JP4332530B2 - 膜厚測定方法 - Google Patents
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Description
後述の第1物質の背面に形成される膜の厚さを計測するための膜厚測定方法であって、
後述の第2物質もしくは第3物質に取り付けられ、第1物質の背面に存在する膜との境界に向けて超音波を照射する超音波探触子を備え、
前記超音波探触子により受信された反射波の成分うち、膜厚の変化のみに依存する1周期分もしくは2周期分を抽出するステップと、
抽出された前記1周期分もしくは2周期分について求めた真の反射率及び反射波振幅に基づいて、膜厚さの測定を行うステップと、を備えていることを特徴とするものである。
h=(Z12−Z21)/{4cot2(KL)+(Z12+Z21)2}1/2・・・(1)
ここで、Z12=Z1/Z2 、Z21=Z2/Z1、K=2π/λ2
Z1は図1に示すようにシリンダ1及びピストンリング2の音響インピーダンス(シリンダ1とピストンリング2は同じ材質とする)、Z2は油膜の音響インピーダンスである。また、λ2は油中における超音波の波長である。
次に、油膜が形成される境界面である摺動面の表面粗さの影響について説明する。図4は、表面粗さの変化状況を示すものであり、(a)初期状態(b)なじみ状態(c)面荒れ状態を夫々示している。
次に、反射波の波形の具体例を図2示す。波形信号には、最初の1波Sと、それ以降の成分Uに分けて考えることができる。多重反射が何度も繰り返されると、油膜の影響を大きく含んでいることになり、油膜の変動に対してエコー高さの変動が多少大きく現れることになる。このため、第1反射波でも多周期を経験した波のほうが測定に有利と考えがちであるが、実際には時間が経過すると、反射波の路程も長くなり、超音波の照射領域も拡大し目的とするリング幅中央付近以外の情報を多く含むようになる。そのため、リング幅中央の油膜厚さとエコー高さとが1:1の対応関係ではなくなり、正確な油膜厚さの測定を行えなくなる。特に、ピストンリング2の行程方向の厚さが薄い場合には、路程が長くなると、図1に示すようにリングのエッジや上下の端面2bからの反射波の影響を受けてしまい、更に正確な油膜厚さの測定を大きく阻害する。
本発明に係る膜厚測定方法は、膜が形成される背面と境界面を有する第1の物質と、前記境界面を介して第1の物質と接触する第2の物質とを超音波探触子と膜形成部の間に介在した状態で、それら物質間にかかる荷重と前記膜形成部の膜厚が同時に変化した場合でも、膜厚さだけを正確に測定する方法であって、
第1の物質と第2の物質を分離し、それらの間に空気層を形成させて、第2の物質に取り付けられる超音波探触子により、第1の物質と第2の物質の境界面における基準反射率及び基準反射波振幅を求める第1ステップと、
第1の物質と第2の物質に荷重をかけて結合した状態で測定される第1の物質と第2の物質の境界面での反射率及び反射波振幅ならびに、第1の物質の背面の膜形成部での反射率及び反射波振幅と、前記第1ステップで取得された基準反射率及び基準反射波振幅とに基づいて、第1の物質と第2の物質にかかる荷重の影響を除外した、膜形成部における真の反射率を求める第2ステップと、を有することを特徴とする。
第2の物質に対し取り外し可能な第3の物質を更に取り付け、この第3の物質に超音波探触子を取り付け、
第2の物質と第3の物質を分離し、それらの間に空気層を形成させて、第3の物質に取り付けられる超音波探触子により、第2の物質と第3の物質の境界面における基準反射率及び基準反射波振幅を求める第1ステップと、
第2の物質と第3の物質を結合した際の、荷重に伴い音波の透過する固体接触面積が変化する第2の物質と第3の物質の境界面における反射率及び反射波振幅を求める第2ステップと、
第2の物質と第3の物質を結合した際の、第1の物質と第2の物質の境界面での反射率及び反射波振幅ならびに、第1の物質の前記背面の膜形成部での反射率及び反射波振幅と、前記第1、第2ステップで取得された反射率及び反射波振幅とに基づいて、第1の物質と第2の物質の間にかかる荷重の影響を除外した、膜形成部における真の反射率を求める第3ステップと、
を有することを特徴とする。
rAB=Ar/Ai・・・(2)
物質AからBへの音圧透過率は、次のように表される。
tAB=1+rAB ・・・(3)
式(2)と合わせて、tAB=1+Ar/Ai
油膜部での音圧反射率rBCは、式(1)に示したように、膜厚L、油中波長λ(周波数f)、各物質の音響インピーダンス(ZB、ZC)により決まる。
At=Ai・tAB・rBC・tAB 従って、
At/Ai=tAB 2・rBC=(1+rAB)2rBC・・・(4)
となる。
まず最初に物質Aと物質Bが空気層により完全に分離可能な場合について説明する。この場合、両者を分離すると、物質Aへの入射エネルギーは、その裏面においてほとんどすべて反射される。従って、
Ar≒Ai
となり、このArを基準(Ar0)に設定する。
rAB=Ar/Ai=Ar/Ar0
で与えられる。従って、式(4)において、Ai=Ar0,At,rABは既知の値となるので、求めたいrBC(油膜部での反射率)が決まる。この決まったrBCから、較正実験で求めておいた膜厚とエコー高さh(従って、反射率rBC)の関係を用いて油膜厚さを求めることができる。また、物質AB間における面圧(荷重)とエコー高さ(従って、反射率rAB)の較正を行なっておけば、求めたrABから、そのときに油膜に作用する面圧(荷重)が推定できることになる。
次に、物質Aと物質Bを分離できない場合について図8により説明する。この場合には、rABを特定することができない。そこで、物質Aの表面に分離可能な物質Dとして遅延材を配置し、その表面に超音波探触子を取り付ける。物質A,Bが分離できないので、ArとAiの比がわからないため、遅延材を設けて、さらにもう1つ反射源を作るようにする。
Ai=Di・tDA=Di・(1+rDA)
Dtr=Ar・tDA=Ai・rAB・tDA=Di(1+rDA)2rAB
Dtt=At・tDA=Ai・tAB 2・rBC・tDA=Di(1+rDA)2(1+rAB)2rBC
上記式から
Dtr/Di=tDA 2・rAB
Dtt/Di=tDA 2・tAB 2・rBC
Dtt/Dr=tDA 2・tAB 2・rBC/rDA
図8に示すように、超音波探触子が取り外すことができるので、遅延材の裏面は空気(従って、完全反射面)に接しており、遅延材での音波の減衰を無視すれば、
Di≒Dr=Dr0
となる。この遅延材を物質Aに固定した場合に観測される反射波振幅Drから、
rDA=Dr/Di=Dr/Dr0
tDA=1+rDA
が求まる。更に式を変形し、
rAB=Dtr/Dr0/(1+rDA)2
rBC=Dtt/Dr0/(tDA 2・tAB 2)
=Dtt/Dr0/{(1+rDA)2(1+rAB)2}
このように得られた2つの式において、Dtt、Dtr、Dr0、Dr、rDA=Dr/Dr0、rABについては、すべて実測値から得ることができる。従って、別に求めておいた、膜厚とエコー高さh(rBC)の関係(較正曲線)から油膜厚さを求めることができる。また、前述のように、求めたrABから、そのときに油膜に作用する面圧(荷重)が推定できることになる。
第1面もしくは第2面を有する第1物質の背面側に曲面部を形成し、この曲面部に柔軟性を有する超音波探触子を取り付け、照射される超音波が膜形成部における特定領域に収束するように構成したことを特徴とするものである。
第1面もしくは第2面を有する第1物質の背面側に設けられる超音波探触子の取り付け面を備え、
取り付け面側に多数の振動素子からなるコンポジット素子の負極を配置すると共に、振動素子を挟んで負極と対抗する側に正極を配置し、正極の面積を負極の面積よりも小さくなるように設定したことが好ましい。
シリンダ1の内面を上下摺動するピストン3にピストンリング2が取り付けられており、ピストンリング2とシリンダ1の間に油膜が形成される。実験では、ピストン3を上下させるのではなく、シリンダ2をリニアモータ5により上下駆動させた。
ピストンリング2に超音波探触子9を取り付ける場合の好適な場所を図10により説明する。ピストンリング2は、ピストン3に取り付けやすくするため、その一部に合い口2cが設けられており、閉じたリングに比べて歪みが生じやすくなっている。かかる歪みの影響を受けやすい場所に超音波探触子1を取り付けると、測定精度に影響するため、図10のように合い口2cから角度位相で90゜離れた位置に取り付けることが好ましい。合い口2cにちょうど向かい合う位置は、最も歪みが生じやすい場所である。ただし、ピストンリング全周の膜厚を測定する場合には、この限りではない。
図14(a)は超音波探触子9の詳細構造を示す図である。超音波探触子9の先端部9aは、R形状(球面、楕円面、その他の曲面)に形成されており、油膜部において焦点を結ぶように構成されている。焦点径は0.1〜0.2mm程度に設定されている。超音波探触子9は、支持体20に支持されており、その内部にはカプラントC(水、油、グリセリン等の液体)が充填されている。従って、超音波はこのカプラント内を伝播して油膜部へと到達する。
2 ピストンリング
3 ピストン
9,9i,51 超音波探触子
11 超音波探傷器
C カプラント
L 膜厚
Claims (4)
- 膜が形成される背面と境界面を有する第1の物質と、前記境界面を介して第1の物質と接触する第2の物質と、を超音波探触子と膜形成部の間に介在した状態で、それら物質間にかかる荷重と前記膜形成部の膜厚が同時に変化した場合でも、膜厚さだけを正確に測定する方法であって、
第2の物質に対し取り外し可能な第3の物質を更に取り付け、この第3の物質に超音波探触子を取り付け、
第2の物質と第3の物質を分離し、それらの間に空気層を形成させて、第3の物質に取り付けられる超音波探触子により、第2の物質と第3の物質の境界面における基準反射率及び基準反射波振幅を求める第1ステップと、
第2の物質と第3の物質を結合した際の、荷重に伴い音波の透過する固体接触面積が変化する第2の物質と第3の物質の境界面における反射率及び反射波振幅を求める第2ステップと、
第2の物質と第3の物質を結合した際の、第1の物質と第2の物質の境界面での反射率及び反射波振幅ならびに、第1の物質の前記背面の膜形成部での反射率及び反射波振幅と、前記第1、第2ステップで取得された反射率及び反射波振幅とに基づいて、第1の物質と第2の物質の間にかかる荷重の影響を除外した、膜形成部における真の反射率を求める第3ステップと、
を有することを特徴とする膜厚測定方法。 - 膜が形成される背面と境界面を有する第1の物質と、前記境界面を介して第1の物質と接触する第2の物質とを超音波探触子と膜形成部の間に介在した状態で、それら物質間にかかる荷重と前記膜形成部の膜厚が同時に変化した場合でも、膜厚さだけを正確に測定する方法であって、
第1の物質と第2の物質を分離し、それらの間に空気層を形成させて、第2の物質に取り付けられる超音波探触子により、第1の物質と第2の物質の境界面における基準反射率及び基準反射波振幅を求める第1ステップと、
第1の物質と第2の物質に荷重をかけて結合した状態で測定される第1の物質と第2の物質の境界面での反射率及び反射波振幅ならびに、第1の物質の背面の膜形成部での反射率及び反射波振幅と、前記第1ステップで取得された基準反射率及び基準反射波振幅とに基づいて、第1の物質と第2の物質にかかる荷重の影響を除外した、膜形成部における真の反射率を求める第2ステップと、
を有することを特徴とする膜厚測定方法。 - 前記超音波探触子により受信された第1の物質の背面の膜形成部からの反射波の成分うち、膜厚の変化のみに依存する1周期分もしくは2周期分を抽出するステップと、
抽出された前記1周期分もしくは2周期分について前記真の反射率に基づいて、膜厚さの測定を行うステップと、を備えていることを特徴とする請求項1又は2に記載の膜厚測定方法。 - 前記1周期分もしくは2周期分についての負半波、正半波、負半波と正半波の和のいずれかを用いて前記測定を行うことを特徴とする請求項3に記載の膜厚測定方法。
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