(57)【要約】【課題】比較的簡易な構成で超音波探触子の被検査体への接触状態に起因する測定精度の劣化を抑制することで、被検査体の表層の残留応力を高い精度で測定することができる残留応力評価方法及び残留応力評価装置を提供すること。【解決手段】測定試料Ｗの表層に存在する残留応力を、測定試料Ｗの表層を伝搬する超音波の伝搬時間に基づいて評価する残留応力評価装置において、振動形態の異なるＳＨ波及びＳＶ波を測定試料Ｗの表層へ送出することで、測定試料Ｗの表層に振動形態の異なる複数の伝搬超音波としてレーリ波及び表面ＳＨ波を励振する送出探触子と、測定試料Ｗの表層を伝搬する振動形態の異なる伝搬超音波を受信する受信探触子と、受信探触子で受信された複数種類の伝搬超音波の各々の伝搬時間を算出し、当該算出された伝搬時間に基づいて測定試料Ｗの表層に存在する残留応力を評価する評価装置と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体試料の表層に存在する残留応力を、前記被検査試料の表層を伝搬する超音波の伝搬時間に基づいて評価する残留応力評価方法であって、
振動形態の異なる複数種類の超音波を前記被検査試料の表層へ送出することで、被検査試料の表層に振動形態の異なる複数種類の伝搬超音波を励振する送出ステップと、
前記被検査試料の表層を伝搬する前記複数種類の伝搬超音波を受信する受信ステップと、
前記受信ステップで受信された複数種類の伝搬超音波の各々の伝搬時間を算出し、当該算出された伝搬時間に基づいて前記残留応力を評価する評価ステップと、を備えることを特徴とする残留応力評価方法。
【請求項２】
前記送出ステップが、前記複数種類の超音波を、前記被検体試料の表面上の第１の位置へ送出し、
前記受信ステップが、前記複数種類の伝搬超音波を、前記被検体試料の表面上の前記第１の位置とは異なる第２の位置から受信することを特徴とする請求項１に記載の残留応力評価方法。
【請求項３】
前記受信ステップで受信される前記複数種類の伝搬超音波が、レーリ波及び表面ＳＨ波であることを特徴とする請求項１又は２に記載の残留応力評価方法。
【請求項４】
前記送出ステップが、前記複数種類の超音波として、ＳＨ波及びＳＶ波を送出し、
前記受信ステップが、前記複数種類の伝搬超音波として、前記送出ステップで送出されたＳＨ波及びＳＶ波によって励振されて伝搬したレーリ波及び表面ＳＨ波を受信することを特徴とする請求項１又は２に記載の残留応力評価方法。
【請求項５】
前記受信ステップが、前記伝搬したレーリ波及び表面ＳＨ波の前記第２の位置からの出射角に応じて、当該レーリ波及び表面ＳＨ波をそれぞれ異なる位置で受信することを特徴とする請求項４に記載の残留応力評価方法。
【請求項６】
前記受信ステップが、前記レーリ波を縦波として検出するとともに、前記表面ＳＨ波を横波として検出することを特徴とする請求項５に記載の残留応力評価方法。
【請求項７】
前記受信ステップで受信される前記複数種類の伝搬超音波が、レーリ波及び表面ＳＶ波であることを特徴とする請求項１又は２に記載の残留応力評価方法。
【請求項８】
前記送出ステップが、縦波あるいは横波の単一振動子より、縦波あるいはＳＶ波を送出することにより前記被検査試料に、前記複数種類の伝搬超音波としてレーリ波及び表面ＳＶ波を励振させる形態であり、
前記受信ステップが、励振されて伝搬したレーリ波及び表面ＳＶ波の受信を、単一の縦波あるいは横波振動子で受信することを特徴とする請求項７記載の残留応力評価方法。
【請求項９】
被検体試料の表層に存在する残留応力を、前記被検査試料の表層を伝搬する超音波の伝搬時間に基づいて評価する残留応力評価装置であって、
振動形態の異なる複数種類の超音波を前記被検査試料の表層へ送出することで、被検査試料の表層に振動形態の異なる複数種類の伝搬超音波を励振する送出部と、
前記被検査試料の表層を伝搬する前記複数種類の伝搬超音波を受信する受信部と、
前記受信部で受信された複数種類の伝搬超音波の各々の伝搬時間を算出し、当該算出された伝搬時間に基づいて前記残留応力を評価する評価部と、を備えることを特徴とする残留応力評価装置。
【請求項１０】
前記送出部が、前記複数種類の超音波を、前記被検体試料の表面上の第１の位置へ送出し、
前記受信部が、前記複数種類の伝搬超音波を、前記第１の位置とは異なる前記被検体試料の表面上の第２の位置から受信することを特徴とする請求項９に記載の残留応力評価装置。
【請求項１１】
前記送出部が、前記複数種類の超音波を送出する単一の第１超音波振動子を有し、
前記受信部が、前記複数種類の伝搬超音波を受信する単一の第１超音波振動子を有することを特徴とする請求項９又は１０に記載の残留応力評価装置。
【請求項１２】
前記受信部で受信される前記複数種類の伝搬超音波が、レーリ波及び表面ＳＨ波であることを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の残留応力評価装置。
【請求項１３】
前記送出部が、前記複数種類の超音波として、ＳＨ波及びＳＶ波を送出し、
前記受信部が、前記複数種類の伝搬超音波として、前記送出部で送出されたＳＨ波及びＳＶ波によって励振されて伝搬したレーリ波及び表面ＳＨ波を受信することを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の残留応力評価装置。
【請求項１４】
前記送出部が、前記複数種類の超音波を送出する単一の第１超音波振動子を有し、
前記受信部が、前記伝搬したレーリ波の前記第２の位置からの出射角に応じた位置に設けられて前記レーリ波を受信する第２超音波振動子と、前記第２超音波振動子とは異なる超音波振動子であって、前記伝搬した表面ＳＨ波の前記第２の位置からの出射角に応じた位置に設けられて前記ＳＨ波を受信する第３超音波振動子と、を有することを特徴とする請求項９又は１０に記載の残留応力評価装置。
【請求項１５】
前記送出部が、前記第１の位置へＳＶ波を送出する第４超音波振動子と、前記第４超音波振動子とは異なる角度で超音波を送出する超音波振動子であって、前記第１の位置へ前記ＳＨ波を送出する第５超音波振動子と、を有し、
前記受信部が、前記伝搬したレーリ波の前記第２の位置からの出射角に応じた位置に設けられて前記レーリ波を受信する第２超音波振動子と、前記第２超音波振動子とは異なる超音波振動子であって、前記伝搬した表面ＳＨ波の前記第２の位置からの出射角に応じた位置に設けられて前記ＳＨ波を受信する第３超音波振動子と、を有することを特徴とする請求項９又は１０に記載の残留応力評価装置。
【請求項１６】
前記第２超音波振動子が、前記レーリ波を縦波として受信し、
前記第３超音波振動子が、前記ＳＨ波を横波として受信することを特徴とする請求項１４又は１５に記載の残留応力評価装置。
【請求項１７】
前記送出部が、電磁超音波センサで構成され、
前記受信部が、電磁超音波センサで構成されることを特徴とする請求項９〜１３のいずれかに記載の残留応力評価装置。
【請求項１８】
前記受信部で受信される前記複数種類の伝搬超音波が、レーリ波及び表面ＳＶ波であることを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の残留応力評価装置。
【請求項１９】
前記送出部が、縦波あるいは横波の単一振動子で構成され、
前記受信部が、縦波あるいは横波の単一振動子で構成されることを特徴とする請求項１８に記載の残留応力評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属材料などの被検査試料の表層に存在する残留応力を、当該被検査試料の表層を伝搬する超音波の音速に基づいて評価する残留応力評価方法及び残留応力評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種機械部品や構造体の非破壊での残留応力の測定は、これら部品や構造体の劣化診断等において極めて重要である。従来から、非破壊での残留応力の測定（評価）には、主にＸ線回折法が用いられているが、Ｘ線回折法では、測定対象である被検査体の表層のうち極めて浅い領域（〜数μｍ）しか評価できないといった制約がある。
そこで、これら制約や懸念を解消可能な超音波を用いた残留応力評価手段（音弾性法）として、特許文献１，２に開示される超音波式応力測定装置及び超音波式応力測定方法が提案されている。
【０００３】
特許文献１に開示の超音波式応力測定装置は、応力測定対象材料の内部を、縦波超音波と、振動方向が互いに直交する２つの横波超音波とが伝播した際に得られる超音波データを用いて、前記応力測定対象材料の残留応力の解析を行う超音波式応力測定装置であって、前記縦波超音波を送受信する縦波探触子Ｐ０を中心に配設し、この縦波探触子Ｐ０の水平方向両側に振動方向が水平方向である横波超音波を送受信する第１及び第２の水平方向横波探触子Ｐ１，Ｐ２を配設すると共に、この縦波探触子Ｐ０の垂直方向両側に振動方向が垂直方向である横波超音波を送受信する第１及び第２の垂直方向横波探触子Ｐ３，Ｐ４を配設して成る探触子組立体と、前記探触子組立体の各探触子に対する超音波の送受信制御を行う超音波送受信制御部と、前記超音波送受信制御部から前記各探触子の超音波データを入力し、各超音波の音速度データを求めて前記応力測定対象材料の残留応力の解析を行う測定データ解析部と、を備えたことを特徴とする。
【０００４】
また、特許文献２に開示の超音波式応力測定装置は、応力測定対象材料の表面上に配置可能な縦波超音波探触子及び横波超音波探触子と、前記両探触子を前記材料の表面に沿って移動又は回転させることが可能な探触子駆動機構と、前記両探触子のうちの一方の探触子に前記材料の測定対象部位に対する超音波の発信・受信動作を行わせた後、前記探触子駆動機構に対する前記移動の制御により一方の探触子と他方の探触子との配置を切り換え、他方の探触子に同一測定対象部位に対する超音波の発信・受信動作を行わせるようにし、前記横波超音波探触子については１８０°／Ｎ（Ｎ：２以上の整数）の回転角度毎のＮ回の回転を行わせ、各回転位置において発信・受信動作を行わせる探触子制御手段と、前記両探触子の発信・受信動作により得られる弾性表面波の音速度データから表面組織音響異方性の定数を求め、この求めた定数に基づき応力測定対象材料の残留応力を演算する測定データ解析手段と、を備えたことを特徴とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２３６８９２号公報
【特許文献２】特開２００８−７６３８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１，２に開示の技術は、被検査体を伝搬する超音波の音速が残留応力に応じて変化するという音弾性効果に基づいている。しかし、一般に金属材料における音速の応力依存性（音弾性係数）は小さいため、残留応力の評価の精度を高めるには、被検査体を伝搬する超音波の音速を高精度に且つ安定して測定しなくてはならないという課題がある。
具体的には、音速を測定するためには超音波の送信時間及び受信時間（伝搬時間）と共に超音波の伝搬距離が必要であるが、被検査体の不均一な形状などに起因して超音波の伝搬距離を一定に保つことは困難であり不確定な伝搬距離は誤差の要因となる。そこで、特許文献１，２は、いずれも縦波超音波及び横波超音波を用いてこれら超音波の音速を測定し、測定された音速の値に基づいて被検査体である材料中の残留応力を評価しようとする。特許文献１，２は、縦波と横波を併用することで、超音波の伝搬距離の不確定さに起因する誤差要因を低減して音速（残留応力）の測定精度を高めようと試みている。
【０００７】
このような特許文献１，２は、縦波の音速測定と横波の音速測定のそれぞれにおいて、異なる別の超音波探触子を用いることを前提としている。このように縦波の音速測定と横波の音速測定とで異なる超音波探触子を用いる場合、縦波及び横波の音速を、同時に同一位置で測定することはできない。さらに、音速を測定する際の超音波の伝搬時間は、被検査体中における超音波の伝搬距離の他、超音波探触子と被検査体との接触状態にも依存する。従って、特許文献１，２に示されるような異なる超音波探触子を用いた異なる位置での超音波の測定は、測定の度に探触子と被検査体との接触状態が変化してしまい、この変化による測定誤差が発生してしまうという課題が存在する。
【０００８】
加えて、特許文献１，２に開示の技術は、材料中の深さ方向の残留応力を評価するものであるが、材料の表層に存在する残留応力を評価するものではない。従って、特許文献１，２は、材料の表層に存在する残留応力を評価するための技術内容を開示するものではない。
そこで本発明は、上記問題点に鑑み、比較的簡易な構成で超音波探触子の被検査体への接触状態に起因する測定精度の劣化を抑制し、被検査体の表層の残留応力を高い精度で測定することができる残留応力評価方法及び残留応力評価装置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】
【０００９】
上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明の残留応力評価方法は、被検体試料の表層に存在する残留応力を、前記被検査試料の表層を伝搬する超音波の伝搬時間に基づいて評価する残留応力評価方法であって、振動形態の異なる複数種類の超音波を前記被検査試料の表層へ送出することで、被検査試料の表層に振動形態の異なる複数種類の伝搬超音波を励振する送出ステップと、前記被検査試料の表層を伝搬する前記複数種類の伝搬超音波を受信する受信ステップと、前記受信ステップで受信された複数種類の伝搬超音波の各々の伝搬時間を算出し、当該算出された伝搬時間に基づいて前記残留応力を評価する評価ステップと、を備えることを特徴とする。
【００１０】
ここで、前記送出ステップが、前記複数種類の超音波を、前記被検体試料の表面上の第１の位置へ送出し、前記受信ステップが、前記複数種類の伝搬超音波を、前記被検体試料の表面上の前記第１の位置とは異なる第２の位置から受信するとよい。
また、前記受信ステップで受信される前記複数種類の伝搬超音波が、レーリ波及び表面ＳＨ波であるとよい。
【００１１】
さらに、前記送出ステップが、前記複数種類の超音波として、ＳＨ波及びＳＶ波を送出し、前記受信ステップが、前記複数種類の伝搬超音波として、前記送出ステップで送出されたＳＨ波及びＳＶ波によって励振されて伝搬したレーリ波及び表面ＳＨ波を受信するとよい。
また、前記受信ステップが、前記伝搬したレーリ波及び表面ＳＨ波の前記第２の位置からの出射角に応じて、当該レーリ波及び表面ＳＨ波をそれぞれ異なる位置で受信するとよい。
【００１２】
加えて、前記受信ステップが、前記レーリ波を縦波として検出するとともに、前記表面ＳＨ波を横波として検出するとよい。
また、前記受信ステップで受信される前記複数種類の伝搬超音波が、レーリ波及び表面ＳＶ波であるとよい。
さらに、前記送出ステップが、縦波あるいは横波の単一振動子より、縦波あるいはＳＶ波を送出することにより前記被検査試料に、前記複数種類の伝搬超音波としてレーリ波及び表面ＳＶ波を励振させる形態であり、前記受信ステップが、励振されて伝搬したレーリ波及び表面ＳＶ波の受信を、単一の縦波あるいは横波振動子で受信するとよい。
【００１３】
本発明の残留応力評価装置は、被検体試料の表層に存在する残留応力を、前記被検査試料の表層を伝搬する超音波の伝搬時間に基づいて評価する残留応力評価装置であって、振動形態の異なる複数種類の超音波を前記被検査試料の表層へ送出することで、被検査試料の表層に振動形態の異なる複数種類の伝搬超音波を励振する送出部と、前記被検査試料の表層を伝搬する前記複数種類の伝搬超音波を受信する受信部と、前記受信部で受信された複数種類の伝搬超音波の各々の伝搬時間を算出し、当該算出された伝搬時間に基づいて前記残留応力を評価する評価部と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
ここで、前記送出部が、前記複数種類の超音波を、前記被検体試料の表面上の第１の位置へ送出し、前記受信部が、前記複数種類の伝搬超音波を、前記第１の位置とは異なる前記被検体試料の表面上の第２の位置から受信するとよい。
また、前記送出部が、前記複数種類の超音波を送出する単一の第１超音波振動子を有し、前記受信部が、前記複数種類の伝搬超音波を受信する単一の第１超音波振動子を有するとよい。
【００１５】
さらに、前記受信部で受信される前記複数種類の伝搬超音波が、レーリ波及び表面ＳＨ波であるとよい。
加えて、前記送出部が、前記複数種類の超音波として、ＳＨ波及びＳＶ波を送出し、前記受信部が、前記複数種類の伝搬超音波として、前記送出部で送出されたＳＨ波及びＳＶ波によって励振されて伝搬したレーリ波及び表面ＳＨ波を受信するとよい。
【００１６】
ここで、前記送出部が、前記複数種類の超音波を送出する単一の第１超音波振動子を有し、前記受信部が、前記伝搬したレーリ波の前記第２の位置からの出射角に応じた位置に設けられて前記レーリ波を受信する第２超音波振動子と、前記第２超音波振動子とは異なる超音波振動子であって、前記伝搬した表面ＳＨ波の前記第２の位置からの出射角に応じた位置に設けられて前記ＳＨ波を受信する第３超音波振動子と、を有するとよい。
【００１７】
また、前記送出部が、前記第１の位置へＳＶ波を送出する第４超音波振動子と、前記第４超音波振動子とは異なる角度で超音波を送出する超音波振動子であって、前記第１の位置へ前記ＳＨ波を送出する第５超音波振動子と、を有し、前記受信部が、前記伝搬したレーリ波の前記第２の位置からの出射角に応じた位置に設けられて前記レーリ波を受信する第２超音波振動子と、前記第２超音波振動子とは異なる超音波振動子であって、前記伝搬した表面ＳＨ波の前記第２の位置からの出射角に応じた位置に設けられて前記ＳＨ波を受信する第３超音波振動子と、を有するとよい。
【００１８】
さらに、前記第２超音波振動子が、前記レーリ波を縦波として受信し、前記第３超音波振動子が、前記ＳＨ波を横波として受信するとよい。
加えて、前記送出部が、電磁超音波センサで構成され、前記受信部が、電磁超音波センサで構成されるとよい。
また、前記受信部で受信される前記複数種類の伝搬超音波が、レーリ波及び表面ＳＶ波であるとよい。
【００１９】
さらに、前記送出部が、縦波あるいは横波の単一振動子で構成され、前記受信部が、縦波あるいは横波の単一振動子で構成されるとよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の残留応力評価方法及び残留応力評価装置によれば、被検査体の残留応力の測定を、比較的簡易な構成で且つ高い精度で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態による残留応力評価装置の概略構成を示す図である。
【図２】本実施形態による残留応力評価装置の送信探触子及び受信探触子の概略構成を拡大して示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態による残留応力評価装置の送信探触子及び受信探触子の概略構成を拡大して示す図である。
【図４】本実施形態による残留応力評価装置において、受信探触子を送信探触子として採用したときの概略構成を拡大して示す図である。
【図５】本発明の第３実施形態による残留応力評価装置の送信探触子及び受信探触子に用いられる電磁超音波センサの概略構成を示す図である。
【図６】本実施形態による残留応力評価装置の概略構成を示す図である。
【図７】本実施形態による送信探触子及び受信探触子に用いられる電磁超音波センサの変形例の概略構成を示す図である。
【図８】本発明の第４実施形態による残留応力評価装置の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。なお、以下に説明する各実施形態に共通する同一の構成部材には、同一の符号及び同一の名称を付すこととする。従って、同一の符号及び同一の名称が付された構成部材については、同じ説明を繰り返さない。
［第１実施形態］
以下に、図１及び図２を参照しつつ、本発明の第１実施形態による残留応力評価装置１について説明すると共に、残留応力評価装置１を用いた残留応力評価方法について説明する。
【００２３】
図１は、本実施形態による残留応力評価装置１の概略構成を示す図である。図２は、残留応力評価装置１の送信探触子２及び受信探触子３の概略構成を拡大して示す図である。
残留応力評価装置１は、例えば、鋼材で構成された機械部品や構造体などの被検査体（被検査試料）の表層に存在する残留応力を、当該被検査試料の表層を伝搬する超音波に基づいて評価（測定）する装置である。具体的に、残留応力評価装置１は、被検査試料の表層に超音波を伝搬させて当該伝搬した超音波の伝搬時間を測定し、この超音波の伝搬時間を用いて、被検査試料の表層に存在する残留応力を評価（測定）する。本実施形態では、被検査試料として鋼材で構成された直方体形状の測定試料Ｗを例示する。
【００２４】
ここで、表層とは、測定試料Ｗの表面下（表面皮下）所定の深さ範囲の領域であり、例えば深さ数ｍｍより浅い範囲の領域である。特に、測定試料Ｗの表面から超音波の波長程度の深さ域の残留応力が評価できるので、表層を、用いる超音波の波長程度の深さ域と定義してもよい。そのとき、超音波の波長は、周波数の変化によって可変（０.１ｍｍ〜数ｍｍ）であることから、表層を、深さ数ｍｍより浅い範囲の領域と定義することが可能となる。
【００２５】
図１に示すように、残留応力評価装置１は、被検査試料である測定試料Ｗの表面上に配置されて測定試料Ｗへ超音波を送出（送信）する送信探触子２と、同じく測定試料Ｗの表面上で送信探触子２と異なる位置に配置され、送信探触子２から送出されて測定試料Ｗの表層を伝搬した超音波を受信する受信探触子３とを備える。さらに、残留応力評価装置１は、送信探触子２に超音波を発生させるためのパルス発生器４と、受信探触子３が受信した超音波の信号である受信信号を採取する増幅器５，６及び波形採取装置７と、採取された受信信号に基づいて、当該受信信号に対応する超音波の伝搬経路における残留応力を評価する評価装置（評価部）８とを備える。
【００２６】
まず、図２を参照して、残留応力評価装置１の特徴的な構成である送信探触子２及び受信探触子３について詳しく説明し、パルス発生器４、増幅器５，６、波形採取装置７、及び評価装置８については後述する。
送信探触子（送信部）２は、例えば平板状の圧電素子２０を超音波伝搬媒体２１に装備された超音波プローブである。圧電素子２０に所定電圧のパルス電圧が加えられると、当該圧電素子２０の平板面から所定周波数の超音波が出力され、出力された超音波は、送信探触子２の超音波伝搬媒体２１に形成された開口面である送出面（超音波送出面）２２を経て外部へ送出される。
【００２７】
圧電素子２０は、加えられた所定電圧のパルスによって振動することで、当該圧電素子２０の平板面（出力面）から所定周波数の超音波を出力する。この圧電素子２０は、超音波の出力方向を、送信探触子２の超音波送出面２２に対して平行でも垂直でもなく斜めに向けて斜角で配置されており、圧電素子２０から出力された超音波は、超音波送出面２２に垂直な方向とは異なる斜め方向に沿って、超音波送出面２２から外部へ送出される。つまり、送信探触子２を、超音波送出面２２を測定試料Ｗの表面に当接させることで測定試料Ｗの表面上に配置すると、超音波送出面２２から送出された超音波は、測定試料Ｗの表面に対して平行でも垂直でもない斜め方向から入射する。
【００２８】
さらに、圧電素子２０は、横波の超音波を出力するものである。圧電素子２０から出力される超音波に含まれる振動成分は、少なくとも、圧電素子２０の出力面と超音波送出面２２に対して平行に振動しつつ超音波送出面２２に入射する成分（振動成分Ａ）と、振動成分Ａの振動方向に対して垂直方向に振動しつつ超音波送出面２２に入射する成分（振動成分Ｂ）である。
【００２９】
図１及び図２を参照して説明を補足する。図１及び図２は、圧電素子２０の出力面が紙面に対して垂直となるように送信探触子２を側方から見た図であり、振動成分Ａは、図１及び図２の紙面に対して垂直な成分であり、振動成分Ｂは、図１及び図２の紙面と圧電素子２０の出力面に対して平行な成分である。
圧電素子２０は、このような振動成分Ａと振動成分Ｂを含む超音波を出力し、出力された超音波は、超音波送出面２２に対する圧電素子２０の出力面の角度に対応した角度で斜めに超音波送出面２２を通過して送信探触子２の外部に送出される。
【００３０】
このように、圧電素子２０は、振動成分Ａ及び振動成分Ｂといった振動形態の超音波を出力するが、圧電素子２０は、図１及び図２において送信探触子２の圧電素子２０に示す２つのベクトルの方向成分に沿って振動することによって、圧電素子２０の出力面と超音波送出面２２に対して平行に振動する振動成分Ａとして横波の水平成分であるＳＨ波を出力し、振動成分Ａの振動方向に対して垂直方向に振動する振動成分Ｂとして横波の垂直成分であるＳＶ波を出力する。このように、送信探触子２の圧電素子２０は、複数種類の超音波としてＳＨ波及びＳＶ波を送出する。
【００３１】
以上のとおり、送信探触子２の圧電素子２０は、超音波としてＳＨ波及びＳＶ波を送出する単一の第１超音波振動子である。この圧電素子２０を分離されていない単一の第１超音波振動子とする構成により、圧電素子２０から測定試料Ｗへ送出される複数種類の超音波の伝搬経路を共通化することができ、超音波の種類毎に経路が異なって伝搬距離が変動してしまうという問題を防ぐことができる。
【００３２】
図１及び図２に示すように、上述の圧電素子２０を有する送信探触子２は、超音波送出面２２を測定試料Ｗの表面に当接させることで測定試料Ｗの表面上に配置されたときに、圧電素子２０と超音波送出面２２の間や、超音波送出面２２と測定試料Ｗの表面の間を満たす接触媒質を供給する接触媒質供給部（図示せず）を備える。接触媒質とは、水、グリセリンペースト、油など、超音波を伝達する物質のことであり、圧電素子２０から出力された超音波を測定試料Ｗの表面へ伝達する媒質である。
【００３３】
図２を参照して、送信探触子２の動作について説明する。送信探触子２が超音波送出面２２を測定試料Ｗの表面に当接させて測定試料Ｗの表面上に配置されると、送信探触子２の圧電素子２０は、超音波送出面２２に対する角度と同じだけ測定試料Ｗの表面に対して傾くように配置される。
この圧電素子２０に対して後述するパルス発生器４からパルス電圧が印加されると、圧電素子２０は、印加されたパルス電圧に応じた周波数のＳＨ波（振動成分Ａ）及びＳＶ波（振動成分Ｂ）を含む超音波を出力する。
【００３４】
圧電素子２０の出力面から出力された超音波であるＳＨ波及びＳＶ波は、送信探触子２の超音波送出面２２を経て測定試料Ｗの表面上の同一位置（第１の位置）へ、測定試料Ｗの表面に対して斜め方向に送出される。
測定試料Ｗの表面へ斜め方向に送出されたＳＨ波及びＳＶ波は、測定試料Ｗの表面上の同一位置（第１の位置）へ斜め方向に入射して、測定試料Ｗの表層に振動形態の異なる複数種類の超音波を励振する。測定試料Ｗの表面へ斜め方向に入射した超音波によって励振された超音波は、表面波（表面弾性波）として測定試料Ｗの表層を伝搬するので、以下の説明において伝搬超音波とよぶ。
【００３５】
図２に示すように、測定試料Ｗの表面へ斜め方向に入射したＳＨ波は、測定試料Ｗの表層を伝搬する伝搬超音波として、図中破線で示す表面ＳＨ波を励振する。また、測定試料Ｗの表面へ斜め方向に入射したＳＶ波は、測定試料Ｗの表層を伝搬する伝搬超音波として、図中実線で示すレーリ波を励振する。
振動形態の異なる伝搬超音波において、レーリ波は、励振効率が高く、且つ測定試料Ｗの表層において低減衰で伝搬するという特徴があり、一方、表面ＳＨ波は、応力に対する感受性が高いという特長がある。このような理由から、本実施形態では、振動形態の異なる伝搬超音波としてレーリ波及び表面ＳＨ波を例示する。レーリ波及び表面ＳＨ波以外にも、目的に応じて様々な振動形態の超音波を用いることができる。
【００３６】
尚、ここまでの説明で用いた、横波、縦波、ＳＨ波、ＳＶ波、表面ＳＨ波及びレーリ波など超音波の振動形態の定義は、超音波を含む振動を扱う技術分野の当業者によって認識されている定義と同じである。
以上をまとめると、送信探触子２は、被検査試料である測定試料Ｗの表面上に配置され、圧電素子２０から該表面に対して水平でも垂直でもない斜め方向に振動形態の異なる複数種類の超音波（ＳＨ波及びＳＶ波）を測定試料Ｗの表層へ送出することで、測定試料Ｗの表層に振動形態の異なる複数種類の伝搬超音波（表面ＳＨ波及びレーリ波）を励振する。
【００３７】
このように、送信探触子２は、偏波を有する単一のせん断波であるＳＨ波及びＳＶ波を含む超音波を測定試料Ｗの表面の斜入射させることにより、レーリ波と表面ＳＨ波を同時に励振させることができるので、送信探触子２を簡易かつ安価な構成で実現することができる。
送信探触子２から送出されたＳＨ波及びＳＶ波によって測定試料Ｗの表面上の同一位置（第１の位置）で励振された伝搬超音波である表面ＳＨ波及びレーリ波は、ほぼ同一方向に向かって測定試料Ｗの表層を伝搬する。
【００３８】
図２を参照して、受信探触子（受信部）３は、例えば平板状の圧電素子３０を超音波伝搬媒体３１に装備された超音波プローブである。圧電素子３０は、受信探触子３の３１に形成された開口面である入射面（超音波入射面）３２から超音波伝搬媒体３１の内部に入射した伝搬超音波を受信することで所定の電圧を発生する。この平板状の圧電素子３０は、送信探触子２の圧電素子２０とほぼ同様の構成を有する部材であり、伝搬超音波を受信する平板面を受信探触子３の超音波入射面３２に対して平行でも垂直でもなく斜めに向けて斜角で配置されている。
【００３９】
圧電素子３０は、測定試料Ｗの表層を伝搬する複数種類の伝搬超音波を受信して所定の電圧を発生させることで、当該伝搬超音波を検出するものであり、例えば、表面ＳＨ波を受信する横波検出用の圧電素子３０ａと、レーリ波を受信する圧電素子３０ｂとが積層されて分離していない単一の圧電素子３０として構成されている。このような構成の圧電素子３０は、表面ＳＨ波を検出する横波(送信における振動成分Ａ)検出部とレーリ波によるＳＶ波を検出する横波(送信における振動成分Ｂ)検出部を有する単一の圧電素子であるということもできる。
【００４０】
この圧電素子３０を有する受信探触子３は、送信探触子２から送出されたＳＨ波及びＳＶ波によって励振されて伝搬したレーリ波及び表面ＳＨ波を振動形態の異なる複数種類の伝搬超音波として受信し、受信によって発生した電圧をレーリ波及び表面ＳＨ波の検出信号として外部に出力する。具体的には、測定試料Ｗの表層を伝搬した伝搬超音波である表面ＳＨ波及びレーリ波は、受信探触子３の超音波入射面３２から受信探触子３内へ伝搬して、超音波入射面３２を向く圧電素子３０の平板面に入射する。入射した表面ＳＨ波は横波検出用の圧電素子３０ａによって検出され、レーリ波は、ＳＶ波として同じく横波検出用の圧電素子３０ｂによって検出される。
【００４１】
以上のとおり、受信探触子３の圧電素子３０は、複数種類の伝搬超音波としてレーリ波及び表面ＳＨ波を受信する単一の第１超音波振動子である。
つまり、受信探触子３の超音波入射面３２を、伝搬超音波である表面ＳＨ波及びレーリ波の伝搬経路上において上述の第１の位置とは異なる第２の位置に当接させると、測定試料Ｗの表層を伝搬した伝搬超音波は、当該第２の位置において、超音波入射面３２へ向かって測定試料Ｗの表面に対して平行でも垂直でもない斜め方向に入射する。これによって、受信探触子３は、表面ＳＨ波及びレーリ波などの複数種類の伝搬超音波を、測定試料Ｗの表面上の第２の位置から受信する。
【００４２】
このとき、図２に示すように、受信探触子３を、超音波入射面３２を向く圧電素子３０の平板面が伝搬超音波の伝搬方向上流側に向くように第２の位置に配置すると、受信探触子３の圧電素子３０は、受信探触子３内に伝搬した伝搬超音波を効率よく受信することができる。
尚、上述の圧電素子３０を有する受信探触子３は、送信探触子２と同様に、超音波入射面３２を測定試料Ｗの表面に当接させることで測定試料Ｗの表面上に配置されたときに、圧電素子３０と超音波入射面３２の間、及び超音波入射面３２と測定試料Ｗの表面の間を満たす接触媒質を供給する接触媒質供給部（図示せず）を備える。
【００４３】
図２を参照しながら、測定試料Ｗの表面上における送信探触子２と受信探触子３の配置について説明する。
伝搬超音波を励振させる第１の位置と伝搬超音波を受信する第２の位置によって残留応力を測定する領域が挟まれるように、第１の位置上に送信探触子２の超音波送出面２２を当接させると共に、第２の位置上に受信探触子３の超音波入射面３２を当接させて送信探触子２と受信探触子３を配置する。このとき、送信探触子２は、伝搬超音波の伝搬方向が残留応力を測定する領域に向くように配置され、受信探触子３は、圧電素子３０の平板面が伝搬超音波の伝搬方向上流側に向くように配置される。
【００４４】
このような配置によって、第１の位置と第２の位置は、残留応力を測定する領域の大きさに対応する距離Ｌだけ離れることとなり、伝搬超音波である表面ＳＨ波及びレーリ波は、共に距離Ｌだけ測定試料Ｗの表層を伝搬する。
つまり、上述のように配置された送信探触子２と受信探触子３を用いることで、振動形態の異なる複数の超音波を、共に同じ距離Ｌだけ伝搬させることができる。第１の位置と第２の位置の距離Ｌに限らず、送信探触子２の圧電素子から、第１の位置と第２の位置を経て受信探触子３の圧電素子までの超音波の伝搬距離は、超音波の振動形態によらず同じ距離となる。
【００４５】
続いて、図１を参照して、上述の送信探触子２及び受信探触子３を駆動して測定試料Ｗの表層の残留応力を評価するための他の構成について説明する。
パルス発生器４は、送信探触子２に接続されており、送信探触子２の圧電素子２０へ所定電圧の電圧信号（パルス信号）を印加することで当該圧電素子２０に超音波を発生させると共に、当該電圧信号と同時に、超音波の発生時期を知らせるトリガ信号を、後述する波形採取装置７へ出力する。
【００４６】
増幅器５，６は、受信探触子３に接続されたアンプであり、受信探触子３の圧電素子３０が出力した検出信号の強度を増幅し後述する波形採取装置７へ出力するものである。増幅器５は、圧電素子３０ｂが出力したレーリ波の検出信号を増幅して波形採取装置７へ出力し、増幅器６は、圧電素子３０ａが出力した表面ＳＨ波の検出信号を増幅して波形採取装置７へ出力する。
【００４７】
波形採取装置７は、パルス発生器４から出力されたトリガ信号を受信すると共に、増幅器５，６から出力されたレーリ波及びＳＨ波の検出信号を受信して当該検出信号の波形を採取する。このとき、トリガ信号の受信は、送信探触子２の圧電素子２０が超音波を出力したタイミングであるとみなすことができ、レーリ波及びＳＨ波の検出信号の受信は、受信探触子３の圧電素子３０がレーリ波及びＳＨ波を受信した（レーリ波及びＳＨ波が受信探触子３に到達した）タイミングであるとみなすことができる。
【００４８】
そこで、波形採取装置７は、トリガ信号の受信からレーリ波の検出信号の受信までの時間を計測してレーリ波の伝搬時間ＴＲを算出すると共に、トリガ信号の受信から表面ＳＨ波の検出信号の受信までの時間を計測して表面ＳＨ波の伝搬時間ＴＳを算出する。波形採取装置７は、これら算出したレーリ波の伝搬時間ＴＲと表面ＳＨ波の伝搬時間ＴＳを後述する評価装置８へ出力する。
【００４９】
評価装置８は、波形採取装置７から出力されたレーリ波の伝搬時間ＴＲと表面ＳＨ波の伝搬時間ＴＳを取得して、取得した伝搬時間ＴＲと伝搬時間ＴＳに基づいて、伝搬超音波であるレーリ波及び表面ＳＨ波が伝搬した測定試料Ｗの表層に存在する残留応力を評価する。
まず、測定試料Ｗの表層に存在する残留応力を評価するための基本的な考え方を説明し、その後に、評価装置８が行う残留応力の評価の方法を説明する。
【００５０】
レーリ波の伝搬時間ＴＲは、レーリ波の伝搬距離である距離Ｌ、残留応力が存在しない測定試料Ｗにおけるレーリ波の音速ＶＲ、測定試料Ｗにおけるレーリ波に対する音弾性係数ＣＲ、レーリ波の伝搬経路に存在する応力（残留応力）σを用いて表現することができる。下の式（１）は、レーリ波の伝搬時間ＴＲを、伝搬距離Ｌ、音速ＶＲ、音弾性係数ＣＲ、及び残留応力σを用いて表現する関係式の一例である。
【００５１】
【数１】
2015206782.tif 000003
式（１）において、レーリ波の伝搬時間ＴＲは、波形採取装置７から取得することができ、レーリ波の伝搬距離Ｌは、送信探触子２が配置された第１の位置から受信探触子３が配置された第２の位置までの距離として取得することができる。
【００５２】
ここで、上述の波形採取装置７によって伝搬時間ＴＲを算出したときのレーリ波の伝搬経路は、送信探触子２の圧電素子２０から第１の位置及び第２の位置を経由して受信探触子３の圧電素子３０までであり、第１の位置から第２の位置までの距離Ｌと完全には一致しない。つまり、レーリ波の伝搬距離は、距離Ｌの前後に、送信探触子２の圧電素子２０から測定試料Ｗの表面までの距離と測定試料Ｗの表面から受信探触子３の圧電素子３０までの距離、言い換えれば送信探触子２内の伝搬距離と受信探触子３内の伝搬距離を加えたものである。従って、距離Ｌの前後に存在する、送信探触子２内及び受信探触子３内の伝搬距離を加味して伝搬時間ＴＲを補正すれば、より正確な伝搬時間ＴＲを算出することができる。
【００５３】
残留応力が存在しない測定試料Ｗにおけるレーリ波の音速ＶＲは、残留応力が存在しない測定試料Ｗを用意して予め測定することができる値である。測定試料Ｗにおけるレーリ波に対する音弾性係数ＣＲは、測定試料Ｗの物性値であるので、予め取得することができる値である。
このように、伝搬時間ＴＲ、伝搬距離Ｌ、音速ＶＲ、及び音弾性係数ＣＲを取得することができるので、式（１）などを用いれば、レーリ波の伝搬経路に存在する残留応力σを求める（評価する）ことができる。
【００５４】
表面ＳＨ波の伝搬時間ＴＳも、レーリ波の伝搬時間ＴＲと同様に、表面ＳＨ波の伝搬距離である距離Ｌ、残留応力が存在しない測定試料Ｗにおける表面ＳＨ波の音速ＶＳ、測定試料Ｗにおける表面ＳＨ波に対する音弾性係数ＣＳ、表面ＳＨ波の伝搬経路に存在する応力（残留応力）σを用いて、下の式（２）に例示する関係式のように表現することができる。
【００５５】
【数２】
2015206782.tif 000004
この式（２）においても、伝搬時間ＴＳ、伝搬距離Ｌ、音速ＶＳ、及び音弾性係数ＣＳを取得することができるので、表面ＳＨ波の伝搬経路に存在する残留応力σを求める（評価する）ことができる。
【００５６】
上述の式（１）又は式（２）を用いれば、レーリ波及び表面ＳＨ波の何れかを用いて測定試料Ｗの表層に存在する残留応力を評価することが可能である。しかし、送信探触子２及び受信探触子３を配置したときに、第１の位置から第２の位置までの距離Ｌを正確に取得することは困難であるため、距離Ｌは常に測定誤差を含む可能性がある。この距離Ｌは、測定試料Ｗの表面に対する傾きやリフト量など、送信探触子２及び受信探触子３の測定試料Ｗに対する接触状態にも影響を受けるが、この不安定な接触状態を常に一定に保つことは難しいので、距離Ｌの誤差を排除することは非常に困難である。
【００５７】
従って、レーリ波及び表面ＳＨ波の何れか、つまり、一つの振動形態の超音波のみを用いて正確に残留応力を評価することは非常に困難であり、残留応力の評価において、誤差を含む可能性があり正確に取得することが困難な距離Ｌを排除することが望まれる。
上述の送信探触子２と受信探触子３を備える残留応力評価装置１では、振動形態の異なる複数種類の超音波であるレーリ波及び表面ＳＨ波の伝搬経路が共通（同一）であるので、第１の位置から第２の位置までの距離Ｌが同じ値をとる。
【００５８】
そこで、評価装置８は、以下の式（３）に例示するような、式（１）及び式（２）に例示される関係式を用いて距離Ｌを排除した関係式を用いる。
【００５９】
【数３】
2015206782.tif 000005
式（３）に例示する関係式は、残留応力σを、レーリ波の伝搬時間ＴＲ、レーリ波の音速ＶＲ、レーリ波による音弾性係数ＣＲ、表面ＳＨ波の伝搬時間ＴＳ、表面ＳＨ波の音速ＶＳ、及び表面ＳＨ波による音弾性係数ＣＳに基づいて表現する関係式の一例である。式（３）に例示するような関係式を用いれば、誤差及び超音波探触子の接触状態の影響を含みやすい距離Ｌを排除することができるので、距離Ｌに依存することなく、送信探触子２と受信探触子３の測定試料Ｗへの接触状態に起因する測定精度の劣化を抑制することができる。従って、本実施形態の残留応力評価装置１によれば、レーリ波及び表面ＳＨ波の両方を用いて、測定試料Ｗの表層に存在する残留応力を高精度かつ高安定的に評価（測定）することができる。
【００６０】
上述の構成を有する残留応力評価装置１の動作について説明する。
送信探触子２と受信探触子３を、残留応力を測定する領域が挟まれるように、第１の位置上に送信探触子２の超音波送出面２２を当接させると共に、第２の位置上に受信探触子３の超音波入射面３２を当接させて、測定試料Ｗの表面上に配置する。
この配置の後、パルス発生器４が、送信探触子２の圧電素子２０へパルス電圧を印加し、同時にトリガ信号を波形採取装置７へ出力する。
【００６１】
パルス電流が印加された送信探触子２の圧電素子２０は、振動形態の異なる複数種類の超音波としてＳＨ波とＳＶ波を出力し、測定試料Ｗの表面の第１の位置へ送出する。
送出されたＳＨ波とＳＶ波は、測定試料Ｗの表面の第１の位置に入射して、測定試料Ｗの表層に、振動形態の異なる複数種類の伝搬超音波であるレーリ波と表面ＳＨ波を励振する。ここまでが送出ステップであり、受信ステップへ続く。
【００６２】
励振されたレーリ波と表面ＳＨ波は測定試料Ｗの表層を伝搬し、受信探触子３の圧電素子３０は、測定試料Ｗの表面の第２の位置からレーリ波と表面ＳＨ波を受信する。
受信探触子３の圧電素子３０は、受信したレーリ波と表面ＳＨ波の検出信号を増幅器５，６へ出力する。ここまでが受信ステップであり、評価ステップへ続く。
増幅器５，６は、受信したレーリ波と表面ＳＨ波の検出信号を増幅して、波形採取装置７へ出力する。
【００６３】
波形採取装置７は、パルス発生器４から受信したトリガ信号と、増幅器５，６から受信したレーリ波と表面ＳＨ波の検出信号から、受信探触子３の圧電素子３０で受信されたレーリ波と表面ＳＨ波の伝搬時間である伝搬時間ＴＲと伝搬時間ＴＳを算出し、評価装置８へ出力する。
評価装置８は、上述の式（３）に例示される関係式を用いて、伝搬超音波の伝搬距離Ｌに依存することなく、伝搬超音波が伝搬した測定試料Ｗの表層に存在する残留応力σを求める（評価する）。ここまでが評価ステップである。
【００６４】
以上の構成を有する残留応力評価装置１によれば、伝搬超音波の波長程度の深さ域において残留応力の評価が可能であるので、伝搬超音波の周波数を段階的に変化させることで、０.１〜数ｍｍの範囲で残留応力の深さ分布を評価することができる。
また、残留応力評価装置１は、ＳＶ波及びＳＨ波によって、測定試料Ｗの表面の一部に圧縮及びせん断力を同時に印加することでレーリ波と表面ＳＨ波を励振させるので、送信探触子２及び受信探触子３の位置および接触状況の変化による伝搬時間ＴＲ及び伝搬時間ＴＳへの影響を抑制することができる。
［第２実施形態］
図３及び図４を参照しながら、本発明の第２実施形態について説明する。
【００６５】
図３は、本実施形態による残留応力評価装置１０の送信探触子２及び受信探触子９の概略構成を拡大して示す図である。図４は、残留応力評価装置１０において、受信探触子９を送信探触子として採用したときの概略構成を拡大して示す図である。
本実施形態による残留応力評価装置１０は、第１実施形態による残留応力評価装置１とほぼ同様の構成を有し、残留応力評価装置１の受信探触子３の代わりに受信探触子９を受信部として備えている。残留応力評価装置１０において、受信探触子９以外の構成は、第１実施形態による残留応力評価装置１と同じである。
【００６６】
以下、図３を参照しながら、受信探触子９の構成について説明するが、その前に、受信探触子９の構成の前提について説明する。
上述の第１実施形態において、測定資料Ｗの表層を伝搬した表面ＳＨ波及びレーリ波は、測定試料Ｗの表面上の第２の位置から、測定試料Ｗの表面と超音波入射面３２の接触面で屈折してＳＨ波及びレーリ波として受信探触子３内へ伝搬する。しかしこのとき、ＳＨ波とレーリ波は、それぞれ屈折角度が異なっており、超音波入射面３２から超音波振動子３０までは互いに異なる経路で伝搬している。
【００６７】
具体的に、ＳＨ波の伝搬方向、つまりＳＨ波の第２の位置からの出射角度は、測定試料Ｗの表面と超音波入射面３２の接触面に対する法線を基準としたときに、この法線に対して表面ＳＨ波の伝搬方向へ約２０度傾いている。具体的に、ＳＨ波は、約２０度の出射角度をもって横波のＳＨ波として、第２の位置から受信探触子３内へ出射される。また、レーリ波の出射角度、つまりレーリ波の第２の位置からの出射角は、この法線に対してレーリ波の伝搬方向へ約５０度傾いている。具体的に、レーリ波は、横波のＳＶ波として出射される他、約５０度の出射角度をもって縦波として出射される。
【００６８】
このようなＳＨ波及びレーリ波の出射角の相違は、ＳＨ波及びレーリ波が伝搬する測定試料Ｗが鋼であるために生じるものであり、鋼中における音速と同程度の音速を得られる金属等で測定資料Ｗが構成されていれば、ＳＨ波及びレーリ波の出射角は、ほぼ上述の角度となる。
そこで、図３を参照して、受信部である受信探触子９は、第１実施形態で説明した受信探触子３とほぼ同様の構成を有しており、超音波伝搬媒体３１に相当する超音波伝搬媒体９１、及び超音波入射面３２に相当する超音波入射面９２を備え、圧電素子３０の代わりに圧電素子部９０を備える。
【００６９】
圧電素子部９０は、圧電素子３０を構成する圧電素子３０ａに相当する圧電素子９０ａ（第２超音波振動子）と、同じく圧電素子３０ｂに相当する圧電素子９０ｂ（第３超音波振動子）とで構成され、圧電素子９０ａ及び圧電素子９０ｂは、互いに積層されておらず独立した別体の部材である。圧電素子９０ａは、圧電素子３０ａと同様にＳＨ波を受信する横波検出用であり、圧電素子９０ｂは、圧電素子３０ｂと同様にレーリ波を受信する。
【００７０】
このような圧電素子部９０を備える受信探触子９は、圧電素子９０ａを、第２の位置から出射したＳＨ波をほぼ垂直に受信するように配置し、圧電素子９０ｂを、第２の位置から出射したレーリ波を受信するように配置している。
これによって、圧電素子９０ａは、第２の位置からの出射角が上述の法線に対して約２０度傾いているＳＨ波を受信するために、その受信面を超音波伝搬媒体９１に形成された開口面である入射面（超音波入射面）９２に対して約２０度傾けて配置される。また、圧電素子９０ｂは、第２の位置からの出射角が上述の法線に対して約５０度傾いているレーリ波を受信するために、その受信面を入射面９２に対して約５０度傾けて配置される。
【００７１】
さらに、圧電素子９０ａは、第１実施形態で説明した増幅器６に接続され、圧電素子９０ｂは、第１実施形態で説明した増幅器５に接続される。
受信探触子９の構成をまとめると次のとおりである。
受信探触子９は、測定試料Ｗの表層を伝搬したレーリ波の第２の位置からの出射角に応じた位置に設けられて当該レーリ波を受信する圧電素子９０ｂ（第２超音波振動子）と、圧電素子９０ｂとは異なる超音波振動子であって、測定試料Ｗの表層を伝搬した表面ＳＨ波の第２の位置からの出射角に応じた位置に設けられて当該ＳＨ波を受信する圧電素子９０ａ（第３超音波振動子）と、を有する。
【００７２】
その上で、第２超音波振動子である圧電素子９０ｂが、レーリ波を縦波として受信し、第３超音波振動子である圧電素子９０ａが、ＳＨ波を横波として受信する。
上述の受信探触子９を備える残留応力評価装置１０の動作について説明する。
残留応力評価装置１０の動作は、第１実施形態による残留応力評価装置１の動作とほぼ同様であり、受信ステップだけが異なる。従って、本実施形態による残留応力評価装置１０の動作について、受信ステップについて説明する。
【００７３】
送出ステップに続く受信ステップでは、励振されたレーリ波と表面ＳＨ波は測定試料Ｗの表層を伝搬超音波として伝搬し、受信探触子３の圧電素子９０は、伝搬したレーリ波及び表面ＳＨ波の第２の位置からの出射角に応じて設けられた圧電素子９０ｂ及び圧電素子９０ａによって、当該レーリ波及び表面ＳＨ波をそれぞれ異なる位置で受信する。このとき、圧電素子９０ｂがレーリ波を縦波として検出するとともに、圧電素子９０ａが表面ＳＨ波を横波として検出する。
【００７４】
受信探触子９の圧電素子９０ａは、受信した表面ＳＨ波の検出信号を増幅器６へ出力し、受信したレーリ波の検出信号を増幅器５へ出力する。ここまでが受信ステップであり、評価ステップへ続く。
本実施形態による残留応力評価装置１０によれば、出射角度の分離角が約３０度と大きく異なるＳＨ波及びレーリ波を、それぞれの受信に適した位置に設けられた圧電素子９０ａ及び圧電素子９０ｂで受信することができる。従って、測定試料Ｗを伝搬した表面ＳＨ波おレーリ波を互いに干渉させることなく受信することができるので、それぞれの超音波を高いＳ／Ｎ比で受信することができる。
【００７５】
本実施形態の最後に、図４を参照して、本実施形態の変形例について説明する。
本実施形態の変形例として、残留応力評価装置１０は、送信探触子２の代わりに、受信探触子９と同じ構成の送信探触子２ａを備えてもよい。
送信探触子２ａは、受信探触子９と同様に、超音波伝搬媒体９１に相当する超音波伝搬媒体２１ａ、超音波入射面９２に相当する超音波入射面２２ａ、圧電素子９０ａに相当する圧電素子２０ａ及び圧電素子９０ｂに相当する圧電素子２０ｂを備える。送信探触子２ａの圧電素子２０ａ及び圧電素子２０ｂに対してパルス発生器４からパルス電圧が印加されると、圧電素子２０ａ（第５超音波振動子）は、印加されたパルス電圧に応じた周波数のＳＨ波（振動成分Ａ）を含む超音波を上述の第１の位置へ出力し、圧電素子２０ｂ（第４超音波振動子）は、印加されたパルス電圧に応じた周波数の縦波超音波を上述の第１の位置へ出力する。つまり、送信探触子２ａは、圧電素子２０ａと圧電素子２０ｂは、互いに異なる角度で超音波を送出する２つの超音波振動子を有する。
【００７６】
このように、２つの圧電素子２０ａ，２０ｂを用いてＳＨ波及び縦波を励振させる構成であれば、圧電素子２０ａ，２０ｂに印加されるパルス電圧の電圧信号レベルを個別に制御することで、圧電素子２０ａ，２０ｂが送出するＳＨ波及び縦波の強度を個別に制御することができる。送出するＳＨ波及び縦波の強度を個別に制御することで、受信探触子９が受信するＳＨ波及びレーリ波のＳ／Ｎ比の最適化に有利である。
【００７７】
本実施形態の残留応力評価装置１０によっても、誤差及び超音波探触子の接触状態の影響を含みやすい伝搬超音波の伝搬距離Ｌを排除することができるので、伝搬距離Ｌに依存することなく、送信探触子２及び受信探触子９の測定試料Ｗへの接触状態に起因する測定精度の劣化を抑制することができる。従って、本実施形態の残留応力評価装置１０によれば、レーリ波及び表面ＳＨ波の両方を用いて、測定試料Ｗの表層に存在する残留応力を高精度かつ高安定的に評価（測定）することができる。
［第３実施形態］
図５〜図７を参照しながら、本発明の第３実施形態について説明する。以下の説明において、第１実施形態における構成要素と同じ構成要素には、同一の符号を付している。
【００７８】
図５は、本実施形態による残留応力評価装置１００の送信探触子２００及び受信探触子３００に用いられる電磁超音波センサ４００（４００ａ，４００ｂ）の概略構成を示す図である。図６は、本実施形態による残留応力評価装置１００の概略構成を示す図である。図７は、本実施形態による送信探触子２００及び受信探触子３００に用いられる電磁超音波センサ４００の変形例の概略構成を示す図である。
【００７９】
電磁超音波センサ４００は、残留応力評価装置１００の送信探触子２００及び受信探触子３００に用いられて超音波を送信又は受信するものであるが、電磁超音波センサ４００の構成を説明する前に、送信探触子２００及び受信探触子３００を備える残留応力評価装置１００の構成について説明する。
図６を参照し、本実施形態による残留応力評価装置１００は、第１実施形態と同様に、例えば、鋼材で構成された機械部品や構造体などの被検査体（被検査試料）の表層に存在する残留応力を、当該被検査試料の表層を伝搬する超音波に基づいて評価（測定）する装置である。
【００８０】
図６に示すように、残留応力評価装置１００は、被検査試料である測定試料Ｗの表面上に配置されて測定試料Ｗへ超音波を送出（送信）する送信探触子（送出部）２００と、同じく測定試料Ｗの表面上で送信探触子２００と異なる位置に配置され、送信探触子２００から送出されて測定試料Ｗの表層を伝搬した超音波を受信する受信探触子（受信部）３００とを備える。
【００８１】
また、残留応力評価装置１００は、パルス発生器と送受信アンプ（増幅器）の双方を有する送受信制御部１１０を備えている。パルス発生器は、送信探触子２００へ供給するパルス信号を出力する。送受信アンプは、パルス発生器が出力したパルス信号を増幅して送信探触子２００へ出力すると共に、受信探触子３００が受信した超音波の信号である受信信号（検出信号）を採取して増幅する。
【００８２】
パルス発生器は、第１実施形態によるパルス発生器４に相当する構成を有し、送受信アンプを介して送信探触子２００に接続されており、送信探触子２００の電磁超音波センサ４００ａへ電流信号（パルス信号）を印加する。
送受信アンプは、送信探触子２００及び受信探触子３００に接続された増幅器（アンプ）であり、パルス発生器が発生させたパルス信号を増幅して送信探触子２００へ出力すると共に、受信探触子３００の電磁超音波センサ４００ｂが検出した検出信号を受信して増幅し、後述する信号処理装置１２０へ出力する。
【００８３】
つまり、送受信制御部１１０は、第１実施形態による波形採取装置７の構成及び動作を含んでいる。
さて、図６に示すように信号処理装置１２０には、２つの電磁石電源１３０ａ，１３０ｂが接続されており、一方の電磁石電源１３０ａは送信探触子２００に接続され、他方の電磁石電源１３０ｂは受信探触子３００に接続されている。電磁石電源１３０ａは、後述する送信探触子２００の電磁超音波センサ４００ａに用いられる電磁石に電流を供給する電源であり、電磁石電源１３０ｂは、後述する受信探触子３００の電磁超音波センサ４００ｂに用いられる電磁石に電流を供給する電源である。信号処理装置１２０は、電磁石電源１３０ａ，１３０ｂに対して、電磁石に電流を供給する指示であるトリガ信号を出力し、このトリガ信号を出力した時期を超音波の発生時期である送信時期として記憶する。
【００８４】
残留応力評価装置１００は、上述の構成を有する信号処理装置１２０を備えており、信号処理装置１２０は、超音波の発生時期を示す上述の送信時期と、受信探触子３００が検出信号を受信した時期である受信時期とに基づいて、当該受信信号に対応する超音波の伝搬経路における残留応力を評価する評価装置（評価部）である。この信号処理装置１２０が行う残留応力の評価は、第１実施形態による評価部８が行う残留応力の評価と同様の処理である。
【００８５】
次に、図５を参照し、送信探触子２００及び受信探触子３００に用いられる電磁超音波センサ４００（４００ａ，４００ｂ）の構成について説明する。図５に示すように、送信探触子２００における送信センサとして用いられる電磁超音波センサ４００ａも、受信探触子３００における受信センサとして用いられる電磁超音波センサ４００ｂも同様の構成を有する。以下には、送信センサとして用いられる電磁超音波センサ４００ａの構成を説明する。
【００８６】
図５に示すように、電磁超音波センサ４００ａは、例えば、蛇行するコイル（櫛形のコイル）４１０と２組の電磁石Ａ，Ｂを有している。電磁超音波センサ４００ａは、図５に示すように直線部と屈曲部によって蛇行するように形成されたコイル４１０の直線部に対して平行に磁場をかけることで、磁歪効果によって表面ＳＨ波を送信することができ、コイル４１０の直線部に対して垂直に磁場をかけることで、磁歪効果によってレーリ波を送信することができる。
【００８７】
電磁超音波センサ４００ａは、コイル４１０の直線部が測定試料Ｗの表面に対してほぼ垂直となるようにコイル４１０を保持し、２組の電磁石Ａ，Ｂのうち電磁石Ａは、コイル４１０の直線部と平行となる方向に沿って、コイル４１０を挟むように配置されていて、上述の電磁石電源１３０ａから供給される電力によって、例えば、測定試料Ｗ側がＳ極、反測定試料Ｗ側がＮ極となる。また、２組の電磁石Ａ，Ｂのうち電磁石Ｂは、コイル４１０の直線部と垂直となる方向に沿って、コイル４１０の両端側にコイル４１０を挟むように配置されて、上述の電磁石電源１３０ａから供給される電流によって、一端側がＳ極、他端側がＮ極となる。
【００８８】
このような電磁超音波センサ４００ａは、いわゆる磁歪型の電磁超音波センサとして知られており、コイル４１０に通電された状態で電磁石Ａに電流が供給されれば、電磁石Ａから静磁場が発生して測定試料Ｗの表面に表面ＳＨ波が発生する。また、コイル４１０に通電された状態で電磁石Ｂに電流が供給されれば、同じく電磁石Ｂから静磁場が発生して測定試料Ｗの表面にレーリ波が発生する。
【００８９】
このように、電磁超音波センサ４００ａを備えて構成された送信探触子２００は、静磁場を発生させる電磁石Ａ，Ｂを切替えることで、測定試料Ｗの表面に、表面ＳＨ波及びレーリ波を選択的に切替えて発生させることができる。
送信探触子２００は、上述の電磁超音波センサ４００ａを、測定試料Ｗの表面に対して適切な電磁超音波の伝播を実現する位置で備えている。また、受信探触子３００も、上述の電磁超音波センサ４００ａと同様の構成を有する電磁超音波センサ４００ｂを、送信探触子２００における位置とほぼ同じ位置で備えている。
【００９０】
次に、上述の送信探触子２００及び受信探触子３００を備える残留応力評価装置１００の動作について説明する。
残留応力を測定する領域が挟まれるように、送信探触子２００を、測定試料Ｗの表面上で超音波を入射させる第１の位置上に配置すると共に、受信探触子３００を、測定試料Ｗの表面上で伝搬超音波を受信する第２の位置上に配置する。
【００９１】
この配置の後、送受信制御部１１０のパルス発生器が、送信探触子２００の電磁超音波センサ４００ａのコイル４１０へパルス電流を印加する。
電磁超音波センサ４００ａのコイル４１０にパルス電流が印加された状態で、信号処理装置１２０は、電磁石電源１３０ａに、表面ＳＨ波及びレーリ波のいずれかに対応するトリガ信号を出力する。信号処理装置１２０は、このとき同時に、受信探触子３００に接続された電磁石電源１３０ｂにも同様のトリガ信号を出力し、トリガ信号を出力したタイミング（時間など）を送信時期として記憶する。
【００９２】
送信探触子２００の電磁石電源１３０ａは、表面ＳＨ波に対応するトリガ信号を受信すれば電磁石Ａに電流を供給し、測定試料Ｗの表面の第１の位置で表面ＳＨ波を発生させる。また、送信探触子２００の電磁石電源１３０ａは、レーリ波に対応するトリガ信号を受信すれば電磁石Ｂに電流を供給し、測定試料Ｗの表面の第１の位置でレーリ波を発生させる。このように、送信探触子２００の電磁石電源１３０ａは、電磁石Ａまたは電磁石Ｂに選択的に電流を供給することで、振動形態の異なる複数種類の超音波として表面ＳＨ波及びレーリ波を第１の位置において選択的に発生させる。
【００９３】
一方、受信探触子３００に接続された電磁石電源１３０ｂは、表面ＳＨ波に対応するトリガ信号を受信すれば、受信探触子３００の電磁超音波センサ４００ｂの電磁石Ａに電流を供給し、レーリ波に対応するトリガ信号を受信すれば電磁石Ｂに電流を供給することで、測定試料Ｗの表面の第２の位置において表面ＳＨ波またはレーリ波の受信に備える。ここまでが送出ステップであり、受信ステップへ続く。
【００９４】
励振されたレーリ波または表面ＳＨ波の伝搬超音波は、測定試料Ｗの表層を伝搬して第２の位置から受信探触子３００に入射し、受信探触子３００の電磁超音波センサ４００ｂに到達する。この伝搬超音波の受信によって、受信探触子３００の電磁超音波センサ４００ｂでは、電磁誘導の法則により、被検査体表面の振動と静磁場によりセンサコイル４１０に起電力が誘起され受信信号として検出される。
【００９５】
受信探触子３００の電磁超音波センサ４００ｂは、コイル４１０に誘起された起電力を送受信制御部１１０の送受信アンプへ出力する。ここまでが受信ステップであり、評価ステップへ続く。
送受信アンプは、受信した伝搬超音波の検出信号を増幅して信号処理装置１２０へ出力する。
【００９６】
信号処理装置１２０は、送受信アンプから伝搬超音波の検出信号を受信し、当該検出信号を受信したタイミング（時間など）である受信時期と、当該伝搬超音波を送信したタイミング（時間など）である上述の送信時期とに基づいて、伝搬超音波の伝搬時間を算出する。本実施形態による送信探触子２００は、レーリ波と表面ＳＨ波を同時に発生させることができないので、レーリ波の伝搬時間である伝搬時間ＴＲと表面ＳＨ波の伝搬時間である伝搬時間ＴＳとを別々に算出し、第１実施形態で述べた方法で、伝搬超音波の伝搬距離Ｌに依存することなく、伝搬超音波が伝搬した測定試料Ｗの表層に存在する残留応力σを求める（評価する）。ここまでが評価ステップである。
【００９７】
本実施形態では、表面ＳＨ波とレーリ波での伝播距離Ｌを同一にするため、一例として、表面ＳＨ波及びレーリ波を共に磁歪型のセンサである電磁超音波センサ４００ａで発生する方法を示した。しかし、図７において電磁超音波センサ４００ａの変形例として示すように、レーリ波はローレンツ型のセンサでも発生可能である。
図７は、電磁超音波センサ４００ａの変形例である電磁超音波センサ４００ｃの概略構成を示す図である。
【００９８】
図７に示す電磁超音波センサ４００ｃは、コイル４１０及び電磁石Ａの配置と構成が図５に示す電磁超音波センサ４００ａと同じであるが、電磁石Ｂの配置が異なる。電磁超音波センサ４００ｃの電磁石Ｂは、コイル４１０の直線部によって形成される平面（コイル平面）にほぼ平行となるように、当該コイルを挟むように配置されている。電磁石Ｂは、上述の電磁石電源１３０ａなどから供給される電力によって、コイル４１０の平面の一方側に配置された電磁石ＢがＳ極、他方側に配置された電磁石ＢがＮ極となる。
【００９９】
このような構成の電磁超音波センサ４００ｃは、電磁石Ａを用いることで磁歪型によって表面ＳＨ波を発生させ、電磁石Ｂを用いることでローレンツ型によってレーリ波を発生させる。
磁歪型とローレンツ型を併用する上述の電磁超音波センサ４００ｃを送信探触子２００及び受信探触子３００に用いても、磁歪型で発生した表面ＳＨ波の伝搬距離とローレンツ型で発生したレーリ波の伝搬距離は同じとなる。
【０１００】
従って、本実施形態の残留応力評価装置１００によっても、誤差及び超音波探触子の接触状態の影響を含みやすい伝搬超音波の伝搬距離Ｌを排除することができるので、伝搬距離Ｌに依存することなく、送信探触子２００及び受信探触子３００の測定試料Ｗへの接触状態に起因する測定精度の劣化を抑制することができる。従って、本実施形態の残留応力評価装置１００によれば、レーリ波及び表面ＳＨ波の両方を用いて、測定試料Ｗの表層に存在する残留応力を高精度かつ高安定的に評価（測定）することができる。
【０１０１】
さらに、電磁超音波センサ４００ａ〜４００ｃ（４００）は、電磁超音波センサ４００を保持する送信探触子２００及び受信探触子３００を測定試料Ｗに接触させなくても表面ＳＨ波及びレーリ波の送受信を行うことができる。従って、送信探触子２００及び受信探触子３００を配置する第１の位置及び第２の位置が湾曲面であっても粗面であっても、測定試料Ｗの表層に存在する残留応力を高精度かつ高安定的に評価（測定）することができる。
【０１０２】
最後に、電磁超音波における受信の原理では、測定試料Ｗの表面の振動と電磁石からの静磁場とによって、電磁石に挟まれたコイルに誘起される電流が受信信号として検出されればよい。そのため、受信側である受信探触子３００において、表面ＳＨ波とレーリ波のそれぞれの駆動形態にあわせて電磁石の配置を異ならせた二種類の受信形態を備える必要はない。従って、図示しないが、受信側である受信探触子３００は、単に渦巻き型のコイル一種類のみを備えるものであってもよい。
［第４実施形態］
図８を参照しながら、本発明の第４実施形態について説明する。
【０１０３】
図８は、本実施形態による残留応力評価装置５００の概略構成を示す図である。
本実施形態による残留応力評価装置５００は、第１実施形態による残留応力評価装置１とほぼ同様の構成を有し、第１実施形態の送信探触子２の代わりに送信探触子８００を送信部とし、受信探触子３の代わりに受信探触子９００を受信部として備えている。本実施形態の残留応力評価装置１０において、送信探触子８００及び受信探触子９００以外の構成は、第１実施形態による残留応力評価装置１と同じである。
【０１０４】
以下、図８を参照しながら、送信探触子８００及び受信探触子９００の構成について説明するが、その前に、送信探触子８００及び受信探触子９００の構成の前提について説明する。
上述の第１実施形態において、送信探触子２から送出されたＳＨ波及びＳＶ波は、表面ＳＨ波及びレーリ波を励振して測定試料Ｗの表層を伝搬し、励振された表面ＳＨ波及びレーリ波は、受信探触子３内へ伝搬する。ところが、第１実施形態では、圧電素子３０ａ及び圧電素子３０ｂが積層された構成であるので、稀に相互間の電気的干渉が起きる可能性がある。また、励振された表面ＳＨ波及びレーリ波は、伝搬経路が異なるため、これら経路間での音速や伝播距離変動が、微少な測定誤差となる可能性もある。
【０１０５】
上述の理由により、本願発明者らは、様々な実験を行った結果、ＳＶ波が短距離であれば測定試料Ｗの表層を伝搬することを知見した。また、縦波においても良好な結果が得られた。 
まず、本実施形態の特徴である送信探触子８００の構成について、図を基に説明する。
図８を参照して、送信部である送信探触子８００は、第１実施形態で説明した送信探触子２とほぼ同様の構成を有しており、超音波伝搬媒体２１に相当する超音波伝搬媒体８２１、及び超音波送出面２２に相当する超音波送出面８２２を備え、圧電素子２０の代わりに圧電素子８２０を備える。
【０１０６】
圧電素子８２０は、例えば平板状であって、圧電素子２０とは異なる送信振動子、すなわちＳＶ波あるいは縦波を送出する単一の送信振動子（第６超音波振動子）である。
圧電素子８２０に単一の横波振動子を採用した場合、この圧電素子８２０に所定電圧のパルス電圧が加えられると、当該圧電素子８２０の平板面から所定周波数のＳＶ波（横波ＳＶ波）が出力され、出力された横波ＳＶ波は、送信探触子８００の超音波伝搬媒体８２１に形成された開口面である送出面（超音波送出面）８２２を経て外部へ送出される。
【０１０７】
一方、圧電素子８２０に単一の縦波振動子を採用した場合、この圧電素子８２０に所定電圧のパルス電圧が加えられると、当該圧電素子８２０の平板面から所定周波数の縦波が出力され、出力された縦波は、送信探触子８００の超音波伝搬媒体８２１に形成された開口面である送出面（超音波送出面）８２２を経て外部へ送出される。
図８を参照して、送信探触子８００の動作について説明する。送信探触子８００が超音波送出面８２２を測定試料Ｗの表面に当接させて測定試料Ｗの表面上に配置されると、送信探触子８００の圧電素子８２０は、超音波送出面８２２に対する角度と同じだけ測定試料Ｗの表面に対して傾くように配置される。
【０１０８】
圧電素子８２０に単一の横波振動子を採用した場合、この圧電素子８２０に対してパルス発生器４からパルス電圧が印加されると、圧電素子８２０は、印加されたパルス電圧により、所定の周波数の横波ＳＶ波を出力する。圧電素子２０の出力面から出力された横波ＳＶ波は、送信探触子８００の超音波送出面８２２を経て測定試料Ｗの表面の第１の位置に対して斜め方向に送出される。
【０１０９】
送出された横波ＳＶ波は、測定試料Ｗの表面の第１の位置に対して斜め方向に入射して、測定試料Ｗの表層に振動形態の異なる複数種類の超音波を励振する。図８に示すように、測定試料Ｗの表面へ斜め方向に入射した横波ＳＶ波は、表面ＳＶ波（図８中の破線）とレーリ波（図８中の実線）を同時に励振する。
一方、圧電素子８２０に単一の縦波振動子を採用した場合、圧電素子８２０は、印加されたパルス電圧により、所定の周波数の縦波を出力する。出力された縦波は、超音波送出面８２２を経て測定試料Ｗの表面の第１の位置に対して斜め方向に送出される。送出された縦波は、測定試料Ｗの表面の第１の位置に対して斜め方向に入射して、測定試料Ｗの表層に、表面ＳＶ波（図８中の破線）とレーリ波（図８中の実線）を同時に励振する。
【０１１０】
以上をまとめると、送信探触子８００は、被検査試料である測定試料Ｗの表面上に配置され、単一の超音波（横波ＳＶ波あるいは縦波）を測定試料Ｗの表層へ送出することで、測定試料Ｗの表層に表面ＳＶ波及びレーリ波（振動形態の異なる複数種類の伝搬超音波）を同時に励振する。
次に、本実施形態の特徴である受信探触子９００の構成について、図を基に説明する。
【０１１１】
図８を参照して、受信部である受信探触子９００は、第１実施形態で説明した受信探触子３とほぼ同様の構成を有しており、超音波伝搬媒体３１に相当する超音波伝搬媒体９３１（例えば、ポリスチレン）、及び超音波入射面３２に相当する超音波入射面９３２を備え、圧電素子３０の代わりに圧電素子９３０を備える。
超音波伝搬媒体９３１は、測定試料Ｗの表層を伝搬した表面ＳＶ波及びレーリ波を、横波ＳＶ波あるいは縦波に変換する。
【０１１２】
圧電素子９３０は、例えば平板状であって、圧電素子３０とは異なる受信振動子、すなわち、超音波伝搬媒体９３１により変換された横波ＳＶ波あるいは縦波を受信する単一の受信振動子（第７超音波振動子）である。
このような圧電素子９３０を備える受信探触子９００は、圧電素子９３０を、第２の位置から出射して超音波伝搬媒体９３１により変換された横波ＳＶ波あるいは縦波をほぼ垂直に受信するように配置している。
【０１１３】
図８を参照して、受信探触子９００の動作について説明する。
圧電素子８２０に単一の横波振動子、圧電素子９３０に単一の縦波振動子が採用された場合、受信探触子９００は、送信探触子８００から送出された横波ＳＶ波によって、励振されて伝搬したレーリ波及び表面ＳＶ波を、超音波伝搬媒体９３１で縦波に変換して圧電素子９３０で縦波を受信し、縦波の検出信号として増幅器６００へ出力する。
【０１１４】
具体的には、測定試料Ｗの表層を伝搬したレーリ波及び表面ＳＶ波は、受信探触子９００の超音波入射面９３１から受信探触子９００内へ伝搬して、超音波伝搬媒体９３１により縦波に変換されて、超音波入射面９３１を向く圧電素子９３０の平板面に入射する。入射した縦波は、単一の縦波振動子である圧電素子９３０によって検出される。
圧電素子８２０に単一の縦波振動子の採用によっても、レーリ波及び表面ＳＶ波を伝搬させることができ、また、受信においても、これら超音波を超音波伝搬媒体９３１における横波ＳＶ波への変換を通して、横波ＳＶ波として横波検出用の圧電素子９３０で検出できる。
【０１１５】
上述の送信探触子８００及び受信探触子９００を備える残留応力評価装置５００の動作について説明する。なお、送信探触子８００の圧電素子８２０に単一の横波振動子を採用し、且つ受信探触子９００の圧電素子９３０に単一の縦波振動子を採用した場合を、例に挙げて説明する。
測定試料Ｗの表面上に配置された送信探触子８００は、圧電素子８２０が出力した横波ＳＶ波を測定試料Ｗの表面の第１の位置に送出する。送出された横波ＳＶ波は、測定試料Ｗの表層に、レーリ波と表面ＳＶ波を同時に励振する。ここまでが送出ステップである。
【０１１６】
受信探触子９００は、励振されたレーリ波と表面ＳＶ波を、超音波伝搬媒体９３１にて縦波に変換して、縦波を圧電素子９３０で受信し、縦波の検出信号を増幅器６００へ出力する。ここまでが受信ステップである。なお、評価ステップ以降は、第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。
一方、送信探触子８００の圧電素子８２０に単一の縦波振動子を採用し、受信探触子９００の圧電素子９３０に単一の横波振動子を採用した場合、圧電素子８２０から縦波を送出し、送出された縦波はレーリ波と表面ＳＶ波を励振し、超音波伝搬媒体９３１にて励振されたレーリ波と表面ＳＶ波を縦波に変換する。
【０１１７】
本実施形態の残留応力評価装置５００によっても、誤差及び超音波探触子の接触状態の影響を含みやすい伝搬超音波の伝搬距離Ｌを排除することができるので、伝搬距離Ｌに依存することなく、送信探触子８００及び受信探触子９００の測定試料Ｗへの接触状態に起因する測定精度の劣化を抑制することができる。従って、本実施形態の残留応力評価装置５００によれば、レーリ波及び表面ＳＶ波の両方を用いて、測定試料Ｗの表層に存在する残留応力を高精度かつ高安定的に評価（測定）することができる。また、上述した構成を有する残留応力評価装置５００によれば、相互間の電気的干渉、超音波伝搬経路間での音速や伝播距離変動による微少な測定誤差を抑制することができる。
【０１１８】
なお、今回開示された各実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された各実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
【０１１９】
具体的に、第１実施形態による残留応力評価装置１では、送信探触子２がＳＨ波とＳＶ波を同時に出力して、レーリ波と表面ＳＨ波を同時に励振し、受信探触子３はレーリ波と表面ＳＨ波を同時に受信していた。しかし、送信探触子２が、ＳＨ波とＳＶ波を同時ではなく別々に出力して、受信探触子３が、レーリ波と表面ＳＨ波を同時ではなく別々に受信しても構わない。超音波を別々に送受信しても、レーリ波と表面ＳＨ波の伝搬経路は同じであるので、上述の式（３）に従って測定試料Ｗの表層に存在する残留応力を評価することができる。
【符号の説明】
【０１２０】
１，１０，１００，５００  残留応力評価装置
２，２ａ，２００，８００  送信探触子
３，９，３００，９００  受信探触子
４  パルス発生器
５，６，６００  増幅器
７  波形採取装置
８  評価装置
２０，２０ａ，２０ｂ，８２０  圧電素子    
２１，２１ａ，３１，９１，８２１，９３１  超音波伝搬媒体
２２，２２ａ，８２２  超音波送出面
３０，３０ａ，３０ｂ，９０，９０ａ，９０ｂ，９３０  圧電素子
３２，９２，９３２  超音波入射面
１１０  送受信制御部
１２０  信号処理装置
１３０ａ，１３０ｂ  電磁石電源
４００ａ，４００ｂ，４００ｃ  電磁超音波センサ
４１０  コイル
Ｗ  測定試料
【図１】
2015206782.tif 000006
【図２】
2015206782.tif 000007
【図３】
2015206782.tif 000008
【図４】
2015206782.tif 000009
【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図７】
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