(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定される鋼歯車の肌焼又は窒化の有効深さを求める装置（１）であって、
前記測定される歯車及び肌焼されていない非窒化型の基準歯車の一部分を特定するのに適した進化型測定器（３）と、
前記進化型測定器に接続される測定ヘッド（２）であって、該進化型測定器によって特定される前記測定される歯車及び前記基準歯車の走査部分の可変周波数放射を生成するように構成されたレーザー光源（１０）を備える、測定ヘッドと、
を備え、前記測定ヘッドは、
前記レーザー光源による走査に応答して前記測定される歯車及び前記基準歯車によって生成される赤外線放射を検出するように構成される赤外線検出器（１６）と、
前記検出された赤外線放射に基づいて、第１の測定スペクトル及び第２の測定スペクトルのうちの少なくとも一方を求めるように構成される第１の処理手段（１７）であって、前記第１の測定スペクトルは前記測定される歯車によって生成される前記赤外線放射の位相と、前記基準歯車によって生成される前記赤外線放射の位相との間の差を示し、前記第２の測定スペクトルは前記測定される歯車によって生成される前記赤外線放射の振幅と、前記基準歯車によって生成される前記赤外線放射の振幅との間の差を示す、第１の処理手段（１７）と、
第１の硬度プロファイルに等しい開始プロファイルと、前記第１の測定スペクトル及び前記第２の測定スペクトルのうちの前記少なくとも一方とに基づいて、前記測定される歯車の計算された硬度プロファイルを算出するように構成される第１の算出手段（２６、４０〜５６）と、
前記計算された硬度プロファイルに基づいて、前記肌焼又は窒化の有効深さを算出するように構成される第２の算出手段（２６、５８）と、
を更に備える、装置。
【請求項２】
前記第１の算出手段（２６、４０〜５６）は、
前記開始プロファイルに対応する拡散率プロファイルを求める手段（４４）と、
熱方程式に基づいて、前記開始プロファイルに等しい硬度プロファイルを有する理論上の歯車によって生成される赤外線放射の位相及び振幅を計算する反転アルゴリズムを実行するように構成される第３の算出手段（４６）と、
前記開始プロファイルに関連付けられる第１の開始熱スペクトル及び第２の開始熱スペクトルのうちの少なくとも一方を求めるように構成される第２の処理手段（４６）であって、前記第１の開始熱スペクトルは前記理論上の歯車によって生成される前記赤外線放射の前記算出された位相と、前記基準歯車によって生成される前記赤外線放射の位相との間の差を示し、前記第２の開始熱スペクトルは前記理論上の歯車によって生成される前記赤外線放射の前記算出された振幅と、前記基準歯車によって生成される前記赤外線放射の振幅との間の差を示す、第２の処理手段と、
前記第１の開始熱スペクトル及び前記第２の開始熱スペクトルのうちの前記少なくとも一方を、前記第１の測定スペクトル及び前記第２の測定スペクトルのうちの前記少なくとも一方と比較するように構成される比較手段（４８、５０）と、
前記比較手段によって行われた前記比較に基づいて前記開始プロファイルを補正する手段（５２）と、
を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１の処理手段（１７）は、前記第１の測定スペクトル及び前記第２の測定スペクトルの両方を求めるように構成され、前記第２の処理手段（４６）は、前記第１の開始熱スペクトル及び前記第２の開始熱スペクトルの両方を求めるように構成され、前記比較手段（４８、５０）は、前記第１の開始熱スペクトル及び前記第２の開始熱スペクトルを、前記第１の測定スペクトル及び前記第２の測定スペクトルとそれぞれ比較するように構成される、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記進化型測定器は、前記測定ヘッド（２）の移動手段（２１）を備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記開始プロファイルは前記測定される歯車（２０）の前記表面からの距離の双曲正接型単調減少関数である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記第１の算出手段（２６、４０〜５６）は、反復プロセスを実行するように構成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記測定ヘッド（２）は前記進化型測定器（３）上に搭載される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
鋼歯車の肌焼又は窒化の有効深さを求める方法であって、
測定される前記歯車及び肌焼されていない非窒化型の基準歯車の一部分を特定するステップと、
前記測定される歯車（２０）及び前記基準歯車の前記特定された部分を、可変周波数放射を用いて走査するステップと、
前記レーザー走査に応答して前記測定される歯車及び前記基準歯車によって生成される赤外線放射を検出するステップと、
前記検出された赤外線放射に基づいて、第１の測定スペクトル及び第２の測定スペクトルのうちの少なくとも一方を求めるステップであって、前記第１の測定スペクトルは前記測定される歯車によって生成される前記赤外線放射の位相と、前記基準歯車によって生成される前記赤外線放射の位相との間の差を示し、前記第２の測定スペクトルは前記測定される歯車によって生成される前記赤外線放射の振幅と、前記基準歯車によって生成される前記赤外線放射の振幅との間の差を示す、ステップと、
第１の硬度プロファイルを取得するステップと、
前記第１の硬度プロファイルに基づいて開始プロファイルを生成するステップと、
前記第１の測定スペクトル及び前記第２の測定スペクトルのうちの前記少なくとも一方に基づいて前記開始プロファイルを変更して、前記測定される歯車の算出された硬度プロファイルを求めるステップと、
前記算出された硬度プロファイルに基づいて、前記肌焼又は窒化の有効深さを求めるステップと、
を含む方法。
【請求項９】
前記算出された硬度プロファイルを求めるステップは、
前記開始プロファイルに関連付けられた拡散率プロファイルを求めるステップと、
熱方程式に基づいて、前記開始プロファイルに等しい硬度プロファイルを有する理論上の歯車によって生成される赤外線放射の位相及び振幅を算出する反転アルゴリズムを実行するステップと、
前記開始プロファイルに関連付けられる第１の開始熱スペクトル及び第２の開始熱スペクトルのうちの少なくとも一方を求めるステップであって、前記第１の開始熱スペクトルは前記理論上の歯車によって生成される前記赤外線放射の前記算出された位相と、前記基準歯車によって生成される前記赤外線放射の位相との間の差を示し、前記第２の開始熱スペクトルは前記理論上の歯車によって生成される前記赤外線放射の前記算出された振幅と、前記基準歯車によって生成される前記赤外線放射の振幅との間の差を示す、ステップと、
前記第１の開始熱スペクトル及び前記第２の開始熱スペクトルのうちの前記少なくとも一方を、前記第１の測定スペクトル及び前記第２の測定スペクトルのうちの前記少なくとも一方と比較するステップと、
前記行われた比較に基づいて前記開始プロファイルを補正するステップと、
を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の測定スペクトル及び前記第２の測定スペクトルの両方を求めることと、前記第１の開始熱スペクトル及び前記第２の開始熱スペクトルの両方を求めることとを更に含み、前記比較するステップは、前記第１の開始熱スペクトル及び前記第２の開始熱スペクトルを、前記第１の測定スペクトル及び前記第２の測定スペクトルとそれぞれ比較することを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記拡散率プロファイルを求めるステップは、既知の硬度を有する試験片に対して行われる試験に基づいて、前記開始プロファイルの各点に拡散率値を関係付けることを含む、請求項９又は１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記開始プロファイルは前記測定される歯車の前記表面からの距離の双曲正接型単調減少関数である、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の方法。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼部材、特に歯車の肌焼（case-hardening）又は窒化の有効深さを求める装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
既知のように、いくつかの用途では高硬度の鋼歯車を必要とする。この目的で、鋼は表面の肌焼又は窒化の段階とその後の鋼部材の熱処理とからなる硬化処理がなされる。この処理により、オーステナイトからマルテンサイトへの鋼の部分組織変態が達成する。マルテンサイト粒によって鋼が硬化する。熱の観点から、マルテンサイト粒が存在することにより、粒の縁部における高い接触熱抵抗によって熱輸送が抑制される。
【０００３】
マクロ的には、マルテンサイト含有量が増大すると、鋼の硬度が増大し、伝導率及び熱拡散率が減少するという結果になる。肌焼及び／又は窒化の深さは歯車設計上の要件であり、したがって試験段階において測定されなくてはならない。
【０００４】
現在、硬化プロセスの終了時点においてサンプルの硬度を評価するために、熱処理後、及び更なる鋼機械加工段階の下流の時点、通常は最終的な歯車研削工程の下流の時点の双方で肌焼又は窒化の有効深さが測定されている。
【０００５】
このため、熱処理後、肌焼又は窒化中のバッチに付随する円筒形の試験片の中心部分における硬度プロファイルがデュロメーターを用いて求められ、最終的な研磨後、１２０度で配列された３つの歯の歯側面、歯元の丸み（root radius）、歯先及び端面、並びに歯車の軸受トラックにおける硬度プロファイルが求められる。
【０００６】
双方の場合において、デュロメーターによって硬度プロファイルを求める前に事前工程が必要である。事前工程は、歯車及び円筒形の試験片の切断、樹脂封入並びに研磨を含む。
【０００７】
硬度を求める現行の方法は、破壊型であり歯車の切断を含むので不利である。さらに、この方法は、測定されるサンプルの準備のために一連の事前工程が存在することから、コスト及び時間がかかる。
【０００８】
論文非特許文献１は、有効肌焼深さを求める方法を記載している。特に、記載されている方法は、肌焼されていないサンプルと、既知の様々な有効肌焼深さを有する複数の肌焼されたサンプルとを伴う。さらに、レーザー光源が、各肌焼サンプルに可変周波数で電磁放射励起を送り、したがって、各肌焼されたサンプルはそれに応答して電磁放射を生成する。この方法によれば、肌焼されたサンプルごとにスペクトルが更に求められる。このスペクトルは、検討中の肌焼されたサンプルによって生成される電磁応答放射の位相と、肌焼されていないサンプルによって生成される電磁応答放射の位相との間の差に等しく、この差は電磁励起放射の周波数の関数である。したがって、スペクトルごとに、対応する最小値及びこの最小値が生じる対応する周波数が算出される。このように、最小周波数の数は肌焼されたサンプルの数に対応することになる。次に、最小周波数を対応する肌焼されたサンプルの有効肌焼深さと相関付ける較正関数が求められる。次に、電磁放射励起が未知のサンプルに送られ、それによってその未知のサンプルがそれぞれの電磁応答放射を生成する。その後、未知のサンプルによって生成された電磁応答放射位相と、肌焼されていないサンプルによって生成された電磁応答放射位相との間の差に等しい更なるスペクトルが求められ、この差は電磁放射励起の周波数の関数である。最後に、この更なるスペクトルの最小値、及びこの最小値が生じる対応する周波数が求められる。未知のサンプルの最小周波数と、上述した較正関数とを比較することによって、未知のサンプルの有効肌焼深さが推定される。
【０００９】
説明される方法は非破壊型であるが、既知の肌焼されたサンプルの最小周波数が求められる精度に大きく依存する結果を与える。しかしながら、不都合なことに、最小周波数を求めることは不正確である場合があり、したがって較正関数が正確でない場合がある。さらに、較正関数は傾きが大きく、結果として、未知のサンプルの最小周波数を求める際に不可避である誤りに伴って、求められる有効肌焼深さにかなりの変動が生じる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Hong Qu他「Reconstruction of depth profiles of thermal conductivity of case hardened steels using a three-dimensional photothermal technique」Journal of Applied Physics, vol. 104, no. 11, 1-1-2008, p. 113518
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、既知の方法の欠点を解決する、肌焼又は窒化の有効深さを測定する装置及び方法を利用可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、請求項１に規定されるような、鋼部材の肌焼又は窒化の有効深さを求める装置が製造される。さらに、本発明によれば、請求項８に規定されるような、鋼部材の肌焼又は窒化の有効深さを求める方法が提供される。
【００１３】
次に、非限定的な実施形態例を示す添付の図面を参照して本発明を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本装置に属する測定ヘッドの概略図である。
【図２】本発明に属する進化型測定器（evolventimeter）の実施態様を示す図である。
【図３】測定が行われる歯車及びエリアの一部を示す図である。
【図４ａ】図１の測定ヘッドによって測定されるスペクトルの例を示す図である。
【図４ｂ】図１の測定ヘッドによって測定されるスペクトルの例を示す図である。
【図５】本方法を用いて解析される歯車部分の物理構造のモデル化を示す図である。
【図６】本方法によって用いられる初期硬度プロファイルを示す図である。
【図７ａ】有効深さを求める本方法のフローチャートである。
【図７ｂ】有効深さを求める本方法のフローチャートである。
【図８】本方法によって求められる硬度プロファイルと、デュロメーターによって測定される基準プロファイルとの比較を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、周波数変調されたレーザー光源を用いて測定される部材のエリアを励起することにある測定技法ＰＴＲ（レーザー光熱放射測定）に基づく。生成される熱波は硬化された鋼に入り込み、材料によって反射される。結果として、その材料は赤外線放射を生成する。
【００１６】
特に、レーザー放射の侵入深さはその周波数に依拠する。さらに、放出される赤外線放射は、毎回反射するエリアの硬度に依拠する。したがって、測定される歯車のエリアを周波数が区別されたレーザー放射で走査することにより、各時点において、赤外線放射は、その時点にレーザー放射が当たった領域の特定の硬度と相関付けされる。赤外線検出器、例えばテルル化カドミウム水銀及び適切な処理電子機器がこの赤外線放射を集め、この赤外線放射のスペクトルを求め、特に、放出される赤外線放射の振幅及び位相を求める。さらに詳細には、処理電子機器は、以下でより詳細に説明するように、部材によって放出される赤外線放射の振幅と、肌焼されていない（既知の）部材によって放出される赤外線放射の振幅との間の差に加えて、部材によって放出される赤外線放射の位相と、肌焼されていない部材によって放出される赤外線放射の位相との差を求める。以下で説明するように、肌焼又は窒化の初期パラメーターは別個に取得される。これらの初期パラメーターに基づいて、開始プロファイル（launch profile）と呼ばれる初期硬度プロファイルが生成され、このプロファイルは、検出されるスペクトル、及び歯車材料の拡散性と局所硬度との間の関係（既知）を考慮に入れたいくつかのステップにおいて補正される。この関係は、それ自体が既知の方法で実験的に、例えば既知の硬度のプロファイルを有するサンプルに対する光熱偏向により求められる。反復プロセスによって、測定される熱スペクトルと類似した熱スペクトルを有する再構成された硬度プロファイルが得られる。上記再構成された硬度プロファイルが５１３ＨＶに等しい値を有する深さは、定義上、肌焼又は窒化の有効深さＥを構成し、ひいてはコア硬度＋１００ＨＶとして定義される。
【００１７】
上記の技法を実施するために、本装置１（図２）は２つの部分、すなわち図１に図式化される測定ヘッド２と、図２に示される進化型測定器３とを備える。
【００１８】
詳細には、測定ヘッド２は、レーザーコリメーター１１と、電源１２と、コントローラー１３とに接続されたレーザー光源１０を備える。レーザー光源１０は図示されていない熱電型冷却制御システムにも接続される。さらに、測定ヘッド１は、フォーカサー１５と、ＩＲ検出器１６と、処理ユニット１７とも呼ばれるスペクトル計算ユニット１７とを備える。
【００１９】
例えば、本出願人によって製造された試作品において、測定ヘッド２は、焦点ＦとレーザーコリメーターのレンズＬ１との間の距離Ｄ１が２７ｍｍであり、レンズＬ１と歯車２０との間の距離が７７ｍｍであり、歯車２０とＩＲ検出器１６との間の距離が２００ｍｍに等しくなるように最適化される。ＩＲ検出器１６はＨｇＣｄＴｅ型である。
【００２０】
測定ヘッド２は、進化型測定器３によって（移動ユニット２１によって概略的にのみ示されるように、当業者によって容易に理解することができるような方式で）動かされ、それにより、レーザーコリメーター１１によって放出されたレーザービーム１８が、歯車２０、すなわち各個々の歯の歯側面２２、歯元の丸み２３及び歯先２４（図３）を様々な周波数で走査することが可能になる。
【００２１】
上記で示したように、この周波数走査（例えば１０００Ｈｚ〜０Ｈｚであり対数傾向を有する）によって、表面から異なる距離に位置決めされた歯車２０の材料による対応する赤外線放射（熱波としても既知である）の放出を求める。この赤外線放射は、フォーカサー１のレンズ１５ａによって焦点合わせされ、検出器ＩＲ１６によって検出される。検出器ＩＲ１６は対応する電気信号を生成する。次に、これらの信号は処理ユニット１７によって処理され、位相及び熱波振幅の傾向が得られる。これは以下において、測定スペクトルとして示され、例えばそれぞれ図４ａ及び図４ｂに示される。
【００２２】
更に詳細には、処理ユニット１７は受信した赤外線放射の第１の測定スペクトル及び第２の測定スペクトルを求める。この赤外線放射は、それ自体が既知の方法で進化型測定器３によって特定される歯車２０の一部分によって放出される。歯車２０の特定される部分とレーザー光源１０との間の距離は、周波数走査工程中、一定に維持される。
【００２３】
第１の測定スペクトル及び第２の測定スペクトルを説明する前に、第１の測定スペクトル及び第２の測定スペクトルを求めることに先行して、肌焼されていない歯車（図示せず）によって、特に進化型測定器３により特定され、歯車２０の上述した部分に対応するこの肌焼されていない歯車の一部分によって放出される、赤外線放射の位相及び振幅の（レーザー光源１９の周波数が変動するときの）傾向が求められることに留意すべきである。肌焼されていない歯車は、歯車２０と同じ材料から形成されるが、肌焼されていない。さらに、肌焼されていない歯車は歯車２０と同じ幾何学的形状を有する。
【００２４】
周波数走査中、レーザー光源１０と、肌焼されていない歯車の特定された部分との間の距離は変動しない。以下で、簡潔にするために、歯車２０及び肌焼されていない歯車による赤外線放射の放出に言及するとき、進化型測定器３によって特定される対応する部分の言及が理解される。
【００２５】
第１の測定スペクトルは、歯車２０によって生成される赤外線放射の位相と、肌焼されていない歯車によって生成される赤外線放射の位相との差に等しく、この差はレーザー光源１０によって生成される放射の周波数の関数である。第２の測定スペクトルは、歯車２０によって生成される赤外線放射の振幅と、肌焼されていない歯車によって生成される赤外線放射の振幅との差に等しく、この差はレーザー光源１０によって生成される放射の周波数の関数である。
【００２６】
図５に示すような更なる詳細において、解析される歯車の部分は、一連のＮ＋２個の層から形成されるものとして図式化される。これらの層は、硬度Ｈｓｕｒｆを有する表面層Ｓと、硬度Ｈｂｕｌｋを有するコア層Ｂと、Ｎ個の中間層Ｌｉとを含む。Ｎ個の中間層のそれぞれはそれぞれの層内部の均一な構造によってモデル化され、各層の内部で一定のそれぞれの硬度Ｈｉ（ｉ＝１，２，．．．，Ｎ）を有する。Ｎ個の中間層Ｌｉは等しい厚み、例えば０．１ｍｍを有し、したがってそれらの層のそれぞれにおいて熱拡散率は一定とみなされる。
【００２７】
この仮定において、測定ヘッド２は図７ａのフローチャートに示すステップを実行し、これらのステップは、可変周波数レーザー放射を用いて、測定される部材の所定の部分を走査する段階（ステップ３２）と、レーザー走査に応答して、測定される部材によって生成される赤外線放射を検出する段階（ステップ３４）と、受信される赤外線放射のスペクトル（すなわち上述した第１の測定スペクトル及び第２の測定スペクトル）を求める段階（ステップ３６）とを含む。
【００２８】
進化型測定器３（図２）は、測定ヘッド２の支持台２５に加えて、計算機２６（測定ヘッド２の動きを与え、図１のスペクトル計算ユニット１７を組み込むこともできる）と、オペレーターと対話するための、キーボード２７、スクリーン２８、プリンター２９等の入出力インターフェースユニットとを備える。
【００２９】
処理ユニット１７は、硬度プロファイルを求めるアルゴリズムを更に実装する。この硬度プロファイルは、上記で検討したように中間層Ｌｉの均一性を仮定することから開始し、最初に、以下の式によって与えられる単調減少プロファイルのクラスに属する、検査される全ての鋼について予期されるプロファイルを表すように設定される開始プロファイルＨＬ（表面からの距離である変数ｚに従う）を用いて再構成される。
【数１】
0006018630.tif 000002
この傾向は図６に示されている。図６は用いられるパラメーターの意味も示している。
【００３０】
特に、式（１）において、Ｈｓｕｒｆ及びＨｂｕｌｋは、上記で示したように表面層Ｓ及びコア層Ｂの硬度値であり、ユーザーによって、経験に従って、予測される表面硬度、漸近硬度、有効肌焼深さとして設定され、例えば当該の鋼のタイプに関連付けられたデフォルト値を用いることによって、歯車に対して熱処理が行われる。ｚｒｅｆはマルテンサイト／オーステナイト界面の深さ、すなわち開始プロファイルがＨｓｕｒｆとＨｂｕｌｋとの間の中間点に達する深さである。そして、ｚσはマルテンサイトとオーステナイトとの間の遷移領域の厚みであり、したがってその領域におけるプロファイルの傾きである。実際上は、Ｈｓｕｒｆ及びＨｂｕｌｋは対応する予測値に従って設定される。この予測値は、歯車２０が受けた熱肌焼処理に依拠する。
【００３１】
この開始プロファイルＨＬから開始して、処理ユニット１７は、図７ｂのフローチャートを参照して以下で説明される反転プロセスによって再構成される硬度プロファイルを計算する。
【００３２】
詳細には、処理ユニット１７はプログラムを実行する。このプログラムは、まずパラメーターＨｓｕｒｆ、Ｈｂｕｌｋ、ｚσ、ｚｒｅｆの入力を待ち（ステップ４０）、対応する開始プロファイルＨ（ｚ）を生成する（ステップ４２）。既知の硬度を有する試験片に対して行われた測定に基づいて以前に取得され、図示されないテーブルに記憶された、硬度Ｈの各値と熱分散率βとの間の既知の関係に基づいて、プログラムは当該の歯車の層Ｌ１〜ＬＮごとの熱拡散率の傾向を算出し（ステップ４４）、熱波の開始熱スペクトル（thermal launch spectrum）を求める（ステップ４６）。
【００３３】
特に、第１の開始熱スペクトル及び第２の開始熱スペクトルが、開始プロファイルに関連付けられて求められ、かつ以下で説明する熱方程式に基づいて求められる。
【００３４】
第１の開始熱スペクトルは、開始プロファイルに等しい硬度プロファイルを有する理論上の歯車によって生成される赤外線放射位相と、肌焼されていない歯車によって生成される赤外線放射位相との間の差に等しい。第１の開始熱スペクトルは、レーザー光源１０の周波数が変動するのに伴ってこの差を報告する。特に、理論上の歯車によって生成される赤外線放射位相は、以下で説明するように、この赤外線放射が歯車２０の上述した部分に対応する理論上の歯車の部分によって生成されるという仮説において数値的に計算される。
【００３５】
第２の開始熱スペクトルは、理論上の歯車によって生成される赤外線放射の振幅と、肌焼されていない歯車によって生成される赤外線放射の振幅との間の差に等しい。また、第２の開始熱スペクトルはレーザー光源１０の周波数の関数である。さらに、理論上の歯車によって生成される赤外線放射の振幅は、上記と同じ仮説において数値的に計算される。
【００３６】
詳細には、理論上の歯車は実際の歯車の物理数学モデルであり、開始プロファイルに等しい硬度プロファイルを有する。さらに、肌焼されていない歯車によって生成される赤外線放射の位相及び振幅はこの放射の測定値に基づいて求められるが、理論上の歯車によって生成される赤外線放射の位相及び振幅は数値的に取得され、すなわち理論上の歯車に相当する実際の歯車は存在しない。
【００３７】
また更に詳細には、開始熱スペクトルの計算のために、特に、理論上の歯車によって生成される赤外線放射の位相及び振幅の計算のために、プログラムは以下の熱波方程式を用いる。
【数２】
0006018630.tif 000003
式中、Φは、走査周波数ｆ及び検討される層深さｚに従ってその振幅Ａ及び位相φが取得される赤外線放射であり、σは以下の関係式によって熱拡散率β（ｚ）に関係付けられる複合波拡散数であり、
【数３】
0006018630.tif 000004
式中、ω＝２πｆであり、Ｑは用いられるレーザー源の既知の出力又は温度である。
【００３８】
特に、（２）は既知の数学的反転法を用いて解かれ、図４ａ及び図４ｂに示すものに類似したスペクトルが生成される。
【００３９】
上記で計算された開始熱スペクトルは、次に以前に取得された測定スペクトルと比較される（ステップ４８）。スペクトル間の差がしきい値より大きい場合、ステップ５０からＮＯを出力し、開始プロファイルの傾向が変更される（ステップ５２）。例として、第１の値及び第２の値の和（必要な場合、重み付けされる）に等しい全体値を算出することができ、第１の値は、第１の測定スペクトルと第１の開始熱スペクトルとの間の差の積分に比例し、第２の値は第２の測定スペクトルと第２の開始熱スペクトルとの間の差の積分に比例する。
【００４０】
次に、プログラムはステップ４４に戻り、新たな開始プロファイルに関連付けられた拡散率を求め、測定された開始熱スペクトルに類似した開始熱スペクトルと相関付けられた硬度プロファイルが特定される（ステップ５０からＹＥＳを出力する）まで又は或る特定の数の反復後までステップ４６〜５０を繰り返す。
【００４１】
反転アルゴリズムの終了時に、全体的な誤差指標が評価される（ステップ５４）。例えば、誤差指標は、計算される硬度プロファイルＨ（Ｚ）の傾向にぶれが存在する（実際の物理挙動に一致しない）こと、算出される硬度プロファイルと、他の手段（例えばデュロメーター）を用いて以前に実行された測定によって統計的に求められた記憶されている硬度プロファイルとの間に誤差が存在すること等を考慮に入れる。
【００４２】
誤差指標が過大である場合（ステップ５６からＮＯを出力する）、プログラムはステップ４０に戻り、異なるパラメーターを待つ。この段階において、オペレーターは経験及び／又は段階的なデフォルト変更に基づいて、上記で議論した最初に設定されたパラメーターを変更し、新たな反転段階を起動する。
【００４３】
逆もまた同様に、誤差指標が受け入れ可能である場合（ステップ５６からＹＥＳを出力する）、プログラムは、有効肌焼値として、算出される硬度プロファイルＨ（ｚ）の値が５１３ＨＶに等しい距離Ｚを提供する（ステップ５８）。
【００４４】
例えば、図８は、式（１）において初期パラメーターを設定することによって得られる開始プロファイルＡと、図７のアルゴリズムを用いて取得される算出された硬度プロファイルＢと、デュロメーターを用いて既知の技法に従って測定される硬度プロファイルＣとの比較を示している。曲線Ａから始めて、本装置及び本方法を用いると、デュロメーターによって得られるのと非常に類似した再構成が達成されるが、時間及びコストが大幅に節減されていることに留意することができる。
【００４５】
一方で、本明細書において説明される装置及び方法は非破壊的であり、したがって製造品に対し直接働くことができ、これには、破壊され、したがって市場に出すことができない意図的に提供されるサンプルのコストが伴わない。他方で、測定動作は（上記で示した３つの位置における歯車２０の２つの歯の測定を仮定する場合）、既知の解決法よりもはるかに短い時間（１８時間を超える時間ではなく約２時間）しか必要としない。
【００４６】
進化型測定器の使用によって、肌焼されていない歯車及び歯車２０を測定ヘッドから同じ距離に連続して位置決めすることが可能になることに更に留意すべきである。さらに、測定される歯車２０の領域と無関係に、測定ヘッドから所定の距離にこの領域を正確に位置決めすることが可能である。
【００４７】
これは、ここで、平均リードタイム（すなわち、２つ以上の工作物機械加工段階間で経過する総時間）が、上記で説明した硬度測定を実行するのに必要な時間のみに依存するとした場合、平均リードタイムが既知の方法による８日から本方法及び装置による１日に低減されることを意味する。
【００４８】
最後に、本明細書において説明し示した装置及び方法に対し、添付の特許請求の範囲において規定されるような本発明の保護範囲から逸脱することなく、変更及び変形を加えることができることが明らかである。
【図１】
0006018630.tif 000005
【図２】
0006018630.tif 000006
【図３】
0006018630.tif 000007
【図４ａ】
0006018630.tif 000008
【図４ｂ】
0006018630.tif 000009
【図５】
0006018630.tif 000010
【図６】
0006018630.tif 000011
【図７ａ】
0006018630.tif 000012
【図７ｂ】
0006018630.tif 000013
【図８】
0006018630.tif 000014