(57)【要約】【課題】  磁気ひずみ応力測定法に基づくボルト締付力検査装置の本体制御装置を利用し、センサーのみを工夫して母材表面に有する窒化・高周波焼入れによる硬化層やＮｉめっき皮膜等の磁性異質層の厚さを検査する装置を提供する。【解決手段】  母材２の表面に、該母材とは異なる透磁率の異質層が薄く形成されている被検査体１の磁性異質層３の厚さを非破壊で検査する検査装置であって、非検査体の外周面に励磁コイル４と検出コイル５を同軸状に配置したプローブＡと、励磁コイルに高周波電流又はパルス電流を供給して非検査体の側面部を表面に沿った方向に磁化し、該側面部の透磁率の大きさに応じて検出コイルに誘起する誘導電流を計測する本体制御装置とを備えた。【選択図】        図２
2014062745.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材の表面に、該母材とは異なる透磁率の異質層が薄く形成されている被検査体の磁性異質層の厚さを非破壊で検査する検査装置であって、前記非検査体の外周面に励磁コイルと検出コイルを同軸状に配置したプローブと、前記励磁コイルに高周波電流又はパルス電流を供給して前記非検査体の側面部を表面に沿った方向に磁化し、該側面部の透磁率の大きさに応じて前記検出コイルに誘起する誘導電流を計測する本体制御装置とを備えたことを特徴とする母材表面に形成した磁性異質層厚さの検査装置。
【請求項２】
母材の表面に、該母材とは異なる透磁率の異質層が薄く形成されている被検査体の磁性異質層の厚さを非破壊で検査する検査装置であって、コ字形の無方向性電磁鋼板を複数積層したヨークに励磁コイルと検出コイルを巻き、ヨークの両端が被非検査体に接触するように配置したプローブと、前記励磁コイルに高周波電流又はパルス電流を供給して前記非検査体の表面部を表面に沿った方向に磁化し、該側面部の透磁率の大きさに応じて前記検出コイルに誘起する誘導電流を計測する本体制御装置とを備えたことを特徴とする母材表面に形成した磁性異質層厚さの検査装置。
【請求項３】
母材が強磁性体からなる請求項１又は２記載の母材表面に形成した磁性異質層厚さの検査装置。
【請求項４】
前記磁性異質層が母材を窒化処理又は高周波焼入れ処理して形成した硬化層である請求項３記載の母材表面に形成した磁性異質層厚さの検査装置。
【請求項５】
前記磁性異質層が母材の表面に形成したＮｉめっき皮膜である請求項１〜３何れか１項に記載の母材表面に形成した磁性異質層厚さの検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、母材表面に形成した磁性異質層厚さの検査装置に係わり、更に詳しくは母材表面に有する窒化・高周波焼入れによる硬化層やＮｉめっき皮膜等の磁性異質層の厚さを検査する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、窒化処理や高周波焼入れ処理による硬化層の厚さ（焼入れ厚さ）を測定する方法としては、窒化処理を施した鋼材を輪切りにし、切断面をビッカース硬度計等で測定する破壊検査による手法が主に行われている。そのため、測定に手間とコストがかかる。一方、Ｎｉめっき皮膜の厚さを測定する方法も、めっき処理した母材を輪切りにし、切断面から厚さを測定するか、あるいはめっき処理前後の母材の重量変化を測定し、表面積と密度を考慮して算出する方法が行われている。
【０００３】
このように、鋼材を窒化処理や高周波焼入れ処理して形成した硬化層や母材表面に形成したＮｉめっき皮膜等の磁性異質層の厚さを非破壊で簡易に測定できる装置はこれまで普及してこなかった。本出願人は、特許文献１にて渦電流法に基づく焼入深度測定方法及びその装置を提案しているが、単機能であるため装置価格が相対的に高く、普及には至ってない。
【０００４】
一方、本出願人は、特許文献２にてボルト締付力検査装置を提案し、本装置を製造販売している。このボルト締付力検査装置は、被締結体に締付力を伝達するボルト頭部若しくはナットの外周部に、ボルト軸部の軸方向と直交するように巻回した励磁コイルと検出コイルとを同芯状に配置するとともに、該励磁コイルと検出コイルとを取り囲み前記ボルト頭部若しくはナットとでポロイダル方向の磁気回路を形成するように環状ヨークを配置し、前記検出コイルは独立した第１検出コイルと第２検出コイルとからなり、前記ボルト頭部若しくはナットの外周部で、被締結体とは反対側の先端部に第１検出コイルを配置するとともに、被締結体側の基端部に第２検出コイルを配置し、前記励磁コイルに供給した交流電流又はパルス電流によって前記ボルト頭部若しくはナットの側面部を略軸方向に磁化し、該側面部の透磁率の大きさに応じて前記第１検出コイルと第２検出コイルに誘起する誘導電流の差動出力を計測し、ボルト軸部の締付力を測定するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１４０８１号公報
【特許文献２】特許第４６０５３０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述のボルト締付力検査装置の測定原理は、ボルト頭部又はナットの周囲表層部に作用する圧縮応力によってその部分の透磁率が変化する磁気ひずみ応力測定法に基づいている。つまり、ボルト頭部又はナットの表層部と内部の透磁率の違いを利用して測定しているので、本発明が対象とする磁性異質層の厚さを測定する場合にも応用できるのではないかとの推測に基づいて本発明を完成させるに至ったのである。
【０００７】
そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、磁気ひずみ応力測定法に基づくボルト締付力検査装置の本体制御装置を利用し、センサーのみを工夫して母材表面に有する窒化・高周波焼入れによる硬化層やＮｉめっき皮膜等の磁性異質層の厚さを検査する装置を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、前述の課題解決のために、母材の表面に、該母材とは異なる透磁率の異質層が薄く形成されている被検査体の磁性異質層の厚さを非破壊で検査する検査装置であって、前記非検査体の外周面に励磁コイルと検出コイルを同軸状に配置したプローブと、前記励磁コイルに高周波電流又はパルス電流を供給して前記非検査体の側面部を表面に沿った方向に磁化し、該側面部の透磁率の大きさに応じて前記検出コイルに誘起する誘導電流を計測する本体制御装置とを備えたことを特徴とする母材表面に形成した磁性異質層厚さの検査装置を構成した（請求項１）。
【０００９】
また、本発明は、母材の表面に、該母材とは異なる透磁率の異質層が薄く形成されている被検査体の磁性異質層の厚さを非破壊で検査する検査装置であって、コ字形の無方向性電磁鋼板を複数積層したヨークに励磁コイルと検出コイルを巻き、ヨークの両端が被非検査体に接触するように配置したプローブと、前記励磁コイルに高周波電流又はパルス電流を供給して前記非検査体の表面部を表面に沿った方向に磁化し、該側面部の透磁率の大きさに応じて前記検出コイルに誘起する誘導電流を計測する本体制御装置とを備えたことを特徴とする母材表面に形成した磁性異質層厚さの検査装置を構成した（請求項２）。
【００１０】
ここで、母材が強磁性体からなることが好ましい（請求項３）。
【００１１】
そして、前記磁性異質層が母材を窒化処理又は高周波焼入れ処理して形成した硬化層であるとより好ましい（請求項４）。
【００１２】
あるいは、前記磁性異質層が母材の表面に形成したＮｉめっき皮膜であることも好ましい（請求項５）。
【発明の効果】
【００１３】
以上にしてなる請求項１に係る発明の母材表面に形成した磁性異質層厚さの検査装置は、母材の表面に、該母材とは異なる透磁率の異質層が薄く形成されている被検査体の磁性異質層の厚さを非破壊で検査する検査装置であって、前記非検査体の外周面に励磁コイルと検出コイルを同軸状に配置したプローブと、前記励磁コイルに高周波電流又はパルス電流を供給して前記非検査体の側面部を表面に沿った方向に磁化し、該側面部の透磁率の大きさに応じて前記検出コイルに誘起する誘導電流を計測する本体制御装置とを備えたので、既成のボルト締付力検査装置の本体制御装置を利用して棒状の被検査体の表面に形成した磁性異質層の厚さを簡単に検査することができ、ボルト締付力検査装置のオプションとして当該プローブを提供できるため、装置構成が安価である。
【００１４】
請求項２に係る発明の母材表面に形成した磁性異質層厚さの検査装置は、母材の表面に、該母材とは異なる透磁率の異質層が薄く形成されている被検査体の磁性異質層の厚さを非破壊で検査する検査装置であって、コ字形の無方向性電磁鋼板を複数積層したヨークに励磁コイルと検出コイルを巻き、ヨークの両端が被非検査体に接触するように配置したプローブと、前記励磁コイルに高周波電流又はパルス電流を供給して前記非検査体の表面部を表面に沿った方向に磁化し、該側面部の透磁率の大きさに応じて前記検出コイルに誘起する誘導電流を計測する本体制御装置とを備えたので、既成のボルト締付力検査装置の本体制御装置を利用して任意形状の被検査体の表面に形成した磁性異質層の厚さを簡単に検査することができ、ボルト締付力検査装置のオプションとして当該プローブを提供できるため、装置構成が安価である。
【００１５】
請求項３によれば、母材が強磁性体からなるので、広範囲の被検査体に適用できる。特に、前記磁性異質層が母材を窒化処理又は高周波焼入れ処理して形成した硬化層である場合（請求項４）や、磁性異質層が母材の表面に形成したＮｉめっき皮膜である場合（請求項５）に有効であり、広く機械部品や装飾品に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態のプローブを用いた測定原理を示す部分断面図である。
【図２】同じく第１実施形態のプローブに被検査体をセットして検査する状態を示した一部省略断面図である。
【図３】第２実施形態のプローブを用いた測定原理を示す部分断面図である。
【図４】第２実施形態のプローブの要部を示す斜視図である。
【図５】同じく第２実施形態のプローブを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図６】ＳＣＭ４３５の生材と全窒化材の初期磁化曲線を示すグラフである。
【図７】ＳＣＭ４３５の三次元磁界解析による結果を示し、（ａ）は生材の内部磁束分布、（ｂ）は窒化膜厚：０．２ｍｍの場合の内部磁束分布を示す。
【図８】窒化厚さに対する励磁電流の影響を示すグラフである。
【図９】窒化厚さに対する励磁周波数の影響を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、添付図面に示した実施形態に基づき、本発明を更に詳細に説明する。図１及び図２は本発明の第１実施形態のプローブＡを示し、図３〜図５は本発明の第２実施形態のプローブＢを示し、図中符号１は被検査体、２は母材、３は磁性異質層、４は励磁コイル、５は検出コイル、６はボビン、７はヨークをそれぞれ示している。
【００１８】
本発明は、母材２の表面に、該母材２とは異なる透磁率の異質層３が薄く形成されている被検査体１の磁性異質層３の厚さを非破壊で検査する検査装置である。先ず、第１実施形態のプローブＡは、前記非検査体１の外周面に励磁コイル４と検出コイル５を同軸状に配置した。具体的には、図２に示すように、円筒状の合成樹脂製ボビン６にφ０．０７ｍｍの被覆線を３００ターン巻いて検出コイル５とし、その上にφ０．５ｍｍの被覆線を１６ターン巻いて励磁コイル４とした。本実施形態の前記検出コイル５のリアクタンスは１３００μＨ、抵抗は１７０Ωであり、前記励磁コイル４のリアクタンスは５．９μＨ、抵抗は１．３Ωであった。そのボビン６を金属製の本体ケース８に搭載し、更にて前記本体ケース８には前記励磁コイル４と検出コイル５に接続するコネクター９を側設して前記プローブＡを構成した。
【００１９】
本体制御装置（図示せず）は、前記励磁コイル４に高周波電流又はパルス電流を供給して前記非検査体１の側面部を表面に沿った方向に磁化し、該側面部の透磁率の大きさに応じて前記検出コイル５に誘起する誘導電流を計測するものであり、前記プローブＡのコネクター９にケーブルで接続される。
【００２０】
第２実施形態のプローブＢは、図３及び図４に示すように、コ字形の無方向性電磁鋼板を複数積層したヨーク７に励磁コイル４と検出コイル５を巻き、ヨーク７の両端が被非検査体１に接触するように配置した。具体的には、図４及び図５に示すように、無方向性電磁鋼板７Ａとして、厚さ０．５ｍｍのコ字形のケイ素鋼板を用い、これを１４枚重ねて７ｍｍ×７ｍｍの外形のヨーク７を作製し、該ヨーク７の中央部の連結部にφ０．５ｍｍの被覆線を２０ターン巻いて励磁コイル４とし、一方のヨーク７の脚部にφ０．０７ｍｍの被覆線を５０ターン巻いて検出コイル５とした。本実施形態の前記検出コイル５のリアクタンスは４３μＨ、抵抗は７．１Ωであり、前記励磁コイル４のリアクタンスは０．８４μＨ、抵抗は０．２７Ωであった。この励磁コイル４と検出コイル５を巻いたヨーク７を先細中空の合成樹脂製ケース１０の先端部内に搭載し、該ケース１０の基端部には前記励磁コイル４と検出コイル５に接続するコネクター１１を設けている。また、前記ケース１０には、検査時に手元で検査開始できるようにスイッチ１２を設けている。前記同様に、本体制御装置にはプローブＢのコネクター１１にケーブルで接続される。
【００２１】
本発明は、特に母材２が強磁性体であり、母材２の表層部の磁性異質層３が、該母材２を窒化処理又は高周波焼入れ処理して形成した硬化層あるいは母材２の表面に形成したＮｉめっき皮膜であると効果的である。一般的に、母材２を強磁性体の鋼材とした場合、窒化処理又は高周波焼入れ処理して形成した硬化層やＮｉめっき皮膜の透磁率は、母材の透磁率よりもかなり小さい。
【００２２】
ここで、窒化処理とは、アルミニウム、クロム、モリブデンなどの窒化物形成元素を含む鋼を、アンモニア又は窒素を含んだ雰囲気中に暴露し、オーステナイト化温度以下の温度域で加熱することにより、鋼の表面近傍（１ｍｍ以内）に窒素を浸透させて硬化させる処理である。浸炭焼入れ層は、容易に１ｍｍ以上の硬化層を実現できるのに対し、窒化層は０．１ｍｍレベルである。なた、浸炭と窒化を同時に行う浸炭窒化処理もあり、高硬度、高耐衝撃性を有する表面を実現できる。一方、Ｎｉめっき皮膜は、電解Ｎｉめっき又は無電解Ｎｉめっきによって形成されるが、通常皮膜の厚さは１００μｍ以内である。本発明は、従来の方法では測定が難しかった磁性異質層３の厚さが１ｍｍ以内と薄い場合に効果を発揮する。
【００２３】
第１実施形態では、図１に示すように、励磁コイル４に励磁電流を印加すると、該コイルの周りに磁界が生じ、一部は被検査体１の内部に浸透し、側面部が表面に沿った方向に磁化する。磁界の浸透の厚さは周波数によって決まり、周波数が高くなるほど浸透厚さは浅くなる。第２実施形態でも、図３に示すように、励磁コイル４に励磁電流を印加すると、磁力線はヨーク７を通って一端から被検査体１の内部に浸透し、他端からヨーク７に戻る閉じた磁気回路を形成し、被検査体１の表面部を表面に沿った方向に磁化する。どちらも磁性異質層３も磁化されるので、その厚さが厚くなるほど、磁化率は低下するので、検出コイル５の出力が低下する傾向になる。
【００２４】
前述の第１実施形態のプローブＡを用いて窒化処理した硬化層の厚さを検査する場合を以下に説明する。ここでは、被検査体１として、円柱状の側面窒化焼入れ鋼材とし、窒化を施す母材２鋼材）と窒化層（硬化層）との電磁気特性の差を利用して窒化層膜厚を測定する。図２に示したプローブＡに円柱状被検査体１をボビン６の内部にセットし、励磁コイル４に交流電流を流し、検出コイル５に鎖交する磁束の大きさから被検査体１の側面表層の窒化層厚さを評価する。
【００２５】
先ず、母材（ＳＭＣ４３５）と全窒化材の初期磁化曲線と導電率の測定を行った。図６に測定した初期磁化曲線を示す。図２から、窒化領域は生材に比べて磁気特性が低下し、窒化層のＢmax値は、生層に比べて半分以下になっていることが分かる。導電率は、生材が４．２６１×１０6（Ｓ／ｍ）、全窒化材が４．６６３×１０6（Ｓ／ｍ）となった。
【００２６】
次に、三次元有限要素法の非線形磁界解析を使用し、前記プローブＡをモデル化して、０〜０．２ｍｍの各表面窒化層に伴う、検出コイル５に鎖交する磁束密度変化の解析を行った。解析条件としては、周波数１５ｋＨｚ、励磁電流０．５Ａとした。生材、窒化膜厚０．２ｍｍの内部磁束密度解析の結果を図７に示す。図７から、窒化処理を行い磁化特性の低い窒化層が形成されたことで、生材領域、窒化領域ともに磁束密度が減少していることが分かる。
【００２７】
次に、窒化層厚さ（深さ）と励磁電流の影響を実験によって検討した。ここで、励磁周波数は１５ｋＨｚ一定としている。測定結果を図８に示す。尚、縦軸は検出コイル５に得られる磁束密度の減衰率を示している。図８より、減衰率が一番大きくなる励磁電流は０．５Ａであることが分かった。減衰率が大きいということは、窒化層による影響が大きく現れるということを意味している。
【００２８】
また、窒化層厚さ（深さ）と励磁周波数の影響を実験によって検討した。ここで、励磁電流は０，５Ａ一定としている。測定結果を図９に示す。図９より、減衰率が一番大きくなる周波数は１５ｋＨｚであることが分かる。
【００２９】
以上の結果は、本発明により窒化層の厚さを０．１ｍｍの１／１０程度の精度で十分測定できることを示している。
【００３０】
母材の未処理部分の測定値を基準として磁性異質層の部分を測定値から所定の厚さがあるかどうか、つまり良品、不良品を判別することができる。勿論、磁性異質層３の厚さが既知のものを測定し、検出コイルの出力との相関をとっておけば、その出力から厚さを算出することができるので、厚さ測定装置としても使用できる。
【実施例１】
【００３１】
母材（ＳＣＭ４２０）の鋼材を窒化処理した不良品のサンプル１と良品のサンプル２を入手し、前記プローブＡによって検査した。励磁電流は１００ｍＡ、励磁周波数は２０ｋＨｚとした。検出コイルの出力を比較したところ、生材の値は３９３６、サンプル１の値は３４７４、サンプル２の値は３３９６となった。どちらのサンプルも窒化層の存在により生材とり検出コイルの出力が低下し、サンプル２はサンプル１よりも更に値が７８だけ低かった。つまり、サンプル２はサンプル１より窒化層厚さが厚いことを意味し、この差は誤差を光量しても十分に識別できる程度に大きい。従って、本発明は窒化層の厚さが一定値を境に良品と不良品を判別する検査装置として十分に使用できることが証明された。
【００３２】
次に、窒化層の厚さが既知の場合について検出コイルの出力を比較した。生材の値は平均３８１４．７、厚さ０．１ｍｍの場合の値は平均３４３１．７、厚さ０．２ｍｍの場合の値は平均３３４１．０であった。何れも測定値のバラツキは２０前後であった。生材と厚さ０．１ｍｍの場合の差は３８３．０であり、厚さ０．１ｍｍと０．２ｍｍの値の差は９０．７であるので、両者の違いは十分に検出できる。少なくとも厚さ測定精度が０．０５ｍｍはあると言える。
【実施例２】
【００３３】
母材（Ｓ４５Ｃ）の鋼材に厚さ６０μｍと１００μｍのＮｉめっき皮膜を形成した試験体を、前記プローブＢを用いて検査した。励磁電流は１００ｍＡ、励磁周波数は２０ｋＨｚとした。検出コイルの出力を比較したところ、生材の値は３２３７、厚さ６０μｍの場合の値は２９４０、厚さ１００μｍの場合の値は２８９０であった。生材と厚さ６０μｍの場合の差は２９７であり、厚さ６０μｍと１００μｍの値の差は５０であるので、両者の違いは十分に検出できる。最適化すれば、厚さ６０μｍと１００μｍの値の差は１００を超える。
【００３４】
母材（ＳＣＭ４３０）の鋼材に厚さ３０μｍのＮｉめっき皮膜を形成した試験体を、前記プローブＢを用いて検査した。励磁電流は８０ｍＡ、励磁周波数は１５ｋＨｚとした。検出コイルの出力を比較したところ、生材の値は３７１３であり、厚さ３０μｍ場合の値は３１５０であった。その差は５６３であり、１８．８／μｍとなり、測定値のバラツキを考慮しても数μｍ程度の厚さの違いが判別することができるかも知れない。つまり、本発明の測定原理では、磁性異質層３の厚さが薄い方がより測定精度が高くなると言える。
【符号の説明】
【００３５】
１  被検査体
２  母材
３  磁性異質層
４  励磁コイル
５  検出コイル
６  ボビン
７  ヨーク
７Ａ  無方向性電磁鋼板
８  本体ケース
９  コネクター
１０  ケース
１１  コネクター
１２  スイッチ
Ａ  第１実施形態のプローブ
Ｂ  第２実施形態のプローブ
【図１】
2014062745.tif 000003
【図２】
2014062745.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2014062745.tif 000007
【図６】
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【図７】
2014062745.tif 000009
【図８】
2014062745.tif 000010
【図９】
2014062745.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成25年12月24日(2013.12.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材の表面に、該母材とは異なる透磁率の異質層が薄く形成されている被検査体の磁性異質層の厚さを非破壊で検査する検査装置であって、前記被検査体の外周面に励磁コイルと検出コイルを内外に同軸状に配置したプローブと、前記励磁コイルに単一周波数の高周波電流又はパルス電流を供給して前記被検査体の側面部を表面に沿った方向に磁化することで、該側面部における磁性異質層の厚さに応じて決まる該側面部の透磁率の分布に基づき磁束密度分布が生じ、前記検出コイルに誘起する鎖交磁束の大きさに応じた出力を計測する本体制御装置とを備えたことを特徴とする母材表面に形成した磁性異質層厚さの検査装置。
【請求項２】
母材の表面に、該母材とは異なる透磁率の異質層が薄く形成されている被検査体の磁性異質層の厚さを非破壊で検査する検査装置であって、コ字形の無方向性電磁鋼板を複数積層したヨークに励磁コイルと検出コイルを巻き、ヨークの両端が被検査体に接触するように配置したプローブと、前記励磁コイルに単一周波数の高周波電流又はパルス電流を供給して前記被検査体の表面部を表面に沿った方向に磁化することで、該表面部における磁性異質層の厚さに応じて決まる該表面部の透磁率の分布に基づき磁束密度分布が生じ、前記検出コイルに誘起する鎖交磁束の大きさに応じた出力を計測する本体制御装置とを備えたことを特徴とする母材表面に形成した磁性異質層厚さの検査装置。
【請求項３】
母材が強磁性体からなる請求項１又は２記載の母材表面に形成した磁性異質層厚さの検査装置。
【請求項４】
前記磁性異質層が母材を窒化処理又は高周波焼入れ処理して形成した硬化層である請求項３記載の母材表面に形成した磁性異質層厚さの検査装置。
【請求項５】
前記磁性異質層が母材の表面に形成したＮｉめっき皮膜である請求項１〜３何れか１項に記載の母材表面に形成した磁性異質層厚さの検査装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、母材表面に形成した磁性異質層厚さの検査装置に係わり、更に詳しくは母材表面に有する窒化・高周波焼入れによる硬化層やＮｉめっき皮膜等の磁性異質層の厚さを検査する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、窒化処理や高周波焼入れ処理による硬化層の厚さ（焼入れ厚さ）を測定する方法としては、窒化処理を施した鋼材を輪切りにし、切断面をビッカース硬度計等で測定する破壊検査による手法が主に行われている。そのため、測定に手間とコストがかかる。一方、Ｎｉめっき皮膜の厚さを測定する方法も、めっき処理した母材を輪切りにし、切断面から厚さを測定するか、あるいはめっき処理前後の母材の重量変化を測定し、表面積と密度を考慮して算出する方法が行われている。
【０００３】
このように、鋼材を窒化処理や高周波焼入れ処理して形成した硬化層や母材表面に形成したＮｉめっき皮膜等の磁性異質層の厚さを非破壊で簡易に測定できる装置はこれまで普及してこなかった。本出願人は、特許文献１にて渦電流法に基づく焼入深度測定方法及びその装置を提案しているが、単機能であるため装置価格が相対的に高く、普及には至ってない。
【０００４】
一方、本出願人は、特許文献２にてボルト締付力検査装置を提案し、本装置を製造販売している。このボルト締付力検査装置は、被締結体に締付力を伝達するボルト頭部若しくはナットの外周部に、ボルト軸部の軸方向と直交するように巻回した励磁コイルと検出コイルとを同芯状に配置するとともに、該励磁コイルと検出コイルとを取り囲み前記ボルト頭部若しくはナットとでポロイダル方向の磁気回路を形成するように環状ヨークを配置し、前記検出コイルは独立した第１検出コイルと第２検出コイルとからなり、前記ボルト頭部若しくはナットの外周部で、被締結体とは反対側の先端部に第１検出コイルを配置するとともに、被締結体側の基端部に第２検出コイルを配置し、前記励磁コイルに供給した交流電流又はパルス電流によって前記ボルト頭部若しくはナットの側面部を略軸方向に磁化し、該側面部の透磁率の大きさに応じて前記第１検出コイルと第２検出コイルに誘起する誘導電流の差動出力を計測し、ボルト軸部の締付力を測定するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１４０８１号公報
【特許文献２】特許第４６０５３０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述のボルト締付力検査装置の測定原理は、ボルト頭部又はナットの周囲表層部に作用する圧縮応力によってその部分の透磁率が変化する磁気ひずみ応力測定法に基づいている。つまり、ボルト頭部又はナットの表層部と内部の透磁率の違いを利用して測定しているので、本発明が対象とする磁性異質層の厚さを測定する場合にも応用できるのではないかとの推測に基づいて本発明を完成させるに至ったのである。
【０００７】
そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、磁気ひずみ応力測定法に基づくボルト締付力検査装置の本体制御装置を利用し、センサーのみを工夫して母材表面に有する窒化・高周波焼入れによる硬化層やＮｉめっき皮膜等の磁性異質層の厚さを検査する装置を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、前述の課題解決のために、母材の表面に、該母材とは異なる透磁率の異質層が薄く形成されている被検査体の磁性異質層の厚さを非破壊で検査する検査装置であって、前記被検査体の外周面に励磁コイルと検出コイルを内外に同軸状に配置したプローブと、前記励磁コイルに単一周波数の高周波電流又はパルス電流を供給して前記被検査体の側面部を表面に沿った方向に磁化することで、該側面部における磁性異質層の厚さに応じて決まる該側面部の透磁率の分布に基づき磁束密度分布が生じ、前記検出コイルに誘起する鎖交磁束の大きさに応じた出力を計測する本体制御装置とを備えたことを特徴とする母材表面に形成した磁性異質層厚さの検査装置を構成した（請求項１）。
【０００９】
また、本発明は、母材の表面に、該母材とは異なる透磁率の異質層が薄く形成されている被検査体の磁性異質層の厚さを非破壊で検査する検査装置であって、コ字形の無方向性電磁鋼板を複数積層したヨークに励磁コイルと検出コイルを巻き、ヨークの両端が被検査体に接触するように配置したプローブと、前記励磁コイルに単一周波数の高周波電流又はパルス電流を供給して前記被検査体の表面部を表面に沿った方向に磁化することで、該表面部における磁性異質層の厚さに応じて決まる該表面部の透磁率の分布に基づき磁束密度分布が生じ、前記検出コイルに誘起する鎖交磁束の大きさに応じた出力を計測する本体制御装置とを備えたことを特徴とする母材表面に形成した磁性異質層厚さの検査装置を構成した（請求項２）。
【００１０】
ここで、母材が強磁性体からなることが好ましい（請求項３）。
【００１１】
そして、前記磁性異質層が母材を窒化処理又は高周波焼入れ処理して形成した硬化層であるとより好ましい（請求項４）。
【００１２】
あるいは、前記磁性異質層が母材の表面に形成したＮｉめっき皮膜であることも好ましい（請求項５）。
【発明の効果】
【００１３】
以上にしてなる請求項１に係る発明の母材表面に形成した磁性異質層厚さの検査装置は、母材の表面に、該母材とは異なる透磁率の異質層が薄く形成されている被検査体の磁性異質層の厚さを非破壊で検査する検査装置であって、前記被検査体の外周面に励磁コイルと検出コイルを内外に同軸状に配置したプローブと、前記励磁コイルに単一周波数の高周波電流又はパルス電流を供給して前記被検査体の側面部を表面に沿った方向に磁化することで、該側面部における磁性異質層の厚さに応じて決まる該側面部の透磁率の分布に基づき磁束密度分布が生じ、前記検出コイルに誘起する鎖交磁束の大きさに応じた出力を計測する本体制御装置とを備えたので、既成のボルト締付力検査装置の本体制御装置を利用して棒状の被検査体の表面に形成した磁性異質層の厚さを簡単に検査することができ、ボルト締付力検査装置のオプションとして当該プローブを提供できるため、装置構成が安価である。
【００１４】
請求項２に係る発明の母材表面に形成した磁性異質層厚さの検査装置は、母材の表面に、該母材とは異なる透磁率の異質層が薄く形成されている被検査体の磁性異質層の厚さを非破壊で検査する検査装置であって、コ字形の無方向性電磁鋼板を複数積層したヨークに励磁コイルと検出コイルを巻き、ヨークの両端が被検査体に接触するように配置したプローブと、前記励磁コイルに単一周波数の高周波電流又はパルス電流を供給して前記被検査体の表面部を表面に沿った方向に磁化することで、該表面部における磁性異質層の厚さに応じて決まる該表面部の透磁率の分布に基づき磁束密度分布が生じ、前記検出コイルに誘起する鎖交磁束の大きさに応じた出力を計測する本体制御装置とを備えたので、既成のボルト締付力検査装置の本体制御装置を利用して任意形状の被検査体の表面に形成した磁性異質層の厚さを簡単に検査することができ、ボルト締付力検査装置のオプションとして当該プローブを提供できるため、装置構成が安価である。
【００１５】
請求項３によれば、母材が強磁性体からなるので、広範囲の被検査体に適用できる。特に、前記磁性異質層が母材を窒化処理又は高周波焼入れ処理して形成した硬化層である場合（請求項４）や、磁性異質層が母材の表面に形成したＮｉめっき皮膜である場合（請求項５）に有効であり、広く機械部品や装飾品に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態のプローブを用いた測定原理を示す部分断面図である。
【図２】同じく第１実施形態のプローブに被検査体をセットして検査する状態を示した一部省略断面図である。
【図３】第２実施形態のプローブを用いた測定原理を示す部分断面図である。
【図４】第２実施形態のプローブの要部を示す斜視図である。
【図５】同じく第２実施形態のプローブを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図６】ＳＣＭ４３５の生材と全窒化材の初期磁化曲線を示すグラフである。
【図７】ＳＣＭ４３５の三次元磁界解析による結果を示し、（ａ）は生材の内部磁束分布、（ｂ）は窒化膜厚：０．２ｍｍの場合の内部磁束分布を示す。
【図８】窒化厚さに対する励磁電流の影響を示すグラフである。
【図９】窒化厚さに対する励磁周波数の影響を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、添付図面に示した実施形態に基づき、本発明を更に詳細に説明する。図１及び図２は本発明の第１実施形態のプローブＡを示し、図３〜図５は本発明の第２実施形態のプローブＢを示し、図中符号１は被検査体、２は母材、３は磁性異質層、４は励磁コイル、５は検出コイル、６はボビン、７はヨークをそれぞれ示している。
【００１８】
本発明は、母材２の表面に、該母材２とは異なる透磁率の異質層３が薄く形成されている被検査体１の磁性異質層３の厚さを非破壊で検査する検査装置である。先ず、第１実施形態のプローブＡは、前記被検査体１の外周面に励磁コイル４と検出コイル５を同軸状に配置した。具体的には、図２に示すように、円筒状の合成樹脂製ボビン６にφ０．０７ｍｍの被覆線を３００ターン巻いて検出コイル５とし、その上にφ０．５ｍｍの被覆線を１６ターン巻いて励磁コイル４とした。本実施形態の前記検出コイル５のリアクタンスは１３００μＨ、抵抗は１７０Ωであり、前記励磁コイル４のリアクタンスは５．９μＨ、抵抗は１．３Ωであった。そのボビン６を金属製の本体ケース８に搭載し、更にて前記本体ケース８には前記励磁コイル４と検出コイル５に接続するコネクター９を側設して前記プローブＡを構成した。
【００１９】
本体制御装置（図示せず）は、前記励磁コイル４に高周波電流又はパルス電流を供給して前記被検査体１の側面部を表面に沿った方向に磁化し、該側面部の透磁率の大きさに応じて前記検出コイル５に誘起する誘導電流を計測するものであり、前記プローブＡのコネクター９にケーブルで接続される。
【００２０】
第２実施形態のプローブＢは、図３及び図４に示すように、コ字形の無方向性電磁鋼板を複数積層したヨーク７に励磁コイル４と検出コイル５を巻き、ヨーク７の両端が被検査体１に接触するように配置した。具体的には、図４及び図５に示すように、無方向性電磁鋼板７Ａとして、厚さ０．５ｍｍのコ字形のケイ素鋼板を用い、これを１４枚重ねて７ｍｍ×７ｍｍの外形のヨーク７を作製し、該ヨーク７の中央部の連結部にφ０．５ｍｍの被覆線を２０ターン巻いて励磁コイル４とし、一方のヨーク７の脚部にφ０．０７ｍｍの被覆線を５０ターン巻いて検出コイル５とした。本実施形態の前記検出コイル５のリアクタンスは４３μＨ、抵抗は７．１Ωであり、前記励磁コイル４のリアクタンスは０．８４μＨ、抵抗は０．２７Ωであった。この励磁コイル４と検出コイル５を巻いたヨーク７を先細中空の合成樹脂製ケース１０の先端部内に搭載し、該ケース１０の基端部には前記励磁コイル４と検出コイル５に接続するコネクター１１を設けている。また、前記ケース１０には、検査時に手元で検査開始できるようにスイッチ１２を設けている。前記同様に、本体制御装置にはプローブＢのコネクター１１にケーブルで接続される。
【００２１】
本発明は、特に母材２が強磁性体であり、母材２の表層部の磁性異質層３が、該母材２を窒化処理又は高周波焼入れ処理して形成した硬化層あるいは母材２の表面に形成したＮｉめっき皮膜であると効果的である。一般的に、母材２を強磁性体の鋼材とした場合、窒化処理又は高周波焼入れ処理して形成した硬化層やＮｉめっき皮膜の透磁率は、母材の透磁率よりもかなり小さい。
【００２２】
ここで、窒化処理とは、アルミニウム、クロム、モリブデンなどの窒化物形成元素を含む鋼を、アンモニア又は窒素を含んだ雰囲気中に暴露し、オーステナイト化温度以下の温度域で加熱することにより、鋼の表面近傍（１ｍｍ以内）に窒素を浸透させて硬化させる処理である。浸炭焼入れ層は、容易に１ｍｍ以上の硬化層を実現できるのに対し、窒化層は０．１ｍｍレベルである。なた、浸炭と窒化を同時に行う浸炭窒化処理もあり、高硬度、高耐衝撃性を有する表面を実現できる。一方、Ｎｉめっき皮膜は、電解Ｎｉめっき又は無電解Ｎｉめっきによって形成されるが、通常皮膜の厚さは１００μｍ以内である。本発明は、従来の方法では測定が難しかった磁性異質層３の厚さが１ｍｍ以内と薄い場合に効果を発揮する。
【００２３】
第１実施形態では、図１に示すように、励磁コイル４に励磁電流を印加すると、該コイルの周りに磁界が生じ、一部は被検査体１の内部に浸透し、側面部が表面に沿った方向に磁化する。磁界の浸透の厚さは周波数によって決まり、周波数が高くなるほど浸透厚さは浅くなる。第２実施形態でも、図３に示すように、励磁コイル４に励磁電流を印加すると、磁力線はヨーク７を通って一端から被検査体１の内部に浸透し、他端からヨーク７に戻る閉じた磁気回路を形成し、被検査体１の表面部を表面に沿った方向に磁化する。どちらも磁性異質層３も磁化されるので、その厚さが厚くなるほど、磁化率は低下するので、検出コイル５の出力が低下する傾向になる。
【００２４】
前述の第１実施形態のプローブＡを用いて窒化処理した硬化層の厚さを検査する場合を以下に説明する。ここでは、被検査体１として、円柱状の側面窒化焼入れ鋼材とし、窒化を施す母材２鋼材）と窒化層（硬化層）との電磁気特性の差を利用して窒化層膜厚を測定する。図２に示したプローブＡに円柱状被検査体１をボビン６の内部にセットし、励磁コイル４に交流電流を流し、検出コイル５に鎖交する磁束の大きさから被検査体１の側面表層の窒化層厚さを評価する。
【００２５】
先ず、母材（ＳＭＣ４３５）と全窒化材の初期磁化曲線と導電率の測定を行った。図６に測定した初期磁化曲線を示す。図６から、窒化領域は生材に比べて磁気特性が低下し、窒化層のＢmax値は、生層に比べて半分以下になっていることが分かる。導電率は、生材が４．２６１×１０6（Ｓ／ｍ）、全窒化材が４．６６３×１０6（Ｓ／ｍ）となった。
【００２６】
次に、三次元有限要素法の非線形磁界解析を使用し、前記プローブＡをモデル化して、０〜０．２ｍｍの各表面窒化層に伴う、検出コイル５に鎖交する磁束密度変化の解析を行った。解析条件としては、周波数１５ｋＨｚ、励磁電流０．５Ａとした。生材、窒化膜厚０．２ｍｍの内部磁束密度解析の結果を図７に示す。図７から、窒化処理を行い磁化特性の低い窒化層が形成されたことで、生材領域、窒化領域ともに磁束密度が減少していることが分かる。
【００２７】
次に、窒化層厚さ（深さ）と励磁電流の影響を実験によって検討した。ここで、励磁周波数は１５ｋＨｚ一定としている。測定結果を図８に示す。尚、縦軸は検出コイル５に得られる磁束密度の減衰率を示している。図８より、減衰率が一番大きくなる励磁電流は０．５Ａであることが分かった。減衰率が大きいということは、窒化層による影響が大きく現れるということを意味している。
【００２８】
また、窒化層厚さ（深さ）と励磁周波数の影響を実験によって検討した。ここで、励磁電流は０，５Ａ一定としている。測定結果を図９に示す。図９より、減衰率が一番大きくなる周波数は１５ｋＨｚであることが分かる。
【００２９】
以上の結果は、本発明により窒化層の厚さを０．１ｍｍの１／１０程度の精度で十分測定できることを示している。
【００３０】
母材の未処理部分の測定値を基準として磁性異質層の部分を測定値から所定の厚さがあるかどうか、つまり良品、不良品を判別することができる。勿論、磁性異質層３の厚さが既知のものを測定し、検出コイルの出力との相関をとっておけば、その出力から厚さを算出することができるので、厚さ測定装置としても使用できる。
【実施例１】
【００３１】
母材（ＳＣＭ４２０）の鋼材を窒化処理した不良品のサンプル１と良品のサンプル２を入手し、前記プローブＡによって検査した。励磁電流は１００ｍＡ、励磁周波数は２０ｋＨｚとした。検出コイルの出力を比較したところ、生材の値は３９３６、サンプル１の値は３４７４、サンプル２の値は３３９６となった。どちらのサンプルも窒化層の存在により生材とり検出コイルの出力が低下し、サンプル２はサンプル１よりも更に値が７８だけ低かった。つまり、サンプル２はサンプル１より窒化層厚さが厚いことを意味し、この差は誤差を考慮しても十分に識別できる程度に大きい。従って、本発明は窒化層の厚さが一定値を境に良品と不良品を判別する検査装置として十分に使用できることが証明された。
【００３２】
次に、窒化層の厚さが既知の場合について検出コイルの出力を比較した。生材の値は平均３８１４．７、厚さ０．１ｍｍの場合の値は平均３４３１．７、厚さ０．２ｍｍの場合の値は平均３３４１．０であった。何れも測定値のバラツキは２０前後であった。生材と厚さ０．１ｍｍの場合の差は３８３．０であり、厚さ０．１ｍｍと０．２ｍｍの値の差は９０．７であるので、両者の違いは十分に検出できる。少なくとも厚さ測定精度が０．０５ｍｍはあると言える。
【実施例２】
【００３３】
母材（Ｓ４５Ｃ）の鋼材に厚さ６０μｍと１００μｍのＮｉめっき皮膜を形成した試験体を、前記プローブＢを用いて検査した。励磁電流は１００ｍＡ、励磁周波数は２０ｋＨｚとした。検出コイルの出力を比較したところ、生材の値は３２３７、厚さ６０μｍの場合の値は２９４０、厚さ１００μｍの場合の値は２８９０であった。生材と厚さ６０μｍの場合の差は２９７であり、厚さ６０μｍと１００μｍの値の差は５０であるので、両者の違いは十分に検出できる。最適化すれば、厚さ６０μｍと１００μｍの値の差は１００を超える。
【００３４】
母材（ＳＣＭ４３０）の鋼材に厚さ３０μｍのＮｉめっき皮膜を形成した試験体を、前記プローブＢを用いて検査した。励磁電流は８０ｍＡ、励磁周波数は１５ｋＨｚとした。検出コイルの出力を比較したところ、生材の値は３７１３であり、厚さ３０μｍ場合の値は３１５０であった。その差は５６３であり、１８．８／μｍとなり、測定値のバラツキを考慮しても数μｍ程度の厚さの違いが判別することができるかも知れない。つまり、本発明の測定原理では、磁性異質層３の厚さが薄い方がより測定精度が高くなると言える。
【符号の説明】
【００３５】
１  被検査体
２  母材
３  磁性異質層
４  励磁コイル
５  検出コイル
６  ボビン
７  ヨーク
７Ａ  無方向性電磁鋼板
８  本体ケース
９  コネクター
１０  ケース
１１  コネクター
１２  スイッチ
Ａ  第１実施形態のプローブ
Ｂ  第２実施形態のプローブ