JP2016224073A - 表面特性検査装置及び表面特性検査方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】表面特性検査装置1は、交流電源10、交流ブリッジ回路20及び評価装置30を備え、交流ブリッジ回路20は、分配比γが可変な可変抵抗21、基準検出器22及び検査検出器23により構成されている。検査検出器23は、被検体Mの表面特性検査領域に対向するように巻回されたコイル23bを備えており、交流電源10からの交流電力をコイル23bに供給することにより被検体Mに渦電流を励起する。基準検出器22には被検体Mと同一構造の基準検体Sを配置し、検査環境の影響をキャンセルする。
【選択図】図1(A)
Description
従来、これら製品の表面処理後の残留応力、硬度などの表面特性の評価は、抜き取りの破壊検査により行われていた。そのため、製品を全て直接検査できないという問題、破壊検査であるため検査された製品が使えなくなるという問題などがあった。
そこで、製品の表面特性を非破壊で検査できる装置の開発の要請が高まっている。このような装置として、例えば、特許文献1には、ショットピーニング処理面上方に配置されるコイルを備えた検査回路に周波数を変化させながら交流信号を入力して、検査回路におけるインピーダンスの周波数応答特性を用いて検査対象における残留応力の発生状態を検査するショットピーニング処理面の非破壊検査装置が開示されている。
前記基準検体は、表面処理を施していない未処理品である、という技術的手段を用いる。
また、表面特性とは、「被検体の最表面から内面の影響層までの特性」のことをいう。さらに、基準検体として表面処理を施していない未処理品を用いると、被検体との表面状態の差に基づいた出力を大きくすることができるので、更に測定精度を向上させることができるとともに、しきい値を設定しやすく、好ましい。
(表面特性検査装置)
図1(A)に示すように、本発明の実施形態による表面特性検査装置1は、交流電源10、交流ブリッジ回路20及び評価装置30を備えている。
次に、非平衡状態に調整された交流ブリッジ回路20からの出力について、図2の等価回路を参照して説明する。基準検出器22には基準出力を出力するための基準検体Sが近接され、検査検出器23には表面処理状態の良否を判定すべき被検体Mが近接されている。ここで、基準検体Sは被検体Mと同一構造であり、好ましくは表面処理を行っていない未処理品を用いる。
次に、表面特性検査装置1による被検体の表面特性検査方法について図3を参照して説明する。
続いて、Ef1とEf2との比較を行い、Ef2>Ef1であれば、周波数f2よりも所定の値高い周波数f3になるように制御信号を出力し、周波数f3における増幅器31からの出力電圧Ef3が周波数調整器35に入力され、記憶される。そして、Ef2とEf3との比較を行う。これを繰り返し、Efn+1<Efnとなったときの周波数fn、つまり出力が最大となる周波数fnを、しきい値設定工程S4及び交流供給工程S5で用いる周波数として設定する。これにより、表面処理状態、形状などが異なりインピーダンスが異なる被検体Mに対応して交流ブリッジ回路20からの出力を大きくする周波数を一度の操作により設定することができる。最適な周波数は、被検体の材料、形状、表面処理状態により、変化することとなるが、これがあらかじめわかっている場合、周波数の設定は不要である。これにより、表面処理状態の変化に出力が敏感に対応し、検査の感度を向上させることができる。
ここで、周波数設定工程S3は、可変抵抗設定工程S2よりも先に実施することもできる。
図4に未処理の被検体の出力信号EA及び表面処理後の被検体の出力信号EBの分布を模式的に示す。
Ethi=(EAav・σB+EBav・σA)/(σA+σB)
EAav:出力信号EAの平均値、EBav:出力信号EBの平均値、σA:出力信号EAの標準偏差、σB:出力信号EBの標準偏差
EAmax<Ethi<EBmin
の関係を持つ。
なお、上記関係が成立しない場合にも、出力信号EA及び出力信号EBのばらつき、分布から大きく外れた特異的な測定値がないか、など考慮して、適切な初期しきい値Ethiを設定することができる。例えば、同じ被検体の未処理状態、表面処理状態を複数個測定し、これを用いて初期しきい値Ethiを再度算出する等の方法がある。
基準検出器22において基準状態を検出するために、被検体Mと同一構造の基準検体Sを用いているため、温度、湿度、磁気などの検査環境の変化により出力値が変動しても、その影響は被検体Mと同等になる。これにより、温度、湿度、磁気などの検査環境の変化による出力値の変動をキャンセルすることができ、測定精度を向上させることができる。特に、基準検体Sとして表面処理を行っていない未処理品を用いると、被検体Mとの表面状態の差に基づいた出力を大きくすることができるので、更に測定精度を向上させることができるとともに、しきい値を設定しやすく、好ましい。
初期しきい値Ethiは、検査検出器23に未処理の被検体Mを配置したときの出力信号EA及び検査検出器23に表面状態が良好である表面処理後の被検体Mを配置したときの出力信号EBの差が大きい場合などには、出力信号EAの平均値EAav側に近づいて、良品と判定される出力の幅が大きくなる可能性がある。そのため、更に精度の高いしきい値を設定したい場合には、初期しきい値Ethiを用いて繰り返し測定を行うことにより蓄積された数多くの検査データに基づいて、しきい値を設定し直すことができる。このとき新たに設定されるしきい値を更新しきい値Ethnという。
(ECmin+ECmax)/2>ECavの場合:ECav−4σCを更新しきい値Ethnとして設定
ここで、ECav−3σCまたはECav−4σCが初期しきい値Ethi以下である場合には、更新しきい値Ethnを設定せず初期しきい値Ethiを用いる。
前述した初期オフセット値Eiと検査オフセット値Eikとを用いて測定値の校正を行うことができる。
被検体Mの検査検出器23への配置及び検査検出器23からの取出しを測定値En(En=E2−E1)を用いて制御することができる。
被検体の配置、取出しの制御方法を図6及び図7を参照して説明する。なお、図6は、初期値Ei0、出力値Enなどを説明のために例示し、模式的に示したもので、実際の出力値ではない。
検査状態判断工程S7を実施しない場合には、表面特性検査装置1は位相比較器34を省略することができる。例えば、レーザー変位計などの位置検出手段にて検査検出器23と被検体Mの位置関係の検出を行い、検査検出器23の軸と被検体Mの軸とのずれが所定の範囲内であるか否かを光電センサ(レーザ)等で判定する、などを行う構成とすることができる。また、位相比較器34、周波数調整器35または表示手段37は、判断手段36に内蔵させるなど一体的に設けることもできる。
本発明の表面特性検査装置1及び表面特性検査方法によれば、検査検出器23のコイル23bにより被検体Mに渦電流を励起し、交流ブリッジ回路20から出力された出力信号としきい値とを比較して、被検体Mの表面特性を評価することができる。これにより、簡単な回路構成で高精度の表面状態の検査が可能である。
基準検出器22において基準状態を検出するために、被検体Mと同一構造の基準検体Sを用いているため、温度、湿度、磁気などの検査環境の変化により出力値が変動しても、その影響は被検体Mと同等になる。これにより、温度、湿度、磁気などの検査環境の変化による出力値の変動をキャンセルすることができ、測定精度を向上させることができる。特に、基準検体Sとして表面処理を行っていない未処理品を用いると、被検体Mとの表面状態の差に基づいた出力を大きくすることができるので、更に測定精度を向上させることができるとともに、しきい値を設定しやすく、好ましい。
また、適切なしきい値を設定したり、オフセット値を用いて測定値を校正したりすることにより、更に測定精度を向上させることができる。
図8の表面特性検査装置2のように、交流ブリッジ回路20に検査検出器23を複数個備えた構成を採用することもできる。ここでは、3つの検査検出器23A、23B、23Cを備えた構成を示す。
・被検体Mが検査検出器23Aから取り出されたこと
・被検体Mが検査検出器23Aから取り出された後の出力値を記憶したこと
を充足することとなる。
本実施形態では、検査検出器23を3個備えた構成を示したが、これに限定されるものではなく、必要数の検査検出器23を備えた構成を採用することができる。また、図10では、検査検出器23A、23B、23Cは模式的に示してあり、離れて配置されているが、筐体などにより一体的に配置することなど各種形態を採用することができる。
第2実施形態の表面特性検査装置2及び表面特性検査方法によれば、第1実施形態の表面特性検査装置1及び表面特性検査方法が奏する効果に加え、以下の効果を奏することができる。
表面特性検査装置2は、検査検出器23を複数個備え、切換手段24により交流ブリッジ回路20を構成する検査検出器23を切換えて順次検査を行うことができるので、搬送から検査完了までに要する時間を短縮することができる。また、交流電源10、評価装置30を共用し、複数台の表面特性検査装置を用意する必要がないので、装置コストを低減することができる。
また、検査検出器23A、23B、23Cの切換えを、各検査検出器からの出力に基づいて行うため、検査検出器23を迅速かつ確実に切換えて、効率的かつ正確な検査を行うことができる。
1. 表面処理が施された被検体の表面特性を検査するための表面特性検査装置であって、
交流ブリッジ回路と、
前記交流ブリッジ回路に交流電力を供給する交流電源と、
前記交流ブリッジ回路からの出力信号に基づいて、被検体の表面特性を評価する評価装置と、を備え、
前記交流ブリッジ回路は、第1の抵抗と第2の抵抗とに分配比が可変に構成された可変抵抗と、交流磁気を励起可能なコイルを備え被検体に渦電流を励起するように当該コイルを配置可能に形成された検査検出器と、被検体と同一構造の基準検体に渦電流を励起するように構成され、前記検査検出器からの出力と比較する基準となる基準状態を検出する基準検出器とを有し、前記第1の抵抗、前記第2の抵抗、前記基準検出器及び前記検査検出器はブリッジ回路を構成し、
前記評価装置は、前記交流ブリッジ回路に交流電力が供給され、前記検査検出器が前記被検体の電磁気特性を検出し、前記基準検出器が基準状態を検出している状態における前記交流ブリッジ回路からの出力信号と所定のしきい値とを比較して、前記被検体の表面特性を評価することを特徴とする表面特性検査装置。
2. 前記検査検出器は、被検体の表面特性検査領域を囲むように巻回されたコイルを備え、前記交流電源からの交流電力を前記コイルに供給することにより被検体に渦電流を励起して被検体の電磁気特性を検出することを特徴とする上記1に記載の表面特性検査装置。
3. 前記基準検体は、表面処理を施していない未処理品であることを特徴とする上記1または上記2に記載の表面特性検査装置。
4. 前記検査検出器を複数個備えるとともに、該複数の検査検出器のいずれがブリッジ回路を構成するかを切換え可能な切換手段を備えたことを特徴とする上記1ないし上記3のいずれか1つに記載の表面特性検査装置。
5. 上記1ないし上記4のいずれか1つに記載の表面特性検査装置を用意し、
前記交流電源から前記交流ブリッジ回路に交流電力が供給されたとき、被検体に渦電流が励起されるように、前記検査検出器を被検体に対して所定の位置に配置する配置工程と、
前記基準検出器において前記基準検体を配置した状態で前記交流ブリッジ回路から出力された出力信号と前記しきい値とを比較して、被検体の表面特性を評価する評価工程と、を備え、前記配置工程及び前記評価工程を各被検体について実行する表面特性検査方法。
6. 被検体の評価開始時に用いる前記しきい値である初期しきい値Ethiは、前記検査検出器に未処理の被検体を配置したときの出力信号EA及び前記検査検出器に表面状態が良好である表面処理後の被検体を配置したときの出力信号EBに基づいて設定される上記5記載の表面特性検査方法。
7. 前記初期しきい値Ethiは、未処理の複数の被検体を前記検査検出器に夫々配置したときの出力信号の平均値EAavと、表面状態が良好である表面処理後の複数の被検体を前記検査検出器に夫々配置したときの出力信号の平均値EBavの間の値に設定される上記6記載の表面特性検査方法。
8. 前記初期しきい値Ethiは、出力信号EAの標準偏差をσA、出力信号EBの標準偏差をσBとするとき、下式により設定されることを特徴とする上記7に記載の表面特性検査方法。
Ethi=(EAav・σB+EBav・σA)/(σA+σB)
9. 前記評価装置は各被検体の表面特性を検査した際の各出力信号を蓄積する記憶手段を備え、前記しきい値は蓄積された出力信号に基づいて更新されることを特徴とする上記5ないし上記8のいずれか1つに記載の表面特性検査方法。
10. さらに、前記配置工程の前に、前記検査検出器に被検体を配置していない状態で得られた出力信号を初期オフセット値として記憶するオフセット記憶工程を有し、
前記配置工程は、前記検査検出器に被検体を配置する前に出力信号を検査オフセット値として取得する工程を含み、
前記評価工程において、前記基準検出器に前記基準検体を配置した状態で前記交流ブリッジ回路から出力された出力信号を、前記初期オフセット値及び前記検査オフセット値に基づいて補正して、被検体の表面特性を評価することを特徴とする上記5ないし上記9のいずれか1つに記載の表面特性検査方法。
11. 前記初期オフセット値と前記検査オフセット値の差である前記差分電圧が、表面特性検査装置の使用条件に基づいて設定された許容値を超えたときには被検体の表面特性の検査を行わないことを特徴とする上記10に記載の表面特性検査方法。
12. 前記評価装置は記憶手段を備え、該記憶手段には、各被検体の識別情報と該被検体の表面特性の検査データが関連付けて記憶されることを特徴とする上記5ないし上記11のいずれか1つに記載の表面特性検査方法。
13. 前記評価工程は、前記交流ブリッジ回路から出力された出力信号の変化に基づいて、前記検査検出器への被検体の配置状態を検出する工程を含み、前記検査検出器への被検体の配置が検出された後、被検体の表面特性の評価が実行されることを特徴とする上記5ないし上記12のいずれか1つに記載の表面特性検査方法。
14. 前記表面特性検査装置は複数個の検査検出器及び切換手段を備えており、前記切換手段は、前記交流ブリッジ回路から出力された出力信号の変化に基づいてブリッジ回路を構成している検査検出器から被検体が取り出されたことを検出した後に、検査検出器の切換えを行うことを特徴とする上記13に記載の表面特性検査方法。
15. 前記表面特性検査装置は複数個の検査検出器及び切換手段を備え、前記評価装置は記憶手段を備えており、前記記憶手段は、被検体の検査を行った検査検出器の識別情報と被検体の表面特性の検査データとを関連付けて記憶することを特徴とする上記5ないし上記14のいずれか1つに記載の表面特性検査方法。
10…交流電源
20…交流ブリッジ回路
21…可変抵抗
22…基準検出器
23…検査検出器
23a…コア
23b…コイル
23c…磁気シールド
24…切換手段
30…評価装置
31…増幅器
32…絶対値回路
33…LPF
34…位相比較器
35…周波数調整器
36…判断手段
37…表示手段
38…温度測定手段
M…被検体
Claims (6)
- 表面処理が施された被検体の表面特性を検査するための表面特性検査装置であって、
交流ブリッジ回路と、
前記交流ブリッジ回路に交流電力を供給する交流電源と、
前記交流ブリッジ回路からの出力信号に基づいて、被検体の表面特性を評価する評価装置と、を備え、
前記交流ブリッジ回路は、第1の抵抗と第2の抵抗とに分配比が可変に構成された可変抵抗と、交流磁気を励起可能なコイルを備え被検体に渦電流を励起するように当該コイルを配置可能に形成された検査検出器と、被検体と同一構造の基準検体に渦電流を励起するように構成され、前記検査検出器からの出力と比較する基準となる基準状態を検出する基準検出器とを有し、前記第1の抵抗、前記第2の抵抗、前記基準検出器及び前記検査検出器はブリッジ回路を構成し、
前記評価装置は、前記交流ブリッジ回路に交流電力が供給され、前記検査検出器が前記被検体の電磁気特性を検出し、前記基準検出器が基準状態を検出している状態における前記交流ブリッジ回路からの出力信号と所定のしきい値とを比較して、前記被検体の表面特性を評価し、
前記基準検体は、表面処理を施していない未処理品であることを特徴とする表面特性検査装置。 - 前記検査検出器は、被検体の表面特性検査領域を囲むように巻回されたコイルを備え、前記交流電源からの交流電力を前記コイルに供給することにより被検体に渦電流を励起して被検体の電磁気特性を検出することを特徴とする請求項1に記載の表面特性検査装置。
- 前記検査検出器を複数個備えるとともに、該複数の検査検出器のいずれがブリッジ回路を構成するかを切換え可能な切換手段を備えたことを特徴とする請求項1又は2に記載の表面特性検査装置。
- 請求項1ないし請求項3のいずれか1つに記載の表面特性検査装置を用意し、
前記交流電源から前記交流ブリッジ回路に交流電力が供給されたとき、被検体に渦電流が励起されるように、前記検査検出器を被検体に対して所定の位置に配置する配置工程と、
前記基準検出器において前記基準検体を配置した状態で前記交流ブリッジ回路から出力された出力信号と前記しきい値とを比較して、被検体の表面特性を評価する評価工程と、を備え、前記配置工程及び前記評価工程を各被検体について実行する表面特性検査方法。 - 被検体の評価開始時に用いる前記しきい値である初期しきい値Ethiは、前記検査検出器に未処理の被検体を配置したときの出力信号EA及び前記検査検出器に表面状態が良好である表面処理後の被検体を配置したときの出力信号EBに基づいて設定される請求項4記載の表面特性検査方法。
- 前記初期しきい値Ethiは、未処理の複数の被検体を前記検査検出器に夫々配置したときの出力信号の平均値EAavと、表面状態が良好である表面処理後の複数の被検体を前記検査検出器に夫々配置したときの出力信号の平均値EBavの間の値に設定される請求項5記載の表面特性検査方法。
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