JP4060751B2 - 超音波伝播速度測定方法および軸受内輪軌道面の検査方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波探触子を用いた超音波伝播速度測定方法に関する。また、本発明は、超音波伝播速度測定方法を用いた軸受内輪軌道面の検査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、軸受内輪軌道面の検査方法としては、電子線マイクロアナライザー（Electron Prove Micro Analyzer : ＥＰＭＡ）を用いた方法がある。この電子線マイクロアナライザーを用いた方法では、軸受の内輪を破壊することによって内輪の軌道面の表層部の一部を取出して、この取出された表層部を研磨して試料を作成した後、この試料に電子線を照射してこの試料から炭素の特性Ｘ線を発生させて、この炭素の特性Ｘ線の測定を行っている。そして、この炭素の特性Ｘ線の測定に基づいて上記取出された表層部中の炭素の含有率を検出して、内輪の軌道面の表層部の状態を検査している。
【０００３】
また、他の軸受内輪軌道面の検査方法としては、Ｘ線照射装置を用いた方法もある。このＸ線照射装置を用いた方法では、軸受の内輪の軌道面の表層部にＸ線を照射することによって、上記表層部の残留応力および残留オーステナイト量を測定している。そして、この測定結果に基づいて内輪の軌道面の表層部の状態を検査している（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−３０４７１０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記電子線マイクロアナライザーを用いた検査方法では、内輪の破壊が必要になるので、検査した内輪を使用できないという問題がある。
【０００６】
また、内輪の破壊や、内輪の軌道面の表層部から取出した試料の研磨等を必要とするので、上記軌道面の表層部を検査するときの工数が多くなって、上記軌道面の表層部の検査に要する時間が長く、コストと労力が大きくなるという問題がある。
【０００７】
一方、上記Ｘ線照射装置を用いた検査方法では、内輪の軌道面の表層部の検査に大掛りなＸ線照射装置を用いるので、このＸ線照射装置を自由に検査現場に持ち運びできず、上記軌道面の表層部の検査を行う場所が限定されるという問題がある。
【０００８】
また、人体に危険な放射線のＸ線を用いるので、Ｘ線照射装置の操作に熟練を必要とし、上記軌道面の表層部の検査を安全かつ簡単にできないという問題がある。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、金属部材の表層部の検査を行う場所が限定されず、かつ、金属部材の破壊検査をせずに金属部材の表層部を簡単安価かつ安全に検査できる超音波伝播速度測定方法および軸受内輪軌道面の検査方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明の超音波伝播速度測定方法は、
仮想球面の曲率と同じ曲率の球面の一部分から成る超音波送受信面を夫々有する３つの振動子を備え、
上記３つの振動子の超音波送受信面は、互いに非接触な状態で上記仮想球面の大円上に等間隔に配置され、
上記３つの振動子のうちの一端の振動子の超音波送受信面から発信されて、固体部材の表層部を伝播した超音波を、上記３つの振動子のうちの他端の振動子の超音波送受信面で受信して、上記固体部材の表層部の機械特性を測定することを特徴とする超音波探触子を用いて軸受の内輪の軌道面の表層部における超音波の伝播速度を測定する超音波伝播速度測定方法であって、
上記大円を、上記軌道面の軸心に垂直で、かつ、上記軌道面と交差する平面上に配置した初期設定工程と、
上記初期設定の後、上記等間隔に配置された３つの振動子のうちの中央の振動子の超音波送受信面から発信されて軌道面で反射した超音波を、上記中央の振動子の超音波送受信 面で受信することによって、上記軌道面が画定する円周の中心と、上記大円の中心を結んだ線分の延長上に、上記中央の振動子の超音波送受信面が存在している状態で、上記３つの振動子のうちの一端の振動子の超音波送受信面から発信されて軌道面で反射して上記３つの振動子のうちの他端の振動子の超音波送受信面に到達した超音波の伝播時間と、上記中央の振動子の超音波送受信面から発信されて軌道面で反射して上記中央の振動子の超音波送受信面に到達した超音波の伝播時間とが等しくなる位置に、上記３つの振動子を位置決めする超音波探触子位置決め工程と、
上記超音波探触子位置決め工程の後、上記超音波探触子を上記軌道面の方に径方向に所定距離近づける超音波探触子接近工程と、
上記超音波探触子接近工程の後、上記超音波探触子の等間隔に配置された３つの振動子のうちの一端の振動子の超音波送受信面から発信されて軌道面の表層部を伝播して上記３つの振動子のうちの他端の振動子の超音波送受信面に到達した超音波の伝播時間を測定する超音波伝播時間測定工程と、
上記超音波の伝播時間に基づいて上記軌道面の表層部における超音波の伝播速度を計算する軌道面伝播速度計算工程と
を備えることを特徴としている。
【００１１】
尚、この発明で用いる超音波探触子は、上記３つの振動子以外に、１つまたは複数の振動子を有していても良い。
【００１２】
また、上記固体部材の表層部の機械特性とは、固体部材の表層部の疲労、劣化または歪み等であり、上記機械特性を測定するとは、上記固体部材の表層部における超音波の伝播速度を測定することによって、この伝播速度と密接な相関関係がある上記機械特性を測定することをいう。
【００１３】
また、この明細書で、表層部といった場合、この表層部という表現には、表面を含むものとする。
【００１４】
上記請求項１の発明で用いる超音波探触子を用いて上記固体部材の表層部の機械特性の測定を行う場合、上記３つの振動子を、機械特性を測定したい上記固体部材の表層部に対して所定の相対位置に設置した後、上記３つの振動子のうちの一端の振動子の超音波送受信面から発信されて、固体部材の表層部を伝播した超音波を、上記３つの振動子のうちの他端の振動子の超音波送受信面で受信するだけで、固体部材の表層部の検査を行うことができる。したがって、上記電子線マイクロアナライザーを用いる検査方法とは異なり、固体部材の表層部の検査を行うのに固体部材を破壊する必要がなくて、固体部材の表層部の検査を行うときの工数を大幅に低減できて、固体部材の表層部の検査に要するコストと労力を大幅に低減できる。
【００１５】
また、上記請求項１の発明で用いる超音波探触子は、軽くて小型で持ち運び可能であり、かつ、この超音波探触子から発信される超音波も人体に安全であるので、大掛りで人体に危険なＸ線を使用するＸ線照射装置を用いる検査方法とは異なり、上記固体部材の表層部の機械特性を測定する場所が限定されず、かつ、固体部材の表層部の検査を安全に行うことができる。
【００１６】
また、上記請求項１の発明で用いる超音波探触子によれば、上記３つの振動子の超音波送受信面を、互いに非接触な状態で上記仮想球面の大円上に等間隔に配置したので、例えば、内輪の軌道面の表層部の機械特性を測定するべく上記内輪の軌道面の表層部における超音波の伝播速度を測定するとき、上記３つの振動子のうちの中央の振動子を用いて、上記大円が、上記軌道面に対して所定の角度に位置決めされているか否かを判断できる。詳細には、上記中央の振動子の超音波送受信面から発信されて内輪の軌道面で反射して中央の振動子の超音波送受信面に入射した超音波のうちで感度が高い超音波を測定することによって、上記軌道面で反射した超音波がいかなる入射角度で中央の振動子の超音波送受信面入射しているかを判断して、上記大円が、上記軌道面に対して所定の角度に位置決めされているか否かを、上記軌道面における超音波の伝播速度の測定前に予め判断できる。したがって、３つの振動子のうちの一端の振動子の超音波送受信面から発信されて上記軌道面の表層部を伝播して上記３つの振動子のうちの他端の振動子の超音波送受信面に到達した超音波に基づいて算出された上記軌道面における超音波の伝播速度が、精度高いものになる。
【００１７】
また、請求項２の発明で用いる超音波探触子は、請求項１の発明で用いる超音波探触子において、上記３つの振動子を、単一の板状可撓性部材内の独立した３ヶ所を夫々電極で挟むことによって構成し、上記超音波送受信面は露出した状態となっている。
【００１８】
尚、上記板状という表現には、湾曲した板の形状も含むものとする。
【００１９】
上記請求項２の発明で用いる超音波探触子によれば、上記３つの振動子の夫々を、上記板状可撓性部材の一部を２枚の電極で挟むことにより形成するので、当該電極に電圧を印加することで、容易に可撓性部材の挟まれた部分を振動させることができて、超音波を容易に送信することができる。
【００２０】
また、上記請求項２の発明で用いる超音波探触子によれば、例えば、バッキング部材の球面形状の内周面に沿って板状可撓性部材における上記内周面の形状に対応する球面形状の外周面を貼り付けるようにして、超音波探触子の主部を形成することができて、この場合、上記板状可撓性部材を挟むように配置されている２つの電極のうちの一方の電極の内周面から成る超音波送受信面を、上記大円上の所定位置に容易に配置できる。
【００２１】
また、上記請求項２の発明で用いる超音波探触子によれば、夫々の上記超音波送受信面が露出した状態となっているので、上記超音波送受信面から超音波を発信するときには、上記可撓性部材を振動させて、強度が強い超音波を発信でき、また、上記超音波送受信面から超音波を受信するときには、上記可撓性部材の振動によって感度良く超音波を受信できる。
【００２２】
【００２３】
上記請求項１の発明の超音波伝播速度測定方法によれば、上記超音波探触子位置決め工程の後、中央の振動子の超音波送受信面と、上記大円の中心と、上記軌道面が画定する円周の中心とを、一直線上に配置した上、上記３つの振動子の超音波送受信面が配置されている上記大円の中心を、上記軌道面上に配置することができる。したがって、中央の振動子の超音波送受信面と上記軌道面の距離を、上記大円の半径に設定することができて、超音波探触子接近工程の後の上記３つの振動子と上記軌道面との位置関係を確定できる。このことから、上記超音波伝播時間測定工程で測定された伝播時間のうちで、超音波が上記軌道面を伝播している時間を算出できて、軌道面における超音波の伝播速度を計算できる。
【００２４】
また、請求項２の発明の超音波速度測定方法は、請求項１に記載の超音波伝播速度測定方法において、上記超音波探触子は、上記３つの振動子を、単一の板状可撓性部材内の独立した３ヶ所を夫々電極で挟むことによって構成し、上記超音波送受信面は露出した状態となっていることを特徴としている。
また、請求項３の発明の超音波速度測定方法は、請求項１または２に記載の超音波伝播速度測定方法において、上記超音波探触子と上記軌道面との間に、媒体としての水を満たしていることを特徴としている。
【００２５】
上記請求項３の発明の超音波伝播速度測定方法によれば、上記超音波探触子と上記軌道面との間に、超音波の伝播速度が既知の水を満たした状態で、軌道面における超音波の伝播速度の測定を行うので、一端の振動子の超音波送受信面と上記軌道面との間、および、上記軌道面と他端の振動子の超音波送受信面との間を超音波が伝播する時間を正確に計算できる。また、上記超音波探触子と上記軌道面との間に、超音波が伝播し易い水を満たした状態で、軌道面における超音波の伝播速度の測定を行うので、上記超音波探触子と上記軌道面との間を伝播する際に起こる超音波の減衰の程度を小さくできて、軌道面における超音波の伝播速度を精度高く測定できる。
【００２６】
また、請求項４の発明の軸受内輪軌道面の検査方法は、請求項１乃至３のいずれか１つに記載の超音波伝播速度測定方法で測定された上記軌道面の表層部における超音波の伝播速度に基づいて、上記軌道面の機械特性を検査することを特徴としている。
【００２７】
上記請求項４の発明の軸受内輪軌道面の検査方法によれば、上記超音波伝播速度測定方法で測定された上記軌道面の表層部における超音波の伝播速度に基づいて、上記軌道面の機械特性を検査するので、簡単安価かつ安全に上記軌道面の機械特性を検査できる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００２９】
図１は、本発明の一実施形態で用いられる超音波探触子１の６つの電極４,４’,５,５’,６,６’を含む断面図であり、大円１８を含む断面図である。
【００３０】
上記超音波探触子１は、図１に示すように、板状可撓性部材の一例としての湾曲した板形状を有する単一の高分子圧電膜２と、この高分子圧電膜２の内周面８に取り付けられた３つの電極４,５,６と、外周面９に取り付けられた３つの電極４’,５’,６’と、上記高分子圧電膜２の外周面９（電極４’,５’,６’が貼り付けられた以外の部分）を貼り付けることによって、高分子圧電膜２を保持しているバッキング部材３とを備える。これら６つの電極のうち、３組の電極、すなわち、４と４’、５と５’、および、６と６’は、夫々高分子圧電膜２の異なる３箇所を挟むように対向配置されており、電極４,４’と電極４,４’に挟まれた高分子圧電膜２の部分、電極５,５’と電極５,５’に挟まれた高分子圧電膜２の部分、および、電極６,６’と電極６,６’に挟まれた高分子圧電膜２の部分は、夫々振動子４’’,５’’,６’’になっている。これらの振動子４’’,５’’,６’’は、電極４,４’、電極５,５’および電極６,６’の夫々に電圧を印加することによって、電極４,４’、電極５,５’および電極６,６’の夫々に挟まれた高分子圧電膜２の部分を振動させると共に、この挟まれた高分子圧電膜２の部分の振動によって、電極４,４’、電極５,５’および電極６,６’自身も振動させて（すなわち、振動子４’’,５’’,６’’の全体を振動させて）、超音波を送信できるようになっている。尚、振動子４’’,５’’,６’’は、単一の板状可撓性部材を用いて形成されるが、夫々上記板状可撓性部材の離隔した独立箇所に設けられ、かつ、板状可撓性部材が高分子圧電膜２で構成されているので、振動子４’’,５’’,６’’は、相互に振動の影響を及ぼし合うことがなく、独立に振動できる。
【００３１】
上記高分子圧電膜２の内周面８と外周面９は、夫々球面の一部から構成されており、内周面８と外周面９は、同一の曲率中心Ｐ０を有している。また、上記３つの電極４,５,６の夫々の内周面である超音波送受信面１４,１５,１６は、仮想球面１０と曲率が同じ球面の一部で構成されており、仮想球面１０の大円１８上に配置されている。また、紙面の左方の振動子４’’の超音波送受信面１４と中央の振動子５’’の超音波送受信面１５の大円１８上における周方向の距離Ｂは、紙面の右方の振動子６’’の超音波送受信面１６と中央の振動子５の超音波送受信面１５の大円１８上における周方向の距離Ｃと等しくなっており、超音波送受信面１４,１５,１６は、互いに非接触な状態で大円１８上に等間隔に配置されている。
【００３２】
図２は、図１の矢印Ａ方向からみたの超音波探触子１の図である。
【００３３】
図２に示すように、上記高分子圧電膜２は、帯形状であり、３つの振動子４’’,５’’,６’’は、高分子圧電膜２の内周面８の幅方向の略中央部に固定されている。上記中央の振動子５’’の超音波送受信面１５の縁部は円になっており、中央の振動子５’’の超音波送受信面１５はドーム形状になっている。また、上記中央の振動子５’’の左右に配置された振動子４’’,６’’の超音波送受信面１４,１６は、中央の振動子５’’に対して左右対称な形状を有している。上記超音波送受信面１４,１６は、図２において、略等脚台形の形状になっており、等脚台形の上底は、大円１８に垂直な状態で、中央の振動子５’’側に配置されている。上記３つの振動子４’’,５’’,６’’の超音波送受信面１４,１５,１６の面積は、略等しくなっており、超音波送受信面１４,１５の間および超音波送受信面１５,１６の間には、大円１８における超音波送受信面１４,１５,１６（３つのうちのどれか１つ）と交差した部分の長さ程度の隙間が空けられている。図２において、ＢおよびＣは、上記隙間の距離であり、図１のＢおよびＣに夫々対応している。図２のＢとＣは同じになっている。
【００３４】
図３および４は、固体部材の一例として深溝玉軸受の内輪３０を採用し、内輪３０の軌道面の軌道底３１の表層部における超音波の伝播速度を測定している途中の工程を示す模式図である。以下に、図３および４を用いて、本発明の超音波伝播速度測定方法の一実施形態である上記軌道底３１の表層部における超音波の伝播速度測定方法を説明する。
【００３５】
尚、図３および図４に、(1),(2)および(3)で示す箇所は、大円１８上の超音波送受信面１４,１５および１６（図１参照）の存在箇所を示すものとする。
【００３６】
先ず、初期設定工程を行う。この初期設定工程では、上記超音波送受信面１４,１５および１６が配置されている大円１８を、軌道底３１の軸心Ｐ１に垂直で、かつ、軌道底３１が画定する円周と交差する平面上に配置する。
【００３７】
次に、水充填工程を行う。この水充填工程では、超音波探触子１と内輪３０の外周面（軌道面を含む）との間に、隙間無く水を充填する。以後の工程では、超音波探触子１と内輪３０の外周面との距離が変動するが、超音波探触子１と内輪３０の外周面との距離がどのような大きさになっても、超音波探触子１と内輪３０の外周面との間は、隙間無く水で充填されるようになっている。
【００３８】
次に、超音波探触子位置決め工程を行う。この超音波探触子位置決め工程では、上記大円１８の(2)の位置に配置された中央の振動子の超音波送受信面から発信されて、水中を伝播して軌道底３１で反射して再度水中を伝播した超音波を上記中央の振動子の超音波送受信面で受信して、軌道底３１が画定する円周の中心と、大円１８の中心を結んだ線分の延長上に、上記中央の振動子の超音波送受信面が存在している状態で、大円１８の(1)の位置に配置された紙面の左方の振動子の超音波送受信面から発信されて水中を伝播して軌道面で反射して、再度水中を伝播して大円１８の(3)の位置に配置された紙面の右方の振動子の超音波送受信面に到達した超音波の伝播時間と、上記中央の振動子の超音波送受信面から発信されて水中を伝播して軌道面で反射して再度水中を伝播して上記中央の振動子の超音波送受信面に到達した超音波の伝播時間とが等しくなる位置に、超音波探触子１を位置決めする。この超音波探触子位置決め工程の後、図３に示すように、大円１８の中心Ｐ２は、軌道底３１上に存在しており、大円１８の(2)の位置に配置された中央の振動子の超音波送受信面と軌道底３１の距離は、大円の半径ｒになっている。
【００３９】
続いて、超音波探触子接近工程を行う。この超音波探触子接近工程では、図４に示すように、超音波探触子１を軌道底３１の方に径方向に所定距離ｄ近づける。超音波探触子接近工程の後、大円１８の(2)の位置に配置された中央の振動子の超音波送受信面と軌道底３１の距離は、ｒ−ｄになっている。
【００４０】
次に、超音波伝播時間測定工程を行う。この超音波伝播時間測定工程では、大円１８の(1)の位置に配置された紙面の左方の振動子の超音波送受信面から発信されて図４に矢印Ｏで示す方向に水中を伝播して軌道底３１に到達して、軌道底３１の表層部を周方向に伝播した後、再度水中を図４に矢印Ｅで示す方向伝播して、大円１８の(3)の位置に配置された紙面の右方の振動子の超音波送受信面に到達した超音波の伝播時間を測定する。
【００４１】
最後に、軌道面伝播速度計算工程を行う。この軌道面伝播速度計算工程では、上記超音波の伝播時間に基づいて軌道底３１の表層部における超音波の伝播速度を計算する。
【００４２】
図５は、上記超音波伝播時間測定工程の際に、超音波が伝播する軌道底３１の部分を示す図である。
【００４３】
図５において、Ｆは、上記超音波探触子接近工程の後の、大円（図示しない）の中心位置を示し、Ａ,ＯおよびＢは、夫々中心位置Ｆと、左方の振動子、中央の振動子および右方の振動子の超音波送受信面とを結ぶ線分が、軌道底３１と交わる点を示す。図５において、線分ＯＦの距離は、上記超音波探触子接近工程で近づけられた距離ｄになっている。また、Ｇは、軌道底３１が画定する円周の中心点であり、Ｒは、軌道底３１の半径である。
【００４４】
以下に、図５を用いて、軌道底３１の表層部における超音波の伝播速度の測定方法の原理を簡単に述べることにする。
【００４５】
先ず、Ｏを原点とし、Ｏを通る軌道底３１の接線におけるＯから紙面の右方に向かう方向にｘ軸の正方向を設定し、Ｏから中央の振動子の超音波送受信面に向かう方向にｙ軸の正方向を設定する。このとき、例えば、中央の振動子の超音波送受信面の中心の座標は（０,ｒ−ｄ）になり、Ｆの座標は（０,−ｄ）になり、Ｇの座標は（０,−Ｒ）になる。
【００４６】
次に、中央の振動子の超音波送受信面との位置関係から座標の位置が確定する右方および左方の振動子の超音波送受信面の座標を求め、その夫々の座標とＦを結ぶ２つの直線の方程式を求める。
【００４７】
続いて、ＯとＧの座標位置を用いて、軌道底３１の円の方程式を求め、この円の方程式と上記２つの直線の夫々の連立方程式から、ＡおよびＢの座標を求める。この連立方程式は、２次方程式になることから、夫々解が２つ求まるが、夫々ｙ座標の値が大きい方の解（この解が、Ａ点、Ｂ点の解を示す）を採用する。
【００４８】
次に、ＡおよびＢの座標を用いて、線分ＡＢの長さを求め（この長さをｓとする）、ｓｉｎ−１（（ｓ／２）／Ｒ）を計算することによって、α（＝∠ＡＧＯ）（ｒａｄ）を弧度法で求め、２αＲを計算して、超音波が伝播するＡからＢまでの軌道底３１の部分の長さを求める。
【００４９】
次に、右方および左方の振動子の超音波送受信面の座標、Ａの座標およびＢの座標から、左方の振動子の超音波送受信面からＡまでの距離と、右方の振動子の超音波送受信面からＢまでの距離を求め、値が既知の超音波の水中の伝播速度を用いて、超音波が水中を伝播している時間を求める。
【００５０】
最後に、上記超音波伝播時間測定工程で測定された伝播時間から、上記超音波が水中を伝播している時間を差し引いて、上記２αＲを伝播する超音波の時間を求め、軌道底３１における超音波の伝播速度を測定する。
【００５１】
上記のように軌道底３１の表層部における超音波の伝播速度を測定することによって、超音波の伝播速度と密接な対応関係がある軌道面３１の機械特性の状態の善し悪しを、正確に検査することができる。
【００５２】
上記実施形態で用いられた超音波探触子１によれば、超音波探触子１から送信されて超音波探触子１に受信される超音波を用いて、内輪３０を破壊せずに、内輪の軌道底３１の表層部の検査を行うことができるので、軌道底３１の表層部の検査を行うときの工数を大幅に低減できて、軌道底３１の表層部の検査に要するコストと労力を大幅に低減できる。
【００５３】
また、上記実施形態で用いられた超音波探触子１は、軽くて小型で持ち運び可能であり、かつ、この超音波探触子１から発信される超音波も人体に安全であるので、上記軌道底３１の表層部の機械特性を測定する場所が限定されず、かつ、軌道底３１の表層部の検査を安全に行うことができる。
【００５４】
上記実施形態で用いられた超音波探触子１によれば、３つの振動子４’’,５’’,６’’の超音波送受信面１４,１５,１６を、互いに非接触な状態で仮想球面１０の大円１８上に等間隔に配置したので、中央の振動子５’’の超音波送受信面１５から発信されて軌道底３１で反射して中央の振動子５’’の超音波送受信面１５に入射した超音波のうちで感度が高い超音波を測定することによって、軌道底３１で反射した超音波がいかなる入射角度で中央の振動子５’’の超音波送受信面１５入射しているかを判断でき、大円１８が、軌道底３１に対して所定の角度に位置決めされているか否かを、軌道底３１における超音波の伝播速度の測定前に予め判断できる。したがって、一端の振動子４’’の超音波送受信面１４から発信されて軌道底３１の表層部を伝播して他端の振動子６’’の超音波送受信面１６に到達した超音波に基づいて算出された軌道底３１における超音波の伝播速度を、精度高いものにすることができる。
【００５５】
また、上記実施形態で用いられた超音波探触子によれば、３つの振動子４’’,５’’,６’’は、夫々の超音波送受信面１４,１５,１６が露出した状態で高分子圧電膜２に取り付けられているので、超音波送受信面１４,１５,１６から超音波を発信するときには、高分子圧電膜２を振動させて、強度が強い超音波を発信でき、また、超音波送受信面１４,１５,１６から超音波を受信するときには、高分子圧電膜２の振動によって感度良く超音波を受信できる。
【００５６】
また、上記実施形態の超音波伝播速度測定方法によれば、超音波探触子位置決め工程の後、３つの振動子４’’,５’’,６’’の超音波送受信面が配置されている大円１８の中心を、軌道底３１上に配置することができる。したがって、中央の振動子５’’の超音波送受信面１５と軌道底３１の距離を、大円１８の半径に設定することができて、超音波探触子接近工程の後の３つの振動子４’’,５’’,６’’と軌道底３１との位置関係を確定できる。このことから、超音波伝播時間測定工程で測定された伝播時間のうちで、超音波が軌道底３１を伝播している時間を算出できて、軌道底３１の表層部における超音波の伝播速度を計算できる。
【００５７】
また、上記実施形態の超音波伝播速度測定方法によれば、超音波探触子１と軌道底３１との間に、超音波の伝播速度が既知の水を満たした状態で、伝播速度の測定を行うので、一端の振動子４’’の超音波送受信面１４と軌道底３１との間、および、軌道底３１と他端の振動子６’’の超音波送受信面１６との間を超音波が伝播する時間を正確に計算できる。また、超音波探触子１と軌道底３１との間に、超音波が伝播し易い水を満たした状態で、軌道底３１における超音波の伝播速度の測定を行うので、超音波探触子１と軌道底３１との間を伝播する際に起こる超音波の減衰の程度を小さくできて、軌道底３１における超音波の伝播速度を精度高く測定できる。
【００５８】
また、上記実施形態の軸受内輪軌道面の検査方法によれば、上記超音波伝播速度測定方法で測定された軌道底３１の表層部における超音波の伝播速度に基づいて、軌道底３１の機械特性を検査するので、簡単安価かつ安全に軌道底３１の機械特性を検査できる。
【００５９】
尚、上記実施形態で用いられた超音波探触子１では、超音波送受信面１４,１６の周辺部が略等脚台形状の電極４,６や、超音波送受信面１５の周辺部が略円形状の電極５を採用したが、この発明で用いる超音波探触子では、超音波送受信面の周辺部の形状が略等脚台形状や略円形状以外の形状を有する電極を採用しても良い。
【００６０】
また、上記実施形態で用いられた超音波探触子１では、一枚の板状の高分子圧電膜２の３箇所に２つの電極を対向配置して３つの振動子を構成したが、この発明で用いる超音波探触子では、例えば、一体のバッキング部材の内周面に、３つの板状高分子圧電膜の夫々を挟むように二つの電極を配置して形成した３つの振動子を、互いに離間して配置するようにして、３つの振動子を離間配置しても良く、この場合、高分子圧電膜の材料コストを低減できる。
【００６１】
また、上記実施形態の軸受内輪軌道面の検査方法では、軸受内輪軌道面の検査方法を、深溝玉軸受の内輪３１の軌道底３１に適用したが、軸受内輪軌道面の検査方法を、ころ軸受の内輪軌道面に適用しても良い。また、軸受内輪軌道面の検査方法を、アンギュラ玉軸受の内輪軌道面に適用しても良い。
【００６２】
【発明の効果】
以上より明らかなように、請求項１の発明で用いる超音波探触子によれば、超音波探触子から送受信される超音波を用いて、固体部材を破壊せずに、固体部材の表層部の検査を行うことができるので、固体部材の表層部の検査を行うときの工数を大幅に低減できて、固体部材の表層部の検査に要するコストと労力を大幅に低減できる。
【００６３】
また、請求項１の発明で用いる超音波探触子は、軽くて小型で持ち運び可能であり、かつ、この超音波探触子から発信される超音波も人体に安全であるので、上記固体部材の表層部の機械特性を測定する場所が限定されず、かつ、固体部材の表層部の検査を安全に行うことができる。
【００６４】
また、請求項１の発明で用いる超音波探触子によれば、中央の振動子の超音波送受信面から発信されて内輪の軌道面で反射して中央の振動子の超音波送受信面に入射した超音波のうちで感度が高い超音波を測定することによって、上記軌道面で反射した超音波がいかなる入射角度で中央の振動子の超音波送受信面入射しているかを判断でき、上記大円が、上記軌道面に対して所定の角度に位置決めされているか否かを、上記軌道面における超音波の伝播速度の測定前に予め判断できる。したがって、軌道面における超音波の伝播速度を、精度高いものにすることができる。
【００６５】
また、請求項２の発明で用いる超音波探触子によれば、上記３つの振動子の夫々を、上記板状可撓性部材の一部を２枚の電極で挟むことにより形成するので、当該電極に電圧を印加することで、容易に可撓性部材の挟まれた部分を振動させることができて、超音波を容易に送信することができる。
【００６６】
また、請求項２の発明で用いる超音波探触子によれば、夫々の上記超音波送受信面が露出した状態となっているので、上記超音波送受信面から超音波を発信するときには、上記可撓性部材を振動させて、強度が強い超音波を発信でき、また、上記超音波送受信面から超音波を受信するときには、上記可撓性部材の振動によって感度良く超音波を受信できる。
【００６７】
また、請求項１の発明の超音波伝播速度測定方法によれば、超音波探触子位置決め工程の後、３つの振動子の超音波送受信面が配置されている大円の中心を、軌道面上に配置することができる。したがって、中央の振動子の超音波送受信面と上記軌道面の距離を、上記大円の半径に設定することができて、超音波探触子接近工程の後に、上記３つの振動子と上記軌道面との位置関係を確定できる。このことから、超音波伝播時間測定工程で測定された伝播時間のうちで、超音波が上記軌道面を伝播している時間を算出できて、軌道面における超音波の伝播速度を計算できる。
【００６８】
また、請求項３の発明の超音波伝播速度測定方法によれば、超音波探触子と軌道面との間に、超音波の伝播速度が既知の水を満たした状態で、軌道面における超音波の伝播速度の測定を行うので、一端の振動子の超音波送受信面と上記軌道面との間、および、上記軌道面と他端の振動子の超音波送受信面との間を超音波が伝播する時間を正確に計算できる。また、上記超音波探触子と上記軌道面との間に、超音波が伝播し易い水を満たした状態で、軌道面における超音波の伝播速度の測定を行うので、上記超音波探触子と上記軌道面との間を伝播する際に起こる超音波の減衰の程度を小さくできて、軌道面における超音波の伝播速度を精度高く測定できる。
【００６９】
また、請求項４の発明の軸受内輪軌道面の検査方法によれば、上記超音波伝播速度測定方法で測定された上記軌道面の表層部における超音波の伝播速度に基づいて、上記軌道面の機械特性を検査するので、簡単安価かつ安全に上記軌道面の機械特性を検査できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態で用いられる超音波探触子の３つの振動子が配置された大円を含む断面図である。
【図２】 図１の矢印Ａ方向からみた超音波探触子の図である。
【図３】 内輪の軌道面の軌道底における超音波の伝播速度を測定するのに必須な途中工程を示す模式図である。
【図４】 内輪の軌道面の軌道底における超音波の伝播速度を測定するのに必須な途中工程を示す模式図である。
【図５】 超音波伝播時間測定工程の際に、超音波が伝播する軌道底の部分を示す図である。
【符号の説明】
１ 超音波探触子
２ 高分子圧電膜
４,５,６,４’,５’,６’ 電極
４’’,５’’,６’’ 振動子
１０ 仮想球面
１４,１５,１６ 超音波送受信面
１８ 大円
３０ 内輪
３１ 軌道底
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波探触子を用いた超音波伝播速度測定方法に関する。また、本発明は、超音波伝播速度測定方法を用いた軸受内輪軌道面の検査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、軸受内輪軌道面の検査方法としては、電子線マイクロアナライザー（Electron Prove Micro Analyzer : ＥＰＭＡ）を用いた方法がある。この電子線マイクロアナライザーを用いた方法では、軸受の内輪を破壊することによって内輪の軌道面の表層部の一部を取出して、この取出された表層部を研磨して試料を作成した後、この試料に電子線を照射してこの試料から炭素の特性Ｘ線を発生させて、この炭素の特性Ｘ線の測定を行っている。そして、この炭素の特性Ｘ線の測定に基づいて上記取出された表層部中の炭素の含有率を検出して、内輪の軌道面の表層部の状態を検査している。
【０００３】
また、他の軸受内輪軌道面の検査方法としては、Ｘ線照射装置を用いた方法もある。このＸ線照射装置を用いた方法では、軸受の内輪の軌道面の表層部にＸ線を照射することによって、上記表層部の残留応力および残留オーステナイト量を測定している。そして、この測定結果に基づいて内輪の軌道面の表層部の状態を検査している（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−３０４７１０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記電子線マイクロアナライザーを用いた検査方法では、内輪の破壊が必要になるので、検査した内輪を使用できないという問題がある。
【０００６】
また、内輪の破壊や、内輪の軌道面の表層部から取出した試料の研磨等を必要とするので、上記軌道面の表層部を検査するときの工数が多くなって、上記軌道面の表層部の検査に要する時間が長く、コストと労力が大きくなるという問題がある。
【０００７】
一方、上記Ｘ線照射装置を用いた検査方法では、内輪の軌道面の表層部の検査に大掛りなＸ線照射装置を用いるので、このＸ線照射装置を自由に検査現場に持ち運びできず、上記軌道面の表層部の検査を行う場所が限定されるという問題がある。
【０００８】
また、人体に危険な放射線のＸ線を用いるので、Ｘ線照射装置の操作に熟練を必要とし、上記軌道面の表層部の検査を安全かつ簡単にできないという問題がある。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、金属部材の表層部の検査を行う場所が限定されず、かつ、金属部材の破壊検査をせずに金属部材の表層部を簡単安価かつ安全に検査できる超音波伝播速度測定方法および軸受内輪軌道面の検査方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明の超音波伝播速度測定方法は、
仮想球面の曲率と同じ曲率の球面の一部分から成る超音波送受信面を夫々有する３つの振動子を備え、
上記３つの振動子の超音波送受信面は、互いに非接触な状態で上記仮想球面の大円上に等間隔に配置され、
上記３つの振動子のうちの一端の振動子の超音波送受信面から発信されて、固体部材の表層部を伝播した超音波を、上記３つの振動子のうちの他端の振動子の超音波送受信面で受信して、上記固体部材の表層部の機械特性を測定することを特徴とする超音波探触子を用いて軸受の内輪の軌道面の表層部における超音波の伝播速度を測定する超音波伝播速度測定方法であって、
上記大円を、上記軌道面の軸心に垂直で、かつ、上記軌道面と交差する平面上に配置した初期設定工程と、
上記初期設定の後、上記等間隔に配置された３つの振動子のうちの中央の振動子の超音波送受信面から発信されて軌道面で反射した超音波を、上記中央の振動子の超音波送受信 面で受信することによって、上記軌道面が画定する円周の中心と、上記大円の中心を結んだ線分の延長上に、上記中央の振動子の超音波送受信面が存在している状態で、上記３つの振動子のうちの一端の振動子の超音波送受信面から発信されて軌道面で反射して上記３つの振動子のうちの他端の振動子の超音波送受信面に到達した超音波の伝播時間と、上記中央の振動子の超音波送受信面から発信されて軌道面で反射して上記中央の振動子の超音波送受信面に到達した超音波の伝播時間とが等しくなる位置に、上記３つの振動子を位置決めする超音波探触子位置決め工程と、
上記超音波探触子位置決め工程の後、上記超音波探触子を上記軌道面の方に径方向に所定距離近づける超音波探触子接近工程と、
上記超音波探触子接近工程の後、上記超音波探触子の等間隔に配置された３つの振動子のうちの一端の振動子の超音波送受信面から発信されて軌道面の表層部を伝播して上記３つの振動子のうちの他端の振動子の超音波送受信面に到達した超音波の伝播時間を測定する超音波伝播時間測定工程と、
上記超音波の伝播時間に基づいて上記軌道面の表層部における超音波の伝播速度を計算する軌道面伝播速度計算工程と
を備えることを特徴としている。
【００１１】
尚、この発明で用いる超音波探触子は、上記３つの振動子以外に、１つまたは複数の振動子を有していても良い。
【００１２】
また、上記固体部材の表層部の機械特性とは、固体部材の表層部の疲労、劣化または歪み等であり、上記機械特性を測定するとは、上記固体部材の表層部における超音波の伝播速度を測定することによって、この伝播速度と密接な相関関係がある上記機械特性を測定することをいう。
【００１３】
また、この明細書で、表層部といった場合、この表層部という表現には、表面を含むものとする。
【００１４】
上記請求項１の発明で用いる超音波探触子を用いて上記固体部材の表層部の機械特性の測定を行う場合、上記３つの振動子を、機械特性を測定したい上記固体部材の表層部に対して所定の相対位置に設置した後、上記３つの振動子のうちの一端の振動子の超音波送受信面から発信されて、固体部材の表層部を伝播した超音波を、上記３つの振動子のうちの他端の振動子の超音波送受信面で受信するだけで、固体部材の表層部の検査を行うことができる。したがって、上記電子線マイクロアナライザーを用いる検査方法とは異なり、固体部材の表層部の検査を行うのに固体部材を破壊する必要がなくて、固体部材の表層部の検査を行うときの工数を大幅に低減できて、固体部材の表層部の検査に要するコストと労力を大幅に低減できる。
【００１５】
また、上記請求項１の発明で用いる超音波探触子は、軽くて小型で持ち運び可能であり、かつ、この超音波探触子から発信される超音波も人体に安全であるので、大掛りで人体に危険なＸ線を使用するＸ線照射装置を用いる検査方法とは異なり、上記固体部材の表層部の機械特性を測定する場所が限定されず、かつ、固体部材の表層部の検査を安全に行うことができる。
【００１６】
また、上記請求項１の発明で用いる超音波探触子によれば、上記３つの振動子の超音波送受信面を、互いに非接触な状態で上記仮想球面の大円上に等間隔に配置したので、例えば、内輪の軌道面の表層部の機械特性を測定するべく上記内輪の軌道面の表層部における超音波の伝播速度を測定するとき、上記３つの振動子のうちの中央の振動子を用いて、上記大円が、上記軌道面に対して所定の角度に位置決めされているか否かを判断できる。詳細には、上記中央の振動子の超音波送受信面から発信されて内輪の軌道面で反射して中央の振動子の超音波送受信面に入射した超音波のうちで感度が高い超音波を測定することによって、上記軌道面で反射した超音波がいかなる入射角度で中央の振動子の超音波送受信面入射しているかを判断して、上記大円が、上記軌道面に対して所定の角度に位置決めされているか否かを、上記軌道面における超音波の伝播速度の測定前に予め判断できる。したがって、３つの振動子のうちの一端の振動子の超音波送受信面から発信されて上記軌道面の表層部を伝播して上記３つの振動子のうちの他端の振動子の超音波送受信面に到達した超音波に基づいて算出された上記軌道面における超音波の伝播速度が、精度高いものになる。
【００１７】
また、請求項２の発明で用いる超音波探触子は、請求項１の発明で用いる超音波探触子において、上記３つの振動子を、単一の板状可撓性部材内の独立した３ヶ所を夫々電極で挟むことによって構成し、上記超音波送受信面は露出した状態となっている。
【００１８】
尚、上記板状という表現には、湾曲した板の形状も含むものとする。
【００１９】
上記請求項２の発明で用いる超音波探触子によれば、上記３つの振動子の夫々を、上記板状可撓性部材の一部を２枚の電極で挟むことにより形成するので、当該電極に電圧を印加することで、容易に可撓性部材の挟まれた部分を振動させることができて、超音波を容易に送信することができる。
【００２０】
また、上記請求項２の発明で用いる超音波探触子によれば、例えば、バッキング部材の球面形状の内周面に沿って板状可撓性部材における上記内周面の形状に対応する球面形状の外周面を貼り付けるようにして、超音波探触子の主部を形成することができて、この場合、上記板状可撓性部材を挟むように配置されている２つの電極のうちの一方の電極の内周面から成る超音波送受信面を、上記大円上の所定位置に容易に配置できる。
【００２１】
また、上記請求項２の発明で用いる超音波探触子によれば、夫々の上記超音波送受信面が露出した状態となっているので、上記超音波送受信面から超音波を発信するときには、上記可撓性部材を振動させて、強度が強い超音波を発信でき、また、上記超音波送受信面から超音波を受信するときには、上記可撓性部材の振動によって感度良く超音波を受信できる。
【００２２】
【００２３】
上記請求項１の発明の超音波伝播速度測定方法によれば、上記超音波探触子位置決め工程の後、中央の振動子の超音波送受信面と、上記大円の中心と、上記軌道面が画定する円周の中心とを、一直線上に配置した上、上記３つの振動子の超音波送受信面が配置されている上記大円の中心を、上記軌道面上に配置することができる。したがって、中央の振動子の超音波送受信面と上記軌道面の距離を、上記大円の半径に設定することができて、超音波探触子接近工程の後の上記３つの振動子と上記軌道面との位置関係を確定できる。このことから、上記超音波伝播時間測定工程で測定された伝播時間のうちで、超音波が上記軌道面を伝播している時間を算出できて、軌道面における超音波の伝播速度を計算できる。
【００２４】
また、請求項２の発明の超音波速度測定方法は、請求項１に記載の超音波伝播速度測定方法において、上記超音波探触子は、上記３つの振動子を、単一の板状可撓性部材内の独立した３ヶ所を夫々電極で挟むことによって構成し、上記超音波送受信面は露出した状態となっていることを特徴としている。
また、請求項３の発明の超音波速度測定方法は、請求項１または２に記載の超音波伝播速度測定方法において、上記超音波探触子と上記軌道面との間に、媒体としての水を満たしていることを特徴としている。
【００２５】
上記請求項３の発明の超音波伝播速度測定方法によれば、上記超音波探触子と上記軌道面との間に、超音波の伝播速度が既知の水を満たした状態で、軌道面における超音波の伝播速度の測定を行うので、一端の振動子の超音波送受信面と上記軌道面との間、および、上記軌道面と他端の振動子の超音波送受信面との間を超音波が伝播する時間を正確に計算できる。また、上記超音波探触子と上記軌道面との間に、超音波が伝播し易い水を満たした状態で、軌道面における超音波の伝播速度の測定を行うので、上記超音波探触子と上記軌道面との間を伝播する際に起こる超音波の減衰の程度を小さくできて、軌道面における超音波の伝播速度を精度高く測定できる。
【００２６】
また、請求項４の発明の軸受内輪軌道面の検査方法は、請求項１乃至３のいずれか１つに記載の超音波伝播速度測定方法で測定された上記軌道面の表層部における超音波の伝播速度に基づいて、上記軌道面の機械特性を検査することを特徴としている。
【００２７】
上記請求項４の発明の軸受内輪軌道面の検査方法によれば、上記超音波伝播速度測定方法で測定された上記軌道面の表層部における超音波の伝播速度に基づいて、上記軌道面の機械特性を検査するので、簡単安価かつ安全に上記軌道面の機械特性を検査できる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００２９】
図１は、本発明の一実施形態で用いられる超音波探触子１の６つの電極４,４’,５,５’,６,６’を含む断面図であり、大円１８を含む断面図である。
【００３０】
上記超音波探触子１は、図１に示すように、板状可撓性部材の一例としての湾曲した板形状を有する単一の高分子圧電膜２と、この高分子圧電膜２の内周面８に取り付けられた３つの電極４,５,６と、外周面９に取り付けられた３つの電極４’,５’,６’と、上記高分子圧電膜２の外周面９（電極４’,５’,６’が貼り付けられた以外の部分）を貼り付けることによって、高分子圧電膜２を保持しているバッキング部材３とを備える。これら６つの電極のうち、３組の電極、すなわち、４と４’、５と５’、および、６と６’は、夫々高分子圧電膜２の異なる３箇所を挟むように対向配置されており、電極４,４’と電極４,４’に挟まれた高分子圧電膜２の部分、電極５,５’と電極５,５’に挟まれた高分子圧電膜２の部分、および、電極６,６’と電極６,６’に挟まれた高分子圧電膜２の部分は、夫々振動子４’’,５’’,６’’になっている。これらの振動子４’’,５’’,６’’は、電極４,４’、電極５,５’および電極６,６’の夫々に電圧を印加することによって、電極４,４’、電極５,５’および電極６,６’の夫々に挟まれた高分子圧電膜２の部分を振動させると共に、この挟まれた高分子圧電膜２の部分の振動によって、電極４,４’、電極５,５’および電極６,６’自身も振動させて（すなわち、振動子４’’,５’’,６’’の全体を振動させて）、超音波を送信できるようになっている。尚、振動子４’’,５’’,６’’は、単一の板状可撓性部材を用いて形成されるが、夫々上記板状可撓性部材の離隔した独立箇所に設けられ、かつ、板状可撓性部材が高分子圧電膜２で構成されているので、振動子４’’,５’’,６’’は、相互に振動の影響を及ぼし合うことがなく、独立に振動できる。
【００３１】
上記高分子圧電膜２の内周面８と外周面９は、夫々球面の一部から構成されており、内周面８と外周面９は、同一の曲率中心Ｐ０を有している。また、上記３つの電極４,５,６の夫々の内周面である超音波送受信面１４,１５,１６は、仮想球面１０と曲率が同じ球面の一部で構成されており、仮想球面１０の大円１８上に配置されている。また、紙面の左方の振動子４’’の超音波送受信面１４と中央の振動子５’’の超音波送受信面１５の大円１８上における周方向の距離Ｂは、紙面の右方の振動子６’’の超音波送受信面１６と中央の振動子５の超音波送受信面１５の大円１８上における周方向の距離Ｃと等しくなっており、超音波送受信面１４,１５,１６は、互いに非接触な状態で大円１８上に等間隔に配置されている。
【００３２】
図２は、図１の矢印Ａ方向からみたの超音波探触子１の図である。
【００３３】
図２に示すように、上記高分子圧電膜２は、帯形状であり、３つの振動子４’’,５’’,６’’は、高分子圧電膜２の内周面８の幅方向の略中央部に固定されている。上記中央の振動子５’’の超音波送受信面１５の縁部は円になっており、中央の振動子５’’の超音波送受信面１５はドーム形状になっている。また、上記中央の振動子５’’の左右に配置された振動子４’’,６’’の超音波送受信面１４,１６は、中央の振動子５’’に対して左右対称な形状を有している。上記超音波送受信面１４,１６は、図２において、略等脚台形の形状になっており、等脚台形の上底は、大円１８に垂直な状態で、中央の振動子５’’側に配置されている。上記３つの振動子４’’,５’’,６’’の超音波送受信面１４,１５,１６の面積は、略等しくなっており、超音波送受信面１４,１５の間および超音波送受信面１５,１６の間には、大円１８における超音波送受信面１４,１５,１６（３つのうちのどれか１つ）と交差した部分の長さ程度の隙間が空けられている。図２において、ＢおよびＣは、上記隙間の距離であり、図１のＢおよびＣに夫々対応している。図２のＢとＣは同じになっている。
【００３４】
図３および４は、固体部材の一例として深溝玉軸受の内輪３０を採用し、内輪３０の軌道面の軌道底３１の表層部における超音波の伝播速度を測定している途中の工程を示す模式図である。以下に、図３および４を用いて、本発明の超音波伝播速度測定方法の一実施形態である上記軌道底３１の表層部における超音波の伝播速度測定方法を説明する。
【００３５】
尚、図３および図４に、(1),(2)および(3)で示す箇所は、大円１８上の超音波送受信面１４,１５および１６（図１参照）の存在箇所を示すものとする。
【００３６】
先ず、初期設定工程を行う。この初期設定工程では、上記超音波送受信面１４,１５および１６が配置されている大円１８を、軌道底３１の軸心Ｐ１に垂直で、かつ、軌道底３１が画定する円周と交差する平面上に配置する。
【００３７】
次に、水充填工程を行う。この水充填工程では、超音波探触子１と内輪３０の外周面（軌道面を含む）との間に、隙間無く水を充填する。以後の工程では、超音波探触子１と内輪３０の外周面との距離が変動するが、超音波探触子１と内輪３０の外周面との距離がどのような大きさになっても、超音波探触子１と内輪３０の外周面との間は、隙間無く水で充填されるようになっている。
【００３８】
次に、超音波探触子位置決め工程を行う。この超音波探触子位置決め工程では、上記大円１８の(2)の位置に配置された中央の振動子の超音波送受信面から発信されて、水中を伝播して軌道底３１で反射して再度水中を伝播した超音波を上記中央の振動子の超音波送受信面で受信して、軌道底３１が画定する円周の中心と、大円１８の中心を結んだ線分の延長上に、上記中央の振動子の超音波送受信面が存在している状態で、大円１８の(1)の位置に配置された紙面の左方の振動子の超音波送受信面から発信されて水中を伝播して軌道面で反射して、再度水中を伝播して大円１８の(3)の位置に配置された紙面の右方の振動子の超音波送受信面に到達した超音波の伝播時間と、上記中央の振動子の超音波送受信面から発信されて水中を伝播して軌道面で反射して再度水中を伝播して上記中央の振動子の超音波送受信面に到達した超音波の伝播時間とが等しくなる位置に、超音波探触子１を位置決めする。この超音波探触子位置決め工程の後、図３に示すように、大円１８の中心Ｐ２は、軌道底３１上に存在しており、大円１８の(2)の位置に配置された中央の振動子の超音波送受信面と軌道底３１の距離は、大円の半径ｒになっている。
【００３９】
続いて、超音波探触子接近工程を行う。この超音波探触子接近工程では、図４に示すように、超音波探触子１を軌道底３１の方に径方向に所定距離ｄ近づける。超音波探触子接近工程の後、大円１８の(2)の位置に配置された中央の振動子の超音波送受信面と軌道底３１の距離は、ｒ−ｄになっている。
【００４０】
次に、超音波伝播時間測定工程を行う。この超音波伝播時間測定工程では、大円１８の(1)の位置に配置された紙面の左方の振動子の超音波送受信面から発信されて図４に矢印Ｏで示す方向に水中を伝播して軌道底３１に到達して、軌道底３１の表層部を周方向に伝播した後、再度水中を図４に矢印Ｅで示す方向伝播して、大円１８の(3)の位置に配置された紙面の右方の振動子の超音波送受信面に到達した超音波の伝播時間を測定する。
【００４１】
最後に、軌道面伝播速度計算工程を行う。この軌道面伝播速度計算工程では、上記超音波の伝播時間に基づいて軌道底３１の表層部における超音波の伝播速度を計算する。
【００４２】
図５は、上記超音波伝播時間測定工程の際に、超音波が伝播する軌道底３１の部分を示す図である。
【００４３】
図５において、Ｆは、上記超音波探触子接近工程の後の、大円（図示しない）の中心位置を示し、Ａ,ＯおよびＢは、夫々中心位置Ｆと、左方の振動子、中央の振動子および右方の振動子の超音波送受信面とを結ぶ線分が、軌道底３１と交わる点を示す。図５において、線分ＯＦの距離は、上記超音波探触子接近工程で近づけられた距離ｄになっている。また、Ｇは、軌道底３１が画定する円周の中心点であり、Ｒは、軌道底３１の半径である。
【００４４】
以下に、図５を用いて、軌道底３１の表層部における超音波の伝播速度の測定方法の原理を簡単に述べることにする。
【００４５】
先ず、Ｏを原点とし、Ｏを通る軌道底３１の接線におけるＯから紙面の右方に向かう方向にｘ軸の正方向を設定し、Ｏから中央の振動子の超音波送受信面に向かう方向にｙ軸の正方向を設定する。このとき、例えば、中央の振動子の超音波送受信面の中心の座標は（０,ｒ−ｄ）になり、Ｆの座標は（０,−ｄ）になり、Ｇの座標は（０,−Ｒ）になる。
【００４６】
次に、中央の振動子の超音波送受信面との位置関係から座標の位置が確定する右方および左方の振動子の超音波送受信面の座標を求め、その夫々の座標とＦを結ぶ２つの直線の方程式を求める。
【００４７】
続いて、ＯとＧの座標位置を用いて、軌道底３１の円の方程式を求め、この円の方程式と上記２つの直線の夫々の連立方程式から、ＡおよびＢの座標を求める。この連立方程式は、２次方程式になることから、夫々解が２つ求まるが、夫々ｙ座標の値が大きい方の解（この解が、Ａ点、Ｂ点の解を示す）を採用する。
【００４８】
次に、ＡおよびＢの座標を用いて、線分ＡＢの長さを求め（この長さをｓとする）、ｓｉｎ−１（（ｓ／２）／Ｒ）を計算することによって、α（＝∠ＡＧＯ）（ｒａｄ）を弧度法で求め、２αＲを計算して、超音波が伝播するＡからＢまでの軌道底３１の部分の長さを求める。
【００４９】
次に、右方および左方の振動子の超音波送受信面の座標、Ａの座標およびＢの座標から、左方の振動子の超音波送受信面からＡまでの距離と、右方の振動子の超音波送受信面からＢまでの距離を求め、値が既知の超音波の水中の伝播速度を用いて、超音波が水中を伝播している時間を求める。
【００５０】
最後に、上記超音波伝播時間測定工程で測定された伝播時間から、上記超音波が水中を伝播している時間を差し引いて、上記２αＲを伝播する超音波の時間を求め、軌道底３１における超音波の伝播速度を測定する。
【００５１】
上記のように軌道底３１の表層部における超音波の伝播速度を測定することによって、超音波の伝播速度と密接な対応関係がある軌道面３１の機械特性の状態の善し悪しを、正確に検査することができる。
【００５２】
上記実施形態で用いられた超音波探触子１によれば、超音波探触子１から送信されて超音波探触子１に受信される超音波を用いて、内輪３０を破壊せずに、内輪の軌道底３１の表層部の検査を行うことができるので、軌道底３１の表層部の検査を行うときの工数を大幅に低減できて、軌道底３１の表層部の検査に要するコストと労力を大幅に低減できる。
【００５３】
また、上記実施形態で用いられた超音波探触子１は、軽くて小型で持ち運び可能であり、かつ、この超音波探触子１から発信される超音波も人体に安全であるので、上記軌道底３１の表層部の機械特性を測定する場所が限定されず、かつ、軌道底３１の表層部の検査を安全に行うことができる。
【００５４】
上記実施形態で用いられた超音波探触子１によれば、３つの振動子４’’,５’’,６’’の超音波送受信面１４,１５,１６を、互いに非接触な状態で仮想球面１０の大円１８上に等間隔に配置したので、中央の振動子５’’の超音波送受信面１５から発信されて軌道底３１で反射して中央の振動子５’’の超音波送受信面１５に入射した超音波のうちで感度が高い超音波を測定することによって、軌道底３１で反射した超音波がいかなる入射角度で中央の振動子５’’の超音波送受信面１５入射しているかを判断でき、大円１８が、軌道底３１に対して所定の角度に位置決めされているか否かを、軌道底３１における超音波の伝播速度の測定前に予め判断できる。したがって、一端の振動子４’’の超音波送受信面１４から発信されて軌道底３１の表層部を伝播して他端の振動子６’’の超音波送受信面１６に到達した超音波に基づいて算出された軌道底３１における超音波の伝播速度を、精度高いものにすることができる。
【００５５】
また、上記実施形態で用いられた超音波探触子によれば、３つの振動子４’’,５’’,６’’は、夫々の超音波送受信面１４,１５,１６が露出した状態で高分子圧電膜２に取り付けられているので、超音波送受信面１４,１５,１６から超音波を発信するときには、高分子圧電膜２を振動させて、強度が強い超音波を発信でき、また、超音波送受信面１４,１５,１６から超音波を受信するときには、高分子圧電膜２の振動によって感度良く超音波を受信できる。
【００５６】
また、上記実施形態の超音波伝播速度測定方法によれば、超音波探触子位置決め工程の後、３つの振動子４’’,５’’,６’’の超音波送受信面が配置されている大円１８の中心を、軌道底３１上に配置することができる。したがって、中央の振動子５’’の超音波送受信面１５と軌道底３１の距離を、大円１８の半径に設定することができて、超音波探触子接近工程の後の３つの振動子４’’,５’’,６’’と軌道底３１との位置関係を確定できる。このことから、超音波伝播時間測定工程で測定された伝播時間のうちで、超音波が軌道底３１を伝播している時間を算出できて、軌道底３１の表層部における超音波の伝播速度を計算できる。
【００５７】
また、上記実施形態の超音波伝播速度測定方法によれば、超音波探触子１と軌道底３１との間に、超音波の伝播速度が既知の水を満たした状態で、伝播速度の測定を行うので、一端の振動子４’’の超音波送受信面１４と軌道底３１との間、および、軌道底３１と他端の振動子６’’の超音波送受信面１６との間を超音波が伝播する時間を正確に計算できる。また、超音波探触子１と軌道底３１との間に、超音波が伝播し易い水を満たした状態で、軌道底３１における超音波の伝播速度の測定を行うので、超音波探触子１と軌道底３１との間を伝播する際に起こる超音波の減衰の程度を小さくできて、軌道底３１における超音波の伝播速度を精度高く測定できる。
【００５８】
また、上記実施形態の軸受内輪軌道面の検査方法によれば、上記超音波伝播速度測定方法で測定された軌道底３１の表層部における超音波の伝播速度に基づいて、軌道底３１の機械特性を検査するので、簡単安価かつ安全に軌道底３１の機械特性を検査できる。
【００５９】
尚、上記実施形態で用いられた超音波探触子１では、超音波送受信面１４,１６の周辺部が略等脚台形状の電極４,６や、超音波送受信面１５の周辺部が略円形状の電極５を採用したが、この発明で用いる超音波探触子では、超音波送受信面の周辺部の形状が略等脚台形状や略円形状以外の形状を有する電極を採用しても良い。
【００６０】
また、上記実施形態で用いられた超音波探触子１では、一枚の板状の高分子圧電膜２の３箇所に２つの電極を対向配置して３つの振動子を構成したが、この発明で用いる超音波探触子では、例えば、一体のバッキング部材の内周面に、３つの板状高分子圧電膜の夫々を挟むように二つの電極を配置して形成した３つの振動子を、互いに離間して配置するようにして、３つの振動子を離間配置しても良く、この場合、高分子圧電膜の材料コストを低減できる。
【００６１】
また、上記実施形態の軸受内輪軌道面の検査方法では、軸受内輪軌道面の検査方法を、深溝玉軸受の内輪３１の軌道底３１に適用したが、軸受内輪軌道面の検査方法を、ころ軸受の内輪軌道面に適用しても良い。また、軸受内輪軌道面の検査方法を、アンギュラ玉軸受の内輪軌道面に適用しても良い。
【００６２】
【発明の効果】
以上より明らかなように、請求項１の発明で用いる超音波探触子によれば、超音波探触子から送受信される超音波を用いて、固体部材を破壊せずに、固体部材の表層部の検査を行うことができるので、固体部材の表層部の検査を行うときの工数を大幅に低減できて、固体部材の表層部の検査に要するコストと労力を大幅に低減できる。
【００６３】
また、請求項１の発明で用いる超音波探触子は、軽くて小型で持ち運び可能であり、かつ、この超音波探触子から発信される超音波も人体に安全であるので、上記固体部材の表層部の機械特性を測定する場所が限定されず、かつ、固体部材の表層部の検査を安全に行うことができる。
【００６４】
また、請求項１の発明で用いる超音波探触子によれば、中央の振動子の超音波送受信面から発信されて内輪の軌道面で反射して中央の振動子の超音波送受信面に入射した超音波のうちで感度が高い超音波を測定することによって、上記軌道面で反射した超音波がいかなる入射角度で中央の振動子の超音波送受信面入射しているかを判断でき、上記大円が、上記軌道面に対して所定の角度に位置決めされているか否かを、上記軌道面における超音波の伝播速度の測定前に予め判断できる。したがって、軌道面における超音波の伝播速度を、精度高いものにすることができる。
【００６５】
また、請求項２の発明で用いる超音波探触子によれば、上記３つの振動子の夫々を、上記板状可撓性部材の一部を２枚の電極で挟むことにより形成するので、当該電極に電圧を印加することで、容易に可撓性部材の挟まれた部分を振動させることができて、超音波を容易に送信することができる。
【００６６】
また、請求項２の発明で用いる超音波探触子によれば、夫々の上記超音波送受信面が露出した状態となっているので、上記超音波送受信面から超音波を発信するときには、上記可撓性部材を振動させて、強度が強い超音波を発信でき、また、上記超音波送受信面から超音波を受信するときには、上記可撓性部材の振動によって感度良く超音波を受信できる。
【００６７】
また、請求項１の発明の超音波伝播速度測定方法によれば、超音波探触子位置決め工程の後、３つの振動子の超音波送受信面が配置されている大円の中心を、軌道面上に配置することができる。したがって、中央の振動子の超音波送受信面と上記軌道面の距離を、上記大円の半径に設定することができて、超音波探触子接近工程の後に、上記３つの振動子と上記軌道面との位置関係を確定できる。このことから、超音波伝播時間測定工程で測定された伝播時間のうちで、超音波が上記軌道面を伝播している時間を算出できて、軌道面における超音波の伝播速度を計算できる。
【００６８】
また、請求項３の発明の超音波伝播速度測定方法によれば、超音波探触子と軌道面との間に、超音波の伝播速度が既知の水を満たした状態で、軌道面における超音波の伝播速度の測定を行うので、一端の振動子の超音波送受信面と上記軌道面との間、および、上記軌道面と他端の振動子の超音波送受信面との間を超音波が伝播する時間を正確に計算できる。また、上記超音波探触子と上記軌道面との間に、超音波が伝播し易い水を満たした状態で、軌道面における超音波の伝播速度の測定を行うので、上記超音波探触子と上記軌道面との間を伝播する際に起こる超音波の減衰の程度を小さくできて、軌道面における超音波の伝播速度を精度高く測定できる。
【００６９】
また、請求項４の発明の軸受内輪軌道面の検査方法によれば、上記超音波伝播速度測定方法で測定された上記軌道面の表層部における超音波の伝播速度に基づいて、上記軌道面の機械特性を検査するので、簡単安価かつ安全に上記軌道面の機械特性を検査できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態で用いられる超音波探触子の３つの振動子が配置された大円を含む断面図である。
【図２】 図１の矢印Ａ方向からみた超音波探触子の図である。
【図３】 内輪の軌道面の軌道底における超音波の伝播速度を測定するのに必須な途中工程を示す模式図である。
【図４】 内輪の軌道面の軌道底における超音波の伝播速度を測定するのに必須な途中工程を示す模式図である。
【図５】 超音波伝播時間測定工程の際に、超音波が伝播する軌道底の部分を示す図である。
【符号の説明】
１ 超音波探触子
２ 高分子圧電膜
４,５,６,４’,５’,６’ 電極
４’’,５’’,６’’ 振動子
１０ 仮想球面
１４,１５,１６ 超音波送受信面
１８ 大円
３０ 内輪
３１ 軌道底
Claims (4)
- 仮想球面の曲率と同じ曲率の球面の一部分から成る超音波送受信面を夫々有する３つの振動子を備え、
上記３つの振動子の超音波送受信面は、互いに非接触な状態で上記仮想球面の大円上に等間隔に配置され、
上記３つの振動子のうちの一端の振動子の超音波送受信面から発信されて、固体部材の表層部を伝播した超音波を、上記３つの振動子のうちの他端の振動子の超音波送受信面で受信して、上記固体部材の表層部の機械特性を測定することを特徴とする超音波探触子を用いて軸受の内輪の軌道面の表層部における超音波の伝播速度を測定する超音波伝播速度測定方法であって、
上記大円を、上記軌道面の軸心に垂直で、かつ、上記軌道面と交差する平面上に配置した初期設定工程と、
上記初期設定の後、上記等間隔に配置された３つの振動子のうちの中央の振動子の超音波送受信面から発信されて軌道面で反射した超音波を、上記中央の振動子の超音波送受信面で受信することによって、上記軌道面が画定する円周の中心と、上記大円の中心を結んだ線分の延長上に、上記中央の振動子の超音波送受信面が存在している状態で、上記３つの振動子のうちの一端の振動子の超音波送受信面から発信されて軌道面で反射して上記３つの振動子のうちの他端の振動子の超音波送受信面に到達した超音波の伝播時間と、上記中央の振動子の超音波送受信面から発信されて軌道面で反射して上記中央の振動子の超音波送受信面に到達した超音波の伝播時間とが等しくなる位置に、上記３つの振動子を位置決めする超音波探触子位置決め工程と、
上記超音波探触子位置決め工程の後、上記超音波探触子を上記軌道面の方に径方向に所定距離近づける超音波探触子接近工程と、
上記超音波探触子接近工程の後、上記超音波探触子の等間隔に配置された３つの振動子のうちの一端の振動子の超音波送受信面から発信されて軌道面の表層部を伝播して上記３つの振動子のうちの他端の振動子の超音波送受信面に到達した超音波の伝播時間を測定する超音波伝播時間測定工程と、
上記超音波の伝播時間に基づいて上記軌道面の表層部における超音波の伝播速度を計算する軌道面伝播速度計算工程と
を備えることを特徴とする超音波伝播速度測定方法。 - 請求項１に記載の超音波伝播速度測定方法において、
上記超音波探触子は、上記３つの振動子を、単一の板状可撓性部材内の独立した３ヶ所を夫々電極で挟むことによって構成し、上記超音波送受信面は露出した状態となっていることを特徴とする超音波伝播速度測定方法。 - 請求項１または２に記載の超音波伝播速度測定方法において、
上記超音波探触子と上記軌道面との間に、媒体としての水を満たしていることを特徴とする超音波伝播速度測定方法。 - 請求項１乃至３のいずれか１つに記載の超音波伝播速度測定方法で測定された上記軌道面の表層部における超音波の伝播速度に基づいて、上記軌道面の機械特性を検査することを特徴とする軸受内輪軌道面の検査方法。
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