JP6879050B2 - 測定装置及び測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を利用して二部材間の油膜厚さを求める測定装置及び測定方法に関する。

潤滑油の研究では、接触する二部材間の潤滑油の厚さを測定する取り組みが行われており、二部材間に形成される潤滑油の膜（以下、油膜という。）の厚さを測定する方法として、超音波を利用する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図８は、油膜厚さを測定する対象となる二部材のモデル、及び、超音波プローブを示す説明図である。このモデルは、鋼球９１と鋼板９２とが潤滑油（油膜９３）を介して接触しており、両者が移動しない静的な条件にある。鋼板９２の上方において超音波プローブ９９を走査させ超音波の反射波を受信し、これにより、エコー強度（反射波の強度）を検出することができ、油膜が存在していない状態でのエコー強度との比を示すエコー強度比が得られる。また、鋼球９１及び鋼板９２は幾何形状が既知であり、これら鋼球９１と鋼板９２との間に形成される隙間は油膜９３の厚さと同一とみなすことができることから、油膜９３の厚さを幾何的な計算により求めることができる。これらの結果により、図９に示すようなエコー強度比と油膜の厚さとの相関が得られ、この相関を検量線とすることができる。

そして、例えば、鋼板９２に対して鋼球９１が転がり接触するような動的な条件で、これら鋼板９２と鋼球９１との間の油膜厚さを求めるためには、その動的な条件で超音波プローブ９９により反射波を受信し、エコー強度比（実測値）を取得し、前記のように静的条件で取得した検量線を用いて、取得したエコー強度比（実測値）を油膜厚さに換算すればよい。

特開２０１６−８０５６８号公報

図１０は、接触する鋼球９１と鋼板９２、及び、超音波プローブからの超音波の音圧分布Ｐを示す説明図である。動的条件にある二部材間の潤滑油の研究では、接触する鋼球９１と鋼板９２との間に形成される弾性流体潤滑膜領域Ｋ１の油膜厚さを測定することが行われている。しかし、鋼球９１と鋼板９２との間に作用する接触荷重が小さい場合、図１０に示すように、弾性流体潤滑膜領域Ｋ１は、超音波プローブから発信された超音波ビームの領域Ｋ３よりも狭く、弾性流体潤滑膜領域Ｋ１以外の外部領域Ｋ２にも（音圧は小さいが）超音波ビームが入射する。この場合、超音波プローブが受信する反射波には、外部領域Ｋ２における反射波も含まれ、これが測定誤差になるという問題点がある。

そこで、本発明は、接触する二部材間に形成される弾性流体潤滑膜領域が狭くなる場合であっても、二部材間の油膜厚さの測定誤差を小さくすることを目的とする。

本発明は、接触する二部材間の弾性流体潤滑膜領域における油膜厚さを求める測定装置であって、前記弾性流体潤滑膜領域を含む測定領域に対して発信した超音波の反射波を受信する超音波プローブを有し、当該反射波のレベルに応じた信号を出力する超音波測定器と、前記超音波測定器からの前記信号に基づいて前記弾性流体潤滑膜領域における油膜厚さを求める演算装置と、を備え、前記演算装置は、前記測定領域に含まれる複数の対象位置それぞれが前記弾性流体潤滑膜領域の範囲内であるか範囲外であるかを判定する第一処理部と、前記超音波プローブの音圧分布の情報から取得した前記複数の対象位置それぞれにおける音圧と、演算により求められる当該対象位置それぞれにおける超音波の反射率との積によって当該対象位置それぞれにおけるエコー強度を求めると共に、当該エコー強度を逐次加算して全エコー強度を求める第二処理部と、前記第一処理部によって範囲外であると判定された前記対象位置における前記エコー強度を逐次加算して誤差分エコー強度を求める第三処理部と、前記超音波測定器からの前記信号から取得されたエコー強度に関するデータを、前記全エコー強度と前記誤差分エコー強度との割合によって補正して、補正した前記エコー強度に関するデータに基づいて前記弾性流体潤滑膜領域における油膜厚さを求める第四処理部と、を有している。

前記測定装置によれば、二部材間の接触による弾性流体潤滑膜領域が超音波ビームの領域よりも狭くても、前記補正によれば、超音波測定器によって得られたエコー強度に関するデータから、弾性流体潤滑膜領域以外の外部領域による誤差要因を省くことができ、超音波による油膜厚さの測定精度を高めることが可能となる。

また、前記第一処理部は、前記測定領域に設定した平面座標系において前記対象位置を特定すると共に、演算により前記二部材のヘルツ接触に基づいて求められた接触形状の範囲内を前記弾性流体潤滑膜領域の範囲内とみなすことによって、前記対象位置それぞれが前記弾性流体潤滑膜領域の範囲内であるか範囲外であるかを判定するように構成することができる。これにより、対象位置それぞれが弾性流体潤滑膜領域の範囲内であるか範囲外であるかを容易に判定することができる。

また、前記二部材は幾何形状が既知であり、前記第二処理部は、弾性流体潤滑膜領域の膜厚計算式により算出した油膜厚さの値を用いて、演算により前記弾性流体潤滑膜領域における前記反射率を求め、前記二部材の幾何形状に基づいて算出した油膜厚さの値を用いて、演算により前記弾性流体潤滑膜領域以外の外部領域における前記反射率を求めるように構成することができる。これにより、対象位置が弾性流体潤滑膜領域の範囲内である場合と範囲外である場合とで分けて各対象位置における反射率を求めることができる。

また、前記演算装置は、更に、前記超音波プローブの音圧分布の情報として、当該超音波プローブから出力される超音波の測定結果から求められた音圧分布の近似式を、記憶している記憶部を有し、前記第二処理部は、前記近似式から前記複数の対象位置それぞれにおける音圧を取得するように構成することができる。これにより、各対象位置における音圧が取得され、前記エコー強度を算出することができる。

また、本発明は、接触する二部材間の弾性流体潤滑膜領域における油膜厚さを求める方法であって、超音波測定器が有する超音波プローブによって、前記弾性流体潤滑膜領域を含む測定領域に対して発信した超音波の反射波を受信し、当該反射波のレベルに応じた信号を当該超音波測定器から出力させるエコー測定ステップと、前記信号に基づいて前記弾性流体潤滑膜領域における油膜厚さを求める演算ステップと、を備え、前記演算ステップは、前記測定領域に含まれる複数の対象位置それぞれが前記弾性流体潤滑膜領域の範囲内であるか範囲外であるかを判定するステップと、前記超音波プローブの音圧分布の情報から取得した前記複数の対象位置それぞれにおける音圧と、演算により求められる当該対象位置それぞれにおける超音波の反射率との積によって当該対象位置それぞれにおけるエコー強度を求めると共に、当該エコー強度を逐次加算して全エコー強度を求めるステップと、前記弾性流体潤滑膜領域の範囲外であると判定された前記対象位置における前記エコー強度を逐次加算して誤差分エコー強度を求めるステップと、前記超音波測定器からの前記信号から取得されたエコー強度に関するデータを、前記全エコー強度と前記誤差分エコー強度との割合によって補正して、補正した前記エコー強度に関するデータに基づいて前記弾性流体潤滑膜領域における油膜厚さを求めるステップと、を含む。

この測定方法は、前記測定装置によって実行され、前記測定装置と同様の作用効果を奏することができる。つまり、二部材間の接触による弾性流体潤滑膜領域が超音波ビームの領域よりも狭くても、前記補正によれば、超音波測定器によって得られたエコー強度に関するデータから、弾性流体潤滑膜領域以外の外部領域による誤差要因を省くことができ、超音波による油膜厚さの測定精度を高めることが可能となる。

本発明によれば、超音波による油膜厚さの測定精度を高めることが可能となる。

本発明の測定装置、及び測定対象となる二部材のモデルの一例を示す説明図である。 接触する鋼板と鋼球の一部、及び、超音波プローブから出力される超音波の音圧分布を示す説明図である。 平面直交座標を示す説明図である。 計測位置とその計測位置における音圧強度比との関係を示すグラフである。 測定方法を説明するフロー図である。 本実施形態の測定方法により、補正を行った場合の油膜厚さの測定結果を示すグラフである。 従来方法として、補正を行わない場合の油膜厚さの測定結果を示すグラフである。 油膜厚さを測定する対象となる二部材のモデル、及び、超音波プローブを示す説明図である。 エコー強度比と油膜の厚さとの相関を示すグラフである。 接触する鋼球と鋼板、及び、超音波プローブからの超音波の音圧分布を示す説明図である。

〔１．測定装置の全体構成〕
図１は、本発明の測定装置、及び測定対象となる二部材のモデルの一例を示す説明図である。本発明の測定装置は、潤滑油（潤滑油又はグリース）を介して接触する二部材間の弾性流体潤滑膜領域における油膜厚さを、超音波を利用して求めるための装置である。図１に示す本実施形態では、前記二部材の内の一方（第一部材）が鋼板３１であり、他方（第二部材）が鋼球３２である。鋼板３１と鋼球３２とは所定の接触荷重で接触（点接触）しており、また、鋼板３１は中心線Ｊ１回りに回転している。この鋼板３１に対して鋼球３２は転がり接触し、定位置において中心線Ｊ１に直交する中心線Ｊ２回りに回転する。前記接触荷重により、鋼板３１と鋼球３２との間には面圧が生じており、これら鋼板３１と鋼球３２との間には弾性流体潤滑（Ｅｌａｓｔｏ−Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ）による油膜３３が形成されている。そこで、測定装置１０は、動的な条件における前記弾性流体潤滑膜の領域Ｋ１（以下、ＥＨＬ膜領域Ｋ１という）の油膜厚さ（中心油膜厚さ）を、超音波を利用して求める。

測定装置１０は、超音波プローブ１３及び検出器本体１４を有する超音波測定器（超音波探傷器）１２と、演算装置１１とを備えている。図２は、接触する鋼板３１と鋼球３２の一部（接触部）、及び、超音波プローブ１３（図１参照）から出力される超音波の音圧分布Ｐを示す説明図である。鋼板３１において、鋼球３２が接触する面（接触面）３１ａは平面であり、鋼球３２の半径Ｒは既知である。このように、測定の対象となる二部材（鋼板３１及び鋼球３２）は幾何形状が既知である。また、前記接触荷重も一定の値にある。

ＥＨＬ膜領域Ｋ１の範囲（大きさ、形状）は、鋼板３１及び鋼球３２の仕様や接触荷重等の条件を基にして、ヘルツの弾性接触理論により計算することができる。このヘルツの弾性接触理論に基づいて算出された鋼板３１と鋼球３２との接触面（接触円）の範囲が、ＥＨＬ膜領域Ｋ１の範囲となる。なお、前記接触荷重が大きくなると、ＥＨＬ膜領域Ｋ１は広くなり、前記接触荷重が小さくなると、ＥＨＬ膜領域Ｋ１は狭くなる。

ここで、鋼板３１の接触面３１ａに沿った面を基準平面Ｑと定義する。なお、仮に接触面３１ａが曲面である場合、基準平面Ｑは、その接触面３１ａと鋼球３２との接点において接する平面と定義できる。そして、この基準平面Ｑにおいて、図３に示すように、Ｘ軸方向とＹ軸方向とによる（仮想の）平面直交座標が設定される。この平面直交座標の原点は、ＥＨＬ膜領域Ｋ１の中心とされ、この平面直交平面座標は、演算装置１１における（後述の）演算及び処理で用いられる座標系となる。

超音波プローブ１３（図１参照）からは、鋼板３１と鋼球３２との間であって膜厚測定の対象となる測定領域Ｋ０へ向かって収束する超音波ビームが発信される。超音波ビームがＥＨＬ膜領域Ｋ１を中央に含むように、超音波プローブ１３から超音波は発信される。図２に示すように、超音波プローブ１３からの超音波の音圧分布Ｐは、中央が最も高く、周囲に広がるにしたがって低下する。本実施形態では、測定領域Ｋ０と、基準平面Ｑにおける超音波ビームの領域とが一致するとして説明する。つまり、ＥＨＬ膜領域Ｋ１を含む超音波ビームの領域が、超音波測定器１２による測定領域Ｋ０となる。ＥＨＬ膜領域Ｋ１、及びこのＥＨＬ膜領域Ｋ１を含む測定領域Ｋ０は、基準平面Ｑに沿った領域である。そして、超音波プローブ１３は、このＥＨＬ膜領域Ｋ１を含む測定領域Ｋ０に対して発信した超音波の反射波を受信する。

図２及び図３に示すように、ＥＨＬ膜領域Ｋ１は、測定領域Ｋ０（つまり、超音波ビームの領域）よりも狭い。超音波プローブ１３からは、図２の音圧分布Ｐに示すように、ＥＨＬ膜領域Ｋ１を中心とする範囲に超音波が発信され、更に、このＥＨＬ膜領域Ｋ１の周囲の外側である外部領域Ｋ２にも、所定の大きさの音圧による超音波が発信される。このため、超音波プローブ１３には、ＥＨＬ膜領域Ｋ１からの反射波の他に、外部領域Ｋ２からの反射波も受信する。超音波プローブ１３が反射波を受信すると、その反射波のレベルに応じた信号を検出器本体１４（図１参照）が出力する。このように、超音波プローブ１３及び検出器本体１４を有している超音波測定器１２は、反射波のレベルに応じた信号として、エコー強度の信号を出力する。

図１において、演算装置１１はコンピュータにより構成されており、超音波測定器１２からの前記信号が演算装置１１に入力される。演算装置１１には、鋼板３１や鋼球３２の仕様及び前記接触荷重等の条件が入力され、演算装置１１は、前記のとおりヘルツの弾性接触理論によりＥＨＬ膜領域Ｋ１の範囲を算出することができ、また、超音波測定器１２からの前記信号に基づいてＥＨＬ膜領域Ｋ１における油膜厚さを求めるための演算等を実行する。

演算装置１１は、メモリ等によって構成されている記憶部１５、ＣＰＵを含んで構成されている演算処理部１６、及び、各種情報を出力する出力部１７（例えば情報を画像として出力するディスプレイ）を備えている。記憶部１５には、前記演算等を行うためのコンピュータプログラム、入力されたデータ、超音波測定器１２から取得したデータ、このデータを処理して得たデータ等が記憶される。そして、この演算装置１１は、前記コンピュータプログラムに従って前記演算処理部１６が実行する機能部として、第一処理部２１、第二処理部２２、第三処理部２３、及び第四処理部２４を有している。これら機能部が行う処理については、後に説明する。なお、演算装置１１は、複数のコンピュータにより構成されていてもよい。

〔２．測定方法について〕
前記構成を備えている測定装置１０が行う測定方法について説明する。まず、測定を行うための事前処理について説明する。

〔２．１ 事前処理〕
事前処理（その１）として、超音波プローブ１３から出力される超音波の音圧を計測する。図４は、計測位置とその計測位置における音圧強度比との関係を示すグラフである。図４に示すように、超音波ビームの中心で音圧が最も高い。超音波プローブ１３から出力される超音波の計測結果（図４）に基づいて、超音波プローブ１３からの超音波ビームの音圧分布の近似式を求める。本実施形態で求められた前記近似式は、次の式（１）となる。この近似式の分母の係数は、超音波プローブが異なると変わる。

この式（１）は、超音波プローブ１３の音圧分布の情報として記憶部１５に記憶される。測定装置１０は、この超音波ビームの中心を前記平面直交座標（図３参照）の中心Ｃと一致させて扱うことから、式（１）中のＸ，Ｙは、前記平面直交座標（図３参照）におけるＸ，Ｙ座標値となる。つまり、式（１）は、前記平面直交座標における各位置での音圧を示す。なお、本実施形態では、音圧の最大値を「１」とした場合の比を採用している。

事前処理（その２）として、測定の対象となる二部材（鋼板３１と鋼球３２）のＥＨＬ膜領域Ｋ１の範囲を求める処理が行われる。鋼板３１や鋼球３２の仕様及び前記接触荷重等の条件によって、前記のとおり、演算により二部材（鋼板３１と鋼球３２）のヘルツ接触に基づいて接触形状を求めることができ、この接触形状の範囲が、ＥＨＬ膜領域Ｋ１の範囲とみなされる。本実施形態では、鋼板３１と鋼球３２との接触領域の形状（接触形状）は円形となる。この接触形状の情報は、前記平面直交座標に対応させて、記憶部１５に記憶される。

前記近似式（式（１））を求める処理、及び、ＥＨＬ膜領域Ｋ１の範囲を求める処理は、前記演算装置１１が行ってもよいが、別の演算装置が行ってもよい。

事前処理（その３）として、超音波プローブ１３が取得する反射波に基づく信号により生成されたエコー強度比と、油膜厚さとの相関が予め取得されており、この相関が検量線として、記憶部１５に記憶されている。なお、この相関（検量線）は、鋼板３１と鋼球３２とが相対移動しない静的な条件で取得されたものである。相関（検量線）を取得するための具体的な手段は、従来知られている手段による。なお、エコー強度比は、油膜が存在している状態でのエコー強度を、油膜が存在していない状態でのエコー強度で除算した値である。

〔２．２ 測定方法の具体例〕
図５は、測定方法を説明するフロー図である。本実施形態の測定方法には、エコー測定ステップＳ１と、演算ステップＳ２とが含まれている。
エコー測定ステップＳ１では、超音波プローブ１３（図１参照）によって、鋼板３１と鋼球３２との間に形成される弾性流体潤滑膜領域Ｋ１を含む測定領域Ｋ０に対して発信した超音波の反射波を受信し、この反射波のレベルに応じた信号（エコー強度の信号）が超音波測定器１２（検出器本体１４）から出力される。
演算ステップＳ２では、前記信号に基づいて弾性流体潤滑膜領域Ｋ１における油膜厚さが求められる。演算ステップＳ２は、以下に説明するように、演算装置１１（図１参照）が有している第一処理部２１、第二処理部２２、第三処理部２３、及び第四処理部２４によって行われる。

第一処理部２１は、測定領域Ｋ０（図３参照）に含まれる評価対象となる複数の対象位置Ｐｉ（ｉ＝１，２，３・・・）それぞれの位置を特定する機能を有している。本実施形態では、前記平面直交座標の中心Ｃ〔（Ｘ，Ｙ）＝（０，０）〕から開始して、この平面直交座標上の測定領域Ｋ０に含まれる複数の対象位置Ｐｉ（ｉ＝１，２，３・・・）それぞれの位置を特定し、中心Ｃから各対象位置Ｐｉまでの距離が演算により求められる（図５のステップＳ１１）。最初の対象位置Ｐｉ（ｉ＝１）は中心Ｃであり、その距離ｒはゼロとなる。

なお、中心Ｃを最初の対象位置Ｐ１とし、それ以降については、前の対象位置ＰｉからＹ軸方向に所定ピッチ（例えば、１０マイクロメートル）又はＸ軸方向に所定ピッチ（例えば、１０マイクロメートル）について移動した位置が、次の対象位置Ｐｉ＋１に設定され、その位置がそれぞれ第一処理部２１により特定される。

第一処理部２１は、対象位置Ｐ１について特定した位置に基づいて、この対象位置Ｐ１が、ＥＨＬ膜領域Ｋ１の範囲内であるか、範囲外であるかの判定処理を行う（ステップＳ１３）。前記事前処理（その２）のとおり、ＥＨＬ膜領域Ｋ１の形状が前記平面直交座標と対応して求められていることから、この平面直交座標において座標（Ｘ，Ｙ）＝（０，０）である対象位置Ｐ１が、ＥＨＬ膜領域Ｋ１の範囲内に属するか、範囲外である外部領域Ｋ２に属するかの判定を行うことができる。

このように、第一処理部２１は、測定領域Ｋ０に設定した前記平面直交座標系において対象位置Ｐｉ（ｉ＝１，２，３・・・）を特定すると共に、演算により鋼板３１と鋼球３２との間のヘルツ接触に基づいて求められた接触形状の範囲内を、ＥＨＬ膜領域Ｋ１の範囲内とみなすことによって、対象位置Ｐｉ（ｉ＝１，２，３・・・）それぞれがＥＨＬ膜領域Ｋ１の範囲内であるか範囲外であるかを判定する機能を有している。

最初の対象位置Ｐ１の位置（距離ｒ）が求められると、第二処理部２２は、この対象位置Ｐ１における超音波プローブ１３からの超音波の音圧Ｐ１を、前記式（１）により求める（ステップＳ１２）。求められた音圧Ｐ１は、対象位置Ｐ１と対応付けて記憶部１５に記憶される。なお、本実施形態では、図４により説明したように、音圧Ｐ１は、最大値を「１」とした場合の相対的な音圧（音圧比）となる。

第二処理部２２は、更に、対象位置Ｐ１における油膜厚さの計算値を求める機能を有している。ステップＳ１３において、対象位置Ｐ１がＥＨＬ膜領域Ｋ１に属すると判定された場合、次の式（２）に示す油膜厚さの計算式（Ｈａｍｒｏｃｋ−Ｄｏｗｓｏｎ式）に基づいて油膜厚さの値（Ｈ）が求められ（ステップＳ１４）、この計算値（Ｈ）を対象位置Ｐ１における油膜厚さとする。式（２）では、ＥＨＬ膜領域Ｋ１における油膜厚さは一定であると仮定している。なお、油膜厚さの値を求める演算式は、式（２）に限らず、他の演算式としてもよい。

これに対して、ステップＳ１３において、対象位置が外部領域Ｋ２に属すると判定された場合、第二処理部２２は、鋼板３１と鋼球３２との幾何形状に基づいて油膜厚さの値を求め（ステップＳ１５）、この計算値を、その対象位置における油膜厚さとする。つまり、鋼板３１と鋼球３２との間に形成される隙間は油膜の厚さと同一とみなすことができることから、外部領域Ｋ２における油膜の厚さは幾何的な計算により求められる。

最初の対象位置Ｐ１の油膜厚さ（Ｈ）が求められると（ステップＳ１４）、第二処理部２２は、次の式（３）により対象位置Ｐ１における反射率Ｒ１を求める（ステップＳ１６）。求められた反射率Ｒ１は、対象位置Ｐ１と対応付けて記憶部１５に記憶される。なお、式（３）に示すように、反射率Ｒｉは油膜厚さ（Ｈ）に依存する。

ステップＳ１６により、対象位置Ｐ１における反射率Ｒ１が求められると、第二処理部２２は、この反射率Ｒ１と、ステップＳ１２で求めた対象位置Ｐ１における音圧Ｐ１とを乗算し、エコー強度を求める（ステップＳ１７）。このようにして求められた対象位置Ｐ１におけるエコー強度の値は、記憶部１５の第一記憶領域１５ａ（図１参照）に記憶される（ステップＳ１８）。なお、後にも説明するが、ステップＳ１８では、各対象位置Ｐｉにおけるエコー強度の値が逐次加算されて、記憶される。

ここで、対象位置がＥＨＬ膜領域Ｋ１であるか否かの判定（ステップＳ１３）により、ＥＨＬ膜領域Ｋ１以外の外部領域Ｋ２であると判定された場合、ステップＳ１９からステップＳ２０に進み、第三処理部２３によって、その対象位置に関して前記乗算により求められたエコー強度が、誤差分エコー強度として記憶部１５の第二記憶領域１５ｂ（図１参照）に記憶される（ステップＳ２０）。しかし、最初の対象位置Ｐ１は、ＥＨＬ膜領域Ｋ１に含まれるため、前記乗算により求められた対象位置Ｐ１におけるエコー強度は、第二記憶領域１５ｂに記憶されない。なお、後にも説明するが、ステップＳ２０では、誤差分エコー強度の値は逐次加算されて、記憶される。

ステップＳ２１では、対象位置Ｐ１についてステップＳ１７で求めたエコー強度が、中心Ｃにおけるエコー強度の所定割合（例えば１％）を下回っている否かについて判定される。ここでは、対象位置Ｐ１のエコー強度は、中心Ｃのエコー強度であるため、ステップＳ２１ではＮｏの判定がされ、ステップＳ１１に戻る。すると、Ｙ軸方向又はＸ軸方向に所定ピッチ移動させた次の対象位置Ｐｉ（ｉ＝２）を設定し、この対象位置Ｐｉ（ｉ＝２）に関してステップＳ１１〜Ｓ２１が行われる。ステップＳ２１の判定処理は、演算装置１１の処理部２１〜２４のいずれか一つによって行うことができる。

ステップＳ２１によれば、対象位置Ｐｉのエコー強度が中心Ｃにおけるエコー強度の所定割合（例えば１％）を下回るまで、ステップＳ１１〜Ｓ２１が繰り返し行われる。そして、中心Ｃにおけるエコー強度の所定割合（例えば１％）以上となる全ての対象位置ＰｉについてステップＳ１１〜Ｓ２１が行われると（つまり、ステップＳ２１においてＹｅｓの判定がされると）ステップＳ２２に進む。ステップＳ２２の処理については、後に説明する。このように、ステップＳ２１では、測定領域Ｋ０に含まれかつエコー強度が所定割合（例えば１％）以上となる対象位置Ｐｉの全てについて音圧の計算がされたか否かが判定されている。

〔２．３ 外部領域Ｋ２に属する対象位置の各処理について〕
ここで、ｎ番目に設定された対象位置Ｐｎ（図３参照）が、外部領域Ｋ２である場合についてのステップＳ１１〜Ｓ２１の各処理を説明する。第一処理部２１は、この対象位置Ｐｎの位置（平面直交座標における座標値）を特定し、中心Ｃからの距離ｒｎを求める（ステップＳ１１）。第一処理部２１は、対象位置Ｐｎについて特定した位置に基づいて、この対象位置Ｐｎが、ＥＨＬ膜領域Ｋ１の範囲内であるか、範囲外であるかの判定処理を行う（ステップＳ１３）。前記事前処理（その２）のとおり、ＥＨＬ膜領域Ｋ１の形状が前記平面直交座標と対応して求められていることから、この平面直交座標において、座標（Ｘ，Ｙ）＝（Ｘｎ，Ｙｎ）である対象位置Ｐｎが、ＥＨＬ膜領域Ｋ１の範囲内に属するか、範囲外である外部領域Ｋ２に属するかの判定を行い、ここでは、対象位置Ｐｎは、外部領域Ｋ２に属すると判定される。

対象位置Ｐｎの位置（距離ｒｎ）が求められると、この対象位置Ｐｎにおける音圧Ｐｎが前記式（１）のより求められる（ステップＳ１２）。求められた音圧Ｐｎは、対象位置Ｐｎと対応付けて記憶部１５に記憶される。

また、対象位置Ｐｎにおける油膜厚さの計算値が求められる。ステップＳ１３において、対象位置Ｐｎが外部領域Ｋ２に属すると判定されることから、鋼板３１と鋼球３２との幾何形状に基づいて油膜厚さの値（Ｈ）が求められ（ステップＳ１５）、この計算値（Ｈ）が対象位置Ｐｎにおける油膜厚さとされる。

ステップＳ１５により対象位置Ｐｎの油膜厚さ（Ｈ）が求められると、前記式（３）により対象位置Ｐｎにおける反射率Ｒｎが求められる（ステップＳ１６）。求められた反射率Ｒｎは、対象位置Ｐｎと対応付けて記憶部１５に記憶される。

ステップＳ１６により対象位置Ｐｎにおける反射率Ｒｎが求められると、この反射率Ｒｎと、ステップＳ１２で求めた対象位置Ｐｎにおける音圧Ｐｎとを乗算し、エコー強度が求められる（ステップＳ１７）。このようにして求められた対象位置Ｐｎにおけるエコー強度の値は、記憶部１５の第一記憶領域１５ａ（図１参照）に記憶される（ステップＳ１８）。この際、既に第一記憶領域１５ａに記憶されている全ての対象位置Ｐｉ（ｉ＝１，２，３・・・ｎ）のエコー強度の総和が求められ、この総和が、対象位置Ｐｎまでの全エコー強度の値として、第一記憶領域１５ａに記憶される。

ステップＳ１３において、対象位置ＰｎはＥＨＬ膜領域Ｋ１以外の外部領域Ｋ２であると判定されていることから、ステップＳ１９では、その対象位置Ｐｎに関して前記乗算により求められたエコー強度が、誤差分エコー強度として記憶部１５の第二記憶領域１５ｂ（図１参照）に記憶される（ステップＳ２０）。この際、既に第二記憶領域１５ｂに記憶されている外部領域Ｋ２における全ての対象位置Ｐｉのエコー強度との総和が求められ、この総和が、外部領域Ｋ２における対象位置Ｐｎまでの誤差分エコー強度の合計値として、第二記憶領域１５ｂに記憶される。

ステップＳ２１では、対象位置Ｐｎのエコー強度が、中心Ｃにおけるエコー強度の所定割合（例えば１％）を下回っている否かについて判定され、残りの対象位置ＰｉについてステップＳ１１〜Ｓ２１が行われる。
以上のように、対象位置Ｐｎが外部領域Ｋ２（図３参照）である場合についてのステップＳ１１〜Ｓ２１の各処理が行われる。

なお、前記のとおり、ステップＳ１６において、各対象位置における反射率を求める処理は、第二処理部２２によって行われており、ステップＳ１４及びステップＳ１５を前提とすることで、対象位置ＰｉがＥＨＬ膜領域Ｋ１の範囲内である場合と範囲外である場合とで分けて、各対象位置Ｐｉにおける反射率Ｒｉが求められている。つまり、第二処理部２２は、ＥＨＬ膜領域Ｋ１における膜厚計算式（前記式２）により算出した油膜厚さの値を用いて、演算（前記式３）によりＥＨＬ膜領域Ｋ１における反射率Ｒｉを求める機能と、鋼板３１及び鋼球３２の既知である幾何形状に基づいて算出した油膜厚さの値を用いて、演算（前記式３）によりＥＨＬ膜領域Ｋ１以外の外部領域Ｋ２における反射率Ｒｉを求める機能と、を有している。

〔２．４ 誤差分比率の計算及び油膜厚さの計算について〕
ステップＳ２２の処理を説明する。第四処理部２４は、次の式（４）により、エコー強度の誤差分比率Ｅを求める。この誤差分比率Ｅは、超音波プローブ１３が受信する反射波の内、ＥＨＬ膜領域Ｋ１以外の誤差要因となる割合を示す値となる。

前記のとおり、エコー測定ステップＳ１では、図１において、潤滑油を介して接触している鋼板３１と鋼球３２との間の測定領域Ｋ０に対して超音波プローブ１３が出力した超音波の反射波が測定され、この反射波のレベルに応じたエコー強度の信号が検出器本体１４から出力されている。そして、演算装置１１（第四処理部２４）は、この信号に基づいて、測定領域Ｋ０におけるエコー強度比を求めることができる（図５のステップＳ３１）。

このエコー強度比は、ＥＨＬ膜領域Ｋ１における反射波の成分の他に、外部領域Ｋ２における反射波の成分も含まれている。そこで、第四処理部２４は、この測定領域Ｋ０におけるエコー強度比を、前記エコー強度の誤差分比率Ｅにより補正する処理を行い（ステップＳ３２）、これにより、ＥＨＬ膜領域Ｋ１におけるエコー強度比が求められる（ステップＳ３３）。具体的には、前記補正として、次の式（５）の演算が行われる。

そして、第四処理部２４は、前記式（５）により求められたＥＨＬ膜領域Ｋ１におけるエコー強度比を、静的条件で予め求められている前記検量線により換算して、このＥＨＬ膜領域Ｋ１における油膜厚さを求めることができる（ステップＳ３４）。

〔２．５ 本実施形態の測定方法に関して〕
以上のように、この測定方法は（図５参照）エコー測定ステップ（Ｓ１）と演算ステップ（Ｓ２）とを有している。演算ステップ（Ｓ２）には、判定ステップ（図５のＳ１３、Ｓ１９）、全エコー強度算出ステップ（Ｓ１８）、誤差分エコー強度算出ステップ（Ｓ２０）、及び油膜厚さ算出ステップ（Ｓ３４）が含まれる。

判定ステップＳ１３（Ｓ１９）では、測定領域Ｋ０に含まれる複数の対象位置ＰｉそれぞれがＥＨＬ膜領域Ｋ１の範囲内であるか範囲外であるかについての判定が行われる。この判定ステップＳ１３（Ｓ１９）は、第一処理部２１によって実行される。
全エコー強度算出ステップ（Ｓ１８）では、超音波プローブ１３の音圧分布の情報（前記式（１））から取得した複数の対象位置Ｐｉそれぞれにおける音圧（Ｓ１２）と、演算により求められる対象位置Ｐｉそれぞれにおける超音波の反射率（Ｓ１６）との積によって対象位置Ｐｉそれぞれにおけるエコー強度が求められる（Ｓ１７）と共に、このエコー強度が逐次加算されて全エコー強度が求められる。この全エコー強度算出ステップ（Ｓ１８）は、第二処理部２２によって実行される。

誤差分エコー強度算出ステップ（Ｓ２０）では、ＥＨＬ膜領域Ｋ１の範囲外であると判定された対象位置Ｐｉにおける前記エコー強度が逐次加算されて誤差分エコー強度が求められる。この誤差分エコー強度算出ステップ（Ｓ２０）は、第三処理部２３によって実行される。
そして、油膜厚さ算出ステップ（Ｓ３４）では、実際に超音波測定器１２からの信号から取得されたエコー強度に関するデータ（エコー強度比）（Ｓ３１）が、前記全エコー強度と前記誤差分エコー強度との割合によって補正されて（Ｓ３２）、この補正されたエコー強度に関するデータ（エコー強度比）（Ｓ３３）に基づいて、ＥＨＬ膜領域Ｋ１における油膜厚さが求められる。この油膜厚さ算出ステップ（Ｓ３４）は、第四処理部２４によって実行される。

図６は、本実施形態の測定方法（測定装置１０）により、補正（図５のステップＳ３２）を行った場合の油膜厚さの測定結果（二重丸）を示すグラフである。横軸は、鋼板３１と鋼球３２との間に負荷された接触荷重であり、縦軸が、この測定方法（測定装置１０）により求められた油膜厚さであり、荷重（一定値）を様々変更して測定を行った結果が示されている。なお、図７は、従来方法として、前記補正を行わない場合の油膜厚さの測定結果（黒丸）を示すグラフである。なお、図６及び図７それぞれにおいて、他の手法により求められた（精度が高いとされている）油膜厚さの計算値を白丸で示している。

図７に示すように、従来方法では、接触荷重が小さくなるほど、前記計算値との差が大きくなっているが、本実施形態の測定方法によれば、接触荷重が小さくなっても、前記計算値との差は小さく、測定精度が高い。これは、接触荷重が小さくなるほど、ＥＨＬ膜領域Ｋ１は超音波ビームの範囲（ビーム径）に比して狭くなり、外部領域Ｋ２の影響が大きくなるためであり、従来方法では、外部領域Ｋ２の影響を大きく受けて誤差が大きくなっている。これに対して、本実施形態の測定方法では、外部領域Ｋ２による誤差要因が前記補正により抑制されていることから、測定精度が向上する。

以上のように、本実施形態の測定装置１０によって実行される測定方法によれば、鋼板３１と鋼球３２との間の接触によるＥＨＬ膜領域Ｋ１が、超音波プローブ１３から発せられる超音波ビームの領域（ビーム径）よりも狭くても、超音波測定器１２によって得られたエコー強度比から、ＥＨＬ膜領域Ｋ１以外の外部領域Ｋ２による誤差要因を省くことができ、超音波による油膜厚さの測定精度を高めることが可能となる。

前記実施形態では、油膜３３を介して接触する幾何形状が既知の第一部材及び第二部材を、鋼板３１及び鋼球３２とした場合について説明したが、それ以外であってもよい。例えば、前記実施形態では、鋼板３１の平面に球体である鋼球３２が接触する場合について説明したが、鋼球３２が接触する面は、平面ではなく、凹曲面であってもよい。この場合、玉軸受における転動体の玉と、この玉が接触する凹曲面からなる軌道を有する軌道輪との間における油膜厚さの測定を、前記測定方法によって精度良く行うことができる。これにより、玉軸受に関して、グリースや軌道輪の溝形状の改良等に貢献することが可能となる。

以上のとおり開示した実施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。つまり、本発明の測定装置及び測定方法は、図示する形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。

１０：測定装置 １１：演算装置 １２：超音波測定器
１３：超音波プローブ ２１：第一処理部 ２２：第二処理部
２３：第三処理部 ２４：第四処理部 ３１：鋼板
３２：鋼球 ３３：油膜
Ｋ１：ＥＨＬ膜領域（弾性流体潤滑膜領域） Ｋ２：外部領域

Claims (5)

1. 接触する二部材間の弾性流体潤滑膜領域における油膜厚さを求める測定装置であって、
   前記弾性流体潤滑膜領域を含む測定領域に対して発信した超音波の反射波を受信する超音波プローブを有し、当該反射波のレベルに応じた信号を出力する超音波測定器と、
   前記超音波測定器からの前記信号に基づいて前記弾性流体潤滑膜領域における油膜厚さを求める演算装置と、を備え、
   前記演算装置は、
   前記測定領域に含まれる複数の対象位置それぞれが前記弾性流体潤滑膜領域の範囲内であるか範囲外であるかを判定する第一処理部と、
   前記超音波プローブの音圧分布の情報から取得した前記複数の対象位置それぞれにおける音圧と、演算により求められる当該対象位置それぞれにおける超音波の反射率との積によって当該対象位置それぞれにおけるエコー強度を求めると共に、当該エコー強度を逐次加算して全エコー強度を求める第二処理部と、
   前記第一処理部によって範囲外であると判定された前記対象位置における前記エコー強度を逐次加算して誤差分エコー強度を求める第三処理部と、
   前記超音波測定器からの前記信号から取得されたエコー強度に関するデータを、前記全エコー強度と前記誤差分エコー強度との割合によって補正して、補正した前記エコー強度に関するデータに基づいて前記弾性流体潤滑膜領域における油膜厚さを求める第四処理部と、
   を有している、測定装置。
2. 前記第一処理部は、前記測定領域に設定した平面座標系において前記対象位置を特定すると共に、演算により前記二部材のヘルツ接触に基づいて求められた接触形状の範囲内を前記弾性流体潤滑膜領域の範囲内とみなすことによって、前記対象位置それぞれが前記弾性流体潤滑膜領域の範囲内であるか範囲外であるかを判定する、請求項１に記載の測定装置。
3. 前記二部材は幾何形状が既知であり、
   前記第二処理部は、弾性流体潤滑膜領域の膜厚計算式により算出した油膜厚さの値を用いて、演算により前記弾性流体潤滑膜領域における前記反射率を求め、前記二部材の幾何形状に基づいて算出した油膜厚さの値を用いて、演算により前記弾性流体潤滑膜領域以外の外部領域における前記反射率を求める、請求項１又は２に記載の測定装置。
4. 前記演算装置は、更に、前記超音波プローブの音圧分布の情報として、当該超音波プローブから出力される超音波の測定結果から求められた音圧分布の近似式を、記憶している記憶部を有し、
   前記第二処理部は、前記近似式から前記複数の対象位置それぞれにおける音圧を取得する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の測定装置。
5. 接触する二部材間の弾性流体潤滑膜領域における油膜厚さを求める方法であって、
   超音波測定器が有する超音波プローブによって、前記弾性流体潤滑膜領域を含む測定領域に対して発信した超音波の反射波を受信し、当該反射波のレベルに応じた信号を当該超音波測定器から出力させるエコー測定ステップと、
   前記信号に基づいて前記弾性流体潤滑膜領域における油膜厚さを求める演算ステップと、を備え、
   前記演算ステップは、
   前記測定領域に含まれる複数の対象位置それぞれが前記弾性流体潤滑膜領域の範囲内であるか範囲外であるかを判定するステップと、
   前記超音波プローブの音圧分布の情報から取得した前記複数の対象位置それぞれにおける音圧と、演算により求められる当該対象位置それぞれにおける超音波の反射率との積によって当該対象位置それぞれにおけるエコー強度を求めると共に、当該エコー強度を逐次加算して全エコー強度を求めるステップと、
   前記弾性流体潤滑膜領域の範囲外であると判定された前記対象位置における前記エコー強度を逐次加算して誤差分エコー強度を求めるステップと、
   前記超音波測定器からの前記信号から取得されたエコー強度に関するデータを、前記全エコー強度と前記誤差分エコー強度との割合によって補正して、補正した前記エコー強度に関するデータに基づいて前記弾性流体潤滑膜領域における油膜厚さを求めるステップと、
   を含む、測定方法。

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