JPH11281633A - アレイ型超音波探触子による硬化層評価装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 焼き入れ硬化層に超音波を透過してその透過
特性から内部硬度を評価するに当たり、透過波の送受信
感度を高め、高周波成分の減衰を少なくした硬化層深さ
評価装置を提供する。 【解決手段】 アレイ型探触子Ｔ，Ｒの各素子から放射
して試験体１内に放射する送信側の超音波の音軸の方向
を、受信側の超音波の音軸と正対させることで、透過波
の送受信感度を最大限に高める。また、弦方向の透過強
度を測定して、アーベル変換により試験体1 の内部硬度
の分布を推定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、製品に施した焼入
れ硬化層の内部硬度分布を、アレイ型超音波探触子を用
いて非破壊的に評価するアレイ型超音波探触子による硬
化層評価装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、超音波を用いた焼入れ硬化層の評
価技術は、いくつか報告されており、例えば硬化層と母
材層の境界付近の材料組織による散乱波を検出したり、
材料の音速や減衰率の変化を検出して評価する方法等が
ある。本発明に関連する硬化層評価技術の特許は、以下
の３件が出願されている。

【０００３】1 件は、特開平05-281201 号公報に開示さ
れたもので、円柱体に施した硬化層に対して中心軸の断
面である円の弦方向に超音波を透過し、透過超音波の減
衰率から硬化層深さを求めるものである。

【０００４】２件目は、特開平06-18487号公報に開示さ
れたもので、超音波探触子の配置は特開平05-281201 号
と同様であるが、透過超音波の周波数スペクトルの変化
から硬化層深さを求めるものである。3 件目は、特開平
08-145965 号公報に開示されたもので、アレイ型超音波
探触子を使用して、円柱体の中心軸の断面である円の弦
方向に透過した超音波の音速変化から硬化層深さを求め
ている。

【０００５】なお、図７に示すように、焼き入れを施し
た円柱体の中心軸に垂直な断面の円の外周面周方向に、
回転シュー１１により入射角を変えることのできる送信
用と受信用の二つの単一探触子を走査して、前記断面の
円の弦方向に超音波を透過してその超音波特性を測定し
ている例もある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】特に回転対称体に施し
た硬化層について、その回転軸に垂直な断面の円内の、
深さが異なる幾つかの弦方向に超音波を透過した時の強
度変化を、アーベル変換により処理して半径方向の硬度
分布を求める。このため、表面直下の弦に対する透過強
度を始めとして、深さ方向にこれと平行に移動した弦に
対する透過強度を求める必要がある。

【０００７】また、測定対象である焼き入れ硬化層の硬
化層と母材層の超音波減衰の変化は３０ＭＨｚ以上の高
周波数で顕著な優位差があることから、試験体に入射す
る超音波の高周波成分の減衰及び感度の低下は極力抑え
なければならない。

【０００８】しかしながら、従来の方法では、超音波を
試験体に入射させる際に長いシューを用いていること、
また、特開平05-281201 号公報と特開平06-18487号公報
に開示の方法では、焦点を試験体表面に設定して試験体
内部で超音波を拡散していることから、シュー内での超
音波の高周波数成分の減衰と、拡散による感度の低下を
招いていた。

【０００９】さらに、特開平08-145965 号公報に開示の
方法は、アレイ型超音波探触子を使用しているが、各素
子の音軸の方向が試験体表面から回転対称軸方向に向い
ており、各素子から放射する超音波の指向特性による制
限から、前記音軸からの角度が大きくなるにしたがって
超音波の送受信感度が低下し、表面直下の弦方向には十
分な強度で超音波の送受信ができない等の問題点があ
る。

【００１０】本発明は、上記の問題点を鑑みてなされた
もので、従来の方法より高い送受信感度で硬化層の評価
が行えるアレイ型超音波探触子による硬化層評価装置を
提供することを目的にしている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的の達成のため、
本発明のアレイ型超音波探触子による硬化層評価装置は
特許請求の範囲の請求項記載の構成を具備している。

【００１２】本発明の請求項１では、送受信の感度を向
上するために、製品の外表面に配列したアレイ素子の各
素子の入射角度を各々調節し、製品に入射する送信側の
各素子から放射する超音波の音軸の方向が、受信側の各
素子の音軸の方向と正対するようにしている。また、高
周波成分の減衰を少なくする為、アレイ型超音波探触子
を採用してシューの厚さを最小限の長さにしている。

【００１３】本発明の請求項２では、もっとも一般的な
適用例として、試験体を回転対称体とし、アレイ型超音
波探触子のアレイ素子の配列方向を、回転対称軸に垂直
な断面の外周面周方向にして、アレイ型超音波探触子の
設計がしやすいようにしている。

【００１４】本発明の請求項３では、送受信感度を向上
する為の、アレイ型超音波探触子の各アレイ素子の音軸
の試験体への入射角度を個々に調整する方法として、該
試験体の回転対称軸に垂直な断面内で、前記アレイ素子
の音軸の入射点に対する法線に対して、アレイ素子から
放射する超音波を試験体に伝達するシューに固定したア
レイ素子の、超音波放射面の角度を個々に変えている。
さらに各アレイ素子の試験体内に放射する超音波の音軸
が全て平行になるようにして、内部硬度分布を容易に計
算で求められるようにしている。

【００１５】

【作用】請求項１に記載の構成によれば、アレイ素子の
各素子の入射角度を各々調節し、送信用のアレイ素子と
受信用のアレイ素子の音軸がそれぞれ正対するように配
置している。従って、もっとも強度が高い音軸の方向で
超音波の送受信ができるので、特に表面直下の弦方向に
超音波を透過させる場合、各素子の寄与率を最大限に利
用でき、高い感度で透過波が受信できるようになる。ま
た、アレイ型超音波探触子の採用でシューの長さも高々
数ミリメートルであり、超音波の高周波成分の減衰を最
小限に抑えることができる。

【００１６】請求項２に記載の構成によれば、試験体が
回転対称体であることから、試験体外表面の形状が簡単
に求められ、アレイ型超音波探触子の設計が非常に簡単
にできる。

【００１７】請求項３に記載の構成によれば、アレイ型
超音波探触子の各アレイ素子の入射角度を、シューへの
アレイ素子の貼り付け面の角度を変えて行っているの
で、簡単に送受信の音軸の方向を正対でき感度が向上で
きる。さらに、試験体内の超音波の透過方向を全て平行
にしているので、例えばアーベル変換等により内部硬度
を容易に計算で求められる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図にしたがって本発明の実
施例を説明する。

【００１９】図１に、本発明の装置で使用しているアレ
イ型超音波探触子を円柱試験体（以後、「試験体」と略
記する。）に適用した例を示す。アレイ型超音波探触子
は、同じ構成をした送信用Ｔと受信用Ｒの二つを配置
し、アレイ素子数は、それぞれｎ個である。

【００２０】送信用Ｔのアレイ型超音波探触子について
説明する。アレイ素子Ｔ１〜Ｔｎは、全体に焼き入れを
施した試験体１の回転軸に垂直な断面の外周面周方向
に、周方向角度θｐのピッチで配列している。

【００２１】今、アレイ素子Ｔｎから放射された音波
が、シュー２を伝播して入射点Ａ１に到達する。この
時、試験体断面の円の中心線Ｙ−Ｙ’上で、表面からの
深さＬnを透過する経路に当たる弦Ａ１−Ｂ１に沿った
方向に超音波の音軸を向ける為には、試験体への入射角
θi は、法線Ｎに対する屈折角θｒと試験体１、シュー
２の音速からスネルの法則によって決定する。

【００２２】以下、他のアレイ素子についても同様に、
各素子から放射した超音波の音軸が弦Ａ１−Ｂ１と平行
な弦を透過するように入射角を決定する。また、シュー
２に配置した振動子面から試験体表面までの超音波伝播
距離は同じ長さにした方が、遅延時間制御を行う場合に
は都合がよい。

【００２３】各素子の音軸の入射方向をこのようにして
決定すると、図2 に示すように、法線Ｎに対してθi の
角度で入射した超音波の、試験体内部に伝播する各素子
の音軸の方向Ｗが、超音波の伝播方向Ｚ、すなわち、受
信側の素子の指向方向と正対するようになり、図3 に示
すような従来のアレイ素子の音軸の方向Ｗと伝播方向Ｚ
のずれをなくすことができる。

【００２４】図4 は、本発明による装置の構成ブロック
図である。アレイ型超音波探触子Ｔ，Ｒは、パルサー・
レシーバ回路３に接続し、送受信走査回路４により、任
意の素子数の組み合わせや任意の位置の素子の組み合わ
せによる送受信が可能である。

【００２５】たとえば、アレイ素子の配列ピッチθｐを
同じにして素子Ｔ１から順にＴｎ側に切り替えて超音波
を発信すると、各素子から試験体１内に放射される超音
波の透過経路となる弦のＹ−Ｙ’上の深さ方向への移動
量は、当然、角度が大きくなるにしたがって移動量が大
きくなり等間隔ではなくなる。この場合にも、角度θｎ
が小さい時は粗いピッチで駆動素子を選択することで、
Ｙ−Ｙ’上の弦の深さ方向への移動量を同じにすること
もできる。

【００２６】また、アレイ素子の任意の幾つかを一つの
グループとして送受信できるので、θｎが小さい時に各
素子の試験体1 への入射角度が大きくなって入射効率が
低下する場合にも、入射効率の変化に合わせてその低下
を補償するように、送受信の素子数を増やすことによっ
て感度を上げることも可能である。

【００２７】さらに、送受信遅延制御回路５によって、
試験体１内の合成される超音波ビームの伝播方向の制御
や集束制御が可能である。試験体１を透過して受信した
信号は、信号処理回路６でその強度、伝播時間、周波数
スペクトル等を測定し、結果を表示部７に表示し、合否
判定を行う。

【００２８】図５に示すようにある物理量ε(r) が回転
対称であって、しかも半径ｒだけの関数とする。一方、
観測量としては図５に示すようにＸ方向に平均した量Ｉ
（ｙ）が得られるとする。この観測量Ｉ（ｙ） から、
元のε(r) をアーベル変換で容易に求めることができ
る。

【００２９】図６に、アーベル変換による内部硬度分布
の計算結果を示す。白丸は実際の硬度測定結果で、黒ひ
し形が計算結果である。測定は、雰霧焼入れを行った外
径１５０ｍｍ、内径４０ｍｍの中空円柱棒について実施
した。この結果、内側、外側両面の表面側の硬度が高く
なる様子が再現できている。

【００３０】

【発明の効果】本発明の請求項１では、送信側のアレイ
素子の各素子から放射する超音波の音軸の方向を、受信
側のアレイ素子の各素子の超音波の音軸方向に向けてい
るので、送受信の効率が最大限になり受信感度が向上す
る。

【００３１】また、アレイ型超音波探触子の採用で、従
来超音波の入射方向を変化するために使用していたシュ
ーの厚さを最小限にでき、シュー内での強度の減衰や超
音波周波数の低下を防げる。この結果、ＳＮ比がよい透
過波の受信が可能になり、硬化層の評価精度を高めるこ
とができる。

【００３２】本発明の請求項２では、本発明のアレイ型
超音波探触子による硬化層評価装置を回転対称体に適用
している。従って、アレイ型超音波探触子の設計が容易
にできる。

【００３３】本発明の請求項３では、個々のアレイ素子
の入射角度の設定を、シューに貼り付ける超音波振動子
の超音波放射面の角度を変えて行っている。従って、試
験体１に入射する超音波の音軸の方向を簡単な構成で設
定できる。

【００３４】また、試験体１内に放射する超音波の音軸
の方向をすべて平行にしたので、アーベル変換等によっ
て内部硬度が簡単な計算で求めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の装置のアレイ型超音波探触子の構成
図。

【図２】本発明のアレイ素子の指向方向説明図。

【図３】従来のアレイ素子の指向方向説明図。

【図４】本発明の硬化層評価装置の構成図。

【図５】アーベル変換の説明図。

【図６】測定結果の一例。

【図７】従来の硬化層評価装置の探触子配置の一例。

【符号の説明】

Ｔ…送信用アレイ探触子 Ｒ…受信用アレ
イ探触子 Ｔ1 〜Ｔｎ、Ｒ１〜Ｒｎ…アレイ素子 １…試験体 ２…シュー ３…パルサー・レシーバ回路 ４…送受信走査
回路 ５…送受信遅延制御回路 ６…信号処理回
路 ７…表示部 １０…固定シュ
ー １１…回転シュー

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 焼き入れを施した試験体に超音波を透過
   させ、透過した超音波の減衰、音速、周波数等の超音波
   特性の変化を利用して前記試験体の内部硬度を測定する
   アレイ型超音波探触子による硬化層評価装置において、 前記試験体の内部に前記超音波を透過させるため、前記
   試験体外表面に超音波送信用と超音波受信用のアレイ型
   超音波探触子を配置し、該アレイ型超音波探触子の各ア
   レイ素子の音軸の前記試験体への入射角度を個々に調整
   し、送信用の前記アレイ型超音波探触子の各アレイ素子
   から放射する前記超音波の前記試験体内での音軸の方向
   と、これと対応する受信用の前記アレイ型超音波探触子
   の各アレイ素子の前記試験体内での音軸の方向がそれぞ
   れ正対するように配置したことを特徴としたアレイ型超
   音波探触子による硬化層評価装置。
2. 【請求項２】 前記試験体は、回転対称体又はその一部
   であり、前記試験体外表面に配置した前記アレイ型超音
   波探触子のアレイ素子の配列方向は、前記試験体の回転
   対称軸に垂直な断面の外周面周方向であることを特徴と
   した、請求項１に記載のアレイ型超音波探触子による硬
   化層評価装置。
3. 【請求項３】 前記アレイ型超音波探触子の各アレイ素
   子の音軸の前記試験体への入射角度を個々に調整する方
   法は、前記試験体の回転対称軸に垂直な断面内で、前記
   アレイ素子の音軸の入射点に対する法線に対して、前記
   アレイ素子から放射する超音波を試験体に伝達するシュ
   ーに固定した前記アレイ素子の、超音波放射面の角度を
   個々に変えて行い、各アレイ素子の前記試験体内に放射
   する前記超音波の音軸が全て平行であることを特徴とし
   た、請求項１又は２に記載のアレイ型超音波探触子によ
   る硬化層評価装置。