JP3793873B2

JP3793873B2 - 材料表面および被覆層の弾性パラメータ測定装置

Info

Publication number: JP3793873B2
Application number: JP2001329167A
Authority: JP
Inventors: 幹夫福原
Original assignee: 日本ＩＴｅＳ株式会社
Priority date: 2001-10-26
Filing date: 2001-10-26
Publication date: 2006-07-05
Anticipated expiration: 2021-10-26
Also published as: JP2003130851A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属，コンクリート，ガラスを含むセラミックス，ゴムを含むポリマーなどの表面近傍またはこれらの被覆層における各種弾性パラメータの測定装置に関し、超音波を利用した非破壊形式でもって、簡便かつ絶対的な定量計測ができるようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、各種材料における表面部もしくは被覆層の疲労、加工硬化、劣化などを測定する方法として、断面部の硬度測定や走査型電子顕微鏡による観察、Ｘ線照射による応力測定などが実用されている。また、超音波を用いて各種弾性パラメータを測定する技術もすでに確立されている。この方法は、一つの測定装置でもってさまざまな材料特性を計測することができるという特長をもっている。さらに最近では、レーザ照射により、超音波を励起させ、弾性率等を測定する方法も実現されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらレーザ照射による励起方法は、同時に熱を誘起させるために融点の低い金属やポリマーへの適用は不可能であること、被膜の剥離や酸化を伴うこと、表面下の有効測定部分が不明確といった欠点をもっている。さらに、装置が大がかりで、高価なことも普及を阻んでいる要因となっている。
【０００４】
一方、超音波を用いた測定は、従来は縦波プローブと横波プローブを交互に被測定部に固着させるもので、同時計測することはできなかった。しかも表面からの測定深さが１mmを超えるものに限定されていて、材料表面や被覆層の測定は不可能であった。
【０００５】
このようなことから、本発明者は、縦波プローブと横波プローブを交互に測定部に固着させない測定方法の開発を最大の課題として鋭意研究を行い、新たな発想のもとに、縦波のクリーピング波と横波の剪断水平波からなる超音波の同時送信を利用した材料表面および被覆層の弾性パラメータの測定装置を完成させたのである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題に鑑みなされたもので、請求項１の発明は、金属，コンクリート，ガラスを含むセラミックス，ゴムを含むポリマーなどの各種材料またはこれらの被覆層からなる試験体に対して、超音波の縦波・横波同時送信子（以下、送信子という。）および縦波・横波同時受信子（以下、受信子という。）の対機能より構成された計測用センサを固着させることによって、表面近傍の弾性的特性を非破壊接触にて測定できるようにしたセンサが組み込まれてなる材料表面および被覆層の弾性パラメータ測定装置であって、この送信子と受信子とは互いに内角状態で対向して配設され、しかも縦波のクリーピング波と横波の剪断水平波（以下、ＳＨ波という。）とからなる超音波がそれぞれの前面部分に配置されたくさび部材に伝搬するように送信角度および受信角度が構成されて、材料表面下の縦波・横波音速，音速異方性係数，各種弾性率（ヤング率，剛性率，体積弾性率，圧縮率，ラーメパラメータ），ポアソン比，デバイ温度，グリナイゼンパラメータ，縦波・横波減衰率，縦波・横波内部磨耗，縦波・横波周波数，線膨張係数およびナイキスト線図が同時計測されるように形成されていることを特徴とするものである。
【０００７】
この発明は、超音波の縦波と横波の同時送信子および受信子を利用したことを第１の特長とするものである。そして、くさび部材を介して超音波を伝播させ、その送信角度および受信角度を適正に設定することでもって被測定物の表面部を超音波が伝播するように制御することができるようになるから、材料表面下の各種弾性パラメータが一度に測定できるようになる。
【０００８】
請求項２の発明は、前記センサには２つの受信子が内蔵されるとともに、この２つの受信子は、所定の間隔をおいて前記送信子と結ぶ直線上に並置されることを特徴とする。このような配置とすることにより、２つの受信子の間隔によってもたらされる測定値の差が利用できるようになり、一層精度の高い測定が可能となる。より詳細には、受信された２つの受信波の伝播時間差もしくは音圧比をＣＰＵに取り込んで演算、解析処理することにより試験体の弾性パラメータを同時計測するものである。
【０００９】
請求項３の発明は、前記送信子および受信子は、超音波の送信および受信を制御するパルサー・レシーバ部に接続され、このパルサー・レシーバ部は、受信子側からの受信波をデジタル変換するＡ／Ｄ変換部に接続され、このＡ／Ｄ変換部は、波形表示機能を備えた演算処理用のＣＰＵに接続されることを特徴とする。これにより、前記センサの組み込まれた完成された測定装置が提供できるようになる。
【００１０】
請求項４の発明は、前記ＣＰＵは、パーソナルコンピュータにて構成され、その集積回路のボードに、パルサー・レシーバ部およびＡ／Ｄ変換部が組み込まれることを特徴とする。これにより、パーソナルコンピュータは既存のものが使用でき、非常にコンパクトな測定装置が提供できるようになる。
【００１１】
請求項５の発明は、前記送信子および受信子は、縦波発生用の圧電ドメインおよび横波発生用圧電ドメインの二種類で構成されていることを特徴とする。これにより、従来形のように縦波と横波の圧電素子を同心円状もしくは半月状に組み合わせて貼り付ける必要がなくなるので、測定面への片当たりによる縦波・横波同一送受信が不安定になるという欠点がなくなる。
【００１２】
請求項６の発明は、縦波のクリーピング波と横波のＳＨ波が試験体の表面下１〜５波長の深さを同時伝搬するように前記送信角度および受信角度が設定されていることを特徴とする。また、請求項７の発明は、縦波のクリーピング波と横波のＳＨ波の受信波形の音圧比が１／５〜５／１の範囲にあるように前記送信角度および受信角度が設定されていることを特徴とする。波長の深さや音圧比は送信角度および受信角度の関数であるから、前記のような数値範囲となるように角度調整することにより、材料表面や被覆層の測定が可能となる。
【００１３】
請求項８の発明は、前記送信子および受信子は、セラミックス，ポリマー，またはセラミックスとポリマーのコンポジットからなる圧電素子であることを特徴とする。このうち、セラミックス圧電素子は、感度が良好であるが衝撃に弱くて破損しやすい。ポリマー圧電素子は、可撓性に優れてるので測定面の凹凸や粗さの影響を受けにくく、破損にも強く、さらに高周波超音波の送受信が可能であるという特長をもっているが、感度は良くない。コンポジット圧電素子は、感度良好であるが、衝撃に弱く、面粗さに対する適応性も低く、かつ高価である。かくして、用途に応じてこれら３種類の圧電素子が使い分けられる。
【００１４】
請求項９の発明は、前記くさび部材にはアクリルが用いられることを特徴とする。通常、くさび部材は、試験体との間の音響インピーダンスの差が少なく、超音波の伝搬特性があり、かつ耐磨耗性の良好な材料から選定される。例えば、鉛等の金属、フリントガラス等のガラス、アクリル、ポリカーボネイト、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミド、ポリアミド、ポリエーテルスルホン、ポリアセタール、ポリエチレンテレフタレート、ＡＢＳ樹脂、変成ポリフェニレンエーテル等のポリマー、あるいはシリコンゴム、ウレタンゴム、ハイカー等のゴムが用いられる。さらに付言すると、最も測定対象となることの多い鋼材が試験体である場合に、縦波と横波がほぼ同時角度で入射・受信するという理由から、アクリルが好適である。
【００１５】
請求項１０の発明は、前記送信子より送信される超音波の周波数が０．５〜１００MHzであることを特徴とする。周波数が０．５MHzよりも小さいと波長が長くなりすぎて測定精度が低下し、反対に１００MHzを超える過度に減衰し易くなるからである。さらに測定の信頼性を求めるならば、１〜２０MHzが推奨される。なお、超音波にはパルス波が用いられるが、これは、複雑に干渉しあうことが少ないことや、受信波形の解析がしやすく試験体を無限媒質の固体として取り扱える性質があるからである。
【００１６】
【発明実施の形態】
次に、本発明の実施の一形態について、図を参照しながら説明する。図１は、この発明の測定装置に組み込まれるセンサの概念的な説明図を示すもので、センサ１は、たとえば、鋼材からなる試験体２の焼入れ時に生じる表面硬化を測定するときに使用される。センサ１の内部には、１つの送信子３と２つの受信子４とが対向して備わっている。そして、送信子３に近い側の受信子４ａと、これより離れて置かれた受信子４ｂは、送信子３と結ぶ直線上に所定の間隔でもって並置される。また、この送信子３および受信子４は、縦波のクリーピング波と横波のＳＨ波が同時に送信および受信することのできる同一基盤圧電素子であって、セラミックス，ポリマー，またはセラミックスとポリマーのコンポジットからなるものである。
【００１７】
送信子３および受信子４の前面部分には、くさび部材５が配置される。送信子３から送信された超音波は、このくさび部材５によって回析し、試験体２の表面直下部分を伝搬後、受信子４側のくさび部材５を経て受信子４にて受信される。この際、送信波および受信波が効率よく伝搬できるように、予め送信角度θ1および受信角度θ2が調整され固定されている。センサ１の外郭を構成するケース６には接続端子７が固着され、送信子３および受信子４から延びるリード線８と同軸ケーブル９とを結んでいる。送信角度θ1および受信角度θ2は、送信子３および受信子４における振動面の垂線とセンサの接地面の垂線との間に形成される角度として定義される。
【００１８】
送信子３および受信子４は１００μmオーダーの縦波とＳＨ波の圧電ドメインが交互に分散した同一基盤からなり、同時送信および受信できることを特長としている。送信子３により送信される縦波のクリーピング波と横波のＳＨ波を試験体２の表面直下部分に伝搬させ、材料の弾性的特性を計測する。この場合の周波数は、０．５〜１００MHzのパルス波が使用されるが、より測定の信頼性を高めるためには１〜２０MHzが好適である。また、図１には示されていないが、送信子３および受信子４の背後には、測定制動用のダンパが設けられ、雑音ノイズのカットや受信波数の調整が行われる。
【００１９】
受信子４aと受信子４bとは、送信子３からの縦波クリーピング波と横波ＳＨ波をある所定の距離だけ離して受信するようにしたもので、この間の距離が試料の測定箇所となる。すなわち、送信子３と受信子４ａとの間と、送信子３と受信子４ｂとの間との伝播時間差もしくは音圧比を同時計測することでもって、測定装置の電気系統誤差の発生や、送信子３と受信子４ａとの間での測定に続いて送信子３と受信子４ｂとの間を測定するという従来の二度押しつけ方法からくる誤差の発生が解消され、前記距離における精密な伝搬時間差または音圧比の計測が可能となる。
【００２０】
受信子４ａと受信子４ｂの間の距離は、１mm〜１００mmにあることが望ましい。１mm以下では、受信子４ａによる計測データのピーク値と受信子４ｂによる計測データのピーク値とが重なり合って分離が難しくなる。反対に１００mm以上の間隔があくと、縦波のクリーピング波が減衰して計測できなくなるからである。
【００２１】
くさび部材５は、超音波の減衰などから、鋼材の試験体では、縦波基準で８５０〜６０００m/s、横波基準で５００〜３０００m/sの範囲が好適する。これは、音速が遅いと超音波伝搬減衰が大きくなって不具合となり、音速が速いと鋼材からなる試験体に対する超音波入射角が得られないからである。
【００２２】
送信角度θ１および受信角度θ２は、縦波および横波の超音波の入射臨界角近傍を利用する。これによって表面下１〜５波長の深さの情報が得られるようになる。さらに、受信波形の音圧比が１／５〜５／１にあることを確認して、表面直下の計測であることの信頼性を高める。
【００２３】
図２に示すように、同軸ケーブル９は、超音波の送信および受信を制御するパルサー・レシーバ部１０に接続され、パルサー・レシーバ部１０は前記受信子４から送られる受信波をデジタル変換するＡ／Ｄ変換部１１と接続し、さらに波形表示に用いるディスプレイ１２を備えた演算処理用のＣＰＵ１３と接続している。ディスプレイ１２を備えたＣＰＵ１３は、パーソナルコンピュータ１４にて構成してもよく、この場合、集積回路のボード（図示せず。）にパルサー・レシーバ部１０およびＡ／Ｄ変換部１１を内蔵したものとすれば、コンパクトな測定装置とすることができる。
【００２４】
センサ１は、送信面１５および受信面１６を試験体２に密接して載置される。超音波は、試験体２の表層部を介して伝搬し、パルサー・レシーバ部１０のレシーバ側で受信波として認識される。この受信波はＡ／Ｄ変換部１１によってデジタル信号に変換されるとともに、波形表示用のディスプレイ１２を備えたＣＰＵ１３によって演算処理される。ＣＰＵ１３では、測定結果から、材料表面下の縦波・横波音速、音速異方性係数、各種弾性率（ヤング率、剛性率、体積弾性率、圧縮率、ラーメパラメータ）、ポアソン比、デバイ温度、グリナイゼンパラメータ、縦波・横波減衰率、縦波・横波内部磨耗、縦波・横波周波数、線膨張係数が同時計測されるとともに、波形およびナイキスト線図のパターン解析などが行われる。
【００２５】
解析データは、試験体２の標準試料における判定しきい値と相対的に比較され、材料の表面劣化、硬化、疲労として定量的に診断される。したがって、表面部は非破壊的に測定され、しかもＳＨ波が縦波などの他のモードに変換してしまうという現象もないことから、前記測定要素が高精度に実測できるようになる。また、標準試料に対して、診断要素および測定要素の基準値がそれぞれ相関関係となる検量線を予め作成しておき、これに基づき測定要素の実測値が比較判断されるようにすれば、相対的な定量診断が、一層高精度に行えるようになる。この検量線は、単に定量測定をする際にも役立つ。
【００２６】
最後に、本発明の材料表面および被覆層の弾性パラメータ測定装置を用いた測定結果を例示する。
【表１】

【発明の効果】
以上のように、本発明の測定装置によれば、同時送受信することのできるセンサの使用し、送信子および受信子の前面に配置したくさび部材の送信角度と受信角度を適正に設定することにより、金属，コンクリート，ガラスを含むセラミックス，ゴムを含むポリマーなど各種材料の表面近傍やこれらの被覆層といった、従来の測定装置では難しかった深さの極めて浅い部分に対して、一度の測定作業で弾性パラメータを測定することができるようになる。しかも、所定の距離を保って並置された２つの受信子の採用により、高精度で信頼性の高い測定を実現している。またこの測定装置は小型軽量化されており、比較的容易かつ短時間で測定ができるので、工場の加工ラインのような場所での使用も可能であり、加工中の製品の不良チェックなど広い範囲で使用できる。既製のパーソナルコンピュータの利用が可能なので、価格面でも手頃な測定装置が提供できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態であるセンサの一部断面を含む概念的な説明図。
【図２】本発明の実施の一形態である測定装置の概念的な説明図。
【符号の説明】
１センサ
２試験体
３縦波・横波同時送信子
４，４ａ，４ｂ縦波・横波同時受信子
５くさび部材
１０パーソナル・レシーバ部
１１Ａ／Ｄ変換部
１３ＣＰＵ
１４パーソナルコンピュータ
θ1 送信角度
θ2 受信角度

Claims

金属，コンクリート，ガラスを含むセラミックス，ゴムを含むポリマーなどの各種材料またはこれらの被覆層からなる試験体に対して、超音波の縦波・横波同時送信子および縦波・横波同時受信子の対機能より構成された計測用センサを固着させることによって、表面近傍の弾性的特性を非破壊接触にて測定できるようにしたセンサが組み込まれてなる材料表面および被覆層の弾性パラメータ測定装置であって、この縦波・横波同時送信子と縦波・横波同時受信子とは互いに内角状態で対向して配設され、しかも縦波のクリーピング波と横波の剪断水平波とからなる超音波がそれぞれの前面部分に配置されたくさび部材に伝搬するように送信角度および受信角度が構成されて、材料表面下の縦波・横波音速，音速異方性係数，各種弾性率（ヤング率，剛性率，体積弾性率，圧縮率，ラーメパラメータ），ポアソン比，デバイ温度，グリナイゼンパラメータ，縦波・横波減衰率，縦波・横波内部磨耗，縦波・横波周波数，線膨張係数およびナイキスト線図が同時計測されるように形成されていることを特徴とする材料表面および被覆層の弾性パラメータ測定装置。
前記センサには２つの縦波・横波同時受信子が内蔵されるとともに、この２つの縦波・横波同時受信子は、所定の間隔をおいて前記縦波・横波同時送信子と結ぶ直線上に並置されることを特徴とする請求項１に記載の材料表面および被覆層の弾性パラメータ測定装置。
前記縦波・横波同時送信子および縦波・横波同時受信子は、超音波の送信および受信を制御するパルサー・レシーバ部に接続され、このパルサー・レシーバ部は、縦波・横波同時受信子側からの受信波をデジタル変換するＡ／Ｄ変換部に接続され、このＡ／Ｄ変換部は、波形表示機能を備えた演算処理用のＣＰＵに接続されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の材料表面および被覆層の弾性パラメータ測定装置。
前記ＣＰＵは、パーソナルコンピュータにて構成され、その集積回路のボードに、パルサー・レシーバ部およびＡ／Ｄ変換部が組み込まれることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の材料表面および被覆層の弾性パラメータ測定装置。
前記縦波・横波同時送信子および縦波・横波同時受信子は、縦波発生用の圧電ドメインおよび横波発生用圧電ドメインの二種類で構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の材料表面および被覆層の弾性パラメータ測定装置。
縦波のクリーピング波と横波の剪断水平波が試験体の表面下１〜５波長の深さを同時伝搬するように前記送信角度および受信角度が設定されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の材料表面および被覆層の弾性パラメータ測定装置。
縦波のクリーピング波と横波の剪断水平波の受信波形の音圧比が１／５〜５／１の範囲にあるように前記送信角度および受信角度が設定されていることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の材料表面および被覆層の弾性パラメータ測定装置。
前記縦波・横波同時送信子および縦波・横波同時受信子は、セラミックス，ポリマー，またはセラミックスとポリマーのコンポジットからなる圧電素子であることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の材料表面および被覆層の弾性パラメータ測定装置。
前記くさび部材にはアクリルが用いられることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載の材料表面および被覆層の弾性パラメータ測定装置。
前記縦波・横波同時送信子より送信される超音波の周波数が０．５〜１００MHzであることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかに記載の材料表面および被覆層の弾性パラメータ測定装置。