JP2015522174A - 少なくとも局所的に対称面を含む物体を特性評価する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも局所的に対称面（Ｐ１）を含む物体（３００）を特性評価する方法であって、方法は前記物体を伝搬する超音波の少なくとも１つの観察を含み、各観察は対称面（Ｐ１）に対して垂直な軸（ｄ）上で実行され、各観察は、前記軸（ｄ）のうちのそれぞれ１つに沿って発生して垂直以外の入射角（θ１）で前記軸（ｄ）に沿って前記物体に当たる超音波の放射に起因し、超音波は、対称面（Ｐ１）に対して対称な経路を辿るように物体（３００）に当たる、方法を提供する。

Description

本発明は、具体的にはそのバルク機械的性質およびその表面特性を判定するために、産業において部品を調査および特性評価する方法の分野に存する。

本発明は具体的には、引張り下で機械的検査を実行することが不可能な小さいサイズの要素に適用される。これはたとえば、１センチメートル程度の直径を有する玉軸受用の玉に適用される。本発明は特に、切断面において湾曲した表面を有する部品との使用を対象としている。

現時点で、このように小さい要素の内部等方性を判定するため、またはそのヤング係数またはポアソン比などの機械的特性を判定するための解決策は、知られていない。そうは言っても、軸受が信頼できることを保証するために、このような部品に関する詳細な知識を有することは、重要である。

超音波測定を利用する、具体的には反射波を利用するが屈折波または表面波も使用する、特性評価技術が知られている。

このため、フランス特許第２８０６１６２号明細書および欧州特許第１６９１１９３号明細書は、反射波を測定するためにトランスデューサを用いる欠陥検出システムを記載しており、超音波が放射された材料の表面は平面である。

欧州特許第１７６７８９８号明細書は、窒化層などの表面層の厚みを測定するために、入射超音波に曝される部品の表面で発生する、表面波であるレイリー波の使用を開示している。

フランス特許第２９３００３４号明細書は、処理された材料中の残留応力を測定するために、縦反射波を使用することを教示している。

これら様々な目的のため、接触による検査を実行するための超音波トランスデューサ、または浸漬された部品の検査を実行するための超音波トランスデューサが使用される。このようなトランスデューサを使用する方法は、非破壊性であるという利点を有する。

仏国特許発明第２８０６１６２号明細書 欧州特許第１６９１１９３号明細書 欧州特許第１７６７８９８号明細書 仏国特許発明第２９３００３４号明細書

提案された発明は、少なくとも局所的に対称面を含む物体を特性評価する方法であって、方法は前記物体を伝搬する超音波の少なくとも１つの観察を含み、各観察は対称面に対して垂直な軸上で実行され、各観察は垂直以外の入射角で前記軸に沿って物体に当たる超音波の放射に起因し、超音波は対称面に対して対称な経路を辿るように物体に当たる、方法である。

超音波の移動時間および／または放射および観察が実行される軸の位置の分析は、それが小さくても大きくても関係なく、物体を特性評価することを可能にし、こうして小さい要素を特性評価することを可能にしない従来技術の手法と比較して、主な利点を構成する。

超音波が垂直以外の入射角で物体に当たるということは、モード変換ツール（バルク波または表面波）として物体の表面を使用することを可能にし、これにより、伝搬または反射した波の観察と比較して、追加情報を提供する。

対称面に対して対称な経路の使用は、所定位置に配置および調整しやすい対向する放射および受信トランスデューサを使用することを、可能にする。

具体的な一実施形態において、共通軸上に位置する放射および受信超音波トランスデューサは、超音波を放射して伝搬超音波を観察している間に変位し、放射された超音波によって生成された縦波、横波、およびレイリー波から選択された少なくとも２つに対して観察がなされる。このような特性評価方法によって判定される性質は、物体のヤング係数またはポアソン比を含んでもよい。

縦波、横波、およびレイリー波のうちの３つすべてを観察すること、およびＶｉｋｔｏｒｏｖの式を使用することによって方法を検証することは、有利である。

別の実施態様において、第１の対称面に対して垂直な第２の対称面を有する物体について、共通軸上に位置する放射および受信超音波トランスデューサは、超音波を放射して伝搬超音波を観察している間に第２の対称面の片側で変位し、２つの縦波または２つの横波が、第２の対称面の両側で観察される。このような特性評価方法によって判定される物質の性質は、少なくとも１つの平面内に等方性または異方性特質を有するかどうかを含んでもよい。

別の実施形態において、超音波が当たることによって前記物体の表面で発生する少なくとも１つのレイリー波の観察がなされる。移動時間の測定は、物体に表面処理を適用したことに起因する層または領域の存在を検出することを、可能にする。

本発明は特に、物体が楕円の少なくとも１つの弧、または円の弧を含む表面を有するときに、適用可能である。具体的には、物体は軸受の玉またはローラであるが、しかしその他の用途も可能である。

本発明の一方法の一実施態様における予備ステップを示す図である。 本発明の一方法の一実施態様におけるその後のステップを示す図である。 本発明の一実施態様における重要な要素を示す図である。 本発明の方法の利用について、図３に示される重要な要素の画面を示す図である。 本発明の方法の利用について、図３に示される重要な要素の画面を示す図である。 本発明の方法の利用について、図３に示される重要な要素の画面を示す図である。 本発明の方法の利用について、図３に示される重要な要素の画面を示す図である。 本発明の方法の利用について、図３に示される重要な要素の画面を示す図である。 本発明の方法の利用について、図３に示される重要な要素の画面を示す図である。 本発明の別の実施態様における重要な要素を示す図である。

図１は、軸受の玉を特性評価するための特性評価装置を調整するステップを示す。装置は、浸漬された超音波トランスデューサの使用に基づく。

装置は、大量の水１０の中に、第１の超音波トランスデューサ１００および第２の超音波トランスデューサ２００を含む。これらは、球体３００を構成する軸受の玉の両側で、互いに対向して、共通軸上に位置している。この例において、これらは１０メガヘルツ（ＭＨｚ）の周波数、０．７５インチの直径、および０．８０８ミリメートル（ｍｍ）と推定される焦点での合焦点を有する、Ｈａｒｉｓｏｎｉｃ Ｉ７ １０１２−Ｒタイプの４インチ焦点トランスデューサである。その他のトランスデューサが使用されることも可能である。

調整ステップの間、トランスデューサは放射モードおよび受信モードで作動される。これらは通常、球体の点上に合わせられる。このため伝送モードにおいて、２つのトランスデューサ１００および２００は正確にアライメントされている。水１０の中で発生した超音波ビームは、同じ軸上にある。

球体および２つのトランスデューサによって構成された設定は、対称面Ｐ１を有する。平面Ｐ１に対して垂直であって、トランスデューサの軸を包含する平面内の、球体の断面は、円形の表面Ｓを有する。

受信波における振幅最大値に関連付けられた球体の点に合焦されたトランスデューサの表面波の往復移動に対応する移動時間が、測定される。トランスデューサ１００と球体３００の表面との間の水柱Ｌ１の高さは、オシロスコープの画面から読み出された時間ｔ１を水中の波の速度、すなわちＶ_{ｗａｔｅｒ}＝１４８６．５メートル毎秒（ｍ／ｓ）に関連付けることによって、得られる。トランスデューサ２００と球体３００の表面との間の水柱Ｌ２の高さも、同じようにして得られる。

図２は、本発明の方法の初歩的なステップを示す。トランスデューサ１００および２００はいずれも、図１に示される構成から、またはその他いずれかの構成から始まって、これらの共通軸に対して垂直な方向に同じ量だけ平行移動させられている。

その後、受信モードで動作しているトランスデューサのうちの１つ（この例ではトランスデューサ１００）によって受信された信号が測定され、このとき他方のトランスデューサ（トランスデューサ２００）は放射モードで動作している。

初期位置に対して距離ｄにわたる、トランスデューサの所与の平行移動について、水中の超音波の経路は、以下のように表される量だけ延長される：
補正量＝２．Ｒ（１−ｃｏｓθ_１）

測定された信号は記憶され、まず２つの最大値を観察することによって、トランスデューサの初期軸から２つの距離ｄに出現する２つの伝送波が存在することが、わかる。

波の経路は図２に示されており、参照番号４００が付されている。放射トランスデューサ２００から出発して、波は法線に対する角度θ_１で球体３００の表面に到達する。これは屈折現象によって水／球体界面において偏向され、法線に対する角度Ｃθ_１で球体を通過する。これは距離Ｌを移動した後に球体の表面に到達し、所望の比率で、これはその表面によって反射される。その後これは、球体を通る第２の経路を辿り、再び表面に到達し、そこで屈折する。その後波は、水中を伝播する。

最大値が観察される距離ｄの独特な特徴は、両方のトランスデューサから等しい距離で反射が起こること、および２回屈折した後に波は受信トランスデューサ１００に向かって伝播することである。

さらに、玉の対称性に起因する、角度２×Ｃθ_１で反射が起こるということを利用して、以下が適用される：

するとスネルの法則によって角度Ｃθ_１を得ることが可能になり、これは以下のとおりである：

屈折（入射時または出射時）のうちの１つと反射との間で波が移動した距離Ｌは、以下のとおりである：

球体３００の中の波の移動時間は、水柱Ｌ１およびＬ２の延長に関連付けられた補正を考慮することによって、推測されることが可能である。球体内の波の伝播速度は、そこから推測されることが可能である。

この計算は、トランスデューサがそれらの初期位置から変位したときに最初に現れる縦波について、また、その後より大きい振幅を伴って引き続き現れる横波について、実行される。

トランスデューサを変位し続けることによって、レイリー波として知られる表面波である、第３の波が観察される。この波は、特定の入射角についてのみ現れる。これは一旦発生すると、これを発生させた入射波の角度と等しい角度、具体的にはこの例において角度θ_１を伴って、表面に沿って伝播しながら放射する。

球体の直径をφと記載することにより、受信トランスデューサによって拾い上げられたレイリー波が移動した距離は、以下のように表される円の扇形の長さである：

この距離および水柱の補正された長さも知っていると、レイリー波の伝播速度を判定することが容易である。

図３は、トランスデューサの変位の間に連続して検出される３つの波：縦波Ａ、横波Ｂ、およびレイリー波Ｃを示す。

波の速度を用いて、球体３００の材料のポアソン比およびヤング係数が推測されることが可能である。

この方法は、９．５２３ｍｍの半径を有するステンレス鋼で作られた軸受の玉に適用されてきた。得られた結果は、以下のとおりである。

縦波
ｄ＝１．７２９ｍｍ
θ_１＝１０．４６°
水中移動時間＝１３２．６４マイクロ秒（μｓ）
Ｃθ_１＝３９．７７°
Ｌ＝１２．１８３ｍｍ
測定移動時間＝１３６．７３μｓ
球体中速度＝５９５７．４ｍ／ｓ

横波
ｄ＝３．５３９ｍｍ
θ_１＝２１．８２°
水中移動時間＝１３３．３５μｓ
Ｃθ_１＝３４．０９°
Ｌ＝２１．３５１ｍｍ
測定移動時間＝１３９．９４μｓ
球体中速度＝３２３８．８ｍ／ｓ

レイリー波
ｄ＝４．６７７ｍｍ
θ_１＝２９，４１５°
水中移動時間＝１３１，１０６μｓ
Ｌ＝２０．１３９ｍｍ
測定移動時間＝１３７．８０μｓ
球体表面での速度＝３００８．９ｍ／ｓ

方法は、以下の式を用いて、測定によってレイリー波について推測された速度を、縦波および横波の速度に基づいてＶｉｋｔｏｒｏｖの法則によって得られた速度と比較することによって、検証されることが可能である：

Ｖｉｋｔｏｒｏｖの法則によって得られたレイリー波の速度は３０１０．７ｍ／ｓであり、これは測定によって得られた値と非常に近い。

横波、縦波、およびレイリー波から選択された波のうちの少なくとも２つの値はその後、均質であると見なされる球体の材料のヤング係数およびポアソン比を推測するために使用される。

以下の値が得られる：
ヤング係数Ｅ＝２１１．７ギガパスカル（ＧＰａ）
ポアソン比＝０．２９０。

図４から図６は、受信トランスデューサ１００によって観察されるスペクトルを示す。図４において、振幅最大値は縦波についてｄ＝１．７２９ｍｍで観察される。図５において、振幅最大値は横波についてｄ＝３．５３９ｍｍで観察され、図６において振幅最大値はレイリー波についてｄ＝４．６７７ｍｍで観察される。最大振幅で伝送されるのは横波であり、その一方で３つの波の中で最も弱く伝送されるのはレイリー波であることが、わかる。

方法はまた、４．７６１５ｍｍの半径を有する窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の玉にも適用された。得られた結果は以下のとおりであった。

縦波
Ｖ＝１１，８２７．３ｍ／ｓ

横波
Ｖ＝６３７７．９ｍ／ｓ

レイリー波
Ｖ＝５９１６．６ｍ／ｓ

Ｖｉｋｔｏｒｏｖの法則は５９３３．４ｍ／ｓを導き出しており、これは再び方法を検証する。

これに基づいて得られた玉の機械的特性は、以下のとおりである：
ヤング係数Ｅ＝３３３．６ＧＰａ
ポアソン比＝０．２９５。

図７から図９は、受信トランスデューサ１００によって観察されるスペクトルを示す。縦軸は測定電圧を示し、横軸は時間を示す。図７において、振幅最大値は縦波についてｄ＝０．３５９ｍｍで観察される。図８において、振幅最大値は横波についてｄ＝０．７５３ｍｍで観察され、図９において振幅最大値はレイリー波についてｄ＝１．００７ｍｍで観察される。

図１０は、本発明の第２の実施態様を示す。トランスデューサは、まだ互いに平行なままで移動させられるが、しかし今回は、初期アライメントから始まって、２つの配向に沿って、一方向に、その後反対方向になっている。このように、玉の材料は、４方向で走査される。具体的には、球体は第３の対称面Ｐ３（図示せず）とともに、Ｐ２と書かれた第２の対称面（図１から図３参照）、すなわち図の平面を有するということが、利用される。これら２つの平面は、トランスデューサの初期アライメント軸を包含する。

４つすべての測定値が、横または縦の任意の所与の波が現れるトランスデューサの変位に関して同じ移動時間を与える場合には、玉の材料が等方性であると結論づけることができる。

ステンレス鋼で作られた上述の玉に関して、横波について以下の値が得られた：Ｏｚ＝−３．５４０ｍｍ（ｔ＝１３９．９４μｓ）、Ｏｚ＝＋３．５４０ｍｍ（ｔ＝１３９．９６μｓ）、Ｏｘ＝−３．５３７ｍｍ（ｔ＝１３９．９６μｓ）、およびＯｘ＝＋３．５４１ｍｍ（ｔ＝１３９．９４μｓ）。

値の接近性を考えると、玉は本当に等方性であると結論づけることができる。

窒化ケイ素で作られた玉に関して、やはり横波について以下の値が得られた：Ｏｚ＝−１．０１０ｍｍ（ｔ＝１３３．９４μｓ）、Ｏｚ＝＋１．１２５ｍｍ（ｔ＝１３４．０３μｓ）、Ｏｘ＝−１．００１ｍｍ（ｔ＝１３３．９９μｓ）、およびＯｘ＝＋１．２００ｍｍ（ｔ＝１３３．９９μｓ）。

再び値の接近性を考えると、玉は本当に等方性であると結論づけることができる。

玉の等方性または異方性は、縦波について得られた値を比較することによって調査されてもよい。たとえば正の方向のＯｚおよび負の方向のＯｚなど、１つの軸に沿って２つの値を測定し、１つの平面内の等方性に関する情報を提供するだけで済ませることも、可能である。

第３の実施態様において、図３においてＣで参照されるレイリー波は、図３のような設定を用いて観察されることが可能である。観察軸の位置の測定、および／または表面上の波の移動時間の判定は、球体３００が、初期材料とは異なる化学的性質または物理的性質を有する層または領域の表面上に存在することからレイリー波の伝播速度を変化させる、たとえば窒化などの表面処理など、表面処理を受けたかどうかを判断することができるようにする。

一変形例において、図３に示される３つの波のうちの１つ以上は、物体３００の所与の例について観察され、距離ｄおよび／または移動時間の値は、調査対象例が基準例と一致することを検証するように、物体３００の基準例について得られた値と比較される。

本発明はまた、たとえば円形の断面を有するローラシリンダにも適用される。本発明はまた、楕円形の断面の軸受の玉またはローラにも適用され、より一般的には、好ましくは凸状であって対称面を有する物体、およびたとえば対称面に対して垂直な平面内で湾曲した表面にも、適用される。２つのトランスデューサによって構成されたアセンブリは、異なる入射角で表面上に超音波を向けるように、対称面と平行に移動させられる。伝送波が対称面内で反射されるとき、これは受信済みトランスデューサによって拾い上げられ、移動時間および／または距離ｄは物体を特性評価することを可能にする。対称面は局所的な対称面であってもよく、対称性は、特性評価される物体の特定部分のみに適用されてもよい。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、請求項の範囲の文脈の中でいずれの変形例にも及ぶ。

Claims (9)

1. 少なくとも局所的に対称面（Ｐ１）を含む物体（３００）を特性評価する方法であって、方法は前記物体を伝搬する超音波（Ａ、Ｂ、Ｃ）の少なくとも１つの観察を含み、各観察は対称面（Ｐ１）に対して垂直な軸（ｄ１、ｄ２、ｄ３）上で実行され、各観察は、前記軸（ｄ１、ｄ２、ｄ３）のうちのそれぞれ１つに沿って発生して垂直以外の入射角（θ_１）で前記軸（ｄ１、ｄ２、ｄ３）に沿って物体（３００）に当たる超音波の放射に起因し、超音波は、対称面（Ｐ１）に対して対称な経路を辿るように物体（３００）に当たり、物体を特性評価するために超音波の移動時間および／または放射および観察が実行される軸の位置が分析される、方法。
2. 共通軸上に位置する放射および受信超音波トランスデューサ（１００、２００）が超音波（Ａ、Ｂ、Ｃ）を放射して伝搬超音波を観察している間に変位し、放射された超音波によって形成された縦波、横波、およびレイリー波から選択された少なくとも２つに対して観察がなされる、請求項１に記載の方法。
3. 縦波、横波、およびレイリー波のうちの３つすべての波（Ａ、Ｂ、Ｃ）に対して観察が行われ、Ｖｉｋｔｏｒｏｖの式を使用することによって方法が検証される、請求項２に記載の方法。
4. 第１の対称面（Ｐ１）に対して垂直な第２の対称面（Ｐ２、Ｐ３）を有する物体について、共通軸上に位置する放射および受信超音波トランスデューサ（１００、２００）が、超音波を放射して伝搬超音波を観察している間に第２の対称面（Ｐ２、Ｐ３）の片側で変位し、２つの縦波または２つの横波が第２の対称面（Ｐ２、Ｐ３）の両側で観察される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 超音波が当たることによって前記物体の表面で発生する少なくとも１つのレイリー波（Ｃ）の観察がなされる、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 浸漬超音波トランスデューサ（１００、２００）が使用される、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 物体が、楕円の少なくとも１つの弧を含む表面（Ｓ）を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 表面（Ｓ）が、円の少なくとも１つの弧を含む、請求項７に記載の方法。
9. 物体（３００）が、軸受の玉またはローラである、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。

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