JPH0894344A

JPH0894344A - 超音波の横波を利用した層厚測定装置

Info

Publication number: JPH0894344A
Application number: JP7054648A
Authority: JP
Inventors: Koichi Ishikawa; 公一石川; Hitoshi Uchiumi; 仁内海
Original assignee: SHINKO KENSA SERVICE KK
Current assignee: SHINKO KENSA SERVICE KK
Priority date: 1994-07-26
Filing date: 1995-03-14
Publication date: 1996-04-12
Also published as: US5635644A; EP0694757A3; EP0694757A2

Abstract

(57)【要約】【目的】結晶粒界で生じた乱反射による横波反射波を
積極的に利用し、材の焼入れ硬化層の深さを測定する。【構成】ＭＨｚ帯の周波数の超音波パルスを測定対象
材料Ｍの表面に対し、１９°に傾斜させて送受波する探
触子１１と、材料Ｍ内で反射してきた受波信号中から、
材料Ｍの焼入れ硬化層と母材層との境界からの反射波を
含む信号を取り込むメモリ５３と、材料Ｍの表面から反
射波までの距離を計測する演算部４６とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波の横波を利用し
て焼入れ硬化層の深さ、異材肉盛り厚さ等を非破壊で測
定する測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に歯車、圧延ロール等の使用時に激
しい摩耗を受ける部材は、摩耗をできるだけ軽減するた
めに表面部に焼入れ等を施し、表面近傍に硬化層を形成
することが行われている。この硬化層の深さを正確に把
握することは上記摩耗部材自体の品質保証上、また寿命
推定上の観点から極めて重要な管理項目となっている。

【０００３】従来、かかる硬化層深さの測定は、例え
ば、硬化層方向に切断し、切断面を研磨した後エッチン
グしてマクロ的に観察するとともに、その切断面上の各
部で硬度を測定して硬化層深さを把握する方法が知られ
ていたが、この方法では、硬度の測定に多大の手間を要
し、しかも破壊検査であるため、抜き取り検査であると
いう難点がある。また、測定費用も膨大となる。

【０００４】この対策として、超音波法を用いた硬化層
深さの測定が行われるようになってきた。この方法で
は、測定精度の向上を図るべく、水浸法または局部水浸
法が採用されている。硬化層深さの測定に水浸法を利用
した例としては特開平３−１３０６５８号公報等があ
る。

【０００５】また、局部水浸法に使用される探傷用の探
触子として、所望の水距離に設定可能にした探触子ホル
ダ（実開平３−８１５５３号公報）、探触子面前に水袋
を設け、この水袋と測定対象材料との接触面に耐摩耗性
接触用膜を備えて水漏れを防止した探傷プローブ（実開
平２−６７２５９号公報）、探触子、材料、感度調整等
によって水距離が調整可能で、かつパイプのような局面
の探傷が可能な探触子シュー（実開昭５７−１１６８６
３号公報）が提案されている。

【０００６】実開平２−６７２５９号公報記載の探傷プ
ローブは、測定対象材料に傾斜して超音波を入射させる
横波を用いたものである。このように超音波の横波を利
用して板の溶接部の欠陥検出や表面の亀裂の深さの検出
に超音波の横波を利用することが有効であることが従来
より知られている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
種々の装置に適用された超音波の横波は、あくまでも内
部欠陥や亀裂等の検出を行う探傷用に制限されているも
のであって、結晶粒界で生じる乱反射（散乱）による反
射波に対して積極的に何等かの処理を施さんとするもの
ではなく、むしろこれはノイズとして排除されているも
のであった。

【０００８】本発明は、上記に鑑みてなされたもので、
結晶粒界で生じた乱反射による横波反射波を積極的に利
用し、材の焼入れ硬化層の深さや異材肉盛り厚さ等を測
定する超音波の横波を利用した層厚測定装置を提供する
ことを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、ＭＨｚ帯の周
波数の超音波パルスを、深さ方向の音響インピーダンス
の異なる第１の層と第２の層を有する測定対象材料の表
面に対し傾斜させて送受波する探触子を有するセンサ部
と、受波信号中から、上記測定対象材料の第１の層と第
２の層との境界からの反射波を抽出する抽出手段と、上
記測定対象材料の表面から上記反射波までの距離を計測
する計測手段とを備えてなるものである（請求項１）。

【００１０】また、本発明は、上記測定対象材料は焼入
れ材で、上記第１の送波焼入れ硬化層であり、上記第２
の層は母材層である（請求項２）。

【００１１】また、上記センサ部は、注入孔と気泡排出
孔を有するとともに上記測定対象材料との接触面を透明
なシールテープで密閉してなる水溜部が形成されてお
り、かつ上記水溜部の上部にこの水溜部に連通し、上記
探触子を嵌入支持する固定孔が形成された透明な素材の
保持具からなる局部水浸構造を備えたものであることが
好ましい（請求項３）。

【００１２】また、本発明は、上記測定対象材料を浸漬
する水槽部を備え、上記水槽部は、水槽内に浸漬された
上記測定対象材料に対して上記センサ部を位置固定可能
に支持する取付具を備えてもよい（請求項４）。

【００１３】また、上記センサ部は上記測定対象材料の
表面に対して垂直方向に移動可能になされている（請求
項５）。

【００１４】上記センサ部は上記測定対象材料の表面に
平行な方向であって、少なくとも１軸方向に走査移動可
能になされている（請求項６）。

【００１５】また、上記探触子は圧電部材からなり、該
圧電部材と上記抽出手段間であって受波線路中に上記圧
電部材のインピーダンスとの整合をとるマッチングコイ
ルを介設することが好ましい（請求項７）。

【００１６】また、上記抽出手段は、複数回の超音波パ
ルスの送波に伴う受波信号を積算し、この積算された受
波信号に基づいて上記測定対象材料の第１の層と第２の
層との境界からの反射波を検出することが好ましい（請
求項８）。

【００１７】また、上記抽出手段は、時間方向に移動可
能なゲートを有し、受波信号中、上記ゲートを通過する
最初の反射信号を上記測定対象材料の第１の層と第２の
層との境界からの反射波として抽出するようにしてもよ
い（請求項９）。

【００１８】また、本発明は、積算された受波信号を積
算回数で平均し、この平均化された受波信号の波形を表
示する表示手段を備えてもよい（請求項１０）。

【００１９】

【作用】請求項１記載の発明によれば、測定対象材料の
表面測定面に探触子が所定角度だけ傾斜されて位置セッ
トされ、この状態でＭＨｚ帯の周波数の超音波パルスが
送波される。超音波が材料内部に傾斜して送波されるこ
とで、材料内部には縦波の他、横波成分が発生してい
る。横波は縦波に比して波長が短い分、乱反射の程度が
大きく結晶粒界の質差の影響が大きく反映される。超音
波は結晶粒に当たってその斜めの境界で縦波、横波がモ
ード変換を生じながら反射しており、入射路に沿って横
波成分が相対的に多く帰来する。

【００２０】そして、材料内部の結晶粒界で生じた乱反
射波の内、探触子に帰来する反射波が探触子で受波され
る。受波信号中には、深さ方向に音響インピーダンスの
異なる第１の層と第２の層からの反射波が含まれてお
り、ＭＨｚ帯の超音波では、結晶粒が小さい層では反射
レベルは低く、結晶粒が大きい層では反射レベルが高
い。そこで、反射レベルに差が見られる境界位置が第１
の層と第２の層との境界であるから、材料表面から上記
境界までの時間を第１の層の音速を用いることで距離に
換算して求める。

【００２１】請求項２記載の発明によれば、測定値とし
て材料の焼入れ硬化層深さが求められる。

【００２２】請求項３記載の発明によれば、探触子は固
定孔に挿入固定された後、水溜部に給水が行われてから
使用される。注水時には水溜部の空気は気泡排出孔から
水溜部内部に気泡を残すことがなくなり、加えて透明で
あるから気泡の有無の観察も容易となる。また、測定対
象材料との接触面を透明なシールテープで密閉し、探触
子から測定対象材料の表面測定面までを伝播媒体（水）
で満したので途中での反射減衰が抑制されて材料に所要
エネルギーの超音波が供給され、局部水浸式として有効
となる。

【００２３】請求項４記載の発明によれば、水槽内に浸
漬された上記測定対象材料に対してセンサ部を取付具で
もって位置固定可能に支持したので、水浸式として有効
となる。

【００２４】請求項５記載の発明によれば、センサ部の
探触子と測定対象材料の表面との間の距離が適宜な値に
設定される。

【００２５】請求項６記載の発明によれば、測定対象材
料の表面上の所望の位置にセンサ部の探触子が位置決め
される。

【００２６】請求項７記載の発明によれば、マッチング
コイルによって探触子を構成する圧電部材と抽出手段と
のインピーダンス整合が取られるので、圧電部材で受波
された信号は最大効率で抽出手段に入力される。

【００２７】請求項８記載の発明によれば、測定対象材
料の第１の層と第２の層との境界からの反射波の検出が
複数回の超音波パルスの送波に伴う受波信号を積算して
行われるので、個々に得られる受波信号のバラツキが吸
収され、より精度高い測定結果が得られる。

【００２８】請求項９記載の発明によれば、測定対象材
料の測定面から深い方向にゲートを設けておけば、測定
対象材料の測定面からの反射波である高レベルの受波信
号を誤って検出することがなくなる。また、測定対象材
料の第１の層と第２の層とでは、受波信号レベル異なる
とともに、焼入れ硬化層の測定にあっては、第１の層は
結晶粒径が小さく低レベルとなり、第２の層は結晶粒径
が大きく高レベルとなっているので、ゲートを通過する
最初の反射信号が測定対象材料の第１の層と第２の層と
の境界からの反射波として抽出される。

【００２９】請求項１０記載の発明によれば、複数回の
送波に伴う受波信号が積算されるとともに、積算回数
（送受波回数）で除算して平均され、この平均化された
受波信号の波形が表示されるので、個々の送受波に伴う
バラツキが吸収され、また、反射波がノイズの中に埋も
れて不明瞭な場合のＳ／Ｎ比が改善され、精度高い測定
結果の表示が行えて、測定結果の確認及び第１、第２の
層内での反射状況の確認が行える。

【００３０】

【実施例】図２は、本発明に係る超音波の横波を利用し
た層厚測定装置の外観を示す斜視図である。本装置は、
測定器本体Ａとセンサ部Ｂとから構成され、両者間はケ
ーブルＣで電気的に接続されている。

【００３１】測定器本体Ａは、上面に各種操作のための
パネル操作部４０及び表示部４２が設けられ、内部に超
音波駆動信号を生成するとともに受波信号に対して所要
の信号処理や演算を施して焼入れ硬化層深さや異材肉盛
り厚さを測定するための各種処理部が配設されている。
センサ部Ｂは必要に応じてボックス形状のハウジングに
収納され、その内部に超音波の送受波を行うための探触
子他の各種構成が配設されている。

【００３２】次に、センサ部Ｂの詳細な構造について、
図３〜５を用いて説明する。図３は探触子を探触子保持
具に挿着して局部水浸式による測定状態を示す斜視図、
図４は、探触子を探触子保持具に挿着した状態を示すも
ので、（ａ）は正面図、（ｂ）は右側面図、図５は、注
水を説明するための探触子保持具の一部正面断面図であ
る。図３に示すようにセンサ部Ｂは測定対象材料Ｍの上
面に接触させて配置され、この姿勢状態で測定が行われ
るようになされている。センサ部Ｂは探触子１１とこの
探触子１１を所要角度に傾斜させて保持する探触子保持
具１とからなる主構成を有する。

【００３３】探触子１１は、例えば水晶振動子やセラミ
ック材その他の材料から成る圧電素子で構成され、両面
に形成された電極間に５ＭＨｚや１０ＭＨｚ等の高周波
駆動電圧信号が印加されることにより励振され超音波を
発生するものである。

【００３４】探触子保持具１は、ほぼ直方体状の全体形
状を有するとともに透明なアクリル樹脂から成形されて
なり、その上面適所に形成された円柱状の固定孔６（図
４参照）に探触子１１を装着し固定するようになってい
る。探触子保持具１の素材としてはアクリル樹脂や塩化
ビニール樹脂を用いることができるが、透明度及び加工
性の点からアクリル樹脂の方が好ましい。そして、探触
子１１が固定孔６に挿入固定された状態で、その下端の
送波面である探触子面１２から斜め下方に向けて超音波
が送波され（図中、破線で示す）、かつ測定対象材料Ｍ
からの反射波が受波される。探触子１１の探触子面１２
の直径は送波エネルギー及び好適な狭指向特性（指向
角）を考慮して好適な寸法に設計されている。なお、図
には示していないが、探触子面１２に対向して音響レン
ズを設け、この音響レンズによって所要の指向角を得る
ようにすることもできる。これは、探傷ではむしろ広角
探査は好ましいが、層厚測定では、逆にスポット的に超
音波の照射を行い、不要な反射ノイズを可及的に排除す
る必要があるからである。

【００３５】図４において、探触子保持具１の中央部に
は底面から上記固定孔６の下端である探触子面１２に連
通する高さ位置まで、横断面が例えば四角形状乃至は長
円状の凹空間を有する水溜部２が形成され、更にこの水
溜部２には、上記固定孔６とは異なる位置で注水孔３と
気泡排出孔４とが連通形成されている。

【００３６】注水孔３は探触子保持具１の一側面から水
溜部２を形成する空間の内側面まで水平に連通形成され
てなり、注水チューブコネクタを有する口金１３を介し
て外部から水溜部２に注水し得るように構成されてい
る。気泡排出孔４は探触子保持具１の上面から水溜部２
を形成する空間の天井まで垂直乃至はほぼ垂直に連通形
成されてなり、開閉弁（図示せず）を有する口金１４を
介して、水溜部２への給水時に水中に発生し易い気泡を
逃がせるように構成されている。このように、注水孔３
を探触子面１２に対して下方に、気泡排出孔４を水溜部
２の上方に配設したので、水溜部２内に残存する存在す
る空気によって注水時に発生する気泡を確実に外部へ排
出できる。

【００３７】水溜部２の底面である測定対象材料Ｍとの
接触面７には透明で超音波の透過性に優れるポリプロピ
レン製のシールテープ５が貼着等されて内部を密閉し
て、水溜部２内の注入水が漏れないようにしている。こ
の水溜部２は、不要な虚エコーの発生しない程度まで可
能な限り小さくして、シールテープ５で密閉されるシー
ル面積を小さくしてシール性を確保するとともに、探触
子保持具１を小さくして携帯性を確保する。シールテー
プ５は測定時に材料面と接触して摩耗するため取替え頻
度が高くなるので、取替え作業が容易な粘着テープを用
いることが好ましい。

【００３８】更に、水溜部２の上部に連通する固定孔６
は測定対象材料Ｍとの接触面７に対して１９°（入射
角）の傾きを有して形成されている。この１９°という
角度は、測定対象材料Ｍが鋼材の場合、図３に破線で示
すように、（水溜部２の）水中から鋼材への屈折角がほ
ぼ４５°となり、横波利用の点（進入波と反射波のレベ
ル確保及び受波強度の確保）から好適であるからであ
る。但し、入射角は１９°に限定されるものではなく、
横波が効果的に利用し得る範囲であれば、それ以下若し
くは以上の所定の傾斜角度であってもよい。

【００３９】なお、固定孔６の下端部には探触子１１を
所定の水距離で係止固定するために探触子保持具１のエ
ッジの一部を利用してストッパ８が、中間部には水密の
ためのシールリング９が内装されている。また、探触子
１１を固定孔６内に確実に安定固定するために探触子保
持具１の一側面から固定孔６の内周面に直角に連通させ
て探触子固定ねじ１０を螺設可能にしている。

【００４０】探触子１１を探触子保持具１にセットする
場合は、まず水溜部２の測定対象材料Ｍとの接触面７に
シールテープ５を貼着して水溜部２を密閉する。次に、
探触子１１を固定孔６内のストッパ８まで挿入して、探
触子固定ねじ１０で探触子固定孔６内に固定する。この
状態で探触子１１は所定の水距離で固定されている。固
定孔６の先端にストッパ８を設けることによって、探触
子面（送受波面）と測定対象材料Ｍとの接触面７との距
離は常に一定となる。

【００４１】次に、探触子保持具１の水溜部２に注水を
行う。水溜部２に注水する場合は、口金１４の開閉弁を
開にし、図５に示すように、口金１３に挿着されている
注水チューブ１５の先端から、例えば水差し１６で水溜
部２に注入する。

【００４２】探触子保持具１を透明とすることで水溜部
２内壁及び探触子面１２をよく観察することができ、注
水時、水溜部２内壁及び探触子面１２に気泡が付着しな
いよう水の流れを探触子面１２に沿った流れにするよう
に、また付着している気泡を浮上させるように探触子保
持具１の姿勢を変えながら注水し、浮上した気泡を気泡
排出孔４から逃がしてやる。

【００４３】気泡排出孔４まで満水になった時点で注水
を止め、口金１４の開閉弁を閉にする。また、探触子保
持具１の固定孔６と探触子１１間からの水漏れは、固定
孔６の中間部に設けたシールリング９で防止される。こ
のようにして探触子保持具１からの水漏れはなくなり、
新たに注水孔３及び気泡排出孔４に栓をする必要もな
く、探触子保持具１の持ち運びが容易になる。しかも、
局部水浸式であれば、種々の形状の材に対しても測定可
能となり、特に歯車や円柱パイプ等、曲率の大きな面を
有する材に対する焼入れ硬化層の測定に有効である。こ
の場合、水溜部２を探触子面１２の大きさに対応した横
断面としているので、歯間の底部における測定等の場合
に、測定位置の近傍部分からの回り込み波に対しても、
これを効果的に遮断して精度良い測定を実現することが
できる。また、測定対象材料Ｍの測定位置の表面形状に
合わせた接触面を持つ探触子保持具１を交換可能に用い
るようにすれば、保持の安定性を確保でき、しかも超音
波の入射位置、入射角を固定安定化させることで曲面材
の測定を可能にすることもできる。なお、図２ではセン
サ部Ｂにハウジングが設けられているが、局部水浸式で
はハウジングに代えて探触子保持具１のみでもよい。

【００４４】図６は、水浸式による測定装置の一例を説
明するための図で、（ａ）は昇降機構部２０の斜視図、
（ｂ）は水平方向走査機構部３０の斜視図である。

【００４５】水浸式の場合には、測定対象材料Ｍを浸漬
する水槽部を備えるとともに、水槽Ｔ内に浸漬された測
定対象材料Ｍに対してセンサ部Ｂを所定の浸漬位置に固
定乃至は移動可能に支持する取付機構を備えているもの
である。水槽Ｔは例えば直方体状を有し、その内部に所
定高さ位置まで水Ｗを満たしたものである。また、この
水槽Ｔは、図には示していないが、内部に測定対象材料
Ｍを所要深さに浸漬させた状態で被測定面を好ましくは
水平に向けて載置する載置台が設けられており、測定対
象材料Ｍを１又は所要本数（個数）並設した状態で載置
されるようになっている。

【００４６】図（ａ）に示す昇降機構２０において、２
１は上下一対の水平基台であり、この一対の水平基台２
１間には互いに平行にステー２２，２３が並設されてい
る。ステー２２はボールネジが螺設されており、水平基
台２１に対して回動可能に軸支されているとともに、上
端側がＺ軸モータＭ１の回転軸に連結されている。一
方、ステー２３は通常のスライド軸である。２４はスラ
イド板で、その背面側には上記ステー２２，２３を嵌合
する嵌合部２４１〜２４４（但し、嵌合部２４４は見え
ていない。）が設けられている。ステー２２を嵌合する
嵌合部２４１，２４２の内周面には雌ネジが螺設されて
いる。この構成によりＺ軸モータＭ１が回転駆動される
と、スライド板２４がＺ軸モータＭ１の回転方向に応じ
て昇降される。

【００４７】スライド板２４は平面視でコ字状に屈曲形
成され、その両片部間に軸支された水平軸２５が設けら
れており、その一端はθモータＭ２の回転軸に連結され
ている。また、水平軸２５のほぼ中央位置には、軸に直
交する方向に向けられた円筒状の回動部材２６が取り付
けられている。そして、この回動部材２６の下端には探
触子１１を内部に固定収納する水密のハウジング２７が
取付けられている。このハウジング２７は図３，４に示
す局部水浸式の構造とは異なり、注入、排水のための構
造を備えていないものである。また、このハウジング２
７の下端面には探触子１１の探触子面が露呈、あるいは
音響レンズを介して露呈されてなり、水槽Ｔ内の水中に
直接超音波を送波するようになっている。なお、ケーブ
ルＣは超音波駆動信号及び受波信号のためのもので、円
筒状の回動部材２６内を経由して測定器本体Ａと接続さ
れている。

【００４８】そして、Ｚ軸モータＭ１を駆動することに
よって、浸漬された測定対象材料Ｍとの距離を所定にセ
ットし、かつθモータＭ２を駆動することで、測定対象
材料Ｍの測定面に対する入射角を１９°に、あるいは他
の所要の設定角度にセットするようにしている。また、
Ｚ軸モータＭ１による距離調整によって、層の深さや特
に径等の形状の異なる測定対象材料Ｍに適宜適用し得る
ようにしている。

【００４９】図（ｂ）に示す水平方向走査機構部３０に
おいて、３１は所定距離離間して配設された基台で、こ
の基台３１間で測定対象材料Ｍに対する超音波測定が行
えるようにしている。また、この基台３１にはＸ方向に
並設されたステー３２，３３が軸支されている。一方の
ステー３２にはボールネジが螺設されるとともにその一
端がＸ軸モータＭ３（図示せず）の回転軸に連結されて
なり、他方のステー３３はスライド軸である。３４はＸ
軸スライド板で、上記ステー３２，３３を嵌合する嵌合
部３４１〜３４４（嵌合部３４２，３４４は省略されて
いる。）を備えている。ボールネジが螺設されたステー
３２を嵌合する嵌合部３４１，３４２の内周面には雌ネ
ジが螺設されている。この構成により、Ｘ軸モータＭ３
を駆動させると、その回転方向に応じてＸ軸スライド板
３４がＸ軸方向で往動、復動される。

【００５０】また、Ｘ軸スライド板３４の上面側の四隅
にはＸ軸と直交する方向に嵌合孔を有する嵌合部３４５
〜３４８（嵌合孔３４８は省略されている。）が設けら
れている。そして、嵌合孔３４５，３４６間、及び嵌合
孔３４７，３４８間に平行にステー３５，３６が軸支さ
れている。ステー３５はボールネジが螺設されるととも
にその一端にＹ軸モータＭ４の回転軸が連結されてお
り、ステー３６はスライド軸である。更に、３７はＹ軸
スライド板で、そのＸ軸方向両側にはステー３５，３６
を嵌合する嵌合部３７１，３７２が設けられている。Ｙ
軸スライド板３７の嵌合部３７１の内周面には雌ネジが
螺設されている。この構成により、Ｙ軸モータをＭ４駆
動させると、その回転方向に応じてＹ軸スライド板３７
がＹ軸方向で往動、復動される。

【００５１】そして、このＹ軸スライド板３７上に前記
の水平基台２１あるいはＹ軸スライド板３７が水平基台
２１を兼ねることにより、水平基台２１をＸ軸並びにＹ
軸方向に往動、復動できるので、この移動動作により測
定対象材料Ｍの測定面上で予め設定された走査を行わせ
ることが可能となる。

【００５２】ここで、局部水浸式の測定装置による、焼
入れ硬化層深さの測定結果と異材肉盛り溶接部の肉盛り
厚さ測定結果について、図８〜図１３により説明する。

【００５３】炭素鋼Ｓ４８Ｃに焼入れ処理を行い、これ
測定対象材料Ｍとして焼入れ硬化層深さを、マクロ組織
観察、硬度測定及び超音波測定で行った。その結果、マ
クロ組織（マクロ組織は図示せず）観察では焼入れ硬化
層深さは４．７ｍｍであった。硬度測定では、図８に示
すように、有効焼入れ深さの硬度はＨＶ４８５で、焼入
れ硬化層深さは４．６ｍｍであった。なお、硬度測定は
ビッカースで荷重は３００ｇで、ピッチは０．５ｍｍで
ある。

【００５４】本測定装置による超音波測定では、図９に
示すように、焼入れ硬化層深さは４．７ｍｍであった。
なお、超音波の入射角は１９°、屈折角は４５°であ
る。このように超音波測定でも、マクロ組織観察及び硬
度測定と同様に高精度で焼入れ硬化層深さを測定するこ
とが可能である。

【００５５】ところで、本測定装置による測定では、超
音波の入射角を例えば１９°に設定し、測定対象材料Ｍ
での屈折角を４５°というように傾斜を与えたので、超
音波の横波を効果的に利用でき、この横波が材内部の結
晶粒界で、その結晶粒の大きさに応じた強度で乱反射を
生じることとなる。乱反射した一部であって、送波方向
に戻る反射波は探触子１１まで帰来して受波される。こ
のとき、横波の特性として、鋼材内部へ入射する超音波
及び鋼材内部から表面へ抜ける超音波の反射分が共に低
レベルとなるので、結果的に送波エネルギーの損失が少
なくて済む。また、横波は鋼材内部での反射波の検知レ
ベルが（波長が短い分、減衰度が大きいため）縦波ほど
顕著ではないため、検出成分自体は低レベルであるが
（これは、ゲインアップで賄う）、横波は縦波に比して
音速がほぼ１／２であることから距離分解能、すなわち
検出距離精度はほぼ２倍向上することとなる。

【００５６】ところで、焼入れする前においては、鋼材
内部の結晶粒界はほとんど一様乃至はランダム状態であ
る。従って、この状態で超音波の横波を入射させても、
いずれの深さからの反射波もほぼ同一レベル乃至は相関
性の見られない反射波が得られる。しかし、かかる処理
前の鋼材に対して、鋼材を加熱した後に、急速に冷却
（焼入れ）された表面側（焼入れ硬化層）と、徐々に冷
却された内部側（母材）とでは、結晶粒の大きさが異な
ることによる。この結果、同一周波数を有する超音波の
横波に対し、結晶粒の大きさが大きいほど反射が強く起
こるという現象に着目して、焼入れ硬化層と母材との境
界面で反射レベルの不連続を生じることとなるのであ
る。

【００５７】図９を参照して反射波を分析すると、最初
の反射波は鋼材表面からの反射波であり、この後の低レ
ベルの時間領域が焼入れ硬化層からの反射波である。そ
して、低レベルから急激に高レベル反射波が出現し、し
かもランダムに出現しているが、これが母材内からの反
射波である。特に、低レベルの時間領域後の最初の高レ
ベル反射波が焼入れ硬化層と母材との境界面からの反射
波に相当する。従って、最初の反射波から上記境界面か
らの反射波までの時間、すなわち既知の音速データを用
いて換算された距離が焼入れ硬化層深さとして求められ
ることとなる。

【００５８】上記以外の測定結果について、硬度測定値
と超音波測定値との関係を図１０に示す。図中の×印が
各測定値を示している。この図１０から明らかなよう
に、硬度測定値と超音波測定値とは良く一致しており、
本測定装置が硬化層深さを測定するのに有効であること
が分かる。

【００５９】次に、異材肉盛り溶接部の肉盛り厚さ測定
結果について説明すると、図１１に示すように、３００
ｍｍ厚の炭素鋼（ＳＣ鋼）の表面にステンレス鋼（ＳＵ
Ｓ鋼）を肉盛り溶接して、その肉盛り厚さを測定した。
垂直２分割直接接触法による従来法では図１２に示すよ
うに、ステンレス鋼内での超音波の減衰が大きく、溶接
部境界面からの反射波が不明瞭になり肉盛り厚さは測定
不可能である。また、裏面の炭素鋼側から測定するとブ
ラウン管に３００ｍｍ以上の時間軸を取らねばならず、
薄い肉盛り厚さを測定するには精度上問題がある。

【００６０】しかし、本測定装置を用いた測定では、傾
斜させて超音波を送波する構成であるので、上記したよ
うに超音波は横波モードとなり、鋼材表面での減衰が少
なくなり、ＳＵＳ鋼側からの測定が可能となるととも
に、ＳＵＳ鋼側の反射レベルがＳＣ鋼側の反射レベルに
比して低いので、両者のレベル差を利用してＳＵＳ鋼の
溶接肉盛り厚さの測定が可能となる。超音波測定の結果
は、図１３に示すように、ＳＵＳ鋼の溶接肉盛り厚さは
４．３ｍｍであった。なお、このときの超音波の入射角
は１９°、屈折角は４５°である。

【００６１】続いて、図１を用いて本発明に係る測定装
置のブロック図を説明する。パネル操作部４０はダイヤ
ル４０ａ，４０ｂ及び操作キー４０１〜４１８からな
り、各操作キーについては後述する。表示部４２は、長
方形状の画面を有し、例えばＬＣＤ（液晶）からなるも
のであって、各種指示のためのメニュー画面の他、受波
信号波形や測定データ等を操作キーの操作に応じて表示
する。

【００６２】マイコン４３からなる制御部は、ダイヤル
４０ａ，４０ｂ及び操作キー４０１〜４１８の操作に応
じて表示内容の変更、測定条件の設定や変更、更にはこ
れに伴う受波信号に対する処理や各種の演算、例えば、
後述する登録モードでの屈折角の計算、ゲートマークＧ
Ｍと受波信号の最初の交点の比較算出、測定結果である
時間データの距離データへの換算等を実行するととも
に、かかる処理に対して要求される測定器本体Ａの各回
路部の動作を統括的に指示、制御するタイミング信号や
指示信号の送出を行うものである。かかる各動作や制御
のためのソフトウェアはプログラムＲＯＭ４４に書き込
まれている。４５は処理データ等を一時的に乃至は保管
データとして所望期間（更新乃至は消去指示まで）だけ
保存するためのＲＡＭである。

【００６３】なお、図１には示していないが、プリンタ
等を接続可能にして測定データや受波信号波形を必要に
応じてハードコピーとして出力するようにしてもよい。
４６は後述するような種々の信号処理や演算を実行する
演算部である。

【００６４】４７は超音波パルスを探触子１１から送波
するための５ＭＨｚあるいは１０ＭＨｚという所定の高
周波の駆動信号を生成するドライバで、制御部４３から
の周期的な送波指示信号を受ける毎に所定幅の駆動信号
を送出する。駆動信号は送波線路、送受切換回路４８を
経て探触子１１に導かれ、一方、測定対象材料Ｍからの
反射波は探触子１１で受波された後、送受切換回路４８
で受波線路側に切換えられてアンプ４９側に導かれる。
アンプ４９は、入力された高周波の受波信号をほぼアン
プの限界に近いほぼ９０ｄＢ（デジベル）まで増幅可能
にするものであり、ゲイン調整端に印加される電圧レベ
ルに応じてゲインが変更調整されるようになっている。
なお、アンプの限界とは信号とノイズとが区別可能な限
界のゲイン状態をいう。

【００６５】マッチングコイル５０は探触子１１とアン
プ４９間の受波線路中に介設され、該探触子１１のイン
ピーダンスと線路とのインピーダンス整合を取って、ア
ンプ４９から探触子１１側をモータインピーダンスを純
抵抗分のみとして信号伝送効率を上げる（Ｓ／Ｎ比アッ
プを図る）ものである。

【００６６】この点を図８の等価回路図を用いて説明す
る。本測定装置は、総合感度として１１０ｄＢに近いゲ
インが要求されるものであるが、上述のようにアンプ４
９のゲイン限界はほぼ９０ｄＢである。アンプ４９のみ
でゲインを上げても、アンプ回路内で発生するノイズ成
分が顕著となること、探触子に種々の材質を用いている
こと、及びセンサ部Ｂの効果的利用のためにはケーブル
Ｃの長さがある程度必要であることに起因して、常に整
合が取れるものではないため、ノイズレベルと受波信号
との区別が徐々につきにくくなり、その結果、困難な演
算処理に依存するところが大きくなる。そこで、マッチ
ングコイル５０を用いるようにしてＳ／Ｎ比を上げて、
すなわちゲインを必要なレベルまで確保して、過負担と
ならない程度の演算処理で処理可能としている。

【００６７】図７において、探触子１１のインピーダン
スは、リアクタンスＬ₀、コンダクタンスＣ₀、抵抗Ｒ₀
として表せ、一方、マッチングコイル５０は、リアクタ
ンスＬ’、その抵抗分及び探触子１１とアンプ４９間
（ケーブルＣ）の抵抗分の合計Ｒ’として表せる。そし
て、この場合の回路のインピーダンスＺは、Ｚ＝Ｒ＋ｊ(ωＬ−１／ωＣ₀）と表される。但し、Ｌ＝Ｌ₀＋Ｌ’，Ｒ＝Ｒ₀＋Ｒ’，ω
＝２πｆである。

【００６８】上記式において、ωＬ−１／ωＣ＝０のと
き、回路のインピーダンスＺが最小、すなわち共振状態
となって、最良の感度で使用することができる。例え
ば、使用周波数ｆが１０ＭＨｚのとき、ケーブルＣ（同
軸線路）の１ｍ（メートル）当たりのリアクタンスＬは
０．１μＨ（マイクロヘンリー）であり、ほぼ２０ｄＢ
の改善が図れた。なお、マッチングコイル５０は探触子
１１側のハウジング内の設けるようにしてもよい。ま
た、リアクタンス可変式のものを採用することもでき、
このようにすることで探触子１１の劣化等に伴う特性ず
れやケーブル長の変更に際しても適宜対応することが可
能となる。

【００６９】図１に戻り、Ｍ１〜Ｍ４はそれぞれＺ軸モ
ータ、θモータ、Ｘ軸モータ及びＹ軸モータを示してい
る。

【００７０】５１はアンプ４９を通過したアナログの受
波信号を高速サンプリングしてデジタル受波信号に変換
するＡ／Ｄ変換回路で、デジタル受波信号は加算回路５
２を介して時系列的にメモリ５３に取り込まれる。

【００７１】加算回路５２は今回のデジタル受波信号と
メモリ５３に取り込まれているデジタル受波信号とを時
間軸上を一致させた状態で加算するものである。メモリ
５３は少なくとも、加算後のデジタル受波信号のレベル
方向に対するビット数×サンプリング回数に相当する記
憶容量を有しているものである。

【００７２】５４は加算回路５２によるデジタル受波信
号のレベル方向に対する積算回数を設定する設定回路
で、積算回数が設定回数を越えると、リセット信号を送
出してゲート５５を開成し、メモリ５３から加算回路５
２へのデジタル受波信号の帰還を停止させる。また、こ
の設定回路５４からのリセット信号は、演算部４６にも
送出され、このリセット信号に基づいて、受波信号に対
する所要の演算処理及び演算結果の表示が行われるよう
になされている。

【００７３】ここで、図２及び図１４により、パネル操
作部４０のダイヤル４０ａ，４０ｂ及び各種操作キー４
０１〜４１８について説明する。先ず、図２において、
測定器本体Ａの左側には正逆方向に回動可能なダイヤル
４０ａ，４０ｂが配設されている。ダイヤル４０ａはＸ
軸／ＦＩＮＥダイヤルで、表示領域をＸ軸方向（ＬＣＤ
画面上で水平、すなわち時間方向）へスクロール移動さ
せるとき、又は各機能、例えば測定範囲や音速の設定時
に微調整するものである。ダイヤル４０ｂはＹ軸／ＣＯ
ＡＲＳＥダイヤルで、各機能を選択するときや表示領域
をＹ軸方向へスクロール移動させるとき、または各機能
の設定時に粗調整するときに操作されるものである。両
ダイヤル４０ａ，４０ｂは無限に回転するもので、回転
量及び回転方向は各ダイヤルに連結されたエンコーダで
検出されるようになっている。

【００７４】図１４において、左端には３段に配列され
たＦ１〜Ｆ３キー４０１〜４０３が設けられている。Ｆ
１キー４０１は電源オンで立ち上がった初期画面表示か
らの起動を指示するもの、及び階層状にされている画面
に対し、１回押す毎に１段階前の画面に戻るようにする
ものである。Ｆ２キー４０２はシステム作動を指示する
とともに、測定時に測定データの表示モード（ＡＳ非表
示：計測１作動）を指示するものである。また、後述の
ゲートキー４１１の押し操作を条件にゲートマークの高
さを調整するものである。Ｆ３キー４０３は登録モード
を指示するとともに、測定時に受波信号波形表示モード
（ＡＳ表示：計測２作動）を指示するものである。ま
た、後述のゲートキー４１１の押し操作を条件にゲート
の範囲を調整するものである。電源キー４０４は測定器
本体Ａへの電源供給をオン、オフさせるものである。

【００７５】ゲインキー４０５はゲイン調整モードを指
示するものである。ＭＥＮＵキー４０６は種々の付属機
能の選択画面の表示指示を行うものである。シフトキー
４０７は時間軸の入射点Ｐｏからの計測を行わせるもの
で、これを押すと、表示部４２に計測深さデータ表示枠
（図１６（ａ）参照）を表示するとともに、計測深さ測
定の開始時点として時間軸上のＰｏ点を選択するもので
ある。なお、このキーは、テンキーで数値入力を行うと
きに最初に押すものでもあり、更に、ロックを解除する
際に用いられるものでもある。測定範囲キー４０８は測
定範囲の調整モードを指示するもので、これを押すと、
計測深さ測定の開始時点として表面からの反射波である
ピーク点を選択するものである。そして、このキー４０
８と上記シフトキー４０７の一方が選択されるが、通常
はシフトキー４０７が選択されて計測が行われる。音速
キー４０９は測定対象材料Ｍの材質に応じた音速を調整
するものである。パルス位置キー４１０は受波信号波形
を表示画面の時間軸方向に移動させるモードを指示する
ものである。ゲートキー４１１はゲートの位置（始点）
またはゲートの幅を設定するモードを指示するものであ
る。このゲートは、送波直後に発生する残響の影響を除
去したり、シールテープ５や測定対象材料Ｍの測定表面
からの反射波、更には、水溜部２の伝播距離分を効果的
に除去して注目反射波の検出を確実に行うためのもので
ある。モニターレベルキー４１２はゲートマーカ内のモ
ニターレベル（警報レベル、断面表示の閾値）を設定す
るモードを指示するものである。試験周波数キー４１３
は本測定を行う前の試験測定での周波数を設定するモー
ドを指示するものである。ロックキー４１４は一時的に
他の全てのキー動作を無効にし、また解除するものであ
る。これにより不用意にキー操作されることを効果的に
防止することができる。フリーズキー４１５は一時的に
表示中の受波信号波形を静止させるものである。記憶／
読出キー４１６は測定条件や表示波形を記憶し、または
読み出すモードを指示するものである。ＥＳＣキー４１
７は設定画面の表示中に１回の押し操作で受波信号波形
の表示状態に戻すものである。ＥＮＴＥＲキー４１８は
メニュー表示中で選択する項目を決定するためのもので
ある。また、このキー４１８は、フリーズキー４１５で
画面静止させた硬化層深さ表示画面（図１６（ａ）参
照）又は計測記憶画面（図１６（ｂ）参照）のプリント
出力を指示するものである。操作キー４０７〜４１６は
シフトキー４０７の押し操作を条件にテンキー入力を行
うこともできるようになっている。

【００７６】続いて、図１５により、表示部４２の受波
信号波形を表示するモードであるＡＳ表示の画面におけ
るレイアウトについて説明する。画面には受波信号波形
を表示する外枠が表示され、その内部に時間軸（Ｘ軸）
及びレベル方向（Ｙ軸）に対して、％表示における２０
％，４０％，６０％，８０％レベルに相当する破線状の
ラインがそれぞれ表示されている。時間軸方向には％表
示で２％刻みの目盛が表示され、目視読み取り時やゲー
トマーカＧＭの設定時での便宜を図っている。そして、
双方の５０％ラインは実線で直交するように表示され、
中央位置が一目で分かるようにしてある。

【００７７】ゲートマーカＧＭは時間軸方向に伸びるラ
イン状であって、ゲートキー４１１を条件にＦ３キー４
０３の操作により、その始点Ｐｓ及び終点Ｐｅを設定す
ることにより線分表示される。また、このゲートマーカ
ＧＭはモニターレベルキー４１２を条件にＦ２キー４０
２の操作により、レベル方向にも移動可能にされる。こ
れらによって受波信号波形の抽出のためのゲート範囲を
所望の時間とレベルに設定し得るようになっている。

【００７８】また、外枠の右上には、ゲートオン時に、
受波信号が入射点Ｐｏからゲートを最初に横切る時点
（図１６（ａ）に矢印で示している）までの時間間隔が
ｍｍ（ミリ）単位に換算されて表示されるようになって
おり、実際の測定時には図１６（ａ）に示すように右上
に枠付きで大きく数値表示される。なお、ゲート内の受
波信号のピーク値を％表示で行うようにしてもよい。ま
た、入射点Ｐｏとは外枠の左下を基準とした受波信号の
時間方向の表示範囲の原点を示すもので、▲印で示して
いる。

【００７９】更に，本測定装置は商用電源の他に内蔵電
池でも作動可能になされており、このような場合には、
画面の右下にバッテリー状態が、残容量を、例えば３段
階で識別可能に表示するようになされている。これは超
音波パルスの送波レベルが測定精度に影響を及ぼすこと
から、特に測定作業者の注意を喚起するようにしたもの
である。画面の上部には、左側から、現在のゲイン、現
在の音速及び現在の測定範囲をそれぞれ数値で表示して
いる。例えば７８．５は７８．５ｄＢを表し、２．２８
は音速２．２８ｋｍ／ｓ（水溜部２内と材内部との平均
で表している）を表し、１０．０は１０．０ｍｍ（時間
軸の時間長をミリメートルに換算して表示）を表してい
る。特に図２に示す如き局部水浸式の測定装置の場合に
は内蔵電池式とすることが操作性や携帯性で好ましい
が、図６に示すような水浸式の測定装置の場合には複数
のモータＭ１〜Ｍ４等への駆動電力も考慮する必要もあ
ることから商用電源が採用される。

【００８０】図１６は、測定時の表示画面を示す図で、
（ａ）はＡＳ表示、（ｂ）はＡＳ非表示を示すものであ
る。図（ａ）に示す波形は、アナログの受波信号そのも
のではなく、一旦、デジタル処理された受波信号であ
る。すなわち、メモリ５５には、設定回数、例えば１０
回分の連続して得られた受波信号が積算されて取り込ま
れており、この積算された受波信号を演算部４６に導い
て、レベル方向に平均化した後、表示部４２に表示する
ようにしている。ゲートマーカＧＭは時間方向に対して
は始点Ｐｓのみが設定されており、ほぼ１．５ｍｍであ
る。また、このゲートマーカＧＭはレベル方向に対して
はほぼ４０％に設定されている。そして、画面左上に表
示された測定値２．５ｍｍは表示された受波信号波形と
ゲートマーカＧＭとの時間方向で最初の交点となる時間
を換算したものである。演算部４６は平均された受波信
号波形の各サンプリングレベルを時間軸方向にサーチ
し、ゲートマーカＧＭの設定レベルと逐次比較して、最
初に一致したサンプリング信号の該サンプル時間データ
（サンプリング周波数は予め設定されており、それの何
番目かを特定して）から距離を求める。ゲートマーカＧ
Ｍが設定されていないときは、入射点Ｐｏに測定対象材
料Ｍの測定表面からの反射波を正確に一致させてから、
その後の最初の高レベル反射波までの距離（波形の立上
り時点とか波形の中間レベルの時点）を画面の目盛を目
視によって読み取ることで行えばよい。

【００８１】なお、個々の受波信号に対してリアルタイ
ムで測定を行うと、受波信号は、各送毎に送波条件や測
定対象材料Ｍとの接触状態等が僅かにでも異なることに
起因して、波形が微妙に異なっていると考えられ、必ず
しも的確な測定ができるとは限らないため測定に熟練を
要し乃至は支障きたすことも考えられる。そこで、本発
明のように、所要回数分の波形を平均化処理してある程
度の相関性を導出し、この平均化された、すなわち相関
性ある波形を基に測定を行わせることで安定かつ精度高
い測定値を得ることができるし、また、目視の場合にも
容易かつ的確な判断が行えるようにしている。また、焼
入れ硬化層内の反射状況や母材内部の反射状況を、同様
に異材肉盛りの各層からの反射状況を安定的に確認でき
るので、鋼材自体の良否判断の一要素として活用するこ
とも可能である。

【００８２】図（ｂ）に示す波形は、受波信号ではな
く、測定値、例えば図（ａ）では２．５ｍｍを数値表示
するものである。画面内には、１０行×５列の合計５０
回分の測定値が履歴的に表示可能にされている。すなわ
ち、左側の１列目から順次行方向に１０回分の測定値が
表示され、現在は２２回目の測定による結果が表示され
ている。次回以後の部分は未測定のため０．０が表示さ
れ、あるいは何も表示されていない。このように、１つ
の測定位置に対して、あるいは１つの測定対象材料Ｍの
異なる５０個所に対して、あるいはまた同種類の５０個
の測定対象材料Ｍに対して、履歴として最大で５０回分
の測定値を表示し得るので、それぞれについて比較及び
それに基づく良否等の判断が容易かつ的確に行える。

【００８３】図１８は、測定条件の設定及び測定動作の
概略を説明するフローチャートである。このフローチャ
ートは電源キー４０４がオン操作されて起動する（ステ
ップＳ２）。電源が投入されると、表示部４２に初期画
面の表示が行われる（ステップＳ４）。初期画面として
は例えば装置名やメーカー名等の表示である。この状態
で、Ｆ１キー４０１を押すと（ステップＳ６）、ＡＳ表
示の測定画面（図１５）が表示される。このとき、探触
子１１からの超音波の送波が開始されていると、表示面
には受波信号が条件未設定のままで表示されている。但
し、この表示中の信号波形は測定条件設定の目安として
利用されることになる。

【００８４】この状態で、Ｆ２キー４０２とＦ３キー４
０３のいずれが押されたかどうかが判別され（ステップ
Ｓ８）、Ｆ２キー４０２が押されたのであれば、ステッ
プＳ２０に移行してシステム作動され、Ｆ３キー４０３
が押されたのであれば、基本機能を使用しての測定条件
の登録モードに移行する（ステップＳ１０）。なお、以
後の各ステップにおいて、Ｆ１キー４０１が押される毎
に、１段階目の画面に戻るようになる。

【００８５】登録モードでは測定条件の設定の受け付け
が可能とされ、図１５に示す入射点のタイミング調整、
屈折角の入力、時間幅の設定、ゲイン設定及びゲートマ
ーカＧＭ、その他所望する条件等の設定が可能となる。
但し、屈折角は水と測定対象材料Ｍとの音響インピーダ
ンス比率及び入射角とのデータから演算部４６で計算し
て求められる。

【００８６】入射点Ｐｏのタイミング調整はパルス位置
キー４１０を押して該当するモードに設定してから、ダ
イヤル４０ａ（微調整），４０ｂ（粗調整）を回転する
ことで、回転量及び回転方向に応じて表示時間領域がス
クロールすることで行う。屈折角の入力は数値入力なの
で、シフトキー４０７を押してテンキー入力モードに設
定してから、テンキーで所要の数値、例えば“１”，
“９”（＝１９）のように入力する。時間幅の設定は測
定範囲キー４０８を押して該当するモードに設定してか
ら、ダイヤル４０ａ（微調整），４０ｂ（粗調整）を回
転することで、回転量及び回転方向に応じて時間軸が入
射点Ｐｏを基準に伸長、圧縮される。ゲイン調整はゲイ
ンキー４０５を押してゲイン調整モードに設定してか
ら、ダイヤル４０ｂで設定を行う。ゲイン値は操作前の
設定値に対し今回のダイヤル４０ｂの変化量と方向とで
換算して求められて、ＡＳ表示の画面に数値表示される
とともに、アンプ４９のゲイン調整端に電圧信号として
入力される。ゲートマーカＧＭの設定はゲートキー４１
１を押して該当するモードに設定してから、ダイヤル４
０ａで時間方向の始点Ｐｓが、Ｆ３キー４０３で幅（終
点Ｐｅに相当）が設定され、Ｆ２キー４０２でレベル方
向の設定が行われる。また、ここでは、その他に音速や
積算回数等がＭＥＮＵキー４０６を用いて付属機能とし
て設定される。音速は測定対象材料Ｍが決まれば、ある
いは肉盛り材料が決まれば一律に決定されるので、それ
に基づいて入力すればよい。

【００８７】測定条件の設定が終了すると、Ｆ３キー４
０３が押され、設定条件の登録処理を行うべく登録画面
に移行する（ステップＳ１２）。登録画面は過去におい
て、種々の測定条件設定に対して登録名を付している登
録名簿がリスト状に表示され、その内の１つの登録名に
更新するかたちで新たな条件に変更して登録する時は、
位置指定用マーカをダイヤル４０ａで当該登録名の表示
位置に移動させて、ＥＮＴＥＲキー４１８を押して登録
を行う。新たな登録名として登録するときは、Ｆ２キー
４０２を押すと、図１７に示す英数字表示の画面が表示
され、ダイヤル４０ａ、４０ｂを用いて各文字位置に位
置指定用マーカを移動させて、ＥＮＴＥＲキー４１８を
押すことで、英数字文字の指定を順次行っていく。そし
て、記憶／読出キー４１６が押されたかどうかが判別さ
れ（ステップＳ１８）、記憶／読出キー４１６が押され
たのであれば、登録名を示す英数字文字の指定が全て終
了したと見做して今回の登録内容を新たな登録名に対応
させてＲＡＭ４５に書き込んで、ステップＳ２０に移行
する。押されなければ登録名の入力がまだ終了していな
いとして、Ｆ２キー４０２を押すことを条件に登録名の
次の英数字の指定が行われ（ステップＳ１４〜Ｓ１８の
ループ）、この後に記憶／読出キー４１６が押される。

【００８８】ステップＳ２０では、測定のためのシステ
ムが作動し、次いで、登録名簿のリスト表示が行われて
測定条件の選択を促す（ステップＳ２２）。測定条件の
選択は、前回までに、あるいは今回新たに設定した測定
条件も加えて、希望する測定条件に対応した登録名にダ
イヤル４０ａで位置指定し、ここで、Ｆ２キー４０２が
押されると、上記ダイヤル４０ａで指定された測定条件
の下でのＡＳ非表示（図１６（ｂ））での計測１作動モ
ードに移行し（ステップＳ２４）、一方、Ｆ３キー４０
３が押されると、上記ダイヤル４０ａで指定された測定
条件の下でのＡＳ表示（図１６（ｂａ）での計測２作動
モードに移行する（ステップＳ３６）。

【００８９】計測１作動モードで、ＥＮＴＥＲキー４１
８が押されると（ステップＳ２６）、超音波を送波して
計測が開始され（ステップＳ２８）、設定された積算回
数だけの超音波の送波が所定周期で繰り返されると、計
測終了として積算データが平均化処理され、この平均化
された受波信号に対して焼入れ硬化層深さが、前述した
ようにゲートマーカＧＭとの関係で計測される（ステッ
プＳ３０）。そして、得られた測定値がＲＡＭ４５に保
存される（ステップＳ３２）。次いで、Ｆ３キー４０３
が押されたかどうかが判別される（ステップＳ３４）。
Ｆ３キー４０３が押されたのであれば、ステップＳ３８
に移行し、そうでなければステップＳ２６に移行し、Ｅ
ＮＴＥＲキー４１８が押される毎に、積算回数分の超音
波の送波とそれに基づく測定値の算出及び保存処理が繰
り返される（ステップＳ２６〜Ｓ３４のループ）。

【００９０】ステップＳ３８では、ＭＥＮＵキー４０６
が押されたかどうかが判別され、押されたのであれば、
積算回数の変更が許可され、ダイヤル４０ａの回転量及
び回転方向に応じて現設定値が増減変更される（ステッ
プＳ４０）。変更処理が終了し、あるいは変更がなけれ
ば、続いてＥＮＴＥＲキー４１８が押されたかどうかが
判別され（ステップＳ４２）、押されていなければステ
ップＳ２４に戻り、押されたのであれば、次に、信号波
形が表示された図１６（ａ）の画面が表示され（ステッ
プＳ４４）、ゲイン設定（または変更）とゲートマーカ
ＧＭの始点Ｐｓの設定（または変更）が行われる（ステ
ップＳ４６，Ｓ４８）。このゲイン設定（または変更）
とゲートマーカＧＭの始点Ｐｓの設定（または変更）で
は、調整が不要であれば、当該ステップをスルーするよ
うになっている。そして、設定が行われたときは、その
設定内容がＲＡＭ４５の登録名に対応して保存され（ス
テップＳ５０）、この後、ステップＳ２４に移行する。

【００９１】なお、本実施例では超音波の使用周波数と
して、５ＭＨｚと１０ＭＨｚとを例示しているが、本発
明はかかる周波数に限定されるものではなく、ほぼ１Ｍ
Ｈｚ〜数十ＭＨｚのいわゆるＭＨｚ帯の超音波パルスを
利用することで同様な効果を得るものである。

【００９２】また、ゲートマーカＧＭ内で受波信号波形
との最初の交点までの時間から焼入れ硬化層の深さ（測
定値）を得るようにしたが、これに限定されず、ゲート
マーカＧＭ内の最初のピーク信号波形について、例えば
その１／２のレベルに立ち上がった時点までの時間を、
あるいはサンプリングレベルの前後のレベル差を逐一求
め、その差が負の方向に設定閾値を越えて大きくなった
最初の時点を測定値とするようにしてもよい。このよう
にゲートマーカＧＭの設定レベルとは無関係に検出レベ
ルを設定しておけば、ゲートを設定しない場合にも測定
値を演算で自動的に得ることができる。

【００９３】なお、本発明は、焼入れ硬化層の深さ、異
材肉盛り厚さの測定の他、メッキ、金属溶射、被せ金等
の表面処理の層厚の測定全般に適用可能である。

【００９４】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、ＭＨｚ帯
の周波数の超音波パルスを、深さ方向の音響インピーダ
ンスの異なる第１の層と第２の層を有する測定対象材料
の表面に対し傾斜させて送受波する探触子を有するセン
サ部と、受波信号中から、上記測定対象材料の第１の層
と第２の層との境界からの反射波を抽出する抽出手段
と、上記測定対象材料の表面から上記反射波までの距離
を計測する計測手段とを備えた構成としたので、深さ方
向に音響インピーダンスの異なる第１の層と第２の層の
境界と材料表面との間の距離が計測できる。

【００９５】請求項２記載の発明によれば、焼入れ硬化
層深さを計測できる。

【００９６】請求項３記載の発明によれば、携帯性に優
れるとともに、探触子面に付着する気泡及び接触媒体内
の気泡も取り除くことができ常に正常な測定が期待でき
る。また、局部水浸式であるため、表面近くの浅い焼入
れ硬化層深さの測定等の測定が可能となるとともに、大
掛かりな水槽設備が不要で、しかも場所の制約を受ける
ことなく測定対象材料を積み置き状態のままで焼入れ硬
化層深さを高精度で測定できる。

【００９７】請求項４記載の発明によれば、水槽内に浸
漬された測定対象材料に対してセンサ部を位置固定可能
に支持する取付具を備えた構成としたので、本装置を水
浸式としても適用できる。

【００９８】請求項５記載の発明によれば、センサ部を
測定対象材料の表面に対して垂直方向に移動可能に構成
したので、層深さの異なる材に対して、また材の径等の
形状が異なるものに対しても有効に適用することができ
る。

【００９９】請求項６記載の発明によれば、センサ部を
測定対象材料の表面に平行な方向であって、少なくとも
１軸方向に走査移動可能に構成したので、材の所望の表
面位置に対する測定が可能となる。

【０１００】請求項７記載の発明によれば、マッチング
コイルを介設して抽出手段からみた探触子側の整合を取
ったので、受波信号は純抵抗分のみの減衰、すなわち最
大効率で抽出手段側に導かれる。

【０１０１】請求項８記載の発明によれば、複数回の超
音波パルスの送波に伴う受波信号を積算し、この積算さ
れた受波信号に基づいて測定対象材料の第１の層と第２
の層との境界からの反射波を検出する構成としたので、
個々に得られる受波信号のバラツキを吸収し、より精度
高い測定結果を得ることができる。

【０１０２】請求項９記載の発明によれば、時間方向に
移動可能なゲートを有し、受波信号中、上記ゲートを通
過する最初の反射信号を測定対象材料の第１の層と第２
の層との境界からの反射波として抽出するように構成し
たので、第１の層と第２の層との境界からの反射波をよ
り確実に捉えることができ、信頼性ある測定装置が提供
し得る。

【０１０３】請求項１０記載の発明によれば、積算され
た受波信号を積算回数で平均し、この平均化された受波
信号の波形を表示する表示手段を備えたので、個々の送
受波に伴うバラツキを吸収した精度高い測定結果の表示
を可能とし、加えて測定結果の確認及び第１、第２の層
内での反射状況の確認が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超音波の横波を利用した層厚測定
装置のブロック図である。

【図２】本発明に係る超音波の横波を利用した層厚測定
装置の外観を示す斜視図である。

【図３】探触子を探触子保持具に挿着して局部水浸式に
よる測定状態を示す斜視図である。

【図４】探触子を探触子保持具に挿着した状態を示すも
ので、（ａ）は正面図、（ｂ）は右側面図である。

【図５】注水を説明するための探触子保持具の側面図で
ある。

【図６】水浸式による測定装置の一例を説明するための
図で、（ａ）は昇降機構部の斜視図、（ｂ）は水平方向
走査機構部の斜視図である。

【図７】探触子とマッチングコイルとの等価回路を示す
図である。

【図８】実施例の焼入れ硬化層のビッカース硬度分布を
示す図である。

【図９】実施例の焼入れ硬化層深さを超音波測定したと
きのブラウン管上の波形図である。

【図１０】焼入れ硬化層深さの硬度測定値と超音波測定
値との関係を示す図である。

【図１１】実施例の炭素鋼（ＳＣ鋼）の表面にステンレ
ス鋼（ＳＵＳ鋼）を肉盛り溶接した状態を示す図であ
る。

【図１２】従来法で、実施例の炭素鋼（ＳＣ鋼）の表面
にステンレス鋼（ＳＵＳ鋼）を肉盛り溶接した肉盛り厚
さを超音波測定したときのブラウン管上の波形図であ
る。

【図１３】実施例の炭素鋼（ＳＣ鋼）の表面にステンレ
ス鋼（ＳＵＳ鋼）を肉盛り溶接した肉盛り厚さを超音波
測定したときのブラウン管上の波形図である。

【図１４】パネル操作部の各種操作キーを示す平面図で
ある。

【図１５】表示部の受波信号波形を表示するモードであ
るＡＳ表示の画面におけるレイアウトを示す図である。

【図１６】測定時の表示画面を示す図で、（ａ）はＡＳ
表示、（ｂ）はＡＳ非表示を示すものである。

【図１７】表示部４２の英数字表示の画面を示す図であ
る。

【図１８】測定条件の設定及び測定動作の概略を説明す
るフローチャートである。

【符号の説明】Ａ装置本体Ｂセンサ部ＣケーブルＭ測定対象材料Ｗ水Ｔ水槽１探触子保持具２水溜部３注入孔４気泡排出孔５シールテープ６固定孔７接触面１１探触子１２探触子面２０昇降機構２１水平基台２２，２３ステー２４スライド板２５スライド板２６回動部材２７ハウジング３０水平方向走査機構部３１基台３２，３３ステー３４Ｘ軸スライド板３５，３６ステー３７Ｙ軸スライド板Ｍ１Ｚ軸モータＭ２ θモータＭ３Ｘ軸モータＭ４Ｙ軸モータ４０パネル操作部４０ａ，４０ｂダイヤル４０１〜４１８キー４２表示部４３制御部４４プログラムＲＯＭ４５ＲＡＭ４６演算部４７ドライバ４９アンプ５０マッチングコイル５１Ａ／Ｄ変換回路５２加算回路５３メモリ５４設定回路５５ゲートＧＭゲートマーカ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＭＨｚ帯の周波数の超音波パルスを、深
さ方向の音響インピーダンスの異なる第１の層と第２の
層を有する測定対象材料の表面に対し傾斜させて送受波
する探触子を有するセンサ部と、受波信号中から、上記
測定対象材料の第１の層と第２の層との境界からの反射
波を抽出する抽出手段と、上記測定対象材料の表面から
上記反射波までの距離を計測する計測手段とを備えてな
る超音波の横波を利用した層厚測定装置。
【請求項２】上記測定対象材料は焼入れ材で、上記第
１の層は焼入れ硬化層であり、上記第２の層は母材層で
あることを特徴とする請求項１記載の超音波の横波を利
用した層厚測定装置。
【請求項３】上記センサ部は、注入孔と気泡排出孔を
有するとともに上記測定対象材料との接触面を透明なシ
ールテープで密閉してなる水溜部が形成されており、か
つ上記水溜部の上部にこの水溜部に連通し、上記探触子
を嵌入支持する固定孔が形成された透明な素材の保持具
からなる局部水浸構造を備えていることを特徴とする請
求項１又は２記載の超音波の横波を利用した層厚測定装
置。
【請求項４】請求項１又は２記載の超音波の横波を利
用した層厚測定装置において、上記測定対象材料を浸漬
する水槽部を備え、上記水槽部は、水槽内に浸漬された
上記測定対象材料に対して上記センサ部を位置固定可能
に支持する取付具を備えていることを特徴とする超音波
の横波を利用した層厚測定装置。
【請求項５】上記取付具は、上記測定対象材料の表面
に対して上記センサ部を垂直方向に移動可能になされて
いることを特徴とする請求項４記載の超音波の横波を利
用した層厚測定装置。
【請求項６】上記取付具は、上記測定対象材料の表面
に平行な方向であって、少なくとも１軸方向に上記セン
サ部を走査移動可能になされていることを特徴とする請
求項５記載の超音波の横波を利用した層厚測定装置。
【請求項７】請求項１〜６のいずれかに記載の超音波
の横波を利用した層厚測定装置において、上記探触子は
圧電部材からなり、該圧電部材と上記抽出手段間であっ
て受波線路中に上記圧電部材のインピーダンスとの整合
をとるマッチングコイルを介設したことを特徴とする超
音波の横波を利用した層厚測定装置。
【請求項８】上記抽出手段は、複数回の超音波パルス
の送波に伴う受波信号を積算し、この積算された受波信
号に基づいて上記測定対象材料の第１の層と第２の層と
の境界からの反射波を検出するようにしたものであるこ
とを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の超音波
の横波を利用した層厚測定装置。
【請求項９】上記抽出手段は、時間方向に移動可能な
ゲートを有し、受波信号中、上記ゲートを通過する最初
の反射信号を上記測定対象材料の第１の層と第２の層と
の境界からの反射波として抽出するものであることを特
徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の超音波の横波
を利用した層厚測定装置。
【請求項１０】請求項８記載の超音波の横波を利用し
た層厚測定装置において、積算された受波信号を積算回
数で平均し、この平均化された受波信号の波形を表示す
る表示手段を備えたことを特徴とする超音波の横波を利
用した層厚測定装置。