JPH07229705A - 焼入れ硬化層の深さ計測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】自由形状の表面をもつワークに適用が可能であ
り、正確な幅方向の計測位置の下、焼入れ硬化層の深さ
を簡易に計測することのできる焼入れ硬化層の深さ計測
方法を提供する。 【構成】高周波探触子２により焦点を深さ方向に変位さ
せつつ表面から焼入れ硬化層Ｗ₁ 内に縦波の超音波を発
信し、高周波探触子２により表面からの表面反射波Ｓ及
び母材Ｗ₀ と焼入れ硬化層Ｗ₁ との境界Ｂからの境界反
射波Ｒを受信する。表面反射波Ｓ及び境界反射波Ｒの強
度と伝播時間との関係を求め、表面反射波の伝播時間と
境界反射波の伝播時間との差より、焼入れ硬化層Ｗ₁ に
おける表面からの深さを求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、母材上の焼入れ硬化層
における表面からの深さを非破壊で計測する方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、励磁コイルが発生する磁力線中に
被計測物（ワーク）を配置し、検出される電流の位相差
と硬化層の透磁率とから、ワークの焼入れ硬化層におけ
る表面からの深さを非破壊で計測する装置が知られてい
る（実開昭５９−４０８０５号公報）。

【０００３】また、ロール状のワークの円周外面側より
軸方向に斜めに横波の超音波を入射せしめるとともに、
超音波の入射点を軸方向あるいは周方向に複数点で移動
させ、各超音波の入射点に対応して後方散乱波を採取
し、複数点において採取された後方散乱波を平均化する
ことにより後方散乱パターンを求め、得られたパターン
の不連続点より硬化深度を計測する方法も知られている
（特開昭６０−２０５３５３号公報）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の各
方法では、ワークがロール等のように円筒形状の表面を
もつものに限定されてしまい、ワークが自由形状の表面
をもつ場合には、適用が困難である。特に、上記前者の
方法では、ワークの表面形状によってうず電流の誘起量
が変化させられ、精度よく硬化層の深さを測定すること
ができない。

【０００５】また、上記前者の方法では、円筒形状の表
面をもつワークに適用した場合でも、コイルの幅に限界
があるため、幅方向で正確な計測位置が定まらず、幅方
向の平均値でしか焼入れ硬化層の表面からの深さを計測
することができない。さらに、上記後者の方法では、焦
点を深さ方向に変位させる必要なく十分な感度を得るた
めに、横波の超音波を採用している。これにより得られ
るデータは、図２５に示すように、表面からの深さｔと
後方散乱波の強度Ｉとの関係になる。この場合、硬化深
度を計測するためには、複数点において採取された後方
散乱波をデジタル処理により平均化して後方散乱パター
ンを求め、得られたパターンの不連続点（ピーク値）を
求めなければならない。このため、この方法では、平均
化処理によりデータ処理が複雑化するとともに複数回の
データ処理が必要であり、硬化層の深さを簡易に計測す
ることができない。

【０００６】特に、硬化層が焼入れによるものである場
合には、焼入れ硬化層が母材からある程度深さ方向に範
囲をもって徐々に硬化されて形成される。上記後者の公
報では、縦波の超音波により金属組織中の介在物や偏析
を検出する方法が「第１０回非破壊検査世界会議で発表
された」と記載されているが、かかる介在物等は母材と
の境界が明らかであり、この方法では介在物等を検出す
るに過ぎないため、この方法だけをもって焼入れ硬化層
における表面からの深さを計測することはできない。

【０００７】また、上記後者の方法を円筒形状の表面を
もつワークに適用した場合でも、ワークの表面の面粗さ
が超音波の反射状況に大きな影響を及ぼし、何ら面粗さ
を考慮しないまま計測すれば、精度良く硬化層の表面か
らの深さを計測することができないことも明らかとなっ
た。本発明の第１の課題は、自由形状の表面をもつワー
クに適用が可能であり、正確な幅方向の計測位置の下、
焼入れ硬化層の深さを簡易に計測することのできる焼入
れ硬化層の深さ計測方法を提供することにある。

【０００８】また、本発明の第２の課題は、第１の課題
の解決とともに、より精度よく焼入れ硬化層の深さを計
測することのできる焼入れ硬化層の深さ計測方法を提供
することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

（１）請求項１の焼入れ硬化層の深さ計測方法は、ワー
クの母材上の焼入れ硬化層における表面からの深さを液
体中において計測する焼入れ硬化層の深さ計測方法であ
って、発信装置により焦点を深さ方向に変位させつつ前
記表面から前記焼入れ硬化層内に縦波の超音波を発信
し、受信装置により該表面からの表面反射波及び前記母
材と該焼入れ硬化層との境界からの境界反射波を受信
し、該表面反射波及び該境界反射波の強度と伝播時間と
の関係を求め、該表面反射波の伝播時間と該境界反射波
の伝播時間との差より該焼入れ硬化層における該表面か
らの深さを求めることを特徴とする。

【００１０】（２）請求項２の深さ計測方法は、請求項
１の深さ計測方法において、表面の面粗さを単位がマイ
クロメータ（μｍ）の十点式面粗さ測定法（Ｒｚ）で予
め測定し、縦波の超音波の波長を該面粗さ以上にするこ
とを特徴とする。 （３）請求項３の深さ計測方法は、請求項１又は２の深
さ計測方法において、発信装置は、焦点を深さ方向に変
位可能なものであることを特徴とする。

【００１１】（４）請求項４の深さ計測方法は、請求項
１、２又は３の深さ計測方法において、発信装置及び受
信装置は一体であることを特徴とする。 （５）請求項５の深さ計測方法は、請求項１、２、３又
は４の深さ計測方法において、境界反射波の進路途中に
該進路を逆行させる反射手段を設け、該境界反射波は該
反射手段を経て発信装置により受信されることを特徴と
する。

【００１２】（６）請求項６の深さ計測方法は、請求項
１、２、３、４又は５の深さ計測方法において、発信装
置の振動子と表面との間に異なる液体を選択的に流通さ
せうるようにし、所望の波長の超音波を発信可能な該液
体を選択して該超音波を発信することを特徴とする。 （７）請求項７の深さ計測方法は、請求項１、２、３、
４、５又は６の深さ計測方法において、予め液体の温度
を測定し、測定値に基づき焦点の表面からの距離を深さ
方向に変位させることを特徴とする。

【００１３】（８）請求項８の深さ計測方法は、請求項
１、２、３、４、５、６又は７の深さ計測方法におい
て、表面反射波及び境界反射波の少なくとも一方の強度
を検知し、該強度がしきい値未満であるときに警告信号
を発することを特徴とする。

【００１４】

【作用】

（１）請求項１の深さ計測方法では、まず発信装置によ
り、焦点を深さ方向に変位させつつ、ワークの表面から
焼入れ硬化層内に縦波の超音波を発信する。そして、焦
点は超音波の強度が最も強くなる点であるため、焦点が
母材と焼入れ硬化層との境界に位置すれば、結晶粒など
の組織変化に対応して受信装置により反射波が受信され
る。ここで、反射波は、表面からの表面反射波と、母材
と焼入れ硬化層との境界からの境界反射波とからなる。
境界反射波は、境界より母材側では結晶粒などの組織構
造が拡大されることから、入射された超音波が散乱して
生じる。

【００１５】この方法により得られるデータは、図６に
示すように、表面反射波Ｓ及び境界反射波Ｒの強度Ｉと
伝播時間Ｔとの関係になる。このとき、縦波の超音波は
焦点により感度が高められているため、境界が母材から
ある程度深さ方向に範囲をもっており、境界で徐々に硬
化されて形成された焼入れ硬化層であっても、表面反射
波Ｓ及び境界反射波Ｒはその範囲内の硬化の変化が確実
に反映されている。そして、表面反射波Ｓの伝播時間と
境界反射波Ｒの伝播時間との差、例えば、表面反射波Ｓ
の伝播開始時間Ｔ₁ と境界反射波Ｒの伝播開始時間Ｔ₂
との差ａを求める。ここで、焼入れ硬化層内の音速は定
数であるから、平均化処理を必要とすることなく、焼入
れ硬化層の深さが計測される。このため、この方法で
は、データ処理が簡素化するとともに１回のデータ処理
で足りるため、焼入れ硬化層の深さを簡易に計測するこ
とができる。

【００１６】こうして、この方法では、ワークがロール
等のように円筒形状の表面をもつものに限定されず、ワ
ークが自由形状の表面をもつ場合にも適用が容易であ
る。特に、この方法では、励磁電流を検出することはな
いので、ワークの表面形状にかかわらず精度よく硬化層
の深さを測定することができる。また、この方法では、
発信装置により縦波の超音波を発信する位置が特定され
ており、幅方向で正確な計測位置が定まり、幅方向の特
定位置の焼入れ硬化層の表面からの深さを計測すること
ができる。

【００１７】（２）請求項２の深さ計測方法では、表面
の面粗さをＲｚ（μｍ）で予め測定し、縦波の超音波の
波長をこの面粗さ以上にしている。発明者らの実験結果
によれば、表面の面粗さより小さい波長の超音波は表面
でほとんど反射され、境界反射波が得られない。こうす
ることにより表面反射波と境界反射波とを確実に受信す
ることができる。

【００１８】（３）発信装置により焦点を深さ方向に変
位させる場合、発信装置が焦点を深さ方向に変位不能な
ものであれば、発信装置自体の位置を表面から変える必
要がある。このとき、発信装置と表面との距離を一々測
定しておかなければ、発信装置と表面との間の液体によ
る超音波の減衰の影響が変化してしまうため、再現性を
発揮できなくなり、手間を要することとなる。また、発
信装置の位置決め精度は誤差を伴いやすいとともに、発
信装置の接近にも限界がある。

【００１９】これに対し、請求項３の深さ計測方法で
は、発信装置が焦点を深さ方向に変位可能なものである
ため、位置決めに関する手間を省略することができると
ともに、発信装置と表面との間の液体中における超音波
の減衰を無視することができる。また、位置決めの誤差
を無くすことができるとともに、表面に近づけすぎるこ
とによる発信装置の損傷・破損を防止することができ
る。

【００２０】（４）請求項４の深さ計測方法では、発信
装置及び受信装置が一体であるため、別体の発信装置及
び受信装置を用意する必要がなくなる。 （５）請求項５の深さ計測方法では、境界反射波の進路
途中に進路を逆行させる反射手段を設けている。このた
め、母材と焼入れ硬化層との境界が表面と傾斜している
ことにより、表面反射波と境界反射波とが異なる進路を
とっても、境界反射波はこの反射手段を経て発信装置に
より受信される。このため、別体の発信装置及び受信装
置を用意する必要がなくなる。

【００２１】（６）表面の面粗さをＲｚ（μｍ）で予め
測定し、縦波の超音波の波長をこの面粗さ以上にする場
合、厚さの異なる振動子をもつ発信装置を複数用意し、
所望の波長の超音波を発信可能な発信装置を選択して超
音波を発信することもできるが、これでは厚さの異なる
振動子をもつ発信装置を複数用意する必要がある。この
点、請求項６の深さ計測方法では、発信装置の振動子と
表面との間に異なる液体を選択的に流通させうるように
している。液体が異なれば、この液体中の超音波の音速
が異なるため、液体を選択することにより、所望の波長
の超音波を発信することができる。このため、所望の波
長の超音波を発信可能な発信装置を選択して超音波を発
信すべく、厚さの異なる振動子をもつ発信装置を複数用
意する必要がなくなる。

【００２２】（７）焦点を母材と焼入れ硬化層との境界
に一旦位置させたとしても、液体の温度が変化すれば、
この液体中の超音波の音速が異なるため、液体中を伝播
する超音波の屈折率が変化し、一旦合わせた焦点位置が
境界から変化してしまう。この場合、縦波の超音波は感
度が低下し、焼入れ硬化層の深さを正確に計測できない
ため、再度焦点を深さ方向に変位させる必要を生じる。
そして、再現性は発揮されず、手間を要することとな
る。

【００２３】これに対し、請求項７の深さ計測方法で
は、予め液体の温度を測定し、測定値に基づき焦点の表
面からの距離を深さ方向に変位させる。このため、その
温度に応じて焦点が確実に境界に位置される。ここで、
液体の温度に応じて焦点の表面からの距離を深さ方向に
変位させる場合、発信装置が焦点を深さ方向に変位不能
なものであれば、発信装置自体の位置を表面から変える
必要がある。このとき、再現性を発揮しにくく、手間を
要することとなる。また、発信装置の位置決め精度は誤
差を伴いやすいとともに、発信装置の接近にも限界があ
る。

【００２４】これに対し、請求項３の深さ計測方法で
は、発信装置が焦点を深さ方向に変位可能なものである
ため、位置決めに関する手間を省略することができると
ともに、発信装置と表面との間の液体中における超音波
の減衰を無視することができる。また、位置決めの誤差
を無くすことができるとともに、表面に近づけすぎるこ
とによる発信装置の損傷・破損を防止することができ
る。

【００２５】（８）発明者らの実験結果によれば、請求
項１〜７の深さ計測方法において、ワークの表面に付着
物がある場合、ワークの表面の面粗さが粗い場合、液体
中にゴミ等の浮遊物がある場合、発信装置が劣化してい
る場合等には、反射波は強度が著しく減少又は得られな
くなる。このため、これらの場合には、精度良く硬化層
の表面からの深さを計測することができず、極端な場合
には、現実には母材上に焼入れ硬化層があるにもかかわ
らず焼入れ硬化層がないと判断する虞れもある。

【００２６】これに対し、請求項８の深さ計測方法で
は、表面反射波及び境界反射波の少なくとも一方の強度
を検知し、この強度がしきい値未満であるときに警告信
号を発する。このため、ワークの表面に付着物がある場
合等には、警告信号が発せられ、誤った計測を回避する
ことができる。

【００２７】

【実施例】

（実施例１）実施例１では請求項１、３及び４を具体化
している。 「発信・受信装置」この方法では、図１に示す超音波探
査映像装置を採用している。この超音波探査映像装置で
は、走査装置１のスキャナ１ａに焦点型超高周波探触子
２が取り付けられており、高周波探触子２には超音波測
定部３が接続されている。走査装置１及び超音波測定部
３は制御装置４に接続され、超音波測定部３はオシロス
コープ３ａに接続されている。制御装置４はデータ処理
装置５に接続され、データ処理装置５はカラーハードコ
ピー６及びカラーＣＲＴ７に接続されているとともに画
像処理装置８を介してモノクロＣＲＴ９に接続されてい
る。

【００２８】高周波探触子２が本発明に係る発信装置及
び受信装置が一体となった発信・受信装置（超音波セン
サ）である。この高周波探触子２は、図２に示すよう
に、各々圧電素子からなる３つの振動子２ａと、各振動
子２ａの下方に装備された３つの音響レンズ２ｂとから
なる。各振動子２ａは、超音波測定部３からスイッチ２
ｃを介してリード線２ｄと接続されており、リード線２
ｄで超音波測定部３から送信される電気信号を振動に変
換して超音波を発信するとともに、受信した超音波の振
動を電気信号に変換してリード線２ｄで超音波測定部３
に送信する。このとき、各振動子２ａの厚さが超音波の
波長λ（周波数ｆ）を決定する。ここで採用した各振動
子２ａは全て同一の厚さのものである。

【００２９】一方、各音響レンズ２ｂは、図３に示すよ
うに、下面が凹面に形成されており、振動子２ａより発
信された超音波を所定距離ｂの焦点Ｆに集中するように
屈曲させる。このとき、各音響レンズ２ｂの曲率が焦点
Ｆまでの距離ｂを決定する。ここで採用した各音響レン
ズ２ｂはそれぞれ曲率が異なるものである。このため、
この高周波探触子２は、スイッチ２ｃの選択によって各
振動子２ａ及び各音響レンズ２ｂが選択され、これによ
り焦点Ｆを深さ方向に変位可能になされている。 「焼入れ硬化層の深さ計測方法」図４に示すように、上
記超音波探査映像装置における液体としての水１０が満
たされた処理槽１ｂ内にワークＷを載置する。このワー
クＷは、平面形状の表面をもつＪＩＳＳ５３Ｃからなる
母材Ｗ₀ 上に焼入れ硬化層Ｗ₁ が形成されたものであ
る。

【００３０】まず、高周波探触子２において、スイッチ
２ｃの選択によって各振動子２ａ及び各音響レンズ２ｂ
を選択することにより焦点Ｆを深さ方向に変位させつ
つ、ワークＷの表面から焼入れ硬化層Ｗ₁ 内に縦波の超
音波を発信する。そして、焦点Ｆが母材Ｗ₀ と焼入れ硬
化層Ｗ₁ との境界Ｂに位置すれば、結晶粒の組織変化に
対応して高周波探触子２により反射波が受信される。こ
こで、反射波は、図５に示すように、表面からの表面反
射波Ｓと、境界Ｂからの境界反射波Ｒとからなる。境界
反射波Ｒは、結晶粒が拡大されることから、入射された
超音波が散乱して生じる。このため、表面反射波Ｓ及び
境界反射波Ｒが高周波探触子２により受信されるため、
別体の発信装置及び受信装置を用意する必要がない。な
お、入射した縦波の超音波の一部は境界Ｂで反射せず、
下方に抜ける。

【００３１】この方法により得られるデータは、図６に
示すように、表面反射波Ｓ及び境界反射波Ｒの強度Ｉと
伝播時間Ｔとの関係になる。このとき、縦波の超音波は
焦点Ｆにより感度が高められているため、境界Ｂが母材
Ｗ₀ からある程度深さ方向に範囲をもっており、境界Ｂ
で徐々に硬化されて形成された焼入れ硬化層Ｗ₁ であっ
ても、表面反射波Ｓ及び境界反射波Ｒはその範囲内の硬
化の変化が確実に反映されている。そして、焼入れ硬化
層Ｗ₁ の深さｘを計測するため、表面反射波Ｓの伝播開
始時間Ｔ₁ と境界反射波Ｒの伝播開始時間Ｔ₂ との差ａ
を求める。

【００３２】ここで、焼入れ硬化層Ｗ₁ 内の音速ｖ₀ は
定数であるため、 ｖ₀ ＝２ｘ／ａ …（１）式 が成り立つ。この（１）式より、 ｘ＝ａｖ₀ ／２ …（２）式 が得られ、（２）式により、焼入れ硬化層Ｗ₁ における
表面からの深さｘが求められる。

【００３３】このため、この方法では、平均化処理を必
要とせず、データ処理が簡素化するとともに１回のデー
タ処理で足りるため、焼入れ硬化層Ｗ₁ の深さｘを簡易
に計測することができる。こうして、この方法では、ワ
ークＷが自由表面の場合にも適用が容易である。特に、
この方法では、励磁電流を検出することはないので、ワ
ークＷの表面形状にかかわらず精度よく硬化層の深さを
測定することができる。

【００３４】また、この方法では、高周波探触子２によ
り縦波の超音波を発信する位置が特定されており、幅方
向で正確な計測位置が定まり、幅方向の特定位置の焼入
れ硬化層Ｗ₁ の表面からの深さｘを計測することができ
る。したがって、この方法では、自由形状の表面をもつ
ワークＷに適用が可能であり、正確な幅方向の計測位置
の下、焼入れ硬化層Ｗ₁ の深さｘを簡易に計測すること
ができる。

【００３５】また、この方法では、スイッチ２ｃの選択
により焦点Ｆを深さ方向に変位可能な高周波探触子２を
採用しているため、次のような作用及び効果を発揮する
ことができる。すなわち、この方法では、高周波探触子
２自体の位置を表面から変える必要がないため、位置決
めに関する手間を省略することができる。なお、実施例
１では、それぞれ３つの振動子２ａ及び音響レンズ２ｂ
を備えた高周波探触子２を採用したが、各音響レンズ２
ｂの曲率によっては焦点Ｆを境界Ｂに一致させることが
できない場合には、高周波探触子２自体の位置を表面か
ら変える必要がある。しかし、この場合でも、始めから
位置決めする場合と比べれば、位置決めに関する手間を
省略することができる。また、振動子２ａ及び音響レン
ズ２ｂをより多数設けた高周波探触子を採用することも
できる。

【００３６】また、この方法では、高周波探触子２自体
の位置を表面から変える必要がないため、水１０の中に
おける超音波の減衰を無視することができる。さらに、
この方法では、高周波探触子２自体の位置を表面から変
える必要がないため、位置決めの誤差を無くすことがで
きるとともに、表面に近づけすぎることによる高周波探
触子２の損傷・破損を防止することができる。 （実施例２）実施例２でも請求項１、３及び４を具体化
している。 「発信・受信装置及び受信装置」この方法では、図７に
示すように、実施例１と同一の発信・受信装置としての
高周波探触子２と、受信装置としての２個の高周波探触
子１１とを採用している。各高周波探触子１１は、それ
ぞれ実施例１の高周波探触子２と同様の圧電素子からな
る１つの振動子と、この振動子の下方に装備された１つ
の音響レンズとからなる。各高周波探触子１１は縦波の
超音波の入射点を中心として揺動可能になされている。
他の構成は実施例１と同一である。 「焼入れ硬化層の深さ計測方法」実施例１と同様にワー
クＷを載置し、高周波探触子２により焦点Ｆを深さ方向
に変位させつつ縦波の超音波を発信する。そして、高周
波探触子２及び高周波探触子１１により反射波が受信さ
れる。このとき、表面反射波Ｓは高周波探触子２により
受信されるため、表面反射波Ｓの受信については別体の
発信装置及び受信装置を用意する必要がない。また、こ
のとき、焼入れ異常で境界Ｂが表面と傾斜していること
により、表面反射波Ｓと境界反射波Ｒとが異なる進路を
とる場合があるが、この場合でも高周波探触子１１を揺
動させることにより、境界反射波Ｒは高周波探触子１１
により受信される。

【００３７】この方法により得られるデータによって、
実施例１と同様に、焼入れ硬化層Ｗ ₁ の深さｘを簡易に
計測することができる。したがって、この方法において
は、境界反射波Ｒの受信のために高周波探触子１１を揺
動すれば、実施例１と同様の効果を奏することができ
る。 （実施例３）実施例３でも請求項１、３及び４を具体化
している。 「発信・受信装置及び受信装置」この方法では、図８に
示すように、実施例１と同一の発信・受信装置としての
高周波探触子２と、受信装置としての多数個の高周波探
触子１２とを採用している。各高周波探触子１２は、そ
れぞれ実施例１の高周波探触子２と同様の圧電素子から
なる１つの振動子からなる。各高周波探触子１２は縦波
の超音波の入射点を中心として円板状に設けられてい
る。他の構成は実施例１と同一である。 「焼入れ硬化層の深さ計測方法」実施例１と同様にワー
クＷを載置し、高周波探触子２により焦点Ｆを深さ方向
に変位させつつ縦波の超音波を発信する。そして、高周
波探触子２及び高周波探触子１２により反射波が受信さ
れる。このとき、表面反射波Ｓは高周波探触子２により
受信されるため、表面反射波Ｓの受信については別体の
発信装置及び受信装置を用意する必要がない。また、こ
のとき、表面反射波Ｓと境界反射波Ｒとが異なる進路を
とっても、複数の高周波探触子１２のいづれかが境界反
射波Ｒを受信する。

【００３８】この方法により得られるデータによって、
実施例１と同様に、焼入れ硬化層Ｗ ₁ の深さｘを簡易に
計測することができる。したがって、この方法において
は、境界反射波Ｒの受信のために何ら操作する必要な
く、実施例１と同様の効果を奏することができる。 （実施例４）実施例４では、請求項１、３、４及び５を
具体化している。 「発信・受信装置」この方法では、図９に示すように、
実施例１と同一の発信・受信装置としての高周波探触子
２と、反射手段としての２個の反射ガラス１３とを採用
している。各反射ガラス１３は縦波の超音波の入射点を
中心として揺動可能になされている。他の構成は実施例
１と同一である。 「焼入れ硬化層の深さ計測方法」実施例１と同様にワー
クＷを載置し、高周波探触子２により焦点Ｆを深さ方向
に変位させつつ縦波の超音波を発信する。そして、高周
波探触子２により反射波が受信される。このとき、表面
反射波Ｓは高周波探触子２により受信されるため、表面
反射波Ｓの受信について別体の発信装置及び受信装置を
用意する必要がない。また、このとき、境界反射波Ｒの
進路途中の反射ガラス１３を揺動させ、反射ガラス１３
が境界反射波Ｒの進路を逆行させる。このため、表面反
射波Ｓと境界反射波Ｒとが異なる進路をとっても、境界
反射波Ｒは反射ガラス１３を経て高周波探触子２により
受信される。このため、境界反射波Ｒの受信についても
別体の発信装置及び受信装置を用意する必要がない。

【００３９】この方法により得られるデータによって、
実施例１と同様に、焼入れ硬化層Ｗ ₁ の深さｘを簡易に
計測することができる。したがって、この方法において
は、境界反射波Ｒの受信のために反射ガラス１３を揺動
すれば、実施例１と同様の効果を奏することができる。 （実施例５）実施例５では、請求項１、２、３及び４を
具体化している。 「発信・受信装置」この方法では、図１０に示すよう
に、発信・受信装置としての高周波探触子１４と、この
高周波探触子１４の側方に固着された面粗さ測定センサ
１５とを採用している。面粗さ測定センサ１５は超音波
粗さ計からなり、面粗さ測定装置及びスイッチング制御
装置１６に接続されている。スイッチング制御装置は高
周波探触子１４のスイッチ１４ｃに接続されている。

【００４０】高周波探触子１４は、図１１に示すよう
に、各々圧電素子からなる３つの振動子１４ａと、各振
動子１４ａの下方に装備された３つの音響レンズ１４ｂ
とからなる。各振動子１４ａは、厚さが超音波の波長λ
（周波数ｆ）を決定するため、全て異なる厚さのもので
ある。他の構成は実施例１と同一である。 「焼入れ硬化層の深さ計測方法」実施例１と同様にワー
クＷを載置し、面粗さ測定センサ１５の発信する超音波
により表面の面粗さをＲｚ（μｍ）で予め測定する。こ
の測定結果は、面粗さ測定装置からスイッチング制御装
置に送信され、スイッチング制御装置によって縦波の超
音波の波長λをこの面粗さ以上にするスイッチ１４ｃを
選択し、高周波探触子１４の選択された振動子１４ａに
より焦点Ｆを深さ方向に変位させつつ縦波の超音波を発
信する。ここで、波長λは、 λ＝ｖ／ｆ …（３）式 により選択される。但し、ｖは超音波の音速である。そ
して、高周波探触子１４により反射波が受信される。こ
うすることにより表面反射波Ｓと境界反射波Ｒとを確実
に受信することができる。

【００４１】この方法により得られるデータによって、
オンラインで製造されることにより面粗さが一定でない
ワークＷであっても、精度よく焼入れ硬化層Ｗ₁ の深さ
ｘを簡易に計測することができる。 （実施例６）実施例６では、請求項１、２、３、４及び
６を具体化している。 「発信・受信装置」この方法では、図１２に示すよう
に、実施例５と同一の発信・受信装置としての高周波探
触子１４と、この高周波探触子１４の各振動子１４ａの
下方にそれぞれ設けられた３個のノズル（図示せず）と
を採用している。各ノズルはそれぞれ液体としての水２
０、エーテル２１又はグリセリン２２を表面に向かって
流出可能になされている。他の構成は実施例５と同一で
ある。 「焼入れ硬化層の深さ計測方法」実施例１と同様にワー
クＷを載置し、図示しない面粗さ測定センサの発信する
超音波により表面の面粗さをＲｚ（μｍ）で予め測定す
る。この測定結果により、液体中の縦波の超音波の波長
λをこの面粗さ以上にするスイッチ１４ｃを選択し、高
周波探触子１４の選択された振動子１４ａにより焦点Ｆ
を深さ方向に変位させつつ縦波の超音波を発信する。こ
こで、波長λは上記（３）式により選択される。なお、
水２０中での音速ｖは１５００ｍ／ｓ、エーテル２１で
の音速ｖは９８５ｍ／ｓ、グリセリン２２中での音速ｖ
は１９８６ｍ／ｓである。このため、周波数ｆが一定の
場合、超音波の水２０中での波長λを「１」とすれば、
エーテル２１中での波長λは「約２／３」、グリセリン
２２中での波長λは「約４／３」である。

【００４２】そして、高周波探触子１４により反射波が
受信される。このとき、液体が異なればこの液体中の超
音波の音速が異なるため、液体を選択することにより、
所望の波長λの超音波を発信することができる。こうし
て、所望の波長λの超音波を発信可能な水２０、エーテ
ル２１又はグリセリン２２を選択して超音波を発信する
ため、厚さの異なる振動子の発信装置を複数用意する必
要がなくなる。

【００４３】この方法により得られるデータによって
も、実施例５と同様、精度よく焼入れ硬化層Ｗ₁ の深さ
ｘを簡易に計測することができる。 （実施例７）実施例７では請求項１、４及び７を具体化
している。 「発信・受信装置」この方法では、図１３に示す超音波
探査装置を採用している。この超音波探査装置では、走
査装置１のスキャナ１ａに高周波探触子３０が取り付け
られている。この高周波探触子３０は本発明に係る発信
装置及び受信装置が一体となった発信・受信装置（超音
波センサ）である。この高周波探触子３０は、圧電素子
からなる図示しない単一の振動子と、振動子の下方に装
備された単一の音響レンズとからなる市販のものであ
る。このため、この高周波探触子３０は、それ自身では
焦点を深さ方向に変位させることができない。

【００４４】また、液体としての水１０が満たされた処
理槽１ｂ内にはデジタル式水温計３１が設けられてい
る。高周波探触子３０には超音波測定部３２が接続さ
れ、スキャナ１ａはスキャナ制御装置３３に接続されて
いる。スキャナ制御装置３３、超音波測定部３２及び水
温計３１はデータ処理装置３４に接続されている。 「焼入れ硬化層の深さ計測方法」実施例１と同様にワー
クＷを載置する。そして、データ処理装置３４によって
スキャナ制御装置３３を介して高周波探触子３０を深さ
方向に移動させることにより、焦点Ｆを深さ方向に変位
させつつ縦波の超音波を発信する。

【００４５】このとき、図１４に示すように、水１０の
温度が前回計測時から変化しておれば、水１０中での超
音波の音速が異なるため、水１０中を伝播する超音波の
屈折率が変化し、前回の焦点Ｆの位置が境界Ｂから変化
している。このため、データ処理装置３３は、図１５に
示すフローチャートに従ってデータ処理を行う。まず、
ステップＳ１００では、水温計３１からの出力信号に基
づき、水温（信号。以下同様。）を測定する。ステップ
Ｓ１０１では、ＲＯＭにメモリされた図１６に示す水温
（℃）と水中音速（ｍ／ｓ）との関係に基づき、求めら
れた水温から水中音速を算出する。ここで、図１７に示
すように、超音波が第１媒質（水）から第２媒質（鋼）
に侵入する際、入射角がθ₁ 、出射角がθ₂、第１媒質
（水）中での音速がＣ₁ 、第２媒質（鋼）中での音速が
Ｃ₂ であれば、 ｓｉｎθ₁ ／ｓｉｎθ₂ ＝Ｃ₁ ／Ｃ₂ …（４）式 が成り立つ。ここで、入射角θ₁ 、鋼中音速Ｃ₂ は定数
であるため、ステップＳ１０２では、算出された水中音
速Ｃ₁ から、ワークＷ内へ侵入する超音波の出射角θ₂
を算出する。次いで、ステップＳ１０３では、算出され
た出射角θ₂ から境界Ｂまでの焦点深度を算出する。こ
うして、ステップＳ１０４では、算出された焦点深度に
基づき、スキャナ制御装置３３を介して高周波探触子３
０を深さ方向で補正する。こうして、その水温に応じて
焦点Ｆが確実に境界Ｂに位置される。

【００４６】この後、ステップＳ１０５では、高周波探
触子３０により反射波が受信され、焼入れ硬化層Ｗ₁ の
深さｘを計測する。したがって、この方法においては、
前回計測時から水温が変化していても、焼入れ硬化層Ｗ
₁ の深さｘを正確に計測することができる。 （実施例８）実施例８でも請求項１、４及び７を具体化
している。 「発信・受信装置」この方法では、処理槽１ｂ内にデジ
タル式水温計３１を設けていない。他の他の構成は実施
例７と同一である。 「焼入れ硬化層の深さ計測方法」実施例１と同様にワー
クＷを載置する。そして、データ処理装置３４によって
スキャナ制御装置３３を介して高周波探触子３０を深さ
方向に移動させることにより、焦点Ｆを深さ方向に変位
させつつ縦波の超音波を発信する。

【００４７】このとき、水１０の温度が前回計測時から
変化しておれば、水１０中での超音波の音速が異なるた
め、水１０中を伝播する超音波の屈折率が変化し、前回
の焦点Ｆの位置が境界Ｂから変化している。このため、
データ処理装置３３は、図１８に示す強度Ｉと伝播時間
Ｔとの関係において、発信時の波形Ｔを検知する。ま
た、表面反射波Ｓ及び境界反射波Ｒを検知する。ここ
で、高周波探触子３０とワークＷの表面までの距離をΔ
ｚとすれば、Δｚはスキャナ制御装置３３により座標と
して定められている。そして、発信時の波形Ｔと表面反
射波Ｓの伝播開始時間Ｔ₁ との差をΔｔとすれば、水中
音速Ｃ₁ は、 Ｃ₁ ＝Δｚ／Δｔ …（５）式 で求まる。こうして、算出された水中音速Ｃ₁ から、実
施例７と同様、その水温に応じて焦点Ｆが確実に境界Ｂ
に位置される。この後、高周波探触子３０により反射波
が受信され、焼入れ硬化層Ｗ₁ の深さｘを計測する。

【００４８】したがって、この方法においては、水温計
３１を用いることなく、前回計測時から水温が変化して
いても、焼入れ硬化層Ｗ₁ の深さｘを正確に計測するこ
とができる。 （実施例９）実施例９では請求項１、３、４及び７を具
体化している。 「発信・受信装置」この方法では、図１９に示す超音波
探査装置を採用している。この超音波探査装置では、走
査装置１のスキャナ１ａに実施例５と同一の焦点Ｆを深
さ方向に変位可能な高周波探触子１４（図１０参照）が
取り付けられている。但し、面粗さ測定センサ１５は設
けていない。この高周波探触子１４はスイッチング制御
装置３５を介してデータ処理装置３６に接続されてい
る。他の構成は実施例７と同一である。 「焼入れ硬化層の深さ計測方法」実施例１と同様にワー
クＷを載置し、高周波探触子１４により焦点Ｆを深さ方
向に変位させつつ縦波の超音波を発信する。

【００４９】このとき、水１０の温度が前回計測時から
変化しておれば、水１０中での超音波の音速が異なるた
め、水１０中を伝播する超音波の屈折率が変化し、前回
の焦点Ｆの位置が境界Ｂから変化している。このため、
データ処理装置３６は、図２０に示すフローチャートに
従ってデータ処理を行う。まず、ステップＳ２００で
は、水温計３１からの出力信号に基づき、水温を測定す
る。そして、実施例７と同様に、ステップＳ２０１で水
温から水中音速を算出し、ステップＳ２０２で水中音速
Ｃ₁ から出射角θ₂ を算出し、ステップＳ２０３で出射
角θ₂ から焦点深度を算出する。こうして、ステップＳ
２０４では、算出された焦点深度に最も近い焦点距離を
実現可能なスイッチ１４ｃを選択する。こうして、その
水温に応じて焦点Ｆが確実に境界Ｂに位置される。

【００５０】この後、ステップＳ２０５で焼入れ硬化層
Ｗ₁ の深さｘを計測する。したがって、この方法におい
ても、実施例７と同様、前回計測時から水温が変化して
いても、焼入れ硬化層Ｗ₁ の深さｘを正確に計測するこ
とができる。 （実施例１０）実施例１０では請求項１、３、４及び８
を具体化している。 「発信・受信装置」この方法では、図２１に示す超音波
探査映像装置を採用している。この超音波探査映像装置
では、同期制御器４０がゲート発生器４１、パルス電圧
発振器４２及び横軸掃引器４３に接続され、ゲート発生
器４１及びパルス電圧発振器４２は受信器４４に接続さ
れている。受信器４４及び横軸掃引器４３はブラウン管
４５に接続され、受信器４４はレベル判別器４６に接続
され、レベル判別器４６はレベル設定器４７に接続され
ている。実施例１と同一の高周波探触子２はパルス電圧
発振器４２及び受信器４４に接続されている。他の構成
は実施例１と同一である。 「焼入れ硬化層の深さ計測方法」実施例１と同様にワー
クＷを載置し、高周波探触子２により焦点Ｆを深さ方向
に変位させつつ縦波の超音波を発信する。そして、焦点
Ｆが母材Ｗ₀ と焼入れ硬化層Ｗ₁ との境界Ｂに位置すれ
ば、高周波探触子２により反射波が受信される。

【００５１】このとき、まず、ゲート発生器４１でゲー
ト信号を発生させ、受信器４４で受信した信号のうち、
表面反射波Ｓだけをレベル判別器４６に送信する。そし
て、レベル判別器４６は、図２２に示すフローチャート
に従ってデータ処理を行う。すなわち、ステップＳ３０
０において、図２３に示すように、表面反射波Ｓの信号
電圧レベルｖを測定する。次いで、ステップＳ３０１に
おいて、表面反射波Ｓの信号電圧レベルｖとレベル設定
器４７によって設定したしきい値ｖ₀ とを比較する。

【００５２】ここで、ｖ≧ｖ₀ であれば、高周波探触子
２の出力は十分あり、また高周波探触子２から発せられ
た超音波が途中で減衰することなくワークＷまで届いた
と判断され、ステップＳ３０２で実際の計測を開始す
る。一方、ｖ＜ｖ₀ であれば、ワークＷの表面に付着物
がある場合、ワークＷの表面の面粗さが粗い場合、水１
０中にゴミ等の浮遊物がある場合、高周波探触子２が劣
化している場合等により、表面反射波Ｓの強度が著しく
減少又は得られなくなったと判断され、ステップＳ３０
３で計測を中止する。そして、ステップＳ３０４で警告
信号を発する。

【００５３】こうして、この方法では、誤った計測を回
避することができる。また、処理槽１ｂ内の水１０や高
周波探触子２の交換時期を知ることができるとともに、
表面の面粗さが粗いワークＷをラインから外して製品の
品質向上を図ることができる。なお、上記各実施例１〜
６、９、１０では、焦点を深さ方向に変位させるために
複数の振動子及び音響レンズをもつ高周波探触子２、１
４を採用したが、図２４に示すように、単一の振動子５
０の下方に下面が凸面に形成された単一の第１音響レン
ズ５１を設け、この第１音響レンズ５１の下方に下面が
凹面に形成された単一の第２音響レンズ５２を設け、第
１音響レンズ５１と第２音響レンズ５２との間隔を変位
可能にした高周波探触子によっても、同様の効果が得ら
れると考えられる。

【００５４】また、各実施例１〜１０では、高周波探触
子をワークＷにそってスキャンすることによって焼入れ
硬化層Ｗ₁ の断面を映像表示することも可能である。加
えて、各実施例１〜１０により結晶粒の相違を表面反射
波Ｓ及び境界反射波Ｒの強度と伝播時間との関係からパ
ターン化すれば、ワークＷの内部状態の判定にも適用可
能である。

【００５５】

【発明の効果】

（１）請求項１の深さ計測方法では、請求項１の構成を
採用しているため、自由形状の表面をもつワークに適用
が可能であり、正確な幅方向の計測位置の下、焼入れ硬
化層の深さを簡易に計測することができる。したがっ
て、この方法では、焼入れ硬化層の深さを正確かつ安価
に計測することができる。

【００５６】（２）請求項２の深さ計測方法では、請求
項２の構成により、表面反射波と境界反射波とを確実に
受信することができるため、請求項１の効果に加え、よ
り精度よく焼入れ硬化層の深さを計測することができ
る。 （３）請求項３の深さ計測方法では、請求項３の構成に
より、請求項１、２の効果に加え、発信装置の位置決め
に関する手間を省略することができる。また、この方法
では、位置決めの誤差を無くすことができる。加えて、
この方法では、表面に近づけすぎることによる発信装置
の損傷・破損を防止することができる。

【００５７】したがって、焼入れ硬化層の深さをより簡
易に計測し、さらなるコストダウンを実現することがで
きる。 （４）請求項４の深さ計測方法では、請求項４の構成に
より、別体の発信装置及び受信装置を用意する必要がな
くなるため、請求項１〜３の効果に加え、焼入れ硬化層
の深さをより簡易に計測し、さらなるコストダウンを実
現することができる。

【００５８】（５）請求項５の深さ計測方法において
も、請求項５の構成により、別体の発信装置及び受信装
置を用意する必要がなくなるため、請求項１〜４の効果
に加え、焼入れ硬化層の深さをより簡易に計測し、さら
なるコストダウンを実現することができる。 （６）請求項６の深さ計測方法においても、請求項６の
構成により、厚さの異なる振動子の発信装置を複数用意
する必要がなくなるため、請求項１〜５の効果に加え、
焼入れ硬化層の深さをより簡易に計測し、さらなるコス
トダウンを実現することができる。

【００５９】（７）請求項７の深さ計測方法では、請求
項１〜６の効果に加え、請求項７の構成により、前回計
測時から水温が変化していても、焼入れ硬化層の深さを
正確に計測することができる。 （８）請求項８の深さ計測方法では、請求項１〜７の効
果に加え、請求項８の構成により、誤った計測を回避す
ることができる。また、液体や発信装置の交換時期を知
ることができるとともに、表面の面粗さが粗いワークを
ラインから外して製品の品質向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１に係る超音波探査映像装置の模式図で
ある。

【図２】実施例１に係る高周波探触子を示す模式断面図
である。

【図３】実施例１に係る高周波探触子の要部を示す模式
断面図である。

【図４】実施例１の方法を示す模式断面図である。

【図５】実施例１の方法の要部を示す模式断面図であ
る。

【図６】実施例１の方法により得られた表面反射波及び
境界反射波の強度と伝播時間との関係を示すグラフであ
る。

【図７】実施例２の方法の要部を示す模式断面図であ
る。

【図８】実施例３の方法の要部を示す模式断面図であ
る。

【図９】実施例４の方法の要部を示す模式断面図であ
る。

【図１０】実施例５の方法の要部を示す模式断面図であ
る。

【図１１】実施例５に係る高周波探触子を示す模式断面
図である。

【図１２】実施例６の方法の要部を示す模式断面図であ
る。

【図１３】実施例７に係る超音波探査装置の模式図であ
る。

【図１４】実施例７の方法の要部を示す模式断面図であ
る。

【図１５】実施例７に係るデータ処理装置のフローチャ
ートである。

【図１６】実施例７に係り、水温と水中音速との関係を
示すグラフである。

【図１７】実施例７に係り、超音波が第１媒質（水）か
ら第２媒質（鋼）に侵入する際のようすを示す模式図で
ある。

【図１８】実施例８に係り、（Ａ）は発信時の波形、表
面反射波及び境界反射波の強度と伝播時間との関係を示
すグラフ、（Ｂ）は超音波がワークに侵入する際のよう
すを示す模式図である。

【図１９】実施例９に係る超音波探査装置の模式図であ
る。

【図２０】実施例９に係るデータ処理装置のフローチャ
ートである。

【図２１】実施例１０に係る超音波探査映像装置の要部
模式図である。

【図２２】実施例１０に係るレベル判別器のフローチャ
ートである。

【図２３】実施例１０の方法により得られた表面反射波
及び境界反射波の信号電圧と時間との関係を示すグラフ
である。

【図２４】他の実施例に係る高周波探触子の要部を示す
模式断面図である。

【図２５】従来の方法により得られた表面からの深さと
後方散乱波の強度との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

Ｗ…ワーク Ｗ₀ …母材 Ｗ₁ …
焼入れ硬化層 ｘ…深さ ２、１４、３０…高周波探触子
（発信・受信装置） Ｆ…焦点 １１、１２…高周波探触子（受信
装置） Ｓ…表面反射波 Ｂ…境界 Ｒ…境
界反射波 Ｉ…強度 Ｔ…伝播時間 ａ…差 λ…波長 １３…反射ガラス（反射手段） １０、２０、２１、２２…液体（１０、２０…水、２１
…エーテル、２２…グリセリン）

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ワークの母材上の焼入れ硬化層における表
   面からの深さを液体中において計測する焼入れ硬化層の
   深さ計測方法であって、 発信装置により焦点を深さ方向に変位させつつ前記表面
   から前記焼入れ硬化層内に縦波の超音波を発信し、受信
   装置により該表面からの表面反射波及び前記母材と該焼
   入れ硬化層との境界からの境界反射波を受信し、該表面
   反射波及び該境界反射波の強度と伝播時間との関係を求
   め、該表面反射波の伝播時間と該境界反射波の伝播時間
   との差より該焼入れ硬化層における該表面からの深さを
   求めることを特徴とする焼入れ硬化層の深さ計測方法。
2. 【請求項２】表面の面粗さを単位がマイクロメータの十
   点式面粗さ測定法で予め測定し、縦波の超音波の波長を
   該面粗さ以上にすることを特徴とする請求項１記載の焼
   入れ硬化層の深さ計測方法。
3. 【請求項３】発信装置は、焦点を深さ方向に変位可能な
   ものであることを特徴とする請求項１又は２記載の焼入
   れ硬化層の深さ計測方法。
4. 【請求項４】発信装置及び受信装置は一体であることを
   特徴とする請求項１、２又は３記載の焼入れ硬化層の深
   さ計測方法。
5. 【請求項５】境界反射波の進路途中に該進路を逆行させ
   る反射手段を設け、該境界反射波は該反射手段を経て発
   信装置により受信されることを特徴とする請求項１、
   ２、３又は４記載の焼入れ硬化層の深さ計測方法。
6. 【請求項６】発信装置の振動子と表面との間に異なる液
   体を選択的に流通させうるようにし、所望の波長の超音
   波を発信可能な該液体を選択して該超音波を発信するこ
   とを特徴とする請求項１、２、３、４又は５記載の焼入
   れ硬化層の深さ計測方法。
7. 【請求項７】予め液体の温度を測定し、測定値に基づき
   焦点の表面からの距離を深さ方向に変位させることを特
   徴とする請求項１、２、３、４、５又は６記載の焼入れ
   硬化層の深さ計測方法。
8. 【請求項８】表面反射波及び境界反射波の少なくとも一
   方の強度を検知し、該強度がしきい値未満であるときに
   警告信号を発することを特徴とする請求項１、２、３、
   ４、５、６又は７記載の焼入れ硬化層の深さ計測方法。