(57)【要約】【課題】安全且つ高い精度で筒状ワークの内壁面の焼入硬化層の深さが測定可能となる焼入深さ測定用プローブ及びこれを用いた焼入深さ測定方法の提供を目的とする。【解決手段】この目的を達成するため、筒状ワークの内部に配置して筒状ワークの内壁面の焼入深さを測定するための焼入深さ測定用プローブであって、柱状芯部の一端に第一の平板部を配し、柱状芯部の他端に第二の平板部を配し、第一及び第二の平板部が互いに平行に配置されるコアと、コアの柱状芯部の外周に巻回した、誘導磁場を検出する検出コイルと筒状ワークを磁化する励磁コイルと、から成り、第一及び第二の平板部は、２以上のピースに分割し、各ピースの分割面同士の間に絶縁層構成材を介した構成を採用した。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状ワークの内部に配置して当該筒状ワークの内壁面の焼入深さを測定するための焼入深さ測定用プローブであって、
柱状芯部の一端に第一の平板部を配し、当該柱状芯部の他端に第二の平板部を配し、当該第一及び第二の平板部が互いに平行に配置されるコアと、
当該コアの柱状芯部の外周に巻回した、誘導磁場を検出する検出コイルと筒状ワークを磁化する励磁コイルと、から成り、
当該第一及び第二の平板部は、２以上のピースに分割し、当該各ピースの分割面同士の間に絶縁層構成材を介して構成したことを特徴とする焼入深さ測定用プローブ。
【請求項２】
前記第一及び第二の平板部の各ピースは、各平板部の平面中心を中心点とした中心角が３６０°／ｎ（ｎは２以上の整数）で分割したものである請求項１に記載の焼入深さ測定用プローブ。
【請求項３】
前記各平板部は、当該各平板部の平面中心を前記柱状芯部の中心軸の延長線上に配したものである請求項１又は請求項２に記載の焼入深さ測定用プローブ。
【請求項４】
前記柱状芯部は、前記第一及び第二の平板部の分割面と対応する位置において、当該筒状ワークの径方向の断面における中心を中心点とした中心角が３６０°／ｎ（ｎは２以上の整数）のｎ個のピースに分割し、当該各ピースの分割面同士の間に絶縁層構成材を介して構成した請求項２又は請求項３に記載の焼入深さ測定用プローブ。
【請求項５】
前記検出コイルは、前記励磁コイルの内側に位置して、前記柱状芯部の外周面に巻回される請求項１〜請求項４のいずれかに記載の焼入深さ測定用プローブ。
【請求項６】
前記絶縁層構成材は、厚さが３．０ｍｍ以下である請求項１〜請求項５のいずれかに記載の焼入深さ測定用プローブ。
【請求項７】
前記絶縁層構成材は、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アラミド樹脂、ベンゾトリアゾール樹脂、ポリフェニレンオキサイド樹脂、又は、これらの樹脂に骨格材を含ませた骨格剤含有樹脂のいずれかにより構成される請求項１〜請求項６のいずれかに記載の焼入深さ測定用プローブ。
【請求項８】
内壁面にテーパー形状を有する前記筒状ワークの焼入深さを測定する焼入深さ測定用プローブであって、
前記コアを構成する柱状芯部の中心軸と各平板部の中心を含む断面において、前記第一の平板部の外縁と、前記第二の平板部の外縁とを結ぶ仮想線が、前記コアを前記筒状ワーク内部に配置した状態で、前記筒状ワークの内壁面のテーパー形状に対して略平行となるように形成される請求項１〜請求項７のいずれかに記載の焼入深さ測定用プローブ。
【請求項９】
焼入硬化層を備えた筒状ワークの製造ラインにおいて行う焼入深さ測定方法であって、
内壁面に対して高周波誘導加熱法を用いて加熱し、焼入を行った筒状ワークの内部に請求項１〜請求項８のいずれかに記載の焼入深さ測定用プローブを進入させて配置し、
当該焼入深さ測定用プローブの励磁コイルによって当該筒状ワークを磁化し、
磁化により発生させた誘導磁場を検出コイルで検出し、当該検出コイルで検出された出力電圧に基づいて筒状ワークの焼入硬化層の深さを特定した後、
当該焼入深さ測定用プローブを当該筒状ワークの内部から退避させることを特徴とする
焼入硬化層を備えた筒状ワークの製造ラインにおいて行う焼入深さ測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本件出願に係る発明は、焼入加工を施したワークにおける焼入深さを非破壊で検査する際に用いる焼入深さ測定用プローブと、焼入硬化層を備えた筒状ワークの製造ラインにおいて当該焼入深さ測定用プローブを用いて行う焼入深さ測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属の強度を高める方法として、鋼材等のワークに対して高周波誘導加熱法を用いて加熱し、焼入れを行って硬化させる方法がある。ワークの機械特性は、焼入硬化層の深さに応じて変化する。従って、ワークの品質保証を目的として、製造後に焼入硬化層の深さの測定を必要とする場合がある。
【０００３】
従来、ワークに施された焼入硬化層の深さ測定は、無作為にサンプリングしたワークを実際に切断し、表面硬度計等を用いて、切断面において深さ方向の硬度を測定することで行っていた。この切断を伴う検査方法は、検査結果を得るまでに時間を要する上、サンプルとしてのワークは、製品として使用できなくなる。そのため、全製品を検査することができないという問題がある。
【０００４】
そこで、超音波や渦電流を用いた非破壊によるワークの焼入硬化層深さの測定方法が、種々検討されている。例えば、特許文献１は、鋼材の焼入硬化層の深さを非破壊で測定する焼入深度測定方法に関し、励磁コイルで発生させた低周波交流磁場によって鋼材を表面に沿った方向に磁化して渦電流を発生させ、当該渦電流で誘起される誘導磁場を検出コイルで検出し、検出コイルの出力電圧を既知の焼入硬化層の深さと出力電圧の相関データとを比較することによって、対象鋼材の焼入硬化層の深さを算出する方法を採用している。
【０００５】
この特許文献１には、鋼材の表面に沿わせるだけで焼入深さを測定できる実用的なプローブとして、鋼材表面に接触させる一対の平行な接触芯を有する側面視コ字形のヨークの一方の接触芯に励磁コイルを巻回すると共に、他方の接触芯に検出コイルを巻回し、各接触芯の先端部間に外部磁場検出手段を配設した構成が開示されている。
【０００６】
この特許文献１に開示されるような渦電流法による焼入硬化層の深さ測定は、励磁コイルで発生させた低周波交流磁場によって、ワークを磁化し、当該磁化されたワークに渦電流を生じさせ、当該渦電流により誘起される誘導磁場を検出コイルにより検出する。当該測定において、励磁コイルで発生させた低周波交流磁場は、ワークのみならず、励磁コイルが巻回されたヨーク自体も磁化し、ヨーク自体にも渦電流が発生する。このときのヨークは、加熱を受けることになるが、特許文献１に開示のように、ワークの外面の焼入硬化層深さを測定対象とする場合には、測定用プローブが大気に曝されているため、発生した熱が大気中に放散し、発熱による問題を生じない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許２００２−１４０８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示の焼入硬化層深さの測定方法を、単に筒状ワークの内周面の焼入硬化層の深さ測定に用いた場合には、測定用のプローブを、閉塞環境に近い筒状ワークの内部に配置して測定を行う必要がある。即ち、特許文献１の技術思想を単に適用した測定用プローブを筒状ワーク内部に配置して測定を行うと、ヨークに発生したジュール熱が、筒状ワーク内にこもりやすくなる。このジュール熱によってヨークが異常に発熱すると、当該ヨークに巻回された励磁コイルや検出コイルが過熱され、これらコイルの絶縁樹脂被膜が溶け、ショート等の不具合が生じる問題がある。
【０００９】
また、特許文献１に開示の渦電流法による焼入硬化層の深さ測定は、ワークに生じた渦電流により誘起される誘導磁場の検出コイルの出力電圧を測定して行われる。しかし、上述のように、ヨークがジュール熱によって異常に加熱すると、当該ヨークのみならず、検出コイル及びワークが温度上昇する。これらヨーク、検出コイル及びワークは、温度上昇に伴い、電磁抵抗が上昇し、電気的、磁気的な特性が変化する。そのため、ワークの外面の焼入硬化層深さを測定する場合と比べて、筒状ワークの内壁面の焼入硬化層深さを測定する場合には、実際のワークの焼入硬化層の深さに応じた出力電圧を高い精度で測定することが困難となり、測定精度の信頼性が顕著に低下する問題がある。
【００１０】
そこで、筒状ワークの内壁面の焼入硬化層の深さを測定する場合であっても、ヨークやコイル、ワークなどの温度上昇を抑制し、非破壊による方法で、安全、且つ、高い精度で焼入硬化層の深さを測定することができる装置及び方法の開発が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本件発明者等は、鋭意研究の結果、以下の焼入深さ測定用プローブを採用することで、安全且つ高い精度で筒状ワークの内壁面の焼入硬化層の深さが測定可能となることに想到した。
【００１２】
本件発明に係る焼入深さ測定用プローブは、筒状ワークの内部に配置して当該筒状ワークの内壁面の焼入深さを測定するためのものであって、柱状芯部の一端に第一の平板部を配し、当該柱状芯部の他端に第二の平板部を配し、当該第一及び第二の平板部が互いに平行に配置されるコアと、当該コアの柱状芯部の外周に巻回した、誘導磁場を検出する検出コイルと筒状ワークを磁化する励磁コイルと、から成り、当該第一及び第二の平板部は、２以上のピースに分割し、当該各ピースの分割面同士の間に絶縁層構成材を介して構成したことを特徴とする。
【００１３】
本件発明における焼入深さ測定用プローブにおいて、前記第一及び第二の平板部の各ピースは、各平板部の平面中心を中心点とした中心角が３６０°／ｎ（ｎは２以上の整数）で分割したものであることが好ましい。
【００１４】
本件発明における焼入深さ測定用プローブにおいて、前記各平板部は、当該各平板部の平面中心を前記柱状芯部の中心軸の延長線上に配したものであることが好ましい。
【００１５】
本件発明における焼入深さ測定用プローブは、前記柱状芯部が、前記第一及び第二の平板部の分割面と対応する位置において、当該筒状ワークの径方向の断面における中心を中心点とした中心角が３６０°／ｎ（ｎは２以上の整数）のｎ個のピースに分割し、当該各ピースの分割面同士の間に絶縁層構成材を介して構成したものであることがより好ましい。
【００１６】
本件発明における焼入深さ測定用プローブにおいて、前記検出コイルは、前記励磁コイルの内側に位置して、前記柱状芯部の外周面に巻回されることが好ましい。
【００１７】
本件発明における焼入深さ測定用プローブにおいて、前記絶縁層構成材は、厚さが３．０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１８】
本件発明における焼入深さ測定用プローブにおいて、前記絶縁層構成材は、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アラミド樹脂、ベンゾトリアゾール樹脂、ポリフェニレンオキサイド樹脂、又は、これらの樹脂に骨格材を含ませた骨格剤含有樹脂のいずれかにより構成されることがより好ましい。
【００１９】
本件発明における焼入深さ測定用プローブは、内壁面にテーパー形状を有する前記筒状ワークの焼入深さを測定する焼入深さ測定用プローブであって、前記コアを構成する柱状芯部の中心軸と各平板部の中心を含む断面において、前記第一の平板部の外縁と、前記第二の平板部の外縁とを結ぶ仮想線が、前記コアを前記筒状ワーク内部に配置した状態で、前記筒状ワークの内壁面のテーパー形状に対して略平行となるように形成されることがより好ましい。
【００２０】
本件発明における焼入深さ測定方法は、焼入硬化層を備えた筒状ワークの製造ラインにおいて行う方法であって、内壁面に対して高周波誘導加熱法を用いて加熱し、焼入を行った筒状ワークの内部に上述の焼入深さ測定用プローブを進入させて配置し、当該焼入深さ測定用プローブの励磁コイルによって当該筒状ワークを磁化し、磁化により発生させた誘導磁場を検出コイルで検出し、当該検出コイルで検出された出力電圧に基づいて筒状ワークの焼入硬化層の深さを特定した後、当該焼入深さ測定用プローブを当該筒状ワークの内部から退避させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本件出願に係る焼入深さ測定用プローブによれば、コアを構成する第一及び第二の平板部は、２以上のピースに分割し、各ピースの分割面同士の間に絶縁層構成材を介して構成したことにより、コア自体に発生する渦電流が著しく抑制され、コア自体の発熱を緩和することができる。このように、コア自体に発生する渦電流を小さくすることで、励磁コイルによる磁界方向とは逆方向に発生する反抗磁界を小さくすることができ、検出コイルにより検出される電圧波形の乱れを抑制できる。これにより、検出コイルにより検出される出力電圧の精度を高めることができ、焼入硬化層の深さ測定を精度良く行うことが可能となる。
【００２２】
さらに、本件発明によれば、コア自体の発熱を緩和することができることから、当該測定用プローブを筒状ワークの内部に配置して測定を行っても、当該コア、検出コイル、ワークの温度上昇を効果的に抑制でき、電気的、磁気的な特性変動を最小限とすることができるため、高い精度で検出コイルの出力電圧に基づいた焼入硬化層の深さ測定を行うことが可能となる。
【００２３】
また、本件発明の焼入深さ測定方法によれば、内壁面に対して高周波誘導加熱法を用いて加熱し、焼入を行った筒状ワークの内部に上述の焼入深さ測定用プローブを進入させて配置し、焼入深さ測定用プローブの励磁コイルによって筒状ワークを磁化し、磁化により発生させた誘導磁場を検出コイルで検出し、検出コイルで検出された出力電圧に基づいて筒状ワークの焼入硬化層の深さを特定した後、焼入深さ測定用プローブを筒状ワークの内部から退避させることにより、焼入硬化層を備えた筒状ワークの製造ラインにおいて、迅速且つ容易に、当該筒状ワークの全量検査を行うことが可能となる。従って、製品としての筒状ワークの品質の信頼性向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本件発明に係る実施形態としての焼入深さ測定用プローブの模式図である。
【図２】測定対象となる筒状ワークの内部に図１の焼入深さ測定用プローブを配置した状態を示す概略断面図である。
【図３】焼入深さ測定に用いる解析値と、検証のために試験材料を実測した実験値とを対比するグラフである。
【図４】実施例の焼入深さ測定用プローブを用いて測定対象となるテーパーハブベアリングの内壁面を磁化したときのシミュレーションによる比透磁率分布である。
【図５】実施例の焼入深さ測定用プローブを用いて測定対象となるテーパーハブベアリングの内壁面を磁化したときのシミュレーションによる磁束密度分布である。
【図６】励磁コイルに通電を行った際のシミュレーションによるコア表面の電流密度分布である。
【図７】励磁コイルに通電を行った際のシミュレーションによるコア表面周辺のジュール損失密度分布である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
まずはじめに、本件発明に係る焼入深さ測定用プローブについて詳述し、次に、当該焼入深さ測定用プローブを用いた製造ラインにおける焼入深さ測定方法について詳述する。本件出願に係る焼入深さ測定用プローブは、筒状ワークの内部に配置して当該筒状ワークの内壁面の焼入深さを非破壊で測定するためのものである。本件出願に係る焼入深さ測定用プローブは、柱状芯部の一端に第一の平板部を配し、柱状芯部の他端に第二の平板部を配し、第一及び第二の平板部が互いに平行に配置されるコアと、当該コアの柱状芯部の外周に巻回した、誘導磁場を検出する検出コイルと筒状ワークを磁化する励磁コイルと、から成る。そして、本件出願に係る焼入深さ測定用プローブは、第一及び第二の平板部が、２以上のピースに分割し、当該各ピースの分割面同士の間に絶縁層構成材を介して構成されていることを特徴とする。
【００２６】
以下に、本件発明に係る焼入深さ測定用プローブの好適な実施形態について図１及び図２を参照して説明する。図１の本件発明に係る実施形態としての焼入深さ測定用プローブ１の模式図、図２は測定対象となる筒状ワーク２の内部に図１の焼入深さ測定用プローブ１を配置した状態を示す概略断面図を示している。
【００２７】
本件発明に係る焼入深さ測定用プローブ１は、高周波誘導加熱法を用いて加熱し、焼入処理することにより、少なくとも内壁面２１に焼入硬化層が形成された筒状ワーク２を測定対象として、当該筒状ワーク２の内壁面２１の焼入硬化層の深さを測定し、当該焼入硬化層の深さが所望とする深さであるかを検査するためのものである。
【００２８】
本実施の形態では、図２に示すように、筒状ワーク２の一例として、内壁面２１にテーパー形状を有するテーパーハブベアリングを用いる。具体的には、本実施の形態におけるテーパーハブベアリングは、断面が略円形の筒形状であり、内壁面２１が一端側から他端側に向けて所定比率で先細くなっていくテーパー形状が施されている。図２に示すテーパーハブベアリングは、一端側の開口寸法（内径）Ｓ１が他端側の開口寸法（内径）Ｓ２よりも大きくなるように形成されている。
【００２９】
なお、本件発明における筒状ワーク２は、上述のテーパーハブベアリングに限定されるものではなく、一端側と他端側とにおける開口寸法（内径）がほぼ同一の寸胴な筒状であっても良い。また、上述のテーパーハブベアリングは、断面が略円形であるが、これに限定されるものではなく、断面が楕円形や多角形などいずれの形状であっても良い。即ち、本件発明に係る焼入深さ測定用プローブを用いた測定対象となるワークは、筒状を呈するものであれば、いずれの形状であっても良い。
【００３０】
ここで、本実施の形態にかかる焼入深さ測定用プローブ１の構成について説明する。当該焼入深さ測定用プローブ１は、柱状芯部１１と、第一及び第二の平板部１２、１３とからなるコア１０と、当該柱状芯部１１に巻回される検出コイル３と励磁コイル４とを備えている。
【００３１】
コア１０は、柱状芯部１１と、当該柱状芯部１１の一端１１Ａに配置される第一の平板部１２と、柱状芯部１１の他端１１Ｂに配置される第二の平板部１３とから構成される。当該第一の平板部１２と第二の平板部１３とは、互いに平行となるように柱状芯部１１に設けられていることが好ましい。これら第一の平板部１２及び第二の平板部１３は、当該各平板部１２、１３の平面中心１２Ｃ、１３Ｃを柱状芯部１１の中心軸１１Ｃの延長線上に配することが好ましい。
【００３２】
これら柱状芯部１１及び各平板部１２、１３は、一体に形成されたものであっても、別個に形成して各部を固着して一体に構成したものであっても良い。柱状芯部１１と各平板部１２、１３からなるコア１０は、パーマロイ、電磁鋼板、ソフトフェライト、パーメンダー、純鉄、炭素鋼等の軟磁性材などのいずれかの材料により構成されることが好ましい。これらパーマロイ、電磁鋼板、ソフトフェライト、パーメンダー、純鉄、炭素鋼等の軟磁性材などの材料は、低磁界で飽和磁束密度を得ることが可能となる点で、検出コイル３及び励磁コイル４を巻回する材料として適している。
【００３３】
上述のコア１０を構成する柱状芯部１１の外周部には、励磁コイル４と、検出コイル３が巻回されている。当該励磁コイル４は、交流電流が印加されることにより磁界を発生させ、当該焼入深さ測定用プローブ１が内部に配置される筒状ワーク２の内壁面２１を磁化するものである。当該検出コイル３は、励磁コイル４により磁化された筒状ワーク２の内壁面２１において生じる渦電流で誘起される誘導磁場を検出するものである。
【００３４】
これら検出コイル３と励磁コイル４とは、同心状、又は、同軸状に配置される。具体的には、検出コイル３は、巻線方向が柱状芯部１１の中心軸１１Ｃの軸方向と略直交する方向となるように当該柱状芯部１１の外周面に巻回されている。そして、当該巻回された検出コイル３の外周面に、巻線方向が、検出コイル３と同様に柱状芯部１１の中心軸１１Ｃの軸方向と略直交する方向となるように、励磁コイル４が巻回されている。本実施の形態のように、検出コイル３は、励磁コイル４の内側に位置して、柱状芯部１１の外周面に配置されることが好ましい。
【００３５】
本件発明は、上述の第一及び第二の平板部１２、１３が、２以上の複数のピース１２Ａ・・、１３Ａ・・に分割し、各ピース１２Ａ、１３Ａの分割面同士の間に絶縁層構成材１４を介して平板状に形成されていることを特徴とする。
【００３６】
上述の絶縁層構成材１４は、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アラミド樹脂、ベンゾトリアゾール樹脂、ポリフェニレンオキサイド樹脂、又は、これらの樹脂に骨格材を含ませた骨格剤含有樹脂のいずれかにより構成されることが好ましい。ここで、骨格剤は、ガラス繊維、ガラス不織布、樹脂系繊維、樹脂系不織布などを採用することができる。これらの樹脂を採用することで、各ピース１２Ａ、１３Ａは、隣り合ったピースとの間で、確実に絶縁を図ることができる。また、絶縁層構成材１４を構成するこれらの樹脂は、熱溶着によって、隣り合ったピースの分割面同士の接着を可能とすることができる。特に、ガラスなどの骨格剤を含ませた骨格剤含有樹脂を採用した場合には、接合部分における強度の向上を図ることができる。
【００３７】
但し、前記絶縁層構成材１４は、厚さが３．０ｍｍ以下であることが好ましい。絶縁層構成材１４の厚さが３．０ｍｍを上回る場合、第一及び第二の平板部１２、１３の全体に対するパーマロイ、電磁鋼板、ソフトフェライト、パーメンダー、純鉄、炭素鋼等の軟磁性材の占める面積の割合が小さくなり、励磁コイル４による筒状ワーク２の磁化効率の低下を招くからである。
【００３８】
上述した各平板部１２、１３を構成するピースの数は、２以上であれば、本件発明の目的とするコアに発生する渦電流の抑制を実現できる。構成するピースの数が多くなるほど、各ピースに発生する渦電流が小さくなり、コア１０全体に発生する渦電流を抑制することができる。
【００３９】
また、各ピース１２Ａ、１３Ａは、各平板部を柱状芯部１１の中心軸１１Ｃの軸方向に切断して分割したものであることが好ましい。なお、当該ピース１２Ａ、１３Ａの切断（分割）面は平面であっても曲面であっても良い。このように、各ピース１２Ａ、１３Ａは柱状芯部１１の中心軸１１Ｃの軸方向に切断して構成されるので、励磁コイル４により発生する磁束の向きに沿った分割が可能となり、渦電流の抑制効果をより向上させることができる。
【００４０】
さらに、第一の平板部１２の各ピース１２Ａの配置と、第二の平板部１３の各ピース１３Ａの配置は、柱状芯部１１を挟んで鏡面対称であることが好ましい。第一の平板部１２の各絶縁層構成材１４部分と、第二の平板部１３の各絶縁層構成材１４部分とが、柱状芯部１１を挟んで鏡面対称となる位置にあらわれることで、励磁コイル４による筒状ワーク２の磁化効率の低下を回避しつつ、コア１０に発生する渦電流を抑制することが可能となる。
【００４１】
そして、当該第一及び第二の平板部１２、１３の外形は、各ピース１２Ａ又は１３Ａと、絶縁層構成材１４とが組み合わされた状態で、測定対象となる筒状ワーク２の断面形状と略相似形に形成されていることが好ましい。
【００４２】
本実施の形態では、測定対象となる筒状ワーク２は、断面略円形である。そのため、各平板部１２及び１３は、いずれも円板形状の各平板部を、当該平板部の平面中心を中心点として、中心角が３６０°／ｎ（ｎは２以上の整数）となるように複数の扇状のピース１２Ａ・・、１３Ａ・・に分割し、当該各ピース１２Ａ、１３Ａの分割面同士の間に絶縁層構成材１４を介して断面略円形に構成することが好ましい。図１には、各平板部を、当該平板部の平面中心を中心点として中心角が９０°（ｎ＝４）となるように、４つの扇状のピースに分割し、各ピースの分割面同士の間に絶縁層構成材１４を介設し、平板状としたものを示している。
【００４３】
このように、略同一の扇状のピース１２Ａ又は１３Ａを絶縁層構成材１４を介して断面略円形の平板部を構成することで、一つの平板から平板部を構成する場合と比較して、各ピース１２Ａ又は１３Ａにおいて生じる渦電流を平均的に小さくすることができる。よって、コア１０全体に発生する渦電流を効果的に抑制することができる。
【００４４】
また、上述の第一及び第二の平板部１２、１３は、筒状ワーク２内部に配置した状態で、各平板部１２、１３の外縁１２Ｅ、１３Ｅが、当該筒状ワーク２の内壁面２１と所定の距離Ｌで離間して配置可能な寸法に形成することが好ましい。ここで、各平板部１２、１３の外縁１２Ｅ及び１３Ｅと、筒状ワーク２の内壁面２１との離間距離Ｌは、励磁コイル４により筒状ワーク２を十分に磁化可能な程度の距離であって、一定の距離を保つことが可能であればよい。
【００４５】
本実施の形態では、測定対象となる筒状ワーク２の内壁面２１は、一端側の内径Ｓ１が他端側の内径Ｓ２よりも大きくなるように、所定比率でテーパー形状が施されている。そのため、図２に示すように、本実施の形態の第一及び第二の平板部１２、１３は、上述の柱状芯部１１の中心軸１１Ｃと各平板部１２、１３の平面中心１２Ｃ、１３Ｃを含む断面において、第一の平板部１２の外縁１２Ｅと、第二の平板部１３の外縁１３Ｅとを結ぶ仮想線Ｘが、コア１０を筒状ワーク２内部に配置した状態で、筒状ワーク２の内壁面２１のテーパー形状に対して所定の距離Ｌで離間して略平行となるように形成されている。
【００４６】
よって、本実施の形態にかかる焼入深さ測定用プローブ１は、測定対象となる筒状ワーク２の内壁面２１が、所定の比率でテーパーが形成されていても、第一の平板部１２の外縁１２Ｅ及び第二の平板部１３の外縁１３Ｅと、筒状ワーク２の内壁面２１との間に一定の距離Ｌを維持することが可能となる。従って、複雑形状であるテーパーが形成されたワークであっても、測定精度の向上を図ることができる。
【００４７】
なお、上述した実施の形態では、コア１０は、各平板部１２、１３のみを２以上の複数のピース１２Ａ・・、１３Ａ・・に分割し、各ピース１２Ａ、１３Ａの分割面同士の間に絶縁層構成材１４を介設した構成について説明しているが、これに限定されない。すなわち、上述した実施の形態では、コア１０を構成する柱状芯部１１は、単一の部材で構成されているが、当該柱状芯部１１も筒状ワーク２の径方向の断面（柱状芯部１１の中心軸１１Ｃと直交する断面）における中心を中心点とした中心角が３６０°／ｎ（ｎは２以上の整数）のｎ個のピース１１Ａ・・に分割し、当該各ピース１１Ａ・・の分割面同士の間に絶縁層構成材１４を介して一体に構成しても良い。当該柱状芯部１１は、上述の第一及び第二の平板部１２、１３の各ピース１２Ａ、１３Ａの分割面と対応する位置において、各ピース１１Ａに分割されたものであることが好ましい。柱状芯部１１の各ピース１１Ａの分割面が、柱状芯部１１の中心軸１１Ｃの軸方向において、第一及び第二の平板部１２、１３の各ピース１２Ａ、１３Ａの分割面と対応する箇所に配置されることにより、励磁コイル４による筒状ワーク２の磁化効率の低下を回避しつつ、コア１０に発生する渦電流を抑制することが可能となる。
【００４８】
次に、本件発明に係る焼入深さ測定用プローブを用いた焼入深さ測定方法について説明する。本件発明に係る焼入深さ測定方法は、焼入硬化層を備えた筒状ワークの製造ラインにおいて行う方法である。まずはじめに、製造ラインにおいて内壁面に対して高周波誘導加熱法を用いて加熱し、焼入が行われた筒状ワークの内部に、本実施の形態に係る焼入深さ測定用プローブ１を進入させて配置する。具体的には、焼入が施され、所望の位置に配置された筒状ワーク２は、製造ラインに設けられる搬送手段により、焼入深さ測定工程に搬送され、当該筒状ワーク２の内部に、図示しない保持手段により保持された焼入深さ測定用プローブ１を進入させる。
【００４９】
本実施の形態では、上述したように測定対象となる筒状ワーク２は、一端側の内径Ｓ１が他端側の内径Ｓ２よりも大きくなるように、内壁面２１に所定比率でテーパー形状が施されたテーパーハブベアリングを採用しているため、第一の平板部１２よりも外形寸法が小さい（小径な）第二の平板部１３側から焼入深さ測定用プローブ１を筒状ワーク２内に挿入し、測定対象となる位置に設置する。この際、コア１０の柱状芯部１１に巻回された検出コイル３及び励磁コイル４の配線は、第二の平板部１３よりも外形寸法が大きい（大径な）第一の平板部１２の端部に形成された配線引出用の切欠（開口）１２Ｆから外部に引き出すものとする。
【００５０】
焼入深さ測定用プローブ１が、筒状ワーク２内部に設置された状態で、第一及び第二の平板部１２、１３の外縁１２Ｅ及び１３Ｅは、筒状ワーク２の内壁面２１と所定の距離Ｌ離間して配置される。この状態で、励磁コイル４に所定の交流電流を印加して磁界を発生させ、筒状ワーク２の内壁面２１を磁化する。これにより、筒状ワーク２の内壁面２１（表面）に渦電流が発生する。この筒状ワーク２の内壁面２１に発生した渦電流により誘導起電力が生じ、当該誘導起電力が検出コイル３に作用する。
【００５１】
検出コイル３は、励磁コイル４により磁化された筒状ワーク２の内壁面２１に発生した誘導磁場を検出し、当該検出コイル３の出力電圧として測定する。検出コイル３には、図示しない電圧計が接続されており、当該検出コイル３の出力電圧を測定する。
【００５２】
本実施の形態において、当該焼入深さ測定用プローブ１は、検出コイル３の出力電圧の測定結果に基づいて筒状ワーク２の内壁面２１の焼入硬化層の深さを特定する焼入深さ特定手段を備えている。当該焼入深さ特定手段は、汎用のマイクロコンピュータにより構成されており、検出された検出コイル３の出力電圧と、既知のワークの材料情報（電磁気特性情報）に含まれる推定出力電圧値とに基づいて、焼入硬化層の深さを特定する。
【００５３】
その後、図示しない保持手段により保持された焼入深さ測定用プローブ１を当該筒状ワークの内部から退避させる。これにより、焼入硬化層を備えた筒状ワークの製造ラインにおいて、迅速且つ容易に、当該筒状ワーク２の焼入硬化層の深さの全量検査を行うことが可能となる。
【００５４】
以下に、既知のワークの材料情報（電磁気特性情報）を用いた推定出力電圧値の取得方法について説明する。本実施の形態では、測定対象であるワークを構成する材料と同等材料について、焼入加工を施さない非焼入材及び焼入加工を施した完全焼入材の既知の電磁気特性値から、ワークの当該材料における焼入深さと電磁気特性値との相関を解析し、電磁気特性情報とする。ここでいう「既知の電磁気特性値」とは、筒状ワーク２と同等の材料に固有の物性値として、例えば、日本金属学会編「金属便覧」等の文献に開示された値を用いることができる。すなわち、既知の電磁気特性値とは、測定対象物である筒状ワーク２を構成する材料と同等の材料における非焼入材（生材）及び完全焼入材の標準物性値（導電率σ、透磁率μ、初期磁化曲線等）に基づいて後述する解析法により焼入深さに応じて、検出コイル３で検出されると予想される出力電圧の推定値である。
【００５５】
焼入硬化層の深さの導出には、以下に示す式（１）〜（３）を用いる。まず、磁束密度Ｂ（Ｔ）は以下の式（１）で表すことができる。焼入剤材と非焼入材（生材）とでは、透磁率μ及び導電率σの値が異なる。そのため、ワークと同じ印加磁界Ｈを加えた場合、完全焼入材及び非焼入材（生材）の違いにより、式（１）に示す磁束密度Ｂの大きさが異なる。
Ｂ＝μＨ        ・・・（１）
式（１）において、μは透磁率、Ｈは印加磁界（Ａ／ｍ）である。
【００５６】
また、渦電流Ｊｅ（Ａ／ｍ２）は、以下の式（２）で表すことができる。交流磁界では渦電流が発生するが、完全焼入材と非焼入材（生材）とで導電率σが異なるので、式（２）に示す渦電流Ｊｅの値が両者において異なる。そして、渦電流Ｊｅの値が異なると磁束密度Ｂも変化する。
Ｊｅ＝−ｊσωφ    ・・・（２）
式（２）において、ｊは電流密度（Ａ／ｍ２）、σは導電率（Ｓ／ｍ）、ωは角周波数（ω＝２πｆ）、φは磁束（Ｗｂ）である。
【００５７】
次に、出力電圧Ｖ（Ｖ）は以下の式（３）で表すことができる。
Ｖ＝−Ｎ・ｄφ／ｄｔ    ・・・（３）
式（３）において、Ｎはコイル巻数、ｔは時間（ｓ）である。筒状ワーク２の磁束密度Ｂは、式（１）と式（２）とから求めることができる。式（１）及び式（２）から求めた磁束密度Ｂ、式（３）を用いて、出力電圧Ｖが求められる。
【００５８】
鋼材に高周波誘導加熱法を用いて加熱し、焼入加工を施すと、透磁率μが低下する。また、筒状ワーク２に対する焼入深さが深くなると、筒状ワーク２の内壁面２１全体の透磁率μが低下する。焼入深さの変化量に対する透磁率μの変化量が線形であれば等価磁化回路で計算することができるが、非線形的である。そこで、完全焼入材及び非焼入材（生材）の透磁率μ、導電率σ及び初期磁化曲線を用い、これを基に有限要素法（ＦＥＭ）：Ｆｉｎｉｔｅ  Ｅｌｅｍｅｎｔ  Ｍｅｔｈｏｄ）による数値解析を行い、筒状ワーク２の内壁面２１の焼入深さ毎に算出された出力電圧Ｖを求め、これを検出コイル３で検出されると予想される推定電力値とした。
【００５９】
上述の如く得られた既知の電磁気特性情報に含まれる筒状ワーク２の内壁面２１の焼入深さと、実際に検出コイル３で測定される筒状ワーク２の内壁面２１の出力電圧とを対比することにより、筒状ワーク２の焼入深さを特定することができる。
【００６０】
なお、有限要素法（ＦＥＭ）による数値解析を行うことで得られる検出コイル３で検出されると予想される推定電力値の信頼性は、以下に示す検証結果から確認できる。当該検証は、試験材料を用いて、焼入深さに応じた電磁気特性値を測定し、上述の数値解析により得られる解析値と対比することにより行う。
【００６１】
まず、試験材料の電磁気特性値の測定方法を説明する。同等の材質の非焼入材（生材）及び完全焼入材について電磁気特性を予め調査し、非焼入材（生材）及び完全焼入材の磁化曲線を得て、電磁気特性値の差を評価する。既知の電磁気特性情報の取得方法の具体例を挙げる。まず、測定対象である筒状ワークと同等素材ならなる円筒状の試験材を２つ用意し、一方は焼入加工を行わない非焼入材（生材）とし、他方は内壁面に焼入処理して完全焼入材とする。そして、これらの試験材の電磁気特性を測定する。
【００６２】
例えば、導電率σは、各試験材をそれぞれケルビンブリッジ回路と接続し、磁化した試験材の導電率σを測定した。透磁率μは、長尺な試験材の両端部に電磁石を配置し、この電磁石により磁化された試験材の磁束密度Ｂと印加磁界Ｈを測定した。磁束密度Ｂの測定は、試験材の中間部に巻回したコイルによって測定した。また、印加磁界Ｈは、磁束密度測定用のコイルの近傍に印加磁界測定用のホール素子を配置して測定した。透磁率μの測定結果から完全焼入材及び非焼入材（生材）の初期磁化曲線を得た。また、焼入深さの異なる鋼材を複数用意し、上述と同様の方法により電磁気特性値としての出力電圧の減衰率η及び初期磁化曲線を得た。
【００６３】
上述の方法により得られた試験材料の出力電圧の減衰率ηと焼入平均深さとの関係を図３のグラフに示す。出力電圧の減衰率ηは、非焼入材（生材） で得られた出力電圧を基準としてどのくらい減衰するかを％で示したものである。また、図３には、上述の有限要素法により得られた解析上の出力電圧の減衰率ηと焼入深さとの関係を併せて示す。図３のグラフに示すように、試験材料を実測して得られた実験値と、上述の解析法を用いて得られた解析値とは略近似した結果となった。従って、上述の焼入深さ測定方法で用いる解析手法は、信頼性の高い結果が得られるといえる。
【００６４】
なお、上述の製造ラインにおいて、本件発明に係る焼入深さ測定用プローブ１を用いて筒状ワーク２の内壁面の焼入硬化層の深さを測定する際に、筒所ワーク２の所望の位置に配置し、保持手段により、焼入深さ測定用プローブ１を筒状ワーク内部に進入させる構成を採用しているが、これに限らず、筒状ワークを保持手段により保持し、当該保持手段により、筒状ワーク２を所定の位置に設けられた焼入深さ測定用プローブ１に近接させていき、筒状ワーク２の内壁面の焼入深さの測定を行うものとしても良い。
【００６５】
また、焼入深さ測定用プローブ１又は筒状ワーク２を、当該筒状ワークの軸方向に走査させて、焼入深さを複数箇所において測定してもよい。この場合、筒状ワーク２の内壁面を複数箇所において焼入深さを測定することで、グラフ化することができ、焼入硬化層のパターンを把握することが可能となる。
【００６６】
本件発明に係る焼入深さ測定用プローブは、図１に示す構成に限定されるものではなく、柱状芯部の両端に第一及び第二の平板部を配し、柱状芯部に検出コイルと励磁コイルとを備え、少なくとも第一及び第二の平板部が複数のピースと各ピースの間に絶縁層構成材を介した構成とされるものであればよい。
【００６７】
次に、本件発明に係る焼入深さ測定用プローブを用いた実施例及び比較例について述べる。
【実施例】
【００６８】
実施例の焼入深さ測定用プローブは、内壁面に高周波誘導加熱法を用いて加熱し、焼入処理が施されたテーパーハブベアリングの内壁面の焼入硬化層の深さを測定するものである。測定対象となるテーパーハブベアリングは、内壁面の断面が略円形で、一端側の内径Ｓ１が他端側の内径Ｓ２よりも大きく形成されている。そのため、本実施例の焼入深さ測定用プローブは、第一及び第二の平板部は、円板状で、第一の平板部の外径が第二の平板部の外径よりも大きく形成されている。また、各平板部は、柱状芯部の中心軸と各平板部の平面中心を含む断面において、各平板部の外縁を結ぶ仮想線が、焼入深さ測定用プローブをテーパーハブベアリング内部に配置した状態で、テーパーハブベアリングの内壁面のテーパー形状に対して１．０ｍｍで離間して略平行となるように形成されている。
【００６９】
そして、本実施例の焼入深さ測定用プローブは、柱状芯部と、第一及び第二の平板部とからなるコアが、パーマロイにより一体に形成されている。当該コアは、第一の平板部と、柱状芯部と第二の平板部とは、一体に形成されたまま、４つのピースに分割し、各ピースは、それぞれの分割面同士の間に絶縁層構成材を介設して熱溶着によって再度一つに組み立てた。各ピースは、各平板部の平面中心を中心点として中心角が９０°となるように、柱状芯部の中心軸に沿って分割した。
【００７０】
各ピースの分割面同士の間に介設される絶縁層構成材は、骨格材としてのガラスを含有したエポキシ樹脂を採用し、コアの完成状態で絶縁層構成材が厚さ１．５ｍｍとなるように介設した。当該絶縁層構成材は、エポキシ系接着剤にて接着した。以上のようにして、実施例としての焼入深さ測定用プローブを得た。
【比較例】
【００７１】
比較例としての焼入深さ測定用プローブは、上述の実施例としての焼入深さ測定用プローブと比べて、コアを各ピースに分割していない点のみが異なる。その他の構成は同様であるため、説明を省略する。
【００７２】
ここで、図４に実施例の焼入深さ測定用プローブを用いて測定対象となるテーパーハブベアリングの内壁面を磁化したときのシミュレーションによる比透磁率分布を示す。また、図５に実施例の焼入深さ測定用プローブを用いて測定対象となるテーパーハブベアリングの内壁面を磁化したときのシミュレーションによる磁束密度分布を示す。図４及び図５は、いずれも、右側が焼入硬化層を形成したテーパーハブベアリングの内壁面を示し、左側に焼入処理を行っていない状態のテーパーハブベアリング（未処理）の内壁面を示す。これらのシミュレーションは、励磁コイルに２Ａ８０Ｈｚの交流電流を印加した状態を示している。図４及び図５のシミュレーション結果より、比透磁率の高い焼入処理が行われていない内壁表面に、磁束密度が高く分布することが分かる。
【００７３】
次に、図６及び図７に実施例及び比較例の焼入深さ測定用プローブの発熱シミュレーション結果を示す。ここでは、実施例及び比較例の焼入深さ測定用プローブの励磁コイルに通電を行った場合にコアに発生する電流密度とジュール損失について検討する。
【００７４】
図６は、励磁コイルに通電を行った際のコア表面の電流密度分布のシミュレーションを示す。当該シミュレーションは、励磁コイルに２Ａ８０Ｈｚの交流電流を印加した状態を示している。コアが複数のピースに分割されていない、すなわち、単一の部材で構成された比較例では、励磁コイルが巻回された柱状芯部の外周面や、平板部の当該柱状芯部との接合部分では電流密度が６．０×１０５Ａ／ｍ２以上であった。そして、平板部同士が対向する側の平板部内面は、柱状芯部から外縁部にいくに従い徐々に電流密度が低下していき、外縁部の電流密度は２．５×１０５Ａ／ｍ２程度であった。これに対し、コアが４つにピースに分割され、各ピースの間に絶縁層構成材が介設された実施例では、励磁コイルが巻回された柱状芯部の外周面や、平板部の当該柱状芯部との接合部分であっても、電流密度は４．５×１０５Ａ／ｍ２程度であった。そして、平板部同士が対向する側の平板部内面は、柱状芯部から外縁部にいくに従い電流密度が低下していき、外縁部の電流密度は１．０×１０５Ａ／ｍ２程度にまで低下していた。
【００７５】
図７は、励磁コイルに通電を行った際のコア表面周辺のジュール損失密度分布のシミュレーションを示す。当該シミュレーションは、励磁コイルに２Ａ８０Ｈｚの交流電流を印加した場合について行った。また、図７の上図に示すように、コアを構成する柱状芯部の表面から中心軸に向かう方向にかけてジュール損失密度をシミュレーションを行った。
【００７６】
コアが複数のピースに分割されていない、すなわち、単一の部材で構成された比較例の場合、柱状芯部の表面におけるジュール損失密度は１６０ｋＷ／ｍ３以上であり、柱状芯部の表面から約０．１ｍｍの深さで１１０ｋＷ／ｍ３程度、柱状芯部の表面から約０．５ｍｍの深さで４０ｋＷ／ｍ３程度、柱状芯部の表面から約０．７ｍｍの深さで１０ｋＷ／ｍ３程度、柱状芯部の表面から１．１ｍｍの深さで略０であった。これに対し、コアが４つにピースに分割され、各ピースの間に絶縁層構成材が介設された実施例では、柱状芯部の表面におけるジュール損失密度は７０ｋＷ／ｍ３程度であり、表面のみを比較しても、比較例よりも大幅にジュール損失密度が小さい。さらに、実施例では、柱状芯部の表面から約０．１ｍｍの深さでジュール損失密度はさらに、３５ｋＷ／ｍ３程度にまで低下し、柱状芯部の表面から約０．３ｍｍの深さでは、１０ｋＷ／ｍ３程度であった。柱状芯部の表面から約０．７ｍｍの深さではジュール損失密度は略０であった。
【００７７】
図６及び図７のシミュレーション結果から、コアを複数のピースに分割して、各ピース間に絶縁層構成材を介設することによって、柱状芯部の表面の電流密度を大幅に小さくすることができ、柱状芯部の表面近傍におけるジュール熱の損失を大幅に減少させることができることが分かる。
【００７８】
すなわち、上述のシミュレーション結果から分かるように、実施例のように、２以上のピースに分割し、各ピースの分割面同士の間に絶縁層構成材を介してコアを構成することにより、コア自体の発熱を著しく緩和することが可能となる。故に、上述のように焼入深さ測定用プローブを閉塞環境に近い筒状ワークの内部には位置して測定を行っても、コアから発生した熱が筒状ワーク内部にこもって、コアが異常に発熱することを防止することができる。よって、本件発明の焼入深さ測定用プローブは、当該コアの柱状芯部に巻回される励磁コイルや検出コイルの過熱を効果的に回避することができ、これらコイルの絶縁樹脂皮膜が溶出し、ショート等の不具合の発生を防止することができる。
【００７９】
これは、コアを構成する少なくとも第一及び第二の平板部を２以上の複数のピースに分割し、それぞれのピースを絶縁層構成材により絶縁することによって、各ピースに発生する渦電流を小さくすることができ、コア全体に発生する渦電流を著しく抑制することができたことによるものと考えられる。
【００８０】
一般に、励磁コイルに交流電流を印加すると、渦電流により、励磁コイルによる磁界方向とは逆方向に反抗磁界が発生する。当該反抗磁界が大きくなると、検出コイルにより検出される電圧波形の乱れが大きくなる。上述したように、本件発明によれば、コアに発生する渦電流を著しく抑制することが可能となるため、当該反抗磁界を小さくすることができ、検出コイルにより検出される電圧波形の乱れを抑制できる。これにより、検出コイルにより検出される出力電圧の精度を高めることができ、焼入硬化層の深さ測定を精度良く行うことが可能となる。
【００８１】
また、上述のように本件発明は、コア自体の発熱を緩和することができることから、当該測定用プローブを筒状ワークの内部に配置して測定を行っても、当該コア、検出コイル、ワークの温度上昇を効果的に抑制でき、電気的、磁気的な特性変動を最小限とすることができるため、高い精度で検出コイルの出力電圧に基づいた焼入硬化層の深さ測定を行うことが可能となる。
【００８２】
なお、上述した焼入硬化層を備えた筒状ワークの製造ラインにおいて行う焼入深さ測定方法は、上述の方法に限定されるものではなく、筒状ワークの内部に焼入深さ測定用プローブを進入させて配置し、当該筒状ワークを磁化して検出コイルで検出された出力電圧に基づいて筒状ワークの焼入硬化層の深さを特定した後、焼入深さ測定用プローブを当該筒状ワークの内部から退避させることが可能な方法であれば、いずれの方法であっても良い。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本件発明に係る焼入深さ測定用プローブは、筒状ワークの内壁面の焼入硬化層の深さを測定する場合であっても、ヨークやコイル、ワークなどの温度上昇を抑制し、非破壊による方法で、安全、且つ、高い精度で焼入硬化層の深さを測定することができる。また、本件発明に係る焼入深さ測定用プローブは、製造工程において、焼入硬化層の深さについて、全量検査を行うのに好適である。
【符号の説明】
【００８４】
１  焼入深さ測定用プローブ
２  ワーク
３  検出コイル
４  励磁コイル
１０  コア
１１  柱状芯部
１１Ａ、１１Ｂ  端部
１１Ｃ  中心軸
１２、１３  第一、第二の平板部
１２Ａ、１３Ａ  ピース
１２Ｃ、１３Ｃ  平面中心
１２Ｅ、１３Ｅ  外縁
１４    絶縁層構成材
２１  内壁面
Ｓ１、Ｓ２  筒状ワークの開口寸法（内径）
Ｌ  筒状ワークの内壁面と平板部端部との距離
Ｘ  仮想線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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