JP2009133686A

JP2009133686A - 渦電流による金属製品の内部検査装置及び内部検査方法

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Publication number: JP2009133686A
Application number: JP2007309029A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Yamaguchi; 芳紀山口
Original assignee: Sintobrator Ltd
Current assignee: Sintobrator Ltd
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2009-06-18
Anticipated expiration: 2027-11-29
Also published as: JP5056381B2

Abstract

【課題】センサ部の少なくとも軸線方向の寸法の縮小化による装置の小型化を図るとともに、金属製品の様々な部位及び様々な形状の金属部品の検査を可能にすること。
【解決手段】渦電流による金属製品の内部検査装置は、直流定電圧が印加される、発振コイル６を有する発振回路４と、発振コイル６の発振電圧を整流して出力する整流回路５とを有するセンサユニット３を備え、整流回路５の出力電圧に基づいて金属製品１００の内部を検査する。
【選択図】図１

Description

本発明は、渦電流による金属製品の内部検査装置及び内部検査方法、詳しくは、金属製品の焼入れ処理の有無、焼入れ処理後の焼入れ状態、あるいは、金属製品の傷の有無、状態など、金属製品の内部を評価するための、渦電流による金属製品の内部検査装置及び内部検査方法に関する。

従来、渦電流による金属製品の内部検査装置として、励磁コイルと検出コイルを軸線方向に並べて配置し、この２つのコイルの貫通空間に金属製品の軸状被検査部を挿通し、励磁コイルの励磁信号と検出コイルの検出信号とに基づいて軸状被検査部の焼入れ深さ及び表面硬さを測定する内部検査装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１０８８７３公報

しかし、上記の如き従来技術によると、励磁コイルと検出コイルを軸線方向に並べて配置していることから、センサ部の軸線方向の寸法が大きくなり、また、２つのコイルの貫通空間に金属製品の軸状被検査部が挿通されることから、貫通空間の径よりも大きな被検査部をもつ金属製品は検査対象から除外される。

さらに、上記の如き従来技術によると、金属製品の軸状被検査部の全体的、平均的な評価をすることができるが、軸線被検査部の表面上の個々の位置（ポイント）ごとの個別的な評価をすることができない。また、円筒状金属製品の内周面側を検査することは困難である。

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決し、センサ部の少なくとも軸線方向の寸法の縮小化による装置の小型化を図ること、金属製品の様々な部位及び様々な形状の金属部品の検査を可能にすること、金属製品の表面上の個々の位置（ポイント）ごとの個別的な評価を可能にすることなどを達成することができる、渦電流による金属製品の内部検査装置及び内部検査方法を提供することを目的とする。

本発明の、渦電流による金属製品の内部検査装置は、直流定電圧が印加される、発振コイルを有する発振回路と、前記発振コイルの発振電圧を整流して出力する整流回路とを有するセンサユニットを備え、前記整流回路の出力電圧に基づいて金属製品の内部を検査することを特徴とする。

検査時、発振コイルは、自己発振する励磁コイルとして作用し、磁場を発生する。検査対象である金属製品はこの磁場に置かれており、磁場の磁束変化によって金属製品の内部に渦電流が発生する。発振コイルの自己発振によるパワーの小さな発振電圧は、金属製品内部に発生した渦電流によりエネルギーを消費し、発振電圧は減衰する。この発振電圧の減衰量は渦電流の発生量に比例し、渦電流の発生量は金属製品の導電率もしくは透磁率に応じて変化するため、発振電圧の大きさを検出することで、金属製品の内部の状態を評価することが可能になる。

本発明によると、発振コイルを励磁コイルと検出コイルの両方の機能を発揮する兼用コイルとして使用したため、励磁コイルと検出コイルを各々別個に設ける場合と比べ、コイルの軸線方向の寸法を短縮させることが可能となり、装置の小型化を図ることができる。

ここで、前記発振コイルを渦巻状の平面コイル体により構成すると、軸線方向の寸法の大幅な短縮化を図ることができる。

また、前記発振コイルを、複数の渦巻状の平面コイル体を直列接続かつ積層して構成すると、発振コイルを１つの渦巻状の平面コイルで構成した場合と比べ、径方向寸法の大幅な短縮化を図ることができる。

また、前記センサユニットは、本体部と、該本体部から部分的に突出し、前記金属製品の表面に接触して配置される突出部とを有し、前記発振コイルは前記突出部に内蔵されている。検査時、金属製品の表面から発振コイルまでの距離は、金属製品の表面の検査部位がいずれの位置であっても、突出部を金属製品の表面に接触させることによって一定の距離に保たれる。このため、金属製品の表面の検査範囲の全域において、ムラの無い均一な精度で検査を行うことができる。

前記発振回路の前記発振コイル以外の回路構成部品、及び、前記整流回路の回路構成部品は、回路基板に実装されており、該回路基板は、前記センサユニットの前記本体部に電磁シールドされて内蔵されている。回路基板を電磁シールドして本体部に内蔵することにより、回路基板に実装された回路構成部品の外乱による誤動作を防止することができる。

前記センサユニットの前記突出部は、前記金属製品の表面に対し滑動自在な材料により形成されている。センサユニットの突出部が金属製品の表面に対して滑動自在であるため、金属製品の表面上にセンサユニットを接触させた状態でいずれか一方を円滑に移動させることが可能になり、検査作業を容易に行うことが可能になる。

また、本発明の、渦電流による金属製品の内部検査方法は、金属製品の表面上の点、線又は面に対応する部位の内部を検査することを特徴とする。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る渦電流による金属製品の内部検査装置の構成図、図２は、センサユニットの斜視図、図３は、センサユニットの背面図、図４は、センサユニットの側面図、図５は、センサユニットの平面図、図６は、発振コイルの構成要素である渦巻状の平面コイル体の正面図、図７は、発振コイルの構成図、図８は、センサユニットの第１の使用態様図、図９は、センサユニットの第２の使用態様図、図１０は、比較例である焼入れ処理前の金属製品（円筒ワーク）の外周面の定点測定結果、及び、第１実施例、第２実施例である焼入れ処理後の焼入れ良品である金属製品（円筒ワーク）の外周面の定点測定結果を示すグラフ、図１１は、金属製品（円筒ワーク）の定点測定方法の説明図、図１２は、使用雰囲気温度の変化に対する感度特性を示すグラフ、図１３は、焼入れ処理後の焼入れ良品である金属製品（円筒ワーク）の外周測定結果を示すグラフをそれぞれ示す。

図１において、金属製品の内部検査装置はCPUボード１を備える。CPUボード１は、各種演算処理を実行するマイクロコンピュータを備える。CPUボード１は、商用電源に接続される電源回路２から安定化された直流電力の供給を受ける。

CPUボード１の直流１２V出力端子及びアース端子に、それぞれセンサユニット３の入力端子及びアース端子が接続され、また、CPUボード１のA/D入力端子にセンサユニット３の出力端子が接続される。

センサユニット３は、検査時に検査対象とされる金属製品（ワーク）１００（図８、９、１１）に接触して配置される。センサユニット３は発振回路４と整流回路５を備える。

発振回路４は、励磁コイルと検出コイルとを兼用する発振コイル６と、発振コイル６のインダクタンスと共にその容量によって発振周波数をほぼ決定するコンデンサ７と、電流増幅用のトランジスタ８と、発振電圧のゲインを制限するための電流制限用の抵抗９などを図１図示のように接続して構成される。

発振回路４は、１２Vの電源が供給されると、その衝撃で発振コイル６とコンデンサ７の共振周波数で発振を開始する。この発振動作は、外部からのエネルギーの供給を受けないと回路のロスにより減衰して消滅するが、トランジスタ８のエミッタに流れる電流を発振コイル６を介して正帰還させ、換言すると、発振コイル６の電圧をコンデンサ１０経由でトランジスタ８のベースに供給し、トランジスタ８で増幅することにより、発振動作は継続する。

発振回路４の発振動作により、発振コイル６に交流電流が流れ、発振コイル６に交番磁場が発生する。発振コイル６の近傍に金属製品（ワーク）１００が存在すると、この交番磁場によりワーク１００の表面内部に渦電流が発生する。この渦電流により、発振回路４の発振電圧は減衰する。この減衰の程度は、渦電流の量に比例する。渦電流の発生量は金属製品１００の導電率もしくは透磁率に応じて変化するため、発振電圧の大きさを検出することで、金属製品１００の内部の状態を評価することが可能になる。発振回路４の発振電圧は、整流回路５で整流され、CPUボード１に入力される。

発振コイル６は、図６に示すように、渦巻状の平面コイル体により構成される。この平面コイル体６の内径は例えば０．６mm、外径は例えば２．５mm、厚さは例えば０．３mmである。

発振コイル６は、図７に示すように構成してもよい。図７に示す発振コイル６は、図６図示の渦巻状の平面コイル体を２つ用い、２つの渦巻状の平面コイル体６A、６Bを直列接続かつ積層して構成される。なお、図７では、２つの渦巻状の平面コイル体６A、６Bの間に大きな隙間があるように図示しているが、この隙間は小さければ小さいほど、軸線方向の寸法の短縮化にとって好ましい。

整流回路５は、ダイオード１１、１２及びコンデンサ１３、１４を有し、発振回路４の出力端の交流電圧を直流電圧に変換するよう構成される。

センサユニット３は、図２〜図５に示すように、箱型の本体部１５と本体部１５の正面から部分的に突出した突出部１６とを有する。

本体部１５は、回路基板１７が固定して収容される凹部１８を有し、凹部１８は、樹脂モールドされ、断面コ字状の電磁シールド板１９で覆われる。回路基板１７は、発振回路４の発振コイル６以外の回路構成部品、すなわち、トランジスタ８、抵抗９、コンデンサ７、１０など、及び、整流回路５の回路構成部品、すなわち、ダイオード１１、１２、コンデンサ１３、１４が実装されている。本体部１５の縦及び横の寸法は、例えば５２mm及び１５mmであり、厚さ寸法は例えば１０mmである。

突出部１６は、図２に示すような二段円柱状の外観形状をしており、発振コイル６をインサート体として貼付もしくはインモールドして一体化されている。突出部１６は、非磁性体からなる合成樹脂材料であって、検査時、ワーク１００の表面に対して滑動自在な材料で形成される。突出部１６は、さらに、機械的強度、耐摩耗性、耐油性、加工性に優れた材料が好ましい。突出部１６の先端面は、凸球面で構成される。発振コイル６は、図４及び図５に示すように、突出部１６の先端部近く、例えば先端から０．２mmの位置に埋設されており、検査時、発振コイル（平面コイル体）６は、ワーク１００の表面に対して平行な状態にする。発振コイル６の入力端子、アース端子及び出力端子は、本体部１５の貫通孔２０を通って回路基板１７に接続される。突出部１６の外径寸法は例えば８mmであり、突出寸法は例えば５mmである。

CPUボード１のA/Dチャネル端子に、温度/電圧変換器２１の出力端子が接続される。温度/電圧変換器２１は、センサユニット３の使用雰囲気温度を検出する温度センサ２２からの温度信号を入力し、検出温度をDC０V〜１０Vの電圧信号に変換してCPUボード１に入力する。

CPUボード１のRS-232C端子に、操作パネル２３が接続される。操作パネル２３は、規格の設定、測定データの表示、判定結果の表示などを行う。

また、CPUボード１には、必要に応じて外部PC（パソコン）２４とLAN接続される。外部PC２４には、CPUボード１から生産カウントデータ、測定データが送信される。

本発明の、金属製品の内部検査装置を用いて例えば円筒状の金属製品（円筒ワーク）１００の外周面の全域の内部を検査する場合、センサユニット３は、図８に示すように、円筒ワーク１００の外周面に突出部１６の先端を接触させ、円筒ワーク１００を１回転させるようにする。次に、円筒ワーク１００の軸方向にセンサユニット３を僅かな所定距離だけ移動させ、円筒ワーク１００を１回転させる。円筒ワーク１００の軸方向の全長にわたり、センサユニット３を円筒ワーク１００の軸方向に所定距離ずつ移動させて上記の作業を繰り返すことにより、円筒ワーク１００の外周面の全域の内部を検査することができる。

また、円筒ワーク１００の外周面の全域を検査する他の方法として、突出部１６の先端を円筒ワーク１００の外周面に接触させた状態で、円筒ワーク１００を軸方向へ僅かに移動しつつ円筒ワーク１００を連続して一方向へ回転させ、円筒ワーク１００の外周面に対して突出部１６を螺旋状に移動させる方法がある。この方法の場合、上述した方法よりも作業時間の短縮を図ることが可能である。

また、円筒ワーク１００の内周面の全域の内部を検査する場合、図９に示すように、センサユニット３を円筒ワーク１００の内側に挿通し、突出部１６の先端を円筒ワーク１００の内周面に接触させた状態で円筒ワーク１００を１回転させる。次に、円筒ワーク１００を軸方向へ僅かな所定距離だけ移動させ、円筒ワーク１００を１回転させる。円筒ワーク１００の軸方向の全長にわたり、センサユニット３を円筒ワーク１００の軸方向に所定距離ずつ移動させて上記の作業を繰り返すことにより、円筒ワーク１００の内周面の全域の内部を検査することができる。

また、円筒ワーク１００の内周面の全域を検査する他の方法として、突出部１６の先端を円筒ワーク１００の内周面に接触させた状態で、円筒ワーク１００を軸方向へ僅かに移動しつつ円筒ワーク１００を連続して一方向へ回転させ、円筒ワーク１００の内周面に対して突出部６を螺旋状に移動させる方法がある。この方法の場合、上述した円筒ワーク１００を１回転ずつ断続的に回転させる方法よりも作業時間の短縮を図ることが可能である。

次に、図１０〜図１３に基づき、本実施形態に係る金属製品の内部検査装置による実験結果を説明する。

まず、図１１（A）、（B）に示す形状寸法の円筒ワーク１００であって、焼入れ処理後の円筒ワーク（実施例１の円筒ワーク）１００と焼入れ処理後の他の円筒ワーク（実施例２の円筒ワーク）１００と焼入れ処理前の円筒ワーク（比較例の円筒ワーク）１００のそれぞれに対し、図１１に示す測定点にセンサユニット３の突出部１６を接触させ、５回測定した結果、下記表１に示す発振電圧の数値（V）が得られ、図１０に示すようなグラフを得ることができた。

上記表１に示すように、発振電圧の平均値は、比較例では９．８３V、実施例１では９．３０V、実施例２では９．３３Vであり、比較例と実施例１、２とでは、発振電圧に０．５４V〜０．５１Vの有意差が認められ、焼入れ処理の有無を明確に峻別することができることが判明した。

また、使用雰囲気温度の変化に対する感性特性を調べるために、センサユニット３の突出部１６を被測定物のワークに接触させず、使用雰囲気温度を１５℃から３５℃まで上昇させたときの１℃ごとの発振電圧を測定し、次に、使用雰囲気温度を３５℃から１５℃まで下降させたときの３４℃、３３℃、３２℃、３１℃、３０℃、２５℃、２０℃、１５℃のときの発振電圧を測定し、次に、使用雰囲気温度を１５℃から３５℃まで上昇させたときの２５℃、３５℃のときの発振電圧を測定したところ、測定結果として下記表２に示す発振電圧の数値（V）が得られ、図１２に示すようなグラフを得ることができた。

上記表２から、使用雰囲気温度が１５℃〜３５℃に変化しても、測定値（発振電圧）の回帰直線式のR²は０．９以上であり、安定した測定ができることが判明した。また、測定する発振電圧の再現性については、周囲温度１５℃、２５℃、３５℃の各々のバラツキ（＝標準偏差×３/平均値）が０．５％以内であることから、使用雰囲気温度が変化しても再現性に優れることが判明した。

さらに、上記実施例１の円筒ワーク１００の外周を測定したところ、測定結果として下記表３に示す発振電圧の数値（V）が得られ、図１３に示すようなグラフを得ることができた。

そして、上記表３から、下記表４を得ることができた。

上記表４から、焼入れ良品の判定基準である「全周ピンポイント測定による発振電圧のバラツキ（＝標準偏差×３/平均値）が２％以内であること」をクリアしているため、実施例１の円筒ワーク１００は焼入れ良品であることが判定できた。

以上説明したように、本実施形態の、渦電流による金属製品の内部検査装置は、直流定電圧が印加される、発振コイル６を有する発振回路４と、発振コイル６の発振電圧を整流して出力する整流回路５とを有するセンサユニット３を備え、整流回路５の出力電圧に基づいて金属製品１００の内部を検査する。

検査時、発振コイル６は、自己発振する励磁コイルとして作用し、磁場を発生する。検査対象である金属製品１００はこの磁場に置かれており、磁場の磁束変化によって金属製品１００の内部に渦電流が発生する。発振コイル６の自己発振によるパワーの小さな発振電圧は、金属製品１００内部に発生した渦電流によりエネルギーを消費し、発振電圧は減衰する。この発振電圧の減衰量は渦電流の発生量に比例し、渦電流の発生量は金属製品１００の導電率もしくは透磁率に応じて変化するため、発振電圧の大きさを検出することで、金属製品１００の内部の状態を評価することが可能になる。

さらに、センサユニット３の突出部１６を被測定物（ワーク）に接触させないときの発振電圧つまり基準値となる発振電圧を、（a）上記表２及び図１２に示すように前もって測定する、または、（b）検査時にその都度測定する、のどちらかにより測定した後、上記センサユニット３の突出部１６を被測定物（ワーク）に接触させて発振電圧つまり測定値となる発振電圧を測定し、上記基準値となる発振電圧と上記測定値となる発振電圧の差を知ることにより、使用雰囲気温度が変化しても正しい測定評価を得ることができる。

本実施形態によると、発振コイル６を励磁コイルと検出コイルの両方の機能を発揮する兼用コイルとして使用したため、励磁コイルと検出コイルを各々別個に設ける場合と比べ、コイルの軸線方向の寸法を短縮させることが可能となり、装置の小型化を図ることができる。

また、発振コイル６を渦巻状の平面コイル体により構成したため、軸線方向の寸法の大幅な短縮化を図ることができる。

また、発振コイル６を、複数の渦巻状の平面コイル体６A、６Bを直列接続かつ積層して構成すると、発振コイル６を１つの渦巻状の平面コイルで構成した場合と比べ、径方向寸法の大幅な短縮化を図ることができる。

また、センサユニット３は、本体部１５と、本体部１５から部分的に突出し、金属製品１００の表面に接触して配置される突出部１６とを有し、発振コイル６は突出部１６に内蔵されている。検査時、金属製品１００の表面から発振コイル６までの距離は、金属製品１００の表面の検査部位がいずれの位置であっても、突出部１６を金属製品１００の表面に接触させることによって一定の距離に保たれる。このため、金属製品１００の表面の検査範囲の全域において、ムラの無い均一な精度で検査を行うことができる。

また、発振回路４の発振コイル６以外の回路構成部品、及び、整流回路５の回路構成部品は、回路基板１７に実装されており、回路基板１７は、センサユニット３の本体部１５に電磁シールドされて内蔵されている。回路基板１７を電磁シールドして本体部１５に内蔵することにより、回路基板１７に実装された回路構成部品の外乱による誤動作を防止することができる。

また、センサユニット３の突出部１６は、金属製品１００の表面に対し滑動自在な材料により形成されている。センサユニット３の突出部１６が金属製品１００の表面に対して滑動自在であるため、金属製品１００の表面上にセンサユニット３を接触させた状態でいずれか一方を円滑に移動させることが可能になり、検査作業を容易に行うことが可能になる。

また、本実施形態に係る金属製品の内部検査方法によると、センサユニット３の突出部１６は、金属製品１００の表面に接触させ、この接触部位の内部状態をピンポイントで検査することができるため、金属製品１００の表面に接触させているセンサユニット３の突出部１６を移動させれば、金属製品１００全体の内部の焼入れ状態や傷、穴（巣）の有無などを検査結果として得ることができる。

本発明の一実施形態に係る渦電流による金属製品の内部検査装置の構成図である。センサユニットの斜視図である。センサユニットの背面図である。センサユニットの側面図である。センサユニットの平面図である。発振コイルの構成要素である渦巻状の平面コイル体の正面図である。発振コイルの構成図である。センサユニットの第１の使用態様図である。センサユニットの第２の使用態様図である。比較例である焼入れ処理前の金属製品（円筒ワーク）の外周面の定点測定結果、及び、第１実施例、第２実施例である焼入れ処理後の焼入れ良品である金属製品（円筒ワーク）の外周面の定点測定結果を示すグラフである。定点測定方法の説明図であり、（A）は円筒ワークの正面図、（B）は円筒ワークの側面図である。使用雰囲気温度の変化に対する感度特性を示すグラフである。焼入れ処理後の焼入れ良品である金属製品（円筒ワーク）の外周測定結果を示すグラフである。

符号の説明

３センサユニット
４発振回路
５整流回路
６発振コイル（平面コイル体）
６A、６B 平面コイル体
１５本体部
１６突出部
１７回路基板
１９電磁シールド板

Claims

直流定電圧が印加される、発振コイルを有する発振回路と、前記発振コイルの発振電圧を整流して出力する整流回路とを有するセンサユニットを備え、
前記整流回路の出力電圧に基づいて金属製品の内部を検査することを特徴とする渦電流による金属製品の内部検査装置。
前記発振コイルは渦巻状の平面コイル体により構成されることを特徴とする請求項１に記載の渦電流による金属製品の内部検査装置。
前記発振コイルは、複数の渦巻状の平面コイル体を直列接続かつ積層して構成されることを特徴とする請求項１に記載の渦電流による金属製品の内部検査装置。
前記センサユニットは、本体部と、該本体部から部分的に突出し、前記金属製品の表面に接触して配置される突出部とを有し、前記発振コイルは前記突出部に内蔵されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の渦電流による金属製品の内部検査装置。
前記発振回路の前記発振コイル以外の回路構成部品、及び、前記整流回路の回路構成部品は、回路基板に実装されており、該回路基板は、前記センサユニットの前記本体部に電磁シールドされて内蔵されていることを特徴とする請求項４に記載の渦電流による金属製品の内部検査装置。
前記センサユニットの前記突出部は、前記金属製品の表面に対し滑動自在な材料により形成されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の渦電流による金属製品の内部検査装置。
金属製品の表面上の点、線又は面に対応する部位の内部を検査することを特徴とする渦電流による金属製品の内部検査方法。