特許 6104161 表面特性評価装置及び表面特性評価方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6104161

(24)【登録日】2017年3月10日

(45)【発行日】2017年3月29日

(54)【発明の名称】表面特性評価装置及び表面特性評価方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/72 20060101AFI20170316BHJP

【ＦＩ】

   G01N27/72

【請求項の数】10

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2013-526026(P2013-526026)

(86)(22)【出願日】2011年12月21日

(65)【公表番号】特表2014-500476(P2014-500476A)

(43)【公表日】2014年1月9日

(86)【国際出願番号】JP2011080544

(87)【国際公開番号】WO2012086845

(87)【国際公開日】20120628

【審査請求日】2014年3月3日

【審判番号】不服2016-3013(P2016-3013/J1)

【審判請求日】2016年2月29日

(31)【優先権主張番号】特願2010-284720(P2010-284720)

(32)【優先日】2010年12月21日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000191009

【氏名又は名称】新東工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100086771

【弁理士】

【氏名又は名称】西島 孝喜

(74)【代理人】

【識別番号】100088694

【弁理士】

【氏名又は名称】弟子丸 健

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100103609

【弁理士】

【氏名又は名称】井野 砂里

(74)【代理人】

【識別番号】100095898

【弁理士】

【氏名又は名称】松下 満

(74)【代理人】

【識別番号】100098475

【弁理士】

【氏名又は名称】倉澤 伊知郎

(74)【代理人】

【識別番号】100123630

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邊 誠

(72)【発明者】

【氏名】牧野 良保

【合議体】

【審判長】 郡山 順

【審判官】 信田 昌男

【審判官】 渡戸 正義

(56)【参考文献】

【文献】 特開平５−２０３５０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−４６８００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１５６３６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平４−６６８６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−１４１６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２２６１９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−９５３０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−５９０７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平７−９２１４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１６４３０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第４９２２２０１号明細書（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許第４４９５４６６号明細書（ＵＳ，Ａ）

【文献】 Ｅ． Ｊａｍｅｓ Ｃｈｅｒｎ，Ｅｄｄｙ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｎｉｃｋｅｌ ２００，Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ，１９９３年，Ｖｏｌｕｍｅ ５１， Ｎｕｍｂｅｒ ２，２８２

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

G01N 27/72-27/90

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ショットピーニング処理を行った鋼材である被検査対象の表面特性を評価する表面特性評価装置であって、
磁性体からなるコアと、このコアに巻回されたコイルとを備え、被検査対象の表面の磁気特性を検出する磁気センサと、
この磁気センサのコイルに、単一の周波数の交流電力を供給する電力供給手段と、
交流電力が供給されている前記コイルから磁気検出信号を入力し、この磁気検出信号を前記コイルに供給された交流電力と同じ周波数の搬送波により同期検波することにより、前記磁気センサにより検出された被検査対象の表面の磁気特性に応じた表面特性信号を検出する信号検出手段と、
予め設定された表面特性信号と被検査対象の表面特性との関係を示す値を記憶する記憶手段と、
この記憶手段に記憶された値と、前記単一の周波数の交流電力を供給することにより前記信号検出手段によって検出された単一の表面特性信号とに基づいて、被検査対象の表面特性を算出する表面特性算出手段と、を有し、
前記電力供給手段は前記磁気センサのコイルに一定の周波数の交流電力を供給し、これにより、前記磁気センサの前記コアが励磁されると共に被検査対象の表面と閉磁路を形成するようになっており、
前記磁気センサのコアは、中央の脚部にコイルが巻回されるＥ字型コアであることを特徴とする表面特性評価装置。

【請求項2】

ショットピーニング処理を行った鋼材である被検査対象の表面特性を評価する表面特性評価装置であって、
磁性体からなるコアと、このコアに巻回されたコイルとを備え、被検査対象の表面の磁気特性を検出する磁気センサと、
この磁気センサのコイルに、単一の周波数の交流電力を供給する電力供給手段と、
交流電力が供給されている前記コイルから磁気検出信号を入力し、この磁気検出信号を前記コイルに供給された交流電力と同じ周波数の搬送波により同期検波することにより、前記磁気センサにより検出された被検査対象の表面の磁気特性に応じた表面特性信号を検出する信号検出手段と、
予め設定された表面特性信号と被検査対象の表面特性との関係を示す値を記憶する記憶手段と、
この記憶手段に記憶された値と、前記単一の周波数の交流電力を供給することにより前記信号検出手段によって検出された単一の表面特性信号とに基づいて、被検査対象の表面特性を算出する表面特性算出手段と、を有し、
前記電力供給手段は前記磁気センサのコイルに一定の周波数の交流電力を供給し、これにより、前記磁気センサの前記コアが励磁されると共に被検査対象の表面と閉磁路を形成するようになっており、
前記磁気センサのコアは、コイルが巻回された円柱部と、この円柱部を囲んで配置され且つその一端が基部により閉止された円管部とを備え、円柱部が円管部の軸心に配置され且つ円柱部の一端が円管部の基部に接続されていることを特徴とする表面特性評価装置。

【請求項3】

前記予め設定された表面特性信号と被検査対象の表面特性との関係を示す値は、表面特性信号と被検査対象との対応関係を示す検量線である請求項１又は２に記載の表面特性評価装置。

【請求項4】

前記予め設定された表面特性信号と被検査対象の表面特性との関係を示す値は、所定の表面特性を有する基準試料における表面特性信号を示す基準値である請求項１又は２に記載の表面特性評価装置。

【請求項5】

前記磁気センサのコアは、被検査対象の表面形状に沿って接触可能である請求項１乃至４の何れか１項に記載の表面特性評価装置。

【請求項6】

前記磁気センサのコアは、このコアと被検査対象の表面との距離が３．０ｍｍ以下になるように配置可能である請求項１乃至４の何れか１項に記載の表面検査特性評価装置。

【請求項7】

前記磁気センサのコアは、このコアと被検査対象の表面との距離が０．３ｍｍ以下になるように配置可能である請求項１乃至４の何れか１項に記載の表面検査特性評価装置。

【請求項8】

前記磁気センサのコアは、強磁性体により形成されている請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の表面特性評価装置。

【請求項9】

前記強磁性体はフェライトである請求項８に記載の表面特性評価装置。

【請求項10】

ショットピーニング処理を行った鋼材である被検査対象の表面特性を評価する表面特性評価方法であって、
磁性体からなるコアと、このコアに巻回されたコイルとを備え、被検査対象の表面の磁気特性を検出する磁気センサを準備する工程と、
この磁気センサのコイルに単一の周波数の交流電力を供給し、これにより前記磁気センサの前記コアを励磁すると共に被検査対象の表面と閉磁路を形成する工程と、
交流電力が供給されている前記コイルから磁気検出信号を入力し、この磁気検出信号を前記コイルに供給された交流電力と同じ周波数の搬送波により同期検波することにより、前記磁気センサにより検出された被検査対象の表面の磁気特性に応じた表面特性信号を検出する工程と、
予め設定された表面特性信号と被検査対象の表面特性との関係を示す値を記憶する工程と、
この記憶された関係と、前記単一の周波数の交流電力を供給することにより前記表面特性信号を検出する工程において検出された単一の表面特性信号とに基づいて、被検査対象の表面特性を算出する工程と、
を有し、
前記磁気センサのコアは、中央の脚部にコイルが巻回されるＥ字型コアであることを特徴とする表面特性評価方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、表面特性評価装置及び表面特性評価方法に係わり、特に、被検査対象の残留応力や硬度等の表面特性を評価する表面特性評価装置及び表面特性評価方法に関する。

【背景技術】

【0002】

自動車部品などに使用されるギア、シャフトなどの鋼材製品では、耐摩耗性向上、疲労強度向上などのために、熱処理、窒化処理などによる表面硬化、ショットピーニング処理などの表面処理が行われている。
従来、これら製品の表面処理後の残留応力、硬度などの表面特性の評価は、抜き取りの破壊検査により行われていた。そのため、製品を全て直接検査できない、破壊検査であるため検査された製品が使えなくなるなどの問題があった。

【0003】

そこで、製品の表面特性を非破壊で検査できる装置の開発の要請が高まっている。このような装置として、例えば、特許文献１には、ショットピーニング処理面上方に配置されるコイルを備えた検査回路に周波数を変化させながら交流信号を入力して、検査回路におけるインピーダンスの周波数応答特性を用いて検査対象における残留応力の発生状態を検査するショットピーニング処理面の非破壊検査装置が開示されている

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００８−２９７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、上述の技術のように、開磁路構造のコイルをショットピーニング処理面の上方に配置する検査装置では、被検査対象とセンサとの間での磁気の減衰、漏洩が大きいため、検出感度及び測定値の再現性が低下するという問題があった。また、周波数を変化させながら交流信号を入力してインピーダンスの周波数応答特性を求める方法を用いるため、被検査対象への磁気の浸透深さが変化し、深さ方向に分布を有する表面特性を正確に把握することができないという問題があった。

【0006】

そこで、本発明は、熱処理、窒化処理、ショットピーニング処理などの表面処理を行った被検査対象の表面特性を、非破壊で精度よく評価することができる表面特性評価装置及び表面特性評価方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上述した目的を達成するために、本発明は、ショットピーニング処理を行った鋼材である被検査対象の表面特性を評価する表面特性評価装置であって、磁性体からなるコアと、このコアに巻回されたコイルとを備え、被検査対象の表面の磁気特性を検出する磁気センサと、この磁気センサのコイルに、単一の周波数の交流電力を供給する電力供給手段と、交流電力が供給されているコイルから磁気検出信号を入力し、この磁気検出信号をコイルに供給された交流電力と同じ周波数の搬送波により同期検波することにより、磁気センサにより検出された被検査対象の表面の磁気特性に応じた表面特性信号を検出する信号検出手段と、予め設定された表面特性信号と被検査対象の表面特性との関係を示す値を記憶する記憶手段と、この記憶手段に記憶された値と、単一の周波数の交流電力を供給することにより信号検出手段によって検出された単一の表面特性信号とに基づいて、被検査対象の表面特性を算出する表面特性算出手段と、を有し、電力供給手段は磁気センサのコイルに一定の周波数の交流電力を供給し、これにより、磁気センサのコアが励磁されると共に被検査対象の表面と閉磁路を形成するようになっており、磁気センサのコアは、中央の脚部にコイルが巻回されるＥ字型コアであることを特徴としている。

【0008】

このように構成された本発明によれば、電力供給手段により交流電力を供給された磁気センサにより被検査対象の表面の磁気特性を検出し、信号検出手段において磁気センサにより検出された被検査対象の表面の磁気特性に応じた表面特性信号を検出し、表面特性算出手段により、記憶手段に記憶されている予め設定された表面特性信号と被検査対象の表面特性との関係を示す値と表面特性信号とに基づいて、被検査対象の表面特性を算出することができる。
磁気センサは、コアが被検査対象の表面と閉磁路を形成するので、被検査対象と磁気センサとの間での磁気の減衰、漏洩を防ぐことができる。これにより、表面特性信号の強度を増大させることができ、磁気センサによる磁気特性の検出感度を向上させることができるので、被検査対象の表面特性を非破壊で精度良く評価することができる。
また、一定の周波数の交流電力をコイルに供給することにより、被検査対象の表面特性を評価するため、被検査対象への磁気の浸透深さが一定とすることができるので、深さ方向に分布を有する表面特性も正確に把握することができる。
さらに、磁気センサのコアは、中央の脚部にコイルが巻回されるＥ字型コアに形成されており、コイルがコアに挟まれているので、磁気の漏れを効果的に抑制することができ、閉磁路を形成しやすい。
ここで、「表面特性を算出する」とは、残留応力や硬度などの絶対値を算出するのみならず、表面特性信号が基準値に対して所定の範囲にあるか否かを算出することにより表面特性を評価する場合を含む概念である。

【0009】

本発明において、好ましくは、予め設定された表面特性信号と被検査対象の表面特性との関係を示す値は、表面特性信号と被検査対象との対応関係を示す検量線である。
このように構成された本発明によれば、被検査物の表面特性（例えば、窒化処理を施した際の窒化層の厚みや、ショットピーニング処理を施した際の圧縮残留応力の深さ等）を算出することができる。

【0010】

本発明において、好ましくは、予め設定された表面特性信号と被検査対象の表面特性との関係を示す値は、所定の表面特性を有する基準試料における表面特性信号を示す基準値である。
このように構成された本発明によれば、測定した表面特性信号とこの基準値との差分を算出することにより、被検査物の良否判定（例えば、窒化処理を施した際の窒化層の厚みや、ショットピーニング処理を施した際の圧縮残留応力の深さ等が十分であるか否か）を行なうことができる。

【0011】

本発明において、好ましくは、磁気センサのコアは、被検査対象の表面形状に沿って接触可能である。
このように構成された本発明によれば、磁気センサのコアは、被検査対象の表面形状に沿って接触可能であるため、コアを被検査対象の表面に接触させることにより被検査対象と磁気センサとの間での磁気の減衰、漏洩を防ぐことができる。これにより、表面特性信号の強度を増大させることができ、磁気センサによる磁気特性の検出感度を向上させることができる。

【0012】

本発明において、好ましくは、磁気センサのコアは、このコアと被検査対象の表面との距離が３．０ｍｍ以下となるように配置可能である。
このように構成された本発明によれば、被検査対象が強磁性体である場合のように、磁気センサにより検出される磁気特性の検出信号が強い場合には、コアと被検査対象の表面との距離が３．０ｍｍ以下になるように配置可能であるので、磁気センサと被検査対象の表面とにより閉磁路を形成し、十分な強度の磁気検出信号を得ることができるので、被検査対象の表面特性を非破壊で精度良く評価することができる。

【0013】

本発明において、好ましくは、磁気センサのコアは、このコアと被検査対象の表面との距離が０．３ｍｍ以下となるように配置可能である。
このように構成された本発明によれば、コアと被検査対象の表面との距離が０．３ｍｍ以下になるように配置することができるので、磁気特性の検出信号が弱い被検査対象を測定する場合でも、被検査対象の表面特性を非破壊で精度良く評価することができる。

【0014】

本発明において、好ましくは、磁気センサのコアは強磁性体により形成されている。
このように構成された本発明によれば、磁気センサのコアは強磁性体により形成されているので、コア内部の磁束密度を高くすることができ、Ｓ／Ｎ比（Ｓ：被検査対象へ浸透する磁気、Ｎ：漏れ磁気）を高くすることができるので、磁気センサによる磁気特性の検出感度を向上させることができる。

【0016】

また、上述した目的を達成するために、本発明は、ショットピーニング処理を行った鋼材である被検査対象の表面特性を評価する表面特性評価装置であって、磁性体からなるコアと、このコアに巻回されたコイルとを備え、被検査対象の表面の磁気特性を検出する磁気センサと、この磁気センサのコイルに、単一の周波数の交流電力を供給する電力供給手段と、交流電力が供給されているコイルから磁気検出信号を入力し、この磁気検出信号をコイルに供給された交流電力と同じ周波数の搬送波により同期検波することにより、磁気センサにより検出された被検査対象の表面の磁気特性に応じた表面特性信号を検出する信号検出手段と、予め設定された表面特性信号と被検査対象の表面特性との関係を示す値を記憶する記憶手段と、この記憶手段に記憶された値と、単一の周波数の交流電力を供給することにより信号検出手段によって検出された単一の表面特性信号とに基づいて、被検査対象の表面特性を算出する表面特性算出手段と、を有し、電力供給手段は磁気センサのコイルに一定の周波数の交流電力を供給し、これにより、磁気センサのコアが励磁されると共に被検査対象の表面と閉磁路を形成するようになっており、磁気センサのコアは、コイルが巻回された円柱部と、この円柱部を囲んで配置され且つその一端が基部により閉止された円管部とを備え、円柱部が円管部の軸心に配置され且つ円柱部の一端が円管部の基部に接続されていることを特徴としている。
このように構成された本発明によれば、コイルがコアに囲まれているので、磁気の漏れを効果的に抑制することができ、閉磁路を形成しやすい。また、コアは、製造が容易であり低コストである。

【0017】

上述した目的を達成するため、本発明は、ショットピーニング処理を行った鋼材である被検査対象の表面特性を評価する表面特性評価方法であって、磁性体からなるコアと、このコアに巻回されたコイルとを備え、被検査対象の表面の磁気特性を検出する磁気センサを準備する工程と、この磁気センサのコイルに単一の周波数の交流電力を供給し、これにより磁気センサのコアを励磁すると共に被検査対象の表面と閉磁路を形成する工程と、交流電力が供給されているコイルから磁気検出信号を入力し、この磁気検出信号をコイルに供給された交流電力と同じ周波数の搬送波により同期検波することにより、磁気センサにより検出された被検査対象の表面の磁気特性に応じた表面特性信号を検出する工程と、予め設定された表面特性信号と被検査対象の表面特性との関係を示す値を記憶する工程と、この記憶された関係と、単一の周波数の交流電力を供給することにより表面特性信号を検出する工程において検出された単一の表面特性信号とに基づいて、被検査対象の表面特性を算出する工程と、を有し、磁気センサのコアは、中央の脚部にコイルが巻回されるＥ字型コアであることを特徴としている。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の実施形態による表面特性評価装置を示すブロック図である。

【図2】本発明の実施形態による表面特性評価装置の磁気センサを示す説明図である。

【図3】本発明の実施形態による表面特性評価装置の磁気センサの複数の変更例をそれぞれ示す斜視図である。

【図4】本発明の実施例１においてショットピーニング処理を行った鋼材における残留応力の深さ方向の分布を示す線図である。

【図5】本発明の実施例１においてショットピーニング処理を行った鋼材における残留オーステナイト量の深さ方向の分布を示す線図である。

【図6】本発明の実施例２における硬度と表面特性信号の電圧値との関係を示す線図である。

【図7】本発明の実施例４における窒化層の厚みと表面特性信号の電圧値との関係を示す線図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態による表面特性評価装置について説明する。

【0020】

図１に示すように、本発明の実施形態による表面特性評価装置１は、被検査対象の表面の透磁率変化や逆磁歪効果などの磁気特性を検出して磁気検出信号を出力する磁気センサ１０と、この磁気センサ１０に交流電力を供給する電力供給手段２０と、磁気センサ１０により検出された磁気検出信号から被検査対象の表面の磁気特性に応じた表面特性信号を抽出及び検出する信号検出手段２１と、この信号検出手段２１により得られた表面特性信号に基づいて、残留応力や硬度などの被検査対象の表面特性を算出する表面特性算出手段２２と、予め設定された表面特性信号と信号検出手段により検出された表面特性との関係を示す値、具体的に言えば、表面特性信号と表面特性との関係を示す検量線や硬度や残留応力などの表面特性が既知である基準試料を用いてあらかじめ取得した表面特性信号（基準値）を記憶する記憶手段２３と、を備えている。また、表面特性算出手段２２により算出された表面特性を表示する表示画面、音声出力装置などの表示手段２４を備えている。
なお、表面特性評価装置１は、例えば、増幅器などの他の構成要素を備えることができる。

【0021】

ここで、「表面特性」とは、被検査対象の表面近傍であって、表面処理の影響が及ぶ所定の深さまでの特性、「表面の磁気特性」とは、磁気センサ１０により励起された磁気が浸透して検出される被検査対象の所定の深さまでの領域の磁気特性、を示す。

【0022】

信号検出手段２１は、磁気センサ１０から出力された磁気検出信号を同期検波する同期検波器２１ａと、同期検波器２１ａの検波出力から被検査対象の表面の磁気特性に応じた表面特性信号を抽出するローパスフィルタ２１ｂとを備えている。

【0023】

磁気センサ１０は、磁気センサ１０と被検査対象の表面とにより閉磁路を形成することができる形状となってる。ここでは、このような磁気センサの一例として、Ｅ字型のコアを備えた磁気センサについて説明する。Ｅ字型のコアは製造が容易であり低コストである。

【0024】

図２に示すように、磁気センサ１０は磁性体からなるＥ字型のコア１１と、コイル１２とから構成される。コア１１は、中央の脚部１１ａと、脚部１１ａの両脇に配置された脚部１１ｂ及び１１ｃと、被検査対象３０の表面３０ａに対向して配置される基部１１ｄと、で構成されている。脚部１１ａ、１１ｂ、１１ｃの一端はそれぞれ基部１１ｄに連結されている。コア１１は、基部１１ｄから表面３０ａに向かってＥ字型になるように立設されている。コイル１２は、脚部１１ａに巻かれている。

【0025】

ここで、コア１１は、好ましくは、強磁性体により形成されており、この場合には、コア１１内部の磁束密度を高くすることができ、Ｓ／Ｎ比（Ｓ：鋼材へ浸透する磁気、Ｎ：漏れ磁気）を高くすることができるので、磁気センサ１０による磁気特性の検出感度を向上させることができる。強磁性体としては、例えば鉄、スーパーマロイ、パーマロイ、珪素鋼、フェライト（Ｍｎ−Ｚｎ系、Ｎｉ−Ｚｎ系）、カーボニル鉄ダスト、モリブデン・パーマロイ、センダスト等が挙げられる。

【0026】

磁気センサ１０は、脚部１１ａ、１１ｂ、１１ｃのそれぞれの先端部が被検査対象３０の表面３０ａに接触可能に形成されている。例えば、被検査対象３０が平板の場合には、脚部１１ａ、１１ｂ、１１ｃの先端部が同一平面上になるように形成されている。

【0027】

次に、表面特性評価装置１による被検査対象の表面特性評価方法について説明する。ここでは、窒化処理により表面３０ａ近傍に化合物層３０ｂが形成された鋼材を被検査対象３０の例として説明する。

【0028】

まず、脚部１１ａ、１１ｂ、１１ｃが被検査対象３０の表面３０ａに接触するように磁気センサ１０を配置する。なお、本実施形態における「接触」とは、脚部１１ａ、１１ｂ、１１ｃの少なくとも１部が被検査対象３０の表面３０ａに接触している場合も含まれる（例えば、該表面３０ａの形状や磁気センサ１０の製造上の誤差等により該脚部１１ａ、１１ｂ、１１ｃの全体が該表面３０ａに密着していない場合、等）。

【0029】

磁気センサ１０を被検査対象３０の表面３０ａに接触するように配置することにより、被検査対象３０と磁気センサ１０との間での磁気の減衰、漏洩を防ぐことができる。これにより、表面特性信号の強度を増大させることができ、磁気センサ１０による磁気特性の検出感度を向上させることができる。

【0030】

磁気センサ１０と被検査対象３０の表面（化合物層３０ｂ）とにより閉磁路を形成し、十分な強度の磁気検出信号を得ることができれば、磁気センサ１０を被検査対象３０の表面３０ａに接触させなくてもよい。ここで、磁気センサ１０と被検査対象３０の表面との距離は、３．０ｍｍ以下が望ましく、さらに望ましくは０．３ｍｍ以下である。磁気検出信号が弱い材質の場合、十分な磁気検出信号の強度を得るために当該距離を０．３ｍｍ以下とすることが望ましい。被検査対象３０が例えば強磁性体のように磁気検出信号が強い材質の場合は、磁気センサ１０により十分な磁気検出信号の強度を得ることができるので、当該距離を３．０ｍｍ以下とすることができる。

【0031】

なお、被検査対象物３０の形状に合わせて、磁気センサ１０の被検査対象物３０に対する配置方向を変更するようにしても良い。具体的には、被検査対象物３０が曲面、例えば、後述する図３（Ｄ）に示すように、被検査対象物３０が円柱形状の場合には、磁気センサ１０を円柱形状の長手方向に沿って配置するのがよい。

【0032】

磁気センサ１０と被検査対象３０の表面との距離は、検量線や基準値を取得した時の距離と同一にしておくことにより、リフトオフによる表面特性信号の変動誤差を排除することができる。
非接触で評価することにより、例えば、被検査対象３０を搬送しながら停止させずに測定することができるので、検査に要する時間を短縮することができる。

【0033】

次に、電力供給手段２０によりコイル１２に所定の周波数の交流電力を供給すると、コア１１に交流磁界Ｈが発生し、周波数に応じて被検査対象３０の化合物層３０ｂの所定の深さまで磁気が浸透し、脚部１１ａ、１１ｃ及び被検査対象３０の化合物層３０ｂの所定の深さまでの領域により閉磁路が形成される。

【0034】

コイル１２に鎖交する交流磁界Ｈは、磁気が浸透した化合物層３０ｂの磁気特性に応じて変化するため、コイル１２により化合物層３０ｂの特性（表面特性）に応じた磁気特性を検出することができる。そして、コイル１２から、表面特性に応じて変化する透磁率、逆磁歪効果に基づいて生じる磁気量変化を磁気検出信号として信号検出手段２１へ出力する。

【0035】

表面特性と磁気特性との関係では、例えば、表面が硬化したり、化合物層が形成されたりすると透磁率は低下する。ショットピーニング処理などにより圧縮の残留応力を付与した場合には、逆磁歪効果により透磁率が低下する。透磁率が低下すると磁気回路における磁気量が低減するため、磁気検出信号の強度が低下する。

【0036】

交流電力の周波数は、被検査対象３０の材質、評価する特性、評価する深さなどに応じて適宜設定する。例えば、鋼材の最表層面から１００〜２００μｍまでの深さに対して集中的に磁気を浸透させるように設定することができる。

【0037】

信号検出手段２１では、磁気センサ１０から入力された磁気検出信号より、被検査対象３０の表面３０ａの磁気特性（化合物層３０ｂの磁気特性特性）に応じた表面特性信号を電圧信号として検出する。
磁気センサ１０から入力された磁気検出信号は同期検波器２１ａに入力され、同期検波器２１ａにおいて、電力供給手段２０によりコイル１２に供給された交流電力と同じ周波数の搬送波により検波される。同期検波器２１ａの検波出力は、ローパスフィルタ２１ｂに出力され、ローパスフィルタ２１ｂでは検波出力から被検査対象３０の表面３０ａの磁気特性に応じた表面特性信号を電圧信号として抽出し、表面特性算出手段２２に出力する。

【0038】

表面特性算出手段２２は、信号検出手段２１により得られた信号に基づいて、残留応力や硬度などの被検査対象３０の表面特性を算出する。表面特性算出手段２２は、電圧と表面特性との関係として記憶手段２３に記憶された検量線に基づいて、硬度、残留応力値などを算出することができる。ここで、被検査対象３０の表面特性を管理する値として表面特性信号の電圧値のみで十分な場合には、検量線による表面特性の算出を行わなくてもよい。

【0039】

表面特性算出手段２２は、算出された表面特性が所定の範囲内であるか否かにより良否判定を行うことができるようにしてもよい。

【0040】

また、所定の表面特性を示す基準試料の表面特性信号（基準値）と測定した表面特性信号との差分値に基づいて良否判定を行うようにしても良い。この場合、まず、所定の表面特性を示す基準試料を用意してあらかじめ表面特性信号を測定しておき、記憶手段２３に基準値として記憶させておく。表面特性算出手段２２は、この基準値と測定した表面特性信号との差分値を算出して、表面特性信号が所定の範囲にあるか否かにより良否判定を行う。

【0041】

例えば、被検査対象３０の表面の硬度をＨ±αに管理したいときに、基準試料として硬度Ｈの試料を用いて基準値を設定し、αに対応する表面特性信号の差分値を閾値として設定し、算出された差分値が閾値を超えた場合に不良と判定することができる。

【0042】

表面特性算出手段２２により算出された表面特性、判定結果は、表示手段２４に出力され、表示手段２４は、画面、音声出力などにより表面特性、判定結果を表示する。例えば、硬度、残留応力などの表面特性の値を表示することができる。また、表面特性信号の電圧値のみを表示することもできる。

【0043】

表面特性算出手段２２において、被検査対象の良否判定を行う場合には、警告音や警告灯により不良を警告表示することもできる。

【0044】

表面特性評価装置１によれば、磁気センサ１０と被検査対象３０の表面３０ａから所定の深さまでの領域とにより閉磁路を形成するので、被検査対象３０と磁気センサ１０との間での磁気の減衰、漏洩を防ぐことができる。これにより、表面特性信号の強度を増大させることができ、磁気センサ１０による磁気特性の検出感度を向上させることができるので、被検査対象３０の表面特性を非破壊で精度良く評価することができる。

【0045】

また、検査中は、一定の周波数の交流電力をコイル１２に供給することにより、被検査対象３０の表面特性を評価するようにしているので、被検査対象３０への磁気の浸透深さが一定とすることができるので、深さ方向に分布を有する表面特性も正確に把握することができる。これにより、窒化層の厚さの評価などを行うことができる。

【0046】

本実施形態では、被検査対象３０として窒化処理により化合物層３０ｂが形成された鋼材の表面特性評価について説明したが、硬度、残留応力など表面の磁気特性変化を伴う表面特性も正確に評価することができる。

【0047】

電力供給手段２０によりコイル１２に供給する交流電力の周波数を変えることにより、磁気の浸透深さを変えることができる。周波数が高いほど磁気の浸透深さが浅くなるため、表面から浅い領域の表面特性を評価することができる。このように交流電力の周波数を変えることにより、残留応力の深さ方向の分布や化合物層の厚さなどを評価することができる。

【0048】

次に、図３により、磁気センサの変形例を説明する。上述した実施形態では、Ｅ字型のコア１１を備えた磁気センサを用いたが、これに限定されるものではなく、磁気センサと被検査対象の表面から所定の深さまでの領域とにより閉磁路を形成するならば、各種形状のコアを備えた磁気センサを用いることができる。

【0049】

図３（Ａ）に示すように、コイル４２が巻回された円柱部４１ａと、この円柱部４１ａを囲んで配置され且つその一端が基部４１ｃにより閉止された円管部４１ｂとを備え、円柱部４１ａが円管部４１ｂの軸心に配置され且つ円柱部４１ａの一端が円管部４１ｂの基部に接続されている磁気センサ４０を用いることができる。この磁気センサ４０によれば、コイル４２全周が円管部４１ｂにより囲まれているため、磁気の漏れを効果的に抑制することができ、閉磁路を形成しやすい。

【0050】

また、図３（Ｂ）に示すようなＵ型コア５１にコイル５２を巻回した磁気センサ５０や図３（Ｃ）に示すようなＬ型コア６１にコイル６２を巻回した磁気センサ６０などを用いることもできる。

【0051】

更に、図３（Ｄ）に示すように、脚部１１ａ、１１ｂ、１１ｃの形状を、被検査対象３０の形状に沿って接触可能に構成したコア１１を用いた磁気センサ１０を用いることもできる。

【0052】

次に、上述した本発明の実施形態による表面特性評価装置の効果を説明する。
（１）本実施形態による表面特性評価装置１によれば、磁気センサ１０と被検査対象３０の表面３０ａから所定の深さまでの領域とにより閉磁路を形成するので、被検査対象３０と磁気センサ１０との間での磁気の減衰、漏洩を防ぐことができる。これにより、表面特性信号の強度を増大させることができ、磁気センサ１０による磁気特性の検出感度を向上させることができるので、被検査対象３０の表面特性を非破壊で精度良く評価することができる。
また、コイル１２に一定の周波数の交流電力を供給することにより、被検査対象３０の表面特性を評価するため、被検査対象３０への磁気の浸透深さが一定とすることができるので、深さ方向に分布を有する表面特性も正確に把握することができる。

【0053】

（２）磁気センサ１０のコア１１を被検査対象３０の表面３０ａに接触するように配置することにより、被検査対象３０と磁気センサ１０との間での磁気の減衰、漏洩を防ぐことができる。これにより、表面特性信号の強度を増大させることができ、磁気センサ１０による磁気特性の検出感度を向上させることができる。また、リフトオフによる表面特性信号の変動誤差を排除することができる。

【0054】

（３）被検査対象が強磁性体である場合には、磁気センサ１０のコア１１を、被検査対象３０と非接触、かつ、コア１１と被検査対象３０の表面３０ａとの距離が３．０ｍｍ以下になるように配置する場合、磁気センサ１０と被検査対象３０の表面とにより閉磁路を形成し、十分な強度の磁気検出信号を得ることができるので、被検査対象３０の表面特性を非破壊で精度良く評価することができる。得られる磁気検出信号が弱い被検査対象を測定する場合でも、コアと被検査対象の表面との距離が０．３ｍｍ以下になるように配置することで、被検査対象の表面特性を非破壊で精度良く評価することができる。
また、非接触で評価することにより、例えば、被検査対象３０を搬送しながら停止させずに測定することができるので、検査に要する時間を短縮することができる。

【0055】

（４）コア１１はフェライトなどの強磁性体により形成した場合、コア１１内部の磁束密度を高くすることができ、Ｓ／Ｎ比（Ｓ：鋼材へ浸透する磁気、Ｎ：漏れ磁気）を高くすることができ、磁気センサ１０による磁気特性の検出感度を向上させることができる。

【実施例】

【0056】

以下に、本発明の表面特性評価装置による表面特性測定の実施例を示す。

【0057】

（実施例１）
本実施例では、ショットピーニング処理を行った鋼材の表面の残留応力の評価を行った。

【0058】

評価試料として、ＳＣＨ４２０Ｈガス浸炭材の表面にショットピーニング処理を行った表面処理材を用いた。比較材として表面処理を行っていない未処理材を用いた。ショットピーニング処理は、粒子径１００μｍ、硬さＨｖ９００〜９５０の噴射材を用い、噴射圧０．２ＭＰａで行った。

【0059】

残留応力の評価は、Ｅ字型コアの磁気センサを表面に接触させて行った。コアは強磁性体のＭｎ−Ｚｎ系フェライトからなり、４ｍｍ×４ｍｍ×３ｍｍの角柱状の脚部が３ｍｍ間隔で配置されて形成されている。コイルに供給する交流電流は、２０ｋＨｚ、３．５ｍＡとした。

【0060】

表面特性評価装置により検出された表面特性信号の電圧は、未処理材の０．７９Ｖに対して表面処理材では０．７１Ｖと低下していた。

【0061】

図４に表面処理材における残留応力の深さ方向の分布を示す。残留応力は、表面処理材を電解研磨によって数μｍずつ研磨しながらＸ線応力測定法により測定した。図５に示すように表面処理材では未処理材に比べ大きな圧縮残留応力が深さ１５μｍをピークに付与されていることがわかる。

【0062】

ＳＣＨ４２０Ｈガス浸炭材には残留オーステナイトが存在し、ショットピーニング処理によってマルテンサイト変態するため残留オーステナイト量は減少する。図５に残留オーステナイト量の深さ方向の分布を示す。図５に示すように表面処理材では未処理材に比べ残留オーステナイト量が大きく減少していることがわかる。

【0063】

圧縮の残留応力が付与された場合、残留オーステナイト量の低減による透磁率変化に比べ、逆磁歪効果による磁気特性変化の方が支配的であり、表面処理材全体の透磁率変化としては減少している。
表面特性信号の電圧変化は透磁率変化と対応しており、本発明の表面特性評価装置により、残留応力の精度良い評価が可能であることが確認された。

【0064】

（実施例２）
本実施例では、熱処理により硬度を変化させた鋼材（ＳＫＳ３）を用いて、鋼材の硬度に対する表面特性信号の評価を行った。

【0065】

硬度の評価は、Ｅ字型コアの磁気センサを表面に接触させて行った。コイルに供給する交流電流は、２０ｋＨｚ、３．５ｍＡとした。

【0066】

図６にビッカース硬度と表面特性信号の電圧（装置出力）との関係を示す。ビッカース硬度が高くなる程、対応して表面特性信号の電圧が低下する傾向が認められ、本発明の表面特性評価装置により、硬度の精度良い評価が可能であることが確認された。

【0067】

（実施例３）
本実施例では、磁気センサを被検査対象に接触させる効果について評価した。

【0068】

評価試料及び条件は実施例１と同じである。コアを接触させず、評価試料表面からの距離が１ｍｍとなるように配置した場合、表面特性信号は０．２Ｖと十分な信号強度であったが、コアを接触させた場合の表面特性信号は０．８Ｖと大幅に増大した。これにより、磁気センサのコアを被検出対象に接触させることにより表面特性信号の強度が増大し、検出感度を向上させることができることが確認された。

【0069】

（実施例４）
本実施例では、窒化処置により窒化層を設けた鋼材を用いて、窒化層の厚みに対する表面特性信号の評価を行った。鋼材（ＳＫＤ６１）をＮＨ３雰囲気中で５００〜６００℃にて加熱することにより、厚みが１．５μｍ〜１０．０μｍの窒化層を設けた。

【0070】

評価は、Ｅ字型コアの磁気センサを表面に接触させて行った。コイルに供給する交流電流は、２０ｋＨｚ、３．５ｍＡとした。

【0071】

表面特性評価装置により検出された表面特性信号の電圧は、図７に示すように窒化層の厚みが増加するに従って増加していた。これにより、窒化層の厚みの精度良い評価が可能であることが確認された。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】