JP2007212410A - 膜厚較正曲線の取得方法 - Google Patents
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【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
Description
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。
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。
<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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
Claims (6)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
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