(57)【要約】【課題】真空浸炭処理されたワークの強度計測法の信頼性を高めることができる技術を提供することを課題とする。【解決手段】検出コイル２９は、絶縁性に富む楔形断面の構造体２８を介して検出コイル支持体２４に支持されている。構造体２８が楔形断面であるため、検出コイル２９をワークに接近させることができる。【効果】ワークの浸炭深さに基づいて合否判定を行う。ワークが合格基準深さを満たしていれば、ワークは全体的に合格レベルにあるとみなすことができるため、強度計測の信頼性を高めることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出コイルを楔形断面形状の先端側に有する構造体と、前記構造体の両側方に配置した励磁コイルと、前記励磁コイルを挿入する略コの字形状の鉄芯とからなり、前記検出コイルで検出される検出情報は渦電流で発生する磁界の変化であることを特徴とするセンサー。
【請求項２】
請求項１記載の構造体は、樹脂よりなることを特徴とするセンサー。
【請求項３】
請求項１記載の渦電流で発生する磁界の変化で、ワークの表面の硬さ及びワークの表面近傍の硬さを検出することを特徴とするセンサー。
【請求項４】
請求項３記載のワークは、真空浸炭処理されたワークであることを特徴とするセンサー。
【請求項５】
検出コイルを楔形断面形状の先端側に有する構造体と、前記構造体の両側方に配置した励磁コイルと、この励磁コイルに交流電圧を印加する交流電源と、前記励磁コイルを挿入する略コの字形状の鉄芯と、前記検出コイルからの検出情報を取得して換算する換算装置とからなり、前記検出コイルで検出される検出情報は渦電流で発生する磁界の変化であることを特徴とする計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空浸炭処理されたワークの強度を計測するセンサー及び計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
歯車は、重要な機械要素の一つであって、高い強度が求められる。強度を高める手法として、浸炭処理法が広く採用されている。浸炭処理法は、鋼の表層の炭素量を増加させて、機械的性質を改善させる表面処理である。従来は、ガス浸炭法が主流であるが、ガス浸炭法では表面に微少酸化が不可避的に発生する。
【０００３】
対策として、近年、歯車に真空浸炭法を適用する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００６−３４９０５５公報（請求項１）
【０００４】
特許文献１の請求項１に「平滑な面部における表面炭素濃度が０．６質量％以上となるように真空浸炭されている歯車であって、前記面部の有効硬化層深さをＤ（ｍｍ）としたとき、前記真空浸炭に先立ち、歯元近傍に位置する応力集中部を含む表面に、Ｄ±０．２５（ｍｍ）の面取り加工が施されていることを特徴とする歯車。」の記載があり、歯車に真空浸炭を施すことが開示されている。
【０００５】
上述したように、歯車は重要な機械要素であるため、抜き取り検査や全数検査で強度の測定を行う必要があり、この測定に渦電流を利用した非破壊検査法が実用化されている（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献２】特開２００４−１０８８７３公報（図２）
【０００６】
特許文献２を次図に基づいて説明する。
図１０は従来の技術の基本原理を説明する図であり、（ａ）に示すように、円柱ワーク１０１に励磁コイル１０２と検出コイル１０３を巻回する。そして、励磁コイル１０２に交流電源１０４から交流電圧（励磁電圧）を印加する。すると、円柱ワーク１０１の表層に渦電流が発生する。この渦電流により検出コイル１０３に交流電流が発生する。この発生した交流電流の電圧（検出電圧）を測定装置１０５で測定する。励磁電圧と検出電圧との相関を（ｃ）で説明する。
【０００７】
（ｃ）は横軸が時間軸で縦軸が電圧であるグラフであり、正弦波Ｖ１が励磁電圧曲線であるときに、検出電圧は正弦波Ｖ２で表される。正弦波Ｖ１と正弦波Ｖ２の位相差をΦと定義する。
（ｂ）で、ｃｏｓΦで表されるＸ値は浸炭深さと良好な相関関係があり、ｓｉｎΦで表されるＹ値は表面硬さに良好な相関関係がある。
【０００８】
浸炭深さや表面硬さが変化すると、Φの大きさやＶ２の高さが変化する。そこで、ｃｏｓΦやｓｉｎΦを計測で求めることにより、そのときの浸炭深さや表面硬さを特定することができる。非破壊検査であるため、歯車の強度計測に好適である。
【０００９】
そこで、円柱ワーク１０１を、歯車に置き換えて、真空浸炭された歯車の強度計測を試みた。その具体例を次図で説明する。
図１１は従来の歯車の強度計測を説明する図であり、歯車１０７に励磁コイル１０２と検出コイル１０３を巻回する。そして、励磁コイル１０２に交流電源１０４から交流電圧（励磁電圧）を印加する。すると、歯車１０７の歯部１０８に渦電流が発生する。この渦電流により検出コイル１０３に交流電流が発生する。この発生した交流電流の電圧（検出電圧）を測定装置１０５で測定した。
【００１０】
測定装置１０５で合格が確認された歯車１０７について、念のために破壊試験を行った。即ち、歯車１０７を切断し研磨して、浸炭深さや硬さを計測した。すると、計測値にばらつきがあることが判明した。すなわち、上述した歯車の強度計測法では信頼性が乏しいことが判明した。
そこで、ガス浸炭法で問題となった粒界酸化は、真空浸炭法で解消できるという利点を生かしながら、ワークの強度計測法の信頼性を高めることが求められる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、真空浸炭処理されたワークの強度計測法の信頼性を高めることができる技術を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、歯車を検出コイルで囲う、従来の計測法（図１１）を検討した。この計測法では、歯車の表層部分、すなわち歯部を単位とした浸炭深さが求められる。一方、歯部は歯先や歯底を有する複雑な形状を呈している。そのため、歯先と歯底とは、浸炭深さが異なることが考えられる。そこで、真空浸炭処理された歯先と歯底の浸炭深さを計測した。その結果を次図で説明する。
【００１３】
図１２は歯車の浸炭深さを説明する図であり、歯車を切断し、切断面を観察したところ、表層に浸炭層１１０が確認できた。
そこで、歯先１１１の浸炭深さＤ１と歯底１１２の浸炭深さＤ２とに着目すると、歯先と歯底の浸炭深さが同等（Ｄ１＝Ｄ２）、又は歯底の浸炭深さの方が小さかった（Ｄ１＞Ｄ２）。すなわち、歯先の浸炭深さが歯底の浸炭深さより小さくなることはなかった。このことから、本発明者らは、歯部全体を測定対象にするのではなく、歯底を測定対象とする方が、計測の信頼性を高めることができると知見することができた。
【００１４】
この知見に基づいて完成された請求項１に係る発明は、検出コイルを楔形断面形状の先端側に有する構造体と、前記構造体の両側方に配置した励磁コイルと、前記励磁コイルを挿入する略コの字形状の鉄芯とからなり、前記検出コイルで検出される検出情報は渦電流で発生する磁界の変化であることを特徴とする。
【００１５】
請求項２に係る発明は、構造体は、樹脂よりなることを特徴とする。
【００１６】
請求項３に係る発明は、渦電流で発生する磁界の変化で、ワークの表面の硬さ及びワークの表面近傍の硬さを検出することを特徴とする。
【００１７】
請求項４に係る発明は、ワークは、真空浸炭処理されたワークであることを特徴とする。
【００１８】
請求項５に係る発明は、検出コイルを楔形断面形状の先端側に有する構造体と、前記構造体の両側方に配置した励磁コイルと、この励磁コイルに交流電圧を印可する交流電源と、前記励磁コイルを挿入する略コの字形状の鉄芯と、前記検出コイルからの検出情報を取得して換算する換算装置とからなり、前記検出コイルで検出される検出情報は渦電流で発生する磁界の変化であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１に係る発明では、検出コイルで検出される検出情報は渦電流で発生する磁界の変化である。渦電流で発生する磁界の変化を検出コイルで検出する。渦電流で磁界の変化を検出するため、短時間で検査を行うことができる。
【００２０】
請求項２に係る発明では、構造体は、樹脂よりなる。軽量な樹脂を用いることにより、センサーの軽量化を図ることができる。
【００２１】
請求項３に係る発明では、渦電流で発生する磁界の変化で、ワークの表面の硬さ及びワークの表面近傍の硬さを検出する。ワークの表面の硬さ及びワークの表面近傍の硬さを検出することにより、ワークが所定の強度を保っているかを検査することができる。ワークの強度検査を容易に行うことができる。
【００２２】
請求項４に係る発明では、ワークは、真空浸炭処理されたワークである。真空浸炭処理をされたワークは、表面の硬さ及び表面近傍の硬さが増す。硬さが増すことにより強度が高くなるため、真空浸炭処理されたワークについて容易に強度の検査を行うことができる。
【００２３】
請求項５に係る発明では、先端が歯底に臨むように楔形の断面にした構造体と、この構造体の先端に埋設した検出コイルとが配置される。構造体をワークに臨ませ、ワークの浸炭深さに基づいて合否判定を行う。ワークが合格基準深さを満たしていれば、ワークは全体的に合格レベルにあるとみなすことができるため、強度計測の信頼性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明の計測装置の原理図であり、計測装置を用いるための歯底浸炭深さ計測装置１０は、基台１１と、この基台１１の上面中央に設けられ図左右に延びているレール１２と、このレール１２に左右移動自在に載せられているスライダ１３と、このスライダ１３に軸受１４を介して縦向きに且つ回転自在に支持され歯車１５等のワークを支える歯車支軸１６と、スライダ１３に内蔵され歯車支軸１６を一定ピッチで回転させるインデックスモータ１７と、基台１１に載置されスライダ１３をレール１２に沿って往復移動させるシリンダユニット１８と、このシリンダユニット１８及びインデックスモータ１７を制御する制御部１９と、基台１１の一端（図左側）から上へ延ばされているブラケット２１と、このブラケット２１の上部にボルト２２、２２で取り付けられているコ字状の鉄芯２３と、この鉄芯２３に支持され歯車１５に向かって延びている検出コイル支持体２４と、鉄芯２３の先端から歯車１５に向かって延びている鋼球２５、２５と、鉄芯２３の先端に巻かれた励磁コイル２６、２６と、これらの励磁コイル２６、２６に交流電圧を印可する交流電源２７と、検出コイル支持体２４の先端に設けられ楔形断面が歯底に臨む例えば樹脂製の構造体２８（詳細は後述）と、この構造体２８の先端に埋設された検出コイル２９と、この検出コイル２９から検出情報を取得して浸炭深さに換算する換算装置３０と、得られた浸炭深さを合格基準深さと比較して合否を判定する合否判定部３１と、得られた合否判定に基づいて、合格、不合格を表示する合否表示部３２と、からなる。
【００２５】
ここで計測装置４０は、構造体２８と、検出コイル２９と、励磁コイル２６と、交流電源２７と、換算装置３０とから構成される。
構造体２８に軽量な樹脂を用いることにより、センサーの軽量化を図ることができる。
【００２６】
図２は計測装置の正面図であり、検出コイル支持体２４は鉄芯２３に、水平方向にスライド可能にビス４１で固定されている。また、鋼球２５は円錐部４２及び円柱部４３を介して鉄芯２３に固定されている。
【００２７】
図３は図２の３線断面図であり、検出コイル２９は、絶縁性に富む楔形断面のナイロンなどの構造体２８を介して検出コイル支持体２４に支持されている。構造体２８が楔形断面であるため、検出コイル２９を歯車１５の歯底４４に接近させることができる。
【００２８】
図４は図２の４線断面図であり、鋼球２５の球径は、隣合う歯先４５と歯先４５との間を通過するが、歯底４４に到達する前に歯部４６、４６の面に接触する外径に設定されている。すなわち、接触点４７、４７に接触しているため、鋼球２５の図左右方向及び上下方向の位置が規定される。併せて、鋼球２５の中心は歯底４４の中心に合致する。
この結果、歯底４４からの検出コイル２９の距離や励磁コイル２６、２６（図２）の距離を一定化することができる。この結果、測定の信頼性を高めることができる。
【００２９】
ところで、図１で説明した換算装置３０には、測定で得られたＸ電圧を浸炭深さに換算する換算表を記憶させる必要がある。そこで、図１の歯底浸炭深さ計測装置１０を用いて、周波数を１ｋＨｚに設定し、真空浸炭済みの歯車の「Ｘ電圧」を測定した。この測定は非破壊検査に相当する。
次に、この歯車を切断し、切断面を磨いてから「浸炭深さ」を測定した。この測定は破壊検査に相当する。
【００３０】
図５は測定で得られた硬さを表したグラフである。
先ず、歯底浸炭深さ計測装置１０を用いて、周波数を１ｋＨｚに設定し、真空浸炭済みの歯車の「Ｘ電圧」を測定したところ、Ｘ電圧は−６７ｍＶであった。次に、切断し、切断面を磨き、この切断面を測定対象として、表面から０．１ｍｍ毎に、１．０ｍｍまで、マイクロビッカース硬さ計で、ビッカース硬さ（Ｈｖ）を測った。
【００３１】
図５は測定で得られた硬さを表したグラフであり、（ａ）は、横軸が表面からの深さで、縦軸がビッカース硬さであるグラフに、生のデータをプロットしたものである。
【００３２】
ところで、この種の歯車では、「表面から○○ｍｍの深さで、ロックウエルＣスケール硬さが５０以上であること」と言った要求仕様が出されることが多い。ロックウエルＣスケール硬さ５０は、換算表によれば、ビッカース硬さ（Ｈｖ）５１３に相当する。
そこで、（ａ）にプロットした複数の点を滑らかな曲線で繋ぐ。
【００３３】
結果、（ｂ）示すグラフが得られる。そこで、縦軸の５１３から横線を引き、曲線に交わったところから、縦線を降ろし、この縦線が横軸と交わったところの距離を読む。表面からの距離は０．６４ｍｍであった。
【００３４】
図６はＸ電圧と浸炭深さの相関図であり、横軸が浸炭深さ（表面からの距離に相当。）で、縦軸がＸ電圧であるグラフに、１個のデータ（０．６４ｍｍ、−６７ｍＶ）を●でプロットした。
浸炭条件を変えて得られたサンプルを２１個作製し、これらのサンプルについても図５（ａ）、（ｂ）での手順を踏んで、浸炭深さとＸ電圧を定めた。２１個のサンプルについては○で、グラフにプロットした。
【００３５】
１個の●と２１個の○は右下りの直線に沿って分散している。縦軸のＸ電圧が測定で得られれば、この相関図により、得られたＸ電圧に対応する浸炭深さを求めることができる。
また、詳細な計算法は省略するが、この分散における相関係数（ｒ２）は０．９２であった。
【００３６】
以上の説明から明らかなように、本発明は次の点にも特徴がある。すなわち、図５（ａ）、（ｂ）で説明したように、得られた硬さと深さは、測定で得られた硬さを、歯車の表面から中心に向かってプロットした点を結んでなる曲線から得る。点を結んで曲線を得るようにしたので、測定点の数を少なく設定することができ、測定時間が短縮でき、測定コストの低減を図ることができる。
【００３７】
又、図５で求めた硬さという定量的データに基づいて、浸炭深さが決められる。すなわち、図５で説明したように、破壊検査による硬さデータと、非破壊検査によるＸ電圧との突き合わせが行われる。この後は、非破壊検査によりＸ電圧を求め、図６に基づいて、浸炭深さに換算する。非破壊検査であるにも拘わらず、破壊検査での裏付けがなされているので、非破壊検査で求めた浸炭深さの信頼性が飛躍的に高まる。
【００３８】
次に、好適な周波数を特定することを目的に、７００Ｈｚから４ｋＨｚまで周波数を変えて、各周波数当たり２２個のサンプルを準備し、図６と同様の相関図を作成し、相関係数を求めた。その結果を次図に示す。
図７は周波数と相関係数の関係を示すグラフであり、１ｋＨｚが最大で、２ｋＨｚ以上では相関係数が小さくなった。一方、７００〜１ｋＨｚでは、変化は小さい。
真空浸炭された歯車の歯底の浸炭深さを調べるには、周波数は７００〜１ｋＨｚの範囲に設定することが望ましいことが分かった。
【００３９】
以上の構成からなる計測装置の作用を次に説明する。
図８は本発明に係る計測装置の作用説明図であり、（ａ）に示すように、静止状態にある検出コイル２９へ、歯車１５を矢印（１）のように前進させる。（ｂ）に示すように、検出コイル２９に任意の歯底４４を臨ませ、歯底４４の浸炭深さを検出し、この浸炭深さの合否を判定させる。終わったら、矢印（２）のように歯車１５を後退させる。
【００４０】
次に、（ｃ）に示すように、歯車１５を１ピッチ（歯一枚分）だけ回す（矢印（３））。すると（ｄ）に示すように、隣の歯底４４が検出コイル２９に臨む。以降、（ａ）に戻って作業を継続する。この継続する作業をフローで再度説明する。
【００４１】
図９は本発明の計測装置を用いた好適な作業フロー図であり、ステップ番号（以下ＳＴと略記する。）０１で、合格基準深さＤｓを定める。例えば、合格基準深さＤｓが０．５ｍｍとする。この０．５ｍｍを図１の合否判定部３１へインプットする。
ＳＴ０２で、測定対象とする歯車の歯数Ｎを、図１の制御部１９へインプットする。測定回数を監視するために、先ず、回数ｎを１とする（ＳＴ０３）。
【００４２】
図８（ａ）の要領で、歯車を前進させる（ＳＴ０４）。図８（ｂ）の要領で、歯底のＸ電圧を測定させる（ＳＴ０５）。図１の換算装置３０により、Ｘ電圧を浸炭深さＤａに換算させる（ＳＴ０６）。図１の合否判定部３１により、測定で得られた浸炭深さＤａが合格基準深さＤｓより大きいか否かを調べる（ＳＴ０７）。ＹＥＳであれば、「合格」の表示をする（ＳＴ０８）。次に、図８（ｂ）に矢印（２）で示すように歯車を後退させる（ＳＴ０９）。
【００４３】
ここで、測定回数を調べる（ＳＴ１０）。初回はｎは１である。例えば歯車の歯数Ｎが４０であれば、ｎ＜Ｎであるから、ＮＯを進み、ｎに１を加える（ＳＴ１１）。そして、図８（ｃ）の要領で、歯車を歯１個分だけ回転させる（ＳＴ１２）。そして、ＳＴ０４から再度、歯底の浸炭深さを測定する。
【００４４】
ＳＴ０７で、浸炭深さＤａが合格基準深さＤｓより下回っていれば、ＮＯを進み、不合格表示を行う（ＳＴ１３）。不合格の場合は、この歯車に対する測定をこの時点で終了させることができる。
【００４５】
ＳＴ１０で、測定回数ｎが歯数Ｎに到達すれば、歯底の全数を検査したことになるので、測定終了の表示を行い、測定を終了する（ＳＴ１４）。
【００４６】
検出コイルで検出される検出情報は渦電流で発生する磁界の変化である。渦電流で発生する磁界の変化を検出コイルで検出する。渦電流で磁界の変化を検出するため、短時間で検査を行うことができる。
加えて、渦電流で発生する磁界の変化で、歯車の表面の硬さ及び歯車の表面近傍の硬さを検出する。歯車の表面の硬さ及び歯車の表面近傍の硬さを検出することにより、歯車が所定の強度を保っているかを検査することができる。歯車の強度検査を容易に行うことができる。
【００４７】
更に、真空浸炭処理をされた歯車は、表面の硬さ及び表面近傍の硬さが増す。硬さが増すことにより強度が高くなるため、真空浸炭処理された歯車について容易に強度の検査を行うことができる。
【００４８】
尚、本発明の計測装置は、図１に示した歯底浸炭深さ計測装置１０以外の装置やツールで浸炭深さを測ることは差し支えない。要は、歯底の浸炭深さが非破壊的に計測することができるものであれば、計測装置の形態、種類は問わない。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、真空浸炭処理された歯車の浸炭深さを計測する技術に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の計測装置の原理図である。
【図２】計測装置の正面図である。
【図３】図２の３線断面図である。
【図４】図２の４線断面図である。
【図５】測定で得られた硬さを表したグラフである。
【図６】Ｘ電圧と浸炭深さの相関図である。
【図７】周波数と相関係数の関係を示すグラフである。
【図８】本発明に係る計測装置の作用説明図である。
【図９】本発明の計測装置を用いた好適な作業フロー図である。
【図１０】従来の技術の基本原理を説明する図である。
【図１１】従来の歯車の強度計測を説明する図である。
【図１２】歯車の浸炭深さを説明する図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０…歯底浸炭強さ計測装置、１５…ワーク、２６…励磁コイル、２７…交流電源、２８…構造体、２９…検出コイル、３０…換算装置、４０…計測装置。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2009236755.tif 000013
【図１２】
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