JP2018004296A - 超音波探傷装置および部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】欠陥からの散乱波とノイズ成分の区別が困難となり、欠陥の画像化が困難である。【解決手段】超音波探傷装置１は、水中でセラミックスの検査対象物２１の表面にスパイク波を送信する超音波探触子４と、スパイク波が検査対象物２１に入射する位置を変更するように構成された探触位置変更機構６と、検査対象物に入射したスパイク波が検査対象物の表面近傍の開口き裂または介在異質物によって反射された反射波を検出する信号検出部１３とを備える。信号検出部１３は、超音波探触子４が受信した信号を増幅する増幅器４２と、超音波探触子４が受信した信号から反射波の主成分を除去し、主成分よりも周波数が高い高周波波形を抽出するハイパスフィルタ４６とを含む。好ましくは、増幅器４２の受信ゲインは７６．８ｄＢ以上であり、かつハイパスフィルタ４６の遮断周波数は２０ＭＨｚ以上である。【選択図】図１

Description

この発明は、超音波探傷装置および部品の製造方法に関し、特に水中において超音波を用いてセラミックスの検査対象物を検査することが可能な超音波探傷装置および部品の製造方法に関する。

従来、一定以上の体積を持つミクロン単位の欠陥、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。

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

しかし、非特許文献１に記載されたような従来の超音波検査法は、セラミックスの欠陥を観測する場合に、欠陥の種類によってはノイズが大きく、観測が困難である。当該ノイズは、セラミックス中での超音波の減衰が少ないことによる裏面反射波が原因である。当該ノイズの発生により、ごく浅い欠陥等がセラミックス部材表面に存在する場合、欠陥からの散乱波とノイズ成分との区別が困難となり、欠陥の画像化が困難となる。

この発明は、上記の課題を解決するためのものであって、その目的はセラミックスの検査対象物の表面近傍の開口き裂及び非金属介在物の検出精度を向上させた超音波探傷装置を提供することである。

この発明は、要約すると、超音波探傷装置であって、水中でセラミックスの検査対象物の表面にスパイク波を送信する超音波探触子と、超音波探触子にスパイク波を出力する信号出力部と、スパイク波が検査対象物に入射する位置を変更するように構成された探触位置変更機構と、検査対象物に入射したスパイク波が検査対象物の表面近傍の開口き裂または介在異質物によって反射された反射波を検出する信号検出部とを備える。信号検出部は、超音波探触子が受信した信号を増幅する増幅器と、超音波探触子が受信した信号から反射波の主成分を除去し、主成分よりも周波数が高い高周波波形を抽出するハイパスフィルタとを含む。

好ましくは、増幅器の受信ゲインは７６．８ｄＢ以上であり、かつハイパスフィルタの遮断周波数は２０ＭＨｚ以上である。

この発明は、他の局面では、上記いずれかの超音波探傷装置で検査対象物を検査する超音波検査工程を備える、部品の製造方法である。

本発明により、セラミックスの検査対象物の表面近傍の開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する際のＳＮ比が向上する。したがって、セラミックスの検査対象物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係る超音波探傷装置１の基本構成を示したブロック図である。 セラミックス板上に擬似的に形成した人工欠陥の形状を示す図である。 図２の人工欠陥の大きさと深さを示した図である。 表面散乱波と裏面反射波の超音波伝達経路を示した図である。 低ゲイン（４６ｄＢ）、かつＨＰＦなしの場合に得られた波形図である。 高ゲイン（８６．８ｄＢ）、かつＨＰＦあり（１００ＭＨｚ）の場合に得られた波形図である。 実験点と検知可否結果を一覧にして示した図である。 ゲイン４６ｄＢかつＨＰＦなしの条件で得られた画像である。 ゲイン４６ｄＢかつＨＰＦの遮断周波数２０ＭＨｚの条件で得られた画像である。 ゲイン４６ｄＢかつＨＰＦの遮断周波数３０ＭＨｚの条件で得られた画像である。 ゲイン４６ｄＢかつＨＰＦの遮断周波数６０ＭＨｚの条件で得られた画像である。 ゲイン４６ｄＢかつＨＰＦの遮断周波数１００ＭＨｚの条件で得られた画像である。 ゲイン７６．８ｄＢかつＨＰＦの遮断周波数２０ＭＨｚの条件で得られた画像である。 ゲイン７６．８ｄＢかつＨＰＦの遮断周波数６０ＭＨｚの条件で得られた画像である。 ゲイン７６．８ｄＢかつＨＰＦの遮断周波数１００ＭＨｚの条件で得られた画像である。 ゲイン８６．８ｄＢかつＨＰＦの遮断周波数１００ＭＨｚの条件で得られた画像である。 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。 本実施形態に係る部品の製造方法を説明するためのフローチャートである。

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。

図１は、本発明の実施の形態に係る超音波探傷装置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、超音波探傷装置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の水中に検査対象物２１とともに設置される。検査対象物２１は、一例では、非磁性体または磁性体の軸受用転動体であり、セラミックス球であるが、これに限らず広くセラミックス製の部品とすることができる。

検査装置本体１０は、同期走査部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にスパイク波を出力する。集束超音波探触子４は、水中で検査対象物２１の表面にスパイク波を送信する。探触位置変更機構６は、集束超音波探触子４が検査対象物２１の表面にスパイク波を入射する位置を変更するように構成され、水中に配置された検査対象物２１を動かすか、または、超音波探触子４の位置を変更する。信号検出部１３は、検査対象物に入射したスパイク波が検査対象物の表面近傍の開口き裂または介在異質物によって反射された反射波を検出する。

信号出力部１２は、スパイク波信号発生器３２と、増幅器３６とを含む。スパイク波信号発生器３２は、超音波を発生させるための電気信号を出力する。増幅器３６は、スパイク波信号発生器３２から電気信号を受けて、瞬間的にマイナスの電圧を探触子に与える。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。集束超音波探触子４から放射される超音波（スパイク波）は、一定期間連続で波形が出力されるバースト波と比べると、送信エネルギーが弱く、周波数域では広帯域である。また、スパイク波の発生は、バースト波よりも簡単であるので、スパイク波信号発生器３２を簡単な構成とすることができる。さらに、スパイク波は、大振幅縦波超音波やバースト波よりもエネルギーが小さいので、発生するノイズ成分を小さくすることができる。

発生した超音波波動は水中および検査対象物２１中で集束され、検査対象物２１の表面の検査対象範囲に達する。検査対象範囲内に表面近傍の開口き裂あるいは金属介在物が存在するとき、検査対象物２１に主成分と主成分よりも周波数が高い高周波成分が混じった反射波が観測される。

集束超音波探触子４は、受信用探触子と兼用されており、反射波を受信することができる。反射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、高域通過フィルタ（ＨＰＦ）４６と、Ａ／Ｄ変換部４８とを含む。

一般に、増幅器４２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はこれに加えて、ＨＰＦ４６とＡ／Ｄ変換部４８とを含む。ＨＰＦ４６によって、欠陥の画像化に必要な高周波のみを抽出し、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、セラミックスの表面近傍の開口き裂で反射波に混じる高周波の振幅はセラミックス部材裏面からの反射波の主成分の振幅よりもかなり小さい。したがって、主成分と高周波とに一緒に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周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反射波の主成分を除去し高周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。なお、反射波の主成分は、入射周波数と同じ周波数成分であっても良く、反射波に含まれる強度が最も強い周波数成分であっても良い。

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スパイク波の検査対象物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、検査対象物２１上における表面近傍の開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。その際に、欠陥からの反射波と、裏面反射波とをデジタル化したデータを信号処理することによって区別し、裏面反射波を除去した状態で画像データを作成する。信号処理は、たとえばソフトウエアで実行することができ、たとえば、受信時間差によって裏面反射波を除去することができる。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、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することによって実現しているが、ハードウエアで実現しても良い。

［測定原理］
超音波探触子にスパイク波を印加すると、セラミックスの測定対象物に向けて超音波が照射される。セラミックスに入射した超音波は表面近傍の開口き裂の開口き裂で反射され、超音波探触子で受信される。本願発明者は、主成分に着目してＡ／Ｄ変換すると裏面反射波の強度が強いので表面近傍の開口き裂からの反射波が裏面反射波に埋没してしまうが、主成分よりも周波数が高い高周波成分に着目すると、表面近傍の開口き裂からも裏面反射波の振幅と同程度の強度の信号が得られることに気付いた。したがって、ＨＰＦ４６によって反射波主成分を除去してから適切なレンジでＡ／Ｄ変換を行なうことによって、表面近傍の開口き裂もデータ化することができる。反射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表面近傍の開口き裂または非金属介在物の検出及び可視化ができる。
［実施例］
以上の構成において、ＨＰＦ４６の遮断周波数と、増幅器４２の増幅率の組み合わせによって、得られる画像から欠陥が判別できる場合とできない場合とがある。以下では、窒化ケイ素セラミックス板材上に擬似的にレーザ加工を用いて形成した欠陥が種々の条件で判別できるか否かについて試験を行なった。

図２は、セラミックス板上に擬似的に形成した人工欠陥の形状を示す図である。図２（Ａ）には、セラミックス板上の９か所に人工欠陥を形成した例を示す。また図２（Ｂ）には、１か所の人工欠陥を拡大して示している。図３は、図２の人工欠陥の大きさと深さを示した図である。

図３に示すように、人工欠陥（１）〜（３）の寸法は、Ｘ＝１００μｍ、Ｙ＝５０μｍであり、人工欠陥（４）〜（６）の寸法は、Ｘ＝１５０μｍ、Ｙ＝８０μｍであり、人工欠陥（７）〜（９）の寸法は、Ｘ＝２００μｍ、Ｙ＝１５０μｍである。また深さ方向については、人工欠陥（１）（４）（７）の寸法は、３μｍであり、人工欠陥（２）（５）（８）の寸法は、５μｍであり、人工欠陥（３）（６）（９）の寸法は、１０μｍである。

以上のように、寸法と深さを変えて作製した人工欠陥に対して、検出可否を評価した。測定条件は、送信波のエネルギーを８μＪとし、増幅器４２の受信ゲインは、４６ｄＢ、７６．８ｄＢ、８６．８ｄＢの中から適宜選択し、ＨＰＦ４６の遮断周波数は、フィルタなし、２０ＭＨｚ、６０ＭＨｚ、１００ＭＨｚの中から適宜選択した。

実験に先立って、増幅器４２のゲインが小さく、かつＨＰＦを用いない場合（一番厳しい条件と思われる）と、増幅器４２のゲインが大きく、かつＨＰＦを用いる場合（一番有利な条件と思われる）について、スパイク波を入射して得られた反射波の形状を観察し、表面散乱波と裏面反射波の識別性能について評価した。

図４は、表面散乱波と裏面反射波の超音波伝達経路を示した図である。図４において、波形Ｗ１が表面散乱波の経路を示し、波形Ｗ２が裏面反射波の経路を示す。当該ノイズは、セラミックス中での超音波の減衰が少ないことによる裏面反射波（波形Ｗ２）が原因である。当該ノイズの発生により、ごく浅い欠陥等がセラミックス部材表面に存在する場合、欠陥からの散乱波とノイズ成分の区別が困難となり、欠陥の画像化が困難となる。

図５は、低ゲイン（４６ｄＢ）、かつＨＰＦなしの場合に得られた波形図である。図６は、高ゲイン（８６．８ｄＢ）、かつＨＰＦあり（１００ＭＨｚ）の場合に得られた波形図である。図５に示したゲイン小、かつＨＰＦを用いない場合では、裏面反射波Ｗ２が主に観測され、表面散乱波Ｗ１は振幅が小さく観測困難となっている。これに対し、図６に示したゲイン大、かつＨＰＦを用いる場合では、表面散乱波Ｗ１と裏面反射波Ｗ２の振幅はほぼ等しくなり、表面散乱波Ｗ１が観測可能となっている。したがって、図６に示した信号を受信できる場合には、図１の波形処理部１５または画像化部１６において波形Ｗ１のみを分離して、欠陥の画像化に使用することができる。

次に、受信側の増幅器４２のゲインとＨＰＦ４６の遮断周波数とを幾種類かに変更して欠陥の可視化実験を行なった。

図７は、実験点と検知可否結果を一覧にして示した図である。図８〜図１６は、各実験点で得られた検知結果（可視化画像）を示す画像である。

図８は、ゲイン４６ｄＢかつＨＰＦなしの条件で得られた画像である。図９は、ゲイン４６ｄＢかつＨＰＦの遮断周波数２０ＭＨｚの条件で得られた画像である。図１０は、ゲイン４６ｄＢかつＨＰＦの遮断周波数３０ＭＨｚの条件で得られた画像である。図１１は、ゲイン４６ｄＢかつＨＰＦの遮断周波数６０ＭＨｚの条件で得られた画像である。図１２は、ゲイン４６ｄＢかつＨＰＦの遮断周波数１００ＭＨｚの条件で得られた画像である。

図１３は、ゲイン７６．８ｄＢかつＨＰＦの遮断周波数２０ＭＨｚの条件で得られた画像である。図１４は、ゲイン７６．８ｄＢかつＨＰＦの遮断周波数６０ＭＨｚの条件で得られた画像である。図１５は、ゲイン７６．８ｄＢかつＨＰＦの遮断周波数１００ＭＨｚの条件で得られた画像である。図１６は、ゲイン８６．８ｄＢかつＨＰＦの遮断周波数１００ＭＨｚの条件で得られた画像である。

図８〜図１２は、ゲイン４６ｄＢの場合であり、これらの画像は、いずれも欠陥の画像がノイズに埋もれており、図７において検知可否は「×」となっている。すなわち、ゲイン小の場合、ＨＰＦを用いても、裏面反射波由来のノイズが表面欠陥由来の信号よりも大きく、欠陥の画像化は困難である。

図１３〜図１５は、ゲイン７６．８ｄＢの場合であり、９点の欠陥の位置が認識可能である。なお、図１３の画像は、幾分図１４、図１５の画像よりも鮮明さに劣るので、図７の検知可否は「△」とし、図１４、図１５について検知可否を「○」とした。特に６０ＭＨｚ以上のＨＰＦを用いることで鮮明な画像化が可能である。

図１６は、ゲイン８６．８ｄＢの場合であり、この画像については９点の欠陥の位置が認識可能であり、欠陥の寸法の大きさに応じた輝度の点が得られている。

以上の実験結果から、増幅器４２のゲインが７６．８ｄＢ〜８６．８ｄＢの範囲であり、かつＨＰＦの遮断周波数が２０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲において欠陥が判別できる画像化が可能であることがわかった。

少なくとも、増幅器４２のゲインは７６．８ｄＢ以上であり、かつＨＰＦの遮断周波数は２０ＭＨｚ以上であることが必要である。また、ゲインが大きい方が良好な画像が得られる傾向にあり、ＨＰＦの遮断周波数が高い方が良好な画像が得られる傾向にあることを考慮すると、増幅器４２のゲインは７６．８ｄＢ以上であり、かつＨＰＦの遮断周波数は２０ＭＨｚ以上であることが好ましい。また、増幅器４２のゲインは８６．８ｄＢであり、かつＨＰＦの遮断周波数は１００ＭＨｚとすることが、さらに好ましい。

＜検査方法＞
上述した検査装置を利用した、検査対象物の検査方法を説明する。図１７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１７を参照して、本実施形態に係る検査方法を説明する。

図１７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、検査対象物２１を準備する。また、工程（Ｓ１）では、探触位置変更機構６を備えた検査装置を準備する。

検査装置は、送信・受信超音波探触子、アナログあるいはデジタルハイパスフィルタ、受信増幅装置、デジタル波形処理記憶装置、画像処理・表示装置、パーソナルコンピュータ等を備えて構成される。

次に、検査工程（Ｓ２）を実施する。具体的には、検査対象である検査対象物２１を検査装置の探触位置変更機構６にセットする。探触位置変更機構６において検査対象物２１の表面を探触子が走査するように検査対象物２１を移動させながら、図１の検査装置本体１０および超音波探触子４により検査対象物２１に対する検査を実施する。このようにして、検査対象物２１の検査を行なうことができる。

＜部品の製造方法＞
図１８は、本実施形態に係る部品の製造方法を説明するためのフローチャートである。本実施形態に係る部品の製造方法は、上述した検査方法を用いて検査を行なう部品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、たとえば、セラミックス製の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、セラミックス製部材（たとえば、軸受の転動体）に対して、上述した検査方法を用いて検査を行なう。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部材や、他の部品を組み立てることにより、部品（たとえば軸受）を製造する。このようにして、本実施形態に係る部品を製造することができる。

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 超音波探傷装置、２ 水槽、４ 集束超音波探触子、６ 位置変更機構、８ 表示部、１０ 検査装置本体、１１ 同期走査部、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 検査対象物、３２ スパイク波信号発生器、３６，４２ 増幅器、４８ Ａ／Ｄ変換部。

Claims (3)

1. 水中でセラミックスの検査対象物の表面にスパイク波を送信する超音波探触子と、
   前記超音波探触子に前記スパイク波を出力する信号出力部と、
   前記スパイク波が前記検査対象物に入射する位置を変更するように構成された探触位置変更機構と、
   前記検査対象物に入射した前記スパイク波が前記検査対象物の表面近傍の開口き裂または介在異質物によって反射された反射波を検出する信号検出部とを備え、
   前記信号検出部は、
   前記超音波探触子が受信した信号を増幅する増幅器と、
   前記超音波探触子が受信した信号から前記反射波の主成分を除去し、前記主成分よりも周波数が高い高周波波形を抽出するハイパスフィルタを含む、超音波探傷装置。
2. 前記増幅器の受信ゲインは７６．８ｄＢ以上であり、かつ前記ハイパスフィルタの遮断周波数は２０ＭＨｚ以上である、請求項１に記載の超音波探傷装置。
3. 請求項１または２に記載の超音波探傷装置で前記検査対象物を検査する超音波検査工程を備える、部品の製造方法。