JPS62169049A - 回転部品の欠陥診断装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は複雑形状物、特にセラミックスターボチャージ
ャーロータ等のように、従来の検査製蓋では困難であっ
た構造物の診断装置に関する。

〔発明の背景〕

従来よ？）製品や材料の欠陥を検出する手法として、超
音波探傷法やＸ線法、渦電流法などが知られている。し
、かじ、構造が複雑なものになると。

センサの大きさやセンサ設置場所の制約から、その検査
は困難に々る場合が多い。

近年、耐高温特性、耐摩耗特性、耐食性並びに軽量であ
る等の優れた％性を有することから、セラミックスが各
方面にて使用されている。特に高温特性が優れている観
点から、自動車のターボチャージャーにセラミックスを
使用する機運にある。

前記ターボチャージャーロータは小型でしかも形状が非
常に複雑であるなめ、前述した超音波探傷などによる製
品の良否の診断は困難である。そこでＡＥ法による診断
が一部で適用されている。

たとえば、特頚昭５８−４８７４８に示されるように、
被診断部材に熱を加えることにより、欠陥部に熱応力を
発生させ、そこから発生するＡＥ倍信号検出して、被診
断部材の良否を診断する手法が考えられる。本方法では
急激なヒートショックを波計″１ｆＴｆｆ（！材に加え
なければＡＥ倍信号発生しにくい点、各部への均一な負
衛荷重を加えるのは難か１−５い点、欠陥■（分の正確
な位置の標定は難かしい点などの間＠を含んでいる。

〔発明の目的〕

本発明の目的はセラミックスターボチャージャーロータ
等の複雑形状物の欠陥を早期に、しかも欠陥の位置も標
定できる回転部品の欠陥診断装置を提供することにある
。

〔発明の概要〕

本発明の特徴はセラミックスターボチャージャーロータ
等の複雑形状物を高速にて回転させ”Ｃ１被試′倹体に
遠心力による応力を加えることによって欠陥があった場
合、応力集中により発生するＡＥ倍信号亀裂の進展によ
って発生するＡＥ倍信号空中超音波センサ等の音響セン
サにて検出することにより、複雑形状物の欠陥の有無の
診断を可能に１４．た点と、前記ＡＥ倍信号回転信号と
の時間的相関並びにＡＥ倍信号時間差を計測することに
より。

欠陥発生位置も標定できることを可能にし念点にある。

〔発明の実施例〕

複雑形状物は多数あるが、説明の都合上、ここではセラ
ミックスのターボチャージャーロータを例にとって説明
する。

第１図に示されるようにターボチャージャーロータ１は
複雑な形状をしており２羽根の数は通常９〜１１枚程変
ある。全長は使用目的などによっても異なるが、１１０
０ｎｒ程度で、用いられている材料はＳｉｃや５ＩｓＮ
４７どである。該ターボチャージャーロータｉｆ−を第
１図に示されるように回転部、験機２に取り付けられ、
該回転試験機２によって、該ターボチャージャーロータ
１を回転させる。

該ターボチャージャーロータ１の近傍には空中超音波セ
ンサ３が摩り付けられている。

該ターボモヤ−ジャーロータ１の回転数を低速から徐々
に高速にすると欠陥や亀裂のあるターボチャージャーロ
ータはＡＥ倍信号放出する。該ＡＥ倍信号該空中超音波
センサ３に、て受信される。

次に該空中超音波センサ３の出力は増１鶴器４Ｖｃて増
＠され、フィルタ５に入力される。該フィルタ５では必
要以外の同波数成分を除去し、比較回路６に１ぎ号を出
力する。一方、該フィルタ５の出力は平均値検出回路７
に入力され、その出力は直流増Ｉ福器８に入力される。

該直流増幅器８では、該平均値検出回路７の出力を増幅
し、その出力は該比較回路６の比較電圧として該比較回
路６へ出力される。

次に該比較回路６の出力はカウンタ９に入力され、該カ
ウンタ９でに該比較回路６より出力されるパルスを積算
する。次に該カラ／り９の出力は異常判定器１０に入力
され、該カウンタ９より出力される値が設定値を越えた
場合、アラーム１１を１ｉｉｌ＋作させるための信号を
該アラーム１１に出力する。

次に以上の構成における検出動作を第２図に示す各回路
の出力波形図を参照しながら詳細に説明する。

該ターボチャージャーロータ１を取り付けた回転試験機
２の回転数は第２図に示すように徐々に上昇して行く。

この時、該空中超音波センサ３にて受信され、該増幅回
路４．該フイルタ５を通ざｆｉた信号の出力は同図に示
すように１回転に伴なうノイズを受信しバックグランド
ノイズが徐々に大きくなる。該比較回路６に入力される
比較電圧Ｅｔは同図に示されるように、バックグランド
ノイズと平行しながら上昇する。良品のターボチャージ
ャーロータの場合は回転数が上昇してもＡＥ倍信号放出
しないため、同図に示されるように。

該比較回路６よりパルス信号は出方されたい。ところが
不良品、すなわち欠陥や亀裂を有するターボチャージャ
ーロータの場合は遠心力による欠陥・＼の応力集中や亀
裂の進展等によりＡＥ信号全放出するｔめ、同図に示す
ように該比較回路６よりパルス信号が出力される。

次に該パルス信号は該カウンタ９に入力され。

その数を積算していくため、同図に示ｆｘ、うに出力レ
ベルが徐々に上昇する。該異常判定器１０では該カウン
タ９の出力が設定値Ｅｄを越えた場合、同図に示すよう
に該アラーム１１を動作させるための信号を出力する。

なお、該回転試験器２に通常使用されているＡＥセンサ
を股冑しても、該回転試験機の軸受部を介し、て１該タ
ーボチヤージヤーロータ１より発生するＡＥ倍信号受へ
できるため、上述しｔ実施例と同様の診断が可能である
。

上述した本発明による一実施例によれば、被診断部材・
＼の荷重の印加方法は、遠心力による方法を採っている
ため、各羽根並ひにロータ等に均一な荷重をカロえるこ
とが可能である。また、欠陥部・＼の応力集中や亀裂の
進展により発生するＡＥ倍信号評価する手法を用いてい
るため、セラミックスターボチャージャーロータ等の複
雑形状物の正確な強度評価並びに早期に製品の良否の診
断が出来る特徴を有する。

次に本発明の他の実施例について説明する。第３図の実
施例は第１１図に示した実施例の機能を拡張したもので
ある。

第１の実施例ではターボチャージャーロータの欠陥や亀
裂の進展を診断することは可能であったが、欠陥や亀裂
がどこの場所にあるのかを標定することは困難である。

欠陥や亀裂の進展位置を針側することは、製品の検査の
みならず、どの部分が強電的に弱いのか等を判定できる
ため、製品の設計や開発を行なう上で重要である。

第３図の実施例ではターボシャージャーロータの回転信
号とＡＥ倍信号の時間的相関を採ることに↓り、欠陥や
亀裂の進展位置の標定を可能とし。

た。以下第３図に示した実施例を第４図に示す各回路の
出力波形図を用いて説明する。

ターボチャージャーロータ１は回転試験器２に取り付け
られ１回転さｎる。該ターボチャージャーロータ１の近
傍には該ターボチャージャーロータ１の回転数を検出す
るための回転数検出器２１゜２２が取り付けられている
。該回転数検出器２１は該ターボチャージャーロータ１
の１回転分を検出するもので第４図に示すようＶＣ１回
転ＶＣ１回バルスを出力する。同様に該回転数検出器２
２は１回転あなり数十〜数百のパルスを出力する。該回
転数検出器２１．２２は例えば光１式のもので良く、該
ターボチャージャーロータ１に回転板２３２４等を取り
付け、それに銀紙等の反射板を貼り付けておけば回転パ
ルスを簡単に増ジ出せる。該回転試験器２より直接前記
と同様なパルスが取り出せるのであれば、これを用いて
も良い。

一方、空中超音波センサ３にて受信さｆ１１信号は、第
１図の実施例と同様、増幅器４、フィルタ５、比較回路
６．平均１直回路７．直流増幅器８１Ｃで処理される。

前述し北回転数検出器２１．２２及び比較回路６の出力
は、ＡＥ信号発生位會標定回路２５に入力される。該Ａ
Ｅ信号発生位首標定回路２５では、該比較回路６及び該
回転数検出器２１．２２より出力されるパルスの時間的
相関を調べることにより、該ターボチャージャーロータ
１のどの回転角度、すなわち、どの羽根よりＡＥ倍信号
発生しているかを計測する。次に該ＡＥ信号発生位首標
定回路２５の測定結果はマイクロコンピュータ２６ＶＣ
転送され、ｆ−夕の解析がなされ、その結果がディスプ
レイモニタ２７にて表示される。

次に該ＡＥ信号発生位置標定回路２５の具体的構成例と
その動作について説明する。該回転数検出器２１の出力
はアドレスカウンタ３０を起動及びリセットサせる念め
のパルス信号として、又該回転数検出器２２の出力は該
アドレスカウンタ３゜にてカウントするクロックパルス
として該アドレスカウンタ３０に入力される。すなわち
、該アドレスカウンタ３０では、第４図に示すように該
回転数検出器２１よりパルスが入力さｆ１２時点より該
回転数検出器２２より出力されるパルスの数をカウント
する。核アドレスカウンタ３ｏの出力は常時ＲＡＭメモ
リ３１に出力される。

一方、第４図に示すようにＡＥ倍信号発生した場合は、
該比較回路６よりパルス信号が出力される。該パルス信
号Ｆｌ　Ｒ／Ｗコントロール回路３２に入力される。該
Ｒ，／Ｗコントロール回路３２では、前記パルス信号が
入力された場合、第４図に示すリード信号、ライト信号
を該ＦＬＡＭメモリ３１に出力する。該リード信号が該
ＲＡＭメモリ３１に人力された場合、加算回路３３でに
、リードデータに１を加え、該ライト信号で該ＦＬ　、
Ａ−Ｍメモリ３１に該アドレスカウンタ３０にて計測し
たパルスカウント数に応じた値を指定アドレスに記録す
る。該アドレスカウンタにて計測したパルスカウント数
が常に同じ値になる場合でも、該加算回路、３３にで常
に同一アドレスにデータが積算され記録される。丁なわ
ち、第４図に示すように該Ｒ，ＡＮメモリ３１には該タ
ーボチャージャーロータ１の回転規準位置からＡＥ倍信
号発生した時までの時間Ｔ、、Ｔ２が記録される。この
ことは該ターボチャージャーロータ１の回転規準位置か
ら３６００のどの回転角にてＡＥ倍信号発生したのか検
出できるため、ＡＥ倍信号発生した羽根が標定できる。

次に該Ｉｔ　Ａ　Ｍメモリ３１の記録データはマイクロ
コンピュータ２６に入力される。該マイクロコンピュー
タ２６では該Ｒ，Ａ　Ｍメモリ３１より出力され念デー
タより種々の解析を行ない、ディスプレイモニタ２７に
その結果を出力する。−例として第５図に示すように回
転角度３６０°方向におけるＡＥ発生状況のバーク２フ
表示を行なう。該表示を観察すれば、ど９羽根に不良が
あるのか即座に診断できる。なお、回転角式方向の分解
能は該回転数検出器２２より出力されるパルス数を多く
でれば上昇するが１分解能ｔｒ１１回転あたり１２８程
度あれば十分である之め、該ＲＡＭメモリ３１ｔｆ’１
．　１２８　Ｗｏｒｄ、　３ｂ　ｉｔ程度のメ＋ＩＪＴ
＆い。

以上の説明においては羽根の欠陥標定に絞って述べたが
６羽根の付は根部の異常やロータ内部の異常の検出も可
能である。

上述した発明の一実施例を用いれば、ターボチャージャ
ーロータのどの部分に欠陥があるのか即座に検出できる
なめ、製品の良否の判定にとどまらず、どの部分が現行
製品において良く破損するかなどの診断もできるため、
製品の設計、開発にも十分貢献できるなど、工業上、そ
の効果は極めて大きい。

次に本発明の他の実施例について説明する。第６図の実
施例は第１図、第３図に示した実施例の機能をさらに拡
張し念ものである。

第１．第３の実施例では、欠陥や亀裂の進展の検出とそ
の回転角度方向の位置の標定か可能であったが、欠陥や
亀裂の進展位置が羽根の先端部であるのか、つけ根部で
あるのか、又ロータ部にあるのか（ここでは説明の都合
上、水平方向の欠陥と呼ぶ。）を検出１゛ることは困難
であった。どの部分が強度的に弱いのかを知ることはタ
ーボチャージャーの設計、開発を行なう上で重要な課題
である。

第６図の実施例では、少なくとも２ヶ以上の空中超音波
センサを対角方向に増り付け、ターボチャージャーロー
タより発生するＡＥ倍信号時間差を計ｆｉｌｌすること
により、水平方向の欠陥や亀裂の進展及び破断位置等の
検出を可能とした。以下第、６図に示し念実施例を参照
しながら説明する。第６図はターボチャージャーロータ
１を上部から見た簡略図である。該ターボチャージャー
ロータ１の近傍に少なくとも２ヶ以上の空中超音波セン
サを取り付ける。ここでは説明の都合上３ａ、３ｂのみ
とする。次に該ターボチャージャーロータ１は該回転試
験器２によって回転される。回転数が上昇した場合、仮
りに該ターボチャージャーロータＩにおいて１羽根の付
は根部の強度が弱い場合（同図に示す×印）、そこから
ＡＥ倍信号発生する。該空中超音波センサ３ａ、３ｂＶ
Ｃに第７図に示すように、、Ａ　Ｅ信号が発生した場所
に比例した時間差Δｔをもって計測される。次に該空中
超音波センサ３ａ、、３ｂの出力は第１の実施例と同様
に。

増幅器４ａ、４ｂ、フィルタ５ａ、５ｂ、比較回路６ａ
、５ｂ、平均値検出回路７ａ、７ｂ、直流増幅器ｇａ、
３ｂにて処理される。

該比較回路５ａ、５ｂからは前述したＡＥ倍信号時間差
に比例したパルス信号が出力される。次に該パルス信号
は位置標定精度４０に入力される。

該位置標定装［４０は通常のＡＥ計測装會に使用されて
（へるもので用い。該位置標定精度ｉ４０では前述した
時間差Δｔより次なる計算式より、水平方向の欠陥位＃
Ｌを算出する。

Ｌ＝−Δｔ　　　　　　　　　　　　・・・（１）Ｌ：
ターボチャージャーロータ中心からの距離Ｖ；空気中を
伝わるＡＥ倍信号音速 次に該位置標定装置４０の出力はデイスブンイモニタ４
１に入力され、第８図に示す例のごとく。

結果が表示される。

上述した発明の実施例を用いれば、ターボチャージャー
ロータの水平方向のどの部分に欠陥や亀裂の進展がある
のか、又どの部分が弱いのかが検出できるため、良好な
ターボチャージャーロータを開発する上で有力な武器と
なる。

本発明は第１．第３．第６の実施例における機能をざら
に拡張したものである。第１．第３．第６の実施例にお
いては、複数個の超音波センサを用いて位ｇｔ襟定を行
なっていたがセンサの数かある程度制約されるため、精
密な位置標定精度は望めなかった。

第９図の実施例ではマルチチャネル空中超音波センサを
用いることにより１位＃標定精度の向上を図つ念もので
ある。該ターボチャージャーロータ１は回転試験器２に
取り付けられ回転される。

該ターボチャージャーロータ１０回りには同図に示すよ
うに数十〜数百個のマルチチャネル空中超音波センサ５
０が取ジ付けられている。該マルチチャネル空中超音波
センサ５０は１ヶ当りが超小型のもので、バンド状に二
次元的に配列されている。次に該空中超音波センサ５０
の出力はＬＳＩ化され念信号処理回路５１に入力される
。該信号処理回路５１け第１の実施例に示した増幅器４
、フィルタ５．比較回路６．平均値検出回路７．直流増
幅器８の機能を備えたものである。該ターボチャージャ
ーロータ１からＡＥ倍信号発生した場合、前記ＡＥ倍信
号該マルチチャネル空中超音波センサ５０にて受信され
、その結果それぞれの空中超音波センサの数だけパルス
信号が、該信号処理回路５１より出力される。第１０図
に出力波形例を示す。

次に該信号処理回路５１の出力は第１到達信号判別回路
５２に入力される。前記ＡＥ倍信号発生した位置に一番
近い空中超音波センサにて、一番最初に受信され１発生
位置から離れるに従い、遅れ時間が多くなる。そこで該
第１到達信号判別回路５２では、該マルチチャネル仝中
°超音波センサ５０にて受信した信号が軸方向に配置し
ｔ該マルチチャネル仝や超音波センサ５０の何段目のセ
ンサに第１に到達したのかを判断し、その情報を第１０
図に示すようにゲート回路５３に出力する。

該ゲート回路５３にに回転数検出器５４より回転基準パ
ルスが入力される。該回転数検出器５４に該マルチチャ
ネル空中超音波センサ５０の周方向の配列ごとに設′Ｉ
ｔされている。たとえば、該ターボチャージャー１の羽
根の数（ここでは説明の都合上１０枚とする）だけ配倉
丁れば、同図に示す工うに該回転数検出器５４からは１
０個のパルスが時経列的に得られる。丁なわち、前記回
転基準パルスに該ターボチャージャーロータ１の各羽根
が現在どの空中超音波センサ列にあるのかを知らせる信
号である。上記回転基準パルスが入力さ几るこ之により
、該ゲート回路５３のゲートでは指定さｆ′１．たゲー
トが開けらＪする。たとえば、第１０図に示すように該
ターボチャージャー　１の羽根す／バー５よりＡＥ倍信
号発生した場合、前記羽根ナンバー５に相当するゲート
が開くため、該第ｊＪ、ｌ運信号判別回路５２より出力
される軸方向センサの第１到運センサの位置情報のみが
Ｒ，Ａ　Ｍメモリ５５に入力される。

以上述べた処理を行なうことにより、該ターボチャージ
ャー１より発生しｒｋＥ信号の軸方向と周方向の位置が
検出されることになる。前記ゲート回路５３よす出力ざ
４る出力は二次元の発生位情情報とな！ｌｌ該ルＡＭメ
モリ５５の指定アドレスに入力されることになる。

一方、＃記倍号処理回路５１より該第１到達倍号判別回
［５２にパルス信号が入力された場合。

該第１到達信号判別回路５２から第１０図に示すリード
、ライト信号が該凡ＡＭメ七り５５に入力される。前記
リード信号が該ＲＡＭメモリ５５に入力された場合、加
算回路５６では、リードデータに１を加え、前記ライト
信号で、該ゲート回路５３より出力され念二次元の位置
情報を該Ｒ，ＡＭメモリ５５０指足アドレスに記録する
。該ゲート回路５３より同一の指定アドレスに相当した
信号が入力さｆｌｆｃ場合でも、該加算回路５６により
。

その値が同一アドレスに蓄積され記録される。次に該Ｒ
ＡＭメモリ５５の記録データはマイクロコノピュータ５
７に入力され２種々の解析を行ない。

その結果をディスプレイモニタ５８にて表示する。

−例として第１１図に示すようにターボチャージャーロ
ータの局方向３６０°及び軸方向の二次元位ｔｌ標定結
果の表示を行なう。上記結果を見れば。

二次元的に診断結果が表示されるので、どの部分に欠陥
や亀裂の進展があるのか詳細に知ることが可能となる。

なお、該Ｒ，ＡＭメモリ５５に該マルチチャネル空中超
音波センサ５０の数に比例しｔＷｏｒｄ数があれば良く
７たとえば軸方向に８チャ坏ル、ｆｆｔＪ方向に６４チ
ヤネルの空中超音波センサを配列丁れば５１２　Ｗｏｒ
ｄで１３ｂｉｔ８度）ＲＡ　Ｍメモリを用いれば良い。

上述した発明を用いれば、欠陥の有無や亀裂進・展位首
を二次元的に梢匿よく診断することが可能となる几め、
製品の良否の判定にとどまらず、製品の設計、開発に貢
献できるなど、工業上、その効果は極めて大きい。

〔発明の効果〕

本発明によｆｉば、セラミックスターボチャージャーロ
ータのような複雑形状物の欠陥や亀裂の発生を早期に検
出が可能であり、しかも位置の検出も出来るため、製品
の良否の診断にとどまらず、製品の設計、開発に貢献で
きるなど、工業上その効果は極めて太さい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である回転部品の欠陥診断装
置のブロック図、第２図は第１図の効果を説明するため
の出力波形１図２第３図は本発明の他の実施例を示す図
、第４９および第５図（ｒｆ、第３図の効果を説明する
ための出力波形図お・よび診断結果を示す図、第６図は
本発明の他の実施例を示す図、第７図および第８図は第
６図の効果を説明するための出力波形図および診断結果
を示す図。 第９図は本発明の他の実施例を示す図、第１０図および
第１１図は第９図の効果を説明するための出力波形図お
よび診断結果を示す図である。 １・・・ターボチャージャーロータ、２・・・回転試験
器。 ３・・・空中超音波センサ、１０・・・異常判定器、１
１・・・アラーム、２１．２２・・・回転数検出器、２
５・・・ＡＥ発生位１概定回路、３０・・・アト°レス
カウンタ。 ３１・・・ＲＡＭメモｌＪ、３２・・・Ｒ／Ｗコントロ
ール回某８図 高１０霞

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、被診断部材である複雑形状物を回転させるための回
   転試験手段と該複雑形状物より発生するＡＥ信号を検出
   するための空中超音波センサと該空中超音波センサにて
   受信した信号を増幅する増幅手段と、該増幅手段より出
   力する信号をパルス信号に変換する比較手段と該比較手
   段より出力されるパルス信号の数より異常を判定しアラ
   ームを動作させる異常判定手段とから構成されることを
   特徴とする回転部品の欠陥診断装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、該複雑形状物の回
   転情報を検出するための回転情報検出手段を備え該回転
   情報検出手段より出力されるパルス信号と該比較手段よ
   り出力されるパルス信号との時間的相関から該複雑形状
   物の周方向の発生位置を検出するＡＥ信号発生位置標定
   手段と該ＡＥ信号発生位置標定手段にて処理されたデー
   タを演算解析するマイクロコンピュータと該マイクロコ
   ンピュータの解析結果を表示するディスプレイモニタよ
   り構成されることを特徴とする回転部品の欠陥診断装置
   。 ３、特許請求の範囲第２項において、該回転情報検出手
   段は該複雑形状物の１回転に１回回転パルス信号を出力
   する第１の回転情報検出手段と１回転に複数回以上の回
   転パルス信号を出力する第２の回転情報検出手段より構
   成され該ＡＥ信号発生位置標定手段は該第１の回転情報
   検出手段より回転パルスが入力された場合該第２の回転
   情報検出手段より出力される回転パルス信号のカウント
   を開始するアドレスカウンタと該比較手段よりパルス信
   号が入力された場合ＲＡＭメモリにリード信号及びライ
   ト信号を出力し該アドレスカウンタにて計測した回転パ
   ルス信号のカウント数を該ＲＡＭメモリの指定アドレス
   に記録させる動作を行なうＲ／Ｗコントロール回路と該
   リード信号が該ＲＡＭメモリに入力された場合該ＲＡＭ
   メモリの指定アドレスデータをリードして１を加算後該
   ＲＡＭメモリの指定アドレスにデータをライトする加算
   回路とから構成されることを特徴とする回転部品の欠陥
   診断装置。 ４、特許請求の範囲第１項において、該空中超音波セン
   サを該複雑形状物の対角方向に少なくても２個以上設置
   し対角方向に設置された該空中超音波センサにて受信し
   たＡＥ信号の時間差から該複雑形状物の水平方向の発生
   位置を標定する位置標定手段と該位置標定手段の標定結
   果を表示するディスプレイモニタとから構成されること
   を特徴とする回転部品の欠陥診断装置。 ５、特許請求の範囲第１項において、該空中超音波セン
   サを該複雑形状物の周方向及び軸方向に数十〜数百個を
   二次元的に配列したマルチチャネル空中超音波センサを
   設置し、該マルチチャネル空中超音波センサにて受信し
   たＡＥ信号の時間差から該複雑形状物より発生するＡＥ
   信号の周方向及び軸方向の二次元的な発生位置を標定す
   る位置標定演算処理手段とその結果を表示する表示部と
   から構成されることを特徴とする回転部品の欠陥診断装
   置。