涡流测量中的频率选择方法以及淬火深度测量方法

摘要

本发明的课题是提供一种涡流测量中的频率选择方法，可以降低或排除测量精度的温度依赖性，并且适当且容易地选择用于涡流测量的交流励磁信号的不同的两种频率的组合。通过励磁线圈(111)对测量对象物(102)施加不同的三种以上频率的交流励磁信号以使感应电流产生，并通过检测线圈(121)来检测对应于各频率的检测信号，基于对应于各频率的检测信号来计算出对应于各频率的交流励磁信号和检测信号的相位差，在对应于各频率的交流励磁信号和检测信号的相位差之中抽取相位差之差处于规定范围的两种频率的组合，通过将该组合中的两种频率之中较低一方的频率设为第一频率并且将较高一方的频率设为第二频率来选择两种频率的组合。

说明书

技术领域

本发明涉及利用涡电流以非接触方式(非破坏)对测量对象物进行测量的技术，例如对通过实施淬火处理而在由钢铁材料构成的部件等表面上所形成的淬火层的深度(淬火深度)进行测量的技术。

更详细而言，涉及适当地选择用于使上述涡电流产生的感应电流的频率的技术。

背景技术

以往，作为对通过淬火处理而在由钢铁材料构成的部件等表面上所形成的淬火层的深度(淬火深度)进行测量的方法，已知有切断在同一批次实施了淬火处理的部件等的一部分以进行该切断面的组织观察、或者对该切断面上的维氏硬度在深度方向上的分布进行测量这一方法。

但是，该方法存在如下各种问题：(1)因包含将可作为产品的部件等的一部分进行切断的步骤，故不得不在测量后将切断后的测量对象物废弃，而成为产品合格率低下的原因；(2)因经过切断、切断面的处理(研磨、蚀刻等)、利用电子显微镜等的切断面的观察或者利用维氏硬度计的硬度测量之类的一系列步骤而进行，故测量所需的时间较长；(3)因上述理由而不可能适用于全部数量的检查；(4)基于抽样检查对全部数量的品质保证本来就有限度，根据测量对象物的测量结果必须将在同一批次实施了淬火处理的部件等全部作为不合格品来处理，这也成为产品合格率低下的原因。

作为解决这种问题的方法，曾研究过利用所谓的涡流传感器以非接触方式进行的淬火深度的测量。例如如专利文献1以及专利文献2中的记载。

专利文献1中记载的方法中，通过被插通于测量对象物中的涡流传感器的励磁线圈产生交流磁场，并通过该交流磁场在测量对象物的表面产生涡电流，通过被插通于测量对象物中的涡流传感器的检测线圈以输出电压的形式来检测由该涡电流产生的感应磁场的大小，通过比较由同种材料构成的已知测量对象物的淬火深度和输出电压的关系与该检测线圈的输出电压来测量淬火层的深度。

专利文献2中记载的方法中，在被插通于测量对象物中的涡流传感器的励磁线圈上施加多个不同频率的交流电压(交流励磁信号)，通过励磁线圈在测量对象物的表面产生涡电流，并检测起因于该涡电流的感应磁场的大小作为被插通于测量对象物中的涡流传感器的检测线圈的输出电压(检测信号)，基于交流励磁信号和检测信号的振幅比来对测量对象物的硬度在深度方向上的分布进行测量，并且基于检测信号相对于交流励磁信号的相位差来对测量对象物的淬火深度进行测量。

专利文献2中记载的方法可以以非接触方式同时测量测量对象物的硬度在深度方向上的分布以及淬火深度这两者，且可以适用于全部数量检查。

但是，专利文献1以及专利文献2中记载的方法中，若因测量对象物的批量变动或测量环境的变动等而使测量对象物测量时的温度变动，则会导致淬火深度的测量结果变动，而存在难以高精度地测量淬火深度之类的问题。

这是源于若测量对象物的温度变动则测量对象物的导磁率及导电率变化，进而检测线圈的输出电压(检测信号)变动的情况。

在测量对象物为由实施了高频淬火的钢铁材料组成的驱动轴时，该驱动轴的制造工厂的环境温度在盛夏的白天(35℃左右)和寒冬的早晨(5℃左右)有约30℃的温度变动，即便是同日在昼夜也有较大的温度变动。

另外，由于刚实施了高频淬火后的驱动轴比起环境温度为高温，故例如在临时停产的制造工厂重新运转时等、从实施淬火到开始淬火深度测量所需要的时间与通常运转时不同的情况下，淬火深度测量时的驱动轴的温度发生变动。

作为防止这种温度变动所引起的淬火深度的测量精度低下的方法，可以考虑如下方法等，即：(1)通过利用空调设备将测量对象物、测量装置及其周围的环境温度保持于恒定来进行淬火深度测量；(2)在进行淬火深度测量以前对测量对象物的温度进行测量，并基于该测量温度来修正淬火深度的测量结果。

但是，上述方法(1)具有设备成本大、又无法在测量对象物、测量装置及其周围的环境温度被保持于恒定以前进行测量(作业效率不好)之类的问题。

另外，上述方法(2)因在淬火深度测量外还要进行测量对象物的温度测量，故具有工时数增大之类的问题。特别是，由于在短时间进行温度测量一般而言有困难(需要进行保持直到测量温度达到平衡状态为止)，所以每一个测量对象物的淬火深度测量所需要的时间变长，适用于测量对象物的制造步骤中的全部数量检查等就有困难。

作为解决上述问题的方法，发明人获得了如下见解，即：通过励磁线圈对驱动轴施加不同的两种频率的交流励磁信号以使在驱动轴上产生分别对应于不同的两种频率的由涡电流组成的感应电流，并通过检测线圈来检测出起因于分别对应于不同的两种频率的感应电流的检测信号，基于对应于不同的两种频率之中一方的检测信号的振幅值、对应于不同的两种频率之中一方的交流励磁信号和检测信号的相位差、对应于不同的两种频率之中另一方的检测信号的振幅值、以及对应于不同的两种频率之中另一方的交流励磁信号和检测信号的相位差来计算以下数学式1所示的差值D，并基于该差值D来测量驱动轴的淬火深度，通过实施进行这样一系列作业的方法，不论环境温度以及驱动轴自身的温度变化如何都可以非接触(非破坏)且高速地测量驱动轴的淬火深度，进而还可以适用于测量对象物的全部数量检查(中期检查：in-line inspection)。

[数学式1]

$D=\frac{\sqrt{{X_1}^2+{Y_1}^2}-\sqrt{{X_2}^2+{Y_2}^2}}{\sqrt{{X_2}^2+{Y_2}^2}}$

但是，上述方法具有以下问题。

即，在上述方法中为了确保充分的测量精度就需要适当地选择驱动轴上所施加的交流励磁信号的不同的两种频率的组合，但选择不同的两种频率的组合这一作业实际上必须通过尝试错误法(具体而言，就是对于测量对象物的多个测量部位一边各种各样地变更频率的组合一边取得检测信号，并比较基于其而计算出淬火深度的结果、和实际地切断测量部位通过显微镜观察或者维氏硬度测量而求出的淬火深度)来进行选择，为了选择适当的两种频率的组合就需要巨大的劳力以及时间。

另外，若测量对象物的形状或者测量部位变化则这种适当的两种频率的组合将发生变动，因此必须对每个测量对象物或者每个测量部位进行选择适当的两种频率的组合这一作业。

在选择上述频率的组合这一作业中伴随尝试错误法的原因是源于与测量时的环境温度以及测量对象物的温度变动相伴随的测量精度低下，而希望弄清楚测量精度的温度依赖性的机理，并可以按照一定的法则高效率地减低或排除测量精度的温度依赖性的频率组合的选择方法。

专利文献1：JP特开2002-14081号公报

专利文献2：JP特开2004-108873号公报

发明内容

本发明就是鉴于如上状况而完成的，其目的是提供一种涡流测量中的频率选择方法，其可以一面减低或排除测量精度的温度依赖性，一面适当且容易地选择被用于涡流测量的交流励磁信号的不同的两种频率的组合

本发明要解决的技术课题如上所述，接着说明用于解决这一课题的技术方案。

本发明第一技术方案涉及的涡流测量中的频率选择方法中，通过励磁线圈对测量对象物施加第一频率以及不同于上述第一频率的第二频率的交流励磁信号以使上述测量对象物产生分别对应于上述第一频率以及上述第二频率的由涡电流组成的感应电流，并通过检测线圈来检测起因于分别对应于上述第一频率以及上述第二频率的感应电流的检测信号，基于对应于上述第一频率的检测信号的振幅值Y1、对应于上述第一频率的交流励磁信号和检测信号的相位差X1、对应于上述第二频率的检测信号の振幅值Y2、以及对应于上述第二频率的交流励磁信号和检测信号的相位差X2来计算出数学式1所示的差值D，并基于上述差值D对测量对象物进行测量。

在上述频率选择方法中，具有：频率选择用励磁及检测步骤，其通过上述励磁线圈对上述测量对象物施加不同的三种以上频率的交流励磁信号以使上述测量对象物产生分别对应于上述不同的三种以上频率的感应电流，并通过上述检测线圈来检测出起因于分别对应于上述不同的三种以上频率的感应电流的检测信号；相位差计算步骤，其基于在上述频率选择用励磁及检测步骤中检测出的起因于分别对应于上述不同的三种以上频率的感应电流的检测信号，来计算出分别对应于上述不同的三种以上频率的交流励磁信号和检测信号的相位差；频率抽取步骤，其在上述相位差计算步骤中计算出的上述不同的三种以上频率之中、抽取上述相位差之差处于规定范围的两种频率的组合，将该组合中的两种频率之中较低一方的频率设为上述第一频率并且将较高一方的频率设为上述第二频率。

[数学式1]

$D=\frac{\sqrt{{X_1}^2+{Y_1}^2}-\sqrt{{X_2}^2+{Y_2}^2}}{\sqrt{{X_2}^2+{Y_2}^2}}$

最好是，在本发明的频率选择方法中，通过将上述差值D代入到数学式2所示的差值D、测量对象物的淬火深度H、常数A以及常数B的关系式来计算出上述测量对象物的淬火深度H。

[数学式2]

D＝A×H³+B

本发明的第二技术方案涉及的淬火深度测量方法具有：励磁及检测步骤，其通过励磁线圈对测量对象物施加第一频率以及不同于上述第一频率的第二频率的交流励磁信号以使上述测量对象物产生分别对应于上述第一频率以及上述第二频率的由涡电流组成的感应电流，并通过检测线圈来检测出起因于分别对应于上述第一频率以及上述第二频率的感应电流的检测信号；差值计算步骤，其基于对应于上述第一频率的检测信号的振幅值Y1、对应于上述第一频率的交流励磁信号和检测信号的相位差X1、对应于上述第二频率的检测信号的振幅值Y2、以及对应于上述第二频率的交流励磁信号和检测信号的相位差X2来计算出数学式1所示的差值D；淬火深度计算步骤，其通过将在上述差值计算步骤中计算出的差值D代入到数学式2所示的差值D、测量对象物的淬火深度H、常数A以及常数B的关系式，来计算出上述测量对象物的淬火深度H。

根据作为本发明第一技术方案的频率选择方法，起到能够降低或排除测量精度的温度依赖性，并且适当且容易地选择用于涡流测量的交流励磁信号的不同的两种频率的组合的效果。

根据作为本发明第二技术方案的淬火深度测量方法，起到能够以非接触方式高精度地测量测量对象物的淬火深度的效果。

附图说明

图1是表示适用了本发明涉及的涡流测量中的频率选择方法一实施方式以及本发明涉及的淬火深度测量方法一实施方式的淬火深度测量装置的图。

图2是表示测量对象物的结晶组织、硬度以及导磁率和自表面的距离之间的关系的图。

图3是表示上述淬火深度测量装置的测量原理的图。

图4是表示交流励磁信号和检测信号的关系的图。

图5是表示上述涡流测量中的频率选择方法一实施方式的流程图。

图6是表示相位差X和振幅值Y之间的关系的图。

图7是表示上述淬火深度测量方法一实施方式的流程图。

图8是表示淬火深度H和差值D之间的关系的图。

图9是表示相位差X和淬火深度H的关系的图。

具体实施方式

下面，使用图1对适用了本发明涉及的涡流测量中的频率选择方法一实施方式以及本发明涉及的淬火深度测量方法一实施方式的淬火深度测量装置100的装置构成进行说明。

淬火深度测量装置100对测量对象物102的淬火深度进行测量，主要具备励磁部110、检测部120以及控制装置130。

这里，“淬火深度”相当于日本工业标准“钢的火焰淬火以及高频淬火硬化层深度测量方法(JIS G 0559)”中所示的“有效硬化层深度”(在碳浓度为0.45wt％的钢的情况下，维氏硬度为450Hv的深度)，但本发明涉及的淬火深度并不限定于此，既可以是同一日本工业标准“钢的火焰淬火以及高频淬火硬化层深度测量方法(JIS G 0559)”中所示的“全硬化层深度(从硬化层的表面到与质地(母层)的物理性质(硬度)或化学性质(宏观组织)的差异无法区别这一位置的深度)”，也可以按其他方法而定。

测量对象物102由钢铁材料等金属材料组成，是预先实施了淬火处理的部件等。

本实施方式的测量对象物102为用于汽车的驱动力传递机构的驱动轴，它是对机械构造用碳钢即S45C(碳浓度：约0.45wt％)实施了高频淬火的部件，但本发明涉及的测量对象物的形状(部件的种类等)以及材质并不限定于此，还广泛包含由可实施淬火处理的金属材料(主要是钢铁材料)组成的部件等。

另外，适用了本发明涉及的涡流测量中的频率选择方法的涡流测量的测量对象物并非如本实施方式那样限定于“实施了淬火处理的部件”，还包含由各种金属材料组成的物品。作为本发明涉及的测量对象物的其他实施方式，可列举在表面上实施了渗碳处理的物品和在表面上实施了氮化处理的物品等。

励磁部110通过使交流磁场作用于测量对象物102而在测量对象物102上(更严格而言，是在测量对象物102的表面以及内部)产生感应电流。

励磁部110具备励磁线圈111、交流电源112等。

励磁线圈111是本发明涉及的励磁线圈的一实施方式。

励磁线圈111是由导电体组成的线圈，通过施加多个不同频率Fa、Fb…、Fx的交流励磁信号而在测量对象物102上产生与各频率相对应的感应电流(涡电流)。

这里，“施加交流励磁信号”是指在励磁线圈上施加具有规定频率的规定振幅的交流电压。

在励磁线圈111的两端分别形成端子111a、111b。

此外，虽然在本实施方式中，如图1所示采取以将测量对象物102插通于励磁线圈111的状态在励磁线圈111上施加交流励磁信号的构成，但本发明涉及的淬火深度测量装置并不限定于此，例如还可以采取以将励磁线圈配置于从平板状的测量对象物的板面离开规定距离的位置的状态在该励磁线圈上施加交流励磁信号的构成。

交流电源112通过产生具有规定频率的规定振幅的交流电压，在励磁线圈111上施加交流励磁信号(交流电压)。交流电源112连接到励磁线圈111的端子111a、111b上。

另外，交流电源112可以在5Hz以上30kH以下的范围变更交流电压的频率，可以有选择性地在励磁线圈111上施加处于5Hz以上30kH以下的范围内的多个频率Fa、Fb、…、Fx的交流励磁信号(交流电压)。

此外，虽然本实施方式的淬火深度测量装置100的励磁线圈上施加的交流励磁信号的频率范围为5Hz以上30kHz以下，但本发明并不限定于此，还可以依照测量对象物的材质、大小、形状等适宜选择交流励磁信号的频率范围。

检测部120对起因于在测量对象物102上(更严格而言，是在测量对象物102的表面以及内部)产生的感应电流的感应电压(检测信号)进行检测。

检测部120主要具备检测线圈121、电压计122等。

检测线圈121是本发明涉及的检测线圈一实施方式。

检测线圈121是插通于被测量对象物102中的线圈，并对起因于在测量对象物102上(更严格而言，是指测量对象物102的表面以及内部)产生的感应电流的检测信号进行检测。

在检测线圈121的两端分别形成端子121a、121b。

检测线圈121以及励磁线圈111被配置成两者的中心轴为大致一直线。

此外，虽然在本实施方式中如图1所示地采取了以将测量对象物102插通于检测线圈121这一状态对检测信号进行检测的构成，但本发明涉及的淬火深度测量装置并不限定于此，例如还可以采取以将检测线圈配置于从平板状的测量对象物的板面离开规定距离的位置这一状态对检测信号进行检测的构成。

电压计122连接到端子121a、121b上，并将由测线圈121检测出的检测信号(感应电压)变换成规定的数字信号。

此外，虽然本实施方式是将作为励磁线圈的励磁线圈111和作为检测线圈的检测线圈121容纳于同一框体105，并使框体105、励磁线圈111以及检测线圈121合在一起作为“涡流传感器”的构成，但本发明并不限定于此，还可以是将励磁线圈以及检测线圈分别容纳于不同框体的构成。

控制装置130对淬火深度测量装置100的动作进行控制，并且基于来自检测部120的检测信号来计算出测量对象物102的淬火深度(取得淬火深度的测量结果)。

控制装置130主要具备控制部131、输入部132、显示部133等。

控制部131能够保存各种程序等，能够将这些程序等进行展开，能够按照这些程序等进行规定的运算，并能够存储该运算的结果等。

控制部131在实体上既可以是CPU、ROM、RAM、HDD等通过总线相互进行连接的构成，还可以是或者由单片LSI等组成的构成。

虽然本实施方式的控制部131为专用品，但还可以通过市场上销售的个人计算机或工作站等保存上述程序等的装置来实现。

控制部131连接到交流电源112，并可通过对交流电源112发送规定的控制信号来变更交流电源112的交流励磁信号的频率以及振幅。

另外，控制部131连接到电压计122，并可取得“将由检测线圈121检测出的检测信号(感应电压)进一步通过电压计122变换成规定的数字信号的信号”。

控制部131在功能上具备存储部131a、频率变更部131b、差值计算部131c、淬火深度计算部131d、判断部131e、选择用频率变更部131f、相位差计算部131g以及选择用频率抽取部131h。

在实体上，控制部131通过按照被保存在控制部131中的程序进行规定的运算等，起到作为存储部131a、频率变更部131b、差值计算部131c、淬火深度计算部131d、判断部131e、选择用频率变更部131f、相位差计算部131g以及选择用频率抽取部131h的作用。

通过控制部131之中、存储部131a、选择用频率变更部131f、相位差计算部131g以及选择用频率抽取部131h协同动作，而进行构成本发明涉及的涡流测量中的频率选择方法一实施方式的各步骤。

通过控制部131之中、存储部131a、频率变更部131b、差值计算部131c、淬火深度计算部131d以及判断部131e协同动作，而进行构成本发明涉及的淬火深度计算方法一实施方式的各步骤。

后面对存储部131a、频率变更部131b、差值计算部131c、淬火深度计算部131d、判断部131e、选择用频率变更部131f、相位差计算部131g以及选择用频率抽取部131h各自的具体功能进行叙述。

输入部132连接到控制部131，并对控制部131输入基于淬火深度测量装置100的与淬火深度测量有关的各种信息、指示等。

虽然本实施方式的输入部132为专用品，但是例如采用市场上销售的键盘、鼠标、指示器、按钮、开关等也可以达到同样的效果。

显示部133显示例如从输入部132向控制部131的输入内容、淬火深度测量装置100的动作状况、测量对象物102的淬火深度的测量结果等。

虽然本实施方式的显示部133为专用品，但是例如采用市场上销售的液晶显示器(LCD：Liquid Crystal Display)或CRT显示器(Cathode Ray Tube Display)等也可以达到同样的效果。

虽然本实施方式采取将输入部132和显示部133分体的构成，但本发明并不限定于此，例如还可以是如触摸面板那样兼具输入信息的功能和显示信息的功能的构成(将输入部和显示部一体化的构成)。

下面，使用图2到图4对淬火深度测量装置100的测量原理进行说明。

图2是表示实施了淬火处理的测量对象物102的结晶组织(层)、硬度以及导磁率和自测量对象物102表面的距离(深度)的关系的示意图。

如图2所示，测量对象物102的结晶组织从表面起依次由硬化层1、边界层2、母层3这三层构成。

硬化层1是形成在测量对象物102的表面附近的层，即为淬火处理时的冷却速度最大的部分。

硬化层1的主要结晶组织为马氏体(martensite)。

边界层2是在自表面的距离大于硬化层1且淬火处理时的冷却速度小于硬化层1的部分上所形成的层。

在本实施方式中，构成测量对象物102的材料即S45C被分类为中碳钢(碳浓度为0.45wt％左右)，边界层2的主要结晶组织是由托氏体(troostite)以及索氏体(sorbite)组成的细微珠光体(fine pearlite)、热影响层等。

此外，构成边界层的结晶组织根据构成测量对象物的材料的组成而异，并不限定于本实施方式。

作为可构成边界层的结晶组织的其他例，可列举上部贝氏体(upper bainite)以及下部贝氏体(lower bainite)等。

母层3是在自表面的距离大于边界层2且淬火处理时的冷却速度小于边界层2的部分上所形成的层。

在本实施方式中，构成测量对象物102的材料即S45C被分类为中碳钢，母层3的主要结晶组织是珠光体(pearlite)以及铁素体(ferrite)的混合组织。

此外，构成母层的结晶组织根据构成测量对象物的材料的组成而异，并不限定于本实施方式。

作为可构成母层的结晶组织的其他例，可列举珠光体组织、铁素体和渗碳体的混合组织等。

如图2所示，测量对象物102的硬度(维氏硬度)和结晶组织有密切的关系。

构成硬化层1的马氏体一般而言因结晶粒径较小且位错密度较大故硬度较高。但是，硬化层1的硬度一般而言即便自表面的距离变化也几乎不变化。本实施方式的硬化层1的硬度按维氏硬度为600～700(Hv)左右。

构成边界层2的细微珠光体及热影响层与构成硬化层1的马氏体相比，一般而言因结晶粒径较大且位错密度也较小，故硬度也相对较低。

另外，自表面的距离越大(变深)，边界层2的硬度越小。

构成母层3的珠光体以及铁素体的混合组织与构成边界层2的细微珠光体及热影响层相比，一般而言因结晶粒径较大，故硬度也相对较低。但是，母层3的硬度一般而言即便自表面的距离变化也几乎不变化。本实施方式的母层3的硬度按维氏硬度为300(Hv)左右。

如图2所示，测量对象物102的导磁率和结晶组织有密切的关系。这是因为，一般而言若测量对象物102的结晶粒径变小，则测量对象物102的导磁率有变低的倾向，并且钢铁材料是若结晶粒径变小则其硬度有变大的倾向。从而，测量对象物102的导磁率和硬度处于大致反比例的关系。

硬化层1的导磁率较低，一般而言即便自表面的距离变化也几乎不变化。

边界层2的导磁率较之于硬化层1相对较大，自表面的距离越大(变深)该导磁率越大。

母层3的导磁率较之于硬化层1以及边界层2相对较大，一般而言即便自表面的距离变化也几乎不变化。

如图3所示，若在测量对象物102配置于励磁线圈111以及检测线圈121附近的状态下，对励磁线圈111施加多个频率Fa、Fb、…、Fx的交流励磁信号，则在励磁线圈111的周围产生磁场，并在测量对象物102的表面以及内部(特别是，周围被励磁线圈111所包围的部分)产生感应电流(涡电流)。

然后，因该感应电流而产生的磁通贯通检测线圈121，由此在检测线圈121上产生检测信号(感应电压)。

另外，因表皮效应，励磁线圈111上施加的交流励磁信号的频率越大(变高)，感应电流(涡电流)越集中在测量对象物102的表面，感应电流(涡电流)的浸透深度δ有越变小的倾向(δ＝(π×Fn×μ×σ)^-0.5；μ是导磁率，σ是导电率)。

亦即，通过变更交流励磁信号的频率可以变更感应电流(涡电流)的浸透深度δ。此外，感应电流(涡电流)的浸透深度δ与自测量对象物表面的深度相对应。

另外，交流励磁信号和检测信号的相位差X具有与自表面的深度d成比例，且与浸透深度δ成反比例的倾向(X＝d/δ)。

如图4所示，检测信号具有规定的振幅值Y，并且相对于交流励磁信号具有规定的相位差X。

测量对象物102的导磁率与(1)检测信号的振幅值Y以及(2)检测信号相对于交流励磁信号的相位差X具有相关关系。

从而，一边适当变更交流励磁信号的频率一边检测对应于该频率的检测信号，以求出该检测信号的振幅值Y及相位差X，就相当于在测量对象物102中求出自表面的深度对应于交流励磁信号的各频率下的浸透深度的部分的导磁率。

这样，通过求出测量对象物102的交流励磁信号的频率(进而浸透深度)和对应于该频率的检测信号的振幅值Y以及相位差X之间的关系，可以以非接触方式(非破坏)求出测量对象物102的淬火深度。

下面，使用图1、图5以及图6，对本发明涉及的涡流测量中的频率选择方法一实施方式进行说明。

本发明涉及的涡流测量中的频率选择方法一实施方式是选择由淬火深度测量装置100进行测量对象物102的淬火深度测量中所用的两个频率(第一频率以及第二频率)的组合的方法，并在由淬火深度测量装置100进行测量对象物102的淬火深度测量之前进行。

如图5所示，本发明涉及的涡流测量中的频率选择方法一实施方式具备：频率选择用励磁及检测步骤S1100、相位差计算步骤S1200以及频率抽取步骤S1300。

频率选择用励磁及检测步骤S1100是如下步骤，即通过励磁线圈111对测量对象物102施加不同的三种以上频率的交流励磁信号以在测量对象物102上产生分别对应于不同的三种以上频率的感应电流，并通过检测线圈121来检测起因于分别对应于不同的三种以上频率的感应电流的检测信号。

在频率选择用励磁及检测步骤S1100中，控制部131的选择用频率变更部131f发送控制信号，该控制信号表示对交流电源112按顺序施加频率Fa、Fb、…、Fx共计24种频率(参照图6)的交流励磁信号的意思。

从控制部131的选择用频率变更部131f接收到控制信号的交流电源112按照该控制信号，对励磁线圈111施加频率Fa、Fb、…、Fx共计24种频率的交流电压，励磁线圈111对测量对象物102按顺序施加频率Fa、Fb、…、Fx共计24种频率的交流励磁信号。

其结果，在测量对象物102上按顺序产生对应于各频率的感应电流(涡电流)。此时，检测线圈121检测出对应于各频率的检测信号。

由检测线圈121检测出的检测信号在通过电压计122被变换成规定的数字信号(控制部131可取得形式的数字信号)的基础上被发送到控制部131。

被发送到控制部131的检测信号通过控制部131的存储部131a来进行存储。

此时，由存储部131a存储的检测信号具有“对应的频率”、“振幅值”、以及“相位”作为参数。

存储部131a存储在由控制部131进行控制及运算等上所用的各种参数(数值)、动作状况的历史记录、运算结果(计算结果)等。

存储部131a在实体上由HDD(硬盘驱动器)、CD-ROM、DVD-ROM等存储介质组成。

频率选择用励磁及检测步骤S1100结束，则转移到相位差计算步骤S1200。

相位差计算步骤S1200是如下步骤，即基于在频率选择用励磁及检测步骤S1100中检测出的“起因于分别对应于不同的三种以上频率的感应电流的检测信号”，来计算分别对应于不同的三种以上频率的交流励磁信号和检测信号的相位差。

在相位差计算步骤S1200中，相位差计算部131g基于存储部131a所存储的“交流电源112的动作历史记录”以及“由检测线圈121检测出的检测信号”，来计算分别与频率Fa、Fb、…、Fx共计24种频率有关的交流励磁信号和检测信号的相位差(检测信号相位相对于交流励磁信号相位的偏移)Xa、Xb、…、Xx。

计算出的相位差Xa、Xb、…、Xx通过控制部131的存储部131a来进行存储。此时，相位差Xa、Xb、…、Xx与对应的频率关联起来进行存储。

相位差计算步骤S1200结束，则转移到频率抽取步骤S1300。

如图6所示，在本实施方式中，将对应于各频率的检测信号描绘在相位差-振幅值平面(以交流励磁信号和检测信号的相位差X为横轴并且以振幅值Y为纵轴的平面)上，若按频率从低到高的顺序(按Fa、Fb、…、Fx的顺序)将这些经过描绘的点用折线连接起来，则该折线表示出以下倾向。

在频率比较低的区域(Fa～Fk)中，折线沿相位差的负方向呈稍微凸的形状。亦即，随着频率增大的相位差变动量比较小，随着频率增大的感应电流的振幅值(检测信号的振幅值)的增大量比较大。另外，相位差表示出负的值。

在频率为中间的区域(Fl～Ft)中，折线沿振幅值的正方向呈凸的形状。亦即，随着频率增大的感应电流的振幅值(检测信号的振幅值)的变动比较小，随着频率增大的相位差的增大量比较大。

在频率比较高的区域(Fu～Fx)中，折线沿相位差的正方向呈稍微凸的形状。亦即，随着频率增大的相位差变动量比较小，随着频率增大的感应电流的振幅值(检测信号的振幅值)的减少量比较大。

如图6所示，在本实施方式中，针对周围的环境温度为5℃(设想冬天的工厂内的气氛温度)、25℃(设想春天以及秋天的工厂内的气氛温度)以及45℃(设想夏天的工厂内的气氛温度)这三种情况，分别描绘出分别进行了频率选择用励磁及检测步骤S1100以及相位差计算步骤S1200的结果。此外，测量对象物102的温度被设定为与周围环境温度相同的温度。

如图6所示，在频率比较低的区域(Fa～Fk)中，对应于同一频率的描绘点的位置，即便温度变化也几乎相同(相位差以及振幅值的温度依赖性小)。

相对于此，在频率为中间的区域(Fl～Ft)中，对应于同一频率的描绘点的位置因温度变化而表现出稍微波动的倾向。

另外，在频率比较高的区域(Fu～Fx)中，对应于同一频率的描绘点的位置因温度而波动很大(相位差以及振幅值的温度依赖性大)。

作为发现如图6示的倾向的原因，一般而言可列举出：频率比较低的区域(Fa～Fk)因对应于自测量对象物102表面的距离比较大(深)的部分故导磁率是支配性的，相对于此，频率比较高的区域(Fu～Fx)因对应于自测量对象物102表面的距离比较小(浅)的部分故导电率是支配性的；以及导电率用电阻率的倒数来表示并且电阻率一般而言是温度的函数(具有温度依赖性)。

另外，图6所示的相位差-振幅值平面的作为横轴的相位差X用以下的数学式3所示的关系式来表示，作为纵轴的振幅值Y用以下的数学式4所示的关系式来表示。

[数学式3]

X≒V_R＝R×I

[数学式4]

Y≒V_L＝ω×L×I＝2πF×L×I

这里，数学式3中的R表示检测线圈121的电阻分量，数学式3中的VR表示检测线圈121的两端电动势，数学式4中的ω表示检测线圈121的角频率，数学式4中的L表示检测线圈121的电感分量，数学式3以及数学式4中的I表示流经检测线圈121的电流值。

这样，图6所示的相位差-振幅值平面实质上处于与检测线圈121的阻抗平面相似的关系。

在涡流测量中成为问题的测量结果的温度依赖性起因于检测线圈121以及测量对象物102的阻抗中的电阻分量的温度依赖性。

从而，通过选择可以将检测线圈121以及测量对象物102的阻抗中的电阻分量抵消的频率组合，可以解决涡流测量中的测量结果的温度依赖性这一问题。

频率抽取步骤S1300是如下步骤，即在相位差计算步骤S1200中计算出的分别对应于“不同的三种以上频率(在本实施方式中为Fa、Fb、…、Fx)”的交流励磁信号和检测信号的相位差(在本实施方式中为Xa、Xb、…、Xx)之中、抽取相位差之差处于规定范围的两种频率的组合，并将该组合中的两种频率之中较低一方的频率设为由淬火深度测量装置100进行测量对象物102的淬火深度测量时所用的“第一频率”，并且将较高一方的频率设为“第二频率”。

在频率抽取步骤S1300中，控制部131的选择用频率抽取部131h对于全部组合计算出存储部131a中所存储的检测信号的相位差Xa、Xb、…、Xx之差(具体而言，计算Xa-Xb、Xa-Xc、…、Xv-Xx、Xw-Xx)。在本实施方式的情况下，由于从共计24种相位差之中选择两种来计算出两者之差，所以所计算出的相位差之差的值存在276个(＝24×23/2)。

接着，选择用频率抽取部131h抽取所计算出的相位差之差的值处于“规定范围”(在规定范围的下限值以上且上限值以下)的两种频率的组合。

这里，所希望的是“规定范围”包含零、且选择其下限值以及上限值尽量接近零的值。这是因为，相位差之差越接近零(相位差之差的绝对值越小)，则将图6所示的相位差-振幅值平面上的分别对应于两种频率的描绘点连结起来的矢量(白箭头)的横轴方向的分量(具有与阻抗中的电阻分量相似关系的分量)越接近零，进而检测线圈121以及测量对象物102的阻抗中的电阻分量被抵消。

在本实施方式的情况下，抽取出相位差X的值接近的“频率Fb和Fj的组合”、“频率Fd和Fi的组合”以及“频率Ff和Fh的组合”共计三个组合，作为“相位差之差的值处于规定范围的组合”(参照图6)。

接下来，选择用频率抽取部131h在所抽取出的三个“相位差之差的值处于规定范围的组合”之中、将包含脱离测量对象物102的淬火深度的假设范围的频率这一组合排除在外，进一步抽取频率之差最大的组合，并将所抽取出的组合中的两种频率之中较低一方的频率设为“第一频率”并且将较高一方的频率设为“第二频率”。

这里，“测量对象物102的淬火深度的假设范围”是指按照通常的作业过程对测量对象物102实施淬火处理时可推定的淬火深度的范围。

在本实施方式的情况下，因“频率Fb和Fj的组合”、“频率Fd和Fi的组合”以及“频率Ff和Fh的组合”均不包含脱离测量对象物102的淬火深度的假设范围的频率，故选择用频率抽取部131h抽取这些组合之中频率之差最大的组合即“频率Fb和Fj的组合”，并将频率Fb选择为第一频率而且将频率Fj选择为第二频率。

第一频率以及第二频率的选择结果由存储部131a进行存储。

通过抽取频率之差最大的组合，可以在利用淬火深度测量装置100进行测量对象物102的淬火深度测量时，极力扩宽在测量对象物102上产生的感应电流的浸透深度的范围，进而使测量结果反映了测量对象物102在深度方向上的宽广范围。

如上所述，本发明涉及的涡流测量中的频率选择方法一实施方式是一种涡流测量中的频率选择方法，其通过励磁线圈111对测量对象物102施加第一频率以及不同于第一频率的第二频率的交流励磁信号以使测量对象物102产生分别对应于第一频率以及第二频率的由涡电流组成的感应电流，并通过检测线圈121来检测起因于分别对应于第一频率以及第二频率的感应电流的检测信号，基于对应于第一频率的检测信号的振幅值Y1、对应于第一频率的交流励磁信号和检测信号的相位差X1、对应于第二频率的检测信号的振幅值Y2、以及对应于第二频率的交流励磁信号和检测信号的相位差X2来计算出数学式1所示的差值D，并基于差值D对测量对象物102(的淬火深度)进行测量，该涡流测量中的频率选择方法具有：频率选择用励磁及检测步骤S1100，其通过励磁线圈111对测量对象物102施加不同的三种以上频率(Fa、Fb、…Fx)的交流励磁信号以使测量对象物102产生分别对应于不同的三种以上频率的感应电流，并通过检测线圈121来检测起因于分别对应于不同的三种以上频率的感应电流的检测信号；相位差计算步骤S1200，其基于在频率选择用励磁及检测步骤S1100中所检测出的“起因于分别对应于不同的三种以上频率的感应电流的检测信号”，来计算出分别对应于不同的三种以上频率的交流励磁信号和检测信号的相位差；频率抽取步骤S1300，其在相位差计算步骤S1200中计算出的分别对应于“不同的三种以上频率(在本实施方式中为Fa、Fb、…、Fx)”的交流励磁信号和检测信号的相位差(在本实施方式中为Xa、Xb、…、Xx)之中，抽取相位差之差处于规定范围的两种频率的组合，并将该组合中两种频率之中较低一方的频率设为利用淬火深度测量装置100进行测量对象物102的淬火深度测量上所用的“第一频率”，并且将较高一方的频率设为“第二频率”。

这种构成具有以下优点。

即，仅仅通过计算出分别与三种以上频率有关的交流励磁信号和检测信号的相位差，并抽取它们的差值处于规定范围的频率的组合，就可以降低或者排除测量精度的温度依赖性的同时容易地选择适当的两种频率，进而可以使选择适当的两种频率的作业省力化(实现选择作业的劳力削减以及时间缩短)。

下面，使用图1、图7、图8以及图9，对本发明涉及的淬火深度测量方法一实施方式进行说明。

本发明涉及的淬火深度测量方法一实施方式是使用淬火深度测量装置100(参照图1)对测量对象物102的淬火深度进行测量的方法。

如图7所示，本发明涉及的淬火深度测量方法一实施方式具备：励磁及检测步骤S6100、差值计算步骤S6200、淬火深度计算步骤S6300以及判断步骤S6400。

励磁及检测步骤S6100是如下步骤，即通过励磁线圈111对测量对象物102施加第一频率(在本实施方式中为频率Fb)以及不同于第一频率的第二频率(在本实施方式中为频率Fj)的交流励磁信号以使测量对象物102产生分别对应于第一频率以及第二频率的由涡电流组成的感应电流，并通过检测线圈121来检测出起因于分别对应于第一频率以及第二频率的感应电流的检测信号。

在励磁及检测步骤S6100中，频率变更部131b基于由存储部131a存储的“第一频率以及第二频率的选择结果”，来对交流电源112发送表示使其产生对应于第一频率的交流电压的意思的控制信号。

交流电源112按照从频率变更部131b接收到的控制信号，按顺序对励磁线圈111施加第一频率(频率Fb)以及第二频率(频率Fj)的交流电压，励磁线圈111按顺序对测量对象物102施加第一频率(频率Fb)以及第二频率(频率Fj)的交流励磁信号。

其结果，在测量对象物102上按顺序产生对应于第一频率(频率Fb)的感应电流(涡电流)以及对应于第二频率(频率Fb)的感应电流。此时，检测线圈121按顺序检测对应于第一频率(频率Fb)的检测信号以及对应于第二频率(频率Fj)的检测信号。

由检测线圈121检测出的对应于第一频率(频率Fb)的检测信号以及对应于第二频率(频率Fj)的检测信号，在通过电压计122被变换成规定的数字信号(控制部131可取得的形式的数字信号)的基础上被发送到控制部131。

被发送到控制部131的对应于第一频率(频率Fb)的检测信号以及对应于第二频率(频率Fj)的检测信号通过控制部131的存储部131a来进行存储。

励磁及检测步骤S6100结束，则转移到差值计算步骤S6200。

差值计算步骤S6200是如下步骤，即基于对应于第一频率(频率Fb)的检测信号的振幅值Y1、对应于第一频率的交流励磁信号和检测信号的相位差X1、对应于第二频率(频率Fj)的检测信号的振幅值Y2、以及对应于第二频率的交流励磁信号和检测信号的相位差X2，来计算出数学式1所示的差值D。

[数学式1]

$D=\frac{\sqrt{{X_1}^2+{Y_1}^2}-\sqrt{{X_2}^2+{Y_2}^2}}{\sqrt{{X_2}^2+{Y_2}^2}}$

在差值计算步骤S6200中，差值计算部131c基于由存储部131a存储的对应于第一频率(频率Fb)的检测信号以及对应于第二频率(频率Fj)的检测信号，分别计算出对应于第一频率的检测线圈121的检测信号的振幅值Y1、对应于第一频率的励磁线圈111的交流励磁信号和对应于第一频率的检测线圈121的检测信号的相位差X1、对应于第二频率的检测线圈121的检测信号的振幅值Y2、以及对应于第二频率的励磁线圈111的交流励磁信号和对应于第二频率的检测线圈121的检测信号的相位差X2。计算出的Y1、X1、Y2以及X2由存储部131a来进行适当存储。

接着，差值计算部131c通过将计算出的Y1、X1、Y2以及X2代入到数学式1所示的差值D与上述Y1、X1、Y2以及X2之间的关系式中而计算出差值D。计算出的差值D由存储部131a来进行适当存储。

差值计算步骤S6200结束，则转移到淬火深度计算步骤S6300。

数学式1所示的差值D是将从以检测信号的振幅值为Y轴、以交流励磁信号和检测信号的相位差为X轴的与第一频率有关的矢量(X1，Y1)的长度((X1²+Y1²)^0.5)减去与第二频率有关的矢量(X2，Y2)的长度((X2²+Y2²)^0.5)而得到的结果，进一步用与第二频率有关的矢量的长度进行除法运算而得到的值。

在与第一频率有关的矢量上反映出自测量对象物102的表面到对应于第一频率的浸透深度为止的结晶组织以及该结晶组织的温度影响。

在与第二频率有关的矢量上反映出自测量对象物102的表面到对应于第二频率的浸透深度为止的结晶组织以及该结晶组织的温度影响。

另外，由于第一频率低于第二频率，所以因第一频率的交流励磁信号而在测量对象物102上产生的感应电流的浸透深度大于(深于)因第二频率的交流励磁信号而在测量对象物102上产生的感应电流的浸透深度。

从而，通过从与第一频率有关的矢量的长度减去与第二频率有关的矢量的长度，可以抵消在与第一频率有关的矢量以及与第二频率有关的矢量上共同包含的信息即自测量对象物102的表面较浅部分的信息，并强调与淬火深度测量有密切关系的信息即淬火深度附近部分的信息。

特别是，由于测量对象物102的温度因测量对象物102的表面和周围气氛之间的热传导而变动，所以有相比于自测量对象物102的表面较深的部分(主体：bulk)而言自表面较浅的部分(表面附近)的温度变动变大的倾向，自测量对象物102的表面较浅的部分(表面附近)对于温度变动所引起的测量精度降低的贡献较大。

从而，抵消在与第一频率有关的矢量以及与第二频率有关的矢量上共同的信息即自测量对象物102的表面较浅部分的信息，这对于抑制因测量对象物102的温度变动所引起的淬火深度的测量精度降低而言效果较大。

另外，通过将从与第一频率有关的矢量减去与第二频率有关的矢量的长度而得到的结果进一步用与第二频率有关的矢量的长度进行除法运算，可以进一步抑制温度变动对于经过强调的“淬火深度附近部分的信息”的影响。

淬火深度计算步骤S6300是如下步骤，即通过将在差值计算步骤S6200中计算出的差值D代入到数学式2所示的差值D、测量对象物102的淬火深度H、常数A以及常数B的关系式中，来计算出测量对象物102的淬火深度H。

[数学式2]

D＝A×H³+B

数学式2中的常数A以及常数B通过预先进行采用了基准测量对象物的实验而求出。

这里，“基准测量对象物”是与测量对象物相同材质、相同形状、且实施了相同热处理的部件等。

在淬火深度计算步骤S6300中，淬火深度计算部131d将由差值计算部131c计算出的差值D代入到数学式2所示的“淬火深度H和差值D之间的关系式(更严格而言是常数A以及常数B)”来计算出淬火深度H。所计算出的淬火深度H由存储部131a进行适当存储。

淬火深度计算步骤S6300结束，则转移到判断步骤S6400。

图8是表示将环境温度设定为5℃、25℃以及45℃时的测量对象物102的多个测量部位每个的淬火深度H和差值D之间的关系的曲线图。此外，图8横轴的淬火深度H是表示通过将测量对象物102的测量部位切断并对切断面进行维氏硬度测量而求出的每个测量部位的淬火深度。

如图8所示，可知在相同测量部位的数据间(横轴的值相同的数据间)即便温度变动差值D的变动也较小，差值D的温度依赖性较小。

另外，如图8所示，在将淬火深度H和差值D的关系用如数学式2所示的三次函数进行了近似的情况下，相比于将淬火深度H和差值D的关系用一次函数(直线)进行了近似的情况，通过将测量对象物102的测量部位切断并对切断面进行维氏硬度测量所求出的每个测量部位的淬火深度则可获得较高的相关性(R2＝0.982)。

即，通过将差值D代入到如数学式2所示的三次函数中并计算出淬火深度H，可以以非接触方式(非破坏方式)高精度地测量测量对象物102的淬火深度H。

将淬火深度H和差值D的关系用如数学式2所示的三次函数进行近似，适合于采用第一频率以及第二频率这两种频率来测量淬火深度H的如本发明的淬火深度测量方法的测量原理。

即，由于第一频率以及第二频率分别对应于向测量对象物102的感应电流不同的两个浸透深度，所以在用三次函数进行了近似的情况下，分别将该三次函数的两个拐点配置于分别对应于第一频率以及第二频率的浸透深度的附近，并对于由这两个拐点所夹着的部分可以进行接近于直线的近似。

另外，对于三次函数之中由两个拐点所夹部分以外的部分，由于示出差值只要变动少许则淬火深度变动很大的倾向，所以在将三次函数之中两个拐点所夹着的部分设定为淬火深度的容许范围，并且将三次函数之中两个拐点所夹部分以外的部分设定为淬火深度的容许范围外的情况下，可以更可靠地检测出淬火深度成为容许范围外的测量对象物。

图9是表示将环境温度设定为5℃、25℃以及45℃时的测量对象物102的多个测量部位每个的相位差X和淬火深度H的关系的曲线图，可知若温度变动则相位差X变动很大且在将相位差X和淬火深度H的关系用一次函数进行了近似时相关性较低(R²＝0.681)，进而即便基于该一次函数来计算出淬火深度H起因于环境温度变动的测量误差也较大。

判断步骤S6400是如下步骤，即对于在淬火深度计算步骤S6300中计算出的淬火深度H和预先设定的容许淬火深度范围进行比较，在淬火深度H处于容许淬火深度范围时，判断为测量对象物102就淬火深度而言是合格品，在淬火深度H未处于容许淬火深度范围时，判断为测量对象物102就淬火深度而言是不合格品。

“容许淬火深度范围”是指作为测量对象物的淬火深度可容许的范围。

“淬火深度处于容许淬火深度范围”是指淬火深度为容许淬火深度范围的下限值以上且容许淬火深度范围的上限值以下的值。

“淬火深度未处于容许淬火深度范围”是指淬火深度为小于容许淬火深度范围的下限值或者大于容许淬火深度范围的上限值的值。

在判断步骤S6400中，判断部131e比较由淬火深度计算部131d计算出的淬火深度H和存储在存储部131a中的容许淬火深度范围的下限值以及上限值。

在上述比较的结果是淬火深度H处于容许淬火深度范围的情况下，判断部131e判断为测量对象物102就淬火深度而言是合格品。

另外，在上述比较的结果是淬火深度H未处于容许淬火深度范围的情况下，判断部131e判断为测量对象物102就淬火深度而言是不合格品。判断部131e对测量对象物102的判断结果由存储部131a进行适当存储。

如上面那样，本发明涉及的淬火深度测量方法一实施方式具有：励磁及检测步骤S6100，其通过励磁线圈111对测量对象物102施加第一频率(在本实施方式中为频率Fb)以及不同于第一频率的第二频率(在本实施方式中为频率Fj)的交流励磁信号以使测量对象物102产生分别对应于第一频率以及第二频率的由涡电流组成的感应电流，并通过检测线圈121来检测起因于分别对应于第一频率以及第二频率的感应电流的检测信号；差值计算步骤S6200，其基于对应于第一频率(频率Fb)的检测信号的振幅值Y1、对应于第一频率的交流励磁信号和检测信号的相位差X1、对应于第二频率(频率Fj)的检测信号的振幅值Y2、以及对应于第二频率的交流励磁信号和检测信号的相位差X2来计算出数学式1所示的差值D；淬火深度计算步骤S6300，其通过将在差值计算步骤S6200中计算出的差值D代入到数学式2所示的差值D、测量对象物102的淬火深度H、常数A以及常数B的关系式，来计算出测量对象物102的淬火深度H。

通过这样地构成，可以以非接触方式(非破坏方式)高精度地测量测量对象物102的淬火深度H。