JPH03285143A - 被測定物中の異硬度部分の検出方法及び装置 - 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】 【産業上の利用分野】

この発明は、被測定物中の異なる硬さ部分を検出する方
法及び、装置に関し、被測定物に生じる亀裂や欠けを事
前に検出するために好適なものである。

【従来の技術】

例えば自動車のエンジンのピストン機構に用いられるシ
リンダ部品やピストン部品は、鋳物で作れられるが、こ
れらの部品に亀裂、空洞、凹みなどの欠陥かあると、ピ
ストン機構の不良を招く。 そこで、従来からこれら亀裂、空洞、凹み等の欠陥を有
する部品は、エンジン組み立て前に、部品の製造ライン
において検出し、不良品として廃棄するようにしている
。 この種の欠陥の検出及び位置評定方法としては、従来、
超音波の反射による方法、ＡＥ（アコースティックエミ
ション）による亀裂発生時の音による検出方法、ＣＣＤ
カメラによる観測法、Ｘ線写真法、カラーチエツク法な
ど知られている。

【発明が解決しようとする課題】

しかしながら、欠陥等が生じていない部品であっても、
例えば鋳鉄の含有黒鉛が局所的に球状化していて、その
部分が他の部分よりも高い硬度になっていると、この部
品を例えばピストン部品として使用中にその硬い部分に
亀裂や欠けを生じる恐れがあり、危険である。しかしな
がら、前述したように、事前にこの硬度の局所的に高い
部分を検出する方法及び装置は従来存在せず、製造ライ
ンにおいて、このような部品を取り除くことは従来はで
きなかった。 また、例えば圧延機に用いられる圧延ローラは、中心部
分が軟鉄で構成されると共に、その外側の溶融した高熱
の鉄と圧接する部分は鍛造鉄から構成されている。この
鍛造鉄は硬度を高めるため、カーボンを含有しているが
、当初、この鍛造鉄部分に硬度が偏在する部分がなかっ
たとしても、高熱及び高圧のためにカーボンが球状化（
ダイヤモンド化）し、局部的に硬度の高い異硬度部分が
生じてしまう。そして、このように異硬度部分が生じる
と、その部分はやがて亀裂や欠けを生じるため圧延ロー
ラが壊れてしまう。 しかしながら、圧延ローラ中の球状化による硬度の高い
異硬度部分の存在を検出する手段が従来存在しないため
、従来は、安全率を見込んで圧延ローラを所定時間使用
したら交換するようにしている。 しかしながら、安全率を見込んだとしても、場合によっ
ては、圧延ローラを交換する前に異硬度部分の発生から
亀裂を生し、壊れてしまうことかある。そして、圧延ロ
ーラが一旦壊れてしまうと、圧延機の復旧には多大の労
力と時間を要する。 そこで、圧延ローラ中の異硬度部分の存在を検知して、
確実に圧延ローラの破壊を防止できることか望まれる。 この発明は、以上の点に鑑み、被測定物中に他と異なる
硬さ部分がある時、これを検知できるようにする方法及
び装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

この発明による検出方法は、 被測定物に振動を加えて、その振動をピックアップし、
このピックアップした振動から上記被測定物の固有振動
の持つスペクトルが２つに別れることを検出することに
より、上記被測定物中に異硬度部分が存在することを検
出する。 また、この発明による検出装置は、 被測定物を加振する加振手段と、 上記被測定物の振動をピックアップし、電気信号に変換
するピックアップ手段と、 このピックアップ手段からの電気信号を受け、上記被測
定物の固有振動をスペクトル分析し、上記被測定物の基
本固有振動スペクトルのピークの近傍に、上記被測定物
中の異硬度部分による振動のスペクトルのピークが存在
するか否かを判別する手段とを備える。 また、上記被測定物中の異硬度部分の位置を評定するこ
ともでき、その方法は、 被測定物の周囲に沿った複数箇所において、上記被測定
物に振動を加え、各加振位置における上記被測定物の固
有振動の基本固有振動スペクトルのピーク値ＰＫＩと、
上記被測定物中の異硬度部分による振動のスペクトルの
ピーク値ＰＫ２とを求め、上記基本固有振動スペクトル
のピーク値ＰＫＩと、上記異硬度部分による振動のスペ
クトルのピーク値ＰＫ２との差（ＰＫＩ−ＰＫ２）が最
大になる位置を、上記被測定物中の異硬度部分の存在位
置として評定することを特徴とする。 また、位置の評定のための装置は、 被測定物の周囲に沿った複数箇所を順次に加振する加振
手段と、 上記被測定物の振動をピックアップし、電気信号に変換
するピックアップ手段と、 このピックアップ手段からの電気信号を受け、上記各加
振位置において、上記被測定物の固有振動をスペクトル
分析し、上記被測定物の基本固有振動スペクトルのピー
ク値ＰＫＩと、上記被測定物中の異硬度部分による振動
のスペクトルのピーク値ＰＫ２とを求める手段と、 上記複数の各加振位置における各ピーク値から上記基本
固有振動スペクトルのピーク値の変化の軌跡と、上記被
測定物中の異硬度部分による振動のスペクトルのピーク
値の変化の軌跡を求め　る手段と、 上記求めた軌跡から両ピーク値の差（ＰＫｌ、−ＰＫ２
）が最大となる位置を検出し、この位置を上記被測定物
中の異硬度部分の存在位置として評定する手段を備える
ことを特徴とする。

【作用】

加振された被測定物の振動は、非接触でピックアップ可
能である。そして、この発明の発明者による研究の結果
、そのピックアップされた振動をスペクトル分析すると
、被測定物中に異硬度部分（異物を含む）がある場合に
は、被測定物の固有振動が持つスペクトルか２つに別れ
ることが観測できることが判明した。 これは、振動の伝播速度は物質の硬さに応じて異なり、
硬度か高いほど伝播速度が早くなる性質を有しているこ
とに起因する。すなわち、被測定物中に局部的に硬度の
高い部分が存在すると、その部分では振動の伝播速度が
早くなり、被測定物の固有振動のエネルギーは、基本固
有振動のエネルギーと前記硬度の高い部分を含む振動の
エネルギーとに振動のエネルギーが別れる。そのため、
前記のように被測定物の固有振動が持つスペクトルは２
つに別れて観測されることになる。したがって、被測定
物中に他の部分よりも硬い部分が偏在すると、被測定物
の固有振動が持つスペクトルは、基本固有振動スペクト
ルと、それよりも高い周波数側のスペクトルとに別れて
現れる。また、同様にして被測定物中に他の部分よりも
柔らかい部分か偏在すると、被測定物の固有振動が持つ
スペクトルは、基本固有振動のスペクトルと、それより
も低い周波数側のスペクトルとに別れて観測されるもの
である。このようにして、被測定物の固有振動が持つス
ペクトルか２つに別れて観測できる可否かにより、被測
定物中の異硬度部分の有無を検出することができる。 そして、基本固有振動のエネルギーと異硬度部分による
振動のエネルギーとの和は、加振位置に限らず一定であ
るか、異硬度部分の位置に対する加振位置に応じて両者
の振動の大きさが異なる。 このため、加振位置により両者の振動のスペクトルのエ
ネルギー（スペクトルのピーク値）の比が異なる。そし
て、異硬度部分の位置で加振したときは、異硬度部分に
よる振動のエネルギーはほぼ０となるので、基本固有振
動スペクトルのピーク値と、上記異硬度部分による振動
のスペクトルのピーク値との差が最大になり、この位置
を上記被測定物中の異硬度部分の存在位置として評定す
ることができる。

【実施例】

以下、この発明の一実施例を図を参照しながら説明する
。 先ず、この発明による検出方法及び装置における原理に
ついて考察する。この発明方法及び装置は、以下に説明
するような、発明者の研究の結果、誕生したものである
。 今、例えば被測定物として鋳造物からなる中空円筒状シ
リンダ部品を考える。そして、このシリンダ部品に衝撃
を与える等して振動を加え、この振動を変位計や指向性
の鋭い振動検出センサでピックアップする。すると、硬
さに偏在がない中空円筒の場合には、その固有振動をス
ペクトル分析すると、第１２図Ａに示すように、第１次
、第２次・・・・・・と、それぞれ各次数において１つ
のピークを持つスペクトラムが得られる。このスペクト
ルにおいてピークの立つ周波数は、被測定物の形状、材
質、大きさにより定まっている。 これに対し、被測定物の鋳造円筒シリンダ２の壁面を貫
通するように繋がった部分】で、例えば黒鉛の球状化が
生じて、この部分１が局部的に非常に硬くなった場合に
は（以下、この部分１を連繋異硬度部分１と呼ぶ）、１
次、３次等の奇数次のスペクトラムに注目したとき、ス
ペクトルのピークは２つに別れて観測することができる
。これは、第２図に示すように、連繋異硬度部分１の存
在により、シリンダ２の円筒側面を伝播する振動波３が
この異硬度部分１０部分では他の部分より早く通過する
ため、この部分１を通る振動の伝播経路が短くなり、そ
の分だけシリンダ部品の基本固有振動スペクトルより高
い周波数側に、この連繋異硬度部分１による振動のスペ
クトルが生じるためである。 すなわち、連繋異硬度部分１がシリンダ部品２に存在し
ている場合には、第１図Ｂに示すように、基本固有振動
スペクトルの第１次スペクトルのピーク１１と共に、周
波数的にその上側に連繋異硬度部分１による振動のスペ
クトルのピーク１２が別れて現われる。ここで、両者の
スペクトルのエネルギーの和は、第１図Ａの異硬度部分
の無い場合の１次スペクトルのエネルギーに等しい。２
次スペクトルは、ピークは１つのままである。 この場合、連繋異硬度部分の大きさ（長さンは、スペク
トルのピーク１１と１２とが立つ周波数位置の周波数差
ｆＫに比例する。ここで、連繋異硬度部分の大きさとは
、連繋異硬度部分部分の容積を指す。 なお、連繋異硬度部分が微小な場合には、これら奇数次
のスペクトルのＱ値（＝　（ｆ＋　　　ｆ：　）／　ｆ
　ｏ　、第３図参照）が大きくなって、幅が広がる。こ
れは、基本固有振動スペクトルと、連繋異硬度部分によ
る振動のスペクトルとが、演算装置の周波数分解能のた
めに、分離せずに結合したものとして観察されるためで
あると考えられる。 したかって、奇数次例えば１次のスペクトルのＱ値の大
小を検出することにより、連繋異硬度部分の有無を判定
することができる。 次に、被測定物のシリンダ部品に円筒壁面にまでは繋が
っていない非連繋異硬度部分かあった場合には、連繋異
硬度部分か他に存在しなければ、第１図Ｃに示すように
１次又は３次スペクトル等、奇数時スペクトルは２つに
別れることはなく、奇数次のみのスペクトルを注目した
たけては、非連繋異硬度部分は検出できない。これは１
次スペクトルとして現れる振動は円周に沿っての振動で
、非連繋異硬度部分のように円筒壁を貫通していないも
のでは、この異硬度部分を通らずに上記振動が伝播でき
るため、１時スペクトルが２つのピークに別れることが
ないからである。 しかし、偶数次、例えば２次のスペクトルに注目すれば
、非連繋異硬度部分は厚み方向にみたとき、やはりこの
異硬度部分を通過する経路を考えることかできるので、
スペクトルが２つに別れることを観察できる。 すなわち、第１図Ｃは被測定物に非連繋異硬度部分のみ
が存在する場合で、２次のスペクトルが基本固有振動ス
ペクトルのピーク１３と非連繋異硬度部分による振動の
スペクトルのピーク１４との２つにピークが別れる。こ
の場合も同様に両者のエネルギー（振幅）の和は、非連
繋異硬度部分が無い場合のそれに等しく、また、非連繋
異硬度部分による振動のスペクトルは上述と同様の理由
から２次の基本固有振動スペクトルよりも周波数的に高
いほうに現われる。 この場合も、両スペクトルのピーク１３と１４とが立つ
周波数位置の周波数差ｆＨが非連繋異硬度部分の大きさ
に比例している。 非連繋異硬度部分が微小な場合には、連繋異硬度部分の
場合と同様に、非連繋異硬度部分による振動のスペクト
ルは２次の基本固有振動スペクトル中に隠れてしまうが
、そのＱ値が大きくなることから、Ｑ値の大小を判定す
ることにより、微小な非連繋異硬度部分を検出すること
ができる。 次に、連繋異硬度部分と、非連繋異硬度部分が同時に存
在している場合には、第１図りに示すように基本固有振
動の１次スペクトルと２次スペクトルについてみると、
共にピークを２つ持つスペクトルとなる。１次スペクト
ルについて、ピーク１５は基本固有振動のスペクトルで
あり、周波数的にその上側にあるピーク１６は連繋異硬
度部分による振動のスペクトルである。また、２次スペ
クトルについて、ピーク１７は基本固有振動のスペクト
ルであり、周波数的にその下側にあるピーク１８は非連
繋異硬度部分による振動のスペクトルである。ただし、
この場合の非連繋異硬度部分の大きさは、非連繋異硬度
部分によるスペクトル中には連繋異硬度部分の存在の影
響があるので、２次スペクトルについての上記２つのビ
ーク位置の周波数差ｆＨから、１次スペクトルについて
の２つのピーク位置の周波数差ｆＫを減算したものとな
る。 ところで１以上説明した新規な検出方法において、基本
固有振動のスペクトルのピーク値と、異硬度部分による
振動のスペクトルのピーク値とは、被測定物の異硬度部
分の位置に対する加振位置によって異なる。 すなわち、前述したように、加振したとき、基本固有振
動のエネルギーと異硬度部分を通る振動のエネルギーと
の和は、加振位置に限らず一定であるが、異硬度部分の
位置に対する加振位置に応じて両者の振動の大きさが異
なることにより、加振位置により両者の振動のスペクト
ルのエネルギ（ピーク値）の比が異なる。 例えば、被測定物が円筒の場合において、１次振動につ
いてのスペクトルのピーク値の変化を考察すると、第５
図に示すように、加振位置を円筒の外側円周に沿った円
周５の上にとって、その１周分の各角度位置における前
記被測定物の固有振動の１次スペクトルのピーク値を、
円周５の中心０点からの大きさとしてプロットして行く
と、基本固有振動のスペクトルのピーク値の軌跡波形は
、異硬度部分（この場合、連繋異硬度部分）がなければ
、真円になる。そして、被測定物に異硬度部分があれば
、第５図の軌跡波形６のようになり、異硬度部分による
振動のスペクトルのそれは、軌跡波形７のようになり、
基本固有振動のスペクトルのピークか大きい加振位置で
は、異硬度部分を通る振動のスペクトルのピークが小さ
くなり、また、逆になる場合もある。そして、両波形６
及び７は、９０度毎にほぼ正弦波状に、同じ軌跡を繰り
返し、かつ、互いに変化の位相か４５度、異なるものと
なる。 波形６または７が、９０度毎にほぼ同じ波形を繰り返す
のは、円筒物をある１点で加振したときには、異硬度部
分がなければ、１次振動は第４図に示すように、−点鎖
線８のような状態と、二点鎖線９のような状態とを繰り
返す振動となり、加振位置Ａから１８０度異なる位置Ｂ
は全く同様に振動をし、加振位置Ａに対し９０度異なる
位置Ｃ１Ｄは、逆相の振動をするからである。したがっ
て、互いに９０度異なる位置Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄのいずれて
加振しても、第５図のような結果が得られる。 そして、異硬度部分が存在する角度位置で加振したとき
には、異硬度部分による振動のエネルギーは最小になり
、一方、基本固有振動スペクトルのエネルギーは最大に
なる。したがって、両者のピーク値の差が最大になる位
置として、異硬度部分、この場合は、連繋異硬度部分の
存在位置を検出することができる。第５図の例では、矢
印Ａで示した位置に連繋異硬度部分が存在する。 こうして、被測定物の周囲に沿って順次複数箇所を加振
し、その各加振位置における基本固有振動スペクトルの
ピーク値ＰＫＩと、連繋異硬度部分による振動のスペク
トルのピーク値ＰＫ２とを求め、両ピーク値の差（ＰＫ
Ｉ−ＰＸ３）が最大となる位置を連繋異硬度部分の存在
位置として検出することができる。 この場合に、被測定物が、その断面の形状が円または楕
円である場合には、第５図に示したように、連繋異硬度
部分が存在する可能性のある位置は、９０度異なる４箇
所で、その４箇所では、基本固有振動スペクトルのピー
ク値は、最大になっており、一方、連繋異硬度部分によ
る振動のスペクトルのピーク値は、最小になっている。 したがって、基本固有振動スペクトルのピーク値の軌跡
か、連繋異硬度部分による振動のスペクトルの軌跡かの
、どちらか一方が分かれば、連繋異硬度部分が存在して
いる可能性のある４箇所の位置を評定することができる
。 また、前述したように、第５図の場合、各ピーク値の描
く軌跡は、９０度毎に正弦波状に繰り返すものとなって
いる。この第５図のように、ピーク値の軌跡が歪むのは
、連繋異硬度部分が円筒の軸方向に対し、斜めの状態に
なっているからで、連繋異硬度部分が軸方向に平行にな
っている場合には、９０度毎にほぼ等しい軌跡を描く。 なお、連繋異硬度部分がどちら側に曲がっているかは、
連繋異硬度部分による振動のスペクトルのピーク値が描
く９０度毎の繰り返し軌跡波形において、軌跡波形が占
める面積により知ることができ、面積が大きいほうに連
繋異硬度部分は曲がっている。 第５図では、連繋異硬度部分は右側に曲がっている。 上記のように、ピーク値が描く軌跡が９０度毎に繰り返
しとなることから、９０度の角範囲での加振により、そ
の９０度角範囲での軌跡波形を求め、これから１周分の
軌跡波形を推定することにより連繋異硬度部分の存在位
置の評定が可能である。 すなわち、第５図のように、曲がりのある軌跡波形を再
現するためには、少なくとも３点の値が必要になる。 そして、９０度離れた加振位置は、同し結果しか得られ
ないことは分かっているので、９０度、１８０度、２７
０度だけ互いに離れた点を取らないようにして、（９０
÷３）度量下の角度層れた加振点を３点以上選べば、９
０度角範囲のピーク値の軌跡波形を描くことかでき、こ
れより被測定物の周囲３６０度分の軌跡を類推すること
ができる。そして、その類推波形から、連繋異硬度部分
が存在する可能性のある４位置を評定することができる
。 以上は、１次振動について考察したが、２次振動につい
ても同様にてき、非連繋異硬度部分の位置評定を行なう
ことができる。 すなわち、第６図に、非連繋異硬度部分がある場合の２
次スペクトルについての基本固有振動スペクトルのピー
ク値の軌跡波形６０と、非連繋異硬度部分によるスペク
トルのピーク値の軌跡波形７０とを示す。 第６図から明らかなように、これら軌跡波形６０及び７
０は、６０度毎にほぼ正弦波状波形を繰り返し、しかも
、基本固有振動スペクトルのピーク値の軌跡波形と非連
繋異硬度部分によるスペクトルのピーク値の軌跡波形と
ては、互いに位相が３０度異なっている。 そして、この場合にも、基本固有振動スペクトルのピー
ク値ＰＫ３と、非連繋異硬度部分による振動のスペクト
ルのピーク値ＰＫ４との差（ＰＸ３−ＰＸ４）が最大と
なる位置を非連繋異硬度部分の存在位置として検出する
ことができる。第６図の場合には、矢印Ｂて示す位置が
、非連繋異硬度部分の存在位置である。 また、非連繋異硬度部分の場合にも、被測定物が、その
断面の形状として円または楕円を有するものの場合には
、前記連繋異硬度部分の場合と同様にして、軌跡波形の
繰り返し性から、少なくとも６０度角範囲分の軌跡波形
を描くことができれば、その軌跡波形から、非連繋異硬
度部分が存在する可能性のある６　（−３６０÷６）箇
所の位置を評定することができる。この場合、２次振動
の場合には、６０度角間隔離れた位置を加振しても、同
じ結果となるので、６０度の整数倍の位置は避けて、複
数箇所加振するようにする。 なお、この第６図の波形は、１２０度毎の繰り返し波形
として考えることもできるので、前記のように９０度／
３の角度以下の間隔で加振するようにすれば、１２０度
の角範囲では、４点以上の加振点おけるスペクトルのピ
ーク値が得られるので、第６図の軌跡波形を類推して描
くことは可能である。 以上のことから、円筒状等、断面の形状が円や楕円の被
測定物の場合に、互いの角間隔が９０度の整数倍及び６
０度の整数倍を除く、９０＠／３以下の角間隔て、３箇
所以上を加振し、各加振位置における被測定物の基本固
有振動のスペクトルのピーク値、あるいは被測定物中の
異硬度部分による振動のスペクトルのピーク値を検出し
て、上記複数の加振位置におけるピーク値が描く軌跡か
ら、被測定物中の異硬度部分の存在可能位置を評定する
ことができる。 次に、以上述べた異硬度部分検出方法及び異硬度部分の
位置評定方法を適用した装置の一実施例を、第７図以下
を参照しながら説明する。 第７図は、この発明方法が適用された異硬度部分の検出
装置の一実施例を示し、この例は円筒状シリンダ部品中
の異硬度部分を検出し、その位置評定を行なう場合の例
である。 被測定物２１としてのシリンダ部品は、例えばマイクロ
コンピュータを有する制御装置２２によって制御される
搬送装置２３によって、測定用ステージ２４上に搬入さ
れて載置される。 測定用ステージ２４は、例えば硬質ゴム等により構成さ
れる。そして、この測定用ステージ２４に被ｎ１定物２
１か載置されたことが、例えば測定用ステージ２４に設
けられたセンサによって検出されると、制御装置２２は
、加振装置２５を駆動し、被測定物２１を加振する。こ
の例ては、加振装置２５は、例えば振り千秋におもり等
の衝撃物により被測定物２１を、例えばインパルス衝撃
する。おもりの駆動機構は、衝撃後、おもりが被測定物
から即座に離れるようにカム機構等により構成される。 この場合、加振装置２５は円筒状の被測定物２１に対し
、その外側周面の複数箇所を、順次に衝撃するようにさ
れる。この衝撃する複数箇所は、９０度の整数倍及び６
０度の整数倍だけ離れた位置を除く位置とされる。 第８図は加振装［２５における被測定物２１の加振部位
の例を説明するための図で、同図Ａは円筒状シリンダの
横断面図、同図Ｂは縦断面図である。この例では、被測
定物２１を、第８図Ａに示すように、２２．５度間隔で
、５箇所の加振位置Ｐ１〜Ｐ５において順次に加振する
。このため、この例では測定用ステージ２４は、水平面
内で回転可能とされ、円筒状被測定物２１は、その中心
線位置が測定用ステージ２４の回転中心位置に合うよう
に位置合わせされて載置される。 そして、先ず、加振装置２５によって被測定物２１の側
周面の位置Ｐ１を加振し、その後、測定用ステージ２４
を２２．５°回転し、被測定物２］の側周面の位置Ｐ２
を加振し、さらに測定用ステージ２４を２２，５°回転
し、被測定物２］の側周面の位置Ｐ３を加振するという
ようにして、順次に加振するものである。 また、この例の場合、被測定物２１の軸方向の加振部位
は、第８図Ｂに示すように、重心位置（形状から定まる
理論上の重心位置）Ｇからずれた位置、例えば被測定物
２１の上端部位置Ｐ４とされる。 このように、重心よりずれた位置で加振すると、形状か
ら決まる理論上の重心位置より上半分と下半分とで、質
量（重さ）が異なるときには（一般には全ての物質はそ
うなっている）、１次及び２次の固有振動のスペクトル
のピークは、前述したピークの他に、もう１つのピーク
が現われる。このピークの周波数位置は、被測定物２１
の上半分と下半分の質量に応じたものとなり、重い方（
例えば下半分）は、高い周波数位置に、軽い方（例えば
上半分）は、低い周波数位置にスペクトルが現われる。 そし、て、異硬度部分が上半分にあるときは、低い周波
数位置の基本固有振動スペクトルに異硬度部分による振
動のスペクトルがベアとなって現われ、また、異硬度部
分が下半分にあるときは、高い周波数位置の基本固有振
動スペクトルに異硬度部分による振動のスペクトルがベ
アとなって現われる。したがって、どちらの基本固有振
動スペクトルにベアとなる異硬度部分のスペクトルが現
われるかにより、被測定物中、異硬度部分が上半分にあ
るか、下半分にあるかが判別できる。両方に現われた場
合には、被測定物中の軸方向の中間部に異硬度部分が存
ることがわかる。 以上のようにして、加振された被測定物２１の振動は、
非接触で出力振動受信装置２６のセンサ２７て検出され
、電気信号に変換され、シグナルコンディショナー２８
にて所定の信号処理がなされる。センサ２７は、振動を
検出できるものであれば、どのようなものでも使用でき
、変位計等を用いることもてきる。もつとも、周囲から
の雑音振動をできるだけ拾わないようにするために、被
測定物の方向に鋭い指向性を有するものが好ましい。 シグナルコンディショナー２８では、電気信号が増幅さ
れ、また、不要高低酸成分の除去（トレンドの除去）な
どが行われる。この例の鋳鉄のシリンダ部品の場合、固
有振動のうち基本固有振動の１次スペクトルは、例えば
ｌ、５ｋＨｚに現われ、２次スペクトルは、その約２．
８倍の約４ｋＨｚに現われるからである。 出力振動受信装置２６からの電気信号は、伝送路２９を
介して演算処理・判定装置３０に供給される。この演算
処理・判定装置３０は、例えばマイクロコンピュータを
有し、ソフトウェアにより後述の演算処理及び判定動作
をなすものであるが、この処理を機能ブロックで示すと
、図のようになる。 ところで、ここで問題にする振動は、その被測定物の形
状が持つ固有振動である。しかし、被測定物を強制的に
振動させた場合、その強制振動や、地震波と同様に初期
的に縦波が生じ、これが固有振動と混在することになる
。かなり大きな連繋異硬度部分や非連繋異硬度部分であ
るならば、これらの固有振動以外の振動が混在していて
も上記方法によって異硬度部分を検出することができる
場合もある。しかし、通常はこれら固有振動以外の振動
をできるだけ除去しなければ、異硬度部分の検出が困難
である。 そこで、この例では次のようにしてこれを解決している
。 すなわち、被測定物２１を加振する場合、正弦波法とイ
ンパルス衝撃法とかあるが、正弦波法の場合には、一定
条件で被測定物２１を加振しておき、ある瞬間で、これ
を停止する。そして、その停止時から少し時間経過した
時点から振動の測定を開始する。 インパルス衝撃法の場合には、衝撃を与える等して加振
した直後から少し時間を経過した時点から測定を開始す
る。 この場合の加振停止時、あるいは衝撃時から測定を開始
するまでの時間は、次のようにして定めることかできる
。すなわち、被測定物２１中を伝わる音波の速度Ｃかそ
のヤング率Ｅ（弾性係数）とその物体の密度によって異
なり、 Ｖ　ρ の関係があることから求める。 例えば、この例のインパルス衝撃法による場合、円筒状
鋳鉄のシリンダが被測定物２１であるとすると、縦波の
速度は４５６０　ｍ　／　ｓ　、横波はその１／１．８
で、約２７８０　ｍ　／　ｓとなり、衝撃直後からピッ
クアップした振動の時系列波形は第９図Ａのようになる
。この波形では、早い縦波のみの部１分が約２６μｓｅ
ｃ続いた後、横波が検出される。 そして、横波の振動のピーク値を過ぎて指数関数的に振
動は減衰し、徐々に振動は停止する。 この第９図Ａの波形からもわかるように、加振後の振動
は地震波の場合と同じであるので、上記のように速度の
速い縦波や遅い波が混在しており、また、振動に強制振
動が残り、被測定物２１の形状に特有の固有振動波形に
なっていない。この形状に特有の固有振動波は、例えば
コマの「さいさ運動」のように、停止する少し前に、観
測されるものであると考えられる。そこで、この場合、
横波のピーク値を過ぎて減衰を始めた時点から後の振動
を抽出する。このため、第９図Ｂのような矩形波のウィ
ンドーＷＩを設定し、このウィンドーＷＩによって、こ
の例では振動波を抽出する。 すなわち、演算処理・判定処理装置３０に入力された電
気信号はゲート手段３１に供給される。 そして、ウィンドーＷ、形成手段３２からの前記のウィ
ンドー信号Ｗ１により、加振すなわち衝撃後の被測定物
２１の振動から、被測定物２１の形状の固有振動成分が
抽出される。この例では、衝撃直後から２０１１１ｓｅ
ｃ経過した時点からウィンドーＷ１を立ち上げ、２００
　ｍ５ｅｃのウィンドー幅を設定する。このためウィン
ドーＷ、形成手段３２ては、制御装置２２からの加振開
始の情報に基づいてウィンドーＷ□か形成される。 以上のようにして、ウィンドーＷ１により被測定物１の
形状の固有振動成分が抽出される。 そして、その固有振動部分がＡ／Ｄ変換手段３３でデジ
タルデータに変換され、メモリ手段３４に書き込まれる
。そして、メモリ手段３４からのこのデジタルデータが
読み出され、波形強調手段３５において、このデジタル
データに対し、ウィンドーＷ２形成手段３６からの強調
用ウィンドーＷ２が掛けられる。この強調用ウィンドー
Ｗ２は次のようなものである。 すなわち、ウィンドーＷ１により被測定物２１の形状に
特有の固有振動波形部分を抽出したとしても、微小な連
繋異硬度部分や非連繋異硬度部分は、その基本固有振動
のスペクトルに隠れてしまいやすく、前述したようにス
ペクトルのＱ値で検出するしかなくなる。 そこで、できるたけ基本固有振動のスペクトル波形の「
裾野」の広がりを小さく、連繋異硬度部分や非連繋異硬
度部分の判定をしやすくすることが考えられる。そのた
めには、第３図に示すようなスペクトル波形を同図で波
線１つて示すように、ピークの５０％のところから（Ｑ
値は変わらない）急激に減衰させるような補正をかけて
やればよい。 このようにすれば、スペクトル波形の「裾野」は狭くな
り、微小な連繋異硬度部分や非連繋異硬度部分てあって
も、その微小な異硬度部分をスペクトルのＱ値でなく、
基本固有振動スペクトルと、異硬度部分による振動のス
ペクトルとを分離して検出することが可能なものが多く
なる。 以上のようにスペクトルを強調するためには、ピックア
ップした振動波形に、次式からなる波形の強調用ウィン
ドーＷ２を更にかければよい。 ｙ−ａｃｏｓ２　（ｘωｔ） ＋ｂｃｏｓ　　２　（ｘ　ｔｔ）ｔ＋ｒ）＋−−−＋ｋ
ｃｏｓ　　２　（ｘ　ω　ｔ＋ｎｒ）　　＋にこで、τ
は時間遅れを示し、例えばλ／４（λは波長）とされる
。また、この例の場合、ａ−ｂ−・・・−にとされる。 この強調用ウィンドーＷ２は第９図Ｃに示すような波形
となる。 第１０図Ａは、ピックアップした被測定物２１の振動に
対し、前述の固有振動抽出用ウィンドーＷ、及び強調用
ウィンドーＷ２をかける前の振動全体部分のスペクトル
を示す。また、第１０図Ｂは、固有振動抽出用ウィンド
ーＷＩによって上記被測定物２１の振動の衝撃直後から
２０ｍ５ｅｃｕ過した後から抽出した振動のスペクトル
を示し、基本固有振動スペクトルと異硬度部分による振
動のスペクトルとの分離を観測できる。さらに、第１０
図Ｃは、前述した強調用ウィンドーＷ２をかけた後のス
ペクトル波形であり、基本固有振動スペクトルと、連繋
異硬度部分又は非連繋異硬度部分による振動スペクトル
とがより明確に分離されることがわかる。 ウィンドーＷ２も、ウィンドーＷ１と同様に、ウィンド
ー前２形成手段３６において、制御装置２２からの加振
開始の情報に基づいて形成される。 こうして強調された後のデータは、スペクトル分析手段
３７に供給され、スペクトル分析される。 第１１図Ａは、加振位置Ｐ１における第１次スペクトル
を示す。図において、４１は被測定物２１の上半分につ
いての基本固有振動のスペクトル、４２はこれとベアと
なる異硬度部分のスペクトル、４３は被測定物２１の下
半分についての基本固有スペクトルである。また、第１
１図Ｂは、加振位置Ｐ２における第１次スペクトルを示
す。第１１図Ｂでは、異硬度部分による振動のスペクト
ル４２のピーク値の方か、基本固有振動スペクトル４３
のピーク値よりも大きい振幅となっている。さらに、測
定用ステージを２２．５度回転し、位置Ｐ３において加
振すると、基本固有振動のスペクトルのピーク値及び連
繋異硬度部分による振動のスペクトルのピーク値か、そ
の加振位置に応じたものとなる第１次スペクトルを得る
ことができる。 また、同様に第１２図Ａに加振位置Ｐ１における第２次
スペクトルを示す。ここで５１−は、被測定物２１の上
半分についての基本固有振動のスペクトル、５３は被測
定物２１の下半分についての基本固有振動のスペクトル
である。この場合、非連繋異硬度部分は、基本固有振動
のスペクトルに隠されてしまっている。 第１２図Ｂは、加振位置Ｐ１と２２．５’離れた加振位
置Ｐ２における第２次スペクトルを示し、被測定物の上
半分についての基本固有振動スペクトル５１に対し異硬
度部分による振動のスペクトル５２かベアとして大きな
ピークを持って現われる。また、この場合、被測定物の
下半分についての基本固有振動スペクトル５３に対して
も、異硬度部分による振動のスペクトル５４がベアとし
て現れ、非連繋異硬度部分が被測定物の軸方向の中間位
置に存在することが分かる。さらに、測定用ステージを
２２，５度回転し、位置Ｐ３において加振すると、基本
固有振動のスペクトルのピーク値及び非連繋異硬度部分
による振動のスペクトルのピーク値が、その加振位置に
応じたものとなる第２次スペクトルを得ることができる
。 そして、異硬度部分有無判定手段３８では、以上のよう
にして得たスペクトルを用いて、例えば次のようにして
異硬度部分による振動のスペクトルの存在を判別して異
硬度部分の有無を判別する。 すなわち、異硬度部分有無判定手段３８では、第１３図
に示すように、スペクトル波形から、予め定められてい
る１次スペクトルの周波数範囲及び２次スペクトルの周
波数範囲ｄ、、ｄ２内において、それぞれ振幅の大きい
ものから順に例えば５個までピーク値を求め、その周波
数及びピーク値を記憶する。次に、１次及び２次のスペ
クトルについて、基本固有振動のスペクトルと、異硬度
部分の振動のスペクトルとがベアになると考えられる周
波数範囲ｄ３．ｄ４　（ｄ３．ｄ４　＜ｄ、。 ｄ２）を、予め定めておき、この周波数範囲ｄ３゜ｄ４
内に上記５個のピーク値の周波数値のうち、ベアとして
入るものがあるか否かサーチする。そして、１次スペク
トルについて、そのベアを検出したら、周波数の低い方
のベアのうちの低い方の周波数を１次の基本固有振動ス
ペクトル位置と認識し、その周波数位置を基準にして前
記周波数幅ｄ３より狭い、予め定められている周波数幅
ｄ。 内に基本固有振動スペクトルとは別のピーク（もちろん
ベアのピークでもよい）が有るか否か判別し、ピークか
あれば、被測定物２１は連繋異硬度部分有りと判別する
。 同様に、２次スペクトルについて、そのベアを検出した
ら、周波数の低い方のベアのうちの低い方の周波数を２
次の基本固有振動スペクトル位置と認識し、その周波数
位置を基準に、前記周波数幅ｄ４より狭い予め定められ
ている周波数幅ｄ６内に基本固有振動スペクトルとは別
のピークが有るか否か判別し、ピークかあれば、被測定
物２１は非連繋異硬度部分有りと判別する。 第１４図に、以上説明した異硬度部分有無判定手段３８
における動作のフローチャートを示す。 この異硬度部分有無判定手段３８で、連繋異硬度部分有
り、また、非連繋異硬度部分有りと判定されたときは、
位置評定手段３９において、その位置評定がなされる。 もっとも、この異硬度部分有無判定手段３８で、異硬度
部分があると判定されたときは、その被測定物は不良品
として、この段階でラインから除去するようにしても良
い。 位置評定手段３９では、３箇所の加振位置Ｐ１〜Ｐ３に
おける上記基本固有振動スペクトルのピーク値あるいは
異硬度部分による振動のスペクトルのピーク値のどちら
か一方に着目し、被測定物であるシリンダの側周面につ
いての第５図及び第６図に示したような１次スペクトル
及び２次スペクトルのピーク値の軌跡波形を推定して描
く。そして、前述したようにして、その軌跡波形から、
連繋異硬度部分の場合には、その存在の可能性のある９
０度毎の４箇所の位置を評定し、非連繋異硬度部分の場
合には、その存在の可能性のある６０度毎の６１１所の
位置を評定する。 そして、こうして評定された異硬度部分存在可能位置は
、位置Ｐ］〜Ｐ３は分がっているので、例えばＰ３に対
する１箇所の異硬度部分存在可能位置の、現在位置から
のずれの角度を求め、その分だけ測定用ステージ２４を
回転して、例えば図示しないマーカ付着手段により、ペ
ンキ等により被測定物のシリンダの対応箇所に印字する
等する。 異硬度部分存在可能位置の４箇所あるいは６箇所のすべ
てにマーカを印字する場合には、その求めた１箇所を基
準に、９０度毎、あるいは６０度毎に測定用ステージを
回転して、各異硬度部分存在可能位置にマーカを付すよ
うにする。この場合、例えば連繋異硬度部分と、非連繋
異硬度部分の存在可能位置とは、例えばマーカの色を変
えることにより識別するようにすることができる。 以上の例は、評定を迅速に行なうため、加振位置を少数
にして、複数箇所の異硬度部分存在可能位置を評定する
ようにした場合であるが、前述したように、被測定物の
１周分の全てに渡って、順次に所定角度づつ異なる位置
を加振することにより異硬度部分位置を特定することも
可能である。 すなわち、各加振位置における基本固有振動スペクトル
のピーク値及び異硬度部分による振動のスペクトルのピ
ーク値から位置評定手段３９において、各スペクトルの
ピーク値の軌跡波形をそれぞれ求める。そして、位置評
定手段３９で、これらの軌跡波形から、前述したように
、基本固有振動スペクトルのピーク値と、異硬度部分に
よる振動のスペクトルのピーク値との差が最大になる位
置を求め、その位置を異硬度部分位置として評定するも
のである。 なお、前述したように、基本固有振動のスペクトルと異
硬度部分による振動のスペクトルが２つに別れるのが、
周波数の高いほうが低いほうかにより、円筒状シリンダ
の上半分の位置に異硬度部分かあるのか、下半分にある
のかを併せて評定することができる。 なお、以上は被測定物が円筒状のシリンダの場合につい
て説明したが、被測定物はどのような形状のものであっ
てもよく、六方体その他の多面体であっても、また、球
体であってもよい。また、材質も問わない。 また、異硬度部分は上述のように他の部分より硬い部分
ではなく、他の部分よりも柔らかい部分であっても検出
及び位置評定ができる。その場合には、異硬度部分によ
る振動のスペクトルは、この柔らかい異硬度部分を通る
振動の速度は遅くなるため、基本固有振動のスペクトル
よりも、周波数的に低い側に現れる。 さらに異硬度部分は被測定物とは硬さの異なる異物であ
ってもこの発明は適用可能である。 また、加振方法はインパルス衝撃法ではなく、例えば一
端を固定して他端側に偏倚を与えて振動を生じさせる等
、種々の加振方法を採用することができる。

【発明の効果】

以上説明したように、この発明によれば、被測定物を加
振してセンサにより非接触で被測定物自体が持つ固有の
振動を検出し、その振動をスペクトル分析することによ
り、異硬度部分の存在の有無を容易に検出できる。した
がって、外観上、亀裂等の欠陥が生じていないものも、
将来の亀裂の発生を予想して品質管理することができる
。特に、圧延ローラの用に、使用中に異硬度部分が徐々
に発生して亀裂が生じ、その結果環れてしまうものの保
守点検にこの発明を適用すれば、亀裂の発生前に確実に
異硬度部分の発生を検出して、部品の破壊を未然に防ぐ
ことができる。しかも、この発明は、非接触で、被測定
物を加振するだけで異硬度部分の検出及び位置評定がで
きるので、被測定物が圧延ローラのように取り外しが困
難なものであっても、容易に異硬度部分の検出の点検を
行うことができる。 また、この発明によれば、被測定物の周囲の複数箇所を
加振して、各位置における振動データをスペクトル分析
することにより、異硬度部分位置あるいは異硬度部分存
在可能位置を容易に評定することができる。 また、非接触で被測定物自体が持つ固有の振動を検出す
ることにより、異硬度部分の検出及びその位置を評定す
ることができるので、センサを接触する場合のように、
センサ接触時の不整合にょる乱反射がなく、波形が単純
で判別が容易である。 すなわち、被測定物内部に生じる異硬度部分の有無を検
出し、異硬度部分位置を評定する際に、その評定を乱す
要因が少なく、安定した評定が可能である。 また、この発明によれば、被測定物にしわや凹凸があっ
ても固有振動と区別できるものであれば、それらに影響
されずに異硬度部分を検出し、また、その位置を評定す
ることができるという特徴がある。 また、被測定物を加振するだけで、部分的ではなく、被
測定物全体についての異硬度部分位置評定を行なうこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明による検出方法の説明のためのスペ
クトル図、第２図は、この発明の検出原理の説明に供す
る図、第３図は、Ｑ値の説明のための図、第４図は１次
振動を説明するための図、第５図及び第６図は、基本固
有振動スペクトルと異硬度部分による振動のスペクトル
のピーク値が描く軌跡波形の例を示す図、第７図は、こ
の発明による異硬度部分の検出装置の一実施例のブロッ
ク図、第８図は、加振部位の説明図、第９図及び第１０
図は、固有振動抽出及び強調を説明するための図、第１
１図及び第１２図は、スペクトル分析結果の例を示す図
、第１３図は、第７図例の動作の説明のための図、第１
４図は、第７図例の動作の一例のフローチャートである
。 ６；１次の基本固有振動のスペクトルのピーク値の軌跡
波形 ７；連繋異硬度部分を通る振動のスペクトルのピーク値
の軌跡波形 ６０；２次の基本固有振動のスペクトルのピーク値の軌
跡波形 ７０；非連繋異硬度部分を通る振動のスペクトルのピー
ク値の軌跡波形 １１．１５；１次の基本固有振動のスペクトル１３．１
７；２次の基本固有振動のスペクトル１２．１６；連繋
異硬度部分による振動のスペクトル １．４．１８＋非連繋異硬度部分による振動のスペクト
ル

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定物に振動を加えて、その振動をピックアッ
   プし、このピックアップした振動から上記被測定物の固
   有振動の持つスペクトルが２つに別れることを検出する
   ことにより、上記被測定物中にこの被測定物とは硬さが
   異なる部分が存在することを検出する被測定物中の異硬
   度部分の検出方法。
2. （２）被測定物を加振する加振手段と、 上記被測定物の振動をピックアップし、電気信号に変換
   するピックアップ手段と、 このピックアップ手段からの電気信号を受け、上記被測
   定物の固有振動をスペクトル分析し、上記被測定物の基
   本固有振動スペクトルのピークの近傍に、上記被測定物
   中の異硬度部分による振動のスペクトルのピークが存在
   するか否かを判別する手段とを備えた被測定物中の異硬
   度部分の検出装置。
3. （３）被測定物の周囲に沿った複数箇所において、上記
   被測定物に振動を加え、各加振位置における上記被測定
   物の固有振動の基本固有振動スペクトルのピーク値ＰＫ
   １と、上記被測定物中の異硬度部分による振動のスペク
   トルのピーク値ＰＫ２とを求め、上記基本固有振動スペ
   クトルのピーク値ＰＫ１と、上記異硬度部分による振動
   のスペクトルのピーク値ＰＫ２との差（ＰＫ１−ＰＫ２
   ）が最大になる位置を、上記被測定物中の異硬度部分の
   存在位置として評定することを特徴とする被測定物中の
   異硬度部分の検出方法。
4. （４）被測定物の周囲に沿った複数箇所を順次に加振す
   る加振手段と、 上記被測定物の振動をピックアップし、電気信号に変換
   するピックアップ手段と、 このピックアップ手段からの電気信号を受け、上記各加
   振位置において、上記被測定物の固有振動をスペクトル
   分析し、上記被測定物の基本固有振動スペクトルのピー
   ク値ＰＫ１と、上記被測定物中の異硬度部分による振動
   のスペクトルのピーク値ＰＫ２とを求める手段と、 上記複数の各加振位置における各ピーク値から上記基本
   固有振動スペクトルのピーク値の変化の軌跡と、上記被
   測定物中の異硬度部分による振動のスペクトルのピーク
   値の変化の軌跡を求める手段と、 上記求めた軌跡から両ピーク値の差（ＰＫ１−ＰＫ２）
   が最大となる位置を検出し、この位置を上記被測定物中
   の異硬度部分の存在位置として評定する手段を備えるこ
   とを特徴とする被測定物中の異硬度部分の検出装置。