JP2017072438A - 非破壊検査装置および軸受の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】球状体の表面近傍の閉口き裂、金属介在物などを検出し、必要な場合にそれら画像化する。【解決手段】非破壊検査装置１は、水中で球状体２１の表面にバースト波を送信する集束超音波探触子４と、集束超音波探触子４にバースト波を出力する信号出力部１２と、集束超音波探触子４がバースト波を入射する位置を変更するように、水中に配置された球状体２１を回転させる探触位置変更機構６と、バースト波がモード変換によって球状体２１に励起する波を用いて閉口き裂または金属介在物を揺り動かしたときに発生する高調波波形を検出する信号検出部１３とを備える。【選択図】図１

Description

この発明は、非破壊検査装置に関し、特に水中において超音波を用いて球状体を検査することが可能な非破壊検査装置に関する。

従来、一定以上の体積を持つミリメートル単位の欠陥、たとえば開口き裂、鉄鋼中の大型非金属介在物に対しては微小振幅超音波を入射し、音響インピーダンス差を伴う内部欠陥からの反射波強度または背面散乱波強度などを測定することにより、非破壊検査が行われてきた。こうした超音波検査法は非特許文献１「超音波探傷法」等の出版物に記載されている。

非特許文献１に記載のように、従来の超音波検査法では基本的に入射波と同一周波数域の反射波の強度および受信時間から欠陥の大きさおよび位置を評価する。

一方、特開２００６−６４５７４号公報（特許文献１）には、水を介して大振幅縦波超音波を材料に入射して、材料内部欠陥で励起される縦波あるいは横波高調波を用いて内部欠陥を検出し画像する方法が記載されている。

特開２００６−６４５７４号公報

日本学術振興会製鋼第１９委員会編、「超音波探傷法」、日刊工業新聞社、昭和５４年１月１０日改訂新版４刷

ボールベアリングに用いられるセラミックス球等の球状体では、表面近傍に存在する微小閉口き裂や介在物により寿命が低下するので、それらを含む球を非破壊検査により識別し、除去することが要求される。

しかし、き裂長さが１００μｍ程度の閉口き裂や同程度の非金属介在物の健全部に対する音響インピーダンス差は比べて極めて小さいために、従来超音波法ではそれらの非破壊検査は不可能である。たとえば、非特許文献１に記載された方法では、部分的に接触している微小閉口き裂、微小介在物などの音響インピーダンス差が小さい欠陥を検出することは原理的に困難である。

また、特許文献１に記載された方法は球の表面近傍に存在する閉口き裂及び非金属介在物の全球面検査に適用できないという問題点がある。

この発明は、上記の課題を解決するためのものであって、その目的は球状体の微小な閉口き裂及び非金属介在物の検査が可能な非破壊検査装置を提供することである。

この発明は、要約すると、非破壊検査装置であって、水中で球状体の表面にバースト波を送信する超音波探触子と、超音波探触子にバースト波を出力する信号出力部と、バースト波が球状体に入射する位置を変更するように、水中に配置された球状体を回転させる探触位置変更機構と、バースト波がモード変換によって球状体に励起する波を用いて閉口き裂または金属介在物を揺り動かしたときに発生する高調波波形を検出する信号検出部とを備える。

好ましくは、超音波探触子は、受信用探触子と兼用される。
好ましくは、超音波探触子は、送信用探触子と、送信用探触子とは異なる位置に配置することが可能な受信用探触子とを含む。

好ましくは、信号検出部は、受信用探触子が受信した信号から基本は成分を除去し、高調波波形を抽出するフィルタを含む。

好ましくは、超音波探触子は水中に固定される。探触位置変更機構は、球状体の全表面にバースト波が入射されるように、球状体を第１方向と第１方向に交差する方向とに同時に回転させる機構である。探触位置変更機構は、第１コーンと、第２コーンと、押圧機構と、変動部とを含む。

第１コーンは、第１の回転軸の回りに回転可能に構成され、回転させる対象である球状体に対して、第１の回転軸に沿った第１方向から球状体の第１の接点で接する円錐面を有する。第２コーンは、第１の回転軸に平行な第２の回転軸の回りに回転可能に構成され、第１方向から球状体の第１の接点と異なる第２の接点で接する円錐面を有する。押圧機構は、第１コーンおよび第２コーンを第１方向から球状体に対して相対的に押圧する。変動部は、第１コーンの回転速度に対して、第２コーンの回転速度を相対的に変動させる。

好ましくは、非破壊検査装置は、探触位置変更機構によって変更されたバースト波の球状体上の入射位置と、信号検出部の検出結果とを関連付けて記憶する記憶部と、記憶部に記憶された入射位置と検出結果とを読み出して、球状体上における閉口き裂または金属介在物の位置を示す画像を作成する画像化部とをさらに備える。

好ましくは、球状体は、非磁性体または磁性体の軸受用転動体である。
この発明は、他の局面では、上記の非破壊検査装置で球状体を検査する検査工程を備える、軸受の製造方法である。

本発明により、球状体の表面近傍に存在する微小閉口き裂および音響インピーダンスの差が少ない微小介在物などのような、従来超音波法で検出不可能であった欠陥を非破壊で検出できるようになる。したがって、球状体の健全性を非破壊で検査する手段が確立される。

本発明の実施の形態に共通する非破壊検査装置１の基本構成を示したブロック図である。 非線形応力ひずみ応答と高調波の関係を説明するための図である。 斜角入射によるモード変換によって表面波が励起される例を示す図である。 送信探触子と受信探触子を用いるピッチキャッチ法の測定形態を示した図である。 探触位置変更機構の構成（参考例）を示した図である。 実施の形態１における探触位置変更機構の構成を示した図である。 実施の形態２に係る探触位置変更機構６Ｃの側面図である。 実施の形態２に係る探触位置変更機構６Ｃの正面図である。 図８の偏心部材１０４ａの形状を示す模式図である。 探触位置変更機構６Ｃの動作を説明するための模式図である。 回転される球状体の回転状態を説明するための図である。 本実施形態に係る検査方法を説明するためのフローチャートである。 本実施形態に係る軸受の製造方法を説明するためのフローチャートである。 本実施の形態に係る製造方法で製造される軸受１４０の一例を示した図である。 水平面内走査による窒化珪素球の閉口き裂の可視化例を示す図である。 水平面内走査による窒化珪素球の金属介在物の可視化例を示す図である。 球の鉛直軸周り回転による窒化珪素球の閉口き裂の可視化例を示す図である。 水平面内走査による窒化珪素球の模擬欠陥(ビッカース圧痕)の可視化例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

［共通の基本構成］
図１は、本発明の実施の形態に共通する非破壊検査装置１の基本構成を示したブロック図である。図１を参照して、非破壊検査装置１は、検査装置本体１０と、集束超音波探触子４と、探触位置変更機構６と、表示部８とを含む。

集束超音波探触子４は、水槽２の水中に被検査物である球状体２１とともに設置される。球状体２１は、非磁性体または磁性体の軸受用転動体であり、一例では、セラミックス球である。

検査装置本体１０は、同期操作部１１と、信号出力部１２と、信号検出部１３と、波形記録部１４と、波形処理部１５と、画像化部１６と、表示部８とを含む。

信号出力部１２は、集束超音波探触子４にバースト波を出力する。集束超音波探触子４は、水中で球状体２１の表面にバースト波を送信する。探触位置変更機構６は、集束超音波探触子４が球状体２１の表面にバースト波を入射する位置を変更するように、水中に配置された球状体２１を回転させる。信号検出部１３は、バースト波がモード変換によって球状体２１に励起する波を用いて閉口き裂または金属介在物を揺り動かしたときに発生する高調波波形を検出する。

信号出力部１２は、超音波信号発生器３２と、バースト波発生装置３４と、増幅器３６とを含む。超音波信号発生器３２は、低振幅の超音波の周波数に相当する電気信号を出力する。バースト波発生装置３４は、超音波信号発生器３２が出力した電気信号を受けて、必要なサイクル数の正弦波信号を発生させる。増幅器３６は、バースト波発生装置３４から正弦波信号を受けて、大振幅かつ必要なサイクル数の正弦波信号に増幅し、集束超音波探触子４を励起する。集束超音波探触子４は、電気信号を超音波波動に変換する。

発生した超音波波動は水中および球状体２１中で集束され、球状体２１の表面の検査対象範囲に達する。検査対象範囲内に非線形応力ひずみ応答特性を持つ閉口き裂あるいは金属介在物が存在するとき、球状体２１に高調波が励起される。

集束超音波探触子４は、受信用探触子と兼用されており、高調波を受信することができる。高調波が送信経路と同一の経路を通って集束超音波探触子４で受信され電気信号に変換される。信号検出部１３は、集束超音波探触子４から電気信号を受ける。

信号検出部１３は、増幅器４２と、低域通過フィルタ（ＬＰＦ）４４と、高域通過フィルタ（ＨＰＦ）またはバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）４６と、Ａ／Ｄ変換部４８とを含む。

一般に、増幅器４２と、ＬＰＦ４４は、超音波計測器の信号検出部に少なくとも含まれている構成である。本実施の形態の信号検出部１３はこれらに加えて、ＨＰＦ／ＢＰＦ４６とＡ／Ｄ変換部４８とを含む。ＨＰＦ／ＢＰＦ４６によって、必要な高調波のみを抽出し、Ａ／Ｄ変換部４８での処理をしやすくしている。すなわち、たとえば、セラミックスの閉口き裂で励起される高調波の振幅は基本波（入射周波数）の振幅の１％以下である。したがって、基本波と高調波とに一緒に８−１２ビットのＡＤ変換を施すと、ＡＤ変換後のデータからは高調波成分が検出困難となる。したがって、ハイパスフィルタで基本波成分を除去し高調波帯域の信号のみを抽出し、振幅が小さい波形としてからＡＤ変換している。Ａ／Ｄ変換部４８は、変換したデータを波形記録部１４に出力する。

波形記録部１４は、探触位置変更機構６によって変更されたバースト波の球状体２１上の入射位置と、信号検出部１３の検出結果とを関連付けて記憶する。入射位置と検出結果とを関連付けて記憶することによって、欠陥の分布を画像化することが可能となる。

波形処理部１５は、波形記録部１４に収録された波形に対して最大振幅，波形立ち上がり時間，包絡線などの特徴量をデジタル波形処理により求める。

画像化部１６は、波形記録部１４に記憶された入射位置と検出結果とを読み出して、球状体２１上における閉口き裂または金属介在物の位置を示す画像表示のためのデータを作成する。表示部８は、画像化部１６の作成したデータを受けグレイスケール階調あるいはカラー色調で表示画面上に２次元画像を表示する。

なお、波形処理部１５や画像化部１６は、ハードウエアで実現しても良く、パーソナルコンピュータを用いてソフトウエアによって処理しても良い。

［測定原理］
図２は、非線形応力ひずみ応答と高調波の関係を説明するための図である。図２を参照して、横軸には、ひずみεが示され、縦軸には応力σが示されている。σ＞０の領域を引張側領域、σ＜０の領域を圧縮側領域ということにする。欠陥が存在する場合、σ＝０の境界の上下でひずみと応力との関係は大きく変化する。

図２に示すように、閉口き裂面あるいはセラミックスと金属介在物界面の応力ひずみ応答は、圧縮側より引張り側の傾きが小さい折線状となる。この結果きれいな正弦波（入射波）を入射しても界面での散乱波（透過波）は著しくひずんだ波形となる。この波形をフーリエ変換することにより、入射周波数の整数倍の高調波が表示される。

大振幅の超音波を入射したとき，固体内部で励起される高周波応力は縦波では数式（１）で表わされる。

σ＝ρＣＶ …（１）
ここでσは被検査物内に発生する垂直応力、ρは被検査物の密度、Ｃは材料の縦波音速、Ｖは入射超音波による粒子速度をそれぞれ示す。なお、粒子速度は、超音波をセラミックス球に入射すると入射した領域内の各点が入射電圧にほぼ比例する速度を持って振動する。この振動する点の速度を粒子速度という。厳密に言えば各点の粒子速度は異なるが、式（１）ではＶを最大の粒子速度で代表させている。

窒化珪素に振幅１０ｎｍ（ナノメートル）、周波数２０ＭＨｚの縦波を入射したとき励起される応力は４０ＭＰａ程度である。この高周波で振動する応力が，閉口き裂面、非金属介在物界面に作用するとき、図１に示すよう引張側と圧縮側の応力ひずみ応答が著しく異なる。このため、入射正弦波バースト波が被検査物に透過する透過波は引張側の頂部が切り取られた波形に歪む。

図２の右側に示すゆがんだ波形（透過波）に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を施すと、入射波周波数の整数倍の周波数のいくつかの高次高調波が表れる。この高調波の振幅を探触子の走査位置又は球状体の回転角に対してプロットすることにより，閉口き裂または非金属介在物を可視化できる。

球状体の表面近傍の閉口き裂あるいは金属介在物の寸法は焦点超音波ビーム径に比べて小さいので、図２の右側の歪んだ波形を生ずる散乱面積は焦点超音波ビーム径の数分の１〜数十分の１である。波形歪による高次高調波発生が著しいので、高調波の強度とビーム照射位置との関係を画像化する装置を用いて閉口き裂または非金属介在物の検出及び可視化ができる。

図３は、斜角入射によるモード変換によって表面波が励起される例を示す図である。図３を参照して、球の子午線断面内でセラミックスの表面波速度に対応する角度で水中から超音波Ｐ１を入射すると、子午線に沿って表面波Ｐ２が伝搬する。水中では表面波のエネルギーが水中に漏洩するので，有効表面波伝搬範囲は限られる。この有効伝搬範囲内に閉口き裂あるいは金属介在物が位置するとき、それらから散乱波が放出される。有効伝搬範囲を検査対象範囲Ｗとし、散乱波の高調波を受信することによって、検査対象範囲Ｗに閉口き裂あるいは金属介在物が存在することを検出できる。

なお、図１では、集束超音波探触子４が送信探触子と受信探触子とを兼ねている例を説明したが、送信探触子と受信探触子を分ける２探触子ピッチキャッチ法を使用しても良い。

図４は、送信探触子と受信探触子を用いるピッチキャッチ法の測定形態を示した図である。２探触子ピッチキャッチ法では、集束超音波探触子４は、送信用探触子４Ａと、送信用探触子４Ａとは異なる位置に配置することが可能な受信用探触子４Ｂとを含む。このような場合であれば、受信用探触子４Ｂを受信感度が高くなる位置に移動させることができる。

１個の探触子で閉口き裂からの散乱波を受信するときには、き裂から探触子の方向に散乱される超音波だけしか受信できない。これに対し，送信と受信に別個の探触子を用い両者の閉口き裂に対する向きを調整することにより、送信と受信の探触子を兼用する場合より強い散乱波を受信できる。

２探触子ピッチキャッチ法を用いると、受信用探触子４Ｂの配置の自由度が高いので受信波が水中伝搬する距離を短くすることができ、水中伝搬に伴う受信波の減衰が少なくなる。したがって、１個の探触子による超音波送受信よりも高感度で球表面の閉口き裂からの微弱な高調波を受信することができる。

［探触位置変更機構の構成例］
（参考例）
図５は、探触位置変更機構の構成（参考例）を示した図である。図５に示す例では、探触位置変更機構６Ａが示される。探触位置変更機構６Ａは、球状体２１に対し集束型超音波探触子４を相対的に水平面内で移動させる走査機構である。図５に示す例では、図１の同期操作部１１が探触位置変更機構６Ａを駆動する。

同期操作部１１と同期して信号出力部１２から一定間隔で一定繰返数のバースト波信号が出力される。超音波探触子４は、バースト波信号（電気信号）を超音波波動に変換する。

発生した超音波波動は水中およびセラミックス球中で集束され、セラミックス球の検査対象範囲に達する。水を介してセラミックス球に入射した超音波波動によって発生したモード変換波（縦波、横波、表面波）を用いてセラミックス球の表面近傍の閉口き裂あるいは金属介在物を検出する。

検査対象範囲内に閉口き裂あるいは金属介在物が存在するとき，図２で説明した理由により高調波が励起される。この高調波が超音波探触子４で電気信号に変換され、図１の信号検出部１３、波形記録部１４、波形処理部１５および画像化部１６での処理を経て画像化され、表示部８の画面にグレイスケール階調あるいはカラー色調で２次元表示される。

（実施の形態１）
図６は、実施の形態１における探触位置変更機構の構成を示した図である。図６（ａ）は、上面から球状体２１を見た図であり、図６（ｂ）は水中側面から球状体２１を見た図である。図６に示す例では、探触位置変更機構６Ｂが示される。探触位置変更機構６Ｂは、球状体２１を回転させる回転台５２と、超音波探触子４の鉛直方向の位置を変更することができる走査機構５４と、球状体２１を回転台５２上に保持する保持具５６とを含む。球状体２１は、保持具５６によって回転台５２に保持されている。図６に示す例では、図１の同期操作部１１が走査機構５４と回転台５２とを駆動する。

図５に示す水平面内で超音波探触子を走査する構成の代わりに、図６では、球状体２１が回転台５２によって鉛直軸周りに回転され、１回転毎に超音波探触子４は走査機構５４によって鉛直方向に１ピッチだけ移動される。

図１の同期操作部１１から回転台５２の回転角と同期して信号出力部１２により一定間隔で一定繰返数のバースト波信号が超音波探触子４に送られる。超音波探触子４において、電気信号が超音波波動に変換される。発生した超音波は水中で集束され、図３に示すセラミックス球の検査対象範囲Ｗに達する。

検査対象範囲Ｗ内に図２に示す非線形応力ひずみ応答特性を持つ閉口き裂あるいは金属介在物が存在するとき高調波が励起される。この高調波が送信経路と同一の経路を通って超音波探触子４で受信され電気信号に変換される。

この電気信号が図１の信号検出部１３、波形記録部１４、波形処理部１５および画像化部１６での処理を経て画像化され、表示部８の画面にグレイスケール階調あるいはカラー色調で２次元表示される。

なお、超音波探触子４を鉛直方向に移動させる例を示したが、超音波探触子４は固定しておき、保持具５６が保持位置を変更するようにしても良い。球状体２１は、保持具５６によって回転台５２に保持されているが、保持具５６は回転台５２上で球状体２１を鉛直面で切った円周に沿う方向（図３のＲ２）に回転させることができるように構成されてもよい。その場合には、図１の同期操作部１１が保持具５６と回転台５２とを駆動する。

図３に示すように，１回の球の鉛直軸Ｘ周り回転Ｒ１で検査できる範囲は球の赤道近傍の一定幅の検査対象範囲Ｗの領域に限定される。このため、図３の矢印Ｒ２に示すように、紙面に垂直な軸周りに球を一定角度だけ回転し、再び球の鉛直軸Ｘ周り回転Ｒ１により検査する。この過程を必要な回数だけ繰返すことにより全球面を検査できる。

（実施の形態２）
実施の形態２では、球全面を検査する方法として他の探触位置変更機構を用いる。この探触位置変更機構は、球状体２１の全表面を漏れなく検査できるように球状体２１を回転させる回転機構を、球状体と直接触れる回転ローラの部分の回転位相差ではなく、偏心ギヤを用いることにより成立させている。

図７は、実施の形態２に係る探触位置変更機構６Ｃの側面図である。図８は、実施の形態２に係る探触位置変更機構６Ｃの正面図である。図９は、図８の偏心部材１０４ａの形状を示す模式図である。図１０は、探触位置変更機構６Ｃの動作を説明するための模式図である。図１１は、回転される球状体の回転状態を説明するための図である。

この探触位置変更機構は、図７〜図１０に示すような構造をしており、球状体２１は左右同一形状をした第１コーン１０１ａおよび第２コーン１０１ｂと、駆動ローラ１０５とに保持されている。駆動ローラ１０５を回転させることにより球状体２１を回転させ、第１コーン１０１ａおよび第２コーン１０１ｂを従動させるように構成されている。探触位置変更機構は、球状体２１を駆動ローラ１０５によって一回転させると変動部１０４に含まれる偏心部材１０４ａ，１０４ｂも１回転する機構である。偏心部材は一例では偏心ギヤを用いることができる。偏心ギヤによって球状体２１に左右異なる（位相が１８０度違う）速度差を与えると、駆動ローラ１０５によって回転する球状体の回転軸（rotation axis）が変わり、ある１点から見た軌跡は地球儀の子午線を描くように回転する（図１１）。

図７、図８を参照して、集束超音波探触子４は水槽２内の水中に固定される。探触位置変更機構６Ｃは、球状体２１の全表面にバースト波が入射されるように、球状体２１を第１方向Ｒ３と第１方向に交差する方向Ｒ４とに同時に回転させる機構である。探触位置変更機構６Ｃは、第１コーン１０１ａと、第２コーン１０１ｂと、押圧機構（ベース部１０３）と、変動部１０４とを含む。

第１コーン１０１ａは、第１の回転軸１１５ａの回りに回転可能に構成され、回転させる対象である球状体２１に対して、第１の回転軸１１５ａに沿った第１方向から球状体２１の第１の接点で接する円錐面を有する。第２コーン１０１ｂは、第１の回転軸１１５ａに平行な第２の回転軸１１５ｂの回りに回転可能に構成され、第１方向から球状体２１の第１の接点と異なる第２の接点で接する円錐面を有する。押圧機構（ベース部１０３）は、第１コーン１０１ａおよび第２コーン１０１ｂを第１方向から球状体２１に対して相対的に押圧する。変動部１０４は、第１コーン１０１ａの回転速度に対して、第２コーン１０１ｂの回転速度を相対的に変動させる。

球状体２１に対して上側から第１コーン１０１ａおよび第２コーン１０１ｂが接触しているため、回転軸（rotation shaft）１０２ａ、１０２ｂ、ベース部１０３、変動部１０４など（主としてベース部１０３）が錘として作用する。つまり、第１コーン１０１ａおよび第２コーン１０１ｂを球状体２１に押圧する押圧機構として回転軸１０２ａ、１０２ｂ、ベース部１０３、変動部１０４などが作用する。この結果、第１コーン１０１ａおよび第２コーン１０１ｂは、図８の矢印１１８に示す方向に（球状体２１に向かって）押圧された状態となる。なお、押圧機構として、バネや錘など上述した回転軸１０２ａ、１０２ｂ、ベース部１０３、変動部１０４などと別部材を配置してもよい。

探触位置変更機構６Ｃは、図７に示すように球状体２１を支えるための補助ローラ１０６を備えていてもよい。補助ローラ１０６は、図７に示すように第１コーン１０１ａおよび第２コーン１０１ｂを挟んで球状体２１の両側に配置されていてもよいが、補助ローラ１０６は１つだけ配置されていてもよい。たとえば、補助ローラ１０６は、駆動ローラ１０５の回転方向（図２の矢印１１３で示す方向）に沿った方向において球状体２１の後ろ側に配置されることが好ましい。

変動部１０４は、第１の回転軸１０２ａの回転速度に対して、第２の回転軸１０２ｂの回転速度を相対的に変動させる。変動部１０４は、第１の回転軸１０２ａに接続された第１偏心部材１０４ａと、第２の回転軸１０２ｂに接続された第２偏心部材１０４ｂとを含んでいてもよい。

図９に示すように、第１の回転軸１０２ａの中心である回転軸中心１１５と、偏心部材１０４ａにおけるピッチ円１１７の中心であるピッチ円中心１１６とは、偏心量ｅだけ離れた位置に配置されている。また、第２コーン１０１ｂの第２の回転軸１０２ｂにも同様の偏心量ｅだけ偏心した状態で偏心部材１０４ｂが接続されている。

第１の回転軸１０２ａに接続された偏心部材１０４ａと第２の回転軸１０２ｂに接続された偏心部材とは互いに噛み合うように配置されており、第１の回転軸１０２ａおよび第２の回転軸１０２ｂは偏心部材を介して連動して回転するようになっている。

この場合、第１の回転軸１０２ａおよび第２の回転軸１０２ｂの回転に伴って第１偏心部材１０４ａおよび第２偏心部材１０４ｂも回転する。回転によって、第１偏心部材１０４ａおよび第２偏心部材１０４ｂの接触部の位置と、第１の回転軸１０２ａおよび第２の回転軸１０２ｂとの間の距離が変動する。この距離の変動に伴って、第１の回転軸１０２ａ（第１コーン１０１ａ）の回転速度と第２の回転軸１０２ｂ（第２コーン１０１ｂ）の回転速度とに差が生じる。第１の回転軸１０２ａおよび第２の回転軸１０２ｂが回転すると、偏心部材の働きによって、第１の回転軸１０２ａおよび第２の回転軸１０２ｂの回転速度は、ある一定速度に対して速くなる状態と遅くなる状態をそれぞれ繰返す。そして第１の回転軸１０２ａの回転速度は第２の回転軸１０２ｂの回転速度に対して、相対的に速くなる状態と遅くなる状態を繰返す。

第１の回転軸１０２ａおよび第２の回転軸１０２ｂに接続される偏心部材には任意の構成を採用することができる。図８では、第１偏心部材１０４ａと第２偏心部材は、互いに噛合う偏心ギヤである例を示したが、たとえば、第１偏心部材１０４ａと第２偏心部材１０４ｂとは、第１の回転軸１０２ａと第２の回転軸１０２ｂとの間で接した状態で回転可能に配置された摩擦車などであってもよい。

球状体２１を回転させるにあたり、球状体２１の１回転と第１コーン１０１ａおよび第２コーン１０１ｂの１回転とを同期させることが好ましい。このようにするために、第１コーン１０１ａおよび第２コーン１０１ｂを図１０に示すような形状および配置とする。

図１０に示すように、球状体２１の中心２１ａから、第１コーン１０１ａが球状体２１に接している部分に向かう線分と、水平線とのなす角度は４５°とする。図１０で丸印を付けた線分の長さは互いに等しいので、第１コーン１０１ａが１回転する間に球状体２１（ボール）と接する部分の軌跡である円の直径（図１０において回転軸１１５ａから当該接している部分までの距離の２倍）は、回転軸間の距離ａの半分となる。また、この関係は第２コーン１０１ｂにおいても同様である。

このような関係で球状体２１に接する第１コーン１０１ａと第２コーン１０１ｂとの回転速度に差が発生することで、球状体２１の回転軸を１回転あたりピッチ角αだけ傾けることができる。この結果、たとえば図７のように超音波探触子４によってバースト波が入射される領域を、図１１に示したように球状体２１の外周表面の全体がかならず通過するように球状体２１を回転させることができる。

なお、第１コーン１０１ａおよび第２コーン１０１ｂの形状は、図７および図８に示すような形状に限られず、円錐状の側面（球状体２１に接する側面）を有していれば、他の形状であってもよい。

以上、実施の形態１および２に係る非破壊検査装置は、セラミックス球などの球状体の表面層を伝搬する高調波表面波を用いて、高調波波長の数分の１程度の深さの閉口き裂や金属介在物を検出し、それらを可視化できる。図３に示すように，球の赤道近辺の一定幅の領域内に閉口き裂や金属介在物が存在するときだけに，それらからの散乱波が検出される。

また、図２、図３に示すように表面波を用いることにより、球の赤道近辺の一定幅の領域内に存在する閉口き裂や金属介在物を、子午線方向の走査を行うことなく検出できる。この状態で球を鉛直軸周りに１回転することによって図３の３６０度の帯状領域を検査する。その後、球状体を紙面に垂直な軸周りに一定角度回転させ、再び鉛直軸周りに１回転させながら、上記と同様に３６０度の帯状領域を検査する。このステップを必要な回数だけ繰返すことにより球面全体を検査できる。

なお、表面波に代えて、閉口き裂あるいは金属介在物からの後方散乱波を受信すると、超音波探触子の焦点ビーム径の１０％程度の長さのき裂を検出することができる。

また、１個の探触子を用いる後方散乱波法に代えて、図４に示すように送信探触子と受信探触子を用いることで、受信感度を１０−２０ｄＢ高めることができる。送信探触子と受信探触子を別にすることによって、セラミックス球の鉛直軸周りの一度の回転により閉口き裂の長さ方向が表面波、縦波あるいは横波の伝搬方向に斜めをなす閉口き裂を検出できる。

＜検査方法＞
上述した検査装置を利用した、球状体の検査方法を説明する。図１２は、本実施形態に係る検査方法を説明するためのフローチャートである。図１２を参照して、本実施形態に係る検査方法を説明する。

図１２に示すように、本実施形態に係る検査方法では、まず準備工程（Ｓ１）を実施する。具体的には、工程（Ｓ１）においては、検査対象となる球状体２１を準備する。また、工程（Ｓ１）では、上述した回転方法を実施するための探触位置変更機構６Ｂまたは６Ｃを備えた図６または図７に示した検査装置を準備する。

次に、検査工程（Ｓ２）を実施する。具体的には、検査対象である球状体２１を検査装置の探触位置変更機構６Ｂまたは６Ｃにセットする。探触位置変更機構６Ｂまたは６Ｃにおいて球状体２１を回転させながら、図１の検査装置本体１０および超音波探触子４により球状体２１に対する検査を実施する。このようにして、球状体の検査を行うことができる。

＜軸受の製造方法＞
図１３は、本実施形態に係る軸受の製造方法を説明するためのフローチャートである。本実施形態に係る軸受の製造方法は、上述した検査方法を用いて検査を行う軸受の製造方法であって、まず部品製造工程（Ｓ１０）を実施する。この工程（Ｓ１０）では、球状体である軸受の玉（転動体）、内輪、外輪、保持器など軸受を構成する部品を製造する。これらの部品の製造方法は、従来周知の任意の方法を用いることができる。

次に、部品検査工程（Ｓ２０）を実施する。この工程（Ｓ２０）では、玉（転動体）に対して、上述した検査方法を用いて検査を行う。上述のように、本実施の形態に係る回転方法を用いて玉を回転させながら検査を行うことで、玉の全周をくまなく検査することができる。また、他の部品（内輪、外輪、保持器など）についても、従来周知の検査方法を用いた検査を実施してもよい。

次に、組立工程（Ｓ３０）を実施する。この工程（Ｓ３０）では、上述した工程（Ｓ２０）において検査に合格した玉や、他の部品を組み立てることにより、軸受を製造する。軸受の組立工程については、従来周知の方法を用いることができる。このようにして、本実施形態に係る軸受を製造することができる。

＜軸受の構成＞
図１４は、本実施の形態に係る製造方法で製造される軸受１４０の一例を示した図である。軸受１４０は、玉軸受であって、たとえば輸送機器などにおける回転軸を、回転軸の外周面に対向して配置される部材、たとえばハウジングに対して軸周りに回転自在に支持する軸受であって、たとえば深溝玉軸受である。

図１４を参照して、軸受１４０は、内周面に外輪転走面１４１ａを有する外輪１４１と、外周面に内輪転走面１４２ａを有する内輪１４２と、複数の転動体１４３と、保持器１４４とを備えている。内輪１４２は、内輪転走面１４２ａが外輪１４１の外輪転走面１４１ａに対向するように外輪１４１の内側に配置されている。

外輪１４１および内輪１４２は、たとえば鋼で形成される。外輪１４１および内輪１４２を構成する材料としては、たとえばＪＩＳ規格ＳＵＪ２などの高炭素クロム軸受鋼、ＳＣＭ４２０などの機械構造用合金鋼、またはＳ５３Ｃなどの機械構造用炭素鋼を用いることができる。

転動体１４３は、鋼やセラミックスなど任意の材料により構成することができるが、たとえばＳｉ３Ｎ４（窒化珪素）からなるセラミックス製の玉である。転動体１４３は、外輪転走面１４１ａおよび内輪転走面１４２ａに接触し、外輪転走面１４１ａおよび内輪転走面１４２ａの周方向に沿った円環状の軌道上に複数並べて配置されている。保持器１４４は、たとえばナイロンなどのポリアミド樹脂からなっており、転動体１４３を周方向に所定のピッチで保持している。

このような軸受１４０は、上述した本実施形態に従った軸受の製造方法により製造されている。このため、転動体１４３はその全周が検査されており、高い耐久性が確保されている。

［欠陥の可視化例］
（可視化例１）
図１５は、水平面内走査による窒化珪素球の閉口き裂の可視化例を示す図である。図１５には、図５で説明した超音波探触子の水平面内走査によって得られた画像が示されている。図５の左上画像は、窒化珪素球の表面近傍の閉口き裂の高調波平面図であり、図５の左下画像は、平面図中の矢印Ｌ１に沿う断面図であり、図５の右上画像は、平面図中の矢印Ｌ２に沿う側面断面図である。矢印Ａ１に示す白枠内に閉口き裂が表示されている。このように、閉口き裂の大まかな３次元位置を把握できる。
（可視化例２）
図１６は、水平面内走査による窒化珪素球の金属介在物の可視化例を示す図である。図１６には、図５で説明した超音波探触子の水平面内走査によって得られた画像が示されている。図１６左上画像は、窒化珪素球の表面近傍の金属介在物の高調波平面図であり、図１６左下画像は、平面図中の矢印Ｌ３に沿う断面図であり、図１６右下画像は、平面図中の矢印Ｌ４に沿う側面断面図である。矢印Ａ２に示す白枠内に金属介在物の大まかな３次元位置が表示されている。
（可視化例３）
図１７は、球の鉛直軸周り回転による窒化珪素球の閉口き裂の可視化例を示す図である。図１７には、図６で説明した窒化珪素球の鉛直軸周り回転によって得られた赤道付近に存在する閉口き裂の円周方向展開図が示される。
（可視化例４）
図１８は、水平面内走査による窒化珪素球の模擬欠陥(ビッカース圧痕)の可視化例を示す図である。図１８には、図６で説明した窒化珪素球の鉛直軸周り回転によって得られた赤道付近に存在する模擬欠陥(ビッカース圧痕)の円周方向展開図が示される。図１８（ａ）が２探触子ピッチキャッチ法により得たデータから作成した画像であり、図１８（ｂ）は、単独の探触子で得たデータから作成した画像である。

２探触子ピッチキャッチ法は１探触子法より低いゲインで圧痕を可視化でき、２探触子ピッチキャッチ法の感度が１探触子法より高いことが分かる。なお、超音波非破壊検査の分野では，ゲインは受信時の増幅率をいう。低いゲインで検知できることが望ましく、高ゲインになると環境電磁ノイズが含まれるようになるので、低いゲインでＳＮ比のよい信号が取れることが望まれる。

なお、図１８（ａ）、図１８（ｂ）に示される数値は、反射強度がフルスケールの７０％程度になるように調整したゲインの値である。ゲインを高くすると反射領域面積が増え、輝度も高まり、ゲインを下げれば逆の傾向となる。見やすい画像が得られるようにゲインは適宜調整される。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 非破壊検査装置、２ 水槽、４，４Ａ，４Ｂ 超音波探触子、６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ 位置変更機構、８ 表示部、１０ 検査装置本体、１１ 同期操作部、１２ 信号出力部、１３ 信号検出部、１４ 波形記録部、１５ 波形処理部、１６ 画像化部、２１ 球状体、２１ａ 中心、３２ 超音波信号発生器、３４ バースト波発生装置、３６，４２ 増幅器、４８ Ａ／Ｄ変換部、５２ 回転台、５４ 走査機構、５６ 保持具、１０１ａ 第１コーン、１０１ｂ 第２コーン、１０２ａ，１１５ａ 回転軸、１０３ ベース部、１０４ 変動部、１０４ａ，１０４ｂ 偏心部材、１０５ 駆動ローラ、１０６ 補助ローラ、１１５ 回転軸中心、１１６ ピッチ円中心、１１７ ピッチ円、１４０ 軸受、１４１ 外輪、１４１ａ 外輪転走面、１４２ 内輪、１４２ａ 内輪転走面、１４３ 転動体、１４４ 保持器。

Claims (8)

1. 水中で球状体の表面にバースト波を送信する超音波探触子と、
   前記超音波探触子に前記バースト波を出力する信号出力部と、
   前記バースト波が前記球状体に入射する位置を変更するように、水中に配置された前記球状体を回転させる探触位置変更機構と、
   前記バースト波がモード変換によって前記球状体に励起する波を用いて閉口き裂または金属介在物を揺り動かしたときに発生する高調波波形を検出する信号検出部とを備える、非破壊検査装置。
2. 前記超音波探触子は、受信用探触子と兼用される、請求項１に記載の非破壊検査装置。
3. 前記超音波探触子は、
   送信用探触子と、
   前記送信用探触子とは異なる位置に配置することが可能な受信用探触子とを含む、請求項１に記載の非破壊検査装置。
4. 前記信号検出部は、前記超音波探触子が受信した信号から基本波成分を除去し、前記高調波波形を抽出するフィルタを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の非破壊検査装置。
5. 前記超音波探触子は水中に固定され、
   前記探触位置変更機構は、前記球状体の全表面に前記バースト波が入射されるように、前記球状体を第１方向と前記第１方向に交差する方向とに同時に回転させる機構であり、
   前記探触位置変更機構は、
   第１の回転軸の回りに回転可能に構成され、回転させる対象である前記球状体に対して、前記第１の回転軸に沿った第１方向から前記球状体の第１の接点で接する円錐面を有する第１コーンと、
   前記第１の回転軸に平行な第２の回転軸の回りに回転可能に構成され、前記第１方向から前記球状体の第１の接点と異なる第２の接点で接する円錐面を有する第２コーンと、
   前記第１コーンおよび前記第２コーンを前記第１方向から前記球状体に対して相対的に押圧する押圧機構と、
   前記第１コーンの回転速度に対して、前記第２コーンの回転速度を相対的に変動させる変動部とを含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の非破壊検査装置。
6. 前記探触位置変更機構によって変更された前記バースト波の前記球状体上の入射位置と、前記信号検出部の検出結果とを関連付けて記憶する記憶部と、
   前記記憶部に記憶された前記入射位置と前記検出結果とを読み出して、前記球状体上における前記閉口き裂または前記金属介在物の位置を示す画像を作成する画像化部とをさらに備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の非破壊検査装置。
7. 前記球状体は、非磁性体または磁性体の軸受用転動体である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の非破壊検査装置。
8. 請求項７に記載の非破壊検査装置で前記球状体を検査する検査工程を備える、軸受の製造方法。