JPH11118769A - 硬化層深さ評価装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波探触子の走査範囲を一定にでき、より
実用的で大型部品や狭い部位にも敏速に適用できる簡単
で操作性が良い硬化層深さ評価装置。 【解決手段】 直接接触型の超音波探触子１と走査範囲
限定枠３と備え、超音波探触子１により被検査体２を枠
３内で走査する。受信した材料組織による超音波反射波
信号は、信号検出部５で検出されて計数部６でその数が
積算される。計数部６の積算値は、判定部７で基準値と
比較され、その大小により警報部８で警報を発する。超
音波探触子を駆動するパルス数と周期とは、駆動パルス
制御部９で最適に制御される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、硬化層深さ評価装
置に係り、特に、材料表層部に施した焼入れ硬化層の深
さを、超音波を用いて非破壊的に評価する硬化層深さ評
価装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波を用いた硬化層の評価技術に関す
る従来技術として、硬化層と母材層との境界付近の反射
波を検出することにより評価する方法、各層の音速変化
を検出することにより評価する方法等が知られている。
そして、本発明に関連する硬化層の評価技術に関する従
来技術として、例えば、特開平７−２２９７０５号公
報、特開平８−９４３４４号公報等に記載された技術が
知られている。これらの公報に記載された従来技術は、
何れも水中で被検査体に対して超音波を送受信し、表面
反射波と境界反射波との時間間隔から硬化層深さを推定
するというものである。また、水中で被検査体に対して
超音波集束ビームを走査して硬化層と母材層との境界付
近の反射波を検出し、その反射波の発生頻度等から硬化
層の深さを評価する方法が、特願平９−２５０６１９号
として提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来技術は、
何れも水中で超音波探触子を機械的に走査する構成とな
っているため、被検査体が小型である場合には水槽に被
検査体を入れて検査を行うことが可能であるが、被検査
体が大型になった場合、大きな水槽が必要となり、場合
によっては検査を行うことが困難であるという問題点を
有している。そして、前述した従来技術は、超音波探触
子を被検査体に対して安定に走査するための走査機構が
必要となり、現場で手軽に測定を行うことができないと
いう問題点を有している。この問題点に対する対応策と
して、超音波探触子の構造を局部水浸方式にする方法も
考えられるが、この方法は、超音波探触子を含む局部水
浸機構が複雑化し、依然、超音波探触子を被検査体に対
して設定した範囲で安定に走査する走査機構が必要であ
り、狭い部位の検査、現場での検査を行うことが困難で
あるという問題点を有している。

【０００４】本発明の目的は、前述した従来技術の問題
点を解決し、水中で超音波探触子を使用する必要をなく
し、大型の部品、狭い部位に対しても敏速に適用するこ
とができる実用的な硬化層の深さ評価装置を提供するこ
とにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明によれば前記目的
は、母材の表層部に形成した焼入れ硬化層を持つ被検査
体の硬化層の深さを、硬化層と母材層との境界付近の超
音波反射波を利用して測定する硬化層深さ評価装置にお
いて、硬化層表面から深さ方向に超音波を送受信する直
接接触式の超音波探触子と、該超音波探触子を駆動し、
受信した超音波反射波信号を増幅する超音波送受信部
と、前記超音波反射波信号の有無を検出する信号検出部
と、前記信号検出部で検出した反射波の個数をカウント
する計数部と、前記計数部でカウントした個数を標準値
と比較する判定部と、前記判定部の比較結果に基づいて
警報を発する警報部とを備えたことにより達成される。

【０００６】また、前記目的は、前記被検査体上で前記
直接接触型の超音波探触子を走査する走査範囲を限定す
る走査範囲限定枠を備えたことにより、また、前記直接
接触型の超音波探触子を駆動するために印加する駆動パ
ルスの数及び印加周期を制御する駆動パルス制御部をさ
らに備えたことにより、また、前記直接接触型の超音波
探触子を、集束ビーム型としたことにより達成される。

【０００７】本発明は、前述の構成を備えたことによ
り、被検査体を水中に入れる必要がなく、局部水浸式に
比べても水溜め機構が不要となり探触子の大きさを小型
にすることができ、計数部、判定部、警報部を備えたこ
とにより硬化層深さの評価を簡単に行うことができる。

【０００８】また、本発明は、超音波探触子の走査範囲
を物理的に限定することができるので、測定場所を変え
ても探触子の走査範囲を常に一定とすることができ、超
音波反射波データの収集エリアを同一とすることができ
る。

【０００９】さらに、本発明は、直接接触型の超音波探
触子を駆動するために印加する駆動パルスの数及び印加
周期を制御する駆動パルス制御部を備えたことにより、
最適な評価ができる駆動パルス数と手動による超音波探
触子の走査速度とに対応した駆動パルスの周期を設定す
ることができ、また、直接接触型の超音波探触子として
集束ビーム型のものを使用することにより、超音波ビー
ムを被検査体の所定の深さの所定の領域に集中して当て
ることができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明による硬化層深さ評
価装置の一実施形態を図面により詳細に説明する。

【００１１】図１は本発明の一実施形態による評価装置
の構成を示すブロック図、図２は本発明の一実施形態に
よる評価装置により直接接触型の超音波探触子１を手動
で走査している状態を説明する図、図３は超音波ビーム
の焦点深さ位置と超音波反射波の数及び材料の硬度との
関係を説明する図、図４、図５は集束ビーム探触子の構
造を説明する図である。図１〜図５において、１は超音
波探触子、２は被検査体、３は走査範囲限定枠、４は送
受信部、５は信号検出部、６は計数部、７は判定部、８
は警報部、９は駆動パルス制御部、１０、１１は超音波
振動子、１２〜１４は超音波伝達媒質である。

【００１２】本発明の一実施形態による硬化層深さ評価
装置は、図１に示すように、超音波探触子１と、送受信
部４と、信号検出部５と、計数部６と、判定部７と、警
報部８と、駆動パルス制御部９とを備えて構成され、超
音波探触子１により、被検査体２の内部の検査が行われ
る。この検査に際して、後述するように、超音波探触子
１は、走査範囲限定枠３により走査範囲が限定されてこ
の枠内における範囲での検査のための走査が行われる。

【００１３】図１に示す本発明の一実施形態による硬化
層深さ評価装置において、超音波探触子１は、超音波送
受信部４により駆動され、被検査体２の内部の組織によ
る超音波反射波を受信する。受信された超音波反射波信
号は、所定の大きさに増幅され、次の信号検出部５で被
検査体２の内部の組織による超音波反射波のみが検出さ
れる。この反射波の検出は、内部反射波が現れる時間帯
に時間ゲートを設定し、このゲート内の信号で、予め設
定した振幅強度以上のレベルを持つ信号を検出すること
により行われる。

【００１４】すなわち、信号検出部５は、１回の超音波
の送受信毎に前記時間ゲート内で検出された信号のピー
ク値と路程値（検出した信号までの伝播時間）とを測定
してそれらを出力する。従って、これらの出力の有無に
より反射波の有無を判定することができる。計数部６
は、前記信号検出部５の出力を検出して、出力があっ
た、すなわち、反射波のあった回数を積算している。

【００１５】また、駆動パルス制御部９は、超音波探触
子１の操作が始まると同時に、例えば、３〜５万回の超
音波駆動パルスを超音波探触子１に発信して停止する。
ここで、駆動パルスの発信開始は、装置本体あるいは操
作者の手元に設けたスイッチにより行うこともできる。
また、前記スイッチのＯＮ後、超音波探触子１の手動走
査が開始できるまでの間、数秒間の遅れをもって発信を
開始するようにすることもできる。判定部７は、駆動パ
ルスの停止と同時に、計数部６で計数された数値と予め
設定された基準範囲値とを比較し、基準範囲値より多い
場合あるいは少ない場合、異常として警報部８にその旨
の報告を行う、警報部８は、音、ランプ、マーカー等で
検査結果が異常であったことを示す警報を発する。

【００１６】次に、超音波探触子１を手動で走査してい
る状態を説明する図２を参照して、超音波探触子１によ
る被検査体２の検査方法を説明する。

【００１７】図２に示すように、超音波探触子１は、被
検査体２上に置かれた走査範囲限定枠３により限定され
る可動範囲内で、任意の方向に平均的にほぼ隈なく被検
査体２を走査するように作業者により操作される。超音
波探触子１から放射される超音波ビームは、被検査体２
の表面の硬化層と母材層との境界付近に焦点を結ぶよう
に、超音波探触子１内に設けられている超音波レンズに
より制御されている。

【００１８】走査範囲限定枠３は、超音波探触子１によ
る走査範囲を限定して、手動による操作によっても、そ
の範囲を隈無く容易に走査することを可能にするための
ものであり、被検査体２の表面の任意の位置に容易に固
定することができ、また、容易に移動することができ
る。例えば、走査範囲限定枠３は、超音波探触子１を操
作している手ではないもう一方の手で固定したり、磁石
や粘着テープ等で固定したり、場合によっては別な機械
的な手段によって固定するようにすることもできる。

【００１９】また、本発明は、超音波探触子１自体を別
な機械的手段によって走査範囲を限定し、手動または自
動的に走査を行うようにしてもよいし、被検査体２の表
面に走査範囲を表示するような方法も使用することがで
きる。なお、走査範囲固定枠３は、図２に示す例では円
形の形状としているが必要に応じて任意の形状にした
り、被検査体の曲面部等にセットする場合、フレキシブ
ル性を持たせて構成してもよい。

【００２０】次に、図３を参照して、超音波ビームの焦
点深さ位置と超音波反射波の数及び材料の硬度との関係
を説明する。図３に示す例は、例えば、高周波焼き入れ
により、ステンレス鋼材料の表面に硬化層を形成し、そ
の硬化層の深さ３mm、その深さでの硬度がＨｖ４００で
あるとした場合の特性例であり、□で示す特性曲線は超
音波ビームの焦点深さ位置と超音波反射波との関係を示
す特性曲線、■で示す特性曲線は材料の硬化層の表面か
らの深さ位置と材料の硬度との関係を示す特性曲線であ
る。

【００２１】図３の■で示す特性曲線から判るように、
材料の硬化層の表面から２.７ mmより浅い部分では、そ
の硬度がＨｖ５００以上となっており、この部分は、材
料組織が比較的均一で細かくなっている。このため、超
音波ビームの焦点位置を硬化層の表面から２.７ mmより
浅い位置に設定すると、図３の□で示す特性曲線から判
るように、焦点付近で得られる材料組織による超音波反
射波の数が少くなる。そして、材料の硬化層の表面から
２.７ mmより深い部分では、材料の硬度が低下し、それ
につれて材料組織がマルテンサイトからフェライトある
いはパーライトへと変化するため、材料組織が粗くなっ
てくる。このため、超音波ビームの焦点深さを徐々に深
くしていくと、超音波反射波の数が増加する。

【００２２】通常、硬化層深さは材料の硬度で規定さ
れ、図３に示す例は、硬度をＨｖ４０００と規定し、こ
の硬度の硬化層深さが３mmであるとしている。そして、
図３に示す例において、超音波反射波の数は、超音波ビ
ームの焦点位置を硬化層の表面から徐々に深くしていく
と、焦点深さが２.８ mm当たりから増加し、焦点が母材
層に入ると飽和する傾向である。従って、本発明の実施
形態において、図１における判定部７に設定する基準値
は、例えば、硬度がＨｖ４００となる深さ３ｍｍの位置
(図３のＡ)に焦点を合わせたときの超音波反射波の数を
基準値の目安とすればよく、ここでは基準値を２５０個
に設定する。

【００２３】すると、硬化層が規定値（３mm）より浅い
ところを走査した場合、３mmの深さにある焦点が母材層
側にずれるため、超音波反射波の数は２５０個より多く
なり、硬化層が浅くなっていることが判る。逆に、硬化
層が深い場合には、超音波反射波の数は２５０個より減
少し、硬化層が規定の値（３mm）まで充分に形成されて
いることが判る。また、超音波探触子１の焦点深さを変
化させて走査を行い、超音波反射波の数を監視すれば、
硬化層の深さを検知することができる。ここで重要なこ
とは、同じ走査範囲で同じ回数だけ超音波の送受信を行
った結果の反射波の数を比較することである。

【００２４】本発明の実施形態により使用する超音波探
触子１は、直接接触型の集束ビーム探触子であり、図４
に示すように、超音波振動子１０と音速が異なる超音波
伝達媒質１２、１３による多層レンズとにより構成する
ことができ、あるいは、図５に示すように、半球状の超
音波振動子１１と超音波伝達媒質１４とにより構成する
ことができる。なお、本発明の実施形態では、超音波伝
達媒質１２の材料はサファイヤ、超音波伝達媒質１３の
材料は溶融石英を使用した。また、超音波伝達媒質１４
の材料はサファイヤまたは溶融石英を使用した。

【００２５】また、超音波探触子１としての集束ビーム
探触子に対する駆動パルスの周期は、超音波探触子１を
走査範囲限定枠３内を手動で全範囲にわたり平均的に走
査するのに要する時間を目安にする。例えば、硬化層評
価に３万回の駆動パルス数が必要とし、走査範囲限定枠
内を３秒程度で平均的に手動走査できると仮定すると、
駆動パルスの周期は１０ｋＨｚでよいことになる。

【００２６】前述した本発明の実施形態によれば、超音
波探触子を直接接触型としたので、被検査体を水中に入
れたり局部水浸機構を不要とすることができるため、被
検査体の大小による適用の制約をなくすことができ、容
易に超音波探触子を被検査体に当てることができ、本発
明の適用範囲を拡大することができる。また、本発明の
実施形態によれば、走査範囲限定枠を備えているので、
測定対象を選ばず、また測定場所を変えても容易に走査
範囲を常に一定にすることができる。

【００２７】さらに、本発明の実施形態によれば、駆動
パルス制御部を備え、硬化層の深さ評価に必要な駆動パ
ルス数と手動走査速度に合わせた周期とを設定すること
ができるので、常に同一条件で反射波データを収集する
ことができ評価精度の向上を図ることができる。また、
本発明の実施形態によれば、超音波探触子のビーム形状
を集束型にしているので、超音波ビームを狭い領域に集
中して当てることができ、微弱な超音波反射波を感度良
く受信することができ、硬化層の深さの変化を敏感に検
出することができる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、被
検査体を水中に入れたり局部水浸機構を不要として、被
検査体の大小にかかわらず容易に超音波探触子を被検査
体に当てることができ、また、測定対象を選ばずに、測
定場所を変えても容易に走査範囲を常に一定にすること
ができる。

【００２９】また、本発明によれば、硬化層の深さ評価
に必要な駆動パルス数と手動走査速度に合わせた周期と
を設定して、常に同一条件で反射波データを収集するこ
とができ評価精度を向上することができる。

【００３０】さらに、本発明によれば、超音波ビームを
狭い領域に集中して当てることができるので、微弱な超
音波反射波を感度良く受信することができ、また、硬化
層の深さの変化を敏感に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態による評価装置の構成を示
すブロック図である。

【図２】本発明の一実施形態による評価装置により直接
接触型の超音波探触子１を手動で走査している状態を説
明する図である。

【図３】超音波ビームの焦点深さ位置と超音波反射波の
数及び材料の硬度との関係を説明する図である。

【図４】は集束ビーム探触子の構造の一例を説明する図
である。

【図５】集束ビーム探触子の構造の他の例を説明する図
である。

【符号の説明】

１ 超音波探触子 ２ 被検査体 ３ 走査範囲限定枠 ４ 送受信部 ５ 信号検出部 ６ 計数部 ７ 判定部 ８ 警報部 ９ 駆動パルス制御部 １０、１１ 超音波振動子 １２〜１４ 超音波伝達媒質

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木野 裕敏 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 母材の表層部に形成した焼入れ硬化層を
   持つ被検査体の硬化層の深さを、硬化層と母材層との境
   界付近の超音波反射波を利用して測定する硬化層深さ評
   価装置において、硬化層表面から深さ方向に超音波を送
   受信する直接接触式の超音波探触子と、該超音波探触子
   を駆動し、受信した超音波反射波信号を増幅する超音波
   送受信部と、前記超音波反射波信号の有無を検出する信
   号検出部と、前記信号検出部で検出した反射波の個数を
   カウントする計数部と、前記計数部でカウントした個数
   を標準値と比較する判定部と、前記判定部の比較結果に
   基づいて警報を発する警報部とを備えたことを特徴とす
   る硬化層深さ評価装置。
2. 【請求項２】 前記被検査体上で前記直接接触型の超音
   波探触子を走査する走査範囲を限定する走査範囲限定枠
   を備えたことを特徴とする請求項１記載の硬化層深さ評
   価装置。
3. 【請求項３】 前記直接接触型の超音波探触子を駆動す
   るために印加する駆動パルスの数及び印加周期を制御す
   る駆動パルス制御部をさらに備えたことを特徴とする請
   求項１または２記載の硬化層深さ評価装置。
4. 【請求項４】 前記直接接触型の超音波探触子は、集束
   ビーム型であることを特徴とする請求項１、２または３
   記載の硬化層深さ評価装置。