発振回路）を用いて、上記ホーン付き超音波振動子のホーン先端を被検出物体に当接したときの共振周波数と共振尖鋭度Ｑｍの変化分を測定し、この変化分から被検体の材質を識別する方法が開示されている。
また、本発明者の内の一人は、特願２００２−０７０２３２により、超音波振動子として入力端子、出力端子およびアース端子を有する３端子型圧電振動子を用い、電流検出型仮想接地回路を入力回路とする自励発振回路と組み合わせた構成の弾性特性測定装置用超音波振動子を提案している。
また、「硬い物体」の硬さの計測では、角錘状や半球状のダイヤモンドや超硬合金の圧子を物体の表面に所定の圧力で押し付けたときの窪み寸法を計測して、その大きさによりその物体の硬度を表現する方式のビッカース硬度試験機、ブリネル硬度試験機、ロックウェル硬度試験機などが伝統的に広く使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記に示した、従来の超音波振動子を用いて物体の硬さ（やわらかさ）を計測する方法では、接触子の材質や寸法などを含めた同一設計の超音波振動子を用いて測定した場合には、同じ圧力に対する共振周波数の変化量の違いから、物体の硬さの違いを定性的に識別することはできるが、接触子の材質や寸法などが異なっている場合や超音波振動子の特性が異なる場合には、測定値の互換性に乏しいと言う欠点があった。
また、ビッカース硬度試験機、ブリネル硬度試験機、ロックウェル硬度試験機などの伝統的な硬度試験機においては、いずれも物体に塑性変形を生じさせる圧力を加えるため、窪みの寸法が材料の復元性やクリープ現象などによって変化し、やはり、測定値に物体の物理定数としての普遍性を期待することができず、測定データには、測定器の種類や測定条件を明記せざるを得ないなどの不都合があった。また、測定に当たっては、物体の表面に圧痕が残ることや、物体の表面に垂直に荷重を印加する必要があることなどの理由により、所定の寸法、形状の測定用試験片を用いるのが一般的であり、現物の特性を直接計測できないと言う問題点があつた。さらに、これら、伝統的な硬度試験機では、物体に大きな圧力を印加する必要があるため、非常に堅固な構造とする必要があり、装置が大型で、その価格が高価になる上に、持ち運びも不便であった。
本発明は、従来の超音波振動子を用いた物体の硬さ計測装置では不可能であつた、物体の物理定数であるヤング率を計測可能とし、接触子の材質や寸法などが異なっている場合や超音波振動子の特性が異なる場合でも、理論的に予測されるわずかな補正を行うことにより測定データの互換性が可能なヤング率の測定装置を提供するものである。
さらに本発明は、従来の伝統的な硬度試験機の欠点を解決し、小型で可搬性に優れ、低価格を実現するとともに、特別の形状の測定用試験片を不要として直接に現物のヤング率を計測可能な装置を提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、
端部に球あるいは略半球状の接触子を有し、長さ振動モードの共振の節が支持固定された棒状超音波振動子と、前記棒状超音波振動子を物体に圧接したときの圧力を検出する手段と、前記棒状超音波振動子を励振するための自励発振回路および前記自励発振回路の発振周波数を計測する手段と、前記手段により検出した圧力押込み量と共振周波数の変化量を利用してヤング率を求める演算手段とを有し、前記前記棒状超音波振動子の前記接触子部を物体に圧接してその物体のヤング率を計測することを特徴とする超音波振動を利用した硬さ測定装置を得ることができる。
【０００５】
「動作原理」
図１、図２および図３は、本発明の超音波振動を利用した硬さ測定装置の動作原理の説明図であり、図１は、超音波振動子センサ接触時の負荷による等価回路定数説明図、図２は、接触時の物体を含めた振動子の等価回路、図３は、接触子の押し込み量ｔと接触半径ａの関係を示す図である。図１（ａ）に示すように，先端に半球状の接触子２を具備した振動子１を静圧力Ｆで物体３に押し付けた場合，図１（ｂ）に示すように振動の反作用により物体の等価質量ｍ_ａおよび等価スティフネスｓ_ａが振動子に付加される。
この時，振動子の共振周波数近傍における電気的等価回路は図２で表すことができる。ここで，Ｃ_ｄは振動子の制動容量，φは電気機械変成比，ｍ，ｓ，ｒはそれぞれ振動子の等価質量，等価スティフネス，および等価抵抗である。また，ｍ_ａ，ｓ_ａ，ｒ_ａはそれぞれ接触物体の等価質量，等価スティフネス，および等価抵抗である。図２の等価回路から振動子が物体に接触していない場合，すなわち振動子のみの場合の共振周波数ｆ_ｒと接触時の共振周波数ｆ_ｒａは，それぞれ式（１），式（２）で表される。
【数１】

【数２】

【０００６】
いま，曲率半径がＲの半球状の接触子が、図３に示すように押し込み量ｔだけ物体に押し込まれ，半径ａで接触している場合の等価スティフネスｓ_ａは，式（３）で与えられる。
【数３】

ここで，Ｅ_ａは物体のヤング率、σは物体のポアソン比である。接触半径ａは，接触子の押し付け静圧力をＦとした場合，式（４）で与えられる。
【数４】

これから，接触子の半径Ｒ，物体のヤング率Ｅ_ａおよびポアソン比σが既知であれば、式（３），式（４）から，物体の等価スティフネスｓ_ａは，Ｆの関数として求められる。
【０００７】
一方，図３に示すように振動子が静圧力Ｆで物体に加圧接触している場合の物体の等価質量ｍ_ａは，式（５）で与えられる。
【数５】

ここで，ρは物体の密度，Ｓ_ｃは図３における接触半径ａに対応する接触投影面積で，式（６）で与えられる。接触半径ａと押し込み量ｔの関係は式（７）で表される。また，半無限の弾性体表面に半径Ｒの球が静圧力Ｆで押し付けられた時の押し込み量ｔは，式（８）で与えられる。
【数６】

【数７】

【数８】

ここで，接触投影面積Ｓ_ｃ，接触半径ａは，それぞれ式（６）式および式（７）で与えられるから、式（５）で与えられる振動子を物体に接触させたことによる等価質量ｍ_ａは，式（８）から得られる圧力Ｆを印加したときの押込み量ｔを式（６）代入することにより求めることができる。このことは，式（３）〜（８）から等価スティフネスｓ_ａおよび等価質量ｍ_ａが押し込み圧力Ｆの関数として統一的に求められることを示している。
【０００８】
比較的「やわらかい物体」である生体組織の筋肉や皮膚あるいはゴムなどのヤング率Ｅは金属やプラスチックに対して数桁以上小さいため，式（３）から求められる等価スティフネスｓ_ａの実効的な効果が小さくなる。一方，式（８）の押し込み量ｔは，やわらかいため大きくなり接触投影面積Ｓ_ｃが増加することになる。そのため，等価質量ｍ_ａが大きくなり，その結果として式（２）で与えられる共振周波数ｆ_ｒａは低い方に変化する。
これに対して，ヤング率Ｅが数桁大きい金属やプラスチックなどの比較的「硬い物体」の場合は，式（３）から等価ステイネスｓ_ａは実効的に大きくなる。一方，押し付け圧力Ｆに対する押し込み量ｔは硬いため小さく，接触面積Ｓ_ｃも極めて小さくなる。そのため等価負荷質量ｍ_ａの値が小さくなり式（２）で表される共振周波数ｆ_ｒａは上昇する。つまり，「やわらかい物体」に接触した場合は，共振周波数は低下し，硬い物体の場合は共振周波数が上昇することになる。
以上、振動子の共振周波数の変化は，接触子の半径Ｒ，振動子の等価回路定数（等価質量ｍ，等価スティフネスｓ）および物体の物理定数（ヤング率Ｅ、ポアソン比σ，密度ρ）がわかっていれば，「やわらかい物体」および「硬い物体」の双方について統一的に押し付け圧力Ｆの関数として共振周波数の変化量△ｆを理論的に求めることができることを示した。
このことは、言い換えれば，押し付け圧力Ｆに対する共振周波数の変化量△ｆを測定すれば，物体の物理定数を求めることができることを示しており、本発明は、この原理を用いて、圧力と共振周波数の変化量△ｆから物体のヤング率を測定する装置を提供するものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図４は、本発明の超音波振動を利用した硬さ測定装置の構成ブロック図である。
振動子１の先端には半球状の接触子２が設けられている。振動子１は、共振時の振動の節の位置（図４では振動子１のほぼ中央部）を支持固定具６により固定されている。このように振動の節を固定することにより、振動子１を物体に圧接したときに支持固定部に力が加わっても、その力により振動子１の特性に与える影響は無視できるほど少なくなる。振動子１は、自励発振回路部７、圧力検出部８が一体に構成されたセンサ回路ユニット９に組み込まれている。
センサ回路ユニット９の出力の内、自励発振回路部７の出力は、周波数カウンタ回路１１に入力され、圧力検出部８の出力とともに、ヤング率演算部１１に入力される。ヤング率の演算結果は、表示部１２で表示されるとともに、必要に応じて外部のＰＣなどに出力される。
【００１０】
【実施例】
図５は、本発明の超音波振動を利用した硬さ測定装置に使用される超音波振動子センサの構造例であり、特に硬い物体用超音波振動子センサの構造例である。
圧電セラミツク円柱の側面にほぼ向かい合うように２個の電極１３，１４が形成されて振動子１を構成しており、一方の端面に、振動子の直径よりも小さい半球が接合され接触子２２を構成している。接触子の材質としては超硬合金やダイヤモンドなど硬い材質が望ましい。この電極１３，１４を分極および駆動に使用することにより、振動子１を長さ振動モードで振動させることができる。つまり、この電極１３，１４を用いて分極処理を行った後に、前記自励発振回路部７に接続することにより、振動子１を自己の有する共振周波数で励振することが可能となる。このように、振動子１を自励発振回路７と組み合わせることにより、接触子２２が物体に圧接されることにより、振動子１の共振周波数が変化した場合にも自動的にその共振周波数を追尾することが可能になる。
図６は、本発明に至る過程で行った測定実験結果の一例であり、接触子として直径０．５ｍｍの鋼球を用いて測定した真鍮（ＢＳ）に対する圧力と共振周波数変化量△ｆの実測値を計算値と比較したものである。図６からわかるように、実測値と計算値は良く一致している。
【００１１】
図７は、本発明の超音波振動を利用した硬さ測定装置において、「硬い物体」のヤング率を求める計算フローである。計算式および計算に必要な特性値を図中に示してある。本発明の超音波振動を利用した硬さ測定装置においては、ヤング率演算部１１においてこれらの計算を行っている。
図８は、プラスチックや金属など１５種類の材質について、本発明の超音波振動を利用した硬さ測定装置を利用して測定したヤング率Ｅ_Ｌを同じ試料に圧電素子を接合して複合振動子として計測した共振周波数から求めたヤング率Ｅ_ｖと比較した結果を示している。図８からわかるように、多少のばらつきはあるが、ヤング率Ｅ_ｖとヤング率Ｅ_ａは、ほぼ傾き４５度の直線に沿っており、本発明の有効性を示している。
【００１２】
図９は、本発明の超音波振動を利用した硬さ測定装置に使用される超音波振動子センサの別の構造例であり、特にやわらかい物体用超音波振動子センサの構造例である。図５の超音波振動子センサと同じく、圧電セラミツク円柱の側面にほぼ向かい合うように２個の電極１３，１４が形成されて振動子１を構成しているが、一方の端面に、振動子の直径よりも大きな直径の半球状の接触子２３が接合されている。
図１０は、やはり、本発明に至る過程で行った測定実験結果の一例であり、「やわらかい」物体に対する圧力と共振周波数変化量△ｆの計算値と実測値比較である。測定には、半径Ｒ＝１ｍｍの接触子を使用しており、図１０の横軸の最大値は、ちょうど押し込み量ｔが半径と等しい場合に対応している。つまり、理論的には、物体を接触子の半径まで押し込んだときに接触子の半球部分全体が物体と接触すると仮定しているのに対して、実際には、物体がやわらかいときには、ほぼ半球部分全体が接触するが、物体が硬くなると接触する部分は少なくなる。
従って、図１０の結果も、圧力が小さいとき、すなわち押し込み量ｔが少ないときほど、実測値と計算値が良く一致している。
数多くの実験の結果、接触子の半径Ｒに対して押し込み量ｔが０．２Ｒ程度以下の場合に実測値と計算値は良く一致することがわかった。
図１１は、本発明の超音波振動を利用した硬さ測定装置において、「やわらかい物体」のヤング率を求める計算フローである。図７の場合と同様に、計算式および計算に必要な特性値を図中に示してある。
本発明の超音波振動を利用した硬さ測定装置においては、「やわらかい物体」の場合も、ヤング率演算部１２においてこれらの計算を行っている。
図１２は、シリコンゴムに希釈用シンナーと各種の粉末を加えて製作した硬さの異なるサンプルについて、本発明の超音波振動を利用した硬さ測定装置を利用して測定したヤング率Ｅ_ａを同じサンプルに静的な圧力を加えたときの変形量から求めた静的ヤング率Ｅ_ｓと比較した結果を示している。図１２からもわかるように、やはり多少のばらつきはあるが、ヤング率Ｅ_ａとヤング率Ｅ_ｓはほぼ傾き４５度の直線に沿っており、「やわらかい物体」に対しても本発明の有効性を示している。
【００１３】
図７および図１１に示したように、本発明の超音波振動を利用した硬さ測定装置においては、「硬い物体」と「やわらかい物体」の場合に、ヤング率を求めるために異なる計算フローを用いている。通常の場合、「硬い物体」として一般のプラスチックから金属全般を対象とし、「やわらかい物体」として、いわゆるゴムや皮膚などを対象とする場合には、それぞれヤング率の値が数桁以上異なるのでまったく問題がないが、硬質ゴムや軟質プラスチックなど、曖昧な硬さの物体の場合にも、本発明の基本となる式（３）〜式（８）に基づいて接触子の材質と寸法を適切に設計することにより測定が可能である。
【００１４】
図９に示した超音波振動子センサでは、接触子の半径を振動子の直径よりも大きい場合について示したが、「やわらかい物体」ヤング率の測定においても、必ずしも大きな直径の接触子を用いる必要はない。測定しようとする「やわらかい物体」の厚さが薄かったり、曲面状になっていたりする場合には、相対的に平面状のサンプルを計測している状態に近い条件とするために、接触子の半径Ｒを小さくするのが有効である。その場合に考慮することは、押し込み量ｔの値を接触子の半径Ｒに対して２０％程度以下とすることである。
また、本発明の超音波振動を利用した硬さ測定装置においては、接触子が物体を押し付ける圧力を検出するための圧力検出部８が不可欠であるが、実際の圧力センサとしては、歪ゲージ式ロードセルや差動トランスとバネを組み合わせる方式などいずれの方式を採用しても良い。
さらに、式（５），（６），（７）より、等価質量ｍ_ａはポアソン比σと物体の密度および押し込み量ｔにより決定され、ポアソン比σの値は、物体の種類によりほぼ同じ値を示すので、もし、押し込み量ｔを精度良く計測可能に押し込み量検出装置を付加し、圧力と同時に押し込み量ｔを計測可能とした場合には、押し込み量ｔと等価質量ｍ_ａの変化、すなわち共振周波数の変化量△ｆから、物体の密度を計測できることになる。
【００１５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の超音波振動を利用した硬さ測定装置は、簡単な構造の超音波振動子センサを数グラムから数百グラムの小さい圧力で測定する物体に押し付け、そのときの圧力と共振周波数変化量を測定することによりその物体の物理定数であるヤング率を測定することが可能な装置である。従来の超音波振動子を用いた物体の硬さ計測装置では不可能であつた、超音波振動子センサの仕様が異なる場合のデータの互換性、普遍性を確保するとともに、従来の伝統的な硬度試験機の欠点を解決し、接触子の先端が接触する部分に対応する微小面積で測定が可能であるため、特別な試験片を用いる必要がなく現物のヤング率を測定することができる。また、接触子を試験片に押し付ける圧力は、金属などの硬い物体の場合でもたかだか数百グラムで良いため、物体に傷をつける心配もなく、製品のヤング率を測定できる。さらに、小型で可搬性に優れたヤング率の測定装置を提供するもので、その実用的な効果は非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】超音波振動子センサ接触時の負荷による等価回路定数説明図
【図２】接触時の物体を含めた振動子の等価回路
【図３】接触子の押し込み量ｔと接触半径ａの関係
【図４】本発明の超音波振動を利用した硬さ測定装置構成ブロック図
【図５】「硬い物体」用超音波振動子センサの構造例
【図６】「硬い物体」に対する圧力と共振周波数変化量△ｆの計算値と実測値比較
【図７】「硬い物体」に対するヤング率の計算フロー図
【図８】「硬い物体」に対するヤング率の実測値比較
【図９】「やわらかい物体」用超音波振動子センサの構造例
【図１０】「やわらかい物体」に対する圧力と共振周波数変化△ｆの計算値と実測値比較
【図１１】「やわらかい物体」に対するヤング率の計算フロー図
【図１２】「やわらかい物体」に対するヤング率の実測値
【符号の説明】
１：振動子
２，２２，２３：接触子
３：被測定物体
４：負荷による等価質量
５：負荷による等価スティフネス
６：支持固定具
７：自励発振回路部
８：圧力検出部
９：センサ回路ユニット
１０：周波数カウンタ回路
１１：ヤング率演算部
１２：表示部
１３，１４：電極

Claims (1)

1. 端部に球あるいは略半球状の接触子を有し、長さ振動モードの共振の節が支持固定された棒状超音波振動子と、前記棒状超音波振動子を物体に圧接したときの圧力を検出する手段と、前記棒状超音波振動子を励振するための自励発振回路および前記自励発振回路の発振周波数を計測する手段と、前記手段により検出した圧力と共振周波数の変化量を利用してヤング率を求める演算手段とを有し、前記棒状超音波振動子の前記接触子部を物体に圧接してその物体のヤング率を計測することを特徴とする超音波振動を利用した硬さ測定装置

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