JPH0333653A - アコースティックマイクロスコープ表面検査装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本研究は、エネルギー省指導により、契約番号筒ＤＥ−
ＦＧＯ３−８４ＥＲ４５１５７号の下で行なわれたもの
である。

（産業上の利用分野） 本発明は、概ね、小さな表面欠陥を検出するためのアコ
ースティックマイクロスコープ（ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｍ
ｌｃｒｏｓｃｏｐｅｌ表面検査装置及び方法に関し、特
に、数ミクロンの深さの表面欠陥を検出可能なアコース
ティックマイクロスコープ表面検査装置及び方法に関す
る。説明する装置は、特に、ボールベアリング用ポール
の検査に適している。

（従来技術） セラミックのような新しい材料が産業界で広く受け入れ
られており、それらの表面特性を評価するための検査方
法を開発することが急務となってきている。セラミック
材料の可能な用途の一つは、ボールベアリング用のポー
ルである。このようなベアリングのポールは、高い動的
応力を受け、セラミックの脆性により、各ポールを検査
して、１０ミクロンあるいはそれ以下の表面及び表面に
近いクラックを検出可能であることが重要となる。ベア
リング全体をカバーすることが可能な迅速な装置を用い
て、このようなりラックを検出することが不可欠となる
。

基本的には、３種類の表面欠陥がある。第１の種類は、
表面近傍に垂直に存在する亀裂である。

これらのクラックは、この種の乱れに非常に敏感な表面
音響波を用いて容易に検出することが可能である。

欠陥の第２の種類は、典型的には１０ミクロンあるいは
それ以上の、浅いが比較的大きなゲージである。これら
も又、検出位置のベアリングから反射した音響信号の位
相を計測することによって、極めて容易に検出すること
ができる。水中での波長が約１２ミクロンである１２０
ＭＨｚの作動周波数については、たとえ欠陥の深さが３
０°の位相ずれに対応する０、５ミクロンを越えなくて
も、スキャナ振動に関する特別な予防策の必要なくこれ
らの欠陥を画像化することが可能である。

欠陥の第３の種類は、コーナーが滑らかな、小さな幅の
浅いクラックである。これらは、表面波に敏感でなく、
しかも、収束させた音響ビームのスポットサイズに比較
して小さいため、検出するのが最も困難である。これら
のサイズは、約１ミクロンであり、ｌｏＯＭＨｚ範囲の
ビームサイズは、少なくとももっと大きな大きさである
。

（発明の目的） 本発明の全体的な目的は、約数ミクロンの深さの表面欠
陥を検出可能なアコースティックマイクロスコープ装置
及び方法を提供することである。

本発明の別の目的は、アコースティックトランスジュー
サを励起し反射波の位相測定を高い精度で行なうため、
高周波エネルギーのトーンバースト（ｔｏｎｅ　ｂｕｒ
ｓｔ）を用いるアコースティックマイクロスコープを提
供することである。

本発明の別の目的は、物体がアコースティックエネルギ
ーのバーストによって励起され、反射及び表面波の位相
及び振幅が電気信号に変換され、表面状態の表示を行な
うために基設値と比較される装置及び方法を提供するこ
とである。

本発明の別の目的は、ポールベアリングのような球体表
面を検査するためのアコースティックマイクロスコープ
システムを提供することである。

（発明の（１）♂ｌ成） 本発明の前述及び他の目的は、高周波信号を発生するた
めの手段と、前記高周波信号のバーストを受取り、検査
される物体表面の所定位置に音響波を発生かつ合焦させ
、前記所定位置から放射した音響波を受け取って出力信
号を発生するためのトランスジューサとを備えた検査装
置によって達成される。前記反射信号と基準となる信号
との相対位相と相対振幅を表わす出力信号をつくるため
、前記出力信号と比較する基準信号を発生するための手
段を備えている。前記検査装置は又、前記トランスジュ
ーサにポール表面を完全に提供するように、前記トラン
スジューサと協働してベアリングボールな取り付けかつ
回転するための手段ち備えている。

本発明は、添付図面とともに次の実施例を読むことによ
って、さらに明確に理解できるであろう。

（実施例） 本発明に従い、概略的には、アコースティックトランス
ジューサが、物体上の所定の位置に入射する音響波を、
高周波人力信号に応答して発生させ、前記所定位置から
放射される音響波を受け取り、電気信号を発生させる。

前記トランスジユーザは、電気エネルギーを受け取って
音響パルスを伝送する働きと、反射音響パルスを受け取
って電気パルスを発生する働きを交互に行なう。

第１図は、バッファロッド■３に密着している圧電トラ
ンスジューサ１２と、該トランスジューサの他方の表面
に接する電極１４とを備えるトランスジユーザ組立体１
）を示している。トランスジューサは、入力電気信号に
応答してレンズ１７の方向へ伝達する超音波１６を発生
する。この超音波は、音響ビーム１８を形成するように
合焦される。音響波は物体によって反射されかつ放射さ
れ、レンズによって受け取られる。出力電気信号は、レ
ンズによって受け取られて圧電部材に伝達した音響波に
応答して発生する。レンズ１７は球形レンズがよく、特
定位置に音響波を合焦させる。

第１図では、前記音響波は液体連結１９を通って伝達し
、ベアリングポール２０の表面で合焦する。矢印２１は
、表面から反射しあるいは表面波として放射された反射
音響エネルギーを示している。ベアリングボールには、
前述した３つの種類の欠陥、すなわち、へこみ２２、ゲ
ージ２３、深いクラック２４が示されている。ベアリン
グボールは、赤道に沿った様々な位置を提供するため、
ローラー２６によって回転する。次いで、ローラーは、
ボールを回転して別の赤道を提供するため、移動する。

適当なポールベアリング駆動装置を第５図を参照して説
明する。ローラーの回転、並進及びパルス周波数を制御
することによって、ベアリングの全表面がトランスジュ
ーサに提供され、所定の時間に検査を行なうことができ
る。

制御可能な相対位相を有する基準信号及び励起信号を提
供するためのシステムを第２図に示す。

第２図を参照して、高周波連続波発振器３１が２７３　
ＭＨｚ信号を発生し、デバイダに印加する。

一方のデバイダ３２は人力信号を１０分の１にする。他
方のデバイダ３３は、デジタルシフトコントロール３４
によりデバイダ３３に印加されるデジタルシフト信号の
値に応じて、１０分の１あるいは１）分の１にし、前記
デジタルシフトコントロールは、コンピュータから成っ
ていてちよい。

２７３　ＭＨｚ主周波数は水晶振動子によって発生させ
る。

デバイダ３２は制御されず、単に人力周波数を１０分の
１にし、基本周波数が２７．３ＭＨｚとなる出力信号を
出力する。他方のデバイダ３３は、位相を制御された信
号を供給する。デバイダ３３は、出力信号の一周期の間
、人力信号を１０分の１ではなく１）分のｌにする。こ
の結果、２７．３ＭＨｚ出力信号には、入力周波数（２
７３ＭＨｚ　）の−周期に等しい付加的な時間遅れ、こ
の例だと３６°の時間遅れが加わる。このことは第３図
に示されており、分割された信号ＡとＢに時間遅れがあ
ることがわかる。これらの２つの２７．３ＭＨｚは、各
々、増幅され、ノイズを低減　０ させるため、示されていないが、１次ローパスフィルタ
ーにかけられる。次いで、ミキサー３６及び３７で、２
７３ＭＨｚ主周波数と混合させる。

実際は多くの相互変調生成波がミキサーの出力で存在す
る。２つの高性能状；ｊｉｊ：域フィルター３８及び３
９が変調生成波を受け取り、望ましくない全ての成分を
除去して、３００　ＭＨｚの成分のみにする。強いフィ
ルターリングにより、５０ｄＢより大きな高調波が除去
され、２つの純粋な３００ＭＨｚ連続調波が得られる。

一方の信号が、低周波数の、位相が制御された信号と主
周波数とによりできているときは、相対位相を２π／１
０だけ任意にずらせて制御した２つの３００　ＭＨｚ信
号が得られる。２つの３００ＭＨｚ信号は、ミキサー４
２及び４３により、シンセサイザー４１からの周波数側
（卸された連続波と混合する。簡易なローパスフィルタ
ー４４及び４６が上側の帯域を除波する。

シンセザイザー周波数が、３００　Ｍｌｌｚより大きな
ｆ　、　ｆＭＨｚ）て調整されていると仮定すると、周
波数が、ｆ　ｔ＝ｆ　、、−３００ＭＨｚである、２つ
の１ 位相制御された信号が得られる。そのため、これら２つ
の信号は、広い周波数範囲、典型的には、ＩＭＨｚ乃至
２００ＭＨｚ　　（３０１Ｍｌｌｚ　　＜ｆ、　　＜５
００　Ｍｌｌｚ　’）で利用することができる。これら
の信号の一方は、トランスジユーザに送るトーンバース
トを発生させるため、高周波スイッチ４７でゲートされ
る。次いで、戻ってきた反射信号が４８で制限及び増幅
され、ミキサー４９で、基準信号と混合する。

もしｆｔが、戻り反射信号の基準信号に対する相対的な
振幅Ｒ１位相φの作動周波数であるならば、出力信号は
、Ｒ・ｃｏｓ（＄）　＋Ｆ（２・ｆｔ　）に比例し、こ
こでＦは、周波数が２・ｆｔの成分である。この成分は
ローパスフィルター５１で取り除かれ、音響反射情報を
含んだ直流レベルは、サンプルホールド回路へ送られ、
次いで、Ａ／Ｄコンバータへ送られる。

ある位置での測定あるいは検査においては、基２１「二
信号がデジタルコントロール３４に」こって１０倍（高
速の用途では５倍）シフトされ、新しい測定がなされる
ごとにシフトされる。これらの値ば　２ 第４図に示すように位相がずれたｓｉｎ曲線で変化し、
簡単な信号処理が、第１調波を抽出するために用いられ
、該処理は、ある特定周波数でのいくつかの点における
ＤＦＴにすぎない。この処理は、システムの非線形性に
よって入ってきた直流及び高調波成分を同時に取り除く
。しかし、もし、欠陥があれば、反射波の振幅６位相も
影響を受ける。従って、もし反射信号の振幅と位相が、
第４図の平均値△Ａ、Δφと比較されたときは、欠陥が
検出されるであろう。曲線５２及び５３は、欠陥を示し
ている。

第５図は、トランスジューサに対し、ベアリングポール
の全ての表面を提供するように、ローラー２６を並進か
つ回転させるための装置を概略的に示している。ローラ
ーは、ローラーサポート５６により支持されているベア
リング（図示せず）の中に延びるシャフトを備えている
。モータ５７はステッパーモータであってもよく、サポ
ト５６に取りイ」けられ、ローラーシャフトの一つを駆
動することによってローラーを回転する。駆動モータを
段階的に駆動することによって、ベア３ リングポール２０の赤道」二の連続位置がトランスジュ
ーサ■３に提供される。

ローラーサポート５６は、リニアベアリング５９によっ
てフレーム５８に取り付けられている。ローラーサポー
トはりニアモータ６１によってリニアベアリング５９上
を移動し、前記リニアモータはステッパーモータで６よ
い。モータ６１を段階的に駆動することによって、ベア
リングポールは新しい赤道を提供するために回転し、次
いで、該赤道は、トランスジューサ１３によって検査を
受けることができる。モータを選択的に駆動することに
よって、ベアリングボール表面」二の全ての位置が、検
査のためトランスジューサに提供される。

組立体は、ベアリングボールを拘束し、選択された位置
で回転可能にするための手段を備えている。フレームは
、ベアリングボールの交換を可能にするため、フレーム
に対してヒンジ（図示せず）で取り付けられたカバー６
２を備えていてもよい。ボールは、ベアリングポール２
０の」三方部を受け入れ、ポールを回転可能にするため
、外方　４ に傾斜した曲面を備えた開口部を有する拘束手段６３に
よって拘束される。トランスジユーザは支持組立体（図
示せず）によってフレームに支持され、該支持組立体に
よって、トランスジューサの動きが、ベアリングポール
の表面と協働するため、Ｘ、Ｙ、Ｚの矢印で示される３
つの方向で提供される。連粘液体１９がボール２０とト
ランスジューサ１３との間に加えられる。

第６図は、いわゆるラスタースキャン（ｒａｓｔｅｒｓ
ｃａｎ）を提供するため、ｘ、ｙ、ｚ方向に移動可能な
平坦面と協働するトランスジューサを示している。トラ
ンスジューサは、表面と協働して制御可能に取り付けら
れる。ラスターパターンの物体を取り付けて移動させる
ための手段は周知であるので、ここでは示さない。同様
にトランスジュザを制ｉ卸ｉｉ（能に取りイ・１けるた
めの手段ち周知である。

平坦面は、ベアリングポールの表面を検査するため、ベ
アリングポールと係合し、トランスジューサに対して、
ポールの異なる位置を提供することができる。この場合
、動きは、ｘ、ｚ方向　５ となろう。平板あるいはローラーは、検査のため、円筒
ベアリングを回転及びＮＩＬ進桟動さセ、異なる表面位
置を提供するために用いることもてきる。

第７図を参！］ａして、ベアリングボール検査装置用の
コンピュータ制御が概略的に示されている。

コンピュータ６６は、各バーストの間の位相をシフトす
るため、デジタルシフトコントロール３４を制御し、高
周波スイッチ４７の制御された開状態と同調して３６０
°の位相シフトを段階的に行なう。コンピュータは、所
定の赤道上の全ての位置を検査するため、モータ５７の
段階的駆動を制御し、次いで、検査のための新しい赤道
を提供するため、モータ６１を段階的に駆動する。これ
は、全てのベアリング表面が検査されるまで、繰り返さ
れる。コンピュータは、−リンブリング回路から信号を
受け取り、振幅と位相の出力を平均し、クラック、ゲー
ジあるいはへこみのような欠陥を検出するため、読み取
り値を平均値と比較する。もし必要ならば、表面の欠陥
はデイスプレィ６７に描くこともできる。

　６ かくして、平坦な走査面上、ベアリングポールの表面上
及び円筒ベアリングの表面上の、約０．５ミクロン×０
．５ミクロンの大きさの表面欠陥を検出可能な、アコー
スティックマイクロスコープ装置及び方法が提供される
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、関連するセラミックベアリングポルと協働す
るアコースティックトランスジューサを示す図である。 第２図は、トランスジューサを励起して、前記トランス
ジユーザから信号を受け取り、トランスジユーザ出力の
振幅及び位相を提供するのに適した電気回路の概略図で
ある。 第３図は、入力信号と、遅延信号の変形を示した図であ
る。 第４図は、欠陥がある場合とない場合の所定位訳につい
ての出力を示す図である、。 第５図は、ベアリングポールを回転させて、表面部分を
トランスジューサに提供するメカニズムを示した図であ
る。 第６図は、表面欠陥を計測するための、平坦面　７ と関連したトランスジユーザを概略的に示した図である
。 第７図は、本発明のためのコンピュータ制御のブロック
図である。 １）・・・・トランスジユーザ組立体、１６・・・・超
音波、 ２０・・・・ベアリングポール、 ２２．２３．２４ ・欠陥、 ２６・・・・ローラー ３■・・・・高周波発振器、 ３２．３３・デバイダ、 ３４・・・・デジタルシフトコントロール。 　８

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）高周波電気エネルギーパルスを発生させるための
   手段と、 前記高周波電気エネルギーパルスを受け取 り、検査を行なう物体の所定位置に入射する音響波を発
   生かつ合焦させ、前記位置から放射される音響波を受け
   取り、高周波エネルギーの出力信号パルスを発生させる
   ためのトランス ジューサと、 前記周波数で基準電気信号を発生させるための手段と、 前記基準信号と、各パルスに対する前記高周波電気エネ
   ルギーパルスとの間の位相を段階的に制御するための手
   段と、 前記基準信号と前記トランスジューサ出力信号パルスを
   受け取り、前記基準信号と、選択された位置での各パル
   スに対する前記高周波エネルギートランスジューサ出力
   信号パルスとの相対振幅及び位相を表わす出力信号を提
   供するための手段と を備える、検査物体の表面欠陥を検出するためのアコー
   スティックマイクロスコープ表面検査装置。
2. （２）前記表面の異なる位置を前記トランスジューサに
   提供するための手段を備えることを特徴とする請求項（
   １）に記載のアコースティックマイクロスコープ表面検
   査装置。
3. （３）前記異なる位置での出力信号の前記振幅及び位相
   を比較するための手段を備えることを特徴とする請求項
   （２）に記載のアコースティックマイクロスコープ表面
   検査装置。
4. （４）同一周波数の第１及び第２の高周波電気信号を発
   生させて位相関係を段階的に変化させ、高周波電気信号
   のパルスを提供するために前記第１の高周波電気信号を
   ゲートし、 所定位置の表面に加えられる音響パルスを前記パルスか
   ら発生させ、 前記音響パルスに応答して前記所定位置から放射する音
   響エネルギーパルスを検出して、出力電気信号を発生し
   、 前記第２の周波数信号と前記各出力電気信号パルスとの
   間の振幅及び位相における差を表わす振幅と位相を有す
   る出力を発生させるため、前記出力信号パルスと前記第
   ２の高周波信号とを処理することを特徴とする、クラッ
   ク、へこみ、ゲージのような表面欠陥を検出するために
   検査物体の表面を検査する方法。