JP2012037424A - セラミック球体検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、セラミック球体を破壊することなく、表面層の内部の欠陥およびスノーフレークの有無を検出するセラミック球体検査装置を提供すること。
【解決手段】セラミック球体Ｓを所定の位置で自転可能に支持し、投光手段１１０の照射光を受光手段１２０で検出して表面層の内部状態を評価するセラミック球体検査装置１００であって、受光手段１２０が投光手段１１０から照射される照射光のセラミック球体の表面での反射光を検出しないように構成されていること。
【選択図】図２

Description

本発明は耐摩耗性および耐久性に優れたセラミック球体の表面層の内部状態を検査するのに好適なセラミック球体検査装置に関するものである。

セラミック球体は、鋼等の金属に比べて製造コストが高いものの、高強度で耐摩耗性や剛性に優れているとともに、鋼に比べて比重が小さく、かつ絶縁性で耐食性が高いという特徴を備えている。

これらの特性を利用して、耐摩耗部材として、軸受やボールナット等の摺動装置や、高圧の流体を制御する流体弁の弁体等に使用されることで、軽量化を可能とするとともに、負荷荷重や繰り返し摺動による損傷や摩耗、腐食や電蝕による損傷等が抑制され、性能を長期にわたって維持することが可能となり、構成部品の長寿命化が図れるとともにメンテナンス作業が低減される。

特に、風力発電の発電機、空調装置の圧縮機、電気自動車やハイブリッド自動車等の各車両等、電気系統に近接しかつ温度、湿度等の変化が激しい環境で使用される軸受等では、腐食や電蝕による損傷等の影響が極めて大きく、製造コストの低い鋼等の金属に代えて維持コストを低くできるセラミック球体が採用されることも多くなっている。
また、特に高圧下で高速開閉する流体弁では剛性が高く軽量で長寿命の弁体が必須であり、弁体としてセラミック球体を採用するメリットも非常に大きい。

一般的なセラミックは、複数の原材料および焼結助剤を用いて焼結されており、例えば窒化珪素質焼結体の焼結に際しては、原材料である窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）は、それ自身での固相焼結は起こりづらく、緻密な焼結体が得ることができないため、焼結助剤としてＹ_２Ｏ_３などの希土類酸化物や、Ａｌ_２Ｏ_３などの酸化物を混合して成形した後、液相焼結により緻密化し、窒化珪素質焼結体を得ている。

このように、複数の原材料や焼結助剤を用いて焼結した場合、条件によって表面や内部に微小な欠陥が発生しやすく、これらが存在すると、繰り返し荷重による疲労によって表面で剥離を起こす原因となる。
例えば、公知の特許文献１には、転動体表面のキズや亀裂などの欠陥が品質の信頼性の低下を招くため、焼結体の気孔率および粒界相中の最大気孔径について規定することで転がり寿命の優れた窒化珪素質焼結体製耐摩耗性部材が得られることが開示されている。

また、公知の特許文献２には、表面から深さ１ｍｍの範囲にマイクロポア（微小な欠陥に相当する微細気孔）の集合体で構成された白い樹枝状に観察される組織に着目し、該マイクロポアの集合体がある特定の大きさ以下であれば、ボールの全表面積に対して占める面積割合に関係なく、軸受材料として使用する上で支障となる転がり疲労による剥離を生じさせることが開示されている。

さらに、本発明者らは鋭意研究を行った結果、これらの欠陥を可能な限り低減するだけでは、耐摩耗性および耐久性の向上に不十分であることが判明した。

即ち、これらの欠陥は走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察可能な欠陥であるが、それ以外にＳＥＭでは観察できず、光学顕微鏡で観察される白色斑点（スノーフレーク）の有無が耐摩耗性および耐久性に非常に大きな影響を及ぼしていることを見出した。

このスノーフレーク部分は、図１に示すように、ＳＥＭ観察では全く見られないのに対し、光学顕微鏡では明確に観察される。
このスノーフレークはＳＥＭ観察では見られないことから、特許文献２で開示されているマイクロポアの集合体からなる白い樹枝状のものではなく、スノーフレーク部分は、それ以外の部分と結晶粒界相のわずかな組成の違いがある部分と考えられ、このわずかな組成の違いが耐摩耗性および耐久性に大きく影響している。

また、耐摩耗部材として使用される場合には、部材表面および表面近傍に存在するキズ、亀裂、気孔等の欠陥だけでなく、スノーフレークが耐摩耗性および耐久性に大きく影響を与えるため、表面および表面近傍の欠陥およびスノーフレークの有無が重要であり、焼結助剤組成の限定、かさ密度、平均結晶粒径をある特定の範囲内に調整し、限定した条件で製造することにより、表面から２５０μｍの深さまでの欠陥およびスノーフレークのない組織とすることが可能であることを見出した。

このような、本発明者が見出した特性を考慮してセラミック球体を製品として検査する場合、表面近傍に存在するキズ、亀裂、気孔等の欠陥だけでなく、スノーフレークがないことを、破壊することなく観察して検査するための手段が必要となる。

セラミック球体を破壊することなく検査するものとして、例えば特許文献３に示すような、セラミック球体の表面を光学的に観察する装置や、特許文献４に示すような、セラミック球体の表面および表面層の内部を超音波によって観察する装置が公知である。

特開２００２−３２６８７５（全頁、図２） 特開平６−３２９４７２（全頁、図１） 特開２００８−５１６１９（全頁、図１、図３） 特開２０１０−１２７６２１（全頁、図２）

しかしながら、上記の特許文献３のような光学的に観察する装置では、表面からの反射光を検出しているため、表面に現れた欠陥やスノーフレーク等の色調の相違を検出することは可能であるが、表面には現れない表面層の内部の欠陥やスノーフレーク等を観察することができないという問題があった。

また、特許文献４のような超音波によって観察する装置では、超音波の反射が異なるキズ、亀裂、気孔等であれば表面層の内部のものを検出することが可能であるが、前述したような結晶粒界相のわずかな組成の相違に基づき形成されるスノーフレークは超音波の反射による検出が困難であった。

そこで、本発明の目的は、簡単な構成で、セラミック球体を破壊することなく、表面層の内部の欠陥およびスノーフレークの有無を検出するセラミック球体検査装置を提供することにある。

本請求項１に係る発明は、セラミック球体を所定の位置で自転可能に支持する回転支持手段と、セラミック球体の表面に向けて照射光を照射する投光手段と、セラミック球体からの反射光を検査光として検出する受光手段と、該受光手段からの検出出力を受けてセラミック球体の表面層の内部状態を評価する処理手段とを備えたセラミック球体検査装置であって、前記受光手段が、前記投光手段から照射される照射光のセラミック球体の表面での反射光を検出しないように構成されていることにより、前記課題を解決するものである。

本請求項２に係る発明は、請求項１に記載の構成に加え、前記投光手段が、光源と、該光源の光を照射光としてセラミック球体の表面に導く投光部とを有し、前記受光手段が、光量検出部と、前記セラミック球体からの検査光を光量検出部に導く受光部とを有し、前記投光部あるいは受光部の少なくとも一方が、先端にセラミック球体の表面と接触可能な接触面を有していることにより、前記課題を解決するものである。

本請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の構成に加え、前記受光部が、セラミック球体の中心を通る断面の外周円の半円周にわたって複数設けられており、前記回転支持手段が、前記受光部の設けられた外周円に対し直角方向にセラミック球体を自転させるように構成されていることにより、前記課題を解決するものである。

本請求項４に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の構成に加え、前記受光部が、セラミック球体の中心を通る断面の外周円の一部に沿って複数設けられており、前記回転支持手段が、前記受光部の設けられた外周円に対し直角方向にセラミック球体を自転させるとともに、自転で一周したときに前記複数の受光部の幅分だけずれるように、前記受光部の設けられた外周円方向にセラミック球体を回転させるように構成されていることにより、前記課題を解決するものである。

本請求項５に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の構成に加え、前記受光部が、１つのみ設けられており、前記回転支持手段が、所定の方向にセラミック球体を自転させるとともに、該自転方向と直角方向にわずかに回転させるように構成されていることにより、前記課題を解決するものである。

本請求項６に係る発明は、請求項３乃至請求項５のいずれかに記載の構成に加え、前記投光部が、前記複数の受光部と同じ個数設けられ、１個ずつそれぞれ隣接するように設けられていることにより、前記課題を解決するものである。

本請求項７に係る発明は、請求項２乃至請求項６のいずれかに記載の構成に加え、前記回転支持手段が、間欠的に駆動可能に構成され、前記投光部あるいは受光部の少なくとも一方が、セラミック球体の表面方向に進退可能に構成され、前記投光部あるいは受光部の少なくとも一方の先端の接触面が、前記回転支持手段の駆動停止時にセラミック球体の表面に密着し、前記回転支持手段の駆動時にセラミック球体の表面から離脱するように構成されていることにより、前記課題を解決するものである。

本請求項１に係る発明のセラミック球体検査装置によれば、受光手段が投光手段から照射される照射光のセラミック球体の表面での反射光を検出しないため、検出される検査光は、セラミック球体の表面層の内部に透過し拡散した照射光の内部からの反射光のみとなり、表面層の内部の欠陥や、結晶粒界相のわずかな組成の相違に基づき形成されるスノーフレークの有無を、セラミック球体を破壊することなく、かつ、表面状態に左右されることなく正確に検出することができる。

また、セラミック球体の材質や焼結条件に応じて光の透過率が決定されるため、複数箇所を検出した全体的な検査光の多寡を観察することで、セラミック球体の材質や焼結の良否を検査することもできる。

本請求項２に係る構成によれば、投光部あるいは受光部の少なくとも一方が、先端にセラミック球体の表面と接触可能な接触面を有していることにより、投光部と受光部が近接していても、投光部から照射される照射光のセラミック球体の表面での反射光を、確実に受光部で検出されないようにすることができる。

本請求項３に係る構成によれば、セラミック球体を１回転自転させるだけで、セラミック球体の全表面を観察することができ、セラミック球体を効率よく検査することができる。

本請求項４に係る構成によれば、投光部および受光部の数を少なくすることができ、装置全体が簡素化され、コストが低減される。

本請求項５に係る構成によれば、投光部および受光部をそれぞれ１つとすることができ、さらに装置全体が簡素化され、コストが低減されるとともに、複数の投光部および受光部の光量や感度の調整が一切不要となり、検査精度の維持メンテが容易となる。

本請求項６に係る構成によれば、投光部と受光部の位置関係による、検出感度等の調整が不要となり、検査精度の維持メンテが容易となる。

本請求項７係る構成によれば、投光部あるいは受光部の少なくとも一方の先端の接触面が、セラミック球体の表面との摺動で破損したり摩耗したりすることなく、検査精度の維持メンテが容易となる。

セラミック体のスノーフレーク部分の光学顕微鏡写真。 本発明の第１実施例であるセラミック球体検査装置の概略側面図。 本発明の第１実施例であるセラミック球体検査装置の概略平面図。 本発明の第２実施例であるセラミック球体検査装置の概略平面図。 本発明の第２実施例であるセラミック球体検査装置の概略正面図。 本発明の第３実施例であるセラミック球体検査装置の概略平面図。 本発明の第３実施例であるセラミック球体検査装置の他の実施形態の概略平面図。 本発明のセラミック球体検査装置の他の実施形態の概略図。 本発明のセラミック球体検査装置のさらに他の実施形態の概略図。

そこで、本発明のセラミック球体検査装置について説明する。
本発明の第１実施例であるセラミック球体検査装置１００は、図２、図３に示すように、被検査体であるセラミック球体Ｓを所定の位置で自転可能に支持する回転支持手段と、セラミック球体Ｓの表面に向けて照射光を照射する投光手段１１０と、セラミック球体Ｓからの反射光を検査光として検出する受光手段１２０と、該受光手段１２０からの検出出力を受けてセラミック球体Ｓの表面層の内部状態を評価する処理手段１４０とを有している。

回転支持手段は、１つの駆動ローラ１３１と複数の従動ローラ１３２とからなり、複数の従動ローラ１３２が保持体１３４に回転可能に軸支されている。
保持体１３４は、その揺動軸１３５を中心に揺動支持部１３３に揺動可能に支持されることで、セラミック球体Ｓを１つの駆動ローラ１３１と複数の従動ローラ１３２の間に自転可能に保持するとともに、セラミック球体Ｓを保持から解放可能に構成されている。

投光手段１１０は、光源１１１と、該光源１１１の光を照射光としてセラミック球体Ｓの表面に導く投光部１１２とを有している。
受光手段１２０は、光量検出部１２１と、セラミック球体Ｓからの検査光を光量検出部１２１に導く受光部１２２とを有している。
投光部１１２と受光部１２２の先端は、セラミック球体Ｓの表面と接触可能な接触面をなしており、保持体１３４に、図示しない進退機構によってセラミック球体Ｓの表面方向に進退可能に保持されている。

光源１１１は、照射光が表面層の内部まで透過する波長を含み、内部で乱反射、拡散して受光部１２２に到達する光量を有するものであれば良く、最適な波長のみを効率的に出力可能なレーザー光源や、安価で光量の大きなハロゲン光源等、いかなる光源であっても良い。
例えば、前述した、本発明者が見出した窒化珪素焼結体は表面および表面近傍の欠陥およびスノーフレークの有無について観察する場合、ハロゲン光で約２５０μｍまで透過可能であり、５００ｎｍ〜８００ｎｍの波長の光で観察できることから、一般的なハロゲン光源等を採用し、レーザー等のコストの高い光源としたり、複雑な光学システム等を設けなくても良い。
また、投光部１１２と受光部１２２は、接触面以外からの光を遮断可能に構成されていれば良く、例えば光ファイバー等を用いれば良い。

駆動ローラ１３１は、間欠的に駆動可能に構成され、投光部１１２と受光部１２２の先端の接触面が駆動ローラ１３１の駆動停止時にセラミック球体Ｓの表面に密着して表面層の内部を光学的に観察し、駆動ローラ１３１の駆動時にセラミック球体Ｓの表面から離脱することを繰り返す。

以上の構成で、セラミック球体Ｓの表面の多数の箇所において、表面からの反射光を検出することなく、表面層の内部に透過し拡散した照射光の内部からの反射光のみを観察することができる。
このことで、表面層の内部の欠陥や結晶粒界相のわずかな組成の相違に基づき形成されるスノーフレークＦを、セラミック球体を破壊することなく、かつ、表面状態に左右されることなく、受光手段が検出する検査光の変化として正確に検出することができるとともに、全体的な検査光の多寡を観察することで、セラミック球体の材質や焼結の良否を検査することもできる。

なお、本実施例では、投光部１１２と受光部１２２が一体となって、保持体１３４にセラミック球体Ｓの表面方向に進退可能に保持されているが、投光部１１２あるいは受光部１２２のいずれか一方のみが進退可能に保持されも良く、両方をセラミック球体Ｓの表面に接触させた状態で固定されていても良い。

また、投光部１１２と受光部１２２の先端の距離が表面からの反射光を検出しない程度に離れていれば、投光部１１２と受光部１２２の両方がセラミック球体Ｓの表面に接触しない位置で固定されていても良い。
投光部１１２と受光部１２２の両方が固定されている場合は、駆動ローラ１３１は間欠駆動でなく連続的に駆動されても良い。

また、セラミック球体検査装置１００は、前述した本発明者が見出した窒化珪素焼結体からなる球体だけではなく、他の組成、製造法による窒化珪素焼結体や、例えばアルミナ、ジルコニア、サイアロン等を主成分とするセラミック等、照射光が表面層の内部まで透過する材質からなるものであれば、いかなるセラミック球にも適用可能である。
例えば、ハロゲン光源を照射した場合、アルミナであれば３〜８ｍｍ程度、ジルコニアであれば２〜３ｍｍ程度透過可能な材質が知られており、これらの材質の検査が可能である。

次に、セラミック球体Ｓの表面全体をくまなく観察するための構成を有する実施例について説明する。
本発明の第２実施例であるセラミック球体検査装置２００は、回転支持手段については第１実施例と同様に、１つの駆動ローラ２３１と複数の従動ローラ２３２とからなり、複数の従動ローラ２３２が保持体２３４に回転可能に軸支されている。

そして、投光部２１２と受光部２２２は、図４、図５に示すように、セラミック球体Ｓの中心を通り、かつ、自転方向と直角の断面の外周円の半円周にわたるように複数設けられている。
このことで、セラミック球体Ｓを１回転自転させるだけで、全表面を観察することができ、セラミック球体Ｓを効率よく検査することができる。

なお、投光部２１２および受光部２２２は、図示では分かりやすくするために太く描いているが、光ファイバー等の細いものを用いることで、図示以上に多く設けることができる。
また、投光部２１２を受光部２２２よりも少ない数としても良い。

本発明の第３実施例であるセラミック球体検査装置３００は、図６に示すように、回転支持手段は、１つの駆動ローラ３３１と複数の従動ローラ３３２とからなり、複数の従動ローラ３３２は平行な回転軸線Ｃ２周りに回転可能に保持体３３４に軸支されており、駆動ローラ３３１は複数の従動ローラ３３２の回転軸線Ｃ２と所定の角度θだけ傾いた回転軸線Ｃ１周りに回転可能に構成されている。

そして、投光部３１２と受光部３２２は、セラミック球体Ｓの中心を通り、かつ、自転方向と直角の断面の外周円に沿って複数設けられている。
駆動ローラ３３１の回転軸線Ｃ１の傾き角度θは、セラミック球体Ｓを自転で一周させたとき、複数の受光部３２２の幅分だけずれるように設定されている。
全表面を観察するためには、セラミック球体Ｓを複数回自転させる必要があるが、第２実施例より少ない数の受光部３２２で全表面を観察することができる。

なお、第２実施例と同様に、投光部３１２および受光部３２２は、図示では分かりやすくするために太く描いているが、光ファイバー等の細いものを用いることで、図示以上に多く設けることができる。
また、投光部３１２を受光部３２２よりも少ない数としても良い。

さらに、図７に示すように、投光部３１２と受光部３２２をそれぞれ１個ずつとし、駆動ローラ３３１の回転軸線Ｃ１の傾き角度θをごくわずかなものとしても良い。
このことで、複数の投光部および受光部の光量や感度を調整する作業が一切不要となり、検査精度の維持メンテが容易となる。

なお、回転支持手段は、上記実施例１乃至実施例３と同様の動作でセラミック球体Ｓを所定の位置で自転可能に支持するものであれば、上記実施例のものに限定されず、いかなる構成であっても良い。

例えば、図８に示すように、セラミック球体Ｓを回転可能に支持する従動ローラ４３２のうちの対向する２個を、縦方向に延びる回転軸４３７を持つ円錐台形状のものとしても良い。
この構成で、対向する２個の従動ローラ４３２の回転軸４３７に、それぞれ歯車４３６を偏心量ｒだけ偏心させて取り付け、２個の従動ローラ４３２の回転速度をそれぞれ周期的に変動させることで、セラミック球体Ｓを自転させるとともに捻り運動を加えてセラミック球体Ｓの表面全体をくまなく観察することができる。

また、図９に示すように、駆動ローラ５３１を平行溝５３８とネジ溝５３９を有する軸状に形成し、複数のセラミック球Ｓを連続的に検査できるようにしても良い。
図９に示す実施形態では、軸状の駆動ローラ５３１の約半周にわたって円周方向に延びる複数の平行溝５３８が形成されており、該平行溝５３８に連続して残りの約半周で隣接する平行溝５３８と接続するように延びる複数のネジ溝５３９が形成されている。

そして、各平行溝５３８に対応してそれぞれ受光部５２２が設けられており、セラミック球Ｓは受光部５２２の位置において、平行溝５３８によって自転し、ネジ溝５３９によって駆動ローラ５３１の軸方向に移動するととともに、自転軸が変更される。
このことで、セラミック球Ｓは、図９における左方向から連続的に導入され、順次右方向の平行溝５３８部分に送られ、それぞれの平行溝５３８に対応した受光部５２２によって、順次自転軸を変更しながら観察され、連続的に全球面が観察される。

なお、図８、図９に示すような、回転支持手段の他の実施態様においても、受光部および投光部の個数は１つでも複数でも良く、また、駆動ローラが間欠駆動され、受光部および投光部がセラミック球Ｓの表面方向に進退可能に構成され、駆動ローラの停止時にのみセラミック球Ｓの表面に密着するように構成されても良い。

１００、２００、３００ ・・・セラミック球体検査装置
１１０ ・・・投光手段
１１１ ・・・ハロゲン光源
１１２、２１２、３１２ ・・・投光部
１２０ ・・・受光手段
１２１ ・・・光量検出部
１２２、２２２、３２２ 、５２２ ・・・受光部
１３１、２３１、３３１、４３１、５３１ ・・・駆動ローラ
１３２、２３２、３３２、４３２ ・・・従動ローラ
１３３ ・・・揺動支持部
１３４ ・・・保持体
１３５ ・・・揺動軸
４３６ ・・・歯車
４３７ ・・・回転軸
５３８ ・・・平行溝
５３９ ・・・ネジ溝
Ｓ ・・・セラミック球体
Ｆ ・・・スノーフレークＦ

Claims (7)

1. セラミック球体を所定の位置で自転可能に支持する回転支持手段と、セラミック球体の表面に向けて照射光を照射する投光手段と、セラミック球体からの反射光を検査光として検出する受光手段と、該受光手段からの検出出力を受けてセラミック球体の表面層の内部状態を評価する処理手段とを備えたセラミック球体検査装置であって、
   前記受光手段が、前記投光手段から照射される照射光のセラミック球体の表面での反射光を検出しないように構成されていることを特徴とするセラミック球体検査装置。
2. 前記投光手段が、光源と、該光源の光を照射光としてセラミック球体の表面に導く投光部とを有し、
   前記受光手段が、光量検出部と、前記セラミック球体からの検査光を光量検出部に導く受光部とを有し、
   前記投光部あるいは受光部の少なくとも一方が、先端にセラミック球体の表面と接触可能な接触面を有していることを特徴とする請求項１に記載のセラミック球体検査装置。
3. 前記受光部が、セラミック球体の中心を通る断面の外周円の半円周にわたって複数設けられており、
   前記回転支持手段が、前記受光部の設けられた外周円に対し直角方向にセラミック球体を自転させるように構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセラミック球体検査装置。
4. 前記受光部が、セラミック球体の中心を通る断面の外周円の一部に沿って複数設けられており、
   前記回転支持手段が、前記受光部の設けられた外周円に対し直角方向にセラミック球体を自転させるとともに、
   自転で一周したときに前記複数の受光部の幅分だけずれるように、前記受光部の設けられた外周円方向にセラミック球体を回転させるように構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセラミック球体検査装置。
5. 前記受光部が、１つのみ設けられており、
   前記回転支持手段が、所定の方向にセラミック球体を自転させるとともに、該自転方向と直角方向にわずかに回転させるように構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセラミック球体検査装置。
6. 前記投光部が、前記複数の受光部と同じ個数設けられ、１個ずつそれぞれ隣接するように設けられていることを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれかに記載のセラミック球体検査装置。
7. 前記回転支持手段が、間欠的に駆動可能に構成され、
   前記投光部あるいは受光部の少なくとも一方が、セラミック球体の表面方向に進退可能に構成され、
   前記投光部あるいは受光部の少なくとも一方の先端の接触面が、前記回転支持手段の駆動停止時にセラミック球体の表面に密着し、前記回転支持手段の駆動時にセラミック球体の表面から離脱するように構成されていることを特徴とする請求項２乃至請求項６のいずれかに記載のセラミック球体検査装置。