(57)【要約】      （修正有）【課題】被測定物の内部応力をリアルタイムで定量的に測定する。【解決手段】  被測定物１に関しその素材について、所定箇所の対向面相互間を伝搬する音の伝搬時間を、無負荷時における音の伝搬時間ｔ０と、荷重を変化させながら印加して当該印加荷重σｎの大きさに対応した音の伝搬時間ｔｎとについて測定し、これに基づいて当該素材固有の応力依存係数αを、予め特定された算定式α＝ｆ（Δｔｎ，σｎ）により応力依存係数算定回路部１２で算定する。又、未知の荷重が負荷された状態の被測定物１について所定箇所の対向面相互間の音の伝搬時間ｔを測定する。音伝搬時間ｔｎ，ｔ０の測定は音伝搬時間測定手段１１で測定すされる。この音の伝搬時間ｔと前述した応力依存係数αとに基づいて予め特定された内部応力σに関する式σ＝ｆ（Δｔ，α）を主演算部１３で演算し、実際に装備された状態の被測定物１の現実の内部応力σを特定する応力測定方法および装置。【選択図】  図１
2006177701.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物に関しその素材について、所定箇所の対向面相互間を伝搬する音の伝搬時間を、無負荷時もしくは無負荷に近い状態における音の伝搬時間ｔ０と、荷重を変化させながら印加して当該印加荷重σｎの大きさに対応した音の伝搬時間ｔｎとについて、それぞれ超音波を用いて測定する第１の工程と、
この第１の工程で得られる音の伝搬時間ｔ０，ｔｎにかかる複数情報に基づいて当該伝搬時間の変化分Δｔｎ（＝ｔｎ−ｔ０）を算定すると共に、これらの情報および前記被測定物を形成する素材が備えている固有の弾性定数等に基づいて当該被測定物の素材固有の応力依存係数αを、予め特定された算定式
α＝ｆ（Δｔｎ，σｎ）により算定する第２の工程と、
この第１乃至第２の各工程に相前後して、装置若しくは建造物等に装備され未知の荷重が印加された状態の被測定物について所定箇所の対向面相互間を伝搬する音の伝搬時間ｔを測定する第３の工程と、
この第１乃至第３の各工程で得られる諸情報に基づいて、予め特定された内部応力σに関する次式
σ＝ｆ（Δｔ，α）
（ここで、Δｔは  Δｔ＝ｔ−ｔ０  ）
を演算し、実際に装備された状態の前記被測定物の現実の内部応力σを特定する第４の工程と、から成ることを特徴とした応力測定方法。
【請求項２】
前記請求項１に記載の応力測定方法において、
前記第１の工程では、前記所定部材の音の伝搬時間の測定に際しては、前記所定部材に対する荷重σｎの印加方向と同方向に超音波を伝搬させるようにすると共に、
前記第４の工程では、応力算定式  σ＝ｆ（Δｔ，α）として、
σ＝Ｅ（Δｔ／ｔ０）／（１−α）
（ここで、記号Ｅは被測定物を構成する素材のヤング率、以下同じ）を採用し、これに基づいて前記被測定物の現実の内部応力σを演算し算定するようにしたことを特徴とする応力測定方法。
【請求項３】
前記請求項２に記載の応力測定方法において、
前記第２の工程では、応力依存係数αを算定する算定式α＝ｆ（Δｔｎ  ，σｎ  ）として、
α＝｛１−Ｅ（Δｔｎ／ｔ０）／σｎ｝
（ここで、ｎは音伝搬時間ｔｎ  の測定回数、以下同じ）を採用し、これに基づいて前記被測定物にかかる素材の応力依存係数αを算定するようにしたことを特徴とする応力測定方法。
【請求項４】
前記請求項１に記載の応力測定方法において、
前記第１の工程では、前記所定部材の音の伝搬時間の測定に際しては、前記所定部材に対する荷重σｎの印加方向に対して直交する方向に超音波を伝搬させるようにすると共に、
前記第４の工程では、応力算定式  σ＝ｆ（Δｔ，α）として、
σ＝−Ｅ（Δｔ／ｔ０）／（ν＋α）
（ここで、νは被測定物の素材のポアソン比、以下同じ）を採用し、これに基づいて前記被測定物の現実の内部応力σを演算し算定するようにしたことを特徴とする応力測定方法。
【請求項５】
前記請求項４に記載の応力測定方法において、
前記第２の工程では、応力依存係数αを算定する算定式α＝ｆ（Δｔｎ，σｎ）として、
α＝｛−ν−Ｅ（Δｔ／ｔ０）／σｎ｝
を採用し、これに基づいて前記被測定物にかかる素材の応力依存係数αを算定するようにしたことを特徴とする応力測定方法。
【請求項６】
装置若しくは建造物等に装備され未知の荷重が印加された状態の被測定物について所定箇所の対向面相互間を伝搬する音の伝搬時間ｔを超音波を用いて測定すると共に、この被測定物に関しその素材について所定箇所の対向面相互間を伝搬する音の伝搬時間を、無負荷時若しくはこれに近い状態の伝搬時間ｔ０と所定の荷重を変化させながら印加して当該印加荷重σｎ  の大きさに対応した音の伝搬時間ｔｎとについて、それぞれ超音波を用いて測定する音伝搬時間測定手段を有し、
この音伝搬時間測定手段で測定される複数の各音伝搬時間情報ｔ，ｔ０，ｔｎおよび当該音伝搬時間情報ｔｎに対応した印加荷重情報σｎ  を入力し且つこの内の複数の音伝搬時間情報ｔ０，ｔｎに基づいて当該音の伝搬時間の変化分Δｔｎ（＝ｔｎ−ｔ０）を算定すると共に、これらの諸情報に基づいて前記被測定物にかかる素材固有の応力依存係数αを、予め特定された次式
α＝ｆ（Δｔｎ，σｎ）  により演算し算定する応力依存係数算定手段を設け、
この応力依存係数算定手段で算定される応力依存係数αおよび前記音伝搬時間測定手段で測定される複数の音伝搬時間情報等に基づいて、実際に装置若しくは建造物等に装備され未知の荷重が印加された状態の前記被測定物の内部応力σを、予め特定された算定式
σ＝ｆ（Δｔ，α）
（ここで、Δｔは  Δｔ＝ｔ−ｔ０）
により演算し算定する主演算部を備えていることを特徴とした応力測定装置。
【請求項７】
前記請求項６に記載の応力測定装置において、
前記音伝搬時間測定手段では、前記音伝搬時間測定用の超音波の伝搬方向を、前記所定部材に印加される荷重σｎの印加方向と同方向に設定する構成とすると共に、
前記主演算部が、次式
σ＝ｆ（Δｔ，α）＝Ｅ（Δｔ／ｔ０）／（１−α）
に基づいて前記被測定物の未知の内部応力σを具体的に演算するように構成されていることを特徴とした応力測定装置。
【請求項８】
前記請求項７に記載の応力測定装置において、
前記応力依存係数算定手段は、前記音伝搬時間測定手段で得られる印加荷重σｎを含む複数の情報を入力すると共に当該入力された複数の情報から音伝搬時間情報ｔｎ，ｔ０を抽出する時間情報抽出機能と、この抽出された音伝搬時間情報ｔｎ，ｔ０に基づいて前記印加荷重σｎ  に対応した音伝搬時間の変化分Δｔｎ（＝ｔｎ−ｔ０）を算定する伝搬時間変化分算定機能とを有し、この音伝搬時間にかかる情報および前記印加荷重σｎ  にかかる情報等に基づいて応力依存係数αを算定する算定式α＝ｆ（Δｔｎ，σｎ）として、次式α＝｛１−Ｅ（Δｔｎ／ｔ０）／σｎ｝
を採用すると共に、これに基づいて前記被測定物にかかる素材固有の応力依存係数αを演算し算定する応力依存係数算定機能を備えていることを特徴とした応力測定装置。
【請求項９】
前記請求項７に記載の応力測定装置において、
前記応力依存係数算定手段は、応力依存係数αを算定する算定式α＝ｆ（Δｔｎ，σｎ）として、次式
【数１】
2006177701.tif 000009
を採用すると共に、これに基づいて前記被測定物にかかる素材固有の前記応力依存係数αを演算し算定するようにしたことを特徴とする応力測定装置。
【請求項１０】
前記請求項６に記載の応力測定装置において、
前記音伝搬時間測定手段では、前記音伝搬時間測定用の超音波の伝搬方向を、前記所定部材に印加される荷重σｎ  の印加方向と直交する方向に設定する構成とすると共に、
前記主演算部が、次式
σ＝ｆ（Δｔ，α）＝−Ｅ（Δｔ／ｔ０）／（ν＋α）
に基づいて前記被測定物の内部応力σを具体的に演算するように構成されていることを特徴とした応力測定装置。
【請求項１１】
前記請求項１０記載の応力測定装置において、
前記応力依存係数算定手段が、前記音伝搬時間測定手段で得られる印加荷重σｎにかかる諸情報を入力すると共に当該入力された諸情報から音伝搬時間情報ｔｎ，ｔ０を抽出する時間情報抽出機能と、この抽出された時間情報ｔｎ，ｔ０に基づいて前記印加荷重σｎ  に対応した音伝搬時間の変化分Δｔｎ（＝ｔｎ−ｔ０）を算定する音伝搬時間変化分算定機能とを有し、この音伝搬時間にかかる情報および前記印加荷重σｎ  にかかる情報等に基づいて応力依存係数αを算定する算定式α＝ｆ（Δｔｎ，σｎ）として、次式
α＝｛−ν−Ｅ（Δｔｎ／ｔ０）／σｎ｝
を採用すると共に、これに基づいて前記被測定物にかかる素材固有の応力依存係数αを演算し算定する応力依存係数算定機能を備えていることを特徴とした応力測定装置。
【請求項１２】
前記請求項１０記載の応力測定装置において、
前記応力依存係数算定手段は、応力依存係数αを算定する算定式α＝ｆ（Δｔｎ，σｎ）として、次式
【数２】
2006177701.tif 000010
を採用すると共にこれに基づいて前記応力依存係数αを演算し算定するようにしたことを特徴とする応力測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、応力測定方法およびその装置に係り、特に、加工工程における素材および製品（例えば半導体単結晶など）の内部応力を、又発電所，高圧プラント，航空機，車両や各種装置或いはその他の建造物等に組み込んだ部材内の未知の内部応力を、定量的に且つ迅速に測定することを可能とした応力測定方法およびその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属部材を骨格として使用する各種車両や各種建造物については、一般にその耐用年数は、ほぼ半永久的となっている。これに対し、これら各建造物や車両を構成する各種部材については、部分的な損傷が進行することもあって、多くの場合、予め一定年数の経過とともに補修若しくは部品交換の必要性を定めている。
【０００３】
ここで、各種車両にあっては、その重量を支える車軸をはじめとして、連結用のボルトや動力伝達シャフト等には、静的な荷重或いは動的な荷重が継続して若しくは繰り返して印加される。このため、これらの部材には、多くの場合、上述した各種荷重によって生じる内部応力に充分耐え得る強度を備えた部材が選択され使用されている。そして、かかる場合においても、装置全体の定期点検や損傷し易い箇所の部材の交換の必要性が定められている場合が多い。
【０００４】
一方、上述した各種部材等を対象として、それらに印加される荷重によって実際に生じる内部応力の大きさやその変動を把握することは、当該部材の疲労度等を推測するに際し、又素材の改善や形状構造の研究に際しては重要な情報となる。
このため、従来より、特に超音波を用いてこれら各部材の内部応力を厳密に測定しようとする試みが、例えば下記特許文献１に示すように、比較的多くなされている。
【特許文献１】特開平５−２０３５１３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１における特開平５−２０３５１３公報に記載の発明（超音波によるボルト軸力の測定方法）は、音速測定に際しては当該部材の音速を超音波の縦波と横波の両方で測定し特定することが必須の要件となっており、このため多くの手間がかかるばかりでなく、超音波センサとして縦波用超音波センサと横波用超音波センサの両方を常時準備しなければならないという煩わしさを常に伴っていた。
更に、この特許文献１にかかる発明は、縦波と横波の音速比Ｒと応力σとの関係に関して技術的な関連性が未開示であり、産業上の利用性に欠けるという不都合があった。
【０００６】
本発明の目的は、かかる従来例の有する不都合を改善し、特に、縦波又は横波の何れか一方の超音波を用いて被測定物の音速若しくは音の伝搬時間を測定すると共に、これらの情報に基づいて荷重負荷時における当該被測定物の内部に生ずる内部応力をリアルタイムで定量的に測定し得る応力測定方法およびその装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明にかかる応力測定方法およびその装置は、被測定物の内部応力の測定に際し、当該被測定物内を伝搬する音の伝搬時間を測定してその伝搬時間の変化情報を利用するようにした構成となっている。
そして、この場合、課題解決のための手法として、本発明では、被測定物の素材が備えている固有の常数（応力依存係数α）をまず算定し、これに基づいて被測定物内の内部応力をリアルタイムで具体的に測定するようにした点に特徴を有する。
【０００８】
まず、本発明にかかる応力測定方法（請求項１乃至５）は、それぞれ被測定物内に現実に発生している内部応力を、音の伝搬時間にかかるデータの変化を測定しこれに基づいて算定する場合の、手順にかかる発明であって、各請求項ともそれぞれ以下に示す四つの工程を基本的な構成として備えている。
【０００９】
第１の工程では、被測定物に関しその素材について、所定箇所の対向面相互間を伝搬する音の伝搬時間を、無負荷時もしくは無負荷に近い状態における音の伝搬時間ｔ０と、荷重を変化させながら印加して当該印加荷重σｎの大きさに対応した音の伝搬時間ｔｎとについて、それぞれ超音波を用いて測定する。
【００１０】
第２の工程では、上記第１の工程で得られる音の伝搬時間ｔ０，ｔｎにかかる複数情報に基づいて当該伝搬時間の変化分Δｔｎ（＝ｔｎ−ｔ０）を算定すると共に、これらの情報および前述した被測定物を形成する素材が備えている固有の弾性定数等に基づいて当該被測定物特有の応力依存係数αを、予め特定された次式α＝ｆ（Δｔｎ，σｎ）により算定する。
【００１１】
第３の工程では、上記第１乃至第２の各工程に相前後して、装置若しくは建造物等に装備され未知の荷重が印加された状態の被測定物について所定箇所の対向面相互間を伝搬する音の伝搬時間ｔを測定する。
即ち、装備されたままの状態の被測定物についても、その現実の音の伝搬時間ｔを、上述した第１の工程の場合と同様に測定する。この場合の測定のタイミングは、前述した第１乃至第２の各工程の前でも或いはその後であってもよい。
【００１２】
そして、第４の工程では、上記第１乃至第３の各工程で得られる諸情報に基づいて、被測定物についてその音の伝搬時間ｔの変化分Δｔ（＝ｔ−ｔ０）を算定すると共に、予め特定された応力σに関する算定式σ＝ｆ（Δｔ，α）を演算し、実際に装備された状態の被測定物の現実の内部応力σを算定するようにした。
【００１３】
このため、請求項１乃至５に記載の本発明によると、第１工程で被測定物に関しその素材について測定しておいた無負荷時の音の伝搬時間ｔ０等及び第２工程で算定した応力依存係数α等を、被測定物にかかる諸情報として導入すると共にこれらと第３工程で測定した被測定物の現実の音の伝搬時間ｔを取り込んで、予め特定された算定式σ＝ｆ（Δｔ，α）を演算し内部応力σを算定するようにしたので、当該被測定物内に生じている内部応力σをリアルタイムで容易に且つ迅速に算定することができる。
更に、測定した音の伝搬時間を直接利用するようにしたので、測定した音の伝搬時間から音速を算出する等の手間（演算）が不要となり内部応力σの算定時間の短縮化を図ることができる。
【００１４】
この場合、上記第１の工程でなされる無負荷時の音の伝搬時間ｔ０および荷重σｎを印加した状態での音の伝搬時間ｔｎの測定は、被測定物と同一の素材からなる他の部材で測定しても、又被測定物から荷重を取り除いた状態もしくはこれに近い状態で被測定物そのもので測定しても、そのいずれであってもよい。
【００１５】
このため、被測定物と同一の素材からなる他の部材で測定する場合には、装備箇所からの取り外し等が困難な被測定物に対しても、他の部材によって応力依存係数αを迅速に算定することができ、これにより当該被測定物の内部応力の測定をなし得ることから、その汎用化が可能となる。
又、被測定物のそのものを利用して応力依存係数αを算出する手法では、被測定物の測定箇所を特定できないものもあることから対象範囲が限定されるものの、被測定物と同一の素材からなる他の部材を全く準備する必要がないので、かかる点においては作業性の向上を図ることが出来る。
【００１６】
又、前述した請求項１記載の応力測定方法において、第１の工程では、所定部材の音の伝搬時間の測定に際しては、所定部材に対する荷重σｎ  の印加方向と同方向に超音波を伝搬させるようにする。
この場合、第４の工程で設定した内部応力σの算定式σ＝ｆ（Δｔ，α）として、
σ＝｛Ｅ／（１−α）｝・（Δｔ／ｔ０）を採用してもよい（請求項２）。
ここで、Δｔは、Δｔ＝ｔ−ｔ０であり、記号ｔは未知の荷重が付された状態の被測定物の測定箇所における音伝搬時間を示す。
このようにすると、被測定物内に生じている未知の内部応力σの大きさを、音の伝搬時間情報を使用して具体的に算定することができる。
【００１７】
更に、前述した請求項２に記載の応力測定方法において、第２の工程では、応力依存係数αを算定する算定式として、
α＝｛１−（Δｔｎ／ｔ０）（Ｅ／σｎ）｝、（ここで、ｎは音伝搬時間の測定回数、Ｅは被測定物の素材のヤング率、以下同じ）を採用し、これに基づいて前述した被測定物の素材の応力依存係数αを算定するようにしてもよい（請求項３）。
このようにすると、被測定物の素材固有の応力依存係数αを具体的に算定することができ、これに基づいて被測定物内に生じている未知の内部応力σの大きさを、音の伝搬時間情報を測定することでリアルタイムで具体的に且つ迅速に算定することができる。
【００１８】
更に、前述した請求項１記載の応力測定方法において、第１の工程では、所定部材の音の伝搬時間の測定に際しては、所定部材に対する荷重σｎ  の印加方向に直交する方向に超音波を伝搬させるようにする。
この場合、第４の工程で設定した内部応力σの算定式σ＝ｆ（Δｔ，α）として、
σ＝−｛Ｅ／（ν＋α）｝・（Δｔ／ｔ０）、（ここで、νは被測定物の素材のポアソン比、以下同じ）を採用し、これによって前述した被測定物の素材の応力依存係数αを算定するようにしてもよい（請求項４）。
ここで、Δｔは、Δｔ＝ｔ−ｔ０であり、記号ｔは未知の荷重が付された状態の被測定物の測定箇所における音伝搬時間を示す。
【００１９】
このようにしても、前述した請求項２記載の応力測定方法の場合と同様に、被測定物内に生じている未知の内部応力σの大きさを、音の伝搬時間情報を使用して定量的にしかもリアルタイムで迅速に演算し算定することができる。
更に、荷重σｎ  の印加方向に対して直交する方向に超音波を伝搬させるようにしたので、例えば音の伝搬時間の測定に際しては超音波センサ等の装着領域を広範囲から選択することができ、かかる点において作業性能率の向上を期待することができる。
【００２０】
又、前述した請求項４に記載の応力測定方法において、第２の工程では、応力依存係数αを算定する算定式として、
α＝｛−ν−（Δｔｎ／ｔ０）（Ｅ／σｎ）｝、を採用し、これに基づいて前述した被測定物の素材の応力依存係数αを算定するようにしてもよい（請求項５）。
このようにしても、一定条件のもとに応力依存係数αが具体的に数値として特定されることから、前述した請求項２記載の応力測定方法の場合と同様に、これに基づいて被測定物内に生じている未知の内部応力σを、リアルタイムで且つ円滑に算定することが可能となる。
【００２１】
ここで、上述した各請求項にかかる応力測定方法においては、所定部材の音の伝搬時間の測定に際し縦波超音波を使用した場合を前提として説明したが、横波超音波を使用して測定するようにしてもよい。
【００２２】
次に、本発明にかかる応力測定装置（請求項６乃至１２）では、被測定物の内部応力の測定に際し、当該被測定物にかかる素材の音の伝搬時間を測定しその変化情報を利用するように構成した。
この場合、この請求項６乃至１２に記載の各応力測定装置は、それぞれ音伝搬時間測定手段と、応力依存係数αを算定する応力依存係数算定手段と、音伝搬時間にかかるデータおよび応力依存係数α等に基づいて被測定物の内部応力σを演算し算定する主演算部とを、共通の基本構成として備えている。
【００２３】
この内、音伝搬時間測定手段は、装置若しくは建造物等に装備され未知の荷重が印加された状態の被測定物について所定箇所の対向面相互間を伝搬する音の伝搬時間ｔを、超音波を用いて測定し得る機能（第１の音伝搬時間測定機能）を備えている。又、この音伝搬時間測定手段は、被測定物に関しその素材について所定箇所の対向面相互間を伝搬する音の伝搬時間を、無負荷時もしくはこれに近い状態における伝搬時間ｔ０と所定の荷重が変化させながら印加して当該印加荷重σｎの大きさとその変化に対応した音の伝搬時間ｔｎとを、それぞれ超音波を用いて測定し得る機能（第２の音伝搬時間測定機能）を備えたものとなっている。
【００２４】
ここで、この音の伝搬時間測定手段は、縦波超音波を使用したものであっても或いは横波超音波を使用したものであってもよい。
又、上記各部材の音の伝搬時間測定に際しては、必要に応じて、荷重σｎが、予め別に準備された荷重印加手段によって被測定物もしくは当該被測定物と同一の素材からなる部材に対し、印加されるようになっている。
【００２５】
又、応力依存係数算定手段は、前述した音伝搬時間測定手段で測定される複数の各音伝搬時間情報ｔ，ｔ０，ｔｎおよび当該音伝搬時間情報ｔｎに対応した印加荷重情報σｎを入力すると共にこの内の複数の音伝搬時間情報ｔｎ，ｔ０（又はｔ，ｔ０）を抽出する時間情報抽出機能と、この抽出された複数の音伝搬時間情報ｔ０，ｔｎに基づいて当該音の伝搬時間の変化分Δｔｎ（＝ｔｎ−ｔ０）を算定する時間変化分演算機能と、この演算され算出された時間変化分Δｔｎ及び前述した印加荷重情報σｎ等に基づいて被測定物にかかる素材特有の応力依存係数αを予め特定された所定の算定式α＝ｆ（Δｔｎ，σｎ）を演算し算定する常数算定機能とを備えている。
【００２６】
この応力依存係数算定手段は、更に、測定された情報に内の未知の荷重が印加された状態の被測定物について測定された音の伝搬時間ｔおよび当該部材にかかる素材の負荷荷重ゼロの場合の音の伝搬時間ｔ０に基づいて当該音の伝搬時間の変化分Δｔ（＝ｔ−ｔ０）を算定する機能（他の時間変化分演算機能）を備えている。
【００２７】
更に、主演算部は、前述した音伝搬時間変化情報Δｔおよび前述した応力依存係数算定手段で算定される応力依存係数α等に基づいて、実際に装置若しくは建造物等に装備され未知の荷重が印加された状態の被測定物の内部応力σを、予め特定された算定式
σ＝ｆ（Δｔ，α）により演算しその結果を出力する応力算定機能を備えたものとなっている。
【００２８】
このため、本発明にかかる上記応力測定装置（請求項６乃至１２）では、被測定物１を形成する素材が備えている固有の応力依存係数αを算定することにより、この応力依存係数αおよび前述した現実の被測定物の音伝搬時間の変化分Δｔ等に基づいて当該被測定物内に生じている内部応力σをリアルタイムで迅速に演算することが可能となり、被測定物から測定された音の伝搬時間のデータを直接使用し得るように構成したので（伝搬時間のデータから音速を算定する演算が不要となり）被測定物の内部応力σの算定を、より迅速に成し得ることが可能となっている。
【００２９】
ここで、上述した音伝搬時間測定手段については、前述した所定距離間の音の伝搬時間をｔｎ，ｔ０を、被測定物そのものについて測定しても、或いは被測定物と同一の素材からなる他の部材で測定してもよい。
【００３０】
又、上述した請求項６に記載の応力測定装置において、音伝搬時間測定手段にあっては、所定部材に対する音伝搬時間測定用の超音波の伝搬方向を、当該所定部材に印加される荷重σｎの印加方向と同方向に設定する構成とし、更に、前述した主演算部が、次式
σ＝ｆ（Δｔ，α）＝｛Ｅ／（１−α）｝・（Δｔ／ｔ０）、に基づいて前述した被測定物の内部応力σを具体的に演算するように構成してもよい（請求項７）。
このようにすると、前述した請求項６に記載の応力測定装置と同等に機能するほか、更に、荷重印加方向と同方向に超音波を伝搬させた場合に得られる音の伝搬時間情報に基づいて、被測定物の未知の内部応力σを、測定条件に合わせて具体的に且つ迅速に演算し算出することが可能となった。
【００３１】
又、前述した請求項７に記載の応力測定装置において、応力依存係数算定手段を、前述した音伝搬時間測定手段で得られる印加荷重σｎを含む複数の情報を入力すると共に当該入力された複数の情報から音伝搬時間情報ｔｎ，ｔ０を抽出する情報抽出機能と、この抽出された音伝搬時間情報ｔｎ，ｔ０に基づいて当該印加荷重σｎに対応した音伝搬時間の変化分Δｔｎ  （＝ｔｎ−ｔ０）を算定する伝搬時間変化分算定機能とを有し、この音伝搬時間にかかる情報および前記印加荷重σｎにかかる情報等に基づいて応力依存係数αを算定する算定式α＝ｆ（Δｔｎ，σｎ）として、次式
α＝｛１−（Δｔｎ／ｔ０）（Ｅ／σｎ）｝
を採用すると共に、これに基づいて前記被測定物にかかる素材固有の応力依存係数αを演算し算定する応力依存係数算定機能とを備えた構成としてもよい（請求項８）。
このようにすると、荷重の印加方向と同方向に超音波を伝搬させた場合に得られる音の伝搬時間情報に基づいて、当該被測定物の応力依存係数αを有効に且つ具体的に算定することが可能となる。
【００３２】
ここで、前述した応力依存係数算定手段では、応力依存係数αを算定する算定式α＝ｆ（Δｔｎ，σｎ）として、α＝｛１−（Δｔｎ／ｔ０）（Ｅ／σｎ）｝に代えて、次式
【数１】
2006177701.tif 000003
を採用し、これに基づいて被測定物にかかる素材固有の応力依存係数αを演算し算定するようにしてもよい（請求項９）。
このようにすると、荷重の印加方向と同方向に超音波を伝搬させた場合に得られる音の伝搬時間情報に基づいて当該被測定物の応力依存係数αを高精度に且つ有効に算定することができ、ひいては、被測定物の内部応力σの算定精度を向上させることがとができる点で都合がよい。
【００３３】
更に、前述した請求項６に記載の応力測定装置において、音伝搬時間測定手段にあっては、所定部材に対する音伝搬時間測定用の超音波の伝搬方向を、当該所定部材に印加される荷重σｎの印加方向に対して直交する方向に設定する構成とすると共に、
前述した主演算部が、次式
σ＝ｆ（Δｔ，α）＝−｛Ｅ／（ν＋α）｝・（Δｔ／ｔ０）
に基づいて当該被測定物の未知の内部応力σを具体的に演算するように構成してもよい（請求項１０）。
【００３４】
このようにしても、前述した請求項６に記載の応力測定装置と同等に機能するほか、荷重σｎの印加方向に対して直交する方向に超音波を伝搬させるようにしたので、例えば音の伝搬時間の測定に際しては超音波センサ等の装着領域を広範囲から選択することができ、かかる点において作業性能率の向上を期待することができる。
【００３５】
又、前述した請求項１０に記載の応力測定装置において、応力依存係数算定手段を、前述した音伝搬時間測定手段で得られる印加荷重σｎを含む複数の情報を入力すると共に当該入力された複数の情報から音伝搬時間情報ｔｎ，ｔ０を抽出する情報抽出機能と、この抽出された音伝搬時間情報ｔｎ，ｔ０に基づいて当該印加荷重σｎ  に対応した音伝搬時間の変化分Δｔｎ（＝ｔｎ−ｔ０）を算定する伝搬時間変化分算定機能とを有し、
この音伝搬時間にかかる情報および前記印加荷重σｎにかかる情報等に基づいて応力依存係数αを算定する算定式として、α＝｛−ν−（Δｔｎ／ｔ０）（Ｅ／σｎ）｝、を採用すると共に、これに基づいて被測定物にかかる素材固有の応力依存係数αを演算し算定する応力依存係数算定機能を備えた構成としてもよい（請求項１１）。
このようにしても、荷重印加方向に直交する方向に超音波を伝搬させた場合に得られる音の伝搬時間情報に基づいて当該被測定物の応力依存係数αを、前述した請求項８に記載の応力測定装置の場合と同様に、具体的に且つ有効に算定することが可能となる。
【００３６】
ここで、前述した応力依存係数算定手段では、応力依存係数αを算定する算定式α＝ｆ（Δｔｎ，σｎ）として、α＝｛−ν−（Δｔｎ／ｔ０）（Ｅ／σｎ）｝に代えて、次式
【数２】
2006177701.tif 000004
を採用し、これに基づいて前記被測定物にかかる素材固有の応力依存係数αを演算し算定するようにしてもよい（請求項１２）。
【００３７】
このようにしても、荷重印加方向に直交する方向に超音波を伝搬させた場合に得られる音の伝搬時間情報に基づいて当該被測定物の応力依存係数αを有効に算定することができ、特に測定した音伝搬時間にかかる情報の全体を対象として平均化したので、被測定物を構成する素材固有の応力依存係数αを音の伝搬時間情報に基づいて迅速に且つ高精度に算定することができ、ひいては、被測定物の内部応力σの算定精度を向上させることができる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明では、上述したように構成され機能するので、これによると、縦波又は横波の何れか一方の超音波を用いて被測定物の音速若しくは音の伝搬時間を測定すると共に、これらの情報に基づいて当該被測定物にかかる素材固有の応力依存係数が算定されることから、これらの諸情報に基づいて荷重負荷時における当該被測定物の内部に生ずる内部応力をリアルタイムで定量的に且つ迅速に算定し得る応力測定方法およびその装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明の最良の実施形態を添付図面に従って説明する。
【００４０】
この実施形態は、図１乃至図２に示すように、被測定物１若しくは当該被測定物１と同一の素材からなる他の部材１Ａについて音の伝搬時間を印加荷重の変化に対応して測定する音伝搬時間測定手段１１と、ここで得られた音の伝搬時間および当該伝搬時間にかかる種々の情報に基づいて応力依存係数αを算定する応力依存係数算定手段（応力依存係数算定回路部）１２と、この算定された応力依存係数αおよび前述した音の伝搬時間にかかる種々の情報に基づいて予め特定された所定の関数を演算し被測定物１の内部応力σを算定する主演算部１３とを備えている。
【００４１】
前述した音伝搬時間測定手段１１には、本実施形態では荷重負荷設定手段としての荷重印加装置２１が併設されている。又、図１において、符号１４は情報記憶部を示し、符号１５は必要に応じて所定の情報又は動作指令等を入力する入力部を示す。更に、符号１６は、主演算部１３で得られた被測定物１の内部応力等の情報を表示し又はプリント出力するための出力部を示す。
【００４２】
以下、これを更に詳細に説明する。
【００４３】
〔音伝搬時間測定手段について〕
図１乃至図２において、音伝搬時間測定手段１１は、本実施形態では、製品や素材或いは装置若しくは建造物等に装備され未知の荷重が印加された状態の被測定物１について所定箇所の対向面相互間Ｌを伝搬する音の伝搬時間ｔを超音波を用いて測定する第１の音伝搬時間測定機能を備えている。又、この音伝搬時間測定手段１１は、被測定物１に関しその素材について所定箇所の対向面相互間Ｌ０を伝搬する音の伝搬時間を無負荷時若しくはこれに近い状態の伝搬時間ｔ０と所定の荷重を変化させながら印加して当該印加荷重σｎの大きさに対応した音の伝搬時間ｔｎとについてそれぞれ超音波を用いて測定する第２の音伝搬時間測定機能を備えている（図３参照）。
【００４４】
この内、音伝搬時間測定手段１１の第１の音伝搬時間測定機能は、製品や素材或いは装置若しくは建造物等に装備され未知の荷重が印加された状態の被測定物１について、例えば図２に示すように、所定箇所の対向面相互間（一方の面と他方の面の相互間であって、音響的に対向する面のこと、以下同じ）Ｌを伝搬する音の伝搬時間ｔを超音波を用いて測定するという形態をもって実現される。この図２に示す被測定物１については、本実施形態では２枚の鋼板２Ａ，２Ｂを連結するボルトの場合を想定したもので、当該ボルトである被測定物１が締結された状態では当該被測定物１には未知の荷重は引張荷重となって存在し、その締め付けの度合いによってボルト内に所定の内部応力が生じることとなる。符号３ａ，３ｂはそれぞれ異なったボルト（被測定物１，１）に螺合され前述した２枚の鋼板２Ａ，２Ｂを固定するためのナットを示す。
【００４５】
この場合、測定に際しては、例えば当該ボルト（被測定物１）のナット３ｂを緩めて、その締結力をゼロに近い状態に設定し、かかる状態での音の伝搬時間ｔ０  を測定する。かかる測定が不可能な場合（ナット３ｂを緩めることができない場合）は、後述する第２の音伝搬時間測定機能によって別途測定される音の伝搬時間にかかる情報に基づいて、当該荷重ゼロの場合の音の伝搬時間ｔ０が換算され使用される。
そして、この音伝搬時間測定手段１１の第１の音伝搬時間測定機能が作動して得られる音の伝搬時間にかかる情報ｔ，ｔ０に基づいて、後述するように、未知の荷重が印加された状態（実装状態）における被測定物１について、その内部応力σが演算され算定されるようになっている。
【００４６】
又、音伝搬時間測定手段１１の第２の音伝搬時間測定機能は、例えば図３に示すように、前述した被測定部材１（ボルト）と同一の素材からなる他の部材（テストピース）１Ａについて、所定箇所の対向面相互間の距離ＬＴＰを伝搬する音の伝搬時間を、無負荷時の伝搬時間ｔ０と当該他の部材１Ａに対して所定の荷重を変化しつつ印加された状態の当該印加荷重σｎの大きさに対応した音の伝搬時間ｔｎとについて、それぞれ超音波を用いて測定するという形態をもって実現される。
この図３において、他の部材（テストピース）１Ａは、長さがＬＴＰ、両端部の直径がＤ、中央部が一辺の幅ＷＴＰの正四角形状に形成されたものが使用されている。この場合、長さＬＴＰの内、両端部の断面円形部分がそれぞれ全体の１／５程度を占め、中央部の正四角形状部分が全体の２／５程度を占めている。
ここで、テストピース１Ａの中央部の断面形状を、本実施形態（図３）では正四角形状としたが矩形であってもよい。
【００４７】
この場合、音の伝搬時間の測定に際して特定される対向面相互間の距離の設定箇所としては、この図３では荷重の印加方向と同方向に沿って距離ＬＴＰを設定し、荷重の印加方向に直交する方向に沿って距離ＷＴＰを設定し、そのいずれの箇所でも測定し得るようになっている。
そして、後述する応力依存係数算定回路部１２では、この音伝搬時間測定手段１１の第２の音伝搬時間測定機能が作動して得られる音の伝搬時間にかかる情報ｔｎ，ｔ０に基づいて、被測定物１を形成する素材の応力依存係数αが演算され算定されるようになっている。
【００４８】
この音伝搬時間測定手段１１は、具体的には図１乃至図３に示すように、所定周波数の超音波を前述した被測定部材１又は被測定部材と同一の素材からなる他の部材１Ａ内に伝搬させてその端面からの反射波を受信する超音波送受波器１１ａ（又は１１ｂ）と、この超音波送受波器１１ａ（又は１１ｂ）で受信される反射超音波の受信のタイミングを音伝搬時間にかかる情報として外部出力する超音波用電気信号送受信回路１１Ａと、この超音波用電気信号送受信回路１１Ａから出力される音伝搬時間にかかる情報を入力して当該超音波の送信時から受信時までの時間を算定する音伝搬時間算定回路部１１Ｂとを備えている。符号１１Ｄは、二つの超音波送受波器１１ａ又は１１ｂと超音波用電気信号送受信回路１１Ａとを連結する切り替えスイッチを示す。
【００４９】
ここで、超音波送受波器１１ａは印加荷重σｎの印加方向に沿った方向に超音波を送受信するための超音波送受波器を示し、超音波送受波器１１ｂは印加荷重σｎの印加方向に直交する方向に超音波を送受信するための超音波送受波器を示す。
又、前述した音伝搬時間算定回路部１１Ｂは、更に、後述する荷重負荷設定手段１２から出力され前述した他の部材１Ａに対して印加される荷重情報σｎを入力すると共に当該荷重の大きさ（ゼロ荷重σ０を含む）に対応した音伝搬時間ｔ０，ｔ１，ｔ２，ｔ３，〜ｔＫとして集計し整理する伝搬時間整理機能を備えている。
【００５０】
一方、高圧プラントや橋梁等に実装されている状態（所定の荷重が印加された状態）の被測定部材１にあっては、その無負荷時の伝搬時間ｔ０の測定が事実上不可能な場合がある。
この場合、当該被測定部材１の長さＬがテストピース１Ａの長さＬＴＰと同一であれば、前述したテストピース１Ａについて測定した無負荷時の伝搬時間ｔ０がそのまま流用される。これに対して、Ｌ≠ＬＴＰの場合は、前述したテストピース１Ａについて距離ＬＴＰで測定した無負荷時の伝搬時間ｔ０が、比例計算で当該被測定部材１自体の無負荷時の伝搬時間ｔ０（対向面相互間ＬＴＰに対応した無負荷時の伝搬時間ｔ０）に換算して使用されるようになっている。これらの演算処理は、音伝搬時間測定手段１１の音伝搬時間算定回路部１１Ｂが備えている伝搬時間換算機能によって実行されるようになっている。そして、かかる一連の動作は後述する入力部１５からの指令に基づいて実行される。
そして、この種の情報（即ち、被測定部材１１にかかる対向面相互間の距離Ｌおよび被測定部材と同一の素材からなる他の部材１Ａにかかる対向面相互間の距離ＬＴＰの情報）等は、予め後述する情報記憶部１４に入力され記憶されるようになっている。
【００５１】
尚、音伝搬時間測定手段１１では、被測定物１を形成する素材の応力依存係数αを演算するために必要な印加荷重σｎの変化と対応する音の伝搬時間に関する情報ｔｎとを被測定部材と同一の素材からなる他の部材１Ａについて測定した場合を例示したが、図２に例示した被測定物１そのものを（一時的に装備箇所から離脱させて）図３に示す荷重印加装置２１に直接装着して当該被測定物１で直接測定してもよい。
又、新たに所定の建造物等に装備する被測定物１については、装備前に当該被測定物１を前述した図３に示す荷重印加装置２１に直接装着して当該被測定物１で直接測定し、これによって、予め当該素材の応力依存係数αを後述する式（５）又は（１０）に基づいて算定して置いてもよい。
【００５２】
〔荷重負荷設定手段について〕
本実施形態では、前述した音伝搬時間測定手段１１には、荷重負荷設定手段としての荷重印加装置２１が併設されている（図３参照）。この荷重印加装置２１は、前述した被測定物と同一の素材からなる他の部材１Ａに対して（或いは被測定物そのもの対して）所定の引っ張り荷重を印加するためのもので、当該他の部材１Ａにかかる音の伝搬時間の測定に際して印加荷重を変化させることが可能な構造となっている。
【００５３】
即ち、この荷重負荷設定手段（荷重印加装置２１）は、前述した被測定物と同一の素材からなる他の部材（テストピース）１Ａに対して外部から所定の荷重負荷σｎ  を連続的に又は段階的に変化させながら印加して、前述した音伝搬時間測定手段１１による音伝搬時間測定時に、当該他の部材（テストピース）１Ａに所定の内部応力を生じさせる機能を備えている。
ここで、この外部からの荷重負荷σｎに対応して、試料（他の部材１Ａ）内には所定の内部応力が生じる。この場合、試料（他の部材１Ａ）の内部に生じる応力σの大きさは、一般に、印加される荷重負荷σｎの大きさにほぼ等しいとして扱われる。
【００５４】
ここで、上述した荷重印加装置２１の構成について説明する。
図３において、この荷重印加装置２１は、基台２１Ａと、この基台２１Ａ上に所定間隔を隔てて装備された二本のガイド支持体２１Ｅ，２１Ｆと、この各ガイド支持体２１Ｅ，２１Ｆが備えているガイド支柱２１ｅ，２１ｆに沿って上下動可能に装備された移動体２１Ｇ，２１Ｈと、この各移動体２１Ｇ，２１Ｈをその図３における上端部で一体的に連結する横架支持体２１Ｋと、この横架支持体２１Ｋの中央部に下方に向けて垂下装備された一方の試料保持機構２２と、この一方の試料保持機構２２の下方で当該試料保持機構２２の対向して配設された他方の試料保持機構２３とを備えている。この他方の試料保持機構２３はその下端部が前述した基台２１Ａに固定装備された状態となっている。
【００５５】
この内、一方と他方の各試料保持機構２２，２３は、各中心軸線が同一中心軸線上に沿って配設され、前述した移動体２１Ｇ，２１Ｈが上下動した場合でも、その軸線にぶれが生じない状態で一体的に上下動し得るように装備されている。又、この一方と他方の各試料保持機構２２，２３は、それぞれが前述した他の部材１Ａの端部を同時に又は個別に着脱自在に固着し得るような構造となっている。
ここで、符号１１Ｐ１は超音波送受波器１１ａ用の中継端子を示し、符号１１Ｐ２は超音波送受波器１１ｂ用の中継端子を示す。
【００５６】
又、上記基台２１Ａには、前述した横架支持体２１Ｋに対してその上下動を付勢する上下動付勢装置（図示せず）が装備されている。
この上下動付勢装置は、本実施形態では油圧を利用した油圧式駆動機構を備え、これによって連続して又は段階的に所定の引っ張り荷重σｎを各試料保持機構２２，２３を介して前述した他の部材１Ａ等に印加し得るようになっている。
更に、前述した基台２１Ａには、上下動付勢装置（図示せず）の動作を外部操作によって制御する操作制御部２４が装備され、又、この上下動付勢装置によって設定される前述した他の部材１Ａに対する引っ張り荷重の大きさを表示する荷重表示部２５が併設されている。符号２６は荷重情報σｎを出力するための出力端子を示す。
【００５７】
このため、操作制御部２４を介して上下動付勢装置の動作を制御することにより、前述した横架支持体２１Ｋに対して図３の矢印Ａ方向に向けて所定の荷重を任意に設定制御することか可能となる。これにより、各試料保持機構２２，２３によって保持された他の部材１Ａに対しては、所定の大きさの引っ張り荷重（負荷荷重）を連続的に又は段階的に変化させて設定すると共に、当該設定された負荷荷重σｎを荷重情報として外部出力し得るようになっている。
【００５８】
そして、この場合、この引っ張り荷重（負荷荷重）の設定は、前述した音伝搬時間測定手段１１による音伝搬時間測定を想定しながら行われる。
即ち、音伝搬時間測定手段１１による他の部材（テストピース）１Ａ等に対する音伝搬時間測定は、例えば、負荷荷重がゼロσ０の場合の音伝搬時間ｔ０、負荷荷重σｎ（ここで、ｎ＝１，２，３，…，ｋ、以下同じ）を段階的に変化させることによって音伝搬時間の変化を測定値ｔｎ  として測定することにより実行される。
ここで、上記荷重印加装置２１はテストピース１Ａに対して引張り荷重を印加する場合について例示したが、圧縮荷重を印加するように構成されたものを使用してもよい。
又、上記荷重印加装置２１にあっては、負荷荷重の発生源として油圧機器を利用した場合を例示したが、同等に機能するものであれば他の荷重発生手段を使用したものであってもよい。
【００５９】
〔応力依存係数算定手段について〕
図１において、符号１２は応力依存係数算定手段としての応力依存係数算定回路部を示す。この応力依存係数算定回路部１２は、前述した音伝搬時間測定手段１１で測定される複数の各音伝搬時間情報ｔ，ｔ０，ｔｎおよび当該音伝搬時間情報ｔｎ（ｎ＝１，２，３，〜，ｋ、以下同じ）に対応した印加荷重情報σｎ  を入力すると共にこの内の複数の音伝搬時間情報ｔ０，ｔｎを抽出する時間情報抽出機能と、この抽出された複数の音伝搬時間情報ｔ０，ｔｎに基づいて当該音の伝搬時間の変化分Δｔｎ（＝ｔｎ−ｔ０）を算定する時間変化分演算機能と、これら音の伝搬時間にかかる諸情報および前述した印加荷重情報等に基づいて被測定物１にかかる素材固有の応力依存係数αを、予め特定された次式
α＝ｆ（Δｔｎ，σｎ）で演算し算定する応力依存係数算定機能とを備えている。
【００６０】
又、この応力依存係数算定回路部１２は、前述した伝搬時間の変化分Δｔｎの変化の割合を示す伝搬時間変化比（Δｔｎ／ｔ０）を演算する時間変化比演算機能を備えている。記号ｔ０は印加荷重情報σｎ＝０の場合の前述した部材１Ａの音伝搬時間を示す。
【００６１】
そして、この応力依存係数算定回路部１２で算定された応力依存係数αおよび使用された各種情報、更には前述した音伝搬時間算定回路部１１Ｂで整理され又は演算された伝搬時間にかかる各種情報は、予め別に装備された情報記憶部１４に送り込まれ記憶されるようになっている。
【００６２】
ここで、素材固有の応力依存係数αを算定する演算式α＝ｆ（Δｔｎ，σｎ）に関して、発明者が導き且つ特定した内容を、以下詳細に説明する。
【００６３】
〈  荷重の印加方向に直交する方向（横方向）に超音波を伝搬させる場合  〉
この場合の超音波（縦波）の伝搬時間ｔｎにかかる関数は、ＷＴＰを図３に示す音の伝搬距離（荷重付加＝０の場合）とすると、次式で表される。
ｔｎ＝ＷＴＰ（１−σｎν／Ｅ）／Ｖ０（１＋αＴ２σｎ／Ｅ）………  （１）
この式（１）は、図３では、超音波送受波器１１ｂを作動させて音の伝搬時間を測定した場合に相当する。この式（１）で、分子の部分は横方向の長さを表す。このため、この式（１）の分子の部分は引っ張り応力（負荷）の増加と共に減少する。記号Ｖ０は、荷重ゼロのときに当該素材内を伝搬する音の速度を示す。又、σｎ／Ｅは縦方向のひずみを示す（一般式σ＝Ｅ・εより）。更に、νは当該素材のポアソン比を示し、Ｅはヤング率を示す。縦方向のひずみεにポアソン比νを掛けたものが横方向のひずみとなる。又、αＴ２は被測定物を形成する素材の応力依存係数を示す。
【００６４】
この式（１）で分母は縦波の音速を意味する。この式（１）を展開して微小項を無視し、一部置き換えをし、αＴ２σｎ／Ｅ≪１、  Ｅ＞σｎ、ＷＴＰ／Ｖ０＝ｔ０より、次式（２）を得る。
ｔｎ≒ｔ０｛１−（σｎ／Ｅ）（ν＋αＴ２）｝………………………  （２）
これより、
（ｔｎ／ｔ０）−１＝Δｔｎ／ｔ０
＝−（σｎ／Ｅ）（ν＋αＴ２）……………………  （３）
【００６５】
この式（３）より、応力依存係数αＴ２を算定する演算式α＝ｆ（Δｔｎ，σｎ）として、次式を得ることができる。
α＝αＴ２＝−ν−（Δｔｎ／ｔ０）（Ｅ／σｎ）……………………  （４）
ここで、ｎは音伝搬時間の測定回数を示す。音伝搬時間の測定は、実際には図３において、荷重σｎをσ１，σ２，σ３，……σｋの如く徐々に変化させ、その都度、超音波を伝搬させて音伝搬時間の変化ｔ１，ｔ２，ｔ３，……ｔｋを測定する。
そして、仮に、精度の高い測定値が得られれば、荷重ゼロ（σｎ＝０）の場合の音伝搬時間ｔ０を基準として、音伝搬時間ｔｎの何れか一つの音伝搬時間データに基づいて式（４）を演算することにより、どの測定値からでも同一の応力依存係数αＴ２が算定される。
【００６６】
これに対して、測定値と誤差は切り離せないものであることから、多くは下式（５）の手法（若しくはこれと同等の手法）をもって、測定値全体を対象としてその平均値を求め、これにより測定誤差を必要最小限に抑えるようにして、応力依存係数αが算定される。
【数３】
2006177701.tif 000005
この応力音速定数αＴ２の具体的な数値計算等については後述する。
【００６７】
〈  荷重の印加方向と同方向（縦方向）に超音波を伝搬させる場合  〉
この場合の超音波（縦波）の伝搬時間ｔｎ  にかかる関数は、音の伝搬距離をＬＴＰとすると、次式（負荷荷重＝０の場合）で表される。
ｔｎ＝ＬＴＰ（１＋σｎ／Ｅ）／｛Ｖ０（１＋αＴ１σｎ／Ｅ）｝……  （６）
この式（６）は、図３では、超音波送受波器１１ａを作動させて音の伝搬時間を測定した場合に相当する。この式（６）の分子の部分は縦方向の長さを表す。このため、応力（負荷）の増加と共に増加する。
【００６８】
又、この式（６）で、分母は縦波の音速を意味する。続いて、式（６）を展開し微小項を無視し、一部置き換えをする。即ち、αＴ１σｎ／Ｅ≪１、  Ｅ＞σｎ、ＬＴＰ／Ｖ０＝ｔ０より、次式（７）を得る。
ｔｎ≒ｔ０｛（１＋σｎ／Ｅ）（１−αＴ１）｝………………………  （７）
これより、
（ｔｎ／ｔ０）−１＝Δｔｎ／ｔ０
＝（σｎ／Ｅ）（１−αＴ１）……………………  （８）
この式（８）より、応力依存係数αを算定する演算式α＝ｆ（Δｔｎ，σｎ）として、次式を得ることができる。
α＝αＴ１＝１−（Δｔｎ／ｔ０）（Ｅ／σｎ）…………………………（９）
【００６９】
ここで、この式（９）についても前述した式（４）の場合と同様の理由から、多くは下式（１０）の手法（若しくはこれと同等の手法）をもって、測定値全体を対象としてその平均値を求め、これにより、測定誤差が最小限に抑えられた状態で応力依存係数αが算定される。
【数４】
2006177701.tif 000006
……（１０）
この応力依存係数αＴ１の具体的な数値計算等については後述する。
尚、上述したように、測定方法が異なると同一素材についても応力依存係数αの算定式は異なった形態となる。
【００７０】
〔主演算部（特に内部応力σの算定式）について〕
図１に開示した主演算部１３では、実際に装置若しくは建造物等に装備され未知の荷重が印加された状態の被測定物１の内部応力σを、予め特定された算定式σ＝ｆ（Δｔ，α）によって演算し算定する内部応力算定機能を備えている。
ここで、Δｔは、Δｔ＝ｔ−ｔ０を示す。記号ｔは未知の荷重が印加された状態で測定された被測定物１の所定距離間の音の伝搬時間を示す。
【００７１】
この主演算部１３の内部応力算定機能は、前述した応力依存係数算定回路部（応力依存係数算定手段）１２で算定される応力依存係数αＴ２（又はαＴ１）および前述した音伝搬時間測定手段で測定される複数の音伝搬時間情報等に基づいて実行され、未知の荷重が印加された状態の被測定物１の内部応力σが算定されるようになっている。
【００７２】
この内部応力σを算定する演算式σ＝ｆ（Δｔ，α）については、本実施形態では、測定対象たる被測定物１に関してその素材の応力依存係数αＴ２（又はαＴ１）が予め明確に特定されていることを前提として成立したものとなっている。
この場合、図２に例示したように、未知の内部応力σに関する情報を収集するために、被測定物１の現実の音の伝搬時間ｔが超音波を用いて測定される。
ここで、音の伝搬方向の設定を、内部応力σが生じている方向と同方向にするか直交する方向とするかによって、内部応力σを算定する演算式σ＝ｆ（Δｔ，α）が異なったものとなる。かかる演算式の相違は、音の伝搬時間を特定する音の通路長さが、引っ張り方向に沿って伸びる場合、或いはそれと直交して縮む場合との違いによって生じる。
【００７３】
即ち、前述した応力依存係数αの算定式の場合と同様に、未知の荷重の印加方向に直交する方向に超音波を伝搬させて所定距離間の音の伝搬時間ｔを測定する場合と、荷重の印加方向と同方向に超音波を伝搬させて所定距離間の音の伝搬時間ｔを測定する場合とでは、異なった演算式が採用される。以下、これを具体的に説明する。
【００７４】
〈未知の荷重の印加方向に直交する方向（横方向）に超音波を伝搬させる場合〉
この場合の超音波（縦波）の伝搬時間ｔにかかる関数は、前述した応力依存係数αＴ２を算出する場合（式（１））と同様に、次式で表される。
ｔ＝Ｗ（１−σν／Ｅ）／Ｖ０（１＋αＴ２σ／Ｅ）…………………  （１１）
この式（１１）は、図３で考えると、超音波送受波器１１ｂを作動させて未知の荷重が印加された部材（図示せず）について音の伝搬時間ｔを測定する場合に相当する。
この式（１１）で、分子の部分は横方向の長さを表す。記号Ｗ（図示せず）は被測定物１における負荷応力がゼロの場合の横方向の音伝搬距離を示す（図６における記号Ｗに相当する）。又、αＴ２は当該被測定物１の応力依存係数を、σは被測定物１内に発生している未知の内部応力を示す。その他の構成記号は前述した式（１）の場合と同様である。
【００７５】
又、この式（１１）で分母は縦波の音速を意味する。この式（１１）を展開して微小項を無視し、一部置き換えをし、αＴ２σ／Ｅ≪１、Ｅ＞σ、Ｗ／Ｖ０＝ｔ０より、次式（１２）を得る。
ｔ≒ｔ０｛１−（σ／Ｅ）（ν＋αＴ２）｝……………………………  （１２）
これより、
（ｔ／ｔ０）−１＝Δｔ／ｔ０
＝−（σ／Ｅ）（ν＋αＴ２）…………………………  （１３）
この式（１３）より、未知の内部応力σを算定する演算式σ＝ｆ（Δｔ，α）として、次式を得る。
σ＝−｛Ｅ／（ν＋αＴ２）｝・（Δｔ／ｔ０）………………………  （１４）
【００７６】
これにより、未知の外部荷重が負荷された状態の被測定物１であっても、その時の現実の音伝搬時間ｔを測定することにより（当該素材の固有定数である応力依存係数αＴ２が判っていることを前提）、未知の内部応力σを、当該被測定物１が装備されたままの状態で、リアルタイムで定量的に且つ迅速に算出することが可能となる。
【００７７】
〈未知の荷重の印加方向と同方向（縦方向）に超音波を伝搬させる場合〉
この場合の超音波（縦波）の伝搬時間ｔにかかる関数は、前述した応力依存係数αを算出する場合（式（６））と同様に、次式で表される。ここで、Ｌ（図示せず）は被測定物１の縦方向の音の伝搬距離を示す。又、αＴ１は当該被測定物１の応力依存係数を、σは被測定物１内に発生している未知の内部応力を示す。その他の構成記号は前述した式（１）の場合と同様である。
【００７８】
ｔ＝Ｌ（１＋σ／Ｅ）／｛Ｖ０（１＋αＴ１σ／Ｅ）｝………………  （１５）
この式（１５）は、図３では、超音波送受波器１１ａを作動させて音の伝搬時間を測定した場合に相当する。この式（１５）の分子の部分は縦方向の長さを表す。このため、応力（負荷）の増加と共に増加する。
【００７９】
又、この式（１５）で、分母は縦波の音速を意味する。続いて、式（１５）を展開し微小項を無視し、一部置き換えをする。即ち、αＴ１σ／Ｅ≪１、Ｅ＞σ、Ｌ／Ｖ０＝ｔ０より、次式（１６）を得る。
ｔｎ≒ｔ０｛（１＋σ／Ｅ）（１−αＴ１）｝…………………………  （１６）
これより、
（ｔ／ｔ０）−１＝Δｔ／ｔ０
＝（σ／Ｅ）（１−αＴ１）…………………………  （１７）
この式（１７）より、未知の内部応力σＴ１を算定する演算式σ＝ｆ（Δｔ，α）として、次式を得る。
σ＝｛Ｅ／（１−αＴ１）｝・（Δｔ／ｔ０）…………………………  （１８）
【００８０】
これにより、この式（１８）を用いて、前述した式（１４）の場合と同様に、未知の外部荷重が負荷された状態の被測定物１であっても、その時の現実の音伝搬時間ｔを測定することにより、当該素材の固有定数である応力依存係数αＴ１が判っていることを前提として、未知の内部応力σをリアルタイムで定量的に算出することが可能となる。
【００８１】
〔全体的な動作、機能〕
次に、上記実施形態における全体的な機能，動作等を説明する。
本実施形態では、未知の荷重が負荷された状態の被測定物１について、まず、当該被測定物１の素材固有の応力依存係数αを算定し、これに基づいて当該被測定物１の内部応力σを、所定の式σ＝ｆ（Δｔ，α）を演算して特定するようにした。この場合、応力依存係数αの算定に際しては、被測定物１そのものを使用しても、或いは当該被測定物１と同一の素材からなる他の部材１Ａを使用してもよい。本実施形態では後者に依る。
【００８２】
この応力依存係数αの算定は、前述したように当該素材の各種条件下で測定された音の伝搬時間にかかる情報を必要とする。このため、本実施形態では、上述した構成を以下の手順で作動させて、収集された各種データに基づいて応力依存係数αを演算し、これに基づいて内部応力σを算定するようになっている。
ここで、応力依存係数αおよび内部応力σの算定式は、音の伝搬時間の測定条件によって異なることは前述した通りである。このため、最初に図１乃至図４に従って装置の全体的な動作を説明し、その後に、測定条件の相違により生じる細部の動作について説明するものとする。
【００８３】
まず、装置全体を稼働させ、応力依存係数αを測定する。
この場合、図３に示すように、被測定物１と同一の素材からなる他の部材１Ａに関し、その素材について、所定箇所の対向面相互間を伝搬する音の伝搬時間が測定される。この音の伝搬時間の測定は、超音波送受波器１１ｂ（又は１１ａ）、これを駆動する超音波用電気信号送受信回路１１Ａ、および音伝搬時間算定回路部１１Ｂの連係動作によって実行される。スイッチ１１Ｄは、端子ｂを介して超音波送受波器１１ｂを選択し、又は端子ａを介して超音波送受波器１１ａを選択する。この場合、スイッチ１１Ｄの動作は、入力部１５形の指令によって作動するようになっている。
【００８４】
そして、この超音波用電気信号送受信回路１１Ａで得られる超音波の送受信のタイミングにかかる情報は、音の伝搬時間にかかる情報として、そのまま音伝搬時間算定回路部１１Ｂへ送り込まれ、ここで、音の伝搬時間ｔ０，ｔｎが算定される（図４、ステップＳ１）。
即ち、上記音伝搬時間算定測定手段１１では、他の部材１Ａに対して外部からの印加荷重σｎを印加しながら、当該印加荷重がゼロの場合（無負荷時σ０）もしくはこれに近い状態における音の伝搬時間ｔ０と、荷重をｎ回変化させながら印加して当該印加荷重σｎ  の大きさに対応した音の伝搬時間ｔｎとについて、それぞれ超音波を用いて測定する（第１の工程）。この印加荷重σｎはｋ回変化させ、これに対応して音の伝搬時間ｔｎをｋ回測定する（ｎ＝１，２，３，……，ｋ）。
この音の伝搬時間ｔ０，ｔｎの測定に際しては、本実施形態では、所定箇所の対向面相互間として、図３における他の部材１Ａの中央部（断面が四角形状）の距離ＷＴＰ部分が予め設定され、この箇所での多重反射等の測定手法を用いて、音の伝搬時間の測定が実行される。
【００８５】
この第１の工程で音の伝搬時間ｔ０，ｔｎにかかる複数情報が得られると、次に、これらに基づいて当該伝搬時間の変化分Δｔｎ（＝ｔｎ−ｔ０）、および音伝搬時間変化比Δｔｎ／ｔ０等が測定値毎にｋ回演算される（図４、ステップＳ２）。続いて、これらの情報および前述した被測定物１を形成する素材固有の弾性定数等に基づいて、当該被測定物固有の応力依存係数αが、予め特定された算定式α＝ｆ（Δｔｎ，σｎ）により算定される（第２の工程）。かかる算定動作は、応力依存係数算定回路部１２で実行される（図４、ステップＳ３）。
【００８６】
ここで、算定式α＝ｆ（Δｔｎ，σｎ）は、音の伝搬時間測定時に、図３で超音波送受波器１１ｂを使用して超音波を印加荷重σｎの方向に直交する方向に伝搬させた場合には、前述したように、
α＝αＴ２＝−ν−（Δｔｎ／ｔ０）（Ｅ／σｎ）………………………（４）
又は、
【数５】
2006177701.tif 000007
……（５）
が使用される。
【００８７】
一方、音の伝搬時間測定時に、図３で超音波送受波器１１ａを使用して超音波を印加荷重σｎ  の方向に沿った方向に伝搬させた場合には、前述したように、
α＝αＴ１＝１−（Δｔｎ／ｔ０）（Ｅ／σｎ）…………………………（９）
又は、
【数６】
2006177701.tif 000008
……（１０）
が使用される。
【００８８】
このため、被測定物の素材固有の応力依存係数αの測定に際しては、印加荷重σｎの方向に沿った方向又はこれに直交する方向にいずれの方向に超音波を伝搬させても、その音伝搬時間を有効に測定することができ、これに基づいて当該応力依存係数αを定量的に且つ迅速に算出することができ、かかる点においてその汎用化をはかることができる。
又、被測定物の素材固有の応力依存係数αを、被測定物と同一の素材からなる他の部材で測定する場合には、装備箇所からの取り外し等が困難な被測定物に対しても、他の部材によって応力依存係数αを迅速に算定することができ、これにより当該被測定物の内部応力σの測定をなし得ることから、より一層の汎用化が可能となる。
これに対し、被測定物のそのものを利用して応力依存係数αを算出する手法では、被測定物の測定箇所を特定できないものもあることから対象範囲が限定されるものの、被測定物と同一の素材からなる他の部材を全く準備する必要がないので、応力依存係数αの特定に際しての作業を迅速になし得るという利点がある。
【００８９】
ここで、上述した各種情報（σｎ，ｔｎ，ｔ０，Δｔｎ，Δｔｎ／ｔ０）或いは算定式α＝ｆ（Δｔｎ，σｎ）等は、予め情報記憶部１４で記憶され、若しくは必要に応じて新たに記憶されるようになっている。
【００９０】
上述した第１乃至第２の各工程に相前後して、装置若しくは建造物等に装備され未知の荷重が印加された状態の被測定物１について所定箇所の対向面相互間を伝搬する音の伝搬時間ｔが測定される（第３の工程）。
この場合の音の伝搬時間ｔは、未知の荷重が印加された状態の伝搬時間情報であり、かかる情報によって当該被測定物１の内部応力σが演算されることから、再現性のある伝搬時間ｔが得られるまで、実際には数回繰り返し測定される。この音の伝搬時間ｔの測定は、前述した音伝搬時間算定測定手段１１で実行される（図２参照）。
同時に、未知の荷重がゼロ又はゼロに近い状態における音の伝搬時間ｔ０も測定される。この場合、この音の伝搬時間ｔ０（σｎ≒０の場合）が測定不可能な場合は、前述したように、図３で測定した時間データｔ０を（比例計算で）距離換算して当該被測定物１における音の伝搬時間ｔ０（σｎ≒０の場合）として使用される。かかる演算は、前述した入力部１５からの指令に基づいて音伝搬時間算定回路部１１Ｂで実行される（図４、ステップＳ４）。
【００９１】
この第３の工程で実行される被測定物１についての音の伝搬時間ｔ，ｔ０の測定は、図３に示すように、前述した第１の工程で測定される音の伝搬時間ｔｎ，ｔ０の測定とは異なった時間帯で測定される。この場合、測定のタイミングとしては、前述した第１乃至第２の各工程の前でも後でもよい。
そして、この第３の工程で得られる音の伝搬時間ｔおよびこれに対応する荷重ゼロ（若しくはゼロに近い荷重）の場合の音の伝搬時間にかかる情報ｔ０については、前述した第２の工程の場合と同様にその変化分Δｔ（＝ｔ−ｔ０）、および音伝搬時間変化比Δｔ／ｔ０等が音伝搬時間算定回路部１１Ｂで算定され（図４、ステップＳ５）、その算定結果の情報Δｔ，Δｔ／ｔ０  は、この第３の工程で得られる音の伝搬時間ｔ，ｔ０と共に、情報記憶部１３で記憶されると共に主演算部１３へ直接送り込まれるようになっている。
【００９２】
そして、上記第１乃至第３の各工程で得られる諸情報に基づいて、予め特定された内部応力σに関する次式  σ＝ｆ（Δｔ，α）、（ここで、Δｔは  Δｔ＝ｔ−ｔ０）を演算し、これによって実際に装備され未知の荷重が印加された状態の被測定物１について、その現実の内部応力σが特定される（第４の工程）。
【００９３】
この内部応力σの演算は前述したように主演算部１３で実行される。この主演算部１３では、前述したように応力依存係数算定回路部１２で算定された応力依存係数αおよび被測定物１について測定された音の伝搬時間ｔ，ｔ０等が入力され、これらに基づいて前述した所定の演算式が演算され、未知の荷重が印加された被測定物１の内部応力が算定される（図４、ステップＳ６）。
ここで、被測定物１の内部応力にかかる算定式σ＝ｆ（Δｔ，α）は、例えば音の伝搬時間測定時に、図３で超音波送受波器１１ｂを使用して超音波を荷重の印加方向に直交する方向に伝搬させた場合と同等に設定した場合には、前述したように、
σ＝−｛Ｅ／（ν＋αＴ２）｝・（Δｔ／ｔ０）………………………  （１４）
が使用される。
【００９４】
一方、音の伝搬時間測定時に、図３で超音波送受波器１１ａを使用して超音波を荷重の印加方向に沿った方向に伝搬させた場合と同等に設定した場合には、前述したように、
σ＝｛Ｅ／（１−αＴ１）｝・（Δｔ／ｔ０）…………………………  （１８）
が使用される。
本実施形態では、図２に示すように超音波を荷重の印加方向に沿った方向に伝搬させて未知の荷重が印加された被測定物１の音の伝搬時間を測定するようにしたので、内部応力にかかわる算定式σ＝ｆ（Δｔ，α）としては式（１８）が使用される。
【００９５】
このように、本実施形態は上述したように構成され機能するので、これによると、被測定物１を形成する素材固有の応力依存係数αを算定することにより、この応力依存係数αおよび前述した現実の被測定物の音伝搬時間の変化分Δｔ等に基づいて当該被測定物内に生じている内部応力σをリアルタイムで迅速に演算することが可能となり、更に、被測定物から測定された音の伝搬時間のデータを直接利用し得るように構成したので（伝搬時間のデータから音速を算定する演算が不要となり）被測定物の内部応力σを、より迅速に算定することができ、応力依存係数αを具体的に算定し得るので、未知の荷重が印加された状態の被測定物の内部応力σを迅速に且つ定量的に算定し得るという優れた応力測定方法及びその装置を得ることができる。
【実施例】
【００９６】
上述した実施形態において、未知の荷重が印加された状態の被測定物の内部応力σの測定に際しては、事前に、被測定物の素材固有の応力依存係数αを的確に且つ迅速に特定することが重要となっている。
ここでは、応力依存係数αを特定する場合の具体例を示す。最初に、図３に開示した手法を用いて音の伝搬時間を測定し、これに基づいて当該部材の応力依存係数αを、式（４），（５）および式（９），（１０）に基づいて算定してみた。以下、これを説明する。
【００９７】
〔応力依存係数αの算定式の内容〕
（１）．印加荷重σｎ  の印加方向に直交する方向（横方向）に超音波を伝搬させて測定した場合
この場合の応力依存係数αは、前述したように、
α＝αＴ２＝−ν−（Δｔｎ／ｔ０）（Ｅ／σｎ）………………………（４）
この式（４）をＹ＝ａＸ±ｂの形態に直してＸーＹ座標と同等の座標上に表示し、応力依存係数αの性質（定数か否か）をまず確認する。
式（４）より、Ｅ（Δｔｎ／ｔ０）＝−（ν＋α）σｎ…………………（４ａ）
具体的には、まず、ＸーＹ直交座標を想定して上式（４ａ）の左辺Ｅ（Δｔｎ／ｔ０）をＹ座標上に、左辺のσｎ  をＸ座標上にとると、図５（Ａ）に示す線図となる。
この図５（Ａ）から明らかのように、「−（ν＋α）」は方向係数である。又、νはポアッソン比、αは２次および３次の弾性定数からなる定数（応力依存係数）である。従って、この方向係数−（ν＋α）は材料固有の値をとる。このため、今後の課題としては多くの実用材料についてα値の実測が望まれる。
【００９８】
（２）．印加荷重σｎ  の印加方向に沿った方向（縦方向）に超音波を伝搬させて測定した場合
このい場合の応力依存係数αは、前述したように、
α＝αＴ１＝１−（Δｔｎ／ｔ０）（Ｅ／σｎ）…………………………（９）
この式（９）をＹ＝ａＸ±ｂの形態に直してＸーＹ座標と同等の座標上に表示して、応力依存係数αの性質（定数か否か）をまず確認する。
式（９）より、Ｅ（Δｔｎ／ｔ０）＝（１−α）σｎ……………………（９ａ）
具体的には、上述した式（４ａ）の場合と同様に、まずＸーＹ直交座標を想定して上式（９ａ）の左辺Ｅ（Δｔｎ／ｔ０）をＹ座標上に、左辺のσｎをＸ座標上にとると、図５（Ｂ）に示す線図となる。
この図５（Ｂ）から明らかのように、「（１−α）」は方向係数である。又、αは２次および３次の弾性定数からなる定数（応力依存係数）である。従って、この方向係数（１−α）は材料固有の値をとる。このため、今後の課題としては多くの実用材料につき、この場合のα値の実測が望まれる。
【００９９】
〔応力依存係数αの算定式における「Δｔｎ／ｔ０」と「σｎ」の関連性〕
（１）．測定条件
被測定物と同一の素材からなる部材１Ａの形状および寸法を図６（Ａ）に示す。長さＬは１８０〔ｍｍ〕、中央部の四角形状の断面は一辺が３０〔ｍｍ〕×１５〔ｍｍ〕角に精密加工されている。又、この部材の素材としてＳ２０Ｃの鋼材を使用した。この鋼材（Ｓ２０Ｃ）固有のヤング率Ｅ等の弾性定数を図６（Ｂ）の図表に示す。
【０１００】
（２）．図表化
「Δｔｎ／ｔ０」と「σｎ」との対応関係を図表化する。図７にこれを示す。
この図７で、表示「横方向」の欄は、印加荷重σｎの印加方向に直交する方向に縦波超音波を伝搬させて得られる時間データに基づいて算定した「Δｔｎ／ｔ０」の値を示す。又、表示「縦方向」の欄は、印加荷重σｎの印加方向に沿って縦波超音波を伝搬させて得られる時間データに基づいて算定した「Δｔｎ／ｔ０」の値を示す。この場合、印加荷重（負荷応力）σｎについては、これを５．４４〔ＭＰａ〕ずつ変化させて縦波超音波の伝搬時間ｔｎを測定し、Δｔｎ＝ｔｎ−ｔ０，Δｔｎ／ｔ０を算定した。
【０１０１】
（３）．グラフ化
「Δｔｎ／ｔ０」と「σｎ」との関係をグラフ化する。図８にこれを示す。
この内、図８（Ａ）は、印加荷重σｎの印加方向に直交する方向に縦波超音波を伝搬させて音の伝搬時間を測定した場合で、測定データとしては図７の「横方向」の欄に記載のデータがこれに対応する。この図８（Ａ）では、一つ一つのドットがσｎとΔｔｎ／ｔ０との対のデータである。これらのドットを繋いだのがジグザグの線である。そして、このジグザグの線からなるσｎとΔｔｎ／ｔ０とのデータ群を最小二乗法で処理した結果の直線Ｆ２  がジグザグの線からなるデータ群を図示の如く左上から右下に貫いている。そして、この図８（Ａ）の実測値に基づいた線図Ｆ２が図５（Ａ）の線図に対応したものとなっている。
【０１０２】
又、図８（Ｂ）は、印加荷重σｎの印加方向に沿って縦波超音波を伝搬させて音の伝搬時間を測定した場合で、測定データとしては図７の「縦方向」の欄に記載のデータがこれに対応する。これらのドットを繋いだのが比較的滑らかなジグザグの線である。そして、このジグザグの線からなるσｎとΔｔｎ／ｔ０とのデータ群を最小二乗法で処理した結果の直線Ｆ１がジグザグの線からなるデータ群を図示の如く左下から右上に貫いている。そして、この図８（Ｂ）の実測値に基づいた線図Ｆ１が図５（Ｂ）の線図に対応したものとなっている。この図８（Ｂ）の実測値では方向係数が正である。
この図８（Ａ）（Ｂ）で得られる傾斜直線の直線Ｆ２，Ｆ１が、当該測定値の平均値として得られる実験式（一次関数）を示す。
【０１０３】
（４）．Ｓ２０Ｃの鋼材にかかる応力依存係数αの算定例
４−１）  ．応力依存係数αＴ２（図８（Ａ）参照）の場合
図８（Ａ）で明らかのように、測定値の全体的な傾向（最小二乗法で補正された直線）より実験式（一次関数）として次式（４ｂ）を得る。
ｙ＝−２．７７７９ｘ−２８５．９  …………………………………（４ｂ）
この式（４ｂ）と前述した式（４ａ）とを対応させる。
方向係数＝ｄｙ／ｄｘ
＝−２．７７７９
＝（Δｔｎ／ｔ０）／σｎ……………………………………（４ｃ）
ここで、図６（Ｂ）の図表より、Ｓ２０Ｃの鋼材のヤング率とポアッソン比はそれぞれ下記値をとる。
Ｅ＝２０６７８３ＭＰａ、  ν＝０．２８８５  ……………………（４ｄ）
この式（４ｃ）（４ｄ）と式（４）より、次式αＴ２を得る。
α＝αＴ２＝−ν−Ｅ（Δｔｎ／ｔ０）／σｎ
＝−０．２８８５−２０６７８３×（−２．７７７９）×１０−６
＝０．２８６  …………………………………………………（４ｅ）
【０１０４】
即ち、印加荷重σｎの印加方向に直交する方向に超音波を伝搬させて音の伝搬時間を測定した場合、Ｓ２０Ｃの鋼材の応力依存係数αは「０．２８６」となる。
ここで、前述した式（５）についても測定値に基づいて同様の演算を試みた。その結果、応力依存係数αの値として上式（４ｅ）の場合とほぼ同等の値を得ることができた。
【０１０５】
このため、内部応力σの算定に際し、この算定された応力依存係数αとＳ２０Ｃの鋼材の弾性係数とを、前述した内部応力σの式（１４）に代入すると、内部応力σの算定式は、
σ＝σＴ２
＝−｛Ｅ／（ν＋αＴ２）｝・（Δｔ／ｔ０）
＝−｛２０６７８３／（０．２８８５＋０．２８６）｝・（Δｔ／ｔ０）×１０−６
＝−３５９９３５．５９（Δｔ／ｔ０）×１０−６  ……………………（４ｆ）
となる。
【０１０６】
この式（４ｆ）で明らかのように、被測定物の応力依存係数αが事前に特定されていると内部応力σの演算式が極めて単純化される。このため、当該未知の荷重が印加された被測定物についてその時の音伝搬時間ｔと、当該被測定物について負荷荷重ゼロの時の音伝搬時間ｔ０とを測定することにより、当該被測定物についてその内部応力を瞬時にしかも定量的に算出することが可能となる。
【０１０７】
４−２）  ．応力依存係数αＴ１（図８（Ｂ）参照）の場合
図８（Ｂ）で明らかのように、測定値の全体的な傾向（最小二乗法で補正された直線）より実験式（一次関数）として次式（９ｂ）を得る。
ｙ＝１１．５２５ｘ−２４１．４５  ………………………………（９ｂ）
この式（９ｂ）と前述した式（９ａ）とを対応させる。
方向係数＝ｄｙ／ｄｘ
＝１１．５２５
＝（Δｔｎ／ｔ０）／σｎ…………………………………（９ｃ）
ここで、図６（Ｂ）の図表より、Ｓ２０Ｃの鋼材のヤング率として、
Ｅ＝２０６７８３ＭＰａ  ……………………………………………（９ｄ）
式（９ｃ）（９ｄ）および式（９）より次式αＴ１を得る。
α＝αＴ１＝１−Ｅ（Δｔｎ／ｔ０）／σｎ
＝１−２０６７８３×１１．５２５×１０−６
＝−１．３８３２……………………………………………（９ｅ）
即ち、印加荷重σｎの印加方向に沿った方向に超音波を伝搬させて音の伝搬時間を測定した場合、Ｓ２０Ｃの鋼材の応力依存係数αは「−１．３８３２」となる。
ここで、前述した式（１０）についても測定値に基づいて同様の演算を試みた。その結果、応力依存係数αの値として上式（９ｅ）の場合とほぼ同等の値を得ることができた。
【０１０８】
このため、この算定された応力依存係数αとＳ２０Ｃの鋼材の弾性係数とを、前述した内部応力σの式（１８）に代入すると、
σ＝σＴ１＝｛Ｅ／（１−αＴ１）｝・（Δｔ／ｔ０）
＝｛２０６７８３／（１＋１．３８３２）｝・（Δｔ／ｔ０）×１０−６
＝８６７６６．９５１（Δｔ／ｔ０）×１０−６…………（９ｆ）
となる。
この式（９ｆ）で明らかのように、被測定物の応力依存係数αが事前に特定されていると内部応力σの演算式が極めて単純化される。これがため、未知の荷重が印加された被測定物についてその時の音伝搬時間ｔと、当該被測定物について負荷荷重ゼロの時の音伝搬時間ｔ０とを測定することにより、被測定物についてその内部応力を瞬時にしかも定量的に算出することが可能となる。
【０１０９】
尚、上記実施形態および実施例は、音伝搬時間の測定に際して縦波超音波を使用した場合について例示したが、横波超音波を使用してもよい。横波超音波を使用した場合でも、同等の手順により、これと同等の応力依存係数αおよび内部応力σにかかる算定式を得ることができる。
又、上記実施形態は、負荷荷重σｎとして引張荷重の場合について例示したが、圧縮荷重であってもよい。この圧縮荷重の場合、内部応力σはベクトル量であるためその符号が変わる。
【０１１０】
更に、上記発明およびその実施形態等は、音の伝搬時間を測定して応力依存係数αを算定し未知内部応力σを算出する手法について説明したが、音速情報によっても、これと同等の応力依存係数αおよび内部応力σにかかる各算定式を得ることができる。
この場合、応力依存係数αの算定式は、
α＝Ｅ（ΔＶｎ／Ｖ０）／σｎ……………………（イ）
となり、
内部応力σの算定式は、
σ＝Ｅ（ΔＶ／Ｖ０）／α………………………（ロ）
となる。これにより、固有常数αが判明すると、内部応力σが極く容易に算定することができる。
【０１１１】
ここで、ΔＶｎ＝Ｖｎ−Ｖ０、ΔＶ＝Ｖ−Ｖ０を示す。又、記号Ｖ，Ｖｎは被測定物の音速で、Ｖは未知の荷重が負荷された状態下で測定された音速を、Ｖｎは応力依存係数αを算定するために印加される荷重負荷σｎに対応して変化する音速を、それぞれ示す。記号Ｅは被測定物のヤング率を示す。
又、この式（イ）（ロ）については、被測定物に印加する（又は印加されている）荷重σｎ  の向きに対して同方向又は直交する方向のいずれの方向に超音波を伝搬させても、適用あるものとする。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
本発明は、上述したように、未知の荷重が負荷されている箇所の部材の内部応力を迅速に且つ定量的に測定するためのものであり、過度の荷重が印加された場合に事前にこれを検知して当該部材の破壊を有効に回避することを可能としたものである。このため、本発明は、音速又は音の伝搬時間が測定可能な部材であれば、橋梁の連結部材や各種ボルトをはじめ、電車や自動車の車軸、その他の回転体の支軸等、更には飛行体の部品連結部等、あらゆる箇所について、その内部応力を有効に測定することができ、需要範囲は広大である。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】本発明の最良の一実施形態を示すブロック図である。
【図２】図１における音伝搬時間測定手段による被測定物そのものに対する音の伝搬時間の測定状態を示す説明図である。
【図３】図１における音伝搬時間測定手段による被測定物と同一の素材について音の伝搬時間を測定する場合（引張荷重を変化させつつ印加して）を示す説明図である。
【図４】図１に示す実施形態の装置全体の動作を示すフローチャートである。
【図５】応力依存係数αの性質（印加荷重と音伝搬時間変化比との関連性）を示す図で、図５（Ａ）は音伝搬時間の測定時に超音波を横方向に伝搬させた場合を示し、図５（Ｂ）は音伝搬時間の測定時に超音波を縦方向に伝搬させた場合を示す。
【図６】図３における音の伝搬時間の測定に使用される被測定物と同一の素材からなる部材（テストピース）の情報を示す図で、図６（Ａ）は当該部材（テストピース）の形状および概略寸法を示す参考図、図６（Ａ）は当該部材（テストピース）の弾性係数を示す図表である。
【図７】図６に開示した部材（Ｓ２０Ｃの鋼材で形成した）を図２に開示した手法で測定し算出された音伝搬時間変化比（Δｔｎ／ｔ０）とこれに対応する印加荷重（引張荷重σｎ  ）との関係を示す図表である。
【図８】図７の測定情報をグラフ化しその傾斜角情報（測定値の平均値）から応力依存係数αを算出することを意図したもので、図８（Ａ）は音伝搬時間の測定時に超音波を横方向に伝搬させた場合を示す図表、図８（Ｂ）は音伝搬時間の測定時に超音波を縦方向に伝搬させた場合を示す図表である。
【符号の説明】
【０１１４】
１  被測定物
１Ａ  被測定物と同一の素材からなる他の部材（試料）
１１  音伝搬時間測定手段
１１ａ，１１ｂ  超音波送受波器
１１Ａ  超音波用信号送受信回路部
１１Ｂ  音伝搬時間算定回路部
１２  応力依存係数算定回路部
１３  主演算部
１４  情報記憶部
１５  入力部
１６  出力部
２１  荷重印加装置
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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