JPH095309A

JPH095309A - 表面劣化、疲労の診断用測定センサ、表面劣化、疲労の診断装置及びその診断方法

Info

Publication number: JPH095309A
Application number: JP7179539A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Kuwano; 芳行桑野; Mikio Fukuhara; 幹夫福原
Original assignee: Toshiba Tungaloy Co Ltd
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 1995-06-22
Filing date: 1995-06-22
Publication date: 1997-01-10

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】金属、セラミックス、ポリマ−等の各種材料
からなる試験体の表面劣化疲労を非破壊で測定できるよ
うにした表面劣化、疲労の診断用の測定センサ及びこの
測定センサを応用した表面劣化、疲労の診断装置、その
診断方法の提供。【構成】測定センサ１は、対となった発信子３受信子
４を備え、くさび部材６、７間にには、絶縁層５が介在
している。発信子６及び受信子７は、くさび部材６、７
内を超音波が伝播するように発信角度θ₁及び受信角度
θ₂をそれぞれ構成している。試験体２に適用される超
音波としては、横波の剪断水平波（ＳＨ波）が選択され
るが、このＳＨ波の発信及び受信を制御するパルサ−・
レシバ１１には、測定センサ１が接続され、その受信波
がＡ／Ｄ変換部によってデジタル変換され、ＣＰＵによ
って演算処理される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属、セラミックス、
ポリマ−等の各種材料の表面劣化及び疲労を定量診断す
るのに好適する表面劣化、疲労の診断用測定センサ、表
面劣化、疲労の診断装置及びその診断方法に関し、特
に、表面劣化、疲労が超音波利用による非破壊形式によ
り、相対的な比較で、しかも簡便に定量診断できるよう
にしたものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、金属材料、セラミックスなどにお
ける表面部の疲労、加工硬化などを測定方法としては、
断面部の硬度や走査電子顕微鏡による観察などが主とし
て利用され、極めて浅い表面部の測定では、Ｘ線照射に
よる応力測定が実用化されている。

【０００３】これに対し、ポリマ−材料などの電線被覆
材は、耐候性、耐水性などに欠点があり、また、太陽光
線中の紫外線や熱及び海水などにより表層部が劣化して
弾性力が低下して、これに伴って亀裂が発生する。しか
しながら、電線被覆材を初めとするポリマー材料の表面
劣化に対する測定手段は、現在のところ実用に供されて
いない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】したがって、金属材
料、セラミックスにおける従来の一般的な測定方法で
は、被測定材料を破壊しなければ測定できないという問
題点がある。また、Ｘ線照射による応力測定では、測定
深度があまりにも浅いことから、深いところを調査する
ためには、表面を電解研磨にて追込みながら、その都度
測定する必要がある。したがって、結果的に材料破壊を
伴ない、そのうえ測定に手間がかかり、また再現性にも
疑問が残るという問題点がある。

【０００５】このようなことから、本発明者らは、新た
な発想のもとに、鋭意研究を行ない、横波の剪断水平波
（ＳＨ波）からなる超音波の利用によって、試験体の表
層部における材料劣化、疲労を定量的に評価、診断でき
るようにした表面劣化、疲労の診断用測定センサ、この
測定センサを応用した表面劣化、疲労の診断装置及び表
面劣化、疲労の診断方法を提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述の点に鑑
みなされたもので、金属、セラミックス、ポリマ−など
からなる試験体に対する表面劣化、疲労の診断用測定セ
ンサは、超音波の発信子及び受信子を備えることによっ
て非破壊で測定できるようにしたものである。この場
合、前記発信子及び受信子は、その中間位置に絶縁層が
介在するように対向して配置され、しかも、横波の剪断
水平波（ＳＨ波）からなる超音波がくさび部材内を伝播
するように、発信角度θ₁及び受信角度θ₂がそれぞれ構
成されるようにしたものである。

【０００７】また、表面劣化の診断装置は、前記測定セ
ンサの発信子及び受信子が超音波の発信および受信を制
御するパルサ−・レシ−バに接続されるとともに、この
パルサ−・レシ−バには、前記測定センサからの受信波
をデジタル変換するＡ／Ｄ変換部および波形表示などに
用いるディスプレイを備えた演算処理用のＣＰＵが接続
されるようにしたものである。この場合、ディスプレイ
を備えたＣＰＵは、パ−ソナルコンピュ−タとして構成
され、その集積回路のボ−ドには、パルサ−・レシ−バ
部及びＡ／Ｄ変換部が組み込まれてもよい。

【０００８】さらに、表面劣化、疲労の診断方法は、前
記試験体が表面劣化、疲労の診断装置に組込まれた前記
診断用測定センサによって、ＳＨ波からなる超音波が伝
播され、ＣＰＵにより、演算、解析処理された減衰係
数、周波数、波形、伝播時間、受信感度などの測定要素
の実測値が標準試料における表面劣化、疲労の診断要素
の寿命判定しきい値との比較判断によって、材料の表面
劣化、疲労が相対的に定量診断される。この場合、表面
劣化、疲労の診断要素としては、硬さ、金属疲労、引張
り伸び、熱劣化、放射線劣化、接着強度が適用される。
また、試験体の標準試料から求めた寿命判定しきい値
は、診断要素の基準値及び測定要素の基準値がそれぞれ
相関関係にあるように作成された検量線を基にして定め
ておけば、精度の高く、しかも簡便な定量診断が可能に
なる。

【０００９】

【作用】本発明は、試験体の表面部には、ＳＨ波からな
る超音波が伝播されるとともに、このときの減衰係数、
周波数、波形、伝播時間及び受信感度などの測定要素が
実測され、次いで、ＣＰＵによって、減衰係数や周波数
などの解析結果が演算処理される。

【００１０】得られた結果は、試験体の標準試料におけ
る寿命判定しきい値と相対的に比較判断され、材料の表
面劣化、疲労が定量診断されるものである。したがっ
て、試験体の表面部は、非破壊的に測定され、しかも、
ＳＨ波が縦波にモ−ド変換する現象もないことから、前
記測定要素が精度高く実測できるものである。

【００１１】また、前記標準試料に対して、硬さ、金属
疲労、引張り伸び、接着強度などの診断要素及び前記測
定要素の基準値がそれぞれ相関関係となる検量線を作成
しておき、これに基づき測定要素の実測値が比較判断さ
れるようにすれば、相対的な定量診断がより精度高く行
えるものである。

【００１２】

【実施例】以下、本発明における表面劣化の診断用測定
センサ、表面劣化、疲労の診断装置及びその診断方法に
ついて、その一実施例につき図を参照しながら説明す
る。

【００１３】図１は、表面劣化、疲労の診断用測定セン
サ１を示す説明図で、診断用測定センサ１は、例えば、
ポリマ−材料からなる試験体２の表面劣化を測定するも
のであり、その内部には、対となった超音波の発信子３
及び受信子４が備えられている。そして、前記発信子３
及び受信子４の中間位置には、絶縁層５が介在するよう
にくさび部材６、７が配置されている。また、この発
信子３及び受信子４は、前記ＳＨ波からなる超音波がく
さび部材６、７内を伝播するように、発信角度θ₁及び
受信角度θ₂がそれぞれ構成され、外郭を構成するケ−
ス８に設けられた端子９ａ，９ｂには、リ−ド線１０
ａ，１０ｂ及びケ−ブル１１ａ，１１ｂがそれぞれ接続
されるようになっている。

【００１４】そして、この発信子３及び受信子４の背後
には、図示しない振動制動用のダンパが設けられ、きれ
いなパルスが得られるよう配慮されている。また、ＳＨ
波を選択したのは、試験体１の表面部に対して、主に水
平に進行する性質を有し、縦波にモ−ド変換する現象も
ないためであり、特に、劣化が表面部から加速されるポ
リマ−材料などの試験体２には好適するからである。こ
の場合、ＳＨ波は、中心周波数を０．５〜１００ＭＨｚ
としたパルス波が望ましい。これは、０．５ＭＨｚより
も小さいと、波長が長くなり過ぎるため測定精度が低下
し、１００ＭＨｚを越えると、波長が短くなり過ぎるた
め過度に減衰しやすくなるからである。望ましくは１〜
５ＭＨｚが好適である。また、超音波の波形にパルス波
を用いるのは、複雑に干渉しあうことが少ないこと、受
信波形の解析がしやすく、無限媒体の固体として取り扱
える特性をもつことからである。さらに、前記くさび部
材６、７は、試験体２との間で音響インピ−ダンスの差
が少なく、超音波の伝播性があり、かつ耐摩耗性の良好
な材料から選定される。例えば、鉛等の金属、アクリ
ル、ポリカ−ボネイト、ポリイミド、ポリエ−テルイミ
ド、ポリエ−テルケトン、ポリアミドイミド、ポリアミ
ド、ポリエ−テルスルホン、ポリアセタ−ル、ポリエチ
レンテレフタレ−ト、ＡＢＳ樹脂、変性ポリフェニレン
エ−テル等のポリマ−、あるいはシリコンゴム、ウレタ
ンゴム、ハイカ−等のゴムが用いられる。

【００１５】また、このくさび部材６、７は、超音波の
減衰などから、横波音速を選択基準とすれば、ポリマ−
材料の試験体２では、一般的には、５００〜２，０００
ｍ／ｓの範囲が好適する。これは、図２でみられるよう
に、５００ｍ／ｓ未満では、横波超音波の減衰が大きく
なって不具合となり、２，０００ｍ／ｓよりも大きい
と、ポリマ−材料からなる試験体に対する横波入射角が
得られないからである。

【００１６】このようにして構成された診断用測定セン
サ１は、前記発信子３からの前記ＳＨ波が基台１２上に
ある試験体２の表面部に伝播するが、前記くさび部材
６、７には、絶縁層５の存在によって、試験体１の表面
部に当接される接点１３ａ、１３ｂが構成される。この
場合、試験体２の表面部については、金属、セラミック
スでは、０〜５ｍｍ、ポリマ−では、０〜０．５ｍｍを
目安としている。

【００１７】また、これらの発信子３及び受信子４の間
にある絶縁層５については、図１では、止り溝形式の空
気絶縁層が形成されている場合、図３では、絶縁材料か
らなる絶縁層が挟まれている場合がそれぞれ示されてい
る。そして、いずれの場合でも、前記発信子３及び受信
子４は、前記絶縁層５が中間位置にあって、発信角度θ
₁及び受信角度θ₂がそれぞれ構成されている。また、発
信角度θ₁及び受信角度θ₂は、超音波の入射臨界角近傍
までを利用するもので、試験体２の種類によっても異な
るが、図２で示されているポリマ−材料では、一般的に
１４°以上９０°未満の範囲内で設定される。なお、試
験体２として、図１では、ポリマ−質の被覆材２ａおよ
び導線２ｂからなる被覆電線が示されている。

【００１８】さらに、図４は、表面劣化の診断装置にお
ける概念的なシステムを示した構成図であり、試験体２
は、ＳＨ波からなる超音波を伝播する前記診断用測定セ
ンサ１を装置内に組込むことによって、材料の表面劣化
が定量的に診断できるようになっている。要するに、こ
の診断用測定センサ１は、超音波の送受信を制御するパ
ルサ−・レシ−バ２１からのケ−ブル１１ａ、１１ｂに
よってＳＨ波からなる超音波が試験体２に対して発信及
び受信されるものである。

【００１９】したがって、前記試験体２には、くさび部
材６、７に構成された接点１３ａ、１３ｂが当接され、
ＳＨ波からなる超音波がこの接点１３ａ、１３ｂ間にお
ける試験体１の表面部を介して伝播し、パルサ−・レシ
−バ２１のレシ−バ側で受信される。そして、この受信
波は、Ａ／Ｄ変換部２２によってデジタル変換されると
ともに、表示用のディスプレイ２３を備えたＣＰＵ２４
によって演算処理される。この場合、ＣＰＵ２４では、
測定結果から減衰係数、周波数、伝播時間、受信感度な
どが算出されるとともに、波形のパタ−ン解析などが行
なわれる。

【００２０】なお、前記ディスプレイ２３を備えたＣＰ
Ｕ２４は、図５で示されるように、パ−ソナルコンピュ
−タ２５として構成され、その集積回路のボ−ド（図示
せず）には、パルサ−・レシ−バ部２１及びＡ／Ｄ変換
部２２が組み込まれる場合にも適用される。

【００２１】したがって、本発明では、まず最初に、試
験体２の標準試料を対象にして、ＳＨ波からなる超音波
の減衰係数、周波数、伝播時間、受信感度、波形の解析
パタ−ン認識などによって総合的に判断された寿命判定
しきい値が決定される。この場合、寿命判定しきい値
は、標準試料における表面劣化、疲労の診断要素に対し
て、寿命に対応した値を意味する。また、表面劣化の診
断要素は、硬さ、金属疲労、引張り伸び、熱劣化、γ線
劣化、接着強度などが対象になる。そして、精度高く、
しかも簡便に定量診断するためには、標準試料における
診断要素及び減衰係数、周波数、伝播時間などの測定要
素の基準値をそれぞれ相関関係とした検量線が作成され
ていると好都合である。これは、この検量線を基にし
て、前述した寿命判定しきい値が容易に設定できるから
である。

【００２２】次いで、試験体２に対して、同様な測定作
業を行ない、得られた減衰係数や周波数解析などから求
めた測定要素の実測値などを前記標準試料における検量
線と相対的に比較しながら判断し、試験体２の表面劣化
を定量的に診断する。そして、実測値が寿命判定しきい
値に至れば寿命と診断される。

【００２３】図６〜図９は、前述した検量線を示した特
性図であり、以下、これらの図を参照しながら、試験体
２における硬さ、金属疲労、熱劣化、γ線劣化の診断例
について説明する。

【００２４】図６は、焼入れ鋼（ＳＫＣ２４）に対し
て、超音波からなるＳＨ波の減衰係数から、表面硬さを
識別する検量線Ａ₁を示した特性図である。この場合、
標準試料としては、同一素材の生材、空冷、油冷及び水
冷の材料が適用されており、試料体２で実測した減衰係
数及び検量線Ａ₁から、表面硬さが相対的に判断され、
非破壊で定量的に診断される。なお、焼入れ鋼の引張り
伸びなどを識別する検量線も硬さの検量線Ａ₁と同様に
作成できることは勿論である。

【００２５】また、図７は、普通鋼の試験体２における
疲労試験を例にした検量線Ａ₂を示した特性図であり、
同じく超音波からなるＳＨ波の中心周波数及び検量線Ａ
₂から、繰返数Ｎに対する疲れ破壊を起こした繰返数Ｎ
ｆの比（Ｎ／Ｎｆ）を識別するものである。そして、無
負荷の場合は、Ｎ／Ｎｆ＝０であり、Ｎ／Ｎｆ＝１に達
すると破壊する。なお、寿命判定しきい値を図示のよう
に、Ｎ／Ｎｆ＝０．３と設定すれば、中心周波数が１．
４８に達したときに、寿命と診断される。

【００２６】さらに、図８は、軟質ポリ塩化ビニルに対
して、超音波からなるＳＨ波の波形変化から、熱劣化
（１６０℃）による引張伸びを識別する検量線Ａ₃が示
された特性図である。この場合、縦軸にあるＳＨ波の波
形変化は、受信波の高さにおける比率Ｖ₃／Ｖ₁を評価基
準としたものである。この理由は、軟質ポリ塩化ビニル
は、熱によって変質し、硬くなり、切れやすくなる性質
を有していることから、波形の変化値を適用したもので
ある。また、軟質ポリ塩化ビニルの熱劣化は、引張り伸
びに置換え可能であることから、この引張り伸びを診断
要素としたものである。

【００２７】また、図９は、軟質ポリ塩化ビニルに対し
て、超音波からなるＳＨ波の受信感度及び伝播時間か
ら、γ線劣化による引張伸びを識別する検量線Ａ₄及び
Ａ₅が示された特性図である。この場合、軟質ポリ塩化
ビニルのγ線劣化は、γ線によって変質し、硬くなり切
れやすくなる性質を有している。したがって、γ線劣化
による引張り伸びは、γ線劣化が進んで切れやすくなる
ほど受信感度が大きくなり、伝播時間が短くなる。この
場合、劣化のない材料では、３５０〜４００％の伸びで
あり、劣化のある材料では、長さが２倍となる１００％
の伸びで、使用不能となるから、寿命判定のしきい値
は、これに至らないところで設定する。また、受信感度
は、前記ＳＨ波の伝わりやすさの尺度となるものであ
る。

【００２８】また、光、熱、放射線、酸素、水、化学物
質、疲労等による劣化の検量線も同様にして作成でき
る。

【００２９】なお、試験体２が超音波の良導体である場
合には、近接するくさび部材６、７の接点１３ａ、１３
ｂ間における受信波のほか、試験体２の円周に沿って一
周して伝播する受信波も表面劣化の診断における測定要
素として利用できる。

【００３０】また、本実施例では、試験体２を基台７上
に配置するようにしたが、測定センサ１に対向する図示
しない受け金を配置して、これらの測定センサ１及び受
け金に対して、いわゆる洗濯着バサミに見られるような
挟着手段を適用して保持することも可能である。

【００３１】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように、表面劣
化の診断用測定センサ１は、小型軽量化されており、ま
た、ＳＨ波からなる超音波の利用によって、金属、セラ
ミックス、ポリマ−などの各種材料の表面部の劣化、疲
労を非破壊で、定量診断できるという利点を有する。

【００３２】また、この診断用測定センサ１を応用した
表面劣化、疲労の診断装置及び診断方法では、ＣＰＵ２
４の演算処理によって、試験体２から測定した減衰係
数、周波数、受信感度、伝播時間、波形などの測定要素
の実測値が試験体２の標準試料から求めた寿命判定のし
きい値と比較判断されることにより、試験体２の硬さ、
金属疲労、引張り伸び、接着強度などの診断要素となる
表面劣化が相対的な関係で、しかも簡易に定量診断でき
るという利点を有する。この場合、試験体２の標準試料
から、診断要素及び測定要素の基準値がそれぞれ相関関
係となる検量線を作成し、この検量線を基準にして、測
定要素の実測値を比較判断するようにすれば、より簡便
で、しかも精度の高い定量診断が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明表面劣化、疲労の診断用測定センサの一
実施例を示す概念的な説明図、

【図２】くさび部材における入射角度及び横波音速の関
係を示す説明図、

【図３】本発明表面劣化、疲労の診断用測定センサの変
形例を示す概念的な説明図、

【図４】本発明表面劣化、疲労の診断装置の一実施例を
示す概念的な構成図、

【図５】本発明表面劣化、疲労の診断装置の変形例を示
す概念的な構成図。

【図６】焼入れ鋼（ＳＫＣ２４）に対して、超音波のＳ
Ｈ波における減衰係数から、表面硬さを識別する検量線
が示された特性図、

【図７】普通鋼の金属疲労に対して、超音波のＳＨ波に
おける中心周波数から、繰返数Ｎに対する疲れ破壊を起
こした繰返数Ｎｆの比（Ｎ／Ｎｆ）を識別する検量線が
示された特性図、

【図８】軟質ポリ塩化ビニルに対して、超音波のＳＨ波
における波形変化から熱劣化（１６０℃）による引張伸
びを識別する検量線が示された特性図、

【図９】軟質ポリ塩化ビニルに対して、超音波のＳＨ波
における受信感度及び伝播時間から、γ線劣化による引
張伸びを識別する検量線が示された特性図。

【符号の説明】

１診断用測定センサ２試験体３発信子４受信子５絶縁層６くさび部材７くさび部材２１パルサ−・レシ−バ部２２Ａ／Ｄ変換部２３ディスプレイ２４ＣＰＵ２５パ−ソナルコンピュ−タ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属、セラミックス、ポリマ−などの各
種材料からなる試験体２における表面劣化及び疲労が対
となった超音波の発信子３及び受信子４を備えることに
よって非破壊で測定できるようにした表面劣化、疲労の
診断用測定センサにおいて、前記発信子３及び受信子４は、その中間位置に絶縁層５
が介在するように対向して配置され、しかも、横波の剪
断水平波（ＳＨ波）からなる超音波がくさび部材６、７
内を伝播するように、発信角度θ₁及び受信角度θ₂がそ
れぞれ構成されていることを特徴とする表面劣化、疲労
の診断用測定センサ。
【請求項２】請求項１に記載された絶縁層５は、止り
溝からなる空気絶縁層により構成されている請求項１記
載の表面劣化、疲労の診断用測定センサ。
【請求項３】請求項１に記載された測定センサ１の発
信子３及び受信子４が超音波の発信および受信を制御す
るパルサ−・レシ−バ部２１に接続され、また、パルサ
−・レシ−バ部２１には、前記受信子４側からの受信波
をデジタル変換するＡ／Ｄ変換部２２及び波形表示など
に用いるディスプレイ２３を備えた演算処理用のＣＰＵ
２４が接続されるようにしたことを特徴とする表面劣
化、疲労の診断装置。
【請求項４】請求項３に記載されたディスプレイ２３
を備えたＣＰＵ２４は、パ−ソナルコンピュ−タ２５と
して構成され、その集積回路のボ−ドには、パルサ−・
レシ−バ部１１及びＡ／Ｄ変換部２２がそれぞれ組み込
まれている請求項３記載の表面劣化、疲労の診断装置。
【請求項５】金属、セラミックス、ポリマ−などの各
種材料からなる試験体２は、請求項３又は請求項４記載
の表面劣化の診断装置に組込まれた前記測定センサ１に
よって、ＳＨ波からなる超音波が伝播され、ＣＰＵ２４
により、演算、解析処理された減衰係数、周波数、波
形、伝播時間、受信感度などの測定要素の実測値が標準
試料における表面劣化、疲労の診断要素の寿命判定しき
い値との比較判断によって、材料の表面劣化、疲労が相
対的に定量診断されるようにしたことを特徴とする表面
劣化、疲労の診断方法。
【請求項６】請求項５に記載された表面劣化の診断
要素として、硬さ、疲労、引張り伸び、熱、放射線等に
よる劣化が適用されている請求項５記載の表面劣化、疲
労の診断方法。
【請求項７】請求項５に記載された試験体２の標準試
料から求めた寿命判定しきい値は、診断要素の基準値及
び測定要素の基準値がそれぞれ相関関係にあるように作
成された検量線を基にして定められている請求項５及び
請求項６記載の表面劣化、疲労の診断方法。