JP2007218709A - 硬さ分布測定方法および硬さ分布測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】煩雑な作業を必要とすることなく物体の表面から深さ方向への硬さ分布を正確に測定する。
【解決手段】 表面１ａから深さ方向へ硬さが変化している物体１の硬さ分布を測定する方法であって、物体１の表面１ａに広帯域超音波の表面波ＵＬを異なる二つの伝播距離Ｌ1，Ｌ2で生じさせ、伝播距離の差とこの時生じる各周波数における超音波の位相差とから、各周波数における表面波ＵＬの音速を算出し、当該音速に基づいて、各周波数に対応した深さにおける物体１の硬さの指標値を算出する。物体１の表面１ａに向けて集束する広帯域超音波を発信する超音波センサ５を設けて、発信される超音波の集束点ＦＰを表面１ａから異なる深さＺ1，Ｚ2の二位置に設定することにより、表面１ａに広帯域超音波の表面波ＵＬを、異なる二つの伝播距離Ｌ1，Ｌ2で生じさせる。
【選択図】 図２

Description

本発明は硬さ分布測定方法および硬さ分布測定装置に関し、特に、表面から深さ方向への物体の硬さ分布を、超音波を使用して非破壊で測定する方法および装置に関する。

特許文献１には円柱材の焼入硬化深度を、超音波を使用して非破壊で測定する方法が記載されており、ここでは、円柱断面に内接する正多角形の一辺である弧方向へ超音波パルスを入射して、円柱断面の外周面で反射して戻る超音波を受信し、この時の音速より、超音波が通過した円柱断面の各円周層の硬さを測定している（以上、従来方法）。

なお、特許文献２には、物体を伝播する超音波表面波の音速変化率を算出して、これより、物体の表面層厚さを演算する方法が開示されている。
特公平６−５８３５６ 特開平１０−３００５６５

しかし、上記従来方法は、円柱材にしか適用できない上に、送信探触子と受信探触子を円柱材に対して正確に位置決めしつつその設置角度を適正に変更する必要があるため、測定が煩雑であるという問題があった。

そこで、本発明はこのような課題を解決するもので、煩雑な作業を必要とすることなく物体の表面から深さ方向への硬さ分布を正確に測定することができる硬さ分布測定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本第１発明の方法では、表面（１ａ）から深さ方向へ硬さが変化している物体（１）の硬さ分布を測定する方法であって、物体（１）の表面（１ａ）に広帯域超音波の表面波（ＵＬ）を異なる二つの伝播距離（Ｌ1，Ｌ2）で生じさせ、伝播距離の差（ΔＬ）とこの時生じる各周波数（ｆ）における超音波の位相差（Δφ）とから、前記各周波数（ｆ）における表面波（ＵＬ）の音速（Ｖp）を算出し、当該音速（Ｖp）に基づいて、各周波数（ｆ）に対応した深さにおける物体（１）の硬さの指標値を算出する。

本第１発明においては、物体の表面に広帯域超音波の表面波を異なる二つの伝播距離で生じさせて、その伝播距離の差とこの時生じる各周波数における超音波の位相差とに基づいて、各深さにおける物体の硬さの指標値を算出するようにしているから、円柱材以外の物体にも適用可能であるとともに、従来のように送信探触子と受信探触子を円柱材に対して正確に位置決めしつつその設置角度を適正に変化させる必要はないから、煩雑な測定作業を必要としない。

本第２発明の方法では、上記物体（１）の表面（１ａ）に向けて集束する広帯域超音波を発信する超音波センサ（５）を設けて、発信される超音波の集束点（ＦＰ）を表面（１ａ）から異なる深さ（Ｚ1，Ｚ2）の二位置に設定することにより、表面（１ａ）に広帯域超音波の表面波（ＵＬ）を、異なる二つの伝播距離（Ｌ1，Ｌ2）で生じさせるようにする。

本第２発明においては、超音波センサの位置を上昇ないし下降させて発信超音波の集束点を表面から異なる深さの二位置に設定することにより、表面波を、異なる二つの伝播距離で簡易に生じさせることができる。

本第３発明の装置では、表面（１ａ）から深さ方向へ硬さが変化している物体（１）の硬さ分布を測定する装置であって、物体（１）の表面に向けて集束する広帯域超音波を発信する超音波センサ（５）と、当該超音波センサ（５）を保持しこれを物体（１）の表面に対して遠近移動させる移動機構（３，４）と、超音波センサ（５）とマイクロヘッド（３，４）との間に介設されて物体（１）の表面に対する超音波センサ（５）の姿勢を調整する姿勢調整機構（４１）と、物体（１）の表面（１ａ）上に配設されて当該表面（１ａ）と超音波センサ（５）との間に接触媒体（２１）を貯留する貯留槽（２）とを具備している。ここで、移動機構としてはマイクロヘッドが、姿勢調整機構としてはスイベルテーブルがそれぞれ好適に使用できる。本第３発明においても本第２発明と同様の効果を得ることができる。

なお、上記カッコ内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以上のように、本発明の硬さ分布測定方法および硬さ分布測定装置によれば、煩雑な作業を必要とすることなく物体の表面から深さ方向への硬さ分布を正確に測定することができる。

図１には本発明の測定方法を実施する装置の一例を示す。図１において、物体１は窒化処理等によって、水平な表面１ａ側が最も硬さが大きく、これから下方の深さ方向へ漸次硬さが小さくなり生地本来の硬さに至る硬さ分布を生じている。物体１の表面１ａ上には接触媒体としての例えば水２１を貯留した底抜きの枠ケース２が載置されて貯留槽を構成している。枠ケース２の側壁には、移動機構たるマイクロヘッドを構成する支持架台３が固定されており、これに沿って上下動可能にスライダ４が設けてある。スライダ４には姿勢調整用の二軸スイベルテーブル４１を介して超音波センサ５が支持されており、当該センサ５の下部はケース２内の水中に浸漬されている。そして、超音波センサ５の音響レンズ５１の、凹状円弧断面に成形された下面５ａが上記物体表面１ａに正対している。

スライダ４の上面には架台３に支持されたマイクロメータ６の接触子６１が当接して、超音波センサ５の上下方向の移動位置が検出されている。超音波センサ５に内設された発信用圧電膜（図示略）から発信された超音波は音響レンズ５１によって集束されて物体表面１ａで反射し、反射波は再び音響レンズ５１を経て受信用圧電膜（図示略）に至って受信される。演算装置７が設けられて、これに超音波センサ５の受信信号とマイクロメータ６の検出信号が入力している。

物体表面１ａに超音波表面波ＵＬを生じさせるために図２に示すように、超音波センサ５から発信された超音波の集束点（焦点）ＦＰを物体表面１ａではなく、これよりも下方に設定している（デフォーカス）。このようにすると、超音波センサ５では、図３に示すように、物体１中からの直接の反射波による受信信号Ｓg1と、これに遅れて、物体表面１ａに生じた漏洩表面波ＵＬによる反射波の受信信号Ｓg2が得られる。そして、上記集束点ＦＰを物体表面１ａから深い位置に設定した場合（図２（Ａ））には、上記受信信号Ｓg2は相対的に長い距離Ｌ1を伝播した表面波ＵＬによるものとなり、一方、上記集束点ＦＰを物体表面１ａから浅い位置に設定した場合（図２（Ｂ））には、上記受信信号Ｓg2は相対的に短い距離Ｌ2を伝播した表面波ＵＬによるものとなる。

ここで、本実施形態では超音波センサ５として、中心周波数４０ＭＨｚで周波数帯域１０〜５０ＭＨｚの広帯域のものを使用している。表面波ＵＬはおよそその波長の半分程度の深さにおける物体１の物理的性質の影響を最も受けるから、超音波センサ５の周波数帯域は硬さ測定を行う深さに応じて適宜選択する。ちなみに、周波数帯域１０〜５０ＭＨｚの表面波ＵＬでは、物体１の約５０〜１５０μｍの深さ範囲が測定できる。

超音波の表面波ＵＬの伝播速度（位相速度）Ｖpはその波長の半分程度の深さにおける物体１の硬さに比例しているものと考えられ、演算装置７（図１）では、下式（１）によって周波数ｆの表面波ＵＬの伝播速度Ｖpを算出し、これに適当な係数を乗じることによって硬さの指標値を得ている。ここで、ΔＬは相対的に長い伝播距離Ｌ1と相対的に短い伝播距離Ｌ2との差であり、Δφは相対的に長い伝播距離Ｌ1を伝播した後の、周波数ｆの表面波ＵＬの位相φ1と、相対的に短い伝播距離Ｌ2を伝播した後の、上記表面波ＵＬの位相φ2との差より算出される。

Ｖp＝２πｆ・ΔＬ／Δφ…（１）

ここで、本実施形態のように、超音波センサ５から発信された超音波の集束点ＦＰを物体表面１ａよりも下方に設定することによって物体表面１ａに超音波表面波ＵＬを生じさせた場合には、上記伝播距離の差ΔＬは下式（２）で得られる。ここで、θは発信超音波の入射角（図４参照）、ΔＺは、超音波センサ５を下降させて発信超音波の集束点ＦＰを物体表面１ａから深い位置に設定した時のデフォーカス量Ｚ1（図２（Ａ））と超音波センサ５を上昇させて上記集束点ＦＰを物体表面１ａから浅い位置に設定した時のデフォーカス量Ｚ2（図２（Ｂ））との差である。

ΔＬ＝２tanθ・ΔＺ…（２）

また、各周波数ｆでの位相差Δφは、下式（３）で得られる。ここで、Ｖwは水中での音速であり、周波数ｆにおける表面波ＵＬの位相φ1、φ2は、超音波センサ５の受信信号Ｓg2を高速フーリエ変換することによって得られる。

Δφ＝φ2−（φ1−４πｆ・ΔＺ／Ｖw・cosθ）…（３）

上式（１）で算出された各周波数ｆの表面波ＵＬの伝播速度Ｖpに適当な係数を乗じて得られた、物体１の各深さにおける硬さの指標値を白丸で図５にプロットすると、これは圧痕の径を測定する従来の方法で得られるビッカース硬さＨｖの分布（図５の黒丸）と同様の傾向となり、物体１の表面１ａから深さ方向への実際の硬さ分布を良く示している。なお、図５の白角は窒化処理等の硬化処理をしていない物体１について本発明方法で測定された物体の各深さにおける硬さの指標値を示し、この場合は当然のことながら表面近くでの硬さ指標値の急増はなく、硬さ指標値はほぼ一定となる。

本発明の測定方法を実施するための装置の一例を示す部分断面側面図である。 超音波センサによる表面波発生の原理を示す概略側面図である。 超音波センサの受信信号の波形図である。 超音波センサ部の測定諸元を示す概略側面図である。 本発明方法による測定結果を示すグラフである。

符号の説明

１…物体、１ａ…表面、３…架台、４…スライダ、５…超音波センサ、６…マイクロメータ、ＦＰ…集束点、消息Ｌ1,Ｌ2…伝播距離、ＵＬ…表面波、Ｚ1，Ｚ2…深さ。

Claims (3)

1. 表面から深さ方向へ硬さが変化している物体の硬さ分布を測定する方法であって、前記物体の表面に広帯域超音波の表面波を異なる二つの伝播距離で生じさせ、伝播距離の差とこの時生じる各周波数における超音波の位相差とから、前記各周波数における前記表面波の音速を算出し、当該音速に基づいて、前記各周波数に対応した深さにおける前記物体の硬さの指標値を算出することを特徴とする硬さ分布測定方法。
2. 前記物体の表面に向けて集束する広帯域超音波を発信する超音波センサを設けて、発信される超音波の集束点を前記表面から異なる深さの二位置に設定することにより、前記表面に広帯域超音波の表面波を、異なる二つの伝播距離で生じさせるようにした請求項１に記載の硬さ分布測定方法。
3. 表面から深さ方向へ硬さが変化している物体の硬さ分布を測定する装置であって、前記物体の表面に向けて集束する広帯域超音波を発信する超音波センサと、当該超音波センサを保持しこれを前記物体の表面に対して遠近移動させる移動機構と、前記超音波センサと前記マイクロヘッドとの間に介設されて前記物体の表面に対する前記超音波センサの姿勢を調整する姿勢調整機構と、前記物体の表面上に配設されて当該表面と前記超音波センサとの間に接触媒体を貯留する貯留槽とを具備する硬さ分布測定装置。

Images