(57)【要約】      （修正有）【課題】測定を迅速に行うことの可能な材料層の厚み測定方法を提供する。【解決手段】複合材料１２０は音速の異なる複数の材料を厚さ方向に層状に有し、複数の材料は第一音速の第一材料１２１と第二音速の第二材料１２２であり、超音波を斜角θ１で入射させることの可能な第一探触子２０と、第一探触子２０より斜角θ１で入射させた超音波を斜角で受信する第二探触子３０とを備え、第二探触子３０は受信角に幅を有し、複数種の入射角で３回以上の測定を行うことにより音速の異なる複数の材料の各層の厚みを求める。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合材料は音速の異なる複数の材料を厚さ方向に層状に有し、前記複数の材料は第一音速の第一材料と第二音速の第二材料であり、超音波を斜角で入射させることの可能な第一探触子と、前記第一探触子より斜角で入射させた超音波を斜角で受信する第二探触子とを備え、複数種の入射角で３回以上の測定を行うことにより音速の異なる前記複数の材料の各層の厚みを求める材料層の厚み測定方法であって、
前記第二探触子が受信角に幅を有する垂直探触子である材料層の厚み測定方法。
【請求項２】
前記第一探触子の入射角が少なくとも３種類である入射測定と、前記第一探触子又は第二探触子による垂直方向の入射測定とを行う請求項１記載の材料層の厚み測定方法。
【請求項３】
前記第一探触子の入射角が、前記第二探触子の受信位置が受信限界最遠位置、第一探触子近傍位置及びこれら両位置の中間位置となる角度である請求項１又は２記載の材料層の厚み測定方法。
【請求項４】
前記複数の材料のうち少なくとも１つが樹脂を含む材料であり、前記第二材料は腐食層である請求項１〜３のいずれかに記載の材料層の厚み測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、材料層の厚み測定方法に関する。さらに詳しくは、複合材料は音速の異なる複数の材料を厚さ方向に層状に有し、前記複数の材料は第一音速の第一材料と第二音速の第二材料であり、超音波を斜角で入射させることの可能な第一探触子と、前記第一探触子より斜角で入射させた超音波を斜角で受信する第二探触子とを備え、複数種の入射角で３回以上の測定を行うことにより音速の異なる前記複数の材料の各層の厚みを求める材料層の厚み測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばＦＲＰ等の樹脂材料で構成された液体保存容器では、内面が薬液で腐食されることがある。このような場合、腐食層と健全層には明確な境界が存在するとは限らず、腐食層と健全層の界面からの反射エコーは測定できない場合が多い。
【０００３】
このような状況に対処すべく、上記厚み測定方法に関し、次の非特許文献が知られている。同文献によれば、入射角及び受信角を設定した斜角探触子を前記第一、第二探触子として用い、３回以上の測定を行っていた。
【０００４】
しかし、１測定箇所につき３回以上の測定が必要であるところ、測定毎に入射角及び受信角を設定するのは極めて煩雑であり、実用面での問題があった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】草野 正大他  「超音波を用いた劣化した有機材料の腐食層厚さ測定法の検討」  日本材料科学会学術講演大会予稿集 Ｐ３５−Ｐ３６  ２０１３年６月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、測定を迅速に行うことの可能な材料層の厚み測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係る厚み測定方法の特徴は、複合材料は音速の異なる複数の材料を厚さ方向に層状に有し、前記複数の材料は第一音速の第一材料と第二音速の第二材料であり、超音波を斜角で入射させることの可能な第一探触子と、前記第一探触子より斜角で入射させた超音波を斜角で受信する第二探触子とを備え、複数種の入射角で３回以上の測定を行うことにより音速の異なる前記複数の材料の各層の厚みを求める方法において、前記第二探触子が受信角に幅を有する垂直探触子としたことにある。
【０００８】
第二探触子を受信角に幅を有する垂直探触子としたことで、任意の角度で入射されることのある第一探触子からの入射超音波を第二探触子で適宜捉えることができる。この結果、従来のように送受信両探触子の入射角と受信角を逐一設定するわずらわしさから解放されることが可能となり、測定効率が飛躍的に向上する。
【０００９】
上記特徴において、前記第一探触子の入射角が少なくとも３種類である入射測定と、前記第一探触子又は第二探触子による垂直方向の入射測定とを行うとよい。この場合、前記第一探触子の入射角が、前記第二探触子の受信位置が受信限界最遠位置、第一探触子近傍位置及びこれら両位置の中間位置となる角度とすることで、誤差の低減が図られる。
【００１０】
前記複数の材料のうち少なくとも１つが樹脂を含む材料であり、前記第二材料は腐食層に好適に用いられる。
【発明の効果】
【００１１】
上記本発明に係る材料層の厚み測定方法の特徴によれば、測定を迅速に行うことの可能な測定方法を提供し得るに至った。
【００１２】
本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る厚み測定方法の原理を説明するための図である。
【図２】図１の状態から第二探触子を移動させた場合の超音波の伝達経路を示す図である。
【図３】本発明に係る厚み測定方法の２層材料に適用する場合の原理を説明するための図である。
【図４】本発明の方法における複数の測定箇所を説明するための図である。
【図５】本発明に係る厚み測定方法の装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、適宜添付図面を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。
図１，５に厚み測定装置１０の概要を示し、この装置は、第一、第二探触子２０，３０、操作モジュール１６及びオシロスコープ１５を備えている。操作モジュール１６は、第一探触子２０を駆動させるパルサー１１、第二探触子３０の受信波を処理するレシーバー１２、パルサー１１を操作する操作部１３及びＡＤ変換器１４を備えている。
【００１５】
第一探触子２０は、斜角探触子として構成されている。探触子本体２１はアダプター２２に取り付けられ、角度変更を行うための基材２３にアダプター２２をスライド自在に取り付けて楔２４を構成する。これに対し、第二探触子３０は垂直探触子として構成されている。
【００１６】
図２に示すように、第二探触子３０を位置Ｐ１から位置Ｐ２に移動させても、破線で示す超音波は異なる入射角で測定材料１１０に入射し、異なる受信角で第二探触子３０に受信される。すなわち、第一、第二探触子２０，３０ともに設定角（斜角または９０度）近傍の異なる角度からの送受信が可能であり、送受信角に幅を有している。このような送受信は受信側の第二探触子３０を垂直探触子としたことで可能となったものである。
【００１７】
次に、図１を参照しながら、厚み測定の基本原理を説明する。探触子間距離２Ｘ、測定材料厚みＬ、超音波飛行時間Ｔa、音速Ｃとすると、次の関係が成り立つ。
【００１８】
【数１】
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【００１９】
また、図２の如く第二探触子を位置Ｐ２まで移動させた状態の探触子間距離を２Ｘ’、超音波飛行時間Ｔa’とすると、次の関係が成り立つ。
【００２０】
【数２】
2018028521.tif 000004
探触子間距離２Ｘ、２Ｘ’、超音波飛行時間Ｔa、Ｔa’はいずれも測定で求められ、未知数は測定材料厚みＬ、音速Ｃの２変数のみであるため、上記２式によりこれらを求めることができる。この方法をピッチキャッチ法と称する。
【００２１】
【数３】
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【００２２】
上記数３によれば、測定材料厚みＬは、分子及び分母ともに探触子間距離２Ｘ，２Ｘ’、超音波飛行時間Ｔa，Ｔa’の差分に影響される。したがって、探触子間距離２Ｘ，２Ｘ’を大きく異ならせることが、測定誤差の低減につながることとなる。
【００２３】
例として ，ポリエチレンテフタートの単層試験片ＰＥＴ−６０１０（タキロン株式会社、厚さ１０．１ｍｍ、音速２２６０ｍ／ｓ（以下、ＰＥＴとする ））にて測定を行った。本実験では，周波数２．２５ＭＨｚの可変角探触子と、周波数２ＭＨｚ振動子径１０ｍｍの垂直探触子とを用いた。入射角は５５度、探触子間距離２Ｘが２４，２９，３４ｍｍとなる位置に垂直探触子である第二探触子３０を移動させた。探触子間距離２Ｘが順次大きくなるにしたがって、超音波飛行時間Ｔaも順次大きくなることが観察された。また、探触子間距離２Ｘを２７ｍｍに固定し、可変角探触子である第一探触子２０からの入射角を５０，５５，６０度に変更したが、超音波飛行時間Ｔaを示す第一波の到達時間はいずれも変わらないことが確認された。
【００２４】
なお、上記測定における探触子間距離２Ｘは標点の取り方により異なり、また、超音波飛行時間Ｔaは第一、第二探触子２０，３０内の飛行時間が含まれている。探触子間距離２Ｘは、既知の測定材料を用いることにより、また、超音波飛行時間Ｔaは第一、第二探触子２０，３０を直接接触させて試験を行うことにより、それぞれの誤差が評価可能であり、本明細書では、それらの誤差が補正された値での測定を意味するものとする。
【００２５】
次に、図３，４を参照しながら、二層試験片についての測定原理を説明する。測定材料１２０は健全層１２１の裏面に腐食層１２２が存在し、境界部１２３は明確でない。図３において各値は次のとおりに定義する。
ｌ1［ｍ］：材料１の厚さ
ｌ2［ｍ］：材料２の厚さ
２Ｘ［ｍ］：探触子間距離
２ｘ1［ｍ］：探触子間距離の材料１成分
２ｘ2［ｍ］：探触子間距離の材料２成分
ｃ1［ｍ／ｓ］：材料１の音速
ｃ2［ｍ／ｓ］：材料２の音速
Ｔn［ｓ］：パルス反射法（垂直探触子）による試験片内超音波飛行時間
Ｔa［ｓ］：ピッチキャッチ法による試験片内超音波飛行時間
θ1［ｄｅｇ］：材料１の屈折角
θ2［ｄｅｇ］：材料２の屈折角
【００２６】
測定誤差を小さくするために、図４の位置Ｐ４の如く超音波パルス法にて垂直入射及び受信でＴnを求める。関係は次式となる。
【００２７】
【数４】
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【００２８】
スネルの法則により、次の関係式が成立する。
【００２９】
【数５】
2018028521.tif 000007
【００３０】
三角形Ｓ１，Ｓ２の関係より、次の関係式が成立する。
【００３１】
【数６】
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【００３２】
【数７】
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【００３３】
これら数５，６，７をまとめると、以下の式となる。
【００３４】
【数８】
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【００３５】
また、超音波飛行時間Ｔa及び探触子間距離２Ｘにはそれぞれ次の関係が成立する。
【００３６】
【数９】
2018028521.tif 000011
【００３７】
【数１０】
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【００３８】
したがって、数４、数８，９，１０の４式が成立する。変数は、ｌ1，ｌ2，ｃ1，ｃ2，ｘ1，ｘ2の６つ、測定値はＴn，Ｔa，２Ｘの３つである。図４の如く第二探触子３０の位置をＰ１のほか、Ｐ２，Ｐ３に変更し、上記関係式を求めると、１０式が成立し、変数は、ｌ1，ｌ2，ｃ1，ｃ2，ｘ1，ｘ2の６つに加え新たな２組のｘ1，ｘ2の値で４つ加わり、変数は合計１０個となる。測定値はＴn，Ｔa，２Ｘの３つが３組で９つである。１０式及び１０変数より、これらの連立式を解くことで、変数の値を全て求めることができる。その結果、健全層１２１の厚みｌ1，腐食層１２２の厚みｌ2をそれぞれ求めることができる。
【００３９】
測定位置は、Ｐ１が最近接位置、Ｐ３が受信限界位置であり、Ｐ２がこれらＰ１、Ｐ３の中間位置である。Ｐ１、Ｐ３をできるだけ離隔させることで、誤差の低減を図っている。
【００４０】
ここで、上記の実験例を示す。測定材料１２０として、７ｍｍ厚のエポキシ樹脂層を健全層１２１として、２ｍｍ厚のシリコンゴム層を腐食層１２２として張り合わせたものを用いた。測定値は以下のとおりであった。
健全層１２１の厚みｌ1について
測定値  ６．７６ｍｍ    理論値    ７．１３ｍｍ
健全層１２１の音速ｃ1について
測定値  ２５２２ｍ／ｓ    理論値    ２６６０ｍ／ｓ
腐食層１２２の厚みｌ2について
測定値  ２．４９ｍｍ    理論値    ２．１０ｍｍ
腐食層１２２の音速ｃ2について
測定値  １２３０ｍ／ｓ    理論値    １２００ｍ／ｓ
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明に係る厚み測定方法は、２種以上の音速の異なる材料よりなる複合材の各層の厚みを測定することが可能である。材料の腐食層の測定の他、表面改質、境界面の不明確な複合材料他の各層の厚み測定に用いることができる。
【符号の説明】
【００４２】
１０：厚み測定装置、１１：パルサー、１２：レシーバー、１３：操作部、１４：ＡＤ変換器、１５：オシロスコープ、１６：操作モジュール、２０：第一探触子、２１：探触子本体、２２：アダプター、２３：基材、２４：楔、３０：第二探触子、１１０：測定材料、１２０：測定材料、１２１：健全層、１２２：腐食層、１２３：境界部
【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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