(57)【要約】【課題】作業性が良好で且つ探触子配置場所が極力制限されることのない組織異方性評価装置及び方法を提供する。【解決手段】縦波振動子４は直方体形状に形成されており、その上端側が負極性、下端側が正極性になるように磁化されている。そして、上端面と下端面との間に交流電源ACによる所定周波数の交流電圧が印加される。この電圧印加状態は所定周期で繰り返されるので、縦波振動子４には矢印方向に示す引張力及び圧縮力が交互に加わる。したがって、縦波振動子４は、縦波振動（ｚ方向）に加えて、振動方向がそれぞれ０°（ｘ方向）及び９０°（ｙ方向）の横波振動を発生する。それ故、粘性が低く作業性の良い縦波用接触媒質を用いることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直方体形状の縦波振動子を有し、被検査材に対して縦波超音波及び横波超音波を縦波用接触媒質を介して送信する送信用探触子と、
直方体形状の縦波振動子を有し、前記送信用探触子が送信した縦波超音波及び横波超音波の受信波を縦波用接触媒質を介して受信する受信用探触子と、
前記送信用探触子の送信動作及び前記受信用探触子の受信動作を制御する超音波送受信制御部と、
前記超音波送受信制御部から横波超音波の送受信データを入力し、振動方向が互いに直交する２つの横波受信波のデータを用いて前記被検査材の組織異方性について評価を行う組織異方性評価部と、
を備えたことを特徴とする組織異方性評価装置。
【請求項２】
前記受信用探触子は、最初に前記送信用探触子からの振動方向０°又は９０°のうちのいずれか一方の横波超音波の受信波を受信する位置に配置され、その後に他方の横波超音波の受信波を受信する位置に配置されるものである、
ことを特徴とする請求項１記載の組織異方性評価装置。
【請求項３】
前記受信用探触子は、前記送信用探触子からの振動方向０°及び９０°の横波超音波の受信波をそれぞれ受信する第１及び第２の受信用探触子により構成されるものである、
ことを特徴とする請求項１記載の組織異方性評価装置。
【請求項４】
直方体形状の縦波振動子を有する送信用探触子からの縦波超音波及び横波超音波を、縦波用接触媒質を介して被検査材に対して送信する工程と、
直方体形状の縦波振動子を有する受信用探触子により、前記送信用探触子が送信した縦波超音波及び横波超音波の受信波を縦波用接触媒質を介して受信する工程と、
前記送信用探触子及び前記受信用探触子の横波超音波の送受信データのうち、振動方向が互いに直交する２つの横波受信波のデータを用いて前記被検査材の組織異方性について評価を行う工程と、
を備えたことを特徴とする組織異方性評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動方向が異なる横波超音波のデータを用いて材料の組織異方性についての評価を行う組織異方性評価装置及び組織異方性評価方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
構造材料における組織異方性の存在は、機械的強度や耐食性など種々の特性に影響を及ぼすため、予め組織異方性の大きさを求めておくことが要求される。組織異方性の大きさを求める手法としては、例えば、横波超音波探触子を接触媒質を介して被検査材に接触させた状態で、振動方向が互いに直交する２つの横波超音波を送信し、その２つの横波超音波受信データから演算した各横波音速度に基づき組織異方性の大きさを求める手法（例えば、特許文献１）、あるいは電磁超音波探触子により、接触媒質を用いることなく、上記と同様に、振動方向が互いに直交する２つの横波超音波を送信し、その２つの横波超音波受信データから演算した各横波音速度に基づき組織異方性の大きさを求める手法（例えば、特許文献２）などがある。
【０００３】
図６は、特許文献１と同様に、横波超音波探触子を横波用接触媒質を介して被検査材に接触させた状態で、横波超音波の送受信を行う従来装置の説明図であり、（ａ）は概略ブロック構成図、（ｂ）は（ａ）のB-B矢視図である。
【０００４】
被検査材１０１の上面に横波用接触媒質１０２を介して横波超音波用の送受信探触子１０３が配置されている。この送受信探触子１０３は横波送信波Sを被検査材１０１の内部に向けて送信し、横波送信波Sが被検査材１０１の底面に反射することにより生成した横波受信波Rを受信するようになっている。
【０００５】
超音波送受信制御部１０４は、この送受信探触子１０３の超音波送受信動作を制御するものであり、送受信探触子１０３が送信及び受信した横波送信波S及び横波受信波Rの各データを、超音波データ処理装置１０６の組織異方性評価部１０５に送出するようになっている。
【０００６】
次に、図６の従来装置を用いて行う組織異方性評価のための作業につき説明する。オペレータは、まず、送受信探触子１０３の先端部に、粘性の高い横波用接触媒質１０２を塗布し、この先端部を被検査材１０１の上面に強い力で押し付ける。そして、オペレータは、この押し付けを或る程度以上の時間行い、横波用接触媒質１０２の厚さが均一になった後に、超音波送受信制御部１０４の操作釦（図示せず）を操作して、送受信探触子１０３に横波送信波Sを送信させる。このときの横波超音波の振動方向は、図６（ｂ）に示すような０°方向である。
【０００７】
この横波送信波Sは被検査材１０１の底面で反射して横波受信波Rとなり、送受信探触子１０３により受信される。超音波送受信制御部１０４は、送受信探触子１０３が送信及び受信した横波送信波S及び横波受信波Rの各データを組織異方性評価部１０５に送出する。組織異方性評価部１０５は、送られてきたこれら横波送信波S及び横波受信波Rの各データを自己の記憶部に保持しておく。
【０００８】
次いでオペレータは、図６（ｂ）の矢印で示す方向に９０°だけ送受信探触子１０３を回転させる。これにより、送受信探触子１０３が送受信する横波超音波の振動方向は０°方向から９０°方向に変更される。この後オペレータは、上記と同様に操作釦を操作して、送受信探触子１０３に横波送信波Sを送信させる。送受信探触子１０３、超音波送受信制御部１０４、及び組織異方性評価部１０５の以降の動作も上記と同様である。
【０００９】
図７は、送受信探触子１０３の送受信動作により得られる横波超音波の波形図であり、（ａ）は振動方向０°の横波超音波、（ｂ）は振動方向９０°の横波超音波を示している。図７（ａ）では、送信波S(0)が送信された後に１回目の受信波R1(0)が受信され、更にその後に２回目の受信波R2(0)が受信されているのが示されている。同様に、図７（ｂ）では、送信波S(90)が送信された後に１回目の受信波R1(90)が受信され、更にその後に２回目の受信波R2(90)が受信されているのが示されている。そして、受信波R1(0)の受信タイミングと受信波R1(90)の受信タイミングとの間にはズレδが生じている。このズレδの大きさは、後述する音速度Ｖ(0)と音速度Ｖ(90)との比に反映される。
【００１０】
送受信探触子１０３の送受信動作が終了した後、オペレータは超音波データ処理装置１０６を操作して組織異方性評価部１０５に評価のための演算を行わせる。
【００１１】
すなわち、組織異方性評価部１０５は、先に自己の記憶部に保持していた横波送信波S及び横波受信波Rの各データを用いて、振動方向０°の横波超音波の音速度Ｖ(0)、及び振動方向９０°の横波超音波の音速度Ｖ(90)を演算する。これらの音速度は、超音波の送信タイミング及び受信タイミングから超音波の伝播時間を求め、超音波の伝播距離（被検査材１０１の板厚の２倍）をこの伝播時間で除算すればよい。
【００１２】
そして、組織異方性評価部１０５は、これら２つの音速度の比Ｖ(0)／Ｖ(90)を演算し、この値が1.02を超えていれば組織異方性は許容範囲を超えていると評価する。このような場合、被検査材１０１が構造材料として用いられているのであれば、交換や補修等の手当てが必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００４−２９４２３２号公報
【特許文献２】特開２００５−７７２９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、図６の従来装置では、オペレータが、送受信探触子１０３の先端部に粘性の高い横波用接触媒質１０２を塗布した後、この先端部を被検査材１０１の上面に強い力で或る程度以上の時間押し付けていなければならないため、少なからぬ時間及び労力を強いられて極めて作業性の悪いものとなっている。
【００１５】
一方、特許文献２に係る従来装置によれば、接触媒質が不要な電磁超音波探触子を使用しているので、オペレータは上記のような作業性の悪さからは解放される。しかし、この電磁超音波探触子は、接触媒質を用いる超音波探触子に比べて送受信効率が低く感度が悪いために、電磁超音波探触子のサイズを相当程度大形化しなければならない。この大形化のため、電磁超音波探触子を配置することが可能な場所がかなりの程度制限されてしまうという欠点を有していた。
【００１６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、作業性が良好で且つ探触子配置場所が極力制限されることのない組織異方性評価装置及び組織異方性評価方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するための手段として、本発明に係る組織異方性評価装置は、直方体形状の縦波振動子を有し、被検査材に対して縦波超音波及び横波超音波を縦波用接触媒質を介して送信する送信用探触子と、直方体形状の縦波振動子を有し、前記送信用探触子が送信した縦波超音波及び横波超音波の受信波を縦波用接触媒質を介して受信する受信用探触子と、前記送信用探触子の送信動作及び前記受信用探触子の受信動作を制御する超音波送受信制御部と、前記超音波送受信制御部から横波超音波の送受信データを入力し、振動方向が互いに直交する２つの横波受信波のデータを用いて前記被検査材の組織異方性について評価を行う組織異方性評価部と、を備えたことを特徴とする。
【００１８】
また、本発明に係る組織異方性評価方法は、直方体形状の縦波振動子を有する送信用探触子からの縦波超音波及び横波超音波を、縦波用接触媒質を介して被検査材に対して送信する工程と、直方体形状の縦波振動子を有する受信用探触子により、前記送信用探触子が送信した縦波超音波及び横波超音波の受信波を縦波用接触媒質を介して受信する工程と、前記送信用探触子及び前記受信用探触子の横波超音波の送受信データのうち、振動方向が互いに直交する２つの横波受信波のデータを用いて前記被検査材の組織異方性について評価を行う工程と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る組織異方性評価装置及び組織異方性評価方法よれば、縦波振動子の形状を直方体とすることによって、縦波超音波ばかりか横波超音波を発生させることができるので、粘性が低い縦波用接触媒質を用いることが可能になり、作業性を向上させることができ、また、探触子配置場所が極力制限されないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る組織異方性評価装置の説明図であり、（ａ）は概略ブロック構成図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視図。
【図２】本発明の原理についての説明図であり、（ａ）は縦波振動子に対して或る極性の電圧が印加されている状態、（ｂ）は縦波振動子に対して（ａ）とは反対の極性の電圧が印加されている状態を示す。
【図３】図１における送信用探触子３及び受信用探触子５の送信波及び受信波を示す波形図であり、（ａ）は受信用探触子５の位置が０°方向、（ｂ）は受信用探触子５の位置が９０°方向の場合を示す。
【図４】本発明の第１の実施形態の変形例の要部構成を示す平面図。
【図５】本発明の第２の実施形態の要部構成を示す平面図。
【図６】従来装置の説明図であり、（ａ）は概略ブロック構成図、（ｂ）は（ａ）のB-B矢視図。
【図７】図６の従来装置により得られる横波超音波の波形図であり、（ａ）は振動方向０°の横波、（ｂ）は振動方向９０°の横波を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る組織異方性評価装置の説明図であり、（ａ）は概略ブロック構成図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。
【００２２】
被検査材１の上面に縦波用接触媒質２を介して、直方体形状の縦波振動子４を有する送信用探触子３と、同じく直方体形状の縦波用振動子６を有する受信用探触子５とが所定距離だけ離間した状態で配置されている。送信用探触子３の縦波振動子４は横波送信波Sを被検査材１の内部に向けて送信し、受信用探触子５の縦波用振動子６は横波送信波Sが被検査材１の底面に反射することにより生成した横波受信波Rを受信するようになっている。
【００２３】
送信用探触子３の超音波送信動作は超音波送信制御部７により制御され、受信用探触子５の超音波受信動作は超音波受信制御部８により制御されるようになっている。そして、超音波送信制御部７は送信用探触子３が送信した横波送信波Sのデータを、また、超音波受信制御部８は受信用探触子５が受信した横波受信波Rのデータをそれぞれ超音波データ処理装置１０の組織異方性評価部９に送出するようになっている。なお、超音波送信制御部７からのデータに含まれる送信タイミング情報は超音波受信制御部８にも送出され、超音波受信制御部８はこれに基づき受信制御を行うようになっている。
【００２４】
送信用探触子３及び受信用探触子５の平面的配置状態は図１（ｂ）に示す通りであり、本実施形態では、受信用探触子５が当初は振動方向０°の位置に配置されている。そして、受信用探触子５は、振動方向０°の位置での受信動作が終了したら次に振動方向９０°の位置（２点鎖線で図示）に移動された後、再度受信動作を行うようになっている。
【００２５】
図２は、本発明の原理についての説明図であり、（ａ）は縦波振動子に対して或る極性の電圧が印加されている状態、（ｂ）は縦波振動子に対して（ａ）とは反対の極性の電圧が印加されている状態を示している。
【００２６】
図２（ａ），（ｂ）に示すように、縦波振動子４は３軸直交座標のｘ，ｙ，ｚ方向とそれぞれ直交する平面を有する直方体形状に形成されている。これまで説明してきた横波の０°の振動方向及び９０°の振動方向とは、それぞれｘ方向及びｙ方向のことである。また、ｚ方向が縦波振動方向となる。
【００２７】
縦波振動子４は、その上端側が負極性、下端側が正極性になるように磁化されており、上端面と下端面との間に交流電源ACによる所定周波数の交流電圧が印加される。図２（ａ）の電圧印加状態では、上端側が正、下端側が負となっているので、縦波振動子４にはｚ方向の引張力が働く。このｚ方向の引張力により、ｘ方向には圧縮力、ｙ方向には引張力が働く。
【００２８】
そして、図２（ｂ）の電圧印加状態では、上端側が負、下端側が正に切り換わっているので、縦波振動子４には今度はｚ方向の圧縮力が働く。このｚ方向の圧縮力により、ｘ方向には引張力、ｙ方向には圧縮力が働く。
【００２９】
図２（ａ），（ｂ）に示した縦波振動子４の電圧印加状態は所定周期で繰り返されるので、縦波振動子４は、縦波振動（ｚ方向）に加えて、振動方向がそれぞれ０°（ｘ方向）及び９０°（ｙ方向）の横波振動を発生させることが可能である。
【００３０】
これに対し、通常用いられる縦波振動子は円柱形状に形成されている。したがって、横波振動は全周方向にわたって拡散されるので発生することはなく、縦波振動のみが発生するようになっている。但し、実際には、若干の横波振動の発生が認められることもあるが、これは円柱の断面形状が真円ではなくある程度の歪みを有しているためである。つまり、通常用いられる縦波振動子では、横波超音波の発生は好ましくない現象として極力排除されるべき対象と考えられている。
【００３１】
本発明は、このように通常用いられる縦波振動子においては排除されるべき横波超音波を、振動子形状を直方体とすることによって積極的に利用しようとするものである。そして、本発明では、このように、縦波振動子により横波超音波を発生させることができるので、粘性が高く作業性の悪い横波用接触媒質を用いる必要がなくなり、粘性が低く作業性の良好な縦波用接触媒質を用いることが可能になる。なお、縦波用接触媒質には、水浸法における「水ギャップ」の水も含まれるものとする。
【００３２】
次に、本実施形態に係る装置を用いて行う組織異方性評価のための作業につき説明する。オペレータは、まず、送信用探触子３及び受信用探触子５の各先端部に縦波用接触媒質２を塗布し、これらを被検査材１の上面に配置する。この縦波用接触媒質２は、横波用接触媒質とは異なり粘性が低いものなので、オペレータは従来装置のように先端部を強い力で或る程度以上の時間押し付ける必要はない。
【００３３】
次いで、オペレータは、超音波送信制御部７及び超音波受信制御部８の操作釦（図示せず）を操作して、送信用探触子３に送信波Sを送信させると共に、受信用探触子５に受信波R（振動方向０°）を受信させる。超音波送信制御部７及び超音波受信制御部８は、これら送信波S及び受信波Rのデータを超音波データ処理装置１０の組織異方性評価部９に送出する。組織異方性評価部９は、送られてきたこれら送信波S及び受信波Rの各データを自己の記憶部に保持しておく。
【００３４】
上記のように振動方向０°の横波超音波のデータ収集処理が行われた後、オペレータは、受信用探触子５の位置を、図１（ｂ）に示した振動方向０°の位置から振動方向９０°の位置（２点鎖線）に移動させる。そして、再度超音波送信制御部７及び超音波受信制御部８の操作釦（図示せず）を操作して、送信用探触子３に送信波Sを送信させると共に、受信用探触子５に受信波R（振動方向９０°）を受信させる。以降の動作は上記と同様である。
【００３５】
図３は、送信用探触子３及び受信用探触子５の送信波及び受信波を示す波形図であり、（ａ）は受信用探触子５の位置が０°方向、（ｂ）は受信用探触子５の位置が９０°方向の場合を示している。この図に示されるように、探触子３，５の振動子４，６は直方体形状の縦波用のものを用いていることから、縦波及び横波の双方の受信波が検出されている。
【００３６】
そして、受信波R1(0)の受信タイミングと受信波R1(90)の受信タイミングとの間にズレδが生じているのは図7の場合と同様である。また、組織異方性評価部９の評価・演算の内容は、既述した図６における組織異方性評価部１０５と同様なので重複した説明を省略する。
【００３７】
なお、図３（ａ）と図３（ｂ）とを対比してみれば明らかなように、送信波S及び縦波受信波Ａの位置は上下いずれも同一位置である。したがって、（ａ）の信号を（ｂ）の信号で除算処理すれば横波受信波のみを抽出することができ、演算を容易化することができる。
【００３８】
以上のように、図１の構成によれば、送信用探触子及び受信用探触子の振動子に、直方体形状に形成した縦波振動子を用いることとしたので、粘性の高い横波用接触媒質に代えて粘性の低い縦波用接触媒質を用いることができ、作業性を大きく向上させることができる。また、探触子は送信用及び受信用の２つになっているので送受信兼用の探触子に比べれば大きくなっているが、電磁超音波探触子に比べれば充分に小さなものとなっており、探触子配置場所はそれほど制限されることはない。
【００３９】
なお、本発明においても従来装置のように、探触子を送受信兼用とすることは考えられるところではあるが、本願の発明者の実験結果によれば、送信位置と受信位置との間をある程度離間させた方が縦波と横波との違いを明確に認識できるので、送信と受信とを別々の探触子とした方が好ましいことが判明している。
【００４０】
図４は、上述した第１の実施形態の変形例の要部構成を示す平面図である。この変形例では、送信用探触子３及び受信用探触子５をホルダ部材１１で固定することにより一つの組立体として構成している。
【００４１】
図１（ｂ）の構成の場合、オペレータは、振動方向０°の横波超音波のデータ収集処理が終了した後、受信用探触子５の位置を振動方向９０°の位置に配置変更する場合に、送信用探触子３と受信用探触子５との間の距離が変わらないように離間距離を正確に測定する必要がある。しかし、このような場合、図４の構成によれば両探触子間の離間距離は固定されているので、送信用探触子３を中心として組立体を９０°回転させるだけでよい。したがって、オペレータは、振動方向０°の横波超音波のデータ収集処理の終了後に、速やかに振動方向９０°の横波超音波のデータ収集処理を開始することができる。
【００４２】
図５は、本発明の第２の実施形態の要部構成を示す平面図である。この実施形態では、縦波用振動子６Ａを有する第１の受信用探触子５Aを振動方向０°の位置に配設すると共に、縦波用振動子６Ｂを有する第２の受信用探触子５Bを振動方向９０°の位置に配設しておき、これらを送信用探触子３と一緒にホルダ部材１２で固定することにより１つの組立体として構成している。
【００４３】
この図５の構成によれば、図４の構成のように組立体を回転させる必要もなく、しかも、振動方向０°の横波超音波のデータ収集と振動方向９０°の横波超音波のデータ収集とを同時に行うことができるので、作業性を大幅に向上させることが可能になる。
【符号の説明】
【００４４】
１：被検査材
２：縦波用接触媒質
３：送信用探触子
４：縦波振動子
５：受信用探触子
６：縦波用振動子
７：超音波送信制御部
８：超音波受信制御部
９：組織異方性評価部
１０：超音波データ処理装置
１１，１２：ホルダ部材
Ｓ：送信波
Ｒ：受信波
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2010175337.tif 000007
【図６】
2010175337.tif 000008
【図７】
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