JP2010230351A - ワーク硬度計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】歯車等のワークの特定箇所を安定して計測することができるワーク硬度計測装置を提供することを課題とする。
【解決手段】センサー１８は、ホルダー８１と、このホルダー８１に取り付けられている略コの字状の鉄心８３と、この鉄心８３に設けられている検出コイル支持体８５と、この検出コイル支持体８５の先端に設けられている検出コイル８６と、鉄心８３に設けられている励磁コイル８７と、鉄心８３の一方の先端に設けられ歯車１４の歯面に当接する先端部材８８と、鉄心８３の他方の先端に設けられ歯車１４に当接させない先端部材８９と、からなる。
【効果】先端部材の位置が一定となり、ワークからの検出コイルの距離や励磁コイルの距離を一定化する。この結果、歯車等のワークの特定箇所を安定して計測することができる。

【選択図】図７

Description

本発明は、ワークの表面近傍の硬度を計測する硬度計測装置に関する。

従来、表面処理が施されたワークの表面近傍の硬度を非破壊で計測する技術が知られている（例えば、特許文献１（図２、図３）参照。）。

特許文献１の技術を図面に基づいて以下に説明する。
図１４（ａ）に示すように、表面処理が施された円柱ワーク１０１に、励磁コイル１０２と検出コイル１０３を隣接して配置する。次に、励磁コイル１０２に交流電源１０４から交流電圧（励磁電圧）を印加する。すると、円柱ワーク１０１の表層に渦電流が発生する。この渦電流により検出コイル１０３に交流電流が発生する。この発生した交流電流の電圧（検出電圧）を測定装置１０５で計測する。励磁電圧と検出電圧との相関を（ｃ）で説明する。

（ｃ）は横軸が時間軸で縦軸が電圧であるグラフであり、正弦波Ｖ１が励磁電圧曲線であるときに、検出電圧は正弦波Ｖ２で表される。正弦波Ｖ１と正弦波Ｖ２の位相差をΦと定義する。
（ｂ）で、ｃｏｓΦで表されるＸ値は浸炭深さと良好な相関関係があり、ｓｉｎΦで表されるＹ値は表面硬さに良好な相関関係がある。

浸炭深さや表面硬さが変化すると、Φの大きさやＶ２の高さが変化する。そこで、ｃｏｓΦやｓｉｎΦを計測で求めることにより、そのときの浸炭深さや表面硬さを特定することができる。

ところで、機械要素の一つである歯車は、高い強度が求められる。強度を高める手法として、浸炭処理法が広く採用されている。そして、歯車では表面近傍の硬度が重要であり、歯車の重要な局部、例えば歯底の硬度を計測する必要があり、特に歯車の全歯底の計測ができれば好都合である。
しかしながら、特許文献１では、円柱ワーク１０１の外周面を計測する原理が開示されているものの、歯車の歯底のようなワークの特定箇所を安定して計測する具体的な構成となっていない。すなわち、歯車等のワークの特定箇所を安定して、かつ正確に計測することができるワーク硬度計測装置が求められている。

特開２００４−１０８８７３公報

本発明は、歯車等のワークの特定箇所を安定して計測することができるワーク硬度計測装置を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明では、センサーは、ワークに対向する略コの字形状の鉄心と、この鉄心に設けられ前記ワークに向かって延びており先端が楔形断面形状を呈する検出コイル支持体と、前記鉄心に設けられ前記ワークを励磁する励磁コイルと、前記検出コイル支持体の先端に設けられ前記ワークに発生する渦電流による磁界の変化を検出する検出コイルと、前記鉄心の双方の先端に設けられる各々の形状が異なる先端部材と、からなることを特徴とする。

請求項２に係る発明では、先端部材は、互いに相似形であり、互いの先端部材の材質は同一とすることを特徴とする。

請求項３に係る発明では、先端部材は、球体とこの球体を支持する球体支持部とからなることを特徴する。

請求項４に係る発明では、先端部材の最先端部は大きさの異なる球体であり、小さい球体を有する先端部材の全長は、大きい球体を有する先端部材の全長より長いことを特徴とする。

請求項１に係る発明では、センサーは、鉄心の先端に設けられワークに当接する先端部材と、鉄心の他方の先端に設けられ通常ワークに当接させない先端部材とを備えている。先端部材はワークに接触するので、先端部材の位置が一定となり、ワークからの検出コイルの距離や励磁コイルの距離を一定化する。この結果、歯車等のワークの特定箇所を安定して計測することができる。
加えて、仮にセンサーがワークに対して想定外の角度で接近しても、先端部材がワークに接触することで検出コイルを守るので、センサーの破損を防止することができる。

請求項２に係る発明では、先端部材は、互いに相似形であり、互いの先端部材の材質は同一とした。また、相似形とは、形状は略同一で、それぞれの先端部材の大きさが異なる。通常、片方の先端部材はワークに接触しないので、もう一方の先端部材が２点接触し、この２点接触のみでも、ワークに対する検出コイルの位置精度の向上を図ることができる。
加えて、同材質であるので、発生する渦電流への影響を抑制することができる。

請求項３に係る発明では、先端部材は、球体とこの球体を支持する球体支持部とからなる。球体であるので、多方向に対する位置決めを容易にすることができる。

請求項４に係る発明では、先端部材の最先端部は大きさの異なる球体であり、小さい球体を有する先端部材の全長は、大きい球体を有する先端部材の全長より長い。検出コイル支持体と小さい球体を有する先端部材がワークに接触するような場合でも、小さい球体を有する先端部材の方が先にワークに接触するので、センサーの破損を防止することができる。

本発明に係るワーク硬度計測装置の構成図である。 図１の２矢視図である。 図２の３−３線断面図である。 ショックアブソーバを説明する図である。 ワーク支持機構を説明する図である。 センサー回転機構を説明する図である。 センサーの拡大図である。 図７の８線断面図である。 図７の９線断面図である。 先端部材の接触を説明する図である。 小さい球体を有する先端部材の接触を説明する図である。 センサー誤挿入時における先端部材の接触を説明する図である。 ワーク硬度計測装置の作用説明図である。 従来の技術の基本原理を説明する図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

先ず、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１に示されるように、ワーク硬度計測装置１０は、床１１と、この床１１に絶縁ゴム１２を介して支持されているベースプレート１３と、このベースプレート１３に設けられワーク１４の軸廻りに回転する回転軸１５を備えている回転機構１６と、回転軸１５に設けられワーク１４を支持するワーク支持機構１７と、このワーク支持機構１７で支持されたワーク１４に臨むように設けられワーク１４の表面近傍の硬度を検出するセンサー１８と、このセンサー１８で検出された情報を取得して硬度に換算する硬度換算部２１と、この換算された情報を表示記録する表示記録部２２と、ベースプレート１３にＬ字支持部材２３を介して設けられセンサー１８をワーク１４に進退するセンサー進退機構２４とからなる。

図２に示されるように、ワーク１４をワーク１４の軸に沿って移動させる第１スライド機構２５と、ワーク１４をセンサー１８に向かって移動させる第２スライド機構２６とからなる２つのスライド機構を介して回転機構１６がベースプレート１３に設けられている。

第１スライド機構２５は、ベースプレート１３に設けられている縦板２７と、この縦板２７に設けられている２本の縦レール２８、２８と、この縦レール２８、２８にスライド自在に設けられている縦スライダー２９、２９と、縦スライダ２９、２９ーに設けられている縦移動プレート３１とからなる。

第２スライド機構２６は、縦移動プレート３１に設けられている横板３２と、この横板３２に設けられている２本の横レール３３、３３と、この横レール３３、３３にスライド自在に設けられている横スライダー３４、３４と、これらの横スライダー３４、３４に設けられている横移動プレート３５とからなる。

図１に戻って、第２スライド機構２６は、床１１に上下方向の衝撃を吸収するショックアブソーバ３６を介して設けられている。

また、センサー１８とセンサー進退機構２４との間に、ワーク１４の軸に直交する軸廻りに回転するセンサー回転機構４１が介在している。センサー進退機構２４の進退スライダー４２に固定部材４３が設けられ、この固定部材４３にセンサー回転機構４１が設けられている。

また、符号４４は、交流電源を示す。交流電源４４で励磁コイル（詳細後述）を印加する。また、符号４５は、回転機構１６、ワーク支持機構１７及びセンサー進退機構２４を制御する制御部である。

図２に戻って、第１スライド機構２５の縦板２７が固定されているベースプレート１３に、上下方向に高さ表示用の目盛り４６が設けられている。横板３２に目盛り４６を指し示す矢印部材４７が設けられている。

第２スライダー２６には、横移動プレート３５の移動をロックする横ロックレバー４８が設けられている。横移動プレート３５にボルト４９を介して、回転機構１６が設けられている。

図３に示されるように、第１スライド機構２５には、縦板２７に設けられている支持板５１、５１と、この支持板５１、５１の上端に設けられているハンドル支持部材５２と、ハンドル支持部材に回転自在に支持されているハンドル５３と、このハンドル５３に接続されている長ねじ５４と、縦移動プレート３１に設けられ長ねじ５４に噛み合っているナット部５５と、ハンドル５３をロックするハンドルロックレバー５６とが備えられている。
ハンドルロックレバー５６を開くことで、ハンドル５３を回し、縦移動プレート３１を上下に移動させることができる。ハンドルロックレバー５６を閉めることで、バンドル５３をロックし、縦移動プレート３１を固定することができる。

図４に示されるように、ショックアブソーバ３６は、横板３２にボルト５７、５７を介して固定されている固定板５８と、この固定板５８の上部に設けられている揺動部材６１と、この揺動部材６１に接続されているロッド６２と、ロッド６２に接続されているピストン６３と、このピストン６３に設けられている穴６４と、床１１にボルト６５を介して固定されピストン６３を摺動自在に収納するシリンダ６６と、このシリンダ６６内のオイル６７とからなる。

なお、ショックアブソーバ３６は、上述した構成に限定されず、圧縮ばねで支える構成等、第２スライド機構（図１、符号２６）等を支えてワーク（図１、符号１４）の上下移動を無理なく実施させるものであれば、他の構成であっても差し支えない。

図５（ａ）に示されるように、ワークとしての歯車１４は、貫通穴６８を有している。ワーク支持機構１７は、ハウジング７１と、ハウジング７１の内部に設けられているレール７２、７２と、これらのレール７２、７２にスライド自在に設けられ貫通穴６８の周面を押すことで歯車１７を支持する複数のクランプ爪７３、７３と、ハウジング７１に設けられクランプ爪７３、７３をハウジング７１の内側に付勢する圧縮ばね７４、７４と、クランプ爪７３、７３の内側に接し上昇することでクランプ爪７３、７３を押し開くコーン７５と、このコーン７５を昇降させる昇降シリンダ７６とからなる。

（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図であり、クランプ爪７３は３個備えられている。３個のクランプ爪７３により、歯車１４を確実に支持することができる。
なお、クランプ爪７３は、３個に限定せず、４個等、ワーク１４に合わせて適切な数のクランプ爪７３を設けても差し支えない。また、ワーク支持機構１７は、上述の構成に限定されず、貫通穴６８の周面を押すことでワーク１４を支持できれば、他の一般的なクランプ機構でも差し支えない。

図６に示されるように、ワーク１４は、はすば歯車である。
センサー回転機構４１は、回転角度を知ることができる角度目盛り７７が設けられており、はすば車１４の歯すじの傾きに合わせて、矢印（１）のように回転させ、角度の設定を容易に行うことができる。
また、センサー１８とセンサー回転機構４１との間に、センサー１８がはすば歯車１４に接触したときの衝撃を吸収する衝撃吸収機構７８が設けられている。

図７に示されるように、センサー１８は、衝撃吸収機構（図６、符号７８）の先端に設けられているホルダー８１と、このホルダー８１にボルト８２、８２で取り付けられている略コの字状の鉄心８３と、この鉄心８３に設けられワークとしての歯車１４に向かって延びてスライド可能にビス８４で固定されている検出コイル支持体８５と、この検出コイル支持体８５の先端に設けられ歯車１４に発生する渦電流による磁界の変化を検出する検出コイル８６と、鉄心８３に設けられ歯車１４を励磁する励磁コイル８７と、鉄心８３の一方の先端に設けられ歯車１４の歯面に当接する先端部材８８と、鉄心８３の他方の先端に設けられ歯車１４に当接させない先端部材８９と、からなる。なお、先端部材８９は、先端部材８８を小型にした相似体である。

図８に示されるように、検出コイル８６は絶縁性に富む楔形断面形状のナイロン等の樹脂体９１を介して検出コイル支持体８５に支持されている。樹脂体９１が楔形断面形状であるため、検出コイル８６を歯車１４の歯底９２に接近させることができる。

図９に示されるように、先端部材８８は、球体９３とこの球体９３を支持する球体支持部９４とからなる。先端部材８８の球体９３は、隣り合う歯先９５と歯先９５との間は通過するが、歯底９２に到達する前に歯面に接する外径に設定されているすなわち、接触点９６、９６に接触しているため、先端部材８８の図左右方向及び上下方向の位置が規定される。併せて、先端部材８８の中心は歯底９２の中心に合致する。この結果、歯底９２からの検出コイル（図８、符号８６）の距離や、励磁コイル８７、８７の距離を一定化することができる。この結果、測定の信頼性を高めることができる。

図１０において（ａ）は比較例における先端部材１１１がワークとしての歯車１１２へ接近する状態を、センサー１１３の前進方向から見た図である。（ａ）に示す比較例のセンサー１１３では、同じ大きさの先端部材１１１、１１１が設けられている。仮にセンサー１１３が歯車１１２の歯すじに対し、若干傾斜した状態で歯底１１４に前進した場合、先端部材１１１、１１１は、それぞれ接触点１１５、１１５で歯車１１２、１１２に接触する。
（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図であり、先端部材１１１、１１１は所定の位置まで前進できず、途中に引っ掛かる。結果、検出コイル１１６は、歯底１１４に接近することができないので、正確な測定をすることができない。

一方、（ｃ）に示す実施例においては、仮にセンサー１８が歯車１４の歯すじに対し、若干傾斜した状態で歯底９２に前進した場合、先端部材８８は、２箇所の接触点９６、９６で歯車１４に接触する。先端部材８９は小型であるため、歯車１４に接触せずに前進する。
（ｄ）は（ｃ）のｄ−ｄ線断面図であり、先端部材８８は所定の位置に止まる。検出コイル８６は、歯底９２に接近するので、正確な測定をすることができる。

図１１において、（ａ）は比較例におけるセンサー１１３が歯車１１２の歯先１１７に接触する状態を、センサー１１３の前進方向から見た図である。（ａ）に示す比較例のセンサー１１３には、１個の先端部材１１１が設けられている。仮にセンサー１１３が歯車１１２の歯すじに対し、大きく傾斜した状態で歯車１１２に前進した場合、検出コイル支持体１１８が歯先１１７に接触する。
（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図であり、先端部材１１１よりも先に、検出コイル支持体１１８が歯先１１７に接触する。この結果、センサー１１３が破損しやすくなる。

一方、（ｃ）に示す実施例においては、仮にセンサー１８が歯車の歯すじに対し、大きく傾斜した状態で歯車１４に前進した場合、先端部材が歯先９５に接触する。
（ｄ）は（ｃ）のｄ−ｄ線断面図であり、検出コイル支持体８５よりも先に、先端部材８９が歯先９５に接触する。この結果、センサー１８の破損を防止することができる。

図１２において、（ａ）に示されるように、センサー１８がワーク１４に対して斜めに挿入されても、先端部材８８が先にワーク１４に接触する。この結果、検出コイル８６の破損を免れることができる。また、（ｂ）に示されるように、センサー１８がワーク１４に対して斜めに挿入されても、先端部材８９が先にワーク１４に接触する。この結果、検出コイル８６の破損を免れることができる。

以上の述べたワーク硬度計測装置の作用を次に述べる。
図１３において、（ａ）に示すように、静止状態にあるワークとしての歯車１４へ、検出コイル８６を矢印（２）のように前進させる。（ｂ）に示すように、検出コイル８６に任意の歯底９２を臨ませ、歯底９２の硬度を測定する。終わったら、矢印（３）のように検出コイル８６を後退させる。

次に、（ｃ）に示すように、歯車１４を１ピッチ（歯一枚分）だけ回す（矢印（４））。すると、（ｄ）に示すように、隣の歯底９２が検出コイル８６に臨む。以降、（ａ）に戻って作業を継続する。

尚、本発明のワーク硬度計測装置は、実施の形態では歯車に適用したが、軸にも適用可能であり、表面処理が施された部材であれば、一般の機械部品に適用することは差し支えない。

本発明のワーク硬度計測装置は、歯車に好適である。

１０…ワーク硬度計測装置、１４…ワーク（歯車、はすば歯車）、１８…センサー、８３…鉄心、８５…検出コイル支持体、８６…検出コイル、８７…励磁コイル、８８…先端部材、８９…先端部材（相似形）、９３…球体、９４…球体支持部。

Claims (4)

1. センサーは、ワークに対向する略コの字形状の鉄心と、
   この鉄心に設けられ前記ワークに向かって延びており先端が楔形断面形状を呈する検出コイル支持体と、
   前記鉄心に設けられ前記ワークを励磁する励磁コイルと、
   前記検出コイル支持体の先端に設けられ前記ワークに発生する渦電流による磁界の変化を検出する検出コイルと、
   前記鉄心の双方の先端に設けられる各々の形状が異なる先端部材と、からなることを特徴とするワーク硬度計測装置。
2. 前記先端部材は、互いに相似形であり、前記互いの先端部材の材質は同一とすることを特徴とする請求項１記載のワーク硬度計測装置。
3. 前記先端部材は、球体とこの球体を支持する球体支持部とからなることを特徴する請求項２記載のワーク硬度計測装置。
4. 前記先端部材の最先端部は大きさの異なる球体であり、小さい球体を有する先端部材の全長は、大きい球体を有する先端部材の全長より長いことを特徴とする請求項１記載のワーク硬度計測装置。

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