JPH10293124A

JPH10293124A - 焼入硬化層深さ検査装置

Info

Publication number: JPH10293124A
Application number: JP9115249A
Authority: JP
Inventors: Shoji Yamaguchi; 祥司山口
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1997-04-17
Filing date: 1997-04-17
Publication date: 1998-11-04

Abstract

(57)【要約】【課題】パイプ状、ロッド状等をなした試料の焼入硬
化層深さを、非破壊で検査する。【解決手段】発信プローブ１１は試料１内に超音波を
発信し、受信プローブ１４は試料１内を伝搬した超音波
を受信する。また、制御装置２３には距離測定回路１９
と伝搬時間測定回路２２とが接続され、距離測定回路１
９は発信プローブ１１と受信プローブ１４との間の離間
距離を測定し、伝搬時間測定回路２２は超音波の伝搬時
間を検出する。そして、制御装置２３は距離測定回路１
９、伝搬時間測定回路２２によるそれぞれの測定値を用
いて硬化層２の深さ寸法が規定寸法に適合するか否かを
評価する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば建設機械の
足廻り部品等のように金属部材に熱処理を施すことによ
って得られる熱処理部材の焼入硬化層深さを検査する焼
入硬化層深さ検査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、建設機械の足廻り部品として用
いられる上ローラ、下ローラは、過酷な条件下で使用さ
れることが多く、その内径側、外径側の表面がクローラ
等の他部品と接触するために高い耐摩耗性、耐衝撃性が
要求される。このため、これらの上ローラ、下ローラ
は、表面側の硬度を高めるために金属材料をそれぞれ必
要とされる形状に成形し、加工された後に、焼入れ等の
熱処理が施された熱処理部材として製造され、その表面
側には焼入れによる硬化層が形成されている。

【０００３】従来、この種の熱処理部材は、その一部を
切断研摩し、顕微鏡による組織観察や硬度測定を行うこ
とによって焼入硬化層深さの検査を行っている。しか
し、この検査方法では、組織判別や硬度測定に膨大な時
間と労力を必要とし、検査結果を直ちに製造プロセスに
反映させることが難しいという問題がある。また、熱処
理部材の一部を切断しなければならないため、実際に使
用する熱処理部材を検査することができないという問題
がある。

【０００４】そこで、熱処理部材の焼入硬化層深さの検
査を非破壊で行う従来技術として、例えば特開昭５３−
１２６９９３号公報では、超音波の発信、受信を行う超
音波受信器を熱処理部材に接触させ、超音波受信器から
熱処理部材内に超音波を放射すると共に、熱処理部材内
から反射してくる反射波を超音波受信器で検出すること
によって焼入硬化層深さの検査を行っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来技術では、単一の超音波受信器を用いて超音波の発
信、受信を行っている。このため、平板状の熱処理部材
の検査を行う場合には、一面側から入射した超音波が他
面側で反射されるから、十分な反射波が得られる。しか
し、例えば上ローラ、下ローラ等のようにパイプ状、ロ
ッド状に形成された熱処理部材では、超音波が反射され
る面が曲面となるため、超音波が散乱し、十分な反射波
を検出することができず、正確な焼入硬化層深さの検査
を行うことができないという問題がある。

【０００６】本発明は上述した従来技術の問題に鑑みな
されたもので、本発明はパイプ状、ロッド状等の形状に
形成された熱処理部材の焼入硬化層深さを非破壊で検査
することができる焼入硬化層深さ検査装置を提供するこ
とを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明による焼入硬化層深さ検査装置の構成は、表
面に硬化層が形成された試料に接触し前記試料内に向け
て超音波を発信する超音波発信器と、前記試料に接触し
前記超音波発信器から発信された超音波を前記試料を介
して受信する超音波受信器と、前記超音波発信器と超音
波受信器との間の離間距離を測定する距離測定手段と、
前記超音波発信器から発信した超音波を前記超音波受信
器によって受信し超音波発信器と超音波受信器との間に
介在する試料内を超音波が伝搬するときの伝搬時間を測
定する伝搬時間測定手段と、前記距離測定手段によって
測定された離間距離の測定値と前記伝搬時間測定手段に
よって測定れた伝搬時間の測定値とを用いて前記硬化層
の深さが予め決められた規定深さ寸法に適合するか否か
を評価する硬化層評価手段とからなる。

【０００８】これにより、伝搬時間測定手段は、超音波
発信器から発信した超音波を超音波受信器によって受信
するまでの時間を計測することによって試料内での超音
波の伝搬時間を測定することができ、距離測定手段は、
超音波発信器と超音波受信器との間の離間距離を測定す
ることによって試料内での超音波の伝搬距離を測定する
ことができる。そして、硬化層評価手段は、距離測定手
段によって測定された離間距離の測定値と伝搬時間測定
手段によって測定された伝搬時間の測定値とを用いて超
音波が音速の速い硬化層内を伝搬したものであるか音速
の遅い硬化層以外の試料（母材）内を伝搬したものであ
るかを判定し、硬化層の深さが規定深さ寸法に適合する
か否かを評価することができる。

【０００９】また、請求項２に係る発明では、前記硬化
層評価手段は、検査対象となる試料について前記超音波
発信器と超音波受信器との間の離間距離毎に試料内での
超音波の伝搬時間の関係を判定データとして予め記憶し
た記憶手段と、焼入硬化層深さの検査に際して前記距離
測定手段によって測定された離間距離の測定値と前記伝
搬時間測定手段によって測定された伝搬時間の測定値と
を用いて、前記記憶手段によって予め記憶された判定デ
ータを参照し、前記硬化層の深さが予め決められた規定
深さ寸法に適合するか否かを判定する硬化層深さ判定手
段とから構成している。

【００１０】この場合、硬化層深さ判定手段は、例えば
距離測定手段によって測定された離間距離の測定値に対
応して記憶手段によって予め記憶された判定データを参
照し、この判定データと伝搬時間測定手段によって測定
された伝搬時間の測定値とを比較することによって硬化
層の深さが規定深さ寸法に適合するか否かを判定するこ
とができる。

【００１１】また、請求項３に係る発明では、前記硬化
層評価手段は、前記超音波発信器と超音波受信器とを相
対的に移動させて離間距離を変化させる移動装置と、前
記移動装置によって前記超音波発信器と超音波受信器と
を相対的に移動させつつ前記距離測定手段によって測定
された離間距離の測定値と伝搬時間測定手段によって測
定された伝搬時間の測定値とを記憶する記憶手段と、前
記記憶手段によって記憶された離間距離の測定値と伝搬
時間の測定値とを用いて変曲点の位置を演算する変曲点
演算手段と、前記変曲点演算手段によって演算された変
曲点を用いて硬化層の深さ寸法を演算する深さ寸法演算
手段と、前記深さ寸法演算手段によって演算された硬化
層の深さ寸法値を用いて前記硬化層の深さが予め決めら
れた規定深さ寸法に適合するか否かを評価する硬化層深
さ評価手段とから構成している。

【００１２】このように構成することにより、変曲点演
算手段は、記憶手段によって記憶された離間距離の測定
値と伝搬時間の測定値とを変曲点の位置を演算し、深さ
寸法演算手段は、変曲点演算手段によって演算された変
曲点を用いて硬化層と母材との間を超音波が通過すると
きの超音波発信器と超音波受信器との距離寸法を演算
し、この距離寸法を用いて硬化層の深さ寸法を演算する
ことができる。硬化層深さ評価手段は、深さ寸法演算手
段による演算された硬化層の深さ寸法値と予め決められ
た規定深さ寸法とを比較することによって硬化層の深さ
が規定深さ寸法に適合するか否かを評価することができ
る。

【００１３】さらに、請求項４に係る発明では、前記変
曲点算定手段は、前記記憶手段によって記憶された離間
距離の測定値を伝搬時間の測定値に対して２階微分する
２階微分演算手段によって構成している。

【００１４】上記構成によれば、２階微分演算手段によ
って前記記憶手段によって記憶された離間距離の測定値
を伝搬時間の測定値に対して２階微分し、伝搬時間の測
定値に対して２階微分による微分演算値をパルス状に変
化させることができ、この微分演算値のピークを検出す
ることによって変曲点を演算することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る焼入硬化層深
さ検査装置の実施の形態を、添付図面に従って詳細に説
明する。

【００１６】ここで、図１ないし図７は本発明の第１の
実施例による焼入硬化層深さ検査装置を建設機械に用い
る上ローラ、下ローラの検査に適用した場合を例に挙げ
て示している。

【００１７】１は検査対象となる試料で、前記試料１は
上ローラ、下ローラ等を構成する筒体として形成され、
浸炭焼入れ可能な鉄材が用いられている。そして、試料
１は、その外周側が焼入れされ硬化層２となり、内周側
が焼入れされていない母材と同材質の母材層３とからな
る。

【００１８】次に、上記試料１の焼入硬化層深さを検査
する焼入硬化層深さ検査装置について説明する。

【００１９】１１は超音波を発信するための超音波発信
器としての発信プローブを示し、前記発信プローブ１１
は、試料１に接触し試料１内に向けて超音波を発信し、
発信プローブ１１は超音波を伝達するためのバッファ部
材１２と前記バッファ部材１２に設けられた圧電素子１
３とから構成されている。そして、バッファ部材１２は
アクリル樹脂等によって略直方体状に形成され、その一
端側には切欠部１２Ａが設けられている。

【００２０】１３は超音波を発信するための圧電素子
で、圧電素子１３は、例えばチタン酸バリウム（Ｂa Ｔ
i Ｏ₃ ）、チタン酸ジルコニア（ＰＺＴ）、酸化亜鉛
（Ｚn Ｏ）等により平板状に形成されている。そして、
前記圧電素子１３は、図２に示すようにバッファ部材１
２の切欠部１２Ａに固着されている。また、前記圧電素
子１３の両面には、クロム（Ｃr ）、金（Ａu ）等の薄
膜からなる電極が真空蒸着されている。そして、前記圧
電素子１３は、後述する超音波発信回路２０から高周波
電圧等の発信信号Ｅi が印加されると圧電素子１３が振
動し、ビーム状の超音波を発生させると共に、前記超音
波をバッファ部材１２から試料１内に向って放射する。

【００２１】そして、バッファ部材１２と試料１との間
には、グリース等のマッチングオイルＧ等が塗布されて
おり、マッチングオイルＧはバッファ部材１２から放射
される超音波を試料１内に向って効率良く伝達してい
る。

【００２２】また、圧電素子１３から試料１内に放射さ
れた超音波は、検査精度や超音波の減衰等を考慮して例
えば１〜２５ＭＨｚの周波数によって励振され、３０〜
６０度程度を広がり角度θをもって試料１内を伝搬す
る。

【００２３】１４は試料１に接触し発信プローブ１１か
ら発信された超音波を受信する超音波受信器としての受
信プローブを示し、前記受信プローブ１４は、図３に示
すように発信プローブ１１とほぼ同様な構成をなし、超
音波を伝達するためのバッファ部材１５と前記バッファ
部材１５に設けられた圧電素子１６とから構成されてい
る。そして、バッファ部材１５はアクリル樹脂等によっ
て略直方体状に形成され、その一端側には切欠部１５Ａ
が設けられている。

【００２４】１６は超音波を受信するための圧電素子
で、圧電素子１６は、例えばチタン酸バリウム（Ｂa Ｔ
i Ｏ₃ ）、チタン酸ジルコニア（ＰＺＴ）、酸化亜鉛
（Ｚn Ｏ）等により平板状に形成されている。そして、
前記圧電素子１３は、図３に示すようにバッファ部材１
５の切欠部１５Ａに固着されている。また、前記圧電素
子１３の両面には、クロム（Ｃr ）、金（Ａu ）等の薄
膜からなる電極が真空蒸着されている。そして、前記圧
電素子１６は、圧電素子１３から放射された超音波によ
って振動すると共に、電圧等の受信信号Ｅo を発生させ
る。また、バッファ部材１５と試料１との間には、試料
１内に放射された超音波をバッファ部材１５内に向って
効率良く伝達するためにグリース等のマッチングオイル
Ｇ等が塗布されている。

【００２５】１７は発信プローブ１１、受信プローブ１
４を移動可能に支持するガイド機構を示し、前記ガイド
機構１７は、図１に示すように長尺のガイドレール１７
Ａと、ガイドレール１７Ａを支持するアーム部材１７
Ｂ，１７Ｃとから構成されている。そして、アーム部材
１７Ｂは、その基端側がガイドレール１７Ａに固定的に
取付けられ、ガイドレール１７Ａからほぼ垂直方向に向
って延びると共に、その先端側には発信プローブ１１が
取付けられている。また、アーム部材１７Ｃの基端側に
はスライダ１７Ｄが設けられ、スライダ１７Ｄはガイド
レール１７Ａに対して移動可能に取付けられている。そ
して、アーム部材１７Ｃは、ガイドレール１７Ａからほ
ぼ垂直方向に向って延びると共に、その先端側には受信
プローブ１４が取付けられている。

【００２６】１８はガイド機構１７に設けられたポテン
ションメータで、前記ポテンションメータ１８は抵抗部
１８Ａとブラシ１８Ｂとからなり、距離測定回路１９と
共に距離測定手段を構成している。そして、ブラシ１８
Ｂは、ガイド機構１７のスライダ１７Ｄに取付けられ、
受信プローブ１４の移動に伴って抵抗部１８Ａ上を移動
する。これにより、ポテンションメータ１８の抵抗値は
受信プローブ１４の位置に対応して変化する。

【００２７】１９はポテンションメータ１８に接続され
た距離測定回路１９で、距離測定回路１９はポテンショ
ンメータ１８によって検出した抵抗値を電圧等の電気信
号に変換し、発信プローブ１１と受信プローブ１４との
間の離間距離Ｌを測定し、測定値Ｌa を出力する。

【００２８】２０は圧電素子１３に発信信号Ｅi を印加
して圧電素子１３を励振する超音波発信回路、２１は圧
電素子１６の受信信号Ｅo を後述の制御装置２３によっ
て読込むために波形成形等の処理を行う超音波受信回路
である。

【００２９】２２は超音波発信回路２０と超音波受信回
路２１とに接続された伝搬時間測定手段としての伝搬時
間測定回路で、前記伝搬時間測定回路２２は、発信プロ
ーブ１１が発信した超音波を受信プローブ１４によって
受信し、発信プローブ１１と受信プローブ１４との間に
介在する試料１内を超音波が伝搬するときの伝搬時間Ｔ
を測定する。

【００３０】即ち、伝搬時間測定回路２２は、図４に示
すように超音波発信回路２０からパルス状の発信信号Ｅ
i を出力して圧電素子１３から超音波を発信させる。そ
して、この超音波が受信プローブ１４によって受信され
るときには、圧電素子１６は受信信号Ｅo を出力し、超
音波受信回路２１はこの受信信号Ｅo を処理する。これ
により、伝搬時間測定回路２２は、超音波受信回路２１
からの信号を検出し、超音波が受信プローブ１４まで到
達したことを検知すると共に、発信プローブ１１から発
信した超音波が受信プローブ１４によって受信されるま
での時間を超音波の伝搬時間Ｔとして測定する。

【００３１】２３は硬化層評価手段としての制御装置
で、前記制御装置２３は、図１に示すように判定データ
マップ２４と伝搬時間判定回路２５とから構成されてい
る。また、判定データマップ２４は、制御装置２３内に
予め記憶され、本発明の記憶手段を構成している。

【００３２】ここで、判定データマップ２４は、図５に
示すように発信プローブ１１と受信プローブ１４との間
の離間距離Ｌ毎に試料１内での超音波の伝搬時間Ｔの関
係を判定データとなる後述の特性線２４Ａ，２４Ｂとし
て記憶している。そして、試料１の硬化層２を検査する
場合、判定データマップ２４は、制御装置２３によって
参照され、発信プローブ１１と受信プローブ１４とを測
定値Ｌa だけ離間して接触させたとき、試料１内を超音
波が伝搬するのに要する所要時間値τa を読出すのに使
用される。

【００３３】さて、試料１は上ローラ、下ローラとして
焼入れを行った後に使用されるもので、この試料１の深
さ方向に向って形成される硬化層２と母材層３との境界
までの深さ寸法を、予め定められた規定深さ寸法Ｄ0 と
したとき（図６参照）、判定データマップ２４は、この
規定深さ寸法Ｄ0 と、硬化層２内での超音波の音速Ｖ1
と、硬化層２よりも軟質の母材層３内での超音波の音速
Ｖ2 とに基づき、図５に示す特性線２４Ａ，２４Ｂとし
て予め設定されている。なお、硬化層２内の音速Ｖ1
は、母材層３内の音速Ｖ2 よりも大きいことが知られて
いる（Ｖ2 ＞Ｖ1）。

【００３４】次に、判定データマップ２４の作成手順に
ついて図６を参照して述べるに、判定データマップ２４
の特性線２４Ａ，２４Ｂは以下の手順で決定される。

【００３５】まず、規定深さ寸法Ｄ0 に相当する位置に
発信プローブ１１と受信プローブ１４とを設置したとき
の両者の距離寸法を規定値Ｌ0 とし、ローラ等の円筒状
の試料１について中心Ｏから外周側までの半径をＲとす
ると、規定値Ｌ0 と規定深さ寸法Ｄ0 との間には幾何学
的に、下記数１、数２の関係が成立する。

【００３６】

【数１】

【００３７】

【数２】

【００３８】そして、離間距離Ｌの測定値Ｌa が規定値
Ｌ0 よりも短いときには、判定データマップ２４の特性
線２４Ａは、伝搬時間Ｔに対する離間距離Ｌの傾きが音
速Ｖ1 に対応して設定される。一方、離間距離Ｌの測定
値Ｌa が規定値Ｌ0 よりも長いときには、判定データマ
ップ２４の特性線２４Ｂは、伝搬時間Ｔに対する離間距
離Ｌの傾きが音速Ｖ1 よりも小さい音速Ｖ2 （Ｖ2 ＜Ｖ
1 ）に対応して設定される。そして、離間距離Ｌの測定
値Ｌa が規定値Ｌ0 と一致するときには、特性線２４Ａ
と特性線２４Ｂとが折曲がった状態の特性として設定さ
れている。

【００３９】即ち、離間距離Ｌの測定値Ｌa が規定値Ｌ
0 よりも短いときには、例えば図６に示すように発信プ
ローブ１１と受信プローブ１４との離間距離Ｌ1 だけ離
間して試料１に接触するから、発信プローブ１１から受
信プローブ１４まで伝搬する超音波はほぼ硬化層２内を
伝搬する。このため、超音波は硬化層２内の比較的速い
音速Ｖ1 で伝搬し、伝搬時間Ｔは離間距離Ｌと音速Ｖ1
とによって決定される。

【００４０】一方、離間距離Ｌが規定値Ｌ0 よりも長い
ときには、発信プローブ１１と受信プローブ１４との離
間距離Ｌ2 だけ離間して試料１に接触するから、発信プ
ローブ１１から受信プローブ１４まで伝搬する超音波は
硬化層２を通過した後に母材層３内を伝搬し、再び硬化
層２を通過する。このため、超音波は硬化層２内を音速
Ｖ1 で伝搬すると共に、母材層３内を音速Ｖ2 で伝搬
し、伝搬時間Ｔは離間距離Ｌと音速Ｖ1 ，Ｖ2 とによっ
て決定される。

【００４１】また、伝搬時間判定回路２５は、硬化層深
さ評価手段を構成し、焼入硬化層深さの検査に際して距
離測定回路１９によって測定された離間距離Ｌの測定値
Ｌaと伝搬時間測定回路２２によって測定された伝搬時
間Ｔの測定値Ｔa とを用いて、判定データマップ２４を
参照し、硬化層２の深さが規定深さ寸法Ｄ0 に適合する
か否かを判定する。

【００４２】即ち、伝搬時間判定回路２５は、離間距離
Ｌの測定値Ｌa に対応して判定データマップ２４を参照
し、所要時間値τa を算定する。そして、伝搬時間測定
回路２２による測定値Ｔa と判定データマップ２４によ
る所要時間値τa との差の絶対値（ |Ｔa −τa|）が一
定値ΔＴよりも小さいときには硬化層２の深さが規定深
さ寸法Ｄ0 に適合するものと判定し、大きいときには不
適合であると判定する。ここで、一定値ΔＴは所要時間
値τa の１０％程度の値に予め設定されている。

【００４３】２６は制御装置２３に接続された表示装置
を示し、前記表示装置２６は、伝搬時間判定回路２５に
よって硬化層２の深さが規定深さ寸法Ｄ0 に適合するか
否かを表示する。

【００４４】本実施例による焼入硬化層深さ検査装置は
上述の如き構成を有するもので、次に図７を参照して、
制御装置２３による焼入硬化層深さ検査処理について説
明する。

【００４５】まず、ステップ１では、距離測定回路１９
によって発信プローブ１１と受信プローブ１４との間の
離間距離Ｌを測定し、測定値Ｌa を読込む。ステップ２
では伝搬時間測定回路２２によって発信プローブ１１と
受信プローブ１４との間を伝搬する超音波の伝搬時間Ｔ
を測定し、測定値Ｔa を読込む。

【００４６】次に、ステップ３では、制御装置２３内の
判定データマップ２４を読出し、次のステップ４では、
判定データを参照し、距離測定回路１９による測定値Ｌ
a に対応して所要時間値τa を読出す。そして、次のス
テップ５では、伝搬時間測定回路２２による測定値Ｔa
と判定データマップ２４による所要時間値τa との差
（Ｔa −τa ）を演算する。

【００４７】そして、ステップ６では、この差値（Ｔa
−τa ）の絶対値 |Ｔa −τa|が一定値ΔＴよりも小さ
いか否かを判定する。いま、このステップ６で「ＮＯ」
と判定したときには、硬化層２の深さが規定深さ寸法Ｄ
0 よりも短過ぎまたは長過ぎるからステップ１０に移っ
て不適合であると判定し、表示装置２６によって硬化層
２の深さが規定深さ寸法Ｄ0 に適合しない旨を表示する
と共に、ステップ１１に移って検査処理を終了する。

【００４８】一方、ステップ６で「ＹＥＳ」と判定した
ときには、ステップ７に移って発信プローブ１１と受信
プローブ１４とを相対的に移動させ、発信プローブ１１
と受信プローブ１４との間の離間距離を変更する。そし
て、ステップ８で、検査処理を終了するか否かを判定す
る。ここで、試料１の焼入硬化層深さ検査処理では、硬
化層２の深さが規定深さ寸法Ｄ0 よりも長いか否かの判
定を行うためには、少なくとも１回は規定値Ｌ0 よりも
長い離間距離Ｌに対する検査を行う必要がある。このた
め、ステップ８では、例えば離間距離Ｌが規定値Ｌ0 よ
りも短いとき（Ｌ＜Ｌ0 ）と長いとき（Ｌ＞Ｌ0 ）に検
査を行ったか否かによって検査処理を終了するか否かの
判定を行う。

【００４９】そして、ステップ８で「ＮＯ」と判定した
ときには、ステップ１〜７までの処理を行う。一方、ス
テップ８で「ＹＥＳ」と判定したときには、硬化層２の
深さが規定深さ寸法Ｄ0 に近い値であるから、ステップ
９に移って規定深さ寸法Ｄ0に適合すると判定し、適合
である旨を表示装置２６によって表示すると共に、ステ
ップ１１に移って検査処理を終了する。

【００５０】かくして、本実施例では、距離測定回路１
９によって発信プローブ１１と受信プローブ１４との間
の離間距離Ｌを測定し、伝搬時間測定回路２２によって
超音波の伝搬時間Ｔを測定し、さらに距離測定回路１９
による測定値Ｌa と伝搬時間測定回路２２による測定値
Ｔa とを用いて硬化層２の深さが規定深さ寸法Ｄ0 に適
合するか否かの判定を行う構成としている。従って、本
実施例では、試料１の切断等を行う必要がなく、非破壊
で硬化層２の深さ寸法を検査することができると共に、
品質管理を行う上で作業工程の低減を行うことができ、
硬化層２の深さ寸法の評価を簡略化することができる。

【００５１】また、試料１が円筒状やロッド状等の形状
に形成され、超音波を試料１内に向って発信したときに
試料１から十分な強度の反射波を受信することができな
いときでも、硬化層２の深さを検査することができる。

【００５２】さらに、本実施例では、距離測定回路１９
によって測定された離間距離Ｌの測定値Ｌa を用いて判
定データマップ２４内の判定データを参照し、所要時間
値τa を読出すと共に、伝搬時間測定回路２２によって
測定された伝搬時間Ｔの測定値Ｔa と所要時間値τa と
を用いて硬化層２の深さが規定深さ寸法Ｄ0 に適合する
か否かを判定する構成としている。従って、試料１の検
査に際して、例えば規定値Ｌ0 よりも長い離間距離Ｌで
の伝搬時間Ｔを１回だけ測定するだけで、硬化層２の深
さを評価することができ、短時間で硬化層２の深さを検
査することができる。

【００５３】次に、図８は本発明の第２の実施例を示
し、第２の実施例では、図７に示す検査処理とは異なる
方法で、焼入硬化層深さの検査を行うものである。

【００５４】即ち、第１の実施例では離間距離Ｌの測定
値Ｌa を用いて判定データマップ２４から所要時間値τ
a を読出し、伝搬時間Ｔの測定値Ｔa と所要時間値τa
とを比較することによって硬化層２の深さ寸法が規定深
さ寸法Ｄ0 に適合するか否かを判定する構成としたが、
本実施例では離間距離Ｌの測定値Ｌa と伝搬時間Ｔの測
定値Ｔa とを用いて判定データマップ２４上の交点Ｋを
算出し、この交点が図５に示すように判定データマップ
２４の適合範囲２４Ｃ内か否かを判定することによって
硬化層２の深さ寸法を検査する構成としたものである。

【００５５】ここで、本実施例による焼入硬化層深さの
検査処理を図８を用いて説明すると、ステップ２１で
は、距離測定回路１９によって発信プローブ１１と受信
プローブ１４との間の離間距離Ｌを測定し、測定値Ｌa
を読込む。ステップ２２では伝搬時間測定回路２２によ
って発信プローブ１１と受信プローブ１４との間を伝搬
する超音波の伝搬時間Ｔを測定し、測定値Ｔa を読込
む。

【００５６】次に、ステップ２３では離間距離Ｌの測定
値Ｌa と伝搬時間Ｔの測定値Ｔa とを用いて判定データ
マップ２４上の交点Ｋを算出し、ステップ２４では制御
装置２３内の判定データマップ２４を読出す。

【００５７】そして、ステップ２５では、交点Ｋが判定
データマップ２４の適合範囲２４Ｃ内か否かを判定し、
「ＮＯ」と判定したときには、硬化層２の深さ寸法が規
定深さ寸法Ｄ0 よりも短過ぎまたは長過ぎるからステッ
プ２９に移って不適合であると判定し、表示装置２６に
よって硬化層２の深さが規定深さ寸法Ｄ0 に適合しない
旨を表示すると共に、ステップ３０に移って検査処理を
終了する。

【００５８】一方、ステップ２５で「ＹＥＳ」と判定し
たときには、ステップ２６に移って発信プローブ１１、
受信プローブ１４を移動させ発信プローブ１１と受信プ
ローブ１４との間の離間距離を変更する。そして、ステ
ップ２７で例えば離間距離Ｌが規定値Ｌ0 よりも短いと
き（Ｌ＜Ｌ0 ）と長いとき（Ｌ＞Ｌ0 ）に検査を行った
か否かによって検査処理を終了するか否かの判定を行
う。

【００５９】そして、ステップ２７で「ＮＯ」と判定し
たときには、離間距離Ｌを変化させるために発信プロー
ブ１１、受信プローブ１４を移動させ、ステップ２１〜
２６までの処理を行う。

【００６０】一方、ステップ２７で「ＹＥＳ」と判定し
たときには、硬化層２の深さが規定深さ寸法Ｄ0 に近い
値であるから、ステップ２８に移って規定深さ寸法Ｄ0
に適合すると判定し、適合である旨を表示装置２６によ
って表示すると共に、ステップ３０に移って検査処理を
終了する。

【００６１】本実施例による焼入硬化層深さの検査処理
は以上の如くであるが、本実施例においても第１の実施
例と同様の効果を有する。

【００６２】次に、図９ないし図１３は本発明の第３の
実施例を示し、本実施例の特徴は、発信プローブ１１、
受信プローブ１４を移動させつつ伝搬時間Ｔ、離間距離
Ｌを測定し、それぞれの測定値に基づき硬化層２の深さ
寸法を演算することにある。なお、本実施例では前記第
１の実施例と同一の構成には同一の符号を付し、その説
明を省略するものとする。

【００６３】図９において、３１はアーム部材１７Ｃに
取付けられ受信プローブ１４を矢示Ａ方向に移動させる
移動装置としてのアクチュエータで、前記アクチュエー
タ３１は、電動モータ等によって構成され、後述の制御
装置３２によって制御される。そして、アクチュエータ
３１は、アーム部材１７Ｃを移動させることによって、
発信プローブ１１と受信プローブ１４とを相対的に移動
させ、離間距離Ｌを変化させる。

【００６４】３２は硬化層評価手段としての制御装置
で、前記制御装置３２は、図９に示すように後述の記憶
回路３３、２階微分演算回路３５、深さ寸法演算回路３
７、硬化層深さ評価回路３８から構成されると共に、距
離測定回路１９、伝搬時間測定回路２２、表示装置２
６、アクチュエータ３１に接続されている。また、制御
装置３２内には、予め定められた規定深さ寸法Ｄ0 と離
間距離Ｌの最大値Ｌmax とが記憶されている。

【００６５】３３は制御装置３２内に設けられた記憶手
段としての記憶回路で、記憶回路３３は焼入硬化層深さ
を検査するとき、離間距離Ｌの測定値Ｌa と伝搬時間Ｔ
の伝搬時間Ｔa とを複数回記憶するために用いられる。
即ち、前記記憶回路３３は、アクチュエータ３１によっ
て発信プローブ１１と受信プローブ１４との間の相対距
離を変化させながら、ｎ回にわたって距離測定回路１９
によって測定された測定値Ｌa1〜Ｌanと伝搬時間測定回
路２２によって測定された測定値Ｔa1〜Ｔanとを制御装
置３２内に記憶する。

【００６６】３５は記憶回路３３に接続された２階微分
演算手段としての２階微分演算回路で、前記２階微分演
算回路３５は、変曲点演算手段を構成し、記憶回路３３
によって記憶された離間距離Ｌの測定値Ｌa1〜Ｌanを伝
搬時間Ｔの測定値Ｔa1〜Ｔanに対して２階微分し、微分
演算値αを下記数３の示すように算出する。

【００６７】

【数３】

【００６８】これにより、微分演算値αは、図１２の特
性線３６に示すように伝搬時間Ｔに対してパルス状の変
化する。

【００６９】そして、２階微分演算回路３５は、ピーク
ホールド回路（図示せず）等を有し、微分演算値αの最
大値α0 を検出する。このとき、図１１に示す特性線３
４が屈曲する変曲点をＨとすると、最大値α0 は、変曲
点Ｈに相当する伝搬時間Ｔと離間距離Ｌとして例えばｋ
番目の測定値Ｔakと測定値Ｌakとによって算出される。

【００７０】このため、２階微分演算回路３５は、図１
２に示す特性線３６を用いて最大値α0 を算出したとき
の時間値Ｔakを読出す。そして、２階微分演算回路３５
は、時間値Ｔakと特性線３４とを用いて特性線３４上の
変曲点Ｈの位置を算定し、変曲点Ｈの位置に相当する発
信プローブ１１と受信プローブ１４との間の距離寸法値
Ｌakを制御装置３２内から読出す。

【００７１】３７は２階微分演算回路３５に接続された
深さ寸法演算手段としての深さ寸法演算回路で、前記深
さ寸法演算回路３７は、２階微分演算回路３５から出力
される距離寸法値Ｌakを用いて下記数４の式によって距
離寸法値Ｌakに対応した深さ寸法値Ｄk を算出する。

【００７２】

【数４】

【００７３】３８は硬化層深さ評価手段としての硬化層
深さ評価回路で、深さ寸法演算回路３７によって演算さ
れた深さ寸法値Ｄk と第１の実施例で定義された規定深
さ寸法Ｄ0 とを用いて、硬化層２の深さが規定深さ寸法
Ｄ0 に適合するか否かを判定する。そして、前記硬化層
深さ評価回路３８は表示装置２６に接続され、表示装置
２６によって評価結果を表示する。

【００７４】本実施例による焼入硬化層深さ検査装置は
上述の如き構成を有するもので、次に図１３を参照して
制御装置３２による焼入硬化層深さ検査処理について説
明する。ここで、焼入硬化層深さ検査処理をスタートす
るときには発信プローブ１１、受信プローブ１４は規定
値Ｌ0 よりも短い距離だけ離間して試料１に接触してい
るものとする。

【００７５】まず、ステップ３１では、距離測定回路１
９によって発信プローブ１１と受信プローブ１４との間
の離間距離Ｌを測定し、測定値Ｌa を読込む。ステップ
３２では伝搬時間測定回路２２によって発信プローブ１
１と受信プローブ１４との間を伝搬する超音波の伝搬時
間Ｔを測定し、測定値Ｔa を読込む。

【００７６】次に、ステップ３３では、距離測定回路１
９による測定値Ｌa と伝搬時間測定回路２２による測定
値Ｔa とを制御装置３２内に記憶し、ステップ３４では
アクチュエータ３１を駆動し、受信プローブ１４を試料
１の表面上で摺動変位させ、離間距離Ｌを増加させる。

【００７７】そして、ステップ３５では、距離測定回路
１９による測定値Ｌa が最大値Ｌmax よりも大きい（Ｌ
a ＞Ｌmax ）か否かを判別し、「ＮＯ」と判定したとき
には、測定値Ｌa ，Ｔa の記憶が終了していないから、
ステップ３１〜３４の処理を行う。

【００７８】一方、ステップ３５で「ＹＥＳ」と判定し
たときには、測定値Ｌa ，Ｔa の記憶は終了しているか
ら、ステップ３６に移って測定値Ｌa1〜Ｌanと測定値Ｔ
a1〜Ｔanとを用いて伝搬時間Ｔに対する離間距離Ｌの２
階微分を行い、微分演算値αを算出する。そして、次の
ステップ３７では、微分演算値αの最大値α0 を検出
し、変曲点Ｈの位置として距離寸法値Ｌakを読出す。

【００７９】次に、ステップ３８では、距離寸法値Ｌak
を用いて前記数４の式から深さ寸法値Ｄk を演算し、ス
テップ３９では、制御装置３２内から規定深さ寸法Ｄ0
を読出し、深さ寸法値Ｄk と規定深さ寸法Ｄ0 との差
（Ｄk −Ｄ0 ）を演算する。

【００８０】そして、次のステップ４０では、この差値
（Ｄk −Ｄ0 ）の絶対値（ |Ｄk −Ｄ0|）が予め決めら
れた一定値ΔＤよりも小さいか（ΔＤ＞ |Ｄk −Ｄ0|）
否かを判定する。ここで、一定値ΔＤは深さ寸法の許容
範囲を示す定数であり、例えば規定深さ寸法Ｄ0 の１０
％程度の値に予め設定されている。

【００８１】そして、ステップ４０で「ＹＥＳ」と判定
したときには、硬化層２の深さが規定深さ寸法Ｄ0 に近
い値であるから、ステップ４１に移って適合すると評価
し、適合である旨を表示装置２６に表示すると共に、ス
テップ４３に移って検査処理を終了する。

【００８２】一方、ステップ４０で「ＮＯ」と判定した
ときには、硬化層２の深さが規定深さ寸法Ｄ0 よりも短
過ぎまたは長過ぎるから、ステップ４２に移って不適合
であると評価し、不適合である旨を表示装置２６に表示
すると共に、ステップ４３に移って検査処理を終了す
る。

【００８３】かくして、このように構成される本実施例
でも、前記第１の実施例とほぼ同様の作用効果を得るこ
とができるが、特に本実施例では、受信プローブ１４を
発信プローブ１１に対して相対的に移動させつつ離間距
離Ｌ、伝搬時間Ｔを測定し、測定値Ｌa1〜Ｌanと測定値
Ｔa1〜Ｔanとを用いて、２階微分を行った場合の微分の
最大値α0 に相当する硬化層２の深さ寸法値Ｄk を演算
する構成としている。従って、規定深さ寸法Ｄ0 に対す
る深さ寸法の大小を評価できると共に、規定深さ寸法Ｄ
0 と深さ寸法値Ｄk との差によって深さ寸法を定量的に
検査、評価でき、検査精度を向上させることができる。

【００８４】また、本実施例では、２階微分演算回路３
５によって距離測定回路１９によるｎ回の測定値Ｌa1〜
Ｌanを伝搬時間測定回路２２による測定値Ｔa1〜Ｔanに
対して２階微分する構成としている。このため、変曲点
Ｈの位置となるｋ番目の距離寸法値Ｌakを確実に読出す
ことができ、硬化層２の深さ寸法値Ｄk を精度良く演算
することができる。

【００８５】なお、各実施例では、上ローラ、下ローラ
等の円筒状に形成された試料１の検査に適用した場合を
例に挙げて説明したが、本発明はこれに限るものではな
く、外形の形状が予め分かっているときには、例えば図
１４に示すように突起部を有する試料１の焼入硬化層深
さの検査に適用してもよい。この場合、発信プローブ１
１、受信プローブ１４を矢示Ｂ方向に向って移動させた
ときの移動量と伝搬時間とを測定し、伝搬時間が一定値
よりも増加したときの移動量から硬化層２の深さ寸法を
演算し、深さ寸法が規定深さ寸法に適合するか否かを判
定することができる。

【００８６】また、各実施例では距離測定手段としてポ
テンションメータ１８等を用いる構成としたが、本発明
はこれに限らず、ガイド機構１７に目盛を設けこれを読
み取る構成としてもよく、ディジタル式のエンコーダや
光学式の距離測定装置を用いて発信プローブと受信プロ
ーブとの間の距離を測定してもよい。

【００８７】また、第３の実施例では、２階微分演算回
路３５は微分演算値αの最大値α0を用い、変曲点Ｈの
位置としてｋ番目に相当する距離寸法値Ｌakを演算する
構成としたが、本発明はこれに限らず、例えば微分演算
値αが最大値α0 の１０％程度の値となるときの短時間
側の時間値を用いて距離寸法値Ｌakを演算してもよい。

【００８８】さらに、前記各実施例では、アクチュエー
タ３１によって受信プローブ１４を移動させる構成とし
たが、発信プローブ１１を移動させる構成としてもよ
く、発信プローブ１１、受信プローブ１４をそれぞれ移
動させる構成としてもよい。

【００８９】

【発明の効果】以上詳述した通り、請求項１の発明によ
れば、距離測定手段によって超音波発信器と超音波受信
器との間の離間距離を測定し、伝搬時間測定手段によっ
て超音波の伝搬時間を測定すると共に、距離測定手段に
よる離間距離の測定値と伝搬時間測定手段による伝搬時
間の測定値とを用いて硬化層の深さが規定深さ寸法に適
合するか否かの判定を行う構成としたから、試料の切断
等を行う必要がなく、非破壊で焼入硬化層深さを検査す
ることができると共に、品質管理を行う上で作業工程の
低減を行うことができ、硬化層の深さの評価作業を簡略
化することができる。

【００９０】また、試料が円筒状やロッド状に形成さ
れ、超音波を試料内に向って発信したときに試料から十
分な強度の反射波を受信することができないときでも、
焼入硬化層深さを検査することができる。

【００９１】また、請求項２の発明によれば、距離測定
手段による離間距離の測定値と伝搬時間測定手段による
伝搬時間の測定値とを用いて、記憶手段によって予め記
憶された判定データを参照し、硬化層の深さが予め決め
られた規定深さ寸法に適合するか否かを判定するから、
離間距離と伝搬時間とを少なくとも一回検出することに
よって硬化層の深さを判定することができ、短時間で焼
入硬化層深さを検査することができる。

【００９２】また、請求項３の発明によれば、超音波発
信器と超音波受信器とを相対的に移動させつつ離間距離
と伝搬時間とを測定し、距離測定手段による離間距離の
測定値と伝搬時間測定手段による伝搬時間の測定値を用
いて硬化層の深さ寸法値を演算する構成としたから、規
定深さ寸法に対する深さ寸法値の大小を評価できると共
に、規定深さ寸法と深さ寸法値との差によって硬化層の
深さを定量的に検査、評価でき、検査精度を向上させる
ことができる。

【００９３】さらに、請求項４の発明によれば、記憶手
段によって記憶された離間距離の測定値を伝搬距離の測
定値に対して２階微分する構成としたから、伝搬時間と
離間距離との関係から変曲点を容易に検出することがで
き、この変曲点を用いることによって硬化層の深さ寸法
を演算することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例による焼入硬化層深さ検査装置を
示す全体構成図である。

【図２】第１の実施例による発信プローブを拡大して示
す断面図である。

【図３】第１の実施例による受信プローブを拡大して示
す断面図である。

【図４】図１中の超音波発信回路による発信信号と超音
波受信回路による受信信号とを示す特性線図である。

【図５】第１の実施例による判定データマップを示す特
性線図である。

【図６】発信プローブと受信プローブを試料の外周に配
置した場合の配置関係を示す説明図である。

【図７】第１の実施例による焼入硬化層深さの検査処理
を示す流れ図である。

【図８】第２の実施例による焼入硬化層深さの検査処理
を示す流れ図である。

【図９】第３の実施例による焼入硬化層深さ検査装置を
示す全体構成図である。

【図１０】第３の実施例による制御装置の構成を示すブ
ロック図である。

【図１１】第３の実施例による記憶回路によって記憶さ
れる離間距離の測定値と伝搬距離の測定値とを示す特性
線図である。

【図１２】第３の実施例による２階微分演算回路による
演算値を示す特性線図である。

【図１３】第３の実施例による焼入硬化層深さの検査処
理を示す流れ図である。

【図１４】本発明による焼入硬化層深さ検査処理を突起
部を有する試料に適用した場合を示す要部断面図であ
る。

【符号の説明】

１試料２硬化層１１発信プローブ（超音波発信器）１４受信プローブ（超音波受信器）１９距離測定回路（距離測定手段）２２伝搬時間測定回路（伝搬時間測定手段）２３，３２制御装置（硬化層評価手段）２４判定データマップ（記憶手段）２５伝搬時間判定回路（硬化層深さ判定手段）３１アクチュエータ（移動装置）３３記憶回路（記憶手段）３５２階微分演算回路（２階微分演算手段）３７深さ寸法演算回路（深さ寸法演算手段）３８硬化層深さ評価回路（硬化層深さ評価手段）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面に硬化層が形成された試料に接触し
前記試料内に向けて超音波を発信する超音波発信器と、
前記試料に接触し前記超音波発信器から発信された超音
波を前記試料を介して受信する超音波受信器と、前記超
音波発信器と超音波受信器との間の離間距離を測定する
距離測定手段と、前記超音波発信器から発信した超音波
を前記超音波受信器によって受信し超音波発信器と超音
波受信器との間に介在する試料内を超音波が伝搬すると
きの伝搬時間を測定する伝搬時間測定手段と、前記距離
測定手段によって測定された離間距離の測定値と前記伝
搬時間測定手段によって測定れた伝搬時間の測定値とを
用いて前記硬化層の深さが予め決められた規定深さ寸法
に適合するか否かを評価する硬化層評価手段とからなる
焼入硬化層深さ検査装置。
【請求項２】前記硬化層評価手段は、検査対象となる
試料について前記超音波発信器と超音波受信器との間の
離間距離毎に試料内での超音波の伝搬時間の関係を判定
データとして予め記憶した記憶手段と、焼入硬化層深さ
の検査に際して前記距離測定手段によって測定された離
間距離の測定値と前記伝搬時間測定手段によって測定さ
れた伝搬時間の測定値とを用いて、前記記憶手段によっ
て予め記憶された判定データを参照し、前記硬化層の深
さが予め決められた規定深さ寸法に適合するか否かを判
定する硬化層深さ判定手段とから構成してなる請求項１
に記載の焼入硬化層深さ検査装置。
【請求項３】前記硬化層評価手段は、前記超音波発信
器と超音波受信器とを相対的に移動させて離間距離を変
化させる移動装置と、前記移動装置によって前記超音波
発信器と超音波受信器とを相対的に移動させつつ前記距
離測定手段によって測定された離間距離の測定値と伝搬
時間測定手段によって測定された伝搬時間の測定値とを
記憶する記憶手段と、前記記憶手段によって記憶された
離間距離の測定値と伝搬時間の測定値とを用いて変曲点
の位置を演算する変曲点演算手段と、前記変曲点演算手
段によって演算された変曲点を用いて硬化層の深さ寸法
を演算する深さ寸法演算手段と、前記深さ寸法演算手段
によって演算された硬化層の深さ寸法値を用いて前記硬
化層の深さが予め決められた規定深さ寸法に適合するか
否かを評価する硬化層深さ評価手段とから構成してなる
請求項１に記載の焼入硬化層深さ検査装置。
【請求項４】前記変曲点算定手段は、前記記憶手段に
よって記憶された離間距離の測定値を伝搬時間の測定値
に対して２階微分する２階微分演算手段によって構成し
てなる請求項３に記載の焼入硬化層深さ検査装置。