(57)【要約】【課題】表面組織音響異方性及び応力異方性の双方が混在する材料から表面組織音響異方性だけを分離できるようにし、材料の残留応力を高精度で測定できるようにする。【解決手段】探触子制御手段１３は、縦波超音波探触子１に発信・受信を行わせた後、その同一場所に横波超音波探触子３をスライドさせる。そして、横波超音波探触子３を所定角度毎に回転させ、各回転位置で発信・受信を行わせながら１８０°回転させる。測定データ解析手段１６は、両探触子の各発信・受信時のエコーデータから試験体Ｍにおける表面組織音響異方性の定数を演算する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
応力測定対象材料の表面上に縦波超音波探触子及び横波超音波探触子を配置し、
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、
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、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ようにし、
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、
ことを特徴とする超音波式応力測定方法。
【請求項２】
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超音波式応力測定装置。
【請求項３】
前記弾性表面波の音速度データとは、
表面応力異方性の影響を受けることなくＸ軸方向に伝搬する弾性表面波の音速度データ、
表面応力異方性の影響を受けることなく前記Ｘ軸方向と垂直なＹ軸方向に伝搬する弾性表面波の音速度データ、
並びに表面応力異方性及び表面組織音響異方性のいずれの影響も受けない等方性体における弾性表面波の音速度データである、
ことを特徴とする請求項２記載の超音波式応力測定装置。
【請求項４】
前記Ｘ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ伝搬する弾性表面波の音速度データは、
縦波音速度とＸ軸方向及びＹ軸方向の横波音速度とを用いて表される所定の６次元の弾性表面波音速度方程式の解として求めたものであり、
前記表面応力異方性及び表面組織音響異方性のいずれの影響も受けない等方性体における弾性表面波の音速度データは、
縦波音速度と前記横波超音波探触子のＮ回の各回転後の回転位置における超音波進行方向の横波音速度とを用いて表される所定の６次元の弾性表面波音速度方程式の解として求められたＮ個の弾性表面波の音速度データを平均値演算して求めたものである、
ことを特徴とする請求項３記載の超音波式応力測定装置。
【請求項５】
前記Ｘ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ伝搬する弾性表面波の音速度データは、
Ｘ軸方向及びＹ軸方向の弾性表面波の音速度とＸ軸方向及びＹ軸方向の横波音速度との比をポアソン比で表した所定の等式から求めたものであり、
前記表面応力異方性及び表面組織音響異方性のいずれの影響も受けない等方性体における弾性表面波の音速度データは、
前記横波超音波探触子のＮ回の各回転後の回転位置における超音波進行方向の弾性表面波の音速度とこれと同一方向の横波音速度との比をポアソン比で表した所定の等式から求めたＮ個の弾性表面波の音速度データを平均値演算して求めたものである、
ことを特徴とする請求項３記載の超音波式応力測定装置。
【請求項６】
前記表面応力異方性及び表面組織音響異方性のいずれの影響も受けない等方性体における弾性表面波の音速度データは、
前記表面応力異方性の影響を受けることなくＸ軸方向に伝搬する弾性表面波の音速度データ、及び前記表面応力異方性の影響を受けることなく前記Ｘ軸方向と垂直なＹ軸方向に伝搬する弾性表面波の音速度データの２つのデータを平均値演算して求めたものである、
ことを特徴とする請求項３記載の超音波式応力測定装置。
【請求項７】
前記表面応力異方性及び表面組織音響異方性のいずれの影響も受けない等方性体における弾性表面波の音速度データは、
前記横波超音波探触子のＮ回の各回転後の回転位置における超音波進行方向のＮ個の弾性表面波の音速度データを予め実測により取得しておき、これら取得したＮ個のデータを平均値演算して求めたものである、
ことを特徴とする請求項３記載の超音波式応力測定装置。
【請求項８】
前記表面応力異方性及び表面組織音響異方性のいずれの影響も受けない等方性体における弾性表面波の音速度データは、
前記表面応力異方性の影響を受けることなくＸ軸方向に伝搬する弾性表面波の音速度データ、及び前記表面応力異方性の影響を受けることなく前記Ｘ軸方向と垂直なＹ軸方向に伝搬する弾性表面波の音速度データの２つのデータを予め実測により取得しておき、この取得した２つのデータを平均値演算して求めたものである、
ことを特徴とする請求項３記載の超音波式応力測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、材料劣化診断等の技術に用いる超音波式応力測定方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電所の予防保全技術として、材料劣化診断装置の役割が重要となってきている。これは、炉内構造物や配管における疲労亀裂や応力腐食割れの防止対策として、これらの発生原因の一つである残留応力を測定し、応力改善を行うというニーズが高くなっているためである。
【０００３】
残留応力測定手段として最も簡易なものは歪ゲージである。しかし、歪ゲージは、測定対象の構造物から一部を試験片として切り出す必要があり、現場での残留応力測定に用いるのは困難である。
【０００４】
そのため、試験片を切り出す必要のない残留応力測定手段として、Ｘ線回折技術を用いたＸ線応力測定装置を使用することが考えられる。このＸ線応力測定装置は、被検査体表面でのブラッグ回折を利用して残留応力値を算出するものである。しかし、Ｘ線応力測定装置は、Ｘ線を使用するため、原子力発電所のような放射線環境下ではバックグラウンドノイズが多くなり、正確な残留応力測定を行うのに充分な信号を得ることができないという欠点がある。
【０００５】
これに対し、超音波式応力測定装置は、超音波センサを測定対象である被検査体表面に当てるだけで応力を測定できるので、構造物から被検査体となる試料を切り出す必要がない。また、原子力発電所のような放射線環境下であっても、超音波信号を使用するのでバックグラウンドノイズが少なく、応力測定が容易である。
【０００６】
このような理由により、従来から多くの超音波式応力測定装置の提案がなされている。ここで、応力測定対象材料において測定すべき残留応力としては、材料中の残留応力よりも材料表面での残留応力が重要である。これは、応力腐食割れの原因の一つが材料表面の引張り応力であることによる。
【０００７】
材料表面での残留応力測定に関して、非特許文献１には、弾性表面波を使用した音弾性則が示されている。これは、次のようなものである。
【０００８】
すなわち、鋼材の圧延方向をX軸、圧延方向に直交する方向をY軸としたとき、X軸と角度θ（度）をなす方向に伝搬する弾性表面波の音速度ＶＲ（θ）と応力との関係は次のように記述される。
【数１】
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【０００９】
しかし、非特許文献１に係る方法では、表面組織音響異方性の定数αＲ（０）が不明であるため、応力値に対する弾性表面波音速度の変化の割合は測定できても、残留応力値（σ）そのものを測定することはできない。従って、残留応力を測定しようとする場合には、表面組織音響異方性の定数を求めることが必要不可欠となる。
【００１０】
非特許文献２（JIS Z 3060:2002）、及びこれに準拠した特許文献１に係る公報には、音響異方性を考慮した探傷角度範囲の定めについての記述がある。すなわち、試験片の音速度（Ｖ）とＪＩＳ規格標準試験片の音速度（ＶＳＴＢ）との比（Ｖ／ＶＳＴＢ）を測定し、これをＳＴＢ音速比と定義する。そして、試験片の板厚及びＳＴＢ音速比に応じて、探傷に使用する屈折角度の範囲を決めている。
【００１１】
しかし、非特許文献２及び特許文献１に定められているのは、試験体内部に縦波と横波を伝搬させる場合の規定であり、材料表面の残留応力値を算出するために必要な弾性表面波の表面組織音響異方性については規定されていない。
【００１２】
一方、材料の製造方法の分野では、音響異方性を低減する方法の提案がなされている。これは、斜角超音波探傷をする場合に、材料の音速度は音響異方性によって変化し、所定の屈折角度が得られず、欠陥の位置決め精度が低下するためである。
【００１３】
このような音響異方性を低減させる材料の製造方法の最近の提案として、特許文献２〜６に掲げるものがある。これらの特許文献に示されている音響異方性の測定方法は、概ね次の通りである。
【００１４】
すなわち、圧延鋼材の主圧延方向をＬ方向、主圧延方向に直角な方向をＣ方向とする。板厚方向に伝搬する横波には、振動方向によって２つの横波が存在するが、Ｌ方向に振動する横波の音速度をＶＬ（m/sec）、Ｃ方向に振動する横波の音速度をＶＣ（m/sec）とする。
【００１５】
そして、音響異方性の定数をＶＬ／ＶＣで定義し、この定数が1.02以下の場合は音響異方性が小さく、一方、1.02を超えた場合には音響異方性が大きいと判定している。しかし、この方法において定義されている音響異方性の定数は、材料中を伝搬する横波のものであって、表面応力の測定に必要な表面組織音響異方性に関するものではない。
【００１６】
また、特許文献７〜９には、音響異方性を測定する方法として、予め使用前の材料の特性を測定しておき、使用後の材料の特性を測定することによって材料の経年変化を推定する方法が開示されている。
【００１７】
すなわち、特許文献７に係る方法では、電磁超音波探触子を使用して材料中で横波の送受信を行い、振動方向が直交する２つの横波の音速度ＶＬ，ＶＣを測定し、これらの音速比から音響異方性を算出する。そして、この音速比の変化を材料の経年変化として評価している。
【００１８】
特許文献８に係る方法は、SH表面波を利用して主応力差を測定するものである。そして、この主応力差の経年変化を観測して、材料の劣化を評価している。
【００１９】
特許文献９に係る方法は、単に受信した超音波信号の位相差と音速度の変化をモニターし、その変化量から経年変化を評価するものである。
【００２０】
このように、特許文献７〜９に係る方法は、予め使用前の材料のデータを採取しておき、ある期間使用した後に再度データを採取して両データの比較を行うことにより、材料の劣化を評価する方法である。このような方法では、使用前の材料のデータが存在していることが前提条件であり、そのようなデータが存在しない場合には適用不可能である。
【００２１】
また、特許文献７及び特許文献９に係る方法は、試験体内部を伝搬する横波の音速度を利用するものであり、材料表面の残留応力値を算出するために必要な弾性表面波の組織音響異方性については記載がない。一方、特許文献８に係る方法では、SH表面波を使用しているので、材料の組織異方性に影響されずに主応力差が測定可能であるが、弾性表面波の表面組織音響異方性に関する記載がないことは同様である。
【００２２】
非特許文献３には、表面の残留応力が少ない試験片に弾性表面波を適用して表面組織音響異方性を測定する技術が開示されている。しかし、この技術は、表面組織音響異方性を評価する場合には残留応力がないことを前提とするものである。つまり、表面組織音響異方性及び応力異方性の双方が混在している場合に、表面組織音響異方性だけを分離して求める技術は開示されていない。
【非特許文献１】河田幸三監修「最新応力・ひずみ測定評価技術」、pp.316〜317、株式会社総合技術センター発行
【非特許文献２】JIS Z 3060：2002
【非特許文献３】岡田健一、「表面波の音弾性効果について」、第７回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム講演予稿集、P10、pp.39〜40、1986年
【特許文献１】特開2005-36295公報
【特許文献２】特開2005-226158公報
【特許文献３】特開2004-300567公報
【特許文献４】特開2004-225090公報
【特許文献５】特開2003-313632公報
【特許文献６】特開2002-180132公報
【特許文献７】特開2005-77298公報
【特許文献８】特開2004-294232公報
【特許文献９】特開2001-249118公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
以上述べてきたように、弾性表面波を利用して材料の残留応力を測定する場合には、材料の表面組織音響異方性を求める必要があるが、通常、材料には表面組織音響異方性及び応力異方性の双方が混在しており、表面組織音響異方性だけを分離して求める技術は存在していなかった。そのため、従来は一定レベル以上の精度で材料の残留応力を測定することができなかった。
【００２４】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、表面組織音響異方性及び応力異方性の双方が混在する材料から表面組織音響異方性だけを分離する技術を提供し、これにより材料の残留応力を高精度で測定することが可能な超音波式応力測定方法及び装置を実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上記課題を解決するための手段として、本発明に係る超音波応力測定方法は、応力測定対象材料の表面上に縦波超音波探触子及び横波超音波探触子を配置し、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、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、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ようにし、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、ことを特徴とする。
【００２６】
また、本発明に係る超音波応力測定装置は、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、特に、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。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、表面組織音響異方性及び応力異方性の双方が混在する材料から表面組織音響異方性だけを分離することが可能になる。したがって、材料の残留応力を高精度で測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
図１は、本発明の実施形態に係る超音波式応力測定方法を実施するために用いる装置の構成図である。厚さＤを有する試験体Ｍ（応力測定対象材料）の平坦な表面には、Ｘ軸及びこれに垂直なＹ軸を有するＸＹ座標平面が設定されており、このＸＹ座標平面に垂直な方向にＺ軸が設定されている。
【００２９】
試験体Ｍの表面には縦波超音波探触子１の一端側が縦波用接触媒質２を介して配置されており、この縦波超音波探触子１から距離ｄだけ離間した位置に横波超音波探触子３の一端側が横波用接触媒質４を介して配置されている。
【００３０】
これら縦波超音波探触子１及び横波超音波探触子３は探触子駆動機構５により駆動されるようになっている。すなわち、縦波超音波探触子１及び横波超音波探触子３の他端側は、探触子ホルダ６に支持されており、この探触子ホルダ６にスライド駆動部７及び回転駆動部８が取り付けられている。
【００３１】
スライド駆動部７は、スライドドライバ９からの制御信号に基づき探触子ホルダ６をスライドさせ、縦波超音波探触子１及び横波超音波探触子３を試験体Ｍの表面に沿って水平方向に移動できるようになっている。
【００３２】
回転駆動部８は、回転ドライバ１１からの制御信号に基づき探触子ホルダ６を回転させ、横波超音波探触子３を試験体Ｍの表面に沿って所定角度ずつ回転できるようになっている。
【００３３】
このような縦波超音波探触子１及び横波超音波探触子３の各スライド位置、並びに横波超音波探触子３の回転位置は、それぞれスライド位置検出器１０及び回転位置検出器１２により探触子制御手段１３に出力されるようになっている。そして、探触子制御手段１３は、これらのスライド位置データ及び回転位置データを測定データ解析手段１６に出力するようになっている。
【００３４】
縦波超音波探触子１及び横波超音波探触子３は、探触子切換器１４を介して超音波発信・受信回路１５に接続されている。この探触子切換器１４の接点１４ａは、端子ａ，ｂとの接触位置が探触子制御手段１３により切り換えられるようになっている。そして、超音波発信・受信回路１５は、探触子制御手段１３からの超音波発信指令に基づき、縦波超音波探触子１又は横波超音波探触子３に発射パルスＰeの発信動作を行わせると共に、反射パルスＰrの受信動作を行わせ、そのエコーデータを測定データ解析手段１６に出力するようになっている。
【００３５】
次に、図１において、測定データ解析手段１６が各種データを収集するまでの各構成要素の動作を図２のフローチャートに基づき説明する。
【００３６】
探触子制御手段１３は、スライドドライバ９を介してスライド駆動部７にスライド指令を出力する。これによりスライド駆動部７は、縦波超音波探触子１が試験体Ｍ表面の測定対象部位に位置するように探触子ホルダ６をスライドさせる（ステップ１）。スライド位置検出器１０は、このときのＸＹ座標平面上におけるスライド位置データを検出して探触子制御手段１３に出力する。探触子制御手段１３は、この入力したスライド位置データをそのまま測定データ解析手段１６に出力する。
【００３７】
そして、探触子制御手段１３は、探触子切換器１４の接点１４ａを端子ａ側に位置させた後、超音波発信・受信回路１５に対して超音波発信・受信指令を出力する（ステップ２）。これにより、縦波超音波探触子１は、発射パルスＰeを試験体Ｍの内部に向けて発射し、更に、試験体Ｍの底部で反射された反射パルスＰrの信号を探触子切換器１４を介して超音波発信・受信回路１５に出力する。超音波発信・受信回路１５は、この入力した反射パルスＰrの信号をエコーデータとして測定データ解析手段１６に出力する
次いで、探触子制御手段１３は、スライドドライバ９を介してスライド駆動部７にスライド指令を出力し、探触子ホルダ６を距離ｄだけ試験体Ｍの表面に沿って水平方向にスライドさせる（ステップ３）。つまり、縦波超音波探触子１が超音波を発射した場所である同一測定対象部位に、今度は横波超音波探触子３を位置させるようにする。このときスライド位置検出器１０により検出されたスライド位置データは、探触子制御手段１３を介して測定データ解析手段１６に出力される。
【００３８】
探触子制御手段１３は、更に、回転ドライバ１１を介して回転駆動部８に回転指令を出力する。これにより、回転駆動部８は、横波超音波探触子３の超音波進行方向がＸ軸方向となるように探触子ホルダ６を回転させる（ステップ４）。このとき回転位置検出器１２により検出された回転位置データは、探触子制御手段１３を介して測定データ解析手段１６に出力される。
【００３９】
そして、探触子制御手段１３は、探触子切換器１４の接点１４ａを端子ｂ側に切り換えた後、超音波発信・受信回路１５に対して超音波発信・受信指令を出力する（ステップ５）。これにより、横波超音波探触子３は、Ｘ軸方向に沿って発射パルスＰeを発射し、更に、反射パルスＰrの信号を探触子切換器１４を介して超音波発信・受信回路１５に出力する。超音波発信・受信回路１５は、この入力した反射パルスＰrの信号をエコーデータとして測定データ解析手段１６に出力する。
【００４０】
このように、横波超音波探触子３が超音波進行方向をＸ軸方向とする発信・受信動作を行った後、探触子制御手段１３は、再度、回転ドライバ１１を介して回転駆動部８に回転指令を出力する。これにより、回転駆動部８は、横波超音波探触子３の超音波進行方向がＸ軸方向から１８０°／Ｎだけ回転した方向となるように探触子ホルダ６を回転させる（ステップ６）。このとき回転位置検出器１２により検出された回転位置データは、探触子制御手段１３を介して測定データ解析手段１６に出力される。ここで、上記のＮの値は２以上の整数であるものとし、例えば１５°ずつ横波超音波探触子３を回転させるのであればＮ＝１２となる。
【００４１】
そして、探触子制御手段１３は、探触子切換器１４の接点１４ａを端子ｂ側に維持した状態で、超音波発信・受信回路１５に対して超音波発信・受信指令を出力する（ステップ７）。これにより、横波超音波探触子３は、Ｘ軸方向から１８０°／Ｎだけ回転した方向に沿って発射パルスＰeを発射し、更に、反射パルスＰrの信号を探触子切換器１４を介して超音波発信・受信回路１５に出力する。超音波発信・受信回路１５は、この入力した反射パルスＰrの信号をエコーデータとして測定データ解析手段１６に出力する。
【００４２】
超音波進行方向がＸ軸方向から１８０°／Ｎだけ回転した方向となる位置で横波超音波探触子３が発信・受信動作を行った後、探触子制御手段１３は、横波超音波探触子３がＮ回の発信・受信動作を終了したか否かを判別する（ステップ８）。
【００４３】
未だＮ回の発信・受信動作を終了していなければステップ６に戻り、探触子制御手段１３は、横波超音波探触子３が前回の超音波発射位置よりも更に１８０°／Ｎだけ回転した位置となるように、つまり、横波超音波探触子３の超音波進行方向がＸ軸方向から（１８０°／Ｎ）・２だけ回転した方向となるように探触子ホルダ６を回転させる（ステップ６）。そして、探触子制御手段１３は、その後同様にして、探触子切換器１４の接点１４ａを端子ｂ側に維持した状態で、超音波発信・受信回路１５に対して超音波発信・受信指令を出力する（ステップ７）。
【００４４】
一方、既にＮ回の発信・受信動作を終了しているのであれば、その時点で探触子制御手段１３は全ての処理を終了する。なお、上記の説明では縦波超音波探触子１の発信・受信動作の後に、横波超音波探触子３が発信・受信動作を行う場合につき説明したが、両探触子の発信・受信動作の順序は逆であってもよい。
【００４５】
上記のような縦波超音波探触子１及び横波超音波探触子３に対する探触子制御手段１３の制御により、エコーデータ、回転位置データ、スライド位置データ等の各種測定データが測定データ解析手段１６に収集される。そこで次に、このような測定データに対する測定データ解析手段１６の解析処理につき説明する。
【００４６】
図３（ａ）は、測定データ解析手段１６に収集された縦波超音波探触子１からのエコーデータの波形図である。この図に示すように、縦波超音波探触子１からのエコーデータは、一定の時間間隔を有する多重エコー（Ｌ1，Ｌ2，…，Ｌ6，…）により構成されており、この時間間隔は試験体Ｍの板厚Ｄ（ｍ）によって決まるものである。
【００４７】
ここで、Ｌ1エコーとＬ2エコーとの時間間隔をτＬ（sec）とすれば、この時間間隔τＬは試験体Ｍの板厚D（m）を往復する時間なので、試験体Ｍ中の縦波の音速度ＣＬ（m/sec）は、下記の（３）式により計算される。
【数２】
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【００４８】
ここで、τＬの測定には種々の方法が提案されている。比較的時間の測定精度が良く、容易に実現できる手法として、シングアラウンド法、エコーオーバーラップ法などを挙げることができる。これらの手法についての詳細は参考文献(1)に開示されている（参考文献は末尾の段落に記載）。
【００４９】
シングアラウンド法はN個の超音波パルス（Ｌ1，Ｌ2，…，ＬN）の全体の時間間隔Ｔ（sec）を測定しておき、Ｌ1エコーとＬ2エコーとの間の時間間隔を次の（４）式によって算出する手法である。この手法によれば、多くの多重エコーを使用することで、その分τＬの測定精度を向上させることができる。
【数３】
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【００５０】
エコーオーバーラップ法は、オシロスコープ等の遅延掃引機能を使用して時間間隔を測定する手法である。具体的手順としては、Ｌ1エコーを順次遅延させ、Ｌ2エコーと重なるように遅延時間を変えていくようにする。Ｌ1エコーとＬ2エコーが全く重なった時の遅延時間を読み取ってτＬとする。
【００５１】
測定データ解析手段１６は、このようにして求めた時間間隔τＬを（３）式に代入して縦波音速度ＣＬを求め、これを記憶する。なお、本発明では、時間間隔τＬの測定方法については、測定精度の良い時間測定方法であれば上記以外の汎用の手法を採用することが可能である。
【００５２】
図３（ｂ）は、測定データ解析手段１６に収集された横波超音波探触子３からのエコーデータの波形図である（図２のステップ５の指令に基づき得られた波形であり、その超音波進行方向はＸ軸方向である）。この図に示すように、横波超音波探触子３からのエコーデータは、一定の時間間隔を有する多重エコー（Ｓ(0)１、Ｓ(0)２、Ｓ(0)３、…）により構成されている。
【００５３】
ここで、Ｓ(0)１エコーとＳ(0)２エコーの時間間隔をτＳ（０）（sec）とすれば、この時間間隔τＳ（０）は試験体Ｍの板厚D（m）を往復する時間なので、試験体Ｍ中の横波音速度ＶＳ（０）（m/sec）は、下記の（５）式により計算される。
【数４】
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【００５４】
なお、横波の音速度は縦波の音速度の約半分なので、図３（ｂ）の時間間隔τＳ（０）は、図３（ａ）の時間間隔τＬの約２倍となっている。
【００５５】
また、時間間隔τＳ（０）の測定方法については、シングアラウンド法やエコーオーバーラップ法等の手法に限定されることなく、これら以外の精度の良い汎用の測定方法を用いることが可能であることは縦波の場合と同様である。
【００５６】
ところで、横波超音波探触子３の超音波進行方向が１８０°／Ｎの回転角度（例えば１５°）ずつ次第にＸ軸方向から離れていくように探触子ホルダ６を段階的に回転させ、各回転角度毎に超音波の発信・受信動作を行うと、このような一連の発信・受信動作により得られるエコーデータの波形は、試験体Ｍの表面組織音響異方性の影響を受けることになる。
【００５７】
図２のステップ６，７の処理により得られる、このような一連の（Ｎ−１）個の横波エコーデータ波形を考え、Ｉ番目の回転位置での発信・受信動作により得られた多重エコー間の時間間隔をτＳ（Ｉ）、その横波超音波の音速度をＶＳ（Ｉ）とする。このときの横波超音波の進行方向は、Ｘ軸方向から（Ｉ×１８０／Ｎ）（度）傾いた方向である。
【００５８】
このような一連の（Ｎ−１）個の横波エコーデータに係る音速度ＶＳ（１），ＶＳ（２），ＶＳ（３），…，ＶＳ（Ｉ），…，ＶＳ（Ｎ−１）は、（５）式と同様の下記の演算式により求めることができる。
【数５】
2008076387.tif 000007
【００５９】
図４は、上記のようにして得られた縦波超音波探触子１に係るエコーデータ、並びに横波超音波探触子３に係る各回転角度毎のエコーデータの時間間隔及び音速度をまとめたデータテーブルの内容を示す説明図である。測定データ解析手段１６は、このようなデータテーブルの内容を自己の記憶部に記憶する。
【００６０】
次に、上記のようなデータテーブルを用いて、試験体Ｍの表面組織音響異方性を求める方法につき説明する。
【００６１】
図５は、試験体Ｍ及びこれに設定された３次元座標を示す説明図であり、（ａ）はＸ軸に直交する面Ｐ1を斜線で示した説明図、（ｂ）はＹ軸に直交する面Ｐ2を斜線で示した説明図である。
【００６２】
図５（ａ）において、面Ｐ1に作用するＸ軸方向の残留応力をσｘ（ｚ）とすると、この面Ｐ1に外力は働いていないので、面Ｐ1における荷重の釣り合いから下記の（６）式が成立する。
【数６】
2008076387.tif 000008
【００６３】
ここで、σＸ（ｚ）がＹ軸方向で一様な場合には（６）式は（７）式のように書き換えることができ、したがって（８）式が成立する。
【数７】
2008076387.tif 000009
【００６４】
参考文献(２)によれば、縦波音速度について次のことが分かっている。まず、引張り残留応力の場合、残留応力方向と直交する方向に伝搬する縦波音速度は増加する。逆に、圧縮残留応力の場合には、残留応力方向と直交する方向に伝搬する縦波音速度は減少する。従って、これら残留応力は（８）式で示され、残留応力の影響が相殺されているので、試験体Ｍ中を伝搬する縦波音速度は、残留応力による変化は少ないと考えることができ、平均の音速度と考えることができる。
【００６５】
また、参考文献(２)によれば、上記の縦波音速度と同様に、横波音速度についても次のことが分かっている。すなわち、横波の振動方向と応力の方向が同じ場合、圧縮応力の場合には横波音速度が増加し、引張り応力の場合には横波音速度は減少する。従って、これら残留応力は（８）式で示され、残留応力の影響が相殺されているので、試験体Ｍ中を伝搬する横波音速度は、残留応力による変化は少ないと考えることができる。つまり、縦波音速度と同様に、ＶＳ（０）もＸ軸方向の残留応力の影響を受けず、表面組織音響異方性のみの影響を受けると考えることができる。
【００６６】
Ｙ軸方向の残留応力についても上記と同様に考えることができる。すなわち、図５（ｂ）において、面Ｐ2に作用するＹ軸方向の残留応力をσＹ（ｚ）とすると、この面Ｐ2に外力は働いていないので、面Ｐ2における荷重の釣り合いから下記の（９）式が成立する。
【数８】
2008076387.tif 000010
【００６７】
ここで、σＹ（ｚ）がＸ軸方向で一様な場合には（９）式は（１０）式のように書き換えることができ、したがって（１１）式が成立する。
【数９】
2008076387.tif 000011
【００６８】
従って、X軸の場合と同様に、Ｙ軸方向に振動する横波の音速度ＶＳ（Ｉ）はＹ軸方向の残留応力の影響を受けず、組織音響異方性のみの影響を受けた横波音速度と考えることができる。
【００６９】
それ故、これら残留応力に影響を受けにくい縦波音速度、及び横波音速度を使用して何らかの方法により、弾性表面波の音速度を算出できれば、表面組織音響異方性を定義することができる筈である。
【数１０】
2008076387.tif 000012
【数１１】
2008076387.tif 000013
【数１２】
2008076387.tif 000014
【００７０】
測定データ解析手段１６は、このようにして処理を行い、(１２)式及び(１３)式を用いて表面組織音響異方性の定数を算出することができる。
【００７１】
次に、第２の手法につき説明する。参考文献(３)によれば、下記の（１９）式のうちの左式のように、弾性表面波の音速度ＶＲと横波音速度ＶＳとの比をポアソン比σで表すことができ、このポアソン比σは下記の（１９）式のうちの右式のように、横波音速度ＶＳ及び縦波音速度ＣＬで表される。
【数１３】
2008076387.tif 000015
【数１４】
2008076387.tif 000016
【数１５】
2008076387.tif 000017
【００７２】
次に、第４の手法につき説明する。試験体Ｍの表面組織音響異方性の測定対象部位周りの弾性表面波音速度は予め実測することが可能である。この実測により取得した弾性表面波音速度をＶＲ’（Ｉ）とする。したがって、横波超音波探触子３をＸ軸から１８０°／Ｎの回転角度毎にＮ回回転させていき、各回転後の回転位置におけるＮ個のデータＶＲ’（Ｉ）を、（２５）式のように平均値演算すれば、等方性体における弾性表面波の音速度ＶＲ０を求めることができる。この求めた値を（１２），（１３）式に代入することにより、表面組織音響異方性の定数を算出することができる。
【数１６】
2008076387.tif 000018
【００７３】
次に、第５の手法につき説明する。第４の手法で述べたように、試験体Ｍの表面組織音響異方性の測定対象部位周りの弾性表面波音速度は予め実測することが可能である。したがって、Ｘ軸方向の伝搬する弾性表面波音速度をＶＲ’（０）、及びＹ軸方向の伝搬する弾性表面波音速度をＶＲ’（９０）についても実測することが可能である。そして、弾性表面波の音速度ＶＲ０は、下記の（２６）式に示すように、この２つの実測データの平均値演算により近似的に求めることができる。この求めた値を（１２），（１３）式に代入することにより、表面組織音響異方性の定数を算出することができる。
【数１７】
2008076387.tif 000019
【００７４】
以上説明してきたように、図１の構成によれば、測定データ解析手段１６は、縦波超音波探触子１及び横波超音波探触子３に対する探触子制御手段１３の制御により、エコーデータ、回転位置データ、スライド位置データ等の各種測定データを収集し、この収集した測定データ解析処理によって、従来は求めることができなかった表面組織音響異方性の定数を求めることが可能になる。したがって、この求めた表面組織音響異方性の定数に基づき、試験体Ｍすなわち応力測定対象材料の残留応力を精度良く演算することが可能になる。
【参考文献１】
【００７５】
福岡秀和編「音弾性の基礎と応用」オーム社、1993年4月
【参考文献２】
【００７６】
河田幸三監修「最新応力・ひずみ測定評価技術」、pp.308〜310、株式会社総合技術センター発行
【参考文献３】
【００７７】
B. A. Auld  :Acoustic Fields and Waves in Solid, Volume II,pp.88-94, Krieger Publishing Company, Florida
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の実施形態に係る超音波式応力測定方法を実施するために用いる装置の構成図。
【図２】図１の動作を説明するためのフローチャート。
【図３】図１における測定データ解析手段１６に収集されたエコーデータの波形図であり、（ａ）は縦波の多重エコー、（ｂ）は横波の多重エコーを示す。
【図４】図１における測定データ解析手段１６による演算データをまとめたデータテーブルの内容を示す説明図。
【図５】図１における試験体Ｍ及びこれに設定された３次元座標を示す説明図であり、（ａ）はＸ軸に直交する面Ｐ1を斜線で示した説明図、（ｂ）はＹ軸に直交する面Ｐ2を斜線で示した説明図。
【符号の説明】
【００７９】
Ｍ：試験体（応力測定対象材料）
１：縦波超音波探触子
２：縦波用接触媒質
３：横波超音波探触子
４：横波用接触媒質
５：探触子駆動機構
６：探触子ホルダ
７：スライド駆動部
８：回転駆動部
９：スライドドライバ
１０：スライド位置検出器
１１：回転ドライバ
１２：回転位置検出器
１３：探触子制御手段
１４：探触子切換器
１４ａ：接点
１５：超音波発信・受信回路
１６：測定データ解析手段
Ｐe：発射パルス
Ｐr：反射パルス
【図１】
2008076387.tif 000020
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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